JP6618168B2 - 薄膜圧電体基板、薄膜圧電体素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
圧電体膜が引っ張り応力を有し、積層膜は、上部電極膜上に積層された応力均衡化膜を更に有し、その応力均衡化膜は、下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が上部電極膜から下部電極膜に向かう方向に凸状に反る素子応力を打ち消し得る内部応力を備え、その素子応力とその内部応力との均衡が確保されるように、上部電極膜上に形成され、上部電極膜は、凹凸面側の下面から応力均衡化膜側の上面までの少なくとも一部が凹部に入り込む程度の膜厚を有し、上部電極膜の応力均衡化膜側の上面が圧電体膜の凹凸面に応じた凹凸面であり、上部電極膜の上面に応力均衡化膜が形成されている薄膜圧電体基板を特徴とする。
dv>0.02x+0.398
圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、圧電体膜の凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、その上部密着膜は、凹凸面側の下面から上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が凹部に入り込む程度の膜厚を有する薄膜圧電体基板を提供する。
dv>0.02x+0.398
圧電体膜が引っ張り応力を有し、積層膜は、上部電極膜上に積層された応力均衡化膜を更に有し、その応力均衡化膜は、下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が上部電極膜から下部電極膜に向かう方向に凸状に反る素子応力を打ち消し得る内部応力を備え、その素子応力とその内部応力との均衡が確保されるように、上部電極膜上に形成され、上部電極膜は、凹凸面側の下面から応力均衡化膜側の上面までの少なくとも一部が凹部に入り込む程度の膜厚を有し、上部電極膜の応力均衡化膜側の上面が圧電体膜の凹凸面に応じた凹凸面であり、上部電極膜の上面に応力均衡化膜が形成されている薄膜圧電体素子を提供する。
dv>0.02x+0.398
圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、圧電体膜の凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、その上部密着膜は、凹凸面側の下面から上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が凹部に入り込む程度の膜厚を有する薄膜圧電体素子を提供する。
dv>0.02x+0.398
dv>0.02x+0.398
まず、図1〜図4を参照して本発明の実施の形態に係る薄膜圧電体基板1の構造について説明する。
続いて、薄膜圧電体素子の構造について、図5〜図8を参照して説明する。ここで、図5は、後述するフレクシャ106の薄膜圧電体素子12bが固着されている部分を拡大して示した図18の5−5線断面図である。図6は、フレクシャ106に固着されている薄膜圧電体素子12bのうちの後述する圧電体膜13から応力均衡化膜14までの部分を拡大した断面図、図7は、同じく圧電体膜13を拡大した断面図、図8は図6の要部を拡大した断面図である。なお、図6、図7、図8は、図示の都合上、各膜の凹凸が強調して記載されている。
続いて、図9〜図13を参照して、薄膜圧電体基板1および薄膜圧電体素子12bの製造方法について説明する。薄膜圧電体基板1および薄膜圧電体素子12b(薄膜圧電体素子12aも同様)は次のようにして製造する。
第1の圧電体成膜条件
成膜速度は0.1〜3μm/h程度、基板温度は350〜750℃程度、ガス圧は0.01〜10Pa程度、ガス組成は、酸素分圧を1〜10%程度としたアルゴンと酸素の混合ガスとする。
第2の圧電体成膜条件
スピンコート回転数は3000〜5000rpm程度、乾燥温度は200〜300℃程度(酸素中)、プリベーク温度は400〜500℃程度(酸素中)、加圧アニールの酸素圧力と温度は、3〜10気圧程度、600〜800℃程度とする。
前述したとおり、本実施の形態では、積層膜形成工程において、複数パターンで圧電体膜13が形成されている。本願発明者は、前述の圧電体成膜条件(第1の圧電体成膜条件または第2の圧電体成膜条件)を適宜調整することによって圧電体膜13を形成し、表面に垂直な方向の面間隔が異なっている圧電体膜13を備えた薄膜圧電体基板1を合計で8枚製造した。これらの薄膜圧電体基板1では、ZrとTiの比率(原子%)がいずれも55:45となるように圧電体膜13が形成されている。なお、各薄膜圧電体基板1において、蛍光X線分光法(XRF)にしたがいZrとTiの比率比が測定されている。その結果、ZrとTiの比率が55:45であることが確認されている。
dv>0.02x+0.398
以上のように、本実施の形態に係る薄膜圧電体基板1は、0.53<x<0.70において、格子定数条件に適合しているときは、格子定数条件に適合していないときよりも抗電界(Vc−)の絶対値が大きくなる。これには、xが0.55の場合も含まれている。
