JP2022124810A - Piezoelectric thin-film element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一側面は、圧電薄膜素子に関する。 One aspect of the present invention relates to a piezoelectric thin film element.
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が注目されている。MEMS(微小電気機械システム)とは、機械要素部品及び電子回路等が、微細加工技術によって一つの基板上に集積化されたデバイスである。センサ、トランスデューサ、フィルタ、ハーベスタ、又はアクチュエータ等の機能を有するMEMSでは、圧電薄膜が利用される。圧電薄膜を用いたMEMSの製造では、シリコン又はサファイア等の基板上に下部電極層、圧電薄膜、及び上部電極層が積層される。続く後工程(パターンニング、エッチング及びダイシング等の微細加工)を経ることで、任意の特性を有するMEMSが得られる。圧電特性に優れた圧電薄膜を選択することで、MEMS等の圧電薄膜素子の特性が向上し、圧電薄膜素子の小型化が可能になる。圧電薄膜の圧電特性は、例えば、正圧電定数(圧電歪定数)d、及び圧電出力係数gに基づいて評価される。gはd/ε0εrに等しい。ε0は真空の誘電率であり、εrは圧電薄膜の比誘電率である。d及びgの増加によって、圧電薄膜素子の特性が向上する。 In recent years, attention has been focused on MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). A MEMS (micro-electro-mechanical system) is a device in which mechanical elements, electronic circuits, and the like are integrated on one substrate by microfabrication technology. Piezoelectric thin films are utilized in MEMS with functions such as sensors, transducers, filters, harvesters, or actuators. In manufacturing MEMS using piezoelectric thin films, a lower electrode layer, a piezoelectric thin film, and an upper electrode layer are laminated on a substrate such as silicon or sapphire. Through subsequent post-processes (microfabrication such as patterning, etching, and dicing), MEMS having arbitrary characteristics can be obtained. By selecting a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics, the characteristics of the piezoelectric thin film element such as MEMS are improved, and the size of the piezoelectric thin film element can be reduced. The piezoelectric characteristics of a piezoelectric thin film are evaluated based on, for example, a positive piezoelectric constant (piezoelectric strain constant) d and a piezoelectric output coefficient g. g is equal to d/ε 0 ε r . ε0 is the dielectric constant of the vacuum and εr is the dielectric constant of the piezoelectric thin film. An increase in d and g improves the properties of the piezoelectric thin film element.
圧電薄膜を構成する圧電組成物としては、例えば、Pb(Zr,Ti)O3(チタン酸ジルコン酸鉛,略称;PZT)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、AlN(窒化アルミニウム)、ZnO(酸化亜鉛)及びCdS(硫化カドミウム)等が知られている。 Examples of the piezoelectric composition constituting the piezoelectric thin film include Pb(Zr, Ti)O 3 (lead zirconate titanate, abbreviation: PZT), LiNbO 3 (lithium niobate), AlN (aluminum nitride), ZnO (oxide zinc) and CdS (cadmium sulfide) are known.
PZT及びLiNbO3は、ペロブスカイト型構造を有する。ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のdは比較的大きい。しかし、圧電薄膜がペロブスカイト型構造を有する場合、圧電薄膜の厚みの減少に伴って、dが減少し易い。したがって、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜は、微細加工に不向きである。またペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のεrは比較的大きいため、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のgは比較的小さい傾向がある。 PZT and LiNbO3 have a perovskite structure. The d of piezoelectric thin films with a perovskite structure is relatively large. However, when the piezoelectric thin film has a perovskite structure, d tends to decrease as the thickness of the piezoelectric thin film decreases. Therefore, a piezoelectric thin film having a perovskite structure is not suitable for microfabrication. Also, since the piezoelectric thin film having a perovskite structure has a relatively large εr , the piezoelectric thin film having a perovskite structure tends to have a relatively small g.
一方、AlN、ZnO及びCdSは、ウルツ鉱型構造(wurtzite structure)を有する。ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜のdは、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のdに比べて小さい。しかし、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜のεrは比較的小さいため、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜は、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜に比べて大きいgを有することが可能である。したがって、大きいgが求められる圧電薄膜素子にとって、ウルツ鉱型構造を有する圧電組成物は有望な材料である。 AlN, ZnO and CdS, on the other hand, have a wurtzite structure. The d of the piezoelectric thin film with the wurtzite structure is smaller than that of the piezoelectric thin film with the perovskite structure. However, since the εr of piezoelectric thin films with wurtzite structures is relatively small, piezoelectric thin films with wurtzite structures can have larger g than piezoelectric thin films with perovskite structures. Therefore, a piezoelectric composition having a wurtzite structure is a promising material for a piezoelectric thin film element that requires a large g.
AlNを含む圧電薄膜が、金属からなる下部電極層の表面に形成される場合、AlNと下部電極層との相互作用に因り、下部電極層の表面に略平行な引張応力(tensile stress)が圧電薄膜内に生じ易い。この引張応力(残留応力)に因り、圧電薄膜が破壊され易い。例えば、圧電薄膜の機械加工(ダイシング等)に伴って、引張応力に因り、下部電極層の表面に略垂直な方向に沿って、クラック(crack)が圧電薄膜に形成され易い。このような圧電薄膜の破壊によって、圧電薄膜の圧電特性及び絶縁性が劣化し、圧電薄膜素子の歩留まり率(yield rate)が低下してしまう。したがって、引張応力が低減(緩和)され、高い機械的強度が圧電薄膜素子に求められる。 When a piezoelectric thin film containing AlN is formed on the surface of a lower electrode layer made of metal, a tensile stress substantially parallel to the surface of the lower electrode layer is generated due to interaction between the AlN and the lower electrode layer. It tends to occur in thin films. Due to this tensile stress (residual stress), the piezoelectric thin film is easily destroyed. For example, when the piezoelectric thin film is machined (diced, etc.), cracks are likely to be formed in the piezoelectric thin film along a direction substantially perpendicular to the surface of the lower electrode layer due to tensile stress. Such breakage of the piezoelectric thin film degrades the piezoelectric properties and insulating properties of the piezoelectric thin film, thereby lowering the yield rate of the piezoelectric thin film element. Therefore, the tensile stress is reduced (relaxed), and high mechanical strength is required for the piezoelectric thin film element.
例えば、下記特許文献1に記載の圧電体層は、引張応力層及び圧縮応力層から構成される積層構造を有している。引張応力層中の引張応力を圧縮応力層中の圧縮応力と相殺することにより、圧電体層の機械的強度が高まり、圧電体層のクラックが抑制される。 For example, the piezoelectric layer described in Patent Document 1 below has a laminated structure composed of a tensile stress layer and a compressive stress layer. By offsetting the tensile stress in the tensile stress layer with the compressive stress in the compressive stress layer, the mechanical strength of the piezoelectric layer is increased and cracks in the piezoelectric layer are suppressed.
下記特許文献2に記載の圧電薄膜はAlN結晶から構成され、AlN結晶中のAlの一部が第1元素で置換され、Alのイオン半径よりも大きいイオン半径を有する第2元素がAlN結晶に添加されている。第1元素及び第2元素のドーピングにより、圧電薄膜中の残留応力が低減される。 The piezoelectric thin film described in Patent Document 2 below is composed of an AlN crystal, part of Al in the AlN crystal is replaced with a first element, and a second element having an ionic radius larger than that of Al is added to the AlN crystal. has been added. The doping of the first element and the second element reduces the residual stress in the piezoelectric thin film.
圧電薄膜中の引張応力を低減する従来の方法では、AlNの結晶構造の配向性が悪化し、圧電薄膜の圧電特性が悪化する。したがって、従来とは異なる方法で引張応力を低減する必要がある。 The conventional method of reducing the tensile stress in the piezoelectric thin film deteriorates the orientation of the AlN crystal structure, resulting in deterioration of the piezoelectric properties of the piezoelectric thin film. Therefore, there is a need to reduce tensile stress in unconventional ways.
本発明の一側面の目的は、機械的強度及び圧電特性に優れた圧電薄膜を有する圧電薄膜素子を提供することである。 An object of one aspect of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film excellent in mechanical strength and piezoelectric properties.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、基板と、基板に積層された第一電極層と、第一電極層に積層された圧電薄膜と、圧電薄膜に積層された第二電極層と、を備え、圧電薄膜が、窒化アルミニウム及び酸素を含み、圧電薄膜における酸素の濃度の平均値が、0.001原子%以上6原子%以下である。 A piezoelectric thin film element according to one aspect of the present invention includes a substrate, a first electrode layer laminated on the substrate, a piezoelectric thin film laminated on the first electrode layer, a second electrode layer laminated on the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film contains aluminum nitride and oxygen, and the average oxygen concentration in the piezoelectric thin film is 0.001 atomic % or more and 6 atomic % or less.
