JPH0670258U

JPH0670258U - 圧電体素子

Info

Publication number: JPH0670258U
Application number: JP1120693U
Authority: JP
Inventors: 潤恒吉; 節夫東海林
Original assignee: セイコー電子工業株式会社
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】絶縁性の高い、したがって歩留りおよび信頼
性の高い圧電体素子を提供することを目的とする。【構成】本発明の圧電体素子は、チタン酸鉛およびジ
ルコン酸鉛を主成分とするＰＺＴ系圧電体素子であっ
て、ＰＺＴ系のペロブスカイト相からなる圧電体主層３
と、該圧電体主層を挟むように設けられ且つ前記圧電体
主層に電圧を印加するための一対の電極層２，４と、該
一対の電極層の少なくともいずれか一方と前記圧電体主
層との間に設けられたＰＺＴ系のパイロクロア相からな
る中間層５とを備えていることを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、圧電体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】

ＰＺＴ系セラミックスを分極処理することで、強誘電性、焦電性および圧電性が発現することが知られている。現在では、このように分極処理されたＰＺＴ系セラミックスは、圧電体素子として超音波洗浄器やスピーカ、アクチュエータ、圧電トランス等に広く利用されているが、いずれの場合も焼結体を加工した圧電体素子が利用されている。

【０００３】一方、圧電体の駆動電圧低減やアクチュエータの小型化・微細化という市場のニーズに応えるためには、より薄い圧電体とそれを処理（ハンドリング）することのできる微細加工技術が不可欠である。しかしながら、圧電体の加工を機械で行っている現状では、自ずと微細加工技術の限界があり、新しい製造プロセスの開発が望まれていた。

【０００４】近年、ＰＺＴ系薄膜の形成法が精力的に研究され、サブミクロン乃至数ミクロンの膜厚を有する圧電体膜を、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法などの方法で形成することができるようになった。

【０００５】さらに、半導体プロセスとの整合により、焼結体から加工したバルクでは応用することのできなかった新しい分野への応用が模索され始めている。たとえば、特開昭第４−９５７４２号公報に開示されているような圧力センサなどがこの好例である。

【０００６】図３は、従来のＰＺＴ系薄膜圧電体素子の構成を概略的に示す図である。図示の圧電体素子は、基体１と、基体１に隣接する下部電極２と、下部電極２に隣接する圧電体主層３と、圧電体主層３に隣接する上部電極４とからなる４層構造である。

【０００７】ＰＺＴ膜が通常６００°Ｃ以上の酸化性雰囲気で成膜されあるいはアニールされるため、電極材料は耐酸化性に優れた良導体である必要がある。このため、下部電極２には通常白金が使用されている。一般的なプロセスによれば、下部電極面上にＰＺＴ系のペロブスカイト相からなる圧電体主層３を直接形成し、あるいはＰＺＴの前駆体を析出した後アニールによりペロブスカイト相からなる圧電体主層３を形成し、次いで上部電極４を形成することによって、最終的に圧電体素子を構成している。すなわち、ＰＺＴ系のペロブスカイト相からなる圧電体主層３を、上部電極４および下部電極２で挟む構成となっている。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述のように圧電体主層を直接２つの電極で挟むような従来の構成を有する圧電体素子では、短絡または導通状態になっている素子が多く、歩留りや信頼性が低下するという不都合があった。

【０００９】本考案は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、絶縁性の改善された歩留りおよび信頼性の高い圧電体素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

前記課題を解決するために、本考案においては、チタン酸鉛およびジルコン酸鉛を主成分とするＰＺＴ系圧電体素子であって、ＰＺＴ系のペロブスカイト相からなる圧電体主層と、該圧電体主層を挟むように設けられ且つ前記圧電体主層に電圧を印加するための一対の電極層と、該一対の電極層の少なくともいずれか一方と前記圧電体主層との間に設けられたＰＺＴ系のパイロクロア相からなる中間層とを備えていることを特徴とする圧電体素子を提供する。

