JP2009170631A - 圧電素子とその製造方法およびこれを用いた圧電応用デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】印加電圧の極性による変位量の差を低減し、良好な誘電特性を有する圧電素子、およびこれを製造する方法、さらに、これを用いた圧電応用デバイスを提供する。
【解決手段】基板６と、この基板６上に配置された金属層７と、この金属層７上に配置された誘電体膜８と、この誘電体膜８上に接着層９を介して配置された誘電体膜１０と、この誘電体膜１０上に配置された金属層１１を備え、誘電体膜８、１０は、接着層９との接合面に近づくにつれて結晶の配向性が高くなるものとした。これにより、圧電素子全体としては、印加電圧の極性による電圧−変位特性の差が低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、良好な誘電特性を有する圧電素子およびこれを製造する方法に関するもので、さらにはこれを用いた圧電応用デバイスに関するものである。

誘電体は外部電界を加えるとその表面に電荷が現れる(分極を生じる)絶縁体のことをいい、コンデンサなどの一般電子部品に幅広く使用されている。中でも強誘電体は、外部電界を加えなくても電気分極を持ち、この分極(自発分極)の向きを外部から加える電界で反転できるものである。そしてこの強誘電体は、電界が０の状態で二つの状態を取り得ることから、情報記憶(メモリ)媒質として使用されている。またその他、機械−電気、温度−電気、光−電気等の変換素子としても有望な材料である。特に、ペロブスカイト型構造を有する強誘電体は、優れた強誘電性、圧電性、焦電性および電気光学特性を示し、各種センサやアクチュエータなど幅広いデバイスに有効な材料として注目されており、今後その利用範囲は急激に拡大していくと思われる。

近年、このような誘電体を用いたデバイスは、市場から小型・低背化また集積化が強く求められており、これを実現するためには強誘電体を薄膜で形成することが有効である。各研究開発機関においても高性能の誘電体薄膜を実現するために、様々な手法・工法を用いて研究・開発が進められている。

強誘電体薄膜を応用した一例として、ＡＢＯ₃構造を示すＰｂ(Ｚｒ_xＴｉ_1-x)Ｏ₃系薄膜は、高い圧電性を有することから、圧電センサや圧電アクチュエータなどの圧電素子の圧電薄膜として利用されている。圧電センサは、強誘電性の圧電効果を利用したものである。強誘電体は内部に自発分極を有しており、その表面に正および負電荷を発生させる。大気中における定常状態では大気中の分子が持つ電荷と結合して中性状態になっている。この圧電体に外圧がかかると圧電体から圧力量に応じた電気信号を取り出すことが出来る。また、圧電アクチュエータも同様の原理を用いたもので、圧電体に電圧を印加するとその電圧に応じて圧電体が伸縮し、伸縮方向あるいはその方向に直交する方向に変位を生じさせることが出来る。

このような強誘電体に限らず、誘電体をデバイスとして使用する際には、誘電体を上下の電極膜で挟んだ構成で用いられる事が多い。

例えば従来の圧電素子は、図８に示すように、シリコン単結晶などからなる基板１と、この基板１上に順次スパッタ等により形成された金属層２（下部電極）、誘電体膜３、および金属層４（上部電極）とからなる。この図９において誘電体膜３内の矢印は結晶の分極方向を示す。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−４６１６０号公報

従来の圧電素子は、印加する電圧の極性によって電圧−変位特性が異なり、デバイスの設計自由度が狭まるなどの課題があった。

その理由は、従来の誘電体膜３においては、基板１に近い初期層側５では、結晶の配向性が低いため、分極方向と逆向きの電界を印加すると分極反転を生じやすいからと考えられる。

そしてその結果、圧電素子全体としては、印加する電圧の極性によって電圧と変位量との関係が異なるのである。

そこで本発明は、印加電圧の極性による電圧−変位特性の差を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、基板と、この基板上に配置された第一の金属層と、この第一の金属層上に配置された第一の誘電体膜と、この第一の誘電体膜上に接着層を介して配置された第二の誘電体膜と、この第二の誘電体膜上に配置された第二の金属層とを備え、第一および第二の誘電体膜は、接着層との接合面に近づくにつれて結晶の配向性が高くなるものとした。

