JP2020077788A - Piezoelectric thin film, manufacturing method thereof, and use thereof - Google Patents

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Abstract

To provide a piezoelectric thin film having a desired piezoelectric response and reducing the stress generated in the piezoelectric thin film without complicating the structure and the process, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: In a piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a constituent, the mole fraction of Ar is 0.7% to 1.0% with respect to the total amount of N, O, and Ar contained in the piezoelectric thin film, and the mole fraction of O is 6.0% to 9.0%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は圧電体薄膜、その製造方法およびその利用に関する。   The present invention relates to a piezoelectric thin film, a method for manufacturing the same, and its use.

圧電体薄膜を設けた素子には、圧電体薄膜の成膜により応力が発生する。その応力の程度によっては、圧電体薄膜にクラックおよび剥離が生じたり、素子自体を変形させたりするという不具合が生じる。このような不具合を防ぐために(i)圧電体として用いる材料自体の開発および(ii)圧電体薄膜の構造の改良が進められている。(i)に関する従来技術として、圧電薄膜および圧電振動子としてAlN結晶と、AlN結晶においてAlと置き換えられる少なくとも1つの第1元素と、第1元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Alのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、Al結晶に添加される第2元素と、を含有する圧電薄膜が知られている(特許文献1)。(ii)に関する従来技術として、ガリウム窒化物または他の窒化物ベースの半導体デバイスの裏側に応力補償層を設けている構造(特許文献2)、および応力緩和用のスリットを設けた構造(特許文献3)が開示されている。   Stress is generated in the element provided with the piezoelectric thin film due to the film formation of the piezoelectric thin film. Depending on the degree of the stress, defects such as cracking and peeling of the piezoelectric thin film or deformation of the element itself occur. In order to prevent such problems, (i) development of the material itself used as the piezoelectric body and (ii) improvement of the structure of the piezoelectric thin film are under way. As a conventional technique related to (i), an AlN crystal as a piezoelectric thin film and a piezoelectric vibrator, at least one first element replaced with Al in the AlN crystal, and an ionic radius of Al smaller than the ionic radius of the first element. There is known a piezoelectric thin film having a larger ionic radius and containing a second element added to an Al crystal (Patent Document 1). As a conventional technique related to (ii), a structure in which a stress compensation layer is provided on the back side of a semiconductor device based on gallium nitride or another nitride (Patent Document 2) and a structure in which a slit for stress relaxation is provided (Patent Document 2) 3) is disclosed.

WO2016/111280号公報WO2016 / 111280 特表2013−513944号公報Japanese Patent Publication No. 2013-513944 特開2013−143682号公報JP, 2013-143682, A

しかしながら、上述の従来技術はいずれも、構造およびプロセスを複雑化させることなく、薄膜内に生じる応力が低減され、かつ所望の圧電応答性を有する圧電体薄膜を提供するという点で十分ではなかった。前記(i)の従来技術では、圧電体層の成膜時の応力を低減するために異種材料を用いることにより、主要構成元素割合を変える必要が生じる。また、前記(ii)の従来技術では、応力緩和層や応力補償層が設けられる結果、デバイス構造ならびにプロセスが複雑化するという問題がある。   However, none of the above-mentioned conventional techniques is sufficient in providing a piezoelectric thin film in which stress generated in the thin film is reduced and which has a desired piezoelectric response without complicating the structure and the process. .. In the prior art (i), it is necessary to change the proportion of main constituent elements by using different materials in order to reduce the stress at the time of forming the piezoelectric layer. Further, the conventional technique (ii) has a problem that the device structure and the process are complicated as a result of providing the stress relaxation layer and the stress compensation layer.

本発明の一態様は、構造およびプロセスを複雑化させることなく、圧電体薄膜内に生じる応力を低減し、かつ所望の圧電応答性を有する圧電体薄膜、およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric thin film that reduces stress generated in the piezoelectric thin film and has a desired piezoelectric response without complicating the structure and the process, and a manufacturing method thereof. And

前記課題を解決するために、本発明は、以下の<1>〜<8>に記載の発明を含む。   In order to solve the above problems, the present invention includes the inventions described in <1> to <8> below.

<1>Alを構成成分とする窒化物を含む圧電体薄膜であって、
前記圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArのモル分率が0.7%〜1.0%であり、かつOのモル分率が6.0%〜9.0%である、圧電体薄膜。
<1> A piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a constituent,
The mole fraction of Ar is 0.7% to 1.0% and the mole fraction of O is 6.0% to 9.0% with respect to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film. Is a piezoelectric thin film.

<2>前記Alを構成成分とする窒化物のAlの一部が他の金属元素によって置き換えられた、<1>に記載の圧電体薄膜。   <2> The piezoelectric thin film according to <1>, wherein a part of Al in the nitride containing Al as a constituent is replaced by another metal element.

<3>前記他の金属元素がScである、<2>に記載の圧電体薄膜。   <3> The piezoelectric thin film according to <2>, wherein the other metal element is Sc.

<4>表面の算術平均高さSaが3.0nm〜9.0nm、かつ表面の界面の展開面積比Sdrが0.0002〜0.015である、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の圧電体薄膜。   <4> Any one of <1> to <3>, in which the arithmetic average height Sa of the surface is 3.0 nm to 9.0 nm, and the developed area ratio Sdr of the interface of the surface is 0.0002 to 0.015. The piezoelectric thin film described in 1.

<5><1>〜<4>のいずれか1つに記載の圧電体薄膜を備える、圧電素子。   <5> A piezoelectric element comprising the piezoelectric thin film according to any one of <1> to <4>.

<6><5>に記載の圧電素子を備える、圧電デバイス。   <6> A piezoelectric device including the piezoelectric element according to <5>.

<7><1>〜<4>のいずれか1つに記載の圧電体薄膜の製造方法であって、
Alを含むターゲットを用いて、ArガスおよびNガスを含む混合ガス雰囲気中で、第1のスパッタガス圧にて、スパッタリングによりシード層を形成するシード層形成工程と、
前記シード層形成工程におけるスパッタガス圧を、第1のスパッタガス圧よりも大きい第2のスパッタガス圧に変更して、前記シード層上にスパッタリングにより成長層を形成する成長層形成工程と、を含む、圧電体薄膜の製造方法。
<7> A method for manufacturing a piezoelectric thin film according to any one of <1> to <4>,
A seed layer forming step of forming a seed layer by sputtering in a mixed gas atmosphere containing Ar gas and N 2 gas at a first sputtering gas pressure using a target containing Al;
A growth layer forming step of forming a growth layer on the seed layer by sputtering by changing the sputtering gas pressure in the seed layer forming step to a second sputtering gas pressure higher than the first sputtering gas pressure. A method of manufacturing a piezoelectric thin film, comprising:

<8>前記ターゲットがScAl合金からなる、<7>に記載の圧電体薄膜の製造方法。   <8> The method for manufacturing a piezoelectric thin film according to <7>, wherein the target is made of ScAl alloy.

本発明の一態様によれば、圧電体薄膜内に生じる応力が低減され、かつ所望の圧電応答性を有する圧電体薄膜、およびその製造方法を提供することができる。   According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric thin film that reduces stress generated in the piezoelectric thin film and has a desired piezoelectric response, and a method for manufacturing the same.

