JP2022044257A - Piezoelectric film element and piezoelectric film vibrator - Google Patents

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信幸 曽山
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Abstract

To provide novel piezoelectric film element and piezoelectric film vibrator including an electrode whose conductivity decreases less easily even after heating under an oxidative atmosphere and a PZT piezoelectric film with high orientation and the excellent piezoelectric characteristic.SOLUTION: A piezoelectric film element includes a substrate, a first electrode layer including ruthenium and/or ruthenium oxide disposed on the substrate, an oxide layer with a perovskite structure oriented on a (100) surface disposed on the first electrode layer, and a piezoelectric film with a perovskite structure containing zinc, zirconium, and titanium disposed on the oxide layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電膜素子及び圧電膜振動子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric membrane element and a piezoelectric membrane oscillator.

圧電膜と、圧電膜の上下の面に形成された電極とを有する圧電膜振動子は、振動発電素子、センサ、アクチュエータ、インクジェットヘッド、オートフォーカスなどの様々な圧電デバイスに利用されている。圧電膜としては、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)を含むペロブスカイト結晶を有するPZT系圧電膜が広く利用されている。このPZT系圧電膜の製造方法としては、CSD法(chemical solution deposition:化学溶液体積法あるいはゾルゲル法ともいう)が知られている(特許文献1)。 Piezoelectric membrane oscillators having a piezoelectric film and electrodes formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric film are used in various piezoelectric devices such as vibration power generation elements, sensors, actuators, inkjet heads, and autofocus. As the piezoelectric film, a PZT-based piezoelectric film having a perovskite crystal containing lead (Pb), zirconium (Zr), and titanium (Ti) is widely used. As a method for producing this PZT-based piezoelectric film, a CSD method (chemical solution deposition: also referred to as a chemical solution volume method or a sol-gel method) is known (Patent Document 1).

CSD法は、目的組成の金属元素を含む前駆体溶液(あるいはゾルゲル液)を、基板の表面に塗布し、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で加熱することよって圧電膜を成膜する方法である。CSD法は、スパッタリング法と比較して、高真空を必要とせず、比較的小型の装置を用いて、圧電膜を製造することができる点において有利な方法である。 The CSD method is a method in which a precursor solution (or a sol-gel solution) containing a metal element having a target composition is applied to the surface of a substrate, and the obtained coating film is heated in an oxidizing atmosphere to form a piezoelectric film. be. The CSD method is an advantageous method in that a piezoelectric film can be manufactured by using a relatively small device without requiring a high vacuum as compared with the sputtering method.

CSD法を利用したPZT系圧電膜振動子の製造は、例えば、次のようにして行われる。先ず、第一電極層の上に、前駆体溶液を塗布し、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で、PZT系圧電膜を生成する温度で加熱する。これによって、第一電極層とPZT系圧電膜とを含む圧電膜素子を得る。次いで、圧電膜素子のPZT系圧電膜の上に、第二電極層を形成して、PZT系圧電膜振動子を得る。このPZT系圧電膜振動子の製造では、第一電極層は、酸化雰囲気下で加熱したときに導電性が低下しにくいことが必要となる。このため、第一電極層の材料としては、酸化雰囲気下で加熱したときに酸化が起こりにくい白金が用いられている。白金は、加熱によるPZT系圧電膜の生成時には、核形成を促す作用があり、配向性が高く、圧電特性に優れるPZT系圧電膜を生成させるという作用もある。 The production of the PZT-based piezoelectric membrane oscillator using the CSD method is performed, for example, as follows. First, the precursor solution is applied onto the first electrode layer, and the obtained coating film is heated in an oxidizing atmosphere at a temperature at which a PZT-based piezoelectric film is formed. As a result, a piezoelectric film element including the first electrode layer and the PZT-based piezoelectric film is obtained. Next, a second electrode layer is formed on the PZT-based piezoelectric film of the piezoelectric film element to obtain a PZT-based piezoelectric film oscillator. In the manufacture of this PZT-based piezoelectric membrane oscillator, it is necessary that the first electrode layer does not easily lose its conductivity when heated in an oxidizing atmosphere. Therefore, as the material of the first electrode layer, platinum, which is less likely to be oxidized when heated in an oxidizing atmosphere, is used. Platinum has the effect of promoting nucleation when the PZT-based piezoelectric film is formed by heating, and also has the effect of forming a PZT-based piezoelectric film having high orientation and excellent piezoelectric characteristics.

特開2018-148113号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-148113

電極の材料選択の幅を広げるために、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくく、白金を用いた場合と同等の配向性を有するPZT系圧電膜を生成させることができる電極材料が開発できれば望ましい。しかしながら、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい電極材料は、PZT系圧電膜の核形成を促す作用が低く、CSD法によっては配向性が高いPZT系圧電膜を生成させるのが難しい傾向がある。 In order to broaden the range of electrode material selection, an electrode material that does not easily lose its conductivity even when heated in an oxidizing atmosphere and can generate a PZT-based piezoelectric film having the same orientation as when platinum is used. It is desirable if can be developed. However, the electrode material whose conductivity does not easily decrease even when heated in an oxidizing atmosphere has a low effect of promoting the formation of nuclei of the PZT-based piezoelectric film, and depending on the CSD method, it is possible to generate a PZT-based piezoelectric film having high orientation. It tends to be difficult.

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい電極と、配向性が高く、圧電特性に優れるPZT系圧電膜とを有する新規な圧電膜素子及び圧電膜振動子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object thereof is an electrode whose conductivity does not easily decrease even when heated in an oxidizing atmosphere, and a PZT-based piezoelectric material having high orientation and excellent piezoelectric characteristics. It is an object of the present invention to provide a novel piezoelectric film element having a film and a piezoelectric film oscillator.

上記の課題を解決するために、本発明の圧電膜素子は、基板と、前記基板の上に配置されたルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含む第一電極層と、前記第一電極層の上に配置された(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物層と、前記酸化物層の上に配置された鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト構造を有する圧電膜と、を含む。 In order to solve the above problems, the piezoelectric film element of the present invention is placed on a substrate, a first electrode layer containing ruthenium and / or ruthenium oxide arranged on the substrate, and the first electrode layer. It includes an oxide layer having a perovskite structure oriented on the arranged (100) plane, and a piezoelectric film having a perovskite structure containing lead, zirconium and titanium arranged on the oxide layer.