これにより本発明は、印加電圧の極性による電圧−変位特性の差を低減することができる。

すなわち本発明は、第一の誘電体膜と第二の誘電体膜とは結晶の配向性が面対称となっているため、これらの電圧と変位量との関係は、印加する電圧の極性によって互いに逆の関係を示す。

そしてその結果、圧電素子全体としては、印加電圧の極性による電圧−変位特性の差が低減できる。

（実施の形態１）
図１に示すように、本発明の一実施の形態における圧電素子は、基板６と、この基板６上に配置された金属層７と、この金属層７上に配置された誘電体膜８と、この誘電体膜８上に接着層９とを介して配置された誘電体膜１０と、この誘電体膜１０上に配置された金属層１１とを備えている。膜厚はそれぞれ、基板６は４００μｍ〜６００μｍ、金属層７、１１が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、誘電体膜８、１０が１μｍ〜５μｍ、接着層９が１０ｎｍ〜５００ｎｍとした。

金属層７、１１の膜厚は、前述の範囲とすることにより、これらを電極として用いた時、高い導電性を維持することができ、また誘電体膜８、１０の結晶配向性を向上させることが出来る。

また誘電体膜８、１０の膜厚は、前述の範囲とすることにより、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などで形成することができる。

さらに接着層９の膜厚は、前述の範囲とすることにより、誘電体膜８、１０との接着強度を高めることができる。

そして本実施の形態では、基板６として表面にＳｉＯ₂が形成された単結晶シリコンを用い、金属層７、１１は主成分をＰｔとした。また接着層９としては金属、樹脂など種々挙げられるが、誘電率低下を抑制するためには金属が好ましく、本実施の形態ではＡｕを用いた。

なお、接着層９として樹脂を用いる場合は、薄く（厚み２ｎｍ以下）塗布することにより、接着層９における誘電率の低下を低減し、誘電体膜８、１０へ印加される電界が弱まるのを防ぐ必要がある。

さらに誘電体膜８、１０はいずれも高い圧電特性を示すペロブスカイト構造の結晶構造を有した化合物誘電体であり、本実施の形態ではチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ(Ｚｒ_xＴｉ_1-x)Ｏ₃とした。またこの誘電体膜８および誘電体膜１０は、菱面体晶または正方晶の(００１)面に優先配向しているものである。

そしてこの誘電体膜８、１０は、接着層９に対して面対称な結晶配向性を有し、それぞれ厚み方向において接着層９との接合面に近づくにつれて徐々に結晶配向性が向上している。また図２の模式図に示すように、本実施の形態では誘電体膜８、１０のいずれも、接着層９に対して面対称に組成比率が変化し、本実施の形態では、接着層９から遠ざかるにつれてＰｂの（Ｔｉ＋Ｚｒ）に対する相対的な組成比率が減少する構造とした。

次に、本実施の形態におけるスパッタ法を用いた圧電素子の製造方法について説明する。

まず、図３（ａ）に示す基板６のＳｉＯ₂膜（図示せず）上に、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、金属層７、誘電体膜８を順次スパッタ法によって形成する。

また一方で、図３（ａ）に示す基板１２上に、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、同様の手順で金属層１１、誘電体膜１０を順次スパッタ法によって形成する。

この時、誘電体膜８と誘電体膜１０とを同一条件で形成することが望ましい。そして特に図４のスパッタ装置に示すように、基板（図３（ｃ）の６、１２）を同一の基板ホルダ１３に並べて配置し、同時にそれぞれ同じターゲット１４Ａをスパッタして金属層（図３（ｃ）の７、１１）を積層し、次に同じターゲット１４Ｂを同時にスパッタして誘電体膜（図３（ｃ）の８、１０）を堆積させることが好ましい。これにより、誘電体膜８と誘電体膜１０との結晶配向性を等しくすることができる。したがって、これらを貼り合わせた時に、誘電体膜８と誘電体膜１０とは、接着層９を介して極めて対称的に結晶が配向することになる。

