JP2015056517A

JP2015056517A - 圧電体薄膜積層基板およびその製造方法

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Publication number: JP2015056517A
Application number: JP2013189152A
Authority: JP
Inventors: 末永　和史; Kazufumi Suenaga; 和史末永; 柴田　憲治; Kenji Shibata; 憲治柴田; 渡辺　和俊; Kazutoshi Watanabe; 和俊渡辺; 文正堀切; Fumimasa Horikiri; 将希野口; Masaki Noguchi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-03-23

Abstract

【課題】鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電体を用い、高い圧電体特性を有しかつ薄膜素子毎の特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電体薄膜積層基板は、基板上に下部電極膜と圧電体薄膜とが順次積層されており、前記圧電体薄膜層は、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウム（組成式(NaxKyLiz)NbO3、0≰x≰1、0≰y≰1、0≰z≰0.2、x＋y＋z＝1）からなり、前記下部電極膜は、平均膜厚が100 nm以上350 nm以下であり、膜厚の面内分布における相対標準偏差が14％以下であることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、圧電体薄膜素子に関し、特に、鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電体を具備する圧電体薄膜積層基板およびその製造方法に関するものである。

圧電素子は、圧電体の圧電効果を利用する素子であり、圧電体への電圧印加に対して変位や振動を発生するアクチュエータや、圧電体への応力変形に対して電圧を発生する応力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。これまでアクチュエータや応力センサに利用される圧電体としては、大きな圧電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型強誘電体（組成式：Pb(Zr_1-xTi_x)O₃、PZT）が広く用いられてきた。

PZTは、鉛を含有する特定有害物質であるが、現在のところ圧電材料として代替できる適当な市販品が存在しないため、RoHS指令（電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会及び理事会指令）の適用免除対象となっている。しかしながら、世界的に地球環境保全の要請はますます強まっており、鉛を含有しない圧電体（非鉛系圧電材料）を使用した圧電素子の開発が強く望まれている。

一方、近年における各種電子機器の小型化・高性能化の進展に伴って、圧電素子に対しても小型化と高性能化との両立が強く求められている。ここで、粉末焼結法により作製する従来の圧電素子では、圧電体の厚さが10μm以下になると、圧電体を構成する結晶粒の大きさと同等になるため、結晶粒界が圧電特性に与える影響を無視することができなくなる。具体的には、電極と結晶粒界との位置関係や結晶粒界密度が焼結圧電体毎に大きく異なるために、圧電素子毎の圧電特性のばらつきが顕著になるといった問題が発生する。圧電素子の小型化（薄型化）に関するこのような問題に対して、近年、粉末焼結法に代えて薄膜形成技術を利用した圧電体薄膜素子が報告されている。

非鉛系圧電体を使用した圧電体薄膜素子として、例えば特許文献１には、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、上記圧電薄膜を、一般式(Na_xK_yLi_z)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、(0 0 1)、(1 0 0)、(0 1 0)、及び(1 1 1)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が開示されている。特許文献１によると、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されている。

また特許文献２には、基板上に、少なくとも下部電極、一般式(Na_xK_yLi_z)NbO₃（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z≦0.05、x＋y＋z＝1）で表される圧電薄膜、及び上部電極を配した圧電薄膜積層体において、前記圧電薄膜が、結晶軸のうち２軸以下のある特定の軸に優先的に配向しており、かつ前記配向している結晶軸のうち少なくとも１つの結晶軸と、前記基板表面の法線との成す角度が、0°〜15°の範囲内である場所が前記圧電薄膜を形成してある場所の90％以上を占めることを特徴とする圧電薄膜積層体が開示されている。特許文献２によれば、圧電材料にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を用いていながら、優れた圧電特性を有し、かつ圧電特性の面内均一性にも優れた圧電薄膜積層体と、これを用いた圧電薄膜素子を提供することができるとされている。

また特許文献３には、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10 m以上の曲率半径を有する圧電薄膜付き基板が開示されている。特許文献３によると、鉛フリーの圧電体を有する圧電薄膜付き基板から形成される圧電素子について、長期間、連続的な圧電動作をした後であっても、圧電素子の圧電定数d₃₁の低下を抑制できるとされている。

