DE112011102278B4

DE112011102278B4 - Piezoelektrisches Filmelement und piezoelektrische Filmvorrichtung

Info

Publication number: DE112011102278B4
Application number: DE112011102278.6T
Authority: DE
Inventors: Kazufumi Suenaga; Kazutoshi Watanabe; Akira Nomoto; Fumimasa Horikiri; Kenji Shibata
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: US20130106242A1; CN102959751A; JP5056914B2; DE112011102278T8; DE112011102278T5; JP2012019050A; WO2012005032A1; CN102959751B

Abstract

Piezoelektrisches Filmelement, aufweisend:ein Substrat; undeinen auf einem Substrat bereit gestellten piezoelektrischen Film, der eine Alkalimetallnioboxid basierte Perowskitstruktur aufweist, die durch eine Zusammensetzungsformel (KNa)NbO(0 < x < 1) dargestellt wird,wobei die alkalinioboxidbasierte Zusammensetzung in einen Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 fällt und weiterhin ein Verhältnis einer Außerebenengitterkonstanten (c) zu einer Inebenengitterkonstanten (a) des (KNa)NbOFilms in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 eingestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Filmelement und eine piezoelektrische Filmvorrichtung unter Verwendung eines Alkalimetallnioboxid basierten piezoelektrischen Films.
Stand der Technik
Ein piezoelektrisches Material wird zu verschiedenen piezoelektrischen Elementen für verschiedene Verwendungszwecke verarbeitet und wird verbreitet als funktionale elektronische Komponente verwendet, wie ein Aktuator zum Erzeugen von Deformation unter Anwendung von Spannung und als ein Sensor zum Erzeugen von Spannung aus der Deformation eines Elementes in umgekehrter Weise. Ein dielektrisches Material, das aus bleibasierten Materialien hergestellt ist, welches exzellente piezoelektrische Eigenschaften aufweist und insbesondere Pb(Zr_l-xTi_x)O₃-basierte Perowskit-Ferroelektrika, die PZT genannt werden, werden verbreitet als ein piezoelektrisches Material für den Verwendungszweck des Aktuators und Sensors verwendet. Normalerweise wird das piezoelektrische Material wie beispielsweise PZT durch Sintern eines Oxides, welches aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist, gebildet. Gegenwärtig werden die Miniaturisierung und höhere Leistungsfähigkeit mit einem Fortschritt der Miniaturisierung und höheren Leistungsfähigkeit jeder Art von elektronischen Komponenten in hohem Ausmaß für das piezoelektrische Element gefordert.
Allerdings besteht wie folgt ein Problem in dem piezoelektrischen Material, welches mit einem Produktionsverfahren hergestellt wurde, das auf ein Sinterverfahren fokussiert ist, was ein herkömmliches Herstellungsverfahren ist. Während das piezoelektrische Material dünner gemacht wird und insbesondere während seine Dicke nah an ungefähr 10µm kommt, nähert sich die Größe des piezoelektrischen Materials der Größe der Kristallkörner an, welche das Material bilden, und wirft dadurch das Problem auf, das Variation und Verschlechterung der Charakteristik bedeutend sind. Um das zuvor genannte Problem zu vermeiden, wurde in den vergangenen Jahren ein Verfahren zum Bilden eines piezoelektrischen Materials unter Verwendung einer Dünnfilmtechnik anstelle des Sinterverfahrens erforscht. In den vergangenen Jahren wird ein dünner PZT-Film, der durch Sputtern auf einen Siliziumsubstrat gebildet ist, praktisch als der piezoelektrische Film für einen Aktuator eines hochauflösenden Hochgeschwindigkeitstintenstrahldruckkopfes verwendet.
Währenddessen enthält ein piezoelektrischer Sinterkörper und der piezoelektrische Film, der aus PZT hergestellt ist, ungefähr 60 bis 70 Gew.-% Blei und sind daher unter dem Aspekt eines ökologischen Standpunktes und einer Mäßigung von Umweltverschmutzung nicht vorzuziehen. Daher ist es unter Berücksichtigung der Umwelt wünschenswert, ein piezoelektrisches Material zu entwickeln, welches kein Blei enthält. Gegenwärtig werden verschiedene bleifreie piezoelektrische Materialien erforscht und vor allem Kaliumnatriumniobat, das durch die Zusammensetzungsformel (K_l-xNa_x)NbO₃(0<x<1) dargestellt wird, kann als ein Beispiel gegeben werden (zum Beispiel siehe Patentdokument 1 und Patentdokument 2). Solches Kaliumnatriumniobat schließt ein Material ein, welches eine Perowskitstruktur aufweist, und wird als leistungsfähiger Kandidat für das bleifreie piezoelektrische Material erwartet.
Es wird versucht, den KNN-Film auf einem Siliziumsubstrat durch ein Filmbildungsverfahren wie ein Sputterverfahren, ein Sol-Gelverfahren und ein Aerosol-Abscheidungsverfahren zu bilden, und gemäß Patentdokument 3 kann eine piezoelektrische Konstante d₃₁=-100pm/V oder mehr, was ein praktikables Niveau ist, durch Einstellen eines Verhältnisses von einer Außerebenengitterkonstanten (c) zu einer Inebenengitterkonstanten (a) des piezoelektrischen KNN-Films in einen Bereich von 0,980 ≤ c/a ≤ 1,010 realisiert werden.
Stand der Technik-Dokumente
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2007 - 184 513 A
Patentdokument 2: JP 2008 - 159 807 A
Patentdokument 3: JP 2009 - 295 786 A

Zusammenfassung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösenden Aufgabe
Allerdings besteht, wenn ein Element durch den KNN-Film hergestellt ist, das Problem, dass piezoelektrische Eigenschaften durch Langzeitgebrauch verschlechtert werden. Zum Beispiel ist es erforderlich, wenn ein piezoelektrischer Film in einem Aktuator eines Tintenstrahldruckkopfes ausgebildet ist, dass 95% oder mehr piezoelektrische Eigenschaften oder vorzugsweise 100% piezoelektrische Eigenschaften nach 100 milliardenfacher Ansteuerung mit einer Initialcharakteristik als Referenz realisiert werden. Allerdings wurde eine solche Anforderung bisher nicht erfüllt und eine Anwendung auf ein Produkt ist derzeit schwierig.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Filmelement und eine piezoelektrische Filmvorrichtung bereit zu stellen, die einen Alkalimetallnioboxid basierten Film verwenden, der piezoelektrische Charakteristika aufweist, welche mit dem gegenwärtigen PZT-Film substituiert werden können.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein piezoelektrische Filmelement bereit gestellt, umfassend:

ein Substrat; und
einen piezoelektrischen Film, der eine Alkalimetallnioboxid basierte Perowskitstruktur aufweist, dargestellt durch eine Zusammensetzungsformel (K_l-xNa_x)_yNbO₃ (0 < x < 1), der auf dem Substrat bereit gestellt ist,
wobei die Alkalimetallnioboxid basierte Zusammensetzung in einen Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 fällt und weiterhin ein Verhältnis einer Außerebenengitterkonstanten (c) zu einer Inebenengitterkonstanten (a) des piezoelektrischen KNN-Films in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 eingestellt ist.

