JP2004265900A - Piezoelectric element and its manufacturing method - Google Patents

Piezoelectric element and its manufacturing method Download PDF

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    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-performance piezoelectric element using a thin film having a high degree of dipole orientation and composed of one or more materials selected from lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate. <P>SOLUTION: After a lower electrode is formed on a silica glass substrate or stainless-steel substrate, a piezoelectric thin film is formed on the lower electrode by using one or more materials selected from lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate by the sputtering method so that the degree of dipole orientation of the thin film may become ≥55%. Then an upper electrode is formed on the piezoelectric thin film. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子およびその製造方法に関するものである。より詳しくは、基板上にニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上を高度に双極子配向させた薄膜からなる圧電素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、原子力発電所などのプラントにおける配管やバルブ、あるいは内燃機関のエンジンなどの高温雰囲気を生じる構造物の異常検知を行うために、構造物の内部にセンサを設置することが行われている。該センサとしては、例えば、亀裂や割れが生じる時に発生する弾性波であるアコースティックエミッションを検出するアコースティックエミッションセンサや、異常振動、加速度の情報を検出する圧電型の振動センサが用いられており、これらには、圧縮型、片持ち梁型、ダイアフラム型、せん断型等種々の形式のものが知られている。
【０００３】
この中で、圧縮型の薄膜型圧電センサは、台座、台座側電極、圧電素子、荷重体側電極、及び荷重体を順次積層した積層体からなり、その台座の下面を被測定物にしっかりと取り付けて使用されるものである。被測定物に振動が発生すると、振動がセンサの台座に伝達される。センサの台座は被測定物とともに振動するが、荷重体は慣性力により振動に遅れが生じ、圧電素子に振動加速度に比例した圧縮、あるいは引っ張り応力が発生する。そして、その応力に比例した電荷あるいは電圧が、圧電素子の両面に発生し、圧電素子両側に配設された前記２枚の電極間に電流が流れ、その電流量を測定することによって被測定物の振動の大きさや加速度を検知することができる。
【０００４】
従来、このような圧電型のセンサには、チタン酸ジルコン酸鉛やポリフッ化ビニリデン等の圧電材料からなる圧電素子が使用されているが、このような圧電材料からなる圧電素子は分極が消滅するキュリー温度が低く、その適用限界温度は最高でも３００℃程度である。そこで、圧電素子を適した温度に保つために、特許文献１には、ペルチェ素子によって圧電素子を冷却するものが開示されている。しかし、ペルチェ素子は単に局所的な温度勾配を発生させる機能しかないため、外部に冷却機構が取り付けられず全体的に高温となる箇所への適用はできなかった。
【０００５】
また、アコースティックエミッションのような振動は、途中の振動伝達物質の性質によって減衰したり、伝達経路途中において外部からの余計な振動の混入が発生したりするので、できるだけ発生箇所近傍で振動を計測することが望ましい。しかしながら、高温となる被測定物に関しては、上記のように、従来の薄膜型圧電センサは耐熱性に劣るため、振動を振動伝達棒などを介して遠隔の低温環境下まで誘導して計測している。しかしながら、この場合、振動の減衰、雑音の混入などが起こり、被測定物の振動を十分に正確に計測できない。
【０００６】
そこで、耐熱性を有する薄膜型圧電センサとして、圧電層にニオブ酸リチウム等のキュリー温度の高い圧電材料を使用する方法が特許文献２に示されている。ニオブ酸リチウムは、キュリー温度が約１１４０℃であり、冷却手段なしで高温環境下での測定が可能である。また、ニオブ酸リチウム等からなる薄膜は、圧電素子に用いれば、圧電素子の小型化に貢献することができる材料である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２０３６６５号公報（公開日１９９３年８月１０日）
【０００８】
【特許文献２】
特開平５−３４２３０号公報（公開日１９９３年２月９日）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ニオブ酸リチウム等のキュリー温度の高い材料を圧電素子として使用するためには、ニオブ酸リチウム等が双極子配向している薄膜を必要とし、また、圧電素子の圧電性を高めるためにはその双極子配向度を高める必要がある。しかしながら、ニオブ酸リチウム等からなる薄膜は、従来から様々な方法によって作製されているものの、いずれもニオブ酸リチウム等からなる薄膜の双極子配向度に関する研究はほとんど行われていないため、双極子配向度が制御された薄膜を作製することが困難であるという問題点を有している。
【００１０】
また、上記ニオブ酸リチウム等は、薄膜化が困難であり、また単結晶体でなければ圧電特性が得られず、作製や加工が困難でコストがかかるなどの問題点を有している。さらに、ニオブ酸リチウム等からなる薄膜は、製膜した際に非常に大きな内部応力を有しているため、例えば、基板上に形成された電極上に薄膜を形成する場合、電極に亀裂（クラック）が生じたり、薄膜が電極ごと基板から剥がれたりするといった問題点を有している。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、単結晶体以外の基板上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム等からなる薄膜を形成し、高性能の圧電素子を提供すること、および高性能の圧電素子を容易かつ安価に製造することができる方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧電素子は、上記課題を解決するために、基板上に、第１電極層、圧電層、および第２電極層がこの順に積層された圧電素子であって、上記圧電層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上であることを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、圧電素子は、圧電層がニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなっている。上記各物質は、キュリー温度の高い物質である。「キュリー温度」とは、その温度以下では磁心が強磁性になり、その温度以上では常磁性になる温度のことであり、キュリー温度に達すると圧電特性を失ってしまう。しかしながら、上記各物質はキュリー温度の高い物質であるため、上記構成を有する圧電層は、耐熱性に優れ、高温でも圧電特性が劣化するようなことがなく、圧電素子に用いても冷却手段なしで高温環境下での測定が可能となる。
【００１４】
上記「双極子配向度」とは、圧電素子表面の分極方向において、プラスまたはマイナスの占有率が高い方の割合を算出したものである。双極子配向度が５０％の場合は、プラスとマイナスの量が等しくなり、信号が全く出ないこととなるため、プラスまたはマイナスの一方に偏った状態であることが理想的となる。したがって、圧電素子の双極子配向度を５５％以上とすることにより、圧電素子の圧電性を良好に保つことができる。
【００１５】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記第１電極層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなることを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、第１電極層を上記いずれかの金属で製膜することにより、第１電極層上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができる。また、第１電極層を単層とすることにより、圧電素子の製造が容易になる。
【００１７】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記第１電極層は、基板と密着する密着層と、該密着層上に１層以上の導電層とを備えた積層構造を有していることを特徴としている。
【００１８】
上記構成によれば、第１電極層を密着層を有しない単層とした場合に、応力により第１電極層が基板から剥離してしまう、または第１電極層にクラックが発生してしまう可能性があるのに対して、第１電極層を密着層を有する積層体とすることにより、上述の剥離またはクラックの発生をより一層防止することができる。
【００１９】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記導電層の最表層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列を有し、かつ、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔の結晶面を有する金属であって、上記結晶面が基板面に対して平行である配向性の金属からなることを特徴としている。
【００２０】
上記構成によれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列を有し、かつ、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔の結晶面を有する金属を第１電極層の最表層に用いることにより、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の結晶が歪みなく成長することができる。その結果、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を容易に得ることができる。
【００２１】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記導電層の最表層は、電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属からなることを特徴としている。
【００２２】
上記構成によれば、金属上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができる。
【００２３】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記導電層の最表層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなることを特徴としている。
【００２４】
上記構成によれば、第１電極層の最表層を上記いずれかの金属で製膜することにより、第１電極層上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができる。
【００２５】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記導電層の最表層は、配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層のいずれか１つからなり、該最表層の（１１１）面が基板面に対して平行であることを特徴としている。
【００２６】
上記構成によれば、上記配向性を有する各金属層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面と原子間隔が同じであるため、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の結晶が歪みなく成長することが可能となる。その結果、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を得ることができる。
【００２７】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉ、ＣｒまたはＴａのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つからなる第２層とからなることを特徴としている。また、上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉまたはＣｒのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔまたはＮｉのいずれか１つからなる第２層と、該第２層上に形成されたＡｕからなる第３層とからなることを特徴としている。また、本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記第２電極層は、複数の導電層を備えた積層構造を有していることを特徴としている。
【００２８】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記基板は、ガラス、金属、プラスチックまたはセラミックス焼結体からなることを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、圧電素子の基板としてガラス、金属、プラスチックまたはセラミックス焼結体を使用している。これらは単結晶基板と比べて安価であり、入手が容易であるため、圧電素子のコストを抑えることができる。また、例えば、ガラスとして石英ガラスまたは金属としてステンレスを基板に使用した場合、他の材料と比較して高い双極子配向性を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を得ることができる。
【００３０】
本発明にかかる圧電素子は、上記構成に加え、上記基板は、５〜１００μｍの厚さを有する金属またはプラスチックからなることを特徴としている。
【００３１】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、該第１電極層上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、該圧電層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程とを含む圧電素子の製造方法であって、上記圧電層形成工程では、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上である圧電層を形成することを特徴としている。
【００３２】
上記方法によれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の双極子配向度が５５％以上となるように圧電層を形成する。これにより、耐熱性を有することができ、圧電性の良好な圧電素子を製造することができる。
【００３３】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、上記構成に加え、上記第１電極層形成工程は、基板と密着する密着層を形成する密着層形成工程と、該密着層上に１層以上の導電層を形成する導電層形成工程とを含むことを特徴としている。
【００３４】
上記方法によれば、第１電極層が基板から剥離したり、第１電極層にクラックが発生したりすることのない安定した圧電素子を得ることができる。
【００３５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、上記構成に加え、上記第１電極層形成工程では、金属を、室温以上１５０℃以下の範囲にある温度にて製膜することを特徴としている。
【００３６】
上記方法によれば、第１電極層を構成する金属粒子の粒子間に隙間が生じることを防止することができる。これにより、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を双極子配向させるのに適した第１電極層を形成することができる。また、基板と第１電極層との熱膨張差がなくなることにより応力が下がり、第１電極層にクラックまたは剥離が生じやすくなるのを防止することができる。さらに、第１電極層と第２電極層とが短絡することを防止することができる。
【００３７】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、上記構成に加え、物理気相成長法を用いて上記第１電極形成工程を行うことを特徴としている。
【００３８】
