(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、正方晶のＰＴＯからなる層と、菱面体晶のＰＺＯからなる層が、各層ごとに柱状結晶を並べた状態で交互に積層された、ペロブスカイト構造の金属酸化物で構成されており、
前記正方晶のＰＴＯからなる層と前記菱面体晶のＰＺＯからなる層の組成比は、４５／５５以上５０／５０未満の範囲であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記基板と前記圧電薄膜との間に金属電極を有しており、
前記圧電薄膜において前記金属電極に最も近い側の層は、前記圧電薄膜の各層を構成する圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
基板上に金属電極および圧電薄膜をこの順で積層した圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、正方晶のＰＴＯからなる層と、菱面体晶のＰＺＯからなる層が、各層ごとに柱状結晶を並べた状態で交互に積層されて構成されており、
前記各層を構成する圧電材料の組成比は、結晶系が変化する相境界を構成する組成比であり、該組成比は、前記金属電極からの距離によって変化していることを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
前記圧電薄膜は、ペロブスカイト構造の金属酸化物で構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】
前記圧電薄膜において前記金属電極に最も近い側の層は、前記圧電薄膜の各層を構成する圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電素子。
【請求項６】
基板上に圧電薄膜を成膜する成膜工程を有する圧電素子の製造方法であって、
前記成膜工程では、正方晶のＰＴＯからなる層と菱面体晶のＰＺＯからなる層を、柱状結晶を並べた状態で交互に積層することによって、前記基板上に複数層の圧電材料からなる前記圧電薄膜を成膜するとともに、前記正方晶のＰＴＯからなる層と前記菱面体晶のＰＺＯからなる層の組成比が４５／５５以上５０／５０未満の範囲となるように前記圧電薄膜を成膜することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記成膜工程の前に、前記基板と前記圧電薄膜との間に金属電極を形成する電極形成工程をさらに有しており、
前記成膜工程では、前記結晶系が異なる圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料からなる層を形成した後、前記層の上に他の圧電材料からなる層を積層することを特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
基板上に金属電極を形成する電極形成工程と、前記金属電極上に圧電薄膜を成膜する成膜工程とを有する圧電素子の製造方法であって、
前記成膜工程では、結晶系が変化する相境界を構成する組成比となる、該結晶系の異なる圧電材料である正方晶のＰＴＯと、菱面体晶のＰＺＯとを、柱状結晶を並べた状態で交互に積層することによって、前記基板上に複数層の圧電材料からなる前記圧電薄膜を成膜するとともに、前記各圧電材料の組成比を、前記金属電極からの距離によって変化させて前記圧電薄膜を成膜することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項９】
前記成膜工程では、前記結晶系が異なる圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料からなる層を形成した後、前記層の上に他の圧電材料からなる層を積層することを特徴とする請求項８に記載の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、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子と、その圧電素子の製造方法と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電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。一方、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、Ｓｉ基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。
【０００３】
