JP2003347613A

JP2003347613A - 圧電体薄膜素子

Info

Publication number: JP2003347613A
Application number: JP2002152877A
Authority: JP
Inventors: Chisako Maeda; 智佐子前田; Akira Yamada; 朗山田; Ayumi Nozaki; 歩野崎; Shoji Miyashita; 章志宮下; Hide Yamashita; 秀山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】高い素子性能を有し、低コスト、高い歩留ま
りで実現できる圧電体薄膜素子を提供する。【解決手段】シリコンウエハ等の基板１の上に順次、
下地膜２、第１電極３、結晶配向制御層４、圧電体薄膜
５、第２電極６が形成される。下地膜２は窒化シリコン
と酸化シリコンとの２層構造を有し、第１電極３はチタ
ン密着層とイリジウム主導体層との２層構造を有し、第
２電極６はチタン密着層と白金主導体層との２層構造を
有する。結晶配向制御層４はルテニウム酸ストロンチウ
ム等で形成され、圧電体薄膜５はチタン酸鉛等で形成さ
れ、圧電体薄膜５の結晶配向が<101>、<111>および<100
>に制御されることで、<111>方向と比べて自発分極方向
成分がより大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電性、焦電性、
強誘電性等の材料特性を有する薄膜を用いた圧電素子、
超音波応用素子、電気光学素子、焦電素子、強誘電体素
子等に適用可能な圧電体薄膜素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面弾性波素子、バルク超音波素子、加
速度センサ、アクチュエータあるいは焦電型赤外線感知
素子など材料の圧電性、焦電性、強誘電性を応用した装
置は、従来、機械加工した単結晶基板または多結晶焼結
体を基材に貼り付けるなどして製造されていた。装置の
小型、軽量化、高機能化のためには単結晶を機械加工す
る素子製造には限界があり、近年は薄膜を応用したデバ
イスが多く研究・開発されている。

【０００３】例えば特開平６−３５０１５４号公報に
は、基板上に順次、下地膜、電極用密着層、第１の電
極、圧電体薄膜、電極用密着層、第２の電極が積層され
た圧電体薄膜素子が記載されている。各構成の材料に関
して、基板としてシリコン単結晶を用いた場合、下地膜
として酸化シリコンのような誘電体薄膜が用いられる。
第１の電極は、<111>方向に高配向した白金で形成され
る。圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし
た材料で形成される。このチタン酸ジルコン酸鉛薄膜
は、化学式がPb_1+Y(Zr_xTi_1-X)O_3+Yで表され、組成が0.5
5≦X＜1、0≦Y≦0.5の範囲にあり、菱面体系結晶構造を
有し、基板の主面垂直方向に対し、<111>方向への配向
度が70%以上である。

【０００４】一方、基板としてマグネシア単結晶を用い
た場合、第１の電極が<100>方向に配向することから、
第1の電極上のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜は正方晶系結
晶構造となり、<001>方向への配向度70%以上の配向膜と
なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】圧電体薄膜は、結晶性
が高く、自発分極方向に高配向している場合に高い圧電
性能を発現する。しかしながら、シリコンやガラスなど
の基板を用いた場合は、下部電極は<111>方向に高配向
する。圧電体薄膜を下部電極の上に形成した場合、下部
電極の結晶配向方向<111>に強く依存するようになり、
自発分極方向<001>からはおよそ45度傾いた<111>方向に
圧電体薄膜も高配向する。そのため、圧電体薄膜自体は
高い結晶性を有しているにもかかわらず、圧電性能は<0
01>配向膜に比べて低下する。圧電体薄膜の圧電性能が
低いと、高性能な素子を得ることができなくなる。

【０００６】圧電体薄膜を自発分極方向<001>に配向さ
せるためには、基板をマグネシア、サファイア等の特殊
な単結晶基板を用いたり、あるいは、ガラスやシリコン
等の汎用基板上にマグネシア、サファイアなどをエピタ
キシャル成長させること等が必要になる。

【０００７】しかし、マグネシアなどの特殊な単結晶基
板は高価である。また、汎用基板上にエピタキシャル成
長層を形成すると、製造プロセスが複雑になる。このよ
うに単結晶基板またはエピタキシャル成長層を用いて素
子を製造する場合、高いコストや低い歩留まり等の課題
がある。

