JP2015519720A

JP2015519720A - 圧電デバイス

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Publication number: JP2015519720A
Application number: JP2014554643A
Authority: JP
Inventors: 仁志佐久間; 克行倉知; 康弘會田; 前島　和彦; 和彦前島; 中島　真由美; 真由美中島
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Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2015-07-09
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Abstract

【解決手段】圧電デバイス（１００Ａ〜１００Ｄ）は、第一電極膜（４）、第一電極膜上に設けられた圧電膜（３）、及び、圧電膜上に設けられた第二電極膜（８）を備える。一対の電極膜の少なくとも一方は合金から構成され、合金の主成分はＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＺｎからなる群から選択される１つの金属である。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電デバイスに関する。

従来より、特許文献１又は２に開示されるように、圧電膜と、この圧電膜を挟む一対の電極膜とを有する圧電デバイスが知られている。電極膜の材料としては、Ａｕ，Ｐｔ、Ｉｒ等の貴金属が知られている。

特開２０１０−１０３１９４号公報特開２００６−２８６９１１号公報

しかしながら、圧電デバイスにはさらなるコストダウンが求められている。本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、より低コスト化が可能な圧電デバイスを提供するものである。

本発明の圧電デバイスは、第一電極膜、前記第一電極膜上に設けられた圧電膜、及び、前記圧電膜上に設けられた第二電極膜を備える。前記一対の電極膜の少なくとも一方は合金から構成され、前記合金の主成分はＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＺｎからなる群から選択される１つの金属である。

（Ｔｉ合金）
ここで、前記合金はＴｉを主成分とする合金であることが好ましい。また、前記合金の主成分はＴｉであり、及び、前記合金がＡｌを副成分として含むことがより好ましい。さらに、前記合金は９０〜９６原子％（以下ではａｔ％）のＴｉ、及び、４〜１０ａｔ％のＡｌを含むことが好ましい。

また、前記合金の主成分がＴｉであり、合金がＡｌ及びＶを副成分として含むような構成も好ましい。このとき、前記合金は、９０〜９６ａｔ％のＴｉ、２〜７ａｔ％のＡｌ、及び、２〜５ａｔ％のＶを含むことが好ましい。

（Ｍｇ合金）
ここで、上述の合金はＭｇを主成分とする合金であることが好ましい。また、前記合金の主成分がＭｇであり、前記合金がＡｌを副成分として含むことがさらに好ましい。さらに前記合金は、９２〜９８ａｔ％のＭｇ、及び、２〜８ａｔ％のＡｌを含むことが好ましい。

（Ａｌ合金）
ここで、上述の合金はＡｌを主成分とする合金であることが好ましい。また、前記合金の主成分がＡｌであり、前記合金がＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択される元素を副成分として含むことがより好ましい。さらに、前記合金は、９０〜９９ａｔ％のＡｌ、および、１〜６ａｔ％のＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択される元素を含むことが好ましい。

（Ｚｎ合金）
ここで、上述の合金はＺｎを主成分として含む合金であることが好ましい。また、前記合金の主成分がＺｎであり、前記合金がＡｌを副成分として含むことがより好ましい。ここで、前記合金は、８０〜９２ａｔ％のＺｎ、及び、８〜２０ａｔ％のＡｌを含むことが好ましい。

また、前記一対の電極膜は、無配向又は非晶質構造を有することが好ましい。また、前記圧電膜は、優先配向構造を有することが好ましい。本発明において「優先配向構造」とは、Ｘ線回折測定結果において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が、全てのピークの強度の合計の５０％以上であることを指す。「無配向構造」とは、Ｘ線回折測定において、どの結晶面に帰属するピークの強度も、全てのピークの強度の合計の５０％未満であることを意味する。「非晶質構造」とは、Ｘ線回折測定において、結晶格子面に帰属するピークが観測されないことを意味する。

