JP2007294593A - Element using piezoelectric thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に、下部電極層、圧電薄膜からなる圧電体層、上部電極層を順次形成した圧電薄膜を用いた素子に関する。 The present invention relates to an element using a piezoelectric thin film in which a lower electrode layer, a piezoelectric layer composed of a piezoelectric thin film, and an upper electrode layer are sequentially formed on a substrate.
圧電体は種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、特に電圧を与えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体としては、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix )O3 系ペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成されている。 Piezoelectric materials are processed into various piezoelectric elements according to various purposes, and are widely used as functional electronic components such as actuators that generate deformation by applying voltage, and sensors that generate voltage from element deformation. ing. As a piezoelectric material used for actuators and sensors, a lead-based dielectric material having a large piezoelectric characteristic, in particular, a Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 perovskite type ferroelectric material called PZT has been used so far. It is widely used and is usually formed by sintering oxides composed of individual elements.
しかしながら、PZTからなる圧電焼結体は、酸化鉛(PbO)を60〜70重量%程度含有しているので、生態学的見地および公害防止の面から好ましくない。そこで、環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれている。現在、様々な鉛フリー圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム(一般式:(Nax Ky Liz )NbO3 (0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1)がある(例えば、特許文献1参照)。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、PZTに匹敵する圧電特性を有することから、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。 However, since the piezoelectric sintered body made of PZT contains about 60 to 70% by weight of lead oxide (PbO), it is not preferable from the viewpoint of ecological viewpoint and pollution prevention. Therefore, development of a piezoelectric body that does not contain lead is desired in consideration of the environment. Currently, various lead-free piezoelectric materials have been studied, among which lithium potassium sodium niobate (general formula: (Na x K y Li z ) NbO 3 (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1) (see, for example, Patent Document 1) Since this lithium potassium sodium niobate thin film has piezoelectric characteristics comparable to PZT, it is a promising candidate for lead-free piezoelectric materials. Expected.
一般的に、焼結体のニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは常温で斜方晶である。ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを加熱していくと、100〜200℃と比較的低温で斜方晶から正方晶に変化してしまう(第2相転移点)。このため、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは常温近くで使用しても、周囲温度の上昇や周囲の電気部品の温度上昇により比誘電率や圧電特性が変化するという問題がある。 Generally, lithium potassium sodium niobate as a sintered body is orthorhombic at room temperature. When lithium potassium sodium niobate is heated, it changes from orthorhombic to tetragonal at a relatively low temperature of 100 to 200 ° C. (second phase transition point). For this reason, even when lithium potassium niobate is used near room temperature, there is a problem that the relative dielectric constant and piezoelectric characteristics change due to the increase in ambient temperature and the temperature of surrounding electrical components.
この問題を解決するには、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムのリチウムの含有率を多く(0.06≦z)する必要があった。リチウムを多くすることで、常温で正方晶となり、第2相転移点を常温以下とすることができる。 In order to solve this problem, it was necessary to increase the lithium content of lithium potassium sodium niobate (0.06 ≦ z). By increasing the amount of lithium, it becomes tetragonal at room temperature, and the second phase transition point can be reduced to room temperature or lower.
しかし、リチウムの含有量を多くすると、圧電定数が小さくなる、機械的品質係数Qmが小さくなる等の問題点があった。圧電体をアクチュエータとして用いる場合は圧電定数が、共振器として用いる場合は機械的品質係数Qmがそれぞれ大きくなくてはならない。 However, when the lithium content is increased, there are problems such as a decrease in piezoelectric constant and a decrease in mechanical quality factor Qm. When a piezoelectric body is used as an actuator, the piezoelectric constant must be large, and when it is used as a resonator, the mechanical quality factor Qm must be large.
