WO2022255035A1 - 圧電薄膜素子、微小電気機械システム、及び超音波トランスデューサ - Google Patents

圧電薄膜素子、微小電気機械システム、及び超音波トランスデューサ Download PDF

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WO2022255035A1
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piezoelectric
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plane
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祐介 佐藤
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Tdk株式会社
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions

Definitions

  • the present disclosure relates to piezoelectric thin film elements, microelectromechanical systems, and ultrasonic transducers.
  • Piezoelectric bodies are processed into various piezoelectric elements according to various purposes.
  • a piezoelectric actuator converts voltage into force by the inverse piezoelectric effect, in which voltage is applied to a piezoelectric body to deform the piezoelectric body.
  • a piezoelectric sensor converts force into voltage by the piezoelectric effect of applying pressure to a piezoelectric body to deform the piezoelectric body.
  • These piezoelectric elements are mounted on various electronic devices. 2. Description of the Related Art In the market in recent years, there is a demand for miniaturization and performance improvement of electronic devices. However, the thinner the piezoelectric material is, the more difficult it is to obtain the piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect. Therefore, development of a piezoelectric material having excellent piezoelectric properties in a thin film state is expected.
  • Non-Patent Document 1 discloses a transducer using an epitaxial thin film made of lead titanate.
  • the following non-patent document 1 also discloses that an ultrasonic wave in the GHz band generated in the thickness longitudinal vibration mode of an epitaxial thin film made of lead titanate is used for fingerprint imaging.
  • lead titanate and lead zirconate titanate contain lead which is harmful to the human body and the environment, development of a lead-free piezoelectric material is expected.
  • Patent Document 1 describes a metal oxide having a perovskite structure containing bismuth, potassium, titanium, iron, and an element M as a piezoelectric material forming a piezoelectric thin film, wherein the element M is at least one of magnesium and nickel. revealing things.
  • piezoelectric thin film elements used in sensors, communication equipment, etc. are required to have a resonance frequency in a high frequency band (eg, GHz band).
  • the resonance frequency increases as the thickness of the piezoelectric thin film decreases.
  • the piezoelectric properties (ferroelectricity) of the piezoelectric thin film deteriorate as the thickness of the piezoelectric thin film decreases. and the dielectric loss (tan ⁇ ) of the piezoelectric thin film element tends to increase.
  • the deterioration of the piezoelectric properties (ferroelectricity) of the piezoelectric thin film as the thickness of the piezoelectric thin film decreases is caused by the dead layer at the interface between the electrode layer and the piezoelectric thin film, the size effect, and the like.
  • a piezoelectric thin film element using a conventional piezoelectric material in a high frequency band (eg, GHz band).
  • An object of one aspect of the present invention includes a piezoelectric thin film element having a high resonance frequency and suppressing dielectric loss, a micro electro mechanical system (MEMS) including the piezoelectric thin film element, and a piezoelectric thin film element.
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the present invention relates to the following [1] to [10].
  • the figure of merit P of the piezoelectric thin film is defined as (d 33,f ) 2 ⁇ Y/ ⁇ , d 33, f is the piezoelectric strain constant of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film, Y is the Young's modulus of the piezoelectric thin film, ⁇ is the permittivity of the piezoelectric thin film,
  • the figure of merit P is 10% or more and 80.1% or less, Piezoelectric thin film element.
  • [3] further comprising at least one intermediate layer; an intermediate layer disposed between the first electrode layer and the piezoelectric thin film; the intermediate layer includes at least one of SrRuO3 and LaNiO3 ; A piezoelectric thin film element in [1] or [2].
  • the piezoelectric thin film contains a metal oxide having a perovskite structure, Metal oxides include bismuth, potassium, titanium, iron and the element M, element M is at least one element of magnesium and nickel;
  • the piezoelectric thin film element according to any one of [1] to [3].
  • the piezoelectric thin film contains a tetragonal crystal of a metal oxide,
  • the (001) plane of the tetragonal crystal is oriented in the thickness direction of the piezoelectric thin film,
  • the piezoelectric thin film element according to [4].
  • the spacing between the (001) planes of the tetragonal crystal is c;
  • the spacing between the (100) planes of the tetragonal crystal is a, c/a is 1.05 or more and 1.20 or less;
  • the thickness of the piezoelectric thin film is 0.3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric thin film element according to any one of [1] to [6].
  • the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film has a resonance frequency of 0.10 GHz or more and 2 GHz or less.
  • the piezoelectric thin film element according to any one of [1] to [7].
  • a piezoelectric thin film element according to any one of [1] to [8], microelectromechanical system.
  • a piezoelectric thin film element according to any one of [1] to [8], ultrasonic transducer.
  • a piezoelectric thin film element that has a high resonance frequency and suppresses dielectric loss
  • a microelectromechanical system including the piezoelectric thin film element
  • an ultrasonic transducer including the piezoelectric thin film element
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1(b) in FIG. 1 is the piezoelectric thin film element shown in (a) in FIG. 1.
  • the substrate, first intermediate layer, second intermediate layer and second electrode layer are omitted.
  • FIG. 2 is a perspective view of a unit cell of a metal oxide (tetragonal) having a perovskite structure, showing the arrangement of each element in the perovskite structure.
  • FIG. 3 is a perspective view of a unit cell of a metal oxide (tetragonal) having a perovskite structure, showing crystal planes and crystal orientations of the tetragonal.
  • FIG. 4 is a three-dimensional coordinate system for showing the composition of the piezoelectric thin film.
  • FIG. 5 is a triangular coordinate system corresponding to the triangle shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric thin film element (ultrasonic transducer) according to another embodiment of the present invention.
  • the details of a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
  • the X-axis, Y-axis and Z-axis shown in (a) of FIG. 1, (b) of FIG. 1 and FIG. 6 are three coordinate axes orthogonal to each other.
  • the X-axis, Y-axis and Z-axis are common to (a) in FIG. 1, (b) in FIG. 1 and FIG.
  • the coordinate system shown in 6 has nothing to do with the coordinate system shown in FIGS.
  • the piezoelectric thin film element includes a first electrode layer, a piezoelectric thin film directly or indirectly overlapping the first electrode layer, and a second electrode layer directly or indirectly overlapping the piezoelectric thin film.
  • the piezoelectric thin film element 10 includes a single crystal substrate 1, a first electrode layer 2 (lower electrode layer) overlapping the single crystal substrate 1, It may include a piezoelectric thin film 3 overlying the first electrode layer 2 and a second electrode layer 4 (upper electrode layer) overlying the piezoelectric thin film 3 .
  • the piezoelectric thin film element 10 may further include at least one intermediate layer.
  • the piezoelectric thin film element 10 may include a first intermediate layer 5 .
  • a first intermediate layer 5 may be arranged between the single crystal substrate 1 and the first electrode layer 2 , and the first electrode layer 2 may directly overlap the surface of the first intermediate layer 5 .
  • the piezoelectric thin film element 10 may include a second intermediate layer 6 .
  • a second intermediate layer 6 may be arranged between the first electrode layer 2 and the piezoelectric thin film 3 , the piezoelectric thin film 3 directly overlying the surface of the second intermediate layer 6 .
  • the thicknesses of the single crystal substrate 1, the first intermediate layer 5, the first electrode layer 2, the second intermediate layer 6, the piezoelectric thin film 3 and the second electrode layer 4 may be uniform. As shown in FIG.
  • the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 is substantially parallel to the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2 . That is, the surface of the piezoelectric thin film 3 is substantially parallel to the surface of the first electrode layer 2 .
  • the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 is the polarization direction of the piezoelectric thin film 3 .
  • the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 can be rephrased as the normal direction of the surface of the piezoelectric thin film 3 .
  • a modification of the piezoelectric thin film element 10 may not include the single crystal substrate 1 .
  • the single crystal substrate 1 may be removed.
  • the single crystal substrate 1 may be the first electrode layer 2 .
  • the modification of the piezoelectric thin film element 10 may include the single crystal substrate 1 and the piezoelectric thin film 3 overlapping the single crystal substrate 1 .
  • the piezoelectric thin film 3 may directly overlap the single crystal substrate 1 .
  • the piezoelectric thin film 3 may overlap the single crystal substrate 1 via at least one of the first intermediate layer 5 and the second intermediate layer 6 .
  • the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 may have a resonance frequency of 0.10 GHz or more and 2 GHz or less, 0.17 GHz or more and 2 GHz or less, 0.3 GHz or more and 2 GHz or less, or 0.17 GHz or more and 1.17 GHz or less.
  • a figure of merit P of the piezoelectric thin film 3 is defined as (d 33,f ) 2 ⁇ Y/ ⁇ .
  • the figure of merit P has similar technical significance to kt2 , which is the square of the electromechanical coupling coefficient.
  • d33,f is the piezoelectric strain constant of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3;
  • Y is the Young's modulus of the piezoelectric thin film 3 .
  • ⁇ is the dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 .
  • the figure of merit P is 10% or more and 80.1% or less. That is, 100 ⁇ (d 33,f ) 2 ⁇ Y/ ⁇ is 10 or more and 80 or less.
  • the figure of merit P is a dimensionless number.
  • the unit of the piezoelectric strain constant d 33,f is [pm/V] or [pC/N].
  • the unit of Young's modulus Y is [GPa] or [N/m 2 ].
  • the unit of dielectric constant ⁇ is [F ⁇ m ⁇ 1 ], [C/V ⁇ m] or [C 2 /N ⁇ m 2 ].
  • ⁇ is equal to ⁇ 0 ⁇ 33 .
  • ⁇ 0 is the permittivity of vacuum.
  • ⁇ 33 is the dielectric constant ( ⁇ r ) of the piezoelectric thin film 3 .
  • the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 may be 0.03 GHz or
  • the piezoelectric strain constant d33,f is 40 pm/V or more and 120 pm/V or less, 40 pm/V or more and 91 pm/V or less, 47 pm/V or more and 91 pm/V or less, or 47 pm/V or more and 90 pm/V or less. good.
  • Young's modulus Y may be 50 GPa or more and 200 GPa or less, 70 GPa or more and 100 GPa or less, or 76 Ga or more and 94 GPa or less.
  • the dielectric constant ⁇ 33 may be 50 or more and 200 or less, or 87 or more and 155 or less.
  • the figure of merit P is likely to be 10% or more and 80.1% or less.
  • the figure of merit P may be 15.1% or more and 80.1% or less.
  • the piezoelectric thin film element 10 operates at a high resonance frequency (resonance frequency in the sub-GHz band or resonance frequency in the GHz band) because the piezoelectric thin film element 10 utilizes thickness longitudinal vibration (bulk elastic wave) of the piezoelectric thin film 3. be able to. Therefore, the piezoelectric thin film element 10 can be applied to high-precision sensors (for example, ultrasonic transducers such as fingerprint sensors and blood vessel sensors), high-speed communication equipment, and the like. In contrast, the resonance frequency of conventional piezoelectric thin film elements utilizing longitudinal vibration (in-plane vibration) of the piezoelectric thin film is relatively low, in the MHz band.
  • the figure of merit P is 10% or more and 80.1% or less, an increase in dielectric loss (tan ⁇ ) of the piezoelectric thin film element 10 due to a decrease in the thickness of the piezoelectric thin film 3 is suppressed.
  • the dielectric loss can be sufficiently suppressed in a high frequency band (for example, a frequency band of 0.10 GHz to 2 GHz).
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3 can be set to a very thin value, and the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 can be set within a high frequency band.
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3 may be 0.3 ⁇ m to 5 ⁇ m, 0.3 ⁇ m to 3 ⁇ m, 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, or 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m. According to this embodiment, even if the thickness of the piezoelectric thin film 3 is 5 ⁇ m or less or 3 ⁇ m or less, the sufficient piezoelectric characteristics (ferroelectricity) of the piezoelectric thin film 3 are maintained, and the dielectric loss in the high frequency band is suppressed. , the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 can be set within a high frequency band. When the figure of merit P is less than 10%, it is difficult to suppress dielectric loss in a high frequency band. For example, the dielectric loss (tan ⁇ ) of the piezoelectric thin film element 10 may be 0.0% or more and 0.9% or less, or 0.3% or more and 0.9% or less.
  • ⁇ e 31,f /e 33 of the piezoelectric thin film 3 may be greater than 0 and 0.80 or less, 0.70 or more and 0.80 or less, or greater than 0 and 0.70 or less.
  • ⁇ e 31,f is the piezoelectric stress constant of the longitudinal vibration (in-plane vibration) of the piezoelectric thin film 3 .
  • the unit of ⁇ e 31,f is [C/m 2 ].
  • the longitudinal vibration is vibration (stretching) of the piezoelectric thin film 3 in a direction orthogonal to the polarization direction (thickness direction dn) of the piezoelectric thin film 3 .
