CN102157678B - 压电薄膜元件以及压电薄膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电薄膜元件以及压电薄膜设备，就所述压电薄膜元件而言，漏电流少且因驱动而导致的压电常数的恶化少。一种压电薄膜元件，其为在基板(1)上具有下部电极(2)、以组成式(K1-xNax)NbO₃表示的碱铌氧化物系钙钛矿结构的压电薄膜(3)以及上部电极(4)的压电薄膜元件，就所述压电薄膜元件而言，由(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜(3)的组成比x为0.4≤x≤0.7的范围，由X射线衍射测定的(001)面的摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围。

Description

压电薄膜元件以及压电薄膜设备

技术领域

本发明涉及，使用碱铌氧化物系钙钛矿结构的压电薄膜的压电薄膜元件以及压电薄膜设备。

背景技术

压电体根据各种目的而加工成各种各样的压电元件，尤其是被广泛地用作对压电元件施加电压而使之产生变形的执行器，以及反过来检测由于压电元件的变形而产生的电压的传感器等功能性电子部件。作为用于执行器、传感器用途的压电体，一直以来广泛使用具有优异的压电特性的铅系材料的电介质，特别是以组成式：Pb(Zr_1-xTi_x)O₃表示的PZT系的钙钛矿型强电介质，通常通过烧结包含各个元素的氧化物而形成。目前，随着各种电子部件的小型化、高性能化的推进，对于压电元件而言也强烈要求着小型化、高性能化。

然而，通过以历来的制法即烧结法为中心的制造方法而制作的压电材料，随着将其厚度变薄，特别是随着厚度接近10μm左右的厚度，就越接近构成材料的晶粒的大小，其影响变得不可忽视。因此，就会出现特性不均匀及恶化显著这样的问题，为了避免这一问题，近年正在研究采用改变烧结法的薄膜技术等压电体的形成方法。最近，通过溅射法在硅基板上形成的PZT薄膜，作为高速高精细的喷墨打印机头用执行器的压电薄膜而得到实用化(例如，参照专利文献1)。

另一方面，对于由PZT形成的压电烧结体或压电薄膜而言，由于含有60～70重量％左右的铅，因此从生态学上的观点以及防止公害的方面考虑为不优选。这里，从对环境的考虑出发，期望开发出不含铅的压电体。目前，正在研究各种各样的非铅压电材料，其中有，以组成式：(K_1-xNa_x)NbO₃(0＜x＜1)表示的铌酸钾钠(以后，也记作“KNN”)。该KNN由于是具有钙钛矿结构的材料，且作为非铅的材料表示良好的高的压电特性，因此可期待作为非铅压电材料的有力的候选(例如，参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-286953号公报

专利文献2：日本特开2007-19302号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，对于具有高的压电常数的以往的KNN薄膜而言，常常在配置在KNN薄膜上下方向上的上部电极与下部电极之间流动有漏电流，也就是引发无法维持KNN薄膜的绝缘性这样的问题。虽然与适用压电薄膜的元件的种类、规格有关，但是可以说在适用于一般的执行器的情况下，需要使在上下电极间施加了50kV/cm的电场时的漏电流为1.0×10^-7A/cm²以下。另外，也存在有：在使用压电薄膜来制作执行器时，因多次的压电操作而导致压电常数慢慢降低这样的问题。这虽然也与适用的元件、规格有关，但是一般而言，将初期的压电常数作为基准时，有必要使进行1亿次驱动后的压电常数的值的恶化率为不到10％。

本发明在于提供一种漏电流少、且因驱动而导致的压电常数的恶化少的压电薄膜元件，以及使用压电薄膜元件的压电薄膜设备。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明具有如下地构成。

本发明的第1方式为一种压电薄膜元件，其为在基板上具有以组成式(K_1-xNa_x)NbO₃表示的碱铌氧化物系钙钛矿结构的压电薄膜的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的组成比x为0.4≤x≤0.7的范围，由X射线衍射测定的(001)面的摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围。

本发明的第2方式为第1方式的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜为假立方晶(pseudo-cubical crystal)。

本发明的第3方式为第1方式的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜为假立方晶，在(001)面方向上优先取向。

本发明的第4方式为第1～第3方式中的任一项的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的(K+Na)/Nb组成比为0.7以上0.94以下。

