JP2003017767A - Piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＺＴ薄膜を備え
て構成され、例えばマイクロアクチュエータ等に用いて
好適な圧電素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element having a PZT thin film and suitable for use in, for example, a microactuator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】例えばマイクロアクチュエータ等の駆動
源や、加速度センサ或いは移動量センサ等の検出部に
は、従来から圧電素子が広く用いられている。2. Description of the Related Art For example, piezoelectric elements have been widely used as a drive source such as a microactuator or a detecting portion such as an acceleration sensor or a movement amount sensor.
【０００３】このような圧電素子は、表面に極く薄いシ
リコン酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板上に、Ｔ
ｉ膜とＰｔ膜との積層膜を介して、圧電効果を有するＰ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜が形成されてなる。
また、このような圧電素子を作製するに際しては、各種
微細加工技術や、スパッタ法、ゾルゲル法、及びＣＶＤ
（化学的気相成長）法などのような各種薄膜形成技術が
用いられている。Such a piezoelectric element has a T single-crystal substrate on which a very thin silicon oxide film is formed.
P having a piezoelectric effect is formed through a laminated film of an i film and a Pt film.
A ZT (lead zirconate titanate) thin film is formed.
When manufacturing such a piezoelectric element, various fine processing techniques, a sputtering method, a sol-gel method, and a CVD method are used.
Various thin film forming techniques such as a (chemical vapor deposition) method are used.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな圧電素子は、例えばマイクロアクチュエータ等に備
えられる駆動源として用いる場合に、印加する電圧の変
化量に対してＰＺＴ薄膜における物理的な変位量が大き
いことが望まれる。なお、この電圧変化に対する変位量
のことを、以下では圧電変位量と称する。By the way, when the above-mentioned piezoelectric element is used as a driving source provided in, for example, a microactuator, the amount of physical displacement in the PZT thin film with respect to the amount of change in the applied voltage. Is desired to be large. The amount of displacement with respect to this voltage change will be referred to as a piezoelectric displacement amount below.
【０００５】この圧電変位量は、ＰＺＴ薄膜における自
発分極に大きく依存している。このため、大きな圧電変
位量を得るためにはＰＺＴ薄膜が高い自発分極を示すこ
とが要求される。ＰＺＴ薄膜は、Ｔｉリッチ（ＰｂＴｉ
Ｏ３リッチ）の組成である場合には、結晶配向方位が
（１１１）に優先配向されたときに高い自発分極を示
し、Ｚｒリッチ（ＰｂＺｒＯ３）リッチの組成である場
合には、結晶配向方位が（１００）に優先配向されたと
きに高い自発分極を示すという特性を有している。This piezoelectric displacement largely depends on the spontaneous polarization in the PZT thin film. Therefore, in order to obtain a large amount of piezoelectric displacement, the PZT thin film is required to exhibit high spontaneous polarization. The PZT thin film is Ti rich (PbTi
In the case of an O 3 rich composition, a high spontaneous polarization is exhibited when the crystal orientation direction is preferentially oriented to (111), and in the case of a Zr rich (PbZrO 3 ) rich composition, the crystal orientation direction is Has a property of exhibiting a high spontaneous polarization when it is preferentially oriented to (100).
【０００６】なお、実際のＰＺＴ薄膜は、ＰｂＴｉＯ３
とＰｂＺｒＯ３とが厳密に５０％ずつである組成のとき
に、各々の場合の特性を示す境界が存在するものではな
く、例えばＰｂＴｉＯ３がＰｂＺｒＯ３と比較して、あ
る程度多い組成である場合に、Ｔｉリッチに特有の特性
を示す。The actual PZT thin film is PbTiO 3
And when the PbZrO 3 is exactly the composition is 50% each, and not the boundary indicating the characteristics of each case is present, for example, PbTiO 3 is compared with PbZrO 3, when a composition somewhat more , Ti rich characteristic.
【０００７】したがって、自発分極以外の各種特性や製
造時の条件などにより、Ｔｉリッチの組成を有するＰＺ
Ｔ薄膜を用いて圧電素子を構成する場合には、このＰＺ
Ｔ薄膜を（１１１）に優先配向させることが望ましい。Therefore, due to various characteristics other than spontaneous polarization and conditions during manufacturing, PZ having a Ti-rich composition
When a piezoelectric element is formed using a T thin film, this PZ
It is desirable to preferentially orient the T thin film to (111).
