(57)【要約】【課題】圧電セラミックスの薄膜、厚膜に関わらず、圧電セラミックスと基板との間で強い密着性が得られる圧電素子と、結晶質セラミックスの成膜方法を提供する。【解決手段】基板２と、基板２の上に積層された下部電極４と、下部電極４の上に積層されたセラミックスからなる圧電体６と、圧電体６の上に積層された上部電極７を有する圧電素子において、基板２と下部電極４との間に第１の金属層３が設けられ、下部電極４と圧電体６との間に第２の金属層５が設けられ、第１の金属層３と第２の金属層５とが、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物およびイオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金から選択された金属からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の上に積層された下部電極と、前記下部電極の上に積層されたセラミックスからなる圧電体と、前記圧電体の上に積層された上部電極を有する圧電素子において、
前記基板と前記下部電極との間に第１の金属層が設けられ、
前記下部電極と前記圧電体との間に第２の金属層が設けられ、
前記第１の金属層と前記第２の金属層とが、
イオン化傾向がＣｕ以上の金属、前記イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物および前記イオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金から選択された金属からなることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子において、
前記第１の金属層と前記第２の金属層とが、
Ｎｉ、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、前記Ｎｉの酸化物、前記イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、前記Ｎｉの合金および前記イオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金から選択された金属からなることを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電素子において、
前記圧電体がエアロゾルデポジション法、ガスデポジション法、スクリーンプリント法およびスパッタリング法のいずれかの成膜方法によって、成膜されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
基板の上に金属層を積層し、前記金属層の上に結晶質セラミックスを積層する結晶質セラミックスの成膜方法において、
前記金属層が、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、前記イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金から選択された金属からなることを特徴とするセラミックスの成膜方法。
【請求項５】
請求項４に記載の結晶質セラミックスの成膜方法において、
前記金属層が、Ｎｉ、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、前記Ｎｉの酸化物、前記イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、前記Ｎｉの合金および前記イオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金から選択された金属からなることを特徴とする結晶質セラミックスの成膜方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の結晶質セラミックスの成膜方法において、
前記結晶質セラミックスが、エアロゾルデポジション法、ガスデポジション法、スクリーンプリント法およびスパッタリング法のいずれかの成膜方法によって、成膜されていることを特徴とする結晶質セラミックスの成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密着性が高い圧電素子及び結晶質セラミックスの成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスの逆圧電現象を利用し、機械的駆動源とする圧電アクチュエータ、共振現象を利用したセラミックスフィルタ、トランスジューサなど圧電セラミックスの応用製品は多い。この圧電セラミックスは、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体を使用している。
例えば、圧電アクチュエータは、変位精度、発生力、応答速度に優れ、積層型圧電アクチュエータは、半導体製造装置のＸ−Ｙテーブル、精密加工、プリンタヘッド、光学機器等に利用されている。
【０００３】
特許文献１では、接着層として機能するＴｉＯｘ（０≦Ｘ≦２）膜を介して、電極膜を基板上に配設し、Ｘの値を電極膜に向かって、膜圧方向に連続的に変化させることにより、基板への密着性に優れた圧電薄膜共振子を得ることが提案されている。したがって、この圧電薄膜共振子は、基板と電極との間に金属ＴｉＯｘ膜を接着層として有する構造である。