【０００８】また、下部電極と圧電体薄膜の間に中間層
を介在させ、この中間層の上に圧電体薄膜をエピタキシ
ャル成長させることが考えられる。しかし、従来の中間
層は圧電体薄膜と同様な誘電体で形成されているため、
その中間層が電気的に不要容量となり、圧電体薄膜への
印加電界が低下し、素子性能の低下を招く。

【０００９】さらに、素子と外部装置とを接続させるた
めの第１および第２の電極用パッドの上に誘電体からな
る中間層が残留すると、不要な静電容量が生ずるため、
素子性能が低下する。

【００１０】また、圧電体薄膜素子において、例えばバ
ルク超音波デバイスなどのように、圧電体薄膜が上下の
電極に挟まれた領域と、上部電極を外部装置と接続する
ためのリードの着地点（ポストと称す）を含む領域を素
子動作領域と定義した場合、この素子動作領域の下の基
板を除去する構造の素子では、化学的または物理的エッ
チングにより基板の一部を除去する場合がある。このよ
うな場合、耐薬品性が高くない材料からなる結晶配向制
御層を下地膜として用いることは、基板除去の工程にお
いて、基板と共に、下地膜まで除去されてしまうため、
素子の製造が困難である。

【００１１】本発明の目的は、上記のような問題点を解
決するため、高い素子性能を有し、低コスト、高い歩留
まりで実現できる圧電体薄膜素子を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電性材料か
らなる圧電体薄膜と、圧電体薄膜の下方に設けられた第
１電極と、圧電体薄膜の上方に設けられた第２電極と、
第１電極と圧電体薄膜との間に設けられ、圧電体薄膜の
結晶配向性を制御するための結晶配向制御膜とを備え、
結晶配向制御膜は、導電性を有することを特徴とする圧
電体薄膜素子である。

【００１３】こうした構成によって、結晶配向制御膜の
上に形成される圧電体薄膜の結晶配向性は結晶配向制御
膜の結晶配向に大きく依存するようになり、第１電極の
結晶配向による配向依存性を排除できる。そのため、圧
電体薄膜の結晶配向において自発分極方向成分が全体的
に増加するようになり、圧電体薄膜の圧電性能が大きく
向上する。

【００１４】例えば圧電体薄膜の主成分が化学式ABO₃に
て表されるチタン酸鉛に代表される正方晶系ペロブスカ
イト型結晶構造の場合、結晶配向制御膜も化学式CDO₃に
て表されるルテニウム酸ストロンチウムなどのペロブス
カイト型結晶体を用いる。下地膜付き基板上に白金やイ
リジウムなどの電極薄膜を形成すると<111>方向へ配向
して成長するが、この電極薄膜上に形成される結晶配向
制御層が<111>方向と<111>方向以外へ配向した結晶領域
が混在する多結晶薄膜となる。その結果、この結晶配向
制御膜上に形成した圧電体薄膜が主に<101>、<102>方
向、及び<111>方向に配向した多結晶が混在する薄膜と
なり、自発分極方向成分が全体的に増加するようにな
る。

【００１５】さらに、結晶配向制御膜は導電性を有する
ことによって、第１電極と第２電極との間で生成される
静電容量のうち結晶配向制御膜による静電容量は生じな
くなる。その結果、圧電体薄膜へ印加される電界を高く
維持することができる。また、第１電極のパターニング
加工によって外部回路との接続用パッドを形成する場
合、接続用パッド上に導電性の結晶配向制御膜が存在し
ても電気伝導を確保できる。そのためパッド近傍での結
晶配向制御膜に起因した静電容量の生成を抑制できる。
従って、パッドから結晶配向制御膜を除去するプロセス
が不要になり、製造コストの低減化が図られる。

【００１６】また、結晶配向制御層を第１電極の上に形
成するため、素子構造の下地膜として、化学的に安定な
酸化シリコンや窒化シリコン等を用いることができる。
従って、基板の一部をエッチングして中空構造を形成す
る際には、下地膜が溶解することなく中空構造を形成で
きる。また、結晶配向制御層および圧電体薄膜をスパッ
タ法により形成することにより、同一成膜装置内で、試
料を大気解放することなく、連続したプロセスにて形成
することができるため、圧電体薄膜素子の製造コストを
低減させることができる。

