JP5853846B2 - Piezoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に、電極、シード層および圧電薄膜をこの順で形成した圧電素子と、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 an electrode, a seed layer, and a piezoelectric thin film are formed in this order on a substrate, and a method for manufacturing the piezoelectric element.
従来から、アクチュエータやセンサなどに応用するための電気機械変換素子として、Pb(Zr,Ti)O3(チタン酸ジルコン酸鉛;PZT)をはじめとする圧電体が用いられている。 Conventionally, piezoelectric materials including Pb (Zr, Ti) O 3 (lead zirconate titanate; PZT) have been used as electromechanical transducers for application to actuators and sensors.
従来では、圧電体としてバルク材料が使われているが、近年では、小型化、高密度化、低コスト化のニーズにより、薄膜の圧電体が研究されてきている。圧電体を薄膜化することにより、成膜、フォトリソグラフィーなど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。また、大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減することもできる。特に、インクジェットヘッドのアクチュエータとして圧電体を用いる場合には、印刷画像の高精細化のためにノズルを高密度に搭載する必要があるため、圧電素子の小型化は重要である。 Conventionally, bulk materials have been used as piezoelectric bodies, but in recent years, thin-film piezoelectric bodies have been studied due to the need for miniaturization, high density, and low cost. By reducing the thickness of the piezoelectric body, high-precision processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and miniaturization and high density can be realized. In addition, since the piezoelectric bodies can be collectively processed on a large-area wafer, the cost can be reduced. In particular, when a piezoelectric body is used as an actuator for an ink jet head, it is necessary to mount nozzles at a high density in order to increase the definition of a printed image. Therefore, downsizing of the piezoelectric element is important.
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9は、PZT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 material 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 type structure. FIG. 9 schematically shows the crystal structure of PZT. The perovskite structure is, for example, a tetragonal crystal of Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 , where Pb atoms are located at each vertex of the tetragonal crystal, and Ti atoms or Zr atoms are located at the body center. In this structure, an O atom is located in the heart.
また、電界方向に対する圧電体の結晶配向の方向によっても、特性は大きく異なる。図10は、圧電体の結晶配向の違いによる圧電効果の違いを模式的に示している。圧電体が(100)配向の場合、つまり、圧電体の分極方向Pを(100)方向として、この方向が基板に垂直な方向となる場合、基板に垂直な方向に電界を印加すると、圧電体の分極方向Pと電界の印加方向Eとが揃っているため、電界の大きさが圧電体の変形の力に完全に変換され、基板に垂直な方向に圧電体が効率よく変形する。一方、圧電体が(111)配向の場合、圧電体の分極方向Pである(100)方向が電界の印加方向Eと交差するため、電界の大きさが圧電体の変形の力に完全に変換されず、基板に垂直な方向における圧電体の変形量が少なくなる。 Further, the characteristics vary greatly depending on the direction of crystal orientation of the piezoelectric body relative to the electric field direction. FIG. 10 schematically shows the difference in piezoelectric effect due to the difference in crystal orientation of the piezoelectric body. When the piezoelectric body is in the (100) orientation, that is, when the polarization direction P of the piezoelectric body is the (100) direction and this direction is a direction perpendicular to the substrate, the piezoelectric body is applied when an electric field is applied in the direction perpendicular to the substrate. Since the polarization direction P and the application direction E of the electric field are aligned, the magnitude of the electric field is completely converted into the deformation force of the piezoelectric body, and the piezoelectric body is efficiently deformed in the direction perpendicular to the substrate. On the other hand, when the piezoelectric body is in the (111) orientation, the (100) direction, which is the polarization direction P of the piezoelectric body, intersects the electric field application direction E, so that the electric field magnitude is completely converted into the deformation force of the piezoelectric body. In other words, the amount of deformation of the piezoelectric body in the direction perpendicular to the substrate is reduced.
このように、圧電体の(111)配向よりも(100)配向のほうが、圧電特性は高くなるが、疲労特性や加工のしやすさなどから、例えば(111)配向等、他の結晶配向のほうが好ましい場合もある。いずれにせよ、安定した特性を求めるためには、圧電体の結晶配向を制御することは重要である。 As described above, the (100) orientation of the piezoelectric body is higher in the (100) orientation than in the piezoelectric material. However, from the viewpoint of fatigue characteristics and ease of processing, other crystal orientations such as the (111) orientation are possible. May be preferred. In any case, to obtain stable characteristics, it is important to control the crystal orientation of the piezoelectric body.
圧電体(圧電薄膜)は、CVD(Chemical Vapor Deposition )法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法等の物理的成膜法、ゾルゲル法等の液層での成長法が知られている。これらの成膜方法では、Si等の基板上に、密着層、下部電極、圧電体、上部電極等を順番に成膜していく必要がある。そのため、各膜の特性は、その下地となる層の影響を受けることになる。 Piezoelectric materials (piezoelectric thin films) are known for chemical film formation methods such as CVD (Chemical Vapor Deposition), physical film formation methods such as sputtering and ion plating, and liquid layer growth methods such as sol-gel methods. It has been. In these film forming methods, it is necessary to sequentially form an adhesion layer, a lower electrode, a piezoelectric body, an upper electrode and the like on a substrate such as Si. Therefore, the characteristics of each film are affected by the underlying layer.
