JP7090753B2 - 強誘電体材料、強誘電体材料を含むｍｅｍｓコンポーネント、第１のｍｅｍｓコンポーネントを備えるｍｅｍｓデバイス、ｍｅｍｓコンポーネントを製造する方法、及びｃｍｏｓ対応ｍｅｍｓコンポーネントを製造する方法 - Google Patents

強誘電体材料、強誘電体材料を含むｍｅｍｓコンポーネント、第１のｍｅｍｓコンポーネントを備えるｍｅｍｓデバイス、ｍｅｍｓコンポーネントを製造する方法、及びｃｍｏｓ対応ｍｅｍｓコンポーネントを製造する方法 Download PDF

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Description

本発明に係る実施形態は、強誘電体材料、強誘電体材料を含むＭＥＭＳコンポーネント、第１のＭＥＭＳコンポーネントを備えるＭＥＭＳデバイス、ＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法、及びＣＭＯＳ対応ＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法に関する。
圧電ＭＥＭＳアクチュエータは、例えば、静電駆動コンポーネントに比べて顕著により大きい力をもたらす。それにもかかわらず、これらの力は、特に非共振運動の場合、しばしば不十分でもある。しかしながら、圧電多層によって、任意の大きさの力をそれぞれのコンポーネントに結合することは理論上可能である。しかしながら、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの、これまでに入手可能な圧電体は、限られた範囲でしか圧電ＭＥＭＳ多層システムに適していないため、対応するコンポーネントの商用利用への移行はまだ有望ではない。
強誘電体材料は、外部電界Ｅによってその方向が決まる、空間的に回転できる電気分極Ｐによって特徴付けられる圧電材料の一種である。有効である電界に対する分極の配向に応じて、この材料はまた、膨張又は収縮する（圧電効果）。この効果はアクチュエータに用いられ得る。マイクロシステム技術では、例えば、強誘電性の誘電体を備えた平板コンデンサが、受動層上に堆積され、構造化される（パターン形成される）。受動層は、超音波トランスデューサの又は拡声器の膜であり得る。電圧Ｕが印加されるときの強誘電体材料の横方向の収縮又は膨張の結果として、分極の方向に応じて基板内に圧縮応力又は引張応力が発生し、したがって、基板が変形する。変形の根底にある機械的な力は、材料の圧電係数、その分極方向、及び利用可能な電圧によって生じる［１］。
固定電圧での力を増加させる１つの可能性は、多層システムを用いることである。それを超えると利用可能な電圧が印加される、同一の圧電係数をもつｎ層の圧電材料を用いるとき、結果として生じる力は最大ｎ倍に増加し得る［２］。実際に達成可能な力は、印加電界に対する材料分極のそれぞれの配向に依存する。理想的には、すべての圧電体層での電界及び分極は、層システムの中立面（ニュートラルファイバとも呼ばれる）の同じ側で互いに平行又は反平行のいずれかであるように整列される。この場合、すべての層は、一方向の様態で全体の力に寄与し、したがって力は最大である。
巨視的な強誘電体多層アクチュエータは、例えば燃料噴射ポンプで既に工業的に用いられている［３］。マイクロシステムアクチュエータでは、強誘電体多層システムは、それらの明らかな利点にもかかわらず、これまで学究的世界によってのみ調査されてきた（例えば［４］、［５］）。これは、強誘電体単一層（普通はＰＺＴで作製される）のＭＥＭＳ製造への統合でさえも、例えば、材料の拡散、温度収支、及び構造化に関しての、多大な技術的努力なしに成し得ない課題であるためである。将来、多層ＰＺＴのＭＥＭＳ技術への統合が利用できるようになったとしても、他の欠点の中でも、この材料は依然としてＣＭＯＳ対応ではなく、電気的なバイポーラ駆動に適さないであろう。
したがって、圧電係数が顕著により低いにもかかわらず、ＡｌＮなどの非強誘電体材料を圧電アクチュエータに適用することが検討されることがある（例えば［６］、［７］、［２０］、［２１］、［２２］、［２３］）。ＡｌＮは、焦電体材料であり、すなわち、強誘電体と同様に、それは自発的な電気分極を呈する。しかしながら、強誘電体材料とは異なり、ＡｌＮでの分極は、外部電界によって空間的に回転させることはできない。しかしながら、この材料を圧電多層に適用する場合、これは、正当化するのが難しい、かつ追加の絶縁層及び電極の必要性のためである、追加の製造コストを意味する。代替的に、材料分極の１回限りの調整の可能性が、理論上はある。この方法は基礎的な形で存在するが、ここでもやはり、例えば追加の堆積プロセスが必要であるため、かなりの追加の製造努力を伴う。
以下に、簡単に紹介した前述の以前の解決手法をより詳細に説明し、最終的に、ＡｌＮと遷移金属窒化物に基づく強誘電性の混晶の開発が、強誘電体又は焦電体の典型的な欠点を受け入れる必要のない圧電多層コンポーネントを可能にするというところまでを説明する。［２４］及び［２５］には、圧電特性を向上させるためのＡｌＳｃＮ混晶が既に記載されているが、強誘電性の混晶がスカンジウムによってどのように製造され得るかについては示されていない。
強誘電体多層のさらに考えられる用途は、入力変数を電荷へと（電圧への変換の代替として）圧電により変換するセンサの概念に重要であるような、コンポーネントにおいて固有である電荷増幅である。したがって、外部電荷増幅器に課される要件が低減され得る。このような電荷増幅はまた、マイクロ発電機において有利であり得る。以下に提示するアクチュエータのための手法は、上記の電荷増幅にも直接適用され得る。２つの概念の二元性は、圧電効果の２つの方向（直接及び逆）を反映する。
マイクロシステム技術におけるアクチュエータのための圧電多層システムを実装するために、本質的な態様が異なる、４つの一般的手法が考えられる。その目的は、利用可能な最大電界強度（＝ＵＥ／単層の厚さ）を個々の各層に印加すること、及び中立面の同じ側にあるすべての層を同じ符号の力に寄与させることである。以下に提示する以前の解決手法は、例えば［２］で行われた検討から直接もたらされる。
圧電センサ及び発電機に関して、いくつかの同一の圧電コンデンサ構造体を直列に接続することによる又は圧電体層の厚さを増加させることによる、電圧の増幅の可能性がある。しかしながら、この手法は、電荷増幅器によってセンサの出力信号を読み出すという測定概念に直接的な利点はないであろう。しかしながら、直列接続がコンポーネント固有の電圧増幅をもたらすのと同じように、固有の電荷増幅は、並列接続された圧電コンデンサによって実装され得る。しかしながら、これを多層システムで実装するためには、以下に提示する手法を適用する必要があり、それぞれに欠点がある。ここでの目的は、隣接するコンデンサ間の電荷補償を回避することである。これにより今度は、圧電材料の分極方向に要求が課される。
例えばＰＺＴなどの典型的な強誘電体を、このクラスの材料は外部電界の電界方向に沿って固有の電気分極の整列を呈するので、絶縁層の追加なしに組み合わせて、効果的な多層アクチュエータを形成できる。受動層の両側に能動圧電体層を設ける可能性に加えて、単純にするために、片側のみをコーティングすること、又は電極を備えた、すなわち、受動層を備えない圧電多層に基づく構造体を排他的に設計することが有利であり得る。いずれの場合にも、適切な分極を選択するときに中立面の位置を考慮に入れなければならない。この中立面よりも上の層は、屈曲運動が誘起されるならば、その下に位置する層の場合のように、それらの力を反対の符号でそれぞれ結合しなければならない。
この設計は可能な限り単純であるにもかかわらず、これまでマイクロシステム技術で用いられてきた本質的にＰＺＴに基づく強誘電体は、以下の、いくつかの決定的な欠点を有する：
・５００℃を超える必要な堆積温度と、含まれる鉛が、材料をＣＭＯＳ製造に不適応にする。
・絶縁破壊のリスクが、使用可能な最大電界強度、したがって、結果として生じる力を制限する。
・力と印加電界との間の関係性が、電界のゼロ点の周りで非常に非線形である。力又は歪みはまた、長い距離にわたって同じ符号を有する。駆動力の調和のとれた振動を概ね保証するためには、電圧オフセットが必要である。低い破壊電界強度と併せて、これは、駆動力の利用可能な最大振幅をさらに制限する。
・強誘電体層の固有の機械的応力が、限られた程度にしか影響を受け得ない。
・動作中に生じる誘電損失及び漏れ電流が、ＡｌＮなどのいくつかの他の誘電体よりも顕著により高い。
純ＡｌＮなどの純焦電体、すなわち、明示的に非強誘電性の材料は、ＣＭＯＳ対応の様態で堆積され得る。それらは、絶縁破壊電界強度が典型的な強誘電体よりも顕著により高い値に達し、さらに、わずかな電気損失のみを伴うように製造され得る。加えて、電界と結果として生じる力の間の関係性は、最良近似で線形である。特に、これは、バイポーラ電圧での効率的な励起を可能にする。しかしながら、分極は、後で変更できないため、材料の製造中にのみ定義される。１つの同じプロセスによって製造された多層システムでは、すべての層の分極は、同じ方向を向いており、理想的には基板に垂直である。したがって、効果的な駆動を保証するためには、励起電界もすべての個々の層で同じ方向を向いていなければならない。したがって、多層の個々のコンデンサ構造体を電気的に分離する必要がある。強誘電体の使用と比較した場合のこれの主な欠点は、圧電体層ごとに少なくとも２つの追加の層、すなわち、絶縁体とさらなる電極が必要となることである。それらの堆積及び構造化は、かなり高い製造努力を意味する。対応する絶縁層の省略、又は絶縁層にわたり起こり得る短絡は、結果的に完全なコンポーネントの故障をもたらすであろう。原則として、この手法は、両側で能動的にコーティングされた受動層、又は受動層なしの層システムを製造するのにも用いられ得る。
バイモルフは、電気絶縁の追加なしに非強誘電体二層の使用を可能にする。効率的な駆動のための前提条件は、アクチュエータの中立面の両側に２つの圧電体層が配置されることである。これらの層は、電極層を共有してよく、又は中間受動層によって空間的に分離されてよい。圧電体層の数は、ｎ＝２に制限される。
ＡｌＮなどの非強誘電性の焦電体での分極は、材料の製造中に永久的に設定される。最適な圧電挙動は、電気分極が基板に対して垂直にのみ整列される場合に達成される。相互に反平行の分極をもつ層が交互に製造され用いられる場合、多層の個々のコンデンサユニット間の絶縁層の必要がなくなる。この目的のために必要な、分極の不可逆的な調整は、適切な中間層又は開始層を設けることによって達成できる［８］。さらに、例えば酸素又はゲルマニウムのドープも、分極方向の調整を可能にすることが示されている［９、１０］。しかしながら、これらの手法は、すぐに応用できるとは言えない。加えて、最適に機能するためには、完全な分極反転が確実に達成されなければならない。なぜなら、これは後で調整できないからである。結果として生じる複雑さと、多層システムのためのさらなるプロセスを開発する必要性は、この手法の主な欠点とみなされるはずである。しかしながら、ＰＺＴとは対照的に、分極の空間的配向は、高い電界強度であっても一定のままである。
これを考慮して、ＣＭＯＳ適合性、及び電圧とその結果生じる力の間の線形の関係性を可能にしながら、結果として生じる力の増大と、必要な絶縁層及び電極層の数の最小化と、多層の圧電体層を堆積するのに必要なプロセスの削減との間の改善された妥協をもたらす概念が必要とされている。
以下では、強誘電体層は、圧電体層とも呼ばれる。しかしながら、いくつかの実施形態に係る層は、必ずしもすべてが強誘電体である必要はなく、例えば、圧電体層のうちのいくつか（例えば、１つおきの層）が強誘電体材料を含み、他のすべての圧電体層が圧電材料のみを含めば十分である。例えば、層のうちのいくつかは、逸脱したＴＭの比率又は逸脱した機械的応力を有し、したがって、強誘電体ではないことが考えられる。
一実施形態は、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶を有する強誘電体材料に関係する。遷移金属窒化物の比率は、切替電圧の印加によって強誘電体材料の初期又は自発極性の方向が切り替えられ、且つ、切替電圧が強誘電体材料の降伏電圧を下回るまで増加されなければならない。言い換えれば、遷移金属窒化物の比率は、切替電圧の印加によって強誘電体材料の初期又は自発極性の方向が切り替えられ、且つ、切替電圧が強誘電体材料の降伏電圧を下回るまで増加されなければならない。
