專利名稱：壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請基于2010年2月16日提出的日本特愿2010-031289，通過參照的方式包含
其全部內(nèi)容。本發(fā)明涉及壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備。特別是，本發(fā)明涉及使用鈮酸鋰鈉鉀等不含鉛的壓電材料的壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備。
背景技術(shù)：
壓電體根據(jù)各種目的而被加工成各種各樣的壓電元件。例如，作為通過施加電壓而產(chǎn)生變形的執(zhí)行器、或者根據(jù)壓電元件的變形而產(chǎn)生電壓的傳感器等功能性電子部件， 得到廣泛利用。近年來，由于對環(huán)境的考慮而希望開發(fā)不含有鉛的壓電體，例如，正在推進鈮酸鋰鈉鉀(通式(NaxKyLiz) NbO3 (其中，0〈1〈1,0〈5<1,0〈2〈1, x+y+z=l)等的開發(fā)。銀酸鋰鈉鉀具有與Pb (ZivxTix) O3系鈣鐵礦型強介電體(PZT)相當(dāng)?shù)膲弘娞匦裕虼俗鳛椴挥勉U的壓電材料的有力候補而受到期待。通過在壓電體薄膜中使用不用鉛的壓電體薄膜，從而可制成環(huán)境負荷小的高精細且高速的噴墨打印機用頭部，及小型且低價的陀螺儀傳感器等。此外，隨著各種電子部件的小型化及高性能化的推進，在壓電元件中也開始強烈要求小型化及高性能化。然而，就利用現(xiàn)有的壓電材料制法即燒結(jié)法等制作的壓電材料而言，若壓電材料的厚度為規(guī)定的厚度、特別是IOum以下的厚度，則構(gòu)成壓電材料的晶粒的大小與壓電材料的厚度接近，其影響變得無法忽視。因此，壓電材料特性的波動及劣化變得顯著，因此為了避免壓電材料特性的波動及劣化，正在研究取代燒結(jié)法的應(yīng)用薄膜技術(shù)等的壓電材料制造法。作為以往的不用鉛的壓電薄膜元件，已知使用由堿鈮氧化物系鈣鈦礦化合物所形成的介電體膜的壓電薄膜元件(例如，參照專利文獻I)。專利文獻I中記載的壓電薄膜元件具備由MgO等形成的基板，在基板上形成的下部電極，由BaTiO3等形成的、在下部電極上形成的緩沖層，由通式用(NaxKyLiz) NbO3 (0〈x〈l,0〈y〈l, x+y+z=l)表示的堿銀氧化物系鈣鈦礦化合物構(gòu)成的、在緩沖層上形成的壓電薄膜，以及在壓電薄膜上形成的上部電極；壓電薄膜由濺射法(RF磁控濺射法)、CVD法、PLD法、或者涂布法等形成。專利文獻I中記載的壓電薄膜元件由于具備如上所述的構(gòu)成，因此可獲得良好的壓電特性。專利文獻專利文獻I :日本特開2007-19302號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，由現(xiàn)有技術(shù)(例如，專利文獻I的技術(shù))得到的壓電薄膜元件難以具有所需的壓電常數(shù)，此外，在得到所需的壓電常數(shù)時，還在元件的壽命方面存在問題。此外，難以高成品率地得到壓電常數(shù)大的壓電薄膜元件。
因此，本發(fā)明的目的在于提供能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高、并具有高性能、且能夠?qū)崿F(xiàn)制造成品率的提高的壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備。(I)本發(fā)明為了達成上述目的，提供了一種壓電薄膜元件，其中，具備基板和壓電薄膜；所述壓電薄膜設(shè)在基板上，具有用通式(NaxKyLiz) NbO3 (0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ I,0≤z≤0. 2，x+y+z=l)表示、選自近似立方晶(擬立方晶)、正方晶、及斜方晶中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)，含有以質(zhì)量比計為SOppm以下的非活性氣體元素。(2)此外,在上述壓電薄膜元件中，壓電薄膜可含有30ppm 70ppm的非活性氣體元素。(3)此外，在上述壓電薄膜元件中，壓電薄膜可含有0. 16ug/cm2以下的非活性氣體元素。(4)此外,在上述壓電薄膜兀件中，壓電薄膜可含有0. 06 u g/cm2 0. 15 u g/cm2的非活性氣體元素。(5)此外，在上述壓電薄膜元件中，非活性氣體元素可為氬(Ar)。(6)此外，在上述壓電薄膜元件中，可在基板與壓電薄膜之間進一步具備下部電極。(7)此外，在上述壓電薄膜元件中，壓電薄膜也可相對于基板面而在平行方向具有應(yīng)變。(8)此外，在上述壓電薄膜元件中，應(yīng)變可為由拉伸應(yīng)力所致的應(yīng)變、或者由壓縮應(yīng)力所致的應(yīng)變。(9)此外，在上述壓電薄膜元件中，壓電薄膜也可相對于基板面在垂直方向、平行方向、或者垂直方向和平行方向具有不均勻的應(yīng)變。 ( 10 )此外，在上述壓電薄膜元件中，下部電極可具有由Pt或包含Pt的合金構(gòu)成的電極層。( 11)此外，在上述壓電薄膜元件中，下部電極也可具有在基板表面的垂直方向優(yōu)先取向的結(jié)晶取向性的單層。(12)此外，本發(fā)明為了達成上述目的，提供了一種壓電薄膜設(shè)備，其具備上述(I)記載的壓電薄膜元件、以及對壓電薄膜元件施加電壓的電壓施加部。