In diesem Fall, vorzugsweise wenn mehrere Schichten des piezoelektrischen Films vorhanden sind, fällt die Lage mit einer dicksten Dicke unter den mehreren Schichten in den Bereich der Zusammensetzung mit dem c/a-Verhältniss.
Weiterhin bevorzugt hat der piezoelektrische Film eine pseudokubische Struktur und ist bevorzugt in (001) Ebenenrichtung orientiert.
Weiterhin ist es bevorzugt, zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Film eine Basisschicht bereit zu stellen.
Weiterhin bevorzugt stellt die Basisschicht, einen Pt-Film oder einen Legierungsfilm, der hauptsächlich aus Pt besteht oder eine Elektrodenschicht mit einer Laminatstruktur dar, die eine untere Elektrode einschließt, die hauptsächlich aus Pt besteht.
Weiterhin ist eine obere Elektrode bevorzugt, die auf dem piezoelektrischen Film gebildet ist.
Weiterhin bevorzugt ist das Substrat, ein Si-Substrat, ein Oberflächenoxidfilm anhaftendes Si-Substrat, oder ein SOI-Substrat.
Weiterhin wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Filmvorrichtung bereit gestellt, umfassend:

Das piezoelektrische Filmelement; und
einen Funktionsgenerator oder Spannungsdetektor, der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeschlossen ist.

