JP2008159807A - 圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いて製造したアクチュエータとセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高い圧電定数を有するニオブ酸カリウムナトリウムの圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いて製造したアクチュエータとセンサを提供するものである。
【解決手段】本発明に係る圧電薄膜素子は、基板１上に少なくとも下部電極２、圧電薄膜３、上部電極４を配した構造を有するものであり、圧電薄膜３が一般式（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（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構成され、圧電薄膜３の膜厚は１０μｍ以下であり、圧電薄膜３を構成する結晶粒の過半数以上が基板１の平面方向よりも厚さ方向に長い柱状構造を有し、かつ、基板１の平面方向の圧電薄膜３の平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下のものである。
【選択図】図８
【解決手段】本発明に係る圧電薄膜素子は、基板１上に少なくとも下部電極２、圧電薄膜３、上部電極４を配した構造を有するものであり、圧電薄膜３が一般式（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（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構成され、圧電薄膜３の膜厚は１０μｍ以下であり、圧電薄膜３を構成する結晶粒の過半数以上が基板１の平面方向よりも厚さ方向に長い柱状構造を有し、かつ、基板１の平面方向の圧電薄膜３の平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下のものである。
【選択図】図８
Description
本発明は、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用いた圧電薄膜素子に関するものである。
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、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生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Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3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ている。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、その厚みが薄くなるにつれ、特に厚みが１０μｍ程度になると、圧電材料を構成する結晶粒の大きさに近づくため、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、スパッタ法で形成したＰＺＴ薄膜が高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータとして実用化されている（特許文献１）。
一方、前記のＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、酸化鉛（ＰｂＯ）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、様々な鉛フリー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：（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）がある（特許文献２）。このニオブ酸カリウムナトリウムは、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料の中で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。
しかしながら、現状、ニオブ酸カリウムナトリウムは、焼結体では高い圧電定数を示す（圧電定数ｄ31＝−１００ｐｍ／Ｖ以上）ものの、薄膜では焼結体の半分以下の圧電定数しか実現されていない。
そこで本発明の目的は、高い圧電定数を有するニオブ酸カリウムナトリウムの圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いて製造したアクチュエータとセンサを提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に少なくとも下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子において、上記圧電薄膜が一般式（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（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構成され、該圧電薄膜の膜厚は１０μｍ以下であり、圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数以上が上記基板の平面方向よりも厚さ方向に長い柱状構造を有し、かつ、基板平面方向の圧電薄膜の平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下であることを特徴とする圧電薄膜素子である。
請求項２の発明は、上記基板が、シリコン基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、又はアルミニウム基板のいずれかである請求項１記載の圧電薄膜素子である。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子を用いて製造したことを特徴とするアクチュエータである。
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子を用いて製造したことを特徴とするセンサである。
本発明を用いることで、これまで実現困難とされていた、鉛を含有しない材料の薄膜で優れた圧電特性を有する圧電薄膜素子を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
本発明者らが、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜のパラメータと圧電定数の相関を調査した結果、圧電定数は、薄膜の組成や膜厚にも多少依存するが、薄膜の結晶粒径に大きく依存していることが分かった。すなわち、薄膜のニオブ酸カリウムナトリウムで、高い圧電定数が得られない原因の一つとして、焼結体の結晶粒径（結晶粒径２μｍ以上）と比べて、薄膜の結晶粒径（結晶粒径０．１μｍ以下）が小さいことが考えられる。圧電薄膜の製品への適用のためには、圧電定数ｄ31＝−１００ｐｍ／Ｖ以上の値を有することが求められている。
