(57)【要約】  圧電素子用の下部電極を構成するＰｔ層について、ロッキングカーブの半価幅、表面の平均粗さ、および平均粒径を全て同時に規定することにより、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜して、そのＰｔ層の上に、特性が良好な圧電薄膜を安定して成膜する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極であって、
該下部電極は、Ｐｔ層で構成され、
前記Ｐｔ層において、
Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が、２．２°以下であり、
表面の粗さが、二乗平均粗さＲＭＳが１．０ｎｍ以下、及び、算術平均粗さＲａが０．８ｎｍ以下、のうちの少なくとも一方を満たし、
Ｐｔの平均粒径が、２００ｎｍ以上であることを特徴とする圧電素子用下部電極。
【請求項２】
前記Ｐｔ層におけるＰｔの平均粒径が、２５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子用下部電極。
【請求項３】
基板上に、下部電極、圧電薄膜および上部電極を順に形成した圧電素子であって、
前記下部電極は、請求項１に記載の圧電素子用下部電極で構成されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
前記基板と前記下部電極との間に、密着層としてのＴｉＯｘ層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記密着層としてのＴｉＯｘ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳが、２．０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極と、その下部電極を備えた圧電素子とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、駆動素子やセンサなどに応用するための機械電気変換素子として、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３などの圧電体が用いられている。このような圧電体は、Ｓｉ等の基板上に薄膜として形成することで、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）素子へ応用が期待されている。【０００３】
ＭＥＭＳ素子の製造においては、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工を適用できるため、素子の小型化や高密度化が可能となる。特に、直径６インチや直径８インチといった比較的大きなＳｉウェハ上に素子を高密度に一括で作製することにより、素子を個別に製造する枚葉製造に比べて、コストを大幅に低減することができる。【０００４】
また、圧電体の薄膜化やデバイスのＭＥＭＳ化により、機械電気の変換効率が向上することで、デバイスの感度や特性が向上するといった新たな付加価値も生み出されている。例えば、熱センサでは、ＭＥＭＳ化による熱コンダクタンス低減により、測定感度を上げることが可能となり、プリンター用のインクジェットヘッドでは、ノズルの高密度化による高精細パターニングが可能となる。【０００５】
ところで、Ｓｉ基板上に成膜される圧電体の薄膜（以下、圧電薄膜とも称する）は、結晶の格子定数がＳｉと異なることから、複数の結晶が柱状に寄り集まった多結晶（柱状結晶）となる。これらの柱状結晶において、膜厚方向に同じ結晶面で成長したものが多くなるほど（配向性が高くなるほど）、また、柱状結晶が大きいほど、膜の圧電特性は高くなることが知られている。【０００６】
一方、圧電薄膜を適用したデバイスでは、Ｓｉ等の基板上に、下部電極、圧電薄膜、上部電極を順次積層した構成を採用している。このような構成では、各層は、その下層を下地として形成されるため、下層の影響を少なからず受けて成長する。つまり、圧電薄膜に着目した場合、その下層の下部電極の結晶性が良好であるほど、圧電薄膜の結晶性も良好となる。また、下部電極の構成金属の粒径が大きいほど、圧電薄膜の柱状結晶が大きくなり、圧電薄膜の配向性も高くなる。さらに、下部電極の表面粗さは、圧電薄膜の成膜初期の結晶成長に影響するため、圧電薄膜の配向性に影響を与える重要な要素となる。【０００７】
