JP2002043643A - 薄膜圧電素子 - Google Patents
薄膜圧電素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 圧電薄膜を用いた薄膜圧電素子において、圧
電薄膜材料の組成を膜圧方向に変調させることにより、
十分な圧電特性を有し、小型で微細な薄膜圧電素子を提
供する。 【解決手段】 基板上に下部電極を形成し、該下部電極
上に鉛を含有する圧電薄膜を形成し、該圧電薄膜の上に
更に上部電極を配した薄膜圧電素子において、該圧電薄
膜を構成する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向より
も断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有
し、かつ該圧電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連
続的もしくは段階的に変化していることを特徴とする薄
膜圧電素子。
電薄膜材料の組成を膜圧方向に変調させることにより、
十分な圧電特性を有し、小型で微細な薄膜圧電素子を提
供する。 【解決手段】 基板上に下部電極を形成し、該下部電極
上に鉛を含有する圧電薄膜を形成し、該圧電薄膜の上に
更に上部電極を配した薄膜圧電素子において、該圧電薄
膜を構成する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向より
も断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有
し、かつ該圧電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連
続的もしくは段階的に変化していることを特徴とする薄
膜圧電素子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電薄膜材料を用
いる圧電素子に関するものである。
いる圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に圧電体は、種々の目的に応じて様
々な圧電素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じ
させるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発
生するセンサなどの機能性電子部品として、広く利用さ
れている。アクチュエータやセンサの用途に利用されて
いる圧電体として、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電
体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix)O3系のペロブスカ
イト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個
々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成され
る。
々な圧電素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じ
させるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発
生するセンサなどの機能性電子部品として、広く利用さ
れている。アクチュエータやセンサの用途に利用されて
いる圧電体として、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電
体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix)O3系のペロブスカ
イト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個
々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成され
る。
【０００３】現在、各種電子部品の小型化、高性能化が
進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強
く求められるようになった。しかし、従来の焼結法を中
心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚み
