JP6346693B2 - 圧電体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
採用すると、可動部の剛性が低下するため、共振周波数が高いデバイスの駆動源として使用できない。また、振動板を具備しない積層圧電体単独の構成では、剛性が低下するため、2層の圧電体膜間に残留応力の違いが生じたり、2層の膜厚が異なったりすると、大きな初期撓みが生じてしまう。
図3及び図4は実施例に係る圧電体素子の製造プロセスを示す図である。
図6は、実施例により作製した2層の圧電体膜の積層体(図5)についてXRD(X‐ray diffraction;X線回折)にて解析した結果である。図6において、横軸は反射角2θの角度を表し、縦軸は回折強度を表している。縦軸の回折強度の単位はcps(count per second)である。図6において、符号61は1層目の第1の圧電体膜16(図1参照)のXRD測定結果を示し、図6の符号62は2層目の第2の圧電体膜26(図2参照)のXRD測定結果を示す。図6に示したように、本例で作製された第1の圧電体膜16は結晶方位の分布が(100)方位或いは(001)方位に配向しており、その上に積層して形成された第2の圧電体膜26も(100)方位或いは(001)方位に配向している結晶配向性を有する高配向度の圧電体膜である。
撓み駆動時における応力の中点(応力中性面)が中間層22(図1参照)内に存在することが好ましい。仮に、応力の中点が中間層22から外れ、第1の圧電体膜16又は第2の圧電体膜26の中に存在すると、駆動時に応力のバランスが大きく崩れ、変位特性が大きく変化する懸念がある。
圧電体材料の熱膨張係数は6〜8ppm/℃程度であり、シリコンの熱膨張係数は2.4ppm/℃程度である。本実施形態によれば、加熱や使用環境において、圧電体材料と中間層22の熱膨張係数差による応力変化の中点は、中間層22の内部に存在する。
本例の圧電体素子10について第1の圧電体膜16と第2の圧電体膜26の分極方向を調べたところ、第1の圧電体膜16の分極方向は、第1の電極14から第2の電極18に向かう方向であり、第2の圧電体膜26の分極方向は第3の電極24から第4の電極28に向かう方向であった。このデバイスを良好に駆動するためには、第1の圧電体膜16に対しては、第1の電極14を接地電位にしたときに、第2の電極18にマイナス電位を与える方向、第2の圧電体膜26に対しては第3の電極を接地電位にしたときに、第4の電極にマイナス電位を与える方向である。
実施形態に係る圧電体素子について実際にサンプルを作製し、各サンプルについて性能を評価した。図7は評価実験に用いたカンチレバー構造の断面模式図である。図7では、図示を簡略化したが、実際の積層構造は図2で説明したとおりである。図7中、図2で説明した構成と同一の要素には同一の符号を付した。
図10から把握されるように、中間層22を挟んで積層される第1の圧電体膜16と第2の圧電体膜26の厚み関係について、第2の圧電体膜の厚みが第1の圧電体膜の厚みに対して、0.5倍以上2倍以下の範囲内であることが好ましい。
図7及び図8で説明した構成において、V1=V2としてオフセット電圧のない周期波形(例えば正弦波)を印加する場合、撓み変形の振動による応力中性面の位置x(図7参照)は、次式で与えられる。
本実施形態に好適な圧電体材料としては、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(一般式P)を含むものが挙げられる。
式中、AはAサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
式中、AはAサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。
圧電体膜の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタ法の他、イオンプレーティング法、MOCVD法(有機金属気相成長法)、PLD法(パルスレーザー堆積法)など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長以外の方法(例えば、ゾルゲル法など)を用いることも考えられる。
中間層22の材料に関して、上述の説明ではSiを用いたが、他の実施例として、図1で説明した構造と同様の構造で、中間層22として、スパッタ法にて、SiにNiを加えた材料を成膜した。ただし、Niの添加量は質量比で50%未満である。Si−Niの材料の熱膨張係数は、SiとNiの組成比に応じて、Siの熱膨張係数(2.4ppm/℃)と、Niの熱膨張係数(12.8ppm/℃)の間の値となる。Siを主成分としNiが加えられた材料で構成された中間層22は、導電性を有し、第1の圧電体膜16と第2の圧電体膜26の共通電極として機能し得る。なお、Siが主成分となる範囲で、Ni以外の他の金属元素を加えることも可能であるし、複数種類の金属元素を組み合わせてSiに加えても良い。
図1では、中間層22を挟んで2層の圧電体膜(16、26)を積層した構造を例示したが、本発明の実施に際しては、第4の電極28の上にさらに圧電体膜を積層し、3層以上のさらに多数の圧電体膜を積層する形態も可能である。
