(57)【要約】      （修正有）【課題】＋５価や＋６価の金属元素を添加してＢサイト元素を置換することで、Ａサイトに位置する鉛（Ｐｂ）の組成比が１未満であるにもかかわらず安定したペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を形成して、優れた誘電特性及び圧電特性を保持することができるＰＺＴ系圧電セラミック材料及びそれを用いた圧電素子を提供する。【解決手段】ＰＺＴ系圧電セラミック材料は、ＡＢＯ３ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表されるＰＺＴ系圧電セラミック材料であって、ここで、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍが＋５価または＋６価の金属元素である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＢＯ３ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表されるＰＺＴ系圧電セラミック材料であって、ここで、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍが＋５価または＋６価の金属元素である、ＰＺＴ系圧電セラミック材料。
【請求項２】
前記Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の金属元素である、請求項１に記載のＰＺＴ系圧電セラミック材料。
【請求項３】
前記ＭがＮｂである、請求項１に記載のＰＺＴ系圧電セラミック材料。
【請求項４】
前記ＭがＴａである、請求項１に記載のＰＺＴ系圧電セラミック材料。
【請求項５】
１２〜１４ａｔ％のＮｂがドープされた、請求項３に記載のＰＺＴ系圧電セラミック材料。
【請求項６】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された上部電極と、を含む圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、ＡＢＯ３ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表されるものであって、ここで、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍが＋５価または＋６価の元素である、ＰＺＴ系圧電セラミック材料を用いて製造された圧電素子。
【請求項７】
前記Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の金属元素である、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記ＭがＮｂである、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項９】
前記ＭがＴａである、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１０】
１２〜１４ａｔ％のＮｂがドープされた、請求項８に記載の圧電素子。
【請求項１１】
前記圧電薄膜が、ラジオ周波数（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリング法により成膜される、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１２】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）またはタングステン（Ｗ）からなる半導体基板または耐熱ステンレス鋼（ＳＵＳ）基板である、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１３】
前記上部電極は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの金属及びこれら金属の酸化物からなる群から選択されるもので形成される、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１４】
前記下部電極は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの金属及びこれら金属の酸化物からなる群から選択されるもので形成される、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１５】
前記圧電薄膜は、１０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の膜厚を有する、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１６】
前記圧電素子がＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスである、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１７】
前記圧電素子が圧電性アクチュエーティングデバイスである、請求項６に記載の圧電素子。
【請求項１８】
前記圧電素子が光学デバイスである、請求項６に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＺＴ系圧電セラミック材料及びそれを用いた圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ  ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）などの軽薄小型化している様々な素子への活用のために、圧電薄膜の重要性が高まっている。