本発明の実施形態1に係る圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を示す。(a)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をSEMによって観察した結果を示す。(b)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をレーザー顕微鏡によって観察した結果を示す。(c)は当該圧電体薄膜側の表面の対角線上(図1の(b)に記載の矢印上)の高さプロファイルを示す。The result of having observed the laminated body of the piezoelectric thin film and the substrate concerning Embodiment 1 of the present invention is shown. (A) shows the result of observing the surface of the laminate on the piezoelectric thin film side by SEM. (B) shows the result of observing the surface of the laminated body on the piezoelectric thin film side with a laser microscope. (C) shows a height profile on the diagonal line (on the arrow shown in (b) of FIG. 1) of the surface of the piezoelectric thin film side. 本発明の比較例1に係る圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を示す。(a)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をSEMによって観察した結果を示す。(b)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をレーザー顕微鏡によって観察した結果を示す。(c)は当該圧電体薄膜側の表面の対角線上(図2の(b)に記載の矢印上)の高さプロファイルを示す。The result of having observed the layered product of the piezoelectric thin film and the substrate concerning the comparative example 1 of the present invention is shown. (A) shows the result of observing the surface of the laminate on the piezoelectric thin film side by SEM. (B) shows the result of observing the surface of the laminated body on the piezoelectric thin film side with a laser microscope. (C) shows the height profile on the diagonal line (on the arrow shown in (b) of FIG. 2) of the surface of the piezoelectric thin film side. 本発明の比較例2に係る圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を示す。(a)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をSEMによって観察した結果を示す。(b)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をレーザー顕微鏡によって観察した結果を示す。(c)は当該圧電体薄膜側の表面の対角線上(図3の(b)に記載の矢印上)の高さプロファイルを示す。The result of having observed the laminated body of the piezoelectric thin film and the substrate concerning the comparative example 2 of the present invention is shown. (A) shows the result of observing the surface of the laminate on the piezoelectric thin film side by SEM. (B) shows the result of observing the surface of the laminated body on the piezoelectric thin film side with a laser microscope. (C) shows the height profile on the diagonal line (on the arrow shown in (b) of FIG. 3) of the surface of the piezoelectric thin film side.

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されない。本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A〜B」は、「A以上、B以下」を意味する。   Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto. Unless otherwise specified in the present specification, “A to B” representing a numerical range means “A or more and B or less”.

〔1.圧電体薄膜〕
本発明の一実施形態に係る圧電体薄膜は、Alを構成成分とする窒化物を含む圧電体薄膜であって、前記圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArのモル分率が0.7%〜1.0%であり、かつOのモル分率が6.0%〜9.0%である。
[1. Piezoelectric thin film]
A piezoelectric thin film according to an embodiment of the present invention is a piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a constituent component, and the molar amount of Ar relative to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film. The ratio is 0.7% to 1.0%, and the O mole fraction is 6.0% to 9.0%.

前記圧電体薄膜は、Alを構成成分とする窒化物を含む圧電体薄膜であり、より好ましくは、Alを構成成分とする窒化物を主成分として含む圧電体薄膜である。ここで、「主成分として含む」とは、圧電体薄膜の総量に対して、少なくとも50質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上含むことを意味する。前記圧電体薄膜は、Alを構成成分とする窒化物以外に、酸化物を含み得る。   The piezoelectric thin film is a piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a constituent, and more preferably a piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a main constituent. Here, “comprising as a main component” includes at least 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, and further preferably 95 mass% or more with respect to the total amount of the piezoelectric thin film. Means that. The piezoelectric thin film may include an oxide in addition to the nitride containing Al as a constituent component.

前記圧電体薄膜は、圧電体薄膜中にOおよびArを含んでいる。OおよびArは、圧電体薄膜中の、Alを構成成分とする窒化物中に含まれ得る。ここで、Arは圧電体薄膜の製造時に用いられるArガスに由来する。また、Oは装置内壁および配管部に吸着している水分、ならびに表面酸化被膜、ターゲットおよび導入ガス中の残留酸素に由来すると考えられる。本発明の一実施形態において、N、OおよびArの総量に対するArのモル分率は0.7%〜1.0%であり、かつN、OおよびArの総量に対するOのモル分率は6.0%〜9.0%である。N、OおよびArの総量に対するArおよびOのモル分率を前記範囲内とすることにより、薄膜内に生じる応力が低減され、かつ所望の圧電応答性を有する圧電体薄膜を実現することができる。   The piezoelectric thin film contains O and Ar in the piezoelectric thin film. O and Ar may be contained in the nitride containing Al as a constituent in the piezoelectric thin film. Here, Ar is derived from Ar gas used in manufacturing the piezoelectric thin film. Further, it is considered that O originates from the moisture adsorbed on the inner wall of the apparatus and the pipe portion, and the surface oxide film, the target and oxygen remaining in the introduced gas. In an embodiment of the present invention, the mole fraction of Ar to the total amount of N, O and Ar is 0.7% to 1.0%, and the mole fraction of O to the total amount of N, O and Ar is 6%. It is 0.0% -9.0%. By setting the mole fraction of Ar and O with respect to the total amount of N, O, and Ar within the above range, it is possible to realize a piezoelectric thin film in which the stress generated in the thin film is reduced and which has a desired piezoelectric response. ..

本発明の一実施形態において、前記圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対する、Arのモル分率は0.7%〜1.0%であればよいが、より好ましくは0.7%〜0.9%、さらに好ましくは0.7%〜0.8%である。   In one embodiment of the present invention, the molar fraction of Ar with respect to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film may be 0.7% to 1.0%, but is more preferably 0. 0.7% to 0.9%, more preferably 0.7% to 0.8%.

また、本発明の一実施形態において、前記圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対する、Oのモル分率は6.0%〜9.0%であればよいが、より好ましくは7.0%〜9.0%、さらに好ましくは8.0〜9.0%である。   Further, in one embodiment of the present invention, the molar fraction of O relative to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film may be 6.0% to 9.0%, but is more preferable. Is 7.0% to 9.0%, more preferably 8.0 to 9.0%.

本発明の一実施形態において、前記圧電体薄膜中に含まれるAlを構成成分とする窒化物のAlの一部が他の金属元素に置き換えられてもよい。Alの一部と置き換えられる他の金属元素の例としては、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)等の第3族元素;Ga(ガリウム)、In(インジウム)等の第13族元素;またはこれらの元素の2種類以上の組合せが挙げられる。前記他の金属元素に置き換えることにより、圧電性を示すウルツ鉱型結晶構造をとる組成範囲を広げることができるため好ましい。中でも前記他の金属元素は、圧電体薄膜の圧電応答性を向上させるとの観点からScを含むことがより好ましく、Scであることがさらに好ましい。   In one embodiment of the present invention, a part of Al in a nitride containing Al as a constituent in the piezoelectric thin film may be replaced with another metal element. Examples of other metal elements that can replace a part of Al include Group 3 elements such as Sc (scandium) and Y (yttrium); Group 13 elements such as Ga (gallium) and In (indium); or these. A combination of two or more of the above elements can be mentioned. Substituting with the other metal element is preferable because the composition range of the wurtzite crystal structure exhibiting piezoelectricity can be expanded. Among them, the other metal element more preferably contains Sc, and more preferably Sc, from the viewpoint of improving the piezoelectric response of the piezoelectric thin film.

本発明の一実施形態において、Alおよび他の金属元素の総量に対する、前記他の金属元素のモル分率は、好ましくは60%以下であり、より好ましくは0.5%〜50%である。前記他の金属元素のモル分率が前記範囲内であれば、圧電体薄膜の圧電応答性の観点から好ましい。また、本発明の一実施形態において、Alおよび他の金属元素の総量に対する、Scのモル分率は、好ましくは60%以下であり、より好ましくは0.5%〜50%である。Scのモル分率が前記範囲内であれば、圧電体薄膜の圧電応答性をさらに向上させることができるため好ましい。   In one embodiment of the present invention, the mole fraction of the other metal element relative to the total amount of Al and the other metal element is preferably 60% or less, more preferably 0.5% to 50%. When the mole fraction of the other metal element is within the above range, it is preferable from the viewpoint of piezoelectric response of the piezoelectric thin film. Further, in one embodiment of the present invention, the mole fraction of Sc with respect to the total amount of Al and other metal elements is preferably 60% or less, and more preferably 0.5% to 50%. When the mole fraction of Sc is within the above range, the piezoelectric response of the piezoelectric thin film can be further improved, which is preferable.

