(57)【要約】【課題】圧電素子の面内応力を安定に維持できる圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータは、カンチレバー１１１，１１２を有するベース基板１０と、カンチレバー上に形成された圧電素子Ｄ１とを具備する。圧電素子Ｄ１は、下部電極層Ｌ１と、下部電極層Ｌ１の上に形成される圧電層Ｌ３と、圧電層Ｌ３の上に形成された導電性酸化物層Ｌ２１を含む上部電極層Ｌ２とを有する。導電性酸化物層Ｌ２１は、共有性結合ないしイオン性結合を有するため塑性変形が少なく、応力緩和が起こりにくい。このため、圧電アクチュエータの繰り返し動作によっても、成膜後の内部応力（膜応力）を長期にわたって安定に維持することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、前記ベース部に固定される第１の端部を有するカンチレバーとを含むベース基板と、
前記カンチレバーの上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上に形成された圧電層と、前記圧電層の上に形成された第１の導電性酸化物層を含む第２の電極とを有し、前記カンチレバーを弾性変形させることが可能な圧電素子と
を具備する圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電層は、面内引張り方向の内部応力を有する材料で構成され、
前記第１の導電性酸化物層は、面内圧縮方向の内部応力を有する材料で構成される
圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電層は、チタン酸ジルコン酸鉛で構成され、
前記第１の導電性酸化物層は、ＬａＮｉＯ3で構成される
圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第２の電極は、前記第１の導電性酸化物層の上に形成された、面内引張り方向の内部応力を有する金属層をさらに含む
圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエータであって、
前記金属層は、密着層としてのＴｉ膜とその上に形成されたＰｔ膜とを含む
圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第１の電極は、第２の導電性酸化物層を含む
圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第２の導電性酸化物層は、ＬａＮｉＯ3で構成される
圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第２の電極は、前記第１の電極よりも薄く形成される
圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータであって、
前記カンチレバーは、前記第１の端部とは反対側の第２の端部を有し、
前記圧電アクチュエータは、
前記第２の端部に接続された可動端子と、
前記ベース部に接続され、前記圧電素子の駆動による前記カンチレバーの変形時に前記可動端子と接触可能な固定端子を有する信号線路と、をさらに具備する
圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
ベース基板上のカンチレバーの形成領域に第１の電極を形成し、
前記第１の電極の上に、面内引張り方向の内部応力を有する材料からなる圧電層を形成し、
前記圧電層の上に、面内圧縮方向の内部応力を有する導電性酸化物層を含む第２の電極を形成し、
前記ベース基板をエッチング加工することで前記カンチレバーを形成する
圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記第２の電極を形成する工程は、
前記圧電層の上に、前記導電性酸化物層を形成し、
前記導電性酸化物層の上に、面内引張り方向の内部応力を有する金属層を形成することを含む
圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記金属層の成膜温度は、２００℃以上である
圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の圧電アクチュエータを備えた無線通信端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動部に用いる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】
圧電駆動されるカンチレバーを備えたアクチュエータとして、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチや可変キャパシタ、更にはこれらを組み合わせた可変フィルタ等が知られている。例えば下記特許文献１には、圧電駆動型のＭＥＭＳスイッチが記載されている。圧電駆動型のＭＥＭＳスイッチにおいては、材料物性の一つである圧電定数が高いほど駆動電圧の低電圧化につながる。このため高い圧電性を示すペロブスカイト結晶構造とするため、例えば代表的な圧電材料であるＰＺＴの場合には高温での成膜ないし再結晶化処理が行われる。この高温での成膜ないし再結晶化処理は、圧電材料の特性向上には寄与する一方で、下部電極との線膨張係数のミスマッチ等による内部応力が変化して、カンチレバーに変形（反り）を生じさせる。
【０００３】
そこで例えば下記特許文献２には、カンチレバーの一端を固定する基板の固定部を三角形状に凹ませることで、カンチレバーの反りを低減する構成が記載されている。さらに下記非特許文献１には、圧電カンチレバーの上部電極であるＰｔ膜上に強い圧縮応力を有するＴａ膜を成膜することで、カンチレバーの反り制御を行う方法が記載されている。
【０００４】
一方、下記特許文献３には、圧電特性の高いペロブスカイト結晶構造を得ることを目的として、下部電極層はニッケル酸ランタンを主成分とする導電性酸化物で構成し、圧電体層は、液相成長法で形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするペロブスカイト型酸化物強誘電体材料で構成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７７１４３号公報
【特許文献２】特開平６−２７３１６０号公報
【特許文献３】特開２００９−５４９３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】近藤龍一、他３名  「ＰＺＴ圧電カンチレバーの反り制御」  第21回応用物理学会学術講演会予稿集  第67巻第２号第524頁  発行日2006年8月29日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電素子の応力制御に金属層を使用する上記非特許文献１に記載の方法では、当該金属層の塑性変形や繰り返し動作に伴うクリープ現象により当該金属層の内部応力が緩和されてしまい、初期設定した応力制御量が変化してカンチレバーに反りを生じさせる場合がある。この場合、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチにおいては、繰り返し動作によって、カンチレバーに接続された可動端子と、当該可動端子と対向する固定端子（信号線）との距離が変化してしまい、結果としてオン動作させるときのスイッチ駆動電圧が変化することになる。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧電素子の面内応力を安定に維持できる圧電アクチュエータ及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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電アクチュエータは、ベース基板と、圧電素子とを具備する。