スパッタ法でPZTを成膜する場合、アルゴン(Ar)のガス圧等の条件にもよるが、基板温度が400℃程度以下では、パイロクロア層という圧電性を持たない結晶構造になることが多い。また、ゾルゲル法などでは、下地の上に原料液を塗布した後、700℃程度の高温で焼結させる必要がある。このため、下部電極としては、高温での安定性および高い導電性を持つ白金(Pt)が用いられることが多い。Ptは(111)方向に自己配向しやすい特性を有している。 When a PZT film is formed by sputtering, although depending on conditions such as argon (Ar) gas pressure, a crystal structure of a pyrochlore layer having no piezoelectricity is often obtained at a substrate temperature of about 400 ° C. or lower. In the sol-gel method or the like, it is necessary to sinter at a high temperature of about 700 ° C. after applying the raw material liquid on the base. For this reason, platinum (Pt) having high temperature stability and high conductivity is often used as the lower electrode. Pt has the property of being easily self-aligned in the (111) direction.
薄膜のPZTは、上記のようにペロブスカイト型構造で(100)配向となるときに圧電特性が高いが、PZTはその下地のPtの影響を受けるため、(111)配向のPt上には、PZTは(100)配向で形成されにくい。PZTが(111)配向で形成されたり、パイロクロア相が混在すると、PZTの圧電特性が低下してしまう。 The thin film PZT has a perovskite structure as described above, and has a high piezoelectric characteristic when it is (100) oriented. However, since PZT is affected by the underlying Pt, PZT on the (111) oriented Pt Is difficult to form with (100) orientation. If PZT is formed with a (111) orientation or a pyrochlore phase is mixed, the piezoelectric characteristics of PZT will deteriorate.
そこで、例えば特許文献1では、PZTからなる主絶縁体層をチタン酸塩(例えばPLT;(Pb,La)TiO3)からなる副絶縁体層を介して電極上に設けるようにしている。PLTは、PZTよりも(100)配向になりやすく、ペロブスカイト型構造を持つため、このPLTの層をシード層としてPt上に成膜し、そのシード層上にPZTを成膜することで、PZTの結晶性および配向性を向上させて、圧電特性を向上させることができると考えられる。
Therefore, in
ところが、(111)配向のPt上にPLTを(100)配向で形成すると、Ptの(111)面における格子定数(0.3923nm)と、PLTの(100)面における格子定数(0.3887)とが異なるため、互いの結晶性が向上するほど、これらの層の界面に応力が集中し、シード層の密着性が低下してシード層が剥離するという問題が顕著になってくる。特に、圧電アクチュエータでは、圧電定数を向上させ、より発生力・駆動変位を向上させることが求められているが、駆動変位が向上するほど、駆動時の応力が内部応力に上乗せされ、シード層の剥離が起こりやすくなる。したがって、圧電素子の特性向上を目指す上では、圧電変位とともに各層間の密着性も確保しなければならない。 However, when PLT is formed with (100) orientation on Pt with (111) orientation, the lattice constant (0.3923 nm) on the (111) plane of Pt and the lattice constant (0.3887) on the (100) plane of PLT. Therefore, as the crystallinity of each layer improves, the stress concentrates on the interface between these layers, the adhesion of the seed layer decreases, and the seed layer peels off. In particular, the piezoelectric actuator is required to improve the piezoelectric constant and to further improve the generated force and driving displacement. However, as the driving displacement is improved, the driving stress is added to the internal stress, and the seed layer Peeling is likely to occur. Therefore, in order to improve the characteristics of the piezoelectric element, it is necessary to ensure adhesion between the layers as well as the piezoelectric displacement.
これは、電極の結晶面とシード層の結晶面とで原子間隔(格子定数)が異なれば、電極の材料および配向方向、シード層の材料および配向方向に関係なく、常に起こりうる問題である。シード層や圧電薄膜形成時の下地として電極の結晶配向性が重要な場合や、後工程での加工のしやすさ等が必要な場合もあり、それらの条件によって好適な電極の材料やその配向が異なる。シード層についても同様であり、電極の種類や配向方向と、圧電薄膜の材料、結晶性、その他求める特性によって、シード層として様々な材料、結晶構造、配向性のものが求められる。そのため、電極およびシード層の種類等によらず、シード層の密着性向上と圧電特性の向上とを両立させるための手法を開発することは非常に重要である。 This is a problem that can always occur if the atomic spacing (lattice constant) differs between the crystal plane of the electrode and the crystal plane of the seed layer, regardless of the material and orientation direction of the electrode and the material and orientation direction of the seed layer. In some cases, crystal orientation of the electrode is important as a foundation for forming the seed layer or piezoelectric thin film, or ease of processing in the subsequent process may be required. Is different. The same applies to the seed layer, and various materials, crystal structures, and orientations are required for the seed layer depending on the type and orientation of the electrode, the material of the piezoelectric thin film, crystallinity, and other required characteristics. For this reason, it is very important to develop a method for achieving both improvement in adhesion of the seed layer and improvement in piezoelectric characteristics regardless of the type of the electrode and the seed layer.
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、電極とシード層との界面で発生する応力を低減してシード層の密着性を向上させるとともに、圧電特性を向上させ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-described problems, and its purpose is to reduce the stress generated at the interface between the electrode and the seed layer to improve the adhesion of the seed layer and to improve the piezoelectric characteristics. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that can be improved and a method for manufacturing the same.
