JP2013102024A - Piezoelectric element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子と、その圧電素子の製造方法とに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film is formed on a substrate, and a method for manufacturing the piezoelectric element.
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。 Conventionally, piezoelectric bodies such as PZT (lead titanium zirconate) have been used as electromechanical conversion elements such as drive elements and sensors. On the other hand, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements using a Si substrate are increasing in response to recent demands for downsizing, high density, and low cost of devices. If a piezoelectric body is applied to the MEMS element, various devices such as an inkjet head, an ultrasonic sensor, an infrared sensor, and a frequency filter can be manufactured.
ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、以下の利点が得られることによる。すなわち、成膜やフォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現することができる。大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる。電気機械の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度が向上する。 Here, when a piezoelectric body is applied to the MEMS element, it is desirable to reduce the thickness of the piezoelectric body. This is because the following advantages can be obtained by thinning the piezoelectric body. That is, high-precision processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and miniaturization and high density can be realized. Since the piezoelectric body can be collectively processed on a large area wafer, the cost can be reduced. The conversion efficiency of the electric machine is improved, and the characteristics of the drive element and the sensitivity of the sensor are improved.
圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。 As a method of forming a piezoelectric body on a substrate such as Si, a chemical method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, or a liquid phase such as a sol-gel method. The growth method is known.
ＰＺＴなどの圧電体は、一般的にＡＢＯ３型の酸化物であり、その結晶がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。図１０は、圧電体の結晶構造を模式的に示している。ペロブスカイト型構造とは、例えばＰｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造である。 A piezoelectric body such as PZT is generally an ABO 3 type oxide, and it is known that a good piezoelectric effect is exhibited when the crystal has a perovskite structure. FIG. 10 schematically shows the crystal structure of the piezoelectric body. For example, in the case of a tetragonal crystal of Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 , the perovskite structure is such that a Pb atom is located at each vertex of the tetragonal crystal, and a Ti atom or Zr atom is located at the body center. In this structure, an O atom is located in the heart.
また、ＰＺＴは、ともにペロブスカイト型構造を採るＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ３；ジルコン酸鉛）との固溶体であるが、ＰＴＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が正方晶となり、ＰＺＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が菱面体晶となる。 PZT is a solid solution of PTO (PbTiO 3 ; lead titanate) and PZO (PbZrO 3 ; lead zirconate), both of which have a perovskite structure. When the ratio of PZO is high, the entire PZT is rhombohedral.
図１１は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示している。ＰＴＯとＰＺＯとの組成比が、４８／５２〜４７／５３のあたりで、結晶系が正方晶から菱面体晶、または菱面体晶から正方晶に変化する。このように結晶系が変化する境界を組成相境界（ＭＰＢ；Morphotropic phase boundary ）と呼び、以下では単に相境界と記す。室温付近においては、ＰＺＴの結晶構造は、正方晶、菱面体晶またはこれらの混合結晶（相境界）であるが、キュリー点以上の温度では、ＰＺＴの結晶構造は、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比がいずれであっても、立方晶となる。 FIG. 11 shows the relationship between the composition ratio of PTO and PZO and the crystal system. When the composition ratio of PTO and PZO is around 48/52 to 47/53, the crystal system changes from tetragonal to rhombohedral or from rhombohedral to tetragonal. Such a boundary where the crystal system changes is called a composition phase boundary (MPB) and is simply referred to as a phase boundary below. Near room temperature, the crystal structure of PZT is tetragonal, rhombohedral, or a mixed crystal (phase boundary) thereof, but at temperatures above the Curie point, the crystal structure of PZT is the composition ratio of PTO and PZO. Whichever is, it becomes a cubic crystal.
図１２は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性（比誘電率、電気機械結合係数）との関係を示している。上記した相境界では、比誘電率および電気機械結合係数の両者が特異的に高くなる。比誘電率と圧電定数（単位電界あたりの変位量）とは正の相関があり、比誘電率が高くなることにより、圧電定数が高くなる。また、電気機械結合係数は、電気的な信号を機械的な歪みに変換する際の効率、あるいはその逆の変換の際の効率を示す指標となるものであり、この係数が高くなることによって、変換効率が高くなる。圧電体に電界を印加することによって圧電体が変形したり、逆に、圧電体を変形させることによって圧電体に電界（電位差）が生じることを、ここでは圧電効果と呼ぶ。 FIG. 12 shows the relationship between the composition ratio of PTO and PZO and the characteristics (relative dielectric constant, electromechanical coupling coefficient). At the above phase boundary, both the relative dielectric constant and the electromechanical coupling coefficient are specifically increased. The relative dielectric constant and the piezoelectric constant (the amount of displacement per unit electric field) have a positive correlation, and the piezoelectric constant increases as the relative dielectric constant increases. In addition, the electromechanical coupling coefficient is an index indicating the efficiency at the time of converting an electrical signal into mechanical distortion, or vice versa, and by increasing this coefficient, Conversion efficiency is increased. Here, the piezoelectric body is deformed by applying an electric field to the piezoelectric body, or conversely, an electric field (potential difference) is generated in the piezoelectric body by deforming the piezoelectric body is referred to as a piezoelectric effect.
図１３は、圧電体の圧電効果の発現原理を示している。圧電体での電気エネルギーから機械エネルギーへの変換に着目したとき、圧電体の圧電効果の発現原理としては、以下の３種類が提唱されている。
（１）結晶構造の伸長によるもの（分極方向Ｐと電界印加方向Ｅとが一致）
（２）分極方向の回転によるもの（分極方向Ｐが電界印加方向Ｅに変化（回転））
（３）電界印加による相転移によるもの（例えば菱面体晶と正方晶との間での相転移）
FIG. 13 shows the principle of the piezoelectric effect of the piezoelectric body. When paying attention to the conversion from electrical energy to mechanical energy in the piezoelectric body, the following three types of the principle of the piezoelectric effect of the piezoelectric body have been proposed.
(1) By extension of crystal structure (polarization direction P and electric field application direction E coincide)
(2) By rotation of polarization direction (polarization direction P changes to electric field application direction E (rotation))
(3) By phase transition by applying electric field (for example, phase transition between rhombohedral and tetragonal crystals)
このうち、（１）（３）については、結晶構造の伸長や相転移を生じさせるために必要なエネルギーは小さいが、変位も小さく、圧電効果は小さい。一方、（２）については、分極方向の回転を生じさせるために必要なエネルギーは大きいが、変位も大きく、圧電効果が大きい。 Among these, for (1) and (3), the energy required for causing elongation of the crystal structure and phase transition is small, but the displacement is small and the piezoelectric effect is small. On the other hand, for (2), the energy required to cause the rotation in the polarization direction is large, but the displacement is large and the piezoelectric effect is large.
したがって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエータの用途としては、（２）の原理を活用すると、変換効率がよい。ただし、必要なエネルギーが大きいため、印加できる電界（膜の耐電圧など）に制約がある。一般的なＰＺＴ薄膜においては、電界強度で１〜５Ｖ／μｍ程度が適切な使用範囲である。 Therefore, as an application of an actuator that converts electrical energy into mechanical energy, conversion efficiency is good when the principle of (2) is utilized. However, since the required energy is large, there are restrictions on the electric field that can be applied (such as the withstand voltage of the film). In a general PZT thin film, an appropriate use range is about 1 to 5 V / μm in electric field strength.
上記電界の使用範囲では、（２）の割合を全体の３０％程度とすることが望ましいことが、種々の実験の結果からわかっている。このような割合を実現するためには、分極方向の異なる各結晶の比率を適切に設定する、つまり、圧電体としてのＰＺＴが例えば正方晶のみからなる場合には、正方晶におけるａ軸配向（（１００）配向）とｃ軸配向（（００１）配向）との比率を適切に設定すればよい。また、ＰＺＴが例えば菱面体晶のみからなる場合には、菱面体晶における（１１１）配向と（００１）配向との比率を適切に設定すればよい。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、各配向方向の比率を適切に設定すればよい。 From the results of various experiments, it is known that it is desirable to set the ratio of (2) to about 30% of the whole in the use range of the electric field. In order to realize such a ratio, the ratio of each crystal having a different polarization direction is set appropriately, that is, when the PZT as the piezoelectric body is composed of, for example, only a tetragonal crystal, the a-axis orientation ( The ratio between (100) orientation and c-axis orientation ((001) orientation) may be set appropriately. Moreover, when PZT consists only of rhombohedral crystals, for example, the ratio between the (111) orientation and the (001) orientation in the rhombohedral crystal may be set appropriately. Furthermore, even when PZT is composed of a mixed crystal of tetragonal crystals and rhombohedral crystals, the ratio of each orientation direction may be set appropriately.
ここで、各配向方向の比率の調整について説明する。なお、説明を簡略化するため、ここでは、圧電体としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明する。 Here, adjustment of the ratio of each orientation direction will be described. In order to simplify the description, here, a case where PZT as a piezoelectric body is a tetragonal crystal will be described.
