JP6460387B2 - 圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置 - Google Patents
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Description
(第1の実施態様)
図1に本実施形態の圧電薄膜素子10の構成を示す。
圧電薄膜素子の圧電特性向上およびリーク電流抑制をさらに向上させる場合は以下の態様とすることができる。図2に本実施形態の圧電薄膜素子10’の構成を示す。
圧電薄膜素子の抵抗値減少を優先させる場合は以下の態様も好適である。図2に本実施形態の圧電薄膜素子10’の構成を示す。
以上の実施形態における圧電薄膜素子10、10’の評価方法は、以下のとおりである。
(1) 変位量の測定:
作製した圧電薄膜素子10、10’の上下部電極層2(2a)、4(4b)間に700Hz、3Vp-pおよび20Vp-pを印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて圧電薄膜素子10、10’の先端部における変位を測定する。
(2) リーク電流密度の測定:
圧電薄膜素子10、10’をフレキシブルケーブルによる配線を有する厚さ18μmのステンレスの薄板に固定した後、圧電薄膜素子10、10’に印加電圧120Hz±27kV/cmにて通電してリーク電流密度を測定する。
(3) 酸化物含有量の測定:
下部電極層2、第二下部電極層2b、第一上部電極層4aの膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察し、1μm×1μmの面積においてエネルギー分散型X線分析(EDS)により含有する元素分析から酸化物粒子の重量百分率(wt%)で算出する。
図3(a)は、これらの圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブ(以下HDDとも呼ぶ)に搭載されたヘッドアセンブリの構成図である。この図に示すように、ヘッドアセンブリ200は、その主なる構成要素として、ベースプレート9、ロードビーム11、フレクシャ17、駆動素子である第1及び第2の圧電薄膜素子13、及びヘッド素子19aを備えたスライダ19を備えている。
図4(a)は、上記の圧電薄膜素子を用いた圧電センサの一例としてのジャイロセンサの構成図(平面図)であり、図4(b)は図4(a)のA−A線矢視断面図である。
図5は、図3(a)に示したヘッドアセンブリを搭載したハードディスクドライブの構成図である。
図6は、図3(b)に示したインクジェットプリンタヘッドを搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとPtO2ターゲットとの二元スパッタリングによる同時成膜にて、下部電極層2を200nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびPtO2ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は150W、PtO2ターゲットの印加出力は50Wとし、アルゴン(Ar)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
下部電極層2および上部電極層4における二元スパッタリングによる同時成膜において、PtO2ターゲットへの高周波電源の印加出力を150Wとした以外は実施例1と同様の条件にて実施例2の圧電薄膜素子10を作製した。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとPtO2ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、下部電極層2を200nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびPtO2ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は250W、PtO2ターゲットの印加出力は80Wとし、酸素(O2)濃度10%のアルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
下部電極層2および上部電極層4における二元スパッタリングによる同時成膜において、PtO2ターゲットへの高周波電源の印加出力を200Wとした以外は実施例3と同様の条件にて実施例4の圧電薄膜素子10を作製した。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとPtO2ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層2aを75nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびPtO2ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は250W、PtO2ターゲットの印加出力は80Wとし、酸素(O2)濃度10%のアルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
第一下部電極層2aおよび第二上部電極層4bにおける二元スパッタリングによる同時成膜において、PtO2ターゲットへの高周波電源の印加出力を65W、第一上部電極層2bおよび第二下部電極層4aにおける二元スパッタリングによる同時成膜において、PtO2ターゲットへの高周波電源の印加出力を250Wとした以外は実施例5と同様の条件にて実施例6の圧電薄膜素子10’を作製した。
第一下部電極層2aおよび第二上部電極層4bの膜厚を150nm、第二下部電極層2bおよび第一上部電極層4aの膜厚を50nmとした以外は実施例6と同様の条件にて実施例7の圧電薄膜素子10’を作製した。