(57)【要約】【課題】圧電振動効率がよく、駆動電圧および消費電力が低減した圧電振動片およびその製造方法を提供すること。【解決手段】圧電体薄膜４を、バッファ層としての第１圧電体薄膜４２と成長層としての第２圧電体薄膜４４との２回に分けて形成する。ここで、第１圧電体薄膜４２形成後に熱処理を行うため、熱処理後の第１圧電体薄膜４３の結晶性を、熱処理前の第１圧電体薄膜４２と比較してより向上できる。そして、その後形成される第２圧電体薄膜４４も熱処理後の第１圧電体薄膜４３に倣って結晶成長し、全体として結晶性のより向上した圧電体薄膜４を得ることができる。また、下電極３を形成する材料の圧電体薄膜４への拡散を防ぐことができ、圧電体薄膜４の結晶性を向上できる。【選択図】図３
2008048315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された下電極と、
前記下電極上に形成された圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜上に形成された上電極とを備え、
前記基板の厚みＴとヤング率Ｅ1と密度ρ1と、前記圧電体薄膜の厚みｔとヤング率Ｅ2と密度ρ2との関係が下式の関係を有する
０＜（ｔ√（Ｅ1／ρ1））／（Ｔ√（Ｅ2／ρ2））≦１
ことを特徴とする圧電振動片。
【請求項２】
基板上に下電極を形成する工程と、
前記下電極上に第１圧電体薄膜を形成する工程と、
前記第１圧電体薄膜を熱処理する工程と、
前記熱処理後の前記第１圧電体薄膜上に第２圧電体薄膜を成長させ、前記第１圧電体薄膜と前記第２圧電体薄膜とで圧電体薄膜を形成する工程と、
前記圧電体薄膜上に上電極を形成する工程とを含む
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記第１圧電体薄膜の材料と前記第２圧電体薄膜の材料とが同一材料である
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記第１圧電体薄膜の膜厚は５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、かつ前記熱処理の温度は、３００℃より高く４００℃以下である
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記熱処理を、前記第１圧電体薄膜の材料を構成する元素のうち、最も分圧の低い元素が存在する雰囲気中で行う
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体装置に使用される圧電振動片およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈曲振動を利用した振動片を備えた振動子は、低駆動電圧および低消費電力が必要とされる小型電子機器に用いられる。これらの振動子の使用周波数帯は、ｋＨｚ〜ＭＨｚである。この場合の屈曲振動長は、ｋＨｚ帯では数十μｍであり、ＭＨｚ帯では数百μｍである。
屈曲振動を利用するには、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）が使用される。ＭＥＭＳには、静電ＭＥＭＳと圧電ＭＥＭＳとが知られている。
静電ＭＥＭＳは、電極である振動片と対向する電極とのギャップ間距離が狭いほど駆動電圧、消費電力が低減される。ここで、ギャップ間距離を狭くするには、細線処理技術、電極同士の吸着防止技術が必要で、多くの工程が必要である。
一方、圧電振動片を備えた圧電ＭＥＭＳでは、上電極と下電極とに挟まれた圧電体薄膜を振動片である基板に設けているので、ギャップ間距離を狭くすることで生じる問題は少ない。しかしながら、圧電効率を向上させ、低駆動電圧、低消費電力を実現するには、圧電体薄膜の結晶性を向上させる必要がある。一般に圧電体薄膜の結晶性は、その成膜温度が高いほどよい。
【０００３】
ところが、下電極に圧電体薄膜を形成する場合、成膜温度が高いと下電極を形成する材料が圧電体薄膜に拡散し、結晶性の向上した圧電体薄膜が得られない。
