压电器件及其制造方法
专利名称：压电器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种压电器件以及制造该压电器件的方法，并且更具体地涉及一种由压电膜构成的压电器件及其制造技术，该压电器件能够用于多个目的，例如致动器、传感器、发电器件等。
背景技术：
日本专利申请公开N0.2009-139338公开了一种压电材料膜被层积以用于压力传感器的结构。该压力传感器具有电极层的层积结构，并且压电膜交替地设置在基板上，从而形成由两层或多层压电膜构成的压电膜层积体。电极包括例如钼(Pt)、铝(Al)、钥(Mo)、氮化钛(TiN)、钌(Ru)等材料(JP2009-139338中的0034段)，并且每一压电膜由溅射方法形成(JP2009-139338 中的 0077 段)。
日本专利申请公开N0.08-116103公开了一种双压电晶片结构的压电致动器，其中电极由钼或钯构成。该压电致动器具有层积结构，其中第一压电材料膜(钛酸锆铅(PZT))层积在用作外电极的钼电极上，用作内电极的另一钼电极层积在该第一 PZT膜上，并且第二 PZT膜以及钼的外电极层积在其上(JP08-116103中的0018段以及图3)。
日本专利申请公开N0.09-181368公开了一种具有层积结构的致动器器件，其通过例如溅射方法以及类似方法的膜形成技术交替地层积压电体和导电体而制造，并且还公开了其的布线方法。在日本专利申请公开N0.09-181368中，描述了与压电体的材料和电极的材料(钼、铝、金或银)相关的一般材料。发明内容
如上所述，已知这样的层积结构，其中通过溅射方法层积压电膜，并且电极和压电膜被交替地形成在层中。然而，如果根据现有技术使用一般电极材料和压电材料层积压电膜时，存在电极剥离以及压电膜也剥离的问题，并且实际上难以形成上述的由压电膜构成的层积结构。
例如，在钼或钯电极设置为中间层(内电极)的情形下，如在JP08-116103中的，在形成压电膜时，压电材料可能剥离或破裂。
作为其它具体例子，在通过气相外延方式形成压电膜时，基板温度被设定为不低于350°C并不高于650°C (基板温度是压电材料在气相外延中直接晶体化生长的温度)，如果在形成压电膜之后在常规条件下形成Pt、铱(Ir)等的电极，并且接着在该电极上形成另一压电膜，则存在电极剥离并且压电膜也剥离的问题。
并且，即使在不发生上面所提到的剥离等情况，在膜形成之后的膜的附着性也不好，并且器件的耐用性也存在问题。即使为了提高附着性而使用钛(Ti)等的附着层，也存在压电膜实际上剥离的问题。
本发明针对这些情况问题而设计，其目的在于提供一种压电器件，该压电器件增强了通过层积多个压电膜而形成的层积体中的膜的附着性以防止剥离，并且具有高耐用性和可靠性，以及在于提供能够制造上面所提到的压电器件的制造方法。
为了达到前面提到的目的，本发明涉及一种压电器件，包括:基板；层积在基板上方的第一电极；层积在第一电极上方的第一压电膜；层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜；层积在金属氧化物膜上方的金属膜；层积在金属膜上方的第二压电膜；以及层积在第二压电膜上方的第二电极。
根据本发明的这一方面，层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜用作扩散阻挡层，并且从压电膜向金属膜的氧原子和压电材料成分的扩散被抑制。因此，可以阻止金属膜的结构变化和由扩散导致的附着性的减小，并且可以获得在金属氧化物膜和金属膜的层积结构(中间层)之间具有牢固附着性的压电膜层积体。
在解释时，术语“A层积在B上方”不限于A直接层积在B上而A与B接触的情形，而且包括在A和B之间夹置一层或多层其它层的情形，以及A层积在B上方而在A和B之间具有其它层。
该结构能够制成为重复这样的构造，即在该构造中，金属氧化物膜和金属膜的中间层层积在压电膜上方并且另一压电膜层积在该中间层上方，从而层积三层或者更多层的压电膜。在这种情况下，在顶层的压电膜可解释为“第二压电膜”，并且在第二或者更高级的压电膜可被解释为“第二压电膜”。
优选地，由第一压电膜和第二压电膜之间的金属氧化物膜和金属膜构成的中间层中的应力和厚度的乘积小于100N/m2。
根据本发明的这一方面，由压电膜和中间层之间的热膨胀系数的差异所引起的应力所导致的剥离被抑制。
优选地，中间层的厚度不小于50nm并且小于250nm。
考虑到中间层的扩散阻挡特性，以及对由压电膜和中间层之间的热膨胀系数的差异所引起的应力所导致的剥离的抑制，中间层的厚度设定为不小于50nm并且小于250nm的范围内的结构是优选的。
优选地，第一压电膜和第二压电膜中的每一个通过气相外延方法形成。
通过使用由溅射方法代表的气相外延方法可以获得具有期望的压电性能的压电膜。进一步地，压电膜可容易地生长在金属膜上，并可以获得良好的膜形成。
优选地，该气相外延方法为通过实施热膜形成而晶体化的溅射方法。
根据本发明的这一方面，因为金属氧化物膜用作扩散阻挡层，因此，可以阻止在热膜形成时来自低层中的压电膜的材料成分等扩散进入金属膜，并且可以获得具有高附着性的压电膜的层积结构。
优选地，金属氧化物膜包括钼族金属的氧化物。
金属氧化物膜可以具有例如钌(Ru)、错(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)以及钼(Pt)的钼族金属的任何金属的任何氧化物。
还优选地，金属氧化物膜包括钛族金属的氧化物。
金属氧化物膜可以为例如TiO、TiO2等的钛(Ti)氧化物，或例如T1、锆(Zr)以及铪(Hf)的钛族的任何金属的任何氧化物。
优选地，金属膜包括钼族金属。
金属膜可包括各种金属，并且金属膜优选包括例如Ru、0s、Rh、Ir、Pd、Pt等的钼族的金属。在这种情况下，第一电极和第二电极可包括钼族金属。此外，该第一电极和第二电极能够包括铜族金属，铜(Cu)、银(Ag)以及金(Au)。
优选地，第一压电膜和第二压电膜中的每一个由钙钛矿(perovskite)型氧化物构成。
钙钛矿型氧化物的压电器件具有良好的压电特性，并能够用于例如致动器、传感器、发电器件等的各种目的。
优选地，在第一压电膜和第二压电膜的每一个中，钙钛矿型氧化物具有(100)或(001)的晶体优选取向。
为了实现上面所提到的目的，本发明还涉及压电器件的制造方法，该方法包括:在基板上方层积第一电极的第一电极形成步骤；在第一电极上方层积第一压电膜的第一压电膜形成步骤；在第一压电膜上方层积金属氧化物膜的金属氧化物膜形成步骤；在金属氧化物膜上方层积金属膜的金属膜形成步骤；在金属膜上方层积第二压电膜的第二压电膜形成步骤；以及在第二压电膜上方层积第二电极的第二电极形成步骤。
根据本发明的这一方面，可以防止金属膜的结构变化和由扩散导致的附着性的减小，并能够获得具有牢固附着性的压电膜的层积结构。
优选地，第一压电膜形成步骤和第二压电膜形成步骤中的每一个包括气相外延方法。
根据本发明，能够防止膜的剥离以及附着性的减小，它们都是在现有技术中的层积体中遇到的问题，并且能够形成多个压电膜的层积体。因此，可以获得具有高耐久性和可靠性的压电器件。
参照附图，下面将解释本发明的本质以及本发明其它的目的和优点，其中附图中相似的附图标记表示相同或相似的部分，其中:
图1是示出根据本发明实施方式的压电器件的结构的横截面图2A至2G是示出根据本发明的第一实施例的压电器件的制造方法的解释性视图3是不出在第一实施例中产生的压电膜的层积体的结构的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图4是示出在第一实施例中产生的压电膜的P-E滞后特性的视图5是示出在第一实施例中产生的压电膜的X-射线衍射(XRD)特性的视图6A至6M是示出在本发明的第二实施例中的压电器件的制造过程的示意图7是示出关于中间层的厚度和剥离之间的关系的试验结果的表；
图8是示出在本发明的第三实施例中的压电器件的结构的横截面图9是提供给在第三实施例中的压电器件的喷墨头的结构的图10是例示施加到第三实施例中的压电器件的电压的方向和幅度之间关系的表;
图11是示出施加到第三实施例中的压电器件的电极的电压波形的例子的曲线；
图12是示出压电器件的驱动例和在第三实施例中的压电器件的位移量的测量结果的表；以及
图13是示出本发明的第四实施例中的压电器件的结构的横截面图。
具体实施方式
<实施方式>
图1是示出根据本发明的实施方式的压电器件的结构的横截面图。图1中所示的压电器件10具有层积结构，其中第一电极14形成用作支撑体的基板12上，第一压电膜16形成在其上，并且金属氧化物膜18、金属膜20、第二压电膜22和第二电极24在层中按照这样的顺序进一步地形成在其上。
在此，在图1和其它附图中，为了便于说明，在适当地变化的情况下绘出层的膜厚及其比率，并且不必通过反映实际的膜厚和比率而被示出。进一步地，在本说明书中，当描述层积结构时，在基板12的厚度方向上远离该基板12的表面的方向表述为“向上”方向。在图1中，因为压电器件10被构造为在保持基板12水平的状态下使得层14至24被依次地层积在基板12的上表面上，这些层的设置与在设定重力方向(图1中的向下的方向)为朝下的方向时的上下关系一致。在这种情况下，基板12的姿态可以为倾斜的或反向的。为了即使在依赖于基板12的姿态的层积结构的层积方向不必与基于重力方向的向上和向下方向相一致的情形下不混淆地表述层积结构的上下关系，在基板12的厚度方向上远离基板12的表面的方向被表述为向上的方向。例如，即使在图1中的上侧和下侧被反转的情形下，通过第一电极14形成在基板12的上表面上方，以及第一压电膜16层积在第一电极14的上表面上方这样的表述来进行描述。
图1中所示的压电器件10具有层积结构，其中两个压电膜(第一压电膜16和第二压电膜22)与它们之间的中间层26层积在一起。中间层26具有金属氧化物膜18和金属膜20的层积结构。第一电极14设置在两个压电膜16和22的下面，并且第二电极24设置在顶表面上。
虽然在此示例了两个压电膜16和22，但是在本发明的实施中，也可以层积三个或更多的压电膜同时夹置中间层(每一个对应于图1中的中间层26)。在这种情形下，中间层(对应于图1中的中间层26)形成为替代图1中的第二电极24，从而形成压电膜和中间层交替地层积的层积结构。假定压电膜被层积的级数(层积数)为η(其中η为大于I的整数)，则以(η-1)层形成中间层。进一步地，第二电极，例如图1中的第二电极24，形成在顶层的(第η层)的压电膜上。
基板12的材料没有特殊限定，并可以应用各种材料，例如硅(Si)、玻璃、陶瓷等。
