JP2006295142A

JP2006295142A - 圧電素子

Info

Publication number: JP2006295142A
Application number: JP2006068779A
Authority: JP
Inventors: Yuki Nakamura; 友騎中村; Masahiro Yasumi; 正博安見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】熱や電界等の負荷下での圧電素子の上部電極層と圧電薄膜層との間で生じる拡散等の反応を抑制し、信頼性に優れた圧電素子を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１の一面に下部電極層２、圧電薄膜層３および上部電極層５を順次積層して形成した圧電素子８において、上部電極層５と圧電薄膜層３との間に拡散防止層４を設けることにより、熱や電界等の負荷による圧電薄膜層３と上部電極層５との間で生じる拡散反応を抑制することができることから、リーク電流の発生しない特性の安定した圧電素子８を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は例えばセンサ、アクチュエータなどに用いられる圧電薄膜を用いた圧電素子に関するものである。

ペロブスカイト型構造を有する強誘電体の圧電薄膜は優れた誘電性・圧電性・焦電性を有しており、各種センサ、アクチュエータ、トランスデューサなど幅広い圧電デバイスへの応用が期待されている。

圧電体は内部に自発分極を有しており、これに外圧が加わるとそのひずみによって分極電荷に変化が生じ、電流が発生する。逆に、圧電体に電圧を印加するとそれに応じて圧電体は伸縮する。

このような圧電体を薄膜技術にて形成した圧電素子は基板の上に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層形成することにより構成することができ、この下部電極層と上部電極層との間に電圧を印加すると圧電薄膜層は伸縮し、機械的変位が得られるものである。

このような圧電薄膜による圧電素子の構造としては図７に示すようなものがある。図７は従来の圧電素子の構造を示す断面図であり、その構造はシリコン基板の上に、熱酸化もしくはＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ₂からなる振動板９を形成した後、スパッタ法もしくは蒸着法で形成された密着層（Ｔｉ）１０および下部電極層（Ｐｔ）１１、ゾルゲル法により形成された圧電薄膜層（ＰＺＴ）１２、電子ビーム蒸着法もしくはスパッタ法で形成された上部電極層１３とからなっている。

このとき、密着層（Ｔｉ）１０は振動板９と下部電極層１１との密着力を高める観点から設けられているものである。

そして、この密着層１０および下部電極層１１には、ＰＺＴを結晶化するための焼成工程において、印加される熱によって密着層１０を構成するＴｉが圧電薄膜層（ＰＺＴ）１２中に拡散することを防止するためにＰｂを含有させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−９４６８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、圧電薄膜層１２の焼成工程における圧電薄膜層１２と下部電極層１１および密着層１０との拡散のみしか考慮されておらず、焼成工程の後、特に上部電極層１３を形成した後に印加される熱や電界等の負荷に関しては考慮されていない。例えば、圧電素子を自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合、上部電極層１３を構成する原子の圧電薄膜層１２への拡散および圧電薄膜層１２を構成する原子の上部電極層１３への拡散などによって、圧電薄膜層１２に電流リークが発生するという問題点を有していた。この理由として、例えば圧電薄膜層１２にＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃（ＰＺＴ）を用いたとき、拡散反応によってＰＺＴ中の酸素原子が欠損すると、ＰＺＴ中にＰｂ過剰領域ができることによって電流のリークパスができるものと考えられる。あるいは、ＰｂリッチのＰＺＴはＰｂが結晶粒界にＰｂＯとして偏析しており、その酸素原子が拡散すると結晶粒界に残ったＰｂがリークパスになるものとも考えられる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、熱や電界等の負荷での圧電素子の上部電極層と圧電薄膜層との間で生じる拡散等の反応を抑制し、熱や電界が印加された状態においても信頼性に優れた圧電薄膜からなる圧電素子を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層して形成した圧電素子において、上部電極層と圧電薄膜層との間に拡散防止層を設けた構成とするものである。

本発明の圧電素子は熱や電界等の負荷による圧電薄膜層と上部電極層との間で生じる拡散反応を抑制することができることから、大きな負荷のかかる環境下においても安定した特性を発揮することができる圧電素子を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における圧電素子について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における圧電素子の構造を説明するための断面図、図２〜図５は本発明の実施の形態１における圧電素子の製造工程を説明するための断面図である。

