JP2021064733A - Stacked thin film and electronic device - Google Patents

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Abstract

To provide a stacked thin film having both excellent piezoelectric properties and excellent magnetostrictive properties and an electronic device with high conversion efficiency.SOLUTION: A stacked thin film 2 having a piezoelectric thin film 10 composed of epitaxially grown films and a ferromagnetic thin film 20 formed on the piezoelectric thin film 10, and an electronic device are provided. The ferromagnetic thin film 20 includes one or more crystalline phases 24 and one or more amorphous phases 22.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電体部分と強磁性体部分とを有する積層薄膜を有する電子デバイスに関する。 The present invention relates to an electronic device having a laminated thin film having a piezoelectric portion and a ferromagnetic portion.

圧電体部分と磁歪材部分(強磁性体)とを含む電子デバイスが開発されている。この種の電子デバイスは、たとえば磁気電気センサ、磁気センサ、電気センサ、光電子デバイス、マイクロ波電子デバイス、磁気電気または電気磁気変換器などとして用いられることが検討されている(たとえば特許文献1)。 Electronic devices including a piezoelectric portion and a magnetostrictive material portion (ferromagnetic material) have been developed. It has been studied that this kind of electronic device is used as, for example, a magnetic electric sensor, a magnetic sensor, an electric sensor, an optoelectronic device, a microwave electronic device, a magnetic electric or an electromagnetic converter (for example, Patent Document 1).

しかしながら、たとえば特許文献1に示す電子デバイスでは、圧電体部分と磁歪材部分とをバルクで製造し、これらを接着剤で接合している。このため、従来では、磁気電気結合が小さく、変換効率(センサの場合は検出感度)が低いと言う課題がある。 However, for example, in the electronic device shown in Patent Document 1, the piezoelectric body portion and the magnetostrictive material portion are manufactured in bulk, and these are bonded with an adhesive. Therefore, conventionally, there is a problem that the magnetic and electrical coupling is small and the conversion efficiency (detection sensitivity in the case of a sensor) is low.

米国特許9276192号公報U.S. Pat. No. 9,276,192

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、本発明の目的は、優れた圧電特性と優れた磁歪特性とを兼ね備える積層薄膜と、変換効率が高い電子デバイスとを提供することである。 The present invention has been made in view of such an actual situation, and an object of the present invention is to provide a laminated thin film having both excellent piezoelectric characteristics and excellent magnetostrictive characteristics, and an electronic device having high conversion efficiency.

上記目的を達成するために、本発明に係る積層薄膜は、
エピタキシャル成長膜から成る圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上方に形成してある強磁性体薄膜と、を有し、
前記強磁性体薄膜が、結晶相と非晶質相とを含む。
In order to achieve the above object, the laminated thin film according to the present invention
Piezoelectric thin film made of epitaxial growth film and
It has a ferromagnetic thin film formed above the piezoelectric thin film and
The ferromagnetic thin film contains a crystalline phase and an amorphous phase.

本発明の積層薄膜では、圧電体薄膜がエピタキシャル成長膜から成ることから、高配向の圧電膜となり、圧電特性に優れている。また、この圧電体薄膜の上方に形成してある強磁性体薄膜は、磁歪を発生するためのしきい磁場HTHおよび保持力Hcの値が小さく、低磁場でのdλ/dH(単位磁場(あるいは単位磁場強度)あたりの磁歪変化量)が大きい磁歪薄膜として機能することができる。そのため、本発明に係る積層薄膜を有する素子は、変換効率が高い電子デバイスとして効果的に用いることができる。 In the laminated thin film of the present invention, since the piezoelectric thin film is made of an epitaxial growth film, it becomes a highly oriented piezoelectric film and has excellent piezoelectric characteristics. Further, the ferromagnetic thin film formed above the piezoelectric thin film has a small threshold magnetic field HTH and holding force Hc for generating magnetostriction, and dλ / dH (unit magnetic field (unit magnetic field (unit magnetic field)) in a low magnetic field. Alternatively, it can function as a magnetostrictive thin film having a large amount of change in magnetostriction per unit magnetic field strength). Therefore, the device having the laminated thin film according to the present invention can be effectively used as an electronic device having high conversion efficiency.

好ましくは、前記結晶相が面心立方構造である。このように構成することで、積層薄膜の磁歪特性がさらに向上すると共に、電子デバイスの変換効率がさらに高くなる。 Preferably, the crystal phase has a face-centered cubic structure. With such a configuration, the magnetostrictive characteristics of the laminated thin film are further improved, and the conversion efficiency of the electronic device is further increased.

好ましくは、前記強磁性体薄膜は少なくともFeを含む。このように構成することで、積層薄膜の特性がより向上し、電子デバイスの出力が高くなる。 Preferably, the ferromagnetic thin film contains at least Fe. With such a configuration, the characteristics of the laminated thin film are further improved, and the output of the electronic device is increased.

好ましくは、前記強磁性体薄膜の厚さ(t2)が、前記強磁性体薄膜に含まれる結晶相の面内方向の平均粒径(D2)よりも大きい。このように構成することで、積層薄膜の特性がより向上し、低磁場での入力に対する電子デバイスの変換効率がさらに向上する。 Preferably, the thickness (t2) of the ferromagnetic thin film is larger than the in-plane average particle size (D2) of the crystal phase contained in the ferromagnetic thin film. With such a configuration, the characteristics of the laminated thin film are further improved, and the conversion efficiency of the electronic device with respect to the input in a low magnetic field is further improved.

図1は本発明の一実施形態に係る積層薄膜の要部断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a laminated thin film according to an embodiment of the present invention. 図2は図1に示す積層薄膜を有する電子デバイスの一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of an electronic device having the laminated thin film shown in FIG. 図3は図2に示すIII−III線に沿う断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG. 図4は図2に示すIV−IV線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV shown in FIG. 図5は本発明の一実施例に係る電子デバイスの磁歪特性を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the magnetostrictive characteristics of the electronic device according to the embodiment of the present invention. 図6は本発明の一実施例に係る磁歪薄膜のX線回折結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the X-ray diffraction result of the magnetostrictive thin film according to the embodiment of the present invention. 図7Aは、圧電体薄膜のX線回折結果を示すグラフである。FIG. 7A is a graph showing the X-ray diffraction results of the piezoelectric thin film. 図7Bは、圧電体薄膜のX線回折結果を示すグラフである。FIG. 7B is a graph showing the X-ray diffraction results of the piezoelectric thin film. 図7Cは、圧電体薄膜のX線回折結果を示すグラフである。FIG. 7C is a graph showing the X-ray diffraction results of the piezoelectric thin film.

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings.

第1実施形態
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る積層薄膜2は、圧電体薄膜10と、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に(電極膜や結晶性制御層など何らかの層を介して)形成してある強磁性体薄膜20とを有する。以下、圧電体薄膜10の特徴と、強磁性体薄膜20の特徴とを説明する。
As shown in FIG. 1, the laminated thin film 2 according to the embodiment of the present invention directly or indirectly (electrode film or crystalline control layer) on the piezoelectric thin film 10 and the piezoelectric thin film 10. It has a ferromagnetic thin film 20 formed (via some layer such as). Hereinafter, the characteristics of the piezoelectric thin film 10 and the characteristics of the ferromagnetic thin film 20 will be described.

(圧電体薄膜10)
圧電体薄膜10は、圧電材料で構成してあり、圧電効果または逆圧電効果を奏する。圧電効果とは、外力(応力)が加わることで電荷を発生する効果を意味し、逆圧電効果とは、電圧を加えることで歪が発生する効果を意味する。このような効果を奏する圧電材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O)、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN:(K,Na)NbO)、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム(BCZT:(Ba,Ca)(Zr,Ti)O)、などが例示される。
(Piezoelectric thin film 10)
The piezoelectric thin film 10 is made of a piezoelectric material and exhibits a piezoelectric effect or an inverse piezoelectric effect. The piezoelectric effect means the effect of generating an electric charge by applying an external force (stress), and the inverse piezoelectric effect means the effect of generating distortion by applying a voltage. Piezoelectric materials that exhibit such effects include crystals, lithium niobate, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 ), and potassium niobate. Examples thereof include sodium (KNN: (K, Na) NbO 3 ) and calcium titanate titanate (BCZT: (Ba, Ca) (Zr, Ti) O 3 ).

本実施形態では、上記の圧電材料のうち、特に、PZT、KNN、およびBCZTなどのペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いることが好ましい。圧電体薄膜10として、ペロブスカイト構造の圧電材料を使用することで、優れた圧電特性と、高い信頼性と、を両立して得ることができる。なお、圧電体薄膜10を構成する上記の圧電材料には、特性を改善するために、適宜他の元素が添加してあっても良い。 In the present embodiment, among the above-mentioned piezoelectric materials, it is particularly preferable to use a piezoelectric material having a perovskite structure such as PZT, KNN, and BCZT. By using a piezoelectric material having a perovskite structure as the piezoelectric thin film 10, it is possible to obtain both excellent piezoelectric characteristics and high reliability. In addition, other elements may be appropriately added to the above-mentioned piezoelectric material constituting the piezoelectric thin film 10 in order to improve the characteristics.

圧電体薄膜10の厚みt1は、好ましくは0.5〜10μmの範囲内である。厚みt1は、たとえば、図1に示すような断面写真を画像解析することで求められる。この場合、厚みt1は、面内方向で3点以上の箇所で計測を行い、その平均値として算出することが好ましい。なお、厚みt1のばらつきは、±5%以下と少ない。 The thickness t1 of the piezoelectric thin film 10 is preferably in the range of 0.5 to 10 μm. The thickness t1 can be obtained, for example, by performing an image analysis of a cross-sectional photograph as shown in FIG. In this case, it is preferable that the thickness t1 is measured at three or more points in the in-plane direction and calculated as an average value thereof. The variation in the thickness t1 is as small as ± 5% or less.

本実施形態において、圧電体薄膜10は、エピタキシャル成長膜であり、エピタキシャル成長膜とは、エピタキシャル成長した膜を意味する。ここで、エピタキシャル成長とは、成膜の際に、膜の結晶が、下地材料の結晶格子に整合する形で、膜厚方向(Z軸方向)および面内方向(X軸およびY軸方向)に揃いながら成長することをいう。そのため、本実施形態に係る圧電体薄膜10は、成膜中の高温状態においては、結晶が、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の3軸すべての方向において揃って配向した状態の結晶構造をとり(エピタキシャル膜)、成膜後の室温状態においては、結晶粒界がほとんど形成されず、単結晶に近い(完全な単結晶ではない)結晶構造を有する(エピタキシャル成長(した)膜)。 In the present embodiment, the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film, and the epitaxially grown film means an epitaxially grown film. Here, epitaxial growth means that during film formation, the crystals of the film match the crystal lattice of the underlying material in the film thickness direction (Z-axis direction) and in-plane direction (X-axis and Y-axis directions). It means to grow while being aligned. Therefore, the piezoelectric thin film 10 according to the present embodiment is a crystal in a state in which the crystals are aligned in all three axes of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction in a high temperature state during film formation. It has a structure (epitaxial film), and in a room temperature state after film formation, almost no crystal grain boundaries are formed and has a crystal structure close to a single crystal (not a perfect single crystal) (epitaxially grown film).

エピタキシャル成長しているか否かは、薄膜形成過程において反射高速電子線回折評価(RHEED評価)を行うことで確認できる。成膜中の膜表面において、結晶配向に乱れがある場合には、RHEED像は、リング状に伸びたパターンを示す。一方で、上記のようにエピタキシャル成長している場合には、RHEED像は、スポット状またはストリーク状のシャープなパターンを示す。上記のようなRHEED像は、あくまでも成膜中の高温状態で観測される。成膜後の室温状態(すなわちエピタキシャル成長膜)において、圧電体薄膜10は、以下に示すような結晶構造を有することが好ましい。 Whether or not it grows epitaxially can be confirmed by performing a reflection high-speed electron diffraction evaluation (RHEED evaluation) in the thin film forming process. When the crystal orientation is disturbed on the film surface during film formation, the RHEED image shows a ring-shaped elongated pattern. On the other hand, when epitaxially grown as described above, the RHEED image shows a sharp spot-like or streak-like pattern. The RHEED image as described above is observed in a high temperature state during film formation. The piezoelectric thin film 10 preferably has a crystal structure as shown below in a room temperature state (that is, an epitaxial growth film) after the film formation.

成膜後の室温状態において、本実施形態の圧電体薄膜10は、複数の結晶相を有することが好ましく、また、少なくとも3種のドメイン(域)を含むドメイン構造を有することが好ましい。圧電体薄膜10がドメイン構造を有することで、圧電特性がより向上し、外部応力に対する圧電応答性が高まる。 In the room temperature state after the film formation, the piezoelectric thin film 10 of the present embodiment preferably has a plurality of crystal phases, and preferably has a domain structure containing at least three types of domains (regions). When the piezoelectric thin film 10 has a domain structure, the piezoelectric characteristics are further improved and the piezoelectric response to external stress is enhanced.

ドメイン構造の具体的な構成は、使用する圧電材料によって異なる。たとえば、圧電体薄膜10がPZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶と菱面体晶の少なくとも2種の結晶構造を有することが好ましい。そして、この場合、正方晶は、c軸(直方体(結晶格子)の長手方向の軸)が膜厚方向を向いたドメインと、c軸が面内方向を向いたドメインと、を有することが好ましい。すなわち、圧電体薄膜10がPZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の2種のドメインと、菱面体晶のドメインとの計3種のドメインを含むことが好ましい。 The specific configuration of the domain structure depends on the piezoelectric material used. For example, when the piezoelectric thin film 10 is a PZT epitaxial growth film, it preferably has at least two types of crystal structures, a tetragonal crystal and a rhombohedral crystal. In this case, the tetragonal crystal preferably has a domain in which the c-axis (the longitudinal axis of the rectangular parallelepiped (crystal lattice)) faces the film thickness direction and a domain in which the c-axis faces the in-plane direction. .. That is, when the piezoelectric thin film 10 is a PZT epitaxial growth film, it preferably contains a total of three domains, that is, two domains of tetragonal crystals and a domain of rhombic crystals.

なお、上記において、c軸が膜厚方向を向いたドメインとは、膜厚方向に対して正方晶の(001)面が略垂直(または直交)となるように配向したドメインを意味し、以下、cドメインと呼ぶ。一方、c軸が面内方向を向いたドメインとは、膜厚方向に対して正方晶の(001)面が略平行となるように配向したドメインを意味し、以下、aドメインと呼ぶ。 In the above, the domain in which the c-axis faces the film thickness direction means a domain oriented so that the (001) plane of the tetragonal crystal is substantially perpendicular (or orthogonal) to the film thickness direction. , C domain. On the other hand, the domain in which the c-axis faces the in-plane direction means a domain oriented so that the (001) plane of the tetragonal crystal is substantially parallel to the film thickness direction, and is hereinafter referred to as an a domain.

