JP2009049065A - Piezoelectric thin-film element - Google Patents

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Fumito Oka
史人 岡
Kenji Shibata
憲治 柴田
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric thin-film element which can be greatly improved in piezoelectric characteristic by obtaining a piezoelectric thin film which contains (K, Na)NbO<SB>3</SB>as a main phase and has superior piezoelectric characteristics. <P>SOLUTION: The piezoelectric thin-film element constituted by disposing a lower electrode 2 and a piezoelectric thin film 3 in order on a substrate 1 is characterized in that: the piezoelectric thin film 3 is formed of a dielectric thin film having a perovskite structure containing (K, Na)NbO<SB>3</SB>as a main phase; and an intermediate layer 4 having a pseudo-cubic or cubic perovskite structure of ≥4.036 Å in lattice constant is inserted between the lower electrode 2 and piezoelectric thin film 3 in contact with the piezoelectric thin film 3. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は圧電薄膜素子に係り、特に(K,Na)NbOを主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜を用いた圧電薄膜素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film element, and more particularly to a piezoelectric thin film element using a dielectric thin film having a perovskite structure having (K, Na) NbO 3 as a main phase.

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、特に電圧を加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と呼ばれるジルコンチタン酸鉛:Pb(Zr1−xTi)O系(0<x<1)のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられている。PZTは、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。また、近年では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おり、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム(一般式:(NaLi)NbO(0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1)等が開発されている。この
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、PZTに匹敵する圧電特性を有すことから、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
Piezoelectric materials are processed into various piezoelectric elements according to various purposes. In particular, they are widely used as functional electronic parts such as actuators that generate deformation by applying voltage and conversely sensors that generate voltage from deformation of the element. ing. As a piezoelectric material used for actuators and sensors, lead-based dielectrics having large piezoelectric characteristics, particularly lead zirconate titanate called PZT: Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 system (0 < Perovskite ferroelectrics with x <1) have been widely used so far. PZT is usually formed by sintering oxides composed of individual elements. In recent years, it has been desired to develop a piezoelectric material containing no lead in consideration of the environment, and 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) etc. Since this lithium potassium sodium niobate has piezoelectric properties comparable to PZT, it is a promising candidate for lead-free piezoelectric materials. As expected.

一方、現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになった。しかしながら、従来からの製法である焼結法を中心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚みが特に10μm以下の厚さになると、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなる。そのため、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題が発生し、それを回避するために、焼結法に代わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されるようになってきた。最近、RFスパッタリング法で形成したPZT薄膜が高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータとして実用化されている。この圧電体薄膜においても、上記の圧電焼結体と同様に鉛フリー材料が求められていることは言うまでもない。   On the other hand, as the various electronic components are now becoming smaller and higher in performance, there is a strong demand for smaller and higher performance piezoelectric elements. However, a piezoelectric material produced by a manufacturing method centering on a sintering method, which is a conventional manufacturing method, approaches the size of the crystal grains constituting the material, particularly when the thickness is 10 μm or less. Cannot be ignored. For this reason, problems such as significant variations in characteristics and deterioration occur, and in order to avoid such problems, methods for forming piezoelectric bodies using thin film technology instead of sintering have been recently studied. . Recently, PZT thin films formed by RF sputtering have been put into practical use as head actuators for high-definition high-speed inkjet printers. Needless to say, a lead-free material is required for the piezoelectric thin film as well as the piezoelectric sintered body.

