DE102020128197A1

DE102020128197A1 - Piezoelektrische dünnfilmvorrichtung

Info

Publication number: DE102020128197A1
Application number: DE102020128197.8A
Authority: DE
Inventors: Junichi Kimura; Yukari Inoue
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-04-29
Also published as: US20210126185A1; CN112750941A; US11647676B2; JP2021072316A; JP7425960B2

Abstract

Vorgesehen ist eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung mit: einer ersten Elektrodenschicht; und einem piezoelektrischen Dünnfilm. Die erste Elektrodenschicht enthält ein Metall Me mit einer Kristallstruktur. Der piezoelektrische Dünnfilm enthält Aluminiumnitrid mit einer Wurtzitstruktur. Das Aluminiumnitrid enthält ein zweiwertiges Metallelement Md und ein vierwertiges Metallelement Mt. [Al] ist eine Menge Al, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, [Md] ist eine Menge Md, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, [Mt] ist eine Menge Mt, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) beträgt 36 bis 70 Atom-%. L_ALN ist eine Gitterlänge des Aluminiumnitrids in einer Richtung, die ungefähr parallel zu einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, L_METALL ist eine Gitterlänge von Me in einer Richtung, und L_ALN ist länger als L_METALL.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren haben mikroelektromechanische Systeme (MEMS) Aufmerksamkeit erregt. Bei den MEMS handelt es sich um ein Bauelement, bei dem mechanische Bestandteile, elektronische Schaltungen und dergleichen durch eine Mikroverarbeitungstechnologie auf einem Substrat integriert werden. In den MEMS, die eine Funktion wie z.B. einen Sensor, einen Filter, einen Harvester oder einen Aktuator haben, wird ein piezoelektrischer Dünnfilm verwendet. Bei der Herstellung der MEMS unter Verwendung des piezoelektrischen Dünnfilms werden eine untere Elektrodenschicht, ein piezoelektrischer Dünnfilm und eine obere Elektrodenschicht auf ein Substrat wie Silizium oder Saphir gestapelt. Ein MEMS mit beliebigen Eigenschaften wird erhalten, nachdem es einem Nachbearbeitungsprozess wie einer nachfolgenden Mikrobearbeitung, einer anschließenden Strukturierung oder einem anschließenden Ätzen unterzogen wurde. Wenn ein piezoelektrischer Dünnfilm mit ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften ausgewählt wird, werden die Eigenschaften der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung wie des MEMS verbessert, und eine Verkleinerung der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung ist möglich. Die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms wird z.B. auf der Grundlage einer positiven piezoelektrischen Konstante (piezoelektrische Verzerrungskoeffizient) d und eines piezoelektrischen Leistungskoeffizienten g bewertet. g ist gleich d/ε₀ε_r. ε₀ ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und ε_r ist die spezifische Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Dünnfilms. Die Eigenschaften der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung werden entsprechend einer Zunahme von d und g verbessert.
Als piezoelektrische Zusammensetzung, aus der der piezoelektrische Dünnfilm besteht, sind z.B. Bleizirkonattitanat (Pb(Zr,Ti)O₃, abgekürzt PZT), Lithiumniobat (LiNbO₃), Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Cadmiumsulfid (CdS) u.ä. bekannt.
PZT und LiNbO₃ haben eine Perowskitstruktur. d des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Perowskitstruktur ist relativ groß. In einem Fall jedoch, in dem der piezoelektrische Dünnfilm die Perowskitstruktur aufweist, wird d wahrscheinlich entsprechend einer Abnahme der Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms abnehmen. Dementsprechend ist der piezoelektrische Dünnfilm mit der Perowskitstruktur nicht für die Mikroprozessierung geeignet. Da außerdem ε_r des piezoelektrischen Dünnfilms mit Perowskitstruktur relativ groß ist, besteht die Tendenz, dass g des piezoelektrischen Dünnfilms mit Perowskitstruktur relativ klein ist.
Andererseits haben AlN, ZnO und CdS eine Wurtzitstruktur. d des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Wurtzitstruktur ist kleiner als d des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Perowskitstruktur. Da jedoch ε_r des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Wurtzitstruktur relativ klein ist, kann der piezoelektrische Dünnfilm mit der Wurtzitstruktur im Vergleich zum piezoelektrischen Dünnfilm mit der Perowskitstruktur ein größeres g aufweisen. Daher ist eine piezoelektrische Zusammensetzung mit einer Wurtzitstruktur ein vielversprechendes Material für eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung, für die ein großes g erforderlich ist. (Siehe Druckschrift der Internationalen Veröffentlichung WO 2016/111280 )
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Fall, in dem der AlN-haltige piezoelektrische Dünnfilm auf einer Oberfläche einer aus einem Metall bestehenden Elektrodenschicht gebildet wird, ist es wahrscheinlich, dass in dem piezoelektrischen Dünnfilm eine Zugspannung auftritt, die ungefähr parallel zur Oberfläche der Elektrodenschicht verläuft. Aufgrund der Zugspannung ist ein spontaner Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms wahrscheinlich. Beispielsweise ist es wahrscheinlich, dass sich aufgrund der Zugspannung Risse in dem piezoelektrischen Dünnfilm entlang einer Richtung bilden, die ungefähr orthogonal zur Oberfläche der Elektrodenschicht verläuft. Außerdem wird sich der piezoelektrische Dünnfilm aufgrund der Zugspannung wahrscheinlich von der Elektrodenschicht ablösen. Durch den Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms verschlechtern sich die piezoelektrische Eigenschaft und die Isolationseigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms, und eine Ausbeuterate der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung nimmt ab.
Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung, bei der der Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms unterdrückt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes enthält: eine erste Elektrodenschicht; und einen piezoelektrischen Dünnfilm, der die erste Elektrodenschicht direkt überlappt. Die erste Elektrodenschicht enthält ein Metall Me mit einer Kristallstruktur. Der piezoelektrische Dünnfilm enthält Aluminiumnitrid mit einer Wurtzitstruktur. Das Aluminiumnitrid enthält ein zweiwertiges Metallelement Md und ein vierwertiges Metallelement Mt. [Al] ist eine Menge Aluminium, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, [Md] ist eine Gesamtmenge des Metallelements Md, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, [Mt] ist eine Gesamtmenge des Metallelements Mt, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, und ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) beträgt 36 Atom-% bis 70 Atom-%. L_ALN ist eine Gitterlänge des Aluminiumnitrids in einer Richtung, die näherungsweise parallel zu einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, L_METALL ist eine Gitterlänge des Metalls Me in einer Richtung, die ungefähr parallel zu der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, und L_ALN ist länger als L_METALL .
Die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (fcc-Struktur), eine kubisch-raumzentrierte Struktur (bcc-Struktur) oder eine hexagonal dichteste Packung (hcp-Struktur) sein.
Eine (001)-Ebene der Wurtzitstruktur kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht liegen, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-flächenzentrierte Struktur sein, eine (111)-Ebene der flächenzentrierten kubischen Struktur kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, a_w ist ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, a_F ist eine Gitterkonstante der flächenzentrierten kubischen Struktur, die L_ALN kann durch 3^1/2 × a_w und die L_METALL kann durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt werden.
Eine (001)-Ebene der Wurtzitstruktur kann annähernd parallel zu der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-raumzentrierte Struktur sein, eine (110)-Ebene der kubisch-raumzentrierten Struktur kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, a_w ist ein Mindestabstand der Elemente in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, a_B ist eine Gitterkonstante der kubisch-raumzentrierten Struktur, die L_ALN kann durch 7^1/2 × a_w und die L_METALL durch 2 × 2^1/2 × a_B ausgedrückt werden. Oder die L_ALN kann durch 3^1/2 × a_w ausgedrückt werden, und die L_METALL kann durch 2× a_B ausgedrückt werden.
Eine (001)-Ebene der Wurtzitstruktur kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine hexagonal dichteste Packung sein, eine (001)-Ebene der hexagonal dichtesten Packung kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, a_w ist ein Mindestabstand der Elemente in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, a_H ist ein Mindestabstand des Metalls Me (Elemente Me) in der (001)-Ebene der hexagonal dichtesten Packung, die L_ALN kann gleich a_w und die L_METALL kann gleich a_H sein. Auch kann die L_ALN durch 3^1/2 × a_w ausgedrückt werden, und die L_METALL kann durch 2 × a_H ausgedrückt werden.
Das Aluminiumnitrid kann mindestens Magnesium als das Metallelement Md enthalten, und das Aluminiumnitrid kann mindestens eine Art von Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium, Hafnium und Titan, als das Metallelement Mt enthalten.
Der Grad des Gitterfehlers ΔL kann als (L_ALN - L_METALL )/L_METALL definiert werden, und der Grad des Gitterfehlers ΔL kann größer als 0% und gleich oder kleiner als 8% sein.
In dem piezoelektrischen Dünnfilm kann eine Druckspannung auftreten, die Druckspannung kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht auftreten, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht, und die Druckspannung kann größer als 0 MPa und gleich oder kleiner als 1500 MPa sein.
Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung kann ferner eine zweite Elektrodenschicht enthalten, die den piezoelektrischen Dünnfilm überlappt, und der piezoelektrische Dünnfilm kann sich zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht befinden.
Nach der Erfindung ist eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung vorgesehen, in der der Bruch eines piezoelektrischen Dünnfilms unterdrückt wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Wurtzit-Einheitszelle (Aluminiumnitrid).
3 ist eine Ansicht, die einen Basisvektor der Wurtzitstruktur in 2 illustriert.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle einer kubisch-flächenzentrierten Struktur (Metall Me).