圧電体の結晶配向性は、成膜時の条件によって決まり、その中でも、膜に働く力が、圧電体の結晶配向性を決める支配的な要因となる。つまり、スパッタ法によるＰＺＴの成膜では、基板温度を５００〜７００℃程度にすることで、ペロブスカイト型構造の結晶が得られる。成膜時の上記基板温度では、図１１で示したように、ＰＺＴの結晶構造は立方晶であり、成膜後に室温に低下するときに、立方晶から正方晶や菱面体晶に相転移する。この相転移の時点で膜に働く力により、結晶の配向性が決定されると考えられている。一般に、ＰＺＴに圧縮の力が働く場合には、ｃ軸配向の割合が増大し、ＰＺＴに引張の力が働く場合には、ａ軸配向の割合が増大する。 The crystal orientation of the piezoelectric body is determined by the conditions at the time of film formation, and among them, the force acting on the film is a dominant factor that determines the crystal orientation of the piezoelectric body. That is, in the PZT film formation by sputtering, a crystal having a perovskite structure can be obtained by setting the substrate temperature to about 500 to 700 ° C. At the above substrate temperature at the time of film formation, as shown in FIG. 11, the crystal structure of PZT is a cubic crystal, and when it is lowered to room temperature after the film formation, the phase transition from cubic to tetragonal or rhombohedral is achieved. . It is believed that the crystal orientation is determined by the force acting on the film at the time of this phase transition. In general, when a compression force acts on PZT, the proportion of c-axis orientation increases, and when a tensile force acts on PZT, the proportion of a-axis orientation increases.
図１４は、圧電素子を構成する基板、圧電体、電極の線膨張係数（以下、単に膨張係数と記す）と格子定数とを示している。基板として膨張係数がＰＺＴよりも大きなもの（例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、ＰＺＴよりも基板のほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって圧縮の力が働くため、ｃ軸配向の割合が増大する。逆に、基板として膨張係数がＰＺＴよりも小さなもの（例えばＳｉ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、基板よりもＰＺＴのほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって引張の力が働くため、ａ軸配向の割合が増大する。 FIG. 14 shows a linear expansion coefficient (hereinafter simply referred to as an expansion coefficient) and a lattice constant of a substrate, a piezoelectric body, and an electrode constituting the piezoelectric element. When a substrate having a larger expansion coefficient than PZT (for example, Al 2 O 3 , SrTiO 3 , MgO) is used, the substrate tends to shrink more than PZT when PZT is deposited at a high temperature and then returned to room temperature. To do. In this case, the compressive force is exerted on the PZT by the substrate, so that the ratio of c-axis orientation increases. Conversely, if a substrate having a smaller expansion coefficient than PZT (eg, Si) is used, PZT tends to shrink more than the substrate when PZT is deposited at a high temperature and then returned to room temperature. In this case, since a tensile force is exerted on the PZT by the substrate, the a-axis orientation ratio increases.
以上より、ＰＺＴが成膜される基板の選定によって、ＰＺＴの配向比率を変えることは可能であると言える。しかし、基板の膨張係数の値は、図１４で示すように飛び飛び（離散的）であり、設定しようとする比率に応じた基板が実際に存在するとは限らないため、基板の選定によってＰＺＴの配向比率を任意の比率に設定することは困難である。 From the above, it can be said that the orientation ratio of PZT can be changed by selecting the substrate on which the PZT film is formed. However, the value of the expansion coefficient of the substrate is jumpy (discrete) as shown in FIG. 14, and the substrate corresponding to the ratio to be set does not always exist, so the orientation of PZT depends on the selection of the substrate. It is difficult to set the ratio to an arbitrary ratio.
なお、膨張係数の異なる基板として、図１４で示したもの以外の基板も提案されているが、Ｓｉ以外はいずれも、値段が高い、加工性が低い、基板の大きさに制約がある、などの理由により、一般的な利用の機会は少ない。 In addition, substrates other than those shown in FIG. 14 have been proposed as substrates having different expansion coefficients, but all materials other than Si are expensive, have low workability, and have limited substrate size. For general reasons, there are few opportunities for general use.
ところで、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる力のことを応力と定義する。例えば、ＰＺＴに外部から引張の力が働くとき、ＰＺＴには引張応力が生じ、ＰＺＴに外部から圧縮の力が働くとき、ＰＺＴには圧縮応力が生じることになる。このように、圧電体（圧電薄膜）に外部から引張または圧縮の力を与えて、圧電体の応力を制御する構成として、例えば特許文献１〜３や非特許文献１に開示されたものがある。 By the way, when a force is applied to the object from the outside, the force generated inside the object is defined as stress. For example, when an external tensile force is applied to PZT, a tensile stress is generated in PZT, and when an external compression force is applied to PZT, a compressive stress is generated in PZT. As described above, for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 disclose configurations that control the stress of a piezoelectric body by applying a tensile or compressive force to the piezoelectric body (piezoelectric thin film) from the outside. .
特許文献１では、圧電薄膜の成膜時のスパッタリング投入電力、成膜後の熱処理温度、を適切に制御し、基板材料等を適切に選択するとともに、基板と圧電薄膜との間に形成される下地層の応力を適切に制御することにより、圧電薄膜の応力を１．６ＧＰａ以下に抑制して、内部歪みに伴うリーク電流の増加、圧電薄膜や電極のクラック、圧電薄膜の膜剥がれによる印加実効電圧の低下を防ぎ、圧電特性を向上させるようにしている。 In Patent Document 1, the sputtering input power at the time of film formation of the piezoelectric thin film and the heat treatment temperature after the film formation are appropriately controlled to appropriately select the substrate material and the like, and are formed between the substrate and the piezoelectric thin film. By properly controlling the stress of the underlying layer, the stress of the piezoelectric thin film is suppressed to 1.6 GPa or less, the increase in leakage current due to internal strain, cracks in the piezoelectric thin film and electrodes, and effective application due to peeling of the piezoelectric thin film The voltage drop is prevented and the piezoelectric characteristics are improved.
特許文献２では、基板上に、下部電極層と、配向制御層と、圧電体層と、上部電極層とをこの順で形成し、配向制御層に圧縮応力を付与することで、圧電体層の成膜時に生じる引張応力を配向制御層の圧縮応力によってキャンセルし、引張応力に起因する圧電体層のクラックの発生を抑制するようにしている。 In Patent Document 2, a lower electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer are formed in this order on a substrate, and compressive stress is applied to the orientation control layer, whereby a piezoelectric layer is formed. The tensile stress generated during the film formation is canceled by the compressive stress of the orientation control layer, so that the generation of cracks in the piezoelectric layer due to the tensile stress is suppressed.
特許文献３では、基板と、振動板と、中間膜と、圧電膜とをこの順で積層したユニモルフ型圧電膜素子において、中間膜を圧電膜よりも熱膨張係数の大きな膜で構成することで、結晶化工程における圧電膜の引張応力を完全に無くすか、圧縮方向の応力を発生させ、これによって、圧電膜の圧電特性を改善するようにしている。 In Patent Document 3, in a unimorph type piezoelectric film element in which a substrate, a diaphragm, an intermediate film, and a piezoelectric film are laminated in this order, the intermediate film is formed of a film having a larger thermal expansion coefficient than the piezoelectric film. The tensile stress of the piezoelectric film in the crystallization process is completely eliminated or a stress in the compression direction is generated, thereby improving the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film.
非特許文献１では、Ｓｉよりも熱膨張係数の大きいステンレス（SUS304）の基板上に、シード層としてＬａＮｉＯ３薄膜を形成し、その上にＰＺＴ薄膜を成膜することで、ＰＺＴ薄膜に圧縮の力を付与して、ｃ軸配向の割合を高めるようにしている。 In Non-Patent Document 1, a LaNiO 3 thin film is formed as a seed layer on a stainless steel (SUS304) substrate having a thermal expansion coefficient larger than that of Si, and a PZT thin film is formed thereon, thereby compressing the PZT thin film. A force is applied to increase the ratio of c-axis orientation.
ところで、圧電薄膜の結晶は、その下層の結晶状態の影響を受けて成長するため、結晶性の良好な圧電薄膜を成膜するためには、下層との格子マッチングを図る、つまり、圧電薄膜の結晶の格子定数と下層の結晶の格子定数とを近づけることが必要となる。 By the way, since the crystal of the piezoelectric thin film grows under the influence of the crystal state of the lower layer, in order to form a piezoelectric thin film with good crystallinity, lattice matching with the lower layer is attempted. It is necessary to make the lattice constant of the crystal close to that of the underlying crystal.