を薄くするに連れて、特に厚みが10μm程度の厚さに近
づくに連れて、材料を構成する結晶粒の大きさに近づ
き、その影響が無視できなくなり、特性のばらつきや劣
化が顕著になるといった問題点が発生した。それを回避
するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電
体の形成法が近年研究されている。
進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強
く求められるようになった。しかし、従来の焼結法を中
心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚み
を薄くするに連れて、特に厚みが10μm程度の厚さに近
づくに連れて、材料を構成する結晶粒の大きさに近づ
き、その影響が無視できなくなり、特性のばらつきや劣
化が顕著になるといった問題点が発生した。それを回避
するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電
体の形成法が近年研究されている。
【０００４】これまでに、圧電性を有する薄膜（すなわ
ち圧電薄膜）の形成法としては、圧電体を構成する物質
を蒸発、気化させ基板上に堆積させる気相成長法、一般
にｒｆスパッタ法やMOCVD法などが検討されている。
ち圧電薄膜）の形成法としては、圧電体を構成する物質
を蒸発、気化させ基板上に堆積させる気相成長法、一般
にｒｆスパッタ法やMOCVD法などが検討されている。
【０００５】しかし、これらの手法を用いて形成した圧
電薄膜においても、結晶粒界および結晶配向性の問題か
ら、バルク材料といわれる焼結形成した圧電体の圧電特
性と比較して特性のばらつきが大きく、センサやアクチ
ュエータなどの実用に十分な圧電特性を得るまでには未
だ至っていない。
電薄膜においても、結晶粒界および結晶配向性の問題か
ら、バルク材料といわれる焼結形成した圧電体の圧電特
性と比較して特性のばらつきが大きく、センサやアクチ
ュエータなどの実用に十分な圧電特性を得るまでには未
だ至っていない。
【０００６】特に、圧電薄膜を用いたマイクロアクチュ
エータおよびマイクロセンサを実現するために、バイモ
ルフもしくはユニモルフ構造の圧電素子を形成すること
がその応用の一つとして考えられるが、その際、圧電特
性として圧電定数d31の値が重要である。マイクロ素子
として実用化するためには、圧電薄膜として圧電定数d3
1がバルク材料なみの-100pC/V以上の値を有することが
求められている。
エータおよびマイクロセンサを実現するために、バイモ
ルフもしくはユニモルフ構造の圧電素子を形成すること
がその応用の一つとして考えられるが、その際、圧電特
性として圧電定数d31の値が重要である。マイクロ素子
として実用化するためには、圧電薄膜として圧電定数d3
1がバルク材料なみの-100pC/V以上の値を有することが
求められている。
【０００７】また、量産性を考慮した場合、圧電薄膜を
それ以外の素子作製プロセスと両立可能な基板を使用す
る必要があり、高い圧電性の実現と合わせた圧電薄膜の
材料開発および製造技術の開発が求められている。
それ以外の素子作製プロセスと両立可能な基板を使用す
る必要があり、高い圧電性の実現と合わせた圧電薄膜の
材料開発および製造技術の開発が求められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スパッ
タ法もしくはＣＶＤ法などの薄膜形成法を用いてバルク
材料と同様の結晶構造および微細構造の圧電薄膜を形成
した場合、前述した結晶粒界の影響および結晶配向性の
問題から特性のばらつきが大きく、また圧電特性も通常
バルク材料の半分以下程度しか得られなかった。この現
象は、特に膜厚が10μm以下の薄い薄膜の場合顕著に見
られた。
タ法もしくはＣＶＤ法などの薄膜形成法を用いてバルク
材料と同様の結晶構造および微細構造の圧電薄膜を形成
した場合、前述した結晶粒界の影響および結晶配向性の
問題から特性のばらつきが大きく、また圧電特性も通常
バルク材料の半分以下程度しか得られなかった。この現
象は、特に膜厚が10μm以下の薄い薄膜の場合顕著に見
られた。
【０００９】圧電薄膜をマイクロアクチュエータもしく
はマイクロセンサとして使用する場合、高い圧電特性を
実現し、さらに特性のばらつきも低減させる必要があ
