压电体薄膜、压电体及其制造方法、以及压电体谐振子

摘要

本发明涉及一种压电体薄膜、压电体及其制造方法、使用该压电体薄膜的压电体谐振子、执行器元件以及物理传感器。其中，压电体薄膜包括含有钪的氮化铝薄膜，氮化铝薄膜中的钪的含有率在钪的原子数和铝的原子数的总量设定为100原子％时为0.5～50原子％。由此，本发明的压电体薄膜不会失去氮化铝薄膜所具有的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数等特性，从而能提高压电响应性。

说明书

技术领域

本发明涉及压电体和压电体薄膜，特别涉及氮化铝中添加了钪的压电体及氮化铝薄膜中添加了钪的压电体薄膜。

背景技术

利用压电现象的器件被使用在广泛的领域中，在强烈要求小型化及省电的手机等便携式设备中，它的使用正在扩大。作为其中的一个实例，能列举出IF(中频：Intermediate Frequency)及RF(射频：RadioFrequency)用滤波器。作为IF及RF用滤波器的具体例，有使用了弹性表面波谐振子(Surface Acoustic Wave Resonator；SAWR)的滤波器即SAW滤波器等。

SAW滤波器是采用了对沿固体表面传播的声波加以利用的谐振子的滤波器，通过设计和生产技术的提高，与用户的严格要求相适应。不过，SAW滤波器在利用频率的高频化的同时，其特性提高已接近极限。

因此，作为替代SAW滤波器的新滤波器，进行了FBAR(Film BulkAcoustic Resonator；FBAR)滤波器的开发，该FBAR滤波器采用了作为RF-MEMS(射频微机电系统：Radio Frequency-Micro ElectroMechanical System)器件之一的薄膜声体波谐振子。

RF-MEMS是近年来引人注目的技术，是将MEMS技术适用于射频前端的技术，MEMS技术是一种主要在半导体基板上固定机械的微小构造，从而制作极小的执行器(actuator)以及传感器、谐振子等器件的技术。

作为RF-MEMS器件之一的FBAR滤波器是由谐振子构成的滤波器，该谐振子采用了表示压电响应性的薄膜厚度纵振动模式。即是由谐振子构成的滤波器，该谐振子采用了对于输入的高频电信号，压电体薄膜引起厚度纵振动，从而该振动在薄膜厚度方向引起共振的现象，可能存在吉赫带的共振。具有这种特性的FBAR滤波器是低损耗且能在宽频带进行动作的滤波器，实现了便携式设备的更小型化和省电。

另外，即使在FBAR滤波器之外的RF-MEMS器件即RF-MEMS电容器和RF-MEMS开关等中，通过利用压电现象，也实现了高频带的低损耗、高绝缘和低应变。

作为这种RF-MEMS器件等所采用的压电体薄膜的压电体材料，能列举出氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)以及锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)等。已知在它们之中，特别是具有氮化铝的压电体薄膜具有良好的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数的特性，因此非常适合作为在高频带的滤波器的压电薄膜谐振子的压电材料(例如，参照日本公开专利公报“特开2002-344279号公报(公开日：平成14年11月29日)”)。

另外，日本公开专利公报“特开2002-344279号公报(公开日：平成14年11月29日)”公开了通过在氮化铝薄膜中添加碱土类金属及/或稀土类元素等第3成分来提高共振特性。

不过，氮化铝薄膜与别的压电材料相比，其压电常数低。具体地说，氮化铝薄膜的压电常数d₃₃为5.1～6.7pC/N左右，而氧化锌薄膜的压电常数d₃₃为9.9～12.4pC/N左右，铌酸锂薄膜的压电常数d₃₃为6～12pC/N左右，而且锆钛酸铅薄膜的压电常数d₃₃为97～100pC/N左右。即氮化铝薄膜只有别的压电材料的1/2～1/20左右的压电常数。

因此，例如，在RF-MEMS器件等器件采用具有氮化铝薄膜的压电体薄膜的情况下，需要比氧化锌等别的压电材料更高的动作电压。即，采用了具有氮化铝的压电体薄膜的器件、例如RF-MEMS器件，其省电变得困难。

另外，由于压电常数较低，例如，在将具有氮化铝的压电体薄膜用于执行器时，将产生如下问题：与采用了具有氧化锌等压电常数高的压电材料的压电体薄膜的执行器相比，其可动区域变窄，在将上述压电体薄膜用于滤波器时，将产生损耗增大的问题。即，氮化铝的压电常数低成为妨碍采用了具有氮化铝的压电体薄膜的器件的小型化以及性能提高的一个原因。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而做成的，其主要目的在于提供一种压电响应性得以提高、且具有氮化铝薄膜的压电体薄膜。

作为提高压电材料的压电响应性的方法，V.Ranjan et al.，PHYSICAL REVIEW LETTERS，90，25，257602(2003)从根据计算科学算出的结果而得到如下启发：通过使亚稳定相的六方晶系(hexagonal)的氮化钪(ScN)产生应变，能提高其压电响应性。另外，V.Ranjan et al.，PHYSICAL REVIEW B，72，085315(2005)从根据计算科学算出的结果得到如下启发：通过在氮化镓(GaN)及氮化铟(InN)中添加钪(Sc)，能提高其压电响应性。

本发明人认为：通过在氮化铝中添加适量的钪，能使氮化铝的结晶构造发生变化，能提高其压电响应性，本发明人潜心研究了钪的添加量，以至于完成了本发明。

此外，V.Ranjan et al.，PHYSICAL REVIEW LETTERS，90，25，257602(2003)以及V.Ranjan et al.，PHYSICAL REVIEW B，72，085315(2005)实际上并不是使氮化钪的晶格产生应变，或在氮化镓以及氮化铟中添加了钪的结果，是假想空间的模拟结果。

