(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部電極を形成し、該下部電極上に鉛とチタンとジルコニウムを含有する圧電薄膜を気相成長法により形成し、該圧電薄膜の上に更に上部電極を配した薄膜圧電素子において、
該圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数が、平面方向よりも断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、
該圧電薄膜のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）組成比が基板界面部から表面部に向かって膜厚方向に連続的
もしくは段階的に増加することにより、表面部が基板界面部よりも１０％以上大きいことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項２】
圧電薄膜を形成する基板が、シリコン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムのうち少なくとも一つを主成分とし、該圧電薄膜を構成する結晶粒について、該圧電薄膜の基板に対する平面方向の平均結晶粒径が０．５μｍ以下であって、該圧電薄膜の厚みが８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電薄膜材料を用いる圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として、広く利用されている。アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体として、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix)O3系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成される。
【０００３】
現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになった。しかし、従来の焼結法を中心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚みを薄くするに連れて、特に厚みが10μm程度の厚さに近づくに連れて、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなり、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題点が発生した。それを回避するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されている。
【０００４】
これまでに、圧電性を有する薄膜（すなわち圧電薄膜）の形成法としては、圧電体を構成する物質を蒸発、気化させ基板上に堆積させる気相成長法、一般にｒｆスパッタ法やMOCVD法などが検討されている。
【０００５】
しかし、これらの手法を用いて形成した圧電薄膜においても、結晶粒界および結晶配向性の問題から、バルク材料といわれる焼結形成した圧電体の圧電特性と比較して特性のばらつきが大きく、センサやアクチュエータなどの実用に十分な圧電特性を得るまでには未だ至っていない。
【０００６】
特に、圧電薄膜を用いたマイクロアクチュエータおよびマイクロセンサを実現するために、バイモルフもしくはユニモルフ構造の圧電素子を形成することがその応用の一つとして考えられるが、その際、圧電特性として圧電定数d31の値が重要である。マイクロ素子として実用化するためには、圧電薄膜として圧電定数d31がバルク材料なみの-100pC/V以上の値を有することが求められている。
【０００７】
また、量産性を考慮した場合、圧電薄膜をそれ以外の素子作製プロセスと両立可能な基板を使用する必要があり、高い圧電性の実現と合わせた圧電薄膜の材料開発および製造技術の開発が求められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スパッタ法もしくはＣＶＤ法などの薄膜形成法を用いてバルク材料と同様の結晶構造および微細構造の圧電薄膜を形成した場合、前述した結晶粒界の影響および結晶配向性の問題から特性のばらつきが大きく、また圧電特性も通常バルク材料の半分以下程度しか得られなかった。この現象は、特に膜厚が10μm以下の薄い薄膜の場合顕著に見られた。
【０００９】
圧電薄膜をマイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサとして使用する場合、高い圧電特性を実現し、さらに特性のばらつきも低減させる必要がある。通常、圧電薄膜の特性は、薄膜材料の組成構造、およびその結晶構造に大きく依存する。圧電薄膜をアクチュエータやセンサ等の圧電素子として応用する場合、圧電薄膜の微細構造を制御することで、高い圧電特性がばらつきなく得られるようにする技術が必要である。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、圧電薄膜材料の微視的結晶構造を最適化することによって、薄膜においても圧電特性のばらつきを抑え、良好な圧電特性を有する圧電薄膜を実現し、実用に耐えうる薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また、そのために圧電薄膜の材料組成を最適化し、膜厚方向の組成を変調させることにより、圧電薄膜の微細構造制御が安定に行える手法を開発した。