JP2001152361A - Thick film structure of piezoelectric ceramics - Google Patents

Thick film structure of piezoelectric ceramics

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JP2001152361A
JP2001152361A JP33624299A JP33624299A JP2001152361A JP 2001152361 A JP2001152361 A JP 2001152361A JP 33624299 A JP33624299 A JP 33624299A JP 33624299 A JP33624299 A JP 33624299A JP 2001152361 A JP2001152361 A JP 2001152361A
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thick film
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善一 秋山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To particularly reduce the damage of a substrate in a piezoelectric ceramics thick film structure by a gas deposition method and to prevent deterioration in the mechanical properties of a multilayered structure composed of the piezoelectric ceramics thick film/substrate. SOLUTION: PZT piezoelectric ceramics fine particles 3 are floated in carrier gas and are made into an aerosol, and this aerosol is injected from a nozzle 5 at a high speed on a substrate to deposite a film. By the collision of the particles accerated at a high speed against the substrate, the kinetic energy of the particles causes a film deposition phenomenon. The damage of the substrate by the collision remarkably appears in ceramics, glass, Si wafers and various oxide crystal materials destroyed by brittle fracture. In particular, in the case the application to a mechanical element such as an actuator is considered, deterioration in its mechanical strength is made important from the viewpoint of the reliability on the element. Not so as to give the damage by the collision with powder to the substrate, an intermediate film is arranged on the substrate, and after that, gas deposition film formation is executed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
厚膜構造に係り、より詳細には、セラミックス粒子をノ
ズルから基板に噴射して堆積膜を得る、ガスデポジショ
ン法成膜より作成される圧電セラミックス厚膜構造にお
いて、特に、基板ダメージを低減させ、圧電セラミック
ス厚膜/基板からなる積層体構造の機械的強度の低下を
防ぐようにしたものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic thick film structure, and more particularly, to a piezoelectric ceramic film formed by a gas deposition method in which ceramic particles are sprayed from a nozzle onto a substrate to obtain a deposited film. In the ceramic thick film structure, in particular, the substrate damage is reduced, and the mechanical strength of the laminated structure composed of the piezoelectric ceramic thick film / substrate is prevented from lowering.

【0002】[0002]

【従来の技術】基板上に圧電セラミックス膜を配置し、
アクチュエータやセンサ素子に利用する試みが為されて
いる。ユニモルフ素子,バイモルフ素子として従来から
製品化がされている素子は、各々の材料を接合し形成す
る為、素子の小型化にとって不向きであった。近年、ガ
スデポジション法により従来では作製が困難であった圧
電セラミックスの基板上への形成が可能になり、素子の
小型化に有効であることが示されつつある。
2. Description of the Related Art A piezoelectric ceramic film is arranged on a substrate,
Attempts have been made to use it for actuators and sensor elements. Elements that have been commercialized as a unimorph element and a bimorph element have been unsuitable for miniaturization of the elements because they are formed by joining respective materials. In recent years, the gas deposition method has made it possible to form piezoelectric ceramics on a substrate, which has been conventionally difficult to produce, and has been shown to be effective in miniaturizing elements.

【0003】ガスデポジション法は、例えば、特許第1
660799号に記されている超微粒子を用いた膜形成
法である。真空蒸着法と同様に金属加熱源および真空容
器を配置させ、金属蒸気から超微粒子を形成し、この超
微粒子からなる膜を形成する。この様なガスデポジショ
ン法による金属膜の形成はNi,Cuなどの配線材料で
実用化され、具体的には、各種プリント配線基板の断線
修復や半導体装置における表面実装用パッド電極の形成
などに用いられる。
The gas deposition method is disclosed, for example, in Japanese Patent No.
This is a film formation method using ultrafine particles described in Japanese Patent No. 660799. As in the case of the vacuum evaporation method, a metal heating source and a vacuum container are arranged, ultrafine particles are formed from metal vapor, and a film composed of the ultrafine particles is formed. The formation of a metal film by such a gas deposition method has been put to practical use with wiring materials such as Ni and Cu, and specifically, for repairing disconnection of various printed wiring boards and formation of surface mounting pad electrodes in semiconductor devices. Used.

【0004】一方、金属材料とは異なり酸化物セラミッ
クス材料の超微粒子を用いた膜形成も提案されている。
特開平3−93606号公報には、Bi-Pb-Sr-C
a-Cu-Oからなる酸化物超伝導厚膜の形成法が示され
ている。特開平4−188503号公報には、BaTi
3セラミックス誘電体厚膜とこの耐圧を確保する為の
高分子塗膜の複合膜に関する形成法が示されている。特
開平6−93418号公報には、広範な微粒子材料を用
いガスデポジション法にて直接基板上に形成する、パタ
ーン化された厚膜の形成方法が示されている。また、特
開平9−268378号公報には、基板に直接ガスデポ
ジション成膜を行い、基板装着ステージを稼動させ、簡
易に大面積の膜形成を得る作製方法が示されている。
[0004] On the other hand, a film formation using ultrafine particles of an oxide ceramic material different from a metal material has been proposed.
JP-A-3-93606 discloses Bi-Pb-Sr-C
A method for forming an oxide superconducting thick film made of a-Cu-O is shown. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-188503 discloses BaTi
A method for forming a composite film of an O 3 ceramic dielectric thick film and a polymer coating film for securing this withstand voltage is shown. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-93418 discloses a method for forming a patterned thick film which is formed directly on a substrate by a gas deposition method using a wide range of fine particle materials. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-268378 discloses a manufacturing method in which a gas deposition film is formed directly on a substrate, a substrate mounting stage is operated, and a large-area film can be easily formed.

【0005】また、本発明者らは、特開平10−202
171号公報において、超微粒子をノズルから基板に噴
射する時の膜堆積によるノズル/膜表面距離関係を一定
に保つことで、微細形状物を得る作製法及びその装置に
ついて提案した。
[0005] The present inventors have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-202.
No. 171 proposes a manufacturing method and an apparatus for obtaining a finely-shaped object by keeping a nozzle / film surface distance relationship by film deposition when jetting ultrafine particles from a nozzle to a substrate constant.

【0006】また、Jpn.J.Appl.Phys.VOl.36(1997)1159
においては、Pt膜を堆積したSi基板上に、基板温度
700℃にてPZTをガスデポジション成膜し、その
後、900℃程の高温にて熱処理を施す例が示されてい
るが、同文献中の記述には、微粒子衝突による基板への
ダメージ、および、それによるPZT膜特性の劣化が示
されている。
[0006] Also, Jpn.J.Appl.Phys.VOl.36 (1997) 1159
Discloses an example in which PZT is formed by gas deposition at a substrate temperature of 700 ° C. on a Si substrate on which a Pt film is deposited, and then heat treatment is performed at a high temperature of about 900 ° C. The description in the middle shows damage to the substrate due to the collision of the fine particles and the deterioration of the PZT film characteristics due to the damage.

【0007】また、本発明者らはProceeding of AMF-2
において、SUS基板上へのPZT厚膜の作製を示し
た。また、Jpn.J.Appl.Phys.VOl.38(1999)においては、
Si基板上へのPZT作製例が示されている。しかし、
この報告文には、微粒子衝突による基板ダメージ現象が
TEM(透過型電子顕微鏡)観察にて示されている。
Further, the present inventors have proposed Proceeding of AMF-2.
Has shown the production of a PZT thick film on a SUS substrate. In Jpn.J.Appl.Phys.VOl.38 (1999),
An example of PZT fabrication on a Si substrate is shown. But,
In this report, the substrate damage phenomenon due to particle collision is shown by TEM (transmission electron microscope) observation.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述の様にして、基板
上に形成されるPZT圧電膜を電気−機械変換素子に使
用する際、その構造体の機械的強度の低減は好ましくな
い。特に、Si単結晶基板は異方性エッチング加工によ
る3次元的な微小構造物の形成に有利であり、そのSi
加工物にPZT等の圧電膜を配置した素子は、素子の小
型化、高機能化に有効である一方、前述の基板ダメージ
による結晶欠陥の誘起や機械的強度の低減は、素子の信
頼性の面において好ましくない。
As described above, when a PZT piezoelectric film formed on a substrate is used for an electro-mechanical transducer, it is not preferable to reduce the mechanical strength of the structure. In particular, a Si single crystal substrate is advantageous for forming a three-dimensional microstructure by anisotropic etching.
An element in which a piezoelectric film such as PZT is arranged on a workpiece is effective for miniaturization and high performance of the element. On the other hand, the above-described induction of crystal defects due to substrate damage and reduction of mechanical strength are required for the reliability of the element. Unfavorable in terms of surface.

【0009】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたので、セラミックス粒子をノズルから基板に噴射し
堆積膜を得る、ガスデポジション法成膜より作成される
圧電セラミックス厚膜構造において、特に、基板ダメー
ジを低減させ、圧電セラミックス厚膜/基板からなる積
層体構造の機械的強度の低下を防ぐことを目的としてな
されたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances. Therefore, the present invention relates to a piezoelectric ceramic thick film structure formed by gas deposition, in which ceramic particles are sprayed from a nozzle onto a substrate to obtain a deposited film. The purpose of the present invention is to reduce the damage to the substrate and to prevent the mechanical strength of the laminated structure composed of the piezoelectric ceramic thick film / substrate from decreasing.

【0010】請求項1の発明は、ガスデポジション成膜
による基板ダメージを緩和する中間膜を配置させ、構造
体の機械的強度の低下を防ぐこと、請求項2の発明は、
ガスデポジション成膜により、基板にSiを用いて膜形
成する時の基板ダメージを中間膜配置により緩和させ、
構造体の機械的強度の低下を防ぐこと、請求項3の発明
は、ガスデポジション法により、基板上にPZT等の圧
電セラミックス膜を形成する時、酸化物薄膜を中間膜に
使用し、基板ダメージを緩和させること、請求項4の発
明は、中間膜の膜厚を0.05μm以上にさせて、成膜
時のダメージを緩和させること、請求項5の発明は、中
間膜を電極を配置したSi基板上に積層し、その上に、
ガスデポジション法による圧電膜を堆積させ、堆積時の
ダメージを緩和させること、を目的としてなされたもの
である。
According to a first aspect of the present invention, an intermediate film for reducing substrate damage caused by gas deposition film formation is provided to prevent a decrease in mechanical strength of a structure.
By gas deposition film formation, substrate damage when forming a film using Si on the substrate is mitigated by the intermediate film arrangement,
A third aspect of the present invention is to prevent a decrease in mechanical strength of a structure by using an oxide thin film as an intermediate film when a piezoelectric ceramic film such as PZT is formed on a substrate by a gas deposition method. The invention of claim 4 is to reduce the damage at the time of film formation by making the thickness of the intermediate film 0.05 μm or more, and the invention of claim 5 is to arrange the electrode at the intermediate film. Layered on a Si substrate, and
The purpose of the present invention is to deposit a piezoelectric film by a gas deposition method and reduce damage at the time of deposition.