成膜温度を下げて結晶性の良好な圧電体薄膜を製造する方法として、結晶性のよい薄い圧電体薄膜（バッファ層）を形成した後、成膜速度の速い条件で数μｍの圧電体薄膜（成長層）を形成する方法が知られている。バッファ層の成膜条件として、成膜速度が０．４μｍ／ｈ以下または成膜温度（基板温度）が１５０℃〜３００℃の条件が示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２５６１３９号公報（第２頁、段落番号［０００９］および［００１０］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バッファ層の成膜条件の最適化を行っただけでは、十分な結晶性を有するバッファ層が得られない。その結果、成長層もバッファ層以上の結晶性をもって成長できず、全体として結晶性のより向上した圧電体薄膜が得られない。また、圧電振動片の圧電振動効率を向上させるには、圧電体薄膜と振動片である基板との力学的な最適化も必要である。
本発明の目的は、圧電振動効率がよく、駆動電圧および消費電力が低減した圧電振動片およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電振動片は、基板と、前記基板上に形成された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された上電極とを備え、前記基板の厚みＴとヤング率Ｅ1と密度ρ1と、前記圧電体薄膜の厚みｔとヤング率Ｅ2と密度ρ2との関係が下式の関係を有することを特徴とする。
０＜（ｔ√（Ｅ1／ρ1））／（Ｔ√（Ｅ2／ρ2））≦１
【０００７】
この発明によれば、応力の中立面が圧電振動片の基板内に存在するため、圧電体薄膜に伸縮を妨げる方向の応力が加わりにくい。したがって、効率よく圧電振動が行われ、駆動電圧および消費電力が低減される。
【０００８】
本発明の圧電振動片の製造方法は、基板上に下電極を形成する工程と、前記下電極上に第１圧電体薄膜を形成する工程と、前記第１圧電体薄膜を熱処理する工程と、前記熱処理後の前記第１圧電体薄膜上に第２圧電体薄膜を成長させ、前記第１圧電体薄膜と前記第２圧電体薄膜とで圧電体薄膜を形成する工程と、前記圧電体薄膜上に上電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、圧電体薄膜を、バッファ層としての第１圧電体薄膜と成長層としての第２圧電体薄膜との２回に分けて形成する。ここで、第１圧電体薄膜形成後に熱処理を行うため、第１圧電体薄膜の結晶性が、熱処理前の第１圧電体薄膜と比較してより向上する。そして、その後形成される第２圧電体薄膜も第１圧電体薄膜に倣って結晶成長し、全体として結晶性のより向上した圧電体薄膜を備えた圧電振動片が得られる。したがって、駆動電圧および消費電力が低減される。
【００１０】
本発明では、前記第１圧電体薄膜の材料と前記第２圧電体薄膜の材料とが同一材料であるのが好ましい。
この発明では、第１圧電体薄膜の材料と第２圧電体薄膜の材料とが、同じ結晶定数を持つことができる同一材料で形成されるので、第２圧電体薄膜が第１圧電体薄膜により倣って形成され、結晶性がより向上する。また、圧電特性が同じ材料であれば、圧電体薄膜としての圧電特性も安定する。
【００１１】
本発明では、前記第１圧電体薄膜の膜厚は５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、かつ前記熱処理の温度は３００℃より高く４００℃以下であるのが好ましい。
この発明では、第１圧電体薄膜の膜厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、圧電体薄膜全体の膜厚である数μｍと比較すると薄い。この程度の厚さの薄膜は、結晶の欠陥数自体が少ない。そして、熱処理温度が３００℃より高ければ、欠陥数が少ないので十分な結晶性が得られ、４００℃以下であれば、下電極を形成する材料の第１圧電体薄膜への拡散が抑えられ、第１圧電体薄膜の不純物が少なくなるため結晶性がより向上する。
【００１２】
本発明では、前記熱処理を、前記第１圧電体薄膜の材料を構成する元素のうち、最も分圧の低い元素が存在する雰囲気中で行うのが好ましい。
この発明では、熱処理中の雰囲気が分圧の低い元素で満たされているので、分圧の低い元素の抜けが防げるため、組成変化が押さえられ結晶性がより向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態にかかる圧電振動片１を備えた圧電ＭＥＭＳ１０を示す概略平面図、同図（ｂ）は概略正断面図である。同図（ｃ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ部分断面図である。圧電ＭＥＭＳ１０は、図示しない圧電体装置に組み込まれて使用される。
