(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板と、該振動板の一方の面に接着された第１の構造体と、前記振動板の他方の面に接着された第２の構造体とを備え、
前記第１の構造体は、第１のシリコン基板と、該第１のシリコン基板の一面に順に積層された第１の電極層、第１の圧電体膜および第１の対向電極層とを備え、該第１の対向電極層を前記振動板の前記一方の面に対向させて、該振動板の前記一方の面と接着されており、
前記第２の構造体は、第２のシリコン基板と、該第２のシリコン基板の一面に順に積層された第２の電極層、第２の圧電体膜および第２の対向電極層とを備え、該第２の対向電極層を前記振動板の前記他方の面に対向させて、該振動板の前記他方の面と接着されており、
前記第１の圧電体膜および前記第２の圧電体膜がペロブスカイト型酸化物からなり、前記第１の圧電体膜と前記第１の電極層との界面、および前記第２の圧電体膜と前記第２の電極層との界面にそれぞれ３ｎｍ以上５０ｎｍ以下のパイロクロア型酸化物層を有している積層構造体。
【請求項２】
前記第１の対向電極層と前記振動板との間に第１の接着層を備え、
前記第２の対向電極層と前記振動板との間に第２の接着層を備えた請求項１記載の積層構造体。
【請求項３】
前記第１の接着層および前記第２の接着層が無機材料からなる請求項２記載の積層構造体。
【請求項４】
前記第１の圧電体膜がスパッタ膜であり、前記第１の圧電体膜の自発分極ベクトルが前記第１の電極層から前記第１の対向電極層に向かい、前記第２の圧電体膜の自発分極ベクトルが前記第２の電極層から前記第２の対向電極層に向かうものである請求項１から３いずれか１項記載の積層構造体。
【請求項５】
前記第１の対向電極層および前記第２の対向電極層がパターン化されている請求項１から４いずれか１項記載の積層構造体。
【請求項６】
前記振動板がシリコンからなる請求項１から５いずれか１項記載の積層構造体。
【請求項７】
前記第１の構造体と前記第２の構造体が前記振動板を挟んで対称構造であり、
前記第１の圧電体膜および前記第２の圧電体膜を構成する前記ペロブスカイト型酸化物の組成が同一である請求項１から６いずれか１項記載の積層構造体。
【請求項８】
前記ペロブスカイト型酸化物が、下記一般式ＰＸで表されるものであり、
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ          （ＰＸ）
前記一般式ＰＸにおいて、ＡはＡサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素であり、ＭはＢサイト元素であり、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素であり、０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙである請求項１から７いずれか１項記載の積層構造体。
【請求項９】
請求項１から８いずれか１項記載の積層構造体の前記第１のシリコン基板および前記第２のシリコン基板の少なくとも一部が除去されてなる圧電素子。
【請求項１０】
シリコン基材の一面に、第１の電極層、第１の圧電体膜、第１の対向電極層、厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板、第２の対向電極層、第２の圧電体膜、第２の電極層がこの順に積層されてなり、
前記第１の圧電体膜および前記第２の圧電体膜がペロブスカイト型酸化物からなり、前記第１の圧電体膜と前記第１の電極層との界面、および前記第２の圧電体膜と前記第２の電極層との界面にそれぞれ３ｎｍ以上５０ｎｍ以下のパイロクロア型酸化物層を有している圧電素子。
【請求項１１】
前記第１の対向電極層と前記振動板との間に第１の接着層を備え、
前記第２の対向電極層と前記振動板との間に第２の接着層を備えた請求項１０記載の圧電素子。
【請求項１２】
第１のシリコン基板の一面に第１の電極層、第１の圧電体膜および第１の対向電極層をこの順に積層して第１の構造体を作製する工程、
第２のシリコン基板の一面に第２の電極層、第２の圧電体膜および第２の対向電極層をこの順に積層して第２の構造体を作製する工程、
振動板基材の一方の面に前記第１の対向電極層を対向させて、前記振動板基材の前記一方の面に前記第１の構造体を貼り合わせる工程、
前記第１の構造体と貼り合わせた前記振動板基材の他方の面を研磨またはエッチングして該振動板基材を振動板に加工する工程、
前記振動板の前記第１の構造体と貼り合わせていない露出面に前記第２の対向電極層を対向させて、該露出面に前記第２の構造体を貼り合わせて積層構造体を作製する工程、および
前記積層構造体から前記第１のシリコン基板および前記第２のシリコン基板の少なくとも一部を除去する工程を含む圧電素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の圧電体膜および前記第２の圧電体膜として、ペロブスカイト型酸化物膜をスパッタ成膜する請求項１２記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１４】
前記振動板基材を、１０μｍ超５００μｍ以下の厚みに調整して前記振動板に加工する請求項１２または１３記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の構造体を作製する工程において、前記第１の対向電極層としてパターン化した電極層を形成し、
前記第２の構造体を作製する工程において、前記第２の対向電極層としてパターン化した電極層を形成する請求項１２から１４いずれか１項記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１６】
前記振動板基材の前記一方の面および前記第１の対向電極層の表面の少なくとも一方に無機材料からなる接着層を形成し、該接着層を介して前記一方の面と前記第１の対向電極層の表面とを接合する請求項１２から１５いずれか１項記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１７】
前記振動板の前記露出面および前記第２の対向電極層の表面の少なくとも一方に無機材料からなる接着層を形成し、該接着層を介して前記露出面と前記第２の対向電極層の表面とを接合する請求項１２から１６いずれか１項記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１８】
前記振動板基材としてシリコン基材を用いる請求項１２から１７いずれか１項記載の圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動板の両面に圧電部を備えた圧電素子用の積層構造体、圧電素子および圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電アクチュエータとしては、上部電極/圧電体/下部電極/振動板が積層された構造のユニモルフアクチュエータが一般的である。このユニモルフアクチュエータの発生力は圧電体の圧電定数と印加電圧の積で概ね決定され、圧電定数は材料に依存して定まるため、ユニモルフアクチュエータの発生力は原理的に限界がある。
【０００３】
ユニモルフアクチュエータよりも発生力が大きいものとして、特許文献１では圧電体層を２層に重ねた構成のバイモルフ構造のアクチュエータが示されている（特許文献１の図７参照。）。特許文献１に記載のバイモルフ構造のアクチュエータは、２つの圧電体薄膜素子の構造体を貼り合わせることによって作製される（特許文献１の段落００７０−００７１参照。）。
【０００４】
また、特許文献２には積層圧電体を用いた圧電バイモルフ型のアクチュエータの一部を力検出センサとして使用する構成が提案されている。特許文献２に示されているバイモルフ型のアクチュエータは、２枚のフィルム状圧電体を共通電極用の導電部材の表裏面に貼り合わせることによって作製される（特許文献２の段落００７４および図３参照。）。
