JP2010238856A - 圧電体素子及びジャイロセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】無応力状態で圧電体膜を成膜できる結晶構造を有する圧電体素子を提案することを課題とする。
【解決手段】圧電体膜は、ａ軸配向結晶とｃ軸配向結晶とを含み、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内である。本発明者は、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内という条件を満たすときに、圧電特性を良好な特性値に維持しつつ、圧電体膜の内部に蓄積される応力を低減できるこを新規に見出した。上述の条件が満たされる場合には、ｃ軸配向結晶とａ軸配向結晶とが適度にバランスすることによって、圧電体膜の結晶粒子が下地上に理想的な状態で最蜜充填されることが応力低減に寄与しているものと考えられる。
【選択図】図３
【解決手段】圧電体膜は、ａ軸配向結晶とｃ軸配向結晶とを含み、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内である。本発明者は、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内という条件を満たすときに、圧電特性を良好な特性値に維持しつつ、圧電体膜の内部に蓄積される応力を低減できるこを新規に見出した。上述の条件が満たされる場合には、ｃ軸配向結晶とａ軸配向結晶とが適度にバランスすることによって、圧電体膜の結晶粒子が下地上に理想的な状態で最蜜充填されることが応力低減に寄与しているものと考えられる。
【選択図】図３
Description
本発明は、無応力の圧電体膜を有する圧電体素子及びその圧電体素子を用いたジャイロセンサに関する。
圧電体膜の特性、例えば、誘電率、キュリー温度、抗電界、及び残留分極などは、圧電体膜の内部応力によって変動することが知られている。薄膜プロセスによって成膜された圧電体膜は、成膜時に膜面内の二次元応力が発生しやすいので、優れた圧電特性を有する圧電体素子を得るには、内部応力の少ない結晶構造を有する圧電体膜の開発が望まれる。内部応力を低減するための結晶構造を有する圧電体素子として、例えば、特許２００８−２８２８５号公報には、一方の電極から他方の電極に向かって第１、第２、及び第３の圧電体膜が積層されてなる積層構造を有し、第１及び第３の圧電体膜の圧電定数が第２の圧電体膜の圧電定数より小さくなるようにした圧電体素子が提案されている。このようなデバイス構造によれば、電極と圧電体膜との界面に発生する内部応力を低減できる。
しかし、同公報に開示のデバイス構造では、圧電体膜とその下地との物性の相違、例えば、格子定数や熱膨張係数などの相違により、高温成膜後の圧電体膜の冷却過程において圧電体膜内部に圧縮応力又は引っ張り応力が発生し得るため、応力低減を十分に図ることは困難であった。
そこで、本発明は、無応力状態で圧電体膜を成膜できる結晶構造を有する圧電体素子を提案することを課題とする。また、本発明は、そのような結晶構造を有する圧電体素子を用いたジャイロセンサを提案することを課題とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係わる圧電体素子は、下部電極と上部電極との間に圧電体膜を備え、この圧電体膜は、ａ軸配向結晶とｃ軸配向結晶とを含み、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内である。本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内という条件を満たすときに、圧電特性を良好な特性値に維持しつつ、圧電体膜の内部に蓄積される応力を低減できることを新規に見出した。そのメカニズムについては明らかではないが、上述の条件が満たされる場合には、ｃ軸配向結晶とａ軸配向結晶とが適度にバランスすることによって、圧電体膜の結晶粒子が下地上に理想的な状態で最蜜充填されることが応力低減に寄与しているものと考えられる。
また、圧電体膜は、ｃ軸方向に結晶成長した柱状結晶粒子を含み、その粒径は４９．８ｎｍ以下が好ましい。柱状結晶粒子の粒径が４９．８ｎｍより小さくなると、圧電体膜に対する下地の結晶構造の影響が弱まるので、圧電体膜とその下地との間の格子定数の不一致に起因する圧電体膜内部への応力蓄積を制御し易くなるものと考えられる。
本発明に係わるジャイロセンサは、基部と、この基部に接続する複数のアームとを備える音叉振動子型のジャイロセンサであって、基部及び複数のアームは、上述の結晶構造を有する圧電体素子により一体的に形成されている。
本発明によれば、成膜後の圧電体膜を理想的な無応力の状態に制御できるので、圧電特性に優れた圧電体素子を提供できる。また、結晶歪みやあおり振動のない無応力の圧電体素子を用いてジャイロセンサを構成することにより、検出感度に優れたジャイロセンサを提供できる。
