圧電素子およびその製造方法
【課題】圧電薄膜の応力の制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避するとともに圧電薄膜の結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる圧電素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電素子は、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜される応力制御膜６を備えており、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜４の応力を任意の応力に制御することができる。
【解決手段】圧電素子は、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜される応力制御膜６を備えており、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜４の応力を任意の応力に制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子と、その圧電素子の製造方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。
【０００３】
ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、以下の利点が得られることによる。すなわち、成膜やフォトリソグラフィーなど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、小型化、高密度化を実現することができる。大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる。電気機械の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度が向上する。
【０００４】
圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。
【０００５】
ＰＺＴなどの圧電体は、一般的にＡＢＯ３型の酸化物であり、その結晶がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。図１０は、圧電体の結晶構造を模式的に示している。ペロブスカイト型構造とは、例えばＰｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造である。
【０００６】
また、ＰＺＴは、ともにペロブスカイト型構造を採るＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ３；ジルコン酸鉛）との固溶体であるが、ＰＴＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が正方晶となり、ＰＺＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が菱面体晶となる。
【０００７】
図１１は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示している。ＰＴＯとＰＺＯとの組成比が、４８／５２〜４７／５３のあたりで、結晶系が正方晶から菱面体晶、または菱面体晶から正方晶に変化する。このように結晶系が変化する境界を組成相境界（ＭＰＢ；Morphotropic phase boundary ）と呼び、以下では単に相境界と記す。室温付近においては、ＰＺＴの結晶構造は、正方晶、菱面体晶またはこれらの混合結晶（相境界）であるが、キュリー点以上の温度では、ＰＺＴの結晶構造は、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比がいずれであっても、立方晶となる。
【０００８】
図１２は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性（比誘電率、電気機械結合係数）との関係を示している。上記した相境界では、比誘電率および電気機械結合係数の両者が特異的に高くなる。比誘電率と圧電定数（単位電界あたりの変位量）とは正の相関があり、比誘電率が高くなることにより、圧電定数が高くなる。また、電気機械結合係数は、電気的な信号を機械的な歪みに変換する際の効率、あるいはその逆の変換の際の効率を示す指標となるものであり、この係数が高くなることによって、変換効率が高くなる。圧電体に電界を印加することによって圧電体が変形したり、逆に、圧電体を変形させることによって圧電体に電界（電位差）が生じることを、ここでは圧電効果と呼ぶ。
【０００９】
図１３は、圧電体の圧電効果の発現原理を示している。圧電体での電気エネルギーから機械エネルギーへの変換に着目したとき、圧電体の圧電効果の発現原理としては、以下の３種類が提唱されている。
（１）結晶構造の伸長によるもの（分極方向Ｐと電界印加方向Ｅとが一致）
（２）分極方向の回転によるもの（分極方向Ｐが電界印加方向Ｅに変化（回転））
（３）電界印加による相転移によるもの（例えば菱面体晶と正方晶との間での相転移）
【００１０】
このうち、（１）（３）については、結晶構造の伸長や相転移を生じさせるために必要なエネルギーは小さいが、変位も小さく、圧電効果は小さい。一方、（２）については、分極方向の回転を生じさせるために必要なエネルギーは大きいが、変位も大きく、圧電効果が大きい。
【００１１】
したがって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエータの用途としては、（２）の原理を活用すると、変換効率がよい。ただし、必要なエネルギーが大きいため、印加できる電界（膜の耐電圧など）に制約がある。一般的なＰＺＴ薄膜においては、電界強度で１〜５Ｖ／μｍ程度が適切な使用範囲である。
【００１２】
上記電界の使用範囲では、（２）の割合を全体の３０％程度とすることが望ましいことが、種々の実験の結果からわかっている。このような割合を実現するためには、分極方向の異なる各結晶の比率を適切に設定する、つまり、圧電体としてのＰＺＴが例えば正方晶のみからなる場合には、正方晶におけるａ軸配向（（１００）配向）とｃ軸配向（（００１）配向）との比率を適切に設定すればよい。また、ＰＺＴが例えば菱面体晶のみからなる場合には、菱面体晶における（１１１）配向と（００１）配向との比率を適切に設定すればよい。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、各配向方向の比率を適切に設定すればよい。
【００１３】
ここで、各配向方向の比率の調整について説明する。なお、説明を簡略化するため、ここでは、圧電体としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明する。
【００１４】
圧電体の結晶配向性は、成膜時の条件によって決まり、その中でも、膜に働く力が、圧電体の結晶配向性を決める支配的な要因となる。つまり、スパッタ法によるＰＺＴの成膜では、基板温度を５００〜７００℃程度にすることで、ペロブスカイト型構造の結晶が得られる。成膜時の上記基板温度では、図１１で示したように、ＰＺＴの結晶構造は立方晶であり、成膜後に室温に低下するときに、立方晶から正方晶や菱面体晶に相転移する。この相転移の時点で膜に働く力により、結晶の配向性が決定されると考えられている。一般に、ＰＺＴに圧縮の力が働く場合には、ｃ軸配向の割合が増大し、ＰＺＴに引張の力が働く場合には、ａ軸配向の割合が増大する。
【００１５】
図１４は、圧電素子を構成する基板、圧電体、電極の線膨張係数（以下、単に膨張係数と記す）と格子定数とを示している。基板として膨張係数がＰＺＴよりも大きなもの（例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、ＰＺＴよりも基板のほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって圧縮の力が働くため、ｃ軸配向の割合が増大する。逆に、基板として膨張係数がＰＺＴよりも小さなもの（例えばＳｉ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、基板よりもＰＺＴのほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって引張の力が働くため、ａ軸配向の割合が増大する。
【００１６】
以上より、ＰＺＴが成膜される基板の選定によって、ＰＺＴの配向比率を変えることは可能であると言える。しかし、基板の膨張係数の値は、図１４で示すように飛び飛び（離散的）であり、設定しようとする比率に応じた基板が実際に存在するとは限らないため、基板の選定によってＰＺＴの配向比率を任意の比率に設定することは困難である。
【００１７】
なお、膨張係数の異なる基板として、図１４で示したもの以外の基板も提案されているが、Ｓｉ以外はいずれも、値段が高い、加工性が低い、基板の大きさに制約がある、などの理由により、一般的な利用の機会は少ない。
【００１８】
ところで、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる力のことを応力と定義する。例えば、ＰＺＴに外部から引張の力が働くとき、ＰＺＴには引張応力が生じ、ＰＺＴに外部から圧縮の力が働くとき、ＰＺＴには圧縮応力が生じることになる。このように、圧電体（圧電薄膜）に外部から引張または圧縮の力を与えて、圧電体の応力を制御する構成として、例えば特許文献１〜３や非特許文献１に開示されたものがある。
【００１９】
特許文献１では、圧電薄膜の成膜時のスパッタリング投入電力、成膜後の熱処理温度、を適切に制御し、基板材料等を適切に選択するとともに、基板と圧電薄膜との間に形成される下地層の応力を適切に制御することにより、圧電薄膜の応力を１．６ＧＰａ以下に抑制して、内部歪みに伴うリーク電流の増加、圧電薄膜や電極のクラック、圧電薄膜の膜剥がれによる印加実効電圧の低下を防ぎ、圧電特性を向上させるようにしている。
【００２０】
特許文献２では、基板上に、下部電極層と、配向制御層と、圧電体層と、上部電極層とをこの順で形成し、配向制御層に圧縮応力を付与することで、圧電体層の成膜時に生じる引張応力を配向制御層の圧縮応力によってキャンセルし、引張応力に起因する圧電体層のクラックの発生を抑制するようにしている。
【００２１】
特許文献３では、基板と、振動板と、中間膜と、圧電膜とをこの順で積層したユニモルフ型圧電膜素子において、中間膜を圧電膜よりも熱膨張係数の大きな膜で構成することで、結晶化工程における圧電膜の引張応力を完全に無くすか、圧縮方向の応力を発生させ、これによって、圧電膜の圧電特性を改善するようにしている。
【００２２】
非特許文献１では、Ｓｉよりも熱膨張係数の大きいステンレス（SUS304）の基板上に、シード層としてＬａＮｉＯ３薄膜を形成し、その上にＰＺＴ薄膜を成膜することで、ＰＺＴ薄膜に圧縮の力を付与して、ｃ軸配向の割合を高めるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２０１１−２９５９１号公報（請求項１、３、段落〔００２６〕、〔００３６〕、〔００４４〕、〔００４５〕、〔００６６〕等参照）
【特許文献２】特開２００８−４２０６９号公報（請求項１、２、段落〔００１９〕、〔００３０〕等参照）
【特許文献３】特開２００６−１００６２２号公報（請求項１、段落〔００１４〕、〔００１６〕〜〔００２３〕等参照）