一方、圧電体薄膜10がKNNのエピタキシャル成長膜である場合には、斜方晶の2種のドメインと、単斜晶の1種のドメインと(計3種のドメイン)を有することが好ましい。また、圧電体薄膜10がBCZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の2種のドメインと、斜方晶の2種のドメインと(計4種のドメイン)を有することが好ましい。上記の場合、斜方晶の2種のドメインとは、斜方晶の(001)面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメインと、斜方晶の(010)面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメインとが存在し得る。なお、ペロブスカイト構造の圧電材料の場合、結晶相としては、上述したような、正方晶、菱面体晶、斜方晶、および単斜晶などの結晶構造が含まれ得る。 On the other hand, when the piezoelectric thin film 10 is a KNN epitaxial growth film, it preferably has two domains of orthorhombic crystals and one domain of monoclinic crystals (three domains in total). When the piezoelectric thin film 10 is a BCZT epitaxial growth film, it preferably has two tetragonal domains and two orthorhombic domains (a total of four domains). In the above case, the two types of orthorhombic domains are a domain in which the (001) plane of the orthorhombic crystal is oriented so as to be substantially parallel to the film thickness direction, and a (010) plane of the orthorhombic crystal. There may be domains oriented so as to be substantially parallel to the film thickness direction. In the case of a piezoelectric material having a perovskite structure, the crystal phase may include crystal structures such as tetragonal crystal, rhombohedral crystal, orthorhombic crystal, and monoclinic crystal as described above.

上述したような複数のドメインは、共通のドメイン境界を挟んで接しているため、各ドメインの結晶軸の向きは、膜厚方向や面内方向から最大数度程度ずれていても良い。また、上述したような複数のドメインは、少なくとも成膜時の高温状態においては、同じ結晶系の同じ方位に配向した等価なドメインであり、成膜後に室温や使用温度に冷却される過程で、より安定な結晶相やドメインに転移することで形成される。 Since the plurality of domains as described above are in contact with each other with a common domain boundary in between, the direction of the crystal axis of each domain may be deviated by up to several degrees from the film thickness direction and the in-plane direction. Further, the plurality of domains as described above are equivalent domains oriented in the same orientation of the same crystal system, at least in a high temperature state at the time of film formation, and in the process of being cooled to room temperature or operating temperature after film formation, It is formed by transitioning to a more stable crystal phase or domain.

なお、上述したような複数のドメインが混在して存在する様子は、圧電体薄膜10を、透過型電子顕微鏡(TEM)の電子線回折またはX線回折(XRD)などで分析することにより確認できる。たとえば、XRDを用いてCu-Kα線によるθ−2θ測定をした場合、2θ=42°〜46°の範囲には、圧電体薄膜10に由来する反射ピークが確認される。図7A〜7Cは、圧電体薄膜10に由来する反射ピークを、模式的に示す概略図である。 The state in which a plurality of domains as described above coexist can be confirmed by analyzing the piezoelectric thin film 10 by electron diffraction or X-ray diffraction (XRD) of a transmission electron microscope (TEM). .. For example, when θ-2θ measurement is performed using Cu-Kα rays using XRD, a reflection peak derived from the piezoelectric thin film 10 is confirmed in the range of 2θ = 42 ° to 46 °. 7A to 7C are schematic views schematically showing the reflection peaks derived from the piezoelectric thin film 10.

圧電体薄膜10に単一のドメインしか存在しない場合は、図7Cに示すような反射ピークが現れる。図7Cでは、2θ=42°〜46°の範囲(特に2θ=44°付近)において、シャープな単一の反射ピークのみが確認され、当該反射ピークの半値幅は、0.1°程度もしくは0.1°以下となる。これに対して、圧電体薄膜10に複数のドメインが混在する場合には、図7Aもしくは図7Bに示す反射ピークが現れる。 When the piezoelectric thin film 10 has only a single domain, a reflection peak as shown in FIG. 7C appears. In FIG. 7C, only a sharp single reflection peak is confirmed in the range of 2θ = 42 ° to 46 ° (particularly around 2θ = 44 °), and the half width of the reflection peak is about 0.1 ° or 0. . It will be 1 ° or less. On the other hand, when a plurality of domains are mixed in the piezoelectric thin film 10, the reflection peak shown in FIG. 7A or FIG. 7B appears.

図7Aでは、2θ=42°〜46°の範囲において、圧電体薄膜10に由来する複数の反射ピークが確認される。図7Aにおいて、反射ピークの数は、圧電体薄膜10に含まれるドメインの数に対応している。たとえば、PZTの圧電体薄膜10が3種のドメインを有する場合、2θ=43°〜44°において、正方晶のcドメインを示す反射ピーク(P1)が現れ、2θ=44°付近において、菱面体晶のドメインを示す反射ピーク(P2)が現れ、2θ=44°〜45°において、正方晶のaドメインを示す反射ピーク(P3)が現れる。 In FIG. 7A, a plurality of reflection peaks derived from the piezoelectric thin film 10 are confirmed in the range of 2θ = 42 ° to 46 °. In FIG. 7A, the number of reflected peaks corresponds to the number of domains contained in the piezoelectric thin film 10. For example, when the PZT piezoelectric thin film 10 has three types of domains, a reflection peak (P1) indicating a tetragonal c domain appears at 2θ = 43 ° to 44 °, and a rhombohedral body appears at around 2θ = 44 °. A reflection peak (P2) indicating the domain of the crystal appears, and a reflection peak (P3) indicating the a domain of the tetragonal crystal appears at 2θ = 44 ° to 45 °.

また、複数の反射ピークが確認されない場合であっても、図7Bに示すように、2θ=44°付近において、ブロードな反射ピークが確認される場合がある。図7Bの場合、複数の反射ピークが重なることでブロードな反射ピークとなっている。具体的に、2θ=44°付近に観測されるピークの半値幅が0.2°以上である場合には、少なくとも3種のドメインが存在すると判断する。 Further, even when a plurality of reflection peaks are not confirmed, a broad reflection peak may be confirmed in the vicinity of 2θ = 44 ° as shown in FIG. 7B. In the case of FIG. 7B, a broad reflection peak is formed by overlapping a plurality of reflection peaks. Specifically, when the half width of the peak observed near 2θ = 44 ° is 0.2 ° or more, it is determined that at least three types of domains exist.

(強磁性体薄膜20)
本実施形態の強磁性体薄膜20は、強磁性体を含む。強磁性体としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの純金属、または、上記金属元素のうち少なくとも1種を含む合金(たとえば、Fe−Co系、Fe−Ni系、Fe−Si系、Fe−Si−Al系の合金など)、もしくは、上記金属元素の酸化物を含む酸化物磁性体を用いることができる。また、強磁性体薄膜20は、上記の強磁性体を含む単一膜であっても良いし、複数の層からなる多層膜や、強磁性体と反強磁性体との積層膜であっても良い。
(Ferromagnetic thin film 20)
The ferromagnet thin film 20 of the present embodiment contains a ferromagnet. Examples of the ferromagnetic material include pure metals such as iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), or alloys containing at least one of the above metal elements (for example, Fe-Co-based and Fe-Ni-based). , Fe-Si-based alloy, Fe-Si-Al-based alloy, etc.), or an oxide magnetic material containing an oxide of the above metal element can be used. Further, the ferromagnet thin film 20 may be a single film containing the above-mentioned ferromagnet, a multilayer film composed of a plurality of layers, or a laminated film of a ferromagnet and an antiferromagnet. Is also good.

本実施形態において、強磁性体薄膜20は、特に、優れた磁歪効果を有することが好ましい。磁歪効果とは、外部磁場によって歪を発生する性質を意味する。強磁性体の多くは、磁歪効果を示すが、比較的大きな磁歪効果を有する材質としては、鉄にガリウム(Ga)、ホウ素(B)、ケイ素(Si)、または希土類元素(サマリウム(Sm)、ジスプロシウム(Dy)、テルビウム(Tb)ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)など)を添加した合金が例示され、一般的には、Fe−Dy−Tb系合金や、Fe−Ga系合金が知られている。本実施形態においては、特に、強磁性体薄膜20を構成する主成分として、Fe−Co系合金、Fe−Co−Si−B系合金、またはFe−Ga−B系合金などを用いることが好ましい。 In the present embodiment, the ferromagnetic thin film 20 preferably has an excellent magnetostrictive effect. The magnetostrictive effect means the property of generating strain by an external magnetic field. Most of the ferromagnetic materials exhibit a magnetostrictive effect, but as a material having a relatively large magnetostrictive effect, iron, gallium (Ga), boron (B), silicon (Si), or a rare earth element (samarium (Sm)), Examples of alloys to which dysprosium (Dy), terbium (Tb) formium (Ho), erbium (Er), etc. are added are exemplified, and Fe-Dy-Tb-based alloys and Fe-Ga-based alloys are generally known. ing. In the present embodiment, it is particularly preferable to use a Fe-Co alloy, a Fe-Co-Si-B alloy, a Fe-Ga-B alloy, or the like as the main component constituting the ferromagnetic thin film 20. ..

図1に示すように、強磁性体薄膜20は、非晶質相22と、非晶質相22の厚み方向に延びる結晶相24とを有する。結晶相24は、薄膜20の厚み方向に延びており、薄膜20を貫通するように延びる結晶相24と、薄膜20の下面から延びて上面には届かない結晶相24と、薄膜20の上面から延びて下面には届かない結晶相24とがある。 As shown in FIG. 1, the ferromagnetic thin film 20 has an amorphous phase 22 and a crystal phase 24 extending in the thickness direction of the amorphous phase 22. The crystal phase 24 extends from the thickness direction of the thin film 20 and extends so as to penetrate the thin film 20, the crystal phase 24 extending from the lower surface of the thin film 20 and not reaching the upper surface, and the upper surface of the thin film 20. There is a crystal phase 24 that extends and does not reach the lower surface.

強磁性体薄膜20の厚みt2は、好ましくは0.1〜5μmの範囲内である。薄膜20の厚みt2を、この範囲に制御することで、圧電体薄膜10を十分に歪ませることが可能になり、圧電体薄膜10から大きな電気出力を得ることができる。また、薄膜20の厚みt2を厚すぎないようにすることで、薄膜20の生産性も向上する。 The thickness t2 of the ferromagnetic thin film 20 is preferably in the range of 0.1 to 5 μm. By controlling the thickness t2 of the thin film 20 within this range, the piezoelectric thin film 10 can be sufficiently distorted, and a large electric output can be obtained from the piezoelectric thin film 10. Further, by making the thickness t2 of the thin film 20 not too thick, the productivity of the thin film 20 is also improved.

なお、厚みt2は、厚みt1と同様にして測定される。この厚みt2も、面内方向のばらつきが小さく、厚みt1と同程度のばらつきである。本実施形態では、厚みt1に対する厚みt2の比率(t2/t1)は、好ましくは、1/10〜10の範囲内である。 The thickness t2 is measured in the same manner as the thickness t1. The thickness t2 also has a small variation in the in-plane direction, and is about the same as the thickness t1. In the present embodiment, the ratio of the thickness t2 to the thickness t1 (t2 / t1) is preferably in the range of 1/10 to 10.

また、本実施形態では、強磁性体薄膜20の厚みt2は、薄膜20に含まれる結晶相24の平均粒径D2よりも大きい。好ましくは、D2/t2は、1未満であり、さらに好ましくは0.01〜0.7である。ここで、結晶相24の平均粒径D2は、断面写真(BF像)を画像解析することで求められる。より具体的には、平均粒径D2は、少なくとも3個以上の結晶相24のそれぞれについて、厚み方向で3点以上の箇所で粒径を測定し、その平均値として算出することが好ましい。 Further, in the present embodiment, the thickness t2 of the ferromagnetic thin film 20 is larger than the average particle size D2 of the crystal phase 24 contained in the thin film 20. Preferably, D2 / t2 is less than 1, more preferably 0.01 to 0.7. Here, the average particle size D2 of the crystal phase 24 is obtained by image analysis of a cross-sectional photograph (BF image). More specifically, the average particle size D2 is preferably calculated as an average value of at least three or more crystal phases 24 by measuring the particle size at three or more points in the thickness direction.

前述したように、本実施形態の強磁性体薄膜20は、非晶質相22と、結晶相24とを有する。特に、強磁性体薄膜20においては、含まれる結晶相24のほとんどが、面心立方構造(fcc)を有することが好ましい。ただし、少なくとも一部の結晶相24に、体心立方構造(bcc)の結晶相24が混じっていてもよい。 As described above, the ferromagnetic thin film 20 of the present embodiment has an amorphous phase 22 and a crystalline phase 24. In particular, in the ferromagnetic thin film 20, it is preferable that most of the contained crystal phases 24 have a face-centered cubic structure (fcc). However, at least a part of the crystal phase 24 may be mixed with the crystal phase 24 having a body-centered cubic structure (bcc).

強磁性体薄膜20は、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に形成されるが、下層の圧電体薄膜10が結晶配向性に優れたエピタキシャル成長膜である場合、通常、強磁性体薄膜20も結晶化し易くなる。特に、強磁性体薄膜20に鉄が含まれる場合には、体心立方構造で結晶化されることが通常である。本実施形態では、強磁性体薄膜20の形成において、成膜するための装置と、成膜条件と、を適切に選択することで、非晶質相22と面心立方構造を有する結晶相24とを混在させることができる。 The ferromagnetic thin film 20 is formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film 10, but when the lower piezoelectric thin film 10 is an epitaxial growth film having excellent crystal orientation, the ferromagnetic thin film 20 is usually formed. Is also easy to crystallize. In particular, when the ferromagnetic thin film 20 contains iron, it is usually crystallized in a body-centered cubic structure. In the present embodiment, in the formation of the ferromagnetic thin film 20, the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 having a face-centered cubic structure are appropriately selected by appropriately selecting the apparatus for forming the film and the film forming conditions. And can be mixed.

