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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6271333
(24)【登録日】2018年1月12日
(45)【発行日】2018年1月31日
(54)【発明の名称】圧電アクチュエータ及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 41/187 20060101AFI20180122BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20180122BHJP
H01L 41/39 20130101ALI20180122BHJP
H01L 41/316 20130101ALI20180122BHJP
C23C 14/08 20060101ALI20180122BHJP
H01L 21/316 20060101ALN20180122BHJP
【ＦＩ】
H01L41/187
H01L41/09
H01L41/39
H01L41/316
C23C14/08 K
!H01L21/316 X
【請求項の数】9
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2014-97376(P2014-97376)
(22)【出願日】2014年5月9日
(65)【公開番号】特開2015-216190(P2015-216190A)
(43)【公開日】2015年12月3日
【審査請求日】2017年4月6日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100100011
【弁理士】
【氏名又は名称】五十嵐 省三
(72)【発明者】
【氏名】中村 奨
【審査官】
加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−２１１１４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０００−３４６７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−１９６６５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１１８２８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−２７７１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１７５０１４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ４１／１８７
Ｃ２３Ｃ １４／０８
Ｈ０１Ｌ ４１／０９
Ｈ０１Ｌ ４１／３１６
Ｈ０１Ｌ ４１／３９
Ｈ０１Ｌ ２１／３１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下部電極層と、
前記下部電極層上に設けられた第１のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第１のPZT圧電体層と、
前記第１のPZT圧電体層上に設けられた前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層と、
前記PZT圧電体層上に設けられた第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層と、
前記第３のPZT圧電体層上に設けられた上部電極層と
を具備し、前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモロフォトロピック相境界値より大きい圧電アクチュエータ。
前記下部電極層上に設けられた第１のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第１のPZT圧電体層と、
前記第１のPZT圧電体層上に設けられた前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層と、
前記PZT圧電体層上に設けられた第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層と、
前記第３のPZT圧電体層上に設けられた上部電極層と
を具備し、前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモロフォトロピック相境界値より大きい圧電アクチュエータ。
【請求項2】
前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比は前記第３のZr/(Zr+Ti)の組成比と同一である請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項3】
前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比は0.53〜0.60であり、前記第２のZr/(Zr+Ti)組成比は0.61〜0.65である請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項4】
前記第１、第２、第３のPZT圧電体層のうち、前記第１のPZT圧電体層の占有割合は４０〜５０％、前記第２のPZT圧電体層の占有割合は５〜１５％、前記第３のPZT圧電体層の占有割合は４０〜５０％である請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項5】
