(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電特性や誘電性の向上を図り、これらの基板面内での均一性に優れた圧電体素子、その製造方法、及び圧電体デバイスを提供する。【解決手段】圧電体素子は、表面に酸化膜が形成された基板１と、密着層２と、下部電極層３と、（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３で表される圧電薄膜４を有し、圧電薄膜４が、擬立方晶、立方晶、正方晶、斜方晶、六方晶、単斜晶、三斜晶、もしくは斜方面体の結晶構造、または少なくとも一つの結晶構造が共存した状態を有しており、ある特定の軸に優先的に配向しており、圧電薄膜４の基板面内の格子面間隔ａと基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃとの結晶格子歪量ｃ／ａ、及び圧電定数、比誘電率、誘電損失のうち少なくとも一つの物理量の相対標準偏差が、ｃ／ａでは０．２％未満、圧電定数では４．３％以下、比誘電率では３．２％以下、あるいは誘電損失では１０．１％以下である。【選択図】図１
2011233817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される圧電薄膜を有する圧電体素子であって、
前記圧電薄膜が、擬立方晶、立方晶、正方晶、斜方晶、六方晶、単斜晶、三斜晶、もしくは斜方面体の結晶構造、または前記結晶の少なくとも一つの結晶構造が共存した状態を有しており、それら結晶軸のうち２軸以下のある特定の軸に優先的に配向しており、
前記圧電薄膜の基板面内の格子面間隔ａと基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃとの格子面間隔比である結晶格子歪量ｃ／ａ、及び前記結晶格子歪量によって制御される圧電定数、比誘電率、誘電損失のうち少なくとも一つの物理量において、
前記基板面内における前記物理量の分布指標である相対標準偏差が、
前記物理量が、前記ｃ／ａであるときは０．２％未満、
前記圧電定数であるときは４．３％以下、
前記比誘電率であるときは３．２％以下、
あるいは前記誘電損失であるときは１０．１％以下
である圧電体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電体素子において、前記結晶格子歪量ｃ／ａが、１．００５以下である圧電体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電体素子において、前記圧電薄膜が前記基板に対して垂直方向に（００１）優先配向である圧電体素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電体素子において、前記基板と前記圧電薄膜との間には下部電極が形成され、前記圧電薄膜上には上部電極が形成されている圧電体素子。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電体素子において、前記下部電極が柱状構造の粒子で構成された集合組織を有している圧電体素子。
【請求項６】
請求項４または５に記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層である圧電体素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電体素子を製造する方法において、
前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力が４０Ｗ以上１２０Ｗ以下の範囲内で制御される圧電体素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電体素子を製造する方法において、
前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度が８００℃以下の範囲内で制御される圧電体素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電体素子と、電圧印加手段又は電圧検出手段とを備えた圧電体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムなどを用いた圧電体素子、その製造方法、及び圧電体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体は種々の目的に応じて様々な圧電体素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生する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。また、通信関連デバイスのフィルタに用いられるＳＡＷ（表面弾性波）デバイスとしても用いられる。アクチュエータ、センサ、フィルタなどの用途に利用されている圧電体としては、優れた圧電特性を有する鉛含有の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成されている。
【０００３】
しかし、近年では環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれており、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム等の開発が進められている。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、ＰＺＴに匹敵する圧電特性を有することから、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
【０００４】
一方、現在、各種電子部品の小型かつ高性能化が進むにつれ、圧電体素子においても小型化と高性能化が強く求められるようになった。しかしながら、従来からの製法である焼結法を中心とした製造方法により作製したバルクの圧電材料は、その厚さが特に１０μｍ以下の厚さになると、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなる。そのため、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題が発生し、それを回避するために、焼結法に代わる薄膜技術等を応用した圧電薄膜の形成法が近年研究されるようになってきた。
【０００５】
最近、ＲＦスパッタリング法で形成したＰＺＴ圧電薄膜が高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータや、小型低価格のジャイロセンサとして実用化されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。また、鉛を用いないニオブ酸リチウムカリウムナトリウムの圧電薄膜を用いた圧電体素子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８６９５３号公報
【特許文献２】特開２００７−１９３０２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】中村偉良監修、圧電材料の高性能化と先端応用技術（サイエンス＆テクノロジー刊２００７年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電薄膜として非鉛圧電薄膜を形成することにより、環境負荷の小さい高精細高速インクジェットプリンタ用ヘッドや小型低価格なジャイロセンサを作成することができる。その具体的な候補として、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムの薄膜化の基礎研究が進め
られている。また応用面における低コスト化においては、Ｓｉ基板やガラス基板の上に当該圧電薄膜を制御良く形成する技術を確立することも不可欠である。
しかしながら従来技術では、非鉛系の圧電薄膜については、その残留応力（内部応力）の起因である「結晶格子歪」について詳細な検討が成されておらず、圧電特性や誘電性の要求性能を満足し、これらの基板面内での均一性に優れた非鉛系の圧電体素子を生産することができなかった。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決して、圧電特性や誘電性の向上を図り、これらの基板面内での均一性に優れた非鉛系の圧電体素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、基板上に、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される圧電薄膜を有する圧電体素子であって、
前記圧電薄膜が、擬立方晶、立方晶、正方晶、斜方晶、六方晶、単斜晶、三斜晶、もしくは斜方面体の結晶構造、または前記結晶の少なくとも一つの結晶構造が共存した状態を有しており、それら結晶軸のうち２軸以下のある特定の軸に優先的に配向しており、
前記圧電薄膜の基板面内の格子面間隔ａと基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃとの格子面間隔比である結晶格子歪量ｃ／ａ、及び前記結晶格子歪量によって制御される圧電定数、比誘電率、誘電損失のうち少なくとも一つの物理量において、
前記基板面内における前記物理量の分布指標である相対標準偏差が、
前記物理量が、前記ｃ／ａであるときは０．２％未満、
前記圧電定数であるときは４．３％以下、
前記比誘電率であるときは３．２％以下、
あるいは前記誘電損失であるときは１０．１％以下
である圧電体素子が提供される。
【００１１】
この場合において、前記結晶格子歪量ｃ／ａが、１．００５以下であることが好ましい。
【００１２】
また、前記圧電薄膜が前記基板に対して垂直方向に（００１）優先配向であることが好ましい。
【００１３】
また、前記基板と前記圧電薄膜との間には下部電極を形成し、前記圧電薄膜上には上部電極を形成することが可能である。
【００１４】
また、前記下部電極が柱状構造の粒子で構成された集合組織を有していることが好ましい。
【００１５】
また、前記下部電極は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層であることが好ましい。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、前記圧電体素子を製造する方法において、前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力が４０Ｗ以上１２０Ｗ以下の範囲内で制御される圧電体素子の製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度が８００℃以下の範囲内で制御される圧電体素子の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、上述した圧電体素子と、電圧印加手段又は電圧検出手段とを備えた圧電体デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、圧電特性や誘電性の向上を図り、これらの基板面内での均一性に優れた非鉛系の圧電体素子およびその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態となる下部電極層、圧電薄膜を備えた圧電体素子の説明図であって、その断面構造の図である。
