JP2005101577A - 積層構造体及び圧電アクチュエータ、並びに、それらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 積層構造体は、支持基板10と、金属酸化物を含む密着層11と該密着層を介して支持基板上に形成された導電層12とを含む下部電極と、該下部電極上に配置された誘電体層13と、該誘電体層上に配置された上部電極とを有する。また、その製造方法は、支持基板上に金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより下部電極を配置するステップ(a)と、誘電体材料の粉体を下部電極に吹き付けて堆積させることにより誘電体層を配置するステップ(b)と、誘電体層を熱処理するステップ(c)と、ステップ(c)の前又は後に、誘電体層上に上部電極を配置するステップ(d)とを含む。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係る積層構造体を示す断面図である。
本実施形態に係る積層構造体は、誘電体層13として圧電性物質であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)を用いている。PZT層に電極を介して電圧を印加すると、PZT層は、圧電効果により伸縮する。このような積層構造体は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサ等に用いられる。
上部電極において、導電層15は、例えば、白金層であり、誘電体層13に電圧を印加するために用いられる。また、密着層14は、例えば、酸化チタン層であり、導電層15を誘電体層13に密着させるために配置されている。誘電体層13の熱処理後に上部電極を形成する場合には、密着層14として、白金及びPZTとの間で高い密着性を有するチタン(Ti)を用いても良い。
図2に示す積層構造体2は、下部電極21と、複数の誘電体層22と、密着層23及び導電層24を含む複数の内部電極(中間電極とも呼ばれる)と、密着層25及び導電層26を含む上部電極とを含んでいる。このように、複数の誘電体層と内部電極とが交互に積層された構造体は、単層の構造体と比較して、構造体全体として、対向する電極の面積を増加させることが可能であるので、電気的インピーダンスを下げることができる。従って、単層の構造体と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。
誘電体層22は、例えば、100μm程度の厚さを有するPZT層である。誘電体層22の上面(密着層23側)は、少なくとも0.3μmのラフネス(表面粗さ)を有している。本実施形態において、誘電体層22は、密着層23を介して導電層24と結合されている。しかしながら、積層構造体の製造過程において、誘電体層(PZT層)の熱処理が行われると、誘電体層と密着層との熱膨張率の違いにより応力が発生して、両者が剥がれ易くなる。そこで、誘電体層22の上面を粗くすることにより、誘電体層と密着層との接触面積を増やし、熱膨張率の違いによって発生した応力を吸収するようにしている。ラフネスの値については、AFM(原子間力顕微鏡)による観察により、0.3μm以上あれば、誘電体層と密着層との間において剥がれが生じないことが確認できた。
密着層25及び導電層26を含む上部電極の構成については、図1に示す密着層14及び導電層15と同様である。
図3に示す積層構造体3は、基板30上に、図2に示す積層構造体2と同様の構造を有する積層構造体を形成したものである。積層構造体3は、基板30と、密着層31及び導電層32を含む下部電極と、複数の誘電体層33と、密着層34及び導電層35を含む複数の内部電極と、密着層36及び導電層37を含む上部電極とを含んでいる。
下部電極において、密着層31は、導電層32を基板30に密着させるために、両者の間に配置されている中間層である。密着層31の機能及び材料については、図1に示す密着層11と同様である。
基板30の上部に積層された各層32〜37の構成については、図2に示す積層構造体2における各層21〜26と同様である。
図4のステップS1において、積層構造体を支持するための基板30を用意する。即ち、所定の大きさを有するシリコン基板を用意し、熱酸化処理を行うことにより、シリコン基板の少なくとも1つの面に絶縁膜(SiO2)を形成する。
図5は、AD法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体51を配置するエアロゾル生成容器52を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。エアロゾル生成容器52には、キャリアガス導入部53、エアロゾル導出部54、振動部55が設けられている。キャリアガス導入部53から窒素ガス(N2)等の気体を導入することにより、エアロゾル生成容器52内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部55によってエアロゾル生成容器52に振動を与えることにより、原料の粉体が撹拌され、効率良くエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部54を通って、成膜チャンバ56に導かれる。
