JP7061752B2 - 強誘電性薄膜、強誘電性薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、強誘電性薄膜、強誘電性薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置に関する。

下記特許文献１に記載の通り、ＨｆＯ_２は誘電体として広く知られている。また下記特許文献２に記載の通り、ＨｆＯ_２の固溶体を含む薄膜が強誘電性を有することも知られている。強誘電性とは、誘電体の外部に電界がない状態において電気双極子が誘電体内に整列しており、かつ電気双極子の方向が、誘電体に印加された電界に沿って可逆的に変化する物性である。強誘電性を有するＨｆＯ_２は、斜方晶の結晶構造を有する、と考えられている。斜方晶は、三つの結晶軸（基本ベクトル）の長さが互いに異なる直方体状の単位胞（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）を有している。ＨｆＯ_２の斜方晶は、常圧において不安定な相である。したがって、斜方晶相を含む強誘電性薄膜を形成することは容易ではなく、強誘電性薄膜が厚いほど、強誘電性薄膜中の斜方晶相が維持され難い。例えば、下記特許文献２に記載の通り、エピタキシャル成長によって強誘電性薄膜を単結晶基板の表面に形成する場合、斜方晶が安定的に維持される強誘電性薄膜の厚さは、最大で１００ｎｍ程度である。

特開２００８‐３０６０３６号公報 国際公開第２０１６／０３１９８６号パンフレット

斜方晶を含む強誘電性薄膜を圧電素子又は焦電素子に利用するためには、十分な機械的強度を有するメンブレン構造を作製する必要がある。つまり、強誘電性薄膜自体が十分な機械低強度を有する必要がある。強誘電性薄膜が十分な機械低強度を有するためには、強誘電性薄膜の厚さが１００ｎｍ以上（好ましくは１μｍ以上）であることが望ましい。しかし、強誘電性薄膜が厚いほど、強誘電性薄膜に対する単結晶基板の拘束力が弱まり易い。例えば、強誘電性薄膜の厚みが１００ｎｍよりも大きい場合、強誘電性薄膜に対する単結晶基板の拘束力が弱いため、強誘電性薄膜中の斜方晶が、常圧で安定な単斜晶になり易い。つまり、強誘電性薄膜が厚いほど、強誘電性薄膜中の斜方晶相が維持され難い。その結果、強誘電性薄膜の強誘電性が損なわれ易い。また斜方晶を含む強誘電性薄膜が厚いほど、強誘電性薄膜が脆く、亀裂（ｃｒａｃｋ）が強誘電性薄膜に形成され易い。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、強誘電性に優れ、且つ亀裂が抑制された強誘電性薄膜、当該強誘電性薄膜を備える強誘電性薄膜素子、並びに当該強誘電性薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る強誘電性薄膜は、金属酸化物を含む強誘電性薄膜であって、金属酸化物が、ハフニウムを含み、金属酸化物が、蛍石型結晶構造を有する結晶相を含み、結晶相が、斜方晶及び正方晶のうち一方又は両方であり、一部の結晶相の（１１１）面が、強誘電性薄膜の表面の法線方向において配向しており、別の一部の結晶相の（１００）面が、強誘電性薄膜の表面の法線方向において配向している。

強誘電性薄膜の厚みが、１００ｎｍよりも大きく３０００ｎｍ以下であってよい。

（１１１）面の回折Ｘ線のピーク面積が、Ａ_{（１１１）}と表されてよく、（１００）面の回折Ｘ線のピーク面積が、Ａ_{（１００）}と表されてよく、Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）が、１％以上９９％以下であってよい。

金属酸化物が、アルミニウム、ケイ素、ビスマス及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種を更に含んでよい。

本発明の一側面に係る強誘電性薄膜素子は、上記の強誘電性薄膜を備える。

本発明の一側面に係る強誘電性薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる強誘電性薄膜と、を備えてよく、一部の結晶相の（１１１）面が、単結晶基板の表面の法線方向において配向していてよく、別の一部の結晶相の（１００）面が、単結晶基板の表面の法線方向において配向していてよい。

上記の強誘電性薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一電極層と、第一電極層を介して単結晶基板に重なる強誘電性薄膜と、強誘電性薄膜に重なる第二電極層と、を備えてよい。

上記の強誘電性薄膜素子は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよく、中間層が、単結晶基板と第一電極層との間、第一電極層と強誘電性薄膜との間、又は強誘電性薄膜と第二電極層との間に配置されていてよい。

上記の強誘電性薄膜素子は、圧電素子であってよい。

上記の強誘電性薄膜素子は、焦電素子であってよい。

本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、上記の強誘電性薄膜素子（圧電素子）を備える。

本発明の一側面に係る圧電センサは、上記の強誘電性薄膜素子（圧電素子）を備える。

本発明の一側面に係るヘッドアセンブリは、上記の圧電アクチュエータを備える。

本発明の一側面に係るヘッドスタックアセンブリは、上記のヘッドアセンブリを備える。

本発明の一側面に係るハードディスクドライブは、上記のヘッドスタックアセンブリを備える。

本発明の一側面に係るプリンタヘッドは、上記の圧電アクチュエータを備える。

本発明の一側面に係るインクジェットプリンタ装置は、上記のプリンタヘッドを備える。

本発明によれば、強誘電性に優れ、且つ亀裂が抑制された強誘電性薄膜、当該強誘電性薄膜を備える強誘電性薄膜素子、並びに当該強誘電性薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置が提供される。

図１中の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る強誘電性薄膜素子（圧電素子）の模式的な断面図であり、図１中の（ｂ）は、図１中の（ａ）に示される強誘電性薄膜素子の斜視分解図である。 図２中の（ａ）は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の斜方晶の単位胞の斜視図であり、図２中の（ｂ）は、酸化ハフニウムの正方晶の単位胞の斜視図である。 図３中の（ａ）は、蛍石型結晶構造を有する斜方晶の単位胞の模式的な斜視図であり、斜方晶の（１１１）面を示しており、図３中の（ｂ）は、蛍石型結晶構造を有する斜方晶の単位胞の模式的な斜視図であり、斜方晶の（１００）面を示している。 図４中の（ａ）は、蛍石型結晶構造を有する正方晶の単位胞の模式的な斜視図であり、正方晶の（１１１）面を示しており、図４中の（ｂ）は、蛍石型結晶構造を有する正方晶の単位胞の模式的な斜視図であり、正方晶の（１００）面を示している。 図５は、本発明の一実施形態に係るヘッドアセンブリの模式図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの模式図である。 図７は、本発明の一実施形態に係るジャイロセンサの模式図（平面図）である。 図８は、図７に示されるジャイロセンサのＡ－Ａ線に沿った矢視断面図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る圧力センサの模式図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る脈波センサの模式図である。 図１１は、本発明の一実施形態に係るハードディスクドライブの模式図である。 図１２は、本発明の一実施形態に係るインクジェットプリンタ装置の模式図である。 図１３中の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る焦電素子（赤外線検出器）の上面図であり、図１３中の（ｂ）は、図１３中の（ａ）に示される焦電素子の９０ｂ‐９０ｂ線に沿った矢視断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。図１中の（ａ）及び図１中の（ｂ）に示されるＸ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの座標軸を意味する。

