压电性薄膜元件及压电性薄膜元件的制造方法、压电薄膜设备

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.2

(22)申请日 2010.06.21

(71)申请人 日立电线株式会社

地址 日本东京都

(72)发明人 末永和史 柴田宪治 佐藤秀树 野本明

(74)专利代理机构 北京银龙知识产权代理有限公司

代理人 钟晶

(51)

H01L41/08

H01L41/24

G01R19/00

(10)申请公布号 CN 101931046 A

(43)申请公布日 2010.12.29

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

压电性薄膜元件及压电性薄膜元件

的制造方法、压电薄膜设备

(57)摘要

本发明提供一种压电性薄膜元件，

其提高了压电特性，可实现高性能且高信

赖的压电性薄膜设备。本发明的压电性薄

膜元件具有基板及在所述基板上以溅射法

成膜的、以由(Na

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种压电性薄膜元件，其特征在于，具有基板及在所述基板上以溅射法形成的、

以由(Na_xK_yLi_z)NbO₃表示的钙钛

矿型氧化物为主相的压电性薄膜，该压电性薄膜的内部应力的绝对值为1.6GPa以

下，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤0.2，x+y+z＝1。

2.如权利要求1所述的压电性薄膜元件，其特征在于，对应于所述基板的厚度的增

减率而增减的所述基板的翘曲形状的曲率半径的增减率为所述基板的厚度的增减率

的二倍以上。

3.如权利要求1所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基板及所述压电性薄膜

之间具有控制所述压电性薄膜的取向的基底层。

4.如权利要求2所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基板及所述压电性薄膜

之间具有控制所述压电性薄膜的取向的基底层。

5.如权利要求3所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基底层为沿(111)面取向

形成的Pt薄膜。

6.如权利要求4所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基底层为沿(111)面取向

形成的Pt薄膜。

7.如权利要求3所述的压电性薄膜元件，其特征在于，在所述基板和所述基底层之

间形成有下部电极层，在所述下部电极层和所述基板之间形成有粘接层，所述粘接

层或所述基底层或所述两种层的内部应力的绝对值为1.6GPa以下。

8.如权利要求4所述的压电性薄膜元件，其特征在于，在所述基板和所述基底层之

间形成有下部电极层，在所述下部电极层和所述基板之间形成有粘接层，所述粘接

层或所述基底层或所述两种层的内部应力的绝对值为1.6GPa以下。

9.如权利要求1所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述压电性薄膜的曲率半径

为0.8m以上。

10.如权利要求2所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述压电性薄膜的曲率半

径为0.8m以上。

11.如权利要求9所述的压电性薄膜元件，其特征在于，在所述压电性薄膜上形成

有上部电极，在所述基板和所述压电性薄膜之间形成有下部电极，所述下部电极层

或所述上部电极层或两电极层的曲率半径为0.8m以上。

12.如权利要求10所述的压电性薄膜元件，其特征在于，在所述压电性薄膜上形成

有上部电极，在所述基板和所述压电性薄膜之间形成有下部电极，所述下部电极层

或所述上部电极层或两电极层的曲率半径为0.8m以上。

13.如权利要求1所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述压电性薄膜在Ar气体

下或在Ar气体中混合有氧的混合气体气氛下通过溅射法而成膜，所述压电性薄膜

中含有Ar。

14.如权利要求2所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述压电性薄膜在Ar气体

下或在Ar气体中混合有氧的混合气体气氛下通过溅射法而成膜，所述压电性薄膜

中含有Ar。

15.如权利要求1所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基板为带有氧化膜的

Si基板。

16.如权利要求2所述的压电性薄膜元件，其特征在于，所述基板为带有氧化膜的

Si基板。

17.一种制造如权利要求1所述的压电性薄膜元件的方法，其特征在于，将所述压

电性薄膜的内部应力的绝对值控制在0.9GPa以下的范围。

18.一种制造如权利要求2所述的压电性薄膜元件的方法，其特征在于，将所述压

电性薄膜的内部应力的绝对值控制在0.9GPa以下的范围。

19.一种压电薄膜设备，其特征在于，具有如权利要求1所述的压电性薄膜元件及

电压施加机构或者如权利要求1所述的压电性薄膜元件及电压检测机构。

20.一种压电薄膜设备，其特征在于，具有如权利要求2所述的压电性薄膜元件及

电压施加机构或者如权利要求2所述的压电性薄膜元件及电压检测机构。

说 明 书

技术领域

本发明涉及采用了铌酸锂钾钠的压电性薄膜元件及其制造方法、以及压电薄膜设备。

背景技术

压电体根据各种目的被加工成各种压电元件、作为施加电压使之产生变形的执行器

和由压电元件的变形产生电压的传感器等功能性电子零部件而被广泛使用。作为用

于执行器和传感器用途的压电体，熟知的是具有高压电特征的铅系介电体。尤其是

被称为PZT的Pb(Zr_1-xTi_x)O₃系的钙钛矿型

强介电体，迄今为止已被广泛应用。通常，这些压电体通过烧结压电材料的氧化物

而形成。

另一方面，近些年出于对环境的关注，期望开发不含铅的压电体，对铌酸锂钾钠

(通式：(Na_xK_yLi_z)NbO₃(0＜x＜1，

0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1)等的开发也在发展。对于该铌酸锂钾钠而言，由于

其有着匹敌PZT的压电特性，作为非铅压电材料的有力候补而被期待。

现在，随着各种电子零部件的小型且高性能化的发展，对于压电元件也在强烈地寻

求小型化和高性能化。然而，对于根据以作为现有制法的烧结法为中心的制造方法

制成的压电体而言，如果其厚度为尤其是10μm以下，接近构成材料的晶粒的大小，

该影响变得不能无视。因此，发生了特性的偏差及劣化变得显著等问题。为了避开

该问题，近些年一直研究代替烧结法、使用了薄膜技术等的压电体的制造方法。

最近，由RF溅射法形成的PZT压电性薄膜作为高精细、高速喷墨打印机头用执行

器和小型、低价格的陀螺仪传感器而被实用化(例如参照专利文献1、非专利文献

1)。而且，也提出了采用不使用铅的铌酸锂钾钠的压电薄膜的压电薄膜元件的方案

(例如参照专利文献2、专利文献3)。

专利文献1：日本特开平10-286953号公报

专利文献2：日本特开2007-19302号公报

专利文献3：日本特开2007-184513号公报

非专利文献1：中村僖良主编压电材料的高性能化及尖端应用技术(科学与技术期

刊2007年)

