(57)【要約】【課題】バルクセラミックスＰＺＴに匹敵する圧電定数が得られるＰＺＴ圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子を得ること。【解決手段】基板１上に、上部電極４と下部電極２に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜３を備える圧電体薄膜素子において、基板１の表面に垂直な方向に対して、圧電薄膜３のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上である構造とする。【選択図】      図１
2005228838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、
基板の表面に垂直な方向に対して、圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
前記ペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜として、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブジルコン酸鉛のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜素子。
【請求項３】
前記圧電薄膜を、塗布法、スプレー法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法によって形成したことを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項４】
前記基板として、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、シリコン、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項５】
前記下部電極及び前記上部電極として、白金、ルテニウム、イリジウム、チタン、タンタル、金、アルミニウム、ニッケルのいずれかの金属または金属酸化物を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【請求項６】
前記圧電薄膜素子が、焦電薄膜素子として構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【請求項７】
前記圧電薄膜素子が、不揮発性メモリとして構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータや圧電センサに用いられる圧電薄膜素子、特にペロブスカイト型構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気信号が与えられると機械的動作を行うアクチュエータとして、上部電極と下部電極の間に圧電体が設けられている圧電アクチュエータが知られている。
【０００３】
圧電アクチュエータは、例えば、インクジェット式記録装置のヘッド等のアクチュエータ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）用位置決め制御用アクチュエータ、圧電ブザー等に幅広く利用されている。圧電体としては、その圧電定数の高さから、主にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記載する）が用いられている。一般に、これらの圧電体は、熱処理により得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一対の電極を形成して圧電素子が得られる。
【０００４】
近年、圧電アクチュエータの小型化が望まれており、そのためには圧電体の薄膜化が必要である。これまでのように圧電セラミックスを切削などの機械的な方法により加工した場合、素子の小型化において限界があり、その形状も限られたものとなってくる。もし、圧電体を薄膜化した圧電薄膜を薄膜成長できれば、小型化及び任意の形状に加工することが可能になる。このような背景のもと、圧電薄膜に関する研究が多数行われている。
【０００５】
しかし、現状、薄膜成長によって得られた圧電薄膜は、圧電セラミックス焼結体（バルクセラミックスＰＺＴ）と比較して、圧電定数が小さい（半分以下）という問題を抱えている。
【０００６】
一般的に、ＰＺＴ薄膜を（００１）面に高い割合で配向させることで、高い圧電定数が得られると言われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−３５０１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これまで盛んに、高い割合で（００１）面に配向したＰＺＴ薄膜の形成が試されているが、バルクセラミックスＰＺＴの圧電定数に匹敵する圧電定数のＰＺＴ圧電薄膜が得られたという報告は殆どない。現在もＰＺＴ圧電薄膜の圧電定数を向上せんとする研究は盛んに行われている最中である。
【０００８】
ちなみに、本発明明細書中では、（００１）面の配向を「ｃ軸配向」と呼び、（１００）面の配向を「ａ軸配向」、（０１０）面の配向を「ｂ軸配向」と呼ぶ。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、バルクセラミックスＰＺＴに匹敵する圧電定数が得られる金属酸化物の圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１１】
請求項１の発明に係る圧電薄膜素子は、基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、基板の表面に垂直な方向に対して、圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜素子において、前記ペロブスカイト構造を有する金属酸化膜の圧電薄膜として、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）のいずれかを用いたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜を、塗布法、スプレー法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法によって形成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、前記基板として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のいずれかを用いたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極及び前記上部電極として、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかの金属または金属酸化物を用いたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子が、焦電薄膜素子として構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子が、不揮発性メモリとして構成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の圧電薄膜素子は、基板上に、少なくとも、圧電薄膜を第１電極薄膜と第２電極薄膜で挟んだ多層膜を有する構造として構成することができる。
【００１９】
