JP5035374B2 - 圧電薄膜素子及びそれを備えた圧電薄膜デバイス - Google Patents
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Description
しかしながら、従来技術では、高い圧電定数を示す圧電薄膜素子及びそれを用いた圧電薄膜デバイスを安定的に実現し、提供することができなかった。
本願発明者は、非鉛系の圧電薄膜素子を作製する場合、圧電素子の基幹部位にあたる圧電薄膜の成膜において、従来技術では行われていなかった結晶配向性の定量的かつ詳細な管理及び制御をすることで、良好な圧電定数を有する圧電素子及び圧電デバイスが得られるという知見を得て、本発明をするに至った。
圧電薄膜の結晶配向性を管理・制御しないと、高い圧電定数が得られず、また、結晶配向性がロット毎、又は同ロット内であっても素子取得部位によって異なるため、得られる素子ごとに圧電定数が不均一になる。本発明の実施の態様によれば、構成材料である電極、圧電薄膜等を適切に選定するとともに、電極や圧電薄膜等の製作条件を制御して、圧電薄膜の結晶配向方位と基板面法線とのなす角またはその偏差を所定範囲に規定することにより、圧電定数を向上して、圧電特性の高い圧電薄膜素子、及び高性能な圧電薄膜デバイスを実現することが可能となる。
本実施の形態の圧電薄膜素子は、基板と前記基板の表面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成される圧電薄膜とを有する。
前記基板とPtもしくはPtを主成分とする合金からなる電極層との間に、基板との密着性を高めるための接着層を設けても良い。
ところで、従来のように、表面形状や結晶配向性を考慮せずに、または結晶配向性を考慮しているが高精度には制御せずに、Si基板上にPt下部電極を形成した場合、当該下部電極の上部に形成されるLKNN薄膜(ニオブ酸カリウムナトリウム(以下、KNNという)膜を含む)の結晶配向性はランダムな配向状態になることが多い。また、Si基板面の法線方向に対するLKNN薄膜の各結晶粒の配向方向も、基板毎あるいは成膜位置によって異なることが多く、結晶配向性を高精度に制御することを行っていない。すなわち、従来は当該圧電薄膜の特性決定要因の一つである結晶配向性の影響を検討することなく作製していたため、LKNN薄膜の圧電特性として、所望の高い圧電定数を得ることができず、更に素子毎で圧電特性が異なって形成される問題点があった。
上記知見により、本実施の形態では、Pt薄膜と圧電薄膜との結晶配向を制御した。
はじめに、LKNN薄膜の下地にあたる下部電極のPt薄膜の結晶性を安定に実現するため、Pt薄膜の成膜温度や成膜ガスの最適化を行った。
更に、LKNN薄膜の優先配向性をより確実に実現するために、上記の実施の形態において、LKNN薄膜そのものの成膜温度、スパッタリング動作ガスの種類および圧力、真空度、及び投入電力について、LKNN薄膜の反り量が小さくなる作製条件を見出し、最適化を図ることでLKNN薄膜の優先配向を達成するのも良い。これらの条件を装置毎や環境化に応じて多面的に検討することによって、(001)、(111)優先配向、両者が共存して優先配向した擬立方晶のLKNN薄膜を再現よく形成することが可能となる。
上記実施の形態の圧電薄膜付の基板に対して、前記圧電薄膜の上部に上部電極層を形成することによって、高い圧電定数を示す圧電薄膜素子を作製できる。この圧電薄膜素子を所定形状に成型したり、電圧印加手段、電圧検出手段を設けたりすることにより各種のアクチュエータやセンサなどの圧電薄膜デバイスを作製することができる。
図19に、上述した電圧印加手段、電圧検出手段を設けた圧電薄膜デバイス例を示す。これは、Si基板1上に接着層2、下部電極層3、圧電薄膜4、及び上部電極層15を積層して構成した圧電薄膜素子と、下部電極層3及び上部電極層15に電気的に接続する電圧印加手段又は電圧検出手段16を備えたものである。
また、上部電極を所定のパターンに形成しパターン電極を形成することで、表面弾性波を利用したフィルタデバイスを形成することもできる。
上述した圧電薄膜の上部に形成する上部電極層は、下部電極層と同様に、PtもしくはPtを主成分とする合金、またはこれらPtを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層であることが好ましい。または、Ru、Ir、Sn、In乃至同酸化物や圧電薄膜中に含む元素との化合物の電極層を含む積層構造の電極層であってもよい。
本発明は、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を有する。
図1〜図5を用いて説明する。
