(57)【要約】【課題】本発明は圧電体、角速度センサの小型化を実現することを目的とする。【解決手段】基板４が単結晶シリコンからなり、バリア層１２はシリコン酸化膜からなり、第一の密着層５は少なくともチタンからなり、下部電極層６は少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなることを特徴とする角速度センサ１である。これにより、角速度センサ１の小型化を実現することができる。すなわち、小面積でも圧電体特性の良好な圧電体薄膜を形成することができ、角速度センサ１の小型化を実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対のアーム部とこのアーム部を連結する連結部とを有する音叉状の基板と、この基板の各アーム部上にバリア層と第一の密着層と下部電極層と配向制御層と圧電体薄膜と第二の密着層と上部電極とを順に積層した積層体とを備え、前記基板は単結晶シリコンからなり、前記バリア層はシリコン酸化膜からなり、前記第一の密着層は少なくともチタンからなり、前記下部電極層は少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなる角速度センサ。
【請求項２】
配向制御層は少なくともＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体からなる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
配向制御層はＰＬＭＴからなる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項４】
圧電体層はＰＺＴ層である請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項５】
少なくとも一対のアーム部とこのアーム部を連結する連結部とを有する音叉状の基板と、この基板の各アーム部上にバリア層と第一の密着層と下部電極層と配向制御層と圧電体薄膜と第二の密着層と上部電極とを順に積層した積層体とを備えた角速度センサの製造方法であって、まず単結晶シリコン基板の表面を酸化させてシリコン酸化膜によるバリア層を形成し、次に前記バリア層上に少なくともチタンからなる第一の密着層をスパッタ法で形成し、その後前記第一の密着層上に少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなる下部電極層をスパッタ法で形成し、次に前記下部電極層上に配向制御層をスパッタ法で形成し、その後前記配向制御層上に圧電体薄膜をスパッタ法で形成し、次に前記圧電体薄膜上に第二の密着層をスパッタ法もしくは真空蒸着法を用いて形成し、その後前記第二の密着層上に上部電極層をスパッタ法もしくは真空蒸着法で形成する角速度センサの製造方法。
【請求項６】
バリア層は単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させて形成する請求項５に記載の角速度センサ。
【請求項７】
配向制御層は少なくともＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体からなる請求項５に記載の角速度センサの製造方法。
【請求項８】
配向制御層はＰＬＭＴからなる請求項５に記載の角速度センサの製造方法。
【請求項９】
圧電体層はＰＺＴ層である請求項５に記載の角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜積層構造を用いた角速度センサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の角速度センサについて図３、図４を参照しながら説明する。図３は、従来の角速度センサの斜視図であり、図４は、同薄膜積層構造を示す模式図である。
【０００３】
従来の角速度センサ１は、所定の方向に延びる一対のアーム部２ａ，２ｂ（図３に示すｙ方向）と、この一対のアーム部２ａ，２ｂを連結する連結部３とを有する基板４により音叉状をなす。この基板４は、その各アーム部２ａ，２ｂに、図４に示すように、第一の密着層５と下部電極層６と配向制御層７と圧電体薄膜８と第二の密着層９と上部電極層１０とを順に積層した積層体１１を有する。そして、各アーム部２ａ，２ｂの各上部電極層１０に互いに逆相の交流電圧を印加することによりアーム部２ａ，２ｂが左右に移動する。
【０００４】
このとき、基板４は単結晶シリコン（Ｓｉ）からなり、第一の密着層５は少なくともチタンからなり、下部電極層６は少なくともＴｉまたはＴｉＯxを含む白金（Ｐｔ）からなり、配向制御層７はランタンマグネシウム添加チタン（ＰＬＭＴ）からなり、圧電体薄膜８はジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）からなるものであった。