  • the longitudinal vibration is vibration (stretching) of the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially parallel to the surfaces of the first electrode layer 2 and the second electrode layer 4, respectively.
  • e 33 is the piezoelectric stress constant of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 .
  • the unit of e 33 is [C/m 2 ].
  • Thickness longitudinal vibration is vibration (stretching) of the piezoelectric thin film in the polarization direction (thickness direction dn) of the piezoelectric thin film 3 .
  • the longitudinal thickness vibration is vibration (stretching) of the piezoelectric thin film 3 in the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2 .
  • e 33 may be calculated from measurements of d 33, f and Y respectively.
  • ⁇ e 31 and f /e 33 are smaller, the longitudinal vibration (in-plane vibration) of the piezoelectric thin film 3 is suppressed, and the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 is more likely to occur.
  • ⁇ e 31,f /e 33 of 0.80 or less means that the longitudinal vibration (in-plane vibration) of the piezoelectric thin film 3 is sufficiently suppressed as compared with the longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 . That is, when ⁇ e 31 and f /e 33 are 0.80 or less, in-plane vibration, which is a factor of noise in a high frequency band, is easily suppressed.
  • the figure of merit P is 10% or more and 80.1% or less, -e 31,f /e 33 tends to be greater than 0 and 0.80 or less.
  • a lattice stress substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 may act on the piezoelectric thin film 3 .
  • Lattice stress may result from a lattice mismatch between the first electrode layer 2 and the piezoelectric thin film 3 .
  • the lattice constant of the first electrode layer 2 in the in-plane direction of the first electrode layer 2 is substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3.
  • the lattice constant of the first electrode layer 2 in the in-plane direction of the first electrode layer 2 is substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3. direction
  • the lattice stress that pulls the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially perpendicular to the thickness direction dn tends to act on the piezoelectric thin film 3 .
  • the lattice stress may result from lattice mismatch between the second intermediate layer 6 and the piezoelectric thin film 3 .
  • the lattice constant of the second intermediate layer 6 in the in-plane direction of the first electrode layer 2 is substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3. direction
  • the lattice constant of the piezoelectric thin film 3 is smaller than the lattice constant of the piezoelectric thin film 3, the lattice stress that compresses the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially perpendicular to the thickness direction dn tends to act on the piezoelectric thin film 3.
  • the lattice constant of the second intermediate layer 6 in the in-plane direction of the first electrode layer 2 (the direction substantially parallel to the surface of the first electrode layer 2) is substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3. direction)
  • the lattice stress that pulls the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially perpendicular to the thickness direction dn tends to act on the piezoelectric thin film 3 .
  • the lattice stress suppresses expansion and contraction of the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially perpendicular to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the lattice stress suppresses the longitudinal vibration (in-plane vibration) of the piezoelectric thin film 3 .
  • the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 is difficult to be suppressed by the lattice stress.
  • lattice stress compressing the piezoelectric thin film 3 in a direction substantially perpendicular to the thickness direction dn acts on the piezoelectric thin film 3 , the piezoelectric thin film 3 tends to expand in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the crystal structure (perovskite structure) of the piezoelectric thin film 3 tends to be tetragonal, and the (001) plane of the tetragonal crystal tends to be oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 . Therefore, the deterioration of the piezoelectric properties (ferroelectricity) of the piezoelectric thin film 3 due to the reduction in the thickness of the piezoelectric thin film 3 is easily suppressed by the lattice stress, and the dielectric loss is easily suppressed.
  • the elastic energy of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 is likely to accumulate in the piezoelectric thin film 3, and the figure of merit P (a value related to kt2 , which is the square of the electromechanical coupling coefficient) is Easy to increase. For these reasons, it is easy to set the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film 3 within a high frequency band.
  • the piezoelectric thin film 3 may contain a metal oxide having a perovskite structure.
  • metal oxides include bismuth (Bi), lanthanum (La), yttrium (Y), potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), titanium (Ti), zirconium (Zr), magnesium (Mg ), nickel (Ni), zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), cobalt (Co) and potassium (Ga). Since the metal oxide tends to be tetragonal, and the piezoelectric thin film 3 tends to have a high resonance frequency, a large d33 ,f and a large figure of merit P, the metal oxide is composed of Bi, K, Ti, Fe and elements May contain M.
  • the element M may be at least one of Mg and Ni.
  • Metal oxide is the main component of the piezoelectric thin film 3 .
  • the ratio of all elements constituting the metal oxide in the piezoelectric thin film 3 may be 99% mol or more and 100% mol or less.
  • the piezoelectric thin film 3 may consist only of a metal oxide.
  • the piezoelectric thin film 3 may contain other elements as long as the piezoelectric properties of the piezoelectric thin film 3 are not impaired.
  • the piezoelectric thin film 3 may be made of a single crystal of perovskite oxide.
  • the piezoelectric thin film 3 may be made of polycrystalline perovskite oxide.
  • a unit cell of a perovskite oxide is shown in FIG.
  • the element positioned at the A site of the unit cell uc is Bi or K.
  • the element located at the B site of the unit cell uc is Ti, Mg, Ni or Fe.
  • the unit cell uc shown in FIG. 2 is the same as the unit cell uc shown in FIG. However, in FIG.
  • a is a lattice constant corresponding to the spacing of (100) planes of the perovskite oxide.
  • b is a lattice constant corresponding to the spacing of the (010) planes of the perovskite oxide.
  • c is a lattice constant corresponding to the spacing of the (001) planes of the perovskite oxide.
  • the piezoelectric thin film 3 may contain a tetragonal crystal of perovskite oxide at room temperature or at a temperature equal to or lower than the Curie temperature of the perovskite oxide.
  • the piezoelectric thin film 3 is likely to contract in the direction substantially perpendicular to the thickness direction dn.
  • the lattice constants a and b of the piezoelectric thin film 3 tend to be smaller than the lattice constant c in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3, and the perovskite oxide tends to form a tetragonal crystal.
  • the piezoelectric thin film 3 tends to have excellent piezoelectric properties (ferroelectricity), and the piezoelectric thin film 3 tends to have a high resonance frequency, a large d33 ,f , and a large figure of merit P.
  • All perovskite oxides contained in the piezoelectric thin film 3 may be tetragonal.
  • the piezoelectric thin film 3 may further include one or both of a cubic crystal of perovskite oxide and a rhombohedral crystal of perovskite oxide.
  • the (001) plane of the tetragonal crystal may be oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the orientation in which the perovskite-type oxide having the composition described above is easily polarized is [001]. Therefore, since the (001) plane of the tetragonal crystal is oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3, the piezoelectric thin film 3 tends to have excellent piezoelectric characteristics (ferroelectricity), and the piezoelectric thin film 3 has a high resonance frequency. , large d 33,f and large figure of merit P.
  • the tetragonal c/a may be 1.05 or more and 1.20 or less, or 1.05 or more and 1.14 or less.
  • the tetragonal lattice constant a may be 0.375 ⁇ or more and 0.395 ⁇ or less.
  • the lattice constant c of a tetragonal crystal may be 0.430 ⁇ or more and 0.450 ⁇ or less.
  • the lattice constant b of the tetragonal crystal is equal to the lattice constant a.
  • the degree of orientation of each crystal plane of the perovskite oxide may be quantified by the degree of orientation.
  • the degree of orientation of each crystal plane may be calculated based on the diffraction X-ray peak derived from each crystal plane. A peak of diffracted X-rays derived from each crystal plane may be measured by Out of Plane measurement on the surface of the piezoelectric thin film 3 .
  • the degree of orientation of the (001) plane may be expressed as 100 ⁇ I (001) / ⁇ I (hkl) .
  • the degree of orientation of the (110) plane may be expressed as 100 ⁇ I (110) / ⁇ I (hkl) .
  • the degree of orientation of the (111) plane may be expressed as 100 ⁇ I (111) / ⁇ I (hkl) .
  • I (001) is the maximum value of the diffraction X-ray peak derived from the (001) plane.
  • I (110) is the maximum value of the diffraction X-ray peak derived from the (110) plane.
  • I (111) is the maximum value of the diffraction X-ray peak derived from the (111) plane.
  • ⁇ I (hkl) is I (001) +I (110) +I (111) .
  • the degree of orientation of the (001) plane may be expressed as 100 ⁇ S (001) / ⁇ S (hkl) .
  • the degree of orientation of the (110) plane may be expressed as 100 ⁇ S (110) / ⁇ S (hkl) .
  • the degree of orientation of the (111) plane may be expressed as 100 ⁇ S (111) / ⁇ S (hkl) .
  • S (001) is the area (integration of the peak) of the diffraction X-ray peak derived from the (001) plane.
  • S (110) is the area (integration of the peak) of the diffraction X-ray peak derived from the (110) plane.
  • S (111) is the area (integration of the peak) of the diffraction X-ray peak derived from the (111) plane.
  • ⁇ S (hkl) is S (001) +S (110) +S (111) .
  • the degree of orientation of each crystal plane may be quantified by the degree of orientation based on the Lotgering method.
  • the piezoelectric thin film 3 tends to have a large d 33,f and a large figure of merit P, it is preferable that the (001) plane of the tetragonal crystal is preferentially oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the degree of orientation of the (001) plane is preferably higher than that of each of the (110) and (111) planes.
  • the degree of orientation of the (001) plane may be 70% or more and 100% or less, preferably 80% or more and 100% or less, more preferably 90% or more and 100% or less.
  • the bulk of the piezoelectric material tends to have less piezoelectric properties due to the tetragonal perovskite oxide.
  • the crystal orientation described below means that the (001) plane of the tetragonal crystal is oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the piezoelectric thin film 3 tends to have the above crystal orientation.
  • a thin film is a crystalline film formed by a vapor deposition method or a solution method.
  • the bulk of the piezoelectric body having the same composition as the piezoelectric thin film 3 tends to have less crystal orientation than the piezoelectric thin film 3 .
  • the bulk of the piezoelectric body is a sintered body (ceramics) of powder containing essential elements of the piezoelectric body, and it is difficult to control the structure and orientation of many crystals that constitute the sintered body. Since the bulk of the piezoelectric body contains Fe, the bulk resistivity of the piezoelectric body is lower than that of the piezoelectric thin film 3 .
  • the metal oxide contained in the piezoelectric thin film 3 may be represented by Chemical Formula 1 below.
  • Chemical Formula 1 below is substantially the same as Chemical Formula 1a below.
  • the piezoelectric thin film 3 tends to contain a tetragonal crystal of the metal oxide, the tetragonal crystal tends to have the above crystal orientation, and the piezoelectric thin film 3 has a high resonance frequency and a large d 33, f and a large figure of merit P.
  • Each of x, y and z in Chemical Formula 1 above is a positive real number (unit: mol).
  • x+y+z is 1.
  • x in Chemical Formula 1 above is greater than 0 and less than 1;
  • y in Chemical Formula 1 is greater than 0 and less than 1;
  • z in Chemical Formula 1 above is greater than 0 and less than 1;
  • ⁇ in Chemical Formula 1 above is greater than 0 and less than 1.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 is greater than 0 and less than 1.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 is greater than 0 and less than 1.
  • ⁇ may be 0.5 and ⁇ may be 0.5.
  • M in the above chemical formula 1 is expressed as Mg ⁇ Ni 1- ⁇ .
  • ⁇ is 0 or more and 1 or less.
  • the total number of moles of Bi and K in the metal oxide may be represented as [A], and the total number of moles of Ti, Fe and element M in the metal oxide may be represented as [B].
  • [A]/[B] may be 1.0.
  • [A]/[B] may be a value other than 1.0 as long as the metal oxide can have a perovskite structure. That is, [A]/[B] may be less than 1.0 and may be greater than 1.0.
  • ⁇ in the chemical formula 1a is 0 or more.
  • ⁇ may be a value other than 0 as long as the metal oxide can have a perovskite structure. For example, ⁇ may be greater than 0 and less than or equal to 1.0.
  • ⁇ may be calculated, for example, from the valences of the A-site ions and the B-site ions of the perovskite structure.
  • the valence of each ion may be measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • BKT (Bi ⁇ K 1- ⁇ )TiO 3
  • BMT Bi(M ⁇ Ti 1- ⁇ )O 3
  • BFeO 3 is denoted as BFO.
  • a metal oxide having a composition represented by the sum of BKT and BMT is denoted as BKT-BMT.
  • a metal oxide having a composition represented by Chemical Formula 1 is represented as xBKT-yBMT-zBFO. Crystals of BKT, BMT, BFO, BKT-BMT, and xBKT-yBMT-zBFO each have a perovskite structure.
  • the crystal of BKT is a tetragonal crystal at room temperature, and BKT is a ferroelectric.
  • the crystal of BMT is a rhombohedral crystal at room temperature, and BMT is a ferroelectric.
  • the crystal of BFO is a rhombohedral crystal at room temperature, and BFO is a ferroelectric.