圧電薄膜が、第一電極層に積層された第一圧電層と、第一圧電層に積層され、且つ第二電極層に接する第二圧電層と、からなっていてよく、第一圧電層における酸素の濃度が、第二圧電層における酸素の濃度よりも低くてよい。 The piezoelectric thin film may comprise a first piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, and a second piezoelectric layer laminated on the first piezoelectric layer and in contact with the second electrode layer, wherein The concentration of oxygen may be lower than the concentration of oxygen in the second piezoelectric layer.
圧電薄膜の厚みに対する第二圧電層の厚みの割合が、0.1%以上60%以下であってよく、圧電薄膜中の酸素の総量に対する第二圧電層中の酸素の総量の割合が、60%よりも大きく100%以下であってよい。 The ratio of the thickness of the second piezoelectric layer to the thickness of the piezoelectric thin film may be 0.1% or more and 60% or less, and the ratio of the total amount of oxygen in the second piezoelectric layer to the total amount of oxygen in the piezoelectric thin film is 60%. % and may be 100% or less.
圧電薄膜が積層された第一電極層の表面に略垂直であり、且つ第一電極層から第二電極層へ向く方向に沿って、第二圧電層における酸素の濃度が増加してよい。 The concentration of oxygen in the second piezoelectric layer may increase along a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer on which the piezoelectric thin film is laminated and from the first electrode layer to the second electrode layer.
第一電極層が、白金、イリジウム、金、ロジウム、パラジウム、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、クロム、ニオブ、タンタル、ルテニウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、イットリウム、スカンジウム及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。 the first electrode layer from platinum, iridium, gold, rhodium, palladium, silver, nickel, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, vanadium, chromium, niobium, tantalum, ruthenium, zirconium, hafnium, titanium, yttrium, scandium and magnesium may contain at least one element selected from the group consisting of
本発明の一側面によれば、機械的強度及び圧電特性に優れた圧電薄膜を有する圧電薄膜素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film excellent in mechanical strength and piezoelectric properties is provided.
以下、場合により図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態が説明される。本発明は下記実施形態に限定されない。各図において、同一又は同等の構成要素には同一の符号が付される。図1に示されるX、Y及びZは、互いに直交する3つの座標軸を意味する。 Preferred embodiments of the present invention will now be described, with occasional reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments. In each figure, the same reference numerals are given to the same or equivalent components. X, Y and Z shown in FIG. 1 mean three coordinate axes orthogonal to each other.
図1に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子10は、基板6と、基板6の表面に直接積層された密着層5と、密着層5を介して基板6の表面に間接的に積層された第一電極層4と、第一電極層4の表面に直接又は間接的に積層された圧電薄膜3と、圧電薄膜3の表面に直接又は間接的に積層された第二電極層7と、を備える。基板6、密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7の積層方向は、Z軸に略平行な方向である。基板6、密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々は、XY面方向(X軸及びY軸)に沿って延びる平坦な形状を有してよい。基板6、密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々の厚みは、略均一であってよい。密着層5は、基板6の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。第一電極層4は、密着層5の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。圧電薄膜3は、第一電極層4の表面の一部又は全体を直接又は間接的に覆ってよい。第二電極層7は、圧電薄膜3の表面の一部又は全体を直接又は間接的に覆ってよい。密着層5は圧電薄膜素子10にとって必須ではなく、第一電極層4は基板6の表面に直接積層されてもよい。密着層5がない場合、第一電極層4は、基板6の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。第一電極層4は、下部電極層と言い換えられてよい。第二電極層7は、上部電極層と言い換えられてよい。第一中間層(第一バッファ層)が、第一電極層4と圧電薄膜3の間に設けられてよい。例えば、第一中間層は導電体又は圧電体からなっていてよい。第一電極層4の表面に略平行な方向おける第一中間層の格子定数は、同方向における第一電極層4の格子定数以下であってよく、且つ同方向における圧電薄膜3の格子定数以上であってよい。第二中間層(第二バッファ層)が、圧電薄膜3と第二電極層7との間に設けられてよい。例えば、第二中間層は導電体又は圧電体からなっていてよい。第一電極層4の表面に略平行な方向おける第二中間層の格子定数は、同方向における第二電極層7の格子定数以下であってよく、且つ同方向における圧電薄膜3の格子定数以上であってよい。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric
圧電薄膜3は、結晶質の窒化アルミニウム(AlN)を含む。圧電薄膜3を構成するAlNは、単結晶又は多結晶であってよい。AlNの結晶構造は、六方晶系のウルツ鉱型構造である。図2は、ウルツ鉱型構造の単位胞ucwを示す。単位胞ucwは、正六角柱である。圧電薄膜3中のAlNは、第一電極層4の表面の法線方向に延びる柱状結晶であってよい。
The piezoelectric
圧電薄膜3中のAlNの(001)面及び(002)面は、圧電薄膜3が積層された第一電極層4の表面に略平行であってよい。換言すれば、圧電薄膜3中のAlNの(001)面及び(002)面は、第一電極層4の表面の法線方向において配向してよい。AlNの(001)面は、図2に示される単位胞ucwにおける正六角形状の結晶面に相当する。圧電薄膜3が、複数のAlNの結晶粒(crystalline grain)を含む場合、一部又は全部の結晶粒の(001)面及び(002)面が、第一電極層4の表面に略平行であってよい。
The (001) plane and (002) plane of AlN in the piezoelectric
AlNの圧電特性が発現する結晶方位は、AlNの[001]である。したがって、AlNの(001)面及び(002)面が、第一電極層4の表面に略平行であることにより、圧電薄膜3は優れた圧電特性を有することができる。同様の理由から、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の(001)面及び(002)面が、第一電極層4に接する圧電薄膜3の表面に略平行であってよい。換言すれば、圧電薄膜3中のAlNの(001)面及び(002)面が、圧電薄膜3の表面の法線方向において配向してよい。
The crystal orientation in which the piezoelectric properties of AlN are exhibited is [001] of AlN. Therefore, since the (001) plane and the (002) plane of AlN are substantially parallel to the surface of the
圧電薄膜3は、AlNのみならず酸素(O)を含み、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値は、0.001原子%以上6.000原子%以下である。その結果、圧電薄膜3が高い機械的強度と優れた圧電特性を有することができる。その理由は以下の通りである。
The piezoelectric
圧電薄膜3は結晶質の第一電極層4の表面においてエピタキシャルに成長するので、圧電薄膜3及び第一電極層4の間の格子不整合が生じ易い。その結果、圧電薄膜3と第一電極層4との界面では、面内方向にウルツ鉱型構造を拡張させる応力が生じ易い。つまり、第一電極層4の表面に略平行な引張応力(残留応力)が圧電薄膜3内に生じ易い。仮に圧電薄膜3が酸素を含まない場合、引張応力に因り、第一電極層4の表面に略平行な方向において圧電薄膜3が断裂し易い。例えば、引張応力に因り、第一電極層4の表面に略垂直な方向に沿って、クラックが圧電薄膜3に形成され易い。その結果、圧電薄膜3の圧電特性及び絶縁性が劣化してしまう。
しかし、本実施形態に係る圧電薄膜3は酸素を含むので、圧電薄膜3を構成するAlNの結晶格子が酸素原子を内包する。AlNの結晶格子が酸素原子を内包することに因り、AlNの結晶構造が第一電極層4の表面に略平行な方向において拡張する。つまり、第一電極層4の表面に略平行な方向においてAlNの格子定数が増加する。その結果、圧電薄膜3及び第一電極層4の間の格子不整合が低減され、圧電薄膜3中の引張応力が低減(緩和)され、圧電薄膜3が高い機械的強度を有することができる。つまり圧電薄膜3中の残留応力に因る圧電薄膜3の破壊が抑制される。その結果、圧電薄膜3の圧電特性及び絶縁性が向上する。上記と同様の理由から、本実施形態に係る圧電薄膜素子10の製造過程における圧電薄膜3の破壊が抑制され、圧電薄膜素子10の歩留まり率が高まる。
圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値の減少に伴って、AlNの結晶性及びAlNの配向性が向上し、圧電薄膜3の圧電特性も向上する傾向がある。しかし、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が、0.001原子%よりも低い場合、圧電薄膜3中の酸素が少な過ぎるため、圧電薄膜3における引張応力を十分に低減されず、圧電薄膜3が高い機械的強度を有することは困難である。
圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値の増加に伴って、圧電薄膜3における引張応力が減少し、圧電薄膜3の機械的強度が増加する傾向がある。しかし、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が、6.000原子%よりも高い場合、圧電薄膜3中の酸素が多過ぎるため、AlNの結晶性及び配向性が悪化し、圧電薄膜3が優れた圧電特性を有することは困難である。
圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値の増加に伴って、圧電薄膜3の誘電正接(tanδ)が増加する傾向がある。特に、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が、6.000原子%よりも高い場合、圧電薄膜3の誘電正接が著しく大きい。圧電薄膜3の誘電正接は小さいことが好ましい。例えば、圧電薄膜3の誘電正接は、0%以上5%以下、0%以上3%以下、0%以上2%以下、又は0%以上1%以下であってよい。
圧電薄膜3が高い機械的強度と優れた圧電特性を有し易く、圧電薄膜3の誘電正接が低減され易いことから、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値は、0.021原子%以上5.800原子%以下であってよい。
Since the piezoelectric
However, since the piezoelectric
As the average oxygen concentration in the piezoelectric
As the average oxygen concentration in the piezoelectric
As the average oxygen concentration in the piezoelectric
The piezoelectric
圧電薄膜3は、第一電極層4に直接積層された第一圧電層1と、第一圧電層1に直接積層され、且つ第二電極層7に接する第二圧電層2と、からなっていてよい。第一圧電層1における酸素の濃度は、第二圧電層2における酸素の濃度よりも低くてよい。第一圧電層1における酸素の濃度の平均値が、第二圧電層2における酸素の濃度の平均値よりも低くてよい。第一圧電層1は酸素を含まなくてもよい。第一圧電層1は酸素を含んでもよい。第一圧電層1の厚みT1は略均一であってよい。第二圧電層2の厚みT2は略均一であってよい。圧電薄膜3のT3は、T1+T2に等しい。
圧電薄膜3の形成工程では、第一圧電層1が第一電極層4の表面において成長した後、第二圧電層2が第一圧電層1に連続して成長する。したがって、第二圧電層2に含まれるAlNの結晶性及び配向性は、第一圧電層1に含まれるAlNの結晶性及び配向性に依存する。つまり、第一圧電層1に含まれるAlNの結晶性の向上に因り、第二圧電層2に含まれるAlNの結晶性も向上し、第一圧電層1に含まれるAlNの(001)面が配向することに因り、第二圧電層2に含まれるAlNの(001)面も同方向に配向する。また第一圧電層1における酸素の濃度の減少に伴って、第一圧電層1に含まれるAlNの結晶性及び配向性は向上する。以上の理由から、第一圧電層1における酸素の濃度が、第二圧電層2における酸素の濃度よりも低い場合、第二圧電層2に含まれるAlNが、第一圧電層1に含まれるAlNの優れた結晶性及び配向性を引き継ぎ、圧電薄膜3全体におけるAlNの結晶性及び配向性が向上する。その結果、圧電薄膜3が優れた圧電特性を有することができる。
また第二圧電層2における酸素の濃度が、第一圧電層1における酸素の濃度よりも高い場合、第二電極層7に接する第二圧電層2の表面近傍に位置する酸素が、第二圧電層2を構成する元素(金属元素等)と結合し易い。その結果、第二電極層7が第二圧電層2に密着し易く、第二圧電層2(圧電薄膜3)からの第二電極層7の剥離が抑制される。
The piezoelectric
In the process of forming the piezoelectric
Further, when the concentration of oxygen in the second piezoelectric layer 2 is higher than the concentration of oxygen in the first piezoelectric layer 1, the oxygen located near the surface of the second piezoelectric layer 2 in contact with the
圧電薄膜3の厚みT3に対する第二圧電層2の厚みT2の割合(T2/T3)は、0.1%以上60%以下であってよく、圧電薄膜3中の酸素の総量に対する第二圧電層2中の酸素の総量の割合は、60%よりも大きく100%以下であってよい。酸素の総量の単位は、モルであってよい。圧電薄膜3中の酸素の総量に対する第二圧電層2中の酸素の総量の割合の単位は、モル%又は原子%であってよい。T2/T3が0.1%以上である場合、圧電薄膜3が十分に高い機械的強度を有し易い。T2/T3が60%以下である場合、圧電薄膜3の圧電特性を損なうことなく圧電薄膜3が十分に高い機械的強度を有し易く、圧電薄膜3の誘電正接が低減され易い。圧電薄膜3中の酸素の総量に対する第二圧電層2中の酸素の総量の割合が60%よりも大きい場合、圧電薄膜3が十分に高い機械的強度を有し易い。圧電薄膜3が高い機械的強度と優れた圧電特性を有し易いことから、T2/T3は、1%以上60%以下であってもよい。圧電薄膜3が高い機械的強度と優れた圧電特性を有し易いことから、圧電薄膜3中の酸素の総量に対する第二圧電層2中の酸素の総量の割合は、60%よりも大きく99.9%以下、又は64%以上95%以下であってもよい。
The ratio (T2/T3) of the thickness T2 of the second piezoelectric layer 2 to the thickness T3 of the piezoelectric
圧電薄膜3の厚みT3は、例えば、100nm以上30000nm以下、又は200nm以上2000nm以下であってよい。第二圧電層2の厚みT2は、(0.001×T3)nm以上(0.600×T3)nm以下であってよい。第二圧電層2の厚みT2は、例えば、10nm以上1200nm以下であってよい。第一圧電層1の厚みT1は、T3-T2に等しい。第一圧電層1の厚みT1は、例えば、300nm以上990nm以下であってよい。
The thickness T3 of the piezoelectric
第一電極層4の表面に略垂直であり、且つ第一電極層4から第二電極層7へ向く方向は、圧電薄膜3の厚み方向Dと表記される。圧電薄膜3に含まれるAlNの[001](結晶方位)は、厚み方向Dと略平行であってよい。厚み方向Dに沿った圧電薄膜3における酸素の濃度分布の具体例は、図3、図4、図5及び図6に示される。各図に示される横軸は、厚み方向Dにおける第一電極層4の表面からの距離d(単位:nm)を示し、圧電薄膜3中の任意の位置に相当する。各図に示されるグラフの縦軸は、第一電極層4の表面からの距離dでの酸素の濃度[O](単位:原子%)を示す。
A direction substantially perpendicular to the surface of the
第二圧電層2における酸素の濃度は、厚み方向Dに沿って徐々に又は段階的に増加してよい。つまり、第二圧電層2における酸素の濃度分布は、厚み方向Dに沿って増加する勾配を有してよい。第二圧電層2における酸素の濃度が厚み方向Dに沿って増加する場合、圧電薄膜3中の引張応力が低減され易く、圧電薄膜3が高い機械的強度を有し易い。
The concentration of oxygen in the second piezoelectric layer 2 may increase along the thickness direction D gradually or stepwise. That is, the oxygen concentration distribution in the second piezoelectric layer 2 may have a gradient that increases along the thickness direction D. As shown in FIG. When the oxygen concentration in the second piezoelectric layer 2 increases along the thickness direction D, the tensile stress in the piezoelectric
図3に示されるように、第二圧電層2における酸素の濃度分布は、直線で表されてよい。 As shown in FIG. 3, the oxygen concentration distribution in the second piezoelectric layer 2 may be represented by a straight line.
図4に示されるように、第二圧電層2における酸素の濃度分布は、下に凸な曲線で表されてよい。図4に示される酸素の濃度分布の場合、酸素は、第二電極層7に接する第二圧電層2の表面近傍に局在する。その結果、圧電薄膜3の圧電特性を損なうことなく圧電薄膜3が十分に高い機械的強度を有し易く、第二電極層7が第二圧電層2に密着し易い。
As shown in FIG. 4, the oxygen concentration distribution in the second piezoelectric layer 2 may be represented by a downward convex curve. In the case of the oxygen concentration distribution shown in FIG. 4, oxygen is localized in the vicinity of the surface of the second piezoelectric layer 2 in contact with the
図5に示されるように、第二圧電層2における酸素の濃度分布は、上に凸な曲線で表されてもよい。 As shown in FIG. 5, the oxygen concentration distribution in the second piezoelectric layer 2 may be represented by an upward convex curve.
図6に示されるように、第二圧電層2における酸素の濃度は、略均一であってもよい。 As shown in FIG. 6, the concentration of oxygen in the second piezoelectric layer 2 may be substantially uniform.
図3、図4、図5及び図6に示されるように、第一圧電層1における酸素の濃度は、略均一であってよい。第一圧電層1における酸素の濃度が略均一である場合、圧電薄膜3全体におけるAlNの結晶性及び配向性が向上し易い。ただし、厚み方向Dに沿って、第一圧電層1における酸素の濃度が増加してもよい。
As shown in FIGS. 3, 4, 5 and 6, the concentration of oxygen in the first piezoelectric layer 1 may be substantially uniform. When the oxygen concentration in the first piezoelectric layer 1 is substantially uniform, the crystallinity and orientation of AlN in the entire piezoelectric
第一圧電層1における酸素の濃度の平均値[O]1は、例えば、0.000原子%以上5.000原子%以下、又は0.001原子%以上5.000原子%以下であってよい。[O]1は、例えば、厚み方向Dに沿った第一圧電層1における酸素の濃度分布の積分を、第一圧電層1の厚みT1で除した値であってよい。 The average oxygen concentration [O] 1 in the first piezoelectric layer 1 may be, for example, 0.000 atomic % or more and 5.000 atomic % or less, or 0.001 atomic % or more and 5.000 atomic % or less. . [O] 1 may be, for example, a value obtained by dividing the integral of the oxygen concentration distribution in the first piezoelectric layer 1 along the thickness direction D by the thickness T1 of the first piezoelectric layer 1 .