【００１１】

【作用】

本願の考案者は、圧電体主層を直接２つの電極で挟むような従来の構成の圧電体素子では短絡または導通状態になっている素子が多いという事実に鑑み、不良品の調査を行って圧電体主層のペロブスカイト相膜の欠陥および下地電極物質（白金等）の粒界拡散が原因であることを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察およびオージェ電子分光（ＡＥＳ）分析の結果から知得した。

【００１２】本考案の圧電体素子では、電極と圧電体主層との間に設けられた緻密なパイロクロア相からなる中間層が、圧電体主層中の短絡・導通経路の形成を阻止する。したがって、本考案により、絶縁性に優れた圧電体素子を提供することができる。また、中間層を形成するパイロクロア相の誘電率が圧電体主層を形成するペロブスカイト相の誘電率に近いため、中間層として単なる絶縁膜を介入させるのとは異なり、圧電特性の大幅な劣化を伴わない。

【００１３】

【実施例】

本考案の実施例を、添付図面に基づいて説明する。（実施例１）図１は、本考案の第１の実施例にかかる圧電体素子の構成を概略的に示す図である。図示の圧電体素子は、基体１と、基体１に隣接する下部電極２と、下部電極２に隣接する中間層５と、中間層５に隣接する圧電体主層３と、圧電体主層３に隣接する上部電極４とからなる５層構造である。すなわち、基体１側の下部電極２と圧電体主層３との間に中間層５が形成されている点が、図３に示す従来の構成と異なる。

【００１４】上述の構成を有する圧電体素子を形成するために、基体１として熱酸化膜（ＳｉＯｘ）を約０．１μｍ形成したシリコンウェハを用いた。基体１を洗浄した後、スパッタリング法によりＴｉを約０．２５μｍ積層し、次いでＰｔを約０．２５μｍ積層して下部電極２を形成した。

【００１５】ＰＺＴ膜は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの金属ターゲットを有する高周波多元スパッタ装置を使用して、アルゴンガスと酸素ガスを導入するリアクティブスパッタリング法により成膜した。析出相（パイロクロア相またはペロブスカイト相）は基板温度を変化させることによって制御することもできるが、本実施例では酸素分圧を変化させることによって制御した。成膜条件については装置依存性が大きく参考にならないが、以下に示すの条件で中間層５としてパイロクロア相のＰＺＴ膜を約０．２μｍ形成し、次いで以下に示すの条件で圧電体主層３としてペロブスカイト相のＰＺＴ膜を約０．８μｍ形成した。

【００１６】中間層５の形成（パイロクロア相）基体温度６１５〔°Ｃ〕ＲＦ（１３．５６Ｈｚ）Ｐｂ１００〔Ｗ〕Ｚｒ２００〔Ｗ〕Ｔｉ４００〔Ｗ〕ガス流量Ａｒ４０〔ｃｃｍ〕Ｏ₂ １０〔ｃｃｍ〕スパッタリング圧力０．１０〔Ｔｏｒｒ〕圧電体主層３の形成（ペロブスカイト相）基体温度６１５〔°Ｃ〕ＲＦ（１３．５６Ｈｚ）Ｐｂ１００〔Ｗ〕Ｚｒ２００〔Ｗ〕Ｔｉ４００〔Ｗ〕ガス流量Ａｒ４７．５〔ｃｃｍ〕Ｏ₂ ２．５〔ｃｃｍ〕スパッタリング圧力０．１０〔Ｔｏｒｒ〕上記およびの条件でそれぞれ析出した中間層５および圧電体主層３の薄膜法によるＸ線回折パターンを図４に示す。電極等のピークも若干出ているが、下側に示す中間層５ではパイロクロア相が析出し、上側に示す圧電体主層３ではテトラゴナル構造のペロブスカイト相が析出していることを、図４より確認することができる。なお、圧電体主層３としては、Ｚｒリッチ組成のトリゴナル構造のＰＺＴでもよい。最後に、Ａｕの真空蒸着法により上部電極４を形成した。