この混晶を有する強誘電体材料の実施形態は、強誘電体材料の混晶中の遷移金属窒化物の比率の増加により、切替電圧の印加によって強誘電体材料の初期又は自発極性が切り替えられ得る、したがって、強誘電体材料の初期又は自発極性の方向が、製造プロセスによって決定されず、後で変更され得るという発見に基づいている。例えば、混晶は、初期の又は自発な極性を最初に有し、その方向は、切替電圧の印加により変化し得る。例えば、極性の方向は、１８０°回転され得る、又は初期極性の方向は、切替電圧によって生じる電界と平行に整列され得る。
強誘電体材料が多層システムに用いられる場合、多層の強誘電体層は、分極方向をその場で操作する必要性がないので、例えば単一のプロセスで堆積されてよい。代わりに、すべての強誘電体層が同じ分極で最初に堆積され、その後、切替電圧の印加により、個々の選択された強誘電体層のそれぞれの分極が切り替えられてよい。製造プロセス後に切替電圧を印加することにより強誘電体材料の極性を切り替える可能性は、強誘電体材料の多層システムにおいて必要とされる絶縁層及び電極層の数を最小にする。なぜなら強誘電体材料の個々の層の分極が、例えば、強誘電体材料の２つの層がそれらによって共有される電極層をそれらの間に１つだけ有する必要があるように、切替電圧の助けにより調整され得るからである。
したがって、強誘電体材料は、多層システムで用いられるときに、多層の強誘電体層が単一のプロセスで堆積され、かつ絶縁層及び電極層の必要数が個々の強誘電体層の極性を切り替えることにより最小にされるという事実につながり得ると言える。
一実施形態では、強誘電体材料は機械的応力を呈する。機械的応力は、例えば、製造中に用いられるガスの組成によって又は製造中に電圧を印加することによって調整され得る。機械的応力は、圧縮応力の第１の値と引張応力の第２の値の間にあり、第１の値の絶対値は第２の値の絶対値よりも低い。これは、例えば、強誘電体材料を含む強誘電体層内の機械的応力が、切替電圧が強誘電体材料の降伏電圧を下回るように、より高い引張応力又はより低い圧縮応力に向けて調整されることを意味する。ＴＭの比率（遷移金属の比率）と機械的応力は、長い距離にわたり互いに独立して調整され得るが、両方とも切替電圧量への影響を有する。ＴＭの比率と機械的応との間の相互作用に起因して、例えば、強誘電体材料を含む強誘電体層の引張応力が増加する場合、必要な遷移金属窒化物の比率が減少し、例えば、圧縮応力が増加する場合、必要な遷移金属窒化物の比率が増加し得る。
一実施形態では、機械的応力は、－６００ＭＰａ（圧縮応力の第１の値）～２０００ＭＰａ（引張応力の第２の値）の区間内にあり、負の値は圧縮応力を示し、正の値は引張応力を示す。機械的応力が、－５５０ＭＰａ～１５００ＭＰａ、－５００ＭＰａ～１０００ＭＰａ、又は－４５０ＭＰａ～９００ＭＰａの区間内などの、－６００ＭＰａ～２０００ＭＰａの区間にある場合、ＴＭの比率（遷移金属の比率）が一定の限界を超えており、且つ、例えば、切替電圧が降伏電圧よりも低ければ、強誘電体材料は切替電圧が印加されるときに損傷しない。例えば、－６００ＭＰａ～２０００ＭＰａの範囲は、切替電圧が印加されるときに強誘電体材料の極性の方向が切り替えられるように圧縮応力と引張応力の比が最適化される範囲を包含する。
一実施形態では、強誘電体材料の極性の方向は、印加された切替電圧の除去後に長時間維持される。これは、例えば、この強誘電体材料の極性の方向の変化後に、分極方向が長いあいだ一定のままであることを意味する。切替電圧の印加前に、強誘電体材料の元の分極方向が望ましい場合、強誘電体材料は、再度、しかし前の切替電圧の電界とは反対の電界で、切替電圧が印加される必要がある。強誘電体材料の極性の方向は、強誘電体材料を貫通しかつ切替電圧によって生じる電界に沿って自己整列する。
一実施形態では、遷移金属窒化物の選択された比率は混晶が強誘電体となるようにする。混晶の強誘電特性に起因して、とりわけ、混晶の極性は、例えば切替電圧の印加により電気的に切り替えられ得る。極性の切り替えは、例えば、混晶の極性が切替電圧の印加前に混晶内で一方向を向くこと、及び切替電圧の印加後に、混晶の極性が切替電圧の印加前の分極方向とは反対の方向を向くことを意味する。したがって、例えば、極性が反転される。しかしながら、強誘電体材料の極性の切り替えは、例えば、混晶の双極子モーメントの大部分（例えば、双極子の５０％と１００％の間、双極子の７０％と１００％の間、又は双極子の９０％などの、双極子の８０％と１００％の間）が、混晶に切替電圧を印加することにより発生した電界方向に沿って配向され；混晶に切替電圧を印加する前に、混晶の双極子モーメントの大部分は、その後印加される切替電圧の電界方向とは反対方向に配向されていたことを意味する場合もある。
一実施形態では、遷移金属原子の数とアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属原子の数の比率は、≧０．２と≦０．５の範囲内にある。例えば、遷移金属原子の数とアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属原子の数の比率は、０．２５と０．４３の間又は０．３０と０．３６の間の範囲内、例えば０．３６であり得る。比率は、例えば、遷移金属に依存する。しかしながら、比率は、強誘電体材料の機械的応力にも依存し得る。例えば、強誘電体材料の層が引張応力下にある場合、必要な遷移金属窒化物の比率は減少され、圧縮応力の場合は増加されるであろう。加えて、強誘電体材料は、とりわけ、鉛を含まない様態で、５００℃よりも低い温度で（例えば、２００℃、２４０℃、３００℃、３６０℃、４００℃、又は４７０℃などの、０℃と５００℃の間の温度で）堆積され、これによりＣＭＯＳ適合となる。
一実施形態では、遷移金属は、スカンジウム、イットリウム、チタン、クロム、ニオブ、又はこれらの任意の組み合わせを含む。これらの特定の遷移金属の助けにより、例えば、混晶に切替電圧を印加することにより強誘電体材料の極性を切り替えることが可能である。
一実施形態は、初期又は自発極性を呈する混晶を提供するステップに関係するプロセスを指す。混晶は、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む。遷移金属窒化物の比率は、例えば、切替電圧の印加により強誘電体材料の初期又は自発極性の方向が切替可能であるように選択される。切替電圧は、例えば、強誘電体材料の降伏電圧よりも低い。この方法は、混晶の初期又は自発極性の方向が反転されるように混晶に切替電圧を印加するステップをさらに含む。
一実施形態は、強誘電体材料を含むＭＥＭＳコンポーネントを指す。例えば、実施形態の１つによれば、強誘電体材料を用いることにより、強誘電体材料の特性、すなわち、切替電圧の印加により極性が切り替えられ得るという特性を利用できる、多様なＭＥＭＳコンポーネントが製造され得る。さらに、例えば強誘電体材料のいくつかの層からなるＭＥＭＳコンポーネントの製作は、すべての層が同じプロセスを用いることによって制作され得、かつその後、切替電圧の印加により、個々の層の極性が切り替えられ得る、又はいくつかの層の極性が同時に又は連続して切り替えられ得るので、強誘電体材料により簡易化される。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントは、強誘電体材料を含む第１の強誘電体層、第１の強誘電体層の第１の表面上に配置された第１の電極、及び第１の強誘電体層の第２の表面上に配置された第２の電極を備える。例えば、第２の表面は、第１の表面とは反対側にある。これは、強誘電体材料で作製された多層システムの例である。第１の電極及び第２の電極を介して第１の強誘電体層に切替電圧が印加され得る。切替電圧の印加により、第１の強誘電体層の極性が切り替えられ得る。このＭＥＭＳコンポーネントが切替電圧よりも低い電圧で作動される場合、第１の強誘電体層の極性の方向は変化しないであろう。ＭＥＭＳコンポーネントが切替電圧よりも低い電圧で作動される場合、これは、例えば、アクチュエータの機能を有しかつ、例えば、第１及び第２の電極に電圧を印加することにより供給された電流を機械的運動に変換しかつ、例えば、空間で一方向にその膨張を短くする又は長くすることができる。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントは、第１の強誘電体層とは反対側で第１の電極上に配置された第２の強誘電体層と、第２の強誘電体層の第１の表面上に配置された第３の電極を有する。第２の強誘電体層の第１の表面は、第１の電極から離れる方に面する。すなわち、第２の電極及び第３の電極は、第１の強誘電体層、第１の電極、及び反対側の第２の強誘電体層からなるブロックを区画し、第１の電極は、第２の強誘電体層が第１の電極を第３の電極から分離し、且つ、第１の強誘電体層が第１の電極を第２の電極から分離するように、第１の強誘電体層と第２の強誘電体層との間に配置される。第１の強誘電体層及び第２の強誘電体層は、本明細書で説明される強誘電体材料を含む。多層ＭＥＭＳコンポーネントの第１の強誘電体層及び第２の強誘電体層の堆積は、単一のプロセスで行われ得る。例えば、第２の電極が導電性材料の立方体の形態で最初に製造され、次いで、第１の強誘電体層の極性が第２の電極の接触面に垂直となるように、第２の電極の表面上に第１の強誘電体層が堆積され得る。例えば、第１の強誘電体層の極性は、第２の電極と第１の強誘電体層との間に位置する第２の電極の接触面の方に又は上記表面から離れる方へのいずれかを向き得る。例えば、第１の強誘電体層は、立方体の形状であり得る。第２の電極とは反対側の第１の強誘電体層の表面上に、例えば、第１の電極が導電性材料の立方体の形態で適用され、第１の強誘電体層と接触する表面とは反対側の第１の電極の表面上に、例えば第２の強誘電体層を表す強誘電体材料の立方体が適用され得る。この第２の強誘電体層の極性は、第１の電極と第２の強誘電体層との間の表面に垂直であるべきである。第２の強誘電体層は第１の強誘電体層と同じプロセスによって又は同じプロセスにおいて堆積され得るため、例えば、第２の強誘電体層は第１の強誘電体層と同じ極性を有するであろう。第２の強誘電体層の表面上に、第３の電極が第１の電極とは反対側に堆積される。第１の電極、第２の電極、及び／又は第３の電極によって、例えば第１の強誘電体層及び／又は第２の強誘電体層に電圧が印加され得る。これは、例えば、第１の電極と第３の電極に切替電圧を印加することにより、第２の強誘電体層の極性が切り替えられ得るという利点を有する。第２の強誘電体層の極性を切り替えることにより、第２の強誘電体層の極性は、第１の強誘電体層の極性の方向とは反対の方向を向く。このケースでは、第１の電極、第２の電極、及び第３の電極に切替電圧よりも低い電圧が印加される場合、両方の強誘電体層は同時に収縮又は膨張し得る。第１の強誘電体層と第２の強誘電体層で極性が反対であることに起因して、ＭＥＭＳコンポーネントを屈曲し得る力が、例えば、増加する。加えて、さらなる電極が必要とされ、且つ２つの電極が絶縁層によって分離されていなければならない、純圧電材料を有する多層システムの公知の実施形態とは対照的に、第１の強誘電体層と第２の強誘電体層との間に電極が１つだけ（例えば第１の電極）必要とされる。したがって、このＭＥＭＳコンポーネントにより、絶縁層と電極の数を最小に減らすことができる。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントの第１の電極は、第１の電極層及び第２の電極層を有する。第１及び第２の電極層は、それらの間に配置される絶縁層を有し、絶縁層はその中に位置する中立面を有する。このＭＥＭＳコンポーネントにおいて、第１の強誘電体層と第２の強誘電体層は１つのプロセスで堆積されてよく、多層システムのため、ＭＥＭＳコンポーネントの力が増加する。絶縁層を導入することにより、第１の強誘電体層が、第２の強誘電体層とは独立して制御され得る。例えば、第２の電極及び第２の電極層に電圧を印加することによって第１の強誘電体層が制御され、第３の電極及び第１の電極層に電圧を印加することによって第２の強誘電体層が制御され得る。さらに、さらなる層（絶縁層）が、例えば製造中にキャリア材料として用いられ得る。