本发明的第5方式为第1～第4方式中的任一项的压电薄膜元件，其中，在以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的所述基板侧具有下部电极，在所述压电薄膜的与所述基板的相反侧具有上部电极。

本发明的第6方式为第5方式的压电薄膜元件，其中，所述下部电极由铂形成，且在(111)面方向优先取向。

本发明的第7方式为一种压电薄膜设备，具备：第5或第6方式的压电薄膜元件、以及连接在所述压电薄膜元件的所述下部电极和所述上部电极之间的电压施加手段或电压检测手段。

发明效果

根据本发明可得到一种漏电流少且因驱动而导致的压电常数的恶化少的压电薄膜元件以及压电薄膜设备。

附图说明

图1为显示本发明所涉及的压电薄膜元件的一个实施方式结构的剖视图。

图2为显示本发明所涉及的压电薄膜元件的其它实施方式的结构的剖视图。

图3为显示本发明所涉及的压电薄膜设备的一个实施方式的概略结构图。

图4为，用于说明KNN薄膜的(001)面摇摆曲线的半值宽度与、KNN薄膜的晶粒状态及KNN薄膜特性的关系的图。

图5为显示实施例的压电薄膜元件的X射线衍射图案(2θ/θ扫描)的图，(a)为显示实施例4的X射线衍射图案的图，(b)为显示实施例14的X射线衍射图案的图。

图6为显示比较例的压电薄膜元件的X射线衍射图案(2θ/θ扫描)的图，(a)为显示比较例6的X射线衍射图案的图，(b)为显示比较例12的X射线衍射图案的图。

图7为实施例的压电薄膜元件的由X射线衍射测定而得到的KNN(001)面的摇摆曲线(ω扫描)，(a)为显示实施例7的KNN(001)面摇摆曲线的图，(b)为显示实施例11的KNN(001)面摇摆曲线的图。

图8为比较例的压电薄膜元件的由X射线衍射测定而得到的KNN(001)面的摇摆曲线(ω扫描)，(a)为显示比较例6的KNN(001)面摇摆曲线的图，(b)为显示比较例11的KNN(001)面摇摆曲线的图。

图9为，对使用实施例和比较例的压电薄膜元件而制作的执行器的结构以及压电特性评价方法进行说明的概略结构图。

图10为显示KNN(001)面摇摆曲线的半值宽度与50kV/cm电场施加时的漏电流的关系的图表。

图11为显示KNN(001)面摇摆曲线的半值宽度与1亿次驱动后的恶化率的关系的图表。

附图标记

1基板

2下部电极

3压电薄膜

4上部电极

5氧化膜

6密合层

10压电薄膜元件

11电压检测手段或电压施加手段

20压电薄膜元件

21夹具

22激光多普勒位移计

具体实施方式

以下，说明本发明所涉及的压电薄膜元件以及压电薄膜设备的实施方式。

一实施方式的压电薄膜元件

图1为，表示本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜元件结构的剖视图。

压电薄膜元件如图1所示，在基板1上按顺序形成有下部电极2、具有以组成式(K_1-xNa_x)NbO₃(以下，略记为“KNN”)表示的碱铌氧化物系的钙钛矿结构的压电薄膜3、以及上部电极4。

基板1优选使用Si(硅)基板、在Si基板表面上具有氧化膜的表面带氧化膜的Si基板、或者SOI((Silicon On Insulator))基板。对于Si基板，例如可以使用Si基板表面为(100)面取向的(100)面Si基板，当然也可以使用与(100)面不同的面取向的Si基板。另外，对于基板1还可使用石英玻璃基板、GaAs基板、蓝宝石基板、不锈钢等金属基板、MgO基板、SrTiO₃基板等。

下部电极2由Pt(铂)形成，且优选Pt膜优先在(111)面方向取向的Pt电极。对于基板1上形成的Pt膜而言，由于优选取向性，因而容易在(111)面方向取向。另外，对于在(111)面方向优选取向的Pt膜而言，由于为柱状结构的多晶，因此，Pt膜上形成的压电薄膜3也随着Pt膜的晶体结构，而成为柱状结构的多晶的薄膜。对于下部电极2的材料除了Pt以外，还可以使用含有Pt的合金、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、或SrRuO₃、LaNiO₃等金属氧化物。下部电极2使用溅射法、蒸镀法等而形成。另外，在基板1和下部电极2之间，为了提高下部电极2的密合性，可设置密合层。