この点、例えば特許文献１では、基板上に、圧電薄膜の構成元素を少なくとも１種含むシード層と、下部電極とを順に積層するとともに、下部電極の表面の算術平均粗さＲａが０．５〜３０．０ｎｍとなるように、シード層に含まれる上記元素を拡散させることで、下部電極上の圧電薄膜の結晶配向性の向上を試みている。これは、上記元素の拡散によって下部電極の表面に析出した析出物が核となって、圧電薄膜が成長すると考えられることによる。【０００８】
また、特許文献２では、基板上に電極膜を形成する際に、まず、電極材料の初期結晶核を基板上に島状に形成し（工程Ａ）、次に、上記初期結晶核を成長させて電極材料の成長層を形成している（工程Ｂ）。このとき、工程Ａでの基板温度を、工程Ｂでの基板温度よりも高くすることで、結晶性の良好な電極膜を形成している。なお、特許文献２では、電極膜について、ロッキングカーブの半価幅が１．８０°であることが開示されており、結晶性の良好な電極膜が形成されていることが裏付けられている。【０００９】
また、特許文献３では、ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体薄膜を上下の電極で挟み込んだ誘電体薄膜コンデンサにおいて、下部電極としてのＰｔ層の平均結晶粒径を５０ｎｍ以下とし、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅を５°以下とすることで、Ｐｔ層上部の誘電体薄膜の結晶性やラフネスを改善し、誘電体薄膜の特性（例えば比誘電率）を向上させている。【００１０】
また、特許文献４では、基板上に下部電極としてのＰｔ層を形成し、その上にＰＺＴ薄膜を形成した圧電素子において、Ｐｔ層におけるロッキングカーブの半価幅を５°以下とすることで、Ｐｔ層上部のＰＺＴ薄膜の結晶配向性を向上させ、大きな圧電変位量を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２８１２３８号公報（請求項５、段落〔００３７〕、〔００５７〕、〔００６２〕等参照）
【特許文献２】特開２００４−３１１９２２号公報（請求項１、段落〔００５３〕、図４等参照）
【特許文献３】特開２０００−６８４５４号公報（請求項１、２、段落〔００１１〕、〔００１２〕、〔００１４〕、図１、図２等参照）
【特許文献４】特開２００３−１７７６７号公報（請求項１、段落〔０００９〕、〔００４０〕等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、下部電極を構成するＰｔの結晶性および配向性は、Ｐｔの成膜条件（例えば成膜時の基板温度）によって左右される。このため、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜するためには、Ｐｔの成膜条件の変化を見越して、Ｐｔ層について、ロッキングカーブの半価幅だけでなく、表面の平均粗さ、および平均粒径も同時に制御する必要がある。【００１３】
しかし、特許文献１〜４では、Ｐｔ層について、ロッキングカーブの半価幅、表面の平均粗さ、および平均粒径を全て同時に規定しておらず、それゆえ、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜することができない。その結果、Ｐｔ層の上に、特性の良好な圧電薄膜を安定して成膜することができない。【００１４】
なお、下部電極の構成金属の粒径が大きいほど、その上層の圧電薄膜の柱状結晶も大きくなり、圧電薄膜の配向性が高くなる点は、上述した通りである。しかし、特許文献１〜４では、圧電薄膜の配向性を向上させるべく、下部電極を構成するＰｔの平均粒径を大きくする点について一切開示されていない。なお、特許文献３では、Ｐｔの平均粒径は高々５０ｎｍであり、十分に大きいとは言えないため、圧電薄膜の配向性を十分に向上させることはできないものと思われる。【００１５】
圧電薄膜を備えた圧電素子は、ＰＺＴ中の原子（例えばＰｂ）の基板側への拡散を防止する拡散防止層や、配向制御層を含む場合もあるが、圧電薄膜と基板との間には必ず下部電極が存在するため、下部電極の結晶性、表面粗さ、粒径の圧電薄膜への影響は避けられない。したがって、特性の良好な圧電薄膜を安定して成膜するためには、下部電極の特性を好適に制御することが重要となる。【００１６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、下部電極としてのＰｔ層について、ロッキングカーブの半価幅、表面の平均粗さ、および平均粒径を全て同時に規定することにより、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜して、そのＰｔ層の上に、特性が良好な圧電薄膜を安定して成膜することができる圧電素子用下部電極と、その下部電極を備えた圧電素子とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一側面では、基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極であって、該下部電極は、Ｐｔ層で構成され、前記Ｐｔ層において、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が、２．