知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-24
(45)【発行日】2024-02-01
(54)【発明の名称】圧電薄膜素子
(51)【国際特許分類】
H10N 30/853 20230101AFI20240125BHJP
H10N 30/079 20230101ALI20240125BHJP
H10N 30/076 20230101ALI20240125BHJP
H10N 30/87 20230101ALI20240125BHJP
C23C 14/06 20060101ALN20240125BHJP
【ＦＩ】
H10N30/853
H10N30/079
H10N30/076
H10N30/87
C23C14/06 N
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019196629
(22)【出願日】2019-10-29
(65)【公開番号】P2021072316
(43)【公開日】2021-05-06
【審査請求日】2022-02-18
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(72)【発明者】
【氏名】木村 純一
(72)【発明者】
【氏名】井上 ゆか梨
【審査官】田邊 顕人
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－０９５８４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１６９６１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０５９０５１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００９９２８８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２１９７４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１２１０２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１８６６９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１７３６４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３３３２７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１９５８０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００９７７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０１４６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２３３０４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００１３４５８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ ３０／８５３
Ｈ１０Ｎ ３０／０７９
Ｈ１０Ｎ ３０／０７６
Ｈ１０Ｎ ３０／８７
Ｃ２３Ｃ １４／０６
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一電極層と、前記第一電極層に直接重なる圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層は、結晶構造を有する金属Ｍｅを含み、
前記圧電薄膜は、ウルツ鉱型構造を有する窒化アルミニウムを含み、
前記窒化アルミニウムは、２価の金属元素Ｍｄ、及び４価の金属元素Ｍｔを含み、
［Ａｌ］は、前記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの含有量であり、
［Ｍｄ］は、前記窒化アルミニウムにおける前記金属元素Ｍｄの含有量の合計であり、
［Ｍｔ］は、前記窒化アルミニウムにおける前記金属元素Ｍｔの含有量の合計であり、
（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６原子％以上７０原子％以下であり、
ＬＡＬＮは、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の表面に略平行な方向における、前記窒化アルミニウムの格子長であり、
ＬＭＥＴＡＬは、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行な方向における、前記金属Ｍｅの格子長であり、
ＬＡＬＮは、ＬＭＥＴＡＬよりも長く、
前記ウルツ鉱型構造の（００１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
前記金属Ｍｅの前記結晶構造は、体心立方格子構造であり、
前記体心立方格子構造の（１１０）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
ａ Ｗ は、前記ウルツ鉱型構造の前記（００１）面内における元素の最小間隔であり、
ａ Ｂ は、前記体心立方格子構造の格子定数であり、
前記Ｌ ＡＬＮ は、７ １／２ ×ａ Ｗ と表され、且つ前記Ｌ ＭＥＴＡＬ は、２×２ １／２ ×ａ Ｂ と表され、
又は、前記Ｌ ＡＬＮ は、３ １／２ ×ａ Ｗ と表され、且つ前記Ｌ ＭＥＴＡＬ は、２×ａ Ｂ と表される、
圧電薄膜素子。
【請求項2】
第一電極層と、前記第一電極層に直接重なる圧電薄膜と、
を備え、
前記第一電極層は、結晶構造を有する金属Ｍｅを含み、
前記圧電薄膜は、ウルツ鉱型構造を有する窒化アルミニウムを含み、
前記窒化アルミニウムは、２価の金属元素Ｍｄ、及び４価の金属元素Ｍｔを含み、
［Ａｌ］は、前記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの含有量であり、
［Ｍｄ］は、前記窒化アルミニウムにおける前記金属元素Ｍｄの含有量の合計であり、
［Ｍｔ］は、前記窒化アルミニウムにおける前記金属元素Ｍｔの含有量の合計であり、
（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６原子％以上７０原子％以下であり、
ＬＡＬＮは、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の表面に略平行な方向における、前記窒化アルミニウムの格子長であり、
ＬＭＥＴＡＬは、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行な方向における、前記金属Ｍｅの格子長であり、
ＬＡＬＮは、ＬＭＥＴＡＬよりも長く、
前記窒化アルミニウムは、前記金属元素Ｍｄとして、少なくともマグネシウムを含み、
前記窒化アルミニウムは、前記金属元素Ｍｔとして、ジルコニウム及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む、
圧電薄膜素子。
【請求項3】
前記金属Ｍｅの前記結晶構造は、面心立方格子構造、体心立方格子構造、又は六方最密充填構造である、請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項4】
前記ウルツ鉱型構造の（００１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、前記金属Ｍｅの前記結晶構造は、面心立方格子構造であり、
前記面心立方格子構造の（１１１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
ａＷは、前記ウルツ鉱型構造の前記（００１）面内における元素の最小間隔であり、
ａＦは、前記面心立方格子構造の格子定数であり、
前記ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表され、
前記ＬＭＥＴＡＬは、２１／２×ａＦと表される、
請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項5】
前記ウルツ鉱型構造の（００１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、前記金属Ｍｅの前記結晶構造は、体心立方格子構造であり、
前記体心立方格子構造の（１１０）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
ａＷは、前記ウルツ鉱型構造の前記（００１）面内における元素の最小間隔であり、
ａＢは、前記体心立方格子構造の格子定数であり、
前記ＬＡＬＮは、７１／２×ａＷと表され、且つ前記ＬＭＥＴＡＬは、２×２１／２×ａＢと表され、
又は、前記ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表され、且つ前記ＬＭＥＴＡＬは、２×ａＢと表される、
請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項6】
前記ウルツ鉱型構造の（００１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、前記金属Ｍｅの前記結晶構造は、六方最密充填構造であり、
前記六方最密充填構造の（００１）面は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
ａＷは、前記ウルツ鉱型構造の前記（００１）面内における元素の最小間隔であり、
ａＨは、前記六方最密充填構造の前記（００１）面内における前記金属Ｍｅの最小間隔であり、
前記ＬＡＬＮは、ａＷに等しく、且つ前記ＬＭＥＴＡＬは、ａＨに等しく、
又は、前記ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表され、且つ前記ＬＭＥＴＡＬは、２×ａＨと表される、
請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項7】
前記窒化アルミニウムは、前記金属元素Ｍｄとして、少なくともマグネシウムを含み、前記窒化アルミニウムは、前記金属元素Ｍｔとして、ジルコニウム、ハフニウム及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む、
請求項１に記載の圧電薄膜素子。
【請求項8】
格子不整合度ΔＬは、（ＬＡＬＮ－ＬＭＥＴＡＬ）／ＬＭＥＴＡＬと定義され、前記格子不整合度ΔＬは、０．１％以上６．３％以下である、
請求項１～７のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
【請求項9】
前記圧電薄膜において圧縮応力が生じており、前記圧縮応力は、前記圧電薄膜が接する前記第一電極層の前記表面に略平行であり、
前記圧縮応力は、１８２ＭＰａ以上８２２ＭＰａ以下である、
請求項１～８のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
【請求項10】
前記圧電薄膜に重なる第二電極層を更に備え、前記圧電薄膜は、前記第一電極層及び前記第二電極層の間に位置する、