本発明における一対の電極膜は、上述した以外に他の金属元素を含むことができ、また、金属以外の他の元素を含むこともできる。

本発明においては、一対の電極膜を構成するすべての金属元素の酸化還元電位は、圧電膜を構成するすべての金属元素の酸化還元電位より高いことが好ましい。このことにより、圧電膜が電極膜によって還元されず、化学的にもまた電気的にも安定状態となり、圧電デバイスの寿命と信頼性がより向上する。

前記圧電膜の一方の主面は前記第一電極膜と接触し、前記圧電膜の他方の主面は第二電極膜と接触していることができる（図１（ｂ））。

また本発明においては、圧電デバイスは、少なくとも一方の電極膜と圧電膜との間に、２つの膜の間の密着性を向上させる目的で、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＮｉから選択される金属から構成される中間膜をさらに備えることが好ましい。この中間膜を構成する金属の酸化還元電位は、圧電膜を構成する金属元素のいずれかよりも低いことが好ましい。

前記中間膜は前記電極膜及び前記圧電膜と接触していることができる（図１（ｃ））。

このとき中間膜と圧電膜との間では必要最小限の酸化還元反応が行われ、それゆえに膜間の密着性は向上すると考えられる。しかしながら酸化還元反応が促進されすぎると、圧電膜の組成バランスは崩れ、圧電特性の劣化を引き起こしてしまうこともあるので、中間膜の膜厚には自ずと上限がある。

圧電デバイスに中間膜を設ける場合には、このデバイスの特性劣化を防止する目的で、いずれかの電極膜と圧電膜との間、好ましくは中間膜と圧電膜との間に導電性酸化物から構成される導電性酸化物膜を設けてもよい。この構成により、圧電膜が電極膜により一層還元されにくくなり、デバイスの特性の劣化がさらに改善される。

前記中間膜又は前記導電性酸化物膜が、前記圧電膜と接触していることができる（図１（ｄ））。

圧電デバイスは、第二電極膜と前記圧電膜との間に、優先配向構造を有する金属膜をさらに備え、前記金属膜が前記第二電極膜及び前記圧電膜と接触していることができる（図１（ａ））。

本発明によれば、低コスト化が可能な圧電デバイスが提供される。

図１の断面（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態にかかる圧電デバイスの概略断面図である。図２は、金属の酸化還元電位を示す表である。図３の断面（ａ）〜（ｇ）は、図１の圧電デバイスの製造方法を示す概略断面図である。図４は、比較例１の圧電デバイスの概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。

（圧電デバイス１００Ａ）
本発明の実施形態にかかる圧電デバイス１００Ａを図１の（ａ）を参照して説明する。圧電デバイス１００Ａは、サポート基板５上に設けられた樹脂層７上に設けられており、第一電極膜４、圧電膜３、金属膜２、第二電極膜４をこの順に有する。

（圧電膜３）
圧電膜３は、圧電特性を有する膜である。圧電膜は、優先配向構造を有することが好まし。「優先配向構造」とは、Ｘ線回折測定結果において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が、全てのピークの強度の合計の５０％以上であることを指す。圧電膜３は、Ｘ線回折測定結果において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が全てのピークの強度の合計の８０％以上であることが好ましい。圧電膜３は、（００１）あるいは（１１０）に優先配向していることが好ましい。この構成により、圧電膜３に優れた特性を有する圧電性を付与することができる。

圧電膜３の好適な例は、ＫＮＮすなわち（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３（ヤング率１０４ＧＰａ）、ＬＮすなわちＬｉＮｂＯ_３（ヤング率：１７１ＧＰａ）、ＡｌＮ（ヤング率：３００ＧＰａ）、その他などの膜である。

圧電膜３の厚みは、特に限定されないが、通常１０００〜４０００ｎｍ程度である。

（電極膜４、８）
第一電極膜４は圧電膜３の下面の上に配置され、第二電極膜８は、圧電膜３の上面の上に配置されている。

具体的には、一対の電極膜４、８の少なくとも一方は合金から構成され、合金の主成分はＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＺｎからなる群から選択される１つの金属であることが好ましい。ここで、主成分とは、原子比で最も多くの濃度を占める成分である。また、一対の電極膜４、８の両方が上記合金から構成されることが好ましい。また、副成分とは、主成分以外の成分である。