【0011】請求項6の発明は、中間膜に電極機能を持
たせて、Si基板上に積層し、その上に、ガスデポジシ
ョン法による圧電膜を堆積し、堆積時のダメージを緩和
させること、請求項7の発明は、ガスデポジション法に
より形成される圧電セラミックス膜の組成に対応した、
好適な中間膜組成を配置させること、具体的には、圧電
セラミックス組成が鉛系圧電セラミックス組成であり、
その中間膜には酸素を除き、少なくとも1つ以上が共通
するセラミックス組成からなる中間膜組成とすることに
より、成膜時のダメージを緩和させることを目的とした
ものである。
According to a sixth aspect of the present invention, an intermediate film is provided with an electrode function, laminated on a Si substrate, and a piezoelectric film is deposited thereon by a gas deposition method to reduce damage at the time of deposition. The invention according to claim 7 corresponds to the composition of a piezoelectric ceramic film formed by a gas deposition method.
Arranging a suitable intermediate film composition, specifically, the piezoelectric ceramic composition is a lead-based piezoelectric ceramic composition,
The purpose of the present invention is to reduce damage during film formation by forming an intermediate film having at least one common ceramic composition except for oxygen in the intermediate film.

【0012】請求項8の発明は、上述の条件を満たす中
間膜を組成制御性の優れた、また、膜厚制御性の優れた
sol−gel法で成膜し、中間膜を供給すること、請
求項9の発明は、上述の条件を満たす中間膜を組成制御
性の優れた、また、膜厚制御性の優れたスパッタリング
法で成膜し、中間膜を供給すること、請求項10の発明
は、上述の条件を満たす中間膜を組成制御性の優れた、
また、膜厚制御性の優れたMO−CVD法で成膜し、中
間膜を供給すること、を目的としてなされたものであ
る。
The invention according to claim 8 is to provide an intermediate film satisfying the above conditions by a sol-gel method having excellent composition controllability and excellent film thickness controllability, and supplying the intermediate film. According to a ninth aspect of the present invention, an intermediate film satisfying the above conditions is formed by a sputtering method having excellent composition controllability and excellent film thickness controllability, and the intermediate film is supplied. Is excellent in the composition controllability of the intermediate film satisfying the above conditions,
Further, it is intended to supply an intermediate film by forming a film by an MO-CVD method having excellent film thickness controllability.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、圧電
セラミックス微粒子をガス中に浮遊させてエアロゾル化
し、このエアロゾルを高速で基板上に噴射して堆積させ
たガスデポジションによる圧電セラミックス厚膜構造に
おいて、前記基板とガスデポジション堆積膜の間に、1
層以上からなる中間膜を有することを特徴としたもので
ある。
According to the first aspect of the present invention, piezoelectric ceramic fine particles are suspended in a gas to form an aerosol, and the aerosol is sprayed at high speed onto a substrate to deposit the piezoelectric ceramic. In the film structure, between the substrate and the gas deposition film, 1
It is characterized by having an intermediate film composed of at least layers.

【0014】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記基板がSi単結晶基板であることを特徴とした
ものである。請求項3の発明は、請求項1又は2の発明
において、前記中間膜が酸化物薄膜であることを特徴と
したものである。請求項4の発明は、請求項3の発明に
おいて、前記酸化物薄膜からなる中間膜の膜厚が0.0
5μm以上の厚さを有することを特徴としたものであ
る。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the substrate is an Si single crystal substrate. According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the intermediate film is an oxide thin film. According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the thickness of the intermediate film made of the oxide thin film is 0.0.
It has a thickness of 5 μm or more.

【0015】請求項5の発明は、圧電セラミックス膜に
電界を印加させる電極膜を配置したSi基板を用い、膜
厚が0.05μm以上の厚さを有する酸化物薄膜からな
る中間膜を、前記電極膜とガスデポジション法により形
成される圧電セラミックス厚膜の間に配置したことを特
徴としたものである。
According to a fifth aspect of the present invention, an intermediate film made of an oxide thin film having a thickness of 0.05 μm or more is formed by using an Si substrate on which an electrode film for applying an electric field is applied to the piezoelectric ceramic film. It is characterized by being arranged between an electrode film and a piezoelectric ceramics thick film formed by a gas deposition method.

【0016】請求項6の発明は、請求項5の発明におい
て、圧電セラミックス膜に電界を印加させる電極膜が導
電性酸化物セラミックス膜であることを特徴としたもの
である。請求項7の発明は、請求項3乃至5の発明にお
いて、前記中間膜組成が、ガスデポジション法により形
成される圧電セラミックスを構成する元素のうち、酸素
を除き、少なくとも1つ以上が共通する元素からなるこ
とを特徴としたものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the electrode film for applying an electric field to the piezoelectric ceramic film is a conductive oxide ceramic film. According to a seventh aspect of the present invention, in the third to fifth aspects, at least one or more of the elements constituting the piezoelectric ceramics formed by the gas deposition method are common except for oxygen. It is characterized by being composed of elements.

【0017】請求項8の発明は、請求項7の発明におい
て、前記中間膜をsol−gel法にて形成することを
特徴としたものである。請求項9の発明は、請求項7の
発明において、前記中間膜をスパッタリング法にて形成
することを特徴としたものである。請求項10の発明
は、請求項7記述の中間膜をMO−CVD法にて形成す
ることを特徴としたものである。
According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect, the intermediate film is formed by a sol-gel method. According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh aspect, the intermediate film is formed by a sputtering method. According to a tenth aspect of the present invention, the intermediate film described in the seventh aspect is formed by MO-CVD.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】(請求項1の発明)図1は、ガス
デポジション装置の一構成図を説明するための要部概略
構成図で、図中、1はキャリアガスボンベ、2はエアロ
ゾルチェンバ、3はPZT圧電セラミックス微粒子、4
はデポジションチェンバ、5はノズル、6はパターンマ
スク、7は基板ホルダー、8はX−Y−Zステージ、9
はバキュームシステムで、成膜原理は、PZT圧電セラ
ミックス微粒子3をキャリアガス中に浮遊させてエアロ
ゾル化し、このエアロゾルを高速で基板上に噴射して膜
形成するものである。基板には、金属またはセラミック
ス、ガラス、Siウェハや各種酸化物結晶材料が用いら
れる。高速に加速された粒子が基板衝突することによ
り、その粒子の持つ運動エネルギーが膜堆積現象を引き
起こす。衝突による基板ダメージは、特に、脆性破壊に
て破壊する材料に顕著に現れ、具体的には、金属材料を
除く、前述の各種基板が相当する。特に、アクチュエー
タのような機械的要素への応用を考えた場合、機械的強
度の低下は素子信頼性の観点から重要になる。この様な
基板材料の脆さは、構成原子がイオン結合や共有結合で
結ばれ、動きにくい構造を取ることに由来する。このよ
うな構造では応力緩和が起こりにくく、比較的小さな応
力でも破壊してしまう。この時の脆性破壊では、引っ張
り応力がクラック面に対して垂直に働くモードが支配的
になる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Invention of Claim 1) FIG. 1 is a schematic diagram of a main portion for explaining a configuration diagram of a gas deposition apparatus, wherein 1 is a carrier gas cylinder, 2 is an aerosol chamber. 3, PZT piezoelectric ceramic fine particles, 4
Is a deposition chamber, 5 is a nozzle, 6 is a pattern mask, 7 is a substrate holder, 8 is an XYZ stage, 9
Is a vacuum system in which the PZT piezoelectric ceramic particles 3 are suspended in a carrier gas to form an aerosol, and the aerosol is sprayed onto a substrate at a high speed to form a film. For the substrate, metal, ceramics, glass, Si wafer or various oxide crystal materials are used. When particles accelerated at high speed collide with the substrate, the kinetic energy of the particles causes a film deposition phenomenon. The substrate damage due to the collision is particularly remarkable in a material broken by brittle fracture, and specifically, corresponds to the above-described various substrates except for a metal material. In particular, when application to a mechanical element such as an actuator is considered, a decrease in mechanical strength becomes important from the viewpoint of element reliability. Such brittleness of the substrate material is derived from the fact that the constituent atoms are connected by ionic bonds or covalent bonds and have a structure that is difficult to move. In such a structure, stress relaxation is unlikely to occur, and even a relatively small stress will cause breakage. In the brittle fracture at this time, the mode in which the tensile stress acts perpendicular to the crack plane becomes dominant.

【0019】粉体衝突ダメージを基板に与えない方法と
して、基板上に中間膜を配置した後、ガスデポジション
成膜を行うことが挙げられる。この中間膜による基板の
機械的強度低下防止は以下の機構からなる。脆性破壊材
料は、そのクラックの進展により破壊に至る。したがっ
て、クラックの進展を以下の(1),(2)のようにし
て防止することが得策である。 (1)異種材料界面(即ち、中間膜/基板界面)の材料
不連続性によるクラック進展の防止。 (2)中間膜内組織を利用したクラックのベンディンク
進行現象によるクラック進展の停止。
As a method of not causing the powder collision damage to the substrate, there is a method of arranging an intermediate film on the substrate and then performing gas deposition film formation. The prevention of mechanical strength reduction of the substrate by the intermediate film is constituted by the following mechanism. The brittle fracture material is broken by the propagation of the crack. Therefore, it is advisable to prevent the propagation of cracks as described in (1) and (2) below. (1) Prevention of crack propagation due to material discontinuity at the interface between different materials (that is, the interface between the intermediate film and the substrate). (2) Stoppage of crack propagation due to crack bending phenomenon utilizing the structure in the interlayer film.

【0020】ここで、中間膜組織とは、結晶性材料の粒
界等が相当する。表面より打ち込まれるクラックは、粒
界ごとに進行方向が曲げられ、その都度、進展エネルギ
ーの減少が生じ、結果として、短い距離しかクラックは
進行しない。中間膜を基板に堆積することは、上記2つ
の効果が得られ、重要である。
Here, the intermediate film structure corresponds to a grain boundary of a crystalline material or the like. The cracks driven from the surface are bent in the direction of propagation at each grain boundary, and each time the propagation energy is reduced, and as a result, the cracks travel only a short distance. It is important to deposit the intermediate film on the substrate because the above two effects can be obtained.