ここで、ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用する場合、圧電体を薄膜化することが望ましい。これは、圧電体を薄膜化することで、以下の利点が得られることによる。すなわち、成膜やフォトリソグラフィーなど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、小型化、高密度化を実現することができる。大面積のウェハに圧電体を一括加工できるため、コストを低減できる。電気機械の変換効率が向上し、駆動素子の特性やセンサの感度が向上する。
【０００４】
圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ法などの化学的な方法、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。
【０００５】
ところで、図９は、圧電体の一種であるＰＺＴの結晶系を示している。ＰＺＴは、ＰＴＯとＰＺＯとの混晶であるが、ＰＴＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が正方晶となり、ＰＺＯの比率が高いときにはＰＺＴ全体が菱面体晶となる。
【０００６】
また、図１０（ａ）は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示しており、図１０（ｂ）は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性（比誘電率、電気機械結合係数）との関係を示している。図１０（ａ）に示すように、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比が、４８／５２〜４７／５３のあたりで、結晶系が正方晶から菱面体晶、または菱面体晶から正方晶に変化する。このように結晶系が変化する境界を組成相境界（ＭＰＢ；Morphotropic phase boundary ）と呼び、以下では単に相境界と記す。
【０００７】
相境界では、図１０（ｂ）に示すように、ＰＺＴの特性が特異的に向上する。つまり、相境界では、比誘電率および電気機械結合係数の両者が特異的に高くなる。比誘電率と圧電定数（単位電界あたりの変位量）とは、正の相関があり、比誘電率が高くなることにより、圧電定数が高くなる。また、電気機械結合係数は、電気的な信号を機械的な歪みに変換する際の効率、あるいはその逆の変換の際の効率を示す指標となるものであり、この係数が高くなることによって、変換効率が高くなる。
【０００８】
このように相境界でＰＺＴの特性が特異的に向上するのは、以下の理由によるものと考えられる。ＰＴＯとＰＺＯとを相境界を構成する組成比で混合すると、数１０〜１００ｎｍ程度の大きさの正方晶と菱面体晶とが結晶の中に分散して形成され、それぞれの結晶系からなる圧電分域が形成される。圧電分域の境界では、相互の結晶の結合が弱くなるため、圧電分域が回転しやすくなり、分極方向が揃いやすくなるとともに、外部電界による結晶の変形も生じやすくなる。したがって、圧電特性が特異的に向上するものと思われる。
【０００９】
バルクセラミックスでは、結晶系の異なる複数の材料を、相境界を構成する組成比で混合し、焼成と分散（粉砕）とを繰り返すことにより、特性の高い圧電体を実現することができる。しかし、ＭＥＭＳ素子に圧電体を薄膜で形成する場合は、バルクセラミックスの製法を採用することができないため、他の製法が必要となる。非特許文献１では、基板上の圧電薄膜としてのＰＺＴを、Ｚｒ／Ｔｉ比が５３／４７の層と、Ｚｒ／Ｔｉ比が３０／７０の層とを積層して構成し、相境界を構成する組成比となる層を含めることで、圧電特性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】神野伊策、梅野宜崇、「超格子圧電薄膜材料の開発とマイクロマシンデバイスへの応用」、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）平成１６年度研究助成事業成果報告会予稿集、プロジェクトＩＤ：０２Ａ２３００３ｄ、平成１７年１月１８日発表
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、基板上に、Ｚｒ／Ｔｉ比が５３／４７の層を形成するにあたっては、ＰＺＯとＰＴＯとが上記の比率で混ざった合金をスパッタ材料（ターゲット）として用いて成膜を行っているものと思われる。
【００１２】
