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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025020943
(43)【公開日】2025-02-13
(54)【発明の名称】圧電薄膜、圧電薄膜素子、及び圧電トランスデューサ
(51)【国際特許分類】
H10N 30/853 20230101AFI20250205BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20250205BHJP
H10N 30/30 20230101ALI20250205BHJP
H10N 30/87 20230101ALI20250205BHJP
H10N 30/06 20230101ALI20250205BHJP
H03H 9/17 20060101ALI20250205BHJP
【ＦＩ】
H10N30/853
H10N30/20
H10N30/30
H10N30/87
H10N30/06
H03H9/17 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023124586
(22)【出願日】2023-07-31
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(72)【発明者】
【氏名】森下 純平
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 祐介
【テーマコード（参考）】
5J108
【Ｆターム（参考）】
5J108AA07
5J108BB08
5J108CC11
5J108EE03
5J108EE04
5J108EE07
5J108EE13
(57)【要約】
【課題】圧電特性に優れた圧電薄膜の提供。
【解決手段】圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む。金属酸化物は、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含む。元素Ｍは、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。少なくとも一部の金属酸化物は、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶である。結晶の（００１）面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。
【選択図】図１
【解決手段】圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む。金属酸化物は、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含む。元素Ｍは、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。少なくとも一部の金属酸化物は、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶である。結晶の（００１）面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向している。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む圧電薄膜であって、
前記金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
前記元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の前記金属酸化物が、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
前記結晶の（００１）面が、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
前記金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
前記元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の前記金属酸化物が、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
前記結晶の（００１）面が、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
【請求項2】
前記金属酸化物が、下記化学式１で表され、
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ１－δＣｏδと表され、
δが、０以上１以下である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ１－δＣｏδと表され、
δが、０以上１以下である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
【請求項3】
三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸から構成され、
前記座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
前記座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、前記化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
前記座標系における座標Ａは、（０．２５０， ０．００５， ０．７００）であり、
前記座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｄは、（０．００５， ０．２５０， ０．７００）であり、
前記座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が前記座標Ａ、前記座標Ｂ、前記座標Ｃ、及び前記座標Ｄである四角形以内に位置する、
請求項２に記載の圧電薄膜。
前記座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
前記座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、前記化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
前記座標系における座標Ａは、（０．２５０， ０．００５， ０．７００）であり、
前記座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｄは、（０．００５， ０．２５０， ０．７００）であり、
前記座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が前記座標Ａ、前記座標Ｂ、前記座標Ｃ、及び前記座標Ｄである四角形以内に位置する、
請求項２に記載の圧電薄膜。
【請求項4】
エピタキシャル膜である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
請求項１に記載の圧電薄膜。
【請求項5】
強誘電性薄膜である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
請求項１に記載の圧電薄膜。
【請求項6】
請求項１に記載の圧電薄膜を備える、
圧電薄膜素子。
圧電薄膜素子。
【請求項7】
結晶質基板と、
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項8】
結晶質基板と、
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる電極層と、
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる電極層と、
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項9】
電極層と、
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項10】
少なくとも一つの中間層を更に備え、
前記中間層が、前記結晶質基板と前記電極層との間に配置されている、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
前記中間層が、前記結晶質基板と前記電極層との間に配置されている、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
【請求項11】
少なくとも一つの中間層を更に備え、
前記中間層が、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
前記中間層が、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
【請求項12】
少なくとも一つの中間層を更に備え、
前記中間層が、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
請求項９に記載の圧電薄膜素子。
前記中間層が、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
請求項９に記載の圧電薄膜素子。
【請求項13】
前記電極層が、白金の結晶を含み、
前記白金の結晶の（００２）面が、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
前記白金の結晶の（２００）面が、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
前記白金の結晶の（００２）面が、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
前記白金の結晶の（２００）面が、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
【請求項14】
前記電極層が、白金の結晶を含み、
前記白金の結晶の（００２）面が、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
前記白金の結晶の（２００）面が、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
請求項９に記載の圧電薄膜素子。
前記白金の結晶の（００２）面が、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
前記白金の結晶の（２００）面が、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
請求項９に記載の圧電薄膜素子。
【請求項15】
請求項１～５のいずれか一項に記載の圧電薄膜を備える、
圧電トランスデューサ。
圧電トランスデューサ。
【請求項16】
請求項６～１４のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子を備える、
圧電トランスデューサ。
圧電トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、圧電薄膜、圧電薄膜素子、及び圧電トランスデューサに関する。
【背景技術】
【0002】
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る。例えば、圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を加えて圧電体を変形させる逆圧電効果により、電圧を力に変換する。例えば、圧電センサは、圧電体に圧力を加えて圧電体を変形させる圧電効果により、力を電圧に変換する。これらの圧電素子は、様々な電子機器に搭載される。近年の市場では、電子機器の小型化及び性能の向上が要求されるため、圧電薄膜を用いた圧電素子（圧電薄膜素子）が盛んに研究されている。しかしながら、圧電体が薄いほど、圧電効果及び逆圧電効果が得られ難いため、薄膜の状態において優れた圧電特性を有する圧電体の開発が期待されている。
【0003】
従来、圧電体として、ペロブスカイト型強誘電体であるジルコン酸チタン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）が多用されてきた。しかしながら、ＰＺＴは、人体や環境を害する鉛を含むため、ＰＺＴの代替として、無鉛（Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ）の圧電体の開発が期待されている。例えば、下記の非特許文献１には、無鉛の圧電体の一例として、ＢａＴｉＯ３系材料が記載されている。ＢａＴｉＯ３系材料は、無鉛の圧電体の中でも比較的優れた圧電特性を有し、圧電薄膜素子への応用が特に期待されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Yiping GUO et al., “ThicknessDependence of Electrical Properties of Highly (100)-Oriented BaTiO3Thin Films Prepared by One-Step Chemical Solution Deposition” Japanese Journalof Applied Physics， Vol.45, No.2A, 2006, pp.855-859