これにより高い圧電特性を有する圧電薄膜を製造条件に大きく左右されることなく製造することができ、マイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサとして実用可能な薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる薄膜圧電素子は、基板上に下部電極を形成し、この下部電極上に鉛を含有する圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜の上に更に上部電極を配した構造を有しており、圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向よりも断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、かつ圧電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連続的もしくは段階的に変化していることを特徴とする薄膜圧電素子である。
【００１３】
さらに、圧電薄膜を形成する基板が、シリコン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムのうち少なくとも一つを主成分とし、更に圧電薄膜を構成する結晶粒について、圧電薄膜の基板に対して平面方向の平均結晶粒径が0.5μm以下であり、加えて圧電薄膜の厚みが8μm以下である薄膜圧電素子であることが好ましい。
【００１４】
さらに、基板上に形成した鉛を含有する圧電薄膜の組成において、構成元素としてチタンおよびジルコニウムを含み、かつ表面に近い部分の圧電薄膜のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面に近い部分のZr/(Zr+Ti)組成比よりも10%以上少ないとなお良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態における圧電素子の構成について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に本発明にかかる薄膜圧電素子の一実施例を示す。圧電薄膜１は、組成がPb(Zr1-xTix)O3(0≦x≦1)（以後PZTと呼ぶ）の組成を有し、膜厚が３μmである。まず、これを連続したダイヤフラム構造（太鼓状の構造）を有するシリコン基板６上に形成した。
【００１７】
ここで、圧電薄膜１は、形成した圧電薄膜１とほぼ同じ組成を有する焼結体ターゲットを真空槽内に設置し、ターゲット上で酸化雰囲気のガス中でプラズマを発生させて、加熱した基板上に蒸着させるスパッタ法により形成した。
【００１８】
使用した基板は、長さ500μm、幅50μmの多数の溝をあらかじめ形成したものであり、その一方の表面を厚み5μmのCrからなる振動層２で覆い、その上に更に厚み0.2μmのPt下部電極層３を形成したものである。
【００１９】
圧電薄膜１の上部には、各ダイヤフラムに対応する箇所にダイヤフラムと同じ形状の厚み0.2μmのPt上部電極４を形成した。
【００２０】
図１は、形成した圧電薄膜素子の一部を切り出し、断面を見た斜視図である。この素子の上下電極間に電圧を印加することによりアクチュエータ動作する。その際、上下電極間に1kHzのサイン波を印加し、ダイヤフラム上の圧電薄膜１の上下振動を計測し、圧電特性の評価を行った。
【００２１】
スパッタ法を用い、組成の異なるいくつかのターゲットを真空槽内に設置し、各ターゲットに印加する電力の割合を適切に制御することによって、圧電薄膜１の組成を膜厚方向に変化させることができた。この構成は、圧電薄膜１の結晶構造を大きく変化させた。形成した圧電薄膜１の断面構造は、電子顕微鏡で観察すると、多くの結晶粒からなる多結晶構造を有していたが、基板に対して水平方向の結晶粒の長さ（Ａ）と垂直方向の結晶粒の長さ（Ｂ）が異なっていた。
【００２２】
ここで、図２に、形成した薄膜圧電素子の１素子分について、圧電薄膜１の箇所における断面の微細結晶構造を電子顕微鏡で観察した図を示す。図２は垂直方向の結晶粒の長さ（Ｂ）が水平方向の結晶粒の長さ（Ａ）よりも長い微細結晶構造から構成された圧電薄膜１の微細結晶構造である。
【００２３】
そこで、結晶粒の構造について、特にＢ／Ａの比と圧電特性との依存性を測定した。表１に、図１の薄膜圧電素子の振動特性を圧電薄膜の結晶流の縦横比Ｂ／Ａで示す。
【００２４】
【表１】
0003705089.tif 000002
【００２５】
表１において、圧電薄膜１の上部電極に0〜-10Vのサイン波を印加し、振動量が最大となるダイヤフラムの中央で計測した値で規定した場合の、20素子以上の測定値の平均を振動量とした。振動量は圧電薄膜の圧電特性を反映し、振動量が大きいほど圧電薄膜の特性はよい。
【００２６】
また、粒径の縦横比（Ｂ／Ａ）は、電子顕微鏡観察で得られた断面の結晶構造の視野内に見られた20以上の結晶についての平均とした。
【００２７】
表１より、結晶粒の縦横比（Ｂ／Ａ）が大きくなるに連れて徐々に圧電振動が大きくなり、Ｂ／Ａが１を越えるあたりからほぼ飽和した振動特性が示された。この振動特性は、圧電薄膜１の圧電定数d31に起因する振動である。この結果より、縦横比Ｂ／Aが１以上（つまり柱状構造の結晶粒で構成された）圧電薄膜を用いた方が良好な圧電特性が得られることを見出した。
【００２８】
