WO2018042946A1 - 圧電体膜及びそれを備えた圧電素子 - Google Patents
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Abstract
圧電特性が高い圧電体膜及びその圧電体膜を備えた圧電素子を提供する。 下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜において、0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xとする。 A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P 一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。
Description
本発明は、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電体膜及びこの圧電体膜を用いた圧電素子に関する。
インクジェット式記録ヘッドをはじめとするアクチュエータには、電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が備えられている。
近年、アクチュエータは、装置の小型化の要求に応えるために、MEMS(メムス、Micro Electro-Mechanical Systems)技術等の半導体プロセス技術と組み合わせた微細化が進められている。半導体プロセス技術では、成膜やフォトリソグラフィー等を用いた高精度な加工が可能となることから、アクチュエータにおいて、圧電体の薄膜化に向けた研究がさかんに行われている。
高い圧電特性を有する圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のペロブスカイト型酸化物が、実績があり広く用いられている。PZT系ペロブスカイト型酸化物圧電体膜において、Zr:Tiが52:48近傍であるモルフォトロピック相境界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)組成を有するとき、圧電定数及び電気機械結合係数が最も高く、アクチュエータ用途に好適であることが知られている。
特開2012-99636号公報には、柱状構造を有するチタン酸鉛層とジルコン酸鉛層とが積層されてなる圧電体薄膜を備えた圧電素子において、圧電体薄膜におけるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の組成をMPB組成とすることで、圧電特性が向上することが記載されている。
一方、MPB組成とする以外の方法で圧電特性を向上させる手法として、PZT系圧電体膜において、被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナイオンをドープすることが知られている。BサイトのZr及びTiのイオン価数は4価であることから、Bサイト元素を置換するドナイオンとしては、V、Nb、Ta、Sb、Mo、及びW等のイオン価数が5価以上のBサイト元素が用いられている。Bサイト元素を置換する量は極わずかな量でしか適用できず、特性向上を十分に引き出すことができなかった。Bサイト置換元素量を増した場合、結晶化温度が800℃以上に上昇してしまい、結晶がうまく形成されずに特性向上が実現できないと考えられた。
そこで、国際公開第2012/124409号では、基体上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した強誘電体薄膜であって、誘電体材料は、PZTにPb、Zr及びTi以外の金属材料の添加物を配合した複合酸化物で構成され、薄膜は、Zr/Ti比の異なる層を備え、基体上にZrの配合割合が小さい第一層を有し、この第一層の上にZrの配合割合が大きな第二層を有するものが提案されている。この構成によると、添加物の配合濃度によって結晶性の良否が変化し、圧電特性が変化する誘電体材料であっても、Zrの配合割合が所定の割合より小さいと結晶性が良好となり、Zrの配合割合が所定の割合程度まで大きいと良好な圧電特性を発揮するので、結晶性が良好な配合割合の第一層と圧電特性が高い配合割合の第二層とを組み合わせて、所定の圧電特性を発揮する所定厚みの強誘電体薄膜を結晶性良く成膜することができる。すなわち、基板の上に下部電極層を形成した基体上に、第一層及び第二層からなる二層構造の強誘電体薄膜を結晶性良く成膜して高い圧電特性を発揮する強誘電体薄膜を得ている。
また、特開2007-142261号公報では、高い圧電定数を有するためにPZT圧電体膜に代えて、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3、Pb(Yb1/2Ta1/2)O3-PbTiO3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3などで表されるペロブスカイト型材料の少なくとも一種からなる圧電体膜が提案されている。
