專利名稱：壓電薄膜元件及具備其的壓電薄膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有由鈮酸鋰鉀鈉等構(gòu)成的壓電薄膜的壓電薄膜元件及具備其的壓 電薄膜設(shè)備。
背景技術(shù)：
壓電體根據(jù)種種目的而加工為各種壓電元件，作為通過施加電壓而產(chǎn)生變形的致 動(dòng)器、根據(jù)元件的變形而產(chǎn)生電壓的傳感器等功能性電子部件而被廣泛利用。作為用于致 動(dòng)器、傳感器的用途的壓電體，一直以來廣泛使用具有大的壓電特性的鉛系電介質(zhì)，特別是 被稱作PZT的Pb(ZivxTix)O3系的鈣鈦礦型強(qiáng)電介質(zhì)，通常，通過燒結(jié)由各個(gè)元素形成的氧 化物來形成。另外，近年，從環(huán)保角度出發(fā)，期望開發(fā)不含鉛的壓電體，進(jìn)行了鈮酸鋰鉀鈉 (通式(NaxKyLiz)Nb03(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡0. 2，x+y+z = 1)等的開發(fā)。就該 鈮酸鋰鉀鈉而言，由于具有匹敵于PZT的壓電特性，被期待為非鉛壓電材料的有力的候選 對(duì)象。另一方面，目前，隨著各種電子部件的小型化且高性能化的推進(jìn)，在壓電元件中也 強(qiáng)烈要求小型化和高性能化。然而，對(duì)于通過歷來的制法即以燒結(jié)法為中心的制造方法制 作的壓電材料而言，當(dāng)其厚度變?yōu)樘貏e是IOym以下的厚度時(shí)，接近構(gòu)成材料的晶粒的大 小，其影響便不可忽視。因此，就會(huì)產(chǎn)生特性不均(K 6 6 t )、劣化變顯著的問題，為了 避免該問題，近年便代替燒結(jié)法而對(duì)于應(yīng)用薄膜技術(shù)等的壓電體形成法進(jìn)行了研究。最近，由RF濺射法形成的PZT薄膜作為高精細(xì)高速噴墨打印機(jī)的打印頭用致動(dòng) 器、小型低價(jià)格的陀螺傳感器而實(shí)用化(例如，參見專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)1)。另外，也提 出了不使用鉛而使用鈮酸鋰鉀鈉的壓電薄膜的壓電薄膜元件(例如，參見專利文獻(xiàn)2)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開平10-286953號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2007-19302號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1 中村僖良監(jiān)修，圧電材料O高性能化i先端応用技術(shù)(壓電材料的 高性能化和尖端應(yīng)用技術(shù))(寸4工> 7 & f々7 α 7—刊(科學(xué)和技術(shù)刊)2007年)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題通過形成具有非鉛系壓電薄膜的壓電薄膜元件，可以制作環(huán)境負(fù)載小的高精細(xì)高 速噴墨打印機(jī)用打印頭、小型低價(jià)格的陀螺傳感器。作為壓電薄膜的具體的候選對(duì)象，進(jìn)行 了鈮酸鋰鉀鈉的薄膜化的基礎(chǔ)研究。另外在應(yīng)用方面的低成本化中，要確立在Si基板、玻 璃基板等基板上控制良好地形成該壓電薄膜的技術(shù)也是不可缺少的。然而，在以往技術(shù)中，無法穩(wěn)定地生產(chǎn)壓電常數(shù)高的壓電薄膜元件以及使用了其的壓電薄膜設(shè)備。本發(fā)明的目的在于提供壓電特性和生產(chǎn)率優(yōu)異的壓電薄膜元件以及使用了其的 壓電薄膜設(shè)備。解決問題的技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可提供一種壓電薄膜元件，其為在基板上層合了由 通式(NaxKyLiz)Nb03(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡0. 2，x+y+z = 1)表示的壓電薄膜的 壓電薄膜元件，前述壓電薄膜具有假立方晶(pseudo-cubicalcrystal)、正方晶或斜方晶中 的任一種的晶體結(jié)構(gòu)，或具有假立方晶、正方晶或斜方晶中的至少二種共存的晶體結(jié)構(gòu)，這 些晶體結(jié)構(gòu)為取向于(001)方向的(001)取向晶粒和取向于(111)方向的(111)取向晶粒 共存的結(jié)構(gòu)，且所述晶粒所具有的晶軸中的至少一個(gè)晶軸與所述基板表面的法線形成的角 處于0°至10°的范圍內(nèi)。在此情況下，優(yōu)選前述壓電薄膜具有由柱狀結(jié)構(gòu)的粒子構(gòu)成的集合組織(集合組 織，crystal texture)。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直 方向，前述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角為3°以上。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直 方向，前述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角為1°以下。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂 直方向，前述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為 1.2°以上。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直 方向，前述壓電薄膜元件的極圖(pole figure)測定中的(001)的德拜環(huán)(Debye ring)的 寬度為2. 4°以上。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直 方向，前述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為1° 以上。另外，優(yōu)選優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直 方向，前述壓電薄膜元件的極圖測定中的(111)的德拜環(huán)的寬度為2°以上。另外，前述基板和前述壓電薄膜之間可具備底層，前述底層可以為下部電極層。另外，優(yōu)選前述下部電極層為Pt層或以Pt為主成分的合金層、或包含這些以Pt 為主成分的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。另外，優(yōu)選前述下部電極層為包含Ru、Ir、Sn、In或者它們的氧化物或它們與壓 電薄膜中所含有的元素的化合物的層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。另外，優(yōu)選在前述壓電薄膜的一部分包含=ABO3的結(jié)晶層、ABO3的非晶層、或混合 了 ABO3的結(jié)晶和非晶體的混合層中的任一個(gè)。并且，A為選自Li、Na、K、La、Sr、Nd、Ba、Bi 中的1種以上的元素，B為選自&、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta、In中的1種以上的元素，0為氧。另外，優(yōu)選基板選定為Si基板、MgO基板、ZnO基板、SrTiO3基板、玻璃基板、石英 玻璃基板、GaAs基板、GaN基板、藍(lán)寶石基板、Ge基板、不銹鋼基板中的任一個(gè)。