上記ベース基板は、ベース部と、上記ベース部に固定される第１の端部を有するカンチレバーとを含む。
上記圧電素子は、上記カンチレバーを弾性変形させることが可能であり、上記カンチレバーの上に形成される第１の電極と、上記第１の電極の上に形成される圧電層と、上記圧電層の上に形成された第１の導電性酸化物層を含む第２の電極とを有する。
【００１０】
本発明の一形態に係る圧電アクチュエータの製造方法は、ベース基板上のカンチレバーの形成領域に第１の電極を形成することを含む。
上記第１の電極の上に、面内引張り方向の内部応力を有する材料からなる圧電層が形成される。
上記圧電層の上に、面内圧縮方向の内部応力を有する導電性酸化物層を含む第２の電極が形成される。
上記ベース基板をエッチング加工することで、上記カンチレバーが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１における［Ａ１］−［Ａ１］線方向の断面図である。
【図３】図１における［Ａ２］−［Ａ２］線方向の断面図である。
【図４】上記圧電アクチュエータの作用を説明する断面図である。
【図５】上記圧電アクチュエータに適用される圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【図６】上記圧電素子の各層が有する内部応力の面内方向を示す模式図である。
【図７】上記圧電アクチュエータの構造及び製造方法を説明する各工程の要部断面図である。
【図８】上記圧電アクチュエータの構造及び製造方法を説明する各工程の要部断面図である。
【図９】上記圧電アクチュエータの構造及び製造方法を説明する各工程の要部断面図である。
【図１０】上記圧電素子の上部電極層をそれぞれ構成する金属層及び導電性酸化物層の関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータは、ベース基板と、圧電素子とを具備する。
上記ベース基板は、ベース部と、上記ベース部に固定される第１の端部を有するカンチレバーとを含む。
上記圧電素子は、上記カンチレバーを弾性変形させることが可能であり、上記カンチレバーの上に形成される第１の電極と、上記第１の電極の上に形成される圧電層と、上記圧電層の上に形成された第１の導電性酸化物層を含む第２の電極とを有する。
【００１３】
上記圧電アクチュエータにおいて、圧電層の上に形成される第２の電極は、導電性酸化物層を含む。導電性酸化物は、金属結合ではないため塑性変形が少なく、応力緩和が起こりにくい。このため、圧電アクチュエータの繰り返し動作によっても、成膜後の内部応力（膜応力）を長期にわたって安定に維持することができる。また、導電性を有するため圧電素子に印加される電圧の分圧は招かず、したがって圧電素子の駆動電圧の変化を抑えることができる。
【００１４】
第１の導電性酸化物層が有する内部応力は、素子作製後においてカンチレバーの反り量が所定の範囲内となるように設定される。第１の導電性酸化物層の内部応力は、膜厚、成膜条件等によって調整することができる。第１の導電性酸化物層の内部応力は、圧電層の内部応力の大きさ、カンチレバーの長さ、許容されるカンチレバーの反り量等に応じて適宜設定することができる。
【００１５】
上記第１の導電性酸化物層は、圧電層の内部応力の方向（引張り方向あるいは圧縮方向）に応じて選択することができる。例えば、圧電層が、面内引張り方向の内部応力を有する材料で構成される場合、上記第１の導電性酸化物層は、面内圧縮方向の内部応力を有する材料で構成される。これにより、圧電層の内部応力を緩和し、カンチレバーの変形あるいは反りを抑制することができる。
【００１６】
面内引張り方向の内部応力を有する圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられる。また、面内圧縮方向の内部応力を有する導電性酸化物としては、例えば、ニッケル酸ランタン（ＬＮＯ：ＬａＮｉＯ3）が挙げられる。ＬＮＯは、ペロブスカイト結晶構造を有し、更にその格子定数は３．８４ÅとＰＺＴの格子定数（４．０１Å）に近い。このため、圧電層との間に歪が少ない界面構造を形成することができる。
【００１７】
この場合、第２の電極は、第１の導電性酸化物層の上に形成された、面内引張り方向の内部応力を有する金属層をさらに含んでもよい。このように第２の電極を第１の導電性酸化物層と金属層との積層構造とすることで、これら各層の厚みや成膜条件を踏まえた応力設計の最適化を図ることができる。
【００１８】
上記金属層には、例えば、Ｐｔ／Ｔｉ膜を用いることができる。Ｔｉ膜は密着層として形成される。典型的にはこれらの金属膜はスパッタ法で成膜されるが、成膜温度によって内部応力の方向が異なる。例えば、Ｐｔ膜は、室温で成膜したときの内部応力は面内圧縮方向を示し、例えば２００℃以上で成膜したときの内部応力は面内引張り方向を示す。
【００１９】
上記第１の電極は、面内圧縮方向の内部応力を有する第２の導電性酸化物層を含んでもよい。上記第２の導電性酸化物は、例えば、ペロブスカイト構造を有するＬＮＯで構成することができる。これをＰＺＴ系の圧電層の下地として用いることで、圧電層の配向性が高まり、優れた圧電特性を得ることができる。
【００２０】
上記圧電アクチュエータは、可動端子と、信号線路とをさらに具備してもよい。上記可動端子は、上記カンチレバーの第２の端部に接続される。上記信号線路は、上記ベース部に接続され、上記圧電素子の駆動による上記カンチレバーの変形時に上記可動端子と接触可能な固定端子を有する。
上記圧電アクチュエータによれば、繰り返し動作による可動端子と固定端子との距離の変化を防止することができるため、スイッチ駆動電圧の変動を抑制し、長期にわたり安定したスイッチング動作を確保することができる。
【００２１】
本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの製造方法は、ベース基板上のカンチレバーの形成領域に第１の電極を形成することを含む。
上記第１の電極の上に、面内引張り方向の内部応力を有する材料からなる圧電層が形成される。
上記圧電層の上に、面内圧縮方向の内部応力を有する導電性酸化物層を含む第２の電極が形成される。
上記ベース基板をエッチング加工することで、上記カンチレバーが形成される。
【００２２】
上記製造方法によれば、導電性酸化物層によって圧電層の内部応力を緩和することができるため、カンチレバーの変形あるいは反りを抑制することができる。特に導電性酸化物は、金属結合を有しないため塑性変形が少なく、応力緩和が起こり
にくいため、圧電アクチュエータの繰り返し動作によっても、成膜後の内部応力（膜応力）を長期にわたって安定に維持することができる。さらに圧電素子の最上層を構成する第２の電極に上述したような応力制御機能をもたせているため、製造プロセスの最終工程に近い段階で圧電素子の内部応力を調整することができる。
【００２３】
上記第２の電極を形成する工程は、上記圧電層の上に、上記導電性酸化物層を形成し、上記導電性酸化物層の上に、面内引張り方向の内部応力を有する金属層を形成することを含んでもよい。これにより第２の電極を構成する各層の厚みや成膜条件を踏まえた応力設計の最適化を図ることができる。
