薄膜压电致动器的制作方法

1.本发明涉及一种薄膜压电致动器。


背景技术：

2.近年来，使用薄膜压电材料而非块状压电材料的薄膜压电元件已经日益投入实际应用。在这样的薄膜压电元件中，当施加电场时，压电元件会发生变形，因此其可作为驱动元件广泛地应用于微电子机械系统(微机电系统)结构喷射、微型泵、微镜、压电超声换能器等多个领域。例如，这样的薄膜压电元件包括利用了将施加到压电薄膜的力转化为电压的压电效应的陀螺仪传感器、振动传感器、麦克风等、利用了将电压施加到压电薄膜等而将压电薄膜变形的逆压电效应的致动器、喷墨头、扬声器、蜂鸣器、共振器等。
3.例如，在专利文献1中公开了一种包括两层压电层(压电膜)和分别间隔地设置于两层压电层各自的两侧的三层电极的薄膜压电致动器。在该薄膜压电致动器中，通过设置两层压电层，从而相较于仅具备一层压电层的薄膜压电致动器，能够使薄膜压电致动器的行程、响应性、耐久性等性能提高至2倍而更加高性能化。
4.但是，在上述的薄膜压电致动器中，由于压电层利用压电效应进行伸缩而发生应变，从而导致压电层与电极容易发生偏离，因此，在对电极施加电压时，会导致击穿，从而有在下层的压电层的端部产生裂纹的担忧。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：cn110121422a


技术实现要素：

8.本发明是有鉴于上述的问题而悉心研究的结果，其目的在于，提供一种能够谋求高性能化并且能够有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹的薄膜压电致动器。
9.为了达成上述目的，本发明的一个方面所涉及的薄膜压电致动器，其特征在于，具备：基板；下部电极，其层叠于所述基板；层叠结构体，其层叠于所述下部电极，且包含以将中间电极夹于其间的方式交替地层叠的多个薄膜压电膜；上部电极，其层叠于所述层叠结构体；第一保护层，其设置于所述上部电极的上表面，且由包含铁、钴和钼的合金材料构成；及第二保护层，其至少设置于所述中间电极中的未被夹于所述薄膜压电膜之间的端部的上表面，且由包含铁、钴和钼的合金材料构成。这样，通过设置多个薄膜压电膜，从而能够使薄膜压电致动器的行程、响应性、耐久性等性能大幅提高而更加高性能化，另外，通过在上部电极的上表面、以及中间电极中的未被夹于薄膜压电膜之间的端部的上表面设置保护层，从而能够利用保护层的压应力来防止由于薄膜压电膜应变而导致薄膜压电膜与电极发生偏离，进而能够有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
10.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述第二保护层连续地设置于所述中间电极中的未被夹于所述薄膜压电膜之间的端部的上表面的整个面和
所述薄膜压电膜的端面的一部分。由此，能够更加有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
11.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述第二保护层连续地设置于所述中间电极中的未被夹于所述薄膜压电膜之间的端部的上表面的整个面、所述薄膜压电膜的端面的整个面、及所述薄膜压电膜的上表面的一部分。由此，能够更加有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
12.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述薄膜压电膜的端面是相对于多个所述薄膜压电膜层叠的方向倾斜的倾斜面。
13.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述薄膜压电膜的端面是相对于多个所述薄膜压电膜层叠的方向平行的垂直面。
14.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，还具备：第三保护层，其设置于所述下部电极中的未被夹于所述基板和所述层叠体之间的端部的上表面，且由包含铁、钴和钼的合金材料构成。由此，通过在下部电极的上表面设置第三保护层，从而能够防止电极的剥离。
15.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，还具备：第四保护层，其设置于所述下部电极的下表面，且由包含铁、钴和钼的合金材料构成，所述下部电极经由所述第四保护层而层叠于所述基板。由此，通过在上部电极的上表面设置第一保护层且在下部电极的下表面设置第四保护层来夹持各薄膜压电膜，从而能够对各薄膜压电膜赋予压缩应力，因此，能够更加提高薄膜压电致动器的强度。
16.根据本发明的一个方面，提供了一种能够谋求高性能化并且能够有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹的薄膜压电致动器。
附图说明
17.图1是表示第一实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
18.图2是表示第二实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
19.图3是表示第三实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
20.图4是表示第四实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
21.图5是表示第五实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
22.图6是表示第一实施方式的变形例所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
23.图7是表示第四实施方式的变形例所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
24.图8是表示第五实施方式的变形例所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。
