JPWO2011077667A1 - 圧電素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
圧電素子は、基板L1と、基板L1の上面に形成された酸化膜L2と、酸化膜L2の上面に形成された下部電極L3と、下部電極L3の上面に形成された圧電体薄膜L4とにより構成されている。圧電体薄膜L4は、[111]方位に配向したエンジニアードドメイン構造を有するペロブスカイト型強誘電体結晶であるチタン酸ジルコン酸鉛により構成されている。
Description
本発明は、ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を備える圧電素子及びその製造方法に関するものである。
従来から、駆動素子やセンサなどの機械電気変換素子として、チタン酸ジルコンサン鉛(PZT)等から構成される圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、及び低コスト化などの要求に応えるために、シリコン基板を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による機械電気変換素子が増加している。
機械電気変換素子をMEMSで構成するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。これにより、成膜及びフォトリソグラフィー等の半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、機械電気変換素子を小型化及び高密度化することができる。また、機械電気変換素子をMEMSで構成すると、大面積のウェハを用いて複数の機械電気変換素子を一括加工できるため、コストを低減することができる。更に、機械電気変換素子の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度を向上させることができる。
一方、近年、ペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することで、ヒステリシスのない圧電特性を得ることができる圧電体が知られている(非特許文献1、特許文献1)。
図8は、ペロブスカイト型強誘電体結晶であるPZTの結晶構造を示した図である。図8に示すように、PZTは、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶からなり、立方体の中心にチタン(Ti)又はジルコン(Zr)が配置され、各頂点に鉛(Pb)が配置され、各面の中心に酸素が配置されたペロブスカイト構造を有していることが分かる。
図9は、結晶毎のエンジニアードドメイン構造を示した図である。エンジニアードドメイン構造を強誘電体単結晶中に導入するには、ある特定の結晶方位に電場を印加する必要があり、その結晶方位は結晶構造ごとに異なる。
図9に示すように、菱面体晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は2つあり、1つは[100]方位であり、もう1つは[110]方位である。また、斜方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は2つあり、一つは[100]方位であり、もう1つは[111]方位である。また、正方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は2つあり、1つは[111]方位であり、もう1つは[110]方位である。
しかしながら、上記文献に記載されたエンジニアードドメイン構造を有する圧電体は、るつぼ内の溶液を種結晶から徐々に固化するいわゆるブリッジマン法により育成されたバルク単結晶の圧電体であり、薄膜化されたものではない。そのため、MEMSの機械電気変換素子に用いることが困難である。
宮澤新太郎、栗村直監修 分極反転デバイスの基礎と応用 第2章
本発明の目的は、ヒステリシスの少ない圧電特性を有し、かつ、圧電体が薄膜化された圧電素子を提供することである。
本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
本発明の別の一局面による圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第1ステップと、基板を所定の温度に加熱する第2ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第3ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第4ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第5ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第6ステップとを備えている。
以下、本発明の実施の形態による圧電素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態による圧電素子の構成図を示している。図1に示すように圧電素子は、基板L1と、基板L1の上面に形成された酸化膜L2と、酸化膜L2の上面に形成された下部電極L3と、下部電極L3の上面に形成された圧電体薄膜L4とを備えている。
基板L1としては、例えばシリコン(Si)基板を採用することができる。酸化膜L2としては、シリコンの熱酸化膜である酸化シリコン(SiO2)を採用することができる。下部電極L3としては、例えば白金(Pt)からなる下部電極を採用することができる。圧電体薄膜L4としては、例えば、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインDMからなるエンジニアードドメイン構造が導入されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を採用することができる。
ここで、基板L1の厚みとしては、本圧電素子が適用されるデバイスの構成により異なるが、例えば300〜500μm程度を採用することができる。