特開２００７−１９３０２号公報特開２００８−２６３１３２号公報特開２００９−１１７７８５号公報

圧電体薄膜素子においては、薄膜形成技術を用いることから一般的に結晶粒が非常に小さいために、圧電体薄膜中の結晶粒界密度の偏差が小さくなり、結晶粒界の有無に起因する圧電体特性のばらつきは小さくなる。一方、結晶粒が小さく結晶数が多いことから、各結晶粒の配向性（圧電体薄膜としての結晶配向度合）が、素子の圧電特性に大きな影響を及ぼす。

また、非鉛系圧電体としてニオブ酸アルカリ系圧電体（例えば、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウム、(Na_xK_yLi_z)NbO₃）は、大変有望な材料の一つである。PZT薄膜素子の代替品となるように、ニオブ酸アルカリ系圧電体を用いた薄膜素子を実用化・量産化するためには、圧電体薄膜積層基板（ダイシング工程前の基板）の大面積化および安定した（再現性の高い）製造は非常に重要である。

しかしながら、ニオブ酸アルカリ系圧電体は比較的新しい材料群であるため、積層構造制御や製造プロセス制御の観点で未解明な点がまだまだ多く残されているのが現状である。そのため、焼結圧電体とは異なる要因によって、圧電体が本来有する特性が十分得られなかったり、薄膜素子毎の圧電体特性がばらついたりする問題がある。

したがって本発明の目的は、鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電体を用い、高い圧電体特性を有しかつ薄膜素子毎の特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板およびその製造方法を提供することにある。

（I）本発明の一態様は、上記目的を達成するため、基板上に下部電極膜と圧電体薄膜とが順次積層された圧電体薄膜積層基板であって、前記圧電体薄膜は、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウム（組成式(Na_xK_yLi_z)NbO₃、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦0.2、x＋y＋z＝1）からなり、前記下部電極膜は、平均膜厚が100 nm以上350 nm以下であり、膜厚の面内分布における相対標準偏差が14％以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板を提供する。

また本発明は、上記の本発明に係る圧電体薄膜積層基板において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記下部電極膜の平均膜厚が、前記圧電体薄膜の平均膜厚の3％以上18％以下である。
（ii）前記下部電極膜は、(1 1 1)面に優先配向している。
（iii）前記下部電極膜は、白金からなる。
（iv）前記圧電体薄膜は、結晶系が擬立方晶であり、主表面が(0 0 1)面に優先配向している。
（v）前記圧電体薄膜は、圧電定数の面内分布における相対標準偏差が6％以下である。
（vi）前記基板は、直径が100 mm以上であり表面に熱酸化膜を有するシリコン基板である。

（II）本発明の他の一態様は、上記の本発明に係る圧電体薄膜積層基板の製造方法であって、前記基板上に前記下部電極膜を形成する下部電極膜形成工程と、前記下部電極膜上に前記圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程とを有し、前記下部電極膜形成工程は、スパッタ法によって行われ、前記基板に到達するスパッタ粒子数が該基板の面内で均等になるように、該基板の直径よりも大きな直径を有するスパッタリングターゲットを用いることを特徴とする圧電体薄膜積層基板の製造方法を提供する。

本発明によれば、鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電体を用い、高い圧電体特性を有しかつ薄膜素子毎の特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板およびその製造方法を提供することができる。当該圧電体薄膜積層基板を利用することにより、高い圧電体特性を有する非鉛系圧電体薄膜素子を高い製造歩留りで提供することができる。

本発明に係る圧電体薄膜積層基板の断面模式図である。比較例１における下部電極膜の膜厚と基板上位置との関係例を示すグラフである。実施例１における下部電極膜の膜厚と基板上位置との関係例を示すグラフである。実施例１の圧電体薄膜積層基板における圧電体薄膜形成後で上部電極膜形成前の基板のXRDパターンを示すチャートの一例である。比較例１における圧電定数と基板上位置との関係例を示すグラフである。実施例１における圧電定数と基板上位置との関係例を示すグラフである。実施例１〜２および比較例１における圧電定数のばらつき（相対標準偏差）と下部電極膜の膜厚ばらつき（相対標準偏差）との関係を示すグラフである。

