(57)【要約】【課題】  非鉛圧電材料を用い、絶縁耐圧に優れた圧電薄膜素子を提供する。【解決手段】  この圧電薄膜素子１は、ＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６および白金上部電極７を順次形成した構造を有する。第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜４，６は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５よりも絶縁耐圧が大きく、１ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁耐圧を有する。【選択図】    図１
2007042740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部電極、圧電部および上部電極を順次形成した構造を有する圧電薄膜素子において、
前記圧電部は、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝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誘電体薄膜と、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜よりも絶縁耐圧が高い高耐圧性誘電体とを含むことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
前記高耐圧性誘電体は、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜と前記下部電極または前記上部電極との間に層の形態で挿入されたものである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】
前記高耐圧性誘電体は、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜と前記下部電極および前記上部電極との間にそれぞれ層の形態で挿入されたものである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４】
前記高耐圧性誘電体は、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜の中に層の形態で挿入されたものである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５】
前記高耐圧性誘電体は、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜の中に添加物の形態で混入されたものである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６】
前記高耐圧性誘電体は、ＳｒＴｉＯ３、α−Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉＯ２からなる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７】
前記高耐圧性誘電体は、絶縁耐圧が１ＭＶ／ｃｍ以上である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８】
前記基板として、ＭｇＯ単結晶基板またはシリコン基板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９】
前記基板、前記下部電極、前記圧電部および前記上部電極は、いずれかまたは全てが幅１ｍｍ以下の微細加工が施されている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１０】
前記下部電極、前記圧電部および前記上部電極は、いずれかまたは全てがＲＦマグネトロンスパッタリング法によって形成され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１１】
前記下部電極、前記圧電部および前記上部電極は、いずれかまたは全てがエアロゾルデポジション法によって形成されたことを特徴とする請求項１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、インクジェットプリンタ、スキャナー、ジャイロ、超音波発生装置、超音波センサ、圧力センサ、速度・加速度センサに適用することが可能な圧電薄膜素子に関し、特に、非鉛圧電材料を用い、絶縁耐圧に優れた圧電薄膜素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。
【０００３】
アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体としては、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成されている。
【０００４】
現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになっている。しかし、従来からの製法である焼結法を中心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚みを薄くするにつれ、特に厚みが１０μｍ程度の厚さに近づくにつれて材料を構成する結晶粒の大きさに近づくと、厚みの影響が無視できなくなる。
【０００５】
そのため、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題が発生し、それを回避するために、焼結法に代わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されるようになってきている。
【０００６】
焼結法に代わる薄膜技術として、最近、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータとして実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
一方、上記ＰＺＴからなる圧電焼結体や圧電薄膜は、酸化鉛（ＰｂＯ）を６０〜７０重量％程度含有しているので、生態学的見地および公害防止の面から好ましくない。そこで環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれている。
【０００８】
現在、様々な鉛フリー圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸リチウムカリウムナトリウム（一般式：（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））がある（例えば、特許文献２参照。）。このニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
【特許文献１】特開２００４−２６０１５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０００１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は絶縁耐圧が非常に低いという問題がある。特に、圧電薄膜の形態で使用する場合、圧電薄膜に印加される電界強度が大きくなるため、この絶縁耐圧が低いことが深刻な問題であり、実用化の大きな妨げになっている。
