(57)【要約】【課題】電極上に電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する場合でも、圧電薄膜の配向性および結晶性を両方とも容易に満足させて、圧電特性を向上させる。【解決手段】基板上に少なくとも電極を形成し、上記電極上に該電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する。上記電極よりも下層の表面を粗面化することによって、該電極の表面を粗面化する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも電極を形成し、前記電極上に該電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する圧電素子の製造方法であって、
前記電極よりも下層の表面を粗面化することによって、該電極の表面を粗面化することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記電極の表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように、前記電極よりも下層の表面を粗面化することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記基板の表面を粗面化することにより、前記電極の表面を粗面化することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項４】
前記基板の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することを特徴とする請求項３に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板上に熱酸化膜および前記電極をこの順で形成する場合に、前記熱酸化膜の表面を粗面化することにより、前記電極の表面を粗面化することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱酸化膜の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することを特徴とする請求項５に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記圧電薄膜として、第１の圧電薄膜を成膜するとともに、前記第１の圧電薄膜と前記電極との間の中間層として、ペロブスカイト構造の第２の圧電薄膜を成膜することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
基板上に少なくとも電極が形成され、前記電極上に該電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜が形成された圧電素子であって、
前記電極よりも下層の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項９】
前記電極の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の圧電素子。
【請求項１０】
前記基板の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていることを特徴とする請求項８または９に記載の圧電素子。
【請求項１１】
前記基板の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電素子。
【請求項１２】
前記基板上に、熱酸化膜および前記電極がこの順で形成されており、
前記熱酸化膜の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項１３】
前記熱酸化膜の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電素子。
【請求項１４】
前記圧電薄膜は、第１の圧電薄膜と、ペロブスカイト構造の第２の圧電薄膜とを有しており、
前記第２の圧電薄膜は、前記第１の圧電薄膜と前記電極との間の中間層を形成していることを特徴とする請求項８から１３のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に少なくとも電極が形成され、この電極上に圧電薄膜が形成された圧電素子と、その圧電素子の製造方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。
【０００３】
ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、以下の利点が得られることによる。すなわち、成膜やフォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現することができる。大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる。電気機械の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度が向上する。
【０００４】
圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。
【０００５】
ＰＺＴなどの圧電体は、一般的にＡＢＯ3型の酸化物であり、その結晶がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。図９は、ＰＺＴの結晶構造を模式的に示している。ペロブスカイト型構造とは、例えばＰｂ（Ｚｒx，Ｔｉ1-x）Ｏ3の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造である。
