JP2010135669A - 薄膜圧電体付き基板、薄膜圧電体素子、薄膜圧電体デバイスおよび薄膜圧電体付き基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなどの薄膜圧電体表面の平坦性の向上が図れる薄膜圧電体付き基板、薄膜圧電体素子、薄膜圧電体デバイスおよび薄膜圧電体付き基板の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１と、基板１の表面に形成される酸化膜と、酸化膜上に形成される下部電極層２と、下部電極層２上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層３とを有する薄膜圧電体付き基板であって、圧電体層３は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、下部電極層２は、所定方向に配
向して形成され、圧電体層３を下部電極層２に対し所定方向に配向させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなど薄膜圧電体表面の平坦性の向上を図った薄膜圧電体付き基板、薄膜圧電体素子、薄膜圧電体デバイスおよび薄膜圧電体付き基板の製造方法に関する。

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、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。
アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体としては、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（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成されている。
また、近年では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おり、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）等が開発されている。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、ＰＺＴに匹敵する圧電特性を有すことから、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。

一方、現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、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た。しかしながら、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した圧電材料は、その厚みが特に１０μｍ以下の厚さになると、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなる。そのため、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し、それを回避するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されるようになってきた。
最近、ＲＦスパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が、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や、小型低価格のジャイロセンサとして実用化されている（例えば、特許文献１参照）。また、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムの圧電薄膜を用いた圧電体薄膜素子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２８６９５３号公報 特開２００７−１９３０２号公報

上記のように圧電体薄膜として使用可能な非鉛圧電体薄膜を形成することにより、環境負荷が小さい高精細高速インクジェットプリンタのヘッドや小型低価格なジャイロセンサを作製することが可能となる。

ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなどのアルカリニオブ酸化物系の薄膜圧電体を、低価格な基板であるＳｉ基板やガラス基板などに形成することができると、低コストの圧電薄膜素子が作製できることから非常に有用な方法となる。

アクチュエータやセンサを作製する場合、圧電体薄膜の上下には電極が必要となる。例えば、圧電体薄膜の上下の電極に電圧を印加してアクチュエータとして作動させる。圧電
体薄膜の表面状態は、その上部の上部電極の表面状態に影響を及ぼすため、電極表面をミラーとして用いるデバイスを形成する場合、例えば、圧電体層上に複数の上部電極を配置してこれら上部電極に個別に電圧を印加し、圧電体層を任意の形状に変形させることで複数の上部電極層を可変形状ミラーとして使用する場合などには、圧電薄膜の表面がミラー状でない場合は、上部電極をミラー状に作製することは困難となる。

ところが、本発明者の検討によると、Ｓｉ基板などにニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜やニオブ酸カリウムナトリウム膜の圧電体薄膜を形成した場合、圧電体薄膜の表面は非常に粗く、表面の凹凸が大きかった。この圧電体薄膜を、ＡＦＭや表面段差計を用いて表面凹凸を測定したところ、その表面の二乗平均粗さや算術平均粗さは５０ｎｍを超え、見た目にも明らかにミラー面ではなかった。このため、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜やニオブ酸カリウムナトリウム膜の圧電体薄膜を用いて可変形状ミラーなどのデバイスを作製するのは困難であり、これら圧電薄膜の適用用途を限定する結果となっていた。

本発明は、上記課題を解決し、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなどの薄膜圧電体表面の平坦性の向上が図れる薄膜圧電体付き基板、薄膜圧電体素子、薄膜圧電体デバイスおよび薄膜圧電体付き基板の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、基板と、前記基板の表面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層とを有し、前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、前記下部電極層は、所定方向に配向して形成
され、前記圧電体層を前記下部電極層に対し所定方向に配向させていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板である。

本発明の第２の態様は、基板と、前記基板の一方の面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層とを有し、前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、前記下部電極層は、所定方向に配向して
形成され、且つ前記圧電体層を前記下部電極層に対し所定方向に配向させていると共に、前記下部電極層と前記圧電体層との間には、前記圧電体層の配向性を向上させるための配向制御層が設けられていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板である。

