JP2007019302A - 圧電薄膜素子及びそれを用いたアクチュエータ並びにセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 鉛フリーで、かつ、十分な圧電特性を有する圧電薄膜素子及びそれを用いたアクチュエータ並びにセンサを提供するものである。
【解決手段】 本発明に係る圧電薄膜素子１０は、基板１１上に、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１５を有するものであり、
圧電薄膜１４を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、
その圧電薄膜１４と下部電極１２の間に、バッファ層１３として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたものである。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明に係る圧電薄膜素子１０は、基板１１上に、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１５を有するものであり、
圧電薄膜１４を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、
その圧電薄膜１４と下部電極１２の間に、バッファ層１３として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたものである。
【選択図】 図１
Description
本発明は、圧電体を用いた圧電薄膜素子及びそれを用いた機能性電子部品に関するものである。
圧電体は種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、機能性電子部品、特に、圧電素子に電圧を印加して圧電素子に変形を生じさせ、その変形応力を利用するアクチュエータや、圧電素子の変形に伴って発生する電圧を利用するセンサとして広く利用されている。
アクチュエータやセンサ用に使用される圧電体としては、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix)O3系のペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体がこれまで広く用いられている。このPZTは、通常、個々の元素からなる酸化物を焼結することによって形成されている。
現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進んでおり、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになっている。
ところが、従来からの製法である焼結法を中心とした製造方法により作製された圧電体は、その厚さが薄くなるにつれ、特に厚さが10μｍ程度に近付くにつれて、圧電体の構成材料の結晶粒の大きさに近付くことから、結晶粒の影響が無視できなくなる。その結果、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題が発生する。
そこで、近年においては、この問題を回避するために、焼結法に変えて、薄膜技術等を応用して圧電体を製造する方法が研究されるようになってきた。最近では、高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータとして、RFスパッタリング法で形成したPZT薄膜が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
従来のPZT焼結体又はPZT薄膜からなる圧電体は、酸化鉛（PbO）を60〜70重量％程度含有しているので、生態学的見地及び公害防止の観点から好ましくない。そこで、環境への配慮から、鉛を含有しない圧電体の開発が望まれている。
現在、様々な鉛フリーの圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1））がある。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜（以下、ニオブ酸薄膜という）は、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
しかしながら、ニオブ酸薄膜を用いた圧電薄膜素子において、現状では、未だ十分な圧電特性は得られていない。
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、鉛フリーで、かつ、十分な圧電特性を有する圧電薄膜素子及びそれを用いたアクチュエータ並びにセンサを提供することにある。
上記目的を達成すべく本発明に係る圧電薄膜素子は、基板上に、下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を有する圧電薄膜素子において、
圧電薄膜を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、 その圧電薄膜と下部電極の間に、バッファ層として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたものである。
圧電薄膜を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、 その圧電薄膜と下部電極の間に、バッファ層として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたものである。