(13)此外，本發(fā)明為了達成上述目的，提供了一種壓電薄膜設(shè)備，其具備上述(I)記載的壓電薄膜元件、以及對施加于壓電薄膜元件的電壓進行檢測的電壓檢測部。根據(jù)本發(fā)明的壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備，可提供能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高、并具有高性能、且能夠?qū)崿F(xiàn)制造成品率的提高的壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備。[發(fā)明點]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，壓電薄膜元件以將壓電薄膜中的非活性氣體元素的含量嚴密地控制在規(guī)定范圍內(nèi)的方式構(gòu)成，由此，能夠以壓電薄膜的結(jié)晶取向成為特定取向的方式、或者以壓電薄膜的殘留應(yīng)力成為恰當(dāng)值的方式穩(wěn)定地進行控制。由此，可實現(xiàn)高品質(zhì)的壓電薄膜元件，并改善具備壓電薄膜元件的壓電薄膜設(shè)備的壓電特性，由此，可低成本且高成品率地提供高性能的微型設(shè)備。


圖IA是本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件的縱向截面圖。圖IB是表示使用了本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件的壓電執(zhí)行器的圖。圖IC是表示使用了本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件的壓電傳感器的圖。圖2是表示實施例I的壓電薄膜元件的X射線衍射圖(其中，2 0 / 0掃描)的圖。圖3是表示實施例I的壓電薄膜元件的KNN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的圖。圖4是表示構(gòu)成實施例2的壓電薄膜元件具備的壓電薄膜的各組成元素的量與投入至濺射裝置中的電功率的關(guān)系的圖。圖5A是表示在實施例2的壓電薄膜元件中，Ar含量為32ppm的壓電薄膜的Ar_K a附近的熒光X射線光譜的圖。
圖5B是表示在實施例2的壓電薄膜元件中,Ar含量為55ppm的壓電薄膜的Ar_K a附近的熒光X射線光譜的圖。圖5C是表示在實施例2的壓電薄膜元件中，Ar含量為6 Ippm的壓電薄膜的Ar_K a附近的熒光X射線光譜的圖。圖是表示在實施例2的壓電薄膜元件中，Ar含量為69ppm的壓電薄膜的Ar_K a附近的熒光X射線光譜的圖。圖6A是表示在實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜中含有的Ar的質(zhì)量比(濃度)與濺射裝置的投入電功率的相關(guān)性的圖。圖6B是表示在實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜的每單位面積的Ar量(質(zhì)量)與濺射裝置的投入電功率的相關(guān)性的圖。圖7A是表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜中含有的Ar的質(zhì)量比(濃度)與熱處理溫度的相關(guān)性的圖。圖7B是表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜的每單位面積的Ar量(質(zhì)量)與熱處理溫度的相關(guān)性的圖。圖8是表示實施例3的壓電薄膜元件的壓電薄膜的Ar含量(質(zhì)量比)與壓電常數(shù)的相關(guān)性的圖。圖9是表示實施例3的壓電薄膜元件的壓電薄膜的Ar含量(其中，每單位面積的Ar質(zhì)量)與壓電常數(shù)的相關(guān)性的圖。圖10是表示實施例3的壓電薄膜元件的壓電薄膜的內(nèi)部應(yīng)力與Ar含量的相關(guān)性的圖。圖11是表示利用濺射法成膜時的Ar氣壓與制作的壓電薄膜元件的壓電薄膜的壓電常數(shù)的關(guān)系的圖。
具體實施例方式[實施方式的摘要]本發(fā)明提供一種壓電薄膜元件，該壓電薄膜元件具備基板與設(shè)在上述基板上的壓電薄膜，其中，上述壓電薄膜具有用通式(NaxKyLiz)Nb03(0彡X彡1，0彡y彡1，0彡z彡0. 2，x+y+z=l)表示、選自近似立方晶、正方晶、及斜方晶中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)，含有以質(zhì)量比計為SOppm以下的非活性氣體元素。應(yīng)予說明，“80ppm以下”不包括O。即，非活性氣體元素的質(zhì)量比超過0且為80ppm以下。
