(57)【要約】      （修正有）【課題】ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電体層の圧電定数を大きくでき、圧電性を向上させた圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ｔｉ密着層３、ＰｔｍＯ下部電極層４、ＰＺＴ圧電体層５及びＰｔ上部電極層６を積層して形成されている。下部電極層４のＰｔｍＯの組成比ｍは０．６以上、ＰＺＴ圧電体層５のＺｒｘＴｉ１−ｘの組成比ｘは０．４３〜０．５５である。【選択図】図１
2012129226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成比mのPtmOよりなる下部電極層と、
該下部電極層上に設けられた組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層と
を具備し、
前記組成比mは0.6以上であり、
前記組成比xは範囲0.43〜0.55である
圧電アクチュエータ。
【請求項２】
スパッタリング法によってガス流量比O2/Arを制御して組成比mのPtmOよりなる下部電極層を形成する工程と、
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記下部電極層上に組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層を形成する工程と
を具備し、
前記組成比mは0.6以上であり、
前記組成比xは範囲0.43〜0.55である
圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記スパッタリング法の代りに、電子ビーム蒸着法を用いた請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記スパッタリング法の代りに、アーク放電イオンプレーティング法を用いた請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を含む圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Pb、Zr、Tiの各元素を含む酸化化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）は優れた圧電性を有し、これを利用したPZT圧電体層は、アクチュエータとして用いたMEMS素子、センサとして用いたMEMS素子、発電素子、ジャイロ素子等に用いられる。
【０００３】
従来の圧電アクチュエータの製造方法においては、スパッタリング法によって形成されたPt下部電極層上にPZT圧電体層を形成する。たとえば、このPZT圧電体層の形成方法として圧力勾配型プラズマガンを用いたアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）法がある（参照：特許文献１）。このADRIP法は、スパッタリング法に比較してPZT圧電体層の堆積速度が大きいという利点を有し、また、有機金属化学的気相成長（MOCVD）法に比較して基板温度が低く、製造コストが低く、有毒な有機金属ガスを用いないので、対環境性がよく、また、原料の利用効率がよいという利点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来の圧電アクチュエータの製造方法においては、下部電極層の材料が最適化されていないので、PZT圧電体層の圧電定数が小さく、圧電性が未だ不充分であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、組成比mのPtmOよりなる下部電極層と、下部電極層上に設けられた組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層とを具備し、組成比mは0.6以上であり、組成比xは範囲0.43〜0.55であるものである。
【０００７】
また、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、スパッタリング法によってガス流量比O2/Arを制御して組成比mのPtmOよりなる下部電極層を形成する工程と、アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して下部電極層上に組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層を形成する工程とを具備し、組成比mは0.6以上であり、組成比xは範囲0.43〜0.55であるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、下部電極層のPtmOの組成比mも最適化できると共に圧電体層のPbZrxTi1-xの組成比xも最適化できるので、圧電体層の圧電定数を大きくでき、従って、圧電性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２のスパッタリング処理ステップ２０２におけるPtmO下部電極層のPtmOの組成比mに対する圧電定数特性を示すグラフである。
【図４】図３のO2/Arガス流量比に対するPtmOの組成比特性を示すグラフである。
【図５】図３のO2/Arガス流量比に対する圧電定数特性を示すグラフである。
【図６】図２のADRIP処理ステップ２０３に用いられるADRIP装置を示す図である。
【図７】図２のADRIP処理ステップ２０３におけるPZT圧電体層のZrxTi1-xの組成比xに対する圧電定数特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。図１の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３、PtmO下部電極層４、PZT圧電体層５及びPt上部電極層６を積層して形成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、下部電極層４のPtmOはPZT圧電体層５の成膜温度約500℃以上に耐えられる材料である。さらに、Ti密着層３は酸化シリコン層２とPtmO下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間に設けたものである。この密着層３はTiO2、MgO、ZrO2、IrO2等の導電性酸化物を用いてもよい。
【００１１】
図１の圧電アクチュエータの製造方法を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００１２】