具体实施方式
25.以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。在此，在附图的说明中，对相同或者相当的要素标记相同的符号，省略重复的说明。
26.(第一实施方式)
27.图1是表示第一实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。如图1所示，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器1具备基板11、下部电极12、层叠结构体13、上部电极17、第一保护层18及第二保护层19。
28.基板11例如是硅基板、绝缘层上硅(soi)基板、石英玻璃基板、由gaas等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、mgo基板、srtio3基板等。
29.下部电极12层叠于基板11。下部电极12是由以例如pt作为主成分的金属元素(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于基板11上。下部电极12的晶体结构是面心立方结构。
30.层叠结构体13层叠于下部电极12，且包含以将中间电极15夹于其间的方式沿着层叠方向y交替地层叠的2个薄膜压电膜14、16。薄膜压电膜14、16采用由通式pb(zr、ti)o3表示的锆钛酸铅(以下也称“pzt”)等的压电材料而形成为薄膜状。薄膜压电膜14、16是通过外延生长形成的外延膜，并且具有例如2μm～5μm左右的厚度。此外，薄膜压电膜14、16也可以采用钛酸钡、钛酸铅等的压电陶瓷(大多是强电介质)或不含铅的非铅类的压电陶瓷来代替使用pzt。薄膜压电膜14、16是通过溅射形成的溅射膜。
31.另外，薄膜压电膜14具有相对于层叠方向y倾斜的倾斜面14s。薄膜压电膜16具有相对于层叠方向y倾斜的倾斜面16s。
32.上部电极17层叠于层叠结构体13。上部电极17是由以例如pt作为主成分的金属材料(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于层叠结构体13上。下部电极17的晶体结构是面心立方结构。
33.第一保护层18设置于上部电极17的上表面。第一保护层18使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第一保护层18优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第一保护层18进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第一保护层18能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
34.第二保护层19设置于中间电极15中的未被夹于薄膜压电膜14、16之间的端部的上表面。第二保护层19与第一保护层18相同，使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第二保护层19优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第二保护层19进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第二保护层19能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
35.这样，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器实现了如下效果：通过设置多个薄膜压电膜，从而能够使薄膜压电致动器的行程、响应性、耐久性等性能大幅提高而更加高性能化，另外，通过在上部电极的上表面、以及中间电极中的未被夹于薄膜压电膜之间的端部的上表面设置保护层，从而能够利用保护层的压应力来防止由于薄膜压电膜应变而导致薄膜压电膜与电极发生偏离，进而能够有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
36.(第二实施方式)
37.图2是表示第二实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。本实施方式所涉及的薄膜压电致动器与第一实施方式所涉及的薄膜压电致动器的不同之处在于，第二保护层的结构不同。本实施方式所涉及的薄膜压电致动器的其他结构与第一实
施方式所涉及的薄膜压电致动器相同，因此省略其说明。
38.如图2所示，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器1’具备第二保护层19’。第二保护层19’连续地设置于中间电极15中的未被夹于薄膜压电膜14、16之间的端部的上表面的整个面和薄膜压电膜16的端面16s的一部分。
39.本实施方式所涉及的薄膜压电致动器除了与上述第一实施方式相同的效果之外，还能够更加有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
40.(第三实施方式)
41.图3是表示第三实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。如图3所示，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器10具备基板101、下部电极102、层叠结构体103、上部电极107、第一保护层108及第二保护层109。
42.基板101例如是硅基板、绝缘层上硅(soi)基板、石英玻璃基板、由gaas等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、mgo基板、srtio3基板等。
43.下部电极102层叠于基板101。下部电极102是由以例如pt作为主成分的金属元素(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于基板101上。下部电极102的晶体结构是面心立方结构。
