JPH10126204A - 薄膜圧電素子 - Google Patents

薄膜圧電素子

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Publication number
JPH10126204A
JPH10126204A JP8272297A JP27229796A JPH10126204A JP H10126204 A JPH10126204 A JP H10126204A JP 8272297 A JP8272297 A JP 8272297A JP 27229796 A JP27229796 A JP 27229796A JP H10126204 A JPH10126204 A JP H10126204A
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JP
Japan
Prior art keywords
thin film
substrate
thickness
electrode layer
film
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP8272297A
Other languages
English (en)
Inventor
Masa Yonezawa
政 米澤
Shuji Tsuzumi
修司 津々見
Naoyuki Hanashima
直之 花嶋
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気機械結合係数の大きいPZTを用いて、
共振子、フィルタ等に適用した場合の帯域幅及び発振周
波数範囲が広い高周波用薄膜圧電素子を提供する。 【解決手段】 酸化膜を有するSi基板上に、下地電極
層、ゾルゲル法によるPZT薄膜及び上部電極層を有す
る薄膜圧電素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜圧電素子に係
り、特に、高周波域の弾性波を利用した共振器、フィル
タ等に好適な薄膜圧電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電素子用の高周波用圧電材料として
は、例えば、常誘電体の窒化アルミニウム、酸化亜鉛、
或いは、強誘電体のチタン酸鉛等が用いられている。こ
れらの材料は、機械加工により薄く加工したとしても、
40μm程度の厚みが限界であり、この程度の厚みのも
のでは、基本波の共振周波数は、いずれの材料でも数十
MHzが限界である。これらの材料を用いた高周波用薄
膜圧電素子においては、例えば500MHz以上の高い
共振周波数の基本波を得るためには、素子の厚みを10
μm以下にする必要がある。
【0003】圧電材料の薄膜を得る方法としてスパッタ
法が公知であり、特開昭60−31305号公報には、
スパッタ法で酸化亜鉛及びチタン酸鉛の薄膜を形成した
圧電素子が記載されている。なお、この特開昭60−3
1305号公報に記載される圧電素子は、基板の影響を
なくし、圧電体薄膜の振動特性を活かすために、基板の
一部をエッチングで除去している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒化アルミニウムや酸
化亜鉛等のスパッタ薄膜よりなる圧電体薄膜は、電気機
械結合係数が20〜30%程度と小さいため、共振子、
フィルタ等を構成した場合、帯域幅及び発振周波数範囲
が限定される。なお、特開昭60−31305号公報で
は、この点を改善するために、基板の一部を除去してい
るが、このように基板を除去した場合、素子強度が低下
するという欠点がある。
【0005】電気機械結合係数の大きい圧電材料として
PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)があるが、PZTは、
良質な膜質の圧電体薄膜を得ることが困難である。例え
ば、スパッタ法では、厚み振動の共振を十分確認できる
ほど良好なPZT薄膜を形成できない。
【0006】本発明は上記従来の問題点を解決し、電気
機械結合係数が大きく、共振子、フィルタ等に適用した
場合の帯域幅及び発振周波数範囲が広い高周波用薄膜圧
電素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜圧電素子
は、酸化膜を有するSi基板と、該Si基板の該酸化膜
上に形成された下地電極層と、該下地電極層上にゾルゲ
ル法により形成されたPZT薄膜と、該PZT薄膜上に
形成された上部電極層とを備えてなることを特徴とす
る。
【0008】酸化膜付きSi基板へのゾルゲル法による
PZT薄膜の成膜であれば、厚み振動に対して高い共振
を示し、圧電体薄膜として有効に機能する良好な膜質の
PZT薄膜を形成することができる。
【0009】このため、圧電体薄膜として電気機械結合
係数の大きいPZT薄膜の適用が可能となり、広帯域な
フィルタや発振周波数範囲の広い共振器を実現する薄膜
圧電素子を得ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。
【0011】本発明の薄膜圧電素子で用いる基板は、表
面に酸化膜が形成されたSi基板である。この酸化膜付
きSi基板であれば、表面が平滑であり、熱処理時の元
素の拡散も防止でき、かつ機械的強度も十分であること
により、ゾルゲル法により、良好な膜質のPZT薄膜を
