JP6468468B2 - 圧電薄膜及び圧電振動子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜及び圧電振動子に関する。
従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた圧電振動子が知られている。例えば特許文献１には、圧電振動子の圧電薄膜に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）にＳｃ（スカンジウム）を添加したＳｃＡｌＮ（スカンジウム含有窒化アルミニウム）膜を用いることによって、圧電振動子の圧電特性を向上させることが開示されている。
Mark-Alexandre Dubois他著、「Stress and piezoelectric properties of aluminum nitride thin films deposited onto metal electrodes by pulsed direct current reactive sputtering」、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS、Volume 89、No. 11、2001年6月1日、pp.6389-6395
通常、スパッタリング法によってＳｉ（シリコン）などの基板上にこのＳｃＡｌＮ膜を成膜すると、成膜されたＳｃＡｌＮ膜内に応力すなわち圧縮応力が発生することが知られている。こうした応力は、圧電薄膜のクラックなどの機械的破壊につながるため好ましくない。応力の発生は、ＡｌＮ結晶において、一部のＡｌ（アルミニウム）原子が、Ａｌ原子のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するＳｃ（スカンジウム）原子に置き換えられることによって、結晶格子が膨らむように歪むことに起因するものと考えられる。
ＳｃＡｌＮの成膜時、Ａｒ（アルゴン）及びＮ2（窒素）の混合ガスのガス圧を通常よりも増加させると、ＳｃＡｌＮ膜に対するスパッタ粒子の打ち込み効果が減少し、ＳｃＡｌＮ膜内の応力を低減することができる。しかしながら、ガス圧の増加によってスパッタ粒子の運動エネルギーが小さくなり、ＳｃＡｌＮ膜の結晶性が劣化して圧電特性が低下することが分かっている。従来、応力の低減と圧電特性の向上との両立は困難であった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電特性を十分に確保しつつ応力を低減することができる圧電薄膜及び圧電振動子を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る圧電薄膜は、ＡｌＮ結晶と、ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有する。
本発明によれば、圧電特性を十分に確保しつつ応力を低減することができる圧電薄膜及び圧電振動子を提供することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、一具体例に係る圧電振動装置１０の外観を概略的に示す斜視図である。この圧電振動装置１０は、下側基板１１と、下側基板１１との間に振動空間を形成する上側基板１２と、下側基板１１及び上側基板１２の間に挟み込まれる圧電振動子１３と、を備えている。圧電振動子１３は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。この圧電振動装置１０は、例えばスマートフォンなどの電子機器内に組み込まれるタイミングデバイスとして機能する。
図２は、一具体例に係る圧電振動装置１０の構造を概略的に示す分解斜視図である。図２に示すように、圧電振動子１３は、図２の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って矩形の枠状に広がる支持枠１４と、支持枠１４の一端から支持枠１４内にＸＹ平面に沿って平板状に広がる基部１５と、基部１５の一端に接続された固定端から自由端に向かってＸＹ平面に沿って延びる複数の振動腕１６と、を備えている。本実施形態では、Ｙ軸に平行に４本の振動腕１６が延びている。なお、振動腕１６の数は、４本に限定されず、例えば３本以上の任意の数に設定される。
図３は、図２の３−３線に沿った圧電振動子１３の断面の模式図である。図３を併せて参照すると、一具体例に係る圧電振動装置１０では、下側基板１１はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その上面に凹部１７が形成されている。凹部１７は、例えば平たい直方体形状に形成されており、振動腕１６の振動空間の一部を形成する。その一方で、上側基板１２はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その下面に凹部１８が形成されている。凹部１８は、例えば平たい直方体形状に形成されており、振動腕１６の振動空間の一部を形成する。
