JP2008042069A - Piezoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、結晶配向性の向上と膜のクラックを抑制した圧電体素子およびその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】下部電極層4上に気相成長法により配向制御層5を形成することで、下部電極層4と圧電体層6との元素の拡散およびそれによる組成のズレを抑制し、結晶配向性の高い圧電体層6が得られると共に、配向制御層5に圧縮応力を付与することで、液相成長法での圧電体層6の成膜時に生じる引張り応力に起因したクラックの発生を抑制することができる。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that improves crystal orientation and suppresses cracking of a film, and a method for manufacturing the same.
By forming an orientation control layer 5 on the lower electrode layer 4 by vapor phase epitaxy, element diffusion between the lower electrode layer 4 and the piezoelectric layer 6 and a deviation in composition due to the element are suppressed. The piezoelectric layer 6 having high orientation can be obtained, and by applying a compressive stress to the orientation control layer 5, the generation of cracks due to the tensile stress generated when the piezoelectric layer 6 is formed by the liquid phase growth method can be achieved. Can be suppressed.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電気機械変換機能を有する圧電体素子とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element having an electromechanical conversion function and a method for manufacturing the same.
ペロブスカイト型構造を有する酸化物誘電体薄膜は一般式ABO3で表され、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。 An oxide dielectric thin film having a perovskite structure is represented by the general formula ABO 3 and exhibits excellent ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, and electro-optical properties, and is an effective material for a wide range of devices such as various sensors and actuators. The range of use is expected to expand rapidly in the future.
ペロブスカイト型酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:一般式Pb(ZrxTi1-x)O3(0<x<1))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できる。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できる。 Lead zirconate titanate perovskite oxide (PZT: general formula Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (0 <x <1)) based thin film, since it has a high piezoelectric properties, Ya piezoelectric sensor It is used as a piezoelectric element such as a piezoelectric actuator. The piezoelectric sensor uses a ferroelectric piezoelectric effect. A ferroelectric has spontaneous polarization inside and generates positive and negative charges on its surface. In the steady state in the atmosphere, it is in a neutral state combined with the charge of the molecules in the atmosphere. When an external pressure is applied to the piezoelectric body, an electrical signal corresponding to the amount of pressure can be extracted from the piezoelectric body. The piezoelectric actuator uses the same principle. When a voltage is applied to the piezoelectric body, the piezoelectric body expands and contracts in accordance with the voltage, and displacement can be generated in the expansion / contraction direction or a direction orthogonal to the direction.
PZT系薄膜は蒸着法、スパッタリング法(スパッタ法)、Chemical Vapor Deposition法(CVD法)等に代表される気相成長法、もしくは化学溶液法(CSD法:Chemical Solution Deposition法)、水熱合成法等に代表される液相成長法を用いて作製が試みられている。この中で、CSD法は組成制御が容易で、再現性良く薄膜を作製しやすい、また製造設備に必要なコストが安く大量生産が可能という特徴がある。CSD法によるPZT薄膜を用いた圧電体素子の製造方法を以下に示す。 The PZT-based thin film is formed by a vapor deposition method typified by a vapor deposition method, a sputtering method (sputtering method), a chemical vapor deposition method (CVD method), or a chemical solution method (CSD method: Chemical Solution Deposition method), a hydrothermal synthesis method. Fabrication has been attempted using a liquid phase growth method represented by the above. Among them, the CSD method is characterized by easy composition control, easy production of a thin film with good reproducibility, and low cost required for manufacturing equipment and mass production. A method for manufacturing a piezoelectric element using a PZT thin film by the CSD method is shown below.
図6は圧電体素子の構造を示す断面図である。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the piezoelectric element.
基板11には、(100)配向した単結晶シリコン(Si)を用い、これを熱酸化させて表面にシリコン酸化物(SiO2)層12を形成したSiO2/Si基板を使用する。このSiO2/Si基板からなる積層膜上に電極となる白金(Pt)とSiO2間の密着層としてチタン(Ti)薄膜13を形成し、その上にPt薄膜14を形成する。Ti薄膜13およびPt薄膜14の形成にはスパッタ法を用いる。
The substrate 11 is a SiO 2 / Si substrate in which (100) -oriented single crystal silicon (Si) is used and thermally oxidized to form a silicon oxide (SiO 2 )
CSD法の出発原料としては、酢酸鉛三水和物、チタンイソプロポキシド、ジルコニウムプロポキシドを用い、溶媒として2−メトキシエタノールを使用する。まず、酢酸鉛三水和物を2−メトキシエタノール中に溶解、蒸留し結晶水を排出させる。次に、所定の組成(この場合はPb/Ti/Zr=100/47/53)になるように秤量したZrとTiのアルコキシドを、上記脱水した酢酸鉛溶液に加え、還流させることによりPb、Ti、Zrを含む複合アルコキシド溶液を作製する。この溶液をスピンコート法(回転速度3000rpm)により前記基板上に塗布する。次に、これを乾燥した後、400〜450℃で有機物を熱分解し、昇温速度30℃/secで700℃、1分間の結晶化アニールをO2雰囲気中で行う。 As starting materials for the CSD method, lead acetate trihydrate, titanium isopropoxide, and zirconium propoxide are used, and 2-methoxyethanol is used as a solvent. First, lead acetate trihydrate is dissolved and distilled in 2-methoxyethanol to discharge crystal water. Next, Zr and Ti alkoxides weighed so as to have a predetermined composition (in this case Pb / Ti / Zr = 100/47/53) are added to the dehydrated lead acetate solution and refluxed to obtain Pb, A composite alkoxide solution containing Ti and Zr is prepared. This solution is applied onto the substrate by a spin coating method (rotational speed 3000 rpm). Next, after drying this, organic substances are thermally decomposed at 400 to 450 ° C., and crystallization annealing is performed in an O 2 atmosphere at 700 ° C. for 1 minute at a heating rate of 30 ° C./sec.
そして、基板上への複合アルコキシド溶液の塗布から結晶化アニールまでを繰り返すことにより、複数のPZT層からなるPZT薄膜15を作製できる。このように形成したPZT薄膜15は、圧電デバイスとして必要とされる膜厚2μm以上に形成することができる。このPZT薄膜15の結晶配向性は1層目の結晶配向性に依存しているが、これは2層目以降が1層目のPZT層を核形成サイトとするためである。
Then, the PZT
この方法により作製した、1層目のPZT薄膜の結晶構造のX線回折結果を図7に示す。 FIG. 7 shows the X-ray diffraction result of the crystal structure of the first PZT thin film produced by this method.
