JP2007242788A - Piezoelectric thin film element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電薄膜素子に係り、特に基板上に形成される圧電薄膜素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film element, and more particularly to a piezoelectric thin film element formed on a substrate.
電気信号が与えられると機械的動作を行うアクチュエータとして、上部電極と下部電極との間に圧電体が設けられている圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、例えば、インクジェット式記録装置ヘッド用のアクチュエータ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）位置制御用アクチュエータ、圧電ブザー等に幅広く利用されている。圧電体としては、その圧電定数の高さから、主にチタン酸ジルコン酸鉛（以降、ＰＺＴと記載する）が用いられている。一般に、圧電素子は、熱処理により得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一対の電極を形成することで作製されている。 A piezoelectric actuator in which a piezoelectric body is provided between an upper electrode and a lower electrode is known as an actuator that performs a mechanical operation when an electrical signal is applied. Piezoelectric actuators are widely used, for example, as actuators for ink jet recording apparatus heads, HDD (hard disk drive) position control actuators, piezoelectric buzzers, and the like. As the piezoelectric body, lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) is mainly used because of its high piezoelectric constant. In general, a piezoelectric element is manufactured by forming a pair of electrodes on the opposing surfaces of the obtained piezoelectric body after the sintered body obtained by heat treatment is processed into various shapes by processes such as cutting and polishing. Has been.
近年、低電圧で大きな変位が得られる圧電アクチュエータや小型の圧電アクチュエータが望まれており、そのためには圧電体の薄膜化が必要であると言われている。これまでのように圧電セラミックスを切削などの機械的な方法により加工した場合、素子の小型化において限界があり、その形状も限られたものになる。もし、圧電薄膜を保持基板上に直接形成できれば、小型化および任意の形状に加工することが可能になる。このような背景のもと、圧電薄膜に関する研究が多数行われている。近年、この分野の研究が急速に進み、バルク焼結体と同等の高い圧電定数を有する圧電薄膜が得られるようになってきている。 In recent years, piezoelectric actuators that can obtain large displacements at low voltages and small piezoelectric actuators have been desired, and for that purpose, it is said that thinning of a piezoelectric body is necessary. When a piezoelectric ceramic is processed by a mechanical method such as cutting as before, there is a limit in miniaturization of the element, and the shape thereof is also limited. If the piezoelectric thin film can be directly formed on the holding substrate, it becomes possible to reduce the size and process it into an arbitrary shape. With this background, many studies on piezoelectric thin films have been conducted. In recent years, research in this field has progressed rapidly, and a piezoelectric thin film having a high piezoelectric constant equivalent to that of a bulk sintered body has been obtained.
安価な圧電薄膜素子を形成するには、保持基板に安価な基板を用いる必要があり、半導体素子等で広く用いられているＳｉ単結晶基板（以下、Ｓｉ基板と略す）を用いることが広く試みられている（例えば、非特許文献１参照）。圧電薄膜素子は基板上に下部金属膜を形成し、その上部に圧電薄膜、さらにその上部に上部金属膜を形成することで構成される。 In order to form an inexpensive piezoelectric thin film element, it is necessary to use an inexpensive substrate as the holding substrate, and it is widely attempted to use a Si single crystal substrate (hereinafter abbreviated as Si substrate) widely used in semiconductor elements and the like. (See, for example, Non-Patent Document 1). The piezoelectric thin film element is formed by forming a lower metal film on a substrate, forming a piezoelectric thin film on the upper part, and forming an upper metal film on the upper part.
ペロブスカイト型酸化物であるＰＺＴに代表される圧電薄膜は、一般にスパッタ法やゾルゲル法で形成する方法が試みられているが、これらの方法で形成する圧電薄膜は下部金属膜に圧電薄膜と格子定数が近い白金（Ｐｔ）を用いることで、所望の結晶構造、ＰＺＴの場合はペロブスカイト型結晶構造を持つ圧電薄膜を形成することが可能となる。 Piezoelectric thin films typified by PZT, which is a perovskite oxide, are generally attempted to be formed by sputtering or sol-gel methods. Piezoelectric thin films formed by these methods have a piezoelectric thin film and a lattice constant on the lower metal film. By using platinum (Pt) having a close proximity, it is possible to form a piezoelectric thin film having a desired crystal structure, in the case of PZT, having a perovskite crystal structure.
