JP4220162B2

JP4220162B2 - 薄膜圧電体素子とその製造方法およびハードディスクドライブ用薄膜圧電体素子

Info

Publication number: JP4220162B2
Application number: JP2002028272A
Authority: JP
Inventors: 寛祐三上; 博一内山; 弘行喜多; 秀樹桑島; 秀雄鳥井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: JP2003229611A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜圧電体素子およびその製造方法に関し、特に、コンピューターの情報記録装置等として用いられる磁気ディスク装置等において、データを高記録密度化するために最適なヘッド支持機構に好適に用いられるアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気ディスク装置に設けられた磁気ディスクの記録密度は、年率数十％の高密度化が続いている。磁気ディスクに対するデータの記録及び再生に使用される磁気ヘッドは、通常、スライダに搭載されており、磁気ヘッドが搭載されたスライダは、磁気ディスク装置内に設けられたヘッド支持機構によって支持されている。ヘッド支持機構は、スライダが取り付けられたヘッドアクチュエータアームを有しており、このヘッドアクチュエータアームが、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）によって回動されるようになっている。そして、ボイスコイルモータを制御することにより、スライダに搭載されたヘッドが、磁気ディスク上の任意の位置に位置決めされる。
【０００３】
磁気ディスクに対してデータをさらに高密度で記録するためには、磁気ディスクに対して磁気ヘッドをさらに高密度に位置決めする必要がある。しかしながら、このようにＶＣＭにてヘッドアクチュエータアームを回動させて磁気ヘッドを位置決めする構成では、磁気ヘッドをより高精度に位置決めできないという課題がある。
【０００４】
そこで本発明者らは特願２０００−３２２０２０にて新方式を提案した。この方式では、ヘッドの概略の位置決めは従来同様にＶＣＭにてヘッドアクチュエータアームを回動させることによって行うが、正確な位置決めは磁気ヘッドに取り付けられた薄膜圧電体素子によって行う構造となっている。このような構造とすることで、高精度かつ高速な位置決めを可能としている。
【０００５】
従来の薄膜圧電体素子の平面図を図１に示す。この薄膜圧電体素子は、全く同じ構造を有する１対の素子１０Ａ、１０Ｂを、互いに左右対称となるように一対化されたものであり、その断面（Ｘ−Ｘ’線断面）を図２に示す。
【０００６】
薄膜圧電体素子１０の各素子１０Ａ、１０Ｂはそれぞれ２層構造になっており、上部に位置する第１の薄膜圧電体２１Ａの上側と下側には第１の電極金属膜３１Ａと第３の電極膜３３Ａが形成される。また下部に位置する第２の薄膜圧電体素子２２Ａは、第１の薄膜圧電体素子２１Ａの下側に配置され、その両面には同様に第２の電極金属膜３２Ａ、第４の電極金属膜３４Ａが設けられている。第３の電極金属膜３３Ａと第４の電極金属膜３４Ａは電気的に短絡されている。また薄膜圧電体素子１０の少なくとも一部は、柔軟性のある樹脂１５で被覆される。
【０００７】
この薄膜圧電体素子の製造方法の概略を図３に示す。図３（ａ）（ｂ）に示すように、膜形成面の格子定数が薄膜圧電体のそれと近似している、膜形成面が（２００）面である単結晶酸化マグネシウム基板４１（４２）の上に第１（第３）の電極金属膜｛例えば（２００）面に優先配向した白金｝３１Ａ（３２Ａ）、第１（第２）の圧電体薄膜｛例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）｝２１Ａ（２２Ａ）、第２（第４）の電極金属膜（例えばＴａ／Ａｕ膜）３３Ａ（３４Ａ）がこの順にスパッタ成膜される。これにより薄膜圧電体２１Ａ（２２Ａ）は第１（第３）の電極金属膜３１Ａ（３２Ａ）上で配向成長し、その分極方向は膜面に対してほぼ垂直方向となる。次に第２の電極金属膜３３Ａと第４の電極金属膜３４Ａを接着剤１４で接着する｛図３（ｃ）｝。次に第１の単結晶酸化マグネシウム基板４１をエッチングして除去する｛図３（ｄ）｝。次に所定の薄膜圧電体素子の形状になるようにドライエッチング等で成形加工する｛図３（ｅ）｝。これにより薄膜圧電体素子１０を構成する素子１０Ａと素子１０Ｂとがほぼ形作られる。