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の一側面の目的は、圧電特性に優れた圧電薄膜、当該圧電薄膜を含む圧電薄膜素子、及び圧電薄膜又は圧電薄膜素子を含む圧電トランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
例えば、本発明の一側面は、下記の［１］～［５］のいずれか一つに記載の圧電薄膜、下記の［６］～［１４］のいずれか一つの記載の圧電薄膜素子、及び下記の［１５］及び［１６］のいずれか一つの記載の圧電トランスデューサに関する。
【0007】
［１］ ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む圧電薄膜であって、
金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の金属酸化物が、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）及び直方晶（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の金属酸化物が、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）及び直方晶（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
【0008】
［２］ 金属酸化物が、下記化学式１で表され、
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ１－δＣｏδと表され、
δが、０以上１以下である、
［１］に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ１－δＣｏδと表され、
δが、０以上１以下である、
［１］に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
【0009】
［３］ 三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸から構成され、
座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
座標系における座標Ａは、（０．２５０， ０．００５， ０．７００）であり、
座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であり、
座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であり、
座標系における座標Ｄは、（０．００５， ０．２５０， ０．７００）であり、
座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、及び座標Ｄである四角形以内に位置する、
［２］に記載の圧電薄膜。
座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
座標系における座標Ａは、（０．２５０， ０．００５， ０．７００）であり、
座標系における座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）であり、
座標系における座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）であり、
座標系における座標Ｄは、（０．００５， ０．２５０， ０．７００）であり、
座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、及び座標Ｄである四角形以内に位置する、
［２］に記載の圧電薄膜。
【0010】
［４］ エピタキシャル膜である、
［１］～［３］のいずれか一つに記載の圧電薄膜。
［１］～［３］のいずれか一つに記載の圧電薄膜。
【0011】
［５］ 強誘電性薄膜である、
［１］～［４］のいずれか一つに記載の圧電薄膜。
［１］～［４］のいずれか一つに記載の圧電薄膜。
【0012】
［６］ ［１］～［５］のいずれか一つに記載の圧電薄膜を含む、
圧電薄膜素子。
圧電薄膜素子。
【0013】
［７］ 結晶質基板と、
結晶質基板に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
結晶質基板に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
【0014】
［８］ 結晶質基板と、
結晶質基板に直接又は間接的に重なる電極層と、
電極層に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
結晶質基板に直接又は間接的に重なる電極層と、
電極層に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
【0015】
［９］ 電極層と、
電極層に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
電極層に直接又は間接的に重なる圧電薄膜と、
を含む、
［６］に記載の圧電薄膜素子。
【0016】
［１０］ 少なくとも一つの中間層（第一中間層）を更に含み、
中間層（第一中間層）が、結晶質基板と電極層との間に配置されている、
［８］に記載の圧電薄膜素子。
中間層（第一中間層）が、結晶質基板と電極層との間に配置されている、
［８］に記載の圧電薄膜素子。
【0017】
［１１］ 少なくとも一つの中間層（第二中間層）を更に含み、
中間層（第二中間層）が、電極層と圧電薄膜との間に配置されている、
［８］に記載の圧電薄膜素子。
中間層（第二中間層）が、電極層と圧電薄膜との間に配置されている、
［８］に記載の圧電薄膜素子。
【0018】
［１２］ 少なくとも一つの中間層（第二中間層）を更に含み、
中間層（第二中間層）が、電極層と圧電薄膜との間に配置されている、
［９］に記載の圧電薄膜素子。
中間層（第二中間層）が、電極層と圧電薄膜との間に配置されている、
［９］に記載の圧電薄膜素子。
【0019】
［１３］ 電極層が、白金の結晶を含み、
白金の結晶の（００２）面が、電極層の表面の法線方向において配向しており、
白金の結晶の（２００）面が、電極層の表面の面内方向において配向している、
［８］又は［１１］に記載の圧電薄膜素子。
白金の結晶の（００２）面が、電極層の表面の法線方向において配向しており、
白金の結晶の（２００）面が、電極層の表面の面内方向において配向している、
［８］又は［１１］に記載の圧電薄膜素子。
【0020】
［１４］ 電極層が、白金の結晶を含み、
白金の結晶の（００２）面が、電極層の表面の法線方向において配向しており、
白金の結晶の（２００）面が、電極層の表面の面内方向において配向している、
［９］又は［１２］に記載の圧電薄膜素子。
白金の結晶の（００２）面が、電極層の表面の法線方向において配向しており、
白金の結晶の（２００）面が、電極層の表面の面内方向において配向している、
［９］又は［１２］に記載の圧電薄膜素子。
【0021】
［１５］ ［１］～［５］のいずれか一つに記載の圧電薄膜を含む、
圧電トランスデューサ。
圧電トランスデューサ。
【0022】
［１６］ ［６］～［１４］のいずれか一つに記載の圧電薄膜素子を含む、
圧電トランスデューサ。
圧電トランスデューサ。
【発明の効果】
【0023】
本発明の一側面によれば、圧電特性に優れた圧電薄膜、当該圧電薄膜を含む圧電薄膜素子、及び圧電薄膜又は圧電薄膜素子を含む圧電トランスデューサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態の詳細が説明される。ただし、本発明は下記実施形態に限定されない。図面において、同一又は同等の要素は、同一の符号が付される。図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）、及び図６に示されるＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交する三つの座標軸である。Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸は、図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）及び図６に共通するが、図１中の（ａ）、図１中の（ｂ）及び図６に示される座標系は、図４及び図５に示される座標系と全く関係ない。
【0026】
（圧電薄膜素子）
本実施形態に係る圧電薄膜素子は、少なくとも圧電薄膜を含む。例えば、図１中の（ａ）に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子１０は、結晶質基板１と、結晶質基板１に直接又は間接的に重なる第一電極層２（下部電極層）と、第一電極層２に直接又は間接的に重なる圧電薄膜３と、圧電薄膜３に直接又は間接的に重なる第二電極層４（上部電極層）と、を含んでよい。圧電薄膜素子１０は、少なくとも一つの中間層を更に含んでよい。例えば、圧電薄膜素子１０は第一中間層５を含んでよい。第一中間層５は結晶質基板１と第一電極層２との間に配置されてよく、第一電極層２は第一中間層５の表面に直接重なっていてよい。圧電薄膜素子１０は第二中間層６を含んでよい。第二中間層６は第一電極層２と圧電薄膜３の間に配置されてよく、圧電薄膜３は第二中間層６の表面に直接重なっていてよい。結晶質基板１、第一中間層５、第一電極層２、第二中間層６、圧電薄膜３及び第二電極層４それぞれの厚みは均一であってよい。図１中の（ｂ）に示されるように、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮと略又は完全に平行であってよい。つまり圧電薄膜３の表面は、第一電極層２の表面に略又は完全に平行であってよい。圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、圧電薄膜３の分極方向である。圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、圧電薄膜３の厚み方向と言い換えられてよい。
本実施形態に係る圧電薄膜素子は、少なくとも圧電薄膜を含む。例えば、図１中の（ａ）に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子１０は、結晶質基板１と、結晶質基板１に直接又は間接的に重なる第一電極層２（下部電極層）と、第一電極層２に直接又は間接的に重なる圧電薄膜３と、圧電薄膜３に直接又は間接的に重なる第二電極層４（上部電極層）と、を含んでよい。圧電薄膜素子１０は、少なくとも一つの中間層を更に含んでよい。例えば、圧電薄膜素子１０は第一中間層５を含んでよい。第一中間層５は結晶質基板１と第一電極層２との間に配置されてよく、第一電極層２は第一中間層５の表面に直接重なっていてよい。圧電薄膜素子１０は第二中間層６を含んでよい。第二中間層６は第一電極層２と圧電薄膜３の間に配置されてよく、圧電薄膜３は第二中間層６の表面に直接重なっていてよい。結晶質基板１、第一中間層５、第一電極層２、第二中間層６、圧電薄膜３及び第二電極層４それぞれの厚みは均一であってよい。図１中の（ｂ）に示されるように、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮと略又は完全に平行であってよい。つまり圧電薄膜３の表面は、第一電極層２の表面に略又は完全に平行であってよい。圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、圧電薄膜３の分極方向である。圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎは、圧電薄膜３の厚み方向と言い換えられてよい。
【0027】
圧電薄膜素子１０の変形例は、結晶質基板１を含まなくてよい。例えば、第一電極層２、圧電薄膜３及び第二電極層４の形成後、結晶質基板１が除去されてよい。結晶質基板１が電極として機能する場合、結晶質基板１が第一電極層２であってよい。つまり、結晶質基板１が電極として機能する場合、圧電薄膜素子１０の変形例は、結晶質基板１と、結晶質基板１に重なる圧電薄膜３と、を含んでよい。結晶質基板１が電極として機能する場合、圧電薄膜３が結晶質基板１に直接重なっていてよい。結晶質基板１が電極として機能する場合、圧電薄膜３が、第一中間層５及び第二中間層６のうち少なくとも一つの中間層を介して結晶質基板１に重なっていてもよい。
【0028】
圧電薄膜３は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む。金属酸化物は、ビスマス（Ｂｉ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、及び元素Ｍを含む。元素Ｍは、ガリウム（Ｇａ）及びコバルト（Ｃｏ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。上記の組成を有する金属酸化物は、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶になり易く、当該結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向し易い。その結果、圧電薄膜３が優れた圧電特性（大きい圧電歪定数ｄ３３，ｆ）と強誘電性を有することができある。