(發(fā)明人獲得的見解)本實施方式的壓電薄膜元件I基于本發(fā)明人獲得的以下見解。即，以往，對鈮酸鋰鈉鉀膜(應(yīng)予說明，包括鈮酸鉀鈉膜)中包含的Ar含量(其中，在濺射裝置中為所用的操作氣體)進行詳細分析時，未進行基于分析結(jié)果的成膜控制。即，以往不清楚以下情況利用濺射法將壓電薄膜成膜時打入壓電薄膜的反沖Ar及Ar離子、與成膜時的投入電功率(Power)、成膜溫度、及基板與原料靶標之間的距離的變化之間的關(guān)系；以及壓電薄膜中非活性氣體元素的含量為何種程度等。然而，本發(fā)明人進行深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓電薄膜中包含的非活性氣體元素的含量為決定壓電薄膜特性的主要原因之一。即，發(fā)現(xiàn)以往對于作為決定壓電薄膜的特性的主要原因之一的非活性氣體元素在壓電薄膜中的含量沒有進行正確定量，基于定性的評價結(jié)果制作壓電薄膜，從而無法再現(xiàn)性良好地獲得所需的具有高壓電常數(shù)的壓電薄膜。即，使用在批量生產(chǎn)工序中具有實際成績的濺射法來形成壓電薄膜時，用于濺射裝置的非活性氣體在壓電薄膜的成膜中混入壓電薄膜內(nèi)。另外，發(fā)現(xiàn)由于未定量地管理壓電薄膜中包含的非活性氣體元素與壓電薄膜的壓電特性的關(guān)系，因此有時難以成品率良好地制造壽命長且壓電常數(shù)大的壓電薄膜元件。此外，在壓電薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力(應(yīng)變)與壓電常數(shù)具有相關(guān)性，通過除構(gòu)成壓電薄膜的元素以外的其它元素(即，用于濺射裝置的非活性氣體元素)混入到壓電薄膜中而導(dǎo)致壓電常數(shù)變化。因此，發(fā)現(xiàn)在使用濺射法而形成壓電薄膜時，若壓電薄膜中混入超過規(guī)定量的非活性氣體元素，則由于在壓電薄膜中產(chǎn)生的應(yīng)力(即，內(nèi)部應(yīng)力)，該壓電薄膜的壓電特性劣化，此外，存在制造成品率下降的情況。實際上，就Ar元素的含量分別不同的多種鈮酸鋰鈉鉀膜的壓電特性而言，每個生產(chǎn)批次都不同。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)其原因是由于未掌握壓電薄膜的Ar元素含量變化，即，未在嚴密控制Ar元素的壓電薄膜中的含量的基礎(chǔ)上形成壓電薄膜。

例如,若增加派射成膜時的投入電功率(Power),高能量粒子Ar離子及反沖Ar在濺射成膜中與濺射粒子(即，構(gòu)成壓電薄膜的材料的粒子)一起被攝入壓電薄膜內(nèi)。其結(jié)果是，形成由含有Ar元素的多晶粒構(gòu)成的壓電薄膜。此時，雖然可利用電子束顯微分析(EPMA)等分析方法而快速得到壓電薄膜主成分的定性分析等分析結(jié)果，但是利用該分析方法的壓電薄膜主成分的檢測下限低。因此，關(guān)于在壓電薄膜中含有的微量Ar，無法高精度地進行評價。其結(jié)果是，以往不清楚由濺射法的成膜而導(dǎo)致包含在壓電薄膜中的微量非活性氣體對壓電薄膜的特性造成的影響。即，本發(fā)明人認為只要沒有嚴密地控制壓電薄膜中的非活性氣體元素的含量，就無法掌握由壓電薄膜中混入非活性氣體所引起的壓電薄膜特性的劣化，因此無法實現(xiàn)壓電薄膜的壓電常數(shù)的進一步提高、及壓電薄膜的穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，本發(fā)明人為了嚴密地管理及控制鈮酸鋰鈉鉀膜中的Ar氣體的含量，在濺射成膜法中，對作為壓電薄膜的鈮酸鋰鈉鉀膜的成膜溫度、用于濺射法的非活性氣體的種類、非活性氣體的壓力、成膜時的真空度、成膜時的投入電功率、及成膜后的熱處理，研究了提高壓電薄膜的壓電特性的制作條件。另外，通過實現(xiàn)壓電薄膜的制作條件的最優(yōu)化，從而實現(xiàn)了本實施方式的壓電薄膜元件I。另外，本發(fā)明人根據(jù)各濺射裝置及各種成膜條件的環(huán)境，詳細且嚴密地研究成膜溫度等條件，發(fā)現(xiàn)了可再現(xiàn)性良好地形成含有恰當(dāng)量的非活性氣體元素的鈮酸鋰鈉鉀薄膜。實際上，為了控制多晶或者外延成長的單結(jié)晶的鈮酸鋰鈉鉀膜中的作為非活性氣體元素的Ar含量，例如，以壓電薄膜的每單位面積或者每單位體積的Ar含量納入在一定范圍內(nèi)的方式控制濺射的投入電功率或者電功率密度。具體而言，以投入電功率或者電功率密度成為恒定的方式精密地設(shè)定成膜條件。此外，在壓電薄膜的成膜后，為了通過使用利用紅外燈的熱輻射、或者利用介由導(dǎo)熱板的加熱器加熱的熱傳導(dǎo)來加熱壓電薄膜，從而使壓電薄膜中包含的Ar含量為最優(yōu)范圍，設(shè)定熱處理溫度。進而，與上述各條件配合，將導(dǎo)入至濺射成膜裝置內(nèi)的非活性氣體的壓力及流量確定至最優(yōu)值。此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過選擇除Ar以外的其它非活性氣體或者包含Ar的非活性氣體并嚴密地控制壓電薄膜中的非活性氣體元素的含量，也可期待穩(wěn)定且再現(xiàn)性良好地制作顯示出高壓電常數(shù)的鈮酸鋰鈉鉀膜。此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)濺射靶標材的密度 及構(gòu)成元素而調(diào)整反沖Ar的量，或者增減除Ar以外的其它非活性氣體的高速中性粒子的運動能量，從而可使攝入壓電薄膜中的操作氣體元素的含量最優(yōu)化。[實施方式](壓電薄膜元件I的構(gòu)成)圖IA表示本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件的縱向截面的概要。本實施方式的壓電薄膜元件I具備在一側(cè)表面具有氧化膜12的基板10 ;介由粘合層20而設(shè)在基板10上(S卩，氧化膜12的表面)的下部電極30 ;設(shè)置在下部電極30上、主要由具有鈣鐵礦型結(jié)構(gòu)的材料形成的壓電薄膜40;設(shè)置在壓電薄膜40上的上部電極50。