（Ｔｉ合金）
Ｔｉを主成分として含む合金の例は、Ｔｉを主成分として含み、Ａｌを副成分として含む合金である。例えば、９０〜９６ａｔ％のＴｉ、及び、４〜１０ａｔ％のＡｌを含む合金の１つを採用するのが好ましい。また、Ｔｉを主成分として含み、Ａｌ及びＶを副成分として含む合金を利用することも好ましい。この合金は、９０〜９６ａｔ％のＴｉ、２〜７ａｔ％のＡｌ、及び、２〜５ａｔ％のＶを含むことが好ましい。またさらに、Ａｌ、Ｖ、及びＣｒを副成分として含むＴｉ合金を使用することも好ましい。Ｃｒ等のＡｌ、Ｖ、Ｔｉ以外の元素の量は、２ａｔ％以下であることが好ましい。このような合金は、８０〜１００ＧＰａのヤング率、０．６〜１×１０^６Ｓ／ｍ程度の電気伝導度を持つことができる。

（Ｍｇ合金）
Ｍｇを主成分して含む合金の例は、Ｍｇを主成分として含み、Ａｌを副成分として含む合金である。例えば、９２〜９８ａｔ％のＭｇ、及び、２〜８ａｔ％のＡｌを含む合金の１つを採用するのが好ましい。Ｍｇ及びＡｌ以外に、Ｍｎ及び／又はＺｎを含む合金を使用することも好ましい。Ｍｎ及びＺｎの量は、それぞれ、０．５〜５ａｔ％とすることが好ましい。このような合金は、４０〜４５ＧＰａのヤング率及び１０〜１５×１０^６Ｓ／ｍの電気伝導度を持つことができる。なお、白金の電気伝導度は１０×１０^６Ｓ／ｍ程度である。

（Ａｌ合金）
Ａｌを主成分として含む合金の例は、Ａｌを主成分として含み、副成分としてＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択されるいずれかの元素を含む合金である。例えば、９０〜９９ａｔ％のＡｌ、および、１〜６ａｔ％のＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択されるいずれかの元素を含む合金の１つを採用するのが好ましい。このような合金は、７０〜８０ＧＰａのヤング率、１５〜２０×１０^６Ｓ／ｍの電気伝導度を持つことができる。Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ以外の第３の添加元素の量は、２ａｔ％以下とすることが好ましい。特に、Ａｌを主成分として含み、Ｍｇを副成分として含む合金を用いることが好ましい。

（Ｚｎ合金）
Ｚｎを主成分として含む合金の例は、Ｚｎを主成分として含み、副成分としてＡｌを含む合金である。例えば、８０〜９２ａｔ％のＺｎ、及び、８〜２０ａｔ％のＡｌを含む合金の１つを採用するのが好ましい。このような合金は、７５〜９０ＧＰａのヤング率、１５〜１７×１０^６Ｓ／ｍの電気伝導度を持つことができる。Ｚｎ及びＡｌ以外の第３の添加元素の量は、２ａｔ％以下とすることが好ましい。

これらの合金は、一般にその主成分の金属単体に比べて耐酸化性に優れることから、圧電デバイスの信頼性を向上させることができる。また、圧電デバイスの駆動特性の観点から、電極膜４、８のヤング率は、圧電膜３のヤング率よりも低いことが好ましい。例えば、電極膜４、８のヤング率は、１００ＧＰａ以下であることが好ましい。

電池効果による特性劣化を防ぐという信頼性向上の観点から、電極膜４、８を構成する合金の全ての金属元素の酸化還元電位は、圧電膜３を構成するすべての金属元素の酸化還元電位より高いことが好ましい。この条件が満たされると、圧電膜３と電極膜４、８との酸化還元反応は著しく抑制され、電池効果による圧電膜３の経時劣化が低減され、デバイスの信頼性が高くなる。なお、電極膜４、８のそれぞれの材料は、その後のプロセスで加わる熱負荷を十分に上回る融点を有することが好ましい。。

このように、電極膜４、８の材料として、高い融点をもつＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ以外の比較的融点の低い材料のいずれかを用いることができる。