【０００５】
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特許第３４８１２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では、角速度センサ１の小型化を実現することができないという問題があった。
【０００７】
すなわち、基板４／第一の密着層５がＳｉ／Ｔｉという構成では、ＰＺＴの結晶性が悪くなる。この点を詳述すると、ＳｉとＴｉが、積層体１１を成膜するときの高温で反応する。そして、この反応により、Ｓｉ原子が下部電極層６のＰｔおよびその上に形成する配向制御層７、さらにその上の圧電体薄膜８であるＰＺＴ内に拡散し、変質する。このように圧電体薄膜８であるＰＺＴにＳｉが拡散すると、圧電体薄膜８であるＰＺＴの結晶性に悪影響を与え、結晶方位（００１）面に優先配向させることができない。したがって圧電体薄膜８の圧電体特性を高めることができない。
【０００８】
この結果として、圧電体特性を高めるためには大面積の圧電体薄膜８を設ける必要があり、角速度センサ１の小型化を実現することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、角速度センサ１のアーム部２ａ，２ｂに設けた圧電体薄膜８の圧電体特性を高めることにより、角速度センサ１の小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そしてこの目的を達成するために、本発明は、特に、基板が単結晶シリコンからなり、バリア層はシリコン酸化膜からなり、第一の密着層は少なくともチタンからなり、下部電極層は少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなることを特徴とする角速度センサである。これにより、角速度センサの小型化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明は基板と第一の密着層の間にＳｉＯ2からなるバリア層を形成することで、基板のＳｉ原子が圧電体薄膜内に拡散することを抑止して圧電体素子の結晶性を高めることができ、この結果として、圧電体薄膜の圧電体特性を高めることができ、角速度センサの小型化を実現することができる。
【００１２】
さらに、本発明の角速度センサの構成は積層体の密着性を高めることができる。すなわち、基板／バリア層／第一の密着層をＳｉ／ＳｉＯ2／Ｔｉとすると、ＳｉＯ2とＴｉとは還元性が良いため界面での結合性が高い。この結果として、角速度センサの基板上に設けた積層体の密着性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１から請求項４について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１における角速度センサの斜視図であり、図２は、同薄膜積層構造を示す模式図である。
【００１４】
図１において、本実施の形態１の角速度センサは、所定の方向に延びる一対のアーム２ａ，２ｂ（図１に示すｙ方向）と、この一対のアーム２ａ，２ｂを連結する連結部３とを有する基板４により音叉状をなす。図２に示すように、この基板４の各アーム部２ａ，２ｂ上には、バリア層１２と第一の密着層５と下部電極層６と配向制御層７と圧電体薄膜８と第二の密着層９と上部電極層１０とが順に積層した積層体１１を有している。積層体１１は、各アーム部２ａ，２ｂの各上部電極層１０のうち駆動電極１０Ａに互いに逆相の交流電圧を印加することによりアーム部２ａ，２ｂを左右に移動させる。
【００１５】
このとき、基板４には単結晶シリコン（以下、Ｓｉ）を用いた。この基板４の表面には、シリコン酸化膜（以下、ＳｉＯ2）であるバリア層１２が形成されている。これは基板４を酸素中、もしくは水蒸気中で７００℃以上の加熱（熱酸化）することで容易に形成することができる。なお、ＳｉＯ2で形成したバリア層１２は、２０ｎｍ〜３００ｎｍ以下とした。
【００１６】
このバリア層１２の上面にはチタン（以下、Ｔｉ）により第一の密着層５を設け、さらに、第一の密着層５の上部には、Ｔｉもしくは酸化チタン（以下、ＴｉＯx）を含む白金（以下、Ｐｔ）により構成した下部電極層６を設けた。Ｐｔは、電動度が高く高温酸化雰囲気での安定性が優れている。なお、第一の密着層５の膜厚は０ｎｍよりも厚く５０ｎｍ以下とし、下部電極層６の厚さは０ｎｍよりも厚く５００ｎｍ以下とした。
【００１７】
そして、下部電極層６の上部には、配向制御層７を設けた。このとき、配向制御層７は、チタン酸鉛（以下、ＰｂＴｉＯ3）を基本材料とし、それにランタン（以下、Ｌａ）とマグネシウム（以下、Ｍｇ）が添加したランタンマグネシウム添加チタン（以下、ＰＬＭＴ）を用いた。配向制御層７は、下部電極層６を構成するＰｔの結晶と、配向制御層７の上部に形成する圧電体薄膜を構成するジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：以下、ＰＺＴ）の結晶との格子定数を制御（バッファ）する。なおその膜厚は２００ｎｍ以下とした。
