JPWO2011062050A1 - 圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜及び圧電体素子 - Google Patents
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Abstract
所望の結晶構造で、且つ、元素の良好な構成を有する圧電体薄膜を提供することを目的とし、複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体の薄膜を基板の上に形成する圧電体薄膜の製造方法において、前記基板の上に、第１の基板温度で前記圧電体の初期層を形成する第１工程と、前記初期層に連続して、第２の基板温度で前記圧電体の後期層を形成する第２工程と、を含み、前記第１の基板温度は、前記第１の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造が、前記第２の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造よりも、前記所定の結晶構造に近くなるように形成される温度であり、前記第２の基板温度は、該後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比が、前記初期層の組成比より、化学量論的組成比に近くなるように形成される温度である。
Description
本発明は、圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜及び圧電体素子に関する。
従来から、ＰＺＴなどの圧電体は、駆動素子やセンサなどの機械電気変換素子として用いられている。また近年、装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ素子（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械素子）が増加している。
圧電体をＭＥＭＳ素子に応用するには、圧電体の薄膜化が望ましく、薄膜化により、成膜、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工を適用することができ、ＭＥＭＳ素子の小型化、高密度化が実現できる。また、圧電体の薄膜化は、大面積のウェハに一括加工することによる圧電素子の多数個の製造を容易に可能とするものであるため、コスト低減、機械電気変換効率の向上、駆動素子の特性やセンサの感度の向上に寄与するなどの利点が生じる。
ＰＺＴなどの圧電体をＳｉなどの基板上に成膜するには、ＣＶＤ法など化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法など物理的な方法、ゾルゲル法など液相での成長法がある。
ＰＺＴなどの圧電体は、一般的にＡＢＯ３型の酸化物で結晶がペロブスカイト型構造を持つときに良好な圧電効果を発現する。この結晶構造は成膜時の温度により制御でき、ＰＺＴをスパッタ法等で成膜する場合の基板温度（成膜温度）と生成相（結晶構造）との関係を図５に示す（非特許文献１、ｐ．１４５ 図３）。
図５において、ａは非晶質、Ｆｌｕはフルオライト相、Ｐｙはパイロクロア相、Ｐｅｒはペロブスカイト相を表している。また、製造方法は、上段から順にスパッタ法（Ｓｐｕｔｔｅｒ）、ＰＬＤ法（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＳＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及びＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。図５のスパッタ法の場合を例にすると、基板温度が６００℃前後において、成膜の結晶構造がペロブスカイト型構造となるが、その温度域以外の低温側及び高温側の何れにおいても、ペロブスカイト型とは異なる結晶構造や非晶質の部分が発生し圧電特性が低下する。
ＰＺＴの構成元素であるＰｂの蒸気圧は、他の元素であるＴｉやＺｒと比較して高い（１Ｐａ時の昇華温度はＰｂが７０５℃、Ｔｉが１７０９℃、Ｚｒが２３６６℃）。ＰＺＴの基板温度と鉛組成比との関係を図６に示す（非特許文献１、ｐ．１４６ 図４）。図６において、横軸は基板温度（℃）、縦軸はＰＺＴ成膜の基板温度が５５０℃における鉛組成比を１として規格化した値である。図６が示すように、基板温度が高くなるに従い鉛組成比が減少する。
図５で示すペロブスカイト構造が得られる温度域は、構成元素である鉛の昇華する温度が非常に近く、この温度域においては、図６で示すように鉛組成比は減少する。このため、良好なペロブスカイト構造を得るために好ましい基板温度でＰＺＴを成膜すると鉛の欠損が生じ、結晶性の低下を招き、圧電特性が低下する。一方、鉛の過剰は、薄膜に酸化鉛が残存し、絶縁性が低下する。
特許文献１には、高周波マグネトロンスパッタ法を用いて強誘電体薄膜（ＰｂｘＬａ１−ｘＴｉ１−ｘ／４Ｏ３（０≦ｘ≦０．２５））を形成する際、基板温度を６００℃とし、鉛の不足を防止するため、ターゲットを作成する際に過剰のＰｂＯ粉末を混合することが開示されている。