以下、各図を参照しながら本実施形態に係わる圧電体素子１０の結晶構造とその圧電特性について説明する。
図１に示すように、圧電体素子１０は、圧電体膜２０と、その表面及び裏面のそれぞれに積層された上部電極３１及び下部電極３２を備える。圧電体膜２０は、例えば、化学式ＡＢＯ3で表されるペロブスカイト型複合酸化物である。ここで、Ａ及びＢは陽イオンを表す。Ａとして、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｌａ及びＣｄから選ばれた１種以上が好ましく、Ｂとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ及びＮｂから選ばれた１種以上が好ましい。具体的には、圧電体膜２０の材質として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＭＮ−ＰＺＴ）、ニッケルニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＮＮ−ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-ＰＴ系（ＰＭＮ−ＰＴ）、又はニッケルニオブ酸鉛-ＰＴ系（ＰＮＮ−ＰＴ）などが好適である。
図１に示すように、圧電体素子１０は、圧電体膜２０と、その表面及び裏面のそれぞれに積層された上部電極３１及び下部電極３２を備える。圧電体膜２０は、例えば、化学式ＡＢＯ3で表されるペロブスカイト型複合酸化物である。ここで、Ａ及びＢは陽イオンを表す。Ａとして、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｌａ及びＣｄから選ばれた１種以上が好ましく、Ｂとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ及びＮｂから選ばれた１種以上が好ましい。具体的には、圧電体膜２０の材質として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＭＮ−ＰＺＴ）、ニッケルニオブ酸鉛-ＰＺＴ系（ＰＮＮ−ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛-ＰＴ系（ＰＭＮ−ＰＴ）、又はニッケルニオブ酸鉛-ＰＴ系（ＰＮＮ−ＰＴ）などが好適である。
上部電極３１及び下部電極３２の材質としては、圧電体膜２０の結晶配向制御等に適した導電性材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、白金（Ｐｔ）などが好適である。その他、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）等が挙げられ、またそれらを組み合わせて積層しても良い。
圧電体素子１０は、成長基板５０上に公知の薄膜プロセスを用いて成膜される。成長基板５０として、例えば、（１００）面が基板表面となるように用意されたシリコン単結晶基板が好適である。圧電体素子１０を成膜するための薄膜プロセスとして、例えば、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、或いはＭＯＣＶＤ法などの気相成長方法、又はゾルゲル法などの液相成長法が好適である。圧電体素子１０と成長基板５０との間には、中間薄膜４０を介在させるのが望ましい。中間薄膜４０としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）が好適である。中間薄膜４０を設けることで、その上に成膜される下部電極３２の剥離を防止できると共に圧電体膜２０をエピタキシャル成長させることができる。本実施形態では、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2を形成し、その上に（１００）配向のＺｒＯ2を成膜した後、（１００）配向のＰｔ下部電極を形成している。
圧電体膜２０は、主としてｃ軸方向にエピタキシャル成長した柱状結晶粒子によって構成されている。但し、その結晶構造は完全な（００１）単一配向膜ではなく、結晶粒子が下部電極３２上に理想的に最蜜充填されるようにｃ軸配向結晶とａ軸配向結晶とが適度に混在した薄膜である。
圧電体膜２０は、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内になるようにその結晶構造が調整されているものが好ましい。図２は、圧電体膜２０としてＰＺＴ系薄膜を成膜し、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数とをそれぞれ変化させたときに得られた各種パラメータの測定結果を示す。なお、格子定数は、Ｘ線回折による測定結果から、ブラッグの式にて算出した。各種パラメータの内容は、以下の通りである。
ｄ（００１）＝ｃ軸配向結晶の格子定数
Ｉ（００１）＝（００１）面のＸ線回折パターンの反射回折強度
ｄ（１００）＝ａ軸配向結晶の格子定数
Ｉ（１００）＝（１００）面のＸ線回折パターンの反射回折強度