【０００６】
また、ＰＺＴは、ともにペロブスカイト型構造を採るＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ3；ジルコン酸鉛）との固溶体であるが、ＰＴＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が正方晶となり、ＰＺＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が菱面体晶となる。
【０００７】
図１０は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示している。ＰＴＯとＰＺＯとの組成比が、４８／５２〜４７／５３のあたりで、結晶系が正方晶から菱面体晶、または菱面体晶から正方晶に変化する。このように結晶系が変化する境界を組成相境界（ＭＰＢ；Morphotropic phase boundary ）と呼び、以下では単に相境界と記す。室温付近においては、ＰＺＴの結晶構造は、正方晶、菱面体晶またはこれらの混合結晶（相境界）であるが、キュリー点以上の温度では、ＰＺＴの結晶構造は、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比がいずれであっても、立方晶となる。
【０００８】
図１１は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性（比誘電率、電気機械結合係数）との関係を示している。上記した相境界では、比誘電率および電気機械結合係数の両者が特異的に高くなる。比誘電率と圧電定数（単位電界あたりの変位量）とは正の相関があり、比誘電率が高くなることにより、圧電定数が高くなる。また、電気機械結合係数は、電気的な信号を機械的な歪みに変換する際の効率、あるいはその逆の変換の際の効率を示す指標となるものであり、この係数が高くなることによって、変換効率が高くなる。圧電体に電界を印加することによって圧電体が変形したり、逆に、圧電体を変形させることによって圧電体に電界（電位差）が生じることを、ここでは圧電効果と呼ぶ。
【０００９】
ところで、図１２は、圧電体の結晶配向の違いによる圧電効果の違いを模式的に示している。圧電体が（１００）配向の場合、つまり、圧電体の分極方向Ｐを（１００）方向として、この方向が基板に垂直な方向となる場合、基板に垂直な方向に電界を印加すると、圧電体の分極方向Ｐと電界の印加方向Ｅとが揃っているため、電界の大きさが圧電体の変形の力に完全に変換され、基板に垂直な方向に圧電体が効率よく変形する。一方、圧電体が（１１１）配向の場合、圧電体の分極方向Ｐである（１００）方向が電界の印加方向Ｅと交差するため、電界の大きさが圧電体の変形の力に完全に変換されず、基板に垂直な方向における圧電体の変形量が少なくなる。
【００１０】
なお、図１２では、圧電体の結晶が正方晶である場合について示しているが、菱面体晶（分極方向は（１１１）方向）の場合でも、ドメインの回転による圧電効果が生じるため、（１００）配向のほうが望ましい。
【００１１】
圧電体の結晶配向を決めるのは、圧電体の成膜温度、成膜圧力、膜に掛かる応力、下地の格子定数および配向性などが主要因子であり、その中でも、下地の表面状態が支配的な因子となる。一般に、圧電体の下地には、電極の機能を持たせるため、Ｐｔ（白金）やＩｒ（イリジウム）などの金属材料を用いることが多い。圧電体の結晶性を高めるには、下地となる電極の表面を平坦にすることが望ましく、理想状態は単結晶の劈開面である。
【００１２】
一方、ＰｔやＩｒは、基板表面に対して（１１１）方向に自己配向しやすい性質を持っている。このため、理想的なＰｔ下地上に圧電体としてＰＺＴを成膜すると、ＰＺＴも（１１１）方向に配向し、圧電特性を高める要件を満足することができない。
【００１３】
そこで、従来から、圧電特性を向上させるべく、圧電体の配向性（配向方向を所望の配向方向とすること）、および圧電体の結晶性（結晶構造をペロブスカイト型とすること）を両立させるための工夫が様々なされている。
【００１４】
例えば、特許文献１では、電極上にチタンまたは酸化チタンを析出し（突起は２ｎｍ以下）、その上にＰＬＺＴ（チタン酸ランタンジルコン酸鉛）などの配向制御層を（１００）または（００１）配向で形成し、この配向制御層上にペロブスカイト型の圧電体（例えばＰＺＴ）を所望の配向方向で形成している。
【００１５】
また、特許文献２では、基板上に、Ｔｉを含むシード層、および下部電極をこの順で形成し、下部電極の表面にシード層の元素（Ｔｉ）を析出させ（表面粗さＲａ＝０．５〜３０ｎｍ）、下部電極の表面に圧電体を形成することにより、圧電体の結晶配向性および圧電性能を向上させるようにしている。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）  Ｂ０６０１：１９９４に基づいて求められる表面粗さのパラメータである。
【００１６】
さらに、特許文献３では、下部電極上にＰｔからなるヒロックを形成して、（１００）配向のＰＴＯからなるシード層を形成し、このシード層上にＰＺＴからなる圧電体を形成することで、ＭｇＯ等の特殊な基板を用いることなく、圧電体の結晶配向を適切に制御するようにしている。このとき、下部電極の表面粗さＲａは、ヒロックの形成前で０．７５ｎｍであり、ヒロックの形成後で１．０１５ｎｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許第３４８１２３５号公報（請求項１、段落〔００２７〕、〔００２８〕、図１、図２等参照）
