WO2011077667A1 - Piezoelectric element and process for production thereof - Google Patents
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Definitions
- the piezoelectric material having the engineered domain structure described in the above document is a bulk single crystal piezoelectric material grown by the so-called Bridgman method in which the solution in the crucible is gradually solidified from the seed crystal. Not a thing. Therefore, it is difficult to use for the electromechanical transducer element of MEMS.
- the thickness of the substrate L1 varies depending on the configuration of the device to which the present piezoelectric element is applied, but may be about 300 to 500 ⁇ m, for example.
- the lower electrode L3 is formed on the oxide film L2 by, for example, a sputtering method described later. Further, for example, about 0.1 ⁇ m can be adopted as the thickness of the lower electrode L3.
- the spontaneous polarization direction of each domain DM is 90 degrees with respect to the spontaneous polarization direction of the adjacent domain, and makes an angle of 54.7 degrees with the vertical direction.
- the spontaneous polarization directions of the domains DM are alternately arranged at 90 degrees.
- the piezoelectric thin film L4 is a film strongly oriented in the [111] direction
- the cross section in the left-right direction (horizontal direction) is a structure in which domains DM made up of columnar small crystals extending vertically from the substrate L1 are gathered. It has become.
- the piezoelectric thin film L13 is etched using an etchant containing, for example, hydrofluoric acid (a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid) until a portion of the lower electrode L12 is exposed.
- an etchant containing, for example, hydrofluoric acid (a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid) until a portion of the lower electrode L12 is exposed.
- FIG. 6 is a graph showing an example of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element, wherein the vertical axis indicates the amount of strain, and the horizontal axis indicates the electric field strength applied to the electrode P1.
Abstract
Disclosed is a piezoelectric element comprising a substrate (L1), an oxide film (L2) formed on the upper surface of the substrate (L1), a lower electrode (L3) formed on the upper surface of the oxide film (L2), and a piezoelectric thin film (L4) formed on the upper surface of the lower electrode (L3). The piezoelectric thin film (L4) is composed of lead zirconate titanate which is a perovskite-type ferroelectric crystal having a [111]-oriented engineered domain structure.
Description
本発明は、ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を備える圧電素子及びその製造方法に関するものである。
The present invention relates to a piezoelectric element including a piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal and a method for manufacturing the same.
従来から、駆動素子やセンサなどの機械電気変換素子として、チタン酸ジルコンサン鉛（ＰＺＴ）等から構成される圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、及び低コスト化などの要求に応えるために、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）による機械電気変換素子が増加している。
Conventionally, piezoelectric materials made of lead zirconate titanate (PZT) or the like have been used as electromechanical transducers such as drive elements and sensors. In recent years, in order to meet the demands for downsizing, increasing the density, and reducing the cost of devices, the number of electromechanical transducers using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) using a silicon substrate is increasing.
機械電気変換素子をＭＥＭＳで構成するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。これにより、成膜及びフォトリソグラフィー等の半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、機械電気変換素子を小型化及び高密度化することができる。また、機械電気変換素子をＭＥＭＳで構成すると、大面積のウェハを用いて複数の機械電気変換素子を一括加工できるため、コストを低減することができる。更に、機械電気変換素子の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度を向上させることができる。
In order to configure the electromechanical transducer with MEMS, it is desirable to make the piezoelectric body thin. As a result, highly accurate processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and the electromechanical transducer can be miniaturized and densified. In addition, when the electromechanical conversion element is constituted by MEMS, a plurality of electromechanical conversion elements can be collectively processed using a large-area wafer, so that the cost can be reduced. Furthermore, the conversion efficiency of the electromechanical conversion element is improved, and the characteristics of the drive element and the sensitivity of the sensor can be improved.
一方、近年、ペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することで、ヒステリシスのない圧電特性を得ることができる圧電体が知られている（非特許文献１、特許文献１）。
On the other hand, in recent years, there has been known a piezoelectric body capable of obtaining piezoelectric characteristics without hysteresis by introducing an engineered domain structure into a perovskite type ferroelectric crystal (Non-patent Document 1, Patent Document 1).
図８は、ペロブスカイト型強誘電体結晶であるＰＺＴの結晶構造を示した図である。図８に示すように、ＰＺＴは、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶からなり、立方体の中心にチタン（Ｔｉ）又はジルコン（Ｚｒ）が配置され、各頂点に鉛（Ｐｂ）が配置され、各面の中心に酸素が配置されたペロブスカイト構造を有していることが分かる。
FIG. 8 is a diagram showing the crystal structure of PZT, which is a perovskite ferroelectric crystal. As shown in FIG. 8, PZT is composed of a mixed crystal of lead titanate and lead zirconate, with titanium (Ti) or zircon (Zr) placed at the center of the cube, and lead (Pb) placed at each vertex. Thus, it can be seen that each surface has a perovskite structure in which oxygen is arranged at the center.
図９は、結晶毎のエンジニアードドメイン構造を示した図である。エンジニアードドメイン構造を強誘電体単結晶中に導入するには、ある特定の結晶方位に電場を印加する必要があり、その結晶方位は結晶構造ごとに異なる。
FIG. 9 is a diagram showing an engineered domain structure for each crystal. In order to introduce an engineered domain structure into a ferroelectric single crystal, it is necessary to apply an electric field to a specific crystal orientation, and the crystal orientation differs depending on the crystal structure.
図９に示すように、菱面体晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、１つは［１００］方位であり、もう１つは［１１０］方位である。また、斜方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、一つは［１００］方位であり、もう１つは［１１１］方位である。また、正方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、１つは［１１１］方位であり、もう１つは［１１０］方位である。
As shown in FIG. 9, in the rhombohedral crystal, there are two crystal orientations into which the engineered domain structure can be introduced, one is the [100] orientation, and the other is the [110] orientation. In orthorhombic crystals, there are two crystal orientations into which the engineered domain structure can be introduced, one is the [100] orientation, and the other is the [111] orientation. In tetragonal crystals, there are two crystal orientations into which the engineered domain structure can be introduced, one is the [111] orientation, and the other is the [110] orientation.
しかしながら、上記文献に記載されたエンジニアードドメイン構造を有する圧電体は、るつぼ内の溶液を種結晶から徐々に固化するいわゆるブリッジマン法により育成されたバルク単結晶の圧電体であり、薄膜化されたものではない。そのため、ＭＥＭＳの機械電気変換素子に用いることが困難である。
However, the piezoelectric material having the engineered domain structure described in the above document is a bulk single crystal piezoelectric material grown by the so-called Bridgman method in which the solution in the crucible is gradually solidified from the seed crystal. Not a thing. Therefore, it is difficult to use for the electromechanical transducer element of MEMS.