【図２】本発明の一実施の形態となる圧電体素子のＸ線回折パターンの図である。
【図３】本発明の一実施の形態となるＫＮＮ圧電薄膜の結晶構造の図である。
【図４】本発明の一実施の形態となるＫＮＮ圧電薄膜の面外方向すなわち膜厚方向の格子定数ｃのＸ線回折測定における説明図であって、（ａ）は実験配置図であり、（ｂ）はＸ線回折パターンの図である。
【図５】本発明の一実施の形態となるＫＮＮ圧電薄膜の面内方向すなわち薄膜面にほぼ平行な方向の格子定数ａのＸ線回折測定、いわゆるＩｎ−ＰｌａｎｅＸ線回折測定における説明図であって、（ａ）は実験配置図であり、（ｂ）はＸ線回折パターンの図である。
【図６】本発明の一実施例に係る圧電体素子を用いて作製したアクチュエータの構成および圧電特性評価方法を説明する概略構成図である。
【図７】本発明の実施例１に係る２次元Ｘ線検出器を用いたＸ線回折測定の説明図である。
【図８】本発明の実施例１に係るＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における結晶格子歪量ｃ／ａの分布の説明図であって、（ａ）は従来の基板面上において不均一な結晶格子歪量の分布であり、（ｂ）は本発明の一実施の形態となる均一な結晶格子歪量の分布である。
【図９】本発明の実施例２に係るＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における圧電定数の分布の説明図であって、（ａ）は従来の基板面上において不均一な圧電定数の分布であり、（ｂ）は本発明の一実施の形態となる均一な圧電定数の分布である。
【図１０】本発明の実施例２に係るＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における比誘電率の分布の説明図であって、（ａ）は従来の基板面上において不均一な比誘電率の分布であり、（ｂ）は本発明の一実施の形態となる均一な比誘電率の分布である。
【図１１】本発明の実施例２に係るＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における誘電損失の分布の説明図であって、（ａ）は従来の基板面上において不均一な誘電損失の分布で、（ｂ）は本発明の一実施の形態となる均一な誘電損失の分布である。
【図１２Ａ】本発明の実施例３に係る圧電体素子における結晶格子歪量ｃ／ａと圧電常数および誘電特性との相関の説明図であって、（ａ）は、結晶格子歪量ｃ／ａと印加電圧２０Ｖ時の圧電特性との相関図であり、（ｂ）は結晶格子歪量ｃ／ａと比誘電率との相関図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施例３に係る圧電体素子における結晶格子歪量ｃ／ａと誘電損失との相関図である。
【図１３】本発明の一実施の形態となる圧電体素子の成膜装置の説明図である。
【図１４】本発明の一実施の形態の圧電体デバイスの概略構成図である。
【図１５】本発明の一実施の形態の圧電薄膜を用いたフィルタデバイスの断面図である。
【図１６】本発明の実施例４のＫＮＮ圧電薄膜のｃ／ａとスパッタリング投入電力との相関図である。
【図１７】本発明の実施例４のＫＮＮ圧電薄膜のｃ／ａと成膜後に行った熱処理の熱処理温度との相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［本発明の知見］
本発明はニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））圧電薄膜に係るものである。尚、ｚ＝０のときのニオブ酸カリウムナトリウムを以下、ＫＮＮと略称する。
【００２２】
結晶格子歪量が大きく、かつ広い面積の基板面内に形成される薄膜の結晶格子歪量が不均一であるＫＮＮ圧電薄膜は、基板毎の平均誘電率は低く、その結果、平均圧電定数が小さくなることがある。ＫＮＮ圧電薄膜は、従来のバルク系の鉛系圧電材料（例えばＰＺＴ等）と組成が異なるだけであるから、結晶格子歪量と圧電定数、誘電性（誘電率及び誘電損失）の関係において、バルク系の鉛系圧電材料と同じ振る舞いを示すのではないかとの観点から、上記結晶格子歪量をバルク系と同様に適切な状態に制御、管理すれば、基板毎の平均誘電率を上げることができ、平均圧電定数を改善できるではないかと考えられる。
【００２３】
しかし、ＫＮＮ圧電薄膜は、従来のバルク系の鉛系圧電材料（例えばＰＺＴ等）と組成が異なるだけであるからといって、結晶格子歪量と圧電定数、誘電率及び誘電損失の関係において、バルク系の鉛系圧電材料と同じ振る舞いを示すという保障はない。薄膜とバルクとでは各種の物理的性質が異なることはよく知られており、薄膜の結晶格子歪量と圧電特性や誘電性などとの関係を具体的かつ実際的に解析しなければ、それらの関係はわからない。
【００２４】
そこで、ＫＮＮ圧電薄膜における結晶格子歪量と圧電定数、比誘電率、誘電損失との相関関係を究明すべく、本発明者等は、ＫＮＮ圧電薄膜の作製条件の最適化やＯｕｔ  ｏｆ
ｐｌａｎｅ及びＩｎ−ＰｌａｎｅＸ線回折法を用いた結晶構造解析などを行った。その結果、ＫＮＮ圧電薄膜において、その圧電特性は結晶格子歪量の影響（効果）が大きいことが認められた。そして、その基板面内での結晶格子歪量の分布が、圧電特性や誘電性の向上や、それらの基板面内での均一性に寄与することも判明した。本発明者等は、上記知見に基づき、本発明を完成するに至ったものである。
【００２５】
［実施の形態の概要］
本実施の形態では、圧電特性（圧電定数、ばらつき）を改善するために、結晶格子歪量や圧電定数などの物理量の基板面内における均一性を表す相対標準偏差をパラメータとして導入した。パラメータとして、結晶格子歪量の相対標準偏差を規定すれば足りるが、結晶格子歪量は、圧電定数、誘電定数（比誘電率、誘電損失）ともに相関があるので、圧電定数、誘電定数の相対標準偏差を規定してもよい。これらの相対標準偏差が規定の範囲に入るよう、ＫＮＮ圧電薄膜の成膜時のスパッタリング投入電力や、成膜後の熱処理温度を制御することにより、ＫＮＮ圧電薄膜の圧電特性をはじめ誘電性の向上、およびこれらの基板面内の均一性を改善することができる。
【００２６】
［圧電体素子の一実施の形態］
以下、本発明に係る非鉛系の圧電体素子の一実施の形態を説明する。
【００２７】
（圧電体素子の構成）
図１に、本発明の一実施の形態の圧電体素子の概略断面図を示す。圧電体素子は、表面に酸化膜が形成された基板１と、その上に形成された密着層２と、密着層２の上に形成された下部電極層３と、この下部電極層３の上に形成されたペロブスカイト構造のＫＮＮ圧電薄膜４とを有している。
【００２８】
前記基板１としては、Ｓｉ基板が低価格でかつ工業的に実績があるので好ましいが、Ｓｉ基板の他に、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板、ＳｒＲｕＯ３基板、ガラス
基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、ステンレス基板であっても良い。
【００２９】
Ｓｉ基板１の表面に形成される前記酸化膜は、熱酸化により形成される熱酸化膜、あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されるＳｉ酸化膜などが挙げられる。なお、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、石英ガラスなどの酸化物基板の場合には、基板１上に前記酸化膜を形成せずに、直接下部電極層３を形成しても良い。
【００３０】
前記密着層２は、Ｓｉ基板１と下部電極層３との密着性を高めるための接着層であり、例えばＴｉからなる。
【００３１】
また、前記下部電極層３としては、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層、あるいは、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｉｎ乃至同酸化物や圧電薄膜中に含む元素との化合物の層を含む積層構造の電極層である。該下部電極層は（００１）優先配向結晶、（１１０）優先配向結晶および（１１１）優先配向結晶の少なくとも一つが共存した構造であることもある。
【００３２】
前記ＫＮＮ圧電薄膜４は、（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型酸化物を主相とするものである。結晶系としては擬立方晶、立方晶、正方晶、斜方晶、六方晶、単斜晶、三斜晶、もしくは斜方面体の結晶構造、または前記結晶構造の少なくとも一つの結晶構造が共存した状態を有しており、前記結晶の結晶軸のうち２軸以下のある特定の軸に優先的に配向している。前記ＫＮＮ圧電薄膜の一部に、ペロブスカイト構造を有するＡＢＯ３の結晶層、ＡＢＯ３の非晶質層、またはＡＢＯ３の結晶と非晶質とが混合した混合層のいずれかを含んでいてもよい。ただし、ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｎｄ、Ｂａ、Ｂｉのうちから選択される１種類以上の元素であり、ＢはＺｒ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｉｎのうちから選択される１種類以上の元素であり、Ｏは酸素である。
【００３３】
このようにして得られるＫＮＮ圧電薄膜は、柱状構造の結晶粒子で構成された集合組織を有する。また、前記下部電極層が（１１１）面に配向して形成されている場合、前記圧電薄膜層は前記下部電極層に対し所定方向に優先配向されて形成されている。
また、前記ＫＮＮ圧電薄膜４は、その作製条件によってＫＮＮ圧電薄膜の結晶配向性の状態が変化するが、前記Ｓｉ基板１に対して垂直方向に（００１）優先配向であることが好ましい。また、そのＫＮＮ圧電薄膜４の内部応力（歪）が圧縮応力あるいは引張応力ヘと変化することもある。また、応力のない状態、すなわち無歪の状態の場合もある。
【００３４】
上述した非鉛系の圧電体素子については、素子毎に要求される性能を満足させつつ安定に生産するためには、圧電薄膜の結晶格子歪量と、基板面内におけるその分布を詳細に管理あるいは制御することが必要となる。その理由は、次の通りである。すなわち、結晶格子歪量の起因となる内部応力には、引張応力と圧縮応力とがある。引張応力は膜がはがれる様に働く応力で、圧縮応力はその逆で膜がくっつく様に働く力である。内部応力が大きいと膜剥がれが生じたり、膜に割れを生じたり、圧電薄膜の上に形成する上部電極層に悪影響を及ぼしたりする可能性がある。これらの不具合を解消する必要があるからである。
【００３５】
上記不具合を解消するためには、圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内における分布が次のように管理あるいは制御されている必要がある。ここで、結晶格子歪量は、前記圧電薄膜の基板面内の格子面間隔ａと基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃとの格子面間隔比であるｃ／ａである。