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】野田俊成ら、「Chemical Solution Deposition法によるＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3薄膜の結晶配向制御」、Panasonic Technical Journal Vol.55 No.2 Jul. 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
ところで、圧電薄膜の結晶は、その下層の結晶状態の影響を受けて成長するため、結晶性の良好な圧電薄膜を成膜するためには、下層との格子マッチングを図る、つまり、圧電薄膜の結晶の格子定数と下層の結晶の格子定数とを近づけることが必要となる。
【００２６】
ところが、特許文献１〜３の構成では、基板と圧電薄膜との間に形成される層（下地層、配向制御層、中間膜）に、圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜としての機能を持たせている。応力制御膜は、圧電薄膜の応力を制御すべく、圧電薄膜に引張または圧縮の力を与えるための膜であるため、このような応力制御膜が基板に対して圧電薄膜側に形成されると、応力制御膜の影響によって圧電薄膜とその下層との格子マッチングが崩れる可能性がある。格子マッチングが崩れると、圧電薄膜の結晶成長状態が変化するため、圧電薄膜の応力を制御してその結晶配向性を制御することが困難になる。
【００２７】
また、非特許文献１の構成では、基板としてステンレス基板を用いることにより、ＰＺＴのｃ軸配向の比率が１つの値に決まるため、ＰＺＴの結晶の配向比率を任意の比率に設定することはできない。
【００２８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電薄膜の応力の制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避できるとともに、圧電薄膜の結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる圧電素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の圧電素子は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴としている。また、本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に圧電薄膜を成膜する工程と、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴としている。
【００３０】
上記の構成によれば、圧電薄膜の応力を制御するための応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されており、応力制御膜と圧電薄膜との間に基板が介在しているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れることがない。これにより、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。
【００３１】
また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いは、例えば応力制御膜の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【００３２】
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなる構成であってもよい。
【００３３】
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力制御膜がＳｉＮである構成において、応力制御膜の圧縮による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に引張の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合よりもａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００３４】
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなる構成であってもよい。
【００３５】
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力膜がＳｉＯ２である構成において、応力制御膜の引張による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に圧縮の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合よりもｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００３６】
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられている構成であってもよい。
【００３７】
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に沿った方向に電界を印加することにより、基板に沿った方向の圧電薄膜の伸縮を主に利用して基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。
【００３８】
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられている構成であってもよい。
【００３９】
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に垂直な方向に電界を印加することにより、基板に垂直な方向の圧電薄膜の伸縮によって、基板に沿った方向に圧電薄膜を伸縮させて基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、基板に垂直な方向に圧電薄膜を大きく伸縮させることができ、これによって、基板に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れて、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができるので、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記圧電素子の製造時の流れを示すフローチャートである。
【図３】上記圧電素子の各製造工程を示す断面図である。
【図４】上記圧電素子の各製造工程を示す断面図である。
【図５】上記圧電素子の圧電薄膜を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。
【図６】上記圧電薄膜の応力を模式的に示す説明図である。
【図７】（ａ）は、上記圧電素子をｄ３１駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図８】（ａ）は、上記圧電素子をｄ３３駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図９】上記圧電素子の他の構成を示す断面図である。
【図１０】圧電体の結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図１１】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示すグラフである。
【図１２】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性との関係を示すグラフである。
【図１３】上記圧電体の圧電効果の発現原理を示す説明図である。
【図１４】圧電素子を構成する基板、圧電体、電極の線膨張係数と格子定数とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００４３】
〔１．圧電素子の構成〕
図１は、本実施形態に係る圧電素子１０の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の圧電素子１０は、基板１の一方の面側に、熱酸化膜２、下部電極３、圧電薄膜４および上部電極５をこの順で積層し、基板１の他方の面側に、熱酸化膜２および応力制御膜６をこの順で積層して構成されている。
【００４４】
基板１は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ２からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００４５】
下部電極３は、Ｔｉ層３ａとＰｔ層３ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層３ａは、熱酸化膜２とＰｔ層３ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層３ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層３ｂの厚さは例えば０．１μｍ程度である。
【００４６】
圧電薄膜４は、結晶構造がペロブスカイト型のＰＺＴで構成されている。ＰＺＴの厚みは、用途によって異なるが、メモリやセンサの用途では例えば１μｍ以下であり、アクチュエータでは例えば３〜５μｍである。
【００４７】
なお、以下での説明を簡略化するため、ＰＺＴの結晶構造は、特に断らない限り、正方晶であるものとして話を進める。
【００４８】
上部電極５は、Ｔｉ層５ａとＰｔ層５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層５ａは、圧電薄膜４とＰｔ層５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層５ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層５ｂの厚さは例えば０．２μｍ程度である。
【００４９】
応力制御膜６は、基板１に曲げ変形を生じさせることによって、圧電薄膜４の応力を制御するための膜であり、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。ここで、応力とは、一般的に、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる単位面積あたりの力のことを指す（単位はＰａ（Ｎ／ｍ２））。
【００５０】
圧電薄膜４の応力としては、引張応力または圧縮応力がある。引張応力とは、圧電薄膜４に対して外部から引張の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては正の値で示される。一方、圧縮応力とは、圧電薄膜４に対して外部から圧縮の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては負の値で示される。
【００５１】
上記のように基板１がＳｉで構成されて、圧電薄膜４がＰＺＴで構成される場合、応力制御膜６は例えばＳｉＮやＳｉＯ２で構成される。ＳｉＮは、基板１に対して圧縮して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に引張の力を与える応力制御膜６である。一方、ＳｉＯ２は、基板１に対して伸長して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に圧縮の力を与える応力制御膜６である。ちなみに、ＳｉＮの膨張係数は３．０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が大きい。また、ＳｉＯ２の膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が小さい。なお、応力制御膜６の詳細については後述する。
