WO2022210438A1 - Method for manufacturing piezoelectric element and method for manufacturing piezoelectric device - Google Patents

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Abstract

This method for manufacturing a piezoelectric element includes: an angle adjustment layer formation step for forming an angle adjustment layer containing an amorphous oxide on one main surface side of a flexible base material by sputtering an amorphous material containing Zn in a mixed-gas atmosphere that contains an inert gas and oxygen; and, a piezoelectric layer formation step for forming a piezoelectric layer on the angle adjustment layer using a roll-to-roll method. The angle adjustment layer formation step is such that the ratio of the flow rate of the oxygen to the total flow rate of the inert gas and the oxygen exceeds 1%.

Description

圧電素子の製造方法及び圧電デバイスの製造方法Piezoelectric element manufacturing method and piezoelectric device manufacturing method
 本発明は、圧電素子の製造方法及び圧電デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element and a method for manufacturing a piezoelectric device.
 圧電体層を備える圧電素子は、高い圧電性を有することから、例えば、圧力センサ、加速度センサ等のセンサ、高周波フィルタデバイス、圧電アクチュエータ等の圧電デバイスに広く利用されている。 A piezoelectric element having a piezoelectric layer has high piezoelectricity, so it is widely used in piezoelectric devices such as sensors such as pressure sensors and acceleration sensors, high-frequency filter devices, and piezoelectric actuators.
 圧電素子は、一般に、基材上に圧電体層を積層して構成される。圧電体層を基材上の導電膜に結晶成長させて形成する際、圧電体層の結晶をc軸方向に配向させ、高い結晶配向性を有することで、圧電体層は高い圧電特性を有する。このような高い圧電特性を有する圧電体層を備える圧電素子は、良好な圧電特性を有することができる。圧電体層を高配向化させて圧電素子を製造する方法が種々提案されている。 A piezoelectric element is generally constructed by laminating a piezoelectric layer on a base material. When the piezoelectric layer is formed by growing crystals on the conductive film on the substrate, the piezoelectric layer has high piezoelectric characteristics by orienting the crystals of the piezoelectric layer in the c-axis direction and having high crystal orientation. . A piezoelectric element having a piezoelectric layer having such high piezoelectric properties can have good piezoelectric properties. Various methods have been proposed for manufacturing a piezoelectric element by highly aligning a piezoelectric layer.
 圧電素子の製造する方法として、例えば、基材上に形成した非晶質の酸化物導電体の層からなる第1の電極の上に、ウルツ鉱型の結晶構造を有する圧電体層を形成し、圧電体層の上に、第2の電極を形成する圧電デバイスの製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method of manufacturing a piezoelectric element, for example, a piezoelectric layer having a wurtzite crystal structure is formed on a first electrode made of an amorphous oxide conductor layer formed on a substrate. , a method of manufacturing a piezoelectric device in which a second electrode is formed on a piezoelectric layer is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
日本国特開2020-57781号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-57781
 しかしながら、特許文献1の圧電デバイスの製造方法では、ロール・トゥ・ロール(R to R)方式で第1の電極をドラムロールで搬送しながら、第1の電極の上に圧電体層をスパッタリングして形成すると、ドラムロールの圧電体層がスパッタリングされる面は湾曲しているため、圧電体層に含まれる圧電材料の結晶軸が歪む、という問題があった。 However, in the method for manufacturing a piezoelectric device of Patent Document 1, the piezoelectric layer is sputtered on the first electrode while the first electrode is conveyed by drum rolls in a roll-to-roll (R to R) method. However, since the surface of the drum roll on which the piezoelectric layer is sputtered is curved, there is a problem that the crystal axis of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer is distorted.
 結晶軸が歪むと、圧電体層の結晶配向性が乱れ、圧電体層の高配向化が困難になるため、電体層を備える圧電素子の圧電特性を低下させる。圧電体層を備える圧電素子は、圧電体層の厚さ方向の振動(厚さ振動)を動作原理とするため、圧電体層が高い圧電特性を発揮するためには、圧電体層は結晶方位が同一方向を向いた高い結晶配向性を有することが重要である。 When the crystal axis is distorted, the crystal orientation of the piezoelectric layer is disturbed, making it difficult to increase the orientation of the piezoelectric layer. A piezoelectric element having a piezoelectric layer operates on the principle of vibration in the thickness direction of the piezoelectric layer (thickness vibration). It is important that they have a high degree of crystallographic orientation in the same direction.
 本発明の一態様は、RtoR方式を用いる場合でも、結晶配向性が高い圧電体層を製造することができる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element that can manufacture a piezoelectric layer with high crystal orientation even when the RtoR method is used.
 本発明に係る圧電素子の製造方法の一態様は、可撓性基材の一方の主面側に、不活性ガスと酸素を含む混合ガス雰囲気中でZnを含む非晶質材料をスパッタリングして、非晶質酸化物を含む角度調整層を形成する角度調整層形成工程と、前記角度調整層の上に、ロール・トゥ・ロール方式により、圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、を含み、前記角度調整層形成工程は、前記不活性ガスと前記酸素の総流量に対する前記酸素の流量の比が1%を超える。 In one aspect of the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, an amorphous material containing Zn is sputtered in a mixed gas atmosphere containing an inert gas and oxygen on one main surface of a flexible base material. an angle adjusting layer forming step of forming an angle adjusting layer containing an amorphous oxide; a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer on the angle adjusting layer by a roll-to-roll method; and in the angle adjustment layer forming step, the ratio of the flow rate of the oxygen to the total flow rate of the inert gas and the oxygen exceeds 1%.
 本発明に係る圧電素子の製造方法の一態様は、RtoR方式を用いる場合でも、結晶配向性が高い圧電薄膜を製造することができる。 One aspect of the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is that a piezoelectric thin film with high crystal orientation can be manufactured even when the RtoR method is used.
本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法により得られる圧電素子の構成を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a piezoelectric element obtained by a method for manufacturing a piezoelectric element according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施形態に係る感圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a method of manufacturing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention; 圧電体層に含まれる結晶歪みを説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining crystal strain contained in a piezoelectric layer; 角度調整層の形成時の酸素の流量の比と、圧電体層に含まれる圧電材料の結晶の(0002)面からの回折を測定したときに得られるロッキングカーブのピーク波形との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the flow rate ratio of oxygen during formation of the angle adjustment layer and the peak waveform of the rocking curve obtained when diffraction from the (0002) plane of the crystal of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer is measured. is. X線の圧電体層への入射方向を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the direction of incidence of X-rays on the piezoelectric layer; 圧電体層のMD方向におけるX線回折強度を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction intensity|strength in MD direction of a piezoelectric material layer. X線の圧電体層への入射方向を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the direction of incidence of X-rays on the piezoelectric layer; 圧電体層のTD方向におけるX線回折強度を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction intensity|strength in TD direction of a piezoelectric material layer. 圧電素子の他の構成の一例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of another configuration of the piezoelectric element; 圧電素子の他の構成の一例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of another configuration of the piezoelectric element;
 以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書において数値範囲を示す「~」は、別段の断わりがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, in order to facilitate understanding of the description, the same components are denoted by the same reference numerals in each drawing, and overlapping descriptions are omitted. Also, the scale of each member in the drawings may differ from the actual scale. Unless otherwise specified, "-" indicating a numerical range in this specification means that the numerical values before and after it are included as lower and upper limits.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法について説明する。本実施形態に係る圧電素子の製造方法について説明するに当たり、本実施形態に係る圧電素子の製造方法により得られる圧電素子について説明する。 A method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment will be described. Before describing the method for manufacturing the piezoelectric element according to this embodiment, the piezoelectric element obtained by the method for manufacturing the piezoelectric element according to this embodiment will be described.
[圧電素子]
 図1は、本実施形態に係る圧電素子の製造方法により得られる圧電素子の構成を示す概略断面図である。図1に示すように、圧電素子1Aは、可撓性基材11、第1の電極12、角度調整層13、圧電体層14及び第2の電極15を、可撓性基材11側からこの順に積層して備える。圧電素子1Aは、本実施形態に係る圧電素子の製造方法により、ロール・トゥ・ロール(R to R)方式を用いて形成され、結晶配向性が高い圧電体層を製造することができる。なお、結晶配向性の詳細については後述する。また、圧電素子1Aは、用途等に応じて、第2の電極15を備えなくてもよい。
[Piezoelectric element]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a piezoelectric element obtained by the method of manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment. As shown in FIG. 1, in the piezoelectric element 1A, the flexible base material 11, the first electrode 12, the angle adjustment layer 13, the piezoelectric layer 14, and the second electrode 15 are arranged from the flexible base material 11 side. It is prepared by laminating in this order. The piezoelectric element 1A is formed using a roll-to-roll (R to R) method by the piezoelectric element manufacturing method according to the present embodiment, and a piezoelectric layer with high crystal orientation can be manufactured. Details of the crystal orientation will be described later. Also, the piezoelectric element 1A may not have the second electrode 15 depending on the application.
 なお、本明細書では、圧電素子1Aの厚さ方向(垂直方向)をZ軸方向とし、厚さ方向と直交する横方向(水平方向)をX軸方向とする。Z軸方向の第2の電極15側を+Z軸方向とし、可撓性基材11側を-Z軸方向とする。以下の説明において、説明の便宜上、+Z軸方向を上又は上方といい、-Z軸方向を下又は下方と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。 In this specification, the thickness direction (vertical direction) of the piezoelectric element 1A is defined as the Z-axis direction, and the lateral direction (horizontal direction) orthogonal to the thickness direction is defined as the X-axis direction. The second electrode 15 side in the Z-axis direction is the +Z-axis direction, and the flexible substrate 11 side is the -Z-axis direction. In the following description, for convenience of explanation, the +Z-axis direction is referred to as upward or upward, and the −Z-axis direction is referred to as downward or downward, but this does not represent a universal vertical relationship.
 可撓性基材11は、第1の電極12が設置される基板である。可撓性基材11としては、任意の材料を用いることができ、プラスチック基材、シリコン(Si)基板、金属板、ガラス基材等を用いることができる。 The flexible base material 11 is a substrate on which the first electrode 12 is installed. Any material can be used as the flexible base material 11, and a plastic base material, a silicon (Si) substrate, a metal plate, a glass base material, or the like can be used.