まず、前述した図5とともに、図15〜図18を参照して本発明に関連するHGAの構造について説明する。ここで、図15は本発明に関連するHGA101の全体を表側からみた斜視図、図16はHGA101の要部を表側からみた斜視図である。図17はHGA101を構成するサスペンション50の要部を表側からみた斜視図である。また、図18はフレクシャ106の薄膜圧電体素子12bが固着されている部分を拡大して示した斜視図である。
次に、インクジェットヘッドについて、図20を参照して説明する。
次に、可変焦点レンズについて、図21、図22を参照して説明する。
次に、可変焦点レンズの変形例について、図23を参照して説明する。図23は、変形例に係る可変焦点レンズ451の概略の構成を示した断面図である。可変焦点レンズ451は、レンズ本体部452と、薄膜圧電体素子412,412とを有している。
次に、本発明に関連する脈波センサについて、図24を参照して説明する。図24は、本発明に関連する脈波センサ501の概略の構成を示した断面図である。脈波センサ501は、センサ本体部502と、薄膜圧電体素子512とを有している。
Claims (10)
- 下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が順に積層された積層膜が成膜用基板の表面に形成されている薄膜圧電体基板であって、
前記圧電体膜における前記上部電極膜側の上面が凸部と凹部を有する凹凸面であって、該凸部が該凹凸面の高さ方向の中心面よりも凸状に張り出す湾曲面であり、かつ該凹部が該中心面よりも凹状に窪んだ該凸部に続く湾曲面であり、
該凹凸面上に前記上部電極膜が形成され、
前記圧電体膜は、一般式Pb(Zr x ,Ti (1−x) )O 3 で表されるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記xについて、0.53<x<0.70の条件を満たし、かつ表面垂直方向の格子定数dv(単位はnm)に関する下記の格子定数条件に適合し、さらに表面垂直方向に(100)面配向することによって形成され、
前記圧電体膜が引っ張り応力を有し、
前記積層膜は、前記上部電極膜上に積層された応力均衡化膜を更に有し、該応力均衡化膜は、前記下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が前記上部電極膜から前記下部電極膜に向かう方向に凸状に反る素子応力を打ち消し得る内部応力を備え、該素子応力と該内部応力との均衡が確保されるように、前記上部電極膜上に形成され、
前記上部電極膜は、前記凹凸面側の下面から前記応力均衡化膜側の上面までの少なくとも一部が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有し、
前記上部電極膜の前記応力均衡化膜側の上面が前記圧電体膜の前記凹凸面に応じた凹凸面であり、前記上部電極膜の前記上面に前記応力均衡化膜が形成されている薄膜圧電体基板。
dv>0.02x+0.398 - 下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が順に積層された積層膜が成膜用基板の表面に形成されている薄膜圧電体基板であって、
前記圧電体膜における前記上部電極膜側の上面が凸部と凹部を有する凹凸面であって、該凸部が該凹凸面の高さ方向の中心面よりも凸状に張り出す湾曲面であり、かつ該凹部が該中心面よりも凹状に窪んだ該凸部に続く湾曲面であり、
該凹凸面上に前記上部電極膜が形成され、
前記圧電体膜は、一般式Pb(Zr x ,Ti (1−x) )O 3 で表されるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記xについて、0.53<x<0.70の条件を満たし、かつ表面垂直方向の格子定数dv(単位はnm)に関する下記の格子定数条件に適合し、さらに表面垂直方向に(100)面配向することによって形成され、
前記圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、
前記圧電体膜の前記凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、該上部密着膜は、前記凹凸面側の下面から前記上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有する薄膜圧電体基板。
dv>0.02x+0.398 - 前記圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、
前記圧電体膜の前記凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、該上部密着膜は、前記凹凸面側の下面から前記上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有する請求項1記載の薄膜圧電体基板。 - 前記圧電体膜は、抗電界が20Vよりも大きい請求項1〜3のいずれか一項記載の薄膜圧電体基板。
- 下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が順に積層され、かつ複数の素子部が形成されている積層膜が成膜用基板の表面に形成されている薄膜圧電体基板から前記成膜用基板が除去された後の各前記素子部を用いて製造されている薄膜圧電体素子であって、
前記圧電体膜における前記上部電極膜側の上面が凸部と凹部を有する凹凸面であって、該凸部が該凹凸面の高さ方向の中心面よりも凸状に張り出す湾曲面であり、かつ該凹部が該中心面よりも凹状に窪んだ該凸部に続く湾曲面であり、