5A zeigt eine (001)-Ebene und eine Gitterlänge L_ALN der Wurtzitstruktur aus 2 und 3, und 5B zeigt eine (111)-Ebene und eine Gitterlänge L_METALL der kubisch-flächenzentrierten Struktur aus 4.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle mit kubisch-raumzentrierter Struktur (Metall Me).
7A zeigt eine (001)-Ebene und eine Gitterlänge L_ALN der Wurtzitstruktur aus 2 und 3, und 7B zeigt eine (110)-Ebene und eine Gitterlänge L_METALL der kubisch-raumzentrierten Struktur in BILD 6.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle mit hexagonal dichtester Packung (Metall Me).
9A zeigt eine (001)-Ebene und eine Gitterlänge L_ALN der Wurtzitstruktur aus 2 und 3, und 9B zeigt eine (001)-Ebene und eine Gitterlänge L_METALL der hexagonal dischtesten Packung aus 8.
10A veranschaulicht einen schematischen Querschnitt der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung, in der eine Zugspannung in dem piezoelektrischen Dünnfilm auftritt, wobei der Querschnitt ungefähr orthogonal zu einer Oberfläche einer ersten Elektrodenschicht ist, und 10B veranschaulicht einen schematischen Querschnitt der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung, in der eine Druckspannung in dem piezoelektrischen Dünnfilm auftritt, wobei der Querschnitt ungefähr orthogonal zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ist.
11 zeigt einen schematischen Querschnitt einer piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung nach einer anderen Ausführung der Erfindung, wobei der Querschnitt annähernd orthogonal zu einer Oberfläche einer ersten Elektrodenschicht ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Die Erfindung ist auf die folgenden Ausführungsformen in keiner Weise beschränkt. In jeder der Abbildungen wird die gleiche Referenznummer für das gleiche oder ein entsprechendes konstitutives Element angegeben. X, Y und Z in jeder der Figuren stellen drei zueinander orthogonale Koordinatenachsen dar.
Wie in 1 dargestellt, enthält eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung 10 nach dieser Ausführungsform eine erste Elektrodenschicht 4 und einen piezoelektrischen Dünnfilm 2, der eine Fläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 direkt überlappt. Eine Oberfläche 2s des piezoelektrischen Dünnfilms 2 kann ungefähr parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. Mit anderen Worten, eine Normalenrichtung d_n der Oberfläche 2s des piezoelektrischen Dünnfilms 2 kann annähernd parallel zu einer Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein. Die Normalenrichtung D_N kann als Dickenrichtung der ersten Elektrodenschicht 4 (Z-Achsen-Richtung) bezeichnet werden. Die Normalenrichtung d_n kann als Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 (Z-Achsen-Richtung) bezeichnet werden. Der piezoelektrische Dünnfilm 2 kann einen Teil oder die gesamte Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 bedecken. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung 10 kann ferner eine zweite Elektrodenschicht enthalten, die den piezoelektrischen Dünnfilm 2 überlappt, und der piezoelektrische Dünnfilm 2 kann sich zwischen der ersten Elektrodenschicht 4 und der zweiten Elektrodenschicht befinden. Zum Beispiel kann, wie in 11 dargestellt, eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung 10a ein Substrat 1, eine Haftschicht 8, die das Substrat 1 direkt überlappt, die erste Elektrodenschicht 4, die die Haftschicht 8 direkt überlappt, den piezoelektrischen Dünnfilm 2, der die erste Elektrodenschicht 4 direkt überlappt, und eine zweite Elektrodenschicht 12, die den piezoelektrischen Dünnfilm 2 direkt überlappt, enthalten. Die erste Elektrodenschicht 4 kann als untere Elektrodenschicht bezeichnet werden. Die zweite Elektrodenschicht 12 kann als obere Elektrodenschicht bezeichnet werden. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung 10a kann die zweite Elektrodenschicht 12 nicht enthalten. Wenn beispielsweise eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung, die die zweite Elektrodenschicht nicht enthält, als Produkt an einen Hersteller eines elektronischen Bauelements geliefert wird um in einem elektronischen Bauteil verbaut zu werden, kann die zweite Elektrodenschicht in einem Prozess zur Herstellung eben jenes elektronischen Bauteils auf die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung aufgebracht werden.
Der piezoelektrische Dünnfilm 2 enthält Aluminiumnitrid (AlN). Das AlN hat eine hexagonale Wurtzitstruktur. 2 und 3 zeigen eine Einheitszelle ucw der Wurtzitstruktur. Die Einheitszelle ucw ist ein regelmäßiges hexagonales Prisma. Jedes von a, b und c in 3 ist ein Basisvektor der Wurtzitstruktur. In 3 wird Stickstoff (N) nicht dargestellt, um a, b und c zu zeigen. Die durch a angegebene Kristallorientierung ist [100]. Die durch b angegebene Kristallorientierung ist [010]. Die durch c angegebene Kristallorientierung ist [001]. a und b gehören zur gleichen Kristallebene. Ein Winkel, der durch a und b gebildet wird, beträgt 120°. c steht jeweils orthogonal zu a und b. a_w in 3 stellt einen Mindestabstand von Elementen in einer (001)-Ebene der Wurtzitstruktur dar. a_w kann als ein Mindestabstand von Aluminium (A1) bezeichnet werden, das sich in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur befindet. a_w kann als eine Länge des Basisvektors a der Wurtzitstruktur bezeichnet werden. a_w kann als eine Gitterkonstante der Wurtzitstruktur in einer a-Achsenrichtung bezeichnet werden. Zum Beispiel kann a_w zwischen 0,311 nm und 0,392 nm liegen. Eine Länge des Basisvektors c der Wurtzitstruktur kann durch c_w ausgedrückt werden. c_w kann als eine Gitterkonstante der Wurtzitstruktur in Richtung der c-Achse bezeichnet werden. c_w kann als ein Abstand der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur bezeichnet werden. Zum Beispiel kann c_w zwischen 0,498 nm und 0,549 nm liegen. c_w/a_w kann zum Beispiel zwischen 1,40 und 1,60 liegen. Eine beliebige Position oder Richtung in der Einheitszelle ucw der Wurtzitstruktur kann durch einen Vektor w(x y z) ausgedrückt werden, der in der folgenden mathematischen Formel w definiert ist. w(x y z) kann beispielsweise eine Position eines Elements darstellen, das die Wurtzitstruktur bildet. $w (x y z) = xa + yb + zc$
Jedes von x, y und z in der mathematischen Formel w ist eine beliebige reelle Zahl. Jedes von a, b und c in der mathematischen Formel w ist der oben beschriebene Basisvektor.
Die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids kann näherungsweise parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. Mit anderen Worten, die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids kann in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur entspricht einer Kristallebene mit regelmäßiger hexagonaler Form in der Einheitszelle ucw. In einem Fall, in dem der piezoelektrische Dünnfilm 2 eine Vielzahl von AlN-Kristallkörnern enthält, kann eine (001)-Ebene eines Teils oder der Gesamtheit der Kristallkörner ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 liegen. Mit anderen Worten, die (001)-Ebene eines Teils oder der Gesamtheit der kristallinen Körner kann in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Zum Beispiel können die kristallinen AlN-Körner säulenförmige Kristalle sein, die sich in Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 erstrecken.
Eine Kristallorientierung, in der eine piezoelektrische Eigenschaft des Aluminiumnitrids auftritt, ist die [001]-Richtung der Wurtzitstruktur. Dementsprechend kann der piezoelektrische Dünnfilm 2 eine ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaft aufweisen, wenn die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ist. Aus dem gleichen Grund kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids ungefähr parallel zur Oberfläche 2s des piezoelektrischen Dünnfilms 2 sein. Mit anderen Worten, kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids senkrecht zu der Normalenrichtung d_n der Oberfläche 2s des piezoelektrischen Dünnfilms 2 orientiert sein.
Das AlN enthält ein zweiwertiges Metallelement Md und ein vierwertiges Metallelement Mt. Mit anderen Worten, ein Teil des A1 in der Einheitszelle ucw der Wurtzitstruktur wird durch das Md oder das Mt ersetzt. Der piezoelektrische Dünnfilm 2 kann ausschließlich aus AlN bestehen, das das Md und Mt enthält.
Wenn das AlN mit Md und Mt dotiert wird, kann die Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids verzerrt werden oder die Stärke einer chemischen Bindung zwischen den Atomen in der Wurtzitstruktur kann variieren. Aus diesen Gründen wird die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wahrscheinlich verbessert. Wenn das AlN mit Md und Mt dotiert wird, erhöht sich außerdem das Volumen der Einheitszelle ucw sowie die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids. Einzelheiten zu L_ALN werden weiter unten beschrieben.
Die erste Elektrodenschicht 4 enthält ein Metall Me mit einer Kristallstruktur. Die erste Elektrodenschicht 4 darf nur aus dem Metall Me bestehen. Das Metall Me kann ein einzelnes Metallelement sein. Das Metall Me kann eine Legierung sein. Das heißt, die erste Elektrodenschicht 4 kann mindestens zwei Arten von Metallelementen als Metall Me enthalten. Die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-flächenzentrierte Struktur, eine kubisch-raumzentrierte Struktur oder eine hexagonal dichteste Packung sein.
Die L_ALN ist eine Gitterlänge des Aluminiumnitrids in einer Richtung, die ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. L_METALL ist eine Gitterlänge des Metalls Me in einer Richtung, die ungefähr parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. L_ALN ist länger als L_METALL .
