WO2018216225A1 - Film structure and method for manufacturing same - Google Patents

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Definitions

  • a may satisfy 0.1 ⁇ a ⁇ 0.48, and b may satisfy 0.1 ⁇ b ⁇ 0.48.
  • the film structure includes a second conductive film formed on the first piezoelectric film, and an alternating current having a frequency of 1 kHz between the first conductive film and the second conductive film.
  • the relative dielectric constant measured by applying a voltage may be 300 to 400.
  • a manufacturing method of a film structure as one embodiment of the present invention includes a step (a) of preparing a silicon substrate including a main surface made of a (100) plane, and a cubic crystal structure on the main surface, And (b) forming a first film containing (100) oriented zirconium oxide.
  • the lead zirconate titanate having a structure and (001) orientation can be made extremely small.
  • the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure and having (110) orientation or (101) orientation can be prevented from being included in the piezoelectric film 16. Therefore, the polarization direction of each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be made uniform, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be improved. This is considered to be because, for example, the crystallinity of Pt contained in the conductive film 13 is improved by forming the conductive film 13 and then heat-treating the conductive film 13 as will be described later with reference to FIG. .
  • the piezoelectric film 18 and the piezoelectric film 17 are sequentially removed from the film structure 10, before and after the removal of the piezoelectric film 18.
  • the substrate 11 is deformed downward from the convex side to the convex side and the substrate 11 is deformed upward from the convex side to the convex side before and after the removal of the piezoelectric film 17.
  • the piezoelectric film 17 includes a composite oxide represented by the following general formula (Formula 3).
  • a satisfies 0.1 ⁇ a ⁇ 0.48.
  • the piezoelectric film 18 includes a composite oxide represented by the following general formula (Formula 4).
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of two piezoelectric films included in the film structure according to the embodiment.
  • FIG. 5 shows a cross section formed by cleaving the substrate 11 included in the film structure 10 of the embodiment shown in FIG. 1, that is, a fractured surface, was observed with a scanning electron microscope (SEM). Of the observed image, the piezoelectric film 17 and the piezoelectric film 18 are schematically shown.
  • SEM scanning electron microscope
  • the piezoelectric film 18 includes a plurality of films 18 a as layers stacked on each other in the thickness direction of the piezoelectric film 18.
  • step S2 two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction, and a direction perpendicular to the upper surface 11a is defined as Z. Axial direction.
  • an alignment film 12 is formed on the substrate 11 (step S2).
  • the alignment film 12 is formed using the electron beam evaporation method in step S2 will be described as an example.
  • the alignment film 12 can be formed using various methods such as a sputtering method.
  • the substrate 11 is first heated to, for example, 700 ° C. with the substrate 11 placed in a certain vacuum atmosphere.
  • step S7 the piezoelectric film 18 containing the composite oxide (PZT) represented by the above general formula (Formula 4) is formed on the piezoelectric film 17 by a coating method such as a sol-gel method.
  • a coating method such as a sol-gel method.
  • a method for forming the film 15 by the sol-gel method will be described.
  • step S7 first, a film containing PZT precursor is formed on the piezoelectric film 17 by applying a solution containing lead, zirconium and titanium. Note that the step of applying the solution containing lead, zirconium, and titanium may be repeated a plurality of times, thereby forming a film including a plurality of films stacked on each other.

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Abstract

Provided is a film structure having a conductive film formed on a substrate and a piezoelectric film formed on the conductive film, wherein the piezoelectric constant of the piezoelectric film can be increased. A film structure 10 has a conductive film 13, a film 14, and a film 15 that are sequentially formed on a substrate 11. The conductive film 13 contains platinum that has a cubic crystal structure and that is (100)-oriented. The film 14 contains a first composite oxide that is represented by Pb(Zr1−xTix)O3 and that is (100)-oriented in the pseudocubic representation. The film 15 contains a second composite oxide that is represented by Pb(Zr1−yTiy)O3 and that is (100)-oriented in the pseudocubic representation. x and y satisfy 0 < x < 1, 0 ≤ y ≤ 0.1, and y < x.

Description

膜構造体及びその製造方法Membrane structure and manufacturing method thereof
 本発明は、膜構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane structure and a manufacturing method thereof.
 基板と、基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体として、基板と、基板上に形成された白金を含む導電膜と、導電膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含む圧電膜と、を有する膜構造体が知られている。
 国際公開第2016/009698号(特許文献1)には、強誘電体セラミックスにおいて、Pb(Zr1−ATi)O膜と、当該Pb(Zr1−ATi)O膜上に形成されたPb(Zr1−xTi)O膜と、を具備し、A及びxが、0≦A≦0.1及び0.1<x<1を満たす技術が開示されている。
As a film structure having a substrate, a conductive film formed on the substrate, and a piezoelectric film formed on the conductive film, the substrate, a conductive film containing platinum formed on the substrate, and the conductive film There is known a film structure having a piezoelectric film containing lead zirconate titanate (PZT) formed thereon.
International Publication No. 2016/009698 (Patent Document 1) discloses that a ferroelectric ceramic has a Pb (Zr 1-A Ti A ) O 3 film and a Pb (Zr 1-A Ti A ) O 3 film on the Pb (Zr 1-A Ti A ) O 3 film. And a formed Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 film, in which A and x satisfy 0 ≦ A ≦ 0.1 and 0.1 <x <1.
国際公開第2016/009698号International Publication No. 2016/009698
 PZTを含む圧電膜では、例えば分極方向に平行な方向、又は、分極方向と一定の角度を有する方向に沿った電界が印加される場合に、圧電定数が大きい。そのため、圧電膜の大部分が互いに同一の方向に配向していたとしても、圧電膜の一部がその方向と異なる方向に配向していた場合、圧電膜全体で分極方向が揃わないため、圧電膜の圧電定数を増加させることができず、圧電素子の特性が低下する。
 本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体において、圧電膜の圧電定数を増加させることができる膜構造体を提供することを目的とする。
In a piezoelectric film including PZT, for example, when an electric field is applied along a direction parallel to the polarization direction or a direction having a certain angle with the polarization direction, the piezoelectric constant is large. Therefore, even if most of the piezoelectric films are oriented in the same direction as each other, if a part of the piezoelectric film is oriented in a direction different from that direction, the polarization direction is not uniform in the entire piezoelectric film. The piezoelectric constant of the film cannot be increased, and the characteristics of the piezoelectric element deteriorate.
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and includes a film structure having a conductive film formed on a substrate and a piezoelectric film formed on the conductive film. An object of the present invention is to provide a film structure capable of increasing the piezoelectric constant of the piezoelectric film.
 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
 本発明の一態様としての膜構造体は、(100)面よりなる主面を含むシリコン基板と、主面上に形成され、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1膜と、第1膜上に形成され、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む第1導電膜と、を有する。また、当該膜構造体は、第1導電膜上に形成され、下記一般式(化1)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第1複合酸化物を含む第2膜と、第2膜上に形成され、下記一般式(化2)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第2複合酸化物を含む第3膜と、を有する。また、当該膜構造体は、第3膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を含む第1圧電膜を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
x及びyは、下記式(数1)~式(数3)を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
 また、他の一態様として、第2膜及び第3膜のいずれの厚さも、第1圧電膜の厚さよりも薄くてもよい。
 また、他の一態様として、第1圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含んでもよい。
 また、他の一態様として、θ−2θ法を用いたX線回折測定により測定された第1圧電膜の第1回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であってもよく、又は、(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークも観測されなくてもよい。
 また、他の一態様として、ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、第1回折パターンにおける(001)面の回折ピークについて測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°であってもよい。
 また、他の一態様として、第1圧電膜は、第3膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる第3複合酸化物を含む第2圧電膜と、第2圧電膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる第4複合酸化物を含む第3圧電膜と、を含み、第2圧電膜は、圧縮応力を有し、第3圧電膜は、引っ張り応力を有してもよい。
 また、他の一態様として、第2圧電膜は、下記一般式(化3)で表される第3複合酸化物を含み、第3圧電膜は、下記一般式(化4)で表される第4複合酸化物を含んでもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
aは、0.1<a≦0.48を満たし、bは、0.1<b≦0.48を満たしてもよい。
 また、他の一態様として、当該膜構造体は、第1圧電膜上に形成された第2導電膜を有し、第1導電膜と第2導電膜との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して測定された比誘電率が、300~400であってもよい。
 本発明の一態様としての膜構造体の製造方法は、(100)面よりなる主面を含むシリコン基板を用意する(a)工程と、主面上に、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1膜を形成する(b)工程と、を有する。また、当該膜構造体の製造方法は、第1膜上に、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む第1導電膜を形成する(c)工程を有する。また、当該膜構造体の製造方法は、第1導電膜上に、下記一般式(化1)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第1複合酸化物を含む第2膜を形成する(d)工程と、第2膜上に、下記一般式(化2)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第2複合酸化物を含む第3膜を形成する(e)工程と、を有する。そして、当該膜構造体の製造方法は、第3膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛を含む第1圧電膜を形成する(f)工程を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
x及びyは、下記式(数1)~式(数3)を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
 また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、(c)工程の後、(d)工程の前に、第1導電膜を450~600℃の温度で熱処理する(g)工程を有してもよい。
 また、他の一態様として、(d)工程は、第1導電膜上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第1溶液を塗布することにより、第1複合酸化物の第1前駆体を含む第4膜を形成する(d1)工程と、第4膜を熱処理することにより、第2膜を形成する(d2)工程と、を含んでもよい。そして、(e)工程は、第2膜上に、鉛及びジルコニウム、又は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第2溶液を塗布することにより、第2複合酸化物の第2前駆体を含む第5膜を形成する(e1)工程と、第5膜を熱処理することにより、第3膜を形成する(e2)工程と、を含んでもよい。
 また、他の一態様として、第2膜及び第3膜のいずれの厚さも、第1圧電膜の厚さよりも薄くてもよい。
 また、他の一態様として、(f)工程では、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む第1圧電膜を形成してもよい。
 また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、θ−2θ法を用いたX線回折測定により、第1圧電膜の第1回折パターンを測定する(h)工程を有してもよい。そして、(h)工程にて測定された第1回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であってもよく、又は、(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークも観測されなくてもよい。
 また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、(h)工程にて測定された第1回折パターンにおける(001)面の回折ピークについてのロッキングカーブを測定する(i)工程を有してもよい。そして、(i)工程にて測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°であってもよい。
 また、他の一態様として、(f)工程は、第3膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛よりなる第3複合酸化物を含む第2圧電膜を形成する(j)工程と、第2圧電膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛よりなる第4複合酸化物を含む第3圧電膜を形成する(k)工程と、を含んでもよい。そして、(j)工程では、圧縮応力を有する第2圧電膜を形成し、(k)工程では、引っ張り応力を有する第3圧電膜を形成してもよい。
 また、他の一態様として、(j)工程では、下記一般式(化3)で表される第3複合酸化物を含む第2圧電膜を形成し、(k)工程では、下記一般式(化4)で表される第4複合酸化物を含む第3圧電膜を形成してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
aは、0.1<a≦0.48を満たし、bは、0.1<b≦0.48を満たしてもよい。
 また、他の一態様として、(j)工程では、スパッタリング法により第2圧電膜を形成してもよい。そして、(k)工程は、第2圧電膜上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第3溶液を塗布することにより、第4複合酸化物の第3前駆体を含む第6膜を形成する(k1)工程と、第6膜を熱処理することにより、第3圧電膜を形成する(k2)工程と、を含んでもよい。
 また、他の一態様として、当該膜構造体の製造方法は、第1圧電膜上に第2導電膜を形成する(l)工程と、第1導電膜と第2導電膜との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して比誘電率を測定する(m)工程と、を有し、(m)工程にて測定された比誘電率が、300~400であってもよい。
 本発明の一態様を適用することで、基板上に形成された導電膜と、導電膜上に形成された圧電膜と、を有する膜構造体において、圧電膜の圧電定数を増加させることができる。
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
A film structure as one embodiment of the present invention includes a silicon substrate including a main surface including a (100) plane, and a (100) -oriented oxide formed on the main surface and having a cubic crystal structure. A first film containing zirconium, and a first conductive film formed on the first film, having a cubic crystal structure, and containing (100) -oriented platinum. In addition, the film structure is formed on the first conductive film, is represented by the following general formula (Chemical Formula 1), and is a second film including the first composite oxide that is (100) -oriented in a pseudo cubic crystal display. And a third film that is formed on the second film, is represented by the following general formula (Chemical Formula 2), and includes a second composite oxide that is (100) -oriented in pseudo-cubic crystal display. The film structure includes a first piezoelectric film containing lead zirconate titanate formed on the third film.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
x and y satisfy the following formula (Formula 1) to Formula (Formula 3).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
As another aspect, the thicknesses of the second film and the third film may be thinner than the thickness of the first piezoelectric film.
As another aspect, the first piezoelectric film may have a tetragonal crystal structure and may include (001) -oriented lead zirconate titanate.
As another aspect, in the first diffraction pattern of the first piezoelectric film measured by the X-ray diffraction measurement using the θ-2θ method, the intensity of the diffraction peak on the (001) plane of lead zirconate titanate The ratio of the diffraction peak intensities of any of the (110) plane and (101) plane of lead zirconate titanate may be 4 × 10 −5 or less, or (110) plane and (101) plane None of the diffraction peaks may be observed.
As another aspect, the full width at half maximum of the rocking curve measured for the diffraction peak of the (001) plane in the first diffraction pattern by X-ray diffraction measurement using the rocking curve method is 0.3 to 0.6. It may be °.
As another aspect, the first piezoelectric film is formed on the second piezoelectric film, the second piezoelectric film including the third composite oxide made of lead zirconate titanate formed on the third film, and the second piezoelectric film. A third piezoelectric film including a fourth composite oxide made of lead zirconate titanate, wherein the second piezoelectric film may have a compressive stress, and the third piezoelectric film may have a tensile stress. .
As another aspect, the second piezoelectric film includes a third composite oxide represented by the following general formula (Formula 3), and the third piezoelectric film is represented by the following general formula (Formula 4). A fourth composite oxide may be included.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
a may satisfy 0.1 <a ≦ 0.48, and b may satisfy 0.1 <b ≦ 0.48.
As another aspect, the film structure includes a second conductive film formed on the first piezoelectric film, and an alternating current having a frequency of 1 kHz between the first conductive film and the second conductive film. The relative dielectric constant measured by applying a voltage may be 300 to 400.
A manufacturing method of a film structure as one embodiment of the present invention includes a step (a) of preparing a silicon substrate including a main surface made of a (100) plane, and a cubic crystal structure on the main surface, And (b) forming a first film containing (100) oriented zirconium oxide. The manufacturing method of the film structure includes a step (c) of forming a first conductive film having a cubic crystal structure and containing (100) -oriented platinum on the first film. In addition, the manufacturing method of the film structure includes a second composite oxide including the first composite oxide represented by the following general formula (Chemical Formula 1) and (100) -oriented in a pseudo-cubic crystal display on the first conductive film. A step (d) of forming a film, and a third film containing a second composite oxide represented by the following general formula (Chemical Formula 2) and having a (100) orientation in pseudo-cubic crystal representation on the second film: Forming (e). And the manufacturing method of the said film structure has a (f) process of forming the 1st piezoelectric film containing lead zirconate titanate on the 3rd film.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
x and y satisfy the following formula (Formula 1) to Formula (Formula 3).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
As another aspect, the method for manufacturing the film structure includes a step (g) of heat-treating the first conductive film at a temperature of 450 to 600 ° C. after the step (c) and before the step (d). You may have.
As another aspect, the step (d) includes the first precursor of the first composite oxide by applying a first solution containing lead, zirconium, and titanium on the first conductive film. A step (d1) of forming the fourth film and a step (d2) of forming the second film by heat-treating the fourth film may be included. The step (e) includes a second precursor of the second composite oxide by applying a second solution containing lead and zirconium or lead, zirconium and titanium on the second film. A step (e1) of forming five films and a step (e2) of forming a third film by heat-treating the fifth film may be included.
As another aspect, the thicknesses of the second film and the third film may be thinner than the thickness of the first piezoelectric film.
As another aspect, in the step (f), a first piezoelectric film having a tetragonal crystal structure and containing (001) -oriented lead zirconate titanate may be formed.
As another aspect, the method for manufacturing the film structure includes a step (h) of measuring a first diffraction pattern of the first piezoelectric film by X-ray diffraction measurement using a θ-2θ method. Also good. And in the 1st diffraction pattern measured at the (h) process, with respect to the intensity of the diffraction peak of the (001) plane of lead zirconate titanate, the (110) plane and (101) plane of lead zirconate titanate The intensity ratio of any diffraction peak may be 4 × 10 −5 or less, or any diffraction peak on the (110) plane and the (101) plane may not be observed.
Moreover, as another aspect, the manufacturing method of the film structure includes a diffraction peak on the (001) plane in the first diffraction pattern measured in the step (h) by X-ray diffraction measurement using a rocking curve method. (I) The process of measuring the rocking curve about may be included. The full width at half maximum of the rocking curve measured in the step (i) may be 0.3 to 0.6 °.
As another aspect, the step (f) includes the step (j) of forming a second piezoelectric film including a third composite oxide made of lead zirconate titanate on the third film, and the second piezoelectric step. (K) forming a third piezoelectric film containing a fourth composite oxide made of lead zirconate titanate on the film. In the step (j), a second piezoelectric film having a compressive stress may be formed, and in the step (k), a third piezoelectric film having a tensile stress may be formed.
As another aspect, in the step (j), a second piezoelectric film containing a third composite oxide represented by the following general formula (Formula 3) is formed. In the step (k), the following general formula ( A third piezoelectric film containing a fourth composite oxide represented by Chemical formula 4) may be formed.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
a may satisfy 0.1 <a ≦ 0.48, and b may satisfy 0.1 <b ≦ 0.48.
As another aspect, in the step (j), the second piezoelectric film may be formed by a sputtering method. In the step (k), a sixth film containing a third precursor of the fourth composite oxide is formed by applying a third solution containing lead, zirconium and titanium on the second piezoelectric film. (K1) Step and (k2) step of forming the third piezoelectric film by heat-treating the sixth film may be included.
As another aspect, the method for manufacturing the film structure includes a step (1) of forming a second conductive film on the first piezoelectric film, and 1 kHz between the first conductive film and the second conductive film. (M) step of measuring the relative dielectric constant by applying an AC voltage having a frequency of 300, and the relative dielectric constant measured in the step (m) may be 300 to 400.
By applying one embodiment of the present invention, the piezoelectric constant of a piezoelectric film can be increased in a film structure including a conductive film formed over a substrate and a piezoelectric film formed over the conductive film. .
