(57)【要約】【課題】  電極膜に残留する酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響を軽減した薄膜圧電体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る薄膜圧電体素子１０においては、積層体１１を覆う酸化物膜２０Ａ，２０Ｂの最外層２８Ａ，２８Ｂの主成分がＺｒＯ２となっている。このＺｒＯ２のヤング率の値（１９０ＧＰａ）は、ＭｇＯのヤング率の値（２４５ＧＰａ）に比べて大幅に低い値となっている。そのため、この酸化物膜２０Ａ，２０Ｂは、従来の薄膜圧電体素子に残留するＭｇＯ薄膜に比べて、圧電体膜１６Ａ，１６Ｂの変位量の低減に及ぼす影響が小さい。従って、薄膜圧電体素子１０においては、従来の薄膜圧電体素子に比べて、酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響が軽減されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極膜の間に圧電体膜が介在する圧電積層体が、接着剤層を介して複数重なっている積層体を有し、
前記積層体は、１層又は複数層で構成された酸化物膜で覆われており、該酸化物膜の最外層の主成分がＺｒＯ２である、薄膜圧電体素子。
【請求項２】
前記電極膜が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｒｈ、Ｃｕ及びＡｇからなる金属材料群のうちの少なくとも１種類の材料で構成されている、請求項１に記載の薄膜圧電体素子。
【請求項３】
前記電極膜が、＜１００＞配向膜である、請求項１又は２に記載の薄膜圧電体素子。
【請求項４】
前記圧電体膜が、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム酸鉛、及びチタン酸鉛のいずれかで構成されたｃ面単一配向薄膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜圧電体素子。
【請求項５】
表面に（１００）面が露出した２枚のＳｉ単結晶基板それぞれに、ＺｒＯ２を主成分とするＺｒＯ２膜、第１の金属膜、圧電体膜、及び第２の金属膜を順次エピタキシャル成長して得られた２枚の積層基板を、前記第２の金属膜同士が重なるように接着剤で貼り合わすステップと、
前記接着剤で貼り合わされた２枚の前記積層基板から、前記Ｓｉ単結晶基板をエッチング除去するステップと
を含む、薄膜圧電体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜を有する薄膜圧電体素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この技術の分野における薄膜圧電体素子は、例えば、下記特許文献１に開示されている。この公報に記載の薄膜圧電体素子を作製する際には、まず２枚のシリコン基板を準備し、各基板の表面に（２００）面に優先配向されたＭｇＯ膜を成膜する。次に、このＭｇＯ膜が成膜された各基板の上に、第１の電極膜、圧電体膜、第２の電極膜を順次積層して、２枚の積層基板を作製する。そして、これらの積層基板を電極膜同士を向かい合わせて接着剤で貼り合わせて、まず一方のシリコン基板のみをエッチング除去する。そして、このシリコン基板の除去により露出した面に電極パターンを形成し、その後、もう一方のシリコン基板をエッチング除去することにより、上記薄膜圧電体素子の作製が完了する。なお、シリコン基板をエッチング除去した後であっても、薄膜圧電体素子の表裏面にはＭｇＯ膜が残留する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２９６１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４５８６号公報
【特許文献３】特開２００１−３１３４２９号公報
【特許文献４】特開平１１−３１２８０１号公報