【０００５】
同様に、特許文献３には、２枚のフィルム状圧電素子の一方の電極層同士を接着剤を介して貼り合わせることによってバイモルフ型の圧電素子を製造する方法が開示されている。（特許文献３の図２および図３参照。）。
【０００６】
さらに、特許文献４では、０．４μｍ〜１０μｍ厚みの中間層を挟んで２つの圧電体膜を備えたバイモルフ型の圧電素子が提案されている。特許文献４では、シリコン基板上に第１の圧電体膜を備えた第１の薄膜圧電素子を成膜形成した後、振動板として機能する中間層を成膜し、さらに、第２の圧電体膜を備えた第２の薄膜圧電素子を中間層上に成膜形成するバイモルフ型圧電素子の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０３７５０号公報
【特許文献２】特開２００６−４８３０２号公報
【特許文献３】特開２００７−５３７４号公報
【特許文献４】特開２０１５−８８５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１〜３のように、二つの薄膜圧電素子を貼り合わせて構成されたバイモルフ型圧電素子は、剛性が低く、共振周波数が高いデバイスの駆動源として使用できない。また、フィルム用圧電素子を貼り合わせる際のハンドリングが困難であるため、生産性の向上が図りにくいという問題がある。
【０００９】
特許文献４のバイモルフ型圧電素子は、成膜のみで形成するので、やはり十分な剛性を有する素子を作製するのは難しい。また、高い圧電性を得るために、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系などのペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を採用し、特許文献４に記載のように圧電体膜を気相成長法で作製した場合、圧電体膜において自発分極が基板面側から膜成長面に向けて生じる。したがって、特許文献４のように成膜で順次形成する素子構造では、第１の圧電体膜および第２の圧電体膜の自発分極の向きが、同じ方向になる。そのために、第１の薄膜圧電素子および第２の薄膜圧電素子の中間層側の電極を共通電極にした場合、第１の薄膜圧電素子の他方の電極と第２の薄膜圧電素の他方の電極との電位差が大きくなり、駆動回路に負荷がかかる。
【００１０】
また、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を気相成長法で作製した場合、基板面側の界面にパイロクロアなどの異相が成長するために、特許文献４のアクチュエータにおいては、少なくとも一方の圧電体膜のパイロクロア型酸化物層が振動板となる中間層側に形成されることとなる。駆動時において、振動板側のパイロクロアがクラックの起点となりやすく、十分な耐久性が得られない場合がある。振動板側の圧電膜は拘束されているため、パイロクロアが存在した場合、パイロクロア層に応力が集中しやすい。そのため異相であるパイロクロア層を起点にクラックが生じる可能性がある。一方で基板と反対側は、拘束力が弱いためある程度のパイロクロア層があっても、クラックが生じにくい。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、剛性が高く、耐久性の高いバイモルフ型の圧電素子およびその製造方法、並びに圧電素子用の積層構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の積層構造体は、厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板と、振動板の一方の面に接着された第１の構造体と、振動板の他方の面に接着された第２の構造体とを備え、
第１の構造体は、第１のシリコン基板と、この第１のシリコン基板の一面に順に積層された第１の電極層、第１の圧電体膜および第１の対向電極層とを備え、第１の対向電極層を振動板の一方の面に対向させて、振動板の一方の面と接着されており、
第２の構造体は、第２のシリコン基板と、この第２のシリコン基板の一面に順に積層された第２の電極層、第２の圧電体膜および第２の対向電極層とを備え、第２の対向電極層を振動板の他方の面に対向させて、振動板の他方の面と接着されており、
第１の圧電体膜および第２の圧電体膜がペロブスカイト型酸化物からなり、第１の圧電体膜と第１の電極層との界面、および第２の圧電体膜と第２の電極層との界面にそれぞれ３ｎｍ以上のパイロクロア型酸化物層を有している。
【００１３】
本発明の積層構造体においては、第１の対向電極層と振動板との間に第１の接着層を備え、第２の対向電極層と振動板との間に第２の接着層を備えていてもよい。
第１の接着層および第２の接着層は有機材料からなるものであってもよいが、無機材料からなるものであることが特に好ましい。
【００１４】
本発明の積層構造体においては、第１の圧電体膜がスパッタ法により成膜された膜であり、第１の圧電体膜の自発分極ベクトルが第１の電極層から第１の対向電極層に向かい、第２の圧電体膜の自発分極ベクトルが第２の電極層から第２の対向電極層に向かうものであることが好ましい。
【００１５】
本発明の積層構造体においては、第１の対向電極層および第２の対向電極層がパターン化されていてもよい。
【００１６】
本発明の積層構造体においては、振動板はシリコンからなることが特に好ましい。
【００１７】
本発明の積層構造体においては、第１の構造体と第２の構造体が振動板を挟んで対称構造であり、第１の圧電体膜および第２の圧電体膜を構成するペロブスカイト型酸化物の組成が同一であることが特に好ましい。
【００１８】
本発明の積層構造体において、第１の圧電体膜および第２の圧電体膜を構成するペロブスカイト型酸化物は、特に限定されるものではなく、例えば、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなるものとすることができる。
一般式ＡＢＯ３          （Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子、
Ａサイト元素のモル数が１．０であり、かつＢサイト元素のモル数が１．０である場合が標準であるが、Ａサイト元素とＢサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
【００１９】
特には、ペロブスカイト型酸化物が、下記一般式ＰＸで表されるものであることが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ          （ＰＸ）
一般式ＰＸにおいて、ＡはＡサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素であり、ＭはＢサイト元素であり、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，およびＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。また、０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙであり、ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【００２０】
本発明の圧電素子は、上記本発明の積層構造体の第１のシリコン基板および第２のシリコン基板の少なくとも一部が除去されてなる。
【００２１】
すなわち、本発明の圧電素子は、シリコン基材の一面に、第１の電極層、第１の圧電体膜、第１の対向電極、厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板、第２の対向電極、第２の圧電体膜、第２の電極層がこの順に積層されてなり、