２°以下であり、表面の二乗平均粗さＲＭＳが、１．０ｎｍ以下であり、Ｐｔの平均粒径が、２００ｎｍ以上である圧電素子用下部電極を提供する。また、本発明の他の側面では、基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極であって、該下部電極は、Ｐｔ層で構成され、前記Ｐｔ層において、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が、２．２°以下であり、表面の算術平均粗さＲａが、０．８ｎｍ以下であり、Ｐｔの平均粒径が、２００ｎｍ以上である圧電素子用下部電極を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
上記の構成によれば、下部電極の上に、特性の良好な圧電薄膜を安定して成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記圧電素子の圧電薄膜を構成するＰＺＴの結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、実施例１の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】上記圧電素子の下部電極としてＰｔを成膜するときの基板温度と、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅との関係を示すグラフである。
【図５】上記Ｐｔの成膜時の基板温度と、Ｐｔ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳとの関係を示すグラフである。
【図６】上記Ｐｔの成膜時の基板温度と、Ｐｔ層の表面の算術平均粗さＲａとの関係を示すグラフである。
【図７】上記Ｐｔの成膜時の基板温度と、Ｐｔの平均粒径との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１の下部電極上に形成される圧電薄膜（ＰＺＴ膜）について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示すグラフである。
【図９】実施例２の下部電極上に形成される圧電薄膜（ＰＺＴ膜）について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示すグラフである。
【図１０】比較例３の下部電極上に形成される圧電薄膜（ＰＺＴ膜）について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示すグラフである。
【図１１】比較例２の下部電極上に形成される圧電薄膜（ＰＺＴ膜）について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２１】
（圧電素子の構成）
図１は、本実施形態の圧電素子１の概略の構成を示す断面図である。この圧電素子１は、基板１１上に、熱酸化膜１２と、密着層１３と、下部電極１４と、圧電薄膜１５と、上部電極１６とをこの順で形成して構成されている。
【００２２】
基板１１は、例えば単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜１２は、例えばＳｉＯ２（二酸化シリコン）からなり、基板１１の保護および絶縁の目的で設けられている。密着層１３は、例えばＴｉＯ２（二酸化チタン）のようなＴｉＯｘ（酸化チタン）の層で構成されており、熱酸化膜１２と下部電極１４とを密着させて、これらの界面での剥離を防止する目的で設けられている。
【００２３】
下部電極１４は、圧電薄膜１５の下層に位置する電極（圧電素子用下部電極）であり、Ｐｔ（白金）で構成されている。上部電極１６は、圧電薄膜１５の上層に位置する電極であり、例えばＰｔで構成されている。なお、上部電極１６を、例えばＴｉ（チタン）層とＰｔ層とで構成し、Ｔｉ層をＰｔ層と圧電薄膜１５との密着層として用いてもよい。
【００２４】
