JP2023157325A - 圧電素子およびｍｅｍｓミラー - Google Patents

Abstract

【課題】上部電極層が圧電層から剥離することを防止可能な圧電素子およびＭＥＭＳミラーを提供する。【解決手段】圧電素子１００において、下部電極層１１０、圧電層１３０および上部電極層１５０がこの順番で形成されている。さらに、圧電素子１００において、圧電層１３０および上部電極層１５０の間に、界面層１４０が介在して形成されている。界面層１４０は、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含んでいる。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子および当該圧電素子を備えるＭＥＭＳミラーに関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて、レーザ光を走査しスクリーン等に画像を投影するＭＥＭＳミラーが開発されている。ＭＥＭＳミラーは、駆動手段として、たとえば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）を主成分とした圧電膜の両主面に電極を配置した圧電素子を備える。

ＭＥＭＳミラーは、たとえば、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置の他、レーザ光を用いて物体を検出するレーザレーダ等に用いられる。この場合、ＭＥＭＳミラーは、高速かつ大きい振れ角で、長時間に亘り連続駆動される。

以下の特許文献１には、下から順番に、基板層、絶縁層、下部密着改善層、下部電極層、圧電膜層、上部電極層、上部密着改善層および絶縁被覆膜を有する積層構造体が記載されている。この積層構造体では、上部電極層上の上部密着改善層から絶縁被覆膜が剥がれることが防止される。

特開２０１４－１０６３５３号公報

上記のようにＭＥＭＳミラーが駆動される場合、圧電膜から上部電極が剥離することが起こり得る。この場合、ＭＥＭＳミラーの振れ角が低下する等、ＭＥＭＳミラーの動作が不安定になってしまう。上記特許文献１の積層構造体では、上部電極層の上から絶縁被覆膜が剥がれることを防止できるものの、圧電膜層と上部電極層との剥離を防止することはできない。

かかる課題に鑑み、本発明は、上部電極層が圧電層から剥離することを防止可能な圧電素子およびＭＥＭＳミラーを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、圧電素子に関する。本態様に係る圧電素子は、下部電極層、圧電層および上部電極層がこの順番で形成され、さらに、前記圧電層および前記上部電極層の間に、前記圧電層および前記上部電極層のそれぞれの組成を含む界面層が介在して形成されている。

本態様に係る圧電素子によれば、圧電層および上部電極層が、界面層を介して配置されており、界面層が、圧電層および上部電極層のそれぞれの組成を含むよう構成される。これにより、圧電層と上部電極層の密着性が向上し、上部電極層が圧電層から剥離することを防止できる。

本発明の第２の態様は、ＭＥＭＳミラーに関する。本態様に係るＭＥＭＳミラーは、上記第１の態様の圧電素子と、前記圧電素子により駆動される可動部と、前記可動部に設置されたミラーと、を備える。

本態様に係るＭＥＭＳミラーによれば、ミラーの駆動により上部電極層が圧電層から剥離することを防止できる。よって、ＭＥＭＳミラーの信頼性を高めることができる。

以上のとおり、本発明によれば、上部電極層が圧電層から剥離することを防止可能な圧電素子およびＭＥＭＳミラーを提供できる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施形態に係る、ＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。 図２は、実施形態に係る、ＭＥＭＳミラーの動作を示す斜視図である。 図３は、実施形態に係る、ＭＥＭＳミラーの他の構成を示す平面図である。 図４（ａ）～図４（ｄ）は、それぞれ、実施形態に係る、界面層が膜形成される場合の、圧電素子の形成手順を模式的に示す断面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る、界面層が熱処理により形成される場合の、圧電素子の形成手順を模式的に示す断面図である。 図６は、実施形態に係る、圧電素子の他の構成を模式的に示す断面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、圧電層と上部電極層との密着性に関する実験に係る、圧電素子を模式的に示す平面図である。 図８は、圧電層と上部電極層との密着性に関する実験に係る、各圧電素子において上部電極層が剥離した領域の数の結果を示す表である。 図９は、変更例に係る、圧電層、界面層および上部電極層の組成を示す表である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸正方向は鉛直上方向である。

