DE112013004642T5

DE112013004642T5 - Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung, piezoelektrisches Stellglied, piezoelektrischer Sensor, Festplattenlaufwerk und Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE112013004642T5
Application number: DE112013004642.3T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Sakuma; Yasuhiro Aida; Katsuyuki Kurachi; Kazuhiko Maejima
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: CN104603966A; JP6172278B2; US20140084749A1; CN104603966B; WO2014045120A1; DE112013004642B4; US9065049B2; JP2015534714A

Abstract

Eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Paar von Elektrodenschichten und eine piezoelektrische Dünnschicht, welche zwischen dem Paar von Elektrodenschichten eingefügt ist, wobei die piezoelektrische Dünnschicht ein Edelgaselement umfasst und einen Anteilsgradienten des Edelgaselements in der Dickenrichtung von der piezoelektrischen Dünnschicht hat.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung, welche ein dünnschichtiges piezoelektrisches Material verwendet; ein piezoelektrisches Stellglied und einen piezoelektrischen Sensor, welche die dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen umfassen; und ein Festplattenlaufwerk und einen Tintenstrahldrucker, welche die piezoelektrischen Stellglieder umfassen.
Stand der Technik
In den vergangenen Jahren wurden dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtungen, welche dünnschichtige piezoelektrische Materialien anstelle von piezoelektrischen Vollmaterialien einsetzen, zunehmend in die praktische Anwendung überführt. Beispiele der Vorrichtungen umfassen einen Kreiselsensor, einen Stoßsensor, ein Mikrofon, usw., welche den piezoelektrischen Effekt verwenden, bei welchem die Kraft, welche an eine piezoelektrische Schicht angelegt wird, in eine Spannung umgewandelt wird; ein Stellglied, einen Tintenstrahlkopf, einen Lautsprecher, einen Summer, einen Resonator, usw., welche den umgekehrten piezoelektrischen Effekt verwenden, bei welchem eine piezoelektrische Schicht verformt wird, indem eine Spannung an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, und dergleichen.
Durch den Gebrauch des dünnschichtigen piezoelektrischen Materials kann die Größe von Vorrichtungen reduziert werden und somit das Anwendungsgebiet erweitert werden, und es wird ebenso die Serienfertigung von vielen Vorrichtungen auf einem Substrat ermöglicht, wodurch die Massenproduktion erhöht wird. Zusätzlich, wenn Sensoren hergestellt werden, haben die Sensoren viele Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, wie beispielsweise eine Verbesserung der Empfindlichkeit. Im Vergleich mit Vollmaterialien haben die dünnschichtigen Materialien jedoch großen Einfluss auf piezoelektrische Eigenschaften aufgrund der Wärmeausdehnungskoeffizienten der weiteren Schichten, welche eine Vorrichtung ausbilden, der physikalischen Schichteigenschaften, wie beispielsweise das Elastizitätsmodul (engl.: Young's modulus), einer externen Belastung, welche von den weiteren Schichten eingebracht wird, und einer inneren Belastung, welche eine piezoelektrische Schicht aufweist, und somit ist eine Technik zur Belastungssteuerung (engl.: stress control technique) erforderlich, welche sich von jener für Vollmaterialien unterscheidet. Daher ist ein Verfahren zum Steuern piezoelektrischer Eigenschaften durch eine Technik zur Belastungssteuerung für piezoelektrische Schichten ein wichtiger Faktor beim Entwerfen einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung.
[Patentliteratur]

[PTL 1] Japanische, ungeprüfte Patentanmeldung No. 2000-113427
[PTL 2] Japanische, ungeprüfte Patentanmeldung No. 2011-029591

Zusammenfassung der Erfindung
Einer der wichtigen Faktoren von piezoelektrischen Eigenschaften ist das elektrische Koerzitivfeld Ec. Das elektrische Koerzitivfeld Ec repräsentiert einen Wert eines elektrischen Feldes, mit welchem eine spontane Polarisation umgekehrt wird und die Polarisationsrichtung damit beginnt sich umzukehren, indem ein elektrisches Feld, welches gleich oder höher als dieses elektrische Feld ist, an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. 1 stellt eine Hysterese-Kurve der Polarisation P in Relation zum elektrischen Feld E von einer typischen piezoelektrischen Vorrichtung und Positionen des elektrischen Koerzitivfeldes Ec dar. In einer Vorrichtung, welche von dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt Gebrauch macht, das heißt von der Verformung einer piezoelektrischen Dünnschicht, wenn hieran eine Spannung angelegt wird, wird eine große Auslenkung (engl.: displacement) in der gleichen Richtung wie die Polarisationsrichtung erzielt.
2 zeigt eine Beziehung (im Folgenden als ein „Schmetterling-Kurvenverlauf” bezeichnet) zwischen einer Verformung x und dem elektrischen Feld E von einer typischen piezoelektrischen Vorrichtung. Anhand von 2 ist zu erkennen, dass sich die Verformungsrichtung am elektrischen Koerzitivfeld Ec, als eine Grenze, umkehrt. Das heißt, dass sich, sogar wenn das elektrische Feld E erhöht wird, um eine große Verformung x zu erzielen, die Polarisationsrichtung in dem Moment umkehren wird, bei welchem das elektrische Koerzitivfeld Ec überstiegen wird, und eine Verformung x in einer gewünschten Richtung nicht erzielt werden kann. Um eine große Verformung x zu erzielen, wird eine piezoelektrischen Vorrichtung mit einem hohen elektrischen Koerzitivfeld Ec benötigt.
Verfahren zum Erhöhen des elektrischen Koerzitivfeldes umfassen ein Verfahren zum Ändern einer Zusammensetzung von einer piezoelektrischen Dünnschicht, ein Verfahren zum Steuern einer äußeren Belastung aufgrund eines Schichtaufbaus, ein Verfahren zum Steuern einer inneren Belastung, indem Zustände der Schichtablagerung von der piezoelektrischen Dünnschicht gesteuert werden, und dergleichen.
Wenn eine Zusammensetzung von einer piezoelektrischen Dünnschicht geändert wird, um das elektrische Koerzitivfeld weiter zu erhöhen, neigt eine piezoelektrische Konstante dazu, verringert zu werden, wodurch eine Schwierigkeit beim Erzielen einer Auslenkung hervorgerufen wird. Wenn eine äußere Belastung gesteuert wird, indem eine Belastungssteuerungsschicht oder dergleichen angelegt wird, welche eine Schicht umfasst, welche hinsichtlich einer Verformung einstellbar ist, indem Ablagerungszustände und die Schichtdicke gesteuert werden, und welche im direkten oder indirekten Kontakt mit einer piezoelektrischen Dünnschicht steht, um eine Verformung der piezoelektrischen Dünnschicht zu steuern, wird die Anzahl von beigefügten Schichten erhöht, wodurch die Herstellungskosten einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung erhöht werden.
Hinsichtlich der Steuerung der inneren Belastung wird die Belastung gesteuert, indem Bedingungen bei der Schichtablagerung gesteuert werden, wie beispielsweise ein Partialdruck eines Reaktionsgases, welches dazu verwendet wird, um eine piezoelektrische Dünnschicht auszubilden, eine Schichtablagerungsrate, eine Ausgabe von einer angelegten Energiequelle, usw., und somit kann das elektrische Koerzitivfeld erhöht werden, wobei ebenso eine piezoelektrische Konstante geändert werden kann. Wenn die piezoelektrische Dünnschicht ein Inertgas umfasst, tritt eine innere Belastung in der piezoelektrischen Dünnschicht auf, wobei jedoch das Inertgas nicht mit den Bestandteilen reagiert, welche die piezoelektrische Dünnschicht bilden, wodurch ein geringer Einfluss hinsichtlich einer Änderung der piezoelektrischen Konstante hervorgerufen wird. Die innere Belastung kann jedoch erzeugt werden, indem der Partialdruck des Reaktionsgases oder dergleichen geändert wird, wobei jedoch das Zusammensetzungsverhältnis eines Reaktionsproduktes der Bestandteile geändert wird, wodurch der starke Einfluss auf die Änderung der piezoelektrischen Eigenschaften hervorgerufen wird.
