(57)【要約】【課題】非鉛系圧電体を用い、高い圧電特性を有しかつ素子毎の圧電特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電体薄膜積層基板は、基板上に少なくとも密着層と下部電極層と非鉛系圧電体薄膜層とが順次積層された圧電体薄膜積層基板であって、前記非鉛系圧電体薄膜層は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（組成式(NaxKyLiz)NbO3、0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z≦1、x＋y＋z＝1）からなり、前記基板は、前記密着層に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であり、前記密着層は、第４族元素の非晶質酸化物または第５族元素の非晶質酸化物からなり、その厚さが1 nm以上2 nm以下かつ前記基板表面の最大高さRz以上であることを特徴とする。【選択図】図４
2014187219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも密着層と下部電極層と非鉛系圧電体薄膜層とが順次積層された圧電体薄膜積層基板であって、
前記非鉛系圧電体薄膜層は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（組成式(NaxKyLiz)NbO3、0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z≦1、x＋y＋z＝1）からなり、
前記基板は、前記密着層に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であり、
前記密着層は、第４族元素の非晶質酸化物または第５族元素の非晶質酸化物からなり、その厚さが1 nm以上2 nm以下かつ前記基板表面の最大高さRz以上であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記基板の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.18 nm以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記下部電極層は、(111)面に優先配向していることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記密着層の第４族元素は、チタン（Ti）であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記下部電極層は、白金（Pt）もしくはPt合金からなることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記基板は、シリコン（Si）基板、SOI（Silicon on Insulator）基板、ゲルマニウム（Ge）基板、酸化マグネシウム（MgO）基板、酸化亜鉛（ZnO）基板、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基板、ルテニウム酸ストロンチウム（SrRuO3）基板、サファイア（Al2O3）基板、砒化ガリウム（GaAs）基板、窒化ガリウム（GaN）基板、ガラス基板、および石英ガラス基板のうちのいずれかであることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項７】
基板上に密着層と下部電極層と非鉛系圧電体薄膜層とが少なくとも積層された圧電体薄膜積層基板であって、
前記非鉛系圧電体薄膜層は、ペロブスカイト構造を有する強誘電体からなり、
前記基板は、前記密着層に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であり、
前記密着層は、第４族元素の非晶質酸化物または第５族元素の非晶質酸化物からなり、その厚さが1 nm以上2 nm以下かつ前記基板表面の最大高さRz以上であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項８】
請求項７に記載の圧電体薄膜積層基板において、
前記基板の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.18 nm以下であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧電体薄膜積層基板を利用したことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜素子に関し、特に、非鉛系圧電体を用いた圧電体薄膜積層基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、圧電体の圧電効果を利用する素子であり、圧電体ヘの電圧印加に対して変位や振動を発生するアクチュエータや、圧電体ヘの応力変形に対して電圧を発生する応力センサなどの機能性電子部品として広く利用されている。これまでアクチュエータや応力センサに利用される圧電体としては、大きな圧電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型強誘電体（組成式：Pb(Zr1-xTix)O3、PZTと呼ばれる）が広く用いられてきた。
