JP2012129226A - 圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
圧電アクチュエータ及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012129226A JP2012129226A JP2010276596A JP2010276596A JP2012129226A JP 2012129226 A JP2012129226 A JP 2012129226A JP 2010276596 A JP2010276596 A JP 2010276596A JP 2010276596 A JP2010276596 A JP 2010276596A JP 2012129226 A JP2012129226 A JP 2012129226A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- composition ratio
- layer
- piezoelectric
- electrode layer
- lower electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 26
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 25
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 16
- 229910020684 PbZr Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 6
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 claims description 4
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims 1
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical group 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
【課題】ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電体層の圧電定数を大きくでき、圧電性を向上させた圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ｔｉ密着層３、ＰｔｍＯ下部電極層４、ＰＺＴ圧電体層５及びＰｔ上部電極層６を積層して形成されている。下部電極層４のＰｔｍＯの組成比ｍは０．６以上、ＰＺＴ圧電体層５のＺｒｘＴｉ１−ｘの組成比ｘは０．４３〜０．５５である。
【選択図】図１
【解決手段】圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ｔｉ密着層３、ＰｔｍＯ下部電極層４、ＰＺＴ圧電体層５及びＰｔ上部電極層６を積層して形成されている。下部電極層４のＰｔｍＯの組成比ｍは０．６以上、ＰＺＴ圧電体層５のＺｒｘＴｉ１−ｘの組成比ｘは０．４３〜０．５５である。
【選択図】図１
Description
本発明はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を含む圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
Pb、Zr、Tiの各元素を含む酸化化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）は優れた圧電性を有し、これを利用したPZT圧電体層は、アクチュエータとして用いたMEMS素子、センサとして用いたMEMS素子、発電素子、ジャイロ素子等に用いられる。
従来の圧電アクチュエータの製造方法においては、スパッタリング法によって形成されたPt下部電極層上にPZT圧電体層を形成する。たとえば、このPZT圧電体層の形成方法として圧力勾配型プラズマガンを用いたアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）法がある（参照：特許文献１）。このADRIP法は、スパッタリング法に比較してPZT圧電体層の堆積速度が大きいという利点を有し、また、有機金属化学的気相成長（MOCVD）法に比較して基板温度が低く、製造コストが低く、有毒な有機金属ガスを用いないので、対環境性がよく、また、原料の利用効率がよいという利点を有する。
しかしながら、上述の従来の圧電アクチュエータの製造方法においては、下部電極層の材料が最適化されていないので、PZT圧電体層の圧電定数が小さく、圧電性が未だ不充分であるという課題がある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、組成比mのPtmOよりなる下部電極層と、下部電極層上に設けられた組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層とを具備し、組成比mは0.6以上であり、組成比xは範囲0.43〜0.55であるものである。
また、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、スパッタリング法によってガス流量比O2/Arを制御して組成比mのPtmOよりなる下部電極層を形成する工程と、アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して下部電極層上に組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層を形成する工程とを具備し、組成比mは0.6以上であり、組成比xは範囲0.43〜0.55であるものである。
本発明によれば、下部電極層のPtmOの組成比mも最適化できると共に圧電体層のPbZrxTi1-xの組成比xも最適化できるので、圧電体層の圧電定数を大きくでき、従って、圧電性を向上できる。
図１は本発明に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。図１の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３、PtmO下部電極層４、PZT圧電体層５及びPt上部電極層６を積層して形成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、下部電極層４のPtmOはPZT圧電体層５の成膜温度約500℃以上に耐えられる材料である。さらに、Ti密着層３は酸化シリコン層２とPtmO下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間に設けたものである。この密着層３はTiO2、MgO、ZrO2、IrO2等の導電性酸化物を用いてもよい。
図１の圧電アクチュエータの製造方法を図２のフローチャートを参照して説明する。
始めに、ステップ２０１を参照すると、単結晶シリコン基板１を熱酸化して酸化シリコン層２を形成する。尚、熱酸化処理の代りにCVD法を用いてもよい。
次に、ステップ２０２を参照すると、酸化シリコン層２上にスパッタリング法によってTi密着層３を形成する。引き続いて、Ti密着層３上にスパッタリング法によってPtmO下部電極層４を形成する。PtmO下部電極層４の形成については、後述する。
次に、ステップ２０３を参照すると、PtmO下部電極層４上にADRIP法によってPZT圧電体層５を形成する。このPZT圧電体層５の形成については、後述する。
最後に、ステップ２０４を参照すると、PZT圧電体層５上にスパッタリング法によってPt上部電極層６を形成する。
尚、ステップ２０２、２０４におけるスパッタリング法の代りに、電子ビーム（EB）蒸着法、ADRIP法を用いてもよい。
