JP2006295142A - Piezoelectric element - Google Patents

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友騎 中村
Masahiro Yasumi
正博 安見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element superior in reliability which suppresses reaction such as diffusion, etc. caused between an upper electrode layer of the piezoelectric element and a piezoelectric thin film layer under loading of heat and an electric field, etc. <P>SOLUTION: The piezoelectric element 8, which is formed by laminating a lower electrode layer 2, the piezoelectric thin film layer 3 and the upper electrode layer 5 in this order on one surface of a substrate 1, is provided with a diffusion prevention layer 4 between the upper electrode layer 5 and the piezoelectric thin film layer 3. Therefore, the diffusion reaction caused between the piezoelectric thin film layer 3 and the upper electrode layer 5 due to the load of heat and the electric field, etc. is suppressed. Thus the piezoelectric element 8 with stable properties in which no leakage current is generated is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は例えばセンサ、アクチュエータなどに用いられる圧電薄膜を用いた圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric element using a piezoelectric thin film used for, for example, a sensor or an actuator.

ペロブスカイト型構造を有する強誘電体の圧電薄膜は優れた誘電性・圧電性・焦電性を有しており、各種センサ、アクチュエータ、トランスデューサなど幅広い圧電デバイスへの応用が期待されている。   A ferroelectric piezoelectric thin film having a perovskite structure has excellent dielectric properties, piezoelectric properties, and pyroelectric properties, and is expected to be applied to various piezoelectric devices such as various sensors, actuators, and transducers.

圧電体は内部に自発分極を有しており、これに外圧が加わるとそのひずみによって分極電荷に変化が生じ、電流が発生する。逆に、圧電体に電圧を印加するとそれに応じて圧電体は伸縮する。   The piezoelectric body has spontaneous polarization inside. When an external pressure is applied to the piezoelectric body, the polarization charge is changed by the distortion, and a current is generated. Conversely, when a voltage is applied to the piezoelectric body, the piezoelectric body expands and contracts accordingly.

このような圧電体を薄膜技術にて形成した圧電素子は基板の上に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層形成することにより構成することができ、この下部電極層と上部電極層との間に電圧を印加すると圧電薄膜層は伸縮し、機械的変位が得られるものである。   A piezoelectric element in which such a piezoelectric body is formed by thin film technology can be configured by sequentially laminating a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on a substrate. When a voltage is applied between the layers, the piezoelectric thin film layer expands and contracts, and mechanical displacement is obtained.

このような圧電薄膜による圧電素子の構造としては図７に示すようなものがある。図７は従来の圧電素子の構造を示す断面図であり、その構造はシリコン基板の上に、熱酸化もしくはＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ2からなる振動板９を形成した後、スパッタ法もしくは蒸着法で形成された密着層（Ｔｉ）１０および下部電極層（Ｐｔ）１１、ゾルゲル法により形成された圧電薄膜層（ＰＺＴ）１２、電子ビーム蒸着法もしくはスパッタ法で形成された上部電極層１３とからなっている。 A structure of a piezoelectric element using such a piezoelectric thin film is as shown in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional piezoelectric element. In the structure, a diaphragm 9 made of SiO 2 formed by thermal oxidation or CVD is formed on a silicon substrate, and then sputtering or vapor deposition is performed. An adhesion layer (Ti) 10 and a lower electrode layer (Pt) 11 formed by a method, a piezoelectric thin film layer (PZT) 12 formed by a sol-gel method, an upper electrode layer 13 formed by an electron beam evaporation method or a sputtering method, It is made up of.

このとき、密着層（Ｔｉ）１０は振動板９と下部電極層１１との密着力を高める観点から設けられているものである。   At this time, the adhesion layer (Ti) 10 is provided from the viewpoint of increasing the adhesion between the diaphragm 9 and the lower electrode layer 11.