【００１０】
従って、本発明の目的は、非鉛圧電材料を用い、絶縁耐圧に優れた圧電薄膜素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、基板上に、下部電極、圧電部および上部電極を順次形成した構造を有する圧電薄膜素子において、前記圧電部は、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝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誘電体薄膜と、前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜よりも絶縁耐圧が高い高耐圧性誘電体とを含むことを特徴とする圧電薄膜素子を提供する。
【００１２】
上記圧電薄膜素子によれば、圧電部を、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝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誘電体薄膜（ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜）と、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜よりも絶縁耐圧が高い高耐圧性誘電体とから構成することにより、圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低いニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜でもその使用が可能となる。また、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、比較的良好な圧電特性を示し、また非鉛の材料であるので、生態学的見地および公害防止の面から好ましい。
【００１３】
圧電部が高耐圧性誘電体を含む形態として、高耐圧性誘電体がアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜と下部電極または上部電極との間、またはその両方に、また、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜の中に、層の形態で挿入された構成とすることができる。
【００１４】
また、高耐圧性誘電体は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の誘電体薄膜の中に添加物の形態で混入された構成とすることができる。
【００１５】
高耐圧性誘電体は、ＳｒＴｉＯ３、α−Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉＯ２の材料を用いることができ、この他の材料でも絶縁耐圧が１ＭＶ／ｃｍ以上の材料であれば同様の効果を期待することができる。
【００１６】
高耐圧性誘電体として、絶縁耐圧が１ＭＶ／ｃｍ未満の層を挿入した場合、十分な絶縁耐圧を実現するために膜厚を厚くすることが必要になる。高耐圧性誘電体の膜厚が厚くなると、この層で圧電薄膜素子に印加した電界の大半が消費されてしまい、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜に効率よく電圧が印加されなくなり、その結果、期待される圧電特性を得ることができなくなることから、高耐圧性誘電体の絶縁耐圧として１ＭＶ／ｃｍ以上とするのが好ましい。
【００１７】
基板としては、ＭｇＯ単結晶基板、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板、シリコン基板、ゲルマニウム基板、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、鉄基板等の様々な基板を用いることができる。これらの基板のうちＭｇＯ単結晶基板やシリコン基板は、微細加工の観点から好ましい。
【００１８】
基板、下部電極、圧電部および上部電極は、いずれかまたは全てが幅１ｍｍ以下の微細加工が施されている構成とすることができる。これにより高密度実装が可能となる。
【００１９】
下部電極、圧電部および上部電極は、いずれかまたは全てがＲＦマグネトロンスパッタリング法によって形成された構成とすることができる。これにより、良好な表面平坦性が得られる。
【００２０】
下部電極、圧電部および上部電極は、いずれかまたは全てがエアロゾルデポジション（ＡＤ）法によって形成された構成とすることができる。ＡＤ法によれば、低温成膜が可能であるので、残留応力が非常に少ない膜を形成することができる。また、成膜速度が高いため、厚膜や膜密度の高い膜を形成することができる。
【００２１】
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜および高耐圧性誘電体の形成方法として、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、塗布法等を用いることができる。これらは、良質で高密度の結晶性薄膜を形成することができる。また、これらの形成方法のうちスパッタリング法は、膜厚精度が高い点で好ましい。
【００２２】
また、本圧電薄膜素子において高い圧電特性を実現するためには、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は、（００１）面、（１００）面、（０１０）面、（１１１）面のいずれかの方向に高い割合で配向していることが望ましい。
【００２３】
下部電極および上部電極には、白金、パラジウム、ルテニウム、それらの化合物等の様々な電極を用いることができる。電極上に誘電体薄膜等をエピタキシャル成長させる場合は、白金が好ましい。また、圧電性を示さない弾性体薄膜を両電極の外側、または何れか一方の側に設置してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、非鉛圧電材料を用い、絶縁耐圧に優れた圧電薄膜素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第１の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、ＭｇＯ単結晶からなるＭｇＯ基板２Ａを有し、このＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、高耐圧性誘電体としての第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４、圧電薄膜５、高耐圧性誘電体としての第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。なお、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６により、圧電部を構成する。
【００２６】