发明内容

通过形成作为压电性薄膜的非铅压电性薄膜，能够制备环境负荷小的高精细、高速

喷墨打印机头及小型、低价格的陀螺仪传感器。作为该具体的候补，铌酸锂钾钠的

薄膜化的基础研究也在发展。然而，根据现有技术尚不能稳定地提供满足性能要求

的非铅系压电性薄膜元件及压电薄膜设备。

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种满足性能要求的非铅系压电性薄膜元件

及其制造方法、以及压电薄膜设备。

根据本发明的一个实施方式，提供一种压电性薄膜元件，其具有基板及在所述基板

上以溅射法成膜的、以由

(Na_xK_yLi_z)NbO₃(0≤x≤1，0≤y≤1，

0≤z≤0.2，x+y+z＝1)表示的钙钛矿型氧化物为主相的压电性薄膜，该压电性薄膜的

内部应力的绝对值为1.6GPa以下。

而且优选对应于所述基板厚度的增减率而增减的所述基板的翘曲形状的曲率半径的

增减率，为所述基板的厚度的增减率的二倍以上。

而且优选所述基板和所述压电性薄膜之间具有控制所述压电性薄膜的取向的基底层。

而且优选所述基底层为沿(111)面取向形成的Pt薄膜。

而且优选所述基板和所述基底层之间形成有下部电极层，所述下部电极层和所述基

板间形成有粘接层，所述粘接层或所述基底层或所述两种层的内部应力的绝对值为

1.6GPa以下。

而且优选所述压电性薄膜的曲率半径为0.8m以上。

而且优选在所述压电性薄膜上形成有上部电极，所述基板和所述压电性薄膜之间形

成有下部电极层，所述下部电极层或所述上部电极层或两电极层的曲率半径为

0.8m以上。

而且优选所述压电性薄膜在Ar气或在Ar气中混合有氧的混合气体气氛下成膜，

所述压电性薄膜中含有Ar。

而且优选所述基板为带有氧化膜的Si基板。

而且优选在所述压电性薄膜元件的制造方法中，将所述压电性薄膜的曲率的绝对值

控制在0.15m^-1以下、优选0.07m^-1以下的范围。

而且优选在所述压电性薄膜元件的制造方法中，将所述压电性薄膜的内部应力的绝

对值控制在0.9GPa以下、优选0.45GPa以下的范围。

根据本发明的其他实施方式，提供一种具有上述压电性薄膜元件及电压施加机构或

电压检测机构的压电薄膜设备。

优选压电性薄膜的内部应力通过所述成膜时的溅射施加功率来控制。而且，压电性

薄膜的内部应力也可通过所述基板的选定来控制，也可通过在所述压电性薄膜成膜

后实施的热处理的热处理温度来控制。

优选在所述压电性薄膜元件中，当所述基板的厚度为0.3mm时，所述基板的曲率

半径为0.8m以上。

而且，所述压电性薄膜的一部分也可含有具有钙钛矿结构的ABO₃的

晶体层、ABO₃的非晶体层、或混合ABO₃的晶体和非晶

体的混合层中的任一种。其中，A为选自Li、Na、K、La、Sr、Nd、Ba、Bi中的

一种以上的元素，B为选自Zr、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta、In中的一种以

上的元素，O为氧。

根据本发明，能够提供满足要求性能的非铅系压电性薄膜元件。

附图说明

图1为本发明的一个实施方式的具有下部电极层、压电性薄膜的压电性薄膜元件的

说明图，(a)为表示压缩应力状态的截面图、(b)为表示拉伸应力状态的截面图。

图2为本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件的X射线衍射谱图的图。

图3为表示本发明的一个实施方式的KNN压电性薄膜的由光杠杆法得到的翘曲形

状测定结果的图，(a)为翘曲形状为凸的情况、(b)为翘曲形状为凹的情况。

图4为本发明的一个实施方式的KNN压电性薄膜的由光杠杆法得到的内部应力与

溅射施加功率的相关图。

图5为本发明的一个实施方式的在不同基板上成膜的KNN压电性薄膜的特性比较

图，(a)为曲率半径的比较图、(b)为内部应力的比较图。

图6为本发明的一个实施方式的KNN压电性薄膜的内部应力的温度特性图。

图7为本发明的一个实施方式的KNN压电性薄膜的内部应力与成膜后进行的热处

理的温度的相关图。

图8为本发明的一个实施方式的具有下部电极层、LNO基底层、KNN压电性薄膜

及上部电极层的压电性薄膜元件的说明图，(a)为表示压缩应力状态的截面图、(b)

为表示拉伸应力状态的截面图。

图9为本发明的一个实施方式的具有下部电极层、各种基底层、KNN压电性薄膜

及上部电极层的压电性薄膜元件的说明图，(a)为表示压缩应力状态的截面图，(b)