なお、関連する技術として例えば特許文献1がある。
特開2002−151754号公報
For example, Patent Document 1 is a related technique.
JP 2002-151754 A

上記のように非常に薄い圧電膜が作製可能となったことにより、現在圧電体薄膜をアクチュエータやセンサとして使用する試みがなされている。圧電薄膜は電圧を印加するとその電圧に比例して変形する。逆に変形させるとその変位に比例して表面に電荷が発生することにより電圧を発生する。この現象を利用してインクジェットプリンタのインク吐出部等、微細なアクチュエータとして応用する検討や、デジカメの手ぶれ防止機構の手ぶれ検出に用いる小型のジヤイロセンサに用いる検討がなされ、実用化されている。   Since it has become possible to produce a very thin piezoelectric film as described above, attempts have been made to use piezoelectric thin films as actuators and sensors. When a voltage is applied to the piezoelectric thin film, it deforms in proportion to the voltage. Conversely, when deformed, a voltage is generated by generating a charge on the surface in proportion to the displacement. Utilizing this phenomenon, studies have been made to apply it as a fine actuator, such as an ink discharge portion of an ink jet printer, and studies have been put into practical use for a small gyro sensor used for camera shake detection of a digital camera shake prevention mechanism.

このようなデバイスに圧電薄膜を適用する際に、その圧電薄膜の圧電特性を表す定数として圧電定数d31がある。この定数は圧電体に電界を印加した場合、その印加方向と垂直な向きに機械的変位を示すものである。この値が大きいとアクチュエータとして用いた場合に同じ電圧で大きく変位させることができ、センサとして使用した場合は感度が良いセンサを作製することが可能である。
従って、圧電薄膜をこれらの用途に使用するにはd31が大きな圧電薄膜を形成することが必要である。上記のアクチュエータやセンサーは、圧電薄膜としてPZTを主相とする圧電薄膜を用いている。今後の鉛フリー化の為には、このPZT薄膜に匹敵する圧電定
数d31である非鉛圧電体薄膜を開発する必要がある。そこで、近年、非鉛圧電体としてニオブ酸カリウムナトリウム(K,Na)NbOを主相とした圧電薄膜が注目されている。
しかし、現在までPZT薄膜に匹敵する非鉛圧電薄膜は報告されていない。
When a piezoelectric thin film is applied to such a device, there is a piezoelectric constant d 31 as a constant representing the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film. This constant indicates mechanical displacement in a direction perpendicular to the direction of application when an electric field is applied to the piezoelectric body. When this value is large, it can be displaced greatly with the same voltage when used as an actuator, and when used as a sensor, a sensor with good sensitivity can be produced.
Therefore, in order to use the piezoelectric thin film for these applications, it is necessary to form a piezoelectric thin film having a large d 31 . The actuator and sensor described above use a piezoelectric thin film having PZT as a main phase as the piezoelectric thin film. In order to make lead-free in the future, it is necessary to develop a lead-free piezoelectric thin film having a piezoelectric constant d 31 comparable to this PZT thin film. Therefore, in recent years, a piezoelectric thin film having a main phase of potassium sodium niobate (K, Na) NbO 3 as a lead-free piezoelectric material has attracted attention.
However, no lead-free piezoelectric thin film comparable to the PZT thin film has been reported so far.

本発明の目的は、(K,Na)NbOを主相とした優れた圧電特性を有する圧電薄膜を得ることにより、圧電特性を大きく向上させることが可能な圧電薄膜素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element capable of greatly improving piezoelectric characteristics by obtaining a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics mainly composed of (K, Na) NbO 3. .

本発明によれば、基板上に下部電極、圧電薄膜を順次配置して構成された圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は(K,Na)NbOを主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜からなり、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜に接して、格子定数が4.036Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層が挿入されていることを特徴とする圧電薄膜素子が提供される。
前記中間層は、BaZrO、BaSnO、BaMnO、KMnF、KFeFのいずれか、またはこれらの混晶、もしくはこれらの元素に10%以下の他の元素を混入したペロブスカイト構造の誘電体薄膜のいずれかであることが好ましい。また、前記中間層は前記基板の法線方向に(001)面に優先配向していることが好ましい。さらに、前記圧電薄膜の膜厚は0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。
According to the present invention, in a piezoelectric thin film element configured by sequentially arranging a lower electrode and a piezoelectric thin film on a substrate, the piezoelectric thin film is made of a dielectric thin film having a perovskite structure whose main phase is (K, Na) NbO 3. An intermediate layer having a pseudo-cubic or cubic perovskite structure having a lattice constant of 4.036 mm or more is inserted between the lower electrode and the piezoelectric thin film in contact with the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element is provided.
The intermediate layer is a dielectric thin film having a perovskite structure in which BaZrO 3 , BaSnO 3 , BaMnO 3 , KMnF 3 , KFeF 3 , a mixed crystal thereof, or a perovskite structure in which other elements are mixed in an amount of 10% or less. It is preferable that it is either. The intermediate layer is preferably preferentially oriented in the (001) plane in the normal direction of the substrate. Furthermore, the film thickness of the piezoelectric thin film is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less.