圧電薄膜５は、一般式（ＮａｘＫｙＬｉｚ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる誘電体薄膜からなり、以下、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５という。
【００２７】
ＳｒＴｉＯ３薄膜４，６は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５よりも絶縁耐圧が大きく、１ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁耐圧を有する。
【００２８】
この第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を絶縁耐圧の優れる第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜４，６で挟むことにより、ＳｒＴｉＯ３薄膜４,６、および（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５からなる圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５でもその使用が可能となる。
（ロ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５は、非鉛圧電材料であるので、生態学的見地および公害防止の面から好ましい。
（ハ）ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、各薄膜を形成しているので、圧電特性の安定化が図れる。
（ニ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を高耐圧誘電体で挟むことにより、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉなどのアルカリ金属が電極３，７へ拡散するのを防げるので、素子寿命を長くすることができる。
（ホ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を高耐圧誘電体で挟むことにより、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下地への密着性が良好となり、素子表面の平坦性が向上する。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第２の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下側にのみＳｒＴｉＯ３薄膜４を形成したものである。すなわち、本実施の形態は、ＭｇＯ単結晶からなるＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、ＳｒＴｉＯ３薄膜４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。なお、ＳｒＴｉＯ３薄膜４および（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５により、圧電部を構成する。
【００３０】
この第２の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５に絶縁耐圧の優れるＳｒＴｉＯ３薄膜４を積層しているので、ＳｒＴｉＯ３薄膜４および（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５からなる圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５でもその使用が可能となる。
（ロ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下側に形成した高耐圧誘電体により、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉなどのアルカリ金属が白金下部電極３へ拡散するのを防げるので、素子寿命を長くすることができる。
（ハ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下側に形成した高耐圧誘電体により、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下地への密着性が良好となる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第３の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の上側にのみＳｒＴｉＯ３薄膜６を形成したものである。すなわち、本実施の形態は、ＭｇＯ単結晶からなるＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、ＳｒＴｉＯ３薄膜６、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。なお、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５およびＳｒＴｉＯ３薄膜６により、圧電部を構成する。
【００３２】
この第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５に絶縁耐圧の優れるＳｒＴｉＯ３薄膜６を積層しているので、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５およびＳｒＴｉＯ３薄膜６からなる圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５でもその使用が可能となる。
（ロ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の上側に形成した高耐圧誘電体により、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉなどのアルカリ金属が白金上部電極６へ拡散するのを防げるので、素子寿命を長くすることができる。
（ハ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の上側に形成した高耐圧誘電体により、素子表面の平坦性が向上する。
【００３３】
［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第４の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の中に高耐圧性誘電体としてのＳｒＴｉＯ３薄膜８を形成したものである。すなわち、本実施の形態は、ＭｇＯ単結晶からなるＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、第１の（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５Ａ、ＳｒＴｉＯ３薄膜８、第２の（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５Ｂ、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。なお、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５Ａ，５ＢおよびＳｒＴｉＯ３薄膜８により、圧電部を構成する。