为表示拉伸应力状态的截面图。

图10为在本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件中，施加电压为20V时的基板

的翘曲量(曲率)与压电常数的相关图。

图11为在本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件中，施加电压为2V时的基板

的翘曲量(曲率)与压电常数的相关图。

图12为在本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件中，施加电压为20V时的内部

应力与压电常数的相关图。

图13为在本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件中，施加电压为2V时的内部

应力与压电常数的相关图。

图14为本发明的一个实施方式的压电薄膜设备的概略构成图。

符号说明

1为Si基板；2为粘接层；3为下部电极层；4为压电性薄膜；5为上部电极层；6

为LNO基底层；7为各种基底层；8为压电性薄膜。

具体实施方式

本发明涉及KNN((K，Na)NbO₃)压电薄膜。内部应力小的材料介电常

数低，其结果是压电常数小。而且，通过使内部应力变大，可得到使压电特性提高

的材料。此外，KNN压电薄膜与现有铅系压电材料(例如PZT等)不仅组成不同，

在内部应力与压电常数的关系中，也不能保证表示出与铅系压电材料相同的行为。

熟知的是薄膜与块体材料的物性不同，如果不对薄膜内部应力和压电特性的关系进

行具体地、实际地分析，就不能了解它们的关系。

于是，本发明人为了研究明白KNN压电薄膜中内部应力和压电常数的相关关系，

进行了KNN压电薄膜的制作条件的最优化及应力分析。其结果是，判定了在

KNN压电薄膜中，内部应力对其压电特性的影响很大。因此，也判明了内部应力

为零有助于压电特性的提高。

本发明人基于上述认识，完成了本发明。

以下说明本发明涉及的压电性薄膜元件的一个实施方式。在这之前，研究影响压电

性薄膜的内部应力的压电性薄膜元件的制作条件。

对于非铅系压电性薄膜元件，为使每个元件都满足所要求的性能且稳定地生产，需

要管理和控制压电性薄膜的残留应力(内部应力)。

其理由如下所述。由压电性薄膜施与的内部应力中，存在拉伸应力和压缩应力。拉

伸应力为为了剥离膜而作用的应力，压缩应力与其相反。如果内部应力过大，成为

膜剥离的原因或生成裂纹，对其上带有的上部电极层造成不良影响。

压电性薄膜的翘曲形状

在Si基板等与铌酸锂钾钠膜(包括铌酸钾钠)的热膨胀系数不同的基板上，如果不考

虑该热膨胀系数差而形成下部电极层，在其上部形成铌酸锂钾钠膜，则该膜为翘曲

形状。即，带有压电性薄膜的基板具有所不期望的翘曲。

对于现有技术而言，由于没有研究翘曲形状和内部应力的巨大影响而形成，在制作

元件时形成的每个铌酸锂钾钠膜的翘曲形状很多情况下各不相同。实际上，该铌酸

锂钾钠膜的翘曲形状为凹状、凸状等各种形状。以下，将铌酸锂钾钠简称为

LKNN，将铌酸钾钠简称为KNN。

认为对于LKNN膜翘曲形状为凹状、凸状等各种形状的理由而言，原因为如下等：

(1)由于LKNN膜、基板及下部电极层的伸缩温度系数不同，在形成薄膜时的温度

和室温的差异导致膜与基板的收缩不同，(2)或是由于在晶体化温度以上成膜时，

伴随晶体成长发生急剧的晶格收缩和膨胀，导致引力在晶粒间产生作用，(3)此外，

通过增加溅射成膜时的施加功率(Power)，通过Ar离子(以下以Ar⁺表

示)等能量粒子的冲击，很多溅射粒子被打入到晶界，其结果是形成致密的膜，产

生在面内伸展的力而导致形成凸形状。由此，诱发在上部形成的LKNN膜的翘曲。

基板的选定

因此，首先研究LKNN膜和基板的热膨胀系数的差。于是，进行了关于选定在成

膜时使压电性薄膜的曲率变大(翘曲量少)的基板的研究。

作为选定方法，首先，选择具有与块体LKNN的热膨胀系数相近的值的基板。作

为这种基板的候选优选MgO、Si、Ge、Al₂O₃、

SrTiO₃、石英等晶体或非晶体或它们的复合体等。对于在这些基板上

形成下部电极层、在其上部形成LKNN膜的元件而言，比较各自的翘曲量，选定

翘曲量确实小的基板。

成膜条件

而且，为了进一步确定地降低LKNN膜的内部应力，在上述实例的方式中，对于

成膜温度、溅射中使用的气体的种类及压力、真空度及施加功率，可找出使翘曲量

变小的制作条件，谋求最优化。通过根据每个装置和环境多方面地研究这些条件，

能够形成低内部应力的LKNN薄膜。

下部电极层的表面平坦化

之后，为了使LKNN膜的内部应力均一且形变小，对作为基底的Pt下部电极层的

表面进行平坦化的研究。作为该方法，严格控制Pt下部电极层的膜厚，使Pt下部

电极层的表面凹凸变小。而且，对于作为多晶的Pt下部电极层，通过控制以使形

成的晶粒的粒径均一，使施加于晶粒间的力均匀地分散。作为结果，如果LKNN

膜在经粒子粒径均一化处理的下部电极层的上部形成，能够期待由于界面的应力缓

和而降低压电性薄膜的内部应力的效果。

根据上述的对影响压电性薄膜的内部应力的压电性薄膜元件的制作条件进行研究的

结果，说明本发明涉及的压电性薄膜元件的一个实施方式。

本发明人深入研究的结果，发现能够根据元件的制作条件控制所述压电性薄膜的内

部应力。此处元件的制作条件是指对成膜时的溅射施加功率、成膜后的热处理温度

进行合适地控制。而且合适地选择作为压电性薄膜元件的构成材料的基板、上部和

下部电极、粘接层、基底层、压电性薄膜等。以下，对通过各制作条件控制压电性

薄膜的内部应力的压电性薄膜元件进行说明。

压电性薄膜元件

本实施方式的压电性薄膜元件具有基板、在该基板上形成的下部电极层、在该下部

电极层上形成的压电性薄膜。所述压电性薄膜为以钙钛矿型氧化物为主相的压电性

薄膜。根据实施方式，所述基板在其表面也可具有氧化膜。另外，根据实施方式，

也存在所述下部电极层以规定的方向取向而形成，所述压电性薄膜相对于所述下部

电极层以规定的方向取向的情况。而且根据实施方式，对于所述压电性薄膜元件，

也存在包含直至所述压电性薄膜上形成的上部电极层的情况。这种情况下，也存在

不含上部电极层而包含直至压电性薄膜的元件被称为带有压电性薄膜的基板的情况。

而且也存在不含压电性薄膜而包含直至下部电极层的元件被称为带有下部电极层的

基板的情况。

基板的选定

作为所述基板，可列举出Si基板、MgO基板、ZnO基板、SrTiO₃基板、

SrRuO₃基板、玻璃基板、石英玻璃(SiO₂)基板、GaAs基

板、GaN基板、蓝宝石基板、Ge基板、不锈钢基板等。尤其优选低价格且工业上

实际应用的Si基板。而且，Si基板等的表面上也可形成有氧化膜。

硅基板等的表面上形成的所述氧化膜可列举出通过热氧化形成的热氧化膜和通过例

如CVD(化学气相沉积)法形成的Si氧化膜等。此外，也可不形成所述氧化膜，在

石英玻璃(SiO₂)、MgO、SrTiO₃、SrRuO₃基

板等氧化物基板上直接形成Pt电极等的下部电极层。

通过选定上述基板材料，能够控制基板上部形成的压电性薄膜的内部应力。

基板厚度及曲率半径

不只是选定基板材料，通过选定基板的厚度或基板的曲率半径也能控制压电性薄膜

的内部应力。基板的厚度越厚则曲率半径(翘曲量)越大，厚度越薄则曲率半径越小。

当基板厚度为0.3mm时，所述基板的曲率半径最小为0.8m，因此为了能够控制压

电性薄膜的内部应力，优选基板的厚度为0.3mm时曲率半径为0.8m以上(实施例

2)。

而且优选对应于所述基板厚度的增减率而增减的所述基板的翘曲形状的曲率半径的

增减率为所述基板厚度的增减率的二倍以上。

根据后述实施例1中所示的式(1)，如果杨氏模量E、泊松比v及形成于上部的压电

薄膜的厚度t取一定值，压电薄膜的内部应力σ、基板厚度h及曲率半径R的增减

率能够通过微分以以下的方式表示。此时曲率半径R为绝对值。

Δσ/σ＝2Δh/h-ΔR/R

ΔR/R≥2Δh/h时，由于2Δh/h-ΔR/R≤0，因此Δσ/σ＜0。

如上式所示，通过使曲率半径的增减率(ΔR/R)大于基板厚度的增减率的2倍(2Δh/h)，

能够控制内部应力的变化(Δσ/σ)向负方向进行。因此，通过使基板的翘曲形状的曲

率半径的增减率为基板的厚度的增减率的两倍以上，能够更适当地控制基板上部形

成的压电性薄膜的内部应力。即，能够使内部应力大的压电薄膜的内部应力的绝对

值变小。其结果是，能够通过降低KNN薄膜的内部应力，进一步提高压电特性(实

施例6的图12、图13)。

下部电极层、上部电极层、粘接层及基底层

优选所述下部电极层、所述上部电极层或两电极层的内部应力的绝对值为1.6GPa

以下。

而且优选在所述下部电极层和所述基板之间配置粘接层时、在所述下部电极层和所

述压电性薄膜之间配置基底层时，配置的所述粘接层或所述基底层或所述两种层的

内部压力的绝对值为1.6GPa以下。

之所以规定使该电极、粘接层及基底层等的曲率半径落入与压电性薄膜的曲率半径

(1.6GPa以下)相同的范围，是因为即使是从电极、粘接层及基底层等方面进行限制，

也能使压电性薄膜要求的曲率半径满足压电性薄膜所要求的曲率半径。而且，由于

通过基板能够控制的压电性薄膜的内部应力为最大1.5GPa以下(实施例2)，如果使

电极、粘接层及基底层的内部应力至少为1.6GPa以下，能够得到满足要求性能的

压电性薄膜元件。

而且优选所述下部电极层为由Pt或以Pt为主成分的合金构成的电极层，或包含该

以Pt为主成分的电极层的层叠结构的电极层。或者，优选所述下部电极层为由Ru、

Ir、Sn、In或其氧化物构成的电极层，或包含这些与所述压电性薄膜中所含元素的

化合物的层的层叠结构的电极层。

通过使用作为上述压电性薄膜元件的下部电极的Pt电极、Pt合金或其他，或通过

使用作为上述下部电极的Ru、Ir或其氧化物或Pt与压电性薄膜中含有的元素的化

合物，能够控制在下部电极的上部形成的压电性薄膜的内部应力。

而且，对于所述Pt下部电极层而言，优选沿(111)面取向形成。通过取向形成下部

电极层，能够控制在下部电极的上部形成的压电性薄膜的内部应力。通过沿(111)

