JP5181649B2

JP5181649B2 - 圧電素子

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Publication number: JP5181649B2
Application number: JP2007321591A
Authority: JP
Inventors: 憲治柴田; 史人岡
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Filing date: 2007-12-13
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Description

本発明は、圧電素子に関する。特に、本発明は、Ｓｉ基板上に形成された圧電薄膜を有する圧電素子に関する。

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、センサ等には圧電体を有する圧電素子が用いられている。そのような圧電素子を形成する圧電体としては、Ｐｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３系のペロブスカイト型強誘電体（ＰＺＴ）が広く用いられている。しかしながら、ＰＺＴは、鉛（Ｐｂ）を含有しているので、環境面への配慮から鉛を含有しない圧電体、すなわち、鉛フリーの圧電体を圧電素子に用いることが望まれる。更に、圧電体を圧電素子に応用する場合、低電圧印加時から高電圧印加時の圧電定数ｄ_３１の値が略一定であること、すなわち、圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性が小さいことが望まれる。

従来の鉛フリーの圧電素子として、例えば、アルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物から形成される誘電体膜を用いる圧電素子がある。この圧電素子は、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＳｒＴｉＯ_３等から形成される基板と、基板上に形成される下部電極と、下部電極の上に形成され、ＢａＴｉＯ_３等から形成されるバッファ層と、バッファ層上に形成され、一般式が（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表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から構成される圧電薄膜と、圧電薄膜の上に形成される上部電極とを備える（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１９３０２号公報

しかし、特許文献１に記載の圧電素子等を含む圧電素子では、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜をＳｉ基板上に形成すると、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜をＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板の上に形成した場合に比べて、圧電素子の圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性が大きくなる不都合がある。

したがって、本発明の目的は、圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を抑制することができるＳｉ基板を使用した圧電素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の上方に平均結晶粒径０．１μｍから１．０μｍの範囲の圧電材料で形成され、膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下であり、一般式が（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３で、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）の値が０．４から０．７５の範囲の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膜と、Ｓｉ基板と圧電膜との間に形成され、圧電膜に圧縮方向の応力を生じさせる中間層とを備える圧電素子が提供される。

また、上記圧電素子は、中間層が、圧電膜を形成するニオブ酸カリウムナトリウムの格子定数よりも小さい格子定数を有するペロブスカイト構造の材料から形成されてもよい。また、中間層を形成する材料が、格子定数が０．３９１ｎｍ以下の擬立方晶又は立方晶のペロブスカイト構造を有する材料から形成されてもよい。

また、上記圧電素子は、中間層が、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＹＡｌＯ_３、又はこれらの化合物の混晶、若しくはこれらの化合物に１０％以下の他の元素を添加したペロブスカイト構造の化合物から形成されてもよい。更に、中間層が、（１００）面、（１１０）面、（０１０）面、又は（１１１）面方位のいずれかの面方位に優勢的に配向して形成されてもよい。

また、上記圧電素子は、圧電膜が、（００１）面方位、（１００）面方位、若しくは（０１０）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１０）面方位、（１０１）面方位、若しくは（０１１）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１１）面方位のいずれかの面方位に優勢的に配向して形成されてもよい。更に、Ｓｉ基板が、熱酸化膜を有していてもよい。そして、Ｓｉ基板が、中間膜とＳｉ基板との間に、Ｐｔ又はＰｔとＴｉとを含む金属層を含んでいてもよい。また、金属層のＰｔが、（１１１）面方位に優勢的に配向して形成されてもよい。更に、圧電膜が、原子数パーセントで合計１０％以下のＬｉ、又はＴａ、若しくはＬｉ及びＴａが添加されて形成されてもよい。

本発明に係る圧電素子によれば、Ｓｉ基板を使用した場合であっても、圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を抑制することができる。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電素子の断面図を示す。

