CN102077376A - 压电体元件和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电体元件和其制造方法，本发明的压电体元件具有基板和依次形成于基板上的下部电极层、压电体层、上部电极层。使基板的线性热膨胀系数比压电体层的线性热膨胀系数大，使压电体层为压缩方向具有面内应力的多晶体。由此，可实现压电体层沿极化轴方向具有高取向性、位移量相对施加电压的比例性高、位移量的绝对值大的压电体元件。

Description

压电体元件和其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有电-机械转换功能的压电体元件和其制造方法。
背景技术
具有钙钛矿型结构的氧化物电介体薄膜用通式ABO3表示，显示出优异的强介电性、压电性、焦电性及电光学特性。作为对各种传感器或致动器等广泛的设备有用的材料而备受瞩目，可以认为今后其利用范围会急剧扩大。对于作为钙钛矿型氧化物的锆钛酸铅(PZT：通式Pb(ZrxTi1-x)O3(0＜x＜1))系薄膜，由于其具有高压电性，因此，可用作压电传感器或压电致动器等压电体元件。压电传感器利用的是强介电性的压电效果。强电介体的内部具有自发极化，使其表面产生正电荷及负电荷。在大气中的稳定状态下与大气中的分子所持有的电荷结合成为中性状态。对该压电体施加外压时可以由压电体取出与压力量相应的电信号。另外，压电致动器也是利用同样的原理，对该压电体施加外压时根据其电压压电体进行伸缩，可以沿伸缩方向或垂直于其方向的方向产生位移。
PZT系薄膜可尝试用蒸镀法、喷涂法(溅射法)、CVD法(Chemical Vapor Deposition法)等为代表的气相沉积法、或化学溶液法(CSD法：Chemical Solution Deposition法)、水热合成法等为代表的液相沉积法来制作。其中，CSD法的组成控制容易，容易制作再现性良好的薄膜。而且具有制造设备所需要的成本低廉可以大量生产的特征。
图9是现有的强电介体薄膜元件的剖面图。在图9中，在硅基板11的表面形成膜厚
Figure BPA00001279808200011
的热氧化膜12，在该热氧化膜12上用溅射法形成膜厚
Figure BPA00001279808200012
的Ti膜13，在该Ti膜13上同样用溅射法形成膜厚
Figure BPA00001279808200013
的Pt膜14，将其用作基板。
下面，示出现有的强电介体元件的制造方法。
首先，在1mol的乙酸中，加入乙酸铅0.1mol，在100℃、氮气氛中加热搅拌大约1小时。在该溶液中，加入将异丙醇钛(Ti(OCH(CH3)2)4)用2-甲氧基乙醇制成1mol/L的溶液36ml和将异丙醇锆(Zr(OCH(CH3)2)4)用2-甲氧基乙醇制成1mol/L的溶液64ml。将该溶液进一步在120℃、氮气氛中加热搅拌大约3小时，冷却至室温后，用2-甲氧基乙醇制成0.5mol/L。进而，在该溶液至加入0.2mol水搅拌大约1小时后加入二乙醇胺，将其用作PZT前体溶液。将该前体溶液滴加在上述基板上，在350rpm×3秒、5000rpm×20秒的条件下进行旋涂，通过100℃×15分钟的热处理制成干燥凝胶。其后，在400℃×60分钟的条件下进行有机物的热分解。将该步骤重复3次，由此得到膜厚大约
Figure BPA00001279808200021
的薄膜15。对于所述薄膜15，用红外线高速退火装置进行热处理、结晶化，得到PZT薄膜15。热处理条件为：在大气压、100％氧气氛中，退火温度为650℃，退火时间为15秒。在PZT薄膜15上，进一步形成上部电极层16。
图10是表示现有的压电体元件的P-E磁滞的图。在图10中，示出利用现有的方法制作的PZT薄膜15的表示重复108次极化反转前后的强介电性的极化量(P)-施加电场(E)磁滞回线。现有的压电体元件的位移量相对施加电压的线性低。其原因是压电体层的结晶取向性低。
