JP2015115355A - Vibrating mirror element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、振動ミラー素子に関し、特に、ぺロブスカイト構造を有する材料から形成された圧電膜を備える振動ミラー素子に関する。 The present invention relates to a vibrating mirror element, and more particularly to a vibrating mirror element including a piezoelectric film formed from a material having a perovskite structure.
従来、ぺロブスカイト構造を有する材料から形成された圧電膜を備える振動ミラー素子が知られている（たとえば特許文献１参照）。この特許文献１には、ぺロブスカイト構造を有する材料として、ニオブ酸化物系ぺロブスカイト構造を有する材料から形成される圧電薄膜（圧電膜）を備えた圧電薄膜素子（振動ミラー素子）が開示されている。
Conventionally, a vibrating mirror element including a piezoelectric film formed from a material having a perovskite structure is known (see, for example, Patent Document 1). This
また、従来では、ぺロブスカイト構造を有する別な材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ））を用いた圧電薄膜を備えた振動ミラー素子が一般的に知られている。このチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、ＺｒとＴｉとを有する２元系真性ぺロブスカイト構造を有している。 Conventionally, as another material having a perovskite structure, a vibrating mirror element having a piezoelectric thin film using lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT)) is generally known. ing. This lead zirconate titanate (PZT) has a binary intrinsic perovskite structure having Zr and Ti.
また、真性ぺロブスカイト強誘電体（ＰＺＴ）からなる圧電膜の圧電特性を高めるために、バルク材料からなる真性ぺロブスカイト強誘電体（ＰＺＴ）のＡＢＯ３構造のＢサイトにＺｒおよびＴｉをドナー原子Ｎｂ５＋とアクセプター原子Ｍｎ２＋とに置換することが行われている。 Further, in order to enhance the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film made of the intrinsic perovskite ferroelectric (PZT), Zr and Ti are added to the B atoms of the ABO 3 structure of the intrinsic perovskite ferroelectric (PZT) made of bulk material as donor atoms. Substitution with Nb 5+ and acceptor atom Mn 2+ is performed.
しかしながら、従来のＰＺＴからなる２元系ぺロブスカイト構造を有する圧電薄膜では、より圧電係数（圧電特性）を大きくするには限界があった。このため、ＰＺＴからなる２元系ぺロブスカイト構造を有する圧電薄膜では、駆動電圧をより低電圧化することが困難であるという問題点があると考えられる。また、バルク材料からなる置換されたＰＺＴでは、バルク材料の結晶性が悪く、良質のぺロブスカイト構造を維持することが困難なため、圧電膜の圧電特性を十分に向上させることが困難であり、その結果、駆動電圧をより低電圧化することが困難であるという問題点があると考えられる。 However, the conventional piezoelectric thin film having a binary perovskite structure made of PZT has a limit in increasing the piezoelectric coefficient (piezoelectric characteristics). For this reason, it is considered that the piezoelectric thin film having a binary perovskite structure made of PZT has a problem that it is difficult to lower the driving voltage. Further, in substituted PZT made of a bulk material, it is difficult to sufficiently improve the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film because the bulk material has poor crystallinity and it is difficult to maintain a good perovskite structure, As a result, it is considered that it is difficult to lower the drive voltage.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ＰＺＴ系の材料を用いて駆動電圧をより低電圧化することが可能な振動ミラー素子を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to provide a vibrating mirror element capable of lowering the driving voltage using a PZT-based material. Is to provide.
上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、上記課題を解決するために以下のような構成を見出した、すなわち、この発明の一の局面による振動ミラー素子は、圧電膜を含む駆動部と、駆動部の振動で駆動されるミラー部とを備え、圧電膜は、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、および、ＰｂＴｉＯ３およびＰｂＺｒＯ３の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３のうちいずれか１つから構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素ＢＡおよびドナー元素ＢＤからなるＡ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ａ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３−ＡＢＯ３の薄膜から形成されている。 As a result of intensive studies by the inventors of the present invention in order to achieve the above object, the following configuration has been found in order to solve the above-described problems. That is, a vibrating mirror element according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric film. The piezoelectric film includes a driving unit and a mirror unit driven by vibration of the driving unit, and the piezoelectric film is any one of PbTiO 3 , PbZrO 3 , and a solid solution Pb (Zr, Ti) O 3 of PbTiO 3 and PbZrO 3. an intrinsic perovskite ferroelectrics composed ABO 3 structure because One, the ABO 3 structure B site is comprised of the acceptor element B a and donor element B D a (B a, B D) perovskite ferroelectrics O 3 a solid solution a (B a, B D) is formed of a thin film of O 3 -ABO 3.
この発明の一の局面による振動ミラー素子では、上記のように、圧電膜を、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、および、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３のうちいずれか１つから構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素ＢＡおよびドナー元素ＢＤからなるＡ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ａ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３−ＡＢＯ３の薄膜から形成する。これにより、固溶体Ａ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３−ＡＢＯ３の薄膜により圧電膜が形成されるので、薄膜ではないバルク構造の固溶体Ａ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３−ＡＢＯ３と比べて、良質のペロブスカイト構造を維持することができる。これにより、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数（圧電特性）の大きな圧電膜を形成することができるので、駆動電圧を低電圧化することができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。また、「真性ぺロブスカイト構造体」とは、ＡＢＯ３構造のＢサイトにＺｒおよびＴｉ以外の成分を添加しないぺロブスカイト構造を有する強誘電体のことを意味する。 In the vibrating mirror element according to one aspect of the present invention, as described above, the piezoelectric film has an ABO 3 structure including any one of PbTiO 3 , PbZrO 3 , and Pb (Zr, Ti) O 3. Solid solution A (B A , B) with an intrinsic perovskite ferroelectric of A and a perovskite ferroelectric of A (B A , B D ) O 3 whose B site of the ABO 3 structure is composed of acceptor element B A and donor element B D D ) It is formed from a thin film of O 3 -ABO 3 . Thus, compared solid solution A (B A, B D) since the piezoelectric film is formed by a thin film of O 3 -ABO 3, a solid solution A (B A, B D) of the bulk structure is not a thin film with O 3 -ABO 3 Thus, a good perovskite structure can be maintained. Accordingly, a piezoelectric film having a large piezoelectric coefficient (piezoelectric characteristics) can be formed using a PZT-based material, so that the driving voltage can be lowered. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later. The “intrinsic perovskite structure” means a ferroelectric having a perovskite structure in which components other than Zr and Ti are not added to the B site of the ABO 3 structure.
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、ペロブスカイト強誘電体は、ペロブスカイト強誘電体のＡサイトとしてＰｂを含み、アクセプター元素ＢＡとしてＭｎを含み、ドナー元素ＢＤとしてＮｂを含むＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３からなる。このように構成すれば、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数の大きな圧電膜を容易に形成することができる。 In the vibrating mirror element according to the above aspect, the perovskite ferroelectric preferably includes Pb as an A site of the perovskite ferroelectric, Mn as an acceptor element B A , and Pb including Nb as a donor element B D ( Mn, Nb) O 3 . With this configuration, a piezoelectric film having a large piezoelectric coefficient can be easily formed using a PZT material.
この場合、好ましくは、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率は、３０／７０から７０／３０までの範囲であり、圧電膜は、ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３と真性ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが０％より大きく２５％以下である。このように構成すれば、Ｚｒ／Ｔｉ比率および組成比率xが好ましい範囲に設定されるので、ＰＺＴ系の材料を用いて駆動電圧をより低電圧化させることができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。 In this case, preferably, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric is in the range of 30/70 to 70/30, and the piezoelectric film is intrinsic to Pb (Mn, Nb) O 3 of the perovskite ferroelectric. It is composed of a thin film of a solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti) O 3 ] with Pb (Zr, Ti) O 3 of a perovskite ferroelectric, and the composition ratio x is More than 0% and 25% or less. With such a configuration, the Zr / Ti ratio and the composition ratio x are set in a preferable range, so that the driving voltage can be further lowered using a PZT-based material. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later.
上記Ｚｒ／Ｔｉ比率が３０／７０から７０／３０までの範囲である構成において、好ましくは、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率は、４０／６０から６０／４０までの範囲であり、圧電膜は、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが５％以上２０％以下である。このように構成すれば、Ｚｒ／Ｔｉ比率がよりＭＰＢ組成（結晶構造が変化する組成比率であって、圧電係数が大きくなる組成）に近い範囲に設定されるので、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の圧電係数をより大きくすることができる。さらに、組成比率ｘがより好ましい範囲に設定されるので、駆動電圧を特に低電圧化させることができる。 In the configuration in which the Zr / Ti ratio is in the range of 30/70 to 70/30, the intrinsic perovskite ferroelectric preferably has a Zr / Ti ratio in the range of 40/60 to 60/40, The film is composed of a thin film of a solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti) O 3 ], and the composition ratio x is 5% or more and 20% or less. With this configuration, the Zr / Ti ratio is set to a range closer to the MPB composition (a composition ratio in which the crystal structure changes and the piezoelectric coefficient increases), so Pb (Zr, Ti) O The piezoelectric coefficient of 3 can be further increased. Furthermore, since the composition ratio x is set in a more preferable range, the driving voltage can be particularly lowered.
