JP7215426B2 - 圧電薄膜素子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜素子に関する。
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一つの基板上に微細加工技術によって集積化されたデバイスである。センサ、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。続く微細加工、パターンニング、又はエッチング等の後工程を経ることで、任意の特性を有するＭＥＭＳが得られる。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向上及び小型化が可能になる。
圧電薄膜素子に用いられる圧電薄膜としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）及びＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等が知られている。ＡｌＮ、ＺｎＯ及びＣｄＳ等の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ＰＺＴと比較して、正圧電定数（ｄ定数)が小さいものの、比誘電率（εｒ）が小さい。したがって、圧電出力係数（ｇ定数＝ｄ／ε０εｒ， ε０は真空の誘電率である。）が設計上考慮さ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薄膜は有力な材料の候補である（下記非特許文献１参照。）。
Ｒａｊａｎ Ｓ. Ｎａｉｋ ｅｔ ａｌ., ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ，ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ ＡＮＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＮＴＲＯＬ，２０００，ｖｏｌ. ４７，ｐ.２９２－２９６
しかしながら、以下の通り、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子においては、いくつかの問題がある。
もっとも重大な問題は、結晶配向性に由来する圧電特性の劣化である。ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜の圧電特性が発現する方位は、ウルツ鉱型構造の（００１）面であるが、ウルツ鉱型構造の非（００１）面の存在のみならず、（００１）面の配向の揺らぎは圧電特性を劣化させる。したがって、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜の結晶配向性の揺らぎを抑制し、（００１）面の配向性を高めることが重要である。
例えば、上記非特許文献１に記載のＡｌＮ薄膜の製造方法では、ＡｌＮ薄膜の結晶配向性を高めるために、スパッタターゲットへの入力パワー及びスパッタ装置内の残留ガス等の諸条件が変更されている。
しかしながら、上記非特許文献１に記載のＡｌＮ薄膜のように、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜を下部電極層に直接積層する場合、ＡｌＮ薄膜と下部電極層との間の格子不整合が生じ易い。格子不整合は、圧電薄膜の結晶配向性を劣化させる。結晶配向性の劣化により、圧電薄膜の圧電特性も劣化する。また格子不整合により、圧電薄膜における残留応力が増加する。残留応力は圧電薄膜におけるクラック（亀裂）を引き起こす。さらに格子不整合は、圧電薄膜の表面平滑性を劣化させる。表面平滑性の劣化により、圧電薄膜の絶縁抵抗が低下してしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電薄膜と下部電極層（第一電極層）との間の格子不整合が低減された圧電薄膜素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素子は、第一電極層と、第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、を備え、第一電極層が、二種以上の金属元素から構成される合金を含み、第一電極層が、体心立方格子構造を有し、圧電薄膜が、ウルツ鉱型構造を有する。
本発明の一側面においては、合金が、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選ばれる二種以上の元素を含んでよい。
本発明の一側面においては、合金が、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表されてよく、圧電薄膜が、窒化アルミニウムを含んでよい。
Ｍｏ（１－ｘ）Ｗｘ 化学式３Ａ
［上記化学式３Ａ中、０＜ｘ＜０．６５。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｂ
［上記化学式３Ｂ中、０＜ｘ＜０．８２。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｎｂｘ 化学式３Ｃ
［上記化学式３Ｃ中、０＜ｘ＜０．１８。］
Ｗ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｄ
［上記化学式３Ｄ中、０．１０＜ｘ＜０．８７。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｅ
［上記化学式３Ｅ中、０＜ｘ＜０．３７。］
Ｗ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｆ
［上記化学式３Ｆ中、０．０５＜ｘ＜０．４６。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｗｘ 化学式３Ａ
［上記化学式３Ａ中、０＜ｘ＜０．６５。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｂ
［上記化学式３Ｂ中、０＜ｘ＜０．８２。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｎｂｘ 化学式３Ｃ
［上記化学式３Ｃ中、０＜ｘ＜０．１８。］
Ｗ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｄ
［上記化学式３Ｄ中、０．１０＜ｘ＜０．８７。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｅ
［上記化学式３Ｅ中、０＜ｘ＜０．３７。］
Ｗ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｆ
［上記化学式３Ｆ中、０．０５＜ｘ＜０．４６。］
本発明の一側面においては、合金が、下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表されてよく、圧電薄膜が、酸化亜鉛を含んでよい。
Ｍｏ（１－ｙ）Ｗｙ 化学式４Ａ
［上記化学式４Ａ中、０．９０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｂ
［上記化学式４Ｂ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｃ
［上記化学式４Ｃ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｄ
［上記化学式４Ｄ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｅ
［上記化学式４Ｅ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｗｙ 化学式４Ａ
［上記化学式４Ａ中、０．９０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｂ
［上記化学式４Ｂ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｃ
［上記化学式４Ｃ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｄ
［上記化学式４Ｄ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｅ
［上記化学式４Ｅ中、０＜ｙ＜１．０。］
本発明の一側面においては、合金が、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選ばれる三種以上の元素を含んでよい。