本発明の圧電膜素子によれば、第一電極層が、ルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含むので、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい。また、第一電極層の上に(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物を含む酸化物層が配置されているので、酸化物層の上にCSD法により鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト構造を有するPZT系圧電膜を成膜すると、(100)面の配向性が高く、圧電特性に優れるPZT系圧電膜を生成させることが可能となる。 According to the piezoelectric film element of the present invention, since the first electrode layer contains ruthenium and / or ruthenium oxide, the conductivity is unlikely to decrease even when heated in an oxidizing atmosphere. Further, since an oxide layer containing an oxide having a perovskite structure oriented in the (100) plane is arranged on the first electrode layer, lead, zirconate and titanium are contained on the oxide layer by the CSD method. When a PZT-based piezoelectric film having a perovskite structure is formed, it becomes possible to generate a PZT-based piezoelectric film having high orientation of the (100) plane and excellent piezoelectric characteristics.

ここで、本発明の圧電膜素子においては、前記第一電極層の厚さが、50nm以上400nm以下の範囲内にあることが好ましい。
この場合、第一電極層の耐電圧特性が向上するので、この圧電膜素子を用いた圧電膜振動子は、絶縁破壊耐圧が高くなる。
Here, in the piezoelectric film element of the present invention, it is preferable that the thickness of the first electrode layer is in the range of 50 nm or more and 400 nm or less.
In this case, since the withstand voltage characteristic of the first electrode layer is improved, the piezoelectric membrane oscillator using this piezoelectric membrane element has a high dielectric breakdown withstand voltage.

また、本発明の圧電膜素子においては、前記酸化物層が、ニッケル酸ランタン又はペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートを含むことが好ましい。
この場合、ニッケル酸ランタン及びペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートは(100)面の配向性が高いので、酸化物層がこれらの酸化物を含むことによって、PZT系圧電膜の(100)面の配向性がより確実に高くなり、圧電特性がより向上する。
Further, in the piezoelectric film element of the present invention, it is preferable that the oxide layer contains an oxide nanosheet having a lanthanum nickelate or a perovskite structure.
In this case, the oxide nanosheet having a lanthanum nickate and a perovskite structure has a high orientation of the (100) plane. Therefore, the oxide layer contains these oxides, so that the orientation of the (100) plane of the PZT-based piezoelectric film is high. The property is more reliably improved, and the piezoelectric characteristics are further improved.

本発明の圧電膜振動子は、上述の圧電膜素子と、前記圧電膜素子の前記圧電膜の上に配置された第二電極と、を備える。 The piezoelectric membrane oscillator of the present invention includes the above-mentioned piezoelectric film element and a second electrode arranged on the piezoelectric film of the piezoelectric film element.

本発明の圧電膜振動子によれば、上述の圧電膜素子の圧電膜の上に第二電極を配置しているので、第一電極層は酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくく、PZT系圧電膜は配向性が高い。よって、本発明の圧電膜振動子は、圧電特性に優れたものとなる。 According to the piezoelectric film transducer of the present invention, since the second electrode is arranged on the piezoelectric film of the above-mentioned piezoelectric film element, the conductivity of the first electrode layer is lowered even when heated in an oxidizing atmosphere. It is difficult, and the PZT-based piezoelectric film has high orientation. Therefore, the piezoelectric membrane oscillator of the present invention has excellent piezoelectric characteristics.

本発明によれば、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい電極と、配向性が高く、圧電特性に優れるPZT系圧電膜とを有する新規な圧電膜素子及び圧電膜振動子を提供することが可能となる。 According to the present invention, a novel piezoelectric membrane element and a piezoelectric membrane oscillator having an electrode whose conductivity does not easily decrease even when heated in an oxidizing atmosphere and a PZT-based piezoelectric membrane having high orientation and excellent piezoelectric characteristics can be obtained. It will be possible to provide.

本発明の一実施形態に係るPZT系圧電膜振動子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the PZT-based piezoelectric membrane oscillator which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明例1で得られたPZT圧電膜素子と比較例1で得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜のX線回折パターンである。It is an X-ray diffraction pattern of the PZT piezoelectric film of the PZT piezoelectric film element obtained in Example 1 of this invention and the PZT piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1. 本発明例1で得られたPZT圧電膜素子のSEM写真であり、(a)は断面のSEM写真であり、(b)はPZT圧電膜の表面のSEM写真である。It is an SEM photograph of the PZT piezoelectric film element obtained in Example 1 of the present invention, (a) is an SEM photograph of a cross section, and (b) is an SEM photograph of the surface of a PZT piezoelectric film. 比較例1で得られたPZT圧電膜素子のSEM写真であり、(a)は断面のSEM写真であり、(b)はPZT圧電膜の表面のSEM写真である。It is the SEM photograph of the PZT piezoelectric film element obtained in the comparative example 1, (a) is the SEM photograph of the cross section, and (b) is the SEM photograph of the surface of the PZT piezoelectric film.

以下に、本発明の一実施形態に係るPZT系圧電膜素子及びPZT系圧電膜振動子について、添付した図面を参照して説明する。 Hereinafter, the PZT-based piezoelectric membrane element and the PZT-based piezoelectric membrane oscillator according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るPZT系圧電膜振動子の概略断面図である。
図1に示すように、PZT系圧電膜振動子10は、基板11と、基板11の上に配置された第一電極層12と、第一電極層12の上に配置された酸化物層13と、酸化物層13の上に配置されたPZT系圧電膜14と、PZT系圧電膜14の上に配置された第二電極層16と、を含む。基板11、第一電極層12、酸化物層13及びPZT系圧電膜14は、PZT系圧電膜素子15を構成する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a PZT-based piezoelectric membrane oscillator according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the PZT-based piezoelectric film transducer 10 includes a substrate 11, a first electrode layer 12 arranged on the substrate 11, and an oxide layer 13 arranged on the first electrode layer 12. A PZT-based piezoelectric film 14 arranged on the oxide layer 13, and a second electrode layer 16 arranged on the PZT-based piezoelectric film 14 are included. The substrate 11, the first electrode layer 12, the oxide layer 13, and the PZT-based piezoelectric film 14 constitute the PZT-based piezoelectric film element 15.

