JP5056139B2 - 圧電薄膜素子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜素子に関する。
圧電材料は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、素子に電圧を加えることにより変形が生じるアクチュエータや、それとは逆に素子に圧力を加えることにより変形を生じさせ、その変形に応じて電圧が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材料としては、優れた圧電特性を有する鉛系材料の強誘電体材料、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材料がこれまで広く用いられており、このような強誘電体材料は通常個々の元素からなる酸化物粉末を焼結することにより作製される。
一方、近年は各種電子部品の小型化・高性能化が進み、それに伴ってアクチュエータ等の圧電素子も一層小型化することが求められている。このような場合には、圧電材料を膜厚が数μｍから数十μｍの薄膜形状にすることが要求され、適当な基板上に薄膜を形成する方法が用いられる。
従来からの製法である焼結法を中心とする製造方法により作製した圧電材料は、結晶粒が比較的大きいため、近年の小型化の要求に沿って薄膜化を進めるには大きな問題がある。つまり、１０μｍ程度の薄膜になると、その膜厚が、材料を構成する結晶粒の大きさに近づいてしまうため、個々の結晶粒の特性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する。
また、固形状の焼結体を薄膜形状に加工することは、経済的・工業的見地から見ても現実的な方法とは言い難い。
このような理由から、焼結法に代わって薄膜形成技術を応用した圧電材料の形成法が近年盛んに研究されるようになってきた。薄膜形成技術としては、例えばスパッタリング法（特許文献１参照）や、ＰＬＤ（レーザーアブレーション法）、ゾルゲル法等がある。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（特許文献２参照）。
他方、前記のＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、鉛を６０〜７０重量％程度含有しているため、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材料の開発が望まれている。
従来からの製法である焼結法を中心とする製造方法により作製した圧電材料は、結晶粒が比較的大きいため、近年の小型化の要求に沿って薄膜化を進めるには大きな問題がある。つまり、１０μｍ程度の薄膜になると、その膜厚が、材料を構成する結晶粒の大きさに近づいてしまうため、個々の結晶粒の特性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する。
また、固形状の焼結体を薄膜形状に加工することは、経済的・工業的見地から見ても現実的な方法とは言い難い。
このような理由から、焼結法に代わって薄膜形成技術を応用した圧電材料の形成法が近年盛んに研究されるようになってきた。薄膜形成技術としては、例えばスパッタリング法（特許文献１参照）や、ＰＬＤ（レーザーアブレーション法）、ゾルゲル法等がある。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（特許文献２参照）。
他方、前記のＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、鉛を６０〜７０重量％程度含有しているため、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材料の開発が望まれている。
現在、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸カリウムナトリウム（一般式：（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１））がある。このニオブ酸カリウムナトリウムは、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。
ニオブ酸カリウムナトリウム焼結体は、一般式：（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）において組成比ｘ＝０．５付近で優れた圧電特性を有する。しかしながら、現状においてニオブ酸カリウムナトリウムの薄膜では、焼結体と同じ組成であっても、焼結体に匹敵する圧電特性は実現されていない。
なお、従来技術には、ニオブ酸系化合物について、充分な圧電特性を有する圧電薄膜素子を得るためにペロブスカイト型結晶構造の配向度について検討されたものや（特許文献３参照）、ニオブ酸系化合物薄膜は絶縁耐圧が非常に低いことから、実用化に耐えるよう
にするために絶縁耐圧について検討されたものがあるが（特許文献４参照）、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比について検討されたものはない。
にするために絶縁耐圧について検討されたものがあるが（特許文献４参照）、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比について検討されたものはない。
ニオブ酸カリウムナトリウム結晶は斜方晶のペロブスカイト構造を有している。斜方晶の各頂点にＫ、Ｎａ（金属Ｒ）が、体心にＮｂ（金属Ｍ）が、そして金属Ｍを中心として酸素Ｏが斜方晶の各面心にそれぞれ配置されている。酸素と金属ＭからなるＮｂＯ６八面体の向きは金属Ｒとの相互作用により容易に歪み、これによってより対称性の低い正方晶に相転移する。この相転移により、この結晶の物性が変化する。
したがって、ニオブ酸カリウムナトリウムを構成するＫ、Ｎａ及びＮｂの組成を検討しないと、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の結晶の物性を変化させることは困難となり、優れた圧電特性が得られないと考えられる。
以上述べたように、従来のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜はＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が全く配慮されておらず、圧電特性低下の要因になっていた。
したがって、ニオブ酸カリウムナトリウムを構成するＫ、Ｎａ及びＮｂの組成を検討しないと、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の結晶の物性を変化させることは困難となり、優れた圧電特性が得られないと考えられる。
以上述べたように、従来のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜はＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が全く配慮されておらず、圧電特性低下の要因になっていた。