第一电极14可以由例如钼(Pt)、铝(Al)、钥(Mo)、氮化钛(TiN)、钌(Ru)、金(Au)、银(Ag)等的材料构成。优选地，第一电极14包括钼族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)。为了提高与基板12的附着性，还优选地，该第一电极14具有Ti或TiW(钛-钨)附着层。更进一步优选地，第一电极14具有设置在基板12上的附着层和设置在附着层上的钼族金属层的层积结构。
第二电极24可由与第一电极14类似的各种材料构成。优选地，第二电极24包括钼族或铜族(Cu、Ag、Au)金属。进一步优选地，第二电极24具有Ti或TiW附着层与设置在附着层上的钼族金属层的层积结构。该第一电极14和第二电极24可由相同的材料构成，或可以由不同的材料构成。例如，可以是第一电极14具有TiW/Pt的层积结构而第二电极24具有TiW/Au的层积结构。
金属氧化物膜18用作扩散阻挡层，其阻止来自第一层的压电膜16的氧原子或压电材料成分的扩散。该金属氧化膜18可以为导电体或绝缘体。优选地，该金属氧化物膜18包括钼族或钛族(T1、Zr、Hf)金属的氧化物。例如，金属氧化物膜18可以由Ir的氧化物(被表示为“IrOx”或“Ir-Ο”)，或Ti的氧化物(例如TiO、TiO2等)构成。
形成在金属氧化物膜18上方的金属膜20起到对通过气相外延方法(溅射方法等)的方式形成第二层的压电膜22有用的作用。用于本实施方式的压电膜难以生长在氧化物上，但容易生长在金属上。因此，优选地，金属膜20设置在金属氧化物膜18上，并且压电膜(第二压电膜22)形成在金属膜20上。金属膜20的材料没有特殊限定，并且金属膜20优选包括钼族金属，例如Ir、Pr等。
具有金属氧化物膜18和金属膜20的层积结构的中间层26可用作中间电极。在中间层26用作中间电极的情形下，优选地，金属氧化物膜18由导电材料构成。在中间层26不用作任何电极的情形下，金属氧化物膜18可以是绝缘材料。
中间层26的结构可以为非晶的或晶体的。中间层26的膜的表面粗糙度和结构(圆柱状结构、颗粒状结构等)没有特殊地限定。进一步地，中间层26的晶体的取向和优选取向度没有限定。优选地，中间层26包括氧化物；但是，也可以包括氮。
第一压电膜16和第二压电膜22的每一个都是在通过气相外延方法的膜形成时，通过升高基板温度而结晶化形成。第一压电膜16和第二压电膜22的材料没有特殊限定，只要是氧化物压电体即可。第一压电膜16和第二压电膜22可由相同的材料构成或可由不同的材料构成。
<对剥离的原因的调查>
本发明人对在制造现有技术的压电膜和电极交替层积的层积体时发生的电极和压电膜的剥离的原因进行了调查，并发现在形成压电体时的膜形成温度下，氧原子和压电材料成分(例如，在PZT材料的情形下的铅(Pb)等)从压电材料扩散进入电极，从而导致电极材料的结构变化和附着性的减小以导致剥离。接着，本发明人发现，为了阻止电极和压电膜的剥离以获得具有高耐用性的器件，阻碍(阻挡)形成在基板上的压电膜中的压电材料成分扩散进入电极层是有用的，并且阻挡氧原子的扩散尤其重要。
基于以上所提到的知识，在本发明的实施方式中，在形成第一层的压电膜(第一压电膜16)之后，用作扩散阻挡层的金属氧化物膜18形成在该第一层的压电膜16上方，并由金属氧化物膜18阻挡来自该第一层的压电膜(第一压电膜16)的扩散。进一步地,金属膜20形成在金属氧化物膜18上方，并且第二层的压电膜(第二压电膜22)形成在金属膜20上方。换句话说，具有金属氧化物膜和金属膜的层积结构的中间层夹置在第一层的压电膜和第二层的压电膜之间，并且压电膜设置在中间层位于其间的层中。通过重复上面所提到的步骤，可以层积压电膜同时确保牢固的附着性。
<第一实施例>
图2A至2G是示出根据本发明的第一实施例的压电器件的制造过程的视图。
步骤1:首先，制备硅(Si)基板30 (图2A)。在此，示出了本例使用大块硅基板(硅晶片)；然而，也可以使用绝缘体上硅结构(SOI)的基板。
步骤2:通过溅射方法在Si基板30的表面(图2B中的上表面)上形成20nm膜厚的TiW膜，并在其上形成150nm膜厚的Ir膜。从而形成具有20nm的TiW膜和150nm的Ir膜的层积结构的下部电极32。
步骤3:其后，通过溅射方法在500°C的膜形成温度下，在下部电极32上形成2 μ m膜厚的掺杂有铌(Nb)的钛酸锆铅膜34 (以下称为“PNZT”或简称为“PZT”)(图2C)。在PZT膜34的形成中，使用射频(RF)磁控溅射装置，膜形成气体为97.5vol%的Ar和2.5vol%的O2的混合气体，靶是具有PW3((Zra52Tia48)a88Nbai2)O3组分的材料，并且膜形成压力为2.2m Torr0
步骤4:通过溅射方法在350°C的膜形成温度下，在PZT膜34上形成50nm膜厚的Ir-O 膜 36 (图 2D)。
步骤5:在该Ir-O膜36上形成20nm膜厚的Ir膜38 (图2E)。由此形成具有Ir-O膜36和Ir膜38的层积结构的中间层或电极40。
通过使用Ir靶的反应溅射方法用50%的Ar和50%的O2的混合气体在0.5Pa的压力下执行Ir-O膜36的形成。进一步地，在形成Ir-O膜36之后，通过仅使用Ar气作为膜形成气体获得Ir膜38。
该Ir-O膜36用作阻挡以阻止来自第一层的PZT膜34中的铅和氧的扩散。进一步地，形成在Ir-O膜36上的Ir膜38被插入以降低中间电极的电阻，并用于在与初始(第一)PZT膜的生长相同的条件下进行下一层的PZT膜的生长。在本实施例中为了提高附着性和降低电阻率，该Ir-O膜36和Ir膜38的膜形成温度为350°C ;然而，也可以为室温或更高的温度。当改变温度时通过实际的试验也能够获得相同的结果。
步骤6:在形成中间电极40之后，在其上形成第二层的PZT膜44 (图2F)。膜形成条件与第一层的PZT膜34的条件相同，并且该第二层的PZT膜44的膜厚为大约2 μ m。
用于参考，图3示出在第二层的PZT膜44通过步骤6形成的状态下的膜的层积结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3中所示的层积体通过步骤I至6而获得。如图3中所示，两个PZT膜34和44与它们之间的中间电极40被层积得具有牢固的附着性，并且获得没有剥离的良好层积体。
步骤7:之后，上部电极46形成在第二层的PZT膜44上(图2G)。该上部电极46以与下部电极32相同的方式而构造，以使得通过溅射方法形成20nm膜厚的TiW膜，并且Ir膜层积在其上以形成150nm的膜厚。上部电极46由此形成为具有20nm的TiW膜和150nm的Ir膜的层积结构。因此，获得图2G所示的具有层积结构压电器件50。在此，可通过蚀刻等部分地去除图2G中的Si基板30的背面(下表面)。
〈图2G中的结构与图1中的结构的对应关系>
图2G中的Si基板30对应于图1中的基板12。图2G中的下部电极32对应于图1中的第一电极14。图2G中的PZT膜34对应于图1中的第一压电膜16，而图2G中的PZT膜44对应于图1中的第二压电膜22。图2G中的Ir-O膜36对应于图1中的金属氧化物膜18，以及图2G中的Ir膜38对应于图1中的金属膜20。图2G中的上部电极46对应于图1中的第二电极24。
<滞后特性>
对于在第一实施例中获得的压电器件50，研究了电极对之间(在下部电极32和中间电极40之间，以及在中间电极40和上部电极46之间)的压电体的特性。图4示出存在于下部电极32和中间电极40之间的第一层的压电体(PZT膜34)的滞后特性，以及存在于中间电极40和上部电极46之间的第二层的压电体(PZT膜44)的滞后特性。图4中的纵轴表示电场，而横轴表示极化。
如图所示的，每一层的压电体均表现出良好的滞后特性，并且获得足够的压电性能。此处，每一层的滞后曲线均形成为整体向右手侧偏移的形状，并且压电体被预先极化。
〈XRD 特性 >
图5示出通过X-射线衍射(XRD)的方式分析在第一实施例中所获得的两个压电膜的层积结构(如图3中所示)的结果。在图5中，横轴指示衍射角2 Θ，而纵轴指示衍射强度。在通过X-射线衍射的方式的晶体结构的分析中，由两个压电膜构成的层积体以X-射线从上方一次性地辐射。如所示的，本实施例中所获得的PNZT膜表现出高度地集中在PNZT晶面(100)和(200)上的衍射图案，并被确认为具有作为晶体优选取向的(100)和(001)的高取向压电膜。根据第一实施例中所描述的方法，可以很好地形成具有优异的结晶度而不具有任何异相的压电膜。
<膜形成方法>
作为压电膜的膜形成方法，气相外延方法是优选的。除了溅射方法之外，可以应用各种方法，例如离子镀方法、金属有机化学气相(MOCVD)沉积方法、脉冲激光沉积(PLD)方法等。进一步地，也可以使用气相外延方法之外的其它方法(例如，溶胶-凝胶方法等)。
〈压电材料〉
本实施方式中优选的压电材料包括由下面的通式所表述的一种或多种类型的钙钛矿型氧化物(P):
ABO3, (P)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一种元素；B为B位元素并且选自由T1、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 构成的组中的至少一种元素；O为氧；并且A位元素、B位元素和氧的标准摩尔比率为1:1: 3,但是该摩尔比率可在能够获得钙钛矿结构的范围内偏离该标准摩尔比率。
由上述通式所表述的钙钛矿型氧化物可以为:含铅的化合物之一，例如钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)、锆酸铅、钛酸镧铅、锆钛酸镧铅、钛酸锆铌酸锰铅、钛酸锆铅铌酸镍、钛酸锆铌酸锌铅等，或者它们的混合晶系；或者不含铅的化合物之一，例如钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸钠、铌酸钾、铌酸锂、铁酸铋等，或者它们的混合晶系。
根据本实施方式的压电膜期望包含由下式表示的一种或多种类型的钙钛矿型氧化物(PX):
Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c，(PX)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一种元素；M为选自由V、N b、Ta和Sb构成的组中的至少一种元素；满足0<x<b，0<y<b并且O ( (b-x-y)的关系；并且a: b: C = I: I: 3是标准，但是该摩尔比率可在能够获得钙钛矿结构的范围内偏离该标准摩尔比率。
因为由上面所述的通式(P)或(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜具有高的压电应变常数(d31常数)，因此，提供有上面所提到的压电膜的压电致动器在位移特性上变得优异。在这种情况下，由通式(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电常数变得高于由通式(P)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电常数。