そこで、本発明の目的は、周囲の温度変化により比誘電率や圧電特性が変化せず、かつ鉛フリーで圧電特性の優れた圧電薄膜を用いた素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an element using a piezoelectric thin film that does not change in relative permittivity and piezoelectric characteristics due to changes in ambient temperature, and is lead-free and excellent in piezoelectric characteristics.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、基板上に、下部電極層、圧電薄膜からなる圧電体層、上部電極層を順次形成した圧電薄膜を用いた素子において、上記圧電体層は、(Nax Ky Liz )NbO3 (0<x<1,0<y<1,0<z≦0.05,x+y+z=1)で表されるアルカリニオブ酸化物膜であり、かつそのアルカリニオブ酸化物膜の結晶構造が常温で正方晶である圧電薄膜を用いた素子である。
The present invention has been devised to achieve the above object, and the invention of
請求項2の発明は、上記アルカリニオブ酸化物膜の膜厚は20μm未満である請求項1記載の圧電薄膜を用いた素子である。 A second aspect of the present invention is an element using a piezoelectric thin film according to the first aspect, wherein the thickness of the alkali niobium oxide film is less than 20 μm.
請求項3の発明は、上記基板は、MgO基板、Si基板、ガラス基板、ステンレス基板、Cu基板、Al基板のいずれかを用いた請求項1または2記載の圧電薄膜を用いた素子である。 A third aspect of the invention is an element using the piezoelectric thin film according to the first or second aspect, wherein the substrate is any one of an MgO substrate, a Si substrate, a glass substrate, a stainless steel substrate, a Cu substrate, and an Al substrate.
請求項4の発明は、上記下部電極層及び上部電極層は立方晶系の材料で形成される請求項1〜3いずれかに記載の圧電薄膜を用いた素子である。 A fourth aspect of the present invention is an element using the piezoelectric thin film according to any one of the first to third aspects, wherein the lower electrode layer and the upper electrode layer are formed of a cubic material.
請求項5の発明は、上記下部電極層及び上部電極層はPtからなる請求項4記載の圧電薄膜を用いた素子である。 The invention according to claim 5 is the element using the piezoelectric thin film according to claim 4, wherein the lower electrode layer and the upper electrode layer are made of Pt.
本発明によれば、周囲の温度変化により比誘電率や圧電特性が変化せず、かつ鉛フリーで圧電特性に優れているという効果を発揮する。 According to the present invention, the relative permittivity and the piezoelectric characteristics are not changed by the ambient temperature change, and the lead-free and excellent piezoelectric characteristics are exhibited.
本発明者らは、第2相転移点を常温以下とし、かつリチウムの含有量を極力減らして所望の圧電特性が得られる圧電薄膜を求めて鋭意研究した結果、アルカリニオブ酸化物膜の一例としてニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を含む本発明の圧電薄膜を用いた素子を発明した。 As a result of diligent research for obtaining a piezoelectric thin film capable of obtaining a desired piezoelectric characteristic by setting the second phase transition point to room temperature or lower and reducing the lithium content as much as possible, the present inventors have found an example of an alkali niobium oxide film. A device using the piezoelectric thin film of the present invention including a lithium potassium sodium niobate thin film was invented.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好適な実施形態を示す圧電薄膜を用いた素子(圧電薄膜素子)の断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of an element using a piezoelectric thin film (piezoelectric thin film element) showing a preferred embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態に係る圧電薄膜素子10は、基板11上に、下部電極層12、圧電薄膜からなる圧電体層として、(Nax Ky Liz )NbO3 (0<x<1,0<y<1,0<z≦0.05,x+y+z=1)で表されるアルカリニオブ酸化物膜1、上部電極層13を順次形成してなる。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric
アルカリニオブ酸化物膜1は、その結晶構造が常温、好ましくは100〜200℃以下、さらに好ましくは実使用温度範囲の−40〜80℃で正方晶である。アルカリニオブ酸化物膜1としては、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム(例えば、(Na0.5-a/2K0.5-a/2Lia)NbO3 、0<a≦0.05)膜を用いる。
The alkali
アルカリニオブ酸化物膜1の一例であるニオブ酸リチウムカリウムナトリウム(NaxKyLiz)NbO3 は、xおよびyの値が0.4〜0.6の範囲とすると圧電定数d31が大きくなり、特に有効である。
Lithium potassium sodium niobate (Na x K y Li z ) NbO 3 which is an example of the alkali
アルカリニオブ酸化物膜1の膜厚は20μm未満にするとよい。後述するように、常温で正方晶のアルカリニオブ酸化物膜1を得るためには、下地となる立方晶系の材料からなる下部電極層12によってアルカリニオブ酸化物膜1の結晶構造を拘束する必要がある。このため、膜厚を20μm以上にすると、下部電極層12によるアルカリニオブ酸化物膜1への拘束力が弱くなり、十分な拘束力が得られないからである。
The thickness of the alkali
基板11としては、MgO基板、Si基板、ガラス基板、ステンレス基板、Cu基板、Al基板のいずれかを用いる。 As the substrate 11, any one of an MgO substrate, a Si substrate, a glass substrate, a stainless steel substrate, a Cu substrate, and an Al substrate is used.