【０００８】
次に第２の単結晶酸化マグネシウム基板４２上で薄膜圧電体素子が形成された表面をコーティング樹脂１５で覆い薄膜圧電体素子の損傷・劣化を防止した上で｛図３（ｆ）｝、最後に残っていた第２の単結晶酸化マグネシウム基板４２をエッチングで除去することにより｛図３（ｇ）｝、薄膜圧電体素子１０を構成する素子１０Ａと素子１０Ｂとを得る。
【０００９】
なお、第１電極金属膜３１Ａと第３電極金属膜３２Ａとに駆動電圧を印加するための第１端子を形成する工程、および第２電極金属膜３３Ａと第４電極金属膜３４Ａとにグランド電圧を形成する工程は図示を省略している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの製造方法では、単結晶酸化マグネシウム基板に大きな課題があった。
【００１１】
単結晶酸化マグネシウムは融点が２８５０℃と高温であるため、シリコン単結晶のように引き上げ法による製造はできない。したがって、大型の炉体で原料となる多結晶酸化マグネシウムをアーク溶解した後、自然冷却させて単結晶を得ることになる。この方法では通常得られる単結晶の大きさは数ｃｍ角程度であり、しかもその収量は原料である多結晶酸化マグネシウムに対して約１／１０００でしかない。そのため単結晶酸化マグネシウム基板は高価（単位面積当たりの価格はシリコン基板単結晶の５０〜１００倍）である。しかも前記のように得られる単結晶塊の大きさが数ｃｍ角であるため、得られる基板も２〜３ｃｍ角程度の小サイズとならざるを得ず、それによる素子製造コストの高騰も無視できない。
【００１２】
本薄膜圧電体だけでなく、半導体や薄膜ヘッドなど、薄膜プロセスを多用するデバイスでは、一般的に基板サイズが大きい方が製造コストの面で有利である。そのため半導体製造分野では基板サイズの大口径化が営々と行われており、当初は５０〜７６ｍｍであったシリコン基板が、２１世紀には３００ｍｍ径時代を迎えようとしている。
【００１３】
薄膜圧電体素子においても、基板コストや製造コストの引き下げのためには、単結晶マグネシウム基板よりも安価かつ大口径化可能な基板を用いることが望ましい。
【００１４】
本発明の目的は、単結晶酸化マグネシウム基板に代えて他の基板を用いることにより、安価かつ効率的に薄膜圧電体素子を製造することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜圧電体素子は、第１電極金属膜と第１薄膜圧電体と第２電極金属膜とがこの順に積層された積層体と、第３電極金属膜と第２薄膜圧電体と第４金属膜とがこの順に積層された積層体とが、前記第２電極金属膜と前記第４電極金属膜とで接着され、その少なくとも一部が樹脂で被覆され、第１電極金属膜と前記第３電極金属膜とに駆動電圧を印加するための第１端子を備え、前記第２電極金属膜と前記第４電極金属膜とにグランド電圧を印加するための第２端子を備える薄膜圧電体素子であって、少なくとも前記第１電極金属膜または前記第３電極金属膜の一方の、薄膜圧電体が形成されていない側の面に、（２００）面に優先配向した酸化マグネシウム膜が形成されたものである。
【００１６】
本発明の薄膜圧電体素子の製造方法は、第１の基板上に第１電極金属膜と第１薄膜圧電体と第２電極金属とをこの順に積層した第１の基体を作製する工程と、第２の基板上に第３の電極金属膜と第２薄膜圧電体と第４電極金属とをこの順に積層した第２の基体を作製する工程と、前記第１の基体と前記第２の基体とを前記第２電極金属膜面と前記第４金属電極膜面とで貼り合わせた後、前記第１の基板をエッチングで除去し、前記第１電極金属膜と前記第１薄膜圧電体と前記第２電極金属膜と前記第４電極金属膜と前記第２薄膜圧電体と前記第３電極金属膜とを所定の形状に加工すると同時に、前記第１電極金属膜と前記第３電極金属膜とに駆動電圧を印加するための第１端子を形成し、前記第２電極金属と前記第４電極金属膜とにグランド電圧を印加するための第２端子を形成する工程と、外部環境からの悪影響を防止するための樹脂による被覆処理を行った後、前記第２の基板を除去して薄膜圧電体素子を作製する工程を有し、前記第１の基板および前記第２の基板として、表面に（２００）面に優先配向された酸化マグネシウム膜が成膜された単結晶シリコン基板を用いる方法である。
【００１７】
【作用】