【０００３】
PZTは、鉛を含有する特定有害物質であるが、現在のところ圧動材料として代替できる適当な市販品が存在しないため、RoHS指令（電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会及び理事会指令）の適用免除対象となっている。しかしながら、世界的に地球環境保全の要請はますます強まっており、鉛を含有しない圧電体（非鉛系圧電材料）を使用した圧電素子の開発が強く望まれている。
【０００４】
一方、近年における各種電子機器の小型化・高性能化の進展に伴って、圧電素子に対しても小型化と高性能化との両立が強く求められている。ここで、粉末焼結法により作製する従来の圧電素子では、圧電体の厚さが10μm以下になると、圧電体を構成する結晶粒の大きさと同等になるため、結晶粒界が圧電特性に与える影響を無視することができなくなる。具体的には、電極と結晶粒界との位置関係や結晶粒界密度が焼結圧電体毎に大きく異なるために、圧電素子毎の圧電特性のばらつきが顕著になるといった問題が発生する。圧電素子の小型化（薄型化）に関するこのような問題に対して、近年、粉末焼結法に代えて薄膜形成技術を利用した圧電体薄膜素子が報告されている。
【０００５】
非鉛系圧電体を用いた圧電体薄膜素子として、例えば、特許文献１（特開2007-019302号公報）には、基板上に、下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を有する圧電薄膜素子において、上記圧電薄膜を、一般式(NaxKyLiz)NbO3（0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z＜1、x＋y＋z＝1）で表記されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト化合物で構成される誘電体薄膜とし、その圧電薄膜と上記下部電極の間に、バッファ層として、ペロブスカイト型結晶構造を有し、かつ、(001)、(100)、(010)、及び(111)のいずれかの面方位に高い配向度で配向され易い材料の薄膜を設けたことを特徴とする圧電薄膜素子が開示されている。特許文献１によると、鉛フリーのニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜を用いた圧電薄膜素子で、十分な圧電特性が得られるという優れた効果を発揮するとされている。
【０００６】
一方、圧電体薄膜素子においては、薄膜形成技術を用いることから一般的に結晶粒が非常に小さいために、圧電体薄膜中の結晶粒界密度の偏差が小さくなり、結晶粒界の有無に起因する圧電特性のばらつきは小さくなる。一方、結晶粒が小さく結晶数が多いことから、各結晶粒の配向性（圧電体薄膜としての結晶配向度合）が、素子の圧電特性や信頼性（ばらつき、寿命）に大きな影響を及ぼす。また、一般的に、基板上に形成される薄膜の配向性は、下地の影響を受けやすい。
【０００７】
圧電体薄膜素子の圧電特性を向上させる技術として、例えば、特許文献２（特開2010-161330号公報）には、基板上に、下部電極、圧電体層、上部電極を有する圧電薄膜素子において、前記圧電体層は、非鉛のニオブ酸化物系ペロブスカイト型結晶を主相とする圧電体層であり、前記下部電極の表面は、二乗平均粗さRmsが1.1 nm以下の表面粗さであることを特徴とする圧電薄膜素子が開示されている。特許文献２によると、下部電極の表面粗さを制御して表面粗さを所定範囲に規定することにより、圧電特性の良好な圧電薄膜素子を実現できるとされている。
【０００８】
また、特許文献３（特開2000-285626号公報）には、表面粗さ（Ra）が0.05μm以下の基板と、前記基板上に形成された圧電体薄膜からなる圧電薄膜が開示されている。特許文献３によると、基板表面の平滑性を整えることで圧電体薄膜の圧電特性を向上させ、高性能な圧電薄膜素子を実現できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−０１９３０２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６１３３０号公報
【特許文献３】特開２０００−２８５６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非鉛系圧電体を用いた圧電体薄膜素子を従来のPZT圧電素子の真の代替品として普及させるためには、圧電特性や信頼性の更なる向上やコスト低減が強く求められている。しかしながら、圧電体薄膜素子は、比較的新しい技術であり、積層構造制御や製造プロセス制御の観点で未解明な点がまだまだ多く残されているのが現状である。そのため、非鉛系圧電体が本来有する圧電特性が十分得られなかったり、圧電特性がばらついたり、製造コストが高くなったりする問題がある。