此夕卜，壓電薄膜 40 由用通式(NaxKyLiz) NbO3 (0 ^ x ^ 1,0 ^ y ^ 1,0 ^ z ^ 0. 2, x+y+z=l)表示的材料形成。進而，構(gòu)成下部電極30的材料相對于基板10的表面在規(guī)定方向進行取向，構(gòu)成壓電薄膜40的材料相對于下部電極30在規(guī)定方向進行優(yōu)先取向。在此，壓電薄膜40具有選自近似立方晶、正方晶、及斜方晶中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)而形成。應(yīng)予說明，壓電薄膜40具有近似立方晶、正方晶、及斜方晶中的任一種晶體結(jié)構(gòu)而形成，或者具有混合這些晶體結(jié)構(gòu)中的兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)而形成。此外，壓電薄膜40形成為以質(zhì)量比(S卩，相對于構(gòu)成壓電薄膜40的元素的非活性氣體元素的含有比例)計含有80ppm以下，優(yōu)選為30ppm 70ppm的非活性氣體元素。應(yīng)予說明，“80ppm以下”不包括O。即，非活性氣體元素的質(zhì)量比超過O、且為SOppm以下。此夕卜，壓電薄膜40含有0. 16 u g/cm2以下、優(yōu)選0. 06 u g/cm2 ~ 0. 15 u g/cm2的非活性氣體元素而形成。作為基板10,可使用Si基板、MgO基板、ZnO基板、Sr Ti O3基板、Sr RuO3基板、玻璃基板、石英玻璃基板、GaAs基板、GaN基板、藍寶石基板、Ge基板、或者不銹鋼基板等。在本實施方式中，優(yōu)選使用價格低廉且工業(yè)上使用的實際成績豐富的Si基板。作為氧化膜12，在基板10由Si形成時，可使用通過熱氧化在基板10的表面形成的熱氧化膜。此外，也可通過利用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)法在基板10的表面形成Si氧化膜，從而形成氧化膜12。應(yīng)予說明，在由除Si以外的其它材料形成基板10時，也可在基板10的表面不設(shè)置氧化膜12而在石英玻璃基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板等由氧化物構(gòu)成的基板上直接形成由Pt等構(gòu)成的下部電極30。
下部電極30可由Pt或者包含Pt的合金形成。此外，下部電極30也可具有由Pt或者包含Pt的合金形成的電極層，和由導(dǎo)電性材料構(gòu)成的電極層的層疊結(jié)構(gòu)。進而，下部電極30也可具有金屬層、氧化物層或化合物層而形成，上述金屬層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素，上述氧化物層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素的氧化物，上述化合物層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素與構(gòu)成壓電薄膜40的元素的化合物。此外，下部電極30也可由層疊結(jié)構(gòu)形成，上述層疊結(jié)構(gòu)包含選自電極層和/或電極層、金屬層、氧化物層、及化合物層中的至少一種，上述電極層由Pt或者包含Pt的合金形成，上述電極層由導(dǎo)電性材料形成。此外，下部電極30具有在基板10 (例如，Si基板)的表面的垂直方向優(yōu)先取向的結(jié)晶取向性的單層而形成。例如 ，下部電極30可具有在(111)面取向而形成的由Pt構(gòu)成的單層而形成。進而，在基板10與下部電極30之間，還可設(shè)置提高基板10與下部電極30的密合性的粘合層20。粘合層20可由例如由Ti等金屬材料構(gòu)成的薄膜形成。壓電薄膜40如上所述，主要由用(NaxKyLiz) NbO3 (0 ^ x ^ 1,0 ^ y ^ I,0 ^ z ^ 0. 2, x+y+z=l)表示的I丐鐵礦型氧化物形成。應(yīng)予說明，在構(gòu)成壓電薄膜40的銀酸鉀鈉或者鈮酸鋰鈉鉀中，還可摻雜規(guī)定量的Cu、Ta和/或V等。此外，壓電薄膜40含有ABO3結(jié)晶或者非晶質(zhì)的ABO3 (其中，A為選自Li、Na、K、La、Sr、Nd、Ba、及 Bi 中的至少一種元素，B 為選自 Zr、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta、及 In 中的至少一種元素，0為氧)中的至少一方而形成。即，壓電薄膜40可含有ABO3結(jié)晶或者非晶質(zhì)ABO3中的任一方、或者ABO3結(jié)晶和非晶質(zhì)的ABO3的雙方而形成。此外，壓電薄膜40還可相對于基板10的面在平行方向具有應(yīng)變。該應(yīng)變?yōu)橛衫鞈?yīng)力所致的應(yīng)變(即，拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變)，或者由壓縮應(yīng)力所致的應(yīng)變(即，壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變)。