ところが、特許文献１〜３の構成では、基板と圧電薄膜との間に形成される層（下地層、配向制御層、中間膜）に、圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜としての機能を持たせている。応力制御膜は、圧電薄膜の応力を制御すべく、圧電薄膜に引張または圧縮の力を与えるための膜であるため、このような応力制御膜が基板に対して圧電薄膜側に形成されると、応力制御膜の影響によって圧電薄膜とその下層との格子マッチングが崩れる可能性がある。格子マッチングが崩れると、圧電薄膜の結晶成長状態が変化するため、圧電薄膜の応力を制御してその結晶配向性を制御することが困難になる。 However, in the configurations of Patent Documents 1 to 3, the layer (underlayer, orientation control layer, intermediate film) formed between the substrate and the piezoelectric thin film has a function as a stress control film for controlling the stress of the piezoelectric thin film. I have it. Since the stress control film is a film for applying a tensile or compressive force to the piezoelectric thin film in order to control the stress of the piezoelectric thin film, such a stress control film is formed on the piezoelectric thin film side with respect to the substrate. There is a possibility that the lattice matching between the piezoelectric thin film and its lower layer is broken due to the influence of the stress control film. If the lattice matching is broken, the crystal growth state of the piezoelectric thin film changes, so that it is difficult to control the crystal orientation by controlling the stress of the piezoelectric thin film.
また、非特許文献１の構成では、基板としてステンレス基板を用いることにより、ＰＺＴのｃ軸配向の比率が１つの値に決まるため、ＰＺＴの結晶の配向比率を任意の比率に設定することはできない。 In the configuration of Non-Patent Document 1, since the ratio of c-axis orientation of PZT is determined as one value by using a stainless steel substrate as the substrate, the orientation ratio of the PZT crystal cannot be set to an arbitrary ratio. .
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電薄膜の応力の制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避できるとともに、圧電薄膜の結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる圧電素子およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to avoid difficulty in controlling the crystal orientation by controlling the stress of the piezoelectric thin film, and to align the crystal orientation of the piezoelectric thin film. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element capable of setting the ratio to an arbitrary ratio and a method for manufacturing the piezoelectric element.
本発明の圧電素子は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴としている。また、本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に圧電薄膜を成膜する工程と、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴としている。 The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film is formed on a substrate, formed on the opposite side of the piezoelectric thin film with respect to the substrate, and causing bending deformation in the substrate, A stress control film for controlling the stress of the piezoelectric thin film is provided. The piezoelectric element manufacturing method of the present invention includes a step of forming a piezoelectric thin film on a substrate and a stress control film that controls the stress of the piezoelectric thin film by causing bending deformation of the substrate. On the other hand, it has the process formed into a film on the opposite side to the said piezoelectric thin film.
上記の構成によれば、圧電薄膜の応力を制御するための応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されており、応力制御膜と圧電薄膜との間に基板が介在しているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れることがない。これにより、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。 According to the above configuration, the stress control film for controlling the stress of the piezoelectric thin film is formed on the opposite side of the piezoelectric thin film with respect to the substrate, and the substrate is interposed between the stress control film and the piezoelectric thin film. Since it is interposed, the lattice matching between the piezoelectric thin film and its lower layer is not broken by the stress control film. Thereby, it is possible to avoid a change in the crystal growth state of the piezoelectric thin film, and it is possible to avoid difficulty in controlling the crystal orientation by controlling the stress of the piezoelectric thin film.
また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いは、例えば応力制御膜の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。 The degree of bending deformation of the substrate by the stress control film can be easily adjusted by adjusting the film thickness of the stress control film, for example. Therefore, the stress of the piezoelectric thin film can be controlled to an arbitrary stress by adjusting the degree of bending deformation of the substrate by the stress control film. As a result, the orientation ratio of crystals constituting the piezoelectric thin film can be set to an arbitrary ratio.
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなる構成であってもよい。 In the piezoelectric element of the present invention, the substrate is made of Si, the piezoelectric thin film is made of PZT, and the stress control film compresses the substrate to cause bending deformation of the substrate, The structure may be made of SiN that applies a tensile force to the piezoelectric thin film.
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力制御膜がＳｉＮである構成において、応力制御膜の圧縮による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に引張の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合よりもａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。 In a configuration in which the substrate is Si, the piezoelectric thin film is PZT, and the stress control film is SiN, by applying a tensile force to the piezoelectric thin film by bending deformation of the substrate due to compression of the stress control film, for example, the piezoelectric thin film In tetragonal crystals, the ratio of a-axis orientation (crystal orientation in which the polarization direction is parallel to the surface of the substrate) can be increased more than the ratio of c-axis orientation (crystal orientation in which the polarization direction is perpendicular to the surface of the substrate). . Thereby, the ratio of c-axis orientation and a-axis orientation can be reliably set to an arbitrary ratio. In addition, such an effect can be obtained in a configuration using an inexpensive Si substrate having good workability.
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなる構成であってもよい。 In the piezoelectric element of the present invention, the substrate is made of Si, the piezoelectric thin film is made of PZT, and the stress control film is elongated with respect to the substrate to cause bending deformation in the substrate, A structure made of SiO 2 that applies a compressive force to the piezoelectric thin film may also be used.
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力膜がＳｉＯ２である構成において、応力制御膜の引張による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に圧縮の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合よりもｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。 In a configuration in which the substrate is Si, the piezoelectric thin film is PZT, and the stress film is SiO 2 , by applying a compressive force to the piezoelectric thin film by bending deformation of the substrate due to the tension of the stress control film, for example, the piezoelectric thin film In tetragonal crystals, the ratio of c-axis orientation (crystal orientation in which the polarization direction is perpendicular to the surface of the substrate) can be increased more than the ratio of a-axis orientation (crystal orientation in which the polarization direction is parallel to the surface of the substrate). . Thereby, the ratio of the a-axis orientation and the c-axis orientation can be reliably set to an arbitrary ratio. In addition, such an effect can be obtained in a configuration using an inexpensive Si substrate having good workability.
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられている構成であってもよい。 The piezoelectric element of the present invention further includes a pair of electrodes that sandwich the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film includes a PZT tetragonal crystal, and the tetragonal crystal has an a-axis rather than a c-axis orientation ratio. The orientation ratio is larger, and the pair of electrodes may be provided so as to sandwich the piezoelectric thin film from a direction along the substrate.
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に沿った方向に電界を印加することにより、基板に沿った方向の圧電薄膜の伸縮を主に利用して基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。 Applying an electric field to the piezoelectric thin film in a direction along the substrate via a pair of electrodes, the substrate is vibrated in the thickness direction mainly using expansion and contraction of the piezoelectric thin film in the direction along the substrate. it is possible to realize a so-called d 33 drive. At this time, the tetragonal PZT contained in the piezoelectric thin film, since there are more of the proportion of a-axis oriented than the percentage of c-axis orientation, to obtain a large piezoelectric displacement in a direction along the substrate (d 33 direction), the efficiency The piezoelectric element can be driven well.
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられている構成であってもよい。 The piezoelectric element of the present invention further includes a pair of electrodes that sandwich the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film includes a PZT tetragonal crystal, and the tetragonal crystal has a c-axis rather than an a-axis orientation ratio. The orientation ratio is larger, and the pair of electrodes may be provided so as to sandwich the piezoelectric thin film from a direction perpendicular to the substrate.
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に垂直な方向に電界を印加することにより、基板に垂直な方向の圧電薄膜の伸縮によって、基板に沿った方向に圧電薄膜を伸縮させて基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、基板に垂直な方向に圧電薄膜を大きく伸縮させることができ、これによって、基板に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。 By applying an electric field to the piezoelectric thin film through a pair of electrodes in a direction perpendicular to the substrate, the piezoelectric thin film expands and contracts in the direction along the substrate by the expansion and contraction of the piezoelectric thin film in the direction perpendicular to the substrate. the vibrating in the thickness direction, it is possible to realize a so-called d 31 drive. At this time, in the PZT tetragonal crystal contained in the piezoelectric thin film, the ratio of the c-axis orientation is larger than the ratio of the a-axis orientation, so that the piezoelectric thin film can be greatly expanded and contracted in the direction perpendicular to the substrate. to obtain a large piezoelectric displacement in a direction along the substrate (d 31 direction), it is possible to efficiently drive the piezoelectric element.
本発明によれば、応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れて、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができるので、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。 According to the present invention, since the stress control film is formed on the opposite side of the piezoelectric thin film with respect to the substrate, the lattice matching between the piezoelectric thin film and its lower layer is broken by the stress control film, and the crystal of the piezoelectric thin film It is possible to avoid a change in the growth state of the film, and it is possible to avoid difficulty in controlling the crystal orientation by controlling the stress of the piezoelectric thin film. Also, by adjusting the degree of bending deformation of the substrate by the stress control film, the stress of the piezoelectric thin film can be controlled to an arbitrary stress, so the orientation ratio of the crystals constituting the piezoelectric thin film is set to an arbitrary ratio be able to.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔１．圧電素子の構成〕
図１は、本実施形態に係る圧電素子１０の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の圧電素子１０は、基板１の一方の面側に、熱酸化膜２、下部電極３、圧電薄膜４および上部電極５をこの順で積層し、基板１の他方の面側に、熱酸化膜２および応力制御膜６をこの順で積層して構成されている。
[1. (Configuration of piezoelectric element)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a piezoelectric element 10 according to the present embodiment. In the piezoelectric element 10 of this embodiment, the thermal oxide film 2, the lower electrode 3, the piezoelectric thin film 4 and the upper electrode 5 are laminated in this order on one surface side of the substrate 1, and the other surface side of the substrate 1 is The thermal oxide film 2 and the stress control film 6 are laminated in this order.