＜強誘電性薄膜＞
本実施形態に係る強誘電性薄膜は、金属酸化物を含む。強誘電性薄膜の一部又は全部が、金属酸化物であってよい。金属酸化物は、少なくともハフニウムを含む。例えば、金属酸化物の一部又は全部が、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）であってよい。

金属酸化物は、蛍石型結晶構造を有する結晶相を含む。例えば、酸化ハフニウムの結晶相は、蛍石型結晶構造を有する。蛍石型結晶構造を有する結晶相は、斜方晶（ｒｈｏｍｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）及び正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）のうち一方又は両方である。斜方晶は、直方晶（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）と同義である。強誘電性薄膜の強誘電性は、斜方晶及び正方晶のうち一方又は両方に起因する。一方、単斜晶（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）及び立方晶（ｃｕｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）のいずれも、強誘電性を有していない。強誘電性薄膜の強誘電性が向上し易いことから、結晶相の全部が斜方晶であってよい。金属酸化物は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、微量の単斜晶を更に含んでよい。金属酸化物は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、微量の立方晶を更に含んでよい。

例えば、酸化ハフニウムの斜方晶を構成する単位胞ｕｃｒは、図２中の（ａ）、図３中の（ａ）及び図３中の（ｂ）に示される。各図中の単位胞ｕｃｒは、蛍石型結晶構造を有する。図３中の（ａ）及び図３中の（ｂ）では、説明の便宜のために、単位胞ｕｃｒを構成する基本ベクトルａ、ｂ及びｃの長さの比率が誇張されている。斜方晶の単位胞ｕｃｒの基本ベクトルａ、ｂ及びｃは互いに直交し、基本ベクトルａ、ｂ及びｃ其々の長さは互いに異なる。酸化ハフニウムの斜方晶の場合、基本ベクトルａの長さ（格子定数ａ）は約５．３０Åであり、基本ベクトルｂの長さ（格子定数ｂ）は約５．１１Åであり、基本ベクトルｃの長さ（格子定数ｃ）は約５．１０Åである。

例えば、酸化ハフニウムの正方晶を構成する単位胞ｕｃｔは、図２中の（ｂ）、図４中の（ａ）及び図４中の（ｂ）に示される。各図中の単位胞ｕｃｔは、蛍石型結晶構造を有する。図４中の（ａ）及び図４中の（ｂ）では、説明の便宜のために、単位胞ｕｃｔを構成する基本ベクトルａ、ｂ及びｃの長さの比率が誇張されている。正方晶の単位胞ｕｃｔの基本ベクトルａ、ｂ及びｃは互いに直交し、基本ベクトルａの長さは基本ベクトルｂの長さと等しく、基本ベクトルａの長さは基本ベクトルｃの長さと異なる。酸化ハフニウムの正方晶の場合、基本ベクトルａの長さ（格子定数ａ）は約５．１４Åであり、基本ベクトルｂの長さ（格子定数ｂ）は約５．１４Åであり、基本ベクトルｃの長さ（格子定数ｃ）は約５．２５Åである。

強誘電性薄膜３は、上述の結晶相として、結晶方位（面方位）の配向性において異なる二種類の結晶相を含む。図１中の（ｂ）に示される［１１１］及び［１００］は、強誘電性薄膜３に含まれる結晶相の結晶方位である。一部の結晶相の［１１１］は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行である。つまり、一部の結晶相の（１１１）面は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。一方、別の一部の結晶相の［１００］は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行である。つまり、別の一部の結晶相の（１００）面は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。なお、強誘電性薄膜３の表面とは、強誘電性薄膜３の表面全体のうち、強誘電性薄膜３の端面を除く面である。例えば、強誘電性薄膜３の表面とは、強誘電性薄膜３の表面全体のうち、図１の（ｂ）中のＸＹ面に平行な面である。強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、強誘電性薄膜３の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。強誘電性薄膜３の表面は、単結晶基板１の表面に面する面であってよい。

図３中の（ａ）に示されるように、一部の斜方晶の［１１１］が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行であってよい。つまり、一部の斜方晶の（１１１）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。図３中の（ｂ）に示されるように、別の一部の斜方晶の［１００］が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行であってよい。つまり、別の一部の斜方晶の（１００）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。

図４中の（ａ）に示されるように、一部の正方晶の［１１１］が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行であってよい。つまり、一部の正方晶の（１１１）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。図４中の（ｂ）に示されるように、別の一部の正方晶の［１００］が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎと平行であってよい。つまり、別の一部の正方晶の（１００）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。

上述のように、（１１１）面が配向する結晶相だけでなく、（１００）面が配向する結晶相が強誘電性薄膜３中に存在することにより、結晶相に作用する応力が緩和される。その結果、強誘電性薄膜３中の斜方晶が常圧下において安定化される。特に、（１１１）面が配向する斜方晶だけでなく、（１００）面が配向する斜方晶が強誘電性薄膜３中に存在することにより、斜方晶に作用する応力が緩和され易い。その結果、強誘電性薄膜３中の斜方晶が常圧下において安定化され易い。斜方晶の安定化により、強誘電性薄膜３が優れた強誘電性を有することができる。また強誘電性薄膜３中の斜方晶が安定化されることによって、強誘電性薄膜３が十分な機械低強度を有することができる。その結果、強誘電性薄膜３の厚みが１００ｎｍより大きい場合であっても、強誘電性薄膜３における亀裂が抑制される。強誘電性薄膜３の厚みが１μｍ以上である場合であっても、強誘電性薄膜３は十分な機械低強度を有することが可能であり、強誘電性薄膜３における亀裂を抑制することが可能である。

（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）は常圧下で不安定であり、強誘電性を有しない単斜晶に戻り易い。したがって、仮に、全ての結晶相（特に斜方晶）の（１１１）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している場合、強誘電性薄膜３が十分な強誘電性を有することは困難である。仮に、全ての結晶相（特に斜方晶）の（１００）面が、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している場合、応力が強誘電性薄膜３に作用し易く、強誘電性薄膜３が十分な機械低強度を有することは困難である。

金属酸化物は、ハフニウム（Ｈｆ）に加えて、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ビスマス（Ｂｉ）及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素を更に含んでよい。希土類元素は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。金属酸化物が上記の添加元素のうち少なくとも一種を含むことにより、金属酸化物の斜方晶が安定化され易く、強誘電性薄膜３の強誘電性が向上し易い。金属酸化物の斜方晶が安定化され易く、強誘電性薄膜３の強誘電性が向上し易いことから、金属酸化物はイットリウムを含むことが好ましい。金属酸化物中の添加元素の含有量は、金属酸化物に含まれる金属元素及び添加元素の全量に対して、例えば、０モル％より大きく１０モル％以下、好ましくは６モル％以上９モル％以下であってよい。

