特許 6299408 薄膜圧電素子、薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6299408

(24)【登録日】2018年3月9日

(45)【発行日】2018年3月28日

(54)【発明の名称】薄膜圧電素子、薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/09 20060101AFI20180319BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20180319BHJP

   H01L 41/316 20130101ALI20180319BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20180319BHJP

   H01L 41/29 20130101ALI20180319BHJP

   G11B 5/596 20060101ALI20180319BHJP

   G11B 21/21 20060101ALI20180319BHJP

   G11B 21/10 20060101ALI20180319BHJP

   B41J 2/14 20060101ALI20180319BHJP

   G01L 1/16 20060101ALI20180319BHJP

   C23C 14/08 20060101ALI20180319BHJP

   C01G 33/00 20060101ALI20180319BHJP

   A61B 5/02 20060101ALN20180319BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/09

   H01L41/187

   H01L41/316

   H01L41/113

   H01L41/29

   G11B5/596

   G11B21/21 D

   G11B21/10 N

   B41J2/14 305

   G01L1/16 C

   C23C14/08 K

   C23C14/08 N

   C01G33/00 A

   !A61B5/02 310M

   !A61B5/02 310K

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-100335(P2014-100335)

(22)【出願日】2014年5月14日

(65)【公開番号】特開2014-229902(P2014-229902A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2017年2月9日

(31)【優先権主張番号】13/898,110

(32)【優先日】2013年5月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】前島 和彦

(72)【発明者】

【氏名】會田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】田中 美知

(72)【発明者】

【氏名】倉知 克行

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 仁志

【審査官】 宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０４０６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１７０９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１１１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８７０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２３７４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３０７１６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｂ４１Ｊ ２／１４

Ｃ０１Ｇ ３３／００

Ｃ２３Ｃ １４／０８

Ｇ０１Ｌ １／１６

Ｇ１１Ｂ ５／５９６

Ｇ１１Ｂ ２１／１０

Ｇ１１Ｂ ２１／２１

Ｈ０１Ｌ ４１／１１３

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０１Ｌ ４１／２９

Ｈ０１Ｌ ４１／３１６

Ａ６１Ｂ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜厚方向に複数の結晶粒子が存在する構造のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜と、該ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を挟んで構成された一対の電極膜とを有する薄膜圧電素子であって、
前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜をその膜厚方向に３層の等しい厚さの領域に分割して、各領域の平均結晶粒径Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３を求めた場合、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の最小値：ｍと、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の最大値：Ｍとの比率：ｍ/Ｍが１０％〜８０％であり、
前記平均結晶粒径が最小値：ｍである領域が前記一対の電極膜のいずれかの電極膜側に存在し、
前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の前記各領域の最小の平均結晶粒径：ｍが６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下、であり、最大の平均結晶粒径：Ｍが１００ｎｍ以上であることを特徴とする薄膜圧電素子。

【請求項2】

前記平均結晶粒径が最大値：Ｍである領域が前記一対の電極膜のいずれの電極膜側にも存在しないことを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電素子。

【請求項3】

前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜がＭｎ（マンガン）を含むことを特徴とする請求項1または２に記載の薄膜圧電素子。

【請求項4】

前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜がＬｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、およびＴａ（タンタル）から選ばれる少なくとも３種の元素を含むことを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の薄膜圧電素子。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータ。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電センサ。

【請求項7】

請求項５に記載の薄膜圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。

【請求項8】

請求項５に記載の薄膜圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、薄膜圧電材料を用いた薄膜圧電素子、その薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにその薄膜圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、圧電材料の鉛フリー化の要望が高まっている中で、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３（以下、ＫＮＮともいう））の研究が盛んになってきている。ＫＮＮは鉛フリー圧電材料の中でも比較的高いキュリー温度、良好な圧電特性が得られるとされ、注目されている。

【0003】

さらに、バルク圧電材料に代わって、薄膜圧電材料を用いた圧電素子の実用化が進んでいる。一例としては、圧電体薄膜に加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用した圧電センサとしての、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサ、やマイクロフォンなど、あるいは圧電体薄膜に電圧を印加した際に圧電体薄膜が変形する逆圧電効果を利用した圧電アクチュエータとして、ハードディスクドライブヘッドアセンブリ、インクジェットプリントヘッド、あるいは同様に逆圧電効果を利用したスピーカー、ブザー、レゾネータなどが挙げられる。

【0004】

圧電材料を薄膜化すると、素子の小型化が可能になり、応用できる分野が広がるとともに、基板上に多数の素子を一括して作製することができるため量産性が増す。またセンサにした場合の感度の向上など性能面での利点も多い。

【0005】

特許文献１では、単結晶シリコン基板上に酸化物薄膜を設けることで、その上に成膜するペロブスカイト型またはタングステンブロンズ型の材料から構成される圧電体薄膜を、ｃ面単一配向にすることが述べられている。これによりデバイスに最適な圧電特性を得られるとしている。

【0006】

また特許文献２では、高く安定的な圧電特性：−ｄ３１を実現するために、圧電体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、平面方向の平均結晶粒径を０．１μｍ以上１μｍ以下にしたニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）について述べられている。

【0007】

特許文献３ではＭＯＣＶＤ法で誘電体薄膜を成膜後、オゾンを含む酸化性ガスの雰囲気中でアニールすることにより、誘電体薄膜中の網目構造の欠陥を低減させ、その効果としてリーク電流が低減すると述べられている。

【0008】

非特許文献１、２ではニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）にＭｎを加えることでホール密度および酸素空孔の低減を図り、その効果としてリーク電流特性を改善すると述べられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平０９−１１０５９２号公報

【特許文献2】特開２００８−１５９８０７号公報

【特許文献3】特開平１０−１８２３００号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Lee et al: Current Applied Physics 11 (2011) S266