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して下部電極層上に第１のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第１のPZT圧電体層を形成する第１の圧電体層形成工程と、
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記第１のPZT圧電体層上に前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層を形成する第２の圧電体層形成工程と、
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記第２のPZT圧電体層上に前記第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層を形成する第３の圧電体層形成工程と
を具備し、前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモロフォトロピック相境界値より大きい圧電アクチュエータの製造方法。
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記第１のPZT圧電体層上に前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層を形成する第２の圧電体層形成工程と、
アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記第２のPZT圧電体層上に前記第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層を形成する第３の圧電体層形成工程と
を具備し、前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモロフォトロピック相境界値より大きい圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項6】
前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比は前記第３のZr/(Zr+Ti)の組成比と同一である請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項7】
前記第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比は0.53〜0.60であり、前記第２のZr/(Zr+Ti)組成比は0.61〜0.65である請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項8】
前記第１、第２、第３のPZT圧電体層のうち、前記第１のPZT圧電体層の占有割合は４０〜５０％、前記第２のPZT圧電体層の占有割合は５〜１５％、前記第３のPZT圧電体層の占有割合は４０〜５０％である請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項9】
前記第１のPZT圧電体層形成工程、前記第２のPZT圧電体層形成工程及び前記第３のPZT圧電体層工程は同一のアーク放電イオンプレーティング装置内で連続的に実行される請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を含む圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
Pb、Zr、Tiの各元素を含む酸化化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛PbZrxTi1-xO3（PZT）は図４に示す立方晶系ペロブスカイト型の結晶構造を有する。尚、図４においては、斜線球は単純立法配列のPb、黒球はZrもしくはTi、白球はOを示す。図５に示すごとく、PZTは<１００>方向あるいは<１１１>方向に歪んだ場合に分極を発生し、これにより、（１００）面配向もしくは（１１１）面配向のときに優れた圧電性を発揮する（参照：特許文献１の図５、図１０）。つまり、PZTの結晶構造には正方晶系及び菱面体晶系があり、正方晶系PZTの場合には、<１００>方向（ａ軸方向）（あるいは<００１>方向（ｃ軸方向））に最も大きな圧電変位が得られ、また、菱面体晶系PZTの場合には、<１１１>方向に最も大きな圧電変位が得られると言われている。また、圧電アクチュエータとしての重要な特性である絶縁特性（耐電圧特性）についてはチタン（Ti）リッチ（x<0.5）な正方晶系PZTの方が菱面体晶系PZTより良いとされている。PZT圧電アクチュエータはセンサとして用いたMEMS素子、発電素子、ジャイロ素子等に用いられる。
【0003】
図６は第１の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。図６の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５及びPt上部電極層６を積層して形成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、下部電極層４は、Ir、SrRuO3等を用いてもよい。さらに、Ti密着層３は酸化シリコン層２とPt下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間の密着性を改善すると共に応力を緩和するものである。この密着層３はTi以外にCr、あるいはTiO2、MgO、ZrO2、IrO2等の導電性酸化物を用いてもよい。