図１において、本実施の形態１における圧電素子８は、シリコンなどの基板１の上にＴｉとＰｔ薄膜を積層することによって下部電極層２を形成し、その上に圧電性に優れたＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃薄膜などの圧電薄膜層３を形成している。この下部電極層２を形成する際には、基板１と下部電極層２の密着力を確保することが圧電素子の信頼性の観点から重要であり、そのために基板１と下部電極層２に対して親和性のあるＴｉなどの材料を用いて形成することが好ましく、さらに前記親和性のある材料とＡｕ、Ｐｔなどの低抵抗の金属材料を積層して形成することで密着力を確保することも効果的である。

また、圧電薄膜層３としてはＰＺＴ膜が圧電特性の観点からより好ましく、このＰＺＴ膜からなる圧電薄膜層３の結晶を（００１）に配向させることによって圧電特性をより高めることが可能である。

次に、前記圧電薄膜層３の上に拡散防止層４を形成している。この拡散防止層４は圧電薄膜層３と結晶粒径あるいは格子定数などが異なるペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体酸化物が好ましい。また、このときの拡散防止層４の厚みとしては３００〜２０００Åが好ましい。

次に、この拡散防止層４の上にＴｉとＡｕ薄膜を積層することによって上部電極層５を構成している。この上部電極層５を形成する際、上部電極層５と圧電薄膜層３の密着力を確保することが圧電素子の信頼性の観点から重要であり、そのために上部電極層５と圧電薄膜層３に対して親和性のあるＴｉなどの材料を用いて形成することが好ましく、さらに前記親和性のある材料とＡｕ、Ｐｔなどの低抵抗率の材料を積層して形成することで密着力を確保することも効果的である。このような上部電極層５と圧電薄膜層３に対して親和性のあるＴｉと同様の効果を発揮する金属としてはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属がある。

このような構成を有する圧電素子の圧電薄膜層３と拡散防止層４の結晶粒界は、その断面方向において不連続性を実現しておくことが重要であり、さらにこの拡散防止層４には圧電素子の電気特性を阻害するような材料は好ましくない。例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの誘電体酸化物は拡散防止には効果があることが分かったが、このような酸化物を拡散防止層４に用いて作製した圧電素子は十分な圧電特性を示さないことが分かった。特に圧電薄膜層３と比べて拡散防止層４の誘電率が低いと、圧電素子を駆動するために印加した電圧は圧電薄膜層３に印加されずに拡散防止層４にその大半が印加されてしまうことになる。このような電気特性への弊害を防止するために拡散防止層４の構成材料について検討した結果、ＡＢＯ₃ペロブスカイト構造を有する誘電体酸化物が好ましいことが分かった。このＡＢＯ₃ペロブスカイト構造は単位格子の８つの頂点位置にＡイオンが、体心位置にＢイオンが、面心位置にＯイオンが位置したものである。このような結晶構造を有する誘電体酸化物のｃ軸方向に電界を印加すると、ＢイオンとＯイオンが相対的に逆方向に変位し、この電荷の相対的な偏位によって分極を生じる。このＡＢＯ₃型の誘電体酸化物としてはＢａＴｉＯ₃、Ｐｂ_1-xＬａ_xＴｉＯ₃などがあり、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの誘電体酸化物に対して誘電率が比較的高い材料である。このペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物について、どの程度の誘電率が必要であるかについては圧電薄膜層３の誘電特性と拡散防止層４の誘電特性を加味するとともに圧電素子の等価回路定数に基づいて最適な回路定数になるように設計することが可能である。

圧電薄膜層３と拡散防止層４の結晶の不連続性を実現するためには圧電薄膜層３と格子定数、原子間距離の異なるペロブスカイト構造を有する誘電体酸化物を拡散防止層４に用いることが有効である。

また、スパッタ法で形成した（００１）配向したＰＺＴからなる圧電薄膜層３の上にスパッタ法とは異なる、例えばＣＶＤ法あるいはゾルゲル法などを用いて誘電体酸化物を形成することによって圧電薄膜層３と拡散防止層４との間に結晶の不連続性を有した薄膜積層構造を実現することができる。このような結晶の不連続性を持たせることによって、圧電薄膜層３の結晶粒界に上部電極層５を構成するＴｉが拡散したり、圧電薄膜層３の結晶粒界近傍の酸素原子が上部電極層５へ拡散することを防止することができるものである。