另外，氮化镓及氮化铟是在发光二极管等发光器件中非常引人注目的基材，为了实现发光器件的小型化以及省电，目前的研究正方兴未艾。另一方面，带隙宽的氮化铝在可见光区域不会发光，因此作为将氮化镓用作发光器件的缓冲层而使用，提高氮化铝的压电响应性的研究几乎没有进行。即，非专利文献1和2对通过在氮化铝中添加钪来提高压电响应性未做任何记载。

本发明是基于新颖的见解而完成的，包括以下的发明。

为了解决上述的课题，本发明的压电体薄膜包括含有稀土类元素的氮化铝薄膜，其特征在于，

所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝薄膜中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于0.5～50原子％的范围内。

通过使氮化铝薄膜所含有的钪的含有率处于上述范围，氮化铝薄膜所具有的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数等特性便不会失去，从而能够提高压电响应性。

由此，本发明的压电体薄膜可以取得具有现有的氮化铝的压电体薄膜所不能得到的效果。具体地说，在将具有上述构成的氮化铝的压电体薄膜用于器件、例如RF-MEMS器件的情况下，能实现以低电压进行工作。另外，上述器件为执行器的情况下，若为同样的电压，则能扩大其可动区域，若为同样范围的可动区域，则能降低其动作电压。再者，在上述器件为滤波器的情况下，则能降低插入损耗。因此，所产生的效果是，实现具有所述压电体薄膜的器件的小型化及省电，同时能提高其性能。另外，将本发明的压电体薄膜应用于陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器时，能起到提高其检测灵敏度的效果。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是，其由含有稀土类元素的氮化铝薄膜构成，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝薄膜中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于0.5～35原子％或40～50原子％的范围内。

根据上述的构成，压电体薄膜由在0.5～35原子％或40～50原子％的范围内含有钪的氮化铝薄膜构成。特别是在基板上直接形成含有钪的氮化铝薄膜时，通过使氮化铝薄膜所含有的钪的含有率处于上述范围，可以取得如下效果：氮化铝薄膜所具有的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数等特性便不会失去，从而能提高压电响应性。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是，在基板上设有所述氮化铝薄膜，且所述氮化铝薄膜和所述基板之间设有至少1层中间层。

通过在基板和氮化铝薄膜之间设有中间层，能抑制未设有中间层时所产生的压电响应性的下降。即，能抑制钪浓度大于35原子％且小于40原子％时所产生的压电响应性的下降。

由此，不需要对组成进行严格的控制，因而可以取得的效果是：能容易地得到压电响应性得以提高的氮化铝薄膜。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是，在所述钪的原子数和所述氮化铝薄膜中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于15～45原子％的范围内。

根据上述的构成，在基板和氮化铝薄膜之间设有中间层时也可起到如下效果：氮化铝薄膜所具有的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数等特性不会失去，从而能提高压电响应性。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是，在所述钪的原子数和所述铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于10～35原子％的范围内。

通过使氮化铝薄膜所含有的钪的含有率处于上述范围，能降低表面粗糙度。即，能提高压电体薄膜的膜厚的均匀性。

一般来说，滤波器等的共振频率由薄膜的厚度决定。因此，通过将本发明的压电体薄膜例如用于SAW器件，可以提高膜厚的精度，抑制传播损耗。由此，插入损耗更少，且起到能获得噪声得以降低的SAW滤波器的效果。另外，通过降低所述压电体薄膜的表面粗糙度，使多晶中的晶界消失，从而能使压电体薄膜高密度化。由此，将本发明的压电体薄膜用于例如FBAR滤波器时，能起到由电极夹着氮化铝薄膜时防止短路的效果。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是，在所述钪的原子数和所述铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于40～50原子％的范围内。

通过使氮化铝薄膜所含有的钪的含有率处于上述范围，能使氮化铝薄膜所具有的特性不会失去，能进一步提高压电响应性。

由此，本发明的压电体薄膜能起到具有现有的氮化铝的压电体薄膜不能得到的进一步的效果。具体地说，在将具有上述构成的氮化铝的压电体薄膜用于器件、例如RF-MEMS器件的情况下，能实现以更低电压进行工作。另外，在所述器件为执行器的情况下，能进一步扩大其可动区域，在滤波器的情况下，能进一步降低插入损耗。因此，可以取得的效果是：实现具有所述压电体薄膜的器件的进一步的小型化以及省电，同时能进一步提高其性能。另外，在将本发明的压电体薄膜应用于陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器的情况下，能起到更进一步提高检测灵敏度的效果。

本发明的压电体薄膜进一步优选的是：所述中间层为氮化钛或钪的含有率不同的氮化铝薄膜。

为了解决上述的课题，本发明的压电体包括含有稀土类元素的氮化铝，其特征在于，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于0.5～50原子％的范围内。

根据上述的构成，可以起到与具有钪的含有率处于0.5～50原子％的范围内的氮化铝薄膜的压电体薄膜相同的效果。

本发明的压电体进一步优选的是，其由含有稀土类元素的氮化铝构成，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于0.5～35原子％或40～50原子％的范围内。

根据上述的构成，可以起到与由钪的含有率处于0.5～35原子％或40～50原子％的范围内的氮化铝薄膜构成的压电体相同的作用效果。

为了解决上述课题，本发明的压电体薄膜的制造方法是在基板上具有包含稀土类元素的氮化铝薄膜的压电体薄膜的制造方法，其特征在于，包括在至少包含氮气的气氛下，同时对铝和钪进行溅射的溅射工序，且所述溅射工序中的所述钪的电力密度处于0.05～10W/cm²的范围内。

通过在至少包含氮气的气氛下，利用所述范围的电力密度对钪进行溅射，能将氮化铝薄膜的钪的含有率设定为0.5～45原子％。因此，可以起到与具有钪的含有率为0.5～45原子％的氮化铝薄膜的压电体薄膜相同的效果。