そして、この密着層１０および下部電極層１１には、ＰＺＴを結晶化するための焼成工程において、印加される熱によって密着層１０を構成するＴｉが圧電薄膜層（ＰＺＴ）１２中に拡散することを防止するためにＰｂを含有させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−９４６８１号公報 In the adhesion layer 10 and the lower electrode layer 11, Ti constituting the adhesion layer 10 is diffused into the piezoelectric thin film layer (PZT) 12 by the applied heat in the firing step for crystallizing PZT. In order to prevent this, Pb is contained (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-94681 A

しかしながら、前記従来の構成では、圧電薄膜層１２の焼成工程における圧電薄膜層１２と下部電極層１１および密着層１０との拡散のみしか考慮されておらず、焼成工程の後、特に上部電極層１３を形成した後に印加される熱や電界等の負荷に関しては考慮されていない。例えば、圧電素子を自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合、上部電極層１３を構成する原子の圧電薄膜層１２への拡散および圧電薄膜層１２を構成する原子の上部電極層１３への拡散などによって、圧電薄膜層１２に電流リークが発生するという問題点を有していた。この理由として、例えば圧電薄膜層１２にＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＺＴ）を用いたとき、拡散反応によってＰＺＴ中の酸素原子が欠損すると、ＰＺＴ中にＰｂ過剰領域ができることによって電流のリークパスができるものと考えられる。あるいは、ＰｂリッチのＰＺＴはＰｂが結晶粒界にＰｂＯとして偏析しており、その酸素原子が拡散すると結晶粒界に残ったＰｂがリークパスになるものとも考えられる。 However, in the conventional configuration, only diffusion of the piezoelectric thin film layer 12, the lower electrode layer 11, and the adhesion layer 10 in the firing process of the piezoelectric thin film layer 12 is considered. After the firing process, in particular, the upper electrode layer 13 is considered. No consideration is given to loads such as heat and electric field applied after forming the film. For example, when a piezoelectric element is used at a high temperature in an engine room of an automobile, diffusion of atoms constituting the upper electrode layer 13 into the piezoelectric thin film layer 12 and diffusion of atoms constituting the piezoelectric thin film layer 12 into the upper electrode layer 13 are performed. There is a problem that current leakage occurs in the piezoelectric thin film layer 12 due to diffusion or the like. This is because, for example, when Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (PZT) is used for the piezoelectric thin film layer 12 and oxygen atoms in PZT are lost due to diffusion reaction, a Pb excess region is formed in PZT. It is considered that a current leakage path can be formed. Alternatively, it is considered that Pb rich PZT is segregated as PbO in the grain boundaries, and when the oxygen atoms diffuse, Pb remaining in the grain boundaries becomes a leak path.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、熱や電界等の負荷での圧電素子の上部電極層と圧電薄膜層との間で生じる拡散等の反応を抑制し、熱や電界が印加された状態においても信頼性に優れた圧電薄膜からなる圧電素子を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, suppresses reactions such as diffusion between the upper electrode layer of the piezoelectric element and the piezoelectric thin film layer under a load such as heat and electric field, and generates heat and electric field. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element composed of a piezoelectric thin film having excellent reliability even in an applied state.

前記従来の課題を解決するために、本発明は、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層して形成した圧電素子において、上部電極層と圧電薄膜層との間に拡散防止層を設けた構成とするものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides a piezoelectric element formed by sequentially laminating a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on one surface of a substrate, and between the upper electrode layer and the piezoelectric thin film layer. It is set as the structure which provided the diffusion prevention layer.

本発明の圧電素子は熱や電界等の負荷による圧電薄膜層と上部電極層との間で生じる拡散反応を抑制することができることから、大きな負荷のかかる環境下においても安定した特性を発揮することができる圧電素子を提供することができる。   Since the piezoelectric element of the present invention can suppress a diffusion reaction that occurs between the piezoelectric thin film layer and the upper electrode layer due to a load such as heat or an electric field, it exhibits stable characteristics even under a heavy load environment. It is possible to provide a piezoelectric element capable of

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における圧電素子について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 1)
Hereinafter, the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明の実施の形態１における圧電素子の構造を説明するための断面図、図２〜図５は本発明の実施の形態１における圧電素子の製造工程を説明するための断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the structure of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 5 are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention. is there.