下部金属膜として用いられるＰｔ膜は、基板上に順に形成したＳｉＯ2膜、Ｔｉ膜の上部に形成する。ＳｉＯ2膜は、ＰＺＴ膜製膜中の熱でＳｉ基板とＰｔが反応することを防止する反応抑止層として形成し、Ｔｉ膜はＳｉＯ2膜とＰｔ膜との密着性を向上させる為に形成する。
Ｔｉ膜の膜厚は２０ｎｍ程度が一般的である。Ｐｔ膜はスパッタ法で形成することが一般的であるが、スパッタ法で形成するＰｔ膜は（１１１）面方位に自主配向する性質を有する。従って、（１１１）面方位に自主配向した多結晶Ｐｔ膜上にＰＺＴ薄膜を形成することで、高い圧電特性を有するペロブスカイト型の結晶構造を作製することができる。
The thickness of the Ti film is generally about 20 nm. The Pt film is generally formed by a sputtering method, but the Pt film formed by the sputtering method has a property of being independently oriented in the (111) plane direction. Therefore, a perovskite crystal structure having high piezoelectric characteristics can be produced by forming a PZT thin film on a polycrystalline Pt film that is independently oriented in the (111) plane orientation.
しかしながら、上記のような安価なＳｉ基板上に作製する圧電薄膜を形成する際、（１１１）面方位に配向したＰｔ膜の結晶性は製膜時のわずかな条件の違いに影響を受ける。具体的には、製膜時のＴｉ膜表面の状態のわずかな条件の違いで（１１１）面方位に配向したＰｔ膜の結晶が全面に形成される場合と、（１１１）面方位に配向したＰｔ膜が一部にしか形成されず、大部分の領域で明瞭な結晶構造を持たないＰｔ膜が多く形成される場合とがある。後者の場合は、その上部にＰＺＴ薄膜を形成しようとすると、所望の結晶構造であるペロブスカイト構造を形成することができず、そのＰＺＴ薄膜は圧電性が非常に小さく、圧電薄膜としての機能を果たさない。 However, when forming a piezoelectric thin film to be fabricated on an inexpensive Si substrate as described above, the crystallinity of a Pt film oriented in the (111) plane orientation is affected by slight differences in conditions during film formation. Specifically, when a crystal of a Pt film oriented in the (111) plane orientation is formed on the entire surface due to a slight difference in the condition of the surface of the Ti film at the time of film formation, it is oriented in the (111) plane orientation. In some cases, the Pt film is formed only partially, and many Pt films having no clear crystal structure are formed in most regions. In the latter case, if a PZT thin film is formed on the upper part, a perovskite structure which is a desired crystal structure cannot be formed, and the PZT thin film has very small piezoelectricity and functions as a piezoelectric thin film. Absent.
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ圧電薄膜を安定して形成することが可能な圧電薄膜素子を提供するものである。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element that can stably form a piezoelectric thin film having a perovskite crystal structure by solving the above-mentioned problems of the prior art.
第１の発明は、基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、前記下部金属膜は、前記基板上に形成された島状の接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric thin film element having a structure in which a lower metal film, a piezoelectric thin film, and an upper metal film are laminated in this order on a substrate, wherein the lower metal film includes an island-shaped adhesive film formed on the substrate. A piezoelectric thin film element comprising a platinum film formed on the adhesive film.
第２の発明は、基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、前記下部金属膜は、前記基板上に形成されたピンホールを有する接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric thin film element having a structure in which a lower metal film, a piezoelectric thin film, and an upper metal film are sequentially laminated on a substrate, wherein the lower metal film is an adhesive film having a pinhole formed on the substrate. And a platinum film formed on the adhesive film.
