(57)【要約】【課題】圧電特性及び強誘電性に優れた圧電薄膜を提供すること。【解決手段】圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む圧電薄膜３であって、ペロブスカイト構造が正方晶系に属し、酸化物が下記化学式１で表され、ペロブスカイト構造の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）［上記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。］【選択図】図１
2019121702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む圧電薄膜であって、
前記ペロブスカイト構造が正方晶系に属し、
前記酸化物が下記化学式１で表され、
前記ペロブスカイト構造の（００１）面が、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
［前記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。］
【請求項２】
前記ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔が、ｃと表され、
前記ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔が、ａと表され、
ｃ／ａが、１．０２５以上１．０８０以下である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
【請求項３】
単結晶基板と、
前記単結晶基板に重なる圧電薄膜と、
を備え、
前記圧電薄膜が、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含み、
前記ペロブスカイト構造が正方晶系に属し、
前記酸化物が下記化学式１で表され、
前記ペロブスカイト構造の（００１）面が、前記単結晶基板の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜素子。
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
［前記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。］
【請求項４】
前記ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔が、ｃと表され、
前記ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔が、ａと表され、
ｃ／ａが、１．０２５以上１．０８０以下である、
請求項３に記載の圧電薄膜素子。
【請求項５】
前記ペロブスカイト構造の（００１）面が、前記単結晶基板の表面の法線方向に対して垂直であり、
前記ペロブスカイト構造の（１００）面が、前記単結晶基板の表面の法線方向に対して平行である、
請求項３又は４に記載の圧電薄膜素子。
【請求項６】
前記単結晶基板と、
前記単結晶基板に重なる第一電極層と、
前記第一電極層を介して前記単結晶基板に重なる前記圧電薄膜と、
前記圧電薄膜に重なる第二電極層と、
を備える、
請求項３〜５のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
【請求項７】
少なくとも一つの中間層を更に備え、
前記中間層が、前記単結晶基板と前記第一電極層との間、前記第一電極層と前記圧電薄膜との間、又は前記圧電薄膜と前記第二電極層との間に配置されている、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項３〜７のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
圧電センサ。
【請求項１０】
請求項８に記載の圧電アクチュエータを備える、
ヘッドアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のヘッドアセンブリを備える、
ヘッドスタックアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のヘッドスタックアセンブリを備える、
ハードディスクドライブ。
【請求項１３】
請求項８に記載の圧電アクチュエータを備える、
プリンタヘッド。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプリンタヘッドを備える、
インクジェットプリンタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は、種々の目的に応じて様々な圧電薄膜素子に加工される。例えば、圧電アクチュエータは、圧電薄膜に電圧を加えて圧電薄膜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、圧電薄膜に圧力を加えて圧電薄膜を変形させる圧電効果により、力を電圧に変換する。これらの圧電薄膜素子は、様々な電子機器に搭載される。
【０００３】
従来、圧電材料として、ペロブスカイト型強誘電体であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３：ＰＺＴ）が多用されてきた。しかしながら、ＰＺＴは人体や環境を害する鉛を含むため、ＰＺＴの代替として、非鉛圧電材料の開発が期待されている。例えば、下記の非特許文献１には、非鉛の圧電材料の一例として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴ）系材料が記載されている。ＢＴ系材料は、非鉛の圧電材料の中でも比較的良好な圧電特性を有し、圧電薄膜素子への応用が特に期待されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｌｅａｄ−Ｆｒｅｅ  Ｂａｒｉｕｍ  Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ，  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．  ５４，  ｐｐ．  ７−１２，  Ｓｅｐ．  ２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
異なる結晶系に属する複数の圧電組成物の組合せから構成される圧電材料では、組成相境界（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ）が存在する。組成相境界が存在する圧電材料では、強誘電性がある程度低減されることと引き換えに、圧電特性が向上する。例えば、ＰＺＴの組成は、正方晶系に属するチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３：ＰＴ）と、菱面体晶系に属するジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３：ＰＺ）との組合せから構成されるため、ＰＺＴの組成には組成相境界が存在する。しかしながら、ＢＴ等の正方晶系に属する非鉛圧電材料は、ＰＴに比べて強誘電性に劣る。そのため、非鉛圧電材料の組成に組成相境界が存在する場合であっても、その圧電特性の向上は十分でない。さらに、このような低い強誘電性は、圧電薄膜及び圧電薄膜素子における圧電応答性の低下を招く。したがって、圧電特性及び強誘電性の双方に優れた非鉛圧電薄膜材料を開発する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、圧電特性及び強誘電性に優れた圧電薄膜、当該圧電薄膜を備える圧電薄膜素子、並びに当該圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る圧電薄膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む圧電薄膜であって、ペロブスカイト構造が正方晶系に属し、酸化物が下記化学式１で表され、ペロブスカイト構造の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向している。
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
［上記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。］
【０００８】
本発明の一側面に係る圧電薄膜においては、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔が、ｃと表されてよく、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔が、ａと表されてよく、ｃ／ａが、１．０２５以上１．０８０以下であってよい。