上記方法によれば、第１電極層を容易に製膜することができる。「物理気相成長法」とは、物理的方法で物質を蒸発させ、成膜する部材上で凝縮させて薄膜を形成する方法であり、主に、スパッタリング法、イオンプレーティング法や真空蒸着法などを指す。この方法によれば、圧電材料の針状の結晶柱が霜柱状に成長するため、圧電材料が単結晶状態の薄膜を形成することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施の形態について以下に説明する。
【００４０】
本実施の形態にかかる圧電素子は、基板上に下部電極（第１電極層）、圧電体薄膜（圧電層）および上部電極（第２電極層）を順次備えた積層構造を有している。基板上に圧電体薄膜が形成された圧電素子であることから、圧力センサ、振動センサ、加速度センサまたは表面弾性波フィルタ等として使用することができ、しかも高感度とすることが可能である。
【００４１】
上記基板は、サファイアまたはシリコン等の単結晶からなる単結晶基板のみならず、ガラス基板、多結晶セラミック基板、金属基板または樹脂基板等の単結晶基板以外の基板を使用することができる。本実施の形態の圧電素子が有する圧電体薄膜は、後述するように、単結晶基板以外の基板上において双極子配向したニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することが可能となっているため、この場合、単結晶基板を用いた場合よりも圧電素子を安価に製造することができる。
【００４２】
下部電極を形成する金属は、電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属であることがより好ましく、１．４付近であることがさらに好ましい。下部電極は圧電体薄膜と接しており、下部電極を電気陰性度が上記範囲外にある金属を用いて形成した場合、下部電極上に形成される圧電体薄膜の双極子配向度が著しく減少してしまうのに対して、上記範囲内にある金属を用いて下部電極を形成することにより、高い双極子配向度を有する圧電体薄膜を形成することができる。また、下部電極を形成する金属は、その原子配列が圧電体薄膜を形成しているニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列であって、原子間隔がほぼ同じとなっている結晶面を有する金属であることがより好ましい。このような金属の結晶面と圧電体薄膜を形成するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面とでは格子定数の差がないことから、圧電体薄膜を形成する際に、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛が歪むことなく成長することができ、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができるからである。
【００４３】
また、下部電極を形成する金属は、その結晶面が基板に対して平行であって、配向性を有する金属によって形成することがより好ましい。例えば、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いて形成することができる。なお、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面と格子定数の差がない。このため、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面が基板面に対して平行である配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層のいずれかを下部電極として形成することがより好ましい。これら配向性を有する金属層は、製膜条件によって制御された環境により、配向性を示す結晶成長が起こることによって配向性を有するようになっている。
【００４４】
圧電体薄膜は、双極子配向性を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上を用いて形成され、その双極子配向度が５５％以上となっている。すなわち、圧電体薄膜は、双極子配向性ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上を用いて形成され、その双極子配向度が５５％以上となるように形成されている。ここで、双極子配向度とは、圧電体薄膜表面の分極方向において、プラスまたはマイナスの占有率が高い方の割合を算出したものである。双極子配向度が５０％の場合は、プラスとマイナスの量が等しくなり、信号が全く出ないこととなるため、プラスまたはマイナスの一方に偏った状態であることが理想的となる。図１に示すように、双極子配向度と圧電素子に溜まる電荷量とには相関があることが分かる。すなわち、双極子配向度が高いほど、圧電素子は高電圧を蓄積することが可能となり、その結果高性能となる。なお、理論上は、例えば５０．１％等の僅かな差があれば信号は出ることになるものの、双極子配向度の偏りによる信号の有無について測定をした結果、５５％以上の偏りがない場合には測定上困難であるため、双極子配向度が５５％以上の薄膜を圧電体薄膜としている。
【００４５】
上部電極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属またはこれらの金属を主体とした合金、ＩＴＯ、二酸化イリジウム、二酸化ルテニウム、三酸化レニウムまたはＬＳＣＯ（Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）等の導電性酸化物、若しくは窒化ケイ素等の窒化物により形成することができる。なお、上記物質以外にも、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜との密着性がよく、応力が生じにくい導電物質であれば同様に使用することができる。
【００４６】
次に、圧電素子の製造方法の一例について以下に説明する。なお、本実施の形態においては、一例としてニオブ酸リチウム薄膜からなる圧電体薄膜を有する圧電素子について説明する。ただし、本発明はこれに限定されることはなく、圧電体薄膜としてニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を有する圧電素子においても同様である。
【００４７】
上述のように基板は、単結晶基板、多結晶基板またはアモルファス基板等の様々な基板を選択することが可能である。双極子配向性を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜は、基板の種類によらずに形成することが可能となっていることから、本実施の形態においては、多結晶基板またはアモルファス基板とする。多結晶基板またはアモルファス基板は、単結晶基板よりも安価であって入手が容易であるからである。具体的には、基板としてガラス基板または金属基板、特に石英ガラス基板またはステンレス基板を選択することがより好ましい。石英ガラス基板またはステンレス基板は、他の材料と比較して高い双極子配向性を得ることができるため、圧電素子の基板として最適である。なお、上記石英ガラス基板またはステンレス基板の他に、例えば５〜１００μｍの厚さを有する金属またはプラスチックを用いてもよい。
【００４８】
そして、上記基板上に下部電極を製膜する第１電極層形成工程を行う。下部電極は、導電体を電極材料として用いることから、所定の金属または合金を物理気相成長法（ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）を用いて蒸着することにより形成する。物理気相成長法としては、抵抗加熱蒸着または電子ビーム加熱蒸着等の真空蒸着法、直流スパッタリング、高周波スパッタリング、ＲＦプラズマ支援スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、ＥＣＲスパッタリングまたはイオンビームスパッタリング等の各種スパッタリング法、高周波イオンプレーティング、活性化蒸着またはアークイオンプレーティング等の各種イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、レーザアプレーション法、イオン化クラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法等の製膜方法を用いることができる。このうち、スパッタリング法、特にＲＦプラズマ支援スパッタリング法を用いることがより好ましい。ＲＦプラズマ支援スパッタリング法を用いると、比較的高い真空下にてスパッタリングができるため、より高品質のニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上の薄膜からなる下部電極を形成することが可能となるためである。ただし、上記蒸着方法は、蒸着する物質によって適宜選択することができる。
【００４９】
また、薄膜状の下部電極は、室温（２５℃）以上１５０℃以下の範囲にある温度にて製膜することがより好ましい。上記範囲内にある温度にて下部電極を製膜することにより、下部電極を構成する金属粒子の粒子間に隙間が生じることを防止することができる。これにより、亀裂（クラック）、丘状の隆起（ヒロック）または剥離の発生をより抑制することができるとともに、上部電極と下部電極とのショート（短絡）をより抑制することができる。
【００５０】
なお、下部電極を製膜する温度が、粒子間に隙間が生じる温度を超えた場合、金属粒子が製膜時に粒成長し、この粒成長によって下部電極の微構造が滑らかになることがある。下部電極の微構造が滑らかになると、上部電極と下部電極とのショートのおそれが少なくなる。したがって、粒子間に隙間が生じる製膜温度を超えた温度であって、粒成長により粒子間の隙間が消滅し、電極の微構造が滑らかになる温度であれば下部電極を製膜することができる。
【００５１】
製膜条件は、例えば、圧力を１．０×１０−１Ｐａ、窒素ガス分圧比を０％、基板温度を無加熱、ターゲット投入電力を２００Ｗとすることができる。また、製膜する膜厚は材料により変化させて行うことができる。ただし、上記条件は適宜変更することができる。
【００５２】
そして、上記製膜条件および蒸着方法を用いて、後に形成するニオブ酸リチウムの（００１）面とマッチングのよい下部電極を形成する。下部電極は、例えばＷ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面が基板面に対して平行である配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層をスパッタリングにより製膜することによって形成することができる。
【００５３】
下部電極を上記温度範囲にて製膜することにより、双極子配向したニオブ酸リチウムの薄膜を形成するのに適した下部電極を形成することができる。また、基板と下部電極との熱膨張差が無くなるため、下部電極の応力を下げることが可能となり、下部電極にクラックやヒロックが生じること、および下部電極が基板から剥離することを防止することができる。
【００５４】
次に、下部電極上に圧電体薄膜を形成する圧電層形成工程を行う。下部電極上に、５５％以上の双極子配向度を有するニオブ酸リチウムの薄膜からなる圧電体薄膜を形成する。圧電体薄膜の形成は、ＰＶＤ法、中でもスパッタリング法を用いて製膜することがより好ましい。上述のように、下部電極を形成する金属は、ニオブ酸リチウムの（００１）面の原子配列と同一配列であって、ニオブ酸リチウムの（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔である結晶面が、基板に対して平行に配向していることがより好ましい。このような金属は、その結晶面がサファイア等の単結晶と同等の下地表面を形成するため、ＰＶＤ法を用いてニオブ酸リチウムをターゲットとして下部電極上に薄膜を形成することにより、双極子配向したニオブ酸リチウムからなる圧電体薄膜を得ることができる。
【００５５】
スパッタリングは、例えば高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて行うことができる。この場合、スパッタリングチャンバーにて５×１０−４Ｐａ以下となるように真空引きを行い、高純度アルゴンガス（純度９９．９９９％）と高純度窒素ガス（純度９９．９９９％）または高純度酸素ガス（純度９９．９９９％）とを導入する。蒸着を行う前に、高周波マグネトロンスパッタリング装置のシャッターを閉じたままで、ターゲットとしてのニオブ酸リチウムのプレスパッタリングを１０分間行う。そして、例えば、スパッタリング圧力を０．２５Ｐａ、基板温度を６５０℃、酸素ガス分圧比を１０％、ターゲット投入電力を２００Ｗ、スパッタリング時間を２０時間、とした製膜条件にてスパッタリングを行い、ニオブ酸リチウム薄膜を形成することができる。
【００５６】
また、上記製膜条件は適宜変更することが可能であり、例えば、２０００ｎｍの膜厚を有するニオブ酸リチウム薄膜を形成する場合は、スパッタリング圧力を１．３×１０−１Ｐａ、酸素ガス分圧比を６０％、基板温度を３００℃、ターゲット投入電力を２００Ｗ、スパッタリング時間を１２時間としても同様にニオブ酸リチウムを形成することができる。
【００５７】
次に、圧電体薄膜上に上部電極を形成する第２電極層形成工程を行う。ＰＶＤ法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の蒸着方法を用いて、上述した上部電極に用いられる物質のうちのいずれかからなる上部電極を形成する。また、上記上部電極に用いられる物質のうちの複数の物質を用いて積層構造を有する上部電極を形成することもできる。なお、上部電極を形成するための蒸着方法および形成条件は、蒸着物質により適宜変更することができる。
【００５８】
以上により、単結晶基板以外の基板上に下部電極、双極子配向したニオブ酸リチウムからなる圧電体薄膜、および上部電極が形成された圧電素子を製造することができる。また、圧電体薄膜を下部電極との配向性、面配列および原子配列を考慮して形成することにより、高い双極子配向度を有し、剥離、クラックおよびヒロックの原因となる応力の発生が抑制された圧電素子を製造することができる。
【００５９】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について以下に説明する。
【００６０】
本実施の形態における圧電素子は、下部電極が、基板との密着性を高めるための密着層と、電極としての電極層（導電層）とを有する積層体となっている。他の構成については、上記実施の形態１にて説明した圧電素子と同様である。
【００６１】
積層体である下部電極の最表層は、圧電体薄膜と密着している。圧電体薄膜を形成しているニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛は、上記実施の形態１と同様に、例えば電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属上において高い双極子配向度を有することができるため、下部電極の最表層を形成する金属を電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属とすることがより好ましい。また、下部電極の最表層の金属は、その原子配列がニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列であって、原子間隔がほぼ同じとなっている結晶面を有する金属であることがより好ましい。このような金属の結晶面と圧電体薄膜を形成するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面とでは格子定数の差がないことから、圧電体薄膜を形成する際に、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の結晶が歪むことなく成長することができ、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができるからである。
【００６２】
また、下部電極の最表層は、その結晶面が基板に対して平行であって、配向性を有する金属によって形成することがより好ましい。例えば、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いて形成することができる。なお、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面と格子定数の差がない。このため、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面が基板面に対して平行である配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層のいずれかを最表層に形成することがより好ましい。
【００６３】
また、下部電極が２層の積層体である場合、基板上に形成する第１層をＴｉまたはＣｒとし、第１層上に形成する第２層をＰｔとした２層体に形成することができる（以下、基板上に形成する第１層／第１層上に形成する第２層、と記載する。すなわち、前述の場合Ｔｉ／ＰｔまたはＣｒ／Ｐｔとなる。３層体においても同じ）。また、下部電極が３層の積層体である場合、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕの３層体に形成することができる。
【００６４】
なお、下部電極が上記実施の形態１のように密着層を有しない単層とした場合、例えば基板上にＰｔ、Ａｕ、ＲｕまたはＡｇを下部電極として形成した単層とした場合に、応力が発生することがある。これにより、下部電極が基板から剥離してしまう、または下部電極にクラックが発生してしまうといった可能性があるのに対して、下部電極を密着層を有する積層体とすることにより、剥離またはクラックの発生をより一層抑制することができる。
【００６５】