図２は、圧電振動片１の製造方法を示すフロー図、図３は、圧電振動片１の製造方法を示す概略部分断面図である。
【００１４】
図１において、圧電ＭＥＭＳ１０は、圧電体装置の支持基板１３に設けられ、圧電振動片１とアンカー部１１とを備えている。圧電振動片１の形状は、上面と下面とが長方形で、薄い厚みを持つ直方体である。ここで、圧電振動片１の形状は、圧電振動が可能な形状であればどのような形状であってもよい。
２つのアンカー部１１は、圧電振動片１の下面の長辺方向の両端付近に配置されている。２つのアンカー部１１の間の支持基板１３には、圧電振動片１の振動の妨げにならないように、エッチング等により孔１４が形成されている。
なお、本実施形態では、アンカー部１１は、支持基板１３の一部を利用しているが、支持基板１３上に別途アンカー部を設けて、このアンカー部間に圧電振動片１を配置してもよい。この場合、アンカー部によって支持基板１３と圧電振動片１との間に圧電振動可能な空間を設けることが可能で、孔１４を形成しなくてもよい。
圧電振動片１は、図１（ｂ）に２点鎖線で示したように、アンカー部１１を節として矢印で示すように上下に振動する。アンカー部１１間の距離が屈曲振動長Ｌである。屈曲振動長Ｌは、使用周波数帯が数ＭＨｚの場合は、５０μｍ程度であり、数十ｋＨｚの場合は、５００μ程度である。
【００１５】
図１（ｃ）において、圧電振動片１は、基板２と下電極３と圧電体薄膜４と上電極５とを備えている。
下電極３は、基板２のアンカー部１１が配置されている下面と対向する上面に形成されている。下電極３上には、圧電体薄膜４が形成され、さらにその上に上電極５が形成されている。
【００１６】
ここで、基板２の厚みＴとヤング率Ｅ1と密度ρ1と、圧電体薄膜４の厚みｔとヤング率Ｅ2と密度ρ2との関係が下式の関係を有している。
０＜（ｔ√（Ｅ1／ρ1））／（Ｔ√（Ｅ2／ρ2））≦１
この関係にあれば、図１（ｃ）中に１点線鎖線で示すように、応力の中立面１００が基板２に存在する。図１（ｃ）中の１点鎖線は、中立面１００を圧電振動片１の断面から見た位置を示している。
【００１７】
基板２には、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。
下電極３には、白金、チタン、アルミニウム、クロム、ニッケル等を用いることができる。圧電体薄膜４の結晶性の向上には、白金が好ましく、次にチタン、アルミニウムが好ましい。
圧電体薄膜４としては、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム等の薄膜が挙げられる。
上電極５には、下電極３に用いた材料を用いることができるが、同じ材料である必要はない。
【００１８】
図２において、圧電振動片１の製造方法は、下電極形成工程であるステップ１（Ｓ１）と、第１圧電体薄膜形成工程であるステップ２（Ｓ２）と、第１圧電体薄膜熱処理工程であるステップ３（Ｓ３）と、第２圧電体薄膜形成工程であるステップ４（Ｓ４）と、上電極形成工程であるステップ５（Ｓ５）とを含んでいる。各ステップは、ステップの番号順に行う。
【００１９】
図３において、図３（ａ）はＳ１、（ｂ）はＳ２、（ｃ）はＳ３、（ｄ）はＳ４、（ｅ）はＳ５を示す概略断面図である。
図３（ａ）において、基板２に下電極３を形成する。下電極３には、前述の白金等を形成する。形成方法としては、蒸着法、スパッタ法を用いることができる。
【００２０】
図３（ｂ）において、下電極３上に第１圧電体薄膜４２を形成する。
第１圧電体薄膜４２の形成方法は、ＲＦスパッタリング法等のＰＶＤ（Physical  Vapor  Deposition）法であってもよいし、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法であってもよい。また、第１圧電体薄膜４２の厚みは、５ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。
【００２１】
図３（ｃ）において、第１圧電体薄膜４２の熱処理を行い、熱処理後の第１圧電体薄膜４３を形成する。
熱処理は、ランプ加熱による熱処理、レーザ光による熱処理であってもよいが、４００℃以下での熱処理には、温度管理ができ温度を低温から上昇できる熱処理が好ましい。
