JP5446146B2 - 圧電薄膜素子、センサ及びアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、センサ及びアクチュエータに関し、更に詳しくは、基板上にアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の圧電薄膜を有する圧電薄膜素子、センサ及びアクチュエータに関する。

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、特に圧電素子に電圧を加えて変形を生じさせて動作させるアクチュエータや、逆に圧電素子の変形から発生する電圧から物理量を検知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、優れた圧電特性を有する鉛系材料の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれる一般式：Ｐｂ（Ｚｒ_１−_ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３で表されるＰＺＴ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。

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、焼結法に変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、シリコン基板上にスパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が、高速高精細のインクジェットプリンタヘッド用アクチュエータの圧電薄膜として実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、鉛を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。
現在、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸カリウムナトリウム、一般式：（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）［以降、ＫＮＮとも記す］がある。ＫＮＮ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。
特開２００５−２０３７２５号公報

上記ＫＮＮ薄膜は、スパッタリング法、ＰＬＤ（レーザーアブレーション）法などの成膜方法でシリコン基板上への成膜が試されているが、現状のＫＮＮ薄膜は圧電定数ｄ_３１がＰＺＴ薄膜と比較して小さく、インクジェットプリンタヘッドなどへの応用は実現で
きていない。また、インクジェットプリンタヘッドなどに適用するためには、１０億回駆動時の圧電定数ｄ_３１の劣化率が１０％以下である必要がある。しかしながら、現状のＫＮＮ薄膜では、この１０億回駆動時の劣化率１０％以下という耐久性・信頼性は実現できていない。

本発明は、上記課題を解決し、インクジェットプリンタヘッドなどに適用可能な耐久性を有する信頼性の高いＫＮＮ圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、センサ及びアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、基板上に、下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とを有する圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜は、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜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薄膜を有し、前記（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜は、ヤング率が１００〜１３０ＧＰａの範囲であり、且つ密度が３.９８ｇ／ｃｍ^３以上４．３０ｇ／ｃｍ ^３ 以下であることを特徴とする圧電薄膜素子である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の圧電薄膜素子において、前記基板が、シリコン基板、酸化マグネシウム基板または石英ガラス基板のいずれかであることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の圧電薄膜素子において、前記（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜の（００１）面方位への配向率が８０％以上であることを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第１の態様ないし第３の態様のいずれかの圧電薄膜素子と、前記下部電極と前記上部電極とに接続される電圧検知手段とを備えることを特徴とするセンサである。
本発明の第５の態様は、第１の態様ないし第３の態様のいずれかの圧電薄膜素子と、前記下部電極と前記上部電極とに接続される電圧印加手段とを備えることを特徴とするアクチュエータである。

本発明によれば、インクジェットプリンタヘッドなどに適用可能な耐久性を有する信頼性の高いＫＮＮ圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、センサ及びアクチュエータが得られる。

以下、本発明に係る圧電薄膜素子の実施形態を説明する。

（本実施形態の圧電薄膜素子の構造）
図１は、本実施形態の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、ＫＮＮ圧電薄膜（ＫＮＮ薄膜）３と、上部電極４とが順次積層されている。

基板１には、シリコン（Ｓｉ）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板または石英ガラス（ＳｉＯ_２）基板のいずれかを用いるのが好ましい。これら基板は、基板上にヤング率１００〜１３０ＧＰａで且つ密度３.９８ｇ／ｃｍ^３以上のＫＮＮ薄膜の作製を実現でき
、また圧電薄膜素子用の基板として実績があるからである。なお、シリコン基板を用いる場合、シリコン基板の表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成し、シリコン基板と下部電極とを電気的に絶縁するようにしてもよい。

下部電極２は、ＫＮＮ圧電薄膜３を成膜させる重要な下地層となるので、電極材料にはＰｔ（白金）、またはＡｕ（金）を用いるのが好ましい。本実施形態では、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いてＰｔ薄膜からなる下部電極２を形成した（なお、Ａｕ薄膜からなる下部電極でも、Ｐｔ下部電極と同様なＫＮＮ圧電薄膜を形成できる）。基板１上に形成したＰｔ膜は、自己配向性のために（１１１）面方位に配向しやすい。なお、基板１と下部電極２との間に、下部電極２の密着性を高めるために、Ｔｉ密着層を設けるようにしても良い。

