特許 6932268 圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法

(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】6932268

(24)【登録日】2021年8月19日

(45)【発行日】2021年9月8日

(54)【発明の名称】圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/187 20060101AFI20210826BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20210826BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20210826BHJP

   H01L 41/39 20130101ALI20210826BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20210826BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20210826BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/187

   H01L41/09

   H01L41/113

   H01L41/39

   B81B3/00

   B81C1/00

【請求項の数】14

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2020-540173(P2020-540173)

(86)(22)【出願日】2019年7月30日

(86)【国際出願番号】JP2019029890

(87)【国際公開番号】WO2020044919

(87)【国際公開日】20200305

【審査請求日】2020年10月21日

(31)【優先権主張番号】特願2018-161453(P2018-161453)

(32)【優先日】2018年8月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】306037311

【氏名又は名称】富士フイルム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新川 高見

(72)【発明者】

【氏名】直野 崇幸

【審査官】 西出 隆二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３２２８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−９２０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１６２９９９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１１３

Ｈ０１Ｌ ４１／３９

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｃ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の圧電膜領域と該第１の圧電膜領域と接触する第１の電極とを備えた第１の圧電素子部と、第２の圧電膜領域と該第２の圧電膜領域と接触する第２の電極とを備えた第２の圧電素子部とが一つの構造体に支持されてなり、
前記第１の圧電膜領域と前記第２の圧電膜領域とは、チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物を主成分とする同一のカチオン比を有し、
第１の圧電膜領域と前記第２の圧電膜領域とは互いに異なる圧電特性を有し、前記第１の圧電膜領域は、前記第２の圧電膜領域よりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい圧電デバイス。

【請求項2】

前記第１の圧電膜領域と前記第２の圧電膜領域は、連続的な一枚の圧電膜の異なる領域である請求項１に記載の圧電デバイス。

【請求項3】

前記構造体が平坦面を有し、該平坦面に前記連続的な一枚の圧電膜を有する請求項２に記載の圧電デバイス。

【請求項4】

前記第１の圧電膜領域は、第１の圧電膜に設けられており、前記第２の圧電膜領域は、前記第１の圧電膜と離隔して備えられた第２の圧電膜に設けられている請求項１に記載の圧電デバイス。

【請求項5】

前記構造体が、法線方向が共通である２つの面を有し、該２つの面のうちの一方の面に前記第１の圧電素子部を、他方の面に前記第２の圧電素子部を備えた請求項１または４に記載の圧電デバイス。

【請求項6】

前記第１の圧電膜領域を挟んで前記第１の電極と対向する第３の電極、および前記第２の圧電膜領域を挟んで前記第２の電極と対向する第４の電極を備えた、または前記第１の圧電膜領域を挟んで前記第１の電極と対向する第１の電極領域、および前記第２の圧電膜領域を挟んで前記第２の電極と対向する第２の電極領域を有する共通電極を備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

【請求項7】

前記第１の圧電素子部をセンサとして、前記第２の圧電素子部をアクチュエータとして機能させる回路を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

【請求項8】

前記第１の圧電膜領域および前記第２の圧電膜領域は、それぞれ強誘電ヒステリシス特性を有し、２つの抗電界を有し、前記第１の圧電膜領域における正側抗電界および負側抗電界が、同一極性である請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

【請求項9】

前記第１の圧電膜領域におけるバイアス電圧に対する圧電定数の変化率が、前記第２の圧電膜領域におけるバイアス電圧に対する圧電定数の変化率よりも小さい請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

【請求項10】

前記チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物が、
Ｐｂ（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ，Ｄ_{1−ｙ−ｚ}）Ｏ_３
で表され、
前記Ｄ元素が、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、ＭｏおよびＷの少なくとも１種である請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

【請求項11】

前記Ｄ元素が、Ｎｂである請求項１０に記載の圧電デバイス。

【請求項12】

基板上に、チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物の薄膜からなる圧電膜を成膜し、
還元雰囲気中において、前記圧電膜の第１の領域および第２の領域のうちの少なくとも前記第１の領域に対して、波長２３０ｎｍ以下の電磁波を照射することにより、前記第１の領域および前記第２の領域における圧電特性に差を設け、前記第１の領域を、前記第２の領域よりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい領域とする圧電デバイスの製造方法。

【請求項13】

前記第１の領域および前記第２の領域の両方に前記電磁波を照射する場合は、前記第１の領域への照射量を前記第２の領域への照射量より多くする請求項１２に記載の圧電デバイスの製造方法。

【請求項14】

前記電磁波を１９０ｎｍ以下の波長とする請求項１２または１３に記載の圧電デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧電薄膜を備えた圧電デバイスおよび製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、圧電膜を成膜する技術の進展から、圧電薄膜デバイスへ注目が集まっている。特に、シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術と組み合わせた圧電ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスは注目を集めている。例えば、マイクロスキャナは、小型かつ低消費電力であることから、レーザープロジェクタから光干渉断層計のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。また、圧電ジャイロセンサは、静電ＭＥＭＳ型のジャイロセンサと比較し、低消費電力が期待されている。

【0003】

高い圧電性能を有する圧電膜の開発が進められており、例えば、特開２０１０−８４１８０号公報（以下において、特許文献１）では、チタン酸ジルコン酸鉛の組成を精密にコントロールすることで分極―電界特性を示すヒステリシスカーブにおける２つの抗電界を共に正電界側とした圧電膜を実現している。また、特許第４１１４３６３号公報（以下において、特許文献２）では、ジルコニウム濃度の異なるチタン酸ジルコン酸鉛を積層させることで、２つの抗電界を同極性にする手法が提案されている。これらの文献においては、２つの抗電界を同極性とすることにより、１つの極性で駆動電圧した場合に圧電アクチュエータとして大きな変位量が得られるため好ましいとされている。

【0004】

また、圧電膜の作製方法として、特開２００２−３２９８４４号公報（以下において、特許文献３）および特開２０１７−４５９９２号公報（以下において、特許文献４）には、結晶化していないチタン酸ジルコン酸鉛前駆体に対し、温度のかわりに紫外線などのエネルギー線を照射して結晶化する技術が提案されている。