 プラスチック基材を用いる場合、圧電体層14を備える圧電素子に屈曲性を与えることができる可撓性を有する材料を用いることが好ましい。 When a plastic base material is used, it is preferable to use a flexible material that can give flexibility to the piezoelectric element including the piezoelectric layer 14 .
 プラスチック基材を形成する材料として、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポチエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー、ポリイミド(PI)等を用いることができる。これらの材料の中でも、PET、PEN、PC、アクリル系樹脂及びシクロオレフィン系ポリマーは透明な材料であり、圧電体層14を備える圧電素子に用いる電極が透明電極である場合に適している。また、脈拍計、心拍計等のヘルスケア用品、車載圧力検知シート等のように、圧電体層14を備える圧電素子に光透過性が要求されない場合、プラスチック基材を形成する材料は、上記材料や、半透明又は不透明のプラスチック材料を用いてもよい。 As materials for forming the plastic base material, for example, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic resin, cycloolefin polymer, polyimide (PI), etc. can be used. Among these materials, PET, PEN, PC, acrylic resins, and cycloolefin polymers are transparent materials, and are suitable when the electrodes used in the piezoelectric element having the piezoelectric layer 14 are transparent electrodes. In the case where the piezoelectric element having the piezoelectric layer 14 is not required to have optical transparency, such as health care products such as a pulse meter and a heart rate monitor, and an in-vehicle pressure detection sheet, the material forming the plastic base material is the above-mentioned material. Alternatively, a translucent or opaque plastic material may be used.
 可撓性基材11の厚さは、特に限定されず、圧電素子1Aの用途、可撓性基材11の材料等に応じて適宜任意の厚さにできる。例えば、可撓性基材11がプラスチック基材の場合、可撓性基材11の厚さは、1μm~250μmとしてもよい。なお、可撓性基材11の厚さの測定方法は、特に限定されず、任意の測定方法を用いることができる。 The thickness of the flexible base material 11 is not particularly limited, and can be set to any desired thickness depending on the application of the piezoelectric element 1A, the material of the flexible base material 11, and the like. For example, when the flexible base material 11 is a plastic base material, the thickness of the flexible base material 11 may be 1 μm to 250 μm. A method for measuring the thickness of the flexible base material 11 is not particularly limited, and any measuring method can be used.
 なお、本明細書において、可撓性基材11の厚さとは、可撓性基材11の主面に垂直な方向の長さをいう。可撓性基材11の厚さは、例えば、可撓性基材11の断面において、任意の場所を測定した時の厚さとしてもよいし、任意の場所で数カ所測定し、これらの測定値の平均値としてもよい。以下、厚さの定義は、他の部材でも同様に定義する。 In this specification, the thickness of the flexible base material 11 refers to the length of the flexible base material 11 in the direction perpendicular to the main surface thereof. The thickness of the flexible base material 11 may be, for example, the thickness measured at an arbitrary location in the cross section of the flexible base material 11, or may be measured at several locations at arbitrary locations. may be the average value of Hereinafter, the definition of thickness is similarly defined for other members.
 第1の電極12は、可撓性基材11の上方の主面(上面)に設けられる。なお、可撓性基材11が金属板等の導電性を有する場合には、可撓性基材11が電極としての機能も発揮できるため、第1の電極12は設けなくてもよい。 The first electrode 12 is provided on the upper main surface (upper surface) of the flexible base material 11 . If the flexible base material 11 is conductive such as a metal plate, the flexible base material 11 can also function as an electrode, so the first electrode 12 need not be provided.
 第1の電極12は、導電性を有する任意の材料を用いることができる。光透過性が求められる場合には、前記材料としては、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)等の酸化物導電膜等を用いることができる。光透過性が必須でない場合は、Au、Pt、Ag、Ti、Al、Mo、Ru、Cu等の金属等を用いてもよい。 Any conductive material can be used for the first electrode 12 . When light transmittance is required, the materials include conductive oxide films such as ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), IZTO (Indium Zinc Tin Oxide), and IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide). etc. can be used. If light transmittance is not essential, metals such as Au, Pt, Ag, Ti, Al, Mo, Ru and Cu may be used.
 第1の電極12と圧電体層14の間の界面の凹凸や結晶粒界を抑制する観点からは、第1の電極12は非晶質の膜としてもよい。非晶質の膜とすることで、第1の電極12の表面の凹凸や、リークパスの要因となる結晶粒界の生成を抑制できる。また、上層の圧電体層14が第1の電極12の結晶配向の影響を受けずに、良好な結晶配向性で成長することができる。 The first electrode 12 may be an amorphous film from the viewpoint of suppressing unevenness and crystal grain boundaries at the interface between the first electrode 12 and the piezoelectric layer 14 . By using an amorphous film, it is possible to suppress unevenness on the surface of the first electrode 12 and generation of crystal grain boundaries that cause leakage paths. Also, the upper piezoelectric layer 14 can be grown with good crystal orientation without being affected by the crystal orientation of the first electrode 12 .
 第1の電極12は、可撓性基材11の一部又は全面に薄膜状に形成されてもよいし、ストライプ状に平行に複数設けられてもよい。 The first electrode 12 may be formed as a thin film on a part or the entire surface of the flexible base material 11, or may be provided in parallel in a stripe shape.
 第1の電極12の厚さは、適宜設計可能であり、例えば、3nm~100nmが好ましく、10nm~50nmがより好ましい。第1の電極12の厚さが上記の好ましい範囲内であれば、電極としての機能が発現できると共に、圧電素子1Aの薄膜化を図ることができる。 The thickness of the first electrode 12 can be appropriately designed, and is preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, for example. If the thickness of the first electrode 12 is within the above preferable range, the function as an electrode can be exhibited and the thickness of the piezoelectric element 1A can be reduced.
 角度調整層13は、第1の電極12の上方の主面(上面)に設けられている。なお、第1の電極12が設けられない場合には、角度調整層13は、可撓性基材11の上に設けてよい。角度調整層13は、積層方向に隣接する可撓性基材11又は第1の電極12と圧電体層14との間で結晶成長の整合性を調整して、圧電体層14をエピタキシャル成長に近い結晶成長をさせる機能を有する。そのため、第1の電極12の上方に形成される圧電体層14は、その厚さが、例えば数百nmでも良好なc軸配向性を有することができる。 The angle adjustment layer 13 is provided on the main surface (upper surface) above the first electrode 12 . In addition, when the first electrode 12 is not provided, the angle adjustment layer 13 may be provided on the flexible base material 11 . The angle adjustment layer 13 adjusts the consistency of crystal growth between the piezoelectric layer 14 and the flexible base material 11 or the first electrode 12 adjacent in the stacking direction, so that the piezoelectric layer 14 is nearly epitaxially grown. It has the function of causing crystal growth. Therefore, the piezoelectric layer 14 formed above the first electrode 12 can have good c-axis orientation even if its thickness is, for example, several hundred nm.
 また、角度調整層13は、表面平滑性に優れ、上方に位置する圧電体層14のc軸配向性を向上させる機能を有する。圧電体層14がZnO等のZnを含む非晶質酸化物を含むため、圧電体層14のc軸を垂直方向(積層方向)に配向させることができる。 In addition, the angle adjusting layer 13 has excellent surface smoothness and has a function of improving the c-axis orientation of the piezoelectric layer 14 located above. Since the piezoelectric layer 14 contains an amorphous oxide containing Zn such as ZnO, the c-axis of the piezoelectric layer 14 can be oriented in the vertical direction (stacking direction).
 角度調整層13は、その表面の平滑性を高める点から、非晶質(アモルファス)を含む。角度調整層13は、必ずしも100%非晶質である必要はなく、圧電体層14のc軸配向性を高めることができる範囲で、非晶質でない領域を有してもよい。角度調整層13の領域のうち、非晶質成分で形成されている領域の割合が、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上あれば、十分なc軸配向性の制御効果が得られる。 The angle adjusting layer 13 contains an amorphous material in order to improve the smoothness of its surface. The angle adjustment layer 13 does not necessarily have to be 100% amorphous, and may have a non-amorphous region as long as the c-axis orientation of the piezoelectric layer 14 can be enhanced. If the proportion of the region formed of the amorphous component in the region of the angle adjusting layer 13 is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, a sufficient c-axis orientation control effect can be obtained. .
 角度調整層13は、アモルファスとして、ZnSiAlOx、ZnSnOx等の、Znを含む非晶質酸化物を有する。なお、本実施形態では、非晶質酸化物は、Znを含むため、ZnO系非晶質酸化物ともいう。非晶質酸化物は、可撓性基材11又は第1の電極12と圧電体層14の濡れ性を向上させ、圧電体層14の結晶配向性を改善するものであれば特に限定されない。非晶質酸化物としては、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al23)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga23);Al23とSiOxが添加されたZnO(アルミニウム・ケイ素添加酸化亜鉛(以下、「SAZO」と称する));Al23、Ga23、SiOx、SiNの少なくとも1種が添加されたZnO;IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)等を用いることができる。 The angle adjustment layer 13 has an amorphous oxide containing Zn, such as ZnSiAlOx and ZnSnOx, as an amorphous material. In the present embodiment, the amorphous oxide contains Zn, so it is also called a ZnO-based amorphous oxide. The amorphous oxide is not particularly limited as long as it improves the wettability between the flexible base material 11 or the first electrode 12 and the piezoelectric layer 14 and improves the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 . Amorphous oxides include silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), aluminum oxide ( Al2O3 ) , gallium nitride (GaN), gallium oxide ( Ga2O3 ); ZnO added with Al2O3 and SiOx (aluminum - silicon-added zinc oxide (hereinafter referred to as "SAZO")); at least one of Al2O3 , Ga2O3 , SiOx, and SiN added ZnO; IZO (Indium Zinc Oxide), IZTO (Indium Zinc Tin Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) and the like can be used.
 角度調整層13は、上記材料を用いて、スパッタリング法(スパッタ法)、真空蒸着法、イオンプレーティング法、塗工法等により形成することができる。 The angle adjustment layer 13 can be formed using the above materials by a sputtering method (sputtering method), a vacuum deposition method, an ion plating method, a coating method, or the like.
 角度調整層13は、単層でもよいし、2層以上の積層としてもよい。 The angle adjusting layer 13 may be a single layer or a laminate of two or more layers.