另外，優(yōu)選上部電極層為Pt層或以Pt為主成分的合金層、或包含這些以Pt為主 成分的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。另外，優(yōu)選上部電極層為包含Ru、Ir、Sn、In或者它們的氧化物或它們與壓電薄膜 中所含有的元素的化合物的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，可提供具備上述的壓電薄膜元件、以及電壓施加單 元或電壓檢測單元的壓電薄膜設(shè)備。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可提供壓電特性和生產(chǎn)率優(yōu)異的壓電薄膜元件以及使用了其的壓電 薄膜設(shè)備。


圖1 本發(fā)明實(shí)施例1的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件的截面圖。圖2 本發(fā)明實(shí)施例1的壓電薄膜元件的2 θ / θ掃描的X射線衍射圖的一個(gè)實(shí)例 圖。圖3 表示本發(fā)明實(shí)施例1的KNN壓電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的圖。圖4 本發(fā)明實(shí)施例1的KNN壓電薄膜的極圖測定中的實(shí)驗(yàn)配置圖。圖5 表示本發(fā)明實(shí)施例1、2的KNN壓電薄膜的極圖，(a)為立體投影圖，(b)為將 立體投影圖轉(zhuǎn)換為正交坐標(biāo)的圖表。圖6 本發(fā)明實(shí)施例2的KNN壓電薄膜元件的高取向膜的概念示意截面圖，(a)為 KNN薄膜優(yōu)先取向于與基板面相同的方向的圖，(b)為KNN薄膜在晶粒對(duì)基板面具有傾斜 (斜)的狀態(tài)下取向的圖。圖7 表示本發(fā)明實(shí)施例2的優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜的、晶粒對(duì)基板面的傾斜 (斜(off))角具有不均(偏差)情況的截面圖。圖8 將本發(fā)明實(shí)施例3的晶粒對(duì)基板面的傾斜(斜)角及其不均(偏差)進(jìn)行 變化，將變化后得到的KNN壓電薄膜的極圖轉(zhuǎn)換為正交坐標(biāo)的圖表，(a) (c)表示這些圖表。圖9 表示本發(fā)明實(shí)施例4的壓電薄膜的極圖的圖，(a)為(001)優(yōu)先取向的晶粒 相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角大時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表，(b)為(001)優(yōu)先取向的 晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角小時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表。圖10 表示本發(fā)明實(shí)施例5的壓電薄膜的極圖的圖，(a)為(001)優(yōu)先取向的晶 粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)大時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表，(b)為 (001)優(yōu)先取向的晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)小時(shí)的極圖的正交坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表。圖11 表示本發(fā)明實(shí)施例6的壓電薄膜的極圖的圖，(a)為相對(duì)于基板面(001)優(yōu) 先取向了時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表，(b)為相對(duì)于基板面(111)優(yōu)先取向了時(shí)的極圖 的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表。圖12 表示本發(fā)明實(shí)施例7的壓電薄膜的極圖的圖，(a)為(001)和(111)優(yōu)先取 向了時(shí)的晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)大時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖 表，(b)為(001)和(111)優(yōu)先取向了時(shí)的晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)小時(shí)的極圖的正交坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖表。圖13 表示本發(fā)明實(shí)施例7的(001)和(111)優(yōu)先取向共存的KNN壓電薄膜的、 各優(yōu)先取向的晶粒相對(duì)于基板面具備傾斜(斜)角的情況的截面圖。圖14 本發(fā)明實(shí)施例8的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件中的(001)優(yōu)先取向晶 粒的相對(duì)于基板的傾斜(斜)角與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖15 本發(fā)明實(shí)施例8的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件中的(111)優(yōu)先取向晶 粒的相對(duì)于基板的傾斜(斜)角與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖16 本發(fā)明實(shí)施例8的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件中的(001)優(yōu)先取向晶 粒的相對(duì)于基板的傾斜(斜)角的不均(偏差)與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖17 本發(fā)明實(shí)施例8的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件中的(111)優(yōu)先取向晶 粒的相對(duì)于基板的傾斜(斜)角的不均(偏差)與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖18 用于制作本發(fā)明實(shí)施例2的使用了壓電薄膜的壓電薄膜元件的RF濺射裝 置的概略結(jié)構(gòu)圖。圖19 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的壓電薄膜設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)圖。附圖標(biāo)記說明ISi 基板2粘接層3下部電極層4壓電薄膜5優(yōu)先取向于與基板面的法線方向相同的方向的晶粒6傾斜于基板面的法線方向地優(yōu)先取向了的晶粒7相對(duì)于基板面的法線方向的傾斜角各自略微不同的、優(yōu)先取向了的晶粒
8基板面的法線方向與各取向晶粒的晶面形成的角9(001)優(yōu)先取向晶粒10(111)優(yōu)先取向晶粒11 (001)取向方位與基板表面法線形成的角12(111)取向方位與基板表面法線形成的角