中村僖良監修、「圧電材料の高性能化と先端応用技術」、サイエンス＆テクノロジー株式会社、２００７年１１月２９日
しかしながら、特許文献１においては、ターゲットに含まれる鉛の組成比を高めにすることで、基板に堆積する鉛の量を比較的多くすることができるものの、基板温度が高いため、一度基板に堆積した鉛の一部が蒸発してしまう。このため、形成された強誘電体薄膜の鉛組成比が変動して所望の結晶構造を安定して得ることが困難であるが、これらに関して、特許文献１には記載されていない。
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、所望の結晶構造で、且つ、元素の良好な構成を有する圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜及び圧電体素子を提供することである。
上記の課題は、以下の構成により解決される。
１．複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体の薄膜を基板の上に形成する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板の上に、第１の基板温度で前記圧電体の初期層を形成する第１工程と、
前記初期層に連続して、第２の基板温度で前記圧電体の後期層を形成する第２工程と、を含み、
前記第１の基板温度は、前記第１の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造が、前記第２の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造よりも、前記所定の結晶構造に近くなるように形成される温度であり、
前記第２の基板温度は、該後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比が、前記初期層の組成比より、化学量論的組成比に近くなるように形成される温度であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
前記基板の上に、第１の基板温度で前記圧電体の初期層を形成する第１工程と、
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前記第１の基板温度は、前記第１の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造が、前記第２の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造よりも、前記所定の結晶構造に近くなるように形成される温度であり、
前記第２の基板温度は、該後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比が、前記初期層の組成比より、化学量論的組成比に近くなるように形成される温度であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
２．前記所定の結晶構造は、ペロブスカイト型結晶構造であることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
３．前記圧電体は、鉛を含む酸化物であり、
前記第１の基板温度は、前記第２の基板温度より高いことを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
前記第１の基板温度は、前記第２の基板温度より高いことを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
４．前記後期層の厚みは、前記初期層の厚みより厚いことを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
５．前記初期層及び前記後期層の前記圧電体は、スパッタリング法を用いて形成されることを特徴とする前記１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
６．複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体の薄膜が基板の上に形成されている圧電体薄膜において、
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体薄膜。
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体薄膜。
７．前記所定の結晶構造は、ペロブスカイト型結晶構造であることを特徴とする前記６に記載の圧電体薄膜。
８．前記圧電体は、鉛を含む酸化物であることを特徴とする前記６に記載の圧電体薄膜。
９．前記後期層の厚みは、前記初期層の厚みより厚いことを特徴とする前記６に記載の圧電体薄膜。
１０．基板と、
前記基板上に形成された、複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体薄膜とを有し、
