WO2016136475A1 - 窒化インジウム圧電薄膜及びその製造方法、並びに圧電素子 - Google Patents
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Abstract
圧電特性に優れた、窒化インジウム圧電薄膜を提供する。 サマリウム又はランタンを含有している、窒化インジウム圧電薄膜。
Description
本発明は、窒化インジウム圧電薄膜及び該窒化インジウム圧電薄膜の製造方法、並びに上記窒化インジウム圧電薄膜と第１，第２の電極とを備える圧電素子に関する。
近年、圧電特性に優れた圧電薄膜を得るための研究が広くなされている。
例えば、下記特許文献１においては、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム圧電薄膜が開示されている。特許文献１では、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム圧電薄膜は、スカンジウムを含有しない場合と比較して、良好な圧電応答性が得られる旨が記載されている。
また、下記非特許文献１には、イットリウムを含有する窒化インジウム圧電薄膜が、高い圧電定数を有することが開示されている。
Volume matching condition to establish the enhanced piezoelectricity in ternary (Sc,Y)0.5(Al,Ga,In)0.5N alloys, PHYSICAL REVIEW B 87, 094107 (2013)
しかしながら、特許文献１の圧電薄膜に含有されているスカンジウムは、工業的に広く使用されておらず、非常に高価である。そのため、安定的に入手することが困難であった。また、特許文献１や非特許文献１の圧電薄膜は、圧電特性がなお十分でなかった。
本発明の目的は、圧電特性に優れた窒化インジウム圧電薄膜及び該窒化インジウム圧電薄膜の製造方法、並びに該窒化インジウム圧電薄膜を備える圧電素子を提供することにある。
本願発明者らは、鋭意検討した結果、窒化インジウム圧電薄膜に特定の元素を添加することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を成すに至った。
すなわち、本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、サマリウム又はランタンを含有している。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、好ましくは、前記窒化インジウム圧電薄膜中のインジウムの濃度と、前記サマリウム又はランタンの濃度との総和を１００原子％としたときの、前記サマリウム又はランタンの濃度が、５０原子％以下の範囲にある。この場合、圧電特性をより一層高めることができる。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、好ましくは、厚み方向に配向している。この場合、圧電特性をより一層高めることができる。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜の製造方法では、スパッタリング法により、前記窒化インジウム圧電薄膜を成膜する。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜の製造方法では、好ましくは、インジウムと、サマリウム又はランタンとの合金により構成されたターゲットを用い、窒素ガス雰囲気下で１元スパッタリング法により、前記窒化インジウム圧電薄膜を成膜する。この場合、窒化インジウム圧電薄膜の生産性をより一層高めることができる。
本発明に係る圧電素子は、本発明に従って構成された窒化インジウム圧電薄膜と、前記窒化インジウム圧電薄膜に接するように設けられた第１及び第２の電極と、を備える。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、上記のように、サマリウム又はランタンを含有するため、圧電特性に優れている。また、本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、高価なスカンジウムを使用していないため、安価に製造することができる。
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。
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
（窒化インジウム圧電薄膜及びその製造方法）
