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JP-2026077959-A - 圧電膜積層体およびその製造方法

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Abstract

【課題】異常粒の発生が抑制されたＳｃＡｌＮ膜を備える圧電膜積層体を提供する。 【解決手段】圧電膜積層体は、下地表面１４ａを有するＳｉＮ膜１４と、下地表面１４ａに接して配置されるＳｃＡｌＮ膜１５と、を備える。下地表面１４ａの表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下である。これによれば、表面粗さが０．５ｎｍ以下である下地表面１４ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５が形成される。これにより、表面粗さが０．５ｎｍよりも大きい下地表面に接してＳｃＡｌＮ膜が形成される場合と比較して、ＳｃＡｌＮ膜中の異常粒の発生を抑制することができる。 【選択図】図１

Inventors

  • 勅使河原 明彦
  • 山田 英雄
  • 阿部 竜一郎
  • 木嶋 健治
  • 榎本 哲也

Assignees

  • 株式会社デンソー
  • トヨタ自動車株式会社
  • 株式会社ミライズテクノロジーズ

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20260306

Claims (6)

  1. 圧電膜積層体であって、 下地表面（２１ａ）を有する下地材（２１）と、 前記下地表面に接して配置されるＳｃＡｌＮ膜（１５）と、を備え、 前記下地表面の表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下であり、 前記下地材は、絶縁性材料からなるＡｌＮ膜（２１）である圧電膜積層体。
  2. 前記下地材は、膜形状であり、 前記下地材の膜厚は、前記ＳｃＡｌＮ膜の膜厚の１／１０以下である、請求項１に記載の圧電膜積層体。
  3. 前記圧電膜積層体は、前記下地材に対して前記ＳｃＡｌＮ膜側の反対側に、前記下地材に接して配置される導電性材料（１３）を備える、請求項１に記載の圧電膜積層体。
  4. 前記導電性材料は、前記下地材に接する表面（１３ａ）を有し、 前記導電性材料の前記表面の表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下である、請求項３に記載の圧電膜積層体。
  5. 前記ＳｃＡｌＮ膜は、Ｓｃ濃度が２４原子％以上４０％以下となっている、請求項１に記載の圧電膜積層体。
  6. 圧電膜積層体の製造方法であって、 下地表面（２１ａ）を有する下地材（２１）を用意すること（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）と、 前記下地表面を平坦化すること（Ｓ４）と、 前記下地表面を平坦化した後、前記下地表面に接してＳｃＡｌＮ膜（１５）を形成すること（Ｓ５）と、を含み、 前記平坦化することにおいては、前記下地表面の表面粗さを、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下とし、 前記下地材として、絶縁性材料からなるＡｌＮ膜を用いる、圧電膜積層体の製造方法。