なお、この出願の発明に関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。
しかしながら、Pt薄膜14上にCSD法により形成されたPZT薄膜15は、結晶化アニールを行う際に、700℃と非常に高温にする必要があり、アニール中の膜組成のPb、Tiの拡散、Pb−Pt化合物の形成および密着層のTiの拡散等により所望の組成が得られず、1層目のPZT層が結晶配向性の低い膜になってしまうという問題点を有していた。
However, the PZT
本従来例はPZT(100)方向に配向させることを目的とした発明であるが、図7から、PZT(100)方向だけではなく、(110)、(111)方向にも配向していることがわかる。 This conventional example is an invention intended to be oriented in the PZT (100) direction, but from FIG. 7, it is oriented not only in the PZT (100) direction but also in the (110) and (111) directions. I understand.
ここで、(100)面の配向度(α(100))を
α(100)=I(100)/ΣI(hkl)
と定義すると、α(100)=88%程度と低い値になっている。
Here, the orientation degree (α (100)) of the (100) plane is expressed as α (100) = I (100) / ΣI (hkl)
In other words, α (100) = 88%, which is a low value.
ΣI(hkl)は、X線回折法において、Cu−Kα線を用いたときの2θが10〜70°でのペロブスカイト型結晶構造のPZTにおける各結晶面からの回折ピーク強度の総和である。なお、(002)面及び(200)面は(001)面および(100)面と等価な面であるため、ΣI(hkl)には含めない。 ΣI (hkl) is the total sum of diffraction peak intensities from each crystal plane in PZT of a perovskite crystal structure with 2θ of 10 to 70 ° when using Cu-Kα rays in the X-ray diffraction method. Note that the (002) plane and the (200) plane are equivalent to the (001) plane and the (100) plane, and thus are not included in ΣI (hkl).
また、結晶化アニールの過程で複合アルコキシド溶液が乾燥してできたゲル状薄膜が緻密化および結晶化し、その際の膜の収縮により、PZT薄膜15に引張り応力が生じる。そして、所望の膜厚を得るためにアニール工程を繰り返す過程で、この引張り応力によりPZT薄膜15の中にクラックが生じるという問題点を有していた。
Further, the gel thin film formed by drying the composite alkoxide solution in the course of crystallization annealing is densified and crystallized, and tensile stress is generated in the PZT
そこで、本発明はこのような問題点を解決し、PZT薄膜等の圧電体層の結晶配向性の向上とクラックの抑制を図った圧電体素子およびその製造方法の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve such problems and to provide a piezoelectric element that improves the crystal orientation of a piezoelectric layer such as a PZT thin film and suppresses cracks, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明は、特に、基板と、前記基板上に形成された下部電極層と、前記下部電極層上に気相成長法により形成された配向制御層と、前記配向制御層上に液相成長法により形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極層と、を備えたことを特徴とするものである。 The present invention particularly relates to a substrate, a lower electrode layer formed on the substrate, an alignment control layer formed on the lower electrode layer by a vapor deposition method, and a liquid phase growth method on the alignment control layer. And a top electrode layer formed on the piezoelectric layer.
本発明によれば、下部電極層上に気相成長法により低温で配向制御層を形成することで、下部電極層と圧電体層との元素の拡散およびそれによる組成のズレを抑制し、さらに配向制御層を核形成サイトとして圧電体層を形成することで、結晶配向性の高い膜の液相成長法による低温成長を実現すると共に、配向制御層に圧縮応力を付与することで、液相成長法での圧電体層の成膜時に生じる引張り応力に起因した圧電体層へのクラックの発生を抑制することが可能になる、という効果を奏するものである。 According to the present invention, by forming the orientation control layer on the lower electrode layer at a low temperature by the vapor phase growth method, it is possible to suppress element diffusion between the lower electrode layer and the piezoelectric layer and a deviation of the composition thereby, By forming the piezoelectric layer using the orientation control layer as a nucleation site, low-temperature growth of a film with high crystal orientation is achieved by liquid phase growth, and by applying compressive stress to the orientation control layer, the liquid phase It is possible to suppress the generation of cracks in the piezoelectric layer due to the tensile stress generated when the piezoelectric layer is formed by the growth method.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1における圧電体素子の構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a piezoelectric element according to
図1において、本実施の形態1の圧電体素子は、圧電体素子を形成するためのSi基板1と、このSi基板1上に形成されたSiO2層2と、SiO2層2上に形成された密着層3と、密着層3上に形成された下部電極層4と、下部電極層4上にスパッタ法により形成された配向制御層5と、配向制御層5上にCSD法により形成された圧電体層6と、圧電体層6上に形成された上部電極層7から構成されている。
In FIG. 1, the piezoelectric element of the first embodiment is formed on a
Si基板1は(100)面に配向した単結晶基板である。下部電極層4には白金(Pt)を主成分とする材料を用いるが、PtとSiは成膜時に化合物を形成する可能性があるため、その間にSiO2層2を設けた。ただし、PtとSiO2は密着力に問題があるため、密着層としてチタン(Ti)もしくはチタン酸化物(TiO2)を配設した。本実施の形態では密着層3の厚みは0.02μm程度とするが、膜厚は0.005〜1μmの範囲であればよい。SiO2層2はSiおよびTiの相互拡散を防止するバリア層の役割も有する。配向制御層5には、スパッタ法により形成したチタン酸鉛(PT)、またはZrの含有量が0以上20mol%以下であり、かつPbの含有量が化学量論組成と比較して0を超え30mol%以下過剰であるチタン酸ランタンジルコン酸鉛(PLZT)、またはPLZTにマグネシウム(Mg)およびマンガン(Mn)の少なくとも一方を添加したものを用いた。
The
