(57)【要約】  本発明に係る薄膜圧電素子は、６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで保持するように構成された一対の電極膜とを含む。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を挟んで保持するように構成された一対の電極膜とを備える薄膜圧電素子。
【請求項２】
前記電極膜と垂直な方向の前記圧電体薄膜の断面構造が、前記圧電体薄膜の前記膜厚方向に複数の粒子が存在する部分を含み、前記複数の粒子が存在する前記部分を構成する粒子の総断面積の割合が前記圧電体薄膜の総断面積の５０％以上である請求項１に記載の薄膜圧電素子。
【請求項３】
前記圧電体薄膜がＭｎ（マンガン）を含む請求項１に記裁の薄膜圧電素子。
【請求項４】
前記圧電体薄膜が、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、およびＴａ（タンタル）から選択される少なくとも３種の元素を含む、請求項１に記載の薄膜圧電素子。
【請求項５】
請求項１に記載の薄膜圧電素子を備える圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の薄膜圧電素子を備える圧電センサ。
【請求項７】
請求項５に記載の圧電アクチュエータを備えるハードディスクドライブ。
【請求項８】
請求項５に記載の圧電アクチュエータ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、薄膜圧電材料を用いた薄膜圧電素子、薄膜圧電素子を含む圧電アクチュエータおよび圧電センサ、ならびに圧電アクチュエータを含むハードディスクドライブおよびインクジェットプリンタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体薄膜を形成する場合、良好な圧電特性を得るために膜の結晶性をコントロールする。高い結晶性を実現するためには、一般的には単結晶基板上に圧電体薄膜をエピタキシャル成長させる。
【０００３】
圧電体薄膜の一般的な製法としては、イオンプレーティング法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、およびＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）法）等のドライ工法と、ゾルゲル法、ＭＯＤ法（有機金属分解（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）等のウェット工法がある。
【０００４】
特許文献１は、圧電体薄膜の下地膜であって、下地膜はスパッタリング法により形成する、圧電体薄膜の下地膜を開示している。圧電体薄膜のものよりも小さいａ軸格子定数をもつ下地膜を用いることで圧電体薄膜のｃ軸配向を強め、結果として圧電体薄膜の圧電特性を高めている。
【０００５】
特許文献２は、高い圧電定数を実現するために、過半数が基板の平面方向のものよりも厚さ方向に長い長さを有する柱状構造を有し、かつ０．１μｍ以上１μｍ以下の基板の平面方向の平均結晶粒径を有する結晶粒で構成される、アルカリニオブ酸系の圧電体薄膜を開示している。
【０００６】
特許文献３は、ＭＯＣＶＤ法で誘電体薄膜を形成し、その後、オゾンを含む酸化性ガスの雰囲気中でアニールし、誘電体薄膜の網目構造中の欠陥を低減させ、その結果として、リーク電流が低減することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０２６２９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１５９８０７号公報
【特許文献３】特開平１０−１８２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、アルカリニオブ酸系の圧電体薄膜の実用的な圧電特性を実現するためには、平均結晶粒径を適正な範囲内に制御する必要がある。
【０００９】
しかしながら、結晶粒径が大きくなると、膜厚方向に（電極膜に垂直方向に）形成された粒界で酸素欠損が発生した場合において、粒界が電流の通り道の役割を果たし、電極膜間のリーク電流を増大させるリスクが上昇する。図２Ａは、適正な範囲よりも大きな平均結晶粒径によってリーク電流が増大してしまったアルカリニオブ酸系の圧電体薄膜の断面を示す模式図であり、図２Ｂは実際の観察画像を示す。
図２Ａおよび２Ｂに示した薄膜圧電素子は、基板１０１、下部電極１０２、圧電体薄膜１０３および上部電極１０４を含み、圧電体薄膜１０３の粒子は粒界１０６によって分離されている。
【００１０】
この問題は、薄膜圧電素子の作製およびその信頼性において大きな懸念事項である。上記のとおり、一般的に用いられる対策は、圧電体薄膜をその成膜後にアニールすることであるが、誘電体薄膜をスパッタリング法で形成し、その後、アニールしたとしても、ある程度の効果は得られるが、膜中の粒界全ての酸素欠損をなくすことは困難である。したがって、膜形成後のアニールでは、電極膜間のリーク電流低減のための十分な対策にならない。
【００１１】
本発明はこのような問題を鑑みなされたものであり、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜（以下「ＫＮＮ薄膜」ともいう）の圧電特性を損なうことなく電極膜間のリーク電流を低減することで、薄膜圧電素子の信頼性を高めることを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る薄膜圧電素子は、６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜（ＫＮＮ薄膜）と、この圧電体薄膜を挟んで保持するように構成された一対の電極層とを含む。結晶成長によって形成されたＫＮＮ薄膜がこの範囲内の平均結晶粒径を有すると、薄膜圧電素子において圧電体薄膜の上下に形成された電極膜間でのリーク電流を低減することができる。ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜とは、基本化学式（ＮａｘＫ１−ｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ  １）で表され、必要に応じアルカリ金属の存在するＡサイト、およびＮｂの存在するＢサイトに種々の添加物を含む組成を有する薄膜を指す。