【００２４】
上記金属層の成膜温度は、２００℃以上とすることができる。これにより金属層の内部応力を面内引張り方向に制御することができる。また、当該金属層の成膜温度を２００℃以上とすることにより、例えば当該圧電アクチュエータのリフロー実装時における上記内部応力の緩和を防止することができる。
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、圧電アクチュエータとして、例えば携帯電話等の無線通信機器に搭載され、高周波信号を通過状態と開放状態とに切り替える圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチに適用した例を説明する。
【００２６】
なお以下の実施形態では各部の構成に具体的な数値を挙げて説明するが、当該数値はあくまでも一例であり、これらに限定されることはない。また理解及び説明を容易にするため、図示する各部の大きさや厚みの比率は、実際とは異なる比率で描かれている。
【００２７】
＜第１の実施形態＞
［圧電アクチュエータの構成］
図１〜図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの概略構成を示しており、図１は当該圧電アクチュエータの平面図、図２は図１における［Ａ１］−［Ａ１］線方向の断面図、図３は図１における［Ａ２］−［Ａ２］線方向の断面図、図４は当該圧電アクチュエータの一動作例を示す断面図である。各図において、Ｘ軸及びＹ軸方向は相互に直交する水平方向を示し、Ｚ軸方向はＸ軸及びＹ軸に直交する高さ方向を示している。本実施形態において圧電アクチュエータは、圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチ（圧電スイッチ）として構成されている。
【００２８】
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、ベース基板１０と、可動部１１と、信号線路１２と、一対の接地線路１３１，１３２とを有する。
【００２９】
可動部１１は、第１のカンチレバー１１１と、第２のカンチレバー１１２と、可動端子１１３と、第１の圧電駆動部１１４と、第２の圧電駆動部１１５とを有する。圧電アクチュエータ１は、後述するように、可動端子１１３が信号線路１２から離間した状態（図２）と、可動端子１１３が信号線路１２と接触する状態（図４）とを切り替えるスイッチング機能を有する。
【００３０】
ベース基板１０は、ベース部１１０と、ベース部１１０にそれぞれ一端が固定された第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２とを有する。ベース基板１０は、Ｘ軸及びＹ軸の平行な表面１０１と裏面１０２とを有する単結晶シリコン基板（弾性層）で構成される。ベース基板１０の表面１０１は、例えば熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜１０３で被覆されている。ベース部１１０は、可動部１１を収容する開口部１０４を有する。
【００３１】
第１のカンチレバー１１１及び第２のカンチレバー１１２は、それぞれＸ軸方向に延びる弾性変形可能な材料で構成され、本実施形態では単結晶シリコンで構成される。第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２は、それぞれ同一の長さ（Ｘ軸方向）、幅（Ｙ軸方向）及び厚み（Ｚ軸方向）を有し、開口部１０４内の同一平面上にＸ軸方向にそれぞれ対向するように設けられる。カンチレバー１１１，１１２各々の一端１１１ａ，１１２ａは、開口部１０４の周縁に固定され、他端１１１ｂ，１１２ｂは、Ｘ軸方向に相互に対向している。
【００３２】
第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の長さ、幅及び厚みは特に限定されず、例えば、長さ５０〜７５０μｍ、幅２０〜４００μｍ、厚み２〜１０μｍであり、本実施形態では、長さ５５０μｍ、幅２００μｍ、厚み５μｍである。
【００３３】
第１のカンチレバー１１１と第２のカンチレバー１１２との間には、可動端子１１３を支持する支持体１１７が設けられている。支持体１１７は、第１のカンチレバー１１１と第２のカンチレバー１１２と同一の平面上に形成されており、第１の連結部１１７ａと、第２の連結部１１７ｂと、支持部１１７ｃと、中間層１１７ｄとを有する。第１の連結部１１７ａ、第２の連結部１１７ｂ及び支持部１１７ｃは、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２と同一の平面内において同一の厚みで形成されている。
【００３４】
第１の連結部１１７ａは第１のカンチレバー１１１の他端１１１ｂに接続され、弾性変形可能なヒンジ構造を有する。第２の連結部１１７ｂは第２のカンチレバー１１２の他端１１２ｂに接続され、弾性変形可能なヒンジ構造を有する。支持部１１７ｃは第１及び第２の連結部１１７ａ，１１７ｂを介して第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２にそれぞれ連結され、絶縁膜１０３及び中間層１１７ｄを介して可動端子１１３を支持する支持面を形成する。第１及び第２の連結部１１７ａ，１１７ｂは、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２に対する支持部１１７ｃの変形を許容できる適宜の形状に形成され、その形態は特に限定されない。
【００３５】
中間層１１７ｄは、導電体であってもよいし絶縁体であってもよい。ベース基板１０の表面１０１に形成される各種機能層（導電層、誘電体層）の構成材料で中間層１１７ｄが形成されてもよい。また、中間層１１７ｄは単層構造に限られず、積層構造であってもよい。さらに中間層１１７ｄの厚みは、特に限定されず、スイッチオフ状態における可動端子１１３と固定端子１２０との間に設定されるギャップ（高さＨに相当）の大きさに応じて適宜設定可能である。
【００３６】
本実施形態では、中間層１１７ｄは、後述する第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５と同一の積層体で構成される。この場合、中間層１１７ｄは、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５と同時に形成される。これにより中間層１１７ｄの形成工程を別途設ける必要がなくなるため、工程数増による生産性の低下を招かない。中間層１１７ｄは、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５と電気的に接続されることはなく、支持部１７ｃ上に独立して形成される。このため、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５の駆動時に中間層１１７ｄの変形は生じず、可動端子１１３と固定端子１２０との間の安定した接触状態を確保することができる。
【００３７】