【０００９】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる圧電薄膜と、を備え、圧電薄膜が、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含み、ペロブスカイト構造が正方晶系に属し、酸化物が下記化学式１で表され、ペロブスカイト構造の（００１）面が、単結晶基板の表面の法線方向において配向している。
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
［上記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。］
【００１０】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子においては、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔が、ｃと表されてよく、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔が、ａと表されてよく、ｃ／ａが、１．０２５以上１．０８０以下であってよい。
【００１１】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子においては、ペロブスカイト構造の（００１）面が、単結晶基板の表面の法線方向に対して垂直であってよく、ペロブスカイト構造の（１００）面が、単結晶基板の表面の法線方向に対して平行であってよい。
【００１２】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一電極層と、第一電極層を介して単結晶基板に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備えてよい。
【００１３】
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよく、中間層が、単結晶基板と第一電極層との間、第一電極層と圧電薄膜との間、又は圧電薄膜と第二電極層との間に配置されていてよい。
【００１４】
本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、上記圧電薄膜素子を備える。
【００１５】
本発明の一側面に係る圧電センサは、上記圧電薄膜素子を備える。
【００１６】
本発明の一側面に係るヘッドアセンブリは、上記圧電アクチュエータを備える。
【００１７】
本発明の一側面に係るヘッドスタックアセンブリは、上記ヘッドアセンブリを備える。
【００１８】
本発明の一側面に係るハードディスクドライブは、上記ヘッドスタックアセンブリを備える。
【００１９】
本発明の一側面に係るプリンタヘッドは、上記圧電アクチュエータを備える。
【００２０】
本発明の一側面に係るインクジェットプリンタ装置は、上記プリンタヘッドを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、圧電特性及び強誘電性に優れた圧電薄膜、当該圧電薄膜を備える圧電薄膜素子、並びに当該圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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と、ペロブスカイト構造の単位格子の斜視図と、を含む。（図１中の（ｂ）では、第一電極層及び第二電極層は省略される。）
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るヘッドアセンブリの模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの模式図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るジャイロセンサの模式図（平面図）である。
【図５】図５は、図４に示されるジャイロセンサのＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る脈波センサの模式図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係るハードディスクドライブの模式図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係るインクジェットプリンタ装置の模式図である。
【図１０】図１０は、実施例１の圧電薄膜のＸ線回折パターンである。
【図１１】図１１は、実施例１の圧電薄膜に印加される交流電界の強度と、圧電薄膜素子の分極量との関係を示すヒステリシス曲線である。
【図１２】図１２は、実施例１の圧電薄膜に印加される交流電圧と、圧電薄膜の変位量との関係を示すヒステリシス曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明する。図面において、同一又は同等の要素には同一の符号が付される。図１中の（ａ）及び（ｂ）に示されるＸ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの座標軸を意味する。本発明は下記実施形態に限定されない。
【００２４】
（圧電薄膜、及び圧電薄膜素子）
図１に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子１００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を介して単結晶基板１に間接的に重なる圧電薄膜３と、圧電薄膜３に重なる第二電極層４（上部電極層）と、を備える。すなわち、圧電薄膜素子１００では、一対の電極層の間に圧電薄膜３が挟まれている。圧電薄膜素子１００の変形例は、第二電極層４を備えなくてよい。例えば、第二電極層を備えない圧電薄膜素子が、製品として、電子機器の製造業者に供給された後、電子機器の組立て・製造の過程において、第二電極層が圧電薄膜素子に付加されてよい。
【００２５】
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の厚さは、例えば、１０〜１０００μｍ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、単結晶基板１が導電性を有する場合、圧電薄膜３が単結晶基板１に直接重なっていてもよい。導電性を有する単結晶基板１は、例えば、Ｎｂ（ニオブ）がドープされたＳｒＴｉＯ３の単結晶であってよい。単結晶基板１がＳｉの単結晶である場合、第一電極層２の密着性を向上させるために、単結晶基板１の表面にＴｉ又はＣｒ等からなる密着層を形成してもよい。
【００２６】
単結晶基板１の結晶構造のいずれかの面方位は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮと等しくてよい。つまり、単結晶基板１の結晶構造のいずれかの結晶面が、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮを向いていてよい。単結晶基板１は一軸配向基板であってよい。例えば、（１００）、（００１）、（１１０）、（１０１）、及び（１１１）からなる群より選ばれる単結晶基板１の結晶構造の面方位の一つが、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮと等しくてよい。
【００２７】
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、ＳｒＲｕＯ３又はＬａＮｉＯ３等の導電性金属酸化物からなっていてよい。第一電極層２は、結晶質であってよい。第一電極層２の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１の法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。単結晶基板１の面方位と、第一電極層２の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮにおいて配向してよい。法線方向ＤＮにおいて配向する第一電極層２の結晶構造の面方位が、法線方向ＤＮにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。第一電極層２の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１．０μｍ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、又はゾルゲル法では、第一電極層２の結晶性を高めるために、第一電極層２の加熱を行ってもよい。