ここで、バッファ層を構成する薄膜は、BaTiO3、SrTiO3、SrRuO3、KNbO3、及びNaNbO3から選択されるいずれか１つを基本組成としたペロブスカイト化合物の薄膜であることが好ましい。
圧電薄膜の少なくとも一部は、ペロブスカイト型結晶構造を有する正方晶又は斜方晶の多結晶体又は単結晶体で構成され、かつ、その多結晶体又は単結晶体が(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に優先的に配向されていることが好ましい。
基板は、MgO、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、銅、及びアルミニウムから選択されるいずれか１つの材料で構成されることが好ましい。
一方、本発明に係るアクチュエータは、前述した圧電薄膜素子を用いて構成され、下部電極及び上部電極間に電圧を印加し、圧電薄膜素子に変形を生じさせる電圧印加手段を有するものである。
他方、本発明に係るセンサは、前述した圧電薄膜素子を用いて構成され、その圧電薄膜素子の変形に伴って発生する電圧を検知する検知手段を有するものである。
本発明によれば、鉛フリーのニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を用いた圧電薄膜素子で、十分な圧電特性が得られるという優れた効果を発揮する。
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
ニオブ酸薄膜を用いた圧電薄膜素子において、高い圧電特性を実現するためには、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位にペロブスカイト型結晶を高い割合で配向させる必要がある。
現在、SrTiO3単結晶基板上に、ペロブスカイト型結晶が高い割合で配向されたニオブ酸薄膜を形成することは、既に実現されている。しかしながら、一般的な電極（現状では、白金電極が主流）上に、ペロブスカイト型結晶が高い割合で配向されたニオブ酸薄膜を形成することは、未だ実現されていない。
そこで、本発明者らが鋭意研究を行った結果、電極（下部電極）と圧電薄膜（ニオブ酸薄膜）の間に、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位にペロブスカイト型結晶が高い割合で配向され易い材料で構成されるバッファ層を設けることで、電極上にペロブスカイト型結晶が(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い割合で配向されたニオブ酸薄膜を形成することが可能になるということを見いだした。
本発明の好適一実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面模式図を図１に示す。
図１に示すように、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１０は、基板１１上に、順に下部電極１２、バッファ層１３、圧電薄膜１４、及び上部電極１５を有するものである。
圧電薄膜１４は、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜（ニオブ酸薄膜）である。好ましくは、圧電薄膜１４の少なくとも一部は、ペロブスカイト型結晶構造を有する正方晶又は斜方晶の多結晶体又は単結晶体で構成され、かつ、その多結晶体又は単結晶体が(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に優先的に配向される。ニオブ酸薄膜は、圧電薄膜１４としての機能を損なわない範囲であれば、少量の添加物を含んでいてもよい。
下部電極１２と圧電薄膜１４の間に設けられるバッファ層１３は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜であればよい。例えば、バッファ層１３は、BaTiO3、SrTiO3、SrRuO3、KNbO3、及びNaNbO3から選択されるいずれか１つを基本組成としたペロブスカイト化合物の薄膜とされる。
ここで言う“高い配向度”とは、80％以上、好ましくは100％である。また、バッファ層１３の厚さは、圧電薄膜１４の厚さの1/30以下、好ましくは1/100以下とされる。具体的なバッファ層１３の厚さは、0.1μｍ以下、好ましくは0.03μｍ以下とされるが、バッファ層１３の厚さがあまり薄いと圧電薄膜１４の配向制御が困難になるため、その下限は数ｎｍとされる。
基板１１としては、MgO、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、銅、及びアルミニウムから選択されるいずれか１つの材料、好ましくはMgOが挙げられる。
下部電極１２及び上部電極１５としては、電極材料として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではないが、例えば、白金電極が好ましい。
圧電薄膜（ニオブ酸薄膜）１４及びバッファ層１３の形成方法としては、良質で高密度の結晶性薄膜を形成できる方法であれば特に限定するものではないが、例えば、スパッタリング法（RFマグネトロンスパッタリング法）、CVD法、PLD法、塗布法などを用いることが望ましい。
