JP2003101091A - マイクロアクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

マイクロアクチュエータおよびその製造方法

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JP2003101091A
JP2003101091A JP2001289833A JP2001289833A JP2003101091A JP 2003101091 A JP2003101091 A JP 2003101091A JP 2001289833 A JP2001289833 A JP 2001289833A JP 2001289833 A JP2001289833 A JP 2001289833A JP 2003101091 A JP2003101091 A JP 2003101091A
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thin film
microactuator
oxide thin
pzt
oxide
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Norio Tagawa
則男 多川
Atsunobu Mori
淳暢 森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物薄膜の圧電定数が大きく、低電圧で大
きな変位を得ることが可能なマイクロアクチュエータを
提供することを課題とし、また、P−Eヒステリシス特
性にも優れたマイクロアクチュエータを提供することを
課題とする。 【解決手段】 ウエットな方法又はドライな方法のいず
れか一方により形成された酸化物薄膜と、前記ウエット
な方法又はドライな方法の他方により前記酸化物薄膜の
上に形成された酸化物薄膜とからなることを特徴とする
マイクロアクチュエータを解決手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は機械分野、電気電子
分野、光学分野等において広く用いられ、特にハードデ
ィスクや光ディスクなどの高密度情報記憶機器や、光ス
イッチ機構を利用した光通信機器などにおいて用いられ
るマイクロアクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】マイクロアクチュエータは、HDDなど
の情報機器や、マイクロマシン、その他広範囲の分野に
おいて使用されるものであり、圧電効果を有する酸化物
薄膜を備えて構成されている。従来、該マイクロアクチ
ュエータを構成する酸化物薄膜は、スパッタ法、ゾルゲ
ル法あるいは水熱法などのいずれか一の方法によって作
製された単一構造の薄膜であり、該薄膜の高性能化は、
各方法における種々のプロセスを改良することによって
図られている。
【0003】ところで、このマイクロアクチュエータの
性能を決める特性として、該酸化物薄膜の圧電定数、お
よび抗電界と残留分極との関係におけるヒステリシス特
性(以下、「P−Eヒステリシス特性」という)が挙げ
られる。圧電定数とは、圧電効果によって生じる誘電分
極と応力との関係を表す比例定数であり、該圧電定数が
大きい程、該マイクロアクチュエータが高性能であると
言える。また、P−Eヒステリシス特性とは、抗電界を
変化させた場合の残留分極の程度を示したものであり、
該P−Eヒステリシス特性が大きく、即ちヒステリシス
曲線によって囲まれる面積が広いほど、該マイクロアク
チュエータは高性能であると言える。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来技術による単一構造の酸化物薄膜を備えた
マイクロアクチュエータは、圧電定数が比較的小さいも
のであり、該マイクロアクチュエータを十分に変形させ
るためには、大きな電圧を印加しなければならないとい
う問題がある。また、従来技術による単一構造の酸化物
薄膜を備えたマイクロアクチュエータは、前記P−Eヒ
ステリシス特性も小さく、マイクロアクチュエータの特
性を支配する残留分極値が小さいという問題がある。
【0005】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たものであり、酸化物薄膜の圧電定数が大きく、低電圧
で大きな変位を得ることが可能なマイクロアクチュエー
タを提供することを課題とし、また、P−Eヒステリシ
ス特性にも優れたマイクロアクチュエータを提供するこ
とを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するためになされたものであり、その解決手段
は、ウエットな方法又はドライな方法のいずれか一方に
より形成された酸化物薄膜と、前記ウエットな方法又は
ドライな方法の他方により前記酸化物薄膜の上に形成さ
れた酸化物薄膜とからなることを特徴とするマイクロア
クチュエータにある。
【0007】斯かる構成のマイクロアクチュエータは、
従来のように、いずれか一の方法によって構成された単
一の酸化物薄膜と比較すると、酸化物薄膜全体としての
結晶配向性やP−Eヒステリシス特性が良好となり、圧
電定数も顕著に増大したものとなる。
【0008】また、本発明は、前記ウエットな方法が、
ゾルゲル法であることを特徴とするマイクロアクチュエ
ータにあり、又、前記ドライな方法が、スパッタ法であ
ることを特徴とするマイクロアクチュエータにある。
【0009】また、本発明は、前記ウエットな方法によ
り形成された酸化物薄膜と、前記ドライな方法により形
成された酸化物薄膜との厚みの比率が、1:2〜2:1
であることを特徴とするマイクロアクチュエータにあ
る。
【0010】さらに、本発明は、ウエットな方法又はド
ライな方法のいずれか一方により酸化物薄膜を形成し、
該酸化物薄膜の上に前記ウエットな方法又はドライな方
法の他方により酸化物薄膜を形成することを特徴とする
マイクロアクチュエータの製造方法にある。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明に係るマイクロアクチュエ
ータは、ウエットな方法とドライな方法とを行うことに
より、2種類の酸化物薄膜を積層させて形成したもので
ある。そして、このような2種類の方法を組み合わせて
形成された酸化物薄膜は、従来、ウエットな方法あるい
はドライな方法のいずれか一方のみによって形成された
酸化物薄膜と比較すると、圧電定数やP−Eヒステリシ
ス特性などといったマイクロアクチュエータとしての特
性が優れたものとなる。
【0012】このように、上記2種類の製法によって形
成した酸化物薄膜が、従来の酸化物薄膜と異なる特性を
有する理由については定かではないが、その結晶構造の
結晶配向性が変化するとともに、結晶粒のサイズなども
変化し、上記特徴を有する新規な酸化物薄膜が創製され
るからであると推測される。
【0013】また、ウエットな方法にる酸化物薄膜とド
ライな方法による酸化物薄膜とは、いずれを先に形成し
てもよく、要はこれら2つの方法によって連続して酸化
物薄膜を形成すればよい。さらに、これら2つの方法を
交互に複数回行うことにより、各酸化物薄膜を2以上形
成しても良い。
【0014】本発明において、ウエットな方法とは、各
種溶液を使用して概ね大気圧中で化学的な方法により薄
膜形成やエッチングを行うものであり、例えば、ゾルゲ
ル法、有機金属分解(MOD)法、水熱法、スクリーン
