氮化物压电体和使用该氮化物压电体的MEMS器件的制作方法

氮化物压电体和使用该氮化物压电体的mems器件
技术领域
1.本发明涉及添加了镁和钽的氮化铝的压电体以及使用了该压电体的mems器件。


背景技术：

2.利用压电现象的器件在广泛的领域中使用，在强烈要求小型化和省电化的便携电话机等便携式设备中，其使用正在扩大。作为其一例，有使用薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator；fbar)的fbar滤波器。
3.fbar滤波器是基于使用了显示压电响应性的薄膜的厚度纵向振动模式的谐振器的滤波器，具有能够进行吉赫频带中的谐振的特性。具有这样的特性的fbar滤波器具有低损耗，并且能够在宽频带中工作，因此期待有助于便携式设备的进一步的高频应对化、小型化以及省电化。
4.作为用于这样的fbar的压电体薄膜的压电体材料，例如可举出添加了钪的氮化铝(参照专利文献1)、添加了镁和钽的氮化铝(专利文献2)等。特别是添加了钪的氮化铝具有较高的压电常数，被期待用于下一代的高频滤波器。另外，期待用于压力传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器等物理传感器、致动器、麦克风、指纹认证传感器、振动发电机等各种mems(micro electro mechanical system：微机电系统)设备。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2009-10926号公报
8.专利文献2：日本特许第5904591号公报


技术实现要素：

9.发明所要解决的课题
10.然而，钪(sc)是昂贵的稀土类元素，由添加了钪的氮化铝(aln)构成的压电体与由其他物质构成的压电体相比，存在制造成本变高的问题。
11.另外，在专利文献2中，虽然公开了由添加了镁(mg)和钽(ta)的氮化铝(aln)构成的压电体，但其是基于数值计算的材料。具体而言，公开了将原子价为2价的镁(12.5原子％)和原子价为5价的钽(6.25原子％)掺杂于氮化铝时的数值计算的结果。
12.但是，专利文献2所公开的压电体终究是基于数值计算的压电体，存在用于计算的钽的原子价(价数)是否正确的问题。详细内容将会后述，本发明的压电体(al
1-x-y
mg
x
tayn)中所含的钽不仅包含5价的钽，还包含其他价数的钽，与专利文献2所公开的完全不同。
13.鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种与未添加任何元素的氮化铝相比具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体和使用该氮化物压电体的mems器件。
14.用于解决课题的方法
15.本发明的发明人对上述问题持续进行了深入研究，结果发现了如下所述的划时代
的添加了镁(mg)和钽(ta)的氮化铝(aln)的压电体。
16.用于解决上述课题的本发明的第一方式是一种压电体，其特征在于，由化学式al
1-x-y
mg
x
tayn表示，x y小于1，且x处于大于0且小于1的范围，y处于大于0且小于1的范围，ta包含4价的ta。
17.在此，“4价的ta”是指原子价为4价的ta。ta的价数例如可以通过x射线光电子能谱法(xps)、x射线吸收光谱法(xanes)、tem-eels等来检测。
18.在该第一方式中，能够提供与未添加(掺杂)任何元素的氮化铝相比具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
19.本发明的第二方式是权利要求1所述的压电体，其特征在于，与4价以外的ta相比，4价的ta含有得最多。
20.在该第二方式中，能够提供具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
21.本发明的第三方式是第一或第二方式所述的压电体，其特征在于，x/y大于2且为5以下。
22.在该第三方式中，能够提供具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
23.本发明的第四方式是第一或第二方式所述的压电体，其特征在于，x/y大于2.5且为4以下。
24.在该第四方式中，能够提供具有特别高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
25.本发明的第五方式是第一～第四方式中的任意一个所述的压电体，其特征在于，x y大于0.0且为0.4以下。
26.在该第五方式中，能够提供具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