そこで、本実施の形態に係る圧電薄膜素子は、前述したニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の圧電定数が小さいという課題を解決するための手段として、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の結晶粒径の好適な範囲を特定したことに特徴がある。
具体的には、圧電薄膜素子は、基板上に少なくとも下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した構造を有しており、圧電薄膜が一般式（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（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構成される。その圧電薄膜の膜厚は１０μｍ以下である。圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数以上（５０％以上）が基板の平面方向よりも厚さ方向に長い柱状構造を有し、かつ、基板の平面方向の平均結晶粒径は０．１μｍ以上、１．０μｍ以下に調整、制御されている。
基板は、シリコン基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、又はアルミニウム基板のいずれかとされる。
圧電薄膜の、基板の平面方向における結晶粒径を０．１μｍ以上、１．０μｍ以下と規定したのは、０．１μｍ未満又は１．０μｍ超だと、圧電定数ｄ31＝−１００ｐｍ／Ｖ以上という優れた圧電特性が得られないためである。
次に、本実施の形態に係る圧電薄膜の製造方法を説明する。
本実施の形態に係る圧電薄膜、すなわちニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は、例えば、面方位（１００）のシリコン基板上に、スパッタ法を用いて、（１１１）面単独配向の下部電極を形成した後、その下部電極上に（００１）面優勢配向で（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜を形成することで得られる。スパッタ法を用いてニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜する際、基板の平面方向における薄膜の結晶粒径は０．１μｍ以上、１．０μｍ以下に調整、制御される。結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下という比較的大きな結晶粒を薄膜成長させるには、成膜時のチャンバー内圧力、放電パワー、雰囲気ガス種類、等を最適化することで実現できる。
このようにして成膜を行うことで、基板の平面方向における結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下に調整、制御された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得ることができ、この圧電薄膜を用いることで、優れた圧電特性、具体的には圧電定数ｄ31＝−１００ｐｍ／Ｖ以上の値を有する鉛フリー材料からなる圧電薄膜素子を得ることができる。
本実施の形態では、（００１）面方位優勢配向の（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3薄膜を形成した場合を例に挙げて説明を行ったが、（１１１）面や（１１０）面等の他の面方位に優勢配向した（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3圧電薄膜においても、同様の効果が期待できる。
また、基本組成の（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3圧電薄膜に、例えばＬｉ等の何らかの元素を添加した（添加する元素数は複数でも可）圧電薄膜においても、同様の効果が期待できる。
本実施の形態に係る圧電薄膜素子を用いて製造したアクチュエータや、センサとしては、例えば、インクジェットプリンタ、スキャナー、ジャイロ、超音波発生装置や、超音波センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサなどが挙げられる。
（実施例）
以下に、膜厚３μｍの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜を含む本発明の圧電薄膜素子の製造例を記載する。
以下に、膜厚３μｍの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜を含む本発明の圧電薄膜素子の製造例を記載する。
図１に示すように、基板にはシリコン基板（（１００）面方位、４インチ、厚さ０．５２５ｍｍ）１を用いた。まず、シリコン基板１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で白金下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）２を形成し、その上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で圧電薄膜として（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜（ペロブスカイト構造、斜方晶、（００１）面優勢配向、膜厚３．０μｍ）３を形成した。
白金下部電極２の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、チャンバー圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分とし、また、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜３の形成条件は、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3焼結体ターゲット使用、基板温度６００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、チャンバー圧力０．０５Ｐａ、成膜時間２時間３０分とした。
（比較例）
また、比較のために、従来技術によって膜厚３μｍの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜を含む圧電薄膜素子の製造例を記載する。
（比較例）
また、比較のために、従来技術によって膜厚３μｍの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜を含む圧電薄膜素子の製造例を記載する。
図２に示すように、基板にはシリコン基板（（１００）面方位、４インチ、厚さ０．５２５ｍｍ）１を用いた。シリコン基板１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で白金下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０．２μｍ）２、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜（ペロブスカイト構造、斜方晶、（００１）面優勢配向、膜厚３．０μｍ）１３を順次を形成した。