 図1は、実施の形態の膜構造体の断面図である。
 図2は、実施の形態の膜構造体が上部電極としての導電膜を有する場合の、膜構造体の断面図である。
 図3は、図2に示す膜構造体から基板及び配向膜を除去した場合の、膜構造体の断面図である。
 図4は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が斜方晶の結晶構造を有する場合において、擬立方晶の単位格子と斜方晶の単位格子を模式的に示す図である。
 図5は、実施の形態の膜構造体に含まれる2つの圧電膜の断面構造を模式的に示す図である。
 図6は、実施の形態の膜構造体に含まれる圧電膜の分極の電界依存性を模式的に示すグラフである。
 図7は、実施の形態の膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長した状態を説明する図である。
 図8は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図9は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図10は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図11は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図12は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図13は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 図14は、実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。
 図15は、PZO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。
 図16は、PZO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。
 図17は、PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。
 図18は、PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。
 図19は、PZT膜までが形成された膜構造体の逆格子マップの測定結果である。
 図20は、PZT膜までが形成された膜構造体の逆格子マップの測定結果である。
 図21は、PZTの逆格子マップのシミュレーションを行った結果である。
 図22は、膜構造体の分極の電圧依存性を示すグラフである。
 図23は、膜構造体の分極の電圧依存性を示すグラフである。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the film structure according to the embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the film structure when the film structure of the embodiment has a conductive film as an upper electrode.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the film structure when the substrate and the alignment film are removed from the film structure shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a pseudo-cubic unit cell and an orthorhombic unit cell when the composite oxide having a perovskite structure has an orthorhombic crystal structure.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of two piezoelectric films included in the film structure according to the embodiment.
FIG. 6 is a graph schematically showing the electric field dependence of the polarization of the piezoelectric film included in the film structure according to the embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the alignment film included in the film structure according to the embodiment has been epitaxially grown.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the film structure of the embodiment during the manufacturing process.
FIG. 9 is a cross-sectional view during the manufacturing process of the film structure according to the embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the film structure of the embodiment during the manufacturing process.
FIG. 11 is a cross-sectional view during the manufacturing process of the film structure according to the embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view during the manufacturing process of the film structure according to the embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view during the manufacturing process of the film structure according to the embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a film structure according to a modification of the embodiment.
FIG. 15 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which the layers up to the PZO film are formed.
FIG. 16 is a graph showing an example of a θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which up to the PZO film is formed.
FIG. 17 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which up to the PZT film is formed.
FIG. 18 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which up to the PZT film is formed.
FIG. 19 shows the measurement result of the reciprocal lattice map of the film structure in which the layers up to the PZT film are formed.
FIG. 20 shows the measurement result of the reciprocal lattice map of the film structure formed up to the PZT film.
FIG. 21 shows the result of simulation of the PZT reciprocal lattice map.
FIG. 22 is a graph showing the voltage dependence of the polarization of the membrane structure.
FIG. 23 is a graph showing the voltage dependence of the polarization of the membrane structure.
 以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
 また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
 また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
 更に、実施の形態で用いる図面においては、構造物を区別するために付したハッチング(網掛け)を図面に応じて省略する場合もある。
 (実施の形態)
 <膜構造体>
 初めに、本発明の一実施形態である実施の形態の膜構造体について説明する。図1は、実施の形態の膜構造体の断面図である。図2は、実施の形態の膜構造体が上部電極としての導電膜を有する場合の、膜構造体の断面図である。図3は、図2に示す膜構造体から基板及び配向膜を除去した場合の、膜構造体の断面図である。
 図1に示すように、本実施の形態の膜構造体10は、基板11と、配向膜12と、導電膜13と、膜14と、膜15と、圧電膜16と、を有する。配向膜12は、基板11上に形成されている。導電膜13は、配向膜12上に形成されている。膜14は、導電膜13上に形成されている。膜15は、膜14上に形成されている。圧電膜16は、膜15上に形成されている。
 なお、図2に示すように、本実施の形態の膜構造体10は、導電膜19を有してもよい。導電膜19は、圧電膜16上に形成されている。このとき、導電膜13は、下部電極としての導電膜であり、導電膜19は、上部電極としての導電膜である。また、図3に示すように、本実施の形態の膜構造体10は、基板11(図2参照)及び配向膜12(図2参照)を有さず、下部電極としての導電膜13と、膜14と、膜15と、圧電膜16と、上部電極としての導電膜19と、のみを有するものでもよい。
 基板11は、シリコン(Si)単結晶よりなるシリコン基板である。シリコン基板としての基板11は、(100)面よりなる主面としての上面11aを含む。配向膜12は、上面11a上に形成され、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む。導電膜13は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む。これにより、圧電膜16が、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を含む場合に、圧電膜16を基板11上で(100)配向させることができる。
 ここで、配向膜12が(100)配向している、とは、立方晶の結晶構造を有する配向膜12の(100)面が、シリコン基板である基板11の、(100)面よりなる主面としての上面11aに沿っていることを意味し、好適には、シリコン基板である基板11の、(100)面よりなる上面11aに平行であることを意味する。また、配向膜12の(100)面が基板11の(100)面よりなる上面11aに平行であるとは、配向膜12の(100)面が基板11の上面11aに完全に平行な場合のみならず、基板11の上面11aに完全に平行な面と配向膜12の(100)面とのなす角度が20°以下であるような場合を含む。
 あるいは、配向膜12として、単層膜よりなる配向膜12に代え、積層膜よりなる配向膜12が、基板11上に形成されていてもよい。
 好適には、配向膜12は、基板11上にエピタキシャル成長し、導電膜13は、配向膜12上にエピタキシャル成長している。これにより、圧電膜16が、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を含む場合に、圧電膜16を導電膜13上にエピタキシャル成長させることができる。
 ここで、基板11の主面としての上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向としたとき、ある膜がエピタキシャル成長しているとは、その膜が、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向のいずれの方向にも配向していることを意味する。
 膜14は、下記一般式(化1)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した複合酸化物を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
 膜15は、下記一般式(化2)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した複合酸化物を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
ここで、x及びyは、下記式(数1)~式(数3)を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
 このような場合、膜15上に形成される圧電膜16が正方晶の結晶構造を有するようにすることができる。そして、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率を、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率に比べて極めて小さくすることができる。又は、圧電膜16中に、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛が含まれないようにすることができる。そのため、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々における分極方向を揃えることができるので、圧電膜16の圧電特性を向上させることができる。
 好適には、xは、上記式(数1)に代え、下記式(数4)を満たしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
 セラミックスの粉末において、xが、上記式(数1)に代え、上記式(数4)を満たす場合には、当該セラミックスの粉末は、菱面体晶の結晶構造を有しやすい。一方、膜14において、xが、上記式(数1)に代え、上記式(数4)を満たす場合には、膜14は、主として基板11からの拘束力等により、正方晶の結晶構造を有しやすくなる。これにより、膜14上に膜15を介して形成される圧電膜16中に、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛が確実に含まれないようにすることができる。
 即ち、xが、上記式(数1)に代え、上記式(数4)を満たす場合、本来菱面体晶の結晶構造を有するべき膜14の結晶構造が、正方晶の結晶構造に変わる。これにより、膜14上に膜15を介して形成される圧電膜16の配向方向を、より確実に制御することができる。
 膜14の厚さを、10~50nmとすることができる。このような範囲の場合、膜14上に膜15を介して形成される圧電膜16中に、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛が更に確実に含まれないようにすることができる。
 なお、以下では、yがy=0を満たすときのPb(Zr1−yTi)O即ちPbZrOを、PZOと称し、yが0<y≦0.1を満たすときのPb(Zr1−yTi)Oを、PZTと称する場合がある。
 上記一般式(化1)又は(化2)で表示され、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、以下のような場合を意味する。
 まず、3次元に配列された単位格子を含み、一般式ABOで表示されるペロブスカイト型構造の結晶格子において、単位格子が1個の原子A、1個の原子B及び3個の酸素原子を含む場合を考える。
 このような場合、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、当該単位格子が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向している場合を意味する。このとき、当該単位格子の1辺の長さを、格子定数aとし、当該単位格子の1つの角度を、格子定数αとし、α=90°とする。
 一方、例えばペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が、菱面体晶の結晶構造を有する場合を考える。そして、菱面体晶の2つの格子定数のうち1辺の長さである格子定数aが擬立方晶の格子定数aに略等しく、菱面体晶の2つの格子定数のうち1つの角度である格子定数αが擬立方晶の格子定数αに略等しい場合を考える。なお、本願明細書では、数値V1と数値V2とが略等しい、とは、数値V1と数値V2との平均に対する、数値V1と数値V2との差の比が、5%程度以下であることを意味する。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、菱面体晶表示で(100)配向していることを意味する。
 或いは、例えばペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が、正方晶の結晶構造を有する場合を考える。そして、正方晶の2つの格子定数のうち1番目の格子定数aが擬立方晶の格子定数aに略等しく、正方晶の2つの格子定数のうち2番目の格子定数cが擬立方晶の格子定数aに略等しい場合を考える。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、正方晶表示で(100)配向又は(001)配向していることを意味する。
 具体的には、上記一般式(化1)で表されるジルコン酸鉛又はチタン酸ジルコン酸鉛よりなる複合酸化物が、菱面体晶の結晶構造を有する例を考える。そして、菱面体晶の2つの格子定数のうち1辺の長さである格子定数aが擬立方晶の格子定数aに略等しく、菱面体晶の2つの格子定数のうち1つの角度である格子定数αが擬立方晶の格子定数αに略等しい場合を考える。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、菱面体晶表示で(100)配向していることを意味する。
 或いは、上記一般式(化1)で表されるジルコン酸鉛又はチタン酸ジルコン酸鉛よりなる複合酸化物が、正方晶の結晶構造を有する場合を考える。そして、正方晶の2つの格子定数のうち1番目の格子定数aが擬立方晶の格子定数aに略等しく、正方晶の2つの格子定数のうち2番目の格子定数cが擬立方晶の格子定数aに略等しい場合を考える。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、正方晶表示で(100)配向又は(001)配向していることを意味する。
 図4は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が斜方晶の結晶構造を有する場合において、擬立方晶の単位格子と斜方晶の単位格子を模式的に示す図である。
 図4に示すように、上記一般式(化1)又は(化2)で表され、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が、斜方晶の結晶構造を有する例を考える。そして、斜方晶の3つの格子定数のうち1番目の格子定数ao1が擬立方晶の格子定数aに略等しく、斜方晶の3つの格子定数のうち2番目の格子定数bo1が擬立方晶の格子定数aの21/2倍に略等しく、斜方晶の格子定数のうち3番目の格子定数co1が格子定数aの21/2倍に略等しい例を考える。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、斜方晶表示で(011)配向又は(100)配向していることを意味する。
 或いは、図4に示す例とは別の例(図示は省略)として、上記一般式(化1)又は(化2)で表され、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が、別の斜方晶の結晶構造を有する例を考える。そして、当該斜方晶の3つの格子定数のうち1番目の格子定数ao2が擬立方晶の格子定数aの21/2倍に略等しく、当該斜方晶の3つの格子定数のうち2番目の格子定数bo2が擬立方晶の格子定数aの23/2倍に略等しく、当該斜方晶の格子定数のうち3番目の格子定数co2が擬立方晶の格子定数aの2倍に略等しい例を考える。
 このとき、擬立方晶表示で(100)配向しているとは、斜方晶表示で(120)配向又は(002)配向していることを意味する。
 圧電膜16は、膜15上に形成され、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む。なお、圧電膜16は、正方晶の結晶構造を有している場合に(001)配向していなくてもよい。或いは、圧電膜16は、正方晶の結晶構造を有していなくてもよい。
 本実施の形態では、θ−2θ法を用いたX線回折測定により測定された圧電膜16の回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であるか、又は、(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークも観測されない。
 これにより、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率を、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率に比べて極めて小さくすることができる。又は、圧電膜16中に、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛が含まれないようにすることができる。そのため、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々における分極方向を揃えることができるので、圧電膜16の圧電特性を向上させることができる。
 これは、例えば、後述する図10を用いて説明するように、導電膜13を形成した後、導電膜13を熱処理することにより、導電膜13に含まれるPtの結晶性が向上したためと考えられる。或いは、例えば後述する図7を用いて説明するように、導電膜13に含まれるPtの格子定数に対する、膜14に含まれるPZTの格子定数の整合性がよいので、膜14の結晶性が向上し、膜14に含まれるPZTの格子定数に対する、膜15に含まれるPZO等の格子定数の整合性がよいので、膜15の結晶性が向上したためと考えられる。
 好適には、回折パターンにおいて(00n)面(nは1以上の整数)の回折ピークが観測されたときに、角度2θを(00n)面(nは1以上の整数)の回折ピークが観測された角度に固定した状態で測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°である。即ち、ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、回折パターンにおける(001)面の回折ピークについて測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°である。
 これにより、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々の配向方向のばらつきを小さくすることができる。そのため、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々における分極軸の方向を更に揃えることができるので、圧電膜16の圧電特性を更に向上させることができる。
 好適には、圧電膜16は、圧電膜17と、圧電膜18と、を含む。圧電膜17は、膜15上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる複合酸化物を含む。圧電膜18は、圧電膜17上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる複合酸化物を含む。圧電膜17は、圧縮応力を有し、圧電膜18は、引っ張り応力を有する。
 圧電膜17が引っ張り応力を有し、圧電膜18が引っ張り応力を有する場合を考える。このような場合、膜構造体10は、基板11の上面11aを主面としたときに、下に凸の形状を有するように、反りやすい。そのため、例えば膜構造体10をフォトリソグラフィ技術を用いて加工する場合の形状精度が低下し、膜構造体10を加工して形成される圧電素子の特性が低下する。
 また、圧電膜17が圧縮応力を有し、圧電膜18が圧縮応力を有する場合を考える。このような場合、膜構造体10は、基板11の上面11aを主面としたときに、上に凸の形状を有するように、反りやすい。そのため、例えば膜構造体10をフォトリソグラフィ技術を用いて加工する場合の形状精度が低下し、膜構造体10を加工して形成される圧電素子の特性が低下する。
 一方、本実施の形態では、圧電膜17は、圧縮応力を有し、圧電膜18は、引っ張り応力を有する。これにより、圧電膜17及び圧電膜18のいずれも引っ張り応力を有する場合に比べて、膜構造体10が反る反り量を低減することができ、圧電膜17及び圧電膜18のいずれも圧縮応力を有する場合に比べて、膜構造体10が反る反り量を低減することができる。そのため、例えば膜構造体10をフォトリソグラフィ技術を用いて加工する場合の形状精度を向上させることができ、膜構造体10を加工して形成される圧電素子の特性を向上させることができる。
 なお、圧電膜17が圧縮応力を有し、圧電膜18が引っ張り応力を有することは、例えば膜構造体10から圧電膜18及び圧電膜17を順次除去する際に、圧電膜18の除去の前後で基板11が下に凸側から上に凸側に変形し、圧電膜17の除去の前後で基板11が上に凸側から下に凸側に変形することにより、確認することができる。
 好適には、圧電膜17は、下記一般式(化3)で表される複合酸化物を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
ここで、aは、0.1<a≦0.48を満たす。
 また、好適には、圧電膜18は、下記一般式(化4)で表される複合酸化物を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
ここで、bは、0.1<b≦0.48を満たす。
 セラミックスの粉末が上記一般式(化3)又は上記一般式(化4)で表される複合酸化物を含む場合には、菱面体晶の結晶構造を有する。一方、圧電膜17が上記一般式(化3)又は上記一般式(化4)で表される複合酸化物を含む場合には、主として基板11からの拘束力等により、正方晶の結晶構造を有しやすくなる。そのため、圧電膜17に含まれるチタン酸ジルコン酸鉛の分極軸を、略上面11aに垂直に配向させることができるので、圧電膜17の圧電特性を向上させることができる。また、圧電膜18に含まれるチタン酸ジルコン酸鉛の分極軸を、略上面11aに垂直に配向させることができるので、圧電膜18の圧電特性を向上させることができる。