第１の圧電体膜および第２の圧電体膜がペロブスカイト型酸化物からなり、第１の圧電体膜と第１の電極層との界面、および第２の圧電体膜と第２の電極層との界面にそれぞれ３ｎｍ以上のパイロクロア型酸化物層を有するものである。
【００２２】
本発明の圧電素子においては、第１の対向電極層と振動板との間に第１の接着層を備え、第２の対向電極層と振動板との間に第２の接着層を備えていてもよい。
【００２３】
本発明の圧電素子の製造方法は、第１のシリコン基板の一面に第１の電極層、第１の圧電体膜および第１の対向電極層をこの順に積層して第１の構造体を作製する工程、
第２のシリコン基板の一面に第２の電極層、第２の圧電体膜および第２の対向電極層をこの順に積層して第２の構造体を作製する工程、
振動板基材の一方の面に第１の対向電極層を対向させて、振動板基材の一方の面に第１の構造体を貼り合わせる工程、
第１の構造体と貼り合わせた振動板基材の他方の面を研磨またはエッチングして振動板基材を振動板に加工する工程、
振動板の第１の構造体と貼り合わせていない露出面に第２の対向電極層を対向させて、その露出面に第２の構造体を貼り合わせて積層構造体を作製する工程、および
積層構造体から第１のシリコン基板および第２のシリコン基板の少なくとも一部を除去する工程を含む圧電素子の製造方法である。
【００２４】
本発明の圧電素子の製造方法においては、第１の圧電体膜および第２の圧電体膜はいかなる材料からなるものであってもよく、各圧電体膜の成膜方法も特に限定されないが、第１の圧電体膜および第２の圧電体膜として、ペロブスカイト型酸化物膜をスパッタ成膜することが好ましい。そして、ペロブスカイト型酸化物膜としては、上記式ＰあるいはＰＸで示されるペロブスカイト型酸化物からなるものが特に好ましい。
【００２５】
また、振動板基材を振動板に加工する工程においては、振動板基材を、１０μｍ超５００μｍ以下の厚みに調整して振動板とすることが好ましい。
【００２６】
なお、第１の構造体を作製する工程において、第１の対向電極層としてパターン化した電極層を形成し、第２の構造体を作製する工程において、第２の対向電極層としてパターン化した電極層を形成することが好ましい。
【００２７】
振動板基材の一方の面に第１の構造体を貼り合わせる工程において、振動板基材の一方の面および第１の対向電極層の表面の少なくとも一方に無機材料からなる接着層を形成し、その接着層を介して一方の面と第１の対向電極層の表面とを接合することが好ましい。
【００２８】
振動板の露出面に第２の構造体を貼り合わせて積層構造体を作製する工程において、振動板の露出面および第２の対向電極層の表面の少なくとも一方に無機材料からなる接着層を形成し、その接着層を介して振動板の露出面と第２の対向電極層の表面とを接合することが好ましい。
【００２９】
本発明の圧電素子の製造方法においては、振動板基材としてシリコン基材を用いることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の積層構造体は、振動板の厚みが１０μｍ超５００μｍ以下の範囲の十分に高い剛性のバイモルフ型の圧電素子を作製することができる。また、パイロクロア型酸化物層が圧電体膜の振動板側とは反対の界面に形成されているので、振動板側に備えられている場合と比較して、絶縁耐圧が高く、耐久性も高い圧電素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の圧電素子の一実施形態の積層構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明の積層構造体の一実施形態の積層構造を示す断面模式図である。
【図３】図１に示す圧電素子の製造工程Ｉ〜IIIを示す工程図である。
【図４】図１に示す圧電素子の製造工程IＶ〜Ｖを示す工程図である。
【図５Ａ】実施例および比較例の片持ち梁型デバイスの上面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの片持ち梁型デバイスのＱ−Ｑ’断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の実施形態に係る圧電素子１の構成例を示す断面図である。なお、視認容易のため、各層の膜厚やそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない（以下の図面において同様とする。）。
【００３４】
本実施形態に係る圧電素子１は、シリコン基材１１ａ上に、第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４、第１の対向電極層１６、第１の接着層３２、厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板３１、第２の接着層３４、第２の対向電極層２６、第２の圧電体膜２４、第２の電極層２２がこの順に積層されてなる。すなわち、圧電素子１は、第１の圧電体膜１４と、第１の圧電体膜１４を挟む第１の電極層１２および第１の対向電極層１６とからなる第１の圧電部１９と、第２の圧電体膜２４と、第２の圧電体膜２４を挟む第２の電極層２２および第２の対向電極層２６とからなる第２の圧電部２９とが振動板３１の両面に設けられてなるバイモルフ型の圧電素子である。なお、第１の接着層３２および第２の接着層３４を備えていなくても構わない。
【００３５】
第１の圧電体膜１４と第２の圧電体膜２４とは、いずれもペロブスカイト型酸化物からなり、図１中の一部拡大図に示すように、第１の圧電体膜１４と第１の電極層１２との界面、および第２の圧電体膜２４と第２の電極層２２との界面にそれぞれ平均膜厚３ｎｍ以上のパイロクロア型酸化物層１３、２３を有している。パイロクロア型酸化物層１３、２３は平均膜厚が５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。一方で、第１の圧電体膜１４と第１の対向電極層１６との界面、第２の圧電体膜２４と第２の対向電極層２６との間にはパイロクロア型酸化物層はほとんど存在しない。ここで、パイロクロア型酸化物層が存在しないとは、パイロクロア型酸化物の平均膜厚が２ｎｍ以下（０ｎｍを含む）であることを意味する。パイロクロア型酸化物の平均膜厚の算出方法については後記する。
【００３６】
図１に記載されている圧電体膜１４および２４中における矢印は、各膜における自発分極軸の向き（自発分極ベクトル）を示したものである。第１の圧電体膜１４および第２の圧電体膜２４はいずれもスパッタ法により成膜されてなるものであり、自発分極ベクトルが膜厚方向に沿い、互いに逆向きである。第１の圧電体膜１４の自発分極ベクトルは第１の電極層１２から第１の対向電極層１６に向き、第２の圧電体膜２４の自発分極ベクトルは第２の電極層２２から第２の対向電極層２６に向くものとなっている。
自発分極軸の向きは、電荷分布の偏りによる双極子モーメントのベクトル（マイナスからプラスへの向き）で定義されるものである。圧電体膜では、分極方向と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、電界誘起歪による圧電効果が効果的に得られる。
【００３７】
なお、第１の電極層１２と第２の電極層２２、第１の圧電体膜１４と第２の圧電体膜２４、第１の対向電極層１６と第２の対向電極層２６とは、異なる材料および厚みで構成されていてもよいが、それぞれ同一の材料および厚みで構成されていることが好ましい。振動板３１を挟んで層構造が対称であれば、応力バランスが良く、かつ温度変化が生じても反りが発生しないデバイスを実現することができる。
【００３８】
シリコン基材１１ａには凹部１１ｂが形成されている。圧電素子１は、シリコン基材１１ａの凹部１１ｂの開口領域Ａに対応する位置における第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４、第１の対向電極層１６、振動板３１、第２の対向電極層２６、第２の圧電体膜２４および第２の電極層２２の積層体の部分が膜厚方向（図１の上下方向）に撓み変形可能な可動部として機能するダイアフラム構造を有する。