【００１７】本発明において、圧電体薄膜の主成分が化
学式ABO₃で表される化合物であり、Aは、K、Bi、Ca、L
a、Li、Pbの中から選ばれる１つ以上の元素を含み、B
は、Nb、Sc、Ta、Ti、Zrの中からから選ばれる１つ以上
の元素を含むことが好ましい。

【００１８】こうした構成によって、高い圧電性能を有
する圧電体薄膜を形成することができる。

【００１９】また本発明において、結晶配向制御膜の主
成分が化学式CDO₃で表される酸化物であり、Cは、Sr、C
aの中からから選ばれる1つ以上の元素を含み、Dは、R
u、Cr、V、Tiの中から選ばれる1つ以上の元素を含むこ
とが好ましい。

【００２０】こうした構成によって、結晶配向制御膜の
上に形成される圧電体薄膜の結晶配向を、高い圧電性能
を示すような結晶配向に制御することができる。

【００２１】また本発明において、圧電体薄膜の主成分
がペロブスカイト型結晶構造を有し、結晶配向制御層の
主成分がペロブスカイト型結晶構造を有することが好ま
しい。

【００２２】こうした構成によって、ペロブスカイト型
結晶構造を有する圧電性材料は一般に高い圧電性能を示
すことから、結晶配向制御層としてペロブスカイト型結
晶構造を有する材料を用いることによって、結晶配向制
御層の上に形成される圧電体薄膜の結晶構造についても
ペロブスカイト型結晶構造が支配的になる。その結果、
圧電体薄膜の圧電性能を高く維持できる。

【００２３】また本発明において、第１電極は、Ir、P
t、Pd、Ru、Auの中から選ばれる1つ以上の元素を主成分
とする主導体層を有することが好ましい。

【００２４】こうした構成によって、化学的に安定で、
高い導電性を示し、上層や下層との密着強度に優れた電
極を得ることができる。

【００２５】また本発明において、圧電体薄膜の自発分
極方向と圧電体薄膜の結晶配向方向とがなす角θ₁と、
圧電体薄膜の自発分極方向と第１電極を構成する主導体
層の結晶配向方向とがなす角θ₂の関係が、θ₁＜θ₂で
あることが好ましい。

【００２６】例えば圧電体薄膜をチタン酸鉛で形成した
場合を例として詳細に説明する。図２に示すように、チ
タン酸鉛の正方晶系結晶の単位胞ＵＣを考えたとき、チ
タン酸鉛の自発分極方向は<001>であるが、この<001>方
向と<101>方向とがなす角度θ_1ａは43.2度になり、<001
>方向と<102>方向とがなす角度θ_1ｂは25.1度になる。
一方、第１電極を構成する主導体層の結晶配向方向は一
般に<111>方向になることから、<101>方向の角度θ_1ａ
や<102>方向角度θ_1ｂは、<001>方向と<111>方向とがな
す角度θ₂より小さい角度になる。

【００２７】従って、<101>,<102>方向へ配向した領域
が混在する圧電体薄膜は<111>方向に高配向した圧電体
薄膜に比べて、高い圧電特性を有する。チタン酸鉛のよ
うな圧電体薄膜は、他にもチタン酸ジルコン酸鉛などが
挙げられる。

【００２８】このように関係式θ₁＜θ₂を満たすことに
よって、圧電体薄膜の結晶配向において自発分極方向成
分が全体的に増加するようになり、圧電体薄膜の圧電性
能が大きく向上する。

【００２９】また本発明において、第１電極と第２電極
との間に圧電体薄膜および結晶配向制御膜が挟まれた構
造が、同一基板上に複数組配置されていることが好まし
い。

【００３０】こうした構成によって、複数の圧電素子を
組み合せた回路デバイスを構成することができ、回路の
小型化、製造コスト低減や歩留まり向上が図られる。

【００３１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
一実施形態を示す断面図である。(100)面のシリコンウ
エハ等からなる基板１の上には、下地膜２が形成され
る。下地膜２は、例えば、プラズマCVD（Chemical Vapo
r Deposition）法により形成された窒化シリコン（厚さ
0.3μm）と酸化シリコン（厚さ2μm）との２層構造を有
する。

【００３２】下地膜２の上には、第１電極３が形成され
る。第１電極３は、例えば、下地膜２との密着層として
機能するチタン層（厚さ0.05μm）と、主導体層として
機能するイリジウム層（厚さ0.2μm）との２層構造を有
する。