【００５２】
〔２．圧電素子の製造方法〕
次に、上記した圧電素子１０の製造方法について説明する。図２は、圧電素子１０の製造時の流れを示すフローチャートであり、図３および図４は、圧電素子１０の各製造工程を示す断面図である。
【００５３】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１の両面に、絶縁・保護用のＳｉＯ２からなる熱酸化膜２を形成する（Ｓ１）。熱酸化膜２は、基板１を１０００℃程度で加熱することにより形成される。
【００５４】
続いて、図３（ｂ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、基板１の一方の面側に、応力制御膜６を例えばＣＶＤ法で成膜する（Ｓ２）。その後、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、基板１の他方の面の熱酸化膜２上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂからなる下部電極３を形成する（Ｓ３、Ｓ４）。
【００５５】
次に、図４（ａ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、下部電極３上にＰＺＴからなる圧電薄膜４をスパッタ法で成膜する（Ｓ５）。なお、圧電薄膜４の成膜方法の詳細については後述する。そして、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、圧電薄膜４の上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層５ａおよびＰｔ層５ｂからなる上部電極５を形成し（Ｓ６、Ｓ７）、圧電素子１０を完成させる。以上の工程により、圧電薄膜４と応力制御膜６とは、基板１に対して互いに反対側に成膜される。
【００５６】
〔３．ＰＺＴの成膜方法の詳細〕
図５は、圧電薄膜４としてのＰＺＴを成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。圧電薄膜４は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜することができる。
【００５７】
まず、所定の組成比に調合したＰＺＴ材料の粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿１２に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１１を作製する。そして、このターゲット皿１２をマグネット１３上に設置し、その上にカバー１４を設置する。このマグネット１３とその下にある高周波電極１５は、絶縁体１６によって真空チャンバー１７と絶縁されている。また、高周波電極１５は、高周波電源１８と接続されている。
【００５８】
次に、基板１を、基板加熱ヒーター１９上に設置する。そして、真空チャンバー１７内を排気し、基板加熱ヒーター１９によって基板１を６００℃まで加熱する。加熱後、バルブ２０および２１を開け、スパッタガスであるＡｒとＯ２を所定の割合でノズル２２より真空チャンバー１７内に導入し、真空度を所定値に保つ。ターゲット１１に高周波電源１８より高周波電力を投入し、プラズマを発生させることにより、基板１上に圧電薄膜４としてのＰＺＴ層を成膜することができる。
【００５９】
〔４．応力制御膜について〕
次に、上述した応力制御膜６の詳細について説明する。図６は、圧電薄膜４の応力を模式的に示している。なお、同図における矢印の長さは、圧電薄膜４の応力の大きさと対応している。また、矢印の向きは、圧電薄膜４の応力が引張応力であるか圧縮応力であるかを示している。同図では、矢印の向きはいずれも、圧電薄膜４の内側から外側に向かう向きであり、これは圧電薄膜４にかかっている応力が引張応力であることを示している。
【００６０】
Ｓｉからなる基板１に応力制御膜が設けられていない場合において、基板１上への圧電薄膜４の成膜時（加熱状態）に、ＰＺＴは立方晶の状態にあるが、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＰＺＴは立方晶から正方晶に相変化する。このとき、ＰＺＴは、基板１を構成するＳｉよりも膨張係数が大きいため、圧電薄膜４は基板１よりも縮もうとするが、基板１に拘束されているため、圧電薄膜４は基板１から引張の力を受ける（圧電薄膜４の応力は引張応力となる）。ちなみに、このときの圧電薄膜４の応力は、約１００ＭＰａ程度である。
【００６１】
一方、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＮが設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＮはＳｉよりも膨張係数が大きいため、ＳｉよりもＳｉＮのほうが縮もうとする。このようなＳｉＮのＳｉに対する圧縮により、基板１から見て圧電薄膜４側が凸となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力に加えて、上記した基板１の曲げ変形による引張の力をさらに受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも増大する。このとき、ＳｉＮの膜厚をさらに増大させると、ＳｉＮの圧縮による基板１の曲げ変形の度合いがさらに大きくなるため、圧電薄膜４は基板１から引張の力をさらに受け、圧電薄膜４の引張応力はさらに増大する。
【００６２】
このように、ＳｉＮの膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整することができる。なお、ＳｉＮの膜厚の調整は、ＳｉＮの成膜条件を調整することによって容易に調整可能である。
【００６３】
なお、ＳｉＮは基板１によって拘束されているため、ＳｉＮの圧縮時には、ＳｉＮは基板１によって引き伸ばされようとする。したがって、ＳｉＮが感じる応力は引張応力となる。ちなみに、このときのＳｉＮの引張応力は、最大で約１ＧＰａ程度である。
【００６４】
また、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＯ２が設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＯ２はＳｉよりも膨張係数が小さいため、ＳｉＯ２よりもＳｉのほうが縮もうとする（ＳｉよりもＳｉＯ２のほうが相対的に伸びようとする）。このようなＳｉＯ２のＳｉに対する伸長により、基板１から見て圧電薄膜４側が凹となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力を受けるが、上記した基板１の曲げ変形による圧縮の力も受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも減少する。
【００６５】
なお、ＳｉＯ２の膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整できる点、ＳｉＯ２の膜厚の調整は、ＳｉＯ２の成膜条件を調整することによって容易に調整可能である点は、上記したＳｉＮの場合と全く同様である。
【００６６】
なお、ＳｉＯ２は基板１によって拘束されているため、ＳｉＯ２の伸長時には、ＳｉＯ２は基板１によって縮められようとする。したがって、ＳｉＯ２が感じる応力は圧縮応力となる。ちなみに、このときのＳｉＯ２の圧縮応力は、約−３００ＭＰａ程度である。
【００６７】
以上より、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがｃ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＮからなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに引張の力を与えてａ軸配向の比率を増やすことができる。逆に、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがａ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＯ２からなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに圧縮の力を与えてｃ軸配向の比率を増やすことができる。そして、上記いずれの場合でも、応力制御膜６の膜厚を調整することにより、ＰＺＴに任意の伸縮力を与えて、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に調整し、ＰＺＴの結晶配向性を制御することができる。
【００６８】
なお、上記したｃ軸配向とは、（００１）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に垂直な方向（ＰＺＴの厚さ方向）となる結晶配向のことを指す。また、ａ軸配向とは、（１００）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に沿った方向（ＰＺＴの厚さ方向に垂直な方向）となる結晶配向のことを指す。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、圧電薄膜４の応力を制御すべく、圧電薄膜４に引張または圧縮の力を与えるための応力制御膜６が、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。つまり、応力制御膜６と圧電薄膜４との間に、薄膜よりも十分に厚い基板１が介在している。この構成では、基板１に対して一方側に形成される応力制御膜６が、基板１に対して他方側に形成される圧電薄膜４とその下層の下部電極３（Ｐｔ層３ｂ）との格子マッチングに直接的に影響を及ぼすことがなく、格子マッチングが崩れて、圧電薄膜４の結晶の成長状態が変化するのを回避することができる。その結果、圧電薄膜４の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。
【００７０】
また、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いは、上述したように応力制御膜６の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜４の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜４を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【００７１】
特に、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＮからなる構成では、応力制御膜６の圧縮による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に引張の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００７２】
また、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＯ２からなる構成では、応力制御膜６の引張による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に圧縮の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００７３】