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体素子。
前記基板上に形成された、複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体薄膜とを有し、
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体素子。
本発明によれば、所望の結晶構造で、且つ、元素の良好な構成を有する圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜及び圧電体素子を提供することができる。
本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。
図１は、本発明に係る圧電体素子１００の例を示す。図１において、圧電体素子１００は、Ｓｉ基板１１０の上に、順に、熱酸化膜（ＳｉＯ２）１２０、下部電極１３０、圧電体薄膜１４０及び上部電極１５０が形成されている。圧電体薄膜１４０は、下部電極１３０上に形成されている初期層１４０ａ、初期層１４０ａ上に連続して形成されている後期層１４０ｂを有している。
上記構成の圧電体素子１００に関して、圧電体素子１００の製造方法と共に以下に説明する。圧電体薄膜１４０は、高周波マグネトロンスパッタリング法によりＳｉ基板１１０の上に成膜され、本実施の形態では、圧電体薄膜１４０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とする。
図２は、圧電体薄膜１４０等を上記のスパッタリング法で成膜する圧電体薄膜の製造装置２００（以下、製造装置２００）を模式的に示す。図２に示す製造装置２００において、真空チャンバー１の中に、ＰＺＴの原料を有するターゲット２及び成膜されるＳｉ基板１１０が配置されている。
ターゲット２は電極を兼ねたターゲット皿３により保持され、Ｓｉ基板１１０は電極を兼ねた基板ホルダー１０により保持されている。ターゲット皿３の縁はカバー４で覆われ、ターゲット皿３はマグネット５上に配置され、マグネット５とその下にある高周波電極６は、絶縁体７によって真空チャンバー１から絶縁されている。高周波電極６は、高周波電源８に接続されている。
基板ホルダー１０は、内部にＳｉ基板１１０を加熱するための基板加熱ヒーター１１を備え、Ｓｉ基板１１０上に均一に成膜できるように回転する軸９に接続されている。軸９は、シール付きベアリング１６を通して真空チャンバー１の外部に設けてある回転駆動部であるモータ１５に接続されている。
真空チャンバー１には、スパッタガスを導入するノズル１４及び図示しない排気装置に接続されている排気口Ａが設けられている。ノズル１４から導入されるスパッタガスは、バルブ１２を介して供給口Ｂから供給されるＡｒガスとバルブ１３を介して供給口Ｃから供給されるＯ２ガスの混合ガスである。
図３は、図２に示す製造装置２００を用いて圧電体薄膜をＳｉ基板上に形成する工程を示すフローチャートである。
所定の組成比に調合したＰＺＴ材料の粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿３に充填して加圧することによりターゲット２を作製する。ターゲット皿３を、マグネット５上に設置し、その上にカバー４を設置する。ターゲット２のＰＺＴ材料の組成比は、成膜後の薄膜が良好な圧電特性を示す結晶構造をなし得る所望の組成比（化学量論的組成比）と同等で良く、従来知られているような、成膜の際に認められる鉛不足を補うような特別な組成比にする必要はない。
Ｓｉ基板１１０は、＜１００＞に配向したＳｉ単結晶板を用い、その表面には熱酸化膜１２０が形成されており、更に片面に、予め下部電極１３０として、＜１００＞に優先配向した白金（Ｐｔ）がスパッタリング法により、所定の厚さだけ形成してある。
Ｓｉ基板１１０の厚みは、所望の圧電体素子の構成により異なるが、一般的に３００〜５００μｍ程度である。熱酸化膜１２０は保護及び絶縁が目的で形成されており、Ｓｉ基板を１５００℃程度で加熱することにより形成され、その厚みは一般的に０．１μｍ程度である。下部電極１３０の厚みは一般的に０．１μｍ程度である。
次に、熱酸化膜１２０及び下部電極１３０を備えたＳｉ基板１１０を、下部電極１３０を下向きにして基板ホルダー１０に保持させ、真空チャンバー１内を排気し、基板加熱ヒーター１１によってＳｉ基板１１０を６００℃から６５０℃、好ましくは６００℃前後にまで加熱し、維持する。維持されている上記の第１の基板温度Ｔ１は、成膜時の基板温度であって、図５から分かるように、ＰＺＴ薄膜を形成する際、薄膜が良好な圧電特性を発現するペロブスカイト型構造を有する結晶を容易に形成することができる温度である。
また、後述する第２の基板温度Ｔ２との比較において、第１の基板温度Ｔ１は、第１の基板温度Ｔ１で初期層を形成した場合の初期層の結晶構造が、第２の基板温度Ｔ２で初期層を形成した場合の初期層の結晶構造よりも、ペロブスカイト型構造に近くなるように形成される温度である。
