JP5515675B2 - 圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス - Google Patents

圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス Download PDF

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Description

本発明は、アルカリニオブ酸化物系の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスに関するものである。
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、特に圧電素子に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に圧電素子の変形により発生する電圧を検知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、特に組成式：Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３で表されるＰＺＴ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、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、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、そ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し、それを回避するために、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。最近、シリコン基板上にスパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が、高速高精細のインクジェットプリンタヘッド用アクチュエータの圧電薄膜として実用化されている。
一方、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、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中に、組成式：（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウム（以降、「ＫＮＮ」とも記す）がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このＫＮＮは、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料を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。
特開２００７−１８４５１３号公報 特開２００８−１５９８０７号公報
ＫＮＮ薄膜は、スパッタリング法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法でシリコン基板上への成膜が試みられており、一部では、実用化レベルの特性である圧電定数ｄ３１＝−１００ｐｍ／Ｖが得られたとの報告もある。しかしながら、安定して優れた圧電特性を有するＫＮＮ薄膜を実現する方法は確立されておらず、現状では製品への適用は困難な状況にある。ＫＮＮ薄膜が広くインクジェットプリンタヘッドなどに適用されるためには、少なくとも圧電定数ｄ３１が−９０ｐｍ／Ｖ以上、望ましくは−１００ｐｍ／Ｖ以上を安定して実現する必要がある。（本明細書では、負の値を取る圧電定数ｄ３１に関して、例えば、圧電定数ｄ３１が−９０［ｐｍ／Ｖ］以上とは、圧電定数ｄ３１が−９０、−１００、−１１０［ｐｍ／Ｖ］などの値を取ること、つまり圧電定数ｄ３１
の絶対値｜ｄ３１｜が９０［ｐｍ／Ｖ］以上であることをいう。）
本発明の目的は、現状のＰＺＴ薄膜に代替可能な圧電特性を有するアルカリニオブ酸化物系の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスを提供することにある。
本発明の第１の態様は、基板上に、下部電極と、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３で表され、０.４≦ｘ≦０.７かつ０.７≦ｙ≦０.９４の範囲にあるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト型の擬立方晶構造を有し、（００１）面方位に優先配向している圧電薄膜と、上部電極とを備え、前記圧電薄膜は、圧電定数ｄ ３１ の絶対値｜ｄ ３１ ｜が９０ｐｍ／Ｖ以上であり、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した際に流れるリーク電流が１×１０ −７ Ａ／ｃｍ ２ 以下である、圧電薄膜素子である。
本発明の第２の態様は、基板上に、下部電極と、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３で表され、０.４≦ｘ≦０.７かつ０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲にあるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト型の擬立方晶構造を有し、（００１）面方位に優先配向している圧電薄膜と、上部電極とを備え、前記圧電薄膜は、圧電定数ｄ ３１ の絶対値｜ｄ ３１ ｜が１００ｐｍ／Ｖ以上であり、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した際に流れるリーク電流が１×１０ −７ Ａ／ｃｍ ２ 以下である、圧電薄膜素子である。
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の圧電薄膜素子において、前記下部電極は、白金からなり、かつ（１１１）面方位に優先配向している圧電薄膜素子である。
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの圧電薄膜素子において、前記基板は、Ｓｉ基板、表面酸化膜付きＳｉ基板、またはＳＯＩ基板からなる圧電薄膜素子である。