【００３９】
シリコン基材１１ａは、第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４、第１の対向電極層１６、振動板３１、第２の対向電極層２６、第２の圧電体膜２４および第２の電極層２２の積層体を支持する支持部となる。すなわち、シリコン基材１１ａは、凹部１１ｂの開口領域Ａに対応する可動部の縁を固定する固定部として機能する。
【００４０】
本実施形態に係る圧電素子１は、本発明の積層構造体から作製することができる。
なお、本明細書において「ＡにＢを積層する」という表現は、Ａに接してＢをＡ上に直接積層する場合に限らず、ＡとＢの間に他の１又は複数の層を介在させ、Ａの上に１又は複数の層を介してＢを積層する場合も有りうる。
【００４１】
図２は、上記圧電素子１を作製するため積層構造体２の構成例を示す断面模式図である。
本実施形態の積層構造体２は、厚みが１０μｍ超５００μｍ以下である振動板３１と、振動板３１の一方の面に接着された第１の構造体１０と、振動板３１の他方の面に接着された第２の構造体２０とを備えている。第１の構造体１０は振動板３１と第１の接着層３２を介して貼り合わせられており、第２の構造体２０は振動板３１と第２の接着層３４を介して貼り合わせられている。
【００４２】
第１の構造体１０は、第１のシリコン基板１１と、第１のシリコン基板１１の一面に順に積層された第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４および第１の対向電極層１６とを備え、第１の対向電極層１６を振動板３１の一方の面に対向させて、振動板３１に接着されている。また、第２の構造体２０は、第２のシリコン基板２１と、第２のシリコン基板２１の一面に順に積層された第２の電極層２２、第２の圧電体膜２４および第２の対向電極層２６とからなり、第２の対向電極層２６を振動板３１の他方の面と対向させて振動板３１に接着されている。
そして、第１の圧電体膜１４および第２の圧電体膜２４がペロブスカイト型酸化物からなり、第１の圧電体膜１４と第１の電極層１２との界面、および第２の圧電体膜２４と第２の電極層２２との界面にそれぞれ３ｎｍ以上のパイロクロア型酸化物層１３、２３を有している（図１の拡大図参照。）。
【００４３】
本積層構造体２において第２のシリコン基板２１を除去し、第１のシリコン基板１１の一部を除去することにより図１に示した圧電素子１を得ることができる。
【００４４】
図１に示す圧電素子１の製造方法を本発明の圧電素子の製造方法の一実施形態として、図３および図４を参照して説明する。
本発明の圧電素子の製造方法は、第１のシリコン基板１１の一面に第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４および第１の対向電極層１６をこの順に積層して第１の構造体１０を作製する工程Ｉ（図３のＩ参照）、第２のシリコン基板２１の一面に第２の電極層２２、第２の圧電体膜２４および第２の対向電極層２６をこの順に積層して第２の構造体２０を作製する工程II（図３のII参照）、振動板基材３０の一方の面３０ａに第１の対向電極層１６を対向させて、振動板基材３０の一方の面３０ａに第１の構造体１０を貼り合わせる工程III（図３のIII参照）、振動板基材３０の他方の面３０ｂを研磨またはエッチングして振動板基材３０の厚みを調整して振動板３１に加工する工程IＶ（図４のIＶ参照）、厚みが調整された振動板基材（すなわち振動板３１）の他方の面に第２の対向電極層２６を対向させて、振動板基材の他方の面に第２の構造体２０を貼り合わせて積層構造体２を作製する工程Ｖ（図４のＶ参照）、および、積層構造体２から第１のシリコン基板１１および第２のシリコン基板２１の少なくとも一部を除去する工程ＶIを含む（図１参照）。以下に各工程についてより詳細に説明する。
【００４５】
[工程Ｉ:第１の構造体の作製]
第１のシリコン基板１１の一面に第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４および第１の対向電極層１６をこの順に積層する。第１のシリコン基板１１としては、標準市販品のシリコンウエハ（ＳＯＩ構造を有しない非ＳＯＩ基板）を用いることが好ましい。シリコンウエハは、その表面にＳｉＯ２膜（酸化膜）を有している構成でもよい。
【００４６】
第１のシリコン基板１１上への各層の成膜は薄膜形成法によって行われる。薄膜形成法には、物理的気相成膜法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学的気相成膜法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、液相成膜法（めっき、塗布、ゾルゲル法、スピンコート法など）、熱酸化法が含まれる。それぞれの層について適宜の成膜方法を選択できるが、すべての層を気相成長法で成膜する構成が最も好ましい。気相成長法は高精度な厚さ寸法制御が可能である。また、材料が安価で、成膜レートが高く、量産適性があるので、デバイスのコストダウンが可能である。特には、スパッタ法により成膜することが好ましい。
【００４７】
第１の電極層１２の材料は特に限定されず、金属でもよいし、酸化物導電体材料であってもよい。具体的には、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ａｕ（金）、銀（Ａｇ）、Ｉｒ（イリジウム）、ＩＴＯ（インジウムとスズの酸化物）などの材料を用いることができる。また、第１のシリコン基板１１との密着性を高めるための密着層としてＴｉやＴｉＷ等を第１のシリコン基板１１と第１の電極層１２との間に設けてもよい。
【００４８】
第１の電極層１２の厚みついては、適宜の膜厚に設計することが可能であるが、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。電極層は厚すぎると電極部の剛性が高くなり圧電体膜の変位を制限してしまう恐れがあるため、厚みは５０〜３００ｎｍがより好ましい。
【００４９】
第１の圧電体膜１４は、上記実施形態の圧電素子１においては、ペロブスカイト型酸化物からなり、スパッタ法に代表される気相成長法により基板温度を上げて（好ましくは４００℃以上で）成膜中に結晶化させる方法で形成される。なお、圧電体膜の成膜方法としてはスパッタ法に限らず、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＰＬＤ法（パルスレーザー堆積法）など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長以外の方法（例えば、ゾルゲル法など）を用いることも考えられる。
【００５０】
しかしながら、圧電体膜をスパッタ法により基板に直接成膜し、圧電体膜を薄膜化することで製造プロセスを簡便にすることができる。
本発明の圧電素子の製造方法においては、圧電体膜はペロブスカイト型酸化物からなるものに限定されない。
【００５１】
第１の圧電体膜１４の膜厚については、０．３μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは、０．５μｍ以上８μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上７μｍ以下である。０．３μｍ以上の厚みがあれば、アクチュエータとして十分な駆動力を発生することができ、センサや発電デバイスとして十分な電圧信号を取り出すことが可能となる。また、第１の圧電体膜１４の厚みが０．３μｍ以上あれば、リーク電流で破壊されるのを抑制でき、さらに、圧電体の結晶性が悪化して所要の圧電性能が得られなくなるという問題も生じにくくすることができる。また、第１の圧電体膜１４の膜厚が１０μｍ以下であれば、クラックの発生を抑制し、剥離しやすくなる恐れも少ない。