金属ＴｉＯｘ膜は、真空蒸着法、マグネトロンスパッタリング法、レーザーアブレーション法のいずれかで行なっており、金属Ｔｉ膜を形成した後、酸素雰囲気中又は大気中で熱処理を行なって、金属ＴｉＯｘ膜を膜厚方向に連続的に変化させている。
【０００４】
特許文献２では、円筒状ターゲットホルダの外表面を荒面加工し、セラミックス層とターゲットとの中間の熱膨張係数を有する金属又は合金からなる層と、セラミックス層に近似した熱膨張係数を有する金属または合金からなる層との少なくとも一層をアンダーコートとして形成し、次いで、セラミックス粉末をプラズマ溶射して、セラミックス層を形成することで、従来のセラミックス製造設備を必要とせず、加工接合工程なしにセラミックスの成膜ができるカソードターゲットの製造方法が提案されている。なお、この場合のセラミックス粉末は、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｎ，Ｌａ，Ｉｎ，Ｃｒのうち少なくとも１種と、Ｂ,Ｓｉ,Ｏのうち少なくとも１種とを主成分とする粉末であって、非晶質（アモルファス）のセラミックスである。
【０００５】
特許文献３では、特許文献２と同様のカソードターゲットの製造方法を使用し、セラミックス粉末を金属Ｍ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｎ，Ｌａ，Ｉｎ，Ｃｒ）
のうち少なくとも１種と、Ｓｉとを主成分とし、金属Ｍの総量とＳｉとを所定の割合で有する粉末とすることが提案されている。
【０００６】
特許文献４では、金属基板、金属層、セラミックスバッファ層、結晶性セラミックス層、酸化物超電導体層を順次積層し、当該セラミックスバッファ層を、下層のアモルファスセラミックス層と上層の結晶性セラミックス層とからなる構成とすることによって、配向性と結晶性に優れた酸化物超電導体を得ることが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１８５２８５号公報
【特許文献２】特開平５−２１４５２５号公報
【特許文献３】特開平５−２１４５２６号公報
【特許文献４】特開平８−１５７２１３号公報
【発明の開示】
【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に記載の圧電薄膜共振子では、下部電極と基板との間にはＴｉＯ２が形成されているが、下部電極と圧電薄膜との間には、接着層がなく密着性に劣る。さらに、電極に高価なＰｔを使用した場合は、コストアップとなる。
また、電極間に圧電薄膜の成膜を行なっているが、厚膜を形成するには、さらなる密着性の向上が望まれる。
【０００９】
特許文献２に記載カソードターゲットの製造方法では、セラミックス層は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｉｎ、Ｃｒのうち少なくとも１種と、Ｂ、Ｓｉ、Ｏの少なくとも１種とを主成分とする粉末であり、これらは非晶質のセラミックスであって、結晶質のセラミックスを対象としていない。また、スパッタリング法においては、厚膜を形成するに適さない。
【００１０】
特許文献３に記載のカソードターゲットの製造方法においても、セラミックス層は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｉｎ、Ｃｒのうち少なくとも１種と、Ｓｉとを主成分としたものであり、非晶質のセラミックスである。
【００１１】
特許文献４に記載の酸化物超電導体では、スパッタリング法によると厚膜を形成することが難しく、また、超電導特性の向上を図るものであって、接着性の向上を図るものではない。
【００１２】
本発明はこのような実情に鑑み、圧電セラミックスの薄膜、厚膜に関わらず、圧電セラミックスと基板との間で強い密着性が得られる圧電素子と、結晶質セラミックスの成膜方法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】
【００１３】
上記目的を達成すべく本発明は次の技術的手段を講じた。
本発明では、基板と、この基板の上に積層された下部電極と、この下部電極の上に積層されたセラミックスからなる圧電体と、この圧電体の上に積層された上部電極を有する圧電素子において、基板と下部電極との間に第１の金属層が設けられ、下部電極と圧電体との間に第２の金属層が設けられ、この第１の金属層とこの第２の金属層とが、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物およびイオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金から選択された金属からなる。
このようにすると、下部電極と圧電体との間に、イオン化傾向が高い金属、すなわち酸化しやすい金属、例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉからなる第２の金属層が形成されているので、第２の金属層とセラミックスからなる圧電体との間において酸素結合が促され、下部電極と圧電体とを、自然と強固に密着させることができる。また、下部電極と基板との間にも、同様に第１の金属層が設けられているので、下部電極と基板との接着性が向上する。
【００１４】