一般に、合金材料を用いてスパッタを行う場合、合金を構成する２種の圧電材料の基板上での分布が均一とはならず、分布にムラが生じる。つまり、例えば２種の圧電材料の厚さ方向の分布が、基板面内の位置によって異なる。このような分布ムラは、圧電特性のさらなる向上を阻害する要因となり得るため、できればこれを排除することが望ましい。
【００１３】
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、相境界となる組成比で混合される、結晶系の異なる圧電材料の厚さ方向の分布にムラが生じるのを抑えることができ、これによって、基板上に圧電体を薄膜化した構成で圧電特性のさらなる向上を図ることができる圧電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】
【００１４】
本発明の圧電素子は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電素子であって、前記圧電薄膜は、結晶系の異なる圧電材料からなる層が、各層ごとに柱状結晶を並べた状態で交互に積層されて構成されており、前記各圧電材料の組成比は、前記結晶系が変化する相境界を構成する組成比であることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に圧電薄膜を成膜する成膜工程を有する圧電素子の製造方法であって、前記成膜工程では、結晶系が変化する相境界を構成する組成比となる、該結晶系の異なる圧電材料を、柱状結晶を並べた状態で交互に積層することによって、前記基板上に前記複数層の圧電材料からなる前記圧電薄膜を成膜することを特徴としている。
【００１６】
圧電薄膜は、結晶系の異なる圧電材料の混晶からなり、各圧電材料の組成比は相境界を構成する組成比であるので、各圧電材料からなる層を交互に積層しても、各層の結晶系は変化することなくそのまま維持される。しかも、各層ごとに、柱状結晶が並んでいるため、隣り合う柱状結晶の境界（結晶粒界）が、各層ごとに存在する。
【００１７】
したがって、各層の境界と結晶粒界とで囲まれた領域が圧電分域として機能する。圧電分域の境界（各層の境界、結晶粒界）では、相互の結晶の結合が弱くなるため、圧電分域が回転しやすくなり、分極方向が揃いやすくなるとともに、外部電界による結晶の変形も生じやすくなる。したがって、圧電特性を向上させることができる。
【００１８】
また、各圧電材料からなる層の膜厚は、成膜時間を制御することで、精密かつ容易に制御することができ、各層の均一な厚さを容易に実現することができる。一方、柱状結晶が並んだ状態で各層を積層すると、結晶粒界を保存したまま、下層の柱状結晶の上に上層の柱状結晶が成長する。言い換えれば、各層の結晶粒界が、各層で基板面に平行な方向に大きくずれることはない。これにより、基板面内のどの位置でも、厚さ方向の層構成がほぼ同じになり、各圧電材料の厚さ方向の分布にムラが生じるのを抑えることができる。よって、結晶系の異なる圧電材料を混ぜた合金を用いて圧電薄膜を基板上に成膜する構成に比べて、圧電特性のさらなる向上を図ることができる。
【００１９】
本発明の圧電素子において、前記圧電薄膜は、ペロブスカイト構造の金属酸化物で構成されていてもよい。
【００２０】
ペロブスカイト構造の金属酸化物で圧電薄膜を形成することにより、良好な圧電特性を得ることができる。
【００２１】
本発明の圧電素子において、前記結晶系の異なる圧電材料は、正方晶のＰＴＯと、菱面体晶のＰＺＯとで構成されていてもよい。
【００２２】
また、本発明の圧電素子の製造方法において、前記成膜工程では、前記結晶系の異なる圧電材料として、正方晶のＰＴＯと、菱面体晶のＰＺＯとを用いてもよい。
【００２３】
この場合、圧電薄膜はＰＴＯとＰＺＯとの混晶であるＰＺＴとなり、ＰＺＴを圧電薄膜として用いる構成において、本発明が有効となる。
【００２４】
本発明の圧電素子は、前記基板と前記圧電薄膜との間に金属電極を有しており、前記圧電薄膜において前記金属電極に最も近い側の層は、前記圧電薄膜の各層を構成する圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料で形成されていることが望ましい。
【００２５】
また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記成膜工程の前に、前記基板と前記圧電薄膜との間に金属電極を形成する電極形成工程をさらに有しており、前記成膜工程では、前記結晶系が異なる圧電材料のうち、格子定数が前記金属電極に最も近い圧電材料からなる層を形成した後、前記層の上に他の圧電材料からなる層を積層することが望ましい。
【００２６】