【特許文献５】特許３３１０８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の薄膜圧電体素子には次のような課題が存在している。すなわち、上記特許文献１に記載されているように、薄膜圧電体素子に残留したＭｇＯ薄膜が圧電体膜の変位量を低減させるため、ＭｇＯ膜が素子特性を劣化させてしまうという問題があった。なお、上記特許文献１には、ＭｇＯ膜を除去することにより圧電体膜の変位量を向上させることが記載されているが、その処理には別途の手間と時間が必要となり、製造時間の延長化や製造コストの増大を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、電極膜に残留する酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響を軽減した薄膜圧電体素子及びその製造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】
【０００６】
本発明に係る薄膜圧電体素子は、一対の電極膜の間に介在する圧電体膜が、接着剤層を介して複数重なっている積層体を有し、積層体は、１層又は複数層で構成された酸化物膜で覆われており、該酸化物膜の最外層の主成分がＺｒＯ２であることを特徴とする。
【０００７】
この薄膜圧電体素子においては、積層体を覆う酸化物膜の最外層の主成分がＺｒＯ２となっている。このＺｒＯ２のヤング率の値（１９０ＧＰａ）は、ＭｇＯのヤング率の値（２４５ＧＰａ）に比べて大幅に低い値となっている。そのため、この酸化物膜は、従来の薄膜圧電体素子に残留するＭｇＯ薄膜に比べて、圧電体膜の変位量の低減に及ぼす影響が小さい。従って、この薄膜圧電体素子においては、従来の薄膜圧電体素子に比べて、酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響が軽減されている。また、この薄膜圧電体素子においては、従来の薄膜圧電体素子に比べて、圧電体膜の変位量が有意に向上しているため、別途の手間と時間を要する酸化物膜の除去処理工程を特に必要としない。
【０００８】
また、電極膜が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｒｈ、Ｃｕ及びＡｇからなる金属材料群のうちの少なくとも１種類の材料で構成されていることが好ましい。
【０００９】
また、電極膜が、＜１００＞配向膜であることが好ましい。
【００１０】
また、圧電体膜が、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム酸鉛、及びチタン酸鉛のいずれかで構成されたｃ面単一配向薄膜であることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る薄膜圧電体素子の製造方法は、表面に（１００）面が露出した２枚のＳｉ単結晶基板それぞれに、ＺｒＯ２を主成分とするＺｒＯ２膜、第１の金属膜、圧電体膜、及び第２の金属膜を順次エピタキシャル成長して得られた２枚の積層基板を、第２の金属膜同士が重なるように接着剤で貼り合わすステップと、接着剤で貼り合わされた２枚の積層基板から、Ｓｉ単結晶基板をエッチング除去するステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
この薄膜圧電体素子の製造方法によって作製された薄膜圧電体素子は、Ｓｉ単結晶基板のエッチング除去の後、素子の表裏面には、ＺｒＯ２を主成分とするＺｒＯ２膜が残留する。このＺｒＯ２のヤング率の値（１９０ＧＰａ）は、ＭｇＯのヤング率の値（２４５ＧＰａ）に比べて大幅に低い値となっている。そのため、このＺｒＯ２膜は、従来の薄膜圧電体素子に残留するＭｇＯ薄膜に比べて、圧電体膜の変位量の低減に及ぼす影響が小さい。従って、この薄膜圧電体素子においては、従来の薄膜圧電体素子に比べて、酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響が軽減されている。また、この薄膜圧電体素子においては、従来の薄膜圧電体素子に比べて、圧電体膜の変位量が有意に向上しているため、別途の手間と時間を要する酸化物膜の除去処理工程を特に必要としない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極膜に残留する酸化物膜が素子特性の劣化に及ぼす影響を軽減した薄膜圧電体素子及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明に係る薄膜圧電体素子及びその製造方法を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１５】