また、応力制御膜６がない状態でのＰＺＴの配向性（ａ軸主配向、ｃ軸主配向）や、ａ軸配向と軸配向との比率は、ＰＺＴの応力以外にも、基板１の格子定数等によっても変化するが、基板１としてＳｉ基板を用いる場合には（基板１の格子定数を固定した場合には）、上述したように、応力制御膜６の膜厚を制御するだけで、ＰＺＴの応力を制御することができる。
【００７４】
〔５．圧電素子の応用例〕
図７（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３１駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。また、応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。下部電極３および上部電極５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
【００７５】
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ｃ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＯ２を選択し、その膜厚を設定することにより、ｃ軸配向の比率が７０％程度、ａ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に垂直な方向（ＰＺＴの膜厚方向）である。この圧電薄膜４に電圧を印加するための一対の電極、すなわち、下部電極３および上部電極５は、圧電薄膜４を基板１に垂直な方向から挟むように設けられている。したがって、この構成では、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。
【００７６】
なお、上記したａ軸配向およびｃ軸配向の各比率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の２θ／θ測定による結果に基づいて判断することができる。Ｘ線回折の２θ／θ測定とは、Ｘ線をサンプルに対して水平方向からθの角度で（結晶面に対してθの角度で）入射させ、サンプルから反射して出てくるＸ線のうち、入射Ｘ線に対して２θの角度のＸ線を検出することで、θに対する強度変化を調べる手法である。Ｘ線による回折では、ブラッグの条件（２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（λ：Ｘ線の波長、ｄ：結晶の原子面間隔、ｎ：整数））を満足するときに回折強度が高くなるが、そのときの結晶の面間隔（格子定数）と上記の２θとは対応関係にある。したがって、回折強度が高くなる２θの値に基づいて、Ｘ線が入射したサンプルの結晶構造（ａ軸配向の比率、ｃ軸配向の比率、結晶系が正方晶であるか菱面体晶であるか）を把握することができる。
【００７７】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。したがって、支持基板７の開口部７ａに気体や液体を充填すると、圧電素子１０をポンプとして用いることができる。
【００７８】
また、所定の圧電薄膜４の電荷量を下部電極３および上部電極５を介して検出することにより、圧電薄膜４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電薄膜４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電素子１０を超音波センサとして用いることもできる。さらに、ＰＺＴは、圧電特性の他にも焦電性、強誘電性を有しているため、圧電素子１０を熱センサや記憶メモリとして活用することもできる。
【００７９】
以上のように、圧電薄膜４に対して、下部電極３および上部電極５を介して基板１に垂直な方向に電界を印加することにより、圧電薄膜４は基板１に垂直な方向に変形（例えば伸長）するとともに、基板１に沿った方向にも変形（例えば収縮）する。したがって、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の変形（伸縮）を利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、電界の印加によって基板１に垂直な方向に圧電薄膜４を大きく伸縮させることができ、これによって、基板１に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。
【００８０】
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に垂直な方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ｃ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ａ軸配向からｃ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。
【００８１】
また、図８（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３３駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図８（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。
【００８２】
また、圧電薄膜４に電界を印加するための一対の電極８・８は、基板１上で圧電薄膜４を基板１に沿った方向から挟むように設けられている。このとき、図８（ａ）に示すように、電極８を形成する層の一部は除去されて基板１が露出している。このように電極層の一部を除去することで、圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８、つまり、極性の異なる一対の電極８・８を分離することができる。一対の電極８・８は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。なお、一対の電極８・８は、上述した下部電極３および上部電極５と同じ材料で構成することができる。
【００８３】
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ａ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＮを選択し、その膜厚を設定することにより、ａ軸配向の比率が７０％程度、ｃ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に沿った方向（ＰＺＴの膜厚方向に垂直な方向）である。したがって、この構成においても、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。
【００８４】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が電界印加方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。また、圧電薄膜４の振動によって生じる電荷量を一対の電極８・８を介して検出することもできる。したがって、圧電素子１０を上記と同様に、ポンプやセンサ等として用いることができる。
【００８５】
以上のように、圧電薄膜４に対して、一対の電極８・８を介して基板１に沿った方向に電界を印加することにより、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の伸縮を主に利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板１に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。
【００８６】
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に沿った方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ａ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ｃ軸配向からａ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。
【００８７】
〔６．圧電素子の他の構成〕
図９は、圧電素子１０の他の構成を示す断面図である。圧電素子１０は、基板１に直接、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部１ａを形成した後、基板１に対して圧電薄膜４の成膜側とは反対側の表面全体に、上述した応力制御膜６を成膜することによって構成されていてもよい。この構成では、基板１の開口部１ａの内部および外部に応力制御膜６が形成されるが、この構成であっても、基板１に対して応力制御膜６が圧電薄膜４と反対側に形成されていることにより、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
なお、図９の構成の圧電素子１０を製造する場合、基板１上への圧電薄膜４の成膜、基板１の開口部１ａの形成、基板１への応力制御膜６の成膜、の各工程が順に行われるため、応力制御膜６は、圧電薄膜４の成膜後に基板１に成膜されてもよいと言える。つまり、応力制御膜６を基板１に成膜するタイミングは、図２で示したような、圧電薄膜４の基板１への成膜前には限定されない。
【００８９】
〔７．補足〕
以上では、基板１としてＳｉ基板を用いる構成について説明したが、Ｓｉ以外の基板を用いてもよい。この場合でも、用いる基板の膨張係数に応じて応力制御膜６の種類（材料）や厚さを設定することにより、圧電薄膜４の応力を制御して、圧電薄膜の配向比率を任意の比率に設定することが可能である。
【００９０】
また、以上では、圧電薄膜４としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明したが、ＰＺＴが菱面体晶であっても、応力制御膜６を基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に設けて、ＰＺＴの配向比率（（１１１）配向と（００１）配向との比率）を適切に設定することも可能である。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、応力制御膜６の種類や厚さを設定により、各配向方向の比率を適切に設定することは可能である。
【００９１】
なお、本実施形態では、圧電薄膜４をスパッタ法で成膜しているが、圧電薄膜４の成膜方法としては、上述したスパッタ法だけでなく、物理気相成長法である蒸着法、化学気相成長法であるＣＶＤ法、液相法であるゾルゲル法など、他の手法を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ（熱センサ）、周波数フィルタなどの種々のデバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 基板
３ 下部電極
４ 圧電薄膜
５ 上部電極
６ 応力制御膜
８ 電極
１０ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子と、その圧電素子の製造方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。
【０００３】
ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、以下の利点が得られることによる。すなわち、成膜やフォトリソグラフィーなど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、小型化、高密度化を実現することができる。大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる。電気機械の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度が向上する。
