压电元件以及该压电元件的制造方法与流程

本发明涉及用于光偏转器等的压电元件以及该压电元件的制造方法。

背景技术：

1、近年来，由mems(micro electro mechanical systems)等具有微细构造的系统构成的传感器元件、致动器元件的需求增加。因此，对在硅晶片上直接形成压电晶体膜的直接薄膜形成法的开发在不断前进。

2、特别是，在使用锆钛酸铅(pzt)的结晶体膜作为压电材料的mems用的压电致动器中，为了得到高压电特性，取向控制不可或缺。

3、例如，专利文献1的压电致动器具备多个压电悬臂，该压电悬臂具有支承体和形成于支承体的压电体，通过压电驱动进行弯曲变形。而且，压电致动器在多个压电悬臂的压电体上独立地具备用于分别施加驱动电压的多个电极。在多个压电悬臂中，以各自的弯曲变形累积的方式机械地连结端部，通过施加该驱动电压，各压电悬臂独立地发生弯曲变形。

4、在所述压电致动器中，在压电悬臂的顶端部产生的扭矩和位移量依赖于压电体的压电特性和悬臂的尺寸。即，为了得到高压电特性，优选进行压电材料的结晶体膜的结晶取向控制。

5、现有技术文献

6、专利文献

7、专利文献1：日本特开2008-35600号公报

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、通过控制作为压电致动器(压电元件)所使用的压电材料、即pzt晶体膜的晶体取向，能够获得高压电特性。然而，存在该压电元件无法得到充分的耐久时间的问题。

3、本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种在控制压电元件的压电材料的晶体取向的同时提高耐久时间的压电元件以及该压电元件的制造方法。

4、用于解决课题的手段

5、本发明的第一方面的压电元件的特征在于，具备：至少1个面为平面的基板；第一电极膜，其设置在所述基板的所述平面上；正方晶的压电晶体膜，其设置在所述第一电极膜上；以及，第二电极膜，其设置在所述压电晶体膜的与所述第一电极膜相向的面上，所述压电晶体膜是由柱状的晶粒构成的单轴取向的多晶体，所述晶粒在与所述第一电极膜垂直的方向上取向有所述正方晶的c轴，所述多晶体包含垂直取向部和倾斜取向部，所述垂直取向部在与所述第一电极膜垂直的方向上具有c轴，所述倾斜取向部具有相对于所述垂直取向部的c轴倾斜的c轴，所述垂直取向部的c轴和所述倾斜取向部的c轴分别具有分布，所述倾斜取向部的c轴分布相对于所述垂直取向部的c轴分布离散。

6、本发明的压电元件具备第一电极膜、该第一电极膜上的正方晶的压电晶体膜以及该压电晶体膜上的第二电极膜。这里，“～上”包括与下表面侧的膜不直接发生接触的情况。正方晶是指在单位晶格的轴长a、b、c上具有a＝b≠c的关系的结晶。另外，正方晶的＜100＞方向为a轴方向，＜010＞方向为b轴方向，＜001＞方向为c轴方向，与＜001＞轴正交的面为(001)面和c面。

7、本发明的压电晶体膜(柱状的晶界)包含垂直取向部和具有以相对于该垂直取向部的c轴倾斜的方式取向的c轴的倾斜取向部。并且，在施加电压时(电压上升时)，压电晶体膜在不损害其特性的情况下进行位移，在电压施加中止时(电压下降时)，返回到原来的状态。包含本发明的倾斜取向部的压电晶体膜的耐电压高于仅由垂直取向部构成的压电晶体膜的耐电压。另外，在压电晶体膜中，倾斜取向部的c轴分布相对于垂直取向部的c轴分布离散。由此，能够获得不降低作为压电元件的性能且因具有高耐电压而能构成长期可靠性高的压电元件。

8、在发明的第一方面的压电元件中，优选的是，所述倾斜取向部的c轴以所述垂直取向部的c轴为旋转轴而向0°～360°的整周方向倾斜。

9、垂直取向部的c轴是与基板的平面垂直的方向，倾斜取向部的c轴以垂直取向部的c轴为旋转轴向整周方向倾斜(0°～360°)。因此，倾斜取向部的c轴相对于垂直取向部的c轴沿放射方向的任意角度延伸。

