JP7298159B2 - 圧電薄膜、圧電薄膜素子、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、圧電薄膜、圧電薄膜素子、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。

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る。例えば、圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を加えて圧電体を変形させる逆圧電効果により、電圧を力に変換する。また圧電センサは、圧電体に圧力を加えて圧電体を変形させる圧電効果により、力を電圧に変換する。これらの圧電素子は、様々な電子機器に搭載される。近年の市場では、電子機器の小型化及び性能の向上が要求されるため、圧電薄膜を用いた圧電素子（圧電薄膜素子）が盛んに研究されている。しかしながら、圧電体が薄いほど、圧電効果及び逆圧電効果が得られ難いため、薄膜の状態において優れた圧電特性を有する圧電体の開発が期待されている。

従来、圧電体として、ペロブスカイト型強誘電体であるジルコン酸チタン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）が多用されてきた。しかしながら、ＰＺＴは、人体や環境を害する鉛を含むため、ＰＺＴの代替として、無鉛（Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ）の圧電体の開発が期待されている。例えば、非特許文献１には、無鉛の圧電体の一例として、ＢａＴｉＯ_３系材料が記載されている。ＢａＴｉＯ_３系材料は、無鉛の圧電体の中でも比較的優れた圧電特性を有し、圧電薄膜素子への応用が特に期待されている。

Ｙｉｐｉｎｇ Ｇｕｏ ｅｔ ａｌ．， Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈｌｙ （１００）‐Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ＢａＴｉＯ３ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｏｎｅ－Ｓｔｅｐ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Physics， Ｖｏｌ.４５, Ｎｏ.２Ａ, ２００６, ｐｐ. ８５５‐８５９

本発明は、圧電性に優れた圧電薄膜、圧電薄膜素子、並びに、圧電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圧電薄膜は、金属酸化物を含む圧電薄膜であって、金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、鉄及び元素Ｍを含み、元素Ｍが、マグネシウム及びニッケルのうち少なくとも一種であり、少なくとも一部の金属酸化物が、ペロブスカイト構造を有する結晶であり、結晶の（００１）面、（１１０）面又は（１１１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向している。

上記の金属酸化物が、下記化学式１で表されてよく、下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚ其々が、正の実数であってよく、ｘ＋ｙ＋ｚが１であってよく、下記化学式１中のαは、０より大きく１未満であってよく、下記化学式１中のβは、０より大きく１未満であってよく、下記化学式１中のＭが、Ｍｇ_γＮｉ_１－γと表されてよく、γが、０以上１以下であってよい。
ｘ（Ｂｉ_αＫ_１－α）ＴｉＯ_３‐ｙＢｉ（Ｍ_βＴｉ_１－β）Ｏ_３‐ｚＢｉＦｅＯ_３ （１）

三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から構成されてよく、座標系における任意の座標は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表されてよく、座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、上記化学式１中のｘ、ｙ及びｚを示してよく、座標系における座標Ａは、（０．３００， ０．１００， ０．６００）であってよく、座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であってよく、座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であってよく、座標系における座標Ｄは、（０．１００， ０．３００， ０．６００）であってよく、（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ及び座標Ｄである四角形以内に位置してよい。

座標系における座標Ｅは、（０．４００， ０．２００， ０．４００）であってよく、座標系における座標Ｆは、（０．２００， ０．４００， ０．４００）であってよく、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｅ、座標Ｆ及び座標Ｄである四角形以内に位置してよい。

圧電薄膜は、エピタキシャル膜であってよい。

少なくとも一部の上記結晶が、正方晶であってよい。

圧電薄膜は、強誘電性薄膜であってよい。

本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、上記の圧電薄膜を備える。

圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる圧電薄膜と、を備えてよい。

圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる電極層と、電極層に重なる圧電薄膜と、を備えてよい。

圧電薄膜素子は、電極層と、電極層に重なる圧電薄膜と、を備えてよい。

圧電薄膜素子は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよく、中間層が、単結晶基板と電極層との間に配置されていてよい。

圧電薄膜素子は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよく、中間層が、電極層と圧電薄膜との間に配置されていてよい。

電極層が、白金の結晶を含んでよく、白金の結晶の（００２）面が、電極層の表面の法線方向において配向していてよく、白金の結晶の（２００）面が、電極層の表面の面内方向において配向していてよい。

本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、上記の圧電薄膜素子を備える。

本発明の一側面に係る圧電センサは、上記の圧電薄膜素子を備える。

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、圧電性に優れた圧電薄膜、圧電薄膜素子、並びに、圧電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圧電薄膜素子の模式図であり、図１中の（ｂ）は、図１中の（ａ）に示す圧電薄膜素子の斜視分解図であり、図１中の（ｂ）では第一電極層、第一中間層、第二中間層及び第二電極層が省略されている。 図２は、ペロブスカイト構造の単位胞の斜視図である。 図３中の（ａ）は、ペロブスカイト構造の単位胞の斜視図であり、ペロブスカイト構造の（００１）面を示しており、図３中の（ｂ）は、ペロブスカイト構造の単位胞の斜視図であり、ペロブスカイト構造の（１１０）面を示しており、図３中の（ｃ）は、ペロブスカイト構造の単位胞の斜視図であり、ペロブスカイト構造の（１１１）面を示している。 図４は、圧電薄膜の組成を示すための三次元の座標系である。 図５は、図４に示される三角形に相当する三角座標系である。 図６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７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８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９は、図８に示すジャイロセンサのＡ－Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１０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１１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１２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１３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。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態の詳細が説明される。ただし、本発明は下記実施形態に限定されない。図面において、同一又は同等の要素は、同一の符号が付される。図１中の（ａ）及び図１中の（ｂ）に示されるＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交する三つの座標軸である。図１中の（ａ）及び図１中の（ｂ）に示される座標系は、図４及び図５に示される座標系と全く関係ない。

（圧電薄膜、及び圧電薄膜素子）
本実施形態に係る電薄膜素子は、圧電薄膜を備える。例えば、図１中の（a）に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子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（下部電極層）と、第一電極層２に重なる圧電薄膜３と、圧電薄膜３に重なる第二電極層４（上部電極層）と、を備えてよい。圧電薄膜素子１０は第一中間層５を備えてよく、第一中間層５が単結晶基板１と第一電極層２との間に配置されてよく、第一電極層２が第一中間層５の表面に直接重なっていてよい。圧電薄膜素子１０が第二中間層６を備えてよく、第二中間層６が第一電極層２と圧電薄膜３の間に配置されてよく、圧電薄膜３が第二中間層６の表面に直接重なっていてよい。単結晶基板１、第一中間層５、第一電極層２、第二中間層６、圧電薄膜３及び第二電極層４其々の厚みは均一であってよい。図１中の（ｂ）に示されるように、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと略平行であってよい。

