(57)【要約】      （修正有）【課題】（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とした優れた圧電特性を有する圧電薄膜を得ることにより、圧電特性を大きく向上させることを可能とする圧電薄膜素子を提供する。【解決手段】基板１上に下部電極２、圧電薄膜３を順次配置して構成された圧電薄膜素子において、圧電薄膜３は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜からなり、下部電極２と圧電薄膜３との間に、圧電薄膜３に接して、格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層４が挿入されていることを特徴とする。【選択図】図１
2009049065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部電極、圧電薄膜を順次配置して構成された圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜からなり、
前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜に接して、格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層が挿入されていることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
前記中間層は、ＢａＺｒＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＢａＭｎＯ３、ＫＭｎＦ３、ＫＦｅＦ３のいずれか、またはこれらの混晶、もしくはこれらの元素に１０％以下の他の元素を混入したペロブスカイト構造の誘電体薄膜のいずれか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】
前記中間層は前記基板の法線方向に（００１）面に優先配向していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項４】
前記圧電薄膜の膜厚が０．２μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３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】
本発明は圧電薄膜素子に係り、特に（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜を用い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。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と呼ばれるジルコンチタン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３系（０＜ｘ＜１）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いる。ＰＺＴは、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。また、近年では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おり、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）等が開発されている。この
ニオブ酸リチウムカリウムナトリウムは、ＰＺＴに匹敵する圧電特性を有すことから、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
【０００３】
一方、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た。しかしながら、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、その厚みが特に１０μｍ以下の厚さになると、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなる。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た。最近、ＲＦ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。この圧電体薄膜においても、上記の圧電焼結体と同様に鉛フリー材料が求められていることは言うまでもない。
【０００４】
なお、関連する技術として例えば特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００２−１５１７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように非常に薄い圧電膜が作製可能となったことにより、現在圧電体薄膜をアクチュエータやセンサとして使用する試みがなされている。圧電薄膜は電圧を印加するとその電圧に比例して変形する。逆に変形させるとその変位に比例して表面に電荷が発生することにより電圧を発生する。この現象を利用してインクジェットプリンタのインク吐出部等、微細なアクチュエータとして応用する検討や、デジカメの手ぶれ防止機構の手ぶれ検出に用いる小型のジヤイロセンサに用いる検討がなされ、実用化されている。