【０００８】しかしながら、従来から広く用いられてい
る手法により圧電素子を作製すると、同一条件でＰＺＴ
薄膜を成膜した場合であっても、このＰＺＴ薄膜を安定
して（１１１）方位に優先配向させることが困難であっ
た。このため、従来の圧電素子は、誘電率や圧電定数に
ばらつきが生じ、所望とする圧電変位量を確実に得るこ
とが困難であった。したがって、例えば共振子、フィル
タ或いはアクチュエータなどの駆動源として用いられた
ときに、その特性及び効率が大きくばらついてしまうと
いった問題があった。However, when a piezoelectric element is manufactured by a method which has been widely used from the past, PZT is produced under the same conditions.
Even when a thin film was formed, it was difficult to stably orient this PZT thin film preferentially in the (111) direction. Therefore, in the conventional piezoelectric element, the dielectric constant and the piezoelectric constant vary, and it is difficult to reliably obtain a desired piezoelectric displacement amount. Therefore, when it is used as a driving source for a resonator, a filter, an actuator, or the like, there is a problem in that its characteristics and efficiency vary greatly.
【０００９】そこで、本発明は、上述した従来の実情に
鑑みてなされたものであり、大きな圧電変位量を確実に
且つ簡便に得ることが可能な圧電素子を提供することを
目的とする。Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric element capable of reliably and easily obtaining a large piezoelectric displacement amount.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した目
的を達成するために鋭意検討した結果、ＰＺＴ薄膜の下
層側に形成されるＰｔ膜に注目し、このＰｔ膜の結晶配
向方位を（１１１）に優先配向させることによって、大
きな圧電変位量を示すＴｉリッチのＰＺＴ薄膜を安定し
て確実に得ることができるという知見を得るに至った。As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventor has focused on the Pt film formed on the lower layer side of the PZT thin film, and has determined the crystal orientation of this Pt film. It has been found that a Ti-rich PZT thin film exhibiting a large amount of piezoelectric displacement can be stably and reliably obtained by preferentially orienting to (111).
【００１１】すなわち、本発明に係る圧電素子は、基板
上に、（１１１）方位に優先配向されたＰｔ膜と、ＰＺ
Ｔ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜とが順次積層されてな
る圧電素子であり、上記Ｐｔ膜は、Ｘ線回折におけるロ
ッキングカーブの半値幅が５°以内に設定されているこ
とを特徴とするものである。That is, the piezoelectric element according to the present invention comprises a Pt film preferentially oriented in the (111) direction and a PZ film on a substrate.
A piezoelectric element formed by sequentially stacking T (lead zirconate titanate) thin films, wherein the Pt film has a rocking curve half-width in X-ray diffraction set within 5 °. Is.
【００１２】以上のように構成された本発明に係る圧電
素子は、ＰＺＴ薄膜に接するＰｔ膜の結晶配向方位が
（１１１）方位に十分に優先配向されていることから、
ＰＺＴ薄膜の結晶配向方位も確実に（１１１）方位に優
先配向されることとなる。In the piezoelectric element according to the present invention configured as described above, since the crystal orientation of the Pt film in contact with the PZT thin film is sufficiently preferentially oriented to the (111) orientation,
The crystal orientation of the PZT thin film is surely preferentially oriented to the (111) orientation.
【００１３】また、本発明に係る圧電素子においては、
上記基板と上記Ｐｔ膜との間に形成されたＴｉ膜を備
え、当該Ｔｉ膜の膜厚が２０ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以
下とされていることが望ましい。圧電素子においては、
基板とＰｔ膜と間にＴｉ膜を備えることによって、Ｐｔ
膜の基板に対する付着力を向上させることができるが、
このＴｉ膜の膜厚が２０ｎｍ未満であると、この効果が
不十分となり、Ｐｔ膜が基板から剥離しやすくなってし
まう。また、Ｔｉ膜は、（１１１）方位に配向しておく
ことによって、Ｐｔ膜の（１１１）方位への配向を容易
とすることができるが、その膜厚が１００ｎｍを超える
と表面粗さが増大してしまうことから、第１のＰｔ膜１
３における（１１１）方位への配向度が大きくなってし
まい、この第１のＰｔ膜１３のＸ線回折におけるロッキ
ングカーブの半値幅を５°以内にして形成することが困
難となってしまう。Further, in the piezoelectric element according to the present invention,
It is preferable that the Ti film is formed between the substrate and the Pt film, and the thickness of the Ti film is 20 nm or more and 100 nm or less. In the piezoelectric element,
By providing a Ti film between the substrate and the Pt film,
The adhesion of the film to the substrate can be improved,
If the film thickness of the Ti film is less than 20 nm, this effect becomes insufficient and the Pt film easily peels off from the substrate. Further, by orienting the Ti film in the (111) orientation, it is possible to easily orient the Pt film in the (111) orientation, but if the film thickness exceeds 100 nm, the surface roughness increases. Therefore, the first Pt film 1
The degree of orientation in the (111) direction in 3 becomes large, and it becomes difficult to form the first Pt film 13 with the half-width of the rocking curve in X-ray diffraction within 5 °.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、本
発明を適用した一構成例として、図１に示すような積層
構造を有する圧電素子１０を挙げて説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, as an example of the configuration to which the present invention is applied, a piezoelectric element 10 having a laminated structure as shown in FIG. 1 will be described.
