(57)【要約】【課題】所定の面方位に高く配向した白金膜を安定して形成することによって、圧電薄膜にペロブスカイト型の結晶構造を安定して持つ圧電薄膜素子を得る。【解決手段】基板１上に下部金属膜７、圧電薄膜５、上部金属膜６の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、下部金属膜７は、基板１上に形成された島状の接着膜３と、接着膜３上に形成された白金膜４とからなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、
前記下部金属膜は、前記基板上に形成された島状の接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子。
【請求項２】
基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、
前記下部金属膜は、前記基板上に形成されたピンホールを有する接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子。
【請求項３】
前記接着膜は、膜厚が２ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項４】
前記基板はシリコン基板であり、前記シリコン基板と、そのシリコン基板の上部に形成された前記下部金属膜との間にはシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【請求項５】
前記接着膜はチタン、タンタル、またはこれらの酸化物のいずれかであることを特徴とした請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【請求項６】
前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）の中から選ばれた１つの材料からなる圧電薄膜、またはこれらのいずれかを主成分とした圧電薄膜であることを特徴とした請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電薄膜素子に係り、特に基板上に形成される圧電薄膜素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号が与えられると機械的動作を行うアクチュエータとして、上部電極と下部電極との間に圧電体が設けられている圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、例えば、インクジェット式記録装置ヘッド用のアクチュエータ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）位置制御用アクチュエータ、圧電ブザー等に幅広く利用されている。圧電体としては、その圧電定数の高さから、主にチタン酸ジルコン酸鉛（以降、ＰＺＴと記載する）が用いられている。一般に、圧電素子は、熱処理により得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一対の電極を形成することで作製されている。
【０００３】
近年、低電圧で大きな変位が得られる圧電アクチュエータや小型の圧電アクチュエータが望まれており、そのためには圧電体の薄膜化が必要であると言われている。これまでのように圧電セラミックスを切削などの機械的な方法により加工した場合、素子の小型化において限界があり、その形状も限られたものになる。もし、圧電薄膜を保持基板上に直接形成できれば、小型化および任意の形状に加工することが可能になる。このような背景のもと、圧電薄膜に関する研究が多数行われている。近年、この分野の研究が急速に進み、バルク焼結体と同等の高い圧電定数を有する圧電薄膜が得られるようになってきている。
【０００４】
安価な圧電薄膜素子を形成するには、保持基板に安価な基板を用いる必要があり、半導体素子等で広く用いられているＳｉ単結晶基板（以下、Ｓｉ基板と略す）を用いることが広く試みられている（例えば、非特許文献１参照）。圧電薄膜素子は基板上に下部金属膜を形成し、その上部に圧電薄膜、さらにその上部に上部金属膜を形成することで構成される。
【０００５】
ペロブスカイト型酸化物であるＰＺＴに代表される圧電薄膜は、一般にスパッタ法やゾルゲル法で形成する方法が試みられているが、これらの方法で形成する圧電薄膜は下部金属膜に圧電薄膜と格子定数が近い白金（Ｐｔ）を用いることで、所望の結晶構造、ＰＺＴの場合はペロブスカイト型結晶構造を持つ圧電薄膜を形成することが可能となる。
【０００６】
下部金属膜として用いられるＰｔ膜は、基板上に順に形成したＳｉＯ2膜、Ｔｉ膜の上部に形成する。ＳｉＯ2膜は、ＰＺＴ膜製膜中の熱でＳｉ基板とＰｔが反応することを防止する反応抑止層として形成し、Ｔｉ膜はＳｉＯ2膜とＰｔ膜との密着性を向上させる為に形成する。
Ｔｉ膜の膜厚は２０ｎｍ程度が一般的である。Ｐｔ膜はスパッタ法で形成することが一般的であるが、スパッタ法で形成するＰｔ膜は（１１１）面方位に自主配向する性質を有する。従って、（１１１）面方位に自主配向した多結晶Ｐｔ膜上にＰＺＴ薄膜を形成することで、高い圧電特性を有するペロブスカイト型の結晶構造を作製することができる。