本発明の目的は、ヒステリシスの少ない圧電特性を有し、かつ、圧電体が薄膜化された圧電素子を提供することである。
An object of the present invention is to provide a piezoelectric element having a piezoelectric characteristic with little hysteresis and having a thin piezoelectric body.
本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
A piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a substrate and a piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal formed on the upper side of the substrate, and the piezoelectric thin film has a plurality of spontaneous polarization directions different from each other. It has an engineered domain structure consisting of domains, and the spontaneous polarization direction of each domain faces the substrate side.
本発明の別の一局面による圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えている。
A method for manufacturing a piezoelectric element according to another aspect of the present invention includes a first step of generating a sputtering target using a powder of a perovskite ferroelectric crystal, and a second step of heating the substrate to a predetermined temperature. A third step of applying a negative bias voltage to the substrate, and a fourth step of applying a high frequency power to the target and forming the piezoelectric thin film made of the perovskite ferroelectric crystal on the substrate by sputtering. A fifth step of stopping the application of the high-frequency power, and a sixth step of gradually lowering the temperature of the substrate to room temperature in a state where the negative bias voltage is applied to the substrate.
以下、本発明の実施の形態による圧電素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態による圧電素子の構成図を示している。図１に示すように圧電素子は、基板Ｌ１と、基板Ｌ１の上面に形成された酸化膜Ｌ２と、酸化膜Ｌ２の上面に形成された下部電極Ｌ３と、下部電極Ｌ３の上面に形成された圧電体薄膜Ｌ４とを備えている。
Hereinafter, a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric element is formed on the upper surface of the substrate L1, the oxide film L2 formed on the upper surface of the substrate L1, the lower electrode L3 formed on the upper surface of the oxide film L2, and the lower electrode L3. And a piezoelectric thin film L4.
基板Ｌ１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板を採用することができる。酸化膜Ｌ２としては、シリコンの熱酸化膜である酸化シリコン（ＳｉＯ２）を採用することができる。下部電極Ｌ３としては、例えば白金（Ｐｔ）からなる下部電極を採用することができる。圧電体薄膜Ｌ４としては、例えば、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインＤＭからなるエンジニアードドメイン構造が導入されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を採用することができる。
As the substrate L1, for example, a silicon (Si) substrate can be employed. As the oxide film L2, silicon oxide (SiO 2 ) which is a thermal oxide film of silicon can be employed. As the lower electrode L3, for example, a lower electrode made of platinum (Pt) can be employed. As the piezoelectric thin film L4, for example, a piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal into which an engineered domain structure made up of a plurality of domains DM each having a different spontaneous polarization direction can be adopted.
ここで、基板Ｌ１の厚みとしては、本圧電素子が適用されるデバイスの構成により異なるが、例えば３００～５００μｍ程度を採用することができる。
Here, the thickness of the substrate L1 varies depending on the configuration of the device to which the present piezoelectric element is applied, but may be about 300 to 500 μm, for example.
酸化膜Ｌ２は、基板Ｌ１の保護、並びに基板Ｌ１及び下部電極Ｌ３を絶縁する目的で形成され、基板Ｌ１を例えば１５００℃程度で加熱することにより形成される。また、酸化膜Ｌ２の厚みとしては、例えば０．１μｍ程度を採用することができる。
The oxide film L2 is formed for the purpose of protecting the substrate L1 and insulating the substrate L1 and the lower electrode L3, and is formed by heating the substrate L1 at about 1500 ° C., for example. Further, as the thickness of the oxide film L2, for example, about 0.1 μm can be employed.
下部電極Ｌ３は、例えば後述するスパッタ法により酸化膜Ｌ２の上部に形成される。また、下部電極Ｌ３の厚みとしては例えば０．１μｍ程度を採用することができる。
The lower electrode L3 is formed on the oxide film L2 by, for example, a sputtering method described later. Further, for example, about 0.1 μm can be adopted as the thickness of the lower electrode L3.
圧電体薄膜Ｌ４を構成するペロブスカイト型強誘電体結晶としては、例えば正方晶のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を採用することができる。ここで、ＰＺＴにおけるジルコンとチタンとの組成比は、後述するスパッタ法のターゲットにおけるジルコンとチタンの組成とほぼ同様の組成比を持つ。そして、このジルコンとチタンとの組成比を、チタン酸ジルコン酸鉛を正方晶にすることができる所定の組成比にすることで、圧電体薄膜Ｌ４を正方晶の結晶構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛により構成することができる。なお、圧電体薄膜Ｌ４の厚みとしては、圧電素子の用途に応じて異なるが、アクチュエータとして用いる場合は例えば１～５μｍ、センサとして用いる場合は例えば１μｍ程度を採用すればよい。
As the perovskite ferroelectric crystal constituting the piezoelectric thin film L4, for example, tetragonal lead zirconate titanate (PZT) can be employed. Here, the composition ratio of zircon and titanium in PZT has almost the same composition ratio as the composition of zircon and titanium in the sputtering method target described later. And the composition ratio of this zircon and titanium is made into the predetermined composition ratio which can make lead zirconate titanate tetragonal, and thereby the piezoelectric thin film L4 has zirconate titanate having a tetragonal crystal structure. It can be composed of lead. The thickness of the piezoelectric thin film L4 varies depending on the application of the piezoelectric element, but may be 1 to 5 μm, for example, when used as an actuator, and about 1 μm, for example, when used as a sensor.
そして、後述するように、圧電体薄膜Ｌ４は、基板Ｌ１に負のバイアス電圧をかけた状態でスパッタ法により成膜されている。そのため、圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に配向したエンジニアードドメイン構造を有するように成膜されることになる。
As will be described later, the piezoelectric thin film L4 is formed by a sputtering method with a negative bias voltage applied to the substrate L1. Therefore, the piezoelectric thin film L4 is formed so as to have an engineered domain structure oriented in the [111] direction.
具体的には、圧電体薄膜Ｌ４は、基板Ｌ１から上下方向（垂直方向）に柱状に伸びた複数のドメインＤＭが左右方向（水平方向）に配列された構造を有している。
Specifically, the piezoelectric thin film L4 has a structure in which a plurality of domains DM extending in a column shape from the substrate L1 in the vertical direction (vertical direction) are arranged in the horizontal direction (horizontal direction).
