WO2011102329A1

WO2011102329A1 - 圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス

Info

Publication number: WO2011102329A1
Application number: PCT/JP2011/053097
Authority: WO
Inventors: 末永　和史; 柴田　憲治; 渡辺　和俊; 明野本
Original assignee: 日立電線株式会社
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-08-25
Also published as: CN102754232A; CN102754232B; JP2011171359A; JP5029711B2; US20120306314A1; US8860286B2

Abstract

　圧電特性の向上を図ることができ、高性能であると共に、製造歩留りの向上を図ることができる圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスを提供する。　圧電薄膜素子１は、基板１０と、基板１０上に設けられ、一般式（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶からなる群から選択される少なくとも一つの結晶構造を有し、質量比で８０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有する圧電薄膜４０とを備える。

Description

圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス

　本願は２０１０年２月１６日提出の日本国特願２０１０－０３１２８９に基づき、参照によりその全内容を包含する。
　本発明は、圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスに関する。特に、本発明は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム等の鉛を含まない圧電材料を用いた圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスに関する。

　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、電圧の印加により変形を生じるアクチュエータ、又は圧電素子の変形に応じて電圧を発生させるセンサ等の機能性電子部品として広く利用されている。

　近年、環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれており、例えば、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）等の開発が進められている。ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、Ｐｂ（Ｚｒ_１－ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３系のペロブスカイト型強誘電体（ＰＺＴ）に相当する圧電特性を有するので、鉛を用いない圧電材料の有力な候補として期待されている。圧電体薄膜に鉛を用いない圧電体薄膜を用いることにより、環境負荷の小さい高精細で高速のインクジェットプリンタ用ヘッド、及び小型で低価格のジャイロセンサ等を作成することができる。

　また、各種の電子部品の小型化及び高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化及び高性能化が強く求められるようになっている。しかしながら、従来からの圧電材料の製法である焼結法等により作製した圧電材料は、圧電材料の厚さが所定の厚さ、特に１０μｍ以下の厚さになると、圧電材料を構成する結晶粒の大きさが圧電材料の厚さに近づき、その影響が無視できなくなる。そのため、圧電材料の特性のばらつき及び劣化が顕著になるので、圧電材料の特性のばらつき及び劣化を回避すべく、焼結法に代わる薄膜技術等を応用した圧電材料の製造法が研究されている。

　従来の鉛を用いない圧電薄膜素子として、アルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物から形成される誘電体膜を用いる圧電薄膜素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧電薄膜素子は、ＭｇＯ等から形成される基板と、基板上に形成される下部電極と、ＢａＴｉＯ_３等から形成され、下部電極の上に形成されるバッファ層と、一般式が（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物から構成され、バッファ層上に形成される圧電薄膜と、圧電薄膜の上に形成される上部電極とを備え、圧電薄膜が、スパッタリング法（ＲＦマグネトロンスパッタリング法）、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、又は塗布法等により形成される。

　特許文献１に記載の圧電薄膜素子は、上記のような構成を備えるので、良好な圧電特性が得られる。

特開２００７－１９３０２号公報

　しかしながら、従来技術（例えば、特許文献１の技術）で得られる圧電薄膜素子では、所望の圧電定数とすることが難しく、また、所望の圧電定数が得られた場合でも、素子の寿命の点で問題があった。また、圧電定数の大きな圧電薄膜素子を歩留り良く得ることが困難であった。

　したがって、本発明の目的は、圧電特性の向上を図ることができ、高性能であると共に、製造歩留りの向上を図ることができる圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスを提供することにある。

　（１）本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、一般式（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶からなる群から選択される少なくとも一つの結晶構造を有し、質量比で８０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有する圧電薄膜とを備える圧電薄膜素子が提供される。

　（２）また、上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、３０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有することができる。

　（３）また、上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、０．１６μｇ／ｃｍ^２以下の不活性ガス元素を含有することができる。

　（４）また、上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下の不活性ガス元素を含有することができる。

　（５）また、上記圧電薄膜素子において、不活性ガス元素が、アルゴン（Ａｒ）であってよい。

　（６）また、上記圧電薄膜素子において、基板と圧電薄膜との間に下部電極を更に備えてもよい。

　（７）また、上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、基板の面に対して平行方向に歪を有することもできる。

　（８）また、上記圧電薄膜素子において、歪が、引張応力による歪、又は圧縮応力による歪であってもよい。

　（９）また、上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、基板の面に対し、垂直方向若しくは平行方向、又は垂直方向及び平行方向に不均一の歪を有することもできる。

　（１０）また、上記圧電薄膜素子において、下部電極が、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金からなる電極層を有してもよい。

　（１１）また、上記圧電薄膜素子において、下部電極が、基板の表面の垂直方向に優先的に配向した結晶配向性の単層を有することもできる。

　（１２）また、本発明は、上記目的を達成するため、上記（１）記載の圧電薄膜素子と、圧電薄膜素子に電圧を印加する電圧印加部とを備える圧電薄膜デバイスが提供される。

　（１３）また、本発明は、上記目的を達成するため、上記（１）記載の圧電薄膜素子と、圧電薄膜素子に印加される電圧を検出する電圧検出部とを備える圧電薄膜デバイスが提供される。

　本発明に係る圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスによれば、圧電特性の向上を図ることができ、高性能であると共に、製造歩留りの向上を図ることができる圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスを提供できる。