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントの第１の電極は、第１の電極層及び第２の電極層を有する。第１及び第２の電極層は、それらの間に配置される受動層を有し、受動層はその中に位置する中立面を有する。受動層により、例えば、中立面の一方の側の第２の強誘電体層は、中立面の他方の側の第１の強誘電体層とは異なる、ＭＥＭＳコンポーネントへの力の効果を有し得る。したがって、例えば、ＭＥＭＳコンポーネントの屈曲、したがって、ＭＥＭＳコンポーネントの屈曲力が強化され得る。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントは、第２の強誘電体層に対向する第３の強誘電体層上に配置された第３の電極、第３の電極から離れる方に面する第３の強誘電体層の第１の表面上に配置された第４の電極、第１の強誘電体層に対向する第４の強誘電体層上に配置された第２の電極、及び第４の強誘電体層の第１の表面上に配置された第５の電極を備える。第４の強誘電体層の第１の表面は、第２の電極から離れる方に面するように配置される。このＭＥＭＳコンポーネントは４つの強誘電体層を備える。ＭＥＭＳコンポーネントが備える層が多いほど、ＭＥＭＳコンポーネントの力が大きくなる。本明細書で具体的に説明される強誘電体材料を用いることにより、個々の強誘電体層の力が相互作用してＭＥＭＳコンポーネントの全体の力が非常に大きくなるように、個々の強誘電体層の極性がしたがって、切替電圧の印加により切り替えられ得る。さらに、この多層システムに追加の絶縁層は不要である。第１の電極、第２の電極、及び第３の電極は、それぞれ、２つの強誘電体層によって用いられ得る。ＭＥＭＳコンポーネントが製作された後であっても個々の強誘電体層の極性が変更され得るので、多層の強誘電体層は、１つの単一プロセスによって又は１つの単一プロセスにおいて堆積され得る。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントの第２の電極で受動層が配置される。この多層システムを用いることにより、個々の強誘電体層の個々の力が受動層上に合わされ得る。これにより、受動層が歪められ得る。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントの受動層は、少なくとも一方の側で基板に接続される。したがって、例えば、受動層は、一方の側でしっかりと固定され、反対側で自由に動くことができる。ＭＥＭＳコンポーネントの歪みは、このとき受動層の自由に動くことができる側でのみ生じ、したがってＭＥＭＳコンポーネントが両側で歪められる場合よりもこの側でより顕著な歪みが達成され得るので、この設計はＭＥＭＳコンポーネントの効果をさらに高める。加えて、固定（基板にＭＥＭＳコンポーネントを接続）は、例えば、コンポーネントを空間的に固定させる。
一実施形態では、ＭＥＭＳコンポーネントは、多層ＭＥＭＳアクチュエータ、多層ＭＥＭＳセンサ、又は多層ＭＥＭＳ発電機を含む。多層ＭＥＭＳアクチュエータ、多層ＭＥＭＳセンサ、又は多層ＭＥＭＳ発電機において強誘電体材料を用いることにより、強誘電体層が単一のプロセスにおいて又は単一のプロセスによって堆積され、且つ個々の強誘電体層の所望の極性はその後調整され得るので、これらはより費用効果が高く且つ効率よく製造され得る。ＭＥＭＳコンポーネントが、多層ＭＥＭＳアクチュエータ、多層ＭＥＭＳセンサ、又は多層ＭＥＭＳ発電機を含む場合、ＭＥＭＳコンポーネントは、例えば、少なくとも１つのサスペンション、基板への少なくとも１つの接続、膜への少なくとも１つの接続など、及び／又はこれらの組み合わせなどの、様々な構造設計及び接続技術（パッケージング技術）も有し得る。
一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、基板と第１のＭＥＭＳコンポーネントを有する。ＭＥＭＳコンポーネントの受動層は、基板上で歪み得るように配置される。これは、受動層が、例えば、一方の側でしっかりと固定され、反対側で自由に動くことができることを意味する。ＭＥＭＳコンポーネントの歪みは、このとき受動層の自由に動くことができる側でのみ生じ、したがってＭＥＭＳコンポーネントが両側で歪められる場合よりもこの側でより高い歪みが達成され得るので、この設計はＭＥＭＳコンポーネントの効果をさらに高める。
一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、第２のＭＥＭＳコンポーネントを備える。第１及び第２の受動層は共同部を形成し、第１及び第２のＭＥＭＳコンポーネントの電極及び強誘電体層は並列に配置される。このＭＥＭＳデバイスの助けにより、第１のＭＥＭＳコンポーネントと第２のＭＥＭＳコンポーネントの共通の受動層の歪みはより顕著である。なぜならこのＭＥＭＳデバイスでは、互いに並列に配置された第１のＭＥＭＳコンポーネントと第２のＭＥＭＳコンポーネントが協働して、より大きい屈曲力を共通の受動層に及ぼし、その結果ＭＥＭＳデバイスの歪み得る側が強く歪むからである。加えて、この構成は、例えば、同じく電圧が印加される第２のＭＥＭＳコンポーネントとは逆位相の電圧を印加することによって、第１のＭＥＭＳコンポーネントが励起されるときに、共通の受動層のねじれも生じ得る。
さらなる実施形態は、ＭＥＭＳコンポーネントを製造するプロセスを提供する。この方法は、第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極を、この順にスタックすることを含む。第１の強誘電体層と第２の圧電体層は同じ分極方向を有し、第１の強誘電体層は、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶を有する強誘電体材料を含む。遷移金属窒化物の比率は、強誘電体材料の極性が切替電圧の印加により切替可能であるように選択される。切替電圧は、強誘電体材料の降伏電圧よりも低い。この方法は、第１の電極と第２の電極に切替電圧を印加するステップをさらに含む。第１の強誘電体層の分極方向がこれにより、第１の強誘電体層の分極方向が反転するように（例えば、第２の圧電体層の分極方向とは反対に）反転される。
別の実施形態は、第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極が基板上にスタックされる、ＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法を提供し、この方法は、
第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極をスタックする前又はした後に基板でＣＭＯＳプロセスを用いて集積回路の１つ又は複数の回路コンポーネントを集積するステップ
をさらに含む。
この方法は、前述の強誘電体材料、ＭＥＭＳコンポーネント、及びＭＥＭＳデバイスの場合と同じ考慮事項に基づいている。
ちなみに、この方法は、本発明の強誘電体材料、ＭＥＭＳコンポーネント、及びＭＥＭＳデバイスに関しても、本明細書で説明されるすべての特徴及び機能によってさらに補足され得る。
本発明の実施形態を図面に基づいて以下に詳細に説明する前に、異なる実施形態で提示される要素の説明が交換可能及び／又は相互に適用可能であるように、同一の、機能が同一の、又は動作が類似している要素、物体、及び／又は構造体には、異なる図面で同じ参照番号が付されることに留意されたい。
本発明に係る実施形態を、添付図を参照して以下により詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る強誘電体材料の略図である。 本発明の一実施形態に係る切替電圧が印加されている状態の強誘電体材料の略図である。 本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る２つの強誘電体層を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る第１の電極が第１の電極層及び第２の電極層を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る４つの強誘電体層を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る基板を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る任意の数の強誘電体層と基板を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る任意の数の強誘電体層、基板、及び電極の電気接触を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係る任意の数の強誘電体層を備えるＭＥＭＳコンポーネントの略図である。 本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの略図である。 本発明の一実施形態に係る２つのＭＥＭＳコンポーネントを備えるＭＥＭＳデバイスの略図である。 本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳプロセスを用いながら集積回路を備える基板に接続されたＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳプロセスを用いながら集積回路を備える基板に接続されたＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る強誘電体材料の電気分極の線図である。 本発明の一実施形態に係る強誘電体層の機械的応力に対し測定された保磁場の平均量を示す線図である。 本発明の一実施形態に係るＡｌＳｃＮ層のＳｃ含有量に対し測定された保磁場の平均量を示す線図である。 本発明の一実施形態に係る電極表面を有する強誘電体層の強誘電力の線図である。 本発明の一実施形態に係る負の極性を有するｗｕｒｔｚｉｔｅ型の強誘電体材料のユニットセルの略図である。 本発明の一実施形態に係る極性のない六角形構造の強誘電体材料のユニットセルの略図である。 本発明の一実施形態に係る正の極性を有するｗｕｒｔｚｉｔｅ型の強誘電体材料のユニットセルの略図である。 従来技術に係る強誘電体アクチュエータの略図である。 従来技術に係る正の外部電界が印加された強誘電体アクチュエータの略図である。 従来技術に係る負の外部電界が印加された強誘電体アクチュエータの略図である。 従来技術に係る歪みなしの強誘電体二層アクチュエータの略図である。 従来技術に係る歪められた強誘電体二層アクチュエータの略図である。 従来技術に係る典型的な強誘電体によって製造される多層アクチュエータの略図である。 従来技術に係る非強誘電性の焦電体を用いるときの多層アクチュエータの略図である。 従来技術に係る強誘電体バイモルフの一連の層の略図である。
図１ａは、本発明の一実施形態に係る混晶１１０を有する強誘電体材料１００の略図を示す。混晶１１０は、ＡｌＮ１２０と、少なくとも１つの遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０とを含む。ＡｌＮ１２０は、遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０との化合物ＡｌＴＭＮを形成する。図１ａは単なる概略図であり、図１ａでは、ＡｌＮ１２０と遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０が空間的に分離して示されているが、これは実際にはそうではない。混晶１１０中で、例えば、化合物ＡｌＴＭＮは、均一に分布する。遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の比率は調整され得る。遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の遷移金属原子ＴＭの数とＡｌＮ１２０のアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の遷移金属原子ＴＭの数の比率は、≧０．２と≦０．５の範囲内にあり、比はまた、≧０．２５と≦０．４３の範囲内、≧０．３０と≦０．３８の範囲内、又は≧０．３２と≦０．３６の範囲内、例えば０．３６などであり得る。したがって、ＡｌＮ１２０と遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の間の化学結合は、Ａｌ１－ｘＴＭｘＮとして表すことができ、ここでｘは、遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の遷移金属原子ＴＭの数とＡｌＮ１２０のアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の遷移金属原子ＴＭの数の比率である。例えば、遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の比率を増加させることは、混晶１１０が強誘電体になるようにさせる。遷移金属窒化物ＴＭＮ１３０の遷移金属ＴＭは、例えば、スカンジウムＳＣ、イットリウムＹ、チタンＴｉ、ニオブＮｂ、又はクロムＣｒであり得る。混晶１１０は極性１４０を有する。