この圧電振動装置１０では、凹部１７の外側に規定される下側基板１１の上面の周縁部上に圧電振動子１３の支持枠１４が受け止められ、圧電振動子１３の支持枠１４上に、凹部１８の外側に規定される上側基板１２の下面の周縁が受け止められる。こうして下側基板１１と上側基板１２との間に圧電振動子１３が保持され、下側基板１１と上側基板１２と圧電振動子１３の支持枠１４とによって振動腕１６の振動空間が形成される。この振動空間は気密に保持され、真空状態が維持されている。
下側基板１１及び上側基板１２はともにＳｉ（シリコン）から形成されている。圧電振動子１３では、振動腕１６は、ＳｉＯ2層２１と、ＳｉＯ2層２１上に積層されたＳｉ層２２と、Ｓｉ層２２上に積層された圧電薄膜２３と、圧電薄膜２３を挟み込むように圧電薄膜２３の上面及び下面に形成された下側電極２４及び上側電極２５と、を備えている。なお、ＳｉＯ2層２１は、圧電薄膜２３の上面や下面に形成されてもよい。
ＳｉＯ2層２１には、ＳｉaＯb層（ａ及びｂは整数）の適宜の組成を含む酸化ケイ素材料が用いられる。ＳｉＯ2層２１の厚さを調整することによって、圧電振動子１３の周波数温度係数を補正することができる。Ｓｉ層２２は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などの第１５族元素などを含む。本実施形態では、Ｓｉ層２２のｎ型ドーパントとしてＰ（リン）を用いている。
下側電極２４及び上側電極２５には、例えば、Ｍｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、又は、これらの合金などの金属材料が用いられる。下側電極２４及び上側電極２５はそれぞれ、圧電振動装置１０の外部に設けられた交流電源（図示せず）に接続される。接続にあたって、例えば上側基板１２の上面に形成された電極（図示せず）や上側基板１２内に形成されたスルーシリコンビア（ＴＳＶ）（図示せず）などが用いられる。
圧電薄膜２３は、主成分であるＡｌＮ（窒化アルミニウム）結晶と、ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌ（アルミニウム）のイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有する。第１元素には、例えば第３族元素のみが含有されてもよく、第２族元素及び第４族元素の両方が含有されてもよく、第２族元素及び第５族元素の両方が含有されてもよく、第１２族元素及び第４族元素の両方が含有されてもよく、又は、第１２族元素及び第５族元素の両方が含有されてもよい。
具体的には、第３族元素には、例えばＳｃ（スカンジウム）又はＹ（イットリウム）が選択される。第２族元素には、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）又はＳｒ（ストロンチウム）が選択される。第４族元素には、例えばＴｉ（チタニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）又はＨｆ（ハフニウム）が選択される。第５族元素には、例えばＶ（バナジウム）又はＮｂ（ニオブ）が選択される。第１２族元素には例えばＺｎ（亜鉛）が選択される。
図４は、主成分のＡｌＮ（Ａｌ、Ｎ）及び第１元素（Ｓｃ、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｎ）の各々の価数、配位数及びイオン半径を示す表である。この表に示されるように、例えば主成分であるＡｌＮ結晶におけるＡｌのイオン半径は、Ａｌが例えば３価陽イオンとして存在し、かつ、配位数が４である場合に、０．３９ｐｍ（ピコメートル）である。また、第１元素である各元素のイオン半径は図４の表に示すとおりである。
圧電薄膜２３は、ウルツ鉱構造を有しており、Ｓｉ層２２に対してほぼ垂直にｃ軸に配向している。下側電極２４及び上側電極２５によってｃ軸方向に電圧が印加されると、圧電薄膜２３はｃ軸にほぼ垂直な方向に伸縮する。この伸縮によって、振動腕１６は、Ｚ軸方向に屈曲変位して下側基板１１及び上側基板１２の内面に向かってその自由端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
第２元素は、上述したように、第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌ（アルミニウム）のイオン半径よりも大きなイオン半径を有する。また、後述するように、第２元素は３価陽イオンとして存在していることが好ましい。本実施形態では、第２元素には、例えばＷ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタニウム）及びＮｉ（ニッケル）のうちから選択された少なくとも１つの元素が用いられる。図５は、第２元素の各々の価数、配位数及びイオン半径を示す表である。なお、Ｚｒについては図４に示す。
