JPWO2014007015A1 - 圧電薄膜素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

圧電薄膜にクラックが形成されにくい圧電薄膜素子及びその製造方法を提供する。圧電薄膜素子１は、圧電薄膜４と、第１の電極３と、第２の電極５とを備える。圧電薄膜４は、アルカリニオブ酸系化合物を含む。第１の電極３は、圧電薄膜４の一方側主面４ａに設けられている。第２の電極５は、圧電薄膜４の他方側主面４ｂに設けられている。第１の電極３は、シリコンからなる。

Description

本発明は、圧電薄膜素子及びその製造方法に関する。

従来、圧電薄膜と電極とが設けられた圧電薄膜素子が知られている。このような圧電薄膜素子は、角速度センサや加速度センサなどの各種センサ、アクチュエータ、高周波フィルタなどとして用いられる。

例えば、特許文献１には、Ｐｔからなる電極の上に、ニオブ酸カリウムナトリウム（一般式：（Ｋ_ｘＮａ_１−ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１））からなる圧電薄膜が設けられた、圧電薄膜素子が開示されている。

特開２００９−２９５７８６号公報

このような圧電薄膜素子の製造工程においては、一般に、Ｐｔからなる電極を構成するＰｔ層の上にニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電薄膜を形成する。しかしながら、Ｐｔ層の上にニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電薄膜を形成すると、圧電薄膜素子の製造時や、圧電薄膜素子に温度変化が生じた際に、圧電薄膜にクラックが形成されやすくなる場合がある。

本発明は、圧電薄膜にクラックが形成されにくい圧電薄膜素子及びその製造方法を提供することを主な目的とする。

本発明の圧電薄膜素子は、圧電薄膜と、第１の電極と、第２の電極とを備える。圧電薄膜は、アルカリニオブ酸系化合物を含む。第１の電極は、圧電薄膜の一方側主面に設けられている。第２の電極は、圧電薄膜の他方側主面に設けられている。第１の電極は、シリコンからなる。

本発明の圧電薄膜素子のある特定の局面では、圧電薄膜と、第１の電極との間には、シード層が設けられている。

本発明の圧電薄膜素子の他の特定の局面では、シード層が、ＬａＮｉＯ_３，ＬａＳｃＯ_３，ＬａＧａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＮａＮｂＯ_３，ＳｒＲｕＯ_３などのペロブスカイト型酸化物、ＺｎＯ，ＴｉＯ_２，ＣｅＯ_２などの酸化物、ＡｌＮ，ＺｒＮなどの窒化物からなる群から選択された少なくとも１種により構成されている。

本発明の圧電薄膜素子の製造方法では、シリコンからなる電極の上に、アルカリニオブ酸系化合物を含む圧電薄膜を形成する。

本発明によれば、圧電薄膜にクラックが形成されにくい圧電薄膜素子及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電薄膜素子の略図的断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る圧電薄膜素子の略図的断面図である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る圧電薄膜素子の略図的断面図である。 図４は、実施例１で形成した圧電薄膜の表面のレーザー顕微鏡像である。 図５は、実施例２で形成した圧電薄膜の表面のレーザー顕微鏡像である。 図６は、比較例１で形成した圧電薄膜の表面のレーザー顕微鏡像である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電薄膜素子１の略図的断面図である。以下、図１を参照しながら、本実施形態に係る圧電薄膜素子１について説明する。

図１に示されるように、圧電薄膜素子１は、圧電薄膜４を有する。圧電薄膜４は、アルカリニオブ酸系化合物を含む。圧電薄膜４は、アルカリニオブ酸系化合物を主とする材料からなることが好ましい。アルカリニオブ酸系化合物は、ペロブスカイト型構造を有するアルカリニオブ酸系化合物であることがより好ましい。

また、アルカリニオブ酸系化合物は、カリウム、ナトリウム及びニオブを含むニオブ酸カリウムナトリウム系化合物であることが好ましい。ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物としては、例えば下記一般式（１）で表される化合物が挙げられる。