他方、PZTにNbを高濃度ドープする試みが本発明者らによって報告されている。特許5367242号公報には、非熱平衡プロセスにおける成膜条件を制御することにより、ドナイオン添加の効果が充分に引き出されたNbドープPZT膜が記載されている。特許5367242号公報では、MPB組成を有するNbドープPZT膜の作製にも成功している。
しかしながら、国際公開第2012/124409号の強誘電体薄膜は、Zrの配合割合を変えるために、Zr/Ti比の異なるターゲット材を用いて、基体上に第一層と第二層を形成する必要があり、作製が煩雑である。
また、特開2007-142261号公報の手法では、上述の圧電体膜の上下層にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を備えた三層構成とすることで結晶性を維持し、圧電性能を担保しているものと考えられ、上記化学式の圧電体膜のみで十分な特性が得られているかどうかは疑問が残る。
また、特開2007-142261号公報の手法では、上述の圧電体膜の上下層にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を備えた三層構成とすることで結晶性を維持し、圧電性能を担保しているものと考えられ、上記化学式の圧電体膜のみで十分な特性が得られているかどうかは疑問が残る。
また、特許5367242号公報では、Nbドープ量を増加させ特性の圧電特性の向上を実現しているが、更なる圧電特性向上の要請がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に作製することができ、単層膜であっても十分に高い圧電特性を得ることが可能な圧電体膜、及びこの圧電体膜を用いた圧電素子を提供することを目的とする。
本発明の圧電体膜は、下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜であって、
A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよく、
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xの圧電体膜である。
A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよく、
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xの圧電体膜である。
本明細書において、「AはPbを主成分とするAサイト元素であり」とは、Aサイト元素A中、90mol%以上の成分がPbであることを意味する。
本発明の圧電体膜においては、一般式Pにおいて、0<y≦0.049であることが好ましく、0<y≦0.03であることがより好ましい。
また、本発明の圧電体膜においては、一般式Pにおいて、0.1≦x≦0.2であることが好ましい。
本発明の圧電体膜は、多数の柱状結晶からなる柱状結晶膜であることが好ましい。
本発明の圧電体膜は、膜厚が1μm以上であることが好ましい。
本発明の圧電素子は、上記本発明の圧電体膜と、圧電体膜に対して電界を印加する電極とを備えたものである。
本発明の圧電体膜は、下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜であって、A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xを満たす構成により、ScノンドープのNbドープPZT系圧電体膜に比べて、圧電特性を向上させることができる。圧電体膜を積層膜として構成することなく、単層で十分な圧電特性を得ることが可能であり、単層の圧電体膜であるため作製が容易である。
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xを満たす構成により、ScノンドープのNbドープPZT系圧電体膜に比べて、圧電特性を向上させることができる。圧電体膜を積層膜として構成することなく、単層で十分な圧電特性を得ることが可能であり、単層の圧電体膜であるため作製が容易である。
「背景技術」において述べたように、PZT系ペロブスカイト型酸化物において、Zr:Tiが52:48近傍(0.51≦Zr/(Zr+Ti)≦0.53)であるモルフォトロピック相境界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)組成を有する圧電体膜は、圧電定数及び電気機械結合係数が最も高く、アクチュエータ用途に好適であることが知られている。特許5367242号公報には、かかる組成のNbドープPZT膜において、片持ち梁により測定した圧電定数-d31が250pm/Vである高特性な圧電体膜が得られたことが記載されている。
本発明者らは、更なる高特性化に向けて、PZTへのNbとの共ドープ元素について鋭意検討を行った。その結果、Nbの共ドープ元素としてScを選択し、NbとScの量を規定することで電圧駆動時の圧電性能が非常に高くなることを見出した。