【非特許文献１】I.Kanno,et a1.,Sens.Actuators A vol.107(2003)68〜74
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような安価なＳｉ基板上に作製する圧電薄膜を形成する際、（１１１）面方位に配向したＰｔ膜の結晶性は製膜時のわずかな条件の違いに影響を受ける。具体的には、製膜時のＴｉ膜表面の状態のわずかな条件の違いで（１１１）面方位に配向したＰｔ膜の結晶が全面に形成される場合と、（１１１）面方位に配向したＰｔ膜が一部にしか形成されず、大部分の領域で明瞭な結晶構造を持たないＰｔ膜が多く形成される場合とがある。後者の場合は、その上部にＰＺＴ薄膜を形成しようとすると、所望の結晶構造であるペロブスカイト構造を形成することができず、そのＰＺＴ薄膜は圧電性が非常に小さく、圧電薄膜としての機能を果たさない。
【０００８】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ圧電薄膜を安定して形成することが可能な圧電薄膜素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、前記下部金属膜は、前記基板上に形成された島状の接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【００１０】
第２の発明は、基板上に下部金属膜、圧電薄膜、上部金属膜の順に積層された構造の圧電薄膜素子において、前記下部金属膜は、前記基板上に形成されたピンホールを有する接着膜と、前記接着膜上に形成された白金膜とからなることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【００１１】
第３の発明は、第１から第２の発明において、前記接着膜は、膜厚が２ｎｍ以下であることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【００１２】
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記基板はシリコン基板であり、前記シリコン基板と、そのシリコン基板の上部に形成された前記下部金属膜との間にはシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【００１３】
第５の発明は、第１ないし第４の発明において、前記接着膜はチタン、タンタル、またはこれらの酸化物のいずれかであることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【００１４】
第６の発明は、第１ないし第５の発明において、前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）の中から選ばれた１つの材料からなる圧電薄膜、またはこれらのいずれかを主成分とした圧電薄膜であることを特徴とした圧電薄膜素子である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ圧電薄膜を安定して形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１７】
図１に示すように、圧電薄膜素子は、ＳｉＯ2膜２付きのＳｉ基板１上に、下部金属膜７としてのＰｔ膜４、圧電薄膜５、上部金属膜６を順に積層した構造をしている。下部金属膜７としてのＰｔ膜４はＳｉＯ2膜２上に直接形成すると、（１１１）面方位に高く配向した結晶が形成されやすい。しかし、ＳｉＯ2膜２上に直接Ｐｔ膜４を形成すると密着性が悪く、圧電薄膜素子を作製するには適さない。そこで、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との間にＴｉ膜３を密着層として形成することが一般的に行われている。
【００１８】
本実施の形態の圧電薄膜素子は、このＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４の間のＴｉ膜３の膜厚を２ｎｍ以下と薄くして、ＳｉＯ2膜２上に形成するＴｉ膜３を島状構造とするか、もしくはＴｉ膜３をピンホールを有する構造とする。
【００１９】
本実施の形態によれば、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４の間の接着膜としてのＴｉ膜３を２ｎｍ以下として島状構造とすれば、島状に形成したＴｉ膜３の島間に露出したＳｉＯ2膜２から（１１１）面方位のＰｔ膜４の結晶を安定して成長させることができる。また、Ｔｉ膜３をピンホール構造とすれば、ピンホールを介してＰｔ膜４がＳｉＯ2膜２に接触している箇所が存在することになるので、当該箇所から（１１１）面方位のＰｔ膜４の結晶を安定して成長させることができる。
【００２０】
また、Ｔｉ膜３を、ピンホール構造とするか島状構造とすることで、ＳｉＯ2膜２上に設けた接着膜としてのＴｉ膜３上にＰｔ膜４が形成されることになるので、ＳｉＯ2膜２上に直接Ｐｔ膜４を形成する場合に問題となる密着性についても解決できる。
【００２１】
したがって本実施の形態によれば、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との密着性を確保しつつ、ＳｉＯ2膜２から（１１１）面方位に高配向したＰｔ膜４の結晶を成長させることができる。