第３の発明は、第１から第２の発明において、前記接着膜は、膜厚が２ｎｍ以下であることを特徴とした圧電薄膜素子である。 A third invention is the piezoelectric thin film element according to the first to second invention, wherein the adhesive film has a film thickness of 2 nm or less.
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記基板はシリコン基板であり、前記シリコン基板と、そのシリコン基板の上部に形成された前記下部金属膜との間にはシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とした圧電薄膜素子である。 According to a fourth invention, in the first to third inventions, the substrate is a silicon substrate, and a silicon oxide film is interposed between the silicon substrate and the lower metal film formed on the silicon substrate. The piezoelectric thin film element is characterized by being formed.
第５の発明は、第１ないし第４の発明において、前記接着膜はチタン、タンタル、またはこれらの酸化物のいずれかであることを特徴とした圧電薄膜素子である。 A fifth invention is the piezoelectric thin film element according to any one of the first to fourth inventions, wherein the adhesive film is made of titanium, tantalum, or an oxide thereof.
第６の発明は、第１ないし第５の発明において、前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）の中から選ばれた１つの材料からなる圧電薄膜、またはこれらのいずれかを主成分とした圧電薄膜であることを特徴とした圧電薄膜素子である。 According to a sixth invention, in the first to fifth inventions, the piezoelectric thin film comprises lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O). 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), magnesium niobium zirconate Piezoelectric thin film made of one material selected from lead (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ), or a piezoelectric thin film mainly composed of one of these materials It is a thin film element.
本発明によれば、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ圧電薄膜を安定して形成することができる。 According to the present invention, a piezoelectric thin film having a perovskite crystal structure can be stably formed.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the following embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to these.
図１に示すように、圧電薄膜素子は、ＳｉＯ2膜２付きのＳｉ基板１上に、下部金属膜７としてのＰｔ膜４、圧電薄膜５、上部金属膜６を順に積層した構造をしている。下部金属膜７としてのＰｔ膜４はＳｉＯ2膜２上に直接形成すると、（１１１）面方位に高く配向した結晶が形成されやすい。しかし、ＳｉＯ2膜２上に直接Ｐｔ膜４を形成すると密着性が悪く、圧電薄膜素子を作製するには適さない。そこで、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との間にＴｉ膜３を密着層として形成することが一般的に行われている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric thin film element has a structure in which a Pt film 4 as a lower metal film 7, a piezoelectric thin film 5, and an
本実施の形態の圧電薄膜素子は、このＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４の間のＴｉ膜３の膜厚を２ｎｍ以下と薄くして、ＳｉＯ2膜２上に形成するＴｉ膜３を島状構造とするか、もしくはＴｉ膜３をピンホールを有する構造とする。
In the piezoelectric thin film element of this embodiment, the thickness of the
本実施の形態によれば、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４の間の接着膜としてのＴｉ膜３を２ｎｍ以下として島状構造とすれば、島状に形成したＴｉ膜３の島間に露出したＳｉＯ2膜２から（１１１）面方位のＰｔ膜４の結晶を安定して成長させることができる。また、Ｔｉ膜３をピンホール構造とすれば、ピンホールを介してＰｔ膜４がＳｉＯ2膜２に接触している箇所が存在することになるので、当該箇所から（１１１）面方位のＰｔ膜４の結晶を安定して成長させることができる。
According to the present embodiment, if the Ti
また、Ｔｉ膜３を、ピンホール構造とするか島状構造とすることで、ＳｉＯ2膜２上に設けた接着膜としてのＴｉ膜３上にＰｔ膜４が形成されることになるので、ＳｉＯ2膜２上に直接Ｐｔ膜４を形成する場合に問題となる密着性についても解決できる。
In addition, since the Ti
したがって本実施の形態によれば、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との密着性を確保しつつ、ＳｉＯ2膜２から（１１１）面方位に高配向したＰｔ膜４の結晶を成長させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, while ensuring the adhesion between the SiO 2 film 2 and the Pt film 4, making it possible to grow high oriented the Pt film 4 crystal of SiO 2 film 2 (111) orientation it can.