【0005】

ところで、圧電デバイスとしては、インクジェットヘッドのようなアクチュエータ単体として用いるデバイス、あるいは、加速度ピックアップのようにセンサ単体として用いるデバイスの他、アクチュエータおよびセンサ双方の機能を有するデバイスもある。例えば、ジャイロセンサにおいて、圧電デバイスはアクチュエータとして振動を発生させ、センサ電極で力学的な変化を検出する。また、マイクロスキャナで用いるＭＥＭＳミラーデバイスにおいて、圧電デバイスは、アクチュエータとしてミラーを駆動させながら、センサ電極でミラーの角度を検出する。また、圧電トランスや圧電フィルタにおいては、圧電デバイスは入力電気信号をアクチュエータ機能で機械振動に変え、励起された機械振動をセンサ電極にて再度電気信号に変換する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のようなアクチュエータおよびセンサ双方の機能を有する圧電ＭＥＭＳデバイスは、例えば、共通の圧電膜に対して、アクチュエータ用の電極とセンサ用の電極を備えて構成される。

【0007】

しかしながら、圧電膜において、アクチュエータ用として高い性能とセンサ用として高い性能とは、同一ではない。具体的には、アクチュエータとしては、一般には印加電圧に対する変位量が大きいことが望ましく、すなわち圧電定数が大きいことが望ましい。一方、センサとしては、センサノイズが小さいことが好ましく、誘電損失ｔａｎδが小さいことが望ましい。チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料では、自発分極方向の電圧に応じて圧電体が変位する圧電効果（通常の電界誘起圧電歪）の他に、違う方向を向いている自発分極軸が電圧方向に向き直るドメイン回転（例えば正方晶では９０°ドメイン回転）することにより高い圧電性（ここでは、大きな圧電定数）が得られると考えられる。すなわち、分極のゆらぎ成分が存在することにより、より高い圧電性が得られると考えられる。一方、圧電分極のゆらぎが誘電損失ｔａｎδとなり、センサノイズ源となるため、センサノイズを低減させるためには分極のゆらぎ成分を低減させることが好ましい。

【0008】

このように、分極のゆらぎ成分が存在すると誘電損失が大きくなり、センサとしての性能は低くなる、一方、分極のゆらぎ成分を抑制し、センサとしての性能を高めようとすると、ドメイン回転成分が少なくなるために、圧電定数が低下すると考えられる。すなわち、圧電膜はセンサ性能を高めようとするとアクチュエータ性能が低下するという問題がある。

【0009】

特許文献１、２に記載のように、例えば、圧電膜の組成を厳密に制御することにより、圧電特性を制御することができる。しかしながら、微小サイズのデバイスにおいて１つのデバイス中に互いに異なる圧電性能を有する２以上の圧電膜を作り込むことは困難である。

【0010】

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、互いに異なる圧電性能を有する２以上の圧電素子部を備えた、製造容易な圧電デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞第１の圧電膜領域とその第１の圧電膜領域と接触する第１の電極とを備えた第１の圧電素子部と、第２の圧電膜領域と第２の圧電膜領域と接触する第２の電極とを備えた第２の圧電素子部とが一つの構造体に支持されてなり、
第１の圧電膜領域と上記第２の圧電膜領域とは、チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物を主成分とする同一のカチオン比を有し、
第１の圧電膜領域と上記第２の圧電膜領域とは互いに異なる圧電特性を有し、上記第１の圧電膜領域は、上記第２の圧電膜領域よりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい圧電デバイス。
＜２＞第１の圧電膜領域と上記第２の圧電膜領域は、連続的な一枚の圧電膜の異なる領域である＜１＞に記載の圧電デバイス。
＜３＞ 上記構造体が平坦面を有し、その平坦面に上記連続的な一枚の圧電膜を有する＜２＞に記載の圧電デバイス。
＜４＞ 上記第１の圧電膜領域は、第１の圧電膜に設けられており、上記第２の圧電膜領域は、上記第１の圧電膜と離隔して備えられた第２の圧電膜に設けられている＜１＞に記載の圧電デバイス。
＜５＞ 上記構造体が、法線方向が共通である２つの面を有し、その２つの面のうちの一方の面に上記第１の圧電素子部を、他方の面に上記第２の圧電素子部を備えた＜１＞または＜４＞に記載の圧電デバイス。
＜６＞ 上記第１の圧電膜領域を挟んで上記第１の電極と対向する第３の電極、および上記第２の圧電膜領域を挟んで上記第２の電極と対向する第３の電極を備えた、または上記第１の圧電膜領域を挟んで上記第１の電極と対向する第１の領域、および上記第２の圧電膜領域を挟んで上記第２の電極と対向する第２の電極領域を有する共通電極を備えた＜１＞から＜５＞のいずれか１つに記載の圧電デバイス。
＜７＞ 上記第１の圧電素子部をセンサとして、上記第２の圧電素子部をアクチュエータとして機能させる回路を備えた＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の圧電デバイス。
＜８＞ 上記第１の圧電膜領域および上記第２の圧電膜領域は、それぞれ強誘電ヒステリシス特性を有し、２つの抗電界を有し、上記第１の圧電膜領域における正側抗電界および負側抗電界が、同一極性である＜１＞から＜７＞のいずれか１つに記載の圧電デバイス。
＜９＞ 上記第１の圧電膜領域におけるバイアス電圧に対する圧電定数の変化率が、上記第２の圧電膜領域におけるバイアス電圧に対する圧電定数の変化率よりも小さい＜１＞から＜８＞のいずれか１つに記載の圧電デバイス。
＜１０＞ 上記チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物が、
Ｐｂ（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ，Ｄ_{1−ｙ−ｚ}）Ｏ_３
で表され、
上記Ｄ元素が、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、ＭｏおよびＷの少なくとも１種である＜１＞から＜９＞のいずれか１つに記載の圧電デバイス。
＜１１＞ 上記Ｄ元素が、Ｎｂである＜１０＞に記載の圧電デバイス。
＜１２＞ 基板上に、チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物の薄膜からなる圧電膜を成膜し、
還元雰囲気中において、上記圧電膜の第１の領域および第２の領域のうちの少なくとも上記第１の領域に対して、波長２３０ｎｍ以下の電磁波を照射することにより、上記第１の領域および上記第２の領域における圧電特性に差を設け、上記第１の領域を、上記第２の領域よりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい領域とする圧電デバイスの製造方法。
＜１３＞ 上記第１の領域および上記第２の領域の両方に上記電磁波を照射する場合は、上記第１の領域への照射量を上記第２の領域への照射量をより多くする＜１２＞に記載の圧電デバイスの製造方法。
＜１４＞ 上記電磁波を１９０ｎｍ以下の波長とする＜１２＞または＜１３＞に記載の圧電デバイスの製造方法。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、異なる圧電性能を有する２以上の圧電素子部を有する、容易に製造可能な圧電デバイスおよびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１の実施形態の圧電デバイスの斜視図である。

