WO2005085757A1 - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an angular velocity sensor using a thin film laminated structure and a method for manufacturing the same.
- FIG. 3 is a perspective view of a conventional angular velocity sensor 101 disclosed in Japanese Patent No. 3481235.
- FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of the angular velocity sensor 101 shown in FIG.
- the substrate 4 has a tuning fork shape including a pair of arms 2a and 2b extending in the y direction shown in FIG. 3 in parallel with each other, and a connecting portion 3 connecting the arms 2a and 2b.
- the angular velocity sensor 101 includes an adhesive layer 5 provided on the arm portion 2a (2b) of the substrate 4, a lower electrode layer 6 provided on the adhesive layer 5, and a lower electrode layer.
- an upper electrode layer The adhesion layer 5, the lower electrode layer 6, the orientation control layer 7, the piezoelectric layer 8, the adhesion layer 9, and the upper electrode layer 10 form a laminate 111.
- the arm portions 2a and 2b vibrate in the X direction, which is the direction in which the arm portions 2a and 2b are arranged, by applying AC voltages having phases opposite to each other to the upper electrode layer 10.
- the substrate 4 is made of single crystal silicon (Si).
- the adhesion layer 5 contains titanium.
- the lower electrode layer 6 includes platinum (Pt) containing Ti or Ti ⁇ x.
- the orientation control layer 7 contains lanthanum magnesium-added lead titanate (PLMT).
- the piezoelectric layer 8 is made of lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) 03: PZT).
- the substrate is made of tuning-fork-shaped single-crystal silicon having a plurality of arms extending parallel to each other and a connecting part connecting one end to each of the plurality of arms.
- the angular velocity sensor includes a barrier layer containing silicon oxide provided on each of the plurality of arms of the substrate, a first adhesion layer containing titanium provided on the barrier layer, and a first adhesion layer containing titanium.
- a first electrode layer including at least one of titanium and titanium oxide and platinum provided; an alignment control layer provided on the first electrode layer; and a piezoelectric member provided on the alignment control layer.
- a second adhesion layer provided on the piezoelectric layer, and a second electrode layer provided on the second adhesion layer.
- the angular velocity sensor is small and has stable sensor characteristics.
- FIG. 1 is a perspective view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the angular velocity sensor shown in FIG. 1, taken along line 2-2.
- FIG. 3 is a perspective view of a conventional angular velocity sensor.
- FIG. 4 is a sectional view of the angular velocity sensor shown in FIG. 3 taken along line 414.
- Adhesion layer (first adhesion layer)
- FIG. 1 is a perspective view of the angular velocity sensor 1 according to the embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a thin film laminated structure of the angular velocity sensor 1 according to the embodiment.
- the substrate 4 has arms 2a and 2b extending in the y direction, and a connecting portion 3 connecting the arms 2a and 2b, and has a tuning fork shape.
- the angular velocity sensor 1 includes a barrier layer 12 provided on the arm 2a (2b) of the substrate 4, an adhesion layer 5 provided on the barrier layer 12, and a lower electrode layer 6 provided on the adhesion layer 5.
- the stacked body 11 is composed of the noise layer 12, the adhesion layer 5, the lower electrode layer 6, the orientation control layer 7, the piezoelectric layer 8, the adhesion layer 9, and the upper electrode layer 10.
- the arms 2a and 2b are arranged in a direction in which the arms 2a and 2b are arranged by applying alternating voltages of opposite phases to the drive electrode 10A of the upper electrode layer X. Vibrates in the direction.
- the substrate 4 is made of single crystal silicon (Si).
- the barrier layer 12 is made of silicon dioxide (Si ⁇ ),
- the thickness of the barrier layer 12 is 20 nm and 300 nm.
- the adhesion layer 5 on the barrier layer 12 is made of titanium (Ti).
- the lower electrode layer 6 is made of platinum (Pt) containing titanium oxide (Ti ⁇ x). Pt has high conductivity and excellent stability in a high-temperature oxidizing atmosphere.
- the thickness of the adhesion layer 5 is 50 nm or less, and the thickness of the lower electrode layer 6 is 500 nm or less.
- the orientation control layer 7 is composed of lead titanate (PbTi ⁇ ) as a basic material, and lanthanum (La) and a matrix.
- the piezoelectric layer 8 is made of lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) ⁇
- the orientation control layer 7 reduces the influence of the difference in the lattice constant between the Pt crystal forming the lower electrode layer 6 and the PZT crystal of the piezoelectric layer 8.
- the piezoelectric layer 8 is made of PZT, the piezoelectric displacement generated by the laminate 11 can be increased.