【００１１】
例えば、特許文献２に記載の技術は、下部電極の表面粗さを所定範囲に制御するために表面研磨工程を行う場合、プロセスコストが発生するとともに下部電極の材料ロスが発生するという弱点がある。また、特許文献３に記載の技術を参考にしながら本発明者等が検討したところ、圧電特性の向上効果が十分であるとは言えなかった。
【００１２】
したがって本発明の目的は、上記課題を解決し、非鉛系圧電体を用い、高い圧電特性を有しかつ素子毎の圧電特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（I）本発明の一態様は、上記目的を達成するため、基板上に少なくとも密着層と下部電極層と非鉛系圧電体薄膜層とが順次積層された圧電体薄膜積層基板であって、前記非鉛系圧電体薄膜層は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（組成式(NaxKyLiz)NbO3、0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z≦1、x＋y＋z＝1）からなり、前記基板は、前記密着層に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であり、前記密着層は、第４族元素の非晶質酸化物または第５族元素の非晶質酸化物からなり、その厚さが1 nm以上2 nm以下かつ前記基板表面の最大高さRz以上であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板を提供する。なお、本発明において、表面粗さは、JIS B0601：2001に基づくものと定義する。基板の表面粗さとは、密着層が形成された状態では基板と密着層との界面の粗さを意味するものとする。また、密着層の厚さとは、Ｘ線反射率法によって測定される平均膜厚と定義する。
【００１４】
（II）本発明の他の一態様は、上記目的を達成するため、基板上に密着層と下部電極層と非鉛系圧電体薄膜層とが少なくとも積層された圧電体薄膜積層基板であって、前記非鉛系圧電体薄膜層は、ペロブスカイト構造を有する強誘電体からなり、前記基板は、前記密着層に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であり、前記密着層は、第４族元素の非晶質酸化物または第５族元素の非晶質酸化物からなり、その厚さが、1 nm以上2 nm以下かつ前記基板表面の最大高さRz以上であることを特徴とする圧電体薄膜積層基板を提供する。
【００１５】
また、本発明は、上記の本発明に係る圧電体薄膜積層基板（I），（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記基板の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.18 nm以下である。
（ii）前記下部電極層は、(111)面に優先配向している。
（iii）前記密着層の第４族元素は、チタン（Ti）である。
（iv）前記下部電極層は、白金（Pt）もしくはPt合金からなる。
（v）前記基板は、シリコン（Si）基板、SOI（Silicon on Insulator）基板、ゲルマニウム（Ge）基板、酸化マグネシウム（MgO）基板、酸化亜鉛（ZnO）基板、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基板、ルテニウム酸ストロンチウム（SrRuO3）基板、サファイア（Al2O3）基板、砒化ガリウム（GaAs）基板、窒化ガリウム（GaN）基板、ガラス基板、および石英ガラス基板のうちのいずれかである。
【００１６】
（III）本発明の更に他の一態様は、上記の本発明に係る圧電体薄膜積層基板を利用したことを特徴とする圧電体薄膜素子を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、非鉛系圧電体を用い、高い圧電特性を有しかつ素子毎の圧電特性のばらつきが小さい圧電体薄膜素子を可能とする圧電体薄膜積層基板を提供することができる。また、当該圧電体薄膜積層基板を利用することにより、高い圧電特性を有しかつ素子毎の圧電特性のばらつきが小さい非鉛系圧電体薄膜素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る圧電体薄膜積層基板の断面模式図である。
【図２】本発明に係る圧電体薄膜積層基板における圧電体薄膜層形成後で上部電極層形成前の基板のXRDパターンを示すチャートの一例である。