Die Wurtzitstruktur des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wird durch die Kristallstruktur der ersten Elektrodenschicht 4 beeinflusst, da der piezoelektrische Dünnfilm 2 teilweise epitaktisch auf der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ausgebildet ist. Darüber hinaus tritt in einem Fall, in dem L_ALN kürzer als L_METAL ist, an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 und der ersten Elektrodenschicht 4 eine Spannung auf, die eine Ausdehnung der Wurtzitstruktur in Richtung in der Ebene bewirkt. Infolgedessen tritt, wie in 10A dargestellt, in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 eine Zugspannung auf, die ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 verläuft. Das heißt, die Zugspannung wird aufgrund des Gitterfehlers zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 und der ersten Elektrodenschicht 4 auf den piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgeübt. Es ist wahrscheinlich, dass der piezoelektrische Dünnfilm 2 aufgrund der Zugspannung in einer Richtung reißt, die ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 verläuft. Beispielsweise wird sich in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 aufgrund der Zugspannung wahrscheinlich ein Riss 9 in einer Richtung bilden, die ungefähr orthogonal zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ist. Das heißt, es ist wahrscheinlich, dass ein spontaner Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms 2 aufgrund der Zugspannung auftritt. Aufgrund des spontanen Bruchs des piezoelektrischen Dünnfilms 2 verschlechtern sich eine piezoelektrische Eigenschaft und eine Isolationseigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2, und die Ausbeuterate der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung nimmt ab. Im Gegensatz dazu tritt in einem Fall, in dem L_ALN länger als L_METAL ist, an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 und der ersten Elektrodenschicht 4 eine Spannung auf, die zu einer Kontraktion der Wurtzitstruktur in Richtung innerhalb der Ebene führt. Infolgedessen tritt, wie in 10B dargestellt, in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 eine Druckspannung auf, die ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 verläuft. Das heißt, die Druckspannung wird aufgrund des Gitterfehlers zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 und der ersten Elektrodenschicht 4 auf den piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgeübt. Aufgrund der Druckspannung ist es weniger wahrscheinlich, dass der piezoelektrische Dünnfilm 2 in einer Richtung reißt, die ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 verläuft. Beispielsweise ist es aufgrund der Druckspannung weniger wahrscheinlich, dass sich der Riss 9 in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in einer Richtung bildet, die annähernd orthogonal zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 ist. Das bedeutet, dass ein spontaner Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms 2 aufgrund der Druckspannung unterdrückt wird. Die piezoelektrische Eigenschaft und die Isolationseigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 werden durch die Unterdrückung des Bruchs des piezoelektrischen Dünnfilms 2 verbessert, und die Ausbeuterate der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung steigt. Aus den gleichen Gründen wird auch der Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms 2 in einem Herstellungsprozess (Verarbeitungsprozess) der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung 10 nach dieser Ausführungsform unterdrückt.
[Al] ist die Menge an Al, die im Aluminiumnitrid enthalten ist. [Md] ist die Gesamtmenge an Md, die im Aluminiumnitrid enthalten ist. [Mt] ist die Gesamtmenge von Mt, die im Aluminiumnitrid enthalten ist. Die Einheit von [Al], [Md] und [Mt] ist jeweils Atom-%. ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) liegt zwischen 36 Atom-% und 70 Atom-%. Das heißt, 100 ×([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) liegt 36 zwischen 70.
Die Gitterkonstante a_w und die Gitterlänge L_ALN der Wurtzitstruktur werden durch Einstellung von ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) gesteuert. Die Gitterkonstante a_w und die Gitterlänge L_ALN der Wurtzitstruktur können durch die Art von Md und Mt gesteuert werden. Wenn ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) 36 Atom% oder mehr beträgt, nimmt das Volumen der Einheitszelle ucw der Wurtzitstruktur ausreichend zu und die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids nimmt ausreichend zu. Infolgedessen wird L_ALN wahrscheinlich auf einen Wert eingestellt, der länger als L_METALL ist. In einem Fall, in dem ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) mehr als 70 Atom-% beträgt, ist die Wurtzitstruktur übermäßig verzerrt, so dass die Wurtzitstruktur wahrscheinlich beschädigt wird und sich die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 verschlechtert. In einem Fall, in dem ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) im oben beschriebenen Bereich liegt, ist es wahrscheinlich, dass die entsprechend verzerrte Wurtzitstruktur stabilisiert wird. Aus dem Grund kann ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) zwischen 36 Atom-% und 65 Atom-% oder zwischen 36 Atom-% und 60 Atom-% liegen.
[Md]/[Mt] kann ungefähr 1,0 betragen. Das heißt, [Md] kann ungefähr gleich [Mt] sein. In einem Fall, in dem [Md] gleich [Mt] ist, ist ein Mittelwert der Wertigkeit von Md und Mt dreiwertig und entspricht der Wertigkeit von Al. Infolgedessen wird es wahrscheinlich, dass sich im Aluminiumnitrid die Gesamtzahl der Valenzelektronen von Al, Md und Mt mit der Gesamtzahl der Valenzelektronen von N ausgleicht, und es wird wahrscheinlich, dass die Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids stabilisiert wird. Allerdings kann [Md] gegebenenfalls ungleich [Mt] sein, solange die Wurtzitstruktur und die piezoelektrische Eigenschaft des Aluminiumnitrids nicht übermäßig beschädigt werden. In einem Fall, in dem [Md] nicht gleich [Mt] ist, kann die Menge von Al, Md, Mt und N, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, so eingestellt werden, dass die Gesamtzahl der Valenzelektronen von Al, Md und Mt mit der Gesamtzahl der ausgleichenden Elektronen von N im Gleichgewicht ist.
Das in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 enthaltene Aluminiumnitrid kann durch die folgende chemische Formel A ausgedrückt werden. ${Al}_{{1 - (α + β)}} {Md}_{α} {Mt}_{β} N$
Jede von α und β kann eine positive reelle Zahl sein, α+β kann zwischen 0,36 und 0,70 liegen, und α/β kann ungefähr 1,0 betragen.
Wie nachstehend beschrieben, können L_ALN und L_METALL jeweils in Übereinstimmung mit der Kristallstruktur des Metalls Me definiert werden.
Die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (fcc-Struktur) sein. 4 veranschaulicht eine Einheitszelle ucf der fcc-Struktur des Metalls Me. Die Einheitszelle ucf ist ein Würfel. Jedes von a1, b1 und c1 in 4 ist ein Basisvektor der fcc-Struktur. Die durch a1 angegebene Kristallorientierung ist [100]. Die durch b1 angegebene Kristallorientierung ist [010]. Die durch c1 angegebene Kristallorientierung ist [001]. a1, b1 und c1 sind orthogonal zueinander. Eine Länge von a1, b1 und c1 ist jeweils gleich der Gitterkonstante a_F. Das heißt, die Längen von a1, b1 und c1 sind einander gleich. Eine beliebige Position oder Richtung in der Einheitszelle ucf der fcc-Struktur kann durch einen Vektor f(x y z) ausgedrückt werden, der durch die folgende mathematische Formel f definiert ist. f(x y z) kann z.B. eine Position des Metallelements (Me) darstellen, das die fcc-Struktur bildet. $f (x y z) = xa1 + yb1 + zc1$
Jedes von x, y und z in der mathematischen Formel f ist eine beliebige reelle Zahl. Jedes von a1, b1 und c1 in der mathematischen Formel f ist der Basisvektor der fcc-Struktur.
Die (111)-Ebene der fcc-Struktur kann annähernd parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. Das heißt, die (111)-Ebene der fcc-Struktur kann in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Infolgedessen kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids (der piezoelektrische Dünnfilm 2) wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Dementsprechend kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids (piezoelektrischer Dünnfilm 2) ungefähr parallel zu der (111)-Ebene der fcc-Struktur des Metalls Me (der ersten Elektrodenschicht 4) liegen. 5A veranschaulicht die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids. 5B zeigt die (111)-Ebene der fcc-Struktur des Metalls Me. In einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die fcc-Struktur ist, wie in 5A dargestellt, wird die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids durch 3^1/2 × a_w ausgedrückt. Das heißt, basierend auf dem Cosinusgesetz ist L_ALN ² gleich a_w ² + a_w ² - 2 × a_w × a_w × cos120°. Wie oben beschrieben, ist a_w ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur. Wie in 4 und 5B dargestellt, wird die Gitterlänge L_METALL der fcc-Struktur des Metalls Me durch 2^1/2 × a_F wiedergegeben. Das heißt, basierend auf dem Cosinusgesetz ist L_METALL ² gleich a_F ² + a_F ² - 2 × a_F × a_F × cos90°. Wie oben beschrieben, ist aF eine Gitterkonstante der fcc-Struktur des Metalls Me.
Wie oben beschrieben, kann in einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die fcc-Struktur ist, L_ALN gleich 3^1/2 × a_w sein, L_METALL gleich 2^1/2 × a_F sein und 3^1/2 × aW kann länger als 2^1/2 × a_F sein. Basierend auf dem Vektor w(x y z) der Wurtzitstruktur ist die Richtung 3^1/2 × a_w (d.h. L_ALN ) parallel zu w(1 0 0)-w(0 1 0). Basierend auf dem Vektor f(x y z) der fcc-Struktur ist eine Richtung 2^1/2 × a_F (d.h. L_METALL ) parallel zu f(1 0 0)-f(0 1 0). w(1 0 0)-w(0 1 0), also ein Vektor in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, kann annähernd parallel zu f(1 0 0)-f(0 1 0) sein, d.h. es kann ein Vektor in der (111)-Ebene der fcc-Struktur. Mit anderen Worten: w(1 -1 0), d.h. ein Vektor in der (0 0 1)-Ebene der Wurtzitstruktur, kann annähernd parallel zu f(1 -1 0), d.h. einem Vektor in der (111)-Ebene der fcc-Struktur, verlaufen.