【特許文献２】特開２００７−２８１２３８号公報（請求項１、５、６、段落〔００２４〕、図２等参照）
【特許文献３】特開２０１１−２３８７７４号公報（請求項１、段落〔０００７〕、〔００１０〕、〔００１７〕、〔００２０〕、図１、図２等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところが、特許文献１および２では、電極上に析出するＴｉが圧電体としてのＰＺＴの構成元素であり、ＰＺＴとの間で相互に拡散するため、ＰＺＴにおけるＰＴＯとＰＺＯとの比率が変化して特性が劣化することが考えられる。また、特許文献３では、ヒロックの密度、高さの制御が困難で、電極の表面粗さ（表面形状）の制御が困難であるため、ＰＺＴの配向性および結晶性を両立させることが困難である。
【００１９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、電極上に電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する場合でも、圧電薄膜の配向性および結晶性を両方とも容易に満足させて、圧電特性を向上させることができる圧電素子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】
【００２０】
本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に少なくとも電極を形成し、前記電極上に該電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する圧電素子の製造方法であって、前記電極よりも下層の表面を粗面化することによって、該電極の表面を粗面化することを特徴としている。また、本発明の圧電素子は、基板上に少なくとも電極が形成され、前記電極上に該電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜が形成された圧電素子であって、前記電極よりも下層の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていることを特徴としている。
【００２１】
電極よりも下層の表面を粗面化することによって電極の表面を粗面化するので、下層から電極上に圧電薄膜の構成元素と同じ元素の金属を析出させることなく、電極の表面を粗面化することができる。これにより、上記金属の相互拡散による圧電特性の低下を回避することができる。また、電極上にヒロックを形成することなく電極の表面を粗面化できるので、電極の表面粗さの制御が容易になり、この表面粗さの制御によって、電極上に成膜される圧電薄膜の配向性および結晶性を高めることが容易となる。
【００２２】
したがって、電極上に電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する場合でも、圧電薄膜の配向性および結晶性を両方とも容易に満足させて、圧電特性を向上させることができる。
【００２３】
上記製造方法において、前記電極の表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように、前記電極よりも下層の表面を粗面化することが望ましい。また、上記圧電素子において、前記電極の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２４】
電極の表面粗さＲＭＳが下限を下回ると、電極の表面が平坦に近くなるため、圧電薄膜を電極とは異なる配向方向（例えば（１００）方向）で成膜することが困難となる（圧電薄膜が下層の電極に倣って例えば（１１１）配向で成膜されやすくなる）。逆に、電極の表面粗さＲＭＳが上限を上回ると、圧電薄膜の結晶性が崩れやすくなり、ペロブスカイト構造の圧電薄膜を得ることが困難となる。したがって、電極の表面粗さＲＭＳが上記範囲内であることにより、圧電薄膜の配向性およびペロブスカイト結晶性を両立させて、良好な圧電特性を得ることができる。
【００２５】
上記製造方法において、前記基板の表面を粗面化することにより、前記電極の表面を粗面化してもよい。また、上記圧電素子において、前記基板の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていてもよい。
【００２６】
電極の下地となる基板の表面を粗面化することにより、基板表面に倣って電極の表面を粗面化することができる。
【００２７】
上記製造方法において、前記基板の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することが望ましい。また、上記圧電素子において、前記基板の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２８】
この場合、基板上に形成される電極の表面粗さＲＭＳを、基板表面の表面粗さに倣って１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。
【００２９】
上記製造方法において、前記基板上に熱酸化膜および前記電極をこの順で形成する場合に、前記熱酸化膜の表面を粗面化することにより、前記電極の表面を粗面化してもよい。また、上記圧電素子において、前記基板上に、熱酸化膜および前記電極がこの順で形成されており、前記熱酸化膜の表面が粗面化されていることにより、前記電極の表面が粗面化されていてもよい。
【００３０】
電極の下地となる熱酸化膜の表面を粗面化することにより、熱酸化膜の表面に倣って電極の表面を粗面化することができる。
【００３１】
