(57)【要約】基板と、基板の上に設けられる第１の層と、第１の層の上に設けられる第２の層と、第２の層の上に設けられる第３の層と、を備え、第１の層は、Ｍを金属元素として、化学式ＭＩｎ２Ｏ４を含む層であり、第２の層は、面心立方構造の金属層であり、第３の層は、強誘電体膜である構造体及びこの構造体を用いたセンサ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に設けられる第１の層と、
前記第１の層の上に設けられる第２の層と、
前記第２の層の上に設けられる第３の層と、を備え、
前記第１の層は、Ｍを金属元素として、化学式ＭＩｎ２Ｏ４を含む層であり、
前記第２の層は、面心立方構造の金属層であり、
前記第３の層は、強誘電体膜である構造体。
【請求項２】
前記第１の層と前記第２の層とは（００２）配向にエピタキシャル成長している請求項１の構造体。
【請求項３】
前記第１の層は（００２）配向のエピタキシャル膜である請求項１の構造体。
【請求項４】
前記第２の層は（００２）配向のエピタキシャル膜である請求項１の構造体。
【請求項５】
前記第２の層は、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかを含む請求項１の構造体。
【請求項６】
前記Ｍは、Ｍｇ,Ｚｎ,Ｃｄのいずれかを含む請求項１の構造体。
【請求項７】
前記第３の層は、Ａ及びＢを陽イオンとして、化学式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型複合酸化物である請求項１の構造体。
【請求項８】
前記第３の層は、チタン酸ジルコン酸鉛である請求項１の構造体。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうち何れか１項に記載の構造体を備える角速度を検出するセンサ。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のうち何れか１項に記載の構造体を備える赤外線を検出するセンサ。
【請求項１１】
基板と、
前記基板の上に設けられる第１の層と、
前記第１の層の上に設けられる第２の層と、
前記第２の層の上に設けられる第３の層と、を備え、
前記第１の層は、Ｍを金属元素として、化学式ＭＩｎ２Ｏ４含む層であり、
前記第２の層は、Ｐｔを含む金属層であり、
前記第１の層と前記第２の層はともに、Ｘ線回折において、９０°毎の略同位置に４本のピークを有する構造体。
【請求項１２】
前記ＭはＭｇであり、
前記第１層、及び前記第２の層は（００２）配向したエピタキシャル膜である請求項１１の構造体。
【請求項１３】
前記第３の層は、強誘電体膜である請求項１１の構造体。
【請求項１４】
前記第２の層は、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれかを含む請求項１１の構造体。
【請求項１５】
前記Ｍは、Ｍｇ,Ｚｎ,Ｃｄのいずれかを含む請求項１１の構造体。
【請求項１６】
前記第３の層は、Ａ及びＢを陽イオンとして、化学式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型複合酸化物である請求項１１の構造体。
【請求項１７】
前記第３の層は、チタン酸ジルコン酸鉛である請求項１１の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサなどに用いる強誘電体膜を用いた構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン基板と、シリコン基板上に設けた酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）膜のバッファ層と、バッファ層の上に設けた圧電体膜の結晶配向制御に用いる白金（Ｐｔ）膜の下部電極と、下部電極の上にエピタキシャル成長させたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜と、を備える構造体が知られていた。また、その構造体を用いたセンサが知られていた。【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３８８５６号公報
【特許文献２】特開２０１４−６０７８号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、量産性を向上した強誘電体膜を用いた構造体を提供することを目的とするものである。
【０００６】
上記目的を解決するために本発明の構造体は、基板と、基板の上に設けられる第１の層と、第１の層の上に設けられる第２の層と、第２の層の上に設けられる第３の層と、を備える。第１の層は、Ｍを金属元素として、化学式ＭＩｎ２Ｏ４を含む層であり、第２の層は、面心立方構造の金属層であり、第３の層は、強誘電体膜である。
【０００７】
本発明の強誘電体膜を用いた構造体、及びこの構造体を用いたセンサは、量産性を向上できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態における強誘電体膜を用いた構造体の断面図
【図２】同構造体の別の断面図
【図３】Ｘ線回折の結果を示した特性図
【図４】Ｘ線回折の結果を示した別の特性図
【図５】Ｘ線回折の結果を示した更に別の特性図