強誘電性薄膜３の厚みは、１００ｎｍよりも大きく３０００ｎｍ以下であってよい。上述の通り、強誘電性薄膜３中の斜方晶が安定化されることによって、強誘電性薄膜３が十分な機械低強度を有することができる。その結果、強誘電性薄膜３の厚みが１００ｎｍよりも大きい場合であっても、強誘電性薄膜３は優れた強誘電性を有し、且つ強誘電性薄膜３における亀裂が抑制される。強誘電性薄膜３の厚みが１０００ｎｍ以上である場合であっても、強誘電性薄膜３は優れた強誘電性を有することが可能であり、強誘電性薄膜３における亀裂を抑制することが可能である。強誘電性薄膜３の厚みが３０００ｎｍ以下である場合、結晶相に作用する応力が緩和され易く、強誘電性薄膜３中の斜方晶が安定化され易い。

Ａ_{（１１１）}は、結晶相の（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピーク面積であり、且つＡ_{（１１１）}は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向する（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピーク面積である。Ａ_{（１００）}は、結晶相の（１００）面に由来する回折Ｘ線のピーク面積であり、且つＡ_{（１００）}は、強誘電性薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向する（１００）面に由来する回折Ｘ線のピーク面積である。Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、１％以上９９％以下であってよい。Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）が１％以上９９％以下であることにより、結晶相に作用する応力が緩和され易く、強誘電性薄膜３中の斜方晶が安定化され易い。同様の理由から、好ましくは、Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）が５％以上９５％以下であってよい。回折Ｘ線のピーク面積は、Ｘ線回折法（２θ／θ測定）によって測定されてよい。Ａ_{（１１１）}は、（１１１）面が配向する結晶相の体積Ｖ_{（１１１）}に比例してよい。Ａ_{（１００）}は、（１００）面が配向する結晶相の体積Ｖ_{（１００）}に比例してよい。Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、Ｖ_{（１００）}／（Ｖ_{（１１１）}＋Ｖ_{（１００）}）に等しくてよい。つまり、Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）の場合と同様の理由により、Ｖ_{（１００）}／（Ｖ_{（１１１）}＋Ｖ_{（１００）}）は、１％以上９９％以下であってよい。

＜強誘電性薄膜素子＞
本実施形態に係る強誘電性薄膜素子は、上記の強誘電性薄膜を備える。図１中の（ａ）及び図１中の（ｂ）に示されるように、強誘電性薄膜素子１０は、単結晶基板１と、単結晶基板１に重なる強誘電性薄膜３と、を備える。図１中の（ａ）に示されるように、強誘電性薄膜素子１０は、単結晶基板１と、単結晶基板１に重なる第一電極層２と、第一電極層２を介して単結晶基板１に重なる強誘電性薄膜３と、強誘電性薄膜３に重なる第二電極層４と、を備えてよい。第一電極層２は下部電極層であってよい。第二電極層４は、上部電極層であってよい。強誘電性薄膜素子１０の変形例は、第二電極層４を備えなくてよい。例えば、第二電極層を備えない強誘電性薄膜素子が、製品として、電子機器の製造業者に供給された後、電子機器の組立て・製造の過程において、第二電極層が強誘電性薄膜素子に付加されてよい。

図１中の（ｂ）に示されるように、強誘電性薄膜３中の一部の結晶相の（１１１）面は、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向している。強誘電性薄膜３中の別の一部の結晶相の（１００）面は、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向している。単結晶基板１の表面とは、単結晶基板１の表面全体のうち、単結晶基板１の端面を除く面である。例えば、単結晶基板１の表面とは、単結晶基板１の表面全体のうち、図１の（ｂ）中のＸＹ面に平行な面である。単結晶基板１の表面とは、強誘電性薄膜３の表面に面する面であってよい。単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎは、単結晶基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。

上述の結晶相の結晶方位の配向性を実現するためには、単結晶基板１と強誘電性薄膜３（蛍石型結晶構造の結晶相）との間の格子不整合が小さいほど好ましい。単結晶基板１と強誘電性薄膜３との間の格子不整合は、例えば、０％以上１０％以下、０％以上５％以下、０％以上４％以下、又は０％以上３％以下であってよい。

単結晶基板１の結晶構造は、例えば、蛍石型構造、ビクスバイト構造、パイロクロア構造、ダイヤモンド構造、閃亜鉛型構造、面心立方構造、六方晶構造、ペロブスカイト構造、ＮａＣｌ構造、ルチル構造、スピネル構造及びコランダム構造からなる群より選ばれる一種であってよい。

蛍石型構造を有する単結晶基板１は、例えば、イットリア安定化ジルコニア、セリウム酸化物、又はフッ化カルシウムであってよい。

ビクスバイト構造を有する単結晶基板１は、インジウム酸化物、インジウム錫酸化物、スカンジウム酸化物、イットリウム酸化物、エルビウム酸化物、ツリウム酸化物、イッテルビウム酸化物、又はルテチウム酸化物であってよい。

パイロクロア構造を有する単結晶基板１は、ビスマスルテニウム酸化物（Ｂｉ_２Ｒｕ_２Ｏ_７）、希土類ルテニウム酸化物（Ｒ_２Ｒｕ_２Ｏ_７、Ｒは希土類元素である。）、ビスマスイリジウム酸化物（Ｂｉ_２Ｉｒ_２Ｏ_７）、又は希土類イリジウム酸化物（Ｒ_２Ｉｒ_２Ｏ_７、Ｒは希土類元素である。）であってよい。

ダイヤモンド構造を有する単結晶基板１は、シリコン、又はゲルマニウム等の半導体であってよい。単結晶基板１がシリコン又はゲルマニウムである場合、第一電極層２の密着性を向上させるために、単結晶基板１の表面にチタン又はクロム等からなる密着層を形成してもよい。

閃亜鉛型構造を有する単結晶基板１は、ガリウムヒ素、アルミニウムヒ素、ガリウムリン、アルミニウムリン、ベータ硫化亜鉛、又はセレン化亜鉛等の化合物半導体であってよい。

面心立方構造を有する単結晶基板１は、白金、イリジウム、又は金であってよい。

六方晶構造を有する単結晶基板１は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、酸化亜鉛、又は窒化ホウ素であってよい。