ここで、下部電極層4は、電極としての役割を有するだけでなく、例えばTiを1.6mol%添加することにより、上記配向制御層5を(100)面又は(001)面に優先配向させる役割を担う。このような添加物としては、Ti、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)およびこれらの酸化物の群から選ばれた少なくとも1種であればよい。膜厚は0.05〜2μmの範囲であればよく、本実施の形態では0.4μmとした。上記添加物の添加量は、0を超え30mol%以下であることが好ましい。また、下部電極層4の主成分としては、Ptに限るものではなく、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)およびルテニウム(Ru)の群から選ばれた少なくとも1種の貴金属を含む材料であれば良い。
Here, the lower electrode layer 4 not only has a role as an electrode, but also, for example, by adding 1.6 mol% of Ti, the
配向制御層5は、PTまたはPLZT(Zrの含有量が0である場合のチタン酸ランタン鉛(PLT)を含む)を用いることにより、(100)面または(001)面により一層配向しやすくなり、延いては圧電体層6の結晶性・配向性を向上させることができる。しかも、PLZTにおいて、Zrの含有量を20mol%以下とすると、結晶成長初期にZr酸化物からなる結晶性が低い層が形成されにくく、またPbの含有量を化学量論組成と比較して0を超え30mol%以下過剰とすることで、配向制御層5の結晶性の低下を確実に抑制することができる。よって、圧電体層6の結晶性や配向性を確実に向上させることができて、圧電素子の圧電特性及び耐電圧特性をより一層向上させることができる。配向制御層5の膜厚は0.01〜0.2μmの範囲であれば良く、本実施の形態では0.04μmとした。
By using PT or PLZT (including lead lanthanum titanate (PLT) when the content of Zr is 0), the
また、PLZT膜におけるLaの含有量が0を超え25mol%以下とし、PLZT膜にMgおよびMnの少なくとも一方を添加する場合のトータル添加量は、0を超え10mol%以下であるものとすることにより、配向制御層5の結晶性の低下をより有効に抑えることができる。
In addition, the La content in the PLZT film is more than 0 and 25 mol% or less, and the total addition amount when adding at least one of Mg and Mn to the PLZT film is more than 0 and 10 mol% or less. Further, it is possible to more effectively suppress a decrease in crystallinity of the
このPT膜、PLT膜もしくはPLZT膜はスパッタ法により形成しているため、CSD法のような液相成長法で形成する場合と比較して低温で成膜することができる。具体的には、CSD法では600℃以上の高温での加熱が必要となるのに対して、スパッタ法では450℃程度の加熱で形成が可能である。これは、CSD法でゲル化した複合アルコキシド原料と比較して、スパッタ粒子の方が小さい、すなわち大きな比表面積を持つことから、反応性が高いためであると考えられる。したがって、スパッタ法で成膜した配向制御層5を用いることで、CSD法で成膜した場合と比較して、Pt下部電極層4の表面での、Pb、Ptの元素拡散が抑制された、組成ズレが小さい、結晶配向性の高い膜となり、延いてはより結晶配向性の高い圧電体層6を得ることができる。
Since the PT film, the PLT film, or the PLZT film is formed by a sputtering method, it can be formed at a lower temperature as compared with a case where it is formed by a liquid phase growth method such as a CSD method. Specifically, the CSD method requires heating at a high temperature of 600 ° C. or higher, whereas the sputtering method can be formed by heating at about 450 ° C. This is presumably because the sputtered particles are smaller, that is, have a larger specific surface area than the composite alkoxide raw material gelled by the CSD method, and thus the reactivity is high. Therefore, by using the
圧電体層6はCSD法により形成した、菱面体晶系または正方晶系の(001)面配向のPZT薄膜である。配向制御層5上に形成することで、通常のPt電極上に成膜した場合と比較して、格段に高い結晶配向性を得ることができる。
The
PZTの組成は、正方晶系と菱面体晶系との境界(モルフォトロピック相境界)付近の組成(Zr/Ti=53/47)である。なお、圧電体層6におけるZr/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であればよい。また、圧電体層6の構成材料は、PZTにSr、Nb、Al等の添加物を含有したもの等のように、PZTを主成分とする圧電材料であればよく、PMNやPZNであってもよい。さらに、膜厚は、0.5〜5.0μmの範囲であればよい。
The composition of PZT is a composition (Zr / Ti = 53/47) near the boundary between the tetragonal system and rhombohedral system (morphotropic phase boundary). The Zr / Ti composition in the
また、スパッタ成膜時に基板1に負のバイアスを印加することで得られた、圧縮応力が付与された配向制御層5を用いることで、圧電体層6へのクラックの発生を抑制することができる。これは、CSD法での形成時に生じる圧電体層6への引張り応力が、配向制御層5に付与された圧縮応力によりキャンセルされるためである。
Further, by using the
なお、本実施の形態では配向制御層5にスパッタ法により形成した膜を用いたが、この限りではなく、450℃程度の低温形成が可能で、形成した膜に圧縮応力を付与できるような種々の気相成長法、例えば、CVD法、パルスレーザデポジション法(PLD法)、エアロゾルデポジション法(AD法)等を用いることができる。
In this embodiment, a film formed by sputtering is used for the
また、本実施の形態では圧電体層6にCSD法により形成した膜を用いたが、この限りではなく、水熱合成法、酸化熱分解法等の種々の液相成長法を用いることができる。
In the present embodiment, the film formed by the CSD method is used for the
本実施の形態に示した圧電体素子をダイシングにより20mm×2mmに切り出したカンチレバーを作製し、0.2μm厚の金(Au)上部電極層7を形成して、圧電定数d31の測定を行ったところ、d31=−115pC/N程度と非常に高い値が得られた。上部電極層7の材料はAuに限らず、導電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.4μmの範囲であればよい。 A cantilever obtained by cutting the piezoelectric element shown in the present embodiment into 20 mm × 2 mm by dicing was manufactured, a 0.2 μm thick gold (Au) upper electrode layer 7 was formed, and the piezoelectric constant d31 was measured. However, a very high value of d31 = −115 pC / N was obtained. The material of the upper electrode layer 7 is not limited to Au but may be any conductive material, and the film thickness may be in the range of 0.1 to 0.4 μm.
上記圧電体素子は圧電定数が高く、さらに配向制御層5と圧電体層6の間で応力がキャンセルされて、膜表面にクラックがなく、基板1の反りも抑えられているため、例えば光スイッチ、レーザビームスキャナ等に用いる圧電アクチュエータや、角速度センサ等の各種センサ用途として好適である。
Since the piezoelectric element has a high piezoelectric constant, stress is canceled between the
次に、上記圧電体素子の製造方法について、図面を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the piezoelectric element will be described with reference to the drawings.
図2は上記圧電体素子の製造工程図である。 FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element.