すなわち、本発明の圧電体膜は、下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜であって、0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xであることを特徴とする。
A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準値であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。
なお、上記式PにおいてZr、Ti、Nb及びScは、一般にABO3と表記されるペロブスカイト構造におけるBサイト元素である。
A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準値であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。
なお、上記式PにおいてZr、Ti、Nb及びScは、一般にABO3と表記されるペロブスカイト構造におけるBサイト元素である。
本発明者らは、一般式Pにおいて、Nb含有量を示すxを0.1≦x≦0.3、Sc含有量を示すyを0<y≦0.49xとすることにより、NbドープPZT系圧電体膜において、Scをドープしない場合と比較して圧電性能を向上させることができることを見出した(後記実施例参照)。なお、本構成の圧電体膜は、NbとSc量はターゲット組成を調整することで容易に作製できるため、成膜時の煩雑さはない。更に、Nb,Sc共ドープPZT系ペロブスカイト型酸化物は、1μmを超える膜厚も実現することができる。
特に、Scのドープ量が0<y≦0.049さらには0<y≦0.03である場合に、圧電向上効果が高い。
Scのドープによりペロブスカイト構造の結晶性が高められる効果があることが本発明者らのXRD分析の結果から得られており、その結晶性の向上が圧電性能の向上と相関があると考えられる(後記実施例参照)。
Scのドープによりペロブスカイト構造の結晶性が高められる効果があることが本発明者らのXRD分析の結果から得られており、その結晶性の向上が圧電性能の向上と相関があると考えられる(後記実施例参照)。
また、従来NbドープPZT圧電体膜がノンドープのPZT圧電体膜と比較して圧電定数が向上するのは、Nbドープによりペロブスカイト構造中におけるTiの初期位置がずれ、電界印加時におけるTiの移動量が大きくなることに起因すると考えられている。本発明の構成においては、Scをドープすることで、Tiの初期位置のずれが更に大きくなることから電界印加時におけるTiの移動量も増加して、高い圧電定数が得られていると推定している。
本発明の圧電体膜は気相成長法により作製することができる。気相成長法は、ターゲットや原料ソースから放出された1eV~100eVの桁の高いエネルギーを持った原子が基板に付着することにより、成膜を行う方法である。PZT系のペロブスカイト型酸化物膜の場合は、ScやNb等のドーパント原子は、高エネルギーを有して成膜基板又は成膜された膜に付着する。従って、ドーパント原子は、ゾルゲル法等の高エネルギー環境下ではない条件での成膜に比して、PZTのペロブスカイト型結晶格子内に取り込まれやすくなると考えられる。
気相成長法であれば、上記高エネルギーを有した原子により成膜を行うことができるので、気相成長法の成膜方法については特に制限されないが、スパッタリング法、プラズマ化学気相成長法(プラズマCVD法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)が好ましく例示される。
気相成長法のうち、スパッタリング法は、成膜されたペロブスカイト型酸化物膜が基板面に対して非平行に延びる多数の柱状結晶からなる柱状結晶膜構造を有する膜となり好ましい。柱状結晶の成長方向は基板面に対して非平行であればよく、略垂直方向でも斜め方向でも構わない。かかる膜構造では、結晶方位の揃った配向膜となるため、より高い圧電性能を得ることができる。
このとき、圧電体膜は(100)面に優先配向したペロブスカイト構造を有している。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。具体的には、「(100)面に優先配向する」とは、X線回折広角法によって、圧電体膜を測定した際に生じる(100)面、(110)面及び(111)面の回折強度の比率(100)/((100)+(110)+(111))が0.5より大きいことを意味する。
圧電体膜をなす多数の柱状結晶の平均柱径は特に制限なく、30nm以上1μm以下が好ましい。柱状結晶の平均柱径をこの範囲とすることにより、良好な結晶成長が可能となり、精度の高いパターニングが可能な圧電体膜とすることができる。ここでいう柱状結晶の平均柱径は、ある膜厚方向の位置について、水平方向の全ての柱状結晶の柱径の平均値を意味する。
一般式Pにおいて、ZrとTiの比率は、両元素を含んでいれば特に制限されず、両者の比率にかかわらず、本発明におけるScドープによる圧電特性向上効果を得ることができるが、より圧電特性が高いことから、MPB組成(特には、Zr:Tiが52:48)であることが好ましい。