【非特許文献2】Wang et aｌ: Applied Physics Letters 97, 072902 (2010)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献２に示されているように、ＫＮＮ薄膜において実用的な圧電特性を得るためには、ＫＮＮ薄膜を構成する結晶粒子の平均結晶粒径を適正な範囲にする必要がある。

【0012】

しかしながら、結晶粒径が大きくなると、膜厚方向に（電極膜に垂直方向に）形成された結晶粒界で酸素欠損が発生した場合において、結晶粒界が電流の通り道となり、電極膜間のリーク電流が増大するリスクが上昇する。平均結晶粒径が適正な範囲より大きく、リーク電流が増大してしまったＫＮＮ薄膜の断面の模式図を図２Ａ、実際の透過型電子顕微鏡（以下ＴＥＭという）による観察画像を図２Ｂ、また、図２Ｂにおける圧電体薄膜１０３のリーク電流経路である結晶粒界１０６を強調したイメージを図２Ｃに示す。

【0013】

図２Ａに示すように、基板１０１上に形成され、上下電極膜１０２、１０４に挟まれた圧電体薄膜１０３を構成する結晶粒子は、上下電極膜１０２、１０４にまで達する大きな結晶であり、結晶粒界１０６によりそれぞれ隔てられた構造である。しかし、
実際に図２Ａに近い大きな結晶粒子を有する圧電体薄膜１０３のＴＥＭ観察画像：図２Ｂにおいては、図２Ｃに示したように、結晶粒界１０６の一部がリーク電流経路となり、この薄膜圧電素子のリーク電流密度は実用上の上限である１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２を上回るため、この薄膜圧電素子は実用に耐えない。

【0014】

このリーク電流増大という問題は、薄膜圧電素子作製およびその信頼性において大きな懸念事項であった。一般に用いられる対策としては、特許文献３に示されているように、圧電体薄膜成膜後のアニールが挙げられるが、スパッタリング法で得られた誘電体薄膜の場合、成膜後にアニールを施したとしても、ある程度の効果はあるが、膜中の結晶粒界全ての酸素欠損をなくすことは困難である。したがって、成膜後のアニールでは電極膜間のリーク電流低減対策として十分ではない。

【0015】

本発明はこのような問題を鑑みなされたものであり、圧電体薄膜であるＫＮＮ薄膜の圧電特性を損なうことなく電極膜間のリーク電流を低減することで、薄膜圧電素子の信頼性を高めることを可能にするものである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明に係わる薄膜圧電素子は、膜厚方向に複数の結晶粒子が存在する構造のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）と、該ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を挟んで構成された一対の電極膜とを有する薄膜圧電素子であって、前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜をその膜厚方向に３層の等しい厚さの領域に分割して、各領域の平均結晶粒径Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３を求めた場合、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の最小値：ｍと、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の最大値：Ｍとの比率：ｍ/Ｍが１０％〜８０％であり、前記平均結晶粒径が最小値：ｍである領域が前記一対の電極膜のいずれかの電極膜側に存在することを特徴とする。このことにより、電極膜間でのリーク電流を低減するとともに高く安定的な圧電特性：−ｄ３１を得ることができる。

【0017】

ここで、「膜厚方向に複数の結晶粒子が存在する構造」とは、図３Ａに示すように、圧電体薄膜２０３が上下電極膜２０２、２０４の間に複数の結晶粒子が堆積している構造であること言い、「最小値：ｍである領域が前記一対の電極膜のいずれかの電極膜側に存在する」とは、図４に例示したように最小値：ｍである領域が「領域：２０３１あるいは領域：２０３３である」ことを言う。また、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は構造式（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３で示され、ペロブスカイト構造を有するものであり、添加剤としてＭｎ（マンガン）、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、およびＴａ（タンタル）などを含んでいても構わない。

【0018】

ここで図４に基づいて本発明に係る平均結晶粒径を定義する。薄膜圧電素子１００において圧電体薄膜（ＫＮＮ薄膜）２０３の厚み方向に、機械加工あるいはＦｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ（以下ＦＩＢという）により圧電体薄膜２０３を含む積層体を切断し、その切断面を走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）あるいはＴＥＭで観察する。

【0019】

つぎに圧電体薄膜２０３の観察画像を、膜厚方向に３層の等しい厚さの領域に分割した３つの領域２０３１、２０３２、２０３３に分け、それぞれの領域での電極膜と平行な方向での結晶粒子の幅を測定する。図４に示すように、結晶粒子の幅の測定領域の幅：Ｗは圧電体薄膜の厚さ：Ｔと同じであり、各結晶粒子の幅の測定位置は各領域における膜厚方向の中央部である。そして各結晶粒子の幅の平均値を各領域における平均結晶粒径とする。なお、測定ポイントで１０ｎｍ以下の幅をもつ結晶については、本発明では測定対象としない。

【0020】

さらに本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）は、平均結晶粒径の最大値：Ｍである領域が前記一対の電極膜のいずれの電極膜側にも存在しないことが好ましい。これは、言い換えれば平均結晶粒径がＭの領域が、平均結晶粒径がＡ_２である領域であることを示す。このことにより、電極膜間でのリーク電流をさらに低減するとともに、より高く安定的な圧電特性：−ｄ３１を得ることができる。

【0021】

本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）の３つの領域のうち最小の平均結晶粒径：ｍは６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下、最大の平均結晶粒径：Ｍは１００ｎｍ以上であることが好ましい。平均結晶粒径が６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下の領域が電極膜側に存在することで電極膜間のリーク電流はさらに低減する。また同時に平均結晶粒径が１００ｎｍ以上の領域が存在することでより高いレベルの圧電特性：−ｄ３１を達成できる。

【0022】

本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）は、Ｍｎを含むことが好ましい。Ｍｎを含むことでさらにリーク電流を低減すると同時に、より高い圧電特性：−ｄ３１を得ることが可能となる。

【0023】

また、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）は、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｒ、およびＴａから選ばれる３種以上の元素を含むことが好ましい。これらの元素を含むことでさらにリーク電流を低減すると同時に、より高い圧電特性：−ｄ３１を得ることが可能となる。