この場合、圧電薄膜における金属電極に最も近い側の層は、金属電極と格子定数が近いことによって金属電極からの応力の影響を受けにくくなり、この応力によって上記層の結晶系が相境界を越えて変化するのを抑えることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、各圧電材料の組成比は相境界を構成する組成比であるので、各圧電材料からなる層を交互に積層しても、各層の結晶系は変化することなくそのまま維持され、各層の境界と各層の結晶粒界とで囲まれた領域が圧電分域として機能する。圧電分域の境界では、相互の結晶の結合が弱くなるため、圧電特性を向上させることができる。
【００２８】
また、各圧電材料からなる層を、各層ごとに柱状結晶を並べた状態で交互に積層することにより、基板面内のどの位置でも、厚さ方向の層構成がほぼ同じになり、各圧電材料の厚さ方向の分布にムラが生じるのを抑えることができるので、圧電特性のさらなる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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としてのＰＺＴの結晶構造を模式的に示す斜視図である。
【図３】上記圧電素子の製造時の流れを、各製造工程での断面図とともに示す説明図である。
【図４】上記圧電薄膜を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。
【図５】上記ＰＺＴの結晶状態を示す断面図である。
【図６】上記圧電薄膜の層構成の詳細を示す断面図である。
【図７】上記圧電素子をダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図９】ＰＺＴの結晶系を示す説明図である。
【図１０】（ａ）は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と結晶系との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ＰＴＯおよびＰＺＯの組成比と特性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】
【００３０】
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。
【００３１】
〔１．圧電素子の構成について〕
図１は、本実施形態に係る圧電素子１０の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の圧電素子１０は、基板１上に、熱酸化膜２、下部電極３、圧電薄膜４および上部電極５をこの順で積層して構成されている。
【００３２】
基板１は、単結晶Ｓｉ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２は、例えばＳｉＯ２からなり、基板１の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００３３】
下部電極３は、Ｔｉ層３ａとＰｔ層３ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層３ａは、熱酸化膜層２とＰｔ層３ｂとの密着性を向上させるために形成されている。上部電極５は、Ｔｉ層５ａとＡｕ層５ｂとを積層して構成されている。Ｔｉ層５ａは、圧電薄膜４（後述するＰＺＴ）とＡｕ層５ｂとの密着性を向上させるために形成されている。上記したＰｔ層３ｂとＴｉ層５ａとの間に圧電薄膜４が位置している。
【００３４】
圧電薄膜４は、結晶系（結晶相）の異なる圧電材料を交互に積層して構成されており、本実施形態では、正方晶のＰＴＯと、菱面体晶のＰＺＯとの２種類の圧電材料を用い、各圧電材料からなる層を交互に積層して構成されている。これにより、圧電薄膜４としてＰＺＴが構成されている。
【００３５】
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、ペロブスカイト構造と呼ばれる。ペロブスカイト構造とは、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１-ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ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１０において、圧電薄膜４をＰＺＴ、すなわち、ペロブスカイト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。
【００３６】
〔２．圧電素子の製造方法について〕