【0021】具体的な機械的強度測定について説明す
る。機械的特性を表すパラメータとして重要なものに、
弾性的な強さを示す硬度と脆さを示す破壊靭性がある。
脆さを示す後者の破壊靭性の測定方法として、ビッカー
ス圧子を圧入し、人為的にクラックを発生させ、そのク
ラックの長さなどから臨界応力拡大係数や破壊靭性を求
めるものが一般的である。ただし、本発明の使用形態に
おける構成は、圧電膜/基板の積層体であり、かつ、基
板の破壊靭性が問題になる場合、この様な計測法は適さ
ない。従って、構造体強度の定量化の為に、3点曲げ試
験による曲げ強度(抗折強度)の測定を行う。
Specific measurement of mechanical strength will be described. Important parameters representing mechanical properties
There are hardness indicating elastic strength and fracture toughness indicating brittleness.
As a method of measuring the latter fracture toughness indicating brittleness, a method is generally used in which a Vickers indenter is press-fitted, a crack is artificially generated, and the critical stress intensity factor and the fracture toughness are obtained from the length of the crack. However, the configuration in the usage form of the present invention is a piezoelectric film / substrate laminate, and when the fracture toughness of the substrate is a problem, such a measurement method is not suitable. Therefore, in order to quantify the strength of the structure, the bending strength (flexural strength) is measured by a three-point bending test.

【0022】3点曲げ試験法は一般的な材料強度評価法
であり(ここでは図示しないが)、試験体の長さをL、
幅をb、高さをh、破壊荷重をPとし、この測定データ
をワイブル分布関数を用いて、統計処理をする。これ
は、ある応力σのもとでの非破壊確率P(σ)が式(1)
に従うものである。
The three-point bending test method is a general material strength evaluation method (not shown here).
The width is b, the height is h, the breaking load is P, and the measured data is statistically processed using a Weibull distribution function. This is because the nondestructive probability P (σ) under a certain stress σ is expressed by the following equation (1).
It follows.

【0023】[0023]

【式1】 (Equation 1)

【0024】σは平均抗折強度を表し、mはワイブル
係数である。前述の形状より破壊応力σは式(2)で
示される。
Σ 0 represents the average bending strength, and m is the Weibull coefficient. From the above-mentioned shape, the breaking stress σ n is expressed by the equation (2).

【0025】[0025]

【式2】 (Equation 2)

【0026】ここで、破壊応力の小さい順に試料番号を
付け、試料の全個数をNとすれば非破壊確率P(σ)は式
(3)で示される。
Here, assuming that the sample numbers are assigned in ascending order of the breaking stress and the total number of the samples is N, the non-destruction probability P (σ) is expressed by the following equation (3).

【0027】[0027]

【式3】 (Equation 3)

【0028】従って、lnln(1/P(σ))対ln
σのグラフを描き、この直線関係から平均抗折強度を算
出した。
Therefore, lnln (1 / P (σ)) vs. ln
A graph of σ was drawn, and the average bending strength was calculated from this linear relationship.

【0029】(請求項2、7の発明)Si単結晶基板は
異方性エッチング加工による3次元的な微小構造物の形
成に有利であり、そのSi加工物にPZT等の圧電膜を
配置した素子は、素子の小型化、高機能化に有効であ
る。Si(100)単結晶基板上に中間膜を配置しない
で直接ガスデポジション成膜を行った試料を作製し、断
面TEM観察を行う。断面TEM観察ではクラック等の
巨視的な構造欠陥と、さらに結晶工学的な微視的欠陥が
観察できるので、評価としては好適である。TEM観察
によるダメージ構造と機械的強度の変化との対応を取
り、3点曲げ試験法による強度測定の妥当性を示し、中
間膜を配置して成膜した試料の平均抗折強度の比較を行
う。また中間膜としてsol−gel法にて作製したS
iO2膜、膜厚200nmを用いる。
(Inventions of Claims 2 and 7) The Si single crystal substrate is advantageous for forming a three-dimensional microstructure by anisotropic etching, and a piezoelectric film such as PZT is disposed on the Si processed material. The element is effective for miniaturization and high performance of the element. A sample in which a gas deposition film is directly formed on a Si (100) single crystal substrate without an intermediate film is prepared, and a cross-sectional TEM observation is performed. Cross-sectional TEM observation is suitable for evaluation because macroscopic structural defects such as cracks and further microscopic defects in crystal engineering can be observed. Correspondence between the damage structure and mechanical strength change by TEM observation is shown, the validity of the strength measurement by the three-point bending test method is demonstrated, and the average bending strength of the sample formed with the intermediate film is compared. . In addition, S prepared by a sol-gel method as an intermediate film
An iO 2 film with a thickness of 200 nm is used.

【0030】(請求項2、3、8の発明)酸化物材料は
多種の基板にわたり良好な密着力を与える。特に、Si
基板に対する密着力は強固なものが容易に得られる。各
種酸化物材料として、酸化チタン、酸化ジルコニウム、
酸化タンタルをスパッタリング法により成膜し、中間膜
候補として調べる。方法は、これら中間膜を配置しない
でガスデポジション成膜した試料と、中間膜を配置しガ
スデポジション成膜した試料の抗折強度の比較である。
(Inventions of Claims 2, 3 and 8) The oxide material provides good adhesion over various kinds of substrates. In particular, Si
Strong adhesion to the substrate can be easily obtained. As various oxide materials, titanium oxide, zirconium oxide,
Tantalum oxide is formed by a sputtering method and examined as an intermediate film candidate. The method is a comparison of the transverse rupture strength between the sample formed by gas deposition without the intermediate film and the sample formed by gas deposition with the intermediate film.

【0031】(請求項4の発明)図3より、Si基板の
ダメージ領域は約0.15μmと見積もれる。中間膜を
配置させ、異種界面によるクラック停止、クラックのラ
ンダムベンディング等の寄与が無い場合、少なくとも
0.15μm相当の中間膜膜厚が必要であることは容易
に連想される。実際の中間膜にはクラック停止機能が保
有されている為、この値より少なくても十分であること
が連想される。従って、中間膜の膜厚を変化させ、ガス
デポジション成膜した試料の抗折強度の変化を調べる。
(Invention of Claim 4) From FIG. 3, the damage area of the Si substrate is estimated to be about 0.15 μm. When an intermediate film is arranged and there is no contribution such as a crack stop or a random bending of a crack due to a heterogeneous interface, it is easily associated that an intermediate film thickness of at least 0.15 μm is required. Since an actual interlayer film has a crack stopping function, it is suggested that a value smaller than this value is sufficient. Accordingly, the thickness of the intermediate film is changed, and the change in the transverse rupture strength of the sample formed by gas deposition is examined.

【0032】(請求項5の発明)ガスデポジション法に
よる圧電厚膜に電界を印加させる方法として、Si基板
に電極を配置した下地を用い、その上に、ガスデポジシ
ョン成膜ダメージ緩和層として中間膜を配置させる。圧
電セラミックス膜の上部に電極を配置させ、この上部電
極と、中間膜下部の電極に電界を印加させることによ
り、電気-機械変換素子を形成させる。Si基板上の電
極は、Si基板との電気的絶縁を図る為に、熱酸化膜を
成長させる。電極としてはIr、Pt、Pt−Rh等の
白金族元素やこれら合金からなる材料の膜が好ましい。
また、これら電極材料とSiO2膜は密着性が弱い為、
適宜、密着層としてTa、Tiや、これら窒化物膜を用
いることが好ましい。電極膜や密着膜はDCマグネトロ
ンスパッタリング法にて所望する膜厚を成膜する。この
様な構成で電極膜付きSi基板が出来上がる。
(Invention of claim 5) As a method of applying an electric field to a piezoelectric thick film by a gas deposition method, a base on which an electrode is disposed on a Si substrate is used, and a gas deposition film forming damage relieving layer is formed thereon. An intermediate film is disposed. Electrodes are arranged above the piezoelectric ceramic film, and an electric field is applied to the upper electrode and the electrode below the intermediate film to form an electromechanical transducer. On the electrode on the Si substrate, a thermal oxide film is grown for electrical insulation from the Si substrate. As the electrode, a film of a material made of a platinum group element such as Ir, Pt, Pt-Rh or an alloy thereof is preferable.
In addition, since these electrode materials and the SiO 2 film have weak adhesion,
It is preferable to appropriately use Ta, Ti, or a nitride film thereof as the adhesion layer. The electrode film and the adhesion film are formed to a desired thickness by a DC magnetron sputtering method. With such a configuration, a Si substrate with an electrode film is completed.

【0033】(請求項6の発明)Si基板上の電極膜に
ガスデポダメージ緩和の機能を付与させ、工程の簡略化
を図る。
(Invention of claim 6) The function of alleviating gas deposition damage is imparted to the electrode film on the Si substrate to simplify the process.

【0034】(請求項7の発明)中間膜としてガスデポ
ジション圧電膜と同じ組成を有する膜を他の膜形成技術
により堆積する。ガスデポジション圧電材料をジルコン
酸チタン酸鉛系セラミックス材料とした場合、膜との相
性、また、後述する駆動電圧の電圧分配効果から、中間
膜としては、この圧電材料の構成元素である酸化鉛、酸
化チタン、酸化ジルコニウム、などの単元素酸化物や、
チタン酸鉛、ジルコン酸鉛などの複合酸化物材料や、さ
らに、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体組成でも良
い。特に、ガスデポジション圧電膜と中間膜組成が同じ
場合も好適である。
(Invention of claim 7) A film having the same composition as the gas deposition piezoelectric film is deposited as an intermediate film by another film forming technique. When the gas deposition piezoelectric material is a lead zirconate titanate-based ceramic material, lead oxide, which is a constituent element of the piezoelectric material, is used as an intermediate film due to compatibility with the film and a voltage distribution effect of a driving voltage described later. , Titanium oxide, zirconium oxide, and other single element oxides,
A composite oxide material such as lead titanate and lead zirconate, or a solid solution composition of lead titanate and lead zirconate may be used. In particular, it is preferable that the composition of the gas deposition piezoelectric film is the same as that of the intermediate film.