應(yīng)予說明，壓電薄膜40也可為不具有應(yīng)變的狀態(tài)(S卩，不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的無應(yīng)變的狀態(tài))。進而，壓電薄膜40也可相對于基板10的面在垂直方向或平行方向、或者垂直方向和平行方向具有不均勻的應(yīng)變。壓電薄膜40的應(yīng)變根據(jù)在壓電薄膜40中包含的非活性氣體元素含量變化而發(fā)生。例如，根據(jù)壓電薄膜40中的非活性氣體元素含量變化，在壓電薄膜40內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力或者拉伸應(yīng)力。此外，也可控制壓電薄膜40中的非活性氣體元素含量,形成在壓電薄膜40中不產(chǎn)生應(yīng)力的狀態(tài)，即無應(yīng)變狀態(tài)的壓電薄膜40。上部電極50可由Pt或者包含Pt的合金所形成。此外，上部電極50也可具有包含由Pt或者包含Pt的合金形成的電極層、以及由導(dǎo)電性材料構(gòu)成的電極層的層疊結(jié)構(gòu)而形成。進而，上部電極50也可具有金屬層、氧化物層或化合物層而形成，上述金屬層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素；上述氧化物層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素的氧化物；上述化合物層包含選自Ru、Ir、Sn、及In中的至少一種元素與構(gòu)成壓電薄膜40的元素的化合物。具備這種構(gòu)成的壓電薄膜元件I具有高壓電常數(shù)。此外，通過將壓電薄膜元件I成型成規(guī)定形狀，并將對壓電薄膜元件I施加電壓的電壓施加部設(shè)置在壓電薄膜元件I中，從而可實現(xiàn)壓電薄膜設(shè)備。進而，也可實現(xiàn)將壓電薄膜元件I成型成規(guī)定形狀、并將對施加于壓電薄膜元件I的電壓進行檢測的電壓檢測部設(shè)置在壓電薄膜元件I中的壓電薄膜設(shè)備。壓電薄膜設(shè)備為例如執(zhí)行器、傳感器等。圖IB是表示使用本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件I的壓電執(zhí)行器100的圖。如圖IB所示，壓電執(zhí)行器100具備壓電薄膜元件I和電源60，上述電源60作為對壓電薄膜元件I施加電壓的電壓施加部。雖然在圖IB中示出了單晶片型壓電執(zhí)行器，但是也可制成在基板10的兩側(cè)分別設(shè)置壓電薄膜40的雙晶片型壓電執(zhí)行器、層疊多個壓電薄膜40的層疊型壓電執(zhí)行器。圖IC是表示使用本發(fā)明實施方式的壓電薄膜元件I的壓電傳感器200的圖。如圖IC所示，壓電傳感器200具備壓電薄膜元件I和電壓計70，上述電壓計70作為對施加于壓電薄膜元件I的電壓進行檢測的電壓檢測部。雖然在圖IC中示出了單晶片型壓電傳感器，但是也可制成在基板10的兩側(cè)分別設(shè)置壓電薄膜40的雙晶片型壓電傳感器、層疊多個壓電薄膜40的層疊型壓電傳感器。
(壓電薄膜40的制造)壓電薄膜40可使用RF濺射法、離子束濺射法或者CVD法等來形成。另外，壓電薄膜40中的非活性氣體(例如Ar)含量的控制通過調(diào)整以下各參數(shù)來控制。首先，第I參數(shù)為在濺射裝置中投入的電功率(即，投入電功率)的大小、和/或投入電功率密度的大小。應(yīng)予說明，作為濺射裝置，可使用RF濺射裝置。例如，RF濺射裝置具備成膜室；設(shè)置在成膜室內(nèi)部的由壓電材料構(gòu)成的靶標(例如，KNN靶標);搭載保持用于形成壓電薄膜40的規(guī)定的基板并設(shè)在與靶標對置的位置的試樣臺。另外，在將KNN薄膜在規(guī)定的基板上成膜時，在成膜室中導(dǎo)入非活性氣體，并且在高頻電場中施加非活性氣體，從而使非活性氣體離子化。接著，使離子化的非活性氣體沖擊到靶標，從而可使構(gòu)成靶標的材料的粒子從靶標分離，使該粒子層疊于設(shè)在與靶標對置的位置的基板上，在基板上制成壓電薄膜。在此，在濺射中投入的電功率的密度(濺射投入電功率密度“P”)相當(dāng)靶標的每單位面積的濺射電功率中。另外，若將濺射投入電功率設(shè)為“P”，將靶標的面積設(shè)為“S”，則成為P=P/S。應(yīng)予說明，濺射投入電功率的單位為“瓦特(W)”。第2參數(shù)為成膜后對壓電薄膜40實施的熱處理的有無、以及實施熱處理時的熱處
理溫度。第3參數(shù)為在濺射裝置中導(dǎo)入的非活性氣體的壓力。非活性氣體(例如，Ar)的壓力是例如以壓電薄膜40中含有的Ar的量成為規(guī)定含量的方式控制在0. 3Pa I. 4Pa的范圍內(nèi)。Ar氣體的壓力是控制調(diào)節(jié)導(dǎo)入至濺射裝置的成膜室中的Ar氣體的流量和/或排氣閥的開關(guān)度而進行調(diào)整。第4參數(shù)為靶標與基板10之間的距離(以下，設(shè)為“TS距離”)。例如，以在壓電薄膜40中含有的Ar的量成為規(guī)定含量的方式，將TS距離設(shè)定在150mm以下的范圍內(nèi)。(實施方式的效果)在本實施方式的壓電薄膜元件I中，將壓電薄膜40中的非活性氣體元素含量嚴密地控制在規(guī)定范圍中，因此可將壓電薄膜40的結(jié)晶取向性穩(wěn)定地控制在規(guī)定的取向。