JP5643472B2 - 圧電薄膜素子 - Google Patents

Description

本発明は、各種センサ、振動子、フィルタまたはアクチュエータなどの圧電デバイスに適用できる圧電薄膜素子に関し、特に、非鉛圧電材料を用いた圧電薄膜素子に関するものである。

ペロブスカイト構造を有する酸化物誘電体薄膜は一般式ＡＢ０_３で表され、優れた強誘電性、圧電性、焦電性を示し、幅広い電子デバイスに有効な材料として用いられている。特に、電気機械変換素子としての圧電体は、種々の目的に応じて様々な形状のデバイス構造に加工され、電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータ、あるいは逆に素子の変形から電圧を発生させるセンサなどの圧電デバイスとして広く利用されている。

そして、これらの用途に利用されている圧電材料としては、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３系のペロブスカイト型強誘電体を主成分とするものが広く用いられており、このＰＺＴ系圧電材料においては酸化鉛が約６０〜７０重量パーセント含まれている。この酸化鉛は酸性雨などの酸を含んだ雨水などによって容易に溶解し、この鉛を含んだ地下水を飲み水として利用したとき、人体に悪影響を及ぼすことが分かっている。

このような環境負荷の大きな鉛を成分として使わない材料開発が活発に行われており、特に接続材料である鉛フリーのはんだはすでに開発されているとともに、これを用いた実装技術が開発され、鉛を含まないはんだで実装された電子機器が普及し始めている。

一方、酸化鉛を含むガラスまたは圧電材料の分野においては同等の性能を有する材料開発が不十分であり、今後の開発に期待されている。

これに対して、圧電材料における鉛を含まない圧電材料の開発が進められており、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（Ｎａ_ｘＬｉ_ｙＫ_ｚ）ＮｂＯ_３）などの開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。また、これらを薄膜材料として用いる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の圧電材料としては高い圧電定数を示すことから、環境に配慮した圧電材料の有力な候補として期待されている。
特開２００４−３０００１２号公報 特開２００７―０４２７４０号公報

しかしながら、前記ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムの薄膜は誘電体損失が非常に大きいという課題を有していた。特に、圧電薄膜の形態で使用する場合、圧電薄膜は数μｍ前後の厚みで利用されることが多く、この圧電薄膜において、誘電損失が大きいと、漏れ電流などが大きくなり、特にアクチュエータなどの応用分野では実用化の大きな妨げになっている。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、非鉛圧電材料を用いて圧電特性と誘電損失に優れた圧電薄膜素子を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、基板上に、下部電極層、圧電体層および上部電極層を形成し、前記圧電体層を第一の圧電体層と第二の圧電体層からなる積層構造とし、第一の圧電体層をＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）で示される圧電薄膜とし、第二の圧電体層をＫ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）で示される圧電薄膜からなる圧電薄膜素子とするものである。

本発明の圧電薄膜素子は圧電定数に優れた圧電薄膜層と誘電損失に優れた圧電薄膜層の積層構造を形成することによって、圧電特性と誘電損失に優れた非鉛の圧電薄膜素子を実現することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における圧電薄膜素子について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における圧電薄膜素子の断面図である。図１において、１はＭｇＯ（１００）からなる単結晶基板であり、２０×２０ｍｍ、厚み；０．５ｍｍの基板形状のものを準備した。

この基板１の上に、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリング法により、厚みが１５０ｎｍのＰｔよりなる下部電極層２を形成している。特に、圧電薄膜を高配向に結晶成長させる場合には、この下部電極層２に用いる電極としてＰｔが好ましい。特に、ＭｇＯ（１００）の上にＰｔ（１００）を配向成長しておくことが好ましい。そのときの製膜条件としては、基板温度；７００℃、放電電力；１５０Ｗ、Ａｒガス雰囲気中、製膜圧力；０．３Ｐａ、製膜時間；１５分の条件にて行った。

また、この下部電極層２に用いる電極としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ _３または（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ_３のいずれか一つを主成分とした電極を下部電極層２とすることによって、結晶性と配向性に優れた圧電薄膜層を形成することが可能となる。また、基板１としては、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ_３単結晶、シリコンウエハなどを用いることが好ましい。