また、上述したＰｔ膜４の上部に圧電薄膜としてのＰＺＴ薄膜５を形成すると、ペロブスカイト型結晶構造を持つＰＺＴ薄膜５を安定して形成することができる。このＰＺＴ薄膜５は圧電性が大きく、圧電薄膜としての機能を十分に果たすことができる。このＰＺＴ薄膜５に上部金属膜６を形成して圧電薄膜素子を作製する。上部金属膜６は、Ｐｔ膜、もしくはＰｔ膜と弾性体膜としてのＣｒ膜とを積層して形成し、その形成にはスパッタリング法を用いる。これにより、印加電圧に対して安定した圧電特性を有し、安価で高性能なＰＺＴ薄膜５を用いた圧電薄膜素子を安定して作製することができ、また、圧電薄膜素子の歩留まりが向上し、量産性にも優れる。
Further, when the PZT thin film 5 as a piezoelectric thin film is formed on the Pt film 4 described above, the PZT thin film 5 having a perovskite crystal structure can be stably formed. The PZT thin film 5 has a large piezoelectricity and can sufficiently function as a piezoelectric thin film. An
また、実施の形態では、ＳｉＯ2膜２付きのＳｉ基板１を、保持基板に用いているが、ＳｉＯ2膜２の付いていないＳｉ基板１を保持基板に用いてもよい。
In the embodiment, the
また、上述した実施の形態では、圧電薄膜及び接着膜にＰＺＴ及びＴｉを用いた場合について説明したが、本発明がこれらの材質に限定されないことを確かめるために、上述した実施の形態と同様の構造で、圧電薄膜及び接着膜の材質を変えた検討を行った。その結果、接着膜にはＴｉ以外にＴａ、Ｔｉの酸化物であるＴｉＯ2、またはＴａの酸化物であるＴａ２Ｏ5が、Ｔｉの場合と同様、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との密着性を向上させるのに有効であった。 In the above-described embodiment, the case where PZT and Ti are used for the piezoelectric thin film and the adhesive film has been described. However, in order to confirm that the present invention is not limited to these materials, the same as the above-described embodiment. The structure was examined by changing the material of the piezoelectric thin film and the adhesive film. As a result, in addition to Ti, Ta, TiO 2 , which is an oxide of Ti, or Ta 2 O 5 , which is an oxide of Ta, are adhered to the adhesion film between the SiO 2 film 2 and the Pt film 4 as in the case of Ti. It was effective to improve.
また、圧電薄膜については、ＰＺＴ薄膜以外にはチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ3）のうちのいずれか１つからなる圧電薄膜、もしくはこれらを主成分とした圧電薄膜に対しても有効であった。 As for the piezoelectric thin film, in addition to the PZT thin film, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate (( Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), lead magnesium niobium zirconate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ) It was also effective for a piezoelectric thin film composed of any one of them, or a piezoelectric thin film mainly composed of these.