本発明の一側面においては、合金が、下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表されてよく、圧電薄膜が、窒化アルミニウムを含んでよい。
ＭｏｘＷｙＶｚ 化学式６Ａ
［上記化学式６Ａ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９０、０＜ｚ＜０．８７。］
ＭｏｘＷｙＣｒｚ 化学式６Ｂ
［上記化学式６Ｂ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９５、０＜ｚ＜０．４６。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式６Ｃ
［上記化学式６Ｃ中、０．３５＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．６５、０＜ｚ＜０．１８。］
ＭｏｘＷｙＶｚ 化学式６Ａ
［上記化学式６Ａ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９０、０＜ｚ＜０．８７。］
ＭｏｘＷｙＣｒｚ 化学式６Ｂ
［上記化学式６Ｂ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９５、０＜ｚ＜０．４６。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式６Ｃ
［上記化学式６Ｃ中、０．３５＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．６５、０＜ｚ＜０．１８。］
本発明の一側面においては、合金が、下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表されてよく、圧電薄膜が、酸化亜鉛を含んでよい。
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式７Ａ
［上記化学式７Ａ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＴａｚ 化学式７Ｂ
［上記化学式７Ｂ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式７Ａ
［上記化学式７Ａ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＴａｚ 化学式７Ｂ
［上記化学式７Ｂ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
本発明の一側面においては、第一電極層の体心立方格子構造の（１１０）面が、第一電極層と圧電薄膜との間の界面の法線方向において配向していてよい。
本発明の一側面においては、第一電極層と上記圧電薄膜との間の格子不整合度が、０％以上２％以下であってよい。
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、基板を更に備えてよく、第一電極層が上記基板に直接積層されていてよい。
本発明の一側面においては、圧電薄膜のウルツ鉱型構造の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅が、０°以上２．０°以下であってよい。
本発明によれば、圧電薄膜と下部電極層（第一電極層）との間の格子不整合が低減された圧電薄膜素子が提供される。
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。図面において、同一又は同等の構成要素には同一の符号を付す。
図１中の（ａ）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１２と、基板１２に積層された第一電極層６ａと、第一電極層６ａに直接積層された圧電薄膜２と、圧電薄膜２に積層された第二電極層６ｂを備える。ただし、基板１２及び第二電極層６ｂは、本発明に係る圧電薄膜素子にとって必須ではない。第一電極層６ａは、下部電極層と言い換えられてよい。第二電極層６ｂは、上部電極層と言い換えられてよい。
第一電極層６ａは、二種以上の金属元素から構成される合金を含み、第一電極層６ａは、体心立方格子構造を有する。換言すれば、第一電極層６ａに含まれる合金は、二種以上の金属元素から構成され、且つ体心立方格子構造を有する。第一電極層６ａは、体心立方格子構造を有する上記合金のみからなっていてよい。
圧電薄膜２は、ウルツ鉱型構造を有する。つまり、圧電薄膜２は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する圧電組成物を含んでよい。圧電薄膜２に含まれる圧電組成物は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）及びＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種の圧電組成物を含んでよい。圧電薄膜２は、ウルツ鉱型構造を有する上記の圧電組成物のみからなっていてよい。圧電薄膜２と第一電極層６ａとの格子整合を損なわない限りにおいて、圧電薄膜２は、圧電薄膜２を構成する上記元素以外に、他の添加元素を含んでもよい。圧電薄膜２は、ウルツ鉱型構造を有する複数種の圧電層から構成されていてよい。ウルツ鉱型構造を有する別の圧電薄膜が、圧電薄膜２と第一電極層６ａとの間に配置されていてもよい。ウルツ鉱型構造を有する別の圧電薄膜が、圧電薄膜２と第二電極層６ｂとの間に配置されていてもよい。第二電極層６ｂが圧電薄膜２に直接積層されていてもよい。
圧電薄膜２のウルツ鉱型構造は、第一電極層６ａの体心立方格子構造と整合し易い。例えば、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合度の絶対値は、０％以上２％以下、又は０．０４％以上１．７６％以下であることが可能である。したがって、ウルツ鉱構造を有する圧電薄膜２の圧電特性を発現する（００１）面（又は（００２）面）が、基板１２の表面の法線方向において配向し易く、圧電薄膜２の結晶配向性が向上する。つまり、本実施形態では、基板１２の表面の法線方向において、（００１)面の配向の揺らぎが抑制され、同方向における非（００１）面の配向が抑制される。圧電薄膜２の結晶配向性の向上により、圧電薄膜２の圧電特性が向上する。基板１２の表面の法線方向とは、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の界面の法線方向と言い換えてよい。なお、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合度Δａ／ａは、下記式１によって定義される。
数式１中、ａｅｌｅ．は、圧電薄膜２の成膜温度Ｔ℃（例えば３００℃）における第一電極層６ａの体心立方格子構造の格子定数である。室温（２７℃）における第一電極層６ａの体心立方格子構造の格子定数がａｅｌｅ．０と表され、第一電極層６ａの熱膨張係数がＣＴＥｅｌｅ．と表されるとき、Ｔ℃でのａｅｌｅ．は、ａｅｌｅ．０＋ＣＴＥｅｌｅ．×（Ｔ－２７）に等しい。ａｗｕｒｔ．は、圧電薄膜２の成膜温度（例えば３００℃）における圧電薄膜２のウルツ型構造の格子定数である。室温（２７℃）における圧電薄膜２のウルツ型構造の格子定数がａｗｕｒｔ．０と表され、圧電薄膜２の熱膨張係数がＣＴＥｗｕｒｔ．と表されるとき、Ｔ℃でのａｗｕｒｔ．は、ａｗｕｒｔ．０＋ＣＴＥｗｕｒｔ．×（Ｔ－２７）に等しい。
圧電薄膜２のウルツ鉱型構造の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０°以上２．０°以下であってよい。第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合度の絶対値が小さいほど、圧電薄膜２の（００２）面が配向し易く、ロッキングカーブの半値全幅が小さい。そして、ロッキングカーブの半値全幅が小さいほど、圧電薄膜素子１０のｄ３３が大きい傾向がある。
第一電極層６ａの体心立方格子構造の（１１０）面は、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の界面の法線方向において配向していてよい。体心立方格子構造の（１１０）面内における原子配列は、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における原子配列と整合し易い。したがって、圧電薄膜２の（００１）面は第一電極層６ａの（１１０）面に平行に配向し易い。例えば、（００１）面が配向した複数の圧電組成物の柱状結晶が、第一電極層６ａの（１１０）面上において一様に成長し易く、圧電薄膜２全体の結晶配向性が向上し易い。