次に、上記した圧電素子１０の製造方法について説明する。図３は、圧電素子１０の製造時の流れを、各製造工程での断面図とともに示している。
【００３７】
まず、Ｓｉからなる基板１上に、ＳｉＯ２からなる熱酸化膜２を形成する（Ｓ１；熱酸化膜形成工程）。なお、用いる基板１の厚みは、基板サイズ（直径）により異なるが、例えば４００〜６００μｍ程度である。熱酸化膜２は、基板１を１５００℃程度で加熱することにより形成され、その厚みは例えば０．１μｍ程度である。
【００３８】
続いて、熱酸化膜２上に、ＴｉおよびＰｔを順にスパッタ法で成膜し、金属電極としての下部電極３を形成する（Ｓ２；電極形成工程）。Ｔｉの膜厚は、例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔの膜厚は、例えば０．１μｍ程度である。
【００３９】
次に、下部電極３上に、ＰＴＯ層４ａとＰＺＯ層４ｂとを交互に、所定の層数（厚み）となるまでスパッタ法で成膜し、ＰＺＴからなる圧電薄膜４を形成する（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５；成膜工程）。ＰＺＴの厚みは、用途によって異なるが、例えばセンサやフィルタでは１μｍ以下、アクチュエータでは１〜５μｍ程度である。なお、圧電薄膜４の成膜方法の詳細については後述する。
【００４０】
続いて、圧電薄膜４の上に、ＴｉおよびＡｕを順にスパッタ法で成膜し、上部電極５を形成する（Ｓ６）。これにより、圧電素子１０が完成する。Ｔｉの膜厚は、例えば０．０２μｍ程度であり、Ａｕの膜厚は、例えば０．１μｍ程度である。
【００４１】
〔３．圧電薄膜の成膜方法について〕
次に、上述した圧電薄膜４の成膜方法の詳細について説明する。図４は、圧電薄膜４を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。圧電薄膜４は、例えば高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜することができる。
【００４２】
まず、所定の組成比に調合したＰＴＯの粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１１を作製する。同様に、所定の組成比に調合したＰＺＯの粉末を混合、焼成、粉砕し、ターゲット皿に充填してプレス機で加圧することにより、ターゲット１２を作製する。そして、各ターゲット１１・１２を載せた皿を、マグネット１３・１４上にそれぞれ設置する。
【００４３】
マグネット１３・１４とその下にあるカソード電極１５・１６とは、真空チャンバ１７と絶縁されている。また、カソード電極１５・１６は、高周波電源１８ａ・１８ｂにそれぞれ接続されている。
【００４４】
次に、基板１９を加熱ヒーター２０上に設置する。そして、真空チャンバ１７内を排気し、加熱ヒーター２０によって基板１９を６００℃まで加熱する。加熱後、バルブ２１・２２を開け、スパッタガスであるＡｒとＯ２とを所定の割合でノズル２３ａ・２３ｂより真空チャンバ１７内に導入し、真空度を所定値に保つ。ターゲット１１・１２に、高周波電源１８ａ・１８ｂより高周波電力を投入し、プラズマを発生させるとともに、シャッタ２４・２５を所定時間だけ交互に開閉することにより、ＰＴＯおよびＰＺＯからなる各層を基板１９上に成膜することができ、これによって圧電薄膜４（図１参照）が形成される。
【００４５】
ところで、下部電極３（図１参照）のＰｔと、圧電薄膜４のＰＴＯおよびＰＺＯの格子定数は、それぞれ、０．３９２４ｎｍ、０．３９０５ｎｍ、０．４１５９ｎｍである。このように、Ｐｔ、ＰＴＯ、ＰＺＯの格子定数に差があるため、ＰＺＯおよびＰＴＯは、複数の結晶が柱状に寄り集まった多結晶状態でそれぞれ成長する。図５は、ＰＺＴの結晶状態を示す断面図である。このように、ＰＺＴは、幅が０．５〜１μｍの柱状結晶（結晶粒）３１が並んだ状態で形成され、隣り合う柱状結晶３１・３１の間は、結晶粒界３１ａを形成している。このとき、上層の膜は、下層の膜を下地として結晶成長するため、上層および下層の結晶粒界３１ａは一致する。
【００４６】
ＰＺＴの成膜温度を、ペロブスカイト構造が形成される下限付近に設定することにより、柱状結晶３１の粒径（直径、幅）を小さくすることができる。例えば、成膜温度を５５０〜６００℃前後に設定することで、柱状結晶３１の粒径を１００ｎｍ以下に形成できることが実験的にわかっている。
【００４７】
また、下地となるＰｔの成膜温度を低くしてＰｔの結晶粒径を小さくし、その上にＰＺＴを成長させることで、柱状結晶３１の粒径を小さくすることもできる。Ｐｔの成膜温度を２００℃以下にすれば、柱状結晶３１の粒径を１００ｎｍ以下に形成できることが実験的にわかっている。
【００４８】
