(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体膜であって、
前記圧電体膜の結晶が｛２２１｝面に優先配向しており、
前記結晶は、疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であって、ＡＢＯ３型のペロブスカイト結晶構造を有し、基板上において｛２２１｝面方位にエピタキシャル成長してなることを特徴とする圧電体膜。
【請求項２】
前記結晶は、
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴＯ）、
チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、
亜鉛ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）との固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）、又は
マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）との固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電体膜。
【請求項３】
前記基板は、主面が（２２１）面である単結晶シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３：ＳＴＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の圧電体膜。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し当該圧電体膜の両側にそれぞれ形成された各電極を介して膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し当該圧電体膜の両側にそれぞれ形成された各電極を介して膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする電気機器。
【請求項６】
圧電体膜の製造方法であって、
主面が（２２１）面である基板上に圧電体結晶を｛２２１｝面方位にエピタキシャル成長させる工程を含み、
前記基板は、主面が（２２１）面である単結晶シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３：ＳＴＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のいずれかであり、
前記結晶は、疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であって、ＡＢＯ３型のペロブスカイト結晶構造を有する、
ことを特徴とする圧電体膜の製造方法。
【請求項７】
前記基板上に｛２２１｝優先配向のセリア／セリアジルコニア（ＣｅＯ２／Ｃｅ・ＺｒＯ２）を形成し、その上に前記圧電体結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項６に記載の圧電体膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体膜及び圧電アクチュエータに係り、特に、所定の優先配向方向によって、高い圧電特性を有する圧電体膜、及びこれを利用して大きな変位を得ることができる圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体膜は、電界を加えると歪みを発生し（逆圧電効果）、この性質を利用して種々の圧電アクチュエータに応用されている。従来より、圧電アクチュエータにおける変位量を向上させるため、圧電特性の高い圧電体を得る努力が続けられてきた。
【０００３】
例えば、特開平１０−８１０１６号公報には、圧電体膜の結晶構造が菱面体晶であり、面方位（１１１）の結晶面、あるいは面方位（１００）の結晶面、あるいはその両方に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。また、圧電体膜の結晶構造が正方晶であり、面方位（００１）の結晶面に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。
【０００４】
また、特開平１１−２３８９２１号公報には、圧電体層が正方晶系であって、（００１）面方位と（１１１）面方位とが混在しており、全面方位に対する前記（１１１）面方位の割合が前記（００１）面方位の割合より大きく設定されている圧電体素子が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によって、高い圧電特性を有する圧電体膜を得ることができる。しかしながら、これからの圧電アクチュエータには、より大きな変位量、低電力化、小型化が求められており、より高い圧電特性を有する圧電体膜が望まれる。
【０００６】