　[発明のポイント]
　本発明の一実施の形態によれば、圧電薄膜素子は、圧電薄膜中の不活性ガス元素の含有量を所定の範囲内に厳密に制御するように構成され、それにより、圧電薄膜の結晶配向が特定の配向となるように、または、圧電薄膜の残留応力が適切な値となるように、安定して制御することができる。これにより、高い品質の圧電薄膜素子を実現し、圧電薄膜素子を備えた圧電薄膜デバイスの圧電特性を改善することができ、それにより、低コストで歩留まり良く高性能のマイクロデバイスを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の縦断面図である。本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータを示す図である。本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子を用いた圧電センサを示す図である。実施例１に係る圧電薄膜素子のＸ線回折パターン（ただし、２θ／θスキャン）を示す図である。実施例１に係る圧電薄膜素子のＫＮＮ薄膜の結晶構造を示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子が備える圧電薄膜を構成する各組成元素の量とスパッタリング装置に投入した電力との関係を示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子において、Ａｒ含有量が３２ｐｐｍの圧電薄膜のＡｒ－Ｋα近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子において、Ａｒ含有量が５５ｐｐｍの圧電薄膜のＡｒ－Ｋα近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子において、Ａｒ含有量が６１ｐｐｍの圧電薄膜のＡｒ－Ｋα近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子において、Ａｒ含有量が６９ｐｐｍの圧電薄膜のＡｒ－Ｋα近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜に含有されるＡｒの質量比（濃度）とスパッタリング装置の投入電力との相関を示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の単位面積あたりのＡｒ量（質量）とスパッタリング装置の投入電力との相関を示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜に含有されるＡｒの質量比（濃度）と熱処理温度との相関を示す図である。実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の単位面積あたりのＡｒ量（質量）と熱処理温度との相関を示す図である。実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜のＡｒ含有量（質量比）と圧電定数との相関を示す図である。実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜のＡｒ含有量（ただし、単位面積あたりのＡｒ質量）と圧電定数との相関を示す図である。実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の内部応力とＡｒ含有量との相関を示す図である。スパッタリング法による成膜時のＡｒガス圧と作製した圧電薄膜素子の圧電薄膜の圧電定数との関係を示す図である。

［実施の形態の要約］
　基板と、前記基板上に設けられる圧電薄膜とを備える圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が、一般式（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶からなる群から選択される少なくとも一つの結晶構造を有し、質量比で８０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有する圧電薄膜素子が提供される。なお、「８０ｐｐｍ以下」は０を含まない。すなわち、不活性ガス元素の質量比は０を超え、８０ｐｐｍ以下である。

（発明者が得た知見）
　本実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、本発明者が得た以下の知見に基づく。すなわち、従来は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜（なお、ニオブ酸カリウムナトリウム膜を含む）に含まれるＡｒ含有量（ただし、スパッタリング装置において用いられる動作ガスである）について、詳細な分析と、分析結果に基づく成膜の制御はなされていなかった。すなわち、従来、圧電薄膜のスパッタリング法による成膜時に圧電薄膜に打ちこまれる反跳Ａｒ及びＡｒイオンと、成膜時の投入電力（Ｐｏｗｅｒ）、成膜温度、及び基板と原料ターゲットとの間の距離の変化との間の関係、及び不活性ガス元素の圧電薄膜中の含有量がどの程度であるか等が不明瞭なままであった。

　しかしながら、本発明者は、圧電薄膜に含まれる不活性ガス元素の含有量が圧電薄膜の特性を決定する要因の一つであることを鋭意研究の結果、見出した。すなわち、従来は、圧電薄膜の特性を決定する要因の一つである不活性ガス元素の圧電薄膜中の含有量について正確に定量化せず、定性的な評価結果を元に圧電薄膜を作製していたことにより、所望の高い圧電定数を有する圧電薄膜を再現性良く得ることができなかったことを本発明者は見出した。つまり、量産工程で実績のあるスパッタリング法を用いて圧電薄膜を形成する場合、スパッタリング装置に用いられる不活性ガスが圧電薄膜の成膜中に圧電薄膜内に混入する。そして、圧電薄膜中に含まれる不活性ガス元素と圧電薄膜の圧電特性との関係を定量的に管理していないので、長寿命、かつ、圧電定数の大きな圧電薄膜素子を歩留り良く製造することが困難になる場合があることを見出した。

　また、圧電薄膜の内部に発生する応力（歪）は圧電定数と相関があり、圧電薄膜を構成する元素を除く他の元素（すなわち、スパッタリング装置に用いる不活性ガス元素）の圧電薄膜中への混入によって圧電定数は変化する。したがって、スパッタリング法を用いて圧電薄膜を成膜する場合に、圧電薄膜中に所定量を超える不活性ガス元素が混入すると、圧電薄膜中において発生する応力（すなわち、内部応力）に起因し、当該圧電薄膜の圧電特性が劣化し、また、製造歩留りが低下する場合があることも見出した。

　実際に、Ａｒ元素の含有量がそれぞれ異なる複数のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜の圧電特性は、生産ロット毎で異なっている。その理由は、圧電薄膜のＡｒ元素の含有量の変化を把握していないことに起因すること、すなわち、Ａｒ元素の圧電薄膜中の含有量を厳密に制御した上で圧電薄膜を形成していないためであることを本発明者は見出した。

　例えば、スパッタリング成膜時の投入電力（Ｐｏｗｅｒ）を増加させると、高エネルギー粒子であるＡｒイオン及び反跳Ａｒが、スパッタリング成膜中にスパッタ粒子（すなわち、圧電薄膜を構成する材料の粒子）と共に圧電薄膜内に取り込まれる。その結果、Ａｒ元素を含有した多結晶粒からなる圧電薄膜が形成される。このとき、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）等の分析手法によって圧電薄膜の主成分の定性分析等の分析結果を速やかに得ることができるが、斯かる分析手法による圧電薄膜の主成分の検出下限は低い。

　したがって、圧電薄膜に含有されている微量なＡｒについては、精度良く評価することができない。その結果、従来は、スパッタリング法の成膜により圧電薄膜に含まれることになった微量な不活性ガスの圧電薄膜の特性に与える影響は不明なままであった。つまり、圧電薄膜中の不活性ガス元素の含有量を厳密に制御しない限り、圧電薄膜中への不活性ガスの混入に起因する圧電薄膜の特性の劣化を把握できないので、圧電薄膜の更なる圧電定数の向上、及び圧電薄膜の安定的な生産を実現できないと本発明者は考えた。