具體實(shí)施例方式以下，說明本發(fā)明的壓電薄膜元件以及使用了其的壓電薄膜設(shè)備的實(shí)施方式。實(shí)施方式的概要本申請(qǐng)發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在制作非鉛系的壓電薄膜元件時(shí)，在相當(dāng)于壓電元件的基干 部位的壓電薄膜的成膜中，通過進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)中未進(jìn)行的、對(duì)結(jié)晶取向性的定量且詳細(xì)的 管理和控制，能夠獲得具有良好的壓電常數(shù)的壓電元件和壓電設(shè)備，就是基于該見解作出 了本發(fā)明。如果不管理和控制壓電薄膜的結(jié)晶取向性，那么無法獲得高的壓電常數(shù)，另外，由 于結(jié)晶取向性因每個(gè)批次的不同、或者即使在同一批次內(nèi)卻因元件取得部位的不同而不 同，因此每個(gè)所獲得的元件的壓電常數(shù)便為不均。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，便可通過恰當(dāng)?shù)?選定作為構(gòu)成材料的電極、壓電薄膜等，并且控制電極、壓電薄膜等的制作條件，將壓電薄
6膜的結(jié)晶取向方位與基板面法線形成的角或其偏差規(guī)定在指定范圍，從而提高壓電常數(shù)， 實(shí)現(xiàn)壓電特性高的壓電薄膜元件以及高性能的壓電薄膜設(shè)備。[壓電元件的基本結(jié)構(gòu)]本實(shí)施方式的壓電薄膜元件具有基板、形成于前述基板的表面的氧化膜、形成于 前述氧化膜上的下部電極層、形成于前述下部電極層上的壓電薄膜。就該壓電薄膜而言，是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的ABO3型氧化物，作為其組成，A包含Li、 Na、K、La、Sr、Nd、Ba 禾口 Bi 中的至少一種元素，B 包含選自 Zr、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta 禾口 In中的至少一種元素。0為氧。作為壓電材料的一種，也可以使用Pb，但從環(huán)境方面考慮，優(yōu)選不含Pb的壓電薄膜。前述基板可列舉出Si基板、MgO基板、ZnO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、玻璃 基板、石英玻璃基板、GaAs基板、GaN基板、藍(lán)寶石基板、Ge基板、不銹鋼基板等。特別優(yōu)選 為，低價(jià)格且工業(yè)上具有實(shí)際成果的Si基板。形成于基板的表面的前述氧化膜可舉出通過熱氧化形成的熱氧化膜、通過 CVD(化學(xué)氣相沉積)法形成的Si氧化膜等。需要說明的是，也可不形成前述氧化膜，而直 接在石英玻璃(SiO2)、MgO、SrTi03、SrRuO3基板等氧化物基板上形成下部電極層。優(yōu)選前述下部電極層為由Pt或以Pt為主成分的合金構(gòu)成的電極層、或包含由 Pt或以Pt為主成分的合金構(gòu)成的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。另外，優(yōu)選前述下部電極層 取向于(111)面而形成。也可在前述基板和由Pt或以Pt為主成分的合金構(gòu)成的電極層之間，設(shè)置用于提 高與基板的密合性的粘接層。特別地，作為前述壓電薄膜的ABO3S氧化物可以為以鈮酸鉀鈉、鈮酸鋰鉀鈉(以 下，稱為 LKNN)，由通式(NaxKyLiz)NbO3(0 彡 χ 彡 1，0 彡 y 彡 1，0 彡 ζ 彡 0. 2,x+y+z = 1)表 示的鈣鈦礦型氧化物為主相的壓電薄膜。也可在LKNN薄膜中，摻雜規(guī)定量的Ta、V等。就 前述壓電薄膜而言，可通過使用RF濺射法、離子束濺射法或CVD法等來形成。通過這些方 法形成的LKNN膜具有由柱狀結(jié)構(gòu)的晶粒構(gòu)成的集合組織。本實(shí)施方式中采用RF濺射法。[下部電極層的結(jié)晶取向性]可是，如以往那樣，不考慮表面形狀、結(jié)晶取向性，或者雖然考慮結(jié)晶取向性但并 沒有高精度地控制，而在Si基板上形成Pt下部電極的情況下，形成于該下部電極的上部的 LKNN薄膜(包括鈮酸鉀鈉(以下，稱為KNN)膜)的結(jié)晶取向性大多成為無規(guī)(random)的 取向狀態(tài)。另外，LKNN薄膜的各晶粒相對(duì)于Si基板面的法線方向的取向方向也大多因每 個(gè)基板或者成膜位置不同而不同，沒有對(duì)結(jié)晶取向性進(jìn)行高精度控制。即，以往由于制作時(shí) 忽視了作為該壓電薄膜的特性確定因素之一的結(jié)晶取向性的影響，因此，在LKNN薄膜的壓 電特性方面，無法獲得所需的高的壓電常數(shù)，進(jìn)而出現(xiàn)了所形成的每個(gè)元件的壓電特性各 不相同的問題點(diǎn)。實(shí)際上，就該LKNN薄膜的結(jié)晶取向性而言，因每個(gè)成膜部位或者生產(chǎn)批次而各不 相同。其原因在于，由于無法穩(wěn)定地確保位于該壓電薄膜的下層的下部電極層的結(jié)晶取向 性、表面形狀，無法控制薄膜的結(jié)晶生長的初期狀態(tài)，因此便難以使形成于其上部的壓電薄 膜穩(wěn)定地結(jié)晶生長。例如，Pt電極的情況，由于無法重現(xiàn)性良好地制作相同的(111)優(yōu)先取向的結(jié)晶性，因此通過400°C的加熱濺射成膜時(shí)，可確認(rèn)出LKNN的各個(gè)晶粒朝無規(guī)的方 向生長。進(jìn)一步，通過增加濺射成膜時(shí)的投入電力(Power)，在Ar離子等能量粒子的沖擊的 作用下，很多的濺射粒子被強(qiáng)制地朝固定方向射入基板，其結(jié)果，形成了相對(duì)于基板表面的 法線方向而言大大地傾斜了的多晶粒的壓電薄膜，容易極化的軸和施加電壓方向大大地不 同。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)就是這些誘發(fā)了壓電常數(shù)的降低。另外，獲得了如下見解通過對(duì)成膜溫 度、成膜氣體、投入電力等進(jìn)行最優(yōu)化，可控制會(huì)影響壓電常數(shù)等壓電薄膜元件的特性的結(jié) 晶取向?；趯?shí)施方式的結(jié)晶取向控制基于上述見解，控制了 Pt薄膜與壓電薄膜的結(jié)晶取向。(Pt薄膜的結(jié)晶取向)首先，為了穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)位于LKNN薄膜的下層的下部電極的Pt薄膜的結(jié)晶性，進(jìn)行 了 Pt薄膜的成膜溫度、成膜氣體的最優(yōu)化。作為成膜條件，首先，進(jìn)行了針對(duì)成膜溫度的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了 作為成為(111) 優(yōu)先取向的條件，100 500°C的成膜范圍處于最適溫度的范圍。進(jìn)一步為了提高Pt表面的平滑性，應(yīng)該提高作為與基板的粘接層(密合層)的Ti 層的均勻性，所以通過形成0. Inm至20nm的表面平滑的Ti層，在其上部形成Pt電極，可將 Pt下部電極的表面粗糙度降低且控制至數(shù)nm的大小。進(jìn)一步，也可通過精密地控制Pt下部電極層的膜厚，減小Pt下部電極層的表面凹 凸，對(duì)于多晶的Pt下部電極層，將其晶粒尺寸控制均勻來形成Pt下部電極層。需要說明的是，就下部電極層而言，不僅可以為由Pt構(gòu)成的電極層，也可以為由 以Pt為主成分的合金構(gòu)成的電極層，或者也可以是包含Pt或以Pt為主成分的電極層的層 合結(jié)構(gòu)的電極層。進(jìn)而，也可為包含Ru、Ir、Sn、In或者它們的氧化物或它們與壓電薄膜中 所含有的元素的化合物的層的層合結(jié)構(gòu)的電極層的情況。在它們的情況下，也與Pt薄膜的 情況同樣地通過進(jìn)行成膜溫度、成膜氣體的最優(yōu)化，可穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)位于LKNN薄膜的下層的 下部電極薄膜的結(jié)晶性。另外，作為形成這些下部電極薄膜的基板的候選對(duì)象，優(yōu)選MgO、Si、Ge、A1203、 SrTiO3、石英等結(jié)晶或者非晶體或者它們的復(fù)合體等；關(guān)于在這些基板上形成密合層、下部 電極層，且在其上部形成LKNN薄膜的元件，通過詳細(xì)比較LKNN薄膜的結(jié)晶取向性，實(shí)際地 對(duì)可控制優(yōu)先取向性的基板進(jìn)行了選定。