JP6325280B2 - Piezoelectric MEMS device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を備えたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a micro electro mechanical systems (MEMS) device including a piezoelectric element and a manufacturing method thereof.
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に代表される圧電材料による薄膜(圧電薄膜)は、インクジェットヘッドのアクチュエータや、圧力、温度の各種のセンサなどに広く用いられている(例えば、特許文献1)。
この圧電薄膜は、高度な半導体微細加工技術を用いるMEMSに組み込まれることにより、適用分野のさらなる拡大が見込まれている。
圧電薄膜の圧電特性を向上させる手段としては、結晶配向性の向上、添加剤の使用、直流電圧を印加するポーリング等が挙げられており、生産効率、信頼性にも配慮して種々の試みがなされている。
A thin film (piezoelectric thin film) made of a piezoelectric material typified by lead zirconate titanate (PZT) is widely used for an actuator of an inkjet head, various sensors for pressure and temperature, and the like (for example, Patent Document 1).
This piezoelectric thin film is expected to further expand the application field by being incorporated in MEMS using advanced semiconductor microfabrication technology.
Examples of means for improving the piezoelectric properties of the piezoelectric thin film include improvement of crystal orientation, use of additives, poling to apply a DC voltage, and various attempts have been made in consideration of production efficiency and reliability. Has been made.
ここで、結晶配向性の向上に関し、(100)および(001)配向PZT薄膜が形成された強誘電体に、交流電圧を徐々に大きくしながら印加することで、強誘電ヒステリシスが二段階で飽和する報告がなされている(非特許文献1)。それに伴い、圧電定数d33が50pm/V以下の値から200pm/V以上に増大することが見出されている。
この非特許文献1では、Pt/Ti/SiO2/Si基板上に、化学気相成長法(CVD)により膜厚2μmの(100)および(001)配向PZT薄膜を形成し、PZT薄膜上に直径200μmの上部電極(白金)を形成して得られた強誘電体が用いられている。
Here, regarding the improvement of crystal orientation, ferroelectric hysteresis is saturated in two stages by applying an alternating voltage to a ferroelectric formed with (100) and (001) oriented PZT thin films while gradually increasing it. Has been reported (Non-Patent Document 1). Accordingly, it has been found that the piezoelectric constant d33 increases from a value of 50 pm / V or less to 200 pm / V or more.
In this
交流電圧印加による圧電定数の増大は、微視的にはPZT薄膜の(100)配向成分が(001)配向成分に変化することによる。圧電薄膜の結晶配向性を向上させるには、(001)配向性(c軸配向性)を向上させることが重要である。
しかし、交流電圧印加により結晶配向性を変化させると、圧電薄膜は、支持基板に拘束されているために、その拘束力に対応する応力が作用する。その応力によって微小な亀裂(マイクロクラッキング)が入るおそれがある。
そこで、本発明は、圧電デバイスに関し、結晶配向性に基づいて圧電特性を向上させながら、圧電薄膜に亀裂を生じさせることなく信頼性をも確保することを目的とする。
Microscopically, the increase in the piezoelectric constant due to the application of AC voltage is due to the microscopic change of the (100) orientation component of the PZT thin film to the (001) orientation component. In order to improve the crystal orientation of the piezoelectric thin film, it is important to improve the (001) orientation (c-axis orientation).
However, when the crystal orientation is changed by applying an alternating voltage, the piezoelectric thin film is restrained by the support substrate, and therefore a stress corresponding to the restraining force acts. There is a risk that micro cracks (micro cracking) may occur due to the stress.
Therefore, the present invention relates to a piezoelectric device, and an object thereof is to ensure reliability without causing cracks in a piezoelectric thin film while improving piezoelectric characteristics based on crystal orientation.
圧電薄膜が基板に支持されていると、結晶配向性が変化したときに基板の拘束力により応力が作用するのは避けられない。しかし、基板は、デバイスとしての剛性を確保するのに必要である。
ところで、MEMSは、支持基板上に、機械要素が作り込まれる構造体が積層される。その構造体上に、圧電薄膜が設けられる。そのMEMS構造体は、例えば、走査型プローブ顕微鏡(SPM)のプローブのマイクロカンチレバーの場合で、圧電薄膜と同等の厚みから10倍程度の厚みである。この程度の厚みとされる構造体に圧電薄膜を支持させれば、結晶配向性の変化に伴う圧電薄膜の歪みに構造体が追従するので応力を逃がすことができる。
If the piezoelectric thin film is supported on the substrate, it is inevitable that stress acts due to the restraining force of the substrate when the crystal orientation changes. However, the substrate is necessary to ensure rigidity as a device.
By the way, in the MEMS, a structure in which mechanical elements are formed is laminated on a support substrate. A piezoelectric thin film is provided on the structure. The MEMS structure is, for example, a micro cantilever of a probe of a scanning probe microscope (SPM), and has a thickness equivalent to that of a piezoelectric thin film to about 10 times the thickness. If the piezoelectric thin film is supported on the structure having such a thickness, the structure follows the distortion of the piezoelectric thin film accompanying the change in crystal orientation, so that the stress can be released.
そこでなされた本発明の第1の圧電MEMSデバイスは、半導体加工プロセスにより作製される機械要素を含む構造体と、構造体を支持する支持基板と、構造体により支持される圧電薄膜と、を備えている。
本発明は、構造体が、支持基板の支持面上に支持される被支持部と、支持面を超えて延在する機能部と、を有しており、圧電薄膜が、構造体において少なくとも機能部に設けられているとともに、支持基板の成形後に行われる交流電圧印加処理、または、支持基板の成形後に行われる正負のいずれか片側においてのみ変化する電圧を印加する片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められており、圧電薄膜は、正方晶を含み、テトラ組成とされるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、交流電圧印加処理または片側電圧印加処理で印加される電圧は、圧電薄膜の膜厚1μmあたり20V以上とされていることを特徴とする。
また、本発明の第1の圧電MEMSデバイスにおいて、片側電圧印加処理で印加される電圧は、圧電薄膜の膜厚1μmあたり20〜40Vとされていることが好ましい。
The first piezoelectric MEMS device of the present invention made there is provided with a structure including a mechanical element manufactured by a semiconductor processing process, a support substrate that supports the structure, and a piezoelectric thin film supported by the structure. ing.
In the present invention, the structure includes a supported portion supported on the support surface of the support substrate and a functional portion extending beyond the support surface, and the piezoelectric thin film functions at least in the structure. C-axis orientation by an alternating voltage application process performed after forming the support substrate or a one-side voltage application process that applies a voltage that changes only on one of the positive and negative sides performed after the support substrate molding. sex has increased, the piezoelectric thin film includes a tetragonal, made of lead zirconate titanate is tetra composition, the voltage applied by the AC voltage applying process or one-sided voltage application process, the thickness of the piezoelectric thin film It is characterized by being 20 V or more per 1 μm .
In the first piezoelectric MEMS device of the present invention, it is preferable that the voltage applied in the one-side voltage application process is 20 to 40 V per 1 μm film thickness of the piezoelectric thin film.
また、本発明の第2の圧電MEMSデバイスは、半導体加工プロセスにより作製される機械要素を含む構造体と、構造体を支持する支持基板と、構造体により支持される圧電薄膜と、を備えている。
本発明は、構造体が、支持基板の支持面上に支持される被支持部と、支持面を超えて延在する機能部と、を一体に有しており、圧電薄膜が、構造体において少なくとも機能部に設けられているとともに、支持基板の成形後に行われる交流電圧印加処理、または、支持基板の成形後に行われる正負のいずれか片側においてのみ変化する電圧を印加する片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められており、圧電薄膜は、正方晶を含み、モルフォトロピック相境界組成とされるチタン酸ジルコン酸鉛、からなり、片側電圧印加処理で印加される電圧は、圧電薄膜の膜厚1μmあたり30V以上とされていることを特徴とする。
In addition, a second piezoelectric MEMS device of the present invention includes a structure including a mechanical element manufactured by a semiconductor processing process, a support substrate that supports the structure, and a piezoelectric thin film supported by the structure. Yes.
In the present invention, the structure integrally includes a supported portion supported on the support surface of the support substrate and a functional portion extending beyond the support surface. The AC voltage application process that is provided at least in the functional unit and that is performed after the support substrate is molded, or the one-side voltage application process that is performed after the support substrate is molded and that applies a voltage that changes only on one of the positive and negative sides. The axial orientation is enhanced, and the piezoelectric thin film is composed of lead zirconate titanate containing tetragonal crystal and having a morphotropic phase boundary composition, and the voltage applied in the one-side voltage application process is the film of the piezoelectric thin film. It is characterized by being 30 V or more per 1 μm thickness .
第1、第2の発明のいずれにおいても、圧電MEMSデバイス全体の剛性を維持するために支持基板を用いつつ、圧電薄膜の支持は構造体に委ねることにより、圧電薄膜に対する拘束力を小さくしている。
構造体の機能部の撓みにより、交流電圧印加処理時の圧電薄膜の応力が緩和されるので、圧電薄膜に亀裂を生じさせることなく、圧電特性を向上させることができる。
本発明の構造体が有する機能部は、構造体の被支持部が支持される支持基板の支持面を超えて延在する部分をいう。被支持部および機能部の形態は問わない。機能部としては、その一端が被支持部に連続し、他端まで延在する梁状のものや、枠状の被支持部の内側に延在するダイヤフラム状のものを一例として挙げられる。
In both the first and second inventions, the support for the piezoelectric thin film is left to the structure while using the support substrate to maintain the rigidity of the entire piezoelectric MEMS device, thereby reducing the binding force on the piezoelectric thin film. Yes.
Since the stress of the piezoelectric thin film during the AC voltage application process is relieved by the bending of the functional part of the structure, the piezoelectric characteristics can be improved without causing cracks in the piezoelectric thin film.
The functional part of the structure of the present invention refers to a part that extends beyond the support surface of the support substrate on which the supported part of the structure is supported. The form of a supported part and a function part is not ask | required. Examples of the functional part include a beam-like one having one end continuous to the supported part and extending to the other end, and a diaphragm-like one extending inside the frame-like supported part.