第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合が低減されることにより、圧電薄膜２における残留応力も低減される。残留応力の低減により、圧電薄膜２におけるクラックも抑制され、圧電薄膜２の圧電特性が向上する。また圧電薄膜２におけるクラックの抑制により、第一電極層６ａからの圧電薄膜２の剥離が抑制されたり、圧電薄膜２の製造における歩留まりが向上したりする。参考例として、基板１２がＳｉ基板であり、第一電極層がＷであり、圧電薄膜がＡｌＮである場合の残留応力σ（単位：ＧＰａ）は下記数式２で表される。ただし、第一電極層がＷのみからなる圧電薄膜は、本発明の技術的範囲外である。
数式２中のＥは、圧電薄膜２のヤング率（単位：ＧＰａ）である。νは、圧電薄膜２のポアソン比である。ａｅｌｅ．は、第一電極層（Ｗ）の格子定数である。ａＡｌＮは、圧電薄膜（ＡｌＮ）の格子定数である。（ａｅｌｅ．－ａＡｌＮ）／ａｅｌｅ．は、第一電極層（Ｗ）と圧電薄膜（ＡｌＮ）との間の格子不整合度である。αＡｌＮは、圧電薄膜（ＡｌＮ）の熱膨張係数であり、約４．２×１０－６／℃である。αＳｉは、シリコン基板（Ｓｉ）の熱膨張係数であり、約３．０×１０－６／℃である。εｍｉｓｆｉｔは、第一電極層（Ｗ）と圧電薄膜（ＡｌＮ）との間の格子不整合度に由来する因子である。εｔｈｅｒｍａｌは、シリコン基板（Ｓｉ）と圧電薄膜（ＡｌＮ）との間の熱膨張係数の差に由来する因子である。式２に示される通り、第一電極層（Ｗ）と圧電薄膜（ＡｌＮ）との間の格子不整合を低減することによって、圧電薄膜における残留応力σが減少する。また、シリコン基板（Ｓｉ）と圧電薄膜（ＡｌＮ）との間の熱膨張係数の差を低減することによって、圧電薄膜における残留応力σが減少する。圧電薄膜が３００℃で製膜されると仮定した場合、εｍｉｓｆｉｔは、約２．５２％であり、εｔｈｅｒｍａｌは、３．２８×１０－４％である。これらの数値は、格子不整合及び熱膨張係数差のうち、格子不整合が圧電薄膜の残留応力にとって支配的な要因であることを示唆している。
第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合が低減されることにより、圧電薄膜２の表面が平滑になり易い。ここで、圧電薄膜２の表面とは、第二電極層６ｂに面する圧電薄膜２の表面であり、第一電極層６ａに面する圧電薄膜２の表面の裏面である。圧電薄膜２の表面の平滑性が向上することより、圧電薄膜２の絶縁抵抗が高まる。その理由は以下の通りである。
第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合度が大きい場合、Ｖｏｌｍｅｒ-Ｗｅｂｅｒ型のアイランド成長によって圧電薄膜２が形成されるため、圧電薄膜２の表面が粗くなる。表面が粗い圧電薄膜２に電界を印加した場合、圧電薄膜２の表面における電界分布が偏り易く、圧電薄膜２の表面の局所（例えば、凸部）における電界強度が過度に高くなり易い。その結果、圧電薄膜２における絶縁破壊が起きてしまう。一方、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合度が小さい場合、Ｆｒａｎｋ‐Ｖａｎ ｄｅｒ Ｍｅｒｗｅ型のＬａｙｅｒ‐ｂｙ‐ｌａｙｅｒ成長によって圧電薄膜２が形成されるため、圧電薄膜２の表面が平滑になり易い。表面が平滑である圧電薄膜２に電界を印加した場合、圧電薄膜２の表面における電界分布が均一になり易い。その結果、圧電薄膜２における絶縁破壊が起き難くなる。
第一電極層６ａに含まれる合金は、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）及びＴａ（タンタル）からなる群より選ばれる二種以上の元素を含んでよい。合金がこれらの金属元素から構成されている場合、第一電極層６ａが体心立方格子構造を有し易く、圧電薄膜２と第一電極層６ａとの格子不整合が低減され易い。圧電薄膜２と第一電極層６ａとの格子整合を損なわない限りにおいて、第一電極層６ａは、合金を構成する上記金属以外に、他の添加元素を含んでもよい。
仮に圧電薄膜２への電界の印加によって、電荷のキャリアである酸素（Ｏ２－）が第一電極層６ａから圧電薄膜２内へ導入・拡散された場合、圧電薄膜２中の酸素（キャリアパス）を経由してリーク電流が発生し易く、圧電薄膜２における絶縁破壊が起き易い。しかし、第一電極層６ａに含まれる合金が、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選ばれる二種以上の元素を含む場合、合金は酸化し難い。酸化し難い合金が第一電極層６ａを構成することにより、酸素が第一電極層６ａから圧電薄膜２内へ導入・拡散され難い。その結果、圧電薄膜２におけるリーク電流が抑制され、圧電薄膜２における絶縁破壊が起き難くなる。
圧電薄膜２が窒化アルミニウムを含む場合、第一電極層６ａに含まれる合金は、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表されてよい。第一電極層６ａに含まれる合金が、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表される場合、（００１）面が配向した複数のＡｌＮの柱状結晶が、第一電極層６ａの（１１０）面上において一様に成長し易く、圧電薄膜２（ＡｌＮ）と第一電極層６ａとの格子不整合が低減され易く、格子不整合度の絶対値が２％以下になり易い。一般的に、合金の酸化反応における自由エネルギー変化ΔＧは、負の値であり、ΔＧの絶対値が大きいほど、合金は酸化され易い。つまり合金は酸化によって熱力学的に安定する。しかし、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表される合金の酸化反応における自由エネルギー変化ΔＧは、負の値であるものの、ΔＧの絶対値は比較的小さい傾向がある。したがって、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表される合金は、酸化され難く、圧電薄膜２における絶縁破壊を抑制し易い。下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表される合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧは、公知のエリンガムダイアグラムから算出されてよい。
Ｍｏ（１－ｘ）Ｗｘ 化学式３Ａ
［上記化学式３Ａ中、０＜ｘ＜０．６５。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｂ
［上記化学式３Ｂ中、０＜ｘ＜０．８２。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｎｂｘ 化学式３Ｃ
［上記化学式３Ｃ中、０＜ｘ＜０．１８。］
Ｗ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｄ
［上記化学式３Ｄ中、０．１０＜ｘ＜０．８７。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｅ
［上記化学式３Ｅ中、０＜ｘ＜０．３７。］
Ｗ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｆ
［上記化学式３Ｆ中、０．０５＜ｘ＜０．４６。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｗｘ 化学式３Ａ
［上記化学式３Ａ中、０＜ｘ＜０．６５。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｂ
［上記化学式３Ｂ中、０＜ｘ＜０．８２。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｎｂｘ 化学式３Ｃ
［上記化学式３Ｃ中、０＜ｘ＜０．１８。］
Ｗ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｄ
［上記化学式３Ｄ中、０．１０＜ｘ＜０．８７。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｅ
［上記化学式３Ｅ中、０＜ｘ＜０．３７。］
Ｗ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｆ
［上記化学式３Ｆ中、０．０５＜ｘ＜０．４６。］