  • a thin film made of BKT-BMT is tetragonal at room temperature. The tetragonal c/a of BKT-BMT tends to be larger than that of BKT.
  • a thin film made of BKT-BMT is superior in ferroelectricity to a thin film made of BKT and a thin film made of BMT.
  • Thin films of xBKT-yBMT-zBFO tend to be tetragonal at room temperature.
  • the tetragonal c/a of xBKT-yBMT-zBFO tends to be larger than that of BKT-BMT.
  • a thin film made of xBKT-yBMT-zBFO is superior in ferroelectricity to a thin film made of BKT-BMT. That is, the piezoelectric thin film 3 containing xBKT-yBMT-zBFO may be a ferroelectric thin film. It is speculated that the ferroelectricity of the piezoelectric thin film 3 is due to the composition of xBKT-yBMT-zBFO having a morphotropic phase boundary (MPB).
  • MPB morphotropic phase boundary
  • the piezoelectric thin film 3 belongs to the tetragonal system, it is presumed that the ferroelectricity of the piezoelectric thin film 3 is not solely due to MPB. Since the piezoelectric thin film 3 has ferroelectricity, the piezoelectric thin film 3 tends to have large d33 ,f . In contrast to the piezoelectric thin film 3, the crystal contained in the bulk of xBKT-yBMT-zBFO is a pseudo-cubic crystal, and the bulk of xBKT-yBMT-zBFO has the above crystal orientation and ferroelectricity compared to the piezoelectric thin film 3. It is difficult to have
  • the composition of xBKT-yBMT-zBFO may be expressed based on a three-dimensional coordinate system.
  • coordinates (x,y,z) lie inside a triangle whose vertices are coordinates (1,0,0), coordinates (1,1,0) and coordinates (0,0,1).
  • This triangle is shown in FIG. 5 as triangular coordinates.
  • Coordinate A in FIG. 5 is (0.300, 0.100, 0.600).
  • Coordinate B is (0.450, 0.250, 0.300).
  • Coordinate C is (0.200, 0.500, 0.300).
  • Coordinate D is (0.100, 0.300, 0.600).
  • Coordinate E is (0.400, 0.200, 0.400).
  • the coordinate F is (0.200, 0.400, 0.400).
  • Coordinates (x, y, z) representing x, y, and z in Chemical Formula 1 may be located within a rectangle whose vertices are coordinate A, coordinate B, coordinate C, and coordinate D.
  • the coordinates (x, y, z) are within the rectangle ABCD, the composition of xBKT-yBMT-zBFO tends to have MPB, and the piezoelectric properties and ferroelectric properties of the piezoelectric thin film 3 tend to improve.
  • the coordinates (x, y, z) may lie within a rectangle whose vertices are coordinates A, E, F and D.
  • x may be equal to y.
  • the coordinates (x,y,z) lie on a straight line passing through the coordinates (0.500,0.500,0) and (0,0,1).
  • the composition of xBKT-yBMT-zBFO tends to have MPB, and the piezoelectric properties and ferroelectric properties of the piezoelectric thin film 3 tend to improve.
  • x may be 0.100 or more and 0.450 or less, y may be 0.100 or more and 0.500 or less, and z may be 0.300 or more and 0.600 or less.
  • x may be 0.100 or more and 0.400 or less, y may be 0.100 or more and 0.400 or less, and z may be 0.400 or more and 0.600 or less.
  • x may be 0.150 or more and 0.350 or less, y may be 0.150 or more and 0.350 or less, and z may be 0.300 or more and 0.600 or less.
  • x may be 0.250 or more and 0.300 or less, y may be 0.250 or more and 0.300 or less, and z may be 0.400 or more and 0.600 or less.
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3 is, for example, 10 nm or more and 10 ⁇ m or less, 0.3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, 0.3 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, 0.3 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, or 0.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less. It's okay. As the thickness of the piezoelectric thin film 3 decreases, the resonance frequency of the piezoelectric thin film 3 increases.
  • the area of the piezoelectric thin film 3 may be, for example, 1 ⁇ m 2 or more and 500 mm 2 or less.
  • the areas of the single crystal substrate 1 , the first intermediate layer 5 , the first electrode layer 2 , the second intermediate layer 6 , and the second electrode layer 4 may be the same as the area of the piezoelectric thin film 3 .
  • the composition of the piezoelectric thin film 3 may be analyzed, for example, by X-ray fluorescence analysis (XRF method) or inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy.
  • XRF method X-ray fluorescence analysis
  • ICP inductively coupled plasma
  • the crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric thin film 3 may be specified by an X-ray diffraction (XRD) method.
  • the piezoelectric thin film 3 may be formed, for example, by the following method.
  • a target having the same composition as the piezoelectric thin film 3 may be used as the raw material of the piezoelectric thin film 3 .
  • a method for producing the target is as follows.
  • starting materials for example, powders of bismuth oxide, potassium carbonate, titanium oxide, oxide of element M, and iron oxide may be used.
  • the oxide of element M may be at least one of magnesium oxide and nickel oxide.
  • substances that become oxides by sintering such as carbonates or oxalates, may be used. After sufficiently drying these starting materials at 100° C. or higher, each starting material is weighed so that the mole numbers of Bi, K, Ti, the element M and Fe are within the range defined by the chemical formula 1 above. be. Bi and K in the target are more likely to volatilize than other elements in the vapor phase growth method, which will be described later.
  • the molar ratio of Bi in the target may be adjusted to a higher value than the molar ratio of Bi in the piezoelectric thin film 3 .
  • the molar ratio of K in the target may be adjusted to a higher value than the molar ratio of K in the piezoelectric thin film 3 .
  • the weighed starting materials are thoroughly mixed in an organic solvent or water.
  • the mixing time may be from 5 hours to 20 hours.
  • the mixing means may be a ball mill. After sufficiently drying the mixed starting material, the starting material is molded with a press.
  • a calcined product is obtained by calcining the molded starting material.
  • the calcination temperature may be 750° C. or higher and 900° C. or lower.
  • the calcination time may be 1 hour or more and 3 hours or less.
  • the calcined product is pulverized in an organic solvent or water.
  • the grinding time may be 5 hours or more and 30 hours or less.
  • the grinding means may be a ball mill. After the pulverized calcined material is dried, the calcined material to which the binder solution is added is granulated to obtain powder of the calcined material. A block-shaped compact is obtained by pressing the calcined powder.
  • the binder in the molded body is volatilized.
  • the heating temperature may be 400° C. or higher and 800° C. or lower.
  • the heating time may be 2 hours or more and 4 hours or less.
  • the compact is sintered.
  • the firing temperature may be 800° C. or higher and 1100° C. or lower.
  • the firing time may be 2 hours or more and 4 hours or less.
  • the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease of the compact during the firing process may be, for example, 50° C./hour or more and 300° C./hour or less.
  • the target is obtained through the above process.
  • the average grain size of the crystal grains of the metal oxide contained in the target may be, for example, 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric thin film 3 may be formed by vapor deposition using the above target.
  • elements forming the target are evaporated in a vacuum atmosphere.
  • the vaporized element adheres and deposits on the surface of any one of the second intermediate layer 6, the first electrode layer 2, and the single crystal substrate 1, thereby growing the piezoelectric thin film 3.
  • the vapor deposition method may be, for example, a sputtering method, an electron beam evaporation method, a chemical vapor deposition method, or a pulsed-laser deposition method.
  • the pulsed laser deposition method is referred to as the PLD method.
  • the excitation source differs depending on the type of vapor deposition method.
  • An excitation source for the sputtering method is Ar plasma.
  • the excitation source for electron beam evaporation is an electron beam.
  • the excitation source for the PLD method is laser light (for example, excimer laser). When the target is irradiated with these excitation sources, the elements forming the target evaporate.
  • the PLD method is relatively superior in the following points.
  • each element constituting the target can be instantaneously and evenly plasmatized by a pulsed laser. Therefore, the piezoelectric thin film 3 having almost the same composition as the target is easily formed.
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3 can be easily controlled by changing the number of laser pulse shots.
  • the piezoelectric thin film 3 may be an epitaxial film. That is, the piezoelectric thin film 3 may be formed by epitaxial growth. By epitaxial growth, the piezoelectric thin film 3 having excellent crystal orientation can be easily formed. When the piezoelectric thin film 3 is formed by the PLD method, the piezoelectric thin film 3 is easily formed by epitaxial growth.
  • the piezoelectric thin film 3 may be formed while heating the single crystal substrate 1 and the first electrode layer 2 in the vacuum chamber.
  • the temperature (film formation temperature) of the single crystal substrate 1 and the first electrode layer 2 may be, for example, 300° C. or higher and 800° C. or lower, 500° C. or higher and 700° C. or lower, or 500° C. or higher and 600° C. or lower.
  • the higher the film formation temperature the more improved the cleanliness of the surface of the single crystal substrate 1 or the first electrode layer 2, the higher the crystallinity of the piezoelectric thin film 3, and the higher the degree of orientation of the crystal planes. If the film formation temperature is too high, Bi or K is likely to desorb from the piezoelectric thin film 3, making it difficult to control the composition of the piezoelectric thin film 3.
  • the oxygen partial pressure in the vacuum chamber may be, for example, greater than 10 mTorr and less than 400 mTorr, 15 mTorr or more and 300 mTorr or less, or 20 mTorr or more and 200 mTorr or less.
  • the oxygen partial pressure in the vacuum chamber may be, for example, greater than 1 Pa and less than 53 Pa, 2 Pa or more and 40 Pa or less, or 3 Pa or more and 30 Pa or less.
  • Parameters other than the above that are controlled by the PLD method include, for example, the laser oscillation frequency and the distance between the substrate and the target. By controlling these parameters, the crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric thin film 3 are easily controlled. For example, when the laser oscillation frequency is 10 Hz or less, the degree of orientation of the crystal plane of the piezoelectric thin film 3 tends to increase.
  • the piezoelectric thin film 3 may be annealed (heated).
  • the temperature (annealing temperature) of the piezoelectric thin film 3 in the annealing treatment may be, for example, 300° C. or higher and 1000° C. or lower, 600° C. or higher and 1000° C. or lower, or 850° C. or higher and 1000° C. or lower.
  • Annealing the piezoelectric thin film 3 tends to further improve the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film 3 .
  • annealing at 850° C. or higher and 1000° C. or lower easily improves the piezoelectric properties of the piezoelectric thin film 3 .
  • annealing treatment is not essential.
  • the single crystal substrate 1 may be, for example, a substrate made of a single crystal of Si or a substrate made of a single crystal of a compound semiconductor such as GaAs.
  • the single crystal substrate 1 may be a substrate made of a single crystal of oxide such as MgO or perovskite oxide (for example, SrTiO 3 ).
  • the thickness of single crystal substrate 1 may be, for example, 10 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less. If the single crystal substrate 1 has conductivity, the single crystal substrate 1 functions as an electrode, so the first electrode layer 2 may be omitted. That is, the conductive single crystal substrate 1 may be, for example, a single crystal of SrTiO 3 doped with niobium (Nb).
  • an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate may be used.
  • the crystal orientation of single crystal substrate 1 may be the same as the normal direction of the surface of single crystal substrate 1 . That is, the surface of single crystal substrate 1 may be parallel to the crystal plane of single crystal substrate 1 .
  • Single crystal substrate 1 may be a uniaxially oriented substrate. For example, one crystal plane selected from the group consisting of the (100) plane, the (001) plane, the (110) plane, the (101) plane, and the (111) plane is parallel to the surface of the single crystal substrate 1. good.
  • the (100) plane of the single crystal substrate 1 for example, Si
  • the (001) plane of the perovskite oxide in the piezoelectric thin film 3 is aligned in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3. Orientation is easy.
  • a first intermediate layer 5 may be arranged between the single crystal substrate 1 and the first electrode layer 2 .
  • the first intermediate layer 5 contains, for example, at least one selected from the group consisting of titanium (Ti), chromium (Cr), titanium oxide (TiO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ). OK.
  • Ti titanium
  • Cr chromium
  • TiO 2 titanium oxide
  • SiO 2 silicon oxide
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • the first intermediate layer 5 may be crystalline.
  • the crystal plane of first intermediate layer 5 may be oriented in the direction normal to the surface of single crystal substrate 1 .
  • Both the crystal plane of single crystal substrate 1 and the crystal plane of first intermediate layer 5 may be oriented in the normal direction of the surface of single crystal substrate 1 .
  • a method for forming the first intermediate layer 5 may be a sputtering method, a vacuum deposition method, a printing method, a spin coating method, or a sol-gel method.
  • the first intermediate layer 5 may comprise ZrO 2 and oxides of rare earth elements. Since the first intermediate layer 5 contains ZrO 2 and an oxide of a rare earth element, the first electrode layer 2 made of platinum crystals is easily formed on the surface of the first intermediate layer 5, and the platinum crystals (002) The plane is easily oriented in the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2 , and the (200) plane of the platinum crystal is easily oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer 2 .