【００１３】
ここで、本発明に係る平均結晶粒径を定義する。具体的には、圧電体薄膜の表面を走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（以下「ＳＥＭ」という）により画像倍率５０００倍の視野において観察して得られる像の画像解析によって平均結晶粒径を算出する。各結晶粒子の直径を、形状を円形状と近似して求める。近似の結晶粒径の平均値を平均結晶粒径と見なす（図４参照）。
【００１４】
さらに、本発明に係る圧電体薄膜は、電極膜と垂直な方向の断面が、圧電体薄膜の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分を含み、複数の粒子が存在する部分を構成する粒子の総断面積の割合が圧電体薄膜の全断面積の５０％以上である構造を有することが好ましい。
【００１５】
ここで、断面とは、圧電体薄膜の厚み方向に、機械あるいは集束イオンビーム（ｆｏｃｕｓｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ）（以下「ＦＩＢ」という）により圧電体薄膜を含む積層体を切断することによって得られる面であり、その破断面をＳＥＭあるいは透過型電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（以下「ＴＥＭ」という）で画像倍率１００００倍において観察する。表現「圧電体薄膜の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分」とは、図３Ａおよび３Ｂに示したように、膜厚方向に少なくとも２つの粒子が堆積している部分を表す。加えて、「複数の粒子が存在する部分を構成する粒子の総断面積」とは、図３Ａに示される粒子Ａ〜Ｖの断面積または図３Ｂに示される粒子Ａ〜Ｉの断面積の総和を表す。図３Ｃは実際のＴＥＭ画像を示す。
図３Ａ〜３Ｃに示した本発明に係る薄膜圧電素子は、基板２０１、下部電極２０２、圧電体薄膜２０３および上部電極２０４を含み、圧電体薄膜２０３の粒子は粒界２０６によって分離されている。
【００１６】
本発明の圧電体薄膜は、Ｍｎ（マンガン）を含むことが好ましい。薄膜がＭｎを含むと、リーク電流を低減することができるとともに、高い圧電特性−ｄ３１を得ることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の圧電体薄膜は、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）のうち、少なくとも３種の元素を含むことが好ましい。薄膜がこれらの元素を含むと、リーク電流を低減することができるとともに、高い圧電特性−ｄ３１を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜を構成する結晶粒子の平均結晶粒径を所定の範囲内に調整し、それゆえ、薄膜圧電素子にとって重要な２つの特性、すなわち、圧電特性の向上と電極膜間でのリーク電流の低減、の双方を満足することができる。
本発明に係る圧電アクチュエータは、高められた圧電特性および低減されたリーク電流を有する薄膜圧電素子を含み、変形特性を向上させることができ、本発明に係る圧電センサは、高められた圧電特性および低減されたリーク電流を有する薄膜圧電素子を含み、検出感度を向上させることができる。したがって、高性能のハードディスクドライブおよびインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明係る薄膜圧電素子の構成の図である。
【図２Ａ】高い結晶性を有する圧電体薄膜の断面構造の模式図である。
【図２Ｂ】断面構造の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像である。
【図３Ａ】本発明によるニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜の断面構造の模式図である。
【図３Ｂ】本発明によるニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜の断面構造の模式図である。
【図３Ｃ】断面構造の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像である。
【図４】本発明に係る平均結晶粒径の定義を説明する図である。
【図５Ａ】本発明に係る圧電アクチュエータの構造図である。
【図５Ｂ】本発明に係る圧電アクチュエータの構造図である。
【図６Ａ】本発明に係る圧電センサの構造図である。
【図６Ｂ】本発明に係る圧電センサの構造図である。
【図６Ｃ】本発明に係る圧電センサの構造図である。
【図６Ｄ】本発明に係る圧電センサの構造図である。
【図７】本発明に係るハードディスクドライブの構造図である。
【図８】本発明に係るインクジェットプリンタ装置の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜圧電素子１０の構成を示す。
【００２２】
基板１は、単結晶シリコン、サファイア、酸化マグネシウム、または同様のもので構成され、特にコストおよびプロセスでの取り扱いのしやすさの観点から単結晶シリコンが好ましい。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。
【００２３】
基板１上に下部電極膜２を形成する。材料として、Ｐｔ（白金）およびＲｈ（ロジウム）が好ましい。形成方法は蒸着法またはスパッタリング法である。膜厚は５０〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００２４】