第二圧電層2における酸素の濃度の平均値[O]2は、例えば、2.000原子%以上6.000原子%以下であってよい。[O]2は、例えば、厚み方向Dに沿った第二圧電層2における酸素の濃度分布の積分を、第二圧電層2の厚みT2で除した値であってよい。 The average oxygen concentration [O] 2 in the second piezoelectric layer 2 may be, for example, 2.000 atomic % or more and 6.000 atomic % or less. [O] 2 may be, for example, a value obtained by dividing the integral of the oxygen concentration distribution in the second piezoelectric layer 2 along the thickness direction D by the thickness T2 of the second piezoelectric layer 2 .
上述の通り、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値[O]3は、0.001原子%以上6.000原子%以下である。[O]3は、例えば、厚み方向Dに沿った圧電薄膜3における酸素の濃度分布の積分を、圧電薄膜3の厚みT3で除した値であってよい。[O]3は、T1及びT2に基づく[O]1及び[O]2の加重平均値に等しい。つまり[O]3は、(T1/T3)×[O]1+(T2/T3)×[O]2に等しい。
As described above, the average oxygen concentration [O] 3 in the piezoelectric
第一圧電層1及び第二圧電層2は、酸素の濃度の違いに基づいて互いに区別されてよい。例えば、第一圧電層1及び第二圧電層2の界面は、厚み方向Dに沿った圧電薄膜3における酸素の濃度分布を示す線の屈曲点又は変曲点を含む平面であってよい。
The first piezoelectric layer 1 and the second piezoelectric layer 2 may be distinguished from each other on the basis of different concentrations of oxygen. For example, the interface between the first piezoelectric layer 1 and the second piezoelectric layer 2 may be a plane including a bending point or an inflection point of a line indicating the oxygen concentration distribution in the piezoelectric
圧電薄膜3全体において、酸素の濃度は略均一であってもよい。圧電薄膜3が第一圧電層1及び第二圧電層2から構成されず、圧電薄膜3における酸素の濃度が厚み方向Dに沿って連続的に増加してもよく、且つ厚み方向Dに沿った圧電薄膜3における酸素の濃度分布を示す線が屈曲点及び変曲点を有しなくてもよい。
The oxygen concentration may be substantially uniform throughout the piezoelectric
圧電薄膜3は、Al、N及びOのみからなっていてよい。ただし、圧電薄膜3の機械的強度及び圧電特性が損なわれない限りにおいて、圧電薄膜3は、Al、N及びOに加えて、他の元素を更に含んでよい。例えば、圧電薄膜3は、1価の(monovalent)金属元素Mm、2価の(divalent)金属元素Md、3価の(trivalent)金属元素Mtr、4価の(tetravalent)金属元素Mt、及び5価の(pentavalent)金属元素Mpからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素を更に含んでよい。AlNへの上記添加元素のドーピングにより、AlNのウルツ鉱型構造が歪んだり、ウルツ鉱型構造中の原子間の化学結合の強度が変化したりする。その結果、圧電薄膜3の圧電特性が向上する場合がある。
1価の金属元素Mmは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びセシウム(Cs)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。
2価の金属元素Mdは、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)及びバリウム(Ba)からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。
3価の金属元素Mtrは、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、ランタノイド及びIn(インジウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。
4価の金属元素Mtは、ゲルマニウム(Ge)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)及びハフニウム(Hf)からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。
5価の金属元素Mpは、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)及びTa(タンタル)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。
圧電薄膜3に含まれる添加元素の価数の平均値は、3であってよい。
窒化アルミニウム中の1価の金属元素Mmの含有量の合計は、[Mm]原子%と表されてよい。窒化アルミニウム中の5価の金属元素Mpの含有量の合計は、[Mp]原子%と表されてよい。[Mm]/[Mp]は、略1.0であってよい。
窒化アルミニウム中の2価の金属元素Mdの含有量の合計は、[Md]原子%と表されてよい。窒化アルミニウム中の4価の金属元素Mtの含有量の合計は、[Mt]原子%と表されてよい。[Md]/[Mt]は、略1.0であってよい。
The piezoelectric
The monovalent metal element Mm may be at least one element selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs).
The divalent metal element Md may be at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba).
The trivalent metal element Mtr may be at least one element selected from the group consisting of Sc (scandium), Y (yttrium), lanthanides and In (indium).
The tetravalent metal element Mt may be at least one selected from the group consisting of germanium (Ge), titanium (Ti), zirconium (Zr) and hafnium (Hf).
The pentavalent metal element Mp may be at least one element selected from the group consisting of Cr (chromium), V (vanadium), Nb (niobium) and Ta (tantalum).
The average value of the valences of the additive elements contained in the piezoelectric
The total content of monovalent metal elements Mm in aluminum nitride may be expressed as [Mm] atomic %. The total content of pentavalent metal elements Mp in aluminum nitride may be expressed as [Mp] atomic %. [Mm]/[Mp] may be approximately 1.0.
The total content of the divalent metal element Md in aluminum nitride may be expressed as [Md] atomic %. The total content of the tetravalent metal element Mt in aluminum nitride may be expressed as [Mt] atomic %. [Md]/[Mt] may be approximately 1.0.
基板6は、例えば、半導体基板(シリコン基板、若しくはガリウム砒素基板等)、光学結晶基板(サファイア基板等)、絶縁体基板(ガラス基板、若しくはセラミックス基板等)、又は金属基板(ステンレス鋼板等)であってよい。
The
第一電極層4は、Pt(白金)、Ir(イリジウム)、Au(金)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ru(ルテニウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Y(イットリウム)、Sc(スカンジウム)及びMg(マグネシウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素(金属Me)を含んでよい。第一電極層4は、一種類の金属Meのみからなってよい。第一電極層4は、少なくとも二種類の金属Meのみからなっていてもよい。つまり、第一電極層4は、少なくとも二種類の金属Meから構成される合金のみからなってよい。第一電極層4は、上記金属Me以外の元素を更に含んでもよい。
第一電極層4を構成する金属Meは、結晶構造を有してよい。つまり、第一電極層4は結晶質であってよい。例えば、金属Meが、Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及びAlからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Meは面心立方(fcc)構造を有し易く、fcc構造の(111)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。金属Meが、Mo、W、V、Cr、Nb及びTaからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Meは体心立方(bcc)構造を有し易く、bcc構造の(110)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。金属Meが、Ru、Zr、Hf、Ti、Y、Sc及びMgからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Meは六方最密充填(hcp)構造を有し易く、hcp構造の(001)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。
The
The metal Me forming the
第一電極層4の表面に略平行な方向において、金属Meの結晶構造の格子長が、AlNの格子長よりも大きくてよい。例えば、第一電極層4の表面に略平行な方向において、金属Meの結晶構造における原子間隔が、AlNにおける原子間隔よりも大きくてよい。または、第一電極層4の表面に略平行な方向において、金属Meの結晶構造の格子定数が、AlNの格子定数よりも大きくてよい。例えば、モリブデンの結晶構造における格子長は、AlNにおける格子長よりも大きい。第一電極層4の表面に略平行な方向において、金属Meの結晶構造における格子長が、AlNにおける格子長よりも大きい場合、第一電極層4(金属Me)と従来の圧電薄膜(AlN)との間の格子不整合に因り、第一電極層4の表面に略平行な方向において、引張応力が従来の圧電薄膜中に生じ易い。しかし、本実施形態に係る圧電薄膜3は酸素を含むため、圧電薄膜3における引張応力が低減され、圧電薄膜3が高い機械的強度を有することができる。
In the direction substantially parallel to the surface of the
密着層5は、Al(アルミニウム)、Si(ケイ素)、Ti(チタン)、Zn(亜鉛)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Cr(クロム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)及びCe(セリウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。密着層5は、金属単体、合金又は化合物(酸化物等)であってよい。密着層5は、別の圧電薄膜、高分子、又はセラミックスから構成されていてもよい。密着層5の介在により、第一電極層4のfcc構造の(111)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。または密着層5の介在により、第一電極層4のbcc構造の(110)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。または密着層5の介在により、第一電極層4のhcp構造の(001)面が、第一電極層4の表面の法線方向において配向し易い。密着層5は、機械的な衝撃等に因る第一電極層4の剥離を抑制する機能も有する。密着層5は、界面層、支持層、バッファ層又は中間層と言い換えられてよい。
The
第二電極層7は、Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu、Al、Mo、W、V、Cr、Nb、Ta、Ru、Zr、Hf、Ti、Y、Sc及びMgからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。第二電極層7は、金属単体であってよい。第二電極層7は、上記の群より選ばれる少なくとも二種の元素を含む合金であってもよい。
