[發明專利]壓電體薄膜層疊基板

有效

• 申請號: 201410048610.9
• 申請日: 2014-02-11
• 公開（公告）號: CN104078560B
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 末永和史;柴田憲治;渡邊和俊;堀切文正;野口將希
• 申請（專利權）人: 住友化學株式會社
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/187;H01L41/053
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司11243
• 代理人: 鐘晶,於毓楨

技術領域

本發明涉及壓電體薄膜元件，特別涉及使用了非鉛系壓電體的壓電體薄膜層疊基板。

背景技術

壓電元件是利用壓電體的壓電效果的元件，被廣泛用作根據電壓施加于壓電體而產生位移、振動的致動器、根據對壓電體的應力變形而產生電壓的應力傳感器等功能性電子部件。作為一直以來在致動器、應力傳感器中使用的壓電體，廣泛使用著具有大的壓電特性的鋯鈦酸鉛系的鈣鈦礦型強電介質(組成式：Pb(Zr_1-xTi_x)O₃，被稱作PZT)。

PZT是含有鉛的特定有害物質，但目前作為壓動材料不存在可代替的合適市售品，因此成為RoHS指令(涉及電氣·電子設備中所含的特定有害物質的使用限制的歐洲議會以及理事會指令)的適用免除對象。但是，在世界范圍保持地球環境的要求益發強烈，人們強烈期望開發出使用不含鉛的壓電體(非鉛系壓電材料)的壓電元件。

另一方面，伴隨著近年中的各種電子設備的小型化·高性能化的進展，人們強烈要求壓電元件也兼顧小型化與高性能化。此處，在利用粉末燒結法制作的以往的壓電元件中，當壓電體的厚度變為10μm以下時，則與構成壓電體的晶粒的尺寸變為同等，因而不能忽視晶界對壓電特性造成的影響。具體而言，由于電極與晶界的位置關系、晶界密度對于每個燒結壓電體而言是大大不同的，因而發生每個壓電元件的壓電特性的偏差變顯著這樣的問題。對于涉及壓電元件小型化(薄型化)這樣的問題，近年來報告了利用薄膜形成技術來替代粉末燒結法而得到的壓電體薄膜元件。

作為使用了非鉛系壓電體的壓電體薄膜元件，例如，在專利文獻1(日本特開2007-019302號公報)中公開了一種壓電薄膜元件，是在基板上具有下部電極、壓電薄膜、以及上部電極的壓電薄膜元件，其特征在于，使上述壓電薄膜為由通式(Na_xK_yLi_z)NbO₃(0＜x＜1、0＜y＜1、0≤z＜1、x＋y＋z=1)所示的堿金屬鈮氧化物系的鈣鈦礦化合物構成的電介質薄膜，在該壓電薄膜與上述下部電極之間，作為緩沖層，設置了具有鈣鈦礦型晶體結構、且容易以高的取向度取向于(001)、(100)、(010)、以及(111)中的任一個面方位的材料的薄膜。根據專利文獻1，通過使用了無鉛的鈮酸鋰鉀鈉薄膜的壓電薄膜元件，發揮可獲得充分的壓電特性這樣的優異效果。

另一方面，在壓電體薄膜元件方面，由于使用薄膜形成技術，因而通常晶粒非常小，因此壓電體薄膜中的晶界密度的偏差變小，由晶界的有無而引起的壓電特性的偏差變小。另一方面，由于晶粒小并且結晶數多，因而各晶粒的取向性(作為壓電體薄膜的結晶取向程度)對元件的壓電特性、可靠性(偏差、壽命)造成大的影響。另外，一般而言，形成在基板上的薄膜的取向性容易受到基底的影響。

作為提高壓電體薄膜元件的壓電特性的技術，例如，在專利文獻2(日本特開2010-161330號公報)中公開了一種壓電薄膜元件，是在基板上具有下部電極、壓電體層、上部電極的壓電薄膜元件，其特征在于，前述壓電體層是以非鉛的鈮氧化物系鈣鈦礦型結晶為主相的壓電體層，前述下部電極的表面的表面粗糙度按二乘平均粗糙度Rms計為1.1nm以下。根據專利文獻2，通過控制下部電極的表面粗糙度而將表面粗糙度規定為規定范圍，可實現壓電特性良好的壓電薄膜元件。

另外，在專利文獻3(日本特開2000-285626號公報)中公開了一種壓電薄膜，其包含表面粗糙度(Ra)為0.05μm以下的基板、以及形成于前述基板上的壓電體薄膜。根據專利文獻3，通過整理基板表面的平滑性，從而可提高壓電體薄膜的壓電特性，可實現高性能的壓電薄膜元件。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2007-019302號公報

專利文獻2：日本特開2010-161330號公報

專利文獻3：日本特開2000-285626號公報

發明內容

發明想要解決的課題

為了普及使用了非鉛系壓電體的壓電體薄膜元件作為以往的PZT壓電元件的真正的替代品，因而強烈要求壓電特性、可靠性的更進一步提高、成本降低。但是，壓電體薄膜元件是比較新的技術，現狀是從層疊結構控制、制造工藝控制的觀點看仍然殘留有較多的未弄清的地方。因此，存在有無法充分獲得非鉛系壓電體原本具有的壓電特性，或者壓電特性發生偏差，或制造成本變高的問題。