図６は、圧電薄膜４の層構成の詳細を示す断面図である。なお、図中、下側が基板側である。同図に示すように、基板上に、ＰＴＯ層４ａとＰＺＯ層４ｂとが交互に積層されて圧電薄膜４が形成されている。このとき、ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂの厚さは、いずれも数１０ｎｍであり、ＰＴＯ層４ａとＰＺＯ層４ｂとの厚さの比率は、ＰＴＯ層／ＰＺＯ層＝４８／５２となっている。
【００４９】
ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂが成膜される面積を一定としたとき、圧電薄膜４におけるＰＴＯとＰＺＯとの組成比は、ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂの厚さの比にほぼ等しい。したがって、厚さの比を、ＰＴＯ層／ＰＺＯ層＝４８／５２に設定することにより、ＰＺＴは、ＰＴＯおよびＰＺＯが相境界を構成する組成比で混合されたものとなる。この構成では、ＰＴＯおよびＰＺＯの各結晶構造（正方晶、菱面体晶）はそのまま維持され、正方晶からなるＰＴＯ層４ａと、菱面体晶からなるＰＺＯ層４ｂとが、厚さ方向に交互に積層されることになる。また、ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂの各層においては、柱状結晶が並んでいるため、隣り合う柱状結晶の境界である結晶粒界が、各層ごとに存在する。
【００５０】
したがって、各層の境界と結晶粒界とで囲まれた領域が圧電分域として機能する。圧電分域の境界では、相互の結晶の結合が弱くなるため、圧電分域が回転しやすくなり、分極方向が揃いやすくなるとともに、外部電界による結晶の変形も生じやすくなる。したがって、圧電特性を向上させることができる。
【００５１】
また、ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂの厚さは、成膜時間、すなわち、シャッタ２４・２５の開閉時間を制御することで、精密かつ容易に制御することができ、各層の均一な厚さを容易に実現することができる。また、各層では、上述したように、結晶粒界を保存したまま、下層の柱状結晶の上に上層の柱状結晶が成長するため、各層の結晶粒界が、各層で基板面に平行な方向に大きくずれることはない。したがって、基板面内のどの位置でも、厚さ方向の層構成がほぼ同じになり、ＰＴＯおよびＰＺＯの厚さ方向の分布にムラが生じるのを抑えることができる。よって、従来のように、合金材料をスパッタして圧電薄膜を基板上に成膜する構成に比べて、圧電特性のさらなる向上を図ることができる。
【００５２】
また、上述のように、圧電薄膜４の各層の成膜温度を低めに設定することにより、基板面内方向に１００ｎｍ以下（数１０ｎｍ）の結晶粒が形成される。したがって、各層の膜厚を制御すれば、ＰＴＯの正方晶からなる圧電分域およびＰＺＯの菱面体晶からなる圧電分域は、数１０ｎｍ角のサイズで基板面に平行な方向（基板面内方向）に均一に並ぶことになる。
【００５３】
このように、ＰＴＯ層４ａおよびＰＺＯ層４ｂの各層を、膜厚および結晶粒をともに数１０〜１００ｎｍ程度の大きさで形成することにより、結晶系の異なる圧電材料が相境界を構成する組成比で存在するバルクセラミックスと同様の構成を、薄膜で実現することができる。
【００５４】
また、本実施形態のように、結晶系の異なる圧電材料として、正方晶のＰＴＯと、菱面体晶のＰＺＯとを用いることにより、ＰＺＴの薄膜を基板上に形成する構成において、上述した効果を得ることができる。
【００５５】
本実施形態では、ＰＴＯとＰＺＯとの組成比、すなわち、ＰＴＯ層４ａとＰＺＯ層４ｂとの厚さの比率を、ＰＴＯ層／ＰＺＯ層＝４８／５２としたが、この比率に限定されるわけではなく、ＰＴＯ層／ＰＺＯ層＝４５／５５〜５０／５０の範囲であればよい。この範囲外では、膜応力の影響により、ＰＴＯおよびＰＺＯの双方の膜が、正方晶、菱面体晶のいずれか一方に揃ってしまい、分域の境界を形成することができなくなる。
【００５６】
ところで、上述した格子定数の関係より、ＰＺＯよりもＰＴＯのほうが、下部電極３を構成するＰｔに格子定数が近い。したがって、電極形成工程にて下部電極３のＰｔを形成した後、圧電薄膜４の成膜工程では、下部電極３上にＰＴＯの層を先に形成し、その後、ＰＺＯの層を積層することが望ましい。この場合、下部電極３上のＰＴＯは、下部電極３を構成するＰｔからの応力の影響を受けにくくなり、この応力によって結晶系が（立方晶から菱面体晶に）変化するのを抑えることができる。
【００５７】