 即ち、aが、0.1<a≦0.48を満たすか、又は、bが、0.1<b≦0.48を満たす場合、本来菱面体晶の結晶構造を有するべき圧電膜17又は18の結晶構造が、正方晶の結晶構造に変わる。これにより、圧電膜17又は18に含まれるチタン酸ジルコン酸鉛の圧電応答性が向上するものと考えられる。
 後述する図13を用いて説明するように、圧縮応力を有する圧電膜17を、例えばスパッタリング法により形成することができる。また、膜構造体の製造工程を説明する際に、図1を用いて説明するように、引っ張り応力を有する圧電膜18を、例えばゾルゲル法などの塗布法により形成することができる。
 図5は、実施の形態の膜構造体に含まれる2つの圧電膜の断面構造を模式的に示す図である。図5は、図1に示す実施の形態の膜構造体10に含まれる基板11を劈開することによって形成された断面、即ち破断面を、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)により観察した観察像のうち、圧電膜17及び圧電膜18を、模式的に示している。
 図6は、実施の形態の膜構造体に含まれる圧電膜の分極の電界依存性を模式的に示すグラフである。図6は、図2に示す実施の形態の膜構造体10に含まれる下部電極(導電膜13)と上部電極(導電膜19)との間の電界を変化させたときの圧電膜16の分極の変化を示す分極電界ヒステリシス曲線を模式的に示すグラフである。
 図5に示すように、圧電膜17をスパッタリング法により形成した場合、圧電膜17は、圧電膜17の下面から上面までそれぞれ一体的に形成された複数の結晶粒17aを含む。また、基板11の主面(図1の上面11a)内で互いに隣り合う2つの結晶粒17aの間には、空孔又は空隙が残りにくい。そのため、SEMで観察するための断面を、集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)法により加工して圧電膜17に形成する場合には、当該断面が単一の断面に見えやすくなり、結晶粒17aが観察されにくくなる。
 一方、圧電膜18を塗布法により形成した場合、圧電膜18は、圧電膜18の厚さ方向に互いに積層された層としての膜18aを複数含む。複数の層の各々としての膜18aは、1層の膜18aの下面から上面までそれぞれ一体的に形成された複数の結晶粒18bを含む。また、圧電膜18の厚さ方向で互いに隣り合う2つの膜18aの間には、空孔又は空隙が残ることがある。
 図5に示すように、好適には、複数の結晶粒の各々は、自発分極を有する。この自発分極は、圧電膜17の厚さ方向に平行な分極成分P1を含み、複数の結晶粒の各々が有する自発分極に含まれる分極成分P1は、互いに同じ方向を向いている。
 図5に示すように、本実施の形態では、圧電膜17に含まれる複数の結晶粒17aの各々が有する自発分極に含まれる分極成分P1は、互いに同じ方向を向いている。このような場合、図6に示すように、初期状態において、圧電膜17は、大きな自発分極を有する。そのため、電界が0の起点SPから電界を正側に増加させて再び0まで戻した後、電界を負側に減少させて再び0までの終点EPまで戻した場合の、圧電膜15の分極の電界依存性を示すヒステリシス曲線は、原点から離れた点を起点SPとした曲線を示す。したがって、本実施の形態の膜構造体10を圧電素子として使用する場合、使用前に、圧電膜17に分極処理を施す必要がない。
 なお、膜14及び15のいずれの厚さも、圧電膜16の厚さよりも薄い。このような場合、膜14及び15のいずれの厚さに比べても、圧電膜として機能する圧電膜16の厚さをより厚くすることができるので、膜構造体10の圧電素子としての特性を向上させることができる。
 図7は、実施の形態の膜構造体に含まれる配向膜がエピタキシャル成長した状態を説明する図である。なお、図7では、基板11、配向膜12、導電膜13、膜14及び15、並びに、圧電膜16の各層を、模式的に示している。なお、以下では、膜15がPZOである場合を例示して説明する。
 基板11に含まれるSiの格子定数、配向膜12に含まれるZrOの格子定数、導電膜13に含まれるPtの格子定数、膜14に含まれるPZTの格子定数、膜15に含まれるPZOの格子定数、圧電膜16に含まれるPZTの格子定数を、表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
 表1に示すように、Siの格子定数は、0.543nmであり、ZrOの格子定数は、0.511nmであり、Siの格子定数に対するZrOの格子定数の不整合は5.9%と小さいため、Siの格子定数に対するZrOの格子定数の整合性がよい。そのため、図7に示すように、ZrOを含む配向膜12を、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面よりなる主面上にエピタキシャル成長させることができる。従って、ZrOを含む配向膜12を、シリコン単結晶を含む基板11の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、配向膜12の結晶性を向上させることができる。
 また、表1に示すように、ZrOの格子定数は、0.511nmであり、Ptの格子定数は、0.392nmであるものの、Ptが平面内で45°回転すると、対角線の長さは、0.554nmとなり、ZrOの格子定数に対する当該対角線の長さの不整合は8.4%と小さいため、ZrOの格子定数に対するPtの格子定数の整合性がよい。そのため、図7に示すように、Ptを含む導電膜13を、ZrOを含む配向膜12の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、導電膜13の結晶性を向上させることができる。
 また、表1に示すように、Ptの格子定数は、0.392nmであり、PZTの格子定数は、0.411nmであり、Ptの格子定数に対するPZTの格子定数の不整合は4.8%と小さいため、Ptの格子定数に対するPZTの格子定数の整合性がよい。そのため、PZTを含む膜14を、Ptを含む導電膜13の(100)面上に、擬立方晶表示で(100)配向させることができ、膜14の結晶性を向上させることができる。
 また、表1に示すように、PZTの格子定数は、0.411nmであり、PZOの格子定数は、0.412nmであり、PZTの格子定数に対するPZOの格子定数の不整合は0.2%と小さいため、PZTの格子定数に対するPZOの格子定数の整合性がよい。そのため、PZOを含む膜15を、PZTを含む膜14の(100)面上に、擬立方晶表示で(100)配向させることができ、膜15の結晶性を向上させることができる。
 また、表1に示すように、PZOの格子定数は、0.412nmであり、PZTの格子定数は、0.411nmであり、PZOの格子定数に対するPZTの格子定数の不整合は0.2%と小さいため、PZOの格子定数に対するPZTの格子定数の整合性がよい。そのため、PZTを含む圧電膜16を、PZOを含む膜15の(100)面上に、正方晶の結晶構造で(001)配向させることができ、圧電膜16の結晶性を向上させることができる。
 好適には、図2に示すように、膜構造体が導電膜19を有する場合、導電膜13と導電膜19との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して測定された比誘電率が、300~400である。
 これにより、膜構造体10を、例えば圧電効果を用いたセンサとして用いる場合に、検出感度を向上させることができる。或いは、膜構造体10を、例えば逆圧電効果を用いた超音波振動子として用いる場合に、発振回路を容易に設計することができる。
 <膜構造体の製造方法>
 次に、本実施の形態の膜構造体の製造方法を説明する。図8~図13は、実施の形態の膜構造体の製造工程中の断面図である。
 まず、図8に示すように、基板11を用意する(ステップS1)。ステップS1では、シリコン(Si)単結晶よりなるシリコン基板である基板11を用意する。また、好適には、シリコン単結晶よりなる基板11は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)面よりなる主面としての上面11aを有する。また、基板11がシリコン基板である場合、基板11の上面11a上には、SiO膜などの酸化膜が形成されていてもよい。
 なお、基板11として、シリコン基板以外の各種の基板を用いることができ、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板、シリコン以外の各種の半導体単結晶よりなる基板、サファイアなど各種の酸化物単結晶よりなる基板、又は、表面にポリシリコン膜が形成されたガラス基板よりなる基板等を用いることができる。
 図8に示すように、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向とする。
 次に、図9に示すように、基板11上に、配向膜12を形成する(ステップS2)。以下では、ステップS2において、電子ビーム蒸着法を用いて配向膜12を形成する場合を例示して説明するが、例えばスパッタリング法など各種の方法を用いて形成することができる。
 ステップS2では、まず、基板11を一定の真空雰囲気中に配置した状態で、基板11を例えば700℃に加熱する。
 ステップS2では、次に、ジルコニウム(Zr)単結晶の蒸着材料を用いた電子ビーム蒸着法によりZrを蒸発させる。このとき、蒸発したZrが例えば700℃に加熱された基板11上で酸素と反応することにより、酸化ジルコニウム(ZrO)膜となって成膜される。そして、単層膜としてのZrO膜よりなる配向膜12が形成される。
 配向膜12は、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる主面としての上面11a上に、エピタキシャル成長する。配向膜12は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウム(ZrO)を含む。即ち、シリコン単結晶よりなる基板11の、(100)面よりなる上面11a上に、(100)配向した酸化ジルコニウム(ZrO)を含む単層膜よりなる配向膜12が、形成される。
 前述した図8を用いて説明したように、シリコン単結晶よりなる基板11の(100)面よりなる上面11a内で互いに直交する2つの方向を、X軸方向及びY軸方向とし、上面11aに垂直な方向をZ軸方向とする。このとき、ある膜がエピタキシャル成長するとは、その膜が、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向のいずれの方向にも配向することを意味する。
 配向膜12の膜厚は、2~100nmであることが好ましく、10~50nmであることがより好ましい。このような膜厚を有することにより、エピタキシャル成長し、単結晶に極めて近い配向膜12を形成することができる。
 次に、図10に示すように、導電膜13を形成する(ステップS3)。
 このステップS3では、まず、配向膜12上にエピタキシャル成長した、下部電極の一部としての導電膜13を形成する。導電膜13は、金属よりなる。金属よりなる導電膜13として、例えば白金(Pt)を含む導電膜が用いられる。
 導電膜13として、Ptを含む導電膜を形成する場合、配向膜12上に、450~600℃の温度で、スパッタリング法により、エピタキシャル成長した導電膜13を、下部電極の一部として形成する。Ptを含む導電膜13は、配向膜12上にエピタキシャル成長する。また、導電膜13に含まれるPtは、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向する。
 なお、金属よりなる導電膜13として、白金(Pt)を含む導電膜に代えて、例えばイリジウム(Ir)を含む導電膜を用いることもできる。
 このステップS3では、次に、導電膜13を450~600℃の温度で熱処理する。具体的には、導電膜13を450~600℃の温度でスパッタリング法により形成した後、引き続いて450~600℃の温度に10~30分間保持して熱処理することが好ましい。
 導電膜13を熱処理する温度が450℃未満の場合、温度が低すぎるため、導電膜13に含まれる白金の結晶性を向上させることができず、導電膜13上に膜14及び15を介して形成される圧電膜16の結晶性を向上させることができない。導電膜13を熱処理する温度が600℃を超える場合、温度が高すぎ、導電膜13に含まれる白金の結晶粒が成長するために、却って白金の結晶性を向上させることができず、導電膜13上に膜14及び15を介して形成される圧電膜16の結晶性を向上させることができない。一方、導電膜13を450~600℃の温度で熱処理する場合、導電膜13に含まれる白金の結晶性を向上させることができ、導電膜13上に膜14及び15を介して形成される圧電膜16の結晶性を向上させることができる。
 また、導電膜13を450~600℃の温度で熱処理する場合、10~30分間保持して熱処理することが好ましい。導電膜13を熱処理する時間が10分未満の場合、時間が短すぎ、導電膜13に含まれる白金の結晶性を向上させることができず、導電膜13上に膜14及び15を介して形成される圧電膜16の結晶性を向上させることができない。導電膜13を熱処理する時間が30分を超える場合、温度が高すぎ、導電膜13に含まれる白金の結晶粒が成長するために、却って白金の結晶性を向上させることができず、導電膜13上に膜14及び15を介して形成される圧電膜16の結晶性を向上させることができない。
 次に、図11に示すように、膜14を形成する(ステップS4)。このステップS4では、上記一般式(化1)で表される複合酸化物(PZT)を含む膜14を、導電膜13上に、例えばゾルゲル法などの塗布法により形成する。以下では、ゾルゲル法により膜14を形成する方法について説明する。
 ステップS4では、まず、導電膜13上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布することにより、上記一般式(化1)で表される複合酸化物(PZT)の前駆体を含む膜を形成する。なお、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布する工程を、複数回繰り返してもよく、これにより、互いに積層された複数の膜を含む膜を形成してもよい。
 ステップS4では、次に、膜を熱処理して前駆体を酸化して結晶化することにより、上記一般式(化1)で表される複合酸化物を含む膜14を形成する。
 次に、図12に示すように、膜15を形成する(ステップS5)。このステップS5では、上記一般式(化2)で表される複合酸化物(PZO)を含む膜15を、膜14上に、例えばゾルゲル法などの塗布法により形成する。以下では、ゾルゲル法により膜15を形成する方法について説明する。
 ステップS5では、まず、膜14上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布することにより、上記一般式(化2)で表される複合酸化物(PZT)の前駆体を含む膜を形成する。なお、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布する工程を、複数回繰り返してもよく、これにより、互いに積層された複数の膜を含む膜を形成する。
 ステップS5では、次に、膜を熱処理して前駆体を酸化して結晶化することにより、上記一般式(化2)で表される複合酸化物を含む膜15を形成する。
 ここで、x及びyは、上記式(数1)~式(数3)を満たす。このとき、膜14に含まれるPZTは、擬立方晶表示で(100)配向し、膜15に含まれるPZOは、擬立方晶表示で(100)配向する。そして、PZTを含む膜14は、導電膜13上にエピタキシャル成長し、PZOを含む膜15は、膜14上にエピタキシャル成長する。
 なお、好適には、xは、上記式(数1)に代え、下記式(数4)を満たしてもよい。
 ステップS4及びステップS5では、例えば、熱処理の際に溶液中の溶媒が蒸発することにより、又は、前駆体が酸化されて結晶化される際に膜が収縮することにより、膜14及び膜15は、引っ張り応力を有する。
 次に、図13に示すように、圧電膜17を形成する(ステップS6)。このステップS6は、上記一般式(化3)で表される複合酸化物(PZT)を含む圧電膜17を、膜15上に、スパッタリング法により形成する。上記一般式(化3)で、aは、0.1<a≦0.48を満たす。このような場合、圧電膜17に含まれるPZTは、本来菱面体結晶の結晶構造を有する組成ではあるものの、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向する。そして、PZTを含む圧電膜17は、膜15上にエピタキシャル成長する。
 例えば、圧電膜17をスパッタリング法により形成する際に、プラズマによって圧電膜17に含まれる複数の結晶粒17a(図5参照)の各々を分極させることができる。したがって、成膜された圧電膜17に含まれる複数の結晶粒17aの各々は、自発分極を有する。また、複数の結晶粒17aの各々が有する自発分極は、圧電膜17の厚さ方向に平行な分極成分を含む。そして、複数の結晶粒17aの各々が有する自発分極に含まれる分極成分は、互いに同じ方向を向いている。その結果、形成された圧電膜17は、分極処理をする前から、圧電膜17全体として、自発分極を有する。
 即ち、ステップS6では、圧電膜17をスパッタリング法により形成する際に、プラズマによって圧電膜17を分極させることができる。その結果、図6を用いて説明したように、本実施の形態の膜構造体10を圧電素子として使用する場合、使用前に、圧電膜17に分極処理を施す必要がない。
 また、ステップS6では、スパッタリング法により圧電膜17を形成する際に、例えば、圧電膜17内にスパッタ粒子及びアルゴン(Ar)ガスが入射されて圧電膜17が膨張することにより、圧電膜17は、圧縮応力を有する。
 次に、図1に示すように、圧電膜18を形成する(ステップS7)。このステップS7では、上記一般式(化4)で表される複合酸化物(PZT)を含む圧電膜18を、圧電膜17上に、例えばゾルゲル法などの塗布法により形成する。以下では、ゾルゲル法により膜15を形成する方法について説明する。
 ステップS7では、まず、圧電膜17上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布することにより、PZTの前駆体を含む膜を形成する。なお、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する溶液を塗布する工程を、複数回繰り返してもよく、これにより、互いに積層された複数の膜を含む膜を形成する。
 ステップS7では、次に、膜を熱処理して前駆体を酸化して結晶化することにより、PZTを含む圧電膜18を形成する。ここで、上記一般式(化4)において、bは、0.1<b≦0.48を満たす。このような場合、圧電膜18に含まれるPZTは、本来菱面体結晶の結晶構造を有する組成ではあるものの、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向する。そして、PZTを含む圧電膜18は、膜15上にエピタキシャル成長する。
 正方晶の結晶構造を有するPZTが(001)配向している場合、[001]方向に平行な分極方向と、圧電膜16の厚さ方向に平行な電界方向とが互いに平行になるので、圧電特性が向上する。即ち、正方晶の結晶構造を有するPZTでは、[001]方向に沿った電界が印加される場合に、大きな圧電定数d33及びd31が得られる。そのため、圧電膜16の圧電定数を、更に大きくすることができる。
 ステップS7では、例えば、熱処理の際に溶液中の溶媒が蒸発することにより、又は、前駆体が酸化されて結晶化される際に膜が収縮することにより、圧電膜18は、引っ張り応力を有する。
 このようにして、圧電膜17及び18を含む圧電膜16が形成され、図1に示す膜構造体10が形成される。即ち、ステップS6及びステップS7は、膜15上にチタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電膜16を形成する工程に含まれる。なお、前述したように、膜14及び15のいずれの厚さも、圧電膜16の厚さよりも薄い。
 次に、θ−2θ法を用いたX線回折測定により、圧電膜16の回折パターンを測定する(ステップS8)。
 好適には、ステップS8にて測定された回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であるか、又は、(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークも観測されない。
 このような場合、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率を、圧電膜16中における、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛の含有率に比べて極めて小さくすることができる。又は、圧電膜16中に、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したチタン酸ジルコン酸鉛が含まれないようにすることができる。そのため、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々における分極軸の方向を揃えることができるので、圧電膜16の圧電特性を向上させることができる。
 次に、ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、ステップS8にて測定された回折パターンにおける(00n)面(nは1以上の整数)の回折ピークについてのロッキングカーブを測定する(ステップS9)。
 好適には、ステップS9にて測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°である。
 このような場合、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々の配向方向のばらつきを小さくすることができる。そのため、圧電膜16に含まれる複数の結晶粒の各々における分極軸の方向を更に揃えることができるので、圧電膜16の圧電特性を更に向上させることができる。
 なお、圧電膜18を形成した後、圧電膜18上に、上部電極としての導電膜19(図2参照)を形成してもよい(ステップS10)。これにより、圧電膜18に厚さ方向に電界を印加することができる。
 また、導電膜19を形成した後、導電膜13と導電膜19との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して比誘電率を測定してもよい(ステップS11)。
 好適には、ステップS11にて測定された比誘電率が、300~400である。このような場合、膜構造体10を、例えば圧電効果を用いたセンサとして用いる場合に、検出感度を向上させることができる。或いは、膜構造体10を、例えば逆圧電効果を用いた超音波振動子として用いる場合に、発振回路を容易に設計することができる。
 <実施の形態の変形例>
 実施の形態では、図1に示したように、圧電膜17及び18を含む圧電膜16が形成されていた。しかし、圧電膜16は、圧電膜17のみを含むものであってもよい。このような例を、実施の形態の変形例として説明する。
 図14は、実施の形態の変形例の膜構造体の断面図である。
 図14に示すように、本変形例の膜構造体10は、基板11と、配向膜12と、導電膜13と、膜14と、膜15と、圧電膜16と、を有する。配向膜12は、基板11上に形成されている。導電膜13は、配向膜12上に形成されている。膜14は、導電膜13上に形成されている。膜15は、膜14上に形成されている。圧電膜16は、膜15上に形成されている。圧電膜16は、圧電膜17を含む。
 即ち、本変形例の膜構造体10は、圧電膜16が、圧電膜18(図1参照)を含まず、圧電膜17のみを含む点を除いて、実施の形態の膜構造体10と同様である。
 圧電膜16が、圧縮応力を有する圧電膜17を含むが、引っ張り応力を有する圧電膜18(図1参照)を含まない場合、圧電膜16が、圧縮応力を有する圧電膜17及び引っ張り応力を有する圧電膜18(図1参照)のいずれも含む場合に比べ、膜構造体10が反る反り量が増加する。しかし、例えば圧電膜16の厚さが薄い場合には、膜構造体10が反る反り量を低減させることができる。そのため、圧電膜16が圧電膜17のみを含む場合でも、例えば膜構造体10をフォトリソグラフィ技術を用いて加工する場合の形状精度を向上させることができ、膜構造体10を加工して形成される圧電素子の特性を向上させることができる。
 なお、本変形例の膜構造体10も、実施の形態の膜構造体10と同様に、導電膜19(図2参照)を有してもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
In addition, the drawings may be schematically represented with respect to the width, thickness, shape, and the like of each part as compared with the embodiments for the sake of clarity of explanation, but are merely examples, and the interpretation of the present invention is not limited thereto. It is not limited.
In addition, in the present specification and each drawing, elements similar to those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description may be omitted as appropriate.
Furthermore, in the drawings used in the embodiments, hatching (shading) added to distinguish structures may be omitted depending on the drawings.
(Embodiment)
<Membrane structure>
First, a film structure according to an embodiment which is an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of the film structure according to the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the film structure when the film structure of the embodiment has a conductive film as an upper electrode. FIG. 3 is a cross-sectional view of the film structure when the substrate and the alignment film are removed from the film structure shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the film structure 10 of the present embodiment includes a substrate 11, an alignment film 12, a conductive film 13, a film 14, a film 15, and a piezoelectric film 16. The alignment film 12 is formed on the substrate 11. The conductive film 13 is formed on the alignment film 12. The film 14 is formed on the conductive film 13. The film 15 is formed on the film 14. The piezoelectric film 16 is formed on the film 15.