【発明の効果】

【0024】

本発明に係わる薄膜圧電素子によれば、従来のＫＮＮ薄膜を用いた薄膜圧電素子よりもリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性を向上させることができる。また、本発明に係る薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサにおいてもリーク電流の低減、圧電特性の向上を図ることができ、高性能なハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置を提供することができる。

【0025】

本発明に係る薄膜圧電アクチュエータは、上記の構成で表される薄膜圧電素子を有しており、この薄膜圧電素子は膜厚方向に複数のニオブ酸カリウムナトリウムの結晶粒子が存在するＫＮＮ薄膜を備えている。薄膜圧電アクチュエータとして具体的には、ハードディスクドライブのヘッドアセンブリ、インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータなどが挙げられる。

【0026】

また、本発明に係る薄膜圧電センサは、上記の構成で表される薄膜圧電素子を有しており、この薄膜圧電素子は膜厚方向に複数のニオブ酸カリウムナトリウムの結晶粒子が存在するＫＮＮ薄膜を備えている。薄膜圧電センサとして具体的には、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサなどが挙げられる。

【0027】

そして、本発明に係るハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置には上記の薄膜圧電アクチュエータが用いられている。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明に係わる薄膜圧電素子の構成図である。

【図2A】結晶性の高い圧電体薄膜を有する薄膜圧電素子の断面構造の模式図である。

【図2B】結晶性の高い圧電体薄膜を有する薄膜圧電素子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像例である。

【図2C】図２Ｂの圧電体薄膜におけるリーク電流経路を示した図である。

【図3A】本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の断面構造の模式図である。

【図3B】本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の断面構造の模式図である。

【図3C】本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の断面構造の模式図である。

【図4】本発明における平均結晶粒径の定義を説明する図である。

【図5A】は本発明に係わる薄膜圧電アクチュエータの構造図である。

【図5B】は本発明に係わる薄膜圧電アクチュエータの構造図である。

【図6A】本発明に係わる薄膜圧電センサの構造図である。

【図6B】本発明に係わる薄膜圧電センサの構造図である。

【図6C】本発明に係わる薄膜圧電センサの構造図である。

【図6D】本発明に係わる薄膜圧電センサの構造図である。

【図7】本発明に係わるハードディスクドライブの構造図である。

【図8】本発明に係わるインクジェットプリンタ装置の構造図である。

【図9A】本発明に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の断面構造の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像と、その画像からの求めた膜厚方向に等分割した３層各領域の平均結晶粒径とを示した図である。

【図9B】従来技術に係わる薄膜圧電素子におけるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の断面構造の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像と、その画像からの求めた膜厚方向に等分割した３層各領域の平均結晶粒径とを示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。

【0030】

（薄膜圧電素子）
図１に本実施形態の薄膜圧電素子１０の構成を示す。

【0031】

基板１としては、単結晶シリコン、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、サファイア基板、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板等があり、特にコストやプロセスでの取り扱いの観点から単結晶シリコンが好適である。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。

【0032】

基板１上に下部電極膜２を形成する。材料はＰｔ（白金）やＲｈ（ロジウム）が好ましい。形成方法は蒸着法やスパッタリング法である。膜厚は５０〜１０００ｎｍの厚さが好適である。

【0033】

下部電極膜２上に圧電体薄膜３（ＫＮＮ薄膜）を形成する。圧電体薄膜３は、その厚さ方向に複数の結晶粒子が堆積して形成される。圧電体薄膜３の切断面の観察画像について、膜厚方向に３等分したときの各領域の平均結晶粒径を求めた場合、最小値：ｍと最大値：Ｍとの比率：ｍ/Ｍが１０％〜８０％となるように形成する。

【0034】

結晶粒子の大きさを制御する手法としては、圧電体薄膜３の形成時に基板１の温度設定を変えることが挙げられる。圧電体薄膜３は基板１の温度を低く設定すると結晶粒子は小さくなり、基板１の温度を高く設定すると結晶粒子は大きくなる傾向がある。そして結晶粒子が大きくなるに従い、圧電体薄膜３の圧電特性：−ｄ３１は増加する。したがって、圧電体薄膜３の形成時に基板１の温度設定を変化させることで、単一のスパッタリングターゲットを用いた場合でも、その厚さ方向に平均結晶粒径の異なった圧電体薄膜３を得ることができる。

【0035】

また、圧電体薄膜３を形成する際に、組成の異なる複数のスパッタターゲットを用い、各組成に応じた大きさの異なる結晶粒子を積層することも手法として挙げられる。

【0036】

これは圧電体薄膜３の結晶粒子の大きさが、形成時の基板１の温度が同じ場合において添加剤がない場合において最も大きくなり、添加剤の量に応じて小さくなる傾向があることを利用したものである。したがって、圧電体薄膜３の形成時に添加剤組成の異なる複数のスパッタリングターゲットを用いることで、その厚さ方向に平均結晶粒径の異なった圧電体薄膜３を得ることができる。

【0037】

そして３つの領域のうち平均結晶粒径が最小値：ｍである領域を、下部電極膜２あるいは、後述する上部電極膜４のいずれかの電極膜側に存在させる。これによりその領域における結晶粒子の結晶粒界は複雑に入り組み、結晶粒界の長さが長くなることで電極膜間のリーク電流は低減する。

