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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】
(24)【登録日】2022-12-05
(45)【発行日】2022-12-13
(54)【発明の名称】圧電素子
(51)【国際特許分類】
H01L 41/047 20060101AFI20221206BHJP
H01L 41/187 20060101ALI20221206BHJP
H01L 41/04 20060101ALI20221206BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20221206BHJP
H01L 41/053 20060101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
H01L41/047
H01L41/187
H01L41/04
H01L41/09
H01L41/053
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2021546504
(86)(22)【出願日】2020-05-28
(86)【国際出願番号】 JP2020021062
(87)【国際公開番号】W WO2021053886
(87)【国際公開日】2021-03-25
【審査請求日】2021-12-20
(31)【優先権主張番号】P 2019168109
(32)【優先日】2019-09-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岸本 諭卓
(72)【発明者】
【氏名】池内 伸介
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 勝之
(72)【発明者】
【氏名】黒川 文弥
【審査官】小山 満
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１１８７３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０５６３４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０２６２７４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ４１／０４７
Ｈ０１Ｌ ４１／１８７
Ｈ０１Ｌ ４１／０４
Ｈ０１Ｌ ４１／０９
Ｈ０１Ｌ ４１／０５３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１面と、該第１面と対向する第２面と、前記第１面から前記第２面まで貫通する貫通孔とを有する、圧電体層と、前記圧電体層の第１面側に設けられた第１電極層と、
前記圧電体層の第２面側に位置し、少なくとも一部が前記圧電体層を介して前記第１電極層と対向し、かつ、前記貫通孔に面している、第２電極層と、
前記第２電極層のうち前記貫通孔に面している接続面上に設けられた接続電極とを備え、
前記第２電極層は、シリコンを主成分として含み、
前記接続電極は金属からなり、
前記接続面の表面粗さＲａは、前記第２電極層の圧電体層側の面のうち前記接続面以外の部分である主面の表面粗さＲａより大きい、圧電素子。
【請求項2】
前記接続面は、前記第２面に垂直な方向において、前記主面に対して前記第２電極層の内側に位置している、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項3】
前記主面は、シリコン酸化膜で被覆されており、前記接続面は、シリコン酸化膜で被覆されていない、または、シリコン酸化膜で被覆されており、
前記接続面を覆うシリコン酸化膜は、前記主面を覆うシリコン酸化膜より薄い、請求項２に記載の圧電素子。
【請求項4】
前記第２面に垂直な方向における、前記接続面と前記主面との最短距離は、５ｎｍ以上である、請求項２または請求項３に記載の圧電素子。
【請求項5】
前記接続面の表面粗さＲａは、３０ｎｍ以上１μｍ未満であり、前記主面の表面粗さＲａは、１ｎｍ未満である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項6】
前記主面の表面粗さＲａは、０．０５ｎｍ超である、請求項５に記載の圧電素子。
【請求項7】
前記第２面に平行な方向における、前記接続面上の前記接続電極の幅の寸法は、前記第２面に垂直な方向における、前記接続面と前記主面との最短距離の寸法より大きい、請求項４に記載の圧電素子。
【請求項8】
前記第２面に平行な方向における、前記接続面上の前記接続電極の幅の寸法は、前記接続電極と前記貫通孔の内面との最大距離の寸法より大きい、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項9】
前記第２電極層は、前記第２面に垂直な方向において、前記接続面と前記主面とを互いに接続する内側面をさらに有し、前記接続電極は、前記内側面上にも設けられている、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項10】