【０００４】
圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。
【０００５】
ＰＺＴなどの圧電体は、一般的にＡＢＯ３型の酸化物であり、その結晶がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。図１０は、圧電体の結晶構造を模式的に示している。ペロブスカイト型構造とは、例えばＰｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造である。
【０００６】
また、ＰＺＴは、ともにペロブスカイト型構造を採るＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ３；ジルコン酸鉛）との固溶体であるが、ＰＴＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が正方晶となり、ＰＺＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が菱面体晶となる。
【０００７】
図１１は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示している。ＰＴＯとＰＺＯとの組成比が、４８／５２〜４７／５３のあたりで、結晶系が正方晶から菱面体晶、または菱面体晶から正方晶に変化する。このように結晶系が変化する境界を組成相境界（ＭＰＢ；Morphotropic phase boundary ）と呼び、以下では単に相境界と記す。室温付近においては、ＰＺＴの結晶構造は、正方晶、菱面体晶またはこれらの混合結晶（相境界）であるが、キュリー点以上の温度では、ＰＺＴの結晶構造は、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比がいずれであっても、立方晶となる。
【０００８】
図１２は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性（比誘電率、電気機械結合係数）との関係を示している。上記した相境界では、比誘電率および電気機械結合係数の両者が特異的に高くなる。比誘電率と圧電定数（単位電界あたりの変位量）とは正の相関があり、比誘電率が高くなることにより、圧電定数が高くなる。また、電気機械結合係数は、電気的な信号を機械的な歪みに変換する際の効率、あるいはその逆の変換の際の効率を示す指標となるものであり、この係数が高くなることによって、変換効率が高くなる。圧電体に電界を印加することによって圧電体が変形したり、逆に、圧電体を変形させることによって圧電体に電界（電位差）が生じることを、ここでは圧電効果と呼ぶ。
【０００９】
図１３は、圧電体の圧電効果の発現原理を示している。圧電体での電気エネルギーから機械エネルギーへの変換に着目したとき、圧電体の圧電効果の発現原理としては、以下の３種類が提唱されている。
（１）結晶構造の伸長によるもの（分極方向Ｐと電界印加方向Ｅとが一致）
（２）分極方向の回転によるもの（分極方向Ｐが電界印加方向Ｅに変化（回転））
（３）電界印加による相転移によるもの（例えば菱面体晶と正方晶との間での相転移）
【００１０】
このうち、（１）（３）については、結晶構造の伸長や相転移を生じさせるために必要なエネルギーは小さいが、変位も小さく、圧電効果は小さい。一方、（２）については、分極方向の回転を生じさせるために必要なエネルギーは大きいが、変位も大きく、圧電効果が大きい。
【００１１】
したがって、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエータの用途としては、（２）の原理を活用すると、変換効率がよい。ただし、必要なエネルギーが大きいため、印加できる電界（膜の耐電圧など）に制約がある。一般的なＰＺＴ薄膜においては、電界強度で１〜５Ｖ／μｍ程度が適切な使用範囲である。
【００１２】
上記電界の使用範囲では、（２）の割合を全体の３０％程度とすることが望ましいことが、種々の実験の結果からわかっている。このような割合を実現するためには、分極方向の異なる各結晶の比率を適切に設定する、つまり、圧電体としてのＰＺＴが例えば正方晶のみからなる場合には、正方晶におけるａ軸配向（（１００）配向）とｃ軸配向（（００１）配向）との比率を適切に設定すればよい。また、ＰＺＴが例えば菱面体晶のみからなる場合には、菱面体晶における（１１１）配向と（００１）配向との比率を適切に設定すればよい。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、各配向方向の比率を適切に設定すればよい。
【００１３】
ここで、各配向方向の比率の調整について説明する。なお、説明を簡略化するため、ここでは、圧電体としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明する。
【００１４】
圧電体の結晶配向性は、成膜時の条件によって決まり、その中でも、膜に働く力が、圧電体の結晶配向性を決める支配的な要因となる。つまり、スパッタ法によるＰＺＴの成膜では、基板温度を５００〜７００℃程度にすることで、ペロブスカイト型構造の結晶が得られる。成膜時の上記基板温度では、図１１で示したように、ＰＺＴの結晶構造は立方晶であり、成膜後に室温に低下するときに、立方晶から正方晶や菱面体晶に相転移する。この相転移の時点で膜に働く力により、結晶の配向性が決定されると考えられている。一般に、ＰＺＴに圧縮の力が働く場合には、ｃ軸配向の割合が増大し、ＰＺＴに引張の力が働く場合には、ａ軸配向の割合が増大する。
【００１５】
図１４は、圧電素子を構成する基板、圧電体、電極の線膨張係数（以下、単に膨張係数と記す）と格子定数とを示している。基板として膨張係数がＰＺＴよりも大きなもの（例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、ＰＺＴよりも基板のほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって圧縮の力が働くため、ｃ軸配向の割合が増大する。逆に、基板として膨張係数がＰＺＴよりも小さなもの（例えばＳｉ）を用いると、ＰＺＴを高温で成膜後、室温に戻したときに、基板よりもＰＺＴのほうが縮もうとする。この場合、ＰＺＴには基板によって引張の力が働くため、ａ軸配向の割合が増大する。
【００１６】
以上より、ＰＺＴが成膜される基板の選定によって、ＰＺＴの配向比率を変えることは可能であると言える。しかし、基板の膨張係数の値は、図１４で示すように飛び飛び（離散的）であり、設定しようとする比率に応じた基板が実際に存在するとは限らないため、基板の選定によってＰＺＴの配向比率を任意の比率に設定することは困難である。
【００１７】
なお、膨張係数の異なる基板として、図１４で示したもの以外の基板も提案されているが、Ｓｉ以外はいずれも、値段が高い、加工性が低い、基板の大きさに制約がある、などの理由により、一般的な利用の機会は少ない。
【００１８】
ところで、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる力のことを応力と定義する。例えば、ＰＺＴに外部から引張の力が働くとき、ＰＺＴには引張応力が生じ、ＰＺＴに外部から圧縮の力が働くとき、ＰＺＴには圧縮応力が生じることになる。このように、圧電体（圧電薄膜）に外部から引張または圧縮の力を与えて、圧電体の応力を制御する構成として、例えば特許文献１〜３や非特許文献１に開示されたものがある。
【００１９】
特許文献１では、圧電薄膜の成膜時のスパッタリング投入電力、成膜後の熱処理温度、を適切に制御し、基板材料等を適切に選択するとともに、基板と圧電薄膜との間に形成される下地層の応力を適切に制御することにより、圧電薄膜の応力を１．６ＧＰａ以下に抑制して、内部歪みに伴うリーク電流の増加、圧電薄膜や電極のクラック、圧電薄膜の膜剥がれによる印加実効電圧の低下を防ぎ、圧電特性を向上させるようにしている。
【００２０】
特許文献２では、基板上に、下部電極層と、配向制御層と、圧電体層と、上部電極層とをこの順で形成し、配向制御層に圧縮応力を付与することで、圧電体層の成膜時に生じる引張応力を配向制御層の圧縮応力によってキャンセルし、引張応力に起因する圧電体層のクラックの発生を抑制するようにしている。
【００２１】
特許文献３では、基板と、振動板と、中間膜と、圧電膜とをこの順で積層したユニモルフ型圧電膜素子において、中間膜を圧電膜よりも熱膨張係数の大きな膜で構成することで、結晶化工程における圧電膜の引張応力を完全に無くすか、圧縮方向の応力を発生させ、これによって、圧電膜の圧電特性を改善するようにしている。
【００２２】
非特許文献１では、Ｓｉよりも熱膨張係数の大きいステンレス（SUS304）の基板上に、シード層としてＬａＮｉＯ３薄膜を形成し、その上にＰＺＴ薄膜を成膜することで、ＰＺＴ薄膜に圧縮の力を付与して、ｃ軸配向の割合を高めるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２０１１−２９５９１号公報（請求項１、３、段落〔００２６〕、〔００３６〕、〔００４４〕、〔００４５〕、〔００６６〕等参照）
【特許文献２】特開２００８−４２０６９号公報（請求項１、２、段落〔００１９〕、〔００３０〕等参照）
【特許文献３】特開２００６−１００６２２号公報（請求項１、段落〔００１４〕、〔００１６〕〜〔００２３〕等参照）
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】野田俊成ら、「Chemical Solution Deposition法によるＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3薄膜の結晶配向制御」、Panasonic Technical Journal Vol.55 No.2 Jul. 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
ところで、圧電薄膜の結晶は、その下層の結晶状態の影響を受けて成長するため、結晶性の良好な圧電薄膜を成膜するためには、下層との格子マッチングを図る、つまり、圧電薄膜の結晶の格子定数と下層の結晶の格子定数とを近づけることが必要となる。
【００２６】
ところが、特許文献１〜３の構成では、基板と圧電薄膜との間に形成される層（下地層、配向制御層、中間膜）に、圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜としての機能を持たせている。応力制御膜は、圧電薄膜の応力を制御すべく、圧電薄膜に引張または圧縮の力を与えるための膜であるため、このような応力制御膜が基板に対して圧電薄膜側に形成されると、応力制御膜の影響によって圧電薄膜とその下層との格子マッチングが崩れる可能性がある。格子マッチングが崩れると、圧電薄膜の結晶成長状態が変化するため、圧電薄膜の応力を制御してその結晶配向性を制御することが困難になる。
【００２７】
また、非特許文献１の構成では、基板としてステンレス基板を用いることにより、ＰＺＴのｃ軸配向の比率が１つの値に決まるため、ＰＺＴの結晶の配向比率を任意の比率に設定することはできない。