【００３３】第１電極３の上には、圧電体薄膜５の結晶
配向性を制御するための結晶配向制御層４が形成され
る。結晶配向制御層４の材料として、導電性を有し、圧
電体薄膜５の結晶構造と同じ結晶構造をとるものを使用
する。

【００３４】圧電体薄膜５は、例えばチタン酸鉛薄膜で
形成される。圧電体薄膜５の上には、第２電極６が形成
される。第２電極６は、例えば、圧電体薄膜５との密着
層として機能するチタン層（厚さ0.05μm）と、主導体
層として機能する白金（厚さ0.1μm）との２層構造を有
する。

【００３５】次に、上記構成からなる圧電体薄膜素子の
製造方法の一例について詳細に記述する。基板１として
シリコンウエハ上に、プラズマ化学気相成長法にて窒化
シリコンと酸化シリコンを順に成膜して、下地膜２を形
成する。窒化シリコンの原料ガスとして、例えばシラ
ン、アンモニア、窒素の混合ガス等を用いる。

【００３６】次に、第１電極３は、例えばスパッタ法に
より、金属チタンと金属イリジウムをターゲットとし、
スパッタガス：アルゴン、スパッタ圧力：10mTorr 、RF
パワー：50W、基板温度：400℃などの条件下にてそれぞ
れ所望の厚さが得られるまで成膜を順次行う。チタン層
は酸化され易いため、チタン層形成の後、連続して、即
ち、チタン表面を大気等の含酸素雰囲気にさらすことな
くイリジウム等の主導電層を形成することが望ましい。

【００３７】次に、結晶配向制御層４として、例えばル
テニウム酸ストロンチウムを用いた場合、例えばスパッ
タ法により、ルテニウム酸ストロンチウムの焼結体をタ
ーゲットとして、スパッタガス：アルゴンと酸素の混合
ガス、スパッタ圧力：0.5Pa、RFパワー：50〜100W、基
板温度：室温〜680℃などの条件下にて、膜厚：0.05μm
となるように成膜を行う。

【００３８】次に、圧電体薄膜５として、例えばチタン
酸鉛を用いた場合、例えばスパッタ法にて、鉛：チタン
比を1.3：1.0として少量の酸化ランタンを添加した焼結
体をターゲットとして、スパッタガス：アルゴンと酸素
の混合ガス、スパッタ圧力：0.5Pa、RFパワー：100W、
基板温度：400〜700℃などの条件下にて、膜厚：0.05μ
mとなるように成膜を行う。

【００３９】次に、第２電極６は、例えば、イオンビー
ム機能付き蒸着法にてチタン薄膜と白金薄膜を順次形成
する。第２電極６は、リフトオフ法を用いることにより
所望の形状に加工でき、しかも第２電極６の下に配され
ている圧電体薄膜５に損傷を与えずに済む。リフトオフ
法では、圧電体薄膜６上にレジストを塗布した後、第２
電極６を形成する部分のレジストを除去し、例えば、本
実施形態においてはチタンと白金の層をイオンビーム機
構付き蒸着にて形成し、その後レジストを除去すること
から、圧電体薄膜５への影響が極めて少なくなる。

【００４０】図３は、結晶配向制御層４の上に形成した
圧電体薄膜５のＸ線回折分析結果を示すグラフである。
ここでは、結晶配向制御層４としてルテニウム酸ストロ
ンチウムを用い、スパッタ法にて基板温度640度、スパ
ッタガスの流量はアルゴンガス40sccm、酸素10sccmとい
う条件で形成している。また、圧電体薄膜５としてチタ
ン酸鉛PbTiO₃を形成している。

【００４１】図３のグラフを参照すると、チタン酸鉛の
(101)、(111)および(100)のピークが見られ、これらの
うちチタン酸鉛(101)のピークが最も高く、(101)ピーク
強度と(111)ピーク強度の比は2.6：1の割合であった。

【００４２】なお、ルテニウム酸ストロンチウムは膜厚
が薄いため、Ｘ線回折のピーク強度が小さくなり、図３
中では明瞭に現れていないが、計算によると2θ＝32.2
度近傍にルテニウム酸ストロンチウム(200)ピークが存
在している。また、2θ＝40.8度近傍には、第１電極３
を構成するイリジウムの(111)ピークが現れている。