圧電薄膜１５は、圧電材料の一種であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜で構成されている。ここで、図２は、ＰＺＴの結晶構造を模式的に示している。同図で示した結晶構造は、ペロブスカイト型構造と呼ばれる。ペロブスカイト型構造とは、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ（鉛）原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ（亜鉛）原子が位置し、各面心にＯ（酸素）原子が位置する構造である。圧電体は、結晶構造がペロブスカイト型構造を採るときに良好な圧電効果を発現することが知られている。したがって、本実施形態の圧電素子１において、圧電薄膜１５をＰＺＴ、すなわち、ペロブスカイト型構造の金属酸化物で構成することにより、良好な圧電効果を得ることができる。
【００２５】
なお、圧電効果とは、応力を加えることによって分極（および電圧）が生じたり、逆に電圧を印加することで応力および変形が生じる圧電体の性質を言うが、圧電薄膜１５は、このような圧電効果のほかに、焦電効果を発揮する焦電体で構成されてもよいし、メモリ性を有する強誘電体で構成されてもよい。
【００２６】
なお、焦電体とは、圧電体のうち、外から電界を与えなくても自発的な分極を有しているものを言い、微小な温度変化に応じて誘電分極（およびそれによる起電力）が生じる性質を持つ。圧電薄膜１５が焦電体で構成された場合は、圧電素子１を赤外線センサとして利用することができる。
【００２７】
（圧電素子の製造方法について）
次に、上記構成の圧電素子１の製造方法について、実施例１および２として説明する。また、実施例１および２との比較のため、比較例１〜３についても併せて説明する。図３（ａ）〜図３（ｅ）は、実施例１の圧電素子１の製造工程を示す断面図である。
【００２８】
＜実施例１＞
まず、図３（ａ）に示すように、基板１１上に熱酸化膜１２を１００ｎｍ程度形成する。ここで、基板１１としては、厚さ４００μｍ程度の単結晶Ｓｉウェハを用いた。上記の熱酸化膜１２は、ウェット酸化用熱炉を用いて上記Ｓｉウェハを酸素雰囲気中に１２００℃程度の高温にさらすことで形成される。
【００２９】
続いて、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング装置を用い、熱酸化膜１２上に厚さ２０ｎｍ程度のＴｉ層１３’を形成する。なお、このときのＴｉのスパッタ条件は、例えば、Ａｒ（アルゴン）流量；２７ｓｃｃｍ、圧力；０．２７Ｐａ、基板温度；１４５℃、ターゲットに印加するＲＦパワー；１５０Ｗである。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、ＲＴＡ（Rapid  Thermal  Annealing）炉において、Ｔｉ層１３’に対して酸素雰囲気中で７００℃程度の加熱を行ってＴｉを酸化させ、ＴｉＯｘ層からなる密着層１３を形成する。このとき、ＴｉＯｘ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳ（Root  Mean  Square）を調べると、２．０ｎｍ以下であった。ＴｉＯｘ層の表面粗さを小さくして平坦性を向上させることにより、ＴｉＯｘ層の上に形成されるＰｔの結晶性および配向性を向上させることができる。なお、二乗平均粗さＲＭＳは、後述する数１式で表される。
【００３１】
なお、Ｔｉ層１３’の上にＰｔを成膜すると、後工程（例えばＰｔ上へのＰＺＴ薄膜の形成など）で高温にさらしたときに、ＴｉがＰｔ膜内に拡散してＰｔ層の表面にヒロックを形成し、ＰＺＴの駆動電流のリークや、ＰＺＴの配向性劣化などが生じる可能性がある。しかし、上記のようにＴｉを酸化させてＴｉＯｘ層を形成しておくことにより、これら不都合を防止することができる。あるいは、後工程においてこれらの現象が生じ難い成膜条件とすることが可能であれば、ＴｉＯｘ層に代えてＴｉ層により密着層を形成しても良い。
【００３２】
次に、図３（ｄ）に示すように、密着層１３上にＰｔをスパッタ法によって成膜し、例えば厚さ８０ｎｍの下部電極１４を形成する。なお、このときのＰｔのスパッタ条件は、例えば、Ａｒ流量；２０ｓｃｃｍ、圧力；０．２７Ｐａ、基板温度；４２０℃、ＲＦパワー；１５０Ｗである。
【００３３】
続いて、図３（ｅ）に示すように、下部電極１４上にＰＺＴをスパッタ法によって成膜し、厚さ４μｍの圧電薄膜１５を形成する。なお、このときのＰＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量；２５ｓｃｃｍ、Ｏ２流量；０．８ｓｃｃｍ、基板温度；５００℃、圧力；０．４Ｐａ、ＲＦパワー；４００Ｗである。
【００３４】