請求項１～９のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電薄膜素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が注目されている。ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）とは、微細加工技術によって、機械要素部品及び電子回路等が一つの基板上に集積化されたデバイスである。センサ、フィルタ、ハーベスタ、又はアクチュエータ等の機能を有するＭＥＭＳでは、圧電薄膜が利用される。圧電薄膜を用いたＭＥＭＳの製造では、シリコン又はサファイア等の基板上に下部電極層、圧電薄膜、及び上部電極層が積層される。続く微細加工、パターンニング、又はエッチング等の後工程を経ることで、任意の特性を有するＭＥＭＳが得られる。圧電性に優れた圧電薄膜を選択することで、ＭＥＭＳ等の圧電薄膜素子の特性が向上し、圧電薄膜素子の小型化が可能になる。圧電薄膜の圧電性は、例えば、正圧電定数（圧電歪定数）ｄ、及び圧電出力係数ｇに基づいて評価される。ｇはｄ／ε０εｒに等しい。ε０は真空の誘電率であり、εｒは圧電薄膜の比誘電率である。ｄ及びｇの増加によって、圧電薄膜素子の特性が向上する。
【0003】
圧電薄膜を構成する圧電組成物としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛，略称；ＰＺＴ）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）及びＣｄＳ（硫化カドミウム）等が知られている。
【0004】
ＰＺＴ及びＬｉＮｂＯ３は、ペロブスカイト型構造を有する。ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のｄは比較的大きい。しかし、圧電薄膜がペロブスカイト型構造を有する場合、圧電薄膜の厚みの減少に伴って、ｄが減少し易い。したがって、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜は、微細加工に不向きである。またペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のεｒは比較的大きいため、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のｇは比較的小さい傾向がある。
【0005】
一方、ＡｌＮ、ＺｎＯ及びＣｄＳは、ウルツ鉱型構造を有する。ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜のｄは、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜のｄに比べて小さい。しかし、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜のεｒは比較的小さいため、ウルツ鉱型構造を有する圧電薄膜は、ペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜に比べて大きいｇを有することが可能である。したがって、大きいｇが求められる圧電薄膜素子にとって、ウルツ鉱型構造を有する圧電組成物は有望な材料である。（下記特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１６／１１１２８０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＡｌＮを含む圧電薄膜が、金属からなる電極層の表面に形成される場合、電極層の表面に略平行な引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）が圧電薄膜内に生じ易い。引張応力に因り、圧電薄膜の自発的な破壊が起き易い。例えば、引張応力に因り、電極層の表面に略垂直な方向に沿って、クラック（ｃｒａｃｋ）が圧電薄膜に形成され易い。また引張応力に因り、圧電薄膜が電極層から剥離し易い。このような圧電薄膜の破壊によって、圧電薄膜の圧電性及び絶縁性が劣化し、圧電薄膜素子の歩留まり率（ｙｉｅｌｄ ｒａｔｅ）が低下してしまう。
【0008】
本発明の目的は、圧電薄膜の破壊を抑制する圧電薄膜素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、第一電極層と、第一電極層に直接重なる圧電薄膜と、を備え、第一電極層は、結晶構造を有する金属Ｍｅを含み、圧電薄膜は、ウルツ鉱型構造（ｗｕｒｔｚｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する窒化アルミニウムを含み、窒化アルミニウムは、２価の（ｄｉｖａｌｅｎｔ）金属元素Ｍｄ、及び４価の（ｔｅｔｒａｖａｌｅｎｔ）金属元素Ｍｔを含み、［Ａｌ］は、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの含有量であり、［Ｍｄ］は、窒化アルミニウムにおける金属元素Ｍｄの含有量の合計であり、［Ｍｔ］は、窒化アルミニウムにおける金属元素Ｍｔの含有量の合計であり、（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６原子％以上７０原子％以下であり、ＬＡＬＮは、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行な方向における、窒化アルミニウムの格子長であり、ＬＭＥＴＡＬは、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行な方向における、金属Ｍｅの格子長であり、ＬＡＬＮは、ＬＭＥＴＡＬよりも長い。
【0010】
金属Ｍｅの結晶構造は、面心立方格子構造（ｆａｃｅ‐ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｆｃｃ）、体心立方格子構造（ｂоｄｙ‐ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｂｃｃ）、又は六方最密充填構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ‐ｐａｃｋｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｈｃｐ）であってよい。
【0011】
ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、金属Ｍｅの結晶構造は、面心立方格子構造であってよく、面心立方格子構造の（１１１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔であり、ａＦは、面心立方格子構造の格子定数であり、ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表されてよく、ＬＭＥＴＡＬは、２１／２×ａＦと表されてよい。
【0012】
ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、金属Ｍｅの結晶構造は、体心立方格子構造であってよく、体心立方格子構造の（１１０）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔であり、ａＢは、体心立方格子構造の格子定数であり、ＬＡＬＮは、７１／２×ａＷと表されてよく、且つＬＭＥＴＡＬは、２×２１／２×ａＢと表されてよい。又は、ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表されてよく、且つＬＭＥＴＡＬは、２×ａＢと表されてよい。
【0013】
ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、金属Ｍｅの結晶構造は、六方最密充填構造であってよく、六方最密充填構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔であり、ａＨは、六方最密充填構造の（００１）面内における金属Ｍｅの最小間隔であり、ＬＡＬＮは、ａＷに等しくてよく、且つＬＭＥＴＡＬは、ａＨに等しくてよい。又は、ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表されてよく、且つＬＭＥＴＡＬは、２×ａＨと表されてよい。
【0014】
窒化アルミニウムは、金属元素Ｍｄとして、少なくともマグネシウムを含んでよく、窒化アルミニウムは、金属元素Ｍｔとして、ジルコニウム、ハフニウム及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。
【0015】
格子不整合度ΔＬは、（ＬＡＬＮ－ＬＭＥＴＡＬ）／ＬＭＥＴＡＬと定義されてよく、格子不整合度ΔＬは、０％より大きく８％以下であってよい。
【0016】
圧電薄膜において圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）が生じていてよく、圧縮応力は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に略平行であってよく、圧縮応力は、０ＭＰａより大きく１５００ＭＰａ以下であってよい。
【0017】
圧電薄膜素子は、圧電薄膜に重なる第二電極層を更に備えてよく、圧電薄膜は、第一電極層及び第二電極層の間に位置してよい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、圧電薄膜の破壊を抑制する圧電薄膜素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、場合により図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態が説明される。本発明は下記実施形態に何ら限定されない。各図において、同一又は同等の構成要素には同一の符号が付される。各図に示されるＸ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの座標軸を意味する。
【0021】
図１中の（ａ）に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子１０は、第一電極層４と、第一電極層４の表面４ｓに直接重なる圧電薄膜２と、を備える。圧電薄膜２の表面２ｓは、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓと略平行であってよい。換言すれば、圧電薄膜２の表面２ｓの法線方向ｄｎは、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮと略平行であってよい。法線方向ＤＮは、第一電極層４の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。法線方向ｄｎは、圧電薄膜２の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。圧電薄膜２は、第一電極層４の表面４ｓの一部又は全体を覆っていてよい。圧電薄膜素子１０は、圧電薄膜２に重なる第二電極層を更に備えてよく、圧電薄膜２は、第一電極層４及び第二電極層の間に位置してよい。例えば図１１に示されるように、圧電薄膜素子１０ａは、基板１と、基板１に直接重なる密着層８と、密着層８の直接重なる第一電極層４と、第一電極層４に直接重なる圧電薄膜２と、圧電薄膜２に直接重なる第二電極層１２と、を備えてよい。第一電極層４は、下部電極層と言い換えられてよい。第二電極層１２は、上部電極層と言い換えられてよい。圧電薄膜素子１０ａは、第二電極層１２を備えなくてもよい。例えば、第二電極層を備えない圧電薄膜素子が、製品として、電子機器の製造業者に供給された後、電子機器の製造過程において、第二電極層が圧電薄膜素子に付加されてよい。