形成することができる。
【0012】この酸化膜付きSi基板の酸化膜の厚さ
は、薄過ぎると拡散防止効果がなく、厚過ぎるとクラッ
クの発生や基板のそりの問題があるので0.5〜2μm
程度であることが好ましい。
【0013】また、酸化膜付きSi基板としては、薄膜
圧電素子としての用途上、できる限り薄いことが望まし
いが、過度に薄いと機械的強度が低下するため、厚さ1
00〜300μm程度であることが好ましい。
【0014】本発明の薄膜圧電素子は、このような酸化
膜付きSi基板上に、下地電極層、PZT薄膜及び上部
電極層を順次成膜して得られるが、下地電極層の成膜に
先立ち、Ti層を形成するのが、PZT薄膜の成膜の上
で有利である。
【0015】即ち、ゾルゲル法によるPZT薄膜の成膜
では、乾燥、焼成時に収縮を伴うため、5μmを超える
膜厚の薄膜を形成することは困難であるが、膜厚0.3
μm以下のPZT薄膜では、圧電体薄膜として機能する
には薄すぎて好ましくない。これに対して、酸化膜付き
Si基板上にTi層を形成しておくことにより、Si基
板と下地電極との密着層としての作用で、PZT薄膜を
0.3〜5μm程度の比較的厚い薄膜として形成するこ
とが可能となる。
【0016】このTi層はスパッタ法等により形成する
ことができ、その厚さは50〜500Å程度であること
が好ましい。Ti層の厚さが50Å未満ではTi層を形
成したことによる効果が十分に得られない。
【0017】下地電極層としては、Pt、Ir等の導電
性金属層をスパッタ法等で形成することができ、その厚
さは、通常の場合1000〜2000Å程度である。
【0018】また、本発明において、下地電極層上にP
ZT薄膜を形成するに先立ち、PbTiO3 (チタン酸
鉛)薄膜を形成するのが、良好な膜質のPZT薄膜を形
成する上で好ましい。即ち、PbTiO3 は低温で結晶
化し、その上に形成するPZT薄膜の鉛の拡散を防止す
るという作用効果でPZT薄膜の膜特性を高める。この
PbTiO3 薄膜もPZT薄膜と同様にゾルゲル法で形
成することができ、その膜厚は0.01〜0.1μm程
度であることが好ましい。PbTiO3 薄膜の膜厚が
0.01μm未満では、PbTiO3 薄膜を形成したこ
とによる効果が十分に得られず、0.1μmを超えると
PZT薄膜の特性に影響する。
【0019】本発明において、圧電体薄膜としてのPZ
T薄膜は、高周波対応とするために膜厚10μm以下で
あることが必要とされるが、好ましくは0.3〜5μm
の範囲で使用目的に応じて適宜決定される。PZT薄膜
の膜厚が0.3μm未満では薄すぎて圧電効果が十分得
られず、5μmを超えると良好な膜質が得られない。
【0020】PZT薄膜上の上部電極層としては、前述
の下地電極層と同様の導電性金属層をスパッタ法等によ
り形成することができ、その厚さは、通常の場合、10
00〜2000Å程度である。
【0021】次に、本発明の薄膜圧電素子の製造方法の
好適例について説明する。
【0022】まず、酸化膜付きSi基板の表面に、スパ
ッタ法によりTi層及び下地電極層を順次形成する。
【0023】次いで、下地電極層上に、酢酸鉛等の鉛化
合物及びチタニウムイソプロポキシド、チタニウムブト
キシド等のチタン化合物を所定のモル比で、合計濃度が
1〜10重量%程度となるように、メトキシエタノー
ル、酢酸エステル等の溶剤に溶解したPbTiO3 薄膜
形成用組成物を塗布し、150〜400℃で乾燥し、所
定の膜厚となるように、この塗布、乾燥を繰り返す。
【0024】更に、この上に、酢酸鉛等の鉛化合物、ジ
ルコニウムブトキシド、ジルコニウムプロポキシド等の
ジルコニウム化合物及びチタニウムイソプロポキシド、
チタニウムブトキシド等のチタン化合物を所定のモル比
で、合計濃度が10〜20重量%程度となるように、メ
トキシエタノール、酢酸エステル等の溶剤に溶解したP
ZT薄膜形成用組成物を塗布し、150〜400℃で乾
燥し、所定の膜厚となるように、この塗布、乾燥を繰り
返す。
【0025】最後に500〜800℃で0.1〜2hr
焼成する。
【0026】このようにして形成したPZT薄膜上に、
スパッタ法により上部電極層を形成する。その後、下地
電極層と上部電極層との間に120〜200℃で200
〜500kV/cm程度の直流電界を10〜60分程度
印加してPZT薄膜の分極処理を行う。この分極処理を
行うことでPZT薄膜が圧電体薄膜として機能するよう
になる。
【0027】なお、PZT薄膜の膜質が十分に良好なも
のでないと十分な分極処理ができず、圧電体薄膜として
機能させることができないため、本発明においては、基
板、下地電極層、PZT薄膜層、上部電極の形成条件の
最適化により、膜質の良好なPZT薄膜を形成する。
【0028】前述の如く、酸化膜付きSi基板の発振周
波数、損失等の特性面から薄膜圧電素子の基板はできる
限り薄い方が好ましく、従って、基板の薄肉化のため
に、上述のようにして作製された薄膜圧電素子におい
て、基板の上部電極層形成位置に相当する位置(上部電
極層を基板上に厚さ方向に透影した位置)をTMAH
(tetramethyl ammonium hyd
roxide)等のエッチング液を用いて、部分的に基
板厚さの50〜100%程度除去しても良い。
【0029】このようなエッチング処理により、薄膜圧
電素子の機械的強度は若干劣るものとなるが、発振周波
数や損失等の特性の向上を図ることができる。
