(57)【要約】圧電素子は、基板Ｌ１と、基板Ｌ１の上面に形成された酸化膜Ｌ２と、酸化膜Ｌ２の上面に形成された下部電極Ｌ３と、下部電極Ｌ３の上面に形成された圧電体薄膜Ｌ４とにより構成されている。圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に配向したエンジニアードドメイン構造を有するペロブスカイト型強誘電体結晶であるチタン酸ジルコン酸鉛により構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、
前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、
各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
各ドメインの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電体薄膜は、結晶方位が［１１１］方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることを特徴する請求項３記載の圧電素子。
【請求項５】
前記基板の上側に形成された酸化膜と、
前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、
前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項６】
ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、
基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、
前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、
前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、
前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、
前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を備える圧電素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、駆動素子やセンサなどの機械電気変換素子として、チタン酸ジルコンサン鉛（ＰＺＴ）等から構成される圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、及び低コスト化などの要求に応えるために、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）による機械電気変換素子が増加している。【０００３】
機械電気変換素子をＭＥＭＳで構成するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。これにより、成膜及びフォトリソグラフィー等の半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、機械電気変換素子を小型化及び高密度化することができる。また、機械電気変換素子をＭＥＭＳで構成すると、大面積のウェハを用いて複数の機械電気変換素子を一括加工できるため、コストを低減することができる。更に、機械電気変換素子の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度を向上させることができる。【０００４】
一方、近年、ペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することで、ヒステリシスのない圧電特性を得ることができる圧電体が知られている（非特許文献１、特許文献１）。【０００５】
図８は、ペロブスカイト型強誘電体結晶であるＰＺＴの結晶構造を示した図である。図８に示すように、ＰＺＴは、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶からなり、立方体の中心にチタン（Ｔｉ）又はジルコン（Ｚｒ）が配置され、各頂点に鉛（Ｐｂ）が配置され、各面の中心に酸素が配置されたペロブスカイト構造を有していることが分かる。【０００６】
図９は、結晶毎のエンジニアードドメイン構造を示した図である。エンジニアードドメイン構造を強誘電体単結晶中に導入するには、ある特定の結晶方位に電場を印加する必要があり、その結晶方位は結晶構造ごとに異なる。【０００７】
図９に示すように、菱面体晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、１つは［１００］方位であり、もう１つは［１１０］方位である。また、斜方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、一つは［１００］方位であり、もう１つは［１１１］方位である。また、正方晶では、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は２つあり、１つは［１１１］方位であり、もう１つは［１１０］方位である。【０００８】