【0035】(請求項8の発明)sol−gel法によ
り中間膜を形成する場合について説明する。sol−g
el法とは、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶
液系で加水分解、重縮合させて金属−酸素−金属結合を
成長させ、最終的に焼結することにより完成させる無機
酸化物の作製方法である。sol−gel法の特徴は、
比較的低基板温度で均一大面積な膜が得られることであ
る。さらに、溶液から成膜するため、基板との密着性に
優れる。具体的には、基板上に最終的に得られる複合酸
化物に含まれている金属に相当する、金属有機化合物の
混合溶液を塗布し、これら無機酸化物からなる厚膜を積
層したあと、焼結を行う。用いられる金属有機化合物と
しては、無機酸化物を構成する金属のメトキシド、エト
キシド、プロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドや
アセテート化合物等があげられる(S1)。硝酸塩、し
ゅう酸塩、過塩素酸塩等の無機塩でも良い。これら化合
物から無機酸化物を作製するには、加水分解および重縮
合反応を進める必要があるため塗布溶液中には水の添加
が必要となる。
(Invention of Claim 8) A case where an intermediate film is formed by a sol-gel method will be described. sol-g
The el method is a method for producing an inorganic oxide that is completed by hydrolyzing and polycondensing a metal organic compound such as a metal alkoxide in a solution system, growing a metal-oxygen-metal bond, and finally sintering. is there. The features of the sol-gel method are as follows:
The reason is that a film having a uniform large area can be obtained at a relatively low substrate temperature. Further, since the film is formed from the solution, the adhesion to the substrate is excellent. Specifically, a mixed solution of a metal-organic compound corresponding to the metal contained in the finally obtained composite oxide is applied onto a substrate, and a thick film made of these inorganic oxides is laminated, followed by firing. Perform a knot. Examples of the metal organic compound to be used include alkoxides such as methoxide, ethoxide, propoxide, butoxide and the like of metals constituting the inorganic oxide, and acetate compounds (S1). Inorganic salts such as nitrates, oxalates and perchlorates may be used. In order to produce an inorganic oxide from these compounds, it is necessary to promote hydrolysis and polycondensation reactions, so that water must be added to the coating solution.

【0036】水の添加量は系により異なる。水の添加量
が多すぎると反応が速く進むため得られる膜質が不均一
となり易く、また、反応速度の制御が難しい。水の添加
量が少なすぎても反応のコントロールが難しく、適量が
ある。一般的には、加水分解される結合数に対して等量
モルから5倍等量モルが好ましい。さらに、加水分解溶
媒を添加すると反応速度及び反応形態の制御ができる。
触媒としては一般の酸および塩基が用いられる。酸触媒
は線状重合体を作りやすく、塩基性触媒は三次元重合体
を作りやすいといわれているが、溶液全体の濃度やpH
との兼ね合いで一概にはいえない。本発明の場合、両者
の中間的構造が望ましい。添加用溶媒としては(S
3)、相溶性に優れたものが望ましい。さらに、キレー
ト剤等を添加しても良い。
The amount of water to be added differs depending on the system. If the amount of water added is too large, the reaction proceeds rapidly, so that the quality of the obtained film tends to be non-uniform, and it is difficult to control the reaction rate. If the amount of water added is too small, it is difficult to control the reaction, and there is an appropriate amount. Generally, it is preferable to use an equimolar to 5-fold equimolar to the number of bonds to be hydrolyzed. Further, by adding a hydrolysis solvent, the reaction rate and the reaction form can be controlled.
As the catalyst, general acids and bases are used. It is said that an acid catalyst easily forms a linear polymer, and a basic catalyst easily forms a three-dimensional polymer.
It cannot be said unconditionally because of this. In the case of the present invention, an intermediate structure between the two is desirable. As the solvent for addition, (S
3), those having excellent compatibility are desirable. Further, a chelating agent or the like may be added.

【0037】上述の様な溶液を塗布し(S7)、アニー
ル(S8,S9)することで、無機酸化物は、アモルフ
ァスから結晶化がおこる。焼結温度は材料により異なる
が、通常の金属酸化物粉末の焼成にかかる温度より低温
で作製できる。塗膜、乾燥、焼成によりクラックの無い
膜を作製するには、1回のこの工程にて形成できる膜厚
を約100nm以下にする必要があり、これは塗布液の
濃度調製(S5)により容易に実行できる。また、所望
する膜厚を得るには、この塗膜(S7)、乾燥(S
8)、焼成工程(S9)を複数回繰り返すことにより実
行できる。この作製例を図2に示す。
By applying the above-described solution (S7) and annealing (S8, S9), the inorganic oxide is crystallized from amorphous. Although the sintering temperature varies depending on the material, the sintering can be performed at a temperature lower than the temperature required for firing ordinary metal oxide powder. In order to produce a crack-free film by coating, drying, and baking, the film thickness that can be formed in one step must be about 100 nm or less, which is easily achieved by adjusting the concentration of the coating solution (S5). Can be executed. Further, in order to obtain a desired film thickness, this coating film (S7), drying (S7)
8), the firing step (S9) can be performed by repeating a plurality of times. This manufacturing example is shown in FIG.

【0038】(請求項9の発明)次に、中間膜をスパッ
タリング法にて作製する方法について説明する。酸化物
などの成膜にはrf放電によるスパッタリング現象を用
いた方がよい。一般に、0.1Pa〜10Paの真空
中、基板と成膜すべきターゲット面からなる平行平板キ
ャパシターに13.56MHZの交流信号を印加し、スパ
ッタ放電を形成する。ターゲットに成膜すべき組成から
なる材料を配置し、ターゲット電極側にrfパワーを印
加する。正孔と電子の移動度の差より、ターゲット電極
側に負のセルフバイアスが生じる。放電中のスパッタイ
オンは、この負電位に対しスパッタ現象を発生し、ター
ゲット材料の成膜が出来る。特に、成膜速度を高める
為、磁界を配置させたマグネトロンスパッタによる成膜
が好ましい。また、イオンの衝突断面積の大きさより、
Arガスを用いた放電が使用される。
(Invention of claim 9) Next, a method of forming an intermediate film by a sputtering method will be described. It is better to use a sputtering phenomenon by rf discharge for forming a film of an oxide or the like. Generally, in a vacuum of 0.1Pa~10Pa, applying an AC signal of 13.56MH Z parallel plate capacitor consisting of the target surface to be substrate and the film deposition, to form a sputtering discharge. A material having a composition to be formed into a film is arranged on the target, and rf power is applied to the target electrode side. A negative self-bias is generated on the target electrode side due to a difference in mobility between holes and electrons. The sputter ions during the discharge generate a sputtering phenomenon with respect to this negative potential, and the target material can be formed into a film. In particular, film formation by magnetron sputtering in which a magnetic field is arranged is preferable in order to increase the film formation speed. Also, from the size of the ion cross section,
A discharge using Ar gas is used.

【0039】中間膜にPZT膜を得ようとする場合、タ
ーゲットにPZTセラミックス円盤を用いる。膜/基板
の密着性を向上させる為または高品質な結晶化膜を得る
為に、成膜時の基板加熱が重要になる。基板加熱により
成膜した酸化物膜は酸素原子の欠損した膜が形成されや
すい。したがって、スパッタリングガスのArに若干の
酸素を加えた混合ガスを用いるのがよい。ターゲット材
料としてはPZTセラミックス焼結体を用いるほか、
鉛、チタン、ジルコニウムの金属ターゲットを用いても
良い。この場合、スパッタガスとして酸素を含むガスを
用い、酸化反応を併用したスパッタリングにて所望の中
間膜が形成できる。
When a PZT film is to be obtained as an intermediate film, a PZT ceramic disk is used as a target. In order to improve film / substrate adhesion or to obtain a high-quality crystallized film, substrate heating during film formation is important. As the oxide film formed by heating the substrate, a film lacking oxygen atoms is easily formed. Therefore, it is preferable to use a mixed gas obtained by adding some oxygen to Ar of the sputtering gas. In addition to using a PZT ceramic sintered body as the target material,
A metal target of lead, titanium, or zirconium may be used. In this case, a desired intermediate film can be formed by sputtering using an oxygen-containing gas as a sputtering gas in combination with an oxidation reaction.

【0040】スパッタリング成膜において注意すべきこ
とは、ターゲット組成とは異なる成膜がなされる場合が
ある。これは衝突してきたArイオン1個に対し何個の
原子がスパッタされるかの、いわゆる、スパッタ収率の
差に起因する。また、スパッタ原子の基板に対する付着
確率にも起因する。従って、ターゲットにはこの差を補
正するように、あらかじめ特定の組成に偏らせることが
必要になる。また、鉛を含む複合酸化物薄膜を作製する
場合、鉛、及び酸化鉛の蒸気圧が高い事による組成ずれ
を考慮しなければならない。この場合、特に、有効な作
製方法として、十分な鉛過剰組成物を堆積させるターゲ
ット組成にてスパッタ放電させ、成膜時の基板温度を5
00℃〜650℃の範囲にて保持させる。チタン酸鉛薄
膜の作製の場合、酸化チタン粒子と酸化鉛粒子が同時に
基板上へ堆積される。基板に到達した酸化チタンは、基
板温度に対し再蒸発することはない。一方、酸化鉛は酸
化チタンと反応してチタン酸鉛を形成する一方、過剰な
酸化鉛も基板に到達する。この時、酸化鉛の再蒸発に十
分な基板温度であれば、過剰量酸化鉛は再蒸発し、膜組
成には反映されない。この様な自己整合的な成膜によ
り、安定した中間層組成物薄膜が得られる。
It should be noted that a film having a composition different from the target composition may be formed. This is due to the so-called difference in the sputter yield, which is how many atoms are sputtered per colliding Ar ion. It is also caused by the probability of sputtered atoms adhering to the substrate. Therefore, it is necessary to bias the target to a specific composition in advance so as to correct this difference. Further, when producing a composite oxide thin film containing lead, it is necessary to consider a composition deviation due to a high vapor pressure of lead and lead oxide. In this case, in particular, as an effective manufacturing method, sputter discharge is performed with a target composition on which a sufficient lead excess composition is deposited, and the substrate temperature during film formation is set at 5%.
The temperature is kept in the range of 00 ° C to 650 ° C. In the case of producing a lead titanate thin film, titanium oxide particles and lead oxide particles are simultaneously deposited on a substrate. The titanium oxide that has reached the substrate does not re-evaporate at the substrate temperature. On the other hand, while lead oxide reacts with titanium oxide to form lead titanate, excess lead oxide also reaches the substrate. At this time, if the substrate temperature is sufficient for re-evaporation of lead oxide, the excess amount of lead oxide will re-evaporate and will not be reflected in the film composition. By such self-aligned film formation, a stable intermediate layer composition thin film can be obtained.