10、另外，在发明的第一方面的压电元件中，优选的是，所述压电晶体膜的所述倾斜取向部的c轴相对于所述垂直取向部的c轴的倾斜角φ大于6°且小于19°。

11、倾斜取向部的c轴的倾斜角φ大于6°且小于19°。由此，包含该倾斜取向部的压电晶体膜的耐电场及耐久时间得到提高，并且能够防止压电特性下降。

12、另外，在发明的第一方面的压电元件中，优选的是，x射线摇摆曲线中所述倾斜取向部相对于所述垂直取向部的的强度比rp为0.1～1。

13、通过将该强度比rp设置为0.1～1的范围，能够提高通过压电元件的倾斜取向部获得的效果。由此，能够防止压电晶体膜的取向紊乱增大并防止压电特性降低。

14、另外，在发明的第一方面的压电元件中，优选的是，所述压电晶体膜是锆钛酸铅(pzt)，所述第一电极膜是铂(pt)。

15、在本发明中，分别使用作为最佳材料的锆钛酸铅(pzt)和铂(pt)作为压电晶体膜和第一电极膜。特别是，使用压电特性高的pzt作为压电晶体膜来制作压电元件。由此，例如，将该压电元件应用于光扫描仪模块时，能够在低电压下进行高速驱动，从而获得大的扫描角。

16、另外，在发明的第一方面的压电元件中，优选的是，所述第一电极膜的膜面为(111)面。

17、在将该第一电极膜的膜面作为(111)面时，在第一电极膜的上表面对压电晶体膜进行成膜时，能够提高其晶体取向特性。

18、本发明的第二方面的压电元件的制造方法的特征在于，具备：在至少1个面为平面的基板上对非晶状的金属氧化物进行成膜的步骤；在所述金属氧化物上对第一电极膜进行成膜的步骤，其中，所述第一电极膜由成膜面为(111)面的导电性的金属膜构成；在所述第一电极膜上对sro膜进行成膜的步骤；在所述sro膜上对压电晶体膜进行成膜的步骤，其中，所述压电晶体膜是具有在与所述第一电极膜垂直的方向上具有柱状的晶粒的正方晶的单轴取向的多晶体，所述压电晶体膜在所述柱状的晶粒中具有垂直取向部和倾斜取向部，所述垂直取向部在与所述第一电极膜垂直的方向上具有c轴，所述倾斜取向部具有相对于所述垂直取向部的c轴倾斜的c轴且倾斜角φ在大于6°且小于19°的范围内；以及，对设置于所述压电晶体膜的与所述第一电极膜相向的面上的第二电极膜进行成膜的步骤。

19、本发明的压电元件的制造方法具备以下步骤：相对基板进行金属氧化物的成膜的步骤；对第一电极膜进行成膜的步骤；对sro膜进行成膜的步骤；对压电晶体膜进行成膜的步骤；对第二电极膜进行成膜的步骤。压电晶体膜包含垂直取向部以及具有以相对于该垂直取向部的c轴倾斜的方式取向的c轴的倾斜取向部(c轴的倾斜角φ大于6°且小于19°)。倾斜取向部在施加电压时(电压上升时)，在不损害其特性的情况下进行位移，在电压施加中止时(电压下降时)，返回到原来的状态。该压电晶体膜的耐电压高于仅由垂直取向部构成的压电晶体膜的耐电压。因此，能够获得不降低压电元件的性能且因具有高耐电压而能构成长期可靠性高的压电元件。

20、在本发明的第二方面的压电元件的制造方法中，优选的是，在对所述压电晶体膜进行成膜的步骤中，使用电弧放电离子镀法。

21、通过使用电弧放电离子镀法，能够高效地形成高品质且密合性高的压电晶体膜。

22、附图的简单说明

23、图1是包括本发明的压电元件的光扫描模块的概要图。

24、图2是光扫描模块所包含的二维光偏转器的立体图。

25、图3a是对二维光偏转器的曲折型压电致动器的动作进行说明的图(1)。

26、图3b是对二维光偏转器的曲折型压电致动器的动作进行说明的图(2)。

27、图4是对二维光偏转器的详细情况进行说明的图。

28、图5是制造本发明的压电元件的流程图。

29、图6是用于说明本发明的压电元件的剖面结构的图。

30、图7是用于说明图6的压电元件的pzt膜的晶体取向影像(image)的图。

31、图8是说明pzt膜的x射线衍射θ-2θ测定的结果的图。

32、图9是说明pzt膜的x射线摇摆曲线测定的结果的图。

33、图10是表示pzt膜的电场与泄漏电流密度的关系的曲线图。

34、图11是与比较方式比较了pzt膜的耐电场、耐久时间以及压电常数的测定结果的一览表。