始めに、ステップ２０１を参照すると、単結晶シリコン基板１を熱酸化して酸化シリコン層２を形成する。尚、熱酸化処理の代りにCVD法を用いてもよい。
【００１３】
次に、ステップ２０２を参照すると、酸化シリコン層２上にスパッタリング法によってTi密着層３を形成する。引き続いて、Ti密着層３上にスパッタリング法によってPtmO下部電極層４を形成する。PtmO下部電極層４の形成については、後述する。
【００１４】
次に、ステップ２０３を参照すると、PtmO下部電極層４上にADRIP法によってPZT圧電体層５を形成する。このPZT圧電体層５の形成については、後述する。
【００１５】
最後に、ステップ２０４を参照すると、PZT圧電体層５上にスパッタリング法によってPt上部電極層６を形成する。
【００１６】
尚、ステップ２０２、２０４におけるスパッタリング法の代りに、電子ビーム（EB）蒸着法、ADRIP法を用いてもよい。
【００１７】
図３は図２のスパッタリング処理ステップ２０２におけるPtmO下部電極層４のPtmOの組成比mに対する圧電定数-k31の特性を示すグラフである。尚、圧電定数-k31は圧電アクチュエータにおいてPtmO下部電極層４とPt上部電極層６との間に駆動電圧を印加した場合に圧電アクチュエータの表面に平行な方向へのPZT圧電体層５の伸縮量を表わす良い性能指標となる圧電定数であり、圧電アクチュエータの先端変位量から計算することができる。また、PtmOの組成比mはＸ線光電子分光（XPS）法を用いて分析される。
【００１８】
図３に示すように、PtmOの組成比mが0.6付近で大きく変化し、m≧0.6では-d31=100pmV程度以上となり、m<0.6では-d31=50pmV程度以下となる。特に、m=0.92では-d31=140pmVと大きくなる。従って、PtmOの組成比mがm≧0.6となるように、スパッタリング法におけるアルゴン（Ar）ガスのチャンバ内に導入する際に、Arガスの一部に酸素（O2）ガスを導入すればよい。すなわち、スパッタリング法におけるガス流量比O2/Arは、図４に示すごとく、PtmOの組成比mに関係し、従って、図５に示すごとく、圧電定数-k31に関係する。この結果、スパッタリング法におけるガス流量比O2/Arをたとえば0.05〜0.3付近に制御することにより圧電定数-k31=60pm/V程度以上が得られる。尚、図３、図４、図５においては、PZT圧電体層５におけるZrxTi1-xの組成比xは0.43〜0.55の範囲にあるものとする。
【００１９】
次に、図２のADRIP処理ステップ２０３に用いられるADRIP装置を図６を参照して説明する（参照：特許文献１の図１）。
【００２０】
図６において、真空チャンバ６０１内の下方側に、Pb、Zr、Tiを独立に蒸発させるためのPb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２、Ti蒸発源６０２−３が設けられる。真空チャンバ６０１内の上方側に、ウェハ６０３ａを載置するためのヒータ付ウェハ回転ホルダ６０３が設けられる。
【００２１】
また、真空チャンバ６０１の上流側には、アーク放電を維持するために不活性ガスたとえばArガスを導入する圧力勾配型プラズマガン６０４及びPZT圧電体層５の酸素原料となる酸素（O2）ガスを導入するO2ガス導入口６０５が設けられる。他方、真空チャンバ６０１の下流側には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口６０６が設けられる。
【００２２】
図６のADRIP装置においては、圧力勾配型プラズマガン６０４によって導入されたArガス及びO2ガス導入口によって導入されたO2ガスの高密度、低電子温度のアーク放電プラズマ６０７が発生し、真空チャンバ６０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２及びTi蒸発源６０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ６０３ａ上に付着し、この結果、組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。
【００２３】
図７に示すように、PtmOの組成比m=Pt/O≧0.6の場合、m=Pt/O＜0.6の場合より、圧電定数-d31が大きく、しかも、PZT圧電体層５のZrxTi1-xの組成比xが範囲0.43〜0.55の場合に圧電定数-d31が大きいことが分かる。たとえば、ZrxTi1-xの組成比x=0.5とすれば、圧電定数-k31は最大値となる。つまり、図６に示すADRIP装置において、Pb蒸発源６０２−１のPb蒸発量、Zr蒸発源６０２−２のZr蒸発量及びTi蒸発源６０２−３のTi蒸発量を制御してPbZrxTi1-xの組成比が1：x：1-x= 1：0.5：0.5となるようにし、これにより、圧電定数-k31は最大値約120pm/Vとなる。
【００２４】
尚、ステップ２０２におけるPtmO下部電極層４をADRIP法によって形成する場合には、Pb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２及びTi蒸発源６０２−３の代りに、Pt蒸発源を設け、圧力勾配型プラズマガン６０４のArガスとO2ガス導入口６０５のO2ガスとの比を制御することによりPtmOを形成する。
【００２５】
また、PtmOは密着層が酸化金属の場合は、密着層を成膜中に酸素ガスを導入して酸化金属とし、その後、Ptをスパッタすることで酸素が酸化金属からPtに拡散されることで得られる。さらに、密着層を酸化金属としなくてもPt成膜中に酸素ガスを導入することで得られる。
【符号の説明】
【００２６】
１：単結晶シリコン基板 
２：酸化シリコン層 
３：Ti密着層 
４：PtmO下部電極層
５：PZT圧電体層
６：Pt上部電極層 
６０１：真空チャンバ
６０２−１：Pb蒸発源
６０２−２：Zr蒸発源
６０２−３：Ti蒸発源
６０３：ヒータ付ウェハ回転ホルダ 
６０３ａ：ウェハ 
６０４：圧力勾配型プラズマガン 
６０５：O2ガス導入口 
６０６：排気口 
【図１】
2012129226.tif 000003
【図２】
2012129226.tif 000004
【図３】
2012129226.tif 000005
【図４】
2012129226.tif 000006
【図５】
2012129226.tif 000007
【図６】
2012129226.tif 000008
【図７】
2012129226.tif 000009