酸化膜L2は、基板L1の保護、並びに基板L1及び下部電極L3を絶縁する目的で形成され、基板L1を例えば1500℃程度で加熱することにより形成される。また、酸化膜L2の厚みとしては、例えば0.1μm程度を採用することができる。
下部電極L3は、例えば後述するスパッタ法により酸化膜L2の上部に形成される。また、下部電極L3の厚みとしては例えば0.1μm程度を採用することができる。
圧電体薄膜L4を構成するペロブスカイト型強誘電体結晶としては、例えば正方晶のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を採用することができる。ここで、PZTにおけるジルコンとチタンとの組成比は、後述するスパッタ法のターゲットにおけるジルコンとチタンの組成とほぼ同様の組成比を持つ。そして、このジルコンとチタンとの組成比を、チタン酸ジルコン酸鉛を正方晶にすることができる所定の組成比にすることで、圧電体薄膜L4を正方晶の結晶構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛により構成することができる。なお、圧電体薄膜L4の厚みとしては、圧電素子の用途に応じて異なるが、アクチュエータとして用いる場合は例えば1〜5μm、センサとして用いる場合は例えば1μm程度を採用すればよい。
そして、後述するように、圧電体薄膜L4は、基板L1に負のバイアス電圧をかけた状態でスパッタ法により成膜されている。そのため、圧電体薄膜L4は、[111]方位に配向したエンジニアードドメイン構造を有するように成膜されることになる。
具体的には、圧電体薄膜L4は、基板L1から上下方向(垂直方向)に柱状に伸びた複数のドメインDMが左右方向(水平方向)に配列された構造を有している。
図9でも述べたように、結晶構造毎にエンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は定まっており、正方晶の場合、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は[101]方位と[111]方位との2つである。本実施の形態では、エンジニアードドメイン構造の結晶方位として[111]方位が採用されている。これは、[111]方位に優先配向した白金を下部電極L3として採用し、下部電極L3の主面にスパッタ法により圧電体薄膜L4を成膜することで、[111]方位に優先配向したエンジニアードドメイン構造を持つ圧電体薄膜L4を容易に形成することができるからである。
本実施の形態に示す圧電体薄膜L4は、[111]方位に優先配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有しているため、各ドメインDMの自発分極方向は、[110]方位、[011]方位、及び[101]方位のいずれかになる。
そのため、各ドメインDMの自発分極方向は、隣接するドメインの自発分極方向に対して90度となり、かつ、上下方向に対して54.7度の角度をなす。つまり、各ドメインDMの自発分極方向は90度で互い違いに配列されている。これにより、圧電体薄膜L4は、[111]方位に強く配向した膜となり、その左右方向(水平方向)の断面は基板L1から上下方向に伸びた柱状の小さな結晶からなるドメインDMが集まった構造になっている。
次に、本実施の形態による圧電素子の製造方法について説明する。図2は、本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法に用いられるスパッタ装置の概要を示す断面図である。
このスパッタ装置は高周波マグネトロンスパッタ法により圧電体薄膜L4を成膜する装置であり、ターゲット1、ターゲット皿2、マグネット3、カバー4、高周波電極5、絶縁体6、真空チャンバー7、高周波電源8、基板9、基板加熱ヒーター10、バルブ12,13、及びスパッタガスを真空チャンバー7内に供給するノズル14等を備えている。また、このスパッタ装置は、基板9にバイアス電圧を印加するための直流電源11及びバイアス電極部15も備えている。
真空チャンバー7は、断面形状が四角形状の箱体により構成され、底壁の中央には、高周波電極5とマグネット3とが埋設されている。マグネット3は上面が真空チャンバー7の底壁の上面と連なっている。また、高周波電極5はマグネット3の下側に配設されている。真空チャンバー7の底壁であってマグネット3の上側にはターゲット皿2が載置される。
ターゲット皿2は、ターゲット1が充填され、マグネット3の上側に載置される。カバー4は、ターゲット1の表面の原子を基板9に飛翔させるべく、上側が開放されており、ターゲット皿2を取り囲むように、真空チャンバー7の底壁に立設されている。また、高周波電極5は、高周波電源8が接続され、高周波電力が印加されることで、真空チャンバー7内にマイクロ波を発生させる。高周波電源8は、一端が高周波電極5に接続され、他端が接地されている。
真空チャンバー7の一方の壁面には2分岐したノズル14が設けられている。ノズル14の一方の分岐路にはアルゴン(Ar)が供給され、他方の分岐路には酸素(O2)が供給され、アルゴン及び酸素からなるスパッタガスが真空チャンバー7内に供給される。真空チャンバー7内に供給されたスパッタガスは、真空チャンバー7内に発生したマイクロ波によってブラズマ化される。また、ノズル14のそれぞれの分岐路にはバルブ12,13が取り付けられ、Ar及びO2の流量が調整される。
真空チャンバー7の他方の側面には、排気口16が設けられている。この排気口16には真空チャンバー7内のガス排気するための例えばバルブ及びポンプ(図略)が接続されている。
真空チャンバー7の上壁には、棒状の支持部材がターゲット1に向けて設けられている。バイアス電極部15は、この支持部材によってターゲット1と対向するように真空チャンバー7の上壁から吊されている。ここで、バイアス電極部15は、例えば、内部に基板加熱ヒーター10が収納された直方体形状を有する導体により構成されている。基板9は、バイアス電極部15の下面に当接するように真空チャンバー7内に設置され、基板加熱ヒーター10によって加熱される。
直流電源11は、一端が接地され、他端がバイアス電極部15に接続された直流電圧回路により構成され、負のバイアス電圧を基板9に印加する。マグネット3と高周波電極5とは、絶縁体6によって真空チャンバー7から絶縁されている。