本発明の圧電素子は、基板上に、電極と、圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層と、前記圧電薄膜とをこの順で形成した圧電素子であって、前記シード層が、結晶化している第1の領域と、アモルファスからなる第2の領域との両方を含んで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、電極と、圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層と、前記圧電薄膜とをこの順で形成する圧電素子の製造方法であって、前記シード層が、結晶化している第1の領域と、アモルファスからなる第2の領域との両方を含むように、成膜条件を設定して前記シード層を形成することを特徴としている。 The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which an electrode, a seed layer for controlling crystal orientation of a piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film are formed in this order on a substrate, and the seed layer includes: It includes both a first region that is crystallized and a second region that is made of amorphous. The piezoelectric element manufacturing method of the present invention is a piezoelectric element manufacturing method in which an electrode, a seed layer for controlling crystal orientation of a piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film are formed in this order on a substrate. The seed layer is formed by setting film forming conditions so that the seed layer includes both a first region that is crystallized and a second region that is made of amorphous. Yes.
上記の圧電素子の構成および製造方法によれば、シード層の一部がアモルファス(第2の領域)であることにより、電極とアモルファスとの界面では、格子定数の違いに起因する応力は発生しないので、全体として、電極とシード層との界面で発生する応力を低減することができる。これにより、電極に対するシード層の密着性を向上させることができ、シード層の剥離を低減することができる。 According to the above-described configuration and manufacturing method of the piezoelectric element, since a part of the seed layer is amorphous (second region), stress due to the difference in lattice constant does not occur at the interface between the electrode and amorphous. Therefore, as a whole, the stress generated at the interface between the electrode and the seed layer can be reduced. Thereby, the adhesion of the seed layer with respect to the electrode can be improved, and peeling of the seed layer can be reduced.
また、シード層は、結晶化した領域(第1の領域)、すなわち、結晶が所望の方向に配向した領域を含むので、その上に成膜される圧電薄膜は、下層の結晶粒を種結晶として結晶化する。したがって、第1の領域の上に圧電薄膜を所望の結晶配向で形成することができる。また、シード層の第2の領域はアモルファスであり、第2の領域上に成膜される圧電薄膜も成膜初期はアモルファスであるが、このアモルファスの領域は、その上に成膜される圧電薄膜の所望の配向方向での結晶化を妨げないため、圧電薄膜の膜厚を増大させるにしたがって、第2の領域上でも、圧電薄膜を所望の結晶配向で形成することができる。このように、シード層が第1の領域および第2の領域を含むことにより、圧電薄膜の大部分を所望の配向方向に制御して、圧電特性を向上させることができる。 Further, since the seed layer includes a crystallized region (first region), that is, a region where the crystal is oriented in a desired direction, the piezoelectric thin film formed on the seed layer seeds the crystal grains in the lower layer. Crystallize as Therefore, the piezoelectric thin film can be formed on the first region with a desired crystal orientation. Further, the second region of the seed layer is amorphous, and the piezoelectric thin film formed on the second region is also amorphous at the initial stage of film formation, but this amorphous region is a piezoelectric film formed thereon. Since the crystallization in the desired orientation direction of the thin film is not hindered, the piezoelectric thin film can be formed with the desired crystal orientation on the second region as the thickness of the piezoelectric thin film is increased. Thus, when the seed layer includes the first region and the second region, most of the piezoelectric thin film can be controlled in a desired orientation direction to improve the piezoelectric characteristics.
上記の圧電素子において、前記シード層全体に対する前記第1の領域の割合が、5%以上90%以下であることが望ましい。また、上記の製造方法において、前記シード層全体に対する前記第1の領域の割合が5%以上90%以下となる成膜条件で、前記シード層を形成することが望ましい。 In the above piezoelectric element, it is preferable that a ratio of the first region to the whole seed layer is 5% or more and 90% or less. In the above manufacturing method, it is preferable that the seed layer is formed under a film forming condition in which a ratio of the first region to the whole seed layer is 5% or more and 90% or less.
シード層全体に対する第1の領域の割合が下限を下回ると、第1の領域の割合が少なすぎて、シード層上に形成される圧電薄膜の配向性が低下し、圧電特性を向上させることが困難となる。逆に、シード層全体に対する第1の領域の割合が上限を上回ると、アモルファスからなる第2の領域の割合が少なすぎて、電極に対するシード層の密着性が低下し、シード層の剥離が生じやすくなる。したがって、シード層全体に対する第1の領域の割合が上記範囲内であることにより、シード層の密着性および配向性を両方とも満足させることができる。 If the ratio of the first region to the entire seed layer is below the lower limit, the ratio of the first region is too small, the orientation of the piezoelectric thin film formed on the seed layer is lowered, and the piezoelectric characteristics can be improved. It becomes difficult. On the contrary, if the ratio of the first region to the entire seed layer exceeds the upper limit, the proportion of the second region made of amorphous is too small, the adhesion of the seed layer to the electrode is lowered, and the seed layer is peeled off. It becomes easy. Therefore, when the ratio of the first region to the entire seed layer is within the above range, both the adhesion and orientation of the seed layer can be satisfied.
上記の圧電素子において、前記シード層全体に対する前記第1の領域の割合が、10%以上80%以下であることが望ましい。また、上記の製造方法において、前記シード層全体に対する前記第1の領域の割合が10%以上80%以下となる成膜条件で、前記シード層を形成することが望ましい。 In the above piezoelectric element, it is desirable that the ratio of the first region to the whole seed layer is 10% or more and 80% or less. In the above manufacturing method, it is preferable that the seed layer is formed under a film forming condition in which a ratio of the first region to the whole seed layer is 10% or more and 80% or less.
この場合は、シード層の密着性および配向性を両方とも確実に満足させることができる。 In this case, both the adhesion and orientation of the seed layer can be satisfied with certainty.