【0022】
圧電薄膜２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。ＡｌＮは、六方晶系のウルツ鉱型構造を有している。図２及び図３は、ウルツ鉱型構造の単位胞（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）ｕｃｗを示す。単位胞ｕｃｗは、正六角柱である。図３中のａ、ｂ及びｃ其々は、ウルツ鉱型構造の基本ベクトルである。図３中では、ａ、ｂ及びｃを示すために、窒素（Ｎ）が省略されている。ａが指す結晶方位は［１００］である。ｂが指す結晶方位は［０１０］である。ｃが指す結晶方位は［００１］である。ａ及びｂは、同一の結晶面に属する。ａ及びｂがなす角は、１２０°である。ｃは、ａ及びｂ其々に対して垂直である。図３中のａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔である。ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内に位置するアルミニウム（Ａｌ）の最小間隔と言い換えられてよい。ａＷは、ウルツ鉱型構造の基本ベクトルａの長さと言い換えられてよい。ａＷは、ウルツ鉱型構造のａ軸方向の格子定数と言い換えられてよい。ａＷは、例えば、０．３１１ｎｍ以上０．３９２ｎｍ以下であってよい。ウルツ構造の基本ベクトルｃの長さは、ｃＷと表されてよい。ｃＷは、ウルツ鉱型構造のｃ軸方向の格子定数と言い換えられてよい。ｃＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面の間隔と言い換えられてよい。ｃＷは、例えば、０．４９８ｎｍ以上０．５４９ｎｍ以下であってよい。ｃＷ／ａＷは、例えば、１．４０以上１．６０以下であってよい。ウルツ鉱型構造の単位胞ｕｃｗにおける任意の位置又は方向は、下記数式ｗで定義されるベクトルｗ（ｘｙｚ）で表されてよい。例えば、ｗ（ｘｙｚ）は、ウルツ鉱型構造を構成する元素の位置を示してよい。
ｗ（ｘｙｚ）＝ｘａ＋ｙｂ＋ｚｃ （数式ｗ）
数式ｗ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｗ中のａ、ｂ及びｃ其々は、上述された基本ベクトルである。
ｗ（ｘｙｚ）＝ｘａ＋ｙｂ＋ｚｃ （数式ｗ）
数式ｗ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｗ中のａ、ｂ及びｃ其々は、上述された基本ベクトルである。
【0023】
窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよい。換言すれば、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面は、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。ウルツ鉱型構造の（００１）面は、単位胞ｕｃｗにおける正六角形状の結晶面に相当する。圧電薄膜２が、複数のＡｌＮの結晶粒（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｇｒａｉｎ）を含む場合、一部又は全部の結晶粒の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよい。換言すれば、一部又は全部の結晶粒の（００１）面が、第一電極層４の表面の法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。ＡｌＮの結晶粒は、例えば、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮに延びる柱状結晶であってよい。
【0024】
窒化アルミニウムの圧電性が発現する結晶方位は、ウルツ鉱型構造の［００１］である。したがって、ウルツ鉱型構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓに略平行であることにより、圧電薄膜２は優れた圧電性を有することができる。同様の理由から、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面が、圧電薄膜２の表面２ｓに略平行であってよい。換言すれば、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面が、圧電薄膜２の表面２ｓの法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。
【0025】
ＡｌＮは、２価の金属元素Ｍｄ、及び４価の金属元素Ｍｔを含む。換言すれば、ウルツ鉱型構造の単位胞ｕｃｗ中の一部のＡｌが、Ｍｄ又はＭｔで置換されている。圧電薄膜２は、Ｍｄ及びＭｔを含むＡｌＮのみからなっていてよい。つまり圧電薄膜２は、Ａｌ、Ｎ、Ｍｄ、及びＭｔのみからなっていてよい。
【0026】
Ｍｄ及びＭｔをＡｌＮへドープ（ｄｏｐｅ）することにより、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造が歪んだり、ウルツ鉱型構造中の原子間の化学結合の強度が変化したりする。これらの理由により、圧電薄膜２の圧電性が向上し易い。またＭｄ及びＭｔをＡｌＮへドープすることにより、単位胞ｕｃｗの体積が増加し、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮが増加する。ＬＡＬＮの詳細は後述される。
【0027】
第一電極層４は、結晶構造を有する金属Ｍｅを含む。第一電極層４は、金属Ｍｅのみからなっていてよい。金属Ｍｅは、金属単体であってよい。金属Ｍｅは、合金であってもよい。つまり、第一電極層４は、金属Ｍｅとして、少なくとも二種類の金属元素を含んでよい。金属Ｍｅの結晶構造は、面心立方格子構造、体心立方格子構造、又は六方最密充填構造であってよい。
【0028】
ＬＡＬＮは、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行な方向における、窒化アルミニウムの格子長である。ＬＭＥＴＡＬは、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行な方向における、金属Ｍｅの格子長である。ＬＡＬＮは、ＬＭＥＴＡＬよりも長い。
【0029】
圧電薄膜２が部分的にエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）に第一電極層４の表面４ｓに形成されることに因り、圧電薄膜２のウルツ鉱型構造は、第一電極層４の結晶構造に影響される。そして、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも短い場合、圧電薄膜２と第一電極層４との界面では、面内方向にウルツ鉱型構造を拡張させる応力が生じる。その結果、図１０中の（ａ）に示されるように、第一電極層４の表面４ｓに略平行な引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）が圧電薄膜２内に生じる。つまり、圧電薄膜２及び第一電極層４の間の格子不整合に因り、引張応力が圧電薄膜２へ印加される。引張応力に因り、第一電極層４の表面４ｓに略平行な方向において圧電薄膜２が断裂し易い。例えば、引張応力に因り、第一電極層４の表面４ｓに略垂直な方向に沿って、クラック９が圧電薄膜２に形成され易い。つまり引張応力に因り、圧電薄膜２の自発的な破壊が起き易い。圧電薄膜２の自発的な破壊に因り、圧電薄膜２の圧電性及び絶縁性が劣化し、圧電薄膜素子の歩留まり率が低下してしまう。対照的に、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも長い場合、圧電薄膜２と第一電極層４との界面では、面内方向にウルツ鉱型構造を収縮させる応力が生じる。その結果、図１０中の（ｂ）に示されるように、第一電極層４の表面４ｓに略平行な圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）が圧電薄膜２内に生じる。つまり、圧電薄膜２及び第一電極層４の間の格子不整合に因り、圧縮応力が圧電薄膜２へ印加される。圧縮応力に因り、第一電極層４の表面４ｓに略平行な方向において圧電薄膜２が断裂し難い。例えば、圧縮応力に因り、第一電極層４の表面４ｓに略垂直な方向に沿って、クラック９が圧電薄膜２に形成され難い。つまり圧縮応力に因り、圧電薄膜２の自発的な破壊が抑制される。圧電薄膜２の破壊を抑制することに因り、圧電薄膜２の圧電性及び絶縁性が向上し、圧電薄膜素子の歩留まり率が高まる。上記と同様の理由から、本実施形態に係る圧電薄膜素子１０の製造過程（加工過程）における圧電薄膜２の破壊も抑制される。
【0030】
［Ａｌ］は、窒化アルミニウム中のＡｌの含有量である。［Ｍｄ］は、窒化アルミニウム中のＭｄの含有量の合計である。［Ｍｔ］は、窒化アルミニウム中のＭｔの含有量の合計である。［Ａｌ］、［Ｍｄ］及び［Ｍｔ］其々の単位は、原子％である。（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６原子％以上７０原子％以下である。つまり、１００×（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６以上７０以下である。
【0031】
（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）の調整により、ウルツ鉱型構造の格子定数ａｗ及び格子長ＬＡＬＮが制御される。Ｍｄ及びＭｔの種類に基づいて、ウルツ鉱型構造の格子定数ａｗ及び格子長ＬＡＬＮが制御されてもよい。（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）が３６原子％以上であることに因り、ウルツ鉱型構造の単位胞ｕｃｗの体積が十分に増加して、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮが十分に増加する。その結果、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも長い値に制御され易い。（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）が７０原子％よりも大きい場合、ウルツ鉱型構造が歪み過ぎてしまい、ウルツ鉱型構造が損なわれ易く、圧電薄膜２の圧電性が劣化してしまう。（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）が上記の範囲内である場合、適度に歪んだウルツ鉱型構造が安定化され易い。上記の理由から、（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）は、３６原子％以上６５原子％以下、又は３６原子％以上６０原子％以下であってよい。