【００５２】
ペロブスカイト型の酸化物圧電体膜の成膜時には、成膜される成膜面との界面にはパイロクロア型酸化物層が形成されやすい。本例の場合には、第１の圧電体膜１４の成膜時には第１の電極層１２との界面に、第２の圧電体膜２４の成膜時には第２の電極層２２との界面にそれぞれパイロクロア型酸化物層１３、２３が形成される（図１参照。）。成膜条件によりパイロクロア型酸化物層の成長を抑制することは可能であるが、平均膜厚を３ｎｍ未満とすることは非常に困難である。パイロクロア型酸化物の成長を抑制する成膜条件を用いない場合には、６０ｎｍを超える平均膜厚のパイロクロア型酸化物層が形成される場合もある。
【００５３】
第１の対向電極層１６としては、Ｉｒが好適であるがＩｒに限らず、他の導電性材料を用いてもよい。第１の対向電極層１６の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００５４】
上述した各膜の成膜毎に大気や室温に戻してもよいし、連続成膜してもよい。また、必要に応じて、膜のパターニング（パターン化）を行っても構わない。なお、ＰＺＴ以外の材料は室温成膜でもよいが、好ましくは加熱して成膜する方が、ＰＺＴに加わる応力を減らすことが可能であり、耐久性の観点から好ましい。
【００５５】
[工程II:第２の構造体の作製]
第２のシリコン基板２１の一面に第２の電極層２２、第２の圧電体膜２４および第２の対向電極層２６をこの順に積層する。第２のシリコン基板２１としては、第１のシリコン基板１１と同様に、標準市販品のシリコンウエハを用いることが好ましい。また、第２の電極層２２、第２の圧電体膜２４および第２の対向電極層２６の詳細については、それぞれ第１の電極層１２、第１の圧電体膜１４および第１の対向電極層１６と同等である。
なお、積層構造体２および圧電素子１において、第１の電極層１２と第２の電極層２２、第１の圧電体膜１４と第２の圧電体膜２４、第１の対向電極層１６と第２の対向電極層２６とは、異なる材料および厚みで構成されていてもよいが、それぞれ同一の材料および厚みで構成されていることが好ましい。圧電素子は使用環境によってデバイスに反りが発生するという問題があったが、この反りの発生原因は、圧電体膜（１４，２４）に用いた圧電体材料と振動板３１の材料の熱膨張係数差が主原因である。振動板３１を挟んで対称な構造であれば、振動板の表裏において応力バランスが取れ、使用環境に依存せず反りがほとんどないデバイスを得ることができる。なお、第１の圧電体膜１４に対する第２の圧電体膜２４の厚みの比が０．２５から４の範囲であれば、反り量を比較的抑制することができる。
【００５６】
[工程III：第１の構造体と振動板基材との接着]
振動板基材３０の一方の面３０ａおよび第１の構造体１０の第１の対向電極層１６の表面に接着層３２ａ、３２ｂを形成し、振動板基材３０の一方の面３０ａに第１の接着層３２を介して第１の構造体１０を貼り合わせる。例えば、接着層３２ａ、３２ｂとしてＡｕ−Ｓｎなどの無機半田膜を成膜し、加熱しながら貼り合わせることにより、Ａｕ−Ｓｎの共晶結合により接着する。なお、接着層３２ａおよび３２ｂはいずれか一方のみ形成するようにしてもよい。また、共晶接合以外の方法で接着しても構わない。
なお、接着層の材料としては、有機材料を用いてもよいが、耐久性が高いことから無機半田材料などの無機材料を用いることがより好ましい。但し、無機材料は半田材料でなくとも構わない。なお、接合させる２つの面に対して表面活性処理を施して密着接合させる常温接合法を用いてもよい。常温接合法を用いた場合には、接着層を備えない積層構造体および圧電素子を得ることができる。
【００５７】
振動板基材３０としては、シリコン基板、ガラス基板、各種セラミックス基板を用いることができる。また、ステンレス基板、金属基板であってもよい。種々の材料の基板を振動板基材として用いることができるため、設計の自由度が非常に高い。なお、厚み調整が容易であり取扱い性が良く、安価であることからシリコン基板が特に好ましい。
振動板基材３０としては、ハンドリング性がよいことから２００μｍ以上の厚みの基材を用いることが好ましく、５００μｍ以上であることがより好ましい。
【００５８】
[工程IＶ:振動板加工]
工程IIIの後、振動板基材３０の他方の面３０ｂを研磨またはエッチングして振動板基材３０の厚みを調整して振動板３１に加工する。圧電素子の振動板３１として、用途に応じて設計された厚みとなるように研磨またはエッチングする。振動板３１の厚みは１０μｍ超５００μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以上３００μｍ以下とすることがより好ましい。
【００５９】
[工程Ｖ：積層構造体の作製]
工程IＶの後、振動板３１の、振動板基材３０の研磨またはエッチング処理後に露出した面（露出面）および第２の構造体２０の第２の対向電極層２６の表面に接着層３４ａ、３４ｂを形成し、振動板３１（すなわち研磨後の振動板基材３０）の露出面に第２の接着層３４を介して第２の構造体２０を貼り合わせて積層構造体２を作製する。接着層の材料および接着方法については、第１の構造体１０と振動板基材３０との接着の場合と同様である。
【００６０】
[工程ＶI：素子成形]
上記のようにして得られた積層構造体２から第１のシリコン基板１１および第２のシリコン基板２１の少なくとも一部を除去して圧電素子１を形成する。より具体的には、積層構造体２をドライエッチングにより所望のデバイス形状にパターン加工し、その後、第２のシリコン基板２１を除去し、さらに第１のシリコン基板１１の一部を除去して凹部１１ｂを形成して、凹部１１ｂを備えたシリコン基材１１ａを支持部とするダイアフラム構造（図１参照）を形成する。第１のシリコン基板１１および第２のシリコン基板２１の除去には、ドライエッチングやウエットエッチングなど公知のエッチング技術を適用できる。特に、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching; RIE）が好適である。
以上の工程により図１に示す圧電素子１を得ることができる。
【００６１】
本圧電素子の製造方法によれば、第１の構造体１０、振動板基材３０および第２の構造体２０のいずれもシリコン基板など剛性の高い材料を含むため、製造時におけるハンドリング性が良く、製造効率を向上させることができる。また、振動板基材３０を第１の構造体１０と貼り合わせた後に、エッチングして所望の厚みの振動板３１を得ることができるので、設計の自由度が非常に高い。振動板を成膜で作製する場合と比較して簡単に厚い振動板を作製することができ、剛性の高い素子を得ることができる。
【００６２】
なお、第１の構造体および第２の構造体の作製時に、第１の対向電極層および第２の対向電極層について、パターン化しておくことにより、振動板側をアドレス電極とする圧電素子を得ることができる。なお、この場合、工程Ｖにおける貼り合わせ時に、第１の構造体と第２の構造体との位置合わせが必要となる。なお、この場合、積層構造体中における第１の対向電極層および第２の対向電極層は、それぞれパターン化電極となる。
【００６３】
一方、第１の構造体および第２の構造体作製時にはパターン化電極を形成しない場合には、貼り合わせ時の位置合わせは不要であるが、積層構造体から圧電素子形成時において、第１のシリコン基板および第２のシリコン基板を除去して露出した第１の電極層および第２の電極層をパターニングする必要がある。
【００６４】
第１の圧電体膜１４および第２の圧電体膜２４は、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。
一般式ＡＢＯ３              （Ｐ）
（一般式Ｐ中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，ＦｅおよびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子、