なお、ＰＴＯは、格子定数がＰｔと異なる以上、Ｐｔからの応力の影響を完全に避けることはできない。ここで、圧電体が外部から力を受けると、相境界が変化し、相境界を構成する組成比が変化する。例えば、図１０（ａ）より、温度が上昇すると、すなわち圧電体が膨張すると、相境界となる組成比は、ＰＴＯが少なくても結晶系が変化する方向に変化し、温度が下降すると、すなわち圧電体が収縮すると、相境界となる組成比は、ＰＺＯが少なくても結晶系が変化する方向に変化することがわかる。
【００５８】
このことを利用し、圧電体が下地から圧縮の力を受けるときには、ＰＺＯの比率（膜厚）を小さくし、引張の力を受けるときには、ＰＴＯの比率（膜厚）を小さくしてもよい。上記のように下部電極３の上にＰＴＯの層を先に形成した場合、ＰＴＯは、Ｐｔよりも格子定数が小さいので、Ｐｔから引張の力を受ける。したがって、ＰＴＯの比率（膜厚）を小さくすることにより、Ｐｔからの応力を受けても、相境界となる組成比を維持することができる。
【００５９】
なお、下地からの影響は、下地からの距離が離れるほど小さくなるため、層数が増えるにしたがって、ＰＴＯとＰＺＴとの膜厚の比を、本来の相境界を構成する組成比に近づくように変化させてもよい。
【００６０】
なお、ＰＺＴを低温で成膜し、所望の膜厚に達した後、高温で所定時間焼成し、結晶化を促進させてもよい。
【００６１】
〔３．圧電素子の応用例について〕
図７は、本実施形態で作製した圧電素子１０をダイヤフラム（振動板）に応用したときの構成を示す平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電薄膜４は、基板１の必要な領域に、２次元の千鳥状に配置されている。基板１において圧電薄膜４の形成領域に対応する領域は、厚さ方向の一部が断面円形で除去された凹部１ａとなっており、基板１における凹部１ａの上部（凹部１ａの底部側）には、薄い板状の領域１ｂが残っている。下部電極３および上部電極５は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
【００６２】
制御回路から、所定の圧電薄膜４を挟む下部電極３および上部電極５に電気信号を印加することにより、所定の圧電薄膜４のみを駆動することができる。つまり、圧電薄膜４の上下の電極に所定の電界を加えると、圧電薄膜４が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電薄膜４および基板１の領域１ｂが上下に湾曲する。したがって、基板１の凹部１ａに気体や液体を充填すると、圧電素子１０をポンプとして用いることができる。
【００６３】
また、所定の圧電薄膜４の電荷量を下部電極３および上部電極５を介して検出することにより、圧電薄膜４の変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、圧電薄膜４が振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電素子１０をセンサとして用いることもできる。
【００６４】
〔４．その他〕
本実施形態では、組成相境界を実現できる圧電材料の組み合わせとして、ＰＴＯとＰＺＴとを用いたが、バルク材で実績のある以下の圧電材料を組み合わせて用いても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
（１）Ｐｂ（Ｂ１，Ｂ２）Ｏ３とＰｂＴｉＯ３
ただし、
Ｂ１：Ｚｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｌｕ，Ｉｎ，Ｓｃ
Ｂ２：Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ
（２）ＢｉＮａＴｉＯ３とＢａＴｉＯ３
（３）ＫＮｂＯ３とＮａＮｂＯ３
【００６５】
なお、圧電薄膜の成膜方法としては、上述したスパッタ法だけでなく、物理気相成長法である蒸着法、化学気相成長法であるＣＶＤ法、液相法であるゾルゲル法など、他の手法を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなどの種々のデバイスに利用可能であり、特に、小型化、薄型化が要求されるデバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１      基板
３      下部電極（金属電極）
４      圧電薄膜
４ａ    ＰＴＯ層
４ｂ    ＰＺＯ層
１０      圧電素子
【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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