図９でも述べたように、結晶構造毎にエンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は定まっており、正方晶の場合、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は［１０１］方位と［１１１］方位との２つである。本実施の形態では、エンジニアードドメイン構造の結晶方位として［１１１］方位が採用されている。これは、［１１１］方位に優先配向した白金を下部電極Ｌ３として採用し、下部電極Ｌ３の主面にスパッタ法により圧電体薄膜Ｌ４を成膜することで、［１１１］方位に優先配向したエンジニアードドメイン構造を持つ圧電体薄膜Ｌ４を容易に形成することができるからである。
As described in FIG. 9, the crystal orientation in which the engineered domain structure can be introduced is determined for each crystal structure. In the case of tetragonal crystal, the crystal orientation in which the engineered domain structure can be introduced is the [101] orientation and the [111] orientation. And two. In the present embodiment, the [111] orientation is adopted as the crystal orientation of the engineered domain structure. This is because the platinum preferentially oriented in the [111] direction is adopted as the lower electrode L3, and the piezoelectric thin film L4 is formed on the main surface of the lower electrode L3 by sputtering, so that the engine preferentially oriented in the [111] direction is formed. This is because the piezoelectric thin film L4 having an Ard domain structure can be easily formed.
本実施の形態に示す圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に優先配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有しているため、各ドメインＤＭの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかになる。
Since the piezoelectric thin film L4 shown in the present embodiment has a tetragonal engineered domain structure preferentially oriented in the [111] orientation, the spontaneous polarization direction of each domain DM is the [110] orientation, [011]. ] Direction and [101] direction.
そのため、各ドメインＤＭの自発分極方向は、隣接するドメインの自発分極方向に対して９０度となり、かつ、上下方向に対して５４．７度の角度をなす。つまり、各ドメインＤＭの自発分極方向は９０度で互い違いに配列されている。これにより、圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に強く配向した膜となり、その左右方向（水平方向）の断面は基板Ｌ１から上下方向に伸びた柱状の小さな結晶からなるドメインＤＭが集まった構造になっている。
Therefore, the spontaneous polarization direction of each domain DM is 90 degrees with respect to the spontaneous polarization direction of the adjacent domain, and makes an angle of 54.7 degrees with the vertical direction. In other words, the spontaneous polarization directions of the domains DM are alternately arranged at 90 degrees. As a result, the piezoelectric thin film L4 is a film strongly oriented in the [111] direction, and the cross section in the left-right direction (horizontal direction) is a structure in which domains DM made up of columnar small crystals extending vertically from the substrate L1 are gathered. It has become.
次に、本実施の形態による圧電素子の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法に用いられるスパッタ装置の概要を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing a piezoelectric element according to this embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of a sputtering apparatus used in the piezoelectric element manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
このスパッタ装置は高周波マグネトロンスパッタ法により圧電体薄膜Ｌ４を成膜する装置であり、ターゲット１、ターゲット皿２、マグネット３、カバー４、高周波電極５、絶縁体６、真空チャンバー７、高周波電源８、基板９、基板加熱ヒーター１０、バルブ１２，１３、及びスパッタガスを真空チャンバー７内に供給するノズル１４等を備えている。また、このスパッタ装置は、基板９にバイアス電圧を印加するための直流電源１１及びバイアス電極部１５も備えている。
This sputtering apparatus is an apparatus for forming a piezoelectric thin film L4 by a high-frequency magnetron sputtering method. The target 1, target dish 2, magnet 3, cover 4, high-frequency electrode 5, insulator 6, vacuum chamber 7, high-frequency power source 8, A substrate 9, a substrate heater 10, valves 12 and 13, and a nozzle 14 for supplying a sputtering gas into the vacuum chamber 7 are provided. The sputtering apparatus also includes a DC power supply 11 and a bias electrode unit 15 for applying a bias voltage to the substrate 9.
真空チャンバー７は、断面形状が四角形状の箱体により構成され、底壁の中央には、高周波電極５とマグネット３とが埋設されている。マグネット３は上面が真空チャンバー７の底壁の上面と連なっている。また、高周波電極５はマグネット３の下側に配設されている。真空チャンバー７の底壁であってマグネット３の上側にはターゲット皿２が載置される。
The vacuum chamber 7 is constituted by a box having a quadrangular cross section, and a high frequency electrode 5 and a magnet 3 are embedded in the center of the bottom wall. The upper surface of the magnet 3 is continuous with the upper surface of the bottom wall of the vacuum chamber 7. The high frequency electrode 5 is disposed below the magnet 3. The target dish 2 is placed on the bottom wall of the vacuum chamber 7 and above the magnet 3.
ターゲット皿２は、ターゲット１が充填され、マグネット３の上側に載置される。カバー４は、ターゲット１の表面の原子を基板９に飛翔させるべく、上側が開放されており、ターゲット皿２を取り囲むように、真空チャンバー７の底壁に立設されている。また、高周波電極５は、高周波電源８が接続され、高周波電力が印加されることで、真空チャンバー７内にマイクロ波を発生させる。高周波電源８は、一端が高周波電極５に接続され、他端が接地されている。
The target dish 2 is filled with the target 1 and placed on the upper side of the magnet 3. The cover 4 is open on the upper side so that atoms on the surface of the target 1 fly to the substrate 9, and is erected on the bottom wall of the vacuum chamber 7 so as to surround the target dish 2. The high-frequency electrode 5 is connected to a high-frequency power supply 8 and applies high-frequency power to generate microwaves in the vacuum chamber 7. The high frequency power supply 8 has one end connected to the high frequency electrode 5 and the other end grounded.
真空チャンバー７の一方の壁面には２分岐したノズル１４が設けられている。ノズル１４の一方の分岐路にはアルゴン（Ａｒ）が供給され、他方の分岐路には酸素（Ｏ２）が供給され、アルゴン及び酸素からなるスパッタガスが真空チャンバー７内に供給される。真空チャンバー７内に供給されたスパッタガスは、真空チャンバー７内に発生したマイクロ波によってブラズマ化される。また、ノズル１４のそれぞれの分岐路にはバルブ１２，１３が取り付けられ、Ａｒ及びＯ２の流量が調整される。
On one wall surface of the vacuum chamber 7, a bifurcated nozzle 14 is provided. Argon (Ar) is supplied to one branch path of the nozzle 14, oxygen (O 2 ) is supplied to the other branch path, and a sputtering gas composed of argon and oxygen is supplied into the vacuum chamber 7. The sputtering gas supplied into the vacuum chamber 7 is made into a plasma by the microwave generated in the vacuum chamber 7. Further, valves 12 and 13 are attached to the respective branch paths of the nozzle 14 to adjust the flow rates of Ar and O 2 .
真空チャンバー７の他方の側面には、排気口１６が設けられている。この排気口１６には真空チャンバー７内のガス排気するための例えばバルブ及びポンプ（図略）が接続されている。
An exhaust port 16 is provided on the other side surface of the vacuum chamber 7. For example, a valve and a pump (not shown) for exhausting gas in the vacuum chamber 7 are connected to the exhaust port 16.