基板１は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ２からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。 The substrate 1 is constituted by a semiconductor substrate or a SOI (Silicon on Insulator) substrate made of a single crystal Si having a thickness of about 300 to 500 μm, for example. The thermal oxide film 2 is made of, for example, SiO 2 having a thickness of about 0.1 μm, and is formed for the purpose of protecting and insulating the substrate 1.
下部電極３は、Ｔｉ層３ａとＰｔ層３ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層３ａは、熱酸化膜２とＰｔ層３ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層３ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層３ｂの厚さは例えば０．１μｍ程度である。 The lower electrode 3 is formed by laminating a Ti layer 3a and a Pt layer 3b. The Ti layer 3a is formed to improve the adhesion between the thermal oxide film 2 and the Pt layer 3b. The thickness of the Ti layer 3a is, for example, about 0.02 μm, and the thickness of the Pt layer 3b is, for example, about 0.1 μm.
圧電薄膜４は、結晶構造がペロブスカイト型のＰＺＴで構成されている。ＰＺＴの厚みは、用途によって異なるが、メモリやセンサの用途では例えば１μｍ以下であり、アクチュエータでは例えば３〜５μｍである。 The piezoelectric thin film 4 is made of PZT having a perovskite crystal structure. The thickness of PZT varies depending on the application, but is 1 μm or less for memory and sensor applications, and 3 to 5 μm for actuators, for example.
なお、以下での説明を簡略化するため、ＰＺＴの結晶構造は、特に断らない限り、正方晶であるものとして話を進める。 In order to simplify the explanation below, the crystal structure of PZT is assumed to be tetragonal unless otherwise specified.
上部電極５は、Ｔｉ層５ａとＰｔ層５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層５ａは、圧電薄膜４とＰｔ層５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層５ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層５ｂの厚さは例えば０．２μｍ程度である。 The upper electrode 5 is formed by laminating a Ti layer 5a and a Pt layer 5b. The Ti layer 5a is formed to improve the adhesion between the piezoelectric thin film 4 and the Pt layer 5b. The thickness of the Ti layer 5a is, for example, about 0.02 μm, and the thickness of the Pt layer 5b is, for example, about 0.2 μm.
応力制御膜６は、基板１に曲げ変形を生じさせることによって、圧電薄膜４の応力を制御するための膜であり、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。ここで、応力とは、一般的に、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる単位面積あたりの力のことを指す（単位はＰａ（Ｎ／ｍ２））。 The stress control film 6 is a film for controlling the stress of the piezoelectric thin film 4 by causing bending deformation of the substrate 1, and is formed on the opposite side of the substrate 1 from the piezoelectric thin film 4. Here, the stress generally refers to a force per unit area generated inside the object when the force is applied to the object from the outside (unit is Pa (N / m 2 )).
圧電薄膜４の応力としては、引張応力または圧縮応力がある。引張応力とは、圧電薄膜４に対して外部から引張の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては正の値で示される。一方、圧縮応力とは、圧電薄膜４に対して外部から圧縮の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては負の値で示される。 The stress of the piezoelectric thin film 4 includes tensile stress or compressive stress. The tensile stress is a stress felt by the piezoelectric thin film 4 when a tensile force is applied to the piezoelectric thin film 4 from the outside, and is expressed as a positive value. On the other hand, the compressive stress is a stress felt by the piezoelectric thin film 4 when a compressive force is applied to the piezoelectric thin film 4 from the outside, and is expressed as a negative value.
上記のように基板１がＳｉで構成されて、圧電薄膜４がＰＺＴで構成される場合、応力制御膜６は例えばＳｉＮやＳｉＯ２で構成される。ＳｉＮは、基板１に対して圧縮して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に引張の力を与える応力制御膜６である。一方、ＳｉＯ２は、基板１に対して伸長して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に圧縮の力を与える応力制御膜６である。ちなみに、ＳｉＮの膨張係数は３．０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が大きい。また、ＳｉＯ２の膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が小さい。なお、応力制御膜６の詳細については後述する。 As described above, when the substrate 1 is made of Si and the piezoelectric thin film 4 is made of PZT, the stress control film 6 is made of SiN or SiO 2 , for example. SiN is a stress control film 6 that applies a tensile force to the piezoelectric thin film 4 by compressing the substrate 1 to cause bending deformation of the substrate 1. On the other hand, SiO 2 is a stress control film 6 that gives a compressive force to the piezoelectric thin film 4 by extending with respect to the substrate 1 and causing the substrate 1 to bend and deform. Incidentally, the expansion coefficient of SiN is 3.0 ppm / K, which is larger than that of Si. Further, the expansion coefficient of the SiO 2 is 0.5 ppm / K, is smaller expansion coefficient than Si. Details of the stress control film 6 will be described later.
〔２．圧電素子の製造方法〕
次に、上記した圧電素子１０の製造方法について説明する。図２は、圧電素子１０の製造時の流れを示すフローチャートであり、図３および図４は、圧電素子１０の各製造工程を示す断面図である。
[2. Method for manufacturing piezoelectric element]
Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 10 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of manufacturing the piezoelectric element 10, and FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views showing each manufacturing process of the piezoelectric element 10.
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１の両面に、絶縁・保護用のＳｉＯ２からなる熱酸化膜２を形成する（Ｓ１）。熱酸化膜２は、基板１を１０００℃程度で加熱することにより形成される。 First, as shown in FIG. 3A, thermal oxide films 2 made of SiO 2 for insulation and protection are formed on both surfaces of a substrate 1 made of Si (S1). The thermal oxide film 2 is formed by heating the substrate 1 at about 1000 ° C.
続いて、図３（ｂ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、基板１の一方の面側に、応力制御膜６を例えばＣＶＤ法で成膜する（Ｓ２）。その後、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、基板１の他方の面の熱酸化膜２上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂからなる下部電極３を形成する（Ｓ３、Ｓ４）。 Subsequently, as shown in FIG. 3B, the substrate 1 is heated to about 600 ° C., and the stress control film 6 is formed on one surface side of the substrate 1 by, for example, the CVD method (S2). Thereafter, as shown in FIGS. 3C and 3D, Ti and Pt are sequentially formed on the thermal oxide film 2 on the other surface of the substrate 1 by the sputtering method, and Ti layers 3a and Pt are formed. The lower electrode 3 composed of the layer 3b is formed (S3, S4).
次に、図４（ａ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、下部電極３上にＰＺＴからなる圧電薄膜４をスパッタ法で成膜する（Ｓ５）。なお、圧電薄膜４の成膜方法の詳細については後述する。そして、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、圧電薄膜４の上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層５ａおよびＰｔ層５ｂからなる上部電極５を形成し（Ｓ６、Ｓ７）、圧電素子１０を完成させる。以上の工程により、圧電薄膜４と応力制御膜６とは、基板１に対して互いに反対側に成膜される。 Next, as shown in FIG. 4A, the substrate 1 is heated to about 600 ° C., and the piezoelectric thin film 4 made of PZT is formed on the lower electrode 3 by sputtering (S5). The details of the method for forming the piezoelectric thin film 4 will be described later. Then, as shown in FIG. 4B and FIG. 4C, Ti and Pt are sequentially formed on the piezoelectric thin film 4 by the sputtering method, and the upper electrode 5 comprising the Ti layer 5a and the Pt layer 5b is formed. Is formed (S6, S7), and the piezoelectric element 10 is completed. Through the above steps, the piezoelectric thin film 4 and the stress control film 6 are formed on opposite sides of the substrate 1.
〔３．ＰＺＴの成膜方法の詳細〕
図５は、圧電薄膜４としてのＰＺＴを成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。圧電薄膜４は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜することができる。
[3. Details of PZT deposition method]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a sputtering apparatus for forming PZT as the piezoelectric thin film 4. The piezoelectric thin film 4 can be formed by, for example, a high frequency magnetron sputtering method.
まず、所定の組成比に調合したＰＺＴ材料の粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿１２に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１１を作製する。そして、このターゲット皿１２をマグネット１３上に設置し、その上にカバー１４を設置する。このマグネット１３とその下にある高周波電極１５は、絶縁体１６によって真空チャンバー１７と絶縁されている。また、高周波電極１５は、高周波電源１８と接続されている。 First, the target 11 is produced by mixing, baking and pulverizing the PZT material powder prepared in a predetermined composition ratio, filling the target dish 12 and pressurizing it with a press. And this target tray 12 is installed on the magnet 13, and the cover 14 is installed on it. The magnet 13 and the high-frequency electrode 15 below the magnet 13 are insulated from the vacuum chamber 17 by an insulator 16. The high frequency electrode 15 is connected to a high frequency power source 18.