上記の圧電素子および製造方法において、前記シード層の前記第1の領域は、ペロブスカイト型構造で結晶化していることが望ましい。 In the piezoelectric element and the manufacturing method described above, it is desirable that the first region of the seed layer is crystallized with a perovskite structure.
この場合、シード層の第1の領域上では、圧電薄膜は下層と同じペロブスカイト型構造で結晶化するので、圧電特性を確実に向上させることができる。 In this case, since the piezoelectric thin film is crystallized with the same perovskite structure as the lower layer on the first region of the seed layer, the piezoelectric characteristics can be reliably improved.
上記の圧電素子において、前記電極は、(111)配向の白金であり、前記シード層の前記第1の領域は、(100)配向のチタン酸ランタン酸鉛であってもよい。また、上記の製造方法において、前記電極として、白金を(111)配向で形成し、前記シード層の前記第1の領域として、チタン酸ランタン酸鉛を(100)配向で形成してもよい。 In the above piezoelectric element, the electrode may be (111) -oriented platinum, and the first region of the seed layer may be (100) -oriented lead lanthanum titanate. In the above manufacturing method, platinum may be formed with (111) orientation as the electrode, and lead lanthanum titanate with (100) orientation may be formed as the first region of the seed layer.
(111)配向の白金(Pt)からなる電極上に、シード層の第1の領域として、チタン酸ランタン酸鉛(PLT)を(100)配向で形成することにより、その上に形成される圧電薄膜を(100)配向で形成して、圧電特性を向上させることができる。 On the electrode made of (111) -oriented platinum (Pt), lead lanthanum titanate (PLT) is formed in the (100) orientation as the first region of the seed layer. A thin film can be formed with (100) orientation to improve piezoelectric properties.
上記の圧電素子において、前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分としてもよい。また、上記の製造方法において、前記シード層上に、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする前記圧電薄膜を形成してもよい。 In the piezoelectric element, the piezoelectric thin film may contain lead zirconate titanate as a main component. In the above manufacturing method, the piezoelectric thin film containing lead zirconate titanate as a main component may be formed on the seed layer.
この場合、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする圧電薄膜を(100)配向で形成して、圧電特性を向上させることができる。 In this case, a piezoelectric thin film mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) can be formed with a (100) orientation to improve the piezoelectric characteristics.
上記の圧電素子および製造方法において、前記圧電薄膜は、前記チタン酸ジルコン酸鉛の一部をランタンで置換した、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛を含んでいてもよい。 In the piezoelectric element and the manufacturing method described above, the piezoelectric thin film may include lead lanthanum zirconate titanate in which part of the lead zirconate titanate is replaced with lanthanum.
圧電薄膜がチタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)を含んでいることにより、圧電特性をさらに向上させることができる。 When the piezoelectric thin film contains lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), the piezoelectric characteristics can be further improved.
上記の製造方法において、前記シード層をスパッタ法で形成することが望ましい。 In the above manufacturing method, the seed layer is preferably formed by a sputtering method.
スパッタ法では、基板を加熱してシード層を形成するため、電極とシード層との界面に熱応力がかかりやすい。したがって、シード層の一部をアモルファスで形成して、電極とシード層との界面で発生する応力を低減する本発明が非常に有効となる。 In the sputtering method, since the seed layer is formed by heating the substrate, thermal stress is likely to be applied to the interface between the electrode and the seed layer. Therefore, the present invention in which a part of the seed layer is formed in an amorphous state to reduce the stress generated at the interface between the electrode and the seed layer is very effective.
上記の製造方法において、前記電極をスパッタ法で形成することが望ましい。 In the above manufacturing method, it is desirable to form the electrode by a sputtering method.
この場合、下部電極とシード層とを連続して同一のスパッタリング装置を用いて形成することができる。 In this case, the lower electrode and the seed layer can be formed continuously using the same sputtering apparatus.
電極上に形成されるシード層が、結晶化している第1の領域と、アモルファスからなる第2の領域との両方を含むので、電極とシード層との界面で発生する応力を低減してシード層の密着性を向上させるとともに、圧電特性を向上させることができる。 Since the seed layer formed on the electrode includes both the crystallized first region and the amorphous second region, the seed generated by reducing the stress generated at the interface between the electrode and the seed layer is reduced. While improving the adhesiveness of a layer, a piezoelectric characteristic can be improved.