圧電薄膜素子１０の変形例は、単結晶基板１を備えなくてよい。例えば、第一電極層２及び圧電薄膜３の形成後、単結晶基板１が除去されてよい。圧電薄膜素子１０の変形例は、第二電極層４を備えなくてもよい。例えば、第二電極層を備えない圧電薄膜素子が、製品として、電子機器の製造業者に供給された後、電子機器の製造過程において、第二電極層が圧電薄膜素子に付加されてよい。単結晶基板１が電極として機能する場合、圧電薄膜素子１０の変形例は、第一電極層２を備えなくてもよい。つまり圧電薄膜素子１０の変形例は、単結晶基板１と、単結晶基板１に重なる圧電薄膜３と、を備えてよい。圧電薄膜３が単結晶基板１に直接重なっていてよい。圧電薄膜３が、第一中間層５及び第二中間層６のうち少なくとも一つの中間層を介して単結晶基板１に重なっていてもよい。

圧電薄膜３は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、ビスマス（Ｂｉ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）及び元素Ｍを含む。元素Ｍは、マグネシウム（Ｍｇ）及びニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一種である。金属酸化物は、圧電薄膜３の主成分である。圧電薄膜３全体に対する金属酸化物の割合は、９９％モル以上１００モル％以下であってよい。圧電薄膜３は、金属酸化物のみからなっていてよい。

少なくとも一部の金属酸化物は、ペロブスカイト構造を有する結晶である。全ての金属酸化物が、ペロブスカイト構造を有する結晶であってよい。以下では、ペロブスカイト構造を有する結晶が、ペロブスカイト型結晶と表記される。ペロブスカイト型結晶の単位胞は、図２に示される。単位胞ｕｃのＡサイトに位置する元素は、Ｂｉ又はＫである。単位胞ｕｃのＢサイトに位置する元素は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ又はＦｅである。図２に示される単位胞ｕｃは、図３中の（ａ）、図３中の（ｂ）及び図３中の（ｃ）に示される単位胞ｕｃと同じである。ただし、図３中の（ａ）、図３中の（ｂ）及び図３中の（ｃ）では、結晶面を示すために、単位胞ｕｃ中のＢサイト及び酸素（Ｏ）が省略されている。ａは、ペロブスカイト型結晶の（１００）面の間隔に相当する格子定数である。ｂは、ペロブスカイト型結晶の（０１０）面の間隔に相当する格子定数である。ｃは、ペロブスカイト型結晶の（００１）面の間隔に相当する格子定数である。

ペロブスカイト型結晶の（００１）面、（１１０）面又は（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。例えば、図３中の（ａ）に示されるように、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎを向いていてよい。つまり、ペロブスカイト型結晶の［００１］（結晶面の方位）が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎと略平行であってよい。図３中の（ｂ）に示されるように、ペロブスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎを向いていてよい。つまり、ペロブスカイト型結晶の［１１０］（結晶面の方位）が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎと略平行であってよい。ペロブスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎを向いていてよい。つまり、ペロブスカイト型結晶の［１１１］（結晶面の方位）が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎと略平行であってよい。ペロブスカイト型結晶は、［００１］、［１１０］又は［１１１］において分極され得る。したがって、（００１）面、（１１０）面又は（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることにより、圧電薄膜３が圧電性を有することができる。以下に記載の結晶配向性とは、ペロブスカイト型結晶の（００１）面、（１１０）面又は（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることを意味する。

圧電薄膜３は、複数のペロブスカイト型結晶を含んでよく、全てのペロスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。全てのペロスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。全てのペロスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。一部のペロスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよく、別の一部のペロスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよく、別の一部のペロスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。一部のペロスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよく、残りのペロスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。一部のペロスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよく、残りのペロスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。一部のペロスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよく、残りのペロスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてもよい。

各結晶面の配向の程度は、配向度によって定量化されてよい。各結晶面の配向度は、各結晶面に由来する回折Ｘ線のピークに基づいて算出されてよい。各結晶面に由来する回折Ｘ線のピークは、圧電薄膜３の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定によって測定されてよい。（００１）面の配向度は、１００×Ｉ_{（００１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表されてよい。（１１０）面の配向度は、１００×Ｉ_{（１１０）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表されてよい。（１１１）面の配向度は、１００×Ｉ_{（１１１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表されてよい。Ｉ_{（００１）}は、（００１）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。Ｉ_{（１１０）}は、（１１０）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。Ｉ_{（１１１）}は、（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。ΣＩ_{（ｈｋｌ）}は、Ｉ_{（００１）}＋Ｉ_{（１１０）}＋Ｉ_{（１１１）}である。（００１）面の配向度は、１００×Ｓ_{（００１）}／ΣＳ_{（ｈｋｌ）}と表されてもよい。（１１０）面の配向度は、１００×Ｓ_{（１１０）}／ΣＳ_{（ｈｋｌ）}と表されてもよい。（１１１）面の配向度は、１００×Ｓ_{（１１１）}／ΣＳ_{（ｈｋｌ）}と表されてもよい。Ｓ_{（００１）}は、（００１）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。Ｓ_{（１１０）}は、（１１０）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。Ｓ_{（１１１）}は、（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。ΣＳ_{（ｈｋｌ）}は、Ｓ_{（００１）}＋Ｓ_{（１１０）}＋Ｓ_{（１１１）}である。各結晶面の配向の程度は、ロットゲーリング（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ）法に基づく配向度Ｆによって定量化されてもよい。結晶面の配向度が大きいほど圧電薄膜の圧電定数が大きいことから、結晶面の配向度は、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、より好ましくは９０％以上１００％以下であってよい。

圧電薄膜３が大きい圧電定数（ｄ_３３）を有し易いことから、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が優先的に圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることが好ましい。つまり、（００１）面の配向度は、（１１０）面及び（１１１）面其々の配向度よりも高いことが好ましい。