強磁性体薄膜20と圧電体薄膜10との間に、導電性材料からなる多結晶電極膜、または多結晶相と非晶質相からなる電極膜を形成しても良い。その場合、電極膜は、面心立方構造の多結晶膜、または非晶質相と面心立方構造の結晶相とからなる膜であることが好ましい。このような電極膜は、その上に形成される強磁性体膜の結晶性を制御するための結晶性制御層としても機能することができる。すなわち、この結晶性制御層を介してエピタキシャル圧電体薄膜10の上に強磁性体薄膜20を形成することで、非晶質相22と面心立方構造の結晶相24からなる強磁性体薄膜20と、エピタキシャル成長した圧電体薄膜10とを有する積層薄膜2が得やすくなる。 A polycrystalline electrode film made of a conductive material or an electrode film made of a polycrystalline phase and an amorphous phase may be formed between the ferromagnetic thin film 20 and the piezoelectric thin film 10. In that case, the electrode film is preferably a face-centered cubic polycrystalline film or a film composed of an amorphous phase and a face-centered cubic crystal phase. Such an electrode film can also function as a crystallinity control layer for controlling the crystallinity of the ferromagnetic film formed on the electrode film. That is, by forming the ferromagnetic thin film 20 on the epitaxial piezoelectric thin film 10 via the crystalline control layer, the ferromagnetic thin film 20 composed of the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 having a face-to-face cubic structure is formed. And the laminated thin film 2 having the epitaxially grown piezoelectric thin film 10 can be easily obtained.

強磁性体薄膜20において、非晶質相22と結晶相24とが混在する様子は、強磁性体薄膜20の結晶構造を、TEMの電子線回折またはX線回折(XRD)などで分析することにより確認できる。たとえば、XRDを用いてCu-Kα線によるθ−2θ測定をした場合、図6に示すような、強磁性体薄膜20に由来する反射ピークが確認される。図6では、本実施形態の強磁性体薄膜20に由来する反射ピークを実線ex1で示している。また、比較として、強磁性体薄膜20が非晶質相22のみで構成された場合の反射ピークを破線ce1で示し、強磁性体薄膜20が結晶相24のみで構成された場合の反射ピークを一点鎖線ce2で示している。 The state in which the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 coexist in the ferromagnetic thin film 20 is that the crystal structure of the ferromagnetic thin film 20 is analyzed by electron diffraction or X-ray diffraction (XRD) of TEM. Can be confirmed by. For example, when θ-2θ measurement by Cu—Kα ray is performed using XRD, a reflection peak derived from the ferromagnetic thin film 20 as shown in FIG. 6 is confirmed. In FIG. 6, the reflection peak derived from the ferromagnetic thin film 20 of the present embodiment is shown by the solid line ex1. For comparison, the reflection peak when the ferromagnetic thin film 20 is composed of only the amorphous phase 22 is shown by the broken line ce1, and the reflection peak when the ferromagnetic thin film 20 is composed of only the crystal phase 24 is shown. It is indicated by the one-point chain line ce2.

図6の破線ce1に示すように、強磁性体薄膜20が非晶質相22のみで構成された場合には、周期配列構造に起因するシャープなピークは検出されず、ブロードで幅が広いハローパターンのみが現れる。また、図6の一点鎖線ce2に示すように、強磁性体薄膜20が結晶相24のみで構成された場合には、半値幅が狭い極めてシャープな反射ピークのみが検出される。 As shown by the broken line ce1 in FIG. 6, when the ferromagnetic thin film 20 is composed of only the amorphous phase 22, sharp peaks due to the periodic array structure are not detected, and the halo is broad and wide. Only the pattern appears. Further, as shown by the alternate long and short dash line ce2 in FIG. 6, when the ferromagnetic thin film 20 is composed of only the crystal phase 24, only an extremely sharp reflection peak having a narrow full width at half maximum is detected.

これに対して、本実施形態の強磁性体薄膜20の場合は、非晶質相22と結晶相24とが混在して存在するため、図6の実線ex1で示すように、非晶質相22の存在を示すブロードな盛り上がり(ハロー)部分と、結晶相24の存在を示すシャープなピーク部分とを共に有する反射ピークが検出される。なお、結晶相24の結晶構造(面心立方構造であるか否か)は、上記の回折パターンを解析することで判別することができる。 On the other hand, in the case of the ferromagnetic thin film 20 of the present embodiment, the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 are mixed and exist, so that the amorphous phase is as shown by the solid line ex1 in FIG. A reflected peak having both a broad raised (halo) portion indicating the presence of 22 and a sharp peak portion indicating the presence of the crystal phase 24 is detected. The crystal structure of the crystal phase 24 (whether or not it has a face-centered cubic structure) can be determined by analyzing the above diffraction pattern.

また、非晶質相22と結晶相24との割合は、図6に示す反射ピークに対してプロファイルフィッティングを行い、結晶化度を算出することで確認できる。具体的には、図6に示す反射ピークにおいて、結晶相部分(ピーク部分)と非晶質相部分(ハロー部分)のフィッティングを行い、各部分の積分強度(面積)を測定する。そして、結晶化度(%)は、結晶相部分の積分強度(Ic)と非晶質相部分の積分強度(Ia)との和(すなわち全ピーク面積)に対する、結晶相部分の積分強度(Ic)の比(Ic/(Ic+Ia)×100)で表される。本実施形態では、強磁性体薄膜20の結晶化度は、好ましくは、1%〜50%、より好ましくは、5%〜20%である。 Further, the ratio of the amorphous phase 22 to the crystalline phase 24 can be confirmed by performing profile fitting on the reflected peak shown in FIG. 6 and calculating the crystallinity. Specifically, in the reflection peak shown in FIG. 6, the crystal phase portion (peak portion) and the amorphous phase portion (halo portion) are fitted, and the integrated intensity (area) of each portion is measured. The crystallinity (%) is the integrated strength (Ic) of the crystal phase portion with respect to the sum (that is, the total peak area) of the integrated strength (Ic) of the crystal phase portion and the integrated strength (Ia) of the amorphous phase portion. ) Is represented by the ratio (Ic / (Ic + Ia) × 100). In the present embodiment, the crystallinity of the ferromagnetic thin film 20 is preferably 1% to 50%, more preferably 5% to 20%.

なお、非晶質相22と結晶相24との割合は、上記の算出方法の他に、図1に示す断面において、強磁性体薄膜20の所定の面積に占める結晶相24の面積割合として算出しても良い。この場合でも、結晶相24の面積割合は、好ましくは、1%〜50%、より好ましくは、5%〜20%である。なお、断面における結晶相24の面積割合は、強磁性体薄膜20の断面写真を3箇所以上で撮影し、各断面写真において、画像解析により500nm×5000nmの範囲に存在する結晶相24の面積を測定し、その平均値を算出することで得る。 In addition to the above calculation method, the ratio of the amorphous phase 22 to the crystal phase 24 is calculated as the area ratio of the crystal phase 24 to the predetermined area of the ferromagnetic thin film 20 in the cross section shown in FIG. You may. Even in this case, the area ratio of the crystal phase 24 is preferably 1% to 50%, more preferably 5% to 20%. As for the area ratio of the crystal phase 24 in the cross section, the cross-sectional photograph of the ferromagnetic thin film 20 is taken at three or more places, and in each cross-sectional photograph, the area of the crystal phase 24 existing in the range of 500 nm × 5000 nm is determined by image analysis. It is obtained by measuring and calculating the average value.

(その他の機能膜)
なお、図1では図示していないが、積層薄膜2には、圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20の他に、その他の機能膜が形成してあっても良い。たとえば、前述したように、圧電体薄膜10の下層、および上層(すなわち圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との間)には、導電性の電極膜が形成してあっても良い。導電性の電極膜が形成してあることで、圧電体薄膜10から電気出力を効率よく取り出すことができる。この場合、電極膜としては、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、金(Au)などの面心立方構造の金属薄膜や、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)やニッケル酸リチウム(LiNiO)などのペロブスカイト構造の酸化物導電体薄膜などを形成することが好ましい。
(Other functional membranes)
Although not shown in FIG. 1, the laminated thin film 2 may have other functional films formed in addition to the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20. For example, as described above, a conductive electrode film may be formed on the lower layer and the upper layer of the piezoelectric thin film 10 (that is, between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20). Since the conductive electrode film is formed, the electric output can be efficiently extracted from the piezoelectric thin film 10. In this case, the electrode film includes a metal thin film having a face-centered cubic structure such as platinum (Pt), iridium (Ir), or gold (Au), or strontium ruthenate (SrRuO 3 ) or lithium nickelate (LiNiO 3 ). It is preferable to form an oxide conductor thin film having a perovskite structure.

また、積層薄膜2の最下層には、エピタキシャル成長を効率よく促すために、バッファ層が形成してあっても良い。バッファ層としては、酸化ジルコニウム(ZrO)、もしくは、希土類元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウム(安定化ジルコニア)を主成分とすることが好ましい。さらに、強磁性体薄膜20の上方には、絶縁性の保護層などが形成してあっても良い。 Further, a buffer layer may be formed on the lowermost layer of the laminated thin film 2 in order to efficiently promote epitaxial growth. The buffer layer preferably contains zirconium oxide (ZrO 2 ) or zirconium oxide (stabilized zirconia) stabilized by rare earth elements (including Sc and Y) as a main component. Further, an insulating protective layer or the like may be formed above the ferromagnetic thin film 20.

(積層薄膜2の製造方法)
続いて、図1に示す積層薄膜2の製造方法の一例について、以下に説明する。
(Manufacturing method of laminated thin film 2)
Subsequently, an example of the method for manufacturing the laminated thin film 2 shown in FIG. 1 will be described below.

積層薄膜2は、図1では図示しない基板上に作製される。使用する基板は、Si、MgO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)などの各種単結晶から選択することができるが、特に、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板を使用することが好ましい。単結晶シリコン基板を使用する場合、シリコン基板上には、まず、バッファ層と電極膜とを、エピタキシャル成長させ、その上に圧電体薄膜10を形成することが好ましい。この際、バッファ層と電極膜とをエピタキシャル成長させる方法は、公知の方法を採用すればよい。 The laminated thin film 2 is formed on a substrate (not shown in FIG. 1). The substrate to be used can be selected from various single crystals such as Si, MgO, strontium titanate (SrTIO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), and in particular, a single crystal having a Si (100) -plane surface. It is preferable to use a silicon substrate that is made of. When a single crystal silicon substrate is used, it is preferable that the buffer layer and the electrode film are first epitaxially grown on the silicon substrate, and the piezoelectric thin film 10 is formed on the buffer layer. At this time, as a method for epitaxially growing the buffer layer and the electrode film, a known method may be adopted.

圧電体薄膜10は、各種薄膜作製法により形成する。薄膜作製法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法、PLD法などの物理的または化学的な方法を用いることができる。本実施形態において、圧電体薄膜10の薄膜作製法は、特に限定されないが、特に、スパッタリング法を選択することが好ましい。スパッタリング法では、圧電特性の高い膜を、大面積に安定的に作製することができる。 The piezoelectric thin film 10 is formed by various thin film manufacturing methods. As the thin film forming method, a physical or chemical method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, a CVD method, or a PLD method can be used. In the present embodiment, the method for producing the piezoelectric thin film 10 is not particularly limited, but it is particularly preferable to select the sputtering method. In the sputtering method, a film having high piezoelectric characteristics can be stably produced in a large area.

たとえば、スパッタリング法により圧電体薄膜10を形成する場合、安定的にエピタキシャル成長をさせるためには、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、成膜速度、ガス組成、真空度、基板−ターゲット間距離などを適正に制御する。 For example, when the piezoelectric thin film 10 is formed by the sputtering method, the composition of the sputtering target, the substrate temperature, the film formation rate, the gas composition, the degree of vacuum, the distance between the substrates and the target, etc. are appropriate for stable epitaxial growth. To control.

また、圧電体薄膜10がドメイン構造(少なくとも3つのドメインを含む)を有するためには、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、もしくは、積層する強磁性体薄膜20の応力などを制御する。 Further, in order for the piezoelectric thin film 10 to have a domain structure (including at least three domains), the composition of the sputtering target, the substrate temperature, the stress of the ferromagnetic thin films 20 to be laminated, and the like are controlled.

たとえば、スパッタリングターゲットの組成は、材料に応じて複数のドメインや結晶相が形成されやすい組成を選択するとともに、蒸気圧の高い元素を化学量論的組成の20〜120%増しとすることが好ましい。PZTを例にとると、Pb/(Zr+Ti)原子比が1.2〜2.2、Zr/(Zr+Ti)原子比が1〜1.5となるように制御することが好ましい。また、スパッタリング時の基板温度は、550〜650℃となるように制御することが好ましい。さらに、強磁性体薄膜20の応力は、圧縮応力とすることが好ましい。加えて、圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させた後で、酸化雰囲気において、300〜500℃の温度でアニール処理することも、上述したドメイン構造を得るために効果的である。 For example, the composition of the sputtering target is preferably selected so that a plurality of domains and crystal phases are easily formed depending on the material, and the element having a high vapor pressure is increased by 20 to 120% of the stoichiometric composition. .. Taking PZT as an example, it is preferable to control the Pb / (Zr + Ti) atomic ratio to be 1.2 to 2.2 and the Zr / (Zr + Ti) atomic ratio to be 1 to 1.5. Further, it is preferable to control the substrate temperature during sputtering so as to be 550 to 650 ° C. Further, the stress of the ferromagnetic thin film 20 is preferably a compressive stress. In addition, after epitaxially growing the piezoelectric thin film 10, annealing treatment at a temperature of 300 to 500 ° C. in an oxidizing atmosphere is also effective for obtaining the above-mentioned domain structure.

強磁性体薄膜20も、圧電体薄膜10と同様に、各種の薄膜作製法で形成し得るが、本実施形態においては、特に、スパッタリング法を採用することが好ましい。スパッタリング法の場合、非晶質相22と結晶相24とを混在させるためには、真空度、基板温度、ガス組成、ガス圧力、パワー、基板距離などの成膜条件を適切に制御すればよい。たとえば、チャンバー内の真空度は、0.01〜0.1Paとすることが好ましく、基板温度は、20℃〜200℃とすることが好ましい。特に、結晶相24を面心立方構造とするためには、基板加熱を行わずに、ターゲットと基板との距離を100mm以上に離すことで、成膜時の基板温度を200℃以下に保つことが好ましい。 The ferromagnetic thin film 20 can also be formed by various thin film manufacturing methods like the piezoelectric thin film 10, but in the present embodiment, it is particularly preferable to adopt the sputtering method. In the case of the sputtering method, in order to mix the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24, the film forming conditions such as the degree of vacuum, the substrate temperature, the gas composition, the gas pressure, the power, and the substrate distance may be appropriately controlled. .. For example, the degree of vacuum in the chamber is preferably 0.01 to 0.1 Pa, and the substrate temperature is preferably 20 ° C to 200 ° C. In particular, in order to form the crystal phase 24 in a face-centered cubic structure, the substrate temperature at the time of film formation should be maintained at 200 ° C. or lower by keeping the distance between the target and the substrate to 100 mm or more without heating the substrate. Is preferable.

