JPH04188684A

JPH04188684A - 薄膜バイモルフ型圧電素子の形成方法

Info

Publication number: JPH04188684A
Application number: JP2311414A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Takayuki Yagi; 隆行八木; Yuji Kasanuki; 有二笠貫; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-07-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はアクチュエーターとして用いられるバイモルフ
型圧電素子、特に薄膜積層型のバイモルフ圧電素子の形
成方法に関するものである。

［従来の技術］従来、バイモルフ型圧電素子の作製方法とじては、圧電
体セラミクスの構成する原料粉末を混合し、焼き固めて
いた。このセラミクス素材を研磨し、電極付けし、２つ
の圧電体セラミクスをはり合わせて、分極操作していた
。

近年、薄膜化技術が進み、電極、圧電体等を蒸着法や、
スパッタリング法等により、基板上に直接形成させるこ
とができるようになった。これによりＳｉ基板上に直接
バイモルフ型圧電素子を形成することができる。さらに
これを利用し、Ｓｉマイクロマシーン技術を使って、Ｓ
ＴＭ（トンネル走査電子顕微鏡）のアクチュエーターを
形成する試みがみられるｒＴｈｏｍａｓ、Ｒ他Ｊ、Ｖａ
ｃ、Ｓｃｉ、ＴｅｃｈｎｏｆｆＡ８　（１）Ｐ３１７Ｊ
。これはＳｉ基板上に電極を形成し、圧電体として、Ｚ
ｎＯ薄膜を４′枚組み合わせた圧電バイモルフ構造をと
っている。このようにして形成したアクチュエーター上
にトンネル電流を検出する針を形成して、ＳＴＭを試作
した。この特徴としては、カンチレバーをＳｉマイクロ
マシーン技術で小さくすることにより、はりの長さを小
さくすることによって固有振動数を上げることができる
。その結果、高速度でアクチュエーターを動作させ、ト
ンネル電流を読みとることが可能となっている。

第５図は、このマイクロマシーン技術により、Ｓｔ基板
上に圧電バイモルフからなるカンチレバーを形成した例
である。第５図（ａ）は、その斜視図であり、第５図（
ｂ）は、そのカンチレバ一部の断面図である。Ｓｉ基板
５１上に２分割下電極５２ａ、５２ｂ−ＺｎＯ圧電体５
３−ＺｎＯ圧電体５４−２分割上部電極５６ａ。

５６ｂ、と積層したバイモルフ型圧電体のカンチレバー
形状を作り、その下のＳｉ基板の一部をＳｉの異方性エ
ツチングにより除去して、Ｓｉ基板の端部から片持ちで
支持されるように形成されている。尚、ＺｎＯ薄膜はス
パッタリング法により形成されている。この薄膜バイモ
ルフ型圧電体からなるカンチレバーの先端には、金属の
探針５９が取りつけられ引き出し電極６０を通してトン
ネル電流を検知する。このカンチレバーのサイズは１ｍ
ｍの長さを持っている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来例では、カンチレバーの長さが
１ｍｍと太き（、そのため、はりの共振周波数が小さい
。このためトンネル電流の読み出しが遅くなる。これは
圧電体材料として、Ｚｎ○を用いたからである。ＺｎＯ
は圧電定数が小さいためにカンチレバー自体の変位量も
小さい。今後、カンチレバ一部をマルチ化しようとする
集積化の動きには、ＺｎＯを圧電体とした場合課題が残
る。

これに対して、圧電体材料をＺｎＯに比べて圧電定数の
高いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等で構成すればこ
れらの課題は解決することができる。しかし、薄膜でＰ
ＺＴ等の圧電材料を形成することに対し、次のような欠
点があった。

■ＰＺＴ等薄膜の成長温度が高く、配線材等を含むＳｔ
プロセスには不向きである。

■成長温度が高いため、バイモルフ型電極を形成する際
に、電極−圧電体界面で反応し、ショートしてしまう。

■積層すると、ＰＺＴの配向度が下がり、その結果、圧
電特性が劣化する。

［課題を解決するための手段（及び作用）］上記課題は
、少なくとも下部電極／圧電体／中電極／圧電体／上部
電極で構成される薄膜バイモルフ型圧電素子の形成方法
において、電極をイオンビーム蒸着により形成し、圧電
体をイオンビーム蒸着と高周波プラズマ酸化処理を併用
する工程で同時に蒸着と酸化を行うことによって形成す
ることを特徴とする薄膜バイモルフ型圧電素子の形成方
法に達成される。