本発明に係る圧電素子では、第１の金属層と第２の金属層とが、Ｎｉ、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、Ｎｉの酸化物、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、Ｎｉの合金およびイオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金から選択された金属からなる。
このようにすると、特にイオン化傾向が高い金属、すなわち特に酸化しやすい金属、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉが、第２の金属層に使用されているので、第２の金属層とセラミックスからなる圧電体との間において酸素結合が促され、下部電極と圧電体とを、自然と強固に密着させることができる。また、下部電極と基板との間にも、同様に第１の金属層が設けられているので、下部電極と基板との接着性が向上する。
【００１５】
本発明に係る圧電素子では、圧電体がエアロゾルデポジション法、ガスデポジション法、スクリーンプリント法およびスパッタリング法のいずれかの成膜方法によって、成膜されていること好ましい。
エアロゾルデポジション法とガスデポジション法とは、厚膜を成膜するのに適している。また、酸化しやすい金属からなる第２の金属層があるので、厚膜であっても基板と圧電体セラミックスとの密着性が強くなり、圧電体の剥離が低減する。また、スクリーンプリント法やスパッタリング法によって成膜された圧電体であっても、基板と圧電体セラミックスとの密着性が強く、歩留りの向上ができる。
【００１６】
本発明に係るセラミックスの成膜方法では、基板の上に金属層を積層し、金属層の上に結晶質セラミックスを積層する結晶質セラミックスの成膜方法において、金属層が、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金から選択された金属からなる。
このような成膜方法によると、基板と結晶質セラミックスとの間に、イオン化傾向が高い金属、すなわち酸化しやすい金属、例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉからなる金属層が形成されているので、金属層と基板との接着性を確保できるとともに、金属と結晶質セラミックスとの間で酸素結合が促され、基板と結晶質セラミックスとを、自然と強固に密着することができる。
【００１７】
本発明に係る結晶質セラミックスの成膜方法では、金属層が、Ｎｉ、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、Ｎｉの酸化物、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、Ｎｉの合金およびイオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金から選択された金属からなる。
このような成膜方法によると、基板と結晶質セラミックスとの間に、特にイオン化傾向が高い金属、すなわち特に酸化しやすい金属、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉからなる金属層が形成されているので、金属層と基板との接着性を確保できるとともに、金属と結晶質セラミックスの間で酸素結合が促され、基板と結晶質セラミックスとを、自然と強固に密着することができる。
【００１８】
本発明に係る結晶質セラミックスの成膜方法では、結晶質セラミックスが、エアロゾルデポジション法、ガスデポジション法、スクリーンプリント法およびスパッタリング法のいずれかの成膜方法によって、成膜されていることが好ましい。
このようにエアロゾルデポジション法やガスデポジション法で厚膜を成膜しても、イオン化傾向が高い金属、すなわち酸化しやすい金属、例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉからなる金属層が形成されているので、基板と結晶質セラミックスの密着性が高い。また、スクリーンプリント法やスパッタリング法で薄膜を形成しても、結晶質セラミックスの剥離が起こる場合があるが、上記のように基板と結晶質セラミックスとの間に酸化しやすい金属、例えば、Ｔｉ、Ｃｒからなる金属層が形成されていると密着性が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、圧電セラミックスの薄膜、厚膜に関わらず、圧電セラミックスと基板との密着性が強い圧電素子及び結晶質セラミックスの成膜方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の第１の実施形態にかかる圧電素子を示す図である。
圧電素子１は、例えばＳｉ、ＳｉＯ２からなる基板２と下部電極４との間に第１の金属層３を有する。第１の金属層３は、イオン化傾向が高い金属、例えば、Ｔｉからなっている。このように基板２と下部電極４との間に、イオン化傾向が高く、酸化しやすい金属であるＴｉからなる層を成膜することによって、基板２と下部電極４との接着性が向上する。
【００２１】
さらに、下部電極４と圧電体６との間には、第２の金属層５が設けられている。第２の金属層５もＴｉからなる層である。Ｔｉはイオン化傾向が高く、酸化性が強いため、第２の金属層５と圧電体６との間で酸化結合が促され、第２の金属層５と圧電体６とを、自然と強固に密着することができる。
【００２２】