上記Ｚｒ／Ｔｉ比率が３０／７０から７０／３０までの範囲である構成において、好ましくは、圧電膜は、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが３％以上２５％以下である。このように構成すれば、組成比率ｘがより好ましい範囲に設定されるので、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の圧電係数をより大きくすることができる。さらに、組成比率ｘが特に好ましい範囲に設定されるので、駆動電圧をさらに低電圧化させることができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。 In the configuration in which the Zr / Ti ratio is in the range of 30/70 to 70/30, the piezoelectric film is preferably a solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti)]. O 3 ], and the composition ratio x is 3% or more and 25% or less. With this configuration, the composition ratio x is set in a more preferable range, so that the piezoelectric coefficient of Pb (Zr, Ti) O 3 can be further increased. Furthermore, since the composition ratio x is set in a particularly preferable range, the driving voltage can be further reduced. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later.
上記組成比率ｘが３％以上２５％以下である構成において、好ましくは、組成比率ｘが１０％以上２２％以下である。このように構成すれば、組成比率ｘが最適な範囲に設定されるので、ＰＺＴ系の材料を用いて駆動電圧を特に低電圧化させることができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。 In the configuration in which the composition ratio x is 3% or more and 25% or less, the composition ratio x is preferably 10% or more and 22% or less. With this configuration, the composition ratio x is set in an optimum range, so that the driving voltage can be lowered particularly using a PZT material. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later.
上記組成比率ｘが３％以上２５％以下である構成において、好ましくは、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率は、５０／５０近傍である。このように構成すれば、Ｚｒ／Ｔｉ比率がＭＰＢ組成近傍の比率に設定されるので、駆動電圧を特に低電圧化させることができる。 In the composition in which the composition ratio x is 3% or more and 25% or less, the intrinsic perovskite ferroelectric preferably has a Zr / Ti ratio in the vicinity of 50/50. If comprised in this way, since Zr / Ti ratio is set to the ratio of MPB composition vicinity, a drive voltage can be made low especially.
上記Ｚｒ／Ｔｉ比率が３０／７０から７０／３０までの範囲である構成において、好ましくは、圧電膜は、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが１５％以上２５％以下であり、かつ、圧電膜への印加電界が２０ｋＶ／ｃｍ以上４０ｋＶ／ｃｍ以下である。このように構成すれば、印加電界が２０ｋＶ／ｃｍ以上４０ｋＶ／ｃｍ以下の範囲で、圧電膜の圧電係数を大きくすることができるとともに、圧電膜の駆動電圧に対する変位が飽和特性を示すので、駆動電圧が低電圧化した状態であっても、圧電膜を大きく変形させることができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。 In the configuration in which the Zr / Ti ratio is in the range of 30/70 to 70/30, the piezoelectric film is preferably a solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti)]. O 3 ] thin film, the composition ratio x is 15% or more and 25% or less, and the electric field applied to the piezoelectric film is 20 kV / cm or more and 40 kV / cm or less. With this configuration, the piezoelectric coefficient of the piezoelectric film can be increased when the applied electric field is in the range of 20 kV / cm to 40 kV / cm, and the displacement of the piezoelectric film with respect to the driving voltage exhibits saturation characteristics. Even in a state where the voltage is lowered, the piezoelectric film can be greatly deformed. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later.
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、圧電膜は、ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３と真性ペロブスカイト強誘電体のＰｂＴｉＯ３との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが１０％以上５０％以下である。このように構成すれば、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］の薄膜により圧電膜が形成されるので、良質のペロブスカイト構造を維持することができる。その結果、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数（圧電特性）の大きな圧電膜を形成することができるので、駆動電圧を低電圧化することができる。また、圧電膜の電位に対する変位が飽和特性を示すので、駆動電圧が低電圧化した状態であっても、圧電膜を大きく変形させることができる。 In the vibrating mirror element according to the above aspect, the piezoelectric film is preferably a solid solution [xPb (Mg, Nb) O 3 ] of perovskite ferroelectric Pb (Mg, Nb) O 3 and intrinsic perovskite ferroelectric PbTiO 3. 3 · (1-x) PbTiO 3 ], and the composition ratio x is 10% or more and 50% or less. According to this structure, a solid solution [xPb (Mg, Nb) O 3 · (1-x) PbTiO 3] Since the piezoelectric film by a thin film of is formed, it is possible to maintain a perovskite structure of good quality. As a result, a piezoelectric film having a large piezoelectric coefficient (piezoelectric characteristics) can be formed using a PZT-based material, so that the driving voltage can be lowered. In addition, since the displacement of the piezoelectric film with respect to the potential exhibits saturation characteristics, the piezoelectric film can be greatly deformed even when the driving voltage is lowered.
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、圧電膜の膜厚は、２μｍ以上１０μｍ以下である。このように構成すれば、圧電膜がバルク材料とは異なるペロブスカイト構造を維持しやすい最適な薄膜状に形成されるので、確実に駆動電圧を低電圧化することができる。また、膜厚を２μｍ以上とすることにより、圧電膜の両面に配置される電極が近接して配置されることがないので、両電極間で短絡が生じるのを抑制することができる。また、膜厚を１０μｍ以下とすることにより、基板から圧電膜が剥離するのを抑制することができる。 In the vibrating mirror element according to the above aspect, the thickness of the piezoelectric film is preferably 2 μm or more and 10 μm or less. With this configuration, the piezoelectric film is formed in an optimum thin film shape that can easily maintain a perovskite structure different from that of the bulk material, so that the driving voltage can be surely lowered. Moreover, since the electrode arrange | positioned on both surfaces of a piezoelectric film is not arrange | positioned adjacent by setting a film thickness to 2 micrometers or more, it can suppress that a short circuit arises between both electrodes. Moreover, it can suppress that a piezoelectric film peels from a board | substrate by making a film thickness into 10 micrometers or less.
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部は、圧電膜の一方表面上に形成された第１駆動電極と、他方表面上に形成された第２駆動電極とを含み、第１駆動電極および第２駆動電極のうち少なくとも一方と圧電膜との界面には、導電性の金属酸化膜が形成されている。このように構成すれば、圧電膜の耐電圧を高めることができるので、リーク電流が急増する駆動電圧を高めることができる。その結果、リーク電流の急増に伴う発熱により圧電膜が損傷するのを抑制することができ、圧電膜の寿命を伸長させることができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。 In the vibrating mirror element according to the aforementioned aspect, the drive unit preferably includes a first drive electrode formed on one surface of the piezoelectric film and a second drive electrode formed on the other surface, A conductive metal oxide film is formed at the interface between at least one of the drive electrode and the second drive electrode and the piezoelectric film. With this configuration, the withstand voltage of the piezoelectric film can be increased, so that the drive voltage at which the leakage current increases rapidly can be increased. As a result, it is possible to suppress damage to the piezoelectric film due to heat generated due to a sudden increase in leakage current, and to extend the life of the piezoelectric film. This has been confirmed by experiments conducted to confirm the effects of the present invention described later.
この場合、好ましくは、金属酸化膜は、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化ニッケル、酸化白金、酸化イリジウム、酸化ストロンチウム・ルテニウムおよび酸化カルシウム・ルテニウムのうちの少なくとも１つから形成されている。このように構成すれば、圧電膜の耐電圧をより高めることができるので、圧電膜の寿命をより伸長させることができる。 In this case, preferably, the metal oxide film is formed of at least one of manganese oxide, ruthenium oxide, nickel oxide, platinum oxide, iridium oxide, strontium / ruthenium oxide, and calcium / ruthenium oxide. If comprised in this way, since the withstand voltage of a piezoelectric film can be raised more, the lifetime of a piezoelectric film can be extended more.
上記金属酸化膜が形成されている構成において、好ましくは、金属酸化膜の膜厚は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。このように構成すれば、金属酸化膜の表面を均一でかつ平坦な表面にすることができるとともに、振動（駆動）時に、圧電膜に歪が発生するのを抑制することができる。 In the structure in which the metal oxide film is formed, the metal oxide film preferably has a thickness of 5 nm to 200 nm. If comprised in this way, while being able to make the surface of a metal oxide film into a uniform and flat surface, it can suppress that distortion generate | occur | produces in a piezoelectric film at the time of vibration (driving).
本発明によれば、上記のように、駆動電圧をより低電圧化することが可能な振動ミラー素子を提供することができる。 According to the present invention, as described above, it is possible to provide a vibrating mirror element capable of lowering the drive voltage.