最後に、圧電薄膜１５上へのＰｔのスパッタにより、上部電極１６を形成することで、図１に示した圧電素子１を得ることができる。
【００３５】
＜実施例２＞
実施例２では、下部電極１４を構成するＰｔの成膜時の基板温度を５２０℃とした以外は、実施例１と同じ条件で圧電素子１を作製した。
【００３６】
＜比較例１＞
比較例１では、下部電極を構成するＰｔの成膜時の基板温度を２２０℃とした以外は、実施例１と同じ条件で圧電素子を作製した。
【００３７】
＜比較例２＞
比較例２では、下部電極を構成するＰｔの成膜時の基板温度を３２０℃とした以外は、実施例１と同じ条件で圧電素子を作製した。
【００３８】
＜比較例３＞
比較例３では、下部電極を構成するＰｔの成膜時の基板温度を５６５℃とした以外は、実施例１と同じ条件で圧電素子を作製した。
【００３９】
（下部電極の評価）
次に、実施例１〜２および比較例１〜３で成膜した下部電極のそれぞれについて、その上に圧電薄膜を成膜する前に、ＸＲＤ（X-ray  Diffraction  ；Ｘ線回折）による評価、およびＡＦＭ（Atomic  Force  Microscope  ；原子間力顕微鏡）を用いた表面観察による評価を行った。その結果を以下に示す。なお、以下において、Ｐｔ（またはＰｔ層）と記載すれば、ＴｉＯｘ層上の下部電極を構成するＰｔ（またはＰｔ層）を指すものとする。
【００４０】
図４は、Ｐｔ成膜時の基板温度と、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅との関係を示している。なお、ロッキングカーブとは、回折条件の変化に対する強度分布を示す曲線のことであり、一般に、結晶が完全であるほど、曲線の半価幅は狭くなる。図４より、Ｐｔ成膜時の基板温度が高くなるにつれて、ロッキングカーブの半価幅が小さくなっていることがわかる。
【００４１】
また、図５および図６は、Ｐｔ成膜時の基板温度と、ＡＦＭを用いて測定されるＰｔ層の表面粗さとの関係をそれぞれ示している。特に、図５は、表面粗さを二乗平均粗さＲＭＳ（またはＲｑ）で示しており、図６は、表面粗さを算術平均粗さＲａで示している。さらに、図７は、Ｐｔ成膜時の基板温度と、ＡＦＭを用いて測定されるＰｔの粒径の平均値との関係を示している。
【００４２】
なお、二乗平均粗さＲＭＳおよび算術平均粗さＲａは、以下の式で表される。ただし、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）とする。このとき、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけを抜き取り、この抜き取り部分における平均線の方向をｘ軸とし、縦倍率の方向をｙ軸としている。なお、ｙ、Ｌ、Ｒｍｓ、Ｒａの単位は、ここでは全てｎｍとしている。
【００４３】
【数１】
2012160972.tif 000003
【００４４】
【数２】
2012160972.tif 000004
【００４５】
比較例１および２では、Ｐｔ層の（１１１）面のロッキングカーブ半価幅が２．２°よりも大きいため、Ｐｔの結晶性が良好であるとは言えない。また、比較例１〜３では、Ｐｔ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳが１．０ｎｍよりも大きく、Ｐｔ層の表面の算術平均粗さＲａが０．８ｎｍよりも大きいことから、Ｐｔ層表面の平坦性が良好であるとは言えない。したがって、圧電薄膜の柱状結晶を膜厚方向に同じ結晶面で成長させることができず、圧電薄膜の配向性を向上させることができない。その結果、圧電特性の良好な圧電素子を得ることができない。
【００４６】
これに対して、実施例１および２では、Ｐｔ層についてのロッキングカーブ半価幅が２．２°以下であり、結晶性の良好なＰｔ膜が得られていると言える。これにより、Ｐｔ層の上に、結晶性の良好な圧電薄膜１５を成膜することができる。また、実施例１および２では、Ｐｔ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳが１．０ｎｍ以下であり、Ｐｔ層の表面の算術平均粗さＲａが０．８ｎｍ以下であることから、Ｐｔ層表面の平坦性は良好であると言える。さらに、実施例１および２では、Ｐｔの平均粒径が２００ｎｍ以上と大きい。その結果、Ｐｔ層上に圧電薄膜１５を成膜するときに、その成膜初期から、圧電薄膜１５の柱状結晶を膜厚方向に同じ結晶面で大きく成長させることができ、圧電薄膜１５の配向性を向上させることができる。
【００４７】
このように、実施例１および２によれば、圧電薄膜１５の結晶性および配向性を向上させることができることから、良好な圧電特性を有する圧電素子１を実現することができる。