【００４３】図４は、比較のため結晶配向制御層を省い
て、第１電極３の上に直接形成した圧電体薄膜５のＸ線
回折分析結果を示すグラフである。ここでは、第１電極
３としてイリジウムを用いて、圧電体薄膜５としてチタ
ン酸鉛を形成している。

【００４４】図４のグラフを参照すると、チタン酸鉛は
イリジウムの結晶配向に影響されて、極めて強く<111>
方向に配向していることが判る。

【００４５】これらのＸ線回折分析結果から、圧電体薄
膜５の結晶配向は、第１電極３上に形成した結晶配向制
御層４に影響されて、圧電体薄膜５の大部分を<101>方
向へ配向させることができる。

【００４６】以上のように、チタン酸鉛などのような結
晶性の薄膜を形成する際に、第１電極上に結晶配向制御
層を介在させることにより、第１電極の結晶配向からの
拘束を緩和し、より圧電性が高い方向へ結晶配向させる
ことができる。そのため、マグネシアやサファイアなど
のような特殊な単結晶基板を用いる必要がなく、製造コ
ストを削減し得る。また、基板に汎用性の高いシリコン
などを用いることができるので、該圧電体薄膜素子と他
の装置を同一基板上に作り込むモノリシック化も可能で
ある。

【００４７】なお、本実施形態においては、結晶配向制
御層が圧電体薄膜の主たる結晶配向方向を<101>に制御
する例を示したが、他にも自発分極方向またはそれに近
い方向に制御するようにしても構わない。例えばチタン
酸鉛薄膜の場合、自発分極方向は<001>であることか
ら、チタン酸鉛薄膜の一部または全域が<102>方向や<00
1>方向へ配向しても、<111>方向と比べて自発分極方向
成分がより大きいため、圧電特性を向上させることがで
きる。

【００４８】また、本実施形態においては圧電体薄膜と
してチタン酸鉛を例に用いたが、チタン酸ジルコン酸
鉛、チタン酸鉛ランタン、ニオブ酸リチウム、タンタル
酸リチウムなどを主成分とする圧電体薄膜に対しても同
様に、結晶配向制御層によって自発分極方向に近付ける
ような配向制御が可能である。

【００４９】また、本実施形態においては結晶配向制御
層の材料として、ルテニウム酸ストロンチウムについて
例示したが、他に、クロム酸カルシウム、クロム酸スト
ロンチウム、バナジウム酸カルシウム、チタン酸ストロ
ンチウム、ルテニウム酸カルシウムなどでも同様な効果
がある。

【００５０】さらに、主に白金属系の貴金属が化学的に
も、プロセスにも安定かつ高導電性であり電極の主導体
層として適しており、イリジウムの他に白金、パラジウ
ム、ルテニウムおよびそれらの導電性酸化物でも、結晶
配向制御層による効果が判明している。なお、圧電体薄
膜素子の電極として多用されている金を第１電極に用い
ることも可能であるが、結晶配向性を制御する層と圧電
体薄膜の形成温度が低温であることが必要である。

【００５１】また、下地膜としては窒化シリコンや酸化
シリコンの単層、酸化バナジウムなどでも効果がある
が、エアギャップを形成する上で本実施形態にて用いた
窒化シリコンと酸化シリコンの多層構造がより望まし
い。

【００５２】また、圧電体薄膜の形成には、比較的低温
形成が可能で、且つ、プロセスが単純なスパッタ法が最
も有効な手法であるが、化学的気相成膜法やゾルゲル法
などの成膜方法を用いてもよい。

【００５３】実施の形態２．図５は、本発明の他の実施
形態を示す断面図である。本実施形態では圧電体薄膜素
子の一例として、バルク超音波応用素子、詳しくはバル
ク超音波共振器について記述する。図５において、図１
と同一の符号を付した部材は、同一またはこれに相当す
るものである。