下部電極膜２上に圧電体薄膜３を形成する。圧電体薄膜３は、６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体薄膜である。
【００２５】
６０ｎｍ未満の平均結晶粒径の場合は、圧電特性−ｄ３１が低下して薄膜圧電素子の実用上十分な値よりも低くなり、その一方、９０ｎｍを超える平均結晶粒径の場合は、電極膜間でのリーク電流が増加して薄膜圧電素子の実用上の上限値よりも高くなる。平均結晶粒径が小さくなると、圧電体薄膜３の膜厚における複数の結晶粒子の堆積が可能になる。図３Ａおよび３Ｂにこれを模式的に示した。同図では、電極膜間において粒子の粒界は複雑に入り組み、電極膜間での粒界のトータル距離を増大させる。
【００２６】
電極膜と垂直な方向の圧電体薄膜３の断面は、圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分を含み、複数の粒子が存在する部分を構成する粒子の総断面積の割合が圧電体薄膜３の総断面積の５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましい。圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分の総断面積の、膜の総断面積に対する割合が上述の範囲内にあると、電極膜間における粒界は複雑に入り組み、粒界の長さが長くなり、それにより、電極膜間のリーク電流は低減する。
【００２７】
圧電体薄膜３は、Ｍｎ（マンガン）を含有することが好ましい。この場合には、薄膜圧電素子１０のリーク電流を低減することができるとともに、より高い圧電特性−ｄ３１を得ることが可能となる。
ＫＮＮ薄膜へのＭｎ（マンガン）の添加を通じて孔密度および酸素空孔を低減することによってリーク電流特性を向上させる技術が知られている。
【００２８】
圧電体薄膜３は、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）のうち、少なくとも３種の元素を含むことが好ましい。薄膜３がこれらの元素を含むと、リーク電流を低減することができるとともに、より高い圧電特性−ｄ３１を得ることが可能となる。
圧電体薄膜３は、主成分として成膜プロセスにおいて蒸着させやすいＫ（カリウム）およびＮａ（ナトリウム）を含み、上記の元素の添加は圧電体薄膜内のアルカリ金属の組成を安定させる。そのため、我々は狙い通りの圧電体薄膜の組成を得ることができる。
さらに、上記の元素の添加は高温下のプロセスにおける圧電体薄膜内の脱分極を生じさせない傾向にあり、薄膜圧電素子の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
圧電体薄膜３の膜厚は特に限定されず、例えば、０．５μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。
【００３０】
次に、圧電体薄膜３上に上部電極膜４を形成する。材料は、下部電極膜２と同じであるＰｔまたはＲｈが好ましい。膜厚は５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチングもしくはウェットエッチングにより圧電体薄膜３を含む積層体をパターニングし、最後に基板１を切断して薄膜圧電素子１０を得る。薄膜圧電素子１０から基板１を除去し、積層体のみを含む薄膜圧電体薄膜を作製してもよい。また、積層体をパターニングした後に、ポリイミドまたは同様のものを用いて保護膜を形成してもよい。
【００３２】
本発明の実施形態に係る圧電体薄膜３の評価方法は、以下のとおりである。
（１）平均結晶粒径の算出：
形成後の圧電体薄膜３の表面を走査型電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」という）により画像倍率５０００倍の視野において観察し、続いて、その結果得られる像の画像解析を行う。各結晶粒子の直径を、形状を円形状と近似して求める。近似の結晶粒径の平均値を平均結晶粒径と見なす（図４参照）。
（２）圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する面積の割合の算出：
圧電体薄膜３上に上部電極膜４を形成した後、圧電体薄膜３を圧電体薄膜３の厚み方向に、機械または集束イオンビーム（以下「ＦＩＢ」という）により切断し、切断面をＳＥＭまたは透過型電子顕微鏡（以下「ＴＥＭ」という）で画像倍率１００００倍において観察する。圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分内の結晶粒子の総断面積を求め、総断面積を観察範囲内の断面の総面積で割る（図３Ａおよび３Ｂ参照）。
（３）電極膜間のリーク電流密度の測定：
基板１を５ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断して薄膜圧電素子１０を作製し、その後、それを、その上部および下部電極膜２および４間にＤＣ±２０Ｖを印加して測定する。評価装置として強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いる。電圧印加時間は２秒である。
（４）圧電定数−ｄ３１の測定：
薄膜圧電素子１０の上部および下部電極膜２および４の間に７００Ｈｚにおける３Ｖｐ−ｐおよび２０Ｖｐ−ｐの電圧を印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて薄膜圧電素子１０の先端部における変位を測定する。
圧電定数−ｄ３１は以下の式（１）に基づく計算によって求めることができる。
【数１】
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ｈｓ：Ｓｉ基板の厚さ［４００μｍ］、Ｓ１１，ｐ：ＫＮＮ薄膜の弾性コンプライアンス［１／１０４ＧＰａ］、Ｓ１１，ｓ：Ｓｉ基板の弾性コンプライアンス［１／１６８ＧＰａ］、Ｌ：駆動部の長さ［１３．５ｍｍ］、δ：変位量、Ｖ：印加電圧
【００３３】
（実施形態１）
圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）の下地膜を形成するために、単結晶シリコンで構成される基板１上に下部電極膜２を結晶成長によって形成する。下部電極膜２はＰｔ膜であり、５０〜１０００ｎｍの膜厚を有する。形成方法はスパッタリング法であり、基板１を５００℃に加熱しながら膜を形成する。
【００３４】
続いて、（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）を形成する。形成方法はスパッタリング法であり、下部電極膜２と同様に、基板１を高温にした条件下で圧電体薄膜３を形成する。
【００３５】
基板温度を５２０℃〜４６０℃に設定する。５２０℃以下の基板温度において、結晶成長は阻害され、結果として圧電体薄膜３の平均結晶粒径は小さくなる。４６０℃以上の設定温度において、圧電体薄膜３の平均結晶粒径が小さくなりすぎることを防ぐことができ、圧電定数−ｄ３１の劣化を防ぐことができる。
【００３６】
上述したように、平均結晶粒径が小さくなると、圧電体薄膜３の膜厚における複数の結晶粒子の堆積が可能になる。図３Ａおよび３Ｂにこれを模式的に示した。同図では、電極膜間において粒子の粒界は複雑に入り組み、電極膜間での粒界のトータル距離を増大させる。
【００３７】
本発明の発明者らは以下のリークパスの形成メカニズムを推定する。リークパスの主要因は粒界における酸素欠陥にある。酸索欠陥は粒界すべてに均一分布するのではなく、熱履歴、成膜時の酸素分圧、膜厚、添加物の量など等の要因により、部分的に生じる。粒界のトータル距離が増大するほど、粒界のトータル距離に対する酸素欠陥が存在している箇所の割合が減り、その結果リークパスが減る。仮にひとつの粒界によるリークパスの発生率をＡ％、膜厚方向に堆積した結晶粒子の数をＮとしたとき、結晶粒子によって連続したリークパスを生じさせるリスクはＡＮ％となる。これに対し、図２Ａに示したように、結晶性が高くなると、電極膜間に堆積している結晶粒子の数は１であり、それゆえ、粒界のためにリークパスを生じさせるリスクはＡ％となる。Ａ＞ＡＮとなることは必須であるから、膜厚方向における複数の結晶粒子の堆積は電極膜間のリーク電流を低減する効果を有する。
【００３８】
しかし、前記のとおり、平均結晶粒径を小さくしすぎることにより、圧電特性−ｄ３１が低下する。したがって、平均結晶粒径を適正な範囲に制御することで、薄膜圧電素子１０として求められる圧電特性を維持しつつ、リーク電流の低減を実現する必要がある。
【００３９】
次に、圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）の表面内の平均結晶粒径を前述の方法によって計測する。
【００４０】
続いて、圧電体薄膜３上に上部電極膜４をスパッタリング法により形成する。下部電極膜２と同様に、材料はＰｔ膜であることが好ましい。膜厚は５０〜１０００ｎｍである。
【００４１】
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチングもしくはウェットエッチングにより圧電体薄膜３を含む積層体をパターニングし、最後に基板１を５ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断し、複数の薄膜圧電素子１０を得る。
【００４２】
得られた薄膜圧電素子１０のうちの１つを切断し、前述の方法によって断面における複数の粒子が存在する面積の割合を求める。また、薄膜圧電素子１０のうちの別のものを用いて電極膜間のリーク電流密度と圧電定数−ｄ３１を測定する。実用上の見地から、薄膜圧電素子１０は、１×１０−６Ａ／ｃｍ２以下のリーク電流密度、および７０ｐｍ／Ｖ以上の−ｄ３１を有する必要がある。
【００４３】
（実施形態２）
実施形態１で用いた（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットに代えて、（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３、および添加剤として０．１〜３．０原子％の範囲で加えたＭｎを含有するスパッタリングターゲットを用いる。３．０原子％以下のＭｎ添加量により圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）の−ｄ３１の減少を抑えられる傾向にあり、０．１原子％以上のＭｎ添加量により電極膜間でのリーク電流低減の効果を得やすい傾向にある。
【００４４】
基板温度を５２０℃〜４８０℃に設定する。５２０℃以下の基板温度において、結晶成長は阻害され、結果として圧電体薄膜３の平均結晶粒径は小さくなる。４８０℃以上の設定温度において、圧電体薄膜３の平均結晶粒径が小さくなりすぎることを防ぐことができ、圧電定数−ｄ３１の劣化を防ぐことができる。スパッタリングターゲットと基板設定温度以外の条件は実施形態１におけるのと同様である。
【００４５】
（実施形態３）
実施形態１で用いたスパッタリングターゲット（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３に代えて、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｔａから選ばれ、添加剤として加える少なくとも３つの添加剤をさらに含有するスパッタリングターゲットを用いた。添加する元素の量の範囲は、Ｌｉ：０．１〜３．０原子％、Ｓｒ：０．５〜６．０原子％、Ｂａ：０．０５〜０．３原子％、Ｚｒ：０．５〜６．０原子％、およびＴａ：０．０１〜１５原子％である。添加する各元素の量の上限を上記の値に設定することで、圧電定数−ｄ３１の劣化を防ぐ傾向にある。添加する各元素の量の下限を上記の値に設定することで、圧電定数−ｄ３１を向上させる傾向にある。加えて、Ｍｎを実施形態２におけるのと同様の範囲で加えてもよい。
【００４６】
基板温度を５２０℃〜４７０℃に設定する。５２０℃以下の基板温度において、結晶成長は阻害され、結果として圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）の平均結晶粒径は小さくなる。４７０℃以上の設定温度において、圧電体薄膜３の平均結晶粒径が小さくなりすぎることを防ぐことができ、圧電定数−ｄ３１の劣化を防ぐことができる。スパッタリングターゲットと基板設定温度以外の条件は実施形態１におけるのと同様である。