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、窒化インジウム（ＩｎＮ）により構成されている圧電薄膜である。上記窒化インジウム圧電薄膜は、サマリウム（Ｓｍ）又はランタン（Ｌａ）を含有する。より具体的には、上記窒化インジウム圧電薄膜には、Ｓｍ又はＬａが、ドープされている。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、窒化インジウム（ＩｎＮ）により構成されている圧電薄膜である。上記窒化インジウム圧電薄膜は、サマリウム（Ｓｍ）又はランタン（Ｌａ）を含有する。より具体的には、上記窒化インジウム圧電薄膜には、Ｓｍ又はＬａが、ドープされている。
図１は、サマリウム（Ｓｍ）又はランタン（Ｌａ）を含有する窒化インジウム圧電薄膜において、Ｓｍ又はＬａの濃度と圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。
図１中、実線は、Ｌａを含有する窒化インジウム圧電薄膜（Ｌａ－ＩｎＮ圧電薄膜）の結果を示している。図１中、一点鎖線は、Ｓｍを含有する窒化インジウム圧電薄膜（Ｓｍ－ＩｎＮ圧電薄膜）の結果を示している。また、図１中、破線は、比較のため、従来のスカンジウム含有窒化アルミニウム圧電薄膜（Ｓｃ－ＡｌＮ圧電薄膜）の結果を示している。
図１において、縦軸の圧電定数ｄ３３は、第１原理計算により計算された値である。
また、図１において、横軸の濃度は、インジウム（Ｉｎ）の濃度と、Ｓｍ又はＬａの濃度との総和を１００原子％としたときの、Ｓｍ又はＬａの濃度である。なお、Ｓｃ－ＡｌＮ圧電薄膜においては、アルミニウム（Ａｌ）の濃度と、スカンジウム（Ｓｃ）の濃度との総和を１００原子％としたときの、Ｓｃの濃度である。
図１より、Ｌａ－ＩｎＮ圧電薄膜及びＳｍ－ＩｎＮ圧電薄膜では、従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜より高い圧電定数ｄ３３が得られていることがわかる。このように、本発明の窒化インジウム圧電薄膜は、Ｓｍ又はＬａを含有するため、従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜よりも、圧電特性に優れている。
また、本発明においては、窒化インジウム圧電薄膜中のインジウム（Ｉｎ）の濃度と、Ｓｍ又はＬａの濃度との総和を１００原子％としたときの、Ｓｍ又はＬａの濃度が、５０原子％以下の範囲にあることが好ましい。
Ｓｍ又はＬａの濃度が、上記範囲内にある場合、圧電定数ｄ３３をより一層高めることができ、圧電特性により一層優れた窒化インジウム圧電薄膜を得ることができる。
本発明に係る窒化インジウム圧電薄膜は、薄膜形成法により製造することができる。上記薄膜形成法としては、例えば、スパッタリング法や、ＣＶＤ法等が挙げられる。上記薄膜形成法としては、スパッタリング法を用いることが好ましい。Ｉｎと、Ｓｍ又はＬａとの合金もしくは焼結体、または領域分割された複合構造により構成されているターゲットを用いた１元スパッタリング法を用いることがより好ましい。
図２は、１元スパッタリング法により、本発明の窒化インジウム圧電薄膜を成膜する際に用いる装置の簡略図である。
図２に示すスパッタリング装置１では、Ｉｎと、Ｓｍ又はＬａとの合金により構成されているターゲット２を用い、１元スパッタリング法により、基板３に窒化インジウム圧電薄膜を成膜する。なお、ターゲット２として、ＩｎＮと、Ｓｍ又はＬａとの合金により構成されているターゲットを用いてもよい。
上記スパッタリングは、窒素（Ｎ２）ガス雰囲気下で行うことが好ましい。もっとも、上記スパッタリングは、Ｎ２ガス雰囲気下でなくとも、Ｎ２ガス及びアルゴンガス（Ａｒ）の混合雰囲気下で行ってもよい。また、上記基板３の温度としては、室温～４５０℃とすることが好ましい。
１元スパッタリング法においては、予めＩｎの含有量と、Ｓｍ又はＬａの含有量とが異なる合金により構成されたターゲット２を用意することにより、Ｓｍ又はＬａの濃度の調節を行うことができる。
また、１元スパッタリング法では、６インチや８インチといった大型のウエハ上において、均一な膜厚分布と圧電性分布で成膜が可能である。従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜においても、Ｓｃ及びＡｌの合金からなるターゲットが用いられるが、非常に高価である。これに対して、本発明では、Ｉｎと、Ｓｍ又はＬａとの合金により構成されたターゲット２を用いることで大幅に製品価格を下げることができる。
また、１元スパッタリング法では、合金により構成されたターゲット２の段階で濃度が決まるため、成膜が容易である。従って、１元スパッタリング法により成膜する場合、圧電薄膜の生産性をより一層高めることができる。