前記接続電極と前記第２電極層の前記接続面とは、オーミック接触している、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項11】
前記接続電極は、前記接続面上から、前記貫通孔の内面上および前記第１面上まで連続的に設けられている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項12】
前記第２電極層は、ドープ型の単結晶シリコン層である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項13】
前記圧電体層は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)またはタンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)を含む単結晶材料からなる、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項14】
前記第２電極層と前記圧電体層との間には、中間層が設けられている、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項15】
少なくとも前記第１電極層と、前記圧電体層と、前記第２電極層とを含む積層体を支持する基部をさらに備え、前記基部は、前記積層体の第２電極層側に位置しており、かつ、前記積層体の積層方向から見て前記積層体の基部側の面の周縁に沿うように環状に形成されている、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項16】
前記積層体には、前記積層方向から見て前記基部の内側に位置する開口に連通する、貫通スリットが設けられている、請求項１５に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電素子に関する。
【背景技術】
【0002】
圧電素子の構成を開示した文献として、特開２０１８－０４１７８８号公報(特許文献１)、特開２００９－３０２６６１号公報(特許文献２)がある。特許文献１に記載の圧電素子は、圧電薄膜と、一対の電極とを備えている。圧電薄膜は、支持基板上に積層されている。一対の電極は、圧電薄膜を挟んで配置されている。圧電薄膜の裏面側に形成された電極は配線電極に接続している。電極および配線金属は、金属薄膜で形成することができる。
【0003】
特許文献２に記載された圧電素子は、シリコン基板と、圧電体膜と、導電体膜とを備えている。圧電体膜は、圧電体、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、シリコン基板上に設けられている。導電体膜は導電材料からなり、圧電体膜上に設けられている。導電体膜は、たとえば金属または合金からなる。導電体膜は圧電体膜上および圧電体膜間に配置されており、シリコン層のｎ型領域および圧電体膜に接している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－０４１７８８号公報
【文献】特開２００９－３０２６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載された圧電素子においては、配線電極および圧電薄膜の裏面側に形成された電極の各々が金属材料から構成されているため、配線電極と電極との密着性が確保されていた。しかしながら、特許文献２に記載された圧電素子のように、一方の電極層がシリコンを主成分として含んでいる場合においては、上記電極層と金属電極との密着性が十分でなく、上記電極層と金属電極との接合界面において電気抵抗が高くなっていた。
【0006】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、シリコンを主成分として含む電極層と、金属からなる接続電極との接合部において、電気抵抗が高くなることを抑制できる、圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に基づく圧電素子は、圧電体層と、第１電極層と、第２電極層と、接続電極とを備えている。圧電体層は、第１面と、第２面と、貫通孔とを有している。第２面は、第１面と対向している。貫通孔は、第１面から第２面まで貫通する。第１電極層は、圧電体層の第１面側に設けられている。第２電極層は、圧電体層の第２面側に位置している。第２電極層は、少なくとも一部が圧電体層を介して第１電極層と対向している。第２電極層は、貫通孔に面している。第２電極層は、シリコンを主成分として含んでいる。接続電極は、第２電極層のうち貫通孔に面している接続面上に設けられている。接続電極は金属からなる。接続面の表面粗さＲａは、第２電極層の圧電体層側の面のうち接続面以外の部分である主面の表面粗さＲａより大きい。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、シリコンを主成分として含む第２電極層と、金属からなる接続電極との接合部において、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施形態１に係る圧電素子を示す概略平面図である。
