JP2011238774A - Manufacturing method of piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の製造方法に関し、特に、圧電素子を構成する圧電薄膜層の結晶配向を制御する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element, and more particularly to a technique for controlling the crystal orientation of a piezoelectric thin film layer constituting the piezoelectric element.
チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴという）は、強誘電性を有するためＦｅＲＡＭの材料として利用されている。また、ＰＺＴは、圧電性をも有するため圧電素子（例えば、ＭＥＭＳセンサーや、光走査装置等のアクチュエータ）を構成する圧電薄膜層の材料としても利用されている（以下ＰＺＴからなる圧電薄膜層をＰＺＴ圧電薄膜層という）。 Lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3, hereinafter referred to as PZT) is used as a material for FeRAM because it has ferroelectricity. Further, since PZT also has piezoelectricity, it is also used as a material for a piezoelectric thin film layer that constitutes a piezoelectric element (for example, an actuator such as a MEMS sensor or an optical scanning device) (hereinafter, a piezoelectric thin film layer made of PZT is used). PZT piezoelectric thin film layer).
一般的に、圧電素子は、シリコン等の基板上に、下部電極層、ＰＺＴ圧電薄膜層及び上部電極層を順次積層して構成されるものである。ＰＺＴ圧電薄膜層は、その結晶の電気分極を利用して圧電機能を発揮するので、基板上に成膜する時にその結晶の配向を適切に制御することにより、その圧電性能を高めることができる。理論的には、ＰＺＴ圧電薄膜層を（００１）面又は（１００）面配向させると、圧電素子の圧電性能を最高にすることができることが知られている。ところで、シリコン基板等の表面を熱酸化した基板に白金（Ｐｔ）の下部電極層を成膜し、その上に直接ＰＺＴ圧電薄膜層を形成した場合、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶は（１１１）面配向されてしまうことが知られている。このため、近年、ＰＺＴ圧電薄膜層が（００１）面又は（１００）面配向するように、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶の配向を制御可能な様々な、圧電素子の製造方法が提案されている。 Generally, a piezoelectric element is configured by sequentially laminating a lower electrode layer, a PZT piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on a substrate such as silicon. Since the PZT piezoelectric thin film layer exhibits a piezoelectric function by utilizing the electric polarization of the crystal, the piezoelectric performance can be enhanced by appropriately controlling the orientation of the crystal when forming the film on the substrate. Theoretically, it is known that the piezoelectric performance of the piezoelectric element can be maximized when the PZT piezoelectric thin film layer is oriented in the (001) plane or the (100) plane. By the way, when a platinum (Pt) lower electrode layer is formed on a substrate obtained by thermally oxidizing the surface of a silicon substrate or the like and a PZT piezoelectric thin film layer is directly formed thereon, the crystal of the PZT piezoelectric thin film layer has a (111) plane. It is known to be oriented. For this reason, in recent years, there have been proposed various piezoelectric element manufacturing methods capable of controlling the crystal orientation of the PZT piezoelectric thin film layer so that the PZT piezoelectric thin film layer is oriented in the (001) plane or the (100) plane.
この種の圧電素子の製造方法としては、例えば、特許文献１等に記載されたものがある。特許文献１に記載された圧電素子の製造方法は、（１００）面が表面にでるように切り出した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる特殊な単結晶の基板上に、（１００）面配向した白金からなる下部電極層を形成し、この下部電極層上に、その表面に対して垂直方向に（００１）面を優先配向したＰＺＴ圧電薄膜層を形成する構成である。また、別の製造方法としては、ＳｒＲｕＯ３、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３等の特殊な酸化物を下部電極層として使用し、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶配向を制御する構成のものもある。 As a method for manufacturing this type of piezoelectric element, for example, there is one described in Patent Document 1 or the like. The manufacturing method of the piezoelectric element described in Patent Document 1 is based on (100) -oriented platinum on a special single crystal substrate made of magnesium oxide (MgO) cut out so that the (100) face appears on the surface. A lower electrode layer is formed, and a PZT piezoelectric thin film layer having a (001) plane preferentially oriented in a direction perpendicular to the surface thereof is formed on the lower electrode layer. As another manufacturing method, a special oxide such as SrRuO 3 , IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , LaSrCoO 3 is used as the lower electrode layer, and the crystal orientation of the PZT piezoelectric thin film layer is controlled. There is also.
しかしながら、上述の特許文献１等に記載されるような従来の圧電素子の製造方法は、圧電素子を形成する基板として、酸化マグネシウムからなる特殊な単結晶基板を用いる構成である。この酸化マグネシウムからなる単結晶基板は、通常圧電素子を形成する基板として使用されるシリコン基板と比較して高価なものであるため、圧電素子の製造コストが高くなっていた。また、上述したＳｒＲｕＯ３等の特殊な酸化物を下部電極層として使用する場合、通常電極として一般的に使用される白金を成膜する場合と比較すると、プロセスが複雑になるため、圧電素子の製造コストが高くなっていた。 However, the conventional method for manufacturing a piezoelectric element as described in Patent Document 1 and the like has a configuration in which a special single crystal substrate made of magnesium oxide is used as a substrate on which the piezoelectric element is formed. Since the single crystal substrate made of magnesium oxide is more expensive than a silicon substrate that is usually used as a substrate for forming a piezoelectric element, the manufacturing cost of the piezoelectric element is high. In addition, when a special oxide such as SrRuO 3 described above is used as the lower electrode layer, the process is complicated compared to the case where a platinum film generally used as a normal electrode is formed. Manufacturing cost was high.
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、特殊な材料からなる基板及び電極を用いることなく、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶配向の制御を適切に行うことが可能な圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to the above problems, and a method of manufacturing a piezoelectric element capable of appropriately controlling the crystal orientation of a PZT piezoelectric thin film layer without using a substrate and an electrode made of a special material. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明による圧電素子の製造方法は、シリコン基板上に、酸化膜を形成する工程と、上記酸化膜上に、チタンと白金を順次積層して下部電極層を形成する工程と、上記下部電極層の表面に、上記白金からなるヒロックを形成する工程と、上記下部電極層上に、上記ヒロックを成長核として、（１００）面配向のチタン酸鉛からなるシード層を形成する工程と、上記シード層上に、（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電薄膜層を形成する工程と、上記圧電薄膜層上に、上部電極層を形成する工程と、を有して構成することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a step of forming an oxide film on a silicon substrate, and forming a lower electrode layer by sequentially laminating titanium and platinum on the oxide film. A step of forming hillocks made of platinum on the surface of the lower electrode layer, and a seed layer made of (100) -oriented lead titanate using the hillock as a growth nucleus on the lower electrode layer Forming a piezoelectric thin film layer made of lead zirconate titanate with (001) plane or (100) plane orientation on the seed layer, and forming an upper electrode layer on the piezoelectric thin film layer. And a step of forming.