まず、Si(100)基板1上にSiO2層2を形成する。SiO2層2はSi基板1を酸素含有ガス中もしくは水蒸気含有ガス中で700℃以上に加熱することで容易に得られる。もしくはSiターゲットを用いて、O2雰囲気中でスパッタを行う反応性スパッタ法、SiO2ターゲットを用いる高周波(PF)スパッタ法や、シランガスやTEOSガスを用いたCVD法によって成膜してもよい。このような方法で作製したSiO2層2上に、スパッタ法によりTiもしくはTiO2からなる密着層3を成膜する。
First, the SiO 2 layer 2 is formed on the Si (100)
次に、スパッタ法により、Ptを主成分とする下部電極層4を形成する。下部電極層4上には、スパッタ法によりPT、PLZTもしくはPLTからなる配向制御層5を形成する。配向制御層5の形成時には、基板に負のバイアスを印加する。これにより、Ar粒子等の質量の大きい正イオンが膜表面に積極的に打ち込まれ、釘打ち効果(ピーニング効果)により、配向制御層5には圧縮応力が付与される。
Next, the lower electrode layer 4 containing Pt as a main component is formed by sputtering. On the lower electrode layer 4, an
また、配向制御層5の形成時は、基板温度を450℃以上750℃以下とすることが望ましい。これは、基板温度が450℃よりも小さいと、配向制御層5の結晶性が低下するとともに、パイロクロア相が生成しやすくなるためである。また、750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれるPbが蒸発することにより不足し、結晶性が低下するからである。より好ましいのは、基板温度を450℃以上550℃以下にすることである。これは、下部電極層4と配向制御層5との間での元素拡散、化合物の形成を抑制するためである。本実施の形態では、基板温度を450℃とした。スパッタガスはアルゴン(Ar)と酸素(O2)との混合雰囲気とし、ガス体積比はAr:O2=19:1とした。真空度は0.8Paとした。このArとO2との混合ガスにおけるO2分圧は、0%を超え10%以下であることが好ましい。これは、O2が全く存在しない状態では、配向制御層5の結晶性が低下する一方、O2分圧が10%を超えると、(100)面又は(001)面の配向性が低下するからである。また、真空度は、0.05Pa以上5Pa以下であることが好ましい。これは、真空度が0.05Paよりも小さいと、配向制御層5の結晶性がばらつく一方、5Paを超えると、(100)面又は(001)面の配向性が低下するからである。
Further, when the
さらに、基板温度は450℃に保持した状態で、基板上に配向制御層5を堆積する工程と、堆積を行わず膜のアニールのみを行う工程とを交互に繰り返すことにより、より一層結晶配向性の高い配向制御層5を得ることができる。これは、一般的に誘電体薄膜をスパッタ法により形成する場合、薄膜は柱状成長を形成しやすく粒界や欠陥を伴う場合が多い。薄膜の堆積速度を低減すればより緻密な薄膜が形成できる傾向にあるが、スループットが悪くなり、堆積速度の低減にも限界がある。また、所定の膜厚に形成した誘電体薄膜をスパッタ装置から取り出して高温でアニールする手法によって誘電体薄膜の結晶配向性およびその安定性を向上させることができる場合もあるが、所定の厚みに形成された薄膜を次の工程で熱処理した場合、特性向上の効果には限界が生じる。したがって、スパッタ工程において、基板温度を450℃付近に保ったまま堆積しない工程を間欠的に導入することにより、堆積した薄膜を逐次安定化させ、誘電体薄膜の高品質化を図ることができるためである。
Furthermore, by alternately repeating the step of depositing the
次いで、配向制御層5上に、圧電体層6を形成するためのPZT前駆体溶液をスピンコート法により塗布する。このPZT前駆体溶液の調整方法を以下に示す。本調整方法に用いるエタノールは、含有水分による金属アルコキシドの加水分解を防止するため、予め脱水処理を行った無水エタノールとする。
Next, a PZT precursor solution for forming the
まず、Pb前駆体溶液を調整する出発原料として、酢酸鉛(II)三水和物(Pb(OCOCH3)2・3H2O)を用いる。これをセパラブルフラスコに採り、水和物の除去のため150℃で2時間以上乾燥させる。次に無水エタノールを加えて溶解し、78℃で4時間還流させ、Pb前駆体溶液を作製する。Ti−Zr前駆体溶液を調整する出発原料としては、チタンイソプロポキシド(Ti(OCH(CH3)2)4)ジルコンノルマルプロポキシド(Zr(OCH2CH2CH3)4)を用いる。こちらも別のセパラブルフラスコに採り、無水エタノールを加えて溶解し、78℃で4時間還流することで、Ti−Zr前駆体溶液を作製する。Ti/Zr比はmol比でTi/Zr=47/53となるように秤量した。このTi−Zr前駆体溶液をPb前駆体溶液に混合する。このとき、Pb成分を化学量論組成(Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3)に対し20mol%過剰とした。これは、アニール時の鉛成分の揮発による不足分を補うためである。この混合溶液を78℃で4時間還流し、安定化剤としてアセチルアセトンを金属陽イオンの総量に対して0.5mol等量加え、さらに78℃で1時間還流することでPZT前駆体溶液を作製した。 First, lead (II) acetate trihydrate (Pb (OCOCH 3 ) 2 .3H 2 O) is used as a starting material for adjusting the Pb precursor solution. This is taken into a separable flask and dried at 150 ° C. for 2 hours or more to remove the hydrate. Next, absolute ethanol is added and dissolved, and refluxed at 78 ° C. for 4 hours to prepare a Pb precursor solution. As a starting material for adjusting the Ti—Zr precursor solution, titanium isopropoxide (Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ) zircon normal propoxide (Zr (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 ) is used. This is also taken in another separable flask, dissolved by adding absolute ethanol, and refluxed at 78 ° C. for 4 hours to prepare a Ti—Zr precursor solution. The Ti / Zr ratio was weighed so that the molar ratio was Ti / Zr = 47/53. This Ti—Zr precursor solution is mixed with the Pb precursor solution. At this time, Pb component was made 20 mol% excess with respect to the stoichiometric composition (Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 ). This is to compensate for the shortage due to volatilization of the lead component during annealing. This mixed solution was refluxed at 78 ° C. for 4 hours, 0.5 mol equivalent of acetylacetone as a stabilizer relative to the total amount of metal cations was added, and further refluxed at 78 ° C. for 1 hour to prepare a PZT precursor solution. .