- the substrate 4 is made of Si, it is possible to form the ideal elastic arm portions 2a and 2b having a small resonance and a high resonance sharpness (Q value), which vibrate due to the piezoelectric displacement generated by the piezoelectric layer 8, and have sensitivity and the like. Thus, a small angular velocity sensor 1 having good stability of the sensor characteristics can be obtained.
- a barrier layer 12 made of a silicon oxide (Si ⁇ ) film formed between the substrate 4 and the adhesion layer 5 is formed.
- the piezoelectric layer 8 can be preferentially oriented in the crystal orientation (001) plane, so that the crystallized ratio of the piezoelectric layer 8 increases, and the crystallinity is improved by aligning the force and the crystal direction. can do.
- the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 8 is increased, and the variation of the piezoelectric constant with respect to the voltage applied to the piezoelectric layer 8 is reduced. 1 can be downsized and the sensor characteristics can be stabilized.
- each layer of the multilayer body 11 can be firmly adhered.
- the adhesion layer 5 (Ti) and the lower electrode layer 6 are metal-bonded. Therefore, separation at the interface between the layers from the substrate 4 to the lower electrode layer 6 can be suppressed, and the manufacturing yield is improved, and the reliability of the angular velocity sensor 1 is improved.
- the adhesion layer 9 between the piezoelectric layer 8 and the upper electrode layer 10 tightly adheres to the piezoelectric layer 8 and the upper electrode layer 10.
- the adhesion layer 9 is made of a material that can ensure the adhesion between the upper electrode layer 10 and the piezoelectric layer 8 and that is not diffused into the piezoelectric layer 8 or the upper electrode layer 10 and deteriorates, for example, the same titanium as the adhesion layer 5 It is made of a metal having a strong oxygen affinity such as chromium or a conductive metal oxide material.
- the thickness of the adhesion layer 9 is about 5 nm to 50 nm.
- the material and thickness of the adhesion layer 9 are not limited to those described above, as long as the adhesion between the upper electrode layer 10 and the piezoelectric layer 8 can be ensured, and the adhesive layer 9 does not diffuse into the piezoelectric layer 8 or the upper electrode layer 10 to be altered.
- the crystal direction of the piezoelectric layer 8 made of PZT is well aligned, and a large piezoelectric displacement can be obtained.
- the direction of the polarization axis is the (001) direction
- the characteristics (piezoelectric characteristics) when driving as a polarized PZT thin piezoelectric material are when the direction of the driving electric field is parallel to the polarization direction. Is the largest. In other words, it is important that the direction of the driving electric field is the (001) direction of the crystal orientation of PZT.
- the piezoelectric layer 8 In order to apply a driving electric field in the (001) direction, the piezoelectric layer 8 has a preferred orientation such that the (001) direction of the PZT and the axis perpendicular to the substrate 4 are parallel, that is, the piezoelectric layer 8 It is necessary to form a PZT layer whose surface is the (001) plane.
- the lower electrode layer 6 can be formed by a sputtering method having a high-temperature process.
- the gas used at this time is only argon gas
- Ti on the surface of the lower electrode layer 6 is not oxidized, but when a mixed gas of argon and oxygen is used, the Ti is not oxidized. Oxidizes to Ti ⁇ .
- Pt diffuses through the Ti grain boundaries
- Ti diffuses through the Pt grain boundaries (interdiffusion)
- Ti (Ti ⁇ ) dissolves the Pt grain boundaries.
- the orientation control layer 7 provided between the lower electrode layer 6 and the piezoelectric layer 8 will be described.
- the lattice constant of the crystal of a certain layer and the lattice constant of the crystal of the thin film grown thereon must match (lattice matching). Is good.
- the lattice constant represents the distance between atoms constituting a single crystal.
- the lattice constant is material-specific, and the Pt crystal and the PZT crystal have different lattice constants (the lattice constant of PZT is 0.401 nm and the lattice constant of Pt is 0.3921 nm).
- an alignment control layer 7 using a PLMT is provided.
- the orientation control layer 7 On the surface of the adhesion layer 5, Ti or Ti ⁇ is scattered in an island shape. Crystal grows. Therefore, even if the adhesion layer 5 has the (111) plane orientation, the orientation control layer 7 is easily oriented to the (001) plane. . In the case of the cubic system, the (100) plane and the (001) plane are the same. This makes it easy for the orientation control layer 7 to be oriented on the (100) plane or the (001) plane on Ti or TiO.
- the adhesion layer 5 is usually (111) -oriented.
- the plane orientation other than the (100) plane and the (001) plane for example, the (111) plane
- Orientation or amorphous.
- the (100) plane or (001) plane is not oriented, such a region exists only in the vicinity of the surface of the orientation control layer 7 on the side of the adhesion layer 5 (a range from the surface to about 20 nm). Shinare.