　そこで、本発明者は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜中のＡｒガスの含有量を厳密に管理及び制御するために、スパッタリング成膜法において、圧電薄膜としてのニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜の成膜温度、スパッタリング法に用いる不活性ガスの種類、不活性ガスの圧力、成膜時の真空度、成膜時の投入電力、及び成膜後の熱処理について圧電薄膜の圧電特性が向上する作製条件を検討した。そして、圧電薄膜の作製条件の最適化を図ることにより、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１を実現した。

　そして、本発明者は、スパッタリング装置毎、及び様々な成膜条件の環境下に応じ、成膜温度等の条件を詳細かつ厳密に検討し、適切な量の不活性ガス元素を含有させたニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を再現性よく形成できることを見出した。

　実際は、多結晶又はエピタキシャル成長させた単結晶のニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜中の不活性ガス元素としてのＡｒ含有量を制御するため、例えば、圧電薄膜の単位面積あたり若しくは単位体積あたりのＡｒの含有量が一定の範囲内に収まるようにスパッタリングの投入電力若しくは電力密度を制御する。具体的には、投入電力若しくは電力密度が一定になるように成膜条件を精密に設定する。また、圧電薄膜の成膜後、赤外線ランプによる熱輻射、若しくは伝熱板を介したヒータ加熱による熱伝導を用いて圧電薄膜を加熱することにより圧電薄膜に含まれるＡｒ含有量を最適な範囲にすべく、熱処理温度を設定する。

　更に、上記各条件に合わせ、スパッタリング成膜装置内に導入される不活性ガスの圧力及び流量を最適値に決定した。また、Ａｒを除く他の不活性ガス又はＡｒを含む不活性ガスを選択し、圧電薄膜中の不活性ガス元素の含有量を厳密に制御することにより、高い圧電定数を示すニオブ酸リチウムカリウムナトリウム膜を安定的に再現性よく作製することも期待できることを本発明者は見出した。また、スパッタリングターゲット材の密度及び構成元素に応じて反跳Ａｒの量を調整すること、又はＡｒを除く他の不活性ガスの高速中性粒子の運動エネルギーを増減させることにより、圧電薄膜中に取り込まれる動作ガス元素の含有量を最適化できることも本発明者は見出した。

［実施の形態］
（圧電薄膜素子１の構成）
　図１Ａは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の縦断面の概要を示す。

　本実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、一方の表面に酸化膜１２を有する基板１０と、接着層２０を介して基板１０上（すなわち、酸化膜１２の表面）に設けられる下部電極３０と、下部電極３０上に設けられ、ペロブスカイト型構造を有する材料から主として形成される圧電薄膜４０と、圧電薄膜４０上に設けられる上部電極５０とを備える。また、圧電薄膜４０は、一般式（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される材料から形成される。更に、下部電極３０を構成する材料は、基板１０の表面に対し、所定の方向に配向しており、圧電薄膜４０を構成する材料は、下部電極３０に対し、所定の方向に優先的に配向している。

　ここで、圧電薄膜４０は、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶からなる群から選択される少なくとも一つの結晶構造を有して形成される。なお、圧電薄膜４０は、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶のいずれか一つの結晶構造を有して形成されるか、これらの結晶構造のうち二つ以上の結晶構造が混合した状態を有して形成される。

　また、圧電薄膜４０は、質量比（すなわち、圧電薄膜４０を構成する元素に対する不活性ガス元素の含有割合）で８０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有して形成される。なお、「８０ｐｐｍ以下」は０を含まない。すなわち、不活性ガス元素の質量比は０を超え、８０ｐｐｍ以下である。また、圧電薄膜４０は、０．１６μｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下の不活性ガス元素を含有して形成される。

　基板１０としては、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、ＳｒＲｕＯ_３基板、ガラス基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、又はステンレス基板等を用いることができる。本実施の形態においては、価格が低廉で、かつ、工業的に使用の実績が豊富なＳｉ基板を用いることが好ましい。

　酸化膜１２としては、基板１０がＳｉから形成される場合、熱酸化により基板１０の表面に形成される熱酸化膜を用いることができる。また、Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法を用い、基板１０の表面にＳｉ酸化膜を形成することにより、酸化膜１２を形成することもできる。なお、Ｓｉを除く他の材料から基板１０を形成する場合、基板１０の表面に酸化膜１２を設けずに、石英ガラス基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、ＳｒＲｕＯ_３基板等の酸化物からなる基板上に、Ｐｔ等からなる下部電極３０を直接、形成することもできる。

　下部電極３０は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成することができる。また、下部電極３０は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成される電極層と、導電性材料からなる電極層とを含む積層構造を有して形成することもできる。更に、下部電極３０は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む金属層、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む酸化物層、又はＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素と圧電薄膜４０を構成する元素との化合物を含む化合物層を有して形成することもできる。また、下部電極３０は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成される電極層及び／又は導電性材料からなる電極層、金属層、酸化物層、及び化合物層からなる群から選択される少なくとも一つを含む積層構造から形成することもできる。

　また、下部電極３０は、基板１０（例えば、Ｓｉ基板）の表面の垂直方向に沿って優先的に配向した結晶配向性の単層を有して形成される。例えば、下部電極３０は、（１１１）面に配向して形成されるＰｔからなる単層を有して形成することができる。

　更に、基板１０と下部電極３０との間に、基板１０と下部電極３０との密着性を向上させる接着層２０を設けることもできる。接着層２０は、例えば、Ｔｉ等の金属材料からなる薄膜から形成することができる。

　圧電薄膜４０は、上述のとおり、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型の酸化物から主として形成される。なお、圧電薄膜４０を構成するニオブ酸カリウムナトリウム、又はニオブ酸リチウムカリウムナトリウムに、所定量のＣｕ、Ｔａ、及び／又はＶ等をドープすることもできる。

　また、圧電薄膜４０は、ＡＢＯ_３結晶又は非晶質のＡＢＯ_３（ただし、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｎｄ、Ｂａ、及びＢｉからなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、ＢはＺｒ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔａ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｏは酸素である）の少なくとも一方を含んで形成される。すなわち、圧電薄膜４０は、ＡＢＯ_３結晶若しくは非晶質のＡＢＯ_３のいずれか一方、又はＡＢＯ_３結晶及び非晶質のＡＢＯ_３の双方を含んで形成することができる。

