JP6578866B2 - 圧電薄膜、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ヘッド - Google Patents
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Description
図1に本実施形態に係る圧電薄膜素子の層構成の一例を示す。圧電薄膜素子100は、基板1と、下部電極層2と、下部電極層2上に形成された圧電薄膜3と、圧電薄膜3上に形成された上部電極層4とを備える。すなわち、圧電薄膜素子100は、圧電薄膜3を挟む一対の電極層を含んだ構造となっている。
一般に結晶と結晶の粒界においては、結晶格子のミスフィットなどで、その機械的強度が結晶粒内よりも低いため、クラックは粒界に沿って伸展しやすいことが知られている。従って、前記配列を有していることで、例えば、加工プロセスの際に圧電薄膜面内におけるマイクロクラックの伸展が制限され、潜在的なダメージが抑制できる。また、このような圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子は前記ダメージに起因する連続駆動時の疲労劣化を抑えることができ、結果的に高い信頼性を得ることができる。ただし、メカニズムはこれに限定されるものではない。
まず、基板1として単結晶シリコン基板を準備する。次に、下部電極層2を基板1上にPtをスパッタリング法にて成膜する。続いて、圧電薄膜3には(K,Na)NbO3で表される組成のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法によって成膜する。本実施形態の構造を形成するための方法の一例として、例えば、成膜途中での酸素濃度や基板温度を変更することによって達成することができる。。酸素濃度は0%〜25%の範囲で、一方、基板温度は最高900℃まで設定可能である。ただし、本発明は以上の実施形態の製造条件に限定されるものではない。このようにして得られた圧電薄膜3上に上部電極層4としてPtをスパッタリング法にて成膜する。以上のプロセスを経て、圧電薄膜素子100が作製される。
AFMを用いて圧電薄膜3を10μm×10μmの視野にて表面観察を行い、第1結晶と第2結晶を決定する。なお、角度の測定は画像編集ソフトで代表となる第1結晶と第2結晶のそれぞれの長辺Yに補助線を引き、その角度より求められる。
図3Aは、本実施形態に係わる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100、及びヘッド素子19aを備えたヘッドスライダ19を備えている。
図4Aは、前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4Bは図4AのA−A線矢視断面図である。
図5は、図3A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3B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。
まず、単結晶Si基板上に下部電極層として、Pt電極層をスパッタリング法にて形成した。その時の成膜条件は、基板温度は400℃、かつ膜厚は0.2μmとした。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を800℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め基板温度800℃のまま1時間保持し、成膜温度を700℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を480℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め基板温度480℃のまま1時間保持し、成膜温度を700℃に変更した後再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を700℃にて成膜を行った後、成膜を一度止めそのまま1時間保持し、その後成膜温度を700℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を520℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度520℃のまま1時間保持し、その後成膜温度を700℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を560℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度560℃のまま1時間保持し、その後成膜温度を700℃にしたのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を560℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度560℃のまま1時間保持し、成膜温度を650℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を560℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度560℃のまま1時間保持し、成膜温度を600℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を720℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度720℃のまま1時間保持し、成膜温度を580℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を660℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度660℃のまま1時間保持し、成膜温度を620℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を660℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度660℃のまま1時間保持し、成膜温度を600℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を660℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度660℃のまま1時間保持し、再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
成膜開始から膜厚0.3μmまで基板温度を660℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度660℃のまま1時間保持し、成膜温度を680℃に変更したのち再び膜厚が2μmに達するまで成膜を行った。
(K0.45Na0.55)(Nb0.9Ta0.1)O3のターゲットを用いて、実施例1と同様の成膜を行った。
(K0.45Na0.55)(Nb0.95Zr0.05)O3のターゲットを用いて、実施例1と同様の成膜を行った。
主成分(K0.45Na0.55)NbO3に対して、MnをMnO換算で0.31質量%含有したターゲットを用いて、実施例1と同様の成膜を行った。
(主成分(K0.45Na0.55)(Nb0.85Ta0.1Zr0.05)O3に対して、MnをMnO換算で0.31質量%含有したターゲットを用いてに仕込み時にMnCO3を0.5重量%添加したターゲットを用いて、実施例1と同様の成膜を行った。
1 基板
2 下部電極層
3 圧電薄膜
4 上部電極層
10 圧電薄膜表面
10a〜10d 結晶
D1 第1方向
D2 第2方向
200 ヘッドアセンブリ
9 ベースプレート
11 ロードビーム
11b 基端部
11c 第1板バネ部分
11d 第2板バネ部分
11e 開口部
11f ビーム主部
15 フレキシブル基板
17 フレクシャ
19 ヘッドスライダ
19a ヘッド素子
300 圧電アクチュエータ
20 基板
21 圧力室
23 絶縁膜
24 下部電極層
25 圧電薄膜
26 上部電極層
27 ノズル
400 ジャイロセンサ
110 基板
120,130 アーム
30 圧電薄膜
31 上部電極層
31a,31b 駆動電極層
31c,31d 検出電極層
32 下部電極層
500 圧力センサ
40 圧電薄膜素子
41 共通電極層
42 圧電薄膜
43 個別電極層
44 支持体
45 空洞
46 電流増幅器
47 電圧測定器
600 脈波センサ
50 圧電薄膜素子
51 共通電極層
52 圧電薄膜
53 個別電極層
54 支持体
55 電圧測定器
700 ハードディスクドライブ
60 筐体
61 ハードディスク
62 ヘッドスタックアセンブリ
63 ボイスコイルモータ
64 アクチュエータアーム
65 ヘッドアセンブリ
800 インクジェットプリンタ装置
70 インクジェットプリンタヘッド
71 本体
72 トレイ
73 ヘッド駆動機構
74 排出口
75 記録用紙
76 オートシートフィーダ(自動連続給紙機構)
Claims (11)
- (K,Na)NbO3を主成分とする圧電薄膜において、前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記圧電薄膜の表面には、当該表面に沿って第1方向に向けて細長い形状を持つ複数の第1結晶と、前記表面に沿って前記第1方向に交差する第2方向に向けて細長い形状を持つ複数の第2結晶と、が配列してあり、前記第1結晶の長辺の長さ平均と前記第2結晶の長辺の長さ平均が共に2μm以下であることを特徴とする圧電薄膜。
- 前記第1結晶の短辺の長さに対する長辺の長さの比を示す第1アスペクト比の平均が2以上であり、前記第2結晶の短辺の長さに対する長辺の長さを示す第2アスペクト比の平均が2以上である請求項1に記載の圧電薄膜。
- 前記第1アスペクト比の平均と第2アスペクト比の平均が、共に2以上15以下である請求項2に記載の圧電薄膜。
- 前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記第1結晶および第2結晶の占める合計面積割合が70%以上である請求項1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜。
- 前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記第1結晶の数(α)と第2結晶の数(β)のうちのαの割合(α/(α+β))が、0.3以上0.7以下である請求項1〜4のいずれかに記載の圧電薄膜。
- 前記圧電薄膜にさらにTa、Mn、Zrのうち少なくとも1つを含む請求項1〜5のいずれかに記載の圧電薄膜。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の圧電薄膜と該圧電薄膜を挟む一対の電極層を含む圧電薄膜素子。
- 請求項7の圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ。
- 請求項7の圧電薄膜素子を用いた圧電センサ。
- 請求項8の圧電アクチュエータを備えるインクジェットプリンタヘッド。
- 請求項8の圧電アクチュエータを備えるハードディスクドライブ。
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