- the orientation control layer 7 is almost entirely (100) plane or This is a (001) plane oriented region.
- the orientation control layer 7 By forming the piezoelectric layer 8 on the orientation control layer 7 thus formed, the orientation control layer 7 causes the piezoelectric layer 8 to have a (001) plane orientation. However, in the case of the rhombohedral system, since the (100) plane and the (001) plane are the same, the (100) plane orientation of the rhombohedral system is included. With such an orientation control layer 7, a material capable of aligning the crystal orientation direction can be used for the orientation control layer 7 while using a piezoelectric material having good piezoelectric characteristics such as sensitivity for the piezoelectric layer 8. As a result, 80% or more of the region of the piezoelectric layer 8 can be oriented in the (001) plane.
- a region not oriented in the (100) plane or the (001) plane may be present not only near the surface on the side of the adhesion layer 5 but also on the surface on the side of the piezoelectric layer 8. Even in such a case, if the thickness of the orientation control layer 7 is 0.01 zm or more, most of the surface of the orientation control layer 7 on the side of the piezoelectric layer 8 is the (100) plane or the (001) plane. It becomes a plane orientation, and a region of 90% or more of the piezoelectric layer 8 can be oriented to the (001) plane.
- the orientation control layer 7 is used to orient the crystal in the (001) plane. Therefore, an oxide dielectric containing at least Pb and Ti, which contains La and has a lead content exceeding the stoichiometric composition, may be lanthanum-added lead titanate (PLT).
- PLT lanthanum-added lead titanate
- the content of La in the PLT of the orientation control layer 7 is more than 0 and 25 mol% or less, and the content of lead is more than 0 than the stoichiometric composition. If it is an excess of less than mol%, it will do.
- the material forming the orientation control layer 7 is not limited to PLMT, and may be lanthanum zirconium-containing lead titanate (PLZT) containing zirconium in PLT, or may be PLT or PLZT with at least one of magnesium and manganese added. Les ,.
- the content of zirconium in the PLZT in the orientation control layer 7 is preferably 20 mol% or less. Further, in PLT or PLZT to which at least one of magnesium and manganese of the orientation control layer 7 is added, the total addition amount of magnesium and manganese is preferably more than 0 and 10 mol% or less.
- the lower electrode layer 6 is made of platinum containing Ti or Ti ⁇ and the orientation control layer 7 provided between the lower electrode layer 6 and the piezoelectric layer 8 has a surface of (001).
- the piezoelectric layer 8 (PZT thin film), which is the) plane, can be formed. Therefore, the orientation of the crystals of the piezoelectric layer 8 can be made uniform and a large piezoelectric displacement can be obtained.
- the surface of the piezoelectric layer 8 made of PZT can be a (001) plane, and the orientation of the crystals of the piezoelectric layer 8 can be aligned to increase the sensitivity even in a small area, the angular velocity sensor 1 can be made smaller and the sensor characteristics such as sensitivity can be reduced. Can be stable. Further, the separation of the interface between the substrate 4 and the lower electrode layer 6 can be suppressed, and in particular, the adhesion between the substrate 4 and the adhesion layer 5 can be enhanced, and the reliability of the angular velocity sensor 1 can be enhanced.
- a Si substrate (a pressure chamber substrate in an ink jet head) was formed of Si ⁇ .
- a vibration layer may be provided.
- This vibrating layer was formed of Si ⁇ according to the embodiment.
- the vibration layer in the ink jet head vibrates to discharge the ink filled in the pressure chamber substrate to the outside of the pressure chamber, and requires a thickness of about 0.5 to 10 zm.
- the barrier layer 12 in the embodiment is for increasing the adhesion of each layer and for aligning the crystal orientation of the piezoelectric layer 8, and having the same thickness as the vibration layer in the inkjet.
- Characteristics as angular velocity sensor 1 Has a negative effect. Since Si and Si ⁇ have different Young's moduli, the SiO barrier layer 12 is thick
- the barrier layer 12 is formed by oxidizing the surface of the substrate 4 using single crystal silicon.
- an adhesion layer 5 made of at least titanium is formed on the barrier 12 layer by a sputtering method.
- a lower electrode layer 6 made of platinum containing at least titanium or titanium oxide is formed on the adhesion layer 5 by a sputtering method.
- an orientation control layer 7 is formed on the lower electrode layer 6 by a sputtering method.
- a piezoelectric layer 8 is formed on the orientation control layer 7 by a sputtering method.
- an adhesion layer 9 is formed on the piezoelectric layer 8 by using a sputtering method or a vacuum evaporation method.
- an upper electrode layer 10 is formed on the adhesion layer 9 by a sputtering method or a vacuum evaporation method.