強誘電体材料１００に関して、例えば、固有の機械的応力が調整され得る。さらに、混晶１１０の誘電損失は、ＰＺＴなどの典型的な強誘電体よりも低い。
例としてＡｌ１－ｘＳｃｘＮを用いると、この強誘電体材料は、４００℃という低い堆積温度で製造でき、したがって、純ＡｌＮと同様にＣＭＯＳ適合である。純ＡｌＮの高い電気強度（＞４００Ｖ／μｍ）はＡｌ１－ｘＳｃｘＮでも保持される。普通は１％をはるかに下回る低い誘電損失［１２］と、強誘電体材料の固有の機械的応力を調整する可能性も保持される［１１］。この強誘電体材料はＣＭＯＳ適合である。
図１ｂは、図１ａの強誘電体材料１００による本発明の一実施形態に係る強誘電体材料１００を示す。強誘電体材料１００は混晶１１０を有する。混晶１１０は、ＡｌＮ１２０と、少なくとも１つの遷移金属窒化物１３０とを含む。切替電圧１５０が強誘電体材料１００に印加され、これにより極性１４２を設定する。これは、例えば、切替電圧１５０を印加することにより、新しい極性１４２が古い極性１４０とは反対であるように、元の極性１４０（図１ａ参照）が切り替えられ得ることを意味する。この目的のために、切替電圧１５０は、強誘電体材料の降伏電圧１００よりも低くなければならない。切替電圧１４０よりも低い電圧が強誘電体材料１００に印加される場合、極性１４０の方向は変化しないであろう。
現在知るところでは、ＡｌＮ１２０に基づく強誘電体材料の存在がこれまで実験的に実証されたことはない。ＡｌＳｃＮ［１３、１４］、ＡｌＹＮ［１５、１６］、又はＡｌＴｉＮ［１７、１８］などの、ＡｌＮ１２０と遷移金属窒化物１３０との混晶１１０についての実験科学刊行物及び特許は、遷移金属比率の関数としての圧電係数及び弾性などの材料特性のみに関係する。それぞれの著者らにより強誘電性の証拠は発表されていない。ここでは、強誘電体材料１００は、遷移金属窒化物１３０の比率を増加させること、およびより低い圧縮応力又はより高い引張応力に向けて機械的応力を適応させることにより、強誘電体材料１００の極性１４０が切替電圧１４０の印加により切り替えられ得るように変化されている。
図２は、本発明の一実施形態に係る強誘電体材料を含む第１の強誘電体層２１０を備える、ＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。さらに、このＭＥＭＳコンポーネントは、第１の強誘電体層２１０の第１の表面２２０上に配置された第１の電極２３０と、第１の強誘電体層２１０の第２の表面２２１上に配置された第２の電極２３２を備える。第２の表面２２１は、第１の表面２２０とは反対側である。例えば、第１の電極２３０及び第２の電極２３２は、導電性材料で作製される。電圧が、第１の電極２３０及び第２の電極２３２を介して強誘電体層２１０に印加され得る。印加電圧が切替電圧よりも低い場合、強誘電体層２１０の極性の方向は変化しないであろう。しかしながら、電圧が要求される切替電圧と同じくらい高い場合、強誘電体層２１０の極性が切り替えられ得る。このＭＥＭＳコンポーネントが切替電圧よりも低い電圧で作動される場合、例えば、３つの空間方向の１つへの強誘電体層２１０の膨張が変化するであろう。このＭＥＭＳコンポーネントにより、この供給電圧の機械的運動への変換は多くの方法で用いられ得る。しかしながら、逆変換を検出することも可能である。例えば、少なくとも１つの空間方向への強誘電体層２１０の膨張が変化する場合があり、結果として生じる電気信号を次いで、第２の電極２３２と共に第１の電極２３０を介して測定できる。
図３は、本発明の一実施形態に係る第１の強誘電体層２１０、第２の強誘電体層２１２、第１の強誘電体層２１０と第２の強誘電体層２１２との間に位置する第１の電極２３０、第１の強誘電体層２１０の第２の表面２２１に取り付けられた第２の電極２３２、及び第２の強誘電体層２１２の第１の表面２２２に取り付けられた第３の電極２３４を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。第１の電極２３０は、第１の強誘電体層２１０の第１の表面２２０上に配置される。第１の強誘電体層２１０の第２の表面２２１は、第１の強誘電体層２１０の第１の表面２２０とは反対側である。第１の強誘電体層２１０に対向する第２の強誘電体層２１２上に配置された第１の電極２３０は、強誘電体材料を含む。第３の電極２３４は、第２の強誘電体層２１２の表面２２２上に配置される。第２の強誘電体層２１２の第１の表面２２２は、第１の電極２３０から離れる方に面するように配置される。第１の強誘電体層２１０も強誘電体材料を含む。
本発明の強誘電性混晶（強誘電体材料）に基づいて、可能な限り単純な多層アクチュエータ（ＭＥＭＳコンポーネント２００などの）がしたがって、典型的な強誘電体の特異的欠点を受け入れる必要なしに実装され得る。同様に、固有の電荷増幅に関する可能な最も簡単な概念が、これらの欠点なしに実装され得る。これらはまた、ＭＥＭＳコンポーネント２００で実装され得る。強誘電体材料は５００℃よりも低い温度で堆積され得るので、この材料とその集積、したがって、ＭＥＭＳコンポーネントは、ＣＭＯＳ適合である。多層の強誘電体層は、分極方向をその場で操作する必要性がないので、単一のプロセスで堆積され得るが、個々の層の分極は、製造後であっても切替電圧の印加によって変更できる。したがって、堆積プロセス中に特定の分極方向を設定する層の追加は不要である。必要な絶縁層及び電極層の数は、個々の強誘電体層（例えば、第１の強誘電体層２１０及び第２の強誘電体層２１２）の分極反転が可逆的であり且つ制御可能であるため、最小化される。
ＡｌＮのような強誘電体材料は、ＭＥＭＳプロセスの流れ（例えば、プロセスの再設計は不要であり得る）に容易に統合され得るが、その適用範囲は、強誘電体材料の強誘電特性によって大幅に拡張される。拡声器、超音波トランスデューサ、スイッチ、又はミラーなどの強誘電体により作動されるＭＥＭＳコンポーネントは、特にそれらがＣＭＯＳ構造体と一体化される場合に、従来技術と比べて向上された性能から恩恵を受けるであろう。同じことが、固有の電荷増幅から恩恵を受け得る、マイクロフォン又は加速度計などのセンサシステムに、及びマイクロ発電機にも当てはまる。
ＭＥＭＳコンポーネント２００の製造において、例えば、第１の強誘電体層２１０と第２の強誘電体層２１２は同じ極性を有する。例えば、極性は、第１の強誘電体層の第２の表面２２１に垂直であるように構成されるべきである。切替電圧が、第１の強誘電体層２１０、第１の電極２３０、及び第２の電極２３２に印加される場合、第１の強誘電体層２１０の極性が切り替えられるであろう。したがって、第１の強誘電体層２１０の極性は、第２の強誘電体層２１２の極性の方向とは反対の方向を向く。例えば、ＭＥＭＳコンポーネント２００が同じ電圧で作動される（例えば、第２の電極２３２と第３の電極２３４が同じ電圧レベルを有し、第１の電極２３０が反転符号の同じ電圧レベルを有する）場合、電界（第１の強誘電体層２１０を貫通する第１の電界と、第２の強誘電体層２１２を貫通する第２の電界）は、反対方向を向く。それぞれの強誘電体層（第１の強誘電体層２１０及び第２の強誘電体層２１２）に印加される電界の極性及び方向は、それぞれ他の強誘電体層に対して反対方向であるため、両方の強誘電体層は電気信号に対し同じ力応答を有するであろう。例えば、第１の強誘電体層の電界の極性及び方向は両方とも同じ第１の方向を向いており、第２の強誘電体層の電界の極性及び方向は両方とも同じ第２の方向を向いており、第１の方向は第２の方向とは反対である。したがって、ＭＥＭＳコンポーネント２００の力が増加する。さらに、強誘電体材料で作製される強誘電体層（例えば、第１の強誘電体層２１０及び／又は第２の強誘電体層２１２）で高い切替電圧が与えられると、ＭＥＭＳコンポーネント２００は、高いバイポーラ電圧、すなわち、或る時点で正であり別の時点で負である電圧で作動され得る。
図４は、本発明の一実施形態に係る第１の強誘電体層２１０、第２の強誘電体層２１２、第１の電極２３０、第２の電極２３２、及び第３の電極２３４を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。ＭＥＭＳコンポーネント２００の第１の電極２３０は、第１の電極層２３１ａ及び第２の電極層２３１ｂを有する。例えば、第１の電極層２３１ａは第２の強誘電体層２１２と接触し、第２の電極層２３１ｂは、例えば、第１の強誘電体層２１０と接触する。第１の電極層２３１ａは、中間層２３１ｃによって第２の電極層２３１ｂから分離される。層２３１ｃはその中に位置する中立面を有し、これはＭＥＭＳコンポーネント２００を例えば中央で分割する。したがって、中立面の一方の側に、第１の電極層２３１ａ、第２の強誘電体層２１２、及び第３の電極２３４が存在する。中立面の他方の側にしたがって、第２の電極層２３１ｂ、第１の強誘電体層２１０、及び第２の電極２３２が存在する。層２３１ｃは、例えば、絶縁層又は受動層であり得る。層２３１ｃは、第１の強誘電体層２１０が第２の強誘電体層２１２とは独立して用いられることを可能にする。層２３１ｃはまた、それらの堆積中に電極及び強誘電体層のためのキャリア材料としても役立ち得る。
図５は、図３のＭＥＭＳコンポーネント２００などの、本発明の一実施形態に係る第１の強誘電体層２１０、第２の強誘電体層２１２、第１の電極２３０、第２の電極２３２、及び第３の電極２３４を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。加えて、図５のＭＥＭＳコンポーネント２００は、第２の強誘電体層２１２に対向する第３の強誘電体層２１４上に配置された第３の電極２３４、第３の強誘電体層２１４の第１の表面２２３上に配置された第４の電極２３６、第１の強誘電体層２１０に対向する第４の強誘電体層２１６上に配置された第２の電極２３２、及び第４の強誘電体層２１６の第１の表面２２４上に配置された第５の電極２３８を有する。第３の強誘電体層２１４の第１の表面２２３は、第３の電極２３４から離れる方に面するように配置される。第４の強誘電体層２１６の第１の表面２２４は、第２の電極２３２から離れる方に面するように配置される。ＭＥＭＳコンポーネント２００は、４つの強誘電体層（第１の強誘電体層２１０、第２の強誘電体層２１２、第３の強誘電体層２１４、及び第４の強誘電体層２１６）を有し、これにより、多層ＭＥＭＳコンポーネントを形成する。ＭＥＭＳコンポーネント２００が有する強誘電体層が多いほど、ＭＥＭＳコンポーネント２００の力又は固有の電荷増幅が大きくなる。