【0030】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。
【0031】実施例1 基板として、表面に厚さ1μmの酸化膜を有する厚さ2
50μmのSi基板を用い、このSi基板表面にスパッ
タ法により、厚さ500ÅのTi層及び厚さ2000Å
のPt下地電極層を順次形成した。
【0032】このPt下地電極層上に、ゾルゲル法によ
り、厚さ0.01μmのPbTiO3 薄膜を形成し、更
に、このPbTiO3 薄膜上にゾルゲル法により、厚さ
0.8μmのPZT薄膜を形成した。
【0033】なお、PbTiO3 薄膜の形成には、酢酸
鉛とチタニウムイソプロポキシドを所定のモル比で合計
濃度1重量%となるようにメトキシエタノールに溶解し
たPbTiO3 薄膜形成用溶液を用い、PZT薄膜の形
成には、酢酸鉛とジルコニウムブトキシドとチタニウム
イソプロポキシドとを所定のモル比で合計濃度18重量
%となるように溶解したPZT薄膜形成用溶液を用い、
スピンコートにより塗布した後400℃で乾燥し、この
塗布、乾燥を所定の膜厚になるまで繰り返し、最後(P
ZT薄膜形成後)に600℃で1hr焼成した。
【0034】更に、PZT薄膜上にスパッタ法により厚
さ0.2μm、直径100μmの円形のPt上部電極層
を形成した。
【0035】その後、下地電極と上部電極との間に15
0℃で300kV/cmの直流電界を10min印加し
て分極処理し、薄膜圧電素子を得た。
【0036】この薄膜共振子は厚み振動の基本共振周波
数1.9GHZの励振を示した。
【0037】実施例2 実施例1において、基板として、表面に厚さ0.5μm
の酸化膜を有する厚さ550μmのSi基板を用い、P
ZT薄膜を膜厚2.5μmに形成したこと以外は同様に
して薄膜共振子を作製した。
【0038】この薄膜共振子は厚み振動の基本共振周波
数800MHZの励振を示した。
【0039】実施例3 実施例1と同様にして酸化膜付きSi基板上にTi層、
Pt下地電極層、PbTiO3 薄膜、PZT薄膜及びP
t上部電極層を形成して分極処理した後、上部電極層形
成位置に相当するSi基板を厚さ100μmにわたって
TMAH液によりエッチングして除去して薄膜共振子を
作製した。
【0040】この薄膜共振子は、厚み振動の基本共振周
波数1.9GHZの励振を示した。また、損失は10d
B以上低減された。
【0041】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の薄膜圧電素
子によれば、圧電体薄膜として電気機械結合係数の大き
いPZT薄膜を用いて、共振子、フィルタ等に適用した
場合の帯域幅及び発振周波数範囲の広い高周波用薄膜圧
電素子が提供される。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化膜を有するSi基板と、 該Si基板の該酸化膜上に形成された下地電極層と、 該下地電極層上にゾルゲル法により形成されたPZT薄
    膜と、 該PZT薄膜上に形成された上部電極層とを備えてなる
    薄膜圧電素子。
  2. 【請求項2】 請求項1において、該PZT薄膜の厚さ
    が0.3〜5μmであることを特徴とする薄膜圧電素
    子。
JP8272297A 1996-03-26 1996-10-15 薄膜圧電素子 Withdrawn JPH10126204A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8272297A JPH10126204A (ja) 1996-10-15 1996-10-15 薄膜圧電素子
DE1997112496 DE19712496A1 (de) 1996-03-26 1997-03-25 Piezoelektrische Dünnfilm-Bauelemente

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JP8272297A JPH10126204A (ja) 1996-10-15 1996-10-15 薄膜圧電素子

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JPH10126204A true JPH10126204A (ja) 1998-05-15

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JP8272297A Withdrawn JPH10126204A (ja) 1996-03-26 1996-10-15 薄膜圧電素子

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JP (1) JPH10126204A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014199910A (ja) * 2013-03-14 2014-10-23 株式会社リコー 圧電体薄膜素子及びインクジェット記録ヘッド、並びにインクジェット式画像形成装置
JP2016032007A (ja) * 2014-07-28 2016-03-07 株式会社リコー 圧電膜の製造方法、圧電素子の製造方法、液体吐出ヘッド及び画像形成装置

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Effective date: 20040106