本発明の圧電MEMSデバイスにおいて、圧電薄膜は、直流電圧を印加する処理を行うことなく、交流電圧印加処理または片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められていることが好ましい。
本発明の圧電MEMSデバイスでは、圧電薄膜に印加される交流電圧または電圧は抗電界以上であることが好ましい。
抗電界以上の電圧で交流電圧印加処理または片側電圧印加処理を行うと、抗電界未満の電圧で交流電圧印加処理または片側電圧印加処理を行った場合と比べて、短時間でより確実に圧電特性を向上させることができる。
In the piezoelectric MEMS device of the present invention, it is preferable that the piezoelectric thin film has a c-axis orientation enhanced by an AC voltage application process or a one-side voltage application process without performing a process of applying a DC voltage.
In the piezoelectric MEMS device of the present invention, the AC voltage or voltage applied to the piezoelectric thin film is preferably higher than the coercive electric field.
When AC voltage application processing or one-side voltage application processing is performed at a voltage higher than the coercive electric field, the piezoelectric characteristics are more reliably obtained in a shorter time than when AC voltage application processing or one-side voltage application processing is performed at a voltage lower than the coercive electric field. Can be improved.
本発明の第1の圧電MEMSデバイスでは、圧電薄膜が、正方晶を含み、テトラ組成とされるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、交流電圧印加処理または片側電圧印加処理で印加される電圧が、圧電薄膜の膜厚1μmあたり20V以上とされている。
その電圧は、強誘電ヒステリシスにおいて残留分極値が二段階飽和する電圧以上となるので、圧電薄膜のc軸配向性をより確実に高めることができる。
In the first piezoelectric MEMS device of the present invention, the piezoelectric thin film is composed of lead zirconate titanate containing tetragonal crystal and having a tetra composition, and the voltage applied in the alternating voltage application process or the one-side voltage application process is piezoelectric. It is set to 20 V or more per 1 μm thickness of the thin film .
Since the voltage is equal to or higher than the voltage at which the residual polarization value is saturated in two stages in the ferroelectric hysteresis, the c-axis orientation of the piezoelectric thin film can be more reliably increased.
本発明の第2の圧電MEMSデバイスでは、圧電薄膜が、正方晶を含み、モルフォトロピック相境界組成(MPB(Morphotropic Phase Boundary)組成))とされるチタン酸ジルコン酸鉛、からなり、片側電圧印加処理で印加される電圧は、圧電薄膜の膜厚1μmあたり30V以上とされている。 In the second piezoelectric MEMS device of the present invention, the piezoelectric thin film is composed of lead zirconate titanate containing tetragonal crystals and having a morphotropic phase boundary composition (MPB (Morphotropic Phase Boundary) composition), and one-side voltage application The voltage applied in the treatment is set to 30 V or more per 1 μm film thickness of the piezoelectric thin film .
本発明の第1、第2の圧電MEMSデバイスでは、被支持部が、支持面に対向する対向部と、対向部に連続し、支持面を超えて延在するフロート部と、を有し、圧電薄膜が、フロート部にも設けられていることが好ましい。
その構造では、支持基板の一部が除去されることによってフロート部が形成されている。そのフロート部に圧電薄膜を設けることにより、支持基板による拘束をなくし、圧電薄膜に対する拘束力を最小限にできる。それにより、圧電薄膜に亀裂が生じるのをより確実に防止できる。
In the first and second piezoelectric MEMS devices of the present invention, the supported portion includes a facing portion that faces the supporting surface, and a float portion that continues to the facing portion and extends beyond the supporting surface, It is preferable that the piezoelectric thin film is also provided in the float portion.
In the structure, the float portion is formed by removing a part of the support substrate. By providing a piezoelectric thin film in the float part, the restraint by the support substrate can be eliminated and the restraining force on the piezoelectric thin film can be minimized. Thereby, it can prevent more reliably that a crack arises in a piezoelectric thin film.
上記の第1、第2の圧電MEMSデバイスを製造する本発明の製造方法は、支持基板を成形した後に、圧電薄膜に対して交流電圧印加処理または片側電圧印加処理を行うことを特徴とする。
支持基板の成形後に交流電圧印加処理を行えば、成形時の加熱、プラズマダメージに由来する分極のピンニングに由来する分極の凍結によって圧電特性が低下することなく、交流電圧印加処理によって高められた圧電特性を維持することができる。
The manufacturing method of the present invention for manufacturing the first and second piezoelectric MEMS devices is characterized in that an AC voltage application process or a one-side voltage application process is performed on the piezoelectric thin film after forming the support substrate.
If an AC voltage application process is performed after the support substrate is molded, the piezoelectric property is improved by the AC voltage application process without deteriorating the piezoelectric properties due to the freezing of polarization resulting from the pinning of the polarization due to heating during the molding and plasma damage. Characteristics can be maintained.
本発明によれば、薄膜構造体を有するMEMSデバイスに交流電圧印加処理が適用されることをもって、結晶配向性に基づいて圧電特性を向上させながら、信頼性をも確保することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, reliability can be ensured, improving a piezoelectric characteristic based on crystal orientation, by applying an alternating voltage application process to the MEMS device which has a thin film structure.
以下、添付図面に示す実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1に示す第1実施形態の圧電MEMSデバイス1は、デバイス本体2と、デバイス本体2を支持する矩形状の支持基板10とを備えている。
以下では、図1における上下を「上」および「下」と定義して説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[First Embodiment]
A
In the following description, the upper and lower sides in FIG. 1 are defined as “upper” and “lower”.
支持基板10は、Si、ステンレス、チタン、ガラス、ポリマーなどにより形成されている。支持基板10の厚みは、100〜1000μm程度とされている。
The
支持基板10の一面上に設けられるデバイス本体2は、半導体微細加工プロセスにより作製される機械要素を含むMEMS構造体20と、MEMS構造体20に設けられるPZT薄膜21(図1にクロスハッチングで図示)とを有している。
MEMS構造体20は、マイクロカンチレバー22と、マイクロカンチレバー22の先端に設けられる図示しない探針とを有している。MEMS構造体20は、Si、ステンレス、チタン、ガラス、ポリマーなどにより形成されている。MEMS構造体20の厚みは、後述するPZT薄膜21の厚みの0.5〜50倍であり、例えば1〜50μm程度とされている。
The
The
マイクロカンチレバー22は、支持基板10の支持面10S上に支持される矩形状のレバー基端部(被支持部)22Aと、レバー基端部22Aから支持面10Sを超えて垂直に突出するレバー先端部(機能部)22Bとを有し、支持基板10により片持ち支持されている。マイクロカンチレバー22の寸法は、一例として、長さ1.1mm、幅0.3mm、厚さ0.01mmとされている。マイクロカンチレバー22を含むMEMS構造体20は、簡略に図示しているが、複数の膜が積層された構造とされている。
レバー基端部22Aと支持基板10との間には酸化膜11が介装されている。
レバー基端部22Aおよびレバー先端部22Bの上面全体には、酸化膜12を介在させて下部電極13が設けられている。
酸化膜11,12は、シリコン酸化膜、チタン酸化膜などとされている。
The
An
A
The
PZT薄膜21は、レバー先端部22Bの全体に重なり、レバー基端部22Aの一部に重なる状態でMEMS構造体20に設けられている。PZT薄膜21の脇には、下部電極13の導通面が露出する。
PZT薄膜21には、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が用いられている。その成膜方法は、スパッタ法、ゾルゲル法、MOD(Metal Organic Decomposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを任意に採用できる。
PZT薄膜21の膜厚は、0.5〜20μm程度とされており、任意に決められるが、本実施形態では、1.7μmとしている。
PZT薄膜21の組成としては、例えばMPB(Morphotropic Phase Boundary)組成(Zr/Ti=52/48)、テトラ組成(Zr/Ti=30/70)を採用することができる。それらの組成は、ここでは原子量比(モル数比)で示している。
The PZT
PZT (lead zirconate titanate) is used for the PZT
The thickness of the PZT
As the composition of the PZT
PZT薄膜21は、支持基板10に片持ち支持されるマイクロカンチレバー22に支持されている。支持基板10の支持面10Sを超えて突出するレバー先端部22Bでは、PZT薄膜21は支持基板10に支持されていない。マイクロカンチレバー22は、支持基板10よりも薄いために支持基板10よりも剛性が低い。本実施形態では、圧電MEMSデバイス1全体の剛性を維持するために支持基板10を用いつつ、PZT薄膜21の支持はマイクロカンチレバー22に委ねている。
The PZT
PZT薄膜21の上面全体には、上部電極14が設けられている。上部電極14と、下部電極13とにより、PZT薄膜21に電圧が印加される。
上部電極14および下部電極13は、金、白金、イリジウムなど、金属材料のうち圧電薄膜の形成時に化学反応しない(実質的に化学反応しない場合も含む)金属材料、および酸化イリジウム、LaNiO3、SrRuO3、LaSrCoO3などの酸化物により形成されている。その金属材料により形成された下地電極が酸化物で覆われることにより、上部電極14および下部電極13が形成されている。
An
The
次に、圧電MEMSデバイス1の製造手順について説明する。
図2(a)に示すように、支持基板10上に、酸化膜11、構造体20の母材220、酸化膜12、下部電極13、PZT薄膜21、上部電極14を順に形成する(積層ステップ)。
次に、図2(b)に示すように、上部電極14、PZT薄膜21、下部電極13、および酸化膜12の一部をエッチングにより除去する(圧電薄膜成形ステップ)。
Next, a manufacturing procedure of the
As shown in FIG. 2A, the
Next, as shown in FIG. 2B, the
続いて、構造体20の母材220に対してエッチングを施し、図2(c)に示すようにマイクロカンチレバー22を形成する(構造体成形ステップ)。
さらに、支持基板10に対してもエッチングを施すと、図2(d)に示すようにレバー先端部22Bに対向する支持基板10の部分が除去され、支持基板10が成形される(支持基板成形ステップ)。
Subsequently, the
Further, when the
その後、PZT薄膜21の結晶配向性を向上させるため、PZT薄膜21に交流電圧を印加する交流電圧印加処理交流電圧印加処理を実施する(交流電圧印加処理ステップ)。
本実施形態では、交流電圧印加処理として、抗電界以上の80Vで1kHzの交流電圧を10サイクル分PZT薄膜21に印加する。例えば、図13(a)に示すように、所定の時間(ここでは0.1秒)をおいて間欠的に交流電圧を印加することができる。
交流電圧の波形はここでは三角波であるが、正弦波、矩形波などであってもよい。
交流電圧印加処理時の電圧は、PZT薄膜21と同様の構成(材料、組成、および膜厚)を持つ試料について予め行う強誘電ヒステリシス測定に基づいて決めることができる。その際に残留分極値が二段階飽和する電圧を調べ、その電圧以上で交流電圧印加処理を行うのが好ましい。
本実施形態のPZT薄膜21の材料(PZT)、組成(テトラ組成)、および膜厚(1.7μm)の場合、図3に示すように、印加交流電圧を徐々に上げて強誘電ヒステリシスを測定すると、残留分極値(2Pr)が上昇後、一旦平坦になり、再び上昇し、再度平坦になる交流電圧(すなわち二段階飽和する交流電圧)が約80Vとなる。
したがって交流電圧印加処理時の印加電圧を80Vとしている。
Thereafter, in order to improve the crystal orientation of the PZT
In this embodiment, as an AC voltage application process, an AC voltage of 1 kHz at 80 V that is equal to or higher than the coercive electric field is applied to the PZT
The waveform of the AC voltage is a triangular wave here, but may be a sine wave, a rectangular wave, or the like.