【0041】(請求項10の発明)最後に、中間膜をM
O−CVD法にて作製する方法について説明する。この
方法は金属有機化合物や有機金属化合物を原料として気
相成長させるものであり、PZT薄膜の場合、鉛原料と
してはPb(C254、Pb(DPM)2、(C25
3PbOCH2C(CH33、Pb(C253(t−O
49)、等、ジルコニウム原料としてはZr(t−O
49)、Zr(DPM)4、等、チタン原料としては
Ti(i−OC37)4、Ti(DPM)2(i−OC3
7)2、Ti(OC25)4等が使用可能である。原料が常
温で液体の場合は、通常のバブリング法により原料ガス
を反応装置に導入することは比較的容易であるが、金属
錯体のように常温で固体である原料を使用する場合には
原料を昇華させ反応室に送り込む必要がある。特に、鉛
の原料に於いてはPb(DPM)2と(C253PbO
CH2C(CH33を比較した場合、膜中の鉛量は成膜
回数に対し(C253PbOCH2C(CH33の方は
変動が少なく、かつ、膜成長速度も安定であり好適であ
る。また、固体原料をテトラヒドロフランやアルコール
を溶媒として用い液体状態で原料を輸送し、気化器を用
い反応室に導入する溶液気化法を用いても良い。酸化物
薄膜を得る場合、キャリアガスとしてAr、酸素を用い
る。これらガス配管は搬送中の昇華ガス物質の析出を防
ぐ為の加熱機構を有している。
(Invention of Claim 10) Finally, the intermediate film is
A method for manufacturing by an O-CVD method will be described. This method uses a metal organic compound or an organometallic compound as a raw material for vapor phase growth. In the case of a PZT thin film, Pb (C 2 H 5 ) 4 , Pb (DPM) 2 , (C 2 H 5 ) is used as a lead raw material. )
3 PbOCH 2 C (CH 3 ) 3 , Pb (C 2 H 5 ) 3 (t-O
Zr (t-O) as a zirconium raw material such as C 4 H 9 ).
C 4 H 9), Zr ( DPM) 4, etc., as the titanium material Ti (i-OC 3 H 7 ) 4, Ti (DPM) 2 (i-OC 3 H
7 ) 2 , Ti (OC 2 H 5 ) 4 and the like can be used. When the raw material is liquid at room temperature, it is relatively easy to introduce the raw material gas into the reactor by a normal bubbling method.However, when a raw material that is solid at room temperature such as a metal complex is used, It is necessary to sublimate and send it to the reaction chamber. In particular, Pb (DPM) 2 and (C 2 H 5 ) 3 PbO
When comparing CH 2 C (CH 3) 3 , lead content in the film to the film forming times (C 2 H 5) 3 PbOCH 2 C (CH 3) 3 towards less variation, and the film growth The speed is also stable and suitable. Alternatively, a solution vaporization method in which a solid raw material is transported in a liquid state using tetrahydrofuran or alcohol as a solvent, and introduced into a reaction chamber using a vaporizer may be used. When an oxide thin film is obtained, Ar and oxygen are used as carrier gases. These gas pipes have a heating mechanism for preventing deposition of sublimation gas substances during transportation.

【0042】上述の様にして搬送された気体原料は減圧
状態の反応装置に導入され、所望する成膜に寄与する。
反応室の圧力は約1Torr〜40Torr程の減圧状
態、また、膜成長温度は500℃〜650℃の温度にて
成膜される。膜質は成長温度、ガス供給量、反応圧力等
の成膜パラメータに強く依存し、CVD装置、原料ガス
に最適な条件が選定される。
The gaseous raw material transported as described above is introduced into the reactor under reduced pressure, and contributes to a desired film formation.
The pressure in the reaction chamber is reduced to about 1 Torr to 40 Torr, and the film is formed at a film growth temperature of 500 ° C. to 650 ° C. The film quality strongly depends on film forming parameters such as a growth temperature, a gas supply amount, and a reaction pressure, and optimal conditions for a CVD apparatus and a source gas are selected.

【0043】実施例1(請求項1に対応) ガスデポジション法にてPZT膜を各種基板上に約50
μmの厚さで成膜した。表1に成膜条件を示す。
Example 1 (corresponding to claim 1) A PZT film was formed on various substrates by a gas deposition method for about 50 hours.
A film was formed with a thickness of μm. Table 1 shows the film forming conditions.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】表2は、用いた基板種と中間膜の有り無し
により抗折強度がどのように変化したかを示す。中間膜
は後述の実施例7にて示すsol−gel法により成膜
したPZT(52/48)、膜厚0.15μmである。
Table 2 shows how the bending strength changed depending on the type of substrate used and the presence or absence of the intermediate film. The intermediate film is PZT (52/48) formed by the sol-gel method described in Example 7 described later, and has a thickness of 0.15 μm.

【0046】[0046]

【表2】 [Table 2]

【0047】表2中の値は(成膜後の抗折強度)/(成
膜前抗折強度)の数値を示す。これは抗折強度測定が統
計的な分布を有する為、相対値で比較した方が理解され
やすい為である。表2中の数値で、1以上であれば成膜
後の抗折強度は増加したことを表し、1以下であれば、
成膜後の抗折強度が減少したことを意味する。また、表
2中のSUS304は脆性破壊材料ではないので、ここ
では荷重点における荷重と変位の関係からヤング率を求
め、その数値を示してある。
The values in Table 2 indicate the value of (deflection strength after film formation) / (deflection strength before film formation). This is because the bending strength measurement has a statistical distribution, and it is easier to understand the comparison with relative values. In the numerical values in Table 2, if the value is 1 or more, the transverse rupture strength after film formation is increased, and if the value is 1 or less,
This means that the transverse rupture strength after film formation was reduced. Further, since SUS304 in Table 2 is not a brittle fracture material, the Young's modulus is obtained from the relationship between the load and the displacement at the load point, and the numerical value is shown.

【0048】表2より、立方晶単結晶基板においては、
劈開面が2軸存在し、かつ、その片方の軸に直交する方
向からガスデポジション粒子の衝突エネルギーを照射し
た場合、その基板材料の持つ抗折強度は、初期の値に対
し、最大1/20まで減少してしまう事がわかった。一
方、中間膜を配置した試料全てにおいて成膜後の抗折強
度の増加が確認された。この増加は、ガスデポジション
ダメージを中間膜が緩和させたこと、さらに、約50μ
mのPZT膜が強度向上に寄与を与えた事がわかる。ま
た、SUS304試料でも、中間膜を配置しない場合
と、した場合での強度が変化している。即ち、ガスデポ
ジションによるダメージは僅かではあるが、剛性材料に
おいても作用し、また、中間膜の配置により、このダメ
ージを除去することが可能であることが言える。
As shown in Table 2, in the cubic single crystal substrate,
When the cleavage plane exists on two axes and the collision energy of gas deposition particles is irradiated from a direction perpendicular to one of the axes, the bending strength of the substrate material is 1 / maximum of the initial value. It turned out to be reduced to 20. On the other hand, an increase in the transverse rupture strength after film formation was confirmed in all the samples on which the intermediate film was disposed. This increase is due to the fact that the interlayer film has reduced gas deposition damage,
It can be seen that the PZT film of m contributed to the strength improvement. In the SUS304 sample, the strength is different between the case where the intermediate film is not arranged and the case where the intermediate film is arranged. In other words, although the damage due to gas deposition is small, it can also be applied to a rigid material, and it can be said that this damage can be removed by the arrangement of the intermediate film.

【0049】実施例2(請求項2に対応) ガスデポジション法にてPZT膜を各種Si基板上に約
50μmの厚さで成膜した。成膜条件は前述の表1に示
した。中間膜はsol−gel PZT膜で、膜厚は
0.15μmである。試験片は、L=10m、b=3m
m、h=0.65mm(L,b,hは式(2)に対応)
に加工し、各試料、最低6検体にて抗折強度を算出し
た。測定データからワイブル係数mは、4.8〜5.3の
範囲で存在している。その結果を表3に示す。
Example 2 (corresponding to claim 2) A PZT film having a thickness of about 50 μm was formed on various Si substrates by a gas deposition method. The film forming conditions are shown in Table 1 above. The intermediate film is a sol-gel PZT film having a thickness of 0.15 μm. The test piece was L = 10 m, b = 3 m
m, h = 0.65 mm (L, b, h correspond to equation (2))
And the bending strength of each sample, at least 6 samples, was calculated. From the measurement data, the Weibull coefficient m exists in the range of 4.8 to 5.3. Table 3 shows the results.

【0050】[0050]

【表3】 [Table 3]

【0051】図3は、Si(100)に直接PZTをガ
スデポジション成膜した試料の断面TEM像を示す。膜
/基板界面の1.5μmにわたる範囲でマイクロクラッ
クが発生しており、これが強度低下の原因であることが
判明した。また、Si基板は(100)と(111)に
劈開面が存在し、(100)面に対し垂直に粒衝突エネ
ルギーが加わった場合、劈開面(111)に対応する略
55°の方向に多数のクラックが発生していることも明
らかになった。さらに、本実験の評価方法である3点曲
げ試験による、圧電セラミックス/基板積層体の材料強
度を試験する方法が妥当であることを示し、また、中間
膜の配置により、基板強度の低減が防止できる事を示す
ものである。
FIG. 3 shows a cross-sectional TEM image of a sample in which PZT is directly deposited on Si (100) by gas deposition. Microcracks were generated over a range of 1.5 μm at the film / substrate interface, and it was found that this was the cause of the strength reduction. Also, the Si substrate has cleavage planes at (100) and (111), and when grain collision energy is applied perpendicularly to the (100) plane, a large number of cleavage planes are formed at approximately 55 ° corresponding to the cleavage plane (111). It was also found that cracks had occurred. Furthermore, it is shown that the method of testing the material strength of the piezoelectric ceramic / substrate laminate by the three-point bending test, which is the evaluation method of this experiment, is appropriate, and the arrangement of the intermediate film prevents the reduction of the substrate strength. It shows what you can do.