在这样的压电体层中，P-E磁滞回线的矩形比(角型性)M、即用M＝Pr/Ps表示的饱和极化Ps和残留极化Pr之比低，位移量相对施加电压的线性下降。如果位移量相对施加电压的线性低，则难以控制设备。
作为与该申请发明相关的现有技术文献情报，已知有例如专利文献1。专利文献1：日本特开平8-157260号公报。
发明内容
本发明的压电体元件具有基板和依次形成于该基板上的下部电极层、压电体层、上部电极层。下部电极层由导电性氧化物结晶体构成，基板具有比压电体层大的线性热膨胀系数，压电体层位具有压缩方向的面内应力的多晶体。
由此，本发明可以提高位移量相对施加电压的线性。其原因是压电体层的结晶取向性提高。即，对于本发明而言，由于下部电极层为导电性氧化物结晶体，因此，几乎不受基板组成的影响，可以使其主取向面的晶格常数与压电体层的主取向面的晶格常数接近。
另外，对基板而言，通过使用线性热膨胀系数比压电体层大的基板，在压电体层的形成步骤中，可以对该压电体层施加压缩应力。其结果，可以提高压电体层的极化轴方向的取向性，提高位移量相对施加电压的线性。
附图说明
图1是本发明的实施方式1中的压电体元件的剖面图。
图2是表示本发明的实施方式1中的压电体层的(001)/(100)面的X射线衍射图的图。
图3是表示本发明的实施方式1中的压电体层的(004)/(400)面的X射线衍射图的图。
图4是表示本发明的实施方式1中的压电体元件的P-E磁滞的图。
图5是本发明的实施方式1中的形成有高传导层的压电体元件的剖面图。
图6是表示本发明的实施方式2中的压电体元件的P-E磁滞的图。
图7是表示本发明的实施方式3中的压电体元件的P-E磁滞的图。
图8是本发明的实施方式4中的压电体元件的剖面图。
图9是现有的压电体元件的剖面图。
图10是表示现有的压电体元件的P-E磁滞的图。
具体实施方式
下面，对于本发明的压电体元件和其制造方法的实施方式，边参照附图边进行说明。
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1中的压电体元件的剖面图。在图1中，压电体元件由基板1、依次形成于基板1上的防扩散层2、下部电极层3、压电体层4、上部电极层5构成。
作为基板1的材料，可以使用比压电体层4的线性热膨胀系数大、而且断裂韧性大的材料。可以使用例如不锈钢材料或铝、镁等金属材料等各种材料。
防扩散层2是抑制基板1或压电体层4的构成元素相互扩散的层，优选二氧化硅或二氧化钛等不存在晶界的氧化物材料。
下部电极层3由以镍酸镧(LNO：化学式LaNiO3)为主要成分的材料构成。镍酸镧(以下，称为LNO)持有R-3c的空间群，具有菱面体变形了的钙钛矿型结构(菱形体晶系：
Figure BPA00001279808200041
α＝60°、近似立方晶系：
Figure BPA00001279808200042
)。LNO的电阻率为1×10-3(Ω·cm、300K)，是具有金属电传导性的氧化物，具有即使温度变化也不会发生金属-绝缘体转变的特征。
作为以LNO为主要成分的材料，可使用将镍的一部分用其他金属取代而成的材料等。例如用铁取代而成的LaNiO3-LaFeO3系材料、用铝取代而成的LaNiO3-LaAlO3系材料、用锰取代而成的LaNiO3-LaMnO3系材料、用钴取代而成的LaNiO3-LaCoO3系材料等。
压电体层4由面体晶系(日文：面体晶系)或四方晶系的(001)面取向的PZT构成。PZT的组成为四方晶系和菱形体晶系的界线(准同型相界(Morphotropic phase boundary))附近的组成(Zr/Ti＝53/47)。需要说明的是，压电体层4中的Zr/Ti组成不限于Zr/Ti＝53/47，只要为Zr/Ti＝30/70～70/30即可。另外，对于压电体层4的构成材料，只要是PZT中含有Sr、Nb、Al等添加物的材料等以PZT为主要成分的钙钛矿型氧化物强电介体即可，也可以是PMN(铌镁酸铅)或PZN(铌锌酸铅)。
对于压电体层4，优选垂直于基板1的面优先取向于极化轴方向，平行于基板1的面随机取向。由此成为弹性小、断裂韧性大的结构，适于致动器那样的重复振动的设备。