The
基板6の厚みは、例えば、50μm以上10000μm以下であってよい。密着層5の厚みは、例えば、0.003μm以上1μm以下であってよい。第一電極層4の厚みは、例えば、0.01μm以上1μm以下であってよい。第二電極層7の厚みは、例えば、0.01μm以上1μm以下であってよい。
The thickness of the
密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々は、スパッタリング等の気相成長法によって基板6の表面に積層されてよい。密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々は、少なくとも一種のターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。複数のターゲットを用いたスパッタリングによって、密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々が形成されてもよい。ターゲットは、各層又は圧電薄膜を構成する元素のうち少なくとも一種を含んでよい。所定の組成を有するターゲットの選定及び組合せにより、目的とする組成を有する各層及び圧電薄膜3其々を形成することができる。例えば、ターゲットは、金属単体、合金又は酸化物であってよい。スパッタリングの雰囲気の組成が、各層及び圧電薄膜3其々の組成の制御因子であってよい。各ターゲットに与えられる入力パワー(電力密度)は、各層及び圧電薄膜3其々の組成及び厚みの制御因子である。スパッタリングの雰囲気の全圧、雰囲気中の原料ガス(例えば窒素)の分圧又は濃度、各ターゲットのスパッタリングの継続時間、圧電薄膜が形成される基板表面の温度、及び基板バイアス等も、各層及び圧電薄膜3其々の組成及び厚みの制御因子である。エッチング(例えばプラズマエッチング)により、所望の形状又はパターンを有する圧電薄膜が形成されてよい。
The
圧電薄膜3を形成するためのスパッタリングの雰囲気(成膜雰囲気)は、窒素ガス(N2)及び酸素ガス(O2)を含む。圧電薄膜3に含まれる酸素は、成膜雰囲気中の酸素に由来する。例えば成膜雰囲気は、希ガス(アルゴン等)、窒素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスであってよい。成膜雰囲気における酸素ガスの分圧は、例えば、5.11×10-7Paであってよい。成膜雰囲気における酸素ガスの分圧が5.11×10-7Paよりも高い場合、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が6原子%よりも高くなる傾向がある。成膜雰囲気における酸素ガスの分圧が低過ぎる場合、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が0.001原子%よりも低くなる傾向がある。
A sputtering atmosphere (film formation atmosphere) for forming the piezoelectric
圧電薄膜3の形成工程における基板6の温度のプロファイルは、図7に示される。図7の横軸は、時間(単位:秒)を示す。図7の縦軸は、基板6の温度(単位:℃)を示す。
A temperature profile of the
酸素の濃度が略均一である圧電薄膜3を形成する場合、圧電薄膜3の形成工程は、基板6の温度を初期温度T0から初期成膜温度TIまで上げる第一昇温工程と、成膜雰囲気中で基板6の温度を初期成膜温度TIに保持する第一成膜工程と、を有する。第一昇温工程は、Alを含むターゲットのスパッタリングを開始する前に実施されてよい。つまり、ターゲットのスパッタリングの開始に伴って、第一成膜工程(成膜雰囲気中での圧電薄膜3の成長)が開始してよい。酸素の濃度が略均一である圧電薄膜3を形成する場合、初期成膜温度TIは、例えば、300℃よりも高く400℃よりも低く、好ましくは350℃である。初期成膜温度TIの増加に伴い、圧電薄膜3における酸素の濃度が増加する傾向がある。初期成膜温度TIが350℃よりも低い場合、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が0.001原子%よりも低くなる傾向がある。初期成膜温度TIが350℃よりも高い場合、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が6原子%よりも高くなる傾向がある。酸素の濃度が略均一である圧電薄膜3を形成する場合、成膜時間tTOTALは、第一成膜工程の継続時間(第一成膜時間ti)に等しい。
When forming the piezoelectric
第一圧電層1及び第二圧電層2からなる圧電薄膜3を形成する場合、圧電薄膜3の形成工程は、第一昇温工程及び第一成膜工程に続く第二昇温工程を更に有する。第二昇温工程は、基板6の温度を初期成膜温度TIから最終成膜温度TFまで上げる工程である。第一圧電層1及び第二圧電層2からなる圧電薄膜3を形成する場合、圧電薄膜3の形成工程は、上述の第二昇温工程に続く第二成膜工程を更に有してよい。第二成膜工程は、成膜雰囲気中で基板6の温度を最終成膜温度TFに保持する工程である。第一成膜工程において第一圧電層1が形成されてよい。第二昇温工程及び第二成膜工程において、酸素の濃度分布の勾配を有する第二圧電層2が形成されてよい。発明者らは、第二昇温工程における基板6の温度上昇に伴って、成膜雰囲気中の酸素が電離し易くなることに因り、酸素の濃度が高い第二圧電層2が形成される、と推察する。第一圧電層1及び第二圧電層2からなる圧電薄膜3を形成する場合、初期成膜温度TIは、例えば、200℃以上300℃以下であってよい。初期成膜温度TIの増加に伴い、第一圧電層1における酸素の濃度が増加する傾向がある。第二昇温工程における昇温速度(第二昇温速度RT)は、例えば、1.0℃/秒以上1.9秒以下であってよい。最終成膜温度TFは、例えば、230℃以上350℃以下であってよい。最終成膜温度TFの増加に伴い、第二圧電層2における酸素の濃度が増加する傾向がある。最終成膜温度TFが350℃よりも高い場合、圧電薄膜3における酸素の濃度の平均値が6原子%よりも高くなる傾向がある。第一圧電層1及び第二圧電層2からなる圧電薄膜3を形成する場合、成膜時間tTOTALは、第一成膜時間ti、第二昇温工程の所要時間、及び第二成膜工程の継続時間(第二成膜時間tf)の合計である。第一圧電層1及び第二圧電層2からなる圧電薄膜3を形成する場合、第一成膜時間tiは、第一成膜工程の開始時点から第二昇温工程の開始時点までの時間と言い換えられる。
When the piezoelectric
成膜時間tTOTAL、第一成膜時間ti及び第二成膜時間tf其々の単位は、秒であってよい。成膜時間tTOTALの増加に伴い、圧電薄膜3の厚みT3が増加する傾向がある。第一成膜時間tiの増加に伴い、第一圧電層1の厚みT1が増加する傾向がある。第二昇温工程の所要時間、及び第二成膜時間tfの増加に伴い、第二圧電層2の厚みT2が増加する傾向がある。
The units of the film formation time t TOTAL , the first film formation time ti, and the second film formation time tf may be seconds. As the film formation time t TOTAL increases, the thickness T3 of the piezoelectric
密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々の結晶構造は、X線回折(XRD)法によって特定されてよい。各層及び圧電薄膜3の組成は、蛍光X線分析法(XRF法)、X線光電子分光(XPS)、エネルギー分散型X線分析(EDX)、誘導結合プラズマ質量分析(ICP‐MS)、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析(LA‐ICP‐MS)、及び電子線マイクロアナライザ(EPMA)のうち少なくともいずれか一つの分析方法にとって特定されてよい。密着層5、第一電極層4、圧電薄膜3及び第二電極層7其々の厚みは、厚み方向Dに平行な圧電薄膜素子10の断面において、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定されてよい。厚み方向Dに沿った圧電薄膜3におけるAl、N及びO其々の濃度分布は、例えば、光電子分光(XPS)によって測定されてよい。厚み方向Dに平行な圧電薄膜3の断面がSEMによって観察されてよく、この圧電薄膜3の断面におけるEDXを用いた線分析により、厚み方向Dに沿った圧電薄膜3におけるAl、N及びO其々の濃度分布が測定されてもよい。厚み方向Dに沿った圧電薄膜3におけるOの濃度分布に基づいて、第一圧電層1の厚みT1及び第二圧電層2の厚みT2が特定されてよい。
The crystal structure of each of the
本実施形態に係る圧電薄膜素子の用途は、多岐にわたる。例えば、圧電薄膜素子は、圧電アクチュエータであってよい。圧電アクチュエータは、ハプティクス(haptics)に用いられてよい。つまり、圧電アクチュエータは、皮膚感覚(触覚)によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスは、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。圧電アクチュエータは、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてもよい。圧電アクチュエータは、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。圧電アクチュエータは、圧電スイッチに用いられてもよい。圧電薄膜素子は、圧電センサ又は圧電トランスデューサであってもよい。圧電センサ又は圧電トランスデューサは、例えば、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、超音波センサ、超音波トランスデューサ、又はショックセンサに用いられてよい。超音波トランスデューサは、圧電微小機械超音波トランスデューサ(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer; PMUT)であってよい。圧電微小機械超音波トランスデューサを応用した製品は、例えば、生体認証センサ、若しくは医療/ヘルスケア用センサ(指紋センサ、若しくは超音波式血管認証センサ)、又はToF(Time of Flight)センサであってよい。圧電薄膜素子は、圧電マイクロフォン、フィルタ(SAWフィルタ又はBAWフィルタ)、ハーベスタ、発振子、共振子、又は音響多層膜に用いられてよい。上述された各圧電薄膜素子は、MEMSの一部又は全部であってよい。 Applications of the piezoelectric thin film element according to the present embodiment are diverse. For example, the piezoelectric thin film element may be a piezoelectric actuator. Piezoelectric actuators may be used for haptics. In other words, piezoelectric actuators may be used in various devices that require cutaneous (tactile) feedback. The device for which tactile feedback is desired may be a wearable device, touchpad, display, or game controller. Piezoelectric actuators may be used in head assemblies, head stack assemblies, or hard disk drives. Piezoelectric actuators may be used in printer heads or in inkjet printer devices. Piezoelectric actuators may be used in piezoelectric switches. The piezoelectric thin film element may be a piezoelectric sensor or a piezoelectric transducer. Piezoelectric sensors or piezoelectric transducers may be used, for example, as gyro sensors, pressure sensors, pulse wave sensors, ultrasonic sensors, ultrasonic transducers, or shock sensors. The ultrasonic transducer may be a Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer (PMUT). Products that apply piezoelectric micromechanical ultrasonic transducers can be, for example, biometric sensors, medical/healthcare sensors (fingerprint sensors or ultrasonic blood vessel authentication sensors), or Time of Flight (ToF) sensors. . Piezoelectric thin film elements may be used in piezoelectric microphones, filters (SAW filters or BAW filters), harvesters, oscillators, resonators, or acoustic multilayer films. Each piezoelectric thin film element described above may be part or all of a MEMS.