压电薄膜3的Na/(K+Na)比率的组成比x处于0.4≤x≤0.7的范围，由X射线衍射测定的KNN(001)面的摇摆曲线(ω扫描)的半值宽度(半峰全宽；FWHM(FullWidth at Half Maximum))处于0.5°以上2.5°以下的范围。进一步，压电薄膜3是假立方晶，更优选在(001)面方向优选取向。另外，压电薄膜3优选制成膜厚1μm以上10μm以下，且构成KNN薄膜的晶粒的平均粒径为0.05μm以上1.0μm以下。对于作为KNN薄膜的压电薄膜3的形成方法可以列举出溅射法、CVD(化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition))法，PLD((Pulsed Laser Deposition))法、溶胶-凝胶法等。

上部电极4可以与下部电极2同样地使用Pt、Au等用溅射法、蒸镀法、镀敷法、金属膏法等来形成。上部电极4的材料没有特别限定。

(K_1-xNa_x)NbO₃压电薄膜3的组成比x处于0.4≤x≤0.7的范围，压电薄膜3是假立方晶，对优先取向于(001)面方向的上述结构的压电薄膜元件试制多个，进行特性的评价。可知其结果为，上部电极4与下部电极2之间的漏电流的大小以及多次驱动压电薄膜元件之后的压电常数的恶化率与KNN薄膜的由X射线衍射测定的(001)面摇摆曲线(ω扫描)的半值宽度有密切的关系。

具体可知，由X射线衍射测定的KNN(001)面的摇摆曲线的半值宽度小于0.5°时漏电流变大，上述半值宽度大于2.5°时驱动后的压电常数的恶化率变大。由此可知，在KNN薄膜的(001)面摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围时，可实现漏电流小、且驱动后的压电常数的恶化率也小的压电薄膜元件。

接着，根据由X射线衍射测定的KNN(001)面的摇摆曲线的半值宽度的值，来说明压电薄膜元件的漏电流、驱动后的压电常数的恶化率变化的理由。

图4显示KNN薄膜的(001)面摇摆曲线的半值宽度与KNN薄膜的结晶态的关系。组成比x处于0.4≤x≤0.7的范围、晶体结构为假立方晶、优先取向于(001)面方向的KNN薄膜如图4所示那样为，由具有钙钛矿结构的主要为柱状晶粒构成的多晶。此处，如图4(a)所示，柱状晶粒是指，在垂直于(001)面的方向(图中，用箭头表示)上，细长地生长的竖长的单晶。

KNN(001)面摇摆曲线的半值宽度小的多晶如图4(b)所示，处于柱状的各晶粒的方向一致的状态。就该状态而言，邻接的晶粒和晶粒的边界(晶界)一致，便于产生电流渗漏。另外，压电驱动虽然是通过晶粒在垂直于(001)面的方向伸缩来进行的，但是对于柱状晶粒的方向取齐的状态，由于压电驱动使全部的晶粒进行同样地伸缩，因而不会受到过分的负荷，成为多次驱动后的压电常数的恶化少的长寿命。

KNN(001)面摇摆曲线的半值宽度大的多晶如图4(c)所示，处于柱状的各晶粒的方向为散乱的状态。对于该状态邻接的晶粒和晶粒的边界混乱，变得难以产生电流渗漏。另外，对于柱状晶粒的方向为散乱的状态而言，由于压电驱动是晶粒在稍微不同的方向进行伸缩，因而局部性地受到过分的负荷，多次驱动后的压电常数的恶化变多，寿命变短。

出于以上的理由，通过将KNN(001)面的摇摆曲线的半值宽度设为0.5°以上2.5°以下的范围，对于具有高的压电常数的KNN薄膜，可改善漏电流以及压电驱动后的压电常数降低这两样问题。

对于我们主要研究·试制的、基于在加热了基板1的状态下进行的RF磁控溅射法的成膜方法可知，KNN薄膜的(001)面摇摆曲线半值宽度强烈地受靶表面的磁场的强度(具体而言，靶与设置于靶下的磁体的距离)或Pt的下部电极2的(111)面的取向情况的影响。