其結(jié)果，作為前述基板，Si基板由于價(jià)格低且工 業(yè)上的實(shí)際成果好，因而優(yōu)選。[壓電薄膜的結(jié)晶取向]進(jìn)一步，為了更確實(shí)地實(shí)現(xiàn)LKNN薄膜的優(yōu)先取向性，在上述的實(shí)施方式中，通過 在LKNN薄膜本身的成膜溫度、濺射工作氣體的種類和壓力、真空度以及投入電力方面謀求 最優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)LKNN薄膜的優(yōu)先取向也是可以的。通過根據(jù)每個(gè)裝置、環(huán)境化，對(duì)這些條件 進(jìn)行多方面的研究，可以重現(xiàn)性良好地形成(001)優(yōu)先取向、(111)優(yōu)先取向、或者兩者共 存地優(yōu)先取向的假立方晶的LKNN薄膜。另外，對(duì)LKNN薄膜的翹曲量變小的制作條件進(jìn)行研究即可。于是，接著，為了嚴(yán)密地控制多晶或者外延生長的單晶的LKNN薄膜本身的優(yōu)先取 向，精密地設(shè)定為濺射靶與基板間的距離始終一定，以使優(yōu)先取向了的晶面相對(duì)于基板表面的法線方向的傾斜角度在一定的范圍。進(jìn)一步，對(duì)濺射靶的中心和基板中心的錯(cuò)位量進(jìn)行了設(shè)定，使其收納于一定的范 圍內(nèi)。配合于前述條件，對(duì)于濺射投入電力、成膜用的工作氣體壓力、氣體流量的大小， 確定最優(yōu)值。由此，可獲得可確實(shí)地控制優(yōu)先取向了的晶面的傾斜角度并且壓電常數(shù)高的LKNN 薄膜。另外，濺射靶密度也可通過根據(jù)上述情況進(jìn)行變更而獲得相同的效果。優(yōu)選前述LKNN薄膜具有假立方晶或者正方晶或者斜方晶的晶體結(jié)構(gòu)、或者這些 晶體結(jié)構(gòu)共存的組織。這些組織可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的壓電特性。在這些晶軸中，2軸以下在某特定軸方向優(yōu)先取向。而且，以使前述取向的晶軸中的至少一個(gè)晶軸與前述基板表面的法線形成的角處 于0°至10°的范圍內(nèi)的方式將前述壓電薄膜形成于前述下部電極之上時(shí)，由于可實(shí)現(xiàn)非 常優(yōu)異的壓電特性而優(yōu)選。與基板表面的法線形成的角從0°為起始的原因?yàn)?，?°為基 準(zhǔn)。與基板表面的法線形成的角以10°為上限的原因?yàn)?，超過它時(shí)便不再成為優(yōu)先取向。以
處于上述角度范圍內(nèi)的方式將壓電薄膜形成于下部電極之上的實(shí)施方式如以下的(1) ⑷。(1)優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，前 述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角為3°以上。(2)優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，前 述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角為1°以下。(3)優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，前 述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為1.2°以上， 優(yōu)選為2. 4°以上。(4)優(yōu)先取向成為，作為特定晶面的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，前 述晶面的法線與前述基板表面的法線形成的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為1°以上，優(yōu) 選為2°以上。優(yōu)先取向于上述特定軸方向的LKNN膜的結(jié)構(gòu)為(001)優(yōu)先取向晶粒和(111)優(yōu) 先取向晶粒共存的結(jié)構(gòu)。[壓電薄膜設(shè)備]對(duì)于上述實(shí)施方式的附帶壓電薄膜的基板，通過在前述壓電薄膜的上部形成上部 電極層，可以制作壓電常數(shù)高的壓電薄膜元件。通過將該壓電薄膜元件成型為規(guī)定形狀，或 者配設(shè)電壓施加單元、電壓檢測單元，可以制作各種致動(dòng)器、傳感器等壓電薄膜設(shè)備。圖19表示，設(shè)有上述的電壓施加單元、電壓檢測單元的壓電薄膜設(shè)備的例子。其 具備在Si基板1上層合粘接層2、下部電極層3、壓電薄膜4、以及上部電極層15而構(gòu)成 的壓電薄膜元件；電連接于下部電極層3和上部電極層15的電壓施加單元或電壓檢測單元 16。另外，也可通過將上部電極形成為規(guī)定的圖案從而形成圖案電極 (PatternElectrode)，從而形成利用了表面彈性波的濾波器設(shè)備(filter device)。
[上部電極]就上述的形成于壓電薄膜的上部的上部電極層而言，與下部電極層同樣地優(yōu)選 為由Pt或以Pt為主成分的合金構(gòu)成的電極層、或包含這些以Pt為主成分的電極層的層 合結(jié)構(gòu)的電極層?；颍部梢詾榘琑u、Ir、Sn、In或者它們的氧化物或它們與壓電薄膜 中所含有的元素的化合物的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。[實(shí)施方式的效果]就本發(fā)明而言，具有以下所列舉的一個(gè)或其以上的效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，通過控制壓電薄膜的結(jié)晶取向性，可將 結(jié)晶取向方位與基板面法線形成的角規(guī)定在指定范圍，從而能夠提供壓電特性優(yōu)異的壓電 薄膜元件和使用了其的壓電薄膜設(shè)備。另外，可穩(wěn)定地生產(chǎn)出壽命長且壓電常數(shù)高的非鉛 系設(shè)備。另外，由于結(jié)晶取向性不會(huì)因成膜部位不同而不同，變得均勻化，可抑制基板上所 形成的壓電薄膜的壓電常數(shù)的不均，因此提高制造上的成品率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，在包含基板、下部電極、壓電薄膜和上 部電極的層合結(jié)構(gòu)的壓電薄膜元件中，該壓電薄膜具有優(yōu)先取向的晶體結(jié)構(gòu)，并且將其取 向軸與基板表面的法線形成的角控制于0° 10°的范圍，或者將其取向軸的偏角控制為 3°以上，與此同時(shí)將與前述不同的某特定的優(yōu)先方位軸控制為1°以下，從而防止由結(jié)晶 方位變得無規(guī)而導(dǎo)致的壓電常數(shù)的降低。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，在上述壓電薄膜元件的下部電極 的方面，通過將Pt電極、或者Pt合金控制為優(yōu)先取向；此外，在上述下部電極方面，通過將 Ru、Ir或者其氧化物、Pt與壓電薄膜中所含的元素的化合物控制為優(yōu)先取向，從而可控制 形成于下部電極的上部的壓電薄膜的結(jié)晶取向性。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，關(guān)于基板，除了通過使用Si以外， 也可通過使用MgO基板、SrTiO3基板、玻璃基板、石英玻璃基板、GaAs基板、藍(lán)寶石基板、Ge 基板、不銹鋼基板等，控制形成于基板之上的壓電薄膜的結(jié)晶取向性。由此可進(jìn)一步提高壓 電特性。