本発明の目的は、優れた圧電特性を有するニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を用いた圧電薄膜素子を提供することにある。
本発明の第一の態様は、基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層であることを特徴とする。
本発明の第二の態様は、基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜の一部の層におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層であることを特徴とする。
本発明によれば、優れた圧電特性を有するニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を用いた圧電薄膜素子を得ることができる。
発明者らは、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂが変化することにより、ニオブ酸カリウムナトリウムの圧電特性が変化すること、また、上記ｘの値ではなく組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂを一定の範囲に収めることにより圧電特性の優れた圧電薄膜素子を得るという知見を得た。
この知見を基に、以下、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、この実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能である。
この知見を基に、以下、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、この実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能である。
［圧電薄膜素子の構造］
図１に示すように、本実施形態における圧電薄膜素子８は、基板１、下部電極２、圧電薄膜３、上部電極４から形成される。
図１に示すように、本実施形態における圧電薄膜素子８は、基板１、下部電極２、圧電薄膜３、上部電極４から形成される。
［基板及び電極材料］
基板１はニオブ酸カリウムナトリウムを成膜する際の温度に耐える耐熱性を有することが必要であり、さらに安価であることも工業的には重要な要素である。これに最も適した基板１としてはＳｉ基板が好ましいが、技術的には他の基板も使用できる。また上部電極４及び下部電極２を構成する電極材料も同様に耐熱性を有することが必要であり、白金等を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。
基板１はニオブ酸カリウムナトリウムを成膜する際の温度に耐える耐熱性を有することが必要であり、さらに安価であることも工業的には重要な要素である。これに最も適した基板１としてはＳｉ基板が好ましいが、技術的には他の基板も使用できる。また上部電極４及び下部電極２を構成する電極材料も同様に耐熱性を有することが必要であり、白金等を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。
［圧電薄膜］
上記圧電薄膜３は、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有するニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である。
ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜結晶が理想的な立方晶とするときの（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は１．０である。しかし、本実施の形態では、上記圧電薄膜３の（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内とする。圧電薄膜３は一層で形成し、上記組成比を上記範囲内に入るように均一としている。
組成比の下限については、後述する圧電定数と組成比の関係（図７）から、組成比が１．１５を越えると充分大きな圧電定数が得られ、逆に組成比が１．１５未満であれば大きな圧電定数が得られない。
組成比の上限については、組成比が１．５０を越えるとペロブスカイト構造が崩れて圧電特性の劣化を引き起こし、逆に組成比が１．５０未満であればペロブスカイト構造は崩れず圧電特性の劣化も生じない。
したがって、組成比は１．１５から１．５０であることが好ましく、この範囲内であれば、十分大きな圧電定数が得られ、圧電特性の劣化も生じない。
上記圧電薄膜３の膜厚は０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である。膜厚が０．２μｍ以上であれば、圧電薄膜素子８としての実効的な圧電特性を得ることができ、１０μｍ以上の膜厚の圧電薄膜３を作製したい場合は、従来のように焼結体を用いればよい。
また、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜に少量の添加物（例えば、原子数濃度８％以下のＬｉ）を混入した場合も、圧電特性の向上といった効果が期待できる。
さらに、圧電薄膜３が多層構造または傾斜組成構造を有する場合において、圧電薄膜３全体の膜厚の５％以上が上記組成比を有する薄膜である場合も同様の効果が期待できる。さらに膜厚の２０％以上が上記組成比を有する薄膜であることが望ましい。
上記圧電薄膜３は、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有するニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である。
ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜結晶が理想的な立方晶とするときの（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は１．０である。しかし、本実施の形態では、上記圧電薄膜３の（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内とする。圧電薄膜３は一層で形成し、上記組成比を上記範囲内に入るように均一としている。
組成比の下限については、後述する圧電定数と組成比の関係（図７）から、組成比が１．１５を越えると充分大きな圧電定数が得られ、逆に組成比が１．１５未満であれば大きな圧電定数が得られない。
組成比の上限については、組成比が１．５０を越えるとペロブスカイト構造が崩れて圧電特性の劣化を引き起こし、逆に組成比が１．５０未満であればペロブスカイト構造は崩れず圧電特性の劣化も生じない。