図１において、本実施の形態１における圧電素子８は、シリコンなどの基板１の上にＴｉとＰｔ薄膜を積層することによって下部電極層２を形成し、その上に圧電性に優れたＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3薄膜などの圧電薄膜層３を形成している。この下部電極層２を形成する際には、基板１と下部電極層２の密着力を確保することが圧電素子の信頼性の観点から重要であり、そのために基板１と下部電極層２に対して親和性のあるＴｉなどの材料を用いて形成することが好ましく、さらに前記親和性のある材料とＡｕ、Ｐｔなどの低抵抗の金属材料を積層して形成することで密着力を確保することも効果的である。 In FIG. 1, a piezoelectric element 8 according to the first embodiment forms a lower electrode layer 2 by laminating a Ti and Pt thin film on a substrate 1 such as silicon, and Pb (excellent piezoelectricity) is formed thereon. A piezoelectric thin film layer 3 such as a Zr 1-x Ti x ) O 3 thin film is formed. When forming the lower electrode layer 2, it is important from the viewpoint of the reliability of the piezoelectric element to ensure the adhesion between the substrate 1 and the lower electrode layer 2. It is preferable to form using a material such as Ti having high affinity, and to secure adhesion by laminating the material having affinity and a low resistance metal material such as Au or Pt. Is also effective.

また、圧電薄膜層３としてはＰＺＴ膜が圧電特性の観点からより好ましく、このＰＺＴ膜からなる圧電薄膜層３の結晶を（００１）に配向させることによって圧電特性をより高めることが可能である。   The piezoelectric thin film layer 3 is more preferably a PZT film from the viewpoint of piezoelectric characteristics, and the piezoelectric characteristics can be further enhanced by orienting the crystal of the piezoelectric thin film layer 3 made of this PZT film to (001).

次に、前記圧電薄膜層３の上に拡散防止層４を形成している。この拡散防止層４は圧電薄膜層３と結晶粒径あるいは格子定数などが異なるペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体酸化物が好ましい。また、このときの拡散防止層４の厚みとしては３００〜２０００Åが好ましい。   Next, a diffusion preventing layer 4 is formed on the piezoelectric thin film layer 3. The diffusion prevention layer 4 is preferably a dielectric oxide having a perovskite crystal structure that is different from the piezoelectric thin film layer 3 in crystal grain size or lattice constant. Moreover, as thickness of the diffusion prevention layer 4 at this time, 300-2000 mm is preferable.

次に、この拡散防止層４の上にＴｉとＡｕ薄膜を積層することによって上部電極層５を構成している。この上部電極層５を形成する際、上部電極層５と圧電薄膜層３の密着力を確保することが圧電素子の信頼性の観点から重要であり、そのために上部電極層５と圧電薄膜層３に対して親和性のあるＴｉなどの材料を用いて形成することが好ましく、さらに前記親和性のある材料とＡｕ、Ｐｔなどの低抵抗率の材料を積層して形成することで密着力を確保することも効果的である。このような上部電極層５と圧電薄膜層３に対して親和性のあるＴｉと同様の効果を発揮する金属としてはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属がある。   Next, the upper electrode layer 5 is formed by laminating a Ti and Au thin film on the diffusion preventing layer 4. When forming the upper electrode layer 5, it is important from the viewpoint of the reliability of the piezoelectric element to ensure the adhesion between the upper electrode layer 5 and the piezoelectric thin film layer 3. It is preferable to form using a material such as Ti that has an affinity for the material, and to secure adhesion by stacking the material having the affinity and a low resistivity material such as Au or Pt. It is also effective to do. Examples of metals that exhibit the same effect as Ti having affinity for the upper electrode layer 5 and the piezoelectric thin film layer 3 include metals such as Cr, Al, and Cu.