本発明の第３の態様は、基板上に直接またはＳｉ酸化膜を介してＰｔ（１１１）に配向させたＰｔ電極層が形成され、前記Ｐｔ電極層に（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型酸化
物を主相とする圧電体層が形成されていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板である。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの薄膜圧電体付き基板において、前記圧電体層は、（００１）面もしくは（１１０）面のいずれか、またはそれら両方に配向して形成されていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板である。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの薄膜圧電体付き基板において、前記圧電体層の表面が、面積が１０μｍ平方の任意の場所において、算術平均粗さが５ｎｍ以下である箇所、二乗平均粗さが６.５ｎｍ以下である箇所、最大最小粗さが５０ｎｍ
以下である箇所、のいずれかが少なくとも１箇所以上存在することを特徴とする薄膜圧電
体付き基板である。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかの薄膜圧電体付き基板の前記圧電体層の上部に、上部電極層が形成されていることを特徴とする薄膜圧電体素子である。

本発明の第７の態様は、第６の態様の薄膜圧電体素子を用いて作製されたことを特徴とする薄膜圧電体デバイスである。

本発明の第８の態様は、基板の表面に熱酸化膜を形成し、前記基板を加熱状態にしてスパッタリング法を用いて前記酸化膜上にＰｔ（１１１）に配向させたＰｔ薄膜を含む下部電極層を形成し、前記下部電極層上に配向制御層を形成し、前記配向制御層上に（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で
表されるペロブスカイト型酸化物を主相とする圧電体層を形成したことを特徴とする薄膜圧電体付き基板の製造方法である。

本発明によれば、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなどの薄膜圧電体表面の平坦性に優れた薄膜圧電体付き基板、薄膜圧電体素子、薄膜圧電体デバイスが得られる。

以下、本発明に係る薄膜圧電体付き基板の実施形態を説明する。

本実施形態の薄膜圧電体付き基板は、基板と、前記基板の表面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層とを有し、前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、前記下部電極層は、所定方向に
配向して形成され、前記圧電体層を前記下部電極層に対し所定方向に配向させている薄膜圧電体付き基板である。

前記基板には、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、ガラス基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、ステンレス基板などが挙げられる。特に、低価格で且つ工業的に実績があるＳｉ基板が好ましい。

基板の表面に形成される前記酸化膜は、熱酸化により形成される熱酸化膜、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）により形成されるＳｉ酸化膜などが
挙げられる。なお、前記酸化膜を形成せずに、石英ガラス、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ_３などの基板上に、直接にＰｔ電極などの下部電極層を形成してもよい。

前記下部電極層は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金からなる電極層、またはこれらを積層した構造の電極層を含む電極層であることが好ましい。また、基板とＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金からなる電極層との間に、基板との密着性を高めるための密着層を設けても良い。

前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型酸化物を主相とする圧電体層でよ
い。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウムやニオブ酸リチウムカリウムナトリウムに、所定量のＴａなどがドーピングされていても良い。前記圧電体層は、ＲＦスパッタリング法などを用いて形成される。
また、前記圧電体層は、（００１）面もしくは（１１０）面のいずれか、またはそれら両方に配向して形成されているのが好ましい。
（００１）面などの所定方向に強く配向された圧電体層の表面は、鏡面状態の平坦な面となる。この圧電体層の表面粗さを、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy；ＡＦ
Ｍ）で測定したところ、面積が１０μｍ平方の任意の場所において、算術平均粗さが５ｎｍ以下である箇所、二乗平均粗さが６.５ｎｍ以下である箇所、最大最小粗さが５０ｎｍ
以下である箇所、のいずれかが少なくとも１箇所以上存在していた。本実施形態の圧電体層は、膜厚が１μｍ以上でも十分に平坦性が保てる。