また、下部電極層12および上部電極層13は、Pt(白金)、Lu(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Cu、Au、Agなどの立方晶系の材料で形成される。本実施形態では、下部電極層12および上部電極層13として、一般的な電極材料であるPtからなるものを用いた。
The
アルカリニオブ酸化物膜1の作製方法としては、良質で高密度の結晶性薄膜が作製できるスパッタリング法、CVD法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、塗布法等を用いることが望ましい。また、アルカリニオブ酸化物膜1に少量の添加物が混入していても、添加物がない場合と同様の効果が得られる。
As a method for producing the alkali
本実施形態の作用を説明する。 The operation of this embodiment will be described.
従来、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは焼結してバルク焼結体として形成するのが一般的であるが、圧電薄膜素子10は、基板11上に下部電極層12を形成し、その下部電極層12上に、アルカリニオブ酸化物膜1の一例としてニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを薄膜状態で形成している。電極付きの基板上にニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを薄膜状態で形成すると、基板および電極材料の結晶構造による拘束力を用いることが可能である。
Conventionally, lithium potassium sodium niobate is generally sintered and formed as a bulk sintered body. In the piezoelectric
これにより、圧電薄膜素子10では、リチウムの組成比が0<z≦0.05の範囲においても、常温で正方晶のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を形成できる。
Thereby, in the piezoelectric
より詳細に説明すれば、一般にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、スパッタリング法等を用いて形成することができる。スパッタリング法等で、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを形成するには、通常500℃以上の温度で形成する。この温度はニオブ酸リチウムカリウムナトリウムのキュリー点(第1相転移点)よりも高いことから、膜が形成される際には立方晶の結晶が形成される。 More specifically, a lithium potassium sodium niobate thin film can be generally formed using a sputtering method or the like. In order to form lithium potassium sodium niobate by sputtering or the like, it is usually formed at a temperature of 500 ° C. or higher. Since this temperature is higher than the Curie point (first phase transition point) of lithium potassium sodium niobate, cubic crystals are formed when the film is formed.
膜の形成が終わった段階で、基板11の冷却が始まり、膜の温度はキュリー点以下に冷却される。キュリー点以下になると、膜は立方晶から正方晶となる。この際、膜の結晶構造のa軸、b軸は格子定数が大きく変化しないと考えられる。 When the film formation is completed, the substrate 11 starts to be cooled, and the film temperature is cooled below the Curie point. Below the Curie point, the film changes from cubic to tetragonal. At this time, it is considered that the lattice constants of the a-axis and b-axis of the crystal structure of the film do not change greatly.
しかし、さらに冷却されて100〜200℃付近になると、従来のように基板上に形成しない(バルク焼結体)場合、第2相転移点があり、正方晶から斜方晶に相転移する。このとき、格子定数は大きく変化する。 However, when it is further cooled to around 100 to 200 ° C., when it is not formed on the substrate as in the prior art (bulk sintered body), there is a second phase transition point and the phase transition from tetragonal to orthorhombic. At this time, the lattice constant changes greatly.