As shown in FIG. 2, the film structure 10 of the present embodiment may have a conductive film 19. The conductive film 19 is formed on the piezoelectric film 16. At this time, the conductive film 13 is a conductive film as a lower electrode, and the conductive film 19 is a conductive film as an upper electrode. As shown in FIG. 3, the film structure 10 of the present embodiment does not have the substrate 11 (see FIG. 2) and the alignment film 12 (see FIG. 2), and the conductive film 13 as the lower electrode, It may have only the film 14, the film 15, the piezoelectric film 16, and the conductive film 19 as the upper electrode.
The substrate 11 is a silicon substrate made of silicon (Si) single crystal. The substrate 11 as a silicon substrate includes an upper surface 11a as a main surface made of a (100) plane. The alignment film 12 is formed on the upper surface 11a, has a cubic crystal structure, and includes (100) -oriented zirconium oxide. The conductive film 13 has a cubic crystal structure and contains (100) -oriented platinum. Thereby, when the piezoelectric film 16 includes a complex oxide having a perovskite structure, the piezoelectric film 16 can be (100) -oriented on the substrate 11.
Here, the alignment film 12 is (100) -oriented. The (100) plane of the alignment film 12 having a cubic crystal structure is mainly composed of the (100) plane of the substrate 11 which is a silicon substrate. It means that it is along the upper surface 11a as a surface, and preferably means that it is parallel to the upper surface 11a made of the (100) surface of the substrate 11 which is a silicon substrate. In addition, the (100) plane of the alignment film 12 is parallel to the upper surface 11 a made of the (100) plane of the substrate 11 only when the (100) plane of the alignment film 12 is completely parallel to the upper surface 11 a of the substrate 11. In addition, the case where the angle formed by the plane completely parallel to the upper surface 11a of the substrate 11 and the (100) plane of the alignment film 12 is 20 ° or less is included.
Alternatively, as the alignment film 12, an alignment film 12 made of a laminated film may be formed on the substrate 11 instead of the alignment film 12 made of a single layer film.
Preferably, the alignment film 12 is epitaxially grown on the substrate 11, and the conductive film 13 is epitaxially grown on the alignment film 12. Thereby, when the piezoelectric film 16 includes a complex oxide having a perovskite structure, the piezoelectric film 16 can be epitaxially grown on the conductive film 13.
Here, when two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a as the main surface of the substrate 11 are an X-axis direction and a Y-axis direction, and a direction perpendicular to the upper surface 11a is a Z-axis direction, a film is epitaxially grown. The term “has” means that the film is oriented in any of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
The film 14 includes a complex oxide that is represented by the following general formula (Formula 1) and is (100) -oriented in a pseudo-cubic crystal display.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
The film 15 includes a complex oxide that is represented by the following general formula (Formula 2) and is (100) -oriented in pseudo-cubic crystal display.
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
Here, x and y satisfy the following formula (Formula 1) to Formula (Formula 3).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
In such a case, the piezoelectric film 16 formed on the film 15 can have a tetragonal crystal structure. Then, the content ratio of the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure in the piezoelectric film 16 and the (110) orientation or the (101) orientation is set to a tetragonal crystal structure in the piezoelectric film 16. In addition, the content of lead (001) -oriented lead zirconate titanate can be made extremely small. Alternatively, the piezoelectric film 16 may be free from (110) -oriented or (101) -oriented lead zirconate titanate. Therefore, the polarization direction of each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be made uniform, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be improved.
Suitably, x may satisfy | fill the following formula (Formula 4) instead of the said formula (Formula 1).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
In the ceramic powder, when x satisfies the above formula (formula 4) instead of the above formula (formula 1), the ceramic powder tends to have a rhombohedral crystal structure. On the other hand, in the film 14, when x satisfies the above formula (formula 4) instead of the above formula (formula 1), the film 14 has a tetragonal crystal structure mainly due to a binding force from the substrate 11. It becomes easy to have. This ensures that the piezoelectric film 16 formed on the film 14 via the film 15 has a tetragonal crystal structure and (110) -oriented or (101) -oriented lead zirconate titanate. Can be excluded.
That is, when x satisfies the above formula (formula 4) instead of the formula (formula 1), the crystal structure of the film 14 that should originally have a rhombohedral crystal structure is changed to a tetragonal crystal structure. Thereby, the orientation direction of the piezoelectric film 16 formed on the film 14 via the film 15 can be controlled more reliably.
The thickness of the film 14 can be 10 to 50 nm. In such a range, the piezoelectric film 16 formed on the film 14 via the film 15 has a tetragonal crystal structure and is (110) -oriented or (101) -oriented zirconate titanate. It is possible to further ensure that lead is not contained.
In the following, Pb (Zr when y satisfies y = 0) 1-y Ti y ) O 3 That is, PbZrO 3 Is referred to as PZO, and Pb (Zr when y satisfies 0 <y ≦ 0.1 1-y Ti y ) O 3 May be referred to as PZT.
The complex oxide represented by the above general formula (Chemical Formula 1) or (Chemical Formula 2) and having a perovskite structure has a (100) orientation in a pseudo cubic crystal representation means the following case.
First, it includes a unit cell arranged three-dimensionally and has the general formula ABO 3 In the crystal lattice having a perovskite structure represented by the following, a case where the unit cell includes one atom A, one atom B, and three oxygen atoms is considered.
In such a case, the (100) orientation in pseudo-cubic crystal display means that the unit cell has a cubic crystal structure and is (100) oriented. At this time, the length of one side of the unit cell is expressed as a lattice constant a. c And one angle of the unit cell is defined as a lattice constant α c And α c = 90 °.
On the other hand, for example, a case where a composite oxide having a perovskite structure has a rhombohedral crystal structure is considered. And the lattice constant a which is the length of one side of the two lattice constants of the rhombohedral crystal r Is the pseudocubic lattice constant a c Is a lattice constant α which is one angle of the two lattice constants of the rhombohedral crystal. r Is the lattice constant α of the pseudo-cubic crystal c Is considered to be approximately equal to In the present specification, the numerical value V1 and the numerical value V2 are substantially equal means that the ratio of the difference between the numerical value V1 and the numerical value V2 to the average of the numerical value V1 and the numerical value V2 is about 5% or less. means.
At this time, the (100) orientation in the pseudo-cubic crystal display means the (100) orientation in the rhombohedral crystal display.
Alternatively, for example, consider a case where a complex oxide having a perovskite structure has a tetragonal crystal structure. And the first lattice constant a of the two lattice constants of tetragonal crystal t Is the pseudocubic lattice constant a c The second lattice constant c of the two tetragonal lattice constants t Is the pseudocubic lattice constant a c Is considered to be approximately equal to
At this time, the (100) orientation in pseudo-cubic crystal display means (100) or (001) crystal orientation in tetragonal crystal display.
Specifically, an example is considered in which a composite oxide composed of lead zirconate or lead titanate zirconate represented by the above general formula (Formula 1) has a rhombohedral crystal structure. And the lattice constant a which is the length of one side of the two lattice constants of the rhombohedral crystal r Is the pseudocubic lattice constant a c Is a lattice constant α which is one angle of the two lattice constants of the rhombohedral crystal. r Is the lattice constant α of the pseudo-cubic crystal c Is considered to be approximately equal to
At this time, the (100) orientation in the pseudo-cubic crystal display means the (100) orientation in the rhombohedral crystal display.
Alternatively, a case is considered in which a composite oxide composed of lead zirconate or lead zirconate titanate represented by the above general formula (Formula 1) has a tetragonal crystal structure. And the first lattice constant a of the two lattice constants of tetragonal crystal t Is the pseudocubic lattice constant a c The second lattice constant c of the two tetragonal lattice constants t Is the pseudocubic lattice constant a c Is considered to be approximately equal to
At this time, the (100) orientation in pseudo-cubic crystal display means (100) or (001) crystal orientation in tetragonal crystal display.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a pseudo-cubic unit cell and an orthorhombic unit cell when the composite oxide having a perovskite structure has an orthorhombic crystal structure.
As shown in FIG. 4, an example in which the complex oxide represented by the above general formula (Chemical Formula 1) or (Chemical Formula 2) and having a perovskite structure has an orthorhombic crystal structure is considered. And the first lattice constant a among the three lattice constants of orthorhombic crystal o1 Is the pseudocubic lattice constant a c And the second lattice constant b of the three orthorhombic lattice constants o1 Is the pseudocubic lattice constant a c Of 2 1/2 Approximately equal to twice, and the third lattice constant c of orthorhombic lattice constants o1 Is the lattice constant a c Of 2 1/2 Consider an example that is approximately equal to twice.
At this time, the (100) orientation in the pseudo cubic display means the (011) or (100) orientation in the orthorhombic display.
Alternatively, as an example different from the example shown in FIG. 4 (illustration is omitted), a complex oxide represented by the general formula (Chemical Formula 1) or (Chemical Formula 2) and having a perovskite structure is another orthorhombic crystal. Consider an example having the following crystal structure: And the first lattice constant a of the three lattice constants of the orthorhombic crystal o2 Is the pseudocubic lattice constant a c Of 2 1/2 Approximately equal to twice, the second lattice constant b of the three orthorhombic lattice constants o2 Is the pseudocubic lattice constant a c Of 2 3/2 Approximately equal to twice, and the third lattice constant c of the orthorhombic lattice constant o2 Is the pseudocubic lattice constant a c Consider an example that is approximately equal to twice.
At this time, the (100) orientation in the pseudo cubic display means the (120) or (002) orientation in the orthorhombic display.
The piezoelectric film 16 is formed on the film 15, has a tetragonal crystal structure, and contains (001) -oriented lead zirconate titanate. The piezoelectric film 16 may not be (001) oriented when it has a tetragonal crystal structure. Alternatively, the piezoelectric film 16 may not have a tetragonal crystal structure.
In this embodiment, in the diffraction pattern of the piezoelectric film 16 measured by X-ray diffraction measurement using the θ-2θ method, zirconate titanate with respect to the intensity of the diffraction peak of the (001) plane of lead zirconate titanate. The ratio of the intensity of diffraction peaks of (110) plane and (101) plane of lead is 4 × 10 -5 Or none of the diffraction peaks on the (110) plane and (101) plane are observed.
Accordingly, the content of the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure in the piezoelectric film 16 and the (110) orientation or the (101) orientation is changed to a tetragonal crystal in the piezoelectric film 16. Compared to the content of lead zirconate titanate having a structure and (001) orientation, it can be made extremely small. Alternatively, the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure and having (110) orientation or (101) orientation can be prevented from being included in the piezoelectric film 16. Therefore, the polarization direction of each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be made uniform, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be improved.
This is considered to be because, for example, the crystallinity of Pt contained in the conductive film 13 is improved by forming the conductive film 13 and then heat-treating the conductive film 13 as will be described later with reference to FIG. . Alternatively, as will be described with reference to FIG. 7 described later, for example, the lattice constant of PZT contained in the film 14 is well matched with the lattice constant of Pt contained in the conductive film 13, so that the crystallinity of the film 14 is improved. It is considered that the crystallinity of the film 15 is improved because the lattice constant of PZO or the like contained in the film 15 is good with respect to the lattice constant of PZT contained in the film 14.
Preferably, when a diffraction peak of the (00n) plane (n is an integer of 1 or more) is observed in the diffraction pattern, a diffraction peak of the (00n) plane (n is an integer of 1 or more) is observed at an angle 2θ. The full width at half maximum of the rocking curve measured in a fixed state at a fixed angle is 0.3 to 0.6 °. That is, the full width at half maximum of the rocking curve measured for the diffraction peak on the (001) plane in the diffraction pattern by X-ray diffraction measurement using the rocking curve method is 0.3 to 0.6 °.
Thereby, the dispersion | variation in the orientation direction of each of the several crystal grain contained in the piezoelectric film 16 can be made small. Therefore, the direction of the polarization axis in each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be further aligned, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be further improved.
Preferably, the piezoelectric film 16 includes a piezoelectric film 17 and a piezoelectric film 18. The piezoelectric film 17 includes a composite oxide made of lead zirconate titanate formed on the film 15. The piezoelectric film 18 includes a composite oxide made of lead zirconate titanate formed on the piezoelectric film 17. The piezoelectric film 17 has a compressive stress, and the piezoelectric film 18 has a tensile stress.
Consider the case where the piezoelectric film 17 has tensile stress and the piezoelectric film 18 has tensile stress. In such a case, when the upper surface 11a of the substrate 11 is the main surface, the film structure 10 is likely to warp so as to have a downwardly convex shape. Therefore, for example, the shape accuracy when the film structure 10 is processed using a photolithography technique is lowered, and the characteristics of the piezoelectric element formed by processing the film structure 10 are deteriorated.
Consider a case where the piezoelectric film 17 has a compressive stress and the piezoelectric film 18 has a compressive stress. In such a case, when the upper surface 11a of the substrate 11 is the main surface, the film structure 10 is likely to warp so as to have a convex shape upward. Therefore, for example, the shape accuracy when the film structure 10 is processed using a photolithography technique is lowered, and the characteristics of the piezoelectric element formed by processing the film structure 10 are deteriorated.
On the other hand, in the present embodiment, the piezoelectric film 17 has a compressive stress, and the piezoelectric film 18 has a tensile stress. Thereby, compared with the case where both the piezoelectric film 17 and the piezoelectric film 18 have tensile stress, the amount of warping of the film structure 10 can be reduced, and both the piezoelectric film 17 and the piezoelectric film 18 are compressed. Compared to the case where the film structure 10 has, the amount of warp of the film structure 10 can be reduced. Therefore, for example, the shape accuracy when the film structure 10 is processed using a photolithography technique can be improved, and the characteristics of the piezoelectric element formed by processing the film structure 10 can be improved.
The piezoelectric film 17 has a compressive stress and the piezoelectric film 18 has a tensile stress. For example, when the piezoelectric film 18 and the piezoelectric film 17 are sequentially removed from the film structure 10, before and after the removal of the piezoelectric film 18. Thus, it can be confirmed that the substrate 11 is deformed downward from the convex side to the convex side and the substrate 11 is deformed upward from the convex side to the convex side before and after the removal of the piezoelectric film 17.
Preferably, the piezoelectric film 17 includes a composite oxide represented by the following general formula (Formula 3).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
Here, a satisfies 0.1 <a ≦ 0.48.
Preferably, the piezoelectric film 18 includes a composite oxide represented by the following general formula (Formula 4).
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
Here, b satisfies 0.1 <b ≦ 0.48.
When the ceramic powder contains a composite oxide represented by the above general formula (Formula 3) or the above general formula (Formula 4), it has a rhombohedral crystal structure. On the other hand, when the piezoelectric film 17 includes the composite oxide represented by the general formula (Chemical Formula 3) or the general formula (Chemical Formula 4), a tetragonal crystal structure is mainly formed by a binding force from the substrate 11. It becomes easy to have. Therefore, the polarization axis of the lead zirconate titanate contained in the piezoelectric film 17 can be oriented substantially perpendicular to the upper surface 11a, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 17 can be improved. In addition, since the polarization axis of lead zirconate titanate contained in the piezoelectric film 18 can be oriented substantially perpendicular to the upper surface 11a, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 18 can be improved.
That is, when a satisfies 0.1 <a ≦ 0.48 or b satisfies 0.1 <b ≦ 0.48, the piezoelectric film 17 that should originally have a rhombohedral crystal structure or The 18 crystal structure changes to a tetragonal crystal structure. This is considered to improve the piezoelectric response of lead zirconate titanate contained in the piezoelectric film 17 or 18.
As will be described later with reference to FIG. 13, the piezoelectric film 17 having a compressive stress can be formed by, for example, a sputtering method. Further, when the manufacturing process of the film structure is described, the piezoelectric film 18 having tensile stress can be formed by a coating method such as a sol-gel method, as will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of two piezoelectric films included in the film structure according to the embodiment. FIG. 5 shows a cross section formed by cleaving the substrate 11 included in the film structure 10 of the embodiment shown in FIG. 1, that is, a fractured surface, was observed with a scanning electron microscope (SEM). Of the observed image, the piezoelectric film 17 and the piezoelectric film 18 are schematically shown.
FIG. 6 is a graph schematically showing the electric field dependence of the polarization of the piezoelectric film included in the film structure according to the embodiment. FIG. 6 shows the polarization of the piezoelectric film 16 when the electric field between the lower electrode (conductive film 13) and the upper electrode (conductive film 19) included in the film structure 10 of the embodiment shown in FIG. 2 is changed. It is a graph which shows typically the polarization electric field hysteresis curve which shows this change.
As shown in FIG. 5, when the piezoelectric film 17 is formed by a sputtering method, the piezoelectric film 17 includes a plurality of crystal grains 17 a that are integrally formed from the lower surface to the upper surface of the piezoelectric film 17. Further, voids or voids hardly remain between two crystal grains 17a adjacent to each other in the main surface of the substrate 11 (upper surface 11a in FIG. 1). Therefore, when a cross-section for observation with an SEM is formed on the piezoelectric film 17 by processing by a focused ion beam (FIB) method, the cross-section becomes easily visible as a single cross-section, and crystal grains 17a becomes difficult to observe.
On the other hand, when the piezoelectric film 18 is formed by a coating method, the piezoelectric film 18 includes a plurality of films 18 a as layers stacked on each other in the thickness direction of the piezoelectric film 18. The film 18a as each of the plurality of layers includes a plurality of crystal grains 18b integrally formed from the lower surface to the upper surface of the single-layer film 18a. In addition, holes or voids may remain between the two films 18 a adjacent to each other in the thickness direction of the piezoelectric film 18.
As shown in FIG. 5, each of the plurality of crystal grains preferably has spontaneous polarization. This spontaneous polarization includes a polarization component P1 parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 17, and the polarization components P1 included in the spontaneous polarization of each of the plurality of crystal grains are oriented in the same direction.
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the polarization components P1 included in the spontaneous polarization included in each of the plurality of crystal grains 17a included in the piezoelectric film 17 are directed in the same direction. In such a case, as shown in FIG. 6, in the initial state, the piezoelectric film 17 has a large spontaneous polarization. Therefore, after the electric field is increased from the starting point SP where the electric field is 0 to the positive side and returned to 0 again, the electric field is decreased to the negative side and returned to the end point EP until 0 again. The hysteresis curve indicating the electric field dependency is a curve having a starting point SP at a point away from the origin. Therefore, when the film structure 10 of the present embodiment is used as a piezoelectric element, it is not necessary to subject the piezoelectric film 17 to polarization treatment before use.
Note that the thickness of each of the films 14 and 15 is smaller than the thickness of the piezoelectric film 16. In such a case, the thickness of the piezoelectric film 16 functioning as a piezoelectric film can be made thicker than any of the thicknesses of the films 14 and 15, so that the characteristics of the film structure 10 as a piezoelectric element can be improved. Can be improved.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the alignment film included in the film structure according to the embodiment has been epitaxially grown. In FIG. 7, each layer of the substrate 11, the alignment film 12, the conductive film 13, the films 14 and 15, and the piezoelectric film 16 is schematically illustrated. Hereinafter, the case where the film 15 is PZO will be described as an example.