印刷法等を挙げることができる。また、高価な真空装置
を使用せず大気中で作製できること、組成の制御が容易
であること、成膜の再現性が比較的良いこと等の利点を
考慮すれば、ゾルゲル法によって行うことが特に好まし
い。
【0015】また、ドライな方法とは、真空プロセスを
使用し、従来の半導体作製プロセス等に基づき、イオン
を物理的に衝突させたり或いは試料に付着させることに
より、薄膜形成やエッチングを行うものであり、例え
ば、各種スパッタ法、MOCVD法等を挙げることがで
きる。また、異物の混入が少ないこと、安定した薄膜形
成が可能であること、メタルターゲットを使用すること
により組成比制御が容易であること等の利点を考慮すれ
ば、スパッタ法によって行うことが特に好ましい。
【0016】さらに、酸化物薄膜を構成する材料として
は、ペロブスカイト構造を形成する酸化物であれば種々
のものを使用することができ、最も好ましくはチタン酸
ジルコン酸鉛(PZT)薄膜を例示することができる。
また、これ以外にも、PZLT薄膜、チタン酸バリウム
薄膜、チタン酸ストロンチウム薄膜、チタン酸鉛薄膜、
チタン酸ビスマス薄膜等の強誘電体薄膜等を挙げること
ができる。
【0017】そして、ウエットな方法およびドライな方
法による酸化物薄膜の厚みの比率は、1:2〜2:1の
範囲で形成することが望ましい。このような膜厚比によ
って構成することにより、酸化物薄膜全体として得られ
る本発明の効果がより一層顕著なものとなり、優れた性
能を有するマイクロアクチュエータを得ることができ
る。
【0018】また、各酸化物薄膜の厚みは制限されない
が、マイクロアクチュエータにおいて本発明の効果をよ
り顕著に発現させるためには、酸化物薄膜の全厚みを
0.5〜2μm程度とすることが好ましい。
【0019】
【実施例】以下、本発明に係るマイクロアクチュエータ
の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明す
る。
【0020】(実施例1)図1に示すように、実施例1
として、上下にSiO2膜3を備えたSi基板2と、該
Si基板2上に形成された下部電極4と、該下部電極4
上に形成したPZT薄膜5と、該PZT薄膜5上に形成
した上部電極6とを備えたマイクロアクチュエータ1を
作製した。より具体的に説明すると、前記下部電極4
は、Si基板上にスパッタ法により形成された厚み50
nmのTi薄膜4aおよび該Ti薄膜4a上にスパッタ
法により形成された厚み100nmのPt薄膜4bとか
らなり、また、前記上部電極6は、PZT薄膜上にスパ
ッタ法により形成された厚み100nmのPt薄膜から
構成されてなるものである。
【0021】そして、該マイクロアクチュエータの中心
部をなす前記PZT薄膜5は、前記下部電極(即ち、P
t薄膜4b)上にスパッタ法により形成された厚み54
0nmのPZT薄膜5aと、該PZT薄膜5aの上にゾ
ルゲル法により形成された厚み540nmのPZT薄膜
5bとから構成されてなるものである。
【0022】(実施例2)図2は、実施例2のマイクロ
アクチュエータ1’を示したものである。実施例2のマ
イクロアクチュエータは、前記実施例1とは逆にゾルゲ
ル法により形成された厚み540nmのPZT薄膜5b
と、該PZT薄膜5bの上にスパッタ法により形成され
た厚み540nmのPZT薄膜5aとから構成されたこ
とを除き、他は実施例1と同様にして構成されたもので
ある。
【0023】(比較例)一方、2回のゾルゲル法によっ
て同一厚み(1080nm)のPZT薄膜を形成し、他
は実施例1と同様にして比較例1のマイクロアクチュエ
ータ(図示せず)を作製した。さらに、2回のスパッタ
法によって実施例1と同一厚み(1080nm)のPZ
T薄膜を形成し、他は実施例1と同様にして比較例2の
マイクロアクチュエータ(図示せず)を作製した。
【0024】(試験および評価)前記実施例1、2およ
び比較例1、2のマイクロアクチュエータについて、P
−Eヒステリシス特性を測定したところ、それぞれ図3
〜6に示す結果を得た。
【0025】実施例1に対するP−Eヒステリシス曲線
(図3)は、比較例1および2のヒステリシス曲線と比
べて、3〜4倍の面積を有しており、実施例1のマイク
ロアクチュエータが優れたP−Eヒステリシス特性を備
えていることが判る。また、実施例2に対するP−Eヒ
ステリシス曲線(図4)は、実施例1のP−Eヒステリ
シス曲線の約2.5倍の残留分極値を示しており、マイ
クロアクチュエータのP−Eヒステリシス特性が、より
顕著に改善されていることが判る。
【0026】また、実施例1と比較例1のマイクロアク
チュエータに約10Vの電圧を印加してダイアフラム中
心の変位量を、顕微鏡下で作動するレーザードップラー
振動計(グラフテック社製、AT7212)を用いて測
定したところ、それぞれ図7および図8に示す結果を得
た。尚、図7,8において、一点鎖線は印加電圧を示
し、実線はPZT薄膜の変位量を示す。
【0027】図7と図8とを比較すると、実施例1のマ
イクロアクチュエータの変位量(図7)は、比較例1の
変位量(図8)の約2倍となっており、即ち圧電定数が
約2倍となっていることが判る。従って、該実施例1の
マイクロアクチュエータは、約2分の1の電圧で従来と
同等の性能が得られるものとなる。
【0028】さらに、実施例1および比較例1,2のマ
イクロアクチュエータについて、それぞれのPZT薄膜
をX線回折分析して結晶配向性を調べたところ、図9に
示すような結果を得た。尚、図9は、グラフ手前より順
に比較例1、実施例1、比較例2のPZT薄膜のX線回
折結果を示したものである。
【0029】図9において、各々の結晶方位をみると、
実施例1のPZT薄膜が最大分極方位である(111)
方位の配向性に優れていることが判る。また、このよう
な(111)方位の配向性は比較例1や比較例2には見
られず、単にこれらの和でないことからも、実施例1に
おいて新規な酸化物薄膜が創製されていることが推察さ
れる。
【0030】
【発明の効果】以上のように、本発明に係るマイクロア
クチュエータによれば、酸化物薄膜の圧電定数が大き
く、低電圧で大きな変位を得ることが可能となり、ま
た、P−Eヒステリシス特性の優れたマイクロアクチュ
エータとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマイクロアクチュエータの実施例
1を示した断面図。
【図2】本発明に係るマイクロアクチュエータの実施例
2を示した断面図。
【図3】実施例1に係るPZT薄膜のP−Eヒステリシ
ス特性を示したグラフ。
【図4】実施例2に係るPZT薄膜のP−Eヒステリシ
ス特性を示したグラフ。
【図5】比較例1に係るPZT薄膜のP−Eヒステリシ
ス特性を示したグラフ。
【図6】比較例2に係るPZT薄膜のP−Eヒステリシ
ス特性を示したグラフ。
【図7】実施例1に係るPZT薄膜に電圧約10Vを印
加した時のダイアフラム中心変位量を示したグラフ。
【図8】比較例1に係るPZT薄膜に電圧約10Vを印
加した時のダイアフラム中心変位量を示したグラフ。
【図9】実施例1、比較例1,2のマイクロアクチュエ
ータについて、X線回折分析によってPZT薄膜の結晶
配向性を調べたグラフ。
【符号の説明】
1…マイクロアクチュエータ、5…PZT薄膜、 5a…スパッタ法により形成したPZT薄膜、 5b…ゾルゲル法により形成したPZT薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/18 101B 101C