【００１５】圧電素子１０は、図１に示すように、例え
ばシリコン単結晶からなる基板１１上に、Ｔｉ膜１２と
第１のＰｔ膜１３とが順次積層されてなる下地膜１４
と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜１５と、第２
のＰｔ膜１６とが順次積層された構造とされている。As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 10 has a base film 14 formed by sequentially laminating a Ti film 12 and a first Pt film 13 on a substrate 11 made of, for example, silicon single crystal.
And a PZT (lead zirconate titanate) thin film 15 and a second
Pt film 16 is sequentially laminated.
【００１６】なお、基板１１は、他の各膜が形成される
側の主面に、極く薄いシリコン酸化膜が形成されている
ことが望ましい。これにより、基板１１を形成するＳｉ
原子とＴｉ膜１２を構成するＴｉ原子とが拡散して、各
々の膜特性が変質してしまうことを防止することができ
る。It is desirable that the substrate 11 has an extremely thin silicon oxide film formed on the main surface on the side where the other films are formed. As a result, Si forming the substrate 11
It is possible to prevent the atoms and the Ti atoms forming the Ti film 12 from diffusing and altering the film characteristics of each.
【００１７】また、Ｔｉ膜１２は、第１のＰｔ膜１３の
基板１１に対する付着力を向上させる目的で形成されて
いる。このＴｉ膜１２の膜厚は、２０ｎｍ以上且つ１０
０ｎｍ以下とされていることが望ましい。Ｔｉ膜１２の
膜厚が２０ｎｍ未満であると、第１のＰｔ膜１３の付着
力を向上させる効果が不十分となり、第１のＰｔ膜１３
が基板１１から剥離しやすくなってしまう。また、Ｔｉ
膜１２は、（１１１）方位に配向しておくことによって
第１のＰｔ膜１３の（１１１）方位への配向を容易とす
ることができるが、その膜厚が１００ｎｍを超えると表
面粗さが増大してしまうことから、第１のＰｔ膜１３に
おける（１１１）方位への配向度が大きくなってしま
い、この第１のＰｔ膜１３のＸ線回折におけるロッキン
グカーブの半値幅を５°以内にして形成することが困難
となってしまう。Further, the Ti film 12 is formed for the purpose of improving the adhesion of the first Pt film 13 to the substrate 11. The thickness of the Ti film 12 is 20 nm or more and 10
It is preferably set to 0 nm or less. When the thickness of the Ti film 12 is less than 20 nm, the effect of improving the adhesive force of the first Pt film 13 becomes insufficient, and the first Pt film 13
Are easily separated from the substrate 11. Also, Ti
The film 12 can facilitate the orientation of the first Pt film 13 in the (111) direction by orienting it in the (111) direction. However, when the film thickness exceeds 100 nm, the surface roughness is Since it increases, the degree of orientation in the (111) direction in the first Pt film 13 becomes large, and the half-width of the rocking curve in X-ray diffraction of the first Pt film 13 is set within 5 °. It becomes difficult to form it.
【００１８】圧電素子１０においては、ＰＺＴ薄膜１５
が第１のＰｔ膜１３と第２のＰｔ膜１６とに挟持された
構造とされており、これら第１のＰｔ膜１３及び第２の
Ｐｔ膜がそれぞれＰＺＴ薄膜１５に対する下部電極と上
部電極としての機能を有している。また、ＰＺＴ薄膜１
５は、印加される電圧に応じて物理的に伸縮する効果、
いわゆる圧電効果を有しており、第１のＰｔ膜１３及び
第２のＰｔ膜１６によって膜厚方向に電圧が印加される
ことにより、電圧値に応じた物理的な変位が膜厚方向に
生じる。In the piezoelectric element 10, the PZT thin film 15
Is sandwiched between the first Pt film 13 and the second Pt film 16, and the first Pt film 13 and the second Pt film respectively serve as a lower electrode and an upper electrode for the PZT thin film 15. It has the function of. In addition, PZT thin film 1
5 is the effect of physically expanding and contracting according to the applied voltage,
It has a so-called piezoelectric effect, and when a voltage is applied in the film thickness direction by the first Pt film 13 and the second Pt film 16, a physical displacement according to the voltage value occurs in the film thickness direction. .