【0032】
［Ｍｄ］／［Ｍｔ］は略１．０であってよい。つまり、［Ｍｄ］は［Ｍｔ］と略等しくてよい。［Ｍｄ］が［Ｍｔ］と等しい場合、Ｍｄ及びＭｔの価数の平均値は３価であり、Ａｌの価数と等しい。その結果、窒化アルミニウムにおいてＡｌ、Ｍｄ及びＭｔの価電子の総数が、Ｎの価電子の総数とバランスし易く、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造が安定化され易い。ただし、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造及び圧電性が過度に損なわれない限りにおいて、［Ｍｄ］は［Ｍｔ］と等しくなくてもよい。［Ｍｄ］が［Ｍｔ］と等しくない場合、Ａｌ、Ｍｄ及びＭｔの価電子の総数が、Ｎの価電子の総数とバランスするように、窒化アルミニウム中のＡｌ、Ｍｄ、Ｍｔ及びＮ其々の含有量が調整されてよい。
【0033】
圧電薄膜２に含まれる窒化アルミニウムは、下記化学式Ａで表されてよい。
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
α及びβ其々は正の実数であってよく、且つα＋βは０．３６以上０．７０以下であってよく、且つα／βは略１．０であってよい。
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
α及びβ其々は正の実数であってよく、且つα＋βは０．３６以上０．７０以下であってよく、且つα／βは略１．０であってよい。
【0034】
以下に説明されるように、ＬＡＬＮ及びＬＭＥＴＡＬ其々は、金属Ｍｅの結晶構造に応じて定義されてよい。
【0035】
金属Ｍｅの結晶構造は、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）であってよい。図４は、金属Ｍｅのｆｃｃ構造の単位胞ｕｃｆを示す。単位胞ｕｃｆは、立方体である。図４中のａ１、ｂ１及びｃ１其々は、ｆｃｃ構造の基本ベクトルである。ａ１が指す結晶方位は［１００］である。ｂ１が指す結晶方位は［０１０］である。ｃ１が指す結晶方位は［００１］である。ａ１、ｂ１及びｃ１は互いに垂直である。ａ１、ｂ１及びｃ１其々の長さは、格子定数ａＦに等しい。つまり、ａ１、ｂ１及びｃ１其々の長さは互いに等しい。ｆｃｃ構造の単位胞ｕｃｆにおける任意の位置又は方向は、下記数式ｆで定義されるベクトルｆ（ｘｙｚ）で表されてよい。例えば、ｆ（ｘｙｚ）は、ｆｃｃ構造を構成する金属元素（Ｍｅ）の位置を示してよい。
ｆ（ｘｙｚ）＝ｘａ１＋ｙｂ１＋ｚｃ１ （数式ｆ）
数式ｆ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｆ中のａ１、ｂ１及びｃ１其々は、ｆｃｃ構造の基本ベクトルである。
ｆ（ｘｙｚ）＝ｘａ１＋ｙｂ１＋ｚｃ１ （数式ｆ）
数式ｆ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｆ中のａ１、ｂ１及びｃ１其々は、ｆｃｃ構造の基本ベクトルである。
【0036】
ｆｃｃ構造の（１１１）面は、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよい。つまり、ｆｃｃ構造の（１１１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。その結果、窒化アルミニウム（圧電薄膜２）のウルツ鉱型構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。したがって、窒化アルミニウム（圧電薄膜２）のウルツ鉱型構造の（００１）面は、金属Ｍｅ（第一電極層４）のｆｃｃ構造の（１１１）面と略平行であってよい。図５中の（ａ）は、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面である。図５中の（ｂ）は、金属Ｍｅのｆｃｃ構造の（１１１）面である。金属Ｍｅの結晶構造がｆｃｃ構造である場合、図５中の（ａ）に示されるように、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表される。つまり余弦定理に基づけば、ＬＡＬＮ
２は、ａＷ
２＋ａＷ
２－２×ａＷ×ａＷ×ｃоｓ１２０°に等しい。上述の通り、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔である。図４及び図５中の（ｂ）に示されるように、金属Ｍｅのｆｃｃ構造の格子長ＬＭＥＴＡＬは、２１／２×ａＦと表される。つまり余弦定理に基づけば、ＬＭＥＴＡＬ
２は、ａＦ
２＋ａＦ
２－２×ａＦ×ａＦ×ｃоｓ９０°に等しい。上述の通り、ａＦは、金属Ｍｅのｆｃｃ構造の格子定数である。
【0037】
以上の通り、金属Ｍｅの結晶構造がｆｃｃ構造である場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷであってよく、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦであってよく、３１／２×ａＷは２１／２×ａＦより長くてよい。ウルツ鉱型構造のベクトルｗ（ｘｙｚ）に基づけば、３１／２×ａＷ（つまりＬＡＬＮ）の方向は、ｗ（１００）－ｗ（０１０）と平行である。ｆｃｃ構造のベクトルｆ（ｘｙｚ）に基づけば、２１／２×ａＦ（つまりＬＭＥＴＡＬ）の方向は、ｆ（１００）－ｆ（０１０）と平行である。ウルツ鉱型構造の（００１）面内のベクトルであるｗ（１００）－ｗ（０１０）は、ｆｃｃ構造の（１１１）面内のベクトルであるｆ（１００）－ｆ（０１０）と略平行であってよい。換言すれば、ウルツ鉱型構造の（００１）面内のベクトルであるｗ（１ －１ ０）は、ｆｃｃ構造の（１１１）面内のベクトルであるｆ（１ －１ ０）と略平行であってよい。
【0038】
金属Ｍｅの結晶構造は、体心立方格子構造（ｂｃｃ構造）であってもよい。図６は、金属Ｍｅのｂｃｃ構造の単位胞ｕｃｂを示す。単位胞ｕｃｂは、立方体である。図６中のａ２、ｂ２及びｃ２其々は、ｂｃｃ構造の基本ベクトルである。ａ２が指す結晶方位は［１００］である。ｂ２が指す結晶方位は［０１０］である。ｃ２が指す結晶方位は［００１］である。ａ２、ｂ２及びｃ２は互いに垂直である。ａ２、ｂ２及びｃ２其々の長さは、格子定数ａＢに等しい。つまり、ａ２、ｂ２及びｃ２其々の長さは互いに等しい。ｂｃｃ構造の単位胞ｕｃｂにおける任意の位置又は方向は、下記数式ｂで定義されるベクトルｂ（ｘｙｚ）で表されてよい。例えば、ｂ（ｘｙｚ）は、ｂｃｃ構造を構成する金属元素（Ｍｅ）の位置を示してよい。
ｂ（ｘｙｚ）＝ｘａ２＋ｙｂ２＋ｚｃ２ （数式ｂ）
数式ｂ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｂ中のａ２、ｂ２及びｃ２其々は、ｂｃｃ構造の基本ベクトルである。
ｂ（ｘｙｚ）＝ｘａ２＋ｙｂ２＋ｚｃ２ （数式ｂ）
数式ｂ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｂ中のａ２、ｂ２及びｃ２其々は、ｂｃｃ構造の基本ベクトルである。
【0039】
ｂｃｃ構造の（１１０）面は、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよい。つまり、ｂｃｃ構造の（１１０）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。その結果、窒化アルミニウム（圧電薄膜２）のウルツ鉱型構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。したがって、窒化アルミニウム（圧電薄膜２）のウルツ鉱型構造の（００１）面は、金属Ｍｅ（第一電極層４）のｂｃｃ構造の（１１０）面と略平行であってよい。図７中の（ａ）は、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面である。図７中の（ｂ）は、金属Ｍｅのｂｃｃ構造の（１１０）面である。金属Ｍｅの結晶構造がｂｃｃ構造である場合、図７中の（ａ）に示されるように、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮは、７１／２×ａＷと表される。つまり余弦定理に基づけば、ＬＡＬＮ
２は、ａＷ
２＋（２ａＷ）２－２×ａＷ×２ａＷ×ｃоｓ１２０°に等しい。上述の通り、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔である。図６及び図７中の（ｂ）に示されるように、金属Ｍｅのｂｃｃ構造の格子長ＬＭＥＴＡＬは、２×２１／２×ａＢと表される。上述の通り、ａＢは、金属Ｍｅのｂｃｃ構造の格子定数である。
【0040】
以上の通り、金属Ｍｅの結晶構造がｂｃｃ構造である場合、ＬＡＬＮは７１／２×ａＷであってよく、ＬＭＥＴＡＬは２×２１／２×ａＢであってよく、７１／２×ａＷは２×２１／２×ａＢより長くてよい。ウルツ鉱型構造のベクトルｗ（ｘｙｚ）に基づけば、７１／２×ａＷ（つまりＬＡＬＮ）の方向は、ｗ（１００）－ｗ（－１１０）と平行である。ｂｃｃ構造のベクトルｂ（ｘｙｚ）に基づけば、２１／２×ａＦ（つまりＬＭＥＴＡＬ）の方向は、ｂ（１００）－ｂ（０１０）と平行である。ウルツ鉱型構造の（００１）面内のベクトルであるｗ（１００）－ｗ（－１１０）は、ｂｃｃ構造の（１１０）面内のベクトルであるｂ（１００）－ｂ（０１０）と略平行であってよい。換言すれば、ウルツ鉱型構造の（００１）面内のベクトルであるｗ（２ －１ ０）は、ｂｃｃ構造の（１１０）面内のベクトルであるｂ（１ －１ ０）と略平行であってよい。金属Ｍｅの結晶構造がｂｃｃ構造である場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷであってもよく、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＢであってもよく、３１／２×ａＷは２×ａＢより長くてよい。
【0041】
金属Ｍｅの結晶構造は、六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）であってもよい。図８は、金属Ｍｅのｈｃｐ構造の単位胞ｕｃｈを示す。単位胞ｕｃｈは、正六角柱である。図８中のａ３、ｂ３及びｃ３其々は、ｈｃｐ構造の基本ベクトルである。ａ３が指す結晶方位は［１００］である。ｂ３が指す結晶方位は［０１０］である。ｃ３が指す結晶方位は［００１］である。ａ３及びｂ３は、同一の結晶面に属する。ａ３及びｂ３がなす角は、１２０°である。ｃ３は、ａ及びｂ其々に対して垂直である。図８中のａＨは、ｈｃｐ構造の（００１）面内における金属Ｍｅの最小間隔である。ａＨは、ｈｃｐ構造の基本ベクトルａ３の長さと言い換えられてよい。ａＨは、ｈｃｐ構造のａ軸方向の格子定数と言い換えられてよい。ｈｃｐ構造の単位胞ｕｃｆにおける任意の位置又は方向は、下記数式ｈで定義されるベクトルｈ（ｘｙｚ）で表されてよい。例えば、ｈ（ｘｙｚ）は、ｈｃｐ構造を構成する金属元素（Ｍｅ）の位置を示してよい。
ｈ（ｘｙｚ）＝ｘａ３＋ｙｂ３＋ｚｃ３ （数式ｈ）