本実施形態では、第１元素として第３族元素のＳｃを選択している。このとき、圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数とＳｃの原子数との総量に対して、Ｓｃの原子数が占める割合（以下、「Ｓｃ組成比」とも呼ぶ。）は０．０３以上０．５０以下に設定されることが好ましい。また、圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数とＳｃの原子数の総量に対する、第２元素の原子数の比率（以下、「含有量」とも呼ぶ。）は０．０１ａｔ％以上１．００ａｔ％以下に設定されることが好ましい。これらの数値範囲の詳細については以下に説明する。
本発明者は上記本発明の効果を検証した。検証にあたって、比較例及び実施例についてそれぞれ圧電薄膜を形成し、形成した圧電薄膜における応力及び圧電特性を測定した。圧電薄膜の形成にあたって、３インチ径を有する所定の組成の合金ターゲットに基づき、３インチ径のＳｉ基板上にＲＦマグネトロンスパッタリングを実施した。こうしてＳｉ基板上に所定の組成の圧電薄膜を１．０μｍの厚さで形成した。この検証では、第１元素として例えばＳｃを用い、第２元素として例えばＷ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅを用いた。
具体的には、比較例及び実施例の圧電薄膜の形成にあたって、圧電薄膜の組成に応じてターゲットの組成を調整した。ＲＦマグネトロンスパッタリングにおいて、ＲＦパワーを３００Ｗに設定し、チャンバ内において、Ａｒ（アルゴン）ガスの流量を３０ｓｃｃｍ、及び、Ｎ2（窒素）ガスの流量を１５ｓｃｃｍにそれぞれ設定した。また、Ｓｉ基板の温度を２００℃に設定し、背圧を１．０×１０-4Ｐａに設定し、さらに、成膜圧力を１．０×１０-1Ｐａに設定した。
以上の条件で形成された圧電薄膜内の応力［ＭＰａ］及び圧電薄膜の圧電特性（圧電定数ｄ33）［ｐＣ／Ｎ］を計測した。圧電定数は、Piezotest社製の測定装置ＰＭ１００を用いてBerlincourt法に基づき測定した。圧電薄膜の組成は、ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ法（レーザアブレーションＩＣＰ質量分析法：Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）に基づき分析した。圧電薄膜に含まれる元素の価数及び配位数は、Ｘ線吸収分光分析法（XAFS:X-ray Absorption Fine Structure）に基づき分析した。
図６は、本発明の効果を検証した結果を示す表である。ここでは、Ｓｃ組成比は、上述のとおり圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数、及び第１元素の原子数の総量に対して、Ｓｃの原子数が占める割合を意味している。また、含有量は、圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数とＳｃの原子数の総量に対する第２元素の原子数の比率を意味しており、原子組成百分率（ａｔ％）で表記している。この表に示されるように、比較例１〜８の圧電薄膜としてＳｃＡｌＮ膜を形成した。比較例１〜８の圧電薄膜ではＳｃ組成比を変化させた。圧電薄膜には第２元素を添加しなかった。すなわち、比較例１〜８では、Ｓｃ組成比を０．０３〜０．５５の範囲で変化させたことを意味している。その結果、図６の表から明らかなように、Ｓｃ組成比を増加させていくと、応力が増大していき、それに伴って圧電定数も増大していく傾向があることを確認することができた。
その一方で、実施例１〜７の圧電薄膜では、Ｓｃ組成比を比較例１〜７と同様に増加させていく一方で、Ｓｃのイオン半径よりも小さくかつＡｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有する第２元素としてＷを添加した。Ｗの含有量は０．５０ａｔ％に設定した。含有量の定義は上述したとおりである。例えば実施例１にでは、Ｓｃ組成比が０．０３であり、Ｗの含有量が０．５０ａｔ％であることを意味している。その結果、図６の表から明らかなように、実施例１〜７の圧電薄膜では、比較例１〜７と比較して、応力が低減している一方で圧電定数が増大している。これらの実施例１〜７の結果によれば、第２元素Ｗの含有によって応力の低減と圧電定数の増大とを同時に実現することができた。
また、比較例９として、比較例８に対してさらに第２元素としてＷを添加した圧電薄膜を形成した。その結果、比較例９の圧電薄膜では比較例８の圧電薄膜と比較して、応力を低減することができたが、圧電定数が０になることが分かった。この結果によれば、Ｓｃ組成比は０．０３（実施例１）以上０．５０（実施例７）以下に設定されることが好ましいことが分かった。