しかしながら、上記文献に記載されたエンジニアードドメイン構造を有する圧電体は、るつぼ内の溶液を種結晶から徐々に固化するいわゆるブリッジマン法により育成されたバルク単結晶の圧電体であり、薄膜化されたものではない。そのため、ＭＥＭＳの機械電気変換素子に用いることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−９３１３３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】宮澤新太郎、栗村直監修  分極反転デバイスの基礎と応用  第２章
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、ヒステリシスの少ない圧電特性を有し、かつ、圧電体が薄膜化された圧電素子を提供することである。
【００１２】
本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
【００１３】
本発明の別の一局面による圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態による圧電素子の構成図を示している。
【図２】本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法に用いられるスパッタ装置の概要を示す断面図である。
【図３】図２に示すスパッタ装置を用いて本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、カンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の続きのカンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。
【図６】上記の圧電素子の圧電特性の一例を示したグラフである。
【図７】本発明の実施の形態による圧電素子の応用例であるダイヤフラムを示した図である。
【図８】ペロブスカイト型強誘電体結晶であるＰＺＴの結晶構造を示した図である。
【図９】結晶毎のエンジニアードドメイン構造を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態による圧電素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態による圧電素子の構成図を示している。図１に示すように圧電素子は、基板Ｌ１と、基板Ｌ１の上面に形成された酸化膜Ｌ２と、酸化膜Ｌ２の上面に形成された下部電極Ｌ３と、下部電極Ｌ３の上面に形成された圧電体薄膜Ｌ４とを備えている。
【００１６】
基板Ｌ１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板を採用することができる。酸化膜Ｌ２としては、シリコンの熱酸化膜である酸化シリコン（ＳｉＯ２）を採用することができる。下部電極Ｌ３としては、例えば白金（Ｐｔ）からなる下部電極を採用することができる。圧電体薄膜Ｌ４としては、例えば、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインＤＭからなるエンジニアードドメイン構造が導入されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を採用することができる。
【００１７】
ここで、基板Ｌ１の厚みとしては、本圧電素子が適用されるデバイスの構成により異なるが、例えば３００〜５００μｍ程度を採用することができる。
【００１８】
酸化膜Ｌ２は、基板Ｌ１の保護、並びに基板Ｌ１及び下部電極Ｌ３を絶縁する目的で形成され、基板Ｌ１を例えば１５００℃程度で加熱することにより形成される。また、酸化膜Ｌ２の厚みとしては、例えば０．１μｍ程度を採用することができる。
【００１９】
下部電極Ｌ３は、例えば後述するスパッタ法により酸化膜Ｌ２の上部に形成される。また、下部電極Ｌ３の厚みとしては例えば０．１μｍ程度を採用することができる。
【００２０】
圧電体薄膜Ｌ４を構成するペロブスカイト型強誘電体結晶としては、例えば正方晶のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を採用することができる。ここで、ＰＺＴにおけるジルコンとチタンとの組成比は、後述するスパッタ法のターゲットにおけるジルコンとチタンの組成とほぼ同様の組成比を持つ。そして、このジルコンとチタンとの組成比を、チタン酸ジルコン酸鉛を正方晶にすることができる所定の組成比にすることで、圧電体薄膜Ｌ４を正方晶の結晶構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛により構成することができる。なお、圧電体薄膜Ｌ４の厚みとしては、圧電素子の用途に応じて異なるが、アクチュエータとして用いる場合は例えば１〜５μｍ、センサとして用いる場合は例えば１μｍ程度を採用すればよい。