【0052】実施例3(請求項3に対応) 前述までの実施例において、sol−gel法PZT中
間膜について一部示した。本実施例では後述(実施例
8)するスパッタリング法により、主に、単成分酸化膜
を成膜し、その中間膜としての機能を確かめた。スパッ
タリングの特徴として単成分酸化膜の場合、比較的容易
に作製しやすいことが挙げられ、本実施例にて、TiO
2、YSZ(イットリア部分安定化ジルコニア)、Ta2
5膜について評価した。表4に成膜条件を示す。
Embodiment 3 (corresponding to claim 3) In the above-described embodiments, the sol-gel method PZT intermediate film was partially shown. In this example, a single-component oxide film was mainly formed by a sputtering method described later (Example 8), and its function as an intermediate film was confirmed. As a feature of sputtering, in the case of a single-component oxide film, it is relatively easy to form the film.
2 , YSZ (yttria partially stabilized zirconia), Ta 2 O
Five films were evaluated. Table 4 shows the film forming conditions.

【0053】[0053]

【表4】 [Table 4]

【0054】前記の様な中間膜をSi(100)基板に
直接堆積した。その後、ガスデポジションPZT膜を5
0μm堆積し、抗折強度を測定した。結果は全ての試料
において、積層構造体の強度低下は認められなかった。
膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した。
中間膜組織は50nm以下の粒からなる石垣状組織を有
しており、この組織によりクラック進行がランダムベン
ディングしたが、これは、クラック成長が抑制されたこ
とによる。
The intermediate film as described above was directly deposited on a Si (100) substrate. After that, the gas deposition PZT film is
0 μm was deposited, and the bending strength was measured. As a result, no decrease in the strength of the laminated structure was observed in all the samples.
The cross section of the film was observed with a scanning electron microscope (SEM).
The intermediate film structure has a stone wall-like structure composed of grains having a size of 50 nm or less, and the crack progressed randomly by this structure. This is because crack growth was suppressed.

【0055】実施例4(請求項4に対応) 図4は、中間膜の膜厚を変化させた時の構造体強度変化
の関係を示す。中間膜としてsol−gel PZT
膜、スパッタYSZ膜を各々の膜厚に配置した。基板は
Siz(100)であり、ガスデポジション成膜条件は
実施例1と同じである。ガスデポジションダメージによ
りSi(100)基板は初期強度の1/20以下に低下
する。中間膜の機能としては抗折強度が1GPaよりも
高い値になる膜厚で効果があると判断する。2種の中間
膜はともに0.05μm以上で、ダメージ緩和層として
の効果があることがわかる。
Embodiment 4 (corresponding to claim 4) FIG. 4 shows the relationship of the change in the strength of the structure when the thickness of the intermediate film is changed. Sol-gel PZT as interlayer
A film and a sputtered YSZ film were arranged at respective film thicknesses. The substrate is Siz (100), and the gas deposition film forming conditions are the same as in the first embodiment. Due to gas deposition damage, the Si (100) substrate is reduced to 1/20 or less of the initial strength. The function of the intermediate film is determined to be effective at a film thickness at which the transverse rupture strength is higher than 1 GPa. It can be seen that the two types of intermediate films both have a thickness of 0.05 μm or more and have an effect as a damage relieving layer.

【0056】実施例5(請求項5、6に対応) 電極膜を配置したSi(100)基板を以下の手順にて
作製する。RCA洗浄後のSiウェハを湿式熱酸化し、
電気的絶縁用の熱酸化膜を800nm成長する。次に、
酸化膜とPt電極膜の密着力を確保する為に、Ta膜を
成膜する。成膜は、DCマグネトロンスパッタ法にて膜
厚100nm堆積する。次に、電極膜としてIr膜、P
t膜を同様にDCマグネトロンスパッタ法にて各膜厚3
00nmを堆積する。この様にしてSi基板上に電極膜
を配置した後、中間膜を形成する。中間膜は実施例1記
載のsol−gel PZT膜で、膜厚は0.15μmで
ある。さらに、ガスデポジションPZT膜を50μm堆
積し試験片に供した。図1に断面TEM像を示す。この
像より、Si界面には何らクラックが生じた形跡の無い
事がわかる。また、この試料の抗折強度は1.47Gpa
であり、これもまたダメージの緩和された結果を示し
た。また、Si基板上にSiO2熱酸化膜を配置し、そ
の上に導電性酸化物材料を膜形成する。セラミックス膜
は中間膜機能を有し、また、このセラミックス材料が電
極としての機能を有する為、膜構成の簡略化が図れた。
Example 5 (corresponding to claims 5 and 6) A Si (100) substrate on which an electrode film is disposed is manufactured by the following procedure. Wet thermal oxidation of Si wafer after RCA cleaning,
A thermal oxide film for electrical insulation is grown to 800 nm. next,
In order to secure the adhesion between the oxide film and the Pt electrode film, a Ta film is formed. The film is deposited to a thickness of 100 nm by DC magnetron sputtering. Next, an Ir film as an electrode film, P
The thickness of each of the t films was 3
Deposit 00 nm. After arranging the electrode film on the Si substrate in this way, an intermediate film is formed. The intermediate film is the sol-gel PZT film described in Example 1 and has a thickness of 0.15 μm. Further, a gas deposition PZT film was deposited to a thickness of 50 μm and used as a test piece. FIG. 1 shows a cross-sectional TEM image. From this image, it can be seen that there is no evidence of any crack at the Si interface. The flexural strength of this sample was 1.47 Gpa.
Which also showed reduced results of damage. Further, an SiO 2 thermal oxide film is disposed on a Si substrate, and a conductive oxide material is formed thereon. The ceramic film has an intermediate film function, and since the ceramic material has a function as an electrode, the film structure can be simplified.

【0057】実施例6(請求項7に対応) ガスデポジション法により作製された圧電セラミックス
厚膜は上部に電極を形成し、電界が印加できる状態にな
る。この方法は、例えば、Nbドープしたチタン酸スト
ロンチウム単結晶基板(この場合、基板と下部電極を兼
ねる)上に形成される中間膜、圧電セラミックス厚膜、
上部電極の構成や、Pt等の電極膜を配置したSi基
板、中間膜、圧電セラミックス厚膜、上部電極の構成で
ある。入力される電界は、電極間に存在する誘電体材料
の中間膜と圧電体膜に分配され、その分圧比は単純な2
つの容量素子の直接接続で記述できる。圧電セラミック
ス材料を用いたアクチュエータでは、電圧が効率よく圧
電セラミックス層に印加されることが好ましい。印加電
圧の配分は圧電セラミックス厚膜部の膜厚、比誘電率、
かかる電圧をそれぞれt、ε、V、中間膜の膜
厚、比誘電率、かかる電圧をそれぞれt、ε、V
とし、圧電セラミックスキャパシタと中間膜キャパシタ
の面積を同じとすると、電圧Vを印加すると、V、V
はそれぞれ式(4)となる。
Example 6 (corresponding to claim 7) An electrode is formed on an upper part of a piezoelectric ceramics thick film produced by a gas deposition method, and an electric field can be applied. This method includes, for example, an intermediate film formed on an Nb-doped strontium titanate single crystal substrate (in this case, also serving as a substrate and a lower electrode), a piezoelectric ceramic thick film,
This is the configuration of the upper electrode, or the configuration of the Si substrate, the intermediate film, the piezoelectric ceramic thick film, and the upper electrode on which an electrode film such as Pt is disposed. The input electric field is distributed to the intermediate film of the dielectric material and the piezoelectric film existing between the electrodes.
It can be described by direct connection of two capacitive elements. In an actuator using a piezoelectric ceramic material, it is preferable that a voltage is efficiently applied to the piezoelectric ceramic layer. The distribution of the applied voltage depends on the thickness of the piezoelectric ceramic thick film, the relative dielectric constant,
T F such voltages, respectively, epsilon F, V F, the film thickness of the intermediate layer, the dielectric constant, the voltage applied respectively t i, ε i, V i
And then, when the same area of the piezoelectric ceramic capacitor and the intermediate layer capacitor, when a voltage is applied to V, V F, V
i is given by equation (4).

【0058】[0058]

【式4】 (Equation 4)

【0059】ここで、ε=1000、t=10μ
m、t=0.1μmとすると、圧電セラミックス厚膜
部にかかる電界(E=V/t)と中間膜の比誘電
率の関係は、図6のようになる。中間膜の比誘電率が4
(例えばSiO2)の低い場合、印加した電界は中間膜
に多くかかり、圧電セラミックス膜にはほとんど印加さ
れない。これでは駆動電圧の高電圧化を招く。中間膜の
比誘電率が10以上であれば、印加電圧の50%が分配
されるので(この各膜厚では)、中間膜としては10以
上の比誘電率材料が好ましい。
Here, ε F = 1000, t F = 10 μ
Assuming that m and t i = 0.1 μm, the relationship between the electric field (E F = V F / t F ) applied to the piezoelectric ceramic thick film portion and the relative dielectric constant of the intermediate film is as shown in FIG. The dielectric constant of the intermediate film is 4
When (for example, SiO 2 ) is low, the applied electric field is applied to the intermediate film much, and is hardly applied to the piezoelectric ceramic film. This leads to a higher drive voltage. If the relative dielectric constant of the intermediate film is 10 or more, 50% of the applied voltage is distributed (at each film thickness), so that the relative dielectric constant material of 10 or more is preferable as the intermediate film.

【0060】一般に、誘電体材料の比誘電率は、構成元
素の結合状態に由来し、共有結合性では低く、イオン結
合性で大きくなる。この様な観点から、金属元素の酸化
物材料が好ましい。また、PbOを含む強誘電体材料が
好適であることは言うまでもない。TiO2スパッタ膜
は比誘電率が17、PbTiO3スパッタ膜の比誘電率
は120であり、前述の比誘電率10以上の条件を満た
していた。また、sol−gel PZT(52/4
8)膜の比誘電率は400であった。
In general, the relative dielectric constant of a dielectric material is derived from the bonding state of the constituent elements, and is low for covalent bonding and large for ionic bonding. From such a viewpoint, an oxide material of a metal element is preferable. Needless to say, a ferroelectric material containing PbO is suitable. The relative permittivity of the TiO 2 sputtered film was 17, and the relative permittivity of the PbTiO 3 sputtered film was 120, which satisfied the above condition of the relative permittivity of 10 or more. In addition, sol-gel PZT (52/4
8) The dielectric constant of the film was 400.