Vorteil der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrisches Filmelement und eine piezoelektrische Filmvorrichtung unter Verwendung eines Alkalimetallnioboxid basierten piezoelektrischen Filmes mit piezoelektrischen Eigenschaften bereit gestellt, der mit dem gegenwärtigen PZT-Film substituiert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur eines piezoelektrischen Filmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur des piezoelektrischen Filmelements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur der piezoelektrischen Filmvorrichtung zeigt, die unter Verwendung des piezoelektrischen Filmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
4 ist eine Erklärungsansicht, die eine Außerebenengitterkonstante (c) und eine Inebenengitterkonstante (a) eines KNN-Films auf einem Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft.
5 ist eine Erklärungsansicht einer Röntgenbeugungsmessung mit einem 2Θ/Θ-Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Graph, der ein Messergebnis eines mit dem 2Θ/Θ-Verfahren bestimmten Röntgenbeugungsmusters zeigt, das an dem KNN-Film gemäß einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung aufgenommen wurde.
7 ist eine erklärende Ansicht einer Röntgenbeugungsmessung mit einem Inebenenverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Graph, der das Messergebnis eines Röntgenbeugungsmusters mit dem Inebenenverfahren zeigt, welches an dem KNN-Film gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurde.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Struktur eines Aktuators beschreibt, der unter Verwendung des piezoelektrischen Filmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und das ein Verfahren zur Beurteilung der piezoelektrischen Eigenschaften darstellt.
10 ist ein Graph, der eine Relation zwischen d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) und einem c/a-Verhältnis des KNN-Films gemäß eines Beispiels der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel zeigt.
11 ist ein Graph, der eine Relation zwischen d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) und einem (K+Na)/Nb-Verhältnis des KNN-Films gemäß eines Beispiels der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel zeigt.
12 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur einer Filtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[Zusammenfassung der Erfindung]
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung widmen einem Verhältnis einer Außerebenengitterkonstante (c) zu einer Inebenengitterkonstante (a) (c/a-Verhältnis) und gleichzeitig einem x = Na/(K+Na)-Verhältnis und einem y = (K+Na)/Nb-Verhältnis eines KNN-Films Aufmerksamkeit, um einen Zusammenhang zu den piezoelektrischen Eigenschaften nach einmilliardenfacher Ansteuerung zu untersuchen. Als ein Ergebnis wird festgestellt, dass, wenn das c/a-Verhältnis in einem Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 und Komposition x und Komposition y in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 sind, die anfängliche piezoelektrische Konstante d₃₁ bei -100pm/V oder mehr liegt und das Verhältnis der piezoelektrischen Konstante nach einmilliardenfacher Ansteuerung in Bezug zu einer anfänglichen piezoelektrischen Konstante bei 95% oder mehr liegt (siehe Beispiel 1 bei Beispiel 22).
Das piezoelektrische Filmelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben werden.
[Struktur des piezoelektrischen Filmelements]
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Struktur des piezoelektrischen Filmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 1 gezeigt, werden eine untere Elektrode 2 und ein piezoelektrischer Film 3 und eine obere Elektrode 4 sequentiell auf einem Substrat 1 gebildet.
Ein Si- (Silicium) Substrat, ein Oxidfilm anhaftendes Si-Substrat oder ein SOI-(Silikon auf einem Isolator) Substrat wird bevorzugt als Substrat 1 verwendet. Beispielsweise wird ein (100) Si-Substrat mit einer Si-Substratebene, die in (100) Ebenenrichtung orientiert ist, als das Si-Substrat verwendet. Allerdings kann natürlich auch das Si-Substrat verwendet werden, welches eine Ebenenrichtung aufweist, welche sich von der der (100) Ebene unterscheidet. Weiterhin können als das Substrat das Quarzglassubstrat, ein GaAs-Substrat, ein Saphirsubstrat, ein Metallsubstrat, wie beispielsweise rostfreies, ein MgO-Substrat und ein SrTiO₃-Substrat, etc. ebenfalls verwendet werden.
Vorzugsweise ist die untere Elektrode 2 aus Pt (Platin) hergestellt und eine Pt-Schicht ist in (111) Ebenenrichtung orientiert. Zum Beispiel ist die Pt-Schicht, die auf dem Si-Substrat gebildet wird, aufgrund ihrer Selbstorientierungsleistung leicht in (111) Ebenenrichtung zu orientieren. Die untere Elektrode 2 kann ein Legierungsfilm sein, der hauptsächlich aus Pt besteht oder sie kann ein Metallfilm sein, der aus Au (Gold), Ru (Ruthenium), Ir (Iridium) hergestellt ist oder sie kann ein Elektrodenfilm sein, der ein Metalloxid, wie beispielsweise SrRuO₃, LaNiO₃ verwendet, oder sie kann eine Elektrodenschicht sein, die eine Laminatstruktur aufweist, die die untere Elektrode einschließt, die hauptsächlich aus Pt besteht. Die unter Elektrode 2 wird unter Verwendung eines Sputterverfahrens und eines Dampfabscheidungsverfahrens etc. gebildet. Es ist anzumerken, dass eine Haftschicht zwischen dem Substrat 1 und der unteren Elektrode 2 bereit gestellt werden kann, um eine hohe Haftung zwischen dem Substrat 1 und der unteren Elektrode 2 zu erhalten.
Der piezoelektrische Film 3 hat eine Alkalimetallnioboxid basierte Perowskitstruktur, die durch die Zusammensetzungsformel (K_l-xNa_x)_yNbO₃ (nachfolgend als „KNN“ abgekürzt) dargestellt wird, wobei das Verhältnis x = Na/(K+Na) in der Zusammensetzung und das Verhältnis y = (K+Na)/Nb in der Zusammensetzung in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 liegen und das Verhältnis der Außerebenengitterkonstante (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a) des piezoelektrischen KNN-Films in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 eingestellt ist. Der piezoelektrische Film 3 wird durch das Sputterverfahren, CVD- (chemisches Gasphaseabscheidungs-) Verfahren und Sol-Gel-Verfahren etc. gebildet.
Ähnlich wie die untere Elektrode 2 wird die obere Elektrode 4 durch das Sputterverfahren, das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren, ein Plattierungsverfahren und ein Metallpastenverfahren unter Verwendung von Materialien wie Pt, Au, Al (Aluminium) gebildet. Die obere Elektrode 4 hat nicht wie die untere Elektrode 2 großen Einfluss auf eine Kristallstruktur des piezoelektrischen Films, und daher sind das Material und die Kristallstruktur der oberen Elektrode 4 nicht sonderlich eingeschränkt.
[Verfahren zum Herstellen des KNN-Films]
Ein Verfahren zum Herstellen des KNN-Films in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 schließt ein Verfahren des Formens eines Films mit dem Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets ein, in dem K und Na kleiner sind als eine stöchiometrische Zusammensetzung (y = (K+Na)/Nb = 1), nämlich y ist kleiner als 1.
Weiterhin schließt ein Verfahren zum Herstellen des KNN-Films, mit dem c/a-Verhältnis in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 eingestellt, ein Verfahren des Kontrollierens eines H₂O Partialdrucks mit ein, der in einer Ar/O₂-Mischgasatmosphäre während der Filmbildung durch Sputtern besteht. Obwohl Ar/O₂-Mischgas als ein Atmosphärengas während der Filmbildung durch Sputtern verwendet wird, wird Feuchtigkeit, die in der Kammer existiert, in das Atmosphärengas gemischt, obwohl dessen Anteil extrem klein ist. Das c/a-Verhältnis des KNN-Films hängt signifikant von einem Orientierungszustand des KNN-Films in (001) Ebenenrichtung ab und das c/a-Verhältnis ist im Fall einer hohen (001)-Orientierung wahrscheinlich groß und das c/a-Verhältnis ist im Fall einer niedrigen (001)-Orientierung wahrscheinlich klein. Der (001)-Orientierungszustand des KNN-Films ist in hohem Ausmaß von einem H₂O-Partialdruck abhängig, der in dem Atmosphärengas während der Filmbildung enthalten ist, und wenn der H₂O-Partialdruck hoch ist, wird der Orientierungszustand eine niedrige (001)-Orientierung, und wenn der H₂O-Partialdruck niedrig ist, wird der Orientierungszustand eine hohe (001)-Orientierung. Das c/a-Verhältnis des KNN-Films kann nämlich durch striktes Kontrollieren des H₂O-Partialdrucks in dem Atmosphärengas gesteuert werden.
Die zuvor genannte Berechnung der Außerebenengitterkonstante (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a) und eine Einschätzung der piezoelektrischen Eigenschaften werden nachfolgend beschrieben werden.
(Berechnung der Außerebenengitterkonstanten (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a))
Wie in 4 gezeigt, bedeutet die Außerebenengitterkonstante (c) eine Gitterkonstante des KNN-Films in einer Richtung (Außerebenenrichtung) vertikal zu einer Substrat (Si-Substrat)-Ebene und einer piezoelektrischen KNN-Filmebene, und die Inebenengitterkonstante (a) bedeutet eine Gitterkonstante des KNN-Films in einer Richtung (Inebenenrichtung) parallel zu der Substrat- (Si-Substrat) Ebene und der piezoelektrischen KNN-Filmebene. Werte der Außerebenengitterkonstante (c) und der Inebenengitterkonstante (a) sind numerische Werte, die aus einem Beugungspeakwinkel errechnet wurden, der durch ein Röntgenbeugungsmuster erhalten wurde.
Die Berechnung der Außerebenengitterkonstante (c) und der Inebenengitterkonstante (a) wird nachfolgend im Detail beschrieben werden.
Der piezoelektrische KNN-Film dieser Ausführungsform, der auf der unteren Pt-Elektrode gebildet ist, hat eine polykristalline kolumnare Struktur und ist in (111)-Ebenenrichtung selbstorientiert. Daher erreicht der KNN-Film die Kristallorientierung der unteren Pt-Elektrode, so dass ein polykristalliner Film mit kolumnarer Struktur erzeugt wird, die eine Perowskitstruktur ist. Obwohl der KNN-Film bevorzugt in (001)-Ebenenrichtung orientiert ist, gibt es nämlich keine bevorzugte Orientierung der Inebenenrichtung in einer beliebigen Richtung, und der Orientierungszustand ist zufallsbedingt.