図1に、圧電薄膜付の基板の概要断面図を示す。本実施例においては、酸化膜を有するSi基板1上に接着層2を形成した上部に、下部電極層3とペロブスカイト構造のニオブ酸カリウムナトリウム(以下、KNNと記す)の圧電薄膜4を形成することにより圧電薄膜素子を作製した。その際、作製条件によって圧電薄膜の結晶配向性の状態が変化する。以下、圧電薄膜素子の製造方法を記述する。
図5、図6、図7、図18を用いて説明する。
実施例2では、上述した実施例1に関し、優先配向させたKNN薄膜を作製することを試みた。実施例2として図6にその断面模式図を示す。また、図18にKNN薄膜を作製するためのRFスパッタリング装置の概略図を示す。
このとき、極図形測定においては、図5(a)に示すような(001)と(111)のデバイリングに偏心は見出されず、同心円状に配置されたようにプロットされた。また、前記したステレオ投影図のΧ軸とΦ軸を、x−y軸が直交軸となったグラフに変換させると、図5(b)に示すような波形曲線は見られず、(001)と(111)は直線状になった。
図8を用いて説明する。
実施例3として、図8に傾斜(オフ)角のばらつきを変化させて作製した圧電薄膜の極図形測定の結果を示している。Pt下部電極の結晶配向性やKNN圧電薄膜のスパッタリング成膜の投入電力などの成膜条件を変更させる場合、あるいは成膜条件を厳密に管理しなかった場合に、様々な結晶配向性を示し、(001)と(111)にあたるデバイリングの波形が様々な形に変化することが明らかになった。
図9を用いて説明する。
実施例4として、図9に、低配向状態にあるPt下部電極上に、スパッタリング投入電力を変えて成膜したKNN圧電薄膜の極図形測定の結果を示している。図9は、スパッタ投入電極に応じて傾斜(オフ)角が変化することを示している。
図10を用いて説明する。
実施例5として、図10に、(001)優先配向した結晶粒について、基板に対する傾斜(オフ)角のばらつき(偏差)を変化させて作製したKNN圧電薄膜の極図形測定の結果を示している。
図11を用いて説明する。
実施例6として、図11に、(001)及び(111)優先配向させて作製したKNN薄膜の極図形測定の結果を示している。このとき、図11(a)は(111)低配向のPt電極上において、スパッタリング投入電力を70Wで成膜した場合、図11(b)は(111)高配向のPt電極上において、70Wで成膜した場合の結果を示している。図11(a)と図10(b)を比較して分かるように、(001)配向におけるデバイリングの振幅と幅は、(111)配向におけるそれらと同じであることがわかる。すなわち、優先配向している結晶面は異なっているが、その基板面に対する傾斜(オフ)角とそのばらつき(偏差)は同等であることを示している。すなわち、Pt電極の結晶配向性を変えることによって、その上部に形成されるKNN薄膜の配向する結晶面を変えることが可能になることがわかる。
図12、図13を用いて説明する。
実施例7として、(001)及び(111)優先配向したKNN薄膜の結晶粒が共存した状態について、図12に、基板に対する傾斜(オフ)角のばらつき(偏差)を変化させて作製したKNN圧電薄膜の極図形測定の結果を示している。
図14〜図17を用いて説明する。
図14に(001)優先配向したKNN圧電薄膜の基板面に対する結晶粒の傾斜(オフ)角と圧電定数との相関図を示す。図14の横軸は、基板面に対する(001)優先配向結晶粒の傾斜(オフ)角δである。また、縦軸は圧電定数である。縦軸の具体的な例としては、電極面に垂直(厚さ方向)な伸縮の変化量であるd33、あるいは電極面にそった方向の伸縮の変化量であるd31があげられる。
つまり、アクチュエータやセンサなどに適用可能な圧電定数を有するKNN圧電薄膜素子を実現するには、(001)優先配向の結晶粒の傾斜(オフ)角を3°以上とすることが好ましいことが分かった。
実施例8の製造条件の一例を以下に記載する。
まず、基板として0.5mmのSi基板(円形状4インチサイズ)を準備し、表面に熱酸化膜処理を施すことにより、Si基板の表面に150nmの酸化膜を形成した。次に、酸化膜上に、2nmのTi接着層、及びTi接着層上に(111)に優先配向して形成される100nmのPt下部電極を形成した。Ti密着層、及びPt下部電極は、基板温度350℃、投入電力100W、Arガス100%雰囲気、ガス圧力2.5Pa、成膜時間1〜3分(Ti密着層)、10分(Pt下部電極)の条件で成膜を行う。Pt下部電極上に形成されるKNN圧電薄膜は、ターゲットとして(NaxKyLiz)NbO3 x=0.5、y=0.5、z=0、ターゲット密度4.6g/cm3のセラミックターゲットを用い、膜厚が3μmとなるようスパッタ法にて成膜を行った。成膜時の基板温度は700℃、投入電力100W、ArとO2ガスの9:1の混合ガスを用い、圧力を1.3Paとした。また、ターゲット中心と基板中心とのシフト量を10mmとした。尚、スパッタ装置には自公転炉を用い、TS間距離を50mmとする。