金属酸化物は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及び酸素（Ｏ）のみからなっていてよい。金属酸化物は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及びＯに加えて、他の元素を含んでもよい。金属酸化物は、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、及び鉛（Ｐｂ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を更に含んでよい。ただし、金属酸化物はＰｂを含まなくてよい。
金属酸化物は、圧電薄膜３の主成分である。圧電薄膜３において金属酸化物を構成する全元素の割合は、９９％モル以上１００モル％以下であってよい。圧電薄膜３は、金属酸化物のみからなっていてよい。圧電薄膜３の圧電特性が損なわれない限りにおいて、圧電薄膜３は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及びＯに加えて、他の元素を含んでもよい。例えば、圧電薄膜３は、Ｌａ、Ｙ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、及びＰｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を更に含んでよい。ただし、圧電薄膜３はＰｂを含まなくてよい。
金属酸化物は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及び酸素（Ｏ）のみからなっていてよい。金属酸化物は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及びＯに加えて、他の元素を含んでもよい。金属酸化物は、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、及び鉛（Ｐｂ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を更に含んでよい。ただし、金属酸化物はＰｂを含まなくてよい。
金属酸化物は、圧電薄膜３の主成分である。圧電薄膜３において金属酸化物を構成する全元素の割合は、９９％モル以上１００モル％以下であってよい。圧電薄膜３は、金属酸化物のみからなっていてよい。圧電薄膜３の圧電特性が損なわれない限りにおいて、圧電薄膜３は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、元素Ｍ、及びＯに加えて、他の元素を含んでもよい。例えば、圧電薄膜３は、Ｌａ、Ｙ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、及びＰｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を更に含んでよい。ただし、圧電薄膜３はＰｂを含まなくてよい。
【0029】
以下では、ペロブスカイト構造を有する上記金属酸化物が、「ペロブスカイト型酸化物」と表記される。図２は、ペロブスカイト型酸化物の結晶の単位胞を示す。単位胞ｕｃのＡサイトに位置する元素は、Ｂｉ又はＫである。単位胞ｕｃのＢサイトに位置する元素は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、又は元素Ｍである。図２に示される単位胞ｕｃは、図３に示される単位胞ｕｃと同じである。ただし、図３では、格子面を示すために、単位胞ｕｃ中のＢサイト及び酸素（Ｏ）が省略されている。単位胞ｕｃ中の格子並進ベクトルａ（つまりａ軸）は、［１００］方向を向き、単位胞ｕｃ中の格子並進ベクトルｂ（つまりｂ軸）は、［０１０］方向を向き、単位胞ｕｃ中の格子並進ベクトルｃ（つまりｃ軸）は、［００１］方向を向く。格子並進ベクトルａ、格子並進ベクトルｂ、及び格子並進ベクトルｃは、互いに垂直である。格子並進ベクトルａの長さａは、ペロブスカイト型酸化物の（１００）面の間隔ａ（格子定数ａ）である。格子並進ベクトルｂの長さｂは、ペロブスカイト型酸化物の（０１０）面の間隔ｂ（格子定数ｂ）である。格子並進ベクトルｃの長さｃは、ペロブスカイト型酸化物の（００１）面の間隔ｃ（格子定数ｃ）である。圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の単結晶からなっていてよい。圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の多結晶からなっていてもよい。
【0030】
常温、又はペロブスカイト型酸化物のキュリー温度以下である温度において、一部又は全てのペロブスカイト型酸化物は、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）及び直方晶（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶である。正方晶及び直方晶のいずれのｃ軸における異方性に因り、圧電薄膜３は優れた圧電特性と強誘電性を有することができる。正方晶において、格子定数ａは格子定数ｂに等しい。正方晶において、格子定数ａは格子定数ｃと異なる。正方晶において、格子定数ｃは格子定数ａよりも大きくてよい。直方晶において、格子定数ａ、格子定数ｂ、及び格子定数ｃは互いに異なる。直方晶において、格子定数ｃは、格子定数ａ及び格子定数ｂそれぞれよりも大きくてよい。ペロブスカイト型酸化物は、正方晶のみからなってよい。ペロブスカイト型酸化物は、直方晶のみからなっていてもよい。ペロブスカイト型酸化物は、正方晶及び直方晶のみからなっていてもよい。圧電薄膜３は、正方晶及び直方晶以外の結晶を更に含んでもよい。例えば、圧電薄膜３は、ペロブスカイト型酸化物の立方晶（ｃｕｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）及びペロブスカイト型酸化物の菱面体晶（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）の一方又は両方を更に含んでもよい。
【0031】
正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶の（００１）面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していている。圧電薄膜３は、複数の結晶を含んでよく、圧電薄膜３中の一部又は全ての結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。例えば、結晶（単位胞ｕｃ）の（００１）面が、法線方向ｄｎに略又は完全に垂直であってよく、結晶（単位胞ｕｃ）の［００１］（格子面の方位）が、法線方向ｄｎと略又は完全に平行であってよい。換言すれば、結晶（単位胞ｕｃ）の（００１）面が、圧電薄膜３の表面に略又は完全に平行であってよい。上述された組成を有するペロブスカイト型酸化物が分極し易い結晶方位は、［００１］である。したがって、ペロブスカイト型酸化物の結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることにより、圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有することができる。同様の理由から、例えば、正方晶及び直方晶それぞれのｃ／ａは、１．０５以上１．２０以下であってよい。例えば、正方晶及び直方晶それぞれの格子定数ａは、０．３７５Å以上０．３９５Å以下であってよい。正方晶の格子定数ｂは、正方晶の格子定数ａと等しい。例えば、直方晶の格子定数ｂは、０．３７５Å以上０．３９５Å以下であってよく、且つ直方晶の格子定数ａと異なる値であればよい。例えば、正方晶及び直方結晶それぞれの格子定数ｃは、０．４３０Å以上０．４５０Å以下であってよい。正方晶のｃ／ａは、直方晶のｃ／ａと同一であってよく、異なってもよい。正方晶の格子定数ａは、直方晶の格子定数ａと同一であってよく、異なってもよい。正方晶の格子定数ｃは、直方晶の格子定数ｃと同一であってよく、異なってもよい。
【0032】
結晶の各格子面の配向の程度は、配向度（単位：％）によって定量化されてよい。各格子面の配向度は、各格子面に由来する回折Ｘ線のピークに基づいて算出されてよい。各格子面に由来する回折Ｘ線のピークは、圧電薄膜３の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定によって測定されてよい。（００１）面の配向度は、１００×Ｉ（００１）／ΣＩ（ｈｋｌ）と表されてよい。（１１０）面の配向度は、１００×Ｉ（１１０）／ΣＩ（ｈｋｌ）と表されてよい。（１１１）面の配向度は、１００×Ｉ（１１１）／ΣＩ（ｈｋｌ）と表されてよい。Ｉ（００１）は、（００１）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。Ｉ（１１０）は、（１１０）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。Ｉ（１１１）は、（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピークの最大値である。ΣＩ（ｈｋｌ）は、Ｉ（００１）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１）である。（００１）面の配向度は、１００×Ｓ（００１）／ΣＳ（ｈｋｌ）と表されてもよい。（１１０）面の配向度は、１００×Ｓ（１１０）／ΣＳ（ｈｋｌ）と表されてもよい。（１１１）面の配向度は、１００×Ｓ（１１１）／ΣＳ（ｈｋｌ）と表されてもよい。Ｓ（００１）は、（００１）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。Ｓ（１１０）は、（１１０）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。Ｓ（１１１）は、（１１１）面に由来する回折Ｘ線のピークの面積（ピークの積分）である。ΣＳ（ｈｋｌ）は、Ｓ（００１）＋Ｓ（１１０）＋Ｓ（１１１）である。各格子面の配向の程度は、ロットゲーリング（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ）法に基づく配向度によって定量化されてもよい。
【0033】
圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有し易いという理由から、結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向していることが好ましい。つまり、（００１）面の配向度は、（１１０）面及び（１１１）面それぞれの配向度よりも高いことが好ましい。例えば、（００１）面の配向度は、７０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上１００％以下、より好ましくは９０％以上１００％以下であってよい。
【0034】
圧電薄膜３とは対照的に、立方晶構造又は擬立方晶（ｐｓｅｕｄｏ ｃｕｂｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）構造を有する圧電体のバルクを歪ませて圧電体のバルクを正方晶又は直方晶にすることは難しい。したがって、圧電体のバルクはペロブスカイト型酸化物の正方晶又は直方晶に起因する圧電特性を有し難い傾向がある。
【0035】
以下に記載の結晶配向性とは、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していることを意味する。
【0036】
圧電薄膜３は、気相成長法又は溶液法によって形成される結晶質の膜であり、上記の結晶配向性を有し易い。一方、圧電薄膜３と同じ組成を有する圧電体のバルクは、圧電薄膜３に比べて上記の結晶配向性を有し難い傾向がある。圧電体のバルクは、圧電体の必須元素を含む粉末の焼結体（セラミックス）であり、焼結体を構成する多数の結晶の構造及び配向性を制御することが困難であるからである。圧電体のバルクがＦｅを含むことに起因して、圧電体のバルクの比抵抗率は圧電薄膜３に比べて低い。その結果、リーク電流が圧電体のバルクにおいて発生し易い。したがって、高い電界の印加によって圧電体のバルクを分極させることが困難であり、圧電体のバルクが圧電薄膜と同様の圧電特性を有することは困難である。
【0037】
圧電薄膜３に含まれる金属酸化物は、下記化学式１で表されてよい。下記化学式１は、下記化学式１ａ及び下記化学式１ｂと実質的に同じである。下記化学式１及び化学式１ａ中のＭは、Ｇａ１－δＣｏδと表される。化学式１ａ及び化学式１ｂ中の（Ｂｉ１－αＫα）ｘＢｉｙ＋ｚは、ペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ３）の単位胞ｕｃのＡサイトに相当する。化学式１ａ中のＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γＭγ）ｚは、ペロブスカイト型酸化物の単位胞ｕｃのＢサイトに相当する。下記化学式１ｂ中のＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γ（Ｇａ１－δＣｏδ）γ）ｚは、ペロブスカイト型酸化物の単位胞ｕｃのＢサイトに相当する。金属酸化物が下記化学式１で表される場合、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶が上記の結晶配向性を有し易く、圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