具体的には、より安定した温度管理ができる熱処理炉による熱処理、より簡便なホットプレートによる熱処理、真空チャンバ中での熱処理が好ましい。これらの方法は、下電極３の材料の第１圧電体薄膜４２への拡散を抑える場合に有効である。
熱処理温度は、第１圧電体薄膜４２の材料の物性、下電極３の融点によって選択できるが、３００℃より高く４００℃以下が好ましい。
また、熱処理の雰囲気は、第１圧電体薄膜４２の材料を構成する元素のうち、最も分圧の低い元素が存在する雰囲気中で行う。より具体的に例を挙げると、第１圧電体薄膜４２の材料が酸化亜鉛である場合は酸素雰囲気中での熱処理が好ましく、窒化アルミニウムの場合は窒素雰囲気中での熱処理が好ましい。
【００２２】
図３（ｄ）において、熱処理後の第１圧電体薄膜４３上に第２圧電体薄膜４４を形成する。第２圧電体薄膜４４は、結晶化の進んだ熱処理後の第１圧電体薄膜４３上で結晶成長するものであればどのような圧電体薄膜でもよいが、好ましくは、熱処理後の第１圧電体薄膜４３と同一材料からなるのが好ましい。
第２圧電体薄膜４４も第１圧電体薄膜４２と同様に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法で形成することができる。第２圧電体薄膜４４は、数μｍの厚さに形成する。
熱処理後の第１圧電体薄膜４３と第２圧電体薄膜４４とが一体となって圧電体薄膜４が形成されている。
【００２３】
図３（ｅ）において、第２圧電体薄膜４４上の上電極５を形成する。上電極５も下電極３と同様の材料、方法で形成することができる。
【００２４】
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）応力の中立面１００が圧電振動片１の基板２内に存在するため、圧電体薄膜４へ伸縮を妨げる方向の応力を加わりにくくできる。したがって、効率よく圧電振動が行われ、駆動電圧および消費電力を低減できる。
【００２５】
（２）圧電体薄膜４を、バッファ層としての第１圧電体薄膜４２と成長層としての第２圧電体薄膜４４との２回に分けて形成する。ここで、第１圧電体薄膜４２形成後に熱処理を行うため、熱処理後の第１圧電体薄膜４３の結晶性を、熱処理前の第１圧電体薄膜４２と比較してより向上できる。そして、その後形成される第２圧電体薄膜４４も熱処理後の第１圧電体薄膜４３に倣って結晶成長し、全体として結晶性のより向上した圧電体薄膜４を得ることができる。
また、下電極３を形成する材料の圧電体薄膜４への拡散を防ぐことができ、圧電体薄膜４の結晶性を向上できる。
【００２６】
（３）第１圧電体薄膜４２の材料と第２圧電体薄膜４４の材料とが、同じ結晶定数を持つことができる同一材料で形成されるので、第２圧電体薄膜４４が熱処理後の第１圧電体薄膜４３により倣って形成され、結晶性を向上できる。また、圧電特性が同じ材料であれば、圧電体薄膜４としての圧電特性を安定にできる。
【００２７】
（４）第１圧電体薄膜４２の膜厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下で、圧電体薄膜４全体の膜厚である数μｍと比較すると薄い。この程度の厚さの薄膜は、結晶の欠陥数自体が少ない。そして、熱処理温度が３００℃より高ければ、欠陥数が少ないので十分な結晶性が得られ、４００℃以下であれば、下電極３を形成する材料の熱処理後の第１圧電体薄膜４３への拡散が抑えられ、熱処理後の第１圧電体薄膜４３の不純物が少なくできるため結晶性をより向上できる。
【００２８】
（５）熱処理中の雰囲気が分圧の低い元素で満たされているので、分圧の低い元素の抜けが防げるため、組成変化が押さえられ結晶性をより向上できる。
【００２９】
（第２実施形態）
図４に本実施形態の圧電振動片２０の部分断面図を示した。
本実施形態の圧電振動片２０およびその製造方法は、第１実施形態で形成した下電極３、圧電体薄膜４および上電極５を基板２の両面に設けた以外は、第１実施形態と同様の材料および構成である。
【００３０】
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（６）応力の中立面２００が圧電振動片２０の基板２内に存在するため、圧電体薄膜４へ伸縮を妨げる方向の応力を加わりにくくできる。それに加え、圧電振動片２０が２つの圧電体薄膜４を備えているので、振動を励起しやすくできる。また、両面に圧電体薄膜４等を形成することにより、圧電体薄膜４等による応力を互いに打ち消すことができ、片面にだけ圧電体薄膜４等を形成した場合に生ずる基板２の反りを抑えることができる。