【０００３】
特に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ：ＰＺＴ）は、優れた強誘電性、残留分極及び圧電特性により、現在、各種センサ、スイッチ、共振子、メモリー素子などの広範囲な分野で応用及び研究されている。ＰＺＴ系圧電材料は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を形成する際に圧電特性を発現するが、このペロブスカイト構造は、ＰＺＴ系圧電材料の組成が化学量論（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）と正確に一致する際に得られる構造である。
【０００４】
通常、鉛（Ｐｂ）は、融点が低くて比較的に揮発しやすい傾向にある。このような点を考慮して、ＰＺＴ系圧電体の製造時には、化学量論を維持するために余分のＰｂを１０〜５０％で添加する。しかし、この余分のＰｂが全て消耗されずにＰＺＴ系圧電体の内部にＰｂやＰｂＯ相として局所的に存在することで、結局、降伏電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）または誘電／圧電特性を低下させる主要原因として作用する。
【０００５】
ＰＺＴが圧電特性を表すためには、ペロブスカイト結晶構造を形成しなければならず、この際、Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３において、化学量論比ｘとｙは１≦ｘ≦１．３、０．１≦ｙ≦０．９の範囲を有しなければならない。ここで、Ｐｂの組成比が１未満である場合には、ペロブスカイト結晶構造が形成されず、フルオライト（ｆｌｕｏｒｉｔｅ）またはパイロクロール（ｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅ）結晶構造が形成されるため、Ｂサイトの非対称性が損失されて圧電特性が表れない。
【０００６】
これを補完するために、通常、ＰＺＴの製造時には、余分のＰｂを添加することで最終組成が化学量論と一致するように調整して、ペロブスカイト構造を形成する。しかし、過度に含まれたＰｂが金属やＰｂＯの酸化物形態で残留して、最終ＰＺＴ特性を低下させる。Ｐｂの組成比を正確に制御することが不可能であるため、このような欠点にもかかわらず必要以上のＰｂを添加している状況である。
【０００７】
一方、特許文献１には、圧電特性を低下させることなく耐久性を向上させるＰｂ含有圧電薄膜を備えた圧電素子が開示されており、特許文献２には、ＰＺＴセラミック系にＭｎ、Ｓｂ、Ｎｂの元素を添加し、そのモル比を調節することで、電気機械結合係数及び機械的品質係数が大きく、キュリー温度が高く、振動による自体発熱が少なく、機械的強度の高いマイクロ変圧器及びその焼成方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−０３４４４８号公報
【特許文献２】韓国公開特許第２００１−００６７８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、＋５価や＋６価の金属元素を添加してＢサイト元素を置換することで、Ａサイトに位置する鉛（Ｐｂ）の組成比が１未満であるにもかかわらず安定したペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を形成して、優れた誘電特性及び圧電特性を保持することができる圧電セラミック材料を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、＋５価や＋６価の金属元素を添加してＢサイト元素を置換することで、Ａサイトに位置する鉛（Ｐｂ）の組成比が１未満であるにもかかわらず安定したペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を形成して、優れた誘電特性及び圧電特性を保持することができる圧電セラミック材料を用いた圧電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】
上記の目的を達成するための本発明によるＰＺＴ系圧電セラミック材料は、結晶格子Ａサイト（ｓｉｔｅ）及び結晶格子Ｂサイト（ｓｉｔｅ）を含むＡＢＯ３ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表されるものであって、ここで、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍは＋５価または＋６価の元素である。
【００１２】
本発明の他の目的を達成するための圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極と、を含むものであって、前記圧電薄膜は、ＡＢＯ３ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表され、ここで、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦z≦０．５５であり、Ｍは＋５価または＋６価の元素であるＰＺＴ系圧電セラミック材料で製造される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＰＺＴ系圧電セラミック材料及びそれを用いた圧電素子は、＋５価や＋６価の金属元素を添加してＢサイト元素を置換することで、Ａサイトに位置する鉛（Ｐｂ）の組成比が１未満であるにもかかわらず安定したペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を形成して、優れた誘電特性及び圧電特性を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｐｂ組成比が１未満であるにもかかわらずペロブスカイト結晶を形成する、ＮｂがドープされたＰＺＴ系圧電薄膜を示すグラフである。