可動端子１１３は、導電材料で構成され、典型的には金属材料で構成されるが、導電性酸化物等の非金属材料であってもよい。本実施形態では、密着層としてのＴｉ（チタン）膜とその上に形成された電極層としてのＰｔ(白金)膜とで可動端子１１３が構成される。純Ｐｔ膜は、高硬度であるとともに、成膜が比較的容易であるため生産性に優れるという利点がある。また上記電極層は、Ｐｔ／Ｉｒ（Ｉｒ含有量、例えば１０ａｔ％以下））合金で構成されてもよく、これにより高硬度かつ耐摩耗性に優れる可動端子を形成することができる。さらに上記電極層は、Ｐｔ系材料以外にも、純ＡｕやＡｕ合金を含むＡｕ系材料で構成されてもよい。純Ａｕは低抵抗であるため、信号線路１２との接触抵抗を低減することができる。またＡｕ合金としては、Ａｕ／Ｎｉ合金（Ｎｉ含有量、例えば５ａｔ％以下）、Ａｕ／Ａｇ合金（Ａｇ含有量、例えば４０ａｔ％以下）等が挙げられる。Ａｕ／Ｎｉ合金は高硬度かつ耐摩耗性に優れ、Ａｕ／Ａｇ合金は低抵抗であるという利点を有する。上記密着層には、Ｔｉ以外にも、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＴｉＯ、Ｃｒ等が用いられてもよい。可動端子１１３は、絶縁膜１０３及び中間層１１７ｄを介して支持部１１７ｃの上に形成され、その厚みは特に限定されず、例えば０．２μｍである。
【００３８】
ベース基板１０は、単一層のシリコン基板で構成されてもよいが、本実施形態では、第１のシリコン基板１０Ａと第２のシリコン基板１０Ｂとの積層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板で構成される。
【００３９】
第１のシリコン基板１０Ａは、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２と同一の厚みで形成される。第１のシリコン基板１０Ａの厚みは特に限定されず、例えば２μｍ〜１０μｍであり、本実施形態では５μｍである。第２のシリコン基板１０Ｂは、ベース基板１０の厚みの主要部をなし、ハンドリング性を確保できるのに十分な厚みで形成される。第２のシリコン基板１０Ｂの厚みは特に限定されず、例えば１００μｍ〜７５０μｍであり、本実施形態では５００μｍである。第１のシリコン基板１０Ａと第２のシリコン基板１０Ｂとは接合層１０Ｃを介して相互に接合される。接合層１０Ｃは、例えばシリコン酸化膜で構成される。
【００４０】
第１のカンチレバー１１１、第２のカンチレバー１１２及び支持体１１７は、第１のシリコン基板１０Ａを形状加工することで形成される。本実施形態では後述するように、第１のシリコン基板１０Ａの表面に形成されたレジストパターンをマスクとするドライエッチング又はウェットエッチングを施すことによって、第１のシリコン基板１０Ａの面内に第１のカンチレバー１１１、第２のカンチレバー１１２及び支持体１１７がそれぞれ形成される。したがって、第１のカンチレバー１１１、第２のカンチレバー１１２及び支持体１１７の各々の表面は、ベース基板１０の表面１０１と同一の平面で形成される。
【００４１】
開口部１０４は、上述のエッチング加工によって形成された、第１のシリコン基板１０Ａを貫通するスリット１０４ａ（図１）と、第２のシリコン基板１０Ｂに形成された凹部１０４ｂ（図２）とによって構成される。凹部１０４ｂは、第２のシリコン基板１０Ｂに対してドライエッチング又はウェットエッチングを施すことによって形成される。凹部１０４ｂは、可動部１１をベース基板１０の裏面１０２側に露出させるのに十分な大きさに形成される。これにより、可動部１１の開口部１０４内におけるＺ軸方向への変形が許容される。
【００４２】
第１の圧電駆動部１１４及び第２の圧電駆動部１１５は、絶縁膜１０３を介してベース基板１０の表面１０１に形成される。第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５はそれぞれ同一の構成を有しており、図２に示すように下部電極層Ｌ１、上部電極層Ｌ２、及び、下部電極層Ｌ１と上部電極層Ｌ２との間に形成された圧電層Ｌ３の積層膜で構成される。
【００４３】
第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５は、Ｘ軸方向に長手方向を有する略矩形状に形成され、第１のカンチレバー１１１及び第２のカンチレバー１１２の表面にそれぞれ形成される。第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５は、下部電極層Ｌ１と上部電極層Ｌ２との間に所定の電圧を印加し、圧電層Ｌ３を収縮させることで、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２をＺ軸方向に変形させる。このように第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５は、可動端子１１３が信号線路１２に接触する第１の状態（本例ではスイッチオン状態）と、可動端子１１３が信号線路１２から離間する第２の状態（本例ではスイッチオフ状態）とを切り替えることが可能に構成される。
【００４４】
第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５は、それぞれ同期して駆動される。例えば第２の圧電駆動部１１５は、第１の圧電駆動部１１４と同期して支持体１１７（可動端子１１３）をＺ軸方向に移動させるように構成される。典型的には、スイッチオン状態のときは第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５へ同時に駆動電圧が入力され、スイッチオフ状態のときは第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５への駆動電圧の入力が同時に解除される。
【００４５】
なお、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５は、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の裏面側にそれぞれ形成されてもよい。この場合、圧電層が伸長するように各電極層に電圧を印加することで、各々のカンチレバー１１１，１１２を変形させることができる。
【００４６】
下部電極層Ｌ１及び上部電極層Ｌ２は、図示しない駆動回路に接続される端子層Ｔ１，Ｔ２をそれぞれ有する。上記駆動回路は、典型的には、直流回路で構成されるが、パルス発振回路で構成されてもよい。下部電極層Ｌ１及び上部電極層Ｌ２のうち一方は、基準電位に接続され、他方に正電圧源あるいは負電圧源に接続される。基準電位は接地電位でもよいし、所定のバイアス電位であってもよい。
【００４７】
第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５はそれぞれ同一の構成を有し、本実施形態では図５に示す断面構造を有する圧電素子Ｄ１で構成される。圧電素子Ｄ１は、絶縁膜１０３の上に、下部金属層Ｌ１１、下部導電性酸化物層Ｌ１２、圧電層Ｌ３、上部導電性酸化物層Ｌ２１及び上部金属層Ｌ２２が順に積層された構造を有する。圧電素子Ｄ１の下部電極層Ｌ１は、下部金属層Ｌ１１と下部導電性酸化物層Ｌ１２との積層体に相当し、上部電極層Ｌ２は、上部導電性酸化物層Ｌ２１と上部金属層Ｌ２２との積層体に相当する。
【００４８】
下部金属層Ｌ１１及び上部金属層Ｌ２２の構成材料は特に限定されず、本実施形態においては密着層としてのＴｉ膜とその上に形成されたＰｔ膜とでそれぞれ構成される。下部金属層Ｌ１１の厚みは、例えば約０．２μｍ、上部金属層Ｌ２２の厚みは、例えば約０．１μｍである。
【００４９】
下部導電性酸化物層Ｌ１２及び上部導電性酸化物層Ｌ２１の構成材料も特に限定されず、本実施形態においてはＬＮＯ（ＬａＮｉＯ3：ニッケル酸ランタン）でそれぞれ構成される。厚みは特に限定されず、それぞれ例えば０．１８μｍである。本実施形態において上部導電性酸化物層Ｌ２１及び上部金属層Ｌ２２は、圧電素子Ｄ１の内部応力を制御する応力制御層として機能する。これにより圧電素子Ｄ１の有する内部応力を一定に保持することができる。