次に、圧電素子の製造方法の一例について以下に説明する。なお、本実施の形態においては、一例としてニオブ酸リチウムからなる圧電体薄膜を有する圧電素子について説明する。ただし、本発明はこれに限定されることはなく、圧電体薄膜としてニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を有する圧電素子においても同様である。
【００６６】
上記実施の形態１と同様に、基板として石英ガラス基板またはステンレス基板を用いて、基板上に下部電極を形成する第１電極層形成工程を行う。第１電極層形成工程として、まず基板上に密着層を形成する密着層形成工程を行う。そして、密着層上に電極層を形成する導電層形成工程を行う。密着層および電極層は、上記実施の形態１と同様の製膜条件および蒸着方法を用いて形成され、これにより下部電極が形成される。
【００６７】
そして、後に形成する圧電体薄膜であるニオブ酸リチウムの（００１）面とマッチングのよい電極層を形成する。上記電極層の最表層、すなわち圧電体薄膜と接する層は、例えば、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いることがより好ましい。
【００６８】
また、上記電極層の最表層は、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇの（１１１）面が基板面に対して平行である配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層を用いて形成することもできる。
【００６９】
下部電極を室温（２５℃）以上１５０℃以下の範囲にある温度にて製膜することにより、双極子配向したニオブ酸リチウムの薄膜を形成するのに適した下部電極を形成することができる。また、基板、密着層および下部電極の熱膨張差が無くなるため、下部電極の応力を下げることが可能となり、下部電極にクラックやヒロックが生じること、および下部電極が基板から剥離することを防止することができる。
【００７０】
次に、下部電極上に圧電体薄膜を形成する圧電層形成工程を行う。下部電極上に、５５％以上の双極子配向度を有するニオブ酸リチウムの薄膜からなる圧電体薄膜を形成する。圧電体薄膜の形成は、上記実施の形態１と同様にＰＶＤ法、中でもスパッタリング法を用いて製膜することがより好ましい。また、下部電極の最表層を形成する金属は、ニオブ酸リチウムの（００１）面の原子配列と同一配列であって、ニオブ酸リチウムの（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔である結晶面が、基板に対して平行に配向していることがより好ましい。このような金属は、その結晶面がサファイア等の単結晶と同等の下地表面を形成するため、ＰＶＤ法を用いてニオブ酸リチウムをターゲットとして下部電極の最表層上に薄膜を形成することにより、双極子配向したニオブ酸リチウムからなる圧電体薄膜を得ることができる。また、ニオブ酸リチウムの薄膜は、実施の形態１と同様の条件を用いて製膜することができる。
【００７１】
次に、圧電体薄膜上に上部電極を形成する第２電極層形成工程を行う。ＰＶＤ法またはＣＶＤ法の蒸着方法を用いて、上述した上部電極に用いられる物質のうちのいずれかからなる上部電極を形成する。また、上記上部電極に用いられる物質のうちの複数の物質を用いて積層構造を有する上部電極を形成することもできる。なお、上部電極を形成するための蒸着方法および形成条件は、蒸着物質により適宜変更することができる。
【００７２】
以上により、単結晶基板以外の基板上に密着層を有する下部電極、双極子配向したニオブ酸リチウム薄膜からなる圧電体薄膜、および上部電極が形成された圧電素子を製造することができる。また、圧電体薄膜を下部電極との配向性、面配列および原子配列を考慮して形成することにより、高い双極子配向度を有し、剥離、クラックおよびヒロックの原因となる応力の発生が抑制された圧電素子を製造することができる。
【００７３】
〔実施例〕
圧電素子の電気機械結合係数などの電気的な特性は、圧電体薄膜の双極子配向度に大きく依存することが知られている。このため、圧電素子がより高い双極子配向度を有する圧電体薄膜を備えるために、下部電極が圧電体薄膜の形成に及ぼす影響、および下部電極を積層体とすることによる圧電体薄膜の形成に及ぼす効果を検討した。以下、その内容について説明する。
【００７４】
（下部電極の影響）
これまでにニオブ酸リチウムを導電体上に作製した主な研究としては、表面弾性波（ＳＡＷ（ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ））フィルタ用のアルミニウム電極上に作製した研究がある。その他の導電体上にニオブ酸リチウムを作製した研究は僅かしか行われていない。そこで、下部電極上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム薄膜を形成するために、２０種類の導電体を用いて２０種類の下部電極を製膜し、各下部電極上にニオブ酸リチウム薄膜を作製することにより、下部電極がニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度に及ぼす影響について調べた。なお、２０種類の下部電極は、室温下にて主にスパッタリング法を用いて作製し、基板にはガラス基板を使用した。
【００７５】
具体的には、基板として２０ｍｍ×２０ｍｍ×１．１ｍｍの石英ガラス基板を使用して、石英ガラス基板上に下部電極を製膜した。下部電極の製膜条件は、圧力を１．０×１０−１Ｐａ、窒素ガス分圧比を０％、基板温度を無加熱、ターゲット投入電力を２００Ｗとした。また、下部電極の膜厚は材料により変化させた。そして、各下部電極上にニオブ酸リチウム薄膜を製膜した。ニオブ酸リチウム薄膜の製膜条件は、圧力を１．３×１０−１Ｐａ、酸素ガス分圧比を６０％、基板温度を３００℃、ターゲット投入電力を２００Ｗとし、膜厚を２０００ｎｍとした。
【００７６】
なお、例えばＡｌ−Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ等は半導体によく使われる材料であるため、これらの材料を下部電極として使用することができれば、半導体とニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を有する圧電素子との集積が容易となる。しかしながら、これらの材料ではニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜の双極子配向度を高めることができず、またクラックも多数発生した。また、下部電極としてＰｔ、Ａｕ、Ｒｕを石英ガラス基板上に直接形成した場合、下部電極と石英ガラス基板との密着性が悪く、下部電極は石英ガラス基板から剥離した。このため、石英ガラス基板上にＴｉまたはＣｒ等からなる密着層を形成した。そして、下部電極の最表層としてＴｉＮ薄膜を形成し、ＴｉＮ薄膜上にニオブ酸リチウム薄膜を形成した場合、双極子配向度が９０％を示す超高双極子配向度および高結晶化度を有するニオブ酸リチウム薄膜を得ることができた。なお、ＴｉＮ薄膜上にニオブ酸リチウム薄膜を形成した例は、これまでに報告されていない。また、下部電極の最表層としてのＷ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／ＡｕおよびＴｉ／Ａｇ上にニオブ酸リチウム薄膜を形成した場合にも同様に、双極子配向度が９０％前後の超高双極子配向度を有するニオブ酸リチウム薄膜を得ることができた。
【００７７】
次に、形成したニオブ酸リチウム薄膜の結晶構造が、部分的に（ミクロ的に）優れていたとしても、全体的に（マクロ的に）クラックや剥離が生じる場合には、圧電素子を量産することは困難である。このため、光学顕微鏡を用いてそれぞれのニオブ酸リチウム薄膜の表面観察を行った。ＴｉＮ上に形成したニオブ酸リチウム薄膜の表面には、ヒロックが観察されたものの、クラックや剥離は全く観察されなかった。また、ＷおよびＴｉ／Ｐｔ上に形成したニオブ酸リチウム薄膜の表面は滑らか、かつ均一であり、クラックおよび剥離は全く観察されなかった。
【００７８】
一方、Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｇ上に形成したニオブ酸リチウム薄膜の表面には、ヒロックと大きなクラックとが観察された。また、上述のように、Ａｌ−Ｓｉ薄膜を使用することにより、既存の半導体技術を生かすことが可能となるものの、Ａｌ−Ｓｉ薄膜上には高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム薄膜を形成することができず、激しいクラックの発生も確認された。さらに、ＣｒまたはＮｉからなる薄膜上に形成したニオブ酸リチウム薄膜の表面には、無数のクラックが発生し、所々にピンホールのような部分も観察された。
【００７９】
以上の結果より、ＷおよびＴｉ／Ｐｔ上に形成したニオブ酸リチウム薄膜は、高双極子配向度および高結晶化度を有しており、さらにヒロック、クラックおよび剥離が生じないことが分かった。したがって、下部電極の最表層を形成する薄膜としては、ＷまたはＴｉ／Ｐｔからなる薄膜が優れていることが分かった。
【００８０】
（下部電極の積層効果）
ニオブ酸リチウム薄膜からなる圧電体薄膜を有する圧電素子における下部電極を積層させることによる効果については、今までに報告がない。このため、下部電極として金属薄膜を２重または３重に積層させ、この下部電極上にニオブ酸リチウム薄膜を形成した場合における、ニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度および結晶化度等の結晶構造への影響について調べた。
【００８１】
まず、上記（下部電極の影響）にて調べた結果、高双極子配向度および高結晶化度を示したＴｉ／ＰｔまたはＣｒ／Ｐｔ等のＰｔ系を最表層に形成した積層構造を有する下部電極について調べた。基板は、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１．１ｍｍの石英ガラス基板を使用し、下部電極の製膜条件は、圧力を１．０×１０−１Ｐａ、酸素ガス分圧比を０％、基板温度を無加熱、ターゲット投入電力を２００Ｗとして、膜厚は材料によって変化させた。また、ニオブ酸リチウム薄膜の製膜条件は、圧力を１．３×１０−１Ｐａ、酸素ガス分圧比を６０％、基板温度を３００℃、ターゲット投入電力を２００Ｗとして、膜厚を２０００ｎｍとした。
【００８２】
下部電極の基板側の層をＴｉからＣｒに変えることによって、形成されたニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度は９０％から９５％に増加した。また、ニオブ酸リチウム薄膜の（００２）面のピークの積分強度も約２倍向上した。この結果、Ｃｒ薄膜は僅か数十ｎｍしかないにもかかわらず、その上に形成されるニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度および結晶化度に大きく影響することが分かった。
【００８３】
次に、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ等のＡｕ系を最表層に形成した積層構造を有する下部電極について調べた。その結果、双極子配向度は全てほぼ９０％以上であり、各層での大きな差は見られなかった。また、形成されたニオブ酸リチウム薄膜の（００２）面のピークの積分強度にも大きな差は見られなかった。したがって、Ａｕ系薄膜を最表層に用いた場合、Ｐｔ系薄膜を最表層に用いた場合と異なり、下部電極の積層効果によるニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度および結晶化度に対する影響は観察されなかった。
【００８４】
上記（下部電極の影響）および（下部電極の積層効果）にて、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム薄膜を得るために、ニオブ酸リチウム薄膜を形成する際の、下部電極の影響および下部電極の積層効果について検討した。その結果、下部電極に用いる金属の種類および下部電極の積層構造によって、下部電極上に形成されるニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度および結晶化度などが大きく変化することが分かった。すなわち、下部電極の影響を調べた結果からは、ＴｉＮ、Ｗ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／ＡｇおよびＴｉ／Ｐｔからなる下部電極上にニオブ酸リチウム薄膜を製膜したときに、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム薄膜を得ることができた。しかしながら、ＴｉＮ、Ｔｉ／ＡｕおよびＴｉ／Ａｇからなる下部電極上に製膜されたニオブ酸リチウム薄膜は、その表面にヒロックや大きなクラックが観察されたため、下部電極の材料には適していないことが分かった。一方、ＷおよびＴｉ／Ｐｔからなる下部電極上に製膜されたニオブ酸リチウム薄膜は、その表面が均一でありクラックや剥離はほとんど観察されず、下部電極の材料として適していることが分かった。また、製膜された下部電極の双極子配向度および結晶化度が高いほど、下部電極上に製膜されるニオブ酸リチウム薄膜の双極子配向度および結晶化度も向上することが分かった。さらに、下部電極の最表層に用いられる材料として、電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属が適していることが分かった。
【００８５】
また、本発明は、ガラス基板等の安価な基板を用いたにもかかわらず、高い双極子配向度を有する高性能の圧電素子を提供することを可能としている。さらに、本発明の圧電素子は、高性能であることに加えて、ヒロックやクラック、剥離がない高品質であることも両立することを可能としている。このように、本発明は、安価なガラス、金属、プラスチックまたはセラミックス焼結体基板を用いて、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる圧電体薄膜を有する高性能かつ高品質な圧電素子を提供可能としたことに意義がある。また、本発明は、下部電極がＷ等の単層である場合のみならず、密着層を有する積層体とした場合に、下部電極の最表層に用いる材料を適切に選択することにより、さらに高性能かつ高品質な圧電素子の提供を可能としている。また、本発明は、下部電極を製膜する際に、下部電極に用いられる材料の粒子形状を制御し、ＲＦスパッタリング法等の物理気相成長法を用いることにより、ヒロック、クラックおよび剥離を生じさせることなく、高性能かつ高品質な圧電素子の製造方法を提供することを可能としている。
【００８６】
なお、上記実施の形態１および２並びに実施例における圧電素子の製造条件は、一例を示したにすぎず、本発明は、当然にこの数値に限定されるものではない。
【００８７】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる圧電素子は、基板上に、第１電極層、圧電層、および第２電極層がこの順に積層された圧電素子であって、上記圧電層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上である構成である。
【００８８】
上記構成によれば、圧電素子は、キュリー温度の高い物質からなっているため、耐熱性に優れ、高温でも圧電特性が劣化するようなことがなく、圧電素子に用いても冷却手段なしで高温環境下での測定が可能となる。また、圧電素子の双極子配向度を５５％以上とすることにより、圧電素子の圧電性を良好に保つことができるという効果を奏する。
【００８９】
上記の圧電素子において、上記第１電極層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなる構成としてもよい。
【００９０】
上記構成によれば、第１電極層上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができる。また、第１電極層を単層とすることにより、圧電素子の製造が容易になるという効果を奏する。
【００９１】
上記の圧電素子において、上記第１電極層は、基板と密着する密着層と、該密着層上に１層以上の導電層とを備えた積層構造を有している構成としてもよい。
【００９２】
上記構成によれば、第１電極層を密着層を有する積層体とすることにより、上述の剥離またはクラックの発生をより一層防止することができるという効果を奏する。
【００９３】
上記の圧電素子において、上記導電層の最表層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列を有し、かつ、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔の結晶面を有する金属であって、上記結晶面が基板面に対して平行である配向性の金属からなる構成としてもよい。
【００９４】
上記構成によれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の結晶が歪みなく成長することができる。その結果、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を容易に得ることができるという効果を奏する。
【００９５】
上記の圧電素子において、上記導電層の最表層は、電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属からなる構成としてもよい。
【００９６】
上記構成によれば、金属上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができるという効果を奏する。
【００９７】
上記の圧電素子において、上記導電層の最表層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなる構成としてもよい。
【００９８】