【００１９】また、本実施の形態において、ＰＺＴ薄膜
１５は、Ｔｉリッチ（ＰｂＴｉＯ３リッチ）の組成で形
成されているとともに、その結晶配向方位が（１１１）
に優先配向されている。一般に、ＰＺＴ薄膜は、Ｔｉリ
ッチの組成で形成されている場合に、（１１１）方位に
優先配向されていることによって高い自発分極を示す。
したがって、本例に係るＰＺＴ薄膜１５は、印加する電
圧の変化量に対する物理的な変位量、すなわち圧電変位
量が大きなものとなる。Further, in the present embodiment, the PZT thin film 15 is formed of a Ti-rich (PbTiO 3 rich) composition, and its crystal orientation is (111).
Preferred orientation. In general, a PZT thin film, when formed with a Ti-rich composition, exhibits high spontaneous polarization due to preferential orientation in the (111) direction.
Therefore, the PZT thin film 15 according to this example has a large amount of physical displacement with respect to the amount of change in the applied voltage, that is, the amount of piezoelectric displacement.
【００２０】また、第１のＰｔ膜１３は、その結晶配向
方位が（１１１）方位に優先配向されているとともに、
Ｘ線回折におけるロッキングカーブの半値幅が５°以内
に設定されている。本例に係る圧電素子１０において
は、このようにして第１のＰｔ膜１３が（１１１）方位
に十分に揃って配向されていることから、この第１のＰ
ｔ膜１３に接するＰＺＴ薄膜１５の結晶配向方位も確実
に（１１１）方位に優先配向されたものとなる。したが
って、圧電素子１０においては、ＴｉリッチのＰＺＴ薄
膜１５における圧電変位量を十分に且つ確実に得ること
ができる。The crystal orientation of the first Pt film 13 is preferentially oriented to the (111) orientation, and
The full width at half maximum of the rocking curve in X-ray diffraction is set within 5 °. In the piezoelectric element 10 according to the present example, since the first Pt film 13 is sufficiently aligned in the (111) direction in this manner, the first P
The crystal orientation of the PZT thin film 15 in contact with the t film 13 is surely also preferentially oriented to the (111) orientation. Therefore, in the piezoelectric element 10, the piezoelectric displacement amount in the Ti-rich PZT thin film 15 can be sufficiently and surely obtained.
【００２１】つぎに、以上のように構成された圧電素子
１０における特性を検証するために、上述した圧電素子
１０の構成に基づいたサンプル素子を実際に作製した場
合の実験例について説明する。Next, in order to verify the characteristics of the piezoelectric element 10 configured as described above, an experimental example in the case where a sample element based on the configuration of the piezoelectric element 10 described above is actually manufactured will be described.
【００２２】圧電素子１０の構成に基づくサンプル素子
を作製するに際して、先ず、シリコン単結晶からなる直
径４インチの基板１１を用意し、この基板１１を有機溶
剤及び純水で洗浄した。また、この基板１１の主面に
は、ＳｉＯ２熱酸化膜を３００ｎｍ程度の膜厚で形成し
た。When manufacturing a sample element based on the structure of the piezoelectric element 10, first, a substrate 11 made of silicon single crystal and having a diameter of 4 inches was prepared, and this substrate 11 was washed with an organic solvent and pure water. A SiO 2 thermal oxide film was formed on the main surface of the substrate 11 to have a film thickness of about 300 nm.
【００２３】次に、図２に示すように、基板１１の主面
上に、Ｔｉ膜１２を成膜した。このＴｉ膜１２を成膜す
るに際しては、マグネトロンスパッタ装置を用いて、Ｒ
Ｆ出力を１．２ｋＷとし、成膜室内部の圧力をＡｒガス
により０．３Ｐａとして成膜した。このとき、図３に示
すように、Ｔｉ膜１２の膜厚を変えて第１乃至第７のサ
ンプル素子を作製した。Next, as shown in FIG. 2, a Ti film 12 was formed on the main surface of the substrate 11. When depositing the Ti film 12, a magnetron sputtering device is used to perform R
The F output was set to 1.2 kW, and the pressure inside the film formation chamber was set to 0.3 Pa using Ar gas. At this time, as shown in FIG. 3, the film thickness of the Ti film 12 was changed and the 1st thru | or 7th sample element was produced.
【００２４】次に、図４に示すように、各サンプル素子
のＴｉ膜１２上に１００ｎｍの膜厚でそれぞれ第１のＰ
ｔ膜１３を成膜した。これにより、Ｔｉ膜１２と第１の
Ｐｔ膜１３とが積層されてなる下地膜１４が完成する。Next, as shown in FIG. 4, a first P layer having a film thickness of 100 nm is formed on the Ti film 12 of each sample element.
The t film 13 was formed. As a result, the base film 14 formed by stacking the Ti film 12 and the first Pt film 13 is completed.