Ｓｉ基板等、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜（ニオブ酸カリウムナトリウムなど含む）との格子整合を考えていない基板上に、下部電極層を形成し、その上部にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜を形成すると多結晶薄膜となる。従来は、特に結晶の向き（配向）に関しては考慮することなく形成していたため、形成したニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜は配向性の全くない多結晶薄膜として形成されていた。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜の表面凹凸は非常に大きく、その理由は、薄膜を形成する際、結晶成長速度の面方位依存性が高いからではないかと考えた。

そこで、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を、単一の面方位に表面が向くように、一軸性の配向を持つ多結晶薄膜にする検討を行った。その方策として、まず下地の下部電極層をアモルファス状態ではなく結晶状態になるようにし、その上部にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜を形成した。
結晶状態の下部電極層は、Ｐｔ等、結晶構造が立方晶の場合、最密面である（１ｌｌ）面に配向する。Ｐｔ等の下地電極層を、基板を加熱状態にしてスパッタリング法を用いて成膜すると、Ｐｔ（１１１）に配向させたＰｔ薄膜が形成される。この下地電極層の結晶構造がきっかけとなって、その上部のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜は（００１）面に配向しやすくなり、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜の表面はミラー状態となって平坦性が大幅に向上する。

更に、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜の配向状態をより改善するために、上記実施形態において、前記下部電極層と前記圧電体層との間に、前記圧電体層の配向性を向上させるための配向制御層を設けてもよい。
配向制御層は、ＬａＮｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、Ｌａ_０.
６Ｓｒ_０.４ＦｅＯ_３、Ｌａ_０.６Ｓｒ_０.４ＣｏＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＮａＮｂＯ_３及びこ
れらの固溶体、もしくはこれらのいずれかを含む積層体が好ましい。
ＬａＮｉＯ_３などの（００１）に揃い易い配向制御層を形成してその上部にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜を形成すると、より強く（００１）配向したニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を形成できる。

上記実施形態の薄膜圧電体付き基板に対し、前記圧電体層の上部に、上部電極層を形成することで薄膜圧電体素子を作製でき、また、この薄膜圧電体素子を所定形状に成形したり、電圧印加手段・電圧検出手段を設けたりすることで、各種のアクチュエータやセンサなどの薄膜圧電体デバイスを作製さることができる。これら薄膜圧電体素子や薄膜圧電体デバイスの表面がミラー状態となっているので、表面がミラー状態である必要性がある可変形状ミラーなどのデバイスを作製することが可能となる。

次に、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
図１に、実施例１の圧電薄膜付き基板の断面図を示す。実施例１では、酸化膜を有するＳｉ基板１上に、下部電極層２と、ペロブスカイト型のニオブ酸カリウムナトリウム（以下、ＫＮＮという）の圧電体層３とを形成した薄膜圧電体付き基板を作製した。

始めに、Ｓｉ基板１の表面に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜上に下部電極層２を形成した。下部電極層２は、まず接着層として形成した厚さ２０ｎｍのＴｉ膜と、このＴｉ膜上に電極層として形成した厚さ２００ｎｍのＰｔ薄膜とからなる。このＰｔ薄膜の形成にはスパッタリング法を用いて形成した。形成時には基板温度を３００℃にして成膜を行って、多結晶薄膜のＰｔ薄膜を形成した。また、比較例として、熱酸化膜を形成したＳｉ基板１上に、基板加熱を行わずに常温でスパッタリングによりＰｔ薄膜を形成した。
これらＰｔ薄膜をＸ線回折装置で結晶構造を調べた結果、基板加熱を行って形成した実施例１のＰｔ薄膜は、図２にそのＸ線回折パターン（２θ−ω測定）を示すように、Ｓｉ基板１の表面に垂直な向きにＰｔ（１１１）面に配向したＰｔ薄膜が形成されていることが判った。一方、常温で成膜した比較例のＰｔ薄膜は、特定の結晶面からの回折が存在せず、アモルファス状態となっていることが確認できた。

