專利名稱：帶有壓電薄膜的基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有壓電薄膜的基板，特別涉及無鉛的帶有壓電薄膜的基板。
背景技術(shù)：
具備壓電體的壓電元件用于執(zhí)行器、傳感器等。作為形成這樣的壓電元件的壓電 體，廣泛使用著？13(21~1-#^)03系的鈣鈦礦型強電介體(PZT)。但是，由于PZT含鉛(Pb)， 所以從環(huán)境方面考慮，優(yōu)選在壓電元件上使用不含鉛的壓電體即無鉛壓電體。作為現(xiàn)有的無鉛壓電薄膜元件，有例如使用由堿鈮氧化物系的鈣鈦礦化合物構(gòu)成 的電介體膜的壓電薄膜元件。該壓電薄膜元件包括MgO等構(gòu)成的基板、在基板上形成的 下部電極、由BaTi03等構(gòu)成的在下部電極之上形成的緩沖層、由通式(NaxKyLiz) Nb03 (0 < x < 1，0 < y < l,x+y+z = 1)表示的堿鈮氧化物系的鈣鈦礦化合物構(gòu)成、在緩沖層上形成的 壓電薄膜以及在壓電薄膜之上形成的上部電極(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 特開2007-19302號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，專利文獻(xiàn)1記載的壓電薄膜元件如果是在MgO等的基板上形成由鈮酸鉀鈉 系材料構(gòu)成的壓電薄膜，有時會在壓電薄膜元件上發(fā)生翹曲。如果使這樣發(fā)生了翹曲的壓 電薄膜元件長期連續(xù)地進行壓電動作，則壓電薄膜元件的壓電常數(shù)d31會大大降低。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種帶有壓電薄膜的基板，即便使由具有無鉛壓電 體的帶有壓電薄膜的基板構(gòu)成的壓電元件長期連續(xù)地進行壓電動作后，也能夠抑制壓電元 件的壓電常數(shù)d31的降低。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的帶有壓電薄膜的基板包括具有第一熱膨脹系 數(shù)的基板，以及具有第二熱膨脹系數(shù)、在規(guī)定的條件下在上述基板上方成膜、通式為(K，Na) Nb03的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉的壓電薄膜；形成了壓電薄膜的基板基于上述第一熱膨脹系 數(shù)及上述第二膨脹系數(shù)之差，在室溫中的翹曲具有10m以上的曲率半徑。另外，上述帶有壓電薄膜的基板的壓電薄膜可以具有0. 2 y m 10 y m的膜厚。另 外，基板也可以是硅(Si)基板?；蛘呋暹€可以是鍺(Ge)基板，也可以是砷化鎵(GaAs) 基板。另外，對于上述帶有壓電薄膜的基板，在基板上，在壓電薄膜與基板之間具有下部 電極，壓電薄膜在與下部電極接觸的面的相反面上具有上部電極，上部電極及/或下部電 極也可以含有白金(Pt)。另外，上述帶有壓電薄膜的基板還可以在下部電極與壓電薄膜之 間具備具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的層。而且，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的層也可以由通式為KNb03、NaNb03> LaNi03、SrRu03或SrTi03的化合物中的任一種構(gòu)成。
另外，上述帶有壓電薄膜的基板的壓電薄膜可以由具有0. 4彡Na/(K+Na) ( 0. 75 范圍內(nèi)的組成的(K，Na)Nb03構(gòu)成。另外，上述帶有壓電薄膜的基板的壓電薄膜可以含有除 了鉀(K)、鈉(Na)、鈮(Nb)或氧(0)以外的其他元素，壓電薄膜中的其他元素的含量也可以 為10%以下。而且，其他的元素也可以為鋰或鉭。另外，上述帶有壓電薄膜的基板也可以在(001)面方向、(110)面方向、或(111)面 方向的任一方向上取向。而且，上述帶有壓電薄膜的基板的壓電薄膜也可以由平均粒徑在 0. liim 1. Oil m的范圍內(nèi)的(K，Na)Nb03構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的帶有壓電薄膜的基板，即便使由具有無鉛壓電體的帶有壓電薄膜的 基板構(gòu)成的壓電元件長期連續(xù)地進行壓電動作后，也能夠抑制壓電元件的壓電常數(shù)d31的 降低。