なお、ステンレスなどの金属基板なども用いることが可能である。これらの基板材料のなかで、シリコン基板は生産性、加工性及びコストの観点から特に好ましい。

また、下部電極層２はＲＦマグネトロンスパッタリング法によって形成することによって、高い生産性と均一性において良好な製膜を実現することができる。

次に、前記下部電極層２の上にＫ_ｙＮｂＯ_３で示される第一の圧電体層３を形成している。この第一の圧電体層３の形成にはＰＬＤ法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）による製膜が特に好ましい。このＰＬＤ法は材料組成を高精度に制御することができるものであり、本実施の形態１においても前記下部電極層２の上にＰＬＤ法を用いて圧電体薄膜の製膜を行った。そのときの製膜はＫｒＦエキシマレ−ザ（波長２４８ｎｍ）を用い、条件としてはレーザー出力；２００ｍＪ、周波数；１０Ｈｚ、製膜圧力；２２５ｍＴｏｒｒ、雰囲気；酸素雰囲気中、製膜温度；７５０℃、製膜時間；４時間で１２００ｎｍのＫ_１．０５Ｎｂ_１．０Ｏ_３からなる第一の圧電体層３を形成した。

前記ＰＬＤ法によれば、レーザー光の当たったターゲットの表面で瞬間的に蒸発が起こるので、ターゲットとの組成ずれが少ない高精度な材料組成を有する圧電薄膜を基板１の上に製膜することができ、材料組成高精度に制御することが必要な多成分系の圧電体薄膜の形成に適した製膜方法である。このＰＬＤ法による製膜方法は、パルス状のレーザー光をチャンバー内に導入し、ターゲットの表面に照射する。レーザー光が当たったターゲットの一部分では瞬間的に蒸発し、基板１へ向かって飛散していき、所定の基板１に堆積させることができるものである。

なお、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）薄膜の他の形成方法として、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等を用いることも可能である。これらは、良質で高密度の結晶性薄膜を形成することができ、特にスパッタリング法は生産性と膜品質の観点から好ましい。

また、製膜に用いるニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）のターゲットとしては、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を所定の組成になるように混合し、混合粉を９５０℃で４時間仮焼した後、直径；３０ｍｍ、厚さ；３ｍｍのペレット状に成型し、この成形体を放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）を用いて１０００℃で４時間焼成して作製したものを用いた。

そして、第一の圧電体層３はｙ≧１．０の条件からなるＫ_ｙＮｂＯ_３層を形成している。このとき、ｙ＝１．０〜１．１の範囲が好ましく、より好ましくは１．０から１．０５の組成範囲が、より高い圧電定数を必要とする圧電デバイスなどの用途に好ましい。

また、下部電極層２の上に圧電定数に優れた第一の圧電体層３であるＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）を形成することによって、結晶性、配向性に優れた圧電薄膜層を形成することが可能である。これはＰｔなどの電極材料の上に圧電薄膜を形成することによって、Ｐｔの格子定数と圧電体の格子定数の値が近く、高い圧電特性を示すＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）を形成することによって、結晶性と配向性に優れた圧電薄膜を製膜することが可能となるものである。

また、Ｋ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）からなる第一の圧電体層３の厚みは０．５〜３．０μｍとすることが圧電特性と信頼性の観点から好ましい。０．５μｍを下回ると結晶性と配向性に優れた圧電薄膜を形成することが困難となり、３．０μｍよりも厚くなると生産性が低下することと、機械的な歪みが増大し、残留応力に対する圧電デバイスとしての信頼性が低下する。

前記条件を満足する第一の圧電体層３は圧電定数（ｄ_３３）において実用性を有した圧電薄膜とすることができる。しかしながら、第一の圧電体層３の単層では、結晶性の高い圧電薄膜を形成することができるが、誘電損失が若干大きいという特性を有していることが分かった。

ここで、第一の圧電体層３の単層としての圧電特性を評価した。第一の圧電体層３の厚みを１．５μｍとし、Ｋ_ｙＮｂＯ_３（ｙ＝１．０）のとき、圧電定数（ｄ_３３）は５０であり、そのときの誘電損失は１５〜２０％であった。圧電定数の高い組成範囲はｙ＝１．０〜１．１であった。