次に、これら二つのＰｔ電極付きＳｉ基板上に、圧電体層３としてＫＮＮ薄膜を形成した。ＫＮＮ薄膜の成膜にもスパッタリング法を用いて形成した。ＫＮＮ薄膜の形成には６００℃の基板加熱を行い、Ａｒ＋Ｏ_２の混合ガス（混合比は９：１）によるプラズマでスパッタリングを実施した。ターゲットには（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（ｘ＝０.５，
ｙ＝０.５，ｚ＝０）の焼結体ターゲットを用いた。ＫＮＮ薄膜の成膜はＲＦ出力１００
Ｗで実施し、膜厚が３μｍになるまで成膜を行った。

こうして作製したＫＮＮ膜について、Ｘ線回折装置を用いてＫＮＮ膜の結晶性について調べた。その結果、アモルファス状態のＰｔ膜上に形成した比較例のＫＮＮ膜は、図３にそのＸ線回折パターン（２θ−ω測定）を示すように、特定方向への配向性がなくランダムな多結晶膜となっていることが判った。一方、Ｐｔ（１１１）に配向したＰｔ膜上に形成した実施例１のＫＮＮ膜は、図４にそのＸ線回折パターン（２θ−ω測定）を示すように、ＫＮＮ（００１）に強く配向していることが判った。

これら二つのＫＮＮ膜の表面の凹凸をまず目視で調べた結果、常温で成膜したＰｔ電極上に形成した比較例のＫＮＮ膜は、くすんだ表面をしていた。これに対して、基板温度が３００℃で成膜したＰｔ電極上に形成した実施例１のＫＮＮ膜は、明らかに綺麗な表面をしていた。
次に、これら二つのＫＮＮ膜について表面の凹凸を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy；ＡＦＭ）で調べた。原子間力顕微鏡による表面凹凸の評価は、１０μｍ×１０
μｍのエリアを２０ｎｍピッチで測定して表面粗さを算出した。その結果、比較例のＫＮＮ膜は、二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ（Ｒrms）、最大最小粗さＲmaxの値が、測定した箇所のうち、最も値の小さい場所で、それぞれ５２ｎｍ、６１ｎｍ、６５３ｎｍであった。これに対して、実施例１のＫＮＮ膜は、表面の二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ、最大最小粗さＲmaxが最も小さい場所でそれぞれ１７.２ｎｍ、２３.８ｎｍ、
２２０.５ｎｍとなった。図５に、実施例１のＫＮＮ膜表面のＡＦＭによる表面像を示す
。この結果から、下部電極層のＰｔ電極を（１ｌｌ）面に配向させて結晶化させ、その上部にＫＮＮ膜を形成することによって、ＫＮＮ膜の表面状態を大幅に平坦化させることが可能となることが判った。

また、スパッタリングの焼結体ターゲットの組成を変えて検討を行ったところ、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３において０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１の範囲で、同様に表面状態が大幅に平坦になり、表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下である箇所、二乗平均粗さＲＭＳが３０ｎｍ以下である箇所、最大最小粗さＲmaxが
２５０ｎｍ以下である箇所のうちいずれかを満たす箇所が少なくとも１箇所以上あることが判った。更に、上記ターゲットにＴａをドーピングした場合も同様の結果であった。

（実施例２）
図６に、実施例２の薄膜圧電体素子の断面図を示す。実施例２では、酸化膜を有するＳｉ基板１上に、下部電極層２と、ＫＮＮの配向性を向上させる配向制御層である下地層４と、ＫＮＮの圧電体層５と、上部電極層６とを形成した薄膜圧電体素子を作製した。