对于我们所使用的溅射装置而言，存在通过减弱靶表面磁场而使得(001)面摇摆曲线的半值宽度变小的倾向。另外，存在如果Pt的下部电极2的(111)取向变强，那么(001)面摇摆曲线的半值宽度变小的倾向。本发明所规定的KNN(001)面摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围，可通过控制·调整靶表面磁场的强度(靶与设置于靶下的磁体的距离)来实现。对于磁体使用钐钴(Sm₂Co₁₇)。另外，也可通过改变Pt的下部电极2的(111)面的取向状况来实现。为了使成为Pt下部电极的Pt薄膜高取向于(111)面方向，通过提高Pt薄膜的溅射成膜温度、减小Pt薄膜的溅射成膜时的O₂分压(O₂分压0.1％以下)、或在Pt薄膜下设置Ti密合层时薄化Ti密合层的厚度等来实现。

其它实施方式的压电薄膜元件

图2显示本发明的其它实施方式中的压电薄膜元件的剖视结构。该压电薄膜元件与图1所示的上述实施方式的压电薄膜元件同样地，在基板1上具有下部电极2、压电薄膜3、上部电极4，并且如图2所示，基板1为在其表面形成有氧化膜5的表面带氧化膜的基板，在氧化膜5与下部电极2之间设置用于提高下部电极2的密合性的密合层6。

带氧化膜的基板1例如为带氧化膜的Si基板，对于带氧化膜的Si基板，氧化膜5有通过热氧化而形成的SiO₂膜、通过CVD法而形成的Si氧化膜。另外，密合层6可以使用Ti、Ta等，通过溅射法等来形成。

另外，对于上述实施方式中所述的压电薄膜元件的压电薄膜3而言，虽然是处于0.4≤x≤0.7、(001)面摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围的单层的KNN薄膜，但是对于压电薄膜3而言，可以是处于上述范围内的KNN薄膜为多层，或者还可以设置除了处于上述范围内的KNN薄膜，例如为不处于上述范围内的KNN薄膜等具有钙钛矿结构的薄膜。另外，对KNN的压电薄膜3还可以添加除了K、Na、Nb、O以外的元素，例如添加5原子数％以下的Li、Ta、Sb、Ca、Cu、Ba、Ti等，即使在此情况下，也可获得同样的效果。

另外，通过以KNN压电薄膜的(K+Na)/Nb组成比为0.7以上0.94以下的方式进行成膜，从而获得良好的特性。

通常，制作具有(K+Na)/Nb＝1的化学计量组成、或者具有接近于化学计量组成的组成的KNN膜，但是这回有意图地尝试制作了比化学计量组成的KNN膜而言K、Na少的KNN膜，结果发现了与化学计量组成附近的KNN膜相比，压电常数变大。压电常数提高的机理的细节虽然不明，但是可推测出：通过使(K+Na)/Nb组成比小于1，作为结晶便向相对于理想的化学计量组成的KNN膜中导入了适度的不稳定因素，由此变得容易产生因电场而导致的晶格伸缩(压电驱动)。(K+Na)/Nb组成比为0.7以上0.94以下的KNN薄膜具有钙钛矿型的假立方晶结构，优先取向于(001)面方向。另外，可知(K+Na)/Nb组成比小于0.7，由于KNN膜的绝缘性显著地恶化，漏电流格外地增大，因此，作为压电薄膜元件的利用是困难的。

作为制作(K+Na)/Nb组成比为0.7以上0.94以下的KNN薄膜的方法有，使用比化学计量组成少的K、Na、即(K+Na)/Nb小于1的靶进行溅射的方法。另外，即使使用(K+Na)/Nb＝1附近的靶时，即使将溅射成膜时的基板温度设为比一般使用的温度高的温度(例如700℃以上)，也可以制作。

使用压电薄膜元件的压电薄膜设备

图3显示本发明涉及的压电薄膜设备的一个实施方式的概略的结构图。压电薄膜设备如图3所示，在成型为规定形状的压电薄膜元件10的下部电极2与上部电极4之间，至少连接有电压检测手段或电压施加手段11。