 角度調整層13の厚さは、適宜設計可能であり、例えば、3nm~100nmが好ましく、10nm~50nmがより好ましく、15nm~30nmがさらに好ましい。角度調整層13の厚さが上記の好ましい範囲内であれば、圧電体層14のc軸配向性を高める機能を発現できると共に、圧電素子1Aの薄膜化を図ることができる。そのため、上方に位置する圧電体層14の結晶配向性を十分に良好とすることができると共に、圧電体層14の結晶性を向上させることができる。 The thickness of the angle adjustment layer 13 can be appropriately designed, and is preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, and even more preferably 15 nm to 30 nm, for example. If the thickness of the angle adjustment layer 13 is within the above preferred range, the function of increasing the c-axis orientation of the piezoelectric layer 14 can be exhibited, and the thickness of the piezoelectric element 1A can be reduced. Therefore, the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 positioned above can be sufficiently improved, and the crystallinity of the piezoelectric layer 14 can be improved.
 圧電体層14は、角度調整層13の上方の主面(上面)に設けられる。圧電体層14は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する圧電材料(ウルツ鉱型結晶材料)を主成分として含む。 The piezoelectric layer 14 is provided on the main surface (upper surface) above the angle adjustment layer 13 . The piezoelectric layer 14 contains, as a main component, a piezoelectric material having a wurtzite crystal structure (wurtzite crystal material).
 なお、主成分とは、ウルツ鉱型結晶材料の含有量が、95atm%以上であり、好ましくは98atm%以上であり、より好ましくは99atm%以上であることをいう。 The term "main component" means that the content of the wurtzite crystal material is 95 atm% or more, preferably 98 atm% or more, and more preferably 99 atm% or more.
 圧電体層14が有するウルツ鉱型の結晶構造は、一般式AB(Aは、陽性元素であり、Bは陰性元素である。)で表される。ウルツ鉱型結晶材料は、六方晶の単位格子を持ち、c軸と平行な方向に分極ベクトルを有する。 The wurtzite crystal structure of the piezoelectric layer 14 is represented by the general formula AB (A is a positive element and B is a negative element). A wurtzite crystal material has a hexagonal unit cell and a polarization vector in a direction parallel to the c-axis.
 ウルツ鉱型結晶材料としては、一定値以上の圧電特性を示し、200℃以下の低温プロセスで結晶化させることができる材料を用いることが好ましい。ウルツ鉱型結晶材料は、一般式ABで表わされる陽性元素Aとして、Zn、Al、Ga、Cd及びSiのうち少なくともZnを含む。ウルツ鉱型結晶材料としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、テルル化亜鉛(ZnTe)等を用いることができる。これらの中でも、ウルツ鉱型結晶材料としては、低温プロセスでも比較的良好にc軸配向し易い点から、ZnOが好ましい。これらは、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。ウルツ鉱型結晶材料を2種以上併用する場合、これらのうちの1種以上の成分を主成分として含み、その他の成分を任意成分として含んでもよい。 As the wurtzite crystal material, it is preferable to use a material that exhibits piezoelectric properties of a certain value or more and can be crystallized by a low-temperature process of 200°C or less. The wurtzite crystal material contains at least Zn among Zn, Al, Ga, Cd and Si as the positive element A represented by the general formula AB. As the wurtzite crystal material, for example, zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), and the like can be used. Among these, ZnO is preferable as the wurtzite crystal material because it is relatively easy to achieve c-axis orientation even in a low-temperature process. These may be used individually by 1 type, and may be used together 2 or more types. When two or more wurtzite crystal materials are used in combination, one or more of these components may be included as the main component, and other components may be included as optional components.
 陽性元素Aは、Znの他に、Al、Ga、Cd及びSiのうち少なくとも1種を含んでもよい。これらのウルツ鉱型結晶材料としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、炭化ケイ素(SiC)等を用いることができる。 The positive element A may contain at least one of Al, Ga, Cd and Si in addition to Zn. Examples of wurtzite crystal materials that can be used include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), cadmium selenide (CdSe), cadmium telluride (CdTe), and silicon carbide (SiC).
 ウルツ鉱型結晶材料は、ZnOを含み、ZnOから実質的になることが好ましく、ZnOのみからなることがより好ましい。「実質的に」とは、ZnO以外に、製造過程で不可避的に含まれ得る不可避不純物を含んでもよいことを意味する。 The wurtzite crystal material contains ZnO, preferably consists essentially of ZnO, and more preferably consists of ZnO only. “Substantially” means that, in addition to ZnO, unavoidable impurities that may be unavoidably included during the manufacturing process may be included.
 ウルツ鉱型結晶材料を2種以上併用する場合、それぞれの圧電体層を積層させてもよい。 When two or more types of wurtzite crystal materials are used in combination, each piezoelectric layer may be laminated.
 ウルツ鉱型結晶材料として、上記の、ZnO、ZnS、ZnSe及びZnTeの他に、Mg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属、又はバナジウム(V)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、シリカ(Si)、リチウム(Li)等の金属を所定の範囲の割合で含んでもよい。これらの成分は、元素の状態で含まれてもよいし、酸化物の状態で含まれてもよい。例えば、ウルツ鉱型結晶材料が、ZnO等の他に、Mgを含む場合、MgはMgOとして含むことができる。これらの成分は、ZnO等のZnサイトに入ることでZnOの結晶格子を歪ませることができるため、圧電特性を向上させることができる。 As the wurtzite crystal material, in addition to the above ZnO, ZnS, ZnSe and ZnTe, alkaline earth metals such as Mg, Ca and Sr, vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), silica Metals such as (Si) and lithium (Li) may be included in a predetermined range of proportions. These components may be contained in the form of elements or may be contained in the form of oxides. For example, if the wurtzite crystal material contains Mg in addition to ZnO or the like, the Mg can be contained as MgO. These components can distort the crystal lattice of ZnO by entering the Zn sites of ZnO and the like, so that the piezoelectric properties can be improved.
 圧電体層14の厚さは、特に限定されず、十分な圧電特性、即ち圧力に比例した分極特性を有すると共に、圧電体層14にクラック等が発生することを低減して、電極間のリークパスを抑制し、安定して圧電特性を発揮できる厚さであればよい。圧電体層14の厚さとしては、例えば、5μm以下であればよい。 The thickness of the piezoelectric layer 14 is not particularly limited, and it has sufficient piezoelectric characteristics, that is, polarization characteristics proportional to pressure, and reduces the occurrence of cracks or the like in the piezoelectric layer 14 to form a leak path between electrodes. Any thickness may be used as long as the thickness is such that the piezoelectric properties can be stably exhibited while suppressing the The thickness of the piezoelectric layer 14 may be, for example, 5 μm or less.
 圧電体層14の膜密度は、特に限定されず、適宜設計可能であり、圧電体層14の結晶配向性を高めると共に、膜応力の増大を抑えることができる範囲内であればよい。なお、膜密度の測定方法は、特に限定されず、例えば、X線反射率測定法(XRR)等を用いることができる。 The film density of the piezoelectric layer 14 is not particularly limited, and can be appropriately designed, as long as it is within a range in which the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 can be enhanced and an increase in film stress can be suppressed. The method for measuring the film density is not particularly limited, and for example, X-ray reflectometry (XRR) or the like can be used.
 圧電体層14の結晶配向性は、圧電体層14の表面をX線ロッキングカーブ(XRC:X-ray Rocking Curve)法で測定した時に得られる半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)で示される。即ち、圧電体層14の結晶配向性は、XRC法により、圧電体層14に主成分として含まれる圧電材料の結晶の(0002)面からの回折を測定したときに得られるロッキングカーブの、ピーク波形のFWHMで表わされる。圧電体層14に含まれる圧電材料がZnO等のウルツ鉱型結晶構造を有するため、FWHMは、圧電材料を構成する結晶同士のc軸方向の配列の平行の度合いを示す。そのため、XRC法により得られるロッキングカーブのピーク波形のFWHMは、圧電体層14のc軸配向性の指標にできる。よって、ロッキングカーブのFWHMが小さいほど、圧電体層14のc軸方向の結晶配向性が良いと評価できる。 The crystal orientation of the piezoelectric layer 14 is indicated by the full width at half maximum (FWHM) obtained when the surface of the piezoelectric layer 14 is measured by an X-ray rocking curve (XRC) method. be That is, the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 is obtained by measuring the diffraction from the (0002) plane of the crystal of the piezoelectric material contained as the main component in the piezoelectric layer 14 by the XRC method. It is represented by the FWHM of the waveform. Since the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer 14 has a wurtzite crystal structure such as ZnO, FWHM indicates the degree of parallelism in the c-axis direction arrangement of the crystals forming the piezoelectric material. Therefore, the FWHM of the peak waveform of the rocking curve obtained by the XRC method can be used as an index of the c-axis orientation of the piezoelectric layer 14 . Therefore, it can be evaluated that the smaller the FWHM of the rocking curve, the better the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 in the c-axis direction.
 また、圧電体層14の結晶配向性は、XRC法により、圧電体層14に圧電材料として含まれるZnOの結晶の(0002)面からの回折を測定して得られるロッキングカーブのFWHMの他に、ピーク強度も含めて評価できる。即ち、圧電体層14の結晶配向性は、ピーク強度の積分値をFWHMで割った値を評価値として用いて評価することもできる。この場合、ロッキングカーブのピーク強度が強く、FWHMが小さいほど、ZnOのc軸配向性が良いと評価できる。よって、ピーク強度の積分値をFWHMで割った評価値が大きいほど、圧電体層14の結晶配向性が良いと評価できる。 Further, the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 is determined by the XRC method, in addition to the FWHM of the rocking curve obtained by measuring the diffraction from the (0002) plane of the ZnO crystal contained as the piezoelectric material in the piezoelectric layer 14. , and the peak intensity can also be evaluated. That is, the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 can also be evaluated by using, as an evaluation value, a value obtained by dividing the integrated value of peak intensity by FWHM. In this case, the stronger the peak intensity of the rocking curve and the smaller the FWHM, the better the c-axis orientation of ZnO. Therefore, the larger the evaluation value obtained by dividing the integrated value of the peak intensity by the FWHM, the better the crystal orientation of the piezoelectric layer 14 can be evaluated.
 第2の電極15は、圧電体層14の上方の主面(上面)に設けることができる。第2の電極15は、導電性を有する任意の材料で形成することができ、第1の電極12と同様の材料を用いることができる。 The second electrode 15 can be provided on the main surface (upper surface) above the piezoelectric layer 14 . The second electrode 15 can be made of any conductive material, and the same material as the first electrode 12 can be used.