なお、基板加熱ヒーター10、高周波電源8、バルブ12,13、及び直流電源11は制御装置(図略)と接続されている。また、真空チャンバー7には、真空チャンバー7内の温度を測定するための温度センサと、真空チャンバー7内の圧力を測定するための圧力センサとが設けられている。
そして、制御装置は、温度センサによる測定データに基づいて、基板加熱ヒーター10の発熱量を調整し、真空チャンバー7内の温度調節を行う。また、制御装置は、圧力センサによる測定データに基づいて、バルブ12,13の開度、並びに排気口16側に設けられた図略のバルブの開度及びポンプの稼働を制御し、真空チャンバー7内の圧力を調整する。
また、制御装置は、高周波電源8をオン、オフさせ、真空チャンバー7内にマイクロ波を発生させたり、マイクロ波の発生を停止させたりする。また、制御装置は、直流電源11をオン、オフさせ、基板9にバイアス電圧を印加させたり、バイアス電圧の印加を停止させたりする。
図3は、図2に示すスパッタ装置を用いて本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法を示したフローチャートである。
まず、結晶構造が正方晶になるようチタンとジルコンとの組成比が所定の組成比に調合されたPZTの粉末を混合、焼成及び粉砕して、ターゲット皿2に充填して、プレス機で加圧することでターゲット1を生成し、スパッタ装置に設置する(ステップS1)。このとき、ターゲット1を取り囲むようにカバー4が取り付けられる。
ここで、PZTを正方晶とするためには、チタンとジルコンとの比率を、例えば、55〜75%:45〜25%にすればよく、好ましくは、60:40%にすればよい。
次に、基板9をバイアス電極部15の下面に設置する(ステップS2)。薄膜である基板9としては、<100>方位に配向したSi単結晶板が用いられている。この基板9上の片面には、予め下地電極として、<111>方位に優先配向した白金が例えばスパッタ法により所定の厚さで形成されている。
次に、ポンプが稼働され、真空チャンバー7のガスが排気口16から排出されて真空チャンバー7内が真空引きされる(ステップS3)。
次に、基板加熱ヒーター10が稼働され、基板9が所定温度、例えば600℃にまで加熱される(ステップS4)。
次に、バルブ12,13が開けられ、ArとO2とが所定の割合で混合されたスパッタガスがノズル14を介して真空チャンバー7内に供給される(ステップS5)。このとき、制御装置は、真空チャンバー7内の真空度が所定の値を保つように、スパッタガスを真空チャンバー7内に供給する。
次に、直流電源11がオンされ、基板9に例えば数十Vの負のバイアス電圧が印加される(ステップS6)。次に、高周波電源8がオンされ、高周波電極5に高周波電力が供給され、真空チャンバー7内にマイクロ波が発生され、スパッタガスがプラズマ化される(ステップS7)。
これにより、ターゲット1の表面の原子が基板9に向けて飛翔され、基板9上に圧電体薄膜が成膜される(ステップS8)。
圧電体薄膜が所望の膜厚になると、高周波電源8がオフされ、高周波電極5への高周波電力の供給が停止され、成膜が終了される(ステップS9)。
次に、基板9へのバイアス電圧の印加が継続された状態で、制御装置により基板加熱ヒーター10が制御され、基板9の冷却が開始される(ステップS10)。ここで、制御装置は、予め定められたシーケンスに従って、基板加熱ヒーター10の発熱量を漸次に低下させ、基板9の温度を室温(例えば25℃)まで漸次に低下させる。これにより、圧電体薄膜に分極処理が施され(ステップS11)、[111]方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜が成膜されることになる。
基板9の温度が室温まで低下すると(ステップS12)、制御装置により直流電源11がオフされ(ステップS13)、基板9へのバイアス電圧の印加が停止され、成膜が終了される。
上記の製造方法では、チタンとジルコンとの組成比が正方晶となる所定の組成比に調合されたPZTの粉末を用いてターゲット1が生成されている。そして、基板9に負のバイアス電圧が印加された状態で、スパッタ法によって基板9に圧電体薄膜が成膜される。そして、圧電体薄膜の厚さが所望の厚さになると、高周波電力の供給が停止され、基板9に負のバイアス電圧が印加された状態で、基板加熱ヒーター10の発熱量が漸次に低下されて基板9が冷却される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を基板9に成膜させることができる。
次に、上記の製造方法を用いて製造された圧電素子の圧電特性について説明する。成膜したPZTからなる圧電体薄膜の圧電特性を測定するため、以下のようなプロセスによりカンチレバー状の圧電素子を製造し、その変位を測定した。
図4(A)〜(D)は、カンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図5(A)〜(D)は、図4の続きのカンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図4(A)に示すように、この圧電素子では、基板L11として上面に熱酸化膜が形成されたシリコンウエハが用いられている。そして、図4(A)に示すように、まず、基板L11の上には、Pt/Tiからなる下部電極L12が形成され、下部電極L12の上には、PZTからなる圧電体薄膜L13が形成される。なお、下部電極L12においては、Tiが下層に形成され、Tiの上にPtが形成されている。
次に、図4(B)に示すように、圧電体薄膜L13の上にスパッタ法によりPtからなる上部電極L14が形成される。このときの成膜条件は、例えば、真空チャンバー7内のマイクロ波のパワー(RFパワー)が150W、Arの流量が20sccm、真空チャンバー7内の圧力が0.2Paであり、上部電極L14は、圧電体薄膜L13の一部が露出するようステンレス製のステンシルマスクを使って成膜されている。
次に、図4(C)に示すように、上部電極L14上のみに感光性レジストL15が覆われるように、フォトリソフィーによって上部電極L14の上に感光性レジストL15が約3μmの厚みで塗布される。このとき、後工程のエッチングに対して耐性を上げるために現像後に約90℃のベークをおこなうことが好ましい。