ステップS8において、複数の内部電極と複数の誘電体層とが交互に積層された積層体を、500℃〜1000℃程度の酸素雰囲気又は空気中で熱処理する。これにより、誘電体層33に含まれるPZT結晶のグレインサイズを大きくする。
また、図2に示す積層構造体2を製造するためには、図4に示す製造方法において、ステップS2及びS3を省略し、ステップS10の後で誘電体層22から基板を剥離し、基板が除去された面に下部電極21を配置すれば良い。
まず、誘電体層の材料としてPZT等の圧電材料を用い、図4のステップS1及びステップS4〜ステップS7において、密着層62a及び導電層62bを含む内部電極62と圧電体層61とが交互に積層された積層体を形成する。そして、積層体から基板を除去した後で、ステップS8において、積層構造体の熱処理を行う。さらに、その後でダイシングを行うことにより、積層体の形状を整形し、内部電極の端面が積層体の側面に、正確に露出するようにしても良い。
次に、積層体の側面に露出した内部電極62、下部電極63、及び、上部電極64の端面に、電気泳動法等を用いてガラス等の絶縁材料を配置することにより、絶縁部67を形成する。さらに、スパッタリング等により側面電極65及び66を配置することにより、図6の(a)に示す圧電アクチュエータが完成する。
なお、このようなメッキ法による電極形成方法は、図6の(a)に示す圧電アクチュエータを製造する際にも用いることができる。
10、30、50 基板
11、14、23、25、31、34、36、62a、72a 密着層
12、15、21、24、26、32、35、37、62b、72b 導電層
13、22、33 誘電体層
51 原料の粉体
52 エアロゾル生成容器
53 キャリアガス導入部
54 エアロゾル導出部
55 振動部
56 成膜チャンバ
57 排気管
58 ノズル
59 可動ステージ
61、71 圧電体層
62、72 内部電極
63、73 下部電極
64、74 上部電極
65、66、75、76 側面電極
67 絶縁部
77 端面
78 絶縁領域
Claims (22)
- 支持基板と、
金属酸化物を含む密着層と、前記密着層を介して前記支持基板上に形成された導電層とを含む第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された第2の電極と、
を具備する積層構造体。 - 少なくとも1つの中間電極と、
前記少なくとも1つの中間電極を介して積層されている複数の誘電体層と、
を具備し、
前記少なくとも1つの中間電極が、金属酸化物を含む密着層と、前記密着層を介して前記誘電体層上に形成された導電層とを含む、積層構造体。 - 前記少なくとも1つの中間電極及び前記複数の誘電体層がその上に積層された支持基板をさらに具備する、請求項2記載の積層構造体。
- 支持基板と、
前記支持基板の主面上に形成された電極であって、前記少なくとも1つの中間電極及び前記複数の誘電体層がその上に積層された前記電極と、
をさらに具備する、請求項2記載の積層構造体。 - 前記電極が、金属酸化物を含む密着層と、前記密着層を介して前記支持基板上に形成された導電層とを含む、請求項4記載の積層構造体。
- 前記密着層が、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ニッケル、ハフニウム、バナジウム、マグネシウム、ニオブ、クロム、タンタル、及び、タングステンの内の少なくとも1つの材料の酸化物によって形成された薄膜を含む、請求項1〜5のいずれか1項記載の積層構造体。
- 前記導電層が、白金、ルテニウム、イリジウム、レニウム、オスミウム、及び、ロジウムの内の少なくとも1つの材料によって形成された金属薄膜を含む、請求項1〜6のいずれか1項記載の積層構造体。
- 前記導電層が、白金、ルテニウム、イリジウム、レニウム、オスミウム、及び、ロジウムの内の少なくとも1つの材料の酸化物によって形成された薄膜を含む、請求項1〜6のいずれか1項記載の積層構造体。
- 前記誘電体層が、材料の粉体を下層に吹き付けて堆積させることによって形成されている、請求項1〜8のいずれか1項記載の積層構造体。
- 前記誘電体層において、前記密着層が配置されている表面が、0.3μm以上のラフネスを有する、請求項2〜9のいずれか1項記載の積層構造体。
- 複数の圧電体層と、第1の中間電極と、第2の中間電極とを含み、前記複数の圧電体層と前記第1の中間電極と前記第2の中間電極とが、圧電体層、第1の中間電極、圧電体層、第2の中間電極の順に積層されている積層構造体と、
前記積層構造体の第1の側面領域に配置された第1の側面電極と、
前記積層構造体の第1の側面領域とは異なる第2の側面領域に配置された第2の側面電極と、
を具備し、前記第1及び第2の中間電極の各々が、金属酸化物を含む密着層と、前記密着層を介して前記誘電体層上に形成された導電層とを含み、前記第1の中間電極が、前記第1の側面電極に接続されていると共に、前記第2の側面電極から絶縁されており、前記第2の中間電極が、前記第2の側面電極に接続されていると共に、前記第1の側面電極から絶縁されている、圧電アクチュエータ。 - 積層構造体の製造方法であって、