Die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine kubisch-raumzentrierte Struktur (bcc-Struktur) sein. 6 zeigt eine Einheitszelle ucb der bcc-Struktur des Metalls Me. Die Einheitszelle ucb ist ein Würfel. Jedes von a2, b2 und c2 in 6 ist ein Basisvektor der bcc-Struktur. Eine durch a2 angegebene Kristallorientierung ist [100]. Eine durch b2 angegebene Kristallorientierung ist [010]. Eine durch c2 angegebene Kristallorientierung ist [001]. a2, b2 und c2 sind orthogonal zueinander. Eine Länge von a2, b2 und c2 ist jeweils gleich der Gitterkonstanten a_B. Das heißt, die Längen von a2, b2 und c2 sind einander gleich. Eine beliebige Position oder Richtung in der Einheitszelle ucb der bcc-Struktur kann durch einen Vektor b(x y z) ausgedrückt werden, der durch die folgende mathematische Formel b definiert ist. b(x y z) kann beispielsweise eine Position des Metallelements (Me) darstellen, das die bcc-Struktur bildet. $b (x y z) = xa2 + yb2 + zc2$
Jedes von x, y und z in der mathematischen Formel b ist eine willkürliche reelle Zahl. Jedes von a2, b2 und c2 in der mathematischen Formel b ist der Basisvektor der bcc-Struktur.
Eine (110)-Ebene der bcc-Struktur kann annähernd parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. Das heißt, die (110)-Ebene der bcc-Struktur kann in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Infolgedessen wird die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids (piezoelektrischer Dünnfilm 2) wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Dementsprechend kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids (piezoelektrischer Dünnfilm 2) ungefähr parallel zu der (110)-Ebene der bcc-Struktur des Metalls Me (der ersten Elektrodenschicht 4) liegen. 7A zeigt eine (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids. 7B illustriert eine (110)-Ebene der bcc-Struktur des Metalls Me. In einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die bcc-Struktur ist, wie in 7A dargestellt, wird die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids durch 7^1/2 × a_w ausgedrückt. Das heißt, basierend auf dem Cosinusgesetz ist L_ALN ² gleich a_w ² + (2a_w)² - 2 × a_w × 2a_w × cos120°. Wie oben beschrieben, ist aW ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur. Wie in 6 und 7B dargestellt, wird die Gitterlänge L_METALL der bcc-Struktur des Metalls Me durch 2 × 2^1/2 × a_B ausgedrückt. Wie oben beschrieben, ist aB eine Gitterkonstante der bcc-Struktur des Metalls Me.
Wie oben beschrieben, kann in einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die bcc-Struktur ist, L_ALN gleich 7^1/2 × a_w sein, L_METALL gleich 2 × 2^1/2 × a_B sein und 7^1/2 × a_w kann länger als 2 × 2^1/2 × a_B sein. Basierend auf dem Vektor w(x y z) der Wurtzitstruktur ist die Richtung von 7^1/2 × a_w (d.h. L_ALN ) parallel zu w(1 0 0)-w(-l 1 0). Basierend auf dem Vektor b(x y z) der bcc-Struktur ist die Richtung von 2^1/2 × a_F (d.h. L_METALL ) parallel zu b(1 0 0)-b(0 1 0). w(1 0 0)-w(-1 1 0), d.h. ein Vektor in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, kann annähernd parallel zu b(1 0 0)-b(0 1 0), d.h. einem Vektor in der (110)-Ebene der bcc-Struktur sein. Mit anderen Worten, w(2 -1 0), d.h. ein Vektor in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur, kann annähernd parallel zu b(1 -1 0), d.h. einem Vektor in der (110)-Ebene der bcc-Struktur, verlaufen. In einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die bcc-Struktur ist, kann L_ALN gleich 3^1/2 × a_w sein, L_METALL gleich 2 × a_B sein und 3^1/2 × a_w kann länger sein als 2 × a_B.
Die Kristallstruktur des Metalls Me kann eine hexagonal dichteste Packung (hcp-Struktur) sein. 8 veranschaulicht eine Einheitszelle uch der hcp-Struktur des Metalls Me. Die Einheitszelle uch ist ein regelmäßiges hexagonales Prisma. Jedes von a3, b3 und c3 in 8 ist ein Basisvektor der hcp-Struktur. Die durch a3 angegebene Kristallorientierung ist [100]. Die durch b3 angegebene Kristallorientierung ist [010]. Die durch c3 angegebene Kristallorientierung ist [001]. a3 und b3 gehören zur gleichen Kristallebene. Ein Winkel, der durch a3 und b3 gebildet wird, beträgt 120°. c3 ist jeweils orthogonal zu a3 und b3. a_H in 8 ist ein Mindestabstand des Metalls Me (Elemente Me) in der (001)-Ebene der hcp-Struktur. a_H kann als eine Länge des Basisvektors a3 der hcp-Struktur bezeichnet werden. a_H kann als eine Gitterkonstante der hcp-Struktur in einer a-Achsenrichtung bezeichnet werden. Eine beliebige Position oder Richtung in der Einheitszelle ucf der hcp-Struktur kann durch einen Vektor h(x y z) ausgedrückt werden, der durch die folgende mathematische Formel h definiert ist. h(x y z) kann z.B. eine Position des Metallelements (Me) darstellen, das die hcp-Struktur bildet. $h (x y z) = xa3 + yb3 + zc3$
Jedes von x, y und z in der mathematischen Formel h ist eine beliebige reelle Zahl. Jedes von a3, b3 und c3 in der mathematischen Formel h ist ein Basisvektor der hcp-Struktur.
Eine (001)-Ebene der hcp-Struktur kann ungefähr parallel zu der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 sein, mit der der piezoelektrische Dünnfilm 2 in Kontakt steht. Das heißt, die (001)-Ebene der hcp-Struktur kann in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Infolgedessen kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids (piezoelektrischer Dünnfilm 2) wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert sein. Dementsprechend kann die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids ungefähr parallel zu der (001)-Ebene der hcp-Struktur des Metalls Me (erste Elektrodenschicht 4) liegen. 9A veranschaulicht die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur des Aluminiumnitrids. 9B veranschaulicht die (001)-Ebene der hcp-Struktur des Metalls Me. In einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die hcp-Struktur ist, wie in 9A dargestellt, ist die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids gleich a_w. Wie oben beschrieben, ist a_w ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur. Wie in 8 und 9B dargestellt, ist die Gitterlänge L_METALL der hcp-Struktur des Metalls Me gleich aH. Wie oben beschrieben, ist aH ein Mindestabstand des Metalls Me (Elemente Me) in der (001)-Ebene der hcp-Struktur.
Wie oben beschrieben, kann in einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die hcp-Struktur ist, L_ALN gleich a_w sein, L_METALL gleich a_H sein und a_w kann länger als a_H sein. Basierend auf dem Vektor w(x y z) der Wurtzitstruktur ist die Richtung von a_w (d.h. L_ALN ) parallel zu w(0 1 0). Basierend auf dem Vektor h(x y z) der hcp-Struktur ist die Richtung von a_H (d.h. L_METALL ) parallel zu h(0 1 0). w(0 1 0), der ein Vektor in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur ist, kann annähernd parallel zu h(0 1 0) sein, der ein Vektor in der (001)-Ebene der hcp-Struktur ist. In einem Fall, in dem die Kristallstruktur des Metalls Me die hcp-Struktur ist, kann L_ALN gleich 3^1/2 × a_w sein, L_METALL gleich 2 × a_H sein und 3^1/2 × a_w kann länger als 2 × a_H sein.
Der Grad des Gitterfehlers ΔL kann als (L_ALN - L_METALL )/L_METALL definiert werden. Das heißt, ΔL kann der Grad des Gitterfehlers zwischen der ersten Elektrodenschicht 4 und dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 sein. ΔL kann größer als 0 % und gleich oder kleiner als 8,0 % sein. Das heißt, dass 100 × (L_ALN - L_METALL )/L_METALL größer als 0 und gleich oder kleiner als 8,0 sein kann. Wenn ΔL auf einen Wert innerhalb des Bereichs eingestellt wird, wird eine Druckspannung in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 wahrscheinlich auf einen gewünschten Wert geregelt. Wenn ΔL auf einen Wert innerhalb des Bereichs eingestellt wird, ist es außerdem wahrscheinlich, dass die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur von Aluminiumnitrid in der Normalenrichtung DN der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert ist und die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wahrscheinlich verbessert wird. Aus dem gleichen Grund kann ΔL von 0,1 % bis 7,0 %, von 0,4 % bis 7,0 %, von 0,8 % bis 7,0 %, von 1,0 % bis 7,0 % oder von 3,0 % bis 6,3 % betragen. L_METALL ist ein Wert, der in Übereinstimmung mit einer Zusammensetzung und einer Kristallstruktur des Metalls Me eindeutig bestimmt wird. Dementsprechend kann ΔL durch Einstellen von L_ALN kontrolliert werden.
L_ALN kann auf der Grundlage eines Messwerts von a_w berechnet werden. L_METALL kann auf der Grundlage eines Messwerts von aF, aB oder aH berechnet werden. aW, aF, aB und aH können durch ein Röntgenbeugungsverfahren (XRD) gemessen werden. aW, aF, aB und aH können unter Atmosphäre bei Normaltemperatur (z.B. 5 bis 35°C) gemessen werden. Die Kristallstruktur des Metalls Me kann durch die XRD-Methode ermittelt werden.
Die Druckspannung, die in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 auftritt, kann größer als 0 MPa und gleich oder kleiner als 1500 MPa sein. Wie oben beschrieben, kann die Druckspannung ungefähr parallel zur Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 verlaufen. In einem Fall, in dem die Druckspannung innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, ist es wahrscheinlich, dass der spontane Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms 2 unterdrückt wird. Aus dem gleichen Grund kann die Druckspannung, die in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 auftritt, zwischen 50 MPa und 1000 MPa, zwischen 182 MPa und 822 MPa, zwischen 288 MPa und 822 MPa oder zwischen 392 MPa und 822 MPa liegen.