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
（第１実施形態）
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による振動ミラー素子１００の構成について説明する。
(First embodiment)
With reference to FIGS. 1-6, the structure of the
本発明の第１実施形態による振動ミラー素子１００は、図１および図２に示すように、Ｓｉからなる基板１０と、４つの圧電素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄとにより構成されている。なお、基板１０は、Ｓｉにより形成されている。また、圧電素子２０ａ〜２０ｄは、本発明の「駆動部」の一例である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the vibrating
基板１０は、ミラー部１１と、ミラー部１１に接続された一対のトーションバー１２ａおよび１２ｂと、一対のトーションバー１２ａおよび１２ｂにそれぞれ接続された一対の可動部１３ａおよび１３ｂと、一対の可動部１３ａおよび１３ｂに接続された枠体１４とにより構成されている。
The
ミラー部１１は、圧電素子２０ａ〜２０ｄに周期的な電圧が印加されて可動部１３ａおよび１３ｂが振動した場合に、一対のトーションバー１２ａおよび１２ｂを回動軸として共振振動を行うように構成されている。
The
一対の可動部１３ａおよび１３ｂの上面（矢印Ｚ１方向側の面）には、図１〜図３に示すように、４つの圧電素子２０ａ〜２０ｄが設けられている。また、４つの圧電素子２０ａ〜２０ｄは、図３に示すように、それぞれ、下部駆動電極２１と、圧電膜２２と、上部駆動電極２３とが積層された構造を有している。圧電膜２２は、下部駆動電極２１および上部駆動電極２３に電圧が印加された場合に、Ｙ方向に伸縮するように構成されている。この圧電膜２２の膜厚は、約２μｍ以上１０μｍ以下に形成されている。また、下部駆動電極２１および上部駆動電極２３は、いずれもＰｔから形成されている。また、振動ミラー素子１００は、下部駆動電極２１および上部駆動電極２３に、約２０ｋＶ／ｃｍ以上約４０ｋＶ／ｃｍ以下の電界が印加されることにより、駆動するように構成されている。なお、下部駆動電極２１は、本発明の「第１駆動電極」の一例である。また、上部駆動電極２３は、本発明の「第２駆動電極」の一例である。
As shown in FIGS. 1 to 3, four
また、圧電素子２０ａ（２０ｃ）および圧電素子２０ｂ（２０ｄ）の上部駆動電極２３および下部駆動電極２１は、互いに逆位相の電圧が振動ミラー素子１００の共振周波数と略等しい周波数で印加されるように構成されている。その結果、図４および図５に示すように、ミラー部１１は、所定の回動角度により交互に共振振動するように構成されている。そして、振動ミラー素子１００は、ミラー部１１にレーザー光などが照射されると、ミラー部１１の回動角度に応じて反射光の反射角度を変更可能に構成されている。
In addition, the
次に、第１実施形態による圧電膜２２を形成する材料について説明する。
Next, materials for forming the
ここで、第１実施形態では、圧電膜２２は、ＰｂＴｉＯ３およびＰｂＺｒＯ３の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３から構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター原子Ｍｎ２＋およびドナー原子Ｎｂ５＋からなるＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］（以下、ＰＭｎＮ−ＰＺＴと記す）の薄膜から形成されている。なお、真性ペロブスカイト強誘電体およびペロブスカイト強誘電体は、いずれもＡＢＯ３構造のＡサイトがＰｂからなる。
In the first embodiment, the
要するに、第１実施形態の圧電膜２２は、ぺロブスカイト構造を維持することが困難な焼結によって形成されるバルク材料のＢサイトにドナー原子およびアクセプター原子を添加する構成ではない。第１実施形態の圧電膜２２は、ＡＢＯ３構造のＢサイトにドナー原子Ｎｂ５＋およびアクセプター原子Ｍｎ２＋を添加するペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３と、真性ペロブスカイト強誘電体（ＰＺＴ）とからなる、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜から形成されている。
In short, the
また、図６のａｂｃｄ領域に示すように、圧電膜２２を形成するペロブスカイト強誘電体（ＰＭｎＮ）および真性ペロブスカイト強誘電体（ＰＺＴ）に対する、ペロブスカイト強誘電体（ＰＭｎＮ）の組成比率ｘは、０％よりも大きく約２５％以下である。また、真性ペロブスカイト強誘電体を構成するＺｒおよびＴｉの比率は、Ｚｒが約３０％およびＴｉが約７０％（約３０／７０）から、Ｚｒが約７０％およびＴｉが約３０％（約７０／３０）までの範囲である。このような材料構成により、大きな圧電係数の圧電膜２２を得ることが可能である。
Further, as shown in the abcd region of FIG. 6, the composition ratio x of the perovskite ferroelectric (PMnN) to the perovskite ferroelectric (PMnN) and the intrinsic perovskite ferroelectric (PZT) forming the
また、真性ペロブスカイト強誘電体は、ＺｒおよびＴｉの比率が５０／５０近傍でＭＰＢ（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ）組成の近傍となる。また、一般的に、真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴは、ＭＰＢ組成の近傍となる場合に、圧電係数が極めて大きくなる性質を有している。 In addition, the intrinsic perovskite ferroelectric is in the vicinity of the MPB (Morphotropic Phase Boundary) composition when the ratio of Zr and Ti is in the vicinity of 50/50. In general, PZT, which is an intrinsic perovskite ferroelectric, has the property that the piezoelectric coefficient becomes extremely large when it is close to the MPB composition.
ここで、圧電膜２２をバルク材料よりなる真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴから形成する場合を想定する。この場合には、大きい圧電係数がＭＰＢ組成の近傍に限られるため、低い駆動電圧により大きな振動変位を得るためには、ＺｒおよびＴｉの比率がＭＰＢ組成の近傍に限定される。一方、圧電膜２２がＰＭｎＭ−ＰＺＴの薄膜からなる場合には、上記のように、ＭＰＢ組成の近傍に限られることはない。
Here, it is assumed that the
また、図６のｅｆｇｈ領域に示すように、上記のＺｒおよびＴｉの比率を約３０／７０から約７０／３０までの範囲よりも、さらに限定してＭＰＢ組成に近い約４０／６０から約６０／４０までの範囲にするとともに、ペロブスカイト強誘電体の組成比率ｘを約５％よりも大きく約２０％以下とすると、より大きな圧電係数の圧電膜２２を得ることが可能である。
Further, as shown in the efgh region of FIG. 6, the ratio of Zr and Ti is more limited than the range of about 30/70 to about 70/30, and is more limited to about 40/60 to about 60 which is close to the MPB composition. When the range is up to / 40 and the composition ratio x of the perovskite ferroelectric is greater than about 5% and about 20% or less, the
ここで、図６において、ｘＰＭｎＮ−（１−ｘ）ＰＺＴの薄膜の組成比率を０％、かつ、ＺｒおよびＴｉの比率を約５０／５０近傍（ＭＰＢ組成近傍）となる点ｏと比べて、点ｃ（２５％、７０／３０）および点ｄ（２５％、３０／７０）での駆動電圧は５Ｖ低下させることが可能である。また、点ｅ（５％、６０／４０）および点ｆ（５％、４０／６０）での駆動電圧は５Ｖ低下させることが可能である。また、点ｇ（２０％、６０／４０）および点ｈ（２０％、４０／６０）での駆動電圧は５Ｖ低下させることが可能である。 Here, in FIG. 6, the composition ratio of the thin film of xPMnN- (1-x) PZT is 0%, and the ratio of Zr and Ti is about 50/50 (near the MPB composition). The driving voltage at the point c (25%, 70/30) and the point d (25%, 30/70) can be reduced by 5V. Further, the driving voltage at the point e (5%, 60/40) and the point f (5%, 40/60) can be reduced by 5V. Further, the driving voltage at the point g (20%, 60/40) and the point h (20%, 40/60) can be reduced by 5V.
ここで、再び、圧電膜２２をバルク材料よりなる真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴから形成する場合を想定する。この場合には、大きい圧電係数がＭＰＢ組成の近傍に限られるため、低い駆動電圧により大きな振動変位を得るためには、ＺｒおよびＴｉの比率がＭＰＢ組成の近傍に限定される。
Here, it is assumed again that the
また、ＰＭｎＮの組成比率ｘが約３％以上約２５％以下で、圧電膜２２は、所定駆動電圧に対して大きな振動変位を得られる。このような効果は、構成比率ｘが約１０％以上約２２％以下で顕著に得られる。
Further, when the composition ratio x of PMnN is about 3% or more and about 25% or less, the
次に、第１実施形態による圧電膜２２の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、基板１０の上面上（Ｚ１方向側）にスパッタリング法により、導電性のヘテロ構造（１１０）ＳＲＯ／（００１）Ｐｔ／Ｔｉ（ＳＲＯは導電性化合物のＳｒＲｕＯ３（酸化ストロンチウム・ルテニウム）を指す）の下部駆動電極２１を形成する。この際、下部駆動電極２１は、基板１０の温度を約６５０℃に設定した状態で形成される。そして、下部駆動電極２１の上面上にＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜をスパッタリング法により付着させ、圧電膜２２を形成する。この際、圧電膜２２は、基板１０の温度を約４５０℃から約６５０℃までの範囲に設定した状態で形成される。これにより、平滑な表面および高い結晶性を有する透明な圧電膜２２を得ることが可能となる。なお、圧電膜２２は、基板１０の温度を約５５０℃から約６００℃までの範囲に設定することにより、特に平滑な表面および高い結晶性を得ることが可能となる。
First, a conductive heterostructure (110) SRO / (001) Pt / Ti (SRO is a conductive compound SrRuO 3 (strontium ruthenium oxide)) is formed on the upper surface (Z1 direction side) of the
上記第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。 In the first embodiment, the following effects can be obtained.