（Ｂｉ１－αＫα）ｘＢｉｙ＋ｚＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γＭγ）ｚＯ３±ε （１ａ）
（Ｂｉ１－αＫα）ｘＢｉｙ＋ｚＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γ（Ｇａ１－δＣｏδ）γ）ｚＯ３±ε （１ｂ）
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＭγ）Ｏ３ （１）
（Ｂｉ１－αＫα）ｘＢｉｙ＋ｚＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γＭγ）ｚＯ３±ε （１ａ）
（Ｂｉ１－αＫα）ｘＢｉｙ＋ｚＴｉｘ（Ｔｉ１－βＭｇβ）ｙ（Ｆｅ１－γ（Ｇａ１－δＣｏδ）γ）ｚＯ３±ε （１ｂ）
【0038】
上記の各化学式中のｘ、ｙ、ｚ、α、β、γ、δ、及びεそれぞれの単位は、モル又はモル比である。ｘ、ｙ、及びｚ其々は、正の実数である。ｘ＋ｙ＋ｚは１．０００である。各化学式中のｘは、０．０００より大きく１．０００未満である。各化学式中のｙは、０．０００より大きく１．０００未満である。各化学式中のｚは、０．０００より大きく１．０００未満である。ペロブスカイト型酸化物の結晶構造が維持される限りにおいて、各化学式中のαは、０．０００より大きく１．０００未満である。ペロブスカイト型酸化物の結晶構造が維持される限りにおいて、各化学式中のβは、０．０００より大きく１．０００未満である。例えば、αは０．５００であってよく、βは０．５００であってよい。各化学式中のγは、０．０５０以上０．４００以下である。各化学式中のδは、０．０００以上１．０００以下である。
各化学式中のγが０．０５０以上０．４００以下である場合、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶が上記の結晶配向性を有し易く、圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。
各化学式中のγが０．０５０以上０．４００以下である場合、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶が上記の結晶配向性を有し易く、圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。
【0039】
金属酸化物中のＢｉ及びＫの物質量の合計値は［Ａ］モルと表されてよく、金属酸化物中のＴｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、及び元素Ｍの物質量の合計値が［Ｂ］モルと表されてよく、［Ａ］／［Ｂ］は１．０００であってよい。金属酸化物がペロブスカイト構造を有し得る限りにおいて、［Ａ］／［Ｂ］は１．０００以外の値であってよい。つまり、［Ａ］／［Ｂ］は１．０００未満であってよく、１．０００より大きくてもよい。化学式１ａ及び化学式１ｂにおけるεは、０．０００以上である。金属酸化物がペロブスカイト構造を有し得る限りにおいてεは、０．０００以外の値であってよい。例えば、εは、０．０００より大きく１．０００以下であってよい。εは、ペロブスカイト構造のＡサイトの元素及びＢサイトの原ン素それぞれの価数から算出されてよい。各元素の価数は、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）法により測定されてよい。
【0040】
以下では、（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３は、ＢＫＴと表記される。Ｂｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３は、ＢＭＴと表記される。ＢｉＦｅ１－γＭγＯ３は、ＢＦＭＯと表記される。ＢｉＦｅＯ３は、ＢＦＯと表記される。ＢＫＴ及びＢＭＴの和で表される組成を有する金属酸化物は、ＢＫＴ‐ＢＭＴと表記される。ＢＫＴ、ＢＭＴ、及びＢＦＯの和で表される組成を有する金属酸化物は、ＢＫＴ‐ＢＭＴ‐ＢＦＯと表記される。上記化学式１で表される組成を有する金属酸化物は、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯと表記される。ＢＫＴ、ＢＭＴ、ＢＦＭＯ、ＢＦＯ、ＢＫＴ‐ＢＭＴ、ＢＫＴ‐ＢＭＴ‐ＢＦＯ、及びｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯそれぞれの結晶は、ペロブスカイト構造を有している。
【0041】
ガリウム酸ビスマス（ＢｉＧａＯ３； ＢＧＯ）及びコバルト酸ビスマス（ＢｉＣｏＯ３； ＢＣＯ）のいずれもペロブスカイト型酸化物である。ガリウム酸ビスマス及びコバルト酸ビスマスそれぞれの結晶（正方晶）のｃ／ａは、ＢＦＯの結晶（菱面体晶）のｃ／ａよりも大きい。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯにおいて、ＢＦＯの一部がＢＧＯ及びＢＣＯのうち一つ又は両方で置換されているので、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの結晶のｃ／ａは、従来のＢＫＴ‐ＢＭＴ‐ＢＦＯのｃ／ａよりも大きい傾向がある。その結果、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯを含む圧電薄膜３が優れた圧電特性と強誘電性を有することができる。
【0042】
ＢＫＴの結晶は、常温において正方晶であり、ＢＫＴは強誘電体である。ＢＭＴの結晶は、常温において菱面体晶であり、ＢＭＴは強誘電体である。ＢＦＯの結晶は、常温において菱面体晶であり、ＢＦＯは強誘電体である。ＢＫＴ‐ＢＭＴからなる薄膜は、常温において正方晶である。ＢＫＴ‐ＢＭＴの正方晶のｃ／ａは、ＢＫＴのｃ／ａよりも大きい傾向がある。ＢＫＴ‐ＢＭＴからなる薄膜は、ＢＫＴからなる薄膜及びＢＭＴからなる薄膜に比べて、強誘電性に優れている。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯからなる薄膜は、常温において正方晶及び直方晶の少なくとも一つである傾向がある。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯのｃ／ａは、ＢＫＴ‐ＢＭＴ及びＢＫＴ‐ＢＭＴ－ＢＦＯそれぞれのｃ／ａよりも大きい傾向がある。ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯからなる薄膜は、ＢＫＴ‐ＢＭＴ又はＢＫＴ‐ＢＭＴ－ＢＦＯからなる薄膜に比べて、強誘電性に優れている。つまり、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯを含む圧電薄膜３は、強誘電性薄膜になり易い。圧電薄膜３の強誘電性は、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの組成がモルフォトロピック相境界（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ ＰｈａｓｅＢｏｕｎｄａｒｙ，ＭＰＢ）を有していることに起因している、と推察される。ただし、圧電薄膜３は正方晶系又は直方晶系に属するので、圧電薄膜３の強誘電性は単にＭＰＢのみに起因するものではない、と推察される。圧電薄膜３が強誘電性を有することにより、圧電薄膜３が大きいｄ３３，ｆを有し易い。圧電薄膜３とは対照的に、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯのバルクに含まれる結晶は擬立方晶であり、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯのバルクは圧電薄膜３に比べて上記の結晶配向性及び強誘電性を有し難い傾向がある。
【0043】
ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの組成は、三次元の座標系に基づいて表されてよい。図４に示されるように、三次元の座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸から構成される。座標系における任意の座標は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表される。座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、上記化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示す。化学式１中のｘ、ｙ、及びｚの和は１であり、ｘ、ｙ及びｚのいずれも正の実数である。したがって、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１で表される平面のうち点線で描かれた三角形の内側に位置する。つまり座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標（１，０，０）、座標（１，１，０）、及び座標（０，０，１）である三角形の内側に位置する。この三角形は、三角座標系であり、三角座標系においてＸ＋Ｙ＋Ｚは１である。三角座標系は、図５に示される。三角座標系は、座標（ｘ，ｙ，ｚ）に加えて、座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、及び座標Ｄを含む。つまり、座標（ｘ，ｙ，ｚ）、座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、座標Ｄ、座標Ｅ及び座標Ｆのいずれも、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１で表される平面内に位置する。座標Ａは、（０．２５０， ０．００５， ０．７００）である。座標Ｂは、（０．４５０， ０．２５０， ０．３００）である。座標Ｃは、（０．２００， ０．５００， ０．３００）である。座標Ｄは、（０．００５， ０．２５０， ０．７００）である。化学式１中のｘ、ｙ及びｚを示す座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ及び座標Ｄである四角形以内に位置してよい。座標（ｘ，ｙ，ｚ）が四角形ＡＢＣＤ以内にある場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電特性及び強誘電性が向上し易い。ｘがｙと等しい場合、座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、座標（０．５００， ０．５００， ０．０００）及び座標（０．０００， ０．０００， １．０００）を通る直線の上に位置する。ｘがｙと等しい場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電特性及び強誘電性が向上し易い。
【0044】
ｘは、０．０５０以上０．４５０以下、又は０．１００以上０．３５０以下であってよく、ｙは、０．０５０以上０．５００以下、又は０．１００以上０．３５０以下であってよく、ｚは、０．３００以上０．７００以下であってよい。ｘ、ｙ及びｚが上記の範囲であり、且つｘ＋ｙ＋ｚが１である場合、ｘＢＫＴ‐ｙＢＭＴ‐ｚＢＦＭＯの組成がＭＰＢを有し易く、圧電薄膜３の圧電特性及び強誘電性が向上し易い。
【0045】
例えば、圧電薄膜３の厚みは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下、０．３μｍ以上１０μｍ以下、０．３μｍ以上５μｍ以下、０．５μｍ以上５μｍ以下、０．３μｍ以上３μｍ以下、又は０．５μｍ以上３μｍ以下であってよい。例えば、圧電薄膜３の面積は、１μｍ２以上５００ｍｍ２以下であってよい。結晶質基板１、第一中間層５、第一電極層２、第二中間層６、及び第二電極層４それぞれの面積は、圧電薄膜３の面積と同じであってよく、異なってもよい。
【0046】
例えば、圧電薄膜３の組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）、又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光法によって分析されてよい。圧電薄膜３の結晶構造及び結晶配向性は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって特定されてよい。
【0047】
例えば、圧電薄膜３は、以下の方法により形成されてよい。
【0048】
圧電薄膜３の原料としては、圧電薄膜３と同様の組成を有するターゲットが用いられてよい。ターゲットの作製方法は、次の通りである。
【0049】
出発原料として、例えば、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、及び元素Ｍの酸化物それぞれの粉末が用いられてよい。元素Ｍの酸化物は、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）及び酸化コバルト（Ｃо２Ｏ３）からなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物であってよい。出発原料として、上記の酸化物に代えて、炭酸塩又はシュウ酸塩等のように、焼成（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）により酸化物になる物質が用いられてよい。これらの出発原料を１００℃以上で十分に乾燥した後、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、及び元素Ｍそれぞれの物質量（モル比）が、上記化学式１、化学式１ａ、又は化学式１ｂで規定された範囲内になるように、各出発原料が秤量される。後述される気相成長法において、ターゲット中のＢｉ及びＫは、他の元素に比べて揮発し易い。したがって、ターゲット中のＢｉのモル比は、圧電薄膜３中のＢｉのモル比よりも高い値に調整されてよい。ターゲット中のＫのモル比は、圧電薄膜３中のＫのモル比よりも高い値に調整されてよい。