数式ｈ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｈ中のａ３、ｂ３及びｃ３其々は、ｈｃｐ構造の基本ベクトルである。
ｈ（ｘｙｚ）＝ｘａ３＋ｙｂ３＋ｚｃ３ （数式ｈ）
数式ｈ中のｘ、ｙ及びｚ其々は、任意の実数である。数式ｈ中のａ３、ｂ３及びｃ３其々は、ｈｃｐ構造の基本ベクトルである。
【0042】
ｈｃｐ構造の（００１）面は、圧電薄膜２が接する第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよい。つまり、ｈｃｐ構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。その結果、窒化アルミニウム（圧電薄膜２）のウルツ鉱型構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。したがって、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面は、金属Ｍｅ（第一電極層４）のｈｃｐ構造の（００１）面と略平行であってよい。図９中の（ａ）は、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面である。図９中の（ｂ）は、金属Ｍｅのｈｃｐ構造の（００１）面である。金属Ｍｅの結晶構造がｈｃｐ構造である場合、図９中の（ａ）に示されるように、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮは、ａＷに等しい。上述の通り、ａＷは、ウルツ鉱型構造の（００１）面内における元素の最小間隔である。図８及び図９中の（ｂ）に示されるように、金属Ｍｅのｈｃｐ構造の格子長ＬＭＥＴＡＬは、ａＨに等しい。上述の通り、ａＨは、ｈｃｐ構造の（００１）面内における金属Ｍｅの最小間隔である。
【0043】
以上の通り、金属Ｍｅの結晶構造がｈｃｐ構造である場合、ＬＡＬＮはａＷであってよく、ＬＭＥＴＡＬはａＨであってよく、ａＷはａＨよりも長くてよい。ウルツ鉱型構造のベクトルｗ（ｘｙｚ）に基づけば、ａＷ（つまりＬＡＬＮ）の方向は、ｗ（０１０）と平行である。ｈｃｐ構造のベクトルｈ（ｘｙｚ）に基づけば、ａＨ（つまりＬＭＥＴＡＬ）の方向は、ｈ（０１０）と平行である。ウルツ鉱型構造の（００１）面内のベクトルであるｗ（０１０）は、ｈｃｐ構造の（００１）面内のベクトルであるｈ（０１０）と略平行であってよい。金属Ｍｅの結晶構造がｈｃｐ構造である場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷであってもよく、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＨであってよく、３１／２×ａＷは２×ａＨよりも長くてもよい。
【0044】
格子不整合度ΔＬは、（ＬＡＬＮ－ＬＭＥＴＡＬ）／ＬＭＥＴＡＬと定義されてよい。つまり、ΔＬは、第一電極層４と圧電薄膜２との間の格子不整合度であってよい。ΔＬは、０％より大きく８．０％以下であってよい。つまり、１００×（ＬＡＬＮ－ＬＭＥＴＡＬ）／ＬＭＥＴＡＬが、０より大きく８．０以下であってよい。ΔＬを上記範囲内の値に調整することにより、圧電薄膜２における圧縮応力が所望の値に制御され易い。またΔＬを上記範囲内の値に調整することにより、窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易く、圧電薄膜２の圧電性が向上し易い。同様の理由から、ΔＬは、０．１％以上７．０％以下、０．４％以上７．０％以下、０．８％以上７．０％以下、１．０％以上７．０％以下、又は３．０％以上６．３％以下であってよい。ＬＭＥＴＡＬは、金属Ｍｅの組成及び結晶構造に応じて一義的に定められる値である。したがって、ΔＬは、ＬＡＬＮの調整によって制御されてよい。
【0045】
ＬＡＬＮは、ａＷの測定値に基づいて算出されてよい。ＬＭＥＴＡＬは、ａＦ、ａＢ又はａＨの測定値に基づいて算出されてよい。ａＷ、ａＦ、ａＢ及びａＨは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって測定されてよい。ａＷ、ａＦ、ａＢ及びａＨは、常温（例えば、５～３５℃）である雰囲気下で測定されてよい。金属Ｍｅの結晶構造も、ＸＲＤ法によって特定されてよい。
【0046】
圧電薄膜２において生じる圧縮応力は、０ＭＰａより大きく１５００ＭＰａ以下であってよい。上述の通り、圧縮応力は、第一電極層４の表面４ｓに略平行であってよってよい。圧縮応力が上記の範囲内である場合、圧電薄膜２の自発的な破壊が抑制され易い。同様の理由から、圧電薄膜２において生じる圧縮応力は、５０ＰＭａ以上１０００ＭＰａ以下、１８２ＭＰａ以上８２２ＭＰａ以下、２８８ＭＰａ以上８２２ＭＰａ以下、又は３９２ＭＰａ以上８２２ＭＰａ以下であってよい。
【0047】
窒化アルミニウムに含まれる２価の金属元素Ｍｄは、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びバリウム（Ｂａ）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。ＡｌＮに含まれる４価の金属元素Ｍｔは、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。窒化アルミニウムは、Ｍｄとして、少なくともマグネシウムを含み、且つＭｔとして、ジルコニウム、ハフニウム及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。その結果、圧電薄膜２の自発的な破壊が抑制され易く、圧電薄膜２の圧電性が向上し易い。
【0048】
圧電薄膜２のウルツ鉱型構造及び圧電性が損なわれない限りにおいて、圧電薄膜２は、Ａｌ、Ｎ、Ｍｄ及びＭｔに加えて、他の元素を更に含んでよい。例えば、圧電薄膜２は、１価の（ｍｏｎｏｖａｌｅｎｔ）金属元素Ｍｍ、３価の（ｔｒｉｖａｌｅｎｔ）金属元素Ｍｔｒ、及び５価の（ｐｅｎｔａｖａｌｅｎｔ）金属元素Ｍｐからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を更に含んでよい。１価の金属元素Ｍｍは、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）及びセシウム（Ｃｓ）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。３価の金属元素Ｍｔｒは、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、ランタノイド及びＩｎ（インジウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。５価の金属元素Ｍｐは、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）及びＴａ（タンタル）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。窒化アルミニウム中のＭｍの含有量の合計は、［Ｍｍ］原子％と表されてよい。窒化アルミニウム中のＭｐの含有量の合計は、［Ｍｐ］原子％と表されてよい。［Ｍｍ］／［Ｍｐ］は略１．０であってよい。
【0049】
第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおける圧電薄膜２の厚みは、例えば、０．１μｍ以上３０μｍ以下であってよい。圧電薄膜２の厚みは、略均一であってよい。
【0050】
上述の通り、圧電薄膜素子１０ａは、基板１と、基板１に直接重なる密着層８と、密着層８の直接重なる第一電極層４と、第一電極層４に直接重なる圧電薄膜２と、圧電薄膜２に直接重なる第二電極層１２と、を備えてよい。
【0051】
基板１は、例えば、半導体基板（シリコン基板、若しくはガリウム砒素基板等）、光学結晶基板（サファイア基板等）、絶縁体基板（ガラス基板、若しくはセラミックス基板等）又は金属基板（ステンレス鋼板等）であってよい。
【0052】
第一電極層４に含まれる金属Ｍｅは、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｙ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）及びＭｇ（マグネシウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。第一電極層４は、金属Ｍｅとして、上記の群より選ばれる少なくとも二種の元素を含む合金であってよい。第一電極層４は、金属Ｍｅの単体であってもよい。金属Ｍｅが、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Ｍｅはｆｃｃ構造を有し易く、ｆｃｃ構造の（１１１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。金属Ｍｅが、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Ｍｅはｂｃｃ構造を有し易く、ｂｃｃ構造の（１１０）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。金属Ｍｅが、Ｒｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｃ及びＭｇからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である場合、金属Ｍｅはｈｃｐ構造を有し易く、ｈｃｐ構造の（００１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。
【0053】
第一電極層４は基板１の表面に直接積層されていてよい。第一電極層４と基板１との間に密着層８が介在してもよい。密着層８は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）及びＣｅ（セリウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。密着層８は、金属単体、合金又は化合物（酸化物など）であってよい。密着層８は、別の圧電薄膜、高分子、又はセラミックスから構成されていてもよい。密着層８の介在により、第一電極層４のｆｃｃ構造の（１１１）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。または密着層８の介在により、第一電極層４のｂｃｃ構造の（１１０）面が、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮにおいて配向し易い。または密着層８の介在により、第一電極層４のｈｃｐ構造の（００１）面が、第一電極層４の表面の法線方向ＤＮにおいて配向し易い。密着層８は、機械的な衝撃等に因る第一電極層４の剥離を抑制する機能も有する。密着層８は、界面層、支持層、バッファ層又は中間層と言い換えられてよい。
【0054】
第二電極層１２は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｃ及びＭｇからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。第二電極層１２は、上記の群より選ばれる少なくとも二種の元素を含む合金であってよい。第二電極層１２は、金属単体であってもよい。