【００３４】
この第４の実施の形態によれば、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の中に絶縁耐圧の優れるＳｒＴｉＯ３薄膜８を挿入しているので、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５Ａ，５ＢおよびＳｒＴｉＯ３薄膜８からなる圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５でもその使用が可能となる。
【００３５】
［第５の実施の形態］
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第５の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜に添加物を混入して絶縁耐圧を向上させたものである。すなわち、本実施の形態は、ＭｇＯ単結晶からなるＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３よりも絶縁耐圧の高い添加物を混入した（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜９、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。絶縁耐圧の高い添加物を混入した（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜９により、圧電部を構成する。
【００３６】
絶縁耐圧の高い添加物として、例えば、ＳｒＴｉＯ３、α−Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉＯ２等の高耐圧性誘電体用いることができる。
【００３７】
この第５の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜９に絶縁耐圧の高い添加物を混入させているので、圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜でもその使用が可能となる。
（ロ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜９の圧電動作時に剥がれによる破壊が起こりにくくなる。
【００３８】
［第６の実施の形態］
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る圧電薄膜素子を示す。この第６の実施の形態に係る圧電薄膜素子１は、Ｓｉ基板２Ｂを有し、このＳｉ基板２Ｂ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極３および第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４を形成した後、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４上に、エアロゾルデポジション法により（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を形成する。その後、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の上にＲＦマグネトロンスパッタリング法により、第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６、白金上部電極７を順次形成した構造を有する。なお、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６により、圧電部を構成する。なお、白金下部電極３、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５、第２のＳｒＴｉＯ３薄膜６および白金上部電極７の全てをエアロゾルデポジション法により形成することもできる。
【００３９】
第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜４，６は、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５よりも絶縁耐圧が大きく、１ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁耐圧を有する。
【００４０】
この第６の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を絶縁耐圧の優れる第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜４，６で挟むことにより、ＳｒＴｉＯ３薄膜４，６、および（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５からなる圧電部全体の耐圧性が向上し、絶縁耐圧の低い（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５でもその使用が可能となる。
（ロ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５は、非鉛圧電材料であるので、生態学的見地および公害防止の面から好ましい。
（ハ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を高耐圧誘電体で挟むことにより、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉなどのアルカリ金属が電極３，７へ拡散するのを防げるので、素子寿命を長くすることができる。
（ニ）（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５を高耐圧誘電体で挟むことにより、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の下地への密着性が良好となり、素子表面の平坦性が向上する。
【実施例１】
【００４１】
本発明の実施例１は、上記第１の実施の形態に対応するものであり、基板として、（００１）面方位、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板２Ａを用い、圧電薄膜として、膜厚３μｍの（Ｎａ０．４７Ｋ０．４７Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３（以下、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３と記載する。）圧電薄膜５を用いたものである。
【００４２】
次に、実施例１の製造方法の一例について説明する。まず、（００１）面方位、２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板２Ａを準備する。