α＝Ｉ（１００）／Ｉ（００１）
ｄ31＝圧電体膜２０の圧電定数
応力＝成膜後の圧電体膜２０を室温まで冷却したときに膜内部に蓄積される応力
Δｄ＝ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差
ｄ（００１）＝ｃ軸配向結晶の格子定数
Ｉ（００１）＝（００１）面のＸ線回折パターンの反射回折強度
ｄ（１００）＝ａ軸配向結晶の格子定数
Ｉ（１００）＝（１００）面のＸ線回折パターンの反射回折強度
α＝Ｉ（１００）／Ｉ（００１）
ｄ31＝圧電体膜２０の圧電定数
応力＝成膜後の圧電体膜２０を室温まで冷却したときに膜内部に蓄積される応力
Δｄ＝ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差
この測定結果を基に、横軸に格子定数差Δｄをプロットし、縦軸に応力及びｄ31をプロットすると、図３に示すグラフが得られる。このグラフから理解できるように、本発明者は、ａ軸配向結晶の格子定数とｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内という条件を満たすときに、圧電定数ｄ31を良好な値に維持しつつ、圧電体膜２０の内部に蓄積される応力を低減できることを新規に見出した。そのメカニズムについては明らかではないが、上述の条件が満たされる場合には、ｃ軸配向結晶とａ軸配向結晶とが適度にバランスすることによって、圧電体膜２０の結晶粒子が下部電極３２上に理想的に最蜜充填されることが応力低減に寄与しているものと考えられる。なお、チタン酸ジルコン酸鉛中のチタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体比を横軸に混合比ｘとしてプロットし、縦軸に格子定数をプロットし、Δｄ≦０．０６Åとなる領域を図示すると、図３のようになる。
圧電体膜２０は、ｃ軸方向に結晶成長した柱状結晶粒子を含み、その柱状結晶粒子の粒径は４９．８ｎｍ以下が好ましい。図５は、圧電体膜２０としてＰＺＴ系薄膜の柱状結晶粒子をスパッタリングによりｃ軸方向にエピタキシャル成長させ、その結晶粒径を様々な値に変化させたときに得られた各種パラメータの測定結果を示す。なお、粒径及び粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定し、原子数比は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）による組成分析に基づいて算出した。また、粒径は、柱状に成長した粒子の直径である。各種パラメータの内容は、以下の通りである。
粒径＝圧電体膜２０の柱状結晶の粒径
ｄ31＝圧電体膜２０の圧電定数
応力＝成膜後の圧電体膜２０を室温まで冷却したときに膜内部に蓄積される応力
Ｐｂ−ｒａｔｉｏ＝原子数比Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）
成膜速度＝圧電体膜２０の成膜速度
ＲＭＳ＝圧電体膜２０の二乗平均粗さ
Ｒａ＝圧電体膜２０の算術平均粗さ
Ｒｍａｘ＝圧電体膜２０の最大粗さ
Ｒｚ＝圧電体膜２０の十点平均粗さ
粒径＝圧電体膜２０の柱状結晶の粒径
ｄ31＝圧電体膜２０の圧電定数
応力＝成膜後の圧電体膜２０を室温まで冷却したときに膜内部に蓄積される応力
Ｐｂ−ｒａｔｉｏ＝原子数比Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）
成膜速度＝圧電体膜２０の成膜速度
ＲＭＳ＝圧電体膜２０の二乗平均粗さ
Ｒａ＝圧電体膜２０の算術平均粗さ
Ｒｍａｘ＝圧電体膜２０の最大粗さ
Ｒｚ＝圧電体膜２０の十点平均粗さ
なお、本実施形態では、圧電膜２０として、スパッタリング法にてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を成膜した。このときスパッタリング法の成膜条件は、各種パラメータにて調整し成膜を行う。例えば、プロセスガス圧力、スパッタリング印可電圧、酸素ガス分圧、Ｔ−Ｓ間距離（ターゲット−基板間距離）、ＶＤＣ／ＶＰＰを調整し、粒子径等をコントロールすればよい。
この測定結果を基に、横軸に粒径をプロットし、縦軸に応力及びｄ31をプロットすると、図６に示すグラフが得られる。このグラフから理解できるように、本発明者は、ｃ軸方向に結晶成長した柱状結晶粒子の粒径が４９．８ｎｍ以下という条件を満たすときに、圧電定数ｄ31を良好な値に維持しつつ、圧電体膜２０の内部に蓄積される応力を低減できることを新規に見出した。エピタキシャル成長する結晶は、一般にその下地の結晶構造の影響を受けて結晶成長するので、柱状結晶粒子の粒径が４９．８ｎｍより大きいと、下地の結晶構造の影響が強く作用し、圧電体膜２０とその下地との間の格子定数の不一致に起因して圧電体膜内部に応力が蓄積し易くなるものと考えられる。一方、柱状結晶粒子の粒径が４９．８ｎｍより小さくなると、圧電体膜２０に対する下地の結晶構造の影響が弱まるので、圧電体膜２０とその下地との間の格子定数の不一致に起因する圧電体膜内部への応力蓄積を制御し易くなるものと考えられる。