【００５４】(100)面のシリコンウエハ等からなる基板
１の上に、順次、窒化シリコン層２ａ(厚さ0.3μm）と
酸化シリコン層２ｂ（厚さ2μm）との２層構造を有する
下地膜２、チタンからなる密着層３ａ（厚さ0.05μm）
とイリジウムからなる主導体層３ｂ（厚さ0.2μm）との
２層構造を有する第１電極３と、圧電体薄膜５の結晶配
向性を制御するための結晶配向制御層４、チタン酸鉛等
からなる圧電体薄膜５、チタンからなる密着層６ａ（厚
さ0.05μm）と白金からなる主導体層６ｂ（厚さ0.1μ
m）との２層構造を有する第２電極６がそれぞれ形成さ
れる。

【００５５】第１電極３、結晶配向制御層４、圧電体薄
膜５、第２電極６は、所望の区分的形状にパターニング
されており、図５において、第１電極３および結晶配向
制御層４からなる左側のパッド１０と、第１電極３およ
び結晶配向制御層４からなる右側のパッド１１とが形成
されている。

【００５６】第２電極６の上には導電性のポスト１３が
設けられ、リード部材１２の一端と電気接続される。パ
ッド１１の上には導電性のポスト１４が設けられ、リー
ド部材１２の他端と電気接続される。リード部材１２
は、エアブリッジと称する架橋構造を有する。また、圧
電体薄膜５の直下にある第１電極３および結晶配向制御
層４は、左側のパッド１０と導通しており、パッド１
０，１１は外部回路とワイヤボンディング等で電気接続
される。

【００５７】基板１は、圧電体薄膜５の配置場所に対応
して部分的に除去されて中空構造を成し、エアギャップ
１６が形成されている。

【００５８】図６は、図５に示す圧電体薄膜素子の製造
方法の一例を示す説明図である。図１および図５と同一
の部材には同一の番号を付している。

【００５９】まず図６（ａ）において、図１と同様に、
シリコンウエハ等の基板１の上に、窒化シリコン層２ａ
と酸化シリコン層２ｂを順に成膜して、下地膜２を形成
する。次に下地膜２の上に、チタンからなる密着層３ａ
とイリジウムからなる主導体層３ｂを順に成膜して、第
１電極３を形成する。次に第１電極３の上に、ルテニウ
ム酸ストロンチウム等からなる結晶配向制御層４を形成
する。次に結晶配向制御層４の上に、チタン酸鉛等から
なる圧電体薄膜５を形成する。次に圧電体薄膜５の上
に、チタンからなる密着層６ａと白金からなる主導体層
６ｂを順に成膜して、第２電極６を形成する。

【００６０】次に図６（ｂ）に示すように、第２電極６
の上にレジストを塗布し、パターニングを行い、例えば
化学的エッチング法により圧電体薄膜５を所望形状にエ
ッチングを行う。本実施形態においては、例えば塩酸と
硝酸に微量のフッ酸を添加したものを純水に溶解し、圧
電体薄膜５のエッチング用の薬液とした。なお、圧電体
薄膜５のエッチング用薬液は、上記の組成以外のもので
もよく、また、反応性イオンエッチングなど物理的なエ
ッチング手法を適用してもよい。

【００６１】次に、レジストを塗布し、パターニングし
たものをマスクにして、例えばアルゴンガスなどを用い
たミリング法により結晶配向制御層４および第１電極３
を加工する。その際、結晶配向制御層４、第１電極３お
よびパッド１０，１１を同時に所望形状に加工できる。

【００６２】ここで、電極の各部の役割を理解容易とす
るため、圧電体薄膜５の下にある第１電極３を下部電
極、圧電体薄膜５の上にある第２電極６を上部電極と称
し、下部電極と同時に形成され、バルク超音波デバイス
と外部回路との電気的接続用のパッド１０，１１をそれ
ぞれ下部電極用パッド、上部電極用パッドと称す。

【００６３】これらの下部電極、下部電極用パッドおよ
び上部電極用パッドには結晶配向制御層４が存在する
が、結晶配向制御層４は導電性を有するため、結晶配向
制御層４を敢えて除去する必要はなく、そのまま導電部
材として利用可能になる。

【００６４】次に図６（ｃ）に示すように、レジストを
塗布、パターニングした後、例えばスパッタ法により、
チタンを厚さ0.05μm、金を厚さ0.1μmに形成して積層
構造を有する給電層を形成する。さらにレジスト塗布、
パターニングを行い、例えばメッキ法を用いて金を厚さ
1μmに形成する。リフトオフ法によりレジストを除去し
て、エアブリッジとなるリード部材１２を形成する。