本実施の形態の圧電体素子では、前記結晶格子歪量ｃ／ａ、及び前記結晶格子歪量によ
って制御される圧電定数、比誘電率、誘電損失のうち少なくとも一つの物理量において、前記基板面内における前記物理量の分布指標である相対標準偏差（ばらつき）は、前記物理量が、前記ｃ／ａであるときは０．２％未満、前記圧電定数であるときは４．３％以下、前記比誘電率であるときは３．２％以下、あるいは前記誘電損失であるときは１０．１％以下となっている。
【００３６】
基板面内における結晶格子歪量ｃ／ａの相対標準偏差が０．２％を超すと、圧電体素子特性のばらつきが大きく（実施例１の図８）、圧電体素子を安定かつ大量に作製することができない。また、圧電定数の相対標準偏差が４．３％を超えると、圧電特性のばらつきが大きく（実施例２の図９）、圧電体素子を安定かつ大量に作製することができない。また、比誘電率の相対標準偏差が３．２％を超えると、比誘電特性のばらつきが大きく（実施例２の図１０）、圧電体素子を安定かつ大量に作製することができない。さらに、誘電損失の相対標準偏差が１０．１％を超えると、誘電損失特性のばらつきが大きく（実施例２の図１１）、圧電体素子を安定かつ大量に作製することができない。
【００３７】
結晶格子歪量ｃ／ａの相対標準偏差が０．２％未満であると、結晶格子歪量の不均一性に伴うリーク電流の増加や、ＫＮＮ圧電薄膜や電極等の内部のクラックやＫＮＮ圧電薄膜と電極等との界面等における膜剥れによる印加実効電圧の低下を防ぐことができる。また、結晶格子歪量によって制御される圧電定数の相対標準偏差が４．３％以下、比誘電率の相対標準偏差が３．２％以下、あるいは前記誘電損失の相対標準偏差が１０．１％以下であると、結晶格子歪量の不均一性に伴うリーク電流の増加や、ＫＮＮ圧電薄膜や電極等の内部のクラックやＫＮＮ圧電薄膜と電極等との界面等における膜剥れによる印加実効電圧の低下を防ぐことができる。
【００３８】
また、従来例と比べて、より高い圧電定数（６０以上、好ましくは７０以上、より好ましくは９０以上）、より高い比誘電率（６００以上）、及びより小さい誘電損失（０．１５以下、好ましくは０．１以下）を得るために、本実施の形態の圧電体素子では、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは１．００５以下、好ましくは０．９９２以上１．００４以下の範囲内となっている（実施例３の図１２Ａ、図１２Ｂ）。
【００３９】
圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａを１．００５以下、好ましくは１付近の０．９９２以上１．００４以下の範囲におさめ、また基板面内におけるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の分布において、その相対標準偏差を０．２％以下に抑制して、基板面内におけるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量を一様になるよう制御することにより、結晶格子歪量の不均一性に伴うリーク電流の増加や、ＫＮＮ圧電薄膜や電極等の内部のクラックやＫＮＮ圧電薄膜と電極等との界面等における膜剥れによる印加実効電圧の低下を防ぐことができる。
すなわち、本実施の形態において、上述した相対標準偏差及び結晶格子歪量を満足する圧電体素子であれば、ばらつきが少なく、より高い圧電定数、より高い比誘電率、及びより小さい誘電損失を得ることが可能になる。
【００４０】
（圧電体素子の製造方法）
本実施の形態の圧電体素子を製造するには、まず酸化膜付きＳｉ基板の基板面内にＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｔｉ密着層２、Ｐｔ下部電極層３を順次形成する。Ｔｉ密着層２の厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。Ｐｔ下部電極層３の厚さは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。また、Ｔｉ密着層２とＰｔ下部電極層３については、基板温度５０℃以上３５０℃以下、スパッタリング投入電力５０Ｗ以上４５０Ｗ以下、導入ガスはＡｒなどのガス、導入ガス雰囲気の圧力１Ｐａ以上１０Ｐａ以下、成膜時間は、Ｔｉ密着層では０．１分以上５分以下、Ｐｔ下部電極では０．５分以上３０分以下とする。
【００４１】
つぎに、Ｐｔ下部電極の上に、図１３に示すＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３圧電薄膜を成膜する。ターゲット３１には（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３焼結体を用い、基板温度（基板表面の温度）１００℃以上９００℃以下、導入ガスはＡｒなどのガス、導入ガス雰囲気ガスの圧力０．０１Ｐａ以上５Ｐａ以下の条件で成膜する。
【００４２】
次に成膜完了後、ランプ加熱装置やヒータ加熱装置などの電気炉を用いて、主成分が酸素と窒素の混合ガスあるいはそれらの少なくとも一つのガスで、成膜後の熱処理を行う。熱処理温度は、圧電薄膜の組成変化に応じて８００℃以下、好ましくは６００℃以上７５０℃以下の範囲で制御して行うとよい。また熱処理時間は１時間以上３時間以下の範囲で行うとよい。
【００４３】
熱処理完了後に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ＫＮＮ圧電薄膜の上にＰｔ上部電極４を形成した。このとき、スパッタリング投入電力５０Ｗ以上４５０Ｗ以下、導入ガスはＡｒなどのガス、導入ガス雰囲気の圧力１Ｐａ以上１０Ｐａ以下、成膜時間は０．５分以上３０分以下の条件で成膜し、圧電体素子を作製する。
【００４４】
（スパッタリング投入電力）
前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａはスパッタリング投入電力によって制御される。投入電力が小さいと圧電体素子のｃ／ａは１より大きい状態（引張応力）となり、投入電力が大きいとｃ／ａは１より小さい状態（圧縮応力）となる。例えば、Ｓｉ基板の場合、投入電力が低いとき引張応力状態にあり、その結晶格子歪量ｃ／ａは１以下の値をとり、投入電力を上げていくと、ある値付近でｃ／ａは１となり、さらに上げていくと圧縮応力状態にあり、その結晶格子歪量ｃ／ａは１以上の値をとる。すなわち、スパッタリング投入電力に応じて結晶格子歪量ｃ／ａは無歪状態の１を横切る。したがって、圧電薄膜の成膜時のスパッタリング投入電力を変化させることで、圧電薄膜の内部応力を制御でき、その結晶格子歪量ｃ／ａを、１．００５以下、好ましくは１付近の０．９９２以上１．００４以下の範囲を制御できる。結晶格子歪量ｃ／ａが１．００５を超えると、圧電定数、比誘電率が共に小さくなり、誘電損失が大きくなって圧電体素子の要求性能を満足しなくなる。また、結晶格子歪量ｃ／ａが０．９９２以上１．００４以下の範囲であると、特に圧電定数が６０以上、好ましくは７０以上、より好ましくは９０以上となる。
【００４５】
上述したＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪ｃ／ａを１．００５以下、好ましくは０．９９２以上１．００４以下の範囲内に制御するためには、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力は、４０Ｗ以上１２０Ｗ以下の範囲内とし（実施例４の図１６）、好ましくはスパッタリング投入電力密度が００．０１／ｍｍ２以上０．０４０Ｗ／ｍｍ２以下の範囲内とするとよい。スパッタリング投入電力が４０Ｗ未満だとｃ／ａは１．００５を超えるうえ、膜剥がれも生じやすく、１２０Ｗを超えると膜割れを生じやすくなる。また、スパッタリング投入電力密度が００．０１０Ｗ／ｍｍ２未満だとｃ／ａは１．００５を超えるうえ、膜剥がれも生じやすく、０．０４０Ｗ／ｍｍ２を超えると膜割れを生じやすくなる。
【００４６】
（成膜後の熱処理）
前記圧電薄膜の成膜後に実施する熱処理の熱処理温度を変化させることによって、圧電薄膜の内部応力を制御することが可能である。熱処理温度を増加させることによって、ＫＮＮ圧電薄膜を凸形状から凹形状へと引張応力状態へ変化させることができる。すなわち、熱処理温度を変化させることによって、ＫＮＮ圧電薄膜の内部応力を所望の値に制御できる。
したがって、上述した結晶格子歪量を実現するためのＫＮＮ圧電薄膜の内部応力を得るには、前記ＫＮＮ圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度は８００℃以下、好ましく
は６００℃以上７５０℃以下とする（実施例４の図１７）。熱処理の温度が８００℃を超えるとランダム配向の圧電薄膜となり、６００℃未満７５０℃を超えると、ｃ／ａが１付近の０．９９２以上１．００４以下の範囲外となるからである。
【００４７】
上述したように結晶格子歪量ｃ／ａは、スパッタリング投入電力あるいは成膜後の熱処理のいずれによっても制御することが可能である。スパッタリング投入電力と成膜後の熱処理との制御は、以下に記載した目的で使い分ける。
ＫＮＮ圧電薄膜の生産性を上げるためには、スパッタリング投入電力を高くする必要がある。しかし、スパッタリング投入電力を高くすると結晶格子歪量ｃ／ａが大きくなるため、圧電定数の減少を誘発させ、高性能なＫＮＮ圧電薄膜を生産できない。一方、スパッタリング投入電力を低下させれば、結晶格子歪量ｃ／ａの増大を低減できるため圧電定数は低下しない（図１６参照）。しかし、投入電力低下に伴い成膜速度が減少するため、生産性向上を確保できない。
以上の問題点を払拭するために、生産性向上のために高い投入電力でＫＮＮ圧電薄膜を成膜し、その後の熱処理温度の増減によって、結晶格子歪量ｃ／ａを正確に制御（小さく）して（図１７参照）、高い圧電定数を示すＫＮＮ圧電薄膜を一度に多く作製することできるようになる。また、当該熱処理によって、結晶格子歪制御に加え、スパッタリング成膜時に不足すると予想される酸素充填も可能となるため、酸化物であるＫＮＮ圧電薄膜の信頼性や安定性を確保できる。
【００４８】
（２θ／θスキャン測定）
こうして作製したＫＮＮ圧電薄膜について、走査電子顕微鏡などで断面形状を観察すると、その組織は柱状構造で構成されており、一般的なＸ線回折装置で結晶構造を調べた結果、基板加熱を行って形成した実施形態のＰｔ薄膜は、図２のＸ線回折パターン（２θ／θスキャン測定）に示すように、基板表面に垂直な向きに（１１１）面に配向した薄膜が形成されていることがわかった。この（１１１）に優先配向したＰｔ膜上に、ＫＮＮ圧電薄膜を形成した結果、作製されたＫＮＮ圧電薄膜は、図３に示す擬立方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有する多結晶薄膜であることが判明した。
【００４９】