これに対し、本発明者らは、本実施形態のように、基板11上に立方晶系の電極材料からなる下部電極層12を形成し、その下部電極層12上に形成したニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、第2相転移点がキュリー点から常温までの間に認められず、常温でも正方晶であることを見出した。
In contrast, the present inventors formed a
これは、下地となる立方晶系の電極材料からなる下部電極層12の結晶構造が、アルカリニオブ酸化物膜1の結晶構造を拘束することによって、すなわち、下部電極層12の結晶構造による拘束力によって、薄膜のニオブ酸リチウムカリウムナトリウムが常温でも正方晶を維持しているためであると考えられる。
This is because the crystal structure of the
上記構成により、圧電薄膜素子10は、アルカリニオブ酸化物膜1の一例であるニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を、リチウムの含有量を極力減らして、0<z≦0.05の範囲でも常温で正方晶とすることが可能となる。
With the above-described structure, the piezoelectric
したがって、圧電薄膜素子10は、周囲の温度変化により比誘電率や圧電特性が変化せず、かつ鉛フリーであり、圧電定数、残留分極値、機械的品質係数Qmがそれぞれ大きく、圧電特性に優れている。
Accordingly, the piezoelectric
この圧電薄膜素子10を用いれば、周囲温度の変化や周囲の電気部品の発熱による温度変化など、温度変化に対して安定して動作するアクチュエータ、共振器等のデバイスを作製することが可能となる。
By using this piezoelectric
圧電薄膜素子10は、インクジェットプリンタ、スキャナー、ジャイロ、超音波発生装置の電気機械エネルギー変換用部品として、また超音波センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサ、表面波フィルタとして使用できる。
The piezoelectric
また、上記実施形態に係る圧電薄膜素子10は、圧電応用を対象にして説明しているが、その用途は圧電応用に限定されるものではなく、例えば強誘電体部品など、様々な用途への応用が考えられる。
Moreover, although the piezoelectric
(実施例1)
以下に本発明を用いて膜厚2μmのアルカリニオブ酸化物膜1の一例としてニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜(実施例1においては(Na0.5-a/2K0.5-a/2Lia )NbO3 、0<a≦0.05)1を含む圧電薄膜素子10を形成した例を説明する。ここでは、x=0.5−a/2,y=0.5−a/2,z=aとした。
Example 1
Hereinafter, as an example of the alkali
基板11にはMgO基板((001)、20mm×20mm、厚さ0.5mm)を用いた。MgO基板11上にRF(高周波)マグネトロンスパッタリング法で、Pt((001)面配向、膜厚0.2μm)下部電極層12を形成し、その上部にRFマグネトロンスパッタリング法でアルカリニオブ酸化物膜1を形成し、その上部にPt上部電極層13を形成して図1の圧電薄膜素子10を作製した。
The substrate 11 was an MgO substrate ((001), 20 mm × 20 mm, thickness 0.5 mm). A Pt ((001) plane orientation, film thickness 0.2 μm)
Pt下部電極12の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間10分、アルカリニオブ酸化物膜1の形成条件は、基板温度600℃、放電パワー75W、導入ガスAr雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3時間30分、Pt上部電極13の形成条件は、基板温度200℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間1分で行った。
The formation conditions of the Pt
(従来例)
実施例1との比較のため、従来の技術でニオブ酸リチウムカリウムナトリウムのバルク焼結体を形成し、このバルク焼結体を用いて実施例1と同様の圧電素子を形成した。
(Conventional example)
For comparison with Example 1, a bulk sintered body of lithium potassium sodium niobate was formed by a conventional technique, and a piezoelectric element similar to that of Example 1 was formed using this bulk sintered body.