【００６５】次に図６（ｄ）に示すように、基板１の裏
面にレジストを塗布、パターニングしてマスク１５を形
成した後、例えば水酸化カリウム水溶液による異方性エ
ッチング法を用いて、基板１を部分的に除去し、図６
（ｅ）に示すように、エアギャップ１６を形成する。本
実施形態では、水酸化カリウム水溶液の濃度4.25重量
%、温度70度にてシリコン基板１の裏面からエッチング
を行うと、図５に示す圧電体薄膜素子が得られる。

【００６６】本実施形態により作製した圧電体薄膜の圧
電特性を下記の（表１）に示す。ここでは、Ｘ線回折ピ
ーク強度比と、バルク超音波共振器の共振特性から見積
もった電気機械結合係数ｋ^２を示している。

【００６７】

【表１】

【００６８】本実施形態により結晶配向制御層４を設け
た試料Ａでは、圧電体薄膜５の結晶配向方向が分散し
て、<101>配向、<111>配向、<100>配向の部分が共存
し、且つ、<101>配向が主である試料Ａの電気機械結合
係数ｋ^２の値は11.2%となった。

【００６９】一方、比較のため、結晶配向制御層４を設
けずに、イリジウム層の上に直接チタン酸鉛を形成した
試料Ｂでは、圧電体薄膜５の結晶配向方向が単一の<111
>方向へ高配向し、この<111>方向へ高配向の圧電体薄膜
からなる試料Ｂの電気機械結合係数ｋ^２の値は9.5%とな
った。

【００７０】このように圧電体薄膜５の下地層として結
晶配向制御層４を設けることによって、圧電特性を向上
させることができる。また、導電性を有する結晶配向制
御層４を設けることによって、不要容量の発生を防止で
き、素子特性を向上できる。

【００７１】また、本実施形態のような共振器素子を複
数組み合わせることにより、フィルタ、発振器等として
動作させることができる。また、エアギャップを形成す
る際に片持ち梁構造を採用すると、加速度センサー、ア
クチュエーターとして用いることができる。また、焦電
型赤外線感知素子としても用いることができる。他に
も、薄膜の圧電性、焦電性、強誘電性を応用した素子の
性能向上と歩留まり向上、コスト低減を実現し得るもの
である。

【００７２】また、本実施形態では圧電体薄膜５の配向
は<101>、<111>、および<100>方向に制御するようにし
たが、結晶配向制御層４の組成や形成条件により圧電体
薄膜５が<001>方向へ配向するように制御することも可
能である。

【００７３】実施の形態３．本実施形態では、圧電体薄
膜として三方晶系の結晶構造を有するニオブ酸リチウム
を用いた場合のバルク超音波素子について記述する。な
お、基本的な素子構造は、図１または図５に示したもの
と同様であるため重複説明を省き、以下、結晶配向制御
膜４と圧電体薄膜５の作製プロセスおよび素子特性につ
いて説明する。

【００７４】まず、図１と同様に、シリコンウエハ等の
基板１の上に下地膜２を形成し、次に下地膜２の上に第
１電極３を形成し、次に第１電極３の上に、ルテニウム
酸カルシウム薄膜からなる結晶配向制御層４を形成す
る。

【００７５】次に、高周波マグネトロンスパッタ法を用
いて、ニオブ酸リチウムからなる圧電体薄膜５を形成す
る。このときスパッタガスにはアルゴンと酸素の混合ガ
スを用いて、ニオブ酸リチウムの膜厚を1μmとする。次
に圧電体薄膜５の上に第２電極６を形成する。

【００７６】次に、圧電体薄膜５をドライエッチングプ
ロセスにてパターニングした後、結晶配向制御層４およ
び第１電極３をドライエッチングプロセスにて同時にパ
ターニングし、下部電極と上・下電極用パッドを形成す
る。このときルテニウム酸カルシウムからなる結晶配向
制御層４は導電性を有するため、敢えて除去する必要は
なく、そのまま導電部材として機能する。

【００７７】本実施形態では、圧電体薄膜５としてニオ
ブ酸リチウムを用いる例を説明したが、同様に三方晶系
の結晶構造を有するタンタル酸リチウムを用いた場合も
同様の効果がある。