上部電極４は、ＫＮＮ圧電薄膜３上に形成する電極であって、下部電極２のように圧電薄膜３の構造に大きな影響を与えるものではないため、上部電極４の材料は特に限定されない。本実施形態では、下部電極２と同様に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法によりＰｔ薄膜の上部電極４を形成した。

ＫＮＮ圧電薄膜３は、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜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薄膜であり、ヤング率が１００〜１３０ＧＰａの範囲にあり、且つ密度が３.９８ｇ／ｃｍ^３以上のＫＮＮ圧電薄膜である。ＫＮＮ圧
電薄膜３の形成方法には、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ゾルゲル法などが挙
げられる。本実施形態では、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。

ＫＮＮ圧電薄膜３のヤング率を１００〜１３０ＧＰａ、密度を３.９８ｇ／ｃｍ^３以上
とすることで、従来のＫＮＮ薄膜と比較して非常に優れた圧電特性の耐久性・信頼性を実現することができる。具体的には、インクジェットプリンタ応用において必要である、１０億回駆動時の圧電定数ｄ_３１の劣化率が１０％以下を満足するＫＮＮ圧電薄膜が実現できるようになる（図９参照）。
ここで、１０億回駆動時の圧電定数ｄ_３１の劣化率（％）は、｛（初期の圧電定数ｄ_３１）−（１０億回駆動後の圧電定数ｄ_３１）／（初期の圧電定数ｄ_３１）｝×１００と定義した。

（ＫＮＮ薄膜のヤング率及び密度の調整・制御）
ヤング率が１００〜１３０ＧＰａの範囲で、密度が３.９８ｇ／ｃｍ^３以上の範囲であ
るＫＮＮ薄膜は、その作製に際して、ＫＮＮ薄膜の成膜温度、ＫＮＮ薄膜のＮａ組成（本明細書ではＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）組成のこと）、基板の種類、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位への配向具合を最適化することで得られる。
本発明者が検討した結果から、概略的な傾向として、成膜温度を高くすること、ＫＮＮ薄膜のＮａ組成を高くすること、ＫＮＮ薄膜の（００１）面配向率を高くすること、熱膨張係数の大きな基板を用いることなどで、ＫＮＮ薄膜の密度及びヤング率が大きくなる傾向があることが分かっており（図９参照）、これらのパラメータをうまく制御・調整することで、ヤング率と密度とが上記範囲にあるＫＮＮ薄膜を作製することができる。
なお、通常、密度が大きくなればヤング率は大きくなるが、成膜条件によるＫＮＮ薄膜の結晶構造の差異（例えば、柱状構造の多結晶間に存在する隙間に起因する）やＮａ組成が異なったり、ＫＮＮ薄膜が基板から受ける応力が変わったりなどすることで、密度とヤング率とは、必ずしも比例関係は成り立たなくなる。

ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位への配向率を８０％以上にすることは、ヤング率及び密度が耐久性に優れた上記範囲内になり易いと共に、圧電定数ｄ_３１も大きくなることから、好ましい（ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位への配向率の測定方法、および圧電定数ｄ_３１の測定方法は後述する。）。
（００１）面方位の配向率が８０％以上のＫＮＮ圧電薄膜３は、例えば、ＫＮＮ圧電薄膜３の下地となるＰｔ薄膜の下部電極２を（１１１）面方位に高配向にすることで実現される。Ｐｔ薄膜を（１１１）面方位に高配向にするには、Ｐｔ薄膜の成膜温度を高くすること、Ｐｔ薄膜のスパッタ成膜時のＯ_２分圧を小さくすること（Ａｒリッチな雰囲気とすること）、Ｐｔ薄膜の下のＴｉ密着層を設ける場合にはＴｉ密着層の厚さを薄くすること、などで実現される。また、（００１）面方位の配向率が８０％以上のＫＮＮ圧電薄膜３は、Ｐｔ下部電極２とＫＮＮ圧電薄膜３との間に、配向制御層（例えば、ＬａＮｉＯ_３薄膜、ＮａＮｂＯ_３薄膜など）を挿入することによっても実現できる。
本実施形態のＫＮＮ圧電薄膜３（ＫＮＮ薄膜）は、Ｐｔ膜の下部電極２上に形成したが、Ｐｔ膜は（１１１）面方位に自己配向した柱状構造の多結晶となるため、ＫＮＮ薄膜は、このＰｔ膜の結晶構造を引き継いで、ペロブスカイト構造を有する柱状構造の多結晶薄膜となる。即ち、ＫＮＮ薄膜は、基板１表面に垂直な方向に（００１）面に優勢配向したものとなる。