进一步地，提供有由通式(P)或(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电致动器在驱动电压范围内具有优异的线性的电压-位移特性。该压电材料表现出对本发明的实施有益的压电特性。
<第二实施例>
图6A至6M是示出根据本发明的第二实施例的压电器件的制造过程的视图。在图6A至6M中，与图2A至2G中那些相同或相似的部件用相同的附图标记表不,并且省略对它们的描述。
步骤I至3:图6A至6C中所示的步骤I至3与参照图2A至2C描述的第一实施例中的步骤I至3相同。在此省略对它们的描述。
步骤4:如图6D中所示，将200nm的TiO2的膜60作为绝缘层形成在PZT膜34上。
步骤5 =TiO2绝缘层60以留下期望的区域部分而去除其它部分的方式图案化(图6E)。通过图案化而留下的绝缘层表示为60A。
步骤6:之后，Ir-O膜62A和62B以及Ir膜64A和64B层积在具有绝缘层60A的PZT膜34上，以具有150nm的总膜厚(图6F)。该Ir-O膜和Ir膜的层积结构形成在绝缘层60A上和PZT膜34的已经去除绝缘层60的区域上。此处，形成在绝缘层60A上的Ir-O膜用62A表示，形成在Ir-O膜62A上的Ir膜用64A表示，形成在PZT膜34上的没有绝缘层60A的区域中的Ir-O膜用62B表示，而形成在Ir-O膜62B上Ir膜用64B表示。
因为绝缘层60A上的Ir-O膜62A和Ir膜64A与在没有绝缘层60A的区域中的PZT膜34上的Ir-O膜62B和Ir膜64B电绝缘是必需的，绝缘层60A上的Ir-O膜62A和Ir膜64A与在没有绝缘层的区域中的PZT膜34上的Ir-O膜62B和Ir膜64B分隔由预定绝缘区域66(图6F)定义的距离。用于分隔的方法可以为提离方法或干蚀刻方法。进一步地，考虑到下一步骤，因为产量比这一点上Ir膜64A和64B的高度彼此接近是有利的，可以恰当地利用使高度彼此接近的措施(即，用于减小Ir膜64A和64B之间的垂直间隔)。
图6G示出形成在绝缘层60A上的Ir膜64A被制成得更薄，以作为使高度彼此接近的例子。代替该方法或者与它结合，也可使Ir膜64B在没有绝缘层60A的区域中的PZT膜34上更厚。
图6F和6G中所示的绝缘层60A和形成在其上的Ir-O膜62A和Ir膜64A的层积体70A用作“中间层”。进一步地，图6H中所示的，具有在去除了绝缘材料的区域中的Ir-O膜62B和Ir膜64B的层积结构的电极层70B是用作中间电极的中间层。在以下描述中，例如如图61中所示，电极层70B和具有绝缘层60A的中间层70A总体描述为中间层70。
步骤7:如图6H中所示，第二层的PZT膜44形成在中间层70上。该第二层的PZT膜44的膜形成条件与第一层的PZT膜34的条件相同。
步骤8:之后，以参考图6D描述的步骤4相同的方式，在PZT膜44上形成另一 TiO2膜60作为绝缘层(图61)，并且重复与步骤5至7(图6E至图6H)相同的步骤。通过重复与步骤4至7相同的步骤一次或多次，形成中间层70和压电膜44交替层积的层积结构(图6J)。
图6J示出在形成第三层的PZT膜74的状态下的例子。可以形成层积四层或更多层的PZT膜。
在中间层70中的绝缘层60A的图案形成为交替地改变位置以使得在电极层70B中电极的引出方向(端表面的引出电极的位置)在各个层级中交替地在右和在左改变。
步骤9:接着，用作绝缘层60的TiO2膜形成在顶层(在该情形中为第三层)的PZT膜74上，形成的TiO2膜被图案化以在期望的位置留下绝缘层60A，并且之后形成上部电极82 (图6K)。由此，获得如图6K中所示的层积体。
步骤10:针对图6K中的层积体，通过干蚀刻切除侧壁部分以形成期望形状的层积体88 (图6L)，并由此将中间层70的电极层(中间电极)70B-1和70B-2暴露于侧壁的表面。在图6L中，形成在第一层的PZT膜34和第二层的PZT膜44之间的电极层表示为70B-1，而形成在第二层的PZT膜44和第三层的PZT膜74之间的电极层表示为70B-2。
步骤11:之后，通过溅射方法，在图6L中的层积体88的侧面部分中形成侧壁电极84和86 (图6M)。在此，虽然图6M示出侧壁垂直于基板平面；但是，因为在步骤10中通过干蚀刻实际切除层积体以具有朝向顶部变得更小的渐细形状并具有倾斜的侧壁，可以容易地在该倾斜的侧壁表面上形成侧壁电极84和86。
形成在图6M中的层积体88中的右手侧的侧壁表面中的侧壁电极84连接第一层的中间电极(电极层70B-1)和上部电极82。形成在图6M中的层积体88中的左手侧的侧壁表面中的侧壁电极86连接第二层的中间电极(电极层70B-2)和下部电极32。
通常，在具有η层压电膜的层积体的情况下，该层积体还具有(η+1)层的电极，包括在底部的下部电极、夹置在压电层之间的中间电极以及在顶表面的上部电极。奇数电极通过一个侧壁电极(在图6Μ中的例子中的侧壁电极84)彼此连接，并且偶数电极通过另一侧壁电极(在图6Μ中的例子中的侧壁电极86)彼此连接。如上所述，暴露于层积体的端表面的中间电极通过侧壁电极连接至下部电极32或上部电极82，并从而构造为梳状的电极。
在本例子中，当夹置中间层时可层积多层压电膜，并可形成具有如图6Μ中所示的层积结构的压电器件90。所获得的压电器件90可用作致动器、传感器、具有传感器的致动器或压电发电机。上述由压电膜构成的层积体可用作各种目的。
〈比较例〉
作为比较例，根据以下工序制备层积体。在20nm的TiW膜和150nm的Ir膜层积在Si基板上之后，通过溅射方法在50(TC的基板温度(膜形成温度)下在其上形成2μπι膜厚的PZT膜。在膜形成之后，70nm的Ir膜在350°C下直接形成在PZT膜上。因此，在该比较例中的层积体具有这样的结构，即从第一实施方式的结构(图1)中省略了用作金属氧化物膜18的Ir-O膜。
在形成70nm的Ir膜的中间电极之后，第二层的PZT膜直接形成在中间电极上。形成条件与第一层的条件相同，并且以2 μ m厚为目标来形成。
然而，在膜形成步骤之后从膜形成装置中取出样品，第二层的PZT膜处于剥离状态。这被认为是由在形成第二层的PZT膜时Ir电极被氧化的情况导致的，该Ir电极被化学地变化以由于来自第一层的PZT膜的压电材料成分Pb的扩散而改变它的体积，并且该PZT膜从Ir电极(中间电极)剥离。
尝试产生Ir膜的中间电极被改变为Pt膜的中间电极的方案，以及在形成作为附着层的Ti或TiW膜之后形成Ir电极的方案；然而，以与上面所述相同的方式发生了第二层的压电膜的剥离。进一步地，通过将比较例中用作中间电极的Ir膜的膜厚改变至50nm、120nm、150nm和250nm来进行相同样品的产生；然而，在任何情形下都发生了第二层的压电膜的剥离。
<中间层(中间电极)的厚度与剥离之间的关系>
对于根据本实施方式的层积体，研究中间层的厚度与剥离之间的关系，并获得了图7中所示的表中的结果。在该情况下，“中间层”是设置在压电体之间的层。该中间层可用作电极或者可用作绝缘层。图7中的实施例A至E的中间层是包括如在第一实施例中所述的金属氧化物膜18和金属膜20的层。中间层可具有例如如图1中所述的IrOx膜和Ir膜的层积结构，或可具有如图6A至6M所描述的例如TiO2的绝缘材料膜和例如Ir的金属膜的层积结构。
在此，通过改变如图1至图5中所示例的层积结构中的中间层的厚度进行试验。如在图7中的表中的实施例A至D所示，如果中间层的厚度薄(不大于200nm)，则没有剥离发生。然而，如果中间层的厚度变得极薄，例如，在小于50nm的情形下，将会发生例如作为电极电阻变得相对高的另一问题，或者阻止来自下层(第一层)的PZT的扩散的特性下降。
另一方面，如图7中的表中的比较例所示的，在中间层的厚度不小于250nm的结构中，上部压电体(第二层)剥离。上部电极被假定为由于在压电体和中间层等之间的热膨胀系数的差异所导致的应力而剥离。如在实施例E中所示的，在中间层的厚度为200nm的情形中观察到部分剥离的状态，然而，可认为可以提供实际上允许的情形。200nm厚度的中间层因此认为是可允许水平的阈值(上限)。
基于上面所提到的要点，优选地，中间层的厚度不小于50nm并且不大于200nm，更优选地不小于50nm并且小于200nm，并进一步优选地不小于50nm并且不大于150nm。
在上面的描述中，通过使用中间层的厚度作为参数进行了评价；然而，应力是是否有剥离的主要因素。计算具有图7中的表中所示的厚度的中间层的应力，具有200nm厚度的中间层中大约为500MPa。换句话说，基于在厚度与应力之间的关系来考虑中间层的优选条件，优选地，中间层的应力和厚度的乘积(应力X厚度)不大于ΙΟΟΝ/m2。在这种情形下，中间层的应力可为零。
应力和厚度的乘积被认为是不依赖于材料的一般指标。考虑到对由热膨胀系数之间的差异所导致的应力所产生的剥离的抑制以及利用阻止由扩散所导致的剥离的结构(在该结构中，压电膜层积在包括用作扩散阻挡层的金属氧化物膜的中间层上)，更优选地，中间层的应力和厚度的乘积小于ΙΟΟΝ/m2，更优选地不大于75N/m2。在此，中间层的应力和厚度的乘积越小(越接近于O)，则由热膨胀系数之间的差异所导致的应力的影响越小。因此，对于中间层的压力和厚度的乘积定义优选的下限意义不大。
〈第三实施例〉
图8是示出根据本发明的第三实施例的压电器件100的结构的视图。图8示出膜片结构的压电致动器。
根据与第一实施例相同的工艺，通过在SOI基板102上以这样的顺序层积下部电极114、第一压电膜116、金属氧化物膜118、金属膜120、第二压电膜122以及上部电极124来产生压电器件100。
SOI基板102具有层积的结构，其中设置用作处理层的Si层104，用作绝缘层的氧化物膜层(SiO2) 108 (BOX层)，以及用作器件层的Si层110。
通过在Si层110上层积TiW膜和Ir膜来形成下部电极114。压电膜116和122层积在下部电极114上，同时插入具有金属氧化物膜118和金属膜120的层积结构的中间电极(中间层)126。Ir-O膜用作形成在第一压电膜116上的金属氧化物层118，并且Ir膜用作金属膜120。通过层积金属氧化物膜118和金属膜120获得的中间层126用作中间电极。两个压电膜116和122设置为在它们之间具有中间电极126，并且通过层积TiW膜和Au膜，在第二层的压电膜122的上表面上形成上部电极124。