本発明は、より高い圧電特性を有する圧電体膜、及び、より大きな変位量を実現する圧電アクチュエータを提供することを目的とする。また、このような圧電体膜を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明の圧電体膜は、結晶が｛２２１｝面に優先配向していることを特徴とする。
【０００８】
この圧電体膜は、多結晶であっても良く、単結晶であっても良い。
【０００９】
基板に平行な結晶面が｛２２１｝面となる結晶粒の割合を多くすることにより、高い圧電特性を達成することができる。特に、変位量の大きな圧電体膜を提供することができる。
【００１０】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であることを特徴とする。
【００１１】
疑似立方晶系（psudocubic）である場合、又は、疑似立方晶系、菱面体晶系（rhombohedoral）若しくは正方晶系（tetragonal）の結晶相境界（morphotropic  phase  boundary：以下、ＭＰＢという）のように複数の晶系が混在している場合は、更に高い圧電特性を得られることが判明している。
【００１２】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶はＡＢＯ３型のペロブスカイト結晶構造を有することを特徴とする。
【００１３】
この結晶構造を有する複合酸化物は、高い圧電特性を有する。なお、（Ａ１Ａ２）ＢＯ３のように添加物を含んだり、Ａ（Ｂ１Ｂ２）Ｏ３のように多成分系としてもよい。
【００１４】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、亜鉛ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）との固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）、又はマグネシウムニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）との固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）の何れかを主成分とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は、基板上において｛２２１｝面方位にエピタキシャル成長して形成されたことを特徴とする。
【００１６】
エピタキシャル成長させることで、｛２２１｝面方位の配向度を高めることができる。
【００１７】
また、本願発明の圧電体膜は、前記基板は、主面が（２２１）面である単結晶シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３：ＳＴＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
また、本願発明の圧電アクチュエータは、上述した圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする。
【００１９】
圧電アクチュエータの例としては、例えば、（位置決め）ポジショナ、圧電ファン、圧電モータ、圧電ポンプ、圧電リレー、圧電バルブ等の駆動素子がある。圧電アクチュエータに応用することにより、高い変位を得ることのできるアクチュエータを得ることができる。
【００２０】
また、本願発明の電気機器は、上述した圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする。
【００２１】
電気機器とは電気で駆動される機械器具一般をいい、例としては圧電ファン、圧電モータ、圧電ポンプ、圧電リレー、圧電バルブ等が挙げられる。
【００２２】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、基板上において圧電体結晶を｛２２１｝面方位にエピタキシャル成長して形成することを特徴とする。
【００２３】
圧電体結晶を｛２２１｝面方位にエピタキシャル成長させることによって、結晶配向性に優れ、高い圧電特性を有する圧電体膜を提供することができる。
【００２４】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、前記基板は、主面が（２２１）面である単結晶シリコン（Ｓｉ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３：ＳＴＯ）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のいずれかであることを特徴とする。
【００２５】
基板として（２２１）面配向の単結晶シリコン、チタン酸ストロンチウム、又は酸化マグネシウムを用いて圧電体結晶をエピタキシャル成長させることにより、圧電体膜の（２２１）面を優先配向させることができる。