（ＫＮＮ薄膜のヤング率と密度の測定）
本発明におけるＫＮＮ薄膜のヤング率と密度は、レーザ誘起表面波によって膜（薄膜）のヤング率、密度を測定する表面弾性波法を用いて測定した値とする。以下に表面弾性波法の測定原理を説明する。
図２に示すように、基板上に膜（薄膜）が形成されている試料の表面にパルスレーザー光を照射すると、音波が励起され、励起された音波は試料表面に沿って伝播する。これを
表面弾性波と言う。この表面弾性波をパルスレーザ照射位置から少し離れた場所に設置した検出器（圧電素子を有する）で検出する。パルスレーザ照射位置と検出位置との距離と、時間毎に検出器で検出された表面弾性波の信号から、図３に例示するような、表面弾性波の位相速度（伝播速度）ｃと周波数ｆとの依存性のグラフ（周波数―位相速度の分散曲線）を作成する。

一様な物質の場合、表面弾性波の位相速度（伝播速度）ｃは、次の式（１）の通り、物質のヤング率Ｅ、密度ρ、ポアソン比νで決まる。

表面弾性波のうち、低い周波数成分の波は試料表面からの進入深さが深くなり、高い周波数成分の波は進入深さが浅くなるという性質がある。このため、図３に示すような位相速度の周波数依存性グラフにおいて、周波数０の位相速度（グラフの縦軸の切片）は、基板内を伝播する弾性波の音速になる。一方、周波数∞（無限大）の位相速度は、膜（薄膜）内を伝播する弾性波の音速になる。従って、膜が形成されていない基板のみの試料では、図３に示すように、位相速度は周波数に依存せずに、位相速度の周波数依存性グラフはほぼ一定の水平線となり、一方、膜が形成された膜付き基板の試料では、位相速度は周波数に依存し、位相速度の周波数依存性グラフは傾斜した曲線となる。
ここで、膜のポアソン比、膜厚を固定値に定めて、膜のヤング率と密度を変えながら、理論上得られる表面弾性波の位相速度の周波数依存性グラフ（図３の点線で示す理論値の曲線）を作成する。そのグラフと実際に測定で得た位相速度の周波数依存性グラフ（図３の実線で示す測定値の曲線）とをフィットさせ、その時のヤング率と密度を求める。このような方法によって、基板上の膜（薄膜）のヤング率と密度が求められる。

本実施形態では、ＫＮＮ圧電薄膜３が表面に露出されている状態で、上記表面弾性波法によりＫＮＮ圧電薄膜３のヤング率と密度を測定した。もし、図１に示すように、上部電極３がＫＮＮ圧電薄膜３上に形成されている試料の場合には、その上部電極３をドライエッチング、ウエットエッチング、研磨などによって除去し、ＫＮＮ圧電薄膜３の表面を露出させた状態にした後に、表面弾性波法で測定を実施すればよい。上記ドライエッチングとしては、例えば、Ｐｔの上部電極を除去する場合には、Ａｒプラズマによるイオンミリング、ＡｒとＣＦ_４混合ガス中でのリアクティブイオンエッチングなどがある。

（ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位への配向率の測定）
ＫＮＮ圧電薄膜３の（００１）面方位への配向率は、Ｘ線回折測定（２θ／θ法）によるＸ線回折パターンから求めた。
まず、通常のＣｕＫα_１線を用いた図４に示すＸ線回折測定（２θ／θ法）でＸ線回折パターンを測定した。このＸ線回折測定では、図４に示すθ軸の周りに試料と検出器とをスキャンし、試料面に平行な格子面からの回折を測定した。Ｘ線回折測定（２θ／θ法）によるＸ線回折パターンの一例を図５、図６に示す。図５は後述の比較例１８の場合のＸ線回折パターン、図６は後述の実施例１３の場合のＸ線回折パターンである。Ｘ線回折測定は、上部電極を成膜する前の、ＫＮＮ圧電薄膜が露出した状態の圧電薄膜素子に対して
行った。

本明細書では、ＫＮｂＯ_３とＮａＮｂＯ_３のＪＣＰＤＳ-International Center for Diffraction Dataを基にして、基板上の薄膜ではＫＮＮは擬立方晶であることを考慮することで、Ｘ線回折パターンにおける２２.０１１°≦２θ≦２２.８９０°の範囲の回折ピークを、ＫＮＮ（００１）面による回折ピークであると考えている。
また、本明細書では、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率は、Ｘ線回折パターンの２０°≦２θ≦３８°の範囲におけるＫＮＮ結晶に起因する回折ピークに対して、｛ＫＮＮ（００１）面の回折ピーク強度／全てのＫＮＮ結晶に起因する回折ピーク強度の総和｝×１００（％）の計算式で算出した値と定義している。ＫＮＮ薄膜の配向率を求めているので、基板や下部電極に起因する回折ピークは除外している。また、２０°≦２θ≦３８°の範囲としたのは、ＫＮＮ（００２）面の回折ピークやＰｔ（１１１）面の回折ピークなどを明確に排除するためである。

（圧電定数ｄ_３１の測定）
図７に、圧電薄膜３の圧電定数ｄ_３１の測定方法を示す。
まず、図１の圧電薄膜素子を短冊形に切り出して細長い圧電薄膜素子１０を作製した。次に、この圧電薄膜素子１０の長手方向の一端をクランプ２０で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを構成した(図７（ａ））。この状態で上部電極４と下部電極２
との間に電圧を印加し、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１０）全体を屈曲動作させ、カンチレバーの先端（自由端）の上下方向（圧電薄膜３の膜厚方向）の変位量Δをレーザードップラ変位計２１で測定した（図７（ｂ））。
圧電定数ｄ_３１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と圧電薄膜３の厚さとヤング率、印加電界（＝印加電圧／膜厚）から算出される。

（圧電薄膜素子の適用例）
上記図１に示す圧電薄膜素子の下部電極２と上部電極４の間に、少なくとも電圧検知手段を接続することでセンサが得られる。このセンサの圧電薄膜素子が何らかの物理量の変化に伴って変形されると、その変形に伴って電圧が発生するので、この電圧を検知することで各種物理量を検知することができる。また、図１に示す圧電薄膜素子の下部電極２と上部電極４の間に、少なくとも電圧印加手段を接続することで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に電圧を印加して、圧電薄膜素子を変形することによって各種部材を動作させることができる。
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、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。

（他の実施形態）
本発明は、図１に示す上記実施形態のように、下部電極２と上部電極４との間に、単層構造のＫＮＮ圧電薄膜３だけがある場合に限定されるものではない。例えば、上下電極間のいずれかの位置に、上記ヤング率（１００〜１３０ＧＰａ）及び密度（３.９８ｇ／ｃ
ｍ^３以上）を満足しないＫＮＮ薄膜、或いは（Ｋ_１−_ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）以外の材料からなる薄膜が、単数または複数挿入されていてもよい。
また、図１に示す上記実施形態のＫＮＮ圧電薄膜３、或いは上下電極間にＮＫＫ薄膜を含む複数の膜構造が存在する場合にはいずれか１つ又は複数の膜に、Ｔａ、Ｌｉ、Ｓｂのいずれか又はこれらの複数が添加されていてもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。

図８に示す構造の実施例および比較例の圧電薄膜素子を作製した。
圧電薄膜素子は、基板１１上に、Ｔｉ密着層１２、Ｐｔ下部電極１３、ＫＮＮ圧電薄膜１４、およびＰｔ上部電極１５を順次形成したものである。