図３は図２のスパッタリング処理ステップ２０２におけるPtmO下部電極層４のPtmOの組成比mに対する圧電定数-k31の特性を示すグラフである。尚、圧電定数-k31は圧電アクチュエータにおいてPtmO下部電極層４とPt上部電極層６との間に駆動電圧を印加した場合に圧電アクチュエータの表面に平行な方向へのPZT圧電体層５の伸縮量を表わす良い性能指標となる圧電定数であり、圧電アクチュエータの先端変位量から計算することができる。また、PtmOの組成比mはＸ線光電子分光（XPS）法を用いて分析される。
図３に示すように、PtmOの組成比mが0.6付近で大きく変化し、m≧0.6では-d31=100pmV程度以上となり、m<0.6では-d31=50pmV程度以下となる。特に、m=0.92では-d31=140pmVと大きくなる。従って、PtmOの組成比mがm≧0.6となるように、スパッタリング法におけるアルゴン（Ar）ガスのチャンバ内に導入する際に、Arガスの一部に酸素（O2）ガスを導入すればよい。すなわち、スパッタリング法におけるガス流量比O2/Arは、図４に示すごとく、PtmOの組成比mに関係し、従って、図５に示すごとく、圧電定数-k31に関係する。この結果、スパッタリング法におけるガス流量比O2/Arをたとえば0.05〜0.3付近に制御することにより圧電定数-k31=60pm/V程度以上が得られる。尚、図３、図４、図５においては、PZT圧電体層５におけるZrxTi1-xの組成比xは0.43〜0.55の範囲にあるものとする。
次に、図２のADRIP処理ステップ２０３に用いられるADRIP装置を図６を参照して説明する（参照：特許文献１の図１）。
図６において、真空チャンバ６０１内の下方側に、Pb、Zr、Tiを独立に蒸発させるためのPb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２、Ti蒸発源６０２−３が設けられる。真空チャンバ６０１内の上方側に、ウェハ６０３ａを載置するためのヒータ付ウェハ回転ホルダ６０３が設けられる。
また、真空チャンバ６０１の上流側には、アーク放電を維持するために不活性ガスたとえばArガスを導入する圧力勾配型プラズマガン６０４及びPZT圧電体層５の酸素原料となる酸素（O2）ガスを導入するO2ガス導入口６０５が設けられる。他方、真空チャンバ６０１の下流側には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口６０６が設けられる。
図６のADRIP装置においては、圧力勾配型プラズマガン６０４によって導入されたArガス及びO2ガス導入口によって導入されたO2ガスの高密度、低電子温度のアーク放電プラズマ６０７が発生し、真空チャンバ６０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２及びTi蒸発源６０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ６０３ａ上に付着し、この結果、組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。
図７に示すように、PtmOの組成比m=Pt/O≧0.6の場合、m=Pt/O＜0.6の場合より、圧電定数-d31が大きく、しかも、PZT圧電体層５のZrxTi1-xの組成比xが範囲0.43〜0.55の場合に圧電定数-d31が大きいことが分かる。たとえば、ZrxTi1-xの組成比x=0.5とすれば、圧電定数-k31は最大値となる。つまり、図６に示すADRIP装置において、Pb蒸発源６０２−１のPb蒸発量、Zr蒸発源６０２−２のZr蒸発量及びTi蒸発源６０２−３のTi蒸発量を制御してPbZrxTi1-xの組成比が1：x：1-x= 1：0.5：0.5となるようにし、これにより、圧電定数-k31は最大値約120pm/Vとなる。
尚、ステップ２０２におけるPtmO下部電極層４をADRIP法によって形成する場合には、Pb蒸発源６０２−１、Zr蒸発源６０２−２及びTi蒸発源６０２−３の代りに、Pt蒸発源を設け、圧力勾配型プラズマガン６０４のArガスとO2ガス導入口６０５のO2ガスとの比を制御することによりPtmOを形成する。
また、PtmOは密着層が酸化金属の場合は、密着層を成膜中に酸素ガスを導入して酸化金属とし、その後、Ptをスパッタすることで酸素が酸化金属からPtに拡散されることで得られる。さらに、密着層を酸化金属としなくてもPt成膜中に酸素ガスを導入することで得られる。
１：単結晶シリコン基板
２：酸化シリコン層
３：Ti密着層
４：PtmO下部電極層
５：PZT圧電体層
６：Pt上部電極層
６０１：真空チャンバ
６０２−１：Pb蒸発源
６０２−２：Zr蒸発源
６０２−３：Ti蒸発源
６０３：ヒータ付ウェハ回転ホルダ
６０３ａ：ウェハ
６０４：圧力勾配型プラズマガン
６０５：O2ガス導入口
６０６：排気口
２：酸化シリコン層
３：Ti密着層
４：PtmO下部電極層
５：PZT圧電体層
６：Pt上部電極層
６０１：真空チャンバ
６０２−１：Pb蒸発源
６０２−２：Zr蒸発源
６０２−３：Ti蒸発源
６０３：ヒータ付ウェハ回転ホルダ
６０３ａ：ウェハ
６０４：圧力勾配型プラズマガン
６０５：O2ガス導入口
６０６：排気口
Claims (4)
- 組成比mのPtmOよりなる下部電極層と、
該下部電極層上に設けられた組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層と
を具備し、
前記組成比mは0.6以上であり、
前記組成比xは範囲0.43〜0.55である
圧電アクチュエータ。 - スパッタリング法によってガス流量比O2/Arを制御して組成比mのPtmOよりなる下部電極層を形成する工程と、
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記下部電極層上に組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなる圧電体層を形成する工程と
を具備し、
前記組成比mは0.6以上であり、
前記組成比xは範囲0.43〜0.55である
圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記スパッタリング法の代りに、電子ビーム蒸着法を用いた請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記スパッタリング法の代りに、アーク放電イオンプレーティング法を用いた請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010276596A JP2012129226A (ja) | 2010-12-13 | 2010-12-13 | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010276596A JP2012129226A (ja) | 2010-12-13 | 2010-12-13 | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012129226A true JP2012129226A (ja) | 2012-07-05 |
Family