前記圧電体薄膜表面の算術平均高さSaは好ましくは3.0nm〜9.0nmであり、さらに好ましくは3.0nm〜7.0nmである。ここで、算術平均高さSaとは、ISO25718において規定されている、被評価面の平均面に対して、各点の高さの差の絶対値の平均を表す値であり、ここでは圧電体薄膜の表面の粗さを評価する指標の一つとなる。具体的には、前記圧電体薄膜表面の算術平均高さSaは実施例に記載の方法により、決定された値である。   The arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric thin film is preferably 3.0 nm to 9.0 nm, more preferably 3.0 nm to 7.0 nm. Here, the arithmetic average height Sa is a value that represents the average of absolute values of height differences at respective points with respect to the average surface of the surface to be evaluated, which is defined in ISO 25718, and here, the piezoelectric body. It is one of the indexes for evaluating the surface roughness of the thin film. Specifically, the arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric thin film is a value determined by the method described in the example.

前記圧電体薄膜表面の界面の展開面積比Sdrは好ましくは0.0002〜0.015であり、より好ましくは0.0008〜0.010である。ここで、界面の展開面積比SdrもまたISO25718に規定されており、定義領域の展開面積(表面積)が、定義領域の面積に対してどれだけ増大しているかを表す値であり、面の粗さを評価する指標の一つである。具体的には、前記圧電体薄膜表面の界面の展開面積比Sdrは実施例に記載の方法により、決定された値である。完全に平坦な面であれば界面の展開面積比Sdrは0となる。   The developed area ratio Sdr of the interface on the surface of the piezoelectric thin film is preferably 0.0002 to 0.015, and more preferably 0.0008 to 0.010. Here, the developed area ratio Sdr of the interface is also specified in ISO 25718, and is a value that indicates how much the developed area (surface area) of the defined area increases with respect to the area of the defined area. It is one of the indicators to evaluate the quality. Specifically, the developed area ratio Sdr of the interface on the surface of the piezoelectric thin film is a value determined by the method described in the example. If it is a completely flat surface, the development area ratio Sdr of the interface will be zero.

本発明の一実施形態において、前記圧電体薄膜の膜厚は、用途および周辺構造等に応じ適宜決定すればよく、特に限定されるものではないが、例えば0.5μm〜10μmであり、より好ましくは2.0μm〜5.0μmである。   In one embodiment of the present invention, the film thickness of the piezoelectric thin film may be appropriately determined according to the application and the peripheral structure, and is not particularly limited, but is, for example, 0.5 μm to 10 μm, and more preferably Is 2.0 μm to 5.0 μm.

本発明の一実施形態において、前記圧電体の圧電定数[pC/N]は好ましくは、3pC/N以上であり、より好ましくは10pC/N以上である。ここで、圧電定数は、加えた力に対する発生電荷の大きさを表す指標である。圧電定数が大きいほど、圧電応答性が高いと言える。具体的には、圧電定数は、実施例に記載の方法により、決定された値である。圧電定数が前記範囲内であれば、通信用高周波フィルターまたは各種圧電センサ等の用途で期待される性能を満足させることができる。   In one embodiment of the present invention, the piezoelectric constant [pC / N] of the piezoelectric body is preferably 3 pC / N or more, and more preferably 10 pC / N or more. Here, the piezoelectric constant is an index representing the magnitude of the generated charge with respect to the applied force. It can be said that the larger the piezoelectric constant, the higher the piezoelectric response. Specifically, the piezoelectric constant is a value determined by the method described in the example. When the piezoelectric constant is within the above range, the performance expected in applications such as a high frequency filter for communication or various piezoelectric sensors can be satisfied.

本発明の一実施形態において、前記圧電体薄膜は、24mm×24mm×0.5mmのシリコンウェーハ上に成膜した場合の、圧電体薄膜表面の高さ変化の最大値が10μm以下であることが望ましい。ここでいう「圧電体薄膜表面の高さ変化の最大値(最大変位)」は、24mm×24mm×0.5mmのシリコンウェーハ上に成膜した圧電体薄膜の対角線上の両端を結ぶ直線を基準にした時の対角線中央部での高さ変化量(以下、「最大変位」と称する)を意味する。具体的には、最大変位は、実施例に記載の方法により、決定された値である。同じ厚さの圧電体薄膜を堆積させた場合、最大変位がより小さい正の値であるほど、圧電体薄膜の反りが小さい、つまり圧電体薄膜内に生じる応力が低減されているといえる。   In one embodiment of the present invention, the piezoelectric thin film has a maximum height change of 10 μm or less on the surface of the piezoelectric thin film when formed on a silicon wafer of 24 mm × 24 mm × 0.5 mm. desirable. The "maximum change in height of the piezoelectric thin film surface (maximum displacement)" here is based on the straight line connecting the diagonal ends of the piezoelectric thin film formed on a 24 mm x 24 mm x 0.5 mm silicon wafer. It means the amount of change in height at the center of the diagonal line (hereinafter, referred to as “maximum displacement”). Specifically, the maximum displacement is a value determined by the method described in the example. It can be said that when a piezoelectric thin film having the same thickness is deposited, the smaller the maximum displacement is, the smaller the warp of the piezoelectric thin film is, that is, the stress generated in the piezoelectric thin film is reduced.

前記圧電体薄膜内に生じる応力[MPa]とは、基板と前記圧電体薄膜との物理的性質が異なること等により、前記圧電体薄膜にかかるストレスのことである。圧電体薄膜を基板上に積層させることにより薄膜内に生じる応力によって、圧電体薄膜にクラックや剥離が生じたり、また圧電体薄膜を利用した圧電素子を変形させたりという問題が起こる。具体的には、応力は、実施例に記載の方法により、決定された値である。本発明の一実施形態に係る圧電体薄膜内に生じる応力は、該圧電体薄膜の膜厚にもよるが、例えば、薄膜の厚さが2.5μmである場合、0MPa〜250MPaであることが望ましい。   The stress [MPa] generated in the piezoelectric thin film is a stress applied to the piezoelectric thin film due to a difference in physical properties between the substrate and the piezoelectric thin film. By laminating the piezoelectric thin film on the substrate, the stress generated in the thin film causes problems such as cracking and peeling of the piezoelectric thin film, and deformation of the piezoelectric element using the piezoelectric thin film. Specifically, the stress is a value determined by the method described in the examples. The stress generated in the piezoelectric thin film according to the embodiment of the present invention depends on the film thickness of the piezoelectric thin film, but is, for example, 0 MPa to 250 MPa when the thin film has a thickness of 2.5 μm. desirable.

〔2.圧電体薄膜の製造方法〕
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、〔1〕において記載したような圧電体薄膜を製造する方法であれば、特に限定されるものではないが、例えば以下に示す圧電体薄膜の製造方法を挙げることができる。
[2. Method for manufacturing piezoelectric thin film]
The method for producing a piezoelectric thin film according to the present invention is not particularly limited as long as it is a method for producing a piezoelectric thin film as described in [1]. For example, the following method for producing a piezoelectric thin film is shown. Can be mentioned.

すなわち、本発明の一実施形態に係る圧電体薄膜の製造方法は、Alを含むターゲットを用いて、ArガスおよびNガスを含む混合ガス雰囲気中で、第1のスパッタガス圧にて、スパッタリングによりシード層を形成するシード層形成工程と、前記シード層形成工程におけるスパッタガス圧を、第1のスパッタガス圧よりも大きい第2のスパッタガス圧に変更して、前記シード層上にスパッタリングにより成長層を形成する成長層形成工程とを含む。 That is, the method for manufacturing a piezoelectric thin film according to the embodiment of the present invention is performed by using a target containing Al and performing sputtering at a first sputtering gas pressure in a mixed gas atmosphere containing Ar gas and N 2 gas. And a seed layer forming step of forming a seed layer by changing the sputtering gas pressure in the seed layer forming step to a second sputtering gas pressure higher than the first sputtering gas pressure, and sputtering on the seed layer. And a growth layer forming step of forming a growth layer.

