JP6607993B2 - 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有する素子および圧電膜を有する積層基板の製造方法 - Google Patents
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基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、を備える、圧電膜を有する積層基板であって、
前記圧電膜上には、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜が形成されている、圧電膜を有する積層基板およびその関連技術が提供される。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施形態にかかる積層基板10は、基板1と、基板1上に製膜された第1電極膜としての下部電極膜2と、下部電極膜2上に製膜された圧電膜(圧電薄膜)3と、圧電膜3上に密着層を介して製膜された第2電極膜としての上部電極膜4と、を備えた積層体として構成されている。
図4に、本実施形態における圧電膜を有するデバイス30(以下、圧電膜デバイス30とも称する)の概略構成図を示す。圧電膜デバイス30は、上述の積層基板10を所定の形状に成形して得られる圧電膜を有する素子20(以下、圧電膜素子20とも称する)と、圧電膜素子20に接続される電圧検出手段11aまたは電圧印加手段11bと、を少なくとも備えて構成される。
続いて、上述の積層基板10の製造方法について説明する。まず、基板1のいずれかの主面上に下部電極膜2を製膜する。なお、いずれかの主面上に下部電極膜2が予め製膜された基板1を用意してもよい。続いて、下部電極膜2上に、例えばスパッタリング法を用いてKNN膜3を製膜した後、KNN膜3(KNN膜3を有する積層体)に対して、所定温度(例えば500℃)の条件下で所定時間(例えば2時間)、アニール(熱処理)を行う。その後、KNN膜3上に、例えばスパッタリング法を用いてRuOx膜7aまたはIrOx膜7bを製膜し、RuOx膜7aまたはIrOx膜7b上に上部電極膜4を製膜することで、積層基板10が得られる。
アニール温度(積層基板10の温度):600℃以上、好ましくは600℃以上800℃以下、より好ましくは700℃
アニール時間:0.5〜12時間、好ましくは1〜6時間、より好ましくは2〜3時間
アニール雰囲気:大気または酸素雰囲気
が例示される。ただし、このアニールは行わなくてもよい。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
本実施形態は上述の態様に限定されず、例えば以下のように変形することもできる。
例えば、基板1と下部電極膜2との間に、RuOx膜7aまたはIrOx膜7bを設けてもよい。すなわち、密着層6として、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる膜を形成してもよい。また例えば、下部電極膜2とKNN膜3との間に、RuOx膜7aまたはIrOx膜7bを設けてもよい。なお、これらの場合、KNN膜3と上部電極膜4との間に、RuOx膜7aまたはIrOx膜7bを設けてもよく、設けなくてもよい。これらによっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
上述の積層基板10を圧電膜素子20に成形する際、積層基板10(圧電膜素子20)を用いて作製した圧電膜デバイス30をセンサやアクチュエータ等の所望の用途に適用することができる限り、積層基板10から基板1を除去してもよい。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
基板温度:300℃
放電パワー:1200W
導入ガス:Arガス
Ar雰囲気の圧力:0.3Pa
製膜時間:5分
基板温度:600℃
放電パワー:2200W
導入ガス:Ar/O2混合ガス
Ar/O2混合ガス雰囲気の圧力:0.3Pa
Arガスの分圧/O2ガスの分圧:25/1
製膜速度:1μm/hr
基板温度:室温(25℃)
放電パワー:300W
導入ガス:Ar/O2混合ガス
Ar+O2混合雰囲気の圧力:0.3Pa
Arガスの分圧/O2ガスの分圧:1/1
製膜速度:0.1μm/hr
寿命に関する評価は、上述の実施形態に記載の条件のHALTにより、KNN膜が絶縁破壊するまでの時間(sec)を測定することで行った。表1、表2中の数値は、1サンプルにつき0.5mmφ内の7箇所で測定した寿命の値の平均値である。また、表1、表2中、「アニールなし」とは上部電極膜の製膜後のアニールを不実施としたことを示し、「600℃アニール」とは、上部電極膜の製膜後に積層基板を600℃の温度条件下で2時間アニールしたことを示す。表2中の「500℃アニール」、「700℃アニール」の表記も「600℃アニール」と同様の意味である。
強誘電性の評価は、KNN膜に対して、±100kV/cmの電界を1kHzの周波数で印加して、電圧と分極量との関係を示すヒステリシスカーブを得た。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、を備える、圧電膜を有する積層基板であって、
前記圧電膜上には、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜が形成されている。
付記1の基板であって、好ましくは、
前記基板と前記第1電極膜との間、または前記第1電極膜と前記圧電膜との間の少なくともいずれかには、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜が形成されている。
付記1または2の基板であって、好ましくは、
前記酸化膜は、組成式RuOxで表される酸化物からなる膜である。
付記1〜3のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記酸化膜は、組成式RuOx(0<x<2)で表される酸化物からなる膜である。
付記1〜3のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記酸化膜は、組成式RuOx(2<x)で表される酸化物からなる膜である。
付記1〜5のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記酸化膜の厚さは、2nm以上30nm以下、好ましくは5nm以上30nm以下である。
付記1〜6のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記圧電膜は、組成式(K1−yNay)NbO3(0<y<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜である。