なお、本発明者の実験によれば、圧電体膜２０の下地となる中間薄膜４０の最上段膜の材質が（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムの場合に、ｃ軸方向に結晶成長した柱状結晶粒子の粒径を４９．８ｎｍ以下に調整すると、成膜後の圧電体膜２０を無応力状態に制御する上で特に効果的であることが確認されている。
また、図５に示す上述の測定結果を基に、横軸にＰｂ−ｒａｔｉｏをプロットし、縦軸に応力及びｄ31をプロットすると、図７に示すグラフが得られる。このグラフを分析すると、Ｐｂ−ｒａｔｉｏの値が１．１〜１．２の範囲では、圧電定数ｄ31を良好な値に維持しつつ、かつ圧電体膜２０の内部に蓄積される応力を低減できることが理解できる。なお、Ｐｂ−ｒａｔｉｏに限らず、ペロブスカイト型複合酸化物ＡＢＯ3の原子数比Ａ／Ｂの値が１．１〜１．２の範囲において、同様の効果が得られることが本発明者の実験により確認されている。
また、図５に示す測定結果を表面粗さの観点から分析すると、圧電定数ｄ31を良好な値に維持しつつ、かつ圧電体膜２０の内部に蓄積される応力を低減するには、圧電体膜２０の二乗平均粗さ（ＲＭＳ）は０．５３ｎｍ以下が好ましく、その算術平均粗さ（Ｒａ）は０．２８ｎｍ以下が好ましく、その最大粗さ（Ｒｍａｘ）は１．３２ｎｍ以下が好ましく、その十点平均粗さ（Ｒｚ）は１．３０ｎｍ以下が好ましい。
なお、気相成長法又は液相成長法により圧電体膜２０の結晶粒径を４９．８ｎｍ以下に制御するには、成膜条件を適宜調整すればよい。例えば、スパッタリング法で結晶粒径を制御するには、成膜条件として、プロセスガス圧力、スパッタ印加電圧、酸素ガス分圧、成膜速度、スパッタターゲット−基板間距離、スパッタターゲットのセルフバイアスなどを挙げることができる。より詳細には、プロセス圧力は０．１Ｐａ〜１．０Ｐａの範囲が好ましく、スパッタターゲット−基板間距離は１５０ｍｍ以下が好ましく、成膜速度は３ｎｍ／ｍｉｎ〜５０ｎｍ／ｍｉｎの範囲が好ましい。
次に、本実施形態に係わるジャイロセンサ１００の構造及び動作原理について説明する。
図８はジャイロセンサ１００の平面図であり、図９は図８の９−９線矢視断面図である。ジャイロセンサ１００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０，１３０を備える音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ１００は、上述の圧電体素子１０を構成する圧電体膜２０、上部電極３１、及び下部電極３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０，１３０）は、圧電体素子１０によって一体的に形成されている。一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極３１ａ，３１ｂ、及び検出電極３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極３１ａ，３１ｂ、及び検出電極３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、上部電極３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。なお、基部１１０、及びアーム１２０，１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に形成されている下部電極３２は、ジャイロセンサ１００のグランド電極として機能する。
図８はジャイロセンサ１００の平面図であり、図９は図８の９−９線矢視断面図である。ジャイロセンサ１００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０，１３０を備える音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ１００は、上述の圧電体素子１０を構成する圧電体膜２０、上部電極３１、及び下部電極３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０，１３０）は、圧電体素子１０によって一体的に形成されている。一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極３１ａ，３１ｂ、及び検出電極３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極３１ａ，３１ｂ、及び検出電極３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、上部電極３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。なお、基部１１０、及びアーム１２０，１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に形成されている下部電極３２は、ジャイロセンサ１００のグランド電極として機能する。