このような構成により、シリコン基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜上にチタンと白金からなる下部電極層を形成し、上記白金からなるヒロックを形成し、該下部電極層上にヒロックを成長核として、（１００）面配向のチタン酸鉛からなるシード層を形成し、該シード層上に（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電薄膜層を形成し、該圧電薄膜層上に上部電極層を形成する。 With such a configuration, an oxide film is formed on a silicon substrate, a lower electrode layer made of titanium and platinum is formed on the oxide film, a hillock made of platinum is formed, and a hillock is formed on the lower electrode layer. As a growth nucleus, a seed layer made of (100) plane-oriented lead titanate is formed, and a piezoelectric thin film layer made of (001) plane or (100) plane-oriented lead zirconate titanate is formed on the seed layer. An upper electrode layer is formed on the piezoelectric thin film layer.
本発明の圧電素子の製造方法によれば、シリコン基板上に、酸化膜と、チタン及び白金からなる下部電極層と、シード層とを介して、（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電薄膜層を形成することができる。したがって、酸化マグネシウム等の特殊な基板や、特殊な酸化物からなる電極層を用いることなく、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶配向の制御を適切に行うことができる。このように、特殊な材料からなる基板や電極を用いないため、製造コストを高めることなく結晶配向が適切に制御されたＰＺＴ圧電薄膜層を有した圧電素子を製造することができる。 According to the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, (001) or (100) oriented titanium is formed on a silicon substrate via an oxide film, a lower electrode layer made of titanium and platinum, and a seed layer. A piezoelectric thin film layer made of lead zirconate can be formed. Accordingly, the crystal orientation of the PZT piezoelectric thin film layer can be appropriately controlled without using a special substrate such as magnesium oxide or an electrode layer made of a special oxide. As described above, since a substrate or an electrode made of a special material is not used, a piezoelectric element having a PZT piezoelectric thin film layer whose crystal orientation is appropriately controlled can be manufactured without increasing the manufacturing cost.
以下、本発明に係る圧電素子の製造方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、圧電素子の製造工程（ａ）〜（ｄ）を示すものであり、図２は、図１に続く製造工程（ｅ）〜（ｇ）を示すものである。尚、図１（ａ）は、圧電素子を形成するベースとなる基板の断面図であり、以降図１（ｂ）〜図１（ｄ）及び図２（ｅ）〜図２（ｇ）の図は、図１（ａ）に示す基板上に各工程の成膜物が積層等されている状態を示す。以下の説明において、圧電素子１００とは、後述する下部電極層、シード層、圧電薄膜層及び上部電極層で構成されたものを示す。
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows manufacturing steps (a) to (d) of the piezoelectric element, and FIG. 2 shows manufacturing steps (e) to (g) following FIG. 1A is a cross-sectional view of a substrate serving as a base on which a piezoelectric element is formed. FIG. 1B to FIG. 1D and FIG. 2E to FIG. These show the state by which the film-forming thing of each process is laminated | stacked etc. on the board | substrate shown to Fig.1 (a). In the following description, the piezoelectric element 100 refers to an element composed of a lower electrode layer, a seed layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer, which will be described later.
本実施形態における圧電素子の製造方法は、シリコン基板を準備する工程（ａ）と、シリコン基板上に、酸化膜を形成する工程（ｂ）と、酸化膜上に、チタンと白金を順次積層して下部電極層を形成する工程（ｃ）と、下部電極層の表面に、上記白金からなるヒロックを形成する工程（ｄ）と、下部電極層上に、ヒロックを成長核として、（１００）面配向のチタン酸鉛からなるシード層を形成する工程（ｅ）と、シード層上に、（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電薄膜層（ＰＺＴ圧電薄膜層）を形成する工程（ｆ）と、圧電薄膜層上に、上部電極層を形成する工程（ｇ）と、を有して構成される。
以下に本実施形態における上記各工程について説明する。
The piezoelectric element manufacturing method in this embodiment includes a step (a) of preparing a silicon substrate, a step (b) of forming an oxide film on the silicon substrate, and sequentially stacking titanium and platinum on the oxide film. A step (c) of forming a lower electrode layer, a step (d) of forming hillocks made of platinum on the surface of the lower electrode layer, and a (100) plane using hillocks as growth nuclei on the lower electrode layer A step (e) of forming a seed layer made of oriented lead titanate, and a piezoelectric thin film layer (PZT piezoelectric thin film layer) made of (001) or (100) oriented lead zirconate titanate on the seed layer And a step (g) of forming an upper electrode layer on the piezoelectric thin film layer.
Hereinafter, the respective steps in the present embodiment will be described.
工程（ａ）では、圧電素子を形成する基板として、例えば、ＳＯＩ基板１０１を準備する。ＳＯＩ基板１０１は、酸化膜（ＳｉＯ２）層１０２をシリコン層１０３で挟んだサンドイッチ構造であり、例えば、厚みは上側シリコン層２０μｍ、ＳｉＯ２膜１μｍ、下側シリコン層４００μｍ、大きさは２．０×２．０ｃｍ２である。 In step (a), for example, an SOI substrate 101 is prepared as a substrate on which a piezoelectric element is formed. The SOI substrate 101 has a sandwich structure in which an oxide film (SiO 2 ) layer 102 is sandwiched between silicon layers 103. For example, the thickness is 20 μm for the upper silicon layer, 1 μm for the SiO 2 film, 400 μm for the lower silicon layer, and the size is 2. 0 × 2.0 cm 2 .
工程（ｂ）では、用意したＳＯＩ基板１０１の両面に、熱酸化によってシリコンの酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０４，１０４を形成する。 In step (b), silicon oxide films (SiO 2 films) 104 and 104 are formed on both surfaces of the prepared SOI substrate 101 by thermal oxidation.
工程（ｃ）では、例えば、スパッタ法を用いて、３２０℃に加熱したＳＯＩ基板１０１の酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０４上に、チタン層１１０（例えば厚さ２０ｎｍ）と白金層１２０（例えば厚さ２４０ｎｍ）を順次積層して下部電極層１３０を形成する。ここで、酸化膜１０４に対して白金の密着性は不十分であるが、酸化膜１０４と白金層１２０との間に、チタン層１１０を介在させることにより、チタン層１１０内のチタンが、酸化膜１０４及び白金層１２０へ拡散することで良好な密着性を確保することができる。なお、この工程（ｃ）後の下部電極層１３０の表面（すなわち、白金層１２０）は、（１１１）面配向されている。 In the step (c), for example, a titanium layer 110 (for example, a thickness of 20 nm) and a platinum layer 120 (for example, a thickness) are formed on the oxide film (SiO 2 film) 104 of the SOI substrate 101 heated to 320 ° C. by using a sputtering method. The lower electrode layer 130 is formed by sequentially stacking 240 nm. Here, although the adhesion of platinum to the oxide film 104 is insufficient, the titanium in the titanium layer 110 is oxidized by interposing the titanium layer 110 between the oxide film 104 and the platinum layer 120. Good adhesion can be secured by diffusing into the film 104 and the platinum layer 120. Note that the surface of the lower electrode layer 130 after this step (c) (that is, the platinum layer 120) is (111) -oriented.