【0004】
図６においては、正方晶系のPZT圧電体層５の矢印方向が結晶の<１００>方向あるいは<００１>方向に向いていると、Pt下部電極層４とPt上部電極層６との間に交流電圧を印加したときに、歪みが効率よく発生する。
【0005】
図６の圧電アクチュエータの製造方法を図７のフローチャートを参照して説明する。
【0006】
始めに、熱酸化工程７０１において、単結晶シリコン基板１を熱酸化して厚さ約500nmの酸化シリコン層２を形成する。尚、熱酸化処理の代りに化学的気相成長（CVD）法を用いてもよい。
【0007】
次に、スパッタリング工程７０２において、酸化シリコン層２上にArガス及びO２ガスを用いたスパッタリング法によって厚さ約50nmのTiOｘ(0<x<2)密着層３を形成する。引き続いて、TiOｘ密着層３上にArガスを用いたスパッタリング法によって厚さ約150nmのPt下部電極層４を形成する。
【0008】
次に、スパッタリング工程７０３において、Pt下部電極層４上にスパッタリング法によって厚さ約3μmのPZT層５を形成する（参照：特許文献２）。尚、スパッタリング法の代りに、CVD法を用いてもよい。あるいは、ゾル・ゲル法を用いてもよい（参照：特許文献３）。尚、ゾル・ゲル法は、一度に圧電体層を厚く成膜することができないので、圧電体前駆体層の形成、焼成を繰返して所望の厚さの圧電体層を形成する。
【0009】
最後に、スパッタリング工程７０４において、PZT圧電体層５上にスパッタリング法によって厚さ約150nmのPt上部電極層６を形成する。
【0010】
尚、スパッタリング工程７０２、７０４におけるスパッタリング法の代りに、電子ビーム（EB）蒸着法を用いてもよい。
【0011】
しかしながら、図６の圧電アクチュエータにおいては、Pt下部電極層４は（１１１）に配向した膜になり易いので、その上にPZT圧電体層５を形成しても、Pt下部電極層４の影響を受けて（１１１）に配向したPZT層となり易く、従って、アクチュエータに適した配向性を有する層を得ることは難しい。
【0012】
図８は第２の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献４の図１）。図８においては、圧電特性を向上させるために、図６の構成要素に対して配向制御層１１、１２を付加してある。この場合、配向制御層１１は（１００）配向の酸化物層よりなり、Pt下部電極層４は配向制御層の影響を受けて（１００）に配向した層となり、配向制御層１２はPt下部電極層４の影響を受けて（１００）あるいは（００１）配向のペロブスカイト型酸化層とよりなる。これによりスパッタリング工程等によるPZT圧電体層５の配向性が従来より（１００）に配向することが容易に、もしくは高配向に成長するようになる。また、配向制御層１２によって、PZT圧電体層５の成膜初期にZr酸化物からなる結晶性の低い層が形成されないようにする。この結果、PZTの配向性つまり圧電特性は向上する。
【0013】
しかしながら、図８の圧電アクチュエータの製造方法においては、図７に示す製造工程に、配向制御層１１、１２の形成工程の付加によって製造工程が複雑となるため異物が混入する可能性が高くなるだけでなく、界面数が増加するので剥離などの新たな問題が発生し易くなる。しかも、下層（単結晶シリコン基板１）から上層（配向制御層１２）への結晶性等の影響からプロセスマージンが小さくなる。
【0014】
図９は第３の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献５の図１）。図９においては、耐電圧特性を向上させるために、図６の圧電体層５の代りに複数のPb過剰（Pbリッチ）PZT圧電体層５ａ、Pb欠損（Pbリーン）PZT圧電体層５ｂを交互に積層したPZT圧電体層５’を設ける。すなわち、PZT圧電体層を鉛リッチの雰囲気中で化学量論組成よりもPbが多いペロブスカイト構造を有するPZT圧電体層のみで形成すればプロセスマージンが大きくなるが、PbリッチなPZT圧電体層は、結晶粒界に導電性の良い鉛酸化物を有することが多いので、耐電圧特性が低くなる。他方、PZT圧電体層を鉛リーンの雰囲気中で化学量論組成よりもPbが僅かに少ないペロブスカイト構造を有するPZT圧電体層のみで形成すれば、ZrO2などの異相が成長し易くなるのでプロセスマージンが小さくなるが、結晶粒界に鉛酸化物を有する割合が少ないので、耐電圧特性が向上する。このため、PZT圧電体層５’においては、PbリッチPZT圧電体層５ａ、PbリーンPZT圧電体層５ｂを積層することにより、PbリッチPZT圧電体層５ａの鉛酸化物によってリークパスＬＰが発生してもPbリーンPZT圧電体層５ｂによって分断して耐電圧特性を大きくできる。
【0015】
しかしながら、図９の圧電アクチュエータにおいては、PbリッチPZT圧電体層５ａ、PbリーンPZT圧電体層５ｂの結晶成長が不連続となる。この結果、この不連続な部分、つまり、PbリッチPZT圧電体層５ａとPbリーンPZT圧電体層５ｂの界面部分に圧電アクチュエータの駆動による機械的振動による割れ・剥離が発生し、圧電アクチュエータが破損する恐れがある。
【0016】