本发明的压电体薄膜的制造方法进一步优选的是，所述压电体薄膜由所述氮化铝薄膜构成，包括在所述基板上同时对铝和钪进行溅射的溅射工序，且所述溅射工序中的所述钪的电力密度处于0.05～6.5W/cm²或8.5～10W/cm²的范围内。

利用所述范围的电力密度对钪进行溅射，能使氮化铝薄膜中的钪的含有率处于0.5～35原子％或40～45原子％的范围内。因此，可以起到与具有钪的含有率处于0.5～35原子％或40～45原子％的范围内的氮化铝薄膜的压电体薄膜相同的效果。

本发明的压电体薄膜的制造方法进一步优选的是，在所述溅射工序之前还包括在所述基板上形成中间层的中间层形成工序，所述溅射工序中的所述钪的电力密度处于0.05～10W/cm²的范围内。

通过利用所述范围的电力密度对钪进行溅射，能使在中间层上所形成的氮化铝薄膜中的钪的含有率处于15～45原子％的范围内。由此，可以起到与在中间层上形成的、在15～45原子％的范围内含有钪的氮化铝薄膜相同的作用效果。

本发明的压电体薄膜的制造方法进一步优选的是，在所述溅射工序中的所述电力密度处于2～6.5W/cm²的范围内。

通过利用所述范围的电力密度对钪进行溅射，能使氮化铝薄膜的钪的含有率处于10～35原子％的范围内。因此，可以起到与具有钪的含有率处于10～35原子％的范围内的氮化铝薄膜的压电体薄膜相同的效果。

本发明的压电体薄膜的制造方法进一步优选的是，在所述溅射工序中的所述电力密度处于9.5～10W/cm²的范围内。

通过利用所述范围的电力密度对钪进行溅射，能使氮化铝薄膜的钪的含有率处于40～45原子％的范围内。因此，可以起到与具有钪的含有率处于40～45原子％的范围内的氮化铝薄膜的压电体薄膜相同的效果。

本发明的压电体薄膜的制造方法进一步优选的是，在所述溅射工序中的所述基板温度处于20～600℃的范围内。

通过使附着有铝及钪的基板温度处于所述范围，可以起到更进一步提高含有钪的氮化铝薄膜的压电响应性的效果。

另外，以具有所述压电体薄膜为特征的压电薄膜谐振子、以及具有该压电薄膜谐振子的滤波器，以及以具有所述压电体薄膜为特征的执行器元件、陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器都包含在本发明的范畴内。

由以下所示的记载能充分了解本发明的其它目的、特征及优点。另外，本发明的长处通过参照附图的下面的说明而变得清楚。

附图说明

图1表示钪的含有率与含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

图2是实施方式1的压电体薄膜的示意剖视图。

图3是实施方式2的压电体薄膜的示意剖视图。

图4表示设有中间层时的、钪的含有率与含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

图5表示本发明的压电体薄膜的具体例；图5(a)是未设有中间层的情况；图5(b)设有Sc_0.40Al_0.60N层作为中间层的情况；图5(c)是设有Sc_0.42Al_0.58N层作为中间层的情况；图5(d)是采用Sc_0.50Al_0.50N作为含Sc氮化铝薄膜的情况，设有Sc_0.42Al_0.58N层作为中间层的情况；图5(e)是中间层由多层构成的情况。

图6表示钪的靶电力密度与钪的含有率、含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

图7表示基板温度与含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

图8表示在具有中间层的压电体薄膜中的、钪的靶电力密度与钪的含有率、含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

图9表示实施方式4的FBAR滤波器的示意剖视图。

图10表示实施方式5的开关的示意剖视图，图10(a)是没有施加电压的状态，图10(b)是施加了电压的状态。

图11表示实施方式6的压力传感器的示意剖视图，图11(a)是在上部电极和下部电极之间具有压电体薄膜的情况，图11(b)是在压电体薄膜和下部电极之间还具有支持部的情况。

图12表示靶电力密度与压电响应性之间的关系，图12(a)是氮化铝薄膜添加了镁的情况，图12(b)是添加了硼的情况，图12(c)是添加了硅的情况，图12(d)是添加了钛的情况，图12(e)是添加了铬的情况。

图13是采用原子力显微镜(AFM)观测含Sc氮化铝薄膜或氮化铝薄膜的表面形状的图，图13(a)是Sc含量为25原子％的情况，图13(b)是Sc含量为0原子％的情况，图13(c)是Sc含量为38原子％的情况，图13(d)是Sc含量为42原子％的情况。

具体实施方式

〔实施方式1〕

下面参照图1和2，将本发明的压电体薄膜的一实施方式作为实施方式1进行说明。

此外，本发明的压电体薄膜在用于利用压电现象的压电元件的情况下，其具体的用途不进行特别限定。例如，压电体薄膜能用于SAW器件或RF-MEMS器件。在此，本说明书等中的所谓“压电体”是指具有通过施加力学上的力而产生电位差的性质即压电性(下面也称为压电响应性)的物质。另外，所谓“压电体薄膜”是指具有上述性质的薄膜。

另外，本说明书等中的所谓“原子％”是指原子百分率，具体地说，表示在钪原子数和铝原子数的总量设定为100原子％时的钪原子的数量或铝原子的数量。换言之，也可以说是含有钪的氮化铝中的钪原子及铝原子的浓度。另外，在本实施方式中，下面将钪的原子％作为钪相对于氮化铝的含有率进行说明。

本实施方式的含有钪的氮化铝薄膜(下面也称为含Sc氮化铝薄膜)也可以采用通式表示为Sc_xAl_1-xN(式中x表示钪的含有率(浓度)，为0.005～0.5的范围)。例如，在钪的含有率为10原子％的氮化铝薄膜的情况下，表示为Sc_0.1Al_0.9N。