本発明の実施の形態に係る圧電素子１は、図１に示すように、基板としての（１００）面方位を有するシリコン（Ｓｉ）基板１０と、Ｓｉ基板１０上に形成される金属層の一部としての密着層１１と、密着層１１上に形成される金属層の一部としての下部電極１２と、下部電極１２上に形成される中間膜１３と、中間膜１３の上に形成される圧電薄膜としての圧電膜１４と、圧電膜１４の上に形成される上部電極１５とを備える。

Ｓｉ基板１０は、一例として、上面視にて２０ｍｍ×２０ｍｍの略四角形状に形成され、その表面には熱酸化膜が形成される。なお、Ｓｉ基板１０は、０．５ｍｍ厚の基板を用いる。また、密着層１１は、Ｓｉ基板１０と下部電極１２との間に設けられ、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んで形成される。密着層１１は、一例として、膜厚が２ｎｍのＴｉから形成される。下部電極１２は、導電性材料から形成され、例えば、白金（Ｐｔ）等の金属材料を含んで形成される。下部電極１２は、一例として、膜厚が０．２μｍのＰｔ（（１１１）面単独配向）、すなわち、（１１１）面方位に優勢的に配向するＰｔから形成する。

中間膜１３は、圧電膜１４を形成する材料の格子定数よりも小さい格子定数を有するペロブスカイト構造の化合物から形成される。具体的に、中間膜１３は、格子定数が０．３９１ｎｍ以下であり、擬立方晶又は立方晶のペロブスカイト構造を有する化合物から形成される。例えば、中間膜１３は、格子定数が０．３９１ｎｍ以下であり、擬立方晶又は立方晶のペロブスカイト構造を有するＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＹＡｌＯ_３、又はこれらの化合物の混晶、若しくはこれらの化合物に１０％以下の他の元素を添加した化合物から形成することができる。一例として、中間膜１３は、０．２μｍ厚のＬａＮｉＯ_３層から形成することができる。また、中間膜１３は、（１００）面方位に優勢的に配向するように形成される。なお、中間膜１３は、（１１０）面方位、（０１０）面方位、又は（１１１）面方位のいずれかの配向を有して形成することもできる。

圧電膜１４は、ペロブスカイト構造を有すると共に、鉛（Ｐｂ）を含まない圧電材料から形成される。また、圧電膜１４は、一例として、０．３μｍから１０μｍの範囲内の膜厚で形成される。そして、圧電膜１４は、中間膜１３上の所定の領域において、中間膜１３に隣接して形成される。圧電膜１４は、一例として、膜厚が３μｍのニオブ酸カリウムナトリウムから形成される。ニオブ酸カリウムナトリウムは、一般式が（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３で表され、本実施形態に係る圧電膜１４は、一例として、（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３の化学式で表されるニオブ酸カリウムナトリウムを含んで形成される。

なお、圧電膜１４は、（００１）面方位、（１００）面方位、若しくは（０１０）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１０）面方位、（１０１）面方位、若しくは（０１１）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１１）面方位のいずれかの配向を有して形成される。ここで、中間層１３を（１００）面方位に配向させると、中間層１３に隣接して形成される圧電膜１４も高い割合で（１００）面方位に配向する。この場合には、圧電膜１４は（１００）面方位に高い割合で配向して、その結果、圧電定数が高い圧電素子１を形成することができる。
ここでのＫＮＮ結晶（圧電薄膜１４）の面方位は、Ｘ線回折測定（２θ‐ω）での回折パターンにおいて、
２θ＝２２．０１１°〜２２．８９０°の回折ピークは、（００１）面、（１００）面または（０１０）面とし、
２θ＝３１．２６０°〜３２．４８４°の回折ピークは、（１１０）面、（１０１）面または（０１１）面とし、
２θ＝３８．７４８°〜４０．１３３°の回折ピークは、（１１１）面としている。
回折ピーク角度が上記のように範囲を有するのは、下記２つの理由による。
一つは、Ｓｉ基板１０とＫＮＮ結晶（圧電薄膜１４）の熱膨張差によって生ずる内部応力の影響や下地（下部電極１２）の影響でＫＮＮ結晶格子が歪むためである。
もう一つは、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）組成比によって結晶格子サイズが変化するためである。