Um eine größere innere Belastung zu erzeugen, kann Edelgas in einer größtmöglichen Menge über dem Inneren der piezoelektrischen Dünnschicht enthalten sein. Jedoch kann durch Zunahme des Gehaltes die Spannungsfestigkeit (engl.: withstand voltage) der piezoelektrischen Dünnschicht verringert und somit die Eigenschaften von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung aufgrund einer Kriechstromzunahme verschlechtert werden.
Patentliteratur 1 offenbart, dass eine Abschirmschicht von einer dünnschichtigen magnetischen Vorrichtung Argon (Ar) als ein Edelgaselement enthält, wobei dies jedoch darauf abzielt, die Schichthärte zu erhöhen, um die Bearbeitbarkeit von der Abschirmschicht in einem Polierschritt zum Herstellen der Vorrichtung zu verbessern.
Patentliteratur 2 offenbart, dass eine piezoelektrische Dünnschicht über die gesamte piezoelektrische Dünnschicht gleichmäßig eine niedrige Konzentration von Ar umfasst, um die innere Belastung von der piezoelektrischen Dünnschicht zu steuern.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der Probleme aus dem Stand der Technik gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, welche ein hohes elektrisches Koerzitivfeld hat.
Um die Aufgabe zu lösen, umfasst eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Paar von Elektrodenschichten und eine piezoelektrische Dünnschicht, welche zwischen dem Paar von Elektrodenschichten eingefügt ist, wobei die piezoelektrische Dünnschicht ein Edelgaselement umfasst und einen Anteilsgradienten des Edelgaselements in der Dickenrichtung von der piezoelektrischen Dünnschicht hat. Das heißt, dass die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung die piezoelektrische Dünnschicht, welche einen Anteilsgradienten des Edelgases hat, und das Paar von Elektrodenschichten umfasst, welche mit der dazwischen eingefügten piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet sind, wobei sich das Anteilsmaximum an einer gewünschten Position in der Dickenrichtung befindet.
Da die piezoelektrische Dünnschicht das Edelgas umfasst, kann eine innere Belastung eingeführt und das elektrische Koerzitivfeld erhöht werden. Wenn jedoch eine Schicht lediglich eine hohe Menge des Edelgases gleichförmig in der Dickenrichtung umfasst, wie zuvor beschrieben, wird in der piezoelektrischen Dünnschicht ein Kriechpfad erzeugt, wodurch die Spannungsfestigkeit verringert wird und der Kriechstrom erhöht wird. Daher ist es hinsichtlich der piezoelektrischen Dünnschicht notwendig, einen Edelgas-Anteilsgradienten zu besitzen.
Bei der dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat die piezoelektrische Dünnschicht den Edelgaselement-Anteil, dessen Maximum vorzugsweise nicht in einer der elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten von der piezoelektrischen Dünnschicht liegt. Zusätzlich hat der Edelgaselement-Anteil von der piezoelektrischen Dünnschicht vorzugsweise ein Minimum in einer der elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten von der piezoelektrischen Dünnschicht. Hieraus resultierend kann der Edelgasanteil in einem Bereich an einer von dem Paar von Elektrodenschichtseiten von der piezoelektrischen Dünnschicht ausreichend verringert werden, wodurch das Auftreten eines Kriechpfades an den Elektrodenschichtseiten unterdrückt wird.
Wenn die Richtung eines elektrischen Feldes, welches an der dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung angelegt ist, festgelegt ist, kann ein Bereich, welcher einen niedrigen Edelgasanteil hat, an lediglich einer der Elektrodenschichtseiten angeordnet werden. Wenn jedoch ein elektrisches Feld in beiden Richtungen angelegt wird, ist der Edelgasanteil vorzugsweise in beiden elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten gering.
Ferner, wenn die elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten kein Edelgas enthalten, nimmt die piezoelektrische Dünnschicht angesichts des Störstellenanteils eine Idealform an, und das Auftreten eines Kriechpfades in der piezoelektrischen Dünnschicht kann unterdrückt werden, wodurch ein bevorzugter Zustand hinsichtlich einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung, frei von Problemen eines Kriechstroms, erzeugt wird.
Die piezoelektrische Dünnschicht von der dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise ein perowskitisches, ferroelektrisches Material, welches stärkere piezoelektrische Eigenschaften erzeugen kann. Insbesondere ist eine piezoelektrische Dünnschicht basierend auf Kalium, Natrium, Niobat mit einem elektrischen Koerzitivfeld, welches geringer ist als jenes von Blei, Zirkonat, Titanat (PZT) oder dergleichen bevorzugt.
Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann, verglichen mit einer herkömmlichen dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung, mit einer hohen Spannung betrieben werden, da ein elektrische Koerzitivfeld erhöht werden kann, und es kann eine große Auslenkung sogar mit einer Vorrichtung erzielt werden, welche den umgekehrten piezoelektrischen Effekt einsetzt. Ein piezoelektrisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung mit erhöhtem elektrischen Koerzitivfeld und kann eine große Auslenkung erzielen, und ein piezoelektrischer Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung mit erhöhtem elektrischen Koerzitivfeld und kann die Erfassungsempfindlichkeit verbessern. Daher können ein Festplattenlaufwerk und ein Tintenstrahldrucker mit einer hohen Leistungfähigkeit bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Schaubild, in dem ein Hysterese-Kurvenverlauf einer Polarisation P in Relation zum elektrischen Feld E von einer typischen piezoelektrischen Vorrichtung und Positionen des elektrischen Koerzitivfeldes Ec dargestellt sind.
2 zeigt ein Schaubild, in welchem eine Relation (im Folgenden als ein „Schmetterling-Kurvenverlauf” bezeichnet) zwischen der Verformung x und dem elektrischen Feld E von einer typischen piezoelektrischen Vorrichtung dargestellt ist.
3 zeigt ein Schaubild von einer Konfiguration (zwei piezoelektrische Dünnschichten) von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Schaubild von einer Konfiguration (fünf piezoelektrische Dünnschichten) von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Schaubild, in welchem Argon-Anteile in piezoelektrischen Dünnschichten von Beispielen der vorliegenden Erfindung und von Vergleichsbeispielen dargestellt sind.
6A und 6B zeigen strukturelle Darstellungen von piezoelektrischen Stellgliedern gemäß der vorliegenden Erfindung.
7A bis 7D zeigen strukturelle Darstellungen von piezoelektrischen Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine strukturelle Darstellung von einem Festplattenlaufwerk gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine strukturelle Darstellung von einem Tintenstrahldrucker gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung wird gleichen oder entsprechenden Elementen das gleiche Bezugszeichen zugesprochen. Zusätzlich sind vertikale und horizontale Positionsbeziehungen dergestalt wie in den Zeichnungen gezeigt. Eine redundante Beschreibung wird unterlassen.
3 stellt eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 100 umfasst ein Substrat 7, eine erste Elektrodenschicht 5, welche auf dem Substrat 7 bereitgestellt ist, eine piezoelektrische Dünnschicht 3, welche auf der ersten Elektrodenschicht 5 ausgebildet ist, und eine zweite Elektrodenschicht 1, welche auf der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgebildet ist.