【００２２】
また、上述したＰｔ膜４の上部に圧電薄膜としてのＰＺＴ薄膜５を形成すると、ペロブスカイト型結晶構造を持つＰＺＴ薄膜５を安定して形成することができる。このＰＺＴ薄膜５は圧電性が大きく、圧電薄膜としての機能を十分に果たすことができる。このＰＺＴ薄膜５に上部金属膜６を形成して圧電薄膜素子を作製する。上部金属膜６は、Ｐｔ膜、もしくはＰｔ膜と弾性体膜としてのＣｒ膜とを積層して形成し、その形成にはスパッタリング法を用いる。これにより、印加電圧に対して安定した圧電特性を有し、安価で高性能なＰＺＴ薄膜５を用いた圧電薄膜素子を安定して作製することができ、また、圧電薄膜素子の歩留まりが向上し、量産性にも優れる。
【００２３】
また、実施の形態では、ＳｉＯ2膜２付きのＳｉ基板１を、保持基板に用いているが、ＳｉＯ2膜２の付いていないＳｉ基板１を保持基板に用いてもよい。
【００２４】
また、上述した実施の形態では、圧電薄膜及び接着膜にＰＺＴ及びＴｉを用いた場合について説明したが、本発明がこれらの材質に限定されないことを確かめるために、上述した実施の形態と同様の構造で、圧電薄膜及び接着膜の材質を変えた検討を行った。その結果、接着膜にはＴｉ以外にＴａ、Ｔｉの酸化物であるＴｉＯ2、またはＴａの酸化物であるＴａ２Ｏ5が、Ｔｉの場合と同様、ＳｉＯ2膜２とＰｔ膜４との密着性を向上させるのに有効であった。
【００２５】
また、圧電薄膜については、ＰＺＴ薄膜以外にはチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ3）のうちのいずれか１つからなる圧電薄膜、もしくはこれらを主成分とした圧電薄膜に対しても有効であった。
【実施例】
【００２６】
図１に示すように、まず、ＳｉＯ2膜２付きのシリコン単結晶基板（Ｓｉ基板）１を用意し、その上部にスパッタリング法を用いて接着膜としてＴｉ膜３、その上部のＰｔ膜４を形成して下部金属膜７を形成した。
【００２７】
このとき、Ｐｔ膜４の膜厚は２００ｎｍとし、Ｔｉ膜３の膜厚は０．５ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変えて作製した。また、膜厚が０．５ｎｍのＴｉ膜３の構造を島状とし、膜厚が１ｎｍ、２ｎｍのＴｉ膜３にはピンホールを設けた。
【００２８】
Ｐｔ膜４の製膜条件は、真空度１Ｐａ、ＲＦ出力２００Ｗ、基板温度は３００ｃｃとした。また、Ｔｉ膜３の製膜条件は、真空度１Ｐａ、ＲＦ出力３００Ｗ、基板温度は３００℃とした。
【００２９】
この下部金属膜７付きＳｉ基板１上にスパッタリング法を用いてＰＺＴ薄膜４を膜厚３μｍ製膜した。製膜条件は、真空度０．５Ｐａ、ＲＦ出力７５Ｗ、基板温度は７００℃とした。
【００３０】
Ｔｉ膜３の膜厚を上記のように変えたサンプルは、それぞれの膜厚について４枚ずつ作製し、そのときのＰＺＴ薄膜５について、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）分析による結晶評価を行った。その各サンプルの結果を表１に示す。Ｐｔ（１１１）及びＰＺＴ（１１１）のピーク高さの単位は、回折Ｘ線の強度（ｋｃｐｓ：kilo count per second）である。
【００３１】
【表１】
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Ｔｉ膜３の膜厚を、０．５ｎｍ（サンプルＮｏ.１〜４）、１ｎｍ（サンプルＮｏ.５〜８）、及び２ｎｍ（サンプルＮｏ.９〜１２）と薄くしたグループは、ともに４枚中４枚が、（１１１）面方位に高く配向したＰｔの結晶が形成されており、その結果としてペロブスカイト構造のＰＺＴ（１１１）が形成されていることがわかる。
【００３２】
しかし、Ｔｉ膜３の膜厚を５ｎｍ（サンプルＮｏ.１３〜１６）、１０ｎｍ（Ｎｏ.１７〜２０）、及び２０ｎｍ（Ｎｏ.２１〜２４）と厚くしたグループは、Ｐｔの（１１１）面方位の配向が十分でなく、圧電特性が低いパイロクロア構造のＰＺＴが多く形成されるサンプルが、各グループで２枚以上もある場合があり（サンプルＮｏ.１３〜１４、サンプルＮｏ.１７、１９、２０、及びサンプルＮｏ.２１〜２３）、歩留まりが著しく悪くなることがわかった。
【００３３】
また、それぞれの膜厚のＴｉ膜３を形成した後、断面ＴＥＭ（Transmission electron microscopy）及び表面ＴＥＭを用いて、Ｔｉ膜３の形状を観察したところ、Ｔｉ膜３の膜厚が０．５ｎｍの場合は（サンプルＮｏ.１〜４）、Ｔｉ膜３は島状に形成されていることが確認できた。Ｔｉ膜３の膜厚が１ｎｍ、２ｎｍの場合は（サンプルＮｏ.５〜１２）、Ｔｉ膜３に複数のピンホールが存在していることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態において作製した圧電薄膜素子の完成模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    Ｓｉ基板
２    ＳｉＯ2膜
３    Ｔｉ膜（接着膜）
４    Ｐｔ膜（白金膜）
５    ＰＺＴ薄膜（圧電薄膜）
６    上部金属膜
７    下部金属膜
【図１】
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