Die bevorzugte Orientierung des KNN-Films in der Außerebenen (001)-Ebenenrichtung in der Perowskitstruktur kann folgendermaßen beurteilt werden: es kann nämlich beurteilt werden, wann ein Beugungspeak der (001)-Ebene und (002)-Ebene höher ist als ein anderer Peak, der von dem KNN-Film im Röntgenbeugungsmuster (6), das durch die Röntgenbeugungsmessung (5) erhalten wird, die an dem KNN-Film mit dem 2Θ/Θ-Verfahren ausgeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Beugungspeak, basierend auf dem JCPDS-Internationalen Zentrum für Beugungsdaten in Bezug auf KNbO₃ und NaNbO₃, in einem Bereich von 22,011° ≤ 2Θ ≤ 22,890° als der (001)-Ebenenbeugungspeak betrachtet und der Beugungspeak in einem Bereich von 44,880° ≤ 2Θ ≤ 46,789° als der (002)-Ebenenbeugungspeak betrachtet.
Die Außerebenengitterkonstante (c) dieser Ausführungsform wurde mit einem Verfahren wie folgt berechnet. Zuerst wurde das Röntgenbeugungsmuster mit der Röntgenbeugungsmessung (2Θ/Θ-Verfahren), das in 5 gezeigt wird, unter Verwendung eines normalen Cu Kα1-Strahls gemessen. In dieser Röntgenbeugungsmessung werden üblicherweise eine Probe und ein Protektor um die Θ-Achse gescannt, die in 5 gezeigt ist, um damit die Beugung an einer Gitterebene zu messen, die parallel zu einer Probenebene ist.
Der Wert von Θ, der bei einem Beugungspeakwinkel 2Θ vonder KNN (002)-Ebene in dem erhaltenen Röntgenbeugungsmuster 6 erhalten wurde und die Wellenlänge λ = 0,154056 nm des Cu Kα1-Strahls wurden in eine Bragg Gleichung 2dsinΘ = nλ eingesetzt, um dadurch ein Ebenenintervall c(002)(= c/2) der KNN (002)-Ebene zu berechnen. Ein Wert, der zweimal höher ist als das Ebenenintervall c(002), wurde als die Außerebenengitterkonstante (c) gesetzt.
Die Inebenengitterkonstante (a) dieser Ausführungsform wurde mit der folgenden Methode berechnet. Das Röntgenbeugungsmuster wurde mit der Inebenenröntgenbeugungsmessung, die in 7 gezeigt ist, unter Verwendung des Cu Kα1-Strahls gemessen. In dieser Röntgenbeugungsmessung werden üblicherweise Beobachtungspunkte der Probenebene von dem Detektor, der Licht empfangende parallele Schlitze beinhaltet, der in 7 gezeigt ist, so gesetzt, dass die Beugung von einer Gitterebene vertikal zu der Probenebene gemessen wird.
Der Wert von Θ, der bei einem Beugungspeakwinkel 2Θ von der KNN(200)-Ebene in dem erhaltenen Röntgenbeugungsmuster (8) erhalten wurde und eine Wellenlänge λ = 0,154056 nm des Cu Kα1-Strahls wurden in eine Bragg Gleichung 2dsinΘ = nλ eingesetzt, um damit ein Ebenenintervall a(200)(= a/2) der KNN(200)-Ebene zu berechnen. Ein Wert, der zweimal größer ist als das Ebenenintervall a(200), wurde als die Inebenengitterkonstante (a) gesetzt. Auch in dem Röntgenbeugungsmuster nach dem Inebenenröntgenbeugungsverfahren wird der Beugungspeak in einem Bereich von 44,880° ≤ 2Θ ≤ 46,789° basierend auf dem JCPDS Internationalen Zentrum für Beugungsdaten bezüglich KNbO₃ und NaNbO₃ als der (002)-Ebenenbeugungspeak angesehen.
Wenn der erhaltene KNN-Film nicht in einem Zustand einer einzelnen Domäne, in der entweder c-Domäne oder a-Domäne allein existieren, gebildet wird, sondern in einem tetragonalem System, in der die c-Domäne und die a-Domäne koexisiteren, wird ein KNN(002)-Beugungspeak in der Nähe des KNN(002)-Ebenenbeugungspeaks im Fall des Röntgenbeugungsmusters erhalten, das auf dem 2Θ/Θ-Verfahren basiert, und ein KNN(200)-Ebenenbeugungspeak wird in der Nähe des KNN(200)-Ebenenbeugungspeak im Fall des Inebenenröntgenbeugungsmusters erhalten. In einem solchen Fall werden die Außerebenengitterkonstante (c) und die Inebenengitterkonstante (a) unter Verwendung eines Peakwinkels eines der benachbarten zwei Beugungspeaks berechnet, der eine höhere Peakintensität aufweist (nämlich in einer dominanten Domäne).
Weiterhin kann in der Messung der Inebenenröntgenbeugung (Minuteneinfallswinkelröntgenbeugung) nur eine Region in der Nähe der Probenebene gemessen werden. Daher wurde die Inebenenmessung dieser Ausführungsform in einem Zustand durchgeführt, bei dem die obere Elektrode nicht auf dem KNN-Film platziert war. In dem Fall, bei dem die Probe mit der oberen Elektrode auf dem KNN-Film gebildet ist, wurde die obere Elektrode durch Trockenätzen, Nassätzen und Polieren etc. entfernt, um die Ebene des piezoelektrischen KNN-Films frei zu legen, und danach kann die Inebenenröntgenbeugungsmessung ausgeführt werden. Bezüglich des Trockenätzens wird das Trockenätzen mittels Ar-Plasma dann angewendet, wenn die obere Pt-Elektrode entfernt wird.
[Experiment des Aktuators und Einschätzung der piezoelektrischen Eigenschaften]
Um die piezoelektrische Konstante d₃₁ des piezoelektrischen KNN-Films einzuschätzen, wurde ein unimorpher Ausleger experimentell eingesetzt, der eine Struktur aufweist, die in 9 (a) gezeigt ist. Zuerst wurde die obere Platinelektrode auf dem piezoelektrischen KNN-Film dieser Ausführungsform mittels eines RF Magnetronssputterverfahrens gebildet, welcher dann zu rechteckigen Balken ausgeschnitten wurde, um dadurch das piezoelektrische Filmelement zu produzieren, das den piezoelektrischen KNN-Film aufweist. Als nächstes wurde ein Längsende des piezoelektrischen Filmelementes mit einer Klammer fixiert, um damit einen einfachen unimorphen Ausleger zu produzieren. Spannung wurde an den piezoelektrischen KNN-Film zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode dieses Auslegers angelegt, um einen ganzen Körper dieses Auslegers durch Expandieren und Kontrahieren des KNN-Films so zu biegen, dass ein Spitzenende des Auslegers in einer vertikalen Richtung (dicken Richtung) des piezoelektrischen KNN-Films pendelt. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Ausmaß der Auslenkung Δ des Auslegers durch Beleuchten des Spitzenendes des Auslegers mit Laserstrahlen aus einem Laser-Doppler-Auslenkungsmessgerät (9(b)) gemessen. Die piezoelektrische Konstante d₃₁ wurde aus dem Ausmaß der Auslenkung Δ des Spitzenendes des Auslegers, einer Länge des Auslegers, einer Dicke und dem Elastizitätsmodul des Substrates und des piezoelektrischen KNN-Films und einer Anwendungsspannung berechnet. Die piezoelektrische Konstante d₃₁ wurde mittels eines Verfahrens berechnet, das in Dokument 1 unten stehend beschrieben ist.
Dokument 1: MINO, Takuya, et al.: Piezoelectric properties of epitaxial NaNbO3 thin films deposited on (001) SrRuO3/Pt/MgO substrates. Japanese Journal of Applied Physics, 2007, 46. Jg., Nr. 10S, S. 6960.
[Wirkungen der Ausführungsform]
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zusammensetzung von (K_l-xNa_x)_yNbO₃ in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 und das Verhältnis der Außerebenengitterkonstante (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a) des piezoelektrischen KNN-Films ist in einem Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008. Daher können das piezoelektrische Filmelement und die piezoelektrische Filmvorrichtung unter Verwendung des Alkalimetallniob oxidbasierten Filmes bereit gestellt werden, der die piezoelektrischen Eigenschaften aufweist, die mit dem gegenwärtigen PZT-Film substituiert werden können. Zum Beispiel, wenn das piezoelektrische Filmelement dieser Ausführungsform in dem Aktuator eines Tintenstrahldruckers verwendet wird, können 95% oder mehr der piezoelektrischen Eigenschaften oder in manchen Fällen 100% davon nach einmilliardenfacher Ansteuerung mit einer Initialeneigenschaft als einer Referenz realisiert werden und daher ist die Anwendung auf ein Produkt erleichtert.
[Andere Ausführungsform]
(Ein oxidfilmanhaftendes Substrat)
2 zeigt eine schematische Querschnittstruktur des piezoelektrischen Filmelementes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie das piezoelektrische Filmelement gemäß der zuvor genannten Ausführungsform, das in 1 gezeigt wird, weist das piezoelektrische Filmelement dieser Ausführungsform die untere Elektrode 2, den piezoelektrischen Film 3 und die obere Elektrode 4 auf dem Substrat 1 auf. Allerdings ist das Substrat 1 wie in 2 gezeigt das oberflächenoxidfilmanhaftende Substrat, in welchem ein Oxidfilm 5 an seiner Oberfläche gebildet wird und eine Haftschicht 6 zwischen dem Oxidfilm und der unteren Elektrode 2 bereit gestellt wird, um die Haftung der unteren Elektrode 2 zu steigern.
Das oberflächenoxidfilmanhaftende Substrat ist zum Beispiel ein Si-Substrat, an das ein Oxidfilm angelagert ist und in dem oberflächenoxidfilmanhaftenden Si-Substrat schließt der Oxidfilm 5 einen SiO₂-Film, der durch thermale Oxidation gebildet ist und einen SiO₂-Film ein, der durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet ist. Als eine Substratgröße wird gewöhnlich in vielen Fällen eine Kreisform von 4 Inch verwendet. Allerdings kann auch eine Kreisform oder eine rechteckige Form von 6 Inch oder 8 Inch verwendet werden. Weiterhin wird die Haftschicht 6 durch das Sputterverfahren und das Gasphasenabscheidungsverfahren unter Verwendung von Ti (Titan) und Ta (Tantal) gebildet.
(Einfache Schicht/Mehrfache Schichten)
Weiterhin ist der piezoelektrische Film des piezoelektrischen Filmelements der zuvor genannten Ausführungsform ein einschichtiger KNN-Film. Allerdings kann der piezoelektrische Film 3 auch aus mehreren (K_i-„Na“)_yNbO₃(0<_X<l) Schichten gebildet sein, was den KNN-Film in einen Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 einschließt.
Weiterhin kann ein anderes Element als K (Kalium), Na (Natrium), Nb (Niob), O (Sauerstoff), zum Beispiel Li (Lithium), Ta (Tantal), Sb (Antimon), Ca (Calcium), Cu (Kupfer), Ba (Barium), Ti (Titan) etc. mit einigen fünf Atom-% oder weniger zu den piezoelektrischen Film aus KNN hinzugefügt werden. Auch in diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt erhalten werden. Weiterhin kann ein dünner Film, der aus einem Alkalimetallnioboxid basierten Material, das nicht KNN ist, hergestellt ist oder einem Material, welches eine Perowskitstruktur aufweist (LaNiO₃, SrTiO₃, LaAlO₃, YAlO₃, BaSnO₃, BaMnO₃ etc.), auch zwischen der unteren Elektrode 2 und der oberen Elektrode 4 eingeschlossen werden.
(Piezoelektrische Filmvorrichtung)