上記製造方法において、前記熱酸化膜の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することが望ましい。また、上記圧電素子において、前記熱酸化膜の表面粗さＲＭＳが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３２】
この場合、電極の表面粗さＲＭＳを、熱酸化膜の表面の表面粗さに倣って１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。
【００３３】
上記製造方法において、前記圧電薄膜として、第１の圧電薄膜を成膜するとともに、前記第１の圧電薄膜と前記電極との間の中間層として、ペロブスカイト構造の第２の圧電薄膜を成膜してもよい。また、上記圧電素子において、前記圧電薄膜は、第１の圧電薄膜と、ペロブスカイト構造の第２の圧電薄膜とを有しており、前記第２の圧電薄膜は、前記第１の圧電薄膜と前記電極との間の中間層を形成していてもよい。
【００３４】
圧電薄膜として、第１および第２の圧電薄膜を成膜する場合でも、電極表面を粗面化することにより、電極上にペロブスカイト構造の第２の圧電薄膜を電極とは異なる所望の配向方向（例えば（１００）方向）で成膜して、その上に第１の圧電薄膜をペロブスカイト構造でかつ所望の配向方向（例えば（１００）方向）で成膜することができる。
【発明の効果】
【００３５】
電極上に電極とは異なる配向方向を有する圧電薄膜を形成する場合でも、圧電薄膜の配向性および結晶性を両方とも容易に満足させて、圧電特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態に係る圧電素子の概略の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、上記圧電素子の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】上記圧電素子の圧電薄膜のＸ線回折の結果を示すグラフである。
【図３】上記圧電素子の下部電極の表面粗さと、上記圧電薄膜を構成するＰＺＴのペロブスカイト結晶性および（１００）配向性との関係を示すグラフである。
【図４】上記圧電素子の製造工程の流れを示すフローチャートである。
【図５】上記圧電薄膜を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。
【図６】上記圧電素子の他の構成を示す断面図である。
【図７】上記圧電素子をダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図９】ＰＺＴの結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図１０】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示すグラフである。
【図１１】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性との関係を示すグラフである。
【図１２】圧電体の結晶配向の違いによる圧電効果の違いを模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３８】
〔１．圧電素子の構成〕
図１（ａ）は、本実施形態に係る圧電素子１０の概略の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、圧電素子１０の一部を拡大して示す断面図である。本実施形態の圧電素子１０は、基板１上に、熱酸化膜２、下部電極３、圧電薄膜４および上部電極５をこの順で積層して構成されている。
【００３９】
基板１は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ2（酸化シリコン）からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００４０】
下部電極３は、Ｔｉ（チタン）層３ａとＰｔ（白金）層３ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層３ａは、熱酸化膜２とＰｔ層３ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層３ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層３ｂの厚さは例えば０．１μｍ程度である。Ｐｔ層３ｂは、圧電薄膜４が表面に形成される電極、つまり、圧電薄膜４の下地となる電極である。以下、単に電極と言えば、このＰｔ層３ｂを指すものとする。図１（ｂ）に示すように、Ｐｔ層３ｂよりも下層（例えば基板１）の表面が粗面化されていることによって、Ｐｔ層３ｂの表面は粗面化されているが、この点の詳細については後述する。
【００４１】
圧電薄膜４は、結晶構造がペロブスカイト型のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されている。ＰＺＴの厚みは、用途によって異なるが、メモリやセンサの用途では例えば１μｍ以下であり、アクチュエータでは例えば３〜５μｍである。
【００４２】
上部電極５は、Ｔｉ層５ａとＰｔ層５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層５ａは、圧電薄膜４とＰｔ層５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層５ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層５ｂの厚さは例えば０．２μｍ程度である。
【００４３】
〔２．電極の表面粗さおよび圧電特性について〕