ここで、上記条件で下部電極層１３０を形成した後、下部電極層１３０の表面をＡＦＭ（原子間顕微鏡）によって観察して表面粗さを計算すると、算術平均粗さ（Ｒａ）は０．７５０ｎｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）は３．６９５ｎｍ、最大山高さ（Ｒｐ）は３．１０７ｎｍ、最大谷深さ（Ｒｖ）は２．５４４ｎｍ、最大高さ（Ｒｙ＝Ｒｐ＋Ｒｖ）は５．６５１ｎｍであった。ここで、上記Ｒａ、Ｒｚ、Ｒｐ、Ｐｖ及びＲｙは、それぞれＪＩＳ Ｂ０６０１：１９９４に基づいて定義される表面粗さのパラメータである。 Here, after forming the lower electrode layer 130 under the above conditions, the surface roughness is calculated by observing the surface of the lower electrode layer 130 with an AFM (atomic microscope), and the arithmetic average roughness (Ra) is 0.750 nm. The ten-point average roughness (Rz) is 3.695 nm, the maximum peak height (Rp) is 3.107 nm, the maximum valley depth (Rv) is 2.544 nm, and the maximum height (Ry = Rp + Rv) is 5.651 nm. there were. Here, Ra, Rz, Rp, Pv and Ry are parameters of surface roughness defined based on JIS B0601: 1994, respectively.
工程（ｄ）では、下部電極層１３０の表面に、白金からなるヒロック（丘状突起物）１３５を形成する。具体的には、酸素雰囲気中で、酸化膜１０４及び下部電極層１３０が成膜されたＳＯＩ基板１０１を、例えば、後述する工程（ｅ）及び工程（ｆ）で用いる有機金属化学気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を利用したＭＯＣＶＤ装置の加熱ステージ上で、約７００℃で２０分間熱処理を行う。このように熱処理を行って、下部電極層１３０の表面に従来好ましくないものとして扱われていたヒロック１３５を下部電極層１３０の表面全体に積極的に形成する。ここで、前述したように工程（ｃ）において、下部電極層１３０は（１１１）面配向されているが、本工程（ｄ）によって下部電極層１３０の表面に生成されたヒロックは、（１００）面配向である。このヒロックにより下部電極層１３０の表面を（１００）面配向にすることができる。なお、熱処理はＭＯＣＶＤ装置内で行うものとしたが、他の装置で行ってもよい。また、熱処理の条件は、上述した約７００℃２０分間に限らず、例えば、６５０℃で４０分間、７５０℃で１０分間等でもよく、熱処理温度を低くする場合は熱処理時間を長くし、熱処理温度を高くする場合は熱処理時間を短くすることができる。なお、図１（ｄ）は、熱処理された後の下部電極層１３０の表面の状態を模式的に表した図である。実際は、下部電極層１３０の表面は、図１（ｄ）に示すように平坦ではなく、全体に丘状突起物が形成された状態となっている。 In the step (d), a hillock (hill-like projection) 135 made of platinum is formed on the surface of the lower electrode layer 130. Specifically, a metal organic chemical vapor deposition method in which the SOI substrate 101 on which the oxide film 104 and the lower electrode layer 130 are formed in an oxygen atmosphere is used in, for example, step (e) and step (f) described later. Heat treatment is performed at about 700 ° C. for 20 minutes on the heating stage of the MOCVD apparatus using (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Thus, the heat treatment is performed to positively form the hillock 135, which has been conventionally treated as undesirable, on the surface of the lower electrode layer 130 on the entire surface of the lower electrode layer 130. Here, as described above, in step (c), the lower electrode layer 130 is (111) -oriented, but hillocks generated on the surface of the lower electrode layer 130 in this step (d) are (100). Planar orientation. By this hillock, the surface of the lower electrode layer 130 can be oriented in the (100) plane. The heat treatment is performed in the MOCVD apparatus, but may be performed in another apparatus. The heat treatment conditions are not limited to the above-described about 700 ° C. for 20 minutes, but may be, for example, 650 ° C. for 40 minutes, 750 ° C. for 10 minutes, etc. When increasing the heat treatment time, the heat treatment time can be shortened. FIG. 1D schematically shows the state of the surface of the lower electrode layer 130 after the heat treatment. Actually, the surface of the lower electrode layer 130 is not flat as shown in FIG. 1D, and a hill-like projection is formed on the entire surface.
一般的に知られている上記ヒロック１３５の発生原理を以下に概略説明する。上記熱処理により、チタン層１１０内のチタンが白金層１２０内に拡散し、白金層１２０内に拡散したチタンが、酸化チタン（ＴｉＯ2）になり体積が倍程度になる。その結果、白金層１２０内の白金が酸化チタンによって表面に追いやられ、白金層１２０の表面にヒロック１３５が発生する。 The generation principle of the hillock 135, which is generally known, will be briefly described below. By the heat treatment, titanium in the titanium layer 110 diffuses into the platinum layer 120, and the titanium diffused into the platinum layer 120 becomes titanium oxide (TiO 2 ), and the volume becomes about double. As a result, platinum in the platinum layer 120 is driven to the surface by titanium oxide, and hillocks 135 are generated on the surface of the platinum layer 120.
前述した条件（７００℃２０分間）の熱処理によってヒロック１３５が形成された下部電極層１３０の表面をＡＦＭによって観察して表面粗さを計算させると、算術平均粗さ（Ｒａ）は１．０１５ｎｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）は７．８６１ｎｍ、最大山高さ（Ｒｐ）は５．９４０ｎｍ、最大谷深さ（Ｒｖ）は４．０４３ｎｍ、最大高さ（Ｒｙ）は９．９８３ｎｍであった。 When the surface roughness is calculated by observing the surface of the lower electrode layer 130 on which the hillock 135 is formed by the heat treatment under the above-described conditions (700 ° C. for 20 minutes) by AFM, the arithmetic average roughness (Ra) is 1.015 nm, The ten-point average roughness (Rz) was 7.861 nm, the maximum peak height (Rp) was 5.940 nm, the maximum valley depth (Rv) was 4.043 nm, and the maximum height (Ry) was 9.983 nm.
工程（ｅ）では、下部電極層１３０上に、ヒロック１３５を成長核として、（１００）面配向のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）からなるシード層１４０を形成する。具体的には、ＭＯＣＶＤ装置を用いてシード層１４０を形成する。 In step (e), a seed layer 140 made of (100) -oriented lead titanate (PbTiO 3 ) is formed on the lower electrode layer 130 using the hillock 135 as a growth nucleus. Specifically, the seed layer 140 is formed using an MOCVD apparatus.