このような構成を有する圧電素子の圧電薄膜層３と拡散防止層４の結晶粒界は、その断面方向において不連続性を実現しておくことが重要であり、さらにこの拡散防止層４には圧電素子の電気特性を阻害するような材料は好ましくない。例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体酸化物は拡散防止には効果があることが分かったが、このような酸化物を拡散防止層４に用いて作製した圧電素子は十分な圧電特性を示さないことが分かった。特に圧電薄膜層３と比べて拡散防止層４の誘電率が低いと、圧電素子を駆動するために印加した電圧は圧電薄膜層３に印加されずに拡散防止層４にその大半が印加されてしまうことになる。このような電気特性への弊害を防止するために拡散防止層４の構成材料について検討した結果、ＡＢＯ3ペロブスカイト構造を有する誘電体酸化物が好ましいことが分かった。このＡＢＯ3ペロブスカイト構造は単位格子の８つの頂点位置にＡイオンが、体心位置にＢイオンが、面心位置にＯイオンが位置したものである。このような結晶構造を有する誘電体酸化物のｃ軸方向に電界を印加すると、ＢイオンとＯイオンが相対的に逆方向に変位し、この電荷の相対的な偏位によって分極を生じる。このＡＢＯ3型の誘電体酸化物としてはＢａＴｉＯ3、Ｐｂ1-xＬａxＴｉＯ3などがあり、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体酸化物に対して誘電率が比較的高い材料である。このペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物について、どの程度の誘電率が必要であるかについては圧電薄膜層３の誘電特性と拡散防止層４の誘電特性を加味するとともに圧電素子の等価回路定数に基づいて最適な回路定数になるように設計することが可能である。 It is important that the crystal grain boundaries of the piezoelectric thin film layer 3 and the diffusion preventing layer 4 of the piezoelectric element having such a configuration realize discontinuity in the cross-sectional direction. A material that hinders the electrical characteristics of the piezoelectric element is not preferred. For example, it has been found that dielectric oxides such as SiO 2 and Al 2 O 3 are effective for preventing diffusion. However, a piezoelectric element manufactured using such an oxide for the diffusion preventing layer 4 is sufficiently piezoelectric. It was found that it does not show any properties. In particular, when the dielectric constant of the diffusion prevention layer 4 is lower than that of the piezoelectric thin film layer 3, most of the voltage applied to drive the piezoelectric element is applied to the diffusion prevention layer 4 without being applied to the piezoelectric thin film layer 3. Will end up. As a result of examining the constituent material of the diffusion preventing layer 4 in order to prevent such adverse effects on the electrical characteristics, it was found that a dielectric oxide having an ABO 3 perovskite structure is preferable. In this ABO 3 perovskite structure, A ions are located at eight vertex positions of the unit cell, B ions are located at the body center position, and O ions are located at the face center position. When an electric field is applied in the c-axis direction of the dielectric oxide having such a crystal structure, B ions and O ions are displaced in opposite directions, and polarization is caused by the relative displacement of the charges. As this ABO 3 type dielectric oxide, there are BaTiO 3 , Pb 1-x La x TiO 3 and the like, which are materials having a relatively high dielectric constant with respect to dielectric oxides such as SiO 2 and Al 2 O 3. is there. For the dielectric oxide having the perovskite structure, the dielectric constant of the piezoelectric thin film layer 3 and the diffusion preventing layer 4 are taken into account as to what dielectric constant is necessary. Based on this, it is possible to design so as to obtain an optimum circuit constant.

圧電薄膜層３と拡散防止層４の結晶の不連続性を実現するためには圧電薄膜層３と格子定数、原子間距離の異なるペロブスカイト構造を有する誘電体酸化物を拡散防止層４に用いることが有効である。   In order to realize crystal discontinuity between the piezoelectric thin film layer 3 and the diffusion preventing layer 4, a dielectric oxide having a perovskite structure having a lattice constant and an interatomic distance different from those of the piezoelectric thin film layer 3 is used for the diffusion preventing layer 4. Is effective.

また、スパッタ法で形成した（００１）配向したＰＺＴからなる圧電薄膜層３の上にスパッタ法とは異なる、例えばＣＶＤ法あるいはゾルゲル法などを用いて誘電体酸化物を形成することによって圧電薄膜層３と拡散防止層４との間に結晶の不連続性を有した薄膜積層構造を実現することができる。このような結晶の不連続性を持たせることによって、圧電薄膜層３の結晶粒界に上部電極層５を構成するＴｉが拡散したり、圧電薄膜層３の結晶粒界近傍の酸素原子が上部電極層５へ拡散することを防止することができるものである。   Also, a piezoelectric thin film layer is formed by forming a dielectric oxide on the piezoelectric thin film layer 3 made of (001) -oriented PZT formed by sputtering, which is different from the sputtering method, for example, using a CVD method or a sol-gel method. 3 and a diffusion prevention layer 4 can realize a thin film laminated structure having crystal discontinuity. By providing such crystal discontinuity, Ti constituting the upper electrode layer 5 diffuses into the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film layer 3, or oxygen atoms near the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film layer 3 It is possible to prevent diffusion to the electrode layer 5.