【図2】図１の圧電デバイスのII-II断面図である。

【図3】第１の圧電素子部と第２の圧電素子部の特性の違いを示すヒステリシス特性を示す図である。

【図4】駆動回路および検出回路を備えた圧電デバイスの概略構成を示す図である。

【図5】設計変更例１の圧電デバイスの断面図である。

【図6】設計変更例２の圧電デバイスの断面図である。

【図7】第２の実施形態の圧電デバイスの断面図である。

【図8】圧電デバイスの製造工程の一例を示す図である。

【図9】サンプルについて分極−電圧ヒステリシスを示す図である。

【図10】サンプルについて圧電定数のバイアス電圧依存性を示す図である。

【図11】図１０について、縦軸をバイアス電圧−０．５Ｖの圧電定数で規格化して示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本開示の一実施形態の圧電デバイスは、第１の圧電膜領域と第１の圧電膜領域と接触する第１の電極とを備えた第１の圧電素子部と、第２の圧電膜領域と第２の圧電膜領域と接触する第２の電極とを備えた第２の圧電素子部とが一つの構造体に支持されてなる。第１の圧電膜領域と第２の圧電膜領域とは、チタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物を主成分とする同一のカチオン比を有する。また、第１の圧電膜領域と第２の圧電膜領域とは互いに異なる圧電特性を有し、第１の圧電膜領域は、第２の圧電膜領域よりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい。

【0015】

以下、図面を参照して具体的な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイス１であるカンチレバーの斜視図であり、図２は図１のII-II線端面図である。なお、視認容易のため、各層の膜厚やそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない。以下の図面において同様とする。

【0016】

本実施形態に係る圧電デバイス１は、一つの構造体１０上に第１の圧電素子部１１と第２の圧電素子部１２とが支持されてなる。ここでは、第２の圧電素子部１２が２つ、第１の圧電素子部１１が１つ、構造体１０の長手方向に互いに平行に備えられている。第２の圧電素子部１２はアクチュエータとして機能して振動を発生させる。他方、第１の圧電素子部１１はセンサとして機能して振動を検出する。圧電デバイス、特には圧電ＭＥＭＳデバイスのサイズとしては、例えば、長さおよび幅として、１００μｍ〜１０ｍｍ程度が一般的であるが、これよりも小さい構造でも大きい構造でもよく、特に制限されるものではない。また、厚みについても、１０μｍ〜１ｍｍ程度が一般的であるが、作製できる範囲であればよく、特に制限されるものではない。

【0017】

構造体１０は、例えば、平坦面１０ａを有する基板（以下において、基板１０とする。）である。なお、ここで、平坦面とは、段差を有しておらず、その面に対して薄膜を形成した場合に膜が連続的な一枚の膜状に形成される程度に平らな面であることを意味する。

【0018】

圧電デバイス１は、基板１０の平坦面１０ａに、下部電極としての共通電極２２を備え、共通電極２２上に連続的に形成された連続的な１枚の圧電膜２４を備えている。圧電膜２４には、第１の圧電膜領域２４ａと第２の圧電膜領域２４ｂとが設けられている。すなわち、第１の圧電膜領域２４ａおよび第２の圧電膜領域２４ｂは、連続的な一枚の圧電膜２４の互いに異なる領域である。そして、第１の圧電膜領域２４ａおよび第２の圧電膜領域２４ｂ上には、それぞれに上部電極としての第１の電極２６ａおよび第２の電極２６ｂが備えられている。

【0019】

すなわち、第１の圧電素子部１１は、第１の圧電膜領域２４ａと第１の圧電膜領域２４ａと接触する、上部電極である第１の電極２６ａと、第１の圧電膜領域２４ａを挟んで第１の電極２６ａと対向する、下部電極である共通電極２２の第１の電極領域２２ａとから構成されている。そして、第２の圧電素子部１２は、第２の圧電膜領域２４ｂと第２の圧電膜領域２４ｂと接触する、上部電極である第２の電極２６ｂと、第２の圧電膜領域２４ａを挟んで第２の電極２６ｂと対向する、下部電極である共通電極２２の第２の電極領域２２ｂとから構成されている。

【0020】

なお、下部電極および上部電極における下部および上部は、鉛直方向における上下を意味するものではなく、圧電膜の基板側の電極を下部電極、圧電膜を挟んで下部電極と対向する電極を上部電極と称しているに過ぎない。

【0021】

圧電膜２４は、一枚膜として形成されたものであり、すなわち、第１の圧電膜領域２４ａと第２の圧電膜領域２４ｂとは、同一原料を用い同一条件にて成膜された圧電膜の一部である。そのため、第１の圧電膜領域２４ａと第２の圧電膜領域２４ｂとはチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型酸化物を主成分とする同一のカチオン比を有している。ここで、カチオン比に関して、成膜時における製造誤差は同一の範囲に含まれる。後述するペロブスカイト型構造におけるＡサイトおよびＢサイトを構成する各元素について、Ｂサイト元素のモル比の和を１として規格化した各元素のモル比（以下において「規格化モル比」という。）が、第２の圧電膜領域における同一元素の規格化モル比の±３％以内であれば同一の範囲と看做すこととする。

【0022】

なお、圧電膜２４は一枚膜として形成されたものであることから、通常は膜厚も同一（ここでは、第２の圧電膜領域の膜厚を基準に±３％の範囲を同一とする。）である。しかしながら、膜厚は、成膜後にエッチングによって適宜調整することができる。したがって、各領域の用途によって、圧電膜領域２４ａ、２４ｂの一方もしくは両方の膜厚がエッチングされ、第１の圧電膜領域２４ａと第２の圧電膜領域２４ｂとが異なる膜厚を有する構成とされていてもよい。

【0023】

第１の圧電膜領域２４ａと第２の圧電膜領域２４ｂとは、互いに異なる圧電特性を有する。そして、第１の圧電膜領域２４ａは、第２の圧電膜領域２４ｂよりも圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδが小さい。以下において、圧電定数ｄ_３１の大小はその絶対値の大小である。

【0024】

第１の圧電膜領域２４ａおよび第２の圧電膜領域２４ｂのそれぞれの分極−電界特性のヒステリシスカーブの一例を図３に示す。図３において、第１の圧電膜領域２４ａのヒステリシスカーブを破線ａ、第２の圧電膜領域２４ｂのヒステリシスカーブを実線ｂで示している。