【０００６】
このようなデバイスに圧電薄膜を適用する際に、その圧電薄膜の圧電特性を表す定数として圧電定数ｄ３１がある。この定数は圧電体に電界を印加した場合、その印加方向と垂直な向きに機械的変位を示すものである。この値が大きいとアクチュエータとして用いた場合に同じ電圧で大きく変位させることができ、センサとして使用した場合は感度が良いセンサを作製することが可能である。
従って、圧電薄膜をこれらの用途に使用するにはｄ３１が大きな圧電薄膜を形成することが必要である。上記のアクチュエータやセンサーは、圧電薄膜としてＰＺＴを主相とする圧電薄膜を用いている。今後の鉛フリー化の為には、このＰＺＴ薄膜に匹敵する圧電定
数ｄ３１である非鉛圧電体薄膜を開発する必要がある。そこで、近年、非鉛圧電体としてニオブ酸カリウムナトリウム（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とした圧電薄膜が注目されている。
しかし、現在までＰＺＴ薄膜に匹敵する非鉛圧電薄膜は報告されていない。
【０００７】
本発明の目的は、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とした優れた圧電特性を有する圧電薄膜を得ることにより、圧電特性を大きく向上させることが可能な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】
【０００８】
本発明によれば、基板上に下部電極、圧電薄膜を順次配置して構成された圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜からなり、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜に接して、格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層が挿入されていることを特徴とする圧電薄膜素子が提供される。
前記中間層は、ＢａＺｒＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＢａＭｎＯ３、ＫＭｎＦ３、ＫＦｅＦ３のいずれか、またはこれらの混晶、もしくはこれらの元素に１０％以下の他の元素を混入したペロブスカイト構造の誘電体薄膜のいずれかであることが好ましい。また、前記中間層は前記基板の法線方向に（００１）面に優先配向していることが好ましい。さらに、前記圧電薄膜の膜厚は０．２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＫＮＮを主相とした優れた圧電特性を有する圧電薄膜が得られるようになり、その結果、圧電特性を大きく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３（以後、単にＫＮＮという）を主相とした圧電薄膜の圧電特性を向上させるために本発明者らはＫＮＮ圧電薄膜の配向に着目した。
圧電体としての圧電薄膜は、基板上に下部電極を形成し、その上部に圧電薄膜を形成する。さらに、この上部に上部電極を形成することで、圧電薄膜に電圧を印加してアクチュエータとして駆動できる構成となり、または機械的変位を受けて発生した電圧を検出できる構成となる。このような構成を素子の一部に組み込むことでアクチュエータとして、もしくはセンサーとして素子を機能させる。この時、基板の表面に対して法線方向に電圧が印加されることから、もしくは発生した電圧を検出することから、この向きに圧電特性が最も大きくなるように圧電薄膜を形成する必要がある。
【００１２】
圧電体には分極軸が存在し、その向きに圧電特性が大きくなる。本発明者らは、この分極軸がＫＮＮ圧電薄膜では〈００１〉軸であることを見出した。従って、電圧が印加される、もしくは電圧を検出する基板の法線方向に（００１）面に配向したＫＮＮ圧電薄膜を形成することで圧電定数を大きく向上させることが可能である。
【００１３】
しかし、白金などからなる下部電極上に直接ＫＮＮ圧電薄膜を形成した場合には、（１１０）面と（００１）面が混在した膜が形成される。
本発明者らは、ＫＮＮ圧電薄膜よりも格子定数が大きなペロブスカイト構造の膜を下地誘電体薄膜として白金下部電極上に形成し、この上部にＫＮＮ圧電薄膜を形成することにより、（００１）面に、より優先配向したＫＮＮ圧電薄膜を形成できること、また、下地誘電体薄膜が（００１）面に配向していることで、ＫＮＮ膜がより強く（００１）面に配向することを見出した。
この知見をもとに、以下に本発明の好適一実施の形態に係る圧電薄膜素子を説明する。
【００１４】
実施の形態に係る圧電薄膜素子は、図１に示すように、基板１上に、導電性を有する下部電極２、下地誘電体薄膜としての中間層４、圧電薄膜３を順次配置して一体に形成して構成される。なお、実施の形態に係る圧電薄膜素子には、導電性を有する上部電極を圧電薄膜３上に配置したものも含まれる。
【００１５】
圧電薄膜３は、ＫＮＮ結晶を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜である。例えば、一般式（ＫｘＮａｙ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムの誘電体薄膜からなる。