Beispielsweise kann ein Siliziumsubstrat, welches eine (100) Ausrichtung hat, als das Substrat 7 verwendet werden. Das Substrat 7 hat beispielsweise eine Dicke von 200 μm oder mehr und 1000 μm oder weniger. Ebenso kann ein Siliziumsubstrat, welches eine Ausrichtung hat, welche sich von der (100) Ausrichtung unterscheidet, ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Substrat (engl.: silicon-on-insulator substrate), ein Quarzglas-Substrat, ein Verbund-Halbleiter-Substrat, welches GaAs oder dergleichen umfasst, ein Saphiersubstrat, ein Metallsubstrat, welches rostfreien Stahl oder dergleichen umfasst, ein MgO-Substrat, ein SrTiO₃-Substrat, und dergleichen, als das Substrat 7 verwendet werden. Das Substrat 7 kann entfernt werden, nachdem die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung ausgebildet ist, und muss in der Vorrichtung nicht enthalten sein.
Beispielsweise umfasst die erste Elektrodenschicht 5 Platin (Pt). Die erste Elektrodenschicht 5 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,02 μm oder mehr und 1,0 μm oder weniger. Bei einer Dicke von weniger als 0,02 μm wird die Wirkungsweise als eine Elektrode unzufriedenstellend, wohingegen bei einer Dicke, welche 1,0 μm übersteigt, das Problem der Verhinderung einer Auslenkung des piezoelektrischen Materials aufkommt. Eine Pt-Schicht, welche durch das Sputterverfahren auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, welches eine (100) Ausrichtung hat und auf etwa 400C bis 500C erwärmt wird, ist eine Schicht, welche eine hohe (100) Ausrichtung hat, und die piezoelektrische Dünnschicht 3, welche nachfolgend auf der Pt-Schicht ausgebildet wird, kann ebenso mit einer hohen Ausrichtung bereitgestellt werden. Zusätzlich können metallische Materialien, wie beispielsweise Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Gold (Au), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), und dergleichen, für die erste Elektrodenschicht 5 verwendet werden. Das Sputtern wird vorzugsweise unter Verwendung von Argon-(Ar)-Gas bei einem Gasdruck von 0,1 bis 0,5 Pa mit einer angelegten Spannungsversorgungsausgabe von 0,5 bis 1,0 W/cm² durchgeführt. Die angelegte Spannungsversorgung kann eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz oder eine Spannungsversorgung mit Gleichstrom sein.
Die piezoelektrische Dünnschicht 3 ist nicht speziell limitiert, solange sie piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Beispiele hiervon umfassen PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), KNN (Kalium-Natrium-Niobat), BT (Barium-Titanat), LN (Lithium-Niobat), BNT (Wismut-Natrium-Titanat), ZnO (Zinkoxid), AIN (Aluminiumnitrid), und dergleichen. Die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist nicht speziell limitiert und kann beispielsweise ungefähr 0,5 μm bis 5 μm betragen. Das Sputtern wird vorzugsweise unter Verwendung eines Mischgases aus Argon-Sauerstoff (Ar + O₂) bei einem Gasdruck von 0,1 bis 0,5 Pa durchgeführt. Vorzugsweise wird eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz als angelegte Spannungsversorgung verwendet, und ihre Ausgabe beträgt vorzugsweise 2,5 bis 5,5 W/cm².
Unter den vorbeschriebenen piezoelektrischen Materialien ist ein perowskitisches, ferroelektrisches Material, welches höhere piezoelektrische Eigenschaften erzeugen kann, für die piezoelektrische Dünnschicht von der dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Insbesondere ist eine piezoelektrische Dünnschicht basierend auf Kalium-Natrium-Niobat, welche ein geringeres elektrisches Koerzitivfeld als Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) hat, und dergleichen bevorzugt.
Die piezoelektrische Dünnschicht auf Basis von Kalium-Natrium-Niobat stellt eine Schicht dar, welche eine Zusammensetzung hat, welche durch die grundlegende chemische Formel (Na_xK_1-x)NbO₃(0 < x < 1) dargestellt ist, und welche, falls erforderlich, verschiedene Zusatzstoffe an der A-Stelle, an welcher ein Alkalimetall vorliegt, und der B-Stelle, an welcher Nb vorliegt, umfasst. Ferner kann die piezoelektrische Dünnschicht eine geringe Menge von einer Verbindung umfassen, welche sich von der Zusammensetzung unterscheidet.
Die piezoelektrische Dünnschicht 3 umfasst ein Edelgaselement mit einem Anteil, welcher niedriger ist als ungefähr 15 Atomprozent (engl.: atomic %). Obwohl Inertgase von Elementen der Gruppe 18, wie beispielsweise Argon (Ar), Xenon (Xe), Krypton (Kr), und dergleichen, als das Edelgaselement verwendet werden können, ist Argon (Ar) angesichts der Materialkosten und der Verfügbarkeit bevorzugt.
Die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat vorzugsweise einen Anteilsgradienten des Edelgaselements in der Dickenrichtung, und der Anteil des Edelgaselements hat vorzugsweise einen Maximalwert von ungefähr 10 bis 15 Atomprozent, und beträgt 5 Atomprozent oder weniger in einer Schnittstellenschicht, welche mit der ersten Elektrodenschicht 5 und der zweiten Elektrodenschicht 1 in Kontakt steht. Der Gradient ist nicht auf einen linearen Gradienten oder einen kurvenförmigen Gradienten begrenzt. Der Minimalwert des Anteils des Edelgaselements (im Folgenden lediglich als der „Minimalwert” bezeichnet) beträgt vorzugsweise 40% oder weniger als der Maximalwert des Anteils des Edelgaselements (im Folgenden lediglich als der „Maximalwert” bezeichnet), und der Maximalwert befindet sich vorzugsweise an einer Position zwischen 20 und 80% in Relation zu 100% des Abstandes zwischen beiden Elektrodenschicht-Schnittstellen in der Dickenrichtung. Dem Edelgaselement in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird durch ein Verfahren ein Anteilsgradient verliehen, bei welchem die angelegte Spannung geändert wird, der Druck des Mischgases geändert wird, der Partialdruck des Edelgases von dem Mischgas geändert wird, oder dergleichen.
In Bezug auf den Anteil des Edelgaselements in der piezoelektrischen Dünnschicht 3, wird eine Erfassung durchgeführt, indem ein Bild von einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) von einem Schnittaufbau der Schicht mit einem energiedispersiven Röntgenstrahl-Analysator (EDS) gemessen wird, und der Anteil kann bestimmt werden, indem Intensitäten in der Dickenrichtung gemessen werden.
Um den Anteilsgradienten des Edelgaselements in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 zu messen, wird speziell der Schnittaufbau von der Schicht in eine Mehrzahl von dünnen Schichten (im Allgemeinen 20 Schichten oder mehr) parallel zu den Elektrodenschicht-Schnittstellen unterteilt und gemessen. In der vorliegenden Erfindung beziehen sich die Schnittstellenschichten, aus der Mehrzahl von dünnen Schichten, auf jene dünnen Schichten, welche den Elektrodenschichten am nächsten liegen.
Der Anteil des Edelgaselements kann bestimmt werden, indem die Intensität von jedem der Elemente, welche die Zusatzstoffe umfassen, welche die piezoelektrische Dünnschicht 3 darstellen, in jeder der Dünnschichten von der piezoelektrischen Dünnschicht 3 erfasst wird, und ein atomares Zusammensetzungsverhältnis anhand der Intensität von dem Edelgaselement und der Gesamtintensität von allen Elementen bestimmt wird.