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，通過將上述實(shí)施方式的壓電薄膜 元件加工為規(guī)定形狀，或者配設(shè)電壓施加單元、電壓檢測單元，可以制作各種致動(dòng)器、傳感 器等壓電薄膜設(shè)備。通過精確地控制這些薄膜的結(jié)晶取向性，可以實(shí)現(xiàn)壓電薄膜元件、該設(shè) 備的壓電特性的提高、抑制發(fā)生壓電特性的不均，由此廉價(jià)地提供高性能的微型設(shè)備。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或其以上的實(shí)施方式，可實(shí)現(xiàn)壓電特性良好的壓電薄膜， 可獲得高成品率且高品質(zhì)的壓電薄膜元件。另外，這樣的電薄膜元件為，具備不使用鉛的 薄膜的壓電薄膜元件。因此，可通過搭載前述的壓電薄膜元件，實(shí)現(xiàn)環(huán)境負(fù)載降低且高 性能的小型的電動(dòng)機(jī)、傳感器以及致動(dòng)器等小型系統(tǒng)裝置，例如MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)，Micro electro Mechanical System)等。另外，還可適用于具備在基體上形成的壓電薄膜和在壓 電薄膜上形成的電極的表面彈性波設(shè)備等濾波器設(shè)備。實(shí)施例接著，說明本發(fā)明的實(shí)施例。實(shí)施例1通過使用圖1 圖5來說明。
圖1表示附帶壓電薄膜的基板的概略截面圖。在本實(shí)施例中，制作了如下壓電薄 膜元件在具有氧化膜的Si基板1上形成了粘接層2的上部，形成了下部電極層3和鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉(以下，記為KNN)的壓電薄膜4。此時(shí)，壓電薄膜的結(jié)晶取向性的狀態(tài)根 據(jù)制作條件而改變。以下，敘述各種制造方法。首先，在Si基板1的表面形成熱氧化膜，在其上形成下部電極層3。下部電極層3 包含作為粘接層2而形成了的厚度2nm的Ti膜和在該Ti膜上的作為電極層而形成了的 厚度200nm的Pt薄膜。該P(yáng)t下部電極層3的形成使用了濺射法。使用Pt金屬靶作為濺 射用靶，成膜時(shí)的濺射投入電力為75W，濺射用氣體使用了 100% Ar氣體。另外在形成時(shí)將 基板溫度設(shè)為300°C而進(jìn)行成膜，從而形成了多晶薄膜的Pt薄膜。接著，在該P(yáng)t下部電極層3上形成了 KNN薄膜作為壓電薄膜4。KNN薄膜的成膜 也使用濺射法而形成。在KNN薄膜的形成時(shí)進(jìn)行基板加熱，通過由Ar+02的混合氣體產(chǎn)生的 等離子體而實(shí)施了濺射。將混合比設(shè)為9 1。靶使用(NaxKyLiz)Nb03，X = 0.5,y = 0. 5， Z = 0的燒結(jié)體靶。進(jìn)行成膜，直至膜厚為3 ym。關(guān)于這般制作的KNN薄膜，通過一般的X射線衍射裝置調(diào)查晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)果，通過 進(jìn)行基板加熱而形成了的實(shí)施例1的Pt薄膜為，如圖2的X射線衍射圖(20/0掃描測 定)所示，確認(rèn)形成了在與基板表面垂直的方向在(111)面取向的薄膜。在該優(yōu)先取向于 (111)面的Pt薄膜上形成KNN薄膜的結(jié)果，確認(rèn)所制作的KNN薄膜為具有圖3所示那樣的 假立方晶的鈣鈦礦型的晶體結(jié)構(gòu)的多晶薄膜。另外，由圖2的X射線衍射圖可知，由于僅可 確認(rèn)(001)面、(002)面、(003)面的衍射峰，所以可以確認(rèn)KNN壓電薄膜優(yōu)先取向于(001) 面。在本實(shí)施例1中，關(guān)于有意圖地控制了結(jié)晶取向性的KNN壓電薄膜，為了詳細(xì)地 評(píng)價(jià)該KNN薄膜的取向性，進(jìn)行了極圖(Pole figure)的測定。極圖為某特定的晶格面中 的極的寬度(spread of the pole)的立體投影圖，可詳細(xì)地評(píng)價(jià)多晶的取向的狀態(tài)。關(guān) 于具體內(nèi)容，請(qǐng)參見文獻(xiàn)1(理學(xué)電氣株式會(huì)社編，X射線衍射入門手冊(cè)，修訂第4版，(理 學(xué)電氣株式會(huì)社，1986 年))，文獻(xiàn) 2(Cullity 著，New version of Elements of X-Ray Diffraction (新版X射線衍射基礎(chǔ))，AGNE, 1980年)。關(guān)于是否為優(yōu)先取向的定義，可通過前述的極圖測定而明白。對(duì)于由多晶構(gòu)成的 物質(zhì)(包括薄膜)而言，當(dāng)各個(gè)晶粒處于在某固定方向“優(yōu)先取向”的狀態(tài)時(shí)，在該物質(zhì)的極 圖測定中，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)在特定角度位置存在點(diǎn)狀或者環(huán)狀的德拜環(huán)等X射線反射的局部性 分布。另一方面，當(dāng)前述物質(zhì)的各個(gè)晶粒處于任意的方向時(shí)，換言之，處于“無規(guī)取向”時(shí)， 在極圖中無法發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀、環(huán)狀的X射線反射。根據(jù)這些X射線反射的有無，判斷該壓電薄膜是否為優(yōu)先取向，即作為優(yōu)先取向 的存在狀況的定義。在本實(shí)施例1的壓電元件的結(jié)構(gòu)解析中，使用搭載了具有大面積的X射 線檢測域的2維檢測器的高輸出功率X射線衍射裝置，即布魯克AXS (BrukerAXS)公司制的 "D8 DISCOVER with Hi STAR、VANTEC2000”。在本實(shí)施例中，測定 KNN 薄膜的以(110)面為 極的極圖。圖4表示本實(shí)施例中進(jìn)行的極圖的測定配置的概念圖。其為被稱作Schultz的反 射法的方法。在以往的極圖測定中，由于所使用的X射線檢測器多為0維，因此需要對(duì)圖4 所示的X(a)軸和①⑶)軸同時(shí)掃描，測定所需的時(shí)間長。但是，在本實(shí)施例中由于使用了大面積的2維源檢測器(HiSTAR，VANTEC2000)，幾乎完全不需要進(jìn)行前述2軸的掃描，因 此可在短時(shí)間內(nèi)測定。由此，可大量且迅速地取得通過各種條件制作的KNN薄膜的結(jié)晶取 向性的解析結(jié)果，從而可實(shí)現(xiàn)具有本發(fā)明的晶體結(jié)構(gòu)的KNN壓電薄膜。圖5表示實(shí)施例1的壓電薄膜的極圖的測定結(jié)果。如作為極圖的圖5(a)所示，從 沿著縱軸和橫軸的中心起的角度為45°附近處，觀察到相當(dāng)于(001)的衍射面的環(huán)(德拜 環(huán))。另一方面，在35.3°附近處發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)于(111)的衍射面的德拜環(huán)?？芍髯缘?德拜環(huán)從同心圓的配置偏離，從中心微小地偏心。接著，為了定量地比較德拜環(huán)的偏心的狀 態(tài)，對(duì)于本實(shí)施例的極圖、圖5(a)，對(duì)于徑向方向的軸(X(a)軸)和圓周方向的軸沙(3) 軸)，將X軸轉(zhuǎn)換為橫軸、將①軸轉(zhuǎn)換為縱軸而再圖示于圖表。如圖5(b)所示，關(guān)于此時(shí) 所獲得的圖，其波形的X軸中的振幅表示偏心的角度，相當(dāng)于基板面的法線方向與晶面的 法線形成的角的2倍。對(duì)于所獲得的波形數(shù)據(jù)，可通過進(jìn)行基于最小二乘法的擬合解析，求 出波形數(shù)據(jù)的振幅，其結(jié)果，可估計(jì)優(yōu)先取向了的各晶粒相對(duì)于基板面的法線方向的斜角 (傾斜角)。