【００４８】
図８は、実施例１の下部電極１４上に圧電薄膜１５としてのＰＺＴ膜を成膜した後、そのＰＺＴ膜について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示している。なお、縦軸の強度（intensity）は、１秒間あたりのＸ線の計数率（ｃｐｓ；count  per  second）で示しており、１．Ｅ＋ｎは、１×１０ｎであることを示す。同図における２θと強度ピークとの関係によれば、（１００）／（００１）面を示すピークが最もよく現れていることから、成膜されたＰＺＴ膜の結晶構造としては、（１００）／（００１）面優先配向の、良好な圧電効果を発揮する好適なペロブスカイト型結晶構造が得られていることがわかる。
【００４９】
図９は、実施例２の下部電極１４上に圧電薄膜１５としてのＰＺＴ膜を成膜した後、そのＰＺＴ膜について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示している。同図において、（１００）／（００１）面を示すピークが顕著に現れているとともに、（１１１）面を示すピークは低いことから、成膜されたＰＺＴ膜の結晶構造としては、（１００）／（００１）面優先配向の好適なペロブスカイト型結晶構造が得られていることがわかる。
【００５０】
図１０は、比較例３の下部電極上に圧電薄膜としてのＰＺＴ膜を成膜した後、そのＰＺＴ膜について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示している。同図において、（１００）／（００１）面を示すピークが低い一方、（１１０）面を示すピークも現れていることから、成膜されたＰＺＴ膜の結晶構造として、好ましい結晶構造は得られていないと言える。
【００５１】
図１１は、比較例２の下部電極上に圧電薄膜としてのＰＺＴ膜を成膜した後、そのＰＺＴ膜について、ＸＲＤの２θ／θ測定による評価の結果を示している。比較例２のＰＺＴ膜についての評価結果は、比較例３の結果よりは実施例の結果に近いが、やはり（１００）／（００１）面を示すピークよりも（１１１）面を示すピークが顕著に現れており、最適であるとは言えない。
【００５２】
また、実施例１および２のように、Ｐｔ層について、ロッキングカーブ半価幅が２．２°以下であり、表面の二乗平均粗さＲＭＳが１．０ｎｍ以下であり（または表面の算術平均粗さＲａが０．８ｎｍ以下であり）、Ｐｔの平均粒径が２００ｎｍ以上であるという全ての条件を満足することにより、そのような条件を満たす範囲でＰｔの成膜条件が変化しても、結晶性および配向性の良好なＰｔ層を成膜することができ、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜することができる。その結果、Ｐｔ層の上に、特性の良好な圧電薄膜１５を安定して成膜することができる。実施例１、２、比較例２、３の下部電極上に成膜した圧電薄膜につきそれぞれ圧電定数ｄ３１を測定したところ、実施例１では−ｄ３１＝１３８ｐｍ／Ｖ、実施例２では−ｄ３１＝１５２ｐｍ／Ｖであったのに対し、比較例２では−ｄ３１＝１１５ｐｍ／Ｖ、比較例３では−ｄ３１＝９７ｐｍ／Ｖであった。
【００５３】
例えば、図４〜図７より、Ｐｔの成膜時の基板温度が３７０℃以上５４０℃以下の範囲で変動しても、Ｐｔ層について、ロッキングカーブ半価幅、表面粗さ、平均粒径の全てについて、上記した条件を同時に満足することができる。したがって、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜して、特性の良好な圧電薄膜１５を安定して成膜することができる。
【００５４】
特に、Ｐｔの平均粒径が２５０ｎｍ以上と大きいので、Ｐｔ層の上に圧電薄膜１５の柱状結晶がより大きく成長し、圧電薄膜１５の配向性が確実に向上する。これにより、圧電薄膜１５の特性が確実に向上する。なお、この場合、Ｐｔ成膜時の基板温度の変動の許容範囲は、図７より、４００℃以上５４０℃以下と狭くなるが、このような範囲内で基板温度が変動しても、特性の良好な圧電薄膜１５を得ることができると言える。
【００５５】