由此，可實現(xiàn)高品質(zhì)的壓電薄膜元件I，并且可提高具備壓電薄膜元件I的壓電薄膜設(shè)備的壓電特性，因此可廉價且成品率良好地提供高性能的微型設(shè)備。S卩，在本實施方式的壓電薄膜元件I中，將構(gòu)成壓電薄膜元件I的基板10、粘合層20、下部電極30、壓電薄膜40、及上部電極50如在實施方式中說明的那樣構(gòu)成，同時實現(xiàn)壓電薄膜40的成膜條件的最優(yōu)化，從而可精密地控制導(dǎo)入到用于形成壓電薄膜40的濺射裝置內(nèi)的非活性氣體元素被攝入至壓電薄膜40內(nèi)的量。由此，可提高壓電薄膜元件I的壓電特性，此外，可通過由鈮酸鋰鈉鉀等構(gòu)成的壓電薄膜40的結(jié)晶取向性的控制而實現(xiàn)壓電特性的進一步提聞。此外，Ar氣體等非活性氣體在壓電薄膜KNN薄膜之間不形成固溶體，而在壓電薄膜中以單獨的原子的形式存在。因此，非活性氣體混入前的壓電薄膜的組成等自身幾乎不變質(zhì)，而具有與構(gòu)成壓電薄膜的元素的原子半徑不同的原子半徑的非活性氣體原子侵入構(gòu)成壓電薄膜的材料的晶格間，或者構(gòu)成壓電薄膜的元素被置換成非活性氣體原子。由此，在壓電薄膜中，局部地或者整體地發(fā)生應(yīng)變(或者內(nèi)部應(yīng)力)。一般而言，已知在離子性結(jié)晶的物質(zhì)中，通過利用化學(xué)壓力(Chemical pressure,化學(xué)壓力效果)而使該物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生變化的方法。即，在本實施方式中，通過使非活性氣體原子有目的地含有在壓電薄膜中，從而可抑制由“化學(xué)反應(yīng)”所致的壓電薄膜本體的變質(zhì)，通過僅控制與“化學(xué)壓力效果”相伴的應(yīng)變或者內(nèi)部應(yīng)力，從而可提高壓電薄膜的壓電特性。 此外，可以在基板10中使用Si基板、玻璃基板等，在基板10上容易地形成控制了非活性氣體元素含量的壓電薄膜40，因此可提供成本低的壓電薄膜元件I。此外，本實施方式的壓電薄膜元件I不使用鉛。因此，通過使用本實施方式的壓電薄膜元件1，可降低環(huán)境負荷，且可實現(xiàn)高性能的壓電設(shè)備。例如，作為壓電設(shè)備，可舉出小型馬達、傳感器、及執(zhí)行器等小型系統(tǒng)裝置(例如，微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System) (MEMS)等)等，具備基體、形成在基體上的壓電體層、以及形成在壓電體層上的電極的表面彈性波設(shè)備等的濾器。實施例I在實施例I中，制造壓電薄膜元件1，其具備作為具有氧化膜12的基板10的Si基板；設(shè)置在氧化膜12上的粘合層20 ;設(shè)置在粘合層20上的下部電極30 ;設(shè)置在下部電極30上的由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉(以下，作為KNN)構(gòu)成的壓電薄膜40 ;以及設(shè)置在壓電薄膜40的表面的上部電極50。具體而言，按照以下方式制造實施例I的壓電薄膜元件I。首先，作為基板10，準備直徑為4英寸的圓形Si基板。然后，對Si基板表面實施熱氧化處理，從而在Si基板表面形成150nm厚的熱氧化膜作為氧化膜。接著，在熱氧化膜上通過由2nm厚的Ti構(gòu)成的粘合層，形成由IOOnm厚的Pt薄膜構(gòu)成的下部電極。應(yīng)予說明，也可形成由IOOnm厚的Au薄膜構(gòu)成的下部電極、由Pt薄膜與Au薄膜的層疊構(gòu)成的下部電極、或者由Pt與Au的合金薄膜構(gòu)成的下部電極。在此，在下部電極的形成中使用濺射法。作為濺射用靶標，使用金屬靶標，將成膜時的濺射投入電功率設(shè)定成100W。此外，濺射用氣體(即，成膜室內(nèi)導(dǎo)入的氣體)中使用純度為100%的Ar氣體(其中，Ar氣壓設(shè)定成2. 5Pa)。應(yīng)予說明，作為濺射用氣體，也可使用Ar氣體與O2氣體的混合氣體；或者包含選自He、Ne、Kr、及N2中的至少一種的非活性氣體的氣體。進而，在成膜時，將Si基板的溫度加熱至350°C。由此，形成多晶的由Pt構(gòu)成的下部電極。接著，在下部電極上形成作為壓電薄膜的鈮酸鋰鈉鉀(KNN)薄膜。在KNN薄膜的成膜中，使用RF濺射裝置，調(diào)整成膜條件而使Ar元素包含在KNN薄膜中。應(yīng)予說明，KNN薄膜的成膜時的投入電功率設(shè)定成75W，氣壓設(shè)定成I. 33Pa。然后，在400°C 500°C的范圍的成膜溫度下形成厚的KNN薄膜。在此，濺射裝置的成膜室內(nèi)的氣體氣氛使用Ar氣體與O2氣體的混合氣體(其中,Ar 02=5 :5)。然后,用該混合氣體的等離子體而實施KNN薄膜的成膜。此外，派射祀標中，使用由(NaxKyLiz) NbO3 (其中，x=0. 5, y=0. 5, z=0)構(gòu)成的陶瓷革El標。此外，將TS距離設(shè)定成56mm。應(yīng)予說明，KNN薄膜的成膜時的成膜室內(nèi)的氣體氣氛也可使用包含選自Ar、He、Ne、&、及N2中的至少一種非活性氣體的混合氣體。此外，KNN薄膜的厚度優(yōu)選Iiim 5 u m0KNN薄膜的成膜后，在大氣中或者氧氣氛中對KNN薄膜實施加熱處理。加熱處理在非活性氣體氣氛(其中，為Ar氣體氣氛)中于700°C實施。