本発明によれば積層構成を同一工程で行うので、電極お
よび圧電体薄膜の界面での反応を極力抑えることができ
る。その結果、界面による圧電性劣化や、電気的導通等
の問題が解決される。

さらには、ＰＺＴ等のセラミクス材料の圧電体の成膜に
は、イオンビーム蒸着と、プラズマ酸化処理を含む工程
で行うことにより、成膜温度を低下させることができ、
さらには、結晶配向性の高いものが得られる。

次に好ましい実施態様を図解的に示す図面を参照して本
発明を詳細に示す。

第１図に本発明の方法に用いた蒸着装置の概略図を示す
。図中１は基板であり、２は形成した下電極／圧電体／
中電極／圧電体／上部電極の５層構造の薄膜３，４，５
．６は蒸発材料を入れたルツボ７．８，９．１０はルツ
ボから出た蒸発材料の蒸気をイオン化するためのイオン
化ユニット１１．１２，１３．１４は、イオン化ユニッ
トによりイオン化された蒸気を引きだすための加速電極
１５，１６．１７は蒸発した蒸気のイオンビームである
。１９．２０，２１．２２は蒸気を加速するための直流
電源で、基板の電位をアース電位とし、約１０ＫＶ程度
までの加速が可能である。

２４は真空容器である。２３は高周波プラズマ発生源で
酸素ガスが導入できるようになっている。

１８は酸素ガスイオンビームである。尚、基板１の温度
、ルツボ３，４，５．６の温度、イオン化ユニット７．
８，９．１０におけるイオン化電流、高周波プラズマ発
生源２３におけるガス流量、高周波パワー及び加速電圧
は、不図示の装置により、独立に制御できるようになっ
ている。真空容器２４は不図示の装置により排気するこ
とができ、真空容器内の圧力を２　Ｘ　１０−’Ｔ　ｏ
　ｒ　ｒ程度までにすることができる。さらに、イオン
ビームには独立にシャッターが設けられており、任意の
イオンビームが選べるようになっている。

本発明では、上記の装置を用いルツボ３から電極材の原
料元素を蒸発源とし、電極を形成し、ルツボ４，５．６
から独立圧電セラミックス材料の構成元素を蒸発源とし
、更に、高周波プラズマ発生源から酸素ガスイオンビー
ムを発生させ、同時に蒸着と酸化を行うことによって、
圧電体を形成することができる。このように高周波プラ
ズマとイオンビーム蒸着を併用すると低い基板温度でも
、高配向で安定な圧電セラミック材料薄膜が得られる。

本発明では、この作用を利用して、先ず、基板上に、イ
オンビーム蒸着により高配向、高密着性の下部電極を形
成し、この後、イオンビーム蒸着と高周波プラズマ発生
源から酸素イオンビームを併用して圧電体セラミックス
を形成、さらに、イオンビーム蒸着により、中電極を形
成、その後に、上記と同じ方法で圧電体セラミックスを
形成、さらに上部電極を形成して、バイモルフ型圧電素
子の５層構造を同−真空内で形成する。その後にリソグ
ラフィーによる加工から高圧電性を持つ薄膜バイモルフ
型圧電素子を形成することができる。

［実施例コに五■ユ電極材料として、ｐｔを圧電セラミックス材料として、
ＰＺＴ　（Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ−０）を材料として選んだ
。

第１図に示した装置を用いてルツボ３にＰｔ。

ルツボ４，５．６にそれぞれＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを入れ、
基板としてＳＬ基板を用い、その基板温度を４００℃に
設定した。真空容器２４の真空度を２ｘｌＣＭ’Ｔｏｒ
ｒ程度になるようにし、ルツボ４．５．６のシャッター
をとじて、ルツボ３からｐｔのイオンビームのみがでる
ように調整した。