通过蚀刻晶片结构，留下5 μ m厚的Si层110 (器件层)作为膜片，其是通过从后表面侧设置层，并去除Si层104的一部分而获得的。在这种情形下，当留下图8中的SiO2时，SiO2层108用作蚀刻停止层，并且膜片由SiO2层108和Si层110构成；但是，也可通过去除SiO2层108而构造该膜片。
在本例子的情况下，第一层的压电膜116和第二层的压电膜122由相同的压电材料构成，在厚度方向上极化，并且极化方向一致。极化方向由电荷分布的偏移导致的偶极矩的矢量方向(从负到正的方向)定义。第一压电膜116和第二压电膜122的极化方向是向上的。
当以与压电体的极化方向相同的方向对压电体施加电场时，压电体将基于压电横向效应收缩在膜片的表面内(d31模式)。当形成在膜片上的压电膜收缩在膜片的表面内时，膜片限制了压电膜的变形。因此，膜片变形以在厚度方向上偏斜(弯曲)。
如图8中所示的结构被应用于例如喷墨头。通过蚀刻形成的凹进空间130与墨室(压力室)相对应。
图9中示出喷墨头的例子。在图9中，与如图8中所示的结构中的那些相同或相似的元件以相同的附图标记表示并省略其描述。图9中所示的喷墨头150构造为使得喷嘴板152结合至图8中所描述的层积结构的Si层104的底表面。用作墨(液体)的喷射端口的喷嘴孔154形成在喷嘴板152中。通过压电驱动，墨填充进空间(压力室)130中，膜片(硅层110)变形以偏斜，并且压力室130的体积改变，由此压力改变并且墨滴从喷嘴孔154喷射。
尽管图9中未示出，用于将墨供应至压力室130的墨供应流动通道(公共供应通道、独立供应通道等)形成在硅层104上。进一步地，在图9中，示出喷嘴板152直接结合到Si层104的下表面的例子；然而，形成其它流动通道结构的流动通道板可设置在Si层104和喷嘴板152之间。
〈驱动控制的例子〉
在根据图8所示的第三实施例的压电器件100中，因为在图8中所获得的压电膜116和122的极化方向是向上的，因此利用具有例如如图10中所示的所施加的电压的方向和幅值之间关系的驱动方法(电压施加方法)是优选的。
图10中的电压施加方法I是如下方案:中间电极126接地，正电压(+V1)施加到下部电极114，而负电压(-V2)施加到上部电极124。在这种情形下，施加到下部电极的正电压(+V1)和施加到上部电极的负电压(-V2)的绝对值设定为彼此相等并且！+V1I = -V2=20V ;然而，所施加电压的特定值不限于本例子。进一步地，+V1和1-V2I可不必彼此相坐寸O
图10中的电压施加方法2是如下方案:下部电极114接地，负电压(-V3)施加到中间电极126，并且具有比施加到中间电极126的负电压的绝对值大的负电压(-V4)施加到上部电极124。在此，示例-V3 = -20V和-V4 = -40V的情形；然而，所施加电压的特定值不限于本例。
图10中的电压施加方法3是如下方案:上部电极124接地，正电压(+V5)施加到中间电极126，并且具有比施加到中间电极126的正电压的绝对值大的正电压(+V6)施加到下部电极114。在此，示例+V5 = +20V和+V6 = +40V的情形；然而，所施加电压的特定值不限于本例。
在电压施加方法I至3中的任一个中，满足Vtop < Vmid < Vbot的相对关系，其中Vtop是上部电极的电位，Vmid是中间电极的电位，并且Vbot是下部电极的电位。
图11示出在利用图10的表中的电压施加方法I作为电压施加的例子的情形下电极的电位。
进一步地，通过在与图10中的表中的方法I相似的电压施加方法下进行试验,测量在上部电极的膜片上的位移。图12中的表中示出驱动状态及其结果。在这种情形下，所测量的位移量在此与在假定有喷墨头的情形中的喷射量相对应。换句话说，致动器的位移量越大，则喷射量越大。
如图12中所示，相比较于独立地驱动两层中的一层(作为单个层)的情形，在同时驱动第一压电层和第二压电层两者的情形下位移量更大。通过驱动两层中的一层作为单个层所获得到的位移量为55.5nm或56.5nm，并且通过驱动两层所获得的位移量为95.5nm。因此，已知相较于驱动两层中的一层作为单个层的情形，在两层被驱动的情形下获得具有大约1.7倍的幅度的位移。当所施加的电压改变，位移量也相应地改变，并且在任何情形下，相较于驱动两层中的一层作为单个层的位移量，同时驱动两层的位移量达到大约两倍(在1.7倍左右)。
在图8中所示的结构中，通过设定中间电极126为地电位，施加+20V到下部电极114并且施加-20V到上部电极124，检查致动器的位移量(膜片110的偏斜变形量)，获得了良好的位移，并且相较于由单层PZT膜构成的致动器获得了大约两倍的位移。能够获得足够性能用作为喷墨头。
〈第四实施例〉
接下来，描述本发明的第四实施例。图13是根据第四实施例的压电器件的结构的视图。在图13中，与图6A至6M中所示的结构中的那些相同或相似的部件用相同的附图标记表示并省略对它们的说明。
图13中所示的压电器件160具有通过在SOI基板162上形成第二实施例中描述的多个压电膜构成的层积结构而产生的悬臂结构。
SOI基板162具有层积结构，其中设置用作处理层的Si层164、氧化物膜层(SiO2)层168以及用作器件层的Si层170。SOI基板162在此被用于替代参照图6A至6M描述的第二实施例中的Si基板30，并且通过与第二实施例相同的工艺，将压电膜34、44以及74层积在Si层164上。在获得与图6M中相同的层积结构之后，通过蚀刻基板162的背侧来去除Si层164的一部分，从而留下与膜片相对应的Si层170。尽管在图13中留下SiO2层168，但是也可以去除SiO2层168。
另一个板部件(例如硅基板)172被结合到通过蚀刻留下的Si层164的底表面，并且获得具有图13中所示的结构的器件160。
在所获得的器件160中，通过悬臂的振动，来使压电膜34、44和74变形，并且在压电膜34、44和74的每一个的上部和下部电极之间产生电压。该电压能够输出到外部以用作电力。换句话说，器件160用作具有可被用作发电器件的层积结构的压电膜发电机。通过增加压电膜的层积数量，可以获得更高的生成的电压。
〈作用效果〉
参照图1至13所述，根据本发明的实施方式，因为可以使用层积结构中的压电膜，所以可以使用压电膜材料来实现压电器件的有效的性能改进。
例如，对于用作压电致动器的压电器件，通过施加具有相对低的电压能够获得大的位移。进一步地，通过驱动电压的降低减轻了包括驱动电路的控制电路的负担，并且可以实现低成本、节能、耐用性的改进等。
进一步地，对于用作发电器件的压电器件，通过使用压电膜的层积结构可以增加发电的电压，并且可以实现适合于实际应用的期望的发电性能。
此外，对于用作传感器的压电器件，通过压电膜的变形可以获得大的电压信号，并且可以改进传感器的灵敏性。
〈其它应用例1>
例如，在角度传感器中，采用驱动致动器(利用反向压电效应)和用于传感器的压电体(利用压电效应)，并且现有技术中的通用角度传感器被构造为使得这两个元件安装在相同的平面上。
相反地，根据本发明所应用的层积体，由于第一层的压电膜可用作致动器并且第二层的压电膜可用作传感器(或反之亦然)，那么角度传感器能够通过以与现有技术中的结构相比更小的面积来实现。
如上所述的能够以更小的面积构造的传感器和其它的器件能够安装至紧凑的电子器件，例如移动电话等。进一步地，因为在晶片内具有较小面积的器件的可用数量增加，所以能够实现低成本。
〈其它应用例2>
在具有多层压电膜的层积结构的压电致动器中，通过在高水平上控制每一层中的压电体，能够更大程度地实现致动器的控制。例如，通过将上面所提到的层积结构的压电致动器应用于喷墨头，并进行驱动控制，例如改变在多个压电层中的所驱动的压电层的数量，可以改变所喷射的液滴的大小，改变喷射速度，或进行摇摆弯月面的弯月面控制至导致不喷射的度。
应理解本发明不限于公开的特定形式，相反本发明覆盖落入如所附权利要求中所表达的本发明精神和范围内的所有修改、替代构造以及等同物。
权利要求
1.一种压电器件，包括: 基板； 层积在所述基板上方的第一电极； 层积在所述第一电极上方的第一压电膜； 层积在所述第一压电膜上方的金属氧化物膜； 层积在所述金属氧化物膜上方的金属膜； 层积在所述金属膜上方的第二压电膜；以及 层积在所述第二压电膜上方的第二电极。
2.如权利要求1所述的压电器件，其中，在由所述第一压电膜和所述第二压电膜之间的所述金属氧化物膜和所述金属膜构成的中间层中的应力和厚度的乘积小于100N/m2。
3.如权利要求2所述的压电器件，其中，所述中间层的厚度不小于50nm并且小于250nmo
4.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述第一压电膜和所述第二压电膜中的每一个通过气相外延方法来形成。
5.如权利要求4所述的压电器件，其中，所述气相外延方法是通过实施热膜形成进行晶体化的溅射方法。
6.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属氧化物膜包括钼族金属的氧化物。
7.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属氧化物膜包括钛族金属的氧化物。
8.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属膜包括钼族金属。
9.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述第一压电膜和所述第二压电膜中的每一个由钙钛矿型氧化物构成。
10.如权利要求9所述的压电器件，其中，在所述第一压电膜和所述第二压电膜的每一个中，所述钙钛矿型氧化物具有(100)或(001)的晶体优选取向。
11.一种压电器件的制造方法，所述方法包括: 在基板上方层积第一电极的第一电极形成步骤； 在所述第一电极上方层积第一压电膜的第一压电膜形成步骤； 在所述第一压电膜上方层积金属氧化物膜的金属氧化物膜形成步骤； 在所述金属氧化物膜上方层积金属膜的金属膜形成步骤； 在所述金属膜上方层积第二压电膜的第二压电膜形成步骤；以及 在所述第二压电膜上方层积第二电极的第二电极形成步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一压电膜形成步骤和所述第二压电膜形成步骤中的每一个包括气相外延方法。
全文摘要
一种压电器件，包括基板；层积在基板上方的第一电极；层积在第一电极上方的第一压电膜；层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜；层积在金属氧化物膜上方的金属膜；层积在金属膜上方的第二压电膜；以及层积在第二压电膜上方的第二电极。
文档编号H01L41/277GK103187520SQ20121046029
公开日2013年7月3日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年10月4日