- the orientation control layer 7 is made of an oxide dielectric such as PLMT containing at least Pb and Ti.
- the piezoelectric layer 8 is made of PZT having a perovskite structure.
- the laminate 11 can be manufactured more easily than the method using chemical vapor deposition.
- the single crystal silicon substrate is thermally oxidized to form the barrier layer 12 of silicon oxide.
- the barrier layer 12 is not limited to thermal oxidation, and may be formed by a sputtering method, a thermal CVD method, a plasma CVD method, a sol-gel method, or the like.
- the laminate 11 may be provided on the substrate 4 formed in a tuning fork shape. Alternatively, after the laminate 11 is provided on a single crystal silicon wafer, the wafer is formed in a tuning fork shape to form the substrate 4. You can get it.
- the angular velocity sensor according to the present invention has a small area and good piezoelectric characteristics such as sensitivity.
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Abstract
基板は、互いに平行に延びる複数のアーム部と、複数のアーム部のそれぞれに一端を連結する連結部とを有する音叉形状の単結晶シリコンよりなる。角速度センサは、その基板のそれぞれの複数のアーム部上に設けられた酸化シリコンを含むバリア層と、バリア層上に設けられたチタンを含む第１の密着層と、第１の密着層上に設けられた、チタンと酸化チタンのうちの少なくとも１つと白金とを含む第1の電極層と、第１の電極層上に設けられた配向制御層と、配向制御層上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２の密着層と、第２の密着層上に設けられた第２の電極層とを備える。その角速度センサは小型で、安定したセンサ特性を有する。
Description
明 細 書
角速度センサおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、薄膜積層構造を用いた角速度センサおよびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 図 3は特許第 3481235号公報に開示された従来の角速度センサ 101の斜視図で ある。図 4は図 3に示す角速度センサ 101の線 4-4における断面図である。基板 4は 、互いに平行に図 3に示す y方向に延びる一対のアーム部 2a, 2bと、アーム部 2a, 2 bを連結する連結部 3とを備えた音叉形状を有する。角速度センサ 101は、図 4に示 すように、基板 4のアーム部 2a (2b)上に設けられた密着層 5と、密着層 5上に設けら れた下部電極層 6と、下部電極層 6上に設けられた配向制御層 7と、配向制御層 7上 に設けられた圧電体層 8と、圧電体層 8上に設けられた密着層 9と、密着層 9上に設 けられた上部電極層 10とをさらに備える。密着層 5と下部電極層 6と配向制御層 7と 圧電体層 8と密着層 9と上部電極層 10とは積層体 111を構成する。アーム部 2a, 2b は、上部電極層 10に互いに逆相の交流電圧を印加することによりアーム部 2a、 2bの 配列されている方向である X方向に振動する。
[0003] 基板 4は単結晶シリコン（Si)からなる。密着層 5はチタンを含む。下部電極層 6は Ti または Ti〇xを含む白金 (Pt)を含む。配向制御層 7はランタンマグネシウム添加チタ ン酸鉛（PLMT)を含む。圧電体層 8はジルコニウム酸チタン酸鉛（Pb (Zr, Ti) 03 : PZT)力 なる。