【００２５】この第１のＰｔ膜１３を成膜するに際して
は、マグネトロンスパッタ装置を用いて、ＲＦ出力を
０．３ｋＷとし、成膜室内部の圧力をＡｒガスにより
０．３Ｐａとして成膜した。このとき、大気中の酸素な
どが反応することによりＴｉ膜１２の表面に酸化層が形
成されてしまうことを防止するために、基板１１をスパ
ッタ装置の成膜室内から出さずに、上述したＴｉ膜１２
の成膜と第１のＰｔ膜１３の成膜とを連続して行うこと
が望ましい。When forming the first Pt film 13, a magnetron sputtering apparatus was used to form an RF output of 0.3 kW and a pressure inside the film forming chamber was set to 0.3 Pa by Ar gas. At this time, in order to prevent an oxide layer from being formed on the surface of the Ti film 12 due to the reaction of oxygen in the atmosphere, the substrate 11 is not taken out of the deposition chamber of the sputtering apparatus, and the above-mentioned Ti is removed. Membrane 12
It is desirable to continuously perform the film formation of and the first Pt film 13.
【００２６】次に、図５に示すように、各サンプル素子
の第１のＰｔ膜１３上に５００ｎｍの膜厚でＰＺＴ薄膜
１５をそれぞれ成膜した。このとき、例えば、Ｐｂ（Ｚ
ｒ０ ．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３−ｘなる組成を有するタ
ーゲット材を配設したマグネトロンスパッタ装置を用い
て、ＲＦ出力を０．３ｋＷとし、Ａｒガスと酸素との混
合比を１：９とした混合雰囲気中で圧力０．４Ｐａの条
件の下で成膜した。Next, as shown in FIG. 5, a PZT thin film 15 having a film thickness of 500 nm was formed on the first Pt film 13 of each sample element. At this time, for example, Pb (Z
r 0 . 52 Ti 0.48 ) O 3−x using a magnetron sputtering apparatus provided with a target material having a composition of RF power of 0.3 kW and a mixing ratio of Ar gas and oxygen of 1: 9. A film was formed in an atmosphere under a pressure of 0.4 Pa.
【００２７】次に、以上のようにして成膜した各サンプ
ル素子のＰＺＴ薄膜１５に対して、赤外線加熱炉を用い
て、酸素ガスを導入しながら結晶化熱処理を施した。こ
の結晶化熱処理においては、加熱温度を７００℃とし、
加熱時間を１０分間とした。Next, the PZT thin film 15 of each sample element formed as described above was subjected to crystallization heat treatment using an infrared heating furnace while introducing oxygen gas. In this crystallization heat treatment, the heating temperature is 700 ° C.,
The heating time was 10 minutes.
【００２８】以上のようにして作製した第１乃至第７の
サンプル素子の各々について、Ｘ線ディフラクトメータ
により２θスキャンでＸ線回折を行った。このときに得
られたＸ線ピークプロファイルを図６に示す。なお、第
１乃至第７のサンプル素子の全てについて図示するとグ
ラフが煩雑になるため、図６においては、第５及び第６
のサンプル素子について得られたＸ線ピークプロファイ
ルの図示を省略する。Each of the first to seventh sample elements manufactured as described above was subjected to X-ray diffraction with a 2θ scan using an X-ray diffractometer. The X-ray peak profile obtained at this time is shown in FIG. Note that the graph becomes complicated when all of the first to seventh sample elements are illustrated. Therefore, in FIG.
The illustration of the X-ray peak profile obtained for the sample element of 1 is omitted.
【００２９】また、この図６中において、矢印Ａ、矢印
Ｂ、及び矢印Ｃで示す位置に表れているピークは、それ
ぞれＰＺＴ薄膜１５における（１００）配向、（１１
０）配向、（１１１）配向によるものである。また、図
６中において矢印Ｄで示す位置に表れているピークは、
基板１１を構成するＳｉの（２００）配向によるもので
ある。また、図６中において矢印Ｅで示す位置に表れて
いるピークは、第１のＰｔ膜１３における（１１１）配
向によるものである。In FIG. 6, the peaks appearing at the positions indicated by arrows A, B, and C are the (100) orientation and (11) in the PZT thin film 15, respectively.
This is due to the 0) orientation and the (111) orientation. In addition, the peak appearing at the position indicated by arrow D in FIG.
This is due to the (200) orientation of Si that constitutes the substrate 11. The peak appearing at the position indicated by arrow E in FIG. 6 is due to the (111) orientation in the first Pt film 13.