上述的振幅越大，優(yōu)先取向了的各晶粒的斜角越大；反之上述的振幅越小則斜 角越小。特別是，當(dāng)圖表變?yōu)槠叫杏冖佥S的直線時(shí)，則表示斜角不存在。實(shí)施例2通過使用圖5、圖6、圖7、圖18來說明。在實(shí)施例2中，關(guān)于上述的實(shí)施例1，嘗試了制作優(yōu)先取向了的KNN薄膜。作為實(shí) 施例2，圖6中表示其截面模式圖。另外，圖18中表示用于制作KNN薄膜的RF濺射裝置的 概略圖。首先，在本實(shí)施例2中，將RF濺射裝置的投入電力設(shè)定為100W，將濺射用靶10的 中心和基板1的中心設(shè)為一致，進(jìn)行KNN壓電薄膜4的成膜從而制作了壓電薄膜元件。在圖6(a)中表示，作為這樣地制作了的壓電薄膜元件截面的模式圖的一個(gè)實(shí)例。 制作了如下壓電薄膜元件在具有氧化膜的Si基板1上形成了粘接層2的上部，形成了下 部電極層3和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的KNN的壓電薄膜4的壓電薄膜元件。這里，多晶的壓電薄膜為 各自的柱狀結(jié)構(gòu)的晶粒5大致在某一定方向排列而構(gòu)成的集合組織。從制作了的壓電薄膜元件可確認(rèn)出優(yōu)先取向了的晶粒5的晶面的法線方向?yàn)榕c Si基板1面的法線方向相同的方向。即，制作出了(001)晶面的法線與基板1面的法線方 向大致一致的多晶的壓電薄膜。此時(shí)，在極圖測定中，圖5(a)所示那樣的(001)和(111)的德拜環(huán)沒有偏心，繪制 成被配置為同心圓狀。另外，當(dāng)將前述的立體投影圖的X軸和①軸轉(zhuǎn)換為，x_y軸成為正 交軸的圖表時(shí)，未看到圖5(b)所示那樣的波形曲線，(001)和(111)變?yōu)橹本€狀。接著，在本實(shí)施例2中，將投入電力設(shè)定為100W，將Si基板1中心配置于從濺射靶 10中心位移數(shù)cm的位置而進(jìn)行成膜(film deposition)。在此情況下，如圖6(b)所示，可 確認(rèn)出相對(duì)于Si基板1面的法線方向而言，優(yōu)先取向了的晶粒6的晶面的法線方向微小 地偏離，傾斜。在本實(shí)施例2中，如圖5(a)所示，觀察到(001)和(111)的2個(gè)的德拜環(huán)，如圖 5(b)所示，可知各自的波形曲線的振幅不同。即，表示了(001)和(111)的各晶面相對(duì)于基 板面的斜角不同。此時(shí)，(001)的振幅的解析值為9. 9°。另一方面，(111)的振幅的解析 值為0.52°。作為結(jié)果，可知本實(shí)施例2的壓電薄膜為，相對(duì)于基板面的法線方向，(001)的結(jié)晶取向方向的角度傾斜約5°，(111)的結(jié)晶取向方向的角度傾斜約0.3°。如此在實(shí)施例2中，嘗試制作優(yōu)先取向了的KNN薄膜，但是優(yōu)先取向了的晶粒6多 為各自具有略微不同的傾斜角。即，晶粒為不均。在圖7中顯示了，其截面圖的概念圖。 各自的傾斜角不同的晶粒7的不均(偏差)大致反映了圖5所示的德拜環(huán)的寬度的大小。 因此，便可通過計(jì)量德拜環(huán)的寬度，估計(jì)壓電薄膜對(duì)于基板的斜角不均的大小。實(shí)施例3通過使用圖8來說明。作為實(shí)施例3，圖8中顯示了通過變化傾斜(斜)角的不均而制作了的壓電薄膜的 極圖測定的結(jié)果。確認(rèn)當(dāng)變更Pt下部電極的結(jié)晶取向性、KNN壓電薄膜的濺射成膜的投 入電力等成膜條件時(shí)，或者沒有嚴(yán)密地管理成膜條件時(shí)，顯示出各種各樣的結(jié)晶取向性，對(duì) 應(yīng)于(001)和(111)的德拜環(huán)的波形變化為各種各樣的形狀。在圖8(a)中，(001)和(111)兩者的振幅小，表示對(duì)于基板的斜角小。另外，這些 德拜環(huán)的寬度小，可知形成了壓電薄膜對(duì)基板的斜角不均也小的KNN薄膜。圖8(b)中，(001)的振幅變大，表示優(yōu)先取向于(001)的KNN薄膜對(duì)基板的斜角 大。但是，(111)的振幅比其小，表示優(yōu)先取向于(111)的KNN薄膜對(duì)基板的斜角要小于優(yōu) 先取向于(001)的結(jié)晶。另外，在圖8(c)中，對(duì)應(yīng)于(001)和(111)的德拜環(huán)的寬度要大于圖8(a)、圖8(b) 所示的相應(yīng)寬度，可知壓電薄膜對(duì)基板的斜角的不均變大。如上所述，如果進(jìn)行極圖測定，可詳細(xì)地調(diào)查KNN壓電薄膜的結(jié)晶取向性的不同。實(shí)施例4通過使用圖9來說明。作為實(shí)施例4，圖9表示，在低取向狀態(tài)的Pt下部電極上，通過改變?yōu)R射投入電力 而成膜的KNN壓電薄膜的極圖測定的結(jié)果。圖9表示根據(jù)濺射投入電極而改變傾斜(斜) 角的情況。圖9(a)顯示以濺射投入電力60W成膜時(shí)、圖9(b)顯示以65W成膜時(shí)的KNN薄膜 的極圖。比較圖9(a)和圖9(b)的話，可知圖9(a)所示的以60W成膜的KNN薄膜的(001) 的德拜環(huán)的振幅要大于圖9(b)所示的以65W成膜的情況。S卩，表示了 在低取向的Pt下部 電極上，如果以小的濺射投入電力進(jìn)行KNN薄膜的成膜，那么(001)優(yōu)先取向了的晶粒的斜
角變大。實(shí)施例5通過使用圖10來說明。作為實(shí)施例5，在圖10表示了改變(001)優(yōu)先取向了的晶粒相對(duì)于基板的傾斜 (斜)角的不均(偏差)而制作了的KNN壓電薄膜的極圖測定的結(jié)果。此時(shí)，在圖10(a)表示了在(111)高取向的Pt電極上以濺射投入電力75W成膜時(shí) 的結(jié)果，在圖10(b)表示了以60W成膜時(shí)的結(jié)果。將圖10(a)和圖10(b)進(jìn)行比較的話，可 知振幅的大小是相同的。即，顯示了 (001)優(yōu)先取向的晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角 相同。另一方面，可知就德拜環(huán)的寬度而言，圖10(a)的更大。S卩，表示了 在(111)高取 向的Pt電極上，如果以大的濺射投入電力形成KNN薄膜，那么(001)優(yōu)先取向的晶粒相對(duì) 于基板面的傾斜(斜)角的不均(傾斜)變大。
實(shí)施例6通過使用圖11來說明。作為實(shí)施例6，圖11中顯示了 (001)和(111)優(yōu)先取向而制作了的KNN薄膜的極 圖測定的結(jié)果。此時(shí)，圖11(a)顯示了在(111)低取向的Pt電極上以濺射投入電力70W成 膜時(shí)的結(jié)果，圖11(b)顯示了在(111)高取向的Pt電極上以70W成膜時(shí)的結(jié)果。通過比較 圖11(a)和圖11(b)可知(001)取向的德拜環(huán)的振幅和寬度與(111)取向的相應(yīng)值相同。 即，顯示了 雖然優(yōu)先取向的晶面不同，但是相對(duì)于其基板面的傾斜(斜)角和其不均(偏 差)是相同的。即，可知通過改變Pt電極的結(jié)晶取向性，便可改變形成于其上部的KNN薄 膜的取向的晶面。實(shí)施例7通過使用圖12、圖13來說明。作為實(shí)施例7，關(guān)于(001)和(111)優(yōu)先取向了的KNN薄膜的晶粒共存的狀態(tài)，在 圖12表示了通過改變相對(duì)于基板的傾斜(斜)角的不均(偏差)而制作了的KNN壓電薄 膜的極圖測定的結(jié)果。此處，圖12(a)顯示了，在(111)低取向的Pt電極上以濺射投入電力100W成膜時(shí) 的結(jié)果；圖12(b)顯示了，在(111)高取向的Pt電極上以100W成膜時(shí)的結(jié)果。將圖12(a)和圖12(b)進(jìn)行比較時(shí)，可知(001)和(111)的兩者的振幅相同。艮口， 顯示了 在(001)和(111)優(yōu)先取向的晶粒共存的狀態(tài)下，這些優(yōu)先取向了的晶粒相對(duì)于基 板面的傾斜(斜)角相同。另一方面，可知就(001)和(111)的德拜環(huán)的寬度而言，存在圖12(a)的更大的 傾向。即，顯示了 通過將濺射投入電力設(shè)為比實(shí)施例6高的100W，在(111)低取向的Pt 電極上成膜KNN薄膜的情況下，就(001)和(111)優(yōu)先取向的晶粒而言，它們相對(duì)于基板面 的傾斜(斜)角的不均(傾斜)變大。圖13中顯示了，本實(shí)施例7的壓電薄膜元件截面圖 的模式圖。顯示了，(001)優(yōu)先取向了的晶粒(