【図２】Ｐｂ組成比が１未満であるにもかかわらず、従来のＰＺＴ系圧電薄膜より高い圧電定数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００１７】
本発明は、微小電子機械素子（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ）や強誘電性ランダムアクセスメモリー（ｒａｎｄｏｍ  ａｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）だけでなく、他の圧電素子及び強誘電性素子に有用性を有する能動圧電性膜の製造に商業的に有用な方法及びその利用に関する。本発明は、Ｓｉ集積のための様々な分野に適用可能であり、圧電効果及び他の強誘電性を著しく向上させることができる圧電体であるＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）からなる新しい薄膜材料を提供する。
【００１８】
通常、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有しており、この際、ＡサイトにはＰｂが位置し、ＢサイトにはＺｒ及びＴｉが位置する。
【００１９】
本発明の一実施例による圧電性及び強誘電性を有する変形されたＰＺＴ系圧電セラミック材料は、ＡサイトにＰｂが位置し、Ｂサイトには主にＺｒ及びＴｉが位置し、残りのサイトに＋５価または＋６価の元素が位置することで、Ｐｂの組成比が１未満であるにもかかわらず、安定したペロブスカイト結晶構造を形成することができる。
【００２０】
本発明の一実施例によるＰＺＴ系圧電セラミック材料は、結晶格子Ａサイト及びＢサイトを含むＡＢＯ３ペロブスカイト結晶構造を有し、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表される。この際、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉの化学量論は、それぞれ０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５の範囲を満たすべきである。
【００２１】
具体的に、ＡＢＯ３ペロブスカイト結晶構造を有するＰＺＴ系圧電セラミック材料において、Ａサイトに含まれたＰｂの化学量論ｘが１未満、より具体的に０．９６４であると、ドープされていないＰＺＴの場合、二次相のパイロクロール（ｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅ）結晶相が部分的に含まれるため圧電特性が著しく低下する。
【００２２】
しかし、本発明によれば、Ｂサイトに存在するＺｒ、Ｔｉを＋５価または＋６価の金属元素で置換することで、化学量論的にＡサイト原子が占める割合が０．９６４より少なくなる場合にもペロブスカイト結晶構造が安定的及び全体的に形成される。これにより、圧電特性が低下しない。
【００２３】
上記の効果を得るためのＰＺＴ系圧電セラミック材料は、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３において、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉの化学量論がそれぞれ０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５の範囲を満たすべきである。
【００２４】
Ａサイトを占めるＰｂの化学量論ｘが０．８３０未満である場合には、ペロブスカイト構造を形成することができず、化学量論ｘが０．９６４を超える場合には、化学量論ｘが１である場合と実質的に同一であるため、＋５価または＋６価の金属元素をドープせずに余分のＰｂを添加して製造したＰＺＴ系圧電セラミック材料との差別化が困難となる。
【００２５】
また、前記Ｍは、＋５価または＋６価の金属元素からなる群から選択され、より具体的には、＋５価の金属元素Ｖ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ及び＋６価の金属元素Ｗの少なくとも一つ以上が選択されることができる。
【００２６】
すなわち、Ｐｂの組成比が１未満である場合にペロブスカイト結晶構造を保持するためには、ＡＢＯ３構造において鉛（Ｐｂ）が位置すべきのＡサイトが、空格子点（ｖａｃａｎｃｙ）で存在するようにしなければならない。そのために、Ｂサイトに導入できる元素のうち、ＮｂまたはＴａ等の＋５価または＋６価の元素をドープ（ｄｏｐｉｎｇ）することで、全体的に電気的均衡を維持しながらＡサイトに空格子点の形成を誘導する。これにより、ペロブスカイト結晶構造を保持することができる。
【００２７】
本発明の一具体例によれば、１２〜１４ａｔ％のＮｂがドープされて前記Ｂサイト元素が置換されることが好ましく、１３ａｔ％のＮｂがドープされて前記Ｂサイト元素が置換されることがより好ましい。図１を参照すれば、Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｎｂ１−ｙ−ｚＯ３の組成比において、１３ａｔ％のＮｂをドープする場合、Ｐｂの組成比が１未満であるにもかかわらず安定したペロブスカイト結晶構造が形成されることを確認することができる。この際、添加されるドープ元素及びＰｂ−空格子点の形成により、ペロブスカイト結晶構造の歪みを誘発することで、圧電特性を向上させることができる。