这里，本实施方式1中使用的四方晶系的PZT为具有
Figure BPA00001279808200043
Figure BPA00001279808200044
的晶格常数的材料。因而，具有
Figure BPA00001279808200045
的晶格常数的近似立方晶结构的LNO与PZT的晶格匹配良好。晶格匹配是指PZT的单元晶格与LNO表面的单元晶格的晶格一致性(lattice consistency)。通常情况下，报告有某种晶面在表面露出时，其晶体点阵和在其上成膜的膜的晶体点阵要匹配的力起作用，在基板-膜界面容易形成外延的晶核。
需要说明的是，只要压电体层4的主取向面和下部电极层3的主取向面的晶格常数之差为±10％以内，就可以提高压电体层4的(001)/(100)方向的取向性。而且在基板-膜界面可以形成外延的晶核。
通过利用下述制造方法制作LNO，可以实现在各种基板上优先取向于(100)方向的多晶体膜。因而，LNO不仅作为下部电极起作用，而且还具有作为压电体层4的取向控制层的功能。由此可选择性生成与(100)面取向的LNO的表面(晶格常数：
Figure BPA00001279808200051
)晶格匹配好的PZT(晶格常数：a＝4.036、)的(001)面及(100)面。另外，由于下部电极层3的LNO薄膜为多晶结构，因此，形成于其上的PZT薄膜也成为多晶结构。
在压电体层4的制造步骤中使用CSD法时，成膜时需要退火步骤。由于PZT在高温下进行结晶化再排列，因此，在冷却至室温时，因其与基板1的热膨胀系数之差而残留压缩应力。考虑使用例如JIS(Japanese Industrial Standard)规定的奥氏体系不锈钢的SUS304作为基板1时，SUS304的线性热膨胀系数为173×10-7/℃。PZT的线性热膨胀系数为79×10-7/℃，由于SUS304一方的线性热膨胀系数大，因此，PZT的面内方向残留压缩应力。在本实施方式1中，压电体层4残留压缩应力，对于压电体元件而言，当以上部电极层5侧为上面、以基板1侧为底面时，成为上面侧凸起那样的结构。
这里，对制作的压电体元件的X射线衍射图进行说明。图2是表示本发明的实施方式1中的压电体层的(001)/(100)面的X射线衍射图的图。图3是表示本发明的实施方式1中的压电体层的(004)/(400)面的X射线衍射图的图。
由图2可知，由PZT构成的压电体层4只选择取向于PZT(001)/(100)方向。另外，由图3可知，压电体层4在作为极化轴方向的(004)方向具有高的选择取向性。
这里，将(004)面的取向度(α(004))定义为α(004)＝I(004)/((I(004)+I(400))时，α(004)＝93％，具有非常高的(004)取向度。
由以上可知，通过对PZT施加压缩应力，可以提高向作为极化轴方向的(001)方向的取向性。需要说明的是，可以认为，对压电体层4施加压缩应力时，(100)取向的结晶结构发生变形而变成(001)取向。
上部电极层5由0.3μm厚的金(Au)构成。上部电极层5的材料不限于Au，只要为导电性材料即可，膜厚为0.1～0.5μm的范围即可。
图4是表示本发明的实施方式1中的压电体元件的P-E磁滞的图。与现有例的图10相比可知，图4可以得到矩形比非常好的磁滞。
对于图10所示的现有的压电体元件，将P-E磁滞回线的矩形比(squareness)M以饱和极化Ps和残留极化Pr之比的形式定义为M＝Pr/Ps时，在硅基板11上利用CSD法形成的PZT薄膜15中，成为M＝0.55这样低的值。
在此使用作为以低电压驱动为特征的传感器或致动器的压电体元件时，由于在不发生极化反转的电场区域使用，因此，追求高的压电体常数、而且矩形比M良好、即M接近1的特性。因而，在用于低电压驱动矩形比M低的现有的压电体元件的设备时，位移量相对施加电压的变化的比例性低，因此难以控制设备。另外，对于现有的压电体元件而言，与高电场区域相比，0kV/cm附近的压电特性大大下降，因此，在低电压驱动时位移量的绝对值也非常小，得不到规定的特性。