Ｓｉ基板１１０を上記の温度に維持した状態で、バルブ１２及び１３を開け、スパッタガスであるＡｒガスとＯ２ガスを所定の割合に混合した混合ガスをノズル１４より真空チャンバー１内に導入しながら、真空チャンバー１内の真空度を所定値に維持する。真空度を所定値に維持した状態で、ターゲット２に、高周波電源８より高周波電力を投入し、プラズマを発生させ、Ｓｉ基板１１０上に初期層１４０ａを成膜する（第１工程）。
初期層１４０ａの厚みは、０．０１μｍから初期層１４０ａを含めた圧電体薄膜１４０の厚みの１０％以下、好ましくは０．０１μｍになるまで成膜を行い、初期層１４０ａの成膜後一旦電力を切り、スパッタリングを停止する。
初期層１４０ａの厚みを０．０１μｍ以上とすることにより、初期層１４０ａは結晶構造を形成することができる。形成される結晶構造は、＜１００＞に優先配向した白金を下地とし、成膜する際に設定されている基板温度から、ほぼ完全なペロブスカイト型構造とすることができる。
初期層１４０ａは、良好なペロブスカイト型構造を有する一方で、成膜時の基板温度が高いため、構成元素である鉛の蒸気圧からその一部に欠損が生じ、この欠損により分極の状態が変化するため、十分な圧電特性を有していない。初期層１４０ａの厚みをＳｉ基板１１０上に形成する圧電体薄膜１４０の厚みの１０％以内に抑えることにより、初期層１４０ａ上に引き続いて形成する後期層１４０ｂが有する圧電特性を大きく妨げることが無く、実用的な範囲で十分な圧電特性を示すことができる。また、初期層１４０ａは、上記の通り十分に薄いことと共に、変位し難いＳｉ基板１１０に近いため、圧電特性が十分でないことの影響は軽微である。
次に、基板加熱ヒーター１１を制御して、Ｓｉ基板１１０の温度を５４０℃から５７０℃、好ましくは５５０℃に設定し維持させる。図６から分かるように、この維持されている上記の第２の基板温度Ｔ２で形成される後期層１４０ｂは、先の初期層１４０ａを形成した第１の基板温度Ｔ１と比較して鉛の組成比が改善され、より良好な圧電特性を示す結晶構造をなし得る所望の組成比（化学量論的組成比）に近いものとなることができる。
Ｓｉ基板１１０を上記の温度に維持した状態で、ターゲット２に、高周波電源８より高周波電力を再度投入し、初期層１４０ａの上に連続して後期層１４０ｂを所望の膜厚になるまで成膜を行う（第２工程）。後期層１４０ｂの厚みは、仕様により必要とされる変位、力等により適宜定めればよく、例えばアクチュエータとする場合は一般的に１μｍから１０μｍ程度である。
後期層１４０ｂは、その基板温度を初期層１４０ａの場合より低くしているため、初期層１４０ａと比較して構成元素である鉛の欠損が生じ難い。一方、その基板温度が低いため、後期層１４０ｂが、ペロブスカイト型構造を形成するとは考え難いが、実際には、ほぼ完全なペロブスカイト型構造を形成する。これは、初期層１４０ａがほぼ完全なペロブスカイト構造を有しているため、初期層１４０ａを下地として、この上に連続して形成される後期層１４０ｂは、組成が同様であることにも助けられ、下地の格子定数に一致するように倣って、ほぼ完全にペロブスカイト構造となるものと推定される。
このため、後期層１４０ｂは、初期層１４０ａと同等のほぼ完全なペロブスカイト型構造を有すると伴に、その構成元素においては、初期層１４０ａと比較して鉛の欠損が抑えられ、より所望の組成比（化学量論的組成比）に近い、元素の良好な構成を有するものとなっている。
従って、後期層１４０ｂは、良好な圧電特性を有し、その厚みを適宜定めることにより、仕様により必要とされる変位、力等に十分に対応出来るものである。また、後期層１４０ｂは、変位し難いＳｉ基板１１０から離れた位置に存在するため、センサ、アクチュエータとしての必要な特性を得る上で有利である。
最後に、後期層１４０ｂ上にＰｔ又はＡｌ等で上部電極１５０を設けることにより圧電体素子１００が完成する。
図４に本実施の形態で説明した圧電体薄膜をダイヤフラムに応用した圧電体素子３００の例を示す。Ｓｉ基板２１０の一部が円形に除去され窪み２１０ａが形成され、上部に薄い板状の部材が残され、この部材がダイヤフラム２１０ｂを成している。
ダイヤフラム２１０ｂの窪み２１０ａ側と反対側の面上に、窪み２１０ａの形状に対応した円形状の初期層１４０ａ、後期層１４０ｂを形成する。後期層１４０ｂ上に上部電極１５０としてＰｔ膜がスパッタ法などで成膜されている。
上部電極１５０と下部電極１３０と間に所定の電圧を加えると、圧電体薄膜１４０が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によりダイヤフラム２１０ｂを上下に湾曲させることができる。圧電体素子３００は、例えば窪み２１０ａに気体や液体を充填できるようにすると、ポンプなどのアクチュエータとして応用できる。
また、圧電体素子３００は、音波や超音波によりダイヤフラム２１０ｂが振動させられると、上記と反対の効果により上部電極１５０と下部電極１３０と間に電圧を発生し、この電圧の周波数や大きさを検出されるようにすることによって音波センサとして応用できる。