圧電薄膜２が酸化亜鉛を含む場合、第一電極層６ａに含まれる合金は、下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表されてよい。第一電極層６ａに含まれる合金が、下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表される場合、（００１）面が配向した複数のＺｎＯの柱状結晶が、第一電極層６ａの（１１０）面上において一様に成長し易く、圧電薄膜２（ＺｎＯ）と第一電極層６ａとの格子不整合が低減され易く、格子不整合度の絶対値が２％以下になり易い。また下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表される合金の酸化反応における自由エネルギー変化ΔＧは、負の値であるものの、ΔＧの絶対値は比較的小さい傾向がある。したがって、下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表される合金は、酸化され難く、圧電薄膜２における絶縁破壊を抑制し易い。下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表される合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧは、公知のエリンガムダイアグラムから算出されてよい。
Ｍｏ（１－ｙ）Ｗｙ 化学式４Ａ
［上記化学式４Ａ中、０．９０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｂ
［上記化学式４Ｂ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｃ
［上記化学式４Ｃ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｄ
［上記化学式４Ｄ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｅ
［上記化学式４Ｅ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｗｙ 化学式４Ａ
［上記化学式４Ａ中、０．９０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｂ
［上記化学式４Ｂ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｃ
［上記化学式４Ｃ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｄ
［上記化学式４Ｄ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｅ
［上記化学式４Ｅ中、０＜ｙ＜１．０。］
第一電極層６ａに含まれる合金は、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選ばれる三種以上の元素を含んでよい。
圧電薄膜２が窒化アルミニウムを含む場合、第一電極層６ａに含まれる合金は下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表されてよい。第一電極層６ａに含まれる合金が、下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表される場合、（００１）面が配向した複数のＡｌＮの柱状結晶が、第一電極層６ａの（１１０）面上において一様に成長し易く、圧電薄膜２（ＡｌＮ）と第一電極層６ａとの格子不整合が低減され易く、格子不整合度の絶対値が２％以下になり易い。また下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表される合金の酸化反応における自由エネルギー変化ΔＧは、負の値であるものの、ΔＧの絶対値は比較的小さい傾向がある。したがって、下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表される合金は、酸化され難く、圧電薄膜２における絶縁破壊を抑制し易い。下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表される合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧは、公知のエリンガムダイアグラムから算出されてよい。
ＭｏｘＷｙＶｚ 化学式６Ａ
［上記化学式６Ａ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９０、０＜ｚ＜０．８７。］
ＭｏｘＷｙＣｒｚ 化学式６Ｂ
［上記化学式６Ｂ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９５、０＜ｚ＜０．４６。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式６Ｃ
［上記化学式６Ｃ中、０．３５＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．６５、０＜ｚ＜０．１８。］
ＭｏｘＷｙＶｚ 化学式６Ａ
［上記化学式６Ａ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９０、０＜ｚ＜０．８７。］
ＭｏｘＷｙＣｒｚ 化学式６Ｂ
［上記化学式６Ｂ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９５、０＜ｚ＜０．４６。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式６Ｃ
［上記化学式６Ｃ中、０．３５＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．６５、０＜ｚ＜０．１８。］
圧電薄膜２が酸化亜鉛を含む場合、第一電極層６ａに含まれる合金は、下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表されてよい。第一電極層６ａに含まれる合金が、下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表される場合、（００１）面が配向した複数のＺｎＯの柱状結晶が、第一電極層６ａの（１１０）面上において一様に成長し易く、圧電薄膜２（ＺｎＯ）と第一電極層６ａとの格子不整合が低減され易く、格子不整合度の絶対値が２％以下になり易い。また下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表される合金の酸化反応における自由エネルギー変化ΔＧは、負の値であるものの、ΔＧの絶対値は比較的小さい傾向がある。したがって、下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表される合金は、酸化され難く、圧電薄膜２における絶縁破壊を抑制し易い。下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表される合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧは、公知のエリンガムダイアグラムから算出されてよい。
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式７Ａ
［上記化学式７Ａ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＴａｚ 化学式７Ｂ
［上記化学式７Ｂ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式７Ａ
［上記化学式７Ａ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＴａｚ 化学式７Ｂ
［上記化学式７Ｂ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
基板１２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）又は金属基板であってよい。第一電極層６ａは、例えば、基板１２の（１００）面に積層されてよい。後述される他の圧電薄膜素子に用いられる基板の組成は、図１に示される基板１２の組成と同じであってよい。
第一電極層６ａは基板１２に直接積層されていてよい。第一電極層６ａと基板１２との間に他の電極層（例えば、面心立方格子構造を有する別の電極層）が介在する場合に比べて、基板１２に直接積層される第一電極層６ａの体心立方格子構造は損なわれ難く、第一電極層６ａと圧電薄膜２との間の格子不整合が低減され易い。体心立方格子構造を有する第一電極層６ａが、面心立方格子構造を有する別の電極層に直接積層されている場合、両電極層間の熱膨張係数差に因る残留応力がいずれかの電極層において生じ易い。その結果、第一電極層６ａが別の電極層から剥離したり、圧電薄膜２における残留応力が増加して圧電薄膜２におけるクラックが誘起されたりすることがある。