【0038】

ここでリーク電流のパスができるメカニズムを発明者らは以下のように推測する。リークパスの主要因は圧電体薄膜３の結晶粒界における酸素欠陥である。酸素欠陥は結晶粒界すべてに均一分布するのではなく、熱履歴、成膜時の酸素分圧、膜厚、添加剤の量などの要因により、部分的に生じる。結晶粒界のトータル距離が長ければ長いほど、結晶粒界のトータル距離に占める酸素欠陥が存在している箇所の割合が減り、その結果リークパスが減る。仮にひとつの結晶粒界がリークパスとなる発生率をＡ％、膜厚方向に堆積した結晶粒子の数をＮとしたとき、それらが連続してリークパスとなるリスクはＡ^Ｎ％となる。これに対し、図２Ａに示したように結晶性が高くなると電極膜間に堆積している結晶粒子数は１であるから、結晶粒界がリークパスとなるリスクはＡ％となる。Ａ＞Ａ^Ｎとなることは必須であるから、膜厚方向に複数の結晶粒子を堆積させることは電極膜間のリーク電流低減に効果がある。

【0039】

しかし、前記のとおり平均結晶粒径を小さくしすぎることにより、圧電体薄膜３の圧電特性：−ｄ３１も低下する。従って、平均結晶粒径を適正な範囲に制御することで、薄膜圧電素子１０として求められる圧電特性を維持しつつ、リーク電流の低減を実現する必要がある。

【0040】

そこで３つの領域のうち平均結晶粒径が最大値：Ｍである領域がいずれの電極膜側にも存在しないようにする。これにより圧電体薄膜３の圧電特性：−ｄ３１を向上させることが可能となる。

【0041】

以上の構成によりリーク電流低減と高い圧電特性が両立した圧電体薄膜３が得られるが、圧電体薄膜３の各領域のうちの平均結晶粒径の最小値：ｍは６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下であることが好ましい。

【0042】

平均結晶粒径の最小値：ｍが６０ｎｍ未満の場合は、圧電特性：−ｄ３１が薄膜圧電素子１０として実用上十分な値よりも低くなる傾向にあり、９０ｎｍを超えると電極膜間でのリーク電流が薄膜圧電素子１０としての実用上の上限値よりも高くなる傾向にある。

【0043】

また圧電体薄膜３の各領域のうちの平均結晶粒径の最大値：Ｍは１００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより圧電特性：−ｄ３１が実用上十分な値の圧電体薄膜３を得られる。また、平均結晶粒径の最小値：ｍが６０ｎｍ以上、９０ｎｍ以下である場合、最大値：Ｍの上限は、９００ｎｍとなる。

【0044】

図３Ｂに示したように、例えば圧電体薄膜２０３として、耐リーク電流特性が優れた平均結晶粒径が小さい領域２０３４を下部電極膜２０２側に設け、その上に高い圧電特性：−ｄ３１をもつ平均結晶粒径が大きい領域２０３５を積層することで、トータルとしての薄膜圧電素子１００の特性は電極間リーク電流が低く、圧電特性：−ｄ３１の高いものとなる。

【0045】

またこれと反対に図３Ａに示したように、高い圧電特性：−ｄ３１をもつ平均結晶粒径が大きい領域２０３６を下部電極膜２０２側に設け、その上に耐リーク電流特性が優れた平均結晶粒径が小さい領域２０３７を積層して圧電体薄膜２０３を形成することでも、トータルとしての薄膜圧電素子１００の特性は電極間リーク電流が低く、圧電特性：−ｄ３１の高いものとなる。

【0046】

圧電体薄膜３には、Ｍｎ（マンガン）を含有することが好ましい。これにより薄膜圧電素子１０のリーク電流をさらに低減すると同時に、より高い圧電特性：−ｄ３１を得ることが可能となる。このときＭｎの添加量の範囲は０．１〜３．０aｔ％である。Ｍｎの添加量を３．０aｔ％以下にすることで圧電体薄膜３の圧電特性：−ｄ３１の減少を抑えられる傾向にあり、０．１aｔ％以上にすることで電極膜間でのリーク電流低減の効果を得やすい傾向にある。この圧電体薄膜３の平均結晶粒径は、添加剤を含まないスパッタリングターゲットで成膜した場合と比較して、基板温度が同じ条件下では小さくなる傾向がある。

【0047】

圧電体薄膜３には、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム、Ｔａ（タンタル）のうち、３種以上の元素を含むことがより好ましい。これらの元素を含有することで圧電体薄膜３のリーク電流はさらに低減すると同時に、より高い圧電特性：−ｄ３１を得ることが可能となる。このとき各元素の添加量の範囲は、Ｌｉ：０．１〜３．０aｔ％、Ｓｒ：０．５〜６．０aｔ％、Ｂａ：０．０５〜０．３ａｔ％、Ｚｒ：０．５〜６．０aｔ％、Ｔａ：０．０１〜１５aｔ％である。各元素の添加量の上限を前記値に設定することで、圧電特性：−ｄ３１の劣化を防ぐ傾向にある。各元素の添加量の下限を前記値に設定することで、圧電特性−ｄ３１を向上できる傾向にある。前記元素に加えてＭｎを上述と同様の範囲で加えても良い。

【0048】

また図３Ｃに示したように、圧電体薄膜２０３に添加剤が入るとその結晶粒径が小さくなる傾向を利用し、例えば下部電極膜２０２側には添加剤を含む圧電体薄膜２０３８を成膜し、その上に添加剤を含まない圧電体薄膜２０３９を積層することも好ましい。この構成にすることで圧電体薄膜２０３のリーク電流はさらに低減すると同時に、より高い圧電特性：−ｄ３１を得ることが可能となる。

【0049】

圧電体薄膜３の膜厚は特に限定されず、例えば、０．５〜１０μｍ程度とすることができる。

【0050】

次に圧電体薄膜３上に上部電極膜４を形成する。材料は下部電極膜２と同じＰｔやＲｈが好ましい。膜厚は５０〜１０００ｎｍの厚さが好適である。

【0051】

次にフォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電体薄膜３を含む積層体をパターニングし、最後に基板１を切断加工することで、複数の薄膜圧電素子１０を得た。なお、この薄膜圧電素子１０の基板１を除去することで、積層体のみからなる薄膜圧電素子を作製することもできる。また積層体をパターニングした後に、ポリイミド等で保護膜を形成することもできる。