次に、図4(D)に示すように、例えばフッ硝酸(フッ酸と硝酸との混合液)を含むエッチング液を用いて、下部電極L12の一部が露出するまで圧電体薄膜L13をエッチングする。
次に、図5(A)に示すように、感光性レジストL15をアルカリ系の剥離液を用いて除去する。また、図5(A)に示すように、圧電素子の大きさを規定するために、例えば長さ15mm、幅2mmになるようにダイシングにより圧電素子をウエハから分離する。なお、圧電素子の分離はダイシングに限定されず、ドライエッチングを採用してもよい。
次に、図5(B)に示すように、熱硬化性導電性ペーストからなる一対の電極P1,P1を上部電極L14の左端近傍及び下部電極L12の左端に形成する。次に、図5(C)に示すように、電極P1を硬化温度まで加熱させて配線LNを電極P1,P1に接着する。
次に、図5(D)に示すように、ウエハから得られた圧電素子を取り出し、カンチレバーの可動長が10mmとなるように上部電極L14の左端と基板L11の下面の左端とを一対のクランプ材C1,C1を用いて挟持した。更に、上部電極L14に最大0V、下部電極L12に最小−20Vの電圧を500Hzの周波数で印加し、圧電素子の右端の端部である変位観察部をレーザードップラー計により観察したところ変位は2μmであった。
この変位から下記の式により圧電定数d31を算出できる。なお、圧電定数d31の詳細については、"I. Kanno et al, Sensor and Actuators A 107 (2003) 68-74"に記載されている。
ここで、hsは基板L11の厚さを示し、spは圧電体薄膜L13の弾性コンプライアンスを示し、ssは基板L11の弾性コンプライアンスを示し、Lはカンチレバーの長さ(可動長)を示し、Vは印加電圧を示し、δはカンチレバーの変位を示している。
例えば、hs=400μm、sp=90GPa、ss=180GPa、L=10mmとすると、圧電定数d31は、d31=−160pm/Vが得られる。
図6は、上記の圧電素子の圧電特性の一例を示したグラフであり、縦軸は歪み量を示し、横軸は電極P1に印加した電界強度を示している。
図6に示す圧電特性は、電界強度に対してほぼ直線状に歪み量が増大しており、エンジニアードドメイン構造が導入されていない従来の圧電素子に比べてヒステリシスがほとんど見当たらない圧電特性が得られていることが分かる。
次に、本発明の実施の形態による圧電素子のダイヤフラムへの応用例について説明する。図7は、本発明の実施の形態による圧電素子の応用例であるダイヤフラムを示した図である。図7に示すようにこのダイヤフラムは、上記の製造手法を用いて基板L1、酸化膜L2、下部電極L3、圧電体薄膜L4、及び上部電極L5がこの順で積層されている。
基板L1の下側の中央部分は、円柱状に除去されて除去部RDとされており、基板L1の上側の中央部が薄い板状になっている。また、圧電体薄膜L4は、除去部RDの半径とほぼ同じ長さの半径となるように円柱状に外形加工されている。この円柱状に外径加工された圧電体薄膜L4の上側には、Ptからなる上部電極L5が例えばスパッタ法により成膜されている。
ここで、上部電極L5及び下部電極L3間に所定の交流電界を印加すると、圧電体薄膜L4が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によりダイヤフラムが上下に湾曲する。
そのため、除去部RDに気体や液体を充填すると、インクジェットプリンタのプリンタヘッドやポンプなどに応用できる。例えば、除去部RD内にインクを充填し、除去部RDの下部を孔の空いた蓋体で封止する。これにより、ダイヤフラムの上下の湾曲により、蓋体の孔からインクを吐出させ、ダイヤフラムをプリンタヘッドに応用することができる。
また、音波や超音波によりこのダイヤフラムを左右に振動させると、上記と反対の効果により上部電極L5及び下部電極L3間に電界を発生させ、発生させた電界の周波数や大きさ等を検出することによりこのダイヤフラムをセンサとして用いることができる。
なお、本発明による圧電素子は下記の形態を採用してもよい。上記説明では、圧電体薄膜は、PZTにより構成されていたが、これに限定されず、PZTにNb,La,Mn等を添加したものを圧電体薄膜の材料として用いても良い。
また,PZTの代わりにPMNT(ニオブ酸チタン酸鉛)、PMN−PT(マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛)、PZNT(亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛)等の鉛を含む他の材料を用いて圧電体薄膜を構成してもよい。
これらの材料は、いずれもPZTと比較して高い圧電特性を示すことが報告されている。また、これらの材料において、結晶構造及び鉛抜け防止が必要となることはPZTと同じである。
このように、本圧電素子によれば、圧電体薄膜がエンジニアードドメイン構造を有しているため、ヒステリシスのほとんどない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。また、スパッタ法により圧電体薄膜が成膜される際に基板に負のバイアス電圧が印加されている。加えて、高周波電力の供給が停止された後、基板への負のバイアス電圧の印加が継続された状態で基板の温度が漸次に低下される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を形成することができる。
なお、上記説明では、圧電体薄膜は、[111]方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用したが、これに限定されず、[110]方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、[100]方位又は[110]方位に配向した菱面体晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、[100]方位又は[111]方位に配向した斜方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよい。