The voltage during the AC voltage application process can be determined based on a ferroelectric hysteresis measurement performed in advance on a sample having the same configuration (material, composition, and film thickness) as the PZT
In the case of the material (PZT), composition (tetra composition), and film thickness (1.7 μm) of the PZT
Therefore, the applied voltage during the AC voltage application process is 80V.
上記の製造ステップを経て、圧電MEMSデバイス1が製造される。
次に、圧電MEMSデバイス1の圧電特性について説明する。
なお、以下で説明する図4〜図6は、上述したテトラ組成のPZT薄膜21の特性値を示すが、MPB組成のPZT薄膜21の特性値も同様の傾向を示す。後述する図8〜図10についても同様である。
図4は、圧電MEMSデバイス1の製造ステップによって、X線回析結果および強誘電ヒステリシスが変化する様子を示している。図4の左欄は、支持基板10のエッチング前(図2(c))の圧電MEMSデバイス中間体に対応し、中欄は、支持基板10のエッチング後の圧電MEMSデバイス1(図2(d))に対応し、右欄は、80Vでの交流電圧印加処理後の圧電MEMSデバイス1に対応している。
The
Next, the piezoelectric characteristics of the
4 to 6 described below show the characteristic values of the PZT
FIG. 4 shows how the X-ray diffraction result and the ferroelectric hysteresis change depending on the manufacturing steps of the
図4の上段に示すX線回折図は、回折角に応じたX線強度分布を示している。その分布には、(200)および(002)の配向成分のピークが表れている。なお、本明細書における(nanbnc)は(na、nb、およびncはいずれも整数)、結晶格子面を特定するミラー指数を示す。単位格子のa軸、b軸およびc軸に、na、nb、およびncが対応する。
図4の中段には、X線回折図の(200)および(002)配向成分の回折角と、(200)および(002)配向成分のピークの面積比から換算した(100)および(001)の配向成分の割合の表を示す。(100)および(001)の配向成分の和を100%としている。
The X-ray diffraction diagram shown in the upper part of FIG. 4 shows the X-ray intensity distribution according to the diffraction angle. In the distribution, peaks of orientation components (200) and (002) appear. Note that (n a n b n c ) in this specification (n a , n b , and n c are all integers) indicates a Miller index that specifies a crystal lattice plane. A-axis of the unit cell, the b-axis and c-axis, n a, n b, and n c correspond.
The middle part of FIG. 4 shows (100) and (001) converted from the diffraction angle of the (200) and (002) orientation components and the area ratio of the peaks of the (200) and (002) orientation components in the X-ray diffraction diagram. The table | surface of the ratio of the orientation component of is shown. The sum of the orientation components (100) and (001) is 100%.
図4の左欄、中欄、右欄に示すように、圧電MEMSデバイス1の圧電特性は、支持基板10のエッチング前、支持基板10のエッチング後、交流電圧印加処理後と、処理毎に変化する。
ここで、交流電圧印加処理を行うと、(001)配向成分の割合が34%から44%へと増加する。これは、交流電圧印加により(100)配向成分が(001)配向成分へと変化するためと推察される。
上記の結晶配向性の向上に伴い、電場に対する分極を示す強誘電ヒステリシスループ(図4の下段)における残留分極値Pr,−Prに基づく分極の度合(2Pr)が、20.3から57.5へと大幅に増加する。すなわち、交流電圧印加処理によって圧電特性が向上している。
As shown in the left column, the middle column, and the right column in FIG. 4, the piezoelectric characteristics of the
Here, when the AC voltage application process is performed, the ratio of the (001) orientation component increases from 34% to 44%. This is presumably because the (100) orientation component changes to the (001) orientation component by application of an alternating voltage.
With the improvement of the crystal orientation, the degree of polarization (2Pr) based on the remanent polarization values Pr and -Pr in the ferroelectric hysteresis loop (lower stage in FIG. 4) showing the polarization with respect to the electric field is 20.3 to 57.5. Greatly increased. That is, the piezoelectric characteristics are improved by the AC voltage application process.
上記に記載された(100)/(001)配向PZT薄膜は、(100)配向している組織と、(001)配向している組織が混ざった状態である。このうち(100)配向している組織は、膜厚2μm程度に対して2V程度電圧を印加しても圧電効果は示さない。一方、(001)配向している組織(c軸配向)は圧電効果を示す。交流電圧印加処理により、(001)配向している組織の割合が増大すれば、圧電効果を示す組織の割合が増大することになるので、圧電定数d31が増大する。 The (100) / (001) -oriented PZT thin film described above is a state in which a (100) -oriented structure and a (001) -oriented structure are mixed. Of these, the (100) -oriented structure does not show a piezoelectric effect even when a voltage of about 2 V is applied to a film thickness of about 2 μm. On the other hand, a (001) -oriented structure (c-axis orientation) shows a piezoelectric effect. If the proportion of the (001) -oriented tissue is increased by the AC voltage application process, the proportion of the tissue exhibiting the piezoelectric effect is increased, and thus the piezoelectric constant d31 is increased.
図5は、本実施形態との比較のため、MEMS構造体20のエッチング後(図2(c))に交流電圧印加処理を行い、その後で支持基板10のエッチングを行った場合の強誘電ヒステリシスループを示す。この比較例に示すように、MEMS構造体20のエッチング処理後(図5(a))に、80Vで交流電圧印加処理を行うと、図5(b)に示すように、残留分極値Prが増加するが(図4の右欄と同様)、その残留分極値Prは、支持基板10のエッチング後には、図5(c)に示すように大幅に低下していることがわかる。その後、再度交流電圧印加処理をしても、図5(d)に示すように残留分極値Prは初回の交流電圧印加処理後の状態(図5(b))には回復せず、分極の対称性も失われる。
上記のように、残留分極値が低下するのは(図5(c))、支持基板10の成形時の加熱、プラズマダメージに起因する。圧電現象は、電圧に追従して分極の向きが変わること、あるいは加えられた力に対して分極の向きが変わることによって発現し、圧電特性は、c軸配向性の向上に加えて、分極の向き(イオンシフトの向き)が揃っている必要がある。
したがって、支持基板10成形時の熱やプラズマによって電荷がPZT薄膜21の結晶内に貼りついて、イオンシフトができなくなると(分極のピンニング)、それによって分極が凍結されるので、圧電特性が低下してしまう。
以上から、支持基板10の成形時の加熱、プラズマダメージに由来する分極の凍結による圧電特性の低下を避けるために、交流電圧印加処理は、支持基板10のエッチングを行って、圧電MEMSデバイス1の成形が完了したチップ状態で行う方が良いといえる。
For comparison with the present embodiment, FIG. 5 shows ferroelectric hysteresis when the alternating voltage application process is performed after the
As described above, the remanent polarization value is lowered (FIG. 5C) due to heating and plasma damage in forming the
Therefore, if the charge is stuck in the crystal of the PZT
From the above, in order to avoid the deterioration of the piezoelectric characteristics due to the freezing of polarization due to the heating and the plasma damage due to the formation of the
続いて、本実施形態の圧電MEMSデバイス1の動作を確認する。図6は、PZT薄膜21に数V(Peak-to-peak value)の交流駆動電圧を印加したときのマイクロカンチレバー22の先端(自由端)の変位量を示している。駆動電圧の周波数は1kHzである。
80Vで交流電圧印加処理された本実施形態の圧電MEMSデバイス1のデータは白い三角(△)でプロットし、30Vで交流電圧印加処理したときのデータは黒い丸(●)でプロットしている。また、交流電圧印加処理しないときのデータを白い丸(○)でプロットしている。
Then, operation | movement of the
The data of the
図6に示すように、マイクロカンチレバー22の先端の変位量は、駆動電圧の上昇に比例して大きくなる。ここで、交流電圧印加処理しないとき(○)よりも交流電圧印加処理をしたとき(●および△)の方が駆動電圧に対する変位量の増加率が大きい。変位量の増加率は、30Vで交流電圧印加処理したとき(●)よりも80Vで交流電圧印加処理したとき(△)の方が大きい。
As shown in FIG. 6, the amount of displacement of the tip of the
図6に示す動作結果は、図4に示す配向特性と一致している。仮に、交流電圧印加処理によってPZT薄膜21に亀裂(マイクロクラック)が生じているなら、配向特性が向上したとしても、亀裂に起因して、図6に示される変位がずっと小さくなる筈である。先端変位量が印加電圧の上昇に比例して大きくなることに基づいて、亀裂が生じていないと推察される。
亀裂が生じないのは、マイクロカンチレバー22のレバー先端部22BにPZT薄膜21が設けられることにより、PZT薄膜21に対する拘束力が、支持基板10によりPZT薄膜21が支持される場合と比べて大幅に低減されるためである。マイクロカンチレバー22の厚みは、PZT薄膜21の厚みの約6倍に過ぎず、その柔軟性により、主としてレバー先端部22Bが、交流電圧印加処理で結晶配向性を変化させたときのPZT薄膜21の歪みに追従して変形できる。そのため、PZT薄膜21には亀裂が生じない。
The operation results shown in FIG. 6 are consistent with the orientation characteristics shown in FIG. If cracks (microcracks) are generated in the PZT
The crack does not occur because the PZT
図6に示す駆動電圧に対する変位量から求められた横方向圧電定数d31の値も、交流電圧印加処理しないとき(○)は−13pm/Vであるのに対し、30Vで交流電圧印加処理したとき(●)は−24pm/V、80Vで交流電圧印加処理したとき(△)は−42pm/Vと、その絶対値が大きくなる。この圧電定数d31は、マイクロカンチレバー22の変位量に比例する。
以上で説明したように、駆動電圧に対する変位量増加率の増大、および圧電定数d31の増大により、マイクロカンチレバー22の駆動性能および駆動精度を高くすることが可能となる。