本発明の薄膜圧電体素子によれば、少なくとも前記第１電極金属膜または前記第３電極金属膜の一方の、薄膜圧電体が形成されていない側の面に、（２００）面に優先配向した酸化マグネシウム膜を形成しているのであるから、単結晶酸化マグネシウム基板以外の基板を採用することができる。したがって、単結晶酸化マグネシウム基板よりも安価、かつ大口径化が可能な基板（例えばシリコン基板）を採用することによって薄膜圧電体素子を安価にすることができる。
【００１８】
ここで、前記酸化マグネシウム膜の膜厚を１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。その理由は、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦ２極スパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法等で成膜検討を行った結果、膜厚が１０ｎｍ以下では緻密で結晶性に優れた酸化マグネシウム膜を得ることは難しく、また膜厚が５００ｎｍ以上では膜表面の粗度が大きくなり過ぎ、その上に形成されるＰｔ電極膜は（１００）面のみならず（１１１）面も強く析出するからである。
【００１９】
前記第１電極金属膜と第３電極金属膜としてＰｔ膜を採用することが好ましく、シリコン基板を用いても所定の特性の圧電体薄膜の成膜を可能とすることができる。すなわち、Ｐｔは下地の特性を上層へ伝える性質があることが知られており、本発明の薄膜圧電体素子では圧電膜を（２００）面に優先配向した酸化マグネシウム膜に対してエピ成長させる必要があるので、第１電極金属膜と第３電極金属膜としてＰｔ膜を採用することが好ましい。
【００２０】
前記第２電極金属膜と第４電極金属膜として、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒの中から選択される少なくとも２種類の金属膜からなる積層膜を採用することが好ましい。その理由は、圧電膜の上層に成膜される第２の電極膜と第４の電極膜はＰｔである必要はないが、電極膜であるから電気抵抗が低く、化学的に安定であることが必要であり、そのためその材料としてはＡｕ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｔが適するが、圧電膜との密着性が必ずしも十分でないため、密着性を向上させるために圧電膜との界面にＴａ、Ｔｉ、Ｃｒなどの極薄膜を介在させることが好ましいからである。
【００２１】
前記第１の薄膜圧電体と第２の薄膜圧電体として、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム酸鉛、チタン酸鉛などの鉛系圧電材料からなるものを採用することが好ましく、シリコン基板／白金膜／酸化マグネシウム薄膜を単結晶酸化マグネシウム基板の代替えとすることができる。
【００２２】
本発明の薄膜圧電体素子の製造方法によれば、第１の基板および前記第２の基板として、表面に（２００）面に優先配向された酸化マグネシウム膜が成膜された単結晶シリコン基板を用いるのであるから、単結晶酸化マグネシウム基板よりも安価、かつ大口径化が可能なシリコン基板を採用することによって薄膜圧電体素子を安価に製造することができる。
【００２３】
さらに説明する。
【００２４】
高性能な薄膜圧電体素子を得るには、圧電体薄膜が膜面に垂直またはそれに近い方向に分極していることが必要である。そのためには圧電体薄膜がペロブスカイト構造であり、かつ膜面が（００１）配向していることが望ましい。このような結晶構造の圧電体薄膜を得るには、成膜面が圧電体薄膜と同様な格子定数や結晶構造を持つ基板を用いて、圧電体薄膜をエピタキシャル成長させるのが一般的である。
【００２５】
圧電体にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合を考える。チタン酸ジルコン酸鉛の（１００）面の格子定数は０．４０４ｎｍ前後、（２００）面の格子定数は０．２０２ｎｍ前後、ＭｇＯ単結晶基板の（２００）面の格子定数は０．２１１ｎｍ前後、Ｐｔの（２００）面の格子定数は０．１９６ｎｍ前後である。従って従来工法ではＭｇＯ単結晶（２００）面上に電極金属膜としてのＰｔ（２００）面をエピタキシャル成長させ、さらにその上にチタン酸ジルコン酸鉛膜を成膜することで（１００）面にエピタキシャル成長させている。
【００２６】
これに対し、本発明者は、単結晶ＭｇＯ基板の代わりに、Ｓｉ単結晶基板上に（２００）面に優先配向したＭｇＯ膜を成膜したものを採用する事で、これと同様の効果が得られ、薄膜圧電体素子の低価格化を達成できることを見出し、本発明を完成させたのである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の薄膜圧電体素子およびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