次に、実施例及び比較例の圧電薄膜素子の作製方法を述べる。
基板１１には、熱酸化膜付きＳｉ基板（（１００）面方位、厚さ０.５ｍｍ、サイズ２
０ｍｍ×２０ｍｍ、表面に熱酸化によるＳｉＯ_２膜（膜厚０.２μｍ））と、酸化マグネ
シウム基板（（１００）面方位、厚さ０.５ｍｍ、サイズ２０ｍｍ×２０ｍｍ）と、石英
ガラス基板（厚さ０.５ｍｍ、サイズ２０×２０ｍｍ）の３種類を用いた。
まず、基板１１上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚１〜３ｎｍ）１２、Ｐｔ下部電極（（１１１）面優勢配向、膜厚０.２μｍ）１３を形成した。Ｔ
ｉ密着層１２とＰｔ下部電極１３は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２.５Ｐａで、Ｔｉ密着層１２は成膜時間１〜３分、Ｐｔ下部電極１３
は成膜時間１０分の条件で成膜した。
次に、Ｐｔ下部電極１３の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜１４を３μｍ形成した。（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３圧電薄膜は組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１.０、Ｋ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０.３〜０.６の（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３焼結体
をターゲットに用い、基板温度５００〜６５０℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０.４Ｐａの条件で成膜した。成膜時間は４時間００分とした。
更に、（Ｋ_１−_ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜１４の上にＰｔ上部電極（膜厚２０ｎｍ）１５をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した。Ｐｔ上部電極１５は、基板加熱なし、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、圧力２.５Ｐａ、成膜時間１分の条件で成膜した。

図９に、上記成膜条件で作製した実施例および比較例の圧電薄膜素子における、ＫＮＮ薄膜の成膜温度（℃）、Ｎａ組成（Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）組成）、基板の種類、ＫＮＮ薄膜のＫＮＮ（００１）面方位の配向率（％）、表面弾性波法で測定したＫＮＮ薄膜の密度（ｇ／ｃｍ^３）とヤング率（ＧＰａ）、圧電定数ｄ_３１及（−ｐｍ／Ｖ）び圧電定数ｄ_３１の劣化率（％）を示す。

ＫＮＮ薄膜１４のＮａ組成は、ＫＮＮ薄膜１４表面側からエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）で測定した、Ｋ、Ｎａの原子濃度％から算出した。
また、ＫＮＮ薄膜１４のＫＮＮ（００１）面方位の配向率は、上述した図４に示すＣｕＫα_１線による一般的なＸ線回折測定（２θ／θ法）で得られたスペクトル（図５、図６参照）の回折ピークから、上述した方法により算出した。なお、エネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定、Ｘ線回折測定は、Ｐｔ上部電極１５を形成する前の、ＫＮＮ薄膜１４が露出した状態で行った。

表面弾性波法による密度とヤング率の測定は、最表面がＫＮＮ薄膜１４の状態の試料を使って、上記実施形態で説明した方法で測定した。測定装置には、東陽テクニカ製のＬＡＷaveシステム（商品名）を用いた。ＫＮＮ薄膜のポアソン比は０.３０を用い、ＫＮＮ薄膜の膜厚は表面弾性波が伝播する領域の平均膜厚を用いた。また、ＫＮＮ薄膜の測定に先駆けて、ＫＮＮ薄膜の下地基板となる、Ｐｔ薄膜［０.２μｍ］／Ｔｉ薄膜［２ｎｍ］／
基板（Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、石英ガラス基板）の位相速度の周波数依存性グラフを測定し、その結果を、基板の情報として用いた。

圧電定数ｄ_３１の測定は、上述した図７に示す方法を用いた。カンチレバーを構成する圧電薄膜素子には、長さ２０ｍｍ、幅２.５ｍｍの短冊形の圧電薄膜素子を作製した。Ｋ
ＮＮ圧電薄膜のヤング率には、表面弾性波法によって測定された各ＫＮＮ圧電薄膜のヤング率を用いた。圧電定数ｄ_３１は印加電界３０ｋＶ／ｃｍの時の値を測定した。圧電定数ｄ_３１の算出は文献（T.Mino, S. Kuwajima, T.Suzuki, I.Kanno, H.Kotera, and K.Wasa
: Jpn. J. Appl. Phys. 46(2007) 6960）に記載されている方法で行った。