図２は、成膜された圧電薄膜４のＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。ここでは、基板１として、（１００）配向のＳｉ基板、つまり、（１００）面が積層面に平行であるＳｉ基板を用いているが、基板１と下部電極３のＰｔ層３ｂとの間に非晶質のＳｉＯ2層（熱酸化膜２）が存在し、しかもＰｔ層３ｂは自己配向性を有するため、Ｐｔ層３ｂのＰｔは（１１１）方向に強く配向している。
【００４４】
このＰｔ層３ｂ上に圧電薄膜４としてのＰＺＴを成膜すると、ＰＺＴは下地の影響を強く受けるため、成膜条件を最適化したとしても、ＰＺＴは（１００）方向よりも（１１１）方向に強く配向する膜となる。なお、ここでは、ＰＺＴの分極方向を（１００）方向としている。
【００４５】
図３は、電極の表面粗さと、ＰＺＴのペロブスカイト結晶性および（１００）配向性との関係を示すグラフである。同図において、横軸は、ＰＺＴの下地となる電極（Ｐｔ層３ｂ）の表面粗さＲＭＳ（ｎｍ）を示している。この表面粗さＲＭＳ（Root Mean Square）は、表面粗さを示す指標の一つであって、平均線から測定曲線（表面の凹凸を示す曲線）までの偏差の二乗を平均した値の平方根で求められる値（二乗平均粗さ）のことであり、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することが可能である。なお、表面粗さＲＭＳは、ＪＩＳ規格ではＲｑとも表記される。
【００４６】
また、左側の縦軸は、ペロブスカイトの結晶性を示し、図２で、ＰＺＴのペロブスカイト（１００）を示すピークの強度と、ペロブスカイト（１１１）を示すピークの強度との和で表される。電極の表面粗さＲＭＳと結晶性との関係を図３の実線で示す。ペロブスカイトの結晶性を示す値が大きいほど、ＡＢＯ3型のペロブスカイト構造の結晶が多く存在し、圧電特性が高くなることを意味する。同図より、電極の表面粗さＲＭＳが大きくなり、１０ｎｍを超えると、ＰＺＴのペロブスカイト結晶性が低下して、必要な圧電特性が得られなくなることがわかる。
【００４７】
なお、上記のピークの強度とは、Ｘ線照射時の回折強度であり、１秒間あたりのＸ線の計数率（ｃｐｓ；count per second）で示されるが、図３では、電極の表面粗さＲＭＳごとにペロブスカイト結晶性を相対比較するため、絶対値（計数率）ではなく任意単位（a.u.；arbitrary unit）で示している。
【００４８】
一方、図３の右側の縦軸は、ＰＺＴの（１００）配向度を示している。この（１００）配向度をＩ（％）とすると、図２において、ペロブスカイト（１００）を示すピークの強度をＩ（１００）とし、ペロブスカイト（１１１）を示すピークの強度をＩ（１１１）としたときに、配向度Ｉは、
Ｉ＝｛Ｉ（１００）／（Ｉ（１００）＋Ｉ（１１１））｝×１００
で求められる。電極の表面粗さＲＭＳと（１００）配向度との関係を同図の破線で示す。
【００４９】
図３より、電極の表面粗さＲＭＳが大きくなると、ＰＺＴの（１００）配向度は向上するが、電極の表面粗さＲＭＳが１ｎｍよりも小さくなると、ＰＺＴの（１００）配向度が低下して、必要な圧電特性が得られなくなる。
【００５０】
このように、ＰＺＴのペロブスカイト結晶性と配向性（（１００）配向度）とは相反の関係にあり、これらを両立させるためには、電極の表面粗さＲＭＳを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲に制御する必要がある。より好ましくは、電極の表面粗さＲＭＳは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。このような電極の表面粗さＲＭＳを実現するために、本実施形態では、例えば電極の下層にある基板１（Ｓｉ基板）の表面を上記と同程度に粗面化している。Ｐｔからなる電極は非常に薄く、Ｓｉ基板等の下層の表面に倣う形で形成されるため、Ｓｉ基板の表面粗さＲＭＳを調節することにより、Ｐｔの表面粗さを所望の範囲に制御することができる。
【００５１】
〔３．圧電素子の製造方法〕
以下、基板１の表面の粗面化も含めて、本実施形態の圧電素子１０の製造方法について、図１を参照しながら図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５２】
まず、Ｓｉからなる基板１の表面を、表面粗さＲＭＳが１〜１０ｎｍとなるように研磨し、基板１の表面を粗面化する（Ｓ１）。基板１の表面の研磨方法としては、例えば公知の化学機械研磨法（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing ）を用いることができる。ちなみに、この化学機械研磨法は、研磨対象物をキャリアと呼ばれる部材で保持し、研磨布または研磨パッドを張った平板に研磨対象物を押し付けて、各種化学成分および硬質の微細な砥粒を含んだスラリーを流しながら、一緒に相対運動（例えば回転運動）させることで研磨を行う手法である。用いる砥粒の材質や大きさ、研磨時の回転数、圧力、時間などを調節することにより、研磨対象物である基板１の表面粗さを制御することができる。例えば、基板１の表面粗さＲＭＳは、研磨前は０．３ｎｍ程度であったが、研磨後は４．８ｎｍに増大した。
【００５３】
次に、基板１の表面に、絶縁・保護用のＳｉＯ2からなる熱酸化膜２を形成する（Ｓ２）。熱酸化膜２は、基板１を１０００℃程度で加熱することにより形成することが可能である。熱酸化膜２の表面粗さは、下層の基板１の表面粗さに倣うため、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳは１〜１０ｎｍとなるが、ここでは基板１を高温で酸化処理して熱酸化膜２を形成したため、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳは、４．０ｎｍとやや減少した。