実施例１と同様にＳｉ基板１上に下部電極層２を形成し、下部電極層２の結晶化させて形成したＰｔ（１１１）配向させたＰｔ電極上に、下地層４としてＬａＮｉＯ_３（Lanthan NikelOxide；ＬＮＯ）膜を形成した。ＬＮＯ膜はＰｔ（１１１）上で容易に（００１）面に配向する。ＬＮＯ膜もスパッタリング法を用いて形成した。スパッタリングガスはＡｒ＋Ｏ_２混合ガス（混合比は９：１）を用いた。ＲＦ電力は７５Ｗとして２００ｎｍの膜厚になるようにＬＮＯ膜を成膜した。このＬＮＯ膜のＸ線回折測定を行ったところ、ＬＮＯ（００１）に単独配向していることが判った。

このＬＮＯ膜の下地層４上に、ＫＮＮ膜の圧電体層５を形成した。形成条件は実施例１と同様の条件とした。このようにして形成したＫＮＮ膜について、Ｘ線回折装置を用いて配向状態について評価した結果、図７にそのＸ線回折パターン（２θ−ω測定）を示すように、実施例１で形成したＫＮＮ膜よりもＫＮＮ（００１）により強く配向していることが判った。
また、ＡＦＭを用いてＫＮＮ膜の表面凹凸の評価を行った。評価は１０μｍ×１０μｍのエリアを２０ｎｍピッチで測定して表面粗さを算出した。その結果、表面の二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ、最大最小粗さＲmaxが最も小さい場所でそれぞれ３.０ｎｍ、３.８ｎｍ、４６.８ｎｍとなり、完全な鏡面状態であることが判った。図８に、実施例２のＫＮＮ膜のＡＦＭによる表面像を示す。この結果から、よりＫＮＮ膜を配向させることで、ＫＮＮ膜をより平坦にすることが可能であることが判った。

次に、作製したＫＮＮ膜の圧電体層５上に上部電極層６を形成した。上部電極層６の材料にはＡｌを選択し、真空蒸着法を用いて形成した。この上部電極層６についてもＡＦＭにより表面凹凸の評価を行った。その結果、表面の二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ、最大最小粗さＲmaxが最も小さい場所でそれぞれ３.０ｎｍ、３.６ｎｍ、４０.２ｎｍであり、十分に平坦であることがわかった。この結果から、平坦な圧電体層５の上部に形成した上部電極層６の表面も圧電体層５とほぼ同じ平坦性となることが確認できた。

次に、スパッタリングのターゲットの組成を変えて検討を行ったところ、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３において０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｙ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１の
範囲で、同様に表面状態が鏡面となり、表面の算術平均粗さＲａが５ｎｍ以下である箇所、二乗平均粗さＲＭＳが６.５ｎｍ以下である箇所、最大最小粗さＲmaxが５０ｎｍ以下である箇所のうちいずれかを満たす箇所が少なくとも１箇所以上あることが判った。

（実施例３）
図９に、実施例３の薄膜圧電体素子の断面図を示す。実施例３では、酸化膜を有するＳｉ基板１上に、下部電極層２と、ニオブ酸ナトリウムの下地層７と、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムの圧電体層８と、上部電極層９とを形成した薄膜圧電体素子を作製した。
この実施例３では、上記実施例２のＬａＮｉＯ_３とは異なる下地層を用いた場合の効果について調べた。下地層７としては、まずニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）を用いた。また、本実施例３では、ＫＮＮにリチウムをドーピングしたニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３、以下ＬＫＮＮという）を圧電体層９に用いた。ＬＫＮＮ層は、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、酸素（Ｏ）の５種類の元素で構成されるが、このうち、リチウム、カリウムを含まないだけのニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）を下地層７として用いることができれ
ば、スパッタリングを行うチャンバー内が圧電体層８の構成元素以外の物質で汚染される恐れがないことから、下地層を成膜したチャンバーと同一のチャンバーを用いて圧電体層の成膜ができ、下地層、圧電体層の成膜を連続して行うことが可能となる。