The value of the lateral piezoelectric constant d31 obtained from the displacement with respect to the drive voltage shown in FIG. 6 is also -13 pm / V when the AC voltage application process is not performed (O), but when the AC voltage application process is performed at 30 V (●) is −24 pm / V, and when AC voltage is applied at 80 V, (Δ) is −42 pm / V, and its absolute value increases. The piezoelectric constant d31 is proportional to the amount of displacement of the
As described above, the drive performance and drive accuracy of the
以上より、圧電MEMSデバイス1の動作面からも、交流電圧印加処理によって圧電特性が向上することが確認できた。
From the above, it was confirmed that the piezoelectric characteristics were improved by the AC voltage application process also from the operation side of the
本実施形態によれば、PZT薄膜21の厚みとそれ程変わらない厚みのMEMS構造体20によりPZT薄膜21を支持し、それによって交流電圧印加処理時のPZT薄膜21の応力が緩和されることにより、PZT薄膜21に亀裂が生じるのを回避できる。したがって、信頼性を確保しつつ、圧電特性を向上させることができる。
なお、MEMS構造体20は、その機能に応じて形態が種々に変わり、支持基板10への支持形態も、両持ち支持や、他の支持形態をとる場合がある。そのようなMEMS構造体20の形態、支持形態によらず、MEMS構造体20において少なくとも機能部にPZT薄膜21が設けられることにより、上記同様に、PZT薄膜21に対する拘束力が低減されるので、PZT薄膜21に亀裂を生じさせることなく圧電特性を向上させることができる。
さらに、本実施形態のテトラ組成のPZT薄膜21の膜厚が1.7μmで、交流電圧印加処理時の印加電圧が80Vであることにより、テトラ組成のPZT薄膜の範疇では、交流電圧印加処理時の印加電圧を膜厚1μmあたり±50V以上とすることにより、圧電薄膜のc軸配向性をより確実に高めることができる。
According to the present embodiment, the PZT
Note that the
Further, since the film thickness of the tetra-composition PZT
次に、交流電圧印加処理の電圧の最適化について検討する。
以下では、図7に示す圧電MEMSデバイスとしてのセンサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3を用いる。
なお、既に説明した構成と同様の構成には同じ符号を付している。
センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3は、センサ本体3Aと、センサ本体3Aを支持する支持基板3Bとを備えている。
支持基板3Bは、上述の支持基板10と同様の材料、同様の厚みで、矩形状の枠体に形成されている。
Next, the optimization of the voltage of the AC voltage application process will be examined.
In the following, the sensor / actuator integrated
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to the structure already demonstrated.
The sensor / actuator integrated
The
センサ本体3Aは、半導体微細加工プロセスにより作製される機械要素を含むMEMS構造体としてのマイクロカンチレバー30と、マイクロカンチレバー30に設けられる検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32と、を備えている。これらの検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32は、互いに接触しないように間隔をおいて形成されている。
検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32の各々は、個別に上部電極141および下部電極131が設けられることで、圧電体を2枚の電極で挟んだ圧電素子構造をそれぞれ構成している。
マイクロカンチレバー30は、支持基板3Bに片持ち支持されており、支持基板3Bの一辺に沿って支持面3S上に支持される端子部30Bと、端子部30Bから支持面3Sを超えて延在し、支持基板3B内周の矩形状の開口3C内に配置される細長い変位検知部30Cとを有している。
マイクロカンチレバー30の厚みは、検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32の厚みの0.5〜50倍とされており、例えば1〜50μm程度とされている。
端子部30Bの中央には、検出用PZT薄膜31の上部電極141および下部電極131から電圧を取り出すための検出用端子301が設けられている。
端子部30Bの両端には、駆動用PZT薄膜32の上部電極142および下部電極132に電圧を印加するための駆動用端子302が設けられている。
The
Each of the detection PZT
The
The thickness of the
A
Driving
検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32は、上記のPZT薄膜21と同様に形成されている。
駆動用PZT薄膜32は、変位検知部30Cの長さ方向に沿ってU字状に形成されている。
検出用PZT薄膜31は、駆動用PZT薄膜32の両腕の間に配置されている。
The detection PZT
The driving PZT
The detection PZT
センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3は、マイクロカンチレバー30に生じる変位を検出用PZT薄膜31によって電圧として検出する。
ここで、上記の圧電MEMSデバイス1と同様に、マイクロカンチレバー30の変位量は、駆動用PZT薄膜32の圧電定数d31に比例している。また、マイクロカンチレバー30の変位量が同じであれば、検出用PZT薄膜31の圧電定数d31が高いほうが高い電圧を生じさせるので、変位量に対する感度(検出精度)が高くなる。
このセンサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3の圧電特性を確認するために、駆動用PZT薄膜32に電圧を印加してマイクロカンチレバー30の全体を振動させ、そのときの振動変位を検出用PZT薄膜31からの出力電圧に基づいてモニタリングする。
The sensor / actuator integrated
Here, similarly to the
In order to confirm the piezoelectric characteristics of the sensor / actuator integrated
センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3は、上記の圧電MEMSデバイス1の製造手順と同様に、支持基板3Bのエッチング、マイクロカンチレバー30の母材のエッチング、および交流電圧印加処理を経て製造される。
ここで、交流電圧印加処理の電圧を導くため、交流電圧印加処理時の印加電圧を20V〜90Vの範囲で変更して複数の試料を得る。
それらの試料に対するX線回析に基づいて、図8に、検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32の(001)配向成分(c軸配向成分)の割合(Vc)と、a軸およびc軸の格子定数とを示す。
(001)配向成分の割合Vcは、交流電圧が50Vまではあまり変化がないが、50V以上では増加する。Vcは、50V以上では急激に増加している。
また、c軸の格子定数も50V以上では増加する。
The sensor / actuator integrated
Here, in order to derive the voltage of the AC voltage application process, the applied voltage during the AC voltage application process is changed in the range of 20 V to 90 V to obtain a plurality of samples.
Based on the X-ray diffraction of these samples, FIG. 8 shows the ratio (Vc) of the (001) orientation component (c-axis orientation component) of the detection PZT
The (001) orientation component ratio Vc does not change much until the AC voltage reaches 50V, but increases at 50V or higher. Vc increases rapidly above 50V.
Also, the c-axis lattice constant increases at 50 V or higher.
一方、図9に基づいて、センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3の動作を確認する。
図9には、5V、共振周波数(ここでは2.2kHz)の正弦波駆動電圧を印加して試料(センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー)A、試料B、および試料Cを振動させたときのマイクロカンチレバー30の先端変位量、および検出用PZT薄膜31の出力電圧が交流電圧に応じて変化する様子が示されている。なお、試料A,B,Cおよび図10の試料D,Eはすべて、同一のウエハ上から抽出されている。
図9に示す先端変位量、出力電圧は、PZT薄膜31,32の結晶格子内の分極状態を反映しており、先端変位量は、駆動用PZT薄膜32の圧電定数d31に比例し、出力電圧は、駆動用PZT薄膜32の圧電定数d31および検出用PZT薄膜31の圧電定数d31の積に比例する。すなわち、先端変位量および出力電圧のいずれも圧電定数d31に比例する量なので、それら先端変位量および出力電圧を測定することで交流電圧印加処理の最適化に繋がる。
先端変位量および出力電圧のいずれも、交流電圧が20Vと30Vの間で急激に上昇し、約60Vで最大となるが、それ以上の交流電圧では減少する。検出用PZT薄膜31の出力電圧は、60Vを超えると急激に減少する。
On the other hand, based on FIG. 9, the operation of the sensor / actuator integrated
In FIG. 9, when a sinusoidal driving voltage of 5 V and a resonance frequency (here 2.2 kHz) is applied, the sample (sensor / actuator integrated micro cantilever) A, sample B, and sample C are vibrated. The state in which the tip end displacement of the
The tip displacement amount and output voltage shown in FIG. 9 reflect the polarization state in the crystal lattice of the PZT
Both the tip displacement amount and the output voltage increase rapidly between 20V and 30V and become maximum at about 60V, but decrease at higher AC voltages. When the output voltage of the detection PZT
図8で示したように交流電圧を大きくするほど、(001)配向成分の割合Vcが増加し続けるにも関わらず、図9に示すように、先端変位量、出力電圧のいずれも、約60Vを最大として減少に転じる。
その理由は、図10に示す誘電損失の増加が原因であると考えられる。
試料Dおよび試料Eに基づいて得られた誘電損失は、60V以下の交流電圧では0.02程度で、PZT薄膜としては標準的な値であるが、交流電圧が60Vと80Vとの間で急激に増加する。なお、70Vのときの誘電損失は図10の欄外の正の値をとる。
As shown in FIG. 8, as the AC voltage is increased, the (001) orientation component ratio Vc continues to increase. However, as shown in FIG. 9, both the tip displacement amount and the output voltage are about 60 V. And turn to decrease.
The reason is considered to be caused by an increase in dielectric loss shown in FIG.
The dielectric loss obtained based on Sample D and Sample E is about 0.02 at an AC voltage of 60 V or less, and is a standard value for a PZT thin film, but the AC voltage suddenly varies between 60 V and 80 V. To increase. The dielectric loss at 70 V takes a positive value outside the margin of FIG.