また、図２のＸ線回折パターンからわかるように、ＫＮＮ圧電薄膜は（００１）、（００２）、（００３）の回折ピークのみを確認できることから、ＫＮＮ圧電薄膜が概ね（００１）に優先配向していることが予想できた。本発明の実施の形態においては、意図的に結晶配向性を制御したＫＮＮ圧電薄膜について、当該のＫＮＮ圧電薄膜の配向性を詳細かつ精密に評価するために、極図形（Ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ）の測定を行った。極図形はある特定の格子面における極の広がりをステレオ投影した図であり、多結晶の配向の状態を詳細に評価することができる解析方法である。本解析の結果、（００１）優先配向であることが明確になった。尚、極図形の詳細については以下の文献１、２、３を参照されたい。
文献１：理学電気（株）編、Ｘ線回折の手引き、改訂第４版、（理学電気（株）１９８６年）
文献２：カリティ著、新版Ｘ線回折要論、（アグネ、１９８０年）
文献３：須藤  一著、残留応力とゆがみ、（内田老鶴圃、１９８８年）
【００５０】
（面外（膜厚）方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの解析）
以下に本発明の実施の形態となるＫＮＮ圧電薄膜の管理、制御方法を説明する。
面外方向格子定数ｃとは、基板（Ｓｉ基板）表面やＫＮＮ圧電薄膜表面に垂直な方向（面外方向；Ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ）におけるＫＮＮ圧電薄膜の格子定数のことであり、面内方向格子定数ａとは、基板（Ｓｉ基板）表面やＫＮＮ圧電薄膜表面に平行な方向（面内方向；Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）におけるＫＮＮ圧電薄膜の格子定数のことである。本実施の形態における、ＫＮＮ圧電薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの値は、Ｘ
線回折パターンで得られた回折ピーク角度から算出した数値である。
【００５１】
以下に、面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの算出について詳細に説明する。本実施形態のＫＮＮ圧電薄膜は、Ｐｔ下部電極上に形成したが、Ｐｔ下部電極は（１１１）面方位に配向した柱状構造の多結晶体となるため、ＫＮＮ圧電薄膜は、このＰｔ下部電極の結晶配列を引き継いで、ペロブスカイト構造を有する柱状構造の多結晶薄膜となる。すなわち、ＫＮＮ圧電薄膜は面外方向に（００１）面方位に優先配向したものであるが、面内方向は任意方向への優先配向はなく、ランダム配向である。ＫＮＮ圧電薄膜がペロブスカイト構造の面外方向（００１）面に優先配向になっていることは、図４（ａ）に示す２θ／θ法によるＯｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅＸ線回折法で得られるＸ線回折パターン（図４（ｂ））において、（００１）面、（００２）面の回折ピークがＫＮＮ圧電薄膜に起因する他のピークよりも高いことで判断できる。また、前記回折ピークは極図形測定におけるデバイリングの有無でも確認できる。本実施の形態では、ＫＮｂＯ３とＮａＮｂＯ３のＩＣＤＤ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ
Ｄａｔａ）カードを基にして、２２．０１１°≦２θ≦２２．８９０°の範囲の回折ピークを００１面回折ピーク、４４．８８０°≦２θ≦４６．７８９°の範囲の回折ピークを００２面回折ピークと考えている。
【００５２】
（面外方向格子定数ｃの算出）
本実施の形態での面外方向格子定数ｃは、以下の方法で算出した。まず、通常のＣｕＫα１線を用いた図４に示すＸ線回折測定（２θ／θ法）でＸ線回折パターンを測定した。このＸ線回折測定では、通常、図４（ａ）に示すθ軸の周りに試料と検出器とをスキャンし、試料面に平行な格子面からの回折を測定する。図４（ｂ）に示す得られたＸ線回折パターンにおけるＣ／Ａ面の回折ピーク角度２θから得たθの値と、ＣｕＫα１特性Ｘ線の波長λ＝０．１５４０５６ｎｍを、Ｂｒａｇｇの式である２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（ｎ＝１）に代入し、Ｃ／Ａ面の面間隔ｄｃ（００２）を算出した。また、ＫＮＮ圧電薄膜はほぼ立方晶構造であるため、次式に基づき格子定数Ａを求めた。
Ａ＝ｄ√（ｈ２＋ｋ２＋ｌ２）              （１）
ここでｄはＢｒａｇｇの基本式から計算した面間隔であり、ｈ、ｋ、ｌはミラー指数と呼ばれる面間隔の方位を表すものである。前述に示したように（ｈ，ｋ，ｌ）＝（０，０，２）であるので、本発明の実施例における面外（膜厚）方向の面間隔ｄｃ（００２）の２倍を面外格子定数ｃとした。
【００５３】
（面内方向格子定数ａの算出）
一方、本実施の形態での面内方向格子定数ａは以下の方法で算出した。ＣｕＫα１特性Ｘ線を用いて、図５（ａ）に示すＩｎ−ＰｌａｎｅＸ線回折法によってＸ線回折パターンを測定した。この測定では、通常、図５（ａ）に示す受光平行スリットを含む検出器と試料とを面内回転し、試料面に垂直な格子面からの回折を測定する。図５（ｂ）の得られたＸ線回折パターンにおけるＫＮＮ（２００）面の回折ピーク角度２θから得たθの値と、ＣｕＫα１線の波長λ＝０．１５４０５６ｎｍを、Ｂｒａｇｇの式２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（ｎ＝１）に代入し、ＫＮＮ  ２００面の面間隔ｄａ（２００）を計算した。面外（膜厚）方向の格子定数ｃの算出と同様に、（ｈ，ｋ，ｌ）＝（２，０，０）を先の（１）式へ適用し、面内方向の面間隔ｄａ（２００）の２倍を面内格子定数ａとした。このＩｎ−ＰｌａｎｅＸ線回折法でのＸ線回折パターンにおいても、ＫＮｂＯ３とＮａＮｂＯ３のＩＣＤＤカードを基にして、４４．８８０°≦２θ≦４６．７８９°の範囲の回折ピークを２００面回折ピークと考えている。
【００５４】
得られたＫＮＮ圧電薄膜が、ｃドメイン（結晶格子が面外（膜厚）方向格子定数ｃの方向に伸びた領域）または、ａドメイン（結晶格子が面内方向格子定数ａの方向に伸びた領域）のいずれか一方が、単一に存在するドメインの状態ではなく、ｃドメインとａドメイ
ンとが混在した正方晶である場合には、２θ／θ法Ｘ線回折パターンにおいて、ＫＮＮ（２００）面回折ピークの付近にＫＮＮ（２００）面回折ピークが得られる。一方、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折パターンにおいては、ＫＮＮ（２００）面回折ピークの近傍にＫＮＮ（００２）回折ピークが得られる。このような場合は、本実施の形態では、近接する２つの回折ピークのうち、ピーク強度が大きい方（つまり支配的なドメイン）のピーク角度を用いて、面外方向格子定数ｃ、面内方向格子定数ａを算出する。また、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折（微小角入射Ｘ線回折）では、Ｘ線を基板表面に対してすれすれに入射することになり、全反射臨界角に近い状態となるため試料表面付近の領域しか測定できない。そのため、本実施形態でのＩｎ−Ｐｌａｎｅ測定は、ＫＮＮ圧電薄膜の上に上部電極が形成されていない状態で行った。もし、上部電極がＫＮＮ圧電薄膜上に形成されている試料の場合には、その上部電極をドライエッチング、ウエットエッチング、研磨などによって除去し、ＫＮＮ圧電薄膜の表面を露出させた状態にした後に、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定を実施すればよい。上記ドライエッチングとしては、例えば、Ｐｔ上部電極を除去する場合には、Ａｒプラズマによるドライエッチングが用いられる。
Ｘ線回折測定の結果、ＫＮＮ圧電薄膜の格子歪量ｃ／ａは１以下あるいは１以上となった。
【００５５】
ＫＮＮ圧電薄膜の格子歪量ｃ／ａが１以下あるいは１以上となる理由は、
（１）ＫＮＮ圧電薄膜、基板および下部電極層の伸び縮みの温度係数が異なっているため、薄膜を形成する際の温度と室温の差によって膜と基板の収縮が異なること、
（２）または結晶化温度以上で成膜する際、結晶成長に伴う急激な格子収縮や膨張が起きることによってグレイン（結晶粒）間に引力が働くこと、
（３）更に、スパッタリング成膜時の投入電力（Ｐｏｗｅｒ）を増加させると、Ａｒイオン（以下、Ａｒ＋）などエネルギー粒子衝撃により多くのスパッタ粒子が粒界に打ち込まれ、その結果として撤密な膜が形成されて基板面内で伸びようとする状況に反発して作用する力が生じて圧縮応力状態になること、
等が原因となり、上部に形成されるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪を誘発させていると考えられる。
【００５６】
（アクチュエータの試作および圧電特性の評価）
ＫＮＮ圧電薄膜の圧電定数ｄ３１を評価するために、図６（ａ）に示す構成のユニモルフカンチレバーを試作する。まず、上記実施の形態のＫＮＮ圧電薄膜４の上にＰｔ上部電極５をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した後、短冊形に切り出し、ＫＮＮ圧電薄膜４を有する圧電体素子２０を作製する。次に、この圧電体素子２０の長手方向の端をクランプ２１で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを作製する。このカンチレバーの上部電極５と下部電極３との間のＫＮＮ圧電薄膜４に電圧を印加し、ＫＮＮ圧電薄膜４を伸縮させることでカンチレバー全体が屈曲させ、カンチレバー先端を矢印で示す上下方向（ＫＮＮ圧電薄膜の厚さ方向）に往復動作させる。
【００５７】
このときカンチレバーの先端変位量Δを、レーザードップラ変位計２２からレーザー光Ｌをカンチレバー先端に照射して測定する（図６（ｂ））。圧電定数ｄ３１はカンチレバー先端の変位量△、カンチレバー長さ、基板１とＫＮＮ圧電薄膜４の厚さとヤング率、および印加電圧から算出される。圧電定数ｄ３１の算出は、以下の文献４に記載の方法で行う。
文献４：Ｔ．Ｍｉｎｏ、Ｓ．Ｋｕｗａｊｉｍａ、Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ、Ｉ．Ｋａｎｎｏ、Ｈ．Ｋｏｔｅｒａ、ａｎｄ  Ｋ．Ｗａｓａ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６（２００７）６９６０
【００５８】
ＫＮＮ圧電薄膜のヤング率の値には１０４ＧＰａを用い、印加電界６６．７ｋＶ／ｃｍ（３μｍ厚ＫＮＮ圧電薄膜に２０Ｖの電圧）の６００Ｈｚのｓｉｎ波電圧を印加した時の
圧電定数ｄ３１を測定する（初期ｄ３１）。また、そのまま６００Ｈｚのｓｉｎ波電圧を連続で印加し、カンチレバーを１０億回駆動させた後に再びｄ３１を測定する（１０億回駆動後ｄ３１）。
【００５９】
上述したカンチレバーによる圧電定数の評価結果によれば、本発明の一実施の形態におけるＫＮＮ圧電薄膜の圧電定数は６０以上となり、好ましくは７０以上となり、より好ましくは９０以上となる。
【００６０】
［圧電体デバイス］
