JP2011109037A - 圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1上に、Pt,Au等の下部電極2と、組成式(K1−xNax)yNbO3で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲にある圧電薄膜3と、下部電極2と同様な材料の上部電極4とを備える圧電薄膜素子である。
【選択図】図1
Description
の絶対値|d31|が90[pm/V]以上であることをいう。)
図1は、本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子の概略的な構造を示す断面図である。圧電薄膜素子は、図1に示すように、基板1上に、下部電極2と、圧電薄膜3と、上部電極4とが順次形成されている。
y≦0.94の範囲にある。更に、圧電薄膜3は、係数x、yを、0.4≦x≦0.7かつ
0.75≦y≦0.90の範囲にあるKNN薄膜とするのがより好ましい。KNN薄膜である圧電薄膜3の形成方法には、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition
)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ゾルゲル法などが挙げられる。
文献1:K.Shibata, F.Oka, A.Ohishi, T.Mishima,and I.Kanno, Applied Physics Express, 1 (2008), 011501.
文献2:T.Saito, T.Wada, H.Adachi, and I.Kanno, Jpn.J.Appl.Phys, 43 (2004), 6627.
トイキオメトリー組成のKNN膜((K1−xNax)NbO3)に比べて、KやNaが少ないKNN膜を作製してみたところ、y=1付近のKNN膜と比べて圧電定数が大きくなることを発見した。圧電定数が向上するメカニズムの詳細は明らかではないが、yを1よりも小さくすることで、結晶として理想的なy=1のKNN膜に対して適度の不安定要因が導入されることとなり、電界による結晶格子伸縮(圧電動作)が起こりやすくなったと推測される。
してしまうため、圧電薄膜素子としての利用は困難であることも分かった(実施例の表1及び図8参照)。
(K+Na)/Nb比率であるyが0.7よりも小さくなると、リーク電流が著しく大
きくなる理由は、次のように考えられる。(K+Na)/Nb比率が1の時に、結晶として考えたときに理想的な組成(ストイキオメトリ組成)になる。(K+Na)/Nb比率が1より小さくなると、本来KやNaが入るべきAサイト(結晶格子の頂点の位置)にも、Bサイト(結晶格子の体心の位置)の元素のNbが入ることになる。多少Nbリッチになっても、このAサイトにNbが落ち着くが、ある臨界組成を超えるとNbが格子間に入ることになる。この格子間に入ったNbは電荷を運ぶキャリアとして働くことで、一気に絶縁性が劣化すると考えられる。
図2に、本発明の他の実施形態に係る圧電薄膜素子の概略的な断面構造を示す。この圧電薄膜素子は、図1に示す上記実施形態の圧電薄膜素子と同様に、基板1上に、下部電極2、圧電薄膜3、上部電極4を有するが、図2に示すように、基板1は、その表面に酸化膜5が形成された表面酸化膜付き基板であり、酸化膜5と下部電極2との間には、下部電極2の密着性を高めるための密着層6が設けられている。
酸化膜付きの基板1は、例えば、酸化膜付きSi基板であり、酸化膜付きSi基板では、酸化膜5は、熱酸化により形成されるSiO2膜、CVD法により形成されるSi酸化膜がある。また、密着層6には、Ti、Taなどが用いられ、スパッタリング法などで形成される。
4≦x≦0.7、且つ0.70≦y≦0.94または0.75≦y≦0.90の範囲にあるK
NN薄膜が複数層あってもよい。また、KNNの圧電薄膜3に、K、Na、Nb、O以外
の元素、例えば、Li、Ta、Sb、Ca、Cu、Ba、Ti等を5原子数%以下で添加してもよく、この場合にも、同様の効果が得られる。更に、下部電極2と上部電極4との間に、0.4≦x≦0.7、且つ0.70≦y≦0.94または0.75≦y≦0.90の範囲のKNN薄膜の他に、例えば、y=1付近の組成のKNN薄膜、またはKNN以外のアルカリニオブ酸化物系の材料、或いはペロブスカイト構造を有する材料(LaNiO3、SrTiO3、LaAlO3、YAlO3、BaZrO3、BaSnO3、BaMnO3など)からなる薄膜が含まれていてもよい。