ここで、ＭＯＣＶＤ装置について、簡単に説明する。薄膜原料を高温中で反応させて基板上に成膜するＣＶＤプロセスのうち、特にその原料に有機金属を用いる方法を有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）と呼ぶ。このＭＯＣＶＤ法をもちいた成膜装置を一般的にＭＯＣＶＤ装置という。ＭＯＣＶＤ装置は、成膜原料となる金属錯体を原料槽に入れて液体状態になるようにヒーターで加熱し、さらに気化させ、気化した原料ガスを、配管を通じて反応室へと運び、この気化した原料を加熱ステージ上の基板上に蒸着させて成膜を行うものである。また、ＭＯＣＶＤ装置は、反応室へ流量制御された酸素を供給する配管及び各原料槽と反応室との間の配管には流量を制御する流量制御バルブを備えており、この酸素及び各原料の流量を適切に制御することにより所望の成膜を行うことができるように構成されている。 Here, the MOCVD apparatus will be briefly described. Among the CVD processes for forming a film on a substrate by reacting a thin film raw material at a high temperature, a method using an organic metal as the raw material is particularly called a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). A film forming apparatus using the MOCVD method is generally called an MOCVD apparatus. The MOCVD apparatus heats a metal complex as a film forming raw material into a raw material tank and heats it with a heater so as to be in a liquid state, further vaporizes it, transports the vaporized raw material gas to a reaction chamber through piping, and this vaporized raw material Is deposited on a substrate on a heating stage to form a film. The MOCVD apparatus is provided with a flow rate control valve for controlling the flow rate in the piping for supplying oxygen whose flow rate is controlled to the reaction chamber and the piping between each raw material tank and the reaction chamber. It is configured such that a desired film can be formed by appropriately controlling the flow rate.
本実施形態におけるＭＯＣＶＤ装置は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの原料槽（工程（ｅ）においては、Ｚｒは不要である）を備え、原料ガスを反応室へ運ぶキャリアガスとしてはアルゴン（Ａｒ）ガスを用いている。本工程（ｅ）においては、例えば、加熱ステージの温度を約３００〜５００℃とし、Ｐｂ及びＴｉ等の流量を適切に調整してチタン酸鉛の成膜速度を３．５ｎｍ／ｍｉｎに設定する。そして、成膜時間を調整して所定の厚みのシード層１４０を、下部電極層１３０上にヒロックを成長核として（１００）面配向させて形成する。この（１００）面配向されたシード層１４０により、後述するＰＺＴ圧電薄膜層１５０を（００１）面又は（１００）面配向させて成長させることができる。ここで、下部電極層１３０上に、直接ＰＺＴ圧電薄膜層１５０を形成すると、ＰＺＴ圧電薄膜層形成の初期にジルコニウムの酸化物（ＺｒＯ2）からなる結晶性の低い層が形成されてしまうことが知られている。上記シード層１４０は、ジルコニウムが存在しないため、ＺｒＯ2の形成を防ぐことができる。このように、ヒロックを成長核として（１００）面配向させたチタン酸鉛からなるシード層１４０は、ＰＺＴ圧電薄膜層１５０の結晶配向を制御することができる共に、結晶性の低い層の形成を防止して、より結晶性の高いＰＺＴ圧電薄膜層１５０の形成を可能にすることができる。なお、ＺｒＯ2の形成を防止するシード層を形成すること自体は、従来から通常行われていることであるため、本工程（ｅ）により製造工程が、従来の製造工程と比較して複雑になることはない。 The MOCVD apparatus in this embodiment includes a Pb, Zr, and Ti raw material tank (Zr is not necessary in the step (e)), and argon (Ar) gas is used as a carrier gas for carrying the raw material gas to the reaction chamber. Used. In this step (e), for example, the temperature of the heating stage is set to about 300 to 500 ° C., and the flow rate of Pb, Ti, or the like is appropriately adjusted to set the film formation rate of lead titanate to 3.5 nm / min. . Then, a seed layer 140 having a predetermined thickness is formed on the lower electrode layer 130 with a hillock as a growth nucleus and oriented in the (100) plane by adjusting the film formation time. With the seed layer 140 oriented in (100) plane, a PZT piezoelectric thin film layer 150 described later can be grown with (001) plane or (100) plane orientation. Here, when the PZT piezoelectric thin film layer 150 is directly formed on the lower electrode layer 130, a low crystallinity layer made of zirconium oxide (ZrO 2 ) may be formed at the initial stage of the PZT piezoelectric thin film layer formation. Are known. Since the seed layer 140 is free of zirconium, formation of ZrO 2 can be prevented. As described above, the seed layer 140 made of lead titanate with hillock as a growth nucleus and oriented in (100) plane can control the crystal orientation of the PZT piezoelectric thin film layer 150 and can form a layer with low crystallinity. Therefore, the PZT piezoelectric thin film layer 150 having higher crystallinity can be formed. In addition, since the formation of the seed layer for preventing the formation of ZrO 2 itself has been conventionally performed, the manufacturing process according to this step (e) is complicated compared to the conventional manufacturing process. Never become.
工程（ｆ）では、シード層１４０上に、（００１）面又は（１００）面配向のＰＺＴ圧電薄膜層１５０を形成する。具体的には、上記ＭＯＣＶＤ装置を用いて、例えば、加熱温度を約６５０℃とし、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉ等の流量を適切に調整して、ＰＺＴの成膜速度を６．５ｎｍ／ｍｉｎ、成膜時間を６０ｍｉｎとし、厚さ３９０ｎｍのＰＺＴ圧電薄膜層１５０を形成する。このようにして、（１００）面配向のシード層１４０により、ＰＺＴ圧電薄膜層１５０を（００１）面又は（１００）面配向させて成膜することができる。 In step (f), a (001) plane or (100) plane oriented PZT piezoelectric thin film layer 150 is formed on the seed layer 140. Specifically, using the MOCVD apparatus, for example, the heating temperature is set to about 650 ° C., the flow rates of Pb, Zr, Ti, and the like are appropriately adjusted, and the film formation rate of PZT is 6.5 nm / min. The PZT piezoelectric thin film layer 150 having a thickness of 390 nm and a film time of 60 min is formed. In this manner, the PZT piezoelectric thin film layer 150 can be formed with the (001) plane or (100) plane orientation by the (100) plane oriented seed layer 140.
工程（ｇ）では、スパッタ法等を用いて、圧電薄膜層１５０上に、例えば白金からなる上部電極層１６０（例えば２４０ｎｍ）を形成する。以上の工程により、下部電極層１３０、シード層１４０、圧電薄膜層１５０及び上部電極層１６０で構成される圧電素子１００を形成する。 In the step (g), an upper electrode layer 160 (for example, 240 nm) made of platinum, for example, is formed on the piezoelectric thin film layer 150 by using a sputtering method or the like. Through the above steps, the piezoelectric element 100 including the lower electrode layer 130, the seed layer 140, the piezoelectric thin film layer 150, and the upper electrode layer 160 is formed.