本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、第一圧電層1における酸素の濃度が、第二圧電層2における酸素の濃度よりも高くてよい。 The invention is not limited to the embodiments described above. For example, the oxygen concentration in the first piezoelectric layer 1 may be higher than the oxygen concentration in the second piezoelectric layer 2 .
以下では実施例及び比較例により、本発明が詳細に説明される。本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples and comparative examples. The present invention is by no means limited by these examples.
(実施例1)
基板として、Siの単結晶からなるウェハが用いられた。基板の表面は、Siの(100)面に平行であった。基板の厚みは、725μmであった。基板の直径は、約8インチであった。基板の厚みは均一であった。
(Example 1)
A wafer made of a single crystal of Si was used as the substrate. The surface of the substrate was parallel to the (100) plane of Si. The thickness of the substrate was 725 μm. The substrate diameter was about 8 inches. The thickness of the substrate was uniform.
真空チャンバー内でのRFマグネトロンスパッタリングにより、Moからなる第一電極層(下部電極層)が密着層の表面全体に直接形成された。スパッタリングターゲットしては、Moの単体が用いられた。真空チャンバー内の雰囲気は、Arガスであった。スパッタリングターゲットの単位面積当たりの入力パワーは、0.93W/cm2であった。第一電極層の形成過程における基板の温度は、600℃に保持された。第一電極層の厚みは均一であった。第一電極層の厚みは、0.2μmであった。 A first electrode layer (lower electrode layer) made of Mo was directly formed on the entire surface of the adhesion layer by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber. Mo alone was used as a sputtering target. The atmosphere in the vacuum chamber was Ar gas. The input power per unit area of the sputtering target was 0.93 W/cm 2 . The substrate temperature was kept at 600° C. during the formation of the first electrode layer. The thickness of the first electrode layer was uniform. The thickness of the first electrode layer was 0.2 μm.
圧電薄膜の形成工程では、真空チャンバー内でのRFマグネトロンスパッタリングにより、圧電薄膜が、第一電極層の表面全体に直接形成された。スパッタリングターゲットとしては、Alの単体が用いられた。スパッタリングターゲットの単位面積当たりの入力パワーは、3.72W/cm2であった。圧電薄膜の形成工程では、上述の第一昇温工程及び第一成膜工程が実施された。実施例1の場合、上述の第二昇温工程及び第二成膜工程は実施されなかった。圧電薄膜の成膜雰囲気は、Ar、N2及びO2からなる混合ガスであった。成膜雰囲気の全圧は、0.4Paであった。成膜雰囲気におけるO2の分圧は、5.11×10-7Paに維持された。 In the piezoelectric thin film forming process, the piezoelectric thin film was directly formed on the entire surface of the first electrode layer by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber. A simple substance of Al was used as a sputtering target. The input power per unit area of the sputtering target was 3.72 W/cm 2 . In the piezoelectric thin film forming process, the above-described first temperature raising process and first film forming process were performed. In the case of Example 1, the above-described second heating step and second film forming step were not performed. The film-forming atmosphere of the piezoelectric thin film was a mixed gas consisting of Ar, N2 and O2 . The total pressure of the film-forming atmosphere was 0.4 Pa. The partial pressure of O 2 in the deposition atmosphere was maintained at 5.11×10 −7 Pa.
実施例1の成膜時間tTOTAL及び初期成膜温度TIは、下記表1に示される。実施例1の圧電薄膜の厚みT3は、下記表1及び表2に示される値に調整された。圧電薄膜の厚みT3は均一であった。 The film formation time t TOTAL and the initial film formation temperature TI of Example 1 are shown in Table 1 below. The thickness T3 of the piezoelectric thin film of Example 1 was adjusted to the values shown in Tables 1 and 2 below. The thickness T3 of the piezoelectric thin film was uniform.
第一電極層と同様の方法で、Moからなる第二電極層が圧電薄膜の表面全体に直接形成された。第二電極層の厚みは、第一電極の厚みと同じであった。第二電極層の厚みは均一であった。 A second electrode layer made of Mo was formed directly over the entire surface of the piezoelectric thin film in the same manner as the first electrode layer. The thickness of the second electrode layer was the same as the thickness of the first electrode. The thickness of the second electrode layer was uniform.
上記の手順で作製された積層体は、基板と、基板に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、圧電薄膜に直接積層された第二電極と、から構成されていた。続くフォトリソグラフィにより、基板上の積層構造のパターニングが行われた。パターニング後、積層体全体をダイシングにより切断することにより、四角形状の実施例1の圧電薄膜素子が得られた。圧電薄膜素子は、基板と、基板に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、圧電薄膜に直接積層された第二電極層と、から構成されていた。 The laminate produced by the above procedure includes a substrate, a first electrode layer directly laminated on the substrate, a piezoelectric thin film directly laminated on the first electrode layer, and a second electrode directly laminated on the piezoelectric thin film. , consisted of Subsequent photolithography patterned the layered structure on the substrate. After patterning, the entire laminate was cut by dicing to obtain a rectangular piezoelectric thin film element of Example 1. FIG. The piezoelectric thin film element is composed of a substrate, a first electrode layer directly laminated on the substrate, a piezoelectric thin film directly laminated on the first electrode layer, and a second electrode layer directly laminated on the piezoelectric thin film. rice field.
以上の方法により、複数の実施例1の圧電薄膜素子が作製された。これらの圧電薄膜素子に関する以下の分析及び測定が実施された。 A plurality of piezoelectric thin film elements of Example 1 were produced by the above method. The following analyzes and measurements were performed on these piezoelectric thin film elements.
<圧電薄膜全体の組成>
圧電薄膜全体の組成が、蛍光X線分析法(XRF法)により分析された。XRF法には、株式会社リガク製の波長分散型蛍光X線装置(RIGAKU AZX-400)が用いられた。XRF法により、圧電薄膜におけるAl、N及びO其々の濃度(単位:原子%)が定量された。
<Composition of entire piezoelectric thin film>
The composition of the entire piezoelectric thin film was analyzed by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF method). For the XRF method, a wavelength dispersive fluorescent X-ray device (RIGAKU AZX-400) manufactured by Rigaku Corporation was used. The concentrations of Al, N and O (unit: atomic %) in the piezoelectric thin film were quantified by the XRF method.
<厚み方向Dにおける圧電薄膜中の元素の濃度分布>
上述の厚み方向Dに沿った圧電薄膜におけるAl、N及びO其々の濃度分布が、X線光電子分光(XPS)により測定された。つまり、第一電極層に直接積層された圧電薄膜の表面のスパッタリングにより、圧電薄膜の厚みT3を徐々に且つ均一に減少させながら、圧電薄膜の表面におけるXPSが連続的に実施された。XPS法には、ULVAC-PHI,Inc.製のX線光電子分光装置(PHI Quantera IITM)が用いられた。
<Concentration Distribution of Elements in Piezoelectric Thin Film in Thickness Direction D>
Al, N and O concentration distributions in the piezoelectric thin film along the thickness direction D were measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). That is, XPS was continuously performed on the surface of the piezoelectric thin film while the thickness T3 of the piezoelectric thin film was gradually and uniformly reduced by sputtering the surface of the piezoelectric thin film directly laminated on the first electrode layer. The XPS method includes ULVAC-PHI, Inc. was used.