【００１７】本実施例により形成された圧電体素子の絶縁性については、上部電極４として直径１ｍｍの円形パッドを多数形成し、約１００ｋＶ／ｃｍの電界を印加して短絡または絶縁破壊（ＤＣ１０Ｖまでで）したパッドの率で比較した。結果を次表に示す。後述する従来構造の圧電体素子と比較して、本実施例の圧電体素子では絶縁性が著しく改善されていることが確認された。

【００１８】

【表１】

【００１９】（実施例２）図２は、本考案の第２の実施例にかかる圧電体素子の構成を概略的に示す図である。図示の圧電体素子は、基体１と、基体１に隣接する下部電極２と、下部電極２に隣接する第１の中間層５と、第１の中間層５に隣接する圧電体主層３と、圧電体主層３に隣接する第２の中間層６と、第２の中間層６に隣接する上部電極４とからなる６層構造である。すなわち、本実施例では、圧電体素子の絶縁耐力をさらに向上させるために、下部電極２と圧電体主層３との間および圧電体主層３と上部電極４との間に、パイロクロア相からなる第１および第２の中間層５、６を形成している。

【００２０】基本的なプロセスは、第１の実施例と同様であるが、第１の中間層５を上述のの条件で約０．１μｍ形成し、圧電体主層３をの条件で約０．８μｍ形成し、第２の中間層６をの条件で約０．１μｍ形成した。上部電極４を形成した後、第１の実施例と同様に絶縁性の評価を行った。結果を表１に示したが、第１の実施例にかかる圧電体素子よりも本実施例の圧電体素子の方がさらに絶縁性が向上することが確認された。（従来例）第１の実施例の中間層５を形成することなく、の条件で圧電体主層３のみを約１μｍ形成し、図３に示すような従来の構造の圧電体素子を形成した。絶縁性の評価結果を表１に示す。従来構造の圧電体素子では、最初から短絡状態にあるものが多く、絶縁破壊もし易いことが確認された。

【００２１】なお、第１および第２の実施例において、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）とからなる２成分系ＰＺＴについてのみ説明したが、多成分の複合ペロブスカイト系酸化物（ＰＬＺＴ、ＰＭＮなど）や複数の添加物を含有するいわゆるＰＺＴ系セラミックスと総称される圧電体材料についても、本考案により同様の作用効果を奏することは明らかである。

【００２２】また、成膜法についても、実施例で採用したスパッタ法に限定されることなく、他のいかなる適当な方法を使用しても、本考案により同様の作用効果を奏することは明らかである。すなわち、ペロブスカイト型とパイロクロア型の結晶構造を有する圧電材料において本考案の構成を適用することで、同様の作用効果が得られる。

【００２３】

【考案の効果】

以上説明したごとく、本考案の圧電体素子では、ＰＺＴ系の圧電体主層と電極との間にＰＺＴ系のパイロクロア相からなる中間層が設けられ、この中間層が圧電体主層中を構成するＰＺＴ系のペロブスカイト相の欠陥に起因して発生する短絡・導通経路の形成を抑制する。したがって、本考案により製造される圧電体素子の絶縁性が改善され、歩留りおよび信頼性が向上し且つ寿命が長くなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１の実施例にかかる圧電体素子の構
成を概略的に示す図である。

【図２】本考案の第２の実施例にかかる圧電体素子の構
成を概略的に示す図である。

【図３】従来のＰＺＴ系薄膜圧電体素子の構成を概略的
に示す図である。

【図４】第１の実施例で形成された圧電体素子の中間層
および圧電体主層の薄膜法によるＸ線回折パターンを示
す図である。

【符号の説明】

１基体２下部電極３圧電体主層４上部電極５、６中間層

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】チタン酸鉛およびジルコン酸鉛を主成分
とするＰＺＴ系圧電体素子であって、ＰＺＴ系のペロブ
スカイト相からなる圧電体主層と、該圧電体主層を挟む
ように設けられ且つ前記圧電体主層に電圧を印加するた
めの一対の電極層と、該一対の電極層の少なくともいず
れか一方と前記圧電体主層との間に設けられたＰＺＴ系
のパイロクロア相からなる中間層とを備えていることを
特徴とする圧電体素子。