また、δは、上記のとおり、通常0であるが、Pbは逆スパッタされやすい元素であり、成膜された圧電体膜からPbが抜けると、結晶成長に悪影響を及ぼすことから、ターゲットのPb量を、PZTの化学量論組成より多くして成膜を実施することが多い。その場合、Pbの逆スパッタ率によっては、成膜された膜もPbリッチとなることがある。特性に支障のない限り、Pb欠損があっても構わないが、0≦δ≦0.2の範囲とすることにより、Pb欠損のない良質なペロブスカイト型酸化物膜とすることができる。
上記本発明の圧電体膜を製造する方法としては、既述の通り、気相成長法による成膜であれば特に制限されない。但し、気相成長法による成膜時の基板の温度Tsは、基板温度Tsが400℃以下では、ペロブスカイト型の結晶成長が難しく、750℃以上では、高温パイロクロア相が混入しやすくなる。したがって、良質な柱状結晶膜構造を得るためには、Tsは、450≦Ts(℃)≦650であることが好ましい。
スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法の場合、上記基板温度Tsの範囲内において、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との差であるVs-Vf(V)とが、下記式(1)及び(2)を充足する成膜条件で成膜を行うことが好ましい。
-0.2Ts+100<Vs-Vf(V)<-0.2Ts+130・・・(1)、
10≦Vs-Vf(V)≦35・・・(2)
-0.2Ts+100<Vs-Vf(V)<-0.2Ts+130・・・(1)、
10≦Vs-Vf(V)≦35・・・(2)
「圧電素子」
図1を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子10の構造について説明する。
本実施形態の圧電素子(強誘電体素子)10は、基板11上に、密着層12、下部電極13、圧電体膜14及び上部電極15が順次積層された素子であり、圧電体膜14に対して、下部電極13と上部電極15とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。圧電体膜14は上記本発明の圧電体膜である。
ここで、上部及び下部は圧電体膜14を中心として基板11側を下部、基板11から遠い側を上部として定義される。
図1を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子10の構造について説明する。
本実施形態の圧電素子(強誘電体素子)10は、基板11上に、密着層12、下部電極13、圧電体膜14及び上部電極15が順次積層された素子であり、圧電体膜14に対して、下部電極13と上部電極15とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。圧電体膜14は上記本発明の圧電体膜である。
ここで、上部及び下部は圧電体膜14を中心として基板11側を下部、基板11から遠い側を上部として定義される。
基板11としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス鋼(SUS)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板11としては、シリコン基板の表面にSiO2酸化膜が形成されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。本実施形態においては、基板11と下部電極13との間に、両者の密着性を良好にするための密着層12を備えているが、格子整合性を良好にするためのバッファ層を密着層に代えて、あるいは密着層と共に備えていても構わない。
密着層12としては、Ti,TiWなどを用いることができる。
下部電極13は、圧電体膜に電圧を加えるための電極である。下部電極13の主成分としては特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO2,RuO2,LaNiO3,及びSrRuO3等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極13としては、Irを用いることが特に好ましい。
上部電極15は、上記下部電極13と対をなし、圧電体膜14に電圧を加えるための電極である。上部電極15の主成分としては特に制限なく、下部電極13で例示した材料、Al,Ta,Cr,及びCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。
下部電極13と上部電極15の厚みは特に制限なく、50~500nmであることが好ましく、例えば200nm程度である。圧電体膜14の膜厚は特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば1μm~5μmである。圧電体膜14の膜厚は2μm以上が好ましい。