 第2の電極15は、第1の電極12と同様、第2の電極15の一部又は全面に薄膜状に形成されてもよいし、ストライプ状に平行に複数設けられてもよい。 As with the first electrode 12, the second electrode 15 may be formed in a thin film on part or the entire surface of the second electrode 15, or may be provided in parallel in a stripe shape.
[圧電素子の製造方法]
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法について説明する。図2は、本実施形態に係る感圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。図2に示すように、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、第1の電極の形成工程(ステップS11)、角度調整層形成工程(ステップS12)、圧電体層形成工程(ステップS13)及び第2の電極の形成工程(ステップS14)を含む。本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、これらの工程のうち少なくとも圧電体層形成工程(ステップS13)において、RtoRスパッタリング装置を用いてRtoR方式により圧電体層14を形成し、圧電素子1Aを製造する。
[Manufacturing method of piezoelectric element]
A method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment will be described. FIG. 2 is a flow chart showing the method of manufacturing the piezoelectric element according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment includes a first electrode forming step (step S11), an angle adjustment layer forming step (step S12), and a piezoelectric layer forming step (step S13). and a step of forming a second electrode (step S14). In the method of manufacturing the piezoelectric element according to the present embodiment, at least in the piezoelectric layer forming step (step S13) among these steps, the piezoelectric layer 14 is formed by the RtoR method using an RtoR sputtering apparatus, and the piezoelectric element 1A is formed. manufacture.
 RtoRスパッタリング装置を用いてRtoR方式により圧電体層14を形成する際、図3に示すように、一般に、RtoRスパッタリング装置の成膜ロール(ドラムロール)21は丸みを有する。そのため、ドラムロール21に巻かれた可撓性基材110の表面には、圧電材料を含むターゲット22から出射したスパッタ粒子221が可撓性基材110の表面に斜めに入射して圧電体層120を形成する領域がある。本願発明者は、スパッタ粒子221がドラムロール21に巻かれた可撓性基材110の表面に斜めに入射すると、圧電体層に含まれる圧電材料の結晶が斜めに成長して、圧電体層120が結晶歪みを有することに着目した。そこで、本願発明者は、RtoRスパッタリング装置を用いてRtoR方式により図1に示す圧電素子1Aを製造するに当たり、圧電体層14に含まれる圧電材料のc軸を垂直方向(積層方向)に配向させる方法について検討した。そして、本願発明者は、圧電体層14の下側に形成される層(角度調整層13)の形成時における酸素量を調整することで、圧電体層14に含まれる圧電材料の結晶の配向の向きを垂直方向とし、配向性を高めることができることを見出した。 When the piezoelectric layer 14 is formed by the RtoR method using an RtoR sputtering apparatus, as shown in FIG. 3, the film-forming roll (drum roll) 21 of the RtoR sputtering apparatus is generally rounded. Therefore, on the surface of the flexible base material 110 wound around the drum roll 21, the sputtered particles 221 emitted from the target 22 containing the piezoelectric material are obliquely incident on the surface of the flexible base material 110 to form the piezoelectric layer. There is an area forming 120 . The inventor of the present application believes that when the sputtered particles 221 obliquely impinge on the surface of the flexible base material 110 wound around the drum roll 21, the crystals of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer grow obliquely, resulting in the formation of the piezoelectric layer. We focused on the fact that 120 has crystal strain. Therefore, the inventors of the present application, when manufacturing the piezoelectric element 1A shown in FIG. We considered the method. The inventors of the present application have found that the crystal orientation of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer 14 is adjusted by adjusting the amount of oxygen during the formation of the layer (angle adjustment layer 13 ) formed below the piezoelectric layer 14 . It was found that the orientation can be improved by making the direction of the vertical direction.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法では、上記各工程のうちの何れかの工程がRtoRスパッタリング装置を用いる場合、RtoRスパッタリング装置内のそれぞれの成膜室で行われる。上記各工程のうち、圧電体層形成工程(ステップS13)だけがRtoRスパッタリング装置を用いる場合には、RtoRスパッタリング装置内の1つの成膜室で行われる。圧電体層形成工程(ステップS13)以外の何れか1つ以上の工程もRtoRスパッタリング装置を用いる場合には、RtoRスパッタリング装置内には複数の成膜室が備えられ、各工程はそれぞれの成膜室で個別に行われる。 In the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, when any one of the above steps uses an RtoR sputtering apparatus, it is performed in each film formation chamber in the RtoR sputtering apparatus. Among the above steps, only the piezoelectric layer forming step (step S13) is performed in one film formation chamber in the RtoR sputtering apparatus when the RtoR sputtering apparatus is used. When any one or more steps other than the piezoelectric layer forming step (step S13) also use the RtoR sputtering apparatus, a plurality of film forming chambers are provided in the RtoR sputtering apparatus, and each step is performed in its own film forming chamber. performed individually in the room.
 以下、各工程について説明する。 Each step will be explained below.
 まず、可撓性基材11の上面に第1の電極12を形成する(第1の電極の形成工程:ステップS11)。 First, the first electrode 12 is formed on the upper surface of the flexible base material 11 (step of forming the first electrode: step S11).
 第1の電極12の形成方法は、特に限定されず、ドライプロセス及びウエットプロセスのいずれでもよい。第1の電極12の形成方法としてドライプロセスを用いれば、薄い第1の電極12を容易に形成できる。ドライプロセスとしては、例えば、スパッタリング、蒸着が挙げられ、ウエットプロセスとしては、例えば、めっきが挙げられる。スパッタリングとしては、例えば、DC(直流)又はRF(高周波)のマグネトロンスパッタリング法等を用いることができる。第1の電極12の形成方法としてスパッタリングを用いることで、密度が高く、薄い第1の電極12を容易に形成できる。そのため、第1の電極12の形成方法としては、スパッタリングが好ましい。第1の電極12としては、例えば、DC(直流)又はRF(高周波)のマグネトロンスパッタリング法により成膜されたITO膜、Ti膜等を用いることができる。 The method of forming the first electrode 12 is not particularly limited, and may be either a dry process or a wet process. A thin first electrode 12 can be easily formed by using a dry process as a method for forming the first electrode 12 . Examples of dry processes include sputtering and vapor deposition, and examples of wet processes include plating. As sputtering, for example, a DC (direct current) or RF (radio frequency) magnetron sputtering method or the like can be used. By using sputtering as a method for forming the first electrode 12, the first electrode 12 having a high density and a thin thickness can be easily formed. Therefore, sputtering is preferable as a method for forming the first electrode 12 . As the first electrode 12, for example, an ITO film, a Ti film, or the like formed by a DC (direct current) or RF (radio frequency) magnetron sputtering method can be used.
 第1の電極12は、可撓性基材11の上面の全面に形成されていてもよい。また、第1の電極12は、エッチング等により所定の形状を有するパターンに加工して、適宜任意の形状に形成してもよい。例えば、第1の電極12は、ストライプ状にパターニングして、ストライプ状に複数配置してもよい。 The first electrode 12 may be formed on the entire upper surface of the flexible base material 11 . Also, the first electrode 12 may be processed into a pattern having a predetermined shape by etching or the like, and may be appropriately formed into an arbitrary shape. For example, the first electrodes 12 may be patterned in stripes and arranged in plurality in stripes.
 次に、第1の電極12の上面に、Znを含む非晶質材料をスパッタリングして、非晶質酸化物を含む角度調整層13を形成する(角度調整層形成工程:ステップS12)。 Next, an amorphous material containing Zn is sputtered on the upper surface of the first electrode 12 to form an angle adjustment layer 13 containing an amorphous oxide (angle adjustment layer forming step: step S12).
 非晶質材料としては、ZnSiAlOx、ZnSnOx等のような、Znを含む非晶質酸化物をスパッタリングにより形成できる材料であれば、特に限定されない。 The amorphous material is not particularly limited as long as it is a material capable of forming an amorphous oxide containing Zn by sputtering, such as ZnSiAlOx and ZnSnOx.
 角度調整層13の形成方法としては、例えば、スパッタリング法等を用いることができる。角度調整層13の成膜温度は、非晶質構造を維持できる限り特に限定されず、例えば、150℃以下の基板温度で成膜してもよい。 As a method for forming the angle adjustment layer 13, for example, a sputtering method or the like can be used. The film forming temperature of the angle adjustment layer 13 is not particularly limited as long as the amorphous structure can be maintained, and for example, the film may be formed at a substrate temperature of 150° C. or less.
 Arガスと酸素を含む混合ガス雰囲気は、Arガスと酸素の総流量に対する酸素の流量の比は、1%を超え、1.5%~4.0%がより好ましく、2.0%~2.5%がさらに好ましい。Arガスと酸素の総流量に対する酸素の流量の比が1%を超えていれば、角度調整層13の表面の濡れ性を高めることができる。そのため、角度調整層13の上面に、後述するように、Znを含むターゲットを用いてスパッタリング法により圧電体層14を成膜する際、角度調整層13と、圧電体層14を構成する圧電材料との濡れ性が良好となり、圧電材料に含まれる結晶が積層方向に配向するように成長方向を傾け易くなるため、圧電材料のc軸が垂直方向となるように配向性を高めることができる。 In a mixed gas atmosphere containing Ar gas and oxygen, the ratio of the flow rate of oxygen to the total flow rate of Ar gas and oxygen is more than 1%, more preferably 1.5% to 4.0%, and 2.0% to 2.0%. 0.5% is more preferred. If the ratio of the flow rate of oxygen to the total flow rate of Ar gas and oxygen exceeds 1%, wettability of the surface of the angle adjusting layer 13 can be enhanced. Therefore, when the piezoelectric layer 14 is formed on the upper surface of the angle adjustment layer 13 by a sputtering method using a target containing Zn, as will be described later, the angle adjustment layer 13 and the piezoelectric material forming the piezoelectric layer 14 The wettability with the piezoelectric material is improved, and the growth direction of the crystals contained in the piezoelectric material can be easily tilted so that the crystals are oriented in the stacking direction.