相对于此，在本实施方式1中，由图4所示的P-E磁滞回线计算矩形比M＝Pr/Ps，可得到M＝0.78这样的非常优异的特性。即，可以实现位移量相对施加电场的比例性良好的压电体元件。进而，由于残留极化值Pr的值显示为Pr＝31.4(μC/cm2)这样高的值，因此，在低电压驱动时也可以实现位移量的绝对值大的压电体元件。
下面，对上述压电体元件的制造方法进行说明。
首先，为了在基板1上形成防扩散层2，利用旋涂法涂敷SiO2前体溶液。作为SiO2前体溶液，可以使用利用公知的方法制作的各种溶液，本实施方式1使用高纯度化学株式会社制造的Si-05S。利用旋涂法在基板1上涂敷该SiO2前体溶液。旋涂的条件为转数2500rpm、30秒。涂敷在基板1上的SiO2前体溶液在150℃干燥10分钟，其后在500℃正式焙烧10分钟。通过重复以上步骤至规定的膜厚，形成防扩散层2。
接着，利用旋涂法涂敷用于形成下部电极层3的LNO前体溶液。作为在防扩散层2上旋涂LNO前体溶液的条件，设定为转数3500rpm、30秒。
该LNO前体溶液的调节方法如下所述。
作为起始原料，使用六水合硝酸镧、四水合乙酸镍，使用2-甲氧基乙醇和2-氨基乙醇作为溶剂。由于2-甲氧基乙醇稍微含有水分，因此，使用预先用分子筛0.3nm去除水分后的2-甲氧基乙醇。
首先，将六水合硝酸镧(La(NO3)3·6H2O)采集在烧杯中，为了去除水合物而使其在150℃干燥1小时以上。接着冷却至室温后加入2-甲氧基乙醇，通过在室温下搅拌3小时，使硝酸镧溶解(溶液A)。
另一方面，将四水合乙酸镍((CH3COO)2Ni·4H2O)采集在另外的可拆卸烧瓶中，为了去除水合物而使其在150℃干燥1小时后、在200℃干燥1小时共计干燥2小时。接着，加入2-甲氧基乙醇及2-氨基乙醇，在110℃搅拌30分钟(溶液B)。
将该溶液B冷却至室温后，将溶液A投入加入有溶液B的可拆卸烧瓶中。将这些溶液的混合液在室温下搅拌3小时，由此制作LNO前体溶液。
接着，将涂敷在基板1上的LNO前体溶液在150℃干燥10分钟进行脱水处理。其后利用在350℃预焙烧10分钟进行的热处理，进行残留有机成分的热分解，制作LNO前体薄膜。对涂敷的所述前体溶液进行脱水的步骤是为了去除LNO前体溶液中的物理吸附水分，优选温度超过100℃且低于200℃。这是因为在200℃以上LNO前体溶液中的残留有机成分开始分解，是为了防止制作的膜中残留水分。另一方面，利用分解有机物的预焙烧步骤制作LNO前体薄膜的步骤的温度优选为200℃以上且低于500℃。这是因为在500℃以上可大大促进干燥的LNO前体溶液结晶体，是为了防止制作的膜中残留有机成分。
多次重复从将该LNO前体溶液涂敷在防扩散层2上的步骤至制作LNO前体薄膜的步骤。在达到规定的膜厚时，用快速加热炉(RTA：Rapid Thermal Annealing)进行快速加热、结晶化退火。结晶化退火的条件设定为700℃、5分钟，升温速度设定为200℃/min。结晶化退火温度优选为500℃以上750℃以下。而且，其后使其冷却至室温。通过用以上步骤形成下部电极层3，可得到在(100)面方向高取向的LNO。为了得到规定膜厚的下部电极层3，可以替换多次重复从涂敷至热分解后进行结晶化的步骤而重复每次从涂敷至结晶化的步骤。
接着，在下部电极层3上，利用旋涂法或浸涂法等已有的涂敷法涂敷用于形成压电体层4的PZT前体溶液。在下部电极层3上旋涂PZT前体溶液的条件设定为转数2500rpm、30秒。
该PZT前体溶液的调节方法如下所述。
对于用于本调节方法的乙醇，为了防止由含有水分而引起金属醇盐水解，设定为预先进行了脱水处理的无水乙醇。