これまで説明した圧電体薄膜の材料は、ＰＺＴに限定されることはなく、ＰＺＴにＮｂ（ニオブ）、Ｌａ（ランタン）、Ｍｎ（マンガン）などを添加したものでも良い。また、ＰＺＴの代わりに、ＰＮＴ（ニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＺＮＴ（亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛）など、鉛を含む材料でも良い。
上記に挙げた材料により形成される圧電体薄膜は、ＰＺＴを例に説明したペロブスカイト構造を取り、鉛の欠損が押さえられることには変わりはなく、何れもＰＺＴに劣らず良好な圧電特性を示す。また、一般的に基板温度と圧電体を構成する元素の組成比との関係において、温度が高くなると、本実施の形態の例に挙げた鉛に限らず構成元素の一部が欠損することが考えられ、本発明は鉛を有しない圧電体薄膜においても適用できる。
また、製造装置２００は、スパッタ法を行うものとして説明したが、ＰＬＤ法、ＣＳＤ法及びＭＯＣＶＤ法を行うものとすることができる。
図１に示す圧電体素子１００を、図２に示す製造装置２００を用い、図３に示すフローチャートに従って製造した。
＜１００＞に配向したＳｉ単結晶板（厚み３５０μｍ）をＳｉ基板１１０とし、このＳｉ基板１１０に熱酸化膜１２０（厚み０．１μｍ）及び下部電極１３０（Ｐｔ、厚み０．１μｍ）を準備した。また、ターゲット２として、組成がＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３とするＰＺＴ材料からなるものを準備した。
準備した上記のＳｉ基板１１０及びターゲット２を図２で示した製造装置２００内に配置した。
真空チャンバー１内を真空にした後、Ｓｉ基板１１０を加熱し、第１の基板温度Ｔ１が６００℃となるように設定した。Ｓｉ基板１１０の温度が６００℃に達した後、この温度を維持した状態で、ＡｒとＯ２の混合ガスを真空チャンバー１内に導入し、厚み０．０１μｍの初期層１４０ａを形成した。
次に、Ｓｉ基板１１０の温度を変更し、第２の基板温度Ｔ２が５５０℃となるように設定した。Ｓｉ基板１１０の温度が５５０℃に達した後、この温度を維持した状態で、ＡｒとＯ２の混合ガスを真空チャンバー１内に導入し、厚み２μｍの後期層１４０ｂを形成した。
製造した圧電体薄膜１４０は、Ｘ線回折装置による結晶構造解析の結果、後期層１４０ｂがほぼ完全なペロブスカイト構造であることが確認できた。また、蛍光Ｘ線組成分析装置による測定の結果、後期層１４０ｂの組成はターゲット２の組成比とほぼ同一であって、鉛の欠損がほとんど無いことが確認できた。
この後、上部電極１５０として、Ｐｔ膜（厚み０．１μｍ）を設け、圧電体素子１００とした。
圧電体素子１００の圧電定数、比誘電率を測定した結果、それぞれ圧電定数ｄ３１＝−１５０ｐｍ／Ｖ、比誘電率が７００であって、圧電素子として十分に機能することが確認できた。
１００ 圧電体素子
１１０ Ｓｉ基板
１２０ 熱酸化膜
１３０ 下部電極
１４０ 圧電体薄膜
１４０ａ 初期層
１４０ｂ 後期層
１５０ 上部電極
１１０ Ｓｉ基板
１２０ 熱酸化膜
１３０ 下部電極
１４０ 圧電体薄膜
１４０ａ 初期層
１４０ｂ 後期層
１５０ 上部電極
Claims (10)
- 複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体の薄膜を基板の上に形成する圧電体薄膜の製造方法において、
前記基板の上に、第１の基板温度で前記圧電体の初期層を形成する第１工程と、
前記初期層に連続して、第２の基板温度で前記圧電体の後期層を形成する第２工程と、を含み、
前記第１の基板温度は、前記第１の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造が、前記第２の基板温度で前記初期層を形成した場合の初期層の結晶構造よりも、前記所定の結晶構造に近くなるように形成される温度であり、
前記第２の基板温度は、該後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比が、前記初期層の組成比より、化学量論的組成比に近くなるように形成される温度であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。 - 前記所定の結晶構造は、ペロブスカイト型結晶構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 前記圧電体は、鉛を含む酸化物であり、
前記第１の基板温度は、前記第２の基板温度より高いことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。 - 前記後期層の厚みは、前記初期層の厚みより厚いことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 前記初期層及び前記後期層の前記圧電体は、スパッタリング法を用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体の薄膜が基板の上に形成されている圧電体薄膜において、
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体薄膜。 - 前記所定の結晶構造は、ペロブスカイト型結晶構造であることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜。