【００２１】
そして、後述するように、圧電体薄膜Ｌ４は、基板Ｌ１に負のバイアス電圧をかけた状態でスパッタ法により成膜されている。そのため、圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に配向したエンジニアードドメイン構造を有するように成膜されることになる。
【００２２】
具体的には、圧電体薄膜Ｌ４は、基板Ｌ１から上下方向（垂直方向）に柱状に伸びた複数のドメインＤＭが左右方向（水平方向）に配列された構造を有している。
【００２３】
図９でも述べたように、結晶構造毎にエンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は定まっており、正方晶の場合、エンジニアードドメイン構造を導入できる結晶方位は［１０１］方位と［１１１］方位との２つである。本実施の形態では、エンジニアードドメイン構造の結晶方位として［１１１］方位が採用されている。これは、［１１１］方位に優先配向した白金を下部電極Ｌ３として採用し、下部電極Ｌ３の主面にスパッタ法により圧電体薄膜Ｌ４を成膜することで、［１１１］方位に優先配向したエンジニアードドメイン構造を持つ圧電体薄膜Ｌ４を容易に形成することができるからである。
【００２４】
本実施の形態に示す圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に優先配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有しているため、各ドメインＤＭの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかになる。
【００２５】
そのため、各ドメインＤＭの自発分極方向は、隣接するドメインの自発分極方向に対して９０度となり、かつ、上下方向に対して５４．７度の角度をなす。つまり、各ドメインＤＭの自発分極方向は９０度で互い違いに配列されている。これにより、圧電体薄膜Ｌ４は、［１１１］方位に強く配向した膜となり、その左右方向（水平方向）の断面は基板Ｌ１から上下方向に伸びた柱状の小さな結晶からなるドメインＤＭが集まった構造になっている。
【００２６】
次に、本実施の形態による圧電素子の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法に用いられるスパッタ装置の概要を示す断面図である。
【００２７】
このスパッタ装置は高周波マグネトロンスパッタ法により圧電体薄膜Ｌ４を成膜する装置であり、ターゲット１、ターゲット皿２、マグネット３、カバー４、高周波電極５、絶縁体６、真空チャンバー７、高周波電源８、基板９、基板加熱ヒーター１０、バルブ１２，１３、及びスパッタガスを真空チャンバー７内に供給するノズル１４等を備えている。また、このスパッタ装置は、基板９にバイアス電圧を印加するための直流電源１１及びバイアス電極部１５も備えている。
【００２８】
真空チャンバー７は、断面形状が四角形状の箱体により構成され、底壁の中央には、高周波電極５とマグネット３とが埋設されている。マグネット３は上面が真空チャンバー７の底壁の上面と連なっている。また、高周波電極５はマグネット３の下側に配設されている。真空チャンバー７の底壁であってマグネット３の上側にはターゲット皿２が載置される。
【００２９】
ターゲット皿２は、ターゲット１が充填され、マグネット３の上側に載置される。カバー４は、ターゲット１の表面の原子を基板９に飛翔させるべく、上側が開放されており、ターゲット皿２を取り囲むように、真空チャンバー７の底壁に立設されている。また、高周波電極５は、高周波電源８が接続され、高周波電力が印加されることで、真空チャンバー７内にマイクロ波を発生させる。高周波電源８は、一端が高周波電極５に接続され、他端が接地されている。
【００３０】
真空チャンバー７の一方の壁面には２分岐したノズル１４が設けられている。ノズル１４の一方の分岐路にはアルゴン（Ａｒ）が供給され、他方の分岐路には酸素（Ｏ２）が供給され、アルゴン及び酸素からなるスパッタガスが真空チャンバー７内に供給される。真空チャンバー７内に供給されたスパッタガスは、真空チャンバー７内に発生したマイクロ波によってブラズマ化される。また、ノズル１４のそれぞれの分岐路にはバルブ１２，１３が取り付けられ、Ａｒ及びＯ２の流量が調整される。
【００３１】
真空チャンバー７の他方の側面には、排気口１６が設けられている。この排気口１６には真空チャンバー７内のガス排気するための例えばバルブ及びポンプ（図略）が接続されている。
【００３２】
真空チャンバー７の上壁には、棒状の支持部材がターゲット１に向けて設けられている。バイアス電極部１５は、この支持部材によってターゲット１と対向するように真空チャンバー７の上壁から吊されている。ここで、バイアス電極部１５は、例えば、内部に基板加熱ヒーター１０が収納された直方体形状を有する導体により構成されている。基板９は、バイアス電極部１５の下面に当接するように真空チャンバー７内に設置され、基板加熱ヒーター１０によって加熱される。