図５は本発明の薄膜圧電体素子の一例を示す平面図であり、全く同じ構造を有する１対の素子１００Ａ、１００Ｂを、互いに左右対称となるように一対化することによって、薄膜圧電体素子１００を構成している。
【００２９】
次いで、製造方法を説明する。
【００３０】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、単結晶シリコン基板４３０（４４０）の上に、ＥＣＲスパッタ法により、膜面が（２００）面に優先配向した酸化マグネシウム膜５１０Ａ（５２０Ａ）を２００ｎｍ成膜する。その上に（２００）面に優先配向した膜厚２００ｎｍの第１（第３）の電極金属膜であるＰｔ膜３１０Ａ（３２０Ａ）、第１（第２）の圧電体薄膜｛薄膜２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）｝２１０Ａ（２２０Ａ）、第２（第４）の電極金属膜としてのＴａ（膜厚３０ｎｍ）／Ａｕ（膜厚３００ｎｍ）膜３３０Ａ（３４０Ａ）をこの順に成膜する。ここでＴａ膜はＡｕ膜とＰＺＴ膜の密着性を高める役割を果たす。この構成とすることにより、第１（第３）の電極金属膜であるＰｔ膜３１０Ａ（３２０Ａ）は酸化マグネシウム膜５１０Ａ（５２０Ａ）に対してエピタキシャル成長して（２００）面配向となり、さらにその上に成膜される圧電体薄膜２１０Ａ（２２０Ａ）も第１（第３）の電極金属膜３１０Ａ（３２０Ａ）上でエピタキシャル成長して（００１）面配向し、その分極方向は膜面に対してほぼ垂直方向となる。次に第２の電極金属膜３３０Ａと第４の電極金属膜３４０Ａとを接着剤１４０で接着する｛図４（ｃ）｝。次に単結晶シリコン基板４３０を水酸化カリウム溶液またはエチレンジアミン溶液を用いるエッチングで除去する｛図４（ｄ）｝。次に所定の薄膜圧電体素子の形状になるようにドライエッチング等で成形加工する｛図４（ｅ）｝。次に単結晶シリコン基板４４０上で薄膜圧電体素子が形成された表面をコーティング樹脂１５０で覆い薄膜圧電体素子の損傷・劣化を防止した上で｛図４（ｆ）｝、最後に残っていた単結晶シリコン基板４４０を水酸化カリウム溶液またはエチレンジアミン溶液でエッチングし、さらに単結晶シリコン基板４４０上に成膜された酸化マグネシウム膜５２０Ａをリン酸で除去することにより｛図４（ｇ）｝、一対の薄膜圧電体素子１００Ａ、１００Ｂからなる薄膜圧電体素子１００を得る。
【００３１】
なお、第１電極金属膜３１０Ａと第３電極金属膜３２０Ａとに駆動電圧を印加するための第１端子を形成する工程、および第２電極金属膜３３０Ａと第４電極金属膜３４０Ａとにグランド電圧を形成する工程は図示を省略している。
【００３２】
なお本実施の形態では、単結晶シリコン基板は熱酸化膜付きでも熱酸化膜無しでも構わない。熱酸化膜無しの基板でも、その表面には自然酸化膜が数ｎｍ形成されているからである。ただプロセスの再現性を高めるためには、熱酸化膜付きの基板を用いる方が好ましい。
【００３３】
このようにして得られる薄膜圧電体素子には、（２００）面に優先配向された厚さ２００ｎｍの酸化マグネシウム膜が残ったままである。この程度の膜厚の酸化マグネシウム膜が残留しても、薄膜圧電体の変位量は大きな影響を受けないが、酸化マグネシウム膜が無い方がさらに大きな変位量を得ることができる。そこで薄膜圧電体素子作製工程中において、例えば単結晶シリコン基板４３０を除去した後に素子をリン酸溶液中に浸漬することによって、第１の酸化マグネシウム膜５１０Ａも除去された素子を得ることができる。また本実施の形態では単結晶シリコン基板４４０を除去した後、第２の電極金属膜３２０Ａを除去したが、これを除去せずに残すことも可能である。要するに、酸化マグネシウム膜を２層とも除去するか、１層のみ除去するか、全く除去しないかは、必要とされる変位量とコストに応じて定めれば良い。
【００３４】