【0055】
基板１の厚みは、例えば、５０μｍ以上１００００μｍ以下であってよい。密着層８の厚みは、例えば、０．００３μｍ以上１μｍ以下であってよい。第一電極層４の厚みは、例えば、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。第二電極層１２の厚みは、例えば、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。
【0056】
密着層８、第一電極層４、圧電薄膜２及び第二電極層１２それぞれは、少なくとも一種のターゲットを用いたスパッタリングによって積層順に従って形成されてよい。複数のターゲットを用いたスパッタリング（ｃｏ‐ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ、又はｍｕｌｔｉ‐ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）によって、密着層８、第一電極層４、圧電薄膜２及び第二電極層１２それぞれが形成されてもよい。ターゲットは、各層又は圧電薄膜を構成する元素のうち少なくとも一種を含んでよい。所定の組成を有するターゲットの選定及び組合せにより、目的とする組成を有する各層及び圧電薄膜２それぞれを形成することができる。ターゲットは、例えば、金属単体、合金又は酸化物であってよい。スパッタリングの雰囲気の組成は、各層及び圧電薄膜２それぞれの組成を左右する。圧電薄膜２を形成するためのスパッタリングの雰囲気は、例えば、窒素ガスであってよい。圧電薄膜２を形成するためのスパッタリングの雰囲気は、希ガス（例えばアルゴン）と窒素とを含む混合ガスであってもよい。各ターゲットに与えられる入力パワー（電力密度）は、各層及び圧電薄膜２それぞれの組成及び厚みの制御因子である。スパッタリングの雰囲気の全圧、雰囲気中の原料ガス（例えば窒素）の分圧又は濃度、各ターゲットのスパッタリングの継続時間、圧電薄膜が形成される基板表面の温度、及び基板バイアス等も、各層及び圧電薄膜２それぞれの組成及び厚みの制御因子である。エッチング（例えばプラズマエッチング）により、所望の形状又はパターンを有する圧電薄膜が形成されてよい。
【0057】
圧電薄膜２の製膜温度は、例えば、３００℃以上５００℃以下であってよい。圧電薄膜２の製膜温度は、圧電薄膜２の形成過程における第一電極層４の温度と言い換えられてよい。第一電極層４中の金属Ｍｅの熱膨張率は、圧電薄膜２中の窒化アルミニウムの熱膨張率よりも大きい傾向がある。そして、圧電薄膜２の製膜温度が３００℃以上である場合、圧電薄膜２の形成過程において、第一電極層４は圧電薄膜２よりも著しく膨張し易い。そして、圧電薄膜２の形成後に第一電極層４及び圧電薄膜２其々の温度が低下する過程において、第一電極層４は圧電薄膜２よりも著しく収縮し易い。圧電薄膜２及び第一電極層４が上記の一連の過程を経ることに因り、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも大きい値に制御され易い。
【0058】
密着層８、第一電極層４、圧電薄膜２及び第二電極層１２それぞれの結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって特定されてよい。各層及び圧電薄膜２の組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）、エネルギー分散型Ｘ線分析法(ＥＤＸ)、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ－ＭＳ）、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）、及び電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）のうち少なくともいずれか一つの分析方法にとって特定されてよい。密着層８、第一電極層４、圧電薄膜２及び第二電極層１２其々の厚みは、第一電極層４の表面４ｓの法線方向ＤＮに平行な圧電薄膜素子１０ａの断面において、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定されてよい。
【0059】
本実施形態に係る圧電薄膜素子の用途は、多岐にわたる。圧電薄膜素子は、例えば、圧電マイクロフォン、ハーベスタ、発振子、共振子、又は音響多層膜であってよい。圧電薄膜素子は、例えば、圧電アクチュエータであってもよい。圧電アクチュエータは、ハプティクス（ｈａｐｔｉｃｓ）に用いられてよい。つまり、圧電アクチュエータは、皮膚感覚（触覚）によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスとは、例えば、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。圧電アクチュエータは、例えば、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてよい。圧電アクチュエータは、例えば、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。圧電アクチュエータは、圧電スイッチに用いられてもよい。圧電薄膜素子は、例えば、圧電センサであってもよい。圧電センサは、例えば、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、超音波センサ、ＰＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ)等の超音波トランスデューサ、又はショックセンサに用いられてよい。上述された各圧電薄膜素子は、ＭＥＭＳの一部又は全部であってよい。
【実施例】
【0060】
以下では実施例及び比較例により、本発明が詳細に説明される。本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
【0061】
（実施例１）
基板として、シリコン（Ｓｉ）の単結晶が用いられた。真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｔｉからなる密着層が基板の表面全体に直接形成された。密着層が形成された基板の表面は、Ｓｉの（１００）面に平行であった。基板の厚みは、６２５μｍであった。基板の厚みは均一であった。密着層の厚みは、０．０３μｍであった。密着層の厚みは均一であった。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒガスであった。密着層の形成過程における基板の温度は、３００℃に維持された。スパッタリングターゲットとしては、Ｔｉ単体が用いられた。スパッタリングターゲットの単位面積当たりの入力パワーは、９．８７Ｗ／ｃｍ２であった。
基板として、シリコン（Ｓｉ）の単結晶が用いられた。真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｔｉからなる密着層が基板の表面全体に直接形成された。密着層が形成された基板の表面は、Ｓｉの（１００）面に平行であった。基板の厚みは、６２５μｍであった。基板の厚みは均一であった。密着層の厚みは、０．０３μｍであった。密着層の厚みは均一であった。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒガスであった。密着層の形成過程における基板の温度は、３００℃に維持された。スパッタリングターゲットとしては、Ｔｉ単体が用いられた。スパッタリングターゲットの単位面積当たりの入力パワーは、９．８７Ｗ／ｃｍ２であった。
【0062】
真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、金属Ｍｅからなる第一電極層（下部電極層）が密着層の表面全体に直接形成された。スパッタリングターゲットしては、Ｍｅの単体が用いられた。実施例１で用いたＭｅは、下記表１に示される。第一電極層の厚みは、０．３μｍであった。第一電極層の厚みは均一であった。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒガスであった。第一電極層の形成過程における基板及び密着層の温度は、３００℃に維持された。スパッタリングターゲットの単位面積当たりの入力パワーは、９．８７Ｗ／ｃｍ２であった。真空チャンバー内で、第一電極層が５００℃でアニールされた。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒ及びＮ２の混合ガスであった。アニーリングの継続時間は、１０分であった。
【0063】
真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、圧電薄膜が、第一電極層の表面全体に直接形成された。圧電薄膜は、Ｍｄ及びＭｔを含む窒化アルミニウムからなっていた。実施例１の窒化アルミニウムに含まれるＭｄ及びＭｔは、下記表１に示される。スパッタリングターゲットとしては、Ａl‐Ｃａ合金、及びＧｅ金属が用いられた。実施例１では、（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）が６０原子％に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワー（電力密度）が調整された。（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）の定義は、上述の通りである。以下に記載の［Ｍｄ＋Ｍｔ］は、（［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）／（［Ａｌ］＋［Ｍｄ］＋［Ｍｔ］）を意味する。圧電薄膜の厚みは均一であった。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒ及びＮ２の混合ガスであった。圧電薄膜の形成過程における基板、密着層及び第一電極層の温度は、３００℃に維持された。圧電薄膜の厚みは、１．３μｍであった。
【0064】
第一電極層の場合の同様の方法で、第二電極層を圧電薄膜の表面全体に直接形成した。第二電極層の組成は、第一電極の組成と全く同じであった。第二電極層の厚みは、第一電極の厚みと全く同じであった。第二電極層の厚みは均一であった。
【0065】
以上の手順で、基板と、基板に直接積層された密着層と、密着層に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、圧電薄膜に直接積層された第二電極と、を備える積層体を作製した。続くフォトリソグラフィにより、基板上の積層構造のパターニングを行った。パターニング後、積層体全体をダイシングにより切断することにより、四角形状の実施例１の圧電薄膜素子を得た。圧電薄膜素子は、基板と、基板に直接積層された密着層と、密着層に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された圧電薄膜と、圧電薄膜に直接積層された第二電極層と、を備えていた。圧電薄膜の表面は、基板の表面及び第一電極層の表面其々に対して平行であった。
【0066】
上述の方法により、複数の実施例１の圧電薄膜素子が作製された。これらの圧電薄膜素子に関する以下の分析及び測定が実施された。