【0061】実施例7(請求項8に対応) 図2に示した方法でsol−gel PZT膜を作製し
た。出発材料に酢酸鉛三水和物、ジルコニウムプロポキ
シド、チタンイソプロポキシドを、共通溶媒にメトキシ
エタノールを用いる。TiO2膜を得る場合は、チタン
イソプロポキシドのみで、図2のフローに従って作製す
ることが可能である。また、PbTiO 3膜の場合は、
酢酸鉛三水和物とチタンイソプロポキシドを用いれば良
い。十分に脱水処理を施したメトキシエタノール中に酢
酸鉛三水和物を溶解する。ここでは、結晶水の除去を行
う。最終的にはカールフィッシャー水分計にて60pp
m以下の含有水量に達するまで脱水を行う。ジルコニウ
ムプロポキシド、チタンイソプロポキシドは、各々、メ
トキシエタノールに溶解し、還流することでアルコール
交換反応をさせる。反応の終点は液体クロマトグラフィ
ーにより、プロパノール、イソプロパノールの濃度検知
により終点がわかる。なお、ここでも60ppm以下の
水分量であることが望ましい。これら3種の溶液を混合
し、さらに還流することで複合アルコキシド化合物を合
成する。この溶液をストックソリューション(保存液)と
呼び、また、場合によっては減圧乾燥させ、必要に応じ
て、メトキシエタノールで所望の濃度に希釈し、部分加
水分解反応させ、塗布・乾燥・焼成させ膜を得る。ここ
では保存性に優れた減圧乾燥を行い、成膜時に0.1m
O1/1の濃度調整を行い、アルコキシド総濃度と等量
の酢酸水溶液を加えた後、スピンコート・成膜を行っ
た。基板にPt電極を配置したSiウェハを使用した。
一度の工程で成膜出来た膜厚は0.05μmであった。こ
の膜厚を稼ぐ方法として、塗布液濃度を最大0.4mO
1/1まで高めることが出来、塗布液濃度の増加と膜厚
増加は正比例の関係があった。他の方法として、ポリエ
チレングリコールを塗布液に添加し、増粘させ成膜する
ことも可能であり、この場合、一度の工程で最大0.7
μmの成膜が可能であった。この様にして、中間膜を作
製することが可能であることがわかった(中間膜配置に
よる効果は先述の実施例1にて記述済み)。
Example 7 (corresponding to claim 8) A sol-gel PZT film was manufactured by the method shown in FIG.
Was. Starting materials are lead acetate trihydrate and zirconium propoxy.
Sid, titanium isopropoxide, methoxy as common solvent
Use ethanol. TiOTwoIf you get a film, titanium
It is made according to the flow of FIG. 2 using only isopropoxide.
It is possible to Also, PbTiO ThreeFor membranes,
Use lead acetate trihydrate and titanium isopropoxide
No. Vinegar in sufficiently dehydrated methoxyethanol
Dissolve lead acid trihydrate. Here, crystallization water is removed.
U. Ultimately 60pp by Karl Fischer moisture meter
Dewatering is performed until the water content reaches m or less. Zirconium
Mupropoxide and titanium isopropoxide are
Dissolve in toxic ethanol and reflux for alcohol
Allow exchange reaction. The end point of the reaction is liquid chromatography
Detection of propanol and isopropanol concentrations
Indicates the end point. In addition, here also 60 ppm or less
Desirably the amount of water. Mix these three solutions
The mixture is further refluxed to combine the complex alkoxide compound.
To achieve. Combine this solution with the stock solution (preservation solution).
And, if necessary, dried under reduced pressure.
Diluted with methoxyethanol to the desired concentration,
A water decomposition reaction is applied, dried and fired to obtain a film. here
Is dried under reduced pressure with excellent preservability, and 0.1 m
Adjust the concentration of O1 / 1, and make it equal to the total alkoxide concentration.
After spin-coating and film formation
Was. An Si wafer having a Pt electrode disposed on a substrate was used.
The film thickness formed in one process was 0.05 μm. This
As a method to increase the film thickness of the coating solution, the coating solution concentration is set to a maximum of 0.4 mO.
It can be increased to 1/1, increase of coating solution concentration and film thickness
The increase was directly proportional. Alternatively, polyet
Tylene glycol is added to the coating solution to increase the viscosity and form a film
It is also possible in this case to use a maximum of 0.7 in one process.
A film having a thickness of μm was possible. In this way, an interlayer film is formed.
It was found that it was possible to manufacture
This effect has already been described in the first embodiment).

【0062】実施例8(請求項9に対応) 単成分酸化物膜のスパッタ成膜については前述の実施例
3にて説明した。ここでは、鉛系圧電材料のPMN−P
Z−PTの成膜について、また、中間膜機能について示
す。PMN−PZ−PTの詳細な化学式は 0.125PMN-0.875PZT(54/46) : Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3
-Pb(Zr0.54 Ti0.46)O 3 (Sr 0.18mO1% 置換) で、Pbサイトを18%Sr置換してある。この化学式
にもとづき化学量論比のセラミックスターゲットを作製
した。表5に成膜条件を示す。用いた基板はPt電極膜
付きSiウェハである。
Embodiment 8 (corresponding to claim 9) The above-described embodiment relates to the formation of a single component oxide film by sputtering.
3. Here, the lead-based piezoelectric material PMN-P
It shows about the film formation of Z-PT and the function of the intermediate film.
You. The detailed chemical formula of PMN-PZ-PT is 0.125PMN-0.875PZT (54/46): Pb (Mg1/3 Nb2/3) OThree
-Pb (Zr0.54 Ti0.46) O Three (Sr 0.18 mO1% substitution), the Pb site was substituted by 18% Sr. This chemical formula
Of stoichiometric ceramic target based on
did. Table 5 shows the film forming conditions. The substrate used was a Pt electrode film
FIG.

【0063】[0063]

【表5】 [Table 5]

【0064】化学量論組成にてスパッタ成膜する場合、
成膜された膜組成は主に鉛欠損の膜が出来る。従って、
この鉛欠損を補正すべく、セラミックスターゲット上に
PbOペレットを数個配置し、鉛補正を行った。また、
基板温度550℃以上で過剰鉛の自己整合化が生じ、主
に、550℃以上で良好なPMN−PZ−PT膜の成膜
が出来た。この膜の比誘電率は2070に達し、印加電
圧の分配に好適であった。この中間膜配置Si基板にガ
スデポジションPZT厚膜を配置し、積層構造体の抗折
強度を測定した。値は1.5Gpaに至り、このPMN
−PZ−PT膜も中間膜として機能していることを確認
した。
When forming a film by sputtering with a stoichiometric composition,
The formed film composition mainly forms a lead-deficient film. Therefore,
In order to correct this lead deficiency, several PbO pellets were arranged on a ceramic target, and lead correction was performed. Also,
Self-alignment of excess lead occurred at a substrate temperature of 550 ° C. or higher, and a good PMN-PZ-PT film could be formed mainly at a substrate temperature of 550 ° C. or higher. The dielectric constant of this film reached 2070, which was suitable for distribution of applied voltage. A gas deposition PZT thick film was placed on this intermediate film-placed Si substrate, and the bending strength of the laminated structure was measured. The value reaches 1.5 GPa and this PMN
It was confirmed that the -PZ-PT film also functions as an intermediate film.

【0065】実施例9(請求項10に対応) MO−CVD原料にPb(C254、Ti(O−i−C
37)4を用い、PbTiO3膜の作製を行った。反応室
の圧力は5Torrとした。基板にはPt電極膜配置S
iウェハを用いた。CVD成膜過程は反応ガス分子の基
板表面への輸送供給量によって成長速度が決まる。従っ
て、あらかじめ単体の析出速度を求め、適切な流量範囲
にて原料ガスの供給を行った。PbOの析出速度は酸素
ガス濃度に強く依存し、一方、TiO2の析出速度は酸
素濃度に依存しなかったので、両者の安定した析出速度
を与える酸素分圧を決定した。本実験系では、その酸素
分圧は50%であった。また、基板温度に対してPbO
の析出速度は変化し、基板温度400℃から析出が始ま
り、500℃にて飽和するような、きわめて温度に対し
急峻な変化を示した。一方、TiO2の場合、300℃
より析出が開始され、500℃にて飽和する、という散
漫な変化を有した。従って、両者に安定した析出速度を
与える550℃にて成膜を実施した。キャリアガス流量
の増加に伴い膜成長速度は増加する。キャリアガス流量
60sccmにてPbTiO3成長速度、0.6μm/h
の値を得た。この膜の比誘電率は120であった。印加
電圧の分配に対し問題の無い値である。この中間膜配置
Si基板にガスデポジションPZT厚膜を配置し、積層
構造体の抗折強度を測定した。値は1.5Gpaに至
り、このPMN−PZ−PT膜も中間膜として機能して
いることを確認した。
Example 9 (corresponding to claim 10) Pb (C 2 H 5 ) 4 , Ti (OiC)
A PbTiO 3 film was produced using 3 H 7 ) 4 . The pressure in the reaction chamber was 5 Torr. Pt electrode film arrangement S on substrate
An i-wafer was used. In the CVD film formation process, the growth rate is determined by the transport and supply amount of the reaction gas molecules to the substrate surface. Therefore, the deposition rate of the single substance was determined in advance, and the raw material gas was supplied in an appropriate flow rate range. Since the deposition rate of PbO strongly depends on the oxygen gas concentration, while the deposition rate of TiO 2 did not depend on the oxygen concentration, the oxygen partial pressure that gave a stable deposition rate of both was determined. In this experimental system, the oxygen partial pressure was 50%. Also, PbO with respect to the substrate temperature
The rate of precipitation changed and showed a very steep change with respect to temperature such that precipitation started at a substrate temperature of 400 ° C. and was saturated at 500 ° C. On the other hand, in the case of TiO 2 ,
Further, the precipitation started, and it had a diffuse change of being saturated at 500 ° C. Therefore, film formation was performed at 550 ° C., which gives a stable deposition rate to both. As the carrier gas flow rate increases, the film growth rate increases. PbTiO 3 growth rate at a carrier gas flow rate of 60 sccm, 0.6 μm / h
Was obtained. The relative dielectric constant of this film was 120. This is a value having no problem with the distribution of the applied voltage. A gas deposition PZT thick film was placed on this intermediate film-placed Si substrate, and the bending strength of the laminated structure was measured. The value reached 1.5 Gpa, and it was confirmed that this PMN-PZ-PT film also functions as an intermediate film.