【００２８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電薄膜の応力の制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避できるとともに、圧電薄膜の結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる圧電素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の圧電素子は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴としている。また、本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に圧電薄膜を成膜する工程と、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴としている。
【００３０】
上記の構成によれば、圧電薄膜の応力を制御するための応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されており、応力制御膜と圧電薄膜との間に基板が介在しているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れることがない。これにより、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。
【００３１】
また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いは、例えば応力制御膜の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【００３２】
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなる構成であってもよい。
【００３３】
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力制御膜がＳｉＮである構成において、応力制御膜の圧縮による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に引張の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合よりもａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００３４】
本発明の圧電素子において、前記基板は、Ｓｉからなり、前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなる構成であってもよい。
【００３５】
基板がＳｉであり、圧電薄膜がＰＺＴであり、応力膜がＳｉＯ２である構成において、応力制御膜の引張による基板の曲げ変形によって、圧電薄膜に圧縮の力を与えることにより、例えば圧電薄膜の正方晶においては、ａ軸配向（分極方向が基板の面に平行となる結晶配向）の割合よりもｃ軸配向（分極方向が基板の面に垂直となる結晶配向）の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００３６】
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられている構成であってもよい。
【００３７】
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に沿った方向に電界を印加することにより、基板に沿った方向の圧電薄膜の伸縮を主に利用して基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。
【００３８】
本発明の圧電素子は、前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられている構成であってもよい。
【００３９】
圧電薄膜に対して、一対の電極を介して基板に垂直な方向に電界を印加することにより、基板に垂直な方向の圧電薄膜の伸縮によって、基板に沿った方向に圧電薄膜を伸縮させて基板を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、基板に垂直な方向に圧電薄膜を大きく伸縮させることができ、これによって、基板に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子を駆動することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、応力制御膜が、基板に対して圧電薄膜とは反対側に成膜されているので、圧電薄膜とその下層との格子マッチングが応力制御膜によって崩れて、圧電薄膜の結晶の成長状態が変化するのを回避することができ、圧電薄膜の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。また、応力制御膜による基板の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜の応力を任意の応力に制御することができるので、圧電薄膜を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記圧電素子の製造時の流れを示すフローチャートである。
【図３】上記圧電素子の各製造工程を示す断面図である。
【図４】上記圧電素子の各製造工程を示す断面図である。
【図５】上記圧電素子の圧電薄膜を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。
【図６】上記圧電薄膜の応力を模式的に示す説明図である。
【図７】（ａ）は、上記圧電素子をｄ３１駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図８】（ａ）は、上記圧電素子をｄ３３駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図９】上記圧電素子の他の構成を示す断面図である。
【図１０】圧電体の結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図１１】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示すグラフである。
【図１２】ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性との関係を示すグラフである。
【図１３】上記圧電体の圧電効果の発現原理を示す説明図である。
【図１４】圧電素子を構成する基板、圧電体、電極の線膨張係数と格子定数とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００４３】
〔１．圧電素子の構成〕
図１は、本実施形態に係る圧電素子１０の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の圧電素子１０は、基板１の一方の面側に、熱酸化膜２、下部電極３、圧電薄膜４および上部電極５をこの順で積層し、基板１の他方の面側に、熱酸化膜２および応力制御膜６をこの順で積層して構成されている。
【００４４】
基板１は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ２からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００４５】
下部電極３は、Ｔｉ層３ａとＰｔ層３ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層３ａは、熱酸化膜２とＰｔ層３ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層３ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層３ｂの厚さは例えば０．１μｍ程度である。
【００４６】
圧電薄膜４は、結晶構造がペロブスカイト型のＰＺＴで構成されている。ＰＺＴの厚みは、用途によって異なるが、メモリやセンサの用途では例えば１μｍ以下であり、アクチュエータでは例えば３〜５μｍである。
【００４７】
なお、以下での説明を簡略化するため、ＰＺＴの結晶構造は、特に断らない限り、正方晶であるものとして話を進める。
【００４８】
上部電極５は、Ｔｉ層５ａとＰｔ層５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層５ａは、圧電薄膜４とＰｔ層５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層５ａの厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層５ｂの厚さは例えば０．２μｍ程度である。
【００４９】
応力制御膜６は、基板１に曲げ変形を生じさせることによって、圧電薄膜４の応力を制御するための膜であり、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。ここで、応力とは、一般的に、物体に外部から力が加わったときに、物体の内部に生じる単位面積あたりの力のことを指す（単位はＰａ（Ｎ／ｍ２））。
【００５０】
圧電薄膜４の応力としては、引張応力または圧縮応力がある。引張応力とは、圧電薄膜４に対して外部から引張の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては正の値で示される。一方、圧縮応力とは、圧電薄膜４に対して外部から圧縮の力が働いたときに、圧電薄膜４が感じる応力のことであり、数値としては負の値で示される。
【００５１】
上記のように基板１がＳｉで構成されて、圧電薄膜４がＰＺＴで構成される場合、応力制御膜６は例えばＳｉＮやＳｉＯ２で構成される。ＳｉＮは、基板１に対して圧縮して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に引張の力を与える応力制御膜６である。一方、ＳｉＯ２は、基板１に対して伸長して基板１に曲げ変形を生じさせることにより、圧電薄膜４に圧縮の力を与える応力制御膜６である。ちなみに、ＳｉＮの膨張係数は３．０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が大きい。また、ＳｉＯ２の膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉよりも膨張係数が小さい。なお、応力制御膜６の詳細については後述する。
【００５２】
〔２．圧電素子の製造方法〕
次に、上記した圧電素子１０の製造方法について説明する。図２は、圧電素子１０の製造時の流れを示すフローチャートであり、図３および図４は、圧電素子１０の各製造工程を示す断面図である。
【００５３】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１の両面に、絶縁・保護用のＳｉＯ２からなる熱酸化膜２を形成する（Ｓ１）。熱酸化膜２は、基板１を１０００℃程度で加熱することにより形成される。
【００５４】
続いて、図３（ｂ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、基板１の一方の面側に、応力制御膜６を例えばＣＶＤ法で成膜する（Ｓ２）。その後、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、基板１の他方の面の熱酸化膜２上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層３ａおよびＰｔ層３ｂからなる下部電極３を形成する（Ｓ３、Ｓ４）。
【００５５】
次に、図４（ａ）に示すように、基板１を６００℃程度に加熱して、下部電極３上にＰＺＴからなる圧電薄膜４をスパッタ法で成膜する（Ｓ５）。なお、圧電薄膜４の成膜方法の詳細については後述する。そして、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、圧電薄膜４の上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜して、Ｔｉ層５ａおよびＰｔ層５ｂからなる上部電極５を形成し（Ｓ６、Ｓ７）、圧電素子１０を完成させる。以上の工程により、圧電薄膜４と応力制御膜６とは、基板１に対して互いに反対側に成膜される。