本実施の形態に係る圧電薄膜素子１０においては、下部電極１２と圧電薄膜１４（ニオブ酸薄膜）の間に、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位にペロブスカイト型結晶が高い割合で配向され易い材料で構成されるバッファ層１３を設けている。これによって、一般的な電極（下部電極１２）上に設けられたバッファ層１３の上に設けられたニオブ酸薄膜は、ペロブスカイト型結晶が(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い割合で配向された膜となる。その結果、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１０は、鉛フリーのニオブ酸薄膜を用いて構成される圧電薄膜素子でありながら、十分に高い圧電特性が得られ、PZT薄膜を用いて構成される圧電薄膜素子の代替品として十分実用に耐え得る。
一方、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１０の下部電極１２及び上部電極１５に、少なくとも電圧印加手段を接続することでアクチュエータが得られる。このアクチュエータの圧電薄膜素子に電圧が印加されると、圧電薄膜素子が変形するので、この変形に伴う変形応力によって圧電薄膜素子に接する各種部材を駆動させることができる。また、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１０の下部電極１２及び上部電極１５に、少なくとも電圧検知手段を接続することでセンサが得られる。このセンサの圧電薄膜素子が何らかの要因によって変形されると、その変形に伴って電圧が発生するので、この電圧を検知することで圧電薄膜素子の変形を検知することができる。
アクチュエータとしては、インクジェットプリンタ、スキャナー、超音波発生装置などのヘッド用アクチュエータが挙げられる。また、センサとしては、ジャイロ、超音波センサ、圧力センサ、速度・加速度センサが挙げられる。
本実施の形態においては、圧電薄膜１４としてニオブ酸薄膜を用いる場合、すなわち圧電応用を対象にした圧電素子としてニオブ酸薄膜を用いる場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。その他にも、様々な用途への応用、例えば、焦電素子や表面弾性波デバイスへの応用が考えられる。
以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
基板として、MgO基板（(001)面方位、20ｍｍ×20ｍｍ、厚さ0.5ｍｍ）を作製した。図１に示すように、このMgOからなる基板１１上に、RFマグネトロンスパッタリング法で、白金からなる下部電極（(001)面単独配向、膜厚0.2μｍ）１２、
BaTiO3薄膜（ペロブスカイト構造、(001)面単独配向、膜厚0.01μｍ）からなるバッファ層１３、
(Na0.47K0.47Li0.06)NbO3（以下、(Na,K,Li)NbO3という）（ペロブスカイト構造、正方晶、(001)面単独配向、膜厚3.0μｍ）からなる圧電薄膜１４、
白金からなる上部電極（(001)面単独配向、膜厚0.02μｍ）１５、
を設け、膜厚3μｍの(Na,K,Li)NbO3薄膜を含む圧電薄膜素子１０を作製した。
基板として、MgO基板（(001)面方位、20ｍｍ×20ｍｍ、厚さ0.5ｍｍ）を作製した。図１に示すように、このMgOからなる基板１１上に、RFマグネトロンスパッタリング法で、白金からなる下部電極（(001)面単独配向、膜厚0.2μｍ）１２、
BaTiO3薄膜（ペロブスカイト構造、(001)面単独配向、膜厚0.01μｍ）からなるバッファ層１３、
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白金からなる上部電極（(001)面単独配向、膜厚0.02μｍ）１５、
を設け、膜厚3μｍの(Na,K,Li)NbO3薄膜を含む圧電薄膜素子１０を作製した。
下部電極１２の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー200W、Arガス雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間10分、
BaTiO3薄膜の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー100W、Arガス雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3分、
(Na,K,Li)NbO3薄膜の形成条件は、基板温度600℃、放電パワー75W、Arガス雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3時間30分、
上部電極１５の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー200W、Arガス雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間１分、
とした。
BaTiO3薄膜の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー100W、Arガス雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3分、
(Na,K,Li)NbO3薄膜の形成条件は、基板温度600℃、放電パワー75W、Arガス雰囲気、圧力0.4Pa、成膜時間3時間30分、
上部電極１５の形成条件は、基板温度700℃、放電パワー200W、Arガス雰囲気、圧力2.5Pa、成膜時間１分、
とした。
（比較例１）
実施例１１の圧電薄膜素子１０におけるバッファ層１３を有さないことを除いては、実施例１と全く同様にして、図２に示すように、基板１１上に、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１５を設けてなる圧電薄膜素子２０を作製した。