【0052】

本実施形態における薄膜圧電素子１０の評価方法は、以下のとおりである。
＜１＞ 平均結晶粒径の算出：
圧電体薄膜３の成膜後、あるいは上部電極膜４を成膜後に圧電体薄膜３の厚み方向に、機械加工あるいはＦＩＢにより切断し、その切断面をＳＥＭあるいはＴＥＭで観察する。ここで圧電体薄膜３の厚さをＴ、観察領域の幅をＷとしたときＷ＝Ｔであり、Ｔ x Wの領域を観察する。つぎに圧電体薄膜３の観察領域を膜厚方向に３層の等しい厚さの領域に分割して、それぞれの領域での電極膜と平行な方向での結晶粒子の幅を測定する。測定領域の幅：Ｗは圧電体薄膜３の厚さ：Ｔと同じであり、測定位置は各領域における膜厚方向の中央部である。そしてそれらの平均値を各領域における平均結晶粒径とする。（図４参照）
＜２＞ 電極膜間のリーク電流密度の測定：
基板１を５ｍｍ×２０ｍｍサイズに切断加工することで得られる薄膜圧電素子１０の上下部電極膜２、４間にDC±２０Vを印加して測定する。評価装置は強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いる。なお電圧印加時間は２秒である。
＜３＞ 圧電特性：−ｄ３１の測定：
薄膜圧電素子１０の上下部電極膜２、４間に７００Hz、３V_p-pおよび２０V_p-pを印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて薄膜圧電素子１０の先端部における変位を測定する。圧電特性：−ｄ３１は以下の式（１）から計算することで得る。

式（１）
ここで、ｈ_s：シリコン基板の厚さ [４００μｍ]、Ｓ_11,p：圧電体薄膜の弾性コンプライアンス[１／１０４GＰａ]、Ｓ_11,s：シリコン基板の弾性コンプライアンス[１／１６８GＰａ]、Ｌ：駆動部の長さ[１３．５ｍｍ]、δ：変位量、V：印加電圧

なお、薄膜圧電素子１０は実用上、リーク電流密度：１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２以下、圧電特性：−ｄ３１：７０ｐｍ／Ｖ以上である必要がある。

【0053】

（薄膜圧電アクチュエータ）
図５Ａは、これらの薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータの１例としてのハードディスクドライブ（以下ＨＤＤとも呼ぶ）に搭載されたヘッドアセンブリの構成図である。この図に示すように、ヘッドアセンブリ２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、駆動素子である第１及び第２の薄膜圧電素子１３、及びヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を備えている。

【0054】

そして、ロードビーム１１は、ベースプレート９に例えばビーム溶接などにより固着されている基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから先細り状に延在された第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的かつ先細り状に延在するビーム主部１１ｆと、を備えている。

【0055】

第１及び第２の薄膜圧電素子１３は、所定の間隔をもってフレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上にそれぞれ配置されている。スライダ１９はフレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の薄膜圧電素子１３の伸縮に伴って回転運動する。

【0056】

第１及び第２の薄膜圧電素子１３は、第一電極膜と、第二電極膜と、この第一および第二電極膜に挟まれた圧電体薄膜から構成されており、この圧電体薄膜として、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。

【0057】

図５Ｂは、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータの他の例としてのインクジェットプリンタヘッドの薄膜圧電アクチュエータの構成図である。

【0058】

薄膜圧電アクチュエータ３００は、基板２０上に、絶縁膜２３、下部電極膜２４、圧電体薄膜２５および上部電極膜２６を積層して構成されている。

【0059】

所定の吐出信号が供給されず下部電極膜２４と上部電極膜２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜２５には変形を生じない。吐出信号が供給されていない薄膜圧電素子が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。

【0060】

一方、所定の吐出信号が供給され、下部電極膜２４と上部電極膜２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜２５に変形を生じる。吐出信号が供給された薄膜圧電素子が設けられている圧力室２１ではその絶縁膜２３が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。

【0061】

ここで、圧電体薄膜として、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。

【0062】

（薄膜圧電センサ）
図６Ａは、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電センサの一例としてのジャイロセンサの構成図（平面図）であり、図６Ｂは図６ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。

【0063】

ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０、１３０を備える音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ４００は、上述の薄膜圧電素子を構成する圧電体薄膜３０、上部電極膜３１、及び下部電極膜３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０、１３０）は、薄膜圧電素子によって一体的に形成されている。

【0064】

一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極膜３１ａ、３１ｂ、及び検出電極膜３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極膜３１ａ、３１ｂ、及び検出電極膜３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極膜３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極膜３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。

【0065】

なお、基部１１０、及びアーム１２０、１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に形成されている下部電極膜３２は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。

【0066】

ここで、それぞれのアーム１２０、１３０の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム１２０、１３０の主面を含む平面をＸＺ平面とした上で、ＸＹＺ直交座標系を定義する。

【0067】

駆動電極膜３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。

【0068】

この状態でジャイロセンサ４００にＺ軸を回転軸として角速度ωの回転が加わると、二つのアーム１２０、１３０のそれぞれについて速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が−Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。

【0069】

コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電体薄膜３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極膜３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。

【0070】

この圧電体薄膜として、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。

【0071】

図６Ｃは、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電センサの第二の例としての圧力センサの構成図である。

【0072】

圧力センサ５００は、圧力を受けたときに対応するための空洞４５を有するとともに、薄膜圧電素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。薄膜圧電素子４０は共通電極膜４１と圧電体薄膜４２と個別電極膜４３とからなり、この順に支持体４４に積層されている。ここで、外力がかかると薄膜圧電素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。

【0073】

この圧電体薄膜として、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。

【0074】

図６Ｄは、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電センサの第三の例としての脈波センサの構成図である。