 圧電材料の結晶の配向性は、圧電材料の結晶の(0002)面からの回折を測定したときに得られるロッキングカーブのピーク波形から求めることができる。角度調整層13の形成時の酸素の流量の比と、圧電体層14に含まれる圧電材料の結晶の(0002)面からの回折を測定したときに得られるロッキングカーブのピーク波形との関係を図4に示す。なお、図4では、角度調整層13としてIZOを用いた場合を示す。図4に示すように、酸素の流量の比が2.5%の時、ピーク波形の強度は最も高く半値幅も小さいが、酸素の流量の比の2.5%との差が大きくなるにしたがってピーク波形のピーク位置はずれ、半値幅も大きくなる傾向にある。よって、角度調整層13の形成時の酸素の流量の比が1%を超えた範囲であれば、圧電体層14のc軸が積層方向に配向させ易く、結晶配向性が高くなることが確認できる。 The crystal orientation of the piezoelectric material can be obtained from the peak waveform of the rocking curve obtained when diffraction from the (0002) plane of the piezoelectric material crystal is measured. The relationship between the flow rate ratio of oxygen when forming the angle adjustment layer 13 and the peak waveform of the rocking curve obtained when diffraction from the (0002) plane of the crystal of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer 14 is measured. It is shown in FIG. Note that FIG. 4 shows a case where IZO is used as the angle adjusting layer 13 . As shown in FIG. 4, when the oxygen flow ratio is 2.5%, the intensity of the peak waveform is the highest and the half width is also small. Therefore, the peak position of the peak waveform tends to shift and the half width tends to increase. Therefore, it is confirmed that if the flow ratio of oxygen during the formation of the angle adjustment layer 13 is in a range exceeding 1%, the c-axis of the piezoelectric layer 14 is easily oriented in the stacking direction, and the crystal orientation is high. can.
 次に、角度調整層13の上方に、R to Rスパッタリング装置を用いてR to R方式で、不活性ガスであるArガスと酸素を含む混合ガス雰囲気中で、ウルツ鉱型結晶材料を含むターゲットを用いてウルツ鉱型結晶材料をスパッタリングし、圧電体層14を形成する(圧電体層形成工程:ステップS13)。 Next, above the angle adjustment layer 13, a target containing a wurtzite crystal material is placed in a mixed gas atmosphere containing inert gas Ar gas and oxygen by the R to R method using an R to R sputtering apparatus. to form the piezoelectric layer 14 (piezoelectric layer forming step: step S13).
 圧電体層14の成膜にR to Rスパッタリング装置を用いてR to R方式でスパッタリングすることで、圧電材料のターゲットの組成比をほぼ保った状態で付着力の強い均一な膜を形成できる。また、時間の制御だけで、所望の厚さの圧電体層14を精度良く形成することができる。 By sputtering the piezoelectric layer 14 using an R-to-R sputtering apparatus in the R-to-R method, a uniform film with strong adhesion can be formed while maintaining the composition ratio of the target of the piezoelectric material. Further, the piezoelectric layer 14 having a desired thickness can be formed with high accuracy only by controlling the time.
 可撓性基材11と第1の電極12及び角度調整層13の積層体を、R to Rスパッタリング装置の成膜室に設けられる、アノードとなる成膜ロール(ドラムロール)に巻き付ける。積層体は、可撓性基材11がドラムロールに接触するように巻き付ける。ドラムロールを成膜室に配置して、積層体をR to R方式で搬送しながら、非晶質膜2の上に圧電体層14を連続して成膜することができる。 A laminate of the flexible base material 11, the first electrode 12, and the angle adjusting layer 13 is wound around a film forming roll (drum roll) serving as an anode, which is provided in the film forming chamber of the R to R sputtering apparatus. The laminate is wound so that the flexible substrate 11 is in contact with the drum roll. The piezoelectric layer 14 can be continuously formed on the amorphous film 2 while a drum roll is placed in the film formation chamber and the laminate is transported by the R to R method.
 ウルツ鉱型結晶材料を含むターゲットは、カソードとして用いる。 A target containing a wurtzite crystal material is used as a cathode.
 ウルツ鉱型結晶材料を含むターゲットとしては、圧電体層14に主成分として含まれるウルツ鉱型結晶材料を含有する複数又は単数のターゲットを用いることができる。複数又は単数のターゲットは、ドラムロールと間隔を隔てて配置する。 As the target containing the wurtzite crystal material, a plurality of targets or a single target containing the wurtzite crystal material contained in the piezoelectric layer 14 as a main component can be used. A target or targets are spaced apart from the drum roll.
 例えば、ターゲットは、圧電体層14に含まれる材料同士の原子割合を調整した合金ターゲットを用いることができる。合金ターゲットは、ウルツ鉱型結晶材料と酸素を含む金属酸化物ターゲットを用いてもよい。 For example, the target can be an alloy target in which the atomic proportions of the materials contained in the piezoelectric layer 14 are adjusted. The alloy target may be a metal oxide target containing wurtzite crystal material and oxygen.
 スパッタリング装置の成膜室内に、スパッタリングガスとして、Arガスと酸素ガスとを供給し、成膜室内をArガスと酸素ガスを含むガス雰囲気とする。成膜室内には、Arガスと酸素ガスとを含む混合ガスを供給してもよいし、Arガスと、酸素ガスとをそれぞれ別々に供給してもよい。 Ar gas and oxygen gas are supplied as sputtering gases into the film forming chamber of the sputtering apparatus, and the inside of the film forming chamber is made into a gas atmosphere containing Ar gas and oxygen gas. A mixed gas containing Ar gas and oxygen gas may be supplied into the deposition chamber, or Ar gas and oxygen gas may be supplied separately.
 成膜室内の真空度は、1.0×10-4Pa以下であればよく、1.0×10-6Pa~1.0×10-4Paに調整することが好ましく、1.0×10-5Pa~6.0×10-5Paがより好ましい。成膜室内の真空度が上記の好ましい範囲内であれば、圧電体層14は、ウルツ鉱型結晶材料を含んで形成し易い。 The degree of vacuum in the film formation chamber may be 1.0×10 −4 Pa or less, preferably adjusted to 1.0×10 −6 Pa to 1.0×10 −4 Pa, and 1.0×10 −4 Pa or less. 10 -5 Pa to 6.0×10 -5 Pa is more preferable. If the degree of vacuum in the deposition chamber is within the preferred range described above, the piezoelectric layer 14 can easily be formed including the wurtzite crystal material.
 スパッタリングする際の成膜室における混合ガス雰囲気の圧力は、圧電体層14を形成できる範囲内であれば特に限定されず、例えば、2.0Pa以下であればよい。 The pressure of the mixed gas atmosphere in the film formation chamber during sputtering is not particularly limited as long as it is within a range where the piezoelectric layer 14 can be formed, and may be, for example, 2.0 Pa or less.
 成膜室における、Arガスと酸素の総流量に対する酸素の流量の比は、ガスの種類、圧電体層14に含まれる酸素の含有量等に応じて適宜選択可能であり、例えば、0.1%~20.0%であることが好ましく、1.0%~10.0%がより好ましい。酸素の流量の比が上記の好ましい範囲内であれば、圧電体層14はZnを含むウルツ鉱型結晶材料を形成し易くなる。 The ratio of the flow rate of oxygen to the total flow rate of Ar gas and oxygen in the deposition chamber can be appropriately selected according to the type of gas, the content of oxygen contained in the piezoelectric layer 14, etc., and is, for example, 0.1. % to 20.0%, more preferably 1.0% to 10.0%. If the flow rate ratio of oxygen is within the above preferred range, the piezoelectric layer 14 is likely to form a wurtzite crystal material containing Zn.
 圧電体層14の成膜温度は、圧電体層14の下方に位置する角度調整層13の非晶質構造が維持される限り、室温でなくてもよい。例えば、150℃以下の基板温度で圧電体層14を成膜してもよい。 The film forming temperature of the piezoelectric layer 14 does not have to be room temperature as long as the amorphous structure of the angle adjusting layer 13 located below the piezoelectric layer 14 is maintained. For example, the piezoelectric layer 14 may be deposited at a substrate temperature of 150° C. or less.
 圧電体層14は、複数積層して構成してもよい。 The piezoelectric layer 14 may be configured by laminating a plurality of layers.
 次に、圧電体層14の上面に、所定の形状を有する第2の電極15を形成する(第2の電極の形成工程:ステップS14)。 Next, a second electrode 15 having a predetermined shape is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 14 (step of forming a second electrode: step S14).
 第2の電極15は、第1の電極12と同様の形成方法を用いて形成できる。 The second electrode 15 can be formed using the same forming method as the first electrode 12.
 第2の電極15の厚さは、適宜設計可能であり、例えば、20nm~100nmが好ましく、10nm~50nmがより好ましい。第2の電極15の厚さが上記の好ましい範囲内であれば、電極としての機能が発現できると共に、圧電素子1Aの薄膜化を図ることができる。 The thickness of the second electrode 15 can be appropriately designed, and is preferably 20 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, for example. If the thickness of the second electrode 15 is within the above preferable range, the function as an electrode can be exhibited and the thickness of the piezoelectric element 1A can be reduced.
 第2の電極15は、圧電体層14の全面に形成されていてもいいし、適宜任意の形状に形成してもよい。例えば、第1の電極12がストライプ状にパターニングされている場合、第2の電極15は、平面視において、第1の電極12のストライプが延設している方向と直交する方向に複数のストライプが伸びるように形成されていてもよい。 The second electrode 15 may be formed on the entire surface of the piezoelectric layer 14, or may be formed in any suitable shape. For example, when the first electrode 12 is patterned in a stripe shape, the second electrode 15 has a plurality of stripes extending in a direction perpendicular to the direction in which the stripes of the first electrode 12 extend in plan view. may be formed so as to extend.
 これにより、圧電素子1Aが得られる。 Thus, the piezoelectric element 1A is obtained.
 なお、第2の電極15の形成後に、可撓性基材11の融点又はガラス転移点よりも低い温度(例えば、130℃)で、圧電素子1Aの全体を加熱処理してもよい。この加熱処理により、第1の電極12及び第2の電極15を結晶化させ、低抵抗化させることができる。加熱処理は、必須ではなく、可撓性基材11が耐熱性のない材料で形成されている場合等では、圧電素子1Aの形成後に行わなくてもよい。 After forming the second electrode 15, the entire piezoelectric element 1A may be heat-treated at a temperature lower than the melting point or glass transition point of the flexible base material 11 (for example, 130°C). By this heat treatment, the first electrode 12 and the second electrode 15 can be crystallized and have low resistance. The heat treatment is not essential, and in the case where the flexible base material 11 is made of a non-heat-resistant material, the heat treatment may not be performed after the piezoelectric element 1A is formed.