【００２８】
圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む。ペロブスカイト構造を有する酸化物は、下記化学式１で表される。下記化学式１で表される酸化物のペロブスカイト構造は、常温において、正方晶系に属する。下記化学式１で表される酸化物は、結晶質であってよい。圧電薄膜３は、主成分として、下記化学式１で表される酸化物を含んでよい。主成分とは、圧電薄膜３を構成する全成分に対する割合が９９％モル以上である成分を意味する。以下では、場合により、下記化学式１で表される酸化物が、「ＢＮＴ‐ＢＴ」と表記される。
【００２９】
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
上記化学式１中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。ｘは０．２５以上０．６０以下であってもよい。
【００３０】
上記化学式１は、下記化学式１ａと等価であってよい。
（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）１−ｘＢａｘＴｉＯ３      （１ａ）
上記化学式１ａ中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たす。ｘは０．２５以上０．６０以下であってもよい。
【００３１】
図１中の（ｂ）では、上記化学式１で表される酸化物の結晶構造（正方晶系に属するペロブスカイト構造）の単位格子ｔｃが模式的に示される。単位格子ｔｃは直方体であり、単位格子ｔｃが有する８個の頂点其々には、Ｂｉ、Ｎａ及びＢａからなる群より選ばれる一種が位置する。説明の便宜上、図１中の（ｂ）では、単位格子ｔｃの体心のＴｉは省略され、単位格子ｔｃの６つの面心のＯも省略されている。
【００３２】
ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面の面間隔は、ｃと表される。ｃは単位格子ｔｃのｃ軸方向における格子定数と言い換えられてよい。ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔は、ａと表される。ａは、単位格子ｔｃのａ軸方向における格子定数と言い換えられてよい。ｃ／ａは、ペロブスカイト構造の歪み（異方性）の程度を意味する。正方晶系に属するペロブスカイト構造のｃ／ａは１よりも大きい。ｃ／ａが大きいほど、圧電薄膜３は強誘電性に優れる傾向がある。ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面の面間隔ｃは、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮに平行であってよく、単結晶基板１の表面の面内方向に垂直であってよい。ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（１００）面の面間隔ａは、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮに垂直であってよく、単結晶基板１の表面の面内方向に平行であってよい。
【００３３】
ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて（優先的に）配向している。つまり、ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面の面方位［００１］は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎに略平行であってよい。ペロブスカイト構造の面方位［００１］は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎと同じであってよい。圧電薄膜３の表面とは、圧電薄膜３の表面全体のうち、圧電薄膜３の端面を除く面である。例えば、圧電薄膜３の表面とは、圧電薄膜３の表面全体のうち、図１の（ｂ）中のＸＹ面に平行な面である。圧電薄膜３の表面は、単結晶基板１の表面に面する面であってよい。圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、圧電薄膜３の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の面方位［００１］は、圧電薄膜３の自発分極方向と言い換えられてよい。
【００３４】
ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮにおいて（優先的に）配向している。ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮに略平行であってよい。ペロブスカイト構造の面方位［００１］は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮと同じであってよい。ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（００１）面は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直であってよく、ペロブスカイト構造（単位格子ｔｃ）の（１００）面は、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であってよい。単結晶基板１の表面とは、単結晶基板１の表面全体のうち、単結晶基板１の端面を除く面である。例えば、単結晶基板１の表面とは、単結晶基板１の表面全体のうち、図１の（ｂ）中のＸＹ面に平行な面である。単結晶基板１の表面とは、圧電薄膜３の表面に面する面であってよい。単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮは、単結晶基板１の厚み方向（Ｚ軸方向）と言い換えられてよい。
【００３５】
上述のように、本実施形態に係る圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物を含み、且つ（００１）面の配向性を有するため、鉛を含まない場合であっても、強誘電性及び圧電特性に優れている。換言すれば、本実施形態に係る圧電薄膜３は、ｃ／ａが大きい点において強誘電性に優れており、圧電定数ｄ３３が大きい点において圧電特性に優れている。したがって、本実施形態に係る圧電薄膜素子１００における圧電変位量及び発生電荷量は大きい。したがって、本実施形態に係る圧電薄膜素子１００は、圧電薄膜３に印加される電界の強度（又は電圧）に対する圧電性の線形応答性に優れている。
【００３６】
ｘが０．２５≦ｘ≦０．７０の範囲外である圧電薄膜の強誘電性及び圧電特性のいずれも、本実施形態に係る圧電薄膜に劣る。つまり、ｘが０．２５≦ｘ≦０．７０の範囲外である圧電薄膜のｃ／ａは、本実施形態に係る圧電薄膜のｃ／ａよりも小さく、ｘが０．２５≦ｘ≦０．７０の範囲外である圧電薄膜のｄ３３は、本実施形態に係る圧電薄膜のｄ３３よりも小さい。
【００３７】
圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物のみからなっていてもよい。圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物の単結晶のみからなっていてもよい。圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物の多結晶のみからなる膜（例えば、一軸配向膜）であってもよい。圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物の正方晶系のペロブスカイト構造が損なわれない限りにおいて、上記化学式１で表される酸化物以外の成分を含んでもよい。つまり圧電薄膜３は、上記化学式１で表される酸化物の正方晶系のペロブスカイト構造が損なわれない限りにおいて、Ｂｉ、Ｎａ、Ｂａ、Ｔｉ及びＯに加えて他の元素を含んでよい。ただし、圧電薄膜３は、人体や環境を害する鉛を含まないほうがよい。
【００３８】
ｃ／ａは、１．０２０以上１．０８０以下、１．０２０以上１．０６０以下、１．０２５以上１．０８０以下、１．０２５以上１．０６０以下、又は１．０２５以上１．０３４以下であってよい。ｃ／ａが１．０２５以上である場合、つまり圧電薄膜３に含まれる上記ペロブスカイト構造のｃ／ａが十分に大きい場合、圧電薄膜３が優れた圧電特性を有し易く、圧電薄膜３が大きい圧電定数ｄ３３を有し易い。
【００３９】
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、（００１）面の配向性に優れた圧電薄膜３が形成され易い。