軸取向)9和(111)優(yōu)先取向了的晶 粒([111]軸取向)10處于共存的狀態(tài)。各自的傾斜(斜)角對(duì)應(yīng)于11和12，它們的不均 (偏差)大致相當(dāng)于(111)和(001)各自的德拜環(huán)的寬度。實(shí)施例8通過使用圖14 圖17來說明。圖14表示(001)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜的、晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜) 角與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖14的橫軸是(001)優(yōu)先取向晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角 S。另外，縱軸為壓電常數(shù)。作為縱軸的具體例，可舉出作為垂直于電極面(厚度方向) 的伸縮的變化量的d33，或者作為沿著電極面的方向的伸縮的變化量的d31。此處的單位為任意單位。之所以使壓電常數(shù)為任意單位，是出于以下理由。要想 求出壓電常數(shù)，需要壓電薄膜的楊氏模量、泊松比等數(shù)值，但是并不容易求出壓電薄膜(壓 電薄膜)的楊氏模量、泊松比的數(shù)值。特別是，就薄膜的情況而言，與塊體(bulk body)不 同，由于受到成膜時(shí)所使用的基板的影響(約束等)，因此難以在原理上求出薄膜自身的楊 氏模量、泊松比(常數(shù))的絕對(duì)值(真值)。所以，使用目前為止已知的KNN薄膜的楊氏模 量、泊松比的推定值來算出壓電常數(shù)。因此，由于所獲得的壓電常數(shù)為推定值，為了使其具 有客觀性，而設(shè)為相對(duì)的任意單位。只是，雖然壓電常數(shù)的計(jì)算中使用的KNN薄膜的楊氏模量、泊松比的值為推定值，但卻是某種程度上具有可靠性的值，壓電常數(shù)的約90[任意單 位]大體上可以說是壓電常數(shù)d31為90[_pm/V]。由表1以及將表1圖形化的圖14可知，隨著(001)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜(斜) 角變大，壓電常數(shù)變大。此時(shí)，與所施加的電場的大小無關(guān)，顯示相同的變化。另外，存在如 下傾向從約3°到4°，壓電常數(shù)變大，從4°到5°，進(jìn)一步在5°以上，維持了高的壓電常數(shù)。即，可知，為了實(shí)現(xiàn)具有可適用于致動(dòng)器、傳感器等的壓電常數(shù)的KNN壓電薄膜元 件，優(yōu)選將(001)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜(斜)角設(shè)為3°以上。表1
試樣<001>與法線之間的角度(° )壓電常數(shù)7MV/m壓電常數(shù)67MV/m試樣11. 406563試樣21. 386663試樣30. 475757試樣44. 938768試樣53. 938873試樣60. 476559試樣70. 946054試樣80. 446563試樣92. 977966另外，表2以及將表2圖形化的圖15表示(111)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜的、 晶粒對(duì)基板面的傾斜(斜)角與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。圖15的橫軸為(111)優(yōu)先取向晶粒 相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角。在圖15中可知，隨著(111)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜(斜) 角變小，壓電常數(shù)變大。表2
試樣<001>與法線之間的角度(° )壓電常數(shù)齙.7MV/m壓電常數(shù)67MV/m試樣A1. 406563試樣B4. 938768
15 另外可知，與所施加的電場的大小無關(guān)，顯示出相同的傾向。當(dāng)(111)優(yōu)先取向的 晶粒的傾斜(斜)角變?yōu)?°以下時(shí)，施加電場為6. 7MV/m的壓電常數(shù)，相比于施加電場為 0.67MV/m的壓電常數(shù)而言，驟然變大。因此，可認(rèn)為為了穩(wěn)定地獲得高的壓電常數(shù)，優(yōu)選 將(111)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜(斜)角控制為1°以下。接著，圖16中表示(001)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜的、晶粒相對(duì)于基板面的傾 斜(斜)角的不均(偏差)與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。需要說明的是，就此處所求的不均(偏 差)為如下獲得的值在圖5所示的極圖中，將德拜環(huán)以平行于Χ(α)軸的方式切斷時(shí)所觀 察到的X射線衍射的峰譜圖，對(duì)該峰譜圖進(jìn)行函數(shù)擬合而獲得的半值寬。在表3以及將表3圖形化的圖16中可觀察到隨著(001)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜 (斜)角的不均變大，壓電常數(shù)變大的傾向。根據(jù)圖16，為了獲得良好的壓電常數(shù)，(001)優(yōu) 先取向的晶粒的傾斜(斜)角的不均優(yōu)選為1.2°以上。特別是2. 4°以上時(shí)，壓電常數(shù)增 加的傾向變大。因此，為了穩(wěn)定地獲得高的壓電常數(shù)，優(yōu)選將(001)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜 (斜)角的不均、或者(001)的德拜環(huán)的半值寬控制為2. 4°以上。表3
試樣<001>與法線之間的偏差(° )壓電常數(shù)齙.7MV/m壓電常數(shù)67MV/m試樣12. 346563試樣22. 676663試樣31. 455757試樣46. 088768試樣57. 958873試樣62. 346559試樣70. 946054試樣81. 226563試樣93. 987966 另一方面，表4以及將表4圖形化的圖17中表示(111)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄 膜的、晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)與壓電常數(shù)的相關(guān)圖。在本圖中可知，與施加電場的大小無關(guān)，隨著(111)優(yōu)先取向的晶粒的傾斜(斜)角的不均變大，壓 電常數(shù)變大。根據(jù)圖17，為了獲得良好的壓電常數(shù)，優(yōu)選(111)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜 的晶粒相對(duì)于基板面的傾斜(斜)角的不均(偏差)為1°以上。另外，從約2°到2.5°， 壓電常數(shù)變大。