このPZT前駆体溶液を配向制御層5上にスピンコートを行う条件としては、回転数2500rpmで30秒とした。次に、配向制御層5上に塗布したPZT前駆体溶液を115℃で10分間乾燥を行い、その後350℃で10分間の熱処理により、残留有機成分の熱分解を行った。乾燥工程は前駆体溶液中の物理吸着水分の除去を目的としたものであり、温度は100℃を超えて200℃未満であることが望ましい。これは、200℃以上では前駆体溶液中の残留有機成分の分解が開始するためであり、作製した膜中への水分の残留を防止するためである。熱分解工程の温度は200℃以上500℃未満であることが好ましい。これは、500℃以上では乾燥した前駆体溶液の結晶化が大きく進行するためであり、作製した膜中への有機成分の残留を防止するためである。
The conditions for spin coating the PZT precursor solution on the
このPZT前駆体溶液を配向制御層5上に塗布する工程から熱分解を行うまでの工程を複数回繰り返し、所望の膜厚になった時点で、急速加熱炉(RTA:Rapid Thermal Annealing)を用いて、結晶化を行う。結晶化の条件は550℃で5分とし、昇温速度は200℃/minとした。結晶化温度は500℃以上750℃以下が望ましい。通常下部電極層4上にCSD法によりPZT薄膜を作製する場合には、ペロブスカイト単相化のために600℃以上の加熱を必要とするが、本実施の形態においては、結晶配向性の高い配向制御層5上にPZT薄膜を作製しているため、配向制御層5が結晶成長の核形成サイトとしての役割を果たし結晶化を促進するため、結晶化温度を500℃と低温化することが可能になる。また、750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれるPbが蒸発することにより不足し、結晶性が低下する。
The process from the step of applying this PZT precursor solution onto the
以上の工程で圧電体層6を形成することにより、(001)面方向に高配向のPZT薄膜が得られる。
By forming the
最後に、圧電体層6上にイオンビーム蒸着法により、Auからなる上部電極層7を形成する。上部電極層7の形成方法については、イオンビーム蒸着法に限るものではなく、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等を用いても良い。
Finally, the upper electrode layer 7 made of Au is formed on the
なお、本実施の形態では圧電体層6の形成において、所望の膜厚を得るために複数回塗布〜熱分解を繰り返した後に結晶化を行ったが、毎回塗布〜結晶化までの工程を繰り返しても良い。
In the present embodiment, in the formation of the
(実施の形態2)
以下、実施の形態2について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter,
図3は、本発明の実施の形態2における圧電体素子の構造を示す断面図である。ここで実施の形態1と同一の構成要素は同一符号を付与する。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. Here, the same components as those of the first embodiment are given the same reference numerals.
図3において、本実施の形態2の圧電体素子は、圧電体素子を形成するためのSi基板1と、このSi基板1上に形成されたSiO2層2と、SiO2層2上に形成された密着層3と、密着層3上に形成された下部電極層4と、下部電極層4上にスパッタ法により形成された配向制御層8と、配向制御層8上にCSD法により形成された圧電体層6と、圧電体層6上に形成された上部電極層7から構成されている。
In FIG. 3, the piezoelectric element of the second embodiment is formed on the
Si基板1は(100)面に配向した単結晶基板である。下部電極層4にはPtを主成分とする材料を用いるが、PtとSiは成膜時に化合物を形成する可能性があるため、その間にSiO2層2を設けた。ただし、PtとSiO2は密着力に問題があるため、密着層3としてTiもしくはTiO2を配設した。本実施の形態では密着層3の厚みは0.02μm程度とするが、膜厚は0.005〜1μmの範囲であればよい。SiO2層2はSiおよびTiの相互拡散を防止するバリア層の役割も有する。配向制御層8は、第一の配向制御層8aと第二の配向制御層8bからなる。第一の配向制御層8aはスパッタ法により形成したPT、またはZrの含有量が0以上20mol%以下であり、かつPbの含有量が化学量論組成と比較して0を超え30mol%以下過剰であるPLZT、またはPLZTにMgおよびMnの少なくとも一方を添加したものを用いた。また、第二の配向制御層8bにはスパッタ法により形成したPZT薄膜を用いた。
The
ここで、下部電極層4は、電極としての役割を有するだけでなく、例えばTiを1.6mol%添加することにより、上記配向制御層8を(100)面又は(001)面に優先配向させる役割を担う。このような添加物としては、Ti、Al、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Mg、Ca、Sr、Baおよびこれらの酸化物の群から選ばれた少なくとも1種であればよい。膜厚は0.05〜2μmの範囲であればよく、本実施の形態では0.4μmとした。上記添加物の添加量は、0を超え30mol%以下であることが好ましい。また、下部電極層4の主成分としては、Ptに限るものではなく、Ir、パラジウム(Pd)およびルテニウム(Ru)の群から選ばれた少なくとも1種の貴金属を含む材料であれば良い。 Here, the lower electrode layer 4 not only has a role as an electrode, but also, for example, by adding 1.6 mol% of Ti, the orientation control layer 8 is preferentially oriented in the (100) plane or the (001) plane. Take a role. Such an additive may be at least one selected from the group consisting of Ti, Al, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Mg, Ca, Sr, Ba, and oxides thereof. The film thickness may be in the range of 0.05 to 2 μm, and is 0.4 μm in the present embodiment. The addition amount of the additive is preferably more than 0 and 30 mol% or less. The main component of the lower electrode layer 4 is not limited to Pt, and any material containing at least one noble metal selected from the group of Ir, palladium (Pd), and ruthenium (Ru) may be used.
第一の配向制御層8aは、PTまたはPLZT(Zrの含有量が0である場合のチタン酸ランタン鉛(PLT)を含む)を用いることにより、(100)面または(001)面により一層配向しやすくなり、延いては第二の配向制御層8bの結晶性・配向性を向上させることができる。しかも、PLZTにおいて、Zrの含有量を20mol%以下とすると、結晶成長初期にZr酸化物からなる結晶性が低い層が形成されにくく、またPbの含有量を化学量論組成と比較して0を超え30mol%以下過剰とすることで、第一の配向制御層8aの結晶性の低下を確実に抑制することができる。よって、第二の配向制御層8bの結晶性や配向性を確実に向上させることができ、延いては圧電体層6の結晶性、配向性を向上させることができるため、圧電素子の圧電特性及び耐電圧特性をより一層向上させることができる。
By using PT or PLZT (including lanthanum lead titanate (PLT) when the content of Zr is 0), the first orientation control layer 8a is further oriented in the (100) plane or the (001) plane. As a result, the crystallinity and orientation of the second orientation control layer 8b can be improved. Moreover, in PLZT, when the Zr content is 20 mol% or less, a low crystallinity layer made of Zr oxide is difficult to form at the initial stage of crystal growth, and the Pb content is 0 compared with the stoichiometric composition. By exceeding 30 mol% and exceeding 30 mol%, it is possible to reliably suppress a decrease in crystallinity of the first orientation control layer 8a. Therefore, the crystallinity and orientation of the second orientation control layer 8b can be reliably improved, and further the crystallinity and orientation of the
また、PLZT膜におけるLaの含有量が0を超え25mol%以下とし、PLZT膜にMgおよびMnの少なくとも一方を添加する場合のトータル添加量は、0を超え10mol%以下であるものとすることにより、第一の配向制御層8aの結晶性の低下をより有効に抑えることができる。 In addition, the La content in the PLZT film is more than 0 and 25 mol% or less, and the total addition amount when adding at least one of Mg and Mn to the PLZT film is more than 0 and 10 mol% or less. Further, it is possible to more effectively suppress the decrease in crystallinity of the first orientation control layer 8a.