【００１８】
この配向制御層７の上部には、ＰＺＴで構成した圧電体薄膜８を設け、さらに圧電体薄膜８の上部には第二の密着層９を介して上部電極層１０を設けた。このうち駆動電極１０Ａの下部電極層６と上部電極層１０との間に交流電圧を印加することによって積層体１１に、圧電変位が生じ、上述のごとくアーム部２ａ，２ｂが左右に振動することとなる。そしてこの左右の振動時に角速度が加わると、歪みが印加され、検出電極１０Ｂに圧電電荷を生じ、その外部からの歪みの大きさを検出することができる。なお、駆動用も検出用も圧電体薄膜８の厚さは１０００ｎｍ〜４０００ｎｍとした。
【００１９】
圧電体薄膜８はＰＺＴにより構成するのは、積層体１１が発生する圧電変位を大きくすることができるからである。また、基板４としてＳｉを用いることにより、圧電体薄膜８が発生する圧電変位を効率よく基板に伝達することができ、圧電体特性の良い角速度センサ１を実現することができる。
【００２０】
以上のような構成により、圧電体薄膜の圧電体特性を高め、角速度センサの小型化を実現することができる。
【００２１】
すなわち、基板４と第一の密着層５との間にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなるバリア層１２を形成することで、基板４のＳｉ原子が下部電極層６のＰｔおよびその上に形成する配向制御層７、さらにその上の圧電体薄膜８であるＰＺＴ内に拡散し、変質することを抑止することができる。これにより、圧電体薄膜８であるＰＺＴの上面に優先配向した結晶方位（００１）面に影響を与えないため、圧電体薄膜８の結晶性を良くすることができる。この結果として、圧電体薄膜８の圧電特性を高め、小さくても性能の高い圧電体薄膜８を形成することができ、角速度センサ１の小型化を実現できる。
【００２２】
また、本実施の形態１の構成は、積層体の密着性を高めることができる。すなわち、基板４／バリア層１２／第一の密着層５を、Ｓｉ／ＳｉＯ2／Ｔｉとすると、ＳｉＯ2とＴｉとは還元性が良いため界面での結合性が高い。この結果として、本発明は角速度センサ１の基板４上に設けた積層体１１の密着性を良くすることができる。
【００２３】
さらに、第一の密着層５（Ｔｉ）と下部電極層６（ＴｉとＰｔの合金、もしくはＴｉＯxとＰｔの合金）とは金属結合する。この結果として、基板４から下部電極層６までの各層の界面剥離を抑止することができ、製造歩留まりが向上し角速度センサ１の信頼性を高める。なお、同様に第二の密着層９は、圧電体薄膜８と上部電極層１０との間に介在し相互の薄膜密着性を高める働きがある。
【００２４】
この結果として、角速度センサ１の基板４上に設けた積層体１１の密着性を高めることができる。
【００２５】
また、本実施の形態１の積層構造によれば、角速度センサ１の圧電体薄膜８の結晶性をさらに高め、大きな圧電変位を得ることができる。
【００２６】
すなわち、正方晶系ＰＺＴにおいては、分極軸の方向が（００１）方向であり、分極されたＰＺＴ薄膜を圧電体として駆動させる場合の特性（圧電特性）は、駆動電界の方向と分極方向が平行である場合がもっとも大きくなる。つまり、駆動電界の方向がＰＺＴ薄膜の結晶方位の（００１）方向であることが重要となる。（００１）方向に駆動電界を印加するためには、圧電体薄膜８の（００１）方向と基板４に垂直な軸とが平行であるような優先配向を有する、すなわち圧電体薄膜８表面が（００１）面であるようなＰＺＴ薄膜を形成することが必要である。
【００２７】
そこで、薄膜表面が（００１）面であるようなＰＺＴ薄膜を形成するために、下部電極層６にＴｉまたはＴｉＯxを含むＰｔを用い、さらに、下部電極層６と圧電体薄膜８との間に配向制御層７を介在させた。
【００２８】
まず、下部電極層６にＴｉまたはＴｉＯxを含むＰｔを用いたことについて説明する。高温度プロセス（実施の形態２で後述するスパッタ法により形成する際に、使用するガスがアルゴンガスのみの場合には、下部電極層６の表面部のＴｉは酸化されないが、アルゴンと酸素の混合ガスを用いた場合には、そのＴｉが酸化してＴｉＯxとなる）においては、ＰｔはＴｉの結晶粒界の中を拡散し、ＴｉはＰｔの結晶粒界の中を拡散し（相互拡散）、さらにＴｉ（ＴｉＯx）は、Ｐｔの結晶粒界に沿って外部へ拡散する（外部拡散）。このＴｉの外部拡散によりペロブスカイトＰＺＴ薄膜の形成は促進し、ＰＺＴ薄膜の表面が（００１）面に優先方向させる。
【００２９】