面高取向的Pt薄膜而形成Pt下部电极层，由此Pt下部电极层能起到作为控制压电

性薄膜的取向的基底层(取向控制层)的作用。

而且，优选所述下部电极层通过溅射法成膜。使用溅射法，在比室温高的温度下成

膜的下部电极的表面形状为凹状，为拉伸应力的状态，曲率半径变大，能够使内部

应力变小。另一方面，室温下成膜的下部电极的表面形状为凸状，为压缩应力状态，

曲率半径变小，不能使内部应力变小。因此，通过使下部电极层取向形成，或是通

过使用溅射法在比室温高的温度下成膜，能够控制在下部电极的上部形成的压电性

薄膜的内部应力。

而且，基板与由Pt或以Pt为主成分的合金形成的电极层之间，也可设有用于提高

与基板的密合性的粘接层，例如Ti层。通过设置粘接层能够控制压电性薄膜的内

部应力。因此，通过使用溅射法在比室温高的温度下成膜下部电极层，能够控制在

下部电极的上部形成的压电性薄膜的内部应力。而且，通过控制下部电极的膜厚、

成膜时溅射能量和成膜温度来成膜，使得下部电极的表面粗糙度中的算术平均粗糙

度Ra为0.86nm以下，均方根粗糙度Rms在1.1nm以下。由此，能够抑制压电常

数的偏差并且得到压电性薄膜及在压电性薄膜上形成的上部电极表面的平坦性优良

的压电薄膜设备。

而且，优选所述压电性薄膜的曲率半径为0.8m以上。或者，优选所述下部电极层

或所述上部电极层或两种电极层的曲率半径为0.8m以上。或者，优选配置粘接层

或基底层或两种层，配置而成的所述粘接层或所述基底层或所述两种层的曲率半径

为0.8m以上。为了使压电性薄膜的内部应力为上述的1.6GPa以下，由于与内部应

力的相互关系，需要满足该范围的曲率半径(实施例1的式(1))。

如上所述，通过适当地选定下部、上部电极层、粘接层或基底层，控制压电性薄膜

的内部应力为1.6GPa以下，或控制压电性薄膜的翘曲形状为0.8m以上，能够防止

由于伴随内部形变的漏电流的增加及压电性薄膜和电极等的内部的裂缝及位于压电

性薄膜与电极等的界面等的膜剥离导致的有效施加电压的降低，能够稳定地提供压

电性薄膜元件及压电性薄膜设备。

压电性薄膜

所述压电性薄膜优选为以由

(Na_xK_yLi_z)NbO₃(0≤x≤1，0≤y≤1，

0≤z≤0.2，x+y+z＝1)表示的钙钛矿型氧化物为主相的压电性薄膜。也可向该压电性

薄膜中掺杂特定的元素。例如，也可向铌酸钾钠及铌酸锂钾钠中掺杂规定量的Ta

及V等。对于所述压电性薄膜，使用RF溅射法等溅射法形成。

为了得到任意的稳定的压电常数，优选压电性薄膜的内部应力的绝对值为1.6GPa

以下。另外，优选压电性薄膜的曲率半径为0.8m以上。

溅射施加功率

所述压电性薄膜的内部应力通过溅射施加功率来控制。如果施加功率小，则元件的

翘曲形状为凹状(拉伸应力)，如果施加功率大则为凸状(压缩应力)。

例如，在Si基板的场合，施加功率小时处于拉伸应力状态，该内部应力取正值，

如果施加功率增加，在某个值附近内部应力变为0，如果进一步增加则处于压缩应

力状态，该内部应力取负值。即，对应于溅射施加功率，内部应力发生了零交叉。

因此通过使压电性薄膜成膜时的溅射施加功率变化，能够控制压电性薄膜的内部应

力，能够从1.6GPa控制该内部应力的绝对值。

另外，优选在所述压电性薄膜的一部分中含有具有钙钛矿结构的ABO₃

晶体层、ABO₃非晶体层、或混合ABO₃的晶体及非晶体

的混合层中的任一个。其中，A为选自Li、Na、K、La、Sr、Nd、Ba、Bi中的一

种以上的元素，B为选自Zr、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta、In中的一种以上

的元素，O为氧。虽然也可构成为包含Pb作为上述A位的压电材料，但是出于对

环境的考虑，要求不含Pb的压电性薄膜。

而且，优选所述压电性薄膜在所述基板的垂直方向上优先沿(001)取向。

成膜后的热处理温度

通过使在所述压电性薄膜成膜后实施的热处理的热处理温度发生变化，能够控制压

电性薄膜的内部应力。

通过使热处理温度增加，能够使KNN压电性薄膜由凸状向凹状及拉伸应力状态变

化。即，通过使热处理温度变化，能够将KNN压电性薄膜的内部应力控制到所期

望的值。

上部电极层

对于上述实施方式的带有压电性薄膜的基板，通过在所述压电性薄膜的上部形成上

部电极层，能够制作低内部应力(形变)的压电性薄膜元件。

对于所述上部电极层而言，优选为由Pt或以Pt为主成分的合金构成的电极层，或

包含这些以Pt为主成分的电极层的层叠结构的电极层。或者，优选所述上部电极

层为Ru、Ir、Sn、In或其氧化物构成的电极层，或者包含这些与所述压电性薄膜

中包含的元素的化合物的电极层的层叠结构的电极层。

如果如上所述上部电极使用与下部电极相同的材料且由溅射形成，由于能够用与下

部电极层同样的方法形成上部电极层，实现了制造工序的简化，因此是优选的。当

然，对于上部电极层而言，与下部电极层不同，由于无需在其上成膜压电性薄膜，

因此也可使用铝(Al)金属等蒸镀形成。

压电性薄膜设备

此处的压电性薄膜设备是将上述压电性薄膜元件形成到装置中而成。如图14所示，

对于压电性薄膜设备而言，将通过在基板1上设置粘接层2、下部电极层3、压电

性薄膜4以及上部电极层5制作而成的压电性薄膜元件10成型为规定形状，在下

部电极层3和上部电极层5之间连接电压施加机构或电压检测机构11，能够制作

作为各种执行器和传感器的压电性薄膜元件。另外，也能够制作利用表面弹性波的

滤波设备。

尤其是通过降低这些压电性薄膜的内部应力，实现压电性薄膜元件和压电性薄膜设

备的压电特性的提高和稳定化，因此能够廉价地提供高性能的微型设备。而且，根

据设备不同，从元件强度等的控制的观点来看，通过增减压电性薄膜等的膜厚来控

制内部应力，并且能够选定杨氏模量等弹性常数高的基板、实现内部应力的最优化、

提供多种多样的高性能的微型设备。

压电性薄膜元件的制造方法

对于本实施方式的压电性薄膜元件而言，通过在基板上形成下部电极层，进一步成

膜压电性薄膜，在其上形成上部电极层而制造。所述压电性薄膜为LKNN压电性

薄膜，通过溅射法成膜。对于该压电性薄膜的内部应力而言，其绝对值通过元件的

制作条件被控制在1.6GPa以下。

为了得到压电性薄膜上述的内部应力，上述压电性薄膜成膜时，可将溅射施加功率

控制在40W至120W的范围内、优选将溅射施加功率密度控制在

0.010W/mm²至0.040W/mm²的范围内(实施例1的图4)。

另外，为了得到压电性薄膜上述的内部应力，对于所述压电性薄膜的内部应力而言，

可将所压电性薄膜成膜后实施的热处理的温度控制在800℃以下、优选600℃至

750℃的范围内(实施例3的图7)。

另外，可将所述压电性薄膜的曲率的绝对值控制在0.15m^-1以下、优选

0.07m^-1以下的范围(实施例6的图10)。