また、圧電膜１４は、一例として、圧電膜１４を形成する圧電材料の平均結晶粒径が０．１μｍから１．０μｍの範囲になるように形成される。これは、圧電素子を用いて形成される電子部品の小型化及び高性能化に応じて、圧電素子１の小型化及び高性能化も求められることによる。すなわち、圧電膜１４の膜厚を、例えば１０μｍ程度に形成した場合において、圧電膜１４を形成する圧電材料の結晶粒径が当該膜厚に近い結晶粒径であると、圧電膜１４の面内における圧電特性にばらつきが生じ、また圧電膜１４の劣化が顕著になるからである。したがって、圧電膜１４を形成する圧電材料の平均結晶粒径は、圧電膜１４の膜厚に比べて十分、小さいことが望まれる。

なお、圧電膜１４は、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）の値が０．４から０．７５の範囲の組成を有する（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３から形成することができる。そして、圧電膜１４を形成する圧電材料としての（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３は、圧電材料を構成する構成元素であるカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び酸素（Ｏ）を除く他の元素を含有していてもよい。例えば、圧電膜１４を形成する圧電材料である（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３は、原子数パーセントで合計１０％以下の含有量のリチウム（Ｌｉ）、又はタンタル（Ｔａ）、若しくはＬｉ及びＴａを含んで形成することもできる。

本実施形態に係る上部電極１５は、金属材料から形成され、一例として、膜厚が０．０２μｍのＰｔを含んで形成される。そして、圧電素子１は、長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊形状に形成される。なお、上部電極１５は、Ｐｔ以外の金属材料を含む化合物から形成することもできる。また、圧電素子１の形状は上記の例に限られず、他の形状に形成してもよい。

なお、中間膜１３は、複数の層を含んで形成することもできる。例えば、中間膜１３は、第１の部分中間膜と第２の部分中間膜とを含んで形成することもできる。ここで、一例として、第１の部分中間膜と第２の部分中間膜とは、下部電極１２の側から圧電膜１４の側に向かってこの順に形成される。そして、圧電膜１４に隣接して形成される第２の部分中間膜は、格子定数が０．３９１ｎｍ以下の擬立方晶又は立方晶のペロブスカイト構造を有する化合物から形成することができる。

図２は、本発明の実施の形態に係る圧電素子の製造工程を示す。

（圧電素子１の製造方法）
まず、熱酸化膜付きのＳｉ基板１０（（１００）面方位、厚さ０．５ｍｍ、２０ｍｍ×２０ｍｍ角）上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、膜厚が２ｎｍのＴｉからなる密着層１１、及び膜厚が０．２μｍのＰｔ（（１１１）面単独配向）からなる下部電極１２を形成する（Ｓ１００）。

なお、密着層１１及び下部電極１２の成膜条件は以下の通りである。すなわち、基板温度を３５０℃、放電パワーを２００Ｗ、導入ガス雰囲気をＡｒ、及び圧力を２．５Ｐａに設定して、密着層１１及び下部電極１２をこの順に成膜して形成する。なお、密着層１１の成膜時間は１分間、及び下部電極１２の成膜時間は１０分間に設定する。

続いて、下部電極１２の上に中間膜１３を所定の成膜条件で形成する。具体的には、膜厚が０．２μｍのＬａＮｉＯ_３層を、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて下部電極１２上に形成する（Ｓ１１０）。ここで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法による中間膜１３の所定の成膜条件は以下の通りである。すなわち、下部電極１２を有するＳｉ基板１０の基板温度を６５０℃に設定すると共に、放電パワーを１２０Ｗ、導入ガス雰囲気をＡｒ、及び圧力を０．４Ｐａに設定する。そして、スパッタリングのターゲットには、ＬａＮｉＯ_３焼結体を用いる。なお、成膜時間は１０分に設定する。