第１実施形態では、上記のように、圧電膜２２を、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３から構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素Ｍｎおよびドナー元素ＮｂからなるＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の薄膜から形成する。これにより、固溶体Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の薄膜により圧電膜２２が形成されるので、薄膜ではないバルク構造のＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３と比べて、所定比率以上のペロブスカイト強誘電体が添加された場合においても良質のペロブスカイト構造を維持することができる。これにより、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数の大きな圧電膜２２を形成することができるので、駆動電圧を低電圧化することができる。
In the first embodiment, as described above, the
また、第１実施形態では、ペロブスカイト強誘電体を、ペロブスカイト強誘電体のＡサイトをＰｂとし、アクセプター元素ＢＡをＭｎとするとともに、ドナー元素ＢＤをＮｂを含むＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３から構成する。これにより、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数の大きな圧電膜２２を容易に形成することができる。
In the first embodiment, a perovskite ferroelectric, the A site of the perovskite ferroelectric and Pb, an acceptor element B A with the Mn, the donor element B D containing Nb Pb (Mn, Nb) O It consists of three . Accordingly, the
また、第１実施形態では、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率は、約３０／７０から約７０／３０までの範囲として、圧電膜２２を、ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３と真性ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成し、組成比率ｘを０％より大きく約２５％以下とする。これにより、Ｚｒ／Ｔｉ比率および組成比率ｘが好ましい範囲に設定されるので、ＰＺＴ系の材料を用いて駆動電圧をより低電圧化させることができる。
In the first embodiment, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric is in the range of about 30/70 to about 70/30, and the
また、第１実施形態では、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率を、約４０／６０から約６０／４０までの範囲とし、圧電膜２２を、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成し、組成比率ｘを約５％以上約２０％以下とする。これにより、Ｚｒ／Ｔｉ比率がよりＭＰＢ組成に近い範囲に設定されるので、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の圧電係数をより大きくすることができる。さらに、組成比率ｘがより好ましい範囲に設定されるので、駆動電圧を特に低電圧化させることができる。
In the first embodiment, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric is set in a range from about 40/60 to about 60/40, and the
また、第１実施形態では、圧電膜２２を、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成し、組成比率ｘを約３％以上約２５％以下とする。これにより、組成比率ｘがより好ましい範囲に設定されるので、ＰＺＴ系の材料を用いて駆動電圧をさらに低電圧化させることができる。
In the first embodiment, the
また、第１実施形態では、組成比率ｘを約１０％以上約２２％以下とする。これにより、組成比率ｘが最適な範囲に設定されるので、駆動電圧を特に低電圧化させることができる。 In the first embodiment, the composition ratio x is about 10% or more and about 22% or less. As a result, the composition ratio x is set in an optimum range, and thus the drive voltage can be lowered particularly.
また、第１実施形態では、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率を、約５０／５０近傍とする。これにより、Ｚｒ／Ｔｉ比率がＭＰＢ組成近傍の比率に設定されるので、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の圧電係数をより大きくすることができる。 In the first embodiment, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric is about 50/50. Thereby, since the Zr / Ti ratio is set to a ratio in the vicinity of the MPB composition, the piezoelectric coefficient of Pb (Zr, Ti) O 3 can be further increased.
また、第１実施形態では、圧電膜２２を、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成し、組成比率ｘを約１５％以上約２５％以下とし、かつ、圧電膜２２への印加電界を約２０ｋＶ／ｃｍ以上約４０ｋＶ／ｃｍ以下とする。これにより、印加電界が約２０ｋＶ／ｃｍ以上約４０ｋＶ／ｃｍ以下の範囲で、圧電膜２２の圧電係数を大きくすることができるとともに、圧電膜２２の駆動電圧に対する変位が飽和特性を示すので、駆動電圧が低電圧化した状態であっても、圧電膜２２を大きく変形させることができる。
In the first embodiment, the
また、第１実施形態では、圧電膜２２の膜厚を、約２μｍ以上約１０μｍ以下とする。これにより、圧電膜２２がバルク材料とは異なるペロブスカイト構造を維持しやすい最適な薄膜状に形成されるので、確実に駆動電圧を低電圧化することができる。また、膜厚を２μｍ以上とすることにより、圧電膜２２の両面に配置される下部駆動電極２１および上部駆動電極２３が近接して配置されることがないので、両電極間で短絡が生じるのを抑制することができる。また、膜厚を１０μｍ以下とすることにより、基板１０から圧電膜２２が剥離するのを抑制することができる。
In the first embodiment, the thickness of the
次に、図７〜図１３を参照して、本発明の上記第１実施形態の効果を確認するために行った種々の測定について説明する。 Next, with reference to FIGS. 7 to 13, various measurements performed to confirm the effect of the first embodiment of the present invention will be described.
（第１実験）
まず、図７および図８を参照して、Ｘ線回折（Ｘ―Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）装置により、圧電膜を形成する結晶の配向について測定を行った。
(First experiment)
First, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the orientation of the crystal forming the piezoelectric film was measured by an X-ray diffraction (XRD) apparatus.
このＸ線回折測定では、実施例１として、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜を形成する結晶の配向について測定した。また、比較例１として、市販されている真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴの薄膜についても測定を行った。 In this X-ray diffraction measurement, as Example 1, the orientation of crystals forming a piezoelectric film formed of a PMnN-PZT thin film was measured. As Comparative Example 1, a commercially available intrinsic perovskite ferroelectric PZT thin film was also measured.
具体的には、ＰＺＴにおけるＺｒおよびＴｉの比率をＭＰＢ組成近傍の５０／５０とした。また、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜の中でのペロブスカイト強誘電体のＰＭｎＮの組成比率を６％および真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴの組成比率を９４％とした。 Specifically, the ratio of Zr and Ti in PZT was 50/50 near the MPB composition. In the PMnN-PZT thin film, the composition ratio of PMnN of the perovskite ferroelectric was 6%, and the composition ratio of PZT of the intrinsic perovskite ferroelectric was 94%.
Ｘ線回折測定の結果としては、図７に示すように、実施例１においては、ミラー指数が（００１）面および（００２）面において強い配向を示した。すなわち、分極軸のＺ軸がほとんど単一の配向であった。一方、図８に示すように、比較例１においては、（００１）面および（００２）面に加えて（１０１）面などにおいても強い配向を示した。 As a result of the X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 7, in Example 1, the Miller index showed a strong orientation in the (001) plane and the (002) plane. That is, the Z axis of the polarization axis was almost a single orientation. On the other hand, as shown in FIG. 8, in Comparative Example 1, strong orientation was also observed in the (101) plane in addition to the (001) plane and the (002) plane.
上記のようなＸ線回折測定の結果から、実施例１の圧電膜は、（００１）面方向に規則的な結晶性を有することが判明した。このことから、実施例１の圧電膜は電圧印加時においては、（００１）面方向に特に伸縮し易いことが見出された。一方、比較例１の圧電膜は、実施例１と比べて、（００１）面方向に規則的な結晶性をあまり有していないため、特に（００１）面方向に伸縮し易いとは考えられない。 From the above X-ray diffraction measurement results, it was found that the piezoelectric film of Example 1 had regular crystallinity in the (001) plane direction. From this, it was found that the piezoelectric film of Example 1 was particularly easy to expand and contract in the (001) plane direction when a voltage was applied. On the other hand, since the piezoelectric film of Comparative Example 1 does not have much regular crystallinity in the (001) plane direction as compared with Example 1, it is considered that it is particularly easily stretched in the (001) plane direction. Absent.
したがって、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜は、市販のＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜よりも高い圧電特性を有していると考えられる。 Therefore, it is considered that the piezoelectric film formed of the PMnN—PZT thin film has higher piezoelectric characteristics than the piezoelectric film formed of the commercially available PZT thin film.
（第２実験）
次に、図９および図１０を参照して、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜の変位を測定した。
(Second experiment)
Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, the displacement of the piezoelectric film formed of the PMnN-PZT thin film was measured.
この変位測定では、圧電膜のＰＭｎＮの組成比率ｘが異なる比較例２、実施例２、３および４とについて、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜を有するカンチレバーの変位を測定した。 In this displacement measurement, the displacement of a cantilever having a piezoelectric film formed of a PMnN-PZT thin film was measured for Comparative Example 2, Examples 2, 3 and 4 having different PMnN composition ratios x of the piezoelectric film.
具体的には、図９に示すように、壁面１０１に一方端が固定された矩形の平板状のカンチレバー１０２を作製した。このカンチレバー１０２は、基板１１０上に圧電膜１２２（ＰＭｎをｘ％添加したｘＰＭｎＮ−（１−ｘ）ＰＺＴの薄膜）を形成することにより作成した。また、図示しない駆動電極を、圧電膜１２２の両面上の全域に形成した。
Specifically, as shown in FIG. 9, a rectangular
ここで、カンチレバー１０２の長さＬは、２０００μｍとした。また、カンチレバー１０２の圧電膜１２２の厚さｔ１を３μｍとした。また、カンチレバー１０２の厚みｔ２を３０μｍとした。また、駆動電極に印加する電圧を３０Ｖとした。また、ＰＺＴのＺｒおよびＴｉの比率をＭＰＢ組成近傍の５０／５０とした。
Here, the length L of the
ここで、比較例２では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを０％（ＰＺＴの構成比率１００％）とした。また、実施例２では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１０％とした。また、実施例３では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２０％とした。また、実施例４では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２５％とした。そして、このような条件設定の下、カンチレバーの先端（自由端）における変位を測定した。
Here, in Comparative Example 2, the composition ratio x of PMnN was set to 0% (
変位測定の結果としては、図１０に示すように、ＰＭｎＮの組成比率０％の比較例２においては、変位が１４μｍとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率１０％の実施例２においては、変位が２０μｍとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率２０％の実施例３においては、変位が１９μｍとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率２５％の実施例４においては、変位が１２μｍとなった。 As a result of the displacement measurement, as shown in FIG. 10, in Comparative Example 2 in which the composition ratio of PMnN was 0%, the displacement was 14 μm. In Example 2 where the composition ratio of PMnN was 10%, the displacement was 20 μm. In Example 3 where the composition ratio of PMnN was 20%, the displacement was 19 μm. In Example 4 where the composition ratio of PMnN was 25%, the displacement was 12 μm.