发明者藤井隆满, 菱沼庆一 申请人:富士胶片株式会社
技术领域：
本发明涉及一种压电器件以及制造该压电器件的方法，并且更具体地涉及一种由压电膜构成的压电器件及其制造技术，该压电器件能够用于多个目的，例如致动器、传感器、发电器件等。
背景技术：
日本专利申请公开N0.2009-139338公开了一种压电材料膜被层积以用于压力传感器的结构。该压力传感器具有电极层的层积结构，并且压电膜交替地设置在基板上，从而形成由两层或多层压电膜构成的压电膜层积体。电极包括例如钼(Pt)、铝(Al)、钥(Mo)、氮化钛(TiN)、钌(Ru)等材料(JP2009-139338中的0034段)，并且每一压电膜由溅射方法形成(JP2009-139338 中的 0077 段)。
日本专利申请公开N0.08-116103公开了一种双压电晶片结构的压电致动器，其中电极由钼或钯构成。该压电致动器具有层积结构，其中第一压电材料膜(钛酸锆铅(PZT))层积在用作外电极的钼电极上，用作内电极的另一钼电极层积在该第一 PZT膜上，并且第二 PZT膜以及钼的外电极层积在其上(JP08-116103中的0018段以及图3)。
日本专利申请公开N0.09-181368公开了一种具有层积结构的致动器器件，其通过例如溅射方法以及类似方法的膜形成技术交替地层积压电体和导电体而制造，并且还公开了其的布线方法。在日本专利申请公开N0.09-181368中，描述了与压电体的材料和电极的材料(钼、铝、金或银)相关的一般材料。发明内容
如上所述，已知这样的层积结构，其中通过溅射方法层积压电膜，并且电极和压电膜被交替地形成在层中。然而，如果根据现有技术使用一般电极材料和压电材料层积压电膜时，存在电极剥离以及压电膜也剥离的问题，并且实际上难以形成上述的由压电膜构成的层积结构。
例如，在钼或钯电极设置为中间层(内电极)的情形下，如在JP08-116103中的，在形成压电膜时，压电材料可能剥离或破裂。
作为其它具体例子，在通过气相外延方式形成压电膜时，基板温度被设定为不低于350°C并不高于650°C (基板温度是压电材料在气相外延中直接晶体化生长的温度)，如果在形成压电膜之后在常规条件下形成Pt、铱(Ir)等的电极，并且接着在该电极上形成另一压电膜，则存在电极剥离并且压电膜也剥离的问题。
并且，即使在不发生上面所提到的剥离等情况，在膜形成之后的膜的附着性也不好，并且器件的耐用性也存在问题。即使为了提高附着性而使用钛(Ti)等的附着层，也存在压电膜实际上剥离的问题。
本发明针对这些情况问题而设计，其目的在于提供一种压电器件，该压电器件增强了通过层积多个压电膜而形成的层积体中的膜的附着性以防止剥离，并且具有高耐用性和可靠性，以及在于提供能够制造上面所提到的压电器件的制造方法。
为了达到前面提到的目的，本发明涉及一种压电器件，包括:基板；层积在基板上方的第一电极；层积在第一电极上方的第一压电膜；层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜；层积在金属氧化物膜上方的金属膜；层积在金属膜上方的第二压电膜；以及层积在第二压电膜上方的第二电极。
根据本发明的这一方面，层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜用作扩散阻挡层，并且从压电膜向金属膜的氧原子和压电材料成分的扩散被抑制。因此，可以阻止金属膜的结构变化和由扩散导致的附着性的减小，并且可以获得在金属氧化物膜和金属膜的层积结构(中间层)之间具有牢固附着性的压电膜层积体。
在解释时，术语“A层积在B上方”不限于A直接层积在B上而A与B接触的情形，而且包括在A和B之间夹置一层或多层其它层的情形，以及A层积在B上方而在A和B之间具有其它层。
该结构能够制成为重复这样的构造，即在该构造中，金属氧化物膜和金属膜的中间层层积在压电膜上方并且另一压电膜层积在该中间层上方，从而层积三层或者更多层的压电膜。在这种情况下，在顶层的压电膜可解释为“第二压电膜”，并且在第二或者更高级的压电膜可被解释为“第二压电膜”。
优选地，由第一压电膜和第二压电膜之间的金属氧化物膜和金属膜构成的中间层中的应力和厚度的乘积小于100N/m2。
根据本发明的这一方面，由压电膜和中间层之间的热膨胀系数的差异所引起的应力所导致的剥离被抑制。
优选地，中间层的厚度不小于50nm并且小于250nm。
考虑到中间层的扩散阻挡特性，以及对由压电膜和中间层之间的热膨胀系数的差异所引起的应力所导致的剥离的抑制，中间层的厚度设定为不小于50nm并且小于250nm的范围内的结构是优选的。
优选地，第一压电膜和第二压电膜中的每一个通过气相外延方法形成。
通过使用由溅射方法代表的气相外延方法可以获得具有期望的压电性能的压电膜。进一步地，压电膜可容易地生长在金属膜上，并可以获得良好的膜形成。
优选地，该气相外延方法为通过实施热膜形成而晶体化的溅射方法。
根据本发明的这一方面，因为金属氧化物膜用作扩散阻挡层，因此，可以阻止在热膜形成时来自低层中的压电膜的材料成分等扩散进入金属膜，并且可以获得具有高附着性的压电膜的层积结构。
优选地，金属氧化物膜包括钼族金属的氧化物。
金属氧化物膜可以具有例如钌(Ru)、错(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)以及钼(Pt)的钼族金属的任何金属的任何氧化物。
还优选地，金属氧化物膜包括钛族金属的氧化物。
金属氧化物膜可以为例如TiO、TiO2等的钛(Ti)氧化物，或例如T1、锆(Zr)以及铪(Hf)的钛族的任何金属的任何氧化物。
优选地，金属膜包括钼族金属。
金属膜可包括各种金属，并且金属膜优选包括例如Ru、0s、Rh、Ir、Pd、Pt等的钼族的金属。在这种情况下，第一电极和第二电极可包括钼族金属。此外，该第一电极和第二电极能够包括铜族金属，铜(Cu)、银(Ag)以及金(Au)。
优选地，第一压电膜和第二压电膜中的每一个由钙钛矿(perovskite)型氧化物构成。
钙钛矿型氧化物的压电器件具有良好的压电特性，并能够用于例如致动器、传感器、发电器件等的各种目的。
优选地，在第一压电膜和第二压电膜的每一个中，钙钛矿型氧化物具有(100)或(001)的晶体优选取向。
为了实现上面所提到的目的，本发明还涉及压电器件的制造方法，该方法包括:在基板上方层积第一电极的第一电极形成步骤；在第一电极上方层积第一压电膜的第一压电膜形成步骤；在第一压电膜上方层积金属氧化物膜的金属氧化物膜形成步骤；在金属氧化物膜上方层积金属膜的金属膜形成步骤；在金属膜上方层积第二压电膜的第二压电膜形成步骤；以及在第二压电膜上方层积第二电极的第二电极形成步骤。
根据本发明的这一方面，可以防止金属膜的结构变化和由扩散导致的附着性的减小，并能够获得具有牢固附着性的压电膜的层积结构。
优选地，第一压电膜形成步骤和第二压电膜形成步骤中的每一个包括气相外延方法。
根据本发明，能够防止膜的剥离以及附着性的减小，它们都是在现有技术中的层积体中遇到的问题，并且能够形成多个压电膜的层积体。因此，可以获得具有高耐久性和可靠性的压电器件。
参照附图，下面将解释本发明的本质以及本发明其它的目的和优点，其中附图中相似的附图标记表示相同或相似的部分，其中:
图1是示出根据本发明实施方式的压电器件的结构的横截面图2A至2G是示出根据本发明的第一实施例的压电器件的制造方法的解释性视图3是不出在第一实施例中产生的压电膜的层积体的结构的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图4是示出在第一实施例中产生的压电膜的P-E滞后特性的视图5是示出在第一实施例中产生的压电膜的X-射线衍射(XRD)特性的视图6A至6M是示出在本发明的第二实施例中的压电器件的制造过程的示意图7是示出关于中间层的厚度和剥离之间的关系的试验结果的表；
图8是示出在本发明的第三实施例中的压电器件的结构的横截面图9是提供给在第三实施例中的压电器件的喷墨头的结构的图10是例示施加到第三实施例中的压电器件的电压的方向和幅度之间关系的表;
图11是示出施加到第三实施例中的压电器件的电极的电压波形的例子的曲线；
图12是示出压电器件的驱动例和在第三实施例中的压电器件的位移量的测量结果的表；以及
图13是示出本发明的第四实施例中的压电器件的结构的横截面图。
具体实施方式
<实施方式>
图1是示出根据本发明的实施方式的压电器件的结构的横截面图。图1中所示的压电器件10具有层积结构，其中第一电极14形成用作支撑体的基板12上，第一压电膜16形成在其上，并且金属氧化物膜18、金属膜20、第二压电膜22和第二电极24在层中按照这样的顺序进一步地形成在其上。
在此，在图1和其它附图中，为了便于说明，在适当地变化的情况下绘出层的膜厚及其比率，并且不必通过反映实际的膜厚和比率而被示出。进一步地，在本说明书中，当描述层积结构时，在基板12的厚度方向上远离该基板12的表面的方向表述为“向上”方向。在图1中，因为压电器件10被构造为在保持基板12水平的状态下使得层14至24被依次地层积在基板12的上表面上，这些层的设置与在设定重力方向(图1中的向下的方向)为朝下的方向时的上下关系一致。在这种情况下，基板12的姿态可以为倾斜的或反向的。为了即使在依赖于基板12的姿态的层积结构的层积方向不必与基于重力方向的向上和向下方向相一致的情形下不混淆地表述层积结构的上下关系，在基板12的厚度方向上远离基板12的表面的方向被表述为向上的方向。例如，即使在图1中的上侧和下侧被反转的情形下，通过第一电极14形成在基板12的上表面上方，以及第一压电膜16层积在第一电极14的上表面上方这样的表述来进行描述。
图1中所示的压电器件10具有层积结构，其中两个压电膜(第一压电膜16和第二压电膜22)与它们之间的中间层26层积在一起。中间层26具有金属氧化物膜18和金属膜20的层积结构。第一电极14设置在两个压电膜16和22的下面，并且第二电极24设置在顶表面上。
虽然在此示例了两个压电膜16和22，但是在本发明的实施中，也可以层积三个或更多的压电膜同时夹置中间层(每一个对应于图1中的中间层26)。在这种情形下，中间层(对应于图1中的中间层26)形成为替代图1中的第二电极24，从而形成压电膜和中间层交替地层积的层积结构。假定压电膜被层积的级数(层积数)为η(其中η为大于I的整数)，则以(η-1)层形成中间层。进一步地，第二电极，例如图1中的第二电极24，形成在顶层的(第η层)的压电膜上。
基板12的材料没有特殊限定，并可以应用各种材料，例如硅(Si)、玻璃、陶瓷等。