さらに、このような圧電薄膜層３にＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を形成したとき、このＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃層と拡散防止層４との結晶界面において、結晶の不連続性を実現することができる材料としては、Ｍｇ添加のＰｂ_1-xＬａ_xＴｉＯ₃、無配向のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃などの誘電体酸化物が挙げられ、このような材料を拡散防止層４として用いることで、熱や電界等の負荷下における圧電素子の上部電極層５と圧電薄膜層３との間で生じる拡散等の反応をより抑制できるとともに、電気特性の安定した圧電薄膜からなる圧電素子８を実現することができる。

その結果、このような構成を有する圧電素子８を例えば自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合、上部電極層５を構成する原子の圧電薄膜層３の結晶粒界への拡散および圧電薄膜層３を構成する原子の上部電極層５への拡散移動を抑制することができることから、圧電薄膜層３で発生するリーク電流を抑制できる圧電素子８を実現することができる。

次に、このような構成を有する圧電素子８の製造方法について図面を用いて説明する。

まず、図２に示すように厚みが５００μｍのシリコンからなる基板１の上に、基板１とその上に形成する圧電薄膜層３と親和性を有する材料としてＴｉを１００〜２００Åの厚みで形成し、その上にＰｔを４０００〜５０００Åの厚みで積層することによって下部電極層２を形成する。この下部電極層２を形成する方法としてはＤＣまたはＲＦマグネトロンスパッタリング等の方法が代表的である。

次に、図３に示すようにＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃をスパッタリング等の方法により２〜３μｍの厚みで圧電薄膜層３として形成する。（００１）に配向したＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃は高い圧電性を有することから、電気特性に優れた圧電素子８を実現することができる。

次に、図４に示すように、Ｍｇ添加のＰｂ_1-xＬａ_xＴｉＯ₃膜を３００〜２０００Åの厚みで拡散防止層４として圧電薄膜層３の上に形成する。この拡散防止層４に用いることができる材料としては圧電薄膜層３の結晶粒を核生成サイトとすることなく形成することができるペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物であることが好ましい。さらに、拡散防止層４の誘電体酸化物の結晶は圧電薄膜層３の結晶とは異なる位置もしくは異なる結晶サイズで成長させておくことが重要であり、その断面方向において不連続となるように形成している。

また、この拡散防止層４を無配向のペロブスカイト型の誘電体酸化物とした場合、その結晶は配向した圧電薄膜層３の結晶とは異なることから、拡散防止層４と圧電薄膜層３の結晶粒界はその断面方向において不連続とすることができる。圧電薄膜層３を配向したＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃として形成したとき、拡散防止層４を無配向性結晶構造のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を形成することが圧電特性、親和性の観点からより好ましい。このような構成を有する積層膜は薄膜形成プロセスを異ならせることによって実現することができる。

例えば、配向性を有するＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃膜をスパッタ法で形成し、その上にＣＶＤ法あるいはゾルゲル法で無配向のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃膜を形成することによって作製することができる。

次に、図５に示すように上部電極層５として、例えば下地にＣｒやＴｉ等、酸化物と親和性を有する金属を５０〜２００Åの厚みで薄く形成し、その後Ａｕ等をスパッタリング、真空蒸着法の方法により２０００〜４０００Åの厚みで形成することによって密着強度に優れた上部電極層５を形成することができる。

その後、この積層した薄膜をウェットエッチングまたはドライエッチングで目的の圧電素子の形状に加工することによってそれぞれの圧電素子８を作製することができる。

このような積層構造を有する圧電素子８（実施例）と、圧電薄膜層３と上部電極層５との間に拡散防止層４を形成していない圧電素子（従来例）に熱ストレスおよび電界ストレスを印加し、その時に生じるリーク電流の経時変化をモニタすることで、拡散防止層４の効果を評価した。評価には電極パターンを１ｃｍ×１ｃｍの形状に形成した圧電素子を試料として用いた。加速試験として、これらの試料をホットプレート上で１７０℃まで加熱し、その状態で上部電極層５と下部電極層２に１０Ｖ／μｍの電界を印加し、そのときの圧電素子のリーク電流量を測定した。

その結果、拡散防止層４を形成していない従来の圧電素子（従来例）は１０秒以下でリーク電流が発生するのに対して、拡散防止層４を導入した圧電素子８（実施例）は１００００秒以上の時間が経過してもリーク電流は発生せず、優れた信頼性を有する圧電素子を実現していることが確認できた。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における圧電素子について、図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の実施の形態２における圧電素子の断面図である。