The lattice constant of Si contained in the substrate 11 and ZrO contained in the alignment film 12 2 Table 1 shows the lattice constant of Pt included in the conductive film 13, the lattice constant of PZT included in the film 14, the lattice constant of PZO included in the film 15, and the lattice constant of PZT included in the piezoelectric film 16. Show.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
As shown in Table 1, the lattice constant of Si is 0.543 nm, and ZrO 2 Has a lattice constant of 0.511 nm, and ZrO relative to the lattice constant of Si. 2 Since the mismatch of the lattice constant of Si is as small as 5.9%, ZrO with respect to the lattice constant of Si 2 The lattice constant consistency of is good. Therefore, as shown in FIG. 2 The alignment film 12 containing can be epitaxially grown on the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 containing a silicon single crystal. Therefore, ZrO 2 The alignment film 12 containing can be (100) oriented with a cubic crystal structure on the (100) plane of the substrate 11 containing silicon single crystal, and the crystallinity of the alignment film 12 can be improved.
As shown in Table 1, ZrO 2 Although the lattice constant of Pt is 0.511 nm and the lattice constant of Pt is 0.392 nm, when Pt rotates 45 ° in the plane, the length of the diagonal becomes 0.554 nm, and ZrO 2 The mismatch of the diagonal length with respect to the lattice constant of ZrO is as small as 8.4%. 2 The lattice constant of Pt matches the lattice constant of. Therefore, as shown in FIG. 7, the conductive film 13 containing Pt is made of ZrO. 2 On the (100) plane of the alignment film 12 containing, (100) orientation can be achieved with a cubic crystal structure, and the crystallinity of the conductive film 13 can be improved.
Further, as shown in Table 1, the lattice constant of Pt is 0.392 nm, the lattice constant of PZT is 0.411 nm, and the mismatch of the lattice constant of PZT with respect to the lattice constant of Pt is 4.8%. Therefore, the PZT lattice constant is consistent with the Pt lattice constant. Therefore, the film 14 containing PZT can be (100) oriented in a pseudo-cubic crystal display on the (100) plane of the conductive film 13 containing Pt, and the crystallinity of the film 14 can be improved.
Further, as shown in Table 1, the lattice constant of PZT is 0.411 nm, the lattice constant of PZO is 0.412 nm, and the mismatch of the lattice constant of PZO with respect to the lattice constant of PZT is 0.2%. Therefore, the consistency of the lattice constant of PZO with that of PZT is good. Therefore, the film 15 containing PZO can be (100) -oriented in a pseudo-cubic crystal display on the (100) plane of the film 14 containing PZT, and the crystallinity of the film 15 can be improved.
Further, as shown in Table 1, the lattice constant of PZO is 0.412 nm, the lattice constant of PZT is 0.411 nm, and the mismatch of the lattice constant of PZT with respect to the lattice constant of PZO is 0.2%. Therefore, the PZT lattice constant is consistent with the PZO lattice constant. Therefore, the piezoelectric film 16 containing PZT can be (001) oriented with a tetragonal crystal structure on the (100) plane of the film 15 containing PZO, and the crystallinity of the piezoelectric film 16 can be improved. .
Preferably, as shown in FIG. 2, when the film structure includes the conductive film 19, the relative dielectric constant measured by applying an AC voltage having a frequency of 1 kHz between the conductive film 13 and the conductive film 19. Is 300 to 400.
Thereby, when using the film | membrane structure 10 as a sensor using the piezoelectric effect, for example, detection sensitivity can be improved. Alternatively, when the film structure 10 is used as, for example, an ultrasonic vibrator using the inverse piezoelectric effect, the oscillation circuit can be easily designed.
<Method for producing membrane structure>
Next, a method for manufacturing the film structure of the present embodiment will be described. 8 to 13 are cross-sectional views during the manufacturing process of the film structure according to the embodiment.
First, as shown in FIG. 8, a substrate 11 is prepared (step S1). In step S1, a substrate 11 which is a silicon substrate made of silicon (Si) single crystal is prepared. Preferably, the substrate 11 made of silicon single crystal has a cubic crystal structure and has an upper surface 11a as a main surface made of a (100) plane. Further, when the substrate 11 is a silicon substrate, the upper surface 11a of the substrate 11 has SiO 2 2 An oxide film such as a film may be formed.
Note that various substrates other than a silicon substrate can be used as the substrate 11, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a substrate made of various semiconductor single crystals other than silicon, and various oxide single crystals such as sapphire. A substrate or a substrate made of a glass substrate with a polysilicon film formed on the surface thereof can be used.
As shown in FIG. 8, two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction, and a direction perpendicular to the upper surface 11a is defined as Z. Axial direction.
Next, as shown in FIG. 9, an alignment film 12 is formed on the substrate 11 (step S2). In the following, the case where the alignment film 12 is formed using the electron beam evaporation method in step S2 will be described as an example. However, the alignment film 12 can be formed using various methods such as a sputtering method.
In step S2, the substrate 11 is first heated to, for example, 700 ° C. with the substrate 11 placed in a certain vacuum atmosphere.
Next, in step S2, Zr is evaporated by an electron beam vapor deposition method using a zirconium (Zr) single crystal vapor deposition material. At this time, the evaporated Zr reacts with oxygen on the substrate 11 heated to, for example, 700 ° C., whereby zirconium oxide (ZrO 2 ) To form a film. And ZrO as a single layer film 2 An alignment film 12 made of a film is formed.
The alignment film 12 is epitaxially grown on the upper surface 11a as the main surface made of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal. The alignment film 12 has a cubic crystal structure and (100) -oriented zirconium oxide (ZrO 2 )including. In other words, (100) -oriented zirconium oxide (ZrO) is formed on the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal. 2 An alignment film 12 made of a single layer film is formed.
As described with reference to FIG. 8 described above, two directions orthogonal to each other in the upper surface 11a of the (100) plane of the substrate 11 made of silicon single crystal are the X-axis direction and the Y-axis direction, and the upper surface 11a The vertical direction is taken as the Z-axis direction. At this time, that a certain film is epitaxially grown means that the film is oriented in any of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
The thickness of the alignment film 12 is preferably 2 to 100 nm, and more preferably 10 to 50 nm. By having such a film thickness, it is possible to form an alignment film 12 that is epitaxially grown and extremely close to a single crystal.
Next, as shown in FIG. 10, a conductive film 13 is formed (step S3).
In this step S 3, first, a conductive film 13 is formed as a part of the lower electrode, which is epitaxially grown on the alignment film 12. The conductive film 13 is made of metal. For example, a conductive film containing platinum (Pt) is used as the conductive film 13 made of metal.
When a conductive film containing Pt is formed as the conductive film 13, the conductive film 13 epitaxially grown on the alignment film 12 at a temperature of 450 to 600 ° C. is formed as a part of the lower electrode. The conductive film 13 containing Pt is epitaxially grown on the alignment film 12. Pt contained in the conductive film 13 has a cubic crystal structure and is (100) -oriented.
For example, a conductive film containing iridium (Ir) can be used as the conductive film 13 made of metal instead of the conductive film containing platinum (Pt).
In this step S3, next, the conductive film 13 is heat-treated at a temperature of 450 to 600 ° C. Specifically, it is preferable that the conductive film 13 is formed by sputtering at a temperature of 450 to 600 ° C., and subsequently heat-treated while being held at a temperature of 450 to 600 ° C. for 10 to 30 minutes.
When the temperature at which the conductive film 13 is heat-treated is less than 450 ° C., the temperature is too low, so that the crystallinity of platinum contained in the conductive film 13 cannot be improved. The crystallinity of the formed piezoelectric film 16 cannot be improved. When the temperature at which the conductive film 13 is heat-treated exceeds 600 ° C., the temperature is too high, and platinum crystal grains contained in the conductive film 13 grow, so that the crystallinity of platinum cannot be improved. The crystallinity of the piezoelectric film 16 formed on the film 13 via the films 14 and 15 cannot be improved. On the other hand, when the conductive film 13 is heat-treated at a temperature of 450 to 600 ° C., the crystallinity of platinum contained in the conductive film 13 can be improved, and the piezoelectric film formed on the conductive film 13 via the films 14 and 15. The crystallinity of the film 16 can be improved.
Further, when the conductive film 13 is heat-treated at a temperature of 450 to 600 ° C., the heat treatment is preferably performed by holding for 10 to 30 minutes. When the time for heat-treating the conductive film 13 is less than 10 minutes, the time is too short to improve the crystallinity of platinum contained in the conductive film 13 and is formed on the conductive film 13 via the films 14 and 15. The crystallinity of the piezoelectric film 16 to be applied cannot be improved. When the time for heat-treating the conductive film 13 exceeds 30 minutes, the temperature is too high, and the crystal grains of platinum contained in the conductive film 13 grow, so that the crystallinity of platinum cannot be improved. The crystallinity of the piezoelectric film 16 formed on the film 13 via the films 14 and 15 cannot be improved.
Next, as shown in FIG. 11, a film 14 is formed (step S4). In this step S4, the film 14 containing the composite oxide (PZT) represented by the general formula (Formula 1) is formed on the conductive film 13 by a coating method such as a sol-gel method. Hereinafter, a method for forming the film 14 by the sol-gel method will be described.
In step S4, first, a film containing a precursor of the composite oxide (PZT) represented by the above general formula (Chemical Formula 1) is applied on the conductive film 13 by applying a solution containing lead, zirconium and titanium. Form. Note that the step of applying the solution containing lead, zirconium, and titanium may be repeated a plurality of times, whereby a film including a plurality of films stacked on each other may be formed.
In step S4, next, the film is heat treated to oxidize and crystallize the precursor, thereby forming the film 14 containing the complex oxide represented by the above general formula (Formula 1).
Next, as shown in FIG. 12, a film 15 is formed (step S5). In this step S5, the film 15 containing the complex oxide (PZO) represented by the above general formula (Formula 2) is formed on the film 14 by a coating method such as a sol-gel method. Hereinafter, a method for forming the film 15 by the sol-gel method will be described.
In step S5, first, a film containing a precursor of the composite oxide (PZT) represented by the above general formula (Chemical Formula 2) is applied on the film 14 by applying a solution containing lead, zirconium and titanium. Form. Note that the step of applying the solution containing lead, zirconium, and titanium may be repeated a plurality of times, thereby forming a film including a plurality of films stacked on each other.
In step S5, next, the film is heat-treated to oxidize and crystallize the precursor, thereby forming the film 15 containing the complex oxide represented by the above general formula (Formula 2).
Here, x and y satisfy the above formula (Formula 1) to Formula (Formula 3). At this time, the PZT contained in the film 14 is (100) oriented in the pseudo-cubic crystal display, and the PZO contained in the film 15 is (100) oriented in the pseudo-cubic crystal display. The film 14 containing PZT is epitaxially grown on the conductive film 13, and the film 15 containing PZO is epitaxially grown on the film 14.
Preferably, x may satisfy the following equation (Equation 4) instead of the above equation (Equation 1).
In step S4 and step S5, for example, the film 14 and the film 15 are formed by the evaporation of the solvent in the solution during the heat treatment or the film contraction when the precursor is oxidized and crystallized. , Have tensile stress.
Next, as shown in FIG. 13, the piezoelectric film 17 is formed (step S6). In this step S6, the piezoelectric film 17 containing the composite oxide (PZT) represented by the above general formula (Formula 3) is formed on the film 15 by the sputtering method. In the above general formula (Formula 3), a satisfies 0.1 <a ≦ 0.48. In such a case, the PZT included in the piezoelectric film 17 has a tetragonal crystal structure and (001) orientation, although it has a composition having a rhombohedral crystal structure. The piezoelectric film 17 containing PZT is epitaxially grown on the film 15.
For example, when the piezoelectric film 17 is formed by sputtering, each of the plurality of crystal grains 17a (see FIG. 5) included in the piezoelectric film 17 can be polarized by plasma. Therefore, each of the plurality of crystal grains 17a included in the formed piezoelectric film 17 has spontaneous polarization. The spontaneous polarization of each of the plurality of crystal grains 17 a includes a polarization component parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 17. And the polarization component contained in the spontaneous polarization which each of the some crystal grain 17a has has faced the same direction mutually. As a result, the formed piezoelectric film 17 has spontaneous polarization as a whole of the piezoelectric film 17 before the polarization process is performed.
That is, in step S6, when the piezoelectric film 17 is formed by sputtering, the piezoelectric film 17 can be polarized by plasma. As a result, as described with reference to FIG. 6, when the film structure 10 of the present embodiment is used as a piezoelectric element, it is not necessary to subject the piezoelectric film 17 to polarization treatment before use.
In step S6, when the piezoelectric film 17 is formed by the sputtering method, for example, the sputtered particles and the argon (Ar) gas are incident on the piezoelectric film 17, and the piezoelectric film 17 expands. , Have compressive stress.
Next, as shown in FIG. 1, the piezoelectric film 18 is formed (step S7). In this step S7, the piezoelectric film 18 containing the composite oxide (PZT) represented by the above general formula (Formula 4) is formed on the piezoelectric film 17 by a coating method such as a sol-gel method. Hereinafter, a method for forming the film 15 by the sol-gel method will be described.
In step S7, first, a film containing PZT precursor is formed on the piezoelectric film 17 by applying a solution containing lead, zirconium and titanium. Note that the step of applying the solution containing lead, zirconium, and titanium may be repeated a plurality of times, thereby forming a film including a plurality of films stacked on each other.
In step S7, next, the film is heat-treated to oxidize and crystallize the precursor, thereby forming the piezoelectric film 18 containing PZT. Here, in the above general formula (Formula 4), b satisfies 0.1 <b ≦ 0.48. In such a case, the PZT contained in the piezoelectric film 18 has a tetragonal crystal structure and (001) orientation, although it has a composition having a rhombohedral crystal structure. The piezoelectric film 18 containing PZT is epitaxially grown on the film 15.
When PZT having a tetragonal crystal structure is (001) oriented, the polarization direction parallel to the [001] direction and the electric field direction parallel to the thickness direction of the piezoelectric film 16 are parallel to each other. Improved characteristics. That is, in PZT having a tetragonal crystal structure, large piezoelectric constants d33 and d31 are obtained when an electric field along the [001] direction is applied. Therefore, the piezoelectric constant of the piezoelectric film 16 can be further increased.
In step S7, the piezoelectric film 18 has a tensile stress, for example, when the solvent in the solution evaporates during the heat treatment or when the film contracts when the precursor is oxidized and crystallized. .
Thus, the piezoelectric film 16 including the piezoelectric films 17 and 18 is formed, and the film structure 10 shown in FIG. 1 is formed. That is, step S6 and step S7 are included in the process of forming the piezoelectric film 16 containing lead zirconate titanate on the film 15. As described above, the thickness of each of the films 14 and 15 is thinner than the thickness of the piezoelectric film 16.
Next, the diffraction pattern of the piezoelectric film 16 is measured by X-ray diffraction measurement using the θ-2θ method (step S8).
Preferably, in the diffraction pattern measured in step S8, any of the (110) plane and (101) plane of lead zirconate titanate with respect to the intensity of the diffraction peak of (001) plane of lead zirconate titanate The intensity ratio of diffraction peaks is also 4 × 10 -5 Or none of the diffraction peaks on the (110) plane and (101) plane are observed.
In such a case, the content of the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure in the piezoelectric film 16 and (110) orientation or (101) orientation is set to the tetragonal crystal in the piezoelectric film 16. Compared with the content of lead (001) -oriented lead zirconate titanate having a crystal structure of Alternatively, the lead zirconate titanate having a tetragonal crystal structure and having (110) orientation or (101) orientation can be prevented from being included in the piezoelectric film 16. Therefore, the direction of the polarization axis in each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be made uniform, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be improved.
Next, the rocking curve for the diffraction peak of the (00n) plane (n is an integer of 1 or more) in the diffraction pattern measured in step S8 is measured by X-ray diffraction measurement using the rocking curve method (step S9). ).
Preferably, the full width at half maximum of the rocking curve measured in step S9 is 0.3 to 0.6 °.
In such a case, the variation in the orientation direction of each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be reduced. Therefore, the direction of the polarization axis in each of the plurality of crystal grains included in the piezoelectric film 16 can be further aligned, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 16 can be further improved.
After forming the piezoelectric film 18, a conductive film 19 (see FIG. 2) as an upper electrode may be formed on the piezoelectric film 18 (step S10). Thereby, an electric field can be applied to the piezoelectric film 18 in the thickness direction.
Further, after forming the conductive film 19, an AC voltage having a frequency of 1 kHz may be applied between the conductive film 13 and the conductive film 19 to measure the relative dielectric constant (step S11).
Preferably, the relative dielectric constant measured in step S11 is 300 to 400. In such a case, when the film structure 10 is used as a sensor using a piezoelectric effect, for example, the detection sensitivity can be improved. Alternatively, when the film structure 10 is used as, for example, an ultrasonic vibrator using the inverse piezoelectric effect, the oscillation circuit can be easily designed.
<Modification of Embodiment>
In the embodiment, as shown in FIG. 1, the piezoelectric film 16 including the piezoelectric films 17 and 18 is formed. However, the piezoelectric film 16 may include only the piezoelectric film 17. Such an example will be described as a modification of the embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a film structure according to a modification of the embodiment.
As shown in FIG. 14, the film structure 10 of the present modification includes a substrate 11, an alignment film 12, a conductive film 13, a film 14, a film 15, and a piezoelectric film 16. The alignment film 12 is formed on the substrate 11. The conductive film 13 is formed on the alignment film 12. The film 14 is formed on the conductive film 13. The film 15 is formed on the film 14. The piezoelectric film 16 is formed on the film 15. The piezoelectric film 16 includes a piezoelectric film 17.
That is, the film structure 10 of the present modification is the same as the film structure 10 of the embodiment except that the piezoelectric film 16 does not include the piezoelectric film 18 (see FIG. 1) but includes only the piezoelectric film 17. It is.
When the piezoelectric film 16 includes the piezoelectric film 17 having compressive stress but does not include the piezoelectric film 18 having tensile stress (see FIG. 1), the piezoelectric film 16 has the piezoelectric film 17 having compressive stress and the tensile stress. Compared with the case where any of the piezoelectric films 18 (see FIG. 1) is included, the amount of warping of the film structure 10 is increased. However, for example, when the thickness of the piezoelectric film 16 is thin, the amount of warping of the film structure 10 can be reduced. Therefore, even when the piezoelectric film 16 includes only the piezoelectric film 17, for example, the shape accuracy when the film structure 10 is processed using a photolithography technique can be improved, and the film structure 10 is formed by processing. The characteristics of the piezoelectric element can be improved.
Note that the film structure 10 of the present modification may also include the conductive film 19 (see FIG. 2), similarly to the film structure 10 of the embodiment.