図１０に示すように、それぞれのアーム１２０，１３０の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム１２０，１３０の主面を含む平面をＸＺ平面とした上で、ＸＹＺ直交座標系を定義する。駆動電極３１ａ，３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０，１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０，１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０，１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。この状態でジャイロセンサ１００にＺ軸を回転軸として角速度ωの回転が加わると、二つのアーム１２０，１３０のそれぞれについて速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０，１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０，１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が−Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。コリオリ力Ｆ１，Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１，Ｆ２によるアーム１２０，１３０の機械的な歪みを圧電体膜２０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極３１ｃ，３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。
結晶歪みやあおり振動のない無応力の圧電体素子１０を用いてジャイロセンサ１００を構成することにより、検出感度に優れたジャイロセンサ１００を提供できる。なお、上述の説明では、面内振動モードを駆動振動モードとし、面外振動モードを検出振動モードとしたが、面外振動モードを駆動振動モードとし、面内振動モードを検出振動モードとしてもよい。また、アーム１２０，１３０の本数は合計２本に限らず合計３本以上であってもよい。
本発明に係わる圧電体素子は、ジャイロセンサ、アクチュエータ、周波数フィルタ、不揮発性メモリ、光変調器、音響素子などのあらゆる電子デバイスに応用できる。
１０…圧電体素子
２０…圧電体膜
３１…上部電極
３２…下部電極
４０…中間薄膜
５０…成長基板
１００…ジャイロセンサ
１１０…基部
１２０，１３０…アーム
３１ａ，３１ｂ…駆動電極
３１ｃ、３１ｄ…検出電極
２０…圧電体膜
３１…上部電極
３２…下部電極
４０…中間薄膜
５０…成長基板
１００…ジャイロセンサ
１１０…基部
１２０，１３０…アーム
３１ａ，３１ｂ…駆動電極
３１ｃ、３１ｄ…検出電極
Claims (7)
- 下部電極と上部電極との間に圧電体膜を備える圧電体素子であって、
前記圧電体膜は、ａ軸配向結晶とｃ軸配向結晶とを含み、
前記ａ軸配向結晶の格子定数と前記ｃ軸配向結晶の格子定数との差が０．０６Å以内である、圧電体素子。 - 請求項１に記載の圧電体素子であって、
前記圧電体膜は、ｃ軸方向に結晶成長した柱状結晶粒子を含み、
前記柱状結晶粒子の粒径は、４９．８ｎｍ以下である、圧電体素子。 - 請求項１又は請求項２に記載の圧電体素子であって、
前記圧電体膜は、化学式ＡＢＯ3で表されるペロブスカイト型複合酸化物であり、
原子比Ａ／Ｂは、１．１〜１．２である、圧電体素子。 - 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の圧電体素子であって、
前記圧電体膜の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．２８ｎｍ以下である、圧電体素子。 - 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の圧電体素子であって、
前記下部電極及び前記上部電極のうち少なくとも一方と前記圧電膜との間にルテニウム酸ストロンチウムからなる層を有する、圧電体素子。 - 請求項２に記載の圧電体素子であって、
前記柱状結晶粒子は、ｃ軸方向にエピタキシャル成長している、圧電体素子。 - 基部と、前記基部に接続する複数のアームとを備える音叉振動子型のジャイロセンサであって、
前記基部及び前記複数のアームは、請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の圧電体素子により一体的に形成されている、ジャイロセンサ。
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