【図３】作製した圧電体薄膜積層基板における密着層の厚さと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。
【図４】作製した圧電体薄膜積層基板における基板の最大高さRzと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。
【図５】作製した圧電体薄膜積層基板における酸化膜形成後の基板の算術平均粗さRaと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。
【図６】作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数d33（印加電圧2 V）との関係を示すグラフである。
【図７】作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数d33（印加電圧30 V）との関係を示すグラフである。
【図８】作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数/電圧の変化量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明者等は、PZT（Pb(Zr1-xTix)O3）と同等の圧電特性を期待できる非鉛系圧電材料としてLKNN（(NaxKyLiz)NbO3）に着目し、圧電薄膜素子の圧電特性の向上とばらつきの低減とを達成するために、圧電体薄膜積層基板の構成における制御すべき項目について鋭意調査・検討を行った。その中で、密着層の厚さが薄くなるほど圧電体薄膜層の結晶配向度が向上する傾向があることを見出したが、同時に、密着層の厚さが薄くなるほど結晶配向度のばらつきが大きくなることを見出した。そこで、その要因を考察し、基板表面の粗さの影響を更に調査した。その結果、密着層の厚さを所定の範囲内に制御し、かつ基板の表面粗さ（特に、最大高さRz）を密着層の厚さ以下に抑制することによって、圧電体薄膜層の結晶配向度が更に向上しかつばらつきが小さくなることを見出した。本発明は、該知見に基づいて完成されたものである。
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００２１】
図１は、本発明に係る圧電体薄膜積層基板の断面模式図である。図１に示したように、本発明に係る圧電体薄膜積層基板10は、基板1の上に、密着層2、下部電極層3、圧電体薄膜層4及び上部電極層5がこの順に積層された構造を有する。本発明に係る圧電体薄膜素子は、圧電体薄膜積層基板10から所望形状のチップとして切り出すことで得られる。なお、上部電極層5は、圧電体薄膜積層基板10の段階で形成されていてもよいし、所望形状のチップに切り出した後に形成してもよい。
【００２２】
以下、圧電体薄膜積層基板10の製造手順に沿って、具体的に説明する。
【００２３】
はじめに、基板1を用意する。基板1の材料は、特に限定されず、圧電素子の用途に応じて適宜選択することができる。例えば、シリコン（Si）基板、SOI（Silicon on Insulator）基板、ゲルマニウム（Ge）基板、酸化マグネシウム（MgO）基板、酸化亜鉛（ZnO）基板、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基板、ルテニウム酸ストロンチウム（SrRuO3）基板、サファイア（Al2O3）基板、砒化ガリウム（GaAs）基板、窒化ガリウム（GaN）基板、ガラス基板、および石英ガラス基板を用いることができる。これらの中でも、Si基板を用いることがコストの面では好ましい。また、基板1が導電性材料からなる場合は、その表面に電気絶縁膜（例えば酸化膜）を有していることが好ましい。酸化膜の形成方法に特段の限定はないが、例えば、熱酸化処理や化学気相成長（Chemical Vapor Deposition、CVD）法を好適に用いることができる。
【００２４】
本発明は、基板1において、密着層2に対向する面の表面粗さが最大高さRzで2 nm以下であることに一つの特徴がある。基板1の表面粗さは、最大高さRzで2 nm未満であることがより好ましい。また、算術平均粗さRaで0.2 nm以下であることが好ましい。従来は、表面粗さの指標として算術平均粗さRaが主に利用されてきたが、本発明における検討の結果、最大高さRzの方がより重要であることが判った。
【００２５】
基板1の表面粗さを当該範囲に制御することによって、基板1上に形成する密着層2の厚さを薄くしても密着層2の表面平坦性を十分に確保することができ、その結果、下部電極層3の性状（例えば、(111)面配向度）が安定し、圧電体薄膜層4の結晶配向度と圧電特性とを向上させることが可能となる。具体的な作用効果については追って詳述する。なお、本発明において、表面粗さは、JIS B0601：2001に基づくものと定義し、例えば原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、AFM）を用いて測定することができる。