図１０は第４の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献６）。図１０においては、リーク電流を低減するために、図６のPZT圧電体層５の代りに、Zr及びTiを膜厚方向に漸増もしくは漸減により濃度勾配させたPZT圧電体層５”を設けてある。PZT圧電体層５”においては、Zr/(Zr+Ti)組成比xを結晶構造の安定なZrリッチ領域もしくはTiリッチ領域へずらすことにより高い圧電性能を示すモルフォトロピック相境界（MPB）を通過させて圧電特性を向上させる。尚、図１０の参照番号１’は振動板を示す。
【0017】
しかしながら、図１０の圧電アクチュエータにおいては、Zrリッチ領域では、圧電特性が向上するも、誘電損失係数が大きくなる。誘電損失係数が大きくなると、圧電アクチュエータに交流電圧を印加した場合に電気エネルギーの一部が熱として喪失してエネルギー変換効率が低下する。また、熱による特性変動、寿命劣化を招く。さらに、リークパスLPが発生して絶縁破壊を招き、耐電圧特性が低下する。
【0018】
図１１は第５の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献７、８、９）。図１１においては、PZTの圧電特性および耐電圧特性を向上させるために、図６に示すPZT圧電体層５の代りに、Zr/(Zr+Ti)組成比xは高い圧電性能を示すと言われているモルフォトロピック相境界（MPB）近傍かつ一般的に耐電圧特性が高いと言われている正方晶構造を有する組成領域（PbZrxTi1-xO3においてMPBはx=0.52付近、x<0.52において正方晶構造を持つと言われている）のPZT圧電体層５Ａを設けてある。このPZT圧電体層５Ａは、図１１の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである図１２のADRIP工程１２０１において、モルフォトロピック相境界（MPB）近傍の正方晶構造を有するPZT圧電体層５Ａをアーク放電反応性イオンプレーティング（ADRIP）法を用いて形成している。
【0019】
図１２のADRIP工程１２０１におけるADRIP法は、スパッタリング法に比較してPZT圧電体層の堆積速度が大きいという利点を有し、また、有機金属化学的気相成長（MOCVD）法に比較して基板温度が低く、製造コストが低く、有毒な有機金属ガスを用いないので、対環境性がよく、また、原料の利用効率がよいという利点を有する。このADRIP法に用いられるADRIP装置を図１３を参照して説明する。
【0020】
図１３において、真空チャンバ１３０１内の下方側に、Pb、Zr、Tiを独立に蒸発させるためのPb蒸発源１３０２−１、Zr蒸発源１３０２−２、Ti蒸発源１３０２−３が設けられる。Pb蒸発源１３０２−１、Zr蒸発源１３０２−２、Ti蒸発源１３０２−３上には、蒸気量センサ１３０２−１Ｓ、１３０２−２Ｓ、１３０２−３Ｓが設けられている。真空チャンバ１３０１内の上方側に、ウェハ１３０３ａを載置するためのヒータ付ウェハ回転ホルダ１３０３が設けられる。
【0021】
また、真空チャンバ１３０１の上流側には、アーク放電を維持するために不活性ガスたとえば数sccmのArガスおよび数100sccmのHeガスを導入する圧力勾配型プラズマガン１３０４及びPZT圧電体層５の酸素原料となる酸素（O2）ガスを導入するO2ガス導入口１３０５が設けられる。他方、真空チャンバ１３０１の下流側には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口１３０６が設けられる。
【0022】
図１３のADRIP装置において図１２のADRIP工程１２０１を行う場合、圧力勾配型プラズマガン１３０４によって導入されたArガスおよびHeガスによって高密度・低電子温度の放電電流約80Ａのアーク放電プラズマ１３０７を発生させ、そしてO2ガス導入口から約250sccmのO2ガスを導入し真空チャンバ１３０１内に発生している高密度・低電子温度のアーク放電プラズマ１３０７でO2ガスを励起させることによって、真空チャンバ１３０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源１３０２−１、Zr蒸発源１３０２−２及びTi蒸発源１３０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ１３０３ａ上に付着し、この結果、Zr/(Zr+Ti)組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。尚、Pb蒸気、Zr蒸気、Ti蒸気は蒸気量センサ１３０２−１Ｓ、１３０２−２Ｓ、１３０２−３Ｓによって検出される。
【0023】
図１１の圧電アクチュエータのモルフォトロピック相境界（MPB）近傍の正方晶構造を有するPZT圧電体層５Ａの走査型電子顕微鏡（SEM）写真を図１４に示す。図１４はきれいな柱状構造を示し、従って、良好な配向性つまり良好な圧電特性を示す。
【0024】
しかしながら、図１１の圧電アクチュエータにおいては、モルフォトロピック相境界（MPB）近傍の正方晶構造を有するPZT圧電体層５Ａの成膜を行うと、表面ラフネスが大きくなってしまう。従って、モルフォトロピック相境界（MPB）近傍の正方晶構造を有するPZT圧電体層５Ａ上のPt上部電極層６の表面ラフネスも大きくなる。この結果、Pt上部電極層６とPt下部電極層４との間に交流電圧を印加すると、局所的に電場が集中して破壊し易く、これにより、PZT圧電体層５Ａ側のPt上部電極層６の凸部に対応するPZT圧電体層５Ａに生じた結晶粒界に、図１１に示すごとく、リークパスＬＰが発生し、絶縁破壊を招き、耐電圧特性を低下させる。
【0025】