続いて、中間膜１３上に圧電膜１４を所定の成膜条件で形成する。具体的には、膜厚が３μｍの（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３膜を、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて中間膜１３上に形成する（Ｓ１２０）。ここで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法による圧電膜１４の所定の成膜条件は以下の通りである。すなわち、中間膜１３を有するＳｉ基板１０の基板温度を６５０℃に設定すると共に、放電パワーを１００Ｗ、導入ガス雰囲気をＡｒ、及び圧力を０．４Ｐａに設定する。

更に、圧電膜１４の成膜時間は４時間に設定する。なお、ＲＦマグネトロンスパッタリング法において用いるターゲットは、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．０及びＫ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５の関係を満たす組成を有する（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３の焼結体のターゲットである。

続いて、圧電膜１４の上、すなわち、Ｓ１２０において形成した（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３膜の上に膜厚が０．０２μｍのＰｔから形成される上部電極１５を形成する（Ｓ１３０）。上部電極１５は、一例として、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成される。そして、上部電極１５を形成した後、長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊状の圧電素子１を、密着層１１と下部電極１２と中間膜１３と圧電膜１４と上部電極１５とが形成されたＳｉ基板１０から切り出す（Ｓ１４０）。

なお、ニオブ酸カリウムナトリウム膜は、上述したスパッタリング法の他、ＰＬＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法、ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ（ＬＰＥ）法等を用いて形成することもできる。更に、ニオブ酸カリウムナトリウム膜に、少量の添加物を混入して圧電膜１４を形成してもよい。少量の添加物としては、一例として、原子数濃度が８％以下のＬｉが挙げられる。

図３は、比較例に係る圧電素子の断面図を示す。

比較例に係る圧電素子２においては、下部電極１２と圧電膜１４との間に中間膜１３が形成されていない点を除き、本発明の実施の形態に係る圧電素子１と略同一の構造を備えると共に、略同一の工程で製造される。したがって、詳細な説明は省略する。

比較例に係る圧電素子２は、（１００）面方位を有するＳｉ基板１０と、Ｓｉ基板１０上に形成される密着層１１と、密着層１１上に形成される下部電極１２と、下部電極１２上に形成される圧電膜１４と、圧電膜１４上に形成される上部電極１５とを備える。また、比較例に係る圧電素子２の製造も、中間膜１３が形成されない点を除き、本発明の実施の形態に係る圧電素子１と略同一の工程で製造される。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る圧電素子及び比較例に係る圧電素子の圧電特性評価方法の概要を示す図である。

本発明の実施の形態に係る圧電素子１と、比較例に係る圧電素子２の双方について、圧電定数ｄ_３１を評価した。圧電定数ｄ_３１は、以下のように評価した。すなわち、まず、圧電素子の長手方向の端をクランプ２０で固定して、簡易的なユニモルフカンチレバーを構成した。次に、この状態で、上部電極１５と下部電極１２との間の圧電膜１４としての（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３膜に所定の電圧を印加した。これにより、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３膜が伸縮して、ユニモルフレバーの全体が屈曲動作して、図４（ｂ）に示すように、カンチレバーの先端が動作した。このときに、電圧印加前の上部電極表面１５ａの表面位置３００ａと電圧印加後の表面位置３００ｂとの変位である変位量３００を、レーザードップラ変位計３０で測定した。

圧電定数ｄ_３１は、変位量３００と、カンチレバーの長さと、Ｓｉ基板１０及び圧電膜１４のヤング率と、印加電圧とから算出できる。本発明の実施の形態に係る圧電素子１及び比較例に係る圧電素子２の双方について、印加電圧を２Ｖと２０Ｖとに設定して測定を実施した。そして、圧電素子１及び圧電素子２のそれぞれについて、２つの条件下における圧電定数ｄ_３１をそれぞれ算出した。