通过在下部电极2和上部电极4之间，连接电压检测手段11，从而可获得作为压电薄膜设备的传感器。该传感器的压电薄膜元件10如果伴随着某些物理量的变化而变形，由于由该变形而产生电压，因此可通过由电压检测手段11检测该电压，从而测定各种物理量。作为传感器例如可举出，陀螺传感器、超声波传感器、压力传感器、速度·加速度传感器等。

另外，通过在压电薄膜元件10的下部电极2与上部电极4之间，连接电压施加手段11，从而可获得作为压电薄膜设备的执行器。通过对该执行器的压电薄膜元件10施加电压，变形压电薄膜元件10，从而可以操作各种部件。执行器可用于例如喷墨打印机、扫描仪、超声波发生装置等。

另外，本发明的压电薄膜元件也可适用于表面弹性波设备等。

实施例

接着，说明本发明的具体的实施例。

以下所述的实施例1～20和比较例1～14的压电薄膜元件具有与上述图2所示的实施方式同样的剖视结构，在具有热氧化膜(5)的Si基板(1)上层叠有Ti密合层(6)、Pt下部电极(2)、KNN压电薄膜(3)以及Pt上部电极(4)。

KNN薄膜的成膜

说明实施例和比较例的KNN压电薄膜的成膜方法。对于基板使用带热氧化膜的Si基板((100)面方向、厚度0.525mm、热氧化膜的厚度200nm、尺寸20mm×20mm)。首先，通过RF磁控溅射法，在基板上形成了Ti密合层(膜厚2nm)、Pt下部电极((111)面优先取向、膜厚200nm)。Ti密合层和Pt下部电极在如下条件下成膜：基板温度为100～350℃，放电功率为200W，导入气体为Ar、Ar氛围的压力为2.5Pa，成膜时间Ti密合层为1～3分钟，Pt下部电极为10分钟。

接着，在Pt下部电极之上，通过RF磁控溅射法形成了3μm的(K_1-xNa_x)NbO₃薄膜。就(K_1-xNa_x)NbO₃压电薄膜而言，将Na/(K+Na)＝0.425～0.730的(K_1-xNa_x)NbO₃烧结体用作靶，在基板温度700℃、放电功率100W、导入气体Ar、Ar氛围的压力1.3Pa的条件下成膜。KNN膜的溅射成膜时间按照膜厚为大致3μm的方式进行调整。对于KNN薄膜的KNN(001)摇摆曲线的半值宽度而言，通过使处于靶之下的磁体与靶的距离在15mm～35mm的范围进行改变来控制。

表1显示，实施例1～20和比较例1～14中、KNN薄膜的组成比x(根据由EDX(能量分散型X射线分光分析)测定的K、Na的原子数％的测定值而算出)、磁体表面与靶表面的距离(mm)、KNN(001)摇摆曲线的半值宽度(°)、压电常数d₃₁(-pm/V)、对KNN薄膜施加50kV/cm的电场时的漏电流(×10^-7A/cm²)、1亿次驱动后的压电常数d₃₁的恶化率(％)的一览表。

表1

以下记载作为实施例的更具体的制造条件的一个实例的实施例12的制造条件。

Si基板：(100)面、厚度0.525mm、尺寸20×20mm、热氧化膜200nm

Ti密合层：2nm

Pt下部电极：200nm、(111)取向

Ti密合层以及Pt下部电极的成膜条件：基板温度150℃、放电功率200w、Ar100％氛围、Ar压力2.5Pa

KNN压电薄膜：3μm、(001)取向、Na/(K+Na)＝0.619、(K+Na)/Nb＝0.880

KNN压电薄膜的成膜条件：靶组成Na/(K+Na)＝0.650、(K+Na)/Nb＝1.000、基板温度700℃、放电功率100W、Ar100％氛围、Ar压力1.3Pa、磁体-靶间距离27.5mm、靶-基板间距离100mm、使用钐钴磁体

KNN薄膜的X射线衍射测定(2θ/θ扫描)