【００５６】
〔３．ＰＺＴの成膜方法の詳細〕
図５は、圧電薄膜４としてのＰＺＴを成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。圧電薄膜４は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜することができる。
【００５７】
まず、所定の組成比に調合したＰＺＴ材料の粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿１２に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１１を作製する。そして、このターゲット皿１２をマグネット１３上に設置し、その上にカバー１４を設置する。このマグネット１３とその下にある高周波電極１５は、絶縁体１６によって真空チャンバー１７と絶縁されている。また、高周波電極１５は、高周波電源１８と接続されている。
【００５８】
次に、基板１を、基板加熱ヒーター１９上に設置する。そして、真空チャンバー１７内を排気し、基板加熱ヒーター１９によって基板１を６００℃まで加熱する。加熱後、バルブ２０および２１を開け、スパッタガスであるＡｒとＯ２を所定の割合でノズル２２より真空チャンバー１７内に導入し、真空度を所定値に保つ。ターゲット１１に高周波電源１８より高周波電力を投入し、プラズマを発生させることにより、基板１上に圧電薄膜４としてのＰＺＴ層を成膜することができる。
【００５９】
〔４．応力制御膜について〕
次に、上述した応力制御膜６の詳細について説明する。図６は、圧電薄膜４の応力を模式的に示している。なお、同図における矢印の長さは、圧電薄膜４の応力の大きさと対応している。また、矢印の向きは、圧電薄膜４の応力が引張応力であるか圧縮応力であるかを示している。同図では、矢印の向きはいずれも、圧電薄膜４の内側から外側に向かう向きであり、これは圧電薄膜４にかかっている応力が引張応力であることを示している。
【００６０】
Ｓｉからなる基板１に応力制御膜が設けられていない場合において、基板１上への圧電薄膜４の成膜時（加熱状態）に、ＰＺＴは立方晶の状態にあるが、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＰＺＴは立方晶から正方晶に相変化する。このとき、ＰＺＴは、基板１を構成するＳｉよりも膨張係数が大きいため、圧電薄膜４は基板１よりも縮もうとするが、基板１に拘束されているため、圧電薄膜４は基板１から引張の力を受ける（圧電薄膜４の応力は引張応力となる）。ちなみに、このときの圧電薄膜４の応力は、約１００ＭＰａ程度である。
【００６１】
一方、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＮが設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＮはＳｉよりも膨張係数が大きいため、ＳｉよりもＳｉＮのほうが縮もうとする。このようなＳｉＮのＳｉに対する圧縮により、基板１から見て圧電薄膜４側が凸となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力に加えて、上記した基板１の曲げ変形による引張の力をさらに受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも増大する。このとき、ＳｉＮの膜厚をさらに増大させると、ＳｉＮの圧縮による基板１の曲げ変形の度合いがさらに大きくなるため、圧電薄膜４は基板１から引張の力をさらに受け、圧電薄膜４の引張応力はさらに増大する。
【００６２】
このように、ＳｉＮの膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整することができる。なお、ＳｉＮの膜厚の調整は、ＳｉＮの成膜条件を調整することによって容易に調整可能である。
【００６３】
なお、ＳｉＮは基板１によって拘束されているため、ＳｉＮの圧縮時には、ＳｉＮは基板１によって引き伸ばされようとする。したがって、ＳｉＮが感じる応力は引張応力となる。ちなみに、このときのＳｉＮの引張応力は、最大で約１ＧＰａ程度である。
【００６４】
また、Ｓｉからなる基板１に、応力制御膜６としてＳｉＯ２が設けられている場合、圧電薄膜４の成膜が終了し、基板１が冷却されると、ＳｉＯ２はＳｉよりも膨張係数が小さいため、ＳｉＯ２よりもＳｉのほうが縮もうとする（ＳｉよりもＳｉＯ２のほうが相対的に伸びようとする）。このようなＳｉＯ２のＳｉに対する伸長により、基板１から見て圧電薄膜４側が凹となる方向への曲げ変形が基板１に生ずる。圧電薄膜４は、基板１との膨張係数の差に起因する引張の力を受けるが、上記した基板１の曲げ変形による圧縮の力も受けるため、圧電薄膜４の引張応力は、応力制御膜がない場合よりも減少する。
【００６５】
なお、ＳｉＯ２の膜厚を調整することにより、圧電薄膜４の応力を調整できる点、ＳｉＯ２の膜厚の調整は、ＳｉＯ２の成膜条件を調整することによって容易に調整可能である点は、上記したＳｉＮの場合と全く同様である。
【００６６】
なお、ＳｉＯ２は基板１によって拘束されているため、ＳｉＯ２の伸長時には、ＳｉＯ２は基板１によって縮められようとする。したがって、ＳｉＯ２が感じる応力は圧縮応力となる。ちなみに、このときのＳｉＯ２の圧縮応力は、約−３００ＭＰａ程度である。
【００６７】
以上より、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがｃ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＮからなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに引張の力を与えてａ軸配向の比率を増やすことができる。逆に、基板１上に応力制御膜がない場合に、圧電薄膜４を構成するＰＺＴがａ軸主配向の正方晶からなっている場合には、ＳｉＯ２からなる応力制御膜６を基板１に対してＰＺＴとは反対側に成膜することにより、ＰＺＴに圧縮の力を与えてｃ軸配向の比率を増やすことができる。そして、上記いずれの場合でも、応力制御膜６の膜厚を調整することにより、ＰＺＴに任意の伸縮力を与えて、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に調整し、ＰＺＴの結晶配向性を制御することができる。
【００６８】
なお、上記したｃ軸配向とは、（００１）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に垂直な方向（ＰＺＴの厚さ方向）となる結晶配向のことを指す。また、ａ軸配向とは、（１００）配向とも呼ばれ、ＰＺＴの分極方向が基板１の面に沿った方向（ＰＺＴの厚さ方向に垂直な方向）となる結晶配向のことを指す。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、圧電薄膜４の応力を制御すべく、圧電薄膜４に引張または圧縮の力を与えるための応力制御膜６が、基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に成膜されている。つまり、応力制御膜６と圧電薄膜４との間に、薄膜よりも十分に厚い基板１が介在している。この構成では、基板１に対して一方側に形成される応力制御膜６が、基板１に対して他方側に形成される圧電薄膜４とその下層の下部電極３（Ｐｔ層３ｂ）との格子マッチングに直接的に影響を及ぼすことがなく、格子マッチングが崩れて、圧電薄膜４の結晶の成長状態が変化するのを回避することができる。その結果、圧電薄膜４の応力制御による結晶配向性の制御が困難になるのを回避することができる。
【００７０】
また、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いは、上述したように応力制御膜６の膜厚を調整することで容易に調整可能である。したがって、応力制御膜６による基板１の曲げ変形の度合いを調整することで、圧電薄膜４の応力を任意の応力に制御することができる。その結果、圧電薄膜４を構成する結晶の配向比率を任意の比率に設定することができる。
【００７１】
特に、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＮからなる構成では、応力制御膜６の圧縮による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に引張の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ｃ軸配向とａ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００７２】
また、基板１がＳｉからなり、圧電薄膜４がＰＺＴからなり、応力制御膜６がＳｉＯ２からなる構成では、応力制御膜６の引張による基板１の曲げ変形によって、圧電薄膜４に圧縮の力を与えることにより、ＰＺＴの正方晶においては、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合を増やすことができる。これにより、ａ軸配向とｃ軸配向との比率を任意の比率に確実に設定することができる。しかも、安価で加工性のよいＳｉ基板を用いる構成において、そのような効果を得ることができる。
【００７３】
また、応力制御膜６がない状態でのＰＺＴの配向性（ａ軸主配向、ｃ軸主配向）や、ａ軸配向と軸配向との比率は、ＰＺＴの応力以外にも、基板１の格子定数等によっても変化するが、基板１としてＳｉ基板を用いる場合には（基板１の格子定数を固定した場合には）、上述したように、応力制御膜６の膜厚を制御するだけで、ＰＺＴの応力を制御することができる。
【００７４】
〔５．圧電素子の応用例〕
図７（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３１駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。また、応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。下部電極３および上部電極５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
【００７５】
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ｃ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＯ２を選択し、その膜厚を設定することにより、ｃ軸配向の比率が７０％程度、ａ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に垂直な方向（ＰＺＴの膜厚方向）である。この圧電薄膜４に電圧を印加するための一対の電極、すなわち、下部電極３および上部電極５は、圧電薄膜４を基板１に垂直な方向から挟むように設けられている。したがって、この構成では、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。
【００７６】