【0050】
秤量された出発原料は、有機溶媒又は水の中で十分に混合される。混合時間は、５時間以上２０時間以下であってよい。混合手段は、ボールミルであってよい。混合後の出発原料を十分乾燥した後、出発原料はプレス機で成形される。成形された出発原料を仮焼き（ｃａｌｃｉｎｅ）することより、仮焼物が得られる。仮焼きの温度は、７５０℃以上９００℃以下であってよい。仮焼きの時間は、１時間以上３時間以下であってよい。仮焼物は、有機溶媒又は水の中で粉砕される。粉砕時間は、５時間以上３０時間以下であってよい。粉砕手段は、ボールミルであってよい。粉砕された仮焼物の乾燥後、バインダー溶液が加えられた仮焼物を造粒することにより、仮焼物の粉が得られる。仮焼物の粉のプレス成形により、ブロック状の成形体（ｃоｍｐａｃｔ）が得られる。
【0051】
ブロック状の成形体を加熱することにより、成形体中のバインダーが揮発する。加熱温度は、４００℃以上８００℃以下であってよい。加熱時間は、２時間以上４時間以下であってよい。続いて、成形体を焼成（ｓｉｎｔｅｒ）することにより、ターゲットが得られる。焼成温度は、８００℃以上１１００℃以下であってよい。焼成時間は、２時間以上４時間以下であってよい。焼成過程における成形体の昇温速度及び降温速度は、例えば５０℃／時間以上３００℃／時間以下であってよい。ターゲットに含まれる金属酸化物の結晶粒の平均粒径は、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下であってよい。
【0052】
上記ターゲットを用いた気相成長法によって、圧電薄膜３が形成されてよい。気相成長法では、真空雰囲気下において、ターゲットを構成する元素を蒸発させる。蒸発した元素が、第二中間層６、第一電極層２、又は結晶質基板１のいずれかの表面に付着及び堆積することにより、圧電薄膜３が成長する。気相成長法は、例えば、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、又はパルスレーザー堆積（Ｐｕｌｓｅｄ－ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法であってよい。以下では、パルスレーザー堆積法が、ＰＬＤ法と表記される。これらの気相成長法を用いることによって、原子レベルで緻密である圧電薄膜３を形成することが可能であり、圧電薄膜３中における元素の偏析が抑制される。気相成長法の種類に依って、励起源が異なる。スパッタリング法の励起源は、Ａｒプラズマである。電子ビーム蒸着法の励起源は、電子ビームである。ＰＬＤ法の励起源は、レーザー光（例えば、エキシマレーザー）である。これらの励起源がターゲットに照射されると、ターゲットを構成する元素が蒸発する。
【0053】
上記の気相成長法の中でも、以下の点において、ＰＬＤ法が比較的に優れている。ＰＬＤ法では、パルスレーザーにより、ターゲットを構成する各元素を、一瞬で斑なくプラズマ化させることができる。したがって、ターゲットと略又は完全に同じ組成を有する圧電薄膜３が形成され易い。またＰＬＤ法では、レーザーパルスのショット数を変えることで、圧電薄膜３の厚みを制御し易い。
【0054】
圧電薄膜３はエピタキシャル膜であってよい。つまり、圧電薄膜３は、エピタキシャル成長によって形成されていてよい。エピタキシャル成長により、結晶配向性に優れた圧電薄膜３が形成され易い。圧電薄膜３がＰＬＤ法によって形成される場合、圧電薄膜３がエピタキシャル成長によって形成され易い。
【0055】
ＰＬＤ法では、真空チャンバー内における結晶質基板１及び第一電極層２を加熱しながら、圧電薄膜３が形成されてよい。結晶質基板１及び第一電極層２の温度（成膜温度）は、例えば、３００℃以上８００℃以下、５００℃以上７００℃以下、又は５００℃以上６００℃以下であればよい。成膜温度が高いほど、結晶質基板１又は第一電極層２の表面の清浄度が改善され、圧電薄膜３の結晶性が高まり、圧電薄膜３中の（００１）面の配向度が高まり易い。成膜温度が高過ぎる場合、Ｂｉ又はＫが圧電薄膜３から脱離し易く、圧電薄膜３の組成が制御され難い。
【0056】
ＰＬＤ法では、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、１０ｍＴｏｒｒより大きく４００ｍＴｏｒｒ未満、１５ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下、又は２０ｍＴｏｒｒ以上２００ｍＴｏｒｒ以下であってよい。換言すると、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、１Ｐａより大きく５３Ｐａ未満、２Ｐａ以上４０Ｐａ以下、又は３Ｐａ以上３０Ｐａ以下であってよい。酸素分圧を上記範囲内に維持することにより、結晶質基板１の上に堆積したＢｉ，Ｋ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、及び元素Ｍが十分に酸化され易い。酸素分圧が高過ぎる場合、圧電薄膜３の成長速度が低下し易く、圧電薄膜３中の（００１）面の配向度が低下し易い。
【0057】
ＰＬＤ法で制御される上記以外のパラメータは、例えば、レーザー発振周波数、及び基板とターゲットとの間の距離などである。これらのパラメータの制御によって、圧電薄膜３の結晶構造及び結晶配向性が制御され易い。例えば、レーザー発振周波数が１０Ｈｚ以下である場合、圧電薄膜３中の（００１）面の配向度が高まり易い。
【0058】
圧電薄膜３が成長した後、圧電薄膜３のアニール処理（加熱処理）が行われてよい。アニール処理における圧電薄膜３の温度（アニール温度）は、例えば、３００℃以上１０００℃以下、６００℃以上１０００℃以下、又は８５０℃以上１０００℃以下であってよい。圧電薄膜３のアニール処理により、圧電薄膜３の圧電特性が更に向上する傾向がある。特に８５０℃以上１０００℃以下でのアニール処理により、圧電薄膜３の圧電特性が向上し易い。ただし、アニール処理は必須でない。
【0059】
例えば、結晶質基板１は、Ｓｉの単結晶からなる基板、又はＧａＡｓ等の化合物半導体の単結晶からなる基板であってよい。結晶質基板１は、ＭｇＯ又はペロブスカイト型酸化物（例えばＳｒＴｉＯ３）等の酸化物の単結晶からなる基板であってもよい。例えば、結晶質基板１の厚みは、１０μｍ以上１０００μｍ以下であってよい。結晶質基板１が導電性を有する場合、結晶質基板１が電極として機能するので、第一電極層２はなくてもよい。つまり、例えば、導電性を有する結晶質基板１は、ニオブ（Ｎｂ）がドープされたＳｒＴｉＯ３の単結晶であってよい。結晶質基板１のとして、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられてもよい。
【0060】
結晶質基板１の結晶方位は、結晶質基板１の表面の法線方向と等しくてよい。つまり、結晶質基板１の表面は、結晶質基板１の格子面と平行であってよい。結晶質基板１は一軸配向基板であってよい。例えば、（１００）面、（００１）面、（１１０）面、（１０１）面、及び（１１１）面からなる群より選ばれる一つの格子面が、結晶質基板１の表面と平行であってよい。結晶質基板１（例えばＳｉ）の（１００）面が結晶質基板１の表面と平行である場合、圧電薄膜３中の結晶の（００１）面が、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向し易い。
【0061】
上述の通り、第一中間層５が、結晶質基板１と第一電極層２との間に配置されていてよい。例えば、第一中間層５は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。第一中間層５を介することにより、第一電極層２が結晶質基板１に密着し易い。第一中間層５は、結晶質であってよい。第一中間層５の格子面が、結晶質基板１の表面の法線方向において配向していてよい。結晶質基板１の格子面と、第一中間層５の格子面と、の両方が、結晶質基板１の表面の法線方向において配向していてよい。第一中間層５の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。
【0062】
第一中間層５は、ＺｒＯ２及び希土類元素の酸化物を含んでよい。第一中間層５が、ＺｒＯ２及び希土類元素の酸化物を含むことにより、白金の結晶からなる第一電極層２が第一中間層５の表面に形成され易く、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向し易く、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向し易い。希土類元素は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であってよい。第一中間層５は、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ２Ｏ３が添加されたＺｒＯ２）からなっていてよい。第一中間層５がイットリア安定化ジルコニアからなることにより、白金の結晶からなる第一電極層２が第一中間層５の表面に形成され易く、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向し易く、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向し易い。同様の理由から、第一中間層５は、ＺｒＯ２からなる第一層と、Ｙ２Ｏ３からなる第二層とを有してよい。第一層は、結晶質基板１の表面に直接積層されてよく、第二層は、第一層の表面に直接積層されてよく、第一電極層２は、第二層の表面に直接積層されてよい。
【0063】
例えば、第一電極層２は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属からなっていてよい。第一電極層２は、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、又はコバルト酸ランタンストロンチウム（（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３）等の導電性金属酸化物からなっていてもよい。第一電極層２は、結晶質であってよい。第一電極層２の格子面が、結晶質基板１の表面の法線方向において配向していてよい。第一電極層２の格子面は、結晶質基板１の表面と略又は完全に平行であってよい。結晶質基板１の格子面と、第一電極層２の格子面と、の両方が、結晶質基板１の表面の法線方向において配向していてよい。第一電極層２の格子面が、圧電薄膜３中において配向するペロブスカイト型酸化物の格子面と略又は完全に平行であってよい。例えば、第一電極層２の厚みは、１ｎｍ以上１．０μｍ以下であってよい。第一電極層２の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第一電極層２の結晶性を高めるために、第一電極層２の加熱処理（アニーリング）が行われてよい。
【0064】
第一電極層２は、白金の結晶を含んでよい。第一電極層２は、白金の結晶のみからなっていてよい。白金の結晶は、面心立方格子構造を有する立方晶である。白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向していてよく、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面の面内方向において配向していてよい。換言すれば、白金の結晶の（００２）面が、第一電極層２の表面に略又は完全に平行であってよく、白金の結晶の（２００）面が、第一電極層２の表面に略又は完全に垂直であってよい。第一電極層２を構成する白金の結晶の（００２）面及び（２００）面が上記の配向性を有する場合、圧電薄膜３が、第一電極層２の表面においてエピタキシャルに成長し易く、第一電極層２及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。格子応力は、圧電薄膜３の表面の面内方向における圧縮応力であってよい。その結果、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向し易い。その結果、圧電薄膜素子１０が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。
【0065】