【００４７】
（圧電アクチュエータ）
図５Ａは、これらの圧電要素を含む圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブ上に装着されたヘッドアセンブリの構造図である。この図に示すように、ヘッドアセンブリ２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、駆動要素の役割を果たす第１および第２の圧電要素１３、ならびにヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を含む。
【００４８】
この点において、ロードビーム１１は、ビーム溶接または同様のものによりベースプレート９に固着されている基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから先細り状に延在する第１および第２の板バネ部１１ｃおよび１１ｄと、第１および第２の板バネ部１１ｃおよび１１ｄの間に配置された開口部１１ｅと、第１および第２の板バネ部１１ｃおよび１１ｄに連続して直線的かつ先細り状に延在するビーム主部１１ｆと、を含む。
【００４９】
第１および第２の圧電要素１３は、互いからの所定の距離を保ちつつ、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。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および第２の圧電要素１３の伸縮に応じて回転される。
【００５０】
第１および第２の圧電要素１３は、第一電極層、第二電極層、および第一電極層と第二電極層との間に挟まれた圧電層から形成される。この圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分な変位量を得ることができる。
【００５１】
図５Ｂは、上記の圧電要素を含む圧電アクチュエータの他の例としてのインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成図である。
【００５２】
圧電アクチュエータ３００は、基板２０上に、絶縁層２３、下部電極層２４、圧電層２５、および上部電極層２６を積層することによって形成されている。
【００５３】
所定の吐出信号が供給されず下部電極層２４と上部電極層２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電層２５には変形は生じない。吐出信号が供給されていない圧電要素が設けられている圧力室２１には、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。
【００５４】
一方、所定の吐出信号が供給され、下部電極層２４と上部電極層２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電層２５に変形が生じる。吐出信号が供給された圧電要素が設けられている圧力室２１では絶縁膜２３が大きくたわむ。このため、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。
【００５５】
ここで、圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分な変位量を得ることができる。
【００５６】
（圧電センサ）
図６Ａは、上記の圧電要素を含む圧電センサの一例としてのジャイロセンサの構造図（平面図）である。図６Ｂは、図６Ａに示した線Ａ−Ａに沿って見た断面の断面図である。
【００５７】
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２つのアーム１２０および１３０を設けたチューニングフォーク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、上述の圧電要素を構成する圧電層３０、上部電極層３１、および下部電極層３２をチューニングフォーク振動子の形状と一致するように微細加工することによって得られる。個々の部分（基部１１０ならびにアーム１２０および１３０）は圧電要素によって一体的に形成される。
【００５８】
一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極層３１ａおよび３１ｂ、ならびに検出電極層３１ｄがそれぞれ配置されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極層３１ａおよび３１ｂ、ならびに検出電極層３１ｃがそれぞれ配置されている。これらの電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、および３１ｄはそれぞれ、上部電極層３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。
【００５９】
その一方で、基部１１０ならびにアーム１２０および１３０の第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に配置されている下部電極層３２は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。
【００６０】
ここで、それぞれのアーム１２０および１３０の長手方向をＺ方向と指定し、２つのアーム１２０および１３０の主面を含む平面をＸＺ平面と指定し、それにより、ＸＹＺ直交座標系を定義する。
【００６１】
駆動電極層３１ａおよび３１ｂに駆動信号が供給されると、２つのアーム１２０および１３０は、面内振動モードで励振される。面内振動モードとは、２つのアーム１２０および１３０の主面に平行な向きに２つのアーム１２０および１３０が励振される振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振されているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振される。