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとNaNbO3ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層2aを150nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびNaNbO3ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は250W、NaNbO3ターゲットの印加出力は75Wとし、酸素(O2)濃度10%のアルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとKNbO3ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層2aを150nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびKNbO3ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は250W、KNbO3ターゲットの印加出力は85Wとし、酸素(O2)濃度10%のアルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、PtターゲットとNb2O5ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層2aを150nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットおよびNb2O5ターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ptターゲットの印加出力は250W、Nb2O5ターゲットの印加出力は90Wとし、酸素(O2)濃度10%のアルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
(100)面方位を有する厚さ400μmのシリコン基板1を400℃に加熱し、スパッタリングにより第一下部電極層2aとしてPtを75nm、シリコン基板1の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板1上に成膜した。ここでPtターゲットは外径φ150mmのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、印加出力は150Wとし、アルゴン(Ar)ガスを用いガス圧は0.2Paとした。
比較例1として、酸化物ターゲットを使用せずにPtターゲットのみでアルゴン(Ar)ガスを用い、ガス圧0.2Paにてスパッタリングにより下部電極層および上部電極層を200nm成膜した以外は実施例1と同様に圧電薄膜素子を作製した。
比較例2として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないAl2O3ターゲットとし、高周波電源のPtターゲットへの印加出力を180W、Al2O3ターゲットへの印加出力を70Wとし、アルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスのO2濃度を5%として下部電極層および上部電極層を200nm成膜した以外は実施例3と同様に圧電薄膜素子を作製した。
比較例3として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないAl2O3ターゲットとし、高周波電源のPtターゲットへの印加出力を180W、Al2O3ターゲットへの印加出力を180Wとし、アルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスのO2濃度を5%として下部電極層および上部電極層を200nm成膜した以外は実施例3と同様に圧電薄膜素子を作製した。
比較例4として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないCr2O3ターゲットとし、高周波電源のPtターゲットへの印加出力を175W、Cr2O3ターゲットへの印加出力を60Wとし、アルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスのO2濃度を4%として下部電極層および上部電極層を200nm成膜した以外は実施例3と同様に圧電薄膜素子を作製した。
比較例5として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないCr2O3ターゲットとし、高周波電源のPtターゲットへの印加出力を175W、Cr2O3ターゲットへの印加出力を175Wとし、アルゴン酸素混合(Ar+O2)ガスのO2濃度を4%として下部電極層および上部電極層を200nm成膜した以外は実施例3と同様に圧電薄膜素子を作製した。
Claims (11)
- 一対の電極層と、前記一対の電極層に挟まれた圧電薄膜とを備えた圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜がニオブ酸カリウムナトリウム系であり、前記一対の電極層がPt(白金)からなり、少なくともいずれか一方の前記電極層に酸化物粒子を含有し、前記酸化物粒子は、K、Na、Nbの少なくともいずれか一つの元素の酸化物粒子もしくはPtの酸化物粒子であることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 前記酸化物粒子は前記電極層内に分散された状態を有し、前記圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における単位面積当たりの前記酸化物粒子の含有比率が5%以上20%以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。
- 前記電極層に含有される前記酸化物粒子の含有量が5wt%以上20wt%以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。
- 前記酸化物粒子の含有量が前記電極層の膜厚方向に勾配を持ち、その最大値が前記圧電薄膜側との界面層に存在することを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。
- 前記最大値が、前記圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における単位面積当たりの前記酸化物粒子の含有比率で5%以上20%以下であることを特徴とする請求項4に記載の圧電薄膜素子。
- 前記最大値が、前記電極層に含有される前記酸化物粒子の含有量で5wt%以上20wt%以下であることを特徴とする請求項4に記載の圧電薄膜素子。
- 前記酸化物粒子は、NaNbO 3 、KNbO 3 、Nb 2 O 5 、もしくはPtO 2 である請求項1〜6いずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
- 請求項1〜7いずれか一項に記載の圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜7いずれか一項に記載の圧電薄膜素子を用いた圧電センサ。
- 請求項8に記載の圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。
- 請求項8に記載の圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタ装置。
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