上記のような変位測定の結果から、ＰＭｎＮの組成比率ｘが０％から増加するにつれて、変位も増加することが判明した。そして、ＰＭｎＮの組成比率ｘの１５％（変位が約２１μｍ）辺りから変位が減少に転じて、少なくとも２５％まで減少し続けることが判明した。 From the above displacement measurement results, it was found that the displacement increases as the composition ratio x of PMnN increases from 0%. Then, it was found that the displacement started to decrease from around 15% (displacement was about 21 μm) of the PMnN composition ratio x and continued to decrease to at least 25%.
また、ＰＭｎＮの組成比率ｘが２５％以下で十分な変位が得られた。さらに、ＰＭｎＮの組成比率ｘが３％以上２５％以下で大きな変位を得られることが判明した。したがって、ＰＭｎＮの組成比率ｘが３％以上２５％以下で振動ミラー素子を構成するのが好ましいことが判明した。また、その中でも、ＰＭｎＮの組成比率ｘが１０％以上２２％以下の範囲においては、ＰＭｎＮの添加の効果が、特に大きいと判明した。すなわち、ＰＭｎＮの組成比率ｘが１２％以上２０％以下の範囲では、約１８μｍを超える変位を得ることができるため、特に振動ミラー素子を構成するのに好ましいことが判明した。さらに、ＰＭｎＮの組成比率が１０％以上２０％以下では、約２０μｍを超える変位を得ることができるため、駆動電圧をより一層低電圧化させることが可能であると判明した。また、比較例２とＰＭｎＮの組成比率が１５％の場合との変位を比較することにより、ＰＭｎＮの添加によって圧電係数は最大で約１．５倍になることが判明した。 Moreover, sufficient displacement was obtained when the composition ratio x of PMnN was 25% or less. Furthermore, it was found that a large displacement can be obtained when the composition ratio x of PMnN is 3% or more and 25% or less. Therefore, it has been found that it is preferable that the oscillating mirror element is configured with a composition ratio x of PMnN of 3% to 25%. Further, among them, the effect of addition of PMnN was found to be particularly large when the composition ratio x of PMnN was in the range of 10% to 22%. That is, when the composition ratio x of PMnN is in the range of 12% or more and 20% or less, a displacement exceeding about 18 μm can be obtained, and it has been found that this is particularly preferable for constructing a vibrating mirror element. Furthermore, it was found that when the composition ratio of PMnN is 10% or more and 20% or less, a displacement exceeding about 20 μm can be obtained, so that the driving voltage can be further lowered. Further, by comparing the displacement between Comparative Example 2 and the case where the composition ratio of PMnN is 15%, it has been found that the addition of PMnN increases the piezoelectric coefficient by about 1.5 times at the maximum.
ここで、従来のバルク材料では、真性ペロブスカイト強誘電体のＰＺＴに新たな成分のＰＭｎＮを約１０％以上添加するとぺロブスカイト構造を維持することができなくなることが知られている。このため、ＰＭｎＮを約１０％以上添加することは、圧電特性の低下を引き起こす要因となる。一方、本発明の薄膜材料では、ＰＭｎＮを２５％付近まで添加したとしても大きい圧電特性を得られることが見い出された。 Here, with conventional bulk materials, it is known that the perovskite structure cannot be maintained when about 10% or more of a new component, PMnN, is added to the intrinsic perovskite ferroelectric PZT. For this reason, adding about 10% or more of PMnN becomes a factor that causes a decrease in piezoelectric characteristics. On the other hand, in the thin film material of the present invention, it was found that even when PMnN was added up to about 25%, large piezoelectric characteristics could be obtained.
このような結果は、本発明の薄膜材料では、バルク材料と異なり、ＰＭｎＮを約１０％以上添加したとしても、良質のぺロブスカイト構造が維持されるという、バルク材料では想像もし得ない薄膜固有の現象によりもたらされている。このような現象は、バルク材料と、本発明の薄膜材料との圧電膜１２２の製造方法の違いに起因していると考えられる。すなわち、バルク材料では、粒径１μｍ程度の原料粉末の焼結により圧電膜１２２が形成されるのに対して、本発明の薄膜材料では、圧電膜１２２が化学反応（原子レベルでの焼結）により形成されているため、結晶の規則性に差が生じ、上記のような圧電膜１２２の構造の違いが発生したと考えられる。
These results indicate that, unlike the bulk material, the thin film material of the present invention maintains a good perovskite structure even when PMnN is added in an amount of about 10% or more. It is brought about by the phenomenon. Such a phenomenon is considered to be caused by a difference in manufacturing method of the
（第３実験）
次に、図１１を参照して、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜を有する振動ミラー素子に照射されるレーザ光を所定の角度偏向させるために必要な駆動電圧を測定した。
(Third experiment)
Next, referring to FIG. 11, the drive voltage required to deflect the laser beam applied to the vibrating mirror element having the piezoelectric film formed of the PMnN-PZT thin film by a predetermined angle was measured.
この印加電圧測定では、圧電膜のＰＭｎＮの組成比率ｘが異なる比較例３と実施例５、６および７との振動ミラー素子について、駆動電圧を測定した。 In this applied voltage measurement, the drive voltage was measured for the vibrating mirror elements of Comparative Example 3 and Examples 5, 6 and 7 having different composition ratio x of PMnN of the piezoelectric film.
具体的には、ミラー素子１００に対して、照射されるレーザ光を２０度偏向させるのに必要な駆動電圧を測定した。また、ＰＺＴのＺｒおよびＴｉの比率をＭＰＢ組成近傍の５０／５０とした。
Specifically, the drive voltage required to deflect the irradiated laser beam by 20 degrees with respect to the
ここで、比較例３では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを０％とした。また、実施例５では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１０％とした。また、実施例６では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２０％とした。また、実施例７では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２５％とした。そして、このような条件設定の下、レーザ光を所定の角度２０度偏向させるのに必要な駆動電圧を測定した。なお、測定は、上記第２実験と同様のＰＭｎＮの組成比率０％、１０％、２０％および２５％について行った。 Here, in Comparative Example 3, the composition ratio x of PMnN was set to 0%. In Example 5, the composition ratio x of PMnN was 10%. In Example 6, the composition ratio x of PMnN was 20%. In Example 7, the composition ratio x of PMnN was set to 25%. Then, under such a condition setting, a driving voltage necessary for deflecting the laser beam by a predetermined angle of 20 degrees was measured. The measurement was performed for PMnN composition ratios of 0%, 10%, 20%, and 25% as in the second experiment.
変位測定の結果としては、図１１に示すように、ＰＭｎＮの組成比率０％の比較例３においては、印加電圧が３０Ｖとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率１０％の実施例５においては、駆動電圧が１５Ｖとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率２０％の実施例６においては、駆動電圧が１２Ｖとなった。また、ＰＭｎＮの組成比率２５％の実施例７においては、駆動電圧が３０Ｖとなった。 As a result of the displacement measurement, as shown in FIG. 11, in Comparative Example 3 in which the composition ratio of PMnN was 0%, the applied voltage was 30V. In Example 5 in which the composition ratio of PMnN was 10%, the driving voltage was 15V. In Example 6 in which the composition ratio of PMnN was 20%, the drive voltage was 12V. In Example 7 in which the composition ratio of PMnN was 25%, the drive voltage was 30V.
上記のような駆動電圧測定の結果から、ＰＭｎＮの組成比率ｘが０％から増加するにつれて、駆動電圧は減少することが判明した。そして、ＰＭｎＮの組成比率ｘの１７％辺り（駆動電圧が約１０Ｖ辺り）から変位が増加することが判明した。 From the results of the driving voltage measurement as described above, it was found that the driving voltage decreases as the composition ratio x of PMnN increases from 0%. Then, it was found that the displacement increases from around 17% of the composition ratio x of PMnN (the driving voltage is around 10 V).
また、比較例３と比較した場合、ＰＭｎＮの組成比率ｘが３％以上２５％以下とすることにより、駆動電圧を約１５％から約６０％程度低下することが判明した。したがって、ＰＭｎＮの組成比率ｘを３％以上２５％以下として、振動ミラー素子の圧電膜を構成することが好ましいと判明した。 Further, when compared with Comparative Example 3, it was found that when the composition ratio x of PMnN is 3% or more and 25% or less, the drive voltage is reduced from about 15% to about 60%. Therefore, it has been found that it is preferable to configure the piezoelectric film of the vibrating mirror element by setting the composition ratio x of PMnN to 3% or more and 25% or less.