【図3】本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、圧電体基板を準備した断面図である。
【図6】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第２電極層を含む積層基板を準備した断面図である。
【図7】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第２電極層を含む積層基板に、圧電体基板を接合させた状態を示す断面図である。
【図8】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、圧電体基板を削って圧電体層を形成した状態を示す断面図である。
【図9】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。
【図10】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、貫通孔を設けた状態を示す断面図である。
【図11】本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、接続電極を設けた状態を示す断面図である。
【図12】本発明の実施形態２に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の各実施形態に係る圧電素子について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【0011】
【0012】
【0013】
図２に示すように、圧電体層１１０は、第１面１１１と、第２面１１２と、貫通孔１１３とを有している。第２面１１２は、第１面１１１と対向している。貫通孔１１３は、第１面１１１から第２面１１２まで貫通している。
【0014】
本実施形態において、圧電体層１１０は、ニオブ酸アルカリ系の化合物またはタンタル酸アルカリ系の化合物で構成されている。本実施形態において、上記ニオブ酸アルカリ系の化合物または上記タンタル酸アルカリ系の化合物に含まれるアルカリ金属は、リチウム、ルビジウムおよびセシウムの少なくとも１つからなる。本実施形態において、圧電体層１１０は、具体的には、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)またはタンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)を含む単結晶材料からなるが、圧電体層１１０は単結晶材料で構成されていなくてもよい。
【0015】
第１電極層１２０は、圧電体層１１０の第１面１１１側に設けられている。第１電極層１２０と圧電体層１１０との間には、密着層が位置していてもよい。第１電極層１２０は、たとえばＡｌまたはＰｔなどの金属で構成されている。上記密着層は、たとえばＴｉまたはＮｉＣｒで構成されている。
【0016】
第２電極層１３０は、圧電体層１１０の第２面１１２側に位置している。第２電極層１３０は、少なくとも一部が圧電体層１１０を介して第１電極層１２０と対向している。本実施形態において、第２電極層１３０は、圧電体層１１０と、後述する第２電極層１３０の自然酸化膜層とのみを介して第１電極層１２０と対向している。
【0017】
第２電極層１３０は、貫通孔１１３に面している。第２電極層１３０のうち、接続面１３１が、貫通孔１１３に面している。また、第２電極層１３０は、圧電体層１１０の第２面１１２に面している。第２電極層１３０のうち、主面１３２が、圧電体層１１０に面している。接続面１３１は、第２面１１２に垂直な方向において、主面１３２に対して第２電極層１３０の内側に位置している。第２面１１２に垂直な方向における、接続面１３１と主面１３２との最短距離は、５ｎｍ以上である。第２面１１２に垂直な方向における、接続面１３１と主面１３２との最短距離は、たとえば１００ｎｍ以下であればよい。なお、接続面１３１と主面１３２との最短距離とは、接続面１３１上の点のうち第２面１１２に垂直な方向において最も主面１３２側に位置する点と、主面１３２上の点のうち第２面１１２に垂直な方向において最も接続面１３１側に位置する点との間の、第２面１１２に垂直な方向における距離をいう。第２電極層１３０は、第２面１１２に垂直な方向において、接続面１３１と主面１３２とを互いに接続する内側面１３３をさらに有している。
【0018】
本実施形態において、第２電極層１３０は、シリコンを主成分として含んでいる。具体的には、第２電極層１３０は、ドープ型の単結晶シリコン層である。第２電極層１３０において、主面１３２は、シリコン酸化膜１３５で被覆されている。シリコン酸化膜１３５の膜厚は、およそ２ｎｍ以下である。また、本実施形態においては、接続面１３１はシリコン酸化膜１３５で被覆されていない。なお、本明細書において、「シリコンを主成分として含む」とは、「シリコンを５０ａｔｍ％以上含有する」ことを意味する。
【0019】