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、前記圧電薄膜素子の前記下部電極と前記上部電極の間に接続された電圧印加手段または電圧検出手段とを備えた圧電薄膜デバイスである。
本発明によれば、現状のＰＺＴ薄膜に代替可能な圧電特性を有するアルカリニオブ酸化物系の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いた圧電薄膜デバイスが得られる。
本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る圧電薄膜素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子を用いて作製した圧電薄膜デバイスの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の実施例に係る圧電薄膜素子に対するＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の比較例に係る圧電薄膜素子に対するＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の実施例に係る圧電薄膜素子を用いて作製したアクチュエータの構成および圧電特性評価方法を説明する概略構成図である。 本発明の実施例及び比較例に係る圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１とＫＮＮ圧電薄膜の（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率との関係を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例に係る圧電薄膜素子に、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時のリーク電流とＫＮＮ薄膜の（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率との関係を示すグラフである。
以下に、本発明の実施形態に係る圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いた圧電薄膜デバイスの実施形態を説明する。
［圧電薄膜素子］
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子の概略的な構造を示す断面図である。圧電薄膜素子は、図１に示すように、基板１上に、下部電極２と、圧電薄膜３と、上部電極４とが順次形成されている。
基板１は、Ｓｉ（シリコン）基板、Ｓｉ基板表面に酸化膜を有する表面酸化膜付きＳｉ基板、またはＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いるのが好ましい。Ｓｉ基板には、例えば、Ｓｉ基板表面が(１００)面方位の(１００)面Ｓｉ基板が用いられたりするが、(１００)面とは異なる面方位のＳｉ基板でも勿論よい。また、基板１には、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ステンレスなどの金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板などを用いてもよい。
下部電極２は、Ｐｔ（白金）からなり、かつＰｔ膜が（１１１）面方位に優先配向しているＰｔ電極が好ましい。Ｓｉ基板上に形成したＰｔ膜は、自己配向性のために（１１１）面方位に配向しやすい。下部電極２は、Ｐｔ以外に、Ｐｔを含む合金、Ａｕ（金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、またはＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３などの金属酸化物を用いた電極でもよい。下部電極２は、スパッタリング法、蒸着法などを用いて形成する。なお、基板１と下部電極２との間に、下部電極２の密着性を高めるために、密着層を設けても良い。
圧電薄膜３は、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３（以下、「ＫＮＮ」と略称する）で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、係数ｘ＝Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率、および係数ｙ＝（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率は、０.４≦ｘ≦０.７かつ０.７≦
ｙ≦０.９４の範囲にある。更に、圧電薄膜３は、係数ｘ、ｙを、０.４≦ｘ≦０.７かつ
０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲にあるＫＮＮ薄膜とするのがより好ましい。ＫＮＮ薄膜である圧電薄膜３の形成方法には、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition
）法、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ゾルゲル法などが挙げられる。
上部電極４は、下部電極２と同様に、Ｐｔ、Ａｕなどをスパッタリング法、蒸着法、メッキ法、金属ペースト法などを用いて形成すればよい。上部電極４は、下部電極２のように圧電薄膜３の結晶構造に大きな影響を与えるものではないため、上部電極４の材料は特に限定されない。
ところで、従来、ＫＮＮ膜からなる圧電薄膜は、通常、ストイキオメトリー組成（化学量論的組成）である（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３におけるｙ＝１の組成のターゲットを用いてスパッタリング法で成膜され、ｙ＝１付近の組成のＫＮＮ膜が作製され研究されている（例えば、下記の文献１、文献２参照）。
文献１：K.Shibata, F.Oka, A.Ohishi, T.Mishima,and I.Kanno, Applied Physics Express, 1 (2008), 011501.