（Ｋ_{１−ａ−ｂ／２}Ｎａ_{ａ−ｂ／２}Ａ_ｂ）（Ｎｂ_１−ｃＢ_ｃ）Ｏ_３ （１）
一般式（１）において、Ａは、Ｌｉ，Ａｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂｉ及びＧｄからなる群から選択された少なくとも１種の元素である。Ｂは、Ｔａ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｃ及びＨｆからなる群から選択された少なくとも１種の元素である。ａ、ｂ及びｃは、０＜ａ≦０．９、０≦ｂ≦０．３、０≦ａ＋ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．３の条件を満たす数である。

圧電薄膜４の厚みは、通常１μｍ〜３μｍ程度であり、２μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。

圧電薄膜４の第１の表面４ａには、第１の電極３が設けられている。具体的には、圧電薄膜４の第１の表面４ａと当接するように、第１の電極３が設けられている。第１の電極３は下部電極である。第１の電極３は、圧電薄膜素子１の剛性を高める支持層としての役割も有する。第１の電極３は、例えばインゴットを切削及び研磨することで形成することができるし、スパッタリング法や蒸着法などの成膜方法によっても形成することができる。

第１の電極３はシリコンからなる。具体的には、第１の電極３を構成するシリコンは、低抵抗シリコンである。低抵抗シリコンは、ヒ素やリンなどがシリコンにドープされ、ピュアなシリコンよりも電気抵抗が低くなったものである。第１の電極３を構成する低抵抗シリコンの抵抗率は、１０^−３Ωｃｍ以下であることが好ましい。第１の電極３においては、圧電薄膜４側の表層がシリコンにより構成されていればよく、他の部分は、他の材料により構成されていてもよい。他の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどのシリコン系化合物、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌなどの金属、これらの金属のうち少なくとも１種を主成分とする合金などが挙げられる。

第１の電極３の厚みは、通常１μｍ〜８００μｍ程度であり、支持層としての役割を考慮すると５μｍ以上であることが好ましい。

圧電薄膜４の第２の表面４ｂには、第２の電極５が設けられている。具体的には、圧電薄膜４の第２の表面４ｂと当接するように、第２の電極５が設けられている。第２の電極５は上部電極である。第２の電極５は、例えばスパッタリング法や蒸着法などの成膜方法により形成することができる。

第２の電極５は、低抵抗シリコン、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ、Ｒｕ，Ｉｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌなどの金属、これらの金属のうち少なくとも１種を主成分とする合金などからなる。

第２の電極５の厚みは、通常０．０５μｍ〜０．３μｍ程度であり、０．１μｍ〜０．２μｍ程度であることが好ましい。

上述の通り、例えばＰｔからなる電極を構成するＰｔ層の上にニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電薄膜を形成すると、圧電薄膜素子の製造時や、圧電薄膜素子に温度変化が生じた際に、圧電薄膜にクラックが形成されやすくなる場合がある。

これに対して、圧電薄膜素子１では、圧電薄膜４の第１の主面４ａに、シリコンからなる第１の電極３が設けられている。このため、圧電薄膜４にクラックが生じにくい。圧電薄膜４にクラックが生じにくくなる理由の詳細は、明らかではないが、シリコンからなる第１の電極３とアルカリニオブ酸系化合物を含む圧電薄膜４との熱膨張係数の差や格子ミスマッチなどの複数の要因により、圧電薄膜４にかかる応力が緩和されていることによるものと考えられる。