【００２８】
一方、図２は、化学量論を満たさず、Ａサイトに位置し得るＰｂの組成比が１未満である際に、Ｐｂの組成比による圧電定数値を示す。図２を参照すれば、Ｐｂの組成比が１より小さい場合にも、既存のＰＺＴ系圧電膜に比べ優れた圧電特性を示すことが分かる。
【００２９】
Ａサイトに含まれた原子の化学量論が０．８３〜０．９３であると、ドープされていないＰＺＴの場合、二次相のパイロクロール（ｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅ）結晶相が部分的に含まれるため圧電特性が低下する。
【００３０】
しかし、本発明によれば、化学量論的にＡサイトの原子が占める割合が少ない場合にもペロブスカイト結晶構造が安定的及び全体的に形成されるため、圧電特性が低下しない。
【００３１】
この結果は、１３％のＮｂ５＋がドープされることによる結果であって、Ｐｂの組成比が０．８３である場合には、既存のＰＺＴ系圧電薄膜と類似に絶対圧電定数値が１２Ｃ／ｍ２を示し、Ｐｂの組成比に応じて、絶対圧電定数値が最大１５．１Ｃ／ｍ２を示す。通常、パイロクロール結晶相の形成をできるだけ抑えるために１０〜４０％のＰｂを過度に添加するＰＺＴによりも、優れた圧電特性を示す。
【００３２】
過度に添加されたＰｂにより、残留Ｐｂが金属や酸化物の形態で圧電膜に残留し、誘電特性及び電気的特性が低下する問題を根本的に抑えることができる。もし＋６価の元素をドープすると、Ｐｂの組成比がさらに低い場合にもＰＺＴ系圧電膜と同様の圧電特性を示すはずである。
【００３３】
この圧電特性だけでなく、前記組成で形成されるＰｂ−空格子点やドープ元素の電気的特性を活用すれば、自発分極などの特性を誘導することができる。すなわち、電極との界面でＰｂ−空格子点またはドープ元素を制御することで局所的な電気的均衡を形成して、内部バイアス（ｉｎｔｅｒｎａｌ−ｂｉａｓ）を誘導すれば、電場の勾配により圧電薄膜が蒸着されるとともに、分極方向が一定に配列される自発分極特性が発現される。
【００３４】
また、本発明の一実施例によれば、Ｐｂを過度に添加しないため、特性を低下させる過度な残留ＰｂやＰｂＯ相が形成されない。したがって、優れた電気的、誘電的及び圧電特性を発現することができる。また、局所的な電気的均衡を制御することで、圧電膜の蒸着とともに内部の分極方向を一定に配列することができるため、圧電膜の蒸着後における熱処理による（分極方向が初期状態に戻ろうとする性質による）劣化を最小化することができる。
【００３５】
本発明の他の実施例による圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極と、を含むことができる。
【００３６】
前記圧電薄膜は、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表され、この際、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍは＋５価または＋６価の元素である。Ｐｂの組成比が上述のｘの範囲内に設定され、Ｚｒ、Ｔｉ及びＭの組成比が上述のｙ及びｚの範囲内に設定されると、Ｐｂの組成比が１未満である場合にも、安定した圧電特性を示すペロブスカイト結晶構造が形成される。
【００３７】
以下、本発明による圧電セラミック材料の製造方法の一具体例について説明すれば、次のとおりである。
【００３８】
本発明の圧電セラミック材料は、通常の方法により製造されることができる。本発明による圧電セラミック材料を製造するためには、先ず、本発明の圧電セラミック材料を構成する成分の酸化物粉末と、＋５価、＋６価のＢサイト置換元素の供給源とを秤量して混合する。
【００３９】
圧電セラミック材料を構成する成分のうち、ＰｂはＰｂＯ、ＺｒはＺｒＯ２、ＴｉはＴｉＯ２の形態で供給し、Ｂサイト置換元素の供給源のうち、ＮｂはＮｂ２Ｏ５、ＺｎはＺｎＯ、ＮｉはＮｉＯ、ＳｂはＳｂ２Ｏ３の形態で供給して混合することが好ましい。
【００４０】
前記酸化物粉末と＋５価、＋６価のＢサイト置換元素の供給源のスラリーの混合は、湿式ボールミルにより行うことが好ましく、ボールミルは、エタノール溶媒及び高純度の３Ｙ−ＴＺＰ（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）ボールを用いて行うことが好ましい。
【００４１】
前記ボールミル工程では、通常、粉砕と混合が同時に行われる。上記のように混合する場合には、酸化物がスラリーの形態になる。
【００４２】
次に、上記のように混合した粉末スラリーを十分に乾燥させた後、結晶相を合成するためにか焼する。前記か焼温度が高すぎるか、か焼時間が長すぎると、粒子間の結合力が大きくなって後続する粉砕工程が困難となる恐れがあり、粒子成長が起こって焼結性が低下する恐れがある。したがって、このような点を考慮してか焼条件を設定することが好ましい。前記か焼温度及びか焼時間は８００〜９００℃で３０分以上行うことが好ましく、２〜５時間行うことがより好ましい。
【００４３】
次に、か焼された粉末をさらに微粉砕する。前記微粉砕は、上記のようにエタノール及び３Ｙ−ＴＺＰ（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）ボールを用いて行うことが好ましい。上記のように微粉砕されたか焼粉末はスラリーの形態になる。その後、微粉砕された粉末スラリーを所望の形状に成形してから乾燥する。
【００４４】