首先，作为调节Pb前体溶液的起始原料，使用三水合乙酸铅(Ⅱ)(Pb(OCOCH3)2·3H2O)。将其采集在可拆卸烧瓶中，为了去除水合物而使其在150℃干燥2小时以上。接着加入无水乙醇进行溶解，使其在78℃回流4小时，制作Pb前体溶液。作为调节Ti-Zr前体溶液的起始原料，使用异丙醇钛(Ti(OCH(CH3)2)4)和正丙醇锆(Zr(OCH2CH2CH3)4)。将这些原料都采集在不同的可拆卸烧瓶中，加入无水乙醇进行溶解，使其在78℃回流4小时，制作Ti-Zr前体溶液。以使Ti/Zr比以mol比计为Ti/Zr＝47/53的方式进行秤量。将该Ti-Zr前体溶液混合在Pb前体溶液中。这时，使Pb成分相对化学计量组成(Pb(Zr0.53，Ti0.47)O3)过量20mol％。这是为了补充由退火时的铅成分挥发而导致的短缺部分。将该混合溶液在78℃回流4小时，以使其相对金属阳离子的总量为0.5mol等量加入作为稳定剂的乙酰丙酮，进一步在78℃回流1小时，由此制作PZT前体溶液。
接着，将涂敷在下部电极层3上的PZT前体溶液在115℃干燥10分钟进行脱水处理。其后利用在350℃预焙烧10分钟进行的热处理，进行残留有机成分的热分解，制作PZT前体薄膜。对涂敷的所述前体溶液进行脱水的步骤是为了去除PZT前体溶液中的物理吸附水分，优选温度超过100℃且低于200℃。这是因为在200℃以上PZT前体溶液中的残留有机成分开始分解，是为了防止制作的膜中残留水分。另一方面，利用分解有机物的预焙烧步骤制作PZT前体薄膜的步骤的温度优选为200℃以上且低于500℃。这是因为在500℃以上可大大促进干燥的PZT前体溶液结晶化，是为了防止制作的膜中残留有机成分。
多次重复从将该PZT前体溶液涂敷在下部电极层3上的步骤至制作PZT前体薄膜的步骤。在达到规定的膜厚时，用利用了灯加热器(lamp heater)的快速加热炉(RTA：Rapid Thermal Annealing)进行快速加热、结晶化退火。结晶化退火的条件设定为650℃、5分钟，升温速度设定为200℃/min。结晶化退火温度优选为500℃以上750℃以下。当结晶化退火温度高于750℃时，PZT成膜时膜中所含的Pb因蒸发而短缺，结晶性下降。而且在该结晶化退火步骤后，使其冷却至室温，形成压电体层4。为了得到规定膜厚的压电体层4，可以替换多次重复涂敷～热分解后进行结晶化的步骤而重复每次涂敷～结晶体的步骤。利用上述步骤可得到在(001)面方向高取向的PZT薄膜。
最后，利用离子束蒸镀法在压电体层4上形成由Au构成的上部电极层5。对于上部电极层5的形成方法，不限于离子束蒸镀法，也可以用电阻加热蒸镀法、溅射法等。
根据本实施方式1，在由LNO构成的下部电极层3上形成由PZT构成的压电体层4，因此，与现有的压电体元件那样在Pt电极上形成的情况相比，可以得到非常高的结晶取向性。
图5是本发明的实施方式1中的形成有高传导层的压电体元件的剖面图。在具有比LNO还高的电传导性的设备中使用本压电体元件时，可以如图5所示在下部电极层3和防扩散层2之间形成高传导层6。作为高传导层6，优选为贵金属材料或贵金属氧化物，可使用例如铂、钌、铱、铼、氧化钌、氧化铱、氧化铼等。
另外，根据本实施方式1，由于防扩散层2、衬底电极层3及压电体层4利用CSD法来制作，因此，不需要溅射法等气相沉积法所需要的真空工艺，可以降低成本。通过利用上述制造方法制作用于衬底电极层3的LNO，可以使其在(100)面方向自我取向，因此，不容易使取向方向依赖于基板1的材料。因而，具有基板1的材料不受限制的特征。因而在本实施方式1中，从热膨胀系数或断裂韧性的观点考虑，可以选择规定的基板1的材料。
进而，根据本实施方式1，基板1使用不锈钢材料等断裂韧性大的各种材料，与使用有作为脆性材料的Si基板的现有例相比，可以提高可靠性。因此本发明的压电体元件适于传感器或致动器之类的重复振动的设备。硅基板在设备的制造步骤中发生微小的裂纹等缺陷时，存在以那里为起点裂开的危险性。与其相比，本实施方式1的断裂韧性高的材料可以大大降低裂开的危险性，可以提高设备的制造成品率。进而，与Si基板相比不锈钢材料非常廉价，可以将基板成本降低至1/10左右。
另外，根据本实施方式1，使用多晶材料作为压电体层4，与使用单晶材料的情况相比，可以提高由振动带来的断裂耐性。这是因为单晶材料的情况下基板面内方向的结合力强，因此不能缓和由振动带来的应力而容易发生断裂，但在多晶材料的情况下因面内方向存在晶界而可以缓和应力。