对通过上述而形成的实施例1～20、比较例1～14的KNN薄膜进行X射线衍射测定(2θ/θ扫描)，进行了晶体结构、取向状况的调查。作为一个实例，图5(a)显示实施例4的X射线衍射图案，图5(b)显示实施例14的X射线衍射图案。另外，图6(a)显示比较例6的X射线衍射图案，图6显示比较例12的X射线衍射图案。另外，图5、图6的纵轴为计数值的自然对数。可知，这些实施例和比较例的KNN薄膜为完全的钙钛矿结构，晶体结构为假立方晶，在KNN(001)面方向优先取向。另外可知，Pt下部电极也为(111)优先取向。关于其它的实施例、比较例，虽然在衍射峰角度、强度上多少存在差异，但是几乎显示同样的衍射图案。

KNN薄膜的(001)面摇摆曲线的半值宽度

对于通过上述而形成的实施例1～20、比较例1～14的KNN薄膜，进行了X射线衍射测定(KNN(001)面的摇摆曲线(ω扫描))。作为一个实例，将实施例7和实施例11的KNN(001)面的摇摆曲线分别显示于图7(a)、(b)，将比较例6和比较例11的KNN(001)面的摇摆曲线分别显示于图8(a)、(b)。所获得的摇摆曲线用Pseudo-Voigt函数进行拟合后，读取半值宽度。在图7、图8中，所测定的摇摆曲线以实线来表示，拟合了的Pseudo-Voigt函数的曲线以点划线来表示。全部的实施例、比较例的摇摆曲线的半值宽度示于表1。

从表1大致可确认出如下倾向：磁体与靶的距离越变小，则KNN(001)摇摆曲线的半值宽度越变小；磁体与靶的距离越变大，则KNN(001)摇摆曲线的半值宽度越变大。多少存在有偏离出该倾向的例子可认为是因为，下部Pt电极的(111)面取向的状况的差异(难以进行严密的控制)或KNN膜的Na组成(组成比x)的不同。另外，在实施例中，按照KNN薄膜的(K+Na)/Nb组成比成为0.7以上0.94以下的方式来成膜。

执行器的试制以及压电特性的评价

为了评价KNN薄膜的压电常数d₃₁，试制了图9所示的结构的单层压电片(unimorph cantilever)。首先，在上述实施例和比较例的KNN薄膜上，用RF磁控溅射法形成Pt上部电极(膜厚20nm)后，切成长度20mm、宽度2.5mm的短条形，制作出具有KNN压电薄膜的压电薄膜元件20。接着，通过用夹具21固定该压电薄膜元件20的长度方向一端，制作简易的单层压电片(图9(a))。对该悬臂的上部电极4与下部电极2之间的KNN压电薄膜3，通过图示省略的电压施加手段而施加电压，使KNN压电薄膜3伸缩，从而使悬臂(压电薄膜元件20)整体屈伸，构成了使悬臂前端在上下方向上往复运动这样的、使用压电薄膜元件20的执行器。此时的悬臂的前端位移量Δ，通过从激光多普勒位移计22向悬臂的前端照射激光L来进行测定(图9(b))。根据悬臂前端的位移量Δ、悬臂的长度、基板及薄膜的厚度和杨氏模量、以及施加电压而算出压电常数d₃₁。KNN压电薄膜的杨氏模量使用104GPa，测定施加电场100kV/cm时的压电常数d₃₁。压电常数d₃₁的计算按照文献(T.Mino，S.Kuwajima，T.Suzuki，I.Kanno，H.Kotera，and K.Wasa，Jpn.J.Appl.Phys.，46(2007)，6960)中记载的方法来进行。压电常数d₃₁的测定结果示于表1。

另外，通过测定对上下电极间施加电压时的漏电流，调查了电流-电压特性。作为绝缘性优劣的基准，读取了在将50kV/cm的电场施加于KNN膜时流动的漏电流的值。一般而言，只要为1×10^-7(A/cm²)以下，就可判断为在绝缘性上没有问题。另外，通过将0～20V的单极的sin波(频率数1kHz)连续地施加于上下电极间，从而连续驱动悬臂，测定了1亿次驱动后的压电常数d₃₁。在本说明书中，{(“初期的压电常数d₃₁”-“1亿次驱动后的压电常数d₃₁”)/“初期的压电常数d₃₁”}×100定义为1亿次驱动后的恶化率(％)。表1显示50kV/cm的电场施加时的漏电流、1亿次驱动后的恶化率。另外，基于表1，将KNN(001)摇摆曲线的半值宽度与施加50kV/cm电场时的漏电流的关系进行了结构化的图表示于图10；将KNN(001)摇摆曲线的半值宽度与1亿次驱动后的恶化率的关系进行了结构化的图表示于图11。