次に、基板１を、基板加熱ヒーター１９上に設置する。そして、真空チャンバー１７内を排気し、基板加熱ヒーター１９によって基板１を６００℃まで加熱する。加熱後、バルブ２０および２１を開け、スパッタガスであるＡｒとＯ２を所定の割合でノズル２２より真空チャンバー１７内に導入し、真空度を所定値に保つ。ターゲット１１に高周波電源１８より高周波電力を投入し、プラズマを発生させることにより、基板１上に圧電薄膜４としてのＰＺＴ層を成膜することができる。 Next, the substrate 1 is placed on the substrate heater 19. Then, the inside of the vacuum chamber 17 is evacuated, and the substrate 1 is heated to 600 ° C. by the substrate heater 19. After the heating, the valves 20 and 21 are opened, and Ar and O 2 as sputtering gases are introduced into the vacuum chamber 17 from the nozzle 22 at a predetermined ratio, and the degree of vacuum is kept at a predetermined value. By applying high frequency power from the high frequency power supply 18 to the target 11 to generate plasma, a PZT layer as the piezoelectric thin film 4 can be formed on the substrate 1.
〔４．応力制御膜について〕
次に、上述した応力制御膜６の詳細について説明する。図６は、圧電薄膜４の応力を模式的に示している。なお、同図における矢印の長さは、圧電薄膜４の応力の大きさと対応している。また、矢印の向きは、圧電薄膜４の応力が引張応力であるか圧縮応力であるかを示している。同図では、矢印の向きはいずれも、圧電薄膜４の内側から外側に向かう向きであり、これは圧電薄膜４にかかっている応力が引張応力であることを示している。
[4. Stress control film)
Next, the details of the stress control film 6 will be described. FIG. 6 schematically shows the stress of the piezoelectric thin film 4. In addition, the length of the arrow in the figure corresponds to the magnitude of the stress of the piezoelectric thin film 4. The direction of the arrow indicates whether the stress of the piezoelectric thin film 4 is a tensile stress or a compressive stress. In the figure, the directions of the arrows are all directed from the inner side to the outer side of the piezoelectric thin film 4, which indicates that the stress applied to the piezoelectric thin film 4 is a tensile stress.
Ｓｉからなる基板１に応力制御膜が設けられていない場合において、基板１上への圧電薄膜４の成膜時（加熱状態）に、ＰＺＴは立方晶の状態にあるが、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＰＺＴは立方晶から正方晶に相変化する。このとき、ＰＺＴは、基板１を構成するＳｉよりも膨張係数が大きいため、圧電薄膜４は基板１よりも縮もうとするが、基板１に拘束されているため、圧電薄膜４は基板１から引張の力を受ける（圧電薄膜４の応力は引張応力となる）。ちなみに、このときの圧電薄膜４の応力は、約１００ＭＰａ程度である。 When the stress control film is not provided on the substrate 1 made of Si, the PZT is in a cubic state when the piezoelectric thin film 4 is formed on the substrate 1 (heated state). When the film is finished and the substrate 1 is cooled, the phase of PZT changes from cubic to tetragonal. At this time, since PZT has a larger expansion coefficient than Si constituting the substrate 1, the piezoelectric thin film 4 tends to shrink more than the substrate 1. However, since the piezoelectric thin film 4 is restrained by the substrate 1, the piezoelectric thin film 4 is separated from the substrate 1. A tensile force is applied (the stress of the piezoelectric thin film 4 becomes a tensile stress). Incidentally, the stress of the piezoelectric thin film 4 at this time is about 100 MPa.
一方、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＮが設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＮはＳｉよりも膨張係数が大きいため、ＳｉよりもＳｉＮのほうが縮もうとする。このようなＳｉＮのＳｉに対する圧縮により、基板１から見て圧電薄膜４側が凸となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力に加えて、上記した基板１の曲げ変形による引張の力をさらに受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも増大する。このとき、ＳｉＮの膜厚をさらに増大させると、ＳｉＮの圧縮による基板１の曲げ変形の度合いがさらに大きくなるため、圧電薄膜４は基板１から引張の力をさらに受け、圧電薄膜４の引張応力はさらに増大する。 On the other hand, when SiN is provided as the stress control film 6 on the substrate 1 made of Si, when the film formation of the piezoelectric thin film 4 is completed and the substrate 1 is cooled, SiN has a larger expansion coefficient than Si. , SiN tends to shrink rather than Si. Due to such compression of SiN with respect to Si, bending deformation in the direction in which the piezoelectric thin film 4 side is convex when viewed from the substrate 1 occurs in the substrate 1. Since the piezoelectric thin film 4 is further subjected to the tensile force due to the bending deformation of the substrate 1 in addition to the tensile force resulting from the difference in expansion coefficient with the substrate 1, the tensile stress of the piezoelectric thin film 4 is the stress control film. It increases compared to the case where there is no. At this time, if the film thickness of SiN is further increased, the degree of bending deformation of the substrate 1 due to the compression of SiN further increases, so that the piezoelectric thin film 4 further receives a tensile force from the substrate 1 and the tensile stress of the piezoelectric thin film 4 is increased. Increases further.
このように、ＳｉＮの膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整することができる。なお、ＳｉＮの膜厚の調整は、ＳｉＮの成膜条件を調整することによって容易に調整可能である。 Thus, the stress of the piezoelectric thin film 4 can be adjusted by adjusting the film thickness of SiN. The adjustment of the SiN film thickness can be easily performed by adjusting the SiN film forming conditions.
なお、ＳｉＮは基板１によって拘束されているため、ＳｉＮの圧縮時には、ＳｉＮは基板１によって引き伸ばされようとする。したがって、ＳｉＮが感じる応力は引張応力となる。ちなみに、このときのＳｉＮの引張応力は、最大で約１ＧＰａ程度である。 Since SiN is constrained by the substrate 1, the SiN tends to be stretched by the substrate 1 when the SiN is compressed. Therefore, the stress felt by SiN is tensile stress. Incidentally, the tensile stress of SiN at this time is about 1 GPa at the maximum.
また、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＯ２が設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＯ２はＳｉよりも膨張係数が小さいため、ＳｉＯ２よりもＳｉのほうが縮もうとする（ＳｉよりもＳｉＯ２のほうが相対的に伸びようとする）。このようなＳｉＯ２のＳｉに対する伸長により、基板１から見て圧電薄膜４側が凹となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力を受けるが、上記した基板１の曲げ変形による圧縮の力も受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも減少する。 Further, when SiO 2 is provided as the stress control film 6 on the substrate 1 made of Si, when the formation of the piezoelectric thin film 4 is completed and the substrate 1 is cooled, SiO 2 has an expansion coefficient higher than that of Si. small Therefore, (towards the SiO 2 is going Nobiyo relatively than Si) more tries Chijimimo of Si than SiO 2. By such elongation of SiO 2 with respect to Si, bending deformation in a direction in which the piezoelectric thin film 4 side becomes concave when viewed from the substrate 1 occurs in the substrate 1. The piezoelectric thin film 4 receives a tensile force due to the difference in expansion coefficient with the substrate 1, but also receives a compressive force due to the bending deformation of the substrate 1 described above, and therefore the tensile stress of the piezoelectric thin film 4 does not have a stress control film. Decrease than if.
なお、ＳｉＯ２の膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整できる点、ＳｉＯ２の膜厚の調整は、ＳｉＯ２の成膜条件を調整することによって容易に調整可能である点は、上記したＳｉＮの場合と全く同様である。 By adjusting the thickness of the SiO 2, that can adjust the stress of the piezoelectric thin film 4, the adjustment of the SiO 2 film thickness, that it is easily adjusted by adjusting the deposition conditions for SiO 2 Is exactly the same as in the case of SiN described above.
なお、ＳｉＯ２は基板１によって拘束されているため、ＳｉＯ２の伸長時には、ＳｉＯ２は基板１によって縮められようとする。したがって、ＳｉＯ２が感じる応力は圧縮応力となる。ちなみに、このときのＳｉＯ２の圧縮応力は、約−３００ＭＰａ程度である。 Since SiO 2 is constrained by the substrate 1, the SiO 2 tends to be contracted by the substrate 1 when the SiO 2 is expanded. Therefore, the stress felt by SiO 2 is a compressive stress. Incidentally, the compressive stress of SiO 2 at this time is about −300 MPa.
以上より、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがｃ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＮからなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに引張の力を与えてａ軸配向の比率を増やすことができる。逆に、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがａ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＯ２からなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに圧縮の力を与えてｃ軸配向の比率を増やすことができる。そして、上記いずれの場合でも、応力制御膜６の膜厚を調整することにより、ＰＺＴに任意の伸縮力を与えて、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に調整し、ＰＺＴの結晶配向性を制御することができる。 As described above, when there is no stress control film on the substrate 1 and the PZT constituting the piezoelectric thin film 4 is made of tetragonal crystal with c-axis main orientation, the stress control film 6 made of SiN is attached to the substrate 1. By forming a film on the opposite side of PZT, a tensile force can be applied to PZT to increase the a-axis orientation ratio. On the contrary, when there is no stress control film on the substrate 1 and the PZT constituting the piezoelectric thin film 4 is composed of tetragonal crystals with a-axis main orientation, the stress control film 6 made of SiO 2 is applied to the substrate 1. On the other hand, by forming a film on the side opposite to PZT, a compressive force can be applied to PZT to increase the c-axis orientation ratio. In any of the above cases, by adjusting the thickness of the stress control film 6, an arbitrary stretching force is applied to the PZT, and the ratio of the a-axis orientation to the c-axis orientation is adjusted to an arbitrary ratio. The crystal orientation of can be controlled.