第一電極層６ａと基板１２との間に密着層が介在してよい。密着層は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃr（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）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であってよい。密着層は、金属単体、合金又は化合物（酸化物など）であってよい。密着層は、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。密着層の介在により、第一電極層６ａの体心立方格子構造の（１１０）面が、基板１２の法線方向において配向し易い。また密着層は、機械的な衝撃等に因る第一電極層６ａの剥離を抑制する機能も有する。密着層は、支持層、バッファ層又は中間層と言い換えられてよい。
第二電極層６ｂは、金属単体であってよく、合金であってもよい。第二電極層６ｂは、第一電極層６ａと同様の金属元素を含んでよい。第二電極層６ｂの組成は、第一電極層６ａと全く同じであってよい。第二電極層６ｂの組成は、第一電極層６ａと異なっていてもよい。例えば、第二電極層６ｂは、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃr（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）Ｗ（タングステン）及びＶ（バナジウム）からなる群より選ばれる少なくも一種であってよい。
圧電薄膜２は、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）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添加元素を含んでよい。圧電薄膜２は、添加元素として、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種の４価元素を含んでよい。圧電薄膜２は、添加元素として上記の４価元素に加えて、Ｍｇ（マグネシウム）を含んでもよい。圧電薄膜２は、添加元素として、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５価元素を含んでもよい。圧電薄膜２が一種又は複数種の上記添加元素を含むことにより、ウルツ型構造の格子定数が調整され、ウルツ型構造を有する多数の圧電組成物の柱状結晶が、第一電極層６上において一様に成長して、圧電薄膜２の圧電特性が向上することがある。
基板１２の厚みは、例えば５０μｍ以上１００００μｍ以下であってよい。第一電極層６ａの厚みは、例えば、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。圧電薄膜２の厚みは、例えば、０．１μｍ以上３０μｍ以下であってよい。第二電極層６ｂの厚みは、例えば、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。
第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれは、例えば、複数のターゲットを用いたスパッタリング（ｃｏ‐ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ、又はｍｕｌｔｉ‐ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）によって積層順に従って個別に形成されてよい。複数のターゲットは、上述された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第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれを個別に形成することができる。スパッタリングの雰囲気の組成も、第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれの組成を左右する。例えば、圧電薄膜２がＡｌＮである場合、スパッタリングの雰囲気は、例えば、窒素ガスであってよい。スパッタリングの雰囲気は、希ガス（例えばアルゴン）と窒素とを含む混合ガスであってもよい。複数のターゲット其々に与えられる入力パワー（電力密度）も、第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれの組成及び厚みの制御因子である。ターゲットは、金属単体あってよく、合金であってもよい。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、第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれ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。
第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれの結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって特定されてよい。第一電極層６ａ、圧電薄膜２及び第二電極層６ｂそれぞれの組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）、エネルギー分散型Ｘ線分析法(ＥＤＸ)、誘導結合プラズマ質量分析法（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法（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）、及び電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いた分析法、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。
本実施形態に係る圧電薄膜素子１０の用途は、多岐にわたる。圧電薄膜素子は、例えば、圧電マイクロフォン、ハーベスタ、発振子、共振子、又は音響多層膜であってよい。圧電薄膜素子は、例えば、圧電アクチュエータであってもよい。圧電アクチュエータは、例えば、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よい。圧電アクチュエータは、例えば、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、例えば、圧電センサであってもよい。圧電センサは、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、又はショックセンサに用いられてよい。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。例えば、図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）、及び図２に示される各圧電薄膜素子（１０，１０ｂ，４０）は、ＭＥＭＳの一部であってよい。
以下では、圧電薄膜素子の各具体例を詳しく説明する。
図１中の（ｂ）に示される圧電薄膜素子１０ｂは、基板１２ａ、１２ｂと、基板１２ａ、１２ｂの上に設置された第一電極層６ａと、第一電極層６ａに積層された圧電薄膜２と、圧電薄膜２に積層された第二電極層６ｂと、を備える圧電マイクロフォンであってよい。圧電薄膜２の下方には、音響用の空洞１２ｃが設けられていてよい。
図２に示される圧電薄膜素子は、圧電スイッチ４０である。圧電スイッチ４０は、基板１２Ｃと、基板１２Ｃの表面に設置された第一スイッチ１８Ａと、第一スイッチ１８Ａの先端に設置され、基板１２Ｃを向く第一導電端子３Ａと、基板１２Ｃの表面に設置され、第一導電端子３Ａに対面する第二導電端子３Ｂと、基板１２Ｃの表面に設置され、第一スイッチ１８Ａと離間する第二スイッチ１８Ｂと、第二スイッチ１８Ｂの先端に設置され、基板１２Ｃを向く第一導電端子３Ｃと、基板１２Ｃの表面に設置され、第一導電端子３Ｃに対面する第二導電端子３Ｄと、を備える。第一スイッチ１８Ａは、第一電極層６Ｉと、第二電極層６Ｊと、第一電極層６Ｉ及び第二電極層６Ｊに挟まれた圧電薄膜２Ｆと、を有する。第二スイッチ１８Ｂは、第一電極層６Ｋと、第二電極層６Ｌと、第一電極層６Ｋ及び第二電極層６Ｌに挟まれた圧電薄膜２Ｇと、を有する。第一スイッチ１８Ａの作動により、圧電薄膜２Ｆが歪み、第一スイッチ１８Ａの先端が基板１２Ｃの表面に近づき、第一導電端子３Ａが第二導電端子３Ｂと接続される。第二スイッチ１８Ｂの作動により、圧電薄膜２Ｇが歪み、第二スイッチ１８Ｂの先端が基板１２Ｃの表面に近づき、第一導電端子３Ｃが第二導電端子３Ｄと接続される。第一スイッチ１８Ａが有する圧電薄膜２Ｆの厚みは、第二スイッチ１８Ｂが有する圧電薄膜２Ｇの厚みよりも薄い。したがって、第一スイッチ１８Ａの閉動電圧は、第二スイッチ１８Ｂの閉動電圧と異なる。