なお、接続面１３１は、第２電極層１３０をに含まれるシリコンが第２電極層１３０の表面で自然に酸化することで形成されたシリコン酸化膜で被覆されていてもよい。図３は、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電素子の構成を示す断面図である。図３に示すように、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電素子１００ａにおいては、接続面１３１は、シリコン酸化膜１３５ａで被覆されている。ただし、本変形例においては、接続面１３１を覆うシリコン酸化膜１３５ａは、主面１３２を覆うシリコン酸化膜１３５より薄い。本変形例においては、第２面１１２に垂直な方向において、接続面１３１と主面１３２との最短距離は、５ｎｍ未満である。
【0020】
図２に示すように、本発明の実施形態１に係る圧電素子１００においては、接続面１３１の表面粗さＲａは、第２電極層１３０の圧電体層１１０側の面のうち接続面１３１以外の部分である主面１３２の表面粗さＲａより大きい。具体的には、接続面１３１の表面粗さＲａは、３０ｎｍ以上１μｍ未満である。主面１３２の表面粗さＲａは、０．０５ｎｍ超であり、かつ、１ｎｍ未満である。
【0021】
本実施形態において、接続面１３１の表面粗さＲａおよび主面１３２の表面粗さＲａは、圧電素子１００を主面１３２に対して垂直に切断したときの断面を透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope)を用いて直接観察することにより算出する。本明細書において、表面粗さＲａとは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さｌだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ(ｘ)で表したときに下記式(１)によって求められる値をマイクロメートルで表したものを言う。すなわち、本明細書における表面粗さＲａの定義は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に従う。本実施形態において、上記表面粗さＲａの算出における基準長さｌは１μｍである。
【0022】
【数1】
【0023】
図２に示すように、接続電極１４０は、第２電極層１３０のうち貫通孔１１３に面している接続面１３１上に設けられている。接続電極１４０は、内側面１３３上にも設けられている。そして、接続電極１４０は、接続面１３１上から、貫通孔１１３の内面１１４上および第１面１１１上まで連続的に設けられている。このため、第１面１１１に垂直な方向から見たときに、接続電極１４０の外縁は貫通孔１１３より外側に位置している。また、第２面１１２に平行な方向における、接続面１３１上の接続電極１４０の幅の寸法は、第２面１１２に垂直な方向における、接続面１３１と主面１３２との最短距離の寸法より大きい。なお、第２面１１２に平行な方向における、接続面１３１上の接続電極１４０の幅の寸法は、圧電体層１１０において互いに対向する内面１１４同士の間隔が最も小さくなるように圧電素子１００を第２面１１２に垂直に切断したときの断面を、透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ)を用いて直接観察して、接続電極１４０のうち接続面１３１と接触している部分の長さを測定することにより求める。
【0024】
なお、接続電極は、貫通孔１１３の内面１１４と離れて位置してもよい。図４は、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電素子の構成を示す断面図である。図４に示すように、本変形例において、接続電極１４０ｂは、貫通孔１１３の内面１１４から離れて位置している。第２面１１２に平行な方向における、接続面１３１上の接続電極１４０ｂの幅の寸法は、接続電極１４０ｂと貫通孔１１３の内面１１４との最大距離の寸法より大きい。
【0025】
図２に示すように、接続電極１４０は金属からなる。接続電極１４０は、たとえばＡｕで構成されている。接続電極１４０と第２電極層１３０との間には、密着層が形成されていてもよい。当該密着層は、たとえばＴｉまたはＮｉＣｒで構成でされている。また、接続電極１４０と第２電極層１３０の接続面１３１とは、オーミック接触している。
【0026】
図２に示すように、本実施形態においては、積層体１０１は、少なくとも第１電極層１２０と、圧電体層１１０と、第２電極層１３０とを含んでいる。積層体１０１は、接続電極１４０と外側接続電極１４５とをさらに含んでいる。基部１５０は、この積層体１０１を支持している。
【0027】
図２に示すように、基部１５０は、積層体１０１の第２電極層１３０側に位置している。図１に示すように、基部１５０は、積層体１０１の積層方向から見て積層体１０１の基部１５０側の面の周縁に沿うように環状に形成されている。
【0028】
図２に示すように、本実施形態において、基部１５０は、酸化シリコン層１５１と、基部本体１５２とを含んでいる。酸化シリコン層１５１は、第２電極層１３０に接している。基部本体１５２は、酸化シリコン層１５１の第２電極層１３０側とは反対側において、酸化シリコン層１５１と接している。本実施形態において、基部本体１５２を構成する材料は特に限定されないが、基部本体１５２は単結晶シリコンからなる。