本発明の一実施形態に係る圧電体薄膜の製造方法においては、Alを含むターゲットを用いる。前記ターゲットは、Alを含んでいればよい。したがって、前記ターゲットはAlからなるターゲットであってもよいし、Alおよび前述の「他の金属元素」を含んでいる合金でもよい。「他の金属元素」については、〔1.圧電体薄膜〕にて説明したとおりである。前記ターゲットは、圧電体薄膜の圧電応答性を向上させるとの観点からScを含む合金であることがより好ましく、ScAl合金であることがさらに好ましい。   In the method for manufacturing a piezoelectric thin film according to the embodiment of the present invention, a target containing Al is used. The target only needs to contain Al. Therefore, the target may be a target made of Al or an alloy containing Al and the above-mentioned “other metal element”. Regarding “other metal elements”, [1. Piezoelectric thin film]. The target is preferably an alloy containing Sc, and more preferably a ScAl alloy from the viewpoint of improving the piezoelectric response of the piezoelectric thin film.

前記合金において、合金中に対する他の金属元素のモル分率は、他の金属元素の種類にもよるが60%以下であることが好ましく、0.5%〜50%であることがより好ましい。また、前記合金において、合金中に対するScのモル分率は60%以下であることが好ましく、0.5%〜50%であることがより好ましい。   In the above alloy, the mole fraction of the other metal element in the alloy is preferably 60% or less, more preferably 0.5% to 50%, although it depends on the kind of the other metal element. Further, in the above alloy, the mole fraction of Sc with respect to the alloy is preferably 60% or less, and more preferably 0.5% to 50%.

なお、前記他の金属元素を含む圧電体薄膜を製造する場合、前記合金を用いることが製造工程および装置の簡略化の点でより好ましいが、Alからなるターゲットと、他の金属元素からなるターゲットとを用いてスパッタリングを行ってもよい。   When manufacturing a piezoelectric thin film containing the other metal element, it is more preferable to use the alloy in terms of simplification of the manufacturing process and the apparatus, but a target made of Al and a target made of the other metal element are preferable. You may perform sputtering using.

本発明の一実施形態において、前記スパッタリングは、ArガスおよびNガスを含む混合ガス雰囲気下で行う。前記混合ガスは、ArガスおよびNガスを含んでいればよい。したがって、前記混合ガスは、ArガスおよびNガスに加えて、O、オゾン、二酸化窒素、水蒸気、過酸化水素等のガスを含み得る。 In one embodiment of the present invention, the sputtering is performed in a mixed gas atmosphere containing Ar gas and N 2 gas. The mixed gas may include Ar gas and N 2 gas. Therefore, the mixed gas may include gases such as O 2 , ozone, nitrogen dioxide, water vapor, and hydrogen peroxide, in addition to Ar gas and N 2 gas.

前記混合ガス中の窒素ガス濃度は好ましくは10体積%〜99.9999体積%であり、圧電体薄膜の圧電応答性を向上させるという観点から、より好ましくは20体積%〜50体積%である。前記混合ガス中のArガス濃度は好ましくは90体積%以下であり、より好ましくは50体積%〜80体積%である。また、前記混合ガス中のO、オゾン、二酸化窒素、水蒸気、過酸化水素等のガス濃度は好ましくは1体積%以下である。 The nitrogen gas concentration in the mixed gas is preferably 10% by volume to 99.9999% by volume, and more preferably 20% by volume to 50% by volume from the viewpoint of improving the piezoelectric response of the piezoelectric thin film. The Ar gas concentration in the mixed gas is preferably 90% by volume or less, and more preferably 50% by volume to 80% by volume. The gas concentration of O 2 , ozone, nitrogen dioxide, water vapor, hydrogen peroxide, etc. in the mixed gas is preferably 1% by volume or less.

前記圧電体薄膜は、基板上に形成することができる。基板としては、例えばシリコン、サファイヤ、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、水晶、ガラス、金属、ステンレス、ニッケル合金、アルミ合金、ポリエーテルイミド(PEI)またはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等のエンジニアリングプラスチック、高分子フィルム等からなるものを用いることができる。前記高分子フィルムとしては、例えばポリイミドフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムまたは液晶ポリマー(LCP)フィルム等を挙げることができる。   The piezoelectric thin film can be formed on a substrate. Examples of the substrate include silicon, sapphire, silicon carbide, gallium nitride, lithium niobate, tantalum niobate, crystal, glass, metal, stainless steel, nickel alloy, aluminum alloy, polyetherimide (PEI) or polyetheretherketone (PEEK). ) And other engineering plastics, polymer films and the like can be used. Examples of the polymer film include a polyimide film, a polycarbonate film, a polyethylene terephthalate (PET) film, a liquid crystal polymer (LCP) film, and the like.

本発明の一実施形態において、N、OおよびArの総量に対するArおよびOのモル分率は、スパッタガス圧を圧電体薄膜の成膜の過程で、第1のスパッタガス圧から、第1のスパッタガス圧よりも大きい第2のスパッタガス圧に変更することによって、前述の範囲に調整することができる。   In one embodiment of the present invention, the molar fractions of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar are determined by changing the sputtering gas pressure from the first sputtering gas pressure to the first sputtering gas pressure during the process of forming the piezoelectric thin film. By changing the second sputtering gas pressure higher than the sputtering gas pressure, the above range can be adjusted.

第1のスパッタガス圧での成膜時には、基板−ターゲット間距離はスパッタ粒子の平均自由行程よりも短いために、スパッタ粒子は他の粒子と衝突する頻度が小さい。そのため、スパッタされた際のエネルギーを著しく損失することなく基板表面まで飛来して捕捉され、窒化物として堆積していく。このとき十分なエネルギーを有するスパッタ粒子やスパッタガスであるAr粒子により、表面に形成されつつある弱い結合部は逆スパッタされ、強い結合を持つ構造、つまり原子密度の高い(0001)が残り易くなる。このように不要な結合部を逆スパッタにより除去するためには、スパッタガスであるAr粒子が十分なエネルギーを保持したまま相応の頻度で基板と衝突する必要がある。この頻度が高まると、圧電体薄膜内部に残留するArも当然高くなり、圧電体薄膜の応力を増大させることになる。したがって、圧電性を示すウルツ鉱型結晶が(0001)配向した、緻密な圧電体薄膜が応力の高い状態で形成されるようになる時、Arのモル分率は高くなる傾向にあると考えられる。   During the film formation with the first sputtering gas pressure, the distance between the substrate and the target is shorter than the mean free path of the sputtered particles, so that the sputtered particles rarely collide with other particles. Therefore, the sputtered energy jumps to and is captured by the substrate surface without significant loss of energy, and is deposited as a nitride. At this time, sputtered particles having sufficient energy and Ar particles which are sputtered gas reversely sputter the weakly-bonded portion that is being formed on the surface, and a structure having a strong bond, that is, (0001) having a high atomic density tends to remain. .. Thus, in order to remove the unnecessary bonding portion by the reverse sputtering, it is necessary that the Ar particles, which are the sputtering gas, collide with the substrate at a proper frequency while keeping sufficient energy. When this frequency increases, naturally Ar remaining inside the piezoelectric thin film also increases, and the stress of the piezoelectric thin film increases. Therefore, when a dense piezoelectric thin film in which a wurtzite crystal exhibiting piezoelectricity is (0001) -oriented and a high-stress state is formed, the molar fraction of Ar tends to increase. ..