以上のように、第１の金属層３および第２の金属層５に使用される金属は、酸化しやすい金属、すなわち、イオン化傾向の高い金属である。このイオン化傾向が高い金属は、具体的には、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の合金である。この場合、イオン化傾向がより高い金属であるＮｉ、Ｎｉの酸化物、Ｎｉの合金が望ましく、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金がさらに望ましい。
【００２３】
さらに、圧電体６の上層には、上部電極７が成膜されており、上部電極７と下部電極４とで、圧電体６を挟み込むようになっている。
圧電体６は、その結晶に力や歪を加えることにより、電荷を発生する正圧電効果と、逆に電界を加えると、力や歪が発生する逆圧電効果を有するので、圧電素子１は、電極４、７間に電圧を印加してアクチュエータとして利用したり、逆に電極４、７間の電圧を測定することで圧力センサとして利用したりすることができる。
【００２４】
圧電体６としては、例えば、圧電セラミックスであるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛；Ｐｂ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ３）が使用される。ＰＺＴは、一般組成式がＡＢＯ３で表されるペロブスカイト結晶構造の強誘電体であって、アクチュエータ、センサ等の圧電材料として広く利用されている。また、ＰＺＴを薄膜として利用する場合は、不揮発性メモリ、圧電デバイス、光学デバイスとしても利用することができる。
【００２５】
圧電体６としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を使用することもできる。このチタン酸バリウムもペロブスカイト結晶構造を有する。
その他、ペロブスカイト結晶構造を有する圧電セラミックスとして、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴに少量のＬａを添加したＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛；（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などがある。
【００２６】
上部電極７および下部電極４からなる電極には、例えば、Ａｌが使用される。上部電極７および下部電極４に、高価なＰｔを使用しないのでコストが低減する。Ａｌ以外には、例えば、Ｃｕが使用できる。ＣｕであってもＰｔより安価であるので、コストが低減する。
【００２７】
このような圧電体６は、誘電体を分極処理することによって、圧電性を持つようになる。
図２は、電界印加前の誘電体セラミックスの自発分極を示す図であり、図３は、電界印加後の誘電体セラミックスの自発分極を示す図である。
一般に、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体セラミックス１０は、図２に示すように、結晶粒子１１がランダムな方向に自発分極しており、この状態では微小電界を加えても、結晶粒子１１間で歪が相殺されるため、圧電性を持たない。
【００２８】
しかし、図３に示すように、数ｋｖ／ｍｍの強い直流電界１２をかけて分極処理（Poling）を行なうと、自発分極の方向が揃う。そして、分極された誘電体セラミックス１０においては、直流電界１２を取り除いても、結晶粒子１１の自発分極の方向は揃った状態のまま保たれる。
【００２９】
分極後の誘電体セラミックス１０は、圧電性を有し、微小電界を加えると、各結晶粒子１１間の歪は相殺されずに、変形が生じる。なお、この微小電界によって、自発分極の方向は変化せずに、揃った状態のままである。
ＰＺＴでは、圧電定数は誘電体セラミックス膜の配向方向によって異なる。ＰＺＴ膜の圧電定数のばらつきを抑えるためには、ＰＺＴ膜の配向の制御を必要とする。
【００３０】
そのため、下部電極４及び上部電極７に、自己配向性が強く、結晶方位が揃いやすいＰｔが使用されるが、本実施形態では、前述のように分極処理を行なうことで、十分に結晶方位が向上し、良好な圧電特性が得られるので、高価なＰｔを使用せずに、コストダウンが図れる。
【００３１】
圧電体６は、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）で成膜される。ＡＤ法は、セラミックス微粒子をガスと混合して、加熱せずに高速で基板２に噴射して成膜する方法であり、セラミックス粒子の衝突だけで、緻密で強固なセラミックス膜を作ることができる。
セラミックス粒子は、衝突時にナノミリメートル単位の極めて小さな微粒子に粉砕され、衝突時に割れて生じた活性面が粒子間結合を起こす。
したがって、焼結せずに結晶組織ができ、他の膜に悪影響を与える虞も低い。
【００３２】
また、このエアロゾルデポジション法は、厚膜を形成するのに適している。前述のように本実施形態では、基板２、下部電極４、圧電体６間の密着性がそれぞれ向上しているので、この点を有効に活用して、数μｍの薄膜から数十μｍの厚膜まで成膜することができる。
なお、圧電体６の成膜をエアロゾルデポジション法によらず、ガスデポジション法で成膜しても、厚膜を形成することができる。
【００３３】
その他、圧電体４は、使用条件に応じて、直流スパッタリング、高周波スパッタリング等の各種スパッタリング、スクリーンプリントで成膜してもよい。