根据表1、图10、图11可知，在KNN(001)摇摆曲线的半值宽度小于0.5°时，漏电流变大，在KNN(001)摇摆曲线的半值宽度大于2.5°时，1亿次驱动后的恶化率变大。由此可知，KNN薄膜的(001)摇摆曲线半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围时，可实现漏电流为1.0×10^-7(A/cm²)以下这样小的、且1亿次驱动后的恶化率也不足10％这样小的压电薄膜元件。附带说一下，压电常数d₃₁有伴随着KNN(001)摇摆曲线的半值宽度增加，而平稳地增加的倾向。

另外，就上述实施例而言，基板使用了20mm×20mm尺寸的Si基板，但也可使用更大面积的Si基板，例如4英寸、6英寸这种尺寸的基板。在使用4英寸或6英寸这种尺寸的基板时，为了提高KNN薄膜的面内均匀性，可以一边使基板自公转一边成膜，对于基板温度可以设置多个不同的加热器加热区，例如对6英寸的基板，从基板中心向半径方向在2英寸的区域、从2英寸到4英寸的区域、从4英寸到6英寸的区域，进行阶段性地控制加热温度，进行成膜。另外，按照基板尺寸，将溅射靶与基板之间的距离从100mm变长到150mm，便可在大面积的基板上均匀地成膜。确认出即使使用大面积的基板时，KNN薄膜的(001)摇摆曲线的半值宽度在0.5°以上2.5°以下的范围也可获得漏电流值为1.0×10^-7(A/cm²)以下这样小的、且1亿次驱动后的恶化率不足10％这样小的元件。

对于上述实施例中的压电薄膜元件的结构解析，使用了搭载有具有大面积的X射线检测区域的2维检测器的X射线衍射装置，即布鲁克AXS(Bruker AXS)公司制的“D8 DISCOVER with GADDS”。

Claims (12)

1.一种压电薄膜元件，其为在基板上具有以组成式(K_1-xNa_x)NbO₃表示的碱铌氧化物系钙钛矿结构的压电薄膜的压电薄膜元件，

所述基板由Si基板、在Si基板表面上具有氧化膜的表面带氧化膜的Si基板或者SOI基板中的任一种构成，

以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的组成比x为0.4≦x≦0.7的范围，由X射线衍射测定的(001)面的摇摆曲线的半值宽度为0.5°以上2.5°以下的范围。

2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜为假立方晶。

3.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜是假立方晶，且在(001)面方向优先取向。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的压电薄膜元件，其中，以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的(K+Na)/Nb组成比为0.7以上0.94以下。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的压电薄膜元件，其中，在以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的所述基板侧具有下部电极，在所述压电薄膜的与所述基板的相反侧具有上部电极。

6.根据权利要求4所述的压电薄膜元件，其中，在以(K_1-xNa_x)NbO₃表示的所述压电薄膜的所述基板侧具有下部电极，在所述压电薄膜的与所述基板的相反侧具有上部电极。

7.根据权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，所述下部电极由铂形成，且在(111)面方向优先取向。

8.根据权利要求6所述的压电薄膜元件，其中，所述下部电极由铂形成，且在(111)面方向优先取向。

9.一种压电薄膜设备，具备：权利要求5所述的压电薄膜元件、以及连接在所述压电薄膜元件的所述下部电极与所述上部电极之间的电压施加手段或电压检测手段。

10.一种压电薄膜设备，具备：权利要求6所述的压电薄膜元件、以及连接在所述压电薄膜元件的所述下部电极与所述上部电极之间的电压施加手段或电压检测手段。

11.一种压电薄膜设备，具备：权利要求7所述的压电薄膜元件、以及连接在所述压电薄膜元件的所述下部电极与所述上部电极之间的电压施加手段或电压检测手段。

12.一种压电薄膜设备，具备：权利要求8所述的压电薄膜元件、以及连接在所述压电薄膜元件的所述下部电极与所述上部电极之间的电压施加手段或电压检测手段。