【００２６】
所望の表面粗さ（表面平坦性）を有する基板が得られる限り、基板1の表面制御方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。本発明では、基板の表面平坦化工程に係るプロセスコストは発生するが、本発明で規定する基板を用いることによって、基板1上に積層する各層（密着層2、下部電極層3、圧電体薄膜層4）の形成工程を、制御された雰囲気を保ったまま（例えば、真空状態を破ることなく）連続的に行うことができるようになる。これは、製造コスト全体としての低減に大きく貢献する。
【００２７】
次に、上記基板1上に密着層2を形成する。密着層2の材料としては、密着性や耐環境性の観点から第４族元素（チタン族元素：チタン（Ti）、ジルコニウム（Zr）、ハフニウム（Hf））または第５族元素（バナジウム属元素：バナジウム（V）、ニオブ（Nb）、タンタル（Ta））の酸化物が好ましい。また、密着層2は、非晶質状態（ガラス状態）の酸化物層であることが好ましい。密着層2が非晶質状態（ガラス状態）であることにより、表面で特定の面方位を示すことなく、高い表面平坦性を確保することができる。
【００２８】
密着層2の厚さは、1 nm以上2 nm以下が好ましく、1 nm以上2 nm未満がより好ましい。密着層2の厚さが1 nm未満になると、密着層2を連続層として形成することが困難になり（言い換えると、島状に形成され易くなり）、表面平坦性が劣化する。一方、密着層2の厚さが2 nm超になると、その上に形成する圧電体薄膜層4の結晶配向度と圧電特性とのばらつきが大きくなる。
【００２９】
ばらつきが大きくなるメカニズムは解明されていないが、その要因の一つとしては、密着層2が厚くなると、非晶質状態（ガラス状態）の維持が困難になり（言い換えると、一部が結晶化し始めるようになり）、高い結晶配向度を有する部分と結晶配向度が劣化した部分とが混在するようになり、ばらつきが大きくなることが考えられる。一方、密着層2が更に厚くなって密着層2全体が結晶化した場合は、結晶配向度が劣化した状態で安定する（ばらつきが小さくなる）ことが考えられる。
【００３０】
密着層2の形成方法としては、所望の密着層が得られる限り特段の限定はないが、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）が好適である。スパッタ法は製造コストの観点で好ましく、金属ターゲットを用い製膜中に酸素成分を導入して非晶質酸化物膜を形成する方法が好ましい。
【００３１】
なお、密着層の厚さは、Ｘ線反射率法によるＸ線反射率プロファイル（反射Ｘ線強度プロファイル）の振動周期から測定することが可能である。また、反射Ｘ線強度プロファイルの全反射臨界角から密着層の密度を求め、金属Tiの密度や結晶質Ti酸化物の密度と比較することで、密着層2が非晶質酸化物層であることを判断することが可能である。
【００３２】
次に、上記密着層2上に下部電極層3を形成する。下部電極層3の材料としては、特に限定されないが、例えば、白金（Pt）もしくはPt合金（Ptを主成分とする合金）用いることが好ましい。また、ルテニウム（Ru）、イリジウム（Ir）、スズ（Sn）、インジウム（In）もしくはこれらの酸化物を用いることができる。下部電極層3は、上記材料からなる単層構造でもよいし、上記材料の層を含む積層構造でもよい。
【００３３】
下部電極層3は、圧電体薄膜層4の下地層となることから圧電体薄膜層4の結晶配向度を向上させるため、(111)面に優先配向していることが好ましい。また、柱状結晶粒で構成された集合組織を有していることが好ましい。下部電極層3の形成方法としては、所望の下部電極層が得られる限り特段の限定はないが、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）を好適に用いることができる。
【００３４】
次に、上記下部電極層3上に圧電体薄膜層4を形成する。本発明では、圧電体薄膜層4の材料として、非鉛系圧電体であるニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（組成式(NaxKyLiz)NbO3、0＜x＜1、0＜y＜1、0≦z≦1、x＋y＋z＝1）（以下LKNNと称する場合がある）を用いることが好ましく、(001)面に優先配向していることが好ましい。LKNNは、(001)面配向した状態が最も高い圧電特性を示す。
【００３５】
圧電体薄膜層4の形成方法としては、所望の圧電体薄膜層が得られる限り特段の限定はないが、所望の組成を有する焼結体ターゲットを用いたスパッタ法や電子ビーム蒸着法やパルスレーザー堆積法が好適である。これらの製膜法は、組成制御性や結晶配向制御性に優れる利点がある。
【００３６】
なお、本発明の技術的思想は、圧電体薄膜層4としてLKNNを用いることに限定されるものではなく、非鉛系圧電材料でありペロブスカイト構造を有する他の強誘電体（例えば、チタン酸バリウム（BaTiO3）、Bi層状構造化合物）にも適用可能である。