但是，當(dāng)斜角的不均大于上述數(shù)值時(shí)，壓電常數(shù)幾乎不變化(具有維持高的 壓電常數(shù)的傾向)。因此，由于晶粒相對(duì)于(111)優(yōu)先取向了的KNN壓電薄膜的基板面的傾 斜(斜)角的不均(偏差)為2°以上，可獲得良好的壓電常數(shù)。表 4 以上，可知根據(jù)本實(shí)施例8，通過獨(dú)立地精密地控制結(jié)晶取向方位與基板面法線 形成的角、或該形成的角的偏差，可穩(wěn)定地獲得具有高壓電常數(shù)的壓電薄膜，實(shí)現(xiàn)精密控制 結(jié)晶取向性的KNN壓電薄膜，制造新型的高性能的壓電薄膜元件以及使用了其的壓電薄膜 設(shè)備。以下記載在實(shí)施例8獲得的壓電薄膜元件的一個(gè)試樣(以下，稱為實(shí)施例試樣)。實(shí)施例試樣的壓電薄膜為，(001)優(yōu)先取向晶粒和(111)優(yōu)先取向晶粒共存的狀 態(tài)，(001)優(yōu)先取向晶粒的晶軸相對(duì)于基板的傾斜為3.0°，(111)優(yōu)先取向晶粒的晶軸相 對(duì)于基板的傾斜為0.5°。該實(shí)施例試樣的壓電常數(shù)為，在施加了施加電壓6. 7MV/m時(shí)顯示壓電常數(shù)87。此時(shí)的制造條件為，作為基板準(zhǔn)備0. 5mm的Si基板，通過在表面實(shí)施熱氧化膜處 理，在Si基板的表面形成了 150nm的氧化膜。接著，在氧化膜上形成2nm的Ti粘接層、以 及在Ti粘接層上形成優(yōu)先取向于(111)的IOOnm的Pt下部電極。Ti密合層、以及Pt下 部電極通過如下條件成膜基板溫度350°C、投入電力100W、Ar氣體100%氛圍、氣體壓力 2. 5Pa、成膜時(shí)間1 3分鐘(Ti粘接層)、10分鐘(Pt下部電極)。對(duì)于形成于Pt下部電 極上的KNN壓電薄膜而言，作為靶而使用(NaxKyLiz)NbO3X = 0. 5，y = 0. 5，ζ = 0，靶密度 4. 6g/cm3的陶瓷靶，使膜厚為3 μ m地通過濺射法進(jìn)行了成膜。成膜時(shí)的基板溫度為700°C， 投入電力為100W，使用Ar和O2氣體的9 1的混合氣體，壓力設(shè)為1. 3Pa。另外，將靶中心 和基板中心的位移量設(shè)為10mm。此外，在濺射裝置中使用自公轉(zhuǎn)爐，TS間距離設(shè)為50mm。這樣，通過控制壓電薄膜元件的各構(gòu)成材料、成膜溫度等成膜條件，控制優(yōu)先取向 晶粒的傾斜，由此可實(shí)現(xiàn)良好的壓電特性。在上述實(shí)施例中，雖然說明了將設(shè)置于基板上的優(yōu)先取向于(111)的Pt薄膜作為Pt下部電極，但是優(yōu)先取向于(111)的Pt薄膜也可起到控制LKNN壓電薄膜的取向的底層 的作用。也可在Pt薄膜上，或者代替Pt薄膜，形成NaNb03、LaNiO3等具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的薄 膜來作為底層。
權(quán)利要求
一種壓電薄膜元件，其為在基板上設(shè)有由通式(NaxKyLiz)NbO3(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤0.2，x+y+z＝1)表示的壓電薄膜的壓電薄膜元件，其特征在于，所述壓電薄膜為具有假立方晶、正方晶或斜方晶中的任一種的晶體結(jié)構(gòu)，或具有假立方晶、正方晶或斜方晶中的至少二種共存的晶體結(jié)構(gòu)，這些晶體結(jié)構(gòu)為取向于(001)方向的(001)取向晶粒和取向于(111)方向的(111)取向晶粒共存的結(jié)構(gòu)，且所述晶粒所具有的晶軸中的至少一個(gè)晶軸與所述基板表面的法線形成的角處于0°至10°的范圍內(nèi)。
2.權(quán)利要求1中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，所述壓電薄膜具有由柱狀結(jié)構(gòu)的 粒子構(gòu)成的集合組織。
3.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，所述晶面的法線與所述基板表面的法線形成 的角為3°以上。
4.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，所述晶面的法線與所述基板表面的法線形成 的角為1°以下。
5.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，所述晶面的法線與所述基板表面的法線形成 的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為1.2°以上。
6.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(001)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，該壓電薄膜元件的極圖測定中的(001)的德 拜環(huán)的寬度為2. 4°以上。
7.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，所述晶面的法線與所述基板表面的法線形成 的角相對(duì)于該角的中心值的偏差為1°以上。
8.權(quán)利要求1或2中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，優(yōu)先取向成為，作為特定晶面 的(111)的法線相對(duì)于基板表面為垂直方向，所述壓電薄膜元件的極圖測定中的(111)的 德拜環(huán)的寬度為2°以上。
9.權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)記載的壓電薄膜元件，其特征在于，在所述基板和所述壓 電薄膜之間具備底層。
10.權(quán)利要求9中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，所述底層為Pt層或者以Pt為主 成分的合金層、或者含有這些以Pt為主成分的電極層的層合結(jié)構(gòu)的電極層。
11.權(quán)利要求1 10中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，在所述壓電薄膜上形成有上 部電極。
12.權(quán)利要求1 11中記載的壓電薄膜元件，其特征在于，所述基板為Si基板。
13.—種壓電薄膜設(shè)備，其具備權(quán)利要求1 12中的任一項(xiàng)記載的壓電薄膜元件、以及 電壓施加單元或電壓檢測單元。
全文摘要
本發(fā)明提供壓電特性和生產(chǎn)率優(yōu)異的壓電薄膜元件以及使用了其的壓電薄膜設(shè)備。所述壓電薄膜元件為在基板上設(shè)有由通式(NaxKyLiz)NbO3(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤0.2，x+y+z＝1)表示的壓電薄膜的壓電薄膜元件，其特征在于，所述壓電薄膜為，具有假立方晶、正方晶或斜方晶中的任一種的晶體結(jié)構(gòu)，或具有假立方晶、正方晶或斜方晶中的至少二種共存的晶體結(jié)構(gòu)，這些晶體結(jié)構(gòu)為取向于(001)方向的(001)取向晶粒和取向于(111)方向的(111)取向晶粒共存的結(jié)構(gòu)，且所述晶粒所具有的晶軸中的至少一個(gè)晶軸與所述基板表面的法線形成的角處于0°至10°的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L41/24GK101924179SQ20101020561
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者佐藤秀樹, 末永和史, 柴田憲治, 野本明 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社