【0029】
図２に示すように、開口１０３は、積層体１０１の積層方向から見て基部１５０の内側に位置している。図１に示すように、開口１０３の端縁は、上記積層方向から見て矩形状の外形を有し、上記積層方向に沿って延びている。また、開口１０３の外形の形状は特に限定されない。
【0030】
図１および図２に示すように、本実施形態においては、積層体１０１に、メンブレン部１０４が形成されている。メンブレン部１０４は、積層方向から見て、開口１０３と重なっており、基部１５０と重なっていない。積層体１０１には、積層方向から見て基部１５０の内側に位置する開口１０３に連通する、貫通スリット１０５が設けられている。より具体的には、メンブレン部１０４に貫通スリット１０５が設けられている。
【0031】
本実施形態に係る圧電素子１００は、図２示す外側接続電極１４５と、接続電極１４０との間に電圧を印加することにより、図２に示す第１電極層１２０と第２電極層１３０との間に電圧が印加される。これにより、第１電極層１２０と第２電極層１３０との間に位置する圧電体層１１０が歪むように駆動する。これにより、メンブレン部１０４が、積層体１０１の積層方向に大きく屈曲振動することができる。
【0032】
【0033】
図５は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、圧電体基板を準備した断面図である。図５に示すように、圧電体基板１１０Ｓは、第１主面１１１Ｓと、第１主面１１１Ｓの反対側に位置する第２主面１１２Ｓとを有している。
【0034】
図６は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第２電極層を含む積層基板を準備した断面図である。図６に示すように、第２電極層１３０および基部１５０含む積層基板１０２Ｓを準備する。本実施形態において、積層基板１０２ＳはＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板である。
【0035】
図７は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第２電極層を含む積層基板に、圧電体基板を接合させた状態を示す断面図である。図７に示すように、表面活性化接合または原子拡散接合により、積層基板１０２Ｓに圧電体基板１１０Ｓを接合させる。具体的には、第２電極層１３０に圧電体基板１１０Ｓを接合させる。より具体的には、第２電極層１３０上のシリコン酸化膜１３５上に圧電体基板１１０Ｓを接合させる。
【0036】
図８は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、圧電体基板を削って圧電体層を形成した状態を示す断面図である。図８に示すように、グラインドおよびＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)で圧電体基板１１０Ｓを研磨することにより、圧電体層１１０を形成する。
【0037】
なお、圧電体基板１１０Ｓを削る際には、圧電体基板１１０Ｓの第１主面１１１Ｓ側に、予めイオンを注入することにより、剥離層を形成していてもよい。圧電体基板１１０Ｓを第２電極層１３０に接合させる前に当該剥離層を形成しておくことで、接合後に当該剥離層を剥離して圧電体層１１０を形成することができる。上記剥離層をグラインドおよびＣＭＰなどにより削ることで、圧電体層１１０を形成してもよい。
【0038】
図９は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。図９に示すように、フォトリソグラフィ法、または、蒸着リフトオフ法などを用いて、所望のパターンを有するように、第１電極層１２０を圧電体層１１０の第１面１１１上に形成する。
【0039】
図１０は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、貫通孔を設けた状態を示す断面図である。図１０に示すように、たとえばＲＩＥ(Reactive Ion Etching)などのエッチングにより、圧電体層１１０に貫通孔１１３を設ける。このとき、貫通孔１１３の形成とともに、第２電極層１３０のうち貫通孔１１３に面している部分の一部を削り取る。これにより、第２電極層１３０のシリコン酸化膜１３５の全部が除去された接続面１３１が露出するように形成される。上記エッチングは、接続面１３１が、所望の表面粗さＲａを有するように行う。なお、本発明の実施形態１の第１変形例においては、第２電極層１３０のシリコン酸化膜１３５の一部を除去すればよい。
【0040】
図１１は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の製造方法において、接続電極を設けた状態を示す断面図である。図１１に示すように、フォトリソグラフィ法、または、蒸着リフトオフ法などを用いて、接続電極１４０および外側接続電極１４５を形成する。