ペロブスカイト型結晶は、常温又はキュリー温度以下である温度において、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）、立方晶（ｃｕｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）及び菱面体晶（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。少なくとも一部のペロブスカイト型結晶は、正方晶であることが好ましい。つまり、ａがｂに等しく、ｃ／ａが１．０より大きいことが好ましい。全てのペロブスカイト型結晶が、正方晶であることがより好ましい。圧電薄膜３の表面には面内応力が作用し易いため、圧電薄膜３が面内方向において収縮し易い。その結果、圧電薄膜３が面内方向における格子定数ａ及びｂが、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおける格子定数ｃよりも小さくなり易く、ペロブスカイト型結晶が正方晶になり易い。ペロブスカイト型結晶が正方晶であり、正方晶が上記の結晶配向性を有することにより、圧電薄膜３は大きい圧電定数ｄ_３３を有し易い。

正方晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることが好ましい。上記の面内応力により、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおける格子定数ｃが、圧電薄膜３が面内方向における格子定数ａ及びｂよりも大きくなり易い。その結果、圧電薄膜３が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて分極し易く、正方晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向し易い。正方晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向することにより、圧電薄膜３は更に大きい圧電定数ｄ_３３を有し易い。圧電薄膜３とは対照的に、圧電体のバルクでは、面内応力に起因する結晶構造の歪みが起き難い。したがって、圧電体のバルクを構成する大多数のペロブスカイト型結晶は立方晶であり、圧電体のバルクがペロブスカイト型結晶の正方晶に起因する圧電性を有することは困難である。

圧電薄膜３が、上記の組成及び結晶配向性を有することにより、圧電薄膜３は、大きい圧電定数（ｄ_３３）を有することができる。上記の結晶配向性は薄膜に固有の特徴である。薄膜とは、気相成長法又は溶液法によって形成される結晶質の膜である。一方、圧電薄膜３と同じ組成を有する圧電体のバルクは上記の結晶配向性を有することは困難である。圧電体のバルクは、圧電体の必須元素を含む粉末の焼結体（セラミックス）であり、焼結体を構成する多数の結晶の構造及び配向性を制御することが困難であるからである。圧電体のバルクがＦｅを含むことに起因して、圧電体のバルクの比抵抗率は圧電薄膜３に比べて低い。その結果、リーク電流が圧電体のバルクにおいて発生し易い。したがって、高い電界の印加によって圧電体のバルクを分極させることが困難であり、圧電体のバルクが大きい圧電定数（ｄ_３３）を有することは困難である。

圧電薄膜３に含まれる金属酸化物は、下記化学式１で表されてよい。下記化学式１は、下記化学式１ａと実質的に同じである。
ｘ（Ｂｉ_αＫ_１－α）ＴｉＯ_３‐ｙＢｉ（Ｍ_βＴｉ_１－β）Ｏ_３‐ｚＢｉＦｅＯ_３ （１）
（Ｂｉ_αＫ_１－α）_ｘＢｉ_ｙ＋ｚＴｉ_ｘ（Ｍ_βＴｉ_１－β）_ｙＦｅ_ｚＯ_３±δ （１ａ）

上記化学式１中のｘ、ｙ及びｚ其々は、正の実数である。ｘ＋ｙ＋ｚは１である。上記化学式１中のｘは、０より大きく１未満である。上記化学式１中のｙは、０より大きく１未満である。上記化学式１中のｚは、０より大きく１未満である。上記化学式１中のαは、０より大きく１未満である。上記化学式１中のβは、０より大きく１未満である。圧電薄膜３が大きいｄ_３３を有し易いことから、αは０．５であってよく、βは０．５であってよい。上記化学式１中のＭは、Ｍｇ_γＮｉ_１－γと表される。γは、０以上１以下である。金属酸化物中のＢｉ及びＫのモル数の合計値が［Ａ］と表されてよく、金属酸化物中のＴｉ、Ｆｅ及び元素Ｍのモル数の合計値が［Ｂ］と表されてよく、［Ａ］／［Ｂ］は１．０であってよい。金属酸化物がペロブスカイト構造を有し得る限りにおいて、［Ａ］／［Ｂ］は１．０以外の値であってよい。つまり、［Ａ］／［Ｂ］は１．０未満であってよく、１．０より大きくてもよい。上記化学式１ａにおけるδは、０以上である。金属酸化物がペロブスカイト構造を有し得る限りにおいてδは、０以外の値であってよい。例えば、δは、０より大きく１．０以下であってよい。δは、例えば、ペロブスカイト構造のＡサイトのイオン及びＢサイトのイオン其々の価数から算出されてよい。各イオンの価数は、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）法により測定されてよい。圧電薄膜３の圧電性が損なわれない限りにおいて、圧電薄膜３は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｆｅ、元素Ｍ及びＯに加えて、他の元素を含んでもよい。

以下では、（Ｂｉ_αＫ_１－α）ＴｉＯ_３は、ＢＫＴと表記される。Ｂｉ（Ｍ_βＴｉ_１－β）Ｏ_３は、ＢＭＴと表記される。ＢｉＦｅＯ_３は、ＢＦＯと表記される。ＢＫＴ及びＢＭＴの和で表される組成を有する金属酸化物は、ＢＫＴ‐ＢＭＴと表記される。上記化学式１で表される組成を有する金属酸化物は、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯと表記される。ＢＫＴ、ＢＭＴ、ＢＦＯ、ＢＫＴ‐ＢＭＴ、及びｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯ其々の結晶は、ペロブスカイト構造を有している。

ＢＫＴの結晶は、常温において正方晶であり、ＢＫＴは強誘電体である。ＢＭＴの結晶は、常温において菱面体晶であり、ＢＭＴは強誘電体である。ＢＦＯの結晶は、常温において菱面体晶であり、ＢＦＯは強誘電体である。ＢＫＴ‐ＢＭＴからなる薄膜は、常温において正方晶である。ＢＫＴ‐ＢＭＴの正方晶のｃ／ａは、ＢＫＴ及びＢＭＴ其々のｃ／ａよりも大きい傾向がある。ＢＫＴ‐ＢＭＴからなる薄膜は、ＢＫＴからなる薄膜及びＢＭＴからなる薄膜に比べて、強誘電性に優れている。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯからなる薄膜は、常温において正方晶である傾向がある。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの正方晶のｃ／ａは、ＢＫＴ‐ＢＭＴのｃ／ａよりも大きい傾向がある。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯからなる薄膜は、ＢＫＴ‐ＢＭＴからなる薄膜に比べて、強誘電性に優れている。つまり、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯを含む圧電薄膜３は、強誘電性薄膜であってよい。圧電薄膜３の強誘電性は、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの組成がモルフォトロピック相境界（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ ＰｈａｓｅＢｏｕｎｄａｒｙ，ＭＰＢ）を有していることに起因している、と推察される。圧電薄膜３が強誘電性を有することにより、圧電薄膜３が大きい圧電定数（ｄ_３３）を有し易い。圧電薄膜３とは対照的に、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯのバルクに含まれる結晶は疑似立方晶であり、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯのバルクは上記の結晶配向性及び強誘電性を有することは困難である。

ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの組成は、三次元の座標系に基づいて表されてよい。図４に示されるように、三次元の座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から構成される。座標系における任意の座標は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表される。座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、上記化学式１中のｘ、ｙ及びｚを示す。化学式１中のｘ、ｙ及びｚの和は１であり、ｘ、ｙ及びｚのいずれも正の実数である。したがって、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１で表される平面のうち点線で描かれた三角形の内側に位置する。つまり座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標（１，０，０）、座標（１，１，０）及び座標（０，０，１）である三角形の内側に位置する。この三角形は、三角座標として図５に示される。図５中の座標Ａは、（０．３００， ０．１００， ０．６００）である。座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）である。座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）である。座標Ｄは、（０．１００， ０．３００， ０．６００）である。座標Ｅは、（０．４００， ０．２００， ０．４００）である。座標Ｆは、（０．２００， ０．４００， ０．４００）である。座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、座標Ｄ、座標Ｅ及び座標Ｆのいずれも、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１で表される平面内に位置する。化学式１中のｘ、ｙ及びｚを示す座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ及び座標Ｄである四角形以内に位置してよい。座標（ｘ，ｙ，ｚ）が四角形ＡＢＣＤ以内にある場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電性及び強誘電性が向上し易い。同様の理由から、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｅ、座標Ｆ及び座標Ｄである四角形以内に位置してよい。ｘはｙと等しくてよい。ｘがｙと等しい場合、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、座標（０．５００，０．５００，０）及び座標（０，０，１）を通る直線の上に位置する。ｘがｙと等しい場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電性及び強誘電性が向上し易い。

ｘは０．１００以上０．４５０以下であってよく、ｙは０．１００以上０．５００以下であってよく、ｚは０．３００以上０．６００以下であってよい。ｘは０．１００以上０．４００以下であってよく、ｙは０．１００以上０．４００以下であってよく、ｚは０．４００以上０．６００以下であってよい。ｘは０．１５０以上０．３５０以下であってよく、ｙは０．１５０以上０．３５０以下であってよく、ｚは０．３００以上０．６００以下であってよい。ｘは０．２５０以上０．３００以下であってよく、ｙは０．２５０以上０．３００以下であってよく、ｚは０．４００以上０．６００以下であってよい。ｘ、ｙ及びｚが上記の範囲であり、且つｘ＋ｙ＋１が１である場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電性及び強誘電性が向上し易い。

圧電薄膜３の厚みは、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であってよい。圧電薄膜３の面積は、例えば、１μｍ^２以上５００ｍｍ^２以下であってよい。単結晶基板１、第一中間層５、第一電極層２、第二中間層６、及び第二電極層４其々の面積は、圧電薄膜３の面積と同じであってよい。

圧電薄膜の組成は、例えば、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光法によって分析されてよい。圧電薄膜の結晶構造及び結晶配向性は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって特定されてよい。

圧電薄膜３は、例えば、以下の方法により形成されてよい。

圧電薄膜３の原料としては、圧電薄膜３と同様の組成を有するターゲットが用いられてよい。ターゲットの作製方法は、次の通りである。

出発原料として、例えば、酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、元素Ｍの酸化物、及び酸化鉄其々の粉末が用いられてよい。元素Ｍの酸化物は、酸化マグネシウム及び酸化ニッケルのうち少なくともいずれかであってよい。出発原料として、上記の酸化物に代えて、炭酸塩又はシュウ酸塩等のように、焼成により酸化物になる物質が用いられてよい。これらの出発原料を１００℃以上で十分に乾燥した後、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、元素Ｍ及びＦｅのモル数が、上記化学式１で規定された範囲内になるように、各出発原料が秤量される。後述される気相成長法において、ターゲット中のビＢｉ及びＫは、他の元素に比べて揮発し易い。したがって、ターゲット中のＢｉのモル比は、圧電薄膜３中のＢｉのモル比よりも高い値に調整されてよい。ターゲット中のＫのモル比は、圧電薄膜３中のＢｉのモル比よりも高い値に調整されてよい。

秤量された出発原料は、有機溶媒又は水の中で十分に混合される。混合時間は、５時間以上２０時間以下であってよい。混合手段は、ボールミルであってよい。混合後の出発原料を、十分乾燥した後、出発原料はプレス機で成形される。成形された出発原料が仮焼き（ｃａｌｃｉｎｅ）されることより、仮焼物が得られる。仮焼きの温度は、７５０℃以上９００℃以下であってよい。仮焼きの時間は、１時間以上３時間以下であってよい。仮焼物は、有機溶媒又は水の中で粉砕される。粉砕時間は、５時間以上３０時間以下であってよい。粉砕手段は、ボールミルであってよい。粉砕された仮焼物の乾燥後、バインダー溶液が加えられた仮焼物を造粒することにより、仮焼物の粉が得られる。仮焼物の粉のプレス成形により、ブロック状の成形体が得られる。

ブロック状の成形体を加熱することにより、成形体中のバインダーを揮発させる。加熱温度は、４００℃以上８００℃以下であってよい。加熱時間は、２時間以上４時間下であってよい。
続いて、成形体を焼成（ｓｉｎｔｅｒ）する。焼成温度は、８００℃以上１１００℃以下であってよい。焼成時間は、２時間以上４時間以下であってよい。焼成過程における成形体の昇温速度及び降温速度は、例えば５０℃／時間以上３００℃／時間以下であってよい。

以上の工程により、ターゲットが得られる。ターゲットに含まれる金属酸化物の結晶粒の平均粒径は、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下であってよい。

上記ターゲットを用いた気相成長法によって、圧電薄膜３が形成されてよい。気相成長法では、真空雰囲気下において、ターゲットを構成する元素を蒸発させる。蒸発した元素が、第二中間層６、第一電極層２、又は単結晶基板１のいずれかの表面に付着・堆積することにより、圧電薄膜３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）法であってよい。以下では、パルスレーザー堆積法が、ＰＬＤ法と表記される。これらの気相成長法を用いることによって、原子レベルで緻密である圧電薄膜３を形成することが可能であり、圧電薄膜３中における元素の偏析が抑制される。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、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。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。これらの励起源がターゲットに照射されると、ターゲットを構成する元素が蒸発する。

