JP4258530B2 - 圧電薄膜素子 - Google Patents
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Description
本発明は、優れた圧電特性がある良好なペロブスカイト構造のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を形成した圧電薄膜素子に関する。
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、電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、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、優れた圧電特性を有する鉛系材料の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3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、この圧電体は、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。
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、その厚みを薄くするにつれ、特に厚みが１０μｍ程度の厚さに近づくにつれて、厚みが材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、そのことによる影響が無視できなくなって、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する。
この問題を回避するために、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。その一例として、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として実用化されている。
ＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、酸化鉛（ＰｂＯ）を６０〜７０重量％程度含有しているので、生態学的見地および公害防止の面から好ましくない。そこで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いる。現在、様々な鉛フリー圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（ＮａxＫyＬｉz）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））がある。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜で優れた圧電特性を実現するためには、カリウム組成値ｙ＝０．５付近で良好なペロブスカイト構造の多結晶または単結晶の薄膜を形成する必要がある。しかしながら、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜はカリウムの組成が多くなる（ｙ＞０．４）と良好なペロブスカイト構造の結晶が形成されにくく、膜の絶縁性が確保できないという問題がある。しかも、カリウムの組成が多くなる（ｙ＞０．４）と膜の表面凹凸が大きくなり、微細加工プロセスが困難になるという問題もある。
このように、優れた圧電特性が期待されるカリウム組成値ｙ＝０．５付近のペロブスカイト構造のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜形成は殆ど実現できていない状況である。そのため、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを用いて優れた圧電特性を有する圧電薄膜素子は実現されていない。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、優れた圧電特性がある良好なペロブスカイト構造のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を形成した圧電薄膜素子を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、基板上に下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が（Ｎａx1Ｋy1Ｌｉz1）ＮｂＯ3（０＜ｘ１＜１、０．４＜ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記下部電極と前記圧電薄膜の間に（Ｎａx2Ｋy2Ｌｉz2）ＮｂＯ3（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２≦０．４、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１かつｙ１＞ｙ２）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の下地誘電体薄膜を有するものである。
また、本発明は、基板上に下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が（ＮａxＫyＬｉz）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記圧電薄膜のカリウム組成値ｙが下部電極側から膜厚方向に０．４以下から０．４より大まで漸増しているものである。
前記圧電薄膜がペロブスカイト構造の正方晶または斜方晶の結晶構造を有し、その結晶が多結晶または単結晶で、（００１）面、（１００）面、（０１０）面、（１１１）面のいずれかの方向に優勢配向してもよい。