次に図３（ｄ）に示すように、誘電体膜８、１０のそれぞれの表面に金を蒸着し、接着層１６、１７を形成する。

その後誘電体膜８、１０に直列強電界を印加し、結晶中の分極軸方向を一方向に揃える。この時、図３（ｄ）の誘電体膜８、１０中の矢印１５に示すように、誘電体膜８、１０は、それぞれの上層側よりも初期層側ほど分極軸方向にばらつきが残る。これは、金属層７と誘電体膜８、および金属層１１と誘電体膜１０との界面で、それぞれの格子定数が完全には一致しない為、結晶中に欠陥や歪みが生ずるからである。なお、このような結晶の配向性は膜厚の増大に伴い向上していく。

そしてその後、図３（ｅ）に示すように接着層１６と接着層１７とを超音波接合等により接合し、次に図３（ｆ）に示すように、基板１２をウエットエッチングあるいはドライエッチング等によって除去する。なお、本実施の形態において図１の接着層９は接着層１６と接着層１７とが接合した状態を示すものである。

なお本実施の形態では、上述のようにスパッタ法によって誘電体膜を形成したが、その他に化学気相成長法、あるいはゾルゲル法などを用いてもよい。

また上記実施の形態では、それぞれ予め分割された基板６、１２上に金属層７、１１、誘電体膜８、１０を積層したが、ウエハ状の共通基板に金属層、誘電体膜、接着層を順次形成し、その後所望サイズに切断してもよい。この場合は、特に切断後隣接する基板の接着層同士を接合すれば、それぞれの誘電体膜の結晶性が近似するため、これらの誘電体膜は、接着層を介して極めて対称的に結晶が配向することになる。

以下本実施の形態における圧電素子の効果を説明する。

本実施の形態では、下部電極としての金属層７あるいは上部電極としての金属層１１に印加する電圧の極性による電圧−変位特性の差を低減することができる。すなわち、金属層７、１１のいずれに印加する電圧の極性を変えても、あるいはいずれを基準電極としても、圧電素子はほぼ同様の駆動を示す。

ここで従来は図８に示すように、誘電体膜３の初期層側５ほど結晶の配向性に乱れが多く、分極が小さい。

そして、例えば下部電極（金属層２）をグランドに接続し、上部電極（金属層４）に負電圧を印加した場合、誘電体膜は膜厚方向に伸びるように変位する。一方で、上部電極（金属層４）に正電圧を印加した場合、膜厚方向に縮むよう変位する。

ここで、図８の圧電素子では、図９に示すように、正電圧を印加した時の縮む方向の変位は、負電圧を印加した時の伸び方向の変位より小さいことが分かった。

この理由はまだ詳細は明らかとなっていないが、誘電体膜３の初期層側５は結晶の配向性が低いため、分極方向と逆向きの電界を印加すると、容易に分極反転を起こすからと考えられる。したがって図８の圧電素子では、図９に示すように、正電圧を印加した場合、負電圧を印加した場合と比較して誘電体膜全体の変位量が小さくなり、あるいは電圧と変位量との関係が直線性を示さなくなるという課題があった。

そしてこのように電圧の極性によって電圧と変位量との関係に差があると、金属層２、金属層４のいずれを上部電極、下部電極とするか、あるいはいずれを基準電極とするかによってデバイスとしての特性が異なり、また金属層２および金属層４間に正負の電圧を交互に印加する場合に、印加した電圧に比例した変位量が得られず、デバイスの設計自由度が狭まることになる。

これに対し本実施の形態では、図１に示すように、誘電体膜８と誘電体膜１０とはそれぞれ接着層９との接合面に近づくにつれて結晶の配向性が高くなる構成である。すなわち、誘電体膜８と誘電体膜１０とは結晶の配向性が面対称となるように配置されているため、電位ゼロの初期状態では、例えば図１に示すように、誘電体膜８は上向きに、誘電体膜１０は下向きに分極方向を示している。また誘電体膜８、１０のそれぞれの初期層側は分極が小さい。

そして例えば金属層７をグランド電極とし、金属層１１にマイナスの電圧を印加すると、誘電体膜１０では電界と分極の向きが異なるため、初期層側から容易に分極反転が起こり、変位が小さくなる。また、誘電体膜８では、電界と分極の向きが同方向であるため、比較的大きく変位する（縮む）。