【００３１】
以下に、実施例と比較例とにより、圧電体薄膜４の結晶性の評価および圧電振動片１の圧電振動効率の目安となるインピーダンスの評価を行った。
（実施例）
基板２として、シリコン基板を用意した。
Ｓ１の工程として、下電極３として白金を形成し、その上に圧電体薄膜４として酸化亜鉛薄膜を形成した。圧電体薄膜４は、以下のように形成した。
Ｓ２の工程として、第１圧電体薄膜４２を、ＲＦ（Radio  Frequency）スパッタリング法により、膜厚が５０ｎｍの酸化亜鉛膜を形成した。ＲＦスパッタリング法の条件は、ＲＦスパッタリングパワーを１．０ｋＷ、アルゴン流量を５０ｓｃｃｍ、酸素流量を５０ｓｃｃｍ、ガス圧を０．５Ｐａ、成膜温度を５００℃で、ターゲットを酸化亜鉛の焼結体として行った。
次に、Ｓ３の工程として、第１圧電体薄膜４２を、酸素雰囲気中で３１０℃、３０秒の条件でホットプレートによる熱処理を行った。
次に、Ｓ４の工程として、熱処理後の第１圧電体薄膜４３上に、第２圧電体薄膜４４として酸化亜鉛膜を形成した。酸化亜鉛膜は、第１圧電体薄膜４２と同様にＲＦスパッタリングで行い、膜厚は１．９５μｍとした。
Ｓ５の工程として、上電極５として白金を形成した。
【００３２】
（比較例）
第１圧電体薄膜４２としての酸化亜鉛膜を形成せずに、下電極３上に直接、圧電体薄膜４としての酸化亜鉛膜を実施例と同じ条件でＲＦスパッタリングで行った。膜厚は、２．００μｍで形成した。
【００３３】
以下に、実施例および比較例で得られた圧電振動片１を評価した結果を示す。
［ＸＲＤ（X-ray  diffraction）による結晶性評価］
図５には、実施例および比較例で得られた圧電体薄膜４をＸＲＤで測定したロッキング曲線の結果を示す図が示されている。
図５（ａ）は、実施例の結果を示し、図５（ｂ）は、比較例の結果を示している。横軸は試料角度ω（ｄｅｇ）、縦軸は散乱強度（ｃｐｓ）である。
実施例でのσ値は０．７で、比較例でのσ値は１．５であり、第１圧電体薄膜４２を形成した後熱処理を行い、第２圧電体薄膜４４を形成した圧電体薄膜４の結晶性が、圧電体薄膜４を単体で形成した場合と比較して向上することが確認できた。
【００３４】
［インピーダンス特性評価］
実施例、比較例で得られた圧電振動片１を用いて圧電ＭＥＭＳ１０を形成し、インピーダンスＺを評価した。
図６にインピーダンスＺの測定の結果の概略を示す図を示した。使用周波数ｆ0において、実施例のインピーダンスはＺａであり、比較例のインピーダンスＺｂより小さくなることが確認できた。
以上、実施例および比較例により、本発明における工程および数値範囲内での結晶性向上の効果、および圧電振動効率の向上が確認できた。
【００３５】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、基板２自体が導電性を有し、下電極を兼ねていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる圧電振動片を備えた圧電ＭＥＭＳを示す概略平面図、（ｂ）は概略正断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ部分断面図。
【図２】圧電振動片の製造方法を示すフロー図。
【図３】圧電振動片の製造方法を示す概略部分断面図。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる圧電振動片の部分断面図。
【図５】（ａ）は、実施例のロッキング曲線の結果を示す図、（ｂ）は、比較例のロッキング曲線の結果を示す図。
【図６】インピーダンスＺの測定の結果を示す概略図。
【符号の説明】
【００３７】
１…圧電振動片、２…基板、３…下電極、４…圧電体薄膜、５…上電極、４２，４３…第１圧電体薄膜、４４…第２圧電体薄膜。
【図１】
2008048315.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008048315.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008048315.tif 000007
【図６】
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