【0025】

図３に示すように、第１の圧電膜領域２４ａの２つの抗電界Ｅ_ｃ11およびＥ_ｃ12は、同一極性であり、いずれも正電界側に位置している。ここで、２つの抗電界Ｅ_ｃ11およびＥ_ｃ12のうち、図中右側の抗電界Ｅ_ｃ11が正側抗電界であり、図中左側抗電界Ｅ_ｃ12が負側抗電界である。そのため、センサとして使用される電界０の近傍において、履歴が小さい、あるいは履歴のない分極−電界特性を示している。これは、電界０の近傍において分極のゆらぎがない状態であり、誘電損失ｔａｎδが小さいことを意味する。一方、第２の圧電膜領域２４ｂの２つの抗電界Ｅ_ｃ21およびＥ_ｃ22は、電界０を挟み正電界側および負電界側に位置している。ここで、２つの抗電界Ｅ_ｃ21およびＥ_ｃ22のうち、図中右側の抗電界Ｅ_ｃ21が正側抗電界であり、図中左側抗電界Ｅ_ｃ22が負側抗電界である。しかし、圧電定数ｄ_３１は、第２の圧電膜領域２４ｂの方が第１の圧電膜領域２４ａよりも大きい。

【0026】

したがって、第１の圧電素子部１１はセンサに適し、第２の圧電素子部１２はアクチュエータに適する。圧電デバイス１において、第１の圧電素子部１１をセンサとして、第２の圧電素子部をアクチュエータとして用いる場合、図４に示すように、第１の圧電素子部１１は検出回路５１に接続されており、第２の圧電素子部１２は駆動回路５２に接続されていればよい。検出回路５１および駆動回路５２は公知の回路構成を適宜用いることができる。

【0027】

圧電定数ｄ_３１は、I. Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い測定する値で評価できる。第１の圧電膜領域の圧電定数ｄ_３１と第２の圧電膜領域の圧電定数ｄ_３１はその絶対値に、１０％以上の差があれば異なっているとみなす。ここで、圧電定数の差を求める際には、第２の圧電膜領域の圧電定数ｄ_３１を基準とする。

【0028】

誘電損失（ｔａｎδ）は、上部および下部電極間のインピーダンス測定により取得できる。第１の圧電膜領域の誘電損失と第２の圧電膜領域の誘電損失は、１０％以上の差があれば、特性が異なっているとみなす。ここで、誘電損失の差を求める際には、第２の圧電膜領域の誘電損失を基準とする。

【0029】

なお、第１の圧電膜領域および第２の圧電膜領域は連続した一枚の圧電膜の各領域でなくてもよい。図５に示す設計変更例１の圧電デバイス２のように、第１の圧電膜領域２４ａは第１の圧電膜１２４に設けられ、第２の圧電膜領域２４ａは第１の圧電膜１２４と離隔して備えられた第２の圧電膜２２４に設けられていてもよい。第１の圧電膜１２４と第２の圧電膜２２４とは、同時に成膜された膜であり、カチオン比は同一である。第１の圧電膜１２４と第２の圧電膜２２４とは、例えば、それぞれの領域に開口を有するマスクを用いて成膜されたものであってもよいし、一枚の膜として成膜された後に、エッチング等により分割されたものであってもよい。

【0030】

また、上述の圧電デバイス１においては、下部電極を共通電極２２としているが、下部電極は個別電極であってもよく、下部電極が個別電極である場合には、上部電極を共通電極として構成することもできる。すなわち、下部電極および上部電極のうち、少なくとも一方が個別電極であればよく、下部電極および上部電極が共に個別電極であってもよい。

【0031】

また、構造体としては、表面が平坦面であるものに限らず、表面に段差を有するものであってもよく、図６に示す設計変更例２の圧電デバイス３の構造体１１０ように、法線方向が共通である２つ以上の面１１０ａおよび１１０ｂを有するものであってもよい。この場合、１つの面１１０ａに第１の圧電素子部１１を備え、他の１つの面１１０ｂに第２の圧電素子部１２を備えた構成とすることができる。

【0032】

図６に示す圧電デバイス３においては、第１の圧電素子部１１は、第１の圧電膜領域２４ａと、上部電極である第１の電極２６ａと、第１の圧電膜領域２４ａを挟んで第１の電極２６ａと対向する、下部電極である第３の電極１２２ａを備えてなる。また、第２の圧電素子部１２は、第２の圧電膜領域２４ｂと、上部電極である第２の電極２６ｂと、第１の圧電膜領域２４ｂを挟んで第２の電極２６ｂと対向する、下部電極である第４の電極１２２ｂを備えてなる。構造体１１０のように段差を有する表面に対して、下部電極、圧電膜および上部電極を順次成膜することによって、結果として、下部電極が面１１０ａおよび面１１０ｂのそれぞれに第３の電極１２２ａおよび第４の電極１２２ｂの個別電極として、段差を有して形成され、第１の圧電素子部１１と第２の圧電素子部１２の対応する電極ある圧電膜の位置に段差が形成されたものであってもよい。また、第３の電極１２２ａと第４の電極１２２ｂとは、例えば、それぞれの領域に開口を有するマスクを用いて、成膜されたものであってもよいし、一枚の膜として成膜された後の工程においてエッチング等により分割されたものであってもよい。

【0033】

いずれの場合にも、第１の圧電素子部１１の圧電膜および第２の圧電素子部１２の圧電膜は、同一条件下で同時に成膜された膜であり、個別成膜した後に組み合わせられたものではない。しかし、第１の圧電膜領域２４ａは、第２の圧電膜領域２４ｂよりも圧電定数ｄ_３１および誘電損失ｔａｎδが小さい。詳細は後述するが、第１の圧電素子部１１の第１の圧電膜領域２４ａは圧電膜２４の成膜後に波長２３０ｎｍ以下の電磁波が照射されて、圧電特性が第２の圧電素子部１２の第２の圧電膜領域２４ｂとは異なるものとなっている。

【0034】

また、上記の圧電デバイス１はカンチレバーであるため、矩形板状の部分を有する構造体１０を備えているが、構造体の形状は、圧電デバイスの用途によって適宜決定されるものである。例えば、図７に示す第２の実施形態の圧電デバイス４のように、第１の圧電素子部１１および第２の圧電素子部１２の下部電極である共通電極２２側に空洞部２１２を有する構造体２１０であってもよい。このように、圧電デバイスとしては、共通電極２２の一部が構造体２１０の空洞部２１２に露出されている構成であってもよい。