一方で、金属層１１にプラスの電圧を印加すると、誘電体膜１０は変位が大きく、誘電体膜８は変位が小さくなる。

すなわち本実施の形態では、誘電体膜８と誘電体膜１０とを面対称に貼り合わせることによって、圧電素子全体としては印加電圧の極性を変えても同様の電圧と変位量との関係を示すのである。

また本実施の形態では、上述のように結晶の配向性が対称になるのに加え、図２に示すように、誘電体膜８と誘電体膜１０とのＰｂ：（Ｔｉ＋Ｚｒ）の組成比率を、接着層９を介して面対称としたことにより、印加電圧の極性による電圧−変位特性の差をさらに低減することができる。そしてこれにより、この圧電素子を用いたデバイスの設計の自由度を高めることができる。

また本実施の形態では、金属層７、１１を同材料としたため、同条件下で誘電体膜８、１０を形成すれば、結晶の配向性は近似する。したがって、印加電圧の極性を変えても、電圧と変位量との関係はほぼ同一の比例関係を示す。

さらに本実施の形態では、金属層７、１１をＰｔとしたため、Ｐｂ(Ｚｒ_xＴｉ_1-x)Ｏ₃からなる誘電体膜８、１０との格子定数が近似し、初期層の結晶の乱れを比較的低減することができる。したがって、圧電特性に優れた誘電素子を形成することができる。

また本実施の形態では、接着層９を金としたため、誘電体膜８、１０上に容易に形成することができ、これらの接合強度を高めることが出来る。

なお、本実施の形態の圧電素子は、印加する電圧の極性に関わらず良好な圧電特性を実現でき、例えば図５に示すように、圧電素子の基板６上にミラー部１８を配置することによって、光源１９からの光を反射し走査させるミラーデバイス（圧電アクチュエータ）を形成することができる。

またその他、角速度センサ、加速度センサ、圧力センサ、流量センサなどの圧電センサや、マイクロスイッチ、マイクロポンプ、成分分離デバイス、インクジェットヘッドなどの圧電アクチュエータ、あるいはマイクロスピーカ、マイクロフォンなどの圧電型音響デバイスに用いれば、これらのデバイスの設計の自由度が高まり、種々の駆動態様を実現できる。

なお上記実施の形態では、誘電体膜は二層であるが、図６に示すように、誘電体膜８と金属層７および誘電体膜１０と金属層１１との間にそれぞれ誘電体膜２０と金属層２１とが交互に同数層積層された積層体を配置してもよい。なお、図６では誘電体膜２０と金属層２１とが一枚ずつ積層されている。このように誘電体膜２０をさらに積層することによって、圧電素子全体としての変位を大きくすることができる。

また図６の圧電素子は、金属層７と誘電体膜８との間に配置された誘電体膜２０と、金属層１１と誘電体膜１０との間に配置された誘電体膜２０とは、接着層９に対して面対称な結晶配向性を有する。これにより上部電極である金属層１１と下部電極である金属層７への印加電圧の正負による電圧−変位特性の差を低減することができる。

なお図６のように誘電体膜を積層する方法としては、基板６上にスパッタ法等によって金属層７、誘電体膜８、金属層２１、誘電体膜２０、接着層９の順で薄膜を積層し、また他の基板上に同様に金属層１１、誘電体膜１０、金属層２１、誘電体膜２０、接着層９の順で積層し、接着層９同士を貼り合わせることにより形成できる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図７に示すように基板６上に誘電体膜８、１０、２２、２３の四層の誘電体膜が積層されている。また下部電極は基板６と誘電体膜８との間の金属層７であり、上部電極は誘電体膜２３上に形成された金属層２４とした。

そしてこれらの誘電体膜８から誘電体膜２３まではそれぞれ互いに金属からなる接着層２５で接合されている。すなわち本実施の形態では、誘電体膜が偶数層あり、初期状態における分極方向を同じくする誘電体膜の層数がそれぞれ同数ずつある。そして誘電体膜８と誘電体膜１０、誘電体膜１０と誘電体膜２２、誘電体膜２２と誘電体膜２３とは、各接着層２５に対して面対称な結晶配向性を有している。