  • Rare earth elements include scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium. (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and at least one selected from the group consisting of lutetium (Lu) good.
  • the first intermediate layer 5 may consist of yttria-stabilized zirconia (ZrO 2 doped with Y 2 O 3 ).
  • the first intermediate layer 5 is made of yttria-stabilized zirconia
  • the first electrode layer 2 made of platinum crystals is easily formed on the surface of the first intermediate layer 5, and the (002) plane of the platinum crystals It is easily oriented in the normal direction DN of the surface of the electrode layer 2 , and the (200) plane of the platinum crystal is easily oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer 2 .
  • the first intermediate layer 5 may comprise a first layer of ZrO2 and a second layer of Y2O3 .
  • the first layer may be laminated directly on the surface of the single crystal substrate 1, the second layer may be laminated directly on the surface of the first layer, and the first electrode layer 2 may be laminated directly on the surface of the second layer.
  • the first electrode layer 2 is made of, for example, Pt (platinum), Pd (palladium), Rh (rhodium), Au (gold), Ru (ruthenium), Ir (iridium), Mo (molybdenum), Ti (titanium), Ta (tantalum) and Ni (nickel).
  • the first electrode layer 2 is made of a conductive metal oxide such as strontium ruthenate (SrRuO 3 ), lanthanum nickelate (LaNiO 3 ), or lanthanum strontium cobaltate ((La,Sr)CoO 3 ). good too.
  • the first electrode layer 2 may be crystalline.
  • the crystal planes of first electrode layer 2 may be oriented in the direction normal to the surface of single crystal substrate 1 .
  • the crystal plane of the first electrode layer 2 may be substantially parallel to the surface of the single crystal substrate 1 . Both the crystal plane of the single crystal substrate 1 and the crystal plane of the first electrode layer 2 may be oriented in the direction normal to the surface of the single crystal substrate 1 . The crystal plane of the first electrode layer 2 may be substantially parallel to the crystal plane of the perovskite oxide oriented in the piezoelectric thin film 3 .
  • the thickness of the first electrode layer 2 may be, for example, 1 nm or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • a method for forming the first electrode layer 2 may be a sputtering method, a vacuum deposition method, a printing method, a spin coating method, or a sol-gel method. In the case of the printing method, spin coating method, or sol-gel method, heat treatment (annealing) of the first electrode layer 2 may be performed in order to increase the crystallinity of the first electrode layer 2 .
  • the first electrode layer 2 may contain platinum crystals.
  • the first electrode layer 2 may consist of platinum crystals only. Crystals of platinum are cubic crystals having a face-centered cubic lattice structure.
  • the (002) plane of the platinum crystal may be oriented in the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2, and the (200) plane of the platinum crystal is in-plane of the surface of the first electrode layer 2. It may be oriented in a direction. In other words, the (002) plane of the platinum crystal may be substantially parallel to the surface of the first electrode layer 2, and the (200) plane of the platinum crystal may be substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer 2. It's okay.
  • the piezoelectric thin film 3 easily grows epitaxially on the surface of the first electrode layer 2, Lattice stress due to lattice mismatch between the one electrode layer 2 and the piezoelectric thin film 3 tends to act on the piezoelectric thin film 3 .
  • the piezoelectric thin film 3 tends to contain a tetragonal perovskite oxide
  • the (001) plane of the tetragonal crystal tends to be preferentially oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3
  • the piezoelectric thin film element 10 has a high resonance frequency, It tends to have a large d33 ,f and a large figure of merit P.
  • a second intermediate layer 6 may be arranged between the first electrode layer 2 and the piezoelectric membrane 3 .
  • the second intermediate layer 6 may contain, for example, at least one selected from the group consisting of SrRuO 3 , LaNiO 3 and (La,Sr)CoO 3 .
  • SrRuO 3 LaNiO 3
  • La,Sr La,Sr
  • the second intermediate layer 6 may be crystalline.
  • lattice stress due to lattice mismatch between the second intermediate layer 6 and the piezoelectric thin film 3 tends to act on the piezoelectric thin film 3 .
  • the piezoelectric thin film 3 tends to contain a tetragonal perovskite oxide
  • the (001) plane of the tetragonal crystal tends to be preferentially oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3
  • the piezoelectric thin film element 10 has a high resonance frequency, It tends to have a large d33 ,f and a large figure of merit P.
  • the crystal planes of the second intermediate layer 6 may be oriented in the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2 .
  • Both the crystal plane of the single crystal substrate 1 and the crystal plane of the second intermediate layer 6 may be oriented in the normal direction DN of the surface of the first electrode layer 2 .
  • the method of forming the second intermediate layer 6 may be a sputtering method, a vacuum deposition method, a printing method, a spin coating method, or a sol-gel method.
  • the second electrode layer 4 may be made of, for example, at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta, and Ni.
  • the second electrode layer 4 may be made of, for example, at least one type of conductive metal oxide selected from the group consisting of LaNiO 3 , SrRuO 3 and (La,Sr)CoO 3 .
  • the second electrode layer 4 may be crystalline.
  • the crystal planes of the second electrode layer 4 may be oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the crystal plane of the second electrode layer 4 may be substantially parallel to the surface of the piezoelectric thin film 3 .
  • the crystal plane of the second electrode layer 4 may be substantially parallel to the (001) plane oriented in the piezoelectric thin film 3 .
  • the thickness of the second electrode layer 4 may be, for example, 1 nm or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • a method for forming the second electrode layer 4 may be a sputtering method, a vacuum deposition method, a printing method, a spin coating method, or a sol-gel method. In the case of the printing method, spin coating method, or sol-gel method, heat treatment (annealing) of the second electrode layer 4 may be performed in order to increase the crystallinity of the second electrode layer 4 .
  • a third intermediate layer may be arranged between the piezoelectric thin film 3 and the second electrode layer 4 .
  • the second electrode layer 4 is easily adhered to the piezoelectric thin film 3 by interposing the third intermediate layer. Due to the lattice mismatch between the crystalline third intermediate layer and the piezoelectric thin film 3 , the lattice stress described above is likely to act on the piezoelectric thin film 3 .
  • the piezoelectric thin film 3 tends to contain a tetragonal perovskite oxide
  • the (001) plane of the tetragonal crystal tends to be preferentially oriented in the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3
  • the piezoelectric thin film element 10 has a high resonance frequency, It tends to have a large d33 ,f and a large figure of merit P.
  • the composition, crystal structure and formation method of the third intermediate layer may be the same as those of the second intermediate layer 6 .
  • At least part or the entire surface of the piezoelectric thin film element 10 may be covered with a protective film.
  • a protective film for example, the moisture resistance of the piezoelectric thin film element 10 is improved.
  • piezoelectric thin film elements may be used in piezoelectric transducers and piezoelectric sensors. That is, the piezoelectric transducer (for example, ultrasonic transducer) according to the present embodiment may include the piezoelectric thin film element described above.
  • the piezoelectric transducer may be, for example, an ultrasonic transducer, such as an ultrasonic sensor.
  • the piezoelectric thin film element may be, for example, a harvester (vibration power generating element).
  • the figure of merit P is 10% or more and 80.1% or less, the resonance frequency of thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film is relatively high, and the dielectric Loss is suppressed.
  • the resonance frequency of thickness longitudinal vibration of the piezoelectric thin film is 0.10 GHz or more and 2 GHz or less. Therefore, the piezoelectric thin film element according to this embodiment is suitable for an ultrasonic transducer.
  • the piezoelectric thin film element may be a piezoelectric actuator. Piezoelectric actuators may be used in head assemblies, head stack assemblies, or hard disk drives. Piezoelectric actuators may be used in printer heads or in inkjet printer devices.
  • the piezoelectric actuator may be a piezoelectric switch. Piezoelectric actuators may be used for haptics. In other words, piezoelectric actuators may be used in various devices that require cutaneous (tactile) feedback.
  • the device for which tactile feedback is desired may be, for example, a wearable device, a touchpad, a display, or a game controller.
  • the piezoelectric thin film element may be a piezoelectric sensor.
  • the piezoelectric sensor may be a piezoelectric microphone, a gyro sensor, a pressure sensor, a pulse wave sensor, a blood glucose sensor or a shock sensor.
  • the piezoelectric thin film element may be a BAW filter, an oscillator, or an acoustic multilayer film.
  • a micro-electro-mechanical system includes the piezoelectric thin film element described above. That is, the piezoelectric thin film element may be a part or the whole of the microelectromechanical system.
  • the piezoelectric thin film element may be part or all of a Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer (PMUT).
  • PMUT Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer
  • products that apply piezoelectric micromechanical ultrasonic transducers include biometric sensors (fingerprint authentication sensors, blood vessel authentication sensors, etc.), medical/healthcare sensors (blood pressure monitors, blood vessel imaging sensors, etc.), or ToF (Time of Flight ) sensor.
  • the resonance frequency is about 0.1 GHz, attenuation in the piezoelectric thin film element (eg, blood sugar level sensor) is likely to be suppressed.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section of an ultrasonic transducer 10a, which is an example of a piezoelectric thin film element.
  • the cross section of this ultrasonic transducer 10 a is substantially parallel to the thickness direction dn of the piezoelectric thin film 3 .
  • the ultrasonic transducer 10a includes substrates 1a and 1b, a first electrode layer 2 placed on the substrates 1a and 1b, a piezoelectric thin film 3 overlapping the first electrode layer 2, and a second electrode layer overlapping the piezoelectric thin film 3. 4 and . Below the piezoelectric membrane 3, an acoustic cavity 1c may be provided below the piezoelectric membrane 3, an acoustic cavity 1c may be provided. Ultrasonic signals are transmitted or received by bending or vibrating the piezoelectric thin film 3 .
  • a first intermediate layer may be interposed between the substrates 1 a and 1 b and the first electrode layer 2 .
  • a second intermediate layer may be interposed between the first electrode layer 2 and the piezoelectric thin film 3 .
  • a second intermediate layer may be interposed between the piezoelectric thin film 3 and the second electrode layer 4 .
  • Example 1 A single crystal substrate (Si wafer) made of Si was used to fabricate the piezoelectric thin film element of Example 1. As shown in FIG. The (100) plane of Si was parallel to the surface of the single crystal substrate. The diameter ⁇ of the single crystal substrate was 3 inches. The thickness of the single crystal substrate was 400 ⁇ m.
  • a crystalline first intermediate layer consisting of ZrO 2 and Y 2 O 3 was formed over the entire surface of the single crystal substrate.
  • the first intermediate layer was formed by a sputtering method.
  • the thickness of the first intermediate layer was 30 nm.
  • a first electrode layer made of Pt crystals was formed over the entire surface of the first intermediate layer.
  • the first electrode layer was formed by a sputtering method.
  • the thickness of the first electrode layer was 200 nm.
  • the temperature of the single crystal substrate (film formation temperature) during the formation process of the first electrode layer was maintained at 500°C.
  • a plurality of rectangular laminates composed of the single crystal substrate, the first intermediate layer and the first electrode layer were produced by cutting (dicing) the laminate produced by the above method. That is, a plurality of laminates were produced as samples for analysis and measurement to be described later.
  • the dimension of each laminate in the direction perpendicular to the lamination direction of each laminate was adjusted to 10 mm ⁇ 10 mm. That is, the dimension of the piezoelectric thin film in the direction perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric thin film was adjusted to 10 mm ⁇ 10 mm.
  • the X-ray diffraction (XRD) pattern of the first electrode layer was measured by out-of-plane measurement on the surface of the first electrode layer.
  • the XRD pattern of the first electrode layer was measured by In Plane measurement on the surface of the first electrode layer.
  • An X-ray diffractometer (SmartLab) manufactured by Rigaku Corporation was used to measure these XRD patterns. Measurement conditions were set so that each peak intensity in the XRD pattern was at least three orders of magnitude higher than the background intensity.
  • a diffraction X-ray peak of the (002) plane of the Pt crystal was detected by out-of-plane measurement. That is, the (002) plane of the Pt crystal was oriented in the direction normal to the surface of the first electrode layer.
  • the in-plane measurement detected the diffraction X-ray peak of the (200) plane of the Pt crystal. That is, the (200) plane of the Pt crystal was oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer.
  • a second intermediate layer of crystalline LaNiO 3 was formed over the entire surface of the first electrode layer in a vacuum chamber.
  • the second intermediate layer was formed by a sputtering method.
  • the thickness of the second intermediate layer was 50 nm.
  • a piezoelectric thin film was formed over the entire surface of the second intermediate layer in the vacuum chamber.
  • the piezoelectric thin film was formed by the PLD method.
  • the thickness T of the piezoelectric thin film of Example 1 was adjusted to the values shown in Table 1 below.
  • the temperature of the single crystal substrate (film formation temperature) during the formation of the piezoelectric thin film was maintained at 500.degree.