上記のような方法により、積層薄膜2が形成された基板が得られる。得られた基板については、適宜パターニング加工などを施し、所定の形状に加工することで、積層薄膜2を有する磁気電気変換素子や圧電素子となる。 By the above method, a substrate on which the laminated thin film 2 is formed can be obtained. The obtained substrate is appropriately subjected to patterning processing or the like and processed into a predetermined shape to obtain a magnetic-electric conversion element or a piezoelectric element having the laminated thin film 2.

なお、圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との間には、用途に応じて適宜電極膜などを形成しても良い。また、圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との位置関係は反転していても良い。すなわち、強磁性体薄膜20は、圧電体薄膜10の上側にあっても、下側にあってもよい。さらに、圧電体薄膜10の上下両側に強磁性体薄膜20を設けることも可能である。異なる基板に、強磁性体薄膜20と圧電体薄膜10とを、それぞれ薄膜作製法によって形成したのち、両者を接合して積層構造を得てもよいが、好ましくは、前述したように、圧電体薄膜10の上に強磁性体薄膜20を薄膜法で成膜することが好ましい。なお、必要に応じて片側または両側の基板の少なくとも一部を除去して、積層膜のみの構造や、一方の基板で積層膜を保持した形状にすることもできる。 An electrode film or the like may be appropriately formed between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 depending on the intended use. Further, the positional relationship between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 may be reversed. That is, the ferromagnetic thin film 20 may be on the upper side or the lower side of the piezoelectric thin film 10. Further, it is also possible to provide the ferromagnetic thin film 20 on both the upper and lower sides of the piezoelectric thin film 10. A ferromagnetic thin film 20 and a piezoelectric thin film 10 may be formed on different substrates by a thin film manufacturing method, and then the two may be joined to obtain a laminated structure. However, as described above, the piezoelectric material is preferable. It is preferable to form the ferromagnetic thin film 20 on the thin film 10 by the thin film method. If necessary, at least a part of the substrate on one side or both sides can be removed to form a structure having only a laminated film or a shape in which the laminated film is held by one substrate.

(第1実施形態のまとめ)
本実施形態の積層薄膜2では、圧電体薄膜10がエピタキシャル成長膜から成り、圧電体薄膜10の内部に結晶粒界がほとんど存在しない。すなわち、積層体薄膜2に含まれる圧電体薄膜10は、優れた結晶配向性を有する。そのため、本実施形態の圧電体薄膜10では、結晶粒界による物理量の攪乱が抑制され、優れた圧電特性を示す。
(Summary of the first embodiment)
In the laminated thin film 2 of the present embodiment, the piezoelectric thin film 10 is made of an epitaxial growth film, and there are almost no crystal grain boundaries inside the piezoelectric thin film 10. That is, the piezoelectric thin film 10 contained in the laminated thin film 2 has excellent crystal orientation. Therefore, in the piezoelectric thin film 10 of the present embodiment, the disturbance of the physical quantity due to the crystal grain boundaries is suppressed, and the piezoelectric thin film 10 exhibits excellent piezoelectric characteristics.

また、この圧電体薄膜10の上方に形成してある強磁性体薄膜20は、非晶質相22と結晶相24とを有し、非晶質相22の特性と結晶相24の特性とを兼ね備えている。すなわち、本実施形態の強磁性体薄膜20では、非晶質相22の特性に起因して、入力磁場に対する応答性を向上させることができる。つまり、磁歪を発生するために必要なしきい磁場HTHおよび保持力Hcを、小さくすることができる。そのうえ、本実施形態の強磁性体薄膜20では、結晶相24の特性に起因して、低磁場でのdλ/dH(単位磁場(あるいは単位磁場強度)あたりの歪変化量)を大きくすることができる。 Further, the ferromagnetic thin film 20 formed above the piezoelectric thin film 10 has an amorphous phase 22 and a crystal phase 24, and has the characteristics of the amorphous phase 22 and the characteristics of the crystal phase 24. Combined. That is, in the ferromagnetic thin film 20 of the present embodiment, the responsiveness to the input magnetic field can be improved due to the characteristics of the amorphous phase 22. That is, the threshold magnetic field HTH and the holding force Hc required to generate magnetostriction can be reduced. Moreover, in the ferromagnetic thin film 20 of the present embodiment, dλ / dH (amount of change in strain per unit magnetic field (or unit magnetic field strength)) at a low magnetic field can be increased due to the characteristics of the crystal phase 24. it can.

以上のように、本実施形態に係る積層薄膜2では、高配向で優れた圧電特性を有する圧電体薄膜10と、磁歪特性に優れる強磁性体薄膜20とを好適に組み合わせて構成してある。そのため、本実施形態に係る積層薄膜2を有する素子(磁気電気変換素子や圧電素子)は、高い変換効率(たとえば磁気−電気の変換効率)と、優れた検出感度(応答性が高く、ノイズが小さい)とを兼ね備える電子デバイスとして好適に用いることができる。 As described above, the laminated thin film 2 according to the present embodiment is configured by preferably combining the piezoelectric thin film 10 having high orientation and excellent piezoelectric characteristics and the ferromagnetic thin film 20 having excellent magnetostrictive characteristics. Therefore, the element (magnetic-electric conversion element or piezoelectric element) having the laminated thin film 2 according to the present embodiment has high conversion efficiency (for example, magnetic-electric conversion efficiency) and excellent detection sensitivity (high responsiveness and noise). It can be suitably used as an electronic device having both (small) and.

また、本実施形態では、強磁性体薄膜20に含まれる結晶相24が、面心立方構造である。このように構成することで、積層薄膜2の磁歪特性がさらに向上すると共に、電子デバイスの変換効率がさらに高くなる。 Further, in the present embodiment, the crystal phase 24 contained in the ferromagnetic thin film 20 has a face-centered cubic structure. With such a configuration, the magnetostrictive characteristics of the laminated thin film 2 are further improved, and the conversion efficiency of the electronic device is further increased.

さらに、本実施形態では、強磁性体薄膜20は少なくともFeを含む。このように構成することで、積層薄膜2の特性がより向上し、電子デバイスの出力がさらに高くなる。 Further, in this embodiment, the ferromagnetic thin film 20 contains at least Fe. With such a configuration, the characteristics of the laminated thin film 2 are further improved, and the output of the electronic device is further increased.

また本実施形態では、強磁性体薄膜20の厚さ(t2)が、強磁性体薄膜20に含まれる結晶相24の面内方向の平均粒径(D2)よりも大きい。このように構成することで、積層薄膜2の特性がより向上し、低磁場での入力に対する電子デバイスの変換効率がより向上する。 Further, in the present embodiment, the thickness (t2) of the ferromagnetic thin film 20 is larger than the in-plane average particle diameter (D2) of the crystal phase 24 contained in the ferromagnetic thin film 20. With such a configuration, the characteristics of the laminated thin film 2 are further improved, and the conversion efficiency of the electronic device with respect to the input in a low magnetic field is further improved.

(積層薄膜2の産業上の利用分野)
本実施形態の積層薄膜2は、所定の基板上に形成され、その基板は、磁気電気変換素子や圧電素子に組み込まれて利用される。積層薄膜2を有する磁気電気変換素子または圧電素子は、電源や電気/電子回路と接続され、回路基板に搭載するかパッケージされることにより電子デバイスを構成する。
(Industrial application field of laminated thin film 2)
The laminated thin film 2 of the present embodiment is formed on a predetermined substrate, and the substrate is incorporated into a magnetic-electric conversion element or a piezoelectric element for use. The magnetic-electric conversion element or piezoelectric element having the laminated thin film 2 is connected to a power source or an electric / electronic circuit, and constitutes an electronic device by being mounted on a circuit board or packaged.

たとえば、一例として、積層薄膜2を有する磁気電気変換素子に、増幅器と整流回路を接続しパッケージすれば、磁気センサが得られる。同じく磁気電気変換素子に蓄電素子と整流電力管理回路を接続すれば、外部からの磁場や振動から電力を発電するエネルギー変換デバイス(エネルギーハーベスタ)が得られる。ほかにも、インクジェットプリンタヘッド、マイクロアクチュエータ、ジャイロスコープ、モーションセンサなど、様々な圧電デバイスや磁気電気デバイスに利用できる。 For example, if an amplifier and a rectifier circuit are connected to a magnetic-electric conversion element having a laminated thin film 2 and packaged, a magnetic sensor can be obtained. Similarly, if a power storage element and a rectifying power management circuit are connected to a magnetic-electric conversion element, an energy conversion device (energy harvester) that generates electric power from an external magnetic field or vibration can be obtained. In addition, it can be used for various piezoelectric devices and magnetic electric devices such as inkjet printer heads, microactuators, gyroscopes, and motion sensors.

特に、上述したエネルギー変換デバイスは、電源システムやウェアラブル端末(イヤホン/ヒアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートグラス(眼鏡)、スマートコンタクトレンズ、人工内耳、心臓ペースメーカーなど)などに組み込まれ利用される。 In particular, the above-mentioned energy conversion device is incorporated and used in a power supply system, a wearable terminal (earphone / hearable device, smart watch, smart glasses (glasses), smart contact lens, cochlear implant, cardiac pacemaker, etc.).

第2実施形態
第2実施形態では、本発明の一実施形態に係る電子デバイスの一例として、磁気電気変換素子30(以下、素子30とも称する)について説明する。図2〜図4に示すように、磁気電気変換素子30は、第1実施形態における積層薄膜2(圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20とを含む)を有する。なお、図2〜図4において、X軸、Y軸およびZ軸は、相互に略垂直であり、Z軸が積層方向に一致する。
Second Embodiment In the second embodiment, the magnetic-electric conversion element 30 (hereinafter, also referred to as the element 30) will be described as an example of the electronic device according to the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 2 to 4, the magnetic-electric conversion element 30 has a laminated thin film 2 (including a piezoelectric thin film 10 and a ferromagnetic thin film 20) in the first embodiment. In FIGS. 2 to 4, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are substantially perpendicular to each other, and the Z-axis coincides with the stacking direction.

本実施形態の磁気電気変換素子30は、離間したところから非接触で送信される磁場や、電磁波、超音波などのエネルギーを受けて、これらのエネルギー(入力信号)を電気出力に変換する。たとえば、外部から磁場が印加されると、強磁性体薄膜20は、磁歪効果によって歪を発生させる。ここで発生した歪によって、強磁性体薄膜20の下方に位置する圧電体薄膜10も歪むこととなり、圧電体薄膜10の表面では、圧電効果により電荷が発生する。発生した電荷は、第1電極膜50および第2電極膜52を介して電気出力として取り出される。本実施形態では、上記のような性能を有する磁気電気変換素子に30ついて、詳細な構成を一例として説明する。 The magnetic-electric conversion element 30 of the present embodiment receives energy such as a magnetic field, an electromagnetic wave, and an ultrasonic wave transmitted in a non-contact manner from a distance, and converts these energies (input signals) into an electric output. For example, when a magnetic field is applied from the outside, the ferromagnetic thin film 20 causes distortion due to the magnetostrictive effect. The strain generated here also distorts the piezoelectric thin film 10 located below the ferromagnetic thin film 20, and charges are generated on the surface of the piezoelectric thin film 10 due to the piezoelectric effect. The generated electric charge is taken out as an electric output through the first electrode film 50 and the second electrode film 52. In the present embodiment, a detailed configuration of 30 magnetic-electric conversion elements having the above-mentioned performance will be described as an example.

まず、磁気電気変換素子30の形態を、図面に基づいて説明する。図2に示すように、磁気電気変換素子30は、機能膜が積層された膜積層部32と、膜積層部32の外側を取り囲む外周部34とを有する。 First, the form of the magnetic-electric conversion element 30 will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 2, the magnetic-electric conversion element 30 has a film laminated portion 32 on which functional films are laminated, and an outer peripheral portion 34 that surrounds the outside of the film laminated portion 32.

図3に示すように、Z軸方向の最下層には基板40が存在する。この基板40は、X−Y平面の略中央部、すなわち膜積層部32の部分において、開口部42を有している。つまり、基板40は、実質的に磁気電気変換素子30の外周部34にのみ存在している。開口部42のZ軸上方に位置する膜積層部32には、第1電極膜50と、積層薄膜2と、第2電極膜52とが、この順に積層してある。ただし、第2電極膜52は、積層薄膜2に含まれる圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との間に形成してあっても良い。 As shown in FIG. 3, the substrate 40 is present in the lowermost layer in the Z-axis direction. The substrate 40 has an opening 42 in a substantially central portion of the XY plane, that is, a portion of the film laminated portion 32. That is, the substrate 40 is substantially present only on the outer peripheral portion 34 of the magnetic-electric conversion element 30. The first electrode film 50, the laminated thin film 2, and the second electrode film 52 are laminated in this order on the film laminated portion 32 located above the Z axis of the opening 42. However, the second electrode film 52 may be formed between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 included in the laminated thin film 2.

第1電極膜50は、端部50aと中央部分50bとを一体的に有する。図2に示す平面視において、第1電極膜50の中央部分50bは、開口部42の開口面よりも小さい略矩形の形状を有する。また、第1電極膜50の端部50aは、中央部分50bのX軸方向の両端に位置し、図2に示す平面視において、中央部分50bよりもY軸方向の幅が小さい略矩形の形状を有する。第1電極膜50は、上記のような形状を有するため、図3に示す断面(III−III線に沿う断面)において、開口部42のZ軸方向の上部開口面を、X軸方向に掛け渡すように存在している。そして、第1電極膜50の端部50aのみが、素子30の外周部34に位置する基板40の表面に存在している。 The first electrode film 50 integrally has an end portion 50a and a central portion 50b. In the plan view shown in FIG. 2, the central portion 50b of the first electrode film 50 has a substantially rectangular shape smaller than the opening surface of the opening 42. Further, the end portions 50a of the first electrode film 50 are located at both ends of the central portion 50b in the X-axis direction, and have a substantially rectangular shape having a width smaller in the Y-axis direction than the central portion 50b in the plan view shown in FIG. Has. Since the first electrode film 50 has the above-mentioned shape, in the cross section shown in FIG. 3 (cross section along the line III-III), the upper opening surface of the opening 42 in the Z-axis direction is hung in the X-axis direction. Exists to pass. Then, only the end portion 50a of the first electrode film 50 exists on the surface of the substrate 40 located on the outer peripheral portion 34 of the element 30.