Das im Aluminiumnitrid enthaltene zweiwertige Metallelement Md kann mindestens eine Art sein, die aus der aus Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba) bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das in dem AlN enthaltene vierwertige Metallelement Mt kann mindestens eine Art sein, die aus der Gruppe bestehend aus Germanium (Ge), Titan (Ti), Zirkonium (Zr) und Hafnium (Hf) ausgewählt ist. Es ist vorzuziehen, dass das Aluminiumnitrid mindestens Magnesium als Md und mindestens eine Elementart aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium, Hafnium und Titan als Mt enthält. Als Ergebnis wird der spontane Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wahrscheinlich unterdrückt und die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wahrscheinlich verbessert.
Der piezoelektrische Dünnfilm 2 kann neben Al, N, Md und Mt noch ein weiteres Element enthalten, solange die Wurtzitstruktur und die piezoelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Dünnfilms 2 nicht beschädigt werden. Beispielsweise kann der piezoelektrische Dünnfilm 2 weiterhin mindestens eine Art von Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem einwertigen Metallelement Mm, einem dreiwertigen Metallelement Mtr und einem fünfwertigen Metallelement Mp besteht. Das einwertige Metallelement Mm kann mindestens eine Art von Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs) besteht. Das dreiwertige Metallelement Mtr kann mindestens eine Art von Element sein, das aus der Gruppe bestehend aus Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthanoid und Indium (In) ausgewählt ist. Das fünfwertige Metallelement Mp kann mindestens eine Art von Element sein, das aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Vanadium (V), Niob (Nb) und Tantal (Ta) ausgewählt ist. Eine Gesamtmenge von Mm, die im Aluminiumnitrid enthalten ist, kann durch [Mm] in Atom-% ausgedrückt werden. Die Gesamtmenge an Mp, die in dem Aluminiumnitrid enthalten ist, kann durch [Mp] in Atom-% ausgedrückt werden. [Mm]/[Mp] kann ungefähr 1,0 betragen.
Zum Beispiel kann die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 2 in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 zwischen 0,1 µm und 30 m µbetragen.
Wie oben beschrieben, kann die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung 10a das Substrat 1, die Haftschicht 8, die das Substrat 1 direkt überlappt, die erste Elektrodenschicht 4, die die Haftschicht 8 direkt überlappt, den piezoelektrischen Dünnfilm 2, der die erste Elektrodenschicht 4 direkt überlappt, und die zweite Elektrodenschicht 12, die den piezoelektrischen Dünnfilm 2 direkt überlappt, enthalten.
Das Substrat 1 kann z.B. ein Halbleitersubstrat (ein Siliziumsubstrat, ein Galliumarsenidsubstrat oder ähnliches), ein optisches Kristallsubstrat (ein Saphirsubstrat oder ähnliches), ein Isolatorsubstrat (ein Glassubstrat, ein Keramiksubstrat oder ähnliches) oder ein Metallsubstrat (eine Edelstahlplatte oder ähnliches) sein.
Das in der ersten Elektrodenschicht 4 enthaltene Metall Me kann mindestens eine Elementart sein, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Platin (Pt), Iridium (Ir), Gold (Au), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Chrom (Cr), Niob (Nb), Tantal (Ta), Ruthenium (Ru), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Titan (Ti), Yttrium (Y), Scandium (Sc) und Magnesium (Mg). Die erste Elektrodenschicht 4 kann eine Legierung sein, die mindestens zwei Arten von Elementen enthält, die aus der oben beschriebenen Gruppe als Metall Me ausgewählt werden. Die erste Elektrodenschicht 4 kann eine Einzelsubstanz des Metalls Me sein. In einem Fall, in dem das Metall Me mindestens eine Art von Element ist, das aus der aus Pt, Ir, Au, Rh, Pd, Ag, Ni, Cu und Al bestehenden Gruppe ausgewählt ist, hat das Metall Me wahrscheinlich fcc-Struktur, und die (111)-Ebene der fcc-Struktur ist wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert. In einem Fall, in dem das Metall Me mindestens eine Art von Element ist, das aus der aus Mo, W, V, Cr, Nb und Ta bestehenden Gruppe ausgewählt ist, weist das Metall Me wahrscheinlich die bcc-Struktur auf, und die (110)-Ebene der bcc-Struktur ist wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert. In einem Fall, in dem das Metall Me mindestens eine Art von Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Zr, Hf, Ti, Y, Sc und Mg besteht, hat das Metall Me wahrscheinlich die hcp-Struktur, und die (001)-Ebene der hcp-Struktur ist wahrscheinlich in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert.
Die erste Elektrodenschicht 4 kann direkt auf eine Oberfläche des Substrats 1 gestapelt werden. Die Haftschicht 8 kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 4 und dem Substrat 1 plaziert werden. Die Haftschicht 8 ist mindestens eine Art, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Silizium (Si), Titan (Ti), Zink (Zn), Yttrium (Y), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Hafnium (Hf), Tantal (Ta), Wolfram (W) und Cer (Ce). Die Haftschicht 8 kann ein einzelnes Metallelement, eine Legierung oder eine Verbindung (Oxid oder ähnliches) sein. Die Haftschicht 8 kann aus einem anderen piezoelektrischen Dünnfilm, einem Polymer oder einer Keramik bestehen. Aufgrund der Zwischenlage der Haftschicht 8 ist es wahrscheinlich, dass die (111)-Ebene der fcc-Struktur der ersten Elektrodenschicht 4 in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert ist. Alternativ dazu ist es aufgrund der Zwischenlage der Haftschicht 8 wahrscheinlich, dass die (110)-Ebene der bcc-Struktur der ersten Elektrodenschicht 4 in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert ist. Alternativ ist es aufgrund der Zwischenlage der Haftschicht 8 wahrscheinlich, dass die (001)-Ebene der hcp-Struktur der ersten Elektrodenschicht 4 in der Normalenrichtung D_N der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 4 orientiert ist. Die Haftschicht 8 hat auch die Funktion, ein Ablösen der ersten Elektrodenschicht 4 durch mechanische Einwirkung oder ähnliches zu unterdrücken. Die Haftschicht 8 kann als Grenzschicht, Trägerschicht, Pufferschicht oder Zwischenschicht bezeichnet werden.
Die zweite Elektrodenschicht 12 kann mindestens eine Art von Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Ir, Au, Rh, Pd, Ag, Ni, Cu, Al, Mo, W, V, Cr, Nb, Ta, Ru, Zr, Hf, Ti, Y, Sc und Mg besteht. Die zweite Elektrodenschicht 12 kann eine Legierung sein, die mindestens zwei Arten von Elementen enthält, die aus der oben beschriebenen Gruppe ausgewählt wurden. Die zweite Elektrodenschicht 12 kann ein einzelnes Metallelement sein.
Die Dicke des Substrats 1 kann z.B. zwischen 50 µm und 10000 µm liegen. Die Dicke der Haftschicht 8 kann z.B. zwischen 0,003 µm und 1 µm liegen. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht 4 kann z.B. zwischen 0,01 µm und 1 µm liegen. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 12 kann z.B. zwischen 0,01 µm und 1 µm liegen.
Jede der Haftschicht 8, der ersten Elektrodenschicht 4, des piezoelektrischen Dünnfilms 2 und der zweiten Elektrodenschicht 12 kann in einer Stapelreihenfolge durch Sputtern unter Verwendung mindestens einer Art von Target gebildet werden. Jede der Haftschicht 8, der ersten Elektrodenschicht 4, des piezoelektrischen Dünnfilms 2 und der zweiten Elektrodenschicht 12 kann durch Sputtern (Co-Sputtern oder Multi-Sputtern) unter Verwendung einer Vielzahl von Targets gebildet werden. Jedes der Targets kann mindestens eine Art unter den Elementen enthalten, die jede der Schichten oder den piezoelektrischen Dünnfilm bilden. Jede der Schichten und der piezoelektrische Dünnfilm 2, die eine gewünschte Zusammensetzung aufweisen, können durch Auswahl und Kombination von Targets mit einer vorgegebenen Zusammensetzung gebildet werden. Das Target kann zum Beispiel ein einzelnes Metallelement, eine Legierung oder ein Oxid sein. Die Zusammensetzung einer Sputteratmosphäre bestimmt die Zusammensetzung jeder der Schichten und des piezoelektrischen Dünnfilms 2. Zum Beispiel kann die Sputteratmosphäre für die Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 ein Stickstoffgas sein. Die Sputteratmosphäre für die Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 kann ein Mischgas sein, das ein Edelgas (z.B. Argon) und Stickstoff enthält. Die Eingangsleistung (Leistungsdichte), die an jedes Target angelegt wird, ist ein Kontrollfaktor für die Zusammensetzung und die Dicke jeder der Schichten und des piezoelektrischen Dünnfilms 2. Der Gesamtdruck der Sputteratmosphäre, der Partialdruck oder die Konzentration eines Rohmaterialgases (z.B. Stickstoff) in der Atmosphäre, sowie die Sputterdauer für jedes Target, die Temperatur der Substratoberfläche, auf der der piezoelektrische Dünnfilm gebildet wird, die Substratvorspannung oder ähnliches sind ebenfalls Steuerfaktoren für die Zusammensetzung und die Dicke jeder der Schichten und des piezoelektrischen Dünnfilms 2. Ein piezoelektrischer Dünnfilm mit einer gewünschten Form oder einem gewünschten Muster kann durch Ätzen (z.B. Plasmaätzen) gebildet werden.