次に、上記のように乾燥された成形体を焼結する。ここで、焼結温度が高すぎるか焼結時間が長すぎると、結晶粒が大きく成長して機械的に弱くなり、またＰｂＯの揮発が過度に発生して組成が変化して、圧電特性損失及び誘電損失が大きくなる。したがって、上記の点を考慮して焼結条件を設定することが好ましい。
【００４５】
前記焼結は、常圧下で９００〜１２００℃の温度範囲で３０分以上行うことが好ましく、１１００〜１２００℃の温度範囲で１〜４時間行うことがより好ましい。上記のように焼成することで圧電セラミック材料が得られる。
【００４６】
本発明の圧電素子は、上記のように製造された圧電セラミック材料を用いて製造することができる。本発明による圧電素子の製造方法は特に限定されず、本発明が属する技術分野において通常的に用いられる方法であれば何れも可能である。
【００４７】
本発明の一実施例によれば、上記の方法により製造された圧電セラミック材料をターゲットとしてスパッタリングすることで圧電薄膜を形成することができ、これを用いて圧電素子を製造することができる。
【００４８】
本発明の一実施例による圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極と、を含むことができる。
【００４９】
前記基板の材料は特に制限されないが、通常、８５０℃以下で、特に、本発明の圧電薄膜の製造方法において４００℃以上７００℃以下で行われる焼成段階で、変形または溶融されない材料が好ましい。
【００５０】
そのため、例えば、シリコン（Ｓｉ）またはタングステン（Ｗ）からなる半導体基板または耐熱ステンレス鋼（ＳＵＳ）基板が好適に用いられるが、ジルコニア、アルミナ、シリカなどのセラミックが用いられてもよい。また、複数種の前記材料を組み合わせてもよく、材料を積層して多層構造を形成してもよい。材料は、白金及びパラジウムなどの金属層とともに組み合わされて積層されることができる。
【００５１】
前記下部電極及び上部電極はそれぞれ、約５〜２０００ｎｍの層厚さを有する導電層で構成される。前記電極の材料は特に制限されないが、圧電素子において通常的に用いられる任意の材料が用いられることができる。
【００５２】
例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属及びこれら金属の酸化物を含む。下部電極及び上部電極はそれぞれ、これらのうち１種からなってもよく、これらのうち２種以上が積層されてなってもよい。金属または酸化物は、ゾル−ゲル法、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法、蒸着法などにより形成されることができる。前記下部電極及び上部電極は両方とも所望の形状にパターン化して用いられてもよい。
【００５３】
本発明の一実施例による圧電素子は、一面に下部電極が形成された基板を準備した後、前記下部電極上に、一般式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉｚ）Ｍ１−ｙ−ｚＯ３で表され、０．８３０≦ｘ≦０．９６４、０．４３≦ｙ≦０．５５、０．４３≦ｚ≦０．５５であり、Ｍが＋５価または＋６価の元素である圧電セラミック材料を用いてスパッタリング法により圧電薄膜を形成し、その圧電薄膜上に上部電極を形成することで製造することができる。
【００５４】
本発明の一実施例によれば、前記圧電素子はスパッタリング法で形成することができる。圧電素子をスパッタリングするために、単一酸化物ターゲット（ｓｉｎｇｌｅ  ｏｘｉｄｅ  ｔａｒｇｅｔ）を用いることができる。
【００５５】
単一酸化物ターゲットは、各組成比に応じて秤量した酸化物粉末を混合、成形、及び高温焼結することで製造することができ、このように製造された圧電セラミック焼結体をターゲットとしてラジオ周波数（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリングにより圧電薄膜を蒸着することができる。
【００５６】
前記圧電薄膜の膜厚は、１０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下であることができる。薄膜形状が平らでなくて膜厚が一つの値に決定されない場合には、素子に形成される時に実質的に圧電部材として機能する二つの電極間の厚さの平均値が、前記範囲内の値であることができる。圧電薄膜の膜厚が１０００ｎｍ以上に設定されるときに、圧電素子に要求される変位量または力が得られる。厚さが４０００ｎｍ以下に設定されるときに、素子の高密度化を期待することができる。
【００５７】
本発明の広範囲に属する圧電素子は、特に限定されないが、圧電性アクチュエーティング（ａｃｔｕａｔｉｎｇ）デバイス、能動及び受動ＭＥＭＳデバイス、可動マイクロレンズアレイまたは可動マイクロ鏡アレイなどの幾何及びスペクトル（または干渉）に基づくデバイスを含む光学デバイス、エタロン構造で共振空胴を変更してデバイスの反射率をデチューン（ｄｅｔｕｎｅ）させるスペクトルデバイス、圧電性膜のカンチレバー幾何に基づくマイクロポンプ及びマイクロ弁、高周波数適用超音波変換器、マイクロエレクトロニクス、非冷却赤外放射焦電気検出器、及び非揮発性強誘電性メモリー素子などを含む。
【００５８】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
【００５９】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、ＰＺＴ系圧電セラミック材料及びそれを用いた圧電素子に適用可能である。
【図１】
2016036006.tif 000003
【図２】
2016036006.tif 000004