ペロブスカイト構造を有する単結晶基板１は、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳｒＲｕＯ_７）、カルシウムルテニウム酸化物（ＣａＲｕＯ_３）、ストロンチウムイリジウム酸化物（ＳｒＩｒＯ_３）、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ_３）、ランタンアルカリ土類マンガン酸化物（Ｌａ_１－ｘＡｅ_ｘＭｎＯ_３）、又はランタンアルカリ土類コバルト酸化物（Ｌａ_１－ｘＡｅ_ｘＣｏＯ_３）であってよい。Ｌａ_１－ｘＡｅ_ｘＣｏＯ_３中のＡｅは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａからなる群より選ばれる少なくとも一種である。

ＮａＣｌ構造を有する単結晶基板１は、酸化マグネシウム又は窒化チタンであってよい。

ルチル構造を有する単結晶基板１は、酸化チタン、酸化イリジウム、又は酸化ルテニウムであってよい。

スピネル構造を有する単結晶基板１は、マグネシウムアルミニウムスピネル酸化物（Ｍｇ_２ＡｌＯ_４）又は四酸化三鉄であってよい。

コランダム構造を有する単結晶基板１は、酸化アルミニウム、又は三酸化二鉄であってよい。

単結晶基板１の厚みは、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下であってよい。単結晶基板１が導電性を有する場合、単結晶基板１が電極として機能するので、第一電極層２はなくてもよい。つまり、単結晶基板１が導電性を有する場合、強誘電性薄膜３が単結晶基板１に直接重なっていてもよい。

単結晶基板１の結晶方位（面方位）は、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。つまり、単結晶基板１のいずれかの結晶面が、単結晶基板１の表面と平行であってよい。単結晶基板１は一軸配向基板であってよい。例えば、［１１１］、［１００］、［００１］、［１１０］及び［１０１］からなる群より選ばれる単結晶基板１の結晶方位の一つが、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。

第一電極層２は、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、及びＮｉ（ニッケル）からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属からなっていてよい。第一電極層２は、単結晶基板１の具体例として列挙された上記の組成物のうち、導電性を有する組成物から構成されてよい。第一電極層２は、結晶質であってよい。第一電極層２の結晶構造の結晶方位（面方位）が、単結晶基板１の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。単結晶基板１の結晶方位と、第一電極層２の結晶方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する第一電極層２の結晶方位が、法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。第一電極層２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１．０μｍ以下であってよい。例えば、［１１１］、［１００］、［００１］、［１１０］及び［１０１］からなる群より選ばれる第一電極層２の結晶方位の一つが、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。

第一電極層２の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。第一電極層２の結晶性を高めるために、第一電極層２のアニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を行ってもよい。

第二電極層４は、例えば、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属からなっていてよい。第二電極層４は、単結晶基板１の具体例として列挙された上記の組成物のうち、導電性を有する組成物から構成されてよい。第二電極層４は、結晶質であってよい。
第二電極層４の結晶構造の結晶方位（面方位）が、単結晶基板１の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。単結晶基板１の結晶方位と、第二電極層４の結晶方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと等しくてよい。法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する第二電極層４の結晶方位が、法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。第二電極層４の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１．０μｍ以下であってよい。

第二電極層４の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。第二電極層４の結晶性を高めるために、第二電極層４のアニーリングを行ってもよい。

強誘電性薄膜素子１０は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよい。以下に説明されるように、中間層は、単結晶基板１と第一電極層２との間、第一電極層２と強誘電性薄膜３との間、又は強誘電性薄膜３と第二電極層４との間に配置されていてよい。中間層は、単結晶基板１の具体例として列挙された上記の組成物のうち少なくとも一種から構成されていてよい。中間層の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。中間層の結晶性を高めるために、中間層のアニーリングを行ってもよい。

単結晶基板１と第一電極層２との間に中間層（基板側中間層）が介在していてよい。つまり、基板側中間層が単結晶基板１の表面に直接重なっていてよい。基板側中間層は、結晶質であってよい。基板側中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。単結晶基板１の面方位と、基板側中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向してよい。法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する基板側中間層の面方位が、法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。

第一電極層２と強誘電性薄膜３との間に第一中間層が介在していてもよい。第一中間層は、結晶質であってよい。第一中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。単結晶基板１の面方位と、第一中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向してよい。法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する第一中間層の面方位が、法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。

強誘電性薄膜３と第二電極層４との間に第二中間層が介在していてもよい。第二中間層を構成する物質は、第一中間層を構成する物質と同じであってよい。第二中間層は、結晶質であってよい。第二中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。単結晶基板１の面方位と、第二中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向してよい。法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する第二中間層の面方位が、法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。

強誘電性薄膜素子１０の表面の少なくとも一部又は全体が、保護膜によって被覆されていてよい。保護膜による被覆により、例えば強誘電性薄膜素子１０の耐湿性が向上する。

＜強誘電性薄膜の製造方法＞
強誘電性薄膜３は、例えば、以下の方法により製造されてよい。

強誘電性薄膜３の形成には、ハフニウムを含む金属酸化物からなる原料が用いられてよい。原料は、上述されたイットリウム等の添加元素を含んでいてよい。原料中の添加元素の含有量は、原料に含まれる金属元素及び添加元素の全量に対して、例えば、０モル％より大きく１０モル％以下、好ましくは６モル％以上９モル％以下であってよい。

気相成長法によって、上記の原料を構成する元素を蒸発させる。蒸発した元素を、第一電極層２の表面又は単結晶基板１の表面に付着及び堆積させる。その結果、前駆体膜が成長する。気相成長法は、例えば、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、又はパルスレーザー堆積（Ｐｕｌｓｅｄ－ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法であればよい。気相成長法の種類に依って、励起源が異なる。スパッタリング法の励起源は、例えば、Ａｒプラズマである。電子ビーム蒸着法の励起源は、電子ビームである。パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）の励起源は、レーザー光（例えば、エキシマレーザー）である。これらの励起源が原料に照射されると、原料を構成する元素が蒸発する。気相成長法の雰囲気は、真空又は不活性ガスであってよい。不活性ガスは、例えば、窒素ガス又は希ガスであってよい。気相成長法の雰囲気の気圧は、例えば、１Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０ｍＴｏｒｒであってよい。

気相成長法における第一電極層２の表面又は単結晶基板１の表面の温度は、室温であってよい。換言すれば、気相成長法において、第一電極層２又は単結晶基板１は加熱されなくてよい。室温において原料から前駆体膜を形成することにより、結晶相の（１１１）面及び（１００）面の配向性を有する強誘電性薄膜３が得られ易い。ただし、前駆体膜が含有する結晶相の殆どは単斜晶であるため、前駆体膜自体は強誘電性を有していない。前駆体膜は、（１１１）面が単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する正方晶の種結晶を含んでよい。前駆体膜は、（１００）面が単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する正方晶の種結晶を含んでよい。前駆体膜は、（１１１）面が単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する斜方晶の種結晶を含んでよい。前駆体膜は、（１００）面が単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向する斜方晶の種結晶を含んでよい。