このような構成により、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、一般的な材料からなるＳＯＩ基板１０１及び下部電極層１３０を用い、下部電極層１３０の表面に従来好ましくないものとされていた白金からなるヒロック１３５を積極的に形成し、このヒロック１３５を利用して、（００１）面又は（１００）面配向のＰＺＴ圧電薄膜層１５０を形成することができる。したがって、酸化マグネシウム等の特殊な基板や、特殊な酸化物からなる電極層を用いることなく、ＰＺＴ圧電薄膜層の結晶配向の制御を適切に行うことができる。このように、特殊な材料からなる基板や電極層を用いないため、製造コストを高めることなく結晶配向が適切に制御されたＰＺＴ圧電薄膜層を有した圧電素子を製造することができる。 With such a configuration, the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present embodiment has been conventionally unfavorable on the surface of the lower electrode layer 130 using the SOI substrate 101 and the lower electrode layer 130 made of general materials. A hillock 135 made of platinum is positively formed, and by using this hillock 135, a PZT piezoelectric thin film layer 150 of (001) plane or (100) plane orientation can be formed. Accordingly, the crystal orientation of the PZT piezoelectric thin film layer can be appropriately controlled without using a special substrate such as magnesium oxide or an electrode layer made of a special oxide. Thus, since a substrate or an electrode layer made of a special material is not used, a piezoelectric element having a PZT piezoelectric thin film layer in which the crystal orientation is appropriately controlled can be manufactured without increasing the manufacturing cost.
また、本実施形態のように、シード層１４０及びＰＺＴ圧電薄膜層１５０の形成をＭＯＣＶＤ装置で行う場合は、工程（ｄ）〜工程（ｆ）までを一つの装置で行うことができるという利点がある。すなわち、圧電薄膜層１５０を成膜するＭＯＣＶＤ装置は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの原料槽、各原料等の供給配管及び各流量制御バルブを備えており、シード層１４０の成膜に必要な原料槽、供給配管及び流量制御バルブも含まれているため、シード層１４０及び圧電薄膜層１５０の成膜を一つの装置で行うことができ、さらに、ヒロック１３５の生成も、加熱ステージ上でできる。また、シード層１４０及びＰＺＴ圧電薄膜層１５０の形成をＭＯＣＶＤ装置で行う場合は、前述した流量制御バルブ及び加熱ステージの温度を適切に調整等するだけで、工程（ｄ）〜工程（ｆ）の工程切替えを行うことができるため、工程切替えの作業が容易になるという利点もある。 Further, when the seed layer 140 and the PZT piezoelectric thin film layer 150 are formed by the MOCVD apparatus as in this embodiment, there is an advantage that the process (d) to the process (f) can be performed by one apparatus. is there. That is, the MOCVD apparatus for forming the piezoelectric thin film layer 150 includes a Pb, Zr, Ti raw material tank, supply pipes for each raw material, etc., and respective flow rate control valves, and a raw material tank necessary for forming the seed layer 140. In addition, since the supply pipe and the flow rate control valve are also included, the seed layer 140 and the piezoelectric thin film layer 150 can be formed by one apparatus, and the hillock 135 can be generated on the heating stage. Further, when the seed layer 140 and the PZT piezoelectric thin film layer 150 are formed by the MOCVD apparatus, the processes of steps (d) to (f) can be performed only by appropriately adjusting the temperature of the flow control valve and the heating stage described above. Since the process switching can be performed, there is an advantage that the process switching work becomes easy.
次に、前述した工程（ｅ）におけるシード層１４０の成膜時間を０〜６ｍｉｎの範囲で調整して、シード層１４０成膜厚さを変化させた場合の、（００１）面又は（１００）面配向のＰＺＴ圧電薄膜層１５０のピーク強度が、どのように変化するかを、図３に基づいて説明する。 Next, the (001) plane or (100) when the seed layer 140 deposition thickness is changed by adjusting the deposition time of the seed layer 140 in the step (e) described above in the range of 0 to 6 min. How the peak intensity of the plane-oriented PZT piezoelectric thin film layer 150 changes will be described with reference to FIG.
図３（ａ）〜図３（ｇ）は、本実施形態の製造方法により作製されたＰＺＴ圧電薄膜層１５０のＸ線回折パターンを示す図で、（ａ）はシード層１４０の成膜時間が０ｍｉｎの場合、（ｂ）は０．５ｍｉｎの場合、（ｃ）は１ｍｉｎの場合、（ｄ）は１．５ｍｉｎの場合、（ｅ）は２ｍｉｎの場合、（ｆ）は４ｍｉｎの場合、（ｇ）は６ｍｉｎの場合である。本実施形態においては、工程（ｅ）で説明したように、シード層１４０（チタン酸鉛）の成膜速度は３．５ｎｍ／ｍｉｎとしているので、シード層１４０の厚みは、（ａ）では０ｎｍ、（ｂ）では１．７５ｎｍ、（ｃ）では３．５ｎｍ、（ｄ）では５．２５ｎｍ、（ｅ）では７ｎｍ、（ｆ）では１４ｎｍ、（ｇ）では２１ｎｍ、である。図３に示すように、（ａ）ではＰＺＴ（００１）又は（１００）面配向のピークは検出されず、膜厚が厚くなると、（ｃ）において、ＰＺＴ（００１）又は（１００）面配向のピーク強度が急激に増し、さらに膜厚が厚くなるにつれて、ＰＺＴ（００１）又は（１００）面配向のピーク強度は低下していることが分かる。このように、ＰＺＴ（００１）又は（１００）面配向のピーク強度は、シード層１４０の膜厚に依存している。したがって、シード層１４０の膜厚を適切に調整することによって、（００１）面又は（１００）面配向のＰＺＴ圧電薄膜層１５０をより適切に形成することが可能となる。例えば、本実施形態においては、シード層１４０は、３．５〜４．０ｎｍ程度の厚みで成膜するとよい。この厚さは、前述したように、ヒロック１３５形成後の下部電極層１３０の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）の値（７．８６１ｎｍ）の半分程度の値である。このように、シード層１４０は、ヒロック１３５形成後の下部電極層１３０の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）の値の略半分の厚みで形成するとよい。 FIGS. 3A to 3G are diagrams showing an X-ray diffraction pattern of the PZT piezoelectric thin film layer 150 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, and FIG. In the case of 0 min, (b) is 0.5 min, (c) is 1 min, (d) is 1.5 min, (e) is 2 min, (f) is 4 min, (g ) Is for 6 min. In the present embodiment, as described in the step (e), since the deposition rate of the seed layer 140 (lead titanate) is 3.5 nm / min, the thickness of the seed layer 140 is 0 nm in (a). (B) is 1.75 nm, (c) is 3.5 nm, (d) is 5.25 nm, (e) is 7 nm, (f) is 14 nm, and (g) is 21 nm. As shown in FIG. 3, the peak of PZT (001) or (100) plane orientation is not detected in (a), and when the film thickness increases, in (c), the PZT (001) or (100) plane orientation peak It can be seen that the peak intensity of the PZT (001) or (100) plane orientation decreases as the peak intensity increases rapidly and the film thickness further increases. As described above, the peak intensity of the PZT (001) or (100) plane orientation depends on the film thickness of the seed layer 140. Therefore, by appropriately adjusting the film thickness of the seed layer 140, the (001) plane or (100) plane oriented PZT piezoelectric thin film layer 150 can be more appropriately formed. For example, in this embodiment, the seed layer 140 may be formed with a thickness of about 3.5 to 4.0 nm. As described above, this thickness is about half the value (7.861 nm) of the ten-point average roughness (Rz) of the surface of the lower electrode layer 130 after the hillock 135 is formed. As described above, the seed layer 140 is preferably formed with a thickness approximately half the value of the ten-point average roughness (Rz) of the surface of the lower electrode layer 130 after the hillock 135 is formed.