 このように、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、角度調整層形成工程(ステップS12)と圧電体層形成工程(ステップS13)を含む。本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、角度調整層形成工程(ステップS12)で、Arガスと酸素を含む混合ガス雰囲気中で、Arガスと酸素の総流量に対する酸素の流量の比が1%を超えた状態で、Znを含む非晶質材料をスパッタリングして、非晶質酸化物を含む角度調整層13を形成する。得られる角度調整層13の表面は高い濡れ性を有するため、角度調整層13の上面に圧電体層14を成膜する初期段階において、非晶質材料が角度調整層13の上面に斜めに入射することで、圧電体層14の積層方向(角度調整層13の上面の垂直方向)に対して圧電材料に含まれる結晶が傾いて成長しはじめたとしても、圧電材料に含まれる結晶の成長に伴いc軸が圧電体層14の積層方向に配向するように傾け易くなる。圧電材料の結晶の成長が傾いてc軸が積層方向からズレるのを抑制できるため、圧電材料のc軸の配向性を高めることができる。よって、本実施形態に係る圧電素子の製造方法を用いれば、RtoR方式を用いる際、ドラムロール等に巻き付けられた角度調整層13の表面の曲面に対して圧電材料を形成しても、その結晶配向性を高めることができるので、圧電体層14は高い結晶配向性を有するように形成できる。したがって、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、RtoR方式を用いる場合でも、結晶配向性が高い圧電体層14を製造することができる。 Thus, the method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment includes the angle adjusting layer forming step (step S12) and the piezoelectric layer forming step (step S13). In the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, in the angle adjustment layer forming step (step S12), in a mixed gas atmosphere containing Ar gas and oxygen, the ratio of the flow rate of oxygen to the total flow rate of Ar gas and oxygen is 1. %, an amorphous material containing Zn is sputtered to form the angle adjusting layer 13 containing an amorphous oxide. Since the surface of the obtained angle adjustment layer 13 has high wettability, the amorphous material is obliquely incident on the upper surface of the angle adjustment layer 13 in the initial stage of forming the piezoelectric layer 14 on the upper surface of the angle adjustment layer 13. As a result, even if the crystals contained in the piezoelectric material begin to grow tilted with respect to the stacking direction of the piezoelectric layer 14 (the direction perpendicular to the upper surface of the angle adjustment layer 13), the crystals contained in the piezoelectric material will not grow. Accordingly, it becomes easier to tilt so that the c-axis is oriented in the stacking direction of the piezoelectric layers 14 . Since it is possible to prevent the c-axis from deviating from the stacking direction due to tilted crystal growth of the piezoelectric material, the orientation of the c-axis of the piezoelectric material can be enhanced. Therefore, if the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment is used, even if the piezoelectric material is formed on the curved surface of the surface of the angle adjustment layer 13 wound around a drum roll or the like when using the RtoR method, the crystal Since the orientation can be enhanced, the piezoelectric layer 14 can be formed to have a high crystal orientation. Therefore, the piezoelectric element manufacturing method according to the present embodiment can manufacture the piezoelectric layer 14 with high crystal orientation even when the RtoR method is used.
 一般に、圧電体層の製造時に圧電体層に含まれる圧電材料の結晶の成長方向が結晶の成長に重要な成長初期段階で傾いてしまうと、圧電体層を高配向させ難い傾向にある。結晶軸が歪んでいると、垂直方向からの圧力により結晶が破壊され易くなると共に、垂直方向からの圧力に対する電荷発生量が小さくなる。また、圧電体層をRtoRスパッタリング装置を用いて成膜する場合、圧電体層に含まれる圧電材料の結晶の配向は、RtoRスパッタリング装置内の第1の電極等の流れ方向(縦方向)であるMD方向の進行方向側に傾く傾向にあるが、流れ方向の直交方向(横方向)であるTD方向に傾く傾向はない。例えば、図5に示すように、RtoRスパッタリング装置内の可撓性基材等のMD方向に沿ってX線を圧電体層の表面に入射させると、圧電体層に含まれる圧電材料の結晶の配向は、図6に示すように、ピーク位置が可撓性基材等のMD方向の進行方向側に移動する。一方、図7に示すように、RtoRスパッタリング装置内の可撓性基材等のTD方向に沿ってX線を圧電体層の表面に入射させると、図8に示すように、ピーク位置は殆ど温度変動しない。 In general, if the growth direction of the crystals of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer is tilted at the initial growth stage, which is important for crystal growth, during the manufacture of the piezoelectric layer, it tends to be difficult to highly orient the piezoelectric layer. If the crystal axis is distorted, the crystal is likely to be destroyed by pressure from the vertical direction, and the amount of charge generated with respect to the pressure from the vertical direction is reduced. Further, when the piezoelectric layer is formed using an RtoR sputtering apparatus, the crystal orientation of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer is the flow direction (longitudinal direction) of the first electrode, etc. in the RtoR sputtering apparatus. Although there is a tendency to incline toward the advancing direction in the MD direction, there is no tendency to incline in the TD direction, which is the direction perpendicular to the flow direction (transverse direction). For example, as shown in FIG. 5, when X-rays are incident on the surface of the piezoelectric layer along the MD direction of a flexible base material or the like in the RtoR sputtering apparatus, crystals of the piezoelectric material contained in the piezoelectric layer are formed. As for the orientation, as shown in FIG. 6, the peak position moves toward the traveling direction side of the MD direction of the flexible substrate or the like. On the other hand, as shown in FIG. 7, when X-rays are incident on the surface of the piezoelectric layer along the TD direction of a flexible base material or the like in the RtoR sputtering apparatus, as shown in FIG. No change in temperature.
 これに対し、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、角度調整層形成工程(ステップS12)において形成される角度調整層13の表面の濡れ性を高めることで、その上にRtoR方式を用いて圧電体層14を形成する際、圧電体層14の初期段階で結晶が傾いても、結晶の成長に伴いその向きが垂直方向となるように配向させることができる。これにより、得られる圧電体層14の結晶配向性を高めることができる。 On the other hand, in the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, by increasing the wettability of the surface of the angle adjusting layer 13 formed in the angle adjusting layer forming step (step S12), the RtoR method is used thereon. When the piezoelectric layer 14 is formed, even if the crystals are tilted in the initial stage of the piezoelectric layer 14, the crystals can be oriented so that the orientation becomes vertical as the crystals grow. Thereby, the crystal orientation of the obtained piezoelectric layer 14 can be enhanced.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法により得られる圧電体層14は、高い結晶配向性を有することができるため、その厚さ方向に高い圧電効率を発揮することができる。よって、圧電素子1Aは、長期間にわたって優れた圧電特性を発揮することができる。 The piezoelectric layer 14 obtained by the method of manufacturing the piezoelectric element according to the present embodiment can have high crystal orientation, and therefore can exhibit high piezoelectric efficiency in the thickness direction. Therefore, the piezoelectric element 1A can exhibit excellent piezoelectric characteristics over a long period of time.
 圧電素子1Aの圧電特性は、圧電定数であるd33値で評価できる。d33値は、圧電体層14の厚さ方向への伸縮モードを表わす値であり、圧電体層14の厚さ方向に印加する単位圧力当たりの分極電荷量[C/N]である。d33値が高いほど、圧電素子1Aが備える圧電体層14の厚さ方向(c軸方向)への分極が良好である。 The piezoelectric characteristics of the piezoelectric element 1A can be evaluated by the d33 value, which is the piezoelectric constant. The d33 value is a value representing the expansion/contraction mode of the piezoelectric layer 14 in the thickness direction, and is the polarization charge amount [C/N] per unit pressure applied to the piezoelectric layer 14 in the thickness direction. The higher the d33 value, the better the polarization in the thickness direction (c-axis direction) of the piezoelectric layer 14 included in the piezoelectric element 1A.
 d33値は、圧電定数測定装置(LPF-02、リードテクノ株式会社製)等を使用して直接測定できる。圧電体層14の上面と下面を圧電定数測定装置の電極で挟み込み、圧電体層14の表面に圧子を押し当てて、圧電体層14に荷重を印加し、発生する電荷量を圧電定数測定装置のクーロンメータで測定する。測定された電荷量を荷重で除算した値が、d33値として出力される。d33値の絶対値が大きいほど、圧電体層14の膜厚方向への圧電特性が良好であることを示す。 The d 33 value can be directly measured using a piezoelectric constant measuring device (LPF-02, manufactured by Lead Techno Co., Ltd.) or the like. The upper and lower surfaces of the piezoelectric layer 14 are sandwiched between electrodes of a piezoelectric constant measuring device, an indenter is pressed against the surface of the piezoelectric layer 14, a load is applied to the piezoelectric layer 14, and the amount of charge generated is measured by the piezoelectric constant measuring device. measured with a coulomb meter. A value obtained by dividing the measured amount of charge by the weight is output as the d33 value. The larger the absolute value of the d33 value, the better the piezoelectric properties of the piezoelectric layer 14 in the film thickness direction.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法により得られる圧電体層14は、高い結晶配向性を有するため、その厚さ方向に高い圧電効率を発揮でき、長期間にわたって優れた圧電特性を発揮することができる。 Since the piezoelectric layer 14 obtained by the method of manufacturing the piezoelectric element according to the present embodiment has high crystal orientation, it can exhibit high piezoelectric efficiency in the thickness direction and exhibits excellent piezoelectric properties over a long period of time. can be done.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、角度調整層形成工程(ステップS12)で、Agガスと酸素の総流量に対する酸素の流量の比を、1.5%~4.0%にできる。これにより、圧電材料の結晶の(0002)面からの回折を測定したときに得られるロッキングカーブのピーク波形の強度が最も高く、そのFWHMも小さくできる。よって、本実施形態に係る圧電素子の製造方法を用いれば、RtoR方式を用いる場合でも、結晶配向性がより高い圧電体層14を確実に形成することができる。 In the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, the ratio of the flow rate of oxygen to the total flow rate of Ag gas and oxygen can be set to 1.5% to 4.0% in the angle adjusting layer forming step (step S12). As a result, the intensity of the peak waveform of the rocking curve obtained when diffraction from the (0002) plane of the crystal of the piezoelectric material is measured is the highest, and the FWHM can be reduced. Therefore, by using the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, it is possible to reliably form the piezoelectric layer 14 with higher crystal orientation even when using the RtoR method.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、角度調整層形成工程(ステップS12)で、非晶質材料を含むターゲットを用いてスパッタリングを行うことができる。これにより、用いるターゲットの種類に応じて、圧電体層14に含まれる非晶質材料の種類を容易に変更できる。よって、本実施形態に係る圧電素子の製造方法によれば、圧電体層14の形成時に、圧電体層14に含まれる非晶質材料の種類を用途に容易に変更できる。 In the method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment, sputtering can be performed using a target containing an amorphous material in the angle adjusting layer forming step (step S12). This makes it possible to easily change the type of amorphous material contained in the piezoelectric layer 14 according to the type of target used. Therefore, according to the method of manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment, the type of amorphous material contained in the piezoelectric layer 14 can be easily changed depending on the application when the piezoelectric layer 14 is formed.