続いて、印加電圧が２Ｖの場合の圧電定数ｄ_３１をｄ_３１［２Ｖ］とすると共に、印加電圧が２０Ｖの場合の圧電定数ｄ_３１をｄ_３１［２０Ｖ］とした場合における（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値を圧電素子１及び圧電素子２のそれぞれについて算出した。そして、圧電素子１及び圧電素子２のそれぞれについて算出した（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値から、圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を、圧電素子１と圧電素子２とで比較した。

表１は、本発明の実施の形態に係る圧電素子及び比較例に係る圧電素子の（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値を示す。

表１を参照すると、本発明の実施の形態に係る圧電素子１の（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値は０．０２であった。一方、比較例に係る圧電素子２の（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値は０．３０であり、本発明の実施の形態に係る圧電素子１の１５倍の大きさであった。すなわち、本発明の実施の形態に係る圧電素子１では、印加電圧依存性の大きさが大幅に低減されていることが示された。

このような結果は、以下のように説明される。すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は、擬立方晶であるので、その格子定数は０．３９４から０．４０２の範囲である（但し、この格子定数の範囲は、ＫとＮａとの組成比、圧電膜１４が形成されるＳｉ基板１０からの拘束力等により多少のずれが生じる）。ここで、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を、格子定数が０．３９１ｎｍ以下のペロブスカイト構造の化合物上に形成すると、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の格子定数の方が、下地層としてのペロブスカイト構造を有する化合物の格子定数よりも大きいので、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は面内方向で圧縮される方向の応力を受ける。すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜中に圧縮応力が生じる。この応力の影響で、中間膜１３上に圧電膜１４を形成した圧電素子１の圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性が小さくなるのである。

圧電膜１４にかかる応力を中間膜１３を形成することにより制御して、圧電膜１４の圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を制御する点については、以下の知見から発明者がなしたものである。

すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の熱膨張係数（線膨張係数）は、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ_３の熱膨張係数よりも小さく、Ｓｉの熱膨張係数よりも大きい。したがって、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板の上にニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を形成すると、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜には圧縮応力がかかる。一方、Ｓｉ基板の上にニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を形成すると、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜に引っ張り応力がかかる。そして、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜に圧縮応力がかかる場合は圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性が小さくなり、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜に引っ張り応力がかかる場合は圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性が大きくなる知見を発明者は得た。このような知見から発明者は、圧電膜１４に隣接して所定の結晶構造を有する中間膜１３を形成することにより圧電膜１４にかかる応力を制御して、圧電膜１４の圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を制御することを見出したものである。

図５は、中間層を形成するペロブスカイト構造の材料の格子定数に対する（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値のグラフを示す。

表２は、中間層を形成するペロブスカイト構造の材料の格子定数に対する（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値の関係を示す。

格子定数がそれぞれ異なる複数のペロブスカイト構造を有する化合物の層（ペロブスカイト層）の上にニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を形成して、それぞれの圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を示す値として（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値を調査した。図５及び表２を参照すると、格子定数が０．３９１ｎｍ以下であるペロブスカイト構造の化合物から形成される層では、（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値が０．１以下になることがわかる。

具体的には、０．３９１ｎｍより大きい格子定数を有する材料として、化学式が（Ｋ_ｘＮａ_１−ｘ）ＮｂＯ_３で表されるＫＮＮ、ＮａＮｂＯ_３、化学式がＳｒＲｕＯ_３で表されるＳＲＯ、及びＮａＴａＯ_３のそれぞれの圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性は全て０．２９から０．３０程度の値を示した。一方、０．３９１ｎｍ以下の格子定数を有する化学式がＳｒＴｉＯ_３で表されるＳＴＯ、化学式がＬａＮｉＯ_３で表されるＬＮＯ、化学式がＬａＡｌＯ_３で表されるＬＡＯ、及びＹＡｌＯ_３のそれぞれの圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性は全て０．１以下の値を示した。