【0035】

圧電デバイスの各構成要素について説明する。

【0036】

構造体は、その材料に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、およびシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。また、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の積層基板を用いてもよい。

【0037】

下部電極と上部電極の厚みは特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電膜の厚みは１０μｍ以下であれば特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１〜５μｍである。下部電極、上部電極および圧電膜の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。

【0038】

下部電極の主成分は、特に制限はなく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、およびＳｒＲｕＯ_３等の金属または金属酸化物、並びに、これらの組合せが挙げられる。

【0039】

上部電極の主成分は、特に制限なく、下部電極で例示した材料、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、並びにこれらの組合せが挙げられる。

【0040】

圧電膜は、チタン酸ジルコン酸鉛系（以下において、ＰＺＴ系という。）のペロブスカイト型酸化物を主成分とする。なお、本明細書において主成分とは、構成成分のうちの８０ｍｏｌ％以上を占める成分を意味する。なお、圧電膜２４はＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物が９０ｍｏｌ%以上であることが好ましく、９５ｍｏｌ%以上であることがより好ましい。なお、圧電膜２４の主成分がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であるか否かについては、Ｘ線回折（ＸＲＤ）プロファイルを測定して確認することができる。ＰＺＴ系ペロブスカイトによるピークに対し、他の構造、例えばパイロクロア構造のピークが５％以下である場合は、ＰＺＴ系ペロブスカイトが主成分であるといえる。なお、ＸＲＤプロファイルにおいて、他の構造の最大ピークがペロブスカイトの最大ピークの２％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましく。ペロブスカイト以外の構造のピークが観察されないことが特に好ましい。

【0041】

ＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３で表される、いわゆる真性ＰＺＴ（lead zirconate titanate）のみならず、一般にＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型構造を維持できる範囲でＡサイトおよび／またはＢサイトに他のイオンをドープしたものであってもよい。ＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物としては、Ｐｂ（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ，Ｄ_{1−ｙ−ｚ}）Ｏ_３，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１で表されるものが好ましい。Ｂサイトには、Ｚｒ⁴⁺、Ｔｉ⁴⁺に対し、価数が大きいイオンを置換することが好ましく、Ｄ元素として、具体的には、５価のＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂあるいは６価のＭｏ、Ｗなどが挙げられる。Ｄ元素として特に好ましいのはＮｂである。Ｐｂ（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ，Ｄ_{1−ｙ−ｚ}）Ｏ_３は、一般に、Ｐｂ：（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）：Ｄのモル比は１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取りうる範囲でずれていてもよい。
なお、カチオン比が同一とは、具体的には、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）、Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）、Ｄ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）で表される各元素の規格化モル比が同一であることを意味し、第２の圧電膜領域における規格化モル比を１とした場合に、第１の圧電膜領域における規格化モル比が１±３％の範囲、すなわち、０．９７〜１．０３の範囲であれば同一と看做す。

【0042】

通常の圧電膜では、その分極−電界のヒステリシス特性は、０ｋＶ／ｃｍを境に右側抗電界は正電界、左側抗電界は負電界にあり、両者の絶対値が近い値であるのが一般的である。すなわち、通常の圧電膜、例えば、真性ＰＺＴなどの分極−電界ヒステリシスカーブは電界０を中心とする点対称な図形である。このような通常の圧電膜では、上向き分極および下向き分極は同じ確率で起こるため、分極処理（ポーリング処理）と呼ばれる、高電界をサンプルに印加して分極を一方向に揃える操作が必要である。

【0043】

一方で、ＢサイトにＺｒ⁴⁺、Ｔｉ⁴⁺よりも価数が多いイオン（以下において、ドナイオンという。）が添加されたＰＺＴ（以下において、ドープドＰＺＴという。）では、組成を調整することによって、下部電極を接地電極とした場合において、右方向すなわち正電界側にシフトしたヒステリシスカーブ、あるいは左方向すなわち負電界側にシフトしたヒステリシスカーブを得ることができる。なお、同一構成の圧電素子において、上部電極を接地とした場合には、ヒステリシス曲線のシフト方向は逆になる。既述の図３はヒステリシスカーブが正電界側にシフトした例である。ドープドＰＺＴ膜では、一方向の分極が安定なため、分極処理がなくても高い圧電性能が得られる。ドープドＰＺＴ膜では、下部電極側から上部電極側に向かう向きの分極が安定となる。ドナイオンと点欠陥により、欠陥分極（defect dipole）が生成されるためと考えられる。ドープドＰＺＴ膜は分極処理が不要であるため、製造プロセスが簡易化でき、分極処理時の高電界でサンプルが破壊される心配がなく、分極用の配線を要しないため、１枚のウエハから作製できる素子数を増やすことができるなどのメリットがある。

【0044】

但し、ドープドＰＺＴ膜においても、分極は完全に一方向に揃っているわけではなく、不安定な分極（分極のゆらぎ成分）がある割合で存在している。しかし、この不安定な分極によって、ドープドＰＺＴ膜は高い圧電定数を得ることができる。一方で、このゆらぎ成分によって誘電損失も上昇する。後述する圧電デバイスの製造方法は、真性ＰＺＴ膜のような特性が対称な通常な膜に対しても表面付近に欠陥を導入することで、一方向の分極を安定化させ、誘電損失を低減する効果を奏するが、ゆらぎ成分を多く含むドナイオンが添加されたドープドＰＺＴ膜に対して顕著な効果がある。特に圧電性の高いＮｂドープＰＺＴ膜に対してより顕著な効果が得られる。

【0045】

ここで、圧電膜は、真性ＰＺＴであっても必ずしもＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１である必要はない。Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が１より大きい、あるいは１より小さい場合もあり得る。Ｐｂは４＋の価数も取り得ることが知られており、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３＋ＰｂＰｂＯ_３という形式化学式で表記される、すなわち、Ｚｒ，ＴｉサイトにＰｂ^４＋が固溶したペロブスカイト構造となっているケースがあり得る。また、Ｎｂ等のドナイオンを置換しても絶縁性を維持していることから、Ｐｂ_{１−ｙ／２}（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）_ｙＤ_１−ｙＯ_３という鉛欠陥を伴った化学式、あるいはＰｂ_{１−ｙ／２}（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）_ｙＤ_１−ｙＯ_３＋ＰｂＰｂＯ_３という形式化学式で表記される圧電膜もあり得る。すなわち、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｄ）は１付近の値を取るが、必ずしも１である必要はない。また、ＰｂおよびＯがセットで抜けた、Ｐｂ_１−δ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３−δとなっている場合もあり得る。また、価数がわずかにずれており電子や正孔が供給するが、実用上問題ないレベルの場合もあり得る。すなわち、本明細書におけるＰＺＴ系ペロブスカイト型酸化物は、完全な価数バランスが取れている（電気的中性条件が成立している）ものに限らない。