さらに、このような圧電薄膜層３にＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3を形成したとき、このＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3層と拡散防止層４との結晶界面において、結晶の不連続性を実現することができる材料としては、Ｍｇ添加のＰｂ1-xＬａxＴｉＯ3、無配向のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3などの誘電体酸化物が挙げられ、このような材料を拡散防止層４として用いることで、熱や電界等の負荷下における圧電素子の上部電極層５と圧電薄膜層３との間で生じる拡散等の反応をより抑制できるとともに、電気特性の安定した圧電薄膜からなる圧電素子８を実現することができる。 Further, when Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 is formed on such a piezoelectric thin film layer 3, at the crystal interface between the Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 layer and the diffusion prevention layer 4, Examples of materials that can realize crystal discontinuity include dielectric oxides such as Mg-added Pb 1-x La x TiO 3 and non-oriented Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3. By using such a material as the diffusion preventing layer 4, it is possible to further suppress reactions such as diffusion occurring between the upper electrode layer 5 and the piezoelectric thin film layer 3 of the piezoelectric element under a load such as heat or an electric field, A piezoelectric element 8 made of a piezoelectric thin film having stable electrical characteristics can be realized.

その結果、このような構成を有する圧電素子８を例えば自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合、上部電極層５を構成する原子の圧電薄膜層３の結晶粒界への拡散および圧電薄膜層３を構成する原子の上部電極層５への拡散移動を抑制することができることから、圧電薄膜層３で発生するリーク電流を抑制できる圧電素子８を実現することができる。   As a result, when the piezoelectric element 8 having such a configuration is used at a high temperature in an engine room of an automobile, for example, diffusion of atoms constituting the upper electrode layer 5 into the crystal grain boundary and the piezoelectric thin film Since the diffusion movement of atoms constituting the layer 3 to the upper electrode layer 5 can be suppressed, the piezoelectric element 8 that can suppress the leakage current generated in the piezoelectric thin film layer 3 can be realized.

次に、このような構成を有する圧電素子８の製造方法について図面を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 8 having such a configuration will be described with reference to the drawings.

まず、図２に示すように厚みが５００μｍのシリコンからなる基板１の上に、基板１とその上に形成する圧電薄膜層３と親和性を有する材料としてＴｉを１００〜２００Åの厚みで形成し、その上にＰｔを４０００〜５０００Åの厚みで積層することによって下部電極層２を形成する。この下部電極層２を形成する方法としてはＤＣまたはＲＦマグネトロンスパッタリング等の方法が代表的である。   First, as shown in FIG. 2, on a substrate 1 made of silicon having a thickness of 500 μm, Ti is formed to a thickness of 100 to 200 mm as a material having affinity with the substrate 1 and the piezoelectric thin film layer 3 formed thereon. The lower electrode layer 2 is formed by laminating Pt with a thickness of 4000 to 5000 mm thereon. A typical method for forming the lower electrode layer 2 is a method such as DC or RF magnetron sputtering.

次に、図３に示すようにＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3をスパッタリング等の方法により２〜３μｍの厚みで圧電薄膜層３として形成する。（００１）に配向したＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3は高い圧電性を有することから、電気特性に優れた圧電素子８を実現することができる。 Next, as shown in FIG. 3, Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 is formed as a piezoelectric thin film layer 3 with a thickness of 2 to 3 μm by a method such as sputtering. Since Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 oriented in (001) has high piezoelectricity, the piezoelectric element 8 having excellent electrical characteristics can be realized.

次に、図４に示すように、Ｍｇ添加のＰｂ1-xＬａxＴｉＯ3膜を３００〜２０００Åの厚みで拡散防止層４として圧電薄膜層３の上に形成する。この拡散防止層４に用いることができる材料としては圧電薄膜層３の結晶粒を核生成サイトとすることなく形成することができるペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物であることが好ましい。さらに、拡散防止層４の誘電体酸化物の結晶は圧電薄膜層３の結晶とは異なる位置もしくは異なる結晶サイズで成長させておくことが重要であり、その断面方向において不連続となるように形成している。 Next, as shown in FIG. 4, an Mg-added Pb 1-x La x TiO 3 film is formed on the piezoelectric thin film layer 3 as a diffusion prevention layer 4 with a thickness of 300 to 2000 mm. The material that can be used for the diffusion prevention layer 4 is preferably a dielectric oxide having a perovskite structure that can be formed without using the crystal grains of the piezoelectric thin film layer 3 as nucleation sites. Further, it is important that the dielectric oxide crystal of the diffusion prevention layer 4 is grown at a position different from the crystal of the piezoelectric thin film layer 3 or at a different crystal size, and is formed so as to be discontinuous in the cross-sectional direction. is doing.