図６は、本発明の一実施形態に係る電極２３０１～２３０ｎ、強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１、基板２４０、及び電源２５０を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。ここで、添字ｎは、２以上の自然数（例えば、ｎ≧１０、ｎ≧１００、又はｎ＝１２５３などのｎ≧１０００）である。基板２４０は、第１の電極２３０１に配置される。電源２５０は、電極２３０１～２３０ｎに接続される。各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１は、極性２６０１～２６０ｎ－１を有する。電源２５０は、電極２３０１～２３０ｎを介して強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１に接続され、従って、電界（個々の強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１を貫通し、各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１で異なる方向を有し得る）の方向は、各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１のそれぞれの分極２６０１～２６０ｎ－１に平行であり且つ同じ方向に配向されるか、又は各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１のそれぞれの分極２６０１～２６０ｎ－１に平行であり且つ反対方向に配向されるかのいずれかである。したがって、各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１において、例えば、極性２６０１～２６０ｎ－１の方向は、電源２５０によって提供される電界の方向と平行に向けられる、又は各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１における分極方向２６０１～２６０ｎ－１は、電源２５０によって提供される電界の方向とは反対に向けられる。したがって、すべての強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１は同じ力効果を有し、ＭＥＭＳコンポーネント２００の力はしたがって、より少ない層（例えば、ｎ／８層、ｎ／４層、又はさらにはｎ／２層など）の場合よりも強い。
ＭＥＭＳコンポーネント２００の動作中に、電源２５０によって提供される電圧は、切替電圧よりも低い。したがって、ＭＥＭＳコンポーネント２００の動作中に、各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１の極性２６０１～２６０ｎ－１の方向は変化しない。１つ又は複数の強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１の極性２６０１～２６０ｎ－１が切り替えられる場合、電源２５０が切替電圧を提供し得る。この目的のために、それらの間に挟まれる強誘電体層を有する、少なくとも２つの電極は、切替電圧を供給されなければならない。例えば、切替電圧を電極２３０１及び電極２３０２に印加でき、したがって、強誘電体層２１０１の極性２６０１を反転させ、それにより前に設定された極性２６０１の方向とは反対の方向を向くことになる。したがって、適用分野に応じて、極性２６０１～２６０ｎ－１は、可逆的に且つ制御可能に設定され得る。
分極が反転される多層によって電荷増幅をセンサ及びマイクロ発電機用途で実装することが可能である。この強誘電体材料に基づいて、可能な限り最も単純な多層アクチュエータが設計され得る。各強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１に用いられる強誘電体材料は高い絶縁破壊電界強度を有し、それにより大きい力が生成され得る。
多層の強誘電体層は、分極方向をその場で操作する必要性がないので、単一のプロセスで堆積され得る。堆積プロセス中に特定の分極方向を調整する層の追加又はさらなる化学元素の追加は不要である。必要な絶縁層及び電極層の数は最小化される。
図７ａは、本発明の一実施形態に係る電極２３０－ｊ～２３０ｎ、強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１、基板２４０、及び電源２５０を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００を示す。添字ｎ及びｊは、任意の自然数≧２であり得る。各強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１は、極性２６０１－ｊ～２６０ｎ－１を有する。基板２４０は中立面を含む。中立面は、例えば、ＭＥＭＳコンポーネント２００を中央で分割でき、これは、中立面の両側に同じ数の同一の層が見られることを意味する（例えばｎ＝ｊの場合）。この実施形態では基板２４０の両側に同じ数の強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１が示されるというだけで、これがＭＥＭＳコンポーネントが機能するのに必要な条件であることを意味するわけではない。基板２４０の一方の側に、基板の他方の側（反対側）よりも多くの強誘電体層が存在することも可能である（例えばｎ＞ｊ又はｎ＜ｊ）。極端な例は、図６のＭＥＭＳコンポーネント２００であり、この場合、基板２４０の一方の側に強誘電体層は見られないが、基板２４０の他方の側に任意の数の強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１が見られる。
図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００は、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００と同じ構成要素を有し、強誘電体層２１０１－ｊ～２１０－１の極性２６０１－ｊ～２６０－１だけが反対方向を向いており、電源２５０が、本発明の一実施形態に係る異なる方法で電極２３０－ｊ～２３０ｎに接続される。基板２４０は、例えば、受動層又は絶縁層を表し得る。図７ａでは、例えば、両方の電極２３０－１及び２３０１が同じ電圧レベルの電源２５０に接続されるので、基板２４０が絶縁層であるか又は受動層であるかは問題ではない。したがって、基板２４０も、例えば、導電性材料で作製されてよい。対照的に、図７ｂに示したＭＥＭＳコンポーネント２００では、電極２３０－１及び２３０１は、異なる電圧レベルの電源２５０に接続され、これは、例えば電極２３０－１及び２３０１間の短絡を防ぐために、基板２４０は絶縁層でなければならないことを意味する。
極性２６０１－ｊ～２６０－１の方向と、電源２５０への電極２３０－ｊ～２３０－１の接続の両方は、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００と図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００の間で反転されているので、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００と図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００は、同じ動作モードを有する。図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００と図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００の２つの実施形態において、基板２４０の一方の側の力は、基板２４０の他方の側の力とは反対である。例えば、強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１は、１つの空間方向でサイズが減少し、強誘電体層２１０－１～２１０１－ｊは、同空間方向でサイズが増加し、その結果、ＭＥＭＳコンポーネント２００が屈曲し得る。加えて、中立面の一方の側からの力が中立面の他方の側に位置する層システム（それぞれの強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１及び電極２３０－ｊ～２３０ｎ）に対して整流される、横方向アクチュエータが考えられる。
言い換えれば、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００と図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００は、両側に能動的にコーティングされた受動層（基板２４０）を有する設計を表す。電気接触の２つの実装が示され、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００は、受動層（基板２４０）の絶縁体特性に何の要求も課さない。
さらに、電極２３０１は、第１の電極層とみなされてよく、電極２３０－１は、電極２３０ａの第２の電極層とみなされてよい。第１の電極層と第２の電極層の間に別の層（基板２４０）が存在し、この層は、例えば、受動層又は絶縁層であり得る。
図７ｃには、本発明の一実施形態に係る強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１、電極２３０－ｊ～２３０ｎ、及び電源２５０を備えるＭＥＭＳコンポーネント２００が示される。各強誘電体層２１０１－ｊ～２１０ｎ－１は、極性２６０１－ｊ～２６０ｎ－１を有する。電極２３０１は、ＭＥＭＳコンポーネント２００を第１の多層システム（すべての強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１）と第２の多層システム（強誘電体層２１０－１～２１０１－ｊからなる）に分割する中立面を備える。切替電圧よりも低い電圧が電源１５０に印加される場合、この例のケースでは、例えば、強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１が膨張し、強誘電体層２１０－１～２１０１－ｊ（中立面の他方の側）が収縮する。この機構は、ＭＥＭＳコンポーネント２００の屈曲をもたらす。ＭＥＭＳコンポーネント２００が有する強誘電体層が多いほど、電源２５０によって電極２３０－ｊ～２３０ｎに電圧が印加されるときのＭＥＭＳコンポーネント２００での屈曲力が大きくなる。
言い換えれば、図７ｃのＭＥＭＳコンポーネント２００は、ＭＥＭＳコンポーネント２００の受動層なしのバージョンである。例えば、中立面（電極２３０１）よりも上の強誘電体層２１０１～２１０ｎ－１は、下に位置する層（強誘電体層２１０－１～２１０１－ｊ）の方向とは反対方向に膨張する。
受動層（基板自体でもあり得る）の役割に関して、３つの一般的な設計、すなわち、片側に能動的にコーティングされた受動層（図６のＭＥＭＳコンポーネント２００参照）、両側にコーティングされた受動層（図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００及び図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００）、及び受動層なしの純粋な能動多層システム（図７ｃのＭＥＭＳコンポーネント２００参照）が考えられる。すべての実施形態は一般に、逆の材料分極で実施されてもよい。ＡｌＴＭＮは、材料の分極を設定するための基礎である、ＡｌＮと遷移金属窒化物（ＴＭ）に基づく強誘電性混晶の略である。ここでは強誘電体として説明される（図３、図４、図５、図６、図３、図７ａ、図７ｂ、及び図７ｃの）ＭＥＭＳコンポーネント２００の層の少なくとも１つは、強誘電体材料を含む。しかしながら、ここで強誘電体として説明される層の個々の層は、例えば、それらが強誘電体材料を含まないので、純圧電体であってもよい。強誘電体材料を含む最小数の強誘電体層（例えば、１つおきの層）が存在する限り、コンポーネント２００の機能は変化しない可能性がある。いくつかの実施形態は、作動と固有の電荷増幅（後者のケースでは、例えば、電源２５０なしの）の両方に関連する。
図８ａは、本発明の一実施形態に係る基板３１０及び第１のＭＥＭＳコンポーネント２００を備えるＭＥＭＳデバイス３００の略図を示す。このＭＥＭＳコンポーネント２００は、受動層２４０及び強誘電体多層３２０を有する。このＭＥＭＳコンポーネント２００の受動層２４０は、例えば、基板３１０上で歪めることができるように配置される。図８ａに示すように、受動層２４０は、基板３１０の一方の側に配置され得る。例えば、受動層２４０が基板３１０に触れる表面は、受動層２４０が強誘電体多層３２０に配置される表面とは反対側に位置する。しかしながら、強誘電体多層３２０を、受動層２４０が基板３１０に触れるのと同じ表面上に、又は受動層２４０の両側（受動層２４０が基板３１０に触れる表面と、その反対側の表面）に配置することも可能である。
図８ａのＭＥＭＳデバイス３００は、垂直屈曲アクチュエータの一実施形態である。