上記構成によれば、第１電極層上に高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を形成することができるという効果を奏する。
【００９９】
上記の圧電素子において、上記導電層の最表層は、配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層のいずれか１つからなり、該最表層の（１１１）面が基板面に対して平行である構成としてもよい。
【０１００】
上記構成によれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の結晶が歪みなく成長することが可能となる。その結果、高い双極子配向度を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を得ることができるという効果を奏する。
【０１０１】
上記の圧電素子において、上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉ、ＣｒまたはＴａのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つからなる第２層とからなる構成としてもよい。また、上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉまたはＣｒのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔまたはＮｉのいずれか１つからなる第２層と、該第２層上に形成されたＡｕからなる第３層とからなる構成としてもよい。また、上記第２電極層は、複数の導電層を備えた積層構造を有している構成としてもよい。
【０１０２】
上記の圧電素子において、上記基板は、ガラス、金属、プラスチックまたはセラミックス焼結体からなる構成としてもよい。
【０１０３】
上記構成によれば、単結晶基板と比べて安価であり、入手が容易であるため、圧電素子のコストを抑えることができる。また、例えば、ガラスとして石英ガラスまたは金属としてステンレスを基板に使用した場合、他の材料と比較して高い双極子配向性を有するニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を得ることができるという効果を奏する。
【０１０４】
上記の圧電素子において、上記基板は、５〜１００μｍの厚さを有する金属またはプラスチックからなる構成としてもよい。
【０１０５】
以上のように、本発明にかかる圧電素子の製造方法は、基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、該第１電極層上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、該圧電層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程とを含む圧電素子の製造方法であって、上記圧電層形成工程では、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上である圧電層を形成する構成である。
【０１０６】
上記構成によれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の双極子配向度が５５％以上となるように圧電層を形成する。これにより、耐熱性を有することができ、圧電性の良好な圧電素子を製造することができるという効果を奏する。
【０１０７】
上記の圧電素子の製造方法において、上記第１電極層形成工程は、基板と密着する密着層を形成する密着層形成工程と、該密着層上に１層以上の導電層を形成する導電層形成工程とを含む構成としてもよい。
【０１０８】
上記構成によれば、第１電極層が基板から剥離したり、第１電極層にクラックが発生したりすることのない安定した圧電素子を得ることができるという効果を奏する。
【０１０９】
上記の圧電素子の製造方法において、上記第１電極層形成工程では、金属を、室温以上１５０℃以下の範囲にある温度にて製膜する構成としてもよい。
【０１１０】
上記構成によれば、第１電極層を構成する金属粒子の粒子間に隙間が生じることを防止することができる。これにより、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなる薄膜を双極子配向させるのに適した第１電極層を形成することができる。また、基板と第１電極層との熱膨張差がなくなることにより応力が下がり、第１電極層にクラックまたは剥離が生じやすくなるのを防止することができる。さらに、第１電極層と第２電極層とが短絡することを防止することができるという効果を奏する。
【０１１１】
上記の圧電素子の製造方法において、物理気相成長法を用いて上記第１電極形成工程を行う構成としてもよい。
【０１１２】
上記構成によれば、第１電極層を容易に製膜することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電素子に負荷する圧力と圧電素子に溜まる電荷との相関を示す相関図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric element and a method for manufacturing the same. More specifically, a piezoelectric film composed of a thin film in which at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate is highly dipole-oriented on a substrate. The present invention relates to an element and a method for manufacturing the element.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Generally, a sensor is installed inside a structure to detect abnormalities in a structure that generates a high-temperature atmosphere, such as a pipe or a valve in a plant such as a nuclear power plant, or an engine of an internal combustion engine. As the sensor, for example, an acoustic emission sensor that detects acoustic emission, which is an elastic wave generated when a crack or a crack occurs, or an abnormal vibration, a piezoelectric vibration sensor that detects information on acceleration is used. Various types are known, such as a compression type, a cantilever type, a diaphragm type, and a shear type.
[0003]
Among them, the compression type thin film type piezoelectric sensor is composed of a laminated body in which a pedestal, a pedestal side electrode, a piezoelectric element, a load body side electrode, and a load body are sequentially laminated, and the lower surface of the pedestal is firmly attached to the measured object. Is used. When vibration occurs in the device under test, the vibration is transmitted to the pedestal of the sensor. Although the pedestal of the sensor vibrates together with the object to be measured, the vibration of the load body is delayed by the inertial force, and a compression or tensile stress is generated in the piezoelectric element in proportion to the vibration acceleration. Then, a charge or voltage proportional to the stress is generated on both surfaces of the piezoelectric element, a current flows between the two electrodes disposed on both sides of the piezoelectric element, and the amount of the current is measured. The magnitude and acceleration of the vibration can be detected.
[0004]
Conventionally, a piezoelectric element made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate or polyvinylidene fluoride has been used for such a piezoelectric sensor, but the piezoelectric element made of such a piezoelectric material loses polarization. The Curie temperature is low, and its application limit temperature is at most about 300 ° C. In order to keep the temperature of the piezoelectric element at a suitable temperature, Patent Document 1 discloses a technique in which the piezoelectric element is cooled by a Peltier element. However, since the Peltier element only has a function of generating a local temperature gradient, the Peltier element cannot be applied to a location where the temperature becomes high as a whole without a cooling mechanism attached to the outside.
[0005]
In addition, vibration such as acoustic emission is attenuated due to the nature of the vibration transmitting substance in the middle, or extraneous vibration is mixed in from the outside in the middle of the transmission path. It is desirable. However, as described above, since the conventional thin film type piezoelectric sensor is inferior in heat resistance, the vibration is guided to a remote low-temperature environment through a vibration transmission rod or the like, and the measurement is performed on the object to be heated, as described above. I have. However, in this case, attenuation of the vibration, mixing of noise, and the like occur, and the vibration of the measured object cannot be measured sufficiently accurately.
[0006]
Thus, Patent Document 2 discloses a method of using a piezoelectric material having a high Curie temperature, such as lithium niobate, for a piezoelectric layer as a thin-film piezoelectric sensor having heat resistance. Lithium niobate has a Curie temperature of about 1140 ° C. and can be measured in a high-temperature environment without a cooling means. Further, a thin film made of lithium niobate or the like is a material that can contribute to miniaturization of a piezoelectric element when used for the piezoelectric element.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-203665 (publication date: August 10, 1993)
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-5-34230 (publication date: February 9, 1993)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to use a material having a high Curie temperature such as lithium niobate as a piezoelectric element, a thin film in which lithium niobate or the like is dipole-oriented is required, and in order to enhance the piezoelectricity of the piezoelectric element, It is necessary to increase the degree of dipole orientation. However, although thin films made of lithium niobate or the like have been conventionally manufactured by various methods, almost no research has been conducted on the degree of dipole orientation of thin films made of lithium niobate or the like. There is a problem that it is difficult to produce a thin film having a controlled degree.
[0010]
Further, the above-mentioned lithium niobate and the like have a problem that it is difficult to form a thin film, and unless a single crystal is used, piezoelectric characteristics cannot be obtained, and production and processing are difficult and costly. Further, since a thin film made of lithium niobate or the like has a very large internal stress when formed, for example, when a thin film is formed on an electrode formed on a substrate, a crack (crack) is formed on the electrode. ) Occurs, and the thin film peels off from the substrate together with the electrode.