＜ＭＥＭＳミラー＞
図１は、ＭＥＭＳミラー１の構成を示す平面図である。

ＭＥＭＳミラー１は、長方形の枠状の支持体１０と、２つの駆動梁２１、２２と、音叉振動子３０と、２つの駆動梁４１、４２と、音叉振動子５０と、可動部６１と、ミラー６２と、４つの圧電素子１００と、を備える。回転中心軸Ｒ１０は、ミラー６２の中心を通り、Ｘ軸方向に平行である。

２つの駆動梁２１、２２は、回転中心軸Ｒ１０に沿って延びており、それぞれ、音叉振動子３０の振動中心３０ａのＸ軸負側およびＸ軸正側に接続されている。駆動梁２１のＸ軸負側の端部は、支持体１０に接続されており、駆動梁２２のＸ軸正側の端部は、可動部６１に接続されている。

音叉振動子３０は、回転中心軸Ｒ１０に対して対称な構成を有しており、２つの連結部３１と、２つのアーム部３２と、を備える。２つの連結部３１は、Ｙ軸方向に延びており、それぞれ、振動中心３０ａのＹ軸正側およびＹ軸負側に接続されている。２つの連結部３１の他端は、それぞれ、２つのアーム部３２のＸ軸負側の端部に接続されている。２つのアーム部３２は、Ｘ軸方向に延びている。

２つの駆動梁４１、４２も、回転中心軸Ｒ１０に沿って延びており、それぞれ、音叉振動子５０の振動中心５０ａのＸ軸正側およびＸ軸負側に接続されている。駆動梁４１のＸ軸正側の端部は、支持体１０に接続されており、駆動梁４２のＸ軸負側の端部は、可動部６１に接続されている。

音叉振動子５０（２つの連結部５１および２つのアーム部５２）は、ミラー６２の中心を通るＹ－Ｚ平面を対称面として、音叉振動子３０（２つの連結部３１および２つのアーム部３２）と対称に構成される。

可動部６１とミラー６２は、回転中心軸Ｒ１０に対して対称な構成を有している。可動部６１は、平板形状を有する。ミラー６２は、可動部６１のＺ軸正側の面に形成されている。

圧電素子１００は、連結部３１およびアーム部３２の２つの組、および、連結部５１およびアーム部５２の２つの組の、Ｚ軸正側の面にそれぞれ形成される。圧電素子１００は、連結部およびアーム部に跨がるＬ字形状を有する。圧電素子１００は、電圧が印加されることにより、配置された部分（連結部およびアーム部）を振動させる。圧電素子１００の構成については、追って図４（ａ）～図５（ｂ）を参照して説明する。

図２は、ＭＥＭＳミラー１の動作を示す斜視図である。図２では、便宜上、支持体１０の図示が省略されている。

Ｘ軸方向に向かい合うアーム部３２、５２が同じ方向に撓み、音叉振動子３０の２つのアーム部３２が反対の方向に撓み、音叉振動子５０の２つのアーム部５２が反対の方向に撓むように、４つの圧電素子１００に電圧が印加される。音叉振動子３０、５０の振動エネルギーにより、駆動梁２２、４２および可動部６１により構成される振動子に、ねじれ振動が生じる。これにより、可動部６１およびミラー６２が、回転中心軸Ｒ１０を中心として、反復的に回転振動する。

なお、可動部６１およびミラー６２を反復的に回転振動させる構成は、図１に示す構成に限らず、図３のＭＥＭＳミラー２のように構成されてもよい。

図３は、ＭＥＭＳミラー２の構成を示す平面図である。図３において、図１と同じ構成には、便宜上、同じ符号が付されている。

ＭＥＭＳミラー２は、図１のＭＥＭＳミラー１と比較して、駆動梁２１、２２、４１、４２および音叉振動子３０、５０に代えて、ミアンダ形状を有する２つの駆動梁７０を備える。２つの駆動梁７０のＸ軸方向における内側の端部は、それぞれ、可動部６１に接続される。２つの駆動梁７０のＸ軸方向における外側の端部は、それぞれ、支持体１０に接続される。駆動梁７０は、ミアンダ形状を構成するように交互に連結された、複数の湾曲部７１および複数の振動板７２により構成される。圧電素子１００は、複数の振動板７２に形成されている。