室温での前駆体膜の形成後、前駆体膜はアニールされてよい。アニーリングによって、前駆体膜中の単斜晶の一部又は全部が、斜方晶及び正方晶のうち一方又は両方に変化する。その結果、前駆体膜の強誘電性が発現する。アニーリングの過程で成長する殆どの結晶相（特に斜方晶）の（１１１）面が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向している。（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）は常圧下で不安定であり、単斜晶に戻り易い。またアニーリングの過程では、（１００）面が単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向している結晶相（特に斜方晶）は、前駆体膜中に形成され難い。しかし、後述される前駆体膜の冷却によって、（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）の一部が、（１００）面が配向している結晶相（特に斜方晶）に変化する。つまり、アニーリングに続く冷却によって、（１１１）面が配向する結晶相（特に斜方晶）だけでなく、（１００）面が配向する結晶相（特に斜方晶）を含む強誘電性薄膜３が形成される。その結果、強誘電性薄膜３中の結晶相（特に斜方晶）が常圧下において安定化される。

アニーリング中の前駆体膜の温度は、例えば、５００℃以上１２００℃以下、５００℃以上１０００℃以下、又は８００℃以上１０００℃以下であってよい。前駆体膜の温度が上記の範囲内であることにより、前駆体膜中の単斜晶の一部又は全部が、斜方晶及び正方晶のうち一方又は両方に変化し易い。アニーリングの継続時間は、例えば、５秒以上１２００秒以下であってよい。前駆体膜は、不活性ガス又は酸化性ガス中でアニールされてよい。不活性ガスは、例えば、窒素ガス又は希ガスであってよい。酸化性ガスは、大気又は酸素であってよい。

アニーリングに連続して、前駆体膜が所定の冷却速度で冷却されてよい。アニーリングに連続する前駆体膜の冷却より、強誘電性薄膜３が完成される。アニーリングに連続する前駆体膜の冷却の過程では、（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）の一部が、（１００）面が配向している結晶相（特に斜方晶）に変化する。つまり冷却の過程において、（１１１）面が配向する結晶相（特に斜方晶）だけでなく、（１００）面が配向する結晶相（特に斜方晶）を含む強誘電性薄膜３が形成される。その結果、強誘電性薄膜３中の斜方晶が常圧下において安定化される。冷却速度は、例えば、４５℃／分以上２００℃／分以下であってよい。冷却速度が上記の範囲内であることにより、（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）の一部が、（１００）面が配向している結晶相（特に斜方晶）に変化し易い。冷却速度が小さ過ぎる場合、（１１１）面が配向している結晶相（特に斜方晶）が、単斜晶に変化し易い。冷却速度が大き過ぎる場合、前駆体膜の急激な収縮に起因する応力が前駆体膜に作用し易く、冷却後に得られる強誘電性薄膜３に亀裂が形成され易い。前駆体膜は、不活性ガス又は酸化性ガス中で冷却されてよい。不活性ガスは、例えば、窒素ガス又は希ガスであってよい。酸化性ガスは、大気又は酸素であってよい。

強誘電性薄膜の製造過程における結晶相の生成、相転移、及び結晶方位の変化のメカニズムは、上記のメカニズムに限定されない。

＜圧電素子＞
本実施形態に係る強誘電性薄膜３は、圧電薄膜であってよく、本実施形態に係る強誘電性薄膜素子１０は、圧電素子であってよい。圧電素子の用途は、多岐にわたる。圧電素子は、例えば、圧電アクチュエータに用いられてよい。圧電アクチュエータは、例えば、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてもよい。圧電アクチュエータは、例えば、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。圧電素子は、例えば、圧電センサに用いられてもよい。圧電センサは、例えば、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、又はショックセンサであってよい。圧電薄膜又は圧電素子は、例えば、マイクロフォンへ適用されてもよい。

以下では、強誘電性薄及び強誘電性薄膜素子の用途が、具体的に説明される。以下に記載の圧電薄膜は、強誘電性薄膜を意味する。以下に記載の圧電素子は、強誘電性薄膜素子を意味する。

（圧電アクチュエータ）
図５は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）に搭載されるヘッドアセンブリ２００を示す。ヘッドアセンブリ２００は、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、第１及び第２の圧電素子１００、及びヘッドスライダ１９を備えている。第１及び第２の圧電素子１００は、ヘッドスライダ１９用の駆動素子である。ヘッドスライダ１９は、ヘッド素子１９ａを有する。

ロードビーム１１は、ベースプレート９に固着された基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから延在する第１の板バネ部１１ｃ及び第２の板バネ部１１ｄと、板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅと、板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的に延在するビーム主部１１ｆと、を備えている。第１の板バネ部１１ｃ及び第２の板バネ部１１ｄは、先細りになっている。ビーム主部１１ｆも、先細りになっている。

第１及び第２の圧電素子１００は、所定の間隔をもって、フレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上に配置されている。ヘッドスライダ１９は、フレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電素子１００の伸縮に伴って回転運動する。

図６は、プリンタヘッド用の圧電アクチュエータ３００を示す。圧電アクチュエータ３００は、基体２０と、基体２０に重なる絶縁膜２３と、絶縁膜２３に重なる単結晶基板２４と、単結晶基板２４に重なる圧電薄膜２５と、圧電薄膜２５に重なる上部電極層２６（第二電極層）と、を備える。単結晶基板２４は導電性を有し、下部電極層としての機能も有する。下部電極層とは、上記の第一電極層と言い換えてよい。上部電極層とは、上記の第二電極層と言い換えてよい。

所定の吐出信号が供給されず、単結晶基板２４（下部電極層）と上部電極層２６との間に電界が印加されていない場合、圧電薄膜２５は変形しない。吐出信号が供給されていない圧電薄膜２５に隣り合う圧力室２１内では、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。

一方、所定の吐出信号が供給され、単結晶基板２４（下部電極層）と上部電極層２６との間に一定電界が印加された場合、圧電薄膜２５が変形する。圧電薄膜２５の変形によって絶縁膜２３が大きくたわむので、圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。

（圧電センサ）
図７及び図８は、圧電センサの一種であるジャイロセンサ４００を示す。ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続される一対のアーム１２０及び１３０と、を備える。一対のアーム１２０及び１３０は、音叉振動子である。つまり、ジャイロセンサ４００は、音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ４００は、上述の圧電素子を構成する圧電薄膜３０、上部電極層３１、及び単結晶基板３２を、音叉型振動子の形状に加工して得られたものである。基部１１０とアーム１２０及び１３０は、圧電素子と一体化されている。単結晶基板３２は、導電性を有し、下部電極層としての機能も有する。

一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ及び３１ｂと、検出電極層３１ｄとが、形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ及び３１ｂと、検出電極層３１ｃとが形成されている。各電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極層３１をエッチングにより所定の電極の形状に加工することにより得られる。