したがって、組成比は１．１５から１．５０であることが好ましく、この範囲内であれば、十分大きな圧電定数が得られ、圧電特性の劣化も生じない。
上記圧電薄膜３の膜厚は０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である。膜厚が０．２μｍ以上であれば、圧電薄膜素子８としての実効的な圧電特性を得ることができ、１０μｍ以上の膜厚の圧電薄膜３を作製したい場合は、従来のように焼結体を用いればよい。
また、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜に少量の添加物（例えば、原子数濃度８％以下のＬｉ）を混入した場合も、圧電特性の向上といった効果が期待できる。
さらに、圧電薄膜３が多層構造または傾斜組成構造を有する場合において、圧電薄膜３全体の膜厚の５％以上が上記組成比を有する薄膜である場合も同様の効果が期待できる。さらに膜厚の２０％以上が上記組成比を有する薄膜であることが望ましい。
［圧電薄膜素子の製造方法］
図１に示すように、基板１上に、例えばスパッタリング法で白金下部電極２を形成する。その下部電極２上に、上記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜３を成膜する。その成膜方法としては、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ゾルゲル法などが挙げられる。スパッタリング法で製膜する場合、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比を１．１５以上にするには、ターゲットとなるニオブ酸カリウムナトリウム焼結体の組成をＮｂの含有率が少ないもの（例えば（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＞１））にしたり、ターゲットの水冷具合を調節
し、成膜中のターゲット表面温度を高くしたりすればよい。その後、白金下部電極２と同様に、白金上部電極４を形成する。このように圧電薄膜素子８を製造する。
図１に示すように、基板１上に、例えばスパッタリング法で白金下部電極２を形成する。その下部電極２上に、上記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜３を成膜する。その成膜方法としては、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ゾルゲル法などが挙げられる。スパッタリング法で製膜する場合、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比を１．１５以上にするには、ターゲットとなるニオブ酸カリウムナトリウム焼結体の組成をＮｂの含有率が少ないもの（例えば（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＞１））にしたり、ターゲットの水冷具合を調節
し、成膜中のターゲット表面温度を高くしたりすればよい。その後、白金下部電極２と同様に、白金上部電極４を形成する。このように圧電薄膜素子８を製造する。
［圧電薄膜素子による実施形態の効果］
本実施の形態の圧電薄膜素子によれば、次のような効果が得られる。
圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有するので、圧電特性の劣化を招くことなく、十分大きな圧電定数を得ることができる。その結果、焼結体に匹敵する優れた圧電特性を実現することができる。また、圧電薄膜素子は、鉛を全く含有していないので、鉛フリーの環境問題に容易に対応することができる。
さらに、圧電薄膜の厚さが０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下であるので、圧電薄膜素子の小型化の要請に充分に応えることができる。例えば、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、加速度センサなどの小型電子部品に利用することができる。
本実施の形態の圧電薄膜素子によれば、次のような効果が得られる。
圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有するので、圧電特性の劣化を招くことなく、十分大きな圧電定数を得ることができる。その結果、焼結体に匹敵する優れた圧電特性を実現することができる。また、圧電薄膜素子は、鉛を全く含有していないので、鉛フリーの環境問題に容易に対応することができる。
さらに、圧電薄膜の厚さが０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下であるので、圧電薄膜素子の小型化の要請に充分に応えることができる。例えば、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、加速度センサなどの小型電子部品に利用することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、本発明は上述したような実施の形態に限定されるものではない。
例えば、実施の形態では圧電薄膜を単層で形成し、その組成比を上記範囲内に入るように均一としたが、圧電薄膜を二層以上で形成し、そのうちの少なくとも一層（一部の層）の組成比を上記範囲内に入るように均一としてもよい。また、圧電薄膜を組成比が徐々に変化する傾斜層とし、その組成比を上記範囲内に入るように変化させてもよい。これらの場合において、上記組成比を有する一部の層における膜厚は圧電薄膜の全膜厚の５％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましい（図９）。
また、実施の形態では、金属ＲにＫとＮａを混入するようにしたが、金属Ｒに少量の添加物、例えば、原子濃度８％以下のＬｉを混入しても良く、その場合にも、実施の形態と同様に圧電特性の向上といった効果が期待できる。
例えば、実施の形態では圧電薄膜を単層で形成し、その組成比を上記範囲内に入るように均一としたが、圧電薄膜を二層以上で形成し、そのうちの少なくとも一層（一部の層）の組成比を上記範囲内に入るように均一としてもよい。また、圧電薄膜を組成比が徐々に変化する傾斜層とし、その組成比を上記範囲内に入るように変化させてもよい。これらの場合において、上記組成比を有する一部の層における膜厚は圧電薄膜の全膜厚の５％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましい（図９）。
また、実施の形態では、金属ＲにＫとＮａを混入するようにしたが、金属Ｒに少量の添加物、例えば、原子濃度８％以下のＬｉを混入しても良く、その場合にも、実施の形態と同様に圧電特性の向上といった効果が期待できる。
本発明の好ましい態様を付記する。
第一の態様によれば、基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜素子が提供される。