ＭＥＭＳミラー２においても、可動部６１およびミラー６２が、回転中心軸Ｒ１０を中心として反復的に回転振動するように、圧電素子１００に電圧が印加される。圧電素子１００に電圧が印加されると、圧電素子１００が形成された振動板７２が、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向に湾曲するように変形する。隣接する圧電素子１００に印加する電圧の位相を逆相にすることで、隣接する２つの振動板７２が逆方向に変位する。これにより、回転中心軸Ｒ１０を中心として、これらの変位が蓄積され、可動部６１およびミラー６２が、反復的に回転振動する。

＜圧電素子＞
図４（ａ）～（ｄ）は、界面層１４０がスパッタ法により形成される場合の、圧電素子１００の形成手順を模式的に示す断面図である。

上記ＭＥＭＳミラー１の連結部３１、５１およびアーム部３２、５２、ならびに、上記ＭＥＭＳミラー２の振動板７２は、シリコン（Ｓｉ）基板により構成される。圧電素子１００は、ＳｉＯ_２などの絶縁体膜を介して、これらのシリコン基板の上面に形成される。

図４（ａ）に示すように、シリコン基板上に絶縁体膜を介して、下部電極層１１０および配向制御層１２０が、スパッタ法により順に形成される。

下部電極層１１０は、金属電極膜により構成される。下部電極層１１０の材料は、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）などの金属や、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）などの酸化物導電体などである。下部電極層１１０は、たとえば、２種以上のこれらの材料により構成される。下部電極層１１０は低い電気抵抗および高い耐熱性を有することが好ましい。このような観点から、本実施形態では、下部電極層１１０はＰｔにより構成される。

配向制御層１２０は、ペロブスカイト構造で（００１）面または（１００）面に優先配向し、圧電層１３０を構成する組成の一部を添加物として含む。配向制御層１２０のペロブスカイト構造は、たとえば、ＰｂＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ，Ｍｇ）ＴｉＯ_３、およびＬａＮｉＯ_３の少なくとも１つである。本実施形態では、配向制御層１２０のペロブスカイト構造は、（Ｐｂ，Ｌａ，Ｍｇ）ＴｉＯ_３である。

配向制御層１２０が圧電層１３０を構成する組成の一部を添加物として含むことにより、圧電層１３０の配向が配向制御層１２０の配向である（００１）面または（１００）面に整合しやすくなるため、圧電層１３０をより安定的に（００１）面または（１００）面に配向させることができる。これにより、圧電素子１００の圧電定数ｄ３１を高めることができる。

図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の積層構造の上面に、圧電層１３０が、スパッタ法により形成される。

圧電層１３０は、ペロブスカイト構造で（００１）面または（１００）面に優先配向する。圧電層１３０のペロブスカイト構造は、ＰｂＺｒＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、およびＰｂ（Ｚｎ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の少なくとも１つである。

圧電層１３０が、上記組成の少なくとも１つを含むことにより、効率良く音叉振動子３０（図１参照）および駆動梁７０（図３参照）を駆動できる。なお、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｚｎ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３は、ＰｂＺｒＯ_３およびＰｂＴｉＯ_３の少なくとも一方と合わせて用いられることにより、圧電定数が向上する。この場合、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｚｎ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３が単独で用いられる場合よりも、圧電素子１００の駆動力および駆動量を向上させることができる。

本実施形態では、圧電層１３０のペロブスカイト構造は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３である。Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３は、結晶相境界（ＭＰＢ：Morphotropic Phase Boundary）近傍組成である。