【００５４】
続いて、基板１の熱酸化膜２上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂからなる下部電極３を形成する（Ｓ３、Ｓ４）。このとき、Ｐｔ層３ｂを構成するＰｔは、自己配向性を有するため、（１１１）方向に配向する。Ｐｔ層３ｂの表面粗さは、下層の表面粗さに倣うため、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳは、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳと同じ４．０ｎｍであったが、下層の表面粗さに応じて１〜１０ｎｍの範囲で制御される。
【００５５】
次に、基板１を６００℃程度に加熱して、下部電極３上にＰＺＴからなる圧電薄膜４をスパッタ法で成膜する（Ｓ５）。このときの圧電薄膜４の成膜条件は、ＰＺＴが（１００）配向となる成膜条件である。なお、圧電薄膜４の成膜方法の詳細については後述する。基板１上にＰｔ層３ｂが（１１１）方向に自己配向して形成されているため、その上に形成されるＰＺＴは（１１１）方向に配向しやすくなるが、上記のようにＰｔ層３ｂの表面が粗面化されているため、Ｐｔ層３ｂの表面の一部にＰＺＴを（１００）配向で成膜することができる。ＰＺＴの成膜初期において、ＰＺＴが一部でも（１００）方向に配向していれば、あとはＰＺＴの膜厚を増大させることにより、ＰＺＴの（１００）配向の領域を広げることができ、上記領域の割合を増大させることができる。
【００５６】
最後に、圧電薄膜４の上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層５ａおよびＰｔ層５ｂからなる上部電極５を形成し（Ｓ６、Ｓ７）、圧電素子１０を完成させる。
【００５７】
〔４．ＰＺＴの成膜方法の詳細〕
図５は、圧電薄膜４としてのＰＺＴを成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。圧電薄膜４は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜することができる。
【００５８】
まず、ターゲット材料として、ＰＴＯとＰＺＯとを高い特性が得られる５０：５０の組成比で調合したＰＺＴ材料の粉末を用い、これを焼成、粉砕し、ターゲット皿１２に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１１を作製する。そして、このターゲット皿１２をマグネット１３上に設置し、その上にカバー１４を設置する。このマグネット１３とその下にある高周波電極１５は、絶縁体１６によって真空チャンバー１７と絶縁されている。また、高周波電極１５は、高周波電源１８と接続されている。
【００５９】
次に、基板１を、基板加熱ヒーター１９上に設置する。そして、真空チャンバー１７内を排気し、基板加熱ヒーター１９によって基板１を６００℃まで加熱する。加熱後、バルブ２０および２１を開け、スパッタガスであるＡｒとＯ2を所定の割合でノズル２２より真空チャンバー１７内に導入し、真空度を所定値に保つ。ターゲット１１に高周波電源１８より高周波電力を投入し、プラズマを発生させることにより、基板１上に圧電薄膜４としてのＰＺＴ層を成膜することができる。
【００６０】
〔５．粗面化の効果について〕
以上のように、電極としてのＰｔ層３ｂよりも下層にある基板１の表面を粗面化することによってＰｔ層３ｂの表面を粗面化するので、従来のように下層からＰｔ層３ｂ上に圧電薄膜４の構成元素と同じ元素の金属（例えばＴｉ）を析出させることなく、Ｐｔ層３ｂの表面を粗面化することができる。これにより、上記金属の圧電薄膜４の間での相互拡散によって圧電薄膜４におけるＰＴＯとＰＺＯとの比率が変化して圧電特性が低下を回避することができる。
【００６１】
また、Ｐｔ層３ｂよりも下層の表面の粗面化は、上述したように、公知の手法（例えばＣＭＰ）によって容易に行うことができるので、Ｐｔ層上にヒロックを形成する従来の手法に比べて、Ｐｔ層３ｂの表面粗さ（表面形状）を容易に制御することができ、これによって圧電薄膜４の（１００）配向性およびペロブスカイト結晶性を高めることができる。
【００６２】
したがって、（１１１）方向に配向するＰｔ層３ｂ上に、電極とは異なる（１００）方向の配向方向を有する圧電薄膜４を形成する場合でも、圧電薄膜４の（１００）配向性およびペロブスカイト結晶性を両方とも容易に満足させて、圧電特性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように、Ｐｔ層３ｂよりも下層の表面を粗面化している。Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳが下限の１ｎｍを下回ると、Ｐｔ層３ｂの表面が平坦に近くなるため、図３で示したように、圧電薄膜４の（１００）配向性が低下する。つまり、圧電薄膜４が下層のＰｔ層３ｂに倣って（１１１）配向で成膜されやすくなり、圧電薄膜４を（１００）配向で成膜することが困難となる。逆に、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳが上限の１０ｎｍを上回ると、図３で示したように、圧電薄膜４のペロブスカイト結晶性が崩れて、良好な特性の圧電薄膜４を成膜することが困難となる。したがって、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳが上記範囲内であることにより、圧電薄膜４の（１００）配向性およびペロブスカイト結晶性を両立させて、良好な圧電特性を得ることができる。