Ａサイト元素のモル数が１．０であり、かつＢサイト元素のモル数が１．０である場合が標準であるが、Ａサイト元素とＢサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
【００６５】
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、およびこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、およびこれらの混晶系が挙げられる。
【００６６】
また、本実施形態の圧電体膜は、下記一般式ＰＸで表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。
【００６７】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ      （ＰＸ）
（一般式ＰＸ中、ＡはＡサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙであり、ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【００６８】
ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、真性ＰＺＴ、あるいはＰＺＴのＢサイトの一部がＭで置換されたものである。被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナーイオンを添加したＰＺＴでは、真性ＰＺＴよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Ｍは、４価のＺｒ，Ｔｉよりも価数の大きい１種又は２種以上のドナーイオンであることが好ましい。かかるドナーイオンとしては、Ｖ５＋，Ｎｂ５＋，Ｔａ５＋，Ｓｂ５＋，Ｍｏ６＋，およびＷ６＋等が挙げられる。
【００６９】
ｂ−ｘ−ｙは、ペロブスカイト構造を取り得る範囲であれば特に制限されない。例えば、ＭがＮｂである場合、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０５以上０．２５以下であることが好ましく、０．０６以上０．２０以下であることがより好ましい。
【００７０】
上述の一般式（Ｐ）および（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電素子は、変位特性、検出特性の優れたものとなる。
特に一般式（ＰＸ）において、ＡサイトがＰｂ、ＭがＮｂである、Ｐｂａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｎｂｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃで表されるＮｂドープＰＺＴ（以下においてＮｂ−ＰＺＴ）膜は、成膜直後の状態（asdepo状態，as-deposited）で自発分極を示し、圧電性能が高く、かつ、構造体、振動板基材および第２の構造体の貼り合わせに高温での処理を要する共晶接合を用いた場合にも、自発分極が脱分極しないため好ましい。
【００７１】
本発明の実施に際しては、鉛系のペロブスカイト型の圧電体材料のみならず、非鉛系のペロブスカイト型の圧電体材料も好適に用いることができる。また、本発明の圧電素子の製造方法においては薄膜形成することができる圧電体材料であればペロブスカイト型酸化物からなる圧電体材料のみならず、いかなる材料を採用してもよい。
【００７２】
また、圧電体膜１４、２４は、高い圧電性能が得られることから、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜であることが好ましい。基板面に対して非平行に延びる多数の柱状結晶からなる膜構造では、結晶方位の揃った配向膜が得られる。例えば、ＰＺＴ系の圧電体膜をスパッタ法等の非熱平衡プロセスにより成膜した場合に（１００）配向の膜構造を得ることができる。柱状結晶の成長方向は基板面に対して非平行であればよく、略垂直方向でも斜め方向でも構わない。圧電体膜をなす多数の柱状結晶の平均柱径は特に制限なく、３０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。
【００７３】
なお、圧電体は結晶配向性によって撓みモードでの圧電性能、すなわちｄ３１圧電定数（ｐｍ／Ｖ）が異なってくることが知られている。同じ配向性の圧電体膜であれば駆動条件も同じように扱うことができ、かつ、応力中性面のシフトも抑えられるため、第１の圧電体膜１４と第２の圧電体膜２４結晶配向性が同じ方向性である態様が好ましい。
【００７４】
仮に、２層の圧電体膜の配向性が異なり、一方の圧電体膜が（１００）方位、他方の圧電体膜が（１１１）方位の配向性を有しているとすると、それぞれの圧電体膜の駆動条件が大きく異なるため、駆動設計が複雑になる。
【００７５】
この点、本例のように、２層の圧電体膜１４，２４を同一構成とすれば配向性も同等であるため駆動設計が容易になり、良好に駆動可能である。また、２層の圧電体膜（１６，２６）の配向性を同じにすることで、長期駆動時の歪みが少なく、信頼性の高いデバイスを実現できる。なお、圧電体膜は（１００）方位に限らず、（００１）方位の配向性を有するものであってもよい。
【００７６】
また、上述したように、第１の圧電体膜１４の第１の電極層１２との界面および第２の圧電体膜２４の第２の電極層２２との界面には、パイロクロア型酸化物層１３、２３が形成されている。上記製造方法によれば、パイロクロア型酸化物層１３、２３は、それぞれ第１の圧電体膜１４および第２の圧電体膜２４の振動板３１から遠い側の界面に位置する構成となるため、高い絶縁耐圧および高い耐久性を有する圧電素子を得ることができる。パイロクロア型酸化物層は、圧電素子の作動時においてクラックの起点となり、剥がれの原因になることがあるが、圧電体膜の振動板側に存在する場合と比較して、振動板から離れた側に存在する場合の方がクラックの発生を抑制することができ、耐久性を向上させることができる。
【００７７】
一般にパイロクロア型酸化物とは、一般式がＡ２Ｂ２Ｏ７によって表される膜のことである。しかしながら、鉛系圧電体に不純物として出現するパイロクロア型酸化物は、Ａ２Ｂ２Ｏ７の他に、Ａ３Ｂ４Ｏ１３、Ａ５Ｂ４Ｏ１５およびＡ３Ｂ２Ｏ８などがある。
【００７８】
＜パイロクロア型酸化物層の平均層厚の測定＞
パイロクロア型酸化物層の平均層厚は以下のように測定するものとする。
【００７９】
１）高角度散乱暗視野（走査透過電子顕微鏡）法（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ：high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy）により、圧電体膜の、基板面に対して垂直な断面のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（特に圧電体―下部電極界面領域）を撮影する。これを原画像とする。
【００８０】
２）ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像においてペロブスカイト型酸化物層とパイロクロア型酸化物層のコントラストが異なることを利用し、画像処理ソフトのコントラスト調整機能を利用して、所定のしきい値（例えば原画像が２５５階調であれば、しきい値は１００〜１５０程度）でパイロクロア型酸化物層を２値化し、画像処理ソフトのエッジ抽出機能を用いて抽出する。この場合のしきい値は、できるだけノイズを除去するとともに明らかにパイロクロア型酸化物層と判別できるものだけが抽出されるようにする。２値化画像においてパイロクロア型酸化物層の輪郭が不鮮明な場合、２値化画像を見ながら経験的に輪郭線を引き、その内部を塗りつぶす。