単結晶基板３２（下部電極層）は、基部１１０、並びにアーム１２０及び１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏面）の全体に形成されている。単結晶基板３２（下部電極層）は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。

アーム１２０及び１３０其々の長手方向をＺ方向と規定し、アーム１２０及び１３０の主面を含む平面をＸＺ平面と規定することにより、ＸＹＺ直交座標系が定義される。

駆動電極層３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０が励振するモードである。例えば、一方のアーム１２０が－Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。

この状態で、ジャイロセンサ４００にＺ軸を回転軸とする角速度ωの回転が加わると、アーム１２０、１３０のそれぞれに対して、速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用する。その結果、アーム１２０、１３０が、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０が励振するモードである。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が－Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。

コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電薄膜３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極層３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより、角速度ωが求められる。

図９は、圧電センサの一種である圧力センサ５００を示す。圧力センサ５００は、圧電素子４０と、圧電素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。圧電素子４０は、共通電極層４１と、共通電極層４１に重なる圧電薄膜４２と、圧電薄膜４２に重なる個別電極層４３とからなる。共通電極層４１は、導電性の単結晶基板である。共通電極層４１と支持体４４とに囲まれた空洞４５は、圧力に対応する。圧力センサ５００に外力がかかると圧電素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。

図１０は、圧電センサの一種である脈波センサ６００を示す。脈波センサ６００は、圧電素子５０と、圧電素子５０を支える支持体５４と、電圧測定器５５とから構成されている。圧電素子５０は、共通電極層５１と、共通電極層５１に重なる圧電薄膜５２と、圧電薄膜５２に重なる個別電極層５３とからなる。共通電極層５１は、導電性の単結晶基板である。脈波センサ６００の支持体５４の裏面（圧電素子５０が搭載されていない面）を生体の動脈上に当接させると、生体の脈による圧力で支持体５４と圧電素子５０がたわみ、電圧測定器５５で電圧が検出される。

（ハードディスクドライブ）
図１１は、図５に示すヘッドアセンブリが搭載されたハードディスクドライブ７００を示す。図１１のヘッドアセンブリ６５は、図５のヘッドアセンブリ２００と同じである。

ハードディスクドライブ７００は、筐体６０と、筐体６０内に設置されたハードディスク６１（記録媒体）と、ヘッドスタックアセンブリ６２と、を備えている。ハードディスク６１は、モータによって回転させられる。ヘッドスタックアセンブリ６２は、ハードディスク６１へ磁気情報を記録したり、ハードディスク６１に記録された磁気情報を再生したりする。

ヘッドスタックアセンブリ６２は、ボイスコイルモータ６３と、支軸に支持されたアクチュエータアーム６４と、アクチュエータアーム６４に接続されたヘッドアセンブリ６５と、を有する。アクチュエータアーム６４は、ボイスコイルモータ６３により、支軸周りに回転自在である。アクチュエータアーム６４は、複数のアームに分かれており、各アームそれぞれにヘッドアセンブリ６５が接続されている。つまり、複数のアーム及びヘッドアセンブリ６５が支軸に沿って積層されている。ヘッドアセンブリ６５の先端部には、ハードディスク６１に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている。

ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａを２段階で変動させる。ヘッド素子１９ａの比較的大きな移動は、ボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動によって、制御される。ヘッド素子１９ａの微小な移動は、ヘッドアセンブリ６５の先端部に位置するヘッドスライダ１９の駆動により制御する。

（インクジェットプリンタ装置）
図１２は、インクジェットプリンタ装置８００を示す。インクジェットプリンタ装置８００は、プリンタヘッド７０と、本体７１と、トレイ７２と、ヘッド駆動機構７３と、を備えている。図１２のプリンタヘッド７０は、図６の圧電アクチュエータ３００を有している。

インクジェットプリンタ装置８００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジを備えている。インクジェットプリンタ装置８００によるフルカラー印刷が可能である。インクジェットプリンタ装置８００の内部には、専用のコントローラボード等が搭載されている。コントローラボード等は、プリンタヘッド７０によるインクの吐出のタイミング、及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。本体７１の背面にはトレイ７２が設けられ、トレイ７２の一端側にはオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６が設けられている。オートシートフィーダ７６が、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。

＜焦電素子＞
本実施形態に係る強誘電性薄膜３は、焦電薄膜であってよく、本実施形態に係る強誘電性薄膜素子１０は、焦電素子であってよい。例えば、焦電素子は、図１３中の（ａ）及び図１３中の（ｂ）に示される赤外線検出器９７であってよい。図１３中の（ａ）では、第二絶縁性層９９が省略されている。

赤外線検出器９７は、基板９１と、基板９１に重なる第一絶縁性層９３と、第一絶縁性層９３の表面の中央に配置された焦電薄膜９５（強誘電性薄膜）と、焦電薄膜９５の両端に接続された第一電極９４ａ及び第二電極９４ｂと、第一絶縁性層９３、焦電薄膜９５、第一電極９４ａ及び第二電極９４ｂを覆う第二絶縁性層９９と、第一絶縁性層９３を介して焦電薄膜９５の裏側に配置された赤外線反射板９２と、を備える。第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９が直接重なる部分において、開口部９６が形成されている。開口部９６は、第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９を貫通している。焦電薄膜９５は、開口部９６で囲まれている。基板９１の中央には、断熱のための凹部９８（空洞）が形成されている。凹部９８は開口部９６と連通している。赤外線反射板９２は、凹部９８内に露出している。焦電薄膜９５及び赤外線反射板９２は、第一絶縁性層９３を介して重なり合っている。焦電薄膜９５及び赤外線反射板９２は、凹部９８を覆うように配置されている。

第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９は、赤外線を吸収することにより加熱される。したがって、赤外線が第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９へ照射されることにより、第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９は加熱される。第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９の加熱に伴い、第一絶縁性層９３及び第二絶縁性層９９に挟まれた焦電薄膜９５も加熱される。つまり焦電薄膜９５の温度が変化する。焦電薄膜９５の温度の変化によって、焦電薄膜９５の分極（表面電荷）が変化する。焦電薄膜９５の分極の変化によって、焦電薄膜９５の電気抵抗が変化する。したがって、焦電薄膜９５の電気抵抗の測定によって、赤外線を検出することができる。つまり、第一電極９４ａ及び第二電極９４ｂの間の電気抵抗の測定によって、赤外線を検出することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の種々の変更が可能であり、これ等の変更例も本発明に含まれる。

例えば、本実施形態に係る強誘電性薄膜は、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）の一部に応用されてよい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
シリコンの単結晶基板を準備した。単結晶基板の表面は、（１００）面であった。単結晶基板の寸法は、縦５ｍｍ×横５ｍｍであった。単結晶基板の厚さは、７２５μｍであった。