図3に、本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子を用いて作製した圧電薄膜デバイスの一実施形態の概略構成図を示す。圧電薄膜デバイスは、図3に示すように、所定の形状に成形された圧電薄膜素子10の下部電極2と上部電極4の間に、少なくとも電圧検出手段または電圧印加手段11が接続されている。
下部電極2と上部電極4の間に、電圧検出手段11を接続することで、圧電薄膜デバイスとしてのセンサが得られる。このセンサの圧電薄膜素子10が何らかの物理量の変化に伴って変形すると、その変形によって電圧が発生するので、この電圧を電圧検出手段11で検出することで各種物理量を測定することができる。センサとしては、例えば、ジャイロセンサ、超音波センサ、圧カセンサ、速度・加速度センサなどが挙げられる。
また、圧電薄膜素子10の下部電極2と上部電極4の間に、電圧印加手段11を接続することで、圧電薄膜デバイスとしてのアクチュエータが得られる。このアクチュエータの圧電薄膜素子10に電圧を印加して、圧電薄膜素子10を変形することによって各種部材を作動させることができる。アクチュエータは、例えば、インクジェットプリンタ、スキャナー、超音波発生装置などに用いることができる。
以下に、実施例および比較例におけるKNN圧電薄膜の成膜方法を説明する。
基板には熱酸化膜付きSi基板((100)面方位、厚さ0.525mm、サイズ20
mm×20mm、熱酸化膜の厚さ200nm)を用いた。まず、基板上にRFマグネトロンスパッタリング法で、Ti密着層(膜厚2nm)、Pt下部電極((111)面優先配向、膜厚200nm)を形成した。Ti密着層とPt下部電極は、基板温度300℃、放電パワー200W、導入ガスAr、Ar雰囲気の圧力2.5Pa、成膜時間は、Ti密着
層では1〜3分、Pt下部電極では10分の条件で成膜した。
続いて、Pt下部電極の上に、RFマグネトロンスパッタリング法で(K1−xNax)yNbO3薄膜を3μm形成した。(K1−xNax)yNbO3圧電薄膜は、比率(K+Na)/Nb=0.812〜1.282、比率Na/(K+Na)=0.41〜0.72の(K1−xNax)yNbO3焼結体をターゲットに用い、基板温度650℃、700℃または800℃、放電パワー100W、導入ガスAr、Ar雰囲気の圧力1.3Paの
条件で成膜した。(K1−xNax)yNbO3焼結体のターゲットは、K2CO3粉末、Na2CO3粉末、Nb2O5粉末を原料にして、ボールミルを用いて24時間混合し、850℃で10時間仮焼成し、その後再びボールミルで粉砕し、200MPaの圧力で成形した後、1080℃で焼成することで作製した。(K+Na)/Nb比率およびNa/(K+Na)比率は、K2CO3粉末、Na2CO3粉末、Nb2O5粉末の混合比率を調整することで制御した。作製したターゲットは、スパッタ成膜に用いる前にEDX(
エネルギー分散型X線分光分析)によってK、Na、Nbの原子数%を測定し、それぞれの(K+Na)/Nb比率、Na/(K+Na)比率を算出した。実施例1〜25および比較例1〜13で用いたターゲットの(K+Na)/Nb比率、Na/(K+Na)比率、及びスパッタ成膜温度(基板温度)を表1に示す。各KNN膜のスパッタ成膜時間は、成膜でKNN膜厚がほぼ3μmになるように調整して行った。
実施例1〜25および比較例1〜13のKNN圧電薄膜に対して、X線回折測定(2θ/θスキャン)を行い、KNN圧電薄膜の結晶構造、配向状態の調査を行った。一例として、実施例11のX線回折パターンを図4に、比較例9のX線回折パターンを図5に示す。形成されたKNN圧電薄膜は完全なペロブスカイト構造になっており、擬立方晶であり、KNN(001)面方位に優先配向していることが分かる。また、Pt下部電極も(111)優先配向になっていることが分かる。他の実施例、比較例についても回折ピーク角度や強度に多少の違いはあるが、ほぼ同様の回折パターンを示していた。