本発明者等は、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr_1-xTi_x)O₃、PZT）と同等の圧電体特性を期待できる非鉛系圧電体としてニオブ酸アルカリ系圧電体（(Na_xK_yLi_z)NbO₃、NKLN）を選択し、製造した圧電体薄膜素子における圧電体特性のばらつきを詳細に調査した。その結果、従来の圧電体薄膜積層基板では、圧電体薄膜の下地となる下部電極膜の制御（特に、膜厚の面内分布の制御）が十分に成されておらず、それに起因して圧電体薄膜の性状がばらついていたことを解明した。そこで、本発明者等は、特性ばらつきを克服するための構成および製造方法について鋭意研究し、本発明を完成させた。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

図１は、本発明に係る圧電体薄膜積層基板の断面模式図である。図１に示したように、本発明に係る圧電体薄膜積層基板10は、基板1の上に、接着層2、下部電極膜3、圧電体薄膜4および上部電極膜5がこの順に積層された構造を有する。圧電体薄膜素子は、圧電体薄膜積層基板10から所望形状のチップとして切り出すことで得られる。

なお、上部電極膜5は、圧電体薄膜積層基板10の段階で形成されていてもよいし、所望形状のチップに切り出した後に形成してもよい。また、接着層2は、必須の構成ではないが、基板1と下部電極膜3との密着性の観点から、形成されることが好ましい。

以下、圧電体薄膜積層基板10の製造手順に沿って、具体的に説明する。

はじめに、基板1を用意する。基板1の材料は、特に限定されず、圧電素子の用途に応じて適宜選択することができる。例えば、シリコン（Si）、SOI（Silicon on Insulator）、石英ガラス、砒化ガリウム（GaAs）、サファイア（Al₂O₃）、ステンレス鋼等の金属、酸化マグネシウム（MgO）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）を用いることができる。これらの中で、Si基板は素子としての汎用性の観点から好ましい。

基板1が導電性材料からなる場合は、その表面に電気絶縁膜（例えば酸化膜）を有していることが好ましい。酸化膜の形成方法に特段の限定はないが、例えば、熱酸化処理や化学気相成長（Chemical Vapor Deposition、CVD）法を好適に用いることができる。最終的な圧電薄膜素子のコスト低減の観点から、4インチ径（直径100 mm）以上の基板を用いることが好ましい。

次に、上記基板1上に接着層2を形成する。接着層2の材料としては、密着性や耐環境性の観点から第４族元素（チタン族元素：チタン（Ti）、ジルコニウム（Zr）、ハフニウム（Hf））の酸化物または第５族元素（バナジウム属元素：バナジウム（V）、ニオブ（Nb）、タンタル（Ta））の酸化物が好ましい。また、接着層2は、アモルファス状態（ガラス状態）の酸化物層であることが好ましい。接着層2がアモルファス状態であることにより、表面で特定の面方位を示すことなく、高い表面平坦性を確保することができる。

接着層2の厚さ（平均膜厚）は、1 nm以上2 nm以下が好ましい。当該接着層の平均膜厚は、Ｘ線反射率法によるＸ線反射率プロファイル（反射Ｘ線強度プロファイル）の振動周期から測定することが可能である。接着層2の平均膜厚が1 nm未満になると、接着層2を連続層として形成することが困難になり（言い換えると、島状に形成されるようになり）、表面平坦性が劣化する。一方、接着層2の平均膜厚が2 nmを超えると、最終的な圧電薄膜素子の圧電特性のばらつきが大きくなる。ばらつきが大きくなるメカニズムは解明されていないが、その要因の一つとしては、接着層2が厚くなると、全体としてアモルファス状態を維持することが困難になり（言い換えると、一部が結晶化し始めるようになり）、部分的に表面平坦性が劣化することが考えられる。