基板11としては、シリコン基板、ステンレス鋼基板、アルミナ基板等を用いることができる。シリコン基板を用いる場合は、PZT系圧電膜14の構成元素(特に、鉛)の拡散を抑制するために、シリコン基板の表面を熱酸化させることにより、シリコン基板の表面に熱酸化膜(SiOx膜)を形成することが望ましい。耐熱性基板は、さらに、第一電極層12との密着性を向上させるために、密着層を有していてもよい。密着層としては、チタン膜あるいはチタン酸化膜(TiOx膜)を用いることができる。チタン膜は、例えば、スパッタリング法によって製膜することができる。チタン酸化膜は、例えば、チタン膜を大気雰囲気中、700℃以上800℃以下の温度で1~3分間保持して焼成することにより成膜することができる。 As the substrate 11, a silicon substrate, a stainless steel substrate, an alumina substrate, or the like can be used. When a silicon substrate is used, a thermal oxide film (SiOx film) is formed on the surface of the silicon substrate by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate in order to suppress the diffusion of the constituent elements (particularly lead) of the PZT-based piezoelectric film 14. ) Is desirable. The heat-resistant substrate may further have an adhesion layer in order to improve the adhesion with the first electrode layer 12. As the adhesion layer, a titanium film or a titanium oxide film (diox film) can be used. The titanium film can be formed by, for example, a sputtering method. The titanium oxide film can be formed, for example, by holding the titanium film in an atmospheric atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower for 1 to 3 minutes and firing it.

第一電極層12は、ルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含む。第一電極層12は、ルテニウムの単層体であってもよいし、酸化ルテニウム単層体であってもよいし、またルテニウム層と酸化ルテニウム層とを積層した積層体であってもよい。ルテニウムは、酸化物の状態でも導電性を有する。このため、第一電極層12は、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい。第一電極層12は、厚さが50nm以上400nm以下の範囲内にあることが好ましい。 The first electrode layer 12 contains ruthenium and / or ruthenium oxide. The first electrode layer 12 may be a ruthenium single layer, a ruthenium oxide single layer, or a laminated body in which a ruthenium layer and a ruthenium oxide layer are laminated. Ruthenium has conductivity even in the form of an oxide. Therefore, the conductivity of the first electrode layer 12 is unlikely to decrease even when heated in an oxidizing atmosphere. The thickness of the first electrode layer 12 is preferably in the range of 50 nm or more and 400 nm or less.

酸化物層13は、(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物を含む。酸化物層13は、ニッケル酸ランタン又はペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートを含むことが好ましい。酸化物ナノシートは、ペロブスカイト構造を有する酸化物の単結晶ナノシートであることが好ましく、ニオブ酸カルシウムナノシートであることが特に好ましい。酸化物層13の厚さは、特に制限はないが、一般に10nm以上50nm以下の範囲内にある。 The oxide layer 13 contains an oxide having a perovskite structure oriented in the (100) plane. The oxide layer 13 preferably contains an oxide nanosheet having a lanthanum nickelate or a perovskite structure. The oxide nanosheet is preferably a single crystal nanosheet of an oxide having a perovskite structure, and particularly preferably a calcium niobate nanosheet. The thickness of the oxide layer 13 is not particularly limited, but is generally in the range of 10 nm or more and 50 nm or less.

PZT系圧電膜14は、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)を含むペロブスカイト構造を有する膜である。PZT系圧電膜14の例としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)圧電膜、PNbZT(ニオブドープチタン酸ジルコン酸鉛)圧電膜、PLZT(ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛)圧電膜等が挙げられる。PZT系圧電膜14は(100)面に配向していることが好ましい。PZT系圧電膜14の厚さは、特に制限はないが、一般に200nm以上5000nm以下の範囲内にある。 The PZT-based piezoelectric film 14 is a film having a perovskite structure containing lead (Pb), zirconium (Zr), and titanium (Ti). Examples of the PZT-based piezoelectric film 14 include a PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric film, a PNbZT (lead niob-doped lead zirconate titanate) piezoelectric film, and a PLZT (lead lanthanate-doped lead zirconate titanate) piezoelectric film. .. The PZT-based piezoelectric film 14 is preferably oriented on the (100) plane. The thickness of the PZT-based piezoelectric film 14 is not particularly limited, but is generally in the range of 200 nm or more and 5000 nm or less.

第二電極層16の材料は、特に制限ない。第二電極層16は、第一電極層12と同様に、ルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含むものであってもよい。また、第二電極層16は、白金などの圧電膜振動子の電極として利用されている金属を含むものであってもよい。第二電極層16は、厚さが50nm以上400nm以下の範囲内にあることが好ましい。 The material of the second electrode layer 16 is not particularly limited. The second electrode layer 16 may contain ruthenium and / or ruthenium oxide in the same manner as the first electrode layer 12. Further, the second electrode layer 16 may contain a metal used as an electrode of a piezoelectric membrane oscillator such as platinum. The thickness of the second electrode layer 16 is preferably in the range of 50 nm or more and 400 nm or less.

次に、本実施形態のPZT系圧電膜振動子10の製造方法について説明する。
PZT系圧電膜振動子10の製造方法は、PZT系圧電膜素子15の作製工程と、PZT系圧電膜素子15のPZT系圧電膜14の上に、第二電極層16を形成する第二電極層形成工程とを含む。PZT系圧電膜素子15の作製工程は、基板11の上に第一電極層12を形成する第一電極層形成工程と、第一電極層12の上に酸化物層13を形成する酸化物層形成工程と、酸化物層13の上にPZT系圧電膜14を形成するPZT系圧電膜形成工程とを含む。
Next, a method for manufacturing the PZT-based piezoelectric membrane oscillator 10 of the present embodiment will be described.
The method for manufacturing the PZT-based piezoelectric film oscillator 10 includes a step of manufacturing the PZT-based piezoelectric film element 15 and a second electrode that forms a second electrode layer 16 on the PZT-based piezoelectric film 14 of the PZT-based piezoelectric film element 15. Includes a layer forming step. The manufacturing process of the PZT-based piezoelectric film element 15 includes a first electrode layer forming step of forming the first electrode layer 12 on the substrate 11 and an oxide layer forming the oxide layer 13 on the first electrode layer 12. It includes a forming step and a PZT-based piezoelectric film forming step of forming the PZT-based piezoelectric film 14 on the oxide layer 13.

第一電極層形成工程では、基板11の上に第一電極層12を形成して、電極付き基板を作製する。第一電極層12の形成方法は、特に制限はない。例えば、第一電極層12がルテニウムを含む場合は、ルテニウムターゲットを用いたDCスパッタリング法を用いることができる。また、第一電極層12が酸化ルテニウムを含む場合は、例えば、ルテニウムターゲットを用いたDCスパッタリング法を用いて形成したルテニウム膜を酸化雰囲気中で加熱して酸化させる方法を用いることができる。酸化雰囲気は、酸素あるいは酸素含む気体(例えば、空気)中である。 In the first electrode layer forming step, the first electrode layer 12 is formed on the substrate 11 to produce a substrate with electrodes. The method for forming the first electrode layer 12 is not particularly limited. For example, when the first electrode layer 12 contains ruthenium, a DC sputtering method using a ruthenium target can be used. When the first electrode layer 12 contains ruthenium oxide, for example, a method of heating and oxidizing a ruthenium film formed by a DC sputtering method using a ruthenium target in an oxidizing atmosphere can be used. The oxidizing atmosphere is in oxygen or a gas containing oxygen (eg, air).

