JP2013110180A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電素子10は、以下の工程によって製造される。単結晶基板1を、振動する振動部1Aと、振動部1Aと連結されて振動が生じない非振動部1Bとに分けたときに、単結晶基板1上で、非振動部1B上を含む領域であって、振動部1A上の圧電薄膜3の成膜領域を除く領域に、圧電薄膜3の単結晶での成長を阻害する阻害膜2を成膜する。次に、上記成膜領域となる振動部1A上の少なくとも一部に、圧電薄膜3を単結晶でエピタキシャル成長させて成膜するとともに、阻害膜2上に、圧電薄膜3を非晶質または多結晶で成膜する。その後、阻害膜2上に成膜された圧電薄膜3を除去する。
【選択図】図1
Description
図1(a)〜図1(c)は、本実施形態に係る圧電素子10の製造工程を示す断面図である。図1(c)に示すように、圧電素子10は、単結晶基板1と、阻害膜2と、圧電薄膜3とを有して構成されている。
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と、製造工程を示す断面図とを併せて示したものである。まず、最初に単結晶基板1の表面を洗浄する(S11)。必要であれば、プラズマ洗浄などにより単結晶の表面を露出する。
次に、単結晶の圧電薄膜3の結晶配向について説明する。圧電薄膜3としての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。
図6は、圧電薄膜3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3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。
図7(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7(b)は、同図(a)のA−A’線矢視断面図である。圧電薄膜3は、単結晶基板1の必要な領域に、2次元の千鳥状に配置されている。単結晶基板1(振動部1A)の一部は、除去されて開口部1pが形成されている。圧電薄膜3の形成領域は、この開口部1pの形成領域に対応している。単結晶基板1における開口部1pの上部は、薄い板状の従動膜1sとなっている。
図8(a)〜図8(c)は、他の構成の圧電素子10の製造の手順を簡単に示す断面図である。この圧電素子10は、単結晶基板1が、基板本体31と、結晶整合層32とを積層して構成されている点以外は、図1(c)の圧電素子10と同様の構成である。阻害膜2および圧電薄膜3aは、結晶整合層32上に成膜されている。
図9(a)は、図8(c)で示した圧電素子10をd15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9(b)は、同図(a)のA−A’線矢視断面図である。圧電薄膜3(3a)は、単結晶基板1の必要な領域に、2次元の千鳥状に配置されている。ここで、圧電薄膜3を構成するPZTの分極方向Pは、単結晶基板1の厚み方向、つまり、PZTの膜厚方向である。また、PZTの厚さは、概ね1〜10μm程度である。
本実施形態では、圧電薄膜3をスパッタ法で成膜しているが、圧電薄膜3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。
1A 振動部
1B 非振動部
2 阻害膜
3 圧電薄膜
3a 圧電薄膜
3b 圧電薄膜
3p 開口部
10 圧電素子
Claims (24)
- 単結晶基板上に圧電薄膜を成膜してなる圧電素子の製造方法であって、
前記単結晶基板を、振動する振動部と、前記振動部と連結されて振動が生じない非振動部とに分けたときに、
前記単結晶基板上で、前記非振動部上を含む領域であって、前記振動部上の前記圧電薄膜の成膜領域を除く領域に、前記圧電薄膜の単結晶での成長を阻害する阻害膜を成膜する工程と、
前記成膜領域となる前記振動部上の少なくとも一部に、前記圧電薄膜を単結晶でエピタキシャル成長させて成膜するとともに、前記阻害膜上に、前記圧電薄膜を非晶質または多結晶で成膜する工程と、
前記阻害膜上に成膜された前記圧電薄膜を除去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。 - 前記阻害膜は、前記単結晶の圧電薄膜に電界を印加するための非晶質の電極材料で構成されており、前記圧電薄膜を前記単結晶基板に沿って挟み込む複数の位置に成膜されることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記阻害膜は、前記圧電薄膜を前記単結晶基板に沿って少なくとも一方向から挟み込む複数の位置に成膜されることを特徴とする請求項2に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜は、正方晶で(111)配向に成膜してなることを特徴とする請求項2または3に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜は、菱面体晶で(100)配向に成膜してなることを特徴とする請求項2または3に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜の分極方向は、前記単結晶基板に沿う方向であることを特徴とする請求項2または3に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜は、開口部を有するリング状に成膜されており、