電極膜４、８の厚みは、特に限定されないが、１００〜２００ｎｍとすることができる。

電極膜４、８は、いずれも無配向又は非晶質構造を有することが好ましい。２つの電極膜の両方が非晶質構造を有しても良く、また、電極膜の両方が無配向構造を有しても良く、一方の電極膜が無配向構造を有し他方の電極膜が非晶質構造を有しても良い。「無配向構造」とは、Ｘ線回折測定において、どの結晶面に帰属するピークの強度も、全てのピークの強度の合計の５０％未満であることを意味する。電極膜４、８は、Ｘ線回折測定結果において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が全てのピークの強度の合計の１０％以下であることが好ましい。「非晶質構造」とは、Ｘ線回折測定において結晶格子面に帰属するピークが観測されないことを意味する。

（金属膜２）
金属膜２は、電極膜８と圧電膜３との間に設けられており、金属膜２が圧電膜３及び第二電極膜８と接触している。金属膜２は、優先配向構造を有する、すなわち、金属膜２は、Ｘ線回折測定において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が全てのピークの強度の合計の５０％以上となる構造を有する。金属膜２は、Ｘ線回折測定において、ある１つの結晶格子面に帰属するピークの強度が全てのピークの強度の合計の８０％以上となることがより好ましい。金属膜２の膜厚は、金属膜２に接してエピタキシャル成長される圧電膜３の結晶性が高くなるように選択される。

例えば、金属膜２の膜厚は、２０〜７０ｎｍが好適である。なお、この薄さでは、金属膜２単独では、圧電デバイス１００Ａの電極膜として機能させることは困難である。金属膜２を構成する金属としては、そのa軸格子定数が圧電膜３のa軸格子定数よりも小さく、圧電膜成膜時の温度に対応した耐熱性を有する金属（合金を含む）の中から選択することが可能であり、Ｐｔ又はＲｈが好ましい。

圧電膜３と電極膜８との間には金属膜２が残されている一方、圧電膜３と電極膜４との間には他の膜は存在しない。

（圧電デバイス１００Ｂ）
本発明の実施形態にかかる圧電デバイス１００Ｂを図１の（ｂ）を参照して説明する。この圧電デバイス１００Ｂが、圧電デバイス１００Ａと異なる点は、金属膜２を有さず、電極膜８と圧電膜３とが直接接触している点である。また、第１の実施形態と同様に圧電膜３と電極膜４との間には他の膜は存在しない。

（圧電デバイス１００Ｃ）
本発明の実施形態にかかる圧電デバイス１００Ｃを図１の（ｃ）を参照して説明する。この圧電デバイス１００Ｃが、圧電デバイス１００Ｂと異なる点は、電極膜８と圧電膜３との間、及び、電極膜４と圧電膜３との間にそれぞれ、圧電膜３を構成する金属元素のいずれかよりも酸化還元電位が低い金属から構成される中間膜９が設けられている点である。

例えば、圧電膜３がニオブ酸カリウムナトリウム：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３である場合、酸素を除いた３元素の中で酸化還元電位の最も高いＮｂ（酸化還元電位：−１．０９９Ｖ）が基準となる。そして、このＮｂよりも低い酸化還元電位をもつＴｉ（酸化還元電位：−１．６３Ｖ）から構成される金属膜を中間膜９として用いることができる。圧電膜３がニオブ酸リチウムである場合も同様である。

中間膜９は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかの元素から構成されることが好ましい。

中間膜９の膜厚は、圧電膜３と電極膜４、８の密着強度を上げつつ圧電膜３との酸化還元反応を極力抑えるという観点から、２〜５ｎｍが望ましい。膜厚が５ｎｍを超えると圧電膜の特性を低下させる可能性があり、２ｎｍ未満では密着層としての機能が十分でない場合がある。中間膜９は、優先配向構造を有しても良く、無配向又は非晶質構造を有しても良いが、無配向又は非晶質構造を有することが好ましい。優先配向、無配向、非晶質構造はいずれも上述の通りである。中間膜９は、Ｘ線回折測定において、どの結晶面に帰属するピークの強度も、全てのピークの強度の合計の１０％以下であることが好ましい。