第二中間層６が、第一電極層２と圧電薄膜３との間に配置されていてよい。第二中間層６は、例えば、ＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３、及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３からなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物を含んでよい。第二中間層６を介することにより、圧電薄膜３が第一電極層２に密着し易い。第二中間層６は、結晶質であってよい。第二中間層６がＳｒＲｕＯ３及びＬａＮｉＯ３のうち少なくともいずれかを含む場合、第二中間層６及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因る格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。格子応力は、圧電薄膜３の表面の面内方向における圧縮応力であってよい。その結果、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向し易い。その結果、圧電薄膜素子１０が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。第二中間層６の格子面は、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向していてよい。結晶質基板１の格子面と、第二中間層６の格子面と、の両方が、第一電極層２の表面の法線方向ＤＮにおいて配向してよい。第二中間層６の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。
【0066】
第二電極層４は、例えば、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一つの金属からなっていてよい。第二電極層４は、例えば、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、及び（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ３からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性金属酸化物からなっていてよい。第二電極層４は、結晶質であってよい。第二電極層４の格子面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて配向していてよい。第二電極層４の格子面は、圧電薄膜３の表面と略又は完全に平行であってよい。第二電極層４の格子面は、圧電薄膜３中において配向する（００１）面と略又は完全に平行であってよい。例えば、第二電極層４の厚みは、１ｎｍ以上１．０μｍ以下であってよい。第二電極層４の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第二電極層４の結晶性を高めるために、第二電極層４の加熱処理（アニーリング）が行われてもよい。
【0067】
第三中間層が、圧電薄膜３と第二電極層４との間に配置されていてよい。第三中間層を介することにより、第二電極層４が圧電薄膜３に密着し易い。結晶質の第三中間層及び圧電薄膜３の間の格子不整合に因り、上述された格子応力が圧電薄膜３に作用し易い。その結果、圧電薄膜３が正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶を含み易く、結晶の（００１）面が圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向し易い。その結果、圧電薄膜素子１０が優れた圧電特性と強誘電性を有し易い。第三中間層の組成、結晶構造及び形成方法は、第二中間層６と同じであってよい。
【0068】
圧電薄膜素子１０の表面の少なくとも一部又は全体は、保護膜によって被覆されていてよい。圧電薄膜素子１０を保護膜で被覆することにより、例えば圧電薄膜素子１０の耐湿性が向上する。
【0069】
本実施形態に係る圧電薄膜素子の用途は、多岐にわたる。例えば、圧電薄膜素子は、圧電アクチュエータ、圧電センサ、圧電トランスデューサ、圧電マイクロフォン、ハーベスタ、発振子、共振子、音響多層膜、焦電素子、及びフィルタからなる群より選ばれる一つのデバイスの一部又は全体であってよい。例えば、圧電アクチュエータは、ハプティクス（ｈａｐｔｉｃｓ）に用いられてよい。つまり、圧電アクチュエータは、皮膚感覚（触覚）によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。例えば、皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスとは、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。例えば、圧電アクチュエータは、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてよい。例えば、圧電アクチュエータは、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。例えば、圧電アクチュエータは、圧電スイッチに用いられてもよい。例えば、圧電センサ又は圧電トランスデューサは、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、超音波センサ、超音波トランスデューサ、赤外線センサ、又はショックセンサに用いられてよい。超音波トランスデューサは、圧電微小機械超音波トランスデューサ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ； ＰＭＵＴ）であってよい。圧電微小機械超音波トランスデューサを応用した製品は、指紋センサ及び超音波式血管認証センサ等の生体認証センサ、医療若しくはヘルスケア用のセンサ、又はＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）センサであってよい。例えば、フィルタは、ＢＡＷ（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ、又はＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタであってよい。上述された各圧電薄膜素子は、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ； ＭＥＭＳ）の一部又は全体であってよい。上述された各圧電薄膜素子は、ウェアラブルデバイス、又は携帯型デバイスであってよい。
【0070】
本実施形態に係る圧電トランスデューサは、上述された圧電薄膜又は圧電薄膜素子を含む。図６は、圧電トランスデューサの一例である超音波トランスデューサ１０ａの模式的な断面を示す。この超音波トランスデューサ１０ａの断面は、圧電薄膜３の表面の法線方向ｄｎに略又は完全に平行である。超音波トランスデューサ１０ａは、基板１ａ及び１ｂと、基板１ａ及び１ｂの上に設置された第一電極層２と、第一電極層２に重なる圧電薄膜３と、圧電薄膜３に重なる第二電極層４と、を含んでよい。圧電薄膜３の下方には、音響用の空洞１ｃが設けられていてよい。圧電薄膜３の撓み又は振動により、超音波信号が発信又は受信される。第一中間層が基板１ａ及び１ｂと第一電極層２の間に介在してよい。第二中間層が第一電極層２と圧電薄膜３の間に介在してよい。第二中間層が圧電薄膜３と第二電極層４の間に介在してよい。
【実施例0071】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0072】
（実施例１）
実施例１の圧電薄膜素子の作製には、Ｓｉの単結晶からなる結晶質基板が用いられた。Ｓｉの（１００）面は、結晶質基板の表面と平行であった。結晶質基板は、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形であった。結晶質基板の厚みは、５００μｍであった。
実施例１の圧電薄膜素子の作製には、Ｓｉの単結晶からなる結晶質基板が用いられた。Ｓｉの（１００）面は、結晶質基板の表面と平行であった。結晶質基板は、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形であった。結晶質基板の厚みは、５００μｍであった。
【0073】
真空チャンバー内で、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３からなる結晶質の第一中間層が、結晶質基板の表面全体に形成された。第一中間層は、スパッタリング法により形成された。第一中間層の厚みは、３０ｎｍであった。
【0074】
真空チャンバー内で、Ｐｔの結晶からなる第一電極層が、第一中間層の表面全体に形成された。第一電極層は、スパッタリング法により形成された。第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。第一電極層の形成過程における結晶質基板の温度（成膜温度）は、５００℃に維持した。
【0075】
第一電極層の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、第一電極層のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンが測定された。第一電極層の表面におけるＩｎ Ｐｌａｎｅ測定により、第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。これらのＸＲＤパターンの測定には、株式会社リガク製のＸ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）が用いられた。ＸＲＤパターン中の各ピーク強度がバックグラウンド強度に対して少なくとも３桁以上高くなるように、測定条件が設定された。Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、Ｐｔの結晶の（００２）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、Ｐｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向していた。Ｉｎ Ｐｌａｎｅ測定により、Ｐｔの結晶の（２００）面の回折Ｘ線のピークが検出された。つまり、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。
【0076】
真空チャンバー内で、圧電薄膜が第一電極層の表面全体に形成された。圧電薄膜は、ＰＬＤ法により形成された。圧電薄膜の厚みは、２０００ｎｍであった。圧電薄膜の形成過程における結晶質基板の温度（成膜温度）は、５００℃に維持した。圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、１０Ｐａに維持された。圧電薄膜の原料には、ターゲット（原料粉末の焼結体）が用いられた。ターゲットの作製の際には、目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末（酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、及び酸化ガリウム）の配合比が調整された。目的とする圧電薄膜の組成は、下記化学式１Ａで表された。つまり、ターゲットの組成は、下記化学式１Ａで表された。下記化学式１Ａ中のｘ、ｙ、ｚ、α、β、及びγそれぞれの値は、下記表１に示す値であった。
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＧａγ）Ｏ３ （１Ａ）
ｘ（Ｂｉ１－αＫα）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ１－βＭｇβ）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γＧａγ）Ｏ３ （１Ａ）
【0077】
圧電薄膜の組成が、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）により分析された。分析には、日本フィリップス株式会社製の装置ＰＷ２４０４を用いた。分析の結果、実施例１の圧電薄膜の組成は、上記化学式１Ａで表され、上記化学式１Ａにおけるｘ、ｙ、ｚ、α、β、及びγそれぞれの値は、下記表１に示す値に一致した。つまり圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成と一致した。
【0078】
圧電薄膜の表面におけるＯｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。圧電薄膜の表面におけるＩｎ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。ＸＲＤパターンの測定装置及び測定条件は、上記と同様であった。
圧電薄膜のＸＲＤパターンは、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面の法線方向における上記結晶の格子定数ｃが測定された。格子定数ｃは、圧電薄膜の表面に平行な格子面の間隔と言い換えられる。Ｉｎ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面に平行な方向における上記結晶の格子定数ａ及びｂが測定された。格子定数ａ及びｂは、圧電薄膜の表面に垂直な格子面の間隔と言い換えられる。ａ及びｂは互いに略等しかった。ａ及びｂのいずれも、ｃより小さかった。つまり、圧電薄膜に含まれる少なくとも一部の上記結晶は、ｃ／ａが１よりも大きい正方晶であった。
Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、ペロブスカイト型酸化物の結晶の（００１）面の回折Ｘ線のピークが検出された。ＸＲＤパターンに基づき、結晶の（００１）面の配向度が算出された。上述の通り、（００１）面の配向度は、１００×Ｉ１（００１）／（Ｉ１（００１）＋Ｉ１（１１０）＋Ｉ１（１１１））と表される。圧電薄膜の表面の法線方向ｄｎにおける（００１）面の配向度は、９０％以上であった。つまり、結晶の（００１）面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向している格子面（配向度が９０％以上である格子面）は、下記の各表において「配向面」と表記される。