ICP−AES(誘導結合型プラズマ発光分析)法によって、実施例1〜25および比較例1〜13のKNN圧電薄膜の組成分析を行った。分析は、湿式酸分解を用いて、酸には王水とフッ化水素酸を用いた。分析結果を表1に示す。Nb、Na、Kの割合から(K+Na)/Nb比率、Na/(K+Na)比率を算出した結果も表1に併せて示している。(K+Na)/Nb比率が異なるターゲットを用いたことで、(K+Na)/Nb比率が異なるKNN圧電薄膜が作製できていることが分かる。また、成膜温度を700℃や800℃という高温にすることで、ターゲットよりもかなり(K+Na)/Nb比率が小さいKNN圧電薄膜が作製できている。また、実施例では、スパッタ投入電力密度を0.0
3W/mm2とした。スパッタ投入電力密度とは、ターゲットへの投入電力を、ターゲットのスパッタリング面の面積で割った値である。
KNN圧電薄膜の圧電定数d31を評価するために、図6に示す構成のユニモルフカンチレバーを試作した。まず、上記実施例および比較例のKNN圧電薄膜の上にPt上部電極(膜厚20nm)をRFマグネトロンスパッタリング法で形成した後、長さ20mm、幅2.5mmの短冊形に切り出し、KNN圧電薄膜を有する圧電薄膜素子20を作製した
。次に、この圧電薄膜素子20の長手方向の一端をクランプ21で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを作製した(図6(a))。このカンチレバーの上部電極4と下部電極2との間のKNN圧電薄膜3に、図示省略の電圧印加手段によって電圧を印加し、KNN圧電薄膜3を伸縮させることでカンチレバー(圧電薄膜素子20)全体を屈伸させ、カンチレバー先端を上下方向(KNN圧電薄膜3の厚さ方向)に往復動作させる。このときのカンチレバーの先端変位量Δを、レーザードップラ変位計21からレーザー光Lをカンチレバーの先端に照射して測定した(図6(b))。圧電定数d31は、カンチレバー先端の変位量Δ、カンチレバーの長さ、基板1とKNN圧電薄膜3の厚さとヤング率、および印加電圧から算出される。圧電定数d31の算出は、下記文献3に記載の方法で行った。KNN圧電薄膜のヤング率は104GPaを用い、印加電界50kV/cmの時の圧電定数d31を測定した。圧電定数d31の測定結果を表1に示す。また、表1における(K+Na)/Nb比率と圧電定数d31との関係を図7に示す。
文献3:T.Mino, S. Kuwajima, T.Suzuki, I.Kanno, H.Kotera, and K.Wasa, Jpn. J. Appl. Phys., 46(2007), 6960
化するため、圧電薄膜素子としての利用は困難であることも分かった。
これらの結果から、高い圧電定数と低いリーク電流を実現するには、0.4≦x≦0.7である場合に、0.70≦y≦0.94の範囲の時、更に望ましくは0.75≦y≦0.90の範囲の時が最適であることが分かる。
2 下部電極
3 圧電薄膜
4 上部電極
5 酸化膜
6 密着層
10 圧電薄膜素子
11 電圧検出手段または電圧印加手段
20 圧電薄膜素子
21 クランプ
22 レーザードップラ変位計
Claims (6)
- 基板上に、下部電極と、組成式(K1−xNax)yNbO3で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲にある圧電薄膜と、上部電極とを備える圧電薄膜素子。
- 基板上に、下部電極と、組成式(K1−xNax)yNbO3で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、0.4≦x≦0.7かつ0.75≦y≦0.90の範囲にある圧電薄膜と、上部電極とを備える圧電薄膜素子。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は、擬立方晶であり、かつ(001)面方位に優先配向していることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極は、白金からなり、かつ(111)面方位に優先配向していることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記基板は、Si基板、表面酸化膜付きSi基板、またはSOI基板であることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、前記圧電薄膜素子の前記下部電極と前記上部電極の間に接続された電圧印加手段または電圧検出手段とを備えたことを特徴とする圧電薄膜デバイス。
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