もっとも、ターゲット２は、合金により構成されたターゲットでなくともよく、例えば、複合ターゲットを用いてもよい。上記複合ターゲットは、Ｉｎターゲット上にＳｍ又はＬａペレットを置いたものであってもよいし、Ｉｎターゲットに穴をあけてＳｍ又はＬａペレットを埋め込んだものであってもよい。
また、本発明においては、Ｉｎにより構成された第１のターゲットと、Ｓｍ又はＬａにより構成された第２のターゲットとを用いて、２元スパッタリング法により、本発明の窒化インジウム圧電薄膜を得てもよい。
図３は、２元スパッタリング法により、本発明の窒化インジウム圧電薄膜を成膜する際に用いる装置の簡略図である。
図３に示すスパッタリング装置１０では、Ｉｎにより構成された第１のターゲット４と、Ｓｍ又はＬａにより構成された第２のターゲット５とを用い、２元スパッタリング法により、基板３に窒化インジウム圧電薄膜を成膜する。なお、第１のターゲット４としてＩｎＮにより構成されたターゲットを用いてもよい。
上記スパッタリングは、Ｎ２ガス雰囲気下で行うことが好ましい。もっとも、Ｎ２ガス雰囲気下でなくとも、Ｎ２ガス及びアルゴンガス（Ａｒ）の混合雰囲気下で行ってもよい。また、上記基板３の温度としては、室温～４５０℃とすることが好ましい。
２元スパッタリング法においては、第１及び第２のターゲット４，５のパワー比率を変えることにより、Ｓｍ又はＬａの含有量の調節を行うことができる。
得られた窒化インジウム圧電薄膜は、基板３上において、厚み方向に配向していることが好ましい。厚み方向に配向している場合、より一層圧電特性に優れた窒化インジウム圧電薄膜を得ることができる。
（圧電素子）
本発明に係る圧電素子は、上記のように本発明に従って構成された窒化インジウム圧電薄膜と、上記窒化インジウム圧電薄膜に接するように設けられた第１，第２の電極とを備える。以下、図面を参照しつつ、本発明に係る圧電素子を用いた具体的な実施形態を説明する。
本発明に係る圧電素子は、上記のように本発明に従って構成された窒化インジウム圧電薄膜と、上記窒化インジウム圧電薄膜に接するように設けられた第１，第２の電極とを備える。以下、図面を参照しつつ、本発明に係る圧電素子を用いた具体的な実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態である圧電マイクロフォン１１の模式的断面図である。圧電マイクロフォン１１は、筒状の支持体１２、シリコン酸化膜１６、第１，第２の電極の１４，１５、圧電薄膜１３及び第１，第２の接続電極１７，１８により構成されている。
図４は、第１の実施形態である圧電マイクロフォン１１の模式的断面図である。圧電マイクロフォン１１は、筒状の支持体１２、シリコン酸化膜１６、第１，第２の電極の１４，１５、圧電薄膜１３及び第１，第２の接続電極１７，１８により構成されている。
筒状の支持体１２は、高抵抗シリコンやガラス、ＧａＡｓ等の適宜の材料からなる。本実施形態では、筒状の支持体１２は、シリコンからなる。筒状の支持体１２の上面には、筒状の支持体１２を覆うようにシリコン酸化膜１６が設けられている。
シリコン酸化膜１６の上には、第１の電極１４が設けられている。第１の電極１４は、円板形状である。第１の電極１４は、筒状の支持体１２の開口部を閉成するように設けられている。また、第１の電極１４は、外部から音圧が加わると振動する部分である。
第１の電極１４の上には、ドーナツ板状である圧電薄膜１３が設けられている。圧電薄膜１３の上面には、圧電薄膜１３を覆うように、第２の電極１５が設けられている。
本実施形態に係る圧電マイクロフォン１１では、外部からの音圧により第１の電極１４が振動すると、圧電薄膜１３が変形する。そして、上記圧電薄膜１３の変形に対応して、第１，第２の電極１４，１５から音圧に応じた電気信号を得ることが可能となる。
第２の電極１５の上面には、外部電極と接続するための第１，第２の接続電極１７，１８が設けられている。第１の接続電極１７は、ビアホール電極部１７ａを有する。第１の接続電極１７が第１の電極１４に、第２の接続電極１８が第２の電極１５に接続されるように設けられている。
本実施形態において、第１の電極１４は、抵抗率１．５ｍΩｃｍ以下のリンドープＳｉにより構成される。また、第２の電極１５は、Ａｌにより構成される。なお、各材料の厚みについては、特に限定されるものではないが、例えば、本実施形態においては、第１の電極１４が４００ｎｍ、圧電薄膜１３が５００ｎｍ、第２の電極１５が５０ｎｍのものが用いられている。