る。通常、圧電薄膜の特性は、薄膜材料の組成構造、お
よびその結晶構造に大きく依存する。圧電薄膜をアクチ
ュエータやセンサ等の圧電素子として応用する場合、圧
電薄膜の微細構造を制御することで、高い圧電特性がば
らつきなく得られるようにする技術が必要である。
はマイクロセンサとして使用する場合、高い圧電特性を
実現し、さらに特性のばらつきも低減させる必要があ
る。通常、圧電薄膜の特性は、薄膜材料の組成構造、お
よびその結晶構造に大きく依存する。圧電薄膜をアクチ
ュエータやセンサ等の圧電素子として応用する場合、圧
電薄膜の微細構造を制御することで、高い圧電特性がば
らつきなく得られるようにする技術が必要である。
【００１０】本発明は上記の課題を解決するもので、圧
電薄膜材料の微視的結晶構造を最適化することによっ
て、薄膜においても圧電特性のばらつきを抑え、良好な
圧電特性を有する圧電薄膜を実現し、実用に耐えうる薄
膜圧電素子を提供することを目的とする。
電薄膜材料の微視的結晶構造を最適化することによっ
て、薄膜においても圧電特性のばらつきを抑え、良好な
圧電特性を有する圧電薄膜を実現し、実用に耐えうる薄
膜圧電素子を提供することを目的とする。
【００１１】また、そのために圧電薄膜の材料組成を最
適化し、膜厚方向の組成を変調させることにより、圧電
薄膜の微細構造制御が安定に行える手法を開発した。こ
れにより高い圧電特性を有する圧電薄膜を製造条件に大
きく左右されることなく製造することができ、マイクロ
アクチュエータもしくはマイクロセンサとして実用可能
な薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
適化し、膜厚方向の組成を変調させることにより、圧電
薄膜の微細構造制御が安定に行える手法を開発した。こ
れにより高い圧電特性を有する圧電薄膜を製造条件に大
きく左右されることなく製造することができ、マイクロ
アクチュエータもしくはマイクロセンサとして実用可能
な薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる薄膜圧電
素子は、基板上に下部電極を形成し、この下部電極上に
鉛を含有する圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜の上に更
に上部電極を配した構造を有しており、圧電薄膜を構成
する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向よりも断面方
向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、かつ圧
電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連続的もしくは
段階的に変化していることを特徴とする薄膜圧電素子で
ある。
素子は、基板上に下部電極を形成し、この下部電極上に
鉛を含有する圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜の上に更
に上部電極を配した構造を有しており、圧電薄膜を構成
する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向よりも断面方
向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、かつ圧
電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連続的もしくは
段階的に変化していることを特徴とする薄膜圧電素子で
ある。
【００１３】さらに、圧電薄膜を形成する基板が、シリ
コン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウム
のうち少なくとも一つを主成分とし、更に圧電薄膜を構
成する結晶粒について、圧電薄膜の基板に対して平面方
向の平均結晶粒径が0.5μm以下であり、加えて圧電薄膜
の厚みが8μm以下である薄膜圧電素子であることが好ま
しい。
コン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウム
のうち少なくとも一つを主成分とし、更に圧電薄膜を構
成する結晶粒について、圧電薄膜の基板に対して平面方
向の平均結晶粒径が0.5μm以下であり、加えて圧電薄膜
の厚みが8μm以下である薄膜圧電素子であることが好ま
しい。