(提高压电响应性的钪的含有率)

如图1所示，通过使含Sc氮化铝薄膜所含有的钪的含有率变化，便可以提高含Sc氮化铝薄膜的压电响应性(压电性)。图1表示钪的含有率与含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。如图1所示，与钪的含有率为0％的情况相比，仅含有稍许钪的情况也提高了压电响应性。具体地说，通过使钪的含有率处于0.5～35原子％或40～50原子％的范围内，能提高含Sc氮化铝薄膜的压电响应性。通过使钪的含有率处于上述范围，含Sc氮化铝薄膜的压电响应性达到6～24.6pC/N左右。一般的氮化铝薄膜的压电响应性为5.1～6.7pC/N左右，因此，通过使钪的含有率处于上述范围内，便能使压电响应性提高1.4～4倍左右。

由此，在RF-MEMS器件具有设置了钪的含有率处于上述范围内的含Sc氮化铝薄膜的压电体薄膜1的情况下，能实现以低电压进行动作。另外，在RF-MEMS执行器具有压电体薄膜1的情况下，能扩大其可动区域，在FBAR滤波器具有压电体薄膜1的情况下，能降低插入损耗。另外，在压电体薄膜1应用于陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器的情况下，能提高其检测灵敏度。

因此，当钪的含有率处于上述范围内时，可以实现具有设置了含Sc氮化铝薄膜的压电体薄膜的器件的小型化以及省电，同时可以提高其性能。

(进一步提高压电响应性的钪的含有率)

从进一步提高压电响应性的角度考虑，钪的含有率优选处于40～50原子％的范围内。如图1所示，当钪的含有率为45原子％(Sc_0.45Al_0.55N)时，含Sc氮化铝薄膜的压电响应性为最大值(约为24.6pC/N)，为未含有钪的氮化铝的压电响应性的大约4倍。此外，压电响应性为最大的钪的含有率由于测量条件等条件的不同，有±5原子％左右的误差。

因此，当钪的含有率处于上述范围内时，可以更进一步实现具有设置了含Sc氮化铝薄膜的压电体薄膜的器件的小型化以及省电，同时能更进一步提高其性能。

此外，上述效果并不限定于压电体薄膜，当钪的原子数和铝的原子数的总量设定为100原子％时，即使是具有包含0.5～35原子％或40～50原子％的范围内的钪的氮化铝的压电体，也能获得与本实施方式的压电体薄膜相同的效果。

(压电体薄膜1的构成)

在此，参照图2对本发明的压电体薄膜的一个实例更具体地进行说明。如图2所示，压电体薄膜1在基板2上设置有含有钪的氮化铝薄膜(下面也称为含Sc氮化铝薄膜)3。含Sc氮化铝薄膜3在钪的原子数和铝的原子数的总量设定为100原子％时，含有0.5～50原子％的范围内的钪。图2是压电体薄膜1的示意剖视图。

(基板2)

基板2不变形地保持着含Sc氮化铝薄膜3。作为基板2的材质，不进行特别限定，能采用硅(Si)单晶或在Si单晶等基材表面上形成有硅、金刚石及其它多晶膜的材质。

(含Sc氮化铝薄膜3)

含Sc氮化铝薄膜3是含有钪的氮化铝薄膜，具有压电响应性。

〔实施方式2〕

下面参照附图3～5将本发明的压电体薄膜的其它形态作为实施方式2进行说明。在本实施方式中，对与实施方式1同一的部件标上同一的标号。另外，与实施方式1同一的用语在本实施方式也使用同一含义。

(压电体薄膜1b的构成)

如图3所示，本实施方式的压电体薄膜1b在基板2和含Sc氮化铝薄膜3之间形成有中间层4。即，在压电体薄膜1b中，含Sc氮化铝薄膜3隔着中间层4设在基板2上。在实施方式1中对基板2和含Sc氮化铝薄膜3进行了说明，因而在此省略其详细说明。因此，在本实施方式中，下面只对中间层4进行说明。图3是压电体薄膜1b的示意剖视图。

(中间层4)

中间层4是为了引起与含Sc氮化铝薄膜3相互作用而设置的。作为中间层4的材质，优选的是容易引起与含Sc氮化铝薄膜3和基板2双方相互作用的材质。作为中间层4的材料，例如，能采用氮化钛(TiN)、氮化钪(ScN)、钼(Mo)、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)以及镍(Ni)等。

例如，在采用Sc_0.45Al_0.55N作为含Sc氮化铝薄膜3的情况下，通过采用氮化钪(ScN)作为中间层4，与未设有中间层的情况比较，能使压电响应性提高大约4pC/N。

(提高压电响应性的钪的含有率)

下面参照图4对具有中间层4时的压电体薄膜1b的压电响应性的变化进行说明。图4表示具有中间层4时的钪的含有率与含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性之间的关系。

如图4所示，通过设有中间层4，即使在钪的含有率大于35原子％且小于40原子％的情况下，也能提高压电体薄膜1b的压电响应性。即，能抑制在实施方式1的压电体薄膜1中成为问题的压电响应性的下降。由此，在制造压电体薄膜时，没有必要严密控制含Sc氮化铝薄膜3的组成，因此能容易地进行压电响应性得以提高的压电体薄膜的制造。

另外，通过使钪的含有率处于15～45原子％的范围内，能提高氮化铝薄膜的压电响应性。通过使钪的含有率处于上述范围，含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性为6～18pC/N左右。一般的氮化铝薄膜的压电响应性为5.1～6.7pC/N左右，因此，通过使钪的含有率处于上述范围内，能使压电响应性提高1.1～3倍左右。

由此，在将具有钪的含有率处于上述范围内的含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1b用于RF-MEMS器件的情况下，能实现以低电压进行动作。另外，在RF-MEMS执行器具有压电体薄膜1b的情况下，能扩大其可动区域，在FBAR滤波器具有压电体薄膜1b的情况下，能降低插入损耗。另外，在将压电体薄膜1b应用于陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器的情况下，能提高其检测灵敏度。