図６において、特に実施の形態１と異なっている点は拡散防止層７として非晶質の誘電体材料を形成していることである。例えば、このような材料としては非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を用いることができ、この拡散防止層７の上に上部電極層５を実施の形態１と同じ構成によって順次積層して構成している。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃膜は、例えば基板温度を約３００℃前後の温度に設定してスパッタ法にて成膜することによって作製することができる。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃膜からなる拡散防止層７は結晶粒界が存在しないことから、このような構成を有する圧電素子８Ａを、例えば自動車のエンジンルーム内の高温下で使用した場合においても、上部電極層５の構成原子の圧電薄膜層３の結晶粒界への拡散および圧電薄膜層３の構成原子が上部電極層５へ拡散移動することを抑制することができ、圧電薄膜層３のリーク電流の発生を抑制することができる圧電素子８Ａを実現することができる。

次に、このような圧電素子８Ａの作製方法について説明する。

まず、厚み５００μｍのシリコンからなる基板１の上に、基板１および圧電薄膜層３と親和性を有する材料であるＴｉを１００〜２００Åの膜厚で形成し、このＴｉの上にＰｔを４０００〜５０００Åの膜厚で積層形成することにより下部電極層２を形成する。この下部電極層２を形成する方法としては、ＤＣまたはＲＦのマグネトロンスパッタリング等の方法が代表的である。

次に、圧電薄膜層３として、Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃をスパッタリング等の方法により形成する。

その後、拡散防止層７として非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を圧電薄膜層３の上に形成する。この非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃は、例えば成膜温度を３００℃に下げてスパッタリングによって３００〜２０００Åの膜厚に成膜することによって形成することができる。このような積層構造とすることにより、圧電薄膜層３の粒界と拡散防止層４の結晶粒界は断面方向において不連続となるように形成できる。

次に、上部電極層５として、下地に酸化物と親和性を有するＣｒやＴｉ等を５０〜２００Åの膜厚で薄く形成し、さらにその上にＡｕを真空蒸着法により２０００〜４０００Åの膜厚で形成した。

その後、この積層体をウェットエッチングまたはドライエッチングで所定の圧電素子８Ａの形状に個片化処理することによって所望の圧電素子を作製した。

このような構成を有する圧電素子８Ａを実施例１の同様の方法によって信頼性試験を実施した結果、非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃膜からなる拡散防止層４を導入した圧電素子（実施例２）は１００００秒以上の時間が経過してもリーク電流は発生せず、優れた信頼性を有する圧電素子を実現していることが確認できた。

本発明の圧電素子は、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層、拡散防止層および上部電極層からなる圧電素子とすることにより圧電薄膜層と拡散防止層の結晶粒界がその断面方向において不連続となることから、負荷される熱や電界等に対して信頼性に優れた圧電素子に有用である。

本発明の実施の形態１における圧電素子の断面図同製造方法を説明するための断面図同断面図同断面図同断面図本発明の実施の形態２における圧電素子の断面図従来の圧電素子の断面図

符号の説明

１基板
２下部電極層
３圧電薄膜層
４拡散防止層
５上部電極層
７拡散防止層
８圧電素子
８Ａ圧電素子

Claims

少なくとも、基板の一面に下部電極層、圧電薄膜層および上部電極層を順次積層して形成した圧電素子において、上部電極層と圧電薄膜層との間に拡散防止層を設けた圧電素子。
拡散防止層をペロブスカイト型構造を有する誘電体酸化物とした請求項１に記載の圧電素子。
圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃とした請求項１に記載の圧電素子。
拡散防止層をＭｇ添加のＰｂ_1-xＬａ_xＴｉＯ₃とした請求項１に記載の圧電素子。
圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃とし、拡散防止層を無配向の多結晶Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃とした請求項１に記載の圧電素子。
圧電薄膜層をＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃とし、拡散防止層を非晶質のＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃とした請求項１に記載の圧電素子。
上部電極層として、Ｔｉ、Ａｌ、ＣｕおよびＣｒのいずれか一つを含む請求項１に記載の圧電素子。
上部電極層として、Ｔｉ、Ａｌ、ＣｕおよびＣｒのいずれか一つを含む下地層と貴金属層との積層構造とした請求項１に記載の圧電素子。