まず、本発明の実施形態に係る薄膜圧電体素子について、図１を参照しつつ説明する。図１に示すように、薄膜圧電体素子１０は、積層方向（Ｘ方向）の中央位置に接着剤膜（接着剤層）１２を有し、この接着剤膜１２を中心とする対称的な積層構造を有している。すなわち、接着剤膜１２の上下面１２ａ，１２ｂそれぞれには、同材料で構成された膜が、同じ積層順序で順次積層されている。そして、その積層順序は、接着剤膜１２に近い方から順に、電極膜（第２の金属膜）１４Ａ，１４Ｂ、圧電体膜１６Ａ，１６Ｂ、電極膜（第１の金属膜）１８Ａ，１８Ｂ、酸化物膜２０Ａ，２０Ｂとなっている。
【００１６】
つまり、薄膜圧電体素子１０は、一対の電極膜１４Ａ，１８Ａの間に圧電体膜１６Ａが介在する圧電積層体２１Ａが、接着剤膜１２を介して２段に重なっている。そして、この２段の圧電積層体２１Ａ，２１Ｂと接着剤膜１２とによって積層体１１が構成されており、薄膜圧電体素子１０は、この積層体１１を覆う酸化物膜２０Ａ，２０Ｂを有している。
【００１７】
接着剤膜１２は、絶縁性の接着剤で構成されている。また、電極膜１４Ａ，１４Ｂ及び電極膜１８Ａ，１８Ｂは、Ｐｔで構成されたエピタキシャル膜であり、その成長方向（厚さ方向、図１のＸ方向）が＜１００＞方向である。
【００１８】
圧電体膜１６Ａ，１６Ｂは、ＰＺＴ膜２２Ａ，２２ＢとＰＬＴ膜２４Ａ，２４Ｂの２層で構成されており、接着剤膜１２に近い方の膜がＰＺＴ膜２２Ａ，２２Ｂとなっている。ＰＺＴ膜２２Ａ，２２Ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されたエピタキシャル膜であり、また、ＰＬＴ膜２４Ａ，２４Ｂは、Ｌａをドープしたチタン酸鉛（ＰＬＴ）で構成されたエピタキシャル膜である。これらのＰＺＴ膜２２Ａ，２２Ｂ及びＰＬＴ膜２４Ａ，２４Ｂはいずれも、その成長方向（厚さ方向、図１のＸ方向）は＜００１＞方向であり、ｃ面単一配向している。つまり、この圧電体膜１６Ａ，１６Ａは、ペロブスカイト型の圧電体膜となっている。
【００１９】
酸化物膜２０Ａ，２０Ｂは、Ｙ２Ｏ３膜２６Ａ，２６ＢとＺｒＯ２膜２８Ａ，２８Ｂの２層で構成されており、接着剤膜１２に近い方の膜がＹ２Ｏ３膜２６Ａ，２６Ｂとなっている。Ｙ２Ｏ３膜２６Ａ，２６Ｂは、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）で構成されたエピタキシャル膜であり、また、ＺｒＯ２膜２８Ａ，２８Ｂは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で構成されたエピタキシャル膜である。なお、Ｙ２Ｏ３膜２６Ａ，２６Ｂの成長面は（１００）面、ＺｒＯ２膜２８Ａ，２８Ｂの成長面は（００１）面となっている。
【００２０】
次に、この薄膜圧電体素子１０を作製する方法について説明する。
【００２１】
まず、薄膜圧電体素子１０を作製する際に用いる製造装置（蒸着装置）について、図２を参照しつつ説明する。
【００２２】
図２に示すように、蒸着装置３０は真空槽３２を有し、この真空槽３２内には下部にＳｉ単結晶基板３４を保持するホルダ３６が配置されている。このホルダ３６は、回転軸３８を介してモータ４０に接続されており、このモータ４０によって回転され、上記Ｓｉ単結晶基板３４をその基板面内で回転させることができるようになっている。また、上記ホルダ３６内には、Ｓｉ単結晶基板３４を加熱するヒータ４２が内蔵されている。
【００２３】
また、蒸着装置３０は、酸化性ガスを供給するガス供給装置４４を備えており、このガス供給装置４４の供給口４６は、上記ホルダ３６の直ぐ下方に配置されている。そのため、酸化性ガスは、Ｓｉ単結晶基板３４近傍でその分圧が高くなっている。この酸化性ガスとしては、例えば、酸素、オゾン、原子状酸素、ＮＯ２等が用いられる。
【００２４】
ホルダ３６の更に下方には、Ｚｒ蒸発部４８、Ｙ蒸発部５０、Ｐｔ蒸発部５２、Ｐｂ蒸発部５４、Ｔｉ蒸発部５６、Ｌａ蒸発部５８が配置されている。これらのＺｒ蒸発部４８、Ｙ蒸発部５０、Ｐｔ蒸発部５２、Ｐｂ蒸発部５４、Ｔｉ蒸発部５６、Ｌａ蒸発部５８には、それぞれの金属源の他に、金属源に蒸発のためのエネルギを供給するためのエネルギ供給装置（電子線発生装置、抵抗加熱装置等）が配置されている。なお、図２における符号Ｐは真空ポンプを示している。