図８ｂは、本発明の一実施形態に係る第１のＭＥＭＳコンポーネント２００及び第２のＭＥＭＳコンポーネント２０１を備えるＭＥＭＳデバイス３００を示す。第１のＭＥＭＳコンポーネント２００は第１の受動層を有し、第２のＭＥＭＳコンポーネント２０１は第２の受動層を有し、第１の受動層と第２の受動層は共同部であり、受動層２４０として示される。例えば、第１のＭＥＭＳコンポーネント２００と第２のＭＥＭＳコンポーネント２０１は、同じ設計及び機能を呈し得る。第１のＭＥＭＳコンポーネント２００の第１の強誘電体多層３２０は、第２のＭＥＭＳコンポーネント２０１の第２の強誘電体多層３２２と並列に配置される。言い換えれば、第１のＭＥＭＳコンポーネント２００及び第２のＭＥＭＳコンポーネント２０１の強誘電体層（第１の強誘電体多層３２０と第２の強誘電体多層３２２）は並列に配置される。受動層２４０は、基板３１０で歪めることができるように配置される。図８ｂに示したＭＥＭＳデバイス３００は、横方向又はねじりアクチュエータの一実施形態である（例えば、２つの多層（第１の強誘電体多層３２０と第２の強誘電体多層３２２）が逆位相で励起される）。
図８ａの強誘電体多層３２０と図８ｂの強誘電体多層３２０及び３２２は強誘電体材料を含む。
図９は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図を示す。方法の１つのステップにおいて、例えば、第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極が、この順にスタックされる４００。このステップは、例えば、図３のＭＥＭＳコンポーネント２００又は図４のＭＥＭＳコンポーネント２００などのＭＥＭＳコンポーネントをもたらす。第１の強誘電体層と第２の圧電体層は、例えば、同じ分極方向を有し、第１の強誘電体層は強誘電体材料を含む。強誘電体材料は、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶を有する。遷移金属窒化物の比率は、例えば、強誘電体材料の極性の方向が切替電圧の印加により切替可能であるように選択される。切替電圧は、強誘電体材料の降伏電圧よりも低い。この方法は、第１の強誘電体層の分極方向が反転される（例えば、第２の圧電体層の分極方向とは逆）ように、第１の電極と第２の電極に切替電圧を印加するステップ４１０をさらに含み、第１の強誘電体層の分極方向が反転される。
図１０ａは、本発明の実施形態に係るＣＭＯＳプロセスを用いて集積回路を備えた基板に接続されたＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図を示す。第１のステップにおいて、この方法は、第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極を基板上にスタックすること４００を含む。方法の第２のステップは、第１の強誘電体層の分極方向が反転されるように、第１の電極と第２の電極に切替電圧を印加すること４１０を含み、第１の強誘電体層の分極方向が反転される。方法のさらなるステップにおいて、ＣＭＯＳプロセスを用いながら集積回路の１つ又は複数の回路コンポーネントが基板に集積される４２０。このスタックするステップ４００及び印加するステップ４１０は、図９に示した方法のスタックするステップ４００及び印加するステップ４１０と同様である。
図１０ｂは、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳプロセスを用いながら集積回路を備える基板に接続されたＭＥＭＳコンポーネントを製造する方法のブロック図を示す。この方法は、第１のステップにおいて、ＣＭＯＳプロセスを用いながら集積回路の１つ又は複数の回路コンポーネントを基板に集積すること４２０を含む。方法の第２のステップは、第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極を基板上にスタックすること４００を含む。方法のさらなるステップにおいて、第１の強誘電体層の分極方向が反転されるように、第１の電極と第２の電極に切替電圧が印加され４１０、第１の強誘電体層の分極方向が反転される。このスタックするステップ４００及び印加するステップ４１０は、図９に示した方法のスタックするステップ４００及び印加するステップ４１０と同様である。
第１の電極、第１の強誘電体層、第２の電極、第２の圧電体層、及び第３の電極からなる、図１０ａ及び図１０ｂのＭＥＭＳコンポーネントは、例えば、図３のＭＥＭＳコンポーネント２００又は図４のＭＥＭＳコンポーネント２００である。この方法によって３つよりも多い電極層と２つよりも多い強誘電体層をスタックすることも可能であり、これにより、例えば、図５のＭＥＭＳコンポーネント２００、図６のＭＥＭＳコンポーネント２００、図７ａのＭＥＭＳコンポーネント２００、図７ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００、図７ｃのＭＥＭＳコンポーネント２００、図８ａのＭＥＭＳコンポーネント２００、及び／又は図８ｂのＭＥＭＳコンポーネント２００を基板上にスタックする。さらに、例えば、追加の非強誘電体層が、この方法により基板上にスタックされてよく、及び／又は、第１の強誘電体層のみより多くにおいて、切替電圧の印加により極性の方向が切り替えられてよい。
第１の強誘電体層は、本明細書で説明される強誘電体材料を含む（しかし第２の圧電体層は、強誘電体材料を含んでもよく、又は含んでいなくてもよい）。強誘電体材料は、例としてＡｌ１－ｘＳｃｘＮを用いるとき、４００℃という低い堆積温度で製造でき、したがって、純ＡｌＮと同様にＣＭＯＳ適合である。純ＡｌＮの高い電気強度（＞４００Ｖ／μｍ）はＡｌ１－ｘＳｃｘＮでも保持される。普通は１％をはるかに下回る低い誘電損失［１２］と、強誘電体層の固有の機械的応力を設定する可能性も保持される［１１］。この強誘電体材料とその集積、したがって、ＭＥＭＳコンポーネントは、ＣＭＯＳ適合である。
図１１ａは、本発明の一実施形態に係る強誘電体Ａｌ０．５７Ｓｃ０．４３Ｎ及びＰＺＴ５２／４８で測定された電界（Ｐ－Ｅループ）に対する電気分極を示す線図である。縦軸に分極が表され、横軸に電界が表される。第１のＰ－Ｅループ６００は、強誘電体材料Ａｌ０．５７Ｓｃ０．４３Ｎの電界に対する分極の依存性を表し、第２のＰ－Ｅループ６１０は、ＰＺＴ５２／４８の電界に対する電気分極の依存性を表す。強誘電体材料Ａｌ０．５７Ｓｃ０．４３Ｎは、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶からなる強誘電体材料の一例であり、遷移金属は、この場合、スカンジウムである。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮの例（強誘電体材料の一例である、ＡｌＮと遷移金属窒化物ＳｃＮとの混晶）を用いて、ＡｌＮと遷移金属窒化物からなる混晶は、特定の条件下で強誘電体であることが発見された。強誘電性は、最初に材料（強誘電体材料）の破壊電界強度を超えることなく材料の２つの分極状態間のエネルギー障壁を克服するために外部電界が用いられ得るときに生じる。純ＡｌＮについて測定された破壊電界強度は、文献で大きく異なり、５０Ｖ／μｍと６００Ｖ／μｍの間の値である。調査は、＞４００Ｖ／μｍの電界強度で電気的ブレークスルーが起こることを示している。分極の空間的変化が起こる電界強度は、Ｐ－Ｅループの保磁力Ｅｃによって決まる。Ｐ－Ｅループは、励起電界Ｅの関数としての材料の分極Ｐを表す。
４００Ｖ／μｍ未満の電界強度で分極の空間的変化が可能かどうかは、主として、検討中の材料（強誘電体材料）に関する２つの因子：第１に、Ａｌ原子の数と遷移金属原子の数との比率（図１１ｃ参照）、及び第２に、強誘電体層が圧縮応力又は引張応力下にある度合い（図１１ｂ参照）、によって決まる。
図１１ｂには、本発明の一例に係るＡｌ０．７３Ｓｃ０．２７Ｎ層の機械的応力にわたり測定された保磁場の平均量Ｅｃが示されている。線図の縦軸は、測定した保磁場の平均量（（Ｅｃ，＋－Ｅｃ，－）／２）を表し、横軸は、機械的応力を示す。高い引張応力下の（強誘電体材料の）層の場合、必要なＳｃの割合（遷移金属の割合）は減少し、圧縮応力の場合、増加するであろう。層のＳｃ含有量、機械的応力、及び製造を設定する方法は、［１１、１２］の著者らによって概して説明されている。強誘電体材料Ａｌ０．７３Ｓｃ０．２７Ｎは、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶を有する強誘電体材料の一例である。
図１１ｃは、本発明の一実施形態に係るＡｌＳｃＮ層のＳｃ含有量にわたり測定された保磁場の平均量を示す線図である。縦軸に、測定した保磁場の平均量（（Ｅｃ，＋－Ｅｃ，－）／２）が示され、横軸に、Ａｌ１－ｘＳｃｘＮのｘが示される。強誘電体層の機械的応力は、常に［０ ２００ＭＰａ］の区間内にあり（しかしながら、区間はまた、－１０００ＭＰａ～６００ＭＰａ、－４００ＭＰａ～＋４００ＭＰａ、又は－２００ＭＰａ～２００ＭＰａの範囲であり得る）、したがって比較に値する。
この状況でＡｌ１－ｘＳｃｘＮで行った測定は、分極の強誘電性の切り替えが、例えば、層（強誘電体層）の機械的応力が引張応力から圧縮応力への遷移に近いという条件で、約ｘ＝０．２７のＳｃ含有量から可能であることを示した。より強い引張応力下での強誘電体層の場合、必要なＳｃ含有量は、図１１ｂに示すように減少し、圧縮応力の場合、増加するであろう。Ａｌ０．７３Ｓｃ０．２７Ｎ層の場合、例えば、機械的応力は、－３００ＭＰａ～２０００ＭＰａ又は－２００ＭＰａ～１０００ＭＰａの区間内であるべきであり、負の値は圧縮応力に対応し、正の値は引張応力に対応する。図１１ｃでの関係性に起因して、Ａｌ０．６４Ｓｃ０．３６Ｎの場合、より多くの圧縮応力、例えば、－６００ＭＰａ～２０００ＭＰａ又は－５００ＭＰａ～１０００ＭＰａの区間内の機械的応力が許容され得る。
図１２は、本発明の一実施形態に係る強誘電体Ａｌ０．５７Ｓｃ０．４３Ｎ（強誘電体材料の例）及びＰＺＴ（ＣＭＯＳ対応ではなく高度に非線形であり且つ低い降伏電圧を有する従来技術の強誘電体材料の例）に関する１ｍｍ２の電極表面積を有する基板に垂直に作用する圧電力が比較で示さる、線図を示す。縦軸に力がプロットされ、横軸に電界がプロットされている。強誘電力は、レーザダブルビーム干渉法により測定された層の伸長から計算した。第１の曲線６２０は、強誘電体ＡｌＳｃＮの電界に対する力挙動を示し、第２の曲線６３０は、ＰＺＴ材料の電界に対する力の依存性を示す。
強誘電体材料の別の優れた特性は、印加電界から生じる力が上記電界に対して線形である範囲が、非常に広いことである（図１２の第１の曲線６２０参照）。結果として、＞５０Ｖ／μｍの高い電界強度を備えた線形のバイポーラ駆動が可能である。強誘電体材料は、電界と、結果として生じる力との間の関係性が線形である範囲が広い（同じことが、この材料に基づくｎ層アクチュエータにも当てはまる）。これは、保磁場Ｅｃ－及びＥｃ＋間の非常に広い範囲内のバイポーラ電圧での動作を可能にする。
図１３ａ及び図１３ｃは、Ａｌ１－ｘＳｃｘＮの例を用いながらｗｕｒｔｚｉｔｅ型のユニットセルの略図を示し、図１３ｂは、本発明の実施形態に係るＡｌ１－ｘＳｃｘＮの例を用いながら六角形構造のユニットセルの略図を示す。電気分極Ｐ６４０は、結晶のｃ軸（光軸）と平行に配置される。金属６５０平面と窒素６５２平面の互いの相対位置に応じて、分極６４０の符号が変化する。図１３ａでは、ユニットセルは負分極６４０を有し、図１３ｂでは両方の平面（金属６５０平面と窒素６５２平面）が合同し（六角形構造）、それにより電気分極が消失し、図１３ｃでは分極６４０は正である。
発見された強誘電性挙動の理由は、公表された理論的計算によってたどることができる［１９］。例えばＡｌ１－ｘＳｃｘＮにおけるＳｃの比率の増加の結果として、ＡｌＮのｗｕｒｔｚｉｔｅ型結晶構造は、エネルギー的に六方相に近づく、すなわち、金属原子と窒素原子が１つの平面内に配置される構造である（図１３ｂ参照）。この構造は、ｗｕｒｔｚｉｔｅ型構造の、２つの可能な分極方向（図１３ａ及び図１３ｃ参照）間の遷移構造として機能し得る。
このための前提条件は、材料の対応する遷移金属の比率及び対応する機械的応力を選択することにより、２つの結晶構造が互いにエネルギー的に十分に近くなり、分極方向に対抗する電界によって六角形構造の最大エネルギーを克服することである。その後、分極は、その電界の方向にすぐに切り替えられる。この切り替えプロセスは、電界を反転させることによって逆にすることができる。したがって、この材料は強誘電体である。