上記の気相成長法の中でも、以下の点において、ＰＬＤ法が比較的に優れている。ＰＬＤ法では、パルスレーザーにより、ターゲットを構成する各元素を、一瞬で斑なくプラズマ化させることができる。したがって、ターゲットとほぼ同じ組成を有する圧電薄膜３が形成され易い。またＰＬＤ法では、レーザーのパルス数（繰り返し周波数）を変えることで、圧電薄膜３の厚みを制御し易い。

圧電薄膜３はエピタキシャル膜であってよい。つまり、圧電薄膜３は、エピタキシャル成長によって形成されていてよい。エピタキシャル成長により、結晶配向性に優れた圧電薄膜３が形成され易い。圧電薄膜３がＰＬＤ法によって形成される場合、圧電薄膜３がエピタキシャル成長によって形成され易い。

ＰＬＤ法では、真空チャンバー内における単結晶基板１及び第一電極層２を加熱しながら、圧電薄膜３が形成されてよい。単結晶基板１及び第一電極層２の温度（成膜温度）は、例えば、３００℃以上８００℃以下、５００℃以上７００℃以下、又は５００℃以上６００℃以下であればよい。成膜温度が高いほど、単結晶基板１又は第一電極層２の表面の清浄度が改善され、圧電薄膜３の結晶性が高まり、その結晶面の配向度が高まり易い。成膜温度が高過ぎる場合、Ｂｉ又はＫが圧電薄膜３から脱離し易く、圧電薄膜３の組成が制御され難い。

ＰＬＤ法では、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、１０ｍＴｏｒｒより大きく４００ｍＴｏｒｒ未満、１５ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下、又は２０ｍＴｏｒｒ以上２００ｍＴｏｒｒ以下であってよい。換言すると、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、１Ｐａより大きく５３Ｐａ未満、２Ｐａ以上４０Ｐａ以下、又は３Ｐａ以上３０Ｐａ以下であってよい。酸素分圧が上記範囲内に維持されることにより、単結晶基板１の上に堆積したＢｉ，Ｋ、Ｔｉ、元素Ｍ及びＦｅが十分に酸化され易い。酸素分圧が高過ぎる場合、圧電薄膜３の成長速度が低下し易く、圧電薄膜３の結晶面の配向度が低下し易い。

ＰＬＤ法で制御される上記以外のパラメータは、例えば、レーザー発振周波数、及び基板・ターゲット間の距離などである。これらのパラメータの制御によって、圧電薄膜３の結晶構造及び結晶配向性が制御され易い。例えば、レーザー発振周波数が１０Ｈｚ以下である場合、圧電薄膜３の結晶面の配向度が高まり易い。

圧電薄膜３が成長した後、圧電薄膜３のアニール処理（加熱処理）が行われてよい。アニール処理における圧電薄膜３の温度（アニール温度）は、例えば、３００℃以上１０００℃以下、６００℃以上１０００℃以下、又は８５０℃以上１０００℃以下であってよい。圧電薄膜３のアニール処理により、圧電薄膜３の圧電性が更に向上する傾向がある。特に８５０℃以上１０００℃以下でのアニール処理により、圧電薄膜３の圧電性が向上し易い。ただし、アニール処理は必須でない。

単結晶基板１は、例えば、Ｓｉの単結晶からなる基板、又はＧａＡｓ等の化合物半導体の単結晶からなる基板であってよい。単結晶基板１は、ＭｇＯ又はペロブスカイト型酸化物（例えばＳｒＴｉＯ_３）等の酸化物の単結晶からなる基板であってもよい。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、導電性を有する単結晶基板１は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）がドープされたＳｒＴｉＯ_３の単結晶であってよい。

単結晶基板１の結晶方位は、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の表面は、単結晶基板１の結晶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、（１００）面、（００１）面、（１１０）面、（１０１）面、及び（１１１）面からなる群より選ばれる一つの結晶面が、単結晶基板１の表面と平行であってよい。つまり、［１００］、［００１］、［１１０］、［１０１］、及び［１１１］からなる群より選ばれる一つの方位が、単結晶基板１の表面の法線方向Ｄ_Ｎと平行であってよい。

単結晶基板１（例えばＳｉ）の（１００）面が単結晶基板１の表面と平行である場合、圧電薄膜３中のペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向し易い。単結晶基板１の（１１０）面が単結晶基板１の表面と平行である場合、圧電薄膜３中のペロブスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向し易い。単結晶基板１の（１１１）面が単結晶基板１の表面と平行である場合、圧電薄膜３中のペロブスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向し易い。

上述の通り、第一中間層５が、単結晶基板１と第一電極層２との間に配置されていてよい。第一中間層５は、例えば、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。第一中間層５を介することにより、第一電極層２が単結晶基板１に密着し易い。第一中間層５は、結晶質であってよい。第一中間層５の結晶面が、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てよい。単結晶基板１の結晶面と、第一中間層５の結晶面と、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。第一中間層５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。

第一中間層５は、ＺｒＯ_２及び希土類元素の酸化物を含んでよい。第一中間層５が、ＺｒＯ_２及び希土類元素の酸化物を含むことにより、白金の結晶からなる第一電極層２が第一中間層５の表面に形成され易く、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向において配向し易く、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向し易い。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。第一中間層５は、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ_２Ｏ_３が添加されたＺｒＯ_２）からなっていてよい。第一中間層５がイットリア安定化ジルコニアからなることにより、白金の結晶からなる第一電極層２が第一中間層５の表面に形成され易く、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向において配向し易く、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向し易い。同様の理由から、第一中間層５は、ＺｒＯ_２からなる第一層と、Ｙ_２Ｏ_３からなる第二層とを有してよい。第一層は、単結晶基板１の表面に直接積層されてよく、第二層は、第一層の表面に直接積層されてよく、第一電極層２は、第二層の表面に直接積層されてよい。

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、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、又はコバルト酸ランタンストロンチウム（（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ_３）等の導電性金属酸化物からなっていてもよい。第一電極層２は、結晶質であってよい。第一電極層２の結晶面が、単結晶基板１の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。第一電極層２の結晶面は、単結晶基板１の表面と略平行であってよい。単結晶基板１の結晶面と、第一電極層２の結晶面と、の両方が、単結晶基板１の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。第一電極層２の結晶面が、圧電薄膜３中において配向するぺロブスカイト型結晶の結晶面と略平行であってよい。第一電極層２の厚みは、例えば、１ｎｍ以上１．０μｍ以下であってよい。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。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第一電極層２の結晶性を高めるために、第一電極層２の加熱処理（アニーリング）が行われてよい。