【００４０】
圧電薄膜３の一部分の組成は、上記化学式１で表されるＢＮＴ‐ＢＴの組成からずれていてもよい。ペロブスカイト構造を有する酸化物の組成が、ＡＢＯ３で表される場合、圧電薄膜３の一部分においては、Ｂサイトを占めるＴｉの一部が、Ｂｉ、Ｎａ及びＢａのうちいずれかの元素で置換されていてよい。圧電薄膜３の一部分においては、酸素欠陥が生じていてもよい。例えば、圧電薄膜３の一部分の組成は、ペロブスカイト構造が損なわれない限りにおいて、下記化学式２で表されてよい。
（Ｂｉ０．５±δ１Ｎａ０．５±δ２）１−ｘＢａｘＴｉＯ３±δ３      （２）
上記化学式２中、ｘは０．２５≦ｘ≦０．７０を満たし、δ１は０．５±δ１≧０を満たし、δ２は０．５±δ２≧０を満たし、δ３は３±δ３≧０を満たし、δ１、δ２及びδ３は其々、０より大きく１．０以下である。δ１、δ２及びδ３は、例えば、放射光Ｘ線回折により測定されるＡサイトイオン及びＢサイトイオン其々の電子状態から算出されてよい。
【００４１】
圧電薄膜３の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜１０μｍ程度であってよい。圧電薄膜３の面積は、例えば、１μｍ２〜５００ｍｍ２であってよい。単結晶基板１、第一電極層２、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。
【００４２】
従来のＢａＴｉＯ３系材料のキュリー点は低い。したがって、圧電薄膜素子を用いた電子機器の製造過程（例えば、はんだリフロー工程）において圧電薄膜が加熱されると、圧電薄膜を構成するＢａＴｉＯ３系材料の相転移が起き易く、機械的強度や圧電特性が損なわれ易い。一方、ＢＮＴ‐ＢＴのキュリー点は、従来のＢａＴｉＯ３系材料に比べて高い。したがって、本実施形態に係る圧電薄膜素子１００を用いた電子機器の製造過程では、圧電薄膜３が加熱されたとしても、ＢＮＴ‐ＢＴの相転移が起き難く、機械的強度や圧電特性が損なわれ難い。ＢＮＴ‐ＢＴのキュリー点は、例えば、２５０〜４００℃程度であってよい。
【００４３】
圧電薄膜３は、例えば、以下の方法により形成されてよい。
【００４４】
圧電薄膜３の形成には、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットを用いる。ＢＮＴ‐ＢＴターゲットとは、上記化学式１で表される酸化物からなるターゲットである。ＢＮＴ‐ＢＴターゲットの作製方法は、次の通りである。
【００４５】
出発原料として、例えば、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化チタン、および炭酸バリウムの原料粉末を用意する。これらの出発原料を１００℃以上で十分に乾燥した後、Ｂｉのモル数、Ｎａのモル数、Ｔｉのモル数およびＢａのモル数が、成膜後の組成分析において上記化学式１で規定された範囲内になるように、各出発原料を秤量する。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、焼成により酸化物となる物質を用いてもよい。
【００４６】
秤量した出発原料を、例えば、ボールミル等を用いて、有機溶媒又は水の中で、５〜２０時間十分に混合する。混合後の出発原料を、十分乾燥した後、プレス機で成形する。成形された出発原料を、７５０〜９００℃で１〜３時間程度仮焼する。続いて、この仮焼物を、ボールミル等を用いて、有機溶媒又は水の中で、５〜３０時間粉砕する。粉砕された仮焼物を、再び乾燥し、バインダー溶液を加えて造粒して、仮焼物の粉を得る。この粉をプレス成形して、ブロック状の成形体を得る。
【００４７】
ブロック状の成形体を、４００〜８００℃で、２〜４時間程度加熱して、バインダーを揮発させる。続いて、成形体を、８００〜１１００℃で、２時間〜４時間程度焼成する。この本焼成時の成形体の昇温速度及び降温速度は、例えば５０〜３００℃／時間程度に調整すればよい。
【００４８】
以上の工程により、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットが得られる。ＢＮＴ‐ＢＴターゲットに含まれるＢＮＴ‐ＢＴの結晶粒の平均粒径は、例えば、１〜２０μｍ程度であってよい。
【００４９】
上記ＢＮＴ‐ＢＴターゲットを用いた気相成長法によって、圧電薄膜３を形成すればよい。気相成長法では、真空雰囲気下において、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットを構成する元素を蒸発させる。蒸発した元素を、平滑な第一電極層２の表面又は単結晶基板１の表面に付着・堆積させることにより、圧電薄膜３を成長させる。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）法であればよい。以下では、パルスレーザー堆積法を、ＰＬＤ法と記す。これらの気相成長法を用いることによって、原子レベルでの緻密な膜形成が可能となり、偏析などが生じ難くなる。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ＢＮＴ‐ＢＴターゲットに照射されると、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットを構成する元素が蒸発する。
【００５０】
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、ＢＮＴ‐ＢＴ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、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットとほぼ同じ組成を有する圧電薄膜３を形成し易い。またＰＬＤ法では、レーザーのパルス数（繰り返し周波数）を変えることで、圧電薄膜３の厚さを制御し易い。
【００５１】
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を形成する。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、３００〜８００℃、５００〜７００℃、又は５００〜６００℃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、圧電薄膜３（ＢＮＴ‐ＢＴ）の（００１）面方位の配向度が高まり易い。成膜温度が高過ぎる場合、Ｂｉ又はＮａが圧電薄膜３から脱離し易く、圧電薄膜３の組成を制御し難くなる。
【００５２】
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、１５〜３００ｍＴｏｒｒ、又は２０〜２００ｍＴｏｒｒ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、２〜４０Ｐａ、又は３〜３０Ｐａであってよい。酸素分圧が上記範囲内に維持されることにより、単結晶基板１又は第一電極層２の表面に堆積したＢｉ，Ｎａ及びＴｉを十分に酸化し易い。酸素分圧が高過ぎる場合、圧電薄膜３の成長速度及び配向度が低下し易い。
【００５３】
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・ターゲット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の所望の圧電特性を得易い。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の面方位の配向度が高まり易い。
【００５４】
上記方法で圧電薄膜３成長させた後、圧電薄膜３のアニール処理（加熱処理）を行ってよい。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、３００〜１０００℃、６００〜１０００℃、又は８５０〜１０００℃であってよい。圧電薄膜３の成長後にアニール処理を行うことにより、圧電薄膜３の圧電性及び強誘電性が更に向上する傾向がある。特に８５０〜１０００℃でのアニール処理を行うことにより、圧電薄膜３の圧電性及び強誘電性が向上し易い。
【００５５】
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、ＳｒＲｕＯ３又はＬａＮｉＯ３等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の結晶構造の面方位の配向性は、単結晶基板１の結晶構造の面方位の配向性と同じであってよい。第二電極層４の結晶構造の面方位の配向性は、ＢＮＴ‐ＢＴの結晶構造の面方位の配向性と同じであってもよい。第二電極層４の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１．０μｍ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、又はゾルゲル法では、第一電極層２の結晶性を高めるために、第一電極層２の加熱を行ってもよい。