また、その中でも、ＰＭｎＮの組成比率ｘが１０％以上２２％以下の範囲においては、比較例３に対して、駆動電圧を約５０％から約６０％程度低下することが判明した。したがって、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１０％以上２２％以下の範囲として、特に振動ミラー素子の圧電膜を構成することが好ましいと判明した。 Further, among them, it was found that when the composition ratio x of PMnN is in the range of 10% or more and 22% or less, the driving voltage is reduced by about 50% to about 60% compared to Comparative Example 3. Accordingly, it has been found that it is particularly preferable to configure the piezoelectric film of the vibrating mirror element by setting the composition ratio x of PMnN in the range of 10% to 22%.
また、ＰＭｎＮの組成比率ｘが２０％以上となる場合には、駆動電圧が急激に増加していくことが判明した。このことからも、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１０％以上２０％以下の範囲として、振動ミラー素子の圧電膜を構成するのが特に好ましい。なお、本第３実験では、好ましいＰＭｎＮの組成比率ｘについて、上記第２実験の結果と概ね対応する結果が得られた。 Further, it was found that when the composition ratio x of PMnN is 20% or more, the drive voltage increases rapidly. For this reason as well, it is particularly preferable to configure the piezoelectric film of the vibrating mirror element by setting the composition ratio x of PMnN in the range of 10% to 20%. In the third experiment, a result substantially corresponding to the result of the second experiment was obtained with respect to the preferable composition ratio x of PMnN.
（第４実験）
次に、図１２を参照して、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜１２２を用いて、駆動電圧に対する圧電膜１２２の変位を測定した。
(4th experiment)
Next, with reference to FIG. 12, the displacement of the
この変位測定では、圧電膜１２２のＰＭｎＮの組成比率ｘが異なる比較例４と実施例８、９、１０および１１の振動ミラー素子について、駆動電圧を変えることにより、ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜により形成された圧電膜１２２を有するカンチレバー１０２の変位を測定した。なお、カンチレバー１０２の形状は、図９に示す上記第２実験と同一である。また、ＺｒおよびＴｉの比率をＭＰＢ組成近傍の５０／５０とした。
In this displacement measurement, the vibration mirror elements of Comparative Example 4 and Examples 8, 9, 10 and 11 having different PMnN composition ratios x of the
ここで、比較例４では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを０％とした。また、実施例８では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１０％とした。また、実施例９では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを１５％とした。また、実施例１０では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２０％とした。また、実施例１１では、ＰＭｎＮの組成比率ｘを２５％とした。 Here, in Comparative Example 4, the composition ratio x of PMnN was set to 0%. In Example 8, the composition ratio x of PMnN was 10%. In Example 9, the composition ratio x of PMnN was 15%. In Example 10, the composition ratio x of PMnN was 20%. In Example 11, the composition ratio x of PMnN was 25%.
変位測定の結果としては、図１２に示すように、比較例４では、駆動電圧と変位との関係が２次曲線状となり、実施例８では、１次曲線状となり、実施例９、１０および１１では、飽和曲線状となった。つまり、実施例９〜１１では、駆動電圧が大きくなるに従い変位の変化量が小さくなった。 As a result of the displacement measurement, as shown in FIG. 12, in Comparative Example 4, the relationship between the drive voltage and the displacement is a quadratic curve, and in Example 8, the relationship is a linear curve. In No. 11, a saturation curve was obtained. That is, in Examples 9 to 11, the amount of change in displacement decreased as the drive voltage increased.
上記のような変位測定の結果から、ＰＭｎＮの組成比率が増加するにつれて、変位の変化量が大きくなることが判明した。また、ＰＭｎＮの組成比率が２０％付近で、駆動電圧に対する変位の変化量が徐々に変わらなくなることが判明した。また、ＰＭｎＮの添加量を異ならせることにより駆動電圧を制御可能であることが判明した。 From the results of displacement measurement as described above, it was found that the amount of change in displacement increases as the composition ratio of PMnN increases. Further, it has been found that when the composition ratio of PMnN is around 20%, the amount of change in displacement with respect to the drive voltage does not gradually change. It has also been found that the drive voltage can be controlled by varying the amount of PMnN added.
（第５実験）
次に、図１３を参照して、圧電膜のＰＭｎＮの組成比率ｘを２０％として、飽和状態（上記第４実験の飽和曲線を描く状態）の圧電膜に加えられる印加電界に対する圧電係数（圧電応力係数、電界に対する応力値）を測定した。また、ＺｒおよびＴｉの比率をＭＰＢ組成近傍の５０／５０とした。
(Fifth experiment)
Next, referring to FIG. 13, assuming that the composition ratio x of PMnN of the piezoelectric film is 20%, the piezoelectric coefficient (piezoelectricity) with respect to the applied electric field applied to the piezoelectric film in the saturated state (state in which the saturation curve of the fourth experiment is drawn) The stress coefficient and the stress value against the electric field) were measured. The ratio of Zr and Ti was 50/50 near the MPB composition.
ここで、実施例１２では、印加電界を２０ｋＶ／ｃｍとした。また、実施例１３では、印加電界を４０ｋＶ／ｃｍとした。また、実施例１４では、印加電界を７０ｋＶ／ｃｍとした。また、実施例１５では、印加電界を１００ｋＶ／ｃｍとした。 Here, in Example 12, the applied electric field was 20 kV / cm. In Example 13, the applied electric field was 40 kV / cm. In Example 14, the applied electric field was 70 kV / cm. In Example 15, the applied electric field was 100 kV / cm.
圧電係数測定の結果としては、図１３に示すように、実施例１２および実施例１３では、圧電係数が−２８Ｃ／ｍ２となった。また、実施例１４では、圧電係数が−２４Ｃ／ｍ２となった。また、実施例１５では、圧電係数が−２０Ｃ／ｍ２となった。 As a result of the piezoelectric coefficient measurement, as shown in FIG. 13, in Example 12 and Example 13, the piezoelectric coefficient was −28 C / m 2 . In Example 14, the piezoelectric coefficient was −24 C / m 2 . In Example 15, the piezoelectric coefficient was −20 C / m 2 .
上記のような圧電係数測定の結果から、圧電係数は、低い印加電界で大きくなることが判明した。したがって、ＰＭｎＮの添加量を２０％に増加させた場合には、大きい圧電係数が小さい電圧（印加電界）で得られるため、駆動電圧をより低下させることが可能となることが判明した。また、本出願人は、鋭意検討した結果、駆動電圧を低下させるための最適化条件は、固溶体ＰＭｎＮ−ＰＺＴの薄膜において、ＰＭｎＮの組成比率ｘが１５％以上２５％以下（飽和特性）、ＰＺＴのＺｒとＴｉとの比率が３０／７０から７０／３０までの範囲、かつ、印加電界が２０ｋＶ／ｃｍ以上４０ｋＶ／ｃｍ以下であることを見い出した。また、第４実施例で用いた圧電膜では、圧電歪定数（電界に対する歪値）が、−２４８×１０−１２Ｃ／Ｎになった。この値は、市販のＰＺＴ薄膜の圧電歪定数（−２００×１０−１２Ｃ／Ｎ）よりも大きい。この結果、高温環境下であっても、安定して駆動させることが可能であると判明した。 From the results of the piezoelectric coefficient measurement as described above, it has been found that the piezoelectric coefficient increases with a low applied electric field. Therefore, it was found that when the amount of PMnN added is increased to 20%, a large piezoelectric coefficient can be obtained with a small voltage (applied electric field), so that the driving voltage can be further reduced. Further, as a result of diligent study by the present applicant, the optimization condition for reducing the driving voltage is that the composition ratio x of PMnN is 15% or more and 25% or less (saturation characteristics) in the solid solution PMnN-PZT thin film, and PZT. It has been found that the ratio of Zr and Ti in the range of 30/70 to 70/30 and the applied electric field is 20 kV / cm or more and 40 kV / cm or less. In the piezoelectric film used in the fourth example, the piezoelectric strain constant (strain value with respect to the electric field) was −248 × 10 −12 C / N. This value is larger than the piezoelectric strain constant (−200 × 10 −12 C / N) of a commercially available PZT thin film. As a result, it has been found that it can be driven stably even in a high temperature environment.
（第２実施形態）
図３を参照して、本発明の第２実施形態による振動ミラー素子２００の構成について説明する。
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 3, the structure of the
この第２実施形態では、圧電膜２２を固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜から形成した上記第１実施形態とは異なり、圧電膜２２２を固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］の薄膜から形成した例について説明する。
In the second embodiment, unlike the first embodiment in which the
ここで、第２実施形態では、図３に示す圧電膜２２２は、ＰｂＴｉＯ３から構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター原子Ｍｇおよびドナー原子ＮｂからなるＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］（以下、ＰＭｇＮ−ＰＴと記す）の薄膜から形成されている。なお、真性ペロブスカイト強誘電体およびペロブスカイト強誘電体はともに、ＡサイトがＰｂからなる。
In the second embodiment, the
また、圧電膜２２２を形成するペロブスカイト強誘電体および真性ペロブスカイト強誘電体に対する、ペロブスカイト強誘電体の組成比率ｘは、約１０％以上約５０％以下である。組成比率ｘを約１０％以上約５０％以下とすることにより、圧電膜２２２の駆動電圧に対する変位が飽和特性を示し、その結果、圧電膜２２２の圧電特性の向上を図ることが可能に構成である。なお、組成比率が約１０％未満となった場合には、振動ミラー素子２００の動作特性が不安定になる。
The composition ratio x of the perovskite ferroelectric to the perovskite ferroelectric and the intrinsic perovskite ferroelectric forming the
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。 In addition, the other structure of 2nd Embodiment is the same as that of the said 1st Embodiment.