第一電極層２が、白金の結晶を含んでよい。第一電極層２が、白金の結晶のみからなっていてよい。白金の結晶は、面心立方格子構造を有する立方晶である。白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向において配向していてよく、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向していてよい。換言すれば、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面に略平行であってよく、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面に略垂直であってよい。第一電極層２を構成する白金の結晶の（００２）面及び（２００）面が上記の配向性を有することにより、圧電薄膜３が、第一電極層２の表面においてエピタキシャルに成長し易く、圧電薄膜３がペロブスカイト型結晶の正方晶を含み易く、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向し易い。第一電極層２の表面は、圧電薄膜３の表面に略平行であってよい。つまり、第一電極層２の表面の法線方向は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎと略平行であってよい。

上述の通り、第二中間層６が、第一電極層２と圧電薄膜３との間に配置されていてよい。第二中間層６は、例えば、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。第二中間層６を介することにより、圧電薄膜３が第一電極層２に密着し易い。第二中間層６は、結晶質であってよい。第二中間層６の結晶面が、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てよい。単結晶基板１の結晶面と、第一中間層の結晶面と、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。第二中間層６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、例えば、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性金属酸化物からなっていてよい。第二電極層４は、結晶質であってよい。第二電極層４の結晶面が、単結晶基板１の法線方向Ｄ_Ｎにおいて配向していてよい。第二電極層４の結晶面は、単結晶基板１の表面と略平行であってよい。第二電極層４の結晶面は、圧電薄膜３中において配向するペロブスカイト型結晶の結晶面と略平行であってよい。第二電極層４の厚みは、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。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第二電極層４の結晶性を高めるために、第二電極層４の加熱処理（アニーリング）が行われてもよい。

第三中間層が、圧電薄膜３と第二電極層４との間に配置されていてよい。第三中間層を介することにより、第二電極層４が圧電薄膜３に密着し易い。第三中間層の組成、結晶構造及び形成方法は、第二中間層と同じであってよい。

圧電薄膜素子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、例えば圧電薄膜素子１０の耐湿性が向上する。

本実施形態に係る圧電薄膜素子の用途は、多岐にわたる。圧電薄膜素子は、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。圧電薄膜素子は、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。圧電薄膜素子は、例えば、マイクロフォンへ適用されてもよい。圧電薄膜素子は、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）の一部に応用されてよい。

（圧電アクチュエータ）
図６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の圧電薄膜素子１００、及びヘッドスライダ１９を備えている。第１及び第２の圧電薄膜素子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の圧電薄膜素子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の圧電薄膜素子１００の伸縮に伴って回転運動する。

図７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１４と、単結晶基板１４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１４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１４（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１４（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８及び図９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、上述の圧電薄膜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、圧電薄膜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１０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、圧電薄膜素子４０と、圧電薄膜素子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。圧電薄膜素子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薄膜素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。

図１１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、圧電薄膜素子５０と、圧電薄膜素子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。圧電薄膜素子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（圧電薄膜素子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と圧電薄膜素子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１２は、図６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１２のヘッドアセンブリ６５は、図６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１３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１３のプリンタヘッド７０は、図７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。

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）
実施例１の圧電薄膜素子の作製には、Ｓｉからなる単結晶基板が用いられた。Ｓｉの（１００）面は、単結晶基板の表面と平行であった。単結晶基板は、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形であった。単結晶基板の厚みは、５００μｍであった。

真空チャンバー内で、ＺｒＯ_２及びＹ_２Ｏ_３からなる結晶質の第一中間層が、単結晶基板の表面全体に形成された。第一中間層は、スパッタリング法により形成された。第一中間層の厚みは、３０ｎｍであった。

真空チャンバー内で、Ｐｔの結晶からなる第一電極層が、第一中間層の表面全体に形成された。第一電極層は、スパッタリング法により形成された。第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。第一電極層の形成過程における単結晶基板の温度（成膜温度）は、５００℃に維持した。

第一電極層の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、第一電極層のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンが測定された。第一電極層の表面におけるＩｎ Ｐｌａｎｅ測定により、第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。これらのＸＲＤパターンの測定には、株式会社リガク製のＸ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）が用いられた。ＸＲＤパターン中の各ピーク強度がバックグラウンド強度に対して少なくとも３桁以上高くなるように、測定条件が設定された。Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、Ｐｔの結晶の（００２）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、Ｐｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向した。Ｉｎ Ｐｌａｎｅ測定により、Ｐｔの結晶の（２００）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。

真空チャンバー内で、圧電薄膜が第一電極層の表面全体に形成された。圧電薄膜は、ＰＬＤ法により形成された。圧電薄膜の厚みは、２０００ｎｍであった。圧電薄膜の形成過程における単結晶基板の温度（成膜温度）は、５００℃に維持した。圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、１０Ｐａに維持された。圧電薄膜の原料には、ターゲット（原料粉末の焼結体）が用いられた。ターゲットの作製の際には、目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末（酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、及び酸化鉄）の配合比が調整された。目的とする圧電薄膜の組成は、下記化学式１Ａで表されるものであった。下記化学式１Ａ中のｘ、ｙ及びｚ其々の値は、下記表１に示す値であった。
ｘＢｉ_０．５Ｋ_０．５ＴｉＯ_３‐ｙＢｉＭｇ_０．５Ｔｉ_０．５Ｏ_３‐ｚＢｉＦｅＯ_３ （１Ａ）

圧電薄膜の組成が、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）により分析された。分析には、日本フィリップス株式会社製の装置ＰＷ２４０４を用いた。分析の結果、実施例１の圧電薄膜の組成は、上記化学式１Ａで表され、上記化学式１Ａにおけるｘ、ｙ及びｙ其々の値は、下記表１に示す値であった。つまり圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。

圧電薄膜の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。圧電薄膜の表面におけるＩｎ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。ＸＲＤパターンの測定装置及び測定条件は、上記と同様であった。

圧電薄膜のＸＲＤパターンは、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、ペロブスカイト型結晶の（００１）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。ＸＲＤパターンに基づき、ペロブスカイト型結晶の（００１）面の配向度が算出された。（００１）面の配向度は、１００×Ｉ_{（００１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表される。配向度の定義の詳細は上述の通りである。実施例１の（００１）面の配向度は下記表１に示される。

Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面の法線方向におけるペロブスカイト型結晶の格子定数ｃが得られた。格子定数ｃは、圧電薄膜の表面に平行な結晶面の間隔と言い換えられる。Ｉｎ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面に平行な方向におけるペロブスカイト型結晶の格子定数ａ及びｂが得られた。格子定数ａ及びｂは、圧電薄膜の表面に垂直な結晶面の間隔と言い換えられる。ａ及びｂは互いに略等しかった。ａ及びｂのいずれも、ｃより小さかった。つまり、圧電薄膜に含まれるペロブスカイト型結晶は正方晶であった。

以上の方法で、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、を備える積層体が作製された。この積層体を用いて更に以下の工程が実施された。

真空チャンバー内で、Ｐｔからなる第二電極層が、圧電薄膜の表面全体に形成された。第二電極層は、スパッタリング法により形成された。第二電極層の形成過程における単結晶基板の温度は５００℃に維持した。第二電極層の厚みは、２００ｎｍであった。

以上の工程により、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備える積層体が作製された。続くフォトリソグラフィにより、単結晶基板上の積層構造のパターニングが行われた。パターニング後、積層体がダイシングにより切断された。

以上の工程により、短冊状の実施例１の圧電薄膜素子を得た。圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備えていた。圧電薄膜の可動部分の面積は、２０ｍｍ×１．０ｍｍであった。

［圧電定数ｄ_３３，ｆの測定］
実施例１の圧電薄膜素子を用いて圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。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が用いられた。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。圧電定数ｄ_３３，ｆの測定における交流電界（交流電圧）の周波数は５Ｈｚであった。圧電薄膜に印加される電圧の最大値は２０Ｖであった。ｄ_３３，ｆの単位はｐｍ/Ｖである。実施例１の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表１に示される。

（実施例２～１８及び比較例1～３）
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～１８及び比較例1～３其々の圧電薄膜素子が作製された。

実施例１と同様の方法により、実施例２～１８其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～１８のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。

実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例1～３其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２～１８及び比較例１～３のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。実施例２～１８及び比較例１～３其々の圧電薄膜の組成（ｘ，ｙ及びｚ其々の値）は、下記の表１に示される。実施例２～１６及び１８其々のｘ、ｙ及びｚは、座標（ｘ、ｙ、ｚ）として図５（三角座標）中に示される。図５中の座標Ａは、実施例１に対応する。図５中の座標Ｂは、実施例２に対応する。図５中の座標Ｃは、実施例３に対応する。図５中の座標Ｄは、実施例４に対応する。図５中の座標Ｅは、実施例５に対応する。図５中の座標Ｆは、実施例６に対応する。

実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～３其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～１８及び比較例１～３のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。実施例２～１８及び比較例１～３のいずれの場合も、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２～１８のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれるペロブスカイト型結晶は正方晶であった。実施例２～１８及び比較例１～３其々の（００１）面の配向度は、下記表１に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～３其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。実施例２～１８及び比較例１～３其々の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表１に示される。

（実施例２０、２１及び比較例４）
実施例２０の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、１Ｐａに維持された。

実施例２１の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、２０Ｐａに維持された。

比較例４の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、０．１Ｐａに維持された。

圧電薄膜の形成過程における酸素分圧を除いて実施例９と同様の方法で、実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電薄膜素子が作製された。

実施例１と同様の方法により、実施例２０、２１及び比較例４其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２０、２１及び比較例４のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。

実施例１と同様の方法により、実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２０、２１及び比較例４のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電薄膜の組成（ｘ，ｙ及びｚ其々の値）は、下記の表２に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２０、２１及び比較例４のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。

実施例２０の場合、ペロブスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。

実施例２１の場合、ペロブスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。

比較例４の場合、ペロブスカイト型結晶の特定の結晶面が圧電薄膜の表面の法線方向において配向していなかった。つまり比較例４の場合、いずれの結晶面の配向度も５０％未満であった。

ＸＲＤパターンに基づき、実施例２０のペロブスカイト型結晶の（１１０）面の配向度が算出された。（１１０）面の配向度は、１００×Ｉ_{（１１０）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表される。配向度の定義の詳細は上述の通りである。実施例２０の（１１０）面の配向度は下記表２に示される。

ＸＲＤパターンに基づき、実施例２１のペロブスカイト型結晶の（１１１）面の配向度が算出された。（１１１）面の配向度は、１００×Ｉ_{（１１１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}と表される。配向度の定義の詳細は上述の通りである。実施例２１の（１１１）面の配向度は下記表２に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。実施例２０、２１及び比較例４其々の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表２に示される。

（実施例２２及び２３）
実施例２２及び２３の場合、第二中間層が第一電極層の表面全体に形成され、圧電薄膜が第二中間層の表面全体に形成された。実施例２２の第二中間層は、結晶質のＳｒＲｕＯ_３からなっていた。実施例２２の第二中間層の厚みは、５０ｎｍであった。実施例２３の第二中間層は、結晶質のＬａＮｉＯ_３からなっていた。実施例２３の第二中間層の厚みは、５０ｎｍであった。

第二中間層が形成されたことを除いて実施例９と同様の方法で、実施例２２及び２３其々の圧電薄膜素子が作製された。

実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２２及び２３のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。

実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２２及び２３のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。実施例２２及び２３其々の圧電薄膜の組成（ｘ，ｙ及びｚ其々の値）は、下記の表３に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２２及び２３のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。実施例２２及び２３のいずれの場合も、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２２及び２３のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれるペロブスカイト型結晶は正方晶であった。

実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。実施例２２及び２３其々の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表３に示される。

（実施例２４～２６）
実施例２４の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例２４の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のＳｒＲｕＯ_３からなる第一電極層が単結晶基板の表面全体に直接形成された。実施例２４の第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。これらの事項を除いて実施例９と同様の方法で、実施例２４の圧電薄膜素子が作製された。

実施例２５の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例２５の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のＳｒＲｕＯ_３からなる第一電極層が単結晶基板の表面全体に直接形成された。実施例２５の第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。これらの事項を除いて実施例２０と同様の方法で、実施例２５の圧電薄膜素子が作製された。

実施例２６の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例２６の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のＳｒＲｕＯ_３からなる第一電極層が単結晶基板の表面全体に直接形成された。実施例２６の第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。これらの事項を除いて実施例２１と同様の方法で、実施例２５の圧電薄膜素子が作製された。

実施例１と同様の方法により、実施例２４～２６其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２４～２６のいずれの場合も、第一電極層の結晶面は、第一電極層の表面の面内方向において配向してなかった。つまり、実施例２４～２６のいずれの場合も、第一電極層の結晶の面内配向性がなかった。