【００５６】
圧電薄膜素子１００は、少なくとも一つの中間層を更に備えてよい。以下に説明されるように、中間層は、単結晶基板１と第一電極層２との間、第一電極層２と圧電薄膜３との間、又は圧電薄膜３と第二電極層４との間に配置されていてよい。
【００５７】
単結晶基板１と第一電極層２との間に中間層（基板側中間層）が介在していてよい。つまり、基板側中間層が単結晶基板１の表面に直接重なっていてよい。基板側中間層を構成する物質は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３及びＺｒＯ２からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。基板側中間層は、結晶質であってよい。基板側中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１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の面方位と、基板側中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮにおいて配向してよい。法線方向ＤＮにおいて配向する基板側中間層の結晶構造の面方位が、法線方向ＤＮにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。
【００５８】
第一電極層２と圧電薄膜３との間に第一中間層が介在していてもよい。第一中間層を構成する物質は、例えば、ＳｒＲｕＯ３及びＬａＮｉＯ３からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。第一中間層は、結晶質であってよい。第一中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１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の面方位と、第一中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮにおいて配向してよい。法線方向ＤＮにおいて配向する第一中間層の結晶構造の面方位が、法線方向ＤＮにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。
【００５９】
圧電薄膜３と第二電極層４との間に第二中間層が介在していてもよい。第二中間層を構成する物質は、第一中間層を構成する物質と同じであってよい。第二中間層は、結晶質であってよい。第二中間層の結晶構造の面方位のいずれか一つが、単結晶基板１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の面方位と、第二中間層の結晶構造の面方位と、の両方が、単結晶基板１の表面の法線方向ＤＮにおいて配向してよい。法線方向ＤＮにおいて配向する第二中間層の結晶構造の面方位が、法線方向ＤＮにおいて配向する単結晶基板１の面方位と同じであってよい。
【００６０】
圧電薄膜素子１００の表面の少なくとも一部又は全体が、保護膜によって被覆されていてよい。保護膜による被覆により、例えば圧電薄膜素子１００の耐湿性が向上する。
【００６１】
上述した本実施形態によれば、ｄ３３が大きく線形応答性に優れた圧電薄膜３及び圧電薄膜素子１００が提供される。ｄ３３が大きく線形応答性に優れた圧電薄膜素子１００の用途は、多岐にわたる。圧電薄膜素子１００は、例えば、圧電アクチュエータに用いられてよい。圧電アクチュエータは、例えば、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、例えば、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。圧電薄膜素子１００は、例えば、圧電センサに用いられてもよい。圧電センサは、例えば、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、又はショックセンサであってよい。圧電薄膜３及び圧電薄膜素子１００は、例えば、マイクロフォンへ適用されてもよい。上記の用途の中でも、線形応答性に優れた圧電薄膜３及び圧電薄膜素子１００は、圧電センサに特に適している。
【００６２】
以下では、圧電薄膜３及び圧電薄膜素子１００の用途の具体例を詳しく説明する。
【００６３】
（圧電アクチュエータ）
図２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）に搭載されるヘッドアセンブリ２００を示す。ヘッドアセンブリ２００は、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、第１及び第２の圧電薄膜素子１００、及びヘッドスライダ１９を備えている。第１及び第２の圧電薄膜素子１００は、ヘッドスライダ１９用の駆動素子である。ヘッドスライダ１９は、ヘッド素子１９ａを有する。
【００６４】
ロードビーム１１は、ベースプレート９に固着された基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから延在する第１の板バネ部１１ｃ及び第２の板バネ部１１ｄと、板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅと、板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的に延在するビーム主部１１ｆと、を備えている。第１の板バネ部１１ｃ及び第２の板バネ部１１ｄは、先細りになっている。ビーム主部１１ｆも、先細りになっている。
【００６５】
第１及び第２の圧電薄膜素子１００は、所定の間隔をもって、フレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上に配置されている。ヘッドスライダ１９は、フレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電薄膜素子１００の伸縮に伴って回転運動する。
【００６６】
図３は、プリンタヘッド用の圧電アクチュエータ３００を示す。圧電アクチュエータ３００は、基体２０と、基体２０に重なる絶縁膜２３と、絶縁膜２３に重なる単結晶基板２４と、単結晶基板２４に重なる圧電薄膜２５と、圧電薄膜２５に重なる上部電極層２６（第二電極層）と、を備える。単結晶基板２４は導電性を有し、下部電極層としての機能も有する。下部電極層とは、上記の第一電極層と言い換えてよい。上部電極層とは、上記の第二電極層と言い換えてよい。
【００６７】
所定の吐出信号が供給されず、単結晶基板２４（下部電極層）と上部電極層２６との間に電界が印加されていない場合、圧電薄膜２５は変形しない。吐出信号が供給されていない圧電薄膜２５に隣り合う圧力室２１内では、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。
【００６８】
一方、所定の吐出信号が供給され、単結晶基板２４（下部電極層）と上部電極層２６との間に一定電界が印加された場合、圧電薄膜２５が変形する。圧電薄膜２５の変形によって絶縁膜２３が大きくたわむので、圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。
【００６９】
（圧電センサ）
図４及び図５は、圧電センサの一種であるジャイロセンサ４００を示す。ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続される一対のアーム１２０及び１３０と、を備える。一対のアーム１２０及び１３０は、音叉振動子である。つまり、ジャイロセンサ４００は、音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ４００は、上述の圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜３０、上部電極層３１、及び単結晶基板３２を、音叉型振動子の形状に加工して得られたものである。基部１１０とアーム１２０及び１３０は、圧電薄膜素子と一体化されている。単結晶基板３２は、導電性を有し、下部電極層としての機能も有する。
【００７０】
一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ及び３１ｂと、検出電極層３１ｄとが、形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ及び３１ｂと、検出電極層３１ｃとが形成されている。各電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極層３１をエッチングにより所定の電極の形状に加工することにより得られる。