中間層を単結晶基板の表面全体に形成した。中間層はチタンを含んでいた。第一電極層を中間層の表面全体に形成した。第一電極層は白金からなっていた。中間層及び第一電極層は、真空チャンバー内におけるスパッタリングにより形成した。第一電極層は結晶質であった。第一電極層（白金）の（１１１）面は、単結晶基板の表面に平行であった。第一電極層の厚みは、３００ｎｍに調整した。

誘電性薄膜の原料としては、イットリウムがドープされた酸化ハフニウムからなるターゲットを用いた。ターゲット中のイットリウムの含有量は、ターゲットに含まれるハフニウム及びイットリウムの全量に対して、７モル％であった。

上記ターゲットのスパッタリングを３０分間継続することによって、前駆体膜を第一電極層の表面に形成した。前駆体膜の厚みは、１３０ｎｍに調整された。スパッタリングの励起源は、Ａｒプラズマであった。スパッタリングの出力は、５０Ｗであった。スパッタリングの雰囲気の気圧は、１０ｍＴｏｒｒであった。スパッタリングにおける第一電極層及び単結晶基板の温度は、室温であった。つまり、スパッタリングにおいて、第一電極層及び単結晶基板は加熱されなかった。

前駆体膜の形成後、前駆体膜を窒素ガス中で１０秒間アニールした。アニーリング中の前駆体膜の温度（アニール温度）は、８００℃であった。アニーリングに連続して、前駆体膜を窒素ガス中で１５分間冷却した。冷却により、前駆体膜の温度は８００℃から２５℃へ低下した。つまり、冷却速度は、５１．３℃／分に調整された。

以上の方法によって、実施例１の誘電性薄膜を作製した。誘電性薄膜の厚みは、１３０ｎｍであった。

［誘電性薄膜の分析］
誘電性薄膜の組成を、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）により分析した。分析には、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ社製の装置ＰＷ２４０４を用いた。分析の結果、実施例１の誘電性薄膜の組成は、原料の組成と同じであった。つまり誘電性薄膜は、イットリウムがドープされた酸化ハフニウムからなっていた。誘電性薄膜におけるイットリウムの含有量は、ターゲット中のイットリウムの含有量と同じであった。

２θ‐θ測定により、誘電性薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを測定した。測定には、フィリップス社製のＸ線回折装置（Ｘ’Ｐｅｒｔ ＭＲＤ）を用いた。測定の結果、以下の事項が確認された。

誘電性薄膜は、蛍石型結晶構造を有するＨｆＯ_２の結晶相を含んでいた。結晶相は、斜方晶及び正方晶のうち少なくともいずれかを含んでいた。一部の結晶相の（１１１）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していた。別の一部の結晶相の（１００）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していた。（１１１）面の回折Ｘ線のピーク面積Ａ_{（１１１）}を算出した。（１００）面の回折Ｘ線のピーク面積Ａ_{（１００）}を算出した。実施例１のＡ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。実施例１のＡ_{（１１１）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。表１では、Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、「Ｒａｔｉо（１００）」と表記される。表１では、Ａ_{（１１１）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、「Ｒａｔｉо（１１１）」と表記される。

実施例１の誘電性薄膜の分極のヒステリシスを測定した。分極の単位は、［μＣ／ｃｍ^２］である。測定には、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）と強誘電体評価システムとを組み合わせた装置を用いた。原子間顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社製のＳＰＡ－４００であり、強誘電体評価システムは、株式会社東陽テクニカ製のＦＣＥであった。ヒステリシスの測定における交流電圧の周波数は１０ｋＨｚであった。測定において誘電性薄膜に印加される電圧の最大値は３００Ｖであった。

ヒステリシスの測定の結果、誘電性薄膜は優れた強誘電性を有することが確認された。優れた強誘電性はＨｆＯ_２の斜方晶に由来する。したがって、実施例１の誘電性薄膜は、結晶相として斜方晶を含むことが確認された。

誘電性薄膜を目視で観察した。また誘電性薄膜を顕微鏡で観察した。観察の結果、誘電性薄膜には亀裂が形成されていないことが確認された。

（実施例２）
実施例２の場合、上記ターゲットのスパッタリングを１８６分間継続することによって、前駆体膜の厚みを１０００ｎｍに調整した。最終的に得られた誘電性薄膜の厚みも１０００ｎｍであった。各膜の厚みを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２の誘電性薄膜を作製した。

実施例１と同様の方法で、実施例２の誘電性薄膜を分析した。実施例２の誘電性薄膜は、イットリウムがドープされた酸化ハフニウムからなっていた。誘電性薄膜におけるイットリウムの含有量は、ターゲット中のイットリウムの含有量と同じであった。

実施例２の誘電性薄膜は、蛍石型結晶構造を有するＨｆＯ_２の結晶相を含んでいた。結晶相は、斜方晶及び正方晶のうち少なくともいずれかを含んでいた。一部の結晶相の（１１１）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していた。別の一部の結晶相の（１００）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していた。（１１１）面の回折Ｘ線のピーク面積Ａ_{（１１１）}を算出した。（１００）面の回折Ｘ線のピーク面積Ａ_{（１００）}を算出した。実施例２のＡ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。実施例２のＡ_{（１１１）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。

ヒステリシスの測定の結果、実施例２の誘電性薄膜は優れた強誘電性を有していることが確認された。優れた強誘電性はＨｆＯ_２の斜方晶に由来する。したがって、実施例２の誘電性薄膜は、結晶相として斜方晶を含むことが確認された。

実施例２の誘電性薄膜には亀裂が形成されていないことが確認された。

（比較例１）
比較例１の場合、前駆体膜のアニーリングに連続して、前駆体膜を窒素ガス中で７０分間冷却した。冷却により、前駆体膜の温度は８００℃から２５℃へ低下した。つまり、比較例１の冷却速度は、１１．１℃／分に調整された。

前駆体膜の冷却速度を除いて実施例１と同様の方法で、比較例１の誘電性薄膜を作製した。

実施例１と同様の方法で、比較例１の誘電性薄膜を分析した。比較例１の誘電性薄膜は、イットリウムがドープされた酸化ハフニウムからなっていた。誘電性薄膜におけるイットリウムの含有量は、ターゲット中のイットリウムの含有量と同じであった。

ＸＲＤパターンの測定の結果、比較例１の誘電性薄膜は、蛍石型結晶構造を有するＨｆＯ_２の単斜晶を含むことが確認された。しかし比較例１のＸＲＤパターンは、斜方晶又は正方晶に由来するピークを有していなかった。

ヒステリシスの測定の結果、比較例１の誘電性薄膜は強誘電性を有していないことが確認された。強誘電性はＨｆＯ_２の斜方晶又は正方晶に由来する。したがって、比較例１の誘電性薄膜は、結晶相として斜方晶及び正方晶を含まないことが確認された。