第1の圧電体膜16と第2圧電体膜の一部或いは全部について正圧電効果を利用して動作するデバイスとすることができる。また、第1の圧電体膜16と第2圧電体膜の一部或いは全部について逆圧電効果を利用して動作するデバイスとすることができる。また、1つの圧電体素子10において正圧電効果を利用する部分と、逆圧電効果を利用する部分とを組み合わせることができる。
第1の圧電体膜16に印加する駆動電圧と、第2の圧電体膜26に印加する駆動電圧とのそれぞれは交流であって、互いに位相が異なる駆動波形とすることができる。
本実施形態に係る圧電体素子の具体的な利用例として、インクジェット装置、高周波スイッチ、マイクロミラー、発電デバイス、スピーカー、バイブレーター、ポンプ、超音波探触子など様々な用途のデバイスとして好適な構造にて応用することができる。
上述した実施形態によれば、次のような利点がある。
Claims (10)
- シリコン基材の上に第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記第1の電極の上に第1の圧電体膜を形成する第1の圧電体膜形成工程と、
前記第1の圧電体膜の上に金属酸化物を用いて第2の電極を形成する第2の電極形成工程と、
前記第2の電極の上に密着層を形成する密着層形成工程と、
前記密着層の上にシリコンを含む材料により0.4μm以上10μm以下の膜厚の中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層の上に第3の電極を形成する第3の電極形成工程と、
前記第3の電極の上に第2の圧電体膜を形成する第2の圧電体膜形成工程と、
前記第2の圧電体膜の上に第4の電極を形成する第4の電極形成工程と、
前記シリコン基材の一部をエッチングにより除去する除去加工工程と、
を有し、
前記第1の電極、前記第1の圧電体膜、前記第2の電極、前記中間層、前記密着層、前記第3の電極、前記第2の圧電体膜、前記第4の電極の各層がそれぞれ薄膜形成法により形成される圧電体素子の製造方法であって、
前記圧電体素子は、前記中間層が振動板となり、膜厚方向に撓み変形する撓みモードで用いられ、前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜の圧電定数d31方向の変位を利用して動作し、
前記圧電体素子は、前記撓み変形における応力中性面が前記中間層の中に存在し、
前記第1の圧電体膜の膜厚をt1、前記第2の圧電体膜の膜厚をt2、前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のヤング率をEp、前記中間層のヤング率をEvとすると、下記式により必要最低限の前記中間層の膜厚tvを算出する工程を備え、
前記中間層の膜厚tvを算出する工程において、前記t 1 及び前記t 2 の少なくとも一方の値に、前記第1の圧電体膜形成工程及び前記第2の圧電体膜形成工程の各工程の膜厚精度から想定される膜厚ばらつきを考慮した値を用いて前記膜厚tvを算出し、
前記中間層形成工程は、算出された前記膜厚tv以上の膜厚の前記中間層を形成する圧電体素子の製造方法。
- 前記密着層の材料が、遷移金属元素、若しくは遷移金属元素の酸化物、又はそれらの組み合わせである請求項1に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のそれぞれは0.3μm以上10μm以下の膜厚で構成される請求項1又は2に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜と前記第2の圧電体膜の結晶配向性が同じ方向性である請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜が(100)方位、若しくは(001)方位に配向している請求項4に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜の分極方向と前記第2の圧電体膜の分極方向とが同じ向きである請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜の残留応力と前記第2の圧電体膜の残留応力のそれぞれが絶対値で200MPa以下である請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記中間層の熱膨張係数が前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜の熱膨張係数の2倍以下である請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記第1の圧電体膜の膜厚に対して、前記第2の圧電体膜の膜厚が0.5倍以上2倍以下である請求項1から8のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記除去加工工程は、ダイアフラム構造を形成する請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
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