【００３０】つぎに、第１乃至第７のサンプル素子の各
々について、図６中に表れている第１のＰｔ膜１３にお
ける（１１１）ピーク近傍でθスキャンによりＸ線回折
を行い、この第１のＰｔ膜１３について（１１１）ピー
クのロッキングカーブを測定した。この測定結果を図７
に示す。なお、第１乃至第７のサンプル素子の全てにつ
いて図示するとグラフが煩雑になるため、図７において
は、第５及び第６のサンプル素子について得られたロッ
キングカーブの図示を省略する。Next, for each of the first to seventh sample elements, X-ray diffraction was performed by θ scanning near the (111) peak in the first Pt film 13 shown in FIG. The rocking curve of the (111) peak was measured for the Pt film 13 of. This measurement result is shown in FIG.
Shown in. Since the graph becomes complicated when all the first to seventh sample elements are illustrated, the rocking curves obtained for the fifth and sixth sample elements are not shown in FIG. 7.
【００３１】そして、以上のようにして得られた第１の
Ｐｔ膜１３の（１１１）ピークにおけるロッキングカー
ブの半値幅を第１乃至第７のサンプル素子について測定
した。この測定結果を図３に併せて示す。Then, the full width at half maximum of the rocking curve at the (111) peak of the first Pt film 13 thus obtained was measured for the first to seventh sample devices. The measurement results are also shown in FIG.
【００３２】また、ＰＺＴ薄膜１５の（１１１）配向度
を図６から測定した。この測定結果を図３に併せて示
す。なお、この（１１１）配向度とは、図６に示すＸ線
ピークプロファイルから読み取った（１００）ピーク
値、（１１０）ピーク値、及び（１１１）ピーク値をそ
れぞれＥ１００、Ｅ１１０、Ｅ１１１としたときに、Ｅ
１ １１／（Ｅ１００＋Ｅ１１０＋Ｅ１１１）なる計算式
により算出された割合のことをいう。The degree of (111) orientation of the PZT thin film 15 was measured from FIG. The measurement results are also shown in FIG. The degree of (111) orientation means the (100) peak value, the (110) peak value, and the (111) peak value read from the X-ray peak profile shown in FIG. 6, respectively, as E 100 , E 110 , and E 111. And then E
It means the ratio calculated by the calculation formula 1 11 / (E 100 + E 110 + E 111 ).
【００３３】ここで、図３に示す結果から、Ｔｉリッチ
のＰＺＴ薄膜１５における（１１１）配向度が９０％以
上程度に十分に得るためには、第１のＰｔ膜１３の（１
１１）ピークにおけるロッキングカーブの半値幅を５°
以内に設定することが有効であることが明らかである。
このロッキングカーブの半値幅が５°を僅かに超えた
５．１°である第４のサンプル素子は、ＰＺＴ薄膜１５
の（１１１）配向度が６９％と著しく劣化している。し
たがって、圧電素子１０においては、第１のＰｔ膜１３
の（１１１）ピークにおけるロッキングカーブの半値幅
を５°以内とすることによって、ＴｉリッチのＰＺＴ薄
膜１５の（１１１）配向度を十分に且つ確実に得ること
ができる。From the results shown in FIG. 3, in order to obtain a sufficient (111) degree of orientation in the Ti-rich PZT thin film 15 of about 90% or more, (1) of the first Pt film 13 should be obtained.
11) Half-width of rocking curve at peak is 5 °
It is clear that setting within the range is effective.
The fourth sample element whose full width at half maximum of this rocking curve is 5.1 °, which is slightly more than 5 °, is the PZT thin film 15
The degree of (111) orientation of No. 1 is significantly deteriorated to 69%. Therefore, in the piezoelectric element 10, the first Pt film 13
By setting the full width at half maximum of the rocking curve at the (111) peak of within 5 °, the degree of (111) orientation of the Ti-rich PZT thin film 15 can be sufficiently and reliably obtained.
【００３４】圧電素子１０においては、上述のように、
第１のＰｔ膜１３における結晶配向方位が適切に選択さ
れていることにより、Ｔｉリッチの組成で形成されたＰ
ＺＴ薄膜１５の結晶配向方位を（１１１）方位に十分に
揃えることができる。したがって、このＰＺＴ薄膜１５
に生じる自発分極を十分に向上させることができ、ひい
ては大きな圧電変位量を得ることが可能である。したが
って、圧電素子１０は、例えば共振子、フィルタ或いは
アクチュエータなどのような各種素子における駆動源と
して用いた場合に、これら各種素子の特性及び効率を向
上させることができる。In the piezoelectric element 10, as described above,
Since the crystal orientation in the first Pt film 13 is appropriately selected, P formed with a Ti-rich composition is formed.
The crystal orientation of the ZT thin film 15 can be sufficiently aligned with the (111) orientation. Therefore, this PZT thin film 15
It is possible to sufficiently improve the spontaneous polarization that occurs in 1) and to obtain a large piezoelectric displacement amount. Therefore, when the piezoelectric element 10 is used as a drive source in various elements such as a resonator, a filter, or an actuator, the characteristics and efficiency of these various elements can be improved.