実施例８〜１３として、第２元素としてＺｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅをそれぞれ含有する圧電薄膜を形成した。実施例８〜１３では、Ｓｃ組成比を０．４０に設定するとともに、第２元素の含有量を０．５０ａｔ％に設定した。その結果、Ｓｃ組成比が０．４０である比較例６と比較して、すべての実施例８〜１３において、応力が低減している上に圧電定数が増大している。これらの実施例８〜１３の結果によれば、第２元素Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ又はＦｅの含有によって応力の低減と圧電定数の増大とを同時に実現することができることが分かった。
実施例１４〜２１として、第２元素としてＦｅを含有する圧電薄膜を形成した。実施例１４〜２１では、Ｓｃ組成比を０．４０に設定するとともに、第２元素の原子数の含有量を０．００５（実施例１４）ａｔ％以上１．１０（実施例２１）ａｔ％以下に設定した。その結果、Ｓｃ組成比が０．４０である比較例６と比較して、すべての実施例１４〜２１で応力の低減と圧電定数の増大とを同時に実現することができた。さらに、第２元素の含有量が増大するにつれて、応力が低減している一方で、圧電定数を高く維持することができることが確認された。
ただし、図６の表から明らかなように、第２元素の含有量を１．１０ａｔ％に設定した実施例２１では、第２元素の含有量を１．００ａｔ％に設定した実施例２０と比較して圧電定数が比較的大きく減少している。また、実施例１４では、第２元素の含有量が０．００５ａｔ％に設定されているが、この場合、Ｓｃ組成比が０．４０である比較例６に比べて応力の減少はわずかである。この点を考慮すると、圧電薄膜内における第２元素の含有量は、０．００５ａｔ％以上１．１０ａｔ％以下であることが好ましく、０．０１ａｔ％以上１．００ａｔ％以下であることが特に好ましいことが確認された。
また、第２元素が、実施例９〜２１のように３価陽イオンとして存在する場合に、応力が特に減少する傾向にあること、かつ、圧電定数が特に増大する傾向にあることが確認された。この結果によれば、第２元素が３価陽イオンとして存在している場合に特に効果があることが分かった。また、第２元素の配位数が実施例１〜２１のように４又は６である場合に特に効果があることが分かった。以上のことから、第２元素において、第１元素の組成比、第２元素の含有量、価数、配位数が上記数値範囲に設定された場合に特に効果があることが確認された。
図７は、他の具体例に係る圧電振動装置３０の外観を示す構造を概略的に示す分解斜視図である。この圧電振動装置３０は、前述の屈曲振動モードで振動する圧電振動子１３に代えて、面内振動モードで振動する圧電振動子３３を備えている。圧電振動子３３は、前述の圧電振動子１３と同様に、下側基板１１及び上側基板１２の間に挟み込まれる。下側基板１１及び上側基板１２の構成については、前述の構造と同一であるため、重複した説明は省略する。
圧電振動子３３は、図７の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って矩形の枠状に広がる支持枠３４と、支持枠３４の内側に配置されて、支持枠３４と同様にＸＹ平面に沿って矩形に広がる振動部３５と、支持枠３４と振動部３５とを互いに接続する１対の連結部３６、３６と、を備えている。振動部３５は、後述するように、ＸＹ平面に沿ってＹ軸方向に伸縮を繰り返すことによって振動する。
支持枠３４は、Ｘ軸に平行に延びる１対の長辺の枠体３４ａ、３４ａと、Ｙ軸に平行に延びてその両端で枠体３４ａ、３４ａの両端にそれぞれ接続される１対の短辺の枠体３４ｂ、３４ｂと、を備えている。本実施形態では、連結部３６、３６は、Ｘ軸に平行な一直線上で延びて枠体３４ｂ、３４ｂと振動部３５とを互いに接続する。連結部３６、３６の位置は、振動部３５のＹ軸方向の中間位置すなわち振動部３５の振動方向の中心位置の端部（ノード点）に設定される。
図８は、図７の８−８線に沿った断面の模式図である。図８から明らかなように、圧電振動子３３では、支持枠３４や振動部３５、連結部３６は、ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）層４１と、ＳｉＯ2層４１上に積層されたＳｉ層４２と、Ｓｉ層４２上に積層された圧電薄膜４３と、圧電薄膜４３の上面及び下面に形成されて圧電薄膜４３を挟み込む下側電極４４及び上側電極４５と、から形成されている。圧電薄膜４３や下側電極４４、上側電極４５は、前述の圧電薄膜２３や下側電極２４、上側電極２５と同様に構成されている。