以上で説明した圧電素子用下部電極は、基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極であって、該下部電極は、Ｐｔ層で構成され、前記Ｐｔ層において、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が、２．２°以下であり、表面の二乗平均粗さＲＭＳ（またはＲｑ）が、１．０ｎｍ以下であり、Ｐｔの平均粒径が、２００ｎｍ以上である。また、以上で説明した圧電素子用下部電極は、基板上に形成される圧電薄膜の下部電極となる圧電素子用下部電極であって、該下部電極は、Ｐｔ層で構成され、前記Ｐｔ層において、Ｘ線回折におけるＰｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が、２．２°以下であり、表面の算術平均粗さＲａが、０．８ｎｍ以下であり、Ｐｔの平均粒径が、２００ｎｍ以上である。
【００５６】
上記の構成によれば、下部電極がＰｔ層で構成される場合において、Ｐｔの（１１１）面のロッキングカーブの半価幅が２．２°以下であり、Ｐｔ層の結晶性が良好であるので、Ｐｔ層の上に形成される圧電薄膜の結晶性を向上させることができる。そして、（１００）／（００１）面に優先配向された好適な結晶構造を有する圧電薄膜を得ることができる。
【００５７】
また、Ｐｔ層の表面の二乗平均粗さＲＭＳが１．０ｎｍ以下である、または、Ｐｔ層の表面の算術平均粗さＲａが、０．８ｎｍ以下であることにより、Ｐｔ層の表面の平坦性が確保され、圧電薄膜の成膜初期から、圧電薄膜の柱状結晶を膜厚方向に同じ結晶面で成長させることができる。さらに、Ｐｔの平均粒径が２００ｎｍ以上であることにより、圧電薄膜の柱状結晶を大きく成長させることができる。このように、圧電薄膜の下地となるＰｔ層の表面粗さが小さく、Ｐｔの平均粒径が大きいことにより、圧電薄膜の配向性を向上させることができる。これらの条件を満足することにより、（１００）／（００１）面に優先配向された好適な結晶構造を有する圧電薄膜を得ることができる。
【００５８】
また、Ｐｔ層について、ロッキングカーブの半価幅、表面の平均粗さ、および平均粒径に関する条件を全て満足することにより、そのような条件を満たす範囲でＰｔの成膜条件（例えば成膜時の基板温度）が変化しても、結晶性および配向性の良好なＰｔ層を成膜することができ、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜することができる。その結果、Ｐｔ層の上に、特性の良好な圧電薄膜を安定して成膜することができる。
【００５９】
また、上記の圧電素子用下部電極において、前記Ｐｔ層におけるＰｔの平均粒径が、２５０ｎｍ以上であればより望ましい。
【００６０】
この場合、Ｐｔ層の上に成膜される圧電薄膜の柱状結晶をより大きく成長させて、圧電薄膜の配向性を確実に向上させることができる。
【００６１】
以上で説明した圧電素子は、基板上に、下部電極、圧電薄膜および上部電極を順に形成した圧電素子であって、前記下部電極は、上述した圧電素子用下部電極で構成されている。
【００６２】
この構成により、下部電極上に、特性の良好な圧電薄膜が安定して成膜されるので、素子としての特性が良好な圧電素子を安定して得ることができる。
【００６３】
また、上記した圧電素子において、前記基板と前記下部電極との間に密着層が形成されていることが望ましい。密着層を設けることにより、下部電極とその下層との剥離を防止することができる。密着層としては、ＴｉＯｘ層が望ましい。
【００６４】
上記圧電素子において、前記密着層としてＴｉＯｘ層を設ける場合、その表面の二乗平均粗さＲＭＳが、２．０ｎｍ以下であることが望ましい。ＴｉＯｘ層の表面粗さが小さく、表面の平坦性が向上するので、ＴｉＯｘ層の上に形成される下部電極のＰｔの結晶性および配向性を向上させることができる。
【００６５】
以上で説明したように、Ｐｔ層について、ロッキングカーブの半価幅、表面の平均粗さ、および平均粒径に関する条件を全て満足することにより、特性の良好なＰｔ層を安定して成膜することができる。その結果、Ｐｔ層の上に、特性の良好な圧電薄膜を安定して成膜することができる。また、（１００）／（００１）面に優先配向された圧電薄膜を成膜することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、例えばＭＥＭＳ用アクチュエータ（特にインクジェットヘッドのアクチュエータ）、センサ（熱センサ、超音波センサ）、周波数フィルタ、不揮発性メモリに利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１      圧電素子
１１      基板
１３      密着層
１４      下部電極（圧電素子用下部電極）
１５      圧電薄膜
１６      上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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