支持基板上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第1の電極を配置するステップ(a)と、
誘電体材料の粉体を前記第1の電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第1の電極上に誘電体層を配置するステップ(b)と、
前記誘電体層を熱処理するステップ(c)と、
ステップ(c)の前又は後に、前記誘電体層上に第2の電極を形成するステップ(d)と、
を具備する製造方法。 - 積層構造体の製造方法であって、
支持基板上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第1の電極を配置するステップ(a)と、
誘電体材料の粉体を前記第1の電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第1の電極上に誘電体層を配置するステップ(b)と、
前記誘電体層上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第2の電極を配置するステップ(c)と、
誘電体材料の粉体を前記第2の電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第2の電極上に誘電体層を配置するステップ(d)と、
これらの誘電体層を熱処理するステップ(e)と、
ステップ(e)の前又は後に、ステップ(d)において配置された前記誘電体層上に第3の電極を形成するステップ(f)と、
を具備する製造方法。 - ステップ(c)〜(d)を所定の回数だけ繰り返すステップをさらに具備する請求項13記載の製造方法。
- 積層構造体の製造方法であって、
誘電体材料の粉体を支持基板に吹き付けて堆積させることにより、誘電体層を配置するステップ(a)と、
前記誘電体層上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第1の電極を配置するステップ(b)と、
誘電体材料の粉体を前記第1の電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第1の電極上に誘電体層を配置するステップ(c)と、
これらの誘電体層を熱処理するステップ(d)と、
ステップ(d)の前又は後に、ステップ(c)において配置された前記誘電体層上に第2の電極を形成するステップ(e)と、
前記誘電体層から支持基板を除去するステップ(f)と、
を具備する製造方法。 - ステップ(b)〜(c)を所定の回数だけ繰り返すステップをさらに具備する請求項15記載の製造方法。
- 積層構造を有する圧電アクチュエータの製造方法であって、
圧電材料の粉体を支持基板に吹き付けて堆積させることにより、圧電体層を配置するステップ(a)と、
前記圧電体層上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第1の中間電極を配置するステップ(b)と、
圧電材料の粉体を前記第1の中間電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第1の中間電極上に圧電体層を配置するステップ(c)と、
前記圧電体層上に、金属酸化物を含む密着層を介して導電層を形成することにより、第2の中間電極を配置するステップ(d)と、
圧電材料の粉体を前記第2の中間電極に吹き付けて堆積させることにより、前記第2の中間電極上に圧電体層を配置するステップ(e)と、
これらの圧電体層を熱処理するステップ(f)と、
前記圧電体層から支持基板を除去するステップ(g)と、
前記積層構造の少なくとも第1及び第2の側面に側面電極を形成するステップ(h)と、
を具備する製造方法。 - ステップ(b)〜(e)を所定の回数だけ繰り返すステップをさらに具備する請求項17記載の製造方法。
- ステップ(a)〜(g)において形成された前記積層構造の第1の側面に露出している前記第1の中間電極の端面に絶縁部を形成するステップと、
ステップ(a)〜(g)において形成された前記積層構造の第1の側面とは異なる第2の側面に露出している前記第2の中間電極の端面に絶縁部を形成するステップと、
をさらに具備する請求項17又は18記載の製造方法。 - ステップ(c)が、前記積層構造の第1の側において前記第1の中間電極の端面を覆うように前記圧電体層を配置することを含み、
ステップ(e)が、前記積層構造の第1の側とは異なる第2の側において前記第2の中間電極の端面を覆うように前記圧電体層を配置することを含む、
請求項17又は18記載の製造方法。 - ステップ(f)の前又は後に、ステップ(e)において配置された前記圧電体層の主面に第1の電極を形成するステップと、
ステップ(g)において前記支持基板が除去された面に第2の電極を形成するステップと、
をさらに具備する、請求項17〜20のいずれか1項記載の製造方法。 - ステップ(h)が、前記積層構造の第1及び第2の側面と、ステップ(e)において配置された前記圧電体層の主面と、ステップ(g)において前記支持基板が除去された面とに電極を形成することを含む、請求項17〜20のいずれか1項記載の製造方法。
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