次に、下部電極層６と圧電体薄膜８との間に配向制御層７を介在させた理由について説明する。一般に、基板４上に薄膜を形成する際の各層の結晶成長においては、ある層の結晶の格子定数とその上に成長する薄膜の結晶の格子定数が一致（格子整合）することが良い結晶を作るための条件である。格子定数とは単結晶を構成する原子どうしの距離を表したものである。格子定数は物質固有のものであり、Ｐｔの結晶とＰＺＴの結晶とは格子定数が異なる（ＰＺＴの格子定数は０．４０１ｎｍ、Ｐｔの格子定数は０．３９２１ｎｍ）。
【００３０】
そこで、格子不整合を緩和（バッファ）するため、配向制御層７を設ける必要がある。本実施の形態１では、配向制御層７としてＰＬＭＴを用いて、下部電極層６を構成する白金の結晶と圧電体薄膜８を構成するＰＺＴの結晶との格子定数を制御する。
【００３１】
すなわち、第一の密着層５が（１１１）面配向であったとしても、配向制御層７は（００１）面（立方晶系の場合は（１００）面と（００１）面とは同じである）に配向し易くなる。これは、第一の密着層５の表面部には、ＴｉまたはＴｉＯxが島状に点在しており、配向制御層７は、この島状に点在するＴｉまたはＴｉＯxを核にしてその上側に結晶成長するためである。これにより、ＴｉまたはＴｉＯx上において（１００）面又は（００１）面に配向し易くなる。
【００３２】
また、上記ＴｉまたはＴｉＯxは、第一の密着層５に含有されているため、第一の密着層５の表面からは殆ど突出しておらず（突出したとしてもその突出量は２ｎｍよりも小さくなる）、このことからも、配向制御層７は、（１００）面又は（００１）面に配向し易くなる。
【００３３】
一方、第一の密着層５は、Ｓｉ等の基板４を用いる場合には、通常、（１１１）面配向になっており、このため、配向制御層７において第一の密着層５の表面部におけるＴｉまたはＴｉＯxが存在しない部分の上側領域では、（１００）面及び（００１）面以外の面配向（例えば（１１１）面配向）になったりアモルファスになったりしてしまう。しかし、このような（１００）面や（００１）面配向になっていない領域は、配向制御層７における第一の密着層５側の表面近傍部（当該表面からせいぜい２０ｎｍ程度までの範囲）にしか存在しない。つまり、上記ＴｉまたはＴｉＯx上の（１００）面又は（００１）面配向の領域がその結晶成長に連れて広がるため、層厚方向と垂直な断面における該領域の面積が、第一の密着層５側からその反対側（圧電体薄膜８側）に向かって大きくなり、これにより、（１００）面や（００１）面配向になっていない領域は小さくなって、配向制御層７の厚みが２０ｎｍ程度となった段階では略全体が（１００）面又は（００１）面配向の領域となる。
【００３４】
こうして形成した配向制御層７上に圧電体薄膜８を形成すれば、該配向制御層７により圧電体薄膜８は（００１）面配向（菱面体晶系の場合には、（１００）面と（００１）面とは同じであるため、この菱面体晶系の（１００）面配向を含む）となる。このような配向制御層７を設けることにより、圧電体薄膜８には、圧電特性が良好な圧電材料を使用しつつ、配向制御層７には結晶性や配向性をより向上させ得る材料を使用することができ、この結果、圧電体薄膜８の（００１）面配向度を９０％以上にすることができるようになる。
【００３５】
なお、配向制御層７において（１００）面や（００１）面に配向していない領域は、第一の密着層５の表面近傍部だけでなく、圧電体薄膜８側の表面に存在していてもよい。このような場合であっても、配向制御層７の層厚が０．０１μｍ以上であれば、圧電体薄膜７側の表面の大部分は（１００）面又は（００１）面配向の領域となり、圧電体薄膜８の（００１）面配向度を９０％以上にすることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態１においては、配向制御層７は、結晶性及び（００１）面配向性を向上させるものであり、そのために少なくともＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体であって、Ｌａを含みかつＺｒを含まず、鉛の含有量が化学量論組成よりも過剰なＰＬＴとしていればよい。なお、圧電体薄膜８の結晶性及び配向性を向上させる観点から、Ｌａの含有量は０を越え２５モル％以下であればよく、鉛の含有量は０を超え３０モル％以下過剰であればよい。また、配向制御層７を構成する材料は、上記ＰＬＭＴに限らず、ＰＬＴにジルコニウムを含有したＰＬＺＴであってもよく、これらＰＬＴやＰＬＺＴに、マグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したものであってもよい。上記ジルコニウムの含有量は２０モル％以下であることが好ましく、マグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加する場合、そのトータル添加量は０を越え１０モル％以下（いずれか一方の添加量が０であってもよい）であることが好ましい。
【００３７】