スパッタリングでは、ターゲットにセラミックス粒子を使用して、不活性ガスをイオン化させて、真空中で、ターゲットに不活性ガスを衝突させ、その衝撃で、ターゲットから分離したセラミックス粒子を基板２（第１の金属層３）に付着させて、薄膜を形成する。
スクリーンプリントでは、メッシュとマスクとからなるスクリーンを基板２（第１の金属層３）に押し当てて、セラミックス粒子を基板に塗布し、圧電体６を形成する。
【００３４】
圧電体６を成膜する際のパターンは、基板２に対してべた塗りのように全面に成膜されていてもよく、格子パターン、不規則パターンなど圧電素子１の用途、使用状態に応じて適宜形状は変更可能である。
【００３５】
また、圧電体６以外の電極等はスパッタリングで成膜される。
下部電極４及び上部電極７も、圧電体６と同様に、圧電素子１の用途、使用状態に応じて、適宜形状や膜厚を変更可能であり、下部電極４は圧電素子１の端部から引き出してもよく、中央部から引き出しても良い。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、圧電体６と下部電極４との間に酸化しやすい金属からなる第２の金属層５があるので、圧電体６が厚膜であっても、圧電体６と下部電極４との間で酸化結合が促され、圧電体６と下部電極４とが自然と強固に密着し、圧電素子１の剥離が減少し、高性能な圧電素子１を得ることができる。
さらに、下部電極４および上部電極７に高価なＰｔを使用しないと、圧電素子１のコストが低減する。なお、第１の金属層３および第２の金属層５に使用される金属は、下部電極４に使用される金属よりも、酸化しやすい金属（イオン化傾向が高い金属）である。第１の金属層３と第２の金属層５に下部電極４より酸化しやすい金属（イオン化傾向が高い金属）を使用することによって、基板２と第１の金属層３、第１の金属層３と下部電極４、下部電極４と第２の金属層５および第２の金属層５と圧電体６で酸化結合が生じ、基板２と下部電極４および下部電極４と圧電体６を、強固に密着することができる。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる結晶質セラミックスが成膜された基板を示す図である。
図４に示すように、第２の実施形態では、基板２１とセラミックス２３との間に金属層２２が設けられる。
基板２１は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２からなっており、セラミックス２３としては、結晶質のセラミックス、例えば、前述のペロブスカイト構造を有するＰＺＴ、チタン酸バリウムや、フェライトなどの磁性体が使用される。
【００３８】
また、基板２１とセラミックス２３との間に存在する金属層２２には酸化しやすい金属であるＴｉが使用される。
このように、基板２１とセラミックス２３との間に酸化しやすい金属、つまりイオン化傾向の高い金属が成膜されているので、基板２１と金属層２２との接着性を確保すると同時に、金属層２２とセラミックス２３との間で、酸化結合が促され、金属層２２とセラミックス２３、ひいては基板２１とセラミックス２３とを自然と強固に密着できる。
また、金属層２２には、Ｔｉの酸化物やＴｉの合金も使用することができる。これらの金属を使用しても、金属層２２とセラミックス２３との間で酸化結合が促され、金属層２２とセラミックス２３、ひいては基板２１とセラミックス２３を自然と強固に密着することができる。この金属層２２に使用される金属には、イオン化傾向がＣｕ以上の金属、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｕ以上の金属の酸化物であればいずれの金属であってもよい。この場合、イオン化傾向がより高い金属であるＮｉ、Ｎｉの酸化物、Ｎｉの合金が望ましく、イオン化傾向がＣｒ以上の金属、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の酸化物、イオン化傾向がＣｒ以上の金属の合金がさらに望ましい。
【００３９】
セラミックス２３は、エアロゾルデポジション法又はガスデポジション法によって成膜すると、厚膜に形成でき、本実施形態の密着性が高い点を有効に利用することができる。なお、金属層２２は、スパッタリングにより形成される。また、セラミックス２３はスクリーンプリント法やスパッタリング法により成膜してもよい。
このようなセラミックス等の形状や構造は、条件、用途等に応じて適宜変更可能なことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施形態にかかる圧電素子を示す図である。
【図２】電界印加前の誘電体セラミックスの自発分極を示す図である。
【図３】電界印加後の誘電体セラミックスの自発分極を示す図である。
【図４】第２の実施形態にかかるセラミックスが成膜された基板を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  圧電素子
２  基板
３  第１の金属層
４  下部電極
５  第２の金属層
６  圧電体
７  上部電極
【図１】
2008258516.tif 000003
【図２】
2008258516.tif 000004
【図３】
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【図４】
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