第一の態様によれば、基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜素子が提供される。
第二の態様によれば、基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜の一部の層におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜素子が提供される。
第三の態様によれば、第一の態様に記載の発明において、前記圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層である圧電薄膜素子が提供される。
第四の態様によれば、第二の態様に記載の発明において、前記圧電薄膜の一部の層におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層である圧電薄膜素子が提供される。
第五の態様によれば、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有する圧電
薄膜を結晶成長させる工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有し、
前記結晶成長工程では、ターゲットに（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用いたスパッタリング法により、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下で、Ｋ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜を結晶成長させる圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
薄膜を結晶成長させる工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有し、
前記結晶成長工程では、ターゲットに（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用いたスパッタリング法により、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下で、Ｋ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜を結晶成長させる圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
第六の態様によれば、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、一般式（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、ターゲットに（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用いたスパッタリング法により、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下の圧電薄膜を結晶成長させる工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有し、
前記結晶成長工程では、前記圧電薄膜の一部の層に、Ｋ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜を結晶成長させる圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
前記結晶成長工程では、前記圧電薄膜の一部の層に、Ｋ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の関係を有する圧電薄膜を結晶成長させる圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
以下実施例を用いて説明する。なお、圧電薄膜の組成は、ＡＥＳ（オージェ電子分光測定）またはＸＰＳ（Ｘ線光電子分光測定）によって測定したＫ、Ｎａ、Ｎｂの組成から計算した組成比によって定義している。
［実施例１、比較例］
（圧電薄膜の作製）
実施例１において、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜を作製した。作製した圧電薄膜体を図２に示した。
基板１にはＳｉ基板（（００１）面方位、厚さ０．５ｍｍ）を用いた。
そのＳｉ基板１上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、白金下部電極２（（１１１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）を形成した。白金下部電極２は、基板温度６００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスはＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分の条件で成膜した。
その上に、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜５（膜厚３．０μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した。（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜５は、スパッタリングターゲットに（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．２およびＫ／（Ｋ＋Ｎａ）の組成比が０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用い、基板温度５７０℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスはＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間４時間の条件で成膜した。
このように、実施例１における（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜体９を作製した。
また、比較例の圧電薄膜体についても、スパッタリングターゲットに（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．０の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用いたこと以外は、実施例１と同様に作製した。
（圧電薄膜の作製）
実施例１において、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜を作製した。作製した圧電薄膜体を図２に示した。
基板１にはＳｉ基板（（００１）面方位、厚さ０．５ｍｍ）を用いた。