真空チャンバー７の上壁には、棒状の支持部材がターゲット１に向けて設けられている。バイアス電極部１５は、この支持部材によってターゲット１と対向するように真空チャンバー７の上壁から吊されている。ここで、バイアス電極部１５は、例えば、内部に基板加熱ヒーター１０が収納された直方体形状を有する導体により構成されている。基板９は、バイアス電極部１５の下面に当接するように真空チャンバー７内に設置され、基板加熱ヒーター１０によって加熱される。
A bar-like support member is provided on the upper wall of the vacuum chamber 7 toward the target 1. The bias electrode portion 15 is suspended from the upper wall of the vacuum chamber 7 so as to face the target 1 by the support member. Here, the bias electrode part 15 is comprised by the conductor which has a rectangular parallelepiped shape by which the board | substrate heater 10 was accommodated in the inside, for example. The substrate 9 is installed in the vacuum chamber 7 so as to be in contact with the lower surface of the bias electrode portion 15 and is heated by the substrate heater 10.
直流電源１１は、一端が接地され、他端がバイアス電極部１５に接続された直流電圧回路により構成され、負のバイアス電圧を基板９に印加する。マグネット３と高周波電極５とは、絶縁体６によって真空チャンバー７から絶縁されている。
The DC power source 11 is constituted by a DC voltage circuit having one end grounded and the other end connected to the bias electrode unit 15, and applies a negative bias voltage to the substrate 9. The magnet 3 and the high frequency electrode 5 are insulated from the vacuum chamber 7 by an insulator 6.
なお、基板加熱ヒーター１０、高周波電源８、バルブ１２，１３、及び直流電源１１は制御装置（図略）と接続されている。また、真空チャンバー７には、真空チャンバー７内の温度を測定するための温度センサと、真空チャンバー７内の圧力を測定するための圧力センサとが設けられている。
The substrate heater 10, the high frequency power supply 8, the valves 12, 13 and the DC power supply 11 are connected to a control device (not shown). The vacuum chamber 7 is provided with a temperature sensor for measuring the temperature in the vacuum chamber 7 and a pressure sensor for measuring the pressure in the vacuum chamber 7.
そして、制御装置は、温度センサによる測定データに基づいて、基板加熱ヒーター１０の発熱量を調整し、真空チャンバー７内の温度調節を行う。また、制御装置は、圧力センサによる測定データに基づいて、バルブ１２，１３の開度、並びに排気口１６側に設けられた図略のバルブの開度及びポンプの稼働を制御し、真空チャンバー７内の圧力を調整する。
Then, the control device adjusts the amount of heat generated by the substrate heater 10 based on the data measured by the temperature sensor, and adjusts the temperature in the vacuum chamber 7. Further, the control device controls the opening degree of the valves 12 and 13 and the opening degree of the valve (not shown) provided on the exhaust port 16 side and the operation of the pump based on the measurement data by the pressure sensor, and the vacuum chamber 7. Adjust the pressure inside.
また、制御装置は、高周波電源８をオン、オフさせ、真空チャンバー７内にマイクロ波を発生させたり、マイクロ波の発生を停止させたりする。また、制御装置は、直流電源１１をオン、オフさせ、基板９にバイアス電圧を印加させたり、バイアス電圧の印加を停止させたりする。
Also, the control device turns on and off the high-frequency power supply 8 to generate microwaves in the vacuum chamber 7 or stop generation of microwaves. In addition, the control device turns on / off the DC power supply 11 to apply a bias voltage to the substrate 9 or stop application of the bias voltage.
図３は、図２に示すスパッタ装置を用いて本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法を示したフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing a method of manufacturing a piezoelectric element according to the embodiment of the present invention using the sputtering apparatus shown in FIG.
まず、結晶構造が正方晶になるようチタンとジルコンとの組成比が所定の組成比に調合されたＰＺＴの粉末を混合、焼成及び粉砕して、ターゲット皿２に充填して、プレス機で加圧することでターゲット１を生成し、スパッタ装置に設置する（ステップＳ１）。このとき、ターゲット１を取り囲むようにカバー４が取り付けられる。
First, PZT powder prepared so that the composition ratio of titanium and zircon is a predetermined composition ratio so as to have a tetragonal crystal structure is mixed, fired and pulverized, filled into the target dish 2, and then added by a press. The target 1 is generated by pressing and is set in the sputtering apparatus (step S1). At this time, the cover 4 is attached so as to surround the target 1.
ここで、ＰＺＴを正方晶とするためには、チタンとジルコンとの比率を、例えば、５５～７５％：４５～２５％にすればよく、好ましくは、６０：４０％にすればよい。
Here, in order to make PZT tetragonal, the ratio of titanium to zircon may be, for example, 55 to 75%: 45 to 25%, and preferably 60: 40%.
次に、基板９をバイアス電極部１５の下面に設置する（ステップＳ２）。薄膜である基板９としては、＜１００＞方位に配向したＳｉ単結晶板が用いられている。この基板９上の片面には、予め下地電極として、＜１１１＞方位に優先配向した白金が例えばスパッタ法により所定の厚さで形成されている。
Next, the substrate 9 is placed on the lower surface of the bias electrode portion 15 (step S2). As the substrate 9 which is a thin film, a Si single crystal plate oriented in the <100> direction is used. On one surface of the substrate 9, platinum preliminarily oriented in the <111> direction is formed as a base electrode in a predetermined thickness by, for example, a sputtering method.
次に、ポンプが稼働され、真空チャンバー７のガスが排気口１６から排出されて真空チャンバー７内が真空引きされる（ステップＳ３）。
Next, the pump is operated, the gas in the vacuum chamber 7 is discharged from the exhaust port 16, and the inside of the vacuum chamber 7 is evacuated (step S3).
次に、基板加熱ヒーター１０が稼働され、基板９が所定温度、例えば６００℃にまで加熱される（ステップＳ４）。
Next, the substrate heater 10 is operated, and the substrate 9 is heated to a predetermined temperature, for example, 600 ° C. (step S4).
次に、バルブ１２，１３が開けられ、ＡｒとＯ２とが所定の割合で混合されたスパッタガスがノズル１４を介して真空チャンバー７内に供給される（ステップＳ５）。このとき、制御装置は、真空チャンバー７内の真空度が所定の値を保つように、スパッタガスを真空チャンバー７内に供給する。
Next, the valves 12 and 13 are opened, and a sputtering gas in which Ar and O 2 are mixed at a predetermined ratio is supplied into the vacuum chamber 7 through the nozzle 14 (step S5). At this time, the control device supplies the sputtering gas into the vacuum chamber 7 so that the degree of vacuum in the vacuum chamber 7 maintains a predetermined value.