該凹凸面上に前記上部電極膜が形成され、
前記圧電体膜は、一般式Pb(Zr x ,Ti (1−x) )O 3 で表されるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記xについて、0.53<x<0.70の条件を満たし、かつ表面垂直方向の格子定数dv(単位はnm)に関する下記の格子定数条件に適合し、さらに表面垂直方向に(100)面配向することによって形成され、
前記素子部が前記上部電極膜に接続されている上部端子電極と、前記下部電極膜に接続されている下部端子電極とを有し、
前記圧電体膜が引っ張り応力を有し、
前記積層膜は、前記上部電極膜上に積層された応力均衡化膜を更に有し、該応力均衡化膜は、前記下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が前記上部電極膜から前記下部電極膜に向かう方向に凸状に反る素子応力を打ち消し得る内部応力を備え、該素子応力と該内部応力との均衡が確保されるように、前記上部電極膜上に形成され、
前記上部電極膜は、前記凹凸面側の下面から前記応力均衡化膜側の上面までの少なくとも一部が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有し、
前記上部電極膜の前記応力均衡化膜側の上面が前記圧電体膜の前記凹凸面に応じた凹凸面であり、前記上部電極膜の前記上面に前記応力均衡化膜が形成されている薄膜圧電体素子。
dv>0.02x+0.398 - 下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が順に積層され、かつ複数の素子部が形成されている積層膜が成膜用基板の表面に形成されている薄膜圧電体基板から前記成膜用基板が除去された後の各前記素子部を用いて製造されている薄膜圧電体素子であって、
前記圧電体膜における前記上部電極膜側の上面が凸部と凹部を有する凹凸面であって、該凸部が該凹凸面の高さ方向の中心面よりも凸状に張り出す湾曲面であり、かつ該凹部が該中心面よりも凹状に窪んだ該凸部に続く湾曲面であり、
該凹凸面上に前記上部電極膜が形成され、
前記圧電体膜は、一般式Pb(Zr x ,Ti (1−x) )O 3 で表されるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記xについて、0.53<x<0.70の条件を満たし、かつ表面垂直方向の格子定数dv(単位はnm)に関する下記の格子定数条件に適合し、さらに表面垂直方向に(100)面配向することによって形成され、
前記素子部が前記上部電極膜に接続されている上部端子電極と、前記下部電極膜に接続されている下部端子電極とを有し、
前記圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、
前記圧電体膜の前記凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、該上部密着膜は、前記凹凸面側の下面から前記上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有する薄膜圧電体素子。
dv>0.02x+0.398 - 前記圧電体膜は、エピタキシャル成長によって形成されたエピタキシャル膜であり、かつ3μmよりも大きい膜厚を有し、さらに結晶構造が菱面体晶であり、
前記圧電体膜の前記凹凸面に形成されている上部密着膜を更に有し、該上部密着膜は、前記凹凸面側の下面から前記上部電極膜側の上面までの少なくとも半分の部分が前記凹部に入り込む程度の膜厚を有する請求項5記載の薄膜圧電体素子。 - 前記圧電体膜は、抗電界が20Vよりも大きい請求項5〜7のいずれか一項記載の薄膜圧電体素子。
- 下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜が順に積層された積層膜が複数の成膜用基板の表面に形成される積層膜形成工程と、
前記積層膜に対するエッチングを行うことによって、該積層膜に複数の素子部を形成する素子部形成工程と、
該各素子部における前記下部電極膜、前記上部電極膜にそれぞれ下部端子電極、上部端子電極を形成する電極形成工程とを有し、
前記積層膜形成工程は、前記複数の成膜用基板を対象として、X線回折法による(002)面の回折強度ピークの回折角を測定する測定工程を有し、
前記複数の成膜用基板のうち、前記測定工程によって得られた前記回折角に基づき求められた表面垂直方向の格子定数dv(単位はnm)に関する下記の格子定数条件に適合する格子定数条件適合基板を用いて薄膜圧電体素子を製造する薄膜圧電体素子の製造方法。
dv>0.02x+0.398 - 基板の表面に絶縁膜が形成されている絶縁基板を製造する絶縁基板製造工程と、
前記絶縁膜と前記上部電極膜とが対向するように、前記成膜用基板と前記絶縁基板とを積層する基板積層工程と、
該基板積層工程によって積層された積層基板のうちの前記絶縁基板または前記成膜用基板のいずれか一方を除去する基板除去工程とを更に有し、
該基板除去工程の実行後に前記素子部形成工程を実行する請求項9記載の薄膜圧電体素子の製造方法。
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