文献２：T.Saito, T.Wada, H.Adachi, and I.Kanno, Jpn.J.Appl.Phys, 43 (2004), 6627.
今回、我々は、意図的に係数ｙが１よりも小さいＫＮＮ膜、すなわち、ｙ＝１であるス
トイキオメトリー組成のＫＮＮ膜（（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３）に比べて、ＫやＮａが少ないＫＮＮ膜を作製してみたところ、ｙ＝１付近のＫＮＮ膜と比べて圧電定数が大きくなることを発見した。圧電定数が向上するメカニズムの詳細は明らかではないが、ｙを１よりも小さくすることで、結晶として理想的なｙ＝１のＫＮＮ膜に対して適度の不安定要因が導入されることとなり、電界による結晶格子伸縮（圧電動作）が起こりやすくなったと推測される。
（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３の係数ｘ、ｙが異なる種々のＫＮＮ膜を作製し、それら構造や圧電特性を調査した（後述の実施例における表１参照）。その結果、ＫＮＮ薄膜はペロブスカイト型の擬立方晶構造を有し、（００１）面方位に優先配向していた。そして、０.４≦ｘ≦０.７である場合に、０.７０≦ｙ≦０.９４の範囲の時に、高い圧電定数ｄ３１（−９０ｐｍ／Ｖ以上であって、実用可能レベル）を有することが分かった（実施例の表１及び図７参照）。また、０.４≦ｘ≦０.７で、且つ０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲の時に、更に高い圧電定数ｄ３１（−１００ｐｍ／Ｖ以上であって、実用レベル）を有することも分かった（実施例の表１及び図７参照）。
また、ｙ＜０.７では、ＫＮＮ膜の絶縁性が著しく劣化し、リーク電流が桁違いに増大
してしまうため、圧電薄膜素子としての利用は困難であることも分かった（実施例の表１及び図８参照）。
（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率であるｙが０.７よりも小さくなると、リーク電流が著しく大
きくなる理由は、次のように考えられる。（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率が１の時に、結晶として考えたときに理想的な組成（ストイキオメトリ組成）になる。（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率が１より小さくなると、本来ＫやＮａが入るべきＡサイト（結晶格子の頂点の位置）にも、Ｂサイト（結晶格子の体心の位置）の元素のＮｂが入ることになる。多少Ｎｂリッチになっても、このＡサイトにＮｂが落ち着くが、ある臨界組成を超えるとＮｂが格子間に入ることになる。この格子間に入ったＮｂは電荷を運ぶキャリアとして働くことで、一気に絶縁性が劣化すると考えられる。
０.４≦ｘ≦０.７で、且つ０.７０≦ｙ≦０.９４または０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲にあるＫＮＮ薄膜を作製する方法としては、ストイキオメトリー組成と比べてＫやＮａが少ない、すなわちｙが１よりも小さいターゲットを用いてスパッタリングする方法がある（表１参照）。また、ｙ＝１付近のターゲットを用いた場合でも、スパッタ成膜の際の基板温度を一般的に用いられる温度（５００〜７００℃）よりも高めの温度（例えば８００℃）にすることでも、０.７０≦ｙ≦０.９４または０.７５≦ｙ≦０.９０の組成のＫＮＮ薄膜を作製できる（表１参照）。
［他の実施形態の圧電薄膜素子］
図２に、本発明の他の実施形態に係る圧電薄膜素子の概略的な断面構造を示す。この圧電薄膜素子は、図１に示す上記実施形態の圧電薄膜素子と同様に、基板１上に、下部電極２、圧電薄膜３、上部電極４を有するが、図２に示すように、基板１は、その表面に酸化膜５が形成された表面酸化膜付き基板であり、酸化膜５と下部電極２との間には、下部電極２の密着性を高めるための密着層６が設けられている。
酸化膜付きの基板１は、例えば、酸化膜付きＳｉ基板であり、酸化膜付きＳｉ基板では、酸化膜５は、熱酸化により形成されるＳｉＯ２膜、ＣＶＤ法により形成されるＳｉ酸化膜がある。また、密着層６には、Ｔｉ、Ｔａなどが用いられ、スパッタリング法などで形成される。
なお、上記実施形態の圧電薄膜素子の圧電薄膜３は、単層のＫＮＮ薄膜であるが、０.
４≦ｘ≦０.７、且つ０.７０≦ｙ≦０.９４または０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲にあるＫ
ＮＮ薄膜が複数層あってもよい。また、ＫＮＮの圧電薄膜３に、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｏ以外
の元素、例えば、Ｌｉ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｂａ、Ｔｉ等を５原子数％以下で添加してもよく、この場合にも、同様の効果が得られる。更に、下部電極２と上部電極４との間に、０.４≦ｘ≦０.７、且つ０.７０≦ｙ≦０.９４または０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲のＫＮＮ薄膜の他に、例えば、ｙ＝１付近の組成のＫＮＮ薄膜、またはＫＮＮ以外のアルカリニオブ酸化物系の材料、或いはペロブスカイト構造を有する材料（ＬａＮｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＹＡｌＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＢａＭｎＯ３など）からなる薄膜が含まれていてもよい。
［圧電薄膜素子を用いた圧電薄膜デバイス］
図３に、本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子を用いて作製した圧電薄膜デバイスの一実施形態の概略構成図を示す。圧電薄膜デバイスは、図３に示すように、所定の形状に成形された圧電薄膜素子１０の下部電極２と上部電極４の間に、少なくとも電圧検出手段または電圧印加手段１１が接続されている。