【図６】本発明の実施の形態におけるジャイロセンサの平面図
【図７】図６のＡ−Ａ線における断面図
【図８】本発明の実施の形態における焦電センサの平面図
【図９】図８のＢ−Ｂ線における断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の構造体における問題点を簡単に説明する。バッファ層として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の金属膜を用いると、その上に設ける圧電体膜の結晶配向制御に必要な白金（Ｐｔ）膜の形成時の配向制御が成立する温度などの条件が極めて厳しく、量産に向かないという問題点があった。
【００１０】
以下、本発明の実施の形態における圧電体素子（構造体）及びそれを用いたセンサについて図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は本実施の形態における強誘電体膜を用いた構造体の断面図である。
【００１２】
図１において、強誘電体膜を用いた構造体１０は、基板５０と、中間薄膜４０と、下部電極３２と、強誘電体膜２０と、上部電極３１と、を備える。なお、中間薄膜４０を第１の層、下部電極３２を第２の層、強誘電体膜２０を第３の層、と記載してもよい。
【００１３】
強誘電体膜２０は、例えば、化学式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型複合酸化物である。ここで、Ａ及びＢは陽イオンを表す。Ａとして、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｌａ及びＣｄから選ばれた１種以上が好ましく、Ｂとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ及びＮｂから選ばれた１種以上が好ましい。具体的には、強誘電体膜２０の材質として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＭＮ−ＰＺＴ）、ニッケルニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＮＮ−ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-チタン酸鉛系（ＰＭＮ−ＰＴ）、ニッケルニオブ酸鉛-ＰＴ系（ＰＮＮ−ＰＴ），チタン酸ナトリウムビスマス−チタン酸バリウム系（ＮＢＴ−ＢＴ系）またはチタン酸バリウムストロンチウム系(ＢＳＴ)などが好適である。
【００１４】
なお、強誘電体膜２０として、上記の膜を積層した積層膜を用いてもよい。
【００１５】
基板５０は、例えば、(００１)配向したＭｇＯ単結晶の基板、（００１）配向したイットリア安定化ジルコニア(ＹＳＺ)単結晶の基板、(００１)配向したＹＳＺエピタキシャル膜を表面に有するシリコン単結晶の基板などが用いられる。
【００１６】
基板５０の上に中間薄膜４０が設けられる。中間薄膜４０は、化学式ＭＩｎ２Ｏ４（Ｍは金属元素）からなる酸化物が用いられる。ここでＭには、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）が用いられる。中間薄膜４０を設けることで、その上に設けられる下部電極３２の配向が制御される。
【００１７】
下部電極３２は、面心立方構造を有する金属、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、またそれらの合金や積層体である。下部電極３２を設けることで、その上に設けられる強誘電体膜２０の配向は制御される。
【００１８】
強誘電体膜２０は、ｃ軸方向に配向した膜である。但し、その結晶構造は完全な（００１）配向の膜ではなくても良い。その結晶構造は結晶粒子が下部電極３２上に理想的に最密充填されるようにｃ軸配向結晶（（００１）配向の結晶）とａ軸配向結晶（（１００）配向の結晶）とが適度に混在した薄膜であっても良い。
【００１９】
上部電極３１は、金属膜で、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、またそれらの合金や積層体の膜である。
【００２０】
好ましくは、中間薄膜４０としてＭｇＩｎ２Ｏ４を用いる。本発明者の実験によれば、ＭｇＩｎ２Ｏ４は、３００℃〜７００℃と広い範囲で容易に（００２）配向のエピタキシャル膜が得られることが分かった。すなわち、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜の成膜の前後もしくは成膜中にあえて温度を調整する様な事は必要としない。またＯ２分圧についても、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜を成膜中にあえて調整する必要しない。すなわち、特別な制御を必要とせず形成することができ、量産性に優れていることが実験で確認された。
【００２１】
さらに、好ましくは下部電極３２には、白金（Ｐｔ）を用いる。実験によれば、ＭｇＩｎ２Ｏ４の（００２）配向のエピタキシャル膜上にＰｔを形成することで、特別な制御を必要とせず、Ｐｔの（００２）配向のエピタキシャル膜が得られることが分かった。
【００２２】