【００２６】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、前記基板上に｛２２１｝優先配向のセリア／セリアジルコニア（ＣｅＯ２／Ｃｅ・ＺｒＯ２）を形成し、その上に圧電体結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（原理説明）
圧電材料に電界を加えると歪みを発生する逆圧電効果において、歪みは、自発歪みが伸長することに起因するもの（圧電効果の本来的な部分）と、自発歪みが回転することに起因するもの（本来的ではない部分）との和で表される。大きな変位量を得るためには、自発歪みの伸長とともに、自発歪みの回転を利用することが有効である。
【００２８】
図１は、あるＰＺＴ圧電体膜について、電圧印加前後のＸ線回折強度を測定して得られたグラフである。この圧電体は｛１１１｝面に優先配向しているが、他の面に配向している結晶粒も存在する。このグラフから、｛２２１｝面に配向した結晶粒は、他の結晶面に配向した結晶粒より、電圧印加前後における回折強度の変化率が大きいことがわかる。
【００２９】
なお、このグラフでは、図示２θ＝６８°付近に｛２２１｝面配向の結晶の回折強度と｛３００｝面配向の結晶の回折強度とが重なって表示されている。しかし｛３００｝面配向の結晶の回折強度の変化率は、図示２θ＝４４°付近の｛２００｝面配向の結晶の回折強度の変化率と同一のはずであり、｛２００｝面配向の結晶の回折強度の変化率は、図示されるように極めて小さい。このため、｛３００｝面配向の結晶の回折強度の変化率は小さく、｛２２１｝面配向の結晶の回折強度の変化率が大きいことがわかる。
【００３０】
このことから、｛２２１｝面配向結晶は、最も自発歪みの回転が生じ易いことを導くことができる。従って、｛２２１｝面に優先配向した圧電体膜は、高い圧電特性を有し、これを使用した圧電アクチュエータは、大きな変位特性を得ることができる。
【００３１】
なお、自発歪みの回転が生じる場合は、自発歪みの回転が生じない場合と比べると、形状変化に時間がかかり、例えばメガヘルツ（ＭＨｚ）以上のオーダーの高周波で駆動させると応答性が劣る可能性もある。しかし、比較的低周波で駆動させる場合には、圧電アクチュエータとして十分実用に堪える程度の応答性を得ることができ、むしろ大きな変位を得られることによる利点が大きい。
【００３２】
（結晶構造）
図２は、圧電体の結晶構造の一種であるＡＢＯ３型のペロブスカイト結晶構造の模式図である。この結晶構造において、元素Ａは２価の金属元素（Ｐｂ等）であり、元素Ｂは４価の金属元素（ＴｉやＺｒ等）であり、元素Ｏは通常酸素（Ｏ）である。なお、（Ａ１Ａ２）ＢＯ３のように添加物を含んだり、Ａ（Ｂ１Ｂ２）Ｏ３のように多成分系としてもよい。
【００３３】
図中、三角形の枠内に斜線で示した面が（２２１）面であり、その法線は図中矢印で示すように［２２１］方向を向いている。本発明の圧電体膜は、基板に平行な結晶面が｛２２１｝面、すなわち（２２１）面、（２１２）面、又は（１２２）面となる結晶粒の割合が多くなるように配向制御されて製造される。
【００３４】
（製造方法）
図３は、本実施形態による圧電体膜の製造方法を説明する工程図である。図３（Ａ）に示すように、面方位（２２１）、厚さ２２０μｍの単結晶シリコン（ｓ−Ｓｉ）基板１上に、バッファ層（下地層）５として｛２２１｝優先配向のセリア／セリアジルコニア（ＣｅＯ２／Ｃｅ・ＺｒＯ２）を０．５μｍの厚さに電子線蒸着法でエピタキシャル形成する。なお、基板１の組成は上記単結晶シリコンに限らず、面方位（２２１）の単結晶ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板やＭｇＯ基板であっても良い。ＳＴＯ基板やＭｇＯ基板を用いる場合、基板上に直接、又は下部電極６（後述）を介して、圧電体膜７（後述）を成膜しても良い。
【００３５】
次に、バッファ層５上に、下部電極６となる｛２２１｝優先配向の白金（Ｐｔ）膜をエピタキシャル成長させて１００ｎｍの厚みに成膜する。なお、下部電極６として、白金膜を成膜せずにバッファ層５上に直接圧電体膜７を成膜しても良い。また、白金膜の代わりに、エピタキシャル成長できる他の導電性材料、例えばイリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム等を下部電極６としても良い。
【００３６】
次に、図３（Ｂ）に示すように、圧電体材料を構成する有機金属原料を気化した原料ガスと酸素含有ガス、キャリアガス等の供給量を適宜調整しながら、ＣＶＤ法により、｛２２１｝優先配向の圧電体膜７となるＰＺＴ結晶をエピタキシャル成長させて１μｍ程度の厚みに成膜する。
【００３７】