上記圧電素子の技術的特徴は以下のようにまとめることができる。
(1)本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向が基板側を向いているため、配向方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造の圧電体薄膜を有する圧電素子を提供することができる。そのため、圧電定数が高く、かつ、ヒステリシスの少ない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。
(2)また、上記圧電素子において、各ドメインの自発分極方向は、[110]方位、[011]方位、及び[101]方位のいずれかであることが好ましい。
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向のベクトル和が[111]方向となり、下方向に強く配向した圧電体薄膜を形成することができる。
(3)上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることが好ましい。
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶が正方晶であるため、比較的容易にペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することができる。
(4)上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、結晶方位が[111]方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることが好ましい。
この構成によれば、配向方向が[111]方位であり、かつ、基板と直交する方向である圧電体薄膜を備える圧電体素子を提供することができる。
(5)上記圧電素子において、前記基板の上側に形成された酸化膜と、前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることが好ましい。
この構成によれば、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することで、圧電体薄膜を配向方向に変位させ、圧電体素子を駆動させることができる。また、下部電極は酸化膜を介して基板の上側に形成されているため、下部電極を容易に形成することができる。
(6)上記圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第1ステップと、基板を所定の温度に加熱する第2ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第3ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第4ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第5ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第6ステップとを備えている。
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末がスパッタ法のターゲットとして生成され、負のバイアス電圧が印加された基板が所定温度に加熱され、ターゲットに高周波電力が印加され、スパッタ法により基板上にペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜が形成される。その後、高周波電力の印加が停止され、負のバイアス電圧が印加された状態で、基板の温度が室温まで漸次に低下される。
つまり、基板に負のバイアス電圧を印加した状態で、スパッタ法により基板上に圧電体薄膜が形成されているため、各ドメインの自発分極方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を備える圧電素子を製造することができる。
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、
前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、
各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いていることを特徴とする圧電素子。 - 各ドメインの自発分極方向は、[110]方位、[011]方位、及び[101]方位のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。
- 前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。
- 前記圧電体薄膜は、結晶方位が[111]方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることを特徴する請求項3記載の圧電素子。
- 前記基板の上側に形成された酸化膜と、
前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、
前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。 - ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第1ステップと、
基板を所定の温度に加熱する第2ステップと、
前記基板に負のバイアス電圧を印加する第3ステップと、
前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第4ステップと、
前記高周波電力の印加を停止させる第5ステップと、
前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第6ステップとを備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
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