因此，当钪的含有率处于上述范围内时，能实现具有设置了含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1b的器件的小型化以及省电，同时能提高其性能。

如图5(b)～(e)所示，中间层4也可以作为与含Sc氮化铝薄膜3组成不同的含Sc氮化铝薄膜。通过采用组成不同的含Sc氮化铝薄膜作为中间层4，能提高压电体薄膜1b的压电响应性。

例如，如图5(a)所示，采用Sc_0.47Al_0.53N层作为含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1具有大约7pC/N的压电响应性。与之相对照，如图5(b)所示，通过在Sc_0.47Al_0.53N层和基板2之间设有Sc_0.40Al_0.60N层作为中间层4，压电体薄膜1b的压电响应性提高到大约10pC/N。另外，如图5(c)所示，通过设有Sc_0.42Al_0.58N层作为中间层4，能将压电体薄膜1b的压电响应性大幅提高到25pC/N。

另外，在基板2上设有Sc_0.50Al_0.50N层作为含Sc氮化铝层3的压电体薄膜1的压电响应性为0pC/N。不过，如图5(d)所示，通过设有Sc_0.42Al_0.58N层作为中间层4，形成压电体薄膜1b，便能将压电响应性从0pC/N提高到14pC/N。

即，通过采用组成不同的含Sc氮化铝薄膜作为中间层4，能大幅提高压电体薄膜的压电响应性。

另外，作为中间层4采用的组成不同的含Sc氮化铝薄膜不限定为1层，也可以设置多层。

例如，如图5(e)所示，采用Sc_0.47Al_0.53N作为含Sc压电体薄膜3、并从基板侧依次采用Sc_0.40Al_0.60N层、Sc_0.42Al_0.58N层以及Sc_0.45Al_0.55N层这3层作为中间层4的压电体薄膜1b具有大约19pC/N的压电响应性。这样一来，即使是中间层4由多层构成的情况，也能提高压电体薄膜1b的压电响应性。

这样一来，通过隔着中间层4将含Sc氮化铝薄膜3设在基板2上，不但提高了压电体薄膜1b的压电响应性，而且使钪的含有率稍许变化，便能抑制压电体薄膜本身的压电响应性大幅下降。即，通过设有中间层4，能容易进行物性一定的压电体薄膜的制造。此外，在图5(a)～(e)中，采用Si基板作为基板2，但本发明当然并不限定于此。

〔实施方式3〕

下面参照图6将实施方式1的压电体薄膜1的制造方法的一实施方式作为实施方式3进行说明。此外，含Sc氮化铝薄膜只要用于利用了压电现象的压电元件，其具体的用途不进行特别限定。例如，能将具有含Sc氮化铝薄膜的压电体薄膜用于SAW器件或RF-MEMS器件。另外，在本实施方式中，与实施方式1同一的用语使用同一含义。

压电体薄膜1的制造方法包括溅射工序，即在氮气(N₂)气氛下或氮气(N₂)和氩气(Ar)的混合气氛下，在基板2(例如硅(Si)基板)上同时进行钪和铝的溅射处理。由此，能形成附着力优良且纯度高的含Sc氮化铝薄膜3。另外，通过同时进行钪和铝的溅射，能形成氮化钪和氮化铝不会局部偏析而均匀分布的含Sc氮化铝薄膜3。

(提高压电响应性的电力密度的范围)

在溅射工序中，在将铝的靶电力密度固定为7.9W/cm²的范围内时，钪的靶电力密度为0.05～6.5W/cm²或8.5～10W/cm²的范围内。

此外，本说明书等中的所谓“电力密度”是将溅射电力除以靶面积的值。另外，在本发明的压电体薄膜的制造方法中，由于同时对钪和铝进行溅射，因此存在钪的靶电力密度和铝的靶电力密度这2种靶电力密度。在本说明书等中，在仅称为“靶电力密度”的情况下，是指钪的靶电力密度。

通过使靶电力密度处于0.05～6.5W/cm²或8.5～10W/cm²的范围内，能提高含Sc氮化铝薄膜的压电响应性。

即，如图6所示，靶电力密度处于0.05～6.5W/cm²的范围内的情况对应于钪的含有率处于0.5～35原子％的范围内的情况，处于8.5～10W/cm²的范围内的情况对应于含有率处于40～50原子％的范围内的情况。图6表示靶电力密度、钪的含有率、含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系。

如图6所示，通过使靶电力密度处于0.05～6.5W/cm²或8.5～10W/cm²的范围内，钪的含有率处于0.5～35原子％或40～50原子％的范围内，能得到6～24.6pC/N左右的压电响应性。因此，通过使靶电力密度处于0.05～6.5W/cm²或9.5～10W/cm²的范围内，能得到与具有0.5～35原子％或40～50原子％的范围内的含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1相同的效果。

此外，在溅射工序中，只要靶电力密度处于上述范围内，其它条件就不进行特别限定。例如，能适当地设定溅射压力以及溅射时间。

(提高压电响应性的基板温度的范围)

在溅射工序中，使靶电力密度处于0.05～6.5W/cm²或8.5～10W/cm²的范围内时，通过使基板温度变化，能进一步提高含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性。图7表示的是基板温度和含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性之间的关系。

如图7所示，在溅射工序中，通过使基板温度处于20～600℃的范围内，更优选处于200～450℃的范围内，进一步优选处于400～450℃的范围内，能提高含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性。具体地说，通过使基板温度处于20～600℃的范围内，能使压电响应性为15～28pC/N左右，通过使基板温度处于200～450℃的范围内，能使压电响应性为26～28pC/N左右。此外，当使基板温度处于400～450℃的范围内时，能使含Sc氮化铝薄膜3的压电响应性最大(大约28pC/N)。