次に、直流電源１１がオンされ、基板９に例えば数十Ｖの負のバイアス電圧が印加される（ステップＳ６）。次に、高周波電源８がオンされ、高周波電極５に高周波電力が供給され、真空チャンバー７内にマイクロ波が発生され、スパッタガスがプラズマ化される（ステップＳ７）。
Next, the DC power supply 11 is turned on, and a negative bias voltage of, for example, several tens of volts is applied to the substrate 9 (step S6). Next, the high frequency power supply 8 is turned on, high frequency power is supplied to the high frequency electrode 5, microwaves are generated in the vacuum chamber 7, and the sputtering gas is turned into plasma (step S7).
これにより、ターゲット１の表面の原子が基板９に向けて飛翔され、基板９上に圧電体薄膜が成膜される（ステップＳ８）。
Thereby, atoms on the surface of the target 1 fly toward the substrate 9, and a piezoelectric thin film is formed on the substrate 9 (step S8).
圧電体薄膜が所望の膜厚になると、高周波電源８がオフされ、高周波電極５への高周波電力の供給が停止され、成膜が終了される（ステップＳ９）。
When the piezoelectric thin film has a desired film thickness, the high frequency power supply 8 is turned off, the supply of high frequency power to the high frequency electrode 5 is stopped, and the film formation is completed (step S9).
次に、基板９へのバイアス電圧の印加が継続された状態で、制御装置により基板加熱ヒーター１０が制御され、基板９の冷却が開始される（ステップＳ１０）。ここで、制御装置は、予め定められたシーケンスに従って、基板加熱ヒーター１０の発熱量を漸次に低下させ、基板９の温度を室温（例えば２５℃）まで漸次に低下させる。これにより、圧電体薄膜に分極処理が施され（ステップＳ１１）、［１１１］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜が成膜されることになる。
Next, in a state where the application of the bias voltage to the substrate 9 is continued, the substrate heater 10 is controlled by the control device, and the cooling of the substrate 9 is started (step S10). Here, the control device gradually decreases the heat generation amount of the substrate heater 10 according to a predetermined sequence, and gradually decreases the temperature of the substrate 9 to room temperature (for example, 25 ° C.). As a result, the piezoelectric thin film is polarized (step S11), and a piezoelectric thin film having a tetragonal engineered domain structure oriented in the [111] direction is formed.
基板９の温度が室温まで低下すると（ステップＳ１２）、制御装置により直流電源１１がオフされ（ステップＳ１３）、基板９へのバイアス電圧の印加が停止され、成膜が終了される。
When the temperature of the substrate 9 is lowered to room temperature (step S12), the DC power supply 11 is turned off by the control device (step S13), the application of the bias voltage to the substrate 9 is stopped, and the film formation is completed.
上記の製造方法では、チタンとジルコンとの組成比が正方晶となる所定の組成比に調合されたＰＺＴの粉末を用いてターゲット１が生成されている。そして、基板９に負のバイアス電圧が印加された状態で、スパッタ法によって基板９に圧電体薄膜が成膜される。そして、圧電体薄膜の厚さが所望の厚さになると、高周波電力の供給が停止され、基板９に負のバイアス電圧が印加された状態で、基板加熱ヒーター１０の発熱量が漸次に低下されて基板９が冷却される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を基板９に成膜させることができる。
In the above manufacturing method, the target 1 is generated using PZT powder prepared to a predetermined composition ratio in which the composition ratio of titanium and zircon is tetragonal. Then, a piezoelectric thin film is formed on the substrate 9 by sputtering while a negative bias voltage is applied to the substrate 9. When the thickness of the piezoelectric thin film reaches a desired thickness, the supply of high-frequency power is stopped and the amount of heat generated by the substrate heater 10 is gradually reduced while a negative bias voltage is applied to the substrate 9. Then, the substrate 9 is cooled. Therefore, a piezoelectric thin film having an engineered domain structure can be formed on the substrate 9.
次に、上記の製造方法を用いて製造された圧電素子の圧電特性について説明する。成膜したＰＺＴからなる圧電体薄膜の圧電特性を測定するため、以下のようなプロセスによりカンチレバー状の圧電素子を製造し、その変位を測定した。
Next, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element manufactured using the above manufacturing method will be described. In order to measure the piezoelectric characteristics of the formed piezoelectric thin film made of PZT, a cantilever-shaped piezoelectric element was manufactured by the following process, and the displacement was measured.
図４（Ａ）～（Ｄ）は、カンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図５（Ａ）～（Ｄ）は、図４の続きのカンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図４（Ａ）に示すように、この圧電素子では、基板Ｌ１１として上面に熱酸化膜が形成されたシリコンウエハが用いられている。そして、図４（Ａ）に示すように、まず、基板Ｌ１１の上には、Ｐｔ／Ｔｉからなる下部電極Ｌ１２が形成され、下部電極Ｌ１２の上には、ＰＺＴからなる圧電体薄膜Ｌ１３が形成される。なお、下部電極Ｌ１２においては、Ｔｉが下層に形成され、Ｔｉの上にＰｔが形成されている。
FIGS. 4A to 4D are diagrams showing a manufacturing process of a cantilever-shaped piezoelectric element. 5A to 5D are views showing a manufacturing process of the cantilever-shaped piezoelectric element continued from FIG. As shown in FIG. 4A, in this piezoelectric element, a silicon wafer having a thermal oxide film formed on the upper surface is used as the substrate L11. 4A, first, a lower electrode L12 made of Pt / Ti is formed on the substrate L11, and a piezoelectric thin film L13 made of PZT is formed on the lower electrode L12. Is done. In the lower electrode L12, Ti is formed in the lower layer, and Pt is formed on Ti.
次に、図４（Ｂ）に示すように、圧電体薄膜Ｌ１３の上にスパッタ法によりＰｔからなる上部電極Ｌ１４が形成される。このときの成膜条件は、例えば、真空チャンバー７内のマイクロ波のパワー（ＲＦパワー）が１５０Ｗ、Ａｒの流量が２０ｓｃｃｍ、真空チャンバー７内の圧力が０．２Ｐａであり、上部電極Ｌ１４は、圧電体薄膜Ｌ１３の一部が露出するようステンレス製のステンシルマスクを使って成膜されている。
Next, as shown in FIG. 4B, an upper electrode L14 made of Pt is formed on the piezoelectric thin film L13 by sputtering. The film formation conditions at this time are, for example, that the microwave power (RF power) in the vacuum chamber 7 is 150 W, the flow rate of Ar is 20 sccm, the pressure in the vacuum chamber 7 is 0.2 Pa, and the upper electrode L14 is The film is formed using a stainless steel stencil mask so that a part of the piezoelectric thin film L13 is exposed.