【００３７】
次に、上記圧電体薄膜層4上に上部電極層5を形成する。上部電極層5の材料に特段の限定はなく、下部電極層3と同じ材料に加えて、アルミニウム（Al）、金（Au）、ニッケル（Ni）を好適に用いることができる。上部電極層5の形成方法にも特段の限定はなく、下部電極層3の場合と同様に、物理気相成長法（例えば、スパッタ法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法）が好適である。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
［検討１］
本検討では、圧電体薄膜積層基板における密着層の構成が、圧電体薄膜層の結晶配向度に及ぼす影響について調査した。
【００４０】
（圧電体薄膜積層基板の作製）
基板1、密着層2、下部電極層3、および圧電体薄膜層4からなる圧電体薄膜積層基板（図１に示した圧電体薄膜積層基板10から上部電極層5がない状態のもの）を作製した。基板としては、熱酸化膜付きSi基板（(100)面方位の4インチウェハ、ウェハ厚さ0.525 mm、熱酸化膜厚さ200 nm）を用いた。
【００４１】
はじめに、熱酸化膜付きSi基板に表面研磨を施して、基板1を用意した。基板の表面粗さの測定は、AFM（デジタルインスツルメンツ社（現ビーコ社）製、型式：ナノスコープIIIa）を用いて、1μm×1μmの範囲を4 nmピッチで走査して行った。測定の結果、当該基板の表面粗さは、算術平均粗さRaで0.58 nm、最大高さRzで7.5 nmであった。
【００４２】
以下の製膜工程において、各層（密着層2、下部電極層3、圧電体薄膜層4）の厚さの制御は、予め検証した製膜速度を基にして、製膜時間を制御することにより行った。また、各層の厚さの測定は、Ｘ線回折装置（スペクトリス株式会社（PANalytical事業部）製、型式：X’Pert PRO MRD）を用いて、Ｘ線反射率法により行った。
【００４３】
RFマグネトロンスパッタ法により基板1上に密着層2（厚さ1〜4.9 nm）を形成した。密着層2の製膜条件は、Tiターゲット（純度2N〜4N、直径200 mm）を用い、投入電力600 W、基板温度200℃、アルゴン（Ar）と酸素（O2）との混合雰囲気、圧力7.0 Paとした。
【００４４】
次に、RFマグネトロンスパッタ法により密着層2上に下部電極層3（厚さ200 nm）を形成した。下部電極層3の製膜条件は、Ptターゲット（純度4N、直径200 mm）を用い、投入電力200 W、基板温度250℃、Ar雰囲気、圧力2.5 Paとした。
【００４５】
次に、RFマグネトロンスパッタ法により下部電極層3上に圧電体薄膜層4（厚さ2μm）を形成した。圧電体薄膜層4の製膜条件は、KNN焼結体ターゲット（(Na0.5K0.5)NbO3、直径200 mm）を用い、投入電力700 W、基板温度520℃、ArとO2との混合雰囲気、圧力1.3 Paとした。
【００４６】
（下部電極層および圧電体薄膜層の優先配向性）
上記で作製した圧電体薄膜層4形成後の圧電体薄膜積層基板について、Ｘ線回折（X-ray Diffraction、XRD）測定を行った。XRD測定には、多機能高分解能Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製、型式：D8 DISCOVER with Hi STAR）を用い、測定条件は、X線源Cu-Kα線（線焦点）、出力1.8 kW（45 kV×40 mA）、走査法2θ/θスキャン、スリット幅10 mm×0.1 mmとした。
【００４７】
図２は、本発明に係る圧電体薄膜積層基板における圧電体薄膜層形成後で上部電極層形成前の基板のXRDパターンを示すチャートの一例である。図２に示したように、下部電極層3のPt膜は、(111)面に優先配向していることが確認された。また、圧電体薄膜層4のKNN膜は、(001)面、(002)面及び(003)面の回折ピークのみが観察されることから、(001)面に優先配向していることが確認された。なお、高分解能走査型電子顕微鏡を用いて、図２に示した圧電体薄膜積層基板の断面観察を行ったところ、下部電極層3および圧電体薄膜層4は、それぞれ柱状結晶粒で構成された集合組織を有していることが確認された。
【００４８】
次に、密着層2の厚さと圧電体薄膜層4の(001)面配向度との関係を調査した。先と同じ多機能高分解能Ｘ線回折装置を用いて、圧電体薄膜層4を形成後で上部電極層5を形成前の基板に対してＸ線回折測定を行った。(001)面配向起因の(101)面回折強度（圧電体薄膜層4の表面を(001)面と見なした時の(101)面の回折強度）をKNN膜の(001)面配向度と定義した。なお、Ｘ線回折測定を通して、圧電体薄膜層4のKNN膜は、擬立方晶の多結晶薄膜であることが判った。
【００４９】