なお、上記したｃ軸配向とは、（００１）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に垂直な方向（ＰＺＴの厚さ方向）となる結晶配向のことを指す。また、ａ軸配向とは、（１００）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に沿った方向（ＰＺＴの厚さ方向に垂直な方向）となる結晶配向のことを指す。 The c-axis orientation described above is also called (001) orientation and refers to a crystal orientation in which the polarization direction of PZT is a direction perpendicular to the surface of the substrate 1 (PZT thickness direction). The a-axis orientation is also called (100) orientation and refers to a crystal orientation in which the polarization direction of PZT is a direction along the surface of the substrate 1 (a direction perpendicular to the thickness direction of PZT).
以上のように、本実施形態では、圧電薄膜４の応力を制御すべく、圧電薄膜４に引張または圧縮の力を与えるための応力制御膜６が、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。つまり、応力制御膜６と圧電薄膜４との間に、薄膜よりも十分に厚い基板１が介在している。この構成では、基板１に対して一方側に形成される応力制御膜６が、基板１に対して他方側に形成される圧電薄膜４とその下層の下部電極３（Ｐｔ層３ｂ）との格子マッチングに直接的に影響を及ぼすことがなく、格子マッチングが崩れて、圧電薄膜４の結晶の成長状態が変化するのを回避することができる。その結果、圧電薄膜４の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。 As described above, in this embodiment, the stress control film 6 for applying a tensile or compressive force to the piezoelectric thin film 4 to control the stress of the piezoelectric thin film 4 is opposite to the piezoelectric thin film 4 with respect to the substrate 1. The film is formed on the side. That is, the substrate 1 sufficiently thicker than the thin film is interposed between the stress control film 6 and the piezoelectric thin film 4. In this configuration, the stress control film 6 formed on one side with respect to the substrate 1 is a lattice of the piezoelectric thin film 4 formed on the other side with respect to the substrate 1 and the lower electrode 3 (Pt layer 3b) below it. Matching is not directly affected, and lattice matching is lost, so that the crystal growth state of the piezoelectric thin film 4 can be prevented from changing. As a result, it is possible to avoid difficulty in controlling the crystal orientation by controlling the stress of the piezoelectric thin film 4.
また、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いは、上述したように応力制御膜６の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜４の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜４を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。 Further, the degree of bending deformation of the substrate 1 by the stress control film 6 can be easily adjusted by adjusting the film thickness of the stress control film 6 as described above. Therefore, the stress of the piezoelectric thin film 4 can be controlled to an arbitrary stress by adjusting the degree of bending deformation of the substrate 1 by the stress control film 6. As a result, the orientation ratio of crystals constituting the piezoelectric thin film 4 can be set to an arbitrary ratio.
特に、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＮからなる構成では、応力制御膜６の圧縮による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に引張の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。 In particular, in a configuration in which the substrate 1 is made of Si, the piezoelectric thin film 4 is made of PZT, and the stress control film 6 is made of SiN, a tensile force is applied to the piezoelectric thin film 4 by bending deformation of the substrate 1 due to compression of the stress control film 6. By providing, in the tetragonal crystal of PZT, the a-axis orientation ratio can be increased more than the c-axis orientation ratio. Thereby, the ratio of c-axis orientation and a-axis orientation can be reliably set to an arbitrary ratio. In addition, such an effect can be obtained in a configuration using an inexpensive Si substrate having good workability.
また、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＯ２からなる構成では、応力制御膜６の引張による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に圧縮の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。 In the configuration in which the substrate 1 is made of Si, the piezoelectric thin film 4 is made of PZT, and the stress control film 6 is made of SiO 2 , the piezoelectric thin film 4 is compressed by bending deformation of the substrate 1 due to the tension of the stress control film 6. In the PZT tetragonal crystal, the c-axis orientation ratio can be increased more than the a-axis orientation ratio. Thereby, the ratio of the a-axis orientation and the c-axis orientation can be reliably set to an arbitrary ratio. In addition, such an effect can be obtained in a configuration using an inexpensive Si substrate having good workability.
また、応力制御膜６がない状態でのＰＺＴの配向性（ａ軸主配向、ｃ軸主配向）や、ａ軸配向と軸配向との比率は、ＰＺＴの応力以外にも、基板１の格子定数等によっても変化するが、基板１としてＳｉ基板を用いる場合には（基板１の格子定数を固定した場合には）、上述したように、応力制御膜６の膜厚を制御するだけで、ＰＺＴの応力を制御することができる。 Further, the orientation of PZT (a-axis principal orientation, c-axis principal orientation) in the absence of the stress control film 6 and the ratio of the a-axis orientation to the axial orientation are not limited to the stress of PZT. Although it varies depending on the constants or the like, when a Si substrate is used as the substrate 1 (when the lattice constant of the substrate 1 is fixed), as described above, it is only necessary to control the film thickness of the stress control film 6. The stress of PZT can be controlled.
〔５．圧電素子の応用例〕
図７（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３１駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。また、応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。下部電極３および上部電極５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
[5. Application example of piezoelectric element)
FIG. 7A is a plan view showing a configuration when the piezoelectric element 10 manufactured in the present embodiment is applied to a d 31 drive diaphragm, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line A- of FIG. It is A 'arrow sectional drawing. The piezoelectric thin films 4 are arranged in a two-dimensional staggered pattern in a necessary region of the substrate 1. A Si substrate as a support substrate 7 is bonded to the opposite side of the stress control film 6 from the substrate 1. An opening 7 a corresponding to the drive region of the piezoelectric thin film 4 is formed in the support substrate 7. The lower electrode 3 and the upper electrode 5 are connected to an external control circuit by wiring not shown.
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ｃ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＯ２を選択し、その膜厚を設定することにより、ｃ軸配向の比率が７０％程度、ａ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に垂直な方向（ＰＺＴの膜厚方向）である。この圧電薄膜４に電圧を印加するための一対の電極、すなわち、下部電極３および上部電極５は、圧電薄膜４を基板１に垂直な方向から挟むように設けられている。したがって、この構成では、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。 Here, PZT as the piezoelectric thin film 4 is a tetragonal crystal with c-axis main orientation, and by selecting SiO 2 as the stress control film 6 and setting its film thickness, the ratio of c-axis orientation is about 70%. The ratio of the a-axis orientation is set to about 30%. Therefore, the polarization direction P of the entire PZT is a direction perpendicular to the substrate 1 (PZT film thickness direction). A pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric thin film 4, that is, the lower electrode 3 and the upper electrode 5 are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film 4 from a direction perpendicular to the substrate 1. Therefore, in this configuration, the direction E of electric field applied to the piezoelectric thin film 4 is the same as the polarization direction P of PZT.
なお、上記したａ軸配向およびｃ軸配向の各比率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の２θ／θ測定による結果に基づいて判断することができる。Ｘ線回折の２θ／θ測定とは、Ｘ線をサンプルに対して水平方向からθの角度で（結晶面に対してθの角度で）入射させ、サンプルから反射して出てくるＸ線のうち、入射Ｘ線に対して２θの角度のＸ線を検出することで、θに対する強度変化を調べる手法である。Ｘ線による回折では、ブラッグの条件（２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（λ：Ｘ線の波長、ｄ：結晶の原子面間隔、ｎ：整数））を満足するときに回折強度が高くなるが、そのときの結晶の面間隔（格子定数）と上記の２θとは対応関係にある。したがって、回折強度が高くなる２θの値に基づいて、Ｘ線が入射したサンプルの結晶構造（ａ軸配向の比率、ｃ軸配向の比率、結晶系が正方晶であるか菱面体晶であるか）を把握することができる。 In addition, each ratio of the above-described a-axis orientation and c-axis orientation can be determined based on a result of 2θ / θ measurement of X-ray diffraction (XRD). X-ray diffraction 2θ / θ measurement means that X-rays are incident on the sample at an angle θ from the horizontal direction (at an angle θ relative to the crystal plane) and reflected from the sample. Among them, this is a method of examining intensity change with respect to θ by detecting X-rays having an angle of 2θ with respect to incident X-rays. In X-ray diffraction, the diffraction intensity increases when the Bragg condition (2 d sin θ = nλ (λ: wavelength of X-ray, d: atomic plane spacing of crystal, n: integer)) is satisfied. There is a correspondence between the surface spacing (lattice constant) and the above 2θ. Therefore, based on the value of 2θ at which the diffraction intensity increases, the crystal structure of the sample in which the X-rays are incident (the ratio of the a-axis orientation, the ratio of the c-axis orientation, whether the crystal system is a tetragonal crystal or a rhombohedral crystal ).