この圧電振動装置３０では、圧電薄膜４３は、Ｓｉ層４２に対してほぼ垂直にＣ軸配向している。下側電極４４と上側電極４５との間でほぼＣ軸方向に交番電界が印加されることによって、振動部３５が励振される。その結果、振動部３５が、短辺方向すなわちＹ軸方向に伸縮振動する。言い替えると、Ｙ軸方向において、振動部３５が伸びている状態と振動部３５が縮んでいる状態とを繰り返す伸縮振動が生じる。こうした圧電振動装置３０においても、圧電薄膜４３が前述の圧電薄膜２３と同様に構成されることによって、同様の作用効果を実現することができる。
［第２の実施形態］
本実施形態では、第１元素として第２族元素のＭｇ（価数 ２、配位数 ４、イオン半径 ０．５ｎｍ）及び第５族元素のＮｂ（価数 ４、配位数 ８、イオン半径 ０．７９ｎｍ）の両方を選択し、第２元素としてＦｅ（価数 ３、配位数４、イオン半径 ０．４９ｎｍ）を選択している。
本実施形態では、第１元素として第２族元素のＭｇ（価数 ２、配位数 ４、イオン半径 ０．５ｎｍ）及び第５族元素のＮｂ（価数 ４、配位数 ８、イオン半径 ０．７９ｎｍ）の両方を選択し、第２元素としてＦｅ（価数 ３、配位数４、イオン半径 ０．４９ｎｍ）を選択している。
本実施形態において、圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数とＭｇの原子数とＮｂの原子数との総量に対して、Ｍｇの原子数が占める割合（以下、「Ｍｇ組成比」とも呼ぶ。）及びＮｂの原子数が占める割合（以下、「Ｎｂ組成比」とも呼ぶ。）は、いずれも０．２に設定される。
また、Ａｌの原子数とＭｇの原子数とＮｂの原子数との総量に対する、第２元素Ｆｅの原子数の比率（以下、「含有量」とも呼ぶ。）は、０．００５ａｔ％以上１．１０ａｔ％以下に設定されることが好ましく、より好適には０．００５ａｔ％以上１．００ａｔ％以下である。これらの数値範囲の詳細について以下に説明する。
なお、効果の検証方法については第１の実施形態と同様である。
なお、効果の検証方法については第１の実施形態と同様である。
図９は、本実施形態に係る効果を検証した結果を示す表である。図９の表に示すように、比較例２−１の圧電薄膜では、Ｍｇ組成比及びＮｂ組成比をいずれも０．２とし、第２元素を添加しなかった。他方で、実験例２−１〜２−８の圧電薄膜では、Ｍｇ組成比及びＮｂ組成比をいずれも０．２に設定するとともに、第２元素Ｆｅの含有量を０．００５（実験例２−１）ａｔ％以上１．１０（実験例２−８）ａｔ％以下に設定した。
その結果、Ｆｅを添加しない比較例２−１と比較して、実験例２−１〜２−８において、応力の低減と圧電定数の維持を実現することができた。ただし、図９から明らかなようにＦｅの含有量を１．１０ａｔ％に設定した実験例２−８においては、応力の低減は実現できている一方で、Ｆｅを添加していない比較例２−１と比較して圧電定数が比較的大きく減少している。さらに実験例２−８における応力の低減量は、Ｆｅの含有量を１．０ａｔ％に設定した比較例２−７と比較してその減少量はわずかである。
この点を考慮すると、Ｍｇ組成比及びＮｂ組成比がいずれも０．２である圧電薄膜内において、Ｆｅの含有量は、０．００５ａｔ％以上１．１０ａｔ％以下が好ましく、０．００５ａｔ％以上１．００ａｔ％以下がより好適であることが確認された。
その他の効果・構成は第１の実施形態と同様である。
［第３の実施形態］
本実施形態では、第１元素として第２族元素のＭｇ（価数 ２、配位数 ４、イオン半径 ０．５ｎｍ）及び第５族元素のＨｆ（価数 ４、配位数 ８、イオン半径 ０．８３ｎｍ）の両方を選択し、第２元素としてＦｅ（価数 ３、配位数４、イオン半径 ０．４９ｎｍ）を選択している。
本実施形態では、第１元素として第２族元素のＭｇ（価数 ２、配位数 ４、イオン半径 ０．５ｎｍ）及び第５族元素のＨｆ（価数 ４、配位数 ８、イオン半径 ０．８３ｎｍ）の両方を選択し、第２元素としてＦｅ（価数 ３、配位数４、イオン半径 ０．４９ｎｍ）を選択している。
本実施形態において、圧電薄膜２３におけるＡｌの原子数とＭｇの原子数とＨｆの原子数との総量に対して、Ｍｇの原子数が占める割合（以下、「Ｍｇ組成比」とも呼ぶ。）及びＨｆの原子数が占める割合（以下、「Ｈｆ組成比」とも呼ぶ。）は、いずれも０．２５に設定される。
また、Ａｌの原子数とＭｇの原子数とＨｆの原子数との総量に対する、第２元素Ｆｅの原子数の比率（以下、「含有量」とも呼ぶ。）は、０．００５ａｔ％以上１．１０ａｔ％以下に設定されることが好ましく、より好適には０．００５ａｔ％以上１．００ａｔ％以下である。これらの数値範囲の詳細について以下に説明する。
なお、効果の検証方法については第１の実施形態と同様である。
なお、効果の検証方法については第１の実施形態と同様である。