加熱處理中的加熱溫度的范圍為700°C 800°C的溫度范圍即可，加熱時間設(shè)定成2小時。應(yīng)予說明，加熱處理也可在氧氣氛中、在氧與非活性氣體的混合氣體氣氛中、大氣中、或者在規(guī)定壓力的真空中實施。此夕卜，在真空中實施加熱處理時，真空度優(yōu)選為I. 33Pa以下。 這樣制成實施例I的壓電薄膜元件。用掃描型電子顯微鏡觀察制成的實施例I的壓電薄膜元件的KNN薄膜的斷面，結(jié)果觀察到KNN薄膜的組織為柱狀結(jié)構(gòu)。此外，對于實施例I的壓電薄膜元件，實施X射線衍射分析。圖2表示實施例I的壓電薄膜元件的X射線衍射圖(其中，為2 0/0掃描)。此外，圖3表示實施例I的壓電薄膜元件的KNN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的概要。應(yīng)予說明，測定圖2的X射線衍射圖的裝置及測定條件如下所述。裝置使用PANalytical公司制的X’Pert PROMRD。此外，測定條件為，在X射線源中使用Cu Line Focus、45kV、40mA，作為入射光學(xué)系，使用混合單色器，作為受光光學(xué)系，不使用準直器。參照圖2，在實施例I的壓電薄膜元件中，Pt薄膜(S卩，下部電極)顯示出在Si基板表面在垂直方向取向。S卩，Pt薄膜顯示出在(111)面取向。此外，通過僅對(001)、(002)、
(003)觀察KNN的衍射峰，KNN薄膜顯示出在(001)優(yōu)先取向。即，在(111)優(yōu)先取向的Pt膜上形成KNN膜，結(jié)果是，如圖3所示，判明制作的KNN薄膜為具有近似立方晶的鈣鐵礦型晶體結(jié)構(gòu)的多晶薄膜。此外，定量地評價含有Ar的KNN薄膜的Ar含量。具體而言，使用熒光X射線分析裝置，分析KNN薄膜中的Ar含量。作為實施例I的KNN薄膜的熒光X射線分析的結(jié)果，KNN膜中的Ar含量為61ppm (0. 122 u g/cm2)。應(yīng)予說明，熒光X射線分析法是通過測定在對物質(zhì)照射X射線時發(fā)生的熒光X射線的波長(或者能量)及強度，從而分析元素種類及元素種類含量的方法(例如，參照合志陽一，佐藤公隆編，能量分散型X射線分析[學(xué)會出版中心，1989年]，中井泉編，熒光X射線分析的實際[朝倉書店，2005年])。實施例2在實施例2的壓電薄膜元件中，將在濺射裝置中投入的電功率(即，投入電功率[Power])、及在壓電薄膜中含有的Ar含量進行各種變更，形成KNN薄膜。然后，在形成壓電薄膜后，在大氣中對壓電薄膜實施規(guī)定溫度的熱處理。除這些點以外，實施例2的壓電薄膜元件與實施例I的壓電薄膜元件同樣地制造。圖4表示構(gòu)成實施例2的壓電薄膜元件具備的壓電薄膜的各組成元素的量與在濺射裝置中投入的電功率的關(guān)系。
具體地，圖4中，使投入電功率(Power)在從60W至100W的范圍中進行變化，相對于在濺射裝置的成膜時的投入電功率(Power)的、作為實施例2的發(fā)電薄膜元件具備的壓電薄膜的銀酸鉀鈉(KNN)薄膜的構(gòu)成元素的Nb、K、Na、及0的組成比以重量百分比表示。參照圖4，未觀察到相對于投入電功率的變化，在KNN薄膜的組成中發(fā)生大的變化。S卩，表示在實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜的成膜中，構(gòu)成由KNN薄膜形成的壓電薄膜的構(gòu)成元素未因投入電功率的增減而導(dǎo)致發(fā)生大的變化。圖5A 圖表不在實施例2的壓電薄膜兀件中，使Ar含量進行各種變化的壓電薄膜的Ar-K a附近的熒光X射線光譜。具體而言，在圖5A 圖中表示著眼于作為Ar的熒光X射線的特性X射線(SP，Ar-K a射線[圖5中記為KA])的熒光X射線光譜。在圖5A 圖中均可確認在KNN薄膜中含有的Ar的熒光X射線。顯示出根據(jù)KNN薄膜中含有的Ar的含有濃度(其中，單位為ppm)，Ar的特性X射線的峰強度變大。即，正確地測定該特性X射線的光譜強度，使用校正曲線法或者基本參數(shù)(Fundamental Parameter) (FP)法等解析法,從而可進行構(gòu)成KNN 薄膜的元素及除了構(gòu)成KNN薄膜的元素以外的雜質(zhì)元素等的定量(應(yīng)予說明，定量分析的細節(jié)參照例如，合志陽一，佐藤公隆編，能量分散型X射線分析[學(xué)會出版中心，1989年]，中井泉編，熒光X射線分析的實際[朝倉書店，2005年]參照。)。應(yīng)予說明，在定量分析中使用的測定裝置為Rigaku公司制的熒光X射線分析裝置(System3272)0作為X射線源的燈管，使用Rh，以輸出功率4kW進行測定。此外，在制作的壓電薄膜元件的上面設(shè)置具有直徑15_的開口的掩模，將該開口內(nèi)側(cè)作為X射線的照射域。即，開口內(nèi)側(cè)為測定區(qū)域。應(yīng)予說明，在實施例2中，使用FP法進行定量分析。圖6A表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜中含有的Ar的質(zhì)量比(濃度)與濺射裝置的投入電功率的相關(guān)性，圖6B表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜的每單位面積的Ar量(質(zhì)量)與濺射裝置的投入電功率的相關(guān)性。參照圖6A及圖6B，表示作為壓電薄膜的KNN薄膜中的Ar含量根據(jù)投入電功率(Power )的增加而增加。