[0011]
The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and a thin film made of lithium niobate or the like having a high degree of dipole orientation is formed on a substrate other than a single crystal body, and a high-performance piezoelectric element is formed. It is an object of the present invention to provide a method capable of easily and inexpensively manufacturing a high-performance piezoelectric element.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a piezoelectric element according to the present invention is a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are stacked in this order on a substrate, and the piezoelectric layer includes: It is made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and has a dipole orientation degree of 55% or more. .
[0013]
According to the above configuration, in the piezoelectric element, the piezoelectric layer is made of one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate. Each of the above substances is a substance having a high Curie temperature. The "Curie temperature" is a temperature at which the magnetic core becomes ferromagnetic below that temperature and becomes paramagnetic above that temperature, and loses its piezoelectric properties when it reaches the Curie temperature. However, since each of the above-mentioned substances is a substance having a high Curie temperature, the piezoelectric layer having the above-described structure has excellent heat resistance, does not degrade the piezoelectric characteristics even at a high temperature, and has no cooling means even when used for a piezoelectric element. Measurement in a high temperature environment.
[0014]
The "degree of dipole orientation" is calculated by calculating the ratio of the higher or lower occupancy in the polarization direction of the piezoelectric element surface. When the dipole orientation degree is 50%, the amount of plus and minus becomes equal, and no signal is output. Therefore, it is ideal that the state is biased to either plus or minus. Therefore, by setting the degree of dipole orientation of the piezoelectric element to 55% or more, it is possible to maintain good piezoelectricity of the piezoelectric element.
[0015]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the first electrode layer may include TiN, MoSi 2 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag. It is characterized by.
[0016]
According to the above configuration, the first electrode layer is formed of any one of the above metals, so that lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, titanate having a high degree of dipole orientation is formed on the first electrode layer. A thin film composed of at least one of lead, lead zirconate and lead zirconate titanate can be formed. Further, by making the first electrode layer a single layer, the manufacture of the piezoelectric element becomes easy.
[0017]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above configuration, the first electrode layer has a laminated structure including an adhesion layer that is in close contact with the substrate, and one or more conductive layers on the adhesion layer. It is characterized by:
[0018]
According to the above configuration, when the first electrode layer is a single layer having no adhesion layer, the first electrode layer may peel off from the substrate due to stress, or cracks may occur in the first electrode layer. On the other hand, when the first electrode layer is a laminate having an adhesive layer, the above-described peeling or cracking can be further prevented.
[0019]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the outermost layer of the conductive layer may include (001) of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate. An atom having the same arrangement as that of the plane and having substantially the same atomic spacing as the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate A metal having spaced crystal planes, wherein the crystal plane is made of a metal having an orientation parallel to the substrate plane.
[0020]
According to the above configuration, lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate have the same atomic arrangement as the (001) plane, and the niobate Lithium, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and a metal having a crystal plane having an atomic spacing substantially equal to the atomic spacing of the (001) plane of the lead zirconate titanate are the outermost layers of the first electrode layer. The crystal of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion. As a result, it is possible to easily obtain a thin film composed of one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate having a high degree of dipole orientation. it can.
[0021]
The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in addition to the above configuration, the outermost layer of the conductive layer is made of a metal having an electronegativity in a range from 1.3 to 1.5.
[0022]
According to the above configuration, a thin film made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation on the metal Can be formed.
[0023]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above structure, the outermost layer of the conductive layer is formed of TiN, MoSi 2 , Si 3 N 4 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag. It is characterized by.
[0024]
According to the above configuration, the outermost layer of the first electrode layer is formed of any one of the above metals, so that lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate having a high degree of dipole orientation is formed on the first electrode layer. , A thin film composed of at least one of lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be formed.
[0025]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above configuration, the outermost layer of the conductive layer is an oriented W layer, an oriented Pt layer, an oriented Al layer, an oriented Ni layer, an oriented Cu layer, an oriented Pd layer. , An oriented Rh layer, an oriented Ir layer, an oriented Ru layer, an oriented Au layer, or an oriented Ag layer, and the (111) plane of the outermost layer is parallel to the substrate plane. It is characterized by:
[0026]
According to the above configuration, each metal layer having the above orientation has an atomic spacing between the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. Since they are the same, crystals of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion. As a result, a thin film having one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation can be obtained.
[0027]
In the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above configuration, the conductive layer is formed on the first layer made of any one of Ti, Cr, and Ta formed on the adhesion layer, and formed on the first layer. And a second layer made of any one of Pt, Au and Ag. The conductive layer includes a first layer formed of one of Ti and Cr formed on the adhesion layer, and a second layer formed of one of Pt and Ni formed on the first layer. And a third layer made of Au formed on the second layer. Further, in the piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the second electrode layer has a stacked structure including a plurality of conductive layers.
[0028]
The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in addition to the above configuration, the substrate is made of a sintered body of glass, metal, plastic or ceramic.
[0029]
According to the above configuration, a glass, metal, plastic or ceramic sintered body is used as the substrate of the piezoelectric element. These are cheaper and easier to obtain than single-crystal substrates, so that the cost of the piezoelectric element can be reduced. Further, for example, when quartz glass or stainless steel is used for the substrate as the glass, lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, zirconate, which have a higher dipole orientation than other materials are used. A thin film comprising at least one of lead oxide and lead zirconate titanate can be obtained.
[0030]
The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in addition to the above configuration, the substrate is made of metal or plastic having a thickness of 5 to 100 μm.
[0031]
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on a substrate, and a piezoelectric layer forming a piezoelectric layer on the first electrode layer. A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising: a layer forming step; and a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer forming step includes lithium niobate, tantalum niobate, The piezoelectric layer is formed of one or more of barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and has a dipole orientation degree of 55% or more.
[0032]
According to the above method, the piezoelectric layer is formed such that the dipole orientation of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate is 55% or more. Thereby, heat resistance can be obtained, and a piezoelectric element having good piezoelectricity can be manufactured.
[0033]
In the method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the first electrode layer forming step includes forming an adhesion layer that forms an adhesion layer that adheres to the substrate, and forming one or more conductive layers on the adhesion layer. A conductive layer forming step of forming a layer.
[0034]
According to the above method, it is possible to obtain a stable piezoelectric element in which the first electrode layer does not peel off from the substrate and cracks do not occur in the first electrode layer.
[0035]
The method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in addition to the above configuration, in the first electrode layer forming step, a metal is formed at a temperature in a range from room temperature to 150 ° C.
[0036]
According to the above method, it is possible to prevent a gap from being generated between the metal particles constituting the first electrode layer. Thereby, the first electrode layer suitable for dipole-aligning a thin film made of any one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate Can be formed. Further, since the difference in thermal expansion between the substrate and the first electrode layer is eliminated, the stress is reduced, and it is possible to prevent the first electrode layer from being easily cracked or peeled. Further, a short circuit between the first electrode layer and the second electrode layer can be prevented.
[0037]
A method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in addition to the above-described configuration, the first electrode forming step is performed using a physical vapor deposition method.
[0038]
According to the above method, the first electrode layer can be easily formed. "Physical vapor deposition" is a method of evaporating a substance by a physical method and condensing it on a member to be formed into a thin film, and mainly comprises a sputtering method, an ion plating method, and a vacuum deposition method. And so on. According to this method, the needle-like crystal columns of the piezoelectric material grow in a frost column shape, so that the piezoelectric material can form a thin film in a single crystal state.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Embodiment 1]
The first embodiment of the present invention will be described below.
[0040]
The piezoelectric element according to the present embodiment has a laminated structure in which a lower electrode (first electrode layer), a piezoelectric thin film (piezoelectric layer), and an upper electrode (second electrode layer) are sequentially provided on a substrate. Since the piezoelectric element has a piezoelectric thin film formed on a substrate, it can be used as a pressure sensor, a vibration sensor, an acceleration sensor, a surface acoustic wave filter, and the like, and can have high sensitivity.
[0041]
As the substrate, not only a single crystal substrate made of a single crystal such as sapphire or silicon, but also a substrate other than a single crystal substrate such as a glass substrate, a polycrystalline ceramic substrate, a metal substrate, or a resin substrate can be used. As described later, the piezoelectric thin film included in the piezoelectric element according to the present embodiment has dipole-aligned lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, and lead zirconate on a substrate other than a single crystal substrate. And a thin film made of at least one of lead zirconate titanate can be formed. In this case, a piezoelectric element can be manufactured at lower cost than when a single crystal substrate is used.
[0042]
The metal forming the lower electrode is more preferably a metal having an electronegativity in the range of 1.3 or more and 1.5 or less, and further preferably around 1.4. The lower electrode is in contact with the piezoelectric thin film, and when the lower electrode is formed using a metal having an electronegativity outside the above range, the degree of dipole orientation of the piezoelectric thin film formed on the lower electrode is significantly reduced. On the other hand, by forming the lower electrode using a metal in the above range, a piezoelectric thin film having a high degree of dipole orientation can be formed. The metal forming the lower electrode is (001) of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate whose atomic arrangement forms a piezoelectric thin film. It is more preferable that the metal is a metal having a crystal plane which has the same arrangement as the atomic arrangement of the plane and has the same atomic spacing. The lattice constant difference between the crystal plane of such a metal and the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate forming a piezoelectric thin film. Since there is no, when forming a piezoelectric thin film, lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion, and high This is because a thin film composed of any one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate having a dipole orientation degree can be formed.
[0043]
Further, the metal forming the lower electrode is more preferably formed of a metal having a crystal plane parallel to the substrate and having an orientation. For example, TiN, MoSi 2 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag. be able to. In addition, the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag has lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and There is no difference between the lattice constant and the (001) plane of lead zirconate titanate. Therefore, an oriented W layer, an oriented Pt layer, and an oriented W layer in which the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au, or Ag is parallel to the substrate surface. Forming any one of an Al layer, an oriented Ni layer, an oriented Cu layer, an oriented Pd layer, an oriented Rh layer, an oriented Ir layer, an oriented Ru layer, an oriented Au layer, and an oriented Ag layer as a lower electrode. Is more preferable. These oriented metal layers are oriented by the crystal growth showing the orientation under the environment controlled by the film forming conditions.
[0044]
The piezoelectric thin film is formed using any one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having dipole orientation. The degree of child orientation is 55% or more. That is, the piezoelectric thin film is formed using any one or more of dipole-oriented lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. It is formed so that the degree of child orientation is 55% or more. Here, the degree of dipole orientation is calculated by calculating the ratio of the higher or lower occupancy in the polarization direction of the surface of the piezoelectric thin film. When the dipole orientation degree is 50%, the amount of plus and minus becomes equal, and no signal is output. Therefore, it is ideal that the state is biased to either plus or minus. As shown in FIG. 1, it can be seen that there is a correlation between the degree of dipole orientation and the amount of charge stored in the piezoelectric element. That is, the higher the degree of dipole orientation, the higher the voltage of the piezoelectric element can be stored, and as a result, the higher the performance. In theory, although a signal will be output if there is a slight difference of, for example, 50.1%, as a result of measuring the presence or absence of the signal due to the bias of the dipole orientation, no bias of 55% or more is found. In such a case, since the measurement is difficult, a thin film having a dipole orientation degree of 55% or more is used as a piezoelectric thin film.
[0045]
The upper electrode is made of a metal such as Al, Pt, Au, Ag, and Cu, or an alloy mainly containing these metals, ITO, iridium dioxide, ruthenium dioxide, rhenium trioxide, or LSCO (La). 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ) Or a nitride such as silicon nitride. In addition, in addition to the above substances, the adhesiveness to a thin film composed of one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate is good, and stress Any conductive material that is unlikely to cause the same can be used.