【００１４】さらに、基板上に形成した鉛を含有する圧
電薄膜の組成において、構成元素としてチタンおよびジ
ルコニウムを含み、かつ表面に近い部分の圧電薄膜のZr
/(Zr+Ti)組成比が基板界面に近い部分のZr/(Zr+Ti)組成
比よりも10%以上少ないとなお良い。
電薄膜の組成において、構成元素としてチタンおよびジ
ルコニウムを含み、かつ表面に近い部分の圧電薄膜のZr
/(Zr+Ti)組成比が基板界面に近い部分のZr/(Zr+Ti)組成
比よりも10%以上少ないとなお良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態における圧電
素子の構成について、図面を参照しながら説明する。
素子の構成について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】図１に本発明にかかる薄膜圧電素子の一実
施例を示す。圧電薄膜１は、組成がPb(Zr1-xTix)O3(0≦
x≦1)（以後PZTと呼ぶ）の組成を有し、膜厚が３μmで
ある。まず、これを連続したダイヤフラム構造（太鼓状
の構造）を有するシリコン基板６上に形成した。
施例を示す。圧電薄膜１は、組成がPb(Zr1-xTix)O3(0≦
x≦1)（以後PZTと呼ぶ）の組成を有し、膜厚が３μmで
ある。まず、これを連続したダイヤフラム構造（太鼓状
の構造）を有するシリコン基板６上に形成した。
【００１７】ここで、圧電薄膜１は、形成した圧電薄膜
１とほぼ同じ組成を有する焼結体ターゲットを真空槽内
に設置し、ターゲット上で酸化雰囲気のガス中でプラズ
マを発生させて、加熱した基板上に蒸着させるスパッタ
法により形成した。
１とほぼ同じ組成を有する焼結体ターゲットを真空槽内
に設置し、ターゲット上で酸化雰囲気のガス中でプラズ
マを発生させて、加熱した基板上に蒸着させるスパッタ
法により形成した。
【００１８】使用した基板は、長さ500μm、幅50μmの
多数の溝をあらかじめ形成したものであり、その一方の
表面を厚み5μmのCrからなる振動層２で覆い、その上に
更に厚み0.2μmのPt下部電極層３を形成したものであ
る。
多数の溝をあらかじめ形成したものであり、その一方の
表面を厚み5μmのCrからなる振動層２で覆い、その上に
更に厚み0.2μmのPt下部電極層３を形成したものであ
る。
【００１９】圧電薄膜１の上部には、各ダイヤフラムに
対応する箇所にダイヤフラムと同じ形状の厚み0.2μmの
Pt上部電極４を形成した。
対応する箇所にダイヤフラムと同じ形状の厚み0.2μmの
Pt上部電極４を形成した。
【００２０】図１は、形成した圧電薄膜素子の一部を切
り出し、断面を見た斜視図である。この素子の上下電極
間に電圧を印加することによりアクチュエータ動作す
る。その際、上下電極間に1kHzのサイン波を印加し、ダ
イヤフラム上の圧電薄膜１の上下振動を計測し、圧電特
性の評価を行った。
り出し、断面を見た斜視図である。この素子の上下電極
間に電圧を印加することによりアクチュエータ動作す
る。その際、上下電極間に1kHzのサイン波を印加し、ダ
イヤフラム上の圧電薄膜１の上下振動を計測し、圧電特
性の評価を行った。
【００２１】スパッタ法を用い、組成の異なるいくつか
のターゲットを真空槽内に設置し、各ターゲットに印加
する電力の割合を適切に制御することによって、圧電薄
膜１の組成を膜厚方向に変化させることができた。この
構成は、圧電薄膜１の結晶構造を大きく変化させた。形
成した圧電薄膜１の断面構造は、電子顕微鏡で観察する
と、多くの結晶粒からなる多結晶構造を有していたが、
基板に対して水平方向の結晶粒の長さ（Ａ）と垂直方向
の結晶粒の長さ（Ｂ）が異なっていた。
のターゲットを真空槽内に設置し、各ターゲットに印加
する電力の割合を適切に制御することによって、圧電薄
膜１の組成を膜厚方向に変化させることができた。この
構成は、圧電薄膜１の結晶構造を大きく変化させた。形
成した圧電薄膜１の断面構造は、電子顕微鏡で観察する
と、多くの結晶粒からなる多結晶構造を有していたが、
基板に対して水平方向の結晶粒の長さ（Ａ）と垂直方向
の結晶粒の長さ（Ｂ）が異なっていた。
【００２２】ここで、図２に、形成した薄膜圧電素子の
１素子分について、圧電薄膜１の箇所における断面の微
細結晶構造を電子顕微鏡で観察した図を示す。図２は垂
直方向の結晶粒の長さ（Ｂ）が水平方向の結晶粒の長さ
（Ａ）よりも長い微細結晶構造から構成された圧電薄膜