Zum Beispiel kann eine Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen Dünnfilms 2 zwischen 300°C und 500°C liegen. Die Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen Dünnfilms 2 kann als Temperatur der ersten Elektrodenschicht 4 in einem Prozess der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 bezeichnet werden. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls Me in der ersten Elektrodenschicht 4 ist tendenziell größer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiumnitrids in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2. In einem Fall, in dem beim Prozess der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 die Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen Dünnfilms 2 300°C oder höher ist, ist es darüber hinaus wahrscheinlich, dass sich beim Prozess der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 die erste Elektrodenschicht 4 im Vergleich zum piezoelektrischen Dünnfilm 2 erheblich ausgedehnt. Außerdem wird in einem Prozess, in dem die Temperatur der ersten Elektrodenschicht 4 und des piezoelektrischen Dünnfilms 2 nach der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms 2 jeweils gesenkt wird, die erste Elektrodenschicht 4 im Vergleich zum piezoelektrischen Dünnfilm 2 wahrscheinlich deutlich kontrahiert. Da der piezoelektrische Dünnfilm 2 und die erste Elektrodenschicht 4 die oben beschriebene Reihe von Prozessen durchlaufen, ist es wahrscheinlich, dass L_ALN auf einen Wert größer als L_METALL eingestellt wird.
Eine Kristallstruktur der Haftschicht 8, der ersten Elektrodenschicht 4, des piezoelektrischen Dünnfilms 2 und der zweiten Elektrodenschicht 12 kann durch eine Röntgenbeugungsmethode (XRD) spezifiziert werden. Die Zusammensetzung jeder der Schichten und des piezoelektrischen Dünnfilms 2 kann durch mindestens eine beliebige Analysemethode aus Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF-Methode), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS), Laserablation, induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS) und Elektronensonden-Mikroanalysator (EPMA) spezifiziert werden. Die Dicke der Haftschicht 8, der ersten Elektrodenschicht 4, des piezoelektrischen Dünnfilms 2 und der zweiten Elektrodenschicht 12 kann mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) in einem Querschnitt der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung 10a gemessen werden, der parallel zur Normalenrichtung D_N der Oberfläche 4s der ersten Elektrodenschicht 4 liegt.
Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung gemäß dieser Ausführung hat verschiedene Anwendungen. Zum Beispiel kann die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung ein piezoelektrisches Mikrofon, ein Harvester, ein Oszillator, ein Resonator oder ein akustischer Mehrschichtfilm sein. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung kann zum Beispiel ein piezoelektrischer Aktuator sein. Der piezoelektrische Aktuator kann in der Haptik verwendet werden. Das heißt, der piezoelektrische Aktuator kann in verschiedenen Geräten verwendet werden, die eine Rückkopplung durch Hautwahrnehmung (haptisches Empfinden) erfordern. Beispiele für Vorrichtungen, die eine Rückkopplung durch Hautwahrnehmung erfordern, können ein tragbares Gerät, ein Touchpad, ein Display oder ein Game-Controller sein. Der piezoelektrische Aktuator kann z.B. in einer Kopfbaugruppe, einer Kopfstapelbaugruppe oder einem Festplattenlaufwerk verwendet werden. Der piezoelektrische Aktuator kann zum Beispiel in einem Druckerkopf oder einem Tintenstrahldrucker verwendet werden. Der piezoelektrische Aktuator kann in einem piezoelektrischen Schalter verwendet werden. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung kann z. B. ein piezoelektrischer Sensor sein. Der piezoelektrische Sensor kann z.B. als Kreiselsensor, Drucksensor, Pulswellensensor, Ultraschallsensor, Ultraschallwandler, wie z.B. ein piezoelektrischer mikromaschinierter Ultraschallwandler (PMUT) oder als ein Stoßsensor verwendet werden. Jede der oben beschriebenen piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtungen kann ein Teil oder die Gesamtheit des MEMS sein.
[Beispiele]
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen ausführlich beschrieben. Die Erfindung ist keineswegs auf die Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Als Substrat wurde ein Silizium (Si)-Einkristall verwendet. Eine Haftschicht, bestehend aus Ti, wurde direkt auf der gesamten Oberfläche des Substrats durch RF-Magnetron-Sputtern in einer Vakuumkammer gebildet. Die Oberfläche des Substrats, auf der die Haftschicht gebildet wird, war parallel zu einer (100)-Ebene aus Si. Die Dicke des Substrats betrug 625 µm. Die Dicke des Substrats war gleichmäßig. Die Dicke der Haftschicht betrug 0,03 µm. Die Dicke der Haftschicht war einheitlich. Die Atmosphäre innerhalb der Vakuumkammer war ein Ar-Gas. Die Temperatur des Substrats bei der Bildung der Haftschicht wurde auf 300°C gehalten. Als Sputtertarget wurde das einzelne Metallelement Ti verwendet. Die Eingangsleistung pro Flächeneinheit des Sputtertargets betrug 9,87 W/cm².
Eine erste Elektrodenschicht (untere Elektrodenschicht), die aus einem Metall Me besteht, wurde direkt auf der gesamten Oberfläche der Haftschicht durch RF-Magnetron-Sputtern in einer Vakuumkammer gebildet. Als Sputtertarget wurde als Me ein einzelnes Metallelement verwendet. Das in Beispiel 1 verwendete Me ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht betrug 0,3 µm. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht war gleichmäßig. Die Atmosphäre in der Vakuumkammer war ein Ar-Gas. Die Temperatur des Substrats und der Haftschicht während der Bildung der ersten Elektrodenschicht wurde auf 300°C gehalten. Die Eingangsleistung pro Flächeneinheit des Sputtertargets betrug 9,87 W/cm². In der Vakuumkammer wurde die erste Elektrodenschicht bei 500°C geglüht. Eine Atmosphäre innerhalb der Vakuumkammer, in der das Glühen durchgeführt wurde, war ein Mischgas aus Ar und N₂. Die Dauer des Glühens betrug 10 Minuten.
Ein piezoelektrischer Dünnfilm wurde direkt auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht durch RF-Magnetron-Sputtern in einer Vakuumkammer gebildet. Der piezoelektrische Dünnfilm bestand aus Aluminiumnitrid mit Md und Mt. Md und Mt, die im Aluminiumnitrid in Beispiel 1 enthalten sind, sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Als Sputtertarget wurden eine Al-Ca-Legierung und ein Ge-Metall verwendet. In Beispiel 1 wurde die Eingangsleistung (Leistungsdichte) jedes der Sputtertargets so eingestellt, dass ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) 60 Atom% entspricht. Die Definition von ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) ist wie oben beschrieben. [Md + Mt] steht in der folgenden Beschreibung für ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]). Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms war gleichmäßig. Die Atmosphäre in der Vakuumkammer bestand aus einem Gasgemisch aus Ar und N₂. Die Temperatur des Substrats, der Haftschicht und der ersten Elektrodenschicht im Prozess der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde bei 300°C gehalten. Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms betrug 1,3 µm.
Eine zweite Elektrodenschicht wurde direkt auf der Gesamtheit einer Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms in einem ähnlichen Verfahren wie im Fall der ersten Elektrodenschicht gebildet. Die Zusammensetzung der zweiten Elektrodenschicht war vollständig die gleiche wie die Zusammensetzung der ersten Elektrodenschicht. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht entsprach vollständig der Dicke der ersten Elektrodenschicht. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht war einheitlich.
Ein gestapelter Körper, der das Substrat, die Haftschicht, welche direkt auf das Substrat gestapelt ist, die erste Elektrodenschicht, welche direkt auf die Haftschicht gestapelt ist, den piezoelektrischen Dünnfilm, welcher direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelt ist, und die zweite Elektrodenschicht, welche direkt auf den piezoelektrischen Dünnfilm gestapelt ist, enthält, wurde in dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Strukturierung der gestapelten Struktur auf dem Substrat wurde durch die anschließende Photolithographie durchgeführt. Nach der Strukturierung wurde der gesamte gestapelte Körper durch Sägen ausgeschnitten, um die rechteckige piezoelektrisches Dünnfilmvorrichtung des Beispiels 1 zu erhalten. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung enthielt das Substrat, die direkt auf das Substrat gestapelte Haftschicht, die erste Elektrodenschicht, die direkt auf die Haftschicht gestapelt war, den piezoelektrischen Dünnfilm, die direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelt war, und die zweite Elektrodenschicht, die direkt auf dem piezoelektrischen Dünnfilm gestapelt war. Eine Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms war jeweils parallel zu der Oberfläche des Substrats und der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht.
Eine Vielzahl der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtungen aus Beispiel 1 wurden nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die folgende Analyse und Messung an den piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung wurde durchgeführt.
[Zusammensetzung eines piezoelektrischen Dünnfilms]
Eine Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde durch Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF-Methode) und Laserablation induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS) spezifiziert. Bei der XRF-Methode wurde ein wellenlängendispersives Fluoreszenz-Röntgengerät (AZX-400) der Firma Rigaku Corporation verwendet. Bei der LA-ICP-MS-Methode wurde ein von Agilent Technologies, Inc. hergestellter Analysator (7500er) verwendet.
