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JP6123019B2 - 窒化アルミニウム圧電薄膜、圧電材、圧電部品及び窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム圧電薄膜、圧電材、圧電部品及び窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電体として用いることができる、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜及びその製造方法、該圧電薄膜を有する圧電材及び圧電部品に関する。
従来、窒化アルミニウムに微量の他の元素をドープしてなる圧電薄膜の製造方法が種々提案されている。例えば下記の特許文献１では、アルミニウムと、ガリウム、インジウムもしくはスカンジウムと、窒素とを不活性ガス雰囲気下で反応させる反応スパッタリング法が開示されている。特許文献１では、窒素と共に酸素を０．８モル％以上、３．２モル％以下の割合で供給することにより、分極方向が反転することが記載されている。
また、下記の特許文献２には、Ｓｃの含有率が０．５〜５０原子％である窒化アルミニウム圧電薄膜が開示されている。
特開２００９−１４９９５３号公報 特開２０１１−１５１４８号公報
特許文献１に記載の製造方法によれば、分極方向が薄膜成長方向と反転した窒化アルミニウム圧電薄膜が得られる。しかしながら、微量の酸素を高精度に供給することが非常に困難であった。従って、量産性が十分でなかった。
他方、特許文献２では、スカンジウムをドープすることにより圧電性が得られているが、スカンジウムは非常に高価である。また、安定に入手することも困難であった。加えて、特許文献２では、分極方向は薄膜成長方向であるアルミニウム極性（Ａｌ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の分極方向であり、薄膜成長方向と逆の分極方向を有する窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の分極方向の圧電薄膜は得られていない。
本発明の目的は、分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）であり、量産性に優れた窒化アルミニウム圧電薄膜及びその製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、上記窒化アルミニウム圧電薄膜を有する圧電材及び圧電部品を提供することにある。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜は、ゲルマニウムを含有することを特徴とする。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜では、好ましくは、ゲルマニウムとアルミニウムの濃度の合計を１００原子％としたとき、ゲルマニウムの濃度が３〜２８原子％の範囲にある。この場合には、分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）である窒化アルミニウム圧電薄膜をより一層容易に得ることができる。より好ましくは、ゲルマニウムの濃度は、４〜２１原子％の範囲である。この場合には、圧電特性をより効果的に高めることができる。さらに好ましくは、ゲルマニウムの濃度は、５〜１６原子％の範囲である。この場合には、圧電特性をさらに効果的に高めることができる。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜では、好ましくは、分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）とされている。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜の他の局面では、好ましくは、分極方向が薄膜成長方向と逆方向とされている。
本発明に係る圧電材は、基材と、基材上に堆積法により形成された窒化アルミニウム圧電薄膜とを備え、該窒化アルミニウム圧電薄膜が、本発明に従って構成されている、窒化アルミニウム圧電薄膜である。
本発明に係る圧電部品は、本発明に従って構成された、窒化アルミニウム圧電薄膜を備えることを特徴としている。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法は、基材上において、スパッタリングにより上記窒化アルミニウム圧電薄膜を成長させることを特徴とする。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法では、好ましくは、Ａｌからなるターゲット及びＧｅからなるターゲット、またはＡｌＧｅ合金ターゲットを用い、窒素ガスを供給しつつスパッタリングが行われる。
本発明に係る窒化アルミニウム圧電薄膜及びその製造方法によれば、分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）である、窒化アルミニウム圧電薄膜を容易に提供することが可能となる。
本発明に係る圧電材及び圧電部品では、本発明に従って構成されたＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を有するため、例えば分極方向が異なる複数の圧電薄膜を積層した構成などを容易に提供することができる。