ところで、「エピタキシャル膜」を別の表現で表すと、面直方向に１軸配向し、かつ、面内の２軸に配向している膜と記載する事ができる。このため、エピタキシャル膜かどうかは、Ｘ線回折で検証することが出来る。具体的には、まず、面直方向に１軸配向しているかどうかを２θ−θスキャンにより確認する。次に、面内で２軸配向している事を結晶の対称性を確認する事で確認する。これにより、その膜がエピタキシャル膜かどうかを確認することができる。例えば、[００２]方向にエピタキシャルに配向している膜の場合、まず２θ−θスキャンにより、（００２）に面外に配向していることを確認する。次に、（２０２）面を検出するように、結晶面に対するＸ線回折装置の２θ-θの位置関係を固定し、さらに基板を面直方向から４５°傾斜させた上で、面内を３６０度回転させながらＸ線回折を測定する。この時、（２０２）面と等価な４つの面に対応する４本のピークが９０度間隔で４本出現する事が確認できれば、その膜がエピタキシャル膜であると判断することができる。このとき、２θ−θスキャンにおいて、メインの軸に対応するピーク以外に、他の軸に関係するピークが確認される、あるいは、面内の対称性を確認する際に、４本の周期的なピークの他にも若干のピーク（以下、「他のピーク」）が確認される、という場合がある。しかし、他のピークの強度がメインのピーク強度の１/１０以下であれば、その膜はエピタキシャル膜であると判断してよい。
【００２３】
また、本実施の形態の場合、（１０１）面と（２０２）面および[００１]方向と[００２]方向については、それぞれ次数の異なる平行な面を示しており、等価な方向、および面を示しているものとみなす。
【００２４】
図３は、図２に示す、基板５０、中間薄膜４０、下部電極３２からなる構造体について、２θ−θスキャンを行った結果を示す特性図である。ここでは、基板５０として、(００１)配向したＹＳＺエピタキシャル膜を表面に有するシリコン単結晶の基板、中間薄膜４０としてＭｇＩｎ２Ｏ４膜、下部電極３２としてＰｔ膜を用いている。
【００２５】
図４は、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜、Ｐｔ膜それぞれの（２０２）面を検出するように結晶面に対するＸ線回折装置の２θ-θの位置関係を固定し、さらに基板５０を面直方向から４５°傾斜させた上で、面内を３６０度回転させながら測定したＸ線回折の結果を示した特性図である。
【００２６】
ＭｇＩｎ２Ｏ４膜の形成にあたってはＲＦマグネトロンスパッタリングにより作成した。この際、基板温度は４００度に加熱し、酸素ガスおよびアルゴンガスを１：１の割合で混合し導入した上で、圧力を４Ｐａに調整し、８０Ｗのパワーでスパッタリングを実施した。Ｐｔ膜についても、４００℃の状態でマグネトロンスパッタリングにより形成した。
【００２７】
図３では、基板のＹＳＺの（００２）のピークおよび高次の（００４）のピークと同時に、その上に形成したＭｇＩｎ２Ｏ４膜の（００４）および、さらに高次の（００８）のピークが確認できる。これにより、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜が、基板５０の面外に（００２）方向に配向している事が確認できる。またＰｔ膜についても（００２）および、さらに高次の（００４）のピークが確認できる。これにより、基板面外に（００２）方向に配向している事が確認できる。
【００２８】
図４から、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜、Ｐｔ膜ともに、同位置に９０°毎の４本のピークを有することが確認できる。このことより、どちらの膜も面内に２軸配向している事が確認でき、つまり、ＭｇＩｎ２Ｏ４膜もＰｔ膜も、（００２）配向したエピタキシャル膜である事が確認できる。
【００２９】
図５は、図３の構造の上に強誘電体膜２０としてのチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の一部のＰｂをランタン（Ｌａ）で置換しさらにニオブを添加したニオブ添加チタン酸ランタン鉛（ＰＬＭＴ）を形成した構造体についてＸ線回折（２θ−θ）測定をした結果を示したものである。この図より、図３の構造体上に形成された強誘電体膜２０が強く（００１）方向に配向している事が確認できる。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態のジャイロセンサ１００について説明する。
【００３１】
図６は、ジャイロセンサ１００の平面図である。図７は図６のＡ−Ａ線における断面図である。
【００３２】
中間薄膜４０を設けることにより、検出電極３１ｃ、３１ｄの下方に位置する下部電極３２ｄおよび下部電極３２ｄの上に設けられる強誘電体膜は、（００１）配向性のエピタキシャル膜（別の表現では、エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）となっている。
【００３３】