上記実施の形態では、ＫＮＮ圧電薄膜付の基板に対して、Ｐｔ薄膜からなる下部電極を設け、その上にＫＮＮ圧電薄膜を設け、さらにその上に上部電極を設けることによって、高い圧電定数を示す圧電体素子を作製した。このような圧電体素子を、さらに所定形状に加工したり、図１４に示すように、上部電極層１５と下部電極層３との間に電圧印加手段又は電圧検出手段１６を設けたりすることにより、圧電体デバイスを形成する。この圧電体デバイスを用いることで、小型のモータ、センサ、及びアクチュエータ等の小型システム装置（例えば、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ））等を形成することができる。
【００６１】
また、基板上に圧電薄膜を形成し、圧電薄膜上に所定の形状（パターン）の電極を形成して表面弾性波を利用したフィルタデバイスを形成することもできる。この実施の形態では、Ｐｔ薄膜を配向制御層としても用いる形態であるが、Ｐｔ薄膜上に、またはＰｔ薄膜に代わり、（００１）面に配向しやすいＬａＮｉＯ３を用いることもできるまた、ＮａＮｂＯ３を介してＫＮＮ薄膜を形成しても良い。図１５には、Ｓｉ基板１上に、ＬａＮｉＯ３層３１、ＮａＮｂＯ３層３２、ＫＮＮ薄膜４、上部パターン電極５１を形成したフィルタデバイスを示す。このようなフィルタデバイスにおいても、ＫＮＮ薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａが１．００５以下のときに、良好な圧電特性や誘電性特性を有し、しかも圧電定数や比誘電定数、誘電損失が基板面内で均一性に優れたものができることを確認した。なお、表面弾性波を利用したフィルタデバイスでは、密着層であるＬａＮｉＯ３層３１上に形成したＮａＮｂＯ３層３２は、主に下地層として機能する。
【００６２】
上述した圧電薄膜の上部に形成する上部電極層、又は所定のパターンを有するパターン電極は、下部電極層と同様に、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層であることが好ましい。または、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｉｎ乃至同酸化物や圧電薄膜中に含む元素との化合物の電極層を含む積層構造の電極層であってもよい。
【００６３】
［実施の形態の効果］
本発明の一つ又はそれ以上の実施の形態によれば、次のような効果がある。
本発明の一実施の形態によれば、構成材料である圧電薄膜、下部電極（下地層）、密着層、基板を適切に管理、選定するとともに当該材料の作製条件の最適化を図り、広い面積の基板面上に形成したＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量を精密に測定して、圧電体素子の結晶格子歪量を正確に制御することにより、基板面内におけるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量分布が制御され、圧電特性が良好で、高性能かつ高信頼性の圧電体素子を実現することができ、製造上高歩留りで高品質な圧電体素子を得ることが可能になる。
【００６４】
また、本発明の一実施の形態によれば、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量及びこれにより制御される物理量の相対標準偏差を規定することにより、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量が小さく、基板面内の結晶格子歪量を均一にすることができ、その結果、圧電特性や誘電性の向上が図れ、これらの基板面内での均一性を向上できる。さらに、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量を規定することにより、圧電特性や誘電性の一層の向上が図れ、これらの均
一性をさらに向上できる。
【００６５】
また、本発明の一実施の形態による圧電体素子は、圧電特性や誘電性が向上するとともに、これらの特性の基板面内の均一性も向上するので、基板の大口径化に対応できる。
【００６６】
また、本発明の一実施の形態による圧電体素子は、鉛を用いない圧電薄膜を備えた圧電体素子である。したがって、本発明の一実施の形態による圧電体素子を搭載することによって、環境負荷を低減させかつ高性能な小型のモータ、センサ、及びアクチュエータ等の小型システム装置、例えばＭＥＭＳ等が実現できる。
【００６７】
また、本発明の一実施の形態によれば、基板、下部電極、圧電薄膜及び上部電極の積層構造よりなる圧電体素子において、該圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａを１．００５以下、好ましくは１付近の０．９９２以上１．００４以下の範囲におさめ、また基板面内におけるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の分布において、その相対標準偏差を０．２％未満に抑制して、基板面内におけるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量を一様になるよう制御することにより、結晶格子歪量の不均一性に伴うリーク電流の増加や、ＫＮＮ圧電薄膜や電極等の内部のクラックやＫＮＮ圧電薄膜と電極等との界面等における膜剥れによる印加実効電圧の低下を防ぐことができる。
【００６８】
また本発明の一実施の形態によれば、上記圧電体素子の下部電極としてＰｔ電極、あるいはＰｔ合金を使用することによって、または、上記下部電極としてＲｕ、Ｉｒ乃至同酸化物やＰｔと、圧電薄膜中に含まれる元素との化合物を使用することによって、上部に形成されるＫＮＮ圧電薄膜の内部応力を制御できる。
【００６９】
また、本発明の一実施の形態によれば、基板についても、Ｓｉのほか、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板、ガラス基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、ステンレス基板等を使用することによって、その上に形成したＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量および基板面内における結晶格子歪量分布の大きさを制御することができる。これにより圧電体素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００７０】
また、本発明の一実施の形態によれば、前記ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪を正確に定量化し、その結晶格子歪量について基板（ウェハ）上において細かくマッピング解析を行って、その分布を厳密に制御、管理して作製された圧電薄膜付きの基板に対して、前記ＫＮＮ圧電体層の上部に上部電極層を形成することによって、均一かつ高い圧電定数を示す圧電体素子を作製できる。この圧電体素子を所定形状に成型したり、電圧印加手段、電圧検出手段を設けたりすることにより各種のアクチュエータやセンサなどの圧電体デバイスを安定かつ大量に作製することができる。したがって、圧電特性や誘電性についてその向上や安定化を実現できるため、高性能なマイクロデバイスを安価に提供できる。
【００７１】
また、本発明の一実施の形態によれば、圧電薄膜付き基板に対して、前記ＫＮＮ圧電薄膜の上部に所定のパターンを有するパターン電極を形成することによって、表面弾性波を利用したフィルタデバイスを作製することができる。
【００７２】
尚、上述した実施の形態では、基板面内の分布を結晶格子歪量の標準偏差で規定したが、本発明はこれに限定されず、例えば最大値と最小値の差などで規定してもよい。
【実施例】
【００７３】
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
【００７４】
［実施例１］
（ＫＮＮ圧電薄膜の成膜）
図１に示すのと同じ構造の圧電薄膜付きの基板を作製した。基板には熱酸化膜付きＳｉ基板を用いた。Ｓｉ基板は、その面方位（１００）、厚さ０．５２５ｍｍ、直径４インチの円形、熱酸化膜の厚さ２００ｎｍである。
【００７５】
まず、この熱酸化膜付きＳｉ基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、膜厚１０ｎｍのＴｉ密着層を形成し、このＴｉ密着層の上にＰｔ下部電極層を形成した。Ｐｔ下部電極層は、基板上で均一な（１１１）面優先配向、膜厚２００ｎｍの多結晶Ｐｔ薄膜からなる。前記Ｔｉ密着層と前記Ｐｔ下部電極層についてのスパッタリング条件は、基板温度３５０℃、スパッタリング投入電力３００Ｗ、スパッタリング用ガス１００％Ａｒ、Ａｒ雰囲気の圧力２．５Ｐａで共通である。成膜時間は、Ｔｉ密着層では３分、Ｐｔ下部電極層では１０分の条件で成膜した。スパッタリング用ターゲットとして、Ｔｉ密着層にはＴｉ金属ターゲットを、Ｐｔ下部電極層にはＰｔ金属ターゲットをそれぞれ用いた。
【００７６】
次に、Ｐｔ下部電極層の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、膜厚３μｍの（Ｋｌ−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３圧電薄膜を形成した。ターゲットに（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３焼結体を用いた。ターゲット組成の範囲は、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝０．８２〜１．０８、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．４４〜０．７７である。基板温度（基板表面の温度）５５０℃、スパッタリング投入電力７５Ｗ、導入雰囲気ガスＡｒ／Ｏ２混合ガス（Ａｒ／Ｏ２＝９９／１）、雰囲気ガスの圧力１．３Ｐａの条件で成膜した。
作製されるＫＮＮ圧電薄膜について混晶比の影響はほとんどないため、スパッタリング成膜のターゲット組成の範囲を広めにとることができる。従って上記ターゲット組成範囲にあっても、作製されるＫＮＮ圧電薄膜の特性を、実施例の狙いとする範囲にあるように制御することが可能である。
【００７７】
（Ｋ１−ｘＮａｘ）ｙＮｂＯ３焼結体ターゲットは、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末を原料にして、ボールミルを用いて２４時間混合し、８５０℃で１０時間仮焼成し、その後再びボールミルで粉砕し、２００ＭＰａの圧力で成形した後、１０８０℃で焼成することで作製した。（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率およびＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率は、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末の混合比率を調整することで制御した。作製したターゲットは、スパッタリング成膜に用いる前にＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光分析）によってＫ、Ｎａ、Ｎｂの原子数％を測定し、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ比率およびＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）比率をそれぞれ算出した。