【0075】

脈波センサ６００は、基板５１上に送信用薄膜圧電素子、及び受信用薄膜圧電素子を搭載した構成となっており。ここで、送信用薄膜圧電素子では送信用圧電体薄膜５２の厚み方向の両面には電極膜５４ａ、５５ａが形成されており、受信用薄膜圧電素子では受信用圧電体薄膜５３の厚み方向の両面にも電極膜５４ｂ、５５ｂが形成されている。また、基板５１には、電極５６、上面用電極５７が形成されており、電極膜５４ａ、５４ｂと上面用電極５７とはそれぞれ配線５８で電気的に接続されている。

【0076】

生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ６００の基板裏面（薄膜圧電素子が搭載されていない面）を生体に当接させる。そして、脈の検出時に、送信用薄膜圧電素子の両電極膜５４ａ、５５ａに特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用薄膜圧電素子は両電極膜５４ａ、５５ａに入力された駆動用電圧信号に応じて励振して超音波を発生し、該超音波を生体内に送信する。生体内に送信された超音波は血流により反射され、受信用薄膜圧電素子により受信される。受信用薄膜圧電素子は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極膜５４ｂ、５５ｂから出力する。

【0077】

この両圧電体薄膜として、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。

【0078】

（ハードディスクドライブ）
図７は、図５Ａに示したヘッドアセンブリを搭載したハードディスクドライブの構成図である。

【0079】

ハードディスクドライブ７００は、筐体６０内に、記録媒体としてのハードディスク６１と、これに磁気情報を記録及び再生するヘッドスタックアセンブリ６２とを備えている。ハードディスク６１は、図示を省略したモータによって回転させられる。

【0080】

ヘッドスタックアセンブリ６２は、ボイスコイルモータ６３により支軸周りに回転自在に支持されたアクチュエータアーム６４と、このアクチュエータアーム６４に接続されたヘッドアセンブリ６５とから構成される組立て体を、図の奥行き方向に複数個積層したものである。ヘッドアセンブリ６５の先端部には、ハードディスク６１に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている（図５Ａ参照）。

【0081】

ヘッドアセンブリ６５は、ヘッド素子１９ａ（図５Ａ参照）を２段階で変動させる形式を採用している。ヘッド素子１９ａの比較的大きな移動はボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５、及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動で制御し、微小な移動はヘッドアセンブリ６５の先端部によるヘッドスライダ１９の駆動により制御する。

【0082】

このヘッドアセンブリ６５に用いられる薄膜圧電素子において、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分なアクセス性を得ることができる。

【0083】

（インクジェットプリンタ装置）
図８は、図５Ｂに示したインクジェットプリンタヘッドを搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。

【0084】

インクジェットプリンタ装置８００は、主にインクジェットプリンタヘッド７０、本体７１、トレイ７２、ヘッド駆動機構７３を備えて構成されている。

【0085】

インクジェットプリンタ装置８００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジを備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。また、このインクジェットプリンタ装置８００は、内部に専用のコントローラボード等を備えており、インクジェットプリンタヘッド７０のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。また、本体７１は背面にトレイ７２を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６を備え、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。

【0086】

このインクジェットプリンタヘッド７０の薄膜圧電アクチュエータに用いられる薄膜圧電素子において、本発明に係わる薄膜圧電素子におけるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。

【実施例】

【0087】

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0088】

（実施例１）
まず単結晶シリコンである基板１上に圧電体薄膜：３の下地膜となる下部電極膜２を結晶成長させて得た。この下部電極膜２はＰｔ膜であり、膜厚は２００ｎｍとした。形成方法はスパッタリング法であり、基板１を５００℃にした条件下で成膜した。

【0089】

続いて添加剤を含まない（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３のスパッタリングターゲットを用い、一層目の圧電体薄膜を成膜した。形成方法はスパッタリング法であり、基板１の設定温度を５８０℃にした条件下で成膜した。この条件でのこの圧電体薄膜の膜厚は０．７μｍとした。圧電体薄膜３がＫＮＮ薄膜の場合、基板１の設定温度を５５０℃にした条件下で結晶のｃ軸配向が最も高くなることが分っている。

【0090】

続いて基板１の設定温度を５６０℃にした条件下で二層目の圧電体薄膜を成膜した。この条件でのこの圧電体薄膜の膜厚は０．７μｍとした。さらに、基板１の設定温度を５４０℃にした条件下で二層目の圧電体薄膜を成膜した。この条件でのこの圧電体薄膜の膜厚は０．７μｍとした。これによりトータル２．１μｍの圧電体薄膜３を得た。

【0091】

次に上部電極膜４としてＰｔを成膜した。下部電極膜２と同様に形成方法はスパッタリング法であるが、基板温度は２００℃とした。膜厚は２００ｎｍである。

【0092】

続いてフォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電体薄膜３を含む積層体をパターニングし、基板を５ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断加工することで、複数の薄膜圧電素子１０を得た。

【0093】

圧電体薄膜３の平均結晶粒径を評価するため、ＦＩＢを用いて薄膜圧電素子１０の一部を膜厚方向に切断加工し、その切断面をＴＥＭで観察した。観察領域は高さ・幅とも圧電体薄膜３の膜厚と同じ２．１μｍである。

【0094】

図９Ａに実施例１の圧電体薄膜３についての平均結晶粒径の評価方法を示す。圧電体薄膜３のＴＥＭ面像を膜厚方向に３層の等しい厚さの領域３００１、３００２、３００３に分割し、図４に示した定義に従って各領域での平均結晶粒径を測定した。図９Ａにおいて、上部電極膜４側の領域３００１では、観察領域の幅Ｗ内に完全に含まれる結晶粒子はＡ〜Ｆの６個が存在し、それぞれの結晶粒径は、２２５ｎｍ、２２５ｎｍ、２６１ｎｍ、２３９ｎｍ、４０５ｎｍ、６５８ｎｍと計測され、これらの平均値である領域３００１の平均結晶粒径は３３６ｎｍとなった。同様に領域３００２では、Ｇ〜Ｋの５個の結晶粒子の計測値、１８９ｎｍ、２３９ｎｍ、６４４ｎｍ、１４４ｎｍ、９４１ｎｍより、平均結晶粒径は４３２ｎｍとなった。また、領域３００３では、Ｌ、Ｐ２つの結晶粒子の計測値、１１０８ｎｍ、１１３１ｎｍ、より平均結晶粒径は、１１１９ｎｍとなった。以上より、圧電体薄膜３の３つの領域の平均結晶粒径は、下部電極膜２側から順に１１１９ｎｍ、４３２ｎｍ、３３６ｎｍとなった。このとき最小値ｍと最大値Ｍとの比率は３０％であり、最小値ｍの領域は上部電極膜４との界面側にある。