27.本发明的第六方式是第一～第四方式中的任意一个所述的压电体，其特征在于，x y为0.15以上且0.35以下。
28.在该第六方式中，能够提供具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
29.本发明的第七方式是一种压电体，其特征在于，在基板上设置第一～第六方式中的任意一个所述的压电体，在压电体与基板之间设置有至少1层中间层。
30.在该第七方式中，压电体的结晶性(结晶度)提高，因此能够提供具有更高的性能指数(d
33
和g
33
中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
31.本发明的第八方式是第七方式所述的压电体，其特征在于，中间层包含氮化铝、氮化镓、氮化铟、氮化钛、氮化钪、氮化镱、钼、钨、铪、钛、钌、氧化钌、铬、氮化铬、铂、金、银、铜、铝、钽、铱、钯和镍中的至少1种。
32.在该第八方式中，压电体的结晶性(结晶度)进一步提高，因此能够提供具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
33.本发明的第九方式是第七或第八方式所述的压电体，其特征在于，在中间层与压电体之间还设置有扩散层，该扩散层包含构成中间层的物质和构成压电体的物质。
34.在该第九方式中，与第七以及第八方式同样，能够提供具有高性能指数(d
33
、g
33
以及k2中的至少任意1个)的值的氮化物压电体。
35.本发明的第十方式是一种mems器件，其使用第一～第九方式中的任意一个所述的压电体。
36.在此，所谓“mems器件”，只要是微小机电系统就没有特别限定，例如，可举出fbar滤波器、压力传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器等物理传感器、致动器、麦克风、指纹认证传感器、振动发电机、能量采集器等。
37.在该第十方式中，能够提供高频应对化、小型化以及省电化的mems器件。特别是在mems器件为高频滤波器的情况下，与以往的高频滤波器相比，能够提供低损耗且可以在宽频带中工作的器件。
附图说明
38.[图1]图1是实施方式1涉及的压电体薄膜的概略截面图。
[0039]
[图2]图2是示出各压电体薄膜中的结合能(binding energy)与强度(intensity)的关系的曲线图。
[0040]
[图3]图3是示出钽和镁的摩尔比与钽的4f轨道的峰区域的比例的关系的曲线图。
[0041]
[图4]图4是示出压电常数d
33
与mg/ta的原子百分比的比率的关系的曲线图。
[0042]
[图5]图5是示出掺杂剂(mg ta)的浓度与压电常数d
33
的关系的曲线图。
[0043]
[图6]图6是表示掺杂剂(mg ta)的浓度与相对介电常数εr的关系的曲线图。
[0044]
[图7]图7是示出掺杂剂(mg ta)的浓度与压电输出常数g
33
的关系的曲线图。
[0045]
[图8]图8是示出掺杂剂(mg ta、sc)的浓度与压电输出常数g
33
的关系的曲线图。
[0046]
[图9]图9是示出掺杂剂(mg ta、sc)的浓度与机电耦合系数k2的关系的曲线图。
[0047]
[图10]图10是实施方式2涉及的压电体薄膜的概略截面图。
具体实施方式
[0048]
以下，参照附图，对与本发明的压电体的薄膜相关的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下的实施方式，形状没有限制，当然也可以不是薄膜状。
[0049]
(实施方式1)
[0050]
图1是本实施方式的压电体薄膜的概略截面图。如该图所示，压电体薄膜1形成在基板10上。压电体薄膜1的厚度没有特别限定，优选为0.1～30μm的范围，0.1～2μm的范围由于密合性优异而特别优选。
[0051]
需要说明的是，基板10只要能够在其表面上形成压电体薄膜1即可，厚度、材质等没有特别限定。作为基板10，例如可举出硅以及铬镍铁合金等耐热合金、聚酰亚胺等树脂膜等。
[0052]
压电体薄膜1由化学式al
1-x-y
mg
x
tayn表示，x y小于1，并且x处于大于0且小于1的范围，y处于大于0且小于1的范围，由添加(掺杂)有镁(mg)和钽(ta)的氮化铝(aln)构成。而且，该压电体薄膜1中含有原子价为4价的ta。需要说明的是，关于ta的原子价，可以通过x射线光电子能谱法(xps)等进行检测。
[0053]
这样构成的压电体薄膜1具有比未添加任何元素的氮化铝高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0054]
在此，ta也可以包含4价以外的价数(例如，3价或5价)的ta，但优选4价的ta的含量与4价以外的ta的含量相比为最多的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0055]