また、圧電薄膜１３は、本発明に従って構成された圧電薄膜である。すなわち、圧電薄膜１３は、Ｓｍ又はＬａを含有する窒化インジウム圧電薄膜であり、従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜よりも圧電特性に優れている。従って、第１の実施形態の圧電素子１１は、高感度なマイクロフォンである。
（第２の実施形態）
図５（ａ）は、第２の実施形態である幅拡がり振動子２１の模式的斜視図である。幅拡がり振動子２１は、幅拡がり振動を利用する圧電振動子である。幅拡がり振動子２１は、支持部２２ａ，２２ｂと、振動体としての振動板２３と、第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂとを備える。
図５（ａ）は、第２の実施形態である幅拡がり振動子２１の模式的斜視図である。幅拡がり振動子２１は、幅拡がり振動を利用する圧電振動子である。幅拡がり振動子２１は、支持部２２ａ，２２ｂと、振動体としての振動板２３と、第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂとを備える。
振動板２３は矩形板状であり、長さ方向と幅方向とを有している。振動板２３は、第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂを介して、支持部２２ａ，２２ｂに接続されている。すなわち、振動板２３は、支持部２２ａ，２２ｂにより支持されている。振動板２３は、交番電界が印加されると、幅拡がり振動モードで幅方向に振動する振動体である。
第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂの一端は、振動板２３の短辺側の側面中央に接続されている。上記振動板２３の短辺側の側面中央は、幅拡がり振動のノードとなっている。
支持部２２ａ，２２ｂは、第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂの他端に接続されている。支持部２２ａ，２２ｂは、第１，第２の連結部２４ａ，２４ｂの両側に延びている。支持部２２ａ，２２ｂの長さは、特に限定されないが、本実施形態においては、振動板２３の短辺と同じ長さである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＡ－Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。図５（ｂ）に示すように、振動板２３は、シリコン酸化膜１６、基板３２、第１，第２の電極１４，１５及び圧電薄膜１３により構成されている。
より具体的には、基板３２上に、圧電薄膜１３が設けられている。第１，第２の電極１４，１５は、圧電薄膜１３を挟むように設けられている。基板３２の下方には、シリコン酸化膜１６が設けられている。
本実施形態において、基板３２は、抵抗率：１ｍΩｃｍ、濃度：７×１０１９／ｃｍ３のｎ型Ｓｉ層である。
なお、第１の電極１４と、第２の電極１５との間には、図示しない保護層であるシード層が設けられている。
本実施形態においては、第１，第２の電極１４，１５は、Ｍｏにより構成されている。また、上記シード層はＡｌＮにより構成されている。なお、各材料の厚みについて、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、基板３２の厚みは１０μｍ、シリコン酸化膜１６の厚みは４００ｎｍ、第１の電極１４の厚みは１００ｎｍ、圧電薄膜１３の厚みは１０００ｎｍ、第２の電極１５の厚みは５０ｎｍ、シード層の厚みは２０ｎｍとした。
なお、第２の実施形態においても、圧電薄膜１３は、本発明に従って構成された圧電薄膜である。すなわち、圧電薄膜１３は、Ｓｍ又はＬａを含有する窒化インジウム圧電薄膜であり、従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜よりも圧電特性に優れている。従って、幅拡がり振動子２１は、広帯域で共振抵抗が小さい振動子となり、周波数可変範囲が広く、低消費電力なＴＣＸＯとなる。
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態である厚み縦振動子３１の模式的断面図である。厚み縦振動子３１は、音響反射層３３を有する圧電振動子である。厚み縦振動子３１は、基板３２、音響反射層３３、圧電薄膜１３及び第１，第２の電極１４，１５により構成される。
図６は、第３の実施形態である厚み縦振動子３１の模式的断面図である。厚み縦振動子３１は、音響反射層３３を有する圧電振動子である。厚み縦振動子３１は、基板３２、音響反射層３３、圧電薄膜１３及び第１，第２の電極１４，１５により構成される。