次に、図４（Ｃ）に示すように、上部電極Ｌ１４上のみに感光性レジストＬ１５が覆われるように、フォトリソフィーによって上部電極Ｌ１４の上に感光性レジストＬ１５が約３μｍの厚みで塗布される。このとき、後工程のエッチングに対して耐性を上げるために現像後に約９０℃のベークをおこなうことが好ましい。
Next, as shown in FIG. 4C, the photosensitive resist L15 is applied on the upper electrode L14 with a thickness of about 3 μm by photolithography so that the photosensitive resist L15 is covered only on the upper electrode L14. The At this time, it is preferable to perform baking at about 90 ° C. after development in order to increase the resistance to etching in the subsequent process.
次に、図４（Ｄ）に示すように、例えばフッ硝酸（フッ酸と硝酸との混合液）を含むエッチング液を用いて、下部電極Ｌ１２の一部が露出するまで圧電体薄膜Ｌ１３をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 4D, the piezoelectric thin film L13 is etched using an etchant containing, for example, hydrofluoric acid (a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid) until a portion of the lower electrode L12 is exposed. To do.
次に、図５（Ａ）に示すように、感光性レジストＬ１５をアルカリ系の剥離液を用いて除去する。また、図５（Ａ）に示すように、圧電素子の大きさを規定するために、例えば長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍになるようにダイシングにより圧電素子をウエハから分離する。なお、圧電素子の分離はダイシングに限定されず、ドライエッチングを採用してもよい。
Next, as shown in FIG. 5A, the photosensitive resist L15 is removed using an alkaline stripping solution. Further, as shown in FIG. 5A, in order to define the size of the piezoelectric element, the piezoelectric element is separated from the wafer by dicing so as to have a length of 15 mm and a width of 2 mm, for example. The separation of the piezoelectric elements is not limited to dicing, and dry etching may be employed.
次に、図５（Ｂ）に示すように、熱硬化性導電性ペーストからなる一対の電極Ｐ１，Ｐ１を上部電極Ｌ１４の左端近傍及び下部電極Ｌ１２の左端に形成する。次に、図５（Ｃ）に示すように、電極Ｐ１を硬化温度まで加熱させて配線ＬＮを電極Ｐ１，Ｐ１に接着する。
Next, as shown in FIG. 5B, a pair of electrodes P1, P1 made of a thermosetting conductive paste is formed near the left end of the upper electrode L14 and the left end of the lower electrode L12. Next, as shown in FIG. 5C, the electrode P1 is heated to the curing temperature to bond the wiring LN to the electrodes P1 and P1.
次に、図５（Ｄ）に示すように、ウエハから得られた圧電素子を取り出し、カンチレバーの可動長が１０ｍｍとなるように上部電極Ｌ１４の左端と基板Ｌ１１の下面の左端とを一対のクランプ材Ｃ１，Ｃ１を用いて挟持した。更に、上部電極Ｌ１４に最大０Ｖ、下部電極Ｌ１２に最小－２０Ｖの電圧を５００Ｈｚの周波数で印加し、圧電素子の右端の端部である変位観察部をレーザードップラー計により観察したところ変位は２μｍであった。
Next, as shown in FIG. 5D, the piezoelectric element obtained from the wafer is taken out, and the left end of the upper electrode L14 and the left end of the lower surface of the substrate L11 are paired with a clamp so that the movable length of the cantilever is 10 mm. It clamped using material C1, C1. Further, when a voltage of maximum 0 V is applied to the upper electrode L14 and a minimum voltage of -20 V is applied to the lower electrode L12 at a frequency of 500 Hz, the displacement observation part which is the right end of the piezoelectric element is observed with a laser Doppler meter, and the displacement is 2 μm. there were.
この変位から下記の式により圧電定数ｄ３１を算出できる。なお、圧電定数ｄ３１の詳細については、"I. Ｋａｎｎｏ ｅｔ ａｌ, Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ A １０７ (２００３) ６８-７４"に記載されている。
From this displacement, the piezoelectric constant d 31 can be calculated by the following equation. Details of the piezoelectric constant d 31 are described in “I. Kanno et al, Sensor and Actuators A 107 (2003) 68-74”.
例えば、ｈｓ＝４００μｍ、ｓｐ＝９０ＧＰａ、ｓｓ＝１８０ＧＰａ、Ｌ＝１０ｍｍとすると、圧電定数ｄ３１は、ｄ３１＝－１６０ｐｍ／Ｖが得られる。
For example, when h s = 400 μm, s p = 90 GPa, s s = 180 GPa, and L = 10 mm, the piezoelectric constant d 31 is d 31 = −160 pm / V.
図６は、上記の圧電素子の圧電特性の一例を示したグラフであり、縦軸は歪み量を示し、横軸は電極Ｐ１に印加した電界強度を示している。
FIG. 6 is a graph showing an example of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element, wherein the vertical axis indicates the amount of strain, and the horizontal axis indicates the electric field strength applied to the electrode P1.
図６に示す圧電特性は、電界強度に対してほぼ直線状に歪み量が増大しており、エンジニアードドメイン構造が導入されていない従来の圧電素子に比べてヒステリシスがほとんど見当たらない圧電特性が得られていることが分かる。
The piezoelectric characteristics shown in FIG. 6 increase in the amount of strain almost linearly with respect to the electric field strength, and the piezoelectric characteristics exhibit little hysteresis as compared with the conventional piezoelectric element in which the engineered domain structure is not introduced. You can see that
次に、本発明の実施の形態による圧電素子のダイヤフラムへの応用例について説明する。図７は、本発明の実施の形態による圧電素子の応用例であるダイヤフラムを示した図である。図７に示すようにこのダイヤフラムは、上記の製造手法を用いて基板Ｌ１、酸化膜Ｌ２、下部電極Ｌ３、圧電体薄膜Ｌ４、及び上部電極Ｌ５がこの順で積層されている。
Next, an application example of the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention to a diaphragm will be described. FIG. 7 is a diagram showing a diaphragm which is an application example of the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, in this diaphragm, the substrate L1, the oxide film L2, the lower electrode L3, the piezoelectric thin film L4, and the upper electrode L5 are laminated in this order using the above manufacturing method.
基板Ｌ１の下側の中央部分は、円柱状に除去されて除去部ＲＤとされており、基板Ｌ１の上側の中央部が薄い板状になっている。また、圧電体薄膜Ｌ４は、除去部ＲＤの半径とほぼ同じ長さの半径となるように円柱状に外形加工されている。この円柱状に外径加工された圧電体薄膜Ｌ４の上側には、Ｐｔからなる上部電極Ｌ５が例えばスパッタ法により成膜されている。
The lower central portion of the substrate L1 is removed in a columnar shape to form a removal portion RD, and the upper central portion of the substrate L1 has a thin plate shape. In addition, the piezoelectric thin film L4 is externally processed in a cylindrical shape so as to have a radius having substantially the same length as the radius of the removal portion RD. An upper electrode L5 made of Pt is formed by sputtering, for example, on the upper side of the piezoelectric thin film L4 processed to have a cylindrical outer diameter.