そのＳｉ基板１上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、白金下部電極２（（１１１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）を形成した。白金下部電極２は、基板温度６００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスはＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分の条件で成膜した。
その上に、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜５（膜厚３．０μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した。（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜５は、スパッタリングターゲットに（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．２およびＫ／（Ｋ＋Ｎａ）の組成比が０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用い、基板温度５７０℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスはＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間４時間の条件で成膜した。
このように、実施例１における（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜体９を作製した。
また、比較例の圧電薄膜体についても、スパッタリングターゲットに（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．０の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体を用いたこと以外は、実施例１と同様に作製した。
（組成分布測定）
実施例１及び比較例の圧電薄膜体９の深さ方向の元素組成分布をＡＥＳ（オージェ電子分光測定）で測定し、その結果をそれぞれ図３及び図４に示した。図３によれば、実施例１におけるＮｂの原子濃度は１７．５（ａｔｏｍｉｃ％、以後ａｔ％という）、Ｋの原子濃度は１１．５（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は１０．０（ａｔ％）であった。その結果、実施例１の圧電薄膜５では、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．２３であり、１．１５〜１．５０の範囲内にあった。
図４によれば、比較例の圧電薄膜５では、Ｎｂの原子濃度は１９．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１０．８（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は９．３（ａｔ％）であった。その結果、比較例の圧電薄膜５では、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．０３であり、１．１５〜１．５０の範囲から外れた。
実施例１及び比較例の圧電薄膜体９の深さ方向の元素組成分布をＡＥＳ（オージェ電子分光測定）で測定し、その結果をそれぞれ図３及び図４に示した。図３によれば、実施例１におけるＮｂの原子濃度は１７．５（ａｔｏｍｉｃ％、以後ａｔ％という）、Ｋの原子濃度は１１．５（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は１０．０（ａｔ％）であった。その結果、実施例１の圧電薄膜５では、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．２３であり、１．１５〜１．５０の範囲内にあった。
図４によれば、比較例の圧電薄膜５では、Ｎｂの原子濃度は１９．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１０．８（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は９．３（ａｔ％）であった。その結果、比較例の圧電薄膜５では、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．０３であり、１．１５〜１．５０の範囲から外れた。
（圧電特性評価測定）
圧電特性評価測定を行うために、上記圧電薄膜５の上に白金上部電極４（膜厚０．０２μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成し、図１に示す圧電薄膜素子８を得た。
図５（ａ）は、圧電特性評価測定を行うためのユニモルフカンチレバー１５の概略を示す図である。図５（ａ）に示すように、上記圧電薄膜素子８から、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍの短冊形試料を切り出し、長手方向の端を除震台２２の上に設置されたクランプ２０で固定し、簡易的なユニモルフカンチレバー１５を構成した。除震台２２により、震動がユニモルフカンチレバー１５に与える影響を除去することができる。
Ｓｉ基板１１上に形成された白金上下両電極１２，１４間の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜１３に電圧を印加し、上記薄膜１３を伸縮させることで、図５（ｂ）に示すようにユニモルフカンチレバー１５全体を屈曲動作させ、それによりユニモルフカンチレバー１５の先端を動作させた。その先端最大変位量３０（Δｔ）をレーザードップラ変位計２１で測定した。その結果得られた実施例１及び比較例における印加電圧と先端最大変位量（以後、圧電変位量という）との関係を図６に示した。図６より、比較例の圧電薄膜素子と比較して、実施例１の圧電薄膜素子では、圧電によるユニモルフカンチレバー先端の変位量が約３倍になっていることがわかった。
圧電特性評価測定を行うために、上記圧電薄膜５の上に白金上部電極４（膜厚０．０２μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成し、図１に示す圧電薄膜素子８を得た。
図５（ａ）は、圧電特性評価測定を行うためのユニモルフカンチレバー１５の概略を示す図である。図５（ａ）に示すように、上記圧電薄膜素子８から、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍの短冊形試料を切り出し、長手方向の端を除震台２２の上に設置されたクランプ２０で固定し、簡易的なユニモルフカンチレバー１５を構成した。除震台２２により、震動がユニモルフカンチレバー１５に与える影響を除去することができる。