因此，通过使溅射工序的基板温度处于上述范围内，能进一步使具有设置了制作的含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1的器件小型化以及省电，同时能进一步提高其性能。

(进一步提高压电响应性的电力密度的范围)

从进一步提高压电响应性的角度考虑，靶电力密度即使处于上述范围中也优选在9.5～10W/cm²的范围内，更优选为10W/cm²。如图6所示，通过使靶电力密度处于5～10W/cm²的范围内，将更加提高压电响应性。特别是靶电力密度为10W/cm²时，含Sc氮化铝薄膜3的钪的含有率为45原子％，压电响应性为最大值(24.6pC/N)。即，靶电力密度为10W/cm²时，能得到与钪的含有率为45原子％时相同的效果。

此外，压电响应性最大的钪的含有率由于测量条件等条件的不同，有±5原子％左右的误差。

(具有中间层4的压电体薄膜1b的制造方法)

在以上论述中，对实施方式1的压电体薄膜1的制造方法进行了说明，但即使是实施方式2的压电体薄膜1b，也能通过同样的制造方法进行制造。

压电体薄膜1b只在还包括于基板2上形成中间层4的中间层形成工序这一点上不同。中间层4的形成方法能根据作为中间层4采用的材质进行适当的设定。例如，能列举出溅射、真空蒸镀、离子镀、化学气相沉积法(CVD)、分子束外延法(MBE)、激光烧蚀、镀覆等。

设有中间层4的压电体薄膜1b中的钪的靶电力密度、钪的含有率、含Sc氮化铝薄膜的压电响应性之间的关系如图8所示。此外，图8表示采用氮化钛(TiN)作为中间层4的情况。

如图8所示，通过设有中间层4，能抑制未设有中间层4时压电响应性下降的钪的含有率大于35原子％且小于40原子％的情况下、即靶电力密度大于6.5W/cm²且小于8.0W/cm²的情况下的压电响应性的下降。

此外，在将中间层4设定为与含Sc氮化铝薄膜3组成不同的含Sc氮化铝的情况下，也可以采用与含Sc氮化铝薄膜3的形成方法相同的方法。

〔实施方式4〕

下面将具有本发明的压电体薄膜的压电体薄膜谐振子的一实施方式作为实施方式4进行说明。具有本发明的压电体薄膜的压电体薄膜谐振子的具体用途不进行特别限定。在本实施方式中，以将具有含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1用于RF-MEMS器件之一的FBAR滤波器的情况为例进行说明。此外，本实施方式中对采用了压电体薄膜1的FBAR滤波器进行了说明，本发明当然也可以采用压电体薄膜1b。另外，在本实施方式中，与实施方式1～3同一的用语使用同一含义。

下面参照图9对本实施方式的FBAR滤波器10(压电体薄膜谐振子)进行说明。

(FBAR滤波器10的构成)

如图9所示，FBAR滤波器10具有基板11以及在基板11上形成的压电叠层结构体12。图9是FBAR滤波器10的示意剖视图。

(基板11)

基板11是用于保持压电叠层结构体12的基板，为了使压电叠层结构体12自由振动，在形成有压电叠层结构体12的下部设有空腔部16。

作为基板11的材质，只要是能不变形地保持压电叠层结构体12的材质，就不进行特别的限定。例如，能采用硅(Si)单晶或在Si单晶等基材表面上形成有硅、金刚石以及其它多晶膜的材质。

另外，作为空腔部16的形成方法，能采用各向异性侵蚀法或深度反应各向异性侵蚀法等。

(压电叠层结构体12的构成)

压电叠层结构体12包括：下部电极13、上部电极15、以及被下部电极13和上部电极15所夹持的压电体薄膜14。下面对各部件进行说明。

(下部电极13及上部电极15)

下部电极13及上部电极15是用于对压电体薄膜14施加交流电场的电极。作为下部电极13及上部电极15的材质，能采用钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铂和钛的层叠膜(Pt/Ti)以及金和铬的层叠膜(Au/Cr)等。在这些之中，优选采用散粒损耗少的钼。

另外，下部电极13及上部电极15的厚度优选处于50～200nm的范围内。通过使下部电极13及上部电极15的厚度处于上述范围内，能减小损耗。作为下部电极13及上部电极15的形成方法，能采用以前公知的方法。例如，能使用溅射法或蒸镀法等。

(压电体薄膜1)

在实施方式1及3中对压电体薄膜1进行了详述，因此本实施方式省略其说明。此外，压电体薄膜1的厚度优选处于0.1～30μm的范围内。通过使压电体薄膜1的厚度处于上述范围内，能形成附着力良好的薄膜。

(附注事项)

此外，FBAR滤波器10也可以在基板11和下部电极13之间设置有基底膜。基底膜是绝缘膜，例如，能采用以氧化硅(SiO₂)、氮化硅以及氧化硅与氮化硅的层叠膜为主要成分的电介质膜等。在此，本说明书等中的所谓“主要成分”是指在电介质膜所含有的所有成分中，超过50质量％的成分。

电介质膜可由单层构成，也可由追加了用于提高附着力的层等的多层构成。基底膜的厚度优选为0.05～2.0μm。

此外，基底膜能通过以前公知的方法形成。例如，能通过在由硅构成的基板11表面的热氧化法以及化学蒸镀法(CVD)形成。

〔实施方式5〕

下面将具有本发明的压电体薄膜的执行器元件的一实施方式作为实施方式5进行说明。具有本发明的压电体薄膜的执行器元件的具体用途不进行特别限定。在本实施方式中，以将具有含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1用于RF-MEMS器件之一的开关的情况为例进行说明。此外，本实施方式对采用了压电体薄膜1的RF-MEMS器件进行了说明，本发明当然也可以采用压电体薄膜1b。另外，在本实施方式中，与实施方式1～4同一的用语使用同一含义。