本構成の圧電素子によれば、上下電極間に電圧を印加することにより圧電体膜を大きく変位させることができるので、インクジェット式記録ヘッド、磁気記録再生ヘッド、MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイス、マイクロポンプ及び超音波探触子等に搭載される圧電アクチュエータとして好適である。
本発明に係る実施例について説明する。
<実施例及び比較例の作製>
成膜基板として、25mm角のSOI(Silicon on Insulater)基板上に、10nm厚のTi密着層と300nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。基板には、圧電定数評価のために、カンチレバーで評価できる領域(カンチレバー形成領域)を予め設けておいた。
<実施例及び比較例の作製>
成膜基板として、25mm角のSOI(Silicon on Insulater)基板上に、10nm厚のTi密着層と300nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。基板には、圧電定数評価のために、カンチレバーで評価できる領域(カンチレバー形成領域)を予め設けておいた。
RF(高周波)スパッタリング装置内に上記電極付き基板を載置し、真空度0.3Pa,Ar/O2混合雰囲気(O2体積分率2.0%),基板温度450℃の条件下で各実施例及び比較例のターゲットをそれぞれ用い、厚み3.0μmの圧電体膜の成膜を実施した。ターゲットは各例につき1ターゲットとした。
比較例1、2、3のターゲットとして、ターゲット組成が、Zr/(Zr+Ti)=0.52であり、BサイトへのNbドープ量が10%,20%,30%(いずれもBサイト中における含有比率)であり、Scドープなしのものを用意した。
他の実施例及び比較例のターゲットとして、ターゲット組成が、Zr/(Zr+Ti)=0.52であり、BサイトへのNbドープ量が10%,20%,30%であり、Scドープ量を変化させた複数のターゲットを用意した。なお、本明細書においてドープ量の単位を単に%で示すが、本明細書においてドープ量はすべてmol%を意味する。
他の実施例及び比較例のターゲットとして、ターゲット組成が、Zr/(Zr+Ti)=0.52であり、BサイトへのNbドープ量が10%,20%,30%であり、Scドープ量を変化させた複数のターゲットを用意した。なお、本明細書においてドープ量の単位を単に%で示すが、本明細書においてドープ量はすべてmol%を意味する。
成膜された、ScなしのNbドープPZT膜(比較例1:Nb10%、比較例2:Nb20%及び比較例3:Nb30%)についてXRD測定を行った結果を図2に示す。図2に示されるように、Scを含まず、Nbドープ量が10%及び20%のNbドープPZT膜はパイロクロア相のない良質な(100)配向のペロブスカイト酸化物であることが確認されたが、Nbドープ量が30%のNbドープPZT膜はパイロクロア結晶が主に形成されていることが確認された。
成膜された、Nb,Sc共ドープPZT膜の実施例についてXRD測定を行い、Scの増加に伴い、一旦(100)ピーク強度が増加するが、さらにScドープ量を増加させるとピーク強度は低下に転じることを確認した。また、Nb30%のものでは、Scの添加なしではパイロクロア相のピークが確認される一方で、ペロブスカイト構造のピークがほとんど観察できなかったが、Scをドープすることによりペロブスカイト構造のピークが発現し、パイロクロア相のピークが低下することを確認した。このように、Nbドープ量が10%~30%の場合には、いずれも微量のScのドープによりペロブスカイト構造としての結晶性が向上する傾向がみられた。
また、得られたNb,Sc共ドープPZT膜について蛍光X線分析(XRF:X‐ray Fluorescence)により、組成分析を行った。その結果、膜中のPbは、Pb/(Zr+Ti+Nb+Sc)が1.00~1.20であった。各実施例及び比較例におけるSc量は、表1に示す通りであった。なお、XRFの結果によれば、膜中のNb量はターゲット中におけるNbドープ量とほぼ同等であった。但し、膜中におけるNb量はターゲット組成に対して10%程度の範囲でずれる場合があり、本発明においては、Nb量について10%程度の誤差は許容されるものとする。
<変位量評価>
各実施例及び比較例について、NbドープPZT膜上に300nm厚のPt上部電極を成膜し、圧電素子とした。カンチレバー形成領域において、各々幅=2mm、長さ=24mm程の短冊状に加工してカンチレバーを作製した。なお、カンチレバーの長手方向がSiウエハの結晶の(110)方向に対応し、厚み方向は(100)方向に対応するようにした。
各実施例及び比較例について、NbドープPZT膜上に300nm厚のPt上部電極を成膜し、圧電素子とした。カンチレバー形成領域において、各々幅=2mm、長さ=24mm程の短冊状に加工してカンチレバーを作製した。なお、カンチレバーの長手方向がSiウエハの結晶の(110)方向に対応し、厚み方向は(100)方向に対応するようにした。