本発明の圧電薄膜素子の構成要素の好ましい組み合わせを掲げれば、例えばＭｇＯ基板上に、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴ圧電薄膜をＰｔ上部電極とＰｔ下部電極で挟んだ積層構造を備える圧電体薄膜素子において、ＭｇＯ基板の表面に垂直な方向に対して、ＰＺＴ圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする圧電薄膜素子がある。
【００２０】
本発明の圧電薄膜素子の用途は他方面に及ぶが、上記の焦電薄膜素子や不揮発性メモリの他、マイクロスイッチ等にも用いることができる。
【００２１】
＜発明の要点＞
ＰＺＴ圧電薄膜がバルクセラミックスＰＺＴと比べて圧電定数が低い理由については幾つかの説があり、現在も論議されている最中であるが、その中の１つに次のような説がある。
【００２２】
圧電体の電界誘起ひずみは、主に（Ｉ）圧電ひずみと、（II）非１８０度分域の回転による強弾性ひずみ、により生じている。（Ｉ）圧電ひずみは、電界による分極の変化に伴う結晶の伸び縮みに起因する（図３（ａ）参照）。（II）非１８０度分域の回転による強弾性ひずみは、結晶が伸びている角度が変化することに起因し、大きな寸法変化を起こす（図３（ｂ）参照）。ただし、この寸法変化は電界に比例せず、ある電界で急激な寸法変化を起こすという特徴を持つ。バルクの圧電体では、電界の変化によって（Ｉ）と（II）の両方が生じ、大きな寸法変化を生じているが、圧電薄膜では、（II）が生じず、（Ｉ）のみしか生じていないため、バルクの圧電体に比べて寸法変化が小さくなっている。
【００２３】
圧電薄膜において（II）が生じない理由は以下のように考えられている。
【００２４】
バルクの圧電体は、多結晶であり、各結晶粒の結晶面方位はランダムになっている。そのため、分極方向が基板の表面に垂直な方向に対して大きな角度を持っている（つまり、横方向に分極している）領域が多数存在している。
【００２５】
これに対して、圧電薄膜は、成長後そのままの状態で、結晶粒がある面方位の方向に揃うという特徴を持っている。成長方法、成長条件、下地の基板や金属薄膜（下部電極）の種類にもよるが、基板の表面に垂直な方向に対して、（００１）面または（１１１）面に配向しやすい傾向がある。その結果、圧電薄膜では、基板の表面に平行な方向に分極している結晶粒の割合がバルクに比べて非常に少なくなっており、その結果、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが殆ど生じず、圧電定数が小さくなっていると考えられる。
【００２６】
上記の説に基いて思考した結果、圧電薄膜において、基板の表面に平行な方向に分極している領域を多くすること（つまり、ａ軸配向またはｂ軸配向させること）で、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが生じる割合を増加できるという発想に至った。これによって、バルクの圧電体と同レベルまたはそれ以上の圧電定数を有する圧電薄膜を得ることができるようになる。
【００２７】
補足説明になるが、配向率は、Ｘ線回折測定によって行い、各面方位に対応する回折ピークの高さの割合がそのまま配向率を示すと考えた。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、圧電薄膜がａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上である構造としたので、基板の表面に平行な方向に分極している結晶粒の割合が多くなり、その結果、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが顕著に生じて、バルクの圧電体と同レベルまたはそれ以上の圧電定数が得られる。従来にない大きな圧電定数が得られることから、本発明の圧電体薄膜素子は、焦電薄膜素子や不揮発性メモリ、マイクロスイッチ等に適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００３０】
図１に示す圧電薄膜素子は、Ｐｔ下部電極２とＰｔ上部電極４に挟まれたＰＺＴ圧電薄膜３を備えて構成されており、ＭｇＯ基板１上に形成されている。それぞれの膜厚は、下部電極２が１００nm、圧電薄膜３が２μｍ、上部電極４が１００nmである。
【００３１】
本実施形態では、圧電薄膜３としては、高い圧電定数を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する。ただし、圧電薄膜３はＰＺＴに限定されるものではなく、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）などの金属酸化物から、圧電薄膜素子の特性、用途等を考慮して任意の組成を適宜選択できる。また、上部電極４、下部電極２の材料としては、白金（Ｐｔ）の他、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかの金属または金属酸化物も選択的に用いることができる。また、基板１としては、酸化マグネシウム（ＨｇＯ）の他に、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、シリコン、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のいずれかを選択することもできる。
【００３２】
この構造を、Ｐｔ下部電極２、Ｐｔ上部電極４はスパッタリング法で、ＰＺＴ圧電薄膜３はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法で形成した。この時、ＭＯＣＶＤ法での成長温度を３５０℃という低温で、且つ成長速度を０．１nm／ｍｉｎ以下という低い成長速度で成長することで、ａ軸方向及びｂ軸方向に優先配向したＰＺＴ圧電薄膜３を得た。この圧電薄膜３の配向状況をＸ線回折測定で評価した結果、ａ軸配向とｂ軸配向を合計した割合は９５％であった。
【００３３】
この本発明の圧電薄膜素子と、従来技術を用いたｃ軸優先配向ＰＺＴ圧電薄膜素子の両方の圧電特性を測定した。結果を図２に示す。横軸は圧電薄膜素子（圧電マイクロアクチュエータ）に印加した電圧（Ｖ）、縦軸は梁の長さの変位（μｍ）である。
【００３４】
図２から分かるように、従来技術を用いたものは印加電圧に対して比例した変位が得られているが、その変位は小さく、その圧電定数ｄ３１（添字の３１は膜厚方向の値であることを意味する。）は６０ｐｍ／Ｖであった。それに対して、本発明の圧電特性は、印加電圧３５Ｖ以下では殆ど変位が得られないが、３５Ｖを超えたところで急に大きな変位が得られていることが分かる。印加電圧５０Ｖ時の圧電定数ｄ３１は２２ｐｍ／Ｖであった。
【００３５】
上記の通り、ある閾電圧の前後で大きな変位が得られるため、本発明は、ＯＮ／ＯＦＦ切替用のマイクロスイッチに適する。
【００３６】
このような急峻な特性を得るには、圧電薄膜３の配向として、ａ軸配向とｂ軸配向を合計した割合が９０％以上であれば十分であった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の圧電薄膜素子の構造を示す断面図である。
【図２】圧電薄膜素子（圧電マイクロアクチュエータ）に印加した電圧と梁の長さの変位との関係を示す図である。
【図３】圧電体の電界誘起ひずみの説明に供する図で、（ａ）は圧電ひずみの場合を、（ｂ）は非１８０度分域の回転による強弾性ひずみの場合を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１  基板
２  下部電極
３  圧電薄膜
４  上部電極
【図１】
2005228838.tif 000003
【図２】
2005228838.tif 000004
【図３】
2005228838.tif 000005