本発明によれば、KNNを主相とした優れた圧電特性を有する圧電薄膜が得られるようになり、その結果、圧電特性を大きく向上させることができる。   According to the present invention, a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics with KNN as a main phase can be obtained, and as a result, the piezoelectric characteristics can be greatly improved.

以下に本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

(K,Na)NbO(以後、単にKNNという)を主相とした圧電薄膜の圧電特性を向上させるために本発明者らはKNN圧電薄膜の配向に着目した。
圧電体としての圧電薄膜は、基板上に下部電極を形成し、その上部に圧電薄膜を形成する。さらに、この上部に上部電極を形成することで、圧電薄膜に電圧を印加してアクチュエータとして駆動できる構成となり、または機械的変位を受けて発生した電圧を検出できる構成となる。このような構成を素子の一部に組み込むことでアクチュエータとして、もしくはセンサーとして素子を機能させる。この時、基板の表面に対して法線方向に電圧が印加されることから、もしくは発生した電圧を検出することから、この向きに圧電特性が最も大きくなるように圧電薄膜を形成する必要がある。
In order to improve the piezoelectric characteristics of a piezoelectric thin film having (K, Na) NbO 3 (hereinafter simply referred to as KNN) as a main phase, the present inventors paid attention to the orientation of the KNN piezoelectric thin film.
In the piezoelectric thin film as a piezoelectric body, a lower electrode is formed on a substrate, and a piezoelectric thin film is formed thereon. Furthermore, by forming an upper electrode on the upper part, a voltage can be applied to the piezoelectric thin film to drive as an actuator, or a voltage generated by receiving a mechanical displacement can be detected. By incorporating such a structure into a part of the element, the element functions as an actuator or a sensor. At this time, since the voltage is applied in the normal direction to the surface of the substrate or the generated voltage is detected, it is necessary to form the piezoelectric thin film so that the piezoelectric characteristics are maximized in this direction. .

圧電体には分極軸が存在し、その向きに圧電特性が大きくなる。本発明者らは、この分極軸がKNN圧電薄膜では〈001〉軸であることを見出した。従って、電圧が印加される、もしくは電圧を検出する基板の法線方向に(001)面に配向したKNN圧電薄膜を形成することで圧電定数を大きく向上させることが可能である。   The piezoelectric body has a polarization axis, and the piezoelectric characteristics increase in that direction. The present inventors have found that this polarization axis is the <001> axis in the KNN piezoelectric thin film. Therefore, it is possible to greatly improve the piezoelectric constant by forming a KNN piezoelectric thin film oriented in the (001) plane in the normal direction of the substrate to which a voltage is applied or the voltage is detected.

しかし、白金などからなる下部電極上に直接KNN圧電薄膜を形成した場合には、(110)面と(001)面が混在した膜が形成される。
本発明者らは、KNN圧電薄膜よりも格子定数が大きなペロブスカイト構造の膜を下地誘電体薄膜として白金下部電極上に形成し、この上部にKNN圧電薄膜を形成することにより、(001)面に、より優先配向したKNN圧電薄膜を形成できること、また、下地誘電体薄膜が(001)面に配向していることで、KNN膜がより強く(001)面に配向することを見出した。
この知見をもとに、以下に本発明の好適一実施の形態に係る圧電薄膜素子を説明する。
However, when the KNN piezoelectric thin film is formed directly on the lower electrode made of platinum or the like, a film in which the (110) plane and the (001) plane are mixed is formed.
The present inventors formed a perovskite structure film having a lattice constant larger than that of the KNN piezoelectric thin film on the platinum lower electrode as a base dielectric thin film, and formed the KNN piezoelectric thin film on the upper part, thereby forming the (001) plane. It has been found that a more preferentially oriented KNN piezoelectric thin film can be formed, and that the base dielectric thin film is oriented in the (001) plane, so that the KNN film is more strongly oriented in the (001) plane.
Based on this knowledge, a piezoelectric thin film element according to a preferred embodiment of the present invention will be described below.