【0095】

次に、実施例１の別の薄膜圧電素子１０について電極膜間のリーク電流密度の測定を行った。上下部電極膜２、４間にDC±２０Vを印加して測定した。評価装置は強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いた。なお電圧印加時間は２秒である。リーク電流密度は９．９×１０^−６Ａ／ｃｍ^２ であった。

【0096】

同様に、さらに別の薄膜圧電素子１０について圧電特性：−ｄ３１の評価を行った。薄膜圧電素子１０の上下部電極膜２、４間に７００Hz、２０V_p-pを印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて薄膜圧電素子１０の先端部における変位を測定した。

【0097】

圧電特性−ｄ３１は以下の式（１）から計算することで得た。

式（１）
h_s：Ｓｉ基板の厚さ [４００μｍ]、Ｓ_11,p：圧電体薄膜の弾性コンプライアンス[１／１０４GＰａ]、Ｓ_11,s：Ｓｉ基板の弾性コンプライアンス[１／１６８GＰａ]、Ｌ：駆動部の長さ[１３．５ｍｍ]、δ：変位量、V：印加電圧
圧電特性：−ｄ３１は１１５（ｐｍ／Ｖ）であった。

【0098】

薄膜圧電素子１０の特性は、実用上必要な、リーク電流密度：１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２以下、および−ｄ３１：７０ｐｍ／Ｖ以上を満たしている。

【0099】

実施例１における圧電体薄膜３を形成する際の基板設定温度、圧電体薄膜３を膜厚方向に３等分した場合の各領域での平均結晶粒径、平均結晶粒径の最小値と最大値の比率、リーク電流密度、圧電特性：−ｄ３１の値を表１に示す。

【0100】

（比較例１）
表１に記載した基板設定温度条件とした以外、実施例１と同様の方法で比較例１の薄膜圧電素子９０の作製、および特性の評価を行った。 図９Ｂに比較例１の薄膜圧電素子９０のＴＥＭ断面画像を示す。

【0101】

圧電体薄膜９３のＴＥＭ断面像を膜厚方向に３層の等しい厚さの領域に分割し、定義に従って各領域での平均結晶粒径を測定したところ、上部電極膜９４側の領域３００４では、観察領域の幅Ｗ内に完全に含まれる結晶粒子はａ〜ｆの６個が存在し、それぞれの結晶粒径は、６３６ｎｍ、７０９ｎｍ、２１８ｎｍ、１３２ｎｍ、２６４ｎｍ、１８２ｎｍと計測され、これらの平均値である領域３００４の平均結晶粒径は３５７ｎｍとなった。同様に領域３００５では、ｇ〜ｋの５個の結晶粒子の計測値、６００ｎｍ、８４１ｎｍ、１６８ｎｍ、１６８ｎｍ、２５５ｎｍより、平均結晶粒径は４０６ｎｍとなった。また、領域３００６では、ｌ〜ｓの５個の結晶粒子の計測値、６１４ｎｍ、８３２ｎｍ、１１８ｎｍ、２９１ｎｍ、２１８ｎｍより平均結晶粒径は、４１５ｎｍとなった。以上より、圧電体薄膜３の３つの領域の平均結晶粒径は、下部電極膜９２側から順に４１５ｎｍ、４０６ｎｍ、３５７ｎｍとなった。このとき最小値ｍと最大値Ｍの比率は８６％であり、最小値ｍの領域は上部電極膜９４との界面側にある。

【0102】

次に、比較例１の別の薄膜圧電素子９０について電極膜間のリーク電流密度の測定を行った。結果は５．０Ｅ−５Ａ／ｃｍ^２ であった。

【0103】

同様に、さらに別の薄膜圧電素子９０について圧電特性：−ｄ３１の評価を行った。結果は１０９ｐｍ/Ｖであった。

【0104】

薄膜圧電素子９０は高い圧電特性を示すが、実用上必要な、リーク電流密度：１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２以下、を満たしておらず、実用に耐えない。

【0105】

（実施例２〜８、比較例２〜５）
表１に示した２段階あるいは３段階での基板設定温度にて圧電体薄膜３を形成したこと以外は実施例１と同様にして薄膜圧電素子１０あるいは９０の作製、および特性の評価を行った。作製条件および評価結果を表１に示す。基板設定温度の１ｓｔ〜３ｒｄの各ステップでは、それぞれ０．７μｍの圧電体薄膜を形成している。

【0106】

（実施例９〜１０）
圧電体薄膜３の形成に用いるスパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．４ａｔ％加えた（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３を用いた。また表１に示した基板設定温度にて圧電体薄膜３を形成した。それ以外の事項は実施例１と同様にして、薄膜圧電素子１０の作製、および特性の評価を行った。作製条件および評価結果を表１に示す。

【0107】

（実施例１１〜１２）
圧電体薄膜３の形成に用いるスパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．４ａｔ％、Ｌｉを１．５ａｔ％、Ｓｒを３．０ａｔ％、Ｂａを０．１ａｔ％、Ｚｒを３．０ａｔ％、Ｔａを４ａｔ％加えた（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３を用いた。また表１に示した基板設定温度にて圧電体薄膜３を形成した。それ以外の事項は実施例１と同様にして、薄膜圧電素子１０の作製、および特性の評価を行った。作製条件および評価結果を表１に示す。