図１は、窒化アルミニウム圧電薄膜中のゲルマニウム濃度と、圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態におけるＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法に用いられる装置の概略構成図である。 図３は、分極方向がアルミニウム極性（Ａｌ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の窒化アルミニウム圧電薄膜を有する圧電部品を示す略図的正面図である。 図４は、本発明の圧電部品の一実施形態としての圧電部品を示す略図的正面図である。 図５は、ゲルマニウムターゲットへの投入電力と、各元素の原子濃度との関係を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施形態のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法に用いられる装置の概略構成図である。 図７は、本発明の圧電部品の一構造例を示す部分切欠き正面断面図である。 図８は、本発明の圧電部品の他の構造例を示す正面断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図４に、本発明の第１の実施形態で得られる圧電部品を略図的正面図で示す。圧電部品１は、Ｓｉからなる基材２を有する。この基材２上に、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３が形成されている。Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３は、後述するようにスパッタリング法により成膜されている。このＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３の分極方向は、図示の矢印−Ｚ方向である。すなわち、分極方向は、薄膜成長方向と逆方向な窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）とされている。
上記Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３上に、電極４が形成されている。なお、特に使用されていないが、電極４の他に、さらに１以上の電極がＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜に電圧を印加するために設けられる。あるいは、半導体であるシリコンからなる基材２を一方の電極として用いて、他方の電極として電極４を用いてもよい。
基材２は、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３をスパッタリングにより成膜する際の基材としても用いられている。従って、基材２は、適宜の材料により形成することができる。本実施形態では、基材２は低抵抗なＳｉからなり、電極としても作用するが、Ｓｉ以外の他の半導体により形成されてもよい。また、基材２は、絶縁体や金属や有機樹脂フィルムにより構成されていてもよい。基材２が高抵抗な材料の場合はＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３と基材２の間に電極薄膜を形成してもよい。
電極４は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどの適宜の金属もしくは合金からなる。
前述したように、本実施形態の圧電部品１においては、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３の分極方向が窒素極性（Ｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）である。
一般に、窒化アルミニウム薄膜をスパッタリングにより成膜すると、図３に示す圧電部品１０１における窒化アルミニウム圧電薄膜１０３のように、分極方向はＺ方向となる。すなわち分極方向は薄膜成長方向と同一方向となる。すなわちアルミニウム極性（Ａｌ ｐｏｌａｒｉｔｙ）である。
本願発明者らは、スパッタリング法により窒化アルミニウム圧電薄膜を形成するにあたり、ゲルマニウムを含有させれば、本実施形態のように、分極方向が反転している圧電薄膜を得られることを見出し、本発明をなすに至ったものである。後述するように、このような分極方向が反転している圧電薄膜が得られると、分極方向が異なる複数の圧電薄膜の積層体などを容易に得ることができる。
以下、上記Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３の具体的な製造方法の実施形態を説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法に用いられる装置の概略構成図である。製造装置２１は、スパッタリング装置である。製造装置２１はチャンバー２２を有する。チャンバー２２内には、加熱装置２４が配置されている。この加熱装置２４の下面に基材１２を取り付ける。
他方、基材１２の下方には高周波電力源２５，２６が設けられている。高周波電力源２５上に、Ａｌターゲット２７が設けられている。高周波電力源２６上には、Ｇｅターゲット２８が設けられている。
高周波電力源２５，２６から高周波電力をＡｌターゲット２７及びＧｅターゲット２８に印加することができる。
他方、チャンバー２２には、バルブ２９を介して外部からＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスが供給される。
なお、基材１２の下方、Ａｌターゲット２７の直上及びＧｅターゲット２８の直上には、それぞれシャッター３１〜３３が配置されている。
基材１２上に、上記製造装置２１を用い、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜をスパッタリングにより成膜することができる。より具体的には、加熱装置２４により基材１２を加熱し、その状態で、ＡｒとＮ２との混合ガスを供給しつつ、高周波電力源２５，２６からＡｌターゲット２７及びＧｅターゲット２８に高周波電力を印加する。それによって、基材１２上にＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を形成することができる。
上記基材１２の加熱温度は、特に限定されないが、非加熱〜５００℃程度とすればよい。より好ましくは２００〜４５０℃とすればよい。
また、ＡｒとＮ２との混合比は、目標とするＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜の組成にもよるが、流量比で２：８〜８：２程度とすればよい。好ましくは、Ａｒ：Ｎ２の流量比は、７：３〜５：５の範囲とすることがより一層望ましい。それによって、より一層良好な圧電性を発現させることができる。