上記初期状態の圧電薄膜素子の圧電定数ｄ_３１を測定した後、圧電定数ｄ_３１の劣化率を評価のために、図７に示すように、０〜２０Ｖのユニポーラのsin波（周波数１ｋＨｚ
）を圧電薄膜素子の上下電極間に印加して１０億回連続で圧電動作させ、その後、初期と同様に圧電定数ｄ_３１を測定した。

図９から明らかなように、ＫＮＮ薄膜の密度が３.９８ｇ／ｃｍ^３以上の範囲で、且つ
ヤング率が１００〜１３０ＧＰａの範囲の両方を満足している場合に、インクジェットプリンタヘッドへの適用条件である、１０億回駆動後の圧電定数ｄ_３１の劣化率が１０％以下を実現している。これに対し、ＫＮＮ薄膜の密度、ヤング率のいずれかが上記範囲外の場合には、１０億回駆動後の圧電定数ｄ_３１の劣化率は非常に大きくなっていることが分かる。また、ＫＮＮ薄膜の密度は４.００〜４.３０ｇ／ｃｍ^３の範囲、ＫＮＮ薄膜のヤング率は１００〜１２０ＧＰａの範囲がより好ましいと言える。
また、図９の結果から、概ね、成膜温度を高くすること（５７５℃以上）、ＫＮＮ薄膜の（００１）面配向率を高くすること（８０％以上）、熱膨張係数の大きな基板を用いること（上記３種類の基板の中ではＳｉ基板を用いること）などによって、耐久性・圧電特性に優れたＫＮＮ薄膜を作製可能なことが分かる。

本発明の実施形態に係る圧電薄膜素子を示す模式断面図である。 表面弾性波法によるＫＮＮ薄膜のヤング率と密度の測定原理を説明する説明図である。 表面弾性波法を用いた測定で得られる位相速度の周波数依存性の一例を示すグラフである。 Ｘ線回折測定の方法を説明する概略説明図である。 比較例に係る圧電薄膜素子のＸ線回折パターンの測定結果の一例を示すグラフである。 実施例に係る圧電薄膜素子のＸ線回折パターンの測定結果の一例を示すグラフである。 圧電薄膜素子の圧電定数ｄ_３１の測定方法を説明する概略図である。 実施例及び比較例に係る圧電薄膜素子の構造を示す模式断面図である。 実施例及び比較例における、ＫＮＮ薄膜の成膜温度、Ｎａ組成、基板の種類、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率、表面弾性波法で測定したＫＮＮ薄膜の密度とヤング率、圧電定数及びその劣化率の一覧を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部電極
３ ＫＮＮ圧電薄膜（ＫＮＮ薄膜）
４ 上部電極
１０ 圧電薄膜素子
１１ 基板
１２ Ｔｉ密着層
１３ Ｐｔ下部電極
１４ ＫＮＮ圧電薄膜
１５ Ｐｔ上部電極

Claims (5)

1. 基板上に、下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とを有する圧電薄膜素子において、
   前記圧電薄膜は、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜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薄膜を有し、
   前記（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜は、ヤング率が１００〜１３０ＧＰａの範囲であり、且つ密度が３.９８ｇ／ｃｍ^３以上４．３０ｇ／ｃｍ ^３ 以下であることを特徴とする圧電薄膜素子。
2. 請求項１に記載の圧電薄膜素子において、前記基板が、シリコン基板、酸化マグネシウム基板または石英ガラス基板のいずれかであることを特徴とする圧電薄膜素子。
3. 請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、前記（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜の（００１）面方位への配向率が８０％以上であることを特徴とする圧電薄膜素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、前記下部電極と前記上部電極とに接続される電圧検知手段とを備えることを特徴とするセンサ。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電薄膜素子と、前記下部電極と前記上部電極とに接続される電圧印加手段とを備えることを特徴とするアクチュエータ。

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