<圧電薄膜の結晶構造>
第一電極層に直接形成された圧電薄膜の結晶構造が、X線回折(XRD)法により分析された。XRD法には、株式会社リガク製の多目的X線回折装置(SmartLab)が用いられた。第一電極層に直接形成された圧電薄膜の表面において、上記のX線回折装置を用いた2θ‐θスキャン、ωスキャン及び2θχ-φスキャンが行われた。XRD法に基づく分析の結果、圧電薄膜はウルツ鉱型構造を有することが確認された。ウルツ鉱型構造の(002)面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。第一電極層を構成するMo(体心立方構造)の(110)面が、圧電薄膜が接する第一電極層の表面の法線方向において配向していた。
<Crystal structure of piezoelectric thin film>
The crystal structure of the piezoelectric thin film directly formed on the first electrode layer was analyzed by X-ray diffraction (XRD) method. A multi-purpose X-ray diffractometer (SmartLab) manufactured by Rigaku Corporation was used for the XRD method. The surface of the piezoelectric thin film directly formed on the first electrode layer was subjected to 2θ-θ scan, ω scan and 2θχ-φ scan using the above X-ray diffraction apparatus. As a result of analysis based on the XRD method, it was confirmed that the piezoelectric thin film had a wurtzite structure. The (002) plane of the wurtzite structure was parallel to the surface of the first electrode layer in contact with the piezoelectric thin film. The (110) plane of Mo (body-centered cubic structure) constituting the first electrode layer was oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer in contact with the piezoelectric thin film.
以上の分析から、実施例1の圧電薄膜が以下の特徴を有することが確認された。 From the above analysis, it was confirmed that the piezoelectric thin film of Example 1 has the following features.
実施例1の圧電薄膜は、酸素を含む結晶質のAlNからなり、AlNはウルツ鉱型構造を有していた。AlNの(002)面は、圧電薄膜の厚み方向D(第一電極層の表面の法線方向)において配向していた。実施例1の圧電薄膜における酸素の濃度は、厚み方向Dにおいて均一であった。実施例1の圧電薄膜における酸素の濃度の平均値[O]3は、下記表2に示される。 The piezoelectric thin film of Example 1 was made of crystalline AlN containing oxygen, and AlN had a wurtzite structure. The (002) plane of AlN was oriented in the thickness direction D of the piezoelectric thin film (normal direction to the surface of the first electrode layer). The oxygen concentration in the piezoelectric thin film of Example 1 was uniform in the thickness direction D. The average oxygen concentration [O] 3 in the piezoelectric thin film of Example 1 is shown in Table 2 below.
<誘電正接>
実施例1の圧電薄膜の誘電正接(tanδ)が測定された。tanδの測定には、Agilent社製のLCRメーター(E4980A)が用いられた。tanδの測定では、1V/μmの電界が圧電薄膜へ印加された。第一電極層及び第二電極層其々において電界が印加された部分の面積は、600×600μm2であった。実施例1のtanδは、下記表2に示される。
<Dielectric loss tangent>
The dielectric loss tangent (tan δ) of the piezoelectric thin film of Example 1 was measured. An Agilent LCR meter (E4980A) was used to measure tan δ. For tan δ measurements, an electric field of 1 V/μm was applied to the piezoelectric thin film. The area of the portion to which the electric field was applied in each of the first electrode layer and the second electrode layer was 600×600 μm 2 . The tan δ of Example 1 is shown in Table 2 below.
<圧電定数d33>
実施例1の圧電薄膜の圧電定数d33(単位:pC/N)が測定された。圧電定数d33の測定の詳細は以下の通りであった。実施例1の圧電定数d33(3点測定点平均値)は、下記表2に示される。
測定装置:Piezotest社製のd33メーター(PM200)
周波数: 110Hz
クランプ圧: 0.25N
<piezoelectric constant d33 >
The piezoelectric constant d 33 (unit: pC/N) of the piezoelectric thin film of Example 1 was measured. The details of the measurement of the piezoelectric constant d33 were as follows. The piezoelectric constant d 33 (3-point measurement point average value) of Example 1 is shown in Table 2 below.
Measuring device: d 33 meter (PM200) manufactured by Piezotest
Frequency: 110Hz
Clamp pressure: 0.25N
<クラック率Rc>
積層方向における圧電薄膜素子のダイシングにより、100個のサンプルが作製された。各サンプルの寸法は均一であり、各サンプルが、チップ状の圧電薄膜素子である。各サンプルの圧電薄膜へ0.4V/μmの電界を印加することにより、各サンプルの圧電薄膜における導通の有無が検査された。導通の検査には、市販のマルチメータが用いられた。100個のサンプルのうち、圧電薄膜における導通が検出されたサンプルの数nが数えられた。クラック率Rcは、n%と定義される。上述のダイシングに因るクラックが各サンプルの圧電薄膜において形成されている場合、クラックは導通経路として機能するため、各サンプルの圧電薄膜における導通が検出される。圧電薄膜の機械的強度が高いほど、ダイシングに因るクラックが抑制され、クラック率Rcは低い。実施例1のクラック率Rcは、下記表2に示される。
<Crack rate Rc>
100 samples were produced by dicing the piezoelectric thin film elements in the stacking direction. The dimensions of each sample are uniform, and each sample is a chip-shaped piezoelectric thin film element. By applying an electric field of 0.4 V/μm to the piezoelectric thin film of each sample, the presence or absence of continuity in the piezoelectric thin film of each sample was examined. A commercially available multimeter was used to check continuity. Among the 100 samples, the number n of samples in which continuity in the piezoelectric thin film was detected was counted. The crack rate Rc is defined as n%. When cracks due to the dicing described above are formed in the piezoelectric thin film of each sample, the cracks function as conduction paths, so conduction in the piezoelectric thin film of each sample is detected. As the mechanical strength of the piezoelectric thin film increases, cracks due to dicing are suppressed and the crack rate Rc decreases. The crack rate Rc of Example 1 is shown in Table 2 below.
(実施例2~6)
実施例2~6其々の圧電薄膜の形成工程では、第一昇温工程及び第一成膜工程に続いて、上述の第二昇温工程及び第二成膜工程が実施された。
(Examples 2-6)
In the steps of forming the piezoelectric thin film in each of Examples 2 to 6, the above-described second temperature raising step and second film forming step were performed following the first temperature raising step and first film forming step.
実施例2~6其々の成膜時間tTOTAL、初期成膜温度TI、最終成膜温度TF、第一成膜時間ti、第二成膜時間tf及び第二昇温速度RTは、下記表1に示される。実施例2~6其々の圧電薄膜の厚みT3は、下記表1及び表2に示される値に調整された。実施例2~6其々の圧電薄膜の厚みT3は均一であった。 The film formation time t TOTAL , the initial film formation temperature TI, the final film formation temperature TF, the first film formation time ti, the second film formation time tf, and the second temperature rise rate R T for each of Examples 2 to 6 are as follows. It is shown in Table 1. The thickness T3 of each of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 was adjusted to the values shown in Tables 1 and 2 below. The thickness T3 of each of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 was uniform.
圧電薄膜の形成工程を除いて実施例1と同様の方法で、実施例2~6其々の圧電薄膜素子が作製された。実施例1と同様の方法で、実施例2~6其々の圧電薄膜素子に関する分析及び測定が実施された。分析の結果、実施例2~6のいずれの場合も、圧電薄膜は以下の特徴を有することが確認された。 Piezoelectric thin film elements of Examples 2 to 6 were produced in the same manner as in Example 1 except for the step of forming the piezoelectric thin film. Analysis and measurement of the piezoelectric thin film elements of Examples 2 to 6 were carried out in the same manner as in Example 1. As a result of the analysis, it was confirmed that the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 had the following characteristics.
圧電薄膜は、酸素を含む結晶質のAlNからなり、AlNはウルツ鉱型構造を有していた。AlNの(002)面は、圧電薄膜の厚み方向D(第一電極層の表面の法線方向)において配向していた。圧電薄膜は、第一電極層に直接積層された第一圧電層と、第一圧電層に直接積層され、且つ第二電極層に接する第二圧電層と、からなっていた。第一圧電層における酸素の濃度は、第二圧電層における酸素の濃度よりも低かった。第一圧電層中の酸素の濃度は、厚み方向Dにおいて均一であった。第二圧電層における酸素の濃度は、厚み方向Dに沿って徐々に増加していた。第一圧電層の厚みT1は均一であった。第二圧電層の厚みT2も均一であった。 The piezoelectric thin film was made of crystalline AlN containing oxygen, and AlN had a wurtzite structure. The (002) plane of AlN was oriented in the thickness direction D of the piezoelectric thin film (normal direction to the surface of the first electrode layer). The piezoelectric thin film consisted of a first piezoelectric layer directly laminated to the first electrode layer and a second piezoelectric layer directly laminated to the first piezoelectric layer and in contact with the second electrode layer. The oxygen concentration in the first piezoelectric layer was lower than the oxygen concentration in the second piezoelectric layer. The concentration of oxygen in the first piezoelectric layer was uniform in the thickness direction D. The concentration of oxygen in the second piezoelectric layer gradually increased along the thickness direction D. The thickness T1 of the first piezoelectric layer was uniform. The thickness T2 of the second piezoelectric layer was also uniform.