接着層2の形成方法としては、所望の接着層が得られる限り特段の限定はないが、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）を好適に用いることができる。スパッタ法は製造コストの観点で好ましく、金属ターゲットを用い成膜中に酸素成分を導入してアモルファス酸化物膜を形成する方法が好ましい。金属膜を成膜後に酸化性雰囲気中で（酸素を有する雰囲気中で）ポストベークを行ってアモルファス酸化物膜を形成してもよい。

次に、上記接着層2上に下部電極膜3を形成する。下部電極膜3の材料としては、特に限定されないが、例えば、白金（Pt）またはPt合金（Ptを主成分とする合金）用いることが好ましい。また、金（Au）、ルテニウム（Ru）、イリジウム（Ir）、スズ（Sn）、インジウム（In）もしくはこれらの酸化物を用いることもできる。

下部電極膜3は、その上に成膜される圧電体薄膜4が本来有する特性を十分発揮できるような下地として形成されることが望ましい。本発明者等の詳細な調査・研究の結果、下部電極膜3に望まれる性状として、表面の優先配向や平均膜厚に加えて、面内での膜厚均等性（面内で膜厚分布が小さいこと）が非常に重要であることが明らかになった。

下部電極膜3の表面は、(0 0 1)面、(1 1 0)面および(1 1 1)面のうちのいずれかに優先配向していることが好ましく、中でも(1 1 1)面に優先配向していることがより好ましい。下部電極膜3の表面が所定の結晶面に優先配向していないと、その上に成膜される圧電体薄膜4の結晶配向性が低下して十分な圧電体特性が得られない。

下部電極膜3の平均膜厚としては、100 nm以上350 nm以下が好ましい。平均膜厚が350 nm超になると、その上に成膜される圧電体薄膜4の表面平坦性が低下して十分な圧電体特性が得られない。平均膜厚が100 nm未満になると、その上に成膜される圧電体薄膜4の圧電体特性のばらつきが大きくなり、圧電体薄膜素子の製品歩留りが低下する。

また、下部電極膜3の平均膜厚は、その上に成膜される圧電体薄膜4の平均膜厚の3％以上18％以下が好ましい。平均膜厚が当該範囲を外れると、圧電体薄膜4の圧電体特性のばらつきが大きくなり、圧電体薄膜素子の製品歩留りが低下する。

さらに、下部電極膜3の面内での膜厚均等性としては、相対標準偏差14％以下が好ましく、5％以下がより好ましい。面内膜厚分布の相対標準偏差が14％超になると、その上に成膜される圧電体薄膜4の圧電体特性のばらつきが大きくなり、圧電体薄膜素子の製品歩留りが低下する。

下部電極膜3の形成方法としては、所望の下部電極膜が得られる限り特段の限定はないが、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）を好適に用いることができる。このとき、基板1上（または接着層2上）に到達する粒子数が面内で均等になるように、基板1の直径よりも大きな直径を有するターゲットを用いることが好ましい。また、成膜の際に基板1を回転（自転）させることが、より好ましい。

次に、上記下部電極膜3上に圧電体薄膜4を形成する。本発明では、圧電体薄膜4の材料として、非鉛系圧電体であるニオブ酸ナトリウムカリウムリチウム（組成式(Na_xK_yLi_z)NbO₃、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦0.2、x＋y＋z＝1）（以下NKLNと称する場合がある）を用いることが好ましく、(0 0 1)面に優先配向していることが好ましい。NKLNは、(0 0 1)面配向した状態が最も良好な圧電体特性を示す。

圧電体薄膜4の形成方法としては、所望の圧電体薄膜が得られる限り特段の限定はないが、所望の組成を有する焼結体ターゲットを用いた物理気相成長法（例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、パルスレーザー堆積法）を好適に用いることができる。これらの成膜法は、組成制御性や結晶配向制御性に優れる利点がある。