実施の形態に係る圧電薄膜素子は、図1に示すように、基板1上に、導電性を有する下部電極2、下地誘電体薄膜としての中間層4、圧電薄膜3を順次配置して一体に形成して構成される。なお、実施の形態に係る圧電薄膜素子には、導電性を有する上部電極を圧電薄膜3上に配置したものも含まれる。   As shown in FIG. 1, the piezoelectric thin film element according to the embodiment is integrally formed by sequentially arranging a conductive lower electrode 2, an intermediate layer 4 as a base dielectric thin film, and a piezoelectric thin film 3 on a substrate 1. Formed and configured. The piezoelectric thin film element according to the embodiment includes one in which a conductive upper electrode is disposed on the piezoelectric thin film 3.

圧電薄膜3は、KNN結晶を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜である。例えば、一般式(KNa)NbO(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムの誘電体薄膜からなる。
ここでいうKNN結晶の単位格子はICDDに記載されるKNbO(ICDD number:32-0822)と同じ単位格子を定義し、ナトリウムはカリウムのサイトを一部置換してい
るものとする。なお、a軸、b軸、c軸の向きはそれぞれの単位格子をA、B、OとするとO<A<Bとなる向きとする。
The piezoelectric thin film 3 is a dielectric thin film having a perovskite structure whose main phase is KNN crystal. For example, it is made of a dielectric thin film of potassium sodium niobate represented by the general formula (K x Na y ) NbO 3 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y = 1).
Here, the unit cell of the KNN crystal defines the same unit cell as KNbO 3 (ICDD number: 32-0822) described in ICDD, and sodium is partially substituted for the potassium site. The directions of the a-axis, b-axis, and c-axis are such that O <A <B when the unit cells are A, B, and O, respectively.

下部電極2と圧電薄膜3との間に挿入される中間層4は、圧電薄膜3に接して、格子定数が4.036Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層である。
このような条件を満たす中間層は、例えば、BaZrO、BaSnO、BaMnO、KMnF、KFeFのいずれか、またはこれらの混晶の膜から構成される。もしくは、これら中間層の元素に、少量の添加物、例えば原子数濃度10%以下の他の元素、例えばLiを混入したペロブスカイト構造の層の中間層から構成される。
中間層の格子定数が4.036Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造であると、下部電極上に圧電定数d31の優れた良好な圧電薄膜結晶を形成することが可能となる。
The intermediate layer 4 inserted between the lower electrode 2 and the piezoelectric thin film 3 is an intermediate layer in contact with the piezoelectric thin film 3 and having a pseudo cubic or cubic perovskite structure having a lattice constant of 4.036Å or more.
The intermediate layer satisfying such conditions is composed of, for example, any one of BaZrO 3 , BaSnO 3 , BaMnO 3 , KMnF 3 , KFeF 3 , or a mixed crystal film thereof. Alternatively, the intermediate layer is composed of an intermediate layer of a layer having a perovskite structure in which a small amount of an additive, for example, another element having an atomic number concentration of 10% or less, such as Li, is mixed with these intermediate layer elements.
When the intermediate layer has a pseudo-cubic or cubic perovskite structure having a lattice constant of 4.036Å or more, a good piezoelectric thin film crystal having an excellent piezoelectric constant d 31 can be formed on the lower electrode.