一方で、図4に示す断面(図2のIV−IV線に沿う断面)においては、第1電極膜50の中央部分50bの断面のみが現れ、端部50aが存在しない。そのため、図4に示す断面では、第1電極膜50が、開口部42の上方において、浮遊しているように見える。開口部42の上方で浮遊しているように見える膜積層部32は、積層されている各膜の応力の不均衡によって反りが発生しやすいが、膜積層部32の第1電極膜50の中央部分50bの下面と、基板40に接触している第1電極膜50の端部50aの下面とで、Z軸方向の高さ(位置)がおおよそ一致し面一となっていることが好ましい。 On the other hand, in the cross section shown in FIG. 4 (cross section along the IV-IV line in FIG. 2), only the cross section of the central portion 50b of the first electrode film 50 appears, and the end portion 50a does not exist. Therefore, in the cross section shown in FIG. 4, the first electrode film 50 appears to be floating above the opening 42. The film laminated portion 32, which appears to be floating above the opening 42, is likely to warp due to the imbalance of stress of each laminated film, but is at the center of the first electrode film 50 of the film laminated portion 32. It is preferable that the lower surface of the portion 50b and the lower surface of the end portion 50a of the first electrode film 50 in contact with the substrate 40 have substantially the same height (position) in the Z-axis direction and are flush with each other.

積層薄膜2は、第1電極膜50のZ軸方向の上方に位置し、第1電極膜50と同様の平面視形状を有する。ただし、図2に示す平面視において、積層薄膜2の大きさは、第1電極膜50よりも小さくなっている。また、積層薄膜2のZ軸方向の上方には、第2電極膜52が存在し、第2電極膜52は、略矩形の平面視形状を有する。 The laminated thin film 2 is located above the first electrode film 50 in the Z-axis direction and has a plan view shape similar to that of the first electrode film 50. However, in the plan view shown in FIG. 2, the size of the laminated thin film 2 is smaller than that of the first electrode film 50. Further, a second electrode film 52 exists above the laminated thin film 2 in the Z-axis direction, and the second electrode film 52 has a substantially rectangular plan view shape.

なお、前述したように、第2電極膜52は、圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との間に位置していても良い。その場合、圧電体薄膜10のみが、第1電極膜50と第2電極膜52とで挟まれる積層構造となり、第2電極膜52の上に強磁性体薄膜20が位置することとなる。このように構成したほうが、圧電体薄膜10で発生する電荷をより効率よく取り出すことが可能となる。 As described above, the second electrode film 52 may be located between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20. In that case, only the piezoelectric thin film 10 has a laminated structure sandwiched between the first electrode film 50 and the second electrode film 52, and the ferromagnetic thin film 20 is located on the second electrode film 52. With such a configuration, the electric charge generated in the piezoelectric thin film 10 can be taken out more efficiently.

また、第2電極膜52が圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20との間に位置する場合、第2電極膜52は面心立方構造の多結晶膜、または、非晶質相と面心立方構造の結晶相とからなる膜、であることが好ましい。この上に強磁性体薄膜20を形成することで、エピタキシャル成長した圧電体薄膜10と、非晶質相22と面心立方構造の結晶相24からなる強磁性体薄膜20とが積層された積層薄膜2が得やすくなる。 When the second electrode film 52 is located between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20, the second electrode film 52 is a face-centered cubic polycrystalline film or an amorphous phase and face-to-face. It is preferably a film composed of a cubic crystal phase. By forming the ferromagnetic thin film 20 on this, the epitaxially grown piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 composed of the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 having a face-to-face cubic structure are laminated. 2 is easy to obtain.

図3に示すように、第1電極膜50の一方の端部50aには、第1取出電極膜51の先端が接続してある。第1取出電極膜51の後端には、第1電極パッド51aが基板40の表面に形成してある。第1電極パッド51aには、図示しない外部回路が接続可能になっている。 As shown in FIG. 3, the tip of the first extraction electrode film 51 is connected to one end 50a of the first electrode film 50. A first electrode pad 51a is formed on the surface of the substrate 40 at the rear end of the first extraction electrode film 51. An external circuit (not shown) can be connected to the first electrode pad 51a.

また、第1電極膜50の他方の端部50aは、積層薄膜2の表面の一部と共に、絶縁膜54で覆われている。そして、絶縁膜54の上をX軸方向に掛け渡すように、第2取出電極53が形成してあり、第2取出電極53の先端は、第2電極膜52に接続してある。第2取出電極膜53の後端には、第2電極パッド53aが基板40の表面に形成してある。第2電極パッド部53aには、図示しない外部回路が接続可能になっている。なお、絶縁膜54があるため、第2取出電極53は、第1電極膜50に対して絶縁されている。 Further, the other end portion 50a of the first electrode film 50 is covered with an insulating film 54 together with a part of the surface of the laminated thin film 2. A second extraction electrode 53 is formed so as to hang over the insulating film 54 in the X-axis direction, and the tip of the second extraction electrode 53 is connected to the second electrode film 52. A second electrode pad 53a is formed on the surface of the substrate 40 at the rear end of the second extraction electrode film 53. An external circuit (not shown) can be connected to the second electrode pad portion 53a. Since there is an insulating film 54, the second extraction electrode 53 is insulated from the first electrode film 50.

本実施形態において、基板40の材質は、Si、MgO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)などの各種単結晶から選択することができるが、特に、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板を使用することが好ましい。 In the present embodiment, the material of the substrate 40 can be selected from various single crystals such as Si, MgO, strontium titanate (SrTIO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), and in particular, the surface is Si (100). ) It is preferable to use a silicon substrate that is a single crystal on the surface.

また、第1電極膜50の材質は、Pt、Ir、Auなどの面心立方構造の金属薄膜か、SrRuOやLaNiOなどのペロブスカイト型構造の酸化物導電体膜とすることが好ましい。また、上記の金属薄膜と上記の酸化物導電体膜とを積層しても良い(例えば、Pt電極/SrRuOなど)。この場合(複数積層の場合)、第1電極膜50の圧電体薄膜10側(すなわちZ軸方向の上方)には、酸化物導電体膜が存在することが好ましい。第1電極膜50の厚みは、30nm〜200nmとすることが好ましい。 The material of the first electrode film 50 is preferably a metal thin film having a face-centered cubic structure such as Pt, Ir, Au, or an oxide conductor film having a perovskite structure such as SrRuO 3 or LaNiO 3. Further, the above metal thin film and the above oxide conductor film may be laminated (for example, Pt electrode / SrRuO 3 or the like). In this case (in the case of a plurality of layers), it is preferable that the oxide conductor film is present on the piezoelectric thin film 10 side (that is, above the Z-axis direction) of the first electrode film 50. The thickness of the first electrode film 50 is preferably 30 nm to 200 nm.

積層薄膜2に含まれる圧電体薄膜10および強磁性体薄膜20については、第1実施形態と同様とすればよく、説明を省略する。また、第2電極膜52には、第1電極膜50と同様に、Pt、Ir、Auなどの面心立方構造の金属薄膜、もしくは、SrRuOやLaNiOなどのペロブスカイト型構造の酸化物導電体膜などが含まれることが好ましい。第2電極膜における金属薄膜もしくは酸化物導電体膜の厚みは、3nm〜100nmとすることが好ましい。 The piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 included in the laminated thin film 2 may be the same as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, on the second electrode film 52, similarly to the first electrode film 50, a metal thin film having a face-centered cubic structure such as Pt, Ir, Au, or an oxide conductive film having a perovskite type structure such as SrRuO 3 or LaNiO 3 It is preferable that a body membrane or the like is included. The thickness of the metal thin film or the oxide conductor film in the second electrode film is preferably 3 nm to 100 nm.

なお、第1取出電極膜51および第2取出電極膜53については、導電性を有していればよく、その材質や厚みは特に限定されない。たとえば、Ptのほか、Ag、Cu、Au、Alなどの導電性金属を含むことができる。また、図2〜4では、図示していないが、磁気電気変換素子30の最上層には、保護層が形成してあってもよい。保護層としては、絶縁性の膜が好ましいが、たとえば、SiO、Al2O3、ポリイミドなどの絶縁膜のほか、TiやTaなどの金属膜を使用することができ、その厚みは、特に制限されず、10nm程度で良い。 The first take-out electrode film 51 and the second take-out electrode film 53 need only have conductivity, and the material and thickness thereof are not particularly limited. For example, in addition to Pt, conductive metals such as Ag, Cu, Au, and Al can be included. Further, although not shown in FIGS. 2 to 4, a protective layer may be formed on the uppermost layer of the magnetic-electric conversion element 30. As the protective layer, an insulating film is preferable, but for example, an insulating film such as SiO 2 , Al2O3, or polyimide, or a metal film such as Ti or Ta can be used, and the thickness thereof is not particularly limited. It may be about 10 nm.

さらに、第1電極膜50のZ軸方向の下方(すなわち、基板40と第1電極膜との間)には、バッファ層が形成してあっても良い。バッファ層としては、第1実施形態でも述べたように、酸化ジルコニウム(ZrO)、もしくは、希土類元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウム(安定化ジルコニア)を主成分とすることが好ましい。バッファ層が形成してあることで、バッファ層より上層に位置する膜のエピタキシャル成長が促進される(高品質となる)。また、バッファ層は、開口部42を形成する際に、エッチングストッパ層としても機能する。バッファ層を形成する場合、その厚みは、5nm〜100nmとすることが好ましい。 Further, a buffer layer may be formed below the first electrode film 50 in the Z-axis direction (that is, between the substrate 40 and the first electrode film). As described in the first embodiment, the buffer layer contains zirconium oxide (ZrO 2 ) or zirconium oxide stabilized by rare earth elements (including Sc and Y) as a main component (stabilized zirconia). Is preferable. The formation of the buffer layer promotes epitaxial growth of the film located above the buffer layer (high quality). The buffer layer also functions as an etching stopper layer when forming the opening 42. When forming the buffer layer, the thickness thereof is preferably 5 nm to 100 nm.

本実施形態では、素子30が上記のような構成を有することで、素子30の中央部は、特定の周波数の振動モードを有する振動子、特に、面内伸縮振動子として機能する。ここで、面内伸縮振動子とは、弾性体の面内方向にわたって発生する面内伸縮振動モードを利用する振動子を意味する。図2〜4では、振動子として矩形型の形態を示しているが、その他、円板型、カンチレバー型などの形態を取り得る。好ましくは、図2〜4に示すような矩形型である。 In the present embodiment, since the element 30 has the above-described configuration, the central portion of the element 30 functions as an oscillator having a vibration mode of a specific frequency, particularly as an in-plane telescopic oscillator. Here, the in-plane expansion / contraction oscillator means an oscillator that utilizes the in-plane expansion / contraction vibration mode generated over the in-plane direction of the elastic body. Although FIGS. 2 to 4 show a rectangular shape as the vibrator, other shapes such as a disk type and a cantilever type can be taken. Preferably, it is a rectangular shape as shown in FIGS. 2 to 4.

振動子としての機能に着目した場合、素子30の中央部分で第1電極膜50と積層薄膜2と第2電極膜52とが積層してある膜積層部32が振動部32となり、第1電極膜50の端部50aと積層薄膜2の端部が積層してある部分(特に、振動部32を開口部42の上方で支持している部分)が支持部(または支持腕)36となる。支持部36は、振動部32と素子30の外周部34とを接続している。 When focusing on the function as a vibrator, the film laminated portion 32 in which the first electrode film 50, the laminated thin film 2 and the second electrode film 52 are laminated in the central portion of the element 30 becomes the vibrating portion 32, and the first electrode The portion (particularly, the portion that supports the vibrating portion 32 above the opening 42) where the end portion 50a of the film 50 and the end portion of the laminated thin film 2 are laminated becomes the support portion (or support arm) 36. The support portion 36 connects the vibrating portion 32 and the outer peripheral portion 34 of the element 30.

支持部36は、振動部32の動き(面内伸縮振動)を妨げないように、振動部32に対して剛性の低い形態であることが好ましい。たとえば、支持部36のY軸方向幅は、振動部32のY軸方向幅(支持部36の延びるX軸方向に直交する方向の長さ)に対して狭くする。あるいは、支持部36のZ軸方向厚みは、振動部32のZ軸方向厚みに対して小さくする。支持部36の厚みと幅の積は、振動部32のそれに対して90%よりも小さいことが好ましく、75%よりも小さいことがより好ましい。このように構成することによって、大きな振幅の面内伸縮振動を誘起でき、磁気電気変換素子30の出力が高まる。 The support portion 36 is preferably in a form having low rigidity with respect to the vibrating portion 32 so as not to interfere with the movement of the vibrating portion 32 (in-plane expansion / contraction vibration). For example, the width in the Y-axis direction of the support portion 36 is narrower than the width in the Y-axis direction of the vibrating portion 32 (the length in the direction orthogonal to the X-axis direction in which the support portion 36 extends). Alternatively, the thickness of the support portion 36 in the Z-axis direction is made smaller than the thickness of the vibrating portion 32 in the Z-axis direction. The product of the thickness and width of the support portion 36 is preferably less than 90%, more preferably less than 75% of that of the vibrating portion 32. With this configuration, in-plane expansion and contraction vibration with a large amplitude can be induced, and the output of the magnetic-electric conversion element 30 is increased.

また、支持部36の長さは振動部32を伝わる振動の波長の1/4程度であることが好ましい。こうすることによって、効率的にエネルギーを振動部に閉じ込めることができ、大きな出力が得られるとともに、アレー化した場合の素子間の干渉を抑制することができる。 Further, the length of the support portion 36 is preferably about 1/4 of the wavelength of the vibration transmitted through the vibrating portion 32. By doing so, the energy can be efficiently confined in the vibrating portion, a large output can be obtained, and interference between the elements in the case of arraying can be suppressed.

また、振動部32の表面(すなわち、第1電極膜50および第2電極膜52の表面)は、平坦であることが好ましい。より具体的に、表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)または要素の平均長さ(Rms)で、1μmよりも小さいことが好ましく、振動部32を伝わる振動の波長の1/10以下となることがより好ましい。 Further, the surface of the vibrating portion 32 (that is, the surfaces of the first electrode film 50 and the second electrode film 52) is preferably flat. More specifically, the surface roughness is preferably an arithmetic average roughness (Ra) or an average length of elements (Rms) of less than 1 μm, and is 1/10 or less of the wavelength of vibration transmitted through the vibrating portion 32. Is more preferable.