Die zweite Elektrodenschicht 1 umfasst beispielsweise Platin (Pt). Die zweite Elektrodenschicht 1 hat eine Dicke von beispielsweise 0,02 μm oder mehr und 1,0 μm oder weniger. Die zweite Elektrodenschicht 1 kann durch ein Sputterverfahren ausgebildet werden, und es können ebenso metallische Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Gold (Au), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), und dergleichen.
(Piezoelektrisches Stellglied)
6A zeigt ein strukturelles Schaubild von einer Kopfbaugruppe, welche an einem Festplattenlaufwerk montiert ist, als ein Beispiel von piezoelektrischen Stellgliedern, welche diese piezoelektrischen Elemente umfassen. Wie in dieser Figur gezeigt, umfasst eine Kopfbaugruppe 200 eine Basisplatte 9, einen Lastausleger 11, ein Biegeelement 17, ein erstes und zweites piezoelektrisches Element 13, welche als Steuerelemente dienen, und einen Schleifer 19, welcher mit einem Kopfelement 19a bereitgestellt ist, als deren Hauptbestandteile.
In dieser Hinsicht umfasst der Lastausleger 11 einen Basis-Endabschnitt 11b, welcher durch Strahlschweißen oder dergleichen an der Basisplatte 9 angebracht ist, einen ersten und zweiten Plattenfederabschnitt 11c und 11d, welche sich konisch verjüngend von diesem Basis-Endabschnitt 11b erstrecken, einen Öffnungsabschnitt 11e, welcher zwischen dem ersten und zweiten Plattenfederabschnitt 11c und 11d angeordnet ist, und einen Ausleger-Hauptabschnitt 11f, welcher sich dem ersten und zweiten Plattenfederabschnitt 11c und 11d anschließt und sich konisch verjüngend linear erstreckt.
Das erste und zweite piezoelektrische Element 13 sind auf einem flexiblen Verdrahtungssubstrat 15 angeordnet, welches ein Teil von dem Biegeelement 17 ist, während ein vorbestimmter Abstand untereinander beibehalten wird. Der Schleifer 19 ist an einem Endabschnitt von dem Biegeelement 17 angebracht und wird gemäß einer Erstreckung und einer Kontraktion von dem ersten und zweiten piezoelektrischen Element 13 rotiert.
Das erste und zweite piezoelektrische Element 13 sind aus einer ersten Elektrodenschicht, einer zweiten Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht, welche zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingelegt ist, ausgebildet. Eine hohe Spannungsfestigkeit und eine ausreichende Auslenkung können unter Verwendung der piezoelektrischen Schicht erlangt werden, welche gemäß der vorliegenden Erfindung einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, wie diese piezoelektrische Schicht.
6B zeigt ein Konfigurations-Schaubild von einem piezoelektrischen Stellglied von einem Tintenstrahldruckerkopf, als ein weiteres Beispiel von dem piezoelektrischen Stellglied, welches das zuvor beschriebene piezoelektrische Element umfasst.
Ein piezoelektrisches Stellglied 300 wird durch Schichten von einer Isolierschicht 23, einer unteren Elektrodenschicht 24, einer piezoelektrischen Schicht 25 und einer oberen Elektrodenschicht 26 auf einem Substrat 20 ausgebildet.
In dem Fall, bei welchem kein vorbestimmtes Entladungssignal ausgegeben wird und keine Spannung zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 angelegt ist, tritt keine Verformung in der piezoelektrischen Schicht 25 auf. In einer Druckkammer 21, welche mit einem piezoelektrischen Element bereitgestellt ist dem kein Entladungssignal zugeführt wird, tritt keine Druckänderung auf, und es wird aus einer Düse 27 hiervon kein Tintentröpfchen ausgestoßen.
Andererseits, in dem Fall, bei welchem ein vorbestimmtes Entladungssignal zugeführt wird und eine bestimmte Spannung zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 angelegt wird, tritt eine Verformung in der piezoelektrischen Schicht 25 auf. In einer Druckkammer 21, welche mit dem piezoelektrischen Element bereitgestellt ist dem ein Entladungssignal zugeführt wird, wird die Isolierschicht 23 in großen Maße gebogen. Daraus folgend steigt der Druck in der Druckkammer 21 unverzüglich an, und es wird ein Tintentröpfchen aus der Düse 27 ausgestoßen.
Hier können eine hohe Spannungsfestigkeit und eine ausreichende Verformung erlangt werden, indem die piezoelektrische Schicht verwendet wird, welche gemäß der vorliegenden Erfindung einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, wie die piezoelektrische Schicht.
(Piezoelektrischer Sensor)
7A zeigt eine strukturelle Darstellung (Draufsicht) von einem Kreiselsensor als ein Beispiel eines piezoelektrischen Sensors, welcher das zuvor beschriebene piezoelektrische Element umfasst. 7B zeigt eine Schnittansicht des Abschnittes, welcher entlang einer in 7A gezeigten Linie A-A genommen ist.
Ein Kreiselsensor 400 ist ein Winkelgeschwindigkeits-Erfassungselement vom Typ eines Stimmgabel-Vibrators (engl.: tuning fork vibrator type), welches mit einem Basisabschnitt 110 und zwei Auslegern 120 und 130, welche mit einer Fläche von dem Basisabschnitt 110 verbunden sind, bereitgestellt ist. Dieser Kreiselsensor 400 wird durch Mikrobearbeitung der piezoelektrischen Schicht 30, der oberen Elektrodenschicht 36 und der unteren Elektrodenschicht 37, welche das zuvor beschriebene piezoelektrische Element ausbilden, erlangt, um der Form des Stimmgabel-Vibrators zu entsprechen. Die einzelnen Abschnitte (Basisabschnitt 110 und Ausleger 120 und 130) werden durch das piezoelektrische Element einstückig ausgebildet.
Jede der Steuerelektrodenschichten 36a und 36b und die Erfassungs-Elektrodenschicht 36d ist auf einer ersten Hauptfläche von einem Ausleger 120 angeordnet. Ebenso ist jede der Steuerelektrodenschichten 36a und 36b und die Erfassungs-Elektrodenschicht 36c auf einer ersten Hauptfläche von dem weiteren Ausleger 130 angeordnet. Jede dieser Elektrodenschichten 36a, 36b, 36c und 36d wird durch Ätzen der oberen Elektrodenschicht 36 auf eine vorbestimmte Elektrodenform erlangt.
Im Übrigen wirkt die untere Elektrodenschicht 37, welche gänzlich über den zweiten Hauptflächen (jene Hauptfläche auf der Rückseite von der ersten Hauptfläche) von dem Basisabschnitt 110 und den Auslegern 120 und 130 angeordnet ist, als eine Erdungselektrode des Kreiselsensors 400.
Hier ist die Längsrichtung von jedem der Ausleger 120 und 130 derart spezifiziert, dass sie in Z-Richtung verläuft, und ist eine Ebene, welche die Hauptflächen der zwei Ausleger 120 und 130 umfasst, derart spezifiziert, dass sie sich in einer XZ-Ebene befindet, so dass ein XYZ-Koordinatensystem definiert ist.