 本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、第1の電極の形成工程(ステップS11)で可撓性基材11の一方の主面11aに第1の電極12を形成できる。これにより、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、可撓性基材11が導電性を有しない場合でも、可撓性基材11の上に第1の電極12を形成することで、結晶配向性が高い圧電体層14を確実に製造することができる。 In the method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment, the first electrode 12 can be formed on one main surface 11a of the flexible base material 11 in the step of forming the first electrode (step S11). As a result, the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment can provide a A piezoelectric layer 14 with high crystal orientation can be reliably manufactured.
 このようにして得られる圧電素子1Aは、優れた圧電特性を有することから、圧電デバイスに好適に用いることができる。圧電デバイスとしては、例えば、タッチパネル用フォースセンサ、圧力センサ、加速度センサ、アコースティック・エミッション(AE)センサ等の圧電効果を利用したデバイス、逆圧電効果を利用したスピーカ、トランスデューサ、高周波フィルタデバイス、圧電アクチュエータ、光スキャナ等が挙げられる。 The piezoelectric element 1A obtained in this manner has excellent piezoelectric characteristics and can be suitably used for piezoelectric devices. Piezoelectric devices include, for example, force sensors for touch panels, pressure sensors, acceleration sensors, acoustic emission (AE) sensors, and other devices using the piezoelectric effect; speakers, transducers, high-frequency filter devices, and piezoelectric actuators using the inverse piezoelectric effect. , an optical scanner, and the like.
(他の態様)
 なお、本実施形態においては、圧電素子1Aは、上記構成に限定されず、可撓性基材11の上に、第1の電極12と、圧電体層14を有し、圧電体層14が厚さ方向に優れた圧電特性を発揮することができれば、他の構成でもよい。圧電素子1Aの他の構成の一例を以下に示す。
(Other aspects)
In addition, in the present embodiment, the piezoelectric element 1A is not limited to the above configuration, and has the first electrode 12 and the piezoelectric layer 14 on the flexible base material 11, and the piezoelectric layer 14 is Other configurations may be used as long as excellent piezoelectric characteristics can be exhibited in the thickness direction. An example of another configuration of the piezoelectric element 1A is shown below.
 図9に示すように、圧電素子1Bは、第2の電極15を備えなくてもよい。 As shown in FIG. 9, the piezoelectric element 1B may not have the second electrode 15.
 図10に示すように、圧電素子1Cは、圧電体層14と第2の電極15との間に粘着層16を備え、第2の電極15の上面に基材17を備えてもよい。 As shown in FIG. 10, the piezoelectric element 1C may include an adhesive layer 16 between the piezoelectric layer 14 and the second electrode 15 and a substrate 17 on the upper surface of the second electrode 15.
 粘着層16は、圧電体層14に生じるクラックやピンホールに起因するリークパスを抑制する。第1の電極12と圧電体層14との界面又は圧電体層14と第2の電極15の界面に金属粒界や突起物が存在すると、第1の電極12、圧電体層14及び第2の電極15の何れかでクラック等が発生した際、クラック等に起因して第1の電極12と第2の電極15との間にリークパスが形成され、分極が消失してしまう。圧電素子1Cは、粘着層16を圧電体層14と第2の電極15との間に備えることで、リークパスの形成を抑制して、圧電体層14の圧電特性を良好に維持する。 The adhesive layer 16 suppresses leak paths caused by cracks and pinholes that occur in the piezoelectric layer 14 . If metal grain boundaries or projections exist at the interface between the first electrode 12 and the piezoelectric layer 14 or at the interface between the piezoelectric layer 14 and the second electrode 15, the first electrode 12, the piezoelectric layer 14 and the second When a crack or the like occurs in one of the electrodes 15, a leak path is formed between the first electrode 12 and the second electrode 15 due to the crack or the like, and the polarization disappears. The piezoelectric element 1</b>C includes the adhesive layer 16 between the piezoelectric layer 14 and the second electrode 15 , thereby suppressing the formation of leak paths and maintaining good piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 14 .
 基材17は、可撓性基材11と同様の材料を用いることができる。 A material similar to that of the flexible base material 11 can be used for the base material 17 .
 圧電素子1Cの製造方法の一例について説明する。例えば、可撓性基材11上に、第1の電極12及び圧電体層14をこの順に積層して形成した第1積層体を形成する。一方、基材17の上に第2の電極15を形成した第2積層体を形成する。その後、第1積層体の圧電体層14と、第2積層体の第2の電極15とが対向するように、圧電体層14と第2の電極15とを粘着層16を介して貼り合わせる。これにより、圧電素子1Cが製造される。 An example of a method for manufacturing the piezoelectric element 1C will be described. For example, a first laminate is formed by laminating the first electrode 12 and the piezoelectric layer 14 in this order on the flexible base material 11 . On the other hand, a second laminate is formed by forming the second electrode 15 on the substrate 17 . After that, the piezoelectric layer 14 and the second electrode 15 of the second laminate are pasted together via the adhesive layer 16 so that the piezoelectric layer 14 of the first laminate and the second electrode 15 of the second laminate face each other. . Thus, the piezoelectric element 1C is manufactured.
 圧電素子1Cは、厚さ振動モードでの圧電歪定数であるd33値が大きく、かつ電極間のリークパスが抑制できるため、より優れた圧電特性を有することができる。 The piezoelectric element 1C has a large d 33 value, which is a piezoelectric strain constant in the thickness vibration mode, and can suppress leakage paths between electrodes, so that the piezoelectric element 1C can have better piezoelectric characteristics.
 以下、実施例及び比較例を示して実施形態を更に具体的に説明するが、実施形態はこれらの実施例及び比較例により限定されるものではない。 Hereinafter, the embodiments will be described more specifically by showing examples and comparative examples, but the embodiments are not limited by these examples and comparative examples.
<圧電素子の作製>
[実施例1]
 厚み50μmのPETフィルムロール基材をRtoRスパッタ装置の繰り出し部に装着し、RtoRスパッタ装置の3つの成膜室に、2つの、InとZnとOからなるターゲット、MgとZnとOからなるターゲットを、PETフィルムロール基材の巻き取り方向に沿って、成膜室内にそれぞれ装着した。
<Production of piezoelectric element>
[Example 1]
A PET film roll substrate with a thickness of 50 μm is attached to the feeding part of the RtoR sputtering device, and two targets made of In, Zn, and O, and a target made of Mg, Zn, and O are placed in the three film formation chambers of the RtoR sputtering device. were respectively installed in the film formation chamber along the winding direction of the PET film roll substrate.
 PETフィルムロール基材を繰り出し部から巻き取り部にかけて走行させながら、第1の成膜室において、一方の、InとZnとOからなるターゲットを用いて、PETフィルムロール基材の表面に第1の電極として厚さ85nmのIZO膜を成膜した。不活性ガスとしてArガス、反応性ガスとしてO2ガスを用いた。第1の成膜室内には、Arガス流量とO2ガス流量の総和に対するO2ガス流量の比を0.75%として、ArガスとO2ガスとを導入した。 While the PET film roll base material is run from the unwinding part to the winding part, in the first film forming chamber, using one target made of In, Zn and O, the first film is formed on the surface of the PET film roll base material. An IZO film with a thickness of 85 nm was formed as an electrode of the . Ar gas was used as an inert gas, and O 2 gas was used as a reactive gas. Ar gas and O 2 gas were introduced into the first deposition chamber with the ratio of the O 2 gas flow rate to the sum of the Ar gas flow rate and the O 2 gas flow rate being 0.75%.
 その後、第2の成膜室において、他方の、InとZnとOからなるターゲットを用いて、IZO膜が積層されたPETフィルムロール基材のIZO膜の表面に角度調整層として厚さ15nmのIZO膜を成膜した。第2の成膜室内には、Arガス流量とO2ガス流量の総和に対するO2ガス流量の比を1.5%として、ArガスとO2ガスとを導入した。 After that, in the second film forming chamber, using the other target composed of In, Zn and O, a 15 nm-thick angle adjustment layer was formed on the surface of the IZO film of the PET film roll substrate on which the IZO film was laminated. An IZO film was formed. Ar gas and O 2 gas were introduced into the second deposition chamber with the ratio of the O 2 gas flow rate to the sum of the Ar gas flow rate and the O 2 gas flow rate being 1.5%.
 その後、第3の成膜室において、MgとZnとOからなるターゲットを用いて、2つのIZO膜が積層されたPETフィルムロール基材のIZO膜の表面に、圧電体層として厚さが200nmとなるように、六方晶系のウルツ鉱型構造を有するMg添加ZnO層を成膜し、巻き取り部に巻き取った。 After that, in a third film forming chamber, a target composed of Mg, Zn, and O was used to form a piezoelectric layer having a thickness of 200 nm on the surface of the IZO film of the PET film roll substrate on which the two IZO films were laminated. A Mg-added ZnO layer having a hexagonal wurtzite structure was formed so as to form a film and was wound up on a winding part.
 これにより、PETフィルムロール基材の上に、第1の電極、角度調整層及び圧電体層をこの順に積層して備える圧電素子を製造した。 As a result, a piezoelectric element having the first electrode, the angle adjustment layer and the piezoelectric layer laminated in this order on the PET film roll base material was manufactured.
[実施例2及び3]
 実施例1において、角度調整層の形成時のO2ガス流量の比を表1に示す数値に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で圧電素子を製造した。
[Examples 2 and 3]
A piezoelectric element was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the O 2 gas flow rates during the formation of the angle adjusting layer was changed to the values shown in Table 1.