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウエットな方法又はドライな方法のいず
    れか一方により形成された酸化物薄膜と、前記ウエット
    な方法又はドライな方法の他方により前記酸化物薄膜の
    上に形成された酸化物薄膜とからなることを特徴とする
    マイクロアクチュエータ。
  2. 【請求項2】 前記ウエットな方法が、ゾルゲル法であ
    ることを特徴とする請求項1記載のマイクロアクチュエ
    ータ。
  3. 【請求項3】 前記ドライな方法が、スパッタ法である
    ことを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロアクチ
    ュエータ。
  4. 【請求項4】 前記ウエットな方法により形成された酸
    化物薄膜と、前記ドライな方法により形成された酸化物
    薄膜との厚みの比率が、1:2〜2:1であることを特
    徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のマイクロアク
    チュエータ。
  5. 【請求項5】 前記酸化物薄膜が、いずれもPZT薄膜
    であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
    のマイクロアクチュエータ。
  6. 【請求項6】 ウエットな方法又はドライな方法のいず
    れか一方により酸化物薄膜を形成し、該酸化物薄膜の上
    に前記ウエットな方法又はドライな方法の他方により酸
    化物薄膜を形成することを特徴とするマイクロアクチュ
    エータの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004085718A1 (ja) * 2003-03-26 2004-10-07 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 強誘電体膜

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WO2004085718A1 (ja) * 2003-03-26 2004-10-07 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 強誘電体膜

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