前記阻害膜は、前記単結晶基板上で、前記圧電薄膜の前記開口部の内側、および前記圧電薄膜の周囲に成膜されることを特徴とする請求項2に記載の圧電素子の製造方法。 - 前記圧電薄膜の分極方向は、前記単結晶基板の厚み方向であることを特徴とする請求項7に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記単結晶基板は、MgOからなり、
前記圧電薄膜は、PZTからなることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。 - 前記単結晶基板は、
単結晶の基板本体と、
前記基板本体上に形成され、前記基板本体と前記圧電薄膜との間の格子定数を有する結晶整合層とを有しており、
前記単結晶の前記圧電薄膜は、前記結晶整合層上に成膜されていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。 - 前記基板本体は、Siからなり、
前記結晶整合層は、MgOからなり、
前記圧電薄膜は、PZTからなることを特徴とする請求項10に記載の圧電素子の製造方法。 - 単結晶基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、
前記単結晶基板を、振動する振動部と、前記振動部と連結されて振動が生じない非振動部とに分けたときに、
前記単結晶基板上で、前記非振動部上を含む領域であって、前記振動部上の前記圧電薄膜の成膜領域を除く領域に成膜され、前記圧電薄膜の単結晶での成長を阻害する阻害膜を備え、
前記圧電薄膜は、前記成膜領域となる前記振動部上の少なくとも一部に、エピタキシャル成長によって単結晶の状態で成膜されていることを特徴とする圧電素子。 - 前記阻害膜は、前記単結晶の圧電薄膜に電界を印加するための非晶質の電極材料で構成されており、前記圧電薄膜を前記単結晶基板に沿って挟み込む複数の位置に成膜されることを特徴とする請求項12に記載の圧電素子。
- 前記阻害膜は、前記圧電薄膜を前記単結晶基板に沿って少なくとも一方向から挟み込む複数の位置に成膜されることを特徴とする請求項13に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜は、正方晶で(111)配向に成膜してなることを特徴とする請求項13または14に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜は、菱面体晶で(100)配向に成膜してなることを特徴とする請求項13または14に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜の分極方向は、前記単結晶基板に沿う方向であることを特徴とする請求項13または14に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜は、前記阻害膜を介して前記単結晶基板に沿った方向の電界が印加されたときに、前記電界の印加方向に伸縮することによって、前記単結晶基板を厚さ方向に振動させることを特徴とする請求項13から17のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜は、開口部を有するリング状に成膜されており、
前記阻害膜は、前記単結晶基板上で、前記圧電薄膜の前記開口部の内側、および前記圧電薄膜の周囲に成膜されることを特徴とする請求項13に記載の圧電素子。 - 前記圧電薄膜の分極方向は、前記単結晶基板の厚み方向であることを特徴とする請求項19に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜は、前記阻害膜を介して前記単結晶基板に沿った方向の電界が印加されたときに、せん断歪みが生じることによって、前記単結晶基板を厚さ方向に振動させることを特徴とする請求項19または20に記載の圧電素子。
- 前記単結晶基板は、MgOからなり、
前記圧電薄膜は、PZTからなることを特徴とする請求項12から21のいずれかに記載の圧電素子。 - 前記単結晶基板は、
単結晶の基板本体と、
前記基板本体上に形成され、前記基板本体と前記圧電薄膜との間の格子定数を有する結晶整合層とを有しており、
前記単結晶の前記圧電薄膜は、前記結晶整合層上に成膜されていることを特徴とする請求項12から21のいずれかに記載の圧電素子。 - 前記基板本体は、Siからなり、
前記結晶整合層は、MgOからなり、
前記圧電薄膜は、PZTからなることを特徴とする請求項23に記載の圧電素子。
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