図10に示すように誘電損失が増加するのは、マイクロカンチレバー30の端子部30Bが支持基板10に支持されているので、その部分の支持基板10が検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32に与える拘束力により、交流電圧印加処理時に検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32に亀裂が生じているためと考えられる。
交流電圧印加処理時の印加電圧が小さければ、結晶配向性の変化、検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32の応力も小さいが、印加電圧の上昇により結晶配向性の変化が大きくなり、検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32の応力が大となると、圧電薄膜に対する拘束力が増して亀裂を生じる。
As shown in FIG. 10, the dielectric loss increases because the
If the applied voltage during the AC voltage application process is small, the change in crystal orientation and the stress in the detection PZT
以上の検討により、本実施形態で用いた試料によると、交流電圧印加処理時の印加電圧は、約40V〜約60Vが好適である。すなわち、交流電圧印加処理では、圧電薄膜に亀裂を生じさせない限度で、できるだけ大きい交流電圧を圧電薄膜に印加するのが好ましい。それにより、信頼性を確保しながら、圧電特性を大きく向上させることができる。 From the above examination, according to the sample used in the present embodiment, the applied voltage during the AC voltage application process is preferably about 40V to about 60V. That is, in the AC voltage application process, it is preferable to apply as much AC voltage as possible to the piezoelectric thin film as long as the piezoelectric thin film is not cracked. Accordingly, the piezoelectric characteristics can be greatly improved while ensuring reliability.
次に、検出用PZT薄膜31および駆動用PZT薄膜32に対する支持基板10の拘束力を極力排除できる構造を示す。
図11(a)に示す圧電MEMSデバイス4は、デバイス本体4Aと、デバイス本体4Aを支持する支持基板4Bとを備えている。
デバイス本体4Aは、MEMS構造体40と、PZT薄膜21とを有している。なお、既に説明した構成と同様の構成には同じ符号を付している。
Next, a structure is shown in which the restraining force of the
The
The
MEMS構造体40は、支持基板4Bの支持面4S上に支持される矩形状の端子部41と、端子部41から垂直に支持面4Sを超えて延在する構造体本体42とを有している。構造体本体42の全体と、端子部41の中央部41Aに重なるように、PZT薄膜21がMEMS構造体40に設けられている。
端子部41は、中央部41Aと、中央部41Aの両側に連続し、支持基板4Bの支持面4Sに対向する対向部41B,41Cとを有している。
ここで、支持基板4Bは、中央部41Aに対応する部分が厚み全体に亘りエッチングにより除去されている。端子部41は、支持基板4Bの除去により形成された空間Sの上方で、支持基板4Bの空間Sを挟んで対向する部分P1,P2に架け渡されている。
The
The
Here, in the
上記構造によれば、電圧の印加や取り出しのためにPZT薄膜21が端子部41の中央部41Aに延出していても、その中央部41Aの下側には支持基板4Bの支持面4Sが存在せず、PZT薄膜21の全体がMEMS構造体40により支持される。そうすると、支持基板4Bによる拘束力をなくし、PZT薄膜21に対する拘束力を最小限にできるので、PZT薄膜21に亀裂が生じるのをより確実に防止できる。
According to the above structure, even if the PZT
MEMS構造体40を支持基板4Bにより支持できる限り、支持基板4Bが除去される範囲、形状は任意である。
図11(b)に示す例では、端子部41の中央部41Aの下側が支持基板4Bに接触しないように、支持基板4Bを支持面4Sから所定の深さだけ掘り下げるように除去している。この構成も、PZT薄膜21に対する拘束力を小さくできるので、本発明に包含される。
As long as the
In the example shown in FIG. 11B, the
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係る圧電MEMSデバイスおよびその製造方法について説明する。
上記の第1実施形態では、基準電位である0Vに対して正負に反転しながら大きさが変化する交流電圧を印加する処理(交流電圧印加処理)によりPZT薄膜のc軸配向性を向上させるが、第2実施形態では、基準電位に対する正負のいずれか片側において大きさが変化する電圧を印加する処理によりPZT薄膜のc軸配向性を向上させる。
以下では、正負いずれかの単一極の(ユニポーラ)範囲内で大きさが変化する電圧をPZT薄膜に印加する処理のことをユニポーラポーリングと称し、これに対して上記第1実施形態で行われる交流電圧印加処理(交流電圧印加処理)と同様に、正負の両極性に符号が反転する電圧を印加することをバイポーラポーリングと称する。
また、直流電圧をPZT薄膜に印加する処理のことを直流ポーリングと称する。
ポーリングは、電場を印加することにより、電場を取り去った後に残留する残留分極を与える処理をいう。
[Second Embodiment]
Next, a piezoelectric MEMS device and a manufacturing method thereof according to a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, the c-axis orientation of the PZT thin film is improved by the process of applying an alternating voltage whose magnitude changes while being positively or negatively reversed with respect to 0 V that is the reference potential (alternating voltage application process). In the second embodiment, the c-axis orientation of the PZT thin film is improved by applying a voltage that changes in magnitude on either the positive or negative side with respect to the reference potential.
Hereinafter, the process of applying a voltage whose magnitude changes within a positive or negative single pole (unipolar) range to the PZT thin film is referred to as unipolar poling, and is performed in the first embodiment. As in the AC voltage application process (AC voltage application process), applying a voltage whose sign is inverted to both positive and negative polarities is called bipolar polling.
The process of applying a DC voltage to the PZT thin film is called DC poling.
Poling refers to a process of applying residual electric field to provide residual polarization that remains after the electric field is removed.
第2実施形態の圧電MEMSデバイスは、交流電圧印加処理(交流電圧印加処理)に代えてユニポーラポーリングを行うことを除いて、第1実施形態の圧電MEMSデバイス1(図1)と同様に構成されている。
つまり、第2実施形態の圧電MEMSデバイスも、MEMS構造体20およびPZT薄膜21を有するデバイス本体2と、支持基板10とを備えている(図1参照)。
PZT薄膜21の組成としては、第1実施形態と同様、例えばMPB(Morphotropic Phase Boundary)組成(Zr/Ti=52/48)、テトラ組成(Zr/Ti=30/70)を採用することができる。
The piezoelectric MEMS device of the second embodiment is configured in the same manner as the piezoelectric MEMS device 1 (FIG. 1) of the first embodiment except that unipolar poling is performed instead of the AC voltage application process (AC voltage application process). ing.
That is, the piezoelectric MEMS device according to the second embodiment also includes the
As the composition of the PZT
また、第2実施形態の圧電MEMSデバイスは、図2を参照して説明した製造ステップ((a)積層ステップ、(b)圧電薄膜成形ステップ、(c)積層体成形ステップ、(d)支持基板成形ステップ)により、第1実施形態の圧電MEMSデバイス1と同様に成形される。
その後、PZT薄膜21に、基準電位(0V)に対して符号が反転しない範囲内で大きさが変化する電圧を印加する処理を実施することにより(ユニポーラポーリングステップ)、本実施形態の圧電MEMSデバイスを製造することができる。
The piezoelectric MEMS device according to the second embodiment includes the manufacturing steps ((a) stacking step, (b) piezoelectric thin film forming step, (c) laminate forming step, (d) supporting substrate described with reference to FIG. By the molding step), the molding is performed in the same manner as the
Thereafter, a process of applying a voltage whose magnitude changes within a range in which the sign is not inverted with respect to the reference potential (0 V) is performed on the PZT thin film 21 (unipolar polling step), whereby the piezoelectric MEMS device of the present embodiment. Can be manufactured.
以下では、バイポーラポーリング、および直流ポーリングを行った場合と比較しながら、ユニポーラポーリングによる圧電特性向上の効果について説明する。
ここで、図12(a)に下向きの矢印のEf1で示すように、PZT薄膜21から支持基板10に向かう電場を発生させる電圧を正の電圧と定義する。このとき、PZT薄膜21に電源として接続される電圧印加装置のグランドが下部電極13に接続される。 一方、図12(b)に上向きの矢印のEf2で示すように、支持基板10からPZT薄膜21に向かう電場を発生させる電圧を負の電圧と定義する。このとき、電圧印加装置のグランドが上部電極14に接続される。
Hereinafter, the effect of improving the piezoelectric characteristics by unipolar poling will be described in comparison with the case where bipolar poling and direct current poling are performed.
Here, as indicated by the downward arrow Ef1 in FIG. 12A, a voltage that generates an electric field from the PZT
図13(a)(b)はそれぞれ、バイポーラポーリング、ユニポーラポーリングにおける電圧波形の例を示す。また、図13(c)は、直流ポーリングにおける電圧を示す。
図13(a)は、第1実施形態のバイポーラポーリング(交流電圧印加処理)において印加することができる電圧の波形を示す。印加電圧は、0Vに対して正負に反転しながら大きさが変化する交流電圧である。
ここでは、電圧値が正の値および負の値をとり一巡する1周期が0.001秒となる1kHzの交流電圧を1周期ずつ、所定の時間(0.1秒)をおいて10回繰り返して印加する。このように間欠的に印加されると、波形は、短時間で急激に変化するパルス状となる。
最初のパルスの印加開始時から最後のパルスの印加終了時までの所要時間は1秒である。
印加電圧の波形は、図示した三角波に限らず、正弦波、矩形波、鋸波などであってよい。
印加電圧は、PZT薄膜21の膜厚を考慮して定めることができる。
FIGS. 13A and 13B show examples of voltage waveforms in bipolar polling and unipolar polling, respectively. FIG. 13C shows a voltage in DC polling.
FIG. 13A shows a waveform of a voltage that can be applied in the bipolar polling (AC voltage application process) of the first embodiment. The applied voltage is an alternating voltage whose magnitude changes while being reversed positively and negatively with respect to 0V.
Here, the AC voltage of 1 kHz in which one cycle of the voltage value takes a positive value and a negative value is 0.001 second, and is repeated one cycle at a predetermined time (0.1 second) 10 times. Apply. When intermittently applied in this manner, the waveform becomes a pulse shape that changes rapidly in a short time.
The required time from the start of application of the first pulse to the end of application of the last pulse is 1 second.
The waveform of the applied voltage is not limited to the illustrated triangular wave, and may be a sine wave, a rectangular wave, a sawtooth wave, or the like.