【0067】
［圧電薄膜の組成］
圧電薄膜の組成が、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）及びレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）により特定された。ＸＲＦ法には、株式会社リガク製の波長分散型蛍光Ｘ線装置（ＡＺＸ-４００）を用いた。ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ法には、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の分析装置（７５００ｓ）を用いた。
圧電薄膜の組成が、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）及びレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）により特定された。ＸＲＦ法には、株式会社リガク製の波長分散型蛍光Ｘ線装置（ＡＺＸ-４００）を用いた。ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ法には、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の分析装置（７５００ｓ）を用いた。
【0068】
ＸＲＦ法に基づく分析の結果、圧電薄膜は、下記化学式Ａで表される窒化アルミニウムからなることが確認された。下記化学式Ａ中のα＋βは、［Ｍｄ＋Ｍｔ］／１００に等しかった。［Ｍｄ＋Ｍｔ］の定義は、上述の通りである。α／βは、１．０であった。
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
【0069】
［結晶構造］
第二電極層を形成する前に、第一電極層及び圧電薄膜其々の結晶構造が、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法により特定された。ＸＲＤ法には、株式会社リガク製の多目的Ｘ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いた。第一電極層に直接形成された圧電薄膜の表面において、上記のＸ線回折装置を用いた２θχ‐φスキャン及び２θχスキャンが行われた。ＸＲＤ法に基づく分析の結果、圧電薄膜はウルツ鉱型構造を有することが確認された。ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。第一電極層（金属Ｍｅ）は、下記表１に示される結晶構造を有していた。下記表１に示されるＭｅの結晶面が、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。
第二電極層を形成する前に、第一電極層及び圧電薄膜其々の結晶構造が、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法により特定された。ＸＲＤ法には、株式会社リガク製の多目的Ｘ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いた。第一電極層に直接形成された圧電薄膜の表面において、上記のＸ線回折装置を用いた２θχ‐φスキャン及び２θχスキャンが行われた。ＸＲＤ法に基づく分析の結果、圧電薄膜はウルツ鉱型構造を有することが確認された。ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。第一電極層（金属Ｍｅ）は、下記表１に示される結晶構造を有していた。下記表１に示されるＭｅの結晶面が、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。
【0070】
ＸＲＤ法によって測定された窒化アルミニウムの格子定数ａＷから、窒化アルミニウムの格子長ＬＡＬＮが算出された。ＸＲＤ法によって測定された金属Ｍｅの格子定数ａＦから、金属Ｍｅの格子長ＬＡＬＮが算出された。実施例１のＬＡＬＮは、３１／２×ａＷと表される。実施例１のＬＭＥＴＡＬは、２１／２×ａＦと表される。ＬＡＬＮ及びＬＭＥＴＡＬから、格子不整合度ΔＬが算出された。上述の通り、ΔＬは（ＬＡＬＮ－ＬＭＥＴＡＬ）／ＬＭＥＴＡＬと定義される。正のΔＬは、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも長いことを意味する。負のΔＬは、ＬＡＬＮがＬＭＥＴＡＬよりも短いことを意味する。実施例１のＬＡＬＮ、ＬＭＥＴＡＬ及びΔＬは、下記表１に示される。
【0071】
［残留応力σ］
以下の手順で、圧電薄膜における残留応力σ（単位：ＭＰａ）を算出した。まず、圧電薄膜が形成される直前の基板の曲率半径ＲＢｅｆｏｒｅ（単位：μｍ）が測定された。圧電薄膜が形成される直前の基板とは、基板、密着層及び第一電極層からなる積層体を意味する。続いて、圧電薄膜が形成された後の基板の曲率半径ＲＡｆｔｅｒ（単位：μｍ）が測定された。圧電薄膜が形成された後の基板とは、基板、密着層、第一電極層及び圧電薄膜からなる積層体を意味する。ＲＢｅｆｏｒｅ及びＲＡｆｔｅｒ其々の測定には、ＫＬＡ‐Ｔｅｎｃｏｒ社製の測定装置（Ｐ‐１６プロファイラ）を用いた。そして、下記数式１（ストーニーの式）に基づき、残留応力σを算出した。
以下の手順で、圧電薄膜における残留応力σ（単位：ＭＰａ）を算出した。まず、圧電薄膜が形成される直前の基板の曲率半径ＲＢｅｆｏｒｅ（単位：μｍ）が測定された。圧電薄膜が形成される直前の基板とは、基板、密着層及び第一電極層からなる積層体を意味する。続いて、圧電薄膜が形成された後の基板の曲率半径ＲＡｆｔｅｒ（単位：μｍ）が測定された。圧電薄膜が形成された後の基板とは、基板、密着層、第一電極層及び圧電薄膜からなる積層体を意味する。ＲＢｅｆｏｒｅ及びＲＡｆｔｅｒ其々の測定には、ＫＬＡ‐Ｔｅｎｃｏｒ社製の測定装置（Ｐ‐１６プロファイラ）を用いた。そして、下記数式１（ストーニーの式）に基づき、残留応力σを算出した。
【数1】
【0072】
数式１中のＥは、シリコンからなる基板のヤング率（単位：ＧＰａ）である。νｓは、シリコンからなる基板のポアソン比である。ｔｓｕｂ．（単位：μｍ）は、シリコンからなる基板の厚みである。ｔｆｉｌｍ（単位：μｍ）は、圧電薄膜の厚みである。
【0073】
正の残留応力σは、引張応力である。負の残留応力σは、圧縮応力である。実施例１の残留応力σは、下記表１に示される。
【0074】
＜破壊率ＲＢＲＥＡＫ＞
上記の方法で、板状の実施例１の圧電薄膜素子が作製された。板状の圧電薄膜素子の寸法は、１００ｍｍ×１００ｍｍであった。この圧電薄膜素子を切断して、１０ｍｍ角の１００個のサンプルを作製した。個々のサンプルは、チップ状の圧電薄膜素子である。１００個のサンプルのうち、圧電薄膜にクラックが形成されているサンプルの数ｎを、光学顕微鏡で数えた。破壊率ＲＢＲＥＡＫは、ｎ％と定義される。実施例１の破壊率ＲＢＲＥＡＫは、下記表１に示される。
上記の方法で、板状の実施例１の圧電薄膜素子が作製された。板状の圧電薄膜素子の寸法は、１００ｍｍ×１００ｍｍであった。この圧電薄膜素子を切断して、１０ｍｍ角の１００個のサンプルを作製した。個々のサンプルは、チップ状の圧電薄膜素子である。１００個のサンプルのうち、圧電薄膜にクラックが形成されているサンプルの数ｎを、光学顕微鏡で数えた。破壊率ＲＢＲＥＡＫは、ｎ％と定義される。実施例１の破壊率ＲＢＲＥＡＫは、下記表１に示される。
【0075】
＜ロッキングカーブの半値幅＞
第二電極層が形成される前、圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブを測定した。測定には、上述のＸ線回折装置を用いた。ロッキングカーブの測定範囲（回折角２θの範囲）は３４～３７°であった。測定間隔は、０．０１°であった。測定スピードは、２．０°／分であった。実施例１の圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは、下記表１に示される。ＦＷＨＭが小さいほど、窒化アルミニウムの結晶性が高く、第一電極層の表面の法線方向に配向している窒化アルミニウムの（００２）面が多い。
第二電極層が形成される前、圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブを測定した。測定には、上述のＸ線回折装置を用いた。ロッキングカーブの測定範囲（回折角２θの範囲）は３４～３７°であった。測定間隔は、０．０１°であった。測定スピードは、２．０°／分であった。実施例１の圧電薄膜の（００２）面のロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは、下記表１に示される。ＦＷＨＭが小さいほど、窒化アルミニウムの結晶性が高く、第一電極層の表面の法線方向に配向している窒化アルミニウムの（００２）面が多い。
【0076】
＜圧電定数ｄ３３＞
実施例１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３（単位：ｐＣ／Ｎ）を測定した。圧電定数ｄ３３の測定の詳細は以下の通りであった。実施例１の圧電定数ｄ３３（３点測定点平均値）は、下記表１に示される。
測定装置：Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社製のｄ３３メーター（ＰＭ２００）
周波数： １１０Ｈｚ
クランプ圧： ０．２５Ｎ
実施例１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３（単位：ｐＣ／Ｎ）を測定した。圧電定数ｄ３３の測定の詳細は以下の通りであった。実施例１の圧電定数ｄ３３（３点測定点平均値）は、下記表１に示される。
測定装置：Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社製のｄ３３メーター（ＰＭ２００）
周波数： １１０Ｈｚ
クランプ圧： ０．２５Ｎ
【0077】
（実施例２～１６及び比較例１～４）
実施例２～１６及び比較例１～４其々の第一電極層の作製には、下記表１に示される金属Ｍｅからなるスパッタリングターゲットを用いた。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の第一電極層の作製には、下記表１に示される金属Ｍｅからなるスパッタリングターゲットを用いた。
【0078】
実施例２～１６及び比較例１～４其々の窒化アルミニウムに含まれるＭｄ及びＭｔは、下記表１に示される。
【0079】
実施例２、３、８、９、１４～１６、比較例１及び２其々の圧電薄膜の作製には、スパッタリングターゲットとして、Ａｌ金属、Ｍｇ金属、及びＺｒ金属が用いられた。実施例２、３、８、９、１４～１６、比較例１及び２其々の圧電薄膜の作製では、［Ｍｄ＋Ｍｔ］が下記表１に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワーが調整された。
【0080】
実施例４、５、１０、１１及び比較例３其々の圧電薄膜の作製には、スパッタリングターゲットとして、Ａｌ金属、Ｍｇ金属、及びＨｆ金属が用いられた。実施例４、５、１０、１１及び比較例３其々の圧電薄膜の作製では、［Ｍｄ＋Ｍｔ］が下記表１に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワーが調整された。