Description

本発明は、圧電膜と下地材とが積層された圧電膜積層体およびその製造方法に関する。 特許文献１に、下地材と、圧電膜であるＳｃＡｌＮ膜と、を備える圧電膜積層体が開示されている。 特許第５１９０８４１号公報 第１実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第１実施形態における圧電膜積層体の製造方法を示すフローチャートである。ＳｃＡｌＮの結晶構造を示す図である。実施例１～３および比較例１～３における下地表面の表面粗さＲａと結晶性との関係を示す図である。実施例１のＳｃＡｌＮ膜のＳＥＭ像である。実施例２のＳｃＡｌＮ膜のＳＥＭ像である。実施例３のＳｃＡｌＮ膜のＳＥＭ像である。比較例１のＳｃＡｌＮ膜のＳＥＭ像である。比較例２のＳｃＡｌＮ膜のＳＥＭ像である。実施例１～３および比較例１～３における下地表面の表面粗さＲａと圧電性能との関係を示す図である。実施例１～３および比較例１～３における下地表面の表面粗さＲａとｔａｎδとの関係を示す図である。実施例１～４および比較例１～３における下地表面の表面粗さＲａと結晶性との関係を示す図である。第２実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第３実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第４実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第５実施形態における圧電膜積層体の断面図である。実施例１～３、５および比較例１～４における下地表面の表面粗さＲａと結晶性との関係を示す図である。第６実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第７実施形態における圧電膜積層体の断面図である。第８実施形態における圧電膜積層体の製造方法を示すフローチャートである。 以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 （第１実施形態） 図１に示すように、本実施形態の圧電膜積層体１０は、Ｓｉ基板１１と、ＡｌＮ膜１２と、Ｍｏ膜１３と、ＳｉＮ膜１４と、ＳｃＡｌＮ膜１５と、を備える。これらの膜は、積層されている。 Ｓｉ基板１１は、半導体材料であるＳｉで主に構成された基板である。Ｓｉ以外の半導体材料で構成された基板が用いられてもよい。 ＡｌＮ膜１２は、Ｓｉ基板１１の上側にＳｉ基板１１の表面に接して配置される。ＡｌＮ膜１２は、ＡｌＮで主に構成された膜である。ＡｌＮ膜１２は、Ｍｏ膜１３の結晶性を向上させるためのＭｏ膜１３の下地材として用いられている。 Ｍｏ膜１３は、ＡｌＮ膜１２の上側にＡｌＮ膜１２の表面に接して配置される。換言すると、Ｍｏ膜１３は、ＳｉＮ膜１４の下側にＳｉＮ膜１４に接して配置される。ＳｉＮ膜１４の下側は、ＳｉＮ膜１４に対してＳｃＡｌＮ膜１５側の反対側である。 Ｍｏ膜１３は、導電性材料であるＭｏで主に構成された膜である。Ｍｏ膜１３は、ＳｃＡｌＮ膜１５の圧電機能を発現させるための下部電極として用いられている。Ｍｏ膜１３は、ＳｉＮ膜１４に接する表面１３ａを有する。Ｍｏ膜１３に替えて、Ｍｏ以外の金属材料などの導電性材料で構成された膜が用いられてもよい。 ＳｉＮ膜１４は、Ｍｏ膜１３の上側にＭｏ膜１３の表面１３ａに接して配置される。ＳｉＮ膜１４は、ＳｃＡｌＮ膜１５の下地材であり、膜形状である。ＳｃＡｌＮ膜１５の下地材は、ＳｃＡｌＮ膜１５に接して、ＳｃＡｌＮ膜１５を支える。ＳｉＮ膜１４は、アモルファスの絶縁性材料であるＳｉＮで主に構成される。 アモルファスは、結晶構造を持たない物質の状態のことであり、非晶質とも呼ばれる。膜を構成する材料がアモルファスであることは、膜に対して電子線回折測定を行うことで確認される。その測定結果がハローパターンのとき、膜を構成する材料はアモルファスである。本明細書において、絶縁性とは、電気抵抗率（すなわち、体積抵抗率）が１０４Ω・ｍ以上であることを意味する。 絶縁性であるＳｉＮ膜１４の膜厚が厚くなりすぎると、ＳｃＡｌＮ膜１５とＳｉＮ膜１４とを含む複合膜の総合的な圧電性が損なわれる。