【００５０】
圧電層Ｌ３は、本実施形態では厚み約１．５μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成される。ＰＺＴの組成比は化学量論組成であってもよいし、化学量論組成よりも酸化度が低い組成であってもよい。圧電層Ｌ３の厚みは特に限定されず、材料や目的とする圧電性能等に応じて適宜設定可能である。ＰＺＴの成膜方法も特に限定されず、本実施形態ではゾルゲル法が用いられるが、これ以外にも、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法等のドライプロセス、あるいは液相成長法等のウェットプロセスが適用可能である。
【００５１】
次に、信号線路１２及び接地線路１３１，１３２について説明する。
【００５２】
信号線路１２及び接地線路１３１，１３２は、絶縁膜１０３を介してベース基板１０の表面１０１にそれぞれ形成される。信号線路１２は、ベース基板１０に形成された図示しない信号端子に電気的に接続され、接地線路１３１，１３２は、ベース基板１０に形成された図示しない接地端子に電気的に接続される。信号線路１２は、所定の無線通信帯域の高周波信号を伝送する線路として構成される。信号線路１２及び接地線路１３１，１３２はそれぞれＹ軸方向に沿って平行に形成されている。接地線路１３１，１３２は信号線路１２を挟むようにして、信号線路１２に関して対称な位置にそれぞれ配置される。これにより、ＧＳＧ（Ground-Signal-Ground）配線構造を有するコプレーナ線路型線路ＣＰＷが形成される。
【００５３】
信号線路１２は一定の線幅で形成され、その大きさは特に限定されず、例えば２０〜５００μｍであり、本実施形態では１８０μｍである。信号線路１２は、ベース基板１０の開口部１０４をＹ軸方向に跨ぐ固定端子１２０を有する。固定端子１２０は、可動部１１（可動端子１１３）の直上にアーチ形状に形成され、可動端子１１３とＺ軸方向に対向する。固定端子１２０の中央位置には、Ｙ軸方向にそれぞれ対向する一対の端子部１２１，１２２が形成される。
【００５４】
一対の端子部１２１，１２２間の間隙は、Ｙ軸方向に沿った可動端子１１３の幅寸法よりも小さく、また端子部１２１，１２２各々の先端部は、ベース基板１０の表面１０１からほぼ同一の高さ位置に形成されている。すなわち、可動部１１の駆動により可動端子１１３が信号線路１２の固定端子１２０に向かって移動した際、可動端子１１３は、一対の端子部１２１，１２２に接触するように構成されている。
【００５５】
可動端子１１３の上記幅寸法及び端子部１２１，１２２間の間隙の大きさは特に限定されず、例えば、上記幅寸法は３０〜３００μｍ、上記間隙は３０〜２００μｍの範囲に設定することができる。本実施形態では、可動端子１１３の上記幅寸法は１５０μｍ、端子部１２１，１２２間の間隙の大きさは３０μｍである。
【００５６】
接地線路１３１，１３２は、ベース基板１０の開口部１０４をＹ軸方向に跨ぐ接地線路部１３０をそれぞれ有する。これら接地線路部１３０は、可動部１１（第１及び第２の圧電駆動部１４１，１４２）の直上にそれぞれアーチ状に形成される。各接地線路部１３０はほぼ同一の形状を有し、例えば、可動部１１と対向する領域が平面となるように頂部が平坦な面で形成される。
【００５７】
接地線路１３１，１３２は一定の線幅で形成され、その大きさは特に限定されず、例えば１００〜１５００μｍであり、本実施形態では４００μｍである。また、Ｘ軸方向に相互に対向する信号線路１２と接地線路１３１，１３２との間隔の大きさも特に限定されず、例えば５〜２５０μｍであり、本実施形態では８０μｍである。
【００５８】
信号線路１２及び接地線路１３１，１３２は、抵抗率の低い金属材料で形成され、本実施形態ではＡｕ（金）で構成される。信号線路１２及び接地線路１３１，１３２の厚みは特に限定されず、本実施形態では約６μｍである。
【００５９】
本実施形態において、信号線路１２及び一対の接地線路１３１，１３２は、ベース基板１０の表面１０１においてそれぞれ同一平面上に形成され、固定端子１２０及び接地線路部１３０もまた、可動部１１の表面（ベース基板１１の表面１０１）に対してそれぞれ同一の高さ位置に形成されている。また本実施形態においては、可動端子１１３と固定端子１２０との間のギャップ（高さＨに相当）の大きさは６μｍに設定される。
【００６０】
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、例えば図示しない実装基板（配線基板）と電気的に接続される外部接続端子を有する。上記外部接続端子は、信号線路１２に接続される上記信号端子、接地線路１３１，１３２に接続される上記接地端子、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５の端子層Ｔ１，Ｔ２等で構成されてもよいし、これらに電気的に接続される他の複数の端子であってもよい。実装方式も特に限定されず、ワイヤボンディング方式でもよいし、フリップチップ方式であってもよい。
【００６１】
また本実施形態の圧電アクチュエータ１は、図示しない制御回路によってその駆動が制御される。圧電アクチュエータ１は、例えば上記実装基板上の配線パターンを介して上記制御回路と電気的に接続される。上記制御回路は、例えば駆動回路を含むコンピュータで構成され、当該圧電アクチュエータ１に専用の制御回路であってもよいし、当該圧電アクチュエータ１が搭載される通信機器の動作を全体的に制御するコントローラの一部であってもよい。
【００６２】
次に、以上のように構成される圧電アクチュエータ１の典型的な動作について説明する。
【００６３】
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、図２に示すスイッチオフ状態では、信号線路１２の固定端子１２０は距離Ｈをおいて可動端子１１３と対向する。これにより、信号線路１２の開放状態が維持され、信号の伝送が遮断される。
【００６４】
一方、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５に所定の駆動電圧が印加されることにより、可動部１１に、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２をＺ軸方向に弾性変形させる駆動力が発生する。第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の変形により可動端子１１３は固定端子１２０に接触し、圧電アクチュエータ１は、図２に示すスイッチオフ状態から図４に示すスイッチオン状態に遷移する。これにより信号線路１２が通過状態となり、信号線路１２を介して信号が伝送される。
【００６５】
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、信号線路１２及び接地線路１３１，１３２は、上述した構成のコプレーナ型線路ＣＰＷを構成しているため、スイッチオン状態において、高周波において生じるインピーダンス不整合に起因した信号の反射を防止し、高性能な高周波伝送特性を得ることができる。
【００６６】
一方、本実施形態の圧電アクチュエータにおいては、第１及び第２の圧電駆動部１１４，１１５を構成する圧電素子Ｄ１の上部電極層Ｌ２は、図５に示すように上部導電性酸化物層Ｌ２１を含むため、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の反り量を容易に制御することができる。