基板３２の上面に、音響反射層３３が設けられている。音響反射層３３は、音響インピーダンスが相対的に高い音響インピーダンス層３３ｂ，３３ｄと、相対的に低い音響インピーダンス層３３ａ，３３ｃ，３３ｅとを交互に積層した構造を有する。
音響反射層３３の上には、圧電薄膜１３が設けられている。また、第１，第２の電極１４，１５は、圧電薄膜１３を挟むように設けられている。
本実施形態において、第１，第２の電極１４，１５は、モリブデンにより構成される。また、上記相対的に高い音響インピーダンス層３３ｂ，３３ｄは、タングステンにより構成され、上記相対的に低い音響インピーダンス層３３ａ，３３ｃ，３３ｅは、酸化シリコンにより形成される。
なお、第３の実施形態においても、圧電薄膜１３は、本発明に従って構成された圧電薄膜である。すなわち、圧電薄膜１３は、Ｓｍ又はＬａを含有する窒化インジウム圧電薄膜であり、従来のＳｃ－ＡｌＮ圧電薄膜よりも圧電特性に優れている。
従って、上記のような音響反射層３３を有する公知の厚み縦振動子においても、広帯域と良好な温度特性とが両立できたフィルタ／ＤＰＸを作製することができる。
このように、本発明に係る圧電素子は、厚み縦振動や、厚み拡がり振動、あるいは屈曲振動を用いた圧電薄膜振動子として用いることができる。そのため、ＲＦフィルタや、デュプレクサ、タイミングデバイス、あるいはジャイロセンサなどの用途で使用することができる。
また、本発明に係る圧電素子は、第１の実施形態で示した圧電マイクロフォンの他に、圧力センサや、超音波トランスデューサなどの用途においても使用することができる。
１，１０…スパッタリング装置
２…ターゲット
３…基板
４…第１のターゲット
５…第２のターゲット
１１…圧電マイクロフォン
１２…筒状の支持体
１３…圧電薄膜
１４…第１の電極
１５…第２の電極
１６…シリコン酸化膜
１７，１８…第１，第２の接続電極
１７ａ…ビアホール電極部
２１…幅拡がり振動子
２２ａ，２２ｂ…支持部
２３…振動板
２４ａ，２４ｂ…第１，第２の連結部
３１…厚み縦振動子
３２…基板
３３…音響反射層
３３ａ，３３ｃ，３３ｅ…相対的に低い音響インピーダンス層
３３ｂ，３３ｄ…相対的に高い音響インピーダンス層
２…ターゲット
３…基板
４…第１のターゲット
５…第２のターゲット
１１…圧電マイクロフォン
１２…筒状の支持体
１３…圧電薄膜
１４…第１の電極
１５…第２の電極
１６…シリコン酸化膜
１７，１８…第１，第２の接続電極
１７ａ…ビアホール電極部
２１…幅拡がり振動子
２２ａ，２２ｂ…支持部
２３…振動板
２４ａ，２４ｂ…第１，第２の連結部
３１…厚み縦振動子
３２…基板
３３…音響反射層
３３ａ，３３ｃ，３３ｅ…相対的に低い音響インピーダンス層
３３ｂ，３３ｄ…相対的に高い音響インピーダンス層
Claims (6)
- サマリウム又はランタンを含有している、窒化インジウム圧電薄膜。
- 前記窒化インジウム圧電薄膜中のインジウムの濃度と、前記サマリウム又はランタンの濃度との総和を１００原子％としたときの、前記サマリウム又はランタンの濃度が、５０原子％以下の範囲にある、請求項１に記載の窒化インジウム圧電薄膜。
- 厚み方向に配向している、請求項１又は２に記載の窒化インジウム圧電薄膜。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化インジウム圧電薄膜の製造方法であって、
スパッタリング法により、前記窒化インジウム圧電薄膜を成膜する、窒化インジウム圧電薄膜の製造方法。 - インジウムと、サマリウム又はランタンとの合金により構成されたターゲットを用い、窒素ガス雰囲気下で１元スパッタリング法により、前記窒化インジウム圧電薄膜を成膜する、請求項４に記載の窒化インジウム圧電薄膜の製造方法。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化インジウム圧電薄膜と、
前記窒化インジウム圧電薄膜に接するように設けられた第１及び第２の電極と、
を備える、圧電素子。
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|---|---|
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| WO2014192265A1 (ja) * | 2013-05-31 | 2014-12-04 | 株式会社デンソー | 圧電体薄膜及びその製造方法 |
-
2016
- 2016-02-10 WO PCT/JP2016/053975 patent/WO2016136475A1/ja active Application Filing
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