【００７８】

【発明の効果】以上詳説したように、本発明によれば、
結晶配向制御層により圧電体薄膜の結晶配向方向が制御
されて圧電性が高い方向に配向するため、圧電体薄膜の
圧電性を向上し得ることができ、このような圧電体薄膜
を用いて製造した圧電体薄膜素子は高い素子性能が得ら
れる効果がある。

【００７９】また、圧電体薄膜と第１電極の間に形成し
た結晶配向制御層が導電性を有することによって、結晶
配向制御層に起因した不要容量の生成を抑制することが
でき、圧電体薄膜素子の性能を低下させることなく、圧
電体薄膜の結晶配向を制御できる。また、結晶配向制御
層が導電性を有するので、第１及び第２電極と外部装置
を電気的に接続するためのパッドを形成する際に、パッ
ド上に形成された結晶配向制御層を敢えて除去しなくて
も、不要容量とならないため、高い素子特性を維持でき
る。また、パッドを所望形状にパターニングする際、結
晶配向制御層も同時にパターニングできるため、製造コ
ストを低減できる。

【００８０】また、下地膜に化学的に安定な材料を用い
ることができるため、圧電体薄膜が第１及び第２電極に
挟まれた圧電体薄膜素子の動作部の下にある基板を安定
に化学的エッチングを施すことができ、歩留まり向上が
図られる。

【００８１】また、スパッタ法により結晶配向制御層と
圧電体薄膜を形成することによって、形成温度が比較的
低温で、簡便なプロセスで製造できるため、コスト削減
と歩留まり向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である。

【図２】圧電体薄膜の自発分極方向と結晶配向方向と
を説明する斜視図である。

【図３】結晶配向制御層４の上に形成した圧電体薄膜
５のＸ線回折分析結果を示すグラフである。

【図４】第１電極３の上に直接形成した圧電体薄膜５
のＸ線回折分析結果を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施形態を示す断面図である。

【図６】図５に示す圧電体薄膜素子の製造方法の一例
を示す説明図である。

【符号の説明】

１基板、２下地膜、３第１電極、４結晶
配向制御層、５圧電体薄膜、６第２電極、１
０，１１パッド、１２リード部材、１３，１４
ポスト、１５マスク、１６エアギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野崎歩東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者宮下章志東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者山下秀東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5J108 AA08 BB08 CC11 FF05 KK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性材料からなる圧電体薄膜と、圧電体薄膜の下方に設けられた第１電極と、圧電体薄膜の上方に設けられた第２電極と、第１電極と圧電体薄膜との間に設けられ、圧電体薄膜の
結晶配向性を制御するための結晶配向制御膜とを備え、結晶配向制御膜は、導電性を有することを特徴とする圧
電体薄膜素子。
【請求項２】圧電体薄膜の主成分が化学式ABO₃で表さ
れる化合物であり、 Aは、K、Bi、Ca、La、Li、Pbの中から選ばれる１つ以上
の元素を含み、 Bは、Nb、Sc、Ta、Ti、Zrの中からから選ばれる１つ以
上の元素を含むことを特徴とする請求項１記載の圧電体
薄膜素子。
【請求項３】結晶配向制御膜の主成分が化学式CDO₃で
表される酸化物であり、 Cは、Sr、Caの中からから選ばれる1つ以上の元素を含
み、 Dは、Ru、Cr、V、Tiの中から選ばれる1つ以上の元素を
含むことを特徴とする請求項２記載の圧電体薄膜素子。
【請求項４】圧電体薄膜の主成分がペロブスカイト型
結晶構造を有し、結晶配向制御層の主成分がペロブスカイト型結晶構造を
有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の圧電体薄膜素子。
【請求項５】第１電極は、Ir、Pt、Pd、Ru、Auの中か
ら選ばれる1つ以上の元素を主成分とする主導体層を有
することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
圧電体薄膜素子。
【請求項６】圧電体薄膜の自発分極方向と圧電体薄膜
の結晶配向方向とがなす角θ₁と、圧電体薄膜の自発分
極方向と第１電極を構成する主導体層の結晶配向方向と
がなす角θ₂の関係が、θ₁＜θ₂であることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれかに記載の圧電体薄膜素子。
【請求項７】第１電極と第２電極との間に圧電体薄膜
および結晶配向制御膜が挟まれた構造が、同一基板上に
複数組配置されていることを特徴とする請求項１〜６の
いずれかに記載の圧電体薄膜素子。