酸化物層形成工程では、電極付き基板の第一電極層12の上に酸化物層13を形成する。酸化物層13の形成方法は、特に制限はない。例えば、酸化物層13がニッケル酸ランタンを含む場合は、ゾルゲル法を用いることができる。ゾルゲル法は、電極付き基板の第一電極層12の上に、ニッケル酸ランタン溶液を塗布し、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で加熱する方法である。ニッケル酸ランタン溶液の塗布方法としては、スピンコート法、ディップ法を用いることができる。酸化物層13がペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートを含む場合は、塗布法もしくは電着法を用いることができる。塗布法は、電極付き基板の第一電極層12の上に、酸化物ナノシートが分散された酸化物ナノシート分散液を塗布し、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で加熱する方法である。酸化物ナノシート分散液の塗布方法としては、スピンコート法、ディップ法を用いることができる。電着法は、先ず、酸化物ナノシート分散液に、電極付き基板と対極とを浸漬する。次いで、電極付き基板の第一電極層12と対極とに直流電源を接続し、第一電極層12を正極とし、対極を負極として電圧を印加して、第一電極層12に酸化物ナノシートを電着させる。そして、酸化物ナノシートを電着させた電極付き基板を加熱して、第一電極層12に酸化物ナノシートを焼き付ける。酸化物ナノシート分散液は、公知の方法を用いて調製することができる。例えば、ニオブ酸カルシウムナノシート分散液の調製方法は、Solid State Ionics, 151, 177(2002)に記載されている方法を用いることできる。 In the oxide layer forming step, the oxide layer 13 is formed on the first electrode layer 12 of the substrate with electrodes. The method for forming the oxide layer 13 is not particularly limited. For example, when the oxide layer 13 contains lanthanum nickelate, the sol-gel method can be used. The sol-gel method is a method in which a lanthanum nickel acid solution is applied onto the first electrode layer 12 of a substrate with an electrode, and the obtained coating film is heated in an oxidizing atmosphere. As a method for applying the lanthanum nickel acid solution, a spin coating method or a dip method can be used. When the oxide layer 13 contains an oxide nanosheet having a perovskite structure, a coating method or an electrodeposition method can be used. The coating method is a method in which an oxide nanosheet dispersion liquid in which oxide nanosheets are dispersed is coated on a first electrode layer 12 of a substrate with an electrode, and the obtained coating film is heated in an oxidizing atmosphere. As a method for applying the oxide nanosheet dispersion liquid, a spin coating method or a dip method can be used. In the electrodeposition method, first, a substrate with an electrode and a counter electrode are immersed in an oxide nanosheet dispersion. Next, a DC power supply is connected to the first electrode layer 12 and the counter electrode of the substrate with electrodes, a voltage is applied with the first electrode layer 12 as the positive electrode and the counter electrode as the negative electrode, and the oxide nanosheet is formed on the first electrode layer 12. Electrode electrodeposition. Then, the substrate with electrodes on which the oxide nanosheets are electrodeposited is heated to bake the oxide nanosheets on the first electrode layer 12. The oxide nanosheet dispersion can be prepared by using a known method. For example, as a method for preparing a calcium niobate nanosheet dispersion, the method described in Solid State Ionics, 151, 177 (2002) can be used.

PZT系圧電膜形成工程では、電極付き基板の酸化物層13の上にPZT系圧電膜14を形成する。PZT系圧電膜14は、CSD法を用いて形成することができる。CSD法は、電極付き基板の酸化物層13の上に、PZT系圧電体前駆体溶液を塗布し、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で加熱することよってPZT系圧電膜を成膜する方法である。PZT系圧電体前駆体溶液は、酸化雰囲気下で加熱することによってPZT系圧電体を生成する液体である。酸化物層13は、(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物を含むので、PZT系圧電体前駆体溶液の塗布膜を加熱することによって、(100)面に配向したPZT系圧電膜14を成膜することができる。PZT系圧電体前駆体溶液の塗布方法としては、スピンコート法、ディップ法を用いることができる。また、PZT系圧電膜形成工程では、所望の厚さのPZT系圧電膜14が得られるまで、PZT系圧電体前駆体溶液を塗布する工程と、得られた塗布膜を酸化雰囲気下で加熱する工程とを繰り返し行なってもよい。こうして、PZT系圧電膜素子15が得られる。 In the PZT-based piezoelectric film forming step, the PZT-based piezoelectric film 14 is formed on the oxide layer 13 of the substrate with electrodes. The PZT-based piezoelectric film 14 can be formed by using the CSD method. The CSD method is a method of forming a PZT-based piezoelectric film by applying a PZT-based piezoelectric precursor solution on the oxide layer 13 of a substrate with electrodes and heating the obtained coating film in an oxidizing atmosphere. Is. The PZT-based piezoelectric precursor solution is a liquid that produces a PZT-based piezoelectric substance by heating in an oxidizing atmosphere. Since the oxide layer 13 contains an oxide having a perovskite structure oriented on the (100) plane, the PZT-based piezoelectric film oriented on the (100) plane is formed by heating the coating film of the PZT-based piezoelectric precursor solution. 14 can be formed. As a method for applying the PZT-based piezoelectric precursor solution, a spin coating method or a dip method can be used. Further, in the PZT-based piezoelectric film forming step, the step of applying the PZT-based piezoelectric precursor solution and the obtained coating film are heated in an oxidizing atmosphere until the PZT-based piezoelectric film 14 having a desired thickness is obtained. The process may be repeated. In this way, the PZT-based piezoelectric film element 15 is obtained.

第二電極層形成工程では、PZT系圧電膜素子15のPZT系圧電膜14の上に第二電極層16を形成して、PZT系圧電膜振動子10を作製する。第二電極層16の形成方法は、特に制限はない。例えば、第二電極層16がルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含む場合は、上述の第一電極層12の場合と同様にして形成することができる。また、第二電極層16が白金を含む場合は、例えば、白金ターゲットを用いたDCスパッタリング法を用いることができる。 In the second electrode layer forming step, the second electrode layer 16 is formed on the PZT-based piezoelectric film 14 of the PZT-based piezoelectric film element 15, and the PZT-based piezoelectric film oscillator 10 is manufactured. The method for forming the second electrode layer 16 is not particularly limited. For example, when the second electrode layer 16 contains ruthenium and / or ruthenium oxide, it can be formed in the same manner as in the case of the first electrode layer 12 described above. When the second electrode layer 16 contains platinum, for example, a DC sputtering method using a platinum target can be used.