【0046】

次に、本発明の圧電デバイスの製造方法の一実施形態を説明する。ここでは、図１および図２に示した圧電デバイス１の製造工程を説明する。図８は圧電デバイス１の製造工程を示す図である。

【0047】

まず、構造体を構成する基板１０を用意し、基板１０の表面に下部電極としての共通電極２２をスパッタ法により成膜する（Ｓ１）。

【0048】

次に、共通電極２２上にＰＺＴ系ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜２４を、スパッタ法により成膜し、さらに、圧電膜２４上に上部電極となる電極層２６を成膜する（Ｓ２）。

【0049】

その後、リソグラフィおよびエッチングにより電極層２６をパターン化して、第１の電極２６ａと第２の電極２６ｂを含むパターン化電極層２６Ｐを形成する（Ｓ３）。なお、この際、図示しない電極用配線を同時に形成してもよい。

【0050】

その後、所望の形状の開口４１を有する厚み２ｍｍのアルミニウム板からなるマスク４０をパターン化電極層２６Ｐ上に設置して、還元雰囲気下にて波長２３０ｎｍ以下の電磁波Ｒを照射する（Ｓ４）。電磁波Ｒを開口４１に露出する第１の電極２６ａに照射することにより、第１の電極２６ａを透過させて圧電膜２４の第１の領域２４Ａに照射する。このとき、圧電膜２４のマスク４０により覆われている領域に対応する第２の領域２４Ｂには電磁波Ｒは照射されない。電磁波Ｒは波長２３０ｎｍ以下であればよいが、波長２１０ｎｍ以下が好ましく、波長１９０ｎｍ以下がより好ましい。電磁波は波長２３０ｎｍ以下であれば、紫外光、Ｘ線およびγ線などいずれであってもよい。電磁波Ｒの下限波長は特に制限なく、例えば、波長０．０５ｎｍであってもよい。電磁波Ｒは、照射によって第１の圧電膜領域および第２の圧電膜領域のカチオン比に変化がない範囲内で適宜選択される。マスク４０の厚みおよび材質は、電磁波Ｒに対して遮蔽効果を有するものであればよく、２ｍｍのアルミニウム板に限るものではない。なお、ここでは、第１の電極２６ａを介して電磁波Ｒを照射したが、電極層２６を成膜する前に電磁波Ｒを直接、圧電膜２４の第１の領域２４Ａに照射してもよい。特に、エネルギーが小さい紫外光を電磁波Ｒとして用いる場合には、電極層２６の形成前に、圧電膜上にマスク４０を設置して、第２の領域２４Ｂに照射することなく、第１の領域２４Ａに直接、電磁波Ｒを照射することが好ましい。

【0051】

上記電磁波Ｒの照射により圧電膜２４の第１の領域２４Ａ（以下において第１の圧電膜領域２４ａ）は、電磁波Ｒが照射されなかった第２の領域２４Ｂ（以下において第２の圧電膜領域２４ｂ）と異なる圧電特性を有するものとなり、異なる圧電特性を有する第１の圧電素子部１１と第２の圧電素子部１２とを備えた圧電デバイス１を製造することができる（Ｓ５）。

【0052】

電磁波Ｒの照射により、第１の圧電膜領域２４ａは、第２の圧電膜領域２４ｂよりも小さい圧電定数ｄ_３１および小さい誘電損失ｔａｎδを有するものとなる。この理由は明らかではないが、電磁波Ｒの照射により、圧電膜表面において酸素欠陥が生じ、この酸素欠陥によって、分極のゆらぎ成分が低減されるために圧電特性が変化すると推測される。但し、本発明者らの研究によれば、電磁波Ｒの照射により生じた酸素欠陥量はｄ−ＳＩＭＳ（ダイナミック二次イオン質量分析：Dynamic-Secondary Ion Mass Spectrometry）による膜厚方向の酸素プロファイルおよび各カチオンプロファイルの取得によっても検出できない程度であった。

【0053】

ここで、還元雰囲気とは、窒素雰囲気または真空中など、空気中よりも還元性が高い雰囲気を意味する。還元雰囲気において、圧電膜に対して強いエネルギー線が照射されることで、圧電膜の表面付近の酸素が奪われて酸素欠陥が生成されると考えられる。試料温度を高温にして電磁波Ｒを照射することにより、また、アルゴン（Ａｒ）および水素の混合ガス、あるいは、窒素および水素の混合ガス等の下で電磁波を照射することにより酸素欠陥を効率よく生成することができ、圧電特性を変化させる効果をより高めることができると考えられる。

【0054】

圧電膜の表面において、負イオンである酸素が欠損となるため、欠損部分は正電荷をもち、欠陥がなかった状態ではゆらぎ成分であった分極の少なくとも一部が欠損によって生じた正電荷に向かう向きに安定化するために、分極のゆらぎ成分が低減すると考えられる。

【0055】

上記実施形態では、第１の領域に電磁波Ｒを照射し、第２の領域には電磁波を照射しないとしたが、両領域に対して電磁波を照射し、第１の領域への照射量を第２の領域への照射量よりも多くすることによって、異なる圧電特性を有する領域を形成してもよい。ここでの照射量とは照射エネルギー量であり、波長が小さいほどエネルギー量は大きくなる。また、同一の波長の電磁波であれば、照射時間が長いほどエネルギー量は大きくなる。電磁波の照射量が大きいほど、酸素の欠損がより多く生じ、ゆらぎ成分の低減につながる傾向がある（後記の実証実験を参照）。このように、圧電膜への電磁波の照射量を制御することによって、圧電特性をコントロールすることもできる。

【0056】

波長２３０ｎｍ以下の電磁波を照射するのみで圧電膜の圧電特性を変化させることができるので、１度の成膜工程で成膜された圧電膜に対して、非常に容易に、異なる圧電特性の圧電膜領域を形成することができる。したがって、上記実施形態の、第１および第２の圧電素子を備えた圧電デバイスを容易にかつ低コストに製造することが可能である。本製造方法によれば、ＭＥＭＳデバイスのような微小なデバイスにおいて、異なる圧電特性を有する圧電膜領域を容易に設けることができる。