実施例１１の圧電薄膜素子１０におけるバッファ層１３を有さないことを除いては、実施例１と全く同様にして、図２に示すように、基板１１上に、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１５を設けてなる圧電薄膜素子２０を作製した。
実施例１及び比較例１の各圧電薄膜素子（(Na,K,Li)NbO3薄膜）の配向状態を調べるために、Ｘ線回折測定（ω-2θスキャン）を行なった。実施例１及び比較例１の各圧電薄膜素子における(Na,K,Li)NbO3薄膜のＸ線回折測定結果を図３、図４に示す。
図４に示すように、比較例１の圧電薄膜素子における(Na,K,Li)NbO3薄膜においては、様々な結晶面のペロブスカイト結晶構造（Pv）の回折ピーク（Pv(001)、Pv(200)、Pv(002)、Pv(003)）が観察された。このことから、比較例１の(Na,K,Li)NbO3薄膜は高配向膜でないことが確認できた。
これに対して、図３に示すように、実施例１の圧電薄膜素子における(Na,K,Li)NbO3薄膜においては、Pvの回折ピークが観察された結晶面はPv(001)、Pv(002)のみであった。このことから、実施例１の(Na,K,Li)NbO3薄膜は、(001)面方位にペロブスカイト型結晶が高い割合で配向されていることが確認できた。
先ず、［実施例１］における実施例１及び比較例１の各圧電薄膜素子から、長さ20ｍｍ、幅5ｍｍの短冊状片をそれぞれ切り出した。各片の長手方向一端を、図５（ａ）に示すクランプ５１で固定し、簡易的なユニモルフカンチレバー５０を作製した。クランプ５１は、除震台５３に固定される。これによって、震動が、カンチレバー５０に与える影響を除去することができる。
この状態で両電極１２，１５間に電圧を印加することで、圧電薄膜１４が伸縮する。これによって、カンチレバー５０全体が屈曲動作し、カンチレバー５０の先端が変位する。図５（ｂ）に示すように、カンチレバー５０の先端変位量Δｔは、レーザドップラ変位計５２で測定される。
実施例１及び比較例１の各圧電薄膜素子の圧電特性を評価するために、印加電圧（V）に対する先端最大変位量（ｎｍ）を測定し、その測定結果を図６に示す。実施例１（本発明）の圧電薄膜素子の圧電特性は◇印を結んだ線６１で示し、比較例１（従来）の圧電薄膜素子の圧電特性は□印を結んだ線６２で示す。
図６に示すように、印加電圧10V、20Vの時の先端最大変位量は、実施例１の圧電薄膜素子の場合、約390ｎｍ、約780ｎｍであった。これに対して、印加電圧10V、20Vの時の先端最大変位量は、比較例１の圧電薄膜素子の場合、約125ｎｍ、約250ｎｍであった。また、印加電圧と先端最大変位量の関係から、各圧電薄膜素子の圧電定数d31を計算した結果、比較例１の圧電薄膜素子では−30pm/V、実施例１の圧電薄膜素子では−98pm/Vであった。
これらの結果、実施例１の圧電薄膜素子は、比較例１の圧電薄膜素子と比較して、圧電によるカンチレバー先端の最大変位量が約3倍以上になっていることが確認できた。つまり、本発明の圧電薄膜素子は、従来の圧電薄膜素子よりも優れた圧電特性を有することが確認できた。
１０ 圧電薄膜素子
１１ 基板
１２ 下部電極
１３ バッファ層
１４ 圧電薄膜
１５ 上部電極
１１ 基板
１２ 下部電極
１３ バッファ層
１４ 圧電薄膜
１５ 上部電極
Claims (6)
- 基板上に、下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を有する圧電薄膜素子において、
上記圧電薄膜を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、
その圧電薄膜と上記下部電極の間に、バッファ層として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたことを特徴とする圧電薄膜素子。 - 上記バッファ層を構成する薄膜が、BaTiO3、SrTiO3、SrRuO3、KNbO3、及びNaNbO3から選択されるいずれか１つを基本組成としたペロブスカイト化合物の薄膜である請求項１記載の圧電薄膜素子。
- 上記圧電薄膜の少なくとも一部が、ペロブスカイト型結晶構造を有する正方晶又は斜方晶の多結晶体又は単結晶体で構成され、かつ、その多結晶体又は単結晶体が(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に優先的に配向されている請求項１又は２記載の圧電薄膜素子。
- 上記基板を、MgO、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、銅、及びアルミニウムから選択されるいずれか１つの材料で構成した請求項１から３いずれかに記載の圧電薄膜素子。
- 請求項１から４いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、下部電極及び上部電極間に電圧を印加し、圧電薄膜素子に変形を生じさせる電圧印加手段を有することを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項１から４いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、その圧電薄膜素子の変形に伴って発生する電圧を検知する検知手段を有することを特徴とするセンサ。
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