以上のような構成とされた本実施形態のPZT系圧電膜素子15によれば、第一電極層12が、ルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含むので、酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくい。また、第一電極層12の上に(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物を含む酸化物層13が配置されているので、酸化物層13の上にCSD法によりPZT系圧電膜14を成膜すると、(100)面の配向性が高く、圧電特性に優れるPZT系圧電膜14を生成させることが可能となる。 According to the PZT-based piezoelectric film element 15 of the present embodiment having the above configuration, since the first electrode layer 12 contains ruthenium and / or ruthenium oxide, the conductivity is high even when heated in an oxidizing atmosphere. Hard to drop. Further, since the oxide layer 13 containing an oxide having a perovskite structure oriented in the (100) plane is arranged on the first electrode layer 12, the PZT-based piezoelectric film is placed on the oxide layer 13 by the CSD method. When the film 14 is formed, it becomes possible to form the PZT-based piezoelectric film 14 having high orientation of the (100) plane and excellent piezoelectric characteristics.

また、本実施形態のPZT系圧電膜素子15において、第一電極層12の厚さが50nm以上400nm以下の範囲内にある場合は、第一電極層12の耐電圧特性が向上する。このため、このPZT系圧電膜素子15を用いたPZT系圧電膜振動子10は、絶縁破壊耐圧が高くなる。 Further, in the PZT-based piezoelectric film element 15 of the present embodiment, when the thickness of the first electrode layer 12 is within the range of 50 nm or more and 400 nm or less, the withstand voltage characteristic of the first electrode layer 12 is improved. Therefore, the PZT-based piezoelectric membrane oscillator 10 using the PZT-based piezoelectric membrane element 15 has a high dielectric breakdown withstand voltage.

また、本実施形態のPZT系圧電膜素子15において、酸化物層13がニッケル酸ランタン又はペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートを含む場合は、酸化物層13の(100)面の配向性が高くなる。よって、酸化物層13がこれらの酸化物を含むことによって、PZT系圧電膜14の(100)面の配向性がより確実に高くなり、圧電特性がより向上する。 Further, in the PZT-based piezoelectric film element 15 of the present embodiment, when the oxide layer 13 contains an oxide nanosheet having a lanthanum nickelate or a perovskite structure, the orientation of the (100) plane of the oxide layer 13 becomes high. .. Therefore, when the oxide layer 13 contains these oxides, the orientation of the (100) plane of the PZT-based piezoelectric film 14 is more reliably increased, and the piezoelectric characteristics are further improved.

本実施形態のPZT系圧電膜振動子10によれば、PZT系圧電膜素子15と、PZT系圧電膜素子15のPZT系圧電膜14の上に配置された第二電極層16とを備えるので、第一電極層12は酸化雰囲気下で加熱しても導電性が低下しにくく、PZT系圧電膜14は配向性が高い。よって、本実施形態のPZT系圧電膜振動子10は、圧電特性に優れたものとなる。 According to the PZT-based piezoelectric film transducer 10 of the present embodiment, the PZT-based piezoelectric film element 15 and the second electrode layer 16 arranged on the PZT-based piezoelectric film 14 of the PZT-based piezoelectric film element 15 are provided. The first electrode layer 12 does not easily lose its conductivity even when heated in an oxidizing atmosphere, and the PZT-based piezoelectric film 14 has high orientation. Therefore, the PZT-based piezoelectric membrane oscillator 10 of the present embodiment has excellent piezoelectric characteristics.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.

[本発明例1]
基板として、シリコン基板を用意した。用意したシリコン基板の表面に熱酸化により厚さ500nmの熱酸化膜を形成した。次いで、この熱酸化膜上にスパッタリング法により厚さ20nmのチタン膜を形成した後、赤外線急速加熱処理(RTA)を用いて、酸化雰囲気中で700℃に1分間保持して焼成することにより、チタン膜を酸化させてチタン酸化膜を形成した。次に、このチタン酸化膜の表面に、DCスパッタリング法によりルテニウム電極(第一電極層)を100nmの厚さで形成して電極付きシリコン基板を得た。なお、ルテニウム電極の厚さは、分光エリプソメーターを用いて測定した。
[Example 1 of the present invention]
A silicon substrate was prepared as the substrate. A thermal oxide film having a thickness of 500 nm was formed on the surface of the prepared silicon substrate by thermal oxidation. Next, a titanium film having a thickness of 20 nm was formed on the thermal oxide film by a sputtering method, and then the titanium film was held at 700 ° C. for 1 minute in an oxidizing atmosphere using infrared rapid heat treatment (RTA) and fired. The titanium oxide film was oxidized to form a titanium oxide film. Next, a ruthenium electrode (first electrode layer) having a thickness of 100 nm was formed on the surface of this titanium oxide film by a DC sputtering method to obtain a silicon substrate with an electrode. The thickness of the ruthenium electrode was measured using a spectroscopic ellipsometer.

得られた電極付きシリコン基板のルテニウム電極の上に、濃度4質量%のニッケル酸ランタン(LaNiO)溶液を4000rpmの回転速度で15秒間スピンコートして塗布した。ニッケル酸ランタン溶液を塗布した電極付きシリコン基板を、ホットプレートを用いて400℃で5分間仮焼成し、次いで、赤外線急速加熱炉を用いて、酸化雰囲気下、50℃/秒の昇温速度で700℃まで昇温した後、700℃で1分間焼成した。こうして、電極付きシリコン基板のルテニウム電極の上に、ニッケル酸ランタン層(シード層)を形成した。得られたニッケル酸ランタン層のX線回折パターンを、X線光源にCu-Kαを用いて測定した結果、ニッケル酸ランタン層は(100)面に配向したペロブスカイト構造を有することが確認された。また、得られたニッケル酸ランタン層の膜厚を、分光エリプソメーターを用いて測定したところ、15nmであった。 A solution of lanthanum nickelate (LaNiO 3 ) having a concentration of 4% by mass was spin-coated on the ruthenium electrode of the obtained silicon substrate with an electrode at a rotation speed of 4000 rpm for 15 seconds. A silicon substrate with electrodes coated with a lanthanum nickelate solution was tentatively fired at 400 ° C. for 5 minutes using a hot plate, and then using an infrared rapid heating furnace at a heating rate of 50 ° C./sec under an oxidizing atmosphere. After raising the temperature to 700 ° C., the mixture was fired at 700 ° C. for 1 minute. In this way, a lanthanum nickelate layer (seed layer) was formed on the ruthenium electrode of the silicon substrate with electrodes. As a result of measuring the X-ray diffraction pattern of the obtained nickel acid lanthanum layer using Cu—Kα as an X-ray light source, it was confirmed that the nickel acid lanthanum layer had a perovskite structure oriented in the (100) plane. The film thickness of the obtained lanthanum nickate layer was measured using a spectroscopic ellipsometer and found to be 15 nm.