上記各製造条件において、上述した実施例に基づき、成膜温度などの成膜条件をそれぞれ制御し、優先配向結晶粒の傾きを制御することで、良好な圧電特性を有する圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスの実現が可能となる。
2 接着層
3 下部電極層
4 圧電薄膜
5 基板面の法線方向に対して同じ方向に優先配向した結晶粒
6 基板面の法線方向に対して傾斜して優先配向した結晶粒
7 基板面の法線方向に対して傾斜角が各々わずかに異なる優先配向した結晶粒
8 基板面の法線方向と各配向結晶粒の結晶面とのなす角
9 (001)優先配向結晶粒
10 (111)優先配向結晶粒
11 (001)配向方位と基板表面法線とのなす角
12 (111)配向方位と基板表面法線とのなす角
Claims (12)
- 基板上に、一般式(NaxKyLiz)NbO3(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦0.2、x+y+z=1)で表される圧電薄膜を積層した圧電薄膜素子であって、
前記圧電薄膜が、擬立方晶、正方晶または斜方晶のいずれか一つの結晶構造を有するか、若しくは擬立方晶、正方晶または斜方晶の少なくとも二つが共存した結晶構造を有しており、それら結晶構造は(001)方向に優先配向する(001)優先配向結晶粒と、(111)方向に優先的に配向する(111)優先配向結晶粒が共存した構造であり、かつ前記結晶粒が有する結晶軸のうち少なくとも1つの結晶軸と、前記基板表面の法線とのなす角度が、0°から10°の範囲内にあることを特徴とする圧電薄膜素子。 - 請求項1に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が柱状構造の粒子で構成された集合組織を有していることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(001)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、前記結晶面の法線と前記基板表面の法線とのなす角が、3°以上にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(111)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、前記の結晶面の法線と前記基板表面の法線とのなす角が、1°以下にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(001)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、前記結晶面の法線と前記基板表面の法線とのなす角の中心値に対して、その角度の偏差が、1.2°以上にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(001)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、該圧電薄膜素子の極図形測定における(001)のデバイリングの幅が、2.4°以上にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(111)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、前記結晶面の法線と前記基板表面の法線とのなす角の中心値に対して、その角度の偏差が、1°以上にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、特定の結晶面である(111)の法線が基板表面に対して垂直方向に優先的に配向しており、前記圧電薄膜素子の極図形測定における(111)のデバイリングの幅が、2°以上にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記基板と前記圧電薄膜との間に下地層を備えた圧電薄膜素子。
- 請求項9に記載の圧電薄膜素子において、前記下地層は、PtもしくはPtを主成分とする合金からなる下部電極であることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1乃至10に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜上に上部電極が形成される圧電薄膜素子。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、電圧印加手段又は電圧検出手段とを備えた圧電薄膜デバイス。
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