【００３５】なお、上述した半値幅は、第１のＰｔ膜１
３における（１１１）配向度を向上させるに伴って減少
する。このため、半値幅の下限値は、特に限定されるも
のではなく、理論的には第１のＰｔ膜１３における（１
１１）配向度を１００％とするに伴って「０」に近づ
く。ただし、実際には第１のＰｔ膜１３の（１１１）配
向度を完全に１００％とすることは不可能であること
や、また測定器であるＸ線ディフラクトメータの分解能
に制限があることなどによって、半値幅の下限値は決定
される。The above-described half width is the same as the first Pt film 1
It decreases as the degree of (111) orientation in 3 is improved. Therefore, the lower limit of the full width at half maximum is not particularly limited, and theoretically (1
11) It approaches “0” as the degree of orientation becomes 100%. However, in reality, it is impossible to completely set the (111) orientation degree of the first Pt film 13 to 100%, and the resolution of the X-ray diffractometer, which is a measuring instrument, is limited. The lower limit of the full width at half maximum is determined by the above.
【００３６】また、圧電素子１０は、第１のＰｔ膜１３
の結晶配向方位を制御することによってＰＺＴ薄膜１５
の（１１１）配向度を制御することができることから、
ＰＺＴ薄膜１５を成膜したときに生じる特性のばらつき
を抑制することができ、高性能な圧電素子１０を歩留ま
り良く作製することができる。Further, the piezoelectric element 10 has the first Pt film 13
PZT thin film 15 by controlling the crystal orientation of
Since it is possible to control the (111) orientation degree of
It is possible to suppress variations in characteristics that occur when the PZT thin film 15 is formed, and it is possible to manufacture the high-performance piezoelectric element 10 with a high yield.
【００３７】なお、第１のＰｔ膜１３の結晶配向方位を
制御するに際しては、図３から明らかであるように、Ｔ
ｉ膜１２の膜厚を制御することにより実現することが可
能である。このＴｉ膜１２は、本来、第１のＰｔ膜１３
の基板１１に対する付着力を向上させる目的で形成され
ているが、その膜厚を変化させることによって第１のＰ
ｔ膜１３における結晶配向方位も変化することが、図３
から明らかである。When controlling the crystal orientation of the first Pt film 13, as is clear from FIG.
It can be realized by controlling the film thickness of the i film 12. This Ti film 12 is originally the first Pt film 13
Is formed for the purpose of improving the adhesion of the first P to the substrate 11, but the first P
The fact that the crystal orientation in the t film 13 also changes is shown in FIG.
Is clear from.
【００３８】すなわち、Ｔｉ膜１２の膜厚を１００ｎｍ
以下とすることによって、第１のＰｔ膜１３の（１１
１）ピークにおける半値幅を丁度５．０°以内とするこ
とができる。また、Ｔｉ膜１２の膜厚は、２０ｎｍ以上
で形成されていることが望ましい。Ｔｉ膜１２を２０ｎ
ｍ未満の膜厚で成膜すると、第１のＰｔ膜１３の基板１
１に対する付着力を向上させる効果が不十分となり、第
１のＰｔ膜１３が基板１１から剥離しやすくなってしま
う。That is, the thickness of the Ti film 12 is 100 nm.
By the following, (11 of the first Pt film 13
1) The full width at half maximum at the peak can be exactly within 5.0 °. Further, the Ti film 12 is preferably formed to have a thickness of 20 nm or more. Ti film 12 20n
If the film is formed with a film thickness of less than m, the substrate 1 of the first Pt film 13
The effect of improving the adhesive force with respect to 1 becomes insufficient, and the first Pt film 13 is likely to be peeled from the substrate 11.
【００３９】なお、上述の説明においては、Ｔｉ膜１２
の膜厚を制御することによって第１のＰｔ膜１３の結晶
配向方位を制御するとしたが、第１のＰｔ膜１３の（１
１１）ピークにおける半値幅を５°以内とするに際して
は、Ｔｉ膜の膜厚を制御する手法を採用することに限定
されるものではなく、他の手法を用いてもよい。In the above description, the Ti film 12 is used.
Although the crystal orientation direction of the first Pt film 13 is controlled by controlling the film thickness of the first Pt film 13,
11) The method of controlling the film thickness of the Ti film is not limited to the method of setting the half width at the peak within 5 °, and another method may be used.