また、上記全ての説明において、基板はＳＯＩ基板を用いた場合で説明したが、ＳＯＩ基板に限らず、シリコンの単結晶基板を用いてもよい。 Further, in all the descriptions above, the case where the SOI substrate is used has been described. However, the substrate is not limited to the SOI substrate, and a silicon single crystal substrate may be used.
また、シード層１４０及びＰＺＴ圧電薄膜層１５０は、ＭＯＣＶＤ装置を用いて形成する場合で説明したが、これに限らず、スパッタ法によって行ってもよい。この場合でも、ＰＺＴ圧電薄膜層１５０のターゲットとしてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを用意しておけば、シード層１４０のターゲットとしても利用可能である。 Moreover, although the seed layer 140 and the PZT piezoelectric thin film layer 150 have been described in the case where they are formed using an MOCVD apparatus, the present invention is not limited to this, and may be performed by a sputtering method. Even in this case, if Pb, Zr, and Ti are prepared as targets for the PZT piezoelectric thin film layer 150, they can also be used as targets for the seed layer 140.
次に、本発明の圧電素子の製造方法を適用して作製した光走査装置の一例について説明する。図４は、上記光走査装置の平面図である。
図４において、光走査装置１は、光ビームを反射するミラー部２と、このミラー部の周囲に配置した４つの可動支持体３Ａ〜３Ｄと、この４つの可動支持体３Ａ〜３Ｄの周囲を囲む固定枠部４とを備え、可動支持体３Ａ〜３Ｄの内側に、トーションバー５、６を介してミラー部２を回動可能に軸支し、固定枠部４の内側に、トーションバー５、６と軸方向が直交する連結部７Ａ〜７Ｄにより可動支持体３Ａ〜３Ｄを回動可能に軸支する構成である。これらミラー部２、可動支持体３Ａ〜３Ｄ、固定枠部４、トーションバー５、６及び連結部７Ａ〜７Ｄは、半導体基板として、例えば、酸化膜（ＳｉＯ２）層１２をシリコン層１１で挟んだサンドイッチ構造のＳＯＩ(Silicon-on-insulator)基板（図５に示す）を用いて一体に形成される。
Next, an example of an optical scanning device manufactured by applying the piezoelectric element manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 4 is a plan view of the optical scanning device.
In FIG. 4, the optical scanning device 1 includes a mirror unit 2 that reflects a light beam, four movable supports 3A to 3D arranged around the mirror unit, and the periphery of the four movable supports 3A to 3D. A fixed frame portion 4 that surrounds the mirror portion 2 through the torsion bars 5 and 6 inside the movable supports 3A to 3D, and the torsion bar 5 inside the fixed frame portion 4 , 6 is configured to pivotally support the movable supports 3A to 3D by connecting portions 7A to 7D whose axial directions are orthogonal to each other. These mirror part 2, movable support bodies 3 </ b> A to 3 </ b> D, fixed frame part 4, torsion bars 5 and 6, and connection parts 7 </ b> A to 7 </ b> D sandwich, for example, an oxide film (SiO 2 ) layer 12 between silicon layers 11 as a semiconductor substrate. It is integrally formed using an SOI (Silicon-on-insulator) substrate (shown in FIG. 5) having a sandwich structure.
前記ミラー部２は、円形状に形成され、図４のＸ−Ｙ矢視断面図である図５に示すように、ＳＯＩ基板表面に形成した酸化膜（ＳｉＯ２）１２上に、光ビームを反射するミラー２Ａが積層形成されている。本例では、ミラー２Ａは、後述する圧電部２０の金属薄膜で構成される下部電極層２１と同じ金属薄膜で形成したが、別の金属素材を用いて形成してもよいことは言うまでもない。 The mirror part 2 is formed in a circular shape, and as shown in FIG. 5, which is a cross-sectional view taken along the line XY in FIG. 4, a light beam is irradiated on the oxide film (SiO 2 ) 12 formed on the SOI substrate surface. A reflecting mirror 2A is laminated. In this example, the mirror 2A is formed of the same metal thin film as the lower electrode layer 21 formed of the metal thin film of the piezoelectric portion 20 described later, but it goes without saying that it may be formed using another metal material.
前記４つの可動支持体３Ａ〜３Ｄは、前記ミラー部２を回動可能に支持する支持体としての役割を有すると共に、それぞれに前記圧電部２０を備えてミラー部２を駆動する圧電駆動部としても機能するものである。可動支持体３Ａ〜３Ｄは、円形状のミラー部２と同心でそれぞれ円弧状に形成され、図５に示すようにＳＯＩ基板表面の酸化膜１２上に圧電部２０が形成されている。圧電部２０は、前述した本発明の圧電素子の製造方法により製造された圧電素子１００からなり、下部電極層２１、シード層２２、圧電薄膜層２３及び上部電極層２４の積層構造である。すなわち、下部電極層２１は、チタン（Ｔｉ）層２１ａと白金（Ｐｔ）層２１ｂで形成されており、下部電極層２１の表面（すなわち白金層２１ｂの表面）には、ヒロックが生成されている。シード層２２は、上記ヒロックを成長核として形成された（１００）面配向のチタン酸鉛からなるものである。圧電薄膜層２３は、（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成され、上部電極層２４は、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。 The four movable supports 3 </ b> A to 3 </ b> D serve as a support that rotatably supports the mirror unit 2, and each includes the piezoelectric unit 20 as a piezoelectric drive unit that drives the mirror unit 2. Also works. The movable supports 3A to 3D are each formed in an arc shape concentric with the circular mirror portion 2, and the piezoelectric portion 20 is formed on the oxide film 12 on the surface of the SOI substrate as shown in FIG. The piezoelectric portion 20 is composed of the piezoelectric element 100 manufactured by the above-described method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, and has a laminated structure of a lower electrode layer 21, a seed layer 22, a piezoelectric thin film layer 23, and an upper electrode layer 24. That is, the lower electrode layer 21 is formed of a titanium (Ti) layer 21a and a platinum (Pt) layer 21b, and hillocks are generated on the surface of the lower electrode layer 21 (that is, the surface of the platinum layer 21b). . The seed layer 22 is made of (100) -oriented lead titanate formed using the hillock as a growth nucleus. The piezoelectric thin film layer 23 is formed of lead zirconate titanate (PZT) with (001) plane or (100) plane orientation, and the upper electrode layer 24 is formed of platinum (Pt), for example.