次に、電極付きシリコン基板のニッケル酸ランタン層の上に、PZT圧電体前駆体溶液(三菱マテリアル株式会社製、PZT-N液、組成:110/52/48=Pb/Zr/Ti)を2500rpmの回転速度で30秒間スピンコートして塗布した。PZT圧電体前駆体溶液を塗布した電極付きシリコン基板を、ホットプレートを用いて275℃で5分間仮焼成し、次いで、赤外線急速加熱炉を用いて、酸化雰囲気下、50℃/秒の昇温速度で700℃まで昇温した後、700℃で1分間焼成した。このPZT圧電体前駆体溶液の塗布と焼成を5回行った。こうして、ルテニウム電極と、ニッケル酸ランタン層と、PZT圧電膜とを含むPZT圧電膜素子を得た。得られたPZT圧電膜の膜厚を、分光エリプソメーターを用いて測定したところ、1000nmであった。 Next, a PZT piezoelectric precursor solution (PZT-N solution, composition: 110/52/48 = Pb / Zr / Ti) manufactured by Mitsubishi Materials Corporation was applied at 2500 rpm on the nickel acid lanthanum layer of the silicon substrate with electrodes. It was applied by spin coating for 30 seconds at the rotation speed of. A silicon substrate with electrodes coated with a PZT piezoelectric precursor solution is calcined at 275 ° C. for 5 minutes using a hot plate, and then heated to 50 ° C./sec in an oxidizing atmosphere using an infrared rapid heating furnace. After raising the temperature to 700 ° C. at a rate, firing was performed at 700 ° C. for 1 minute. The PZT piezoelectric precursor solution was applied and fired 5 times. In this way, a PZT piezoelectric film element including a ruthenium electrode, a lanthanum nickelate layer, and a PZT piezoelectric film was obtained. The film thickness of the obtained PZT piezoelectric film was measured using a spectroscopic ellipsometer and found to be 1000 nm.

得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜の上に、DCスパッタリング法により白金電極(第二電極層)を形成して、PZT圧電膜振動子を得た。 A platinum electrode (second electrode layer) was formed on the PZT piezoelectric film of the obtained PZT piezoelectric film element by a DC sputtering method to obtain a PZT piezoelectric film oscillator.

[本発明例2~5]
ルテニウム電極(第一電極層)の厚さを、下記の表1に記載の厚さに変えたこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。
[Examples 2 to 5 of the present invention]
A PZT piezoelectric film element and a PZT piezoelectric film oscillator were produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that the thickness of the ruthenium electrode (first electrode layer) was changed to the thickness shown in Table 1 below. ..

[本発明例6]
ニッケル酸ランタン層の代わりに、ニオブ酸カルシウム(CaNb10)のナノシート層を形成したこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。ニオブ酸カルシウムナノシート層は、次のようにして形成した。
ニオブ酸カルシウムナノシート分散液に、電極付きシリコン基板と、対極(SUS304)とを浸漬した。次いで、電極付きシリコン基板のルテニウム電極(第一電極層)と対極とに直流電源を接続した。ルテニウム電極を正極とし、対極を負極として、100Vの電圧を印加して、ニオブ酸カルシウムナノシートを、ルテニウム電極に電着させた。ニオブ酸カルシウムナノシートを電着させた電極付きシリコン基板を、ホットプレートを用いて100℃で5分間加熱して、ニオブ酸カルシウムナノシートを、ルテニウム電極を焼き付けた。ニオブ酸カルシウムナノシート分散液は、Solid State Ionics, 151, 177(2002)に記載されている方法に従って調製した。得られたニオブ酸カルシウムのナノシート層のX線回折パターンを、X線光源にCu-Kαを用いて測定した結果、ニオブ酸カルシウムのナノシート層は(100)面に配向したペロブスカイト構造を有することが確認された。
[Example 6 of the present invention]
A PZT piezoelectric film element and a PZT piezoelectric film oscillator were produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that a nanosheet layer of calcium niobate (Ca 2 Nb 3 O 10 ) was formed instead of the nickel acid lanthanum layer. .. The calcium niobate nanosheet layer was formed as follows.
A silicon substrate with an electrode and a counter electrode (SUS304) were immersed in a calcium niobate nanosheet dispersion. Next, a DC power supply was connected to the ruthenium electrode (first electrode layer) of the silicon substrate with an electrode and the counter electrode. A voltage of 100 V was applied with the ruthenium electrode as the positive electrode and the counter electrode as the negative electrode, and the calcium niobate nanosheet was electrodeposited on the ruthenium electrode. A silicon substrate with an electrode electrodeposited with calcium niobate nanosheets was heated at 100 ° C. for 5 minutes using a hot plate, and the calcium niobium nanosheets were baked with ruthenium electrodes. Calcium niobate nanosheet dispersions were prepared according to the method described in Solid State Ionics, 151, 177 (2002). As a result of measuring the X-ray diffraction pattern of the obtained calcium niobate nanosheet layer using Cu—Kα as an X-ray light source, the calcium niobate nanosheet layer has a perovskite structure oriented in the (100) plane. confirmed.

[本発明例7]
シリコン基板の代わりに、SUS304基板を用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。
[Example 7 of the present invention]
The PZT piezoelectric membrane element and the PZT piezoelectric membrane oscillator were manufactured in the same manner as in Example 1 of the present invention except that the SUS304 substrate was used instead of the silicon substrate.

[本発明例8]
シリコン基板の代わりに、SUS304基板を用いたこと以外は、本発明例6と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。
[Example 8 of the present invention]
The PZT piezoelectric membrane element and the PZT piezoelectric membrane oscillator were manufactured in the same manner as in Example 6 of the present invention except that the SUS304 substrate was used instead of the silicon substrate.

[本発明例9]
ルテニウム電極(第一電極層)の厚さを10nmとし、さらにルテニウム電極の上に、酸化ルテニウム電極を90nmの厚さで形成したこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。なお、酸化ルテニウム電極は、酸化ルテニウムをターゲットとしたRFスパッタリング法により形成した。
[Example 9 of the present invention]
The PZT piezoelectric film element and the same as in Example 1 of the present invention, except that the thickness of the ruthenium electrode (first electrode layer) is 10 nm and the ruthenium oxide electrode is formed on the ruthenium electrode with a thickness of 90 nm. A PZT piezoelectric film transducer was manufactured. The ruthenium oxide electrode was formed by an RF sputtering method targeting ruthenium oxide.