上記KNN圧電薄膜の膜厚は0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。膜厚が0.2μm以上であれば、圧電薄膜素子としての実効的な圧電特性を得ることができ、10μm以上の膜厚の圧電薄膜を作製したい場合は、従来のように焼結体を用いればよい。   The thickness of the KNN piezoelectric thin film is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less. If the film thickness is 0.2 μm or more, effective piezoelectric characteristics as a piezoelectric thin film element can be obtained. If a piezoelectric thin film having a film thickness of 10 μm or more is desired, a sintered body is used as in the past. That's fine.

また、中間層の厚さは、基本的に制限はないが、圧電膜に十分な電界を印加するには、同程度以下、好ましくは五分の一以下とされる。しかし、中間層の厚さがあまり薄いとKNN圧電薄膜の配向制御が困難になるため、その下限は数nmとされる。   In addition, the thickness of the intermediate layer is basically not limited, but is approximately equal to or less than one fifth, preferably less than one fifth, in order to apply a sufficient electric field to the piezoelectric film. However, if the thickness of the intermediate layer is too thin, it becomes difficult to control the orientation of the KNN piezoelectric thin film, so the lower limit is set to several nm.

中間層は基板の法線方向に(001)面に優先配向していることが好ましい。KNN圧電薄膜よりも格子定数が大きなペロブスカイト構造の膜を中間層を下部電極上に形成して、この上にKNN圧電薄膜を形成することで、(001)面に、より優先配向したKNN圧電薄膜を形成することができる。また、中間層が(001)面に配向していることでKNN膜がより強く(001)面に配向させることができる。これによりKNN圧電薄膜の圧電特性d31をより大きくすることができる。 The intermediate layer is preferably preferentially oriented in the (001) plane in the normal direction of the substrate. A film having a perovskite structure having a lattice constant larger than that of the KNN piezoelectric thin film is formed on the lower electrode, and a KNN piezoelectric thin film is formed thereon, whereby the KNN piezoelectric thin film is more preferentially oriented on the (001) plane. Can be formed. Further, since the intermediate layer is oriented in the (001) plane, the KNN film can be more strongly oriented in the (001) plane. This makes it possible to increase the piezoelectric properties d 31 of KNN piezoelectric thin film.

基板としては、安価なSi基板ないし熱酸化膜付きシリコン基板や、ガラス基板が用いられるが、この他に酸化マグネシウム基板(MgO基板)、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板を用いることもできる。また基板が導電性である場合には、その表面に絶縁膜を形成してもよい。   As the substrate, an inexpensive Si substrate, a silicon substrate with a thermal oxide film, or a glass substrate is used. In addition, a magnesium oxide substrate (MgO substrate), a stainless steel substrate, a copper substrate, or an aluminum substrate can also be used. When the substrate is conductive, an insulating film may be formed on the surface.

下部電極及び上部電極としては、電極材料として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではないが、例えば、白金(Pt)電極が好ましい。   As the lower electrode and the upper electrode, any of those conventionally used as electrode materials can be applied, and although not particularly limited, for example, a platinum (Pt) electrode is preferable.

KNN圧電薄膜及び中間層の形成方法としては、良質で高密度の結晶性薄膜を形成できる方法であれば特に限定するものではないが、例えば、スパッタリング法(RFマグネトロンスパッタリング法)、CVD法、PLD法、塗布法などを用いることが望ましい。   The method for forming the KNN piezoelectric thin film and the intermediate layer is not particularly limited as long as it is a method capable of forming a high-quality and high-density crystalline thin film. For example, sputtering (RF magnetron sputtering), CVD, PLD It is desirable to use a method or a coating method.