[0004] 基板 4が Siで密着層 5が Tiとの組み合わせでは、 Siと Tiが積層体 111を形成すると きの高温で反応する。この反応により S^g子が下部電極層 6の Pt、配向制御層 7、圧 電体層 8の PZT内に拡散してそれぞれの層を変質させる。下部電極層 6の Pt、配向 制御層 7、もしくは圧電体層 8の PZTに Siが拡散すると、圧電体層 8である PZTの結 晶を結晶方位（001)面に優先配向させることができず、圧電体層 8の特性は劣化す る。したがって、角速度センサ 101を小さくできず、また特性を安定化できない場合が ある。
発明の開示
[0005] 基板は、互いに平行に延びる複数のアーム部と、複数のアーム部のそれぞれに一 端を連結する連結部とを有する音叉形状の単結晶シリコンよりなる。角速度センサは 、その基板のそれぞれの複数のアーム部上に設けられた酸化シリコンを含むバリア 層と、バリア層上に設けられたチタンを含む第 1の密着層と、第 1の密着層上に設け られた、チタンと酸化チタンのうちの少なくとも 1つと白金とを含む第 1の電極層と、第 1の電極層上に設けられた配向制御層と、配向制御層上に設けられた圧電体層と、 圧電体層上に設けられた第 2の密着層と、第 2の密着層上に設けられた第 2の電極 層とを備える。
[0006] その角速度センサは小型で、安定したセンサ特性を有する。
図面の簡単な説明
[0007] [図 1]図 1は本発明の実施の形態における角速度センサの斜視図である。
[図 2]図 2は図 1に示す角速度センサの線 2—2における断面図である。
[図 3]図 3は従来の角速度センサ斜視図である。
[図 4]図 4は図 3に示す角速度センサの線 4一 4における断面図である。
符号の説明
[0008] 1 角速度センサ
2a アーム部
2b アーム部
3 連結部
4
5 密着層 (第 1の密着層）
6 下部電極層（第 1の電極層)
7 配向制御層
8
9 密着層 (第 2の密着層）
10 上部電極層（第 2の電極層)
11
12 ノくリア層
発明を実施するための最良の形態
[0009] 図 1は本発明の実施の形態における角速度センサ 1の斜視図であり、図 2は、実施 の形態における角速度センサ 1の薄膜積層構造を示す模式図である。基板 4は、 y方 向に延びるアーム 2a, 2bと、アーム 2a， 2bを連結する連結部 3とを備え音叉形状を 有する。角速度センサ 1は、基板 4のアーム部 2a (2b)上に設けられたバリア層 12と、 バリア層 12上に設けられた密着層 5と、密着層 5上に設けられた下部電極層 6と、下 部電極層 6上に設けられた配向制御層 7と、配向制御層 7上に設けられた圧電体層 8 と、圧電体層 8上に設けられた密着層 9と、密着層 9上に設けられた上部電極層 10と をさらに備える。ノ^ァ層 12と密着層 5と下部電極層 6と配向制御層 7と圧電体層 8と 密着層 9と上部電極層 10とは積層体 11を構成する。積層体 11は、アーム部 2a, 2b は、上部電極層 10のうちの駆動電極 10Aに互いに逆相の交流電圧を印加すること によりアーム部 2a、 2bの配列されてレ、る方向である X方向に振動する。
[0010] 基板 4は単結晶シリコン（Si)よりなる。バリア層 12は二酸化シリコン (Si〇）よりなり、
2 基板 4を酸素中、もしくは水蒸気中で 700°C以上に加熱して熱酸化させることで容易 に形成できる。バリア層 12の厚さは 20nm 300nmである。
[0011] バリア層 12上の密着層 5はチタン (Ti)よりなる。下部電極層 6は酸化チタン (Ti〇x) を含む白金 (Pt)よりなる。 Ptは電導度が高く高温酸化雰囲気での安定性が優れて いる。密着層 5の厚さは 50nm以下であり、下部電極層 6の厚さは 500nm以下である
[0012] 配向制御層 7は、チタン酸鉛 (PbTi〇 )を基本材料として、それにランタン (La)とマ
3
グネシゥム（Mg)を添加したランタンマグネシウム添加チタン酸鉛（PLMT)よりなり、 厚さは 200nm以下である。圧電体層 8はジルコニウム酸チタン酸鉛（Pb (Zr, Ti)〇
3
： PZT)よりなり、ぺロブスカイト構造を有して厚さは lOOOnm— 4000nmである。配向 制御層 7は、下部電極層 6を構成する Ptの結晶と、圧電体層 8の PZTの結晶との格 子定数の差による影響を緩和する。
[0013] 駆動電極 10Aと下部電極層 6との間に交流電圧を印加することによって積層体 11 に圧電変位が生じ、アーム部 2a, 2bが X方向に振動する。振動時に角速度が加わる
と、圧電層 8にコリオリカによって歪む。この歪により検出電極 10Bに電荷が発生し、 電荷によりその歪みの大きさを検出できる。
[0014] 圧電体層 8は PZTによりなるので、積層体 11が発生する圧電変位を大きくできる。
基板 4は Siよりなるので、圧電体層 8が発生する圧電変位によって振動する減衰の少 ない共振先鋭度（Q値）の高い理想的な弾性体のアーム部 2a、 2bを形成でき、感度 等のセンサ特性の安定性が良好な小型の角速度センサ 1が得られる。