(开关20)

下面参照图10(a)和(b)对本实施方式的开关20(执行器元件)进行说明。图10(a)和(b)是表示开关20的示意剖视图，图10(a)表示没有施加电压的状态，图10(b)表示施加了电压的状态。

如图10(a)和(b)所示，开关20主要具有基板21、下部电极22以及可动部23。

(基板21)

基板21是用于保持固定电极22和可动部23的基板，在一方的端部设有下部电极22，在与设有下部电极22侧的端部相对置一侧的端部保持有可动部23。

作为基板21的材质，只要是能不变形地保持下部电极22、电介质膜及可动部23的材质，就不进行特别限定。例如，能采用硅(Si)单晶或在Si单晶等基材表面上形成有硅、金刚石及其它多晶膜的材质。

(下部电极22)

下部电极22是开关20通电即处于接通状态时，与如下所述的上部电极28接触的电极。

作为下部电极22的材质，能采用钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂和钛的层叠膜(Pt/Ti)以及金和铬的层叠膜(Au/Cr)等。

作为下部电极22的形成方法，能采用以前公知的方法。例如，能采用溅射法或蒸镀法等。

(可动部23的构成)

如图10(a)和(b)所示，可动部23包括：压电体薄膜1、第1可动用电极25、第2可动用电极26、第3可动用电极27以及上部电极28。下面对各部件进行说明。此外，在实施方式1和2中对压电体薄膜1进行了详述，因此本实施方式省略其说明。

(第1可动用电极25、第2可动用电极26及第3可动用电极27)

第1可动用电极25、第2可动用电极26及第3可动用电极27是施加驱动压电体薄膜1的电压时所采用的电极，第1可动用电极25和第2可动用电极26之间、以及第2可动用电极26和第3可动用电极27之间具有压电体薄膜1。

作为第1可动用电极25、第2可动用电极26以及第3可动用电极27的材质，能采用钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂和钛的层叠膜(Pt/Ti)以及金和铬的层叠膜(Au/Cr)等。

作为第1可动用电极25、第2可动用电极26以及第3可动用电极27的形成方法，能采用以前公知的方法。例如，能采用溅射法或蒸镀法等。

(上部电极28)

上部电极28设置在与可动部23保持在基板21上的一侧的端部相对置一侧的端部上，是可动部23移动时与电极22接触的电极。

作为上部电极28的材质，能采用钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂和钛的层叠膜(Pt/Ti)以及金和铬的层叠膜(Au/Cr)等。

作为上部电极28的形成方法，能采用以前公知的方法。例如，能采用溅射法或蒸镀法等。

(开关20的动作)

开关20如图10(b)所示，通过将电压施加在第1可动用电极25、第2可动用电极26以及第3可动用电极27上，开关20从未通电的状态变为通电的状态。即，开关20的状态从“断开”变成“接通”。

更具体地说，通过将电压施加在第1可动用电极25、第2可动用电极26以及第3可动用电极27上，例如，如图10(b)所示，压电体薄膜1伸缩，可动部23驱动到基板21侧。由此，下部电极22和上部电极28接触。由此，开关20从“断开”变成“接通”。

〔实施方式6〕

下面将具有本发明的压电体薄膜的物理传感器的一实施方式作为实施方式6进行说明。具有本发明的压电体薄膜的物理传感器的具体用途不进行特别限定。在本实施方式中，以将具有含Sc氮化铝薄膜3的压电体薄膜1用于压力传感器的情况为例进行说明。此外，本实施方式中对采用压电体薄膜1的RF-MEMS器件进行了说明，本发明当然也能采用压电体薄膜1b。另外，在本实施方式中，与实施方式1～5同一的用语使用同一含义。

(压力传感器30)

下面参照附图11(a)和(b)对本实施方式的压力传感器30(物理传感器)进行说明。图11(a)和(b)是表示压力传感器30的示意图，图11(a)表示在上述电极和下部电极之间具有压电体薄膜的情况，图11(b)表示在压电体薄膜和下部电极之间具有支持部的情况。

本实施方式的压力传感器30如图11(a)所示，主要包括上部电极31、压电体薄膜1以及下部电极33。下面对各部件进行说明。此外，在实施方式1以及3中对压电体薄膜1进行了说明，因此在本实施方式中省略其说明。

(上部电极31和下部电极33)

上部电极31和下部电极33作为压力传感器30的电极起作用。如图11(a)所示，上部电极31和下部电极33夹持着压电体薄膜1而形成。

此外，将上部电极31及下部电极33的任一个作为阴极或作为阳极并不进行特别限定，能适当地设定。

作为上部电极31和下部电极33的材质，只要是能不会失去地取出在压电体薄膜1中产生的电荷的材质，就不进行特别限定。例如，能采用钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂和钛的层叠膜(Pt/Ti)以及金和铬的层叠膜(Au/Cr)等。

另外，作为上部电极31和下部电极33的形成方法，能采用以前公知的方法。例如，能采用溅射法或蒸镀法等。

(压力传感器30的动作)

如图11(a)所示，若压力传感器30上施加有力F，压电体薄膜1就产生与所施加的压力相应的电荷。产生的电荷从上部电极31和下部电极33取出，被送到电容器。即，由于能对相应于取出到电容器中的电荷的电位进行测量，因此，压力传感器30能根据测量的电位测量所施加的压力F的大小。

(压力传感器30的变形例)

如图11(b)所示，压力传感器30也可以在压电体薄膜1和下部电极33之间具有支持部34。

支持部34是作为单晶物(monomorph)所使用的部件，其材质为金属、高分子或陶瓷等。通过具有支持部34，压电传感器30能发挥敏化效果。

此外，在本实施方式中，作为物理传感器的一个实例，以压力传感器为例进行了说明，但本发明并不限定于此，例如，也可以是陀螺仪传感器及加速传感器。

本发明不限于上述各实施方式，在权利要求所示的范围内能进行各种变更，将分别在不同的实施方式中公开的技术手段进行适当的组合而得到的实施方式也包括在本发明的技术范围内。