図１５は第６の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である（参照：特許文献１０）。図１５においては、図１１のPZT圧電体層５Ａ上にPZT圧電体層５Ａより比誘電率の低いTiリッチなPZT圧電体層５Ｂを形成し、二重構造のPZT圧電体層を実現している。尚、PZT圧電体層５ＡのZr/(Zr+Ti)組成比xはモルフォトロピック相境界（MPB、一般的にはx=0.52）近傍、かつ一般的に耐電圧特性が高いと言われている正方晶構造をもつ組成領域（x<0.52）である。
【0026】
図１５においては、比誘電率の高いPZT圧電体層５Ａの表面ラフネスは大きいが、それよりも比誘電率が低いTiリッチなPZT圧電体層５Ｂの表面ラフネスは小さい。この結果、PZT圧電体層５Ｂ上のPt上部電極層６の表面ラフネスも小さくなる。従って、Pt上部電極層６とPt下部電極層４との間に交流電圧を印加しても、局所的に電場が集中しにくく、しかも、PZT圧電体層５Ｂ側のPt上部電極層６の凸部に対応するPZT圧電体層５Ｂの結晶粒界に、図１５に示すごとく、リークパスＬＰはほとんど発生せず、耐電圧特性を向上できる。
【0027】
図１６は図１５の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである。図１６においては、図１２のフローチャートにPZT圧電体層５ＡよりもTiリッチなPZT圧電体層５Ｂを形成するためのADRIP工程１６０１を付加してある。この場合、高誘電率PZT圧電体層５Ａを形成するためのADRIP工程１２０１とTiリッチな低流電率PZT圧電体層５Ｂを形成するためのADRIP工程１６０１とは同一のADRIP装置を用いて連続的に実行される。従って、プロセスマージンの狭小化を防ぐことができる。また、図１５の圧電アクチュエータにおいては、高誘電率PZT圧電体層５Ａ及びTiリッチな低流電率PZT圧電体層５Ｂの結晶成長が連続となり、この結果、この組成比が連続的に変化する界面部分が圧電アクチュエータの駆動による機械的振動によって割れ、圧電アクチュエータが破損することを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0028】
【特許文献1】特開２００３−８１６９４号公報
【特許文献2】特開２００１−２２３４０３号公報
【特許文献3】特開２０００−９４６８１号公報
【特許文献4】特開２００３−１８８４３１号公報
【特許文献5】特開２００７−３３５７７９号公報
【特許文献6】特開２００１−１９６６５２号公報
【特許文献7】特開２００１−２３４３３１号公報（特許第４１３８１９６号）
【特許文献8】特開２０１１−２０４７７６号公報
【特許文献9】特開２０１１−２０４７７７号公報
【特許文献10】特開２０１２−１７５０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0029】
しかしながら、上述の第６の従来の圧電アクチュエータでは、表面ラフネスの小さいTiリッチなPZT圧電体層５Ｂを成膜する圧電体層全体のうち表面層にあたる部分のみ成膜を行ってもPZT圧電体層５Ａの大きな表面ラフネスを補償できず、表面ラフネスが依然として大きい。この結果、リークパスの発生を抑制できず、耐電圧特性の向上が不充分であるという課題がある。また、PZT圧電体層５ＡのZr/(Zr+Ti)組成比はモルフォトロピック相境界ＭＰＢに近く、TiリッチのPZT圧電体層５Ｂを合わせても、圧電特性（図２の（Ａ）参照）は向上しないという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【0030】
上記の課題を解決するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、下部電極層と、下部電極層上に設けられた第１のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第１のPZT圧電体層と、第１のPZT圧電体層上に設けられた前記第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層と、PZT圧電体層上に設けられた第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層と、第３のPZT圧電体層上に設けられた上部電極層とを具備し、第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモルフォトロピック相境界値より大きくしたものである。
【0031】
また、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して下部電極層上に第１のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第１のPZT圧電体層を形成する第１の圧電体層形成工程と、アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して第１のPZT圧電体層上に第１のZr/(Zr+Ti)組成比より大きい第２のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第２のPZT圧電体層を形成する第２の圧電体層形成工程と、アーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して第２のPZT圧電体層上に第２のZr/(Zr+Ti)組成比より小さい第３のZr/(Zr+Ti)組成比を有する第３のPZT圧電体層を形成する第３の圧電体層形成工程とを具備し、第１、第３のZr/(Zr+Ti)組成比はモルフォトロピック相境界値より大きくしたものである。