圧電薄膜のＸＲＤパターンは、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面の法線方向における上記結晶の格子定数ｃが測定された。格子定数ｃは、圧電薄膜の表面に平行な格子面の間隔と言い換えられる。Ｉｎ Ｐｌａｎｅ測定により、圧電薄膜の表面に平行な方向における上記結晶の格子定数ａ及びｂが測定された。格子定数ａ及びｂは、圧電薄膜の表面に垂直な格子面の間隔と言い換えられる。ａ及びｂは互いに略等しかった。ａ及びｂのいずれも、ｃより小さかった。つまり、圧電薄膜に含まれる少なくとも一部の上記結晶は、ｃ／ａが１よりも大きい正方晶であった。
Ｏｕｔ оｆ Ｐｌａｎｅ測定により、ペロブスカイト型酸化物の結晶の（００１）面の回折Ｘ線のピークが検出された。ＸＲＤパターンに基づき、結晶の（００１）面の配向度が算出された。上述の通り、（００１）面の配向度は、１００×Ｉ１（００１）／（Ｉ１（００１）＋Ｉ１（１１０）＋Ｉ１（１１１））と表される。圧電薄膜の表面の法線方向ｄｎにおける（００１）面の配向度は、９０％以上であった。つまり、結晶の（００１）面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向ｄｎにおいて優先的に配向している格子面（配向度が９０％以上である格子面）は、下記の各表において「配向面」と表記される。
【0079】
以上の方法で、結晶質基板と、結晶質基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、から構成される積層体が作製された。この積層体を用いて更に以下の工程が実施された。
【0080】
真空チャンバー内で、Ｐｔからなる第二電極層が、圧電薄膜の表面全体に形成された。第二電極層は、スパッタリング法により形成された。第二電極層の形成過程における結晶質基板の温度は５００℃に維持した。第二電極層の厚みは、２００ｎｍであった。
【0081】
以上の工程により、結晶質基板と、結晶質基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、から構成される積層体が作製された。続くフォトリソグラフィにより、結晶質基板上の積層構造のパターニングが行われた。パターニング後、積層体がダイシングにより切断された。
【0082】
以上の工程により、短冊状の実施例１の圧電薄膜素子を得た。圧電薄膜素子は、結晶質基板と、結晶質基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、から構成されていた。圧電薄膜の可動部分の面積は、２０ｍｍ×１．０ｍｍであった。
【0083】
［圧電歪定数ｄ３３，ｆの測定］
実施例１の圧電薄膜素子を用いて圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。ｄ３３，ｆの測定には、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）と強誘電体評価システムとを組み合わせた装置が用いられた。原子間顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社製のＳＰＡ－４００であり、強誘電体評価システムは、株式会社東陽テクニカ製のＦＣＥであった。ｄ３３，ｆの測定における交流電界（交流電圧）の周波数は５Ｈｚであった。圧電薄膜に印加される電圧の最大値は２０Ｖであった。ｄ３３，ｆの単位はｐｍ/Ｖである。実施例１のｄ３３，ｆは、下記表１に示される。
実施例１の圧電薄膜素子を用いて圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。ｄ３３，ｆの測定には、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）と強誘電体評価システムとを組み合わせた装置が用いられた。原子間顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社製のＳＰＡ－４００であり、強誘電体評価システムは、株式会社東陽テクニカ製のＦＣＥであった。ｄ３３，ｆの測定における交流電界（交流電圧）の周波数は５Ｈｚであった。圧電薄膜に印加される電圧の最大値は２０Ｖであった。ｄ３３，ｆの単位はｐｍ/Ｖである。実施例１のｄ３３，ｆは、下記表１に示される。
【0084】
（実施例２～１８及び比較例１～４）
実施例２～１８及び比較例１～４それぞれのターゲットの作製の際には、目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末（酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、及び酸化ガリウム）の配合比が調整された。
比較例１のターゲットの原料として、炭酸カリウムは用いられなかった。
比較例２のターゲットの原料として、酸化マグネシウムは用いられなかった。
比較例３のターゲットの原料として、酸化ガリウムは用いられなかった。
比較例４のターゲットの原料として、酸化鉄は用いられなかった。
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
実施例２～１８及び比較例１～４それぞれのターゲットの作製の際には、目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末（酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、及び酸化ガリウム）の配合比が調整された。
比較例１のターゲットの原料として、炭酸カリウムは用いられなかった。
比較例２のターゲットの原料として、酸化マグネシウムは用いられなかった。
比較例３のターゲットの原料として、酸化ガリウムは用いられなかった。
比較例４のターゲットの原料として、酸化鉄は用いられなかった。
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
【0085】
実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～１８及び比較例１～４のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。
【0086】
実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの圧電薄膜の組成が分析された。実施例２～１８及び比較例１～４のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成（上記化学式１Ａ）と一致した。実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの場合、化学式１Ａ中のｘ，ｙ、ｚ、α、β、γ、及びδそれぞれの値は、下記の表１に示される値であった。実施例１～１４それぞれのｘ、ｙ及びｚは、座標（ｘ、ｙ、ｚ）として図５（三角座標系）中に示される。
図５中の座標Ａは、実施例１に対応する。
図５中の座標Ｂは、実施例２に対応する。
図５中の座標Ｃは、実施例３に対応する。
図５中の座標Ｄは、実施例４に対応する。
図５中の座標Ｅは、実施例５に対応する。
図５中の座標Ｆは、実施例６に対応する。
図５中の座標Ｇは、実施例７に対応する。
図５中の座標Ｈは、実施例８に対応する。
図５中の座標Ｉは、実施例９に対応する。
図５中の座標Ｊは、実施例１０に対応する。
図５中の座標Ｋは、実施例１１に対応する。
図５中の座標Ｌは、実施例１２に対応する。
図５中の座標Ｍは、実施例１３に対応する。
図５中の座標Ｏは、実施例１４に対応する。
図５中の座標Ａは、実施例１に対応する。
図５中の座標Ｂは、実施例２に対応する。
図５中の座標Ｃは、実施例３に対応する。
図５中の座標Ｄは、実施例４に対応する。
図５中の座標Ｅは、実施例５に対応する。
図５中の座標Ｆは、実施例６に対応する。
図５中の座標Ｇは、実施例７に対応する。
図５中の座標Ｈは、実施例８に対応する。
図５中の座標Ｉは、実施例９に対応する。
図５中の座標Ｊは、実施例１０に対応する。
図５中の座標Ｋは、実施例１１に対応する。
図５中の座標Ｌは、実施例１２に対応する。
図５中の座標Ｍは、実施例１３に対応する。
図５中の座標Ｏは、実施例１４に対応する。
【0087】
実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。実施例２～１８及び比較例１～４のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。実施例２～１８及び比較例１～４のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。実施例２～１８及び比較例１～４のいずれの場合も、結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
【0088】
実施例１と同様の方法により、実施例２～１８及び比較例１～４それぞれの圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。実施例２～１８及び比較例１～４それぞれのｄ３３，ｆは、下記表１に示される。
【0089】
（比較例５）
比較例５のターゲットはビスマスを含んでいなかった。比較例５のターゲットは、下記化学式５で表される組成を有していた。下記化学式５中の各数値は、モル比を表す。薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、比較例５の薄膜及び薄膜素子が作製された。
実施例１と同様の方法で、比較例５の薄膜及び薄膜素子に関する分析及び測定が実施された。比較例５の場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。比較例５の薄膜の組成は、比較例５のターゲットの組成と一致した。比較例５の薄膜は、配向した格子面を有する結晶ではなく、圧電特性を有していなかった。
０．２０ＭｇＴｉＯ３－０．１０Ｋ２Ｏ－０．２０ＴｉＯ２－０．５０（Ｆｅ０．９Ｇａ０．１）２Ｏ３ （５）
比較例５のターゲットはビスマスを含んでいなかった。比較例５のターゲットは、下記化学式５で表される組成を有していた。下記化学式５中の各数値は、モル比を表す。薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、比較例５の薄膜及び薄膜素子が作製された。
実施例１と同様の方法で、比較例５の薄膜及び薄膜素子に関する分析及び測定が実施された。比較例５の場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。比較例５の薄膜の組成は、比較例５のターゲットの組成と一致した。比較例５の薄膜は、配向した格子面を有する結晶ではなく、圧電特性を有していなかった。
０．２０ＭｇＴｉＯ３－０．１０Ｋ２Ｏ－０．２０ＴｉＯ２－０．５０（Ｆｅ０．９Ｇａ０．１）２Ｏ３ （５）
【0090】
【表1】
【0091】
（比較例６～８）
比較例６の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、１Ｐａに維持された。
比較例７の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、２０Ｐａに維持された。
比較例８の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、０．１Ｐａに維持された。
圧電薄膜の形成過程における酸素分圧を除いて実施例９と同様の方法で、比較例６～８それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
比較例６の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、１Ｐａに維持された。
比較例７の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、２０Ｐａに維持された。
比較例８の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、０．１Ｐａに維持された。
圧電薄膜の形成過程における酸素分圧を除いて実施例９と同様の方法で、比較例６～８それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
【0092】
実施例１と同様の方法により、比較例６～８それぞれの第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。比較例６～８のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。
【0093】
実施例１と同様の方法により、比較例６～８それぞれの圧電薄膜の組成が分析された。比較例６～８のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成と一致した。つまり比較例６～８それぞれの圧電薄膜の組成は、実施例９の圧電薄膜の組成と同じであった。
【0094】
実施例１と同様の方法により、比較例６～８それぞれの圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。
比較例６～８のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