配向制御層１２０が（００１）面または（１００）面に優先配向することにより、配向制御層１２０の上面に形成される圧電層１３０も、（００１）面または（１００）面に優先配向する。上記のように配向制御層１２０が圧電層１３０の組成を含んでいると、圧電層１３０は、形成時に、配向制御層１２０の上面から当該共通の組成を起点として成長する。これにより、圧電層１３０が、配向制御層１２０の配向に沿った配向で成長しやすくなる。したがって、圧電層１３０の配向が配向制御層１２０の配向である（００１）面または（１００）面に整合しやすくなるため、圧電層１３０がより安定的に（００１）面または（１００）面に配向される。

図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）の積層構造の上面に、界面層１４０が、スパッタ法により形成される。

界面層１４０は、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含む。本実施形態では、圧電層１３０は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）により構成され、上部電極層１５０は、金（Ａｕ）により構成されているため、界面層１４０は、Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３のうち少なくとも１つを含むよう構成される。

図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）の積層構造の上面に、上部電極層１５０が、スパッタ法により形成される。

上部電極層１５０は、導電性を有する金属電極膜により構成される。上部電極層１５０は、たとえば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つの組成を含む。本実施形態では、上部電極層１５０はＡｕにより構成される。

図４（ｄ）に示すように、圧電層１３０および上部電極層１５０の間に、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含む界面層１４０が介在して形成される。こうして、圧電素子１００が完成する。

圧電素子１００の駆動の際には、下部電極層１１０と上部電極層１５０との間に制御電圧が印加される。制御電圧が印加されると、圧電層１３０の逆圧電効果により、圧電層１３０の振動が励起される。

なお、上記のようにスパッタ法により界面層１４０を形成することに代えて、上記と同様の組成を有する界面層１４０が、熱処理により形成されてもよい。

図５（ａ）、（ｂ）は、界面層１４０が熱処理により形成される場合の、圧電素子１００の形成手順を模式的に示す断面図である。

図５（ａ）に示すように、シリコン基板上に絶縁体膜を介して、下部電極層１１０、配向制御層１２０、圧電層１３０および上部電極層１５０が、この順番で形成される。配向制御層１２０は、下部電極層１１０の上面に形成され、圧電層１３０は、配向制御層１２０の上面に形成され、上部電極層１５０は、圧電層１３０の上面に形成される。各層は、たとえば、スパッタ法により形成される。下部電極層１１０、配向制御層１２０、圧電層１３０および上部電極層１５０は、図４（ａ）～（ｄ）の場合と同様の材料により構成される。

図５（ａ）に示すように積層構造が形成された後、この積層構造（より詳細には、圧電層１３０および上部電極層１５０の界面）が所定温度で所定時間加熱される。この熱処理により、図５（ｂ）に示すように、圧電層１３０および上部電極層１５０の間に、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含む界面層１４０が介在して形成される。すなわち、圧電層１３０と上部電極層１５０とによって界面層１４０が挟まれている。

上記のように界面に対して熱処理が行われる場合、界面層１４０には、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含む合金が分布する。本実施形態では、圧電層１３０は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）により構成され、上部電極層１５０は、金（Ａｕ）により構成されている。また、加熱温度は、２１３℃～４１８℃である。したがって、本実施形態の界面層１４０は、Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３のうち少なくとも１つを含む。

上記の合金（Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３）は、圧電層１３０と上部電極層１５０との界面付近において、加熱温度、加熱時間およびＺ軸方向の位置に応じて生成される。たとえば、２１３℃～４１８℃の温度範囲で加熱が行われる際、加熱温度が高いとＡｕ_２Ｐｂが生成されやすく、加熱温度が低いとＡｕＰｂ_３が生成されやすくなる。また、圧電層１３０と上部電極層１５０との間において、上部電極層１５０に近いとＡｕ_２Ｐｂが生成されやすく、圧電層１３０に近いとＡｕＰｂ_３が生成されやすい。