次に、前記第一の圧電体層３の上にＫ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）で示される第二の圧電体層４を形成している。この第二の圧電体層４の製膜はＫｒＦエキシマレ−ザ（波長２４８ｎｍ）を用い、条件としては、レーザー出力；２００ｍＪ、周波数；１０Ｈｚ、製膜圧力；２２５ｍＴｏｒｒ、雰囲気；酸素雰囲気中、製膜温度；７５０℃、製膜時間；４時間で１２００ｎｍのＫ_０．９９Ｎｂ_１．０Ｏ_３からなる第二の圧電体層４を形成した。この第二の圧電体層４はｘ＜１．０の条件からなるＫ_ｘＮｂＯ_３層を形成している。

ここで、第二の圧電体層４の単層としての圧電特性を評価した。第二の圧電体層４の厚みを０．５μｍとし、Ｋ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＝０．９０）のとき、圧電定数（ｄ_３３）は４０であり、そのときの誘電損失は４〜５％であった。このように、Ｋ_ｘＮｂＯ_３におけるｘの組成範囲を検討した結果、ｘ＝０．８０〜０．９９の範囲が誘電損失の観点から好ましいことが分かった。この組成範囲において、第二の圧電体層４は誘電損失において実用性に供することができる圧電薄膜を実現できることが分かった。

また、Ｋ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）からなる第二の圧電体層４の厚みを０．０５〜０．５μｍとすることが積層圧電体層の圧電特性と誘電損失の観点から好ましく、前記条件を満足する第二の圧電体層４は、誘電損失において実用性の高い圧電薄膜を形成できることが分かった。０．０５μｍを下回ると誘電損失が大きくなり、０．５μｍを上回ると積層圧電体層の圧電定数が低下することが分かった。

以上のような積層圧電体層とすることによって、第一の圧電体層３のＫ組成比を、ｙ≧１とすることによって結晶性と配向性を高めた圧電薄膜を形成することができ、第二の圧電体層４のＫ組成比を、ｘ＜１とすることによって誘電損失の優れた圧電薄膜を形成できることが分かった。これは、Ｋイオンの存在が重要であり、フリーなＫ^＋イオンの存在が誘電損失特性に大きな影響を及ぼしており、Ｋ組成比が大きくなると誘電損失が大きくなり、小さくなると誘電損失が小さくなることが分かった。

このように、圧電定数に優れた第一の圧電体層３と誘電損失に優れた第二の圧電体層４からなる積層圧電体層とすることによって、圧電定数と誘電損失に優れた非鉛材料よりなる圧電薄膜素子を実現することができることが分かった。

次に、第二の圧電体層４の上に上部電極層５として、電子ビーム蒸着法とメタルマスクを用いて、Ａｕ（３００ｎｍ）／Ｔｉ（１０ｎｍ）からなる電極膜を製膜した。この上部電極としては実装性、生産性の観点からＡｕ、Ａｇ、ＡｌまたはＣｕなどの電極材料が、導電性、ワイヤボンド性および信頼性の観点から好ましい。

以上のような構成において、実施例として下部電極層２と上部電極層５とが対向する電極面積を３００μｍφとし、第一の圧電体層３の厚みを１．５μｍで形成し、第二の圧電体層４の厚みを０．１μｍとしたとき、ＬＣＲメータによる測定では５％以下の誘電損失を有する積層圧電薄膜を形成できることが分かった。

なお、下部電極層２の上に第二の圧電体層４を形成した後、第一の圧電体層３を積層することも可能であるが、この場合には第二の圧電体層４の厚みは薄く形成することが好ましい。第二の圧電体層４を薄く形成することによって、次に積層する第一の圧電体層３の結晶性への影響を低くした積層圧電体層を実現することができる。

また、前記下部電極２、第一の圧電体層３、第二の圧電体層４及び上部電極層５はフォトリソ技術を用いて所定のパターンにエッチング加工することによって各種圧電デバイスの形状に加工することができる。そして、これらのパターンを基板１の上に一括して形成することによって、生産性に優れるとともに高精度な小型の圧電デバイスを効率よく作製することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における圧電薄膜素子について、図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明の実施の形態２における圧電薄膜素子の断面図である。図２において、１はシリコンからなる基板であり、この基板１の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、ＬａＮｉ０_３よりなる下部電極層２を２００ｎｍの厚みで形成している。このような下部電極層２とすることによって、結晶性と配向性に優れた圧電薄膜層を形成することが可能となる。