【００７８】
さらに、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内分布を均一化するために、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力を８００Ｗ、もしくはスパッタリング投入電力密度を０．０２５Ｗ／ｍｍ２とした。
【００７９】
また、成膜完了後、基板面内の内部応力を均一化させて、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内分布を均一化するために、主成分が酸素と窒素の混合ガスで、成膜後の熱処理を行った。熱処理温度は、６７５℃とし、熱処理時間は２時間とした。
このようにして４インチウェハ（基板）上に実施例１のＫＮＮ圧電薄膜試料Ａ〜Ｈを作製した。
【００８０】
［比較例１］
比較例１では、実施例１で行っていた下部電極層の配向制御を行わず、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力の制御を行わず、また成膜後の熱処理も実施しなかった点を除いて実施例１と同じとした。このようにして４インチウェハ上に比較例１のＫＮＮ圧電薄膜試料１〜８を作製した。
【００８１】
（格子歪解析）
本実施例１及び比較例１の圧電体素子におけるＫＮＮ圧電薄膜の実際上の結晶格子歪解析では、広い面積のＸ線検出域をもつ２次元検出器を搭載した高出力Ｘ線回折装置を用いた。本装置はＢｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製の「Ｄ８  ＤＩＳＣＯＶＥＲ  ｗｉｔｈ  Ｈｉ  ＳＴＡＲ」（登録商標）である。この２次元検出器を用いれば、広範囲の逆格子空間におけるＸ線回折プロファイルを短時間に測定でき、広域逆格子点マップを速やかに取得できる。また本発明の実施例における測定では入射Ｘ線のスポット径を１００μｍにまで絞っているため、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ測定における微小角入射における試料面上の照射面積の広がりを小さく抑えることが可能である。すなわち、基板面内におけるマッピング測定を細かく測定できるので、結果として圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内の分布を精度よく解析することが可能である。
【００８２】
図７に、本実施例及び比較例で行った（１１１）優先配向の圧電薄膜の結晶格子歪を解析したときの２次元検出器としてのＸ線回折測定配置図を示す。ここに示すθは、一般に言われるＸ線回折角度であり、２θ／θで走査したとき、個々の結晶面のＢｒａｇｇ反射に対応した角度に回折ピークが観察され、その角度から格子面間隔を求めることができる。
【００８３】
通常のＸ線回折法ではサンプルがχ＝０°の倒立した状態（Ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ）で設置される。但し、この場合は基板面に対して法線方向、すなわち面外（膜厚）方向の構造情報（格子面間隔）しか得られず、薄膜の格子歪の解析法としては不十分である。この問題を補うためには、サンプルをχ軸について、約９０°に再配置させた状態（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ）にし、散乱ベクトルが基板面内にほぼ一致するよう、基板面に沿った（平行な）方向の格子面間隔を測定することが必要となる。この測定結果とＯｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅで測定した結果と比較解析することで、膜厚方向と面内方向について、結晶面間隔の伸縮の状況を把握できる。その結果として基板面に平行な方向と垂直な方向の格子面間隔の比を求めれば、薄膜の原子レベルの結晶格子歪量を定量評価することが可能になる。
【００８４】
（実施例１と比較例１の結晶格子歪量評価）
本実施例１となる４インチウェハ（基板）上に形成した試料Ａ〜Ｈ、および比較例の試料１〜８のＫＮＮ圧電薄膜について、図７で説明した前記Ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅＸ線回折測定（２θ／θ法）および前記Ｉｎ−ＰｌａｎｅＸ線回折測定を行った。４インチ径の各位置で測定されたＸ線回折パターンから各ＫＮＮ圧電薄膜の面外方向格子定数ｃ、面内方向格子定数ａを導出し、各位置における格子歪量ｃ／ａを求めて、ウェハ上のＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量分布を評価した。尚、本実施例１及び比較例１の全てのＫＮＮ圧電薄膜は、擬立方晶であり、かつ（００１）面方位に優先配向していた。
【００８５】
表１に従来の比較例１となる圧電薄膜の試料１〜８のマッピング測定結果、表２に本発明の実施例１の圧電薄膜試料Ａ〜Ｈのマッピング測定結果をまとめている。尚、本実施例におけるマッピング測定では、図８（ａ）中のウェハ内挿図に示すように、４インチウェハを、その測定位置がオリフラ側の−４０ｍｍからそれに対向するトップ側の＋４０ｍｍ方向へ移動するよう走査して行った。
表１は、従来の比較例１となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における結晶格子歪量ｃ／ａの説明のための表である。表２は、本発明の実施例１となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における結晶格子歪量ｃ／ａの説明のための表である。
【表１】
2011233817.tif 000003
【表２】
2011233817.tif 000004
【００８６】
前述した表１と表２をもとに作成した結晶格子歪量の基板面内分布のプロット結果を図８に示す。図８（ａ）は従来のＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａの基板面内における分布を表しており、図８（ｂ）は本発明の実施例となる結晶格子歪量ｃ／ａの基板面内における分布を表している。図８（ｂ）の本発明の実施例１となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における結晶格子歪量の分布のばらつきは、図８（ａ）の従来のＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における結晶格子歪量の分布のばらつきより大幅に低減されていることがわかった。両者の分布のばらつき差を数値比較するために相対標準偏差を算出した。
【００８７】
前記相対標準偏差は、上記表１、２の各結晶格子歪量ｃ／ａから平均値μを求める。その上で、各ｃ／ａと平均値との差から標準偏差σを求め、これを式（１）に代入することにより算出した（以下、同じやりかたで、後述する圧電定数、比誘電率、及び誘電損失の各相対標準偏差を算出した）。
相対標準偏差＝（σ／μ）×１００（％）      （２）
ただし、σ：標準偏差＝｛（ｎΣｘ２−（Σｘ）２）／ｎ（ｎ−１）｝１／２
ｘ：各サンプルの物理量（ｃ／ａ）
μ：平均値＝全サンプル物理量の合計／サンプル数（ｎ）
ｎ：サンプル数
その結果、従来のＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａの分布は約０．２％であるが、本発明の実施例となるＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａの分布ばらつきは約１／４の約０．０５％であることが判明した。したがって、本実施例の結晶格子歪量の相対標準偏差は、従来例の相対標準偏差が０．２％であることから、これよりもばらつきの小さい０．２％未満、好ましくは０．００５％以下がよい。
【００８８】
［実施例２］
実施例１と同様の構造の圧電膜付きの基板を作製した。実施例２が実施例１と異なる点は、次の点である。
（１）Ｔｉ密着層の厚さを２０ｎｍとした。
（２）Ｐｔ下部電極層成膜時のスパッタリング投入電力を７５Ｗ、基板温度を３００℃にして成膜を行った。
（３）ＫＮＮ圧電薄膜の形成時のスパッタリング用ガスに、Ａｒ＋Ｏ２の混合ガスを使用し、その混合比を９：１とした。
（４）ターゲットには（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３、Ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｚ＝０の焼結体ターゲットを用いてＫＮＮ圧電薄膜を形成した。
（５）さらに、上記実施例のＫＮＮ圧電薄膜の上にＰｔ上部電極（膜厚１００ｎｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した後、同一ウェハ面内から長さ１５ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊形に切り出し（図９（ｂ）の内挿図参照）、ＫＮＮ圧電薄膜を有する実施例２の圧電体素子試料１〜１７を作製した。
【００８９】
［比較例２］
比較例２では、実施例１で行っていた下部電極層の配向制御を行わず、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力の制御を行わず、また成膜後の熱処理も実施しなかった点を除いて実施例１と同じとした。このようにして４インチウェハ上に比較例２の圧電体素子試料１〜２０を作製した。
【００９０】
（実施例２と比較例２の圧電定数評価）
上記圧電体素子から、図６に示すユニモルフカンチレバーを作製して、実施例２及び比較例２の圧電定数を求めた。ＫＮＮの圧電定数の基板面内の分布において検討した結果を表３及び表４に示す。表３は、従来の比較例２となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における圧電定数の説明のための表である。表４は、本発明の実施例２となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における圧電定数の説明のための表である。このとき、ＫＮＮ圧電薄膜のヤング率をバルクで仮定しているために、圧電定数の単位は任意単位であるが、実際の圧電定数の具体的な例としては、電極面に垂直（厚み）方向の伸縮変化量であるｄ３３、あるいは電極面にそった方向の伸縮の変化量であるｄ３１がある。ここでは圧電定数ｄ３１を求めた。
【表３】
2011233817.tif 000005
【表４】
2011233817.tif 000006
【００９１】