Als Ergebnis der Analyse auf der Grundlage der XRF-Methode wurde bestätigt, dass der piezoelektrische Dünnfilm aus Aluminiumnitrid besteht, ausgedrückt durch die folgende chemische Formel A. α+β in der folgenden chemischen Formel A ist gleich [Md + Mt]/100. Die Definition von [Md + Mt] ist wie oben beschrieben. α/β war 1,0. ${Al}_{{1 - (α + β)}} {Md}_{α} {Mt}_{β} N (A)$
[Kristallstruktur]
Vor der Bildung der zweiten Elektrodenschicht wurde jeweils die Kristallstruktur der ersten Elektrodenschicht und des piezoelektrischen Dünnfilms durch die Röntgenbeugungsmethode (XRD) spezifiziert. Bei der XRD-Methode wurde ein von der Rigaku Corporation hergestelltes Mehrzweck-Röntgenbeugungsgerät (SmartLab) verwendet. 2θχ-ϕ Scannen und 20χ Scannen mit dem Röntgenbeugungsgerät wurden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms durchgeführt, der direkt auf der ersten Elektrodenschicht gebildet wurde. Als Ergebnis der Analyse, die auf der XRD-Methode basiert, wurde bestätigt, dass der piezoelektrische Dünnfilm die Wurtzitstruktur aufweist. Die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur lag parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht. Die erste Elektrodenschicht (Metall Me) hatte eine Kristallstruktur, die in der folgenden Tabelle 1 dargestellt ist. Eine in der folgenden Tabelle 1 wiedergegebene Kristallebene des Me war parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht.
Die Gitterlänge L_ALN des Aluminiumnitrids wurde aus der Gitterkonstante a_w des Aluminiumnitrids berechnet, die mit der XRD-Methode gemessen wurde. Die Gitterlänge L_METALL des Metalls Me wurde aus der Gitterkonstante a_F des Metalls Me berechnet, die mit der XRD-Methode gemessen wurde. L_ALN von Beispiel 1 wird durch 3^1/2 × a_w ausgedrückt. L_METALL von Beispiel 1 wird durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt. Der Grad des Gitterfehlers ΔL wurde aus L_ALN und L_METALL berechnet. Wie oben beschrieben, ist ΔL als (L_ALN - L_METALL )/L_METALL definiert. Ein positives ΔL bedeutet, dass L_ALN länger als L_METALL ist. Ein negatives ΔL bedeutet, dass L_ALN kürzer als L_METALL ist. L_ALN , L_METALL und ΔL des Beispiels 1 sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
[Restspannungσ]
Eine Eigenspannung (σEinheit: MPa) in dem piezoelektrischen Dünnfilm wurde nach folgendem Verfahren berechnet. Zunächst wurde ein Krümmungsradius R_Before (Einheit: µm) des Substrats unmittelbar vor der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms gemessen. Das Substrat unmittelbar vor der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms stellt einen gestapelten Körper dar, der aus dem Substrat, der Haftschicht und der ersten Elektrodenschicht besteht. Anschließend wurde ein Krümmungsradius R_After (Einheit: µm) des Substrats nach der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms gemessen. Das Substrat nach der Bildung des piezoelektrischen Dünnfilms stellt einen gestapelten Körper dar, der aus dem Substrat, der Haftschicht, der ersten Elektrodenschicht und dem piezoelektrischen Dünnfilm besteht. Bei der Messung von R_Before und R_After wurde ein von KLA-Tencor Corporation hergestelltes Messgerät (P-16 Profiler) verwendet. Darüber hinaus wurde die Eigenspannung σ auf der Grundlage der folgenden mathematischen Formel 1 (Stoneys Formel) berechnet.
[Mathematische Formel 1] $σ = \frac{1}{6} \times (\frac{1}{R_{After}} - \frac{1}{R_{Before}}) \times \frac{E}{1 - v_{s}} \times \frac{t_{s u b .}^{2}}{t_{f i l m}}$
E in der mathematischen Formel 1 stellt den Elastizitätsmodul (Einheit: GPa) eines aus Silizium bestehenden Substrats dar. v_s stellt eine Poissonverhältnis des aus Silizium bestehenden Substrats dar. t_sub (Einheit: µm) steht für die Dicke des aus Silizium bestehenden Substrats. t_film (Einheit: µm) steht für die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms.
Eine positive Eigenspannung σ stellt eine Zugspannung dar. Eine negative Eigenspannung σ stellt eine Druckspannung dar. Die Eigenspannung σ im Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
<Bruchverhältnis R_Bruch>
Eine plattenförmige piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung aus Beispiel 1 wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Abmessungen der plattenförmigen piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung betrugen 100 mm × 100 mm. Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung wurde ausgeschnitten, um 100 Proben von je 10 mm im Quadrat herzustellen. Jede der Proben ist eine chipförmige piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung. Unter den 100 Proben wurde die Anzahl n der Proben, bei denen ein Riss in dem piezoelektrischen Dünnfilm entstand, mit einem Lichtmikroskop gezählt. Die Bruchrate R_Bruch ist als n% definiert. Die Bruchrate R_Bruch in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
<Halbwertsbreite der Rocking Curve>
Vor der Bildung der zweiten Elektrodenschicht wurde die Rocking Curve einer (002)-Ebene des piezoelektrischen Dünnfilms gemessen. Bei der Messung wurde das obige Röntgenbeugungsgerät verwendet. Ein Messbereich (ein Bereich eines Beugungswinkels 2θ) der Rocking Curve betrug 34 bis 37°. Das Messintervall betrug 0,01°. Die Messgeschwindigkeit betrug 2,0°/Minute. Die Halbwertsbreite FWHM der Rocking Curve der (002)-Ebene des piezoelektrischen Dünnfilms in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Je kleiner die FWHM ist, desto höher ist die Kristallinität des Aluminiumnitrids, und desto höher ist der Orientierungsgrad der (002)-Ebene des Aluminiumnitrids mit der Normalen D_N der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht.
<Piezoelektrische Konstante d₃₃>
Die piezoelektrische Konstante d₃₃ (Einheit: pC/N) des piezoelektrischen Dünnfilms des Beispiels 1 wurde gemessen. Die Details der Messung der piezoelektrischen Konstante d₃₃ waren wie folgt. Die piezoelektrische Konstante d₃₃ (Mittelwert aus drei Messpunkten) des Beispiels 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.

Messgerät: d₃₃ Meter (PM200), hergestellt von Piezotest Pte. Ltd.
Frequenz: 110 Hz
Klammerdruck: 0,25 N

(Beispiele 2 bis 16 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4)
Bei der Herstellung der jeweils ersten Elektrodenschicht der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde ein Sputtertarget verwendet, das aus einem Metall Me besteht, wie in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Md und Mt, die im Aluminiumnitrid der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 enthalten sind, sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 2, 3, 8, 9 und 14 bis 16 sowie der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden jeweils ein Al-Metall, ein Mg-Metall und ein Zr-Metall als Sputtertarget verwendet. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 2, 3, 8, 9 und 14 bis 16 sowie der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurde die Eingangsleistung jedes Sputtertargets so eingestellt, dass [Md + Mt] einem in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Wert entspricht.
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 4, 5, 10 und 11 sowie des Vergleichsbeispiels 3 wurden jeweils ein Al-Metall, ein Mg-Metall und ein Hf-Metall als Sputtertarget verwendet. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 4, 5, 10 und 11 und des Vergleichsbeispiels 3 wurde die Eingangsleistung jedes Sputtertargets so eingestellt, dass [Md + Mt] einem in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Wert entspricht.
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 6, 7, 12 und 13 sowie des Vergleichsbeispiels 4 wurden jeweils ein Al-Metall, ein Mg-Metall und ein Ti-Metall als Sputtertarget verwendet. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 6, 7, 12 und 13 und des Vergleichsbeispiels 4 wurde die Eingangsleistung jedes Sputtertargets so eingestellt, dass [Md + Mt] einem in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Wert entspricht.
Die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde mit Ausnahme der oben beschriebenen Konfigurationen in einem ähnlichen Verfahren, wie für Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Die Analyse und Messung an der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde mit einer ähnlichen Methode wie für Beispiel 1 durchgeführt.
In jedem Fall der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde bestätigt, dass der piezoelektrische Dünnfilm aus Aluminiumnitrid besteht, ausgedrückt durch die folgende chemische Formel A. In jedem Fall der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 war α+β in der folgenden chemischen Formel A gleich [Md + Mt]/100 und α/β war 1,0. ${Al}_{{1 - (α + β)}} {Md}_{α} {Mt}_{β} N (A)$
In jedem Fall der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hatte der piezoelektrische Dünnfilm die Wurtzitstruktur. In jedem Fall der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 war die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht. In jedem Fall der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hatte die erste Elektrodenschicht (Metall Me) eine Kristallstruktur, die in der folgenden Tabelle 1 dargestellt ist. Im Fall jedes der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 war eine Kristallebene aus Me, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht.
Im Fall von Beispiel 2 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 3 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 4 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 5 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 6 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 7 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 8 wird L_ALN durch a_w und L_METALL durch a_H ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 9 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 10 wird L_ALN durch a_w und L_METALL durch a_H ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 11 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 12 wird L_ALN durch a_w und L_METALL durch a_H ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 13 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 14 wird L_ALN durch 7^1/2 × a_w und L_METALL durch 2 × 2^1/2 × a_B ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 15 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2 × a_B ausgedrückt.
Im Fall von Beispiel 16 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2 × a_H ausgedrückt.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 1 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Falle des Vergleichsbeispiels 2 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 3 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
Im Falle des Vergleichsbeispiels 4 wird L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt.
L_ALN , L_METALL und der Grad des Gitterfehers ΔL von jedem der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Die Eigenspannungen σ der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Das Bruchverhältnis R_Bruch von jedem der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Die Halbwertbreiten FWHM der Rocking Curve der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Die piezoelektrische Konstante d₃₃ von jedem der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Es ist vorzuziehen, dass die Eigenspannung σ ein negativer Wert ist (d.h. eine Druckspannung). Ein Zielwert von σ ist -1500 MPa bis 0 MPa.
Es ist vorzuziehen, dass die Bruchrate R_Bruch klein ist. Ein Zielwert von R_Bruch liegt zwischen 0% und 5%.
Es ist vorzuziehen, dass die Halbwertsbreite FWHM der Rocking Curve klein ist. Ein Zielwert von FWHM liegt zwischen 0° und 12°.