例えば、圧電膜３がニオブ酸カリウムナトリウムから構成され、中間膜９がＴｉから構成される場合、Ｔｉの酸化還元電位：−１．６３ＶはＮｂの酸化還元電位：−１．０９９Ｖより低いため、圧電膜３の表面が還元される可能性がある。従って中間膜９の膜厚は密着性を向上するのに十分でありつつも厚くしすぎないことが好ましい。

電極膜４、８を構成する合金の金属元素の酸化還元電位が、圧電膜３を構成するすべての金属元素よりも高い場合であっても、中間膜９の存在により、両電極膜４、８と圧電膜３との密着強度を向上させやすい。

（圧電デバイス１００Ｄ）
本発明の実施形態にかかる圧電デバイス１００Ｄを図１の（ｄ）を参照して説明する。この圧電デバイス１００Ｄが、圧電デバイス１００Ｃと異なる点は、圧電膜３と中間膜９との間にそれぞれ、導電性酸化物膜１０が設けられている点である。なお、導電性酸化物膜１０は、一枚でも良く、また、電極膜４、８と、圧電膜３との間にあればよい。

導電性酸化物膜１０は、中間膜９と圧電膜３との酸化還元反応を抑制する効果を奏する。導電性酸化物は、圧電膜３を構成する全ての金属元素よりも高い酸化還元電位を持つ１つの金属元素を含み、かつ、中間膜９を構成する金属元素よりも低い酸化還元電位を持つ金属元素を含む酸化物であることが好ましい。このような導電性酸化物の例は、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ_３）、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）などである。

導電性酸化物膜１０の厚みは例えば５〜２０ｎｍ程度である。導電性酸化物膜１０は、例えば、スパッタリング法により形成できる。

導電性酸化物膜１０は、優先配向構造を有しても良く、無配向又は非晶質構造を有しても良いが、無配向又は非晶質構造を有することが好ましい。優先配向、無配向、非晶質構造はいずれも上述の通りである。導電性酸化物膜１０は、Ｘ線回折測定において、どの結晶面に帰属するピークの強度も、全てのピークの強度の合計の１０％以下であることが好ましい。

すなわち、本実施形態の圧電デバイスは以下のような効果を奏しうる。特定の合金を使用することにより、電極膜の耐酸化性が高い。電極膜の低コスト化が可能である。電極のヤング率を低くすることが容易であり、圧電デバイスの性能を向上させることができる。電極の成膜速度の向上も可能である。

なお、圧電デバイス１００Ｂ〜１００Ｄでは、圧電膜３の２つの主表面は、いずれも、無配向又は非晶質構造を有する膜と接触していることが好ましい。この場合、圧電膜３をエピタキシャル成長させる際に用いた下地膜は除去されている。

（圧電デバイスの製造方法）
続いて、上述の圧電デバイス１００Ａ〜１００Ｄの製造方法について図３を参照して説明する。

まず、図３の（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１の例は、単結晶Ｓｉ、サファイア、酸化マグネシウム等の基板であり、特にＰＺＴなどの圧電膜を形成する場合には単結晶Ｓｉ基板が好適である。

そして、図３の（ｂ）に示すように、基板１上に圧電膜３の下地膜となる金属膜２を形成する。金属膜２は、例えば蒸着法やスパッタリング法等により、基板１を高温にした条件下で、金属材料を基板１上にエピタキシャル成長させることにより得られる。例えば、Ｓｉ基板１を４００〜６００℃程度に加熱した状態で金属材料をスパッタリングすると、Ｓｉ基板１の面方位に対応した優先配向した金属膜２を得ることができる。なお、金属膜２は必須ではないが、金属膜２を用いた方が、結晶性の高い圧電膜３を得られやすい。

次に、図３の（ｃ）に示すように、金属膜２上に圧電膜３を形成する。優先配向した圧電膜３は、下地、すなわち、基板１や金属膜２を高温にした条件下で、スパッタリング法等により、圧電材料を下地上にエピタキシャル成長させることにより得ることができる。Ｓｉ基板１や金属膜２を４００〜６００℃程度に加熱することが好ましい。