一般にバルクのＰＺＴの場合、室温付近の結晶系はＸ線回折測定による結晶相同定の結果、ペロブスカイト構造におけるＢサイトの構成元素比、即ち、Ｚｒ／Ｔｉのモル比が０／１以上で０．５３／０．４７未満の範囲にあるときは正方晶系を構成し、０．５３／０．４７を超えて０．９０／０．１０以下の範囲にあるときは菱面体晶系を構成し、Ｚｒ／Ｔｉのモル比が０．５３／０．４７近傍においては正方晶／菱面体晶の結晶相境界、即ち、ＭＰＢが存在することが結晶学的に判明している。そこで、本実施例ではＺｒ／Ｔｉのモル比を０．５６／０．４４とし、圧電体膜７をＭＰＢ近傍の結晶構造とした。
【００３８】
なお、圧電体膜７の結晶系は疑似立方晶系でも良く、疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系でも良い。
【００３９】
上記の通り基板１、下地層５及び下部電極６は（２２１）面方位に優先配向しているため、これらの上にエピタキシャル成長した圧電体膜７も、（２２１）面方位に優先配向されることになる。
【００４０】
なお、ＣＶＤ法に限らず、エピタキシャル成長により圧電体膜を形成できる他の方法、例えば、ゾルゲル法等によって圧電体膜を成膜しても良い。ゾルゲル法は、圧電体膜を構成する金属成分の水酸化物の水和錯体（ゾル）を基板上に塗布し、乾燥、脱脂させた後、結晶化熱処理を行う方法である。
【００４１】
なお、本実施形態では圧電体としてＰＺＴを用いたが、これに限らず、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴＯ）、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）、又はマグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）を用いてもよい。
【００４２】
さらに、図３（Ｃ）に示すように、圧電体膜７上に上部電極８として白金を１００ｎｍの膜厚にＤＣスパッタ法で成膜する。その後上部電極８上にレジストを塗布して所定形状にパターニングし、残ったレジストをマスクとして上部電極８、圧電体膜７をエッチングすることにより、圧電体素子が形成される。
【００４３】
本実施形態によれば、エピタキシャル成長により圧電体膜７は（２２１）面に強く配向し、且つＭＰＢ近傍の結晶構造を有しているため、圧電体素子をアクチュエータとして使用する場合に高い変位特性を得ることができる。
【００４４】
（圧電体膜の応用例）
図４は、本発明により製造される圧電体膜を用いた圧電ポンプの概略断面図である。圧電ポンプ２０には、圧電素子２１、ポンプ室２６、吸入側逆止弁２７ａ、吐出側逆止弁２７ｂ、吸入口２８ａ、吐出口２８ｂが形成されている。圧電素子２１は、２層の圧電体膜２２、３層の電極２３、信号線２４、被覆材２５を備えている。
【００４５】
信号線２４に電圧が供給されると、圧電体膜２２の膜厚方向に電圧が印加され、圧電体素子２１に歪みが生じる。このため、ポンプ室２６内の圧力が変化し、逆止弁２７ａ、２７ｂの働きによって流体が吸入口２８ａからポンプ内に流れ、排出口２８ｂから外部に排出される。
【００４６】
かかる圧電ポンプでは、圧電素子の変形が大きいことが強く要求される一方、高周波に対する応答性はあまり要求されない。そのため、本発明の圧電体膜の特徴を生かし、流体搬送効率の高い圧電ポンプを提供することができる。
【００４７】
また、本発明の圧電体膜は上記の他に、（位置決め）ポジショナ、圧電ファン、圧電モータ、圧電リレー、圧電バルブ等、種々の電気機器に用いることができ、その圧電特性の高さを利用して効率の高い電気機器を作成することができる。また、本発明の圧電体膜は、フィルタ、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、ＳＡＷフィルタ、ＲＦモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等に応用することもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、より高い圧電特性を有する圧電体膜、及び、より大きな変位量を実現する圧電アクチュエータを提供することができる。また、このような圧電体膜を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＺＴ圧電体膜について、電圧印加前後のＸ線回折強度を示すグラフである。
【図２】ＡＢＯ３型のペロブスカイト結晶構造の模式図である。
【図３】本実施形態による圧電体膜の製造方法を説明する工程図である。
【図４】本発明により製造される圧電体膜を用いた圧電ポンプの概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、５…バッファ層、６…下部電極、７…圧電体膜、８…上部電極、２０…圧電ポンプ、２１…圧電素子、２２…圧電体膜、２３…電極、２４…信号線、２５…被覆材、２６…ポンプ室、２７ａ…吸入側逆止弁、２７ｂ…吐出側逆止弁、２８ａ…吸入口、２８ｂ…吐出口
【図１】
0003750446.tif 000002
【図２】
0003750446.tif 000003
【図３】
0003750446.tif 000004
【図４】
0003750446.tif 000005