ここでいうＫＮＮ結晶の単位格子はＩＣＤＤに記載されるＫＮｂＯ３（ＩＣＤＤ number:32-0822）と同じ単位格子を定義し、ナトリウムはカリウムのサイトを一部置換してい
るものとする。なお、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸の向きはそれぞれの単位格子をＡ、Ｂ、ＯとするとＯ＜Ａ＜Ｂとなる向きとする。
【００１６】
下部電極２と圧電薄膜３との間に挿入される中間層４は、圧電薄膜３に接して、格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層である。
このような条件を満たす中間層は、例えば、ＢａＺｒＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＢａＭｎＯ３、ＫＭｎＦ３、ＫＦｅＦ３のいずれか、またはこれらの混晶の膜から構成される。もしくは、これら中間層の元素に、少量の添加物、例えば原子数濃度１０％以下の他の元素、例えばＬｉを混入したペロブスカイト構造の層の中間層から構成される。
中間層の格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造であると、下部電極上に圧電定数ｄ３１の優れた良好な圧電薄膜結晶を形成することが可能となる。
【００１７】
上記ＫＮＮ圧電薄膜の膜厚は０．２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。膜厚が０．２μｍ以上であれば、圧電薄膜素子としての実効的な圧電特性を得ることができ、１０μｍ以上の膜厚の圧電薄膜を作製したい場合は、従来のように焼結体を用いればよい。
【００１８】
また、中間層の厚さは、基本的に制限はないが、圧電膜に十分な電界を印加するには、同程度以下、好ましくは五分の一以下とされる。しかし、中間層の厚さがあまり薄いとＫＮＮ圧電薄膜の配向制御が困難になるため、その下限は数ｎｍとされる。
【００１９】
中間層は基板の法線方向に（００１）面に優先配向していることが好ましい。ＫＮＮ圧電薄膜よりも格子定数が大きなペロブスカイト構造の膜を中間層を下部電極上に形成して、この上にＫＮＮ圧電薄膜を形成することで、（００１）面に、より優先配向したＫＮＮ圧電薄膜を形成することができる。また、中間層が（００１）面に配向していることでＫＮＮ膜がより強く（００１）面に配向させることができる。これによりＫＮＮ圧電薄膜の圧電特性ｄ３１をより大きくすることができる。
【００２０】
基板としては、安価なＳｉ基板ないし熱酸化膜付きシリコン基板や、ガラス基板が用いられるが、この他に酸化マグネシウム基板（ＭｇＯ基板）、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板を用いることもできる。また基板が導電性である場合には、その表面に絶縁膜を形成してもよい。
【００２１】
下部電極及び上部電極としては、電極材料として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではないが、例えば、白金（Ｐｔ）電極が好ましい。
【００２２】
ＫＮＮ圧電薄膜及び中間層の形成方法としては、良質で高密度の結晶性薄膜を形成できる方法であれば特に限定するものではないが、例えば、スパッタリング法（ＲＦマグネトロンスパッタリング法）、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、塗布法などを用いることが望ましい。
【００２３】
本実施の形態の圧電薄膜素子によれば、圧電薄膜に（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３を主相とするペロブスカイト構造の誘電体薄膜を用いながら、下部電極と圧電薄膜との間に、圧電薄膜に接して、格子定数が４．０３６Å以上の擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造を有する中間層を挿入したので、この中間層挿入していないものよりも、ＫＮＮ圧電薄膜の圧電特性ｄ３１を大きくすることができ、優れた圧電特性を発揮させることができる。しかも圧電薄膜素子は、鉛を有していないＫＮＮの誘電体薄膜を用いたものであることから、生態学的見地及び公害防止の点からも非常に有用である。
【００２４】
また、ＫＮＮ圧電薄膜に少量の添加物（例えば原子数濃度８％以下のＬｉ）を混入した場合も、同様の効果が期待できる。また、本実施の形態では、ＫＮＮ圧電薄膜は圧電薄膜として応用する場合を対象にして記載しているが、その用途は圧電応用に限定されるものではなく、他の様々な用途への応用も考えられる。例えば、インクジェットプリンタ、スキャナ、ジャイロ、超音波発生装置、超音波センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサに用いることができる。
【００２５】
以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることはいうまでもない。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
【００２７】