次に、図３の（ｄ）に示すように、圧電膜３の上に、電極膜４を形成するする。

電極膜４は、圧電膜３上に、金属材料をエピタキシャル成長させないで成膜することによって得ることが好ましい。具体的には、スパッタリング、蒸着法などにより、低温で金属材料を成膜すれば、無配向又は非晶質構造の膜が得られる。エピタキシャル成長させないで膜が形成されるので、高い成膜速度で短時間に形成することができる。基板１や圧電膜３を常温〜２００℃の温度とすることが好ましい。

次に、図３の（ｅ）に示すように、電極膜４の成膜後に、電極膜４を、樹脂層７によりサポート基板５に接着する。

サポート基板５の例は、多結晶シリコン基板である。樹脂層７の例は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂であり、特に剛性の点でエポキシ樹脂が好ましい。接着方法は、例えば、スピンコート法により、２０００〜５０００ｎｍ程度の厚さに接着剤をサポート基板５及び電極膜４上に塗布し、これらを真空中にて重ねて接着すればよい。

次に、図３の（ｆ）に示すように、金属膜２から基板１を除去する。基板１の除去にはＣＭＰ（化学機械研磨）やＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などの方法を用いることができる。基板１を除去すると、最表面には圧電膜３の下地膜であった金属膜２が露出する。

続いて、図３の（ｇ）に示すように、金属膜２上に、電極膜８を形成する。形成方法は、電極膜４と同様にすればよい。これにより、電極膜４、８及び圧電膜３を有する圧電デバイス１００Ａが完成する。

なお、必要に応じて、サポート基板５上において、圧電デバイス１００Ａのパターニングを行うことができる。また、必要に応じて、圧電デバイス１００Ａを保護する保護膜を形成してもよい。また、必要に応じて、圧電デバイス１００Ａを個片化することができ、圧電デバイス１００Ａをサポート基板５から剥離してから個片化してもよいし、圧電デバイス１００Ａをサポート基板５と共に切断して個片化してもよい。

以上のようにして、圧電膜３の上下に電極膜４、８を有する圧電デバイス１００Ａを得ることができる。

なお、圧電デバイス１００Ｂを製造する際には、図３の（ｆ）において、基板１だけでなく金属膜２も除去すればよい。

また、圧電デバイス１００Ｃを製造する際には、上述の圧電デバイス１００Ｂのプロセスにおいて、電極膜４、８を形成する前に、中間膜９をそれぞれ形成すればよい。中間膜の形成にはスパッタリング法などが用いられる。なお、中間膜もエピタキシャル成長させて形成する必要はない。

また、圧電デバイス１００Ｄを製造する際には、上述の圧電デバイス１００Ｂのプロセスにおいて、電極膜４、８を形成する前に、導電性酸化物膜１０及び中間膜９をこの順にそれぞれ形成すればよい。導電性酸化物膜１０の形成にはスパッタリング法などが用いられる。なお、導電性酸化物膜もエピタキシャル成長させて形成する必要はない。

この圧電デバイス１００Ａでは、電極膜４、８の成膜において基板加熱や低レートスパッタは必須条件ではなくなるため、成膜時間は従来の一層当たり１０〜２０分から大幅に短縮される。このプロセススループット向上と、電極膜４、８の材料費が低くなることの相乗効果で、圧電デバイスの製造コストは大きく改善する。