こうして、図５（ｂ）に示すように、圧電素子１００が完成する。

なお、図４（ｄ）および図５（ｂ）の圧電素子１００は、下部電極層１１０、配向制御層１２０、圧電層１３０、界面層１４０および上部電極層１５０により構成されたが、図４（ｄ）および図５（ｂ）の構成に基板を加えた構成を圧電素子２００としてもよい。

図６は、圧電素子２００の構成を模式的に示す断面図である。図６において、図４（ｄ）および図５（ｂ）と同じ構成には、便宜上、同じ符号が付されている。

圧電素子２００は、基板２１０と、下部電極層１１０と、配向制御層１２０と、圧電層１３０と、界面層１４０と、上部電極層１５０と、を備える。

基板２１０は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板、ＭｇＯのようなＮａＣｌ型構造を有する酸化物基板、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、およびＮｄＧａＯ_３のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板、Ａｌ_２Ｏ_３のようなコランダム型構造を有する酸化物基板、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４のようなスピネル型構造を有する酸化物基板、ＴｉＯ_２のようなルチル型構造を有する酸化物基板、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｔａ）Ｏ_３、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板などである。基板２１０は、たとえば、ガラス基板、アルミナのようなセラミクス基板、およびステンレスのような金属基板の表面に、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する酸化物薄膜を積層することによって形成される。基板２１０は、Ｓｉ単結晶基板であることが好ましい。

また、基板２１０の表面には、エピタキシャル成長する中間層が配置される。中間層の材料は、たとえば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＣｅＯ_２のようなホタル石型構造を有する材料、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＮ、およびＺｒＮのようなＮａＣｌ型構造を有する材料、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、および（Ｌａ，Ｓｒ）Ｃｏ_３のようなペロブスカイト型構造を有する材料、γ－Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＡｌ_２Ｏ_４のようなスピネル型構造を有する材料などである。中間層は、たとえば、上記の２種類以上の材料により構成され、具体的には、ＣｅＯ_２／ＹＳＺ／Ｓｉである。なお、中間層の材料はＳｉＯ_２であってもよく、中間層は省略されてもよい。

下部電極層１１０は、基板２１０の表面に配置された中間層の上面（中間層が省略される場合は基板２１０の上面）に形成される。なお、基板２１０と下部電極層１１０との間に、両者の密着性を向上させる密着層が配置されてもよい。密着層の材料は、たとえばＴｉである。密着層の材料は、Ｗ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒまたはこれらの化合物でもよい。密着層は、２種以上のこれらの材料により構成されてもよい。密着層は、基板２１０と下部電極層１１０との密着性に応じて、省略されてもよい。

下部電極層１１０の形成後、図４（ａ）～（ｄ）または図５（ａ）、（ｂ）で説明したように、下部電極層１１０の上面に、配向制御層１２０、圧電層１３０、界面層１４０および上部電極層１５０が形成される。

なお、図６に示すように圧電素子２００が形成された後、エッチング等により基板２１０が除去されてもよい。圧電素子２００から基板２１０が除去されることにより、図４（ｄ）および図５（ｂ）に示した圧電素子１００を取得できる。

ところで、一般的な圧電素子では、圧電層１３０の上面に直接的に上部電極層１５０が形成されることにより、圧電素子の形成が完了する。このような圧電素子がＭＥＭＳミラー１、２に組み込まれて駆動されると、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することが起こり得る。この場合、ミラー６２の振れ角が低下する等、ミラー６２の動作が不安定になってしまう。

これに対し、本実施形態では、図４（ａ）～（ｄ）に示した形成手順および図５（ａ）、（ｂ）に示した形成手順のいずれの場合も、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に界面層１４０が設けられ、界面層１４０は、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含んでいる。このため、界面層１４０と、その上下の上部電極層１５０および圧電層１３０とが高い親和性で結合する。これにより、界面層１４０を介して、圧電層１３０と上部電極層１５０との密着性が高められるため、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。よって、たとえば、圧電素子１００、２００が高速かつ大きい振れ角で、長時間にわたって連続駆動されたとしても、ＭＥＭＳミラー１、２を安定的に動作させることができる。