まず、実施例２と同じＰｔ付きＳｉ基板を用意し、その上部にニオブ酸ナトリウムの下地層７を形成した。この下地層７の形成にはスパッタリング法を用いた。スパッタリングガスにはＡｒ＋Ｏ_２混合ガス（混合比は８.５：１.５）を用い、ＲＦ電力は１００Ｗとして２００ｎｍの膜厚になるように成膜を実施した。このようにして形成したニオブ酸ナトリウム膜をＸ線回折装置で評価したところ、（００１）面に優先配向していることが判った。

次に、ニオブ酸ナトリウム膜の下地層７上にＬＫＮＮ膜の圧電体層８を成膜した。ＬＫＮＮ膜の成膜にはスパッタリング法を用いた。成膜中は６００℃に基板加熱を行い、Ａｒ＋Ｏ_２の混合ガス（混合比は９：１）によるプラズマでスパッタリングを実施した。ターゲットには、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（ｘ＝０.４８、ｙ＝０.４８、ｚ＝０.０４
）の焼結体ターゲットを用いた。ＲＦ出力は１００Ｗで実施し、膜厚は３μｍになるまで成膜を行った。

このようにして形成したＬＫＮＮ膜についてＸ線回折装置を用いて結晶性の評価を行ったところ、図１０にＸ線回折パターンを示すように、このＬＫＮＮ膜は（１１０）、（００１）面の二つの面に配向していることが判った。また、この試料についてＡＦＭを用いて表面凹凸の評価を行った。評価は１０μｍ×１０μｍのエリアを２０ｎｍピッチで測定して表面粗さを算出した。その結果、表面の二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ、最大最小粗さＲmaxが最も小さい場所でそれぞれ３.９ｎｍ、６.４ｎｍ、１３７.７ｎｍとなり、ＬＫＮＮ膜の表面は完全な鏡面状態となった。図１１に、実施例３のＬＫＮＮ膜のＡＦＭによる表面像を示す。以上の結果から、Ｐｔ（１１１）電極上に配向させて形成することが可能な材料であれば、下地層として用いることが可能であることが判った。

このような下地層の材料について、更に幾つかの材料を調べた。その結果、上述したＬａＮｉＯ_３、ＮａＮｂＯ_３以外にも、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、Ｌａ_０.６Ｓｒ_０.４ＦｅＯ_３、Ｌａ_０.６Ｓｒ_０.４ＣｏＯ_３、ＫＮｂＯ_３で効果があった。また、これらの材料を積層させること（例えば、ＬａＮｉＯ_３上にＫＮｂＯ_３を積層形成するなど）や、固溶させること（Ｌａ（Ｎｉ，Ａｌ）Ｏ_３等）も効果があった。

また、本実施例３で作製したＬＫＮＮ膜の圧電体層８上に上部電極層９を形成した。上部電極層９の材料にはＡｌを選択し、真空蒸着法を用いて形成した。この上部電極層９についても表面凹凸の評価を行った。その結果、表面の二乗平均粗さＲａ、算術平均粗さＲＭＳ、最大最小粗さＲmaxが最も小さい場所でそれぞれ３.０ｎｍ、５.５ｎｍ、１１０.３ｎｍであり、十分に平坦であることがわかった。この検討から、平坦な圧電体層８の上部に形成した上部電極層９の表面も圧電体層８とほぼ同じ平坦性となることが確認できた。