 以下、実施例に基づいて本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
 (実施例1~実施例7、比較例1~比較例5)
 以下では、実施の形態で図1を用いて説明した膜構造体10を、実施例1~実施例7の膜構造体として形成した。実施例1~実施例7の膜構造体は、導電膜13としての白金(Pt)膜形成後の熱処理温度及び熱処理時間を変更しながら形成したものである。一方、Pt膜形成後の熱処理温度及び熱処理時間を、実施例1~実施例7におけるPt膜形成後の熱処理温度及び熱処理時間と異なる熱処理温度及び熱処理時間に変更しながら形成した膜構造体を、比較例1~比較例5の膜構造体とした。
 まず、図8に示したように、基板11として、(100)面よりなる主面としての上面11aを有し、6インチのシリコン単結晶よりなるウェハを用意した。
 次に、図9に示したように、基板11上に、配向膜12として、酸化ジルコニウム(ZrO)膜を、電子ビーム蒸着法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 装置 : 電子ビーム蒸着装置
 圧力 : 7.00×10−3Pa
 蒸着源 : Zr+O
 加速電圧/エミッション電流 : 7.5kV/1.80mA
 厚さ : 24nm
 成膜速度 : 0.005nm/s
 酸素流量 : 7sccm
 基板温度 : 500℃
 次に、図10に示したように、配向膜12上に、導電膜13として、白金(Pt)膜を、スパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 装置 : DCスパッタリング装置
 圧力 : 1.20×10−1Pa
 蒸着源 : Pt
 電力 : 100W
 厚さ : 150nm
 成膜速度 : 0.14nm/s
 Ar流量 : 16sccm
 基板温度 : 450~600℃
 次に、Pt膜を熱処理した。この際の条件を、以下に示す。
 装置 : DCスパッタリング装置
 基板温度(熱処理温度) : 450~600℃
 熱処理時間 : 10~30分
 ここで、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々におけるPt膜形成後の熱処理温度及び熱処理時間を、表2に示す。なお、Pt膜形成後の熱処理を行わないものを、比較例1としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
 次に、図11に示したように、導電膜13上に、膜14として、Pb(Zr0.58Ti0.42)O膜(PZT膜)を、塗布法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 Pb、Zr、及びTiの有機金属化合物をPb:Zr:Ti=100+δ:58:42の組成比になるように混合し、エタノールと2−n−ブトキシエタノールの混合溶媒に、Pb(Zr0.58Ti0.42)Oとしての濃度が0.35mol/lになるように溶解させた原料溶液を調整した。ここでδは、後の熱処理プロセスにおいてPb酸化物が揮発することを加味した余剰Pb量であり、本実施例においてδ=20とした。そして、原料溶液には更に20gの重量の、K値(粘性特性値)が27~33のポリピロリドンを溶解させた。
 次に、調製した原料溶液のうち3mlの原料溶液を、6インチのウェハよりなる基板11上に滴下し、3000rpmで10秒間回転させ、基板11上に原料溶液を塗布することにより、前駆体を含む膜を形成した。そして、200℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置し、更に450℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置することにより、溶媒を蒸発させて膜を乾燥させた。その後、0.2MPaの酸素(O)雰囲気中、600~700℃で60秒間熱処理して前駆体を酸化して結晶化させることにより、20nmの膜厚を有する膜14としてのPZT膜を形成した。
 次に、図12に示したように、膜14上に、膜15として、PbZrO膜(PZO膜)を積層した積層膜を、塗布法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 Pb及びZrの有機金属化合物をPb:Zr=100+δ:100の組成比になるように混合し、エタノールと2−n−ブトキシエタノールの混合溶媒に、PbZrOとしての濃度が0.35mol/lになるように溶解させた原料溶液を調整した。δについては、δ=20とした。そして、原料溶液には更に20gの重量の、K値が27~33のポリピロリドンを溶解させた。
 次に、調製した原料溶液のうち3mlの原料溶液を、6インチのウェハよりなる基板11上に滴下し、3000rpmで10秒間回転させ、基板11上に原料溶液を塗布することにより、前駆体を含む膜を形成した。そして、200℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置し、更に450℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置することにより、溶媒を蒸発させて膜を乾燥させた。その後、0.2MPaの酸素(O)雰囲気中、650℃で60秒間熱処理して前駆体を酸化して結晶化させることにより、30nmの膜厚を有するPZO膜を形成した。
 実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5について、PZO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルを測定した。即ち、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5について、θ−2θ法によるX線回折測定を行った。X線回折測定は、株式会社リガク製全自動水平型多目的X線回折装置SmartLabを用いて行った。
 図15及び図16は、PZO膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。図15及び図16のグラフの横軸は、角度2θを示し、図15及び図16のグラフの縦軸は、X線の強度を示す。図15は、実施例3についての結果を示し、図16は、比較例1についての結果を示す。
 図15に示す例(実施例3)では、θ−2θスペクトルにおいて、擬立方晶表示でZrOの(200)面に相当するピーク、立方晶の結晶構造を有するPtの(200)面に相当するピーク、並びに、PZOの擬立方晶表示で(100)面及び(200)面に相当するピークが観測された。そのため、図15に示す例(実施例3)では、配向膜12が、擬立方晶表示で(100)配向したZrOを含み、導電膜13が、立方晶表示で(100)配向したPtを含み、膜15が、擬立方晶表示で(100)配向したPZOを含むことが分かった。
 図16に示す例(比較例1)でも、θ−2θスペクトルにおいて、擬立方晶表示でZrOの(200)面に相当するピーク、立方晶の結晶構造を有するPtの(200)面に相当するピーク、並びに、PZOの擬立方晶表示で(100)面及び(200)面に相当するピークが観測された。しかし、図16に示す例(比較例1)では、図15に示す例(実施例3)と異なり、PZOの擬立方晶表示で(101)面に相当するピークが観測された。そのため、図16に示す例(比較例1)では、配向膜12が、擬立方晶表示で(100)配向したZrOを含み、導電膜13が、立方晶表示で(100)配向したPtを含み、膜15が、擬立方晶表示で(100)配向したPZOを含むものの、膜15が、擬立方晶表示で(110)配向したPZOも含むことが分かった。
 即ち、図15に示す例(実施例3)では、膜15が、擬立方晶表示で(110)配向したPZOを含まないことが分かった。更に、図15に示す例(実施例3)では、導電膜13が、立方晶表示で(111)配向したPtを含まないことが分かった。
 次に、図13に示したように、膜15上に、圧電膜17として、例えば2μmの膜厚を有するPb(Zr0.55Ti0.45)O膜(PZT膜)を、スパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 装置 : RFマグネトロンスパッタリング装置
 パワー : 2500W
 ガス : Ar/O
 圧力 : 0.14Pa
 基板温度 : 475℃
 成膜速度 : 0.63nm/s
 次に、図1に示したように、圧電膜17上に、圧電膜18として、Pb(Zr0.55Ti0.45)O膜(PZT膜)を、塗布法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
 Pb、Zr及びTiの有機金属化合物をPb:Zr:Ti=100+δ:55:45の組成比になるように混合し、エタノールと2−n−ブトキシエタノールの混合溶媒に、Pb(Zr0.55Ti0.45)Oとしての濃度が0.35mol/lになるように溶解させた原料溶液を調整した。δについては、δ=20とした。そして、原料溶液には更に20gの重量の、K値が27~33のポリピロリドンを溶解させた。
 次に、調製した原料溶液のうち3mlの原料溶液を、6インチのウェハよりなる基板11上に滴下し、3000rpmで10秒間回転させ、基板11上に原料溶液を塗布することにより、前駆体を含む膜を形成した。そして、200℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置し、更に450℃の温度のホットプレート上に、基板11を30秒間載置することにより、溶媒を蒸発させて膜を乾燥させた。その後、0.2MPaの酸素(O)雰囲気中、600~700℃で60秒間熱処理して前駆体を酸化して結晶化させることにより、30nmの膜厚を有する圧電膜18を形成した。
 実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々について、圧電膜18としてのPZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルを測定した。即ち、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々について、θ−2θ法によるX線回折測定を行った。
 図17及び図18の各々は、PZT膜までが形成された膜構造体のXRD法によるθ−2θスペクトルの例を示すグラフである。図17及び図18の各々のグラフの横軸は、角度2θを示し、図17及び図18の各々のグラフの縦軸は、X線の強度を示す。図17は、実施例3についての結果を示し、図18は、比較例1についての結果を示す。
 図17に示す例(実施例3)では、θ−2θスペクトルにおいて、立方晶の結晶構造を有するPtの(200)面に相当するピーク、並びに、正方晶の結晶構造を有するPZTの(001)面及び(002)面に相当するピークが観測された。そのため、図17に示す例(実施例3)では、導電膜13が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したPtを含み、圧電膜16が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZTを含むことが分かった。
 図18に示す例(比較例1)でも、θ−2θスペクトルにおいて、立方晶の結晶構造を有するPtの(200)面に相当するピーク、並びに、正方晶の結晶構造を有するPZTの(001)面及び(002)面に相当するピークが観測された。しかし、図18に示す例(比較例1)では、図17に示す例(実施例3)と異なり、正方晶の結晶構造を有するPZTの(110)面又は(101)面に相当するピークが観測された。そのため、図18に示す例(比較例1)では、導電膜13が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したPtを含み、圧電膜16が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZTを含むものの、圧電膜16が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(110)配向又は(101)配向したPZTも含むことが分かった。
 即ち、図17に示す例(実施例3)では、圧電膜16が、正方晶表示で(110)配向したPZTを含まないことが分かった。
 θ−2θ法におけるPZT(110)/PZT(001)を測定した結果を、表2に示す。ここで、PZT(110)/PZT(001)は、正方晶の結晶構造を有するPZTの(001)面のピーク強度に対する、正方晶の結晶構造を有するPZTの(110)面又は(101)面のうち強い方のピーク強度の比を、意味する。なお、PZTの(110)面及び(101)面のいずれも観測されない場合には、PZT(110)面が観測される角度2θ(2θ≒31°)におけるバックグラウンドレベルを、PZTの(110)面又は(101)面のうち強い方のピーク強度と定義した。
 表2に示すように、例えばPZT(110)面及び(101)面のいずれも観測されず、結晶性が良好である実施例1~実施例7においては、PZT(110)/PZT(001)は、4×10−5以下であった。一方、例えばPZT(110)面又は(101)面が観測され、結晶性が良好ではない比較例1~比較例5においては、PZT(110)/PZT(001)は、1×10−4以上であった。
 実施例1~実施例5及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体に対して、広域逆格子マップ測定を行った。広域逆格子マップの測定は、株式会社リガク製全自動水平型多目的X線回折装置SmartLabにハイブリッド型多次元ピクセル検出器HyPix−3000を取り付けて行った。
 図19及び図20は、PZT膜までが形成された膜構造体の逆格子マップの測定結果である。図19は、実施例3についての結果を示し、図20は、比較例1についての結果を示す。図21は、PZTの逆格子マップのシミュレーション(計算)を行った結果である。図19及び図20を図21と比較することにより、圧電膜16がエピタキシャル成長、即ちX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向(図1参照)のいずれの方向にも配向しているか否かを評価することができる。
 逆格子マップの測定では、まず、θ−2θ法によるスキャン(θ−2θスキャン)と同様のω−2θ法によるスキャン(ω−2θスキャン)を行って、角度ω、角度2θ及びX線の強度の3つの数値よりなる第1数値群を複数個取得する。逆格子マップの測定では、次に、複数の第1数値群の各々に含まれる3つの数値のうち、角度ω及び角度2θの2つの数値を下記数式(数4)に代入して逆格子空間座標qを求め、角度ω及び角度2θの2つの数値を下記数式(数5)に代入して逆格子空間座標qを求める。そして、各第1数値群を、逆格子空間座標q、逆格子空間座標q及びX線の強度の3つの数値よりなる第2数値群に変換する。逆格子マップの測定では、次に、複数の第2数値群の各々に含まれる3つの数値のうち、X線の強度を、逆格子空間座標qを横軸の座標とし、逆格子空間座標qを縦軸の座標とした平面上で、等高線表示する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 具体的には、角度2θを10~120°の範囲で変化させ、角度ωを10~90°の範囲で変化させてω−2θスキャンを行った。なお、ω−2θスキャンは、角度2θ及び角度ωの回転面が、基板11のSiの(110)面に平行である。
 なお、株式会社リガク製全自動水平型多目的X線回折装置SmartLabを用いた広域逆格子マップの測定では、φ軸を面内回転軸としたときに0°及び45°の2つの角度φで測定している。また、前述したように、ω−2θスキャンにより得られた角度ω及び角度2θを上記数式(数4)及び(数5)に代入して逆格子空間座標q及び逆格子空間座標qを求めることにより逆格子マップを測定するのであるが、χ軸を煽り軸としたときに複数の角度χについて測定した逆格子マップを一面に重ねることにより、分極ドメインの異なる成分を測定することも可能である。
 図19に示す逆格子マップの測定結果(実施例3)を図21に示す逆格子マップの計算結果と比較すると、図19に示す逆格子マッピングの測定結果は、図21に示す逆格子マップの計算結果と一致している。そのため、実施例3のPZT膜は、良好な単結晶膜であることが分かる。
 一方、図20に示す逆格子マップの測定結果(比較例1)を図21に示す逆格子マップの計算結果と比較すると、図20に示す逆格子マップの測定結果も、図21に示す逆格子マップの計算結果と略一致しているものの、各点が、図19に示す逆格子マップの測定結果に比べて広がっている。そのため、比較例1のPZT膜は、実施例3のPZT膜に比べると結晶性が低いことが分かる。
 また、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体について、θ−2θ法を用いたX線回折測定により測定された回折パターンにおいて(001)面の回折ピークが観測されたときに、角度2θを(001)面の回折ピークが観測された角度に固定した状態でロッキングカーブを測定した。実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体について、このロッキングカーブの測定で測定されたロッキングカーブの半値全幅(Full Width at Half Maximum:FWHM)を、表2に示す。
 表2に示すように、例えばPZT(110)面及び(101)面のいずれも観測されず、結晶性が良好である実施例1~実施例7においては、PZT(100)のロッキングカーブにおける半値全幅は、0.3~0.6°であった。一方、例えばPZT(110)面又は(101)面が観測され、結晶性が良好ではない比較例1~比較例5においては、PZT(100)のロッキングカーブにおける半値全幅は、1.0~2.0°であった。
 なお、θ−2θ法によるX線回折測定により測定された回折パターンにおける(001)面、(002)面、(003)面及び(004)面の各々の回折ピークについてのロッキングカーブの半値全幅は、逆格子マップの(001)面、(002)面、(003)面及び(004)面の各々に対応した逆格子点の半値全幅と同義である。
 また、図19の逆格子マップの測定結果(実施例3)における各スポットの広がりが、図20の逆格子マップの測定結果(比較例1)における各スポットの広がりよりも小さい。これは、実施例1~実施例7の各々の膜構造体におけるPZT(001)のロッキングカーブにおける半値全幅が、比較例1~比較例5の各々の膜構造体におけるPZT(001)のロッキングカーブにおける半値全幅よりも小さいことと、整合している。
 即ち、実施例1~実施例7の各々の膜構造体におけるPZT(00n)(nは1以上の整数)のロッキングカーブにおける半値全幅は、比較例1~比較例5の各々の膜構造体におけるPZT(00n)(nは1以上の整数)のロッキングカーブにおける半値全幅よりも小さい。
 図19の逆格子マップにおけるPZTの(113)面(図21参照)の周辺領域において、正方晶の結晶構造を有するPZTの(113)面の逆格子点に相当するスポットが3つのスポットに分かれているが、これらの3つのスポットの各々の逆格子空間座標qが異なっている。そのため、圧電膜16のうち、これらの3つのスポットの各々で表された部分の間で、応力が緩和されていると考えられる。このようにPZTの(113)面の逆格子点が3つのスポットに分かれ、且つ、これらの3つのスポットの各々の逆格子空間座標qが異なっている現象は、実施例1~実施例7の各々の膜構造体において観察された。
 一方、図17のθ−2θスペクトルにおいて、正方晶の結晶構造を有するPZTの(001)面の高角側に、例えば正方晶の結晶構造を有するPZTの(100)面等と考えられるピークが観測されている。また、正方晶の結晶構造を有するPZTの(002)面の高角側に、例えば正方晶の結晶構造を有するPZTの(200)面等と考えられるピークが観測されている。従って、図19の逆格子マップから、圧電膜16のうち、これらの3つのスポットの各々で表された部分の間で、応力が緩和されていることが示唆されていることと合わせて考えると、例えば正方晶の結晶構造を有するPZTの(100)配向した部分が微量の含有率で存在し、当該部分が応力緩和層として機能しているものと考えられる。
 次に、図2に示したように、圧電膜16上に、導電膜19として、白金(Pt)膜を、スパッタリング法により形成した。その後、導電膜13と導電膜19との間に電圧を印加して分極の電圧依存性を測定した。
 図22及び図23の各々は、膜構造体の分極の電圧依存性を示すグラフである。図22及び図23の各々のグラフの横軸は、電圧を示し、図22及び図23の各々のグラフの縦軸は、分極を示す。図22は、実施例3についての結果を示し、図23は、比較例1についての結果を示す。なお、実施例3及び比較例1の各々の膜構造体に含まれる圧電膜16の厚さは互いに等しいため、図22及び図23の各々のグラフの横軸を電圧に代えて電界としたときも、同様に比較することが可能である。
 図22に示す実施例3の分極の電圧依存性によれば、比誘電率εr、残留分極値Pr及び抗電圧Vcは、以下の通りであった。
 εr=300
 Pr=50μC/cm
 Vc=23.2V@2.7μm
 また、図23に示す比較例1の分極の電圧依存性によれば、比誘電率εr、残留分極値Pr及び抗電圧Vcは、以下の通りであった。
 εr=500
 Pr=20μC/cm
 Vc=19.5V@2.7μm
 同様にして、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体について、この分極の電圧依存性の測定で測定された比誘電率εrを、表2に示す。なお、上記比誘電率εrは、導電膜13と導電膜19との間に、1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して測定された比誘電率である。
 表2に示すように、例えばPZT(110)面及び(101)面のいずれも観測されず、結晶性が良好である実施例1~実施例7においては、比誘電率εrは、300~400であった。一方、例えばPZT(110)面又は(101)面が観測され、結晶性が良好ではない比較例1~比較例5においては、比誘電率εrは、450~500であった。
 このように、実施例1~実施例7の各々の膜構造体では、圧電膜16の比誘電率が従来のPZT膜に比べて低くなっている。これにより、実施例1~実施例7の各々の膜構造体を、例えば圧電効果を用いたセンサとして用いる場合に、検出感度を向上させることができる。或いは、実施例1~実施例7の各々の膜構造体を、例えば逆圧電効果を用いた超音波振動子として用いる場合に、発振回路を容易に設計することができる。
 なお、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体に含まれる膜14については、xがx=0.42を満たすときのPb(Zr1−xTi)O膜即ちPb(Zr0.58Ti0.42)O膜に代え、xが0<x≦0.48を満たすときのPb(Zr1−xTi)O膜即ちPZT膜を形成した場合も、同様の結果が得られた。また、xが0.48<x<1を満たすときのPZT膜を形成した場合も、xが0<x≦0.48を満たすときのPZT膜に比べれば若干特性が下がる方向の差異はあるものの、略同様の結果が得られた。
 また、実施例1~実施例7及び比較例1~比較例5の各々の膜構造体に含まれる膜15については、yがy=0を満たすときのPb(Zr1−yTi)O膜即ちPZO膜に代え、yが0<y≦0.1を満たすときのPb(Zr1−yTi)O膜即ちPZT膜を形成した場合も、同様の結果が得られた。
 以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
 本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
 例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail based on examples. The present invention is not limited to the following examples.