  • the oxygen partial pressure in the vacuum chamber was maintained at 10 Pa during the formation process of the piezoelectric thin film.
  • a target (a sintered body of raw material powder) was used as a raw material for the piezoelectric thin film.
  • the compounding ratio of the raw material powders (bismuth oxide, potassium carbonate, titanium oxide, magnesium oxide, and iron oxide) was adjusted according to the composition of the intended piezoelectric thin film.
  • the composition of the target piezoelectric thin film of Example 1 is represented by the chemical formula in Table 1 below.
  • “BKT” in Table 1 below means (Bi 0.5 K 0.5 )TiO 3 .
  • BMT in Table 1 below means Bi( Mg0.5Ti0.5 ) O3 .
  • BFO in Table 1 below means BiFeO3 .
  • the single crystal substrate, the first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, the first electrode layer overlapping the first intermediate layer, the second intermediate layer overlapping the first electrode layer, and the second intermediate layer A stack including overlapping piezoelectric thin films was fabricated.
  • composition of the piezoelectric thin film was analyzed by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF method).
  • XRF method X-ray fluorescence spectroscopy
  • An apparatus PW2404 manufactured by Philips Japan Co., Ltd. was used for the analysis.
  • the composition of the piezoelectric thin film of Example 1 identified by analysis agreed with the chemical formula in Table 1 below.
  • the XRD pattern of the piezoelectric thin film was measured by out-of-plane measurement on the surface of the piezoelectric thin film.
  • the XRD pattern of the piezoelectric thin film was measured by In Plane measurement on the surface of the piezoelectric thin film.
  • the XRD pattern measurement apparatus and measurement conditions were the same as described above.
  • the XRD pattern of the piezoelectric thin film indicated that the piezoelectric thin film was composed of perovskite-type oxide.
  • a diffraction X-ray peak of the (001) plane of the perovskite oxide was detected by out-of-plane measurement.
  • the (001) plane of the perovskite-type oxide was oriented in the thickness direction of the piezoelectric thin film (normal direction to the surface of the piezoelectric thin film).
  • the lattice constant c of the perovskite-type oxide in the thickness direction of the piezoelectric thin film was obtained by the out-of-plane measurement.
  • the lattice constant c can be rephrased as the distance between crystal planes in the thickness direction of the piezoelectric thin film. In-plane measurements gave the lattice constant a of the perovskite oxide in the direction parallel to the surface of the piezoelectric thin film.
  • the lattice constant a can be rephrased as the spacing of crystal planes perpendicular to the surface of the piezoelectric thin film. a was smaller than c. That is, the perovskite oxide contained in the piezoelectric thin film was tetragonal.
  • the c/a of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • the Young's modulus Y of the piezoelectric thin film was measured by the nanoindentation method.
  • the above laminate was used as a sample for measurement.
  • Measurement of Young's modulus by the nanoindentation method is based on international standard ISO14577.
  • Hysitron Inc. device name: TI 950 TriboIndenter
  • the Young's modulus Y of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • the piezoelectric strain constant d33,f of the piezoelectric thin film was determined based on the following method.
  • a sample for measurement of d 33,f was made from the above laminate.
  • a plurality of dot-like electrodes arranged in a grid pattern were formed on the surface of the piezoelectric thin film.
  • Each dot-like electrode was made of silver.
  • the diameter ⁇ of each dot-shaped electrode was 100 ⁇ m.
  • the interval between the dot-shaped electrodes was 300 ⁇ m.
  • the electric field was applied between each dot-shaped electrode and the first electrode layer, and the amount of displacement of each of the piezoelectric thin film and the single crystal substrate in the thickness direction of the piezoelectric thin film due to the application of the electric field was measured.
  • the electric field strength was 10 V/ ⁇ m.
  • the amount of displacement of each of the piezoelectric thin film and the single crystal substrate was measured with a double-beam laser Doppler vibrometer.
  • the stack including the piezoelectric thin film and single crystal substrate was placed between the first laser beam and the second laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam were located on the same straight line, and the traveling directions of the first laser beam and the second laser beam faced each other.
  • the traveling directions of the first laser beam and the second laser beam were parallel to the thickness direction of the piezoelectric thin film.
  • the first laser beam was applied to the surface of the piezoelectric thin film
  • the second laser beam was applied to the surface of the single crystal substrate (that is, the back surface of the laminate).
  • Capacitance C and dielectric loss (tan ⁇ ) were measured using samples similar to those used to measure d 33,f . Details of the capacitance C and tan ⁇ measurements were as follows. Measuring device: Agilent Technologies, Inc. LCR meter (E4980A) made by Frequency: 10kHz Electric field: 1 V/ ⁇ m Based on the following formula A, the relative dielectric constant ⁇ r was calculated from the measured value of the capacitance C. ⁇ 0 in Equation A is the permittivity of vacuum (8.854 ⁇ 10 ⁇ 12 Fm ⁇ 1 ).
  • S in Equation A is the area of the surface of the piezoelectric thin film.
  • S can be rephrased as the total area of the dot-shaped electrodes (silver electrodes) overlapping the surface of the piezoelectric thin film.
  • T in Equation A is the thickness of the piezoelectric thin film.
  • C ⁇ 0 ⁇ ⁇ r ⁇ (S/T) (A)
  • the relative dielectric constant ⁇ r determined by the above method was considered to be ⁇ 33 .
  • ⁇ 33 and tan ⁇ of Example 1 are shown in Table 1 below.
  • the following steps are further carried out using the above laminated body (laminated body without silver dot-like electrodes) composed of the single crystal substrate, first intermediate layer, first electrode layer, second intermediate layer and piezoelectric thin film. rice field.
  • a third intermediate layer of crystalline LaNiO 3 was formed over the entire surface of the piezoelectric thin film.
  • the third intermediate layer was formed by a sputtering method.
  • the thickness of the third intermediate layer was 50 nm.
  • a second electrode layer made of Pt was formed on the entire surface of the third intermediate layer in the vacuum chamber.
  • the second electrode layer was formed by a sputtering method.
  • the temperature of the single crystal substrate was maintained at 500° C. during the formation of the second electrode layer.
  • the thickness of the second electrode layer was 200 nm.
  • the single crystal substrate, the first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, the first electrode layer overlapping the first intermediate layer, the second intermediate layer overlapping the first electrode layer, and the second intermediate layer A laminate was fabricated including an overlying piezoelectric thin film, a third intermediate layer overlying the piezoelectric thin film, and a second electrode layer overlying the third intermediate layer.
  • Subsequent photolithography was used to pattern the layered structure on the single crystal substrate. After patterning, the laminate was cut by dicing.
  • the piezoelectric thin film element includes a single crystal substrate, a first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, a first electrode layer overlapping the first intermediate layer, a second intermediate layer overlapping the first electrode layer, and a second intermediate layer It included an overlying piezoelectric thin film, a third intermediate layer overlying the piezoelectric thin film, and a second electrode layer overlying the third intermediate layer.
  • ⁇ Measurement of piezoelectric stress constant-e 31, f In order to measure the piezoelectric stress constant ⁇ e 31,f of the piezoelectric thin film, a rectangular sample (cantilever) was fabricated as the piezoelectric thin film element. The sample dimensions were 2 mm wide by 10 mm long. The dimensions of each electrode layer were 1.6 mm wide by 6 mm long. Except for these dimensions, the sample was the same as the piezoelectric thin film element of Example 1 above. A self-made rating system was used for the measurements. One end of the sample was fixed and the other end of the sample was free. While applying a voltage to the piezoelectric thin film in the sample, the amount of displacement of the free end of the sample was measured with a laser.
  • the piezoelectric constant ⁇ e 31,f was calculated from the following formula B.
  • E s in Equation B is the Young's modulus of the single crystal substrate.
  • hs is the thickness of the single crystal substrate.
  • L is the length of the sample (cantilever).
  • ⁇ s is the Poisson's ratio of the single crystal substrate.
  • ⁇ out is the output displacement based on the measured displacement.
  • V in is the voltage applied to the piezoelectric thin film.
  • the frequency of the alternating electric field (alternating voltage) in the measurement of the piezoelectric constant -e 31,f was 100 Hz.
  • the maximum voltage applied to the piezoelectric thin film was 50V.
  • the unit of ⁇ e 31,f is C/m 2 .
  • the -e 31,f of Example 1 is shown in Table 2 below.
  • the figure of merit P (that is, (d 33,f ) 2 ⁇ Y/ ⁇ ) of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • the ⁇ e 31,f /e 33 of Example 1 is shown in Table 2 below.
  • e 33 was calculated by the product of the measurements of d 33,f and Y respectively (d 33,f ⁇ Y).
  • An SOI substrate, a first intermediate layer, a first electrode layer, a second intermediate layer, a piezoelectric thin film, a third intermediate layer and a third A stack consisting of two electrode layers was fabricated.
  • An SOI substrate is composed of a supporting substrate made of Si, a BOX layer (insulating layer made of SiO2 ) laminated on the supporting substrate, and a silicon layer (a layer made of single crystal Si) laminated on the BOX layer. was configured.
  • a first intermediate layer, a first electrode layer, a second intermediate layer, a piezoelectric thin film, a third intermediate layer and a second electrode layer were sequentially laminated on the silicon layer of the SOI substrate.
  • Example 1 After manufacturing the laminate, the silicon layer was partially exposed by etching the support base material and the BOX layer that constitute the SOI substrate.
  • a sample (piezoelectric thin film element) of Example 1 having a membrane structure was produced by the above method. The dimensions of the sample (area of piezoelectric thin film) were adjusted to 20 mm ⁇ 20 mm. The resonance frequency f r of this sample was measured. The resonance frequency f r is the frequency when the impedance of the resonance circuit using the sample is minimum. The details of the measurement of the resonance frequency f r were as follows. The resonance frequency fr of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • Measuring device Network analyzer (N5244A) manufactured by Agilent Technologies Probe: GS500 ⁇ m (ACP40-W-GS-500 manufactured by Cascade Microtech) Power: -10dBm Measurement pitch: 0.25MHz Electrode area: 200 ⁇ 200 ⁇ m 2 S11 measurement (reflection measurement)
  • Example 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 Using targets having compositions shown in Table 1 below, piezoelectric thin films of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were formed. “PZT” in Table 1 below means Pb(Zr 0.5 Ti 0.5 )O 3 . The thicknesses T of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were adjusted to the values shown in Table 1 below. Piezoelectric thin film elements of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were produced in the same manner as in Example 1 except for the above matters.
  • Example 2 By the same method as in Example 1, XRD patterns of the first electrode layers of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were measured.
  • the (002) plane of the Pt crystals constituting the first electrode layer was oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer
  • the (200) plane of the Pt crystal was oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer.
  • Example 2 the compositions of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were analyzed.
  • the composition of the piezoelectric thin film agreed with the chemical formula in Table 1 below.
  • the XRD patterns of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5 were measured.
  • the perovskite oxide contained in the piezoelectric thin film was tetragonal.
  • the (001) plane of the tetragonal crystal was oriented in the thickness direction of the piezoelectric thin film.
  • Example 2 By the same method as in Example 1, c/a of Examples 2 to 9 and Comparative Examples 1 to 5, piezoelectric strain constant d 33,f , Young's modulus Y, relative permittivity ⁇ 33 , dielectric loss (tan ⁇ ) , the resonant frequency f r , and the figure of merit P were measured or calculated.
  • the c/a, d 33,f , Y, ⁇ 33 , tan ⁇ , f r , and figure of merit P of Examples 2-9 and Comparative Examples 1-5 are shown in Table 1 below.
  • -e 31,f and -e 31,f /e 33 of Example 2 and Comparative Example 1 were measured or calculated.
  • -e 31,f and -e 31,f /e 33 for Example 2 and Comparative Example 1, respectively, are shown in Table 2 below.
  • the piezoelectric thin film element according to one aspect of the present invention may be applied to, for example, piezoelectric transducers, piezoelectric actuators, and piezoelectric sensors.