Wenn den Steuerelektrodenschichten 36a und 36b ein Steuersignal zugeführt wird, werden die zwei Ausleger 120 und 130 in einem In-Ebene-Vibrationsmodus (engl.: in-plane vibration mode) angeregt. Der In-Ebene-Vibrationsmodus bezieht sich auf einen Vibrationsmodus, bei welchem die zwei Ausleger 120 und 130 in einer Richtung parallel zu den Hauptflächen der zwei Ausleger 120 und 130 angeregt werden. Wenn beispielsweise ein Ausleger 120 in einer –X Richtung mit einer Geschwindigkeit V1 angeregt wird, wird der weitere Ausleger 130 in einer +X Richtung mit einer Geschwindigkeit V2 angeregt.
In dem Fall, in welchem in diesem Zustand dem Kreiselsensor 400 eine Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit ω hinzugefügt wird, während die Drehachse derart spezifiziert ist, dass sie entlang der Z-Achse verläuft, wird jedem der zwei Ausleger 120 und 130 eine Corioliskraft in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit angelegt, und es tritt eine Anregung in einem Außer-Ebene-Vibrationsmodus (engl.: out-of-plane vibration mode) auf. Der Außer-Ebene-Vibrationsmodus bezieht sich auf einen Vibrationsmodus, bei welchem die zwei Ausleger 120 und 130 in einer Richtung senkrecht zu den Hauptflächen der zwei Ausleger 120 und 130 angeregt werden. Wenn beispielsweise die Corioliskraft F1 in einer –Y Richtung an einen Ausleger 120 angelegt wird, verläuft eine Corioliskraft F2, welche an den anderen Ausleger 130 angelegt wird, in einer +Y Richtung.
Die Größen der Corioliskräfte F1 und F2 sind proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω, und daher kann die Winkelgeschwindigkeit ω bestimmt werden, indem mechanische Belastungen der Ausleger 120 und 130 aufgrund der Corioliskräfte F1 und F2 durch die piezoelektrische Schicht 30 in elektrische Signale (Erfassungssignale) umgewandelt werden, und diese von den Erfassungs-Elektrodenschichten 36c und 36d aufgenommen werden.
Die hohe Spannungsfestigkeit und die ausreichende Erfassungsempfindlichkeit können erlangt werden, indem die piezoelektrische Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, als diese piezoelektrische Schicht verwendet wird.
7C zeigt eine strukturelle Darstellung von einem Drucksensor als ein zweites Beispiel des piezoelektrischen Sensors, welcher das zuvor beschriebene piezoelektrische Element umfasst.
Ein Drucksensor 500 hat einen Hohlraum 45 um auf das Anlegen eines Druckes anzusprechen, und ist zusätzlich aus einem Halteelement 44 zum Halten eines piezoelektrischen Elements 40, einem Stromverstärker 46 und einem Spannungs-Messinstrument 47 ausgebildet. Das piezoelektrische Element 40 umfasst eine gemeinsame Elektrodenschicht 41, eine piezoelektrische Schicht 42 und eine einzelne Elektrodenschicht 43, welche in dieser Reihenfolge auf dem Halteelement 44 gestapelt sind. Wenn hier eine externe Kraft angelegt wird, wird das piezoelektrische Element 40 gebogen und die Spannung wird durch das Spannungs-Messinstrument 47 erfasst.
Die hohe Spannungsfestigkeit und die ausreichende Erfassungsempfindlichkeit können unter Verwendung der piezoelektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, als diese piezoelektrische Schicht erzielt werden.
7D zeigt ein Konfigurations-Schaubild von einem Impulswellensensor als ein drittes Beispiel des piezoelektrischen Sensors, welcher das zuvor beschriebene piezoelektrische Element umfasst.
Ein Impulswellensensor 600 ist mit einem übertragenden piezoelektrischen Element und einem empfangenen piezoelektrischen Element auf einem Substrat 51 bestückt. Hier sind bei dem übertragenen piezoelektrischen Element Elektrodenschichten 54a und 55a auf den zwei Flächen von der übertragenden piezoelektrischen Schicht 52 in der Dickenrichtung angeordnet, und sind bei dem empfangenden piezoelektrischen Element Elektrodenschichten 54b und 55b ebenso auf den zwei Flächen von der empfangenden piezoelektrischen Schicht 53 in der Dickenrichtung angeordnet. Zusätzlich sind Elektroden 56 und Oberflächen-Elektroden 57 auf dem Substrat 51 angeordnet, wobei die Elektrodenschichten 54b und 55b jeweils durch Verdrahtungen elektrisch mit den Oberflächen-Elektroden 57 verbunden sind.
Um Impulse von einem lebenden Körper zu erfassen, wird anfangs die Substrat-Rückfläche (jene Fläche, welche nicht mit dem piezoelektrischen Element bestückt ist) von dem Impulswellensensor 600 mit dem lebenden Körper in Kontakt gebracht. Dann wird, sobald Impulse erfasst werden, ein spezifisches Steuerspannungssignal an beide Elektrodenschichten 54a und 55a von dem übertragenden piezoelektrischen Element ausgegeben. Das übertragende piezoelektrische Element wird gemäß dem Steuerspannungssignal, welches in beide Elektrodenschichten 54a und 55a eingegeben wird, derart angeregt, dass eine Ultraschallwelle erzeugt wird und die Ultraschallwelle in den lebenden Körper übertragen wird. Die in den lebenden Körper übertragende Ultraschallwelle wird durch einen Blutstrom reflektiert und wird durch das empfangende piezoelektrische Element empfangen. Das empfangende piezoelektrische Element wandelt die empfangene Ultraschallwelle in ein Spannungssignal um und gibt dieses durch die beiden Elektrodenschichten 54b und 55b aus.
Die hohe Spannungsfestigkeit und die ausreichende Erfassungsempfindlichkeit können unter Verwendung der piezoelektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, als beide piezoelektrische Schichten erzielt werden.
(Festplattenlaufwerk)
8 zeigt eine strukturelle Darstellung von einem Festplattenlaufwerk, welches mit der in 6A gezeigten Kopfbaugruppe bestückt ist.
Ein Festplattenlaufwerk 700 ist mit einer Festplatte 61 bereitgestellt, welche als ein Aufzeichnungsmedium dient, und einer Kopf-Stapelbaugruppe 62 zum Aufzeichnen einer Magnetinformation hierauf, aufgenommen in einem Gehäuse 60. Die Festplatte 61 wird durch einen Motor rotiert, obwohl dies nicht in der Figur gezeigt ist.
In der Kopf-Stapelbaugruppe 62 sind mehrere Baugruppen, welche aus einem Stellglied-Ausleger 64, welcher durch einen Schwingspulenmotor 63 derart gelagert ist, dass er frei um eine Welle rotiert, und einer Kopfbaugruppe 65, welche mit diesem Stellglied-Ausleger 64 verbunden ist, ausgebildet, die in der Figur in Tiefenrichtung gestapelt sind. Der Kopfschleifer 19 ist an einem Endabschnitt der Kopfbaugruppe 65 derart angebracht, dass er der Festplatte 61 gegenüberliegt (siehe 6A).
Was die Kopfbaugruppe 65 betrifft, wird eine Form angewendet, bei welcher das Kopfelement 19a (siehe 6A) in zwei Schritten fluktuiert. Es werden relativ starke Bewegungen des Kopfelements 19a durch einen Gesamtantrieb der Kopfbaugruppe 65 und dem Stellglied-Ausleger 64 basierend auf dem Schwingspulenmotor 63 gesteuert, und feine Bewegungen werden durch Antreiben des Kopfschleifers 19 an dem Endabschnitt der Kopfbaugruppe 65 gesteuert.
Die hohe Spannungsfestigkeit und die ausreichende Zugriffsfähigkeit können unter Verwendung der piezoelektrischen Schicht, welche gemäß der vorliegenden Erfindung einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, als die piezoelektrische Schicht in diesem piezoelektrischen Element, verwendet für diese Kopfbaugruppe 65, erzielt werden.