(Example 1 to Example 7, Comparative Example 1 to Comparative Example 5)
In the following, the film structure 10 described with reference to FIG. 1 in the embodiment was formed as the film structures of Examples 1 to 7. The film structures of Examples 1 to 7 were formed while changing the heat treatment temperature and the heat treatment time after the platinum (Pt) film as the conductive film 13 was formed. On the other hand, a film structure formed while changing the heat treatment temperature and heat treatment time after the Pt film formation to a heat treatment temperature and heat treatment time different from the heat treatment temperature and heat treatment time after the Pt film formation in Example 1 to Example 7, The film structures of Comparative Examples 1 to 5 were obtained.
First, as shown in FIG. 8, a wafer having a top surface 11a as a main surface made of (100) plane and made of 6-inch silicon single crystal was prepared as a substrate 11.
Next, as shown in FIG. 9, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film was formed as an alignment film 12 on the substrate 11 by an electron beam evaporation method. The conditions at this time are shown below.
Apparatus: Electron beam vapor deposition apparatus Pressure: 7.00 × 10 −3 Pa
Vapor deposition source: Zr + O 2
Acceleration voltage / emission current: 7.5kV / 1.80mA
Thickness: 24nm
Deposition rate: 0.005 nm / s
Oxygen flow rate: 7 sccm
Substrate temperature: 500 ° C
Next, as shown in FIG. 10, a platinum (Pt) film was formed as the conductive film 13 on the alignment film 12 by a sputtering method. The conditions at this time are shown below.
Apparatus: DC sputtering apparatus Pressure: 1.20 × 10 −1 Pa
Deposition source: Pt
Power: 100W
Thickness: 150nm
Deposition rate: 0.14 nm / s
Ar flow rate: 16sccm
Substrate temperature: 450-600 ° C
Next, the Pt film was heat treated. The conditions at this time are shown below.
Equipment: DC sputtering equipment Substrate temperature (heat treatment temperature): 450-600 ° C
Heat treatment time: 10 to 30 minutes Here, Table 2 shows the heat treatment temperature and the heat treatment time after forming the Pt film in each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5. In addition, the thing which does not perform the heat processing after Pt film formation is set as the comparative example 1.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
Next, as shown in FIG. 11, a Pb (Zr 0.58 Ti 0.42 ) O 3 film (PZT film) was formed as a film 14 on the conductive film 13 by a coating method. The conditions at this time are shown below.
An organometallic compound of Pb, Zr, and Ti is mixed so as to have a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 100 + δ: 58: 42, and Pb (Zr 0. 0 is added to a mixed solvent of ethanol and 2-n-butoxyethanol . The raw material solution was prepared so that the concentration as 58 Ti 0.42 ) O 3 was 0.35 mol / l. Here, δ is the surplus Pb amount in consideration of the volatilization of the Pb oxide in the subsequent heat treatment process, and in this example, δ = 20. Further, 20 g of polypyrrolidone having a K value (viscosity characteristic value) of 27 to 33 was dissolved in the raw material solution.
Next, 3 ml of the prepared raw material solution is dropped onto the substrate 11 made of a 6-inch wafer, rotated at 3000 rpm for 10 seconds, and the precursor solution is applied onto the substrate 11 to thereby apply the precursor. A containing film was formed. Then, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 200 ° C. for 30 seconds, and further, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 450 ° C. for 30 seconds to evaporate the solvent and form a film. Dried. Thereafter, the precursor is oxidized and crystallized by heat treatment at 600 to 700 ° C. for 60 seconds in an oxygen (O 2 ) atmosphere of 0.2 MPa, thereby forming a PZT film having a film thickness of 20 nm. did.
Next, as shown in FIG. 12, a laminated film in which a PbZrO 3 film (PZO film) was laminated on the film 14 as a film 15 was formed by a coating method. The conditions at this time are shown below.
An organometallic compound of Pb and Zr is mixed so as to have a composition ratio of Pb: Zr = 100 + δ: 100, and the concentration of PbZrO 3 is 0.35 mol / l in a mixed solvent of ethanol and 2-n-butoxyethanol. The raw material solution dissolved was adjusted as follows. For δ, δ = 20. Further, 20 g of polypyrrolidone having a K value of 27 to 33 was dissolved in the raw material solution.
Next, 3 ml of the prepared raw material solution is dropped onto the substrate 11 made of a 6-inch wafer, rotated at 3000 rpm for 10 seconds, and the precursor solution is applied onto the substrate 11 to thereby apply the precursor. A containing film was formed. Then, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 200 ° C. for 30 seconds, and further, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 450 ° C. for 30 seconds to evaporate the solvent and form a film. Dried. Thereafter, the precursor was oxidized and crystallized by heat treatment at 650 ° C. for 60 seconds in an oxygen (O 2 ) atmosphere of 0.2 MPa, thereby forming a PZO film having a thickness of 30 nm.
For Example 1 to Example 7 and Comparative Example 1 to Comparative Example 5, the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which the layers up to the PZO film were formed was measured. That is, X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method was performed for Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5. X-ray diffraction measurement was performed using a fully automatic horizontal multipurpose X-ray diffractometer SmartLab manufactured by Rigaku Corporation.
FIGS. 15 and 16 are graphs showing examples of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which the layers up to the PZO film are formed. The horizontal axis of the graphs of FIGS. 15 and 16 indicates the angle 2θ, and the vertical axis of the graphs of FIGS. 15 and 16 indicates the intensity of X-rays. FIG. 15 shows the results for Example 3, and FIG. 16 shows the results for Comparative Example 1.
In the example shown in FIG. 15 (Example 3), in the θ-2θ spectrum, a peak corresponding to the (200) plane of ZrO 2 in pseudo-cubic crystal display, corresponding to the (200) plane of Pt having a cubic crystal structure. And peaks corresponding to the (100) plane and (200) plane were observed in a pseudo cubic representation of PZO. Therefore, in the example (Example 3) shown in FIG. 15, the alignment film 12 includes ZrO 2 that is (100) -oriented in pseudo-cubic display, and the conductive film 13 is Pt that is (100) -oriented in cubic display. In addition, the film 15 was found to contain (100) -oriented PZO in pseudocubic display.
Also in the example shown in FIG. 16 (Comparative Example 1), in the θ-2θ spectrum, the peak corresponding to the (200) plane of ZrO 2 in the pseudo-cubic crystal display and the (200) plane of Pt having a cubic crystal structure. And peaks corresponding to the (100) plane and (200) plane were observed in a pseudo cubic representation of PZO. However, in the example shown in FIG. 16 (Comparative Example 1), unlike the example shown in FIG. 15 (Example 3), a peak corresponding to the (101) plane was observed in the pseudo cubic display of PZO. Therefore, in the example shown in FIG. 16 (Comparative Example 1), the alignment film 12 contains ZrO 2 that is (100) -oriented in pseudo-cubic display, and the conductive film 13 is Pt that is (100) -oriented in cubic display. In addition, although the film 15 includes (100) -oriented PZO in the pseudo-cubic crystal display, the film 15 also includes (110) -oriented PZO in the pseudo-cubic crystal display.
That is, in the example shown in FIG. 15 (Example 3), it was found that the film 15 does not contain (110) -oriented PZO in pseudo cubic display. Further, in the example (Example 3) shown in FIG. 15, it was found that the conductive film 13 did not contain (111) -oriented Pt in the cubic display.
Next, as shown in FIG. 13, a Pb (Zr 0.55 Ti 0.45 ) O 3 film (PZT film) having a film thickness of, for example, 2 μm is sputtered on the film 15 as the piezoelectric film 17. Formed by. The conditions at this time are shown below.
Equipment: RF magnetron sputtering equipment Power: 2500W
Gas: Ar / O 2
Pressure: 0.14 Pa
Substrate temperature: 475 ° C
Deposition rate: 0.63 nm / s
Next, as shown in FIG. 1, a Pb (Zr 0.55 Ti 0.45 ) O 3 film (PZT film) was formed as a piezoelectric film 18 on the piezoelectric film 17 by a coating method. The conditions at this time are shown below.
An organometallic compound of Pb, Zr and Ti is mixed so as to have a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 100 + δ: 55: 45, and a mixed solvent of ethanol and 2-n-butoxyethanol is mixed with Pb (Zr 0.55 A raw material solution was prepared so that the concentration as Ti 0.45 ) O 3 was 0.35 mol / l. For δ, δ = 20. Further, 20 g of polypyrrolidone having a K value of 27 to 33 was dissolved in the raw material solution.
Next, 3 ml of the prepared raw material solution is dropped onto the substrate 11 made of a 6-inch wafer, rotated at 3000 rpm for 10 seconds, and the precursor solution is applied onto the substrate 11 to thereby apply the precursor. A containing film was formed. Then, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 200 ° C. for 30 seconds, and further, the substrate 11 is placed on a hot plate at a temperature of 450 ° C. for 30 seconds to evaporate the solvent and form a film. Dried. Thereafter, the precursor was oxidized and crystallized by heat treatment at 600 to 700 ° C. for 60 seconds in a 0.2 MPa oxygen (O 2 ) atmosphere to form a piezoelectric film 18 having a thickness of 30 nm.
For each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the θ-2θ spectrum was measured by the XRD method of the film structure in which the PZT film as the piezoelectric film 18 was formed. That is, X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method was performed for each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5.
Each of FIGS. 17 and 18 is a graph showing an example of the θ-2θ spectrum by the XRD method of the film structure in which the layers up to the PZT film are formed. The horizontal axis of each graph in FIGS. 17 and 18 indicates the angle 2θ, and the vertical axis in each graph in FIGS. 17 and 18 indicates the intensity of X-rays. FIG. 17 shows the results for Example 3, and FIG. 18 shows the results for Comparative Example 1.
In the example shown in FIG. 17 (Example 3), in the θ-2θ spectrum, a peak corresponding to the (200) plane of Pt having a cubic crystal structure, and (001) of PZT having a tetragonal crystal structure. A peak corresponding to the plane and the (002) plane was observed. Therefore, in the example shown in FIG. 17 (Example 3), the conductive film 13 has a cubic crystal structure and includes (100) -oriented Pt, and the piezoelectric film 16 has a tetragonal crystal structure. It was found to contain P001T with (001) orientation.
Also in the example shown in FIG. 18 (Comparative Example 1), in the θ-2θ spectrum, a peak corresponding to the (200) plane of Pt having a cubic crystal structure, and (001) of PZT having a tetragonal crystal structure. A peak corresponding to the plane and the (002) plane was observed. However, in the example shown in FIG. 18 (Comparative Example 1), unlike the example shown in FIG. 17 (Example 3), there is a peak corresponding to the (110) plane or (101) plane of PZT having a tetragonal crystal structure. Observed. Therefore, in the example shown in FIG. 18 (Comparative Example 1), the conductive film 13 has a cubic crystal structure and contains (100) -oriented Pt, and the piezoelectric film 16 has a tetragonal crystal structure. However, the piezoelectric film 16 has a tetragonal crystal structure and includes (110) -oriented or (101) -oriented PZT.
That is, in the example shown in FIG. 17 (Example 3), it was found that the piezoelectric film 16 does not contain (110) -oriented PZT in tetragonal display.
Table 2 shows the results of measuring PZT (110) / PZT (001) in the θ-2θ method. Here, PZT (110) / PZT (001) is the (110) plane or (101) plane of PZT having a tetragonal crystal structure with respect to the peak intensity of the (001) plane of PZT having a tetragonal crystal structure. Means the ratio of the stronger peak intensity. When neither the (110) plane nor the (101) plane of PZT is observed, the background level at the angle 2θ (2θ≈31 °) at which the PZT (110) plane is observed is set to (110) of PZT. It was defined as the stronger peak intensity of the plane or (101) plane.
As shown in Table 2, for example, none of the PZT (110) plane and the (101) plane is observed, and in Examples 1 to 7 where the crystallinity is good, PZT (110) / PZT (001) Was 4 × 10 −5 or less. On the other hand, for example, PZT (110) / PZT (001) is 1 × 10 −4 or more in Comparative Examples 1 to 5 where the PZT (110) plane or (101) plane is observed and the crystallinity is not good. Met.
A wide area reciprocal lattice map measurement was performed on each of the film structures of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5. The wide area reciprocal lattice map was measured by attaching a hybrid multidimensional pixel detector HyPix-3000 to a fully automatic horizontal multipurpose X-ray diffractometer SmartLab manufactured by Rigaku Corporation.
19 and 20 are measurement results of the reciprocal lattice map of the film structure in which the layers up to the PZT film are formed. FIG. 19 shows the results for Example 3, and FIG. 20 shows the results for Comparative Example 1. FIG. 21 shows the result of simulation (calculation) of the reciprocal lattice map of PZT. By comparing FIGS. 19 and 20 with FIG. 21, it is determined whether or not the piezoelectric film 16 is epitaxially grown, that is, oriented in any of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction (see FIG. 1). Can be evaluated.
In the measurement of the reciprocal lattice map, first, a scan by the ω-2θ method (ω-2θ scan) similar to the scan by the θ-2θ method (θ-2θ scan) is performed, and the intensity of the angle ω, the angle 2θ, and the X-ray intensity A plurality of first numerical value groups consisting of the three numerical values are acquired. In the measurement of the reciprocal lattice map, the reciprocal lattice space is obtained by substituting two numerical values of the angle ω and the angle 2θ among the three numerical values included in each of the plurality of first numerical value groups into the following equation (Equation 4). The coordinate q x is obtained, and two numerical values of the angle ω and the angle 2θ are substituted into the following equation (Equation 5) to obtain the reciprocal lattice space coordinate q z . Then, each first group of numerical values, and converts reciprocal space coordinate q x, the second numerical value group consisting of three numbers of the intensity of the reciprocal lattice space coordinates q z and X-ray. In the measurement of the reciprocal lattice map, among the three numerical values included in each of the plurality of second numerical groups, the X-ray intensity is represented by the reciprocal space coordinate q x as the horizontal coordinate and the reciprocal space coordinate. q z at the coordinates the plane of the longitudinal axis, to contour lines.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
Specifically, the ω-2θ scan was performed by changing the angle 2θ in the range of 10 to 120 ° and changing the angle ω in the range of 10 to 90 °. In the ω-2θ scan, the rotation surfaces of the angle 2θ and the angle ω are parallel to the Si (110) plane of the substrate 11.
In the measurement of a wide area reciprocal lattice map using a fully automatic horizontal multi-purpose X-ray diffractometer SmartLab manufactured by Rigaku Co., Ltd., measurement is performed at two angles φ of 0 ° and 45 ° when the φ axis is the in-plane rotation axis. is doing. Further, as described above, the angle ω and the angle 2θ obtained by the ω-2θ scan are substituted into the above equations (Equation 4) and (Equation 5), and the reciprocal space coordinate q x and the reciprocal space coordinate q z are obtained. The reciprocal lattice map is measured by the calculation, but it is also possible to measure different components of the polarization domain by superimposing the reciprocal lattice maps measured for multiple angles χ when the χ axis is the turning axis. It is.
When the measurement result of the reciprocal lattice map shown in FIG. 19 (Example 3) is compared with the calculation result of the reciprocal lattice map shown in FIG. 21, the measurement result of the reciprocal lattice mapping shown in FIG. It agrees with the calculation result. Therefore, it can be seen that the PZT film of Example 3 is a good single crystal film.
On the other hand, when the measurement result of the reciprocal lattice map shown in FIG. 20 (Comparative Example 1) is compared with the calculation result of the reciprocal lattice map shown in FIG. 21, the measurement result of the reciprocal lattice map shown in FIG. Although substantially coincident with the map calculation result, each point is wider than the measurement result of the reciprocal lattice map shown in FIG. Therefore, it can be seen that the PZT film of Comparative Example 1 has lower crystallinity than the PZT film of Example 3.
Further, with respect to each of the film structures of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the diffraction peak on the (001) plane in the diffraction pattern measured by X-ray diffraction measurement using the θ-2θ method. When the angle 2θ was observed, the rocking curve was measured with the angle 2θ fixed at the angle at which the diffraction peak of the (001) plane was observed. Table 2 shows the full width at half maximum (FWHM) of the rocking curve measured in this rocking curve measurement for each of the film structures of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5. Shown in
As shown in Table 2, for example, none of the PZT (110) plane and (101) plane is observed, and in Examples 1 to 7 where the crystallinity is good, the half value in the rocking curve of PZT (100) The total width was 0.3 to 0.6 °. On the other hand, for example, in Comparative Examples 1 to 5 where the PZT (110) plane or (101) plane is observed and the crystallinity is not good, the full width at half maximum in the rocking curve of PZT (100) is 1.0 to 2 0.0 °.
The full width at half maximum of the rocking curve for each diffraction peak of the (001) plane, (002) plane, (003) plane, and (004) plane in the diffraction pattern measured by X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method is This is synonymous with the full width at half maximum of the reciprocal lattice point corresponding to each of the (001) plane, (002) plane, (003) plane, and (004) plane of the reciprocal lattice map.
Further, the spread of each spot in the measurement result of the reciprocal lattice map in FIG. 19 (Example 3) is smaller than the spread of each spot in the measurement result of the reciprocal lattice map in FIG. 20 (Comparative Example 1). This is because the full width at half maximum of the rocking curve of PZT (001) in each of the film structures of Examples 1 to 7 corresponds to the rocking curve of PZT (001) in each of the film structures of Comparative Examples 1 to 5. This is consistent with being less than the full width at half maximum.
That is, the full width at half maximum in the rocking curve of PZT (00n) (n is an integer of 1 or more) in each of the film structures of Examples 1 to 7 is the same as that of each of the film structures of Comparative Examples 1 to 5. It is smaller than the full width at half maximum in the rocking curve of PZT (00n) (n is an integer of 1 or more).