次に、上記圧電体薄膜4上に上部電極膜5を形成する。上部電極膜5の材料に特段の限定はなく、下部電極膜3と同じ材料に加えて、アルミニウム（Al）、Au、ニッケル（Ni）を好適に用いることができる。上部電極膜5の形成方法にも特段の限定はなく、下部電極膜3の場合と同様に、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）を好適に用いることができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（圧電体薄膜積層基板の作製）
図１に示したような構成の圧電体薄膜積層基板10を作製した。基板1としては、熱酸化膜付きSi基板（(1 0 0)面方位の4インチウェハ、ウェハ厚さ0.525 mm、熱酸化膜厚さ200 nm、基板の表面粗さ（算術平均粗さ）Ra＝0.86 nm）を用いた。

以下の成膜工程において、各層（接着層2、下部電極膜3、圧電体薄膜4、上部電極膜5）の平均膜厚の制御は、予め検証した成膜速度を基にして、成膜時間を制御することにより行った。また、各層の膜厚の測定は、Ｘ線回折装置（スペクトリス株式会社（PANalytical事業部）製、型式：X’Pert PRO MRD）を用いたＸ線反射率法、または触針式段差計（日本真空技術株式会社（現：株式会社アルバック）製、型式：DEKTAK3）を用いた直接測定により行った。

はじめに、RFマグネトロンスパッタ法により基板1上に接着層2（平均膜厚1.5 nm）を形成した。接着層2の成膜条件は、純Tiターゲットを用い、基板温度を250℃とし、投入電力を200 Wとし、雰囲気をアルゴン（Ar）と酸素（O₂）との混合雰囲気（圧力2 Pa）とした。

次に、RFマグネトロンスパッタ法により接着層2上に下部電極膜3（平均膜厚50〜600 nm）を形成した。下部電極膜3の成膜条件は、純Ptターゲット（直径100 mmまたは200 mm）を用い、基板温度250℃、投入電力200 W、Ar雰囲気（圧力2.5 Pa）とした。成膜中の基板回転は、有りの場合と無しの場合とを行った。

次に、RFマグネトロンスパッタ法により下部電極膜3上に圧電体薄膜4（平均膜厚3μm）を形成した。圧電体薄膜4の成膜条件は、NKLN（(Na_0.65K_0.35)NbO₃）焼結体ターゲットを用い、基板温度520℃、投入電力700 W、ArとO₂との混合雰囲気（圧力1.3 Pa）とした。

次に、圧電体薄膜積層基板の圧電体特性の面内分布が測定できるように、圧電体薄膜4上にフォトレジストパターンを形成し、RFマグネトロンスパッタ法により複数個の上部電極膜5（直径1 mm、厚さ200 nm）を形成した。上部電極膜5の成膜条件は、純Ptターゲットを用い、基板温度250℃、投入電力200 W、Ar雰囲気、圧力2.5 Paとした。

（圧電体薄膜積層基板の分析・評価）
（１）下部電極膜の膜厚分布
平均膜厚200 nmの下部電極膜3まで形成した試料（接着層2と下部電極膜3とを形成し圧電体薄膜4以降を形成していない試料）を３種類用意した。１種類目は、成膜時のスパッタリングターゲットとして、基板1よりも大きい（直径200 mm）純Ptターゲットを用い、基板回転を行いながら成膜した試料（実施例１）である。２種類目は、スパッタリングターゲットとして、基板1よりも大きい（直径200 mm）純Ptターゲットを用い、基板回転を行わないで成膜した試料（実施例２）である。３種類目は、スパッタリングターゲットとして、基板1と同じ大きさ（直径100 mm）の純Ptターゲットを用い、基板回転を行いながら成膜した試料（比較例１）である。なお、比較例１は、ターゲット材のコストを抑えることで製造コストの低減を意図した試料である。

まず、上記で用意した３種類の試料（実施例１〜２および比較例１）に対して、Ｘ線反射率法により平均膜厚の測定を行い、いずれの試料も平均膜厚が約200 nmであることを確認した。