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer piezoelektrischen Filmvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 gezeigt, ist in der piezoelektrischen Filmvorrichtung wenigstens der Spannungsdetektor oder der Funktionsgenerator 11 zwischen der unteren Elektrode 2 und der oberen Elektrode 4 des piezoelektrischen Filmelements angeschlossen, das in eine vorgeschriebene Form geformt ist. Durch Anschließen des Spannungsdetektors 11 zwischen der unteren Elektrode 2 und der oberen Elektrode 4 kann ein Sensor als das piezoelektrische Filmelement erhalten werden. Wenn das piezoelektrische Filmelement des Sensors durch eine Veränderung einer physikalischen Größe deformiert wird, wird durch eine solche Deformation Spannung erzeugt und daher kann jede Art von physikalischen Größen durch Detektieren der Spannung durch den Spannungsdetektor 11 gemessen werden. Zum Beispiel kann der Sensor als ein Gyrosensor, ein Ultraschallsensor, ein Drucksensor und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungssensor etc. ausgebildet sein.
Weiterhin wird der Aktuator, der das piezoelektrische Filmelement ist, durch Anschließen des Funktionsgenerators 11 zwischen der unteren Elektrode 2 und der oberen Elektrode 4 des piezoelektrischen Filmelements 10 erhalten. Jegliche Art von Elementen kann durch Anwenden von Spannung an dem piezoelektrischen Filmelement 10 und durch Deformieren des piezoelektrischen Filmelements 10 bedient werden. Der Aktuator kann zum Beispiel für einen Tintenstrahldrucker, einen Scanner und einen Ultraschallgenerator etc. verwendet werden.
In der zuvor genannten Ausführungsform wird eine Ausführungsform bereit gestellt bei der der Pt-Film als eine Orientierungskontrollschicht verwendet wird. Allerdings kann auch LaNiO₃, das einfach in der (001)-Ebene zu orientieren ist, auf dem Pt-Film oder anstelle des Pt-Films verwendet werden. Weiterhin kann der KNN-Film durch NaNbO₃ gebildet werden. Weiterhin ist es auch akzeptabel, dass der piezoelektrische Film auf dem Substrat gebildet wird, und eine Elektrode, die eine vorgeschriebene Form aufweist, wird auf dem piezoelektrischen Film gebildet und eine Filtervorrichtung, die von einer Oberflächenschallwelle Gebrauch macht, wird gebildet. 12 zeigt eine Struktur einer solchen Filtervorrichtung. Die Filtervorrichtung wird durch Bilden einer LaNiO₃-Schicht 31, einer NaNbO₃-Schicht 32, des KNN-Films 4 und einer oberen Strukturelektrode 51 auf dem Si-Substrat 1 konfiguriert. Hier wird eine Basisschicht durch die LaNiO₃-Schicht 31 und die NaNbO₃-Schicht 32 gebildet.
Beispiele
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden als nächstes zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben.
Das piezoelektrische Filmelement eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels hat eine Querschnittsstruktur, die der zweiten Ausführungsform ähnelt, die in 2 gezeigt ist, wobei die Ti-Haftschicht, die untere Pt-Elektrode, der piezoelektrische KNN-Film und die obere Pt-Elektrode auf dem Si-Substrat laminiert sind, das einen thermalen Oxidfilm aufweist.
[Filmbildung des piezoelektrischen KNN-Films]
Ein Filmbildungsverfahren des piezoelektrischen KNN-Films gemäß des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wird nachfolgend beschrieben.
Das thermale oxidfilmanhaftende Si-Substrat ((100)-Ebenenrichtung, Dicke: 0,525mm, Form: Kreisform von 4 Inch, Dicke des thermalen Oxidfilms: 200nm) wurde als das Substrat verwendet. Zuerst wurde auf dem Substrat durch ein RF Magentronsputterverfahren die Ti-Haftschicht (Filmdicke: 10nm) und die untere Pt-Elektrode ((111) bevorzugte Ebenenrichtung, Filmdicke: 200nm) gebildet. Die Ti-Haftschicht und die untere Pt-Elektrode wurden unter Bedingungen von Substrattemperatur: 350°C, Entladungsleistung: 300W, eingeführtes Gas: Ar, Druck der Ar-Atmosphäre: 2,5Pa, Filmbildungszeit: 3 Minuten für die Ti-Haftschicht und 10 Minuten für die untere Pt-Elektrode gebildet.
Anschließend wurde ein piezoelektrischer (K_l-xNa_x)_yNbO₃ Film, der eine Dicke von 3µm aufwies, auf der unteren Pt-Elektrode durch das RF Magnetronsputterverfahren gebildet. Der piezoelektrische (K_l-xNa_x)_yNbO₃ Film wurde unter Verwendung eines (K_l-xNa_x)_yNbO₃ Sinterkörpers als Target gebildet, wobei das (K+Na)/Nb Verhältnis = 0,82 bis 1,08, Na/(K+Na)-Verhältnis = 0,44 bis 0,77 unter Bedingungen von Substrattemperatur (Temperatur der Substratebene): 550°C, Entladungsleistung: 75W, eingeführtes Gas Ar/O₂ Mischgas (Ar/O₂=99/1), Druck des Atmosphärengases: 1,3Pa. Das (K_l-xNa_x)_yNbO₃ Sinterkörpertarget wurde unter Verwendung von K₂CO₃-Pulver, Na₂CO₃-Pulver und Nb₂O₅-Pulver und Mischen dieser unter Verwendung einer Kugelmühle für 24 Stunden und temporäres Sintern dieser für 10 Stunden bei 850°C und danach wieder Pulverisieren dieser durch die Kugelmühle und Formen dieser unter einem Druck von 200MPa und danach Sintern dieser bei 1080°C hergestellt.
Das (K+Na)/Nb-Verhältnis und das Na/(K+Na)-Verhältnis wurden durch Anpassen eines Mischverhältnisses des K₂CO₃-Pulvers, des Na₂CO₃-Pulvers und des Nb₂O₅-Pulvers gesteuert. Atom%-Zahlen von K, Na und Nb des hergestellten Targets wurden vor Verwendung dieses Targets zur Sputterfilmbildung mittels EDS (energiedispersiver Röntgenspektroskopie) berechnet, um dadurch das (K+Na)/Nb-Verhältnis und das Na/(K+Na)-Verhältnis jeweils zu berechnen.
Weiterhin wurde der H₂O-Partialdruck in einer Sputterfilmbildungsatmosphäre, der einen großen Einfluss auf einen Orientierungsgrad der (001)-Ebenenrichtung des KNN-Films aufweist, mit einem quadrupol Massenspektrometer gemessen, unmittelbar bevor die Filmbildung in einen Zustand von einem Gesamtdruck des Atmosphärengases (1,3Pa) gestartet wurde, was der gleiche Druck ist, wie der Druck bei der Filmbildung. Hier wurde der Partialdruck, der von einem Signal einer Massenzahl 18 erhalten wurde, als der H₂O-Partialdruck angesehen. Wenn das Filmbildungssubstrat (Pt/Ti/SiO₂/Si-Substrat) in eine Sputtervorrichtung eingeführt wird, wird eine kleine Menge Feuchtigkeit mit dem Substrat in die Kammer eingebracht. Der Partialdruck, der von solcher Feuchtigkeit hervorgerufen wird, wird durch das Ziehen von Vakuum mit dem Verstreichen von Zeit graduell reduziert, während das Substrat geheizt wird. Ein Orientierungszustand der (001)-Ebenenrichtung des KNN-Films wurde durch Starten der Sputterfilmbildung zu einem Zeitpunkt gesteuert, bei dem der Partialdruck der Feuchtigkeit in der Atmosphäre einen erwünschten Wert erreicht, um damit das c/a-Verhältnis des KNN-Films zu steuern. Es ist anzumerken, dass es in einem Fall einer unterschiedlichen Kapazität der Sputterkammer, einer unterschiedlichen Elektrodengröße, einer unterschiedlichen Einstellposition des quadrupolen Massenspektrometers und unterschiedlichen Sputterfilmbildungsbedingungen (die Substrattemperatur, Substrattargetabstand, Entladungsleistung und Ar/O₂-Verhältnis), zu einem leichten Einfluss auf das c/a-Verhältnis des KNN-Films kommt. Daher ist der Zusammenhang zwischen dem c/a-Verhältnis und dem H₂O-Partialdruck in dem Atmosphärengas nicht eindeutig bestimmt. Allerdings kann in vielen Fällen das c/a-Verhältnis durch den H₂O-Partialdruck gesteuert werden.
Die obere Pt-Elektrode (welche eine Filmdicke von 100nm aufweist) wurde auf dem KNN-Film, der gebildet ist wie oben beschrieben, durch das HF-Magnetronsputterverfahren gebildet. Die obere Pt-Elektrode wurde unter den Bedingungen: nicht-Heizen des Substrates, Entladungsleistung: 200W, eingebrachtes Gas: Ar, Druck: 2,5Pa und Filmbildungszeit: 1 Minute gebildet.
Somit wurden der KNN-Film und die obere Elektrode auf dem Filmbildungssubstrat (Pt/Ti/SiO₂/Si-Substrat) gebildet, um damit das piezoelektrische Filmelement herzustellen.
Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen Messergebnisse von d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) in den Beispielen 1 bis 22 und Vergleichsbeispielen 1 bis 14 des dementsprechend gebildeten piezoelektrischen Filmelements. Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen eine Liste der Zusammensetzung des KNN-Sinterkörpers, des H₂O-Partialdrucks (Pa), des c/a-Verhältnisses des KNN-Films, der Zusammensetzung des KNN-Films und die d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%).
Bezüglich der Zusammensetzung des KNN-Sinterkörpers wurden die Atom%-Zahlen von K, Na, Nb mit der EDS (energiedispersiven Röntgenspektroskopie) gemessen, wodurch das (K+Na)/Nb-Verhältnis und das Na/(K+Na)-Verhältnis jeweils berechnet werden konnten.
Der H₂O-Partialdruck (Pa) beim Starten der Sputterfilmbildung wurde mit dem Quadrupolmassenspektrometer unmittelbar vor dem Starten der Filmbildung bei einem Zustand mit einem Gesamtdruck des Atmosphärengases (1,3Pa), was der gleiche Druck ist, wie der Druck während der Filmbildung, gemessen. Hier wurde der Partialdruck, der von einem Signal einer Massenzahl 18 erhalten wurde, als der H₂O-Partialdruck angesehen.
Das c/a-Verhältnis des KNN-Films wurde durch die Röntgenbeugungsmessung (2Θ/Θ-Verfahren) und die Inebenenröntgenbeugungsmessung erhalten, die an dem piezoelektrischen KNN-Film ausgeführt wurden. 6 und 8 zeigen die Ergebnisse von Beispiel 4 in Tabelle 1. Dann wurde festgestellt, dass alle piezoelektrischen KNN-Filme eine pseudokubische Struktur aufgewiesen und bevorzugt in (001)-Ebenenrichtung orientiert waren. Das Verhältnis der Außerebenengitterkonstante (c) zu der Inebenengitterkonstante (a) von jedem piezoelektrischen KNN-Film wurde aus diesem Röntgenbeugungsmustern errechnet.
Eine Zusammensetzungsanalyse wurde an der Zusammensetzung des KNN-Films mittels eines ICP-AES (Atomemissionsspektrometrieverfahren mit induktiv gekoppeltem Plasma) durchgeführt. Ein nasser Säureaufschluss wurde für die Analyse verwendet und eine gemischte Lösung von Fluorwasserstoff und Salpetersäure wurde als Säure verwendet. Das (K+Na)/Nb-Verhältnis und das Na/(K+Na)-Verhältnis wurden aus dem Verhältnis der analysierten Nb, Na und K berechnet.
In beiden Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde die Sputterfilmbildungszeit von jedem KNN-Film so angepasst, dass die Filmdicke des KNN-Films ungefähr 3µm betrug.
d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) wurde durch Messung der piezoelektrischen Konstante erhalten, wenn eine Sinuswellenspannung von 600Hz mit einem angelegten Feld von 66,7kV/cm (Spannung von 20V, angewendet auf den KNN-Film mit einer Dicke von 3µm) angewendet wurde, und zwar unter Verwendung von 104GPa als Elastizitätsmodul des piezoelektrischen KNN-Films einer piezoelektrischen Probe. Weiterhin wurde die Sinuswellenspannung von 600Hz kontinuierlich angewendet, um damit d₃₁ erneut nach einmilliardenfacher Ansteuerung des Auslegers (d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung) zu messen.