In the peripheral region of the PZT (113) plane (see FIG. 21) in the reciprocal lattice map of FIG. 19, the spot corresponding to the reciprocal lattice point of the (113) plane of PZT having a tetragonal crystal structure is divided into three spots. However, the reciprocal space coordinates q x of each of these three spots are different. Therefore, it is considered that the stress is relaxed between the portions represented by each of these three spots in the piezoelectric film 16. The phenomenon in which the reciprocal lattice points on the (113) plane of PZT are divided into three spots and the reciprocal space coordinate q x of each of these three spots is different is described in Examples 1 to 7. Was observed in each of the membrane structures.
On the other hand, in the θ-2θ spectrum of FIG. 17, a peak that is considered to be, for example, the (100) plane of PZT having a tetragonal crystal structure is observed on the high angle side of the (001) plane of PZT having a tetragonal crystal structure. Has been. Further, a peak considered to be, for example, the (200) plane of PZT having a tetragonal crystal structure is observed on the high angle side of the (002) plane of PZT having a tetragonal crystal structure. Accordingly, considering that the reciprocal lattice map of FIG. 19 suggests that the stress is relaxed between the portions of the piezoelectric film 16 represented by each of these three spots. For example, it is considered that the (100) -oriented portion of PZT having a tetragonal crystal structure is present in a small amount, and the portion functions as a stress relaxation layer.
Next, as shown in FIG. 2, a platinum (Pt) film was formed as a conductive film 19 on the piezoelectric film 16 by a sputtering method. Thereafter, a voltage was applied between the conductive film 13 and the conductive film 19 to measure the voltage dependence of polarization.
Each of FIG. 22 and FIG. 23 is a graph showing the voltage dependence of the polarization of the membrane structure. The horizontal axis of each graph of FIG. 22 and FIG. 23 shows a voltage, and the vertical axis | shaft of each graph of FIG.22 and FIG.23 shows polarization. FIG. 22 shows the results for Example 3, and FIG. 23 shows the results for Comparative Example 1. Since the thicknesses of the piezoelectric films 16 included in the film structures of Example 3 and Comparative Example 1 are equal to each other, when the horizontal axis of each graph in FIGS. 22 and 23 is an electric field instead of a voltage, Can be compared in the same manner.
According to the voltage dependence of the polarization in Example 3 shown in FIG. 22, the relative dielectric constant εr, the remanent polarization value Pr, and the coercive voltage Vc were as follows.
εr = 300
Pr = 50 μC / cm 2
Vc=23.2V@2.7 μm
Further, according to the voltage dependence of the polarization of Comparative Example 1 shown in FIG. 23, the relative dielectric constant εr, the remanent polarization value Pr, and the coercive voltage Vc were as follows.
εr = 500
Pr = 20 μC / cm 2
Vc=19.5V@2.7 μm
Similarly, Table 2 shows the relative dielectric constant εr measured by measuring the voltage dependence of this polarization for each of the film structures of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5. The relative dielectric constant εr is a relative dielectric constant measured by applying an AC voltage having a frequency of 1 kHz between the conductive film 13 and the conductive film 19.
As shown in Table 2, for example, none of the PZT (110) plane and the (101) plane is observed, and in Examples 1 to 7 where the crystallinity is good, the relative dielectric constant εr is 300 to 400. Met. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 5 where, for example, PZT (110) plane or (101) plane is observed and the crystallinity is not good, the relative dielectric constant εr is 450 to 500.
As described above, in each of the film structures of Examples 1 to 7, the relative dielectric constant of the piezoelectric film 16 is lower than that of the conventional PZT film. Thereby, when each film structure of Example 1 to Example 7 is used as a sensor using the piezoelectric effect, for example, the detection sensitivity can be improved. Alternatively, when each of the film structures of Examples 1 to 7 is used as, for example, an ultrasonic vibrator using the inverse piezoelectric effect, the oscillation circuit can be easily designed.
For the film 14 included in each of the film structures of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, Pb (Zr 1-x Ti x when x satisfies x = 0.42) ) O 3 film, ie, Pb (Zr 0.58 Ti 0.42 ) O 3 film, Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 film, ie, PZT film, when x satisfies 0 <x ≦ 0.48 Similar results were obtained when forming. Also, even when a PZT film is formed when x satisfies 0.48 <x <1, there is a difference in the direction in which the characteristics slightly decrease compared to a PZT film when x satisfies 0 <x ≦ 0.48. However, almost the same results were obtained.
In addition, for the film 15 included in each of the film structures of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, Pb (Zr 1-y Ti y ) O when y satisfies y = 0. Similar results were obtained when a Pb (Zr 1-y Ti y ) O 3 film, that is, a PZT film when y satisfies 0 <y ≦ 0.1, was formed instead of the 3 film, that is, the PZO film.
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
In the scope of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention.
For example, those in which the person skilled in the art appropriately added, deleted, or changed the design of the above-described embodiments, or those in which the process was added, omitted, or changed the conditions are also included in the present invention. As long as the gist is provided, it is included in the scope of the present invention.
10 膜構造体
11 基板
11a 上面
12 配向膜
13 導電膜
14、15 膜
16、17 圧電膜
17a 結晶粒
18 圧電膜
18a 膜
18b 結晶粒
19 導電膜
EP 終点
P1 分極
SP 起点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Film structure 11 Substrate 11a Upper surface 12 Orientation film 13 Conductive film 14, 15 Film 16, 17 Piezoelectric film 17a Crystal grain 18 Piezoelectric film 18a Film 18b Crystal grain 19 Conductive film EP End point P1 Polarization SP Starting point

Claims (19)

  1.  (100)面よりなる主面を含むシリコン基板と、
     前記主面上に形成され、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1膜と、
     前記第1膜上に形成され、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む第1導電膜と、
     前記第1導電膜上に形成され、下記一般式(化1)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第1複合酸化物を含む第2膜と、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
     前記第2膜上に形成され、下記一般式(化2)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第2複合酸化物を含む第3膜と、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
     前記第3膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を含む第1圧電膜と、
     を有し、
     前記x及びyは、下記式(数1)~式(数3)を満たす、膜構造体。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    A silicon substrate including a main surface consisting of (100) planes;
    A first film formed on the main surface, having a cubic crystal structure and containing (100) oriented zirconium oxide;
    A first conductive film formed on the first film, having a cubic crystal structure and containing (100) -oriented platinum;
    A second film comprising a first composite oxide formed on the first conductive film, represented by the following general formula (Chemical Formula 1), and (100) oriented in a pseudo-cubic crystal representation:
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    A third film formed on the second film, represented by the following general formula (Chemical Formula 2), and including a second composite oxide having a pseudo cubic crystal representation (100) orientation;
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    A first piezoelectric film comprising lead zirconate titanate formed on the third film;
    Have
    The x and y are film structures satisfying the following formula (formula 1) to formula (formula 3).
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
  2.  請求項1に記載の膜構造体において、
     前記第2膜及び前記第3膜のいずれの厚さも、前記第1圧電膜の厚さよりも薄い、膜構造体。
    The membrane structure according to claim 1, wherein
    A film structure in which each of the second film and the third film is thinner than the first piezoelectric film.
  3.  請求項1又は2に記載の膜構造体において、
     前記第1圧電膜は、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む、膜構造体。
    The membrane structure according to claim 1 or 2,
    The first piezoelectric film has a tetragonal crystal structure and includes (001) -oriented lead zirconate titanate.
  4.  請求項3に記載の膜構造体において、
     θ−2θ法を用いたX線回折測定により測定された前記第1圧電膜の第1回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であるか、又は、前記(110)面及び前記(101)面のいずれの回折ピークも観測されない、膜構造体。
    The membrane structure according to claim 3,
    In the first diffraction pattern of the first piezoelectric film measured by the X-ray diffraction measurement using the θ-2θ method, lead zirconate titanate with respect to the diffraction peak intensity of the (001) plane of lead zirconate titanate The intensity ratio of any diffraction peak on the (110) plane and the (101) plane is 4 × 10 −5 or less, or any diffraction peak on the (110) plane and the (101) plane is observed. Not a membrane structure.
  5.  請求項4に記載の膜構造体において、
     ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、前記第1回折パターンにおける前記(001)面の回折ピークについて測定されたロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°である、膜構造体。
    The membrane structure according to claim 4,
    Film structure in which the full width at half maximum of the rocking curve measured for the diffraction peak of the (001) plane in the first diffraction pattern is 0.3 to 0.6 ° by X-ray diffraction measurement using the rocking curve method body.
  6.  請求項1乃至5のいずれか一項に記載の膜構造体において、
     前記第1圧電膜は、
     前記第3膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる第3複合酸化物を含む第2圧電膜と、
     前記第2圧電膜上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛よりなる第4複合酸化物を含む第3圧電膜と、
     を含み、
     前記第2圧電膜は、圧縮応力を有し、
     前記第3圧電膜は、引っ張り応力を有する、膜構造体。
    In the film structure according to any one of claims 1 to 5,
    The first piezoelectric film is
    A second piezoelectric film including a third composite oxide made of lead zirconate titanate formed on the third film;
    A third piezoelectric film including a fourth composite oxide made of lead zirconate titanate formed on the second piezoelectric film;
    Including
    The second piezoelectric film has a compressive stress,
    The third piezoelectric film is a film structure having a tensile stress.
  7.  請求項6に記載の膜構造体において、
     前記第2圧電膜は、下記一般式(化3)で表される前記第3複合酸化物を含み、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
     前記第3圧電膜は、下記一般式(化4)で表される前記第4複合酸化物を含み、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
     前記aは、0.1<a≦0.48を満たし、
     前記bは、0.1<b≦0.48を満たす、膜構造体。
    The membrane structure according to claim 6,
    The second piezoelectric film includes the third composite oxide represented by the following general formula (Formula 3):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
    The third piezoelectric film includes the fourth composite oxide represented by the following general formula (Formula 4):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
    A satisfies 0.1 <a ≦ 0.48,
    The b is a film structure satisfying 0.1 <b ≦ 0.48.
  8.  請求項1乃至7のいずれか一項に記載の膜構造体において、
     前記第1圧電膜上に形成された第2導電膜を有し、
     前記第1導電膜と前記第2導電膜との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して測定された比誘電率が、300~400である、膜構造体。
    The film structure according to any one of claims 1 to 7,
    A second conductive film formed on the first piezoelectric film;
    A film structure having a relative dielectric constant of 300 to 400 measured by applying an AC voltage having a frequency of 1 kHz between the first conductive film and the second conductive film.
  9.  (a)(100)面よりなる主面を含むシリコン基板を用意する工程、
     (b)前記主面上に、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウムを含む第1膜を形成する工程、
     (c)前記第1膜上に、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した白金を含む第1導電膜を形成する工程、
     (d)前記第1導電膜上に、下記一般式(化1)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第1複合酸化物を含む第2膜を形成する工程、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
     (e)前記第2膜上に、下記一般式(化2)で表され、且つ、擬立方晶表示で(100)配向した第2複合酸化物を含む第3膜を形成する工程、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
     (f)前記第3膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛を含む第1圧電膜を形成する工程、
     を有し、
     前記x及びyは、下記式(数1)~式(数3)を満たす、膜構造体の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
    (A) a step of preparing a silicon substrate including a main surface made of a (100) plane;
    (B) forming a first film having a cubic crystal structure and containing (100) oriented zirconium oxide on the main surface;
    (C) forming a first conductive film containing platinum having a cubic crystal structure and (100) orientation on the first film;
    (D) forming a second film containing the first composite oxide represented by the following general formula (Chemical Formula 1) and having a (100) orientation in a pseudo cubic display on the first conductive film;
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
    (E) forming on the second film a third film containing a second composite oxide represented by the following general formula (Chemical Formula 2) and having a (100) orientation in pseudo-cubic crystal representation;
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
    (F) forming a first piezoelectric film containing lead zirconate titanate on the third film;
    Have
    Said x and y are the manufacturing method of a film | membrane structure which satisfy | fills following formula (Formula 1)-Formula (Formula 3).
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
  10.  請求項9に記載の膜構造体の製造方法において、
     (g)前記(c)工程の後、前記(d)工程の前に、前記第1導電膜を450~600℃の温度で熱処理する工程、
     を有する、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 9,
    (G) a step of heat-treating the first conductive film at a temperature of 450 to 600 ° C. after the step (c) and before the step (d);
    A method for producing a membrane structure, comprising:
  11.  請求項9又は10に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記(d)工程は、
     (d1)前記第1導電膜上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第1溶液を塗布することにより、前記第1複合酸化物の第1前駆体を含む第4膜を形成する工程、
     (d2)前記第4膜を熱処理することにより、前記第2膜を形成する工程、
     を含み、
     前記(e)工程は、
     (e1)前記第2膜上に、鉛及びジルコニウム、又は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第2溶液を塗布することにより、前記第2複合酸化物の第2前駆体を含む第5膜を形成する工程、
     (e2)前記第5膜を熱処理することにより、前記第3膜を形成する工程、
     を含む、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 9 or 10,
    The step (d)
    (D1) forming a fourth film containing the first precursor of the first composite oxide by applying a first solution containing lead, zirconium and titanium on the first conductive film;
    (D2) forming the second film by heat-treating the fourth film;
    Including
    The step (e)
    (E1) A fifth film containing the second precursor of the second composite oxide is applied on the second film by applying a second solution containing lead and zirconium or lead, zirconium and titanium. Forming step,
    (E2) forming the third film by heat-treating the fifth film;
    A method for producing a membrane structure, comprising:
  12.  請求項9乃至11のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記第2膜及び前記第3膜のいずれの厚さも、前記第1圧電膜の厚さよりも薄い、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the film structure according to any one of claims 9 to 11,
    The method of manufacturing a film structure, wherein the thickness of each of the second film and the third film is thinner than the thickness of the first piezoelectric film.
  13.  請求項9乃至12のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記(f)工程では、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したチタン酸ジルコン酸鉛を含む前記第1圧電膜を形成する、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to any one of claims 9 to 12,
    In the step (f), the first piezoelectric film having a tetragonal crystal structure and containing (001) -oriented lead zirconate titanate is formed.
  14.  請求項13に記載の膜構造体の製造方法において、
     (h)θ−2θ法を用いたX線回折測定により、前記第1圧電膜の第1回折パターンを測定する工程、
     を有し、
     前記(h)工程にて測定された前記第1回折パターンにおいて、チタン酸ジルコン酸鉛の(001)面の回折ピークの強度に対する、チタン酸ジルコン酸鉛の(110)面及び(101)面のいずれの回折ピークの強度の比も、4×10−5以下であるか、又は、前記(110)面及び前記(101)面のいずれの回折ピークも観測されない、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 13,
    (H) a step of measuring a first diffraction pattern of the first piezoelectric film by X-ray diffraction measurement using a θ-2θ method;
    Have
    In the first diffraction pattern measured in the step (h), the (110) plane and (101) plane of lead zirconate titanate with respect to the intensity of the diffraction peak of the (001) plane of lead zirconate titanate. The ratio of the intensity of any diffraction peak is 4 × 10 −5 or less, or the diffraction peak of any of the (110) plane and the (101) plane is not observed.
  15.  請求項14に記載の膜構造体の製造方法において、
     (i)ロッキングカーブ法を用いたX線回折測定により、前記(h)工程にて測定された前記第1回折パターンにおける前記(001)面の回折ピークについてのロッキングカーブを測定する工程、
     を有し、
     前記(i)工程にて測定された前記ロッキングカーブの半値全幅が、0.3~0.6°である、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 14,
    (I) a step of measuring a rocking curve for a diffraction peak of the (001) plane in the first diffraction pattern measured in the step (h) by X-ray diffraction measurement using a rocking curve method;
    Have
    The method for producing a membrane structure, wherein the full width at half maximum of the rocking curve measured in the step (i) is 0.3 to 0.6 °.
  16.  請求項9乃至15のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記(f)工程は、
     (j)前記第3膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛よりなる第3複合酸化物を含む第2圧電膜を形成する工程、
     (k)前記第2圧電膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛よりなる第4複合酸化物を含む第3圧電膜を形成する工程、
     を含み、
     前記(j)工程では、圧縮応力を有する前記第2圧電膜を形成し、
     前記(k)工程では、引っ張り応力を有する前記第3圧電膜を形成する、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the film structure according to any one of claims 9 to 15,
    The step (f)
    (J) forming a second piezoelectric film containing a third composite oxide made of lead zirconate titanate on the third film;
    (K) forming a third piezoelectric film including a fourth composite oxide made of lead zirconate titanate on the second piezoelectric film;
    Including
    In the step (j), the second piezoelectric film having a compressive stress is formed,
    In the step (k), the third piezoelectric film having a tensile stress is formed.
  17.  請求項16に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記(j)工程では、下記一般式(化3)で表される前記第3複合酸化物を含む前記第2圧電膜を形成し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
     前記(k)工程では、下記一般式(化4)で表される前記第4複合酸化物を含む前記第3圧電膜を形成し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
     前記aは、0.1<a≦0.48を満たし、
     前記bは、0.1<b≦0.48を満たす、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 16,
    In the step (j), the second piezoelectric film containing the third composite oxide represented by the following general formula (Formula 3) is formed,
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
    In the step (k), the third piezoelectric film containing the fourth composite oxide represented by the following general formula (Formula 4) is formed.
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
    A satisfies 0.1 <a ≦ 0.48,
    Said b is a manufacturing method of a film structure satisfying 0.1 <b ≦ 0.48.
  18.  請求項16又は17に記載の膜構造体の製造方法において、
     前記(j)工程では、スパッタリング法により前記第2圧電膜を形成し、
     前記(k)工程は、
     (k1)前記第2圧電膜上に、鉛、ジルコニウム及びチタンを含有する第3溶液を塗布することにより、前記第4複合酸化物の第3前駆体を含む第6膜を形成する工程、
     (k2)前記第6膜を熱処理することにより、前記第3圧電膜を形成する工程、
     を含む、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to claim 16 or 17,
    In the step (j), the second piezoelectric film is formed by a sputtering method,
    The step (k)
    (K1) forming a sixth film containing a third precursor of the fourth composite oxide by applying a third solution containing lead, zirconium and titanium on the second piezoelectric film;
    (K2) forming the third piezoelectric film by heat-treating the sixth film;
    A method for producing a membrane structure, comprising:
  19.  請求項9乃至18のいずれか一項に記載の膜構造体の製造方法において、
     (l)前記第1圧電膜上に第2導電膜を形成する工程、
     (m)前記第1導電膜と前記第2導電膜との間に1kHzの周波数を有する交流電圧を印加して比誘電率を測定する工程、
     を有し、
     前記(m)工程にて測定された比誘電率が、300~400である、膜構造体の製造方法。
    In the manufacturing method of the membrane structure according to any one of claims 9 to 18,
    (L) forming a second conductive film on the first piezoelectric film;
    (M) measuring a relative dielectric constant by applying an alternating voltage having a frequency of 1 kHz between the first conductive film and the second conductive film;
    Have
    The method for producing a film structure, wherein the relative dielectric constant measured in the step (m) is 300 to 400.
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