【００４３】
次に、ＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極（（００１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）３、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、（００１）面単独配向、膜厚０．０１μｍ）４、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、正方晶、（００１）面単独配向、膜厚３．０μｍ）５、第２のＳｒＴｉＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、（００１）面単独配向、膜厚０．０１μｍ）６、白金上部電極（（００１）面単独配向、膜厚０．０２μｍ）７を形成して圧電薄膜素子１を作製した。
【００４４】
白金下部電極３の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分である。また、白金上部電極７の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１分である。
【００４５】
ＳｒＴｉＯ３薄膜４，６の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間３分である。
【００４６】
（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の形成条件は、基板温度６００℃、放電パワー７５Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間３時間３０分である。
【００４７】
＜比較例１＞
図７は、比較例１の圧電薄膜素子を示す。この比較例１は、実施例１に対し、第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜を設けていない圧電薄膜素子であり、ＭｇＯ基板２Ａ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極（（００１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）３、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、正方晶、（００１）面単独配向、膜厚３．０μｍ）５、白金上部電極（（００１）面単独配向、膜厚０．０２μｍ）７を形成して圧電薄膜素子１を作製したものである。
【００４８】
白金下部電極３、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜５、白金上部電極７の形成条件は、上記実施例１と同様であるのでその説明を省略する。
【００４９】
（圧電特性評価）
図８は、圧電特性評価装置の概略図を示す。図９は、実施例１と比較例１の印加電圧と圧電変位量の関係を示す。圧電特性評価装置１００は、除震台１０１上に取り付けられたクランプ部１０２と、レーザードップラ変位計１０３とを備える。
【００５０】
上記実施例１および上記比較例１の圧電薄膜素子１から長さ２０ｍｍ幅５ｍｍの短冊形を切り出して簡易的なユニモルフカンチレバー１０を形成した。
【００５１】
カンチレバー１０をクランプ部１０２で固定し、この状態で両電極３，７間の（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５に電圧を印加し、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５が伸縮することでカンチレバー全体を屈曲させ、レバー先端を変位させた。そのレバー先端の変位量ΔＳをレーザードップラ変位計１０３で測定した。
【００５２】
比較例１によるカンチレバー１０では、図９から、印加電圧１５Ｖ（印加電界に換算すると５０ｋＶ／ｃｍ）以上で電流リークが発生し、殆ど圧電動作しなくなっていることが分かる。
【００５３】
一方、実施例１によるカンチレバー１０では、図９から、印加電圧５０Ｖ（印加電界に換算すると１６７ｋＶ／ｃｍ）まで電圧を印加しても電流リークが発生することなく、正常に圧電動作していることが分かる。このことから、実施例１の圧電薄膜素子１を用いることで、従来技術よりも絶縁耐圧に優れ、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子を作製できたことが確認できた。
【実施例２】
【００５４】
本発明の実施例２は、上記第６の実施の形態に対応するものであり、基板として、表面に約０．５μｍの熱酸化膜が形成された（１００）面方位、４ｉｎｃｈの円形を有し、厚さ１．０ｍｍのＳｉ基板２Ｂを用い、圧電薄膜として、膜厚１０μｍの（Ｎａ０．４７Ｋ０．４７Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３（以下（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３と記載する）圧電薄膜５を用いたものである。
【００５５】
次に、実施例２の製造方法の一例について説明する。まず、表面に約０．５μｍの熱酸化膜が形成された（１００）面方位、４ｉｎｃｈの円形を有し、厚さ１．０ｍｍのＳｉ基板２Ｂを準備する。
【００５６】
次に、Ｓｉ基板２Ｂ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、白金下部電極（膜厚０．２μｍ）３、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、膜厚０．０３μｍ）４を形成する。
【００５７】
その後、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４の上に、エアロゾルデポジション法により（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、主に正方晶で構成されている多結晶、無配向、膜厚１０μｍ）５を形成する。その後、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜５の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、第２のＳｒＴｉＯ３薄膜（ペロブスカイト構造、膜厚０．０１μｍ）６、白金上部電極（膜厚０．０２μｍ）７を順次形成して圧電薄膜素子１を作製した。
【００５８】
白金下部電極３の形成条件は、実施例１と同様に、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分である。また、白金上部電極７の形成条件は、実施例１と同様に、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間１分である。
【００５９】
ＳｒＴｉＯ３薄膜４，６の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間９分である。
【００６０】
（圧電薄膜の形成条件）