【００６２】
回転軸をＺ軸と指定してこの状態でジャイロセンサ４００に角速度ωの回転が加わる場合には、２つのアーム１２０および１３０のそれぞれに速度の方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、面外振動モードで励振が起きる。面外振動モードとは、２つのアーム１２０および１３０の主面に直交する向きに２つのアーム１２０および１３０が励振される振動モードのことを称する。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。
【００６３】
コリオリ力Ｆ１およびＦ２の大きさは角速度ωに比例し、したがって、コリオリ力Ｆ１およびＦ２によるアーム１２０および１３０の機械的な歪みを圧電層３０によって電気信号（検出信号）に変換し、それらを検出電極層３１ｃおよび３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。
【００６４】
この圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分な検出感度を得ることができる。
【００６５】
図６Ｃは、上記の圧電要素を含む圧電センサの第２の例としての圧力センサの構成図である。
【００６６】
圧力センサ５００は、圧力の印加に応答するための空洞４５を有し、加えて、圧電要素４０を支える支持部材４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから形成されている。圧電要素４０は、共通電極層４１、圧電層４２、および個別の電極層４３を含み、これらは支持部材４４上にその順序で積層されている。ここで、外力がかかると圧電要素４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
【００６７】
この圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分な検出感度を得ることができる。
【００６８】
図６Ｄは、上記の圧電要素を含む圧電センサの第３の例としての脈波センサの構成図である。
【００６９】
脈波センサ６００は、基材５１上に送信用圧電要素、および受信用圧電要素を搭載した構成となっている。ここで、送信用圧電要素においては、膜厚方向の送信用圧電層５２の２つの表面上に電極層５４ａおよび５５ａが配置され、受信用圧電要素においては、膜厚方向の受信用圧電層５３の２つの表面上に電極層５４ｂおよび５５ｂが同様に配置されている。加えて、基材５１上には電極５６および上面用電極５７が配置されており、電極層５４ｂおよび５５ｂはそれぞれ配線で上面用電極５７に電気的に接続されている。
【００７０】
生体の脈を検出するには、先ず、脈波センサ６００の基板裏面（圧電要素が搭載されていない面）を生体に当接させる。そして、脈の検出時に、送信用圧電要素の両電極層５４ａおよび５５ａに特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用圧電要素は、両電極層５４ａおよび５５ａに入力された駆動用電圧信号に応じて励振し、それにより、超音波を発生し、該超音波を生体内に送信する。生体内に送信された超音波は血流により反射され、受信用圧電要素により受信される。受信用圧電要素は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極層５４ｂおよび５５ｂから出力する。
【００７１】
両圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分な検出感度を得ることができる。
【００７２】
（ハードディスクドライブ）
図７は、図５Ａに示したヘッドアセンブリを搭載したハードディスクドライブの構成図である。
【００７３】
ハードディスクドライブ７００は、筐体６０内に、記録媒体としての役割を果たすハードディスク６１と、これに磁気情報を記録および再生するヘッドスタックアセンブリ６２とが設けられている。図には示されていないが、ハードディスク６１はモータによって回転させられる。
【００７４】
ヘッドスタックアセンブリ６２においては、ボイスコイルモータ６３により支軸周りに回転自在に支持されたアクチュエータアーム６４と、この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とから形成される組立て体を、図の奥行き方向に複数個積層している。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（図５Ａ参照）。
【００７５】
ヘッドアセンブリ６５に関しては、ヘッド素子１９ａ（図５Ａ参照）を２段階で変動させる形式を採用している。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に基づくヘッドアセンブリ６５およびアクチュエータアーム６４の全体の駆動で制御し、微小な移動はヘッドアセンブリ６５の先端部によるヘッドスライダ１９の駆動により制御する。
【００７６】
このヘッドアセンブリ６５のために用いられるこの圧電要素内の圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および十分なアクセス性を得ることができる。
【００７７】
（インクジェットプリンタ装置）
図８は、図５Ｂに示したインクジェットプリンタヘッドを搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
【００７８】
インクジェットプリンタ装置８００は、主にインクジェットプリンタヘッド７０、本体７１、トレイ７２、およびヘッド駆動機構７３を含んで構成されている。
【００７９】