ここで、上部電極Ｌ５及び下部電極Ｌ３間に所定の交流電界を印加すると、圧電体薄膜Ｌ４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によりダイヤフラムが上下に湾曲する。
Here, when a predetermined AC electric field is applied between the upper electrode L5 and the lower electrode L3, the piezoelectric thin film L4 expands and contracts in the left-right direction, and the diaphragm is bent up and down by the bimetal effect.
そのため、除去部ＲＤに気体や液体を充填すると、インクジェットプリンタのプリンタヘッドやポンプなどに応用できる。例えば、除去部ＲＤ内にインクを充填し、除去部ＲＤの下部を孔の空いた蓋体で封止する。これにより、ダイヤフラムの上下の湾曲により、蓋体の孔からインクを吐出させ、ダイヤフラムをプリンタヘッドに応用することができる。
Therefore, if the removal unit RD is filled with gas or liquid, it can be applied to a printer head or a pump of an ink jet printer. For example, the removal part RD is filled with ink, and the lower part of the removal part RD is sealed with a cover having a hole. As a result, the diaphragm can be applied to the printer head by ejecting ink from the hole of the lid by the upper and lower curves of the diaphragm.
また、音波や超音波によりこのダイヤフラムを左右に振動させると、上記と反対の効果により上部電極Ｌ５及び下部電極Ｌ３間に電界を発生させ、発生させた電界の周波数や大きさ等を検出することによりこのダイヤフラムをセンサとして用いることができる。
Further, when this diaphragm is vibrated left and right by sound waves or ultrasonic waves, an electric field is generated between the upper electrode L5 and the lower electrode L3 by the opposite effect, and the frequency and magnitude of the generated electric field are detected. Thus, this diaphragm can be used as a sensor.
なお、本発明による圧電素子は下記の形態を採用してもよい。上記説明では、圧電体薄膜は、ＰＺＴにより構成されていたが、これに限定されず、ＰＺＴにＮｂ，Ｌａ，Ｍｎ等を添加したものを圧電体薄膜の材料として用いても良い。
The piezoelectric element according to the present invention may adopt the following form. In the above description, the piezoelectric thin film is made of PZT. However, the present invention is not limited to this, and a material obtained by adding Nb, La, Mn or the like to PZT may be used as the material for the piezoelectric thin film.
また，ＰＺＴの代わりにＰＭＮＴ（ニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ－ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＺＮＴ（亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛）等の鉛を含む他の材料を用いて圧電体薄膜を構成してもよい。
In addition, piezoelectric thin films using other materials containing lead such as PMNT (lead niobate titanate), PMN-PT (lead magnesium niobate titanate), PZNT (lead zinc niobate titanate) instead of PZT May be configured.
これらの材料は、いずれもＰＺＴと比較して高い圧電特性を示すことが報告されている。また、これらの材料において、結晶構造及び鉛抜け防止が必要となることはＰＺＴと同じである。
These materials have been reported to exhibit high piezoelectric properties compared to PZT. Further, in these materials, it is the same as PZT that crystal structure and prevention of lead loss are necessary.
このように、本圧電素子によれば、圧電体薄膜がエンジニアードドメイン構造を有しているため、ヒステリシスのほとんどない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。また、スパッタ法により圧電体薄膜が成膜される際に基板に負のバイアス電圧が印加されている。加えて、高周波電力の供給が停止された後、基板への負のバイアス電圧の印加が継続された状態で基板の温度が漸次に低下される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を形成することができる。
Thus, according to this piezoelectric element, since the piezoelectric thin film has an engineered domain structure, it is possible to provide a piezoelectric element having a piezoelectric characteristic with almost no hysteresis. Further, a negative bias voltage is applied to the substrate when the piezoelectric thin film is formed by sputtering. In addition, after the supply of the high frequency power is stopped, the temperature of the substrate is gradually lowered while the negative bias voltage is continuously applied to the substrate. Therefore, a piezoelectric thin film having an engineered domain structure can be formed.
なお、上記説明では、圧電体薄膜は、［１１１］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用したが、これに限定されず、［１１０］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、［１００］方位又は［１１０］方位に配向した菱面体晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、［１００］方位又は［１１１］方位に配向した斜方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよい。
In the above description, the piezoelectric thin film employs a tetragonal engineered domain structure oriented in the [111] direction, but is not limited thereto, and a tetragonal engineered domain structure oriented in the [110] direction. Or rhombohedral engineered domain structure oriented in the [100] or [110] orientation, or an oblique orientation oriented in the [100] or [111] orientation A crystal engineered domain structure may be adopted.
上記圧電素子の技術的特徴は以下のようにまとめることができる。
The technical features of the piezoelectric element can be summarized as follows.
（１）本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
(1) A piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a substrate and a piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal formed on the upper side of the substrate, and the piezoelectric thin film has a spontaneous polarization direction. It has an engineered domain structure composed of a plurality of different domains, and the spontaneous polarization direction of each domain faces the substrate side.
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向が基板側を向いているため、配向方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造の圧電体薄膜を有する圧電素子を提供することができる。そのため、圧電定数が高く、かつ、ヒステリシスの少ない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。
According to this configuration, since the spontaneous polarization direction of each domain faces the substrate side, a piezoelectric element having a piezoelectric thin film having an engineered domain structure in which the orientation direction faces the substrate side can be provided. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric element having a piezoelectric characteristic having a high piezoelectric constant and low hysteresis.
（２）また、上記圧電素子において、各ドメインの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかであることが好ましい。
(2) In the piezoelectric element, it is preferable that the spontaneous polarization direction of each domain is any one of [110] orientation, [011] orientation, and [101] orientation.
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向のベクトル和が［１１１］方向となり、下方向に強く配向した圧電体薄膜を形成することができる。
According to this configuration, the vector sum in the spontaneous polarization direction of each domain is the [111] direction, and a piezoelectric thin film that is strongly oriented downward can be formed.
（３）上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることが好ましい。
(3) In the piezoelectric element, the piezoelectric thin film is preferably made of a tetragonal perovskite ferroelectric crystal.
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶が正方晶であるため、比較的容易にペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することができる。
According to this configuration, since the perovskite ferroelectric crystal is a tetragonal crystal, an engineered domain structure can be introduced into the perovskite ferroelectric crystal relatively easily.
（４）上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、結晶方位が［１１１］方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることが好ましい。
(4) In the piezoelectric element, the piezoelectric thin film preferably has an engineered domain structure in which a crystal orientation is a [111] orientation and is perpendicular to the substrate.