【００３３】
直流電源１１は、一端が接地され、他端がバイアス電極部１５に接続された直流電圧回路により構成され、負のバイアス電圧を基板９に印加する。マグネット３と高周波電極５とは、絶縁体６によって真空チャンバー７から絶縁されている。
【００３４】
なお、基板加熱ヒーター１０、高周波電源８、バルブ１２，１３、及び直流電源１１は制御装置（図略）と接続されている。また、真空チャンバー７には、真空チャンバー７内の温度を測定するための温度センサと、真空チャンバー７内の圧力を測定するための圧力センサとが設けられている。
【００３５】
そして、制御装置は、温度センサによる測定データに基づいて、基板加熱ヒーター１０の発熱量を調整し、真空チャンバー７内の温度調節を行う。また、制御装置は、圧力センサによる測定データに基づいて、バルブ１２，１３の開度、並びに排気口１６側に設けられた図略のバルブの開度及びポンプの稼働を制御し、真空チャンバー７内の圧力を調整する。
【００３６】
また、制御装置は、高周波電源８をオン、オフさせ、真空チャンバー７内にマイクロ波を発生させたり、マイクロ波の発生を停止させたりする。また、制御装置は、直流電源１１をオン、オフさせ、基板９にバイアス電圧を印加させたり、バイアス電圧の印加を停止させたりする。
【００３７】
図３は、図２に示すスパッタ装置を用いて本発明の実施の形態による圧電素子の製造方法を示したフローチャートである。
【００３８】
まず、結晶構造が正方晶になるようチタンとジルコンとの組成比が所定の組成比に調合されたＰＺＴの粉末を混合、焼成及び粉砕して、ターゲット皿２に充填して、プレス機で加圧することでターゲット１を生成し、スパッタ装置に設置する（ステップＳ１）。このとき、ターゲット１を取り囲むようにカバー４が取り付けられる。
【００３９】
ここで、ＰＺＴを正方晶とするためには、チタンとジルコンとの比率を、例えば、５５〜７５％：４５〜２５％にすればよく、好ましくは、６０：４０％にすればよい。
【００４０】
次に、基板９をバイアス電極部１５の下面に設置する（ステップＳ２）。薄膜である基板９としては、＜１００＞方位に配向したＳｉ単結晶板が用いられている。この基板９上の片面には、予め下地電極として、＜１１１＞方位に優先配向した白金が例えばスパッタ法により所定の厚さで形成されている。
【００４１】
次に、ポンプが稼働され、真空チャンバー７のガスが排気口１６から排出されて真空チャンバー７内が真空引きされる（ステップＳ３）。
【００４２】
次に、基板加熱ヒーター１０が稼働され、基板９が所定温度、例えば６００℃にまで加熱される（ステップＳ４）。
【００４３】
次に、バルブ１２，１３が開けられ、ＡｒとＯ２とが所定の割合で混合されたスパッタガスがノズル１４を介して真空チャンバー７内に供給される（ステップＳ５）。このとき、制御装置は、真空チャンバー７内の真空度が所定の値を保つように、スパッタガスを真空チャンバー７内に供給する。
【００４４】
次に、直流電源１１がオンされ、基板９に例えば数十Ｖの負のバイアス電圧が印加される（ステップＳ６）。次に、高周波電源８がオンされ、高周波電極５に高周波電力が供給され、真空チャンバー７内にマイクロ波が発生され、スパッタガスがプラズマ化される（ステップＳ７）。
【００４５】
これにより、ターゲット１の表面の原子が基板９に向けて飛翔され、基板９上に圧電体薄膜が成膜される（ステップＳ８）。
【００４６】
圧電体薄膜が所望の膜厚になると、高周波電源８がオフされ、高周波電極５への高周波電力の供給が停止され、成膜が終了される（ステップＳ９）。
【００４７】
次に、基板９へのバイアス電圧の印加が継続された状態で、制御装置により基板加熱ヒーター１０が制御され、基板９の冷却が開始される（ステップＳ１０）。ここで、制御装置は、予め定められたシーケンスに従って、基板加熱ヒーター１０の発熱量を漸次に低下させ、基板９の温度を室温（例えば２５℃）まで漸次に低下させる。これにより、圧電体薄膜に分極処理が施され（ステップＳ１１）、［１１１］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜が成膜されることになる。
【００４８】
基板９の温度が室温まで低下すると（ステップＳ１２）、制御装置により直流電源１１がオフされ（ステップＳ１３）、基板９へのバイアス電圧の印加が停止され、成膜が終了される。
【００４９】
上記の製造方法では、チタンとジルコンとの組成比が正方晶となる所定の組成比に調合されたＰＺＴの粉末を用いてターゲット１が生成されている。そして、基板９に負のバイアス電圧が印加された状態で、スパッタ法によって基板９に圧電体薄膜が成膜される。そして、圧電体薄膜の厚さが所望の厚さになると、高周波電力の供給が停止され、基板９に負のバイアス電圧が印加された状態で、基板加熱ヒーター１０の発熱量が漸次に低下されて基板９が冷却される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を基板９に成膜させることができる。