(Tintenstrahldrucker)
9 zeigt eine Konfigurations-Schaubild von einem Tintenstrahldrucker, welcher mit dem in 6B gezeigten Tintenstrahldruckerkopf bestückt ist.
Ein Tintenstrahldrucker 800 umfasst primär einen Tintenstrahldruckerkopf 70, einen Hauptkörper 71, eine Ablage 72 und einen Kopfantriebsmechanismus 73.
Der Tintenstrahldrucker 800 ist mit Tintenpatronen aus den insgesamt vier Farben Gelb, Magenta, Zyan und Schwarz, bereitgestellt, und ist dazu ausgebildet, einen Vollfarbdruck auszuführen. Zusätzlich ist dieser Tintenstrahldrucker 800 im Inneren mit einer exklusiven Steuerplatine und dergleichen bereitgestellt, und es werden der Tinten-Ausstoß-Zeitpunkt des Tintenstrahldruckerkopfs 70 und die Abtastung von dem Kopfantriebsmechanismus 73 gesteuert. Im Übrigen ist der Hauptkörper 71 an der Rückseite mit der Ablage 72 bereitgestellt, und ist im inneren mit einer automatischen Blattzufuhr (automatischer durchgängiger Blattzufuhrmechanismus) 76 bereitgestellt, um somit automatisch ein Druckpapier 75 zuzuführen und das Druckpapier 75 von einem an der Vorderseite eingerichteten Zufuhrabschnitt 74 aus zuzuführen.
Ein Tintenstrahldrucker, welcher eine hohe Spannungsfestigkeit hat und sehr sicher ist, kann bereitgestellt werden, indem die piezoelektrische Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, welche einen kleinen Kriechstrom und eine große Auslenkung aufweist, wie diese piezoelektrische Schicht in dem piezoelektrischen Element, welches für das piezoelektrische Stellglied von diesem Tintenstrahldruckerkopf 70 verwendet wird.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden basierend auf Beispielen und Vergleichsbeispielen in weiteren Details beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
(Beispiel 1)
3 ist ein Schaubild, welches einen Aufbau von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung 100 von Beispiel 1 darstellt.
Ein Silizium-Substrat 7, welches eine (100)-Ausrichtung hat und eine Dicke von 400 μm hat, wurde auf 400°C erwärmt, und es wurde Pt auf bis zu 200 nm auf dem Silizium-Substrat 7 durch das Sputterverfahren durch epitaktisches Wachstum mit der Ausrichtung von dem Silizium-Substrat 7 abgelagert, wodurch eine erste Elektrodenschicht 5 ausgebildet wurde. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Dann wurde das Silizium-Substrat 7 auf 550C erwärmt, und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) wurde auf bis zu 1000 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂), welches einen Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,2 Pa hat, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine erste Schicht 31 der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgebildet wurde. Es wurde als angelegte Spannungsversorgung eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz verwendet, und der Ausgangswert, welcher an ein Ziel mit einem Durchmesser von 150 mm angelegt wurde, wurde von 800 W zu Beginn der Ablagerung auf 1200 W am Ende der Ablagerung linear geändert. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 1000 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine zweite Schicht 32 ausgebildet wurde. Der angelegte Ausgangswert wurde von 1200 W zu Beginn der Ablagerung auf 800 W am Ende der Ablagerung linear geändert.
Als Nächstes wurde Pt auf bis zu 200 nm durch das Sputterverfahren bei normaler Temperatur abgelagert, um eine zweite Elektrodenschicht 1 auszubilden. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Nachdem die zweite Elektrodenschicht 1 ausgebildet wurde, wurden die piezoelektrische Dünnschicht 3, die erste Elektrodenschicht 5 und die zweite Elektrodenschicht 1 durch Photolithographie und Trockenätzen oder Nassätzen gemustert, und es wurde ferner das Silizium-Substrat 7 geschnitten, um die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 100 von Beispiel 1 auszubilden, welche einen bewegbaren Abschnitt mit Ausmaßen von 1 mm × 2 mm hat.
(Beispiel 2)
Ein Silizium-Substrat 7 mit einer (100)-Ausrichtung wurde auf 400C erwärmt und es wurde Pt auf bis zu 200 nm auf das Silizium-Substrat 7 durch das Sputterverfahren durch epitaktisches Wachstum mit der Ausrichtung von dem Silizium-Substrat 7 abgelagert, wodurch eine erste Elektrodenschicht 5 ausgebildet wurde. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Dann wurde das Silizium-Substrat 7 auf 550C erwärmt und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) wurde auf bis zu 1500 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂), welches einen Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,2 Pa hat, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine erste Schicht 31 der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgebildet wurde. Es wurde als angelegte Spannungsversorgung eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz verwendet, und der Ausgangswert, welcher an ein Ziel mit einem Durchmesser von 150 mm angelegt wurde, wurde von 800 W zu Beginn der Ablagerung auf 1200 W am Ende der Ablagerung linear geändert. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 500 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine zweite Schicht 32 ausgebildet wurde. Der angelegte Ausgangswert wurde von 1200 W zu Beginn der Ablagerung auf 1000 W am Ende der Ablagerung linear geändert.
Als Nächstes wurde Pt auf bis zu 200 nm durch das Sputterverfahren bei normaler Temperatur abgelagert, um eine zweite Elektrodenschicht 1 auszubilden. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Nachdem die zweite Elektrodenschicht 1 ausgebildet war, wurden die piezoelektrische Dünnschicht 3, die erste Elektrodenschicht 5 und die zweite Elektrodenschicht 1 durch Photolithographie und Trockenätzen oder Nassätzen gemustert, und es wurde ferner das Silizium-Substrat 7 geschnitten, um die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 100 von Beispiel 2 auszubilden, welche einen bewegbaren Abschnitt mit Ausmaßen von 1 mm ×2 mm hat.
(Beispiel 3)
In Beispiel 3 umfasst die in 3 gezeigte piezoelektrische Dünnschicht 3 eine Schicht. Ein Silizium-Substrat 7 mit einer (100)-Ausrichtung wurde auf 400C erwärmt, und es wurde Pt auf 200 nm auf dem Silizium-Substrat 7 durch das Sputterverfahren bei epitaktischem Wachstum mit der Ausrichtung von dem Silizium-Substrat 7 abgelagert, wodurch eine erste Elektrodenschicht 5 ausgebildet wurde. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Dann wurde das Silizium-Substrat 7 auf 550C erwärmt, und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) wurde auf bis zu 2000 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂), welches einen Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,2 Pa hat, epitaktisch gezüchtet, wodurch die piezoelektrische Dünnschicht 3 ausgebildet wurde. Es wurde als angelegte Spannungsversorgung eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz verwendet, und der Ausgangswert, welcher an ein Ziel mit einem Durchmesser von 150 mm angelegt wurde, wurde von 800 W zu Beginn der Ablagerung auf 1200 W am Ende der Ablagerung linear geändert.
Als Nächstes wurde Pt auf 200 nm durch das Sputterverfahren bei Raumtemperatur abgelagert, um eine zweite Elektrodenschicht 1 auszubilden. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Nachdem die zweite Elektrodenschicht 1 ausgebildet war, wurden die piezoelektrische Dünnschicht 3, die erste Elektrodenschicht 5 und die zweite Elektrodenschicht 1 durch Photolithographie und Trockenätzen oder Nassätzen gemustert, und es wurde ferner das Silizium-Substrat 7 geschnitten, um die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 100 von Beispiel 3 auszubilden, welche einen bewegbaren Abschnitt mit Ausmaßen von 1 mm × 2 mm hat.