カンチレバーの変位可能な長さが18mm程度になるように固定した上で、上部電極、下部電極間に、周波数1kHz、20Vpp、オフセット電圧-10Vのsin波駆動電圧を印加し、sin波駆動電圧を印加した際の先端変位量をレーザドップラー振動計で測定して変位量を求めた。Vppとは交流電圧波形の最高値と最低値の電位差である。
まず、有限要素法を用いて、カンチレバーの長さを変化させて共振周波数を計算し、実測値と合わせこむことで有効長さL0を決定した。次に、長さL0に設定して、先端変位量を計算し、実測値と合うときの圧電定数d31を求め、これをPZT系薄膜の圧電定数とした。有限要素法で用いた構造はPt(0.3μm)/PZT/Ir(0.3μm)/Siであり、パラメータ値は以下の値を用いた。なお、Siは異方性材料のため、シミュレーション計算で用いるヤング率及びポアソン比はカンチレバー長手方向の方位に対応させる必要がある。
Si(110)方位:ヤング率YSi=169GPa、ポアソン比σSi=0.064
PZT:ヤング率YPZT=50GPa、ポアソン比σPZT=0.34
Ir(下部電極):ヤング率YIr=530GPa、ポアソン比σIr=0.26
Pt(上部電極):ヤング率YPt=168GPa、ポアソン比σPT=0.39
Si(110)方位:ヤング率YSi=169GPa、ポアソン比σSi=0.064
PZT:ヤング率YPZT=50GPa、ポアソン比σPZT=0.34
Ir(下部電極):ヤング率YIr=530GPa、ポアソン比σIr=0.26
Pt(上部電極):ヤング率YPt=168GPa、ポアソン比σPT=0.39
図3は、表1に基づいて、Nbドープ量10%、20%、30%のそれぞれのPZT膜毎に、印加電圧20Vpp(オフセット電圧-10V)駆動時のScドープ量と圧電定数d31との関係を示したグラフである。図3中において、各実施例を示すマーカーは塗りつぶし、比較例を示すマーカーは白抜きでプロットしている。
図3に示すように、Nbドープ量に拘わらず、Scを微量にドープすることによりScドープなしの場合と比較して圧電定数が向上するが、ドープ量が多くなるにつれて、圧電定数が逆に低下することが確認された。Scが多くなりすぎると、Scが結晶中に取り込まれず、偏析したために圧電性能が低下したと考えられる。
Scドープ量が0<y≦0.49xを満たす本発明の実施例では、ノンドープと比較して圧電性能が向上している。また、Nbの量に拘わらず、Scドープ量が4.5%以下、さらには3%以下、特には1%±0.5%の範囲において、圧電性能の向上効果が高かった。
なお、Nb30%ドープ、Scドープなしの比較例3では圧電性能が非常に低かったのに対して、わずか1.1%のScドープにより、圧電性能の顕著な向上が見られた。XRDの観察結果と併せて検討すると、1.1%のScドープによりNb30%ドープの場合においてもペロブスカイト構造を形成することが可能となり、圧電性が飛躍的に向上したと考えられる。
なお、Nb30%ドープ、Scドープなしの比較例3では圧電性能が非常に低かったのに対して、わずか1.1%のScドープにより、圧電性能の顕著な向上が見られた。XRDの観察結果と併せて検討すると、1.1%のScドープによりNb30%ドープの場合においてもペロブスカイト構造を形成することが可能となり、圧電性が飛躍的に向上したと考えられる。
以上の通り、Nb,Sc共ドープのPZT膜において、圧電性能の絶対値としてはNb量が10%から20%であることが好ましいという結果が得られた。一方で、ノンドープとの比較においては、20%から30%のNb量が比較的多い場合にScドープによる圧電性の向上効果は顕著であるという結果が得られた。
10 圧電素子
11 基板
12 密着層
13 下部電極
14 圧電体膜
15 上部電極
11 基板
12 密着層
13 下部電極
14 圧電体膜
15 上部電極
Claims (7)
- 下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜であって、
A1+δ[(Zr,Ti)1-x-yNbxScy]Oz・・・一般式P
該一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよく、
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xである圧電体膜。 - 0<y≦0.049
である請求項1記載の圧電体膜。 - 0<y≦0.03
である請求項1記載の圧電体膜。 - 0.1≦x≦0.2である請求項1から3いずれか1項記載の圧電体膜。
- 多数の柱状結晶からなる柱状結晶膜である請求項1から4いずれか1項記載の圧電体膜。
- 膜厚が1μm以上である請求項1から5のいずれか1項記載の圧電体膜。
- 請求項1から6いずれか1項記載の圧電体膜と、該圧電体膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子。
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