【００２５】
次に、薄膜圧電体素子１０を作製する手順について、図３を参照しつつ説明する。
【００２６】
まず、蒸着装置３０のホルダ３６に、Ｓｉ単結晶基板３４を（１００）面が露出している基板表面３４ａが下向きとなるようにセットする。
【００２７】
ここで、基板表面３４ａは、鏡面仕上げのウエハを用い表面をエッチング洗浄しておくことが好ましい。エッチング洗浄は４０％フッ化アンモニウム水溶液等によりおこなう。また、清浄化されたＳｉ単結晶基板３４は極めて反応性が高いため、所定の表面処理を施して、再配列や汚染などから保護することが好ましい。
【００２８】
次に、基板３４の基板表面３４ａに、厚さ０．０１μｍのＺｒＯ２膜２８Ａ及び厚さ０．０４μｍのＹ２Ｏ３膜２６Ａを順次エピタキシャル成長して酸化物膜２０Ａを形成する（図３（ａ）参照）。より具体的には、４００℃以上に加熱されたＳｉ単結晶基板３４の表面３４ａに、上述した酸化性ガスを供給しつつ、Ｚｒ蒸発部４８からＺｒを、Ｙ蒸発部５０からＹを供給して、ＺｒＯ２膜２８Ａ及びＹ２Ｏ３膜２６Ａを成膜する。このようにしてエピタキシャル成長されたＺｒＯ２膜２８Ａの成長面は（００１）面となり、Ｙ２Ｏ３膜２６Ａの成長面は（１００）面となる。
【００２９】
なお、基板面積が１０ｃｍ２以上、たとえば直径２インチの大きな単結晶基板面積に成膜する場合には、基板３４をモータ４０で回転させることにより、高酸素分圧を基板全面に供給することができ、大面積での膜作製が可能となる。このとき、基板の回転数は、１０ｒｐｍ以上であることが望ましい。回転数が遅いと基板面内で膜厚の分布が生じるためである。この基板の回転数の上限は特にないが、通常は真空装置の機構上１２０ｒｐｍ程度である。
【００３０】
次に、酸化物膜２０Ａ上に厚さ０．２μｍの電極膜１８Ａをエピタキシャル成長させる（図３（ｂ）参照）。より具体的には、Ｓｉ単結晶基板３４の上面に、Ｐｔ蒸発部５２からＰｔを供給して、電極膜１８Ａを成膜する。このようにしてエピタキシャル成長された電極膜１８Ａは＜１００＞方向に配向している。
【００３１】
さらに、電極膜１８Ａ上に、厚さ０．０２μｍのＰＬＴ膜２４Ａ及び厚さ２．５μｍのＰＺＴ膜２２Ａを順次エピタキシャル成長して圧電体膜１６Ａを形成する。より具体的には、加熱されたＳｉ単結晶基板３４の上面に、上述した酸化性ガスを供給しつつ、Ｔｉ蒸発部５６からＴｉを、Ｐｂ蒸発部５４からＰｂを、Ｌａ蒸発部５８からＬａを、Ｚｒ蒸発部４８からＺｒを選択的に供給して、ＰＬＴ膜２４Ａ及びＰＺＴ膜２２Ａを成膜する。このようにしてエピタキシャル成長されたＰＬＴ膜２４Ａ及びＰＺＴ膜２２Ａは、いずれも＜１００＞方向に配向している。
【００３２】
次に、圧電体膜１６Ａ上に厚さ０．２μｍの電極膜１４Ａをエピタキシャル成長させる（図３（ｃ）参照）。より具体的には、Ｓｉ単結晶基板３４の上面に、Ｐｔ蒸発部５２からＰｔを供給して、電極膜１４Ａを成膜する。
【００３３】
以上のようにして、Ｓｉ単結晶基板３４上に、酸化物膜２０Ａ、電極膜１８Ａ、圧電体膜１６Ａ及び電極膜１４Ａが順次積層された積層基板６０Ａの作製が完了する。また、この積層基板６０Ａと同一の基板（積層基板６０Ｂ）を一枚準備する。すなわち、この積層基板６０Ｂも、積層基板６０Ａの酸化物膜２０Ａ、電極膜１８Ａ、圧電体膜１６Ａ及び電極膜１４Ａにそれぞれ対応する、酸化物膜２０Ｂ（ＺｒＯ２膜２８Ｂ、Ｙ２Ｏ３膜２６Ｂ）、電極膜１８Ｂ、圧電体膜１６Ｂ（ＰＬＴ膜２４Ｂ、ＰＺＴ膜２６Ｂ）及び電極膜１４Ｂが、Ｓｉ単結晶基板３４上に順次積層されている。
【００３４】
そして、製造装置３０から積層基板６０Ａ，６０Ｂを取り出し、積層基板６０Ａの最上膜である電極膜１４Ａと、積層基板６０Ｂの最上膜である電極膜１４Ｂとが重なるように、接着剤を介して積層基板６０Ａと積層基板６０Ｂとを貼り合わせる（図３（ｄ）参照）。それにより、接着剤膜１２を中心に、電極膜１４Ａ，１４Ｂ、圧電体膜１６Ａ，１６Ｂ、電極膜１８Ａ，１８Ｂ、酸化物膜２０Ａ，２０Ｂ及びＳｉ単結晶基板３４が順次並んだ積層構造体６２が形成される。
【００３５】