前述した表３と表４をもとに作成した結晶格子歪量の基板面内分布のプロット結果を図９に示す。ここで、図９（ａ）は従来のＫＮＮ圧電薄膜の圧電定数の基板面内における分布を表しており、図９（ｂ）は本発明の実施例２となる圧電定数の基板面内の分布を表している。図９（ａ）からわかるように従来のＫＮＮ圧電薄膜の比誘電率の分布は下に凸形状をしていた。また、図９（ｂ）からわかるように実施例２のＫＮＮ圧電薄膜の比誘電率の分布は、基板面内の位置に対してほぼフラットであった。図９（ｂ）の実施例２のＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における圧電定数の分布のばらつきは、図９（ａ）の従来の比較例２となるＫＮＮ圧電薄膜のそれより大幅に低減大されていることがわかった。
【００９２】
上部電極と下部電極との間に加える印加電圧２０Ｖとしたとき、圧電定数のばらつきを相対標準偏差で数値比較をした結果、従来のそれは約１７％であった。一方、本発明の実施例となるＫＮＮの圧電定数の相対標準偏差は約４．３％であり、約１／４に低減できることが判明した。
【００９３】
（実施例２と比較例２の誘電性評価）
また、圧電定数を評価した試料と同じ試料を用いて、基板面内の同一測定位置のＫＮＮ圧電薄膜について誘電性評価を行い、比誘電率や誘電損失（ｔａｎδ）の基板面内の分布を検討した。
【００９４】
・比誘電率分布
誘電性の一つのパラメータである比誘電率の基板面内の分布において検討した結果を表５及び表６に示す。表５は、従来の比較例２となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における比誘電率の説明のための表である。表６は、本発明の実施例２となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における比誘電率の説明のための表である。
【表５】
2011233817.tif 000007
【表６】
2011233817.tif 000008
【００９５】
前述した表５と表６をもとに作成した比誘電率の基板面内分布のプロット結果を図１０に示す。図１０（ａ）に従来のＫＮＮ圧電薄膜における比誘電率の基板面内の分布、図１０（ｂ）に本発明の実施例２となるＫＮＮ圧電薄膜の比誘電率の分布をそれぞれ示す。図１０（ａ）からわかるように従来のＫＮＮ圧電薄膜の比誘電率の分布は下に凸形状であり、圧電定数の分布と同じ傾向を示している。すなわち圧電定数と比誘電率は正の比例関係にあることが示唆される。一方、図１０（ｂ）は比誘電率の分布が低減しており、基板面内の位置に対してほぼフラットであり、圧電定数の分布を低減させた状況と一致している。図１０（ｂ）の実施例２のＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における比誘電率の分布のばらつきは、図１０（ａ）の従来の比較例２となるＫＮＮ圧電薄膜のそれより大幅に低減大されていることがわかった。
【００９６】
これらの値をもとに、比誘電率のばらつきを相対標準偏差で数値比較をした結果、従来のＫＮＮ圧電薄膜の場合は約３６％である。また、本発明の実施例２となるＫＮＮ圧電薄膜の分布は約３．２％であり、約１／１２にまでばらつきが低減できることが判明した。
【００９７】
・誘電損失分布
また、誘電性のもう一つのパラメータである誘電損失（ｔａｎδ）の基板面内の分布において検討した結果を表７及び表８に示す。表７は、本発明の実施例となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における誘電損失（ｔａｎδ）の説明のための表である。表８は、本発明の実施例となるＫＮＮ圧電薄膜の基板面内における誘電損失（ｔａｎδ）の説明のための表である。
【表７】
2011233817.tif 000009
【表８】
2011233817.tif 000010
【００９８】
前述した表７と表８をもとに作成した誘電損失の基板面内分布のプロット結果を図１１に示す。図１１（ａ）は従来のＫＮＮ圧電薄膜の誘電損失の基板面内分布であり、図１１（ｂ）は本発明の実施例２となる誘電損失の基板面内分布を示したものである。図１１（ａ）の従来のＫＮＮ圧電薄膜の誘電損失の分布において、オリフラ側の中心寄りの領域で非常に大きく、誘電性が劣化した部分があることがわかる。この部分を含めた相対標準偏差は約８０％であった。また、基板中心からオリフラ側へ−５ｍｍから−１５ｍｍの範囲にある誘電損失の大きい領域を除いた相対標準偏差は約２０％であった。一方、図１１（ｂ）の本発明の実施例２となるＫＮＮ圧電薄膜の誘電損失の基板面内分布は、ほぼフラットであり、その相対標準偏差は約１０．１％であった。したがって、従来の誘電損失の分布に比べて本発明の実施例となるＫＮＮ圧電薄膜の誘電損失の分布は、約１／８から１／２にまでばらつきが低減しており、基板面内でのＫＮＮ圧電薄膜の誘電性の分布が改善していることが判明した。
【００９９】
［実施例３］
図１２Ａ、図１２Ｂに、従来の比較例２及び本発明の実施例２の試料数を増やして、ＫＮＮ圧電薄膜の圧電特性および誘電性の結晶格子歪量に対する変化を示した。ここで、横軸は結晶格子歪量で共通であり、縦軸は、図１２Ａ（ａ）では圧電定数、図１２Ａ（ｂ）では比誘電率、および図１２Ｂでは誘電損失（ｔａｎδ）である。
（結晶格子歪量ｃ／ａに対する圧電定数評価）
図１２Ａ（ａ）に２０Ｖで電界を印加したときの圧電定数の結晶格子歪量ｃ／ａ変化を示す。図１２Ａ（ａ）に示すように、ｃ／ａが１．０１から１．００４へ小さくなるに従い、圧電定数が増加する傾向があることがわかる。さらに、本実施例において検討した範囲では、１．００４以下になると圧電定数の増加は小さくなり、ほぼ一定で飽和する。結晶格子歪量ｃ／ａが１．００４から０．９９２の範囲までは、ばらつきはあるが、結晶格子歪量に対して圧電定数の変化はほとんどないことがわかった。したがって、６０〜９０の高い圧電定数を実現し、なおかつ安定な圧電特性を実現できる結晶格子歪量の有効範囲は、１．００５以下、好ましくは０．９９２≦ｃ／ａ≦１．００４とみなすことができる。
【０１００】
（結晶格子歪量ｃ／ａに対する比誘電率評価）
次に、図１２Ａ（ｂ）に１ｋＨｚの比誘電率の結晶格子歪量に対する依存性を示す。同図に示すように、結晶格子歪量ｃ／ａが小さくなるに従い、比誘電率がほぼ単調に増加することがわかる。本実施例において検討した範囲では、圧電定数のように、比誘電率の増加が飽和する結晶格子歪量の範囲は認められないが、比誘電率６００以上を実現するためには、ｃ／ａ≦１．００５の範囲が望ましいことが分かる。また、鉛系の圧電材料であるバルクＰＺＴなど（文献５）とほぼ同等の高い比誘電率１０００程度を実現するためには、ｃ／ａ≦１の範囲が望ましいことが分かる。比誘電率は、圧電定数を向上させるパラメータの一つであり、結晶格子歪量ｃ／ａと比誘電率は負の相関があるので、圧電定数向上や安定化には必要な管理パラメータである。
文献５：岡崎清著、第４版セラミック誘電体工学、（学献社、１９９２年）
【０１０１】
（結晶格子歪量ｃ／ａに対する誘電損失評価）
更に、図１２Ｂに１ｋＨｚの誘電損失（ｔａｎδ）の結晶格子歪量に対する依存性を示す。本図からわかるように、結晶格子歪量ｃ／ａが小さくなるに従い、誘電損失がほぼ単調に減少することがわかる。誘電損失をなるべく小さく抑制することは、リーク電流の発生を抑えることになり、圧電薄膜（誘電体）に印加される実効的な電圧低下を防ぐことになり、圧電定数の低下や誘電率の低下を抑えることになる。また、高周波での圧電動作などを行うとき、誘電損失の増加は動作不良の原因になることから、誘電損失を低減できる物理パラメータを把握し、最適範囲を規定することは、ＫＮＮ圧電薄膜の高性能化と安定
生産の実現に不可欠である。本実施例において、Ｓｉ基板面内の誘電損失分布としての相対標準偏差を約１０％以下に小さくすることと（図１１（ｂ））、誘電損失値を０．１程度まで低減することの両立を図るためには、ｃ／ａ≦１の範囲が望ましいことが分かる。
【０１０２】
以上のことから、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａのばらつきは、予想される圧電定数及びそれと関連のある誘電性である比誘電率や誘電損失のばらつきにほぼ対応しており、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量をウェハ上で均一化することによって、圧電定数の均一化と向上を実現できることを示している。すなわち、基板面内のＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量分布の均一化は、製造上の重要な安定化パラメータであり、結晶格子歪量分布をマッピング測定し、その測定結果を解析することにより、明確に管理、制御することが可能であることが確認できた。
【０１０３】
［実施例４］
実施例４では、スパッタリング投入電力と、成膜後の熱処理温度に対するＫＮＮ圧電薄膜の上記結晶格子歪量ｃ／ａがどのように変化するのかを調べた。このとき使用した試料は実施例２と同様に作製し、試料は二つに分け、一方は投入電力解析用、他方は温度解析用に用いた。
【０１０４】
（スパッタリング投入電力解析）
まず、スパッタリング投入電力に対するＫＮＮ圧電薄膜の上記結晶格子歪量ｃ／ａがどのように変化するのかを調べるために、投入電力を２０Ｗから１４０Ｗまで変化させたときのＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａを解析した。
【０１０５】
図１６にその結果を示す。この図の縦軸は結晶格子歪量ｃ／ａ、横軸は投入電力（Ｐｏｗｅｒ）の値を示している。ＫＮＮ圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度は７５０℃とした。図１６に示すように投入電力が５０Ｗのときは引張応力状態にあり、その結晶格子歪量ｃ／ａは０．９９４以上０．９９７以下であった。投入電力を大きくするに従い、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａは小さくなることがわかる。そして、７５Ｗ付近でＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａはほぼ１になることがわかる。更に投入電力を大きくすると、基板の反り形状は凹形状であったものが凸形状へと変わり、引張応力から圧縮応力状態に変化したことがわかる。投入電力を１２０Ｗまで増加させたとき、結晶格子歪量ｃ／ａの値は約１．００８にまで増加することがわかった。
【０１０６】
以上のように、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａの制御はスパッタリング投入電力を変化させることで可能になることがわかる。スパッタリング投入電力を７５Ｗ近傍で制御することによってｃ／ａ＝１のＫＮＮ圧電薄膜を作製することが可能である。
【０１０７】
以上のことから、４インチＳｉウェハ（基板）上に形成したＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内分布について、その相対標準偏差が０．２％未満となるようにばらつきを低減する製造方法は、成膜時におけるスパッタリング投入電力を４０Ｗ以上１２０Ｗ以下の範囲内、またはスパッタリング投入電力密度を０．０１０Ｗ／ｍｍ２以上０．０４０Ｗ／ｍｍ２以内の範囲内で制御して、所望のＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量となるように成膜すればよいことがわかる。