素子30の振動方向(Y軸方向)の幅は、振動部32が電磁波に比べ速度の遅い音波の波長で振動するため、同じ周波数の電磁波の波長に比べ極めて小さいサイズであることが好ましい。具体的に、素子30の振動方向(Y軸方向)の幅は、真空中の電磁波の波長の1/10よりも小さいことが好ましい。一方、振動方向に直交する方向(X軸方向)には素子の大きさが制限されることは無く、振動部32は直線状に長く伸びた形状や、ミアンダ状や渦巻き状に折りたたんだ形状をとり得る。 The width of the element 30 in the vibration direction (Y-axis direction) is preferably extremely small compared to the wavelength of the electromagnetic wave having the same frequency because the vibrating portion 32 vibrates at the wavelength of the sound wave whose speed is slower than that of the electromagnetic wave. Specifically, the width of the element 30 in the vibration direction (Y-axis direction) is preferably smaller than 1/10 of the wavelength of the electromagnetic wave in vacuum. On the other hand, the size of the element is not limited in the direction orthogonal to the vibration direction (X-axis direction), and the vibrating portion 32 has a shape that extends linearly and a shape that is folded into a meander shape or a spiral shape. It can be taken.

また、本実施形態では、強磁性体薄膜20を面内方向(すなわちX−Y面方向)に伸縮振動するように構成することが好ましい。この場合、振動子の振動モードが面内コントアモードとなり、振動の鋭さを表す特性であるQが大きくなる。磁気電気変換素子30において、Qが大きい振動モードをとることで、より大きな出力を得ることができ、効率よくエネルギーを電力に変換できる。 Further, in the present embodiment, it is preferable that the ferromagnetic thin film 20 is configured to expand and contract in the in-plane direction (that is, in the XY plane direction). In this case, the vibration mode of the vibrator becomes the in-plane controller mode, and Q, which is a characteristic representing the sharpness of vibration, becomes large. By taking the vibration mode in which the Q is large in the magnetic-electric conversion element 30, a larger output can be obtained and energy can be efficiently converted into electric power.

なお、Qは以下の式で表すことができる。
Q=f0/(f1−f2)
上記式で、f0は振動子の固有周波数、f1は出力または振幅が固有周波数での値の半分になる点の周波数のうち高い方の周波数、f2は同じく低い方の周波数である。本実施形態の素子30は、Qが100より大きい。
In addition, Q can be expressed by the following equation.
Q = f0 / (f1-f2)
In the above equation, f0 is the intrinsic frequency of the oscillator, f1 is the higher frequency of the frequencies at which the output or amplitude is half the value at the intrinsic frequency, and f2 is also the lower frequency. The element 30 of the present embodiment has a Q greater than 100.

素子30の固有周波数は、使用される振動モード、素子の形状、大きさ、材料等によって決まる。素子30の固有周波数に等しい周波数のエネルギーを素子に照射するか、エネルギー場の中に素子を置くことによって、素子30は固有振動を引き起こされ、それによって圧電体薄膜10が伸縮し電気出力を発生させる。 The natural frequency of the element 30 is determined by the vibration mode used, the shape, size, material, and the like of the element. By irradiating the element with energy having a frequency equal to the natural frequency of the element 30 or placing the element in an energy field, the element 30 is caused to cause natural vibration, which causes the piezoelectric thin film 10 to expand and contract to generate an electric output. Let me.

素子30は、単一素子であっても、複数の単一素子30が共通の基板40上に一体的に形成されたアレー素子であってもよい。 The element 30 may be a single element or an array element in which a plurality of single elements 30 are integrally formed on a common substrate 40.

以下、図2〜4に示す磁気電気変換素子30の製造方法について、説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the magnetic-electric conversion element 30 shown in FIGS. 2 to 4 will be described.

磁気電気変換素子30の製造では、まず、シリコンウェハなどの基板40の上に、第1電極膜50と、積層薄膜2と、第2電極膜52とを、各種の薄膜製作法により形成する。薄膜製作法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、CDV法、PLD法などが適用でき、特に好ましくは、スパッタリング法である。なお、圧電体薄膜10までの層は、エピタキシャル成長させて形成することが好ましい。圧電体薄膜10および強磁性体薄膜20の具体的な形成方法は、第1実施形態と同様にすれば良い。 In the manufacture of the magnetic-electric conversion element 30, first, the first electrode film 50, the laminated thin film 2, and the second electrode film 52 are formed on a substrate 40 such as a silicon wafer by various thin film manufacturing methods. As the thin film manufacturing method, a vapor deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, a CDV method, a PLD method and the like can be applied, and a sputtering method is particularly preferable. The layers up to the piezoelectric thin film 10 are preferably formed by epitaxial growth. The specific method for forming the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 may be the same as in the first embodiment.

なお、第2電極膜52は、積層薄膜の圧電体薄膜10と強磁性体薄膜20の間に形成されていてもよい。また、強磁性体膜20が金属や合金などの導電性材料から構成されている場合には、強磁性体膜20が第2電極膜52として機能することができるため、別途第2電極膜52を設けなくてもよい。 The second electrode film 52 may be formed between the piezoelectric thin film 10 and the ferromagnetic thin film 20 of the laminated thin film. Further, when the ferromagnetic film 20 is made of a conductive material such as a metal or an alloy, the ferromagnetic film 20 can function as the second electrode film 52, so that the second electrode film 52 is separately provided. It is not necessary to provide.

上記のように積層膜を形成した基板については、図2に示すようなパターンとなるように、パターニング加工を施す。パターニング加工は、公知の方法を採用できる。ただし、この際、素子30の長手方向(X軸方向)または短手方向(Y軸方向)が、積層薄膜2における圧電体薄膜10の<110>方向、および基板40の<110>方向にほぼ一致するように、パターニングすることが好ましい。つまりは、図2に示すX−Y平面において、圧電体薄膜10の<110>方向が、X軸方向またはY軸方向と略平行となる。また、基板40の<110>方向も、X軸方向またはY軸方向と略平行となる。なお、上記において、略平行とは、完全に平行な方向に対して、±3度の範囲内であることを意味する。 The substrate on which the laminated film is formed as described above is subjected to patterning processing so as to have a pattern as shown in FIG. A known method can be adopted for the patterning process. However, at this time, the longitudinal direction (X-axis direction) or the lateral direction (Y-axis direction) of the element 30 is substantially in the <110> direction of the piezoelectric thin film 10 in the laminated thin film 2 and the <110> direction of the substrate 40. It is preferable to pattern them so that they match. That is, in the XY plane shown in FIG. 2, the <110> direction of the piezoelectric thin film 10 is substantially parallel to the X-axis direction or the Y-axis direction. Further, the <110> direction of the substrate 40 is also substantially parallel to the X-axis direction or the Y-axis direction. In addition, in the above, substantially parallel means that it is within a range of ± 3 degrees with respect to a direction that is completely parallel.

ここで、<110>方向とは、[110]、[101]などの等価な方位を包括的に示した方向を意味する。上記と等価な方位とは、たとえば立方晶の場合、

Figure 2021064733
などが例示される。第1実施形態で述べたように、圧電体薄膜10には、正方晶と菱面体晶など、複数の相が含まれるが、正方晶の[110]、[101]方向と、菱面体晶の[110]方向と、および、これらと等価な方向とが、それぞれ素子30の長手方向または短手方向とほぼ平行となるようにする。こうすることによって、本実施形態の磁気電気変換素子30は、外部からの応力や入力に対して破断しにくく、耐久性が高くなる。 Here, the <110> direction means a direction that comprehensively indicates equivalent directions such as [110] and [101]. The orientation equivalent to the above is, for example, in the case of cubic crystals.

Figure 2021064733
Etc. are exemplified. As described in the first embodiment, the piezoelectric thin film 10 contains a plurality of phases such as a tetragonal crystal and a rhombic crystal, but the directions of the tetragonal crystals [110] and [101] and those of the rhombic crystal are The [110] direction and the direction equivalent thereto are made to be substantially parallel to the longitudinal direction or the lateral direction of the element 30, respectively. By doing so, the magnetic-electric conversion element 30 of the present embodiment is less likely to break due to external stress or input, and has high durability.

パターニング加工を施した後には、第1取出電極膜51および第2取出電極膜53と、絶縁膜54とを、図2に示すような所定のパターンで形成する。また、基板40の開口部42を、Deep−RIE法などのドライエッチングや、異方性ウェットエッチングにより形成する。これにより、図2〜4に示す磁気電気変換素子30が得られる。 After the patterning process is performed, the first extraction electrode film 51, the second extraction electrode film 53, and the insulating film 54 are formed in a predetermined pattern as shown in FIG. Further, the opening 42 of the substrate 40 is formed by dry etching such as the Deep-RIE method or anisotropic wet etching. As a result, the magnetic-electric conversion element 30 shown in FIGS. 2 to 4 can be obtained.

得られた磁気電気変換素子30については、第1実施形態でも述べたように、電源や電気/電子回路を接続し、回路基板に搭載するか、もしくはパッケージすることにより、各種センサや圧電アクチュエータなどの電子デバイスを構成する。磁気電気変換素子30で構成された電子デバイスは、第1実施形態の積層薄膜2を有するため、高い変換効率と優れた検出感度とを両立して満足する。 As described in the first embodiment, the obtained magnetic-electric conversion element 30 can be mounted on a circuit board or packaged by connecting a power supply or an electric / electronic circuit to various sensors, piezoelectric actuators, or the like. Configure electronic devices. Since the electronic device composed of the magnetic-electric conversion element 30 has the laminated thin film 2 of the first embodiment, it is satisfied with both high conversion efficiency and excellent detection sensitivity.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the present invention.

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described based on more detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.

実験1
(実施例1)
実施例1では、以下に示す手順で、本発明の積層薄膜2を有する電子デバイス用基板を作製した。まず、基板として、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板を準備した。準備したシリコン基板のサイズは、6インチであった。このシリコン基板上に、以下に示す積層膜を形成する。
Experiment 1
(Example 1)
In Example 1, a substrate for an electronic device having the laminated thin film 2 of the present invention was produced by the procedure shown below. First, as a substrate, a silicon substrate having a single crystal whose surface is a Si (100) plane was prepared. The size of the prepared silicon substrate was 6 inches. The following laminated film is formed on this silicon substrate.

まず、ZrOとYからなる下地酸化物薄膜(バッファ層として機能する)と、Pt下部電極膜と、SrRuO(以下、SROと記す)からなる導電性酸化物薄膜とを、シリコン基板上に、エピタキシャル成長させた。この際、薄膜製作法としては、スパッタリング法を採用した。また、下地酸化物薄膜を形成する際の基板温度は、700℃〜900℃とし、成膜終了時の基板温度は、成膜開始時の基板温度よりも低温となるように調整した。さらに、Pt下部電極膜を形成する際の基板温度は、600℃〜800℃とし、下地酸化物薄膜の成膜終了時よりも低い温度となるように調整した。 First, a base oxide thin film (functioning as a buffer layer) composed of ZrO 2 and Y 2 O 3 , a Pt lower electrode film, and a conductive oxide thin film composed of SrRuO 3 (hereinafter referred to as SRO) are formed of silicon. It was epitaxially grown on a substrate. At this time, a sputtering method was adopted as the thin film manufacturing method. The substrate temperature when forming the base oxide thin film was 700 ° C. to 900 ° C., and the substrate temperature at the end of film formation was adjusted to be lower than the substrate temperature at the start of film formation. Further, the substrate temperature at the time of forming the Pt lower electrode film was adjusted to 600 ° C. to 800 ° C. so as to be lower than the temperature at the end of the film formation of the underlying oxide thin film.

Pt下部電極膜を形成した後は、基板をいったん大気中に取り出し、Pt表面を空気中の酸素に暴露させた。その後、基板を再び成膜装置に投入し、SrRuOからなる導電性酸化物薄膜を成膜した。なお、各層の膜厚は、下地酸化物薄膜が50nm、Pt下部電極膜が100nm、導電性酸化物薄膜が30nmとなるように成膜条件を調整した。 After forming the Pt lower electrode film, the substrate was once taken out into the atmosphere, and the Pt surface was exposed to oxygen in the air. Thereafter, the substrate was again placed in a deposition apparatus, by forming a conductive oxide thin film made of SrRuO 3. The film thickness of each layer was adjusted so that the base oxide thin film was 50 nm, the Pt lower electrode film was 100 nm, and the conductive oxide thin film was 30 nm.

実施例1では、導電性酸化物薄膜の上に、PZTの圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させた。この際、使用したスパッタリングターゲットの組成は、原子数比で、Pb:Zr:Tiが、1.3:0.55:0.45であった。また、PZT膜を形成する際の基板温度は、600℃とし、成膜速度は、0.1nm/secとした。その他、スパッタリング時の導入ガスは、酸素10モル%−アルゴン(Ar)90モル%の混合ガスとし、導入ガスの圧力は0.3Paとし、基板とターゲットの距離は200mmとして、膜厚が1μmのPZT膜を形成した。 In Example 1, the piezoelectric thin film 10 of PZT was epitaxially grown on the conductive oxide thin film. At this time, the composition of the sputtering target used was 1.3: 0.55: 0.45 in Pb: Zr: Ti in terms of atomic number ratio. The substrate temperature for forming the PZT film was 600 ° C., and the film formation rate was 0.1 nm / sec. In addition, the gas introduced during sputtering is a mixed gas of 10 mol% oxygen-90 mol% argon (Ar), the pressure of the introduced gas is 0.3 Pa, the distance between the substrate and the target is 200 mm, and the film thickness is 1 μm. A PZT film was formed.

また、PZT膜の成膜後の基板については、アニール処理を施した。アニール処理の条件は、処理雰囲気を、1気圧の酸素雰囲気下とし、350℃で1時間保持することとした。 Further, the substrate after the PZT film was formed was annealed. The conditions for the annealing treatment were that the treatment atmosphere was an oxygen atmosphere of 1 atm and the temperature was maintained at 350 ° C. for 1 hour.

なお、下地酸化物薄膜からPZT膜までの成膜時には、RHEED評価を行い、各層がエピタキシャル成長しているか否かを確認した。その結果、下地酸化物薄膜からPZT膜までの各層は、すべて、成膜過程においてエピタキシャル成長していることが確認できた。 At the time of film formation from the base oxide thin film to the PZT film, RHEED evaluation was performed to confirm whether or not each layer was epitaxially grown. As a result, it was confirmed that all the layers from the base oxide thin film to the PZT film were epitaxially grown in the film forming process.