第一の配向制御層8aに用いたPT膜、PLT膜もしくはPLZT膜はスパッタ法により形成しているため、CSD法のような液相成長法で形成する場合と比較して低温で成膜することができる。具体的には、CSD法では600℃以上の高温での加熱が必要となるのに対して、スパッタ法では450℃程度の加熱で形成が可能である。これは、CSD法でゲル化した複合アルコキシド原料と比較して、スパッタ粒子の方が小さい、すなわち大きな比表面積を持つことから、反応性が高いためであると考えられる。したがって、スパッタ法で成膜した第一の配向制御層8aを用いることで、CSD法で成膜した場合と比較して、Pt下部電極層4の表面での、Pb、Ptの元素拡散が抑制された、組成ズレが小さい、結晶配向性の高い膜を得ることができる。 Since the PT film, the PLT film, or the PLZT film used for the first orientation control layer 8a is formed by sputtering, the film is formed at a lower temperature than when formed by a liquid phase growth method such as the CSD method. be able to. Specifically, the CSD method requires heating at a high temperature of 600 ° C. or higher, whereas the sputtering method can be formed by heating at about 450 ° C. This is presumably because the sputtered particles are smaller, that is, have a larger specific surface area than the composite alkoxide raw material gelled by the CSD method, and thus the reactivity is high. Therefore, by using the first orientation control layer 8a formed by the sputtering method, the element diffusion of Pb and Pt on the surface of the Pt lower electrode layer 4 is suppressed as compared with the case where the film is formed by the CSD method. Thus, a film with small compositional deviation and high crystal orientation can be obtained.
一方、第一の配向制御層8a上に、スパッタ法により形成したPZTからなる第二の配向制御層8bを形成することで、圧電体層6の形成時の核形成サイトとしての効果をより大きくすることが可能になり、なお一層結晶配向性が向上した圧電体層6を得ることができる。
On the other hand, by forming the second orientation control layer 8b made of PZT formed by sputtering on the first orientation control layer 8a, the effect as a nucleation site when forming the
第一の配向制御層8aおよび第二の配向制御層8bの膜厚は、それぞれ0.01〜0.2μmの範囲であれば良く、本実施の形態では共に0.04μmとした。 The film thicknesses of the first alignment control layer 8a and the second alignment control layer 8b may be in the range of 0.01 to 0.2 μm, respectively, and are 0.04 μm in this embodiment.
圧電体層6はCSD法により形成した、菱面体晶系または正方晶系の(001)面配向のPZT薄膜である。配向制御層8上に形成することで、通常のPt電極上に成膜した場合と比較して、格段に高い結晶配向性を得ることができる。
The
PZTの組成は、正方晶系と菱面体晶系との境界(モルフォトロピック相境界)付近の組成(Zr/Ti=53/47)である。なお、圧電体層6におけるZr/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であればよい。また、圧電体層6の構成材料は、PZTにSr、Nb、Al等の添加物を含有したもの等のように、PZTを主成分とする圧電材料であればよく、PMNやPZNであってもよい。さらに、膜厚は、0.5〜5.0μmの範囲であればよい。
The composition of PZT is a composition (Zr / Ti = 53/47) near the boundary between the tetragonal system and rhombohedral system (morphotropic phase boundary). The Zr / Ti composition in the
また、スパッタ成膜時に基板1に負のバイアスを印加することで得られた、圧縮応力が付与された配向制御層8を用いることで、圧電体層6へのクラックの発生を抑制することができる。これは、CSD法での形成時に生じる圧電体層6への引張り応力が、配向制御層8に付与された圧縮応力によりキャンセルされるためである。
Further, by using the orientation control layer 8 to which a compressive stress is applied, which is obtained by applying a negative bias to the
なお、本実施の形態では配向制御層8にスパッタ法により形成した膜を用いたが、この限りではなく、450℃程度の低温形成が可能で、形成した膜に圧縮応力を付与できるような種々の気相成長法、例えば、CVD法、パルスレーザデポジション法(PLD法)、エアロゾルデポジション法(AD法)等を用いることができる。 In this embodiment, a film formed by sputtering is used for the orientation control layer 8. However, the present invention is not limited to this, and various films can be formed at a low temperature of about 450 ° C. and compressive stress can be applied to the formed film. For example, a CVD method, a pulsed laser deposition method (PLD method), an aerosol deposition method (AD method), or the like can be used.
また、本実施の形態では圧電体層6にCSD法により形成した膜を用いたが、この限りではなく、水熱合成法、酸化熱分解法等の種々の液相成長法を用いることができる。
In the present embodiment, the film formed by the CSD method is used for the
本実施の形態に示した圧電体素子をダイシングにより20mm×2mmに切り出したカンチレバーを作製し、0.2μm厚の金(Au)上部電極層7を形成して、圧電定数d31の測定を行ったところ、d31=−120pC/N程度と非常に高い値が得られた。上部電極層7の材料はAuに限らず、導電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.4μmの範囲であればよい。 A cantilever obtained by cutting the piezoelectric element shown in the present embodiment into 20 mm × 2 mm by dicing was manufactured, a 0.2 μm thick gold (Au) upper electrode layer 7 was formed, and the piezoelectric constant d31 was measured. However, a very high value of d31 = −120 pC / N was obtained. The material of the upper electrode layer 7 is not limited to Au but may be any conductive material, and the film thickness may be in the range of 0.1 to 0.4 μm.
上記圧電体素子は圧電定数が高く、さらに配向制御層8と圧電体層6の間で応力がキャンセルされて、膜表面にクラックがなく、基板1の反りも抑えられているため、例えば光スイッチ、レーザビームスキャナ等に用いる圧電アクチュエータや、角速度センサ等の各種センサ用途として好適である。
Since the piezoelectric element has a high piezoelectric constant, stress is canceled between the orientation control layer 8 and the
以下、上記圧電体素子の製造方法について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the piezoelectric element will be described with reference to the drawings.
図4は、上記圧電体素子の製造工程図である。本製造工程は、実施の形態1における製造工程において、配向制御層8の形成工程を改良したものであり、実施の形態1と重複する部分についての説明は省略する。 FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element. This manufacturing process is an improvement of the formation process of the orientation control layer 8 in the manufacturing process of the first embodiment, and a description of the same parts as those of the first embodiment is omitted.