以上の結果から、格子定数が０．３９１ｎｍ以下であるペロブスカイト構造の化合物、すなわち、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、又はＹＡｌＯ_３を、中間膜１３を形成する材料として用いることにより、圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を低下させることができることが分かる。更に、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、又はＹＡｌＯ_３の混晶、若しくはＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、又はＹＡｌＯ_３に１０％以下の他の元素を添加したペロブスカイト構造の化合物も、格子定数が０．３９１ｎｍ以下であれば本実施形態に係る中間膜１３を形成することができる。

なお、中間膜１３の上に形成されるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の配向を所定の方位に高い割合で揃え、圧電定数の値を高くすることを目的として、中間膜１３を（１００）面方位に配向することが望ましい。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る圧電素子１は、下部電極１２と圧電膜１４との間に圧電膜１４に圧縮応力を生じさせる中間膜１３を形成したので、中間膜１３を形成しない場合に比べて圧電定数ｄ_３１の印加電圧依存性を小さくすることができる。これにより、鉛フリー材料である圧電体を用いて形成された圧電素子であって、優れた圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。

また、本発明の実施の形態に係る圧電素子は、基板としてＳｉ基板を用いることができるので、ＭｇＯ基板等を用いた場合に比べてコスト面において有利であると共に、使い勝手の面から工業的利用に大きな利点を有する。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

実施の形態に係る圧電素子の断面図である。実施の形態に係る圧電素子の製造工程を示すフローチャートである。比較例に係る圧電素子の断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態に係る圧電素子及び比較例に係る圧電素子の圧電特性評価方法の概要図である。ペロブスカイト層の格子定数に対する（（ｄ_３１［２０Ｖ］−ｄ_３１［２Ｖ］）／ｄ_３１［２０Ｖ］）の値の関係を示すグラフである。

符号の説明

１、２圧電素子
１０Ｓｉ基板
１１密着層
１２下部電極
１２ａ下部電極表面
１３中間膜
１４圧電膜
１５上部電極
１５ａ上部電極表面
２０クランプ
３０レーザードップラ変位計
３００変位量
３００ａ、３００ｂ表面位置

Claims

Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の上方に平均結晶粒径０．１μｍから１．０μｍの範囲の圧電材料で形成され、膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下であり、一般式が（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３で、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）の値が０．４から０．７５の範囲の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膜と、
前記Ｓｉ基板と前記圧電膜との間に形成され、前記圧電膜に圧縮方向の応力を生じさせ
る中間層とを備える圧電素子。
前記中間層が、前記圧電膜を形成するニオブ酸カリウムナトリウムの格子定数よりも小さい格子定数を有するペロブスカイト構造の材料から形成される請求項１に記載の圧電素子。
前記中間層を形成する材料が、格子定数が０．３９１ｎｍ以下の擬立方晶又は立方晶のペロブスカイト構造を有する材料から形成される請求項１又は２に記載の圧電素子。
前記中間層が、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＹＡｌＯ_３、又はこれらの化合物の混晶、若しくはこれらの化合物に１０％以下の他の元素を添加したペロブスカイト構造の化合物から形成される請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電素子。
前記中間層が、（１００）面、（１１０）面、（０１０）面、又は（１１１）面方位のいずれかの面方位に優勢的に配向して形成される請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電素子。
前記圧電膜が、（００１）面方位、（１００）面方位、若しくは（０１０）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１０）面方位、（１０１）面方位、若しくは（０１１）面方位のいずれか１種以上の面方位、又は（１１１）面方位のいずれかの面方位に優勢的に配向して形成される請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電素子。
前記Ｓｉ基板が、熱酸化膜を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電素子。
前記Ｓｉ基板が、前記中間膜と前記Ｓｉ基板との間に、Ｐｔ又はＰｔとＴｉとを含む金属層を含む請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子。
前記金属層の前記Ｐｔが、（１１１）面方位に優勢的に配向して形成される請求項８に記載の圧電素子。
前記圧電膜が、原子数パーセントで合計１０％以下のＬｉ、又はＴａ、若しくはＬｉ及びＴａが添加されて形成される請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電素子。