上記第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。 In the second embodiment, the following effects can be obtained.
第２実施形態では、上記のように、圧電膜２２２を、ＰｂＴｉＯ３から構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素Ｍｇおよびドナー元素ＮｂからなるＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の薄膜から形成する。これにより、駆動電圧を低電圧化することができる。
In the second embodiment, as described above, the
また、第２実施形態では、圧電膜２２２を、ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３と真性ペロブスカイト強誘電体のＰｂＴｉＯ３との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］の薄膜により構成し、組成比率ｘを１０％以上５０％以下とする。これにより、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ３］の薄膜により圧電膜２２２が形成されるので、良質のペロブスカイト構造を維持することができる。その結果、ＰＺＴ系の材料を用いて圧電係数（圧電特性）の大きな圧電膜を形成することができるので、駆動電圧を低電圧化することができる。また、圧電膜２２２の駆動電圧に対する変位が飽和特性を示すので、駆動電圧が低電圧化した状態であっても、圧電膜２２２を大きく変形させることができる。
In the second embodiment, the
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The remaining effects of the second embodiment are similar to those of the aforementioned first embodiment.
（第３実施形態）
図１４を参照して、本発明の第２実施形態による振動ミラー素子３００の構成について説明する。なお、図１４は、上記第１実施形態における図３に対応する部分の断面図である。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 14, the structure of the
この第３実施形態では、圧電膜２２と下部駆動電極２１および上部駆動電極２３とが接するように形成される上記第１実施形態とは異なり、圧電膜２２と下部駆動電極２１および上部駆動電極２３との界面３２５に金属酸化膜３２４が形成される例について説明する。
In the third embodiment, unlike the first embodiment in which the
圧電膜２２は、図１４に示すように、一方面側に形成された上部駆動電極２３との界面３２５に、導電性の金属酸化膜３２４が形成されている。また、圧電膜２２は、他方面側に形成された下部駆動電極２１との界面３２５に、導電性の金属酸化膜３２４が形成されている。
As shown in FIG. 14, the
また、金属酸化膜３２４は、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化ニッケル、酸化白金、酸化イリジウム、酸化ストロンチウム・ルテニウムおよび酸化カルシウム・ルテニウムのうちの少なくとも１つから形成されている。また、このような材料からなる金属酸化膜３２４が圧電膜２２と下部駆動電極２１および上部駆動電極２３との間に形成されることにより、圧電膜２２は、振動時における耐電圧を高めることが可能なように構成されている。その結果、振動ミラー素子３００の寿命を延ばすことが可能である。
The
また、金属酸化膜３２４は、膜厚が約５μｍ以上約２００μｍ以下の均質かつ平坦な表面に形成されている。これにより、金属酸化膜３２４は、上記の耐電圧を高める効果を発揮することが可能なように構成されている。
The
なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。 The remaining configuration of the third embodiment is similar to that of the aforementioned first embodiment.
上記第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。 In the third embodiment, the following effects can be obtained.
第３実施形態では、上記のように、圧電膜２２を、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３から構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素Ｍｎおよびドナー元素ＮｂからなるＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の薄膜から形成する。これにより、駆動電圧を低電圧化することができる。
In the third embodiment, as described above, the
また、第３実施形態では、圧電素子２０ａ〜２０ｄに圧電膜２２の一方表面上に形成された下部駆動電極２１と、他方表面上に形成された上部駆動電極２３とを設け、下部駆動電極２１および上部駆動電極２３と圧電膜２２との界面に、導電性の金属酸化膜３２４を形成する。これにより、圧電膜２２の耐電圧を高めることができるので、リーク電流が急増する駆動電圧を高めることができる。その結果、リーク電流の急増に伴う発熱により圧電膜２２が損傷するのを抑制することができ、圧電膜２２の寿命を伸長させることができる。
In the third embodiment, the
また、第３実施形態では、金属酸化膜３２４を、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化ニッケル、酸化白金、酸化イリジウム、酸化ストロンチウム・ルテニウムおよび酸化カルシウム・ルテニウムのうちの少なくとも１つから形成する。これにより、圧電膜２の耐電圧をより高めることができるので、圧電膜２２の寿命をより伸長させることができる。
In the third embodiment, the
また、第３実施形態では、金属酸化膜３２４の膜厚を、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。これにより、金属酸化膜３２４の表面を均一でかつ平坦な表面にすることができるとともに、振動（駆動）時に、圧電膜２２に歪が発生するのを抑制することができる。
In the third embodiment, the thickness of the
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The remaining effects of the third embodiment are similar to those of the aforementioned first embodiment.
（第６実験）
次に、図１５を参照して、上記した本発明の上記第３実施形態の効果を確認するために行ったリーク電流測定について説明する。
(Sixth experiment)
Next, with reference to FIG. 15, the leakage current measurement performed in order to confirm the effect of the said 3rd Embodiment of this invention mentioned above is demonstrated.
このリーク電流測定では、実施例１６、１７および１８として、下部駆動電極および下部駆動電極における単位面積あたりのリーク電流測定を行った。 In this leakage current measurement, as Examples 16, 17, and 18, leakage current measurement per unit area in the lower drive electrode and the lower drive electrode was performed.
ここで、実施例１６では、圧電膜と下部駆動電極および下部駆動電極との界面に金属酸化膜として酸化マンガンを形成した。また、実施例１７では、圧電膜と下部駆動電極および下部駆動電極との界面に金属酸化膜として酸化ストロンチウム・ルテニウムを形成した。実施例１８では、圧電膜と下部駆動電極および下部駆動電極との界面に金属酸化膜を形成しなかった。 Here, in Example 16, manganese oxide was formed as a metal oxide film at the interface between the piezoelectric film, the lower drive electrode, and the lower drive electrode. In Example 17, strontium / ruthenium oxide was formed as a metal oxide film at the interface between the piezoelectric film, the lower drive electrode, and the lower drive electrode. In Example 18, the metal oxide film was not formed at the interface between the piezoelectric film, the lower drive electrode, and the lower drive electrode.
そして、上記した実施例１６、１７および１８における下部駆動電極および下部駆動電極に、低電圧を印加することによりリーク電流の測定を行った。そして、電圧を徐々に増加させていき、リーク電圧が急に増大する結果が得られるまで測定を繰り返した。 Then, leakage current was measured by applying a low voltage to the lower drive electrode and the lower drive electrode in Examples 16, 17 and 18 described above. Then, the voltage was gradually increased, and the measurement was repeated until a result that the leak voltage suddenly increased was obtained.
リーク電流測定の結果としては、図１５に示すように、実施例１６においては、印加電圧が３５Ｖでリーク電流が急増した。また、実施例１７においては、印加電圧が４０Ｖでリーク電流が急増した。また、実施例１８においては、印加電圧が２４Ｖでリーク電流が急増した。 As a result of the leakage current measurement, as shown in FIG. 15, in Example 16, the leakage current increased rapidly when the applied voltage was 35V. In Example 17, the applied voltage was 40V and the leakage current increased rapidly. In Example 18, the applied voltage was 24 V, and the leakage current increased rapidly.
上記のようなリーク電流測定の結果から、金属酸化膜を圧電膜と電極との界面に形成した場合には、リーク電流が急増する印加（駆動）電圧が高くなることが判明した。すなわち、圧電膜の耐電圧が向上することが判明した。 From the result of the leakage current measurement as described above, it was found that when the metal oxide film is formed at the interface between the piezoelectric film and the electrode, the applied (driving) voltage at which the leakage current rapidly increases becomes high. That is, it has been found that the withstand voltage of the piezoelectric film is improved.
なお、今回開示された実施形態および実験は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実験の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiments and experiments disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments and experiments but by the scope of claims for patent, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent are included.
たとえば、上記第１および第３実施形態では、圧電膜の材料としてＰｂＴｉＯ３およびＰｂＺｒＯ３の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３から構成される真性ペロブスカイト強誘電体を用い、上記第２実施形態では、圧電膜の材料としてＰｂＴｉＯ３から構成される真性ペロブスカイト強誘電体を用いる例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、圧電膜の材料である真性ペロブスカイト強誘電体をＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、および、ＰｂＴｉＯ３およびＰｂＺｒＯ３の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３のうちいずれか１つから構成すればよい。 For example, in the first and third embodiments, an intrinsic perovskite ferroelectric composed of a solid solution Pb (Zr, Ti) O 3 of PbTiO 3 and PbZrO 3 is used as the material of the piezoelectric film, and in the second embodiment, Although an example using an intrinsic perovskite ferroelectric made of PbTiO 3 as a material of the piezoelectric film has been shown, the present invention is not limited to this. In the present invention, the intrinsic perovskite ferroelectric, which is the material of the piezoelectric film, may be composed of any one of PbTiO 3 , PbZrO 3 , and a solid solution Pb (Zr, Ti) O 3 of PbTiO 3 and PbZrO 3. .