作製した実施例1のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜の結晶構造を知るために、X線回折測定(ω−2θスキャン)を行った。その結果、(001)方位に配向したニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜が形成されていることがわかった。 In order to know the crystal structure of the prepared lithium potassium sodium niobate thin film of Example 1, X-ray diffraction measurement (ω-2θ scan) was performed. As a result, it was found that a lithium potassium sodium niobate thin film oriented in the (001) direction was formed.
この膜についてXRD(X線回折)のピークマップから、リチウム組成比(mol比)に対する結晶構造のa軸(図2中の■)とc軸(図2中の◆)の長さ(格子定数(Å)(10-10m))を算出した結果を図2に示す。 From this XRD (X-ray diffraction) peak map of this film, the length (lattice constant) of the a-axis (■ in FIG. 2) and c-axis (♦ in FIG. 2) of the crystal structure with respect to the lithium composition ratio (mol ratio). FIG. 2 shows the result of calculating (ii) (10 −10 m)).
図2に示すように、一点鎖線は従来のバルク焼結体におけるリチウム組成比に対する結晶構造のa軸の格子定数を示す。バルク焼結体の場合、リチウム組成比が0.05以下では斜方晶、0.05以上では正方晶となることから、a軸の格子定数は不連続に変化する(図2中の点線部分)。 As shown in FIG. 2, the alternate long and short dash line indicates the a-axis lattice constant of the crystal structure with respect to the lithium composition ratio in the conventional bulk sintered body. In the case of a bulk sintered body, since the lithium composition ratio is orthorhombic when the lithium composition ratio is 0.05 or less and tetragonal when 0.05 or more, the a-axis lattice constant changes discontinuously (the dotted line portion in FIG. 2). ).
これに対して、実施例1のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、a軸およびc軸共に得られたデータに不連続性がない。このことから、基板11上に下部電極層12を形成し、その下部電極層12上にニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを薄膜で形成した実施例1は、リチウム組成比が0.05以下でも正方晶を維持していることがわかる。つまり、実施例1では、a軸およびc軸共に0.05付近で長さの変化がないことから、0.05付近で相変化がないことを示している。
In contrast, the lithium potassium sodium niobate thin film of Example 1 has no discontinuity in the data obtained for both the a-axis and the c-axis. From this, Example 1 in which the
したがって、従来のバルク焼結体の場合と違い、実施例1ではxが0.05以下においても正方晶が形成されていることがわかった。 Therefore, unlike the case of the conventional bulk sintered body, it was found that in Example 1, tetragonal crystals were formed even when x was 0.05 or less.
次に、実施例1の圧電薄膜素子10の圧電特性を調べた。
Next, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric
まず、圧電薄膜素子10から長さ20mm、幅3mmの短冊形を切り出し、長手方向の端をクランプで固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを形成した。この状態で両電極間のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜に電圧を印加することで、薄膜を伸縮させてレバー先端を動作させた。その先端変位量をレーザドップラ変位計で測定した。
First, a simple unimorph cantilever was formed by cutting out a rectangular shape having a length of 20 mm and a width of 3 mm from the piezoelectric
その結果、x=0.02において圧電定数d31=−57pm/Vと良好な圧電特性の圧電薄膜素子10が形成されていることがわかった。
As a result, it was found that the piezoelectric
(実施例2)
また、基板11として、MgO基板以外にはSi基板、ガラス基板、ステンレス基板、Cu基板、Al基板を用いて同様の検討を行ったところ、実施例1と同様の作用効果が得られた。
(Example 2)
Moreover, when the same examination was performed using a Si substrate, a glass substrate, a stainless steel substrate, a Cu substrate, and an Al substrate as the substrate 11 in addition to the MgO substrate, the same effects as in Example 1 were obtained.
1 アルカリニオブ酸化物膜(ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜)
10 圧電薄膜素子
11 基板
12 下部電極層
13 上部電極層
1 Alkaline niobium oxide film (lithium potassium sodium niobate thin film)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
5. The element using a piezoelectric thin film according to claim 4, wherein the lower electrode layer and the upper electrode layer are made of Pt.
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