【００６７】
すなわち、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の上に積層される各層は、所定の内部応力（膜応力）を有する。この内部応力の大きさ、方向（引張り方向あるいは圧縮方向）は、材料、膜厚、成膜条件等によって異なるものの、これら各層の面内応力の総和によって第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２の変形あるいは反りの量が左右される。図６は、絶縁膜１０３及び圧電素子Ｄ１を構成する各層の内部応力の面内方向を示す模式図である。絶縁膜１０３、下部金属層Ｌ１１、下部導電性酸化物層Ｌ１２及び上部導電性酸化物層Ｌ２１はそれぞれ面内圧縮方向の内部応力を有し、圧電層Ｌ３及び上部金属層Ｌ２２はそれぞれ面内引張り方向の内部応力を有する。
【００６８】
ここで上部電極層を金属層のみで構成した場合、当該金属層の内部応力によって圧電層Ｌ３以下の各層の面内応力を緩和し、基材（カンチレバー）の反り量を抑えることになる。しかしながら、当該金属層の塑性変形やクリープ現象によって当該金属層の内部応力が変化してしまい、初期設定した応力制御量が変化して基材に反りを生じさせる場合がある。こうなると、圧電ＭＥＭＳスイッチの場合においては、繰り返し動作によってカンチレバーの反り量が変化し、これが原因で可動端子と固定端子との間の距離が変化する結果、オン動作させるときのスイッチ駆動電圧が変化することになる。
【００６９】
そこで本実施形態では、上部電極層Ｌ２は上部導電性酸化物層Ｌ２１で構成される。導電性酸化物は、共有性結合ないしイオン性結合を有するため塑性変形が少なく、応力緩和が起こりにくい。このため圧電アクチュエータ１の繰り返し動作によっても、成膜後の内部応力（膜応力）を長期にわたって安定に維持することができる。これにより可動端子１１３と固定端子１２０との距離の変化を防止することができるため、スイッチ駆動電圧の変動を抑制し、長期にわたり安定したスイッチング動作を確保することができる。また、導電性を有するため圧電素子Ｄ１に印加される電圧の分圧は招かず、したがって圧電素子Ｄ１の駆動電圧の上昇を抑えることができる。
【００７０】
上部導電性酸化物層Ｌ２１が有する内部応力は、圧電素子Ｄ１の作製後においてカンチレバー１１１，１１２の反り量が所定の範囲内となるように設定され、その大きさは、膜厚、成膜条件等によって調整することができる。上部導電性酸化物層Ｌ２１の内部応力は、圧電層Ｌ３の内部応力の大きさ、カンチレバー１１１，１１２の長さ、許容されるカンチレバー１１１，１１２の反り量等に応じて適宜設定することができる。
【００７１】
本実施形態では、上部導電性酸化物層Ｌ２１がＬＮＯで構成される。ＬＮＯは、成膜後において面内圧縮方向の内部応力を有するため、面内引張り方向の内部応力を有する圧電層Ｌ３の応力緩和層として有効に機能させることができる。またＬＮＯは、ペロブスカイト結晶構造を有し、更にその格子定数は３．８４ÅとＰＺＴの格子定数（４．０１Å）に近い。このため、圧電層Ｌ３との間に歪が少ない界面構造を形成することができる。
【００７２】
さらに本実施形態では、上部電極層Ｌ２に上部金属層Ｌ２２を含む。上部金属層Ｌ２２の内部応力は、面内引張り方向でもよいし、面内圧縮方向でもよく、上部電極層Ｌ２の成膜後に残留する積層体の内部応力の向きによって適宜選択することができる。本実施形態では、面内引張り方向の内部応力を有する金属層が上部金属層Ｌ２２として用いられる。これにより、上部導電性酸化物層Ｌ２１として用いられるＬＮＯの内部応力が、下地の圧電層Ｌ３の内部応力よりも大きい場合、これらＬＮＯと圧電層Ｌ３との応力差を小さくすることができる。
【００７３】
上部金属層Ｌ２２は、上述したようにＰｔ／Ｔｉ膜で構成され、Ｔｉ及びＰｔを例えばスパッタ法により順に積層して構成される。Ｔｉ膜は、Ｐｔ膜の密着層として機能する。Ｐｔ／Ｔｉ膜は、成膜温度によって内部応力の面内方向が決定される。すなわちＰｔ／Ｔｉ膜を室温で成膜したときの内部応力は面内圧縮方向であるが、成膜温度を高くすると内部応力の面内方向が引張り方向に転じる。この温度は処理条件によって異なるが、例えば約１５０〜２００℃である。また成膜温度を高くするほど面内引張り方向の内部応力は大きくなる傾向にある。
【００７４】
本実施形態では、その面内圧縮方向の内部応力を緩和するために、面内引張り方向の上部金属層Ｌ２２を用いるようにしている。このように上部導電性酸化物層Ｌ２１と上部金属層Ｌ２２の膜応力差を利用することで、上部電極層の内部応力の最適化を図ることができる。
【００７５】
なお、圧電層Ｌ３の成膜直後の内部応力は、その下地層である下部電極層Ｌ１や絶縁膜１０３の内部応力の影響を受けることも考えられるが、圧電層Ｌ３のペロブスカイト化を促進し圧電特性を高めるため、圧電層は７００℃以上の高温で成膜ないし再結晶化処理が施される場合がある。このときの処理温度によっては、下部電極層Ｌ１や絶縁膜１０３の内部応力はアニール効果により減殺あるいは消失することが考えられる。したがって主として圧電層Ｌ３が本来的に有する内部応力を考慮に入れることで、上部電極層Ｌ２の膜設計を行うことができる。
【００７６】
また本実施形態の圧電素子Ｄ１においては、下部電極層Ｌ１に、ＬＮＯで構成された下部導電性酸化物層Ｌ１２を含む。ＬＮＯは、上述のようにペロブスカイト構造を有し、圧電層Ｌ３を構成するＰＺＴに近い格子定数を有するため、圧電層Ｌ３の配向性が高まり、優れた圧電特性を得ることができる。
【００７７】
［圧電アクチュエータの製造方法］
次に、以上のように構成される本実施形態の圧電アクチュエータ１の製造方法について図７〜図９を参照して説明する。図７〜図９は、圧電アクチュエータ１の製造方法を説明する要部の工程断面図である。
【００７８】
図７（Ａ）に示すように、ベース基板１０として、第１のシリコン基板１０Ａ（弾性層）と第２のシリコン基板１０Ｂとが接合層１０Ｃを介して接合されたＳＯＩ基板を準備する。接合層１０Ｃは例えば厚み約１μｍのシリコン酸化膜で構成される。このベース基板１０は当初、所定の大きさウェーハ基板で構成され、当該ウェーハ基板上で複数個の素子（圧電アクチュエータ１）を一括的に形成した後、ダイシング工程により所定の素子サイズに切り出される。
【００７９】
ベース基板１０は、熱酸化炉等において熱処理されることで、その表面１０１、裏面１０２及び周面を含む全面に熱酸化膜が所定の厚み（例えば０．８μｍ）で形成される。なお各図においては、ベース基板１０の表面１０１に形成された熱酸化膜（絶縁膜１０３）のみ図示している。
【００８０】
次に図７（Ｂ），（Ｃ）に示すように、絶縁膜１０３を介して圧電駆動部１１４，１１５及び中間層１１７ｄを構成する積層体Ｌ０が形成される。積層体Ｌ０は、成膜後、所定形状にパターニングされることで、第１のシリコン基板１０Ａ上に圧電駆動部１１４，１１５及び中間層１１７ｄがそれぞれ形成される。なお、積層体Ｌ０の成膜工程の詳細については後述する。
【００８１】
続いて図８（Ａ）に示すように、可動端子１１３及び信号端子１２ｔがそれぞれ形成される。可動端子１１３は中間層１１７ｄの上に形成され、信号端子１２ｔは、中間層１１７ｄを挟むようにベース基板１０の表面に一対形成される。可動端子１１３及び信号端子１２ｔは、厚み約１０ｎｍの密着層としてのＴｉ膜と、その上に形成された厚み約０．２μｍのＰｔ膜とで構成され、それぞれスパッタ法で成膜される。
【００８２】