図１０は、エアロゾルデポジション装置の概略図を示す。このエアロゾルデポジション装置２００は、成膜チャンバー２０１と、成膜チャンバー２０１内に配置され、Ｓｉ基板２Ｂを保持する基板ホルダ２０３と、基板ホルダ２０３をＳｉ基板２Ｂの表面に平行なＸ、Ｙ方向に移動させるＸ−Ｙステージ２０２と、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５の原料となるペロブスカイト構造の（Ｎａ０．４７Ｋ０．４７Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３微粒子がチャージされたエアゾル室２０７と、エアゾル室２０７にチャージされた原料微粒子をＨｅガスにより減圧弁２０５、質量流量コントローラ２０６およびノズル２０８を介して成膜チャンバー２０１に圧送するＨｅガスボンベ２０４と、成膜チャンバー２０１内を粉体フィルタ２１１を介して真空にするポンプ２１０とを備える。なお、同図中、基板２Ｂは、白金下部電極３、第１のＳｒＴｉＯ３薄膜４の図示を省略している。
【００６１】
（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５のエアロゾルデポジション法による形成条件を以下に示す。原料微粒子には、粒径が０．１〜２．０μｍの良好な圧電特性を有するペロブスカイト構造の（Ｎａ０．４７Ｋ０．４７Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３微粒子を用いた。原料微粒子は２００ｇをエアロゾル室２０７にチャージし、搬送用ガスとしてはＨｅガスを用いた。エアロゾル室２０７でエアロゾル化した原料は搬送用のＨｅガスに乗せて、成膜チャンバー２０１に搬送し、開口面積（０．３ｍｍ×５ｍｍ）のノズル２０８を通すことで高速（例えば、１００ｍ／ｓ）に加速し、Ｓｉ基板２Ｂに吹き付けた。Ｓｉ基板２Ｂはノズル２０８に対してＸ−Ｙステージ２０２で連続的に走査することで、Ｓｉ基板２Ｂ全面に均一に成膜した。Ｈｅ搬送ガスの流量は１〜５Ｌ／ｍｉｎ、成膜チャンバー２０１内の圧力は１０Ｐａの範囲で行った。
【００６２】
＜比較例２＞
図１１は、比較例２の圧電薄膜素子を示す。この比較例２は、実施例２に対し、第１および第２のＳｒＴｉＯ３薄膜を設けていない圧電薄膜素子であり、表面に約０．５μｍの熱酸化膜が形成された（１００）面方位、４ｉｎｃｈの円形を有し、厚さ１．０ｍｍのＳｉ基板２Ｂ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、白金下部電極（膜厚０．２μｍ）３を形成した。その後、エアロゾルデポジション法で（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜（ペロブスカイト構造、主に正方晶で構成されている多結晶、無配向、膜厚１０μｍ）５、白金上部電極（膜厚０．０２μｍ）７を順次形成して圧電薄膜素子１を作製したものである。
【００６３】
白金下部電極３、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５および白金上部電極７の形成条件は、実施例２と同様であるので、その説明を省略する。
【００６４】
＜圧電特性評価＞
上記実施例２および上記比較例の圧電薄膜素子１から長さ２０ｍｍ幅５ｍｍの短冊形を切り出し、ユニモルフカンチレバーを形成した。カンチレバーの長手方向の端を図８に示す圧電特性評価装置１００のクランプ部１０２で固定し、この状態で両電極３，７間の（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５に電圧を印加し、（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜５が伸縮することでカンチレバー全体が屈曲させ、レバー先端を変位させた。そのレバー先端の変位量ΔＳをレーザードップラ変位計１０３で測定した。
【００６５】
図１２は、実施例２と比較例２の印加電圧と圧電変位量の関係を示す。比較例２によるカンチレバーでは、図１２から、印加電圧２０Ｖ（印加電界に換算すると２０ｋＶ／ｃｍ）以上では電流リークが発生し、殆ど圧電動作しなくなっていることが分かる。一方、実施例２によるカンチレバーでは、印加電圧１００Ｖ（印加電界に換算すると１００ｋＶ／ｃｍ）まで電圧を印加しても電流リークが発生することなく、正常に圧電動作していることが分かる。このことから、実施例２を用いることで、従来技術よりも絶縁耐圧に優れた（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３薄膜を用いた圧電薄膜素子が作製できることが確認できた。
【００６６】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態および上記各実施例に限定されず、その発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
【００６７】
また、上記各実施の形態および上記各実施例の構成要素を発明の趣旨を逸脱しない範囲内で任意に組み合わせることができる。例えば、第１乃至第５の実施の形態のＭｇＯ基板を第６の実施の形態のＳｉ基板や他の基板に置換することができる。
【００６８】
上記各実施の形態および上記各実施例では、ニオブ酸リチウムカリウムナトリウム薄膜は圧電薄膜素子としての応用に関してのみ記載しているが、用途は圧電素子応用に限定されるものではなく、その他の様々な用途への応用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る圧電薄膜素子の断面図である。
【図７】比較例１の圧電薄膜素子の断面図である。
【図８】（ａ）は圧電特性評価装置の概略図であり、（ｂ）は変位動作後の状態の要部を示す図である。
【図９】実施例１と比較例１の印加電圧と圧電変位量の関係を示すグラフである。
【図１０】エアロゾルデポジション装置の概略図である。
【図１１】比較例２の圧電薄膜素子の断面図である。
【図１２】実施例２と比較例２の印加電圧と圧電変位量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７０】
１  圧電薄膜素子
２Ａ  ＭｇＯ基板
２Ｂ  Ｓｉ基板
３  白金下部電極
４，６，８  ＳｒＴｉＯ３薄膜
５，５Ａ，５Ｂ  （Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜
７  白金上部電極
９  添加物混入の（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ３圧電薄膜
１０  カンチレバー
１００  圧電特性評価装置
１０１  除震台
１０２  クランプ部
１０３  レーザードップラ変位計
２００  エアロゾルデポジション装置
２０１  成膜チャンバー
２０２  Ｘ−Ｙステージ
２０３  基板ホルダ
２０４  Ｈｅガスボンベ
２０５  減圧弁
２０６  質量流量コントローラ
２０７  エアゾル室
２０８  ノズル
２１０  ポンプ
２１１  粉体フィルタ
【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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