１の微細結晶構造である。
１素子分について、圧電薄膜１の箇所における断面の微
細結晶構造を電子顕微鏡で観察した図を示す。図２は垂
直方向の結晶粒の長さ（Ｂ）が水平方向の結晶粒の長さ
（Ａ）よりも長い微細結晶構造から構成された圧電薄膜
１の微細結晶構造である。
【００２３】そこで、結晶粒の構造について、特にＢ／
Ａの比と圧電特性との依存性を測定した。表１に、図１
の薄膜圧電素子の振動特性を圧電薄膜の結晶流の縦横比
Ｂ／Ａで示す。
Ａの比と圧電特性との依存性を測定した。表１に、図１
の薄膜圧電素子の振動特性を圧電薄膜の結晶流の縦横比
Ｂ／Ａで示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１において、圧電薄膜１の上部電極に0
〜-10Vのサイン波を印加し、振動量が最大となるダイヤ
フラムの中央で計測した値で規定した場合の、20素子以
上の測定値の平均を振動量とした。振動量は圧電薄膜の
圧電特性を反映し、振動量が大きいほど圧電薄膜の特性
はよい。
〜-10Vのサイン波を印加し、振動量が最大となるダイヤ
フラムの中央で計測した値で規定した場合の、20素子以
上の測定値の平均を振動量とした。振動量は圧電薄膜の
圧電特性を反映し、振動量が大きいほど圧電薄膜の特性
はよい。
【００２６】また、粒径の縦横比（Ｂ／Ａ）は、電子顕
微鏡観察で得られた断面の結晶構造の視野内に見られた
20以上の結晶についての平均とした。
微鏡観察で得られた断面の結晶構造の視野内に見られた
20以上の結晶についての平均とした。
【００２７】表１より、結晶粒の縦横比（Ｂ／Ａ）が大
きくなるに連れて徐々に圧電振動が大きくなり、Ｂ／Ａ
が１を越えるあたりからほぼ飽和した振動特性が示され
た。この振動特性は、圧電薄膜１の圧電定数d31に起因
する振動である。この結果より、縦横比Ｂ／Aが１以上
（つまり柱状構造の結晶粒で構成された）圧電薄膜を用
いた方が良好な圧電特性が得られることを見出した。
きくなるに連れて徐々に圧電振動が大きくなり、Ｂ／Ａ
が１を越えるあたりからほぼ飽和した振動特性が示され
た。この振動特性は、圧電薄膜１の圧電定数d31に起因
する振動である。この結果より、縦横比Ｂ／Aが１以上
（つまり柱状構造の結晶粒で構成された）圧電薄膜を用
いた方が良好な圧電特性が得られることを見出した。
【００２８】圧電特性が向上した原因として、粒径が横
方向に長い場合、ダイヤフラムの振動に必要な圧電特性
d31が、面内の応力等により制限されるに対して、横の
長さが短い所謂柱状構造では、断面方向に印加された電
圧に対し、平面方向への圧電薄膜１の伸縮が面内応力に
制限されることなく良好な圧電振動を発生させることが
できたためと考えられる。
方向に長い場合、ダイヤフラムの振動に必要な圧電特性
d31が、面内の応力等により制限されるに対して、横の
長さが短い所謂柱状構造では、断面方向に印加された電
圧に対し、平面方向への圧電薄膜１の伸縮が面内応力に
制限されることなく良好な圧電振動を発生させることが
できたためと考えられる。
【００２９】この圧電薄膜１を用いることにより、薄膜
材料においても特性の良いマイクロアクチュエータもし
くはマイクロセンサなどの薄膜圧電素子を実現すること
ができた。
材料においても特性の良いマイクロアクチュエータもし
くはマイクロセンサなどの薄膜圧電素子を実現すること
ができた。
【００３０】また、結晶粒の縦横比（Ｂ／Ａ）が１以上
の値の圧電薄膜１を用いることによって、実用上十分な
圧電特性を有する薄膜圧電素子を得ることができた。
の値の圧電薄膜１を用いることによって、実用上十分な
圧電特性を有する薄膜圧電素子を得ることができた。
【００３１】圧電薄膜１を形成する基板として、シリコ
ンの他、アルミナ、酸化ジルコニウムなどを用いても同
様なダイヤフラム構造が得られた。これらの基板におい
てもシリコン基板と同様の傾向が確認できた。
ンの他、アルミナ、酸化ジルコニウムなどを用いても同
様なダイヤフラム構造が得られた。これらの基板におい
てもシリコン基板と同様の傾向が確認できた。
【００３２】さらに、これらの基板上に形成した圧電薄
膜１の振動特性について、各ダイヤフラム上の振動特性
のばらつきを調べた。表２に、図１の薄膜圧電素子の振
動特性のばらつきを圧電薄膜の結晶粒の縦横比で示し
た。
膜１の振動特性について、各ダイヤフラム上の振動特性
のばらつきを調べた。表２に、図１の薄膜圧電素子の振
動特性のばらつきを圧電薄膜の結晶粒の縦横比で示し