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、およびブラックの計４色のインクカートリッジを備えており、フルカラー印刷を遂行することができるように構成されている。また、このインクジェットプリンタ装置８００は、内部に専用のコントローラボードおよび同様のものを備えており、インクジェットプリンタヘッド７０のインク吐出タイミングおよびヘッド駆動機構７３の走査を制御する。その一方で、本体７１は背面にトレイ７２を備えるとともに、内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６を備え、それにより、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面に取り付けた排出口７４から記録用紙７５を排紙する。
【００８０】
このインクジェットプリンタヘッド７０の圧電アクチュエータのために用いられる圧電要素内のこの圧電層として、本発明に係る、小さなリーク電流および大きな変位量を呈する圧電層を用いることによって、高い耐電圧および高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【実施例】
【００８１】
以下、実施例および比較例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８２】
（実施例１）
圧電体薄膜３の役割を果たすＫＮＮ薄膜の下地膜を形成するために、単結晶Ｓｉの基板１上に下部電極膜２を結晶成長によって形成した。下部電極膜２はＰｔ膜を含み、２００ｎｍの膜厚を有するものであった。スパッタリング法によって、基板を５００℃にした条件下で下部電極膜２を形成した。
【００８３】
続いて、（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、ＫＮＮ薄膜を成膜した。スパッタリング法によって、基板を５２０℃にした条件下でＫＮＮ膜を形成した。ＫＮＮ膜の膜厚は２．０μｍであった。
【００８４】
圧電体薄膜３の平均結晶粒径を評価するため、ＳＥＭを用いて圧電体薄膜３の表面を観察した。５０００倍の観察倍率において膜表面のＳＥＭ像を撮影し、続いて画像解析を行った。各結晶粒子の直径を、形状を円形状と近似して求めた。結晶粒子の近似の直径の平均値を平均結晶粒径と見なした。本実施例では、平均結晶粒径は９０ｎｍであった。
【００８５】
次に、Ｐｔを成膜して上部電極膜４を形成した。形成方法として下部電極膜２のためのものと同じスパッタリング法を用いたが、基板温度は２００℃であった。膜の厚さは２００ｎｍであった。
【００８６】
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチングもしくはウェットエッチングにより圧電体薄膜３を含む積層体をパターニングし、さらに基板を５ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断し、複数の薄膜圧電素子１０を得た。
【００８７】
圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する面積の割合を求めた。圧電体薄膜３の断面を観察するため、ＦＩＢを用いて薄膜圧電素子１０の一部を膜厚方向に切断し、切断面を形成した。切断面をＴＥＭにより１００００倍の観察倍率にて観察し、断面画像を形成した。そして、圧電体薄膜３の膜厚方向に複数の粒子が存在する部分内の結晶粒子の面積の総和を求め、それを観察範囲内の断面の総面積で割り、膜厚方向に複数の粒子が存在する面積の割合を算出した。得られた割合は４２％であった。
【００８８】
また、別の薄膜圧電素子１０の圧電特性−ｄ３１を評価した。薄膜圧電素子１０の上部および下部電極膜の間に７００Ｈｚにおける３Ｖｐ−ｐおよび２０Ｖｐ−ｐの電圧を印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて薄膜圧電素子１０の先端部における変位を測定した。
圧電定数−ｄ３１は以下の式（１）に基づく計算によって求めた。
【数２】
2015534257.tif 000004
ｈｓ：Ｓｉ基板の厚さ［４００μｍ］、Ｓ１１，ｐ：ＫＮＮ薄膜の弾性コンプライアンス［１／１０４ＧＰａ］、Ｓ１１，ｓ：Ｓｉ基板の弾性コンプライアンス［１／１６８ＧＰａ］、Ｌ：駆動部の長さ［１３．５ｍｍ］、δ：変位量、Ｖ：印加電圧
圧電定数−ｄ３１は３Ｖｐ−ｐの時は８９（ｐｍ／Ｖ）、２０Ｖｐ−ｐの時は８９（ｐｍ／Ｖ）であった。
【００８９】
表１は、実施例１における圧電体薄膜３の成膜時の基板温度、膜厚、平均結晶粒径、断面での体積粒子の、総断面積に対する面積割合、リーク電流密度、および圧電定数−ｄ３１を示す。
【００９０】
（実施例２〜７および比較例１〜３）
表１に示した基板温度にて圧電体薄膜３を形成したこと以外は実施例１におけるのと同様にして薄膜圧電素子１０を作製し、その特性に関して評価した。作製条件および評価結果を表１に示す。
【００９１】
（実施例８〜１２ならびに比較例４および５）
圧電体薄膜３を形成するために、０．４原子％のＭｎを含有する（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、表１に示した基板温度にて圧電体薄膜３を形成した。実施例１におけるのと同様の他の条件下で、薄膜圧電素子１０を作製し、その特性を評価した。作製条件および評価結果を表１に示す。
【００９２】
（実施例１３〜１６ならびに比較例６および７）
圧電体薄膜３を形成するために、１．５原子％のＬｉ、０．１原子％のＢａ、および４原子％のＴａを含有する（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、表１に示した基板温度にて圧電体薄膜３を形成した。実施例１におけるのと同様の他の条件下で、薄膜圧電素子１０を作製し、その特性を評価した。作製条件および評価結果を表１に示す。
【００９３】
（実施例１７〜２０ならびに比較例８および９）
圧電体薄膜３を形成するために、０．４原子％のＭｎ、１．５原子％のＬｉ、０．１原子％のＢａ、および４原子％のＴａを含有する（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、表１に示した基板温度にて圧電体薄膜３を形成した。実施例１におけるのと同様の他の条件下で、薄膜圧電素子１０を作製し、その特性を評価した。作製条件および評価結果を表１に示す。