また、上記第１および第３実施形態では、圧電膜の材料であるペロブスカイト強誘電体のＡ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３のアクセプター元素ＢＡにＭｎを用い、上記第２実施形態では、アクセプター元素ＢＡにＭｇを用いる例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、アクセプター元素ＢＡに価数が４よりも小さいＦｅ、Ｓｎ、Ａｌ、ＣｒおよびＮｉなどを用いてもよい。 In the first and third embodiments, Mn is used as the acceptor element B A of A (B A , B D ) O 3 of the perovskite ferroelectric material that is the material of the piezoelectric film. In the second embodiment, Although an example using Mg as the acceptor element B A has been shown, the present invention is not limited to this. In the present invention, for example, Fe valence acceptor element B A is less than 4, Sn, Al, or the like may be used Cr and Ni.
また、上記第１〜第３実施形態では、圧電膜の材料であるペロブスカイト強誘電体のＡ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３のドナー元素ＢＤにＮｂを用いる例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、ドナー元素ＢＤに価数が４よりも大きいＴａ、Ｗ、ＢｉおよびＬａなどを用いてもよい。 In the first to third embodiments, the example in which Nb is used for the donor element B D of A (B A , B D ) O 3 of the perovskite ferroelectric material which is the material of the piezoelectric film has been described. Is not limited to this. In the present invention, for example, Ta, W, Bi, La, or the like having a valence greater than 4 may be used as the donor element BD .
また、上記第１〜第３実施形態では、基板を、Ｓｉから形成する例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、基板を、表面にＳｉ層が設けられたヘテロ構造のＳＯＩ基板から形成してもよい。また、サファイア、アルミナ、チタニア、マグネシアおよびジルコニアなどから形成してもよい。また、サファイア、アルミナ、チタニア、マグネシアおよびジルコニアなどの固溶体から形成してもよい。また、ＰＺＴ系の圧電薄膜の形成が可能なチタン金属板やステンレス金属板などの導電性金属材料から形成してもよい。なお、上記例示した中でも、ＳＯＩ基板およびサファイアは振動ミラー素子を集積化するのに特に有効である。また、チタンやステンレスなどの金属板により基板を形成した場合には、圧電薄膜の下部駆動電極が不要となるので、製造プロセスを簡素化させることができる。 Moreover, in the said 1st-3rd embodiment, although the example which forms a board | substrate from Si was shown, this invention is not limited to this. In the present invention, for example, the substrate may be formed from a heterostructure SOI substrate having a Si layer on the surface. Further, sapphire, alumina, titania, magnesia, zirconia, or the like may be used. Moreover, you may form from solid solutions, such as a sapphire, an alumina, a titania, a magnesia, and a zirconia. Alternatively, a PZT-based piezoelectric thin film may be formed from a conductive metal material such as a titanium metal plate or a stainless metal plate. Of the above examples, SOI substrates and sapphire are particularly effective for integrating oscillating mirror elements. Further, when the substrate is formed of a metal plate such as titanium or stainless steel, the lower drive electrode of the piezoelectric thin film is not necessary, and the manufacturing process can be simplified.
また、上記第１〜第３実施形態では、圧電膜の膜厚を約２μｍ以上約１０μｍ以下とする例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、圧電膜の薄膜構造が保持される範囲で、膜厚を約２μｍ未満約１０μｍよりも大きくしてもよい。 In the first to third embodiments, the example in which the film thickness of the piezoelectric film is about 2 μm or more and about 10 μm or less is shown, but the present invention is not limited to this. In the present invention, the film thickness may be less than about 2 μm and greater than about 10 μm as long as the thin film structure of the piezoelectric film is maintained.
また、上記第１および第３実施形態では、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率が約３０／７０から約７０／３０までの範囲である例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、真性ペロブスカイト強誘電体のＺｒ／Ｔｉ比率を約２５／７５としてもよい。 In the first and third embodiments, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric is in the range of about 30/70 to about 70/30. However, the present invention is not limited to this. Absent. In the present invention, for example, the Zr / Ti ratio of the intrinsic perovskite ferroelectric may be about 25/75.
また、上記第１および第３実施形態では、固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の組成比率ｘが０％より大きく約２５％以下である例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、組成比率ｘが約３０％であってもよい。 In the first and third embodiments, the composition ratio x of the solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti) O 3 ] is greater than 0% and not more than about 25%. However, the present invention is not limited to this. In the present invention, for example, the composition ratio x may be about 30%.
また、上記第３実施形態では、圧電膜と下部駆動電極および下部駆動電極との界面に金属酸化膜を形成する例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、結晶性のよいぺロブスカイト構造の厚さ数ｎｍの薄膜を、圧電膜と電極との界面に挿入してもよい。 In the third embodiment, the example in which the metal oxide film is formed at the interface between the piezoelectric film, the lower drive electrode, and the lower drive electrode has been described. However, the present invention is not limited to this. In the present invention, for example, a thin film with a thickness of several nanometers having a perovskite structure with good crystallinity may be inserted at the interface between the piezoelectric film and the electrode.
また、上記第３実施形態では、圧電膜の下部駆動電極側および下部駆動電極側のいずれにも金属酸化膜を形成する例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、圧電膜の下部駆動電極側にのみ金属酸化膜を形成してもよい。 In the third embodiment, the example in which the metal oxide film is formed on both the lower drive electrode side and the lower drive electrode side of the piezoelectric film has been described. However, the present invention is not limited to this. In the present invention, for example, a metal oxide film may be formed only on the lower drive electrode side of the piezoelectric film.
また、上記第３実施形態では、金属酸化膜の膜厚を約５ｎｍ以上約２００ｎｍとする例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、金属酸化膜の膜厚を約５ｎｍ未満約２００ｎｍよりも大きくしてもよい。 In the third embodiment, the example in which the thickness of the metal oxide film is about 5 nm or more and about 200 nm is shown, but the present invention is not limited to this. In the present invention, the thickness of the metal oxide film may be less than about 5 nm and greater than about 200 nm.
１１ ミラー部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 圧電素子（駆動部）
２１ 下部駆動電極（第１駆動電極）
２２、２２２ 圧電膜
２３ 上部駆動電極（第２駆動電極）
１００、２００、３００ 振動ミラー素子
３２４ 金属酸化膜
３２５ 界面
11
21 Lower drive electrode (first drive electrode)
22, 222
100, 200, 300
Claims (13)
前記駆動部の振動で駆動されるミラー部とを備え、
前記圧電膜は、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、および、ＰｂＴｉＯ３およびＰｂＺｒＯ３の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３のうちいずれか１つから構成されるＡＢＯ３構造の真性ペロブスカイト強誘電体と、前記ＡＢＯ３構造のＢサイトがアクセプター元素ＢＡおよびドナー元素ＢＤからなるＡ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３のペロブスカイト強誘電体との固溶体Ａ（ＢＡ，ＢＤ）Ｏ３−ＡＢＯ３の薄膜から形成されている、振動ミラー素子。 A drive unit including a piezoelectric film;
A mirror unit driven by vibration of the driving unit,
The piezoelectric film includes an intrinsic perovskite ferroelectric having an ABO 3 structure composed of any one of PbTiO 3 , PbZrO 3 , and a solid solution Pb (Zr, Ti) O 3 of PbTiO 3 and PbZrO 3 ; ABO 3 structure B site is comprised of the acceptor element B a and donor element B D a (B a, B D) a solid solution a with perovskite ferroelectrics O 3 (B a, B D ) of the O 3 -ABO 3 A vibrating mirror element formed from a thin film.
前記圧電膜は、前記ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３と前記真性ペロブスカイト強誘電体のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３との固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが０％より大きく２５％以下である、請求項２に記載の振動ミラー素子。 The intrinsic perovskite ferroelectric has a Zr / Ti ratio in the range of 30/70 to 70/30;
The piezoelectric film is a solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1) of Pb (Mn, Nb) O 3 of the perovskite ferroelectric and Pb (Zr, Ti) O 3 of the intrinsic perovskite ferroelectric. The vibration mirror element according to claim 2, wherein the vibration mirror element is formed of a thin film of −x) Pb (Zr, Ti) O 3 ], and the composition ratio x is greater than 0% and equal to or less than 25%.
前記圧電膜は、前記固溶体［ｘＰｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３・（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］の薄膜により構成され、組成比率ｘが５％以上２０％以下である、請求項３に記載の振動ミラー素子。 The intrinsic perovskite ferroelectric has a Zr / Ti ratio in the range of 40/60 to 60/40,
The piezoelectric film is composed of a thin film of the solid solution [xPb (Mn, Nb) O 3. (1-x) Pb (Zr, Ti) O 3 ], and the composition ratio x is 5% or more and 20% or less. The vibrating mirror element according to claim 3.
前記第１駆動電極および前記第２駆動電極のうち少なくとも一方と前記圧電膜との界面には、導電性の金属酸化膜が形成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。 The drive unit includes a first drive electrode formed on one surface of the piezoelectric film and a second drive electrode formed on the other surface;
11. The conductive metal oxide film according to claim 1, wherein a conductive metal oxide film is formed at an interface between at least one of the first drive electrode and the second drive electrode and the piezoelectric film. Vibration mirror element.
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