そして最後に、水酸化カリウム等のアルカリ溶液、フッ酸、フッ硝酸等のエッチング液で両面のＳｉ単結晶基板３４を除去して、薄膜圧電体素子１０の作製が完了する（図３（ｅ）参照）。なお、薄膜圧電体素子１０の表面に電極パターンを形成する場合には、その電極パターンを容易に形成するために、一方のシリコン基板３４のみをエッチング除去し、それにより露出した面に電極パターンを形成した後、もう一方のシリコン基板３４をエッチング除去するようにしてもよい。
【００３６】
以上のようにして作製された薄膜圧電体素子１０においては、Ｓｉ単結晶基板３４上に電極膜１８Ａ，１８Ｂを成膜する際にバッファ層として機能する酸化物膜２０Ａ，２０Ｂが残留しており、この酸化物膜２０Ａ，２０Ｂの最外層はＺｒＯ２膜２８Ａ，２８Ｂである。このＺｒＯ２膜を構成するＺｒＯ２のヤング率は、およそ１９０ＧＰａである。一方、従来の薄膜圧電体素子の最外面に残留しているＭｇＯのヤング率は、およそ２４５ＧＰａである。すなわち、薄膜圧電体素子１０の最も外側に残留しているＺｒＯ２は、従来の薄膜圧電体素子の最も外側に残留しているＭｇＯよりも変形しやすい。従って、薄膜圧電体素子１０の最外膜として残留するＺｒＯ２膜２８Ａ，２８Ｂは、従来の薄膜圧電体素子のＭｇＯ膜に比べて、圧電体膜の変位量の低減に及ぼす影響が小さく、薄膜圧電体素子１０においては最外膜が素子特性の劣化に及ぼす影響が軽減されている。
【００３７】
また、ＭｇＯは親水性が高いため、ＭｇＯが残留した従来の薄膜圧電体素子においては薄膜表面に水分が吸着しないように何らかの特別な手段を講じる必要があり、取扱い性が非常に悪かった。一方、薄膜圧電体素子１０に残留するＺｒＯ２膜は親水性が高くないため、そのような特別な手段を講じる必要がなく、取扱い性に優れる。
【００３８】
なお、薄膜圧電体素子１０は、その使用に際し、例えば、電極１４Ａ，１４Ｂと電極１８Ａ，１８Ｂとの間に交流電圧を印加する。このとき、薄膜圧電体素子１０に、図４に示したような所定のビアを形成することで、電極１４Ａ，１４Ｂと電極１８Ａ，１８Ｂとの間に交流電圧が印加される。すなわち、電極膜１４Ｂとの導通を図りつつ電極膜１４Ａまで延びるビアＶ１を介して、交流電源の一方の端子が電極膜１４Ａ及び電極膜１４Ｂに接続されている。また、電極膜１８Ｂまで延びるビアＶ２及び電極膜１８Ａまで延びるビアＶ３を介して、交流電源の他方の端子が電極膜１８Ａ及び電極膜１８Ｂに接続されている。なお、各ビアＶ１，Ｖ２，Ｖ３の側面及び素子１０の表面は、適宜、ポリイミドで構成された絶縁膜６４で覆われる。
【００３９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、酸化物膜は、２層構造に限らず、ＺｒＯ２膜のみの１層構造や、その他の層を追加した３層以上の積層構造であってもよい。また、電極膜の構成材料は、Ｐｔに限らず、例えば、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｂ、Ｒｈ、Ｃｕ及びＡｇからなる金属材料群のうちの少なくとも１種類を含むものであればよい。さらに、圧電体膜は、上述した構成に限らず、チタン酸ストロンチウム酸鉛や、チタン酸鉛で構成されたｃ面単一配向薄膜であればよい。また、薄膜圧電体素子の作製には、その他の製造装置を採用することも可能であり、例えば、スパッタ装置やＭＢＥ装置を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜圧電体素子の概略断面図である。
【図２】図１の薄膜圧電体素子を作製する際に用いる薄膜作製装置である。
【図３】図１の薄膜圧電体素子を作製する手順を示した図である。
【図４】図１の薄膜圧電体素子から電極を取り出す態様の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…薄膜圧電体素子、１１…積層体、１２…接着剤膜、１４Ａ，１４Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ…電極膜、１６Ａ，１６Ｂ…圧電体膜、２０Ａ，２０Ｂ…酸化物膜、２１Ａ，２１Ｂ…圧電積層体、３４…Ｓｉ単結晶基板。
【図１】
2005286037.tif 000003
【図２】
2005286037.tif 000004
【図３】
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【図４】
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