【００５０】
次に、上記の製造方法を用いて製造された圧電素子の圧電特性について説明する。成膜したＰＺＴからなる圧電体薄膜の圧電特性を測定するため、以下のようなプロセスによりカンチレバー状の圧電素子を製造し、その変位を測定した。
【００５１】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、カンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の続きのカンチレバー状の圧電素子の製造プロセスを示した図である。図４（Ａ）に示すように、この圧電素子では、基板Ｌ１１として上面に熱酸化膜が形成されたシリコンウエハが用いられている。そして、図４（Ａ）に示すように、まず、基板Ｌ１１の上には、Ｐｔ／Ｔｉからなる下部電極Ｌ１２が形成され、下部電極Ｌ１２の上には、ＰＺＴからなる圧電体薄膜Ｌ１３が形成される。なお、下部電極Ｌ１２においては、Ｔｉが下層に形成され、Ｔｉの上にＰｔが形成されている。
【００５２】
次に、図４（Ｂ）に示すように、圧電体薄膜Ｌ１３の上にスパッタ法によりＰｔからなる上部電極Ｌ１４が形成される。このときの成膜条件は、例えば、真空チャンバー７内のマイクロ波のパワー（ＲＦパワー）が１５０Ｗ、Ａｒの流量が２０ｓｃｃｍ、真空チャンバー７内の圧力が０．２Ｐａであり、上部電極Ｌ１４は、圧電体薄膜Ｌ１３の一部が露出するようステンレス製のステンシルマスクを使って成膜されている。
【００５３】
次に、図４（Ｃ）に示すように、上部電極Ｌ１４上のみに感光性レジストＬ１５が覆われるように、フォトリソフィーによって上部電極Ｌ１４の上に感光性レジストＬ１５が約３μｍの厚みで塗布される。このとき、後工程のエッチングに対して耐性を上げるために現像後に約９０℃のベークをおこなうことが好ましい。
【００５４】
次に、図４（Ｄ）に示すように、例えばフッ硝酸（フッ酸と硝酸との混合液）を含むエッチング液を用いて、下部電極Ｌ１２の一部が露出するまで圧電体薄膜Ｌ１３をエッチングする。
【００５５】
次に、図５（Ａ）に示すように、感光性レジストＬ１５をアルカリ系の剥離液を用いて除去する。また、図５（Ａ）に示すように、圧電素子の大きさを規定するために、例えば長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍになるようにダイシングにより圧電素子をウエハから分離する。なお、圧電素子の分離はダイシングに限定されず、ドライエッチングを採用してもよい。
【００５６】
次に、図５（Ｂ）に示すように、熱硬化性導電性ペーストからなる一対の電極Ｐ１，Ｐ１を上部電極Ｌ１４の左端近傍及び下部電極Ｌ１２の左端に形成する。次に、図５（Ｃ）に示すように、電極Ｐ１を硬化温度まで加熱させて配線ＬＮを電極Ｐ１，Ｐ１に接着する。
【００５７】
次に、図５（Ｄ）に示すように、ウエハから得られた圧電素子を取り出し、カンチレバーの可動長が１０ｍｍとなるように上部電極Ｌ１４の左端と基板Ｌ１１の下面の左端とを一対のクランプ材Ｃ１，Ｃ１を用いて挟持した。更に、上部電極Ｌ１４に最大０Ｖ、下部電極Ｌ１２に最小−２０Ｖの電圧を５００Ｈｚの周波数で印加し、圧電素子の右端の端部である変位観察部をレーザードップラー計により観察したところ変位は２μｍであった。
【００５８】
この変位から下記の式により圧電定数ｄ３１を算出できる。なお、圧電定数ｄ３１の詳細については、"I.  Ｋａｎｎｏ  ｅｔ  ａｌ,  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  A  １０７  (２００３)  ６８-７４"に記載されている。
【００５９】
2011077667.tif 000003
ここで、ｈｓは基板Ｌ１１の厚さを示し、ｓｐは圧電体薄膜Ｌ１３の弾性コンプライアンスを示し、ｓｓは基板Ｌ１１の弾性コンプライアンスを示し、Ｌはカンチレバーの長さ（可動長）を示し、Ｖは印加電圧を示し、δはカンチレバーの変位を示している。
【００６０】
例えば、ｈｓ＝４００μｍ、ｓｐ＝９０ＧＰａ、ｓｓ＝１８０ＧＰａ、Ｌ＝１０ｍｍとすると、圧電定数ｄ３１は、ｄ３１＝−１６０ｐｍ／Ｖが得られる。
【００６１】
図６は、上記の圧電素子の圧電特性の一例を示したグラフであり、縦軸は歪み量を示し、横軸は電極Ｐ１に印加した電界強度を示している。
【００６２】
図６に示す圧電特性は、電界強度に対してほぼ直線状に歪み量が増大しており、エンジニアードドメイン構造が導入されていない従来の圧電素子に比べてヒステリシスがほとんど見当たらない圧電特性が得られていることが分かる。
【００６３】
次に、本発明の実施の形態による圧電素子のダイヤフラムへの応用例について説明する。図７は、本発明の実施の形態による圧電素子の応用例であるダイヤフラムを示した図である。図７に示すようにこのダイヤフラムは、上記の製造手法を用いて基板Ｌ１、酸化膜Ｌ２、下部電極Ｌ３、圧電体薄膜Ｌ４、及び上部電極Ｌ５がこの順で積層されている。