図３は、作製した圧電体薄膜積層基板における密着層の厚さと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。図３に示したように、密着層2のTi酸化物膜の厚さが減少するとともに、圧電体薄膜層4のKNN膜の(001)面配向度が増大することが判った。KNN膜は、(001)面配向度が高くなるにつれて圧電特性の指標の一つである圧電定数d33や-d31が大きくなる傾向がある。すなわち、密着層2の厚さを薄くすることによって、圧電体薄膜素子における圧電特性を向上させることが期待できる。
【００５０】
しかしながら、密着層2のTi酸化物膜の厚さが減少するとともに、圧電体薄膜層4のKNN膜の(001)面配向度のばらつきが増大することが判った。これは、当初予想できない現象であった。なぜならば、本検討で用いた基板1は、表面粗さが算術平均粗さRaで0.58 nmであり、従来の技術的思想の範囲では十分な表面平耐性を有すると考えるものであった。また、本検討の密着層2の厚さは、1.0〜4.9 nmであり、基板1の算術平均粗さRaよりも十分に厚いものと考えていたためである。
【００５１】
一方、別の観点から見ると、本検討の密着層2の厚さは基板1の最大高さRz（7.5 nm）よりも小さい。このことから、基板1の表面粗さの指標としては、算術平均粗さRaよりも最大高さRzの方が重要である可能性が考えられた。
【００５２】
［検討２］
検討１の結果を受けて、本検討では、圧電体薄膜積層基板における基板の構成が、圧電体薄膜層の結晶配向度に及ぼす影響について調査した。
【００５３】
（圧電体薄膜積層基板の作製）
検討１と同様の基板（熱酸化膜付きSi基板）を用い、表面研磨を施して表面粗さの異なる基板1を用意した。検討１と同様にして基板表面粗さの測定を行った結果、用意された基板は、算術平均粗さRa＝0.58 nmかつ最大高さRz＝7.6 nmの基板、Ra＝0.26 nmかつRz＝5.2 nmの基板、Ra＝0.18 nmかつRz＝2.0 nmの基板、およびRa＝0.16 nmかつRz＝1.9 nmの基板であった。
【００５４】
次に、検討１と同様にしてRFマグネトロンスパッタ法により、基板1上に、密着層2（厚さ2.5 nm）と、下部電極層3（厚さ200 nm）と、圧電体薄膜層4（厚さ2μm）とを順次形成した。
【００５５】
（圧電体薄膜層の優先配向性）
検討１と同様にして、圧電体薄膜層4の(001)面配向度を調査した。図４は、作製した圧電体薄膜積層基板における基板の最大高さRzと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。また、図５は、作製した圧電体薄膜積層基板における基板の算術平均粗さRaと圧電体薄膜層の(001)面配向度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図４に示したように、基板1の最大高さRzが減少するとともに圧電体薄膜層4のKNN膜の(001)面配向度が増大した。特に、基板1の最大高さRzが密着層2の厚さを下回るとKNN膜の(001)面配向度が急激に増大することが判った。すなわち、基板1の表面粗さの最大高さRzを密着層2の厚さ以下にする（言い換えると、最大高さRz以上に密着層2を形成する）ことによって、圧電体薄膜層4の(001)面配向度を増大させ、圧電体薄膜素子における圧電特性を更に向上させることができると考えられた。
【００５７】
また、図５も図４と同様に、基板1の算術平均粗さRaが減少するとともに圧電体薄膜層4のKNN膜の(001)面配向度が増大し、0.18 nm以下が好ましいことが判った。基板1の算術平均粗さRaは、密着層2の厚さの1/10以下に制御することが好ましいと考えられた。
【００５８】
［検討３］
本検討では、上記検討１および検討２を組み合わせた効果を確認するための実験を行った。
【００５９】
（圧電体薄膜積層基板の作製）
基板1として、検討２で用意した表面粗さが最大高さRz＝1.9 nmの基板を用いた。次に、検討１と同様にしてRFマグネトロンスパッタ法により、基板1上に、密着層2（厚さ2.0 nm）と、下部電極層3（厚さ200 nm）と、圧電体薄膜層4（厚さ2μm）とを順次形成した。
【００６０】
（圧電体薄膜層の優先配向性）
検討１と同様にして、圧電体薄膜層4の(001)面配向度を調査した。その結果、KNNの(001)面配向度として0.959±0.006が得られ、図３に示した結果よりも高い(001)面配向度かつ小さいばらつきとなることが確認された。
【００６１】
［検討４］
本検討では、上記で得られた圧電体薄膜積層基板を用いて圧電体薄膜素子を作製し、圧電特性を調査した。
【００６２】
（密着層の厚さと圧電体薄膜層の圧電定数（d33）との関係）
まず、上記で用意した圧電体薄膜積層基板の圧電体薄膜層4上に、RFマグネトロンスパッタ法により上部電極層5（厚さ200 nm）を形成した。上部電極層5の製膜条件は、下部電極層3の場合と同様に、Ptターゲット（純度4N、直径200 mm）を用い、投入電力200 W、基板温度250℃、Ar雰囲気、圧力2.5 Paとした。次に、得られた圧電体薄膜積層基板10にダイシングを行いチップ状の圧電体薄膜素子を作製した。
