【手続補正書】
【提出日】平成22年3月5日(2010.3.5)
【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】
基板上に、圧電薄膜を有する圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜は、一般式（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の薄膜を有し、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、０．９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜に（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）層が複数ある場合には、これら複数層のうち、少なくとも、最も厚い（Ｋ1−xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）の同一組成層が、０．９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、Ｎａ組成比である前記ｘが、０．３≦ｘ≦０．７の範囲であることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記基板と前記圧電薄膜との間に下部電極が形成されることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜に引張応力が生じ、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、０．９８０≦ｃ／ａ≦０．９９３の範囲であることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は前記圧電薄膜より格子定数の小さい応力緩和層上に設けられることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜に圧縮応力が生じ、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０の範囲であることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項８】
請求項７に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は前記圧電薄膜より格子定数の大きい応力緩和層上に設けられることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、電圧印加手段又は電圧検知手段とを備えることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子に関し、更に詳しくは、基板上にアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の圧電薄膜を有する圧電薄膜素子、及び圧電薄膜デバイスに関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決し、ＰＺＴ薄膜に代替可能な圧電特性を持つ、ＫＮＮ圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、及び圧電薄膜デバイスを提供することにある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の第１の態様は、基板上に、圧電薄膜を有する圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜は、一般式（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の薄膜を有し、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、０．９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲にあることを特徴とする圧電薄膜素子である。
また、前記圧電薄膜のＮａ組成比である前記ｘを、０．３≦ｘ≦０．７の範囲としてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の他の態様は、前記圧電薄膜に引張応力が生じ、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、０．９８０≦ｃ／ａ≦０．９９３の範囲であることを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の他の態様は、前記圧電薄膜に圧縮応力が生じ、前記（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比が、１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０の範囲であることを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
ＫＮＮ圧電薄膜３は、面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａとのｃ／ａ比が、０.９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲となるように作製する。
ここで、面外方向格子定数ｃとは、図２に示すように、基板（Ｓｉ基板１）表面やＫＮＮ薄膜（ＫＮＮ圧電薄膜３）表面に垂直な方向（面外方向；out of plane）におけるＫＮＮ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１）表面やＫＮＮ薄膜（ＫＮＮ圧電薄膜３）表面に平行な方向（面内方向；in plane）におけるＫＮＮ薄膜の格子定数のことである。
図２には、ペロブスカイト構造のＫＮＮ薄膜の結晶構造を示している。即ち、ＫＮＮ薄膜は、図示のような立方晶、正方晶または斜方晶系の結晶格子を持ち、立方晶、正方晶、斜方晶の各頂点にＫ（カリウム）またはＮａ（ナトリウム）が、各面心にＯ（酸素）が、体心にＮｂ（ニオブ）が配置している。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
（ＫＮＮ圧電薄膜のｃ／ａ比と圧電特性との関係）
本発明者が様々な検討を実施した結果、後述する図７及び図１０の通り、ＫＮＮ薄膜（ＫＮＮ圧電薄膜３）のｃ／ａ比が、０.９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲の時に、高い圧電定数ｄ31を有するＫＮＮ薄膜が得られることが分かった。ｃ／ａ比が、０.９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲というのは、ＫＮＮ薄膜がほぼ立方晶（擬立方晶）の状態であり、ＫＮＮ薄膜にかかっている応力が小さい状態であると考えられる。このｃ／ａ比の範囲にあるときが、最も大きな圧電効果が発揮され（図１０参照）、インクジェットプリンタ応用において必要である圧電定数ｄ31＝−９０ｐｍ／Ｖ以上を満足するＫＮＮ圧電薄膜が実現できるようになる（なお、現在までの研究では、基板上のＫＮＮ薄膜に関して、応力が極めて小さい理想的なＫＮＮ薄膜の結晶状態では、面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａとがほとんど一致するのか、面外方向格子定数ｃが面内方向格子定数ａよりも大きく結晶格子が面外方向に伸びた状態（縦長の状態）にあるのか、または、面内方向格子定数ａが面外方向格子定数ｃよりも大きく結晶格子が面内方向に伸びた状態（横長の状態）にあるのか等は、明らかになっていない。また、ＫＮＮ薄膜のｃ／ａ比と圧電定数との関係は、全く知られていない）。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
一方、ＫＮＮ薄膜に大きな圧縮応力がかかっている場合（ｃ／ａ比が１.０１より大きい場合）圧電定数ｄ31が低くなってしまう。これは、ＫＮＮ薄膜は既に電界印加方向（結晶が圧電効果で伸びる方向、図２の面外方向）に結晶が伸びている状態であるため、電界を印加しても効果的に結晶が伸びることができないためであると考えられる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、ＫＮＮ薄膜に大きな引張り応力がかかっている場合（ｃ／ａ比が０.９８より小さい場合）も圧電定数ｄ31が低くなってしまう。この場合、ＫＮＮ結晶は面内方向に伸びた結晶であるため、分極軸が横向き（面内方向）になっている。この状態でＫＮＮ薄膜に電界を面外方向に印加しても、分極軸と電界印加方向が垂直であるため、電界による結晶の伸び（格子伸縮）が起こり難い。その結果、圧電定数ｄ31が低くなってしまう。
なお、ＫＮＮ焼結体の場合には、分極軸と垂直に高い電界を印加すると、９０°ドメイン回転で非常に大きな圧電変位が発生することが知られているが、ＫＮＮ薄膜の場合には、基板（Ｓｉ基板１）からの拘束力が大きいため、このような９０°ドメイン回転は殆ど起こらない。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
（他の実施形態）
本発明は、図１に示す上記実施形態のように、下部電極２と上部電極４との間に、単層構造のＫＮＮ圧電薄膜３だけがある場合に限定されるものではない。例えば、上下電極間に、（Ｋ1−xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）層が複数ある場合には、これら複数層のうち、少なくとも、最も厚い（Ｋ1−xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）の同一組成層が、０.９８≦ｃ／ａ≦１.０１を満足していればよい。また、上下電極間のいずれかの位置に、（Ｋ1−xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）以外の材料からなる薄膜が単数または複数、挿入されていてもよい。
本明細書でのＫＮＮ薄膜の同一組成層とは、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）組成、（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ組成、（Ｋ＋Ｎａ＋Ｎａ）／Ｏ組成のそれぞれの膜厚方向での変動が±１０％以内の範囲に入っている膜厚方向での領域のことを言う。
このように上下電極間が複数層構造ないし多層構造となっている場合には、面内方向格子定数ａは、最も厚い同一組成層のＫＮＮ薄膜が表面に露出した状態でのＸ線回折測定で得られたＸ線回折パターンを用いて算出した値とする。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図１０に、図７のｃ／ａ比と圧電定数ｄ31の関係を示すが、このグラフから、ｃ／ａ比が０.９８≦ｃ／ａ≦１.０１の範囲では、｜ｄ31｜≧９０ｐｍ／Ｖという高い圧電定数が得られているが、ｃ／ａ比がその範囲から外れると、急激にｄ31の値が低下していることが分かる。