まず、下部電極層4上に、スパッタ法によりPT、PLZTもしくはPLTからなる第一の配向制御層8aを形成する。配向制御層8aの形成時には、基板に負のバイアスを印加する。これにより、Ar粒子等の質量の大きい正イオンが膜表面に積極的に打ち込まれ、釘打ち効果(ピーニング効果)により、配向制御層8aには圧縮応力が付与される。また、配向制御層8aの形成時は、基板温度を450℃以上750℃以下とすることが望ましい。これは、基板温度が450℃よりも小さいと、配向制御層8aの結晶性が低下するとともに、パイロクロア相が生成しやすくなるためである。また、750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれるPbが蒸発することにより不足し、結晶性が低下するからである。本実施の形態では、基板温度を450℃とした。スパッタガスはアルゴン(Ar)と酸素(O2)との混合雰囲気とし、ガス体積比はAr:O2=19:1とした。真空度は0.8Paとした。このArとO2との混合ガスにおけるO2分圧は、0%を超え10%以下であることが好ましい。これは、O2が全く存在しない状態では、配向制御層8aの結晶性が低下する一方、O2分圧が10%を超えると、(100)面又は(001)面の配向性が低下するからである。また、真空度は、0.05Pa以上5Pa以下であることが好ましい。これは、真空度が0.05Paよりも小さいと、配向制御層8aの結晶性がばらつく一方、5Paを超えると、(100)面又は(001)面の配向性が低下するからである。 First, a first orientation control layer 8a made of PT, PLZT, or PLT is formed on the lower electrode layer 4 by sputtering. When forming the orientation control layer 8a, a negative bias is applied to the substrate. As a result, positive ions having a large mass such as Ar particles are actively implanted into the film surface, and compressive stress is applied to the orientation control layer 8a due to a nail effect (peening effect). Further, when forming the orientation control layer 8a, the substrate temperature is preferably set to 450 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. This is because when the substrate temperature is lower than 450 ° C., the crystallinity of the orientation control layer 8a is lowered and a pyrochlore phase is easily generated. On the other hand, when the temperature is higher than 750 ° C., Pb contained in the film evaporates at the time of film formation, resulting in insufficient crystallinity. In this embodiment, the substrate temperature is 450 ° C. The sputtering gas was a mixed atmosphere of argon (Ar) and oxygen (O 2 ), and the gas volume ratio was Ar: O 2 = 19: 1. The degree of vacuum was 0.8 Pa. The O 2 partial pressure in the mixed gas of Ar and O 2 is preferably more than 0% and 10% or less. This is because, in the state where no O 2 exists, the crystallinity of the orientation control layer 8a is lowered. On the other hand, when the O 2 partial pressure exceeds 10%, the orientation of the (100) plane or the (001) plane is lowered. Because. The degree of vacuum is preferably 0.05 Pa or more and 5 Pa or less. This is because if the degree of vacuum is less than 0.05 Pa, the crystallinity of the orientation control layer 8a varies, whereas if it exceeds 5 Pa, the orientation of the (100) plane or the (001) plane decreases.
さらに、基板温度は450℃に保持した状態で、基板上に配向制御層8aを堆積する工程と、堆積を行わず膜のアニールのみを行う工程とを交互に繰り返すことにより、より一層結晶配向性の高い配向制御層8aを得ることができる。これは、一般的に誘電体薄膜をスパッタ法により形成する場合、薄膜は柱状成長を形成しやすく粒界や欠陥を伴う場合が多い。薄膜の堆積速度を低減すればより緻密な薄膜が形成できる傾向にあるが、スループットが悪くなり、堆積速度の低減にも限界がある。また、所定の膜厚に形成した誘電体薄膜をスパッタ装置から取り出して高温でアニールする手法によって誘電体薄膜の結晶配向性およびその安定性を向上させることができる場合もあるが、所定の厚みに形成された薄膜を次の工程で熱処理した場合、特性向上の効果には限界が生じる。したがって、スパッタ工程において、基板温度を450℃付近に保ったまま堆積しない工程を間欠的に導入することにより、堆積した薄膜を逐次安定化させ、誘電体薄膜の高品質化を図ることができるためである。 Further, by alternately repeating the step of depositing the orientation control layer 8a on the substrate while keeping the substrate temperature at 450 ° C., and the step of performing annealing of the film without deposition, the crystal orientation is further improved. High orientation control layer 8a can be obtained. In general, when a dielectric thin film is formed by sputtering, the thin film tends to form columnar growth and often has grain boundaries and defects. If the deposition rate of the thin film is reduced, a denser thin film tends to be formed, but the throughput is lowered and there is a limit to the reduction of the deposition rate. In addition, there are cases where the dielectric thin film formed to a predetermined film thickness can be improved from the sputtering apparatus and annealed at a high temperature to improve the crystal orientation and stability of the dielectric thin film. When the formed thin film is heat-treated in the next step, the effect of improving the characteristics is limited. Therefore, in the sputtering process, by intermittently introducing a process that does not deposit while keeping the substrate temperature around 450 ° C., the deposited thin film can be sequentially stabilized, and the quality of the dielectric thin film can be improved. It is.
次に、第一の配向制御層8a上に、PZTからなる第二の配向制御層8bをスパッタ法により形成する。 Next, a second orientation control layer 8b made of PZT is formed on the first orientation control layer 8a by a sputtering method.
ターゲットにはPZT(Zr/Ti=53/47)の焼結体を用い、基板温度450℃で、ArとO2との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:1)において、真空度0.3Paの条件で形成する。基板に負のバイアスを印加する。これにより、Ar粒子等の質量の大きい正イオンが膜表面に積極的に打ち込まれ、釘打ち効果(ピーニング効果)により、配向制御層8bには圧縮応力が付与される。 As a target, a sintered body of PZT (Zr / Ti = 53/47) was used. In a mixed atmosphere of Ar and O 2 (gas volume ratio Ar: O 2 = 19: 1) at a substrate temperature of 450 ° C., It is formed under the condition of a vacuum degree of 0.3 Pa. A negative bias is applied to the substrate. As a result, positive ions having a large mass such as Ar particles are positively implanted into the film surface, and compressive stress is applied to the orientation control layer 8b by the nail effect (peening effect).