【0057】

また、第１の圧電素子および第２の圧電素子に加え、第１の圧電膜領域および第２の圧電膜領域と圧電特性、すなわち、圧電定数および誘電損失が異なる第３の圧電膜領域を備えた第３の圧電素子をさらに備えてもよい。上記製造方法によれば、圧電膜に対して、所望の数の互いに異なる圧電特性を有する圧電膜領域を容易に生成することができ、圧電定数および誘電損失が異なる３以上の圧電素子を備えた圧電デバイスも容易に製造することができる。

【0058】

さて、上記においては、圧電デバイスの第１の圧電素子および第２の圧電素子の一方をセンサ、他方をアクチュエータとして機能させる場合について説明した。しかしながら、異なる圧電特性を有する第１の圧電素子と第２の圧電素子とを備えた圧電デバイスとしては、両者をアクチュエータとして、あるいは両者をセンサとして用いてもよい。

【0059】

例えば、小さい電圧で線形性のよい第１の圧電素子を高い精度で駆動するためのアクチュエータとして用い、線形性は下がるが、小さい電圧で大きく変位する第２の圧電素子を大きな駆動力を得るためのアクチュエータとして用いる圧電デバイスとしてもよい。あるいは、第１の圧電素子を、僅かな振動を検知する感度重視のセンサとして用い、第２の圧電素子を、振動が大きいところで、どれくらいの大きさの振動かを検出するセンサとして用いる圧電デバイスとしてもよい。

【0060】

以下、ＰＺＴ系ペロブスカイト酸化物の圧電膜に対して、波長２３０ｎｍ以下の電磁波を照射することによって、圧電特性を変化させることができ、圧電特性の異なる領域を備えた圧電デバイスを実現可能であることを実証した結果を説明する。

【0061】

（実証実験１）
熱酸化膜３００ｎｍが被膜された厚み６２５μｍのＳｉ基板上に、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｉｒ（１５０ｎｍ）の積層電極をスパッタ成膜し、下部電極とした。この下部電極基板上に、Ｐｂ_１．３（（Ｚｒ_０．５２，Ｔｉ_０．４８）_０．８８，Ｎｂ_０．１２）Ｏ_３を原料ターゲットとし、高周波電力密度４．４Ｗ／ｃｍ^２、真空度０．５Ｐａ、Ａｒ／Ｏ_２混合雰囲気（Ｏ_２体積分率６．５％）、６４０℃の条件にてチタン酸ジルコン酸鉛系圧電膜（以下において、ＰＺＴ膜という。）をスパッタ成膜した。成膜時間を事前のレートチェックで適宜調整し、３μｍのＰＺＴ膜を得た。得られたＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）＝１．１０、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）＝０．１２であった。この組成比は、蛍光Ｘ線分析を行って求めた。具体的には、ＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光：Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry）法により組成既知のサンプルの蛍光Ｘ線強度を検量線として用い、ＦＰ（ファンダメンタルパラメータ：Fundamental parameter）法による組成分析によって決定した。

【0062】

その後、ＰＺＴ膜上に上部電極をスパッタ成膜した。基板上に下部電極、ＰＺＴ膜および上部電極が積層されてなる積層体から、２ｍｍ×２５ｍｍの短冊（矩形）を切り出してカンチレバーを作製した。 ここで、複数のカンチレバーを作製し、その後、Ｘ線照射を行わないサンプル１−１、上部電極側から異なる照射時間でＸ線を照射したサンプル１−２から１−９を作製した。Ｘ線の照射は、５〜１０Ｐａ程度の真空下にて、Ｒｈ（ロジウム）管球を用い、６０ｋＶおよび６６ｍＡに設定して出力させたＸ線を上部電極側から照射することにより行った。なお、Ｘ線の照射時間を１０分（サンプル１−２）、１００分（サンプル１−３）、２００分（サンプル１−４）、３００分（サンプル１−５）、６００分（サンプル１−６）、９００分（サンプル１−７）、１２００分（サンプル１−８）および１８００分（サンプル１−９）にそれぞれ設定した。

【0063】

各サンプル１−１から１−９について、圧電定数ｄ_３１を測定した。圧電定数ｄ_３１は、I. Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い測定した。なお、圧電定数ｄ_３１の測定は、所定のバイアス電圧（オフセット電圧）に±０．５Ｖすなわち１Ｖｐｐ（ｐｐ＝peak to peak）の正弦電圧を加えた印加電圧で行った。なお、特に断らない限り、圧電定数ｄ_３１はバイアス電圧を−５Ｖとした。以下において、バイアス電圧−５Ｖに１Ｖｐｐの正弦電圧を加えた印加電圧によって測定した場合のことを「−５Ｖ±０．５Ｖの印加電圧で測定した」あるいは、単に「バイアス電圧−５Ｖで測定した」という。また、以下の測定は下部電極を接地電極として行った。

【0064】

誘電損失（ｔａｎδ）は、上部および下部電極間のインピーダンス測定により取得した。測定には、Ａｇｉｌｅｎｔ社インピーダンスアナライザ４２９４Ａを用いた。

【0065】

サンプル１−１から１−９について、Ｘ線照射時間、圧電定数ｄ_３１の絶対値および誘電損失ｔａｎδを表１にまとめて示す。

【表1】

【0066】

Ｘ線非照射のサンプル１−１に対し、Ｘ線照射したサンプル１−２から１−９においては誘電損失ｔａｎδを低減することができ、かつ、圧電定数ｄ_３１は小さくなった。照射時間が長くなるほど、すなわち、照射エネルギー量が大きくなるほど、誘電損失および圧電定数は小さくなる傾向にある。