【００６３】
次に、得られた圧電体薄膜素子に対して強誘電体特性評価システムを用いて圧電定数（d33）を測定した。ここで、本実施例の圧電定数について簡単に説明する。一般的に、圧電定数を求めるためには、圧電体の弾性定数であるヤング率やポアソン比等の物性値が必要である。しかしながら、基板上に形成された圧電体薄膜層のヤング率やポアソン比の真値を求めることは事実上困難である。そこで、本実施例では、現在知られているKNNバルク圧電体のヤング率やポアソン比の値を用いて圧電定数を算出し、相対的な比較を目的として任意単位で表すこととした。
【００６４】
図６は、作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数d33（印加電圧2 V）との関係を示すグラフである。図６に示したように、密着層2のTi酸化物膜の厚さが減少するとともに圧電体薄膜層4のKNN膜の圧電定数d33が向上することが判る。これは、図３の傾向と合致しており、KNN膜の(001)面配向度の向上が圧電定数d33の向上に寄与したものと考えられる。なお、検討３で示したように、基板1の表面粗さと密着層2の厚さとを制御した試料は、より高い圧電特性とより小さいばらつきとを実現できることが確認された。
【００６５】
図７は、作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数d33（印加電圧30 V）との関係を示すグラフである。図７に示したように、密着層2のTi酸化物膜の厚さが減少するとともに圧電体薄膜層4のKNN膜の圧電定数d33が減少することが判った。これは、図６の印加電圧2 Vの場合とは反対の傾向である。このような結果は、密着層2のTi酸化物膜の厚さが減少するとともにKNN膜の(001)面配向度が向上して相対的に電歪効果（高電圧における変形増大効果）が減少することに起因すると考えられる。
【００６６】
（圧電体薄膜層の圧電定数/電圧の変化量の評価）
電子部品に求められる小型化・高性能化を考慮すると、圧電素子は、低電圧時の圧電定数が大きくかつ電圧変化に伴う圧電定数の変動が小さいことが、動作精度・制御性の観点から望ましい。そのような圧電素子に対しては、電圧変動に対する補正用周辺回路を小型化または簡略化することができ、圧電部品全体としての小型化に貢献できる。そこで、先の実験結果（図６〜図７）から、本発明における圧電体薄膜層の圧電定数/電圧の変化量を算出した。圧電定数/電圧の変化量は、印加電圧2 V時の圧電定数と印加電圧30 V時の圧電定数との変化量として、下記の式（１）で定義した。
【００６７】
［数１］
圧電定数/電圧の変化量（V-1）＝ (30 V印加時の圧電定数 −2 V印加時の圧電定数)/28
・・・式（１）
【００６８】
図８は、作製した圧電体薄膜素子における密着層の厚さと圧電体薄膜の圧電定数/電圧の変化量との関係を示すグラフである。図８に示したように、密着層2の厚さ（Ti酸化物膜厚）が減少するにしたがって、圧電定数/電圧の変化量が減少していることが判る。この結果から、密着層2の厚さを小さくした圧電体薄膜素子の方が、電子部品の小型化・動作精度・制御性の観点でより好ましいと言える。また、先の実験結果と同様に、基板1の表面粗さと密着層2の厚さとを制御した試料は、圧電定数/電圧の変化量のばらつきが小さくなることが確認された。
【００６９】
なお、上述した実施例において、密着層2としてTi酸化物膜に代えてZr酸化物膜を形成した場合、およびHf酸化物膜を形成した場合であっても、Ti酸化物膜の場合と同様の効果が得られることを別途確認した。また、上述した実施例において、圧電体薄膜層4の材料としてKNNに代えてLKNNを用いた場合であっても、KNN圧電体薄膜層と同様の効果が得られることを別途確認した。
【００７０】
以上説明したように、本発明によれば、非鉛系圧電体を用い、高い圧電特性を有しかつ素子毎の圧電特性のばらつきが小さい圧電体薄膜積層基板および圧電体薄膜素子を提供することができる。本発明に係る圧電体薄膜素子を利用することにより、環境負荷を低減させかつ高性能な小型システム装置（例えば、MEMSデバイス）を実現できる。
【００７１】
なお、上述した実施形態および実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
1…基板、2…密着層、3…下部電極層、4…圧電体薄膜層、5…上部電極層、
10…圧電体薄膜積層基板。
【図１】
2014187219.tif 000003
【図２】
2014187219.tif 000004
【図３】
2014187219.tif 000005
【図４】
2014187219.tif 000006
【図５】
2014187219.tif 000007
【図６】
2014187219.tif 000008
【図７】
2014187219.tif 000009
【図８】
2014187219.tif 000010