（実施例１）圧電デバイス１００Ａ
Ｓｉ基板１を４００℃に加熱した状態で、スパッタリング法によりＳｉ基板１の面方位に厚さ５０ｎｍのＰｔ膜をエピタキシャル成長させ、（１００）に優先配向した金属膜２をＳｉ基板１上に得た。Ｐｔ膜の成膜レートは０．２ｎｍ／ｓｅｃとした。そして、Ｓｉ基板１を５５０℃に加熱した状態で、圧電膜３としてスパッタリング法により金属膜２上に厚さ２０００ｎｍのニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）膜をエピタキシャル成長させ、（１１０）に優先配向した圧電膜３を得た。続いて、常温において、圧電膜３上に、厚さ２００ｎｍのＺｎ−Ａｌ合金（原子組成：Ｚｎ_８８Ａｌ_１２：ヤング率９０ＧＰａ：このヤング率は圧電膜３のヤング率よりも小さかった。抵抗率：６．３８×１０^−８Ωｍ）膜をスパッタリング法により成膜し、非晶質の電極膜４を得た。その後、エポキシ樹脂層７により電極膜４を、Ｓｉサポート基板５に接着した。その後、金属膜２からＳｉ基板１をＲＩＥによるエッチング処理により除去した。そして、金属膜２上に、スパッタリング法により常温において厚さ２００ｎｍのＺｎ−Ａｌ合金膜（組成及び性質は電極膜４と同じ）を形成し、非晶質の電極膜８を得た。電極膜８の成膜レートは２ｎｍ／ｓｅｃとした。

（実施例２）圧電デバイス１００Ｂ
Ｓｉ基板１の除去の際にＳｉ基板１に加えて金属膜２もエッチング処理する以外は、実施例１と同様にして、圧電デバイス１００Ｂを得た。

（実施例３）圧電デバイス１００Ｃ
圧電膜３と両電極膜４、８との間にＴｉから構成される厚さ５ｎｍの無配向構造の中間膜９をスパッタリング法により設ける以外は、実施例２と同様にして、圧電デバイス１００Ｃを得た。この構成により、電極膜４、８と圧電膜３との密着性の向上が図られた。

（実施例４）圧電デバイス１００Ｄ
中間膜９と圧電膜３との間に、それぞれ、ＳｒＲｕＯ_３から構成される厚さ２０ｎｍの無配向構造の導電性酸化物膜１０をスパッタリング法により設けた以外は実施例３と同様にして、圧電デバイス１００Ｄを得た。本実施例によれば、電極膜４、８と圧電膜３との密着性を上げつつ中間膜９と圧電膜３との酸化還元反応を抑制し、圧電膜３の化学的安定性によるデバイスの高信頼性を実現できた。

（実施例５）圧電デバイス１００Ａ’
電極膜４、８としてＡｌ_９５Ｃｕ_５合金を用いる以外は、実施例１と同様にして圧電デバイス１００Ａ’を得た。

（実施例６）圧電デバイス１００Ａ’’
電極膜４、８としてＴｉ_９０Ａｌ_６Ｖ_４合金を用いる以外は、実施例１と同様にして圧電デバイス１００Ａ’’を得た。

（実施例７）圧電デバイス１００Ａ’’’
電極膜４、８としてＭｇ_９６Ａｌ_４合金を用いる以外は、実施例１と同様にして圧電デバイス１００Ａ’’’を得た。

（比較例１）圧電デバイス
Ｓｉ基板１を４００℃に加熱した状態で、スパッタリング法によりＳｉ基板１の面方位に厚さ２００ｎｍのＰｔ膜をエピタキシャル成長させ、（１００）に優先配向した電極膜８’をＳｉ基板１上に得た。このときの成膜レートは０．２ｎｍ／ｓｅｃである。そして、Ｓｉ基板１を５５０℃に加熱した状態で、圧電膜３としてスパッタリング法により電極膜８’上に厚さ２０００ｎｍのニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）膜をエピタキシャル成長させ、（１１０）に優先配向した圧電膜３を得た。続いて、常温において、圧電膜３上に、厚さ２００ｎｍのＰｔ膜をスパッタリング法により成膜し、無配向の電極膜４を得た。その後、エポキシ樹脂層７により電極膜４を、Ｓｉサポート基板５に接着した。その後、電極膜８’から、Ｓｉ基板１をＲＩＥによるエッチング処理により除去した。得られたデバイスの構成を図４に示す。