以下では実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、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。
（実施例１）
真空チャンバー内でのＤＣマグネトロンスパッタリングにより、酸化チタンからなる密着層をシリコンの単結晶基板の（１００）面全体に直接形成した。単結晶基板の厚みは６２５μｍであった。密着層の厚みは、５×１０－３μｍであった。
真空チャンバー内でのＤＣマグネトロンスパッタリングにより、酸化チタンからなる密着層をシリコンの単結晶基板の（１００）面全体に直接形成した。単結晶基板の厚みは６２５μｍであった。密着層の厚みは、５×１０－３μｍであった。
真空チャンバー内でのＤＣマグネトロンスパッタリングにより、第一電極層を密着層の表面全体に直接形成した。ＤＣマグネトロンスパッタリングでは、複数の金属単体のターゲットのスパッタリングを同時に行った。ターゲットとしては、下記表１に示される金属元素ＥＸ及び金属元素ＥＹ其々の単体を用いた。実施例１の場合の金属元素ＥＸは、Ｖであった。実施例１の場合の金属元素ＥＹは、Ｍｏであった。実施例１では金属元素ＥＺのターゲットを用いなかった。実施例１の第一電極層は、化学式ＶｘＭｏｙで表される合金からなり、体心立方（ＢＣＣ）格子構造を有していた。ｘは、化学式ＶｘＭｏｙにおけるＶのモル比である。ｙは、ＶｘＭｏｙにおけるＭｏのモル比である。各ターゲットに対する入力パワーの調整により、ｘ及びｙは下記表１に示される値に調整された。
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、ウルツ型構造を有するＡｌＮからなる圧電薄膜を、第一電極層の表面全体に直接形成した。ＲＦマグネトロンスパッタリングでは、アルミニウム単体のターゲットを用いた。ＲＦマグネトロンスパッタリングにおける入力パワーは、９．８７Ｗ/ｃｍ２であった。圧電薄膜の形成過程における基板の温度（成膜温度）は、３００℃に維持された。圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の雰囲気は、アルゴン及び窒素の混合ガスであった。真空チャンバー内の混合ガスの気圧は、０．３０Ｐａに調整した。圧電薄膜の厚みは、１．３μｍに調整した。
第一電極層の場合の同様の方法で、第二電極層を圧電薄膜の表面全体に直接形成した。第二電極層の組成は、第一電極の組成と全く同じであった。第二電極層の厚みは、第一電極の厚みと全く同じであった。
上述の第一電極層及び圧電薄膜それぞれの結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法により特定された。上述の第一電極層、圧電薄膜及び第二電極層それぞれの組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）及びレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）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）を用いた。ＸＲＦ法には、株式会社リガク製の分析装置（ＺＳＸ－１００ｅ）を用いた。ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ法には、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の分析装置（７５００ｓ）を用いた。
以上の通り、基板と、基板に直接積層された密着層と、密着層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、を備える積層体を作製した。続いて、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を行った。続いて、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の圧電薄膜素子を得た。圧電薄膜素子は、基板と、基板に直接積層された密着層と、密着層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、を備えていた。
［圧電薄膜素子の分析］
以下の方法で、実施例１の圧電薄膜素子を分析した。
以下の方法で、実施例１の圧電薄膜素子を分析した。
＜格子不整合度Δａ／ａの算出＞
第一電極層と圧電薄膜との間の格子不整合度Δａ／ａを算出した。実施例１のΔａ／ａは、下記表２に示される値であった。
第一電極層と圧電薄膜との間の格子不整合度Δａ／ａを算出した。実施例１のΔａ／ａは、下記表２に示される値であった。
＜ΔＧの算出＞
実施例１の第一電極層を構成するＶ‐Ｍｏ合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧを、公知のエリンガムダイアグラムから算出した。実施例１のΔＧは、下記表２に示される値であった。
実施例１の第一電極層を構成するＶ‐Ｍｏ合金の酸化反応におけるギブスエネルギー変化ΔＧを、公知のエリンガムダイアグラムから算出した。実施例１のΔＧは、下記表２に示される値であった。
＜ロッキングカーブの測定＞
実施例１の圧電薄膜素子の作製に用いたシリコンの単結晶基板の（４００）面のロッキングカーブを測定した。測定には、上述のＸ線回折装置を用いた。ロッキングカーブの測定範囲は、シリコンの（４００）面に由来する回折ピークの最大値の回折角±０．５°であった。測定間隔は、０．０１°であった。測定スピードは、２．０°／分であった。シリコンの単結晶基板の（４００）面のロッキングカーブの半値全幅は、０．０５°であった。したがって後述される圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅が０．０５°以上である場合、圧電薄膜のロッキングカーブの半値全幅は圧電薄膜の（００２）面の配向性を示唆している、といえる。
実施例１の圧電薄膜素子の作製に用いたシリコンの単結晶基板の（４００）面のロッキングカーブを測定した。測定には、上述のＸ線回折装置を用いた。ロッキングカーブの測定範囲は、シリコンの（４００）面に由来する回折ピークの最大値の回折角±０．５°であった。測定間隔は、０．０１°であった。測定スピードは、２．０°／分であった。シリコンの単結晶基板の（４００）面のロッキングカーブの半値全幅は、０．０５°であった。したがって後述される圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅が０．０５°以上である場合、圧電薄膜のロッキングカーブの半値全幅は圧電薄膜の（００２）面の配向性を示唆している、といえる。
第二電極層が形成される前の実施例１の圧電薄膜（ＡｌＮ）の（００２）面のロッキングカーブを測定した。ロッキングカーブの測定範囲は、ＡｌＮの（００２）面に由来する回折ピークの最大値の回折角（３６°）±１５°であった。この点を除いて、シリコンの（４００）面の場合と同様の方法で、実施例１の圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブを測定した。実施例１の圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭ（ｗｕｒｔ．）は、下記表２に示される値であった。
＜残留応力σの算出＞
以下の手順で、実施例１の圧電薄膜素子が備える圧電薄膜の残留応力σを算出した。まず、圧電薄膜が形成される前の基板（つまり、基板、密着層及び第一電極層からなる積層体）の曲率半径ＲＢｅｆｏｒｅを測定した。続いて、圧電薄膜が形成された後の基板（つまり、基板、密着層、第一電極層及び圧電薄膜からなる積層体）の曲率半径ＲＡｆｔｅｒを測定した。ＲＢｅｆｏｒｅ及びＲＡｆｔｅｒ其々の測定には、ＫＬＡ‐Ｔｅｎｃｏｒ社製の測定装置（Ｐ‐１６プロファイラ）を用いた。そして、下記数式３（ストーニーの式）に基づき、実施例１の残留応力σを算出した。正の残留応力σは、引っ張り応力であり、負の残留応力σは、圧縮応力である。実施例１の残留応力σは、下記表１に示される値であった。