圧電薄膜素子１は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法などにより、シリコンからなる第１の電極３を形成する。次に、第１の電極３の上に、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法などにより、ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物からなる圧電薄膜４を形成する。例えば、圧電薄膜４を構成するニオブ酸カリウムナトリウム系化合物が、上記一般式（１）で表される化合物である場合、圧電薄膜４は、例えば高周波スパッタリング法により形成される。このとき、圧電薄膜４は、第１の電極３の温度が４００℃〜７００℃程度、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．０５〜０．５、スパッタ圧力が０．３Ｐａ〜１．５Ｐａ程度となる条件で、高周波スパッタリング法により形成されることが好ましい。次に、圧電薄膜４の上に、スパッタリング法や蒸着法などの成膜方法により、第２の電極５を形成する。第２の電極５を形成する前または形成した後に、高速熱処理装置（ＲＴＡ装置：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ装置）などによって圧電薄膜４をアニール処理してもよい。以上のようにして、圧電薄膜素子１が得られる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る圧電薄膜素子１の略図的断面図である。図２に示されるように、本実施形態において、圧電薄膜素子１は、支持層２を有する。具体的には、圧電薄膜素子１において、第１の電極３は、支持層２の上に設けられている。圧電薄膜素子１が支持層２を有することにより、圧電薄膜素子１の剛性が高められている。支持層２を構成する材料は特に限定されない。支持層２を構成する材料としては、例えばシリコン、低温焼成セラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁性セラミックス、ＬｉＴａＯ_３，ＬｉＮｂＯ_３，水晶などの圧電単結品、ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＮなどの半導体、ガラスなどが挙げられる。支持層２がシリコンからなる場合、支持層２は、ヒ素やリンなどがドープされていて、抵抗率が１０^−２Ωｃｍ以下であるシリコンにより構成されていることが好ましい。

本実施形態においては、例えば、シリコン基板などの一方側主面の上から、０．０１〜０．１μｍ程度の深さまでヒ素やリンなどをドープし、低抵抗化された表層を第１の電極３とし、他の部分を支持層２としてもよい。支持層２の厚みは、通常５０μｍ〜８００μｍ程度である。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る圧電薄膜素子１の略図的断面図である。図３に示されるように、本実施形態においては、圧電薄膜４と第１の電極３との間にシード層６が設けられている。圧電薄膜４と第１の電極３との間に、シード層６が設けられていることにより、圧電薄膜４を構成するアルカリニオブ酸系化合物の結晶の配向性を高めることができる。このため、圧電薄膜４にクラックが形成されることをより効果的に抑制し得る。シード層６は、ＬａＮｉＯ_３，ＬａＳｃＯ_３，ＬａＧａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＮａＮｂＯ_３，ＳｒＲｕＯ_３などのペロブスカイト型酸化物、ＺｎＯ，ＴｉＯ_２，ＣｅＯ_２などの酸化物、ＡｌＮ，ＺｒＮなどの窒化物からなる群から選択された少なくとも１種により構成されることが好ましく、ＬａＮｉＯ_３により構成されることがより好ましい。なお、圧電薄膜４と同じ材料を３００℃程度の温度で成膜して作製された膜をシード層６としてもよい。

シード層６の厚みが薄すぎると、アルカリニオブ酸系化合物の結晶の配向性を高める効果が小さくなる場合がある。また、シード層６の厚みが厚すぎると、圧電薄膜４に電圧が印加されにくくなったり、厚みのばらつきが生じてシード層６の表面の平坦性が悪くなる場合がある。よって、シード層６の厚みは、１０ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることが好ましい。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１）
厚みが５００μｍであるシリコン基板を用意し、シリコン基板の一方側主面の上から０．０１〜０．１μｍ程度の深さまでヒ素をドープすることによって、低抵抗化された表層が第１の電極３を構成し、他の部分が支持層２を構成する、低抵抗シリコン基板を形成した。次に、第１の電極３の上に、第１の電極３の温度が６００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．１、スパッタ圧力が０．３Ｐａである条件で、組成が（Ｋ_０．５，Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３であるターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが２μｍであり、ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物からなる圧電薄膜４を形成した。

実施例１で形成した圧電薄膜４の表面のレーザー顕微鏡像（一辺が１２５μｍの視野内）を図４に示す。

（実施例２）
厚みが５００μｍであるシリコン基板を用意し、シリコン基板の一方側主面の上から０．０１〜０．１μｍ程度の深さまでヒ素をドープすることによって、低抵抗化された表層が第１の電極３を構成し、他の部分が支持層２を構成する、低抵抗シリコン基板を形成した。次に、第１の電極３の上に、第１の電極３の温度が３００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．９、スパッタ圧力が０．２７Ｐａである条件で、組成がＬａＮｉＯ_３であるターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが３０ｎｍであり、ＬａＮｉＯ_３からなるシード層６を形成した。そして、シード層６の上に、第１の電極３の温度が６００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．１、スパッタ圧力が０．３Ｐａである条件で、（Ｋ_０．５，Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３の組成のターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが２μｍであり、ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物からなる圧電薄膜４を形成した。