図１に示すように、まず、ＳｉＯ2膜２付きのシリコン単結晶基板（Ｓｉ基板）１を用意し、その上部にスパッタリング法を用いて接着膜としてＴｉ膜３、その上部のＰｔ膜４を形成して下部金属膜７を形成した。
As shown in FIG. 1, first, a silicon single crystal substrate (Si substrate) 1 with an SiO 2 film 2 is prepared, and a
このとき、Ｐｔ膜４の膜厚は２００ｎｍとし、Ｔｉ膜３の膜厚は０．５ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変えて作製した。また、膜厚が０．５ｎｍのＴｉ膜３の構造を島状とし、膜厚が１ｎｍ、２ｎｍのＴｉ膜３にはピンホールを設けた。
At this time, the thickness of the Pt film 4 was set to 200 nm, and the thickness of the
Ｐｔ膜４の製膜条件は、真空度１Ｐａ、ＲＦ出力２００Ｗ、基板温度は３００ｃｃとした。また、Ｔｉ膜３の製膜条件は、真空度１Ｐａ、ＲＦ出力３００Ｗ、基板温度は３００℃とした。
The film forming conditions for the Pt film 4 were a vacuum degree of 1 Pa, an RF output of 200 W, and a substrate temperature of 300 cc. The
この下部金属膜７付きＳｉ基板１上にスパッタリング法を用いてＰＺＴ薄膜４を膜厚３μｍ製膜した。製膜条件は、真空度０．５Ｐａ、ＲＦ出力７５Ｗ、基板温度は７００℃とした。
A PZT thin film 4 having a thickness of 3 μm was formed on the
Ｔｉ膜３の膜厚を上記のように変えたサンプルは、それぞれの膜厚について４枚ずつ作製し、そのときのＰＺＴ薄膜５について、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）分析による結晶評価を行った。その各サンプルの結果を表１に示す。Ｐｔ（１１１）及びＰＺＴ（１１１）のピーク高さの単位は、回折Ｘ線の強度（ｋｃｐｓ：kilo count per second）である。
Four samples with different thicknesses of the
しかし、Ｔｉ膜３の膜厚を５ｎｍ（サンプルＮｏ.１３〜１６）、１０ｎｍ（Ｎｏ.１７〜２０）、及び２０ｎｍ（Ｎｏ.２１〜２４）と厚くしたグループは、Ｐｔの（１１１）面方位の配向が十分でなく、圧電特性が低いパイロクロア構造のＰＺＴが多く形成されるサンプルが、各グループで２枚以上もある場合があり（サンプルＮｏ.１３〜１４、サンプルＮｏ.１７、１９、２０、及びサンプルＮｏ.２１〜２３）、歩留まりが著しく悪くなることがわかった。
However, the group in which the thickness of the
また、それぞれの膜厚のＴｉ膜３を形成した後、断面ＴＥＭ（Transmission electron microscopy）及び表面ＴＥＭを用いて、Ｔｉ膜３の形状を観察したところ、Ｔｉ膜３の膜厚が０．５ｎｍの場合は（サンプルＮｏ.１〜４）、Ｔｉ膜３は島状に形成されていることが確認できた。Ｔｉ膜３の膜厚が１ｎｍ、２ｎｍの場合は（サンプルＮｏ.５〜１２）、Ｔｉ膜３に複数のピンホールが存在していることが確認できた。
Further, after forming the
１ Ｓｉ基板
２ ＳｉＯ2膜
３ Ｔｉ膜（接着膜）
４ Ｐｔ膜（白金膜）
５ ＰＺＴ薄膜（圧電薄膜）
６ 上部金属膜
７ 下部金属膜
1
4 Pt film (platinum film)
5 PZT thin film (piezoelectric thin film)
6 Upper metal film 7 Lower metal film
Claims (6)
前記下部金属膜は、前記基板上に形成された島状の接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子。 In a piezoelectric thin film element having a structure in which a lower metal film, a piezoelectric thin film, and an upper metal film are sequentially laminated on a substrate,
The piezoelectric thin film element, wherein the lower metal film is composed of an island-shaped adhesive film formed on the substrate and a platinum film formed on the adhesive film.
前記下部金属膜は、前記基板上に形成されたピンホールを有する接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子。 In a piezoelectric thin film element having a structure in which a lower metal film, a piezoelectric thin film, and an upper metal film are sequentially laminated on a substrate,
The piezoelectric thin film element, wherein the lower metal film is composed of an adhesive film having a pinhole formed on the substrate and a platinum film formed on the adhesive film.
The piezoelectric thin film includes lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), and lead lanthanum titanate. ((Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), lead magnesium niobium zirconate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 6. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film element is a piezoelectric thin film made of one material selected from the above, or a piezoelectric thin film mainly composed of any one of these materials.
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