【００６４】
基板Ｌ１の下側の中央部分は、円柱状に除去されて除去部ＲＤとされており、基板Ｌ１の上側の中央部が薄い板状になっている。また、圧電体薄膜Ｌ４は、除去部ＲＤの半径とほぼ同じ長さの半径となるように円柱状に外形加工されている。この円柱状に外径加工された圧電体薄膜Ｌ４の上側には、Ｐｔからなる上部電極Ｌ５が例えばスパッタ法により成膜されている。
【００６５】
ここで、上部電極Ｌ５及び下部電極Ｌ３間に所定の交流電界を印加すると、圧電体薄膜Ｌ４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によりダイヤフラムが上下に湾曲する。
【００６６】
そのため、除去部ＲＤに気体や液体を充填すると、インクジェットプリンタのプリンタヘッドやポンプなどに応用できる。例えば、除去部ＲＤ内にインクを充填し、除去部ＲＤの下部を孔の空いた蓋体で封止する。これにより、ダイヤフラムの上下の湾曲により、蓋体の孔からインクを吐出させ、ダイヤフラムをプリンタヘッドに応用することができる。
【００６７】
また、音波や超音波によりこのダイヤフラムを左右に振動させると、上記と反対の効果により上部電極Ｌ５及び下部電極Ｌ３間に電界を発生させ、発生させた電界の周波数や大きさ等を検出することによりこのダイヤフラムをセンサとして用いることができる。
【００６８】
なお、本発明による圧電素子は下記の形態を採用してもよい。上記説明では、圧電体薄膜は、ＰＺＴにより構成されていたが、これに限定されず、ＰＺＴにＮｂ，Ｌａ，Ｍｎ等を添加したものを圧電体薄膜の材料として用いても良い。
【００６９】
また，ＰＺＴの代わりにＰＭＮＴ（ニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＺＮＴ（亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛）等の鉛を含む他の材料を用いて圧電体薄膜を構成してもよい。
【００７０】
これらの材料は、いずれもＰＺＴと比較して高い圧電特性を示すことが報告されている。また、これらの材料において、結晶構造及び鉛抜け防止が必要となることはＰＺＴと同じである。
【００７１】
このように、本圧電素子によれば、圧電体薄膜がエンジニアードドメイン構造を有しているため、ヒステリシスのほとんどない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。また、スパッタ法により圧電体薄膜が成膜される際に基板に負のバイアス電圧が印加されている。加えて、高周波電力の供給が停止された後、基板への負のバイアス電圧の印加が継続された状態で基板の温度が漸次に低下される。そのため、エンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を形成することができる。
【００７２】
なお、上記説明では、圧電体薄膜は、［１１１］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用したが、これに限定されず、［１１０］方位に配向した正方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、［１００］方位又は［１１０］方位に配向した菱面体晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよいし、［１００］方位又は［１１１］方位に配向した斜方晶のエンジニアードドメイン構造を採用してもよい。
【００７３】
上記圧電素子の技術的特徴は以下のようにまとめることができる。
【００７４】
（１）本発明の一局面による圧電素子は、基板と、前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いている。
【００７５】
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向が基板側を向いているため、配向方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造の圧電体薄膜を有する圧電素子を提供することができる。そのため、圧電定数が高く、かつ、ヒステリシスの少ない圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。
【００７６】
（２）また、上記圧電素子において、各ドメインの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかであることが好ましい。
【００７７】
この構成によれば、各ドメインの自発分極方向のベクトル和が［１１１］方向となり、下方向に強く配向した圧電体薄膜を形成することができる。
【００７８】
（３）上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることが好ましい。