また、この拡散防止層４を無配向のペロブスカイト型の誘電体酸化物とした場合、その結晶は配向した圧電薄膜層３の結晶とは異なることから、拡散防止層４と圧電薄膜層３の結晶粒界はその断面方向において不連続とすることができる。圧電薄膜層３を配向したＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3として形成したとき、拡散防止層４を無配向性結晶構造のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3を形成することが圧電特性、親和性の観点からより好ましい。このような構成を有する積層膜は薄膜形成プロセスを異ならせることによって実現することができる。 Further, when the diffusion preventing layer 4 is a non-oriented perovskite type dielectric oxide, the crystals are different from the crystals of the oriented piezoelectric thin film layer 3. The grain boundaries can be discontinuous in the cross-sectional direction. When the piezoelectric thin film layer 3 is formed as oriented Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 , the diffusion prevention layer 4 can be formed of non-oriented crystal structure Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3. It is more preferable from the viewpoint of piezoelectric characteristics and affinity. A laminated film having such a configuration can be realized by changing the thin film formation process.

例えば、配向性を有するＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3膜をスパッタ法で形成し、その上にＣＶＤ法あるいはゾルゲル法で無配向のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3膜を形成することによって作製することができる。 For example, a Pb (Zr 1-x Ti x) O 3 film having orientation is formed by sputtering, a non-oriented by a CVD method or a sol-gel method on the Pb a (Zr 1-x Ti x) O 3 film It can be manufactured by forming.

次に、図５に示すように上部電極層５として、例えば下地にＣｒやＴｉ等、酸化物と親和性を有する金属を５０〜２００Åの厚みで薄く形成し、その後Ａｕ等をスパッタリング、真空蒸着法の方法により２０００〜４０００Åの厚みで形成することによって密着強度に優れた上部電極層５を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 5, as the upper electrode layer 5, for example, a metal having an affinity for an oxide such as Cr or Ti is formed as a thin layer with a thickness of 50 to 200 mm, and then Au or the like is sputtered or vacuum deposited. The upper electrode layer 5 having excellent adhesion strength can be formed by forming it with a thickness of 2000 to 4000 mm by the method of the method.

その後、この積層した薄膜をウェットエッチングまたはドライエッチングで目的の圧電素子の形状に加工することによってそれぞれの圧電素子８を作製することができる。   Thereafter, the laminated thin film is processed into the shape of the target piezoelectric element by wet etching or dry etching, whereby each piezoelectric element 8 can be manufactured.

このような積層構造を有する圧電素子８（実施例）と、圧電薄膜層３と上部電極層５との間に拡散防止層４を形成していない圧電素子（従来例）に熱ストレスおよび電界ストレスを印加し、その時に生じるリーク電流の経時変化をモニタすることで、拡散防止層４の効果を評価した。評価には電極パターンを１ｃｍ×１ｃｍの形状に形成した圧電素子を試料として用いた。加速試験として、これらの試料をホットプレート上で１７０℃まで加熱し、その状態で上部電極層５と下部電極層２に１０Ｖ／μｍの電界を印加し、そのときの圧電素子のリーク電流量を測定した。   Thermal stress and electric field stress are applied to the piezoelectric element 8 (Example) having such a laminated structure and the piezoelectric element (conventional example) in which the diffusion prevention layer 4 is not formed between the piezoelectric thin film layer 3 and the upper electrode layer 5. Was applied and the change in leakage current that occurred at that time was monitored to evaluate the effect of the diffusion preventing layer 4. For the evaluation, a piezoelectric element in which an electrode pattern was formed in a 1 cm × 1 cm shape was used as a sample. As an accelerated test, these samples were heated to 170 ° C. on a hot plate, and an electric field of 10 V / μm was applied to the upper electrode layer 5 and the lower electrode layer 2 in that state, and the leakage current amount of the piezoelectric element at that time was determined. It was measured.

その結果、拡散防止層４を形成していない従来の圧電素子（従来例）は１０秒以下でリーク電流が発生するのに対して、拡散防止層４を導入した圧電素子８（実施例）は１００００秒以上の時間が経過してもリーク電流は発生せず、優れた信頼性を有する圧電素子を実現していることが確認できた。   As a result, a leakage current is generated in 10 seconds or less in the conventional piezoelectric element (conventional example) in which the diffusion preventing layer 4 is not formed, whereas the piezoelectric element 8 (example) in which the diffusion preventing layer 4 is introduced. It was confirmed that a leak current did not occur even after a time of 10,000 seconds or longer and a piezoelectric element having excellent reliability was realized.