　また、圧電薄膜４０は、基板１０の面に対して平行方向に歪を有することもできる。この歪は、引張応力による歪（すなわち、引張応力状態における歪）、又は圧縮応力による歪（すなわち、圧縮応力状態における歪）である。なお、圧電薄膜４０は、歪を有さない状態（すなわち、内部応力を発生させない無歪の状態）にすることもできる。更に、圧電薄膜４０は、基板１０の面に対し、垂直方向若しくは平行方向、又は垂直方向及び平行方向に不均一の歪を有することもできる。

　圧電薄膜４０の歪は、圧電薄膜４０中に含まれる不活性ガス元素の含有量の変化に応じて発生する。例えば、圧電薄膜４０中の不活性ガス元素の含有量の変化に応じ、圧電薄膜４０の内部に、圧縮応力又は引張応力が発生する。また、圧電薄膜４０中の不活性ガス元素の含有量を制御し、圧電薄膜４０に応力が発生しない状態、すなわち無歪の状態の圧電薄膜４０を形成することもできる。

　上部電極５０は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成することができる。また、上部電極５０は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成される電極層と、導電性材料からなる電極層とを含む積層構造を有して形成することもできる。更に、上部電極５０は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む金属層、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む酸化物層、又はＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素と圧電薄膜４０を構成する元素との化合物を含む化合物層を有して形成することもできる。

　このような構成を備える圧電薄膜素子１は、高い圧電定数を有する。また、圧電薄膜素子１を所定の形状に成型し、圧電薄膜素子１に電圧を印加する電圧印加部を圧電薄膜素子１に設けることにより、圧電薄膜デバイスを実現できる。更に、圧電薄膜素子１を所定の形状に成型し、圧電薄膜素子１に印加される電圧を検出する電圧検出部を圧電薄膜素子１に設けた圧電薄膜デバイスを実現することもできる。圧電薄膜デバイスは、例えば、アクチュエータ、センサ等である。

　図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子１を用いた圧電アクチュエータ１００を示す図である。図１Ｂに示すように、圧電アクチュエータ１００は圧電薄膜素子１と、圧電薄膜素子１に電圧を印加する電圧印加部としての電源６０を備える。図１Ｂではユニモルフ型圧電アクチュエータを示したが、基板１０の両側にそれぞれ圧電薄膜４０を設けたバイモルフ型圧電アクチュエータ、複数の圧電薄膜４０を積層した積層型圧電アクチュエータとすることもできる。
　図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子１を用いた圧電センサ２００を示す図である。図１Ｃに示すように、圧電センサ２００は圧電薄膜素子１と、圧電薄膜素子１に印加される電圧を検出する電圧検出部としての電圧計７０を備える。図１Ｃではユニモルフ型圧電センサを示したが、基板１０の両側にそれぞれ圧電薄膜４０を設けたバイモルフ型圧電センサ、複数の圧電薄膜４０を積層した積層型圧電センサとすることもできる。

（圧電薄膜４０の製造）
　圧電薄膜４０は、ＲＦスパッタリング法、イオンビームスパッタ法、又はＣＶＤ法等を用いて形成することができる。そして、圧電薄膜４０中の不活性ガス（例えば、Ａｒ）の含有量の制御は、以下の各パラメータを調整することにより制御する。

　まず、第１のパラメータは、スパッタリング装置に投入する電力（すなわち、投入電力）の大きさ、及び／又は投入電力密度の大きさである。なお、スパッタリング装置としては、ＲＦスパッタリング装置を用いることができる。例えば、ＲＦスパッタリング装置は、成膜室と、成膜室内部に設置される圧電材料からなるターゲット（例えば、ＫＮＮターゲット）と、圧電薄膜４０を形成するための所定の基板を搭載、保持すると共に、ターゲットに対向する位置に設けられる試料台とを備える。そして、ＫＮＮ薄膜を所定の基板上に成膜する場合、成膜室に不活性ガスを導入すると共に、高周波電界で不活性ガスを印加することにより、不活性ガスをイオン化させる。次に、イオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させることによりターゲットからターゲットを構成する材料の粒子を分離させ、ターゲットに対向する位置に設けられている基板上に当該粒子を積層させ、圧電薄膜を基板上に作製することができる。ここで、スパッタに投入する電力の密度（スパッタ投入電力密度「ｐ」）は、ターゲットの単位面積当たりのスパッタ電力に該当する。そして、スパッタ投入電力を「Ｐ」、ターゲットの面積を「Ｓ」とすると、ｐ＝Ｐ／Ｓとなる。なお、スパッタ投入電力の単位は「ワット（Ｗ）」である。

　第２のパラメータは、成膜後に圧電薄膜４０に施す熱処理の有無と、熱処理を実施する場合における熱処理の温度である。

　第３のパラメータは、スパッタリング装置に導入する不活性ガスの圧力である。不活性ガス（例えば、Ａｒ）の圧力は、例えば、圧電薄膜４０に含有されるＡｒの量が所定の含有量になるように０．３Ｐａ以上１．４Ｐａ以下の範囲内で制御する。Ａｒガスの圧力は、スパッタリング装置の成膜室に導入するＡｒガスの流量、及び／又は排気バルブの開閉度を制御して調整する。

　第４のパラメータは、ターゲットと基板１０との間の距離（以下、「ＴＳ距離」とする）である。例えば、圧電薄膜４０に含有されるＡｒの量が所定の含有量になるように、ＴＳ距離を１５０ｍｍ以下の範囲内で設定する。

（実施の形態の効果）
　本実施の形態に係る圧電薄膜素子１においては、圧電薄膜４０中の不活性ガス元素の含有量を所定の範囲に厳密に制御するので、圧電薄膜４０の結晶配向性を所定の配向に安定的に制御できる。これにより、高品質な圧電薄膜素子１を実現することができると共に、圧電薄膜素子１を備える圧電薄膜デバイスの圧電特性を向上させることができるので、高性能なマイクロデバイスを安価に歩留り良く提供することができる。