【発明の効果】
【0032】
本発明によれば、Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい第２のPZT圧電体層の小さな表面ラフネスによってZr/(Zr+Ti)組成比の小さい第１、第３のPZT圧電体層の大きな表面ラフネスを補償することによりリークパスの発生を抑制するので、耐電圧特性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。
【図2】ADRIP装置によって形成されるZr/(Zr+Ti)組成比xに対するPZTの特性を示し、（Ａ）は圧電定数特性を示すグラフ、（Ｂ）は比誘電率特性を示すグラフ、（Ｃ）は誘電損失係数特性を示すグラフ、（Ｄ）は平均粗さ特性を示すグラフ、（Ｅ）は耐電圧特性を示すグラフである。
【図4】PZTの結晶構造を示す図である。
【図5】PZTのＸ線回析パターンを示すグラフである。
【図6】第１の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図8】第２の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図9】第３の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図10】第４の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図11】第５の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図15】第６の従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
図１は本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。図１においては、図１２のPZT圧電体層５Ａを2層のPZT圧電体層５Ａ−１、５Ａ−２とし、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ａ−２間にZr/(Zr+Ti)組成比xが大きいZrリッチなPZT圧電体層５Ｂ’を挿入して、三重構造のPZT圧電体層を実現している。尚、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ｂ’、５Ａ−２のいずれも同一のADRIP装置によって形成される。
【0035】
たとえば、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ａ−２のZr/(Zr+Ti)組成比xはモルフォトロピック相境界値（ｘ＝0.52）より大きくし、0.55〜0.60たとえば0.58である。従って、図２の（Ａ）に示すごとく、圧電定数-d31は大きく圧電特性は良好であり、また、図２の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、比誘電率εは大きくかつ誘電損失係数tanδは小さい。しかし、図２の（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、平均粗さRaは小さくなく、従って、表面ラフネスは大きくかつ耐電圧特性が悪い。
【0036】
他方、PZT圧電体層５ＢのZr/(Zr+Ti)組成比xは0.61〜0.65たとえば0.64であり、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ａ−２に比較してZrリッチである。従って、図２の（Ａ）に示すごとく、圧電定数-d31はより大きく圧電特性はより良好であり、また、図２の（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、平均粗さRaは小さく、従って、表面ラフネスは小さく、また耐電圧特性は良好である。しかし、図２の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、比誘電率εが大きくかつ誘電損失係数tanδが大きくなる。
【0037】
従って、第１層であるPZT圧電体層５Aの厚さは、たとえば、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ｂ’、５Ａ−２の全体の４０％〜５０％たとえば４５％の厚さとすると、表面ラフネスが大きい膜となる。また、第２層であるPZT圧電体層５Ｂの厚さは、たとえば、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ｂ’，５Ａ−２の全体の５〜１５％たとえば１０％の厚さとすると、PZT圧電体層５Ａ−１をそのまま形成した場合に比較して、PZT圧電体層５Ｂ’によってその表面ラフネスは小さくなる。さらに、第３層であるPZT圧電体層５Ａ−２の厚さは、たとえば、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ｂ’，５Ａ−２の全体の４０％〜５０％たとえば４５％の厚さとすると、PZT圧電体層５Ａ−１をそのまま形成した場合に比較して、PZT圧電体層５Ｂの小さな表面ラフネスの影響を受けてPZT圧電体層５Ａ−１の表面ラフネスは小さくなる。
【0038】