第一电极14可以由例如钼(Pt)、铝(Al)、钥(Mo)、氮化钛(TiN)、钌(Ru)、金(Au)、银(Ag)等的材料构成。优选地，第一电极14包括钼族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)。为了提高与基板12的附着性，还优选地，该第一电极14具有Ti或TiW(钛-钨)附着层。更进一步优选地，第一电极14具有设置在基板12上的附着层和设置在附着层上的钼族金属层的层积结构。
第二电极24可由与第一电极14类似的各种材料构成。优选地，第二电极24包括钼族或铜族(Cu、Ag、Au)金属。进一步优选地，第二电极24具有Ti或TiW附着层与设置在附着层上的钼族金属层的层积结构。该第一电极14和第二电极24可由相同的材料构成，或可以由不同的材料构成。例如，可以是第一电极14具有TiW/Pt的层积结构而第二电极24具有TiW/Au的层积结构。
金属氧化物膜18用作扩散阻挡层，其阻止来自第一层的压电膜16的氧原子或压电材料成分的扩散。该金属氧化膜18可以为导电体或绝缘体。优选地，该金属氧化物膜18包括钼族或钛族(T1、Zr、Hf)金属的氧化物。例如，金属氧化物膜18可以由Ir的氧化物(被表示为“IrOx”或“Ir-Ο”)，或Ti的氧化物(例如TiO、TiO2等)构成。
形成在金属氧化物膜18上方的金属膜20起到对通过气相外延方法(溅射方法等)的方式形成第二层的压电膜22有用的作用。用于本实施方式的压电膜难以生长在氧化物上，但容易生长在金属上。因此，优选地，金属膜20设置在金属氧化物膜18上，并且压电膜(第二压电膜22)形成在金属膜20上。金属膜20的材料没有特殊限定，并且金属膜20优选包括钼族金属，例如Ir、Pr等。
具有金属氧化物膜18和金属膜20的层积结构的中间层26可用作中间电极。在中间层26用作中间电极的情形下，优选地，金属氧化物膜18由导电材料构成。在中间层26不用作任何电极的情形下，金属氧化物膜18可以是绝缘材料。
中间层26的结构可以为非晶的或晶体的。中间层26的膜的表面粗糙度和结构(圆柱状结构、颗粒状结构等)没有特殊地限定。进一步地，中间层26的晶体的取向和优选取向度没有限定。优选地，中间层26包括氧化物；但是，也可以包括氮。
第一压电膜16和第二压电膜22的每一个都是在通过气相外延方法的膜形成时，通过升高基板温度而结晶化形成。第一压电膜16和第二压电膜22的材料没有特殊限定，只要是氧化物压电体即可。第一压电膜16和第二压电膜22可由相同的材料构成或可由不同的材料构成。
<对剥离的原因的调查>
本发明人对在制造现有技术的压电膜和电极交替层积的层积体时发生的电极和压电膜的剥离的原因进行了调查，并发现在形成压电体时的膜形成温度下，氧原子和压电材料成分(例如，在PZT材料的情形下的铅(Pb)等)从压电材料扩散进入电极，从而导致电极材料的结构变化和附着性的减小以导致剥离。接着，本发明人发现，为了阻止电极和压电膜的剥离以获得具有高耐用性的器件，阻碍(阻挡)形成在基板上的压电膜中的压电材料成分扩散进入电极层是有用的，并且阻挡氧原子的扩散尤其重要。
基于以上所提到的知识，在本发明的实施方式中，在形成第一层的压电膜(第一压电膜16)之后，用作扩散阻挡层的金属氧化物膜18形成在该第一层的压电膜16上方，并由金属氧化物膜18阻挡来自该第一层的压电膜(第一压电膜16)的扩散。进一步地,金属膜20形成在金属氧化物膜18上方，并且第二层的压电膜(第二压电膜22)形成在金属膜20上方。换句话说，具有金属氧化物膜和金属膜的层积结构的中间层夹置在第一层的压电膜和第二层的压电膜之间，并且压电膜设置在中间层位于其间的层中。通过重复上面所提到的步骤，可以层积压电膜同时确保牢固的附着性。
<第一实施例>
图2A至2G是示出根据本发明的第一实施例的压电器件的制造过程的视图。
步骤1:首先，制备硅(Si)基板30 (图2A)。在此，示出了本例使用大块硅基板(硅晶片)；然而，也可以使用绝缘体上硅结构(SOI)的基板。
步骤2:通过溅射方法在Si基板30的表面(图2B中的上表面)上形成20nm膜厚的TiW膜，并在其上形成150nm膜厚的Ir膜。从而形成具有20nm的TiW膜和150nm的Ir膜的层积结构的下部电极32。
步骤3:其后，通过溅射方法在500°C的膜形成温度下，在下部电极32上形成2 μ m膜厚的掺杂有铌(Nb)的钛酸锆铅膜34 (以下称为“PNZT”或简称为“PZT”)(图2C)。在PZT膜34的形成中，使用射频(RF)磁控溅射装置，膜形成气体为97.5vol%的Ar和2.5vol%的O2的混合气体，靶是具有PW3((Zra52Tia48)a88Nbai2)O3组分的材料，并且膜形成压力为2.2m Torr0
步骤4:通过溅射方法在350°C的膜形成温度下，在PZT膜34上形成50nm膜厚的Ir-O 膜 36 (图 2D)。
步骤5:在该Ir-O膜36上形成20nm膜厚的Ir膜38 (图2E)。由此形成具有Ir-O膜36和Ir膜38的层积结构的中间层或电极40。
通过使用Ir靶的反应溅射方法用50%的Ar和50%的O2的混合气体在0.5Pa的压力下执行Ir-O膜36的形成。进一步地，在形成Ir-O膜36之后，通过仅使用Ar气作为膜形成气体获得Ir膜38。
该Ir-O膜36用作阻挡以阻止来自第一层的PZT膜34中的铅和氧的扩散。进一步地，形成在Ir-O膜36上的Ir膜38被插入以降低中间电极的电阻，并用于在与初始(第一)PZT膜的生长相同的条件下进行下一层的PZT膜的生长。在本实施例中为了提高附着性和降低电阻率，该Ir-O膜36和Ir膜38的膜形成温度为350°C ;然而，也可以为室温或更高的温度。当改变温度时通过实际的试验也能够获得相同的结果。
步骤6:在形成中间电极40之后，在其上形成第二层的PZT膜44 (图2F)。膜形成条件与第一层的PZT膜34的条件相同，并且该第二层的PZT膜44的膜厚为大约2 μ m。
用于参考，图3示出在第二层的PZT膜44通过步骤6形成的状态下的膜的层积结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3中所示的层积体通过步骤I至6而获得。如图3中所示，两个PZT膜34和44与它们之间的中间电极40被层积得具有牢固的附着性，并且获得没有剥离的良好层积体。
步骤7:之后，上部电极46形成在第二层的PZT膜44上(图2G)。该上部电极46以与下部电极32相同的方式而构造，以使得通过溅射方法形成20nm膜厚的TiW膜，并且Ir膜层积在其上以形成150nm的膜厚。上部电极46由此形成为具有20nm的TiW膜和150nm的Ir膜的层积结构。因此，获得图2G所示的具有层积结构压电器件50。在此，可通过蚀刻等部分地去除图2G中的Si基板30的背面(下表面)。
〈图2G中的结构与图1中的结构的对应关系>
图2G中的Si基板30对应于图1中的基板12。图2G中的下部电极32对应于图1中的第一电极14。图2G中的PZT膜34对应于图1中的第一压电膜16，而图2G中的PZT膜44对应于图1中的第二压电膜22。图2G中的Ir-O膜36对应于图1中的金属氧化物膜18，以及图2G中的Ir膜38对应于图1中的金属膜20。图2G中的上部电极46对应于图1中的第二电极24。
<滞后特性>
对于在第一实施例中获得的压电器件50，研究了电极对之间(在下部电极32和中间电极40之间，以及在中间电极40和上部电极46之间)的压电体的特性。图4示出存在于下部电极32和中间电极40之间的第一层的压电体(PZT膜34)的滞后特性，以及存在于中间电极40和上部电极46之间的第二层的压电体(PZT膜44)的滞后特性。图4中的纵轴表示电场，而横轴表示极化。
如图所示的，每一层的压电体均表现出良好的滞后特性，并且获得足够的压电性能。此处，每一层的滞后曲线均形成为整体向右手侧偏移的形状，并且压电体被预先极化。
〈XRD 特性 >
图5示出通过X-射线衍射(XRD)的方式分析在第一实施例中所获得的两个压电膜的层积结构(如图3中所示)的结果。在图5中，横轴指示衍射角2 Θ，而纵轴指示衍射强度。在通过X-射线衍射的方式的晶体结构的分析中，由两个压电膜构成的层积体以X-射线从上方一次性地辐射。如所示的，本实施例中所获得的PNZT膜表现出高度地集中在PNZT晶面(100)和(200)上的衍射图案，并被确认为具有作为晶体优选取向的(100)和(001)的高取向压电膜。根据第一实施例中所描述的方法，可以很好地形成具有优异的结晶度而不具有任何异相的压电膜。
<膜形成方法>
作为压电膜的膜形成方法，气相外延方法是优选的。除了溅射方法之外，可以应用各种方法，例如离子镀方法、金属有机化学气相(MOCVD)沉积方法、脉冲激光沉积(PLD)方法等。进一步地，也可以使用气相外延方法之外的其它方法(例如，溶胶-凝胶方法等)。
〈压电材料〉
本实施方式中优选的压电材料包括由下面的通式所表述的一种或多种类型的钙钛矿型氧化物(P):
ABO3, (P)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一种元素；B为B位元素并且选自由T1、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 构成的组中的至少一种元素；O为氧；并且A位元素、B位元素和氧的标准摩尔比率为1:1: 3,但是该摩尔比率可在能够获得钙钛矿结构的范围内偏离该标准摩尔比率。
由上述通式所表述的钙钛矿型氧化物可以为:含铅的化合物之一，例如钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)、锆酸铅、钛酸镧铅、锆钛酸镧铅、钛酸锆铌酸锰铅、钛酸锆铅铌酸镍、钛酸锆铌酸锌铅等，或者它们的混合晶系；或者不含铅的化合物之一，例如钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸钠、铌酸钾、铌酸锂、铁酸铋等，或者它们的混合晶系。
根据本实施方式的压电膜期望包含由下式表示的一种或多种类型的钙钛矿型氧化物(PX):
Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c，(PX)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一种元素；M为选自由V、N b、Ta和Sb构成的组中的至少一种元素；满足0<x<b，0<y<b并且O ( (b-x-y)的关系；并且a: b: C = I: I: 3是标准，但是该摩尔比率可在能够获得钙钛矿结构的范围内偏离该标准摩尔比率。
因为由上面所述的通式(P)或(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜具有高的压电应变常数(d31常数)，因此，提供有上面所提到的压电膜的压电致动器在位移特性上变得优异。在这种情况下，由通式(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电常数变得高于由通式(P)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电常数。