次に、フォトリソグラフィとエッチングとにより、基板1の中心を通る十字形に下部電極膜3を残した膜厚分布測定用の試料を作製した。膜厚の測定は、触針式段差計を用いた直接測定により行った。図２Ａは、比較例１における下部電極膜の膜厚と基板上位置との関係例を示すグラフであり、図２Ｂは、実施例１における下部電極膜の膜厚と基板上位置との関係例を示すグラフである。なお、図２Ａ〜２Ｂにおいて、基板上位置の0 mmは基板の中心位置である。

図２Ａに示したように、比較例１の下部電極膜は、大きな膜厚分布を有し、その分布の大きさとして相対標準偏差が23％と大きいものであった。一方、図２Ｂに示した実施例１の下部電極膜は、膜厚分布が劇的に改善され、相対標準偏差も5％と比較例１の約1/5まで小さくなった。なお、図示は省略するが、実施例２の下部電極膜も、比較例１に比して膜厚分布が大きく改善され、相対標準偏差が14％と約1/2に小さくなった。

（２）下部電極膜および圧電体薄膜の優先配向性
上記の実施例１〜２および比較例１と同条件の下部電極膜3を形成した試料に対して、圧電体薄膜4を更に形成した試料（上部電極膜5を形成していない圧電体薄膜積層基板）を用意した。

用意した圧電体薄膜積層基板について、Ｘ線回折（X-ray Diffraction、XRD）測定を行った。XRD測定には、多機能高分解能Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製、型式：D8 DISCOVER with Hi STAR）を用い、測定条件は、X線源をCu-Kα線（線焦点）とし、走査法を2θ/θスキャンとした。

図３は、実施例１の圧電体薄膜積層基板における圧電体薄膜形成後で上部電極膜形成前の基板のXRDパターンを示すチャートの一例である。図３に示したように、下部電極膜3のPt膜は、(1 1 1)面に優先配向していることが確認された。圧電体薄膜層4のNKLN膜は、(0 0 1)面、(0 0 2)面および(0 0 3)面の回折ピークのみが観察されることから、(0 0 1)面に優先配向していることが確認された。なお、実施例２および比較例１の圧電体薄膜積層基板においても、同様の優先配向性が認められた。

（３）圧電体特性の面内分布
上記の実施例１〜２および比較例１の圧電体薄膜積層基板（上部電極膜5を形成していない圧電体薄膜積層基板）に対して、前述したような上部電極膜5を更に形成して圧電体特性測定用の試料（上部電極膜まで形成した圧電体薄膜積層基板）を用意した。

得られた圧電体薄膜積層基板に対して強誘電体特性評価システムを用いて圧電定数（d₃₃）を測定した。ここで、本実験での圧電定数について簡単に説明する。一般的に、圧電定数を求めるためには、圧電体の弾性定数であるヤング率やポアソン比等の物性値が必要である。しかしながら、基板上に形成された圧電体薄膜のヤング率やポアソン比の真値を求めることは事実上困難である。そこで、本実験では、現在知られているニオブ酸ナトリウムカリウム（NKN）のバルク圧電体のヤング率やポアソン比の値を用いて圧電定数を算出し、相対的な比較を目的として任意単位で表すこととした。

図４Ａは、比較例１における圧電定数と基板上位置との関係例を示すグラフであり、図４Ｂは、実施例１における圧電定数と基板上位置との関係例を示すグラフである。なお、図４Ａ〜４Ｂにおいても、図２Ａ〜２Ｂと同様に基板上位置の0 mmは基板の中心位置である。図５は、実施例１〜２および比較例１における圧電定数のばらつき（相対標準偏差）と下部電極膜の膜厚ばらつき（相対標準偏差）との関係を示すグラフである。

図に示したように、比較例１（下部電極膜の膜厚の相対標準偏差が23％）は、圧電定数が大きな分布を有し、その分布の大きさとして相対標準偏差が17％と大きいものであった（図４Ａ、図５参照）。下部電極膜の膜厚の相対標準偏差が14％である実施例２は、圧電定数の面内分布が比較例１に比して劇的に改善され、相対標準偏差が6％と約1/3まで小さくなった（図５参照）。さらに、下部電極膜の膜厚の相対標準偏差が5％である実施例１は、圧電定数の面内分布が更に改善され、相対標準偏差が4％と比較例１に比して約1/4まで小さくなった（図４Ｂ、図５参照）。