以下の手順で、実施例１の圧電薄膜素子が備える圧電薄膜の残留応力σを算出した。まず、圧電薄膜が形成される前の基板（つまり、基板、密着層及び第一電極層からなる積層体）の曲率半径ＲＢｅｆｏｒｅを測定した。続いて、圧電薄膜が形成された後の基板（つまり、基板、密着層、第一電極層及び圧電薄膜からなる積層体）の曲率半径ＲＡｆｔｅｒを測定した。ＲＢｅｆｏｒｅ及びＲＡｆｔｅｒ其々の測定には、ＫＬＡ‐Ｔｅｎｃｏｒ社製の測定装置（Ｐ‐１６プロファイラ）を用いた。そして、下記数式３（ストーニーの式）に基づき、実施例１の残留応力σを算出した。正の残留応力σは、引っ張り応力であり、負の残留応力σは、圧縮応力である。実施例１の残留応力σは、下記表１に示される値であった。
数式３中のＥは、シリコンの単結晶基板のヤング率（単位：ＧＰａ）である。νは、圧電薄膜のポアソン比である。ｔｓｕｂ.は、シリコンの単結晶基板の厚みである。ｔｆｉｌｍは、圧電薄膜の厚みである。
＜クラック率の測定＞
１００ｍｍ×１００ｍｍの板状の実施例１の圧電薄膜素子を切断して、１０ｍｍ角の１００個のサンプルを作製した。１００個のサンプルのうち、圧電薄膜にクラックが発生しているサンプルの数ｎを光学顕微鏡で数えた。実施例１のクラック率（つまりｎ％）は、下記表１に示される値であった。
１００ｍｍ×１００ｍｍの板状の実施例１の圧電薄膜素子を切断して、１０ｍｍ角の１００個のサンプルを作製した。１００個のサンプルのうち、圧電薄膜にクラックが発生しているサンプルの数ｎを光学顕微鏡で数えた。実施例１のクラック率（つまりｎ％）は、下記表１に示される値であった。
＜電気機械結合係数ｋｔ
２の算出＞
実施例１の圧電薄膜素子の共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定した。共振周波数ｆｒは、圧電薄膜素子を用いた共振回路のインピーダンスが最小であるときの周波数である。反共振周波数ｆａは、圧電薄膜素子を用いた共振回路のインピーダンスが最大であるときの周波数である。共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの測定の詳細は以下の通りであった。
測定装置： Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のネットワークアナライザ（Ｎ５２４４Ａ）
プローブ： ＧＳ５００μｍ（Ｃａｓｃａｄｅ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ社製のＡＣＰ４０－Ｗ－ＧＳ－５００）
パワー： －１０ｄＢｍ
測定ピッチ： ０．２５ＭＨｚ
電極面積： ２００×２００μｍ２
Ｓ１１測定（反射測定）
実施例１の圧電薄膜素子の共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定した。共振周波数ｆｒは、圧電薄膜素子を用いた共振回路のインピーダンスが最小であるときの周波数である。反共振周波数ｆａは、圧電薄膜素子を用いた共振回路のインピーダンスが最大であるときの周波数である。共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの測定の詳細は以下の通りであった。
測定装置： Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のネットワークアナライザ（Ｎ５２４４Ａ）
プローブ： ＧＳ５００μｍ（Ｃａｓｃａｄｅ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ社製のＡＣＰ４０－Ｗ－ＧＳ－５００）
パワー： －１０ｄＢｍ
測定ピッチ： ０．２５ＭＨｚ
電極面積： ２００×２００μｍ２
Ｓ１１測定（反射測定）
下記数式４に基づき、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ
２（単位：％）を算出した。電気機械結合係数ｋｔ
２の算出に用いた共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａのいずれも、５点測定平均値であった。実施例１の電気機械結合係数ｋｔ
２は下記表１に示される値であった。
＜圧電定数ｄ３３の測定＞
実施例１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３（単位：ｐＣ／Ｎ）を測定した。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１に示される値であった。
測定装置：中国科学院製のｄ３３メーター（ＺＪ－４Ｂ）
周波数： １１０Ｈｚ
クランプ圧： ０．２５Ｎ
実施例１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３（単位：ｐＣ／Ｎ）を測定した。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１に示される値であった。
測定装置：中国科学院製のｄ３３メーター（ＺＪ－４Ｂ）
周波数： １１０Ｈｚ
クランプ圧： ０．２５Ｎ
＜絶縁抵抗率ＩＲの測定＞
実施例１の圧電薄膜の絶縁抵抗率ＩＲを測定した。ＩＲの測定には、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社製の測定装置（Ｒ８３４０Ａ）を用いた。絶縁抵抗率ＩＲを測定では、１Ｖ／μｍの電界を圧電薄膜へ印加した。上述の通り、圧電薄膜の厚みは１．３μｍであった。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の絶縁抵抗率ＩＲは、下記表１に示される値であった。
実施例１の圧電薄膜の絶縁抵抗率ＩＲを測定した。ＩＲの測定には、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社製の測定装置（Ｒ８３４０Ａ）を用いた。絶縁抵抗率ＩＲを測定では、１Ｖ／μｍの電界を圧電薄膜へ印加した。上述の通り、圧電薄膜の厚みは１．３μｍであった。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の絶縁抵抗率ＩＲは、下記表１に示される値であった。
（実施例２～１１）
実施例２～１１其々の第一電極層の作製では、下記表１に示されるように、金属元素ＥＸ、ＥＹ及びＥＺのうち少なくとも二種の金属単体のターゲットを用いた。各実施例の第一電極層は、一般的な化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚで表される。ｘは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＸのモル比である。ｙは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＹのモル比である。ｚは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＺのモル比である。実施例２～１１其々の第一電極層の組成は、下記表１に示される。実施例２～１１其々の第一電極層はいずれも、体心立方格子構造を有する合金からなっていた。実施例１０及び１１では、酸化雰囲気中において亜鉛単体のターゲットのスパッタリングを行い、ＺｎＯからなる圧電薄膜を作製した。
実施例２～１１其々の第一電極層の作製では、下記表１に示されるように、金属元素ＥＸ、ＥＹ及びＥＺのうち少なくとも二種の金属単体のターゲットを用いた。各実施例の第一電極層は、一般的な化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚで表される。ｘは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＸのモル比である。ｙは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＹのモル比である。ｚは、化学式ＥＸｘＥＹｙＥＺｚにおける金属元素ＥＺのモル比である。実施例２～１１其々の第一電極層の組成は、下記表１に示される。実施例２～１１其々の第一電極層はいずれも、体心立方格子構造を有する合金からなっていた。実施例１０及び１１では、酸化雰囲気中において亜鉛単体のターゲットのスパッタリングを行い、ＺｎＯからなる圧電薄膜を作製した。
以上の事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～１１其々の圧電薄膜素子を個別に作製した。