第1のスパッタガス圧よりも高い第2のスパッタガス圧でスパッタを行うと、ガス圧が上昇したことにより空間中の粒子密度が増し平均自由行程が短くなる。その結果、スパッタ粒子は他の粒子と衝突することなく基板表面に達することが難しくなるため、基板到達時には第1のスパッタガス圧での成膜時よりもエネルギーを失っていたり、NやOと結合して二原子体を構成して基板上に飛来したりする。その結果、(0001)以外の成長を十分に抑制できず(0001)の優先成長が阻害されてしまい、(0001)配向度と圧電性の低下をもたらす。(0001)配向が低下し、面内原子密度の低い結晶面が成長面になると、それまでと比べ応力は低下する。同時に、例えば(10−10)が形成されるようになると、(10−10)方向の弱いAl−N結合に代わりAl−O結合が欠陥をともないながら生成し易くなると考えられる。その結果、応力は低いものの、Oモル濃度の高い圧電体薄膜が形成されていくと考えられる。   When the sputtering is carried out at the second sputtering gas pressure higher than the first sputtering gas pressure, the gas pressure is increased, so that the particle density in the space is increased and the mean free path is shortened. As a result, it becomes difficult for the sputtered particles to reach the surface of the substrate without colliding with other particles. Therefore, when the sputtered particles reach the substrate, they lose energy more than when the film is formed at the first sputtering gas pressure, and N or O They combine to form diatomic bodies and fly onto the substrate. As a result, growth other than (0001) cannot be sufficiently suppressed, and preferential growth of (0001) is impeded, resulting in a decrease in the degree of (0001) orientation and piezoelectricity. When the (0001) orientation decreases and the crystal plane having a low in-plane atomic density becomes the growth surface, the stress decreases as compared with that until then. At the same time, for example, when (10-10) is formed, it is considered that Al—O bonds are easily generated with defects, instead of weak Al—N bonds in the (10-10) direction. As a result, it is considered that a piezoelectric thin film having a high O molar concentration is formed although the stress is low.

第1のスパッタガス圧での成膜により、圧電性を示すウルツ鉱型結晶が(0001)配向した、緻密な圧電体薄膜が応力の高い状態で形成される。これに引き続き第2のスパッタガス圧での成膜を行うと、第1のスパッタガス圧での成膜時よりもエネルギーを失った単一スパッタ粒子や、NやOと結合して二原子体を構成したAl−NやAl−O粒子が基板上に飛来することになる。基板上にはすでに(0001)配向膜が形成されているが、この表面上にはAl−N二原子体を吸着できるサイトはないため、エネルギーを失った単一のスパッタ粒子がそれまでに引き続き(0001)を維持しつつ成長していくことになる。その結果、Oのモル濃度上昇と圧電体薄膜内での応力の蓄積を抑制しつつ高い圧電性を示す圧電体薄膜を得ることが可能になる。従って、高い圧電性を獲得するのに必要なArモル分率よりも低い領域で、かつ応力抑制効果を示すのに必要なOモル分率よりも低い領域に、圧電性が高くかつ応力の低い圧電体薄膜を形成できる領域を見出すことができると考えらえる。   By the film formation under the first sputtering gas pressure, a dense piezoelectric thin film in which wurtzite type crystal exhibiting piezoelectricity is (0001) oriented is formed in a high stress state. Subsequent to this, when film formation is performed at the second sputtering gas pressure, single sputtered particles that have lost energy as compared with the film formation at the first sputtering gas pressure, or diatomic bodies that combine with N or O are formed. The Al-N and Al-O particles constituting the above will fly onto the substrate. A (0001) oriented film has already been formed on the substrate, but since there are no sites on this surface that can adsorb Al-N diatomic bodies, the single sputtered particles that have lost energy will continue to exist until then. It will grow while maintaining (0001). As a result, it becomes possible to obtain a piezoelectric thin film that exhibits high piezoelectricity while suppressing an increase in the molar concentration of O and accumulation of stress in the piezoelectric thin film. Therefore, the piezoelectricity is high and the stress is low in the region lower than the Ar mole fraction required to obtain high piezoelectricity and lower than the O mole fraction required to exhibit the stress suppressing effect. It is considered that the area where the piezoelectric thin film can be formed can be found.

前記スパッタリングにおいて、前記合金ターゲット材は、例えば、高周波誘導加熱やアーク溶解、または元素粉末や合金粉末を圧粉・焼結する方法により製造することができる。   In the sputtering, the alloy target material can be produced by, for example, high frequency induction heating, arc melting, or a method of compacting and sintering element powder or alloy powder.

前記スパッタリングにおいて、スパッタリングチャンバー内圧力は、スパッタリング可能であれば特に限定されないが、例えば1×10−1Pa〜4×10Pa下で行うことができる。好ましくは、0.3×10−1Pa〜3×10Paで行うことがよい。 In the sputtering, the internal pressure of the sputtering chamber is not particularly limited as long as sputtering is possible, but for example, it can be performed under 1 × 10 −1 Pa to 4 × 10 0 Pa. Preferably, it is performed at 0.3 × 10 −1 Pa to 3 × 10 0 Pa.

前記スパッタリング工程における基板の温度は、特に限定されないが、圧電体薄膜の極性制御のしやすさの観点から、400K〜650Kの範囲が好ましい。   The temperature of the substrate in the sputtering step is not particularly limited, but is preferably in the range of 400K to 650K from the viewpoint of easy control of the polarity of the piezoelectric thin film.

本発明の一実施形態において、スパッタリングは、まず、シード層を形成するために、好ましくは0.1Pa〜0.5Pa、より好ましくは0.3Pa〜0.4Paの第1のスパッタガス圧で行われる。その後、成長層を形成するために、好ましくは0.5Pa〜4.0Pa、より好ましくは1.0Pa〜2.0Paの第2のスパッタガス圧で行われる。この2段階のスパッタリング工程は、途中で中断することなく、連続して行うことが圧電体薄膜のプロセスの効率化の観点からより好ましい。   In one embodiment of the present invention, the sputtering is first performed at a first sputtering gas pressure of preferably 0.1 Pa to 0.5 Pa, more preferably 0.3 Pa to 0.4 Pa to form the seed layer. Be seen. Then, in order to form a growth layer, the second sputtering gas pressure is preferably 0.5 Pa to 4.0 Pa, more preferably 1.0 Pa to 2.0 Pa. It is more preferable to continuously perform the two-step sputtering process without interruption in the middle, from the viewpoint of increasing the efficiency of the piezoelectric thin film process.

本明細書中に記載の「シード層」という用語は、圧電体薄膜において、基板に最初に積層される層を示す。具体的には、比較的低圧の0.1Pa〜0.5Paのスパッタガス圧で、0.3時間〜2時間、本発明の一実施形態に係るスパッタリングを行った結果得られる、優れた圧電特性を有する層のことである。   The term "seed layer" described herein refers to the layer of the piezoelectric thin film that is first deposited on the substrate. Specifically, excellent piezoelectric characteristics obtained as a result of performing sputtering according to an embodiment of the present invention for 0.3 hours to 2 hours at a relatively low sputtering gas pressure of 0.1 Pa to 0.5 Pa. Is a layer having.

本明細書中に記載の「成長層」という用語は、前記シード層上に形成される層を示す。具体的には、比較的高圧の0.5〜4.0Paのスパッタガス圧で、1時間〜8時間、本発明の一実施形態に係るスパッタリングを行った結果得られる、圧電体薄膜内で生じる応力がシード層よりも緩和された層のことである。   The term "growth layer" as used herein refers to the layer formed on the seed layer. Specifically, it occurs in the piezoelectric thin film obtained as a result of performing the sputtering according to the embodiment of the present invention for 1 to 8 hours at a relatively high sputtering gas pressure of 0.5 to 4.0 Pa. A layer in which stress is relaxed more than that in the seed layer.

前記シード層は、応力が高く緻密であるため、第1のスパッタガス圧よりも大きい第2のスパッタガス圧に変更した後の応力がかかりにくい条件であっても、シード層として形成された結晶構造をさらに成長させることができる。その結果、応力が緩和され、かつ優れた圧電性を有する圧電体薄膜が形成されると考えられる。   Since the seed layer has high stress and is dense, crystals formed as the seed layer even under the condition that stress is less likely to be applied after the pressure is changed to the second sputtering gas pressure higher than the first sputtering gas pressure. The structure can be grown further. As a result, it is considered that the stress is relaxed and a piezoelectric thin film having excellent piezoelectricity is formed.