この時のｐｔのイオン化電流を１００ｍＡ、加速電圧を
５ＫＶに設定し、下部電極を１０００人程度作製した。

このようにして作製したｐｔ電極薄膜を途中で取り出し
てＸ線回折を行ったところ、第３図のパターンを得た。

これは、１１１に高配向なｐｔ薄膜が形成されているこ
とを認めた。さらに、この１１１反射のロッキングカー
ブをとり、その標準偏差をとるとσ＝１．８°であった
。その後、下部電極を形成後、ｐｔのルツボ３のシャッ
ターを閉じ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉのルツボ４，５．６のシ
ャッターをあけ、各成分のイオン化電流を５０ｍＡ、加
速電圧を２ＫＶに設定し、高周波プラズマ源の高周波パ
ワーを３００Ｗ、加速電圧を０．３ＫＶにして、高周波
プラズマ源の酸素ガスを第１図に不図示の導入口により
１２ｍρ／ｍｉｎの割合で導入した。ルツボ４，５．６
の温度を調整し、基板上でＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝２：１：
１　（原子比）に近（なるようにした。この時の蒸発速
度は２〜３人／　ｓ　ｅ　ｃであった。このようにして
作製した電極／圧電セラミック薄膜を途中で取り出して
Ｘ線回折を行ったところ、第４図のパターンを得た。こ
れにより、良好なペロブスカイト型の強誘電体のＰＺＴ
が形成されていることを確認した。その後、同様にして
、下部電極作製と同条件で中電極のｐｔ薄膜を形成、そ
の後、ＰＺＴ薄膜を同条件で形成後、ｐｔ薄膜を同条件
で形成し、上部電極を作製し、５層からなる薄膜バイモ
ルフ型圧電素子を作製した。

このようにして作製した５層の薄膜を通常のリソグラフ
ィーと異方性エツチングにより、Ｓｉ基板３１上に下地
電極３２．圧電体３３．中電極３４、圧電体３５及び上
電極３６が積層された第２図のようなカンチレバーを形
成した。この時のカンチレバーの長さは２００μｍとし
た時、上電極と下電極に５ｖ印加した時、カンチレバー
先端の変位は５μｍであった。またこの時の共振周波数
は４０ＫＨｚであった。

夾１Ｊ糺ｌ電極材料として、ｐｔ、圧電セラミックス材料としてＰ
　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏｓを用いた。実施例１と同じ条件で、
ｐｔの下部電極を形成後、ルツボ４とルツボ３のシャッ
ターを閉じ実施例１と同じ条件で、イオン化電流、加速
電圧に設定し、酸素イオンガスを導入した。ルツボ４，
６の温度を調整し基板上でＰｂ：Ｔｉ＝１：１　（原子
比）に近くなるようにした。その後、実施例１と同様に
、５層の構成後、加工して第２図のカンチレバーを形成
した。この薄膜バイモルフ圧電素子の上電極、下電極に
５ｖ印加した時、カンチレバー先端の変位は、３μｍで
あった。またこのときの共振周波数は３０ＫＨｚであっ
た。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、イオンビーム蒸
着と高周波プラズマ源を併用した成膜方法では、圧電特
性の高い薄膜バイモルフ型圧電素子を形成することがで
きる。

その為、小さ（ても、充分変位量が大きくとれるので、
集積化等でも優位になることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いた装置の概略図、第２図は、本
発明で作製した薄膜バイモルフ型圧電素子の断面図、第３図は、ｐｔ薄膜のＸ線回折図形、第４図は、ＰＺＴ／Ｐｔ薄膜のＸ線回折図形、第５図は
、従来例のカンチレバーの概略図および断面図である。１・・・基板　　　　　　　２・・・薄膜３．４，５．
６・・・蒸発材料を入れたルツボ７．８，９．１０・・
・イオン化ユニット１１．１２，１３．１４・・・加速
電極１５．１６，１７．１８・・・イオンビーム１９．
２０，２１．２２・・・加速電源２３・・・高周波プラ
ズマ発生源２４・・・真空容器３１・・・Ｓｉ基板　　　　３２・・・下地電極３３．
３５・・・圧電体　　３４・・・中電極３６・・・上電
極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも下部電極／圧電体／中電極／圧電体／
上部電極で構成される薄膜バイモルフ型圧電素子の形成
方法において、電極をイオンビーム蒸着により形成し、
圧電体をイオンビーム蒸着と高周波プラズマ酸化処理を
併用する工程で同時に蒸着と酸化を行うことによって形
成することを特徴とする薄膜バイモルフ型圧電素子の形
成方法。