次に図８（Ｂ）に示すように、第１のシリコン基板１０Ａにその厚み方向に貫通するスリット１０４ａを形成することで、第１及び第２のカンチレバー１１１，１１２、支持体１１７（第１及び第２の連結部１１７ａ，１１７ｂ、支持部１１７ｃ）の外形あるいは輪郭を形成する。スリット１０４ａは、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてベース基板１０の表面１０１にスリット１０４ａの形成部位が開口するレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとするドライエッチングによって形成される。このとき接合層１０Ｃは、スリット１０４ａのエッチングストッパ層として機能する。スリット１０４ａの形成後、スリット１０４ａの底部に位置する接合層１０Ｃは、例えばＴＭＡＨ（４メチル水酸化アンモニウム）を用いて除去される。
【００８３】
続いて図８（Ｃ）に示すように、信号線路１２及び接地線路１３１，１３２を形成するために、ベース基板１０の表面に犠牲層Ｗをそれぞれ形成する。犠牲層Ｗは、固定端子１２０及び接地線路部１３０各々のアーチ形状を形成するためのもので、可動端子１１３及び圧電駆動部１１４，１１５の所定領域を被覆するレジストパターンでそれぞれ構成される。
【００８４】
犠牲層Ｗの形成後、信号線路１２及び接地線路１３１，１３２がそれぞれ形成される。信号線路１２及び接地線路１３１，１３２は主として、犠牲層Ｗの上に形成されたＡｕめっき層からなり、成膜後、所定形状にパターニングされる。ここでは信号線路１２の形成工程を例に挙げてＡｕめっき層の形成方法を説明する。
【００８５】
犠牲層Ｗの形成後、図９（Ａ）に示すように犠牲層Ｗを含むベース基板１０の表面に、Ａｕめっき層のシード層Ｍ１を形成する。本実施形態においてシード層Ｍ１は、厚み約５ｎｍの密着層としてのＴｉ膜とその上に形成された厚み約２００ｎｍのＡｕ膜とで構成され、それぞれスパッタ法で成膜される。次に、シード層Ｍ１の上にＡｕめっき層Ｍ２を形成する。この際、可動端子１１３を被覆する犠牲層Ｗの上部には、固定端子１２０の端子部１２１，１２２を形成するためのレジストパターンＷ２を形成しておく。本実施形態においてＡｕめっき層Ｍ２の厚みは約６μｍである。シード層Ｍ１及びめっき層Ｍ２は、ウェットエッチング又はドライエッチングプロセスによってパターニングされることで、シード層Ｍ１及びめっき層Ｍ２の積層体からなる信号線路１２及び接地線路１３１，１３２が形成される。
【００８６】
続いて図９（Ｂ）に示すように、第２のシリコン基板１０Ｂに、スリット１０４ａと連通する凹部１０４ｂが形成されることで、ベース基板１０に可動部１１を収容する開口部１０４が形成される。本実施形態において凹部１０４ｂは、第２のシリコン基板１０Ｂに対するドライエッチングプロセスによって形成される。凹部１０４ｂの形成後、犠牲層Ｗ及びレジストパターンＷ２がそれぞれ除去される。犠牲層Ｗの除去工程は、除去液にベース基板１０を浸漬し、開口部１０４を介して犠牲層Ｗを溶出させる。
【００８７】
以上のようにして、本実施形態の圧電アクチュエータ１が製造される。本実施形態によれば、ベース基板１０の表面を加工することで可動部１１を形成するようにしているので、半導体プロセス技術を用いることで微小の圧電アクチュエータを精度よく製造することができる。
【００８８】
次に、圧電駆動部１１４，１１５（及び中間層１１７ｄ）を構成する圧電素子Ｄ１の形成方法について説明する。
【００８９】
圧電素子Ｄ１は、ベース基板１０表面の絶縁膜１０３に下部電極層Ｌ１、圧電層Ｌ３及び上部電極層Ｌ２を順に積層することで形成される。下部電極層Ｌ１の形成工程は、下部金属層Ｌ１１の形成工程と、下部導電性酸化物層Ｌ１２の形成工程とを有する。
【００９０】
（下部電極層の形成工程）
下部金属層Ｌ１１は、密着層としてのＴｉ膜及びその上に形成されたＰｔ膜とで構成した。厚みは特に限定されないが、本実施形態ではＴｉ層を１０ｎｍ、Ｐｔ層を１８０ｎｍとした。Ｔｉ層及びＰｔ層はＤＣスパッタ法で形成され、成膜温度は１００℃とした。成膜圧力、スパッタパワーは特に限定されず、例えば、それぞれ０．１〜１Ｐａ、１００〜５００Ｗである。下部金属層Ｌ１１は室温で成膜されることで、面内圧縮方向の内部応力を示す。上記条件で成膜された下部金属層Ｌ１１の単層での面内応力は、面内圧縮方向に約２００ＭＰａであるが、その後の圧電層Ｌ３の形成工程において印加される熱により、ある程度緩和されるものと推定される。
【００９１】
次に、下部導電性酸化物層Ｌ１２として、ＬＮＯ（ニッケル酸ランタン）をＲＦスパッタ法により成膜した。下部導電性酸化物層Ｌ１２の厚みは約０．１８μｍとし、成膜温度は３００℃とした。成膜条件は特に限定されず、例えば、成膜圧力は０．１〜１Ｐａ、ＲＦパワーは１００〜５００Ｗである。上記条件で成膜された下部導電性酸化物層Ｌ１２の単層での面内応力は、面内圧縮方向に約１０００ＭＰａであるが、その後の圧電層Ｌ３の形成工程において印加される熱により、ある程度緩和されると推定される。
【００９２】
（圧電層の形成工程）
続いて、下部導電性酸化物層Ｌ１２の上に圧電層Ｌ３が形成される。本実施形態では、圧電層Ｌ３としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をゾルゲル法で形成した。厚みは特に限定されず、本実施形態では１．５μｍとした。成膜温度は５５０〜７００℃とされ、本実施形態では６００℃とした。上記条件で成膜された圧電層Ｌ３の単層での面内応力は、面内引張り方向に約２００〜３００ＭＰａであるが、その後の上部電極層Ｌ２の形成工程において印加される熱により、最低でも１００ＭＰａ程度にまで緩和されると推定される。
【００９３】
本実施形態によれば、圧電層Ｌ３の下地層が同じペロブスカイト構造の下部導電性酸化物層Ｌ１２（ＬＮＯ層）で構成されているため、圧電層Ｌ３の結晶配向性が高まり、圧電特性の向上を図ることができる。
【００９４】
圧電層Ｌ３は、成膜後、再結晶化処理が施されてもよい。これにより圧電層Ｌ３の結晶構造のペロブスカイト化が促進され、圧電特性の向上を図ることができる。再結晶化温度は例えば５５０〜７００℃とされる。
【００９５】
（上部電極層の形成）
続いて、上部導電性酸化物層Ｌ２１が形成される。本実施形態では、上部導電性酸化物層Ｌ２１としてＬＮＯ（ニッケル酸ランタン）をＲＦスパッタ法により成膜した。上部導電性酸化物層Ｌ２１の厚みは特に限定されないが、厚みが大きいほど内部応力も大きくなる。例えば、上記のような工程で可動部１１を形成した後のカンチレバー１１１，１１２の反り量が所定値以下（例えば１μｍ以下）となるような膜応力となるように、上部導電性酸化物層Ｌ２１の厚みが決定され、本実施形態では約０．１８μｍとした。成膜条件は特に限定されず、例えば、成膜温度は３００℃、成膜圧力は０．１〜１Ｐａ、ＲＦパワーは１００〜５００Ｗである。上記条件で成膜された上部導電性酸化物層Ｌ２１の単層での面内応力は、面内圧縮方向に約１０００ＭＰａであるが、その後の上部金属層Ｌ２２の形成工程において印加される熱により、約４８０ＭＰａ程度に緩和される。
【００９６】
上部導電性酸化物層Ｌ２１の上に、上部金属層Ｌ２２が形成される。本実施形態では、上部金属層Ｌ２２として、密着層としてのＴｉ膜及びその上に形成されたＰｔ膜とで構成した。厚みは特に限定されないが、本実施形態ではＴｉ層を１０ｎｍ、Ｐｔ層を８０ｎｍとした。Ｔｉ層及びＰｔ層はＤＣスパッタ法で形成され、成膜温度は３００℃とした。上部金属層Ｌ２２は２００℃以上で成膜されることで、面内引張り方向の内部応力を発現させることができる。成膜圧力、スパッタパワーは特に限定されず、例えば、それぞれ０．１〜１Ｐａ、１００〜３００Ｗである。上記条件で成膜された上部金属層Ｌ２２の単層での面内応力は、面内引張り方向に約４００ＭＰａと推定される。