即，顯示出通過利用濺射法形成KNN薄膜時的投入電功率，可將KNN薄膜中的Ar含量控制在所需的含量。圖7A表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜中含有的Ar的質(zhì)量比(濃度)與熱處理溫度的相關(guān)性，圖7B表示實施例2的壓電薄膜元件的壓電薄膜的每單位面積的Ar量(質(zhì)量)與熱處理溫度的相關(guān)性。參照圖7A及圖7B，顯示出根據(jù)熱處理溫度的上升，KNN薄膜中的Ar含量存在下降的趨勢。即，顯示出通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟龋蓪NN薄膜的Ar含量控制在恰當(dāng)?shù)闹?。實施?作為實施例3的壓電薄膜元件，制作具備基于在實施方式、及實施例2中說明的KNN薄膜的Ar含量的控制法而控制了 Ar含量的KNN薄膜的壓電薄膜元件。然后，評價制作的壓電薄膜元件的壓電常數(shù)及內(nèi)部應(yīng)力。在實施例3中，使濺射法的成膜條件進行各種變化。除這些點以外，與實施例I的壓電薄膜元件同樣地制造實施例3的壓電薄膜元件。在表I中表示利用實施例3中的各濺射法的成膜條件、和制作的壓電薄膜元件的壓電常數(shù)及內(nèi)部應(yīng)力的評價結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種壓電薄膜元件，其中，具備基板和壓電薄膜； 所述壓電薄膜設(shè)在所述基板上，具有用通式(NaxKyLiz) NbO3表示、選自近似立方晶、正方晶、及斜方晶中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)，含有以質(zhì)量比計為SOppm以下的非活性氣體元素，在所述通式中，0 ^ X ^ 1,0 ^ y ^ 1,0 ^ z ^ 0. 2, x+y+z=lo
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，所述壓電薄膜含有30ppm 70ppm的所述非活性氣體元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，所述壓電薄膜含有0.16ug/cm2以下的所述非活性氣體元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電薄膜元件，其中，所述壓電薄膜含有0.06 u g/cm2 0.15 u g/cm2的所述非活性氣體元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，所述非活性氣體元素為氬Ar。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，在所述基板與所述壓電薄膜之間進一步具備下部電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，所述壓電薄膜相對于所述基板面在平行方向具有應(yīng)變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電薄膜元件，其中，所述應(yīng)變?yōu)橛衫鞈?yīng)力所致的應(yīng)變或者由壓縮應(yīng)力所致的應(yīng)變。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件，其中，所述壓電薄膜相對于所述基板面在垂直方向或平行方向、或者垂直方向和平行方向具有不均勻的應(yīng)變。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電薄膜元件，其中，所述下部電極具有由Pt或包含Pt的合金構(gòu)成的電極層。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電薄膜元件，其中，所述下部電極具有在所述基板表面的垂直方向優(yōu)先取向的結(jié)晶取向性的單層。
12.—種壓電薄膜設(shè)備,具備 權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件；以及 對所述壓電薄膜元件施加電壓的電壓施加部。
13.—種壓電薄膜設(shè)備,具備 權(quán)利要求I所述的壓電薄膜元件；以及 對施加于所述壓電薄膜元件的電壓進行檢測的電壓檢測部。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高、并具有高性能、且能夠?qū)崿F(xiàn)制造成品率的提高的壓電薄膜元件及壓電薄膜設(shè)備。壓電薄膜元件(1)具備基板(10)和壓電薄膜(40)，所述壓電薄膜(40)設(shè)在基板(10)上，具有用通式(NaxKyLiz)NbO3(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤0.2，x+y+z=1)表示、選自近似立方晶、正方晶、及斜方晶中的至少一種晶體結(jié)構(gòu)，含有以質(zhì)量比計為80ppm以下的非活性氣體元素。
文檔編號H01L41/22GK102754232SQ201180009228
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者末永和史, 柴田憲治, 渡邊和俊, 野本明 申請人:日立電線株式會社