Wobei die piezoelektrische Probe durch Bilden der oberen Pt-Elektrode (die eine Filmdicke von 100nm aufwies) auf den piezoelektrischen KNN-Film aus den Beispielen 1 bis 22 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 mittels des HF Magnetronsputterverfahrens hergestellt wurde, der dann zu rechtetckigen Balken ausgeschnitten wurde, die eine Länge von 15mm und eine Breite von 2,5mm aufwiesen. [Tabelle 1]

	KNN Sinterkörper-Target		Filmbildungsstartzeit H₂O Partialdruck	KNN Film			d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung Initialzeit d₃₁ × 100
	Na/(K + Na) Verhältniss	(K + Na)/Nb verhältnis	Filmbildungsstartzeit H₂O Partialdruck	c/a Verhältnis	Na/ (K + Na) Verhältnis	(K + Na)/Nb Verhältniss
			(Pa)		X	Y	(%)
Vgl. Bsp. 1	0,57	0,97	1,2E-05	0,978	0,51	0,86	75
Vgl. Bsp. 2	0,46	0,93	1,2E-05	0,980	0,42	0,82	83
Vgl. Bsp. 3	0,75	0,90	1,1E-05	0,983	0,69	0,79	85
Bsp. 1	0,59	0,88	1,1E-05	0,985	0,55	0,77	101
Bsp. 2	0,43	1,05	1,0E-05	0,987	0,40	0,90	101
Bsp. 3	0,65	0,84	9,5E-06	0,990	0,59	0,78	100
Bsp. 4	0,61	0,99	9,0E-06	0,990	0,55	0,89	100
Bsp. 5	0,48	0,91	8,5E-06	0,991	0,44	0,80	97
Bsp. 6	0,71	0,99	8,0E-06	0,993	0,68	0,84	101
Bsp. 7	0,73	0,86	7,5E-06	0,996	0,69	0,79	98
Bsp. 8	0,60	0,91	7,0E-06	1,000	0,56	0,81	96
Bsp. 9	0,55	1,02	6,5E-06	1,002	0,51	0,88	98
Bsp. 10	0,76	0,94	6,0E-06	1,004	0,70	0,87	97
Bsp. 11	0,73	0,90	5,5E-06	1,005	0,66	0,82	100
Bsp. 12	0,68	0,94	5,0E-06	1,008	0,61	0,83	103
Vgl. Bsp. 4	0,66	0,92	4,5E-06	1,010	0,60	0,80	73
Vgl. Bsp. 5	0,60	1,04	4,0E-06	1,012	0,55	0,89	70
Vgl. Bsp. 6	0,56	0,93	3,5E-06	1,013	0,52	0,85	65
Vgl. Bsp. = Vergleichsbeispiel
Bsp. = Beispiel