このため、この複合膜の圧電性が大きく損なわれないように、ＳｉＮ膜１４の膜厚は、ＳｃＡｌＮ膜１５の膜厚の１／１０以下であることが好ましく、ＳｃＡｌＮ膜１５の膜厚の１／５０以下であることがより好ましい。これによれば、ＳｃＡｌＮ膜１５とＳｉＮ膜１４とを含む複合膜の総合的な圧電性の低下を抑制することができる。 ＳｉＮ膜１４は、ＳｃＡｌＮ膜１５に接する表面（すなわち、下地表面）１４ａを有する。下地表面１４ａの表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下である。算術平均粗さは、JIS B0601に定められたものである。原子間力顕微鏡、触針式表面粗さ計などにより、表面を走査して、表面粗さを測定することができる。また、測定したい表面上に別の膜が形成されている場合、透過電子顕微鏡による断面観察を行い、測定したい界面の形状を求めることによって、表面粗さを測定することができる。 ＳｃＡｌＮ膜１５は、ＳｉＮ膜１４の上側にＳｉＮ膜１４の下地表面１４ａに接して配置される。ＳｃＡｌＮ膜１５は、ＳｃＡｌＮ（すなわち、スカンジウム含有窒化アルミニウム）で主に構成された圧電膜である。ＳｃＡｌＮ膜１５は、ＳｉＮ膜１４側の反対側の表面１５ａを有する。 ＳｃＡｌＮ膜１５のＳｃ濃度は、０原子％よりも大きく、４５原子％以下のいずれの濃度でもよい。Ｓｃ濃度とは、Ｓｃの原子数とＡｌの原子数との総量１００原子％に対してのＳｃの原子数が占める割合である。原子％は、原子数百分率を指している。Ｓｃ濃度は、ＲＢＳによって測定される。ＲＢＳは、Rutherford BackscatteringSpectrometry（すなわち、ラザフォード後方散乱分光）の略称である。本明細書に示すＳｃ濃度は、下記の装置を用いて、下記の測定条件で測定された値である。 装置名：National Electrostatics Corporation製 Pelletron 3SDH 測定条件 ＲＢＳ測定 入射イオン: 4He++ 入射エネルギー: 2300keV 入射角: 0deg 散乱角: 160deg 試料電流: 13nA ビーム径: 2mmφ 面内回転: 無 照射量: 70μC 次に、本実施形態の圧電膜積層体１０の製造方法について説明する。圧電膜積層体１０の製造方法は、図２に示すように、ＡｌＮ膜１２の形成工程Ｓ１と、Ｍｏ膜１３の形成工程Ｓ２と、ＳｉＮ膜１４の形成工程Ｓ３と、ＳｉＮ膜１４の平坦化工程Ｓ４と、ＳｃＡｌＮ膜１５の形成工程Ｓ５と、を含む。 まず、ＡｌＮ膜１２の形成工程Ｓ１では、反応性ＤＣスパッタリング法にて、Ｓｉ基板１１の表面上にＡｌＮ膜１２を形成することが行われる。その後、Ｍｏ膜１３の形成工程Ｓ２が行われる。 Ｍｏ膜１３の形成工程Ｓ２では、ＤＣスパッタリング法にて、ＡｌＮ膜１２の表面上にＭｏ膜１３を形成することが行われる。その後、ＳｉＮ膜１４の形成工程Ｓ３が行われる。 ＳｉＮ膜１４の形成工程Ｓ３では、プラズマＣＶＤ法にて、Ｍｏ膜１３の上側にＭｏ膜１３の表面１３ａに接してＳｉＮ膜１４を形成することが行われる。その後、ＳｉＮ膜１４の平坦化工程Ｓ４が行われる。 ＳｉＮ膜１４の平坦化工程Ｓ４では、Ａｒプラズマを用いたエッチングによって、ＳｉＮ膜１４の下地表面１４ａを平坦化することが行われる。このとき、エッチング時間が長いほど、下地表面１４ａの表面粗さが低減する。下地表面１４ａの表面粗さが、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下となるように、エッチング時間が設定される。下地表面１４ａを平坦化した後、ＳｃＡｌＮ膜１５の形成工程Ｓ５が行われる。 ＳｃＡｌＮ膜１５の形成工程Ｓ５では、反応性ＤＣスパッタリング法にて、ＳｉＮ膜１４の上側に下地表面１４ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５を形成することが行われる。このようにして、図１に示す構造の圧電膜積層体１０が製造される。 本実施形態では、ＡｌＮ膜１２の形成工程Ｓ１、Ｍｏ膜１３の形成工程Ｓ２およびＳｉＮ膜１４の形成工程Ｓ３が、下地材を用意することに対応する。