上記のようにして製造された薄膜圧電体素子を、磁気ディスク装置において磁気ヘッドを支持するヘッド支持機構に用いることによって、磁気ヘッドの高精度かつ高速な位置決めを達成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように請求項１、請求項６に係る発明によれば、従来の高価かつ小径の酸化マグネシウム単結晶基板に代えて、安価かつ大口径のシリコン基板を用いて、効率的にヘッドを微小変位させることが可能で、しかも信頼性の高い薄膜圧電体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄膜圧電体素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、従来の薄膜圧電体素子の製造方法の一例を説明する図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、本発明による薄膜圧電体素子の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明による薄膜圧電体素子の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１５０コーティング樹脂
２１０Ａ第１薄膜圧電体
２２０Ａ第２薄膜圧電体
３１０Ａ第１電極金属膜
３２０Ａ第２電極金属膜
３３０Ａ第３電極金属膜
３４０Ａ第４電極金属膜
４３０第１のシリコン基板
４４０第２のシリコン基板
５１０Ａ第１の酸化マグネシウム膜
５２０Ａ第２の酸化マグネシウム膜

Claims

第１電極金属膜（３１０Ａ）と第１薄膜圧電体（２１０Ａ）と第２電極金属膜（３３０Ａ）とがこの順に積層された積層体と、第３電極金属膜（３２０Ａ）と第２薄膜圧電体（２２０Ａ）と第４金属膜（３４０Ａ）とがこの順に積層された積層体とが、前記第２電極金属膜（３３０Ａ）と前記第４電極金属膜（３４０Ａ）とで接着され、その少なくとも一部が樹脂（１５０）で被覆され、前記第１電極金属膜（３１０Ａ）と前記第３電極金属膜（３２０Ａ）とに駆動電圧を印加するための第１端子を備え、前記第２電極金属膜（３３０Ａ）と前記第４電極金属膜（３４０Ａ）とにグランド電圧を印加するための第２端子を備える薄膜圧電体素子であって、少なくとも前記第１電極金属膜（３１０Ａ）または前記第３電極金属膜（３２０Ａ）の一方の、前記薄膜圧電体（２１０Ａ、２２０Ａ）が形成されていない側の面に、（２００）面に優先配向した酸化マグネシウム膜（５１０Ａ、５２０Ａ）が形成されていることを特徴とする薄膜圧電体素子。
前記酸化マグネシウム膜（５１０Ａ、５２０Ａ）の膜厚が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１記載の薄膜圧電体素子。
前記第１電極金属膜（３１０Ａ）と前記第３電極金属膜（３２０Ａ）はＰｔ膜である請求項１又は２記載の薄膜圧電体素子。
前記第２電極金属膜（３３０Ａ）と前記第４電極金属膜（３４０Ａ）とは、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒの中から選択される少なくとも２種類の金属膜からなる積層膜である請求項１から請求項３の何れかに記載の薄膜圧電体素子。
前記第１薄膜圧電体（２１０Ａ）と前記第２薄膜圧電体（２２０Ａ）とは、鉛系圧電材料からなるものである請求項１から請求項４の何れかに記載の薄膜圧電体素子。
第１の基板（４３０）上に第１電極金属膜（３１０Ａ）と第１薄膜圧電体（２１０Ａ）と第２電極金属（３３０Ａ）とをこの順に積層した第１の基体を作製する工程と、第２の基板（４４０）上に第３の電極金属膜（３２０Ａ）と第２薄膜圧電体（２２０Ａ）と第４電極金属（３４０Ａ）とをこの順に積層した第２の基体を作製する工程と、前記第１の基体と前記第２の基体とを前記第２電極金属膜面（３３０Ａ）と前記第４金属電極膜面（３４０Ａ）とで貼り合わせた後、前記第１の基板（４３０）をエッチングで除去し、前記第１電極金属膜（３１０Ａ）と前記第１薄膜圧電体（２１０Ａ）と前記第２電極金属膜（３３０Ａ）と前記第４電極金属膜（３４０Ａ）と前記第２薄膜圧電体（２２０Ａ）と前記第３電極金属膜（３２０Ａ）とを所定の形状に加工すると同時に、前記第１電極金属膜（３１０Ａ）と前記第３電極金属膜（３２０Ａ）とに駆動電圧を印加するための第１端子を形成し、前記第２電極金属（３３０Ａ）と前記第４電極金属膜（３４０Ａ）とにグランド電圧を印加するための第２端子を形成する工程と、外部環境からの悪影響を防止するための樹脂（１５０）による被覆処理を行った後、前記第２の基板（４４０）を除去して薄膜圧電体素子を作製する工程を有し、前記第１の基板（４３０）および前記第２の基板（４４０）として、表面に（２００）面に優先配向された酸化マグネシウム膜（５１０Ａ、５２０Ａ）が成膜された単結晶シリコン基板を用いることを特徴とする薄膜圧電体素子の製造方法。
請求項１から請求項５の何れかに記載の構成を有するハードディスクドライブ用薄膜圧電体素子。