比較例１の誘電性薄膜には亀裂が形成されていないことが確認された。

（比較例２）
比較例２の場合、シリコンの単結晶基板の代わりに、イットリウム安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ‐Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の単結晶基板が用いられた。単結晶基板の表面は、（００１）面であった。単結晶基板の寸法は、縦５ｍｍ×横５ｍｍであった。単結晶基板の厚さは、５００μｍであった。

比較例２の場合、前駆体膜を単結晶基板の表面に直接形成した。

比較例２の場合、アニーリング中の前駆体膜の温度（アニール温度）は、１０００℃であった。アニーリングに連続して、前駆体膜を窒素ガス中で２５分間冷却した。冷却により、前駆体膜の温度は１０００℃から２５℃へ低下した。つまり、冷却速度は、３９．０℃／分に調整された。

上記の事項を除いて実施例１と同様の方法で、比較例２の誘電性薄膜を作製した。

実施例１と同様の方法で、比較例２の誘電性薄膜を分析した。比較例２の誘電性薄膜は、イットリウムがドープされた酸化ハフニウムからなっていた。誘電性薄膜におけるイットリウムの含有量は、ターゲット中のイットリウムの含有量と同じであった。

比較例２の誘電性薄膜は、蛍石型結晶構造を有するＨｆＯ_２の結晶相を含んでいた。結晶相は、斜方晶及び正方晶のうち少なくともいずれかを含んでいた。結晶相の（１００）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していた。一方、結晶相の（１１１）面は、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向していなかった。つまり、誘電性薄膜の表面の法線方向において配向する（１１１）面の回折Ｘ線のピーク面積Ａ_{（１１１）}は、ゼロであった。比較例２のＡ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。比較例２のＡ_{（１１１）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）は、下記表１に示される。

ヒステリシスの測定の結果、比較例２の誘電性薄膜は優れた強誘電性を有していることが確認された。優れた強誘電性はＨｆＯ_２の斜方晶に由来する。したがって、比較例２の誘電性薄膜は、結晶相として斜方晶を含むことが確認された。

比較例２の誘電性薄膜には亀裂が形成されていることが確認された。

実施例１及び２の場合、誘電性薄膜は強誘電性を有しており、誘電性薄膜には亀裂が形成されていなかった。

比較例１の場合、誘電性薄膜には亀裂が形成されていなかったが、誘電性薄膜は強誘電性を有していなかった。

比較例２の場合、誘電性薄膜は強誘電性を有していたが、誘電性薄膜には亀裂が形成されていた。

本発明に係る強誘電性薄膜は、例えば、圧電素子、焦電素子、又はＭＥＭＳに用いられる。

１…単結晶基板、２…第一電極層、３…強誘電性薄膜、４…第二電極層、Ｄ_Ｎ…単結晶基板の表面の法線方向、ｄｎ…強誘電性薄膜の表面の法線方向、ｕｃｒ…斜方晶の単位胞、ｕｃｔ…正方晶の単位胞、２００…ヘッドアセンブリ、９…ベースプレート、１０…強誘電性薄膜素子、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…基体、２１…圧力室、２３…絶縁膜、２４…単結晶基板、２５…圧電薄膜、２６…上部電極層（第一電極層）、２７…ノズル、４００…ジャイロセンサ、１１０…基部、１２０，１３０…アーム、３０…圧電薄膜、３１…上部電極層（第一電極層）、３１ａ，３１ｂ…駆動電極層、３１ｃ，３１ｄ…検出電極層、３２…単結晶基板、５００…圧力センサ、４０…圧電素子、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…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）、９１…基板、９２…赤外線反射板、９３…第一絶縁性層、９４ａ…第一電極、９４ｂ…第二電極、９５…焦電薄膜、９６…開口部、９７…赤外線検出器、９８…凹部、９９…第二絶縁性層。

Claims (17)

1. 金属酸化物を含む強誘電性薄膜であって、
   前記金属酸化物が、ハフニウムを含み、
   前記金属酸化物が、蛍石型結晶構造を有する結晶相を含み、
   前記結晶相が、斜方晶及び正方晶のうち一方又は両方であり、
   一部の前記結晶相の（１１１）面が、前記強誘電性薄膜の表面の法線方向において配向しており、
   別の一部の前記結晶相の（１００）面が、前記強誘電性薄膜の表面の法線方向において配向している、
   強誘電性薄膜。
2. 前記強誘電性薄膜の厚みが、１００ｎｍよりも大きく３０００ｎｍ以下である、
   請求項１に記載の強誘電性薄膜。
3. 前記（１１１）面の回折Ｘ線のピーク面積が、Ａ_{（１１１）}と表され、
   前記（１００）面の回折Ｘ線のピーク面積が、Ａ_{（１００）}と表され、
   Ａ_{（１００）}／（Ａ_{（１１１）}＋Ａ_{（１００）}）が、１％以上９９％以下である、
   請求項１又は２に記載の強誘電性薄膜。
4. 前記金属酸化物が、アルミニウム、ケイ素、ビスマス及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種を更に含む、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の強誘電性薄膜。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の強誘電性薄膜を備える、
   強誘電性薄膜素子。
6. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板に重なる前記強誘電性薄膜と、
   を備え、
   一部の前記結晶相の（１１１）面が、前記単結晶基板の表面の法線方向において配向しており、
   別の一部の前記結晶相の（１００）面が、前記単結晶基板の表面の法線方向において配向している、
   請求項５に記載の強誘電性薄膜素子。
7. 前記単結晶基板と、
   前記単結晶基板に重なる第一電極層と、
   前記第一電極層を介して前記単結晶基板に重なる前記強誘電性薄膜と、
   前記強誘電性薄膜に重なる第二電極層と、
   を備える、
   請求項６に記載の強誘電性薄膜素子。
8. 少なくとも一つの中間層を更に備え、
   前記中間層が、前記単結晶基板と前記第一電極層との間、前記第一電極層と前記強誘電性薄膜との間、又は前記強誘電性薄膜と前記第二電極層との間に配置されている、
   請求項７に記載の強誘電性薄膜素子。
9. 圧電素子である、
   請求項５～８のいずれか一項に記載の強誘電性薄膜素子。
10. 焦電素子である、
    請求項５～８のいずれか一項に記載の強誘電性薄膜素子。
11. 請求項９に記載の強誘電性薄膜素子を備える、
    圧電アクチュエータ。
12. 請求項９に記載の強誘電性薄膜素子を備える、
    圧電センサ。
13. 請求項１１に記載の圧電アクチュエータを備える、
    ヘッドアセンブリ。
14. 請求項１３に記載のヘッドアセンブリを備える、
    ヘッドスタックアセンブリ。
15. 請求項１４に記載のヘッドスタックアセンブリを備える、
    ハードディスクドライブ。
16. 請求項１１に記載の圧電アクチュエータを備える、
    プリンタヘッド。
17. 請求項１６に記載のプリンタヘッドを備える、
    インクジェットプリンタ装置。

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