本実施の形態の圧電薄膜素子によれば、圧電薄膜に(K,Na)NbOを主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜を用いながら、下部電極と圧電薄膜との間に、圧電薄膜に接して、格子定数が4.036Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層を挿入したので、この中間層挿入していないものよりも、KNN圧電薄膜の圧電特性d31を大きくすることができ、優れた圧電特性を発揮させることができる。しかも圧電薄膜素子は、鉛を有していないKNNの誘電体薄膜を用いたものであることから、生態学的見地及び公害防止の点からも非常に有用である。 According to the piezoelectric thin film element of the present embodiment, the piezoelectric thin film is formed between the lower electrode and the piezoelectric thin film while using a dielectric thin film having a perovskite structure having (K, Na) NbO 3 as a main phase. In contact therewith, an intermediate layer having a pseudo-cubic or cubic perovskite structure having a lattice constant of 4.036 or more was inserted, so that the piezoelectric characteristic d 31 of the KNN piezoelectric thin film was larger than that without the intermediate layer inserted. And excellent piezoelectric characteristics can be exhibited. Moreover, since the piezoelectric thin film element uses a dielectric thin film of KNN that does not contain lead, it is very useful from the viewpoint of ecology and pollution prevention.

また、KNN圧電薄膜に少量の添加物(例えば原子数濃度8%以下のLi)を混入した場合も、同様の効果が期待できる。また、本実施の形態では、KNN圧電薄膜は圧電薄膜として応用する場合を対象にして記載しているが、その用途は圧電応用に限定されるものではなく、他の様々な用途への応用も考えられる。例えば、インクジェットプリンタ、スキャナ、ジャイロ、超音波発生装置、超音波センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサに用いることができる。   The same effect can be expected when a small amount of additive (for example, Li having an atomic number concentration of 8% or less) is mixed in the KNN piezoelectric thin film. In this embodiment, the KNN piezoelectric thin film is described as being applied as a piezoelectric thin film. However, the application is not limited to the piezoelectric application, and the application to various other applications is also possible. Conceivable. For example, it can be used for an inkjet printer, a scanner, a gyroscope, an ultrasonic generator, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, a speed sensor, and an acceleration sensor.

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることはいうまでもない。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various other things are assumed.

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
Next, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
(Example 1)

以下に本発明を用いて膜厚3μmのKNN圧電薄膜を含む圧電薄膜素子を形成した実施例を記載する。形成した圧電薄膜素子構造の断面図を図1に示す。   Examples in which a piezoelectric thin film element including a 3 μm thick KNN piezoelectric thin film is formed using the present invention will be described below. A sectional view of the formed piezoelectric thin film element structure is shown in FIG.

基板には熱酸化膜付きSi基板((100)面方位、厚さ05mm、サイズ20mm×20mm)を用いた。   A Si substrate with a thermal oxide film ((100) plane orientation, thickness 05 mm, size 20 mm × 20 mm) was used as the substrate.

まず、Si基板上にRFマグネトロンスパツタリング法で、Ti密着層(膜厚2nm)、白金下部電極((111)面単独配向、膜厚0.2μm)をそれぞれ形成した。Ti密着層と白金下部電極は、基板温度350℃、放電パワー200W、導入ガスAr雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間は1分と10分の条件でそれぞれ成膜した。   First, a Ti adhesion layer (film thickness: 2 nm) and a platinum lower electrode ((111) plane single orientation, film thickness: 0.2 μm) were formed on a Si substrate by RF magnetron sputtering. The Ti adhesion layer and the platinum lower electrode were formed under conditions of a substrate temperature of 350 ° C., a discharge power of 200 W, an introduced gas Ar atmosphere, a pressure of 2.5 Pa, and a film formation time of 1 minute and 10 minutes, respectively.

つぎに、白金下部電極の上に、RFマグネトロンスパツタリング法で、BaSnO層を0.2μm形成した。ターゲットにはBaSnO焼結体を用い、基板温度750℃、放電パワー150W、Ar雰囲気、圧力0.1Pa、成膜時間10mmの条件で成膜した。 Next, a 0.2 μm BaSnO 3 layer was formed on the platinum lower electrode by RF magnetron sputtering. A BaSnO 3 sintered body was used as a target, and the film was formed under conditions of a substrate temperature of 750 ° C., a discharge power of 150 W, an Ar atmosphere, a pressure of 0.1 Pa, and a film formation time of 10 mm.