另外，可将所述压电性薄膜的内部应力的绝对值控制在0.9GPa以下，优选

0.45GPa以下的范围(实施例6的图12)。

实施方式的效果

根据本发明的一个或该上述实施方式，具有如下的效果。

在本发明的一个实施方式中，合适地管理、选定作为构成材料的压电性薄膜、电极、

基板、粘接层、基底层，并且谋求合适材料的制作条件的最优化，精密测定这些的

翘曲形状等，就可正确地控制元件的内部应力。根据本发明的一个实施方式，通过

内部应力控制能够实现良好的压电特性。而且能够实现高性能且高信赖性的压电性

薄膜元件，能够得到制造中成品率高的高品质的压电性薄膜元件及压电性薄膜设备。

根据本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件为具有不使用铅的压电性薄膜的压电

性薄膜元件。因此，通过搭载根据本发明的一个实施方式的压电性薄膜元件，能够

实现降低环境负荷且高性能的小型发动机、传感器及执行器等小型系统装置，例如

MEMS(微机电系统)等。而且通过使用下部电极层作为基底层、使压电性薄膜上形

成的上部电极构成为规定的样式，能够实现具有良好滤波特性的滤波设备。

另外，根据本实施方式，能够得到LKNN压电性薄膜及电极表面平坦性优良的压

电性薄膜元件和压电性薄膜设备。

在本发明的一个实施方式中，由基板、下部电极、压电性薄膜及上部电极的层叠结

构形成的压电性薄膜元件中，通过控制该压电性薄膜的翘曲形状的曲率半径为

0.8m以上，或者控制内部应力在1.6GPa以下，能够防止由伴随内部形变的漏电流

增加、压电性薄膜和电极等的内部开裂以及位于压电性薄膜与电极等的界面等的膜

剥离导致的有效施加电压的降低。而且本发明的压电性薄膜通过溅射法成膜。此时

成膜的压电性薄膜中含有溅射用气体。通过控制成膜时使用的溅射用气体及其在压

电性薄膜中的含有量也能够控制压电性薄膜的内部应力。

另外，通过使用作为上述压电性薄膜元件的下部电极的Pt电极或Pt合金、或其他，

或使用作为上述下部电极的Ru、Ir或其氧化物和Pt与压电性薄膜中含有的元素的

化合物，能够控制上部形成的压电性薄膜的内部应力。而且，对于基板，除了Si，

通过也使用MgO基板、SrTiO3基板、玻璃基板、石英玻璃基板、GaAs基板、蓝

宝石基板、Ge基板、不锈钢基板等，能够控制其上形成的压电性薄膜的内部应力。

由此，能够进一步提高压电特性。

实施例1

接着说明本发明的实施例。

实施例1

对于实施例1，通过使施加功率变化控制内部应力。

图1显示表示带有压电性薄膜的基板的概要的截面图。在本实施例中，通过在具有

氧化膜的Si基板1上形成粘接层2，在其上部形成下部电极层3及钙钛矿结构的铌

酸钾钠(以下记为KNN)的压电性薄膜4，制作了压电性薄膜元件(带有压电性薄膜

的基板)。此时，压电性薄膜的内部应力状态根据制作条件而变化。

图1(a)中表示翘曲在表面侧呈凸状的带有压电性薄膜的基板的截面图。此处所谓表

面侧是指与基板相反的侧的面。凸状表示压电性薄膜处于在面内向相互推挤方向施

加力的状态，即表示处于压缩应力状态。另一个方面，图1(b)表示翘曲在表面侧呈

凹状的带有压电性薄膜的基板的截面图。其表示压电性薄膜处于在面内向相互拉伸

方向施加力的状态，表示处于拉伸应力的状态。

带有压电性薄膜的基板的制造方法

以下叙述带有压电性薄膜的基板的制造方法。

首先如图1所示，在Si基板1的表面形成热氧化膜，在其上形成下部电极层3。下

部电极层3由作为粘接层2而形成的Ti膜及该在Ti膜上作为电极层形成的Pt薄膜

构成。Pt薄膜也起到作为基底层的作用，此处称为Pt下部电极层。

在本发明的实施例的Si基板中使用带有热氧化膜的4英寸的Si基板。使用的基板

厚度为0.3mm，(100)面方位。氧化膜的厚度为150nm。可在Si基板上经溅射法制

作厚度为1nm～20nm的Ti粘接层。

Ti粘接层及Pt下部电极层经溅射法制作。在成膜Pt下部电极的场合，使用作为溅

射用靶材的Pt金属靶，溅射用气体采用100％Ar气，压力为2.5Pa。Pt薄膜形成时

使基板温度为300℃进行成膜，形成了多晶薄膜的Pt薄膜。作为比较例，Pt薄膜

形成时使基板温度为常温进行成膜。此外，可将Pt薄膜成膜时的溅射施加功率控

制在65W至100W之间。在本实施例中，Ti密合层、Pt薄膜成膜时的溅射施加功

率如果为75W，则膜厚分别形成为2nm、200nm。由此制作带有两种Pt电极的Si

基板。

之后，在带有该两种Pt电极的Si基板的Pt下部电极层上，形成作为压电性薄膜4

的KNN压电性薄膜。该KNN压电性薄膜的成膜也采用溅射法形成。在KNN压电

性薄膜形成时，可进行基板加热以将基板温度控制在600℃～900℃的范围内。在

本实施例中，控制基板温度为650℃。用Ar+O₂的混合气体的等离子

体实施溅射。混合比9∶1。溅射用靶材使用

(Na_xK_yLi_z)NbO₃，x＝0.5，y＝

0.5，z＝0的烧结体靶材。进行成膜直至膜厚为3μm。在120W的溅射施加功率

(Power)下进行成膜。另外，使施加功率下降变至50W也可制作成膜的KNN压电

性薄膜。对于由此制作的KNN压电性薄膜，在X射线衍射装置中研究其晶体结构。

其结果是，对于进行300℃的基板加热而形成的实施例1的Pt薄膜，如图2的X

射线衍射谱图(2θ/θ扫描测定)所示，判定在基板表面垂直方向上形成了沿Pt(111)面

取向的薄膜。另外，对于在沿Pt(111)取向的Pt薄膜上形成的KNN压电性薄膜，

如图2所示，判定沿KNN(001)强烈取向。

与此相对，常温下成膜的Pt膜经X射线衍射测定的研究结果，能够确认其不存在

特征晶体面的衍射，为非晶态的。而且，判定在常温下成膜的Pt薄膜上形成的

KNN压电性薄膜没有取向表面，为随机的多晶膜。因此，作为Pt薄膜(Pt下部电

极层)，优选如KNN取向那样取向，具体而言具有Pt(111)取向。

在本实施例中，对于变更成膜条件、控制内部应力的KNN压电性薄膜，用光杠杆

法对其表面翘曲形状进行分析。在本测定中，对-10mm至+10mm的薄膜范围以

1mm的间距进行扫描，测定各点的位移量。

图3中表示实施例1的压电性薄膜表面的翘曲形状的测定结果。通过对所得数据用

最小二乘法进行拟合分析(图3所示的实线)求出曲率半径。

其结果是，在将施加功率设定为100W进行制作的场合，如图3(a)所示，翘曲形状

为如图1(a)所示的凸状，是压缩应力状态。此时，作为翘曲量分析值的曲率半径R

为10.4m。

另一方面，用50W的施加功率成膜的场合，为如图1(b)所示的凹状，为拉伸应力

状态。该翘曲量的曲率半径R为10.3m。用此处得到的曲率半径R能够求出KNN

压电性薄膜的面内的内部应力σ。在本实施例中，基于以下所示的定义式(1)进行计

算。

σ＝Eh²/(1-v)·6Rt (1)