以下に本発明を用いて膜厚３μｍのＫＮＮ圧電薄膜を含む圧電薄膜素子を形成した実施例を記載する。形成した圧電薄膜素子構造の断面図を図１に示す。
【００２８】
基板には熱酸化膜付きＳｉ基板（（１００）面方位、厚さ０５ｍｍ、サイズ２０ｍｍ×２０ｍｍ）を用いた。
【００２９】
まず、Ｓｉ基板上にＲＦマグネトロンスパツタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚２ｎｍ）、白金下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）をそれぞれ形成した。Ｔｉ密着層と白金下部電極は、基板温度３５０℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２．５Ｐａ、成膜時間は１分と１０分の条件でそれぞれ成膜した。
【００３０】
つぎに、白金下部電極の上に、ＲＦマグネトロンスパツタリング法で、ＢａＳｎＯ３層を０．２μｍ形成した。ターゲットにはＢａＳｎＯ３焼結体を用い、基板温度７５０℃、放電パワー１５０Ｗ、Ａｒ雰囲気、圧力０．１Ｐａ、成膜時間１０ｍｍの条件で成膜した。
【００３１】
続いて、ＲＦマグネトロンスパツタリング法で（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜を３μｍ形成した。ＫＮＮ圧電薄膜は組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１．０、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．５のＫＮＮ焼結体をターゲットに用い、基板温度６５０℃、放電パワー１００Ｗ、Ａｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、成膜時間４時間００分の条件で成膜した。
【００３２】
（比較例１）
実施例において、白金下部電極と（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜との間に形成
したＢａＳｎＯ３層を形成しなかった点以外は、実施例と同じ条件で圧電薄膜素子を形成した。形成した構造の断面図を図２に示す。
【００３３】
（実施例１及び比較例１の評価）
実施例と比較例の両方において、圧電定数ｄ３１を評価するために、図３に示す圧電特性評価方法を用いた。
これらの圧電薄膜素子上に白金上部電極５（膜厚０．０２μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成して、長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊形を切り出し、ＫＮＮ圧電薄膜３を含む圧電薄膜素子６を作製した。圧電薄膜素子６の長手方向の端をクランプ９で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバー７を構成した（図３（ａ））。
【００３４】
次に、この状態で上下両電極２、５間のＫＮＮ圧電薄膜３に電圧（ｓｉｎ波）を印加し、ＫＮＮ圧電薄膜３を伸縮させることでカンチレバー７全休を屈曲動作させ、レバー先端７ａを動作させた。その先端変位量をレーザードップラ変位計１０で測定した（図３（ｂ））。
【００３５】
圧電定数ｄ３１（圧電薄膜素子が縮む方向の変位）はカンチレバー先端７ａの変位量、カンチレバー７の長さ、基板１とＫＮＮ圧電薄膜３の厚さとヤング率、印加電圧から算出される。実施例と比較例のｄ３１の値を図４に示す。この結果から比較例に対して実施例が大幅にｄ３１が大きくなっていることは明らかである。
【００３６】
（実施例２）
上記実施例と同様の工程で圧電薄膜素子を作製した。ただし、幾つか格子定数の異なる擬立方晶または立方晶のペロブスカイト構造の中間層の上にＫＮＮ圧電薄膜を成膜した。そして、上述した圧電特性評価方法と同じ方法で圧電定数ｄ３１を求めた。実施例と比較例のｄ３１の値を図５に示す。印加電圧は１８Ｖである。
【００３７】
図５からわかるように、中間層の格子定数が４．０５以上の値のとき、圧電定数ｄ３１が１００−ｐｍ／Ｖで良好であり改善効果があったが、その値未満では７０−ｐｍ／Ｖ以下となり悪かった。したがって、格子定数が４．０５以上のとき改善効果があることがわかった。効果のある中間層材として、上述したＢａＳｎＯ３の他に、ＢａＺｒＯ３、ＢａＭｎＯ３、ＫＭｎＦ３、ＫＦｅＦ３が適当であった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係る圧電薄膜素子の断面構造を示す模式図である。
【図２】比較例に係る圧電薄膜素子の断面構造を示す模式図である。
【図３】ユニモルフカンチレバーの形状と測定の状態を示す模式図である。
【図４】圧電薄膜素子の印加電圧と圧電定数との関係を示す特性図である。
【図５】中間層の格子定数とと圧電定数との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    基板
２    下部電極
３    圧電薄膜
４    中間層
【図１】
2009049065.tif 000003
【図２】
2009049065.tif 000004
【図３】
2009049065.tif 000005
【図４】
2009049065.tif 000006
【図５】
2009049065.tif 000007