需要说明的是，在本实施方式1中，在结晶化退火步骤使用有快速加热炉，通过将加热气氛设定为惰性气氛，可以抑制基板1氧化。另外，通过仅在压电体层4的表面侧形成用于快速加热炉的卤素灯，可以仅从压电体层4的表面侧加热，可以抑制基板1的加热，因此可以抑制基板1氧化。
需要说明的是，作为结晶化退火的加热炉，不限定于快速加热炉，也可以使用激光退火。在使用激光退火的情况下，为了对压电体层4赋予压缩应力，优选基板1被充分加热，优选与气氛炉并用。
另外，在本实施方式1中，利用CSD法形成压电体层4，但并不限定于此，可以使用气浮沉积法(AD法)、溅射法、CVD法等各种成膜方法。
在使用AD法时，通过在成膜腔室内将由压电体层4的组成构成的氧化物膜在室温下成膜于下部电极层3上后，以与CSD法的结晶化退火同样的方式进行加热，可以实现结晶取向性高、而且施加有压缩应力的压电体层4。在使用溅射法、CVD法时，通过在腔室内进行成膜时预先对基板1进行加热，可以实现结晶取向性高、而且施加有压缩应力的压电体层4。
另外，在本实施方式1中形成有防扩散层3，但在制造步骤中不发生源于基板1或压电体层4的元素扩散的情况下，也可以不使用防扩散层，在基板1上直接形成下部电极层3即可。
进而，在本实施方式1中，使用LNO作为下部电极层3，但并不限于该材料，可以使用各种导电性氧化物结晶体，特别优选钙钛矿型导电性氧化物。可以使用例如近似立方晶系的以在(100)面优先取向的钌酸锶、镧-锶-钴氧化物等为主要成分的钙钛矿型氧化物。在这些情况下，通过将主取向面的晶格常数设定为压电体层4的主取向面的晶格常数的±10％以内，可以提高压电体层4的(001)/(100)方向的取向性。而且通过进一步对压电体层4施加压缩应力，可以提高向作为压电体层4的极化轴方向的(001)方向的取向性。
(实施方式2)
下面，关于本发明的实施方式2中的压电体元件，用附图进行说明。在本实施方式2中，主要构成与实施方式1同样。对于与实施方式1具有同样构成的，省略其说明，对不同点进行详述。
在本实施方式2中，为了进一步提高压电特性，作为用于形成压电体元件的基板1，使用JIS中规定的铁素体系不锈钢的SUS430。SUS430的线性热膨胀系数为105×10-7/℃，相对于此，作为压电体层4的PZT的线性热膨胀系数为79×10-7/℃。由于SUS430一方的线性热膨胀系数大，因此，在PZT中残留压缩应力。但是，可以认为，由于其比SUS304的线性热膨胀系数小，因此，向PZT的压缩应力比使用有SUS304基板的情况小。
图6是表示本发明的实施方式2中的压电体元件的P-E磁滞的图。压电体层4由面体晶系或四方晶系的(001)面取向的PZT构成。在图6中，PZT的组成使用四方晶系和菱形体晶系的界线(准同型相界)附近的不同的3组组成(Zr/Ti＝53/47、60/40、65/35)。
由图6可知，分别可以得到没有泄放的良好的磁滞曲线。此时的最大极化值(Pmax：400kV/cm时的极化值)分别为31μC/cm2(53/47)、40μC/cm2(60/40)、33μC/cm2(65/35)。而且相对介电常数分别为430(53/47)、620(60/40)、590(65/35)。由此可知，特别是Zr/Ti比为60/40时最大极化率和相对介电常数高，电介体/强电介体特性合乎需要。对于压电常数，与SUS304基板上的PZT薄膜相比，可得到大约2倍高的值。
需要说明的是，压电体层4中的Zr/Ti组成不限于Zr/Ti＝53/47、60/40、65/35，只要为Zr/Ti＝30/70～70/30即可。进一步优选为Zr/Ti＝50/50～70/30。
(实施方式3)
下面，关于本发明的实施方式3中的压电体元件，用附图进行说明。在本实施方式3中，主要构成与实施方式1同样。对于与实施方式1具有同样构成的，省略其说明，对不同点进行详述。
在本实施方式3中，基板1使用SUS304，使用其基板1的表面形状为粗糙面的基板。
这里，对于成膜前、未成膜退火处理后、成膜后的各基板的翘曲，利用基板的曲率半径R进行比较。曲率半径的绝对量大表示翘曲量小。相反地，曲率半径的绝对量小表示翘曲量大。