以上のように、下部電極層６にＴｉまたはＴｉＯxを含む白金を用い、下部電極層６と圧電体薄膜８との間に配向制御層７を介在させたことにより、薄膜表面が（００１）面であるようなＰＺＴ薄膜を形成することができる。したがって、圧電体の結晶性を高め、大きな圧電変位が得ることができる。
【００３８】
まとめると、本実施の形態１の角速度センサ１の積層構造を用いると角速度センサ１の小型化を実現することができる。すなわち、薄膜表面が（００１）面であるようなＰＺＴ薄膜を形成することができ、圧電体薄膜８の結晶性を高めることにより、小面積でも圧電特性が高い圧電体薄膜８を形成することができるため、角速度センサ１の小型化を実現することができる。さらに、もう一つの効果としては、角速度センサの基板４から下部電極層６までの各層の界面剥離を抑止し、特に、基板４と第一の密着層５との密着性を高め、角速度センサ１の信頼性を高めることもできる。
【００３９】
なお、インクジェットヘッドなどの角速度センサ以外の圧電体を用いた電子部品において、Ｓｉ基板（インクジェットヘッドにおいては圧力室基板）にＳｉＯ2により形成した振動層が設けられることがあるが、本実施の形態のＳｉＯ2により形成したバリア層１２とは用途・作用が根本的に異なる。すなわち、インクジェットヘッドにおける振動層は、圧力室基板に充填したインクを圧力室外に放出するために振動するものであり、ある程度の厚みを必要とする（０．５〜１０μｍ程度）。
【００４０】
一方、本実施の形態１におけるバリア層１２は、上述のように、各層の密着性を高め、圧電体薄膜８の結晶性を高めるものであり、インクジェットにおける振動層と同程度の厚みとすると、角速度センサとしての特性に悪影響となる。すなわち、ＳｉとＳｉＯ2とはヤング率が異なる。このため、Ｓｉとはヤング率の異なるＳｉＯ2により形成したバリア層が厚いと、角速度センサのアーム部２ａ，２ｂが振動する際に、Ｓｉ基板のヤング率に影響を与え、アーム部２ａ，２ｂの振動に歪を生じる。したがって、インクジェットヘッドなどの圧電体素子を用いた電子部品において、Ｓｉ基板に形成したＳｉＯ2の振動層と本実施の形態１のＳｉＯ2により形成したバリア層１２とは用途・作用が根本的に異なる。
【００４１】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項５から請求項９について説明する。
【００４２】
本実施の形態２は、実施の形態１の角速度センサのアーム部２ａ，２ｂ（図１参照）に積層する積層体１１を製造する製造方法である。すなわち、まず、単結晶シリコンを用いた基板４の表面を酸化させてバリア層１２を形成し、次にバリア１２層上に少なくともチタンからなる第一の密着層５をスパッタ法で形成し、その後第一の密着層５上に少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなる下部電極層６をスパッタ法で形成し、次に下部電極層６上に配向制御層７をスパッタ法で形成し、その後配向制御層７上に圧電体薄膜８をスパッタ法で形成し、次に圧電体薄膜８上に第二の密着層９をスパッタ法もしくは真空蒸着法を用いて形成し、その後第二の密着層９上に上部電極層１０をスパッタ法もしくは真空蒸着法で形成する角速度センサ１の製造方法である。このとき、配向制御層７は少なくともＰｂとＴｉとを含む酸化物誘電体、例えば、ＰＬＭＴからなる。また、圧電体薄膜８はＰＺＴとした。
【００４３】
これにより、化学気相蒸着を用いた方法と比べ、請求項１から請求項４に記載した積層体１１を簡便に製造することができる。このとき、単結晶シリコン基板を酸化させてシリコン酸化膜によりバリア層１２を形成する方法は、熱酸化によるものが簡便で好ましい。しかし、熱酸化処理に限られず、スパッタ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ゾル・ゲル法等によるものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の角速度センサの積層構造を用いることにより、小面積でも圧電体特性の高い圧電体薄膜を形成することができ、各種圧電体素子を用いた圧電体電子部品、特に、角速度センサの小型化に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１における角速度センサの斜視図
【図２】同薄膜積層構造を示す模式図
【図３】従来の角速度センサの薄膜積層構造を示す模式図
【図４】同薄膜積層構造を示す模式図
【符号の説明】
【００４６】
１  角速度センサ
２ａ，２ｂ  アーム部
３  連結部
４  基板
５  第一の密着層
６  下部電極層
７  配向制御層
８  圧電体薄膜
９  第二の密着層
１０  上部電極層
１１  積層体
１２  バリア層
【図１】
2005249645.tif 000003
【図２】
2005249645.tif 000004
【図３】
2005249645.tif 000005
【図４】
2005249645.tif 000006