ミラー部２と４つの可動支持体３Ａ〜３Ｄを連結するトーションバー５、６のミラー部側端部は、ミラー部２にその周縁部から中央に向けて切込み８を設けてミラー部２の周縁部より中央部寄りでミラー部２と連結している。こうすることにより、トーションバー５、６の長さを、可動支持体３Ａ〜３Ｄとミラー部２間の距離よりも長くしてトーションバー５、６に柔軟性を持たせると共に、ミラー部２とトーションバー５、６の連結部分に作用する応力を緩和するようにしている。また、トーションバー５、６の可動支持体側端部は、二股状に分割形成し、一方のトーションバー５は、２つの可動支持体３Ａと３Ｂの互いに近接する端部の内側角部に連結し、他方のトーションバー６は、２つの可動支持体３Ｃと３Ｄの互いに近接する端部の内側角部に連結している。 The mirror portion side ends of the torsion bars 5 and 6 that connect the mirror portion 2 and the four movable supports 3A to 3D are provided with a notch 8 in the mirror portion 2 from the peripheral portion toward the center thereof. It is connected to the mirror part 2 closer to the center than the part. In this way, the length of the torsion bars 5 and 6 is made longer than the distance between the movable supports 3A to 3D and the mirror part 2 to make the torsion bars 5 and 6 flexible, and the mirror part 2 and The stress acting on the connecting portion of the torsion bars 5 and 6 is relaxed. Further, the end portions on the movable support side of the torsion bars 5 and 6 are divided into two forks, and one torsion bar 5 is connected to the inner corners of the end portions of the two movable supports 3A and 3B that are close to each other. The other torsion bar 6 is connected to the inner corners of the ends of the two movable supports 3C and 3D that are close to each other.
前記固定枠部４は、その内側にミラー部２及び可動支持体３Ａ〜３Ｄと同心の円形状の開口を有し、この開口部分に可動支持体３Ａ〜３Ｄを支持している。固定枠部４の表面は前述した圧電部２０の下部電極層２１で覆われている。 The fixed frame portion 4 has a circular opening concentric with the mirror portion 2 and the movable support bodies 3A to 3D on the inner side thereof, and supports the movable support bodies 3A to 3D on the opening portions. The surface of the fixed frame portion 4 is covered with the lower electrode layer 21 of the piezoelectric portion 20 described above.
固定枠部４と可動支持体３Ａ〜３Ｄを連結する連結部７Ａ〜７Ｄは、トーションバーの機能を有するように形成され、その可動支持体側は、トーションバー５、６と軸方向が直交するように各可動支持体３Ａ〜３Ｄのトーションバー５、６が連結している前記内側角部と対角位置にある各外側角部にそれぞれ連結している。そして、固定枠部４の例えば４隅には、各可動支持体３Ａ〜３Ｄ上の各圧電部２０に外部回路から駆動信号を供給するため４つの電極端子９Ａ〜９Ｄが形成されている。 The connecting portions 7A to 7D for connecting the fixed frame portion 4 and the movable supports 3A to 3D are formed so as to have a function of a torsion bar, and the movable support side is orthogonal to the torsion bars 5 and 6 in the axial direction. The torsion bars 5 and 6 of the movable supports 3A to 3D are respectively connected to the inner corners to which the movable torsion bars 5 and 6 are connected, and to the outer corners at diagonal positions. For example, four electrode terminals 9 </ b> A to 9 </ b> D are formed at four corners of the fixed frame portion 4 in order to supply drive signals from the external circuit to the piezoelectric portions 20 on the movable supports 3 </ b> A to 3 </ b> D.
本例の光走査装置１では、４つの可動支持体３Ａ〜３Ｄにそれぞれ形成した４つの圧電部２０のうち少なくとも１つに、電極端子９Ａ〜９Ｄを介して上部電極層２４と下部電極層２１に交流駆動信号を印加すると、可動支持体３Ａ〜３Ｄに設けた圧電薄膜層２３が収縮する。印加する交流駆動信号の周波数を、ミラー部２、可動支持体３Ａ〜３Ｄ、トーションバー５、６及び連結部７Ａ〜７Ｄの可動部分におけるトーションバー５、６回りの固有振動数に対応する共振周波数とすると、ミラー部２がトーションバー５、６を軸として揺動する。また、４つの圧電部２０のうち少なくとも１つに、印加する交流駆動信号の周波数を、ミラー部２、可動支持体３Ａ〜３Ｄ、トーションバー５、６及び連結部７Ａ〜７Ｄの可動部分における連結部７Ａ〜７Ｄ回りの固有振動数に対応する共振周波数とすると、連結部７Ａ〜７Ｄを軸として可動支持体３Ａ〜３Ｄとミラー部２が一体となって揺動する。更に、トーションバー５、６回りの固有振動数に対応する共振周波数と連結部７Ａ〜７Ｄ回りの固有振動数に対応する共振周波数の交流駆動信号を、４つの圧電部２０のうち少なくとも２つにそれぞれ同時に印加した場合には、ミラー部２は、トーションバー５、６回りに揺動すると共に、同時に連結部７Ａ〜７Ｄ回りに揺動する。 In the optical scanning device 1 of this example, at least one of the four piezoelectric portions 20 formed on the four movable supports 3A to 3D is formed on the upper electrode layer 24 and the lower electrode layer 21 via the electrode terminals 9A to 9D. When an AC drive signal is applied to the piezoelectric thin film layer 23, the piezoelectric thin film layer 23 provided on the movable supports 3A to 3D contracts. The frequency of the AC drive signal to be applied is the resonance frequency corresponding to the natural frequency around the torsion bars 5 and 6 in the movable part of the mirror part 2, the movable supports 3A to 3D, the torsion bars 5 and 6 and the connecting parts 7A to 7D. Then, the mirror unit 2 swings around the torsion bars 5 and 6. In addition, the frequency of the AC drive signal to be applied to at least one of the four piezoelectric parts 20 is set so that the mirror part 2, the movable supports 3A to 3D, the torsion bars 5 and 6, and the connecting parts 7A to 7D in the movable part. Assuming that the resonance frequency corresponds to the natural frequency around the portions 7A to 7D, the movable supports 3A to 3D and the mirror portion 2 swing together with the connecting portions 7A to 7D as axes. Further, an AC drive signal having a resonance frequency corresponding to the natural frequency around the torsion bars 5 and 6 and a resonance frequency corresponding to the natural frequency around the connecting portions 7A to 7D is supplied to at least two of the four piezoelectric portions 20. When applied simultaneously, the mirror unit 2 swings around the torsion bars 5 and 6 and simultaneously swings around the connecting portions 7A to 7D.