[0015] 基板 4と密着層 5との間に形成されたシリコン酸化（Si〇）膜からなるバリア層 12に
2
より、基板 4の Si原子が下部電極層 6の Ptおよび配向制御層 7、圧電体層 8の PZT内 に拡散し、変質させることを抑止できる。これにより、圧電体層 8を結晶方位（001)面 に優先配向させることができるので、圧電体層 8の結晶化されている割合が増加し、 力、つ結晶方向をそろえて結晶性を良くすることができる。結果として、圧電体層 8の圧 電定数を増加させ、かつ圧電層 8に印加される電圧に対する圧電定数の変動が小さ くなり、小さくても性能の高い圧電体層 8を形成でき、角速度センサ 1は小型化できセ ンサ特性の安定化を実現できる。
[0016] 実施の形態による角速度センサ 1では、積層体 11の各層間を強固に密着できる。 S iを含む基板 4と Si〇を含むバリア層 12と Tiを含む密着層 5において、 Si〇と Tiとは
2 2
Tiの強い酸素親和力により界面での結合性が高レ、。したがって、角速度センサ 1の 基板 4上に設けた積層体 11は基板 4と強固に密着する。密着層 5 (Ti)と下部電極層 6 (Tiと Ptの合金、もしくは TiOと Ptの合金）とは金属結合する。したがって、基板 4か ら下部電極層 6までの各層の界面での剥離を抑止でき、製造歩留まりが向上し角速 度センサ 1の信頼性を高める。圧電体層 8と上部電極層 10との間の密着層 9は、圧 電体層 8と上部電極層 10と相互と強固に密着する。
[0017] 密着層 9は、上部電極層 10と圧電層 8との密着性が確保でき、かつ圧電層 8や上 部電極層 10に拡散して変質させない材料、例えば、密着層 5と同じチタン、クロム等 の酸素親和力の強い金属、もしくは導電性金属酸化物系の材料よりなる。密着層 9 の厚みは 5nm— 50nm程度である。上部電極層 10と圧電層 8との密着性が確保でき 、かつ圧電層 8や上部電極層 10に拡散して変質させない限り、密着層 9の材質や厚 さは上記に限定されない。
[0018] 実施の形態の角速度センサ 1では、 PZTよりなる圧電体層 8の結晶方向がよくそろ つており、大きな圧電変位を得ることができる。正方晶系 PZTにおいては、分極軸の 方向が（001)方向であり、分極された PZT薄圧電体として駆動させる場合の特性（ 圧電特性)は、駆動電界の方向と分極方向が平行である場合がもっとも大きくなる。 つまり、駆動電界の方向が PZTの結晶方位の（001)方向であることが重要となる。 ( 001)方向に駆動電界を印加するためには、圧電体層 8は PZTの（001)方向と基板 4に直角な軸とが平行であるような優先配向を有する、すなわち、圧電体層 8表面が（ 001)面であるような PZTによる層を形成することが必要である。
[0019] Tiまたは TiOを含む Ptよりなる下部電極層 6と圧電体層 8との間に設けられた配向 制御層 7とにより、圧電体層 8の表面を (001)面にできる。下部電極層 6は高温度プ 口セスを有するスパッタ法により形成できる。その際に使用するガスがアルゴンガスの みの場合には、下部電極層 6の表面部の Tiは酸化されなレ、が、アルゴンと酸素の混 合ガスを用いた場合には、その Tiが酸化して Ti〇となる。その高温度プロセスにお いて、 Ptは Tiの結晶粒界の中を拡散し、 Tiは Ptの結晶粒界の中を拡散し (相互拡散 )、さらに Ti (Ti〇）は、 Ptの結晶粒界に沿って外部へ拡散する（外部拡散)。 Ti (Ti O )の外部拡散によりべ口ブスカイト構造の PZT薄膜の形成は促進し、圧電体層 8で ある PZT薄膜の表面が（001)面に優先配向させる。
[0020] 下部電極層 6と圧電体層 8との間に設けられた配向制御層 7について説明する。一 般に、基板 4上に薄膜を形成する際の各層の結晶成長においては、ある層の結晶の 格子定数とその上に成長する薄膜の結晶の格子定数とがー致 (格子整合)すること が良い。格子定数とは単結晶を構成する原子どうしの距離を表したものである。格子 定数は物質固有のものであり、 Ptの結晶と PZTの結晶とは格子定数が異なる（PZT の格子定数は 0. 401nm、 Ptの格子定数は 0. 3921nm)。下部電極層 6を構成する Ptの結晶と圧電体層 8を構成する PZTの結晶との格子不整合を緩和するために、 P LMTによる配向制御層 7が設けられる。
[0021] 密着層 5の表面部には Tiまたは Ti〇が島状に点在しており、配向制御層 7は、この 島状に点在する Tほたは TiOを核にしてその上側に結晶成長する。したがって、密 着層 5が（111)面配向であったとしても、配向制御層 7は (001)面に配向し易くなる