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上に、熱酸化膜2、下部電極3、シード層4、圧電薄膜5および上部電極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
基板1は、厚さが例えば300〜500μm程度の単結晶Si(シリコン)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(酸化シリコン)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
下部電極3は、Ti(チタン)層3aとPt(白金)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
シード層4は、その上に成膜される圧電薄膜5の結晶配向性を制御するための層であるが、その詳細については後述する。シード層4の厚さは、例えば45nmである。
The
圧電薄膜5は、ペロブスカイト型構造のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を主成分として構成されている。なお、PZTが主成分であるとは、圧電薄膜5中でPZTの占める割合が80%以上であることを意味する。例えば、圧電薄膜5は、PZTのほかに、PZTの一部をランタン(La)で置換したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)を含んでいてもよい。圧電薄膜5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
上部電極6は、Ti層6aとPt層6bとを積層して構成されている。Ti層6aは、圧電薄膜5とPt層6bとの密着性を向上させるために形成されている。Ti層6aの厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層6bの厚さは例えば0.2μm程度である。
The
図2は、本実施形態の圧電素子10の主要部を拡大して示す断面図である。上記したシード層4は、単結晶または多結晶の状態となって結晶化している第1の領域4aと、アモルファス(非晶質)からなる第2の領域4bとの両方を含んでいる。第1の領域4aは、ペロブスカイト型構造を有する圧電体であるPLT(チタン酸ランタン酸鉛)で構成されており、基板1に対して垂直な方向が(100)方向となるように結晶が配向している。第2の領域4bは、Pt層3b上に形成されており、第1の領域4aは、第2の領域4bとPt層3bとの界面よりも圧電薄膜5側に位置している。すなわち、第2の領域4bとPt層3bとの界面が、シード層4と下部電極3との界面となっている。第1の領域4aと第2の領域4bとを両方含むシード層4は、PLTの成膜条件(例えば基板温度)を適切に制御することによって形成することができる。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the main part of the
ここで、シード層4の第1の領域4aは、膜厚が増大するにつれて広がり、第2の領域4bは、膜厚が増大するにつれて狭まっている。これは、シード層4において、一旦、(100)配向の結晶が形成されると、その結晶を下地として膜厚方向に(100)配向での結晶化が進むとともに、シード層4の第2の領域4bはアモルファスであり、(100)配向での結晶化を妨げないため、膜厚方向とは垂直な方向にも(100)配向での結晶化が進むからである。
Here, the
本実施形態のように、シード層4の一部がアモルファスの領域(第2の領域4b)であることにより、Pt層3bと第2の領域4bとの界面では、格子定数の違いに起因する応力は発生しないので、下部電極3とシード層4との界面で発生する応力を低減することができる。これにより、下部電極3に対するシード層4の密着性を向上させて、シード層4の剥離を低減することができる。
As in the present embodiment, since part of the
また、シード層4は、結晶が(100)方向に配向した第1の領域4aを含むので、第1の領域4a上に成膜される圧電薄膜5は、その下地となる第1の領域4aの結晶粒を種結晶として(100)配向となるように結晶化する。図2では、圧電薄膜5において、(100)配向で結晶化した領域を領域5aとする。一方、第2の領域4b上には、圧電薄膜5の成膜初期は、下地の第2の領域4bの影響を受けてアモルファスからなる領域5bが形成される。このアモルファスの領域5bは、その上に成膜される圧電薄膜5の所望の配向方向での結晶化を妨げないため、圧電薄膜5の膜厚を増大させるにしたがって、第2の領域4b上でも、圧電薄膜5を所望の結晶配向で形成することができる。つまり、圧電薄膜5の膜厚を増大させるにしたがって、(100)配向で結晶化した領域5aを広げることができる。このように、圧電薄膜5の大部分の配向方向を所望の(100)方向に制御できるので、圧電特性を向上させることができる。
In addition, since the
また、シード層4の第1の領域4aは、PLTがペロブスカイト型構造で結晶化している領域であるので、シード層4の第1の領域4a上では、圧電薄膜5は下層と同じペロブスカイト型構造で結晶化する。これにより、圧電薄膜5のペロブスカイト結晶性を向上させて、圧電特性を確実に向上させることができる。
Since the
また、シード層4の下地となる電極(Pt層3b)は、(111)配向のPtであり、シード層4の第1の領域4aは、(100)配向のPLTであるので、(111)方向に自己配向しやすいPtを下部電極として用いた場合でも、圧電薄膜5をPLTと同じ(100)配向で形成して、圧電特性を向上させることができる。特に、圧電薄膜5は、PZTを主成分としているので、PZTを(100)配向で形成して、圧電特性を向上させることができる。また、圧電薄膜5がPZTのほかにPLZTを含んでいる場合には、圧電特性をさらに向上させることができる。
Further, the electrode (
〔2.圧電素子の製造方法〕
次に、本実施形態の圧電素子10の製造方法の実施例について説明するとともに、比較例についても併せて説明する。図3は、圧電素子10の製造工程の流れを示すフローチャートである。
[2. Method for manufacturing piezoelectric element]
Next, an example of the method for manufacturing the
(実施例1)
まず、基板1として、厚さ400μm程度の単結晶Siウェハを用い、この基板1上に熱酸化膜2を膜厚0.1μm程度で形成する(S1)。熱酸化膜2は、ウェット酸化用熱炉を用い、Siウェハを酸素雰囲気中に1200℃程度の高温にさらすことで形成することができる。
Example 1
First, a single crystal Si wafer having a thickness of about 400 μm is used as the
続いて、基板1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(S2、S3)。Ti層3aの膜厚は例えば6nmであり、Pt層3bの膜厚は例えば150nmである。また、このときのTiのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.7Pa、基板温度:500℃、ターゲットに印加するRFパワー:80Wである。また、Ptのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:500℃、ターゲットに印加するRFパワー:100Wである。Pt層3bを構成するPtは、自己配向性を有するため、基板1に対して(111)方向に配向する。
Subsequently, Ti and Pt are sequentially formed on the
次に、下部電極3(Pt層3b)上にPLTをスパッタ法で成膜し、膜厚45nm程度のシード層4を形成する(S4)。PLTのスパッタ条件は、Ar流量:19.5sccm、O2流量:0.5sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:640℃、ターゲットに印加するRFパワー:150Wである。
Next, PLT is formed on the lower electrode 3 (