[実施例4~6]
 実施例1において、第1の電極を成膜せず、角度調整層の形成時のO2ガス流量の比を表1に示す数値に変更し、角度調整層の厚さを85nmに変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で圧電素子を製造した。
[Examples 4-6]
In Example 1, the first electrode was not formed, the ratio of the O 2 gas flow rate during the formation of the angle adjustment layer was changed to the value shown in Table 1, and the thickness of the angle adjustment layer was changed to 85 nm. A piezoelectric element was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the above.
[比較例1]
 実施例1において、角度調整層のO2ガス流量の比を1.0%に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で圧電素子を製造した。
[Comparative Example 1]
A piezoelectric element was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the O 2 gas flow rate in the angle adjusting layer was changed to 1.0%.
[比較例2]
 実施例1において、第1の電極としてO2ガス流量の比を0.5%とし、角度調整層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で圧電フィルムを製造した。
[Comparative Example 2]
A piezoelectric film was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the O 2 gas flow rate was set to 0.5% for the first electrode and the angle adjustment layer was not formed.
[比較例3]
 実施例1において、第1の電極は成膜せず、角度調整層のO2ガス流量の比を5.0%に変更し、角度調整層の厚さを85nmに変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で圧電素子を製造した。
[Comparative Example 3]
In Example 1, the first electrode was not formed, the ratio of the O 2 gas flow rate of the angle adjustment layer was changed to 5.0%, and the thickness of the angle adjustment layer was changed to 85 nm. A piezoelectric element was manufactured in the same manner as in Example 1.
(角度調整層の表面抵抗の測定)
 なお、各実施例及び比較例において、圧電素子を作製する過程で、角度調整層又は第1の電極と角度調整層が積層された積層体の表面抵抗(Ω/□)を、JIS K7194(1994年)に準じて四端子法により測定した。測定結果を表1に示す。
(Measurement of surface resistance of angle adjustment layer)
In each example and comparative example, in the process of manufacturing the piezoelectric element, the surface resistance (Ω/□) of the laminate obtained by laminating the angle adjustment layer or the first electrode and the angle adjustment layer was measured according to JIS K7194 (1994 Measured by the four-probe method according to Table 1 shows the measurement results.
(圧電体層の結晶軸歪み及び半値幅の評価)
 得られた圧電素子の圧電体層の結晶軸歪み及び半値幅を測定し、評価した。圧電体層の結晶軸歪み及び半値幅は、X線回折装置(リガク社製、SmartLab StudioII)を用いて、以下の測定条件でX線ロッキングカーブ測定を行うことにより測定した。その後、最もX線回折強度が高い角度及び半値全幅(FWHM)を軸歪み及び半値幅として求めた。測定結果を表1に示す。
((測定条件))
・光源:CuKα線(1.5418Å)
・測定モード:θスキャン
・サンプル:30mm×30mmのガラス基板に圧電素子を粘着剤を介して貼り付けたサンプルを準備した。サンプルのMD方向とX線の入射方向が平行となるように設置した。また、その際、圧電体層の成膜時の基材の進行方向とX線の入射方向が一致するように統一した。
・2θ位置:X線回折測定により、ZnO(002)面ピークが現れる2θ角度をサンプルごとに設定した。
・測定範囲:ω=0°~2θ
・測定間隔:0.1°
(Evaluation of crystal axis strain and half width of piezoelectric layer)
The crystal axis strain and half width of the piezoelectric layer of the obtained piezoelectric element were measured and evaluated. The crystal axis strain and half-value width of the piezoelectric layer were measured by X-ray rocking curve measurement under the following measurement conditions using an X-ray diffractometer (SmartLab Studio II manufactured by Rigaku Corporation). After that, the angle and full width at half maximum (FWHM) at which the X-ray diffraction intensity was the highest were determined as the axial strain and the half width. Table 1 shows the measurement results.
((Measurement condition))
・Light source: CuKα ray (1.5418 Å)
・Measurement mode: θ scan ・Sample: A sample was prepared by attaching a piezoelectric element to a glass substrate of 30 mm×30 mm via an adhesive. The sample was installed so that the MD direction and the incident direction of X-rays were parallel. Also, at that time, the traveling direction of the substrate during film formation of the piezoelectric layer and the incident direction of X-rays were unified so as to coincide with each other.
• 2θ position: The 2θ angle at which the ZnO (002) plane peak appears was set for each sample by X-ray diffraction measurement.
・Measuring range: ω = 0° to 2θ
・Measurement interval: 0.1°
 [圧電特性の評価]
 得られた各実施例及び比較例の圧電素子の圧電特性としてd33値を測定した。
[Evaluation of piezoelectric characteristics]
The d33 value was measured as a piezoelectric characteristic of the obtained piezoelectric element of each example and comparative example.
(d33値)
 d33値は、以下の手順で評価した。ステージ上に圧電素子を設置し、ステージと、角度調整層又は第1の電極と角度調整層が積層された積層体とを電気的に接続した。サンプルの上面に圧子を設置して、サンプルの上面から圧子で所定の圧力を印加して圧電層内に格子歪みを生じさせ、その格子歪みに由来するc軸(膜厚)方向の分極により生じる電荷を測定した。印加荷重1Nから5Nに変化させたときの発生電荷量を荷重差である4Nで割った値をd33値とした。d33値は、圧電素子の厚さ方向への伸縮モードを表わす値であり、厚さ方向に印加する単位圧力当たりの分極電荷量[C/N]である。d33値が高いほど、圧電体層の厚さ方向(c軸方向)への分極が良好であり、圧電素子が高い圧電特性を有していると評価できる。各実施例及び比較例における圧電素子のd33値の測定結果を表1に示す。
( d33 value)
The d33 value was evaluated by the following procedure. A piezoelectric element was placed on the stage, and the stage was electrically connected to the angle adjustment layer or the laminate in which the first electrode and the angle adjustment layer were laminated. An indenter is placed on the upper surface of the sample, and a predetermined pressure is applied from the upper surface of the sample with the indenter to cause lattice strain in the piezoelectric layer. Charge was measured. The d33 value was obtained by dividing the amount of charge generated when the applied load was changed from 1N to 5N by the load difference of 4N. The d33 value is a value representing the expansion/contraction mode of the piezoelectric element in the thickness direction, and is the polarization charge amount [C/N] per unit pressure applied in the thickness direction. The higher the d33 value, the better the polarization in the thickness direction (c-axis direction) of the piezoelectric layer, and the higher the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element. Table 1 shows the measurement results of the d 33 value of the piezoelectric element in each example and comparative example.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1より、実施例1~3は比較例1よりもd33値が大きく、実施例5~7は比較例2よりもd33値が大きいことが確認された。 From Table 1, it was confirmed that Examples 1 to 3 had larger d 33 values than Comparative Example 1, and Examples 5 to 7 had larger d 33 values than Comparative Example 2.
 よって、実施例1~7は、比較例1~3と異なり、第1の電極又は角度調整槽の成膜時の酸素の流量の比を1.0%超えるようにして成膜することで、圧電体層の軸歪み及び半値幅を小さくし、得られる圧電素子のd33値を高めることができるため、優れた圧電特性を発揮できる圧電素子を得ることができるといえる。 Therefore, in Examples 1 to 7, unlike Comparative Examples 1 to 3, the film was formed so that the ratio of the flow rate of oxygen during the film formation of the first electrode or the angle adjustment tank exceeded 1.0%. Since the axial strain and half width of the piezoelectric layer can be reduced and the d33 value of the obtained piezoelectric element can be increased, it can be said that the piezoelectric element can exhibit excellent piezoelectric characteristics.
 以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment has been described as above, the above embodiment is presented as an example, and the present invention is not limited by the above embodiment. The above embodiments can be implemented in various other forms, and various combinations, omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
 本出願は、2021年3月30日に日本国特許庁に出願した特願2021-056825号に基づく優先権を主張するものであり、特願2021-056825号の全内容を本出願に援用する。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-056825 filed with the Japan Patent Office on March 30, 2021, and the entire contents of Japanese Patent Application No. 2021-056825 are incorporated into this application. .
 1A、1B、1C 圧電素子
 11 可撓性基材
 12 第1の電極
 13 角度調整層
 14 圧電体層
 15 第2の電極
 16 粘着層
1A, 1B, 1C piezoelectric element 11 flexible base material 12 first electrode 13 angle adjusting layer 14 piezoelectric layer 15 second electrode 16 adhesive layer

Claims (5)

  1.  可撓性基材の一方の主面側に、不活性ガスと酸素を含む混合ガス雰囲気中でZnを含む非晶質材料をスパッタリングして、非晶質酸化物を含む角度調整層を形成する角度調整層形成工程と、
     前記角度調整層の上に、ロール・トゥ・ロール方式により、圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
    を含み、
     前記角度調整層形成工程は、前記不活性ガスと前記酸素の総流量に対する前記酸素の流量の比が1%を超える圧電素子の製造方法。
    Sputtering an amorphous material containing Zn in a mixed gas atmosphere containing an inert gas and oxygen on one main surface side of a flexible base material to form an angle adjustment layer containing an amorphous oxide. an angle adjusting layer forming step;
    a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer on the angle adjustment layer by a roll-to-roll method;
    including
    In the angle adjustment layer forming step, the method of manufacturing a piezoelectric element in which the ratio of the flow rate of the oxygen to the total flow rate of the inert gas and the oxygen exceeds 1%.
  2.  前記角度調整層形成工程における、前記不活性ガスと前記酸素の総流量に対する前記酸素の前記比が、1.5%~4.0%である請求項1に記載の圧電素子の製造方法。 The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 1, wherein the ratio of the oxygen to the total flow rate of the inert gas and the oxygen in the angle adjusting layer forming step is 1.5% to 4.0%.
  3.  前記角度調整層形成工程は、前記非晶質材料を含むターゲットを用いてスパッタリングを行う請求項1又は2に記載の圧電素子の製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein the angle adjusting layer forming step is performed by sputtering using a target containing the amorphous material.
  4.  前記可撓性基材の一方の主面に電極を形成する電極形成工程を含む請求項1~3の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。 The method for manufacturing the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, comprising an electrode forming step of forming an electrode on one main surface of the flexible base material.
  5.  請求項4に記載の圧電素子の製造方法を含む圧電デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric device, including the method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 4.
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