ＳｉＮ膜１４の平坦化工程Ｓ４が、下地表面を平坦化することに対応する。ＳｃＡｌＮ膜１５の形成工程Ｓ５が、下地表面に接してＳｃＡｌＮ膜を形成することに対応する。 なお、Ｍｏ膜１３の形成工程Ｓ２の後であって、ＳｉＮ膜１４の形成工程Ｓ３の前に、Ｍｏ膜１３の表面を平坦化することが行われてもよい。この場合も、ＳｉＮ膜１４の平坦化工程Ｓ４が行われることで、下地表面１４ａの表面粗さが、最終的に、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下とされる。 ＳｃＡｌＮ膜１５は、図３に示す六方晶の結晶構造を有するとともに、複数の結晶粒を有する多結晶の構造を有する。複数の結晶粒に、ＳｃＡｌＮ膜１５の表面１５ａに対して垂直な向きに六方晶のｃ軸が配向するｃ軸配向結晶粒が多く含まれるときに、ＳｃＡｌＮ膜の圧電性が高くなる。一方、複数の結晶粒に、六方晶のｃ軸の向きがランダムである異常粒が多く含まれるときに、ＳｃＡｌＮ膜１５の圧電性が低くなる。ＳｃＡｌＮ膜１５に存在する異常粒が少ないほど、ＳｃＡｌＮ膜１５に存在するｃ軸配向結晶粒が多くなる関係がある。このため、ＳｃＡｌＮ膜１５中の異常粒の発生が抑制されることが望まれる。 本発明者は、後述の通り、異常粒の発生の要因の一つが、下地表面１４ａの表面粗さであることを見出した。そして、表面粗さが０．５ｎｍ以下である下地表面１４ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５を形成することで、ＳｃＡｌＮ膜１５中の異常粒の発生を抑制できることを見出した。 そこで、本実施形態の圧電膜積層体１０は、下地表面１４ａを有するＳｉＮ膜１４と、下地表面１４ａに接して配置されるＳｃＡｌＮ膜１５と、を備える。ＳｃＡｌＮ膜１５に接する下地表面１４ａの表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下である。 本実施形態の圧電膜積層体１０の製造方法は、下地表面１４ａを有するＳｉＮ膜１４を用意することと、下地表面１４ａを平坦化することと、下地表面１４ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５を形成することと、を含む。平坦化することにおいては、下地表面１４ａの表面粗さは、算術平均粗さの値で０．５ｎｍ以下とされる。 これらによれば、表面粗さが０．５ｎｍ以下である下地表面１４ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５が形成される。これにより、表面粗さが０．５ｎｍよりも大きい下地表面に接してＳｃＡｌＮ膜が形成される場合と比較して、ＳｃＡｌＮ膜１５中の異常粒の発生を抑制することができる。 さらに、本実施形態の圧電膜積層体１０によれば、下記の効果を奏する。ＳｃＡｌＮ膜１５の下地材であるＳｉＮ膜１４は、アモルファスの絶縁性材料である。 本実施形態と異なり、Ｍｏ膜１３をＳｃＡｌＮ膜１５の下地材とする場合、すなわち、Ｍｏ膜１３の表面１３ａに接してＳｃＡｌＮ膜１５を形成する場合、ＳｃＡｌＮ膜１５中に異常粒が発生しやすい。この理由として、次のことが考えられる。 一般的に、ＡｌＮ膜の表面上に形成されたＭｏ膜は、（１０１）配向しやすい。つまり、ＡｌＮ膜の表面上に形成されたＭｏ膜の表面に平行な面方向は、（１０１）面になりやすい。この場合、Ｍｏ膜１３の表面１３ａに平行な面方向でのＭｏの原子配列の対称性は、六方晶のｃ軸の向きがＳｃＡｌＮ膜１５の表面１５ａに対して垂直な向きで、複数の結晶粒が配向するときのＳｃＡｌＮ膜１５の表面１５ａに平行な面方向でのＳｃＡｌＮの原子配列の対称性に近似している。これに加えて、Ｍｏの格子定数が、ＳｃＡｌＮの格子定数に対して数％程度の範囲内で不一致である。このため、ＳｃＡｌＮ膜１５の形成時に、ＳｃＡｌＮ膜１５に望まれない歪、すなわち、応力が発生する。これらが、上記の場合に異常粒が発生する原因であると考えられる。 これに対して、本実施形態によれば、ＳｉＮ膜１４の下地表面１４ａに平行な面方向でのＳｉＮの原子配列は、上記の複数の結晶粒が配向するとき