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における圧電素子について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 2)
Hereinafter, a piezoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図６は本発明の実施の形態２における圧電素子の断面図である。   FIG. 6 is a sectional view of the piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention.

図６において、特に実施の形態１と異なっている点は拡散防止層７として非晶質の誘電体材料を形成していることである。例えば、このような材料としては非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3を用いることができ、この拡散防止層７の上に上部電極層５を実施の形態１と同じ構成によって順次積層して構成している。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3膜は、例えば基板温度を約３００℃前後の温度に設定してスパッタ法にて成膜することによって作製することができる。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3膜からなる拡散防止層７は結晶粒界が存在しないことから、このような構成を有する圧電素子８Ａを、例えば自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合においても、上部電極層５の構成原子の圧電薄膜層３の結晶粒界への拡散および圧電薄膜層３の構成原子が上部電極層５へ拡散移動することを抑制することができ、圧電薄膜層３のリーク電流の発生を抑制することができる圧電素子８Ａを実現することができる。 In FIG. 6, the difference from the first embodiment is that an amorphous dielectric material is formed as the diffusion prevention layer 7. For example, amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 can be used as such a material, and the upper electrode layer 5 is formed on the diffusion prevention layer 7 with the same configuration as in the first embodiment. It is constructed by laminating sequentially. This amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 film can be produced, for example, by forming a film by sputtering with the substrate temperature set at about 300 ° C. Since the diffusion prevention layer 7 made of this amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 film has no crystal grain boundary, the piezoelectric element 8A having such a configuration is used in an engine room of an automobile, for example. Even when used at a high temperature, the diffusion of constituent atoms of the upper electrode layer 5 to the crystal grain boundaries of the piezoelectric thin film layer 3 and the diffusion and movement of constituent atoms of the piezoelectric thin film layer 3 to the upper electrode layer 5 are suppressed. Therefore, it is possible to realize the piezoelectric element 8A that can suppress the generation of the leakage current of the piezoelectric thin film layer 3.

次に、このような圧電素子８Ａの作製方法について説明する。   Next, a method for producing such a piezoelectric element 8A will be described.

まず、厚み５００μｍのシリコンからなる基板１の上に、基板１および圧電薄膜層３と親和性を有する材料であるＴｉを１００〜２００Åの膜厚で形成し、このＴｉの上にＰｔを４０００〜５０００Åの膜厚で積層形成することにより下部電極層２を形成する。この下部電極層２を形成する方法としては、ＤＣまたはＲＦのマグネトロンスパッタリング等の方法が代表的である。   First, Ti having a film thickness of 100 to 200 mm is formed on a substrate 1 made of silicon having a thickness of 500 μm and having an affinity for the substrate 1 and the piezoelectric thin film layer 3, and Pt is formed on this Ti by 4000 to 400 μm. The lower electrode layer 2 is formed by laminating with a thickness of 5000 mm. As a method of forming the lower electrode layer 2, a method such as DC or RF magnetron sputtering is typical.

次に、圧電薄膜層３として、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3をスパッタリング等の方法により形成する。 Next, Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 is formed as the piezoelectric thin film layer 3 by a method such as sputtering.

その後、拡散防止層７として非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3を圧電薄膜層３の上に形成する。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3は、例えば成膜温度を３００℃に下げてスパッタリングによって３００〜２０００Åの膜厚に成膜することによって形成することができる。このような積層構造とすることにより、圧電薄膜層３の粒界と拡散防止層４の結晶粒界は断面方向において不連続となるように形成できる。 Thereafter, amorphous Pb (Zr 1−x Ti x ) O 3 is formed on the piezoelectric thin film layer 3 as the diffusion preventing layer 7. This amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 can be formed, for example, by lowering the film formation temperature to 300 ° C. and forming the film to a thickness of 300 to 2000 mm by sputtering. With such a laminated structure, the grain boundary of the piezoelectric thin film layer 3 and the crystal grain boundary of the diffusion prevention layer 4 can be formed so as to be discontinuous in the cross-sectional direction.