44.层叠结构体103层叠于下部电极102，且包含以将中间电极105夹于其间的方式沿着层叠方向y交替地层叠的2个薄膜压电膜104、106。薄膜压电膜104、106采用由通式pb(zr、ti)o3表示的锆钛酸铅(以下也称“pzt”)等的压电材料而形成为薄膜状。薄膜压电膜104、106是通过外延生长形成的外延膜，并且具有例如2μm～5μm左右的厚度。此外，薄膜压电膜104、106也可以采用钛酸钡、钛酸铅等的压电陶瓷(大多是强电介质)或不含铅的非铅类的压电陶瓷来代替使用pzt。薄膜压电膜104、106是通过溅射形成的溅射膜。
45.另外，薄膜压电膜104具有相对于层叠方向y平行的垂直面104s。薄膜压电膜106具有相对于层叠方向y平行的垂直面106s。
46.上部电极107层叠于层叠结构体103。上部电极107是由以例如pt作为主成分的金属材料(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于层叠结构体103上。下部电极107的晶体结构是面心立方结构。
47.第一保护层108设置于上部电极107的上表面。第一保护层108使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第一保护层108优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第一保护层108进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第一保护层108能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
48.第二保护层109设置于中间电极105中的未被夹于薄膜压电膜104、106之间的端部的上表面的整个面、薄膜压电膜106的端面106s的整个面、及薄膜压电膜106的上表面的一部分。第二保护层109与第一保护层108相同，使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第二保护层109优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第二保护层109进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第二保护层109能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
49.本实施方式所涉及的薄膜压电致动器除了与上述第一实施方式相同的效果之外，
还能够更加有效地抑制在下层的压电膜的端部产生裂纹。
50.(第四实施方式)
51.图4是表示第四实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。本实施方式所涉及的薄膜压电致动器与第三实施方式所涉及的薄膜压电致动器的不同之处在于，第二保护层的设置形态不同；以及还具备第三保护层及第四保护层。本实施方式所涉及的薄膜压电致动器的其他结构与第三实施方式所涉及的薄膜压电致动器相同，因此省略其说明。
52.如图4所示，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器10’的第二保护层109’与第三实施方式所涉及的薄膜压电致动器10的第二保护层109不同，仅设置于中间电极105中的未被夹于薄膜压电膜104、106之间的端部的上表面。
53.另外，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器10’还具备第三保护层110和第四保护层111。
54.第三保护层110设置于下部电极102中的未被夹于基板101和层叠体103之间的端部的上表面。第三保护层110使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第三保护层110优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第三保护层110进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第三保护层110能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
55.第四保护层111设置于下部电极102的下表面。下部电极102经由第四保护层111而层叠于基板101。第四保护层111使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第四保护层111优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第四保护层111进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第四保护层111能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
56.本实施方式所涉及的薄膜压电致动器能够实现与上述第一实施方式相同的效果。此外，通过在上部电极的上表面设置第一保护层且在下部电极的下表面设置第四保护层来夹持各薄膜压电膜，从而能够对各薄膜压电膜赋予压缩应力，因此，能够更加提高薄膜压电致动器的强度。再有，通过在下部电极的上表面设置第三保护层，从而能够防止电极的剥离。
57.(第五实施方式)
58.图5是表示第五实施方式所涉及的薄膜压电致动器的大致结构的概略截面图。如图5所示，本实施方式所涉及的薄膜压电致动器100具备基板1001、下部电极1002、层叠结构体1003、上部电极1009、第一保护层1010、第二保护层1011、1012、及第三保护层1013。
59.基板1001例如是硅基板、绝缘层上硅(soi)基板、石英玻璃基板、由gaas等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、mgo基板、srtio3基板等。
60.下部电极1002层叠于基板1001。下部电极1002是由以例如pt作为主成分的金属元素(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于基板1001上。下部电极1002的晶体结构是面心立方结构。