実施例１と同様の方法により、実施例２４～２６其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２４～２６のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。実施例２４～２６其々の圧電薄膜の組成（ｘ，ｙ及びｚ其々の値）は、下記の表４に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２４～２６其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２４～２６のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。

実施例２４の場合、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２４の（００１）面の配向度は、下記表４に示される。

実施例２５の場合、ペロブスカイト型結晶の（１１０）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２５の（１１０）面の配向度は、下記表４に示される。

実施例２６の場合、ペロブスカイト型結晶の（１１１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２６の（１１１）面の配向度は、下記表４に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２４～２６其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。実施例２４～２６其々の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表４に示される。

（実施例２７）
実施例２７のターゲットの作製の際には、目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末（酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ニッケル及び酸化鉄）の配合比が調整された。目的とする圧電薄膜の組成は、下記化学式１Ｂで表されるものであった。下記化学式１Ｂ中のｘ、ｙ、ｚ及びγ其々の値は、下記表５に示す値であった。
ｘＢｉ_０．５Ｋ_０．５ＴｉＯ_３‐ｙＢｉ（Ｍｇ_γＮｉ_１－γ）_０．５Ｔｉ_０．５Ｏ_３‐ｚＢｉＦｅＯ_３ （１Ｂ）

圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２７の圧電薄膜素子が作製された。

実施例２８の場合、上記化学式１Ｂ中のγは、１／３であった。実施例２９の場合、上記化学式１Ｂ中のγは０であった。つまり実施例２９の場合、ターゲットの原料粉末として、酸化マグネシウムが用いられなかった。γを除いて実施例２７と同様の方法で、実施例２８及び２９其々の圧電薄膜素子が作製された。

実施例１と同様の方法により、実施例２７～２９其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２７～２９のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。

実施例１と同様の方法により、実施例２７～２９其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２７～２９のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。実施例２７～２９其々の圧電薄膜の組成（ｘ，ｙ、ｚ及びγ其々の値）は、下記の表５に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２７～２９其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２７～２９のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型結晶から構成されていることを示していた。実施例２７～２９のいずれの場合も、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向していた。実施例２７～２９のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれるペロブスカイト型結晶は正方晶であった。実施例２７～２９其々の（００１）面の配向度は、下記表５に示される。

実施例１と同様の方法により、実施例２７～２９其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ_３３，ｆが測定された。実施例２７～２９其々の圧電定数ｄ_３３，ｆは、下記表５に示される。

本発明に係る圧電薄膜は、例えば、圧電アクチュエータ及び圧電センサに応用される。

１０，４０，５０，１００…圧電薄膜素子、１…単結晶基板、２…第一電極層、３，２５，３０，４２，５２…圧電薄膜、４…第二電極層、５…第一中間層、６…第二中間層、Ｄ_Ｎ…単結晶基板の表面の法線方向、ｄｎ…圧電薄膜の表面の法線方向、ｕｃ…ペロブスカイト構造の単位胞、ａ…単位胞の（１００）面の面間隔、ｂ…単位胞の（０１０）面の面間隔、ｃ…単位胞の（００１）面の面間隔、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…基体、２１…圧力室、２３…絶縁膜、２４…単結晶基板、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、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、４１…共通電極層、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、５１…共通電極層、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）。

Claims (20)

1. 金属酸化物を含む圧電薄膜であって、
   前記金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、鉄及び元素Ｍを含み、
   前記元素Ｍが、マグネシウム及びニッケルのうち少なくとも一種であり、
   少なくとも一部の前記金属酸化物が、ペロブスカイト構造を有する結晶であり、
   少なくとも一部の前記結晶が、正方晶であり、
   前記正方晶の（００１）面が、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
   圧電薄膜。
2. 前記金属酸化物が、下記化学式１で表され、
   下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚ其々が、正の実数であり、
   ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
   下記化学式１中のαは、０より大きく１未満であり、
   下記化学式１中のβは、０より大きく１未満であり、
   下記化学式１中のＭが、Ｍｇ_γＮｉ_１－γと表され、
   γが、０以上１以下である、
   請求項１に記載の圧電薄膜。
   ｘ（Ｂｉ_αＫ_１－α）ＴｉＯ_３‐ｙＢｉ（Ｍ_βＴｉ_１－β）Ｏ_３‐ｚＢｉＦｅＯ_３ （１）
3. 三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から構成され、
   前記座標系における任意の座標は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
   前記座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、前記化学式１中のｘ、ｙ及びｚを示し、
   前記座標系における座標Ａは、（０．３００， ０．１００， ０．６００）であり、
   前記座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であり、
   前記座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であり、
   前記座標系における座標Ｄは、（０．１００， ０．３００， ０．６００）であり、
   前記（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が前記座標Ａ、前記座標Ｂ、前記座標Ｃ及び前記座標Ｄである四角形以内に位置する、
   請求項２に記載の圧電薄膜。
4. 前記座標系における座標Ｅは、（０．４００， ０．２００， ０．４００）であり、
   前記座標系における座標Ｆは、（０．２００， ０．４００， ０．４００）であり、
   前記座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が前記座標Ａ、前記座標Ｅ、前記座標Ｆ及び前記座標Ｄである四角形以内に位置する、
   請求項３に記載の圧電薄膜。
5. エピタキシャル膜である、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の圧電薄膜。
6. 強誘電性薄膜である、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の圧電薄膜。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の圧電薄膜を備える、
   圧電薄膜素子。
8. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板に重なる前記圧電薄膜と、
   を備える、
   請求項７に記載の圧電薄膜素子。
9. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板に重なる電極層と、
   前記電極層に重なる前記圧電薄膜と、
   を備える、
   請求項７に記載の圧電薄膜素子。
10. 電極層と、
    前記電極層に重なる前記圧電薄膜と、
    を備える、
    請求項７に記載の圧電薄膜素子。
11. 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電極層との間に配置されている、
    請求項９に記載の圧電薄膜素子。
12. 少なくとも一つの中間層を更に備え、
    前記中間層が、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
    請求項９又は１０に記載の圧電薄膜素子。
13. 前記電極層が、白金の結晶を含み、
    前記白金の結晶の（００２）面が、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
    前記白金の結晶の（２００）面が、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
    請求項９～１２のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
14. 請求項７～１３のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
    圧電アクチュエータ。
15. 請求項７～１３のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
    圧電センサ。
16. 請求項１４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。
17. 請求項１６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。
18. 請求項１７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。
19. 請求項１４に記載の圧電アクチュエータを備える、
    プリンタヘッド。
20. 請求項１９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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