【００６４】
また、本実施形態では、Ｐｔ層３ｂの下地となる基板１の表面を粗面化することで、Ｐｔ層３ｂの表面を粗面化しているので、基板１の粗面化された表面に倣う形でＰｔ層３ｂの表面を容易に粗面化することができる。特に、基板１の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することにより、基板１上に形成されるＰｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳを、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下に容易に制御することができる。
【００６５】
なお、以上では、Ｐｔ層３ｂの下地の基板１として、Ｓｉ基板を用いた例について説明したが、Ｓｉ基板以外の基板を用いた場合でも、その基板上に電極を形成し、その電極とは異なる配向方向の圧電薄膜を成膜する際には、基板表面を所望の表面粗さとなるように研磨することにより、電極表面を粗面化して上述した効果を得ることができる。なお、Ｓｉ以外の基板としては、例えばＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3；チタン酸ストロンチウム）、ガラス、金属基板を用いることができる。
【００６６】
〔６．電極の表面粗さ制御の他の例〕
基板１の表面粗さは、ドライエッチング法で制御することもでき、これによってＰｔ層３ｂの表面粗さを制御することもできる。例えば、基板１としてＳｉ基板を用い、ＳＦ6：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2：９ｓｃｃｍ、圧力：３Ｐａ、ＲＦパワー：１５０Ｗ、エッチング時間：５分、の条件で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行った結果、Ｓｉ基板の表面粗さＲＭＳは、エッチング前は０．３ｎｍであったが、エッチング後は５．５ｎｍに増大した。このとき、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳは４．２ｎｍであり、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂを成膜後のＰｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳは、３ｎｍであった。このように、基板１の表面をドライエッチングして粗面化しても、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳを１〜１０ｎｍの範囲に制御することができる。
【００６７】
また、基板１の表面粗さは、ウェットエッチング法で制御することもでき、これによってＰｔ層３ｂの表面粗さを制御することもできる。例えば、基板１としてＳｉ基板を用い、ウェット槽内の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液内に基板１を浸し、温度：４５℃、エッチング時間：１５分、の条件でエッチングを行った結果、Ｓｉ基板の基板方位が（１００）となる面における表面粗さＲＭＳは、エッチング前は０．３ｎｍであったが、エッチング後は９．２ｎｍに増大した。このとき、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳは６．３ｎｍであり、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂを成膜後のＰｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳは、４．５ｎｍであった。このように、基板１の表面をウェットエッチングして粗面化しても、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳを１〜１０ｎｍの範囲に制御することができる。なお、エッチング液は、ＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）などの他のアルカリ溶液であってもよい。
【００６８】
また、基板１上に形成される熱酸化膜２の表面を粗面化することによっても、Ｐｔ層３ｂの表面粗さを制御することもできる。例えば、基板１としてＳｉ基板を用い、この基板１を高温で酸化させて熱酸化膜２を形成し、その後、ＣＨＦ3：６０ｓｃｃｍ、圧力：０．３Ｐａ、ＲＦパワー：２５０Ｗ、エッチング時間：２分、の条件で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行った結果、熱酸化膜２の表面粗さＲＭＳは、ドライエッチング前は０．３ｎｍであったが、ドライエッチング後は３．５ｎｍに増大した。そして、熱酸化膜２上にＴｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂを成膜した後のＰｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳは２．７ｎｍであった。
【００６９】
このように、熱酸化膜２の表面をドライエッチングして粗面化しても、Ｐｔ層３ｂの表面を粗面化することができる。特に、熱酸化膜２の表面を、表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように粗面化することにより、Ｐｔ層３ｂの表面粗さＲＭＳを、熱酸化膜２の表面の表面粗さに倣って１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。
【００７０】