これにより本実施の形態では、実施の形態１と同様に、圧電素子全体では、印加する電圧の極性による電圧と変位量との関係の差を低減できる。

なお、本実施の形態における圧電素子の製造方法を以下に説明する。

まず、誘電体膜８と誘電体膜１０をそれぞれ別個の基板上に形成し、接合して誘電体膜１０を形成した基板を除去する。また誘電体膜２２と誘電体膜２３とをそれぞれ別個の基板上に形成し、接合して、誘電体膜２２を形成した基板を除去する。

その後誘電体膜１０と誘電体膜２２とを接合し、誘電体膜２３を形成した基板を除去すれば本実施の形態の圧電素子が形成される。

その他実施の形態１と同様の構成および効果は説明を省略する。

本発明は、印加する電圧の極性によって電圧と変位量との関係に生ずる差を低減することができ、この圧電素子を用いた圧電デバイスの設計自由度を高めることができる。

本発明の実施の形態１における圧電素子の断面図 同圧電素子の組成比率を模式的に示す図 （ａ）〜（ｆ）同圧電素子の製造方法を示す図 同圧電素子を製造するスパッタ装置の模式図 同圧電素子を用いたミラーデバイスの摸式断面図 本発明の実施の形態１における別の例の圧電素子の断面図 本発明の実施の形態２における圧電素子の断面図 従来の圧電素子の断面図 従来の誘電素子における印加電圧と変位量との関係を示す図

符号の説明

６ 基板
７ 金属層
８ 誘電体膜
９ 接着層
１０ 誘電体膜
１１ 金属層
１２ 基板
１３ 基板ホルダ
１４Ａ、１４Ｂ ターゲット
１５ 矢印
１６ 接着層
１７ 接着層
１８ ミラー部
１９ 光源
２０ 誘電体膜
２１ 金属層
２２ 誘電体膜
２３ 誘電体膜
２４ 金属層
２５ 接着層

Claims (10)

1. 基板と、
   この基板上に配置された第一の金属層と、
   この第一の金属層上に配置された第一の誘電体膜と、
   この第一の誘電体膜上に接着層を介して配置された第二の誘電体膜と、
   この第二の誘電体膜上に配置された第二の金属層とを備え、
   前記第一および第二の誘電体膜は、
   前記接着層との接合面に近づくにつれて結晶の配向性が高くなる圧電素子。
2. 前記第一および第二の誘電体膜は、
   組成比率が前記接着層に対して面対称である請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記第一および第二の金属層は、Ｐｔを主成分とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 前記第一および第二の誘電体膜は、ペロブスカイト構造の結晶構造を有する請求項１に記載の圧電素子。
5. 前記第一の金属層と前記第一の誘電体膜との間および前記第二の金属層と前記第二の誘電体膜との間には、
   それぞれ誘電体膜と金属層とが交互に同数層積層された積層体が配置され、
   前記第一の金属層と第一の誘電体膜との間に配置された積層体の誘電体膜と、
   前記第二の金属層と第二の誘電体膜との間に配置された積層体の誘電体膜とは、
   前記第一の誘電体膜と第二の誘電体膜との間の前記接着層に対して面対称な結晶配向性を有する請求項１に記載の圧電素子。
6. 前記第二の誘電体膜と前記第二の金属層との間には、
   前記第二の誘電体膜上に接着層を介して配置された第三の誘電体膜と、
   この第三の誘電体膜上に接着層を介して配置された第四の誘電体膜とを備え、
   前記第二の誘電体膜と第三の誘電体膜および前記第三の誘電体膜と第四の誘電体膜とは、
   それぞれの接合面に対して面対称な結晶配向性を有する請求項１に記載の圧電素子。
7. 一方で第一の基板上に金属層、誘電体膜、接着層を順に形成し、
   他方で第二の基板上に金属層、誘電体膜、接着層を順に形成し、
   次に前記第一の基板と第二の基板上のそれぞれの接着層同士を接合し、
   その後前記第二の基板を除去する圧電素子の製造方法。
8. 基板表面に金属層、誘電体膜、接着層を順に形成し、
   次に前記基板を所望サイズに切断して、切断された第一の基板と第二の基板上のそれぞれの接着層同士を接合し、
   その後前記第二の基板を除去する圧電素子の製造方法。
9. 前記誘電体膜を、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のいずれか一つにより形成する請求項７または８に記載の圧電素子の製造方法。
10. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、または圧電センサ、または圧電型音響デバイス。

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