[0046]
Next, an example of a method for manufacturing a piezoelectric element will be described below. In this embodiment, a piezoelectric element having a piezoelectric thin film made of a lithium niobate thin film will be described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and the piezoelectric thin film may be made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. The same applies to a piezoelectric element having a thin film.
[0047]
As described above, as the substrate, various substrates such as a single crystal substrate, a polycrystalline substrate, and an amorphous substrate can be selected. Thin film composed of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having dipole orientation is formed regardless of the type of substrate. In this embodiment, a polycrystalline substrate or an amorphous substrate is used. This is because a polycrystalline substrate or an amorphous substrate is cheaper than a single crystal substrate and is easily available. Specifically, it is more preferable to select a glass substrate or a metal substrate, particularly a quartz glass substrate or a stainless steel substrate, as the substrate. A quartz glass substrate or a stainless steel substrate can obtain a higher dipole orientation than other materials, and is therefore most suitable as a substrate for a piezoelectric element. In addition, other than the quartz glass substrate or the stainless steel substrate, for example, a metal or a plastic having a thickness of 5 to 100 μm may be used.
[0048]
Then, a first electrode layer forming step of forming a lower electrode on the substrate is performed. The lower electrode is formed by depositing a predetermined metal or alloy using a physical vapor deposition method (PVD (Physical Vapor Deposition) method) since a conductor is used as an electrode material. Physical vapor deposition methods include vacuum deposition methods such as resistance heating evaporation and electron beam heating evaporation, various sputtering methods such as direct current sputtering, high frequency sputtering, RF plasma assisted sputtering, magnetron sputtering, ECR sputtering, and ion beam sputtering, and high frequency ions. Various ion plating methods such as plating, activated vapor deposition or arc ion plating, molecular beam epitaxy, laser ablation, ionized cluster beam vapor deposition, and film forming methods such as ion beam vapor deposition can be used. . Among them, it is more preferable to use a sputtering method, particularly an RF plasma assisted sputtering method. RF plasma assisted sputtering allows sputtering under relatively high vacuum, so higher quality lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate This is because it becomes possible to form a lower electrode composed of any one or more thin films. Note that the above evaporation method can be appropriately selected depending on a substance to be evaporated.
[0049]
Further, the lower electrode in the form of a thin film is more preferably formed at a temperature in a range from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. By forming the lower electrode at a temperature within the above range, it is possible to prevent a gap from being generated between the metal particles constituting the lower electrode. Thereby, the occurrence of cracks (cracks), hill-like protrusions (hillocks), or peeling can be further suppressed, and a short circuit between the upper electrode and the lower electrode can be further suppressed.
[0050]
If the temperature at which the lower electrode is formed exceeds the temperature at which gaps are formed between the particles, the metal particles grow during the film formation, and the microstructure of the lower electrode may become smooth due to the particle growth. When the microstructure of the lower electrode becomes smooth, the risk of short circuit between the upper electrode and the lower electrode is reduced. Therefore, if the temperature exceeds the film forming temperature at which gaps are generated between particles and the temperature at which the gaps between particles disappear due to grain growth and the microstructure of the electrode becomes smooth, the lower electrode can be formed. it can.
[0051]
The film formation conditions are, for example, a pressure of 1.0 × 10 -1 Pa, the nitrogen gas partial pressure ratio is 0%, the substrate temperature is not heated, and the target input power is 200 W. Further, the film thickness can be changed depending on the material. However, the above conditions can be appropriately changed.
[0052]
Then, a lower electrode having good matching with the (001) plane of lithium niobate to be formed later is formed by using the above film forming conditions and the vapor deposition method. The lower electrode includes, for example, an oriented W layer, an oriented Pt layer in which the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au, or Ag is parallel to the substrate surface; Form an oriented Al layer, an oriented Ni layer, an oriented Cu layer, an oriented Pd layer, an oriented Rh layer, an oriented Ir layer, an oriented Ru layer, an oriented Au layer, or an oriented Ag layer by sputtering. Can be formed.
[0053]
By forming the lower electrode in the above temperature range, a lower electrode suitable for forming a dipole-oriented thin film of lithium niobate can be formed. In addition, since there is no difference in thermal expansion between the substrate and the lower electrode, it is possible to reduce the stress of the lower electrode, to prevent cracks and hillocks from occurring in the lower electrode and to prevent the lower electrode from peeling from the substrate. it can.
[0054]
Next, a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode is performed. On the lower electrode, a piezoelectric thin film made of a lithium niobate thin film having a dipole orientation degree of 55% or more is formed. For the formation of the piezoelectric thin film, it is more preferable to form the film using a PVD method, especially a sputtering method. As described above, the metal forming the lower electrode has the same arrangement as that of the (001) plane of lithium niobate, and has substantially the same atomic arrangement as that of the (001) plane of lithium niobate. More preferably, the plane is oriented parallel to the substrate. Since such a metal forms a base surface equivalent to that of a single crystal such as sapphire, a dipole alignment is performed by forming a thin film on a lower electrode using lithium niobate as a target by using a PVD method. Thus, a piezoelectric thin film made of lithium niobate can be obtained.
[0055]
Sputtering can be performed using, for example, a high-frequency magnetron sputtering device. In this case, 5 × 10 -4 Evacuation is performed so that the pressure becomes Pa or less, and high-purity argon gas (purity 99.999%) and high-purity nitrogen gas (purity 99.999%) or high-purity oxygen gas (purity 99.999%) are introduced. . Before vapor deposition, pre-sputtering of lithium niobate as a target is performed for 10 minutes while the shutter of the high-frequency magnetron sputtering device is kept closed. Then, for example, sputtering is performed under film forming conditions in which the sputtering pressure is 0.25 Pa, the substrate temperature is 650 ° C., the oxygen gas partial pressure ratio is 10%, the target input power is 200 W, and the sputtering time is 20 hours. A lithium thin film can be formed.
[0056]
The film forming conditions can be appropriately changed. For example, when forming a lithium niobate thin film having a thickness of 2000 nm, the sputtering pressure is set to 1.3 × 10 3 -1 Similarly, lithium niobate can be formed by setting Pa, the oxygen gas partial pressure ratio to 60%, the substrate temperature to 300 ° C., the target input power to 200 W, and the sputtering time to 12 hours.
[0057]
Next, a second electrode layer forming step of forming an upper electrode on the piezoelectric thin film is performed. An upper electrode made of any of the above-mentioned materials used for the upper electrode is formed by a deposition method such as a PVD method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, an upper electrode having a stacked structure can be formed using a plurality of substances among the substances used for the upper electrode. Note that a deposition method and formation conditions for forming the upper electrode can be appropriately changed depending on a deposition material.
[0058]
As described above, a piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric thin film made of dipole-oriented lithium niobate, and an upper electrode are formed on a substrate other than a single crystal substrate can be manufactured. In addition, by forming the piezoelectric thin film in consideration of orientation with the lower electrode, plane arrangement and atomic arrangement, it has a high degree of dipole orientation and suppresses the generation of stress that causes peeling, cracks and hillocks The manufactured piezoelectric element can be manufactured.
[0059]
[Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described below.
[0060]
The piezoelectric element in the present embodiment is a laminate in which the lower electrode has an adhesion layer for improving adhesion to a substrate and an electrode layer (conductive layer) as an electrode. Other configurations are the same as those of the piezoelectric element described in the first embodiment.
[0061]
The outermost layer of the lower electrode, which is a laminate, is in close contact with the piezoelectric thin film. Like the first embodiment, lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate forming the piezoelectric thin film have an electronegativity of 1 as in the first embodiment. Since it is possible to have a high degree of dipole orientation on a metal in the range of 3 or more and 1.5 or less, the metal forming the outermost layer of the lower electrode is made to have a electronegativity of 1.3 or more and 1.5 or less. Is more preferable. The atomic arrangement of the outermost metal layer of the lower electrode is the same as the atomic arrangement of the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. It is more preferable that the metal is a metal having a crystal plane that is arranged and has substantially the same atomic spacing. The lattice constant difference between the crystal plane of such a metal and the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate forming a piezoelectric thin film. Therefore, when forming a piezoelectric thin film, crystals of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion. Because a thin film comprising at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation can be formed. is there.
[0062]
Further, it is more preferable that the outermost layer of the lower electrode has a crystal plane parallel to the substrate and is formed of an oriented metal. For example, TiN, MoSi 2 , Si 3 N 4 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag. be able to. In addition, the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag has lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and There is no difference between the lattice constant and the (001) plane of lead zirconate titanate. Therefore, an oriented W layer, an oriented Pt layer, and an oriented W layer in which the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au, or Ag is parallel to the substrate surface. Forming any of Al layer, oriented Ni layer, oriented Cu layer, oriented Pd layer, oriented Rh layer, oriented Ir layer, oriented Ru layer, oriented Au layer or oriented Ag layer on the outermost layer Is more preferable.
[0063]
In the case where the lower electrode is a two-layer laminate, the first electrode formed on the substrate may be formed of Ti or Cr, and the second layer formed on the first layer may be formed of Pt. (Hereinafter referred to as a first layer formed on a substrate / a second layer formed on the first layer, that is, Ti / Pt or Cr / Pt in the case described above. The same applies to a three-layer body). . When the lower electrode is a three-layer laminate, it can be formed as a three-layer body of Ti / Pt / Au, Ti / Ni / Au or Cr / Ni / Au.
[0064]
Note that when the lower electrode is a single layer having no adhesion layer as in the first embodiment, for example, when a single layer in which Pt, Au, Ru, or Ag is formed as a lower electrode on a substrate, stress is reduced. May occur. Accordingly, the lower electrode may peel off from the substrate or cracks may occur in the lower electrode. On the other hand, the lower electrode may be peeled or cracked by forming the lower electrode into a laminate having an adhesive layer. Can be further suppressed.
[0065]
Next, an example of a method for manufacturing a piezoelectric element will be described below. In this embodiment, a piezoelectric element having a piezoelectric thin film made of lithium niobate will be described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and the piezoelectric thin film may be made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. The same applies to a piezoelectric element having a thin film.
[0066]
As in the first embodiment, a first electrode layer forming step of forming a lower electrode on a substrate is performed using a quartz glass substrate or a stainless steel substrate as a substrate. As a first electrode layer forming step, first, an adhesion layer forming step of forming an adhesion layer on a substrate is performed. Then, a conductive layer forming step of forming an electrode layer on the adhesion layer is performed. The adhesion layer and the electrode layer are formed using the same film forming conditions and vapor deposition method as in the first embodiment, and thereby the lower electrode is formed.
[0067]
Then, an electrode layer having good matching with the (001) plane of lithium niobate, which is a piezoelectric thin film to be formed later, is formed. The outermost layer of the electrode layer, that is, the layer in contact with the piezoelectric thin film is, for example, TiN, MoSi 2 , Si 3 N 4 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag. preferable.
[0068]
The outermost layer of the electrode layer is an oriented W layer in which the (111) plane of W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au, or Ag is parallel to the substrate surface; Oriented Pt layer, oriented Al layer, oriented Ni layer, oriented Cu layer, oriented Pd layer, oriented Rh layer, oriented Ir layer, oriented Ru layer, oriented Au layer or oriented Ag layer It can also be formed using.