（実施例４）
本実施例４では、実施例１の配向させたＰｔ電極上のＫＮＮ膜と同様の構造を、Ｓｉ基板以外の基板を用いて作製した。実施例１ではＳｉ基板を用いているが、その表面部には熱酸化膜を形成している。熱酸化膜はアモルファス状態であることから、その上部に形成する下部電極層２であるＰｔ（１１１）に配向したＰｔ電極層は、Ｓｉ基板の結晶構造を引き継いでいない。Ｐｔ（１１１）配向は、立方晶であるＰｔの最密面に自己配向した結果であることから、他の基板上であっても、基板の結晶構造と関わり無く、同様の構造を形成することが可能であろうとの考察から検討を行った。
その結果、石英ガラス基板上、ＭｇＯ基板上、ＳｒＴｉＯ_３基板上では、基板に直接、
下部電極層のＰｔ電極層を形成しても同様の効果があることが確認できた。また、ガラス基板上、Ｇｅ基板上、ＳＵＳ基板上では、実施例１の熱酸化膜の代わりに、ＰＥ−ＣＶＤによって、基板上にＳｉ酸化膜を形成することで同様の効果が得られることが判った。

実施例１の薄膜圧電体付き基板を示す断面図である。 実施例１のＰｔ（１１１）のＸ線回折パターンを示す図である。 比較例のＫＮＮ膜のＸ線回折パターンを示す図である。 実施例１のＫＮＮ膜のＸ線回折パターンを示す図である。 実施例１のＫＮＮ膜の表面状態を示すＡＦＭによる表面像である。 実施例２の薄膜圧電体素子を示す断面図である。 実施例２のＫＮＮ膜のＸ線回折パターンを示す図である。 実施例２のＫＮＮ膜の表面状態を示すＡＦＭによる表面像である。 本発明の実施例３の薄膜圧電体素子を示す断面図である。 実施例３のＬＫＮＮ膜のＸ線回折パターンを示す図である。 実施例３のＫＮＮ膜の表面状態を示すＡＦＭによる表面像である。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ 下部電極層
３ 圧電体層
４ 下地層
５ 圧電体層
６ 上部電極層
７ 下地層
８ 圧電体層
９ 上部電極層

Claims (8)

1. 基板と、前記基板の表面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層とを有し、
   前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、
   前記下部電極層は、所定方向に配向して形成され、前記圧電体層を前記下部電極層に対し所定方向に配向させていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板。
2. 基板と、前記基板の一方の面に形成される酸化膜と、前記酸化膜上に形成される下部電極層と、前記下部電極層上に形成されるペロブスカイト型の圧電体層とを有し、
   前記圧電体層は、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、
   前記下部電極層は、所定方向に配向して形成され、且つ前記圧電体層を前記下部電極層に対し所定方向に配向させていると共に、
   前記下部電極層と前記圧電体層との間には、前記圧電体層の配向性を向上させるための配向制御層が設けられていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板。
3. 基板上に直接またはＳｉ酸化膜を介してＰｔ（１１１）に配向させたＰｔ電極層が形成され、前記Ｐｔ電極層に（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型酸化物を主相とする圧電体層
   が形成されていることを特徴とする薄膜圧電体付き基板。
4. 前記圧電体層は、（００１）面もしくは（１１０）面のいずれか、またはそれら両方に配向して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜圧電体付き基板。
5. 前記圧電体層の表面が、面積が１０μｍ平方の任意の場所において、算術平均粗さが５ｎｍ以下である箇所、二乗平均粗さが６.５ｎｍ以下である箇所、最大最小粗さが５０ｎ
   ｍ以下である箇所、のいずれかが少なくとも１箇所以上存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜圧電体付き基板。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜圧電体付き基板の前記圧電体層の上部に、上部電極層が形成されていることを特徴とする薄膜圧電体素子。
7. 請求項６に記載の薄膜圧電体素子を用いて作製されたことを特徴とする薄膜圧電体デバイス。
8. 基板の表面に熱酸化膜を形成し、前記基板を加熱状態にしてスパッタリング法を用いて前記酸化膜上にＰｔ（１１１）に配向させたＰｔ薄膜を含む下部電極層を形成し、前記下部電極層上に配向制御層を形成し、前記配向制御層上に（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦０.２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト
   型酸化物を主相とする圧電体層を形成したことを特徴とする薄膜圧電体付き基板の製造方法。