下部電極２と上部電極４の間に、電圧検出手段１１を接続することで、圧電薄膜デバイスとしてのセンサが得られる。このセンサの圧電薄膜素子１０が何らかの物理量の変化に伴って変形すると、その変形によって電圧が発生するので、この電圧を電圧検出手段１１で検出することで各種物理量を測定することができる。センサとしては、例えば、ジャイロセンサ、超音波センサ、圧カセンサ、速度・加速度センサなどが挙げられる。
また、圧電薄膜素子１０の下部電極２と上部電極４の間に、電圧印加手段１１を接続することで、圧電薄膜デバイスとしてのアクチュエータが得られる。このアクチュエータの圧電薄膜素子１０に電圧を印加して、圧電薄膜素子１０を変形することによって各種部材を作動させることができる。アクチュエータは、例えば、インクジェットプリンタ、スキャナー、超音波発生装置などに用いることができる。
次に、本発明の実施例を説明する。
実施例および比較例の圧電薄膜素子は、上記図２に示す実施形態と同様の断面構造を有し、熱酸化膜（５）を有するＳｉ基板（１）上に、Ｔｉ密着層（６）と、Ｐｔ下部電極（２）と、ＫＮＮ圧電薄膜（３）と、Ｐｔ上部電極（４）とが積層されている。
［ＫＮＮ圧電薄膜の成膜］
以下に、実施例および比較例におけるＫＮＮ圧電薄膜の成膜方法を説明する。
基板には熱酸化膜付きＳｉ基板（（１００）面方位、厚さ０.５２５ｍｍ、サイズ２０
ｍｍ×２０ｍｍ、熱酸化膜の厚さ２００ｎｍ）を用いた。まず、基板上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚２ｎｍ）、Ｐｔ下部電極（（１１１）面優先配向、膜厚２００ｎｍ）を形成した。Ｔｉ密着層とＰｔ下部電極は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、Ａｒ雰囲気の圧力２.５Ｐａ、成膜時間は、Ｔｉ密着
層では１〜３分、Ｐｔ下部電極では１０分の条件で成膜した。
続いて、Ｐｔ下部電極の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３薄膜を３μｍ形成した。（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３圧電薄膜は、比率（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝０.８１２〜１.２８２、比率Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０.４１〜０.７２の（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、基板温度６５０℃、７００℃または８００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ、Ａｒ雰囲気の圧力１.３Ｐａの
条件で成膜した。（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３焼結体のターゲットは、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末を原料にして、ボールミルを用いて２４時間混合し、８５０℃で１０時間仮焼成し、その後再びボールミルで粉砕し、２００ＭＰａの圧力で成形した後、１０８０℃で焼成することで作製した。（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率およびＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率は、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末の混合比率を調整することで制御した。作製したターゲットは、スパッタ成膜に用いる前にＥＤＸ（
エネルギー分散型Ｘ線分光分析）によってＫ、Ｎａ、Ｎｂの原子数％を測定し、それぞれの（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率を算出した。実施例１〜２５および比較例１〜１３で用いたターゲットの（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率、及びスパッタ成膜温度（基板温度）を表１に示す。各ＫＮＮ膜のスパッタ成膜時間は、成膜でＫＮＮ膜厚がほぼ３μｍになるように調整して行った。
［ＫＮＮ圧電薄膜のＸ線回折測定］
実施例１〜２５および比較例１〜１３のＫＮＮ圧電薄膜に対して、Ｘ線回折測定（２θ／θスキャン）を行い、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶構造、配向状態の調査を行った。一例として、実施例１１のＸ線回折パターンを図４に、比較例９のＸ線回折パターンを図５に示す。形成されたＫＮＮ圧電薄膜は完全なペロブスカイト構造になっており、擬立方晶であり、ＫＮＮ（００１）面方位に優先配向していることが分かる。また、Ｐｔ下部電極も（１１１）優先配向になっていることが分かる。他の実施例、比較例についても回折ピーク角度や強度に多少の違いはあるが、ほぼ同様の回折パターンを示していた。
［ＫＮＮ圧電薄膜の組成分析］
ＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合型プラズマ発光分析）法によって、実施例１〜２５および比較例１〜１３のＫＮＮ圧電薄膜の組成分析を行った。分析は、湿式酸分解を用いて、酸には王水とフッ化水素酸を用いた。分析結果を表１に示す。Ｎｂ、Ｎａ、Ｋの割合から（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率を算出した結果も表１に併せて示している。（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率が異なるターゲットを用いたことで、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率が異なるＫＮＮ圧電薄膜が作製できていることが分かる。また、成膜温度を７００℃や８００℃という高温にすることで、ターゲットよりもかなり（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率が小さいＫＮＮ圧電薄膜が作製できている。また、実施例では、スパッタ投入電力密度を０.０