実施例２で形成した圧電薄膜４の表面のレーザー顕微鏡像（一辺が１２５μｍの視野内）を図５に示す。

（比較例１）
支持層として、厚みが３００μｍであり、厚みが７００ｎｍの熱酸化膜が表面に形成されている、シリコン基板を用意した。シリコン基板の上に、スパッタリング法により、厚みが２０ｎｍであり、ＴｉＯ_２からなる密着層を形成した。密着層の上に、スパッタリング法により、シリコン基板の温度が４３０℃、Ａｒ雰囲気、スパッタ圧力が０．４Ｐａである条件で、厚みが１００ｎｍであり、Ｐｔからなる第１の電極を形成した。次に、第１の電極の上に、シリコン基板の温度が３００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．９、スパッタ圧力が０．２７Ｐａである条件で、組成がＬａＮｉＯ_３であるターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが３０ｎｍであり、ＬａＮｉＯ_３からなるシード層を形成した。そして、シード層の上に、シリコン基板の温度が６００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．１、スパッタ圧力が０．３Ｐａである条件で、（Ｋ_０．５，Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３の組成のターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが２μｍであり、ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物からなる圧電薄膜を形成した。

比較例１で形成した圧電薄膜の表面のレーザー顕微鏡像（一辺が１２５μｍの視野内）を図６に示す。

（比較例２）
支持層として、厚みが３００μｍであり、厚みが７００ｎｍの熱酸化膜が表面に形成されている、シリコン基板を用意した。シリコン基板の上に、スパッタリング法により、厚みが２０ｎｍであり、ＴｉＯ_２からなる密着層を形成した。密着層の上に、スパッタリング法により、シリコン基板の温度が４３０℃、Ａｒ雰囲気、スパッタ圧力が０．４Ｐａである条件で、厚みが１００ｎｍであり、Ｐｔからなる第１の電極を形成した。次に、第１の電極の上に、シリコン基板の温度が６００℃、Ｏ_２の分圧／（Ａｒの分圧＋Ｏ_２の分圧）＝０．１、スパッタ圧力が０．３Ｐａである条件で、（Ｋ_０．５，Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３の組成のターゲットを用いたスパッタリング法により、厚みが２μｍであり、ニオブ酸カリウムナトリウム系化合物からなる圧電薄膜を形成した。

比較例２で得られた圧電薄膜の表面をレーザー顕微鏡で観察したところ、圧電薄膜の表面構造が粗く、上部電極を形成するには適しておらず、圧電薄膜素子に求められる機能を実現することが困難であることが分かった。

１…圧電薄膜素子
２…支持層
３…第１の電極
４…圧電薄膜
４ａ…圧電薄膜の第１の表面
４ｂ…圧電薄膜の第２の表面
５…第２の電極
６…シード層

Claims (4)

1. アルカリニオブ酸系化合物を含む圧電薄膜と、
   前記圧電薄膜の一方側主面に設けられた第１の電極と、
   前記圧電薄膜の他方側主面に設けられた第２の電極と、
   を備え、
   前記第１の電極が、シリコンからなる、圧電薄膜素子。
2. 前記圧電薄膜と、前記第１の電極との間には、シード層が設けられている、請求項１に記載の圧電薄膜素子。
3. 前記シード層が、ＬａＮｉＯ_３，ＬａＳｃＯ_３，ＬａＧａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＮａＮｂＯ_３，ＳｒＲｕＯ_３などのペロブスカイト型酸化物、ＺｎＯ，ＴｉＯ_２，ＣｅＯ_２などの酸化物、ＡｌＮ，ＺｒＮなどの窒化物からなる群から選択された少なくとも１種により構成されている、請求項１または２に記載の圧電薄膜素子。
4. シリコンからなる電極の上に、アルカリニオブ酸系化合物を含む圧電薄膜を形成する、圧電薄膜素子の製造方法。

Images