另外，如果压电体薄膜1所包含的ta中的4价ta的含有比例为30％以上，则成为具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的压电体薄膜1，如果4价ta的含有比例为45％以上，则成为具有进一步提高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的压电体薄膜1，如果4价ta的含有比例为50％以上，则成为具有特别高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值的压电体薄膜1。
[0056]
而且，优选为在上述化学式中x/y大于2且为5以下的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有进一步提高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0057]
进而，更优选为在上述化学式中x/y大于2.5且为4以下的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有特别高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0058]
接着，更优选为在上述化学式中x y大于0.0且为0.4以下的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0059]
另外，进一步优选为在上述化学式中x y为0.15以上且0.35以下的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有进一步提高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0060]
进而，特别优选为在上述化学式中x y为0.2以上且0.3以下的压电体薄膜1。这样构成的压电体薄膜1具有特别高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的值。
[0061]
而且，使用了这些压电体薄膜1的高频滤波器与以往的高频滤波器相比，损耗低，并且能够在宽频带中工作。其结果是，能够使便携式设备更加高频应对、小型化以及省电化。另外，高频滤波器的构成没有特别限定，能够以公知的构成制造。
[0062]
接着，对本实施方式的压电体薄膜1的制造方法进行说明。压电体薄膜1与一般的压电体薄膜同样，能够使用溅射法、蒸镀法等制造方法来制造。具体地，例如，可以在氮气(n2)气氛下或在氮气(n2)和氩气(ar)的混合气氛下(气体压力为1pa以下)，在基板10(例如，硅(si)基板)上将由钽构成的靶、由镁构成的靶和由铝(al)构成的靶同时进行溅射处理来制造。需要说明的是，作为靶，可以使用以规定的比率含有钽、镁和铝的合金。
[0063]
需要说明的是，也可以在基板与压电体薄膜之间形成包含构成基板的物质和构成压电体薄膜的物质的层。这样的层例如可以通过在基板上形成压电体薄膜后对它们加热而形成。
[0064]
(实施例)
[0065]
使用以下的装置及溅射靶等，在电阻率为0.02ωcm的n型硅基板上制作厚度0.4～1.5μm的添加有钽和镁的氮化铝的压电体薄膜(al
1-x-y
mg
x
tayn)。
[0066]
多元同时溅射成膜装置(eiko工程公司制)
[0067]
钽的溅射靶材(浓度：99.999％)
[0068]
镁的溅射靶材(浓度：99.999％)
[0069]
铝的溅射靶材(浓度：99.999％)
[0070]
气体：氮气(纯度：99.99995％以上)与氩气(纯度：99.9999％以上)的混合气体(混合比50：50)
[0071]
基板加热温度：500℃
[0072]
成膜实验在用真空泵将溅射室内的气压降低为10-6
以下的高真空后进行。另外，为了避免氧等杂质的混入，在靶刚刚安装之后或即将各成膜实验之前进行靶表面的清洁处理。
[0073]
而且，将用xps(岛津/kratos制作所公司制，axis-165)测定得到的各压电体薄膜时的结合能(binding energy)与强度(intensity)的关系示于图2，将钽与镁的摩尔比与钽的4f轨道的峰区域的比例的关系示于图3。由这些图可知，随着镁相对于钽的原子百分比的比率(mg/ta)变大，ta
5
和ta
3
的比例变小，但ta
4
的比例变大。此外，还可知在1≤mg/ta≤3的范围内，与ta
5
和ta
3
相比，ta
4
的原子数的比例最高。
[0074]
接着，图4示出了掺杂剂(mg ta)的浓度为15～26at.％时的、压电常数d
33
与mg/ta的原子百分比的比率的关系。由该图可知，压电常数d
33