(Beispiel 4)
4 zeigt einen Aufbau von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung 101 von Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung. In Beispiel 4 umfasst eine piezoelektrische Dünnschicht 3 fünf Schichten.
Ein Silizium-Substrat 7 mit einer (100)-Ausrichtung wurde auf 400C erwärmt und es wurde Pt auf bis zu 200 nm auf das Silizium-Substrat 7 durch das Sputterverfahren durch epitaktisches Wachstum mit der Ausrichtung von dem Silizium-Substrat 7 abgelagert, wodurch eine erste Elektrodenschicht 5 ausgebildet wurde. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Dann wurde das Silizium-Substrat 7 auf 550C erwärmt, und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) wurde auf bis zu 100 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂) mit einem Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,2 Pa und unter Verwendung einer Spannungsversorgung mit hoher Frequenz mit einem Ausgangswert von 600 W, angelegt an ein Ziel mit einem Durchmesser von 150 mm, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine erste Schicht 31 von der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgebildet wurde. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 400 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine zweite Schicht 32 ausgebildet wurde. Der angelegte Ausgangswert wurde von 600 W zu Beginn der Ablagerung auf 1200 W am Ende der Ablagerung linear geändert. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 1000 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, mit einem Ausgangswert von 1200 W epitaktisch gezüchtet, wodurch eine dritte Schicht 33 ausgebildet wurde. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 400 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, epitaktisch gezüchtet, wodurch eine vierte Schicht 34 ausgebildet wurde. Der angelegte Ausgangswert wurde von 1200 W zu Beginn der Ablagerung auf 600 W am Ende der Ablagerung linear geändert. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 100 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung des gleichen Gases bei gleichem Gasdruck, wie zuvor beschrieben, mit einem Ausgangswert von 600 W epitaktisch gezüchtet, wodurch eine fünfte Schicht 35 ausgebildet wurde.
Als Nächstes wurde Pt auf bis zu 200 nm durch das Sputterverfahren bei Raumtemperatur abgelagert, um eine zweite Elektrodenschicht 1 auszubilden. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Nachdem die zweite Elektrodenschicht 1 ausgebildet war, wurden die piezoelektrische Dünnschicht 3, die erste Elektrodenschicht 5 und die zweite Elektrodenschicht 1 durch Photolithographie und Trockenätzen oder Nassätzen gemustert, und es wurde ferner das Silizium-Substrat 7 geschnitten, um die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 101 von Beispiel 4 auszubilden, welche einen bewegbaren Abschnitt mit den Ausmaßen von 1 mm × 2 mm hat.
(Beispiel 5)
In Beispiel 5 umfasst die in 4 gezeigte piezoelektrische Dünnschicht 3 drei Schichten.
Ein Silizium-Substrat 7 mit einer (100)-Ausrichtung wurde auf 400C erwärmt, und es wurde Pt auf bis zu 200 nm auf dem Silizium-Substrat 7 durch das Sputterverfahren bei epitaktischem Wachstum mit der Ausrichtung von dem Silizium-Substrat 7 abgelagert, wodurch eine erste Elektrodenschicht 5 ausgebildet wurde. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Dann wurde das Silizium-Substrat 7 auf 550C erwärmt und Kalium-Natrium-Niobat (KNN) wurde auf bis zu 500 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂) mit einem Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,1 Pa epitaktisch gezüchtet, wodurch eine erste Schicht 31 von der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgebildet wurde. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 1000 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + O₂) mit einem Sauerstoffanteil (O₂) von 0,5% bei einem Gasdruck von 1,0 Pa epitaktisch gezüchtet, wodurch eine zweite Schicht 32 ausgebildet wurde. Dann wurde Kalium-Natrium-Niobat (KNN) auf bis zu 500 nm durch das Sputterverfahren unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Sauerstoff (Ar + 02) mit einem Sauerstoffanteil (O₂) von 5% bei einem Gasdruck von 0,1 Pa epitaktisch gezüchtet, wodurch eine dritte Schicht 33 ausgebildet wurde. Es wurde eine Spannungsversorgung mit hoher Frequenz als angelegte Spannungsversorgung verwendet, und der Ausgangswert, welcher an ein Ziel mit einem Durchmesser von 150 mm angelegt wurde, betrug von der ersten Schicht 31 bis zur dritten Schicht 33 konstant 800 W.
Als Nächstes wurde Pt auf 200 nm durch das Sputterverfahren bei Raumtemperatur abgelagert, um eine zweite Elektrodenschicht 1 auszubilden. In diesem Fall betrug die Ablagerungsrate 0,2 nm/sec.
Nachdem die zweite Elektrodenschicht 1 ausgebildet war, wurden die piezoelektrische Dünnschicht 3, die erste Elektrodenschicht 5 und die zweite Elektrodenschicht 1 durch Photolithographie und Trockenätzen oder Nassätzen gemustert, und es wurde ferner das Silizium-Substrat 7 geschnitten, um die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung 101 von Beispiel 5 auszubilden, welche einen bewegbaren Abschnitt mit Ausmaßen von 1 mm × 2 mm hat.
(Vergleichsbeispiel 1)
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 auf _[EM1]2000 nm abgelagert wurde, wobei der Ausgang einer angelegten Spannungsversorgung konstant bei 600 W gehalten wurde.
(Vergleichsbeispiel 2)
Im Vergleichsbeispiel 2 wurde eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 auf 2000 nm abgelagert wurde, wobei der Ausgang einer angelegten Spannungsversorgung konstant bei 800 W gehalten wurde.
(Vergleichsbeispiel 3)
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 auf 2000 nm abgelagert wurde, wobei der Ausgang einer angelegten Spannungsversorgung konstant bei 1000 W gehalten wurde.
(Vergleichsbeispiel 4)
Im Vergleichsbeispiel 4 wurde eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 auf 2000 nm abgelagert wurde, wobei der Ausgang einer angelegten Spannungsversorgung konstant bei 1200 W gehalten wurde.
5 zeigt die Messergebnisse von dem Argon-(Ar)-Anteil in der Dickenrichtung von der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in der dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung 100, welche gemäß jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hergestellt wurde. Es kann bestätigt werden, dass sich der Argon-(Ar)-Anteil gemäß den Ausgangswerten der angelegten Spannungsversorgung ändert, und dass der Anteil bei 600 W nahe 0% ist.

Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde auf einer rostfreien dünnen Schicht angebracht, welche eine Dicke von 18 μm und eine flexible Kabelverdrahtung hat, und dann wurde Strom an die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung bei einer angelegten Spannung von 120 Hz ± 27 kV/cm angelegt, um das elektrische Koerzitivfeld Ec und die Kriechstromdichte zu messen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1] Tabelle 1

	Elektrisches Koerzitivfeld Vc [V]	Kriechstromdichte I [A/cm²]
Beispiel 1	–65	6 × 10^–8
Beispiel 2	–61	1 × 10^–8
Beispiel 3	–55	8 × 10^–7
Beispiel 4	–75	7 × 10^–9
Beispiel 5	–52	6 × 10^–8
Vergleichsbeispiel 1	–6	8 × 10^–9
Vergleichsbeispiel 2	–10	4 × 10^–8
Vergleichsbeispiel 3	–50	5 × 10^–5
Vergleichsbeispiel 4	–85	4 × 10^–3

Angesichts der Ausgabewerte von der angelegten Spannungsversorgung in den dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen, welche die piezoelektrischen Dünnschichten ohne Argon-(Ar)-Anteilsgradienten in Vergleichsbeispielen 1 bis 4 umfassen, kann bestätigt werden, dass jedes Mal, wenn der Ausgangswert erhöht wird, das elektrische Koerzitivfeld Vc aufgrund einer Zunahme im Argon-Anteil erhöht wird. Jedoch wird die Kriechstromdichte aufgrund einer Zunahme des Argon-Anteils erhöht, und es wird daher davon ausgegangen, dass das Argon (Ar), welches als Störstelle wirkt, einen Kriechpfad zwischen den Elektroden hervorruft. Daher sind die dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen von Vergleichsbeispielen 1 und 2 angesichts des Wertes des elektrischen Koerzitivfeldes Vc unzufriedenstellend, und die dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen von Vergleichsbeispielen 3 und 4 angesichts der Kriechstromdichte unzufriedenstellend. Das elektrische Koerzitivfeld Vc wird direkt von einer Messvorrichtung erfasst und auf einen Wert pro Dickeneinheit von der piezoelektrischen Dünnschicht umgewandelt, um das elektrische Koerzitivfeld Ec zu bestimmen.
Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von Beispiel 1 hat in den elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten Argon-Anteile, welche gleich jenen in Vergleichsbeispiel 2 sind, und weist eine Kriechstromdichte ähnlich jener in Vergleichsbeispiel 2 auf, wobei jedoch ein hohes elektrisches Koerzitivfeld, welches zur praktischen Anwendung ausreichend ist, erzeugt werden kann, indem einem Mittenabschnitt von der Dicke ein Argon-Anteil bereitgestellt wird, welcher ähnlich jenem in Vergleichsbeispiel 4 ist.
Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von Beispiel 2 hat in den gegenüberliegenden Schnittstellenschichten seitens der ersten und zweiten Elektrodenschicht Argon-Anteile, welche jeweils gleich jenen in Vergleichsbeispielen 2 und 3 sind, und weist daher eine Kriechstromdichte auf, welche sich zwischen beiden Vergleichsbeispielen in einem mittleren Bereich bewegt. Jedoch kann, wie in Beispiel 1, ein hohes elektrisches Koerzitivfeld, welches zur praktischen Anwendung ausreichend ist, erzeugt werden, indem ein Argon-(Ar)-Anteil ähnlich Vergleichsbeispiel 4 in der Schicht bereitgestellt wird.
Wie in Beispiel 2 hat die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von Beispiel 3 in der Schnittstellenschicht seitens der ersten Elektrodenschicht einen Argon-(Ar)-Anteil ähnlich jenem in Vergleichsbeispiel 2, und hat in der Schnittstellenschicht seitens der gegenüberliegenden zweiten Elektrodenschicht einen Argon-Anteil gleich jenem in Vergleichsbeispiel 4. Daher wird ein nachteilhafter möglicher Kriechpfad seitens der zweiten Elektrodenschicht erzeugt, wodurch, verglichen mit Beispielen 1 und 2, die Kriechstromeigenschaft leicht verschlechtert wird. Jedoch kann in Beispiel 3 eine Zunahme des elektrischen Koerzitivfeldes aufgrund einer Zunahme des Argon-(Ar)-Gehaltes ausreichend bestätigt werden.
Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von Beispiel 4 hat in den Schnittstellenschichten seitens der ersten und zweiten Elektrodenschicht Argon-Anteile ähnlich jenen in Vergleichsbeispiel 1, und legt daher eine sehr gute Kriechstromeigenschaft dar. Zusätzlich wird angenommen, dass in Beispiel 4 ein hohes elektrisches Koerzitivfeld in der piezoelektrischen Dünnschicht erzeugt werden kann, aufgrund einer Zunahme in einem Bereich, welcher den gleichen Argon-(Ar)-Anteil wie in Vergleichsbeispiel 4 hat.
Die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung von Beispiel 5 hat in den Schnittstellenschichten seitens der ersten und zweiten Elektrodenschicht Argon-Anteile ähnlich jenen in Vergleichsbeispiel 2, und weist daher resultierend eine gute Kriechstromeigenschaft gleich dem Vergleichsbeispiel 2 auf. Zusätzlich wird angenommen, dass in Beispiel 5 die Ionisierung von Argon-Molekülen in Plasma durch eine Zunahme im Argon-(Ar)-Partialdruck begünstigt wird, wodurch der Ar-Anteil erhöht wird und woraus eine Zunahme des elektrischen Koerzitivfeldes resultiert.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen kann das elektrische Koerzitivfeld erhöht werden, indem der piezoelektrischen Dünnschicht Argon (Ar) als ein Edelgaselement hinzugefügt wird, und die Kriechstromeigenschaft kann verbessert werden, indem der piezoelektrischen Dünnschicht ein derartiger Anteilsgradient verliehen wird, dass der elektrodenschichtseitige Anteil gering ist und in Nähe zur Mitte der piezoelektrischen Dünnschicht hoch ist. Daher wurde bestätigt, dass die vorliegende Erfindung den Effekt hat, dass piezoelektrische Eigenschaften von einer dünnschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung verbessert werden.
Zusätzlich hat eine piezoelektrische Dünnschicht, geeignet als eine dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung, ein elektrisches Koerzitivfeld Vc von –15 V oder weniger, und in jedem der Beispiele der vorliegenden Erfindung entspricht das elektrische Koerzitivfeld Ec gleich –75 kV/cm oder weniger. Ferner beträgt eine geeignete Kriechstromdichte gleich 1,0 × 10⁶ A/cm² oder weniger, und es kann bestätigt werden, dass die in Beispielen 1 bis 5 hergestellten piezoelektrischen Dünnschichten in Anbetracht von sowohl dem elektrischen Koerzitivfeld als auch der Kriechstromeigenschaft geeignet sind.
Ein piezoelektrisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung mit erhöhtem elektrischen Koerzitivfeld und kann eine große Auslenkung erzielen, und ein piezoelektrischer Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung mit dem erhöhten elektrischen Koerzitivfeld und kann die Erfassungsempfindlichkeit verbessern. Daher können ein Festplattenlaufwerk und ein Tintenstrahldrucker mit hoher Leistungsfähigkeit bereitgestellt werden.

Claims

Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung mit einem Paar von Elektrodenschichten und einer piezoelektrischen Dünnschicht, welche zwischen dem Paar von Elektrodenschichten eingefügt ist, wobei die piezoelektrische Dünnschicht ein Edelgaselement umfasst und einen Anteilsgradienten des Edelgaselements in der Dickenrichtung von der piezoelektrischen Dünnschicht hat.
Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich das Anteilsmaximum des Edelgaselements in der piezoelektrischen Dünnschicht in keiner der elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten von der piezoelektrischen Dünnschicht befindet.
Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich das Anteilsminimum des Edelgaselements in der piezoelektrischen Dünnschicht in einer der elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten von der piezoelektrischen Dünnschicht befindet.
Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die piezoelektrische Dünnschicht das Edelgaselement in beiden oder einer der elektrodenschichtseitigen Schnittstellenschichten nicht enthält.
Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die piezoelektrische Dünnschicht ein perowskitisches, ferroelektrisches Material umfasst.
Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die piezoelektrische Dünnschicht eine Dünnschicht basierend auf Kalium-Natrium-Niobat ist.
Piezoelektrisches Stellglied, welches die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst.
Piezoelektrischer Sensor, welcher die dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst.
Festplattenlaufwerk, welches das piezoelektrische Stellglied nach Anspruch 7 umfasst.
Tintenstrahldrucker, welcher das piezoelektrische Stellglied nach Anspruch 7 umfasst.