[本発明例10]
ルテニウム電極(第一電極層)の代わりに、厚さ100nmの酸化ルテニウム電極を用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。なお、酸化ルテニウム電極は、次のようにして形成した。
ルテニウムをターゲットとしたDCスパッタリング法により、ルテニウム膜を形成した。次いで、ルテニウム膜を酸化雰囲気下、700℃で1時間焼成して、ルテニウム膜を酸化させた。なお、酸化ルテニウムが生成していることは、X線回折パターンにより確認した。
[Example 10 of the present invention]
A PZT piezoelectric film element and a PZT piezoelectric film oscillator were produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that a ruthenium oxide electrode having a thickness of 100 nm was used instead of the ruthenium electrode (first electrode layer). The ruthenium oxide electrode was formed as follows.
A ruthenium film was formed by a DC sputtering method targeting ruthenium. Next, the ruthenium film was calcined at 700 ° C. for 1 hour in an oxidizing atmosphere to oxidize the ruthenium film. It was confirmed by the X-ray diffraction pattern that ruthenium oxide was produced.

[比較例1]
電極付きシリコン基板のルテニウム電極の上に、ニッケル酸ランタン層(シード層)を形成しなかったこと、すなわちルテニウム電極の上にPZT圧電膜を直接形成したこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。
[Comparative Example 1]
The same as in Example 1 of the present invention except that the lanthanum nickelate layer (seed layer) was not formed on the ruthenium electrode of the silicon substrate with the electrode, that is, the PZT piezoelectric film was directly formed on the ruthenium electrode. The PZT piezoelectric film element and the PZT piezoelectric film oscillator were manufactured.

[参考例1]
ルテニウム電極の代わりに、厚さ100nmの白金電極を用いたこと以外は、本発明例1と同様にしてPZT圧電膜素子及びPZT圧電膜振動子を作製した。なお、白金電極は、DCスパッタリング法により形成した。
[Reference Example 1]
A PZT piezoelectric film element and a PZT piezoelectric film oscillator were produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that a platinum electrode having a thickness of 100 nm was used instead of the ruthenium electrode. The platinum electrode was formed by the DC sputtering method.

[評価]
本発明例1~10及び比較例1で得られたPZT圧電膜素子について、PZT圧電膜のX線回折パターンを、X線光源にCu-Kαを用いて測定した。図2に、本発明例1で得られた圧電膜素子と比較例1で得られた圧電膜素子のPZT圧電膜のX線回折パターンを示す。図2のX線回折パターンから、本発明例1で得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜は、ペロブスカイト構造の(100)面のX線回折ピークが確認され、PZT圧電膜が(100)面に配向していることがわかる。本発明例2~10で得られたPZT圧電膜素子についても同様に、ペロブスカイト構造の(100)面のX線回折ピークが確認され、PZT圧電膜が(100)面に配向していることが確認された。一方、図2のX線回折パターンから、比較例1で得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜は、ペロブスカイト構造の(100)面のX線回折ピークが検出されず、(100)面に配向していないことがわかる。
[evaluation]
For the PZT piezoelectric film elements obtained in Examples 1 to 10 of the present invention and Comparative Example 1, the X-ray diffraction pattern of the PZT piezoelectric film was measured using Cu—Kα as an X-ray light source. FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of the PZT piezoelectric film of the piezoelectric film element obtained in Example 1 of the present invention and the piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1. From the X-ray diffraction pattern of FIG. 2, the X-ray diffraction peak of the (100) plane of the perovskite structure was confirmed in the PZT piezoelectric film of the PZT piezoelectric film element obtained in Example 1 of the present invention, and the PZT piezoelectric film was (100). It can be seen that it is oriented to the surface. Similarly, in the PZT piezoelectric film elements obtained in Examples 2 to 10 of the present invention, the X-ray diffraction peak of the (100) plane of the perovskite structure was confirmed, and the PZT piezoelectric membrane was oriented to the (100) plane. confirmed. On the other hand, from the X-ray diffraction pattern of FIG. 2, in the PZT piezoelectric film of the PZT piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1, the X-ray diffraction peak of the (100) plane of the perovskite structure was not detected, and the (100) plane was formed. It can be seen that they are not oriented.

本発明例1~10及び比較例1で得られたPZT圧電膜素子について、断面とPZT圧電膜の表面とをそれぞれSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察した。図3に、本発明例1で得られたPZT圧電膜素子のSEM写真を、図4に比較例1で得られたPZT圧電膜素子のSEM写真を示す。 With respect to the PZT piezoelectric film elements obtained in Examples 1 to 10 of the present invention and Comparative Example 1, the cross section and the surface of the PZT piezoelectric film were observed using an SEM (scanning electron microscope), respectively. FIG. 3 shows an SEM photograph of the PZT piezoelectric film element obtained in Example 1 of the present invention, and FIG. 4 shows an SEM photograph of the PZT piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1.

図3及び図4の(a)は、PZT圧電膜素子の断面のSEM写真であり、(b)はPZT圧電膜素子の圧電膜の表面のSEM写真である。図3の(a)と図4の(a)とを比較すると、本発明例1で得られたPZT圧電膜素子は、比較例1で得られたPZT圧電膜素子と比較してPZT圧電膜に柱状の結晶粒子が多数生成していることがわかる。また、図3(b)と図4の(b)とを比較すると、本発明例1で得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜は、比較例1で得られたPZT圧電膜素子のPZT圧電膜と比較して、表面に空孔が少なく、緻密であることがわかる。本発明例2~10で得られたPZT圧電膜素子についても同様に、PZT圧電膜に柱状の結晶粒子が多数生成し、PZT圧電膜は表面に空孔が少なく、緻密であることが確認された。 3 and 4A are SEM photographs of the cross section of the PZT piezoelectric film element, and FIG. 4B is an SEM photograph of the surface of the piezoelectric film of the PZT piezoelectric film element. Comparing (a) of FIG. 3 and (a) of FIG. 4, the PZT piezoelectric membrane element obtained in Example 1 of the present invention is a PZT piezoelectric membrane element as compared with the PZT piezoelectric membrane element obtained in Comparative Example 1. It can be seen that a large number of columnar crystal particles are generated. Further, comparing FIG. 3 (b) and FIG. 4 (b), the PZT piezoelectric film of the PZT piezoelectric film element obtained in Example 1 of the present invention is the PZT of the PZT piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1. It can be seen that the surface has fewer pores and is denser than the piezoelectric film. Similarly, in the PZT piezoelectric film elements obtained in Examples 2 to 10 of the present invention, a large number of columnar crystal particles were generated in the PZT piezoelectric film, and it was confirmed that the PZT piezoelectric film had few pores on the surface and was dense. rice field.