Abstract

圧電薄膜素子は、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、を含む。圧電薄膜の性能指数Ｐは、（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／εと定義される。ｄ３３，ｆは、圧電薄膜の厚み縦振動の圧電歪定数である。Ｙは、圧電薄膜のヤング率である。εは、圧電薄膜の誘電率である。性能指数Ｐは、１０％以上８０．１％以下である。

Description

圧電薄膜素子、微小電気機械システム、及び超音波トランスデューサ
　本開示は、圧電薄膜素子、微小電気機械システム、及び超音波トランスデューサに関する。
　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、ペロブスカイト構造を有するチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）又はジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）が圧電薄膜素子に多用されてきた。例えば、下記非特許文献１は、チタン酸鉛からなるエピタキシャル薄膜を用いたトランスデューサを開示している。下記非特許文献１は、チタン酸鉛からなるエピタキシャル薄膜の厚み縦振動モードにおいて発生するＧＨｚ帯の超音波が指紋のイメージングに利用されることも開示している。しかし、チタン酸鉛及びジルコン酸チタン酸鉛は人体や環境を害する鉛を含むため、無鉛（Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ）の圧電体の開発が期待されている。例えば、下記特許文献１は、圧電薄膜を構成する圧電体として、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、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を開示している。
特開２０２０－１１３６４９号公報
佐藤等、PbTiO3エピタキシャル薄膜の基板裏面における反射率測定を用いたＧＨｚ帯指紋イメージング（Epitaxial PbTiO3 ultrasonic transducer for fingerprint imaging in the giga-hertz range using the reflectometry of back side of substrate）、第６８回応用物理学会　春季学術講演会　講演予稿集、２０２１年２月２６日発行、０１－０７３頁
　高精度のセンシング及び高い通信速度への需要の増加に応じて、センサ及び通信機器等に用いられる圧電薄膜素子には、高周波数帯（例えば、ＧＨｚ帯）の共振周波数が求められる。圧電薄膜の厚みの減少に伴って、共振周波数は増加する。しかし、ジルコン酸チタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛等の従来の圧電体を用いた圧電薄膜素子の場合、圧電薄膜の厚みの減少に伴って、圧電薄膜の圧電特性（強誘電性）が劣化し易く、圧電薄膜素子の誘電損失（ｔａｎδ）が増加し易い。例えば、圧電薄膜の厚みの減少に伴う圧電薄膜の圧電特性（強誘電性）の劣化は、電極層及び圧電薄膜の界面におけるデッドレイヤー（ｄｅａｄ　ｌａｙｅｒ）、及びサイズ効果等に起因する。上記の理由から、従来の圧電体を用いた圧電薄膜素子を高周波数帯（例えば、ＧＨｚ帯）で用いることは困難である。
　本発明の一側面の目的は、高い共振周波数を有し、且つ誘電損失を抑制する圧電薄膜素子、圧電薄膜素子を含む微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）、及び圧電薄膜素子を含む超音波トランスデューサ（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を提供することである。
　例えば、本発明は以下の［１］～［１０］に関する。
［１］　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、
を含み、
　圧電薄膜の性能指数Ｐは、（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／εと定義され、
　ｄ３３，ｆは、圧電薄膜の厚み縦振動の圧電歪定数であり、
　Ｙは、圧電薄膜のヤング率であり、
　εは、圧電薄膜の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）であり、
　性能指数Ｐは、１０％以上８０．１％以下である、
圧電薄膜素子。
［２］　圧電薄膜の－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、０より大きく０．８０以下である、
［１］に記載の圧電薄膜素子。
［３］　少なくとも一つの中間層を更に含み、
　中間層は、第一電極層と圧電薄膜との間に配置されており、
　中間層は、ＳｒＲｕＯ３及びＬａＮｉＯ３のうち少なくともいずれかを含む、
［１］又は［２］に圧電薄膜素子。
［４］　圧電薄膜は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含み、
　金属酸化物は、ビスマス、カリウム、チタン、鉄及び元素Ｍを含み、
　元素Ｍは、マグネシウム及びニッケルのうち少なくとも一つの元素である、
［１］～［３］のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
［５］　圧電薄膜は、金属酸化物の正方晶を含み、
　正方晶の（００１）面は、圧電薄膜の厚み方向において配向している、
［４］に記載の圧電薄膜素子。
［６］　正方晶の（００１）面の間隔は、ｃであり、
　正方晶の（１００）面の間隔は、ａであり、
　ｃ／ａは、１．０５以上１．２０以下である、
［５］に記載の圧電薄膜素子。
［７］　圧電薄膜の厚みは、０．３μｍ以上１０μｍ以下である、
［１］～［６］のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
［８］　圧電薄膜の厚み縦振動の共振周波数は、０．１０ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下である、
［１］～［７］のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
［９］　［１］～［８］のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を含む、
微小電気機械システム。
［１０］　［１］～［８］のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を含む、
超音波トランスデューサ。
　本発明の一側面によれば、高い共振周波数を有し、誘電損失を抑制する圧電薄膜素子、圧電薄膜素子を含む微小電気機械システム、及び圧電薄膜素子を含む超音波トランスデューサが提供される。
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的な断面図であり、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）では基板、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を有する金属酸化物（正方晶）の単位胞の斜視図であり、ペロブスカイト構造における各元素の配置を示す。 図３は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物（正方晶）の単位胞の斜視図であり、正方晶の結晶面及び結晶方位を示す。 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、本発明の他の一実施形態に係る圧電薄膜素子（超音波トランスデューサ）の模式的な断面図である。
　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）、図１中の（ｂ）及び図６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。Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸は、図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）及び図６に共通するが、図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）及び図６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。
（圧電薄膜素子）
　本実施形態に係る圧電薄膜素子は、第一電極層と、第一電極層に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に直接又は間接的に重なる第二電極層と、を含む。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、を含んでよい。圧電薄膜素子１０は、少なくとも一つの中間層を更に含んでよい。例えば、圧電薄膜素子１０は第一中間層５を含んでよい。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は第二中間層６を含んでよい。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の厚み方向ｄｎは、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮと略平行である。つまり圧電薄膜３の表面は、第一電極層２の表面に略平行である。圧電薄膜３の厚み方向ｄｎは、圧電薄膜３の分極方向である。圧電薄膜３の厚み方向ｄｎは、圧電薄膜３の表面の法線方向と言い換えられてよい。
　圧電薄膜素子１０の変形例は、単結晶基板１を含まなくてよい。例えば、第一電極層２、圧電薄膜３及び第二電極層４の形成後、単結晶基板１が除去されてよい。単結晶基板１が電極として機能する場合、単結晶基板１が第一電極層２であってよい。つまり、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、単結晶基板１と、単結晶基板１に重なる圧電薄膜３と、を含んでよい。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の厚み縦振動の共振周波数は、０．１０ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下、０．１７ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下、０．３ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下、又は０．１７ＧＨｚ以上１．１７ＧＨｚ以下であってよい。圧電薄膜３の性能指数Ｐは、（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／εと定義される。性能指数Ｐは、電気機械結合係数の二乗であるｋｔ２と類似する技術的意義を有する。ｄ３３，ｆは、圧電薄膜３の厚み縦振動の圧電歪定数である。Ｙは、圧電薄膜３のヤング率である。εは、圧電薄膜３の誘電率である。性能指数Ｐは、１０％以上８０．１％以下である。つまり、１００×（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／εは、１０以上８０以下である。性能指数Ｐは、無次元の数値である。圧電歪定数ｄ３３，ｆの単位は、［ｐｍ／Ｖ］又は［ｐＣ／Ｎ］である。ヤング率Ｙの単位は、［ＧＰａ］又は［Ｎ／ｍ２］である。誘電率εの単位は、［Ｆ・ｍ－１］、［Ｃ／Ｖ・ｍ］又は［Ｃ２／Ｎ・ｍ２］である。εは、ε０×ε３３に等しい。ε０は、真空の誘電率である。ε３３は、圧電薄膜３の比誘電率（εｒ）である。圧電薄膜３の厚み縦振動の共振周波数は、０．０３ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下であってもよい。
　例えば、圧電歪定数ｄ３３，ｆは、４０ｐｍ／Ｖ以上１２０ｐｍ／Ｖ以下、４０ｐｍ／Ｖ以上９１ｐｍ／Ｖ以下、４７ｐｍ／Ｖ以上９１ｐｍ／Ｖ以下、又は４７ｐｍ／Ｖ以上９０ｐｍ／Ｖ以下であってよい。例えば、ヤング率Ｙは、５０ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下、７０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、又は７６Ｇａ以上９４ＧＰａ以下であってよい。例えば、比誘電率ε３３は、５０以上２００以下、又は８７以上１５５以下であってよい。ｄ３３，ｆ、Ｙ及びε３３其々が上記の範囲内である場合、性能指数Ｐは、１０％以上８０．１％以下であり易い。性能指数Ｐは、１５．１％以上８０．１％以下であってもよい。
　圧電薄膜素子１０が圧電薄膜３の厚み縦振動（バルク弾性波）を利用することにより、圧電薄膜素子１０は高い共振数数（サブＧＨｚ帯の共振周波数、又はＧＨｚ帯の共振周波数）で作動することができる。したがって、圧電薄膜素子１０を高精度のセンサ（例えば、指紋センサ及び血管センサ等の超音波トランスデューサ）、又は高速通信機器等に応用することができる。対照的に、圧電薄膜の長さ横振動（面内振動）を利用する従来の圧電薄膜素子の共振周波数は比較的低く、ＭＨｚ帯である。
　性能指数Ｐが１０％以上８０．１％以下である場合、圧電薄膜３の厚みの減少に伴う圧電薄膜素子１０の誘電損失（ｔａｎδ）の増加が抑制される。つまり、圧電薄膜３が非常に薄い場合であっても、高周波数帯（例えば、０．１０ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下である周波数帯）での誘電損失が十分を抑制することができる。その結果、圧電薄膜３の厚みを非常に薄い値に設定し、圧電薄膜３の厚み縦振動の共振周波数を高周波数帯内に設定することができる。例えば、圧電薄膜３の厚みは、０．３μｍ以上５μｍ以下、０．３μｍ以上３μｍ以下、０．５μｍ以上５μｍ以下、又は０．５μｍ以上３μｍ以下であってよい。本実施形態によれば、圧電薄膜３の厚みが５μｍ以下又は３μｍ以下であっても、圧電薄膜３の十分な圧電特性（強誘電性）が維持され、高周波数帯での誘電損失が抑制され、圧電薄膜３の厚み縦振動の共振周波数を高周波数帯内に設定することができる。性能指数Ｐが１０％未満である場合、高周波数帯での誘電損失が抑制され難い。例えば、圧電薄膜素子１０の誘電損失（ｔａｎδ）は、０．０％以上０．９％以下、又は０．３％以上０．９％以下であってよい。
　圧電薄膜３の－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、０より大きく０．８０以下、０．７０以上０．８０以下、又は０より大きく０．７０以下であってもよい。－ｅ３１，ｆは、圧電薄膜３の長さ横振動（面内振動）の圧電応力定数である。－ｅ３１，ｆの単位は［Ｃ／ｍ２]である。長さ横振動は、圧電薄膜３の分極方向（厚み方向ｄｎ）に直交する方向における圧電薄膜３の振動（伸縮）である。換言すれば、長さ横振動は、第一電極層２及び第二電極層４其々の表面に略平行な方向における圧電薄膜３の振動（伸縮）である。ｅ３３は、圧電薄膜３の厚み縦振動の圧電応力定数である。ｅ３３の単位は［Ｃ／ｍ２]である。厚み縦振動は、圧電薄膜３の分極方向（厚み方向ｄｎ）における圧電薄膜の振動（伸縮）である。換言すれば、厚み縦振動は、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおける圧電薄膜３の振動（伸縮）である。ｅ３３は、ｄ３３，ｆ及びＹ其々の測定値から算出されてよい。
　－ｅ３１，ｆ／ｅ３３が小さいほど、圧電薄膜３の長さ横振動（面内振動）は抑制され、圧電薄膜３の厚み縦振動が起き易い。０．８０以下である－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、圧電薄膜３の長さ横振動（面内振動）が圧電薄膜３の厚み縦振動に比べて十分に抑制されることを意味する。つまり、－ｅ３１，ｆ／ｅ３３が０．８０以下である場合、高周波数帯におけるノイズの要因である面内振動が抑制され易い。性能指数Ｐが１０％以上８０．１％以下である場合、－ｅ３１，ｆ／ｅ３３が０より大きく０．８０以下である傾向がある。
　圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な格子応力が圧電薄膜３に作用してよい。格子応力は、第一電極層２及び圧電薄膜３の間の格子不整合に起因してよい。例えば、第一電極層２の面内方向（第一電極層２の表面に略平行な方向）における第一電極層２の格子定数が、同方向（圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な方向）における圧電薄膜３の格子定数よりも小さい場合、厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を圧縮する格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。圧電薄膜３の形成過程における圧電薄膜３の冷却に伴い、厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を収縮させる熱応力が圧電薄膜３に作用することもある。一方、第一電極層２の面内方向（第一電極層２の表面に略平行な方向）における第一電極層２の格子定数が、同方向（圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な方向）における圧電薄膜３の格子定数よりも大きい場合、厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を引っ張る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。
　格子応力は、第二中間層６及び圧電薄膜３の間の格子不整合に起因してもよい。例えば、第一電極層２の面内方向（第一電極層２の表面に略平行な方向）における第二中間層６の格子定数が、同方向（圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な方向）における圧電薄膜３の格子定数よりも小さい場合、厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を圧縮する格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。一方、第一電極層２の面内方向（第一電極層２の表面に略平行な方向）における第二中間層６の格子定数が、同方向（圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な方向）における圧電薄膜３の格子定数よりも大きい場合、厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を引っ張る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。
　格子応力は、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３の伸縮を抑制する。したがって格子応力は、圧電薄膜３の長さ横振動（面内振動）を抑制する。
　一方、圧電薄膜３の厚み縦振動は格子応力によって抑制され難い。厚み方向ｄｎに略垂直な方向において圧電薄膜３を圧縮する格子応力が圧電薄膜３に作用する場合、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて圧電薄膜３が伸張し易い。換言すれば、格子応力に因り、圧電薄膜３の結晶構造（ペロブスカイト構造）が正方晶になり易く、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて配向し易い。したがって、圧電薄膜３の厚みの減少に伴う圧電薄膜３の圧電特性（強誘電性）の劣化が格子応力によって抑制され易く、誘電損失が抑制され易い。換言すれば、格子応力に因り、圧電薄膜３の厚み縦振動の弾性エネルギーが圧電薄膜３中に蓄積され易く、性能指数Ｐ（電気機械結合係数の２乗であるｋｔ２に関係する値）が増加し易い。これらの理由により、圧電薄膜３の厚み縦振動の共振周波数を高周波数帯内に設定し易い。
　圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含んでよい。例えば、金属酸化物は、ビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）及びカリウム（Ｇａ）からなる群より選ばれる少なくとも二種の元素を含んでよい。金属酸化物が正方晶になり易く、圧電薄膜３が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易いことから、金属酸化物は、はＢｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｆｅ及び元素Ｍを含んでよい。元素Ｍは、Ｍｇ及びＮｉのうち少なくとも一つの元素であってよい。金属酸化物は、圧電薄膜３の主成分である。圧電薄膜３中の金属酸化物を構成する全元素の割合は、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。圧電薄膜３の圧電特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、ペロブスカイト構造を有する上記金属酸化物が、「ペロブスカイト型酸化物」と表記される。圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の単結晶からなっていてよい。圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の多結晶からなっていてもよい。ペロブスカイト型酸化物の単位胞は、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に示される単位胞ｕｃと同じである。ただし、図３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、ペロブスカイト型酸化物の（１００）面の間隔に相当する格子定数である。ｂは、ペロブスカイト型酸化物の（０１０）面の間隔に相当する格子定数である。ｃは、ペロブスカイト型酸化物の（００１）面の間隔に相当する格子定数である。
　圧電薄膜３は、常温、又はペロブスカイト型酸化物のキュリー温度以下である温度において、ペロブスカイト型酸化物の正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ　ｃｒｙｓｔａｌ）を含んでよい。上述の通り、格子応力が圧電薄膜３に作用し易いため、圧電薄膜３が厚み方向ｄｎに略垂直な方向において収縮し易い。その結果、圧電薄膜３の格子定数ａ及びｂ其々が、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおける格子定数ｃよりも小さくなり易く、ペロブスカイト型酸化物が正方晶になり易い。その結果、圧電薄膜３が優れた圧電特性（強誘電性）を有し易く、圧電薄膜３が、高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。圧電薄膜３に含まれるペロブスカイト型酸化物の全てが正方晶であってよい。圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶に加えて、ペロブスカイト型酸化物の立方晶（ｃｕｂｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ）及びペロブスカイト型酸化物の菱面体晶（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ　ｃｒｙｓｔａｌ）の一方又は両方を更に含んでもよい。
　正方晶の（００１）面は、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて配向していてよい。上述された組成を有するペロブスカイト型酸化物が分極し易い方位は、［００１］である。したがって、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて配向していることにより、圧電薄膜３が優れた圧電特性（強誘電性）を有し易く、圧電薄膜３が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。同様の理由から、正方晶のｃ／ａは、１．０５以上１．２０以下、又は１．０５以上１．１４以下であってよい。例えば、正方晶の格子定数ａは、０．３７５Å以上０．３９５Å以下であってよい。例えば、正方晶の格子定数ｃは、０．４３０Å以上０．４５０Å以下であってよい。正方晶の格子定数ｂは、格子定数ａに等しい。
　ペロブスカイト型酸化物（正方晶）の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）法に基づく配向度によって定量化されてもよい。
　圧電薄膜３が大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易いことから、正方晶の（００１）面が優先的に圧電薄膜３の厚み方向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。例えば、（００１）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とは対照的に、立方晶構造又は擬立方晶（ｐｓｅｕｄｏ　ｃｕｂｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ）構造を有する圧電体のバルクを歪ませて圧電体のバルクを正方晶にすることは難しい。したがって、圧電体のバルクはペロブスカイト型酸化物の正方晶に起因する圧電特性を有し難い傾向がある。
　以下に記載の結晶配向性とは、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて配向していることを意味する。
　圧電薄膜３は上記の結晶配向性を有し易い。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、圧電薄膜３に比べて上記の結晶配向性を有し難い傾向がある。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、圧電体のバルクが圧電薄膜と同様の圧電特性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。金属酸化物が下記化学式１で表される場合、圧電薄膜３が金属酸化物の正方晶を含み易く、正方晶が上記の結晶配向性を有し易く、圧電薄膜３が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。
ｘ（ＢｉαＫ１－α）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（ＭβＴｉ１－β）Ｏ３‐ｚＢｉＦｅＯ３　（１）
（ＢｉαＫ１－α）ｘＢｉｙ＋ｚＴｉｘ（ＭβＴｉ１－β）ｙＦｅｚＯ３±δ　（１ａ）
　上記化学式１中のｘ、ｙ及びｚ其々は、正の実数（単位：モル）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。例えば、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、ＭｇγＮｉ１－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。
　以下では、（ＢｉαＫ１－α）ＴｉＯ３は、ＢＫＴと表記される。Ｂｉ（ＭβＴｉ１－β）Ｏ３は、ＢＭＴと表記される。ＢｉＦｅＯ３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。ただし、圧電薄膜３は正方晶系に属するので、圧電薄膜３の強誘電性は単にＭＰＢのみに起因するものではない、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ｄ３３，ｆ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擬立方晶であり、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＯのバルクは圧電薄膜３に比べて上記の結晶配向性及び強誘電性を有し難い傾向がある。
　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の圧電特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の圧電特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＋ｚ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の圧電特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、０．３μｍ以上１０μｍ以下、０．３μｍ以上５μｍ以下、０．５μｍ以上５μｍ以下、０．３μｍ以上３μｍ以下、又は０．５μｍ以上３μｍ以下であってよい。圧電薄膜３の厚みの減少に伴って、圧電薄膜３の共振周波数が増加する。圧電薄膜３の面積は、例えば、１μｍ２以上５００ｍｍ２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３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３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（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）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Ｋ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（ｃоｍｐａｃｔ）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時間以下であってよい。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及び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、レーザーパルスのショット数を変えることで、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。酸素分圧を上記範囲内に維持することにより、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、及び基板とターゲットとの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の圧電特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の圧電特性が向上し易い。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ＳｒＴｉＯ３）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ＳｒＴｉＯ３の単結晶であってよい。単結晶基板１の代わりに、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられてもよい。
　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。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酸化物の（００１）面が、圧電薄膜３の厚み方向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（ＴｉＯ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）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、ＺｒＯ２及び希土類元素の酸化物を含んでよい。第一中間層５が、ＺｒＯ２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ＤＮ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（Ｙ２Ｏ３が添加されたＺｒＯ２）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ＤＮ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、ＺｒＯ２からなる第一層と、Ｙ２Ｏ３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（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、又はコバルト酸ランタンストロンチウム（（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３）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の表面の法線方向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の表面の法線方向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ペロブスカイト型酸化物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は、白金の結晶を含んでよい。第一電極層２は、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ＤＮ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場合、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、第一電極層２及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。その結果、圧電薄膜３がペロブスカイト型酸化物の正方晶を含み易く、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて優先的に配向し易く、圧電薄膜素子１０が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。
　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、ＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３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がＳｒＲｕＯ３及びＬａＮｉＯ３のうち少なくともいずれかを含む場合、第二中間層６及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。その結果、圧電薄膜３がペロブスカイト型酸化物の正方晶を含み易く、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて優先的に配向し易く、圧電薄膜素子１０が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。第二中間層６の結晶面が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。単結晶基板１の結晶面と、第二中間層６の結晶面と、の両方が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮ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、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３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、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて配向していてよい。第二電極層４の結晶面は、圧電薄膜３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（００１）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。結晶質の第三中間層及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因り、上述された格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。その結果、圧電薄膜３がペロブスカイト型酸化物の正方晶を含み易く、正方晶の（００１）面が圧電薄膜３の厚み方向ｄｎにおいて優先的に配向し易く、圧電薄膜素子１０が高い共振周波数、大きいｄ３３，ｆ及び大きい性能指数Ｐを有し易い。第三中間層の組成、結晶構造及び形成方法は、第二中間層６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は、保護膜によって被覆されていてよい。圧電薄膜素子１０を保護膜で被覆することにより、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、多様である。例えば、圧電薄膜素子は、圧電トランスデューサ及び圧電センサに用いられてよい。つまり、本実施形態に係る圧電トランスデューサ（例えば、超音波トランスデューサ）は、上述された圧電薄膜素子を含んでよい。圧電トランスデューサは、例えば、超音波センサ等の超音波トランスデューサであってよい。圧電薄膜素子は、例えば、ハーベスタ（振動発電素子）であってもよい。上記の通り、本実施形態に係る圧電薄膜素子によれば、性能指数Ｐが１０％以上８０．１％以下であり、圧電薄膜の厚み縦振動の共振周波数が比較的高く、高い共振周波数における誘電損失が抑制される。例えば、圧電薄膜の厚み縦振動の共振周波数は、０．１０ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下である。したがって、本実施形態に係る圧電薄膜素子は、超音波トランスデューサに適している。圧電薄膜素子は、圧電アクチュエータであってもよい。圧電アクチュエータは、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、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。圧電アクチュエータは、圧電スイッチであってもよい。圧電アクチュエータは、ハプティクス（ｈａｐｔｉｃｓ）に用いられてもよい。つまり、圧電アクチュエータは、皮膚感覚（触覚）によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスとは、例えば、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。圧電薄膜素子は、圧電センサであってもよい。例えば、圧電センサは、圧電マイクロフォン、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、血糖値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、ＢＡＷフィルタ、発振子又は音響多層膜であってもよい。本実施形態に係る微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、上記の圧電薄膜素子を含む。つまり圧電薄膜素子は、微小電気機械システムの一部又は全体であってもよい。例えば、圧電薄膜素子は、圧電微小機械超音波トランスデューサ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ；　ＰＭＵＴ)の一部又は全体であってよい。例えば、圧電微小機械超音波トランスデューサを応用した製品は、生体認証センサ（指紋認証センサ、血管認証センサ等）、医療／ヘルスケア用センサ（血圧計、血管イメージングセンサ等）、又はＴｏＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）センサであってよい。共振周波数が０．１ＧＨｚ程度である場合、圧電薄膜素子（例えば、血糖値センサ）における減衰が抑制され易い。