ID=46645990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010276596A Pending JP2012129226A (ja) | 2010-12-13 | 2010-12-13 | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2012129226A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111411326A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-14 | 苏州市唯嘉光学有限公司 | 一种硅光学薄膜的制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000091539A (ja) * | 1998-07-16 | 2000-03-31 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP2003081694A (ja) * | 2001-09-05 | 2003-03-19 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 強誘電体薄膜及びその製造方法 |
| JP2005078754A (ja) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Tdk Corp | 薄膜磁気ヘッド、ヘッドスライダ、ヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置 |
| JP2009302297A (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Stanley Electric Co Ltd | 強誘電体膜の製造方法、圧電膜を用いた素子の製造方法および成膜装置 |
-
2010
- 2010-12-13 JP JP2010276596A patent/JP2012129226A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000091539A (ja) * | 1998-07-16 | 2000-03-31 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP2003081694A (ja) * | 2001-09-05 | 2003-03-19 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 強誘電体薄膜及びその製造方法 |
| JP2005078754A (ja) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Tdk Corp | 薄膜磁気ヘッド、ヘッドスライダ、ヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置 |
| JP2009302297A (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Stanley Electric Co Ltd | 強誘電体膜の製造方法、圧電膜を用いた素子の製造方法および成膜装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JPN6014051417; Ｋ．Ｌ．ＳＡＥＮＧＥＲ: 'Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ-ｌｏｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｔ（Ｏ） ｆｉｌｍｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ' ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ｖｏｌ．８５， Ｎｕｍ．１１, 19990831, ｐｐ．６０８４-６０８７, ＡＩＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111411326A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-14 | 苏州市唯嘉光学有限公司 | 一种硅光学薄膜的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20130200748A1 (en) | PIEZOELECTRIC ACTUATOR INCLUDING Ti/TiOx ADHESIVE LAYER AND ITS MANUFACTURING METHOD | |
| TWI755922B (zh) | 具有pmnpt層的壓電裝置之製造 | |
| US9246080B2 (en) | Ferroelectric thin film and method for producing same | |
| JP2021193738A (ja) | 膜構造体及び成膜装置 | |
| KR20170007784A (ko) | 다층막의 제조 방법 및 다층막 | |
| JP2021166302A (ja) | 成膜装置及び膜構造体 | |
| CN112928200A (zh) | 一种锆钛酸铅压电薄膜及其制备方法与应用 | |
| JP2012174955A (ja) | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 | |
| US9705070B2 (en) | Ferroelectric thin film, method of manufacturing same and method of manufacturing piezoelectric element | |
| JP5403501B2 (ja) | 強誘電体膜の製造方法 | |
| JP6271333B2 (ja) | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 | |
| JP5727257B2 (ja) | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 | |
| JP2006295142A (ja) | 圧電素子 | |
| WO2017135166A1 (ja) | 圧電素子 | |
| US10580958B2 (en) | Piezoelectric element and liquid ejection head | |
| JP2012129226A (ja) | 圧電アクチュエータ及びその製造方法 | |
| JP5727240B2 (ja) | 圧電アクチュエータの製造方法 | |
| JPWO2017221649A1 (ja) | 膜構造体及びその製造方法 | |
| JP5612343B2 (ja) | 圧電体素子の製造方法 | |
| JP2024034606A (ja) | Ｐｚｔ薄膜積層体の成膜方法およびｐｚｔ薄膜積層体 | |
| JP2011119608A (ja) | 圧電素子、圧電素子を用いたポンプ、および圧電素子の製造方法 | |
| JP2015122418A (ja) | 圧電素子、圧電素子の製造方法、蒸着装置 | |
| JP2003304007A (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| JP2004014933A (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| JP2011044579A (ja) | 圧電薄膜素子及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131118 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141120 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141205 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20151006 |