＜密着性に関する実験＞
次に、発明者らが行った圧電層１３０と上部電極層１５０との密着性に関する実験について説明する。

図７（ａ）、（ｂ）は、実験に用いた圧電素子３００を模式的に示す平面図である。

図７（ａ）に示すように、発明者らは、基板２１０、下部電極層１１０、配向制御層１２０、圧電層１３０および上部電極層１５０を備える圧電素子３００を作製した。発明者らは、図６の圧電素子２００と同様、基板２１０をシリコン（Ｓｉ）により構成し、下部電極層１１０を白金（Ｐｔ）により構成し、配向制御層１２０を（Ｐｂ，Ｌａ，Ｍｇ）ＴｉＯ_３により構成し、圧電層１３０をＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３により構成し、上部電極層１５０を金（Ａｕ）により構成した。

発明者らは、図７（ａ）に示す圧電素子３００に対して、それぞれ、加熱により界面層１４０の有無を設定した。すなわち、１つの圧電素子３００については、界面層１４０を形成せず、他方の圧電素子３００については、図５（ｂ）と同様、界面層１４０を形成した。

その後、発明者らは、図７（ｂ）に示すように、各圧電素子３００の上部電極層１５０の上面に対してカッターで格子状の切り込みＢ１を作製し、１つの圧電素子３００に対して１辺が１ｍｍの正方形形状の領域Ｒ１を２５個形成した。そして、発明者らは、各圧電素子３００において形成された２５個の領域Ｒ１を観察し、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥がれた領域Ｒ１を数えた。

図８は、２つの圧電素子３００において、上部電極層１５０が剥離した領域Ｒ１の数（剥離数）の結果を示す表である。

「界面層なし」の圧電素子３００では、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に、図４（ｄ）、図５（ｂ）および図６に示したような界面層１４０が形成されていない。このため、２５個の領域Ｒ１のうち１１個の領域Ｒ１において、上部電極層１５０が剥離した。このような圧電素子３００がＭＥＭＳミラー１、２に組み込まれて駆動されると、上部電極層１５０の剥離により、ＭＥＭＳミラー１、２の動作が不安定になる。

一方、「界面層あり」の圧電素子３００では、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に、図４（ｄ）、図５（ｂ）および図６に示したような界面層１４０が形成されている。このため、２５個の領域Ｒ１の全てにおいて、上部電極層１５０は剥離しなかった。このように、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含む界面層１４０が形成されると、圧電層１３０と上部電極層１５０との密着性が高められる。したがって、このような圧電素子３００がＭＥＭＳミラー１、２に組み込まれて駆動されると、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。

圧電層１３０および上部電極層１５０が、界面層１４０を介して配置されており、界面層１４０が、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成を含むよう構成される。これにより、圧電層１３０と上部電極層１５０の密着性が向上し、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。

圧電層１３０は鉛（Ｐｂ）を含み、上部電極層１５０は金（Ａｕ）を含む。界面層１４０は、ＰｂおよびＡｕを含み、具体的には、Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３のうち少なくとも１つを含む。これにより、圧電層１３０と上部電極層１５０の密着性を高めることができる。

図４（ａ）～（ｄ）に示した製法では、界面層１４０は、圧電層１３０の上面に積層により形成されている。これにより、下部電極層１１０から上部電極層１５０までの一連の積層工程により、界面層１４０を形成できる。

図５（ａ）、（ｂ）に示した製法では、界面層１４０は、積層された圧電層１３０および上部電極層１５０の界面に対する熱処理により形成されている。これにより、圧電層１３０と上部電極層１５０との間の界面層１４０において、積層方向に組成が遷移する。すなわち、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に明確な境界が生じにくくなる。これにより、圧電層１３０および上部電極層１５０との密着性が高められる。