【0066】[0066]

【発明の効果】請求項1の発明は、圧電セラミックス微
粒子をガス中に浮遊させてエアロゾル化し、このエアロ
ゾルを高速で基板上に噴射して堆積させるガスデポジシ
ョンによる圧電セラミックス厚膜構造において、前記基
板とガスデポジション堆積膜の間に、少なくとも1層以
上からなる中間膜を有するので、ガスデポジション成膜
による基板ダメージを緩和させ、構造体の機械的強度低
減を防げることができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric ceramic thick film structure by gas deposition in which piezoelectric ceramic fine particles are suspended in a gas to form an aerosol, and the aerosol is jetted and deposited on a substrate at a high speed. Since an intermediate film including at least one layer is provided between the substrate and the gas deposition film, damage to the substrate due to gas deposition film formation can be reduced, and a reduction in mechanical strength of the structure can be prevented.

【0067】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、基板をSi単結晶基板としたので、Si基板を用い
たガスデポジション成膜構造体において、基板ダメージ
を緩和させ、Si構造体の機械的強度低減を防げること
ができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, since the substrate is a Si single crystal substrate, in the gas deposition film-formed structure using the Si substrate, damage to the substrate is reduced, and Can be prevented from being reduced in mechanical strength.

【0068】請求項3の発明は、請求項1又は2の発明
において、前記中間膜が酸化物薄膜であるので、簡便に
且つ有効なダメージ緩和膜を提供することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, since the intermediate film is an oxide thin film, it is possible to provide a simple and effective damage relieving film.

【0069】請求項4の発明は、請求項3の発明におい
て、酸化物薄膜からなる中間膜の膜厚が0.05μm以
上の厚さを有するので、ダメージ緩和機能を出現させる
ことが出来る。
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, since the thickness of the intermediate film made of an oxide thin film is 0.05 μm or more, a function of alleviating damage can be exhibited.

【0070】請求項5の発明は、圧電セラミックス膜に
電界を印加させる電極膜を配置したSi基板を用い、請
求項4記載の酸化物中間膜を、この電極とガスデポジシ
ョン法により形成される圧電セラミックス厚膜の間に配
置したので、電界印加に利用できる下部電極配置基板上
に中間膜を配置させることで、基板の同様のダメージを
緩和することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, a silicon substrate having an electrode film for applying an electric field to a piezoelectric ceramic film is used, and the oxide intermediate film according to the fourth aspect is formed with this electrode by a gas deposition method. Since it is arranged between the piezoelectric ceramic thick films, the same damage to the substrate can be mitigated by arranging the intermediate film on the lower electrode arrangement substrate which can be used for applying an electric field.

【0071】請求項6の発明は、請求項5記載の圧電セ
ラミックス膜に電界を印加させる電極膜が導電性酸化物
セラミックス膜であるので、導電性酸化物セラミックス
材料の採用により、工程の単素化を図ることができる。
According to a sixth aspect of the present invention, since the electrode film for applying an electric field to the piezoelectric ceramics film according to the fifth aspect is a conductive oxide ceramics film, the use of a conductive oxide ceramics material makes it possible to simplify the process. Can be achieved.

【0072】請求項7の発明は、請求項3乃至5記載の
中間膜組成がガスデポジション法により形成される圧電
セラミックスを構成する元素のうち、酸素を除き、少な
くとも1つ以上が共通する元素からなるので、ガスデポ
ジション膜と等質の中間膜を配置させることで、駆動時
の電界分圧を良好にさせ、かつ、基板のダメージ緩和が
実行できる。
According to a seventh aspect of the present invention, at least one or more of the elements constituting the piezoelectric ceramics formed by the gas deposition method of which the intermediate film composition is common except for oxygen are included. By arranging an intermediate film of the same quality as the gas deposition film, the partial pressure of the electric field during driving can be improved, and the damage to the substrate can be reduced.

【0073】請求項8の発明は、請求項7記載の中間膜
をsol−gel法にて形成するようにしたので、so
l−gel法により、組成制御性、膜厚制御性の優れた
中間膜を提供できる。
According to an eighth aspect of the present invention, the intermediate film according to the seventh aspect is formed by a sol-gel method.
By the l-gel method, an intermediate film having excellent composition controllability and film thickness controllability can be provided.

【0074】請求項9の発明は、請求項7記載の中間膜
をスパッタリング法にて形成するようにしたので、スパ
ッタリング法により、組成制御性、膜厚制御性の優れた
中間膜を提供できる。
According to the ninth aspect of the present invention, since the intermediate film according to the seventh aspect is formed by a sputtering method, an intermediate film having excellent composition controllability and film thickness controllability can be provided by the sputtering method.

【0075】請求項10の発明は、請求項7記載の中間
膜をMO−CVD法にて形成するようにしたので、MO
−CVD法により、組成制御性、膜厚制御性の優れた中
間膜を提供できる。
According to a tenth aspect of the present invention, the intermediate film according to the seventh aspect is formed by MO-CVD.
-An intermediate film having excellent composition controllability and film thickness controllability can be provided by the CVD method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 ガスデポジション装置の一構成図を説明する
ための要部概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part for describing a configuration diagram of a gas deposition apparatus.

【図2】 sol−gel法によるPZT膜の成膜作製
例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of forming a PZT film by a sol-gel method.

【図3】 Si(100)に直接PZTをガスデポジシ
ョン成膜した試料の断面TEM像を示す図である。
FIG. 3 is a view showing a cross-sectional TEM image of a sample in which PZT is directly deposited on Si (100) by gas deposition.

【図4】 中間膜の膜厚を変化させた時の構造体強度変
化の関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship of a structural strength change when the thickness of an intermediate film is changed.

【図5】 Si基板上に0.05μm以上の厚さを有す
る酸化物中間膜を形成した時の断面TEM像を示す図で
ある。
FIG. 5 is a view showing a cross-sectional TEM image when an oxide intermediate film having a thickness of 0.05 μm or more is formed on a Si substrate.

【図6】 圧電セラミックス厚膜部にかかる電界(EF
=VF/tF)と中間膜の非誘電率の関係を示す図であ
る。
FIG. 6 shows an electric field (E F) applied to the piezoelectric ceramic thick film portion.
= V F / t F ) and the non-dielectric constant of the intermediate film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…キャリアガスボンベ、2…エアロゾルチェンバ、3
…PZT圧電セラミックス微粒子、4…デポジションチ
ェンバ、5…ノズル、6…パターンマスク、7…基板ホ
ルダー、8…X−Y−Zステージ、9…バキュームシス
テム。
1 ... Carrier gas cylinder, 2 ... Aerosol chamber, 3
... PZT piezoelectric ceramic fine particles, 4 ... deposition chamber, 5 ... nozzle, 6 ... pattern mask, 7 ... substrate holder, 8 ... XYZ stage, 9 ... vacuum system.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明渡 純 茨城県つくば市並木1丁目2番地 工業技 術院機械技術研究所内 Fターム(参考) 4K030 AA11 BA01 BA18 BA21 BA42 BA50 BB13 CA04 FA10 HA03 JA01 LA01 LA11 4K044 AA02 AA11 AA12 AA13 BA12 BB03 BC14 CA13 CA14 CA15 CA23  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Jun Akito 1-2-2 Namiki, Tsukuba, Ibaraki Pref. LA11 4K044 AA02 AA11 AA12 AA13 BA12 BB03 BC14 CA13 CA14 CA15 CA23

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電セラミックス微粒子をガス中に浮遊
させエアロゾル化し、このエアロゾルを高速で基板上に
噴射して堆積させるガスデポジションによる圧電セラミ
ックス厚膜構造において、前記基板とガスデポジション
堆積膜の間に、1層以上からなる中間膜を有することを
特徴とする圧電セラミックス厚膜構造。
In a piezoelectric ceramic thick film structure by gas deposition in which piezoelectric ceramic fine particles are suspended in a gas to form an aerosol, and the aerosol is jetted onto a substrate at a high speed and deposited, the substrate and the gas deposition deposited film are formed. A piezoelectric ceramic thick film structure comprising an intermediate film composed of one or more layers between them.
【請求項2】 前記基板がSi単結晶基板であることを
特徴とする請求項1記載の圧電セラミックス厚膜構造。
2. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 1, wherein said substrate is a Si single crystal substrate.
【請求項3】 前記中間膜が酸化物薄膜であることを特
徴とする請求項1又は2記載の圧電セラミックス厚膜構
造。
3. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 1, wherein the intermediate film is an oxide thin film.
【請求項4】 前記酸化物薄膜からなる中間膜の膜厚が
0.05μm以上の厚さを有することを特徴とする請求
項3記載の圧電セラミックス厚膜構造。
4. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 3, wherein the intermediate film made of the oxide thin film has a thickness of 0.05 μm or more.
【請求項5】 圧電セラミックス膜に電界を印加させる
電極膜を配置したSi基板を用い、膜厚が0.05μm
以上の厚さを有する酸化物薄膜からなる中間膜を、前記
電極膜とガスデポジション法により形成される圧電セラ
ミックス厚膜の間に、有することを特徴とする圧電セラ
ミックス厚膜構造。
5. An Si substrate having an electrode film for applying an electric field to the piezoelectric ceramic film, the thickness of which is 0.05 μm.
A piezoelectric ceramic thick film structure comprising an intermediate film made of an oxide thin film having the above-mentioned thickness between the electrode film and a piezoelectric ceramic thick film formed by a gas deposition method.
【請求項6】 前記圧電セラミックス膜に電界を印加さ
せる電極膜が導電性酸化物セラミックス膜であることを
特徴とする請求項5記載の圧電セラミックス厚膜構造。
6. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 5, wherein said electrode film for applying an electric field to said piezoelectric ceramic film is a conductive oxide ceramic film.
【請求項7】 前記中間膜の組成がガスデポジション法
により形成される圧電セラミックスを構成する元素のう
ち、酸素を除く少なくとも1つ以上が共通する元素から
なることを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載
の圧電セラミックス厚膜構造。
7. The composition of the intermediate film, wherein at least one or more of the elements constituting the piezoelectric ceramics formed by the gas deposition method, excluding oxygen, are composed of common elements. 6. The piezoelectric ceramic thick film structure according to any one of 5.
【請求項8】 前記中間膜をsol−gel法にて形成
したことを特徴とする請求項7記載の圧電セラミックス
厚膜構造。
8. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 7, wherein said intermediate film is formed by a sol-gel method.
【請求項9】 前記中間膜をスパッタリング法にて形成
したことを特徴とする請求項7記載の圧電セラミックス
厚膜構造。
9. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 7, wherein said intermediate film is formed by a sputtering method.
【請求項10】 前記中間膜をMO−CVD法にて形成
したことを特徴とする請求項7記載の圧電セラミックス
厚膜構造。
10. The piezoelectric ceramic thick film structure according to claim 7, wherein said intermediate film is formed by MO-CVD.
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