的值随着mg/ta变得大于1而变大，在3.1时变得最高，随着mg/ta变得大于3.1，压电常数d
33
的值变小。需要说明的是，关于压电常数d
33
，使用压电计(alpha株式会社制piezotest pm300)进行测定。
[0075]
进而，图5示出了掺杂剂(mg ta)的浓度与压电常数d
33
的关系。在此，mg/ta的原子百分比的比率固定为3.1。由该图可知，随着掺杂剂(mg ta)的浓度变高，压电常数d
33
的值变高，在24.3at.％时最高。另外，掺杂剂(mg ta)的浓度为0的是未添加任何元素的氮化铝的压电常数d
33
的值。
[0076]
另外，图6示出了掺杂剂(mg ta)的浓度与相对介电常数εr的关系。在此，mg/ta的原子百分比的比率固定为3.1。由该图可知，掺杂剂(mg ta)的浓度直到24.3at.％为止，为大致一定的值(εr＝10)，但随着掺杂剂(mg ta)的浓度高于24.3at.％，相对介电常数εr的值也变高。
[0077]
进而，根据上述数据，使用下式算出压电输出常数g
33
。此处使用ε0＝8.8542e-12
。
[0078]
[数1]
[0079][0080]
而且，图7示出了得到的压电输出常数g
33
与掺杂剂(mg ta)的浓度的关系。在此，mg/ta的原子百分比的比率固定为3.1。根据该图，压电输出常数g
33
的值随着掺杂剂(mg ta)的浓度变高而变大，在24.3at.％时变得最高。而且，可知随着掺杂剂(mg ta)的浓度高于24.3at.％，压电输出常数g
33
的值逐渐变小。需要说明的是，掺杂剂(mg ta)的浓度为0的是未添加任何元素的氮化铝的压电输出常数g
33
的值。
[0081]
另外，图8示出了各掺杂剂(mg ta、sc)的浓度与压电输出常数g
33
的关系。由该图可知，在各掺杂剂的浓度达到24.3at.％之前，添加有钽和镁的氮化铝压电体薄膜(al
1-x-y
mg
x
tayn)具有比添加有钪的氮化铝压电体薄膜(al
1-x
sc
x
n)高的压电输出常数g
33
。
[0082]
由以上可知，本实施例的压电体薄膜在mg/ta的原子百分比的比率大于1且为4以下的范围、且掺杂剂(mg ta)的浓度大于0.0且为0.4以下的范围内，与未添加任何元素的氮化铝相比，具有较高的性能指数(d
33
和g
33
)的值。
[0083]
进而，图9示出了各掺杂剂(mg ta)的浓度与机电耦合系数k2的关系。根据该图，机电耦合系数k2的值随着掺杂剂(mg ta)的浓度变高而变大，在24.3at.％时变得最高。而且，
可知随着掺杂剂(mg ta)的浓度高于24.3at.％，压电输出常数g
33
的值逐渐变小。需要说明的是，机电耦合系数k2能够使用下式来计算。
[0084]
[数2]
[0085]
k2＝e
33
×g33
[0086]
需要说明的是，e
33
表示压电应力常数，使用采用了被称为第一原理计算(first-principle calculation)的计算方法的vasp(vienna ab initio simulation package(维也纳从头算模拟软件包))这样的软件来计算。
[0087]
(实施方式2)
[0088]
在上述的实施方式1中，在基板上直接制作压电体薄膜，但本发明并不限定于此。例如，如图10所示，也可以在基板10与压电体薄膜1a之间设置中间层20。
[0089]
在此，作为中间层20，只要能够在中间层20上形成压电体薄膜1a即可，其材料、厚度等没有特别限定。作为中间层，例如可举出由氮化铝(aln)、氮化镓(gan)、氮化铟(inn)、氮化钛(tin)、氮化钪(scn)、氮化镱(ybn)、钼(mo)、钨(w)、铪(hf)、钛(ti)、钌(ru)、氧化钌(ruo2)、铬(cr)、氮化铬(crn)、铂(pt)、金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钽(ta)、铱(ir)、钯(pd)及镍(ni)构成的厚度50～200nm的层。
[0090]
通过在基板10上设置这样的中间层20，压电体薄膜1a的结晶性(结晶度)提高，因此能够形成与实施方式1的压电体薄膜相比具有更高的性能指数(d
33
、g
33
和k2中的至少任意1个)的添加了钽和镁的氮化铝压电体薄膜(al
1-x-y
mg
x
tayn)。
[0091]
(实施方式3)
[0092]
在上述的实施方式2中，在中间层上直接形成压电体薄膜，但本发明并不限定于此。例如，也可以在中间层与压电体薄膜之间进一步设置包含构成中间层的物质和构成压电体薄膜的物质的扩散层。需要说明的是，扩散层例如可以通过在中间层上形成压电体薄膜后对它们施加热而形成。即使这样设置扩散层，也能够得到与实施方式2同样的效果。
[0093]
符号说明
[0094]
1、1a：压电体薄膜，
[0095]
10：基板，
[0096]
20：中间层。