【００９７】
上部金属層Ｌ２２をその内部応力が面内引張り方向となるように成膜することで、上部導電性酸化物層Ｌ２１の内部応力を緩和することができる。上部導電性酸化物層Ｌ２１の内部応力の大きさが圧電層Ｌ３の内部応力の大きさとが上記のように大きく異なる場合に特に有効な手法である。このように上部導電性酸化物層Ｌ２１と上部金属層Ｌ２２の膜応力差を利用することで、上部電極層Ｌ２の内部応力の最適化を図ることができる。
【００９８】
上部金属層Ｌ２２の内部応力の大きさは、上部導電性酸化物層Ｌ２１の内部応力を考慮して決定することができる。この際、上部金属層Ｌ２２の加熱成膜により上部導電性酸化物層Ｌ２１の内部応力が緩和されることを想定して、上部金属層Ｌ２２の内部応力が設定されてもよい。
【００９９】
図１０に、上部金属層（Ｐｔ／Ｔｉ）Ｌ２２の厚みと上部導電性酸化物層（ＬＮＯ）Ｌ２１の内部応力との関係の一例を示す。上部導電性酸化物層Ｌ２１の厚みは０．１８８μｍとし、ＬＮＯの内部応力は基板の反り量から推定した。図１０に示すように、ＬＮＯ単独の場合は面内圧縮方向に１２００〜１３００ＭＰａであった内部応力が、その上に積層されるＰｔ／Ｔｉの厚みによって面内圧縮方向に４００〜５００ＭＰａ程度にまで緩和されることが確認された。本実施形態では、上部電極層Ｌ２全体の内部応力の大きさが約４８０ＭＰａとなるように上部金属層Ｌ２２を成膜した。
【０１００】
以上のようにして圧電素子Ｄ１を構成する積層体Ｌ０が形成される。その後、各層を所定形状にパターニングすることで、圧電駆動部１１４，１１５及び中間層１１７ｄがそれぞれ形成される。各層のパターニングは、積層体Ｌ０の形成後に行う場合に限られず、各層の成膜ごとに行われてもよい。
【０１０１】
本実施形態によれば、圧電素子Ｄ１の内部応力を上部電極層Ｌ２の膜応力で制御するようにしているため、圧電素子Ｄ１の成膜の最終工程で当該圧電素子Ｄ１の内部応力を調整することができる。また本実施形態においては圧電素子Ｄ１の形成後に３００℃を超えるプロセスは実施されないため、上部電極層Ｌ２の内部応力はその後のプロセスにおいて緩和されることなく所定の内部応力値（４８０ＭＰａ）が確保される。このため圧電層Ｌ３の内部応力によるカンチレバー１１１，１１２の反りを効果的に抑制することができる。これにより、可動端子１１３と固定端子１２０との間の距離（Ｈ）を高精度に設定でき、信頼性に優れた圧電アクチュエータを安定して製造することが可能となる。
【０１０２】
また、上部金属層Ｌ２２は２００℃以上の温度で成膜されているため、素子作製後、配線基板上に実装する際のはんだリフロー温度で上部電極層Ｌ２の内部応力が緩和されることはない。
【０１０３】
さらに本実施形態によれば、上部電極層Ｌ２の導電性酸化物層Ｌ２１を含むため、金属材料と異なり、組成変形やクリープ現象等による応力緩和は発生しない。したがって、圧電アクチュエータ１の繰り返し動作による上部電極層Ｌ２の応力緩和を抑制でき、長期にわたり安定したスイッチング動作を確保することができる。
【０１０４】
＜第２の実施形態＞
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータの圧電駆動部の構成を示す概略断面図である。本実施形態では、第１の実施形態の構成および作用と同様な部分についてはその説明を省略または簡略化し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１０５】
本実施形態に係る圧電アクチュエータの圧電駆動部は、図１１に示す圧電素子Ｄ２で構成される。圧電素子Ｄ２は、下部電極層Ｌ１が、下部金属層Ｌ１１のみで構成されている点で、上述の第１の実施形態と異なる。このような構成によっても、上部電極層Ｌ２による圧電素子Ｄ２全体の応力制御が可能となる。一例として、上部導電性酸化物層Ｌ２１を厚み０．１５μｍのＬＮＯで構成し、上部金属層Ｌ２２を厚み０．３３μｍのＰｔ／Ｔｉ層で構成したところ、面内において約３３０ＭＰａの圧縮応力を有する上部電極層Ｌ２が得られた。
【０１０６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１０７】
例えば以上の実施形態では、下部導電性酸化物層Ｌ１２及び上部導電性酸化物層Ｌ２１の構成材料としてＬａＮｉＯ3（ＬＮＯ）が用いられたが、これ以外にも、導電性酸化物として、ＳｒＲｕＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＹＡｌＯ3、ＨｆＯ2等の二元系あるいは三元系以上の酸化物材料が用いられてもよい。また、導電性酸化物の内部応力は上述した面内圧縮方向を有する材料に限られず、面内引張り方向を有する材料が用いられてもよく、圧電層の有する内部応力の面内方向に応じて適宜選択することができる。
【０１０８】
また以上の実施形態では、圧電層Ｌ３としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられたが、これ以外にも、ニオブ酸カリウム酸ナトリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、窒化アルミニウム等の他の圧電材料が用いられてもよい。
【０１０９】
また以上の実施形態では、圧電素子の上部電極層は、導電性酸化物層と金属層との積層体で構成されたが、導電性酸化物層単層で上部電極層が構成されてもよい。また、上部電極層及び下部電極層を構成する金属層は、Ｐｔ／Ｔｉ膜で構成されたが、例えばＴａ等の単層の金属層で構成されてもよい。
【０１１０】
さらに以上の実施形態では、圧電アクチュエータとして２本のカンチレバーで可動部を構成したＭＥＭＳスイッチを例に挙げて説明したが、単一のカンチレバーで可動部を構成したＭＥＭＳスイッチにも本発明は適用可能である。なおＭＥＭＳスイッチに限られず、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブや加速度あるいは角速度センサ等のようなカンチレバーを圧電素子で駆動する（又はカンチレバーに作用する応力を圧電素子で検出する）他の圧電アクチュエータにも本発明は適用可能である。
【０１１１】
さらに以上の実施形態では、圧電アクチュエータとして圧電スイッチを例に挙げて説明したが、これ以外にも、可変キャパシタや、可変キャパシタとスイッチを組み合わせた可変フィルタ等の圧電駆動部を有する他の圧電アクチュエータにも、本発明は適用可能である。そして本発明に係る圧電アクチュエータは、携帯電話に代表される無線通信端末に内蔵される高周波スイッチ、あるいは高周波フィルタ等として使用することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１…圧電アクチュエータ
１０…ベース基板
１１０…ベース部
１１１，１１２…カンチレバー
１１３…可動端子
１１４，１１５…圧電駆動部
１２０…固定端子
Ｄ１，Ｄ２…圧電素子
Ｌ１…下部電極層
Ｌ１１…下部金属層
Ｌ１２…下部導電性酸化物層
Ｌ２…上部電極層
Ｌ２１…上部導電性酸化物層
Ｌ２２…上部金属層
Ｌ３…圧電層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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