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。したがって、支持基板７の開口部７ａに気体や液体を充填すると、圧電素子１０をポンプとして用いることができる。 By applying an electrical signal from the control circuit to the lower electrode 3 and the upper electrode 5 sandwiching the predetermined piezoelectric thin film 4, only the predetermined piezoelectric thin film 4 can be driven. That is, when a predetermined electric field is applied to the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film 4, the piezoelectric thin film 4 expands and contracts in the left-right direction, and the piezoelectric thin film 4 and the substrate 1 are bent (vibrated) up and down by the bimetal effect. Therefore, when the opening 7a of the support substrate 7 is filled with gas or liquid, the piezoelectric element 10 can be used as a pump.
また、所定の圧電薄膜４の電荷量を下部電極３および上部電極５を介して検出することにより、圧電薄膜４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電薄膜４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電素子１０を超音波センサとして用いることもできる。さらに、ＰＺＴは、圧電特性の他にも焦電性、強誘電性を有しているため、圧電素子１０を熱センサや記憶メモリとして活用することもできる。 Further, the amount of deformation of the piezoelectric thin film 4 can also be detected by detecting the charge amount of the predetermined piezoelectric thin film 4 via the lower electrode 3 and the upper electrode 5. That is, when the piezoelectric thin film 4 is vibrated by sound waves or ultrasonic waves, an electric field is generated between the upper and lower electrodes due to an effect opposite to that described above. By detecting the magnitude of the electric field and the frequency of the detection signal at this time, the piezoelectric film The element 10 can also be used as an ultrasonic sensor. Furthermore, since PZT has pyroelectricity and ferroelectricity in addition to piezoelectric characteristics, the piezoelectric element 10 can also be used as a thermal sensor or a storage memory.
以上のように、圧電薄膜４に対して、下部電極３および上部電極５を介して基板１に垂直な方向に電界を印加することにより、圧電薄膜４は基板１に垂直な方向に変形（例えば伸長）するとともに、基板１に沿った方向にも変形（例えば収縮）する。したがって、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の変形（伸縮）を利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、電界の印加によって基板１に垂直な方向に圧電薄膜４を大きく伸縮させることができ、これによって、基板１に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。 As described above, by applying an electric field to the piezoelectric thin film 4 in a direction perpendicular to the substrate 1 via the lower electrode 3 and the upper electrode 5, the piezoelectric thin film 4 is deformed in a direction perpendicular to the substrate 1 (for example, Elongate) and also deform (e.g., contract) in the direction along the substrate 1. Thus, by utilizing the deformation of the direction of the piezoelectric thin film 4 along the substrate 1 (stretching) to vibrate the substrate 1 in the thickness direction, it is possible to realize a so-called d 31 drive. At this time, in the PZT tetragonal crystal contained in the piezoelectric thin film 4, the ratio of the c-axis orientation is larger than the ratio of the a-axis orientation. Therefore, the piezoelectric thin film 4 is greatly expanded and contracted in the direction perpendicular to the substrate 1 by application of an electric field. it can, thereby, to obtain a large piezoelectric displacement in a direction (d 31 direction) along the substrate 1, it is possible to efficiently drive the piezoelectric element 10.
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に垂直な方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ｃ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ａ軸配向からｃ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。 In this configuration, since an electric field is applied to the piezoelectric thin film 4 in a direction perpendicular to the substrate 1, the piezoelectric thin film 4 has an a-axis orientation to a c-axis orientation in addition to the piezoelectric effect caused by the extension in the c-axis direction. The piezoelectric effect due to the rotation of the polarization direction can also be utilized. Thereby, a large output can be obtained.
また、図８（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３３駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図８（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。 Further, FIG. 8 (a), the piezoelectric element 10 manufactured in this embodiment is a plan view illustrating a configuration in which is applied to the diaphragm of the d 33 drive, FIG. 8 (b), the figure (a) It is AA 'line arrow sectional drawing. The piezoelectric thin films 4 are arranged in a two-dimensional staggered pattern in a necessary region of the substrate 1. On the opposite side of the stress control film 6 from the substrate 1, a Si substrate as a support substrate 7 is bonded. An opening 7 a corresponding to the drive region of the piezoelectric thin film 4 is formed in the support substrate 7.
また、圧電薄膜４に電界を印加するための一対の電極８・８は、基板１上で圧電薄膜４を基板１に沿った方向から挟むように設けられている。このとき、図８（ａ）に示すように、電極８を形成する層の一部は除去されて基板１が露出している。このように電極層の一部を除去することで、圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８、つまり、極性の異なる一対の電極８・８を分離することができる。一対の電極８・８は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。なお、一対の電極８・８は、上述した下部電極３および上部電極５と同じ材料で構成することができる。 The pair of electrodes 8 and 8 for applying an electric field to the piezoelectric thin film 4 are provided on the substrate 1 so as to sandwich the piezoelectric thin film 4 from the direction along the substrate 1. At this time, as shown in FIG. 8A, a part of the layer forming the electrode 8 is removed and the substrate 1 is exposed. By removing a part of the electrode layer in this way, the pair of electrodes 8 and 8 sandwiching the piezoelectric thin film 4, that is, the pair of electrodes 8 and 8 having different polarities can be separated. The pair of electrodes 8 and 8 are connected to an external control circuit by wiring not shown. The pair of electrodes 8 and 8 can be made of the same material as that of the lower electrode 3 and the upper electrode 5 described above.
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ａ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＮを選択し、その膜厚を設定することにより、ａ軸配向の比率が７０％程度、ｃ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に沿った方向（ＰＺＴの膜厚方向に垂直な方向）である。したがって、この構成においても、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。 Here, the PZT as the piezoelectric thin film 4 is a tetragonal crystal with an a-axis main orientation. By selecting SiN as the stress control film 6 and setting its film thickness, the ratio of the a-axis orientation is about 70%. The c-axis orientation ratio is set to about 30%. Therefore, the polarization direction P of the entire PZT is a direction along the substrate 1 (a direction perpendicular to the film thickness direction of PZT). Therefore, also in this configuration, the electric field application direction E to the piezoelectric thin film 4 and the polarization direction P of PZT are the same direction.
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が電界印加方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。また、圧電薄膜４の振動によって生じる電荷量を一対の電極８・８を介して検出することもできる。したがって、圧電素子１０を上記と同様に、ポンプやセンサ等として用いることができる。 By applying an electrical signal from the control circuit to the pair of electrodes 8 and 8 sandwiching the predetermined piezoelectric thin film 4, only the predetermined piezoelectric thin film 4 can be driven. That is, when a predetermined electric field is applied to the piezoelectric thin film 4, the piezoelectric thin film 4 expands and contracts in the electric field application direction, and the piezoelectric thin film 4 and the substrate 1 are bent (vibrated) up and down by the bimetal effect. In addition, the amount of charge generated by the vibration of the piezoelectric thin film 4 can be detected via the pair of electrodes 8 and 8. Therefore, the piezoelectric element 10 can be used as a pump, a sensor or the like in the same manner as described above.
以上のように、圧電薄膜４に対して、一対の電極８・８を介して基板１に沿った方向に電界を印加することにより、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の伸縮を主に利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板１に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。 As described above, by applying an electric field to the piezoelectric thin film 4 through the pair of electrodes 8 and 8 in the direction along the substrate 1, the expansion and contraction of the piezoelectric thin film 4 in the direction along the substrate 1 is mainly performed. vibrating the substrate 1 in the thickness direction using, it is possible to realize a so-called d 33 drive. At this time, the tetragonal PZT contained in the piezoelectric thin film 4, since there are more of the proportion of a-axis oriented than the percentage of c-axis orientation, to obtain a large piezoelectric displacement in a direction (d 33 direction) along the substrate 1 The piezoelectric element 10 can be driven efficiently.
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に沿った方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ａ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ｃ軸配向からａ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。 Further, in this configuration, since an electric field is applied to the piezoelectric thin film 4 in the direction along the substrate 1, in addition to the piezoelectric effect due to the extension in the a-axis direction in the piezoelectric thin film 4, the c-axis orientation is changed to the a-axis orientation. The piezoelectric effect due to the rotation of the polarization direction can also be utilized. Thereby, a large output can be obtained.