下面通过所示实施例，对本发明的形态进行更详细地说明。当然，本发明不限定于以下的实施例，细节能存在各种各样的形态。

[实施例]

〔实施例1〕

(添加了钪的氮化铝薄膜的制作方法)

在氮气氛下，于硅基板上溅射铝和钪，便在硅基板上制作出含Sc氮化铝薄膜。溅射的条件如下：铝的靶电力密度为7.9W/cm²、钪的靶电力密度为0～10W/cm²、基板温度为580℃、氮气浓度为40％以及溅射时间为4小时。另外，所谓靶电力密度0W，表示在氮化铝薄膜中未添加钪。

(压电响应性测量方法)

含Sc氮化铝薄膜的压电响应性采用压力计，利用载荷0.25N、频率110Hz进行测量。

〔比较例1〕

采用镁(Mg)替代钪，靶电力密度设定为0～2W/cm²，除此之外，采用与实施例1相同的方法来制作氮化铝薄膜，测量了压电响应性。

〔比较例2〕

采用硼(B)替代钪，靶电力密度设定为0～7.6W/cm²，除此之外，采用与实施例1相同的方法来制作氮化铝薄膜，测量了压电响应性。

〔比较例3〕

采用硅(Si)替代钪，靶电力密度设定为0～1.5W/cm²，除此之外，采用与实施例1相同的方法来制作氮化铝薄膜，测量了压电响应性。

〔比较例4〕

采用钛(Ti)替代钪，靶电力密度设定为0～1.8W/cm²，除此之外，采用与实施例1相同的方法来制作氮化铝薄膜，测量了压电响应性。

〔比较例5〕

采用铬(Cr)替代钪，靶电力密度设定为0～0.8W/cm²，除此之外，采用与实施例1相同的方法来制作氮化铝薄膜，测量了压电响应性。

〔实施例1及比较例1～5的测量结果〕

因为在以上论述中对实施例1的测量结果进行了说明，所以在此省略其说明。图12(a)～(e)表示了比较例1～5的测量结果。图12(a)～(e)表示靶电力密度与压电响应性之间的关系，图12(a)是添加了镁的情况，图12(b)是添加了硼的情况，图12(c)是添加了硅的情况，图12(d)是添加了钛的情况，图12(e)是添加了铬的情况。

如图12(a)～(e)所示，即使添加了钪之外的元素，氮化铝薄膜的压电响应性只是减少而未提高。此外，如图6所示，表明在电力密度处于6.5～8.5W/cm²的范围内、即钪的含有率处于35～40原子％的范围内的情况下，压电响应性也比未含有钪的氮化铝薄膜的压电响应性下降。

〔实施例2〕

对钪的含量(下面也称为Sc含量)为25原子％的含Sc氮化铝薄膜的表面粗糙度进行了测量。

表面粗糙度的测量方法采用原子力显微镜(AFM)进行测量。此外，本说明书等中的所谓“表面粗糙度”，是指算术平均粗糙度(Ra)。

〔比较例6〕

除采用未含Sc的氮化铝薄膜(Sc含量为0原子％的氮化铝薄膜)之外，采用与实施例2相同的方法对表面粗糙度进行测量。

〔比较例7〕

除Sc含量设定为38原子％之外，采用与实施例2相同的方法对表面粗糙度进行测量。

〔比较例8〕

除Sc含量设定为42原子％之外，采用与实施例2相同的方法对表面粗糙度进行测量。

〔表面粗糙度的测量结果〕

图13(a)～(d)表示的是实施例2及比较例6～8的表面粗糙度的结果。图13(a)～(d)是采用原子力显微镜观察实施例2及比较例6～8的表面粗糙度的图，图13(a)是Sc含量设定为25原子％的情况，图13(b)是Sc含量设定为0原子％的情况，图13(c)是Sc含量设定为38原子％的情况，图13(d)是Sc含量设定为42原子％的情况。

在Sc含量设定为25原子％的情况下，即在图13(a)中，表面粗糙度Ra为0.6nm。与之相对照，在Sc含量设定为0原子％的情况下，即在图13(b)中，表面粗糙度Ra为0.9nm左右。由此表明，通过使Sc的添加量为0.5原子％～35原子％，能减少表面粗糙度。

在Sc含量设定为38原子％的情况以及设定为42原子％的情况下，即在图13(c)及图13(d)所示的情况下，表面粗糙度Ra为3.5nm及3.0nm，表面粗糙度与Sc含量设定为25原子％的情况相比增加大约5倍以上。

如上所述，本发明的压电体薄膜通过具有包含0.5～50原子％的范围内的钪的氮化铝薄膜，可以起到具有现有的氮化铝的压电体薄膜所得不到的效果。

具体地说，器件、例如RF-MEMS器件具有本发明的压电体薄膜，能实现RF-MEMS器件的小型化及省电，同时能实现其性能的提高。另外，在将本发明的压电体薄膜应用于陀螺仪传感器、压力传感器以及加速度传感器等物理传感器的情况下，能起到提高其检测灵敏度的效果。

本发明的压电体薄膜能优选适用于例如RF-MEMS器件等利用了压电现象的器件。另外，具有本发明的压电体薄膜的RF-MEMS器件可以优选用于手机等小型且高性能的电子设备类。

本发明的详细说明部分所给出的具体实施方式或实施例始终是使本发明的技术内容更加清楚，不应该被狭义解释为只限定于这样的具体例，在本发明的基本宗旨和下述记载的权利要求的范围内能进行各种各样的变更。