比較例６～８のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
比較例６の場合、圧電薄膜中の結晶の（１１０）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
比較例７の場合、圧電薄膜中の結晶の（１１１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
比較例８の場合、圧電薄膜中の結晶の特定の格子面が圧電薄膜の表面の法線方向において配向していなかった。つまり比較例８の場合、いずれの格子面の配向度も５０％未満であった。
比較例６～８のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
比較例６～８のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
比較例６の場合、圧電薄膜中の結晶の（１１０）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
比較例７の場合、圧電薄膜中の結晶の（１１１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
比較例８の場合、圧電薄膜中の結晶の特定の格子面が圧電薄膜の表面の法線方向において配向していなかった。つまり比較例８の場合、いずれの格子面の配向度も５０％未満であった。
【0095】
実施例１と同様の方法により、比較例６～８それぞれの圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。比較例６～８それぞれのｄ３３，ｆは、下記表２に示される。
【0096】
【表2】
【0097】
（実施例１９及び２０）
実施例１９及び２０の場合、第二中間層が第一電極層の表面全体に直接形成され、圧電薄膜が第二中間層の表面全体に直性形成された。
実施例１９の第二中間層は、結晶質のＳｒＲｕＯ３からなっていた。実施例１９の第二中間層の厚みは、５０ｎｍであった。
実施例２０の第二中間層は、結晶質のＬａＮｉＯ３からなっていた。実施例２０の第二中間層の厚みは、２０ｎｍであった。。
下記の表３中の「ＳＲＯ」は、ＳｒＲｕＯ３を意味する。下記の表３中の「ＬＮＯ」は、ＬａＮｉＯ３を意味する。
第二中間層が形成されたことを除いて実施例９と同様の方法で、実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
実施例１９及び２０の場合、第二中間層が第一電極層の表面全体に直接形成され、圧電薄膜が第二中間層の表面全体に直性形成された。
実施例１９の第二中間層は、結晶質のＳｒＲｕＯ３からなっていた。実施例１９の第二中間層の厚みは、５０ｎｍであった。
実施例２０の第二中間層は、結晶質のＬａＮｉＯ３からなっていた。実施例２０の第二中間層の厚みは、２０ｎｍであった。。
下記の表３中の「ＳＲＯ」は、ＳｒＲｕＯ３を意味する。下記の表３中の「ＬＮＯ」は、ＬａＮｉＯ３を意味する。
第二中間層が形成されたことを除いて実施例９と同様の方法で、実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
【0098】
実施例１と同様の方法により、実施例１９及び２０それぞれの第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例１９及び２０のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。
【0099】
実施例１と同様の方法により、実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜の組成が分析された。実施例１９及び２０のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成と一致した。つまり実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜の組成は、実施例９の圧電薄膜の組成と同じであった。
【0100】
実施例１と同様の方法により、実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。
実施例１９及び２０のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例１９及び２０のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例１９及び２０のいずれの場合も、結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
実施例１９及び２０のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例１９及び２０のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例１９及び２０のいずれの場合も、結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
【0101】
実施例１と同様の方法により、実施例１９及び２０それぞれの圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。実施例１９及び２０それぞれのｄ３３，ｆは、下記表３に示される。
【0102】
【表3】
【0103】
（実施例２１）
実施例２１の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例２１の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のＳｒＲｕＯ３からなる第一電極層が結晶質基板の表面全体に直接形成された。実施例２１の第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。これらの事項を除いて実施例９と同様の方法で、実施例２１の圧電薄膜素子が作製された。
実施例２１の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例２１の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のＳｒＲｕＯ３からなる第一電極層が結晶質基板の表面全体に直接形成された。実施例２１の第一電極層の厚みは、２００ｎｍであった。これらの事項を除いて実施例９と同様の方法で、実施例２１の圧電薄膜素子が作製された。
【0104】
実施例１と同様の方法により、実施例２１の第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２１の第一電極層の格子面は、第一電極層の表面の面内方向において配向してなかった。つまり、実施例２１の場合、第一電極層の結晶の面内配向性がなかった。
【0105】
実施例１と同様の方法により、実施例２１の圧電薄膜の組成が分析された。実施例２１の圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成と一致した。つまり実施例２１の圧電薄膜の組成は、実施例９の圧電薄膜の組成と同じであった。
【0106】
実施例１と同様の方法により、実施例２１の圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。
実施例２１のＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例２１の圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例２１の場合も、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
実施例２１のＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例２１の圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例２１の場合も、ペロブスカイト型結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
【0107】
実施例１と同様の方法により、実施例２１の圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。実施例２１のｄ３３，ｆは、下記表４に示される。
【0108】
【表4】
【0109】
（実施例２２及び２３）
実施例２２のターゲットの作製では、原料として、酸化ガリウムに加えて酸化コバルトが更に用いられられた。
実施例２３のターゲットの作製では、原料として、酸化ガリウムの代わりに酸化コバルトが用いられられた。つまり、実施例２３のターゲットの作製では、酸化ガリウムは用いられなかった。
実施例２２及び２３それぞれのターゲットの組成は、下記化学式１Ｂで表された。実施例２２及び２３それぞれの場合、下記化学式１Ｂ中のｘ、ｙ、ｚ、γ、及びδそれぞれの値は、下記表５に示す値であった。
ｘ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ０．５Ｍｇ０．５）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γ（Ｇａ１－δＣｏδ）γ）Ｏ３ （１Ｂ）
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
実施例２２のターゲットの作製では、原料として、酸化ガリウムに加えて酸化コバルトが更に用いられられた。
実施例２３のターゲットの作製では、原料として、酸化ガリウムの代わりに酸化コバルトが用いられられた。つまり、実施例２３のターゲットの作製では、酸化ガリウムは用いられなかった。
実施例２２及び２３それぞれのターゲットの組成は、下記化学式１Ｂで表された。実施例２２及び２３それぞれの場合、下記化学式１Ｂ中のｘ、ｙ、ｚ、γ、及びδそれぞれの値は、下記表５に示す値であった。
ｘ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３‐ｙＢｉ（Ｔｉ０．５Ｍｇ０．５）Ｏ３‐ｚＢｉ（Ｆｅ１－γ（Ｇａ１－δＣｏδ）γ）Ｏ３ （１Ｂ）
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜素子が作製された。
【0110】
実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３それぞれの第一電極層のＸＲＤパターンが測定された。実施例２２及び２３のいずれの場合も、第一電極層を構成するＰｔの結晶の（００２）面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ｐｔの結晶の（２００）面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。
【0111】
実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜の組成が分析された。実施例２２及び２３のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成と一致した。上記化学式１Ｂ中のＧａ１－δＣｏδを除いて、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜の組成は、実施例９の圧電薄膜の組成と同じであった。
【0112】
実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜のＸＲＤパターンが測定された。
実施例２２及び２３のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例２２及び２３のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例２２及び２３のいずれの場合も、結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
実施例２２及び２３のいずれのＸＲＤパターンも、圧電薄膜がペロブスカイト型酸化物の結晶から構成されていることを示していた。
実施例２２及び２３のいずれの場合も、圧電薄膜に含まれる結晶の少なくとも一部は、正方晶であった。
実施例２２及び２３のいずれの場合も、結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。
【0113】
実施例１と同様の方法により、実施例２２及び２３それぞれの圧電薄膜の圧電歪定数ｄ３３，ｆが測定された。実施例２２及び２３それぞれのｄ３３，ｆは、下記表５に示される。
【0114】
【表5】
【産業上の利用可能性】
【0115】
例えば、本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、圧電トランスデューサ、圧電アクチュエータ、及び圧電センサに応用されてよい。
【符号の説明】
【0116】
１０…圧電薄膜素子、１０ａ…圧電トランスデューサ（超音波トランスデューサ）、１…結晶質基板、２…第一電極層、３…圧電薄膜、４…第二電極層、５…第一中間層、６…第二中間層、ＤＮ…第一電極層の表面の法線方向、ｄｎ…圧電薄膜の表面の法線方向、ｕｃ…ペロブスカイト型酸化物の結晶の単位胞。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】