【００７１】
単結晶基板３２（下部電極層）は、基部１１０、並びにアーム１２０及び１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏面）の全体に形成されている。単結晶基板３２（下部電極層）は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。
【００７２】
アーム１２０及び１３０其々の長手方向をＺ方向と規定し、アーム１２０及び１３０の主面を含む平面をＸＺ平面と規定することにより、ＸＹＺ直交座標系が定義される。
【００７３】
駆動電極層３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０が励振するモードである。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。
【００７４】
この状態で、ジャイロセンサ４００にＺ軸を回転軸とする角速度ωの回転が加わると、アーム１２０、１３０のそれぞれに対して、速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用する。その結果、アーム１２０、１３０が、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０が励振するモードである。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が−Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。
【００７５】
コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電薄膜３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極層３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより、角速度ωが求められる。
【００７６】
図６は、圧電センサの一種である圧力センサ５００を示す。圧力センサ５００は、圧電薄膜素子４０と、圧電薄膜素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。圧電薄膜素子４０は、共通電極層４１と、共通電極層４１に重なる圧電薄膜４２と、圧電薄膜４２に重なる個別電極層４３とからなる。共通電極層４１は、導電性の単結晶基板である。共通電極層４１と支持体４４とに囲まれた空洞４５は、圧力に対応する。圧力センサ５００に外力がかかると圧電薄膜素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
【００７７】
図７は、圧電センサの一種である脈波センサ６００を示す。脈波センサ６００は、圧電薄膜素子５０と、圧電薄膜素子５０を支える支持体５４と、電圧測定器５５とから構成されている。圧電薄膜素子５０は、共通電極層５１と、共通電極層５１に重なる圧電薄膜５２と、圧電薄膜５２に重なる個別電極層５３とからなる。共通電極層５１は、導電性の単結晶基板である。脈波センサ６００の支持体５４の裏面（圧電薄膜素子５０が搭載されていない面）を生体の動脈上に当接させると、生体の脈による圧力で支持体５４と圧電薄膜素子５０がたわみ、電圧測定器５５で電圧が検出される。
【００７８】
（ハードディスクドライブ）
図８は、図２に示すヘッドアセンブリが搭載されたハードディスクドライブ７００を示す。図８のヘッドアセンブリ６５は、図２のヘッドアセンブリ２００と同じである。
【００７９】
ハードディスクドライブ７００は、筐体６０と、筐体６０内に設置されたハードディスク６１（記録媒体）と、ヘッドスタックアセンブリ６２と、を備えている。ハードディスク６１は、モータによって回転させられる。ヘッドスタックアセンブリ６２は、ハードディスク６１へ磁気情報を記録したり、ハードディスク６１に記録された磁気情報を再生したりする。
【００８０】
ヘッドスタックアセンブリ６２は、ボイスコイルモータ６３と、支軸に支持されたアクチュエータアーム６４と、アクチュエータアーム６４に接続されたヘッドアセンブリ６５と、を有する。アクチュエータアーム６４は、ボイスコイルモータ６３により、支軸周りに回転自在である。アクチュエータアーム６４は、複数のアームに分かれており、各アームそれぞれにヘッドアセンブリ６５が接続されている。つまり、複数のアーム及びヘッドアセンブリ６５が支軸に沿って積層されている。ヘッドアセンブリ６５の先端部には、ハードディスク６１に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている。
【００８１】
ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａを２段階で変動させる。ヘッド素子１９ａの比較的大きな移動は、ボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動によって、制御される。ヘッド素子１９ａの微小な移動は、ヘッドアセンブリ６５の先端部に位置するヘッドスライダ１９の駆動により制御する。
【００８２】
（インクジェットプリンタ装置）
図９は、インクジェットプリンタ装置８００を示す。インクジェットプリンタ装置８００は、プリンタヘッド７０と、本体７１と、トレイ７２と、ヘッド駆動機構７３と、を備えている。図９のプリンタヘッド７０は、図３の圧電アクチュエータ３００を有している。
【００８３】
インクジェットプリンタ装置８００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジを備えている。インクジェットプリンタ装置８００によるフルカラー印刷が可能である。インクジェットプリンタ装置８００の内部には、専用のコントローラボード等が搭載されている。コントローラボード等は、プリンタヘッド７０によるインクの吐出のタイミング、及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。本体７１の背面にはトレイ７２が設けられ、トレイ７２の一端側にはオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６が設けられている。オートシートフィーダ７６が、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。
【００８４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の種々の変更が可能であり、これ等の変更例も本発明に含まれる。
【００８５】
例えば、圧電薄膜３を、気相成長法の代わりに、溶液法によって形成してもよい。
【実施例】
【００８６】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８７】
（実施例１）
ＳｒＴｉＯ３からなる単結晶基板を準備した。ＳｒＴｉＯ３の結晶面の方位である（００１）は、単結晶基板の法線方向と同じであった。単結晶基板は、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形であった。単結晶基板の厚さは、５００μｍであった。
【００８８】
真空チャンバー内で、ＳｒＲｕＯ３からなる第一電極層を単結晶基板の表面全体に形成した。第一電極層は、スパッタリング法により形成した。第一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。第一電極層の形成過程における真空チャンバー内のガス分圧比を酸素：アルゴン＝３：７として、全圧を６０ｍＴｏｒｒに維持した。ＳｒＲｕＯ３からなるターゲットとして、株式会社高純度化学研究所製のターゲットを用いた。第一電極層の厚さは、０．１μｍに調整した。
【００８９】
真空チャンバー内で、圧電薄膜を第一電極層の表面全体に形成した。圧電薄膜は、ＰＬＤ法を用いたエピタキシャル成長により形成した。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、２００ｍＴｏｒｒに維持した。圧電薄膜の形成には、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットを用いた。ＢＮＴ‐ＢＴ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、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットの原料粉末（酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、酸化チタン及び炭酸バリウム）の配合比を決定し、ＢＮＴ‐ＢＴターゲットの組成を調整した。目的とする圧電薄膜の組成は、下記化学式１で表されるものであった。下記化学式１におけるｘの値は、表１に示される。ＢＮＴ‐ＢＴターゲットに照射したレーザーのパワーは２５０ｍＪであった。レーザーの周波数は５Ｈｚであった。圧電薄膜の厚さは、４００ｎｍに調整した。