従って、４つの圧電部２０のうち少なくとも１つに、トーションバー５、６回りの固有振動数に対応する共振周波数の交流駆動信号を印加するか、或いは、連結部７Ａ〜７Ｄ回りの固有振動数に対応する共振周波数の交流駆動信号を印加すると、ミラー部２のミラー２Ａで反射した反射光ビームを一次元的に走査できる。また、前述の各固有振動数にそれぞれ対応した各共振周波数の交流駆動信号を、少なくとも２つの圧電部２０にそれぞれ同時に印加した場合、ミラー部２のミラー２Ａで反射した反射光ビームは、トーションバー５、６回りの揺動モードと連結部７Ａ〜７Ｄ回りの揺動モードが複合したリサージュ走査となり、光ビームを２次元走査できる。 Therefore, an AC drive signal having a resonance frequency corresponding to the natural frequency around the torsion bars 5 and 6 is applied to at least one of the four piezoelectric parts 20, or the natural frequency around the connecting parts 7A to 7D. When an AC drive signal having a resonance frequency corresponding to is applied, the reflected light beam reflected by the mirror 2A of the mirror unit 2 can be scanned one-dimensionally. Further, when AC drive signals having respective resonance frequencies respectively corresponding to the respective natural frequencies are simultaneously applied to at least two piezoelectric units 20, the reflected light beam reflected by the mirror 2A of the mirror unit 2 is reflected by the torsion bar. The Lissajous scanning is a combination of the rocking modes around 5 and 6, and the rocking modes around the connecting portions 7A to 7D, and the light beam can be scanned two-dimensionally.
次に、上記光走査装置の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、前述した圧電素子の製造方法を適用して作製した図２（ｇ）に示す圧電素子１００の上部電極層１６０上に、レジストを塗布し、露光、現像を行って上部電極層１６０、ＰＺＴ圧電薄膜層１５０及びシード層１４０のエッチング用マスクパターンを形成し、このマスクパターンにより圧電部２０形成部分をマスクしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により上部電極層、圧電薄膜層及びシード層をエッチングし、マスクパターンを除去する。これにより、電極端子９Ａ〜９Ｄから連結部７Ａ〜７Ｄを経由して可動支持体３Ａ〜３Ｄに亘る圧電部２０形成部分以外の上部電極層１６０、ＰＺＴ圧電薄膜層１５０及びシード層１４０を除去し、電極端子９Ａ〜９Ｄから連結部７Ａ〜７Ｄを経由して可動支持体３Ａ〜３Ｄに亘る圧電部２０を形成する。次に、下部電極層１３０上に、レジストを塗布し、露光、現像を行って下部電極層１３０、ＳＯＩ基板１０１上の酸化膜１０４、シリコン層１０３のエッチング用マスクパターンを形成し、このマスクパターンにより、圧電部２０、トーションバー５，６及びミラー部２の各形成部分をマスクしてＲＩＥにより下部電極層１３０、酸化膜１０４及びシリコン層１０３をエッチングし、マスクパターンを除去する。これにより、下部電極層１３０をミラーとするミラー部２、トーションバー５、６、可動支持体３Ａ〜３Ｄ及び連結部７Ａ〜７Ｄからなる可動部分に相当する部分を形成する。最後に、裏面側の酸化膜１０４に、レジストを塗布し、露光、現像を行って、裏面側の酸化膜１０４及びシリコン層１０３、酸化膜層１０２、のエッチング用マスクパターンを形成し、このマスクパターンにより、固定枠部に相当する部分をマスクしてＲＩＥにより裏面側の酸化膜１０４及びシリコン層１０３、酸化膜層１０２を順次エッチングし、マスクパターンを除去する。これにより、図４に示す本例の光走査装置１が完成する。 Next, an example of a method for manufacturing the optical scanning device will be briefly described. First, a resist is applied on the upper electrode layer 160 of the piezoelectric element 100 shown in FIG. 2G manufactured by applying the above-described method for manufacturing a piezoelectric element, and exposure and development are performed to form the upper electrode layer 160, PZT. A mask pattern for etching the piezoelectric thin film layer 150 and the seed layer 140 is formed, and the upper electrode layer, the piezoelectric thin film layer, and the seed layer are etched by RIE (Reactive Ion Etching) using the mask pattern to mask the portion where the piezoelectric portion 20 is formed. The mask pattern is removed. As a result, the upper electrode layer 160, the PZT piezoelectric thin film layer 150, and the seed layer 140 other than the piezoelectric portion 20 forming portion extending from the electrode terminals 9A to 9D to the movable supports 3A to 3D via the connecting portions 7A to 7D are removed. Then, the piezoelectric part 20 is formed from the electrode terminals 9A to 9D to the movable supports 3A to 3D via the connecting parts 7A to 7D. Next, a resist is applied on the lower electrode layer 130, and exposure and development are performed to form an etching mask pattern for the lower electrode layer 130, the oxide film 104 on the SOI substrate 101, and the silicon layer 103. This mask pattern Thus, the formation portions of the piezoelectric portion 20, the torsion bars 5, 6 and the mirror portion 2 are masked, and the lower electrode layer 130, the oxide film 104 and the silicon layer 103 are etched by RIE to remove the mask pattern. Thus, a portion corresponding to the movable portion including the mirror portion 2, the torsion bars 5 and 6, the movable supports 3A to 3D, and the connecting portions 7A to 7D using the lower electrode layer 130 as a mirror is formed. Finally, a resist is applied to the oxide film 104 on the back surface side, and exposure and development are performed to form an etching mask pattern for the oxide film 104, the silicon layer 103, and the oxide film layer 102 on the back surface side. The portion corresponding to the fixed frame portion is masked by the pattern, and the oxide film 104, the silicon layer 103, and the oxide film layer 102 on the back side are sequentially etched by RIE to remove the mask pattern. Thereby, the optical scanning device 1 of this example shown in FIG. 4 is completed.
１００ 圧電素子
１０１ ＳＯＩ基板（シリコン基板）
１０４ 酸化膜
１１０ チタン層
１２０ 白金層
１３０ 下部電極層
１３５ ヒロック
１４０ シード層
１５０ 圧電薄膜層（ＰＺＴ圧電薄膜層）
１６０ 上部電極層
100 Piezoelectric element 101 SOI substrate (silicon substrate)
104 Oxide film 110 Titanium layer 120 Platinum layer 130 Lower electrode layer 135 Hillock 140 Seed layer 150 Piezoelectric thin film layer (PZT piezoelectric thin film layer)
160 Upper electrode layer
Claims (5)
上記酸化膜上に、チタンと白金を順次積層して下部電極層を形成する工程と、
上記下部電極層の表面に、上記白金からなるヒロックを形成する工程と、
上記下部電極層上に、上記ヒロックを成長核として、（１００）面配向のチタン酸鉛からなるシード層を形成する工程と、
上記シード層上に、（００１）面又は（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電薄膜層を形成する工程と、
上記圧電薄膜層上に、上部電極層を形成する工程と、
を有して構成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 Forming an oxide film on the silicon substrate;
Forming a lower electrode layer by sequentially laminating titanium and platinum on the oxide film;
Forming a hillock made of platinum on the surface of the lower electrode layer;
Forming a seed layer made of (100) -oriented lead titanate on the lower electrode layer using the hillock as a growth nucleus;
Forming a piezoelectric thin film layer made of lead zirconate titanate with (001) plane or (100) plane orientation on the seed layer;
Forming an upper electrode layer on the piezoelectric thin film layer;
A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising:
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