【0067】

サンプル１−１、１−２、１−３、１−５および１−６について分極−電圧ヒステリシスを測定した結果を図９に示す。図９に示す通り、Ｘ線照射をしたサンプル１−２、１−３、１−５および１−６では２つの抗電界が共に正電圧側となっていた。２つの抗電界が共に正電圧側であることは、分極の安定性を示すものであり、０Ｖ付近でのｔａｎδが小さいことと対応している。Ｘ線が照射される圧電膜の上部電極側の領域に酸素欠陥が導入され、正の電荷が蓄積されるため、正電圧側に抗電界が偏ると考えられる。図９のＸ線非照射のサンプル１−１の場合において正電圧側に寄ったヒステリシスの場合には、２つの抗電界の極性を正に偏らせる、すなわち同一極性とする観点から、本実証実験で行ったように上部電極側から電磁波を照射することが好ましい。なお、鉛等の組成を適宜調整することで負電圧側にヒステリシスを寄せた膜を作製することも可能である。その場合は、２つの抗電界の極性を負に偏らせる、すなわち同一極性とする観点から、圧電体膜に対して下部電極側から電磁波を照射することが好ましい。下部電極側から電磁波を照射する場合は、基板による電磁波の遮蔽が起こらないよう、基板を薄くすることが好ましい。

【0068】

また、サンプル１−１、１−２、１−３、１−５、１−６および１−７について、圧電定数ｄ_３１のバイアス電圧依存性を調べた結果を図１０に示す。圧電定数ｄ_３１の測定は、既述の手法にしたがって行った。図１０において、例えば、バイアス電圧が−０．５Ｖとは、−０．５±０．５Ｖの印加電圧で測定したことを意味し、同様に、バイアス電圧が−３０Ｖとは、−３０Ｖ±０．５Ｖの印加電圧で測定したことを意味する。
また、図１１は、図１０についての縦軸を、バイアス電圧−０．５Ｖの圧電定数ｄ_３１（−０．５）で規格化して示したグラフである。

【0069】

図１０、図１１に示すように、Ｘ線非照射のサンプル１−１では、圧電定数自体は大きいがバイアス電圧による圧電定数の変化も大きかった。一方、Ｘ線を１０分以上照射したサンプルは、Ｘ線非照射のサンプルと比較して圧電定数は小さいが、バイアス電圧の依存性も小さかった。

【0070】

また、Ｘ線照射サンプルは、バイアス電圧−０．５Ｖにおける圧電定数が、サンプルに−３０Ｖが印加された前後で同等の値であったが、サンプル１−１では、印加電圧−０．５Ｖにおける圧電定数がサンプルに−３０Ｖが印加された前後で大きく異なっていた。サンプル１−１では、一旦−３０Ｖ印加した後に、−０．５Ｖのバイアス電圧で測定した圧電定数ｄ_３１（−０．５）が、−３０Ｖ印加する前に−０．５Ｖのバイアス電圧で測定した圧電定数ｄ_３１（−０．５）と比較して大きな値となった。大きな電圧を印加することによって、分極の向きがより揃った状態となったために、−３０Ｖ印加後の圧電定数ｄ_３１（−０．５）は−３０Ｖ印加前のｄ_３１（−０．５）と比較して若干圧電性能が向上したと考えられる。

【0071】

より精密な駆動が要求される場合は、アクチュエータとして用いる圧電素子部に対して短時間Ｘ線を照射して、アクチュエータ性能を大きく損なわない範囲で線形特性を向上させる、およびセンサとして用いる圧電素子部では長時間照射を行ってｔａｎδを低減させる、などが可能であると考えられる。Ｘ線非照射サンプルにおける高い圧電定数は、圧電膜中において自発分極の向きに向いていない分極が存在することに起因すると考えられる。そのため、Ｘ線照射によりこの分極を自発分極の向きに整列させることで、圧電定数は低下するが、誘電損失の低減や線形性の向上効果が得られると考えられる。

【0072】

（実証実験２）
実証実験２では、サンプル作製において、下部電極、ＰＺＴ膜および上部電極の成膜条件は実証実験１と同様としたが、電磁波ＲとしてＸ線に代えて、紫外光（ＵＶ光）を用いた。また、上部電極を形成する前に、ＰＺＴ膜に対してＵＶ光を直接照射し、ＰＺＴ膜へのＵＶ光照射の後に上部電極を形成した。なお、ＰＺＴ膜へのＵＶ照射時において、２ｍｍ厚みのアルミ板をマスクとしてＵＶ光照射領域および非照射領域を設け、さらに、アルミ板による遮蔽領域をＵＶ照射時間によって変化させることにより、ＵＶ光照射時間が異なる４つの領域を形成した。４つの領域のＵＶ光照射時間は、０分、１０分、６０分、および９０００分にそれぞれ設定した。
ＵＶ光は、１８５ｎｍおよび２５４ｎｍにピーク波長を有する低圧水銀灯を光源として用い、圧電膜上において１．６μＷ／ｃｍ^２のエネルギー照射量となるように照射した。時間当たりのエネルギー照射量は一定であるため、ＵＶ光照射時間によって、トータルのエネルギー照射量は異なる。上述のようにして基板上に下部電極、ＰＺＴ膜および上部電極が積層されてなる積層体の、ＰＺＴ膜へのＵＶ光照射時間が異なる各領域から、それぞれ２ｍｍ×２５ｍｍの短冊（矩形）を切り出してカンチレバーを作製した。以上のようにして、ＵＶ照射時間０分のサンプル２−１、１０分のサンプル２−２、６０分のサンプル２−３、および９０００分のサンプル２−４を作製した。照射時間０分のサンプル２−１はＵＶ光非照射であり、実証実験１におけるサンプル１−１と同等のサンプルである。各サンプルについて、実証実験１と同様にして、圧電定数および誘電損失を測定した。

【0073】

サンプル２−１から２−４について、ＵＶ光照射時間、圧電定数ｄ_３１および誘電損失ｔａｎδを表２にまとめて示す。

【0074】

【表2】

【0075】

ＵＶ光非照射のサンプル２−１に対し、ＵＶ光照射したサンプル２−２から２−４においては誘電損失ｔａｎδを低減することができ、かつ、圧電定数ｄ_３１は低下した。照射時間が長くなるほど、すなわち、照射エネルギー量が大きくなるほど、誘電損失および圧電定数は小さくなる傾向にあった。

【0076】

また、実証実験１の場合と同様に、強誘電ヒステリシスを測定したところ、Ｘ線照射を行った場合と同様の傾向が見られた。すなわち、ＵＶ光を照射したサンプル２−２〜２−４はいずれも２つの抗電界が共に正となっており、サンプル２−２〜２−４は、サンプル２−１と比較して圧電定数の線形性が高まっていた。ＵＶ光であってもＸ線の場合と同様に、圧電性能を変化させる効果が得られた。但し、Ｘ線の方が誘電損失を低減する効果が高かった。

【0077】

２０１８年８月３０日に出願された日本出願特願２０１８−１６１４５３号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】