以上のTi層3a、Pt層3bおよびシード層4の成膜は、チャンバー内にTi、Pt、PLTの3つのターゲットをもつ3元スパッタリング装置を用いて行われることが望ましい。このようにすることで、in-situで(その場で)基板を真空から出すことなく各層を連続して形成することができる。
The formation of the
図4は、上記スパッタリング装置の概略の構成を示す断面図である。スパッタリング装置においては、ターゲット11が載置されたターゲット皿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。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を所定の温度まで加熱する。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上にターゲット11の材料分子を飛ばして所望の膜を成膜することができる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the sputtering apparatus. In the sputtering apparatus, a
次に、PLTからなるシード層4上に、PZTをスパッタ法で成膜し、膜厚4μm程度の圧電薄膜5を形成する(S5)。PZTのスパッタ条件は、Ar流量:30sccm、O2流量:0.3sccm、圧力:0.3Pa、基板温度:650℃、ターゲットに印加するRFパワー:500Wである。
Next, PZT is formed on the
続いて、圧電薄膜5上に、TiおよびPtを順にスパッタ法で成膜して、Ti層6aおよびPt層6bからなる上部電極6を形成する(S6、S7)。これにより、圧電素子10が完成する。Ti層6aの膜厚は例えば20nmであり、Pt層6bの膜厚は例えば200nmである。このときのTiのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.7Pa、基板温度:500℃、ターゲットに印加するRFパワー:80Wである。また、Ptのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:500℃、ターゲットに印加するRFパワー:100Wである。
Subsequently, Ti and Pt are sequentially formed on the piezoelectric
(実施例2)
シード層4の形成工程(S4)において、PLTの成膜条件(スパッタ条件)として、基板温度を630℃に変更した以外は、実施例1と同様である。
(Example 2)
In the
(実施例3)
シード層4の形成工程(S4)において、PLTの成膜条件(スパッタ条件)として、基板温度を620℃に変更した以外は、実施例1と同様である。
(Example 3)
In the formation process (S4) of the
(比較例1)
シード層4の形成工程(S4)において、PLTの成膜条件(スパッタ条件)として、基板温度を650℃に変更した以外は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
In the formation process (S4) of the
(比較例2)
シード層4の形成工程(S4)において、PLTの成膜条件(スパッタ条件)として、基板温度を610℃に変更した以外は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 2)
In the formation process (S4) of the
〔3.密着性および配向性の評価について〕
上記した実施例1〜3、比較例1〜2のそれぞれにおいて、圧電薄膜5を成膜する前に、シード層4を構成するPLTに対して、XRD(X‐ray diffraction;X線回折)の2θ/θ測定を行い、PLTの結晶配向性を調べた。図5は、実施例1〜3、比較例1〜2のPLTに対するXRDの2θ/θ測定の結果を示すグラフである。なお、図5では、実施例1〜3、比較例1〜2の各グラフを同時に比較する目的で、これらのグラフを縦方向に縦軸の1目盛りずつずらして同時に図示している。図5の縦軸は、1秒間あたりのX線の計数率(cps;count per second)を示している。なお、1.E+nは、1.0×10nであることを示す。
[3. Evaluation of adhesion and orientation)
In each of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 described above, XRD (X-ray diffraction) is applied to the PLT constituting the
図5より、実施例1〜3、比較例1〜2のPLTは、(100)単一配向であることがわかる((111)等の他のピークが現れていないため)。ちなみに、PLTの(100)ピーク強度の値を表1に示す。なお、表1には、後述するPLT(100)の被覆率、PLTの密着性評価およびPZTの配向性評価の結果を併せて示す。 From FIG. 5, it can be seen that the PLTs of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 have a (100) single orientation (because other peaks such as (111) do not appear). Incidentally, Table 1 shows values of (100) peak intensity of PLT. Table 1 also shows the results of PLT (100) coverage, PLT adhesion evaluation, and PZT orientation evaluation, which will be described later.
次に、実施例1〜3、比較例1〜2のそれぞれにおいて、シード層4を構成するPLTの表面形状を、SEM(Scanning Electron Microscope;走査型電子顕微鏡)を用いて観察した。そして、PLT(100)の被覆率(第1の領域4aの被覆率)を測定した。ここで、PLT(100)の被覆率(%)とは、シード層4の圧電薄膜5側の表面において、表面全体の面積に対する(100)配向のPLTの結晶粒の面積(合算)の割合を指す。ここでは、簡易的に、SEMで得られた画像の全面積に対する結晶粒のある面積の割合を上記被覆率とした。なお、図5のXRDの測定結果より、PLTの強度ピークとしては、(100)配向を示すピークしか確認できなかったことから、結晶粒はPLTの(100)配向の結晶粒であると考えられる。したがって、上記のように、SEM画像の全面積に対する結晶粒のある面積の割合を、PLT(100)の被覆率とした。なお、実施例1〜3、比較例1〜2のシード層4(PLT)は、膜厚45nm程度の薄膜であるので、PLT(100)の被覆率は、シード層4の全体に対する第1の領域4aの割合にほぼ対応する。
Next, in each of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the surface shape of the PLT constituting the
続いて、実施例1〜3、比較例1〜2のそれぞれにおいて、Pt層3bに対するPLTの密着性評価を行った。具体的には、JIS(Japanese Industrial Standards ) K5600−5−6に規定のクロスカット法の手順に基づき、1cm四方のPLTに縦方向および横方向に2mm間隔で切れ込みを入れて5×5個のマス目を作り、表面に接着テープを貼り付けて、指先で十分に密着するようにこすり付け、その後、接着テープを剥がしたときのPLTの表面を目視観察した(PLTがどの程度剥がれたかを目視で観察した)。そして、以下の基準に基づき、PLTの密着性を評価した。
1:PLTが剥がれたマス目がほとんどなく、密着性がかなり良好である。
2:PLTが剥がれたマス目が少なく、密着性は良好である。
3:PLTが剥がれたマス目が多く、密着性は不十分である。
Subsequently, in each of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, evaluation of adhesion of PLT to the
1: There are almost no squares from which PLT has been peeled off, and adhesion is quite good.