E为杨氏模量，v为泊松比，h为基板厚度，t为薄膜的膜厚，R为基板的翘曲量(曲

率半径)，t＜＜h＜＜R。详细内容请参照下述文献(1)、(2)。

(1)须藤一著，残留应力及形变，(内田老鹤圃，1988年)

(2)吉田贞史著，应用物理工程学丛书3“薄膜”，(培风馆，1990年)

以所述式(1)为基础，求出KNN压电性薄膜的内部应力。本实施例中使用的基板为

(100)Si晶片。对于基板的机械物性值而言，杨氏模量E为130.8GPa，泊松比v为

0.28，厚度h为0.6mm。而且形成的KNN压电性薄膜的厚度t为3μm。以这些为

基础计算在所述条件下制作的KNN压电性薄膜的内部应力的结果，在100W的施

加功率下成膜时，内部应力为0.351GPa，在50W的施加功率下成膜时，内部应力

为0.353GPa。

接着，为了研究相对于溅射施加功率的KNN压电性薄膜的上述内部应力如何变化，

分析了使施加功率在50W至120W变化时KNN压电性薄膜的内部应力。对于此时

使用的溅射靶材的尺寸而言，其直径为50mm，用于成膜的基板为(100)Si。

图4表示该结果。该图的纵轴表示内部应力的值，对于正负号，正的场合表示拉伸

应力状态，负的场合表示压缩应力状态。

如图4所示，施加功率为50W时为拉伸应力状态，其内部应力为0.3～0.4GPa。可

以看出，随着施加功率变大，KNN压电性薄膜的拉伸应力变小。而且可以看出在

75W附近KNN压电性薄膜的内部应力约为0。可以看出如果进一步增大施加功率，

基板的翘曲形状为凹状向凸状变化，从拉伸应力状态变为压缩应力状态。可以看出，

如果使施加功率增至120W时，压缩应力的值增至约0.6GPa。进一步研究的结果

是，为了得到具有+0.4GPa～-0.6GPa的内部应力的KNN压电性薄膜，通过在所述

压电性薄膜成膜时，将施加功率控制在40W至120W的范围，优选将溅射施加功

率密度控制在0.010W/mm²至0.040W/mm²的范围内就能

够实现。此处所谓溅射施加功率密度，是指用对靶材的施加功率除以靶材溅射面的

面积所得的值。

如上所述，可以看出，KNN压电性薄膜的内部应力的控制能够通过改变溅射施加

功率来实现。在本实施例中，通过将溅射施加功率控制在75W附近，能够制作低

内部应力的KNN压电性薄膜。

实施例2

对于实施例2而言，通过选择基板材料控制内部应力。

另外，尝试使用Si基板以外的基板制作实施例1的经取向的Pt电极上的KNN压

电性薄膜。由于作为各自的基板的弹性常数的杨氏模量和泊松比及热膨胀系数等不

同，认为可预想形成于其上部形成的KNN压电性薄膜的内部应力会变化，能够控

制内部应力。实际上，可以看出，变化各种物质进行研究，KNN压电性薄膜的内

部应力状态在各个基板上是不同的。

本实施例2中准备的基板为MgO、Si、Ge、SrTiO₃、

Al₂O₃及SiO₂。KNN压电性薄膜成膜时的溅

射施加功率为100W。图5(a)表示在各个基板上成膜时的KNN压电性薄膜的翘曲

形状。此时，基板厚度为0.3mm的Ge基板上成膜的压电性薄膜具有最小曲率半径，

为0.8m。另一方面，可以看出，具有最大曲率半径的是在基板厚度为0.6mm的Si

基板上成膜的KNN压电性薄膜，翘曲量小。

以该结果为基础，计算内部应力的结果示于图5(b)。可以看出，在本实施例中，

KNN压电性薄膜的内部应力根据使用的基板，变化为压缩应力和拉伸应力之一。

如图5(b)所示，分析带有压电性薄膜的基板的内部应力的结果，尤其是使用MgO

基板的时候，KNN压电性薄膜的内部应力为压缩状态，为约1.5GPa。而且可以看

出，使用Ge基板时为压缩应力状态，为0.94GPa，在

Al₂O₃基板中压缩应力为0.31GPa。

另一方面，可以看出，虽然在使用Si或SiO₂等的场合，KNN压电性

薄膜的内部应力为拉伸应力状态，但该值很小，能够约为0。如上所述，可以看出

通过选择合适的基板，能够制作具有所期望内部应力的KNN压电性薄膜。而且即

便是在玻璃基板或SUS基板中，通过控制KNN压电性薄膜的内部应力也能够得到

同样的效果。

如上所述，可以看出通过选定基板，得到带有具有所期望的内部应力的压电性薄膜

的基板及压电性薄膜元件。而且，通过将内部应力控制为1.6GPa以下，作为降低

环境负荷的小型发动机、传感器以及执行器等的小型系统装置或者滤波装置，能够

合适地选择使用。

实施例3

对于实施例3，通过使温度变化来控制内部应力。

为了研究内部应力相对于KNN压电性薄膜的温度的变化，对于具有实施例1中所

述的截面结构的KNN压电性薄膜，研究其翘曲形状、即内部应力的温度变化。图

6中显示该温度特性的结果。此外，该图的纵轴为正的场合表示压缩应力状态，负

的场合表示拉伸应力状态。在本实施例3中，对在75W下形成有KNN膜的元件进

行评价，热处理在大气中进行。从本图可以看出，虽然KNN压电性薄膜在室温下

为压缩应力状态，但通过热处理可变成拉伸应力状态，温度上升并且拉伸应力增大。

这表示相对于Si基板KNN压电性薄膜的热膨胀系数较大。以该结果为基础，能够

定量地估计压电性薄膜与Si基板的热膨胀系数的差。一般来说，由热导致的内部

应力变化以式子表示如下式(2)所示。

σ＝E_f(α_f-α_s)ΔT (2)