〔７．圧電素子の他の構成〕
図６は、圧電素子１０の他の構成を示す断面図である。同図に示すように、圧電薄膜４は、第１の圧電薄膜４ｂと、第２の圧電薄膜４ａとを有して構成されていてもよい。第２の圧電薄膜４ａは、第１の圧電薄膜４ｂとＰｔ層３ｂとの間の中間層を形成している。すなわち、Ｐｔ層３ｂ上には、第２の圧電薄膜４ａ、第１の圧電薄膜４ｂがこの順で積層されている。第１の圧電薄膜４ｂは、例えばＰＺＴで構成されている。
【００７１】
第２の圧電薄膜４ａは、ペロブスカイト構造の圧電薄膜であり、例えばＰＬＴ（チタン酸ランタン酸鉛）で構成されている。第２の圧電薄膜４ａは、その上に成膜される第１の圧電薄膜４ｂのペロブスカイト結晶性を高めるために設けられている。第２の圧電薄膜４ａとしてのＰＬＴは、例えばスパッタ法によってＰｔ層３ｂ上に膜厚４５ｎｍで成膜されるが、そのときの成膜条件は、例えばＡｒ流量：１９．５ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．５ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：６４０℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：１５０Ｗである。
【００７２】
中間層としての第２の圧電薄膜４ａは、Ｐｔ層３ｂ上でペロブスカイトの結晶核を形成しやすく、これをきっかけとして第１の圧電薄膜４ｂ（ＰＺＴ）の結晶成長が促進される。また、第２の圧電薄膜４ａを設ける場合、第１の圧電薄膜４ｂの結晶性や配向性は、その下地である第２の圧電薄膜４ａの結晶性や配向性に倣う。したがって、上記と同様に、Ｐｔ層３ｂの下地の表面を粗面化して、Ｐｔ層３ｂの表面粗さを制御し、Ｐｔ層３ｂ上に形成される第２の圧電薄膜４ａのペロブスカイト結晶性と（１００）配向性とを高めることにより、第２の圧電薄膜４ａの上に特性の高い第１の圧電薄膜４ｂを成膜することができる。
【００７３】
なお、中間層としての第２の圧電薄膜４ａは、上記したＰＬＴに限定されるわけではなく、このほかにも、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ3；酸化ニッケルランタン）、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3；ルテニウム酸ストロンチウム）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）などの酸化物を第２の圧電薄膜４ａの構成材料として用いることができる。
【００７４】
〔８．圧電素子の応用例〕
図７は、本実施形態で作製した圧電素子１０をダイヤフラム（振動板）に応用したときの構成を示す平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。基板１において圧電薄膜４の形成領域に対応する領域は、厚さ方向の一部が断面円形で除去された凹部１ａとなっており、基板１における凹部１ａの上部（凹部１ａの底部側）には、薄い板状の領域１ｂが残っている。下部電極３および上部電極５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
【００７５】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１の領域１ｂが上下に湾曲する。したがって、基板１の凹部１ａに気体や液体を充填すると、圧電素子１０をポンプとして用いることができ、例えばインクジェットヘッドに好適となる。
【００７６】
また、所定の圧電薄膜４の電荷量を下部電極３および上部電極５を介して検出することにより、圧電薄膜４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電薄膜４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電素子１０をセンサ（超音波センサ）として用いることもできる。さらに、圧電薄膜４が焦電効果を発揮するものであれば、圧電素子１０を焦電センサ（赤外線センサ）として利用することもできる。
【００７７】
その他、圧電薄膜４の圧電効果を利用することで、圧電素子１０を周波数フィルタ（表面弾性波フィルタ）として利用することもでき、圧電薄膜４を強誘電体で構成すれば、圧電素子１０を不揮発性メモリとして利用することもできる。
【００７８】
なお、本実施形態では、圧電薄膜４をスパッタ法で成膜しているが、圧電薄膜４の成膜方法としては、上述したスパッタ法だけでなく、物理気相成長法である蒸着法、化学気相成長法であるＣＶＤ法、液相法であるゾルゲル法など、他の手法を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタ、不揮発性メモリなどの種々のデバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１      基板
２      熱酸化膜
３ｂ    Ｐｔ層（電極）
４      圧電薄膜
４ａ    第２の圧電薄膜
４ｂ    第１の圧電薄膜
１０      圧電素子
【図１】
2013225546.tif 000003
【図２】
2013225546.tif 000004
【図３】
2013225546.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013225546.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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