2: There are few squares from which PLT peeled off, and adhesiveness is favorable.
3: Many squares from which PLT was peeled off, and adhesion was insufficient.
次に、実施例1〜3、比較例1〜2のそれぞれにおいて、シード層4上に圧電薄膜5としてのPZTを形成した後、このPZTに対してXRDの2θ/θ測定を行い、PZTの結晶配向性を調べた。図6は、実施例1〜3、比較例1〜2のPZTに対するXRDの2θ/θ測定の結果を示すグラフである。ここでは、PZTに対してXRDの2θ/θ測定を行って得られるピーク強度を用いて、PZTの(100)配向度を演算し、PZTの(100)配向性を評価した。具体的には、PZTの(100)配向度をIとし、PZTの(100)配向を示すピーク強度をI(100)とし、PZTの(110)配向を示すピーク強度をI(110)とし、PZTの(111)配向を示すピーク強度をI(111)としたとき、PZTの(100)配向度Iは、
I(%)={I(100)/(I(100)+I(110)+I(111))}
×100
で求められる。PZTの(100)配向性の評価は、以下の基準に基づいて行った。
○:PZTの(100)配向度Iが、99%以上である。
×:PZTの(100)配向度Iが、99%未満である。
Next, after forming PZT as the piezoelectric
I (%) = {I (100) / (I (100) + I (110) + I (111))}
× 100
Is required. Evaluation of (100) orientation of PZT was performed based on the following criteria.
A: The (100) orientation degree I of PZT is 99% or more.
X: The (100) orientation degree I of PZT is less than 99%.
表1において、比較例1のように、PLT(100)の被覆率が100%である場合には、シード層4においてPLTの(100)配向の領域(第1の領域4a)が多いと考えられ、この結果、PZT(100)配向性が良好となっている。しかし、PLTの密着性は不十分となっている。これは、シード層4において、アモルファスの第2の領域4bが相対的に少なくなって、Pt層3bとシード層4との界面での応力を低減することができなかったためと考えられる。
In Table 1, when the coverage of PLT (100) is 100% as in Comparative Example 1, it is considered that there are many PLT (100) -oriented regions (
また、比較例2のように、PLT(100)の被覆率が0%である場合には、シード層4においてPLTの(100)配向の領域(第1の領域4a)が少なく、アモルファスの領域(第2の領域4b)が多いので、Pt層3bとシード層4との界面での応力を低減して良好な密着性を確保できるものの、第1の領域4aが少ないために、PZT(100)配向性を確保できていない。ちなみに、比較例2では、PZT(100)配向度Iは96%であった。
Further, as in Comparative Example 2, when the coverage of PLT (100) is 0%, the
これに対して、実施例1〜3では、PLT(100)の被覆率が10%以上80%以下であり、この範囲では、PLTの密着性とPZT(100)配向性との両方において良好な結果が得られていることがわかる。なお、表1より、PLT(100)の被覆率が0%(比較例2)と10%(実施例3)との間では、PZT(100)配向度Iが99%に近づくと考えられるので、PLT(100)の被覆率がそれらの間の5%であっても、PZT(100)配向性を良好にできることが推測される。また、PLT(100)の被覆率が80%(実施例1)と100%(比較例1)との間で、PLTの密着性が不十分から良好になる境界があると考えられるので、PLT(100)の被覆率がそれらの間の90%であれば、PLTの密着性を良好にできることが推測される。 On the other hand, in Examples 1 to 3, the PLT (100) coverage is 10% or more and 80% or less, and in this range, both PLT adhesion and PZT (100) orientation are good. It turns out that the result is obtained. From Table 1, it is considered that the PZT (100) orientation degree I approaches 99% when the PLT (100) coverage is between 0% (Comparative Example 2) and 10% (Example 3). It is estimated that the PZT (100) orientation can be improved even if the coverage of PLT (100) is 5% between them. Moreover, since it is considered that there is a boundary between PLT (100) coverage of 80% (Example 1) and 100% (Comparative Example 1), the adhesion of PLT is insufficient and good, so PLT If the coverage of (100) is 90% between them, it is estimated that the adhesion of PLT can be improved.