此处E_f是指薄膜的杨氏模量，α_f是指薄膜的热膨胀系数，

α_s是基板的热膨胀系数，且ΔT为温度变化值。在本实施例中，对于图

6所示的内部应力的温度变化，如果采用一次函数通过最小二乘法拟合(Fitting)进

行分析，该直线的斜率为1.14×10^-3GPa·K^-1。其相当于

σ/ΔT。如果KNN压电性薄膜的E_f为110.7GPa、Si基板的

α_s为3.2×10^-6K^-1，KNN压电性薄膜的热膨胀

系数α_f为1.35×10^-5K^-1。作为结果，可以看出，

与基板相比KNN压电性薄膜的热膨胀系数为约4倍以上。以该指标为目标，如果

考虑基板与压电性薄膜的组合进行适宜地选择，热处理温度作为KNN压电性薄膜

的内部应力的控制参数可能是有用的。

因此，为了研究是否也能够通过膜成形后的热处理进行KNN压电性薄膜的内部应

力的控制，在膜形成后，分析从未经热处理的状态至进行了750℃热处理时KNN

压电性薄膜的内部应力。具体而言，在膜形成后一旦降温至室温，其后进行加热处

理。而且，加热处理后的KNN压电性薄膜再次降温至室温后，测定内部应力。此

时的热处理在大气中进行，也可在O₂气氛或N₂气氛或Ar

等惰性气体中，或含有所述气体中的至少一种的混合气体中进行。此外，用于成膜

的基板为(100)硅。

图7中显示其结果。这里，纵轴的值为正的场合为拉伸应力，为负的场合为压缩应

力。

如图7所示，在80W的溅射施加功率下成膜时，在不进行热处理的场合，KNN压

电性薄膜处于压缩应力状态，其内部应力为0至0.15GPa左右。可以看出，如对该

KNN压电性薄膜进行1小时的热处理，基板的翘曲形状会变化。

如图7所示，可以看出，在600℃下进行热处理的场合，可以看出有从压缩应力状

态向拉伸应力状态变化的倾向，内部应力接近0。

而且可以看出，如果在比所述温度高的700℃下进行热处理，基板的凹状变得显著，

为约0.2GPa的拉伸应力状态。可以看出，如果在更高的750℃下进行热处理，拉

伸应力变大，为0.4GPa。通过使热处理温度从600℃开始增加，能够使KNN压电

性薄膜从凸状向凹状及拉伸应力状态变化。即，通过使热处理温度变化，能够将

KNN压电性薄膜的内部应力控制为所期望的值。尤其是，可以看出，在制作低内

部应力的KNN压电性薄膜的场合，在本实施例中，优选在600℃附近进行温度控

制。

因此，为了得到具有0.4GPa以下的内部应力的KNN压电性薄膜，将在所述压电

性薄膜成膜后实施的热处理的温度控制为800℃以下，为了得到具有-0.1GPa～

+0.3GPa的内部应力的KNN压电性薄膜，可将在成膜后实施的热处理的温度控制

在600℃至750℃的范围内。

实施例4

对于实施例4而言，通过设置基底层控制薄膜的内部应力。

图8中表示实施例4的压电性薄膜元件的截面图。在本实施例4中，在具有氧化膜

的Si基板上形成有粘接层2的上部，形成基底层6、KNN的压电性薄膜4及上部

电极层5来制作压电性薄膜元件，其中的基底层6作为使下部电极层3及KNN的

取向性提高的取向控制层。

与实施例1同样地，隔着Si基板1上的粘接层2形成下部电极层3使下部电极层3

晶体化形成的Pt(111)取向，且在经表面平坦化的Pt电极上形成作为基底层6的

LaNiO₃(镧镍氧化物；LNO)膜。LNO膜在Pt(111)上容易地沿(001)面取

向。LNO膜也用溅射法形成。溅射气体使用Ar+O₂的混合气体(混合比

9∶1)。使溅射施加功率为75W成膜以使膜厚为200nm。进行该LNO膜的X射线

衍射测定，判定沿LNO(001)单独取向。在该LNO膜的基底层6上，形成KNN膜

的压电性薄膜。形成条件为与实施例1同样的条件。

对于如此形成的KNN压电性薄膜，判定使用X射线衍射装置评价取向状态的结果，

与实施例1中形成的KNN压电性薄膜相比，沿KNN(001)较强取向。在本实施例

的场合中，如图8(a)所示，确认在形成KNN压电性薄膜时，通过使其溅射施加功

率大于100W，基板的翘曲形状为凸状。

另外通过使600℃以上的热处理在大气中实施，如图8(b)所示，确认基板的翘曲形

状为凹状。对于以上的元件，经光杠杆法分析内部应力的结果，确认在使溅射施加

功率变大时，其内部应力为压缩状态，应力增大至-1GPa左右。

另一方面，通过使热处理温度增加，拉伸应力增大，增大至1GPa左右。如上所述，

可以看出，与实施例1或3同样地，能够控制内部应力的大小。可以看出，能够制

作显示出所期望的压电特性的KNN压电性薄膜。

接着，在制成的KNN膜的压电性薄膜4上形成上部电极层5。上部电极层5的材

料选择A1，用真空蒸镀法形成。可以看出，在平坦的压电性薄膜4的上部形成的

上部电极层5的表面也为与压电性薄膜4大约同样的翘曲形状。

实施例5

对于实施例5而言，通过改变基底层来控制薄膜的内部应力。

图9中表示实施例5的压电性薄膜元件的截面图。在本实施例5中，在具有氧化膜

的Si基板1上形成有粘接层2的上部，形成有下部电极层3、铌酸钠的基底层7、

LKNN的压电性薄膜8及上部电极层5来制作压电性薄膜元件。

作为基底层7，使用铌酸钠(NaNbO₃)。而且，对于本实施例5而言，

压电性薄膜8使用向KNN掺杂Li而成的

LKNN((Na_xK_yLi_z)NbO₃(以下记

为LKNN)。虽然LKNN由锂(Li)、钾(K)、钠(Na)、铌(Nb)、氧5种元素构成，其

中如果使用不含锂、钾的铌酸钠(NaNbO₃)作为基底层，进行溅射的腔

内不存在被压电性薄膜8的构成元素以外的物质污染的问题，能够使用成膜基底层

的同一个腔来成膜压电性薄膜，能够连续地进行基底层、压电性薄膜的成膜。

首先，准备与实施例4相同的带有Pt电极的基板，在其上部形成铌酸钠的基底层7。

使用溅射法形成该基底层7。溅射气体使用Ar+O₂混合气体(混合比为

8.5∶1.5)，RF功率为100W来进行成膜以使膜厚为200nm。如此形成的铌酸钠膜

用X射线衍射装置评价，可以看其沿(001)面优先取向。之后，在铌酸钠膜的基底

层7上形成LKNN膜的压电性薄膜8。使用溅射法进行LKNN压电性薄膜的成膜。

在成膜中进行600℃的基板加热，通过Ar+O₂混合气体(混合比为9∶1)