上述のごとく、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ｂ’，５Ａ−２の厚さ比を４５％、１０％、４５％とすれば、実質的なZr/(Zr+Ti)組成比ｘは０．５８６であり、従って、図２の(A)、(B)、(C)に示すごとく、圧電特性、比誘電率ε、誘電損失係数tanδは余り変化がない。特に、誘電損失係数tanδは0.02程度と小さく、熱による特性変動、寿命劣化は少なく、耐電圧特性の向上にも寄与する。また、図２の（Ｄ）に示すごとく、表面ラフネスは僅かに向上し、従って、図１に示すごとく、リークパスＬＰは図１５の圧電アクチュエータに比較してもほとんど発生しない。この結果、図２の（Ｅ）に示すごとく、耐電圧特性は大幅に向上する。
【0039】
図３は図１の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである。図３においては、図１６のフローチャートにおけるADRIP工程に１２０１、１６０１の代わりに、PZT圧電体層５Ａ−１を形成するためにADRIP工程３０１ZrリッチなPZT圧電体層５Ｂを形成するためのADRIP工程３０２及びPZT圧電体層５Ａ−１と同一のPZT圧電体層５Ａ−２を形成するためのADRIP工程３０３を設けてある。この場合、PZT圧電体層５Ａ−１を形成するためのADRIP工程３０１、ZrリッチなPZT圧電体層５Ｂ’を形成するためのADRIP工程３０２及びPZT圧電体層５Ａ−２を形成するためのADRIP工程３０３は、図１２のADRIP 工程１２０１と同様のADRIP装置を用いて連続的に実行される。従って、プロセスマージンの狭小化を防ぐことができる。また、図１の圧電アクチュエータにおいては、PZT圧電体層５Ａ−１、ZrリッチなPZT圧電体層５Ｂ’及びPZT圧電体層５Ａ−２の結晶成長が連続となり、この結果、この組成比が連続的に変化する界面部分が圧電アクチュエータの駆動による機械的振動によって割れ、圧電アクチュエータが破損することを防止できる。
【0040】
次に、図３のADRIP工程３０１、３０２，３０３の具体例を説明する。
【0041】
ADRIP工程３０１において、ADRIP装置を用いてZr/(Zr+Ti)組成比x=0.58、Pb/(Zr+Ti)=1.24となるように、Pb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気を制御し、PZT圧電体層５Ａ−１を厚さ0.9μmで形成する。そして基板シャッタ（図示せず）を閉じてADRIP工程３０２に進む。
【0042】
次に、ADRIP工程３０２にて、基板シャッタを開け、同一ADRIP装置を用いてZr/(Zr+Ti)組成比ｘ＝0.64、Pb/(Zr+Ti)＝1.24となるように、Pb蒸気、Zr蒸気、及びTi蒸気を制御し、PZT圧電体層５Ｂ’を厚さ0.2μmで形成する。そして、基板シャッタ（図示せず）を閉じてADRIP工程３０３に進む。
【0043】
最後に、ADRIP工程３０３にて、基板シャッタを開け、同一ADRIP装置を用いてZr/(Zr+Ti)組成比ｘ＝0.58、Pb/(Zr+Ti)＝1.24となるように、Pb蒸気、Zr蒸気、及びTi蒸気を制御し、PZT圧電体層５Ａ−２を厚さ0.9μmで形成する。そして、基板シャッタを閉じる。
【0044】
尚、上述のADRIP工程３０１，３０２，３０３においてZr蒸気のみを変化させたのは、Zrはゲッタリング効果がないので、成膜圧力の変動がなく、Pb、Ti蒸気量に影響を及ぼすおそれがないからである。
【0045】
このようにして得られた三層のPZT圧電体層による圧電アクチュエータによれば、耐電圧特性は25.4V/μmであり、Pt上部電極層６の表面ラフネスの平均粗さ（Ra）は49Åであった。
【0046】
これに対し、図１２の圧電アクチュエータにおいて、ADRIP装置を用いて、PZT圧電体層５Ａを厚さ2.0μmで形成した。この結果、耐電圧特性は15.1V/μmであり、Pt上部電極層６の表面ラフネスの平均粗さ（Ra）は60Åであった。また、図１５の圧電アクチュエータにおいて、ADRIP装置を用いて、PZT圧電体層５Ａを厚さ2.5μmで形成し、TiリッチのPZT圧電体層５Ｂを厚さ0.3μmで形成した。この結果、耐電圧特性は22.78V/μmであり、Pt上部電極層６の表面ラフネスの平均粗さ（Ra）は65Åであった。
【0048】
尚、上述の実施の形態においては、PZT圧電体層５Ａ−１、５Ａ−２のZr/(Zr+Ti)組成比ｘは同一である必要はなく、ＭＰＢ値(x=0.52付近)より大きくかつPZT圧電体層５Ｂ’のZr/(Zr+Ti)組成比ｘより小さければよい。
【0049】
また、本発明は、上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明に係る圧電アクチュエータは、光スキャナイングジェックプリンタヘッド、ジャイロセンサ等に利用できる。
【符号の説明】
【0051】
１：単結晶シリコン基板 １’：振動板
２：酸化シリコン層
３：Ti密着層
４：Pt下部電極層
５、５’：PZT圧電体層
５ａ：PbリッチPZT圧電体層
５ｂ：PbリーンPZT圧電体層
５Ａ、５Ａ−１、５Ａ−２：PZT圧電体層
５Ｂ：TiリッチPZT圧電体層
５Ｂ’：ZrリッチPZT圧電体層
６：Pt上部電極層
１３０１：真空チャンバ
１３０２−１：Pb蒸発源
１３０２−２：Zr蒸発源
１３０２−３：Ti蒸発源
１３０２−１Ｓ、１３０２−２Ｓ、１３０２−３Ｓ：蒸気量センサ
１３０３：ヒータ付ウェハ回転ホルダ
１３０３ａ：ウェハ
１３０４：圧力勾配型プラズマガン
１３０５：O2ガス導入口
１３０６：排気口