次に、前記下部電極層２の上にＫ_ｙＮｂＯ_３で示される第一の圧電体層３を実施の形態１と同様の製膜条件にて製膜している。そして、この第一の圧電体層３はｙ≧１．０の条件からなるＫ_ｙＮｂＯ_３層を形成している。特に、下部電極層２の上に圧電定数に優れたＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）を形成することによって、結晶性、配向性に優れた圧電薄膜層形成することが可能である。これはＬａＮｉ０_３などの電極材料の上に圧電薄膜を形成することによって結晶性と配向性に優れた圧電薄膜を製膜することが可能となるものである。

次に、前記第一の圧電体層３の上にＫ_ｘＮｂＯ_３で示される第二の圧電体層４を形成している。この第二の圧電体層４はｘ＜１．０の条件からなるＫ_ｘＮｂＯ_３層を形成しており、製膜条件は前記と同様の条件にて製膜している。ただし、ターゲットには、目的とする圧電体層の組成に合わせてｘ＜１．０の組成のものを用いた。

その後、さらに前記第二の圧電体層４の上に前記第一の圧電体層３と同様のＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）で示される第一の圧電体層３を形成し、これによって三層構造よりなる積層圧電体薄膜を形成している。このようにＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）で示される第一の圧電体層３の中間に、Ｋ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）で示される第二の圧電体層４を形成することによって、実施の形態１の作用に加えて、対称性に優れた圧電薄膜素子を実現することができるとともに、漏れ電流特性の対称性が向上し、高精度な圧電デバイスを実現することができる。

この時、Ｋ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）からなる第一の圧電体層３の一層あたりの厚みは０．５〜１．５μｍとすることが圧電特性と信頼性の観点から好ましい。そして、Ｋ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）からなる第二の圧電体層４の厚みは０．０５〜０．５μｍとすることが積層圧電体層の圧電特性と誘電損失の観点から好ましい。これによって、実用に供することができる圧電薄膜を実現することができる。

また、第二の圧電体層４を介して上下に積層した第一の圧電体層３の厚みを同じ厚みとすることによって、より対称性に優れた積層圧電体薄膜を形成することができる。

以上説明してきたように、第一の圧電体層３の中間に第二の圧電体層４を積層した圧電体層とすることによって、圧電特性に優れるとともに対称性に優れた非鉛材料よりなる圧電薄膜素子を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる圧電薄膜素子は、非鉛材料による圧電特性と誘電損失に優れた圧電薄膜を実現することができることから、各種圧電デバイスの用途に有用である。

本発明の実施の形態１における圧電薄膜素子の模式断面図である。 本発明の実施の形態２における圧電薄膜素子の模式断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部電極層
３ 圧電体層
４ 圧電体層
５ 上部電極層

Claims (7)

1. 基板と、下部電極層、圧電体層および上部電極層からなる圧電薄膜素子において、
   前記圧電体層は、第一の圧電体層と第二の圧電体層からなる積層圧電体層とし、第一の圧電体層をＫ_ｙＮｂＯ_３（ｙ≧１．０）で示されるニオブ酸カリウム系ペロブスカイト構造の圧電薄膜とし、第二の圧電体層をＫ_ｘＮｂＯ_３（ｘ＜１．０）で示されるニオブ酸カリウム系ペロブスカイト構造の圧電薄膜とした圧電薄膜素子。
2. 下部電極層の上に第一の圧電体層を設け、この第一の圧電体層の上に第二の圧電体層を設けた積層圧電体層とした請求項１に記載の圧電薄膜素子。
3. 第一の圧電体層の上に第二の圧電体層を設け、前記第二の圧電体層の上にさらに第一の圧電体層を設けた積層圧電体層とした請求項１に記載の圧電薄膜素子。
4. 第一の圧電体層の厚みを０．５〜３．０μｍとした請求項１に記載の圧電薄膜素子。
5. 第二の圧電体層の厚みを０．０５〜０．５μｍとした請求項１に記載の圧電薄膜素子。
6. 下部電極層の電極をＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ _３または（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ_３のいずれか一つを主成分とした請求項１に記載の圧電薄膜素子。
7. 上部電極層の電極をＡｕ、Ａｇ、ＡｌまたはＣｕのいずれか一つを主成分とした請求項１に記載の圧電薄膜素子。

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