Es ist vorzuziehen, dass die piezoelektrische Konstante d₃₃ groß ist. Ein Zielwert von d₃₃ ist 6,0 pC/N oder größer.
Die in der folgenden Tabelle 1 beschriebene Qualität A stellt dar, dass vier von vier Werten von σ, R_Bruch, FWHM und d₃₃ die Zielwerte erreichen.
Die in der folgenden Tabelle 1 beschriebene Qualität B stellt dar, dass drei von vier Werten von σ, R_Bruch, FWHM und d₃₃ die Zielwerte erreichen.
Die in der folgenden Tabelle 1 beschriebene Qualität C stellt dar, dass zwei von vier Werten von σ, R_Bruch, FWHM und d₃₃ die Zielwerte erreichen.

Die in der folgenden Tabelle 1 beschriebene Qualität D stellt dar, dass einer oder weniger von vier Werten von σ, R_Bruch, FWHM und d₃₃ die Zielwerte erreicht. [Tabelle 1]

Tabelle 1	piezoelektrischer Dünnfilm				erste Elektrodenschicht				ΔL	σ	R_Bruch	FWHM	d₃₃	Qua lität
Tabelle 1	Md	Mt	[Md+Mt]	L_ALN	Me	Kristallstruktur	Kristallebene	L_METAL	ΔL	σ	R_Bruch	FWHM	d₃₃	Qua lität
Einheit	-	-	[Atom% ]	[nm]	-	-	-	[nm]	[%]	[MPa]	[%]	[Grad]	[pC/N]	-
Beispiel 1	Ca	Ge	60	0,5985	Pd	fcc	(111)	0,5510	8,6	-1744	5	14,2	7,2	C
Beispiel 2	Mg	Zr	45	0,5821	Ni	fcc	(111)	0,5010	16,2	-1628	3	11,8	11,7	B
Beispiel 3	Mg	Zr	55	0,5917	Ir	fcc	(111)	0,5439	8,8	-1574	4	9,7	10,9	B
Beispiel 4	Mg	Hf	50	0,5863	Cu	fcc	(111)	0,5117	14,6	-1510	2	10,4	13,4	B
Beispiel 5	Mg	Hf	70	0,6098	Pt	fcc	(111)	0,5551	9,9	-1677	5	8,9	9,8	B
Beispiel 6	Mg	Ti	55	0,5878	Cu	fcc	(111)	0,5117	14,9	-1503	2	11,2	12,6	B
Beispiel 7	Mg	Ti	62	0,5967	Pd	fcc	(111)	0,5510	8,3	-1710	3	10,3	10,1	B
Beispiel 8	Mg	Zr	60	0,3439	Zr	hcp	(001)	0,3235	6,3	-822	1	8,7	10,9	A
Beispiel 9	Mg	Zr	36	0,5727	Pt	fcc	(111)	0,5551	3,2	-516	0	4,5	12,7	A
Beispiel 10	Mg	Hf	60	0,5865	Hf	hcp	(001)	0,5538	5,9	-744	1	7,0	12,0	A
Beispiel 11	Mg	Hf	36	0,5732	Pt	fcc	(111)	0,5551	3,3	-491	0	5,2	13,1	A
Beispiel 12	Mg	Ti	58	0,3439	Zr	hcp	(001)	0,3235	6,3	-623	1	6,8	10,5	A
Beispiel 13	Mg	Ti	36	0,5715	Pt	fcc	(111)	0,5551	3,0	-392	0	3,9	11,3	A
Beispiel 14	Mg	Zr	40	0,8935	Mo	bcc	(110)	0,8903	0,4	-288	0	3,3	13,6	A
Beispiel 15	Mg	Zr	45	0,5816	Cr	bcc	(110)	0,5768	0,8	-410	0	2,8	14,1	A
Beispiel 16	Mg	Zr	55	0,5909	Ti	hcp	(001)	0,5901	0,1	-182	0	4,1	11,9	A
Vergleichsbeispiel 1	Mg	Zr	5	0,5438	Pt	fcc	(111)	0,5551	-2,0	1102	15	11,0	0,0	D
Vergleichsbeispiel 2	Mg	Zr	34	0,5703	Ag	fcc	(111)	0,5778	-1,3	813	16	8,9	5,9	D
Vergleichsbeispiel 3	Mg	Hf	10	0,5483	Pt	fcc	(111)	0,5551	-1,2	799	10	10,5	5,1	D
Vergleichsbeispiel 4	Mg	Ti	7	0,5456	Pt	fcc	(111)	0,5551	-1,7	760	11	12,7	3,7	D

[Industrielle Anwendbarkeit]
Gemäß der Erfindung ist eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung vorgesehen, bei der der Bruch des piezoelektrischen Dünnfilms unterdrückt wird.
Bezugszeichenliste

1: Substrat,
2: piezoelektrischer Dünnfilm,
2s: Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms,
4 erste: Elektrodenschicht,
4s: Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, mit der der piezoelektrische Dünnfilm in Kontakt steht,
8: Haftschicht,
9: Riss,
10, 10a: piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung,
Al: Aluminium,
12: zweite Elektrodenschicht,
LALN: Gitterlänge des Aluminiumnitrids,
LMETALL: Gitterlänge des Metalls Me,
Md: zweiwertiges Metallelement,
Mt: vierwertiges Metallelement,
ucb: Einheitszelle der kubisch-raumzentrierten Struktur,
ucf: Einheitszelle der kubisch-flächenzentrierten Struktur,
uch: Einheitszelle der hexagonal dichtesten Packung,
ucw: Einheitszelle der Wurtzitstruktur.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016/111280 [0005]

Claims

Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung (10, 10a), umfassend: eine erste Elektrodenschicht (4); und einen piezoelektrischen Dünnfilm (2), der die erste Elektrodenschicht (4) direkt überlappt, wobei die erste Elektrodenschicht (4) ein Metall Me enthält, welches eine Kristallstruktur aufweist, der piezoelektrische Dünnfilm (2) enthält Aluminiumnitrid. welches Wurtzitstruktur aufweist, wobei das Aluminiumnitrid ein zweiwertiges Metallelement Md und ein vierwertiges Metallelement Mt enthält, [Al] die Aluminiummenge ist, welche im Aluminiumnitrid enthalten ist, [Md] die Gesamtmenge des im Aluminiumnitrid enthaltenen Metallelements Md ist, [Mt] die Gesamtmenge des im Aluminiumnitrid enthaltenen Metallelements Mt ist, wobei ([Md] + [Mt])/([Al] + [Md] + [Mt]) zwischen 36 Atom% und 70 Atom% beträgt, L_ALN eine Gitterlänge des Aluminiumnitrids in einer Richtung, die näherungsweise parallel zu einer Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, L_METALL eine Gitterlänge des Metalls Me in einer Richtung ist, die näherungsweise parallel zur Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, und L_ALN länger ist als L_METALL.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kristallstruktur des Metalls Me eine kubisch-flächenzentrierte Struktur, eine kubisch-raumzentrierte Struktur oder eine hexagonal dichteste Packung ist.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur näherungsweise parallel zu der Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me eine kubisch-flächenzentrierte Struktur ist, die (111)-Ebene der kubisch-flächenzentrierten Struktur näherungsweise parallel zur Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, a_w ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur ist, a_F eine Gitterkonstante der kubisch-flächenzentrierten Struktur ist, L_ALN durch 3^1/2 × a_w ausgedrückt wird, und L_METALL durch 2^1/2 × a_F ausgedrückt wird.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur näherungsweise parallel zu der Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me eine kubisch-raumzentrierte Struktur ist, die (110)-Ebene der kubisch-raumzentrierten Struktur näherungsweise parallel zur Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, a_w ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur ist, a_B eine Gitterkonstante der kubisch-raumzentrierten Struktur ist, und L_ALN durch 7^1/2 × a_w und L_METALL durch 2 × 2^1/2 × a_B ausgedrückt wird, oder L_ALN durch 3^1/2 × a_w und L_METALL durch 2 × a_B ausgedrückt wird.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die (001)-Ebene der Wurtzitstruktur näherungsweise parallel zu der Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, die Kristallstruktur des Metalls Me eine hexagonal dichteste Packung ist, die (001)-Ebene der hexagonal dichtesten Packung näherungsweise parallel zur Oberfläche (2) der ersten Elektrodenschicht (4) liegt, mit der der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, a_w ein Mindestabstand von Elementen in der (001)-Ebene der Wurtzitstruktur ist, a_H ein Mindestabstand des Metalls Me in der (001)-Ebene der hexagonal dichtesten Packung ist, und die L_ALN ist gleich a_w und das L_METALL ist gleich a_H ist, oder die L_ALN durch 3^1/2 × a_w und das L_METALL durch 2 × a_H ausgedrückt wird.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aluminiumnitrid mindestens Magnesium als das Metallelement Md enthält, und das Aluminiumnitrid mindestens eine Art von Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkonium, Hafnium und Titan, als Metallelement Mt enthält.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Grad des Gitterfehlers ΔL als (L_ALN - L_METALL)/L_METALL definiert ist, und der Grad des Gitterfehlers ΔL größer als 0% und gleich oder kleiner als 8% ist.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) eine Druckspannung auftritt, die Druckspannung annähernd parallel zur Oberfläche (4s) der ersten Elektrodenschicht (4) ist, mit welcher der piezoelektrische Dünnfilm (2) in Kontakt steht, und die Druckspannung größer als 0 MPa und gleich oder kleiner als 1500 MPa ist.
Piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend: eine zweite Elektrodenschicht (12), die den piezoelektrischen Dünnfilm (2) überlappt, wobei sich der piezoelektrische Dünnfilm (2) zwischen der ersten Elektrodenschicht (4) und der zweiten Elektrodenschicht (12) befindet.