The applied voltage can be determined in consideration of the film thickness of the PZT
図13(b)は、本実施形態のユニポーラポーリングにおいて印加することができる電圧波形を示す。印加電圧は、0Vに対して片側のみで、時間(t)の経過により大きさが次第に変化する。
ここでは、図12(a)に示す極性で電圧を印加することにより、正の側のみで電圧値が変化する。また、電圧値が0Vから漸増した後、漸減して0Vに戻る1周期が0.001秒となる1kHzの電圧を1周期ずつ、所定の時間(0.1秒)をおいて10回繰り返して印加する。このように間欠的に印加されると、波形は、短時間で急激に変化するパルス状となる。
最初のパルスの印加開始時から最後のパルスの印加終了時までの所要時間は1秒である。
印加電圧の波形は、図示した三角波に限らず、正弦波、矩形波、鋸波などであってよい。
印加電圧は、PZT薄膜21の分極の向きが反転するときの電場(電界)の大きさである抗電界以上にピーク値が達するように設定される。
FIG. 13B shows voltage waveforms that can be applied in the unipolar polling of this embodiment. The applied voltage is only on one side with respect to 0 V, and the magnitude gradually changes as time (t) elapses.
Here, by applying a voltage with the polarity shown in FIG. 12A, the voltage value changes only on the positive side. In addition, after the voltage value gradually increases from 0V, it gradually decreases and then returns to 0V. The 1 kHz voltage at which one cycle is 0.001 second is repeated 10 times at predetermined intervals (0.1 seconds). Apply. When intermittently applied in this manner, the waveform becomes a pulse shape that changes rapidly in a short time.
The required time from the start of application of the first pulse to the end of application of the last pulse is 1 second.
The waveform of the applied voltage is not limited to the illustrated triangular wave, and may be a sine wave, a rectangular wave, a sawtooth wave, or the like.
The applied voltage is set such that the peak value reaches a coercive electric field that is the magnitude of the electric field (electric field) when the polarization direction of the PZT
図13(c)は、直流電圧を印加する直流ポーリングを示す。印加電圧は、若干変動するにせよ、定められた設定値に維持され、符号も変化しない。
ここでは、図12(a)に示す極性で電圧を印加することにより、正の直流電圧を所定の時間(5分間)連続して印加する。
印加電圧は、電極間が絶縁破壊して放電することによりPZT薄膜21を機械的に破壊させない最大の電圧値に設定される。ここでは20Vである。
FIG. 13C shows DC poling for applying a DC voltage. Although the applied voltage varies slightly, it is maintained at a predetermined set value, and the sign does not change.
Here, a positive DC voltage is applied continuously for a predetermined time (5 minutes) by applying a voltage with the polarity shown in FIG.
The applied voltage is set to a maximum voltage value that does not cause the PZT
図13(a)〜(c)に示す各ポーリングによりPZT薄膜21に残留する分極の向きを図14に矢印PVa〜PVcで模式的に示す。
分極の向きは、上記で定義した電圧の向きによって定まる。
電圧が正から負へと切り替わる上記のバイポーラポーリングによれば、サイクルの最後の電圧が負であることにより、支持基板10からPZT薄膜21へと向かう向きの残留分極PVaがPZT薄膜21に与えられる。なお、電圧が負から正へと切り替わるバイポーラポーリングによれば、分極の向きは逆となる。 また、正の範囲で変化するパルスを印加するユニポーラポーリングによれば、PZT薄膜21から支持基板10へと向かう向きの残留分極PVbがPZT薄膜21に与えられる。
そして、正の直流電圧を印加する直流ポーリングによれば、PZT薄膜21から支持基板10へと向かう向きの残留分極PVcがPZT薄膜21に与えられる。
The direction of polarization remaining in the PZT
The direction of polarization is determined by the voltage direction defined above.
According to the bipolar polling in which the voltage is switched from positive to negative, the residual polarization PVa in the direction from the
Then, according to DC poling in which a positive DC voltage is applied, residual polarization PVc in a direction from the PZT
本実施形態の圧電MEMSデバイスは、図13(b)に示すユニポーラポーリングを支持基板10の成形後に行うことによって完成される。
ここで、本実施形態の圧電MEMSデバイスのPZT薄膜21がテトラ組成である場合(図15(a))と、MPB組成である場合(図15(b))とのそれぞれについて、バイポーラポーリングおよび直流ポーリングを行った場合と比較しながら、圧電MEMSデバイスの性能を検証する。
図15(a)(b)は、ポーリングが完了した圧電MEMSデバイスのPZT薄膜21に交流駆動電圧を印加したときのマイクロカンチレバー22の先端(自由端)の変位量と、駆動電圧との関係から求めた圧電定数d31のポーリング電圧に対する依存性を示す。駆動電圧は2V(Peak-to-peak value)で、駆動周波数は800Hzである。その駆動周波数は、圧電MEMデバイスの共振周波数(例えば10kHz)に対して極めて低い。
上述したように、圧電定数d31はマイクロカンチレバー22の変位量に比例しており、圧電定数d31の値を大きくすることにより、マイクロカンチレバー22の性能を高くすることが可能となる。
The piezoelectric MEMS device of this embodiment is completed by performing unipolar poling shown in FIG. 13B after the
Here, bipolar poling and direct current are performed for the case where the PZT
15A and 15B show the relationship between the drive voltage and the amount of displacement of the tip (free end) of the
As described above, the piezoelectric constant d31 is proportional to the amount of displacement of the
図15(a)(b)における記号を説明する。
バイポーラポーリングを行ったデバイスのデータ(BP−P)は白い丸(○)でプロットされている。
直流ポーリングを、図12(a)のEf1(下向き↓)に対応する正電圧で行ったデバイスのデータ(DC−P↓)は、破線でプロットされている。
直流ポーリングを、図12(b)のEf2(上向き↑)に対応する負電圧で行ったデバイスのデータ(DC−P↑)は、一点鎖線でプロットされている。
ユニポーラポーリングを、図12(a)のEf1(下向き↓)に対応する正電圧で行ったデバイスのデータ(UP−P↓)は、白い三角(▽)でプロットされている。
ユニポーラポーリングを、図12(b)のEf2(上向き↑)に対応する負電圧で行ったデバイスのデータ(UP−P↑)は、黒い三角(▲)でプロットされている。
The symbols in FIGS. 15A and 15B will be described.
Data (BP-P) of the device subjected to bipolar polling is plotted with white circles (◯).
The data (DC-P ↓) of the device in which the DC polling is performed with a positive voltage corresponding to Ef1 (downward ↓) in FIG. 12A is plotted with a broken line.
Data (DC-P ↑) of a device in which DC polling is performed with a negative voltage corresponding to Ef2 (upward ↑) in FIG. 12B is plotted with a one-dot chain line.
Device data (UP-P ↓) obtained by performing unipolar polling with a positive voltage corresponding to Ef1 (downward ↓) in FIG. 12A is plotted with white triangles (▽).
Device data (UP-P ↑) obtained by performing unipolar polling with a negative voltage corresponding to Ef2 (upward ↑) in FIG. 12B is plotted with black triangles (▲).
まず、図15(a)に示すテトラ組成の場合について説明する。
直流ポーリングにより得られるd31は、正電圧印加の場合(DC−P↓)で約40pm/V、負電圧印加の場合(DC−P↑)で約30pm/Vである。ここで、直流ポーリングでは、印加電圧が大きいほど、圧電特性向上の効果が高い。そのため、上述のように、絶縁破壊により放電を生じさせない最大の電圧(20V)を印加している。これは図15(b)に示すMPB組成の場合も同様である。
さて、バイポーラポーリング(BP−P)により得られるd31の最大値は、ポーリング時の印加電圧が50〜60Vの範囲において約40pm/Vであり、直流ポーリングの場合の値を上回っている。
さらに、ユニポーラポーリング(UP−P)により得られるd31は、正電圧印加の場合(UP−P↓)も負電圧印加の場合(UP−P↑)も、バイポーラポーリングの場合の値を上回り、約50pm/Vである。バイポーラポーリングと同様に、d31は、ポーリング時の印加電圧が50〜60Vの範囲において最大値を示す。
以上より、テトラ組成の場合、ユニポーラポーリングにより、直流ポーリングおよびバイポーラポーリングと比較して高い性能が得られること、そして、実験の範疇では、適正なユニポーラポーリング電圧は50〜60Vであることがわかる。
本実施形態において、テトラ組成のPZT薄膜21の膜厚が1.7μmであることにより、テトラ組成の場合、ユニポーラポーリング時の印加電圧を膜厚1μmあたり20〜40Vの範囲にすることにより、圧電薄膜内部にクラックを形成することなくc軸配向性をより確実に高めることができる。
First, the case of the tetra composition shown in FIG.
The d31 obtained by direct current poling is about 40 pm / V when a positive voltage is applied (DC-P ↓) and about 30 pm / V when a negative voltage is applied (DC-P ↑). Here, in direct current poling, the larger the applied voltage, the higher the effect of improving the piezoelectric characteristics. Therefore, as described above, the maximum voltage (20 V) that does not cause discharge due to dielectric breakdown is applied. The same applies to the MPB composition shown in FIG.
The maximum value of d31 obtained by bipolar polling (BP-P) is about 40 pm / V when the applied voltage at the time of polling is in the range of 50 to 60 V, which is higher than the value at the time of DC polling.
Furthermore, d31 obtained by unipolar polling (UP-P) exceeds the value in the case of bipolar polling in the case of applying a positive voltage (UP-P ↓) and in the case of applying a negative voltage (UP-P ↑). 50 pm / V. Similar to bipolar polling, d31 shows the maximum value when the applied voltage during polling is in the range of 50 to 60V.
From the above, in the case of the tetra composition, it can be seen that high performance can be obtained by unipolar poling as compared with DC poling and bipolar poling, and that the proper unipolar poling voltage is 50 to 60 V in the experimental category.