（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３‐ｘＢａＴｉＯ３      （１）
【００９０】
以上の方法で、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一電極層と、第一電極層を介して単結晶基板に重なる圧電薄膜と、を備える積層体を作製した。積層体の表面に位置する圧電薄膜の組成を、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）により分析した。分析には、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ社製の装置ＰＷ２４０４を用いた。分析の結果、実施例１の圧電薄膜の組成は、上記化学式１で表され、上記化学式１におけるｘの値は、下記表１に示す値であることが確認された。
【００９１】
上記の方法で作製した積層体に対してアニール処理を施した。アニール処理には、日陶科学株式会社製の卓上型加熱装置（ＮＨＫ−１７０）を用いた。アニール処理では、大気中において積層体を昇温速度２５℃／分で昇温し、続いて積層体を下記表１に示されるアニール温度で１０分間保持し、続いて積層体を自然冷却した。
【００９２】
真空チャンバー内で、Ｐｔからなる第二電極層を、圧電薄膜の表面全体に形成した。第二電極層は、スパッタリング法により形成した。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。第二電極層の厚さは、０．１μｍに調整した。
【００９３】
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電極層と、第一電極層を介して単結晶基板に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備える実施例１の圧電薄膜素子を作製した。
【００９４】
実施例１の圧電薄膜素子のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを測定した。測定には、フィリップス社製のＸ線回折装置（Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＲＤ）を用いた。回折角２θ＝１０〜７０°の範囲で２θ‐θ測定を行った。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、測定条件を設定した。実施例１のＸＲＤパターンは、図１０に示される。実施例１のＸＲＤパターンは、圧電薄膜素子を構成するＢＮＴ‐ＢＴがペロブスカイト構造を有する単結晶であることを示唆していた。
【００９５】
Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ測定により、単結晶基板の表面に平行な方向におけるＢＮＴ−ＢＴの格子定数ａを求めた。格子定数ａは、単結晶基板の表面に垂直である結晶面の面間隔ａに相当する。Ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｌａｎｅ測定により、単結晶基板の表面に垂直な方向におけるＢＮＴ−ＢＴの格子定数ｃを求めた。格子定数ｃは、単結晶基板の表面に平行である結晶面の面間隔ｃに相当する。格子定数ａと格子定数ｃとの比較により、（１００）面の面方位と（００１）面の面方位とを特定した。ＢＮＴ−ＢＴは、室温において正方晶系に属するペロブスカイト構造を有するため、ＢＮＴ−ＢＴの（００１）面の面間隔は、ＢＮＴ−ＢＴの（１００）の面間隔よりも大きい。実施例１の場合、単結晶基板の表面に平行である結晶面の面間隔ｃが、単結晶基板の表面に平行である結晶面の面間隔ａよりも大きかった。したがって、ＢＮＴ‐ＢＴのペロブスカイト構造は正方晶系に属しており、単結晶基板の表面に平行であるペロブスカイト構造の結晶面は（００１）面であり、単結晶基板の表面に垂直であるペロブスカイト構造の結晶面は（１００）面であることが確認された。つまり、実施例１のペロブスカイト構造の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であり、実施例１のペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔はｃであり、実施例１のペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向に対して略垂直であり、実施例１のペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔はａであった。実施例１のｃ／ａは、下記表１に示される。
【００９６】
実施例１の圧電薄膜素子を用いて、圧電薄膜の圧電定数ｄ３３、圧電薄膜の分極量及び変位量其々のヒステリシスを測定した。測定には、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）と強誘電体評価システムとを組み合わせた装置を用いた。原子間顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社製のＳＰＡ−４００であり、強誘電体評価システムは、株式会社東陽テクニカ製のＦＣＥであった。圧電定数ｄ３３の測定における交流電界（交流電圧）の周波数は５Ｈｚであり、ヒステリシスの測定における交流電圧の周波数は５０ｋＨｚであり、いずれの測定においても、圧電薄膜に印加される電圧の最大値は２０Ｖであった。実施例１の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。実施例１の圧電薄膜の分極量のヒステリシス曲線は、図１１に示される。実施例１の圧電薄膜の変位量のヒステリシス曲線は、図１１に示される。図１１及び図１２は、実施例１の圧電薄膜は圧電性の線形応答性に優れていることを示している。
【００９７】
（実施例２〜６並びに比較例１及び２）
実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜の作製でも、上記化学式１で表されるＢＮＴ‐ＢＴターゲットを用いた。ただし、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々のＢＮＴ‐ＢＴターゲットにおける値ｘは、下記表１に示される値であった。ＢＮＴ‐ＢＴターゲットの組成が異なることを除いて、実施例１と同様の方法で、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜素子を作製した。
【００９８】
実施例１と同様のＸＲＦ法により、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜の組成を分析した。実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜の組成は上記化学式１で表され、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の値ｘは、下記表１に示される値であった。
【００９９】
実施例１と同様のＸ線回折法により、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜の結晶構造を分析した。実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜は、正方晶系のペロブスカイト構造を有する単結晶膜であった。実施例２〜６並びに比較例１及び２のいずれの場合においても、ペロブスカイト構造の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であり、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔はｃであり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直であり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔はａであった。実施例２〜６並びに比較例１及び２其々のｃ／ａは、下記表１に示される。
【０１００】