圧電特性が向上した原因として、粒径が横方向に長い場合、ダイヤフラムの振動に必要な圧電特性d31が、面内の応力等により制限されるに対して、横の長さが短い所謂柱状構造では、断面方向に印加された電圧に対し、平面方向への圧電薄膜１の伸縮が面内応力に制限されることなく良好な圧電振動を発生させることができたためと考えられる。
【００２９】
この圧電薄膜１を用いることにより、薄膜材料においても特性の良いマイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサなどの薄膜圧電素子を実現することができた。
【００３０】
また、結晶粒の縦横比（Ｂ／Ａ）が１以上の値の圧電薄膜１を用いることによって、実用上十分な圧電特性を有する薄膜圧電素子を得ることができた。
【００３１】
圧電薄膜１を形成する基板として、シリコンの他、アルミナ、酸化ジルコニウムなどを用いても同様なダイヤフラム構造が得られた。これらの基板においてもシリコン基板と同様の傾向が確認できた。
【００３２】
さらに、これらの基板上に形成した圧電薄膜１の振動特性について、各ダイヤフラム上の振動特性のばらつきを調べた。表２に、図１の薄膜圧電素子の振動特性のばらつきを圧電薄膜の結晶粒の縦横比で示した。
【００３３】
【表２】
0003705089.tif 000003
【００３４】
ここで、結晶粒の粒径とは、電子顕微鏡観察で得られた断面の結晶構造において、視野内に見られた20以上の結晶についての平面方向の粒径（Ａ）の平均値である。また、振動量のばらつきとは、20素子以上の振動量について、その標準偏差（σ）を振動量の平均（Ｈａ）で割った値（σ／Ｈａ）である。
【００３５】
表２に示されるように、結晶粒径が大きい場合、ばらつきの値も10%以上の大きな値であった。しかし、粒径が減少するに連れてばらつきも減少し、特に粒径が0.5μm以下の場合では、ばらつきも5%以下の低い水準となり、薄膜圧電素子の特性安定化を実現することができた。圧電薄膜１の膜厚が8μm以下の場合においてのみ、粒径を0.5μm以下とすることができ、それ以上の膜厚では粒径が大きくなり、結晶粒の制御はできなかった。
【００３６】
粒径が0.5μm以下の場合にばらつきが改善された原因として、圧電薄膜を用いた圧電素子の場合、通常の圧電体よりも厚みが薄いため結晶粒の構造を大きく反映することになるためと考えられる。
【００３７】
この結晶粒の大きさは圧電薄膜の組成を膜厚方向に変化させることや、スパッタ法等の成膜条件を最適化させることで制御することができ、これらの条件を最適化し、結晶粒径を0.5μm以下とする事によって高い圧電特性を示し、かつ素子間のばらつきの少ない薄膜圧電素子が実現できた。
【００３８】
更に、圧電薄膜１としてPZTを用いた場合、ZrとTiとの組成比が圧電特性に大きく影響し、かつ圧電薄膜１の結晶性にも影響を与えることが明らかとなった。前述の通り、圧電薄膜１の圧電特性およびその安定性は、圧電薄膜１の微細結晶構造と大きな関係があるが、この結晶構造は、基板との界面付近で大きく影響することがわかった。
【００３９】
そこで、PZTを用いて基板界面付近と表面付近との組成が異なる圧電薄膜１を形成し、その圧電特性を調べた。図３に、形成した薄膜圧電素子の圧電薄膜１の断面構造を示す。圧電薄膜１はZr/(Zr+Ti)組成比の小さい圧電層５と、Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層６とから構成されている。
【００４０】
この多層構造の圧電薄膜１の振動特性を調べた結果、Zr/(Zr+Ti)組成比が、基板界面側よりも圧電薄膜１の表面側で大きいほど安定な圧電振動が得られ、特に圧電薄膜１の表面側のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面側より10%以上大きい場合に、安定かつ良好な圧電振動が得られた。これは、Zrを少なくすることによって、圧電薄膜１が、良好な微細結晶構造を有した状態で成長しやすくなったことに起因すると考えられる。
【００４１】
本実施形態における圧電薄膜の形成方法は、スパッタ法に限定されず、ＣＶＤやゾルゲル法などの成膜方法においても、組成が断面方向に異なる構成とする事によって、圧電薄膜の結晶構造を制御することができ、同様の効果が得られた。
【００４２】
以上のように、圧電薄膜１の微細構造を最適化することによりそれを用いた薄膜圧電素子の圧電特性が向上し、かつばらつきの少ない安定な圧電特性を有する圧電素子を実現することができた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によって、圧電薄膜材料の組成を膜圧方向に変調させることにより、十分な圧電特性を有し、小型で微細な薄膜圧電素子を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における薄膜圧電素子の斜視図
【図２】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造を示す図
【図３】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造を示す図
【符号の説明】
１  圧電薄膜
２  振動層
３  下部電極
４  上部電極
５  Zr/(Zr+Ti)組成比の小さい圧電層
６  Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層
【図１】
0003705089.tif 000004
【図２】
0003705089.tif 000005
【図３】
0003705089.tif 000006