In the present embodiment, the film thickness of the PZT
次に、MPB組成の場合について説明する。
直流ポーリングにより得られるd31は、正電圧印加の場合(DC−P↓)で約80pm/V、負電圧印加の場合(DC−P↑)で約65pm/Vである。
それに対して、バイポーラポーリング(BP−P)により得られるd31は、ポーリング時の印加電圧が増加するほど大きくなる傾向を示すが、最大でも約50pm/Vに留まる。
一方、ユニポーラポーリング(UP−P)により得られるd31は、正電圧印加の場合(UP−P↓)で最大約110pm/V、負電圧印加の場合(UP−P↑)で最大約90pm/Vにまで到達する。正電圧印加の場合も負電圧印加の場合も、d31は、ポーリング時の印加電圧が増加するほど大きくなる傾向を示す。そして、ユニポーラポーリングによるd31は、バイポーラポーリングによるd31をポーリング電圧の全体に亘り上回っており、直流ポーリングによるd31も広い電圧範囲において上回っている。
以上より、MPB組成の場合においても、ユニポーラポーリングにより、直流ポーリングおよびバイポーラポーリングと比較して高い性能が得られること、そして、実験の範疇では、適正なユニポーラポーリング電圧は80〜100Vであることがわかる。
本実施形態において、MPB組成のPZT薄膜21の膜厚が1.9μmであることにより、MPB組成の場合、ユニポーラポーリング時の印加電圧を膜厚1μmあたり30V以上とすることにより、圧電薄膜のc軸配向性をより確実に高めることができる。テトラ組成の場合と異なり、MPB組成はc軸配向性の向上による体積変化が小さいため、印加電圧を高くしてもクラック形成はしにくい。このため、絶縁破壊しない範囲で、できるだけ印加電圧を高くすることが望ましい。
Next, the case of MPB composition will be described.
D31 obtained by direct current poling is about 80 pm / V when a positive voltage is applied (DC-P ↓), and is about 65 pm / V when a negative voltage is applied (DC-P ↑).
On the other hand, d31 obtained by bipolar polling (BP-P) tends to increase as the applied voltage at the time of polling increases, but remains at about 50 pm / V at the maximum.
On the other hand, d31 obtained by unipolar polling (UP-P) is about 110 pm / V at maximum when positive voltage is applied (UP-P ↓), and about 90 pm / V at maximum when negative voltage is applied (UP-P ↑). Reach up to. In both cases of applying a positive voltage and a negative voltage, d31 tends to increase as the applied voltage at the time of polling increases. And d31 by unipolar polling exceeds d31 by bipolar polling over the entire polling voltage, and d31 by DC polling also exceeds in a wide voltage range.
From the above, even in the case of MPB composition, high performance can be obtained by unipolar polling compared with DC polling and bipolar polling, and in the category of experiments, an appropriate unipolar polling voltage is 80 to 100V. Recognize.
In the present embodiment, the film thickness of the PZT
ここで、100Vでバイポーラポーリング(BP−P)を行った後、正電圧で直流ポーリングを行うと、d31が100pm/V弱にまで増大した。しかし、バイポーラポーリングに要する1秒に加えて、直流ポーリングに要する5分間の処理時間を必要とする。 Here, when bipolar polling (BP-P) was performed at 100 V and DC polling was performed at a positive voltage, d31 increased to less than 100 pm / V. However, in addition to 1 second required for bipolar polling, a processing time of 5 minutes required for DC polling is required.
したがって、本実施形態のようにユニポーラポーリングを行うことにより、直流ポーリングに要する分オーダーの時間から1秒以下にまで分極処理に要する時間を大幅に短縮しながらも、直流ポーリングを上回る圧電特性の向上を図ることができる。 Therefore, by performing unipolar polling as in this embodiment, the time required for the polarization process is significantly reduced from the time of the minute order required for DC polling to 1 second or less, but the piezoelectric characteristics that exceed DC polling are improved. Can be achieved.
また、本実施形態の圧電MEMSデバイスは、第1実施形態の圧電MEMSデバイス1と同様に、MEMS構造体20によりPZT薄膜21を支持しており、それによってユニポーラポーリング時のPZT薄膜21の応力が緩和されるので、PZT薄膜21に亀裂が生じるのを回避できる。したがって、信頼性を確保しつつ、圧電特性を向上させることができる。
Moreover, the piezoelectric MEMS device of this embodiment supports the PZT
さらに、第1実施形態と同様に、支持基板10を成形した後で、PZT薄膜21にポーリングを行うことにより、支持基板10の成形時の加熱、プラズマダメージに由来する分極の凍結により圧電特性が低下することなく、ユニポーラポーリングによって高められた圧電特性を維持することができる。
Further, as in the first embodiment, after the
第2実施形態に係るユニポーラポーリングは、図9を参照して説明したセンサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー3や、図11(a)(b)に示した圧電MEMSデバイス4にも適用することができる。
The unipolar polling according to the second embodiment can also be applied to the sensor / actuator integrated
第1実施形態で説明した交流電圧印加処理(バイポーラポーリングに同じ)、および第2実施形態で説明したバイポーラポーリングおよびユニポーラポーリングにおいて、印加電圧の大きさ、極性(正負)、周波数、電圧を印加する時間(周期の数)、さらに間欠的に電圧を印加する場合は、隣り合うパルスとパルスとの間の電圧が印加されない時間(電圧非印加時間)、パルスの繰り返し数などについては、任意に定めることができる。
印加電圧の周波数は、100Hz以上であることが好ましい。PZT薄膜21が追従可能な周波数(例えば10MHz)を目処に、周波数の上限を決めることができる。
また、電圧を印加する周期の数は、1〜100程度であることが好ましい。
例えば、100Hzの電圧を10サイクル分、サイクル間に0.05秒の時間をおいて印加すると、1.45秒のポーリング所要時間を実現できる。
ここで、バイポーラポーリングおよびユニポーラポーリングにおいて、印加電圧の周期性は必ずしも必要ではない。
また、図13(a)(b)のようにパルス状に(間欠的に)電圧を印加するのではなく、連続した任意の波形(正弦波、三角波、矩形波、のこぎり波等)で間断なく電圧を印加することもできる。
例えば、100Hzの電圧を10周期分、連続して印加すると、1秒のポーリング所要時間を実現できる。このように連続して電圧を印加しても、0.1秒の時間間隔をおいて電圧を印加する場合と同様の効果が得られる。
間欠的に電圧を印加する場合、上述のように一定の時間間隔で電圧を印加するのではなく、不規則な時間間隔で電圧を印加してもよい。
The magnitude, polarity (positive / negative), frequency, and voltage of the applied voltage are applied in the AC voltage application process (same as bipolar polling) described in the first embodiment and the bipolar polling and unipolar polling described in the second embodiment. The time (number of cycles), when applying voltage intermittently, the time during which no voltage is applied between adjacent pulses (voltage non-application time), the number of repetitions of the pulse, etc. are arbitrarily determined. be able to.
The frequency of the applied voltage is preferably 100 Hz or more. The upper limit of the frequency can be determined with a frequency (for example, 10 MHz) that the PZT
Moreover, it is preferable that the number of periods which apply a voltage is about 1-100.
For example, if a voltage of 100 Hz is applied for 10 cycles with a time of 0.05 seconds between cycles, a polling time of 1.45 seconds can be realized.
Here, in bipolar polling and unipolar polling, the periodicity of the applied voltage is not necessarily required.
Further, the voltage is not applied intermittently (intermittently) as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), but with any continuous waveform (sine wave, triangular wave, rectangular wave, sawtooth wave, etc.) without interruption. A voltage can also be applied.
For example, when a voltage of 100 Hz is continuously applied for 10 cycles, a required polling time of 1 second can be realized. Even if the voltage is continuously applied in this way, the same effect as that when the voltage is applied with a time interval of 0.1 seconds can be obtained.
When the voltage is applied intermittently, the voltage may be applied at irregular time intervals instead of being applied at a constant time interval as described above.
本発明の圧電薄膜としては、上記第1、第2実施形態で例示したPZTの他、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、タングステン酸ナトリウム(NaxWO3)、酸化亜鉛(ZnO、Zn2O3)、ニオブ酸ナトリウムカリウム((K,Na)NbO3)、ビスマスフェライト(BiFeO3)なども用いることができる。
ここで、バイポーラポーリングおよびユニポーラポーリングは、例えばビスマスフェライトのようにリーク電流が大であるために直流ポーリングが難しい圧電薄膜にも適用し易いので、幅広い応用が期待できる。
As the piezoelectric thin film of the present invention, in addition to PZT exemplified in the first and second embodiments, for example, barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), niobium Lithium oxide (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), sodium tungstate (Na x WO 3 ), zinc oxide (ZnO, Zn 2 O 3 ), sodium potassium niobate ((K, Na) NbO 3 ), Bismuth ferrite (BiFeO 3 ) or the like can also be used.
Here, bipolar poling and unipolar poling can be easily applied to piezoelectric thin films which are difficult to perform DC poling because of a large leakage current, such as bismuth ferrite, and thus can be expected to have a wide range of applications.
本発明で行う電圧印加処理は、パルスや交流電圧を印加するのであれば、直流電圧を印加するポーリングよりも高い電圧を印加しても絶縁破壊が起こらないことに基づいている。
パルスや交流電圧であれば、絶縁破壊を起こすことなく、抗電界以上の高い電圧をも印加可能となるので、圧電薄膜をより確実に、短時間でポーリングすることが可能となる。
抗電界以上の電圧を印加する場合、第1実施形態で述べた交流電圧印加処理、第2実施形態で述べたバイポーラポーリングおよびユニポーラポーリングにおいて、1回(1サイクル)限りの印加であっても、結晶構造に変化を及ぼし、圧電特性を向上させることができる。勿論、数回、あるいは10回程度、回数を重ねることにより、効果がより確実となる。
抗電界未満の電圧を印加する場合は、効果を確実に発現させるために、例えば、10〜500回程度、回数を重ねることが好ましい。
The voltage application process performed in the present invention is based on the fact that if a pulse or an AC voltage is applied, dielectric breakdown does not occur even when a voltage higher than the polling for applying the DC voltage is applied.
If it is a pulse or an alternating voltage, it is possible to apply a voltage higher than the coercive electric field without causing dielectric breakdown, so that the piezoelectric thin film can be polled more reliably and in a short time.
In the case of applying a voltage higher than the coercive electric field, in the alternating voltage application process described in the first embodiment, the bipolar polling and the unipolar polling described in the second embodiment, even if it is applied only once (one cycle), It can change the crystal structure and improve the piezoelectric characteristics. Of course, the effect becomes more certain by repeating the number of times several times or about ten times.
In the case of applying a voltage less than the coercive electric field, it is preferable to repeat the number of times, for example, about 10 to 500 times in order to ensure the effect.