この機構は、これまでＧａＳｃＮに関して理論的にのみ計算されている［１９］。しかしながら、同効果が、研究されているＡｌＮベースの混晶の強誘電体挙動の要因である可能性が高い。ＡｌＮとＳｃＮとの混晶に加えて、例えば、ＹＮ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、又はＣｒＮなどの他の遷移金属元素の窒化物、又はこれらの混合物との組成物も考えられる。
強誘電体材料は、外部電界Ｅによってその方向が決まる、空間的に回転できる電気分極Ｐによって特徴付けられる。有効な電界に対する分極の配向に応じて、材料はさらに、膨張又は収縮する（圧電効果）。この効果はアクチュエータで用いられ得る。マイクロシステム技術では、例えば、強誘電性の誘電体を備えた平板コンデンサが、この目的のために、受動層上に堆積され、構造化される（図１４ａ参照）。
図１４ａは、本発明の一実施形態に係る第１の電極７２０を有する受動層７１０が堆積される基板７００を示す。第２の電極７２２を備える強誘電体層７３０が、第１の電極７２０上に堆積される。層７３０は極性７４０を有する。この構成も、強誘電体層７３０内に本明細書で説明される強誘電体材料を用いて実装され得る。
言い換えれば、図１４ａは、受動層７１０上に強誘電性の誘電体（強誘電体層７３０）を備える平行板コンデンサからなる圧電アクチュエータのスケッチを示す。受動層７１０は、例えば、超音波トランスデューサの膜又は拡声器の膜であり得る。
図１４ｂ及び図１４ｃも、本発明の一実施形態に係るアクチュエータとして強誘電体層を用いる例を示す。図１４ａと同じ構成（基板７００、受動層７１０、第１の電極７２０、強誘電体層７３０、及び第２の電極７２２）が用いられる。図１４ｂの強誘電体層７３０と図１４ｃの強誘電体層７３０は両方とも正の極性７４０を有する。図１４ｂでは、しかしながら、第１の電極７２０及び第２の電極７２２に、図１４ｃの第１の電極７２０及び第２の電極７２２に印加されるのとは異なる電圧が印加され、その結果、図１４ｃでの電界方向７５２を有する電界７５０とは異なる、図１４ｂでの電界方向７５２を有する電界７５０をもたらす。
図１４ｂで、強誘電体層７３０の極性７４０は、電界方向７５２に整流され、強誘電体層７３０に圧縮７６０を引き起こす。
図１４ｃで、強誘電体層７３０の極性７４０は、電界方向７５２とは反対であり、強誘電体層７３０に伸長７６２を引き起こす。
電圧Ｕが印加されるときの強誘電体材料の横方向の収縮（圧縮）又は膨張（伸長）の結果として、分極方向７４０に応じて基板７００内に圧縮応力又は引張応力が生じ、したがって、上記基板７００を変形させる（図１４ｂ及び図１４ｃ参照）。変形の根底にある機械的な力は、材料（強誘電体材料）の圧電係数、その分極方向７４０、及び利用可能な電圧によって生じる［１］。
図１４ｂ及び図１４ｃは、従来技術のアクチュエータとして強誘電体層を用いる例を示し、これは、本明細書で説明される強誘電体材料にも適用され得る。言い換えれば、図１４ｂ及び図１４ｃは、外部電界７５０の結果として強誘電体層７３０が変形することを説明する。材料分極に対する電界７５０の配向（電界方向７５２）に応じて、能動層（強誘電体層７３０）の伸長（図１４ｃの伸長７６２参照）又は圧縮（図１４ｂの圧縮７６０参照）のいずれかが起こり、両方とも機械的に結合されているので、結果として受動層７１０を圧縮又は伸長する。強誘電体層７３０は、受動層７１０に結合される。
固定電圧について力を増加させる１つの方法は、多層システムを用いることである。それを超えると利用可能な電圧が印加される、同一の強誘電体係数を示すｎ層の強誘電体材料を用いるとき、結果として生じる力は最大でｎ倍増加され得る［２］。
図１５ａ及び図１５ｂには、本発明の一実施形態に係る強誘電体多層システムが示されている。この強誘電体多層システムは、基板７００、受動層７１０、第１の電極７２０、第２の電極７２２、第３の電極７２４、第１の強誘電体層７３０、及び第２の強誘電体層７３２を備える。
図１５ａでは、第１の強誘電体層７３０において、分極７４０は電界方向７５２に整流され、それにより第１の強誘電体層７３０が圧縮７６０され、第２の強誘電体層７３２において、分極７４０は電界方向７５２とは反対であり、それにより第２の強誘電体層７３２が伸長７６２される。したがって、第２の強誘電体層７３２の伸長７６２が第１の強誘電体層７３０の圧縮７６０によって打ち消され、受動層７１０で変化は起こらない。したがって、図１５ａは、図示した設計において強誘電体層の分極をチェックする必要性を例証する。
図１５ｂでは、第１の強誘電体層７３０の分極７４０は電界方向７５２に整流され、第２の強誘電体層７３２の分極７４０は電界方向７５２に整流される。したがって、第１の強誘電体層７３０と第２の強誘電体層７３２との両方が圧縮７６０される。
言い換えれば、図１５ａ及び図１５ｂは、共通の電極７２２を備えた２つの平板コンデンサからなる単純な圧電二層アクチュエータの概要を示す。中立面は受動層７１０内にあると想定される。
図１５ａでは、両方の強誘電体層が同一の分極方向７４０を有する。作用力Ｆ（圧縮７６０及び伸長７６２）の結果として、上層（第２の強誘電体層７３２）は膨張するはずであり、下層（第１の強誘電体層７３０）は圧縮するはずである。全体としては、２つの効果（圧縮７６０及び伸長７６２）が互いに概ね打ち消し合い、運動は誘起されない。
図１５ｂでは、２つの強誘電体層（第１の強誘電体層７３０と第２の強誘電体層７３２）が反対に分極７４０される。したがって、外部電界の結果として両方とも圧縮される。したがって、同じ電圧を想定するとき、単層の２倍の力が受動層に作用する。
図１５ａ及び図１５ｂに示す二層アクチュエータの２つの設計は、従来技術から公知であるが、本明細書で説明される発明にも適用され得る。例えば、図１５ａ及び図１５ｂの第１の強誘電体層７３０及び第２の強誘電体層７３２は強誘電体材料を含み得る。
図１６は、本発明の一実施形態に係る強誘電体多層アクチュエータの可能な実装を示す。この多層アクチュエータ８００は、受動層７１０、強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎ、電極７２０ｊ－１～７２０ｎ＋１、及び電源７７０を有する。
図１６は、交番して整列された分極７８０ｊ～７８０ｎ（ｎ～ｊ個の強誘電体層、ｊ＜０、ｎ＞０）を有する強誘電体多層アクチュエータの可能な一連の層を示す。強誘電体の場合、十分に大きい電界を印加した後で、すべての能動分極ドメイン（分極７８０ｊ～７８０ｎ）は、印加電界に沿って整列される。ここで示されるのは、受動層７１０の両側に能動強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎを備えた実装である。一般に、受動層７１０はまた、片側でのみ分与又はコーティングされ得る（例えばｊ＝０）。いずれにしても、中立面（受動層７１０内に位置する）よりも上の強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎの作用力は、それぞれの力の補償の可能性を回避するために、下の層の符号とは反対の符号でなければならない。この実施形態で用いられ得る典型的な強誘電体の例は、ＰＺＴである。図１６で説明される多層アクチュエータ８００の実施形態も、強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎのうちの少なくとも１つが強誘電体材料を含むという点で、本明細書で説明される強誘電体材料（ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶からなる）で実装され得る。
例えばＡｌ１－ｘＳｃｘＮなどの強誘電体は、このクラスの材料は外部電界の電界方向に沿ってその電気分極の固有の整列を有するので、図１６に示すように効果的な多層アクチュエータを形成するために、絶縁層の追加なしに組み合わされ得る。したがって、図１６に示される個々の電極７２０ｊ－１～７２０ｎ＋１の電気接触によれば、すべての強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎは、理想的な符号で全体の力に寄与する。受動層７１０の両側に能動強誘電体層７３０ｊ～７３０ｎを設ける可能性に加えて、単純化のために、これらを片側のみにコーティングすること（ｊ＝０）、又は電極７２０ｊ－１～７２０ｎ＋１と一緒に、すなわち受動層７１０なしに、排他的に強誘電体多層から構造を設計することが有利であり得る。いずれにしても、適切な分極７８０ｊ～７８０ｎの選択の際に、中立面の位置を考慮に入れなければならない。この平面よりも上の層は、それらの力を下の層とは反対の符号で結合する必要がある。
図１７は、本発明の一実施形態に係る電気的に絶縁された個々の層による圧電多層アクチュエータ８００の可能な一連の層の一実装を示す。多層アクチュエータ８００は、受動層７１０、圧電体層７３０１～７３０ｎ、電極７２０１～７２０２ｎ、絶縁体７９０１～７９０ｎ－１、及び電源７７０を有する。絶縁体７９０１～７９０ｎ－１による絶縁は、その分極７８０１～７８０ｎがそれぞれ同じ方向を向く非強誘電性の焦電体（ＡｌＮなど）の効率的な使用を可能にする。簡単にするために、片側でコーティングされた受動層７１０のケースのみが示される。原則として、すべての説明した原理（両側にコーティングされた受動層、受動層なし）は、さらなる絶縁体７９０１～７９０ｎ－１と共に実装され得る。
ＡｌＮなどの非強誘電性の焦電体の分極７８０１～７８０ｎは、後で変更できないため、それは材料の製造中にのみ定義される。１つの同じプロセスによって製造される多層システムではしたがって、すべての層（すべての圧電体層７３０１～７３０ｎ）の分極は、同じ方向を向き、理想的には基板に（受動層７１０に）垂直である。したがって、効果的な駆動を保証するために、励起電界もすべての個々の層で同じ方向を向いていなければならない。したがって、多層の個々のコンデンサ構造体を電気的に分離する必要がある（図１７参照）。図１７の多層アクチュエータ８００であっても、従来技術から公知のように、強誘電体の使用と比較して欠点（強誘電体層ごとに少なくとも２つの層の追加、すなわち、絶縁体とさらなる電極が必要となることなど）を有し、それにもかかわらず、多層アクチュエータ８００も、本明細書で説明される本発明の一実施形態であり得る。これは、圧電体層７３０１～７３０ｎのうちの少なくとも１つが強誘電体材料を含むという点で達成される。
図１８は、本発明の一実施形態に係る圧電バイモルフ９００の可能な一連の層の一実装を示す。このバイモルフ９００は、受動層７１０、第１の圧電体層７３０、第２の圧電体層７３２、第１の電極７２０、第２の電極７２２、第３の電極７２４、第４の電極７２６、及び電源７７０を有する。受動層７１０は随意的である。圧電体層の数はｎ＝２に制限され、第１の圧電体層７３０は極性７４０ａを有し、第２の圧電体層７３２は極性７４０ｂを有する。この圧電バイモルフの一連の層は、例えば、従来技術によるＡｌＮで既に用いられている。しかしながら、本明細書で説明される強誘電体材料を用いることも可能である。したがって、図１８のバイモルフ９００も、２つの圧電体層の少なくとも１つ（第１の圧電体層７３０及び／又は第２の圧電体層７３２）が、ＡｌＮと少なくとも１つの遷移金属窒化物とを含む混晶を有する強誘電体材料を含むという点で、本明細書で説明される本発明に係る一実施形態であり得る。
いくつかの態様をデバイスと組み合わせて説明してきたが、これらの態様は対応する方法の説明も表すと理解されるので、デバイスのブロック又はコンポーネントも、対応する方法ステップとして又は方法ステップの特徴として理解されるべきである。同様に、方法ステップと組み合わせて又は方法ステップとして説明された態様も、対応するブロックの説明、又は対応するデバイスの詳細又は特徴を表す。
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［２３］ Ａ． Ｒ． Ｃｌｅｒｉｃｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｍｉｋｒｏ－ｅｌｅｋｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｃｈｅｒ Ｓｃｈａｌｌｗａｎｄｌｅｒ ｍｉｔ ｓｃｈａｌｌｅｎｅｒｇｉｅｒｅｆｌｅｋｔｉｅｒｅｎｄｅｒ Ｚｗｉｓｃｈｅｎｓｃｈｉｃｈｔ”， ＤＥ１０２０１３１１４８２６Ａ１， ２０１３．