前記基板が、酸化マグネシウム基板、シリコン基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板のいずれかであってもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）良好なペロブスカイト構造の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。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１に示されるように、本発明に係る圧電薄膜素子１は、基板２上に下部電極３、圧電薄膜４、上部電極５を配した圧電薄膜素子１において、前記圧電薄膜４が（Ｎａx1Ｋy1Ｌｉz1）ＮｂＯ3（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記下部電極３と前記圧電薄膜４の間に（Ｎａx2Ｋy2Ｌｉz2）ＮｂＯ3（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１かつｙ１＞ｙ２）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の下地誘電体薄膜６を有するものである。
上述のようにｙ１＞ｙ２である。すなわち、下地誘電体薄膜６は、圧電薄膜４よりもカリウム組成が少ないニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜である。
好ましくは、下地誘電体薄膜６のカリウム組成値ｙ２は０．４以下である（ｙ２≦０．４）。これに対し、圧電薄膜４のカリウム組成値ｙ１は０．４より大きく、０．５付近である。
本発明の作用効果を説明する。
カリウム組成が少ない（ｙ≦０．４）ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、容易に良好なペロブスカイト構造の薄膜が形成でき、そのペロブスカイト構造の薄膜上であれば、カリウム組成が高い（ｙ＝０．５付近）ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜も容易に良質なペロブスカイト構造の薄膜を形成できるようになる。従って、下部電極３上にカリウム組成が少ないペロブスカイト構造の下地誘電体薄膜６を形成し、その下地誘電体薄膜６上にカリウム組成が高い圧電薄膜４を形成すると、その圧電薄膜４が良好なペロブスカイト構造のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜となる。
これによって、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを用いた優れた圧電特性を有する圧電薄膜素子が実現される。この圧電薄膜素子は、鉛フリーであるから、生態学的見地および公害防止の面で非常に有用である。
なお、カリウム組成が少ないニオブ酸リチウムカリウムナトリウム以外にも良質なペロブスカイト構造を形成しやすい材料は幾つかあるが、それらを下地誘電体薄膜６に用いた場合は、圧電薄膜４のニオブ酸リチウムカリウムナトリウムと格子定数が若干異なるため、圧電薄膜４の結晶構造の良否が本発明と比べて悪くなる。よって、下地誘電体薄膜６には、カリウム組成が少ないニオブ酸リチウムカリウムナトリウムを用いるのがよい。
圧電薄膜４および下地誘電体薄膜６の形成方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、塗布法等を用いる。これにより、良質で高密度の結晶性薄膜が形成できる。
圧電薄膜４および下地誘電体薄膜６には、少量の添加物を混入してもよく、この場合も上述の実施形態と同様の効果が期待できる。
圧電薄膜４は、ペロブスカイト構造の正方晶または斜方晶の結晶構造を有し、その結晶が多結晶または単結晶で、（００１）面、（１００）面、（０１０）面、（１１１）面のいずれかの方向に優勢配向してもよい。
基板２は、酸化マグネシウム基板、シリコン基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板のいずれかであってもよい。
以上の実施形態では、いったんカリウム組成が少ない下地誘電体薄膜６を形成した上にカリウム組成が多い圧電薄膜４を形成したが、このように膜厚方向にカリウム組成の段差を付けるのではなく、膜厚方向にカリウム組成の勾配をつけるようにしてもよい。あるいは小刻みにカリウム組成が増加する複数の段差を付けるようにしてもよい。
すなわち、下地誘電体薄膜６を特に設けず、圧電薄膜４を（ＮａxＫyＬｉz）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜とし、このカリウム組成値ｙを下部電極３の近傍では０．４以下と低くしておき、このカリウム組成値ｙを膜厚方向に連続的にあるいは段階的に漸増させて、最終的にカリウム組成値ｙが０．４より大、好ましくは０．５付近とする。
この構成においては、下部電極３の近傍でカリウム組成が少ないので、容易に良好なペロブスカイト構造の薄膜が形成でき、その上に徐々にカリウム組成が増えた薄膜を形成していくので、圧電薄膜４が全厚にわたり良好なペロブスカイト構造となる。
実施例として、図１の構造から上部電極５を省いた構造を有し、膜厚３μｍの（Ｎａ0.47Ｋ0.47Ｌｉ0.06）ＮｂＯ3からなる圧電薄膜４を有する圧電薄膜素子１を形成する。
基板２には、（００１）面方位、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板を用いた。ＭｇＯ基板２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、（００１）面単独配向、膜厚０．２μｍの白金下部電極３と、（Ｎａ0.74Ｋ0.2Ｌｉ0.06）ＮｂＯ3薄膜からなり、ペロブスカイト構造、（００１）面単独配向、膜厚０．０１μｍの下地誘電体薄膜６と、（Ｎａ0.47Ｋ0.47Ｌｉ0.06）ＮｂＯ3薄膜からなり、膜厚３．０μｍの圧電薄膜４とを順に形成した。
白金下部電極３の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分とした。
下地誘電体薄膜６および圧電薄膜４の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、下地誘電体薄膜６の成膜時間が３分、圧電薄膜４の成膜時間が３時間３０分とした。
一方、従来技術によって圧電薄膜素子を形成すると、図２のように、圧電薄膜素子２１は、基板２、下部電極３、圧電薄膜２２、上部電極５という構造になる。
そこで、従来例として、従来技術によって図２の構造から上部電極５を省いた構造を有し、膜厚３μｍの圧電薄膜２２を有する圧電薄膜素子２１を形成する。
基板２には、（００１）面方位、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板を用いた。ＭｇＯ基板２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、（００１）面単独配向、膜厚０．２μｍの白金下部電極３と、（Ｎａ0.47Ｋ0.47Ｌｉ0.06）ＮｂＯ3薄膜からなり、膜厚３．０μｍの圧電薄膜２２を形成した。