【００７９】
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶が正方晶であるため、比較的容易にペロブスカイト型強誘電体結晶にエンジニアードドメイン構造を導入することができる。
【００８０】
（４）上記圧電素子において、前記圧電体薄膜は、結晶方位が［１１１］方位であり、かつ、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることが好ましい。
【００８１】
この構成によれば、配向方向が［１１１］方位であり、かつ、基板と直交する方向である圧電体薄膜を備える圧電体素子を提供することができる。
【００８２】
（５）上記圧電素子において、前記基板の上側に形成された酸化膜と、前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることが好ましい。
【００８３】
この構成によれば、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することで、圧電体薄膜を配向方向に変位させ、圧電体素子を駆動させることができる。また、下部電極は酸化膜を介して基板の上側に形成されているため、下部電極を容易に形成することができる。
【００８４】
（６）上記圧電素子の製造方法は、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えている。
【００８５】
この構成によれば、ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末がスパッタ法のターゲットとして生成され、負のバイアス電圧が印加された基板が所定温度に加熱され、ターゲットに高周波電力が印加され、スパッタ法により基板上にペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜が形成される。その後、高周波電力の印加が停止され、負のバイアス電圧が印加された状態で、基板の温度が室温まで漸次に低下される。
【００８６】
つまり、基板に負のバイアス電圧を印加した状態で、スパッタ法により基板上に圧電体薄膜が形成されているため、各ドメインの自発分極方向が基板側を向くようなエンジニアードドメイン構造を有する圧電体薄膜を備える圧電素子を製造することができる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成24年5月1日(2012.5.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上側に形成されたペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜とを備え、
前記圧電体薄膜は、自発分極方向がそれぞれ異なる複数のドメインからなるエンジニアードドメイン構造を有し、
各ドメインの自発分極方向が前記基板側を向いていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電体薄膜は、結晶方位が［１１１］方位であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電体薄膜は、前記基板と直交する方向のエンジニアードドメイン構造であることを特徴する請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電体薄膜は、正方晶のペロブスカイト型強誘電体結晶からなることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項５】
各ドメインの自発分極方向は、［１１０］方位、［０１１］方位、及び［１０１］方位のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項６】
前記基板の上側に形成された酸化膜と、
前記酸化膜及び前記圧電体薄膜間に形成された下部電極と、
前記圧電体薄膜の上側に形成された上部電極とを更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項７】
ペロブスカイト型強誘電体結晶の粉末を用いてスパッタ法のターゲットを生成する第１ステップと、
基板を所定の温度に加熱する第２ステップと、
前記基板に負のバイアス電圧を印加する第３ステップと、
前記ターゲットに高周波電力を印加し、スパッタ法により前記基板に前記ペロブスカイト型強誘電体結晶からなる圧電体薄膜を形成する第４ステップと、
前記高周波電力の印加を停止させる第５ステップと、
前記基板に前記負のバイアス電圧を印加した状態で、前記基板の温度を室温まで漸次に低下させる第６ステップとを備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【国際調査報告】
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