　すなわち、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１においては、圧電薄膜素子１を構成する基板１０、接着層２０、下部電極３０、圧電薄膜４０、及び上部電極５０を実施の形態において説明したように構成すると共に、圧電薄膜４０の成膜条件の最適化を図ることにより、圧電薄膜４０の成膜に用いるスパッタリング装置内に導入される不活性ガス元素の圧電薄膜４０内に取り込まれる量を精密に制御できる。これにより、圧電薄膜素子１の圧電特性を向上させることができ、また、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム等からなる圧電薄膜４０の結晶配向性の制御により圧電特性の更なる向上を図ることができる。

　また、Ａｒガス等の不活性ガスは、圧電薄膜であるＫＮＮ薄膜との間で固溶体を形成せず、圧電薄膜中に単独の原子として存在する。したがって、不活性ガスが混入する前の圧電薄膜の組成等自体はほとんど変質せず、圧電薄膜を構成する元素の原子半径とは異なる原子半径を有する不活性ガス原子が圧電薄膜を構成する材料の結晶格子間に侵入するか、あるいは圧電薄膜を構成する元素が不活性ガス原子に置換される。これにより、圧電薄膜において、局所的あるいは全体的に歪（又は内部応力）が発生する。一般に、イオン性結晶の物質において、Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ（化学圧力効果）の利用により、当該物質の物理的性質を変化させる方法が知られている。すなわち、本実施の形態においては、不活性ガス原子を圧電薄膜中に意図的に含有させることにより、「化学反応」による圧電薄膜本体の変質を抑制し、「化学圧力効果」に伴う歪、又は内部応力のみを制御することにより、圧電薄膜の圧電特性を向上させることができる。

　なお、基板１０にＳｉ基板、ガラス基板等を用い、基板１０上に不活性ガス元素の含有量を制御した圧電薄膜４０を容易に形成できるので、コストの低い圧電薄膜素子１を提供することができる。また、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、鉛を用いていない。したがって、本実施の形態に係る圧電薄膜素子１を用いることにより、環境負荷を低減させることができ、かつ、高性能な圧電デバイスを実現できる。例えば、圧電デバイスとしては、小型のモータ、センサ、及びアクチュエータ等の小型システム装置（例えば、Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）等）等や、基体と、基体上に形成された圧電体層と、圧電体層上に形成された電極とを備える表面弾性波デバイス等のフィルタが挙げられる。

　実施例１においては、酸化膜１２を有する基板１０としてのＳｉ基板と、酸化膜１２上に設けられる接着層２０と、接着層２０上に設けられる下部電極３０と、下部電極３０上に設けられるペロブスカイト構造のニオブ酸カリウムナトリウム（以下、ＫＮＮとする）からなる圧電薄膜４０と、圧電薄膜４０の表面に設けられる上部電極５０とを備える圧電薄膜素子１を製造した。

　具体的には以下のようにして実施例１に係る圧電薄膜素子１を製造した。まず、基板１０として直径が４インチの円形状のＳｉ基板を準備した。そして、Ｓｉ基板の表面に熱酸化処理を施すことにより、Ｓｉ基板の表面に酸化膜として１５０ｎｍ厚の熱酸化膜を形成した。次に、熱酸化膜上に２ｎｍ厚のＴｉからなる接着層を介し、１００ｎｍ厚のＰｔ薄膜からなる下部電極を形成した。なお、１００ｎｍ厚のＡｕ薄膜からなる下部電極、Ｐｔ薄膜とＡｕ薄膜との積層からなる下部電極、又はＰｔとＡｕとの合金薄膜からなる下部電極を形成することもできる。

　ここで、下部電極の形成にはスパッタリング法を用いた。スパッタリング用ターゲットとして金属ターゲットを用い、成膜時のスパッタリング投入電力を１００Ｗに設定した。また、スパッタリング用ガス（すなわち、成膜室内に導入するガス）には純度が１００％のＡｒガス（ただし、Ａｒガス圧は２．５Ｐａに設定した）を用いた。なお、スパッタリング用ガスとして、ＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガス、又はＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及びＮ_２からなる群から選択される少なくとも一つの不活性ガスを含むガスを用いることもできる。更に、成膜時においては、Ｓｉ基板の温度を３５０℃に加熱した。これにより、多結晶のＰｔからなる下部電極を形成した。

　次に、下部電極上に圧電薄膜としてのニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（ＫＮＮ）薄膜を形成した。ＫＮＮ薄膜の成膜には、ＲＦスパッタリング装置を用い、成膜条件を調整してＫＮＮ薄膜中にＡｒ元素を含ませるようにした。なお、ＫＮＮ薄膜の成膜時の投入電力は７５Ｗに設定し、ガス圧は１．３３Ｐａに設定した。そして、４００℃から５００℃の範囲の成膜温度で５μｍ厚のＫＮＮ薄膜を成膜した。ここで、スパッタリング装置の成膜室内のガス雰囲気は、ＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガス（ただし、Ａｒ：Ｏ_２＝５：５）を用いた。そして、ＫＮＮ薄膜の成膜は、当該混合ガスのプラズマを用いて実施した。また、スパッタリングターゲットには、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（ただし、ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、ｚ＝０）からなるセラミックターゲットを用いた。また、ＴＳ距離を５６ｍｍに設定した。

　なお、ＫＮＮ薄膜の成膜時の成膜室内のガス雰囲気は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及びＮ_２からなる群から選択される少なくとも一つの不活性ガスを含む混合ガスを用いることもできる。また、ＫＮＮ薄膜の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下が好ましい。