白金下部電極３の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分とした。
圧電薄膜２２の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間３時間３０分とした。
まず、実施例と従来例の圧電薄膜４，２２の表面状態を光学顕微鏡で観察した。実施例の表面状態を図３に、従来例の表面状態を図４に示す。従来例の圧電薄膜２２は表面に多数の突起物があり凸凹であるが、実施例の圧電薄膜４の表面は凸凹がなく非常に綺麗である。このことから、本発明により表面状態が大きく改善されることが確認できた。
次に、圧電薄膜４，２２の結晶構造の良否を評価するためにＸ線回折測定（２θ−ωスキャン）を行なった。従来例の圧電薄膜２２のＸ線回折パターンを図５に、実施例の圧電薄膜４のＸ線回折パターンを図６に示す。両図とも、横軸はＸ線を照射する方向が基板表面（膜表面）となす角度（°）の２倍を表し、縦軸はその角度での回折Ｘ線の１秒あたりのカウント数（回／秒）を表す。
図５に示されるように、圧電薄膜２２のＸ線回折パターンは、回折ピークが幾つか見られるものの、そのピーク強度は非常に小さく、良好なペロブスカイト構造の結晶膜が形成できていないことが分かる。一方、図６に示されるように、圧電薄膜４は、（００１）面、（００２）面回折ピークのみが確認でき、良好な結晶構造を有する薄膜が形成できていることが分かる。
その後、これら圧電薄膜４，２２にそれぞれ白金上部電極（膜厚０．０２μｍ）５を形成して、図１、図２の薄膜圧電素子１，２１を作製した。白金上部電極５の形成条件は、基板加熱無し、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１分とした。
次に、両圧電薄膜素子１，２１の圧電特性を比較した。
まず、図７に示されるように、これらの圧電薄膜素子１，２１から長さ２０ｍｍ幅２．５ｍｍの短冊７１を切り出し、短冊７１の長手方向の端をクランプ７２で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを形成した。この状態で両電極２，５間の圧電薄膜４，２２に電圧を印加することで、圧電薄膜４，２２を伸縮させユニモルフカンチレバー全体を屈曲動作させユニモルフカンチレバー先端を変位させた。その先端の位量をレーザードップラ変位計７３で測定した。
印加電圧と圧電変位量の関係を図８に示す。図８から、従来例の圧電薄膜素子２１と比較して、本発明の圧電薄膜素子１では、圧電によるカンチレバー先端の変位量が約４倍になっていることが分かる。印加電圧と圧電変位量の関係から、両サンプルの圧電定数ｄ31を計算した結果、圧電薄膜素子２１が−３０ｐｍ／Ｖ、圧電薄膜素子１が−１１８ｐｍ／Ｖであった。このことから、本発明は、従来技術よりも圧電特性の優れた圧電薄膜４を作製できることが確認できた。
前記実施例ではＭｇＯ基板２上に（００１）面方位優勢配向の下地誘電体薄膜６及び圧電薄膜４を形成した例を記載したが、Ｓｉ基板を用いて、下地誘電体薄膜６の自己配向性を利用して、圧電薄膜４を（００１）面や（１１１）面に優勢配向させる場合でも同様の効果が得られる。
本発明の圧電薄膜素子１を用いたアクチュエータやセンサとして、インクジェットプリンタ、スキャナー、ジャイロ、超音波発生装置、超音波センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサがある。
また、本発明ではニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜（下地誘電体薄膜６及び圧電薄膜４）を圧電用途で形成するが、本発明によって形成されるような、カリウム組成値が小さい部分と大きい部分を有するペロブスカイト構造のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜の用途は圧電に限定されるものではなく、焦電素子、電気光学素子などの様々な用途への応用が考えられる。
１ 圧電薄膜素子
２ 基板
３ 下部電極
４ 圧電薄膜
５ 上部電極
６ 下地誘電体薄膜
２ 基板
３ 下部電極
４ 圧電薄膜
５ 上部電極
６ 下地誘電体薄膜
Claims (4)
- 基板上に下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が（Ｎａ x1 Ｋ y1 Ｌｉ z1 ）ＮｂＯ 3 （０＜ｘ１＜１、０．４＜ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記下部電極と前記圧電薄膜の間に（Ｎａ x2 Ｋ y2 Ｌｉ z2 ）ＮｂＯ 3 （０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２≦０．４、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１かつｙ１＞ｙ２）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の下地誘電体薄膜を有することを特徴とする圧電薄膜素子。
- 基板上に下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が（Ｎａ x Ｋ y Ｌｉ z ）ＮｂＯ 3 （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜であり、前記圧電薄膜のカリウム組成値ｙが下部電極側から膜厚方向に、０．４以下から０．４より大まで漸増していることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 前記圧電薄膜がペロブスカイト構造の正方晶または斜方晶の結晶構造を有し、その結晶が多結晶または単結晶で、（００１）面、（１００）面、（０１０）面、（１１１）面のいずれかの方向に優勢配向していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子。
- 前記基板が、酸化マグネシウム基板、シリコン基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の圧電薄膜素子。
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