[0069]
By forming the lower electrode at a temperature in the range from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C., a lower electrode suitable for forming a dipole-oriented thin film of lithium niobate can be formed. Further, since the difference in thermal expansion between the substrate, the adhesion layer, and the lower electrode is eliminated, the stress of the lower electrode can be reduced, and cracks and hillocks are generated in the lower electrode, and the lower electrode is prevented from peeling from the substrate. be able to.
[0070]
Next, a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode is performed. On the lower electrode, a piezoelectric thin film made of a lithium niobate thin film having a dipole orientation degree of 55% or more is formed. As for the formation of the piezoelectric thin film, it is more preferable to form the film using the PVD method, especially the sputtering method, as in the first embodiment. The metal forming the outermost layer of the lower electrode has the same arrangement as the atomic arrangement of the (001) plane of lithium niobate, and has the same atomic arrangement as that of the (001) plane of lithium niobate. More preferably, the plane is oriented parallel to the substrate. Such a metal forms a thin film on the outermost layer of the lower electrode using lithium niobate as a target by using a PVD method in order to form a base surface equivalent to that of a single crystal such as sapphire. A piezoelectric thin film made of dipole-oriented lithium niobate can be obtained. Further, the lithium niobate thin film can be formed under the same conditions as in Embodiment 1.
[0071]
Next, a second electrode layer forming step of forming an upper electrode on the piezoelectric thin film is performed. An upper electrode made of any of the above-described materials used for the upper electrode is formed by a deposition method such as a PVD method or a CVD method. Further, an upper electrode having a stacked structure can be formed using a plurality of substances among the substances used for the upper electrode. Note that a deposition method and formation conditions for forming the upper electrode can be appropriately changed depending on a deposition material.
[0072]
As described above, it is possible to manufacture a piezoelectric element in which a lower electrode having an adhesion layer on a substrate other than a single crystal substrate, a piezoelectric thin film made of a dipole-oriented lithium niobate thin film, and an upper electrode are formed. In addition, by forming the piezoelectric thin film in consideration of orientation with the lower electrode, plane arrangement and atomic arrangement, it has a high degree of dipole orientation and suppresses the generation of stress that causes peeling, cracks and hillocks The manufactured piezoelectric element can be manufactured.
[0073]
〔Example〕
It is known that electrical characteristics such as an electromechanical coupling coefficient of a piezoelectric element greatly depend on a dipole orientation degree of a piezoelectric thin film. Therefore, in order to provide the piezoelectric element with a piezoelectric thin film having a higher degree of dipole orientation, the effect of the lower electrode on the formation of the piezoelectric thin film and the formation of the piezoelectric thin film by forming the lower electrode as a laminate are considered. The effect of this was examined. Hereinafter, the contents will be described.
[0074]
(Effect of lower electrode)
The main research to date on which lithium niobate has been fabricated on a conductor includes a study on an aluminum electrode for a surface acoustic wave (SAW) filter. Few studies have made lithium niobate on other conductors. Therefore, in order to form a lithium niobate thin film having a high degree of dipole orientation on the lower electrode, 20 types of lower electrodes are formed using 20 types of conductors, and a lithium niobate thin film is formed on each lower electrode. The effect of the lower electrode on the degree of dipole orientation of the lithium niobate thin film was investigated. In addition, 20 types of lower electrodes were produced mainly at room temperature by a sputtering method, and a glass substrate was used as a substrate.
[0075]
Specifically, using a 20 mm × 20 mm × 1.1 mm quartz glass substrate as the substrate, a lower electrode was formed on the quartz glass substrate. The film formation conditions for the lower electrode were as follows: -1 Pa, the nitrogen gas partial pressure ratio was 0%, the substrate temperature was not heated, and the target input power was 200 W. The thickness of the lower electrode was changed depending on the material. Then, a lithium niobate thin film was formed on each lower electrode. The conditions for forming the lithium niobate thin film were as follows. -1 Pa, the oxygen gas partial pressure ratio was 60%, the substrate temperature was 300 ° C., the target input power was 200 W, and the film thickness was 2000 nm.
[0076]
Note that, for example, Al-Si, Ni, Cr and the like are materials often used for semiconductors. Therefore, if these materials can be used as the lower electrode, the semiconductor and lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, titanium This facilitates integration with a piezoelectric element having a thin film made of any one or more of lead oxide, lead zirconate, and lead zirconate titanate. However, these materials can increase the degree of dipole orientation of a thin film comprising at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. And many cracks occurred. Further, when Pt, Au, and Ru were directly formed on the quartz glass substrate as the lower electrode, the adhesion between the lower electrode and the quartz glass substrate was poor, and the lower electrode was peeled off from the quartz glass substrate. Therefore, an adhesion layer made of Ti or Cr or the like was formed on the quartz glass substrate. Then, when a TiN thin film is formed as the outermost layer of the lower electrode and a lithium niobate thin film is formed on the TiN thin film, niobium having an ultra-high dipole orientation degree of 90% and a high crystallinity degree is obtained. A lithium oxide thin film was obtained. An example in which a lithium niobate thin film is formed on a TiN thin film has not been reported so far. Similarly, when a lithium niobate thin film is formed on W, Ti / Pt, Ti / Au and Ti / Ag as the outermost layer of the lower electrode, an ultra-high dipole having a dipole orientation degree of about 90% is similarly used. A lithium niobate thin film having a degree of orientation was obtained.
[0077]
Next, even if the crystal structure of the formed lithium niobate thin film is partially (microscopically) excellent, but cracks or peeling occurs entirely (macroscopically), piezoelectric elements are mass-produced. It is difficult. For this reason, the surface of each lithium niobate thin film was observed using an optical microscope. Hillocks were observed on the surface of the lithium niobate thin film formed on TiN, but no cracks or peeling were observed. The surface of the lithium niobate thin film formed on W and Ti / Pt was smooth and uniform, and no cracking or peeling was observed.
[0078]
On the other hand, hillocks and large cracks were observed on the surface of the lithium niobate thin film formed on Ti / Au or Ti / Ag. As described above, the use of the Al-Si thin film makes it possible to take advantage of the existing semiconductor technology. However, a lithium niobate thin film having a high degree of dipole orientation is formed on the Al-Si thin film. No severe cracking was observed. In addition, countless cracks were generated on the surface of the lithium niobate thin film formed on the thin film made of Cr or Ni, and pinhole-like portions were also observed in some places.
[0079]
From the above results, it was found that the lithium niobate thin film formed on W and Ti / Pt had a high degree of dipole orientation and a high degree of crystallinity, and did not cause hillocks, cracks, or peeling. Therefore, it was found that a thin film composed of W or Ti / Pt was excellent as the thin film forming the outermost layer of the lower electrode.
[0080]
(Lamination effect of lower electrode)
There has been no report on the effect of laminating the lower electrode in a piezoelectric element having a piezoelectric thin film made of a lithium niobate thin film. For this reason, when a metal thin film is laminated as a lower electrode two or three times and a lithium niobate thin film is formed on the lower electrode, the crystal structure such as the degree of dipole orientation and crystallinity of the lithium niobate thin film is obtained. Was investigated for its effect on
[0081]
First, as a result of the above (influence of the lower electrode), a lower layer having a laminated structure in which a Pt system such as Ti / Pt or Cr / Pt showing a high degree of dipole orientation and a high degree of crystallinity is formed on the outermost layer. The electrodes were examined. As the substrate, a quartz glass substrate of 20 mm × 20 mm × 1.1 mm was used. -1 The film thickness was varied depending on the material, with Pa, the oxygen gas partial pressure ratio set to 0%, the substrate temperature set to no heating, and the target input power set to 200 W. The conditions for forming the lithium niobate thin film were as follows: a pressure of 1.3 × 10 3 -1 Pa, the oxygen gas partial pressure ratio was 60%, the substrate temperature was 300 ° C., the target input power was 200 W, and the film thickness was 2000 nm.
[0082]
By changing the layer of the lower electrode on the substrate side from Ti to Cr, the degree of dipole orientation of the formed lithium niobate thin film was increased from 90% to 95%. In addition, the integrated intensity of the peak of the (002) plane of the lithium niobate thin film was improved about twice. As a result, it has been found that although the Cr thin film has a thickness of only several tens of nm, the degree of dipole orientation and crystallinity of the lithium niobate thin film formed thereon is greatly affected.
[0083]
Next, a lower electrode having a laminated structure in which an Au-based material such as Ti / Au, Ti / Pt / Au, Ti / Ni / Au or Cr / Ni / Au was formed on the outermost layer was examined. As a result, the degree of dipole orientation was almost 90% or more, and no large difference was observed between the layers. Also, no significant difference was found in the integrated intensity of the (002) plane peak of the formed lithium niobate thin film. Therefore, when the Au-based thin film is used as the outermost layer, unlike the case where the Pt-based thin film is used as the outermost layer, the effect on the dipole orientation and crystallinity of the lithium niobate thin film due to the laminating effect of the lower electrode is observed. Did not.
[0084]
In order to obtain a lithium niobate thin film having a high degree of dipole orientation as described above (influence of lower electrode) and (stacking effect of lower electrode), the influence of the lower electrode and the formation of a lower portion of the lithium niobate thin film in order to obtain a lithium niobate thin film having a high dipole orientation degree The stacking effect of the electrodes was studied. As a result, it was found that the degree of dipole orientation and crystallinity of the lithium niobate thin film formed on the lower electrode greatly changed depending on the type of metal used for the lower electrode and the laminated structure of the lower electrode. That is, from the result of examining the influence of the lower electrode, it was found that when a lithium niobate thin film was formed on the lower electrode composed of TiN, W, Ti / Au, Ti / Ag, and Ti / Pt, a high dipole orientation degree was obtained. Was obtained. However, the lithium niobate thin film formed on the lower electrode made of TiN, Ti / Au and Ti / Ag is not suitable for the material of the lower electrode because hillocks and large cracks are observed on the surface thereof. Do you get it. On the other hand, the lithium niobate thin film formed on the lower electrode made of W and Ti / Pt has a uniform surface and hardly any cracks or peeling is observed, indicating that it is suitable as a material for the lower electrode. . It was also found that the higher the degree of dipole orientation and crystallinity of the formed lower electrode, the higher the degree of dipole orientation and crystallinity of the lithium niobate thin film formed on the lower electrode. Further, it was found that a metal having an electronegativity in a range of 1.3 or more and 1.5 or less is suitable as a material used for the outermost layer of the lower electrode.
[0085]
Further, the present invention makes it possible to provide a high-performance piezoelectric element having a high degree of dipole orientation despite using an inexpensive substrate such as a glass substrate. Further, in addition to high performance, the piezoelectric element of the present invention can achieve both high quality without hillocks, cracks and peeling. As described above, the present invention uses an inexpensive glass, metal, plastic or ceramics sintered body substrate to prepare lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate. It is significant that a high-performance and high-quality piezoelectric element having a piezoelectric thin film composed of any one or more of the above can be provided. In addition, the present invention is not limited to the case where the lower electrode is a single layer of W or the like, but also when the laminated body having the adhesion layer is used, by appropriately selecting the material used for the outermost layer of the lower electrode, it is possible to further increase the height. It is possible to provide high performance and high quality piezoelectric elements. Further, in the present invention, when forming the lower electrode, by controlling the particle shape of the material used for the lower electrode and using a physical vapor deposition method such as an RF sputtering method, hillocks, cracks and peeling occur. Thus, it is possible to provide a method for manufacturing a high-performance and high-quality piezoelectric element without causing the same.