　ＫＮＮ薄膜の成膜後、大気中又は酸素雰囲気中においてＫＮＮ薄膜に加熱処理を施した。加熱処理は、不活性ガス雰囲気（ただし、Ａｒガス雰囲気）中において７００℃で実施した。加熱処理における加熱温度の範囲は７００℃から８００℃の温度範囲であればよく、加熱時間は２時間に設定した。なお、加熱処理は、酸素雰囲気中、酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、大気中、又は所定の圧力の真空中にて実施することもできる。また、加熱処理を真空中において実施する場合、真空度は１．３３Ｐａ以下にすることが好ましい。

　このようにして、実施例１に係る圧電薄膜素子を製造した。製造した実施例１に係る圧電薄膜素子のＫＮＮ薄膜の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、ＫＮＮ薄膜の組織は柱状構造であることが観察された。また、実施例１に係る圧電薄膜素子についてＸ線回折分析を実施した。

　図２は、実施例１に係る圧電薄膜素子のＸ線回折パターン（ただし、２θ／θスキャン）を示す。また、図３は、実施例１に係る圧電薄膜素子のＫＮＮ薄膜の結晶構造の概要を示す。なお、図２のＸ線回折パターンを測定した装置、及び測定条件は以下のとおりである。装置は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ製、Ｘ’Ｐｅｒｔ　ＰＲＯ　ＭＲＤを用いた。また、測定条件は、Ｘ線源にＣｕ　Ｌｉｎｅ　Ｆｏｃｕｓ、４５ｋＶ、４０ｍＡを用い、入射光学系としてハイブリッドモノクロメータを使用し、受光光学系としてはコリメータを用いなかった。

　図２を参照すると、実施例１に係る圧電薄膜素子において、Ｐｔ薄膜（すなわち、下部電極）は、Ｓｉ基板の表面に垂直な方向に配向していることが示された。すなわち、Ｐｔ薄膜は、（１１１）面に配向していることが示された。また、ＫＮＮの回折ピークが（００１）、（００２）、（００３）のみに観察されたことから、ＫＮＮ薄膜が、（００１）に優先的に配向していることが示された。すなわち、（１１１）に優先的に配向したＰｔ膜上に、ＫＮＮ膜を形成した結果、作製されたＫＮＮ薄膜は、図３に示すように、擬立方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有する多結晶薄膜であることが判明した。

　また、Ａｒを含有するＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量を定量的に評価した。具体的には、蛍光Ｘ線分析装置を用い、ＫＮＮ薄膜中のＡｒ含有量を分析した。実施例１のＫＮＮ薄膜の蛍光Ｘ線分析の結果、ＫＮＮ膜中のＡｒ含有量は、６１ｐｐｍ（０．１２２μｇ／ｃｍ^２）であった。なお、蛍光Ｘ線分析法は、Ｘ線を物質に照射したときに発生する蛍光Ｘ線の波長（若しくはエネルギー）及び強度を測定することにより、元素種及び元素種の含有量を分析する方法である（例えば、合志陽一、佐藤公隆編、エネルギー分散型Ｘ線分析［学会出版センター、１９８９年］、中井泉編、蛍光Ｘ線分析の実際［朝倉書店、２００５年］参照。）。

　実施例２に係る圧電薄膜素子においては、スパッタリング装置に投入する電力（すなわち、投入電力［Ｐｏｗｅｒ］）、及び圧電薄膜に含まれるＡｒ含有量を様々に変更し、ＫＮＮ薄膜を成膜した。そして、圧電薄膜を成膜した後、大気中にて所定の温度の熱処理を圧電薄膜に施した。これらの点を除き、実施例２に係る圧電薄膜素子は、実施例１に係る圧電薄膜素子と同様にして製造した。

　図４は、実施例２に係る圧電薄膜素子が備える圧電薄膜を構成する各組成元素の量とスパッタリング装置に投入した電力との関係を示す。

　具体的に図４は、投入電力（Ｐｏｗｅｒ）を６０Ｗから１００Ｗの範囲で変化させ、スパッタリング装置での成膜における投入電力（Ｐｏｗｅｒ）に対する、実施例２に係る発電薄膜素子が備える圧電薄膜であるニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）薄膜の構成元素のＮｂ、Ｋ、Ｎａ、及びＯの組成比を重量パーセントで示した。図４を参照すると、投入電力の変化に対し、ＫＮＮ薄膜の組成に大きな変化は観察されなかった。すなわち、実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の成膜において、投入電力の増減によりＫＮＮ薄膜からなる圧電薄膜を構成する構成元素が大きく変化することはないことが示された。

　図５Ａ～図５Ｄは、実施例２に係る圧電薄膜素子において、Ａｒ含有量を様々に変化させた圧電薄膜のＡｒ－Ｋα近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを示す。

　具体的に、図５Ａ～図５Ｄにおいては、Ａｒの蛍光Ｘ線である特性Ｘ線（すなわち、Ａｒ－Ｋα線［図５中にＫＡと表記］）に着目した蛍光Ｘ線スペクトルを示す。図５Ａ～図５Ｄのいずれにおいても、ＫＮＮ薄膜に含まれるＡｒの蛍光Ｘ線を確認することができた。ＫＮＮ薄膜に含まれるＡｒの含有濃度（ただし、単位はｐｐｍである）に応じ、Ａｒの特性Ｘ線のピーク強度が大きくなることが示された。すなわち、当該特性Ｘ線のスペクトル強度を正確に測定し、検量線法又はＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ（ＦＰ）法等の解析法を用いることにより、ＫＮＮ薄膜を構成する元素、及びＫＮＮ薄膜を構成する元素を除く不純物元素等の定量ができる（なお、定量分析の詳細は、例えば、合志陽一、佐藤公隆編、エネルギー分散型Ｘ線分析［学会出版センター、１９８９年］、中井泉編、蛍光Ｘ線分析の実際［朝倉書店、２００５年］参照。）。

　なお、定量分析に用いた測定装置は、リガク社製の蛍光Ｘ線分析装置（Ｓｙｓｔｅｍ３２７２）である。Ｘ線源の管球としてＲｈを用い、出力４ｋＷで測定した。また、作製した圧電薄膜素子の上面に直径１５ｍｍの開口を有するマスクを設置し、この開口の内側をＸ線の照射域とした。すなわち、開口の内側を測定領域にした。なお、実施例２においては、ＦＰ法を用いて定量分析した。

