JP2009117785A - 圧電薄膜付き基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電薄膜付き基板1は、第1の熱膨張係数を有する基板10と、所定の成膜条件で成膜され、第2の熱膨張係数を有して基板上に形成される一般式が(K,Na)NbO3であるペロブスカイト構造のニオブ酸カリウムナトリウムの圧電薄膜16とを備え、圧電薄膜16を形成された基板1が、第1の熱膨張係数及び第2の熱膨張係数の差に基づいて、室温における反りが10m以上の曲率半径を有する。
【選択図】図1
Description
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る圧電薄膜付き基板の断面図を示しており、(b)は、第1の実施の形態に係る圧電素子の断面図を示す。
ここでのKNN結晶(圧電薄膜16)の面方位は、X線回折測定(2θ−ω)での回折パターンにおいて、
2θ=22.011°〜22.890°の回折ピークは、(001)面、(100)面または(010)面とし、
2θ=31.260°〜32.484°の回折ピークは、(110)面、(101)面または(011)面とし、
2θ=38.748°〜40.133°の回折ピークは、(111)面としている。
回折ピーク角度が上記のように範囲を有するのは、下記2つの理由による。
一つは、Si基板10とKNN結晶(圧電薄膜16)の熱膨張差によって生ずる内部応力の影響や下地(下部電極14)の影響でKNN結晶格子が歪むためである。
もう一つは、Na/(K+Na)組成比によって結晶格子サイズが変化するためである。
まず、熱酸化膜付きのSi基板10((100)面方位、厚さ0.5mm、20mm×20mm角)上に、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、膜厚が2nmのTiからなる密着層12、及び膜厚が0.2μmのPt((111)面単独配向)からなる下部電極14を形成する(S100)。
そして、作成した圧電薄膜付き基板のそれぞれから圧電素子を作成した。続いて、図4の上記説明と同様にして、圧電定数d31の低下率を算出した。
本発明の第1の実施の形態に係る圧電薄膜付き基板1は、下部電極14を有するSi基板10の温度を通常の(K,Na)NbO3の成膜時に用いられる温度よりも低温にして下部電極14の上に(K,Na)NbO3からなる圧電薄膜16を形成するので、Si基板10の熱膨張係数と圧電薄膜16の熱膨張係数とが大きく異なる場合であっても、圧電薄膜付き基板1の反りを低減することができる。これにより、鉛を含まない圧電薄膜付き基板1から形成した圧電素子2を長期間、連続的に圧電動作させた場合であっても、圧電定数d31の低下を抑制することができる。
図6(a)及び(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る圧電薄膜付き基板の断面図を示す。
第2の実施の形態に係る圧電薄膜付き基板3及び圧電薄膜付き基板4は、ニオブ酸カリウムナトリウム膜の熱膨張係数の値に近い熱膨張係数を有するGe基板11a又はGaAs基板11bを備えているので、Ge基板11a又はGaAs基板11bとニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電薄膜16との間で圧縮又は引っ張り応力を大幅に低減できる。これにより、圧電薄膜付き基板3及び圧電薄膜付き基板4の反りを抑制することができるので、圧電薄膜付き基板3及び圧電薄膜付き基板4のそれぞれから形成される圧電素子の圧電定数d31の低下率が大きくなることを抑制できる。
2 圧電素子
10 Si基板
11a Ge基板
11b GaAs基板
12 密着層
14 下部電極
14a 下部電極表面
16 圧電薄膜
18 上部電極
18a 上部電極表面
20 クランプ
30 レーザードップラ変位計
300 変位量
300a、300b 表面位置
Claims (14)
- 第1の熱膨張係数を有する基板と、
第2の熱膨張係数を有して所定の成膜条件で前記基板上方に成膜され、一般式が(K,Na)NbO3であるペロブスカイト構造のニオブ酸カリウムナトリウムの圧電薄膜とを備え、
前記圧電薄膜を形成された前記基板は、前記第1の熱膨張係数及び前記第2の熱膨張係数の差に基づいて、室温における反りが10m以上の曲率半径を有する圧電薄膜付き基板。 - 前記圧電薄膜が、0.2μmから10μmの膜厚を有する請求項1に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記基板が、シリコン(Si)基板である請求項1又は2に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記基板が、ゲルマニウム(Ge)基板である請求項1又は2に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記基板が、ガリウム砒素(GaAs)基板である請求項1又は2に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記基板が、前記圧電薄膜と前記基板との間に下部電極を有し、
前記圧電薄膜が、前記下部電極と接する面と反対の面に上部電極を有し、
前記上部電極及び/又は前記下部電極が、白金(Pt)を含んで形成される請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。 - 前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、ペロブスカイト構造を有する層を更に備える請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記ペロブスカイト構造を有する層が、一般式がKNbO3、NaNbO3、LaNiO3、SrRuO3、又はSrTiO3で表される化合物のいずれかから形成される請求項7に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記圧電薄膜が、0.4≦Na/(K+Na)≦0.75の範囲内の組成を有する(K,Na)NbO3から形成される請求項1から8のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記圧電薄膜が、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)、又は酸素(O)を除く他の元素を含む請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記圧電薄膜中の前記他の元素の含有量が、10%以下である請求項10に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記他の元素が、リチウム又はタンタルである請求項10又は11に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記圧電薄膜が、(001)面方位、(100)面方位、若しくは(010)面方位のいずれか1種以上の面方位、又は(110)面方位、(101)面方位、若しくは(011)面方位のいずれか1種以上の面方位、又は(111)面方位のいずれかに配向して形成される請求項1から12のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。
- 前記圧電薄膜が、平均結晶粒径が0.1μmから1.0μmの範囲にある(K,Na)NbO3から形成される請求項1から13のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き基板。
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