　図６は、圧電薄膜素子の一例である超音波トランスデューサ１０ａの模式的な断面を示す。この超音波トランスデューサ１０ａの断面は、圧電薄膜３の厚み方向ｄｎに略平行である。超音波トランスデューサ１０ａは、基板１ａ及び１ｂと、基板１ａ及び１ｂの上に設置された第一電極層２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と、を含んでよい。圧電薄膜３の下方には、音響用の空洞１ｃが設けられていてよい。圧電薄膜３の撓み又は振動により、超音波信号が発信又は受信される。第一中間層が基板１ａ及び１ｂと第一電極層２の間に介在してよい。第二中間層が第一電極層２と圧電薄膜３の間に介在してよい。第二中間層が圧電薄膜３と第二電極層４の間に介在してよい。
　以下、本発明が実施例により更に詳細に説明されるが、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（Ｓｉウェハ）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。単結晶基板の直径φは３ｉｎｃｈであった。単結晶基板の厚みは、４００μｍであった。
　真空チャンバー内で、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３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。
　以上の方法で作製された積層体の切断加工（ダイシング）により、単結晶基板、第一中間層及び第一電極層からなる複数の矩形の積層体が作製された。つまり、後述される分析及び測定のためのサンプルとして、複数の積層体が作製された。各積層体の積層方向に垂直な方向における各積層体の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍに調整された。つまり、圧電薄膜の厚み方向に垂直な方向における圧電薄膜の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍに調整された。
　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、結晶質のＬａＮｉＯ３からなる第二中間層が第一電極層の表面全体に形成された。第二中間層は、スパッタリング法により形成された。第二中間層の厚みは、５０ｎｍであった。
　真空チャンバー内で、圧電薄膜が第二中間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。実施例１の圧電薄膜の厚みＴは、下記表１に示す値に調整された。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。目的とする実施例１の圧電薄膜の組成は、下記表１中の化学式で表される。下記表１中の「ＢＫＴ」は、（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３を意味する。下記表１中の「ＢＭＴ」は、Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３を意味する。下記表１中の「ＢＦＯ」は、ＢｉＦｅＯ３を意味する。
　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第二中間層と、第二中間層に重なる圧電薄膜と、を含む積層体が作製された。
＜組成の分析＞
　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。分析によって特定された実施例１の圧電薄膜の組成は、下記表１中の化学式に一致した。
＜結晶構造の分析＞
　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酸化物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、ペロブスカイト型酸化物の（００１）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、ペロブスカイト型酸化物の（００１）面が、圧電薄膜の厚み方向（圧電薄膜の表面の法線方向）において配向していた。
　Ｏｕｔ　оｆ　Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の厚み方向（圧電薄膜の表面の法線方向）におけるペロブスカイト型酸化物の格子定数ｃが得られた。格子定数ｃは、圧電薄膜の厚み方向における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酸化物の格子定数ａが得られた。格子定数ａ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は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酸化物は正方晶であった。実施例１のｃ／ａは、下記表１に示される。
＜ヤング率Ｙの測定＞
　ナノインデンテーション（ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）法により、圧電薄膜のヤング率Ｙが測定された。測定用の試料として、上記の積層体が用いられた。ナノインデンテーション法によるヤング率の測定は、国際規格ＩＳＯ１４５７７に基づく。ヤング率Ｙの測定には、Ｈｙｓｉｔｒｏｎ　Ｉｎｃ．製のナノインデンター（装置名：ＴＩ　９５０　ＴｒｉｂｏＩｎｄｅｎｔｅｒ）が用いられた。実施例１のヤング率Ｙは、下記表１に示される。
＜圧電歪定数ｄ３３，ｆの測定＞
　以下の方法に基づき、圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが特定された。
　ｄ３３，ｆの測定用試料は上記の積層体から作製された。格子状に並ぶ複数のドット状電極が圧電薄膜の表面に形成された。各ドット状電極は、銀からなっていた。各ドット状電極の直径φは、１００μｍであった。ドット状電極の間隔は、３００μｍであった。各ドット状電極と第一電極層との間に電界（電圧）が印加され、電界の印加に伴う圧電薄膜の厚み方向における圧電薄膜及び単結晶基板其々の変位量が測定された。電界の強度は、１０Ｖ／μｍであった。圧電薄膜及び単結晶基板其々の変位量は、ダブルビーム式レーザードップラー振動計によって測定された。圧電薄膜及び単結晶基板を含む上記積層体は、第一のレーザービーム及び第二のレーザービームの間に配置された。第一のレーザービーム及び第二のレーザービームは同一直線上に位置し、第一のレーザービーム及び第二のレーザービーム其々の進行方向は互いに対向（ｆａｃｅ）していた。第一のレーザービーム及び第二のレーザービーム其々の進行方向は、圧電薄膜の厚み方向に平行であった。第一のレーザービームは圧電薄膜の表面に照射され、第二のレーザービームは単結晶基板の表面（すなわち積層体の裏面）に照射された。第一のレーザービームによって測定される変位量と、第二のレーザービームによって測定される変位量の差を同時に測定することにより、単結晶基板の影響が除かれ、圧電薄膜の厚み縦方向における純粋な変位量が求められる。この圧電薄膜の厚みＴの変化量と、その電界強度依存性から、ｄ３３，ｆが算出された。実施例１のｄ３３，ｆは、下記表１に示される。
＜比誘電率ε３３及び誘電損失の測定＞
　ｄ３３，ｆの測定に用いた試料と同様の試料を用いて、静電容量Ｃ及び誘電損失（ｔａｎδ）が測定された。静電容量Ｃ及びｔａｎδの測定の詳細は以下の通りであった。
測定装置：Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，　Ｉｎｃ．製のＬＣＲメーター（Ｅ４９８０Ａ）
周波数：１０ｋＨｚ
電界：１Ｖ／μｍ
　下記数式Ａに基づき、静電容量Ｃの測定値から、比誘電率εｒが算出された。数式Ａ中のε０は、真空の誘電率（８．８５４×１０－１２Ｆｍ－１）である。数式Ａ中のＳは、圧電薄膜の表面の面積である。Ｓは、圧電薄膜の表面に重なるドット状電極（銀電極）の総面積と言い換えられる。数式Ａ中のＴは、圧電薄膜の厚みである。
Ｃ＝ε０×εｒ×（Ｓ／Ｔ）　　　(Ａ)
　以上の方法で特定された比誘電率εｒは、ε３３とみなされた。実施例１のε３３及びｔａｎδは、下記表１に示される。
　単結晶基板、第一中間層、第一電極層、第二中間層及び圧電薄膜からなる上記積層体（ただし、銀のドット状電極のない積層体）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、結晶質のＬａＮｉＯ３からなる第三中間層が圧電薄膜の表面全体に形成された。第三中間層は、スパッタリング法により形成された。第三中間層の厚みは、５０ｎｍであった。
　真空チャンバー内で、Ｐｔからなる第二電極層が、第三中間層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第二中間層と、第二中間層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第三中間層と、第三中間層に重なる第二電極層と、を含む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第二中間層と、第二中間層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第三中間層と、第三中間層に重なる第二電極層とを含んでいた。
＜圧電応力定数－ｅ３１，ｆの測定＞
　圧電薄膜の圧電応力定数－ｅ３１，ｆを測定するために、圧電薄膜素子として、長方形状の試料（カンチレバー）が作製された。試料の寸法は、幅２ｍｍ×長さ１０ｍｍであった。各電極層の寸法は、幅１．６ｍｍ×長さ６ｍｍであった。これらの寸法を除いて試料は上記の実施例１の圧電薄膜素子と同じであった。測定には、自作の評価システムが用いられた。試料の一端は固定され、試料の他方の一端は自由端であった。試料中の圧電薄膜に電圧を印加しながら、試料の自由端の変位量がレーザーで測定された。そして、下記数式Ｂから圧電定数－ｅ３１，ｆが算出された。なお、数式Ｂ中のＥｓは単結晶基板のヤング率である。ｈｓは、単結晶基板の厚みである。Ｌは試料（カンチレバー）の長さである。νｓは、単結晶基板のポアソン比である。δｏｕｔは、測定された変位量に基づく出力変位である。Ｖｉｎは、圧電薄膜に印加された電圧である。圧電定数－ｅ３１，ｆの測定における交流電界（交流電圧）の周波数は、１００Ｈｚであった。圧電薄膜に印加された電圧の最大値は、５０Ｖであった。－ｅ３１，ｆの単位はＣ／ｍ２である。実施例１の－ｅ３１，ｆは、下記表２に示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　実施例１の性能指数Ｐ（つまり（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／ε）は、下記表１に示される。実施例１の－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、下記表２に示される。ｄ３３，ｆ及びＹ其々の測定値の積（ｄ３３，ｆ×Ｙ）によってｅ３３が算出された。
＜共振周波数ｆｒの測定＞
　Ｓｉウェハの代わりにＳＯＩ基板を用いたこと以外は上記実施例１と同様の方法で、ＳＯＩ基板、第一中間層、第一電極層、第二中間層、圧電薄膜、第三中間層及び第二電極層から構成される積層体が作製された。ＳＯＩ基板は、Ｓｉからなる支持基材と、支持基材に積層されたＢＯＸ層（ＳｉＯ２からなる絶縁層）と、ＢＯＸ層に積層されたシリコン層（単結晶のＳｉからなる層）とから構成されていた。第一中間層、第一電極層、第二中間層、圧電薄膜、第三中間層及び第二電極層は、ＳＯＩ基板のシリコン層上に順次積層された。積層体の作製後、ＳＯＩ基板を構成する支持基材及びＢＯＸ層のエッチングにより、シリコン層を部分的に露出させた。以上の方法により、メンブレン構造を有する実施例１の試料（圧電薄膜素子）が作製された。試料の寸法（圧電薄膜の面積）は、２０ｍｍ×２０ｍｍに調整された。この試料の共振周波数ｆｒが測定された。共振周波数ｆｒは、上記試料を用いた共振回路のインピーダンスが最小であるときの周波数である。共振周波数ｆｒの測定の詳細は以下の通りであった。実施例１の共振周波数ｆｒは、下記表１に示される。
測定装置：　Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のネットワークアナライザ（Ｎ５２４４Ａ）
プローブ：　ＧＳ５００μｍ（Ｃａｓｃａｄｅ　Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ社製のＡＣＰ４０－Ｗ－ＧＳ－５００）
パワー：　－１０ｄＢｍ
測定ピッチ：　０．２５ＭＨｚ
電極面積：　２００×２００μｍ２
Ｓ１１測定（反射測定）
（実施例２～９及び比較例１～５）
　下記表１に示される組成を有するターゲットを用いて、実施例２～９及び比較例１～５其々の圧電薄膜が形成された。下記表１中の「ＰＺＴ」は、Ｐｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３を意味する。実施例２～９及び比較例１～５其々の圧電薄膜の厚みＴは、下記表１に示す値に調整された。上記の事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～９及び比較例１～５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２～９及び比較例１～５其々の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～９及び比較例１～５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２～９及び比較例１～５其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２～９及び比較例１～５のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、下記表１中の化学式と一致した。
　実施例１と同様の方法により、実施例２～９及び比較例１～５其々の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～９及び比較例１～５のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜はペロブスカイト構造を有する金属酸化物から構成されていることを示していた。実施例２～９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酸化物は正方晶であった。実施例２～９のいずれの場合も、正方晶の（００１）面が、圧電薄膜の厚み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２～９及び比較例１～５其々のｃ／ａ、圧電歪定数ｄ３３，ｆ、ヤング率Ｙ、比誘電率ε３３、誘電損失（ｔａｎδ）、共振周波数ｆｒ、及び性能指数Ｐが測定又は算出された。実施例２～９及び比較例１～５其々のｃ／ａ、ｄ３３，ｆ、Ｙ、ε３３、ｔａｎδ、ｆｒ、及び性能指数Ｐ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及び比較例１其々の－ｅ３１，ｆ及び－ｅ３１，ｆ／ｅ３３が測定又は算出された。実施例２及び比較例１其々の－ｅ３１，ｆ及び－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、下記表２に示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　例えば、本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、例えば、圧電トランスデューサ、圧電アクチュエータ及び圧電センサに応用されてよい。
　１０…圧電薄膜素子、１０ａ…超音波トランスデューサ、１…単結晶基板、２…第一電極層、３…圧電薄膜、４…第二電極層、５…第一中間層、６…第二中間層、ＤＮ…第一電極層の表面の法線方向、ｄｎ…圧電薄膜の厚み方向（圧電薄膜の表面の法線方向）、ｕｃ…ペロブスカイト構造を有する金属酸化物（正方晶）の単位胞。

 

Claims (10)

  1. 　第一電極層と、
    　前記第一電極層に重なる圧電薄膜と、
    　前記圧電薄膜に重なる第二電極層と、
    を備え、
    　前記圧電薄膜の性能指数Ｐは、（ｄ３３，ｆ）２×Ｙ／εと定義され、
    　前記ｄ３３，ｆは、前記圧電薄膜の厚み縦振動の圧電歪定数であり、
    　前記Ｙは、前記圧電薄膜のヤング率であり、
    　前記εは、前記圧電薄膜の誘電率であり、
    　前記性能指数Ｐは、１０％以上８０．１％以下である、
    圧電薄膜素子。
  2. 　前記圧電薄膜の－ｅ３１，ｆ／ｅ３３は、０より大きく０．８０以下である、
    請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  3. 　少なくとも一つの中間層を更に備え、
    　前記中間層は、前記第一電極層と前記圧電薄膜との間に配置されており、
    　前記中間層は、ＳｒＲｕＯ３及びＬａＮｉＯ３のうち少なくともいずれかを含む、
    請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  4. 　前記圧電薄膜は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含み、
    　前記金属酸化物は、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は、マグネシウム及びニッケルのうち少なくとも一つの元素である、
    請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  5. 　前記圧電薄膜は、前記金属酸化物の正方晶を含み、
    　前記正方晶の（００１）面は、前記圧電薄膜の厚み方向において配向している、
    請求項４に記載の圧電薄膜素子。
  6. 　前記正方晶の（００１）面の間隔は、ｃであり、
    　前記正方晶の（１００）面の間隔は、ａであり、
    　ｃ／ａは、１．０５以上１．２０以下である、
    請求項５に記載の圧電薄膜素子。
  7. 　前記圧電薄膜の厚みは、０．３μｍ以上１０μｍ以下である、
    請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  8. 　前記圧電薄膜の厚み縦振動の共振周波数は、０．１０ＧＨｚ以上２ＧＨｚ以下である、
    請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
    微小電気機械システム。
  10. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
    超音波トランスデューサ。

     
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