前記シード層の、圧電定数は、好ましくは、3pC/N以上であり、より好ましくは10pC/N以上である。また、前記シード層において、N、OおよびArの総量に対するArのモル分率は、0.6%〜1.0%であり、Oのモル分率は6.0%〜9.0%であることが好ましい。   The piezoelectric constant of the seed layer is preferably 3 pC / N or more, more preferably 10 pC / N or more. In the seed layer, the mole fraction of Ar is 0.6% to 1.0%, and the mole fraction of O is 6.0% to 9.0% with respect to the total amount of N, O and Ar. Preferably.

前記シード層の厚みは、好ましくは0.05μm〜0.7μmであり、より好ましくは0.2μm〜0.5μmである。   The thickness of the seed layer is preferably 0.05 μm to 0.7 μm, more preferably 0.2 μm to 0.5 μm.

前記成長層の厚みは、好ましくは0.4μm〜9.95μmであり、より好ましくは0.5μm〜4.0μm、さらに好ましくは1.0μm〜3.0μmである。   The thickness of the growth layer is preferably 0.4 μm to 9.95 μm, more preferably 0.5 μm to 4.0 μm, still more preferably 1.0 μm to 3.0 μm.

一実施形態において、シード層および成長層を構成するAlを構成成分とする窒化物を含む層構成材料は同じであり、Alと他の金属元素との割合が変わらないことが好ましい。   In one embodiment, it is preferable that the layer-constituting material containing the nitride containing Al as a constituent of the seed layer and the growth layer is the same, and the ratios of Al and other metal elements do not change.

〔3.圧電素子〕
本発明には、本発明の一実施形態に係る圧電体薄膜を備えた圧電素子も含まれる。
[3. Piezoelectric element〕
The present invention also includes a piezoelectric element including the piezoelectric thin film according to the embodiment of the present invention.

本発明の一実施形態に係る圧電素子は、前記圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を挟んで設けられた2つの電極あるいは前記圧電体薄膜の上下いずれか片面上に設けられた2つの電極とを少なくとも備えていることがより好ましい。本発明の一実施形態に係る圧電素子の例として、圧電体薄膜上に規則性のある、くし形電極を配置した表面弾性波フィルター素子、圧電スピーカ等に用いられるユニモルフ構造圧電素子、バイモルフ構造圧電素子、および多数の圧電素子を重ねて成る積層型圧電素子等が挙げられる。   A piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes the piezoelectric thin film, and two electrodes provided on both sides of the piezoelectric thin film or two electrodes provided on either one of the upper and lower sides of the piezoelectric thin film. It is more preferable to include at least. As an example of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, a surface acoustic wave filter element having a regular comb-shaped electrode arranged on a piezoelectric thin film, a unimorph structure piezoelectric element used in a piezoelectric speaker or the like, a bimorph structure piezoelectric element. Examples include an element and a laminated piezoelectric element formed by stacking a large number of piezoelectric elements.

〔4.圧電デバイス〕
本発明には、本発明の一実施形態に係る圧電素子を備えた圧電デバイスも含まれる。
[4. Piezoelectric device]
The present invention also includes a piezoelectric device including the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention.

前記圧電デバイスは、前述したような圧電素子を備えたデバイスであれば特に限定されるものではない。本発明の一実施形態に係る圧電デバイスの例として、アクチュエータ、センサ、発振回路、フィルター回路、圧電マイク、および振動発電デバイス等が挙げられる。   The piezoelectric device is not particularly limited as long as it is a device including the above-described piezoelectric element. Examples of the piezoelectric device according to the embodiment of the present invention include an actuator, a sensor, an oscillation circuit, a filter circuit, a piezoelectric microphone, and a vibration power generation device.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例および比較例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the Examples.

〔物性等の測定〕
実施例および比較例における圧電体薄膜の物性、ならびにArおよびOの含有率を以下の方法で測定した。なお、いずれも実施例および比較例で得られた、シリコンウェーハ(サイズ:24mm×24mm×0.5mm)基板上に圧電体薄膜を成膜したものを評価用試料として用いた。
[Measurement of physical properties]
The physical properties of the piezoelectric thin films and the contents of Ar and O in Examples and Comparative Examples were measured by the following methods. In each case, a piezoelectric thin film formed on a silicon wafer (size: 24 mm × 24 mm × 0.5 mm) substrate obtained in Examples and Comparative Examples was used as an evaluation sample.

(1)圧電定数
圧電定数の測定にはPiezoTest社製ピエゾメーターシステム PM300を使用し、評価用試料の上下面をクランプしたうえで110Hzの周波数で±0.25Nの荷重を印加して測定した。
(1) Piezoelectric constant The piezoelectric constant was measured by using a piezometer system PM300 manufactured by PiezoTest, clamping the upper and lower surfaces of the sample for evaluation, and applying a load of ± 0.25 N at a frequency of 110 Hz.

(2)OおよびArのモル分率
FE−SEM(HITACHI S−4300)およびEDX(HORIBA EX−420)を用いたSEM−EDX分析によって、圧電体薄膜中の元素分析を行った。その結果から、Ar、N、Oの総量に対する、ArならびにOのモル分率を算出した。
(2) Molar fraction of O and Ar Elemental analysis in the piezoelectric thin film was performed by SEM-EDX analysis using FE-SEM (HITACHI S-4300) and EDX (HORIBA EX-420). From the results, the molar fractions of Ar and O with respect to the total amount of Ar, N and O were calculated.

(3)最大変位、応力
KEYENCE社製レーザー顕微鏡VK−X1100を用いて、圧電体薄膜表面の全面に渡り高さ計測を実施した。その結果を用いて圧電体薄膜表面の対角線上での高さプロファイルを作成し、両側端点を結ぶ直線と、これに平行になるように引いた直線と高さプロファイルとの交点との距離を高さ変化とした。さらにこの高さ変化の最大値を最大変位(δ)とした。
(3) Maximum displacement and stress Using a laser microscope VK-X1100 manufactured by KEYENCE, the height was measured over the entire surface of the piezoelectric thin film. Using the result, create a height profile on the diagonal of the piezoelectric thin film surface, and increase the distance between the straight line connecting both end points and the intersection of the straight line drawn to be parallel to this and the height profile. I decided to change. Furthermore, the maximum value of this height change was defined as the maximum displacement (δ).

圧電体薄膜を積層させたことにより発生したこの高さ変化が特定の曲率を持つ曲面に従うと仮定し、基板の対角線長とδとから曲率半径Rを解析的に求めた。このR、ならびに基板のヤング率(Y)、ポアソン比(ν)、厚さ(t)と薄膜の厚さ(t)を、次のStonyの式にあてはめ、薄膜の応力(σ)を計算した。 Assuming that this height change caused by stacking the piezoelectric thin films follows a curved surface having a specific curvature, the curvature radius R was analytically obtained from the diagonal length of the substrate and δ. This R, the Young's modulus (Y S ), the Poisson's ratio (ν S ), the thickness (t S ) and the thickness (t f ) of the substrate are applied to the following Stoney equation to calculate the stress (σ) of the thin film. ) Was calculated.

(4)表面粗さ(SaおよびSdr)
KEYENCE社製レーザー顕微鏡VK−X1100を用いて、ISO25178に定められた表面粗さ(SaおよびSdr)を計測した。
(4) Surface roughness (Sa and Sdr)
The surface roughness (Sa and Sdr) defined by ISO25178 was measured using the laser microscope VK-X1100 manufactured by KEYENCE.