３Ｗ／ｍｍ２とした。スパッタ投入電力密度とは、ターゲットへの投入電力を、ターゲットのスパッタリング面の面積で割った値である。
［アクチュエータの試作および圧電特性の評価］
ＫＮＮ圧電薄膜の圧電定数ｄ３１を評価するために、図６に示す構成のユニモルフカンチレバーを試作した。まず、上記実施例および比較例のＫＮＮ圧電薄膜の上にＰｔ上部電極（膜厚２０ｎｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した後、長さ２０ｍｍ、幅２.５ｍｍの短冊形に切り出し、ＫＮＮ圧電薄膜を有する圧電薄膜素子２０を作製した
。次に、この圧電薄膜素子２０の長手方向の一端をクランプ２１で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを作製した（図６（ａ））。このカンチレバーの上部電極４と下部電極２との間のＫＮＮ圧電薄膜３に、図示省略の電圧印加手段によって電圧を印加し、ＫＮＮ圧電薄膜３を伸縮させることでカンチレバー（圧電薄膜素子２０）全体を屈伸させ、カンチレバー先端を上下方向（ＫＮＮ圧電薄膜３の厚さ方向）に往復動作させる。このときのカンチレバーの先端変位量Δを、レーザードップラ変位計２１からレーザー光Ｌをカンチレバーの先端に照射して測定した（図６（ｂ））。圧電定数ｄ３１は、カンチレバー先端の変位量Δ、カンチレバーの長さ、基板１とＫＮＮ圧電薄膜３の厚さとヤング率、および印加電圧から算出される。圧電定数ｄ３１の算出は、下記文献３に記載の方法で行った。ＫＮＮ圧電薄膜のヤング率は１０４ＧＰａを用い、印加電界５０ｋＶ／ｃｍの時の圧電定数ｄ３１を測定した。圧電定数ｄ３１の測定結果を表１に示す。また、表１における（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率と圧電定数ｄ３１との関係を図７に示す。
文献３：T.Mino, S. Kuwajima, T.Suzuki, I.Kanno, H.Kotera, and K.Wasa, Jpn. J. Appl. Phys., 46(2007), 6960
また、上部電極４と下部電極２の間に電圧を印加した際のリーク電流を測定することで、電流−電圧特性・絶縁性を調べた。絶縁性の良否の目安として、５０ｋＶ／ｃｍの電界をＫＮＮ圧電薄膜に印加した際に流れるリーク電流の値で判断した。一般的に、リーク電流が１×１０−７（Ａ／ｃｍ２）以下であれば絶縁性に問題がないと判断できる。リーク電流の測定結果を表１に示す。また、表１における（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率とリーク電流との関係を図８に示す。
表１及び図７から、ＫＮＮ圧電薄膜のＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）組成が０.４≦ｘ≦０.７である場合、０.７０≦ｙ≦０.９４の範囲の時に、−９０ｐｍ／Ｖ以上の実用可能レベルである高い圧電定数ｄ３１が得られることが分かった。また、０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲の時に、更に高い−１００ｐｍ／Ｖ以上の実用レベルの圧電定数ｄ３１が得られることが分かった。更に、表１及び図８から、ｙ＜０.７では、ＫＮＮ圧電薄膜の絶縁性が著しく劣
化するため、圧電薄膜素子としての利用は困難であることも分かった。
これらの結果から、高い圧電定数と低いリーク電流を実現するには、０.４≦ｘ≦０.７である場合に、０.７０≦ｙ≦０.９４の範囲の時、更に望ましくは０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲の時が最適であることが分かる。
１ 基板
２ 下部電極
３ 圧電薄膜
４ 上部電極
５ 酸化膜
６ 密着層
１０ 圧電薄膜素子
１１ 電圧検出手段または電圧印加手段
２０ 圧電薄膜素子
２１ クランプ
２２ レーザードップラ変位計

Claims (5)

  1. 基板上に、下部電極と、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３で表され、０.４≦ｘ≦０.７かつ０.７≦ｙ≦０.９４の範囲にあるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト型の擬立方晶構造を有し、（００１）面方位に優先配向している圧電薄膜と、上部電極とを備え、前記圧電薄膜は、圧電定数ｄ ３１ の絶対値｜ｄ ３１ ｜が９０ｐｍ／Ｖ以上であり、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した際に流れるリーク電流が１×１０ −７ Ａ／ｃｍ ２ 以下である、圧電薄膜素子。
  2. 基板上に、下部電極と、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３で表され、０.４≦ｘ≦０.７かつ０.７５≦ｙ≦０.９０の範囲にあるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト型の擬立方晶構造を有し、（００１）面方位に優先配向している圧電薄膜と、上部電極とを備え、前記圧電薄膜は、圧電定数ｄ ３１ の絶対値｜ｄ ３１ ｜が１００ｐｍ／Ｖ以上であり、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した際に流れるリーク電流が１×１０ −７ Ａ／ｃｍ ２ 以下である、圧電薄膜素子。
  3. 請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極は、白金からなり、かつ（１１１）面方位に優先配向していることを特徴とする圧電薄膜素子。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記基板は、Ｓｉ基板、表面酸化膜付きＳｉ基板、またはＳＯＩ基板であることを特徴とする圧電薄膜素子。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、前記圧電薄膜素子の前記下部電極と前記上部電極の間に接続された電圧印加手段または電圧検出手段とを備えたことを特徴とする圧電薄膜デバイス。
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