　図６Ａは、実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜に含有されるＡｒの質量比（濃度）とスパッタリング装置の投入電力との相関を示し、図６Ｂは、実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の単位面積あたりのＡｒ量（質量）とスパッタリング装置の投入電力との相関を示す。

　図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、圧電薄膜としてのＫＮＮ薄膜中のＡｒ含有量が、投入電力（Ｐｏｗｅｒ）の増加に応じ、増加することが示された。すなわち、スパッタリング法によるＫＮＮ薄膜の成膜時における投入電力により、ＫＮＮ薄膜中のＡｒ含有量を所望の含有量に制御できることが示された。

　図７Ａは、実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜に含有されるＡｒの質量比（濃度）と熱処理温度との相関を示し、図７Ｂは、実施例２に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の単位面積あたりのＡｒ量（質量）と熱処理温度との相関を示す。

　図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、熱処理温度の上昇に応じ、ＫＮＮ薄膜中のＡｒ含有量が低下する傾向があることが示された。すなわち、適切な熱処理温度を設定することにより、ＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量を適切な値に制御できることが示された。

　実施例３に係る圧電薄膜素子として、実施の形態、及び実施例２において説明したＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量の制御法に基づいてＡｒ含有量を制御したＫＮＮ薄膜を備える圧電薄膜素子を作製した。そして、作製した圧電薄膜素子の圧電定数及び内部応力を評価した。実施例３においては、スパッタリング法の成膜条件を様々に変化させた。これらの点を除き、実施例３に係る圧電薄膜素子は、実施例１に係る圧電薄膜素子と同様にして製造した。

　表１に、実施例３における各スパッタリング法による成膜条件と、作製した圧電薄膜素子の圧電定数及び内部応力の評価結果とを示す。

　表１を参照すると、Ａｒ含有量が約３２ｐｐｍであるＫＮＮ薄膜の圧電定数は約２１～３４（任意単位）であった。一方、Ａｒ含有量が５５～６９ｐｐｍであるＫＮＮ薄膜の圧電定数は、Ａｒ含有量が約３２ｐｐｍの場合に比べ、約５６～８６（任意単位）に増加することが示された。なお、表１において、ＴＳ距離は５６ｍｍに設定した。

　また、投入電力、Ａｒ分圧、ＴＳ距離を制御することで、Ａｒ含有量の目標値を９０ｐｐｍとしてＫＮＮ薄膜を成膜した（すなわち、ＫＮＮ薄膜付き基板を用意した）。得られたＫＮＮ薄膜に６００℃の熱処理を施した試料と、７５０℃の熱処理を施した試料と、熱処理を施さない試料とを用意した。そして、各試料のＡｒ含有量を測定した。その結果、熱処理を施さなかった試料のＡｒ含有量が８９．７ｐｐｍ（０．１４８μｇ／ｃｍ^２）、６００℃の熱処理を施した試料が７５．５ｐｐｍ（０．１５６μｇ／ｃｍ^２）、７５０℃の熱処理を施した試料が７１．８ｐｐｍ（０．１４８μｇ／ｃｍ^２）であった。すなわち、Ａｒ含有量が７１～９０ｐｐｍ程度の範囲では、熱処理温度の上昇に伴い、ＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量は減少することが確認された。一方、７１～９０ｐｐｍ程度の範囲のＡｒ含有量においては、熱処理温度の上昇、すなわち、Ａｒ含有量の減少に伴い、圧電定数が大きくなることが確認された。なお、参考として、スパッタ時におけるＡｒガス流量とＯ_２ガス流量との比を調整（すなわち、圧力を１．３３Ｐａに固定し、Ｏ_２ガス流量比を増加させる）することで、ＫＮＮ薄膜中のＡｒ含有量を低下させたＫＮＮ薄膜を作製した。このＫＮＮ薄膜においては、Ａｒ含有量が３１．８ｐｐｍ（すなわち、０．０６１μｇ／ｃｍ^２）の場合（ただし、パワーが６５Ｗ、Ａｒ分圧が１．３３Ｐａ、熱処理なし）、圧電定数は２０．９から３３．５（任意単位）、内部応力は－０．０７０から－０．０７６であった。

　図８は、実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜のＡｒ含有量（質量比）と圧電定数との相関を示す。

　図８において、横軸がＡｒ含有量（ｐｐｍ）、縦軸が圧電定数（任意単位）である。図８においては、一例として、圧電薄膜素子に６．７ＭＶ／ｍの電界を印加した場合における圧電定数を示す。なお、実施例３において、圧電定数の単位は任意単位であるが、実際の圧電定数の具体的な例としては、下部電極の表面に垂直な伸縮（すなわち、厚み方向の伸縮）の変化量であるｄ_３３、又は電極面に水平な方向の伸縮の変化量であるｄ_３１を用いることができる。

　図８を参照すると、圧電定数とＡｒ含有量との間には、Ａｒ含有量が所定の値までは正比例する関係があることが示された。すなわち、図８に示すように、Ａｒ含有量の増加に応じ、圧電定数が大きくなることが示された。しかし、Ａｒ含有量が所定値、すなわち、約６０ｐｐｍを超えると、Ａｒ含有量の増加に応じ、圧電定数が小さくなる逆比例の関係があることが示された。

　図９は、実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜のＡｒ含有量（ただし、単位面積あたりのＡｒ質量）と圧電定数との相関を示す。

　図９を参照すると、図８と同様に、ＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量の増加に応じ、Ａｒ含有量が所定の値までは圧電定数が増加することが示された。しかし、Ａｒ含有量が０．１２μｇ／ｃｍ^２を超えると圧電定数が減少する傾向があることが示された。圧電定数が減少する傾向の原因の一つは、ＫＮＮ薄膜の内部応力の増加による。