In Tabelle 1 wurde das c/a-Verhältnis des KNN-Films durch Reduzieren der H₂O-Rate, beim Starten der Filmbildung auf einen Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 gesteigert. [Tabelle 2]

	KNN Sinterkörper-Target		Filmbildungsstartzeit H₂O Partialdruck	KNN Film			d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung Initialzeit d₃₁ × 100
	Na/(K + Na) Verhältniss	(K + Na)/Nb verhältnis	Filmbildungsstartzeit H₂O Partialdruck	c/a Verhältnis	Na/ (K + Na) Verhältnis	(K + Na)/Nb Verhältniss
			(Pa)		X	Y	(%)
Vgl. Bsp. 7	0,47	0,82	1,1E-05	0,987	0,42	0,73	66
Vgl. Bsp. 8	0,64	0,84	7,5E-06	0,995	0,58	0,74	69
Vgl. Bsp. 9	0,64	0,85	8,0E-06	0,993	0,59	0,75	79
Vgl. Bsp. 10	0,59	0,86	6,0E-06	1,003	0,55	0,75	83
Bsp. 13	0,74	0,90	7,0E-06	0,999	0,69	0,77	101
Bsp. 14	0,77	0,85	5,5E-06	1,005	0,70	0,79	100
Bsp. 15	0,50	0,89	1,1E-05	0,985	0,45	0,80	100
Bsp. 16	0,59	0,92	7,0E-06	1,007	0,55	0,81	97
Bsp. 17	0,53	0,98	9,5E-06	0,989	0,51	0,83	101
Bsp. 18	0,64	0,91	7,5E-06	0,997	0,60	0,83	98
Bsp. 19	0,63	0,94	7,0E-06	1,006	0,59	0,84	96
Bsp. 20	0,57	0,98	7,0E-06	1,000	0,53	0,85	98
Bsp. 21	0,56	0,96	9,5E-06	0,989	0,51	0,89	97
Bsp. 22	0,44	0,99	7,0E-06	1,002	0,40	0,90	100
Vgl. Bsp. 11	0,77	1,04	8,5E-06	0,991	0,69	0,92	87
Vgl. Bsp. 12	0,67	1,06	7,5E-06	0,997	0,61	0,93	85
Vgl. Bsp. 13	0,60	1,08	6,5E-06	1,008	0,55	0,93	83
Vgl. Bsp. 14	0,54	1,03	9,0E-06	0,990	0,50	0,94	80
Vgl. Bsp. = Vergleichsbeispiel
Bsp. = Beispiel