た。
【００３３】
【表２】
【００３４】ここで、結晶粒の粒径とは、電子顕微鏡観
察で得られた断面の結晶構造において、視野内に見られ
た20以上の結晶についての平面方向の粒径（Ａ）の平均
値である。また、振動量のばらつきとは、20素子以上の
振動量について、その標準偏差（σ）を振動量の平均
（Ｈａ）で割った値（σ／Ｈａ）である。
察で得られた断面の結晶構造において、視野内に見られ
た20以上の結晶についての平面方向の粒径（Ａ）の平均
値である。また、振動量のばらつきとは、20素子以上の
振動量について、その標準偏差（σ）を振動量の平均
（Ｈａ）で割った値（σ／Ｈａ）である。
【００３５】表２に示されるように、結晶粒径が大きい
場合、ばらつきの値も10%以上の大きな値であった。し
かし、粒径が減少するに連れてばらつきも減少し、特に
粒径が0.5μm以下の場合では、ばらつきも5%以下の低い
水準となり、薄膜圧電素子の特性安定化を実現すること
ができた。圧電薄膜１の膜厚が8μm以下の場合において
のみ、粒径を0.5μm以下とすることができ、それ以上の
膜厚では粒径が大きくなり、結晶粒の制御はできなかっ
た。
場合、ばらつきの値も10%以上の大きな値であった。し
かし、粒径が減少するに連れてばらつきも減少し、特に
粒径が0.5μm以下の場合では、ばらつきも5%以下の低い
水準となり、薄膜圧電素子の特性安定化を実現すること
ができた。圧電薄膜１の膜厚が8μm以下の場合において
のみ、粒径を0.5μm以下とすることができ、それ以上の
膜厚では粒径が大きくなり、結晶粒の制御はできなかっ
た。
【００３６】粒径が0.5μm以下の場合にばらつきが改善
された原因として、圧電薄膜を用いた圧電素子の場合、
通常の圧電体よりも厚みが薄いため結晶粒の構造を大き
く反映することになるためと考えられる。
された原因として、圧電薄膜を用いた圧電素子の場合、
通常の圧電体よりも厚みが薄いため結晶粒の構造を大き
く反映することになるためと考えられる。
【００３７】この結晶粒の大きさは圧電薄膜の組成を膜
厚方向に変化させることや、スパッタ法等の成膜条件を
最適化させることで制御することができ、これらの条件
を最適化し、結晶粒径を0.5μm以下とする事によって高
い圧電特性を示し、かつ素子間のばらつきの少ない薄膜
圧電素子が実現できた。
厚方向に変化させることや、スパッタ法等の成膜条件を
最適化させることで制御することができ、これらの条件
を最適化し、結晶粒径を0.5μm以下とする事によって高
い圧電特性を示し、かつ素子間のばらつきの少ない薄膜
圧電素子が実現できた。
【００３８】更に、圧電薄膜１としてPZTを用いた場
合、ZrとTiとの組成比が圧電特性に大きく影響し、かつ
圧電薄膜１の結晶性にも影響を与えることが明らかとな
った。前述の通り、圧電薄膜１の圧電特性およびその安
定性は、圧電薄膜１の微細結晶構造と大きな関係がある
が、この結晶構造は、基板との界面付近で大きく影響す
ることがわかった。
合、ZrとTiとの組成比が圧電特性に大きく影響し、かつ
圧電薄膜１の結晶性にも影響を与えることが明らかとな
った。前述の通り、圧電薄膜１の圧電特性およびその安
定性は、圧電薄膜１の微細結晶構造と大きな関係がある
が、この結晶構造は、基板との界面付近で大きく影響す
ることがわかった。
【００３９】そこで、PZTを用いて基板界面付近と表面
付近との組成が異なる圧電薄膜１を形成し、その圧電特
性を調べた。図３に、形成した薄膜圧電素子の圧電薄膜
１の断面構造を示す。圧電薄膜１はZr/(Zr+Ti)組成比の
小さい圧電層５と、Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層６
とから構成されている。
付近との組成が異なる圧電薄膜１を形成し、その圧電特
性を調べた。図３に、形成した薄膜圧電素子の圧電薄膜
１の断面構造を示す。圧電薄膜１はZr/(Zr+Ti)組成比の
小さい圧電層５と、Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層６
とから構成されている。
【００４０】この多層構造の圧電薄膜１の振動特性を調
べた結果、Zr/(Zr+Ti)組成比が、基板界面側よりも圧電
薄膜１の表面側で大きいほど安定な圧電振動が得られ、
特に圧電薄膜１の表面側のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面