実施例１と同様の方法で、実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３を測定した。実施例２〜６並びに比較例１及び２其々の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
【０１０１】
（実施例７〜９）
実施例７の圧電薄膜の作製では、アニール処理を実施しなかった。実施例８及び９其々の圧電薄膜の作製におけるアニール温度は、下記表１に示される値であった。これらの事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例７〜９其々の圧電薄膜素子を作製した。
【０１０２】
実施例１と同様のＸＲＦ法により、実施例７〜９其々の圧電薄膜の組成を分析した。実施例７〜９其々の圧電薄膜の組成は上記化学式１で表され、実施例７〜９其々の値ｘは、下記表１に示される値であった。
【０１０３】
実施例１と同様のＸ線回折法により、実施例７〜９其々の圧電薄膜の結晶構造を分析した。実施例７〜９其々の圧電薄膜は、正方晶系のペロブスカイト構造を有する単結晶膜であった。実施例７〜９のいずれの場合においても、ペロブスカイト構造の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であり、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔はｃであり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直であり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔はａであった。実施例７〜９其々のｃ／ａは、下記表１に示される。
【０１０４】
実施例１と同様の方法で、実施例７〜９其々の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３を測定した。実施例７〜９其々の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
【０１０５】
（実施例１０）
実施例１０の圧電薄膜素子の作製では、ＬａＮｉＯ３からなる中間層を第一電極層と圧電薄膜との間に形成した。中間層の形成を除いて実施例１と同様の方法で、実施例１０の圧電薄膜素子を作製した。
【０１０６】
実施例１と同様のＸＲＦ法により、実施例１０の圧電薄膜の組成を分析した。実施例１０の圧電薄膜の組成は上記化学式１で表され、実施例１０の値ｘは、下記表１に示される値であった。
【０１０７】
実施例１と同様のＸ線回折法により、実施例１０の圧電薄膜の結晶構造を分析した。実施例１０の圧電薄膜は、正方晶系のペロブスカイト構造を有する単結晶膜であった。実施例１０では、ペロブスカイト構造の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であり、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔はｃであり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直であり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔はａであった。実施例１０のｃ／ａは、下記表１に示される。
【０１０８】
実施例１と同様の方法で、実施例１０の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３を測定した。実施例１０の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
【０１０９】
（実施例１１）
Ｔｉ及びＴｉＯ２からなる膜（Ｔｉ‐ＴｉＯ２膜）を、熱酸化膜付シリコン基板の表面全体にスパッタ法で形成した。熱酸化膜付シリコン基板としては、株式会社エレクトロニクスエンドマテリアルズコーポレーション製の基板を用いた。続いて、Ｐｔ膜をＴｉ‐ＴｉＯ２膜の表面全体にスパッタ法で形成した。Ｐｔ膜は、第一電極層に相当する。Ｐｔ膜の（１１１）面方位は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であった。（１１１）面以外のＰｔ膜の結晶面は無配向であった。続いて実施例１と同様の方法で、圧電薄膜をＰｔ膜の表面全体に形成し、第二電極層を圧電薄膜の表面全体に形成した。以上の方法により、実施例１１の圧電薄膜素子を作製した。
【０１１０】
実施例１と同様のＸＲＦ法により、実施例１１の圧電薄膜の組成を分析した。実施例１１の圧電薄膜の組成は上記化学式１で表され、実施例１１の値ｘは、下記表１に示される値であった。
【０１１１】
実施例１と同様のＸ線回折法により、実施例１１の圧電薄膜の結晶構造を分析した。実施例１１の圧電薄膜は、正方晶系のペロブスカイト構造を有する一軸配向膜（非エピタキシャル膜）であった。実施例１１では、ペロブスカイト構造の（００１）面の面方位［００１］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略平行であり、ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔はｃであり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直であり、ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔はａであった。ペロブスカイト構造の（１００）面の面方位［１００］は、単結晶基板の表面の法線方向ＤＮに対して略垂直な方向においてランダムに存在していた。実施例１１のｃ／ａは、下記表１に示される。
【０１１２】
実施例１と同様の方法で、実施例１１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３３を測定した。実施例１１の圧電定数ｄ３３は、下記表１に示される。
【０１１３】
【表１】
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【０１１４】
上記表１に示される通り、全ての実施例において、ｃ／ａが１．０２０以上であり、ｄ３３が４１．７ｐｍ／Ｖ以上であった。一方、ｘが０．２５≦ｘ≦０．７０を満たさない比較例１及び２では、ｃ／ａが１．０２０よりも小さく、ｄ３３も４１．７ｐｍ／Ｖより小さかった。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明によれば、例えば、圧電性の線形応答性が要求される圧電薄膜、圧電薄膜素子、並びに、圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置が提供される。
【符号の説明】
【０１１６】
１００…圧電薄膜素子、１…単結晶基板、２…第一電極層、３…圧電薄膜、４…第二電極層、ＤＮ…単結晶基板の表面の法線方向、ｄｎ…圧電薄膜の表面の法線方向、ｔｃ…正方晶系のペロブスカイト構造の単位格子、ｃ…ペロブスカイト構造の（００１）面の面間隔、ａ…ペロブスカイト構造の（１００）面の面間隔、２００…ヘッドアセンブリ、９…ベースプレート、１１…ロードビーム、１１ｂ…基端部、１１ｃ…第１板バネ部分、１１ｄ…第２板バネ部分、１１ｅ…開口部、１１ｆ…ビーム主部、１５…フレキシブル基板、１７…フレクシャ、１９…ヘッドスライダ、１９ａ…ヘッド素子、３００…圧電アクチュエータ、２０…基体、２１…圧力室、２３…絶縁膜、２４…単結晶基板、２５…圧電薄膜、２６…上部電極層（第一電極層）、２７…ノズル、４００…ジャイロセンサ、１１０…基部、１２０，１３０…アーム、３０…圧電薄膜、３１…上部電極層（第一電極層）、３１ａ，３１ｂ…駆動電極層、３１ｃ，３１ｄ…検出電極層、３２…単結晶基板、５００…圧力センサ、４０…圧電薄膜素子、４１…共通電極層、４２…圧電薄膜、４３…個別電極層、４４…支持体、４５…空洞、４６…電流増幅器、４７…電圧測定器、６００…脈波センサ、５０…圧電薄膜素子、５１…共通電極層、５２…圧電薄膜、５３…個別電極層、５４…支持体、５５…電圧測定器、７００…ハードディスクドライブ、６０…筐体、６１…ハードディスク、６２…ヘッドスタックアセンブリ、６３…ボイスコイルモータ、６４…アクチュエータアーム、６５…ヘッドアセンブリ、８００…インクジェットプリンタ装置、７０…プリンタヘッド、７１…本体、７２…トレイ、７３…ヘッド駆動機構、７４…排出口、７５…記録用紙、７６…オートシートフィーダ（自動連続給紙機構）。
【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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【図１２】
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