〔６．圧電素子の他の構成〕
図９は、圧電素子１０の他の構成を示す断面図である。圧電素子１０は、基板１に直接、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部１ａを形成した後、基板１に対して圧電薄膜４の成膜側とは反対側の表面全体に、上述した応力制御膜６を成膜することによって構成されていてもよい。この構成では、基板１の開口部１ａの内部および外部に応力制御膜６が形成されるが、この構成であっても、基板１に対して応力制御膜６が圧電薄膜４と反対側に形成されていることにより、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。
[6. Other configurations of piezoelectric element]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another configuration of the piezoelectric element 10. In the piezoelectric element 10, the opening 1 a corresponding to the drive region of the piezoelectric thin film 4 is directly formed on the substrate 1, and then the entire surface on the opposite side of the piezoelectric thin film 4 from the film forming side is described above. The stress control film 6 may be formed. In this configuration, the stress control film 6 is formed inside and outside the opening 1 a of the substrate 1. Even in this configuration, the stress control film 6 is formed on the opposite side of the piezoelectric thin film 4 with respect to the substrate 1. As a result, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.
なお、図９の構成の圧電素子１０を製造する場合、基板１上への圧電薄膜４の成膜、基板１の開口部１ａの形成、基板１への応力制御膜６の成膜、の各工程が順に行われるため、応力制御膜６は、圧電薄膜４の成膜後に基板１に成膜されてもよいと言える。つまり、応力制御膜６を基板１に成膜するタイミングは、図２で示したような、圧電薄膜４の基板１への成膜前には限定されない。 When the piezoelectric element 10 having the configuration shown in FIG. 9 is manufactured, the piezoelectric thin film 4 is formed on the substrate 1, the opening 1 a of the substrate 1 is formed, and the stress control film 6 is formed on the substrate 1. Since the steps are sequentially performed, it can be said that the stress control film 6 may be formed on the substrate 1 after the piezoelectric thin film 4 is formed. That is, the timing for forming the stress control film 6 on the substrate 1 is not limited to the timing before the piezoelectric thin film 4 is formed on the substrate 1 as shown in FIG.
〔７．補足〕
以上では、基板１としてＳｉ基板を用いる構成について説明したが、Ｓｉ以外の基板を用いてもよい。この場合でも、用いる基板の膨張係数に応じて応力制御膜６の種類（材料）や厚さを設定することにより、圧電薄膜４の応力を制御して、圧電薄膜の配向比率を任意の比率に設定することが可能である。
[7. Supplement)
In the above, the configuration using the Si substrate as the substrate 1 has been described, but a substrate other than Si may be used. Even in this case, by setting the type (material) and thickness of the stress control film 6 according to the expansion coefficient of the substrate to be used, the stress of the piezoelectric thin film 4 is controlled, and the orientation ratio of the piezoelectric thin film is set to an arbitrary ratio. It is possible to set.
また、以上では、圧電薄膜４としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明したが、ＰＺＴが菱面体晶であっても、応力制御膜６を基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に設けて、ＰＺＴの配向比率（（１１１）配向と（００１）配向との比率）を適切に設定することも可能である。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、応力制御膜６の種類や厚さを設定により、各配向方向の比率を適切に設定することは可能である。 Further, the case where PZT as the piezoelectric thin film 4 is a tetragonal crystal has been described above. However, even if PZT is a rhombohedral crystal, the stress control film 6 is placed on the opposite side of the piezoelectric thin film 4 with respect to the substrate 1. It is also possible to appropriately set the orientation ratio of PZT (ratio of (111) orientation to (001) orientation). Furthermore, even when PZT is composed of a mixed crystal of tetragonal crystals and rhombohedral crystals, it is possible to appropriately set the ratio in each orientation direction by setting the type and thickness of the stress control film 6.
なお、本実施形態では、圧電薄膜４をスパッタ法で成膜しているが、圧電薄膜４の成膜方法としては、上述したスパッタ法だけでなく、物理気相成長法である蒸着法、化学気相成長法であるＣＶＤ法、液相法であるゾルゲル法など、他の手法を用いることも可能である。 In this embodiment, the piezoelectric thin film 4 is formed by a sputtering method. However, the method for forming the piezoelectric thin film 4 is not limited to the above-described sputtering method, but a vapor deposition method such as a physical vapor deposition method, a chemical method, or the like. Other methods such as a CVD method that is a vapor phase growth method and a sol-gel method that is a liquid phase method can also be used.
本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ（熱センサ）、周波数フィルタなどの種々のデバイスに利用可能である。 The present invention is applicable to various devices such as an inkjet head, an ultrasonic sensor, an infrared sensor (thermal sensor), and a frequency filter.
１ 基板
３ 下部電極
４ 圧電薄膜
５ 上部電極
６ 応力制御膜
８ 電極
１０ 圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 3 Lower electrode 4 Piezoelectric thin film 5 Upper electrode 6 Stress control film 8 Electrode 10 Piezoelectric element
Claims (6)
前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element having a piezoelectric thin film formed on a substrate,
A piezoelectric element comprising a stress control film that is formed on a side opposite to the piezoelectric thin film with respect to the substrate and controls the stress of the piezoelectric thin film by causing the substrate to bend and deform. .
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。 The substrate is made of Si;
The piezoelectric thin film is made of PZT,
2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the stress control film is made of SiN that applies a tensile force to the piezoelectric thin film by compressing the substrate to cause bending deformation of the substrate. 3. .
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。 The substrate is made of Si;
The piezoelectric thin film is made of PZT,
2. The piezoelectric device according to claim 1, wherein the stress control film is made of SiO 2 that gives a compressive force to the piezoelectric thin film by extending with respect to the substrate to cause bending deformation of the substrate. element.
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。 A pair of electrodes sandwiching the piezoelectric thin film;
The piezoelectric thin film contains a PZT tetragonal crystal,
In the tetragonal crystal, the a-axis orientation ratio is larger than the c-axis orientation ratio,
The piezoelectric element according to claim 2, wherein the pair of electrodes are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film from a direction along the substrate.
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。 A pair of electrodes sandwiching the piezoelectric thin film;
The piezoelectric thin film contains a PZT tetragonal crystal,
In the tetragonal crystal, the proportion of c-axis orientation is larger than the proportion of a-axis orientation,
The piezoelectric element according to claim 3, wherein the pair of electrodes are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film from a direction perpendicular to the substrate.
前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴とする圧電素子の製造方法。 Forming a piezoelectric thin film on the substrate;
Forming a stress control film for controlling the stress of the piezoelectric thin film on the opposite side of the piezoelectric thin film with respect to the substrate by causing bending deformation of the substrate. A method for manufacturing a piezoelectric element.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015193163A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | ブラザー工業株式会社 | piezoelectric actuator |
| JP2015225957A (en) * | 2014-05-28 | 2015-12-14 | 株式会社リコー | Electro-mechanical conversion element, method of manufacturing electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharge device |
| EP3065415A1 (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-07 | Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives | Device with operable diaphragms and digital loudspeaker comprising at least one such device |
| CN106142841A (en) * | 2015-03-27 | 2016-11-23 | 兄弟工业株式会社 | Piezoelectric actuator and record head |
| JPWO2015194452A1 (en) * | 2014-06-20 | 2017-04-20 | 株式会社アルバック | Multilayer film and manufacturing method thereof |
| JP2020022360A (en) * | 2019-10-16 | 2020-02-06 | セイコーエプソン株式会社 | Piezoelectric driving device and driving method for the same, and robot and driving method for the same |
| CN112714963A (en) * | 2018-08-30 | 2021-04-27 | 富士胶片株式会社 | Piezoelectric device and method for manufacturing piezoelectric device |
-
2011
- 2011-11-08 JP JP2011244304A patent/JP2013102024A/en active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015193163A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | ブラザー工業株式会社 | piezoelectric actuator |
| JP2015225957A (en) * | 2014-05-28 | 2015-12-14 | 株式会社リコー | Electro-mechanical conversion element, method of manufacturing electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharge device |
| US10103315B2 (en) | 2014-05-28 | 2018-10-16 | Ricoh Company, Ltd. | Electro-mechanical transduction element, manufacturing method of manufacturing electro-mechanical transduction element, droplet discharge head, and droplet discharge device |
| JPWO2015194452A1 (en) * | 2014-06-20 | 2017-04-20 | 株式会社アルバック | Multilayer film and manufacturing method thereof |
| US9985196B2 (en) | 2014-06-20 | 2018-05-29 | Ulvac, Inc. | Multi-layered film and method of manufacturing the same |
| EP3065415A1 (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-07 | Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives | Device with operable diaphragms and digital loudspeaker comprising at least one such device |
| FR3033468A1 (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-09 | Commissariat Energie Atomique | ACTIONABLE MEMBRANE DEVICE AND DIGITAL SPEAKER HAVING AT LEAST ONE SUCH DEVICE |
| US10149054B2 (en) | 2015-03-02 | 2018-12-04 | Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives | Operable membranes device and digital speaker comprising at least one such device |
| CN106142841A (en) * | 2015-03-27 | 2016-11-23 | 兄弟工业株式会社 | Piezoelectric actuator and record head |
| CN112714963A (en) * | 2018-08-30 | 2021-04-27 | 富士胶片株式会社 | Piezoelectric device and method for manufacturing piezoelectric device |
| JP2020022360A (en) * | 2019-10-16 | 2020-02-06 | セイコーエプソン株式会社 | Piezoelectric driving device and driving method for the same, and robot and driving method for the same |
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