【００９４】
（実施例２１〜２４ならびに比較例１０および１１）
圧電体薄膜３を形成するために、０．４原子％のＭｎ、１．５原子％のＬｉ、３．０原子％のＳｒ、０．１原子％のＢａ、３．０原子％のＺｒ、および４原子％のＴａを含有する（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３スパッタリングターゲットを用い、表１に示した基板温度にて圧電体薄膜３を形成した。実施例１におけるのと同様の他の条件下で、薄膜圧電素子１０を作製し、その特性を評価した。作製条件および評価結果を表１に示す。
【００９５】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するＫＮＮ薄膜と、このＫＮＮ薄膜を挟んで保持するように形成された一対の電極膜とを各々含む実施例１〜２４の薄膜圧電素子１０は、範囲外の平均結晶粒径を有する比較例１〜１１におけるよりも、２０Ｖｐ−ｐの時に大きい圧電定数−ｄ３１を有することが確認された。これは、実用上必要とされる最低限である、１．０×１０−６Ａ／ｃｍ２以下のリーク電流密度の特性、および平均結晶粒径を６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下に制御することで確保できる圧電特性の双方を実施例１〜２４の薄膜圧電素子１０に提供することにより実現される。３Ｖｐ−ｐの時により大きな圧電定数−ｄ３１を有する比較例１では、高いリーク電流密度のために２０Ｖｐ−ｐにおいて圧電定数−ｄ３１が正常に計測できないので、２０Ｖｐ−ｐの時の圧電定数−ｄ３１が低い。
【００９６】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、かつ断面での５０％以上の堆積粒子面積比を有するＫＮＮ薄膜を各々含む実施例２〜２４の薄膜圧電素子１０は、６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有するものの、断面での５０％以下の堆積粒子面積比を有するＫＮＮ薄膜を含む実施例１の薄膜圧電素子１０のものよりも低いリーク電流密度を呈することも確認された。
【００９７】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、Ｍｎを含むＫＮＮ薄膜を各々含む実施例８〜１２の薄膜圧電素子１０のリーク電流密度を、実施例８〜１２におけるのとだいたい同じ（±５％）平均結晶粒径を有するものの、Ｍｎを含まないＫＮＮ薄膜を各々含む実施例１〜７の薄膜圧電素子１０のリーク電流密度と比較すると、実施例８〜１２の薄膜圧電素子１０の方がより低いリーク電流密度を有することが確認された。
【００９８】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、Ｌｉ、Ｂａ、Ｔａ、Ｓｒ、およびＺｒから選ばれる３つの元素を含むＫＮＮ薄膜を各々含む実施例１３〜１６の薄膜圧電素子１０は、これらの元素を含まない実施例１〜１２の薄膜圧電素子１０のものよりも高い圧電定数−ｄ３１を呈することがさらに確認された。他の３つの元素を選択した場合には、ほとんど同じ結果が得られた。
【００９９】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、Ｍｎ、Ｌｉ、Ｂａ、およびＴａを含むＫＮＮ薄膜を各々含む実施例１７〜２０の薄膜圧電素子１０は、Ｌｉ、Ｂａ、およびＴａのみを含み、Ｍｎを含まないＫＮＮ薄膜を各々含む実施例１３〜１６の薄膜圧電素子１０のものよりも低いリーク電流密度を呈することがさらに確認された（だいたい同じ（±５％）平均結晶粒径を有するＫＮＮ薄膜同士の比較）。また、実施例１７〜２０の方がより高い圧電定数−ｄ３１を有することが確認された。
【０１００】
６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、Ｍｎ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｔａ、Ｓｒ、およびＺｒを含むＫＮＮ薄膜を各々含む実施例２１〜２４の薄膜圧電素子１０は、６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、Ｍｎ、Ｌｉ、Ｂａ、およびＴａを含むＫＮＮ薄膜を各々含む実施例１７〜２０の薄膜圧電素子１０のものよりも高い圧電定数−ｄ３１を呈することがさらに確認された。
本発明に係る圧電アクチュエータは、増大した抗電界を有する薄膜圧電素子を含み、変形特性を向上させることができ、本発明に係る圧電センサは、増大した抗電界を有する薄膜圧電素子を含み、検出感度を向上させることができる。したがって、高性能のハードディスクドライブおよびインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【表１】
2015534257.tif 000005
【図１】
2015534257.tif 000006
【図２Ａ】
2015534257.tif 000007
【図３Ａ】
2015534257.tif 000008
【図３Ｂ】
2015534257.tif 000009
【図４】
2015534257.tif 000010
【図５Ａ】
2015534257.tif 000011
【図５Ｂ】
2015534257.tif 000012
【図６Ａ】
2015534257.tif 000013
【図６Ｂ】
2015534257.tif 000014
【図６Ｃ】
2015534257.tif 000015
【図６Ｄ】
2015534257.tif 000016
【図７】
2015534257.tif 000017
【図８】
2015534257.tif 000018
【図２Ｂ】
2015534257.tif 000019
【図３Ｃ】
2015534257.tif 000020
【国際調査報告】
2015534257.tif 000021
2015534257.tif 000022