的等离子体实施溅射。靶材使用

(Na_xK_yLi_z)NbO₃，x＝0.48，y＝

0.48，z＝0.04的烧结体靶材。在溅射施加功率为100W下实施成膜，进行成膜直

至膜厚为3μm。使用X射线衍射装置实施晶体结构分析，可以看出，LKNN压电

性薄膜沿(110)、(001)两个面取向。

对于本实施例的元件，使用光杠杆法进行内部应力评价。其结果是，与实施例4同

样地，确认在增大LKNN溅射施加功率时，如图9(a)所示，为凸状的压缩应力状

态，增大至-0.8GPa左右。

另一方面，通过使膜形成后进行的热处理的温度增加，如图9(b)所示，变为凹状拉

伸应力状态，增大至0.8G左右。因此，可以看出，通过溅射施加功率和热处理温

度等控制内部应力的大小，由此能够制作显示出所期望的压电特性的LKNN膜。

而且，对作为基底层的另外几种材料进行研究。其结果是，除了

NaNbO₃、LaNiO₃以外，LaAlO₃、

SrTiO₃、SrRuO₃、

La_0.6Sr_0.4FeO₃、

La_0.6Sr_0.4CoO₃、KNbO₃也同样

具有控制效果。而且，使这些层叠(在LaNiO₃上形成

KNbO₃等)、固溶(La(Ni、Al)O₃等)也有同样的效果。

以上，与本实施例4同样，如果精度良好地控制溅射施加功率和热处理温度，能够

制作低内部应力的LKNN膜，进一步地能够制作平坦且高取向的压电性薄膜，能

够实现高性能的压电性薄膜。

接着，在制成的KNN膜的压电性薄膜8上形成上部电极层5。上部电极层5的材

料选择A1，使用真空蒸镀法形成。可以看出，在平坦的压电性薄膜8的上部形成

的上部电极层5的表面也为与压电性薄膜8大约相同的翘曲形状。

实施例6

对于实施例6而言，通过改变压电性薄膜的内部应力来控制压电常数。

本实施例6中，在实施例1所示的Si基板上的KNN压电性薄膜元件中，对于有效

压电常数，表示出该压电性薄膜的基板翘曲形状及内部应力的合适的值(范围)。

此处测定的压电常数为向膜厚3μm的KNN压电性薄膜施加20V的电压时的压电

常数。图10中表示作为实施例之一的基板的翘曲形状(曲率)与压电常数的相关图。

此时，图10的横轴为曲率半径R的倒数，即曲率(1/R)。单位为m^-1。

而且，纵轴为压电常数。作为纵轴的具体例子，可列举出作为垂直电极面(厚度方

向)的伸缩的变化量的d₃₃或作为沿电极表面方向的伸缩的变化量的

d₃₁。

此处的压电常数的单位为任意单位。之所以使压电常数为任意单位，是因为如下的

理由。为了求出压电常数，需要压电薄膜的杨氏模量和泊松比等数值，但压电薄膜

(压电薄膜)的杨氏模量和泊松比的数值不易求出。尤其是对于薄膜的场合而言，不

同于块体，由于受到来自成膜时使用的基板的影响(约束等)，因此薄膜自身的杨氏

模量和泊松比(常数)的绝对值(真值)原理上难于求出。因此，使用迄今已知的KNN

薄膜的杨氏模量和泊松比的推定值计算压电常数。因此，由于所得的压电常数为推

定值，为了维持客观性而使用相对的任意单位。但是，虽然可以说用于算出压电常

数的KNN薄膜的杨氏模量和泊松比的值为推定值，某种程度上其是具有信赖性的

值，压电常数的约70的“任意单位”，大体上可以说压电常数d₃₁为

70[-pm/V]。这在后述图11～图13中也是共通的。

而且，横轴的符号为负的场合表示压缩应力，为正的场合表示拉伸应力状态。如该

图所示，可以看出，在压缩应力状态的范围中，压电常数随着曲率接近0(曲率半

径变大)而变大。而且相反地、随着曲率变大(曲率半径变小)压电常数变小。尤其是，

如果曲率为约-0.15m^-1(曲率半径为约-6.7m)，压电常数约为0。另一方

面，可以看出，在拉伸应力状态中，虽然曲率在0附近(曲率半径大)时，压电常数

有略微变大的倾向，但是即使曲率变大，压电常数也不减少。这表示了，压电常数

对压缩应力的变化很敏感，基板的翘曲为凸状时，该翘曲量(曲率)影响压电常数的

大小。此外如图11所示，即使是对于20V以下的2V施加电压的压电常数，与内

部应力的相互关系也得到大约同样的结果。因此，在压缩状态中通过将曲率半径控

制到6.7m以上，能够确保所期望的压电常数。

因此，为了得到具有所期望的压电常数的KNN压电性薄膜元件，可将所述压电性

薄膜的曲率的绝对值控制在0.15m^-1以下的范围内，为了得到具有比期

望的压电常数高的压电常数的KNN压电性薄膜元件，可将所述压电性薄膜的曲率

的绝对值控制在0.07m^-1以下的范围内。

之后，图12表示KNN压电性薄膜的内部应力和压电常数的相关图。表1表示各

样品的内部应力与压电常数的测定值。图12的横轴为KNN压电性薄膜的内部应

力值。单位为GPa。而且在横轴的符号为负的场合表示压缩应力状态，为正的场合

表示拉伸应力状态。而且，可以看出，在本实施例中形成Pt下部电极时，内部应

力从该图可得知，在压缩应力状态中，随着KNN压电性薄膜的内部应力接近0，

压电常数变大。而且相反地、随着内部应力变大，压电常数变小。尤其是，当内部

应力为约0.9GPa时，压电常数为约0。如图13及表2所示，即使是对于20V以下

的施加电压的压电常数，与内部应力的相互关系也得到大约同样的结果。因此，在

压缩应力状态中，通过将内部应力控制为0.9以下，能够确保所期望的压电常数。

即，以本实施例中所得的相关关系为基础，通过将KNN压电性薄膜的内部应力控

制为最合适的值，能够制作具有对于各种设备来说必要的性能的压电性薄膜元件。

表1

表2

这里，对于表1及表2所示的样品1～42而言，以实施例1记载的条件为基础制作。

通过控制作为参数的成膜时的基板温度、溅射施加功率、成膜后的热处理温度，得

到具有不同内部应力的样品。具体而言，基板使用带有热氧化膜的Si基板。使用

的基板尺寸为4英寸，基板厚度为0.3mm，(100)面方位。而且使氧化膜的厚度为

150nm。在Si基板上设有2nm的Ti粘接层，Ti粘接层上形成200nm的Pt薄膜(下

部电极层)。Pt下部电极优先向(111)面取向。对于Ti粘接层及Pt薄膜而言，成膜

时的基板温度为300℃、溅射用气体使用100％Ar气体，在2.5Pa压力下成膜。

作为压电性薄膜的KNN膜的厚度为3μm。溅射靶材使用KNN烧结体靶材。控制

成膜时的基板温度在600℃～900℃之间，控制能量以使施加功率密度在

0.010W/mm²至0.040W/mm²的范围内。对于溅射用气体而

言，使用Ar+O₂的混合气体(混合比9∶1)，控制压力在0.4Pa～1.3Pa

之间。将KNN膜的成膜后的热处理温度控制在600℃～750℃的范围。而且，在本

实施例中，将靶材和基板间的距离(TS间距离)控制在100mm～150mm之间。

另外，如本实施例所述，通过溅射用气体使用含有Ar的气体的溅射法进行成膜，

使压电性薄膜中含有Ar。如果压电薄膜中含有Ar，由于Ar具有与构成压电性薄

膜的元素不同的原子半径，因此存在Ar侵入到压电薄膜的晶格间或者置换构成压

电薄膜的元素，在压电薄膜中存在产生内部应力的情形。在这样的情形下，通过适

宜地控制施加功率和TS间距、气体混合比，使压电性薄膜中的Ar含有量在规定

的范围内，控制压电性薄膜的翘曲量。在本实施例的压电性薄膜元件中，Ar含有

量以质量比记为80ppm以下。此外，对含有Ar的KNN压电薄膜的Ar含有量的评

价使用荧光X射线分析装置(理学公司制造，系统3272)。

如本实施例所示，为了得到具有所期望的压电常数的KNN压电性薄膜，将所述压

电性薄膜的内部应力的绝对值控制在0.9GPa以下，为了得到具有比所期望的压电

常数高的压电常数的KNN压电薄膜元件，将其控制在0.45GPa以下的范围内。

根据本实施例，能够形成Si基板上不使用铅的具有良好压电常数的压电薄膜。由

此，不使用环境负荷物质铅，能够实现执行器和传感器等高性能压电设备。另外，

虽然在本实施例中表示了基板和压电薄膜之间形成了作为下部电极层的Pt薄膜的

例子，但是也可不形成下部电极层、在基板上直接地形成KNN压电性薄膜，或形

成控制KNN压电薄膜的取向的基底层(取向控制层)来形成KNN压电性薄膜。在这

种情况下，通过在KNN压电性薄膜上形成具有规定图案的上部电极，能够制作利

用表面弹性波的滤波设备。