図１０は、本実施形態に係る効果を検証した結果を示す表である。図１０の表に示すように、比較例３−１の圧電薄膜では、Ｍｇ組成比及びＨｆ組成比をいずれも０．２５とし、第２元素を添加しなかった。他方で、実験例３−１〜３−８の圧電薄膜では、Ｍｇ組成比及びＨｆ組成比をいずれも０．２５に設定するとともに、第２元素Ｆｅの含有量を０．００５（実験例３−１）ａｔ％以上１．１０（実験例３−８）ａｔ％以下に設定した。
その結果、Ｆｅを添加しない比較例３−１と比較して、実験例３−１〜３−８において、応力の低減と圧電定数の維持を実現することができた。ただし、図１０から明らかなようにＦｅの含有量を１．１０ａｔ％に設定した実験例３−８においては、応力の低減は実現できている一方で、Ｆｅを添加していない比較例３−１と比較して圧電定数が比較的大きく減少している。
この点を考慮すると、Ｍｇ組成比及びＨｆ組成比がいずれも０．２５である圧電薄膜内において、Ｆｅの含有量は、０．００５ａｔ％以上１．１０ａｔ％以下が好ましく、０．００５ａｔ％以上１．００ａｔ％以下がより好適であることが確認された。
その他の効果・構成は第１の実施形態と同様である。
なお、以上の各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更／改良され得るととともに、その等価物も含む。すなわち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更されてもよい。また、各実施形態が備える各要素は技術的に可能な限りにおいて組み合わせられ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１３ 圧電振動子
２３ 圧電薄膜
２４ 電極（下側電極）
２５ 電極（上側電極）
３３ 圧電振動子
４３ 圧電薄膜
４４ 電極（下側電極）
４５ 電極（上側電極）
２３ 圧電薄膜
２４ 電極（下側電極）
２５ 電極（上側電極）
３３ 圧電振動子
４３ 圧電薄膜
４４ 電極（下側電極）
４５ 電極（上側電極）
Claims (6)
- ＡｌＮ結晶と、
前記ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、
前記第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、前記ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有し、
前記第１元素が、第３族元素、又は、第２族元素及び第４族元素、又は、第２族元素及び第５族元素、又は、第１２族元素及び第４族元素、又は、第１２族元素及び第５族元素である、圧電薄膜。 - 前記第１元素がＳｃであり、前記圧電薄膜における前記Ａｌの原子数と前記Ｓｃの原子数との総量に対して、前記Ｓｃの原子数が占める割合は０．０３以上０．５０以下である、請求項１に記載の圧電薄膜。
- ＡｌＮ結晶と、
前記ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、
前記第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、前記ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有し、
前記第２元素が、３価陽イオンとして存在している、圧電薄膜。 - 前記第２元素が、Ｗ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＮｉのうちから選択された少なくとも１つの元素である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電薄膜。
- ＡｌＮ結晶と、
前記ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、
前記第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、前記ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有し、
前記圧電薄膜における前記Ａｌの原子数と前記第１元素の原子数との総量に対する、前記第２元素の原子数の比率は０．０１ａｔ％以上１．００ａｔ％以下である、圧電薄膜。 - 圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟み込む１対の電極と、を備え、
前記圧電薄膜は、
ＡｌＮ結晶と、
前記ＡｌＮ結晶においてＡｌと置き換えられる少なくとも１つの第１元素と、
前記第１元素のイオン半径よりも小さく、かつ、Ａｌのイオン半径よりも大きなイオン半径を有し、前記ＡｌＮ結晶に添加される第２元素と、を含有し、
前記第１元素が、第３族元素、又は、第２族元素及び第４族元素、又は、第２族元素及び第５族元素、又は、第１２族元素及び第４族元素、又は、第１２族元素及び第５族元素である、圧電振動子。
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