1回(サイクル)のみポーリングした場合のデータを図16(a)に示す。
ここでは、直径300μmのドット状テトラ組成のPZT薄膜21の圧電定数d33について測定した。なお、圧電定数d33と上記の圧電定数d31とは基本的に比例関係にある。
図16(a)の左のグラフは、40Vの交流パルスにてバイポーラポーリングしたPZT薄膜21に対して30Vの交流駆動電圧を印加した際の圧電MEMSデバイスの変位量を示す。駆動電圧が正であるときの変位量に対応する圧電定数d33+は92.7(単位は[pm/V]、以下同様)であり、駆動電圧が負であるときの変位量に対応する圧電定数d33−は−95.4である。
図16(a)の右のグラフは、バイポーラポーリング時のパルス電圧が60Vである点だけが左のグラフと相違する。圧電定数d33+は166.2であり、圧電定数d33−は−185.9である。
その他、50V、70Vのパルスでバイポーラポーリングした場合に、図16(a)の表に示すd33+およびd33−が得られた。
Data when polling only once (cycle) is shown in FIG.
Here, the piezoelectric constant d33 of the PZT
The left graph of FIG. 16A shows the displacement amount of the piezoelectric MEMS device when an AC drive voltage of 30 V is applied to the PZT
The graph on the right side of FIG. 16A is different from the graph on the left only in that the pulse voltage during bipolar polling is 60V. The piezoelectric constant d33 + is 166.2, and the piezoelectric constant d33− is −185.9.
In addition, d33 + and d33− shown in the table of FIG. 16A were obtained when bipolar polling was performed with 50 V and 70 V pulses.
図16(a)と同様のPZT薄膜21に対して、10回分のパルスをポーリングした場合のデータを図16(b)に示す。
図16(b)の左のグラフに示すように、40Vの交流パルスにてバイポーラポーリングしたPZT薄膜21に対して30Vの交流駆動電圧を印加した際に得られた圧電定数d33+は89.4であり、圧電定数d33−は−109.3である。
図16(b)の右のグラフは、バイポーラポーリング時のパルス電圧が60Vである点だけが左のグラフと相違する。圧電定数d33+は168.7であり、圧電定数d33−は−218.0である。
その他、50V、70Vのパルスでバイポーラポーリングした場合に、図16(b)の表に示すd33+およびd33−が得られた。
以上より、1回限りのパルスを印加した場合であっても(図16(a))、10回分のパルスを印加した場合(図16(b))とほぼ同様の結果が得られることがわかる。
なお、ユニポーラパルスをポーリングする場合についても、上記の図16(a)および(b)と同様の傾向を示す。
FIG. 16B shows data when 10 pulses are polled with respect to the PZT
As shown in the left graph of FIG. 16B, the piezoelectric constant d33 + obtained when a 30 V AC driving voltage is applied to the PZT
The graph on the right side of FIG. 16B is different from the graph on the left only in that the pulse voltage during bipolar polling is 60V. The piezoelectric constant d33 + is 168.7, and the piezoelectric constant d33− is −218.0.
In addition, d33 + and d33− shown in the table of FIG. 16B were obtained when bipolar polling was performed with 50 V and 70 V pulses.
From the above, it can be seen that even when a one-time pulse is applied (FIG. 16A), almost the same result as that obtained when 10 pulses are applied (FIG. 16B) can be obtained. .
In the case of polling the unipolar pulse, the same tendency as in FIGS. 16A and 16B is shown.
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。 In addition to the above, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
本発明の圧電MEMSデバイスは、例えばセンサ業界、印刷業界、無線センサ業界などの各種の産業分野において、ジャイロ、インクジェットヘッド、RF−MEMSスイッチ、リレースイッチ、無線センサ端末起動スイッチ、振動発電素子などに広く利用できる。
その他に、データ記憶装置の書き込み/読み込みヘッドが有する強誘電体メモリの記録層の微小領域に電圧を印加するカンチレバーも、本発明の適用先として例示できる。
The piezoelectric MEMS device of the present invention is used in gyroscopes, inkjet heads, RF-MEMS switches, relay switches, wireless sensor terminal activation switches, vibration power generation elements, etc. in various industrial fields such as the sensor industry, printing industry, and wireless sensor industry. Widely available.
In addition, a cantilever that applies a voltage to a minute region of a recording layer of a ferroelectric memory included in a write / read head of a data storage device can be exemplified as an application destination of the present invention.
1 圧電MEMSデバイス
2 デバイス本体
3 センサ・アクチュエータ集積化マイクロカンチレバー
3A センサ本体
3B 支持基板
3C 開口
3S 支持面
4 圧電MEMSデバイス
4A デバイス本体
4B 支持基板
4S 支持面
10 支持基板
10S 支持面
11,12 酸化膜
13 下部電極
14 上部電極
20 MEMS構造体
21 PZT薄膜(圧電薄膜)
22 マイクロカンチレバー
22A レバー基端部(被支持部)
22B レバー先端部(機能部)
30 マイクロカンチレバー
30B 端子部(被支持部)
30C 変位検知部(機能部)
31 検出用PZT薄膜
32 駆動用PZT薄膜
40 MEMS構造体
41 端子部(被支持部)
41A 中央部(フロート部)
41B,41C 対向部
42 構造体本体(機能部)
131,132 下部電極
141,142 上部電極
220 母材
301 検出用端子
302 駆動用端子
P1,P2 部分
S 空間
DESCRIPTION OF
22
22B Lever tip (functional part)
30
30C Displacement detection unit (function unit)
31 PZT thin film for
41A Center (Float)
41B,
131, 132
Claims (7)
前記構造体を支持する支持基板と、
前記構造体により支持される圧電薄膜と、を備え、
前記構造体は、
前記支持基板の支持面上に支持される被支持部と、
前記支持面を超えて延在する機能部と、を一体に有し、
前記圧電薄膜は、
前記構造体において少なくとも前記機能部に設けられているとともに、
前記支持基板の成形後に行われる交流電圧印加処理、または、前記支持基板の成形後に行われる正負のいずれか片側においてのみ変化する電圧を印加する片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められており、
前記圧電薄膜は、正方晶を含み、テトラ組成とされるチタン酸ジルコン酸鉛からなり、
前記交流電圧印加処理または前記片側電圧印加処理で印加される電圧は、前記圧電薄膜の膜厚1μmあたり20V以上とされている、
ことを特徴とする圧電MEMSデバイス。 A structure including mechanical elements produced by a semiconductor processing process;
A support substrate for supporting the structure;
A piezoelectric thin film supported by the structure,
The structure is
A supported portion supported on a support surface of the support substrate;
And a functional part extending beyond the support surface,
The piezoelectric thin film is
While being provided at least in the functional part in the structure,
The AC voltage application processing is performed after the molding of the supporting substrate, or, are c-axis orientation is improved by only one side voltage application process of applying a voltage that changes in either one of positive and negative which is performed after the molding of the support substrate ,
The piezoelectric thin film is composed of lead zirconate titanate containing tetragonal crystals and having a tetra composition,
The voltage applied in the AC voltage application process or the one-side voltage application process is 20 V or more per 1 μm of film thickness of the piezoelectric thin film.
A piezoelectric MEMS device characterized by the above.
請求項1に記載の圧電MEMSデバイス。The piezoelectric MEMS device according to claim 1.
前記構造体を支持する支持基板と、
前記構造体により支持される圧電薄膜と、を備え、
前記構造体は、
前記支持基板の支持面上に支持される被支持部と、
前記支持面を超えて延在する機能部と、を一体に有し、
前記圧電薄膜は、
前記構造体において少なくとも前記機能部に設けられているとともに、
前記支持基板の成形後に行われる交流電圧印加処理、または、前記支持基板の成形後に行われる正負のいずれか片側においてのみ変化する電圧を印加する片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められており、
前記圧電薄膜は、正方晶を含み、モルフォトロピック相境界組成とされるチタン酸ジルコン酸鉛、からなり、
前記片側電圧印加処理で印加される電圧は、前記圧電薄膜の膜厚1μmあたり30V以上とされている、
ことを特徴とする圧電MEMSデバイス。 A structure including mechanical elements produced by a semiconductor processing process;
A support substrate for supporting the structure;
A piezoelectric thin film supported by the structure,
The structure is
A supported portion supported on a support surface of the support substrate;
And a functional part extending beyond the support surface,
The piezoelectric thin film is
While being provided at least in the functional part in the structure,
The AC voltage application processing is performed after the molding of the supporting substrate, or, are c-axis orientation is improved by only one side voltage application process of applying a voltage that changes in either one of positive and negative which is performed after the molding of the support substrate ,
The piezoelectric thin film is composed of lead zirconate titanate containing tetragonal crystal and having a morphotropic phase boundary composition,
The voltage applied in the one-side voltage application process is 30 V or more per 1 μm thickness of the piezoelectric thin film,
A piezoelectric MEMS device characterized by the above.
直流電圧を印加する処理を行うことなく、前記交流電圧印加処理または前記片側電圧印加処理によりc軸配向性が高められている、 Without performing the process of applying a DC voltage, the c-axis orientation is enhanced by the AC voltage application process or the one-side voltage application process,
請求項1から3のいずれか一項に記載の圧電MEMSデバイス。The piezoelectric MEMS device according to any one of claims 1 to 3.
抗電界以上である、
請求項1から4のいずれか一項に記載の圧電MEMSデバイス。 The AC voltage or the voltage applied to the piezoelectric thin film is:
More than coercive electric field,
The piezoelectric MEMS device according to any one of claims 1 to 4 .
前記支持面に対向する対向部と、
前記対向部に連続し、前記支持面を超えて延在するフロート部と、を有し、
前記圧電薄膜は、前記フロート部にも設けられている、
請求項1から5のいずれか一項に記載の圧電MEMSデバイス。 The supported portion is
A facing portion facing the support surface;
A float portion that is continuous with the facing portion and extends beyond the support surface;
The piezoelectric thin film is also provided in the float part,
The piezoelectric MEMS device according to any one of claims 1 to 5.
前記支持基板を成形した後に、
前記圧電薄膜に対して前記交流電圧印加処理または前記片側電圧印加処理を行う、
ことを特徴とする圧電MEMSデバイスの製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric MEMS device according to any one of claims 1 to 6 , comprising:
After forming the support substrate,
Performing the AC voltage application process or the one-sided voltage application processing on the piezoelectric thin film,
A method for manufacturing a piezoelectric MEMS device.
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