【００８１】
３）抽出したパイロクロア型酸化物層の面積を画像処理ソフトのピクセル数から算出し、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の視野幅で除して平均層厚とする。
【００８２】
１）において、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を撮影するサンプルは、奥行き方向（観察断面と垂直方向）に１００ｎｍの均一な厚みとなるように加工されたものとする。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像で観察する理由は、回折コントラストの影響を除き、ペロブスカイト型酸化物層とパイロクロア型酸化物層の密度差に起因するコントラストの違いを観察するためである。また、測定において、電子線は、基板面に対して垂直方向に入射させるものとする。画像処理ソフトとしては、例えばＰｈｏｔｏｓｈｏｐを利用するものとする。２値化画像において、パイロクロア型酸化物層を塗りつぶすのは、面積を過小評価することを防ぐためである。
【００８３】
第１および第２の圧電体膜は、スパッタ法により形成され成膜直後に自発分極を有するものに限らず、成膜後に所望の分極状態を得るために、各圧電体膜を挟む電極間に電圧を印加するなどの方法により分極処理を実施してもよい。分極処理は、加熱を伴ってもよい。また、分極処理の方法として、コロナ法などの方式を採用してもよい。なお、上記したスパッタ法で成膜した場合等、成膜時の分極状態をそのまま利用することができる場合には、分極処理を省略できる。
【００８４】
圧電体膜に電界を作用させる駆動電圧として、正負いずれの電位を選択してもよい。駆動する方向についても、図１において、振動板を上に凸の方向に撓ませるか、下に凸の方向に撓ませるかを圧電体膜の自発分極ベクトルと振動板３１との関係で決めることができる。
【００８５】
さらに、第１の圧電体膜１４と、第２の圧電体膜２４に印加する電圧の位相を変えてもよい。駆動の方法は、デバイスの用途および／または目的に応じて自由に選択することができる。例えば、第１の圧電部１９と、第２の圧電部２９とを互いに位相をずらして駆動した場合、どちらか一方の圧電部のみを駆動する場合よりも実効的に約２倍の変位を実現できる。例えば、振動板側の電極を接地電位とした場合、それぞれの圧電体の振動板と反対側の電極にマイナスの交流電圧を印加し、印加する電圧の位相を１８０度ずらすことで、大きな変位が得られる。
【００８６】
本実施形態の圧電素子１は、アクチュエータとして利用する形態に限らず、圧電体膜の変位を電気信号に変換するセンサとして、あるいは圧電体膜の変位を電気エネルギーに変換する発電デバイスとして利用することも可能である。
【００８７】
本実施形態の圧電素子１は、振動板３１を挟んで第１の圧電部１９および第２の圧電部２９を備えたバイモルフ型であるため、１層（単層）の圧電体膜のみを有するユニモルフ型と比較して、圧電素子の実効的な性能向上を達成できる。例えば、図１で説明した構造の圧電素子をアクチュエータとして利用した場合には、１層（単層）の圧電体膜のみを有する構成と比べて、同等の変位を得るための駆動電圧を約１／２にすることができる。
【００８８】
つまり、本実施形態の圧電素子１をアクチュエータとして利用する場合、比較的低電圧の駆動電圧の印加によって大きな変位を得ることができる。また、駆動電圧の低下によって駆動回路を含む制御回路の負担が軽減され、低コスト化、省電力化、耐久性向上等を実現することができる。
【００８９】
また、本実施形態の圧電素子１をセンサとして利用する場合についても、圧電体膜の変形によって大きな電圧信号を得ることができ、センサ感度を向上させることができる。
【００９０】
さらに、本実施形態の圧電素子１を発電デバイスとして利用する場合、圧電体膜の積層によって発電電圧を増大させることができ、平面的に面積を増やしたものと同等の効果が得られる。これにより、小型で発電効率のよいデバイスを実現することができ、実用に適する所望の発電性能を実現できる。
【００９１】
振動板３１は振動板基材３０をエッチングもしくは研磨して形成されたものであり、１０μｍ超えの厚みであるので、素子全体としての剛性を向上させることができる。剛性が高まるため、共振周波数が高いデバイスの駆動源として用いることができる。さらに、第１の圧電体膜１４と第２の圧電体膜２４のそれぞれの膜厚や応力が異なっていても初期撓みを比較的小さく抑えることができ、デバイスに正常な動作を行わせることが可能となる。
【００９２】
振動板３１の両面に備えられる第１の圧電部１９と第２の圧電部２９の構成が振動板３１を中心として対称であれば、環境温度に関わらず常に反りのないデバイスとすることができる。
【００９３】
本圧電素子の製造方法によれば、第１の構造体と振動板基材を貼り合わせ、その後、研磨もしくはエッチングにより振動板基材の厚みを薄くして振動板に加工し、さらに振動板に第２の構造体を貼り合わせる方法で作製する。係る方法においては、貼り合わせ時の少なくとも一方の構造体として剛性の高いウエハを用いることができるのでハンドリング性が高い。また、振動板基材の厚みの設計自由度が高いので、デバイスの設計自由度も向上する。
【００９４】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内でこの技術分野における通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
【実施例】
【００９５】
本発明の実施例および比較例について説明する。
【００９６】
[実施例１]
第１のシリコン基板１１である両面研磨の２００μｍ厚のシリコンウエハ上に、第１の電極層１２であるＩｒ電極層を介して第１の圧電体膜１４としてＮｂ−ＰＺＴ膜を３μｍ形成した。Ｎｂ−ＰＺＴ膜上にはさらに第１の対向電極層１６としてＩｒ電極層を形成して第１の構造体１０を得た。
同様に、第２のシリコン基板２１である２００μｍ厚のシリコンウエハ上に、第２の電極層２２であるＩｒ電極層を介して第２の圧電体膜２４としてＮｂ−ＰＺＴ膜を３μｍ形成した。Ｎｂ−ＰＺＴ膜上にはさらに第２の対向電極層２６としてＩｒ電極層を形成して第２の構造体２０を得た。
【００９７】
各Ｉｒ電極層はスパッタ法にて膜厚１５０ｎｍの膜厚で形成した。成膜時の基板温度は３５０℃とした。
各Ｎｂ−ＰＺＴ膜としてＮｂを１３％（原子組成比）でドープしたＰＺＴ膜をスパッタ法にて基板温度を予めダミーＳｉウエハに埋め込んだ熱電対で測定した温度で約５００℃の条件で成膜した。Ｎｂ−ＰＺＴ膜の成膜には、高周波（ＲＦ；radio frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いた。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr（0.293Ｐａ）とした。
【００９８】
上記の成膜方法にて得られた膜は、ペロブスカイト構造の（１００）方向に配向していた。また、この膜の断面ＳＥＭ(Scanning Electron Microscopy：走査電子顕微鏡)像を観測したところ、電極と圧電体の界面に僅かなパイロクロア構造が観測された。シリコンウエハ上のＩｒ電極層上へのＮｂ−ＰＺＴ膜形成は非エピタキシャル成長であるため、成膜初期の核形成時において、ある一定の確率でパイロクロア構造のものができるものと思われる。成長が進むに連れて、ペロブスカイト構造の方が安定にできる成膜条件であるため、パイロクロア構造は消失し、ペロブスカイト構造のみになると推察している。また、得られた膜は、分極処理を行わない状態でも分極されていた。
【００９９】
第１の構造体１０の第１の対向電極層１６の上に、無機接着層３２ａとしてＡｕ−Ｓｎを５μｍ成膜にて形成した。