61.层叠结构体1003层叠于下部电极1002，且包含以将中间电极1005或中间电极1007
夹于其间的方式沿着层叠方向y交替地层叠的3个薄膜压电膜1004、1006、1008。即，层叠结构体1003具有将薄膜压电膜1004、中间电极1005、薄膜压电膜1006、中间电极1007及薄膜压电膜1008按该顺序沿着层叠方向y交替地层叠的结构。任意相邻的两层薄膜压电膜共用位于它们之间的中间电极，即，相邻的两层薄膜压电膜1004、1006共用位于它们之间的中间电极1005，相邻的两层薄膜压电膜100,6、1008共用位于它们之间的中间电极1007。
62.薄膜压电膜1004、1006、1008采用由通式pb(zr、ti)o3表示的锆钛酸铅(以下也称“pzt”)等的压电材料而形成为薄膜状。薄膜压电膜1004、1006、1008是通过外延生长形成的外延膜，并且具有例如2μm～5μm左右的厚度。此外，薄膜压电膜1004、1006、1008也可以采用钛酸钡、钛酸铅等的压电陶瓷(大多是强电介质)或不含铅的非铅类的压电陶瓷来代替使用pzt。薄膜压电膜1004、1006、1008是通过溅射形成的溅射膜。
63.上部电极1009层叠于层叠结构体1003。上部电极1009是由以例如pt作为主成分的金属材料(除了pt之外还可以包括au、ag、pd、ir、ru、cu)构成的薄膜，并且形成于层叠结构体1003上。下部电极1009的晶体结构是面心立方结构。
64.第一保护层1010设置于上部电极1009的上表面。第一保护层1010使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第一保护层1010优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第一保护层1010进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第一保护层1010能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
65.第二保护层1011设置于中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1006、1008之间的端部的上表面。第二保护层1012设置于中间电极1005中的未被夹于薄膜压电膜1004、1006之间的端部的上表面。第二保护层1011、1012使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第二保护层109优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第二保护层1011、1012进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第二保护层1011、1012能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
66.第三保护层1013设置于下部电极1002中的未被夹于基板1001和层叠体1003之间的端部的上表面。第三保护层1013使用例如以铁(fe)为主成分的合金材料形成。第三保护层1013优选使用包含fe和选自co、mo、au、pt、al、cu、ag、ta、cr、ti、ni、ir、nb、cs、ba、v、w、ru中的至少任一种的合金材料形成。第三保护层1013进一步优选由包含铁(fe)、钴(co)和钼(mo)的合金材料构成。第三保护层1013能够通过离子束蒸镀法、溅射法、真空蒸镀法、分子束外延法、离子镀等物理气相生长法等形成。
67.本实施方式所涉及的薄膜压电致动器能够实现与上述第一实施方式相同的效果。此外，通过在下部电极的上表面设置第三保护层，从而能够防止电极的剥离。
68.以上，对本发明的优选的各实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述的各实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内可以进行各种变更，不用说它们也包含于本发明的范围内。
69.例如，在上述第一实施方式、第四实施方式及第五实施方式中，第二保护层19覆盖至中间电极15中的未被夹于薄膜压电膜14、16之间的端部的端缘为止，第二保护层109’覆盖至中间电极105中的未被夹于薄膜压电膜104、106之间的端部的端缘为止，第二保护层
1011覆盖至中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1006、1008之间的端部的端缘为止，第二保护层1012覆盖至中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1004、1006之间的端部的端缘为止，但是，也可以如图6所示的第一实施方式的变形例、图7所示的第四实施方式的变形例及图8所示的第五实施方式的变形例那样，第二保护层19未覆盖至中间电极15中的未被夹于薄膜压电膜14、16之间的端部的端缘为止而仅覆盖中间电极15中的未被夹于薄膜压电膜14、16之间的端部的上表面的中间一部分，第二保护层109’未覆盖至中间电极105中的未被夹于薄膜压电膜104、106之间的端部的端缘为止而仅覆盖中间电极105中的未被夹于薄膜压电膜104、106之间的端部的上表面的中间一部分，第二保护层1011未覆盖至中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1006、1008之间的端部的端缘为止而仅覆盖中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1006、1008之间的端部的上表面的中间一部分，第二保护层1012未覆盖至中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1004、1006之间的端部的端缘为止而仅覆盖中间电极1007中的未被夹于薄膜压电膜1004、1006之间的端部的上表面的中间一部分。