白金下部電極２の形成条件は、基板温度７００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、チャンバー圧力２．５Ｐａ、成膜時間１０分とし、また、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜１３の形成条件は、一般的な成膜条件である、基板温度７００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ（９０％）／Ｏ2（１０％）雰囲気、チャンバー圧力０．４Ｐａ、成膜時間３時間３０分とした。
まず、これらの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜の表面及び断面を電子顕微鏡で観察した。本発明及び従来の圧電薄膜素子における（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜の断面観察図を図３、図４に示すように、どちらの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜も、圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数以上が基板の平面方向よりも厚さ方向（断面方向）に長い柱状構造を有していることが分かる。
次に、これらの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜の、基板平面方向の結晶粒の状況をＥＢＳＤ（Electoron Back-Scattered Diffraction）で測定した。本発明及び従来の圧電薄膜素子における（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜のＥＢＳＤによる結晶粒径の評価結果を表１、表２に示す。
これらの結果から、従来の圧電薄膜素子における（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜の基板平面方向の平均結晶粒径は０．０４５μｍであるのに対して、本発明の圧電薄膜素子における（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜の基板平面方向の平均結晶粒径は０．２０２μｍであり、約５倍の大きさになっていることが分かる。
その後、これらの（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜３（又は１３）上に、図５に示すように、白金上部電極（膜厚０．０２μｍ）４を形成して、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜３（又は１３）を含む圧電薄膜素子を作製した。白金上部電極４の形成条件は、基板加熱無し、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、チャンバー圧力２．５Ｐａ、成膜時間１分とした。
次に、本発明及び従来の圧電薄膜素子の圧電特性を比較した。
まず、これらの圧電薄膜素子から長さ１５〜２０ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊形の試料６１を切り出し、試料６１の長手方向の端をクランプ６２で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを形成した。この状態で両電極２，４間の（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜３（又は１３）に電圧を印加し、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜３（又は１３）が伸縮することでカンチレバー全体を屈曲動作させレバー先端を動作させた。その先端変位量ΔＬをレーザードップラ変位計６３で測定した。
本発明及び従来の圧電薄膜素子の印加電圧と圧電変位量の関係を図７に示すように、従来の圧電薄膜素子と比較して、本発明の圧電薄膜素子では、圧電によるカンチレバー先端の変位量が約４倍になっていることが分かる。印加電圧と圧電変位量の関係から、両サンプルの圧電定数ｄ31を計算した結果、従来の圧電薄膜素子が−３０ｐｍ／Ｖ（電圧２０Ｖ印加時）、本発明の圧電薄膜素子が−１３０ｐｍ／Ｖ（電圧２０Ｖ印加時）であった。このことから、本発明により、従来の４倍以上の圧電定数を有する（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜が得られることが確認できた。
（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3薄膜のスパッタリング成膜条件を色々変えることで、平面方向の平均結晶粒径を変化させた複数の（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜を作製し、それらの圧電定数ｄ31を測定した。
（Ｎａ0．5Ｋ0．5）ＮｂＯ3圧電薄膜の平均結晶粒径と圧電定数ｄ31の関係を図８に示すように、（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜の平均結晶粒径が０．１μｍ〜１．０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜０．７μｍの範囲の時、高い圧電定数（−１００ｐｍ／Ｖ以上）が得られることが分かる。これを基にして、本発明における（Ｎａ0.5Ｋ0.5）ＮｂＯ3圧電薄膜の平均結晶粒径範囲を決定した。
１ シリコン基板
２ 白金下部電極
３ （Ｎａ0．5Ｋ0．5）ＮｂＯ3圧電薄膜
４ 白金上部電極
２ 白金下部電極
３ （Ｎａ0．5Ｋ0．5）ＮｂＯ3圧電薄膜
４ 白金上部電極
Claims (4)
- 基板上に少なくとも下部電極、圧電薄膜、上部電極を配した構造を有する圧電薄膜素子において、上記圧電薄膜が一般式（ＮａxＫ1-x）ＮｂＯ3（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構成され、該圧電薄膜の膜厚は１０μｍ以下であり、圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数以上が上記基板の平面方向よりも厚さ方向に長い柱状構造を有し、かつ、基板平面方向の圧電薄膜の平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１．０μｍ以下であることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 上記基板が、シリコン基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板、ステンレス基板、銅基板、又はアルミニウム基板のいずれかである請求項１記載の圧電薄膜素子。
- 請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子を用いて製造したことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項１又は２に記載の圧電薄膜素子を用いて製造したことを特徴とするセンサ。
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