付記1〜7のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記圧電膜は、
飽和分極量(Pmax−)の絶対値が23μC/cm2以上であり、
残留分極量(Pr−)の絶対値が14μC/cm2以上である。
付記1〜8のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記酸化膜は、アニール(熱処理)が行われていない。
付記1〜8のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記酸化膜は、600℃以上800℃以下の温度条件下でアニールが行われている。
本発明の他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、を備える、圧電膜を有する積層基板であって、
前記圧電膜は、組成式(K1−yNay)NbO3(0<y<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜であり、
前記圧電膜上に第2電極膜を製膜し、前記積層基板の温度が200℃となるように加熱した状態で、前記第1電極膜と前記第2電極膜との間に−300kV/cmの電界(−60Vの電圧)を印加した際、電界印加開始から前記圧電膜に流れるリーク電流密度が30mA/cm2を超えるまでの時間が3300秒以上である、圧電膜を有する積層基板が提供される。
付記11の基板であって、好ましくは、
前記圧電膜上には、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜が形成されている。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、前記圧電膜上に製膜された第2電極膜と、を備え、
前記圧電膜と前記第2電極膜との間には、組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜が設けられている圧電膜を有する素子、または、圧電膜を有するデバイスが提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に電極膜を製膜する工程と、
前記電極膜上に圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に組成式RuOxまたはIrOxで表される酸化物からなる酸化膜を製膜する工程と、を備える、圧電膜を有する積層基板の製造方法が提供される。
付記14の方法であって、好ましくは、
前記酸化膜を製膜する工程を行った後、前記積層基板をアニールする工程を有しない。
付記14の方法であって、好ましくは、
前記酸化膜を製膜する工程を行った後、600℃以上、好ましくは600℃以上800℃以下の温度条件下で前記積層基板をアニールする工程をさらに有する。
3 圧電膜
7a RuOx膜
7b IrOx膜
10 積層基板
Claims (9)
- 基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、を備える、圧電膜を有する積層基板であって、
前記圧電膜は、組成式(K1−yNay)NbO3(0<y<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜であり、
前記圧電膜上には、組成式RuOxまたはIrOx (0<x<2)で表される酸化物からなる酸化膜が設けられており、
前記酸化膜上に第2電極膜を製膜し、前記積層基板の温度が200℃となるように加熱した状態で、前記第1電極膜と前記第2電極膜との間に−300kV/cmの電界を印加した際、電界印加開始から前記圧電膜に流れるリーク電流密度が30mA/cm2を超えるまでの時間が3300秒以上である、圧電膜を有する積層基板。 - 前記酸化膜はアニールが行われていない膜である請求項1に記載の圧電膜を有する積層基板。
- 前記酸化膜は600℃以上800℃以下の温度条件下でのアニールが行われている膜である請求項1記載の圧電膜を有する積層基板。
- 前記酸化膜の厚さが5nm以上30nm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電膜を有する積層基板。
- 基板と、前記基板上に製膜された第1電極膜と、前記第1電極膜上に製膜された圧電膜と、前記圧電膜上に製膜された第2電極膜と、を有する積層基板を備え、
前記圧電膜は、組成式(K1−yNay)NbO3(0<y<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜であり、
前記圧電膜と前記第2電極膜との間には、組成式RuOxまたはIrOx (0<x<2)で表される酸化物からなる酸化膜が設けられており、
前記積層基板の温度が200℃となるように加熱した状態で、前記第1電極膜と前記第2電極膜との間に−300kV/cmの電界を印加した際、電界印加開始から前記圧電膜に流れるリーク電流密度が30mA/cm2を超えるまでの時間が3300秒以上である、圧電膜を有する素子。 - 基板上に第1電極膜を製膜する工程と、
前記第1電極膜上に、組成式(K1−yNay)NbO3(0<y<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に、組成式RuOxまたはIrOx (0<x<2)で表される酸化物からなる酸化膜を製膜する工程と、
を行うことで、前記酸化膜上に第2電極膜を製膜し、前記基板と前記第1電極膜と前記圧電膜と前記酸化膜と前記第2電極膜とを有する積層基板の温度が200℃となるように加熱した状態で、前記第1電極膜と前記第2電極膜との間に−300kV/cmの電界を印加した際、電界印加開始から前記圧電膜に流れるリーク電流密度が30mA/cm2を超えるまでの時間を3300秒以上とする、圧電膜を有する積層基板の製造方法。 - 前記酸化膜を製膜する工程を行った後、前記積層基板をアニールする工程を有さない請求項6に記載の圧電膜を有する積層基板の製造方法。
- 前記酸化膜を製膜する工程を行った後、600℃以上800℃以下の温度条件下で、前記積層基板をアニールする工程をさらに有する請求項6に記載の圧電膜を有する積層基板の製造方法。
- 前記酸化膜を製膜する工程では、前記酸化膜として厚さが5nm以上30nm以下である膜を製膜する請求項6〜8のいずれか1項に記載の圧電膜を有する積層基板の製造方法。
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