。立方晶系の場合は（100)面と（001)面とは同じである。これにより、配向制御層 7 は Tiまたは TiO上において（100)面又は（001)面に配向し易くなる。
[0022] Tiまたは TiOは密着層 5に含有されているので密着層 5の表面からは殆ど突出し ていなレ、（突出したとしてもその突出量は 2nmよりも小さくなる）。このことからも、配向 制御層 7は（100)面又は（001)面に配向し易くなる。
[0023] 密着層 5は、 Siの基板 4を用いる場合には、通常（111)面配向になっている。この ため、配向制御層 7において、密着層 5の表面部における Tiまたは Ti〇が存在しな い部分の上側領域では、（100)面及び（001)面以外の面配向（例えば（111)面配 向）またはアモルファスになる。しかし、（100)面や（001)面配向になっていなレ、この ような領域は、配向制御層 7における密着層 5側の表面近傍（当該表面から 20nm程 度までの範囲）にしか存在しなレ、。つまり、 Tiまたは TiO上の（100)面又は（001)面 配向の領域がその結晶成長に連れて広がるので、層の厚さ方向と直角な断面にお けるその領域の面積が、密着層 5からその反対側 (圧電体層 8側）に向かって大きくな る。これにより、（100)面や（001)面配向になっていない領域は小さくなつて、配向 制御層 7の厚みが 20nm程度となつた段階では配向制御層 7はほぼ全体が（ 100 )面 又は（001)面配向の領域となる。
[0024] こうして形成した配向制御層 7上に圧電体層 8を形成することにより、配向制御層 7 により圧電体層 8は（001)面配向となる。ただし、菱面体晶系の場合には、（100)面 と（001)面とは同じであるため、この菱面体晶系の（100)面配向を含む。このような 配向制御層 7により、圧電体層 8には感度等の圧電特性が良好な圧電材料を使用し つつ、配向制御層 7には結晶の配向方向のそろえることのできる材料を使用できる。 この結果、圧電体層 8の 80%以上の領域を（001)面配向にできる。
[0025] 配向制御層 7において（100)面や（001)面に配向していない領域は、密着層 5側 の表面近傍だけでなく圧電体層 8側の表面に存在していてもよい。このような場合で あっても、配向制御層 7の厚さが 0. 01 z m以上であれば、配向制御層 7の圧電体層 8側の表面の大部分は（100)面又は（001)面配向となり、圧電体層 8の 90%以上の 領域を（001)面に配向させることができる。
[0026] 実施の形態においては、配向制御層 7は結晶を（001)面に配向させるためのもの
であり、そのために少なくとも Pbと Tiとを含む酸化物誘電体であって、 Laを含み、鉛 の含有量が化学量論組成よりも過剰なランタン添加チタン酸鉛 (PLT)でよい。圧電 体層 8の結晶の配向を揃えるためには、配向制御層 7の PLTにおける Laの含有量は 0を越え 25モル％以下でよぐ鉛の含有量は化学量論組成より 0を超え 30モル％以 下過剰であればよレ、。配向制御層 7を構成する材料は、 PLMTに限らず、 PLTにジ ルコニゥムを含有したランタンジルコニウム添加チタン酸鉛（PLZT)でもよく、 PLTや PLZTにマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したものでもよレ、。配向制 御層 7での PLZTにおけるジルコニウムの含有量は 20モル％以下であることが好まし レ、。また、配向制御層 7のマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方が添加された P LTや PLZTでは、マグネシウム及びマンガンのトータルの添加量は 0を越え 10モル %以下であることが好ましい。
[0027] 以上のように、下部電極層 6に Tiまたは Ti〇を含む白金を用い、下部電極層 6と圧 電体層 8との間に設けられた配向制御層 7により、表面が（001)面である圧電体層 8 (PZT薄膜)を形成できる。したがって、圧電体層 8の結晶の配向を揃え、かつ大きな 圧電変位を得ることができる。
[0028] PZTによる圧電体層 8の表面を（001)面にでき、圧電体層 8の結晶の配向を揃える ことにより小面積でも感度を高くできるので、角速度センサ 1を小さく感度等のセンサ 特性の安定にできる。さらに、基板 4から下部電極層 6までの各層の界面剥離を抑止 し、特に、基板 4と密着層 5との密着性を高め、角速度センサ 1の信頼性を高めること ができる。
[0029] なお、インクジェットヘッドなどの角速度センサ以外の圧電体を用いた電子部品に おいて、 Si基板 (インクジェットヘッドにおいては圧力室基板）に Si〇により形成した
2
振動層が設けられることがある。この振動層とは、実施の形態による Si〇で形成した
2