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Claims (19)

  1. 強誘電体材料（１００）であって、
    ＡｌＮ（１２０）と少なくとも１つの遷移金属窒化物（１３０）とを含む混晶（１１０）、
    を含み、
    機械的応力が、－２００ＭＰａ～２００ＭＰａの区間内にあり、負の値が、圧縮応力を表しかつ正の値が、引張応力を表し、
    前記遷移金属窒化物（１３０）の比率が、前記強誘電体材料（１００）の初期又は自発極性（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）の方向が切替電圧（１５０）を印加することにより切替可能であるように選択され、前記切替電圧（１５０）は前記強誘電体材料の降伏電圧（１００）よりも低く、
    遷移金属原子の数とアルミニウム原子の数との和に対する遷移金属原子の数の比率が、０．３以上～０．３６以下の範囲である、
    強誘電体材料（１００）。
  2. 前記強誘電体材料（１００）の極性の方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が、前記印加された切替電圧（１５０）の除去後に維持される、請求項１に記載の強誘電体材料（１００）。
  3. 前記遷移金属が、スカンジウム、イットリウム、チタン、ニオブ及び／又はクロムを含む、請求項１又は請求項２に記載の強誘電体材料（１００）。
  4. 方法であって、
    初期の又は自発的な極性を有する混晶（１１０）を提供することであって、混晶（１１０）が、ＡｌＮ（１２０）と少なくとも１つの遷移金属窒化物（１３０）とを含む、提供することと、
    前記遷移金属窒化物（１３０）の比率が、前記強誘電体材料（１００）の初期の又は自発的な極性の方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が切替電圧（１５０）を印加することにより切替可能であるように選択することであって、前記切替電圧（１５０）は前記強誘電体材料の降伏電圧（１００）よりも低く、かつ
    前記混晶（１１０）の初期又は自発極性の方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が反転されるように、前記混晶に前記切替電圧（１５０）を印加することと、
    を含む、方法。
  5. 前記提供することが、前記混晶を有する少なくとも１つの強誘電体層（２１０）を備え、かつそれらの間に配置される前記強誘電体層（２１０）を有する少なくとも２つの電極（２３０、２３２）を備えるＭＥＭＳコンポーネント（２００）を提供することを含み、
    前記混晶に切替電圧（１５０）を印加することが、前記電極に前記切替電圧を印加することを含む、
    請求項４に記載の方法。
  6. 請求項１～請求項３のいずれかに記載の強誘電体材料（１００）を含むＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  7. 前記強誘電体材料（１００）を含む第１の強誘電体層（２１０、７３０）と、
    前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）の第１の表面（２２０）上に配置された第１の電極（２３０、７２２）と、
    前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）の第２の表面（２２１）上に配置された第２の電極（２３２、７２０）であって、前記第２の表面（２２１）は前記第１の表面（２２０）とは反対側にある、第２の電極（２３２、７２０）と、
    を備える、請求項６に記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  8. 前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）とは反対側で前記第１の電極（２３０、７２２）上に配置され、前記強誘電体材料（１００）を含む第２の強誘電体層（２１２、７３２）と、
    前記第２の強誘電体層（２１２、７３２）の第１の表面（２２２）上に配置された第３の電極（２３４）であって、前記第２の強誘電体層（２１２、７３２）の前記第１の表面（２２２）は、前記第１の電極（２３０、７２２）から離れる方に配置される、第３の電極（２３４）と、
    を備え、
    前記第１の強誘電体層（２１０）の極性が、前記第２の強誘電体層（２１２）の極性とは反対の方向を向く、
    請求項７に記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  9. 前記第１の電極（２３０、７２２）が、第１の電極層（２３１ａ、７２４）及び第２の電極層（２３１ｂ、７２２）を備え、かつ
    中立面が存在する絶縁層（２３１ｃ、２４０、７１０）が、前記第１の電極層（２３１ａ、７２４）と前記第２の電極層（２３１ｂ、７２２）との間に配置される、請求項８に記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  10. 前記第１の電極（２３０、７２２）が、第１の電極層（２３１ａ、７２４）及び第２の電極層（２３１ｂ、７２２）を備え、かつ
    中立面が存在する受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）が、前記第１の電極層（２３１ａ、７２４）と前記第２の電極層（２３１ｂ、７２２）との間に配置される、請求項８に記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  11. 前記第２の強誘電体層（２１２、７３２）とは反対側で、前記第３の電極（２３４）に配置された第３の強誘電体層（２１４）と、
    前記第３の強誘電体層（２１４）の第１の表面（２２３）上に配置された第４の電極（２３６）であって、前記第３の強誘電体層（２１４）の前記第１の表面（２２３）は前記第３の電極（２３４）から離れる方に面するように配置される、第４の電極（２３６）と、
    前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）とは反対側で、前記第２の電極（２３２、７２０）上に配置された第４の強誘電体層（２１６）と、
    前記第２の電極（２３２、７２０）から離れる方に面する前記第４の強誘電体層（２１６）の第１の表面（２２４）上に配置された第５の電極（２３８）と、
    を備える、請求項８～請求項１０のいずれかに記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  12. 前記第２の電極（２３２、７２０）上に配置された受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）を備える、請求項７又は請求項８のいずれかに記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  13. 前記受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）が、少なくとも一方の側で基板（３１０）に接続される、請求項１０～請求項１２のいずれかに記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  14. 前記ＭＥＭＳコンポーネント（２００）が、多層ＭＥＭＳアクチュエータ、多層ＭＥＭＳセンサ又は多層ＭＥＭＳ発電機を含み、かつ
    前記ＭＥＭＳコンポーネントが、交番して整列された分極を有する一連の層を備える、
    請求項６～請求項１３のいずれかに記載のＭＥＭＳコンポーネント（２００）。
  15. ＭＥＭＳデバイス（３００）であって、
    基板（３１０）と、
    請求項１０～請求項１２のいずれかに記載の第１のＭＥＭＳコンポーネント（２００）であって、前記ＭＥＭＳコンポーネント（２００）の前記受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）が、前記基板（３１０）上に歪められるように配置される、第１のＭＥＭＳコンポーネント（２００）と、
    を備える、ＭＥＭＳデバイス（３００）。
  16. 請求項１０～請求項１２のいずれかに記載のＭＥＭＳコンポーネントを２つ備え、第１のＭＥＭＳコンポーネント（２００）の受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）と第２のＭＥＭＳコンポーネント（２０１）の受動層（２３１ｃ、２４０、７１０）とが共同であり、かつ前記第１のＭＥＭＳコンポーネント（２００）及び第２のＭＥＭＳコンポーネント（２０１）の前記電極層及び前記強誘電体層が、並列に配置される、
    請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス（３００）。
  17. ＭＥＭＳコンポーネント（２００）を製造する方法であって、
    第１の電極（２３２、７２０）、第１の強誘電体層（２１０、７３０）、第２の電極（２３０、７２２）、第２の圧電体層（２１２、７３２）及び第３の電極（２３４）をこの順でスタックすることであって、前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）と前記第２の圧電体層（２１２、７３２）が、同じ分極方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）を有しかつ少なくとも前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）が、
    ＡｌＮ（１２０）と少なくとも１つの遷移金属窒化物（１３０）とを含む混晶（１１０）を含む強誘電体材料（１００）を含む、スタックすること
    を含み、
    前記遷移金属窒化物（１３０）の比率が、前記強誘電体材料（１００）の極性の方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が切替電圧（１５０）を印加することにより切替可能であるように選択され、前記切替電圧（１５０）は前記強誘電体材料の降伏電圧（１００）よりも低く、かつ
    前記第１の電極（２３２、７２０）に及び前記第２の電極（２３０、７２２）に切替電圧（１５０）を印加することであって、前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）の分極方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が、前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）の分極方向（１４０、１４２、２６０、６４０、７４０、７４０ａ、７４０ｂ、７８０）が反転されるように、反転される、印加すること、
    をさらに含む、
    方法。
  18. 前記第１の電極（２３２、７２０）、前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）、前記第２の電極（２３０、７２２）、前記第２の圧電体層（２１２、７３２）及び前記第３の電極（２３４）が、基板（３１０）上にスタックされ、かつ
    前記第１の電極（２３２、７２０）、前記第１の強誘電体層（２１０、７３０）、前記第２の電極（２３０、７２２）、前記第２の圧電体層（２１２、７３２）及び前記第３の電極（２３４）をスタックする前又はスタックした後にＣＭＯＳプロセスを用いて集積回路の１つ又は複数の回路コンポーネントを前記基板（３１０）に集積することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記基板が、前記第１の電極又は前記第３の電極のいずれかに隣接する、請求項１８に記載の方法。
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