作为实施例，基板1使用厚度为0.2mm、表面为粗糙面、表面粗糙度(Ra)为93nm的SUS304基板。另外，作为比较例，基板1使用厚度为0.2mm、表面为镜面、表面粗糙度(Ra)为30nm的SUS304基板。将实施例与比较例的性能比较的结果示于表1。结果以成膜前的基板的曲率半径为无穷大(∞)进行标准化。
[表1]
Figure BPA00001279808200121
根据表1的结果，在对未成膜基板仅进行退火处理时，实施例、比较例的基板的曲率半径均非常大。即，可知通过退火处理，基板翘曲的可能性低。另一方面，对成膜基板进行测定，结果实施例的基板的曲率半径大、比较例的基板的曲率半径小。即，可知在基板表面为粗糙面的基板上进行成膜的情况一方与在基板表面为镜面的基板上成膜的情况相比，可抑制翘曲量。
图7是表示本发明的实施方式3中的压电体元件的P-E磁滞的图。需要说明的是，压电体层4中的Zr/Ti组成使用Zr/Ti＝53/47。由图7可知，即使基板1表面为粗糙面，也可以得到良好的磁滞曲线。
(实施方式4)
下面，关于本发明的实施方式4中的压电体元件，用附图进行说明。在本实施方式4中，主要构成与实施方式1同样。对于与实施方式1具有同样构成的，省略其说明，对不同点进行详述。
在本实施方式4中，在基板1的与形成有下部电极层3、压电体层4的第1面对置的第2面上，进一步形成压电体层104。
图8是本发明的实施方式4中的压电体元件的剖面图。在图8中，对于压电体元件，在基板1的第1面200上依次形成有防扩散层2、下部电极层3、压电体层4、上部电极层5。进而，在与基板1的第1面200对置的第2面201上，依次形成有防扩散层102、下部电极层103、压电体层104。
作为基板1的材料，可以使用比压电体层4、104的线性热膨胀系数大、且断裂韧性大的材料。可以使用例如不锈钢材料或铝、镁等金属材料等各种材料。
防扩散层2、102是抑制基板1或压电体层4、104的构成元素相互扩散的层，优选二氧化硅或二氧化钛等不存在晶界的氧化物材料。
下部电极层3、103由以LNO为主要成分的材料构成。LNO具有钙钛矿型结构。压电体层4、104为具有面内压缩应力的多晶体。
在第2面201上形成防扩散层102、下部电极层103、压电体层104的步骤可利用在第1面200上形成同样的层的步骤。例如，形成压电体层104的步骤包含将前体溶液涂敷在基板上的步骤、在对基板进行了加热的状态下使前体溶液结晶化的退火步骤、冷却步骤。
第1面200上和第2面201上的步骤相同时，具有基本上可以在相同条件下、同时进行处理的特征。由此，可以提高层形成的步骤的作业效率。
对于如上所述作成的压电体元件而言，压电体层4具有面内的压缩应力，结晶的取向性提高。结果位移量相对施加电压的线性优异。
而且，通过使与第1面200对置的第2面201也备有压电体层104，可以使2个压电体层4、104的压缩应力均衡，可抑制压电体元件翘曲。
而且通过将第1面200上的压电体层4与第2面201上的压电体层104设定为相同组成、相同膜厚，可以使基板1的中心面几乎不发生翘曲，可抑制压电体元件翘曲。
需要说明的是，在本实施方式4中，使用在基板1的第2面201上形成有防扩散层102、下部电极层103、压电体层104的实例进行说明。但是，只要在第2面201上至少形成压电体层104，就具有使其与第1面200上的压电体层4的压缩应力均衡的效果。
产业上的可利用性
本发明的压电体元件和其制造方法可以形成位移量相对施加电压的比例性良好的、显示出优异的压电特性的压电体元件。因此，本发明的压电体元件可有效用作用于各种电子设备的角速度传感器或红外线传感器等各种传感器、压电体致动器或超声波电机等各种致动器、光开关或光扫描仪等光学设备等用途。
符号说明
1    基板
2    防扩散层
3    下部电极层
4    压电体层
5    上部电极层
6    高传导层
11   基板
12   热氧化膜
13   Ti膜
14   Pt薄膜
15   PZT薄膜

Claims (18)

1.一种压电体元件，其特征在于，
具有基板、形成于所述基板上的下部电极层、形成于所述下部电极层上的压电体层和形成于所述压电体层上的上部电极层，