PZT膜の上方に、さらに、SROの導電性酸化物薄膜(SRO密着層と呼ぶ)と、Pt上部電極膜とを形成した。SRO密着層の厚みは50nmとし、Pt上部電極膜の厚みは100nmとした。なお、Pt上部電極膜の形成時には、基板温度を200℃とし、Pt上部電極膜が多結晶構造となるように、その他の成膜条件を制御した。 Above the PZT film, an SRO conductive oxide thin film (referred to as an SRO adhesion layer) and a Pt upper electrode film were further formed. The thickness of the SRO adhesion layer was 50 nm, and the thickness of the Pt upper electrode film was 100 nm. At the time of forming the Pt upper electrode film, the substrate temperature was set to 200 ° C., and other film forming conditions were controlled so that the Pt upper electrode film had a polycrystalline structure.

Pt上部電極膜の形成後、その上にFeCoSiBの強磁性体薄膜20を形成した。強磁性体薄膜20の形成では、超高真空DCスパッタリング装置を使用し、1×10−4Pa(より好ましくは、5×10−5Pa)以下の真空度まで排気したのち、成膜を行った。成膜に使用したターゲットの組成は、モル比で、Fe70%−Co8%−Si12%−B10%であった。また、成膜時には、基板加熱は行わずに、基板温度が上昇しないようにターゲットと基板間距離を十分に確保して成膜した。その他の成膜条件は、導入ガスとしてArガスを使用し、導入ガスの圧力を0.05Paとし、出力を150W(DC)として、膜厚が500nmの強磁性体薄膜20を形成した。 After forming the Pt upper electrode film, a FeCoSiB ferromagnetic thin film 20 was formed on the Pt upper electrode film. In the formation of the ferromagnetic thin film 20, an ultra-high vacuum DC sputtering apparatus is used, and the film is formed after exhausting to a vacuum degree of 1 × 10 -4 Pa (more preferably 5 × 10 -5 Pa) or less. It was. The composition of the target used for film formation was Fe70% -Co8% -Si12% -B10% in terms of molar ratio. Further, at the time of film formation, the substrate was not heated, and the film was formed with a sufficient distance between the target and the substrate so that the substrate temperature did not rise. As for other film forming conditions, Ar gas was used as the introduction gas, the pressure of the introduction gas was 0.05 Pa, the output was 150 W (DC), and the ferromagnetic thin film 20 having a film thickness of 500 nm was formed.

強磁性体薄膜20の成膜後は、その上にさらに絶縁性の保護膜を10nmの厚みで形成した。このような手順で各層を成膜することで、本発明の積層薄膜2を含む電子デバイス用基板を得た。 After the film formation of the ferromagnetic thin film 20, an insulating protective film was further formed on the ferromagnetic thin film 20 with a thickness of 10 nm. By forming each layer in such a procedure, a substrate for an electronic device containing the laminated thin film 2 of the present invention was obtained.

なお、作製した電子デバイス用基板に含まれる強磁性体薄膜20(FeCoSiB)の結晶構造は、XRDおよびTEMの電子線回折により確認した。その結果、XRDでは、図6の実線ex1に示すような強磁性体薄膜20に由来する反射ピークが確認された。この反射ピークでは、非晶質相22の存在を示すブロードな盛り上がり部分(ハロー部分)と、面心立方構造の結晶相24の存在を示す鋭いピーク部分とが確認された。よって、実施例1の電子デバイス用基板に含まれる強磁性体薄膜20は、非晶質相22と、面心立方構造の結晶相24とを混在して含むことが確認できた。 The crystal structure of the ferromagnetic thin film 20 (FeCoSiB) contained in the produced substrate for an electronic device was confirmed by electron diffraction of XRD and TEM. As a result, in XRD, a reflection peak derived from the ferromagnetic thin film 20 as shown by the solid line ex1 in FIG. 6 was confirmed. In this reflection peak, a broad raised portion (halo portion) indicating the presence of the amorphous phase 22 and a sharp peak portion indicating the presence of the crystal phase 24 having a face-centered cubic structure were confirmed. Therefore, it was confirmed that the ferromagnetic thin film 20 included in the substrate for the electronic device of Example 1 contained both the amorphous phase 22 and the crystal phase 24 having a face-centered cubic structure.

また、作製した電子デバイス用基板については、以下に示す評価を行った。 In addition, the manufactured substrates for electronic devices were evaluated as shown below.

(磁歪特性の測定)
磁歪特性の評価は、作製した電子デバイス用基板に対して、外部磁場を0〜80Oeの範囲で変化させて印加し、基板に発生するひずみ(単位はppm)を測定することで行った。なお、ひずみの測定においては、作製した電子デバイス用基板から切り出した長さ4cm×幅1cmのサンプルを試験片として用いた。そして、ひずみは、その試験片に外部磁場を印加した際の反りをレーザー変位計で計測することで得た。測定結果を図5に示す。
(Measurement of magnetostrictive characteristics)
The magnetostrictive characteristics were evaluated by applying an external magnetic field in the range of 0 to 80 Oe to the manufactured substrate for an electronic device and measuring the strain (unit: ppm) generated on the substrate. In the measurement of strain, a sample having a length of 4 cm and a width of 1 cm cut out from the produced substrate for an electronic device was used as a test piece. Then, the strain was obtained by measuring the warp when an external magnetic field was applied to the test piece with a laser displacement meter. The measurement results are shown in FIG.

(磁気センサとしての特性評価)
まず、作製した電子デバイス用基板について、パターニング加工を施し、図2に示すような磁気電気変換素子30を作製した。そして、この磁気電気変換素子30に、圧電体薄膜10で発生する電荷を検出する回路(増幅器と整流回路とを含む回路)を接続し、パッケージすることで磁気センサ(電子デバイスの一例)を作製した。このようにして作製した磁気センサについて、検出限界値(単位はnT)と、ノイズフロア(単位はmV)の測定を行った。
(Characteristic evaluation as a magnetic sensor)
First, the produced substrate for an electronic device was subjected to patterning processing to produce a magnetic-electric conversion element 30 as shown in FIG. Then, a magnetic sensor (an example of an electronic device) is manufactured by connecting a circuit (a circuit including an amplifier and a rectifier circuit) for detecting the electric charge generated in the piezoelectric thin film 10 to the magnetic-electric conversion element 30 and packaging the circuit. did. With respect to the magnetic sensor produced in this way, the detection limit value (unit: nT) and the noise floor (unit: mV) were measured.

検出限界値とは、磁気センサの感度を表す指標である。磁気センサでは、入力として交流磁場(外部磁場)を印加すると、その印加した磁場の大きさに応じた電圧を出力する。検出限界値は、磁気センサが応答する(すなわち電圧を出力する)最小の入力値を意味し、入力値は磁束密度で表される。すなわち、検出限界値は、値が小さいほど、磁気センサとしての特性が優れることを意味する。本実施例では、具体的に、素子30に、バイアス磁場として1mTのDC磁場を印加しながら、素子30の固有周波数付近(約10kHz)の交流磁場を加え、その交流磁場の周波数を固有周波数付近でスキャンしながら大きさを減衰させていくことで、検出下限値を求めた。測定した結果を、表1に示す。 The detection limit value is an index showing the sensitivity of the magnetic sensor. In a magnetic sensor, when an alternating magnetic field (external magnetic field) is applied as an input, a voltage corresponding to the magnitude of the applied magnetic field is output. The detection limit means the minimum input value that the magnetic sensor responds to (that is, outputs a voltage), and the input value is expressed by the magnetic flux density. That is, the smaller the detection limit value, the better the characteristics as a magnetic sensor. In this embodiment, specifically, while applying a DC magnetic field of 1 mT as a bias magnetic field to the element 30, an alternating magnetic field near the intrinsic frequency (about 10 kHz) of the element 30 is applied, and the frequency of the alternating magnetic field is set near the intrinsic frequency. The lower limit of detection was obtained by decaying the size while scanning with. The measurement results are shown in Table 1.

ノイズフロアとは、素子30自体が発生するノイズのレベルを表す指標である。磁気センサでは、信号を入力していない状態(すなわち外部磁場を印加していない状態)でも、何らかのノイズが出力される。このノイズの値が大きいと、入力信号がノイズに埋もれてしまう。そのため、ノイズは磁気センサの変換効率や感度に影響を及ぼし、ノイズフロアの値が小さいほど、磁気センサとしての特性が優れることを意味する。本実施例では、具体的に、以下の手順でノイズフロアを測定した。まず、磁気センサを磁場シールドフォイルで覆い、外部磁場の影響を完全に無くした状態とした。そのうえで、スペクトラムアナライザーを用いて、磁気センサ自体が発生する出力(ノイズフロア)を測定した。測定した結果を、表1に示す。 The noise floor is an index showing the level of noise generated by the element 30 itself. In the magnetic sensor, some noise is output even when no signal is input (that is, when no external magnetic field is applied). If the value of this noise is large, the input signal will be buried in the noise. Therefore, noise affects the conversion efficiency and sensitivity of the magnetic sensor, and the smaller the noise floor value, the better the characteristics of the magnetic sensor. In this embodiment, specifically, the noise floor was measured by the following procedure. First, the magnetic sensor was covered with a magnetic field shield foil to completely eliminate the influence of the external magnetic field. Then, using a spectrum analyzer, the output (noise floor) generated by the magnetic sensor itself was measured. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例1)
比較例1では、強磁性体薄膜を、非晶質の磁歪膜とした以外は、実施例1と同様にして、比較例1の電子デバイス用基板を作製した。ただし、比較例1では、PZT膜の成膜後にアニール処理を実施していない。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a substrate for an electronic device of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the ferromagnetic thin film was an amorphous magnetostrictive film. However, in Comparative Example 1, the annealing treatment was not performed after the PZT film was formed.

また、比較例1では、非晶質の磁歪膜を得るために、実施例1とは異なり、FeCoSiB合金の強磁性体薄膜を、Pt上部電極膜上に厚さ5nmのSiO2アモルファス膜を介して、DCスパッタリング法で成膜した。具体的な成膜条件は、導入ガスとしてArガスを使用し、導入ガスの圧力を1Paとし、出力を500W(DC)とした。なお、比較例1でも、強磁性体薄膜の厚みは500nmであった。 Further, in Comparative Example 1, in order to obtain an amorphous magnetic strain film, unlike Example 1, a ferromagnetic thin film of FeCoSiB alloy was placed on the Pt upper electrode film via a SiO2 amorphous film having a thickness of 5 nm. , The film was formed by the DC sputtering method. As specific film forming conditions, Ar gas was used as the introduction gas, the pressure of the introduction gas was 1 Pa, and the output was 500 W (DC). In Comparative Example 1, the thickness of the ferromagnetic thin film was 500 nm.

また、比較例1の電子デバイス用基板においても、XRDおよびTEMの電子線回折により、強磁性体薄膜の結晶構造解析を行った。その結果、XRDでは、図6の破線ce1に示すような強磁性体薄膜に由来する反射ピークが確認された。比較例1の反射ピークでは、非晶質相22の存在を示すブロードな盛り上がり部分(ハロー部分)のみが確認された。 Further, also in the substrate for the electronic device of Comparative Example 1, the crystal structure of the ferromagnetic thin film was analyzed by electron diffraction of XRD and TEM. As a result, in XRD, a reflection peak derived from the ferromagnetic thin film as shown by the broken line ce1 in FIG. 6 was confirmed. In the reflection peak of Comparative Example 1, only a broad raised portion (halo portion) indicating the presence of the amorphous phase 22 was confirmed.

なお、比較例1についても、実施例1と同様の評価を実施しており、磁歪特性の評価結果を図5に示し、磁気センサとしての特性評価の結果を表1に示す。 In addition, Comparative Example 1 is also evaluated in the same manner as in Example 1, the evaluation result of the magnetostrictive characteristic is shown in FIG. 5, and the result of the characteristic evaluation as a magnetic sensor is shown in Table 1.

(比較例2)
比較例2では、強磁性体薄膜を、多結晶の磁歪膜とした以外は、実施例1と同様にして、比較例2の電子デバイス用基板を作製した。なお、比較例2でも、PZT膜の成膜後にアニール処理を実施していない。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the substrate for the electronic device of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the ferromagnetic thin film was a polycrystalline magnetostrictive film. Even in Comparative Example 2, the annealing treatment was not performed after the PZT film was formed.

また、比較例2では、多結晶の磁歪膜を形成するために、実施例1とは異なり、FeCoSi合金の強磁性体薄膜を蒸着法により形成した。具体的には、蒸着装置内を3×10−4Paまで排気したのち、基板温度を300℃として、FeCoSiB合金膜を成膜した。なお、比較例2でも、強磁性体薄膜の厚みは500nmであった。 Further, in Comparative Example 2, in order to form a polycrystalline magnetostrictive film, unlike Example 1, a ferromagnetic thin film of FeCoSi alloy was formed by a vapor deposition method. Specifically, after exhausting the inside of the vapor deposition apparatus to 3 × 10 -4 Pa, a FeCoSiB alloy film was formed at a substrate temperature of 300 ° C. In Comparative Example 2, the thickness of the ferromagnetic thin film was 500 nm.

また、比較例2の電子デバイス用基板においても、XRDおよびTEMの電子線回折により、強磁性体薄膜の結晶構造解析を行った。その結果、XRDでは、図6の一点鎖線ce2に示すような強磁性体薄膜に由来する反射ピークが確認された。比較例2の反射ピークでは、体心立方構造の結晶相24の存在を示す鋭いピークのみが確認された。 Further, also in the substrate for the electronic device of Comparative Example 2, the crystal structure of the ferromagnetic thin film was analyzed by electron diffraction of XRD and TEM. As a result, in XRD, a reflection peak derived from the ferromagnetic thin film as shown by the alternate long and short dash line ce2 in FIG. 6 was confirmed. In the reflection peak of Comparative Example 2, only a sharp peak indicating the presence of the crystal phase 24 having a body-centered cubic structure was confirmed.

なお、比較例2についても、実施例1と同様の評価を実施しており、磁歪特性の評価結果を図5に示し、磁気センサとしての特性評価の結果を表1に示す。 In addition, Comparative Example 2 is also evaluated in the same manner as in Example 1, the evaluation result of the magnetostrictive characteristic is shown in FIG. 5, and the result of the characteristic evaluation as a magnetic sensor is shown in Table 1.

(比較例3)
比較例3では、圧電体薄膜を、多結晶のPZT膜とした以外は、実施例1と同様にして、比較例3の電子デバイス用基板を作製した。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, the substrate for the electronic device of Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the piezoelectric thin film was a polycrystalline PZT film.