- 前記圧電体は、鉛を含む酸化物であることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜。
- 前記後期層の厚みは、前記初期層の厚みより厚いことを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜。
- 基板と、
前記基板上に形成された、複数の元素による所定の結晶構造を有する圧電体薄膜とを有し、
前記圧電体薄膜は、初期層と後期層とを有し、
前記後期層の圧電体を形成する複数の元素の組成比は、前記初期層の組成比より化学量論的組成比に近いことを特徴とする圧電体素子。
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Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
| JPH065948A (ja) * | 1992-06-22 | 1994-01-14 | Rohm Co Ltd | 強誘電体薄膜の製造方法 |
| JPH09256139A (ja) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Fuji Electric Co Ltd | 酸化亜鉛膜の製造方法 |
| JP2000169297A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-06-20 | Sharp Corp | 酸化物強誘電体薄膜の製造方法、酸化物強誘電体薄膜及び酸化物強誘電体薄膜素子 |
| JP2004096050A (ja) * | 2002-09-04 | 2004-03-25 | Seiko Epson Corp | 強誘電体デバイスの作製方法、およびそれを用いた強誘電体メモリ、圧電素子、インクジェット式ヘッドおよびインクジェットプリンタ |
| JP2005333108A (ja) * | 2004-04-02 | 2005-12-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電素子、インクジェットヘッド、角速度センサ及びインクジェット式記録装置 |
| JP2005354026A (ja) * | 2004-05-10 | 2005-12-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電素子及びインクジェットヘッド並びにそれらの製造方法、並びにインクジェット式記録装置 |
| JP2009049220A (ja) * | 2007-08-21 | 2009-03-05 | Panasonic Corp | 圧電体薄膜素子、圧電体薄膜素子の製造方法、インクジェットヘッド、及びインクジェット式記録装置 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065948A (ja) * | 1992-06-22 | 1994-01-14 | Rohm Co Ltd | 強誘電体薄膜の製造方法 |
| JPH09256139A (ja) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Fuji Electric Co Ltd | 酸化亜鉛膜の製造方法 |
| JP2000169297A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-06-20 | Sharp Corp | 酸化物強誘電体薄膜の製造方法、酸化物強誘電体薄膜及び酸化物強誘電体薄膜素子 |
| JP2004096050A (ja) * | 2002-09-04 | 2004-03-25 | Seiko Epson Corp | 強誘電体デバイスの作製方法、およびそれを用いた強誘電体メモリ、圧電素子、インクジェット式ヘッドおよびインクジェットプリンタ |
| JP2005333108A (ja) * | 2004-04-02 | 2005-12-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電素子、インクジェットヘッド、角速度センサ及びインクジェット式記録装置 |
| JP2005354026A (ja) * | 2004-05-10 | 2005-12-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電素子及びインクジェットヘッド並びにそれらの製造方法、並びにインクジェット式記録装置 |
| JP2009049220A (ja) * | 2007-08-21 | 2009-03-05 | Panasonic Corp | 圧電体薄膜素子、圧電体薄膜素子の製造方法、インクジェットヘッド、及びインクジェット式記録装置 |
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