其中，所述下部电极层由导电性氧化物结晶体构成，所述基板具有比所述压电体层大的线性热膨胀系数，所述压电体层为具有面内压缩应力的多晶体。
2.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述压电体层可利用化学溶液法来形成。
3.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述基板具有比所述压电体层大的断裂韧性。
4.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述下部电极层为钙钛矿型。
5.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述下部电极层的主取向面的晶格常数与所述压电体层的主取向面的晶格常数之差为±10％以内。
6.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述压电体层是由垂直于所述基板的面优先取向于极化轴方向且平行于所述基板的面随机取向的钙钛矿型氧化物强电介体构成的。
7.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述基板由金属材料构成。
8.如权利要求1所述的压电体元件，其中，在所述下部电极层之下形成电阻率比该下部电极层小的高传导层。
9.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述基板表面为粗糙面。
10.如权利要求1所述的压电体元件，其中，所述基板表面的表面状态以表面粗糙度Ra计为90nm以上。
11.如权利要求1所述的压电体元件，其中，
在所述基板的与形成有所述下部电极层、所述压电体层的第1面对置的第2面上进一步形成有压电体层，
所述基板具有比所述第2面上的压电体层大的线性热膨胀系数，所述第2面上的压电体层为具有面内压缩应力的多晶体。
12.如权利要求11所述的压电体元件，其中，所述第2面上的压电体层隔着下部电极层形成于所述第2面上。
13.一种压电体元件的制造方法，其是基板上形成有压电体层的压电体元件的制造方法，其特征在于，包括：
在具有比所述压电体层大的线性热膨胀系数的所述基板上形成由导电性氧化物结晶体构成的下部电极层的步骤；
在所述下部电极层上用化学溶液法形成作为多晶体的所述压电体层的步骤；以及
在所述压电体层上形成上部电极层的步骤。
14.如权利要求13所述的压电体元件的制造方法，其中，所述用化学溶液法形成所述压电体层的步骤包含：
在所述下部电极层涂敷所述压电体层的前体溶液的步骤；
对涂敷好的所述前体溶液进行脱水的步骤；
通过从脱水后的所述前体溶液中分解有机物的预焙烧来制作前体薄膜的步骤；
在比所述涂敷前体溶液的步骤的温度高的温度下对所述前体薄膜进行结晶化的退火步骤；以及
对结晶化后的所述前体薄膜进行冷却的冷却步骤。
15.如权利要求13所述的压电体元件的制造方法，其中，重复多次在所述下部电极层上形成所述压电体层的步骤。
16.如权利要求13所述的压电体元件的制造方法，其中，
所述退火步骤具有：用气氛炉对所述基板及所述压电体层进行加热的步骤；和用激光退火对所述压电体层进行加热的步骤。
17.一种压电体元件的制造方法，其是基板上形成有压电体层的压电体元件的制造方法，其特征在于，包括：
在具有比所述压电体层大的线性热膨胀系数的所述基板的第1面上形成由导电性氧化物结晶体构成的下部电极层的步骤；
用化学溶液法，在所述基板的第1面上的所述下部电极层上形成作为多晶体的压电体层，在所述基板的与第1面对置的第2面上形成作为多晶体的压电体层的步骤；以及
在所述第1面上的压电体层上形成上部电极层的步骤。
18.如权利要求17所述的压电体元件的制造方法，其中，
所述第2面上的压电体层隔着下部电极层形成于所述基板的第2面上。
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