【0081】
実施例６、７、１２、１３及び比較例４其々の圧電薄膜の作製には、スパッタリングターゲットとして、Ａｌ金属、Ｍｇ金属、及びＴｉ金属が用いられた。実施例６、７、１２、１３及び比較例４其々の圧電薄膜の作製では、［Ｍｄ＋Ｍｔ］が下記表１に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワーが調整された。
【0082】
以上の事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～１６及び比較例１～４其々の圧電薄膜素子が作製された。実施例１と同様の方法で、実施例２～１６及び比較例１～４其々の圧電薄膜素子を対象とする分析及び測定が実施された。
【0083】
実施例２～１６及び比較例１～４のいずれの場合も、圧電薄膜は、下記化学式Ａで表される窒化アルミニウムからなることが確認された。実施例２～１６及び比較例１～４のいずれの場合も、下記化学式Ａ中のα＋βは、［Ｍｄ＋Ｍｔ］／１００に等しく、α／βは、１．０であった。
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
Ａｌ｛１－（α＋β）｝ＭｄαＭｔβＮ （Ａ）
【0084】
実施例２～１６及び比較例１～４のいずれの場合も、圧電薄膜はウルツ鉱型構造を有していた。実施例２～１６及び比較例１～４のいずれの場合も、ウルツ鉱型構造の（００１）面は、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。実施例２～１６及び比較例１～４の其々の場合、第一電極層（金属Ｍｅ）は、下記表１に示される結晶構造を有していた。実施例２～１６及び比較例１～４其々の場合、下記表１に示されるＭｅの結晶面が、圧電薄膜が接する第一電極層の表面に平行であった。
【0085】
実施例２の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例４の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例５の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例６の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例７の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例８の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例９の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１０の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例１１の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１２の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例１３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１４の場合、ＬＡＬＮは７１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×２１／２×ａＢと表される。
実施例１５の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＢと表される。
実施例１６の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＨと表される。
比較例１の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例２の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例４の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。と表される。
実施例３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例４の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例５の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例６の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例７の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例８の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例９の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１０の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例１１の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１２の場合、ＬＡＬＮはａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬはａＨと表される。
実施例１３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
実施例１４の場合、ＬＡＬＮは７１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×２１／２×ａＢと表される。
実施例１５の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＢと表される。
実施例１６の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２×ａＨと表される。
比較例１の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例２の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例３の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。
比較例４の場合、ＬＡＬＮは３１／２×ａＷと表され、ＬＭＥＴＡＬは２１／２×ａＦと表される。と表される。
【0086】
実施例２～１６及び比較例１～４其々のＬＡＬＮ、ＬＭＥＴＡＬ、格子不整合度ΔＬは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の残留応力σは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の破壊率ＲＢＲＥＡＫは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々のロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の残留応力σは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の破壊率ＲＢＲＥＡＫは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々のロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは、下記表１に示される。
実施例２～１６及び比較例１～４其々の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
【0087】
残留応力σは負の値（つまり圧縮応力）であることが好ましい。σの目標値は、－１５００ＭＰａ以上０ＭＰａ以下である。
破壊率ＲＢＲＥＡＫは小さいことが好ましい。ＲＢＲＥＡＫの目標値は、０％以上５％以下である。
ロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは小さいことが好ましい。ＦＷＨＭの目標値は、０°以上１２°以下である。
圧電定数ｄ３３は大きいことが好ましい。ｄ３３の目標値は、６．０ｐＣ／Ｎ以上である。
下記表１に記載の品質Ａとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、４つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｂとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、３つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｃとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、２つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｄとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、１つ以下の値が目標値に達したことを意味する。
破壊率ＲＢＲＥＡＫは小さいことが好ましい。ＲＢＲＥＡＫの目標値は、０％以上５％以下である。
ロッキングカーブの半値全幅ＦＷＨＭは小さいことが好ましい。ＦＷＨＭの目標値は、０°以上１２°以下である。
圧電定数ｄ３３は大きいことが好ましい。ｄ３３の目標値は、６．０ｐＣ／Ｎ以上である。
下記表１に記載の品質Ａとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、４つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｂとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、３つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｃとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、２つの値が目標値に達したことを意味する。
下記表１に記載の品質Ｄとは、σ、ＲＢＲＥＡＫ、ＦＷＨＭ及びｄ３３の４つの値のうち、１つ以下の値が目標値に達したことを意味する。
【0088】
【表1】
【産業上の利用可能性】
【0089】
本発明によれば、圧電薄膜の破壊を抑制する圧電薄膜素子が提供される。
【符号の説明】
【0090】
１…基板、２…圧電薄膜、２ｓ…圧電薄膜の表面、４…第一電極層、４ｓ…圧電薄膜が接する第一電極層の表面、８…密着層、９…クラック、１０，１０ａ…圧電薄膜素子、Ａｌ…アルミニウム、１２…第二電極層、ＬＡＬＮ…窒化アルミニウムの格子長、ＬＭＥＴＡＬ…金属Ｍｅの格子長、Ｍｄ…２価の金属元素、Ｍｔ…４価の金属元素、ｕｃｂ…体心立方格子構造の単位胞、ｕｃｆ…面心立方格子構造の単位胞、ｕｃｈ…六方最密充填構造の単位胞、ｕｃｗ…ウルツ鉱型構造の単位胞。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】