[0086]
Note that the manufacturing conditions of the piezoelectric element in the first and second embodiments and the examples are merely examples, and the present invention is not naturally limited to these numerical values.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, the piezoelectric element according to the present invention is a piezoelectric element in which the first electrode layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are laminated on the substrate in this order, and the piezoelectric layer is formed of lithium niobate. , Tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and the degree of dipole orientation thereof is 55% or more.
[0088]
According to the above configuration, since the piezoelectric element is made of a substance having a high Curie temperature, the piezoelectric element has excellent heat resistance, does not deteriorate in piezoelectric characteristics even at a high temperature, and can be used at a high temperature without a cooling means even when used for a piezoelectric element. Measurement under the environment is possible. Further, by setting the degree of dipole orientation of the piezoelectric element to 55% or more, there is an effect that the piezoelectricity of the piezoelectric element can be kept good.
[0089]
In the above piezoelectric element, the first electrode layer is formed of TiN, MoSi 2 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag It may be.
[0090]
According to the above configuration, at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation on the first electrode layer. Can be formed. In addition, when the first electrode layer is a single layer, there is an effect that the manufacture of the piezoelectric element is facilitated.
[0091]
In the above-described piezoelectric element, the first electrode layer may have a stacked structure including an adhesion layer that is in close contact with the substrate, and one or more conductive layers on the adhesion layer.
[0092]
According to the above configuration, by forming the first electrode layer as a laminate having an adhesive layer, an effect is obtained that the above-described peeling or cracking can be further prevented.
[0093]
In the piezoelectric element, the outermost layer of the conductive layer has the same arrangement as the atomic arrangement of the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate. Having a crystal plane having an atomic spacing substantially equal to that of the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate In this case, the crystal plane may be made of a metal having an orientation parallel to the substrate plane.
[0094]
According to the above configuration, crystals of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion. As a result, it is possible to easily obtain a thin film composed of one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate having a high degree of dipole orientation. It has the effect of being able to do it.
[0095]
In the above piezoelectric element, the outermost layer of the conductive layer may be made of a metal having an electronegativity in a range of 1.3 or more and 1.5 or less.
[0096]
According to the above configuration, a thin film made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation on the metal Can be formed.
[0097]
In the above piezoelectric element, the outermost layer of the conductive layer is TiN, MoSi 2 , Si 3 N 4 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or Ag It may be.
[0098]
According to the above configuration, at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation on the first electrode layer. This has the effect that a thin film made of
[0099]
In the above piezoelectric element, the outermost layer of the conductive layer is an oriented W layer, an oriented Pt layer, an oriented Al layer, an oriented Ni layer, an oriented Cu layer, an oriented Pd layer, an oriented Rh layer, and an oriented layer. It may be configured to include any one of an oriented Ir layer, an oriented Ru layer, an oriented Au layer, and an oriented Ag layer, and the (111) plane of the outermost layer is parallel to the substrate surface.
[0100]
According to the above configuration, crystals of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate can be grown without distortion. As a result, a thin film composed of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate having a high degree of dipole orientation can be obtained. It works.
[0101]
In the above piezoelectric element, the conductive layer includes a first layer formed of any one of Ti, Cr, and Ta formed on the adhesion layer, and a Pt, Au, or Ag formed on the first layer. It may be configured to include any one of the second layers. The conductive layer includes a first layer formed of one of Ti and Cr formed on the adhesion layer, and a second layer formed of one of Pt and Ni formed on the first layer. It may be configured to include a layer and a third layer made of Au formed on the second layer. Further, the second electrode layer may have a stacked structure including a plurality of conductive layers.
[0102]
In the above-described piezoelectric element, the substrate may be made of a glass, metal, plastic, or ceramic sintered body.
[0103]
According to the above configuration, the cost is lower than that of the single crystal substrate, and it is easy to obtain. In addition, for example, when quartz glass or stainless steel is used for the substrate as the glass, lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, and zirconate having higher dipole orientation than other materials are used. This has the effect that a thin film made of at least one of lead oxide and lead zirconate titanate can be obtained.
[0104]
In the above-described piezoelectric element, the substrate may be made of metal or plastic having a thickness of 5 to 100 μm.
[0105]
As described above, the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on a substrate, and a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer on the first electrode layer. And a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer forming step includes lithium niobate, tantalum niobate, and barium titanate. , Lead titanate, lead zirconate, and lead zirconate titanate, and a piezoelectric layer having a dipole orientation degree of 55% or more is formed.
[0106]
According to the above configuration, the piezoelectric layer is formed such that the dipole orientation degree of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate is 55% or more. Thereby, there is an effect that heat resistance can be obtained and a piezoelectric element having good piezoelectricity can be manufactured.
[0107]
In the method for manufacturing a piezoelectric element, the first electrode layer forming step includes forming an adhesion layer that forms an adhesion layer that adheres to the substrate, and forming a conductive layer that forms one or more conductive layers on the adhesion layer. And a configuration including a step.
[0108]
According to the above configuration, it is possible to obtain a stable piezoelectric element that does not peel off the first electrode layer from the substrate and does not generate cracks in the first electrode layer.
[0109]
In the above-described method for manufacturing a piezoelectric element, in the first electrode layer forming step, the metal may be formed at a temperature in a range from room temperature to 150 ° C.
[0110]
According to the above configuration, it is possible to prevent a gap from being generated between the metal particles constituting the first electrode layer. Thereby, the first electrode layer suitable for dipole-aligning a thin film made of any one or more of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate Can be formed. Further, since the difference in thermal expansion between the substrate and the first electrode layer is eliminated, the stress is reduced, and it is possible to prevent the first electrode layer from being easily cracked or peeled. Further, there is an effect that a short circuit between the first electrode layer and the second electrode layer can be prevented.
[0111]
In the above-described method for manufacturing a piezoelectric element, the first electrode forming step may be performed using a physical vapor deposition method.
[0112]
According to the above configuration, there is an effect that the first electrode layer can be easily formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a correlation diagram showing a correlation between a pressure applied to a piezoelectric element and a charge accumulated in the piezoelectric element.

Claims (16)

基板上に、第１電極層、圧電層、および第２電極層がこの順に積層された圧電素子であって、
上記圧電層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上であることを特徴とする圧電素子。A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are stacked in this order on a substrate,
The piezoelectric layer is made of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and has a dipole orientation degree of 55% or more. A piezoelectric element characterized by the above-mentioned. 上記第１電極層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。The first electrode layer is made of TiN, MoSi 2 , Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au or The piezoelectric element according to claim 1, wherein one of Ag is used. 上記第１電極層は、基板と密着する密着層と、該密着層上に１層以上の導電層とを備えた積層構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first electrode layer has a laminated structure including an adhesion layer that adheres to the substrate, and one or more conductive layers on the adhesion layer. 3. . 上記導電層の最表層は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子配列と同一配列を有し、かつ、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛の（００１）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔の結晶面を有する金属であって、上記結晶面が基板面に対して平行である配向性の金属からなることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。The outermost layer of the conductive layer has the same arrangement as the atomic arrangement of the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and A metal having a crystal plane having an atomic spacing substantially equal to that of the (001) plane of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, The piezoelectric element according to claim 3, wherein the surface is made of a metal having an orientation parallel to the substrate surface. 上記導電層の最表層は、電気陰性度が１．３以上１．５以下の範囲にある金属からなることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 3, wherein the outermost layer of the conductive layer is made of a metal having an electronegativity in a range of 1.3 or more and 1.5 or less. 上記導電層の最表層は、ＴｉＮ、ＭｏＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つを用いてなることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子。The outermost layer of the conductive layer, TiN, MoSi 2, Si 3 N 4, Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, The piezoelectric element according to any one of claims 3 to 5, wherein one of Ir, Ru, Au, and Ag is used. 上記導電層の最表層は、配向性Ｗ層、配向性Ｐｔ層、配向性Ａｌ層、配向性Ｎｉ層、配向性Ｃｕ層、配向性Ｐｄ層、配向性Ｒｈ層、配向性Ｉｒ層、配向性Ｒｕ層、配向性Ａｕ層または配向性Ａｇ層のいずれか１つからなり、該最表層の（１１１）面が基板面に対して平行であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子。The outermost layer of the conductive layer includes an oriented W layer, an oriented Pt layer, an oriented Al layer, an oriented Ni layer, an oriented Cu layer, an oriented Pd layer, an oriented Rh layer, an oriented Ir layer, and an oriented layer. 6. The semiconductor device according to claim 3, which comprises one of a Ru layer, an oriented Au layer and an oriented Ag layer, and wherein the (111) plane of the outermost layer is parallel to the substrate surface. Item 2. The piezoelectric element according to item 1. 上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉ、ＣｒまたはＴａのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔ、ＡｕまたはＡｇのいずれか１つからなる第２層とからなることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。The conductive layer includes a first layer formed of one of Ti, Cr, and Ta formed on the adhesion layer, and one of Pt, Au, and Ag formed on the first layer. The piezoelectric element according to claim 3, comprising a second layer. 上記導電層は、密着層上に形成されたＴｉまたはＣｒのいずれか１つからなる第１層と、該第１層上に形成されたＰｔまたはＮｉのいずれか１つからなる第２層と、該第２層上に形成されたＡｕからなる第３層とからなることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。The conductive layer includes a first layer formed of one of Ti and Cr formed on the adhesion layer, and a second layer formed of one of Pt and Ni formed on the first layer. The piezoelectric element according to claim 3, comprising a third layer made of Au formed on the second layer. 上記第２電極層は、複数の導電層を備えた積層構造を有していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second electrode layer has a stacked structure including a plurality of conductive layers. 上記基板は、ガラス、金属、プラスチックまたはセラミックス焼結体からなることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 10, wherein the substrate is made of a sintered body of glass, metal, plastic, or ceramic. 上記基板は、５〜１００μｍの厚さを有する金属またはプラスチックからなることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 1, wherein the substrate is made of metal or plastic having a thickness of 5 to 100 μm. 基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、該第１電極層上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、該圧電層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程とを含む圧電素子の製造方法であって、
上記圧電層形成工程では、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のいずれか１つ以上からなり、その双極子配向度が５５％以上である圧電層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on a substrate, a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer on the first electrode layer, and a second step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer. An electrode layer forming step and a method for manufacturing a piezoelectric element,
In the piezoelectric layer forming step, the piezoelectric layer is formed of at least one of lithium niobate, tantalum niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate and lead zirconate titanate, and has a dipole orientation degree of 55% or more. A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising: forming a piezoelectric layer. 上記第１電極層形成工程は、基板と密着する密着層を形成する密着層形成工程と、該密着層上に１層以上の導電層を形成する導電層形成工程とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧電素子の製造方法。The first electrode layer forming step includes an adhesion layer forming step of forming an adhesion layer that is in close contact with the substrate, and a conductive layer forming step of forming one or more conductive layers on the adhesion layer. A method for manufacturing the piezoelectric element according to claim 13. 上記第１電極層形成工程では、金属を、室温以上１５０℃以下の範囲にある温度にて製膜することを特徴とする請求項１３または１４に記載の圧電素子の製造方法。The method according to claim 13, wherein in the first electrode layer forming step, the metal is formed at a temperature in a range from room temperature to 150 ° C. 15. 物理気相成長法を用いて上記第１電極層形成工程を行うことを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法。The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 13, wherein the first electrode layer forming step is performed by using a physical vapor deposition method.
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