具体的に、比較例3では、まず、シリコン基板に熱酸化処理を施し、シリコン基板の表面に、SiOからなる下地酸化物薄膜を形成した。そして、下地酸化物薄膜の上に、Ti薄膜、Pt下部電極膜、および、PZTの圧電体薄膜を形成した。Pt下部電極膜とPZT膜の形成方法は、実施例1と共通している。ただし、比較例3では、実施例1とは異なり、非晶質のSiO2下地酸化物薄膜と多結晶のTi薄膜を介して、圧電体薄膜(PZT膜)を形成している。なお、比較例3において、PZT膜より上方の各層(SRO密着層、Pt上部電極膜、および強磁性体薄膜)は、実施例1と同様の実験条件で成膜し、比較例3の電子デバイス用基板を得た。 Specifically, in Comparative Example 3, first, the silicon substrate was subjected to a thermal oxidation treatment, and a base oxide thin film made of SiO 2 was formed on the surface of the silicon substrate. Then, a Ti thin film, a Pt lower electrode film, and a PZT piezoelectric thin film were formed on the base oxide thin film. The method of forming the Pt lower electrode film and the PZT film is the same as that of the first embodiment. However, in Comparative Example 3, unlike Example 1, a piezoelectric thin film (PZT film) is formed via an amorphous SiO2 base oxide thin film and a polycrystalline Ti thin film. In Comparative Example 3, each layer above the PZT film (SRO adhesion layer, Pt upper electrode film, and ferromagnetic thin film) was formed under the same experimental conditions as in Example 1, and the electronic device of Comparative Example 3 was formed. Obtained a substrate for use.

なお、比較例3において、圧電体薄膜の成膜時にRHEED評価を行ったところ、比較例3では、RHEED像がリング状に伸びたパターンとなり、形成されるPZTがエピタキシャル成長していないことが確認された。また、比較例3で得られた電子デバイス用基板について、XRDおよびTEMの電子線回折を行ったところ、比較例3の圧電体薄膜は、配向性を有しない多結晶膜であることが確認された。 In Comparative Example 3, when the RHEED evaluation was performed at the time of forming the piezoelectric thin film, it was confirmed that in Comparative Example 3, the RHEED image became a ring-shaped elongated pattern and the PZT formed was not epitaxially grown. It was. Further, when the electron device substrate obtained in Comparative Example 3 was subjected to electron diffraction of XRD and TEM, it was confirmed that the piezoelectric thin film of Comparative Example 3 was a polycrystalline film having no orientation. It was.

また、比較例3においても、実施例1と同様にして、比較例3の磁気センサ試料を作成し、磁気センサとしての特性評価を行った。その結果を、表1に示す。 Further, also in Comparative Example 3, a magnetic sensor sample of Comparative Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1, and the characteristics as a magnetic sensor were evaluated. The results are shown in Table 1.

Figure 2021064733
Figure 2021064733

評価1
図5では、実施例1と、比較例1および2の磁歪特性を示すグラフである。実施例1の磁歪特性は実線で示し、比較例1の磁歪特性は破線、比較例2の磁歪特性は一点鎖線で示している。強磁性体薄膜が非晶質膜である比較例1では、低磁場(1Oe近傍)においてもひずみの発生が確認されるものの、グラフの傾きが小さい。すなわち、比較例1では、dλ/dH(単位磁場あたりの磁歪変化量)が小さい結果となった。強磁性体薄膜が多結晶膜である比較例2では、グラフの傾きが大きいものの、外部磁場をおよそ40Oe印加しないとひずみが発生しない。
Evaluation 1
FIG. 5 is a graph showing the magnetostrictive characteristics of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The magnetostrictive characteristics of Example 1 are shown by solid lines, the magnetostrictive characteristics of Comparative Example 1 are shown by broken lines, and the magnetostrictive characteristics of Comparative Example 2 are shown by alternate long and short dash lines. In Comparative Example 1 in which the ferromagnetic thin film is an amorphous film, the occurrence of strain is confirmed even in a low magnetic field (near 1Oe), but the slope of the graph is small. That is, in Comparative Example 1, dλ / dH (the amount of change in magnetostriction per unit magnetic field) was small. In Comparative Example 2 in which the ferromagnetic thin film is a polycrystalline film, although the slope of the graph is large, strain does not occur unless an external magnetic field of about 40 Oe is applied.

これに対して、実施例1では、外部磁場が1Oe以下であってもひずみが発生している。また、グラフの傾きが比較例1よりも大きく、dλ/dH(単位磁場あたりの磁歪変化量)が大きくなっている。この結果から、強磁性体薄膜の結晶構造を、非晶質相22と結晶相24との混在状態とすることで、磁歪を発生するためのしきい磁場HTHおよび保持力Hの値が小さくなり、かつ、低磁場でのdλ/dH(単位磁場あたりの磁歪変化量)が大きくなることが立証できた。すなわち、実施例1の電子デバイス用基板は、比較例1〜2よりも磁歪特性が特に優れている。実施例1の電子デバイス用基板(磁気特性が優れる基板)を磁気センサに利用した場合、高い変換効率が得られる。 On the other hand, in Example 1, strain is generated even when the external magnetic field is 1 Oe or less. Further, the slope of the graph is larger than that of Comparative Example 1, and dλ / dH (the amount of change in magnetostriction per unit magnetic field) is large. From this result, by making the crystal structure of the ferromagnetic thin film a mixed state of the amorphous phase 22 and the crystal phase 24, the values of the threshold magnetic field H TH and the holding force H C for generating magnetostriction are obtained. It was proved that the dλ / dH (the amount of change in magnetostriction per unit magnetic field) becomes large at a low magnetic field. That is, the substrate for an electronic device of Example 1 is particularly excellent in magnetostriction characteristics as compared with Comparative Examples 1 and 2. When the substrate for an electronic device (a substrate having excellent magnetic characteristics) of Example 1 is used for a magnetic sensor, high conversion efficiency can be obtained.

実際に、表1に示すように、比較例1〜3に比較して、実施例1の磁気センサでは、検出限界値が最も小さく、ノイズフロアも最も小さくなっており、両特性が共に優れていることが確認できた。以上の図5および表1に示す結果から、本発明に係る積層薄膜2を有する電子デバイスでは、高い変換効率と、優れた検出感度とを、両立して満足できることが確認できた。 Actually, as shown in Table 1, the magnetic sensor of Example 1 has the smallest detection limit value and the smallest noise floor as compared with Comparative Examples 1 to 3, and both characteristics are excellent. I was able to confirm that it was there. From the results shown in FIGS. 5 and 1 above, it was confirmed that the electronic device having the laminated thin film 2 according to the present invention can satisfy both high conversion efficiency and excellent detection sensitivity at the same time.

実験2
(実施例2)
実施例2では、強磁性体薄膜20の粒径D2と厚みt2との関係を、表2に示す関係としたとした以外は、実施例1と同様にして、電子デバイス用基板を作製した。そのうえで、実施例2の電子デバイス用基板を用いて、実施例1と同様にして、磁気センサを作製し、検出感度とノイズフロアの測定を行った。結果を表2に示す。
Experiment 2
(Example 2)
In Example 2, a substrate for an electronic device was produced in the same manner as in Example 1 except that the relationship between the particle size D2 and the thickness t2 of the ferromagnetic thin film 20 was set to the relationship shown in Table 2. Then, using the substrate for the electronic device of Example 2, a magnetic sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, and the detection sensitivity and the noise floor were measured. The results are shown in Table 2.

なお、実施例2では、粒径D2と厚みt2との関係を、表2に示す関係とするために、実施例1とは異なり、成膜時の基板温度を180℃として、強磁性体薄膜20を形成した。 In Example 2, in order to make the relationship between the particle size D2 and the thickness t2 as shown in Table 2, unlike Example 1, the substrate temperature at the time of film formation is 180 ° C., and the ferromagnetic thin film is formed. 20 was formed.

(実施例4)
実施例4では、強磁性体薄膜20における結晶相の割合を、表2に示す数値としたとした以外は、実施例1と同様にして、電子デバイス用基板を作製した。なお、結晶相の割合は、XRDで強磁性体薄膜20の結晶化度を測定することで算出した。また、実施例4の電子デバイス用基板を用いて、実施例1と同様にして、磁気センサを作製し、検出感度とノイズフロアの測定を行った。結果を表2に示す。
(Example 4)
In Example 4, a substrate for an electronic device was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the crystal phases in the ferromagnetic thin film 20 was set to the numerical value shown in Table 2. The ratio of the crystal phases was calculated by measuring the crystallinity of the ferromagnetic thin film 20 with XRD. Further, using the substrate for the electronic device of Example 4, a magnetic sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, and the detection sensitivity and the noise floor were measured. The results are shown in Table 2.

なお、実施例4では、結晶相の割合の数値を、表2に示す数値とするために、実施例1とは異なり、成膜時のArガス(導入ガス)の圧力を0.02Paとして、強磁性体薄膜20を形成した。 In Example 4, in order to set the numerical value of the ratio of the crystal phase to the numerical value shown in Table 2, unlike Example 1, the pressure of Ar gas (introduced gas) at the time of film formation was set to 0.02 Pa. The ferromagnetic thin film 20 was formed.

(実施例5)
実施例5では、強磁性体薄膜20を、非晶質相22と、体心立方構造の結晶相24とを含むFeCoSiB合金膜とした以外は、実施例1と同様にして、電子デバイス用基板を作製した。そのうえで、実施例5の電子デバイス用基板を用いて、実施例1と同様にして、磁気センサを作製し、検出感度とノイズフロアの測定を行った。結果を表2に示す。
(Example 5)
In Example 5, the substrate for an electronic device is the same as in Example 1 except that the ferromagnetic thin film 20 is a FeCoSiB alloy film containing an amorphous phase 22 and a crystal phase 24 having a body-centered cubic structure. Was produced. Then, using the substrate for the electronic device of Example 5, a magnetic sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, and the detection sensitivity and the noise floor were measured. The results are shown in Table 2.

なお、実施例5では、結晶相24の結晶格子を体心立方構造とするために、実施例1とは異なり、SRO密着層やPT上部電極膜を介さずに、エピタキシャル成長したPZT膜の上に、直接、強磁性体薄膜20を形成した。 In Example 5, in order to form the crystal lattice of the crystal phase 24 into a body-centered cubic structure, unlike Example 1, the epitaxially grown PZT film was placed on the epitaxially grown PZT film without passing through the SRO adhesion layer or the PT upper electrode film. , Directly formed the ferromagnetic thin film 20.

Figure 2021064733
Figure 2021064733

評価2
表2に示すように、実施例2〜5に比較して、実施例1が優れていることが確認できた。
Evaluation 2
As shown in Table 2, it was confirmed that Example 1 was superior to Examples 2 to 5.

実験3
実験2では、圧電体薄膜10を、PZTの代わりに、KNN、BCZT、AlN、ZnOで構成した以外は、実施例1と同様にして、電子デバイス用基板を作製し、同様な評価を行った。その結果、圧電体薄膜10の材質を変えた場合であっても、上述した実施例1と同様な結果が得られることが確認できた。
Experiment 3
In Experiment 2, a substrate for an electronic device was produced in the same manner as in Example 1 except that the piezoelectric thin film 10 was composed of KNN, BCZT, AlN, and ZnO instead of PZT, and the same evaluation was performed. .. As a result, it was confirmed that the same result as in Example 1 described above can be obtained even when the material of the piezoelectric thin film 10 is changed.

実験4
実験3では、強磁性体薄膜20を、FeCoSiB合金の代わりに、FeCo合金や、FeDyTb合金(Terfenol−D)、FeGa合金(Galfenol)、FeGaB合金で構成した以外は、実施例1と同様にして、電子デバイス用基板を作製し、同様な評価を行った。その結果、強磁性体薄膜20の材質を変えた場合であっても、上述した実施例1と同様な結果が得られることが確認できた。
Experiment 4
In Experiment 3, the ferromagnetic thin film 20 was formed in the same manner as in Example 1 except that the ferromagnetic thin film 20 was composed of FeCo alloy, FeDyTb alloy (Terphenol-D), FeGa alloy (Galphenol), and FeGaB alloy instead of FeCoSiB alloy. , A substrate for an electronic device was prepared, and the same evaluation was performed. As a result, it was confirmed that the same result as in Example 1 described above can be obtained even when the material of the ferromagnetic thin film 20 is changed.

2… 積層薄膜
10… 圧電体薄膜
20… 強磁性体薄膜(磁歪薄膜)
22… 非晶質相
24… 結晶相
30… 磁気電気変換素子
32… 膜積層部(振動部)
34… 外周部
36… 支持部
40… 基板
42… 開口部
50… 第1電極膜
50a … 端部
50b … 中央部分
51… 第1取出電極膜
52… 第2電極膜
53… 第2取出電極膜
54… 絶縁膜
2 ... Laminated thin film 10 ... Piezoelectric thin film 20 ... Ferromagnetic thin film (magnetostrictive thin film)
22 ... Amorphous phase 24 ... Crystal phase 30 ... Magnetic-electric conversion element 32 ... Membrane laminated part (vibrating part)
34 ... Outer peripheral portion 36 ... Support portion 40 ... Substrate 42 ... Opening 50 ... First electrode film 50a ... End portion 50b ... Central portion 51 ... First extraction electrode film 52 ... Second electrode film 53 ... Second extraction electrode film 54 … Insulation film

Claims (5)

エピタキシャル成長膜から成る圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上方に形成してある強磁性体薄膜と、を有し、
前記強磁性体薄膜が、結晶相と非晶質相とを含む積層薄膜。
Piezoelectric thin film made of epitaxial growth film and
It has a ferromagnetic thin film formed above the piezoelectric thin film and
The ferromagnetic thin film is a laminated thin film containing a crystalline phase and an amorphous phase.
前記結晶相が面心立方構造である請求項1に記載の積層薄膜。 The laminated thin film according to claim 1, wherein the crystal phase has a face-centered cubic structure. 前記強磁性体薄膜は少なくともFeを含む請求項1または2に記載の積層薄膜。 The laminated thin film according to claim 1 or 2, wherein the ferromagnetic thin film contains at least Fe. 前記強磁性体薄膜の厚さが、前記強磁性体薄膜に含まれる前記結晶相の面内方向の平均粒径よりも大きい請求項1〜3のいずれかに記載の積層薄膜。 The laminated thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the ferromagnetic thin film is larger than the average particle diameter of the crystal phase contained in the ferromagnetic thin film in the in-plane direction. 請求項1〜4のいずれかに記載の積層薄膜を有する電子デバイス。 An electronic device having the laminated thin film according to any one of claims 1 to 4.
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