側より10%以上大きい場合に、安定かつ良好な圧電振動
が得られた。これは、Zrを少なくすることによって、圧
電薄膜１が、良好な微細結晶構造を有した状態で成長し
やすくなったことに起因すると考えられる。
べた結果、Zr/(Zr+Ti)組成比が、基板界面側よりも圧電
薄膜１の表面側で大きいほど安定な圧電振動が得られ、
特に圧電薄膜１の表面側のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面
側より10%以上大きい場合に、安定かつ良好な圧電振動
が得られた。これは、Zrを少なくすることによって、圧
電薄膜１が、良好な微細結晶構造を有した状態で成長し
やすくなったことに起因すると考えられる。
【００４１】本実施形態における圧電薄膜の形成方法
は、スパッタ法に限定されず、ＣＶＤやゾルゲル法など
の成膜方法においても、組成が断面方向に異なる構成と
する事によって、圧電薄膜の結晶構造を制御することが
でき、同様の効果が得られた。
は、スパッタ法に限定されず、ＣＶＤやゾルゲル法など
の成膜方法においても、組成が断面方向に異なる構成と
する事によって、圧電薄膜の結晶構造を制御することが
でき、同様の効果が得られた。
【００４２】以上のように、圧電薄膜１の微細構造を最
適化することによりそれを用いた薄膜圧電素子の圧電特
性が向上し、かつばらつきの少ない安定な圧電特性を有
する圧電素子を実現することができた。
適化することによりそれを用いた薄膜圧電素子の圧電特
性が向上し、かつばらつきの少ない安定な圧電特性を有
する圧電素子を実現することができた。
【００４３】
【発明の効果】本発明によって、圧電薄膜材料の組成を
膜圧方向に変調させることにより、十分な圧電特性を有
し、小型で微細な薄膜圧電素子を提供できた。
膜圧方向に変調させることにより、十分な圧電特性を有
し、小型で微細な薄膜圧電素子を提供できた。
【図１】本発明の一実施例における薄膜圧電素子の斜視
図
図
【図２】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造
を示す図
を示す図
【図３】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造
を示す図
を示す図
１ 圧電薄膜 ２ 振動層 ３ 下部電極 ４ 上部電極 ５ Zr/(Zr+Ti)組成比の小さい圧電層 ６ Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 慎太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G031 AA11 AA12 BA10 CA03 CA04 CA08 4K029 AA06 BA50 BD00 CA05 DC05 DC09 EA09
Claims (3)
- 【請求項１】 基板上に下部電極を形成し、該下部電極
上に鉛を含有する圧電薄膜を形成し、該圧電薄膜の上に
更に上部電極を配した薄膜圧電素子において、該圧電薄
膜を構成する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向より
も断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有
し、かつ該圧電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連
続的もしくは段階的に変化していることを特徴とする薄
膜圧電素子。 - 【請求項２】 圧電薄膜を形成する基板が、シリコン、
酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムのうち
少なくとも一つを主成分とし、該圧電薄膜を構成する結
晶粒について、該圧電薄膜の基板に対する平面方向の平
均結晶粒径が0.5μm以下であって、該圧電薄膜の厚みが
8μm以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜
圧電素子。 - 【請求項３】 圧電薄膜の組成において、構成元素とし
てチタンおよびジルコニウムを含み、かつ表面部のZr/
(Zr+Ti)組成比が基板界面部のZr/(Zr+Ti)組成比よりも1
0%以上少ないことを特徴とする請求項１または２に記載
の薄膜圧電素子。
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