続いて、RFマグネトロンスパツタリング法で(K.Na.)NbO薄膜を3μm形成した。KNN圧電薄膜は組成比(K+Na)/Nb=1.0、K/(K+Na)=0.5のKNN焼結体をターゲットに用い、基板温度650℃、放電パワー100W、Ar雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間4時間00分の条件で成膜した。 Then, RF magnetron spa ivy ring method (K 0. 5 Na 0. 5) to NbO 3 thin film was 3μm formed. The KNN piezoelectric thin film uses a KNN sintered body having a composition ratio (K + Na) /Nb=1.0 and K / (K + Na) = 0.5 as a target, a substrate temperature of 650 ° C., a discharge power of 100 W, an Ar atmosphere, and a pressure of 0. The film was formed under the conditions of 4 Pa and film formation time of 4 hours.

(比較例1)
実施例において、白金下部電極と(K.Na.)NbO圧電薄膜との間に形成
したBaSnO層を形成しなかった点以外は、実施例と同じ条件で圧電薄膜素子を形成した。形成した構造の断面図を図2に示す。
(Comparative Example 1)
In embodiments, the platinum lower electrode (K 0. 5 Na 0. 5) NbO 3 except that did not form a BaSnO 3 layer formed between the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin-film element under the same conditions as in Example Formed. A cross-sectional view of the formed structure is shown in FIG.

(実施例1及び比較例1の評価)
実施例と比較例の両方において、圧電定数d31を評価するために、図3に示す圧電特性評価方法を用いた。
これらの圧電薄膜素子上に白金上部電極5(膜厚0.02μm)をRFマグネトロンスパッタリング法で形成して、長さ20mm、幅2.5mmの短冊形を切り出し、KNN圧電薄膜3を含む圧電薄膜素子6を作製した。圧電薄膜素子6の長手方向の端をクランプ9で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバー7を構成した(図3(a))。
(Evaluation of Example 1 and Comparative Example 1)
In both examples and comparative examples, to evaluate the piezoelectric constant d 31, a piezoelectric characteristic evaluation method shown in FIG.
A platinum upper electrode 5 (thickness: 0.02 μm) is formed on these piezoelectric thin film elements by RF magnetron sputtering, and a rectangular shape having a length of 20 mm and a width of 2.5 mm is cut out to include the KNN piezoelectric thin film 3. Element 6 was produced. A simple unimorph cantilever 7 was constructed by fixing the longitudinal end of the piezoelectric thin film element 6 with a clamp 9 (FIG. 3A).

次に、この状態で上下両電極2、5間のKNN圧電薄膜3に電圧(sin波)を印加し、KNN圧電薄膜3を伸縮させることでカンチレバー7全休を屈曲動作させ、レバー先端7aを動作させた。その先端変位量をレーザードップラ変位計10で測定した(図3(b))。   Next, in this state, a voltage (sin wave) is applied to the KNN piezoelectric thin film 3 between the upper and lower electrodes 2 and 5, and the KNN piezoelectric thin film 3 is expanded and contracted to bend the cantilever 7 and to operate the lever tip 7a. I let you. The tip displacement was measured with a laser Doppler displacement meter 10 (FIG. 3B).

圧電定数d31(圧電薄膜素子が縮む方向の変位)はカンチレバー先端7aの変位量、カンチレバー7の長さ、基板1とKNN圧電薄膜3の厚さとヤング率、印加電圧から算出される。実施例と比較例のd31の値を図4に示す。この結果から比較例に対して実施例が大幅にd31が大きくなっていることは明らかである。 The piezoelectric constant d 31 (displacement in the direction in which the piezoelectric thin film element contracts) is calculated from the displacement amount of the cantilever tip 7a, the length of the cantilever 7, the thickness and Young's modulus of the substrate 1 and the KNN piezoelectric thin film 3, and the applied voltage. The value of d 31 of Example and Comparative Example shown in FIG. From this result, it is apparent that d 31 is significantly larger in the example than in the comparative example.