また、ガス圧については、特に限定されないが、０．１Ｐａ〜０．５Ｐａ程度とすればよい。本実施形態の実施例として、以下の条件で実施例１のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を成膜した。
基材温度＝４００℃
Ａｒ：Ｎ２の流量比＝７：３
ガス圧＝０．１８Ｐａ
目標組成：Ｇｅ０．１Ａｌ０．９Ｎ
上記条件で実施例１のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を得た。圧電定数ｄ３３は、−５．８ｐＣ／Ｎであった。すなわち、圧電定数ｄ３３が負の値である、すなわち分極方向が反転しているＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜の得られていることがわかる。
上記実施例１と同様にして、ただし、Ｇｅターゲットへの投入電力を変化させて、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を得た。結果を図５に示す。
図５から明らかなように、Ｇｅターゲットへの投入電力を５Ｗから１５Ｗまで変化させた場合、Ｇｅターゲットへの投入電力が高くなるとＧｅの原子濃度が高くなり、Ａｌの原子濃度が低くなっていくことがわかる。他方、Ｎの濃度は一定であることがわかる。従って、Ａｌの一部が、Ｇｅによって置換されているように組成が変化することがわかる。
上記のように、Ｇｅターゲットへの投入電力を変化させることにより、Ｇｅの原子濃度を調整し得ることがわかる。
なお、上記Ａｌ、Ｇｅ及びＮの原子濃度は、ＲＢＳまたはＮＲＡにより求めたものである。
上記ＲＢＳとは、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）である。ＲＢＳ法では、試料に高速のイオンを照射する。入射したイオンのうちの一部が試料中の原子核によって、ラザフォード散乱（弾性散乱）を受ける。散乱したイオンのエネルギーは、対象としている原子の質量及び位置により異なる。この散乱イオンのエネルギーと収量とから、試料の深さ方向の元素組成を得ることができる。
他方、上記ＮＲＡすなわち核反応解析では、高速イオンの照射により、試料中の軽い元素と核反応を引き起こす。この核反応により発生したα線やγ線を検出することにより、軽い元素の定量を行うことができる。
図５における各原子濃度の測定に際しては、高速のＨイオンを用いたＲＢＳにより、上記Ｇｅ、Ａｌ及びＳｉの濃度を求めた。また、高速のＨイオンを用いたＮＲＡにより、Ｎの含有濃度を測定した。
本願発明者らは、Ｇｅ濃度を変化させ、種々のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を上記実施例１と同様にして作製した。図１は、Ｇｅ濃度と、圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。
図１から明らかなように、Ｇｅ濃度が０、すなわちＧｅを含有していない窒化アルミニウム圧電薄膜では、圧電定数ｄ３３は、約７ｐＣ／Ｎであり、正の値である。
Ｇｅが含有されると、圧電定数ｄ３３は、急速にマイナスの値に移行することがわかる。図１より、Ｇｅ濃度が、３原子％〜２８原子％の範囲内であれば、圧電定数ｄ３３が負の値であることがわかる。すなわち、図４に示したように、分極方向が薄膜成長方向と逆方向であるＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜３を得られることがわかる。よって、Ｇｅ濃度は、好ましくは、３〜２８原子％の範囲である。また、図１より、Ｇｅ濃度が４〜２１原子％の範囲であれば、圧電定数ｄ３３の絶対値が２ｐＣ／Ｎよりも大きく、従って圧電特性を効果的に高め得ることがわかる。さらに好ましくは、Ｇｅ濃度が５〜１６原子％の範囲であれば、圧電特性をより一層効果的に高め得ることがわかる。
Ｇｅが含有されるとＧｅとＡｌとが置換されていることがＲＢＳ／ＮＲＡ分析より分かり、文献（R． D． Shannon， Acta Crystallogr．， A 32 (1976) 751．）より、３価４配位のＡｌと４価４配位のＧｅはイオン半径がともに０．３９オングストロームと近似しており、置換しやすいことも分かる。
また第一原理計算よりＧｅは４価４配位の構造を安定的に取りやすく、その際の電荷補償はＡｌ欠陥によって行われると安定構造をとり、かつ実験的で取得された圧電定数や結晶構造に非常に近いものが得られることが分かった。
これらの実験データと理論解析より、Ａｌ欠損を安定して実現できるＧｅドープのような方法がＮ ｐｏｌａｒｉｔｙな窒化アルミニウム薄膜を形成するのに有効であることが分かった。
上記第１の実施形態では、図２に示したようにＡｌターゲット２７と、Ｇｅターゲット２８を用いたが、図６に示す第２の実施形態のように、ＧｅＡｌ合金ターゲット４２を用いてもよい。図６に示す製造装置４１では、チャンバー４３内に、高周波電力源４４が配置されている。この高周波電力源４４上に上記ＧｅＡｌ合金ターゲット４２が載置されている。
チャンバー４３内に加熱装置４５，４６及びシャッター４７が配置されている。シャッター４７の上方に、基材１２，１２が配置されている。また、チャンバー４３外のバルブ４８を介してチャンバー４３内に、ＡｒとＮ２との混合ガスが供給されるように構成されている。
本実施形態のように、ターゲットとして、単一のターゲットであるＧｅＡｌ合金ターゲットを用いてもよい。またＡｌターゲット上にＧｅペレットを置いても良いし、Ａｌターゲットに穴をあけてＧｅペレットを埋め込んでも良い。このような構成では、例えば６インチサイズや８インチサイズのような大型のウエハ上に、Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を容易にかつ均一に成膜することができる。従って、比較的大きな面積のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を容易に提供することができる。
第２の実施形態においても、上記のように、Ｇｅ濃度を上記特定の範囲とすることにより、第１の実施形態の製造方法と同様に、分極方向が反転されたＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を容易に提供することができる。