〔実施例1〕
基板として、シリコンウェーハ(エレクトロニクスエンドマテリアルズコーポレーション社製 p−type(100)silicon)を用いた。Al−43mol%Sc合金(アドバンテック社製)をターゲットとし、窒素アルゴン混合ガス雰囲気下にて、前記基板上にrfマグネトロンスパッタリングにより圧電体薄膜を作製した。基板のサイズは、24mm×24mm×0.5mmであり、ターゲットのサイズは直径76mm×5mmであった。
[Example 1]
A silicon wafer (p-type (100) silicon manufactured by Electronics End Materials Corporation) was used as a substrate. Using an Al-43 mol% Sc alloy (manufactured by Advantech) as a target, a piezoelectric thin film was formed on the substrate by rf magnetron sputtering under a nitrogen-argon mixed gas atmosphere. The size of the substrate was 24 mm x 24 mm x 0.5 mm, and the size of the target was 76 mm x 5 mm in diameter.

具体的には、平行平板型スパッタ装置(キャノンアネルバ社製L−332S−FH)を使用して、高周波印加電圧を400W(ターゲット電力密度 9.1W/cm)、アルゴン(Ar)ガス(純度:99.99995%)の流量を6sccm、窒素(N)ガス(純度:99.99995%)の流量を4sccm、基板温度を480K、基板−ターゲット間距離を70mmにそれぞれ設定した。バックグラウンド圧力は5×10−5Pa未満であった。そして、スパッタガス圧0.4Paにて1時間スパッタリングした(膜厚約0.5μm、シード層形成工程)。その後スパッタリングを中断することなく、スパッタガス圧を1.0Paに変更して、さらに4時間スパッタリングを行った(成長層形成工程)。 Specifically, using a parallel plate type sputtering device (L-332S-FH manufactured by Canon Anelva Co.), a high frequency applied voltage is 400 W (target power density 9.1 W / cm 2 ), argon (Ar) gas (purity : 99.99995%), the flow rate of nitrogen (N 2 ) gas (purity: 99.99995%) was 4 sccm, the substrate temperature was 480 K, and the substrate-target distance was 70 mm. The background pressure was less than 5 × 10 −5 Pa. Then, sputtering was performed for 1 hour at a sputtering gas pressure of 0.4 Pa (film thickness of about 0.5 μm, seed layer forming step). Then, without interrupting the sputtering, the sputtering gas pressure was changed to 1.0 Pa, and sputtering was further performed for 4 hours (growth layer forming step).

このようにして、シリコンウェーハ基板上にScAl窒化物からなる圧電体薄膜を作製した。得られた圧電体薄膜の膜厚は、2.3μmであった。この圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArとOのモル分率を分析したところ、Arのモル分率は0.77%であり、Oのモル分率は8.3%であった。   In this way, a piezoelectric thin film made of ScAl nitride was produced on the silicon wafer substrate. The thickness of the obtained piezoelectric thin film was 2.3 μm. When the molar fraction of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar contained in this piezoelectric thin film was analyzed, the molar fraction of Ar was 0.77% and the molar fraction of O was 8.3. %Met.

得られた圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を図1に示す。図1中、(a)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をSEMによって観察した結果を示し、(b)は当該積層体の圧電体薄膜側の表面をレーザー顕微鏡によって観察した結果を示し、(c)は当該圧電体薄膜側の表面の対角線上(図1の(b)に記載の矢印上)の高さプロファイルを示す。   The result of observing the obtained laminated body of the piezoelectric thin film and the substrate is shown in FIG. In FIG. 1, (a) shows the result of observing the surface of the laminated body on the piezoelectric thin film side by SEM, and (b) shows the result of observing the surface of the laminated body on the piezoelectric thin film side by a laser microscope. , (C) show the height profile on the diagonal (on the arrow shown in (b) of FIG. 1) of the surface of the piezoelectric thin film side.

〔実施例2〕
成長層形成工程のスパッタリング時間を4時間から1時間に変更した以外は、実施例1と同様の条件で圧電体薄膜を作製した。得られた圧電体薄膜の膜厚は1μmであった。この圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArとOのモル分率を分析したところ、Arのモル分率は0.88%であり、Oのモル分率は8.3%であった。
[Example 2]
A piezoelectric thin film was produced under the same conditions as in Example 1 except that the sputtering time in the growth layer forming step was changed from 4 hours to 1 hour. The thickness of the obtained piezoelectric thin film was 1 μm. When the mole fraction of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar contained in this piezoelectric thin film was analyzed, the mole fraction of Ar was 0.88% and the mole fraction of O was 8.3. %Met.

〔比較例1〕
実施例1と同様の条件で、シード層形成工程のみを行い、圧電体薄膜を作製した。ただし、シード層形成工程におけるスパッタリング時間を1時間から4時間に変更した。得られた圧電体薄膜の膜厚は、2.3μmであった。この圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArとOのモル分率を分析したところ、Arのモル分率は1.1%であり、Oのモル分率は9.4%であった。
[Comparative Example 1]
Under the same conditions as in Example 1, only the seed layer forming step was performed to produce a piezoelectric thin film. However, the sputtering time in the seed layer forming step was changed from 1 hour to 4 hours. The thickness of the obtained piezoelectric thin film was 2.3 μm. When the molar fraction of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar contained in this piezoelectric thin film was analyzed, the molar fraction of Ar was 1.1% and the molar fraction of O was 9.4. %Met.

得られた圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を図2に示す。図2中、(a)から(c)については、実施例1と同様であるのでここでは説明を省略する。   The result of observing the obtained laminated body of the piezoelectric thin film and the substrate is shown in FIG. Since (a) to (c) in FIG. 2 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

〔比較例2〕
実施例1と同様の条件で、成長層形成工程のみを行い、圧電体薄膜を作製した。ただし、成長層形成工程におけるスパッタリング時間を4時間から6時間に変更した。得られた圧電体薄膜の膜厚は2.6μmであった。この圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArとOのモル分率を分析したところ、Arのモル分率は0.24%であり、Oのモル分率は18%であった。
[Comparative Example 2]
Under the same conditions as in Example 1, only the growth layer forming step was performed to produce a piezoelectric thin film. However, the sputtering time in the growth layer forming step was changed from 4 hours to 6 hours. The thickness of the obtained piezoelectric thin film was 2.6 μm. Analysis of the mole fraction of Ar and O relative to the total amount of N, O and Ar contained in this piezoelectric thin film revealed that the mole fraction of Ar was 0.24% and the mole fraction of O was 18%. there were.

得られた圧電体薄膜と基板との積層体を観察した結果を図3に示す。図3中、(a)から(c)については、実施例1と同様であるのでここでは説明を省略する。   The result of observing the obtained laminated body of the piezoelectric thin film and the substrate is shown in FIG. Since (a) to (c) in FIG. 3 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

〔比較例3〕
実施例1と同様の条件で、シード層形成工程のみを行った。得られた圧電体薄膜の膜厚は、0.5μmであった。この圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArとOのモル分率を分析したところ、Arのモル分率は0.64%であり、Oのモル分率は6.8%であった。
[Comparative Example 3]
Only the seed layer forming step was performed under the same conditions as in Example 1. The thickness of the obtained piezoelectric thin film was 0.5 μm. When the molar fraction of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar contained in this piezoelectric thin film was analyzed, the molar fraction of Ar was 0.64% and the molar fraction of O was 6.8. %Met.

実施例1、2および比較例1〜3のスパッタリングの条件を表1にまとめた。また、それぞれの実施例および比較例により得られた圧電体薄膜の圧電定数、応力、ArおよびOの含有率、最大変位ならびに表面粗さを測定した結果を、表2にまとめた。   The sputtering conditions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 are summarized in Table 1. Table 2 shows the results of measuring the piezoelectric constant, the stress, the Ar and O content, the maximum displacement, and the surface roughness of the piezoelectric thin films obtained in the respective examples and comparative examples.