(実施例2)
上記実施例と同様の工程で圧電薄膜素子を作製した。ただし、幾つか格子定数の異なる擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造の中間層の上にKNN圧電薄膜を成膜した。そして、上述した圧電特性評価方法と同じ方法で圧電定数d31を求めた。実施例と比較例のd31の値を図5に示す。印加電圧は18Vである。
(Example 2)
A piezoelectric thin film element was fabricated in the same process as in the above example. However, a KNN piezoelectric thin film was formed on an intermediate layer having a pseudo cubic or cubic perovskite structure having several different lattice constants. Then, measurement of the piezoelectric constant d 31 in the same manner as the piezoelectric characteristic evaluation method described above. The value of d 31 of Example and Comparative Example shown in FIG. The applied voltage is 18V.

図5からわかるように、中間層の格子定数が4.05以上の値のとき、圧電定数d31が100−pm/Vで良好であり改善効果があったが、その値未満では70−pm/V以下となり悪かった。したがって、格子定数が4.05以上のとき改善効果があることがわかった。効果のある中間層材として、上述したBaSnOの他に、BaZrO、BaMnO、KMnF、KFeFが適当であった。 As can be seen from FIG. 5, when the lattice constant of the intermediate layer is 4.05 or more, the piezoelectric constant d 31 is 100-pm / V, which is good and has an improvement effect, but below that value, 70-pm. / V or less. Therefore, it was found that there is an improvement effect when the lattice constant is 4.05 or more. In addition to BaSnO 3 described above, BaZrO 3 , BaMnO 3 , KMnF 3 , and KFeF 3 were suitable as the effective intermediate layer material.

本発明の実施例に係る圧電薄膜素子の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the piezoelectric thin film element based on the Example of this invention. 比較例に係る圧電薄膜素子の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of the piezoelectric thin film element which concerns on a comparative example. ユニモルフカンチレバーの形状と測定の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape and measurement state of a unimorph cantilever. 圧電薄膜素子の印加電圧と圧電定数との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the applied voltage of a piezoelectric thin film element, and a piezoelectric constant. 中間層の格子定数とと圧電定数との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the lattice constant of an intermediate | middle layer, and a piezoelectric constant.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 下部電極
3 圧電薄膜
4 中間層
1 Substrate 2 Lower electrode 3 Piezoelectric thin film 4 Intermediate layer

Claims (4)

基板上に下部電極、圧電薄膜を順次配置して構成された圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜は(K,Na)NbOを主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜からなり、
前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜に接して、格子定数が4.036Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層が挿入されていることを特徴とする圧電薄膜素子。
In a piezoelectric thin film element configured by sequentially arranging a lower electrode and a piezoelectric thin film on a substrate,
The piezoelectric thin film comprises a dielectric thin film having a perovskite structure having (K, Na) NbO 3 as a main phase,
An intermediate layer having a pseudo-cubic or cubic perovskite structure having a lattice constant of 4.036 Å or more is inserted between the lower electrode and the piezoelectric thin film, in contact with the piezoelectric thin film. Piezoelectric thin film element.
前記中間層は、BaZrO、BaSnO、BaMnO、KMnF、KFeFのいずれか、またはこれらの混晶、もしくはこれらの元素に10%以下の他の元素を混入したペロブスカイト構造の誘電体薄膜のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。 The intermediate layer is a dielectric thin film having a perovskite structure in which BaZrO 3 , BaSnO 3 , BaMnO 3 , KMnF 3 , KFeF 3 , a mixed crystal thereof, or a perovskite structure in which other elements are mixed in an amount of 10% or less. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film element is any one of the following. 前記中間層は前記基板の法線方向に(001)面に優先配向していることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電薄膜素子。   3. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the intermediate layer is preferentially oriented in a (001) plane in a normal direction of the substrate. 前記圧電薄膜の膜厚が0.2μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電薄膜素子。   4. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein a film thickness of the piezoelectric thin film is 0.2 μm or more and 10 μm or less.
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