ジャイロセンサ１００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０、１３０を備える。ジャイロセンサ１００は、上述の強誘電体膜を用いた構造体１０を構成する強誘電体膜２０、上部電極３１、及び下部電極３２を音叉型振動子の形状に加工したものである。ジャイロセンサ１００は、各部（基部１１０、及びアーム１２０、１３０）は、強誘電体膜を用いた構造体１０によって一体的に形成されている。一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極３１ａ、及び検出電極３１ｃ、が形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極３１ｂ、検出電極３１ｄが形成されている。これらの電極は、上部電極３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。なお、基部１１０、及びアーム１２０、１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）に形成されている下部電極３２ｄは、ジャイロセンサ１００のグランド電極として機能する。
【００３４】
図７は図６のＡ−Ａ線における断面図である。ジャイロセンサ１００は、検出電極３１ｄの下のＰＺＴ（検出部分のＰＺＴ膜と記載することもできる）がエピタキシャル膜（エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）、駆動電極３１ｂのＰＺＴ膜（駆動部分のＰＺＴ膜と記載することもできる）が配向性の強誘電体膜（別の表現では、配向強誘電体膜２０ｂ）としている。
【００３５】
なお、検出部分のＰＺＴがエピタキシャル膜の強誘電体膜（エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）、駆動部分の膜が配向性の強誘電体膜２０（配向強誘電体膜２０ｂ）であるという発明の適用できるセンサは角速度センサに限定されない。例えば、振動型加速度センサや焦電センサへの適用することも可能である。
【００３６】
図８は、本発明の実施の形態の焦電センサ２００の平面図である。図９は図８のＢ−Ｂ線における断面図である。焦電センサ２００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０，アーム１３０と、アーム１２０、１３０に接続する可動部６０と、を備える。駆動電極３１ａに電圧が印加されることで可動部６０が振動し、可動部６０に設けた検出電極３１ｄの下に位置する強誘電体膜（エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）を走査させて赤外線などを検出することができる。焦電センサ２００は走査型の焦電センサ２００と記載することもできる。この様な焦電センサとしては、例えば、特許文献２に開示されているセンサが知られている。
【００３７】
以上の様に、検出部分と駆動部分と膜の構成が異なる。これにより、センサの精度を向上することができる。
【００３８】
なお、いずれのセンサにおいても、検出部分のＰＺＴがエピタキシャル膜（エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）、駆動部分の膜が配向性の強誘電体膜（配向強誘電体膜２０ｂ）であるだけで効果を奏するものである。従って、検出部分のエピタキシャル膜（エピタキシャル強誘電体膜２０ｄ）は、図１で説明した構成に限定されない。
【００３９】
なお、本実施の形態の強誘電体膜を用いた構造体１０を用いたセンサ（ジャイロセンサ１００や焦電センサ２００など）の特徴を以下の様に記載することもできる。
【００４０】
基板５０と、基板５０に設けられる下部電極３２と、下部電極３２に設けられる強誘電体膜２０と、強誘電体膜２０に設けられる上部電極３１と、を備える。ここで、上部電極３１は、駆動電極３１ａ、３１ｂと、検出電極３１ｃ、３１ｄと、を有する。そして、基板５０からの駆動電極３１ａ、３１ｂまでの距離（図７、図９のＬ０とＬ１間の距離、あるいは、）は、基板５０からの検出電極３１ｃ、３１ｄまでの距離（図７、図９のＬ０とＬ２間の距離）よりも小さい。
【００４１】
なお、「基板５０と、中間薄膜４０と、下部電極３２と、強誘電体膜２０と、上部電極３１と、を備える強誘電体膜を用いた構造体１０」と説明したがこれに限らない。強誘電体膜の代わりに機能膜（例えば、イオン伝導膜、熱電変換膜、磁性膜、半導体膜などの特性を持つ膜）を用いることで、それぞれの膜の機能を高性能化する事ができる。また本実施の形態に係る発明は、「基板５０と、中間薄膜４０と、下部電極３２と、を備える構造体」としても成立し得る。この構造体は、例えば、下部電極３２の配向性を利用する触媒に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の強誘電体膜を用いた構造体、及びそれを用いたセンサは量産性が高く、電子機器用や車両制御用として有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  構造体
２０  強誘電体膜
２０ｄ  エピタキシャル強誘電体膜
２０ｂ  配向強誘電体膜
３１  上部電極
３１ａ，３１ｂ  駆動電極
３１ｃ，３１ｄ  検出電極
３２，３２ｄ  下部電極
４０  中間薄膜
５０  基板
６０  可動部
１００  ジャイロセンサ
２００  焦電センサ
１１０  基部
１２０，１３０  アーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2017164051.tif 000012
2017164051.tif 000013
2017164051.tif 000014
2017164051.tif 000015