表2に示されているように、実施例1および2で得られた圧電体薄膜は、圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArのモル分率が0.7%〜1.0%の範囲内であり、かつOのモル分率が6.0%〜9.0%の範囲内である。これに対して比較例1〜3で得られた圧電体薄膜は、圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArおよびOのモル分率の少なくともいずれかが上記範囲外である。   As shown in Table 2, in the piezoelectric thin films obtained in Examples 1 and 2, the molar fraction of Ar was 0.7% to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film. It is in the range of 1.0% and the O mole fraction is in the range of 6.0% to 9.0%. On the other hand, in the piezoelectric thin films obtained in Comparative Examples 1 to 3, at least one of the mole fractions of Ar and O with respect to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film is outside the above range. ..

比較例1で得られた圧電体薄膜の表面は、図2の(a)および表2の表面粗さに示されているように平滑であり、圧電定数は19.2pC/Nと十分に高いものの、一方で、最大変位は26μmにも達しており、厚さ2.3μmの圧電体薄膜内の応力は841MPaと高い値を示している。図2の(c)に示されている測定結果および表2の最大変位からも、基板には上に凸の大きな反りが生じていることがわかる。   The surface of the piezoelectric thin film obtained in Comparative Example 1 is smooth as shown in FIG. 2 (a) and the surface roughness of Table 2, and the piezoelectric constant is sufficiently high at 19.2 pC / N. On the other hand, however, the maximum displacement reaches 26 μm, and the stress in the piezoelectric thin film having a thickness of 2.3 μm is 841 MPa, which is a high value. From the measurement result shown in FIG. 2C and the maximum displacement in Table 2, it can be seen that the substrate has a large upward warp.

比較例2で得られた圧電体薄膜は、応力は発生していないが、圧電定数は9.8pC/Nと比較例1に比べておよそ半分である。また、図3の(a)に示されているように圧電体薄膜の表面は粗い粒子のみで覆われており、表2に示されるように表面粗さが大きい。   The piezoelectric thin film obtained in Comparative Example 2 has no stress, but has a piezoelectric constant of 9.8 pC / N, which is about half that of Comparative Example 1. Further, as shown in FIG. 3A, the surface of the piezoelectric thin film is covered only with coarse particles, and the surface roughness is large as shown in Table 2.

比較例3で得られた圧電体薄膜は、成膜時間が短いために膜厚は0.5μmと薄いものの、応力は1273MPaと高く最大変位は9.9μmに達する。一方、圧電定数は17.1pC/Nと十分に高い値を示す。このまま成膜を続けると、最大変位が増大しつつ応力を徐々に低下させていき、比較例1で示される圧電体薄膜へと成長することになる。したがって、最大変位10μmを許容できるとすれば、膜厚0.5μmまでの圧電性の優れた圧電体薄膜を得ることはできるが、これ以上に膜厚が増大すると、最大変位が10μmを超えてしまい、デバイスとしての使用が適わなくなる。   The piezoelectric thin film obtained in Comparative Example 3 has a thin film thickness of 0.5 μm due to a short film forming time, but has a high stress of 1273 MPa and a maximum displacement of 9.9 μm. On the other hand, the piezoelectric constant shows a sufficiently high value of 17.1 pC / N. If the film formation is continued as it is, the stress gradually decreases while the maximum displacement increases, and the piezoelectric thin film shown in Comparative Example 1 grows. Therefore, if a maximum displacement of 10 μm is allowed, a piezoelectric thin film having excellent piezoelectricity up to a film thickness of 0.5 μm can be obtained, but if the film thickness is further increased, the maximum displacement exceeds 10 μm. It becomes unsuitable for use as a device.

一方、実施例1で得られた圧電体薄膜の圧電定数は20.1pC/Nであり、これは、圧電特性が優れている比較例1よりも高い値である。さらに、応力は220MPaであり、これは比較例1の値より70%以上も低減している。また、実施例1で得られた圧電体薄膜の表面は、図1の(a)に示されているように比較例1で観察された結果と同様の平滑な表面に、比較例2で観察された粗い粒子が、所々散見されるものであり、表2に示されるように表面粗さは十分に小さいことがわかる。   On the other hand, the piezoelectric thin film obtained in Example 1 has a piezoelectric constant of 20.1 pC / N, which is higher than that of Comparative Example 1, which has excellent piezoelectric characteristics. Further, the stress is 220 MPa, which is 70% or more lower than the value of Comparative Example 1. The surface of the piezoelectric thin film obtained in Example 1 was the same as the result observed in Comparative Example 1 as shown in FIG. It is found that the generated rough particles are scattered here and there, and as shown in Table 2, the surface roughness is sufficiently small.

実施例2で得られた圧電体薄膜も、表2に示されているように十分な圧電定数を有し、かつ、比較例1で得られた圧電体薄膜に対して最大変位、応力ともに低減されていることがわかる。   The piezoelectric thin film obtained in Example 2 also has a sufficient piezoelectric constant as shown in Table 2, and both the maximum displacement and the stress are reduced as compared with the piezoelectric thin film obtained in Comparative Example 1. You can see that it is done.

本発明は、比較的安価なコストで良好な圧電体特性を有する圧電体薄膜の製造に寄与する。   The present invention contributes to the production of a piezoelectric thin film having good piezoelectric properties at a relatively low cost.

Claims (8)

Alを構成成分とする窒化物を含む圧電体薄膜であって、
前記圧電体薄膜中に含まれるN、OおよびArの総量に対するArのモル分率が0.7%〜1.0%であり、かつOのモル分率が6.0%〜9.0%である、圧電体薄膜。
A piezoelectric thin film containing a nitride containing Al as a constituent component,
The mole fraction of Ar is 0.7% to 1.0% and the mole fraction of O is 6.0% to 9.0% with respect to the total amount of N, O and Ar contained in the piezoelectric thin film. Is a piezoelectric thin film.
前記Alを構成成分とする窒化物のAlの一部が他の金属元素によって置き換えられた、請求項1に記載の圧電体薄膜。   The piezoelectric thin film according to claim 1, wherein a part of Al in the nitride containing Al as a constituent component is replaced by another metal element. 前記他の金属元素がScである、請求項2に記載の圧電体薄膜。   The piezoelectric thin film according to claim 2, wherein the other metal element is Sc. 表面の算術平均高さSaが3.0nm〜9.0nm、かつ表面の界面の展開面積比Sdrが0.0002〜0.015である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電体薄膜。   The piezoelectric according to any one of claims 1 to 3, wherein the arithmetic average height Sa of the surface is 3.0 nm to 9.0 nm, and the developed area ratio Sdr of the interface of the surface is 0.0002 to 0.015. Body thin film. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電体薄膜を備える、圧電素子。   A piezoelectric element comprising the piezoelectric thin film according to claim 1. 請求項5に記載の圧電素子を備える、圧電デバイス。   A piezoelectric device comprising the piezoelectric element according to claim 5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電体薄膜の製造方法であって、
Alを含むターゲットを用いて、ArガスおよびNガスを含む混合ガス雰囲気中で、第1のスパッタガス圧にて、スパッタリングによりシード層を形成するシード層形成工程と、
前記シード層形成工程におけるスパッタガス圧を、第1のスパッタガス圧よりも大きい第2のスパッタガス圧に変更して、前記シード層上にスパッタリングにより成長層を形成する成長層形成工程と、を含む、圧電体薄膜の製造方法。
It is a manufacturing method of the piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 4,
A seed layer forming step of forming a seed layer by sputtering in a mixed gas atmosphere containing Ar gas and N 2 gas at a first sputtering gas pressure using a target containing Al;
A growth layer forming step of forming a growth layer on the seed layer by sputtering by changing the sputtering gas pressure in the seed layer forming step to a second sputtering gas pressure higher than the first sputtering gas pressure. A method of manufacturing a piezoelectric thin film, comprising:
前記ターゲットがScAl合金からなる、請求項7に記載の圧電体薄膜の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the target is made of a ScAl alloy.
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