次に、上部電極層５として、下地に酸化物と親和性を有するＣｒやＴｉ等を５０〜２００Åの膜厚で薄く形成し、さらにその上にＡｕを真空蒸着法により２０００〜４０００Åの膜厚で形成した。   Next, as the upper electrode layer 5, Cr, Ti or the like having an affinity for oxide is thinly formed to a thickness of 50 to 200 mm on the base, and Au is further deposited to a thickness of 2000 to 4000 mm by a vacuum deposition method. Formed with.

その後、この積層体をウェットエッチングまたはドライエッチングで所定の圧電素子８Ａの形状に個片化処理することによって所望の圧電素子を作製した。   Thereafter, the laminate was singulated into a predetermined shape of the piezoelectric element 8A by wet etching or dry etching to produce a desired piezoelectric element.

このような構成を有する圧電素子８Ａを実施例１の同様の方法によって信頼性試験を実施した結果、非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3膜からなる拡散防止層４を導入した圧電素子（実施例２）は１００００秒以上の時間が経過してもリーク電流は発生せず、優れた信頼性を有する圧電素子を実現していることが確認できた。 As a result of performing a reliability test on the piezoelectric element 8A having such a configuration by the same method as in Example 1, the diffusion preventing layer 4 made of an amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 film was introduced. It was confirmed that the piezoelectric element (Example 2) did not generate a leak current even when a time of 10,000 seconds or more had elapsed, and realized a piezoelectric element having excellent reliability.

本発明の圧電素子は、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層、拡散防止層および上部電極層からなる圧電素子とすることにより圧電薄膜層と拡散防止層の結晶粒界がその断面方向において不連続となることから、負荷される熱や電界等に対して信頼性に優れた圧電素子に有用である。   The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element comprising a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, a diffusion prevention layer and an upper electrode layer on one surface of a substrate, so that the crystal grain boundaries of the piezoelectric thin film layer and the diffusion prevention layer are in the cross-sectional direction. Since it becomes discontinuous, it is useful for a piezoelectric element having excellent reliability with respect to applied heat, electric field, and the like.

本発明の実施の形態１における圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element in Embodiment 1 of this invention 同製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method 同断面図Cross section 同断面図Cross section 同断面図Cross section 本発明の実施の形態２における圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element in Embodiment 2 of this invention 従来の圧電素子の断面図Cross-sectional view of a conventional piezoelectric element

符号の説明Explanation of symbols

１ 基板
２ 下部電極層
３ 圧電薄膜層
４ 拡散防止層
５ 上部電極層
７ 拡散防止層
８ 圧電素子
８Ａ 圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Lower electrode layer 3 Piezoelectric thin film layer 4 Diffusion prevention layer 5 Upper electrode layer 7 Diffusion prevention layer 8 Piezoelectric element 8A Piezoelectric element

Claims (8)

少なくとも、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層して形成した圧電素子において、上部電極層と圧電薄膜層との間に拡散防止層を設けた圧電素子。 A piezoelectric element in which a diffusion preventing layer is provided between an upper electrode layer and a piezoelectric thin film layer in a piezoelectric element formed by sequentially laminating a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on at least one surface of a substrate. 拡散防止層をペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物とした請求項１に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the diffusion preventing layer is a dielectric oxide having a perovskite structure. 圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3とした請求項１に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film layer is made of Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 . 拡散防止層をＭｇ添加のＰｂ1-xＬａxＴｉＯ3とした請求項１に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the diffusion prevention layer is made of Mg-added Pb 1-x La x TiO 3 . 圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3とし、拡散防止層を無配向の多結晶Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3とした請求項１に記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film layer is Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 and the diffusion prevention layer is non-oriented polycrystalline Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 . 圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3とし、拡散防止層を非晶質のＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3とした請求項１に記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film layer is Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 and the diffusion prevention layer is amorphous Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 . 上部電極層として、Ｔｉ、Ａｌ、ＣｕおよびＣｒのいずれか一つを含む請求項１に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the upper electrode layer includes any one of Ti, Al, Cu, and Cr. 上部電極層として、Ｔｉ、Ａｌ、ＣｕおよびＣｒのいずれか一つを含む下地層と貴金属層との積層構造とした請求項１に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the upper electrode layer has a laminated structure of a base layer containing any one of Ti, Al, Cu and Cr and a noble metal layer.
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