【0041】
次に、ＲＩＥにより、積層体１０１に貫通スリット１０５を形成する。さらに、深掘り反応性イオンエッチング(Ｄｅｅｐ ＲＩＥ)により、基部１５０の第２電極層１３０側とは反対側から、基部本体１５２を削る。最後に、酸化シリコン層１５１をＲＩＥにより削ることで、開口１０３を形成する。
【0042】
【0043】
上記のように、本発明の実施形態１に係る圧電素子１００においては、圧電体層１１０は、第１面１１１と、第２面１１２と、貫通孔１１３とを有している。貫通孔１１３は、第１面１１１から第２面１１２まで貫通する。第２電極層１３０は、圧電体層１１０の第２面１１２側に位置している。第２電極層１３０は、貫通孔１１３に面している。第２電極層１３０は、シリコンを主成分として含んでいる。接続電極１４０は、第２電極層１３０のうち貫通孔１１３に面している接続面１３１上に設けられている。接続電極１４０は金属からなる。接続面１３１の表面粗さＲａは、第２電極層１３０の圧電体層１１０側の面のうち接続面１３１以外の部分である主面１３２の表面粗さＲａより大きい。
【0044】
これにより、接続面１３１において、シリコンを主成分として含む第２電極層１３０と、金属からなる接続電極１４０との密着性が向上する。ひいては、第２電極層１３０と接続電極１４０との接合部において電気抵抗が高くなることを抑制できる。
【0045】
本実施形態において、接続面１３１は、第２面１１２に垂直な方向において、主面１３２に対して第２電極層１３０の内側に位置している。
【0046】
接続面１３１を上記のように位置させるために第２電極層１３０の圧電体層１１０側に位置する面を加工することで、接続面１３１においては、第２電極層１３０の自然酸化膜層が除去される。これにより、接続面１３１において第２電極層１３０と接続電極１４０との接触抵抗を低減することができる。
【0047】
本発明の実施形態１に係る圧電素子１００および本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電素子１００ａにおいては、主面１３２は、シリコン酸化膜１３５で被覆されている。接続面１３１は、シリコン酸化膜で被覆されていない、または、シリコン酸化膜１３５ａで被覆されている。接続面１３１を覆うシリコン酸化膜１３５ａは、主面１３２を覆うシリコン酸化膜１３５より薄い。
【0048】
これにより、第２電極層１３０と接続電極１４０との接触抵抗を低減することができる。
【0049】
本発明の実施形態１に係る圧電素子１００において、第２面１１２に垂直な方向における、接続面１３１と主面１３２との最短距離は、５ｎｍ以上である。
【0050】
上記のように、接続面１３１と主面１３２とが互いに十分に離れるように第２電極層１３０の主面１３２を加工することで、接続面１３１において第２電極層１３０の自然酸化膜層が十分に除去される。これにより、接続面１３１における第２電極層１３０と接続電極１４０との接触抵抗を十分に低減することができる。
【0051】
本実施形態において、接続面１３１の表面粗さＲａは、３０ｎｍ以上１μｍ未満である。主面１３２の表面粗さＲａは、１ｎｍ未満である。
【0052】
接続面１３１の表面粗さＲａが２０ｎｍ以上１μｍ未満であることにより、第２電極層１３０と接続電極１４０との密着性がより向上し、第２電極層１３０と接続電極１４０との接触抵抗を低減できる。また、主面１３２の表面粗さＲａが１ｎｍ未満であることにより、圧電体層１１０と、第２電極層１３０との接合強度が向上する。
【0053】
本実施形態において、主面１３２の表面粗さＲａは、０．０５ｎｍ超である。これにより、圧電体層１１０と、第２電極層１３０との接合強度が向上できる程度に、主面の表面粗さＲａを設定することが容易になる。
【0054】
本実施形態において、第２面１１２に平行な方向における、接続面１３１上の接続電極１４０の幅の寸法は、第２面１１２に垂直な方向における、接続面１３１と主面１３２との最短距離の寸法より大きい。
【0055】
これにより、上記のような表面粗さＲａを有する接続面１３１において、接続電極１４０と第２電極層１３０との接触面積を大きくすることができ、ひいては、接続電極１４０と第２電極層１３０との接触抵抗を小さくすることができる。
【0056】
本実施形態において、第２電極層１３０は、第２面１１２に垂直な方向において、接続面１３１と主面１３２とを互いに接続する内側面１３３をさらに有している。接続電極１４０は、内側面１３３上にも設けられている。
【0057】
これにより、内側面１３３においても接続電極１４０と第２電極層１３０とが互いに接合するため、第２電極層１３０と接続電極１４０との密着性がさらに向上する。
【0058】
本実施形態において、接続電極１４０と第２電極層１３０の接続面１３１とは、オーミック接触している。
【0059】
これにより、接続電極１４０と第２電極層１３０との間にショットキー障壁がないため、接続電極１４０と第２電極層１３０との接触抵抗が小さくなり、圧電素子１００の電気機械変換効率が向上する。
【0060】
本実施形態において、接続電極１４０は、接続面１３１上から、貫通孔１１３の内面１１４上および第１面１１１上まで連続的に設けられている。