【0108】

（実施例１３〜１４）
圧電体薄膜３の形成に用いるスパッタリングターゲットとして、添加剤を含まない（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３、およびＭｎを０．４ａｔ％、Ｌｉを１．５ａｔ％、Ｂａを０．１ａｔ％、Ｔａを４ａｔ％加えた（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３を用いた。また表１に示した順序でスパッタリングターゲットを変更し、各基板設定温度にて圧電体薄膜３を形成した。それ以外の事項は実施例１と同様にして、薄膜圧電素子１０の作製、および特性の評価を行った。作製条件および評価結果を表１に示す。

【0109】

【表1】

【0110】

比較例１、２の結果にあるように、圧電体薄膜９３を単一の条件で形成した場合、薄膜圧電素子で実用上必要となる、リーク電流密度：１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２以下、圧電特性−ｄ３１：７０ｐｍ／Ｖ以上を同時に得ることは困難である。この場合、ｍ/Ｍ比は８０％を超える。

【0111】

また比較例３の結果にあるように、圧電体薄膜９３の平均結晶粒径に電極膜厚さ方向の勾配を持たせた場合でも、両電極膜側に大きな平均結晶粒径の圧電体薄膜を形成した場合には、薄膜圧電素子９０のリーク電流密度は高くなる。

【0112】

さらに比較例４の結果にあるように、圧電体薄膜９３の平均結晶粒径に電極膜厚さ方向の勾配を持たせ、さらにリーク電流密度を下げようと両電極膜側に比較的小さな平均結晶粒径の圧電体薄膜を形成した場合でも、圧電体薄膜９３の中央部の平均結晶粒径を電極膜側の平均結晶粒径よりも小さくした場合には、薄膜圧電素子９０の圧電特性：−ｄ３１が低くなってしまう。

【0113】

さらに比較例５の結果にあるように、リーク電流密度を下げようと片方の電極膜側に小さくし過ぎた平均結晶粒径の圧電体薄膜を形成した場合には、ｍ/Ｍ比が１０％未満となり、その平均結晶粒径の小さい領域の圧電特性：−ｄ３１が著しく低下してしまうため、圧電体薄膜９３の全体としての圧電特性：−ｄ３１が低くなってしまう。

【0114】

これらに対して、実施例１〜８においては、表１に示した平均結晶粒径をもつ圧電体薄膜領域の積層により、薄膜圧電素子１０におけるリーク電流密度と圧電特性：−ｄ３１の両方において目標値を達成することができた。

【0115】

しかしながら、実施例１、２においては、下部電極膜２側に最も大きな平均結晶粒径をもつ領域を形成したことで、圧電体薄膜３のリーク電流密度はやや高くなり、目標値である１．０×１０^−５Ａ／ｃｍ^２ 以下 に対して余裕度の少ない結果となった。

【0116】

実施例３〜６においては、最も大きな平均結晶粒径をもつ領域を圧電体薄膜３の中央部に形成したことで、圧電体薄膜３のリーク電流密度のである１．０×１０^−５Ａ／ｃｍ^２ 以下 に対する余裕度は実施例１、２と比較して向上した。

【0117】

しかしながら、実施例３、５、６は平均結晶粒径の最小値が小さいため、また、実施例４は平均結晶粒径の最大値が小さいために圧電体薄膜３の全体としての圧電特性：−ｄ３１が目標値である７０ｐｍ／Ｖ以上に対して余裕度の少ない結果となった。

【0118】

上記の結果に比べ、最小平均結晶粒径を６０〜９０ｎｍ、最大結晶粒径を１００ｎｍ以上とした実施例７、８では、薄膜圧電素子１０は安定したリーク電流密度を維持しながらも、実施例３〜６よりも高い圧電特性：−ｄ３１を得た。

【0119】

実施例９、１０では（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３にＭｎを０．４ａｔ％加えたスパッタリングターゲット用い、実施例７、８と同様の平均結晶粒径をもつ領域と構成で圧電体薄膜３を形成した。非特許文献；１、２にあるように、Ｍｎを加えることで、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜（ＫＮＮ薄膜）のリーク電流が低下することについては知られているが、本実施例の結果では、Ｍｎを含んでいないスパッタリングターゲットを用いて作製した実施例７、８の薄膜圧電素子１０と比較して、リーク電流密度がさらに低くなることに加え、より高い圧電特性：−ｄ３１を得た。

【0120】

さらに実施例１１、１２ではＭｎ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｔａを（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３に加えたスパッタリングターゲット用い、実施例７〜１０と同程度の平均結晶粒径をもつ領域と構成で圧電体薄膜３を形成した。評価の結果、Ｍｎのみを（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３に加えた実施例９、１０と比較して薄膜圧電素子１０のリーク電流密度はさらに低下し、同時に十分高い圧電特性：−ｄ３１を得た。

【0121】

実施例１３、１４では表１の添加剤の欄に記載した順番で、異なる組成を持つ複数のスパッタリングターゲットを用いて圧電体薄膜３を形成したが、この場合においても十分低いリーク電流密度と十分高い圧電特性：−ｄ３１を得た。

【0122】

本発明に係わる薄膜圧電素子は、下部電極膜と、上部電極膜と、この下部および上部電極膜に挟まれた圧電体薄膜から構成されており、薄膜圧電アクチュエータの圧電体薄膜としてこのリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。

【0123】

また、薄膜圧電センサの圧電体薄膜として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。

【0124】

ハードディスクドライブのヘッドアセンブリに用いられる薄膜圧電素子において、圧電体薄膜として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と十分なアクセス性を得ることができる。

【0125】

そして、インクジェットプリンタヘッドの薄膜圧電アクチュエータに用いられる薄膜圧電素子において、圧電体薄膜として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体薄膜を用いることで、高い耐電圧性と高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0126】

１ 基板
２ 下部電極膜
３ 圧電体薄膜
４ 上部電極膜
１０ 薄膜圧電素子

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】