In Tabelle 2 wurde das (K+Na)/Nb-Verhältnis des KNN-Films durch Steigern des (K+Na)/Nb-Verhältnisses (y) des KNN-Sinterkörpers in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 und 0,40 ≤ y ≤ 0,70 gesteigert.
10 zeigt hier, um das Verständnis zu erleichtern, einen Zusammenhang zwischen d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) und dem c/a-Verhältnis in Tabelle 1 (Resultate aus den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 6). Wenn die Zusammensetzung des KNN-Films in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 ist, wird d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) bei 95% oder mehr gehalten in einem Fall, dass das Verhältnis der Außerebenengitterkonstante (c) zu der Inebenengitterkonstante (a) des KNN-Films in einem Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 ist und d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial d₃₁ × 100(%) ist 95% oder weniger in einem Fall, dass das c/a-Verhältnis außerhalb des Bereichs von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 ist.
Als nächstes zeigt 11 auf ähnliche Weise den Zusammenhang zwischen d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial-d₃₁ × 100(%) in Tabelle 2 und des (K+Na)/Nb-Verhältnisses (Beispiele 13 bis 22, Vergleichsbeispiele 7 bis 14). Wenn das Verhältnis der Außerebenengitterkonstanten (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a) des KNN-Films in einem Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 ist, wird festgestellt, dass d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial-d₃₁ x 100(%) bei 95% oder mehr gehalten wird, in einem Fall, dass die Zusammensetzung des KNN-Films in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 ist und wenn das (k+Na)/Nb-Verhältnis außerhalb dieses Bereichs ist, ist d₃₁ nach einmilliardenfacher Ansteuerung/Initial-d₃₁ x 100(%) 95% oder weniger.
Anhand dieser Ergebnisse wird festgestellt, dass, wenn die Zusammensetzung des KNN-Films in einem Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 ist und wenn das Verhältnis der Außerebenengitterkonstanten (c) zu der Inebenengitterkonstanten (a) des piezoelektrischen KNN-Films in einem Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 ist, das piezoelektrische KNN-Filmelement mit piezoelektrischen Eigenschaften, die nach einmilliardenfacher Ansteuerung 95% oder mehr mit einer Initialeigenschaft als einer Referenz sind, realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Untere Elektrode
3: Piezoelektrischer Film
4: Obere Elektrode
5: Oxidfilm
6: Haftschicht
10: Piezoelektrisches Filmelement
11: Spannungsdetektor oder Funktionsgenerator

Claims

Piezoelektrisches Filmelement, aufweisend: ein Substrat; und einen auf einem Substrat bereit gestellten piezoelektrischen Film, der eine Alkalimetallnioboxid basierte Perowskitstruktur aufweist, die durch eine Zusammensetzungsformel (K_l-xNa_x)_yNbO₃ (0 < x < 1) dargestellt wird, wobei die alkalinioboxidbasierte Zusammensetzung in einen Bereich von 0,40 ≤ x ≤ 0,70 und 0,77 ≤ y ≤ 0,90 fällt und weiterhin ein Verhältnis einer Außerebenengitterkonstanten (c) zu einer Inebenengitterkonstanten (a) des (K_l-xNa_x)_yNbO₃ Films in einen Bereich von 0,985 ≤ c/a ≤ 1,008 eingestellt ist.
Piezoelektrisches Filmelement nach Anspruch 1, wobei, wenn dort mehrere Schichten des piezoelektrischen Films sind, eine Lage mit einer dicksten Dicke von den mehreren Schichten, den Bereich der zuvor genannten Zusammensetzung und das c/a-Verhältnis erfüllt.
Piezoelektrisches Filmelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der piezoelektrische Film eine pseudokubische Struktur aufweist und bevorzugt in (001)-Ebenenrichtung orientiert ist.
Piezoelektrisches Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Basisschicht zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Film bereitgestellt ist.
Piezoelektrisches Filmelement nach Anspruch 4, wobei die Basisschicht ein Pt-Film oder ein Legierungsfilm ist, der hauptsächlich aus Pt besteht, oder eine Elektrodenschicht mit einer Laminationsstruktur, die eine untere Elektrode einschließt, die hauptsächlich aus Pt besteht.
Piezoelektrisches Filmelement nach Anspruch 5, wobei eine obere Elektrode auf dem piezoelektrischen Film gebildet sein kann.
Piezoelektrisches Filmelement nach einen der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat ein Si-Substrat, ein oberflächenoxidfilmanhaftendes Si-Substrat oder ein SOI-Substrat ist.
Piezoelektrische Filmvorrichtung, aufweisend: das piezoelektrische Filmelement gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7; und einen Funktionsgenerator oder einen Spannungsdetektor, der zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeschlossen ist.