　図１０は、実施例３に係る圧電薄膜素子の圧電薄膜の内部応力とＡｒ含有量との相関を示す。

　スパッタリング装置の投入電力（Ｐｏｗｅｒ）を増加することによりＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量を増大させることができるものの、図１０に示すようにＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量の増加に伴い、ＫＮＮ薄膜内において圧縮応力が発生することが示された。具体的には、ＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量が６０ｐｐｍを超えると、ＫＮＮ薄膜内に発生する圧縮応力の大きさが増すことが示された。ＫＮＮ薄膜を備える圧電薄膜素子において、ＫＮＮ薄膜内に発生する圧縮応力の大きさが増大すると、圧電薄膜素子の圧電特性が劣化する。

　また、Ａｒ含有量が７０ｐｐｍを超えると、Ａｒ含有量の増加による圧電特性の改善、及び特性安定化（すなわち、ばらつきの軽減）の効果よりも、Ａｒ含有量の増加による圧縮応力の値の増加に起因する圧電特性の劣化の影響を受ける素子の割合が大きくなり、歩留りの低下が観察される。また、Ａｒ含有量が８０ｐｐｍを超えると、特性の劣化が顕著に表れ、デバイスに用いることができる素子の歩留りが著しく低下した。更に、Ａｒ含有量が５０ｐｐｍより小さい場合においても圧電特性が低く、Ａｒ含有量が３０ｐｐｍより小さい場合においては、デバイスに基いることができる素子の歩留りが著しく低下した。

　すなわち、図８及び図９に示すように、Ａｒ含有量の増加により圧電薄膜の圧電定数が低下する原因の一つは、Ａｒ含有量の増加による圧電特性の改善の効果より、Ａｒ含有量の増加による圧縮応力の値の増加による圧電特性の劣化の影響が大きくなることである。したがって、圧電薄膜素子の圧電特性の劣化を抑制すべく、ＫＮＮ薄膜のＡｒ含有量が、所定の範囲内に限定されることを要することが示された。

　なお、スパッタリング法ではなく、不活性ガスを用いずに圧電薄膜を作製する成膜法を採用する場合は、例えば、イオン注入法によってＡｒを圧電薄膜に添加することにより、所定のＡｒ含有量の圧電薄膜を作製できる。なお、イオン注入法は、所定の原子又は分子をイオン化し、数ｋＶ～数ＭＶで加速したイオン化された原子又は分子を圧電薄膜の表面に打ち込んで添加する方法である。具体的には、イオン注入装置のイオン源でＡｒイオン等を生成し、イオン注入装置の加速室内に発生させた電界によりイオン源で生成したイオンを加速する。加速されたイオンはデフレクタ、スリット等のイオンの移動方向を制御する部材を通り抜ける。そして、質量分析器により必要な質量のイオンが選択される。ここで選択されたイオンが圧電薄膜に衝突し、圧電薄膜の表面に付着するか、あるいは圧電薄膜の内部に取り込まれる。

　図１１は、スパッタリング法による成膜時のＡｒガス圧と作製した圧電薄膜素子の圧電薄膜の圧電定数との関係を示す。

　図１１を参照すると分かるように、作製した圧電薄膜素子に６．７ＭＶ／ｍの電界を印加した場合における圧電定数と、０．６７ＭＶ／ｍの電界を印加した場合における圧電定数とのいずれも、Ａｒガス圧が１．３３Ｐａ以下の場合に２５（任意単位）を超えることが示された。

　以上のように、Ｓｉ基板上に少なくとも下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を配した圧電薄膜素子において、圧電薄膜が、擬立方晶、正方晶、若しくは斜方晶の結晶構造、又は擬立方晶、正方晶、及び斜方晶の結晶構造のうちの少なくとも二つが共存した構造を有し、圧電薄膜に含有される不活性ガス元素の含有量を、質量比で８０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下の範囲内になるように制御することによって、高性能な圧電薄膜素子を提供することができる。

　以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

　本発明の圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイスによれば、圧電特性の向上を図ることができ、高性能であると共に、製造歩留りの向上を図ることができる。

　１　圧電薄膜素子
　１０　基板
　１２　酸化膜
　２０　接着層
　３０　下部電極
　４０　圧電薄膜
　５０　上部電極
　６０　電源
　７０　電圧計
　１００　圧電アクチュエータ
　２００　圧電センサ

Claims

　基板と、
　前記基板上に設けられ、一般式（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表され、擬立方晶、正方晶、及び斜方晶からなる群から選択される少なくとも一つの結晶構造を有し、質量比で８０ｐｐｍ以下の不活性ガス元素を含有する圧電薄膜と
を備える圧電薄膜素子。
　前記圧電薄膜が、３０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下の前記不活性ガス元素を含有する請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記圧電薄膜が、０．１６μｇ／ｃｍ^２以下の前記不活性ガス元素を含有する請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記圧電薄膜が、０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下の前記不活性ガス元素を含有する請求項３に記載の圧電薄膜素子。
　前記不活性ガス元素が、アルゴン（Ａｒ）である請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記基板と前記圧電薄膜との間に下部電極を更に備える請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記圧電薄膜が、前記基板の面に対して平行方向に歪を有する請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記歪が、引張応力による歪、又は圧縮応力による歪である請求項７に記載の圧電薄膜素子。
　前記圧電薄膜が、前記基板の面に対し、垂直方向若しくは平行方向、又は垂直方向及び平行方向に不均一の歪を有する請求項１に記載の圧電薄膜素子。
　前記下部電極が、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金からなる電極層を有する請求項６に記載の圧電薄膜素子。
　前記下部電極が、前記基板の表面の垂直方向に優先的に配向した結晶配向性の単層を有する請求項６に記載の圧電薄膜素子。
　請求項１に記載の圧電薄膜素子と、
　前記圧電薄膜素子に電圧を印加する電圧印加部と
を備える圧電薄膜デバイス。
　請求項１項に記載の圧電薄膜素子と、
　前記圧電薄膜素子に印加される電圧を検出する電圧検出部と
を備える圧電薄膜デバイス。