実施例１と同様の方法で、実施例２～１１其々の圧電薄膜素子を分析した。実施例２～１１其々の分析の結果は下記表２に示される。
（比較例１～５）
比較例１～５其々の第一電極層の作製では、下記表１に示されるように、金属元素ＥＸ、ＥＹ及びＥＺのうち一種の金属単体のターゲットのみを用いた。比較例１～５其々の第一電極層の組成は、下記表１に示される通り、ターゲットと同様の金属単体であった。比較例１～５其々の第一電極層の結晶構造はいずれも体心立方格子（ＢＣＣ）構造であった。比較例５では、酸化雰囲気中において亜鉛単体のターゲットのスパッタリングを行い、ＺｎＯからなる圧電薄膜を作製した。
比較例１～５其々の第一電極層の作製では、下記表１に示されるように、金属元素ＥＸ、ＥＹ及びＥＺのうち一種の金属単体のターゲットのみを用いた。比較例１～５其々の第一電極層の組成は、下記表１に示される通り、ターゲットと同様の金属単体であった。比較例１～５其々の第一電極層の結晶構造はいずれも体心立方格子（ＢＣＣ）構造であった。比較例５では、酸化雰囲気中において亜鉛単体のターゲットのスパッタリングを行い、ＺｎＯからなる圧電薄膜を作製した。
以上の事項を除いて実施例１と同様の方法で、比較例１～５其々の圧電薄膜素子を個別に作製した。
実施例１と同様の方法で、比較例１～５其々の圧電薄膜素子の評価を行った。比較例１～５其々の評価結果は下記表２に示される。
格子不整合度Δａ／ａは、目標値である２％以下であることが好ましい。
ロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭ（ｗｕｒｔ．）は、目標値である２．０°以下であることが好ましい。
クラック率は、目標値である１％以下であることが好ましい。
電気機械結合係数ｋｔ
２は、目標値である６％以上であることが好ましい。
圧電定数ｄ３３は、目標値である６．０ｐＣ／Ｎ以上であることが好ましい。
絶縁抵抗率ＩＲは、目標値である１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
下記表２中の品質Ａとは、ＦＷＨＭ（ｗｕｒｔ．）、クラック率、ｋｔ
２、ｄ３３及びＩＲの５つの評価項目の全ての目標値が達成されたことを意味する。
下記表２中の品質Ｂとは、Δａ／ａ、ＦＷＨＭ（ｗｕｒｔ．）、クラック率、ｋｔ
２、ｄ３３及びＩＲのうち、３つ又は４つの評価項目の目標値が達成されたことを意味する。
下記表２中の品質Ｃとは、目標値が達成された評価項目数が２以下であったことを意味する。
本発明によれば、圧電薄膜と下部電極層（第一電極層）との間の格子不整合が低減された圧電薄膜素子（例えば、ＭＥＭＳ）が提供される。
２，２Ｆ，２Ｇ…圧電薄膜、３Ａ，３Ｃ…第一導電端子、３Ｂ，３Ｄ…第二導電端子、６ａ，６Ｉ，６Ｋ…第一電極層、６ｂ，６Ｊ，６Ｌ…第二電極層、１０…圧電薄膜素子、１０ｂ…圧電薄膜素子（圧電マイクロフォン）、１２，１２ａ，１２ｂ，１２Ｃ…基板、１８Ａ…第一スイッチ、１８Ｂ…第二スイッチ、４０…圧電スイッチ。
Claims (8)
- 第一電極層と、
前記第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層が、二種の金属元素から構成される合金を含み、
前記第一電極層が、体心立方格子構造を有し、
前記圧電薄膜が、ウルツ鉱型構造を有し、
前記合金が、下記の化学式３Ａ、化学式３Ｂ、化学式３Ｃ、化学式３Ｄ、化学式３Ｅ及び化学式３Ｆのうちいずれかで表され、
前記圧電薄膜が、窒化アルミニウムを含む、
圧電薄膜素子。
Ｍｏ（１－ｘ）Ｗｘ 化学式３Ａ
［前記化学式３Ａ中、０＜ｘ＜０．６５。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｂ
［前記化学式３Ｂ中、０＜ｘ＜０．８２。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｎｂｘ 化学式３Ｃ
［前記化学式３Ｃ中、０＜ｘ＜０．１８。］
Ｗ（１－ｘ）Ｖｘ 化学式３Ｄ
［前記化学式３Ｄ中、０．１０＜ｘ＜０．８７。］
Ｍｏ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｅ
［前記化学式３Ｅ中、０＜ｘ＜０．３７。］
Ｗ（１－ｘ）Ｃｒｘ 化学式３Ｆ
［前記化学式３Ｆ中、０．０５＜ｘ＜０．４６。］ - 第一電極層と、
前記第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層が、二種の金属元素から構成される合金を含み、
前記第一電極層が、体心立方格子構造を有し、
前記圧電薄膜が、ウルツ鉱型構造を有し、
前記合金が、下記の化学式４Ａ、化学式４Ｂ、化学式４Ｃ、化学式４Ｄ及び化学式４Ｅのうちいずれかで表され、
前記圧電薄膜が、酸化亜鉛を含む、
圧電薄膜素子。
Ｍｏ（１－ｙ）Ｗｙ 化学式４Ａ
［前記化学式４Ａ中、０．９０＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｂ
［前記化学式４Ｂ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｍｏ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｃ
［前記化学式４Ｃ中、０．２５＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｎｂｙ 化学式４Ｄ
［前記化学式４Ｄ中、０＜ｙ＜１．０。］
Ｗ（１－ｙ）Ｔａｙ 化学式４Ｅ
［前記化学式４Ｅ中、０＜ｙ＜１．０。］ - 第一電極層と、
前記第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層が、三種の金属元素から構成される合金を含み、
前記第一電極層が、体心立方格子構造を有し、
前記圧電薄膜が、ウルツ鉱型構造を有し、
前記合金が、下記の化学式６Ａ、化学式６Ｂ及び化学式６Ｃのうちいずれかで表され、
前記圧電薄膜が、窒化アルミニウムを含む、
圧電薄膜素子。
ＭｏｘＷｙＶｚ 化学式６Ａ
［前記化学式６Ａ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９０、０＜ｚ＜０．８７。］
ＭｏｘＷｙＣｒｚ 化学式６Ｂ
［前記化学式６Ｂ中、０＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．９５、０＜ｚ＜０．４６。］
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式６Ｃ
［前記化学式６Ｃ中、０．３５＜ｘ＜１．０、０＜ｙ＜０．６５、０＜ｚ＜０．１８。］ - 第一電極層と、
前記第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層が、三種の金属元素から構成される合金を含み、
前記第一電極層が、体心立方格子構造を有し、
前記圧電薄膜が、ウルツ鉱型構造を有し、
前記合金が、下記の化学式７Ａ及び化学式７Ｂのうちいずれか一方で表され、
前記圧電薄膜が、酸化亜鉛を含む、
圧電薄膜素子。
ＭｏｘＷｙＮｂｚ 化学式７Ａ
［前記化学式７Ａ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］
ＭｏｘＷｙＴａｚ 化学式７Ｂ
［前記化学式７Ｂ中、０＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜１．０、０＜ｚ＜１．０。］ - 前記第一電極層の前記体心立方格子構造の（１１０）面が、前記第一電極層と前記圧電薄膜との間の界面の法線方向において配向している、
請求項１～４のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。 - 前記第一電極層と前記圧電薄膜との間の格子不整合度が、０％以上２％以下である、
請求項１～５のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。 - 基板を更に備え、
前記第一電極層が前記基板に直接積層されている、
請求項１～６のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。 - 前記圧電薄膜の前記ウルツ鉱型構造の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅が、０°以上２．０°以下である、
請求項１～７のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
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