本発明例1~10及び参考例1で得られたPZT圧電膜振動子について、絶縁破壊耐圧と誘電率とd33をそれぞれ測定した。その結果を表1に示す。絶縁破壊耐圧、誘電率及びd33は下記の方法により測定した。なお、比較例1で得られたPZT圧電膜素子は、PZT圧電膜からペロブスカイト構造の(100)面のX線回折ピークが検出されなかったため、絶縁破壊耐圧と誘電率とd33の測定は行なわなかった。 The dielectric breakdown breakdown voltage, the dielectric constant, and d 33 were measured for the PZT piezoelectric membrane oscillators obtained in Examples 1 to 10 of the present invention and Reference Example 1, respectively. The results are shown in Table 1. The dielectric breakdown breakdown voltage, the dielectric constant and d 33 were measured by the following methods. In the PZT piezoelectric film element obtained in Comparative Example 1, since the X-ray diffraction peak of the (100) plane of the perovskite structure was not detected from the PZT piezoelectric film, the dielectric breakdown breakdown voltage, the dielectric constant, and d 33 were measured. There wasn't.

(絶縁破壊耐圧の測定方法)
第二電極層(白金電極)の表面に、スパッタリング法により250μm角の白金上部電極(厚さ100nm)を形成した。次いで、PZT圧電膜振動子の第一電極層と白金上部電極との間に電圧を印加し、リーク電流密度が1.0×10-4A/cmに到達したときの電圧を絶縁破壊耐圧とした。
(Measurement method of dielectric breakdown withstand voltage)
A 250 μm square platinum upper electrode (thickness 100 nm) was formed on the surface of the second electrode layer (platinum electrode) by a sputtering method. Next, a voltage is applied between the first electrode layer of the PZT piezoelectric film oscillator and the platinum upper electrode, and the voltage when the leak current density reaches 1.0 × 10 -4 A / cm 2 is subjected to dielectric breakdown withstand voltage. And said.

(誘電率の測定方法)
第二電極層(白金電極)の表面に、スパッタリング法により250μm角の白金上部電極(厚さ100nm)を形成した。次いで、TFA-2000(aix ACCT社製)を用いて周波数1kHzでの誘電率を測定した。
(Measurement method of permittivity)
A 250 μm square platinum upper electrode (thickness 100 nm) was formed on the surface of the second electrode layer (platinum electrode) by a sputtering method. Then, the dielectric constant at a frequency of 1 kHz was measured using TFA-2000 (manufactured by AIX ACCT).

(d33の測定方法)
PZT圧電膜素子を、面積1mmの角形に成形して評価試料を作製した。得られた評価試料の圧電定数d33は、DBLI system(aix ACCT社製)を用いて測定した。DBLI systemにより、評価試料の第一電極層と第二電極層との間に、±25V(周波数:1kHz)の交流電圧を印加したときの33方向の電界当たりの機械的変位割合を圧電定数d33として測定した。
(Measuring method of d 33 )
The PZT piezoelectric film element was formed into a square shape having an area of 1 mm 2 to prepare an evaluation sample. The piezoelectric constant d 33 of the obtained evaluation sample was measured using a DBLI system (manufactured by AIX ACCT). Piezoelectric constant d is the mechanical displacement ratio per electric field in 33 directions when an AC voltage of ± 25 V (frequency: 1 kHz) is applied between the first electrode layer and the second electrode layer of the evaluation sample by the DBLI system. It was measured as 33 .

Figure 2022044257000002
Figure 2022044257000002

表1に示す結果から第一電極層がルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含み、第一電極層の上に酸化物層が配置されている本発明例1~10のPZT圧電膜振動子は、第一電極層に白金を用いた参考例1と同等の圧電特性を有することがわかる。特に、第一電極層の厚さが50nm以上400nm以下の範囲内にある本発明例1~4及び6~10で得られたPZT圧電膜振動子は、絶縁破壊耐圧が高いことがわかる。 From the results shown in Table 1, the PZT piezoelectric film oscillators of Examples 1 to 10 of the present invention in which the first electrode layer contains ruthenium and / or ruthenium oxide and the oxide layer is arranged on the first electrode layer are the first. It can be seen that it has the same piezoelectric characteristics as Reference Example 1 in which platinum is used for one electrode layer. In particular, it can be seen that the PZT piezoelectric membrane oscillators obtained in Examples 1 to 4 and 6 to 10 of the present invention in which the thickness of the first electrode layer is in the range of 50 nm or more and 400 nm or less have a high dielectric breakdown withstand voltage.

10 PZT系圧電膜振動子
11 基板
12 第一電極層
13 酸化物層
14 PZT系圧電膜
15 PZT系圧電膜素子
16 第二電極層
10 PZT-based piezoelectric film oscillator 11 substrate 12 first electrode layer 13 oxide layer 14 PZT-based piezoelectric film 15 PZT-based piezoelectric film element 16 second electrode layer

Claims (4)

基板と、前記基板の上に配置されたルテニウム及び/又は酸化ルテニウムを含む第一電極層と、前記第一電極層の上に配置された(100)面に配向したペロブスカイト構造を有する酸化物を含む酸化物層と、前記酸化物層の上に配置された鉛、ジルコニウム及びチタンを含むペロブスカイト構造を有する圧電膜と、を含む圧電膜素子。 A substrate, a first electrode layer containing ruthenium and / or ruthenium oxide arranged on the substrate, and an oxide having a perovskite structure oriented on the (100) plane arranged on the first electrode layer. A piezoelectric film element including an oxide layer containing the oxide layer and a piezoelectric film having a perovskite structure containing lead, zirconium and titanium arranged on the oxide layer. 前記第一電極層の厚さが、50nm以上400nm以下の範囲内にある請求項1に記載の圧電膜素子。 The piezoelectric film device according to claim 1, wherein the thickness of the first electrode layer is in the range of 50 nm or more and 400 nm or less. 前記酸化物層が、ニッケル酸ランタン又はペロブスカイト構造を有する酸化物ナノシートを含む請求項1または2に記載の圧電膜素子。 The piezoelectric film element according to claim 1 or 2, wherein the oxide layer contains an oxide nanosheet having a lanthanum nickelate or a perovskite structure. 請求項1~3のいずれか1項に記載の圧電膜素子と、前記圧電膜素子の前記圧電膜の上に配置された第二電極と、を備える圧電膜振動子。 A piezoelectric membrane oscillator comprising the piezoelectric membrane element according to any one of claims 1 to 3 and a second electrode arranged on the piezoelectric membrane of the piezoelectric membrane element.
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