Ｓｉ基板１１上に形成された白金上下両電極１２，１４間の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜１３に電圧を印加し、上記薄膜１３を伸縮させることで、図５（ｂ）に示すようにユニモルフカンチレバー１５全体を屈曲動作させ、それによりユニモルフカンチレバー１５の先端を動作させた。その先端最大変位量３０（Δｔ）をレーザードップラ変位計２１で測定した。その結果得られた実施例１及び比較例における印加電圧と先端最大変位量（以後、圧電変位量という）との関係を図６に示した。図６より、比較例の圧電薄膜素子と比較して、実施例１の圧電薄膜素子では、圧電によるユニモルフカンチレバー先端の変位量が約３倍になっていることがわかった。
（圧電定数）
上記試料の寸法及び印加電圧と圧電変位量との関係から、圧電定数ｄ３１を計算した結果、本実施例により作製した圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は９２（−ｐｍ／Ｖ）であった。それに対し、比較例により作製した圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は３０（−ｐｍ／Ｖ）であった。
このことより、本発明を用いることで、従来技術よりも圧電特性の優れた（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を作製できることが確認できた。
さらに、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が異なる（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜を成膜し、上記と同様の方法で、各々の圧電定数ｄ３１を計算した。その圧電定数と組成比との関係を図７に示した。図７に示すように、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．１５未満では圧電定数ｄ３１は４０（−ｐｍ／Ｖ）以下であるが、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．１５より大きくなると圧電定数ｄ３１の値が急激に向上するのがわかった。
上記試料の寸法及び印加電圧と圧電変位量との関係から、圧電定数ｄ３１を計算した結果、本実施例により作製した圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は９２（−ｐｍ／Ｖ）であった。それに対し、比較例により作製した圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は３０（−ｐｍ／Ｖ）であった。
このことより、本発明を用いることで、従来技術よりも圧電特性の優れた（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を作製できることが確認できた。
さらに、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が異なる（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜を成膜し、上記と同様の方法で、各々の圧電定数ｄ３１を計算した。その圧電定数と組成比との関係を図７に示した。図７に示すように、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．１５未満では圧電定数ｄ３１は４０（−ｐｍ／Ｖ）以下であるが、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比が１．１５より大きくなると圧電定数ｄ３１の値が急激に向上するのがわかった。
［実施例２、比較例］
（圧電薄膜素子の作製）
実施例２の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜が実施例１と異なる点は、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜を単層ではなく２層で形成した点である。実施例２において作製した圧電薄膜体１０を図８に示した。
１層目の圧電薄膜６として、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．２、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、成膜時間５０分の条件で、（Ｋ＋Ｎａ）の組成がＮｂよりリッチな（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３薄膜を形成した。
２層目の圧電薄膜７として、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．０、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、成膜時間３時間１０分の条件で、（Ｋ＋Ｎａ）とＮｂの組成比が等しい（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３薄膜を形成した。
これにより上記２層の圧電薄膜６、７の厚さの合計を３．０μｍとした。
上下薄膜の成膜時間の関係から、薄膜全体の厚さから見て、１層目の薄膜の占める割合は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜全体の２１％、２層目の薄膜の占める割合は
７９％であった。
（圧電薄膜素子の作製）
実施例２の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜が実施例１と異なる点は、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜を単層ではなく２層で形成した点である。実施例２において作製した圧電薄膜体１０を図８に示した。
１層目の圧電薄膜６として、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．２、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、成膜時間５０分の条件で、（Ｋ＋Ｎａ）の組成がＮｂよりリッチな（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３薄膜を形成した。
２層目の圧電薄膜７として、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．０、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５の（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、成膜時間３時間１０分の条件で、（Ｋ＋Ｎａ）とＮｂの組成比が等しい（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３薄膜を形成した。