【０１０８】
（成膜後の熱処理解析）
つぎに、圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度に対するＫＮＮ圧電薄膜の上記結晶格子歪量ｃ／ａがどのように変化するのかを調べた。
そのために成膜完了後、ランプ加熱装置やヒータ加熱装置などの電気炉を用いて、主成分が酸素と窒素の混合ガスあるいはそれらの少なくとも一つのガスで、熱処理を行った。このとき熱処理温度について、圧電薄膜の組成変化に応じて２０℃から８００℃の範囲で
制御して行った。また熱処理時間は１時間から３時間の範囲で行い、圧電薄膜の組成に応じて実施した。熱処理完了後に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｐｔ上部電極（膜厚１００ｎｍ）を形成した。このとき、スパッタリング投入電力３００Ｗ、導入ガスＡｒ、Ａｒ雰囲気の圧力２．５Ｐａ、成膜時間は５分の条件で成膜し、圧電体素子を作製した。
【０１０９】
図１７に成膜後の熱処理温度に対する、結晶格子歪量ｃ／ａの変化を示す。この図の縦軸は結晶格子歪量ｃ／ａ、横軸は熱処理温度の値を示している。ＫＮＮ圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力は５０Ｗとした。本実施例においては、熱処理温度を２０℃（室温）、６００℃、７００℃、７５０℃と高くするに従って、結晶格子歪量ｃ／ａが約１．００１５から約０．９９６０へと減少することがわかる。これは、熱処理温度が高くなるほど、圧電薄膜の基板面内の格子面間隔ａが、基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃに比べて大きくなることを示している。基板面に対して平行方向に近い格子面間隔ａが伸びたことを表しており、Ｐｔ下部電極の引張応力状態が顕著になったことを示している。したがって、４インチＳｉウェハ（基板）上に形成したＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子歪量の基板面内分布について、その相対標準偏差が０．２％未満となるようにばらつきを低減する製造方法は、成膜後の熱処理温度を８００℃以下、好ましくは６００℃以上７５０℃以下の範囲で制御するのがよいことがわかった。
【０１１０】
以上のように、ＫＮＮ圧電薄膜の結晶格子ｃ／ａの制御は成膜後の熱処理温度を変化させることで可能になることがわかる。大気中で７５０℃、１時間の熱処理を行うことによって、結晶格子ｃ／ａ＝０．９９３５のＫＮＮ圧電薄膜を作製することが可能であることがわかった。
【０１１１】
このように成膜後の熱処理温度を高くすることにより、Ｐｔ下部電極の引張応力状態を顕著に実現しているが、前記熱処理温度に加えて、スパッタリング投入電力を低めに設定することやスパッタリング動作ガス圧（例えば、Ａｒガス圧など）を低めに設定することにより、Ｐｔ下部電極の引張応力状態をより顕著に実現することができる。
【０１１２】
以下に、本実施形態に係る好ましい態様を付記する。
【０１１３】
［付記］
本発明の一態様によれば、基板と、該基板面内に下部電極層と圧電薄膜と上部電極層とをこれらの順で有し、前記圧電薄膜がスパッタリング法によって成膜され、前記圧電薄膜が素子の製作条件によって制御される圧電体素子において、
前記圧電薄膜は、（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるペロブスカイト型酸化物を主相とし、
前記圧電薄膜が、擬立方晶、立方晶、正方晶、斜方晶、六方晶、単斜晶、三斜晶、もしくは斜方面体の結晶構造、または前記結晶の少なくとも一つの結晶構造が共存した状態を有しており、それら結晶軸のうち２軸以下のある特定の軸に優先的に配向しており、
前記圧電薄膜の基板面内の格子面間隔ａと基板面外の基板法線方向の格子面間隔ｃとの格子面間隔比である結晶格子歪量ｃ／ａ、及び前記結晶格子歪量によって制御される圧電定数、比誘電率、誘電損失のうち少なくとも一つの物理量において、
前記基板面内における前記物理量の分布指標である相対標準偏差が、
前記物理量が、前記ｃ／ａであるときは０．２％未満、
前記圧電定数であるときは４．３％以下、
前記比誘電率であるときは３．２％以下、
あるいは前記誘電損失であるときは１０．１％以下
である圧電体素子が提供される。
【０１１４】
この場合、結晶格子歪量ｃ／ａが、１．００５以下であること好ましい。
【０１１５】
また、前記（００１）成分と前記（１１１）成分とが共存した構造であることが好ましい。
【０１１６】
また、前記圧電薄膜が前記基板に対して垂直方向に（００１）優先配向であることが好ましい。
【０１１７】
また、前記基板と前記圧電薄膜との間に下地層を有することが好ましい。
【０１１８】
前記下地層は、Ｐｔ薄膜もしくはＰｔを主成分とする合金薄膜、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層であることが好ましい。
【０１１９】
また、前記圧電薄膜が柱状構造の粒子で構成された集合組織を有していることが好ましい。
【０１２０】
また、前記基板は、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ガラス基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、ステンレス基板のいずれかに選定されることが好ましい。特に、前記基板はＳｉ基板であることがより好ましい。
【０１２１】
また、前記圧電薄膜の結晶格子歪量の標準偏差や最大値と最小値の差などである「ばらつき」が、前記基板の選定によって制御されることが好ましい。
【０１２２】
本発明の他の態様によれば、上述した圧電体素子と、電圧印加手段又は電圧検出手段とを備えた圧電体デバイスが提供される。
【０１２３】
また、本発明の他の実施の形態によれば、上記圧電体素子を製造する方法において、前記圧電薄膜の内部応力は、前記圧電薄膜の成膜時におけるスパッタリング投入電力が４０Ｗから１２０Ｗの範囲内で制御される圧電体素子の製造方法が提供される。この場合、スパッタリング投入電力密度が０．０１０Ｗ／ｍｍ２から０．０４０Ｗ／ｍｍ２の範囲内で制御されることが好ましい。
【０１２４】
また、前記圧電薄膜の圧電定数の標準偏差や最大値と最小値の差などである「ばらつき」が、前記圧電薄膜の成膜後に実施する加熱処理の熱処理温度によって制御されることが好ましい。
【０１２５】
また、前記圧電薄膜の比誘電率の標準偏差や最大値と最小値の差などである「ばらつき」が、前記圧電薄膜の成膜後に実施する熱処理の熱処理温度によって制御されることが好ましい。
【０１２６】
また、上記圧電薄膜の誘電損失（ｔａｎδ）の標準偏差や最大値と最小値の差などである「ばらつき」が、前記圧電薄膜の成膜後に実施する熱処理の熱処理温度によって制御されることが好ましい。
【０１２７】
また、前記圧電薄膜のｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度が８００℃以下の範囲内で制御されることが好ましい。
【０１２８】
また、前記圧電薄膜のｃ／ａは、前記圧電薄膜の成膜後に実施される熱処理の温度が９００℃以下で制御されることが好ましく、６００℃以上８００℃以下の範囲内で制御され
ることがより好ましい。
【０１２９】
また、前記圧電薄膜の結晶格子歪量ｃ／ａが、１．００５以下となるよう制御されることが好ましい。この場合、ｃ／ａが１付近の０．９９２以上１．００４以下の範囲で制御されることがより好ましい。
【０１３０】
また、本発明の他の態様によれば、前記圧電薄膜の圧電定数が６０以上で制御され、７０以上で制御されることが好ましく、９０以上の範囲で制御されることがより好ましい。
【０１３１】
また、本発明の他の態様によれば、前記圧電薄膜の比誘電率が６００以上の範囲で制御されることが好ましい。
【０１３２】
また、本発明の他の態様によれば、前記圧電薄膜の誘電損失であるｔａｎδの値が０．１５以下で制御されることが好ましく、０．１以下の範囲で制御されることがより好ましい。
【０１３３】
また、下部電極層は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層において、該電極層が（１１１）優先配向であって、基板面内またはウェハ上において当該の（１１１）優先配向分布が均一であることが好ましい。
【０１３４】
また、下部電極層は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｉｎ乃至同酸化物や圧電薄膜中に含む元素との化合物の層を含む積層構造の電極層であってもよい。
【０１３５】
また、上部電極層は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金、またはこれらＰｔを主成分とする電極層を含む積層構造の電極層であることが好ましい。
【０１３６】
また、上部電極層はＲｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｉｎ乃至同酸化物や圧電薄膜中に含む元素との化合物の電極層を含む積層構造の電極層であってもよい。
【０１３７】
また、上記圧電体素子を製造する圧電体素子の製造方法において、基板上に、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される圧電薄膜有する圧電体素子の製造方法であって、前記圧電膜形成後にその結晶格子歪量を、基板面内において、微小部Ｘ線入射が可能なＸ線回折法を用いて、基板面内における圧電薄膜の結晶格子歪量の分布について、マッピング測定し、解析して管理する工程を含む圧電体素子の製造方法が提供される。
【符号の説明】
【０１３８】
１・・・Ｓｉ基板
２・・・密着層
３・・・下部電極層
４・・・圧電薄膜
５・・・上部電極層
２０・・・圧電体素子
２１・・クランプ
２２・・レーザードップラ変位計
３１・・・焼結体ターゲット
【図１】
2011233817.tif 000011
【図２】
2011233817.tif 000012
【図３】
2011233817.tif 000013
【図４】
2011233817.tif 000014
【図５】
2011233817.tif 000015
【図６】
2011233817.tif 000016
【図１０】
2011233817.tif 000017
【図１１】
2011233817.tif 000018
【図１２Ａ】
2011233817.tif 000019
【図１２Ｂ】
2011233817.tif 000020
【図１３】
2011233817.tif 000021
【図１４】
2011233817.tif 000022
【図１５】
2011233817.tif 000023
【図１６】
2011233817.tif 000024
【図１７】
2011233817.tif 000025
【図７】
2011233817.tif 000026
【図８】
2011233817.tif 000027
【図９】
2011233817.tif 000028