ＭＥＭＳミラー１、２は、圧電素子１００により駆動される可動部６１と、可動部６１に設置されたミラー６２と、を備える。上述したように、圧電素子１００において、圧電層１３０と上部電極層１５０との間に界面層１４０が介在して形成されているため、ＭＥＭＳミラー１、２において、たとえばミラー６２が長時間にわたって駆動されたとしても、上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。よって、ＭＥＭＳミラー１、２の信頼性を高めることができる。

＜圧電層、界面層および上部電極層の組成の変更例＞
上記実施形態では、圧電層１３０はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３により構成され、上部電極層１５０は金（Ａｕ）により構成されたことにより、界面層１４０は、Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３のうち少なくとも１つを含むように構成された。しかしながら、圧電層１３０および上部電極層１５０が他の組成により構成される場合、界面層１４０は、上記以外の組成により構成されてもよい。

図９は、圧電層１３０、圧電層１３０、界面層１４０および上部電極層１５０の組成の変更例を示す表である。

圧電層１３０は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３に限らず、ＰｂＺｒＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、およびＰｂ（Ｚｎ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の少なくとも１つを含むように構成されてもよい。圧電層１３０が、これらの組成のいずれを含む場合でも、圧電層１３０は鉛（Ｐｂ）を含むことになり、界面層１４０に含められる圧電層１３０の組成はＰｂとなる。

上部電極層１５０は、金（Ａｕ）に限らず、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つを含むように構成されてもよい。

上部電極層１５０がＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｍｇである場合、界面層１４０の合金が、予め生成された上で、スパッタ法により圧電層１３０の上面に形成される。これにより、圧電層１３０および上部電極層１５０の界面に、圧電層１３０のＰｂと上部電極層１５０の金属とからなる合金が分布する界面層１４０が形成される。

具体的には、上部電極層１５０がＡｕにより構成される場合、上述したように、界面層１４０は、ＡｕとＰｂの合金であるＡｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３の少なくとも１つを含む。上部電極層１５０がＰｔにより構成される場合、界面層１４０は、ＰｔとＰｂの合金であるＰｔ_３Ｐｂ、ＰｔＰｂ、ＰｔＰｂ_４の少なくとも１つを含む。上部電極層１５０がＰｄにより構成される場合、界面層１４０は、ＰｄとＰｂの合金であるＰｄ_３Ｐｂ、Ｐｄ_５Ｐｂ_３、Ｐｄ_１３Ｐｂ_９、ＰｄＰｂ、ＰｄＰｂ_２の少なくとも１つを含む。上部電極層１５０がＺｒにより構成される場合、界面層１４０は、ＺｒとＰｂの合金であるＰｂ_３Ｚｒ_５、ＰｂＺｒ_４の少なくとも１つを含む。上部電極層１５０がＭｇにより構成される場合、界面層１４０は、ＭｇとＰｂの合金であるＭｇ_２Ｐｂを含む。

このように、スパッタ法によって形成された界面層１４０が、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成からなる合金を含むことにより、上部電極層１５０と圧電層１３０との密着性が高まる。このため、圧電素子１００、２００の駆動により上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。

なお、上記のような合金がスパッタ法によって形成されることに代えて、界面層１４０の合金が、圧電層１３０および上部電極層１５０の界面に対する熱処理により形成されてもよい。この場合も、界面層１４０が、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成からなる合金を含むことにより、界面層１４０と、その上下の上部電極層１５０および圧電層１３０とが高い親和性で結合する。このため、圧電素子１００、２００の駆動により上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。また、界面層１４０が熱処理により形成されることにより、界面層１４０において積層方向に組成が遷移する。これにより、圧電層１３０および上部電極層１５０との密着性が高められる。

上部電極層１５０がＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｎである場合、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成からなる混晶が、スパッタ法により圧電層１３０の上面に形成される。この場合、積層により形成された界面層１４０が、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成からなる混晶を含むことにより、界面層１４０と、その上下の上部電極層１５０および圧電層１３０とが高い親和性で結合する。このため、圧電素子１００、２００の駆動により上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。