なお、第二の配向制御層8bをスパッタ法により形成する際に使用するArとO2との混合ガスにおける酸素分圧は、0%を超え30%以下であることが好ましい。これは、酸素が全く存在しない状態では、第二の配向制御層8bの結晶性が低下する一方、酸素分圧が30%を超えると、(001)面配向度が低下するからである。また、真空度は、0.1Pa以上1Pa以下であることが好ましい。これは、真空度が0.1Paよりも小さいと、第二の配向制御層8bの結晶性及び圧電特性がばらつく一方、1Paを超えると、(001)面配向度が低下するからである。 The oxygen partial pressure in the mixed gas of Ar and O 2 used when forming the second orientation control layer 8b by sputtering is preferably more than 0% and 30% or less. This is because in the state where no oxygen is present, the crystallinity of the second orientation control layer 8b is lowered, whereas when the oxygen partial pressure exceeds 30%, the (001) plane orientation degree is lowered. Moreover, it is preferable that a vacuum degree is 0.1 Pa or more and 1 Pa or less. This is because when the degree of vacuum is less than 0.1 Pa, the crystallinity and piezoelectric characteristics of the second orientation control layer 8b vary, while when it exceeds 1 Pa, the degree of (001) plane orientation decreases.
また、第二の配向制御層8bをスパッタ法により形成する際の基板1の温度は、450℃以上750℃以下であることが望ましい。これは、基板1の温度が450℃よりも小さいと、第二の配向制御層8bの結晶性が低下するとともに、パイロクロアが生成し易くなる一方、750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれるPbが蒸発することにより不足し、結晶性が低下するからである。
The temperature of the
より好ましいのは、上記酸素分圧を1%以上10%以下とし、かつ真空度を0.15Pa以上0.8Pa以下とすることである。 More preferably, the oxygen partial pressure is 1% or more and 10% or less, and the degree of vacuum is 0.15 Pa or more and 0.8 Pa or less.
さらに、基板温度は450℃に保持した状態で、基板上に第二の配向制御層8bを堆積する工程と、堆積を行わず膜のアニールのみを行う工程とを交互に繰り返すことにより、より一層結晶配向性の高い配向制御層8bを得ることができる。これは、一般的に誘電体薄膜をスパッタ法により形成する場合、薄膜は柱状成長を形成しやすく粒界や欠陥を伴う場合が多い。薄膜の堆積速度を低減すればより緻密な薄膜が形成できる傾向にあるが、スループットが悪くなり、堆積速度の低減にも限界がある。また、所定の膜厚に形成した誘電体薄膜をスパッタ装置から取り出して高温でアニールする手法によって誘電体薄膜の結晶配向性およびその安定性を向上させることができる場合もあるが、所定の厚みに形成された薄膜を次の工程で熱処理した場合、特性向上の効果には限界が生じる。したがって、スパッタ工程において、基板温度を450℃付近に保ったまま堆積しない工程を間欠的に導入することにより、堆積した薄膜を逐次安定化させ、誘電体薄膜の高品質化を図ることができるためである。 Furthermore, by alternately repeating the step of depositing the second orientation control layer 8b on the substrate and the step of annealing the film without deposition while the substrate temperature is maintained at 450 ° C. The orientation control layer 8b having high crystal orientation can be obtained. In general, when a dielectric thin film is formed by sputtering, the thin film tends to form columnar growth and often has grain boundaries and defects. If the deposition rate of the thin film is reduced, a denser thin film tends to be formed, but the throughput is lowered and there is a limit to the reduction of the deposition rate. In addition, there are cases where the dielectric thin film formed to a predetermined film thickness can be improved from the sputtering apparatus and annealed at a high temperature to improve the crystal orientation and stability of the dielectric thin film. When the formed thin film is heat-treated in the next step, the effect of improving the characteristics is limited. Therefore, in the sputtering process, by intermittently introducing a process that does not deposit while keeping the substrate temperature around 450 ° C., the deposited thin film can be sequentially stabilized, and the quality of the dielectric thin film can be improved. It is.
上記のように第二の配向制御層8bを形成すれば、この第二の配向制御層8bは、第一の配向制御層8aの第二の配向制御層8b側の表面が(100)面又は(001)面配向となっていることで、(001)面に非常に高い配向性を示す。また、第二の配向制御層8bの結晶配向性が良好であるため、圧電体層6の結晶配向性も良好となる。
If the second orientation control layer 8b is formed as described above, the second orientation control layer 8b has a surface on the second orientation control layer 8b side of the first orientation control layer 8a of (100) plane or Due to the (001) plane orientation, the (001) plane exhibits very high orientation. Further, since the crystal orientation of the second orientation control layer 8b is good, the crystal orientation of the
本実施の形態により作製した第二の配向制御層8bのPZT薄膜の結晶構造のX線回折結果を図5に示す。図5からも非常に結晶配向性の高い膜が得られていることがわかる。図5から求めた(001)面配向度α(001)は略100%である。また、背景技術で示したPZT薄膜15のX線回折ピーク強度IB(100)と、本実施の形態で示した第二の配向制御層8bのPZT薄膜のX線回折ピーク強度IN(001)を比較すると、
IN(001)/IB(100)>15
となり、配向制御層8bのピーク強度の方が極端に大きいことがわかる。すなわち、背景技術で示したPZT薄膜15と比較して、膜の結晶化度が非常に高い膜が得られている。したがって、圧電体層6の結晶化度も良好となる。
FIG. 5 shows an X-ray diffraction result of the crystal structure of the PZT thin film of the second orientation control layer 8b produced according to this embodiment. FIG. 5 also shows that a film having a very high crystal orientation is obtained. The (001) plane orientation degree α (001) obtained from FIG. 5 is approximately 100%. Also, the X-ray diffraction peak intensity I B (100) of the PZT
I N (001) / I B (100)> 15
Thus, it can be seen that the peak intensity of the orientation control layer 8b is extremely large. That is, compared with the PZT
以上のように本発明の圧電体素子とその製造方法は、結晶配向性の高い圧電体層を形成することができ、延いては優れた強誘電性、圧電性、焦電性および電気光学特性を示す圧電体素子を形成できることから、各種電子機器に用いる角速度センサや赤外線センサ等の各種センサ、圧電アクチュエータや超音波モータ等の各種アクチュエータ、光導波路や光スイッチ等の光学デバイス、そしてセラミックコンデンサや強誘電体メモリ等の用途として有用である。 As described above, the piezoelectric element and the manufacturing method thereof according to the present invention can form a piezoelectric layer with high crystal orientation, and thus have excellent ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, and electro-optical characteristics. Can be formed, various sensors such as angular velocity sensors and infrared sensors used in various electronic devices, various actuators such as piezoelectric actuators and ultrasonic motors, optical devices such as optical waveguides and optical switches, and ceramic capacitors and This is useful for applications such as ferroelectric memory.
1 Si基板
2 SiO2層
3 密着層
4 下部電極層
5 配向制御層
6 圧電体層
7 上部電極層
8 配向制御層
8a 第一の配向制御層
8b 第二の配向制御層
11 基板
12 シリコン酸化物(SiO2)層
13 チタン(Ti)薄膜
14 Pt薄膜
15 PZT薄膜
1
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