以上より、PLT(100)の被覆率が5%以上90%以下であれば、つまり、シード層4の全体に対する第1の領域4aの割合が5%以上90%以下であれば、PLTの密着性とPZTの(100)配向性とを両方とも満足させることができ、10%以上80%以下であれば、その効果を確実に得ることができると言える。
From the above, if the coverage of PLT (100) is 5% or more and 90% or less, that is, if the ratio of the
〔4.電極、シード層、圧電薄膜の材料について〕
下部電極3を構成する電極材料は、上述したPtに限定されるわけではなく、その他にも、例えばAu(金)、Ir(イリジウム)、IrO2(酸化イリジウム)、RuO2(酸化ルテニウム)、LaNiO3(ニッケル酸ランタン)、SrRuO3(ルテニウム酸ストロンチウム)等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。
[4. Electrode, seed layer, piezoelectric thin film materials)
The electrode material constituting the
シード層4を構成する材料は、上述したPLTに限定されるわけではなく、その他にも、例えばLaNiO3、SrRuO3、MgO(酸化マグネシウム)、PbTiO3(チタン酸鉛)、Pb(La,Ti)O3等の酸化物が考えられる。
The material constituting the
圧電薄膜5を構成する材料は、上述したPZTに限定されるわけではなく、その他にも、例えばPZTにLaや、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)を添加したもの、BaTiO3(チタン酸バリウム)、LiTaO3(タンタル酸リチウム)、Pb(Mg,Nb)O3、Pb(Ni,Nb)O3、PbTiO3等の酸化物やこれらの組み合わせが考えられる。
The material constituting the piezoelectric
〔5.圧電素子の応用例〕
図7は、本実施形態で作製した圧電素子10をダイヤフラム(振動板)に応用したときの構成を示す平面図であり、図8は、図7のA−A’線矢視断面図である。圧電薄膜5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。基板1において圧電薄膜5の形成領域に対応する領域は、厚さ方向の一部が断面円形で除去された凹部1aとなっており、基板1における凹部1aの上部(凹部1aの底部側)には、薄い板状の領域1bが残っている。下部電極3および上部電極6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. 7 is a plan view showing a configuration when the
制御回路から、所定の圧電薄膜5を挟む下部電極3および上部電極6に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜5のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜5の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜5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5および基板1の領域1bが上下に湾曲する。したがって、基板1の凹部1a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、例えばインクジェットヘッドに好適となる。
Only the predetermined piezoelectric
また、所定の圧電薄膜5の電荷量を下部電極3および上部電極6を介して検出することにより、圧電薄膜5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5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をセンサ(超音波センサ)として用いることもできる。さらに、圧電薄膜5が焦電効果を発揮するものであれば、圧電素子10を焦電センサ(赤外線センサ)として利用することもできる。
Further, the amount of deformation of the piezoelectric
その他、圧電薄膜5の圧電効果を利用することで、圧電素子10を周波数フィルタ(表面弾性波フィルタ)として利用することもでき、圧電薄膜5を強誘電体で構成すれば、圧電素子10を不揮発性メモリとして利用することもできる。
In addition, by using the piezoelectric effect of the piezoelectric
本実施形態では、シード層4をスパッタ法で成膜しているが、シード層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。ただし、スパッタ法では、上述したように基板1を加熱してシード層4を形成するため、Pt層3bとシード層4との界面に熱応力がかかりやすい。したがって、シード層4の一部をアモルファスで形成して、Pt層3bとシード層4との界面で発生する応力を低減し、シード層4の剥離を低減できる本発明は、シード層4をスパッタ法で成膜する場合に非常に有効となる。なお、圧電薄膜5の成膜についても、スパッタ法以外に、蒸着法、CVD法、ゾルゲル法などの手法を用いることも可能である。
In the present embodiment, the
また、シード層4をスパッタ法で形成する場合、上述したように、その下地となる下部電極3もスパッタ法で形成することが、単一のスパッタリング装置を用いて連続して形成できる点で望ましい。
Further, when the
なお、本実施形態では、シード層4の成膜条件として、成膜温度(基板温度)を適切に制御することにより、結晶化した第1の領域4aと、アモルファスの第2の領域4bとを両方含むシード層4を形成するようにしているが、成膜温度以外の成膜条件(例えば、ガス流量、スパッタ圧、ターゲットに印加するRFパワー)を適切に制御して、第1の領域4aと第2の領域4bとを含むシード層4を形成するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
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、周波数フィルタ、不揮発性メモリ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, a frequency filter, and a nonvolatile memory.
1 基板
3b Pt層(電極)
4 シード層
4a 第1の領域
4b 第2の領域
5 圧電薄膜
10 圧電素子
1
4
Claims (18)
前記シード層が、結晶化している第1の領域と、アモルファスからなる第2の領域との両方を含み、
前記圧電薄膜は、前記第1の領域上および前記第2の領域上に位置しており、
前記シード層の前記第1の領域は、前記第2の領域と前記電極との界面よりも前記圧電薄膜側に位置していることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element in which an electrode, a seed layer for controlling crystal orientation of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film are formed in this order on a substrate,
The seed layer includes both a first region that is crystallized and a second region that is amorphous ;
The piezoelectric thin film is located on the first region and the second region,
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first region of the seed layer is located closer to the piezoelectric thin film than an interface between the second region and the electrode .
前記シード層の前記第1の領域は、(100)配向のチタン酸ランタン酸鉛であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の圧電素子。 The electrode is (111) oriented platinum;
5. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first region of the seed layer is (100) -oriented lead lanthanum titanate.
前記シード層が、結晶化している第1の領域と、アモルファスからなる第2の領域との両方を含むように、成膜条件を設定して前記シード層を形成する工程と、
前記シード層の前記第1の領域上および前記第2の領域上に前記圧電薄膜を成膜する工程とを含み、
前記シード層の前記第1の領域は、前記第2の領域と前記電極との界面よりも前記圧電薄膜側に位置していることを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising forming an electrode, a seed layer for controlling crystal orientation of a piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film in this order on a substrate,
Forming the seed layer by setting film formation conditions so that the seed layer includes both a first region that is crystallized and a second region that is made of amorphous ;
Forming the piezoelectric thin film on the first region and the second region of the seed layer,
The method for manufacturing a piezoelectric element, wherein the first region of the seed layer is located closer to the piezoelectric thin film than an interface between the second region and the electrode .
前記シード層の前記第1の領域として、チタン酸ランタン酸鉛を(100)配向で形成することを特徴とする請求項8から11のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。 As the electrode, platinum is formed with (111) orientation,
12. The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 8, wherein lead lanthanum titanate is formed in a (100) orientation as the first region of the seed layer.
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