バリア層 12とは用途 '作用が根本的に異なる。インクジェットヘッドにおける振動層は 圧力室基板に充填したインクを圧力室外に放出するために振動するものであり、 0. 5 一 10 z m程度の厚さを必要とする。実施の形態におけるバリア層 12は、上述のよう に、各層の密着性を高め、圧電体層 8の結晶の配向を揃えるためのものであり、イン クジェットにおける振動層と同程度の厚みを有すると、角速度センサ 1としての特性に
悪影響を与える。 Siと Si〇とはヤング率が異なるので、 SiOによるバリア層 12が厚い
2 2
とアーム部 2a, 2bのヤング率を不均一にする。この結果、アーム部 2a, 2bが振動す る際にそれぞれの振動に歪を生じる。
[0030] 次に角速度センサ 1の製造方法について説明する。
[0031] 単結晶シリコンを用いた基板 4の表面を酸化させてバリア層 12を形成する。次にバ リア 12層上に少なくともチタンからなる密着層 5をスパッタ法で形成する。そして、密 着層 5上に少なくともチタンもしくは酸化チタンを含む白金からなる下部電極層 6をス パッタ法で形成する。次に下部電極層 6上に配向制御層 7をスパッタ法で形成する。 その後配向制御層 7上に圧電体層 8をスパッタ法で形成する。次に圧電体層 8上に 密着層 9をスパッタ法もしくは真空蒸着法を用レ、て形成する。その後、密着層 9上に 上部電極層 10をスパッタ法もしくは真空蒸着法で形成する。配向制御層 7は PLMT 等の、少なくとも Pbと Tiとを含む酸化物誘電体よりなる。また、圧電体層 8はぺロブス カイト構造を有する PZTよりなる。
[0032] 上記の方法により、化学気相蒸着を用いた方法より簡便に積層体 11を製造できる 。単結晶シリコン基板を熱酸化させて酸化シリコンによるバリア層 12を形成することが 好ましい。バリア層 12は、熱酸化に限られず、スパッタ法、熱 CVD法、プラズマ CVD 法、ゾル'ゲル法等により形成してもよい。
[0033] なお、積層体 11は音叉形状に形成された基板 4上に設けてもよいし、積層体 11を 単結晶シリコンウェハ上に設けた後にそのウェハを音叉形状に形成して基板 4を得 てもよい。
産業上の利用可能性
[0034] 本発明による角速度センサは、小面積で感度等の圧電体特性がよい。
Claims
[1] 互いに平行に延びる複数のアーム部と、前記複数のアーム部のそれぞれの一端を 連結する連結部とを有する音叉形状の単結晶シリコンよりなる基板と、
前記基板のそれぞれの前記複数のアーム部上に設けられた酸化シリコンを含むバリ ァ層と、
前記バリア層上に設けられたチタンを含む第 1の密着層と、
前記第 1の密着層上に設けられた、チタンと酸化チタンのうちの少なくとも 1つと白金 とを含む第 1の電極層と、
前記第 1の電極層上に設けられた配向制御層と、
前記配向制御層上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第 2の密着層と、
前記第 2の密着層上に設けられた第 2の電極層と、
を備えた角速度センサ。
[2] 前記配向制御層は Pbと Tiとを含む酸化物誘電体よりなる、請求項 1に記載の角速度 センサ。
[3] 前記配向制御層は Laおよび Mgのうち少なくとも一つを含むチタン酸鉛からなる、請 求項 1に記載の角速度センサ。
[4] 前記圧電体層はジルコニウム酸チタン酸鉛よりなる、請求項 1に記載の角速度センサ
[5] 互いに平行に延びる複数のアーム部と、前記複数のアーム部のそれぞれの一端を 連結する連結部とを有する音叉形状となる単結晶シリコンの基板を準備するステップ と、
前記基板の前記複数のアーム部の表面をそれぞれ酸化させて酸化シリコンを含むバ リア層を形成するステップと、
前記バリア層上にチタンを含む第 1の密着層をスパッタ法で形成するステップと、 前記第 1の密着層上にチタンと酸化チタンのうちの少なくとも 1つと白金とを含む第 1 の電極層をスパッタ法で形成するステップと、
前記第 1の電極層上に配向制御層をスパッタ法で形成するステップと、
前記配向制御層上に圧電体層をスパッタ法で形成するステップと、 前記圧電体層上に第 2の密着層をスパッタ法または真空蒸着法を用いて形成するス テツプと、
前記第 2の密着層上に第 2の電極層をスパッタ法または真空蒸着法で形成するステ ップと、
を含む、角速度センサの製造方法。
[6] 前記バリア層を形成するステップは、前記基板の表面を熱酸化させるステップを含む
、請求項 5に記載の角速度センサの製造方法。
[7] 前記配向制御層は Pbと Tiとを含む酸化物誘電体よりなる、請求項 5に記載の角速度 センサの製造方法。
[8] 前記配向制御層は Laおよび Mgのうち少なくとも一つを含むチタン酸鉛よりなる、請 求項 5に記載の角速度センサの製造方法。
[9] 前記圧電体層はジルコニウム酸チタン酸鉛よりなる、請求項 5に記載の角速度センサ の製造方法。
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