【0061】
これにより、第１面１１１上において、第１電極層１２０と共に第２電極層１３０の電極を取り出すことができる。ひいては、接続電極１４０に接続される図示しない外部電極を効率よく引き回すことができる。
【0062】
本実施形態において、第２電極層１３０は、ドープ型の単結晶シリコン層である。第２電極層１３０が単結晶であることにより、圧電体層１１０との接合強度が向上し、圧電素子１００の電気機械変換効率が向上する。また、非ドープ単結晶シリコン層で構成される場合と比較して第２電極層１３０の電気抵抗を低くすることができる。
【0063】
本実施形態において、圧電体層１１０は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)またはタンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)を含む単結晶材料からなる。これにより、圧電体層１１０と第２電極層１３０との接合強度が向上し、圧電素子１００の電気機械変換効率が向上する。
【0064】
本実施形態において、圧電素子１００は、少なくとも第１電極層１２０と、圧電体層１１０と、第２電極層１３０とを含む積層体１０１を支持する基部１５０をさらに備えている。基部１５０は、積層体１０１の第２電極層１３０側に位置しており、かつ、積層体１０１の積層方向から見て積層体１０１の基部１５０側の面の周縁に沿うように環状に形成されている。
【0065】
これにより、圧電体層１１０の駆動をメンブレン部１０４の屈曲振動に変換して、圧電素子１００のデバイス特性を向上させることができる。
【0066】
本実施形態において、積層体１０１には、積層方向から見て基部１５０の内側に位置する開口１０３に連通する、貫通スリット１０５が設けられている。
【0067】
これにより、メンブレン部１０４の屈曲振動がより大きくなり、圧電素子１００のデバイス特性を向上させることができる。
【0068】
また、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電素子１００ｂにおいては、第２面１１２に平行な方向における、接続面１３１上の接続電極１４０ｂの幅の寸法は、接続電極１４０ｂと貫通孔１１３の内面１１４との最大距離の寸法より大きい。
【0069】
これにより、接続面１３１上における接続電極１４０と第２電極層１３０との接触面積が大きくなるため、接続電極１４０と第２電極層１３０との接触抵抗を小さくすることができる。
【0070】
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る圧電素子について説明する。本発明の実施形態２に係る圧電素子は、中間層が設けられている点が主に、本発明の実施形態１に係る圧電素子と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電素子１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
以下、本発明の実施形態２に係る圧電素子について説明する。本発明の実施形態２に係る圧電素子は、中間層が設けられている点が主に、本発明の実施形態１に係る圧電素子と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電素子１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
【0071】
【0072】
本発明の実施形態２に係る圧電素子２００においては、第２電極層１３０と圧電体層１１０との間には、中間層２６０が設けられている。これにより、第２電極層１３０と圧電体層１１０との接合強度が向上する。中間層２６０は、金属層であってもよいし、ＳｉＯ2などの誘電体層であってもよい。本実施形態においては、圧電体層１１０に設けられた貫通孔１１３と連続するように中間層２６０に貫通孔が設けられる。
【0073】
上述した各実施形態においては、上部電極層と下部電極層との間に電圧を印加したときの、メンブレン部の挙動によって、接続電極と第２電極層との接触状態を評価することができる。
【0074】
上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
【0075】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0076】
１００，１００ａ，１００ｂ，２００ 圧電素子、１０１ 積層体、１０２Ｓ 積層基板、１０３ 開口、１０４ メンブレン部、１０５ 貫通スリット、１１０ 圧電体層、１１０Ｓ 圧電体基板、１１１ 第１面、１１１Ｓ 第１主面、１１２ 第２面、１１２Ｓ 第２主面、１１３ 貫通孔、１１４ 内面、１２０ 第１電極層、１３０ 第２電極層、１３１ 接続面、１３２ 主面、１３３ 内側面、１３５，１３５ａ シリコン酸化膜、１４０，１４０ｂ 接続電極、１４５ 外側接続電極、１５０ 基部、１５１ 酸化シリコン層、１５２ 基部本体、２６０ 中間層。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】