なお、上記のような混晶がスパッタ法によって形成されることに代えて、圧電層１３０および上部電極層１５０が重ね合わされた状態で、圧電層１３０および上部電極層１５０の界面に熱処理が施されてもよい。これにより、圧電層１３０および上部電極層１５０の界面付近に、圧電層１３０のＰｂと上部電極層１５０の金属とにより形成される混晶が分布する界面層１４０が形成される。

このように、熱処理によって形成された界面層１４０が、圧電層１３０および上部電極層１５０のそれぞれの組成からなる混晶を含むことにより、界面層１４０と、その上下の上部電極層１５０および圧電層１３０とが高い親和性で結合する。このため、圧電素子１００、２００の駆動により上部電極層１５０が圧電層１３０から剥離することを防止できる。また、界面層１４０が熱処理により形成されているため、圧電層１３０と上部電極層１５０との間の界面層１４０において、積層方向に混晶状態が遷移する。これにより、圧電層１３０および上部電極層１５０との密着性が高められる。

＜その他の変更例＞
ＭＥＭＳミラー１、２および圧電素子１００、２００の構成は、上記実施形態および変更例に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

上記実施形態および変更例において、圧電素子１００、２００がさらに他の層を含んでいてもよい。たとえば、下部電極層１１０と配向制御層１２０との間に他の層が形成されてもよい。また、配向制御層１２０は省略されてもよい。

上記実施形態および変更例では、下部電極層１１０、配向制御層１２０、圧電層１３０および上部電極層１５０は、スパッタ法により形成されたが、ＣＳＤ法、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、またはエアロゾル堆積法（ＡＤ法）、真空蒸着法などの薄膜形成手法により形成されてもよい。また、図４（ｃ）に示したように、界面層１４０が圧電層１３０の上面に膜形成される場合、界面層１４０は、スパッタ法により形成されたが、ＣＳＤ法、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、またはエアロゾル堆積法（ＡＤ法）、真空蒸着法などの薄膜形成手法により形成されてもよい。

上記実施形態および変更例では、圧電素子１００、２００は、ＭＥＭＳミラー１、２の一部として用いられたが、圧電素子１００、２００は、たとえば、ＭＥＭＳ素子、ミラーアクチュエータ、波長可変フィルタ、インクジェットヘッドなどの他の装置に組み込まれてもよい。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１、２ ＭＥＭＳミラー
６１ 可動部
６２ ミラー
１００、２００ 圧電素子
１１０ 下部電極層
１３０ 圧電層
１４０ 界面層
１５０ 上部電極層

Claims (7)

1. 下部電極層、圧電層および上部電極層がこの順番で形成され、
   さらに、前記圧電層および前記上部電極層の間に、前記圧電層および前記上部電極層のそれぞれの組成を含む界面層が介在して形成されている、
   ことを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１に記載の圧電素子において、
   前記圧電層は、少なくとも鉛（Ｐｂ）を含み、
   前記上部電極層は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つの組成を含み、
   前記界面層は、少なくとも、Ｐｂおよび前記上部電極層の組成を含む、
   ことを特徴とする圧電素子。
3. 請求項２に記載の圧電素子において、
   前記上部電極層は、少なくとも金（Ａｕ）を含み、
   前記界面層は、Ａｕ_２Ｐｂ、ＡｕＰｂ_２、ＡｕＰｂ_３のうち少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする圧電素子。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電素子において、
   前記界面層は、前記圧電層の上面に積層により形成されている、
   ことを特徴とする圧電素子。
5. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電素子において、
   前記界面層は、積層された前記圧電層および前記上部電極層の界面に対する熱処理により形成されている、
   ことを特徴とする圧電素子。
6. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電素子において、
   前記圧電層は、ＰｂＺｒＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、およびＰｂ（Ｚｎ_１／３，Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする圧電素子。
7. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電素子と、
   前記圧電素子により駆動される可動部と、
   前記可動部に設置されたミラーと、を備える、
   ことを特徴とするＭＥＭＳミラー。

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