実施例2~6其々の圧電薄膜における酸素の濃度の平均値[O]3は、下記表2に示される。
実施例2~6其々の第一圧電層における酸素の濃度の平均値[O]1は、下記表2に示される。
実施例2~6其々の第二圧電層における酸素の濃度の平均値[O]2は、下記表2に示される。
実施例2~6其々の第一圧電層の厚みT1は、下記表2に示される。
実施例2~6其々の第二圧電層の厚みT2は、下記表2に示される。
下記表2中のT2/T3は、圧電薄膜の厚みT3に対する第二圧電層の厚みT2の割合である。実施例2~6其々のT2/T3は、下記表2に示される。
下記表2中のR[O]2は、圧電薄膜中の酸素の総量に対する第二圧電層中の酸素の総量の割合を意味する。R[O]2は、{(T2/T3)×[O]2}/[O]3に等しい。実施例2~6其々のR[O]2は、下記表2に示される。
実施例2~6其々のtanδ、d33及びRcは、下記表2に示される。
The average oxygen concentration [O] 3 in each of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 is shown in Table 2 below.
The average oxygen concentration [O] 1 in the first piezoelectric layer of each of Examples 2 to 6 is shown in Table 2 below.
The average oxygen concentration [O] 2 in the second piezoelectric layer of each of Examples 2 to 6 is shown in Table 2 below.
The thickness T1 of the first piezoelectric layer in each of Examples 2-6 is shown in Table 2 below.
The thickness T2 of the second piezoelectric layer for each of Examples 2-6 is shown in Table 2 below.
T2/T3 in Table 2 below is the ratio of the thickness T2 of the second piezoelectric layer to the thickness T3 of the piezoelectric thin film. The T2/T3 for each of Examples 2-6 is shown in Table 2 below.
R[O] 2 in Table 2 below means the ratio of the total amount of oxygen in the second piezoelectric layer to the total amount of oxygen in the piezoelectric thin film. R[O] 2 is equal to {(T2/T3)*[O] 2 }/[O] 3 . The R[O] 2 for each of Examples 2-6 is shown in Table 2 below.
Tan δ, d 33 and Rc for each of Examples 2-6 are shown in Table 2 below.
(比較例1及び2)
比較例1及び2其々の成膜時間tTOTAL及び初期成膜温度TIは、下記表1に示される。比較例1及び2の場合、上述の第二昇温工程及び第二成膜工程は実施されなかった。比較例1及び2其々の圧電薄膜の厚みT3は、下記表1及び表2に示される値に調整された。比較例1及び2其々の圧電薄膜の厚みT3は均一であった。
(Comparative Examples 1 and 2)
The film formation time t TOTAL and the initial film formation temperature TI of Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1 below. In the case of Comparative Examples 1 and 2, the above-described second heating step and second film forming step were not performed. The thickness T3 of the piezoelectric thin film of each of Comparative Examples 1 and 2 was adjusted to the values shown in Tables 1 and 2 below. The thickness T3 of each of the piezoelectric thin films of Comparative Examples 1 and 2 was uniform.
圧電薄膜の形成工程を除いて実施例1と同様の方法で、比較例1及び2其々の圧電薄膜素子が作製された。実施例1と同様の方法で、比較例1及び2其々の圧電薄膜素子に関する分析及び測定が実施された。 Piezoelectric thin film elements of Comparative Examples 1 and 2 were produced in the same manner as in Example 1 except for the step of forming the piezoelectric thin film. Analysis and measurement of the piezoelectric thin film elements of Comparative Examples 1 and 2 were carried out in the same manner as in Example 1.
比較例1の圧電薄膜は、酸素を含んでいなかった。比較例1の圧電薄膜は、結晶質のAlNのみからなり、AlNはウルツ鉱型構造を有していた。比較例1のAlNの(002)面は、圧電薄膜の厚み方向D(第一電極層の表面の法線方向)において配向していた。 The piezoelectric thin film of Comparative Example 1 did not contain oxygen. The piezoelectric thin film of Comparative Example 1 consisted of only crystalline AlN, and AlN had a wurtzite structure. The (002) plane of AlN of Comparative Example 1 was oriented in the thickness direction D of the piezoelectric thin film (normal direction to the surface of the first electrode layer).
比較例2の圧電薄膜は、酸素を含む結晶質のAlNからなり、AlNはウルツ鉱型構造を有していた。比較例2のAlNの(002)面は、圧電薄膜の厚み方向D(第一電極層の表面の法線方向)において配向していた。比較例2の圧電薄膜における酸素の濃度は、厚み方向Dにおいて均一であった。 The piezoelectric thin film of Comparative Example 2 was made of crystalline AlN containing oxygen, and AlN had a wurtzite structure. The (002) plane of AlN of Comparative Example 2 was oriented in the thickness direction D of the piezoelectric thin film (normal direction to the surface of the first electrode layer). The oxygen concentration in the piezoelectric thin film of Comparative Example 2 was uniform in the thickness direction D.
比較例1及び2其々の圧電薄膜における酸素の濃度の平均値[O]3は、下記表2に示される。比較例1及び2其々のtanδ、d33及びRcは、下記表2に示される。 The average oxygen concentration [O] 3 in the piezoelectric thin films of Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 2 below. The tan δ, d 33 and Rc for Comparative Examples 1 and 2, respectively, are shown in Table 2 below.
例えば、本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、マイク、センサ、トランスデューサ、フィルタ、ハーベスタ、又はアクチュエータに用いられてよい。 For example, piezoelectric thin film elements according to one aspect of the present invention may be used in microphones, sensors, transducers, filters, harvesters, or actuators.
1…第一圧電層、2…第二圧電層、3…圧電薄膜、4…第一電極層、5…密着層、6…基板、7…第二電極層、10…圧電薄膜素子、ucw…ウルツ鉱型構造の単位胞。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... First piezoelectric layer 2... Second
Claims (5)
前記基板に積層された第一電極層と、
前記第一電極層に積層された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜に積層された第二電極層と、
を備え、
前記圧電薄膜が、窒化アルミニウム及び酸素を含み、
前記圧電薄膜における酸素の濃度の平均値が、0.001原子%以上6原子%以下である、
圧電薄膜素子。 a substrate;
a first electrode layer laminated on the substrate;
a piezoelectric thin film laminated on the first electrode layer;
a second electrode layer laminated on the piezoelectric thin film;
with
the piezoelectric thin film contains aluminum nitride and oxygen;
The average oxygen concentration in the piezoelectric thin film is 0.001 atomic % or more and 6 atomic % or less.
Piezoelectric thin film element.
前記第一圧電層における酸素の濃度が、前記第二圧電層における酸素の濃度よりも低い、
請求項1に記載の圧電薄膜素子。 the piezoelectric thin film comprises a first piezoelectric layer laminated on the first electrode layer and a second piezoelectric layer laminated on the first piezoelectric layer and in contact with the second electrode layer,
the concentration of oxygen in the first piezoelectric layer is lower than the concentration of oxygen in the second piezoelectric layer;
The piezoelectric thin film element according to claim 1.
前記圧電薄膜中の酸素の総量に対する前記第二圧電層中の酸素の総量の割合が、60%よりも大きく100%以下である、
請求項2に記載の圧電薄膜素子。 A ratio of the thickness of the second piezoelectric layer to the thickness of the piezoelectric thin film is 0.1% or more and 60% or less,
A ratio of the total amount of oxygen in the second piezoelectric layer to the total amount of oxygen in the piezoelectric thin film is more than 60% and 100% or less.
3. The piezoelectric thin film element according to claim 2.
請求項2又は3に記載の圧電薄膜素子。 The concentration of oxygen in the second piezoelectric layer increases along a direction that is substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer on which the piezoelectric thin film is laminated and that extends from the first electrode layer to the second electrode layer. do,
4. The piezoelectric thin film element according to claim 2 or 3.
請求項1~4のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
The first electrode layer is platinum, iridium, gold, rhodium, palladium, silver, nickel, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, vanadium, chromium, niobium, tantalum, ruthenium, zirconium, hafnium, titanium, yttrium, scandium and magnesium Containing at least one element selected from the group consisting of
The piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 4.
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