実施例１および比較例１の圧電デバイスをパターニングして、可動部分寸法が１ｍｍ×２ｍｍである圧電可動部を形成し、サポート基板５を除去して、矩形の圧電デバイスを得た。これらの圧電デバイスを、フレキシブルケーブルによる配線を有するステンレス製の薄板に固定した後、それぞれの圧電デバイスの一対の電極膜に電圧を印加して、薄板の変位量を比較した。それぞれの圧電デバイスに対して、５ｋＨｚ、０〜１０ＶのＡＣ電圧を印加して変位させた。変位量は、予めステンレス製の薄板に設けておいたＡｕ膜にレーザ光を照射し、その反射光をレーザドップラー測定器で受光し、単位印加電圧あたりの変位量を計算して求めた。実施例１の圧電デバイスの変位量は１５．３ｎｍ／Ｖ、比較例１の圧電デバイスの変位量は１１．２ｎｍ／Ｖであった。また、実施例２〜５の圧電デバイスにおいても、実施例１と同様に、比較例よりも十分大きい変位量が得られた。

次に、実施例１及び比較例１の圧電デバイスの圧電膜の結晶性を比較した。測定方法はＸ線回折法であり、測定装置は（株）リガクのＡＴＸ−Ｅ、測定方法はＯｕｔｏｆＰｌａｎｅ法である。この条件で（１１０）配向のピーク強度が全ピーク強度にしめる割合を測定したところ、第１の実施例での膜構成では９２％であったのに対し、比較例の膜構成では６１％であった。

また、実施例１および比較例１の圧電デバイスにおいて、電極膜８、及び、電極膜８’の成膜時間は、それぞれ、１分４０秒、及び、約１７分であった。

２金属膜
３圧電膜
４第一電極膜
８第二電極膜
９中間膜
１０導電性酸化物膜
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ圧電デバイス

Claims

第一電極膜、
前記第一電極膜上に設けられた圧電膜、及び、
前記圧電膜上に設けられた第二電極膜
を備え、
前記第一及び第二電極膜の少なくとも一方は合金から構成され、前記合金の主成分はＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＺｎからなる群から選択される１つの金属である、
圧電デバイス。
前記合金はＴｉを前記主成分として含む合金である請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金の前記主成分はＴｉであり、及び、前記合金がＡｌを副成分として含む請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金は９０〜９６ａｔ％のＴｉ、及び、４〜１０ａｔ％のＡｌを含む請求項３記載の圧電デバイス。
前記合金の前記主成分がＴｉであり、及び、前記合金がＡｌ及びＶを副成分として含む請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金は、９０〜９６ａｔ％のＴｉ、２〜７ａｔ％のＡｌ、及び、２〜５ａｔ％のＶを含む請求項４記載の圧電デバイス。
前記合金はＭｇを前記主成分として含む合金である請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金の前記主成分がＭｇであり、前記合金がＡｌを副成分として含む請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金は、９２〜９８ａｔ％のＭｇ、及び、２〜８ａｔ％のＡｌを含む請求項８記載の圧電デバイス。
前記合金はＡｌを前記主成分として含む合金である請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金の前記主成分がＡｌであり、前記合金がＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択される元素を副成分として含む請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金は、９０〜９９ａｔ％のＡｌ、および、１〜６ａｔ％のＣｕ、Ｍｇ及びＭｎから選択される１つの元素を含む請求項１１記載の圧電デバイス。
前記合金はＺｎを前記主成分として含む合金である請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金の前記主成分がＺｎであり、前記合金がＡｌを副成分として含む請求項１記載の圧電デバイス。
前記合金は、８０〜９２ａｔ％のＺｎ、及び、８〜２０ａｔ％のＡｌを含む請求項１４記載の圧電デバイス。
前記第一及び第二電極膜は無配向又は非晶質構造を有する請求項１記載の圧電デバイス。
前記圧電膜は、優先配向構造を有する請求項１記載の圧電デバイス。
前記圧電膜と、少なくとも１つの前記電極膜との間に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される元素から構成される中間膜をさらに備える請求項１記載の圧電デバイス。
前記圧電膜と、少なくとも１つの前記電極膜との間に、導電性酸化物膜をさらに備える請求項１８記載の圧電デバイス。