これにより上記２層の圧電薄膜６、７の厚さの合計を３．０μｍとした。
上下薄膜の成膜時間の関係から、薄膜全体の厚さから見て、１層目の薄膜の占める割合は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜全体の２１％、２層目の薄膜の占める割合は
７９％であった。
（組成分布測定）
実施例１と同様に、実施例２における圧電薄膜の深さ方向の元素組成分布を測定した。その結果を図９に示した。図９によれば、実施例２の圧電薄膜体１０では、２層構造の（Ｋ0.5Ｎａ0.5）ＮｂＯ3薄膜のうち、１層目の薄膜６では、Ｎｂの原子濃度は１７．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１１．５（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は１０．０（ａｔ％）であった。したがって、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．２３であり、１．１５〜１．５０の範囲内にあった。
２層目の薄膜７では、Ｎｂの原子濃度は１９．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１１．０（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は９．０（ａｔ％）であった。従って、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．０３であり、１．１５〜１．５０の範囲外になった。
実施例１と同様に、実施例２における圧電薄膜の深さ方向の元素組成分布を測定した。その結果を図９に示した。図９によれば、実施例２の圧電薄膜体１０では、２層構造の（Ｋ0.5Ｎａ0.5）ＮｂＯ3薄膜のうち、１層目の薄膜６では、Ｎｂの原子濃度は１７．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１１．５（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は１０．０（ａｔ％）であった。したがって、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．２３であり、１．１５〜１．５０の範囲内にあった。
２層目の薄膜７では、Ｎｂの原子濃度は１９．５（ａｔ％）、Ｋの原子濃度は１１．０（ａｔ％）、Ｎａの原子濃度は９．０（ａｔ％）であった。従って、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂの組成比は約１．０３であり、１．１５〜１．５０の範囲外になった。
（圧電特性評価測定）
実施例１と同様に、白金上部電極を作製し、実施例２及び比較例において圧電特性評価測定を行った。その結果得られた印加電圧と先端最大変位量との関係を図１０に示した。
図１０より、従来技術を用いて作製した圧電薄膜素子よりも、本発明を用いた圧電薄膜素子の方が、圧電によるユニモルフカンチレバー先端の変位量が大きかった。
実施例１と同様に、白金上部電極を作製し、実施例２及び比較例において圧電特性評価測定を行った。その結果得られた印加電圧と先端最大変位量との関係を図１０に示した。
図１０より、従来技術を用いて作製した圧電薄膜素子よりも、本発明を用いた圧電薄膜素子の方が、圧電によるユニモルフカンチレバー先端の変位量が大きかった。
（圧電定数）
実施例１と同様に、圧電定数ｄ３１を計算した結果、実施例２の圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は６４（−ｐｍ／Ｖ）であった。
このことより、本発明を用いた圧電薄膜が圧電薄膜全体の２１％しか占めていなくとも、従来技術よりも圧電特性の優れた（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜を作製できることが確認できた。
実施例１と同様に、圧電定数ｄ３１を計算した結果、実施例２の圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１は６４（−ｐｍ／Ｖ）であった。
このことより、本発明を用いた圧電薄膜が圧電薄膜全体の２１％しか占めていなくとも、従来技術よりも圧電特性の優れた（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜を作製できることが確認できた。
１ 基板
２ 下部電極
３ （ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜
４ 上部電極
５ （Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜
６ １層目の圧電薄膜
７ ２層目の圧電薄膜
８ 圧電薄膜素子
９ 圧電薄膜体
１０ 圧電薄膜体
１１ Ｓｉ基板
１２ 白金下部電極
１３ （Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜
１４ 白金上部電極
１５ ユニモルフカンチレバー
２０ クランプ
２１ レーザードップラ変位計
２２ 除震台
３０ 先端最大変位量
２ 下部電極
３ （ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３圧電薄膜
４ 上部電極
５ （Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜
６ １層目の圧電薄膜
７ ２層目の圧電薄膜
８ 圧電薄膜素子
９ 圧電薄膜体
１０ 圧電薄膜体
１１ Ｓｉ基板
１２ 白金下部電極
１３ （Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３圧電薄膜
１４ 白金上部電極
１５ ユニモルフカンチレバー
２０ クランプ
２１ レーザードップラ変位計
２２ 除震台
３０ 先端最大変位量
Claims (2)
- 基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層であることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 基板上に少なくとも下部電極、一般式（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造を有し、膜厚が０．２μｍ以上かつ１０μｍ以下である圧電薄膜、及び上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜の一部の層におけるＫ、Ｎａ及びＮｂの組成が、１．１５＜（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＜１．５０の範囲内で徐々に変化させた傾斜層であることを特徴とする圧電薄膜素子。
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