なお、上記したａ軸配向およびｃ軸配向の各比率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の２θ／θ測定による結果に基づいて判断することができる。Ｘ線回折の２θ／θ測定とは、Ｘ線をサンプルに対して水平方向からθの角度で（結晶面に対してθの角度で）入射させ、サンプルから反射して出てくるＸ線のうち、入射Ｘ線に対して２θの角度のＸ線を検出することで、θに対する強度変化を調べる手法である。Ｘ線による回折では、ブラッグの条件（２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（λ：Ｘ線の波長、ｄ：結晶の原子面間隔、ｎ：整数））を満足するときに回折強度が高くなるが、そのときの結晶の面間隔（格子定数）と上記の２θとは対応関係にある。したがって、回折強度が高くなる２θの値に基づいて、Ｘ線が入射したサンプルの結晶構造（ａ軸配向の比率、ｃ軸配向の比率、結晶系が正方晶であるか菱面体晶であるか）を把握することができる。
【００７７】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。したがって、支持基板７の開口部７ａに気体や液体を充填すると、圧電素子１０をポンプとして用いることができる。
【００７８】
また、所定の圧電薄膜４の電荷量を下部電極３および上部電極５を介して検出することにより、圧電薄膜４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電薄膜４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電素子１０を超音波センサとして用いることもできる。さらに、ＰＺＴは、圧電特性の他にも焦電性、強誘電性を有しているため、圧電素子１０を熱センサや記憶メモリとして活用することもできる。
【００７９】
以上のように、圧電薄膜４に対して、下部電極３および上部電極５を介して基板１に垂直な方向に電界を印加することにより、圧電薄膜４は基板１に垂直な方向に変形（例えば伸長）するとともに、基板１に沿った方向にも変形（例えば収縮）する。したがって、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の変形（伸縮）を利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３１駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多いので、電界の印加によって基板１に垂直な方向に圧電薄膜４を大きく伸縮させることができ、これによって、基板１に沿った方向（ｄ３１方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。
【００８０】
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に垂直な方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ｃ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ａ軸配向からｃ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。
【００８１】
また、図８（ａ）は、本実施形態で作製した圧電素子１０をｄ３３駆動のダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図であり、図８（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。応力制御膜６の基板１とは反対側には、支持基板７としてのＳｉ基板が接合されている。この支持基板７には、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部７ａが形成されている。
【００８２】
また、圧電薄膜４に電界を印加するための一対の電極８・８は、基板１上で圧電薄膜４を基板１に沿った方向から挟むように設けられている。このとき、図８（ａ）に示すように、電極８を形成する層の一部は除去されて基板１が露出している。このように電極層の一部を除去することで、圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８、つまり、極性の異なる一対の電極８・８を分離することができる。一対の電極８・８は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。なお、一対の電極８・８は、上述した下部電極３および上部電極５と同じ材料で構成することができる。
【００８３】
ここで、圧電薄膜４としてのＰＺＴは、ａ軸主配向の正方晶であり、応力制御膜６としてＳｉＮを選択し、その膜厚を設定することにより、ａ軸配向の比率が７０％程度、ｃ軸配向の比率が３０％程度に設定されている。したがって、ＰＺＴ全体としての分極方向Ｐは、基板１に沿った方向（ＰＺＴの膜厚方向に垂直な方向）である。したがって、この構成においても、圧電薄膜４に対する電界の印加方向Ｅと、ＰＺＴの分極方向Ｐとは同方向となっている。
【００８４】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む一対の電極８・８に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が電界印加方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１が上下に湾曲（振動）する。また、圧電薄膜４の振動によって生じる電荷量を一対の電極８・８を介して検出することもできる。したがって、圧電素子１０を上記と同様に、ポンプやセンサ等として用いることができる。
【００８５】
以上のように、圧電薄膜４に対して、一対の電極８・８を介して基板１に沿った方向に電界を印加することにより、基板１に沿った方向の圧電薄膜４の伸縮を主に利用して基板１を厚さ方向に振動させる、いわゆるｄ３３駆動を実現することができる。このとき、圧電薄膜４に含まれるＰＺＴの正方晶において、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多いので、基板１に沿った方向（ｄ３３方向）に大きな圧電変位を得て、効率よく圧電素子１０を駆動することができる。
【００８６】
また、この構成では、圧電薄膜４に対して基板１に沿った方向に電界が印加されるため、圧電薄膜４において、ａ軸方向の伸長による圧電効果に加えて、ｃ軸配向からａ軸配向への分極方向の回転による圧電効果も活用できる。これにより、大きな出力を得ることができる。
【００８７】
〔６．圧電素子の他の構成〕
図９は、圧電素子１０の他の構成を示す断面図である。圧電素子１０は、基板１に直接、圧電薄膜４の駆動領域に対応する開口部１ａを形成した後、基板１に対して圧電薄膜４の成膜側とは反対側の表面全体に、上述した応力制御膜６を成膜することによって構成されていてもよい。この構成では、基板１の開口部１ａの内部および外部に応力制御膜６が形成されるが、この構成であっても、基板１に対して応力制御膜６が圧電薄膜４と反対側に形成されていることにより、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
なお、図９の構成の圧電素子１０を製造する場合、基板１上への圧電薄膜４の成膜、基板１の開口部１ａの形成、基板１への応力制御膜６の成膜、の各工程が順に行われるため、応力制御膜６は、圧電薄膜４の成膜後に基板１に成膜されてもよいと言える。つまり、応力制御膜６を基板１に成膜するタイミングは、図２で示したような、圧電薄膜４の基板１への成膜前には限定されない。
【００８９】
〔７．補足〕
以上では、基板１としてＳｉ基板を用いる構成について説明したが、Ｓｉ以外の基板を用いてもよい。この場合でも、用いる基板の膨張係数に応じて応力制御膜６の種類（材料）や厚さを設定することにより、圧電薄膜４の応力を制御して、圧電薄膜の配向比率を任意の比率に設定することが可能である。
【００９０】
また、以上では、圧電薄膜４としてのＰＺＴが正方晶である場合について説明したが、ＰＺＴが菱面体晶であっても、応力制御膜６を基板１に対して圧電薄膜４とは反対側に設けて、ＰＺＴの配向比率（（１１１）配向と（００１）配向との比率）を適切に設定することも可能である。さらに、ＰＺＴが正方晶と菱面体晶との混合結晶からなる場合でも、応力制御膜６の種類や厚さを設定により、各配向方向の比率を適切に設定することは可能である。
【００９１】
なお、本実施形態では、圧電薄膜４をスパッタ法で成膜しているが、圧電薄膜４の成膜方法としては、上述したスパッタ法だけでなく、物理気相成長法である蒸着法、化学気相成長法であるＣＶＤ法、液相法であるゾルゲル法など、他の手法を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ（熱センサ）、周波数フィルタなどの種々のデバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 基板
３ 下部電極
４ 圧電薄膜
５ 上部電極
６ 応力制御膜
８ 電極
１０ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、
前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項６】
基板上に圧電薄膜を成膜する工程と、
前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１】
基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、
前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜され、前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を備えていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して圧縮して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に引張の力を与えるＳｉＮからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴからなり、
前記応力制御膜は、前記基板に対して伸長して前記基板に曲げ変形を生じさせることにより、前記圧電薄膜に圧縮の力を与えるＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ｃ軸配向の割合よりもａ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に沿った方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記圧電薄膜を挟持する一対の電極をさらに備えており、
前記圧電薄膜は、ＰＺＴの正方晶を含んでおり、
前記正方晶では、ａ軸配向の割合よりもｃ軸配向の割合のほうが多く、
前記一対の電極は、前記圧電薄膜を前記基板に対して垂直方向から挟むように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項６】
基板上に圧電薄膜を成膜する工程と、
前記基板に曲げ変形を生じさせることによって、前記圧電薄膜の応力を制御する応力制御膜を、前記基板に対して前記圧電薄膜とは反対側に成膜する工程とを有していることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１０２０２４（Ｐ２０１３−１０２０２４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４３０４（Ｐ２０１１−２４４３０４）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
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