前述した特許文献１の製造方法では、微量の酸素を高精度に供給することが困難であった。これに対して、上記第１及び第２の実施形態から明らかなように、本発明の窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法では、このような微量のガスの供給のような煩雑な工程を必要としない。従って、分極方向が反転されたＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を容易に量産することができる。
図７は、本発明のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜が好適に用いられる圧電部品の一構造例を示す部分切欠き正面断面図である。圧電薄膜フィルタ５１は、基板５２を有する。基板５２には、空洞部５２ａが設けられている。この空洞部５２ａ上において、支持膜５３、第１の圧電薄膜５４及び第２の圧電薄膜５５がこの順序で積層されている。また、第１の圧電薄膜５４の下面に下部電極５６が配置されている。第２の圧電薄膜５５の上方には、上部電極５７が設けられている。第１の圧電薄膜５４と第２の圧電薄膜５５との間には、電極５８が設けられている。そして、第１の圧電薄膜５４の分極方向は、矢印Ｚ方向であるのに対し、第２の圧電薄膜５５の分極方向は矢印−Ｚ方向である。このような圧電薄膜フィルタ５１を得るに際し、上記Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を第２の圧電薄膜５５として好適に用いることができる。
第１の圧電薄膜５４としては、Ｇｅを含有していない窒化アルミニウム圧電薄膜をスパッタリングにより形成すればよい。従って、分極方向が異なる第１，第２の圧電薄膜５４，５５を容易に形成することができる。
図８は、本発明のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜を好適に用いることができる圧電部品の他の構造例を示す正面断面図である。図８に示す音響素子６１は、ケース６２を有する。ケース６２は、下方に開いた開口を有する。下方に開いた開口は、ベースプレート６３により閉成されている。上記ケース６２の上面には、複数の放音孔６２ａが設けられている。
また、ケース６２内には、積層圧電素子７０が支持部６４，６５を介して取り付けられている。積層圧電素子７０は、上から順に、電極７１、振動膜７２、圧電層７３、電極７４を積層してなる第１の積層部分と、その下方に配置されており、上から順に、電極７５、圧電層７６、振動膜７７及び電極７８が積層されている第２の積層部分とを有する。圧電層７３の分極方向と、圧電層７６の分極方向とは、厚み方向において互いに逆向きとされている。上記圧電層７３，７６として、本発明のＧｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜と、分極方向が薄膜成長方向である窒化アルミニウム圧電薄膜とを用いることにより、このような音響素子６１を容易に作製することができる。
なお、図７及び図８に示した構造例に限らず、本発明は、様々な圧電振動子、圧電共振子、圧電アクチュエータ、圧電センサなどの分極方向が逆方向の圧電薄膜を用いた圧電部品に広く用いることができる。
１，１０１…圧電部品
２…基材
３…Ｇｅ含有窒化アルミニウム圧電薄膜
４…電極
１２…基材
２１…製造装置
２２…チャンバー
２４…加熱装置
２５，２６…高周波電力源
２７…Ａｌターゲット
２８…Ｇｅターゲット
２９…バルブ
３１〜３３…シャッター
４１…製造装置
４２…ＧｅＡｌ合金ターゲット
４３…チャンバー
４４…高周波電力源
４５，４６…加熱装置
４７…シャッター
４８…バルブ
５１…圧電薄膜フィルタ
５２…基板
５２ａ…空洞部
５３…支持膜
５４，５５…第１，第２の圧電薄膜
５６…下部電極
５７…上部電極
５８…電極
６１…音響素子
６２…ケース
６２ａ…放音孔
６３…ベースプレート
６４，６５…支持部
７０…積層圧電素子
７１…電極
７２，７７…振動膜
７３，７６…圧電層
７４，７５，７８…電極
１０３…窒化アルミニウム圧電薄膜

Claims (8)

  1. ゲルマニウムを含有し、分極方向が窒素極性であり、かつ前記分極方向が薄膜成長方向と逆方向であることを特徴とする窒化アルミニウム圧電薄膜。
  2. 前記ゲルマニウムと、アルミニウムの濃度の合計を１００原子％としたとき、ゲルマニウムの濃度が３〜２８原子％の範囲にある、請求項１に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜。
  3. 前記ゲルマニウムの濃度が、４〜２１原子％の範囲にある、請求項２に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜。
  4. 前記ゲルマニウムの濃度が、５〜１６原子％の範囲にある、請求項３に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜。
  5. 基材と、前記基材上に堆積法により形成された窒化アルミニウム圧電薄膜とを備え、該窒化アルミニウム圧電薄膜が、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜である、圧電材。
  6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜を備える圧電部品。
  7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法であって、基材上において、スパッタリングにより前記窒化アルミニウム圧電薄膜を成長させる、窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法。
  8. Ａｌからなるターゲット及びＧｅからなるターゲット、またはＡｌＧｅ合金ターゲットを用い、窒素ガスを供給しつつスパッタリングする、請求項７に記載の窒化アルミニウム圧電薄膜の製造方法。
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