上記の実験から、圧電体薄膜積層基板10の面内での特性均等性を向上させ、圧電体薄膜素子の製品歩留りを向上させるためには、下部電極膜3の膜厚の相対標準偏差が14％以下であることが好ましいことが明らかになった。

（４）下部電極膜の平均膜厚と圧電体薄膜の表面粗さとの関係
平均膜厚が異なる（50〜600 nm）下部電極膜を実施例１の成膜条件で形成した圧電体薄膜積層基板（上部電極膜5を形成していない圧電体薄膜積層基板）を用意した。

得られた圧電体薄膜積層基板の圧電体薄膜4の表面粗さを、触針式段差計を用いて測定した。圧電体薄膜4の表面粗さは、圧電体薄膜4の結晶配向性および圧電体特性と関連しており、表面粗さが小さい圧電体薄膜4は、良好な結晶配向性および圧電体特性を示す。言い換えると、圧電体薄膜4の表面粗さが大きくなると、結晶配向性および圧電体特性が劣化する。結果を表１に示す。

表１に示したように、実施例３〜５の圧電体薄膜4は、実施例１のそれと同等の表面粗さ（算術平均粗さRa、最大高さRmax）を有し、実施例１と同等の圧電体特性を示すと考えられる。一方、下部電極膜の平均膜厚が実施例３よりも厚い比較例２は、表面粗さが大きく増大しており、圧電体特性が大きく劣化していると考えられる。また、下部電極膜の平均膜厚が実施例５よりも薄い比較例３も、表面粗さが増大しており、圧電体特性が大きく劣化していると考えられる。

上記の実験から、圧電体薄膜積層基板10の面内での特性均等性を向上させ、圧電体薄膜素子の製品歩留りを向上させるためには、下部電極膜3の平均膜厚が100 nm以上350 nm以下であることが好ましいことが明らかになった。

以上説明したように、本発明によれば、ニオブ酸アルカリ系圧電体を用い、高い圧電体特性を有しかつ薄膜素子毎の特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板を提供することができる。また、当該圧電体薄膜積層基板を利用することにより、高い圧電体特性を有する非鉛系圧電体薄膜素子を高い製造歩留りで提供することができる（すなわち、非鉛系圧電体薄膜素子の低コスト化が可能になる）。

上述した実施形態や実施例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

1…基板、2…接着層、3…下部電極膜、4…圧電体薄膜、5…上部電極膜、
10…圧電体薄膜積層基板。

Claims

基板上に下部電極膜と圧電体薄膜とが順次積層された圧電体薄膜積層基板であって、
前記圧電体薄膜は、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウム（組成式(Na_xK_yLi_z)NbO₃、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦0.2、x＋y＋z＝1）からなり、
前記下部電極膜は、平均膜厚が100 nm以上350 nm以下であり、膜厚の面内分布における相対標準偏差が14％以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１に記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記下部電極膜の平均膜厚が、前記圧電体薄膜の平均膜厚の3％以上18％以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１又は請求項２に記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記下部電極膜は、(1 1 1)面に優先配向していることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記下部電極膜は、白金からなることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記圧電体薄膜は、結晶系が擬立方晶であり、主表面が(0 0 1)面に優先配向していることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記圧電体薄膜は、圧電定数の面内分布における相対標準偏差が6％以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記基板は、直径が100 mm以上であり表面に熱酸化膜を有するシリコン基板であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板の製造方法であって、
前記基板上に前記下部電極膜を形成する下部電極膜形成工程と、
前記下部電極膜上に前記圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程とを有し、
前記下部電極膜形成工程は、スパッタ法によって行われ、前記基板に到達するスパッタ粒子数が該基板の面内で均等になるように、該基板の直径よりも大きな直径を有するスパッタリングターゲットを用いることを特徴とする圧電体薄膜積層基板の製造方法。