进一步地，提供有由通式(P)或(PX)所表示的钙钛矿型氧化物构成的压电膜的压电致动器在驱动电压范围内具有优异的线性的电压-位移特性。该压电材料表现出对本发明的实施有益的压电特性。
<第二实施例>
图6A至6M是示出根据本发明的第二实施例的压电器件的制造过程的视图。在图6A至6M中，与图2A至2G中那些相同或相似的部件用相同的附图标记表不,并且省略对它们的描述。
步骤I至3:图6A至6C中所示的步骤I至3与参照图2A至2C描述的第一实施例中的步骤I至3相同。在此省略对它们的描述。
步骤4:如图6D中所示，将200nm的TiO2的膜60作为绝缘层形成在PZT膜34上。
步骤5 =TiO2绝缘层60以留下期望的区域部分而去除其它部分的方式图案化(图6E)。通过图案化而留下的绝缘层表示为60A。
步骤6:之后，Ir-O膜62A和62B以及Ir膜64A和64B层积在具有绝缘层60A的PZT膜34上，以具有150nm的总膜厚(图6F)。该Ir-O膜和Ir膜的层积结构形成在绝缘层60A上和PZT膜34的已经去除绝缘层60的区域上。此处，形成在绝缘层60A上的Ir-O膜用62A表示，形成在Ir-O膜62A上的Ir膜用64A表示，形成在PZT膜34上的没有绝缘层60A的区域中的Ir-O膜用62B表示，而形成在Ir-O膜62B上Ir膜用64B表示。
因为绝缘层60A上的Ir-O膜62A和Ir膜64A与在没有绝缘层60A的区域中的PZT膜34上的Ir-O膜62B和Ir膜64B电绝缘是必需的，绝缘层60A上的Ir-O膜62A和Ir膜64A与在没有绝缘层的区域中的PZT膜34上的Ir-O膜62B和Ir膜64B分隔由预定绝缘区域66(图6F)定义的距离。用于分隔的方法可以为提离方法或干蚀刻方法。进一步地，考虑到下一步骤，因为产量比这一点上Ir膜64A和64B的高度彼此接近是有利的，可以恰当地利用使高度彼此接近的措施(即，用于减小Ir膜64A和64B之间的垂直间隔)。
图6G示出形成在绝缘层60A上的Ir膜64A被制成得更薄，以作为使高度彼此接近的例子。代替该方法或者与它结合，也可使Ir膜64B在没有绝缘层60A的区域中的PZT膜34上更厚。
图6F和6G中所示的绝缘层60A和形成在其上的Ir-O膜62A和Ir膜64A的层积体70A用作“中间层”。进一步地，图6H中所示的，具有在去除了绝缘材料的区域中的Ir-O膜62B和Ir膜64B的层积结构的电极层70B是用作中间电极的中间层。在以下描述中，例如如图61中所示，电极层70B和具有绝缘层60A的中间层70A总体描述为中间层70。
步骤7:如图6H中所示，第二层的PZT膜44形成在中间层70上。该第二层的PZT膜44的膜形成条件与第一层的PZT膜34的条件相同。
步骤8:之后，以参考图6D描述的步骤4相同的方式，在PZT膜44上形成另一 TiO2膜60作为绝缘层(图61)，并且重复与步骤5至7(图6E至图6H)相同的步骤。通过重复与步骤4至7相同的步骤一次或多次，形成中间层70和压电膜44交替层积的层积结构(图6J)。
图6J示出在形成第三层的PZT膜74的状态下的例子。可以形成层积四层或更多层的PZT膜。
在中间层70中的绝缘层60A的图案形成为交替地改变位置以使得在电极层70B中电极的引出方向(端表面的引出电极的位置)在各个层级中交替地在右和在左改变。
步骤9:接着，用作绝缘层60的TiO2膜形成在顶层(在该情形中为第三层)的PZT膜74上，形成的TiO2膜被图案化以在期望的位置留下绝缘层60A，并且之后形成上部电极82 (图6K)。由此，获得如图6K中所示的层积体。
步骤10:针对图6K中的层积体，通过干蚀刻切除侧壁部分以形成期望形状的层积体88 (图6L)，并由此将中间层70的电极层(中间电极)70B-1和70B-2暴露于侧壁的表面。在图6L中，形成在第一层的PZT膜34和第二层的PZT膜44之间的电极层表示为70B-1，而形成在第二层的PZT膜44和第三层的PZT膜74之间的电极层表示为70B-2。
步骤11:之后，通过溅射方法，在图6L中的层积体88的侧面部分中形成侧壁电极84和86 (图6M)。在此，虽然图6M示出侧壁垂直于基板平面；但是，因为在步骤10中通过干蚀刻实际切除层积体以具有朝向顶部变得更小的渐细形状并具有倾斜的侧壁，可以容易地在该倾斜的侧壁表面上形成侧壁电极84和86。
形成在图6M中的层积体88中的右手侧的侧壁表面中的侧壁电极84连接第一层的中间电极(电极层70B-1)和上部电极82。形成在图6M中的层积体88中的左手侧的侧壁表面中的侧壁电极86连接第二层的中间电极(电极层70B-2)和下部电极32。
通常，在具有η层压电膜的层积体的情况下，该层积体还具有(η+1)层的电极，包括在底部的下部电极、夹置在压电层之间的中间电极以及在顶表面的上部电极。奇数电极通过一个侧壁电极(在图6Μ中的例子中的侧壁电极84)彼此连接，并且偶数电极通过另一侧壁电极(在图6Μ中的例子中的侧壁电极86)彼此连接。如上所述，暴露于层积体的端表面的中间电极通过侧壁电极连接至下部电极32或上部电极82，并从而构造为梳状的电极。
在本例子中，当夹置中间层时可层积多层压电膜，并可形成具有如图6Μ中所示的层积结构的压电器件90。所获得的压电器件90可用作致动器、传感器、具有传感器的致动器或压电发电机。上述由压电膜构成的层积体可用作各种目的。
〈比较例〉
作为比较例，根据以下工序制备层积体。在20nm的TiW膜和150nm的Ir膜层积在Si基板上之后，通过溅射方法在50(TC的基板温度(膜形成温度)下在其上形成2μπι膜厚的PZT膜。在膜形成之后，70nm的Ir膜在350°C下直接形成在PZT膜上。因此，在该比较例中的层积体具有这样的结构，即从第一实施方式的结构(图1)中省略了用作金属氧化物膜18的Ir-O膜。
在形成70nm的Ir膜的中间电极之后，第二层的PZT膜直接形成在中间电极上。形成条件与第一层的条件相同，并且以2 μ m厚为目标来形成。
然而，在膜形成步骤之后从膜形成装置中取出样品，第二层的PZT膜处于剥离状态。这被认为是由在形成第二层的PZT膜时Ir电极被氧化的情况导致的，该Ir电极被化学地变化以由于来自第一层的PZT膜的压电材料成分Pb的扩散而改变它的体积，并且该PZT膜从Ir电极(中间电极)剥离。
尝试产生Ir膜的中间电极被改变为Pt膜的中间电极的方案，以及在形成作为附着层的Ti或TiW膜之后形成Ir电极的方案；然而，以与上面所述相同的方式发生了第二层的压电膜的剥离。进一步地，通过将比较例中用作中间电极的Ir膜的膜厚改变至50nm、120nm、150nm和250nm来进行相同样品的产生；然而，在任何情形下都发生了第二层的压电膜的剥离。
<中间层(中间电极)的厚度与剥离之间的关系>
对于根据本实施方式的层积体，研究中间层的厚度与剥离之间的关系，并获得了图7中所示的表中的结果。在该情况下，“中间层”是设置在压电体之间的层。该中间层可用作电极或者可用作绝缘层。图7中的实施例A至E的中间层是包括如在第一实施例中所述的金属氧化物膜18和金属膜20的层。中间层可具有例如如图1中所述的IrOx膜和Ir膜的层积结构，或可具有如图6A至6M所描述的例如TiO2的绝缘材料膜和例如Ir的金属膜的层积结构。
在此，通过改变如图1至图5中所示例的层积结构中的中间层的厚度进行试验。如在图7中的表中的实施例A至D所示，如果中间层的厚度薄(不大于200nm)，则没有剥离发生。然而，如果中间层的厚度变得极薄，例如，在小于50nm的情形下，将会发生例如作为电极电阻变得相对高的另一问题，或者阻止来自下层(第一层)的PZT的扩散的特性下降。
另一方面，如图7中的表中的比较例所示的，在中间层的厚度不小于250nm的结构中，上部压电体(第二层)剥离。上部电极被假定为由于在压电体和中间层等之间的热膨胀系数的差异所导致的应力而剥离。如在实施例E中所示的，在中间层的厚度为200nm的情形中观察到部分剥离的状态，然而，可认为可以提供实际上允许的情形。200nm厚度的中间层因此认为是可允许水平的阈值(上限)。
基于上面所提到的要点，优选地，中间层的厚度不小于50nm并且不大于200nm，更优选地不小于50nm并且小于200nm，并进一步优选地不小于50nm并且不大于150nm。
在上面的描述中，通过使用中间层的厚度作为参数进行了评价；然而，应力是是否有剥离的主要因素。计算具有图7中的表中所示的厚度的中间层的应力，具有200nm厚度的中间层中大约为500MPa。换句话说，基于在厚度与应力之间的关系来考虑中间层的优选条件，优选地，中间层的应力和厚度的乘积(应力X厚度)不大于ΙΟΟΝ/m2。在这种情形下，中间层的应力可为零。
应力和厚度的乘积被认为是不依赖于材料的一般指标。考虑到对由热膨胀系数之间的差异所导致的应力所产生的剥离的抑制以及利用阻止由扩散所导致的剥离的结构(在该结构中，压电膜层积在包括用作扩散阻挡层的金属氧化物膜的中间层上)，更优选地，中间层的应力和厚度的乘积小于ΙΟΟΝ/m2，更优选地不大于75N/m2。在此，中间层的应力和厚度的乘积越小(越接近于O)，则由热膨胀系数之间的差异所导致的应力的影响越小。因此，对于中间层的压力和厚度的乘积定义优选的下限意义不大。
〈第三实施例〉
图8是示出根据本发明的第三实施例的压电器件100的结构的视图。图8示出膜片结构的压电致动器。
根据与第一实施例相同的工艺，通过在SOI基板102上以这样的顺序层积下部电极114、第一压电膜116、金属氧化物膜118、金属膜120、第二压电膜122以及上部电极124来产生压电器件100。
SOI基板102具有层积的结构，其中设置用作处理层的Si层104，用作绝缘层的氧化物膜层(SiO2) 108 (BOX层)，以及用作器件层的Si层110。
通过在Si层110上层积TiW膜和Ir膜来形成下部电极114。压电膜116和122层积在下部电极114上，同时插入具有金属氧化物膜118和金属膜120的层积结构的中间电极(中间层)126。Ir-O膜用作形成在第一压电膜116上的金属氧化物层118，并且Ir膜用作金属膜120。通过层积金属氧化物膜118和金属膜120获得的中间层126用作中间电极。两个压电膜116和122设置为在它们之间具有中间电极126，并且通过层积TiW膜和Au膜，在第二层的压电膜122的上表面上形成上部电极124。
通过蚀刻晶片结构，留下5 μ m厚的Si层110 (器件层)作为膜片，其是通过从后表面侧设置层，并去除Si层104的一部分而获得的。在这种情形下，当留下图8中的SiO2时，SiO2层108用作蚀刻停止层，并且膜片由SiO2层108和Si层110构成；但是，也可通过去除SiO2层108而构造该膜片。