【００４０】[0040]
【発明の効果】本発明に係る圧電素子は、ＰＺＴ薄膜に
接するＰｔ膜の結晶配向方位が（１１１）方位に十分に
優先配向されていることから、ＰＺＴ薄膜の結晶配向方
位も確実に（１１１）方位に優先配向されることとな
る。したがって、大きな圧電変位量を示すＴｉリッチの
ＰＺＴ薄膜を安定して確実に得ることができ、特性や効
率のばらつきが十分に抑制された高性能な圧電素子を実
現することができる。また、このような圧電素子を、例
えば共振子、フィルタ或いはアクチュエータなど各種素
子における駆動源として用いることにより、これら各種
素子の特性及び効率を向上させることができる。In the piezoelectric element according to the present invention, the crystal orientation of the Pt film in contact with the PZT thin film is sufficiently preferentially oriented to the (111) orientation. Therefore, the crystal orientation of the PZT thin film is surely (111). ) The orientation will be preferentially oriented. Therefore, a Ti-rich PZT thin film exhibiting a large amount of piezoelectric displacement can be stably and reliably obtained, and a high-performance piezoelectric element in which variations in characteristics and efficiency are sufficiently suppressed can be realized. Further, by using such a piezoelectric element as a driving source for various elements such as a resonator, a filter or an actuator, the characteristics and efficiency of these various elements can be improved.
【図１】本発明を適用した一構成例として示す圧電素子
の積層構造を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of a piezoelectric element shown as one configuration example to which the present invention is applied.
【図２】同圧電素子の構造に基づくサンプル素子を複数
作製する場合について説明する図であり、基板上にＴｉ
膜を成膜した状態を示す概略断面図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a case where a plurality of sample elements based on the structure of the same piezoelectric element are manufactured, and Ti on a substrate
It is a schematic sectional drawing which shows the state which formed the film into a film.
【図３】同サンプル素子のそれぞれに成膜するＴｉ膜の
膜厚と、第１のＰｔ膜の（１１１）ピークにおけるロッ
キングカーブの半値幅、及びＰＺＴ薄膜の（１１１）配
向度との関係を示す模式図である。FIG. 3 shows the relationship between the film thickness of the Ti film formed on each of the sample devices, the half-width of the rocking curve at the (111) peak of the first Pt film, and the (111) orientation degree of the PZT thin film. It is a schematic diagram which shows.
【図４】同サンプル素子を作製する場合について説明す
る図であり、Ｔｉ膜上に第１のＰｔ膜を成膜した状態を
示す概略断面図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the case of manufacturing the same sample device, and is a schematic cross-sectional view showing a state in which a first Pt film is formed on a Ti film.
【図５】同サンプル素子を作製する場合について説明す
る図であり、第１のＰｔ膜上にＰＺＴ薄膜を成膜した状
態を示す概略断面図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the case of manufacturing the same sample device, and is a schematic cross-sectional view showing a state in which a PZT thin film is formed on the first Pt film.
【図６】同サンプル素子のそれぞれについて、Ｘ線ディ
フラクトメータにより２θスキャンでＸ線回折を行った
ときに得られたＸ線ピークプロファイルを示すグラフで
ある。FIG. 6 is a graph showing an X-ray peak profile obtained when performing X-ray diffraction with a 2θ scan by an X-ray diffractometer for each of the sample devices.
【図７】同サンプル素子のそれぞれにおける第１のＰｔ
膜について（１１１）ピークのロッキングカーブを測定
した結果を示すグラフである。FIG. 7 shows a first Pt in each of the sample devices.
It is a graph which shows the result of having measured the rocking curve of the (111) peak about a film.
１０ 圧電素子、１１ 基板、１２ Ｔｉ膜、１３ 第
１のＰｔ膜、１４ 下地膜、１５ ＰＺＴ薄膜、１６
第２のＰｔ膜10 piezoelectric element, 11 substrate, 12 Ti film, 13 first Pt film, 14 base film, 15 PZT thin film, 16
Second Pt film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 順一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Junichi Honda 6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni -Inside the corporation
Claims (2)
れたＰｔ膜と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜と
が順次積層されてなる圧電素子において、 上記Ｐｔ膜は、Ｘ線回折におけるロッキングカーブの半
値幅が５°以内に設定されていることを特徴とする圧電
素子。1. A piezoelectric element comprising a substrate, on which a Pt film preferentially oriented in the (111) orientation and a PZT (lead zirconate titanate) thin film are sequentially laminated, wherein the Pt film is an X-ray diffraction pattern. 2. The piezoelectric element, wherein the half-width of the rocking curve in is set within 5 °.
たＴｉ膜を備え、 上記Ｔｉ膜の膜厚は、２０ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下
とされていることを特徴とする請求項１記載の圧電素
子。2. A Ti film formed between the substrate and the Pt film, wherein the Ti film has a thickness of 20 nm or more and 100 nm or less. Piezoelectric element.
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