振動板基材３０である５００μｍ厚のシリコンウエハの一面に無機接着層３２ｂとしてＡｕ−Ｓｎを５μｍ形成し、第１のシリコン基板１１上のＡｕ−Ｓｎ膜上に、第１の構造体１０のＡｕ−Ｓｎ膜が形成された面を、３００℃に加熱しながら貼り付けた。３００℃で貼り付けることによりＡｕ−Ｓｎ膜同士が溶け合い共晶結合により、振動板基材３０の一面と第１の構造体１０の第１の対向電極層１６とが対向するように振動板基材３０と第１の構造体１０とを接着した。
【０１００】
振動板基材３０と第１の構造体１０とを貼り合わせた後、振動板基材３０である５００μｍ厚のシリコンウエハを２００μｍまで研磨して振動板３１に加工した。
その後、第２の構造体２０を、振動板３１の第１の構造体１０との接合面の裏面となる露出面に上記と同じ方法にて貼り合わせて積層構造体２を得た。積層構造体２は反りのほとんど無いものが得られた。
その後、第２のシリコン基板２１をドライエッチングにて取り除き、さらに第１のシリコン基板１１も同様にして取り除き、ダイシングを行い、図５Ａ（上面図）および図５Ｂ（図５ＡのＱ−Ｑ’断面図）のような構成の片持ち梁型デバイスを作製した。なお、図５Ｂにおいて、接着層３２、３４は省略している。片持ち梁の幅は２ｍｍ、長さは約２５ｍｍとした。
【０１０１】
[実施例２]
実施例１と同じ方法において、第２の構造体２０の第２の圧電体膜２４の厚みを１μｍとした以外は同様の方法で積層構造体を得た。本例の積層構造体では、３μｍの厚みを有する第１の圧電体膜１４を備えた第１の構造体１０側を上にした場合、６インチウエハで全体として下に３００μｍ凸となった。ここで、３００μｍ凸とは、ウエハの両端部を基準としてその基準位置から、最も凸となるウエハ中心のウエハ厚み方向の距離、すなわち高低差が３００μｍであることを意味する。
その後、実施例１と同様にして片持ち梁型デバイスを作製した。
【０１０２】
[比較例１]
２００μｍ厚のシリコンウエハ上にＩｒ電極層を介して、圧電体膜としてＮｂ−ＰＺＴ膜を３μｍ形成し、Ｎｂ−ＰＺＴ膜上にはさらに対向電極層としてＩｒ層を形成した。これは、実施例１の第１の構造体および第２の構造体と同等の構成であり、所謂ユニモルフ構造の圧電素子である。本構成では、成膜基板でもある２００μｍ厚のシリコンウエハが振動板に相当する。得られた構造体は下に凸に実施例２の場合よりも大きく、６インチウエハで３００μｍ超反っていた。
その後、実施例１と同様にして、但し、振動板の一方の面側のみに圧電部を備えたユニモルフ構造の片持ち梁型デバイスを作製した。
【０１０３】
[比較例２]
２００μｍ厚の両面研磨のシリコンウエハの両面にそれぞれＩｒ電極層を形成し、片側ずつＮｂ−ＰＺＴ膜を同一条件にて３．０μｍずつ成膜して２００μｍ厚のシリコンウエハを振動板とするバイモルフ型構造体を作製した。
バイモルフ型構造体をダイシングして実施例１と同様の片持ち梁型デバイスを作製した。
【０１０４】
以下、各実施例および比較例において作製したデバイスについての評価方法および評価結果を説明する。表１に評価結果を纏めて示す。
【０１０５】
＜層構造＞
各実施例および比較例の積層構造体の断面ＳＥＭ画像の観察により、各デバイスにおけるパイロクロア型酸化物層の位置を確認した。
【０１０６】
＜結晶構造＞
全ての実施例および比較例において圧電体膜の成膜条件は同一であり、上記の成膜条件で成膜した圧電体膜は、Ｘ線回折の解析によりペロブスカイト単層であり、かつ結晶の（１００）面に優先配向してなる膜であることを確認している。
【０１０７】
＜圧電特性＞
図５Ａおよび図５Ｂに示す片持ち梁型デバイスについて、各圧電部に、振動板３１側の電極層１６、２６を接地電位とし、振動板３１側から遠い電極層１２、２２に１ｋＨｚのサイン波の電圧Ｖpp＝１０、オフセット電圧−５Ｖを印加した。それぞれの圧電体膜１４、２４へ印加する電圧は１８０°位相をずらした。この時の上下への変位量を測定した。駆動時の片持ち梁先端の変位速度をレーザードップラー振動計(Laser Doppler Vibrometry,ＬＤＶ)で測定し、変位速度と駆動周波数から変位量を算出した。表１には実施例１の変位量を１として規格化した値を示す。
また、各デバイスについて絶縁耐圧は、振動板側の電極を接地電位とし、反対側の電極にマイナスの直流電圧を、２Ｖ/秒にて上昇させながら、流れる電流を測定した。電流値が急激に大きくなり、大きなリーク電流が発生し絶縁破壊した電圧を絶縁耐圧の電圧とした。実施例１、２および比較例２については、振動板を挟んで配置されている２つの圧電部についてそれぞれ測定したが、１つの素子における２つの圧電部の絶縁耐圧は同等であった。
【０１０８】
＜耐久性＞
４０℃、８０％ＲＨの環境下にて、振動板側を接地電位とした時に反対側の電圧にマイナス２０Ｖ印加して１０００時間駆動した。１０００時間駆動後に、上記の変位測定と同じやり方で測定を行い、初期状態との変化をみた。
【０１０９】
【表１】
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【０１１０】
実施例１は、パイロクロア型酸化物層が第１の圧電体膜と第１の電極層との界面、および第２の圧電体膜と第２の電極層との界面に観察された。一方、各圧電体膜の振動基板側、すなわち第１の圧電体膜と第１の対向電極層との界面、および第２の圧電体膜と第２の対向電極層との界面にはパイロクロア型酸化物層は観察されなかった。絶縁耐圧は両面ともに２００Ｖ以上と良好であった。駆動変位はユニモルフデバイスである比較例１と比べて２倍の変位量が得られた。また１０００時間経過後の特性劣化もなかった。
【０１１１】
実施例２は、実施例１と同様に貼り合わせて作製したものであるため、パイロクロア型酸化物層が第１の圧電体膜と第１の電極層との界面、および第２の圧電体膜と第２の電極層との界面に観察され、各圧電体膜の振動基板側には観察されなかった。また、第２の圧電体膜の膜厚が小さいため、変位量は実施例１のデバイス程の大きさは得られなかったが、比較例１のものより大きかった。絶縁耐圧は実施例１と同等であった。なお、比較例１に比べると初期の反り量も抑えることができた。
【０１１２】
比較例２は振動板の両面にそれぞれ圧電体膜を直接成膜して形成するものであるため、振動板界面には約１０ｎｍのパイロクロア相が存在していた。変位量は実施例１と同等であったが、絶縁耐圧は実施例１と比較すると低い。また、耐久性の経時変化を測定した結果、僅かであるが、変位の劣化が見られた。
絶縁耐圧が低く、経時による変位量の低下は、振動板側にパイロクロア型酸化物層が存在するためであり、実施例１、２において、同等の膜厚で比較したとき、絶縁耐圧が高く、経時劣化が生じなかったのはパイロクロア型酸化物層が振動板から遠い側に存在したためであると推察される。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の圧電素子は、インクジェット装置、高周波スイッチ、マイクロミラー、発電デバイス、スピーカー、バイブレーター、ポンプおよび超音波探触子など様々な用途のデバイスとして好適な構造にて応用することができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１    圧電素子
２    積層構造体
１０  第１の構造体
１１  第１のシリコン基板
１１ａ  シリコン基材
１１ｂ  凹部
１２  第１の電極層
１３  パイロクロア型酸化物層
１４  第１の圧電体膜
１６  第１の対向電極層
１９  第１の圧電部
２０  第２の構造体
２１  第２のシリコン基板
２２  第２の電極層
２３  パイロクロア型酸化物層
２４  第２の圧電体膜
２６  第２の対向電極層
２９  第２の圧電部
３０  振動板基材
３１  振動板
３２  第１の接着層
３４  第２の接着層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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