在本例子的情况下，第一层的压电膜116和第二层的压电膜122由相同的压电材料构成，在厚度方向上极化，并且极化方向一致。极化方向由电荷分布的偏移导致的偶极矩的矢量方向(从负到正的方向)定义。第一压电膜116和第二压电膜122的极化方向是向上的。
当以与压电体的极化方向相同的方向对压电体施加电场时，压电体将基于压电横向效应收缩在膜片的表面内(d31模式)。当形成在膜片上的压电膜收缩在膜片的表面内时，膜片限制了压电膜的变形。因此，膜片变形以在厚度方向上偏斜(弯曲)。
如图8中所示的结构被应用于例如喷墨头。通过蚀刻形成的凹进空间130与墨室(压力室)相对应。
图9中示出喷墨头的例子。在图9中，与如图8中所示的结构中的那些相同或相似的元件以相同的附图标记表示并省略其描述。图9中所示的喷墨头150构造为使得喷嘴板152结合至图8中所描述的层积结构的Si层104的底表面。用作墨(液体)的喷射端口的喷嘴孔154形成在喷嘴板152中。通过压电驱动，墨填充进空间(压力室)130中，膜片(硅层110)变形以偏斜，并且压力室130的体积改变，由此压力改变并且墨滴从喷嘴孔154喷射。
尽管图9中未示出，用于将墨供应至压力室130的墨供应流动通道(公共供应通道、独立供应通道等)形成在硅层104上。进一步地，在图9中，示出喷嘴板152直接结合到Si层104的下表面的例子；然而，形成其它流动通道结构的流动通道板可设置在Si层104和喷嘴板152之间。
〈驱动控制的例子〉
在根据图8所示的第三实施例的压电器件100中，因为在图8中所获得的压电膜116和122的极化方向是向上的，因此利用具有例如如图10中所示的所施加的电压的方向和幅值之间关系的驱动方法(电压施加方法)是优选的。
图10中的电压施加方法I是如下方案:中间电极126接地，正电压(+V1)施加到下部电极114，而负电压(-V2)施加到上部电极124。在这种情形下，施加到下部电极的正电压(+V1)和施加到上部电极的负电压(-V2)的绝对值设定为彼此相等并且！+V1I = -V2=20V ;然而，所施加电压的特定值不限于本例子。进一步地，+V1和1-V2I可不必彼此相坐寸O
图10中的电压施加方法2是如下方案:下部电极114接地，负电压(-V3)施加到中间电极126，并且具有比施加到中间电极126的负电压的绝对值大的负电压(-V4)施加到上部电极124。在此，示例-V3 = -20V和-V4 = -40V的情形；然而，所施加电压的特定值不限于本例。
图10中的电压施加方法3是如下方案:上部电极124接地，正电压(+V5)施加到中间电极126，并且具有比施加到中间电极126的正电压的绝对值大的正电压(+V6)施加到下部电极114。在此，示例+V5 = +20V和+V6 = +40V的情形；然而，所施加电压的特定值不限于本例。
在电压施加方法I至3中的任一个中，满足Vtop < Vmid < Vbot的相对关系，其中Vtop是上部电极的电位，Vmid是中间电极的电位，并且Vbot是下部电极的电位。
图11示出在利用图10的表中的电压施加方法I作为电压施加的例子的情形下电极的电位。
进一步地，通过在与图10中的表中的方法I相似的电压施加方法下进行试验,测量在上部电极的膜片上的位移。图12中的表中示出驱动状态及其结果。在这种情形下，所测量的位移量在此与在假定有喷墨头的情形中的喷射量相对应。换句话说，致动器的位移量越大，则喷射量越大。
如图12中所示，相比较于独立地驱动两层中的一层(作为单个层)的情形，在同时驱动第一压电层和第二压电层两者的情形下位移量更大。通过驱动两层中的一层作为单个层所获得到的位移量为55.5nm或56.5nm，并且通过驱动两层所获得的位移量为95.5nm。因此，已知相较于驱动两层中的一层作为单个层的情形，在两层被驱动的情形下获得具有大约1.7倍的幅度的位移。当所施加的电压改变，位移量也相应地改变，并且在任何情形下，相较于驱动两层中的一层作为单个层的位移量，同时驱动两层的位移量达到大约两倍(在1.7倍左右)。
在图8中所示的结构中，通过设定中间电极126为地电位，施加+20V到下部电极114并且施加-20V到上部电极124，检查致动器的位移量(膜片110的偏斜变形量)，获得了良好的位移，并且相较于由单层PZT膜构成的致动器获得了大约两倍的位移。能够获得足够性能用作为喷墨头。
〈第四实施例〉
接下来，描述本发明的第四实施例。图13是根据第四实施例的压电器件的结构的视图。在图13中，与图6A至6M中所示的结构中的那些相同或相似的部件用相同的附图标记表示并省略对它们的说明。
图13中所示的压电器件160具有通过在SOI基板162上形成第二实施例中描述的多个压电膜构成的层积结构而产生的悬臂结构。
SOI基板162具有层积结构，其中设置用作处理层的Si层164、氧化物膜层(SiO2)层168以及用作器件层的Si层170。SOI基板162在此被用于替代参照图6A至6M描述的第二实施例中的Si基板30，并且通过与第二实施例相同的工艺，将压电膜34、44以及74层积在Si层164上。在获得与图6M中相同的层积结构之后，通过蚀刻基板162的背侧来去除Si层164的一部分，从而留下与膜片相对应的Si层170。尽管在图13中留下SiO2层168，但是也可以去除SiO2层168。
另一个板部件(例如硅基板)172被结合到通过蚀刻留下的Si层164的底表面，并且获得具有图13中所示的结构的器件160。
在所获得的器件160中，通过悬臂的振动，来使压电膜34、44和74变形，并且在压电膜34、44和74的每一个的上部和下部电极之间产生电压。该电压能够输出到外部以用作电力。换句话说，器件160用作具有可被用作发电器件的层积结构的压电膜发电机。通过增加压电膜的层积数量，可以获得更高的生成的电压。
〈作用效果〉
参照图1至13所述，根据本发明的实施方式，因为可以使用层积结构中的压电膜，所以可以使用压电膜材料来实现压电器件的有效的性能改进。
例如，对于用作压电致动器的压电器件，通过施加具有相对低的电压能够获得大的位移。进一步地，通过驱动电压的降低减轻了包括驱动电路的控制电路的负担，并且可以实现低成本、节能、耐用性的改进等。
进一步地，对于用作发电器件的压电器件，通过使用压电膜的层积结构可以增加发电的电压，并且可以实现适合于实际应用的期望的发电性能。
此外，对于用作传感器的压电器件，通过压电膜的变形可以获得大的电压信号，并且可以改进传感器的灵敏性。
〈其它应用例1>
例如，在角度传感器中，采用驱动致动器(利用反向压电效应)和用于传感器的压电体(利用压电效应)，并且现有技术中的通用角度传感器被构造为使得这两个元件安装在相同的平面上。
相反地，根据本发明所应用的层积体，由于第一层的压电膜可用作致动器并且第二层的压电膜可用作传感器(或反之亦然)，那么角度传感器能够通过以与现有技术中的结构相比更小的面积来实现。
如上所述的能够以更小的面积构造的传感器和其它的器件能够安装至紧凑的电子器件，例如移动电话等。进一步地，因为在晶片内具有较小面积的器件的可用数量增加，所以能够实现低成本。
〈其它应用例2>
在具有多层压电膜的层积结构的压电致动器中，通过在高水平上控制每一层中的压电体，能够更大程度地实现致动器的控制。例如，通过将上面所提到的层积结构的压电致动器应用于喷墨头，并进行驱动控制，例如改变在多个压电层中的所驱动的压电层的数量，可以改变所喷射的液滴的大小，改变喷射速度，或进行摇摆弯月面的弯月面控制至导致不喷射的度。
应理解本发明不限于公开的特定形式，相反本发明覆盖落入如所附权利要求中所表达的本发明精神和范围内的所有修改、替代构造以及等同物。
权利要求
1.一种压电器件，包括: 基板； 层积在所述基板上方的第一电极； 层积在所述第一电极上方的第一压电膜； 层积在所述第一压电膜上方的金属氧化物膜； 层积在所述金属氧化物膜上方的金属膜； 层积在所述金属膜上方的第二压电膜；以及 层积在所述第二压电膜上方的第二电极。
2.如权利要求1所述的压电器件，其中，在由所述第一压电膜和所述第二压电膜之间的所述金属氧化物膜和所述金属膜构成的中间层中的应力和厚度的乘积小于100N/m2。
3.如权利要求2所述的压电器件，其中，所述中间层的厚度不小于50nm并且小于250nmo
4.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述第一压电膜和所述第二压电膜中的每一个通过气相外延方法来形成。
5.如权利要求4所述的压电器件，其中，所述气相外延方法是通过实施热膜形成进行晶体化的溅射方法。
6.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属氧化物膜包括钼族金属的氧化物。
7.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属氧化物膜包括钛族金属的氧化物。
8.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述金属膜包括钼族金属。
9.如权利要求1所述的压电器件，其中，所述第一压电膜和所述第二压电膜中的每一个由钙钛矿型氧化物构成。
10.如权利要求9所述的压电器件，其中，在所述第一压电膜和所述第二压电膜的每一个中，所述钙钛矿型氧化物具有(100)或(001)的晶体优选取向。
11.一种压电器件的制造方法，所述方法包括: 在基板上方层积第一电极的第一电极形成步骤； 在所述第一电极上方层积第一压电膜的第一压电膜形成步骤； 在所述第一压电膜上方层积金属氧化物膜的金属氧化物膜形成步骤； 在所述金属氧化物膜上方层积金属膜的金属膜形成步骤； 在所述金属膜上方层积第二压电膜的第二压电膜形成步骤；以及 在所述第二压电膜上方层积第二电极的第二电极形成步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一压电膜形成步骤和所述第二压电膜形成步骤中的每一个包括气相外延方法。
全文摘要
一种压电器件，包括基板；层积在基板上方的第一电极；层积在第一电极上方的第一压电膜；层积在第一压电膜上方的金属氧化物膜；层积在金属氧化物膜上方的金属膜；层积在金属膜上方的第二压电膜；以及层积在第二压电膜上方的第二电极。
文档编号H01L41/277GK103187520SQ20121046029
公开日2013年7月3日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年10月4日
发明者藤井隆满, 菱沼庆一 申请人:富士胶片株式会社
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