この構成によれば、配向方向が［１１１］方位であり、かつ、基板と直交する方向である圧電体薄膜を備える圧電体素子を提供することができる。
According to this configuration, it is possible to provide a piezoelectric element including a piezoelectric thin film having an orientation direction of [111] orientation and a direction orthogonal to the substrate.
（５）上記圧電素子において、前記基板の上側に形成された酸化膜と、前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることが好ましい。
(5) In the piezoelectric element, an oxide film formed on the upper side of the substrate, a lower electrode formed between the oxide film and the piezoelectric thin film, and an upper electrode formed on the upper side of the piezoelectric thin film; Is preferably further provided.
この構成によれば、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することで、圧電体薄膜を配向方向に変位させ、圧電体素子を駆動させることができる。また、下部電極は酸化膜を介して基板の上側に形成されているため、下部電極を容易に形成することができる。
According to this configuration, by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric thin film can be displaced in the orientation direction, and the piezoelectric element can be driven. Further, since the lower electrode is formed on the upper side of the substrate via the oxide film, the lower electrode can be easily formed.
（６）上記圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えている。
(6) The piezoelectric element manufacturing method includes a first step of generating a sputtering target using a perovskite ferroelectric crystal powder, a second step of heating the substrate to a predetermined temperature, A third step of applying a negative bias voltage; a fourth step of applying a high-frequency power to the target; and forming a piezoelectric thin film made of the perovskite ferroelectric crystal on the substrate by a sputtering method; and the high-frequency power. And a sixth step of gradually lowering the temperature of the substrate to room temperature while the negative bias voltage is applied to the substrate.
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末がスパッタ法のターゲットとして生成され、負のバイアス電圧が印加された基板が所定温度に加熱され、ターゲットに高周波電力が印加され、スパッタ法により基板上にペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜が形成される。その後、高周波電力の印加が停止され、負のバイアス電圧が印加された状態で、基板の温度が室温まで漸次に低下される。
According to this configuration, a perovskite ferroelectric crystal powder is generated as a sputtering target, a substrate to which a negative bias voltage is applied is heated to a predetermined temperature, high-frequency power is applied to the target, and sputtering is performed. A piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal is formed on the substrate. Thereafter, the application of the high-frequency power is stopped, and the substrate temperature is gradually lowered to room temperature while a negative bias voltage is applied.
つまり、基板に負のバイアス電圧を印加した状態で、スパッタ法により基板上に圧電体薄膜が形成されているため、各ドメインの自発分極方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を備える圧電素子を製造することができる。
In other words, since a piezoelectric thin film is formed on the substrate by a sputtering method with a negative bias voltage applied to the substrate, the piezoelectric has an engineered domain structure in which the spontaneous polarization direction of each domain faces the substrate side. A piezoelectric element including a body thin film can be manufactured.
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、
前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、
各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いていることを特徴とする圧電素子。 A substrate,
A piezoelectric thin film made of a perovskite ferroelectric crystal formed on the substrate;
The piezoelectric thin film has an engineered domain structure composed of a plurality of domains each having a different spontaneous polarization direction,
A piezoelectric element, wherein the spontaneous polarization direction of each domain is directed to the substrate side. - 各ドメインの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the spontaneous polarization direction of each domain is any one of a [110] orientation, a [011] orientation, and a [101] orientation.
- 前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is made of a tetragonal perovskite ferroelectric crystal.
- 前記圧電体薄膜は、結晶方位が［１１１］方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることを特徴する請求項３記載の圧電素子。 4. The piezoelectric element according to claim 3, wherein the piezoelectric thin film has an engineered domain structure in which a crystal orientation is a [111] orientation and is orthogonal to the substrate.
- 前記基板の上側に形成された酸化膜と、
前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、
前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。 An oxide film formed on the substrate;
A lower electrode formed between the oxide film and the piezoelectric thin film;
The piezoelectric element according to claim 1, further comprising an upper electrode formed on an upper side of the piezoelectric thin film. - ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、
基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、
前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、
前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、
前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、
前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。 A first step of generating a sputtering target using a perovskite ferroelectric crystal powder;
A second step of heating the substrate to a predetermined temperature;
A third step of applying a negative bias voltage to the substrate;
A fourth step of applying a high frequency power to the target and forming a piezoelectric thin film made of the perovskite ferroelectric crystal on the substrate by a sputtering method;
A fifth step of stopping application of the high-frequency power;
And a sixth step of gradually decreasing the temperature of the substrate to room temperature in a state where the negative bias voltage is applied to the substrate.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61292312A (en) * | 1985-06-19 | 1986-12-23 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Method and apparatus for maufacturing oriented ferromagneticthin film |
| JP2004119703A (en) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Method of manufacturing piezoelectric element and method of manufacturing ink jet head |
| JP2007142261A (en) * | 2005-11-21 | 2007-06-07 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric element, piezoelectric actuator and ink-jet recording head |
| JP2009292003A (en) * | 2008-06-04 | 2009-12-17 | Seiko Epson Corp | Liquid droplet delivering head, inkjet printer, method for manufacturing liquid droplet delivering head, and method for manufacturing inkjet printer |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3542018B2 (en) * | 1999-10-13 | 2004-07-14 | セイコーエプソン株式会社 | Piezoelectric element, ink jet recording head, and method of manufacturing them |
| JP2005093133A (en) * | 2003-09-12 | 2005-04-07 | Tomoshi Wada | Ferroelectric crystal material and its manufacturing method |
| JP5300184B2 (en) * | 2006-07-18 | 2013-09-25 | キヤノン株式会社 | Piezoelectric body, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the piezoelectric element |
| JP5410686B2 (en) * | 2008-03-21 | 2014-02-05 | 富士フイルム株式会社 | Piezoelectric film manufacturing method, film forming apparatus, and piezoelectric film |
-
2010
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61292312A (en) * | 1985-06-19 | 1986-12-23 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Method and apparatus for maufacturing oriented ferromagneticthin film |
| JP2004119703A (en) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Method of manufacturing piezoelectric element and method of manufacturing ink jet head |
| JP2007142261A (en) * | 2005-11-21 | 2007-06-07 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric element, piezoelectric actuator and ink-jet recording head |
| JP2009292003A (en) * | 2008-06-04 | 2009-12-17 | Seiko Epson Corp | Liquid droplet delivering head, inkjet printer, method for manufacturing liquid droplet delivering head, and method for manufacturing inkjet printer |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SATOSHI WADA: "Enhanced Piezoelectric Properties of Lead-free Piezoelectric Materials by Domain Engineering", JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED ELECTROMAGNETICS AND MECHANICS, vol. 15, no. 4, 2007, pages 374 - 380 * |
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