圖1 (a)是第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的剖視圖，(b)是第一實施方 式涉及的壓電元件的剖視圖。圖2是顯示第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及壓電元件的制造工序以 及特性評價工序的流程。圖3是顯示第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及比較例涉及的帶有壓電 薄膜的基板的形狀評價結(jié)果的圖。圖4是壓電元件的壓電特性評價方法的概略圖。圖5是顯示帶壓電薄膜的基板的翹曲的曲率半徑與壓電常數(shù)d31的降低率的關(guān)系 的圖。圖6(a)及(b)是第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的剖視圖。圖7是顯示第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及壓電元件的制造工序以 及特評評價工序的流程。圖8是顯示第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及比較例涉及的帶有壓電 薄膜的基板的形狀評價結(jié)果的圖。圖中1、3、4_帶有壓電薄膜的基板；2-壓電元件；10-Si基板；1 la-Ge基板； 1 lb-GaAs基板；12-貼合層；14-下部電極；14a-下部電極表面；16-壓電薄膜；18-上部電 極；18a-上部電極表面；20-夾板；30-激光多普勒位移計；300-位移量；300a、300b-表面位置。
具體實施例方式第一實施方式圖1(a)是顯示本發(fā)明的第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的剖視圖，(b) 是顯示第一實施方式涉及的壓電元件的剖視圖。作為第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的帶有壓電薄膜的基板1如圖 1(a)所示，包括作為基板的具有(100)面方向的硅(Si)基板10、在Si基板10上形成的 貼合層12、在貼合層12上形成的下部電極14以及在下部電極14上形成的作為壓電薄膜的 壓電薄膜16。
Si基板10作為一例是俯視形成20mmX 20mm的大致方形狀，在其表面形成熱氧化 膜。而且，在本實施方式中，作為一例是使用0.5mm厚的Si基板10。另外，貼合層12設(shè)于 Si基板10與下部電極14之間，是由例如鈦(Ti)等的金屬材料構(gòu)成。貼合層12作為一例 是由膜厚2nm的Ti構(gòu)成。下部電極14是由導(dǎo)電性材料構(gòu)成，并含有白金(Pt)等的金屬。 下部電極14作為一例是由膜厚0.2 ym的Pt ((111)面單獨取向)構(gòu)成。通過由Pt構(gòu)成下 部電極14，能夠在下部電極14上形成具有高取向性的壓電薄膜16。壓電薄膜16具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，并由不含鉛(Pb)的壓電材料構(gòu)成。壓電薄膜16是 在膜厚0.2iim lOiim的范圍內(nèi)形成。壓電薄膜16作為一例是由膜厚3 y m的鈮酸鉀鈉 構(gòu)成。鈮酸鉀鈉的通式表示為(K，Na)Nb03，本實施方式涉及的壓電薄膜16作為一例含有由 化學(xué)通式(KQ.5Naa5)Nb03表示的鈮酸鉀鈉。而且，壓電薄膜16是在(001)面方向、(110)面 方向或(111)面方向的任一方向上取向形成。另外，在壓電薄膜16的膜厚不到0. 2 y m的場合，壓電薄膜16發(fā)揮作為傳感器、執(zhí) 行器的功能很困難。另外，在壓電薄膜16的膜厚超過lOym的場合，壓電薄膜16的成膜的 形成實質(zhì)上很困難。由于以上的原因，優(yōu)選如上按0. 2 y m 10 y m的范圍內(nèi)的膜厚形成壓 電薄膜16。另外，壓電薄膜16作為一例是形成壓電薄膜16，使得壓電材料的平均粒徑在 0. 1 y m 1. 0 y m的范圍內(nèi)。這是因為隨著使用壓電元件的電子零件的小型化及高性能化， 由帶有壓電薄膜的基板1構(gòu)成的壓電元件也要求小型化及高性能化。即例如在按3 ym 5ym程度形成了壓電薄膜16的膜厚的場合，如果形成壓電薄膜16的壓電材料的粒徑為接 近該膜厚的粒徑，則壓電薄膜16的面內(nèi)的壓電特性會產(chǎn)生偏差，且壓電薄膜16的劣化顯 著。因此，形成壓電薄膜16的壓電材料的平均粒徑優(yōu)選充分小于壓電薄膜16的膜厚。進而，以形成能夠?qū)嶋H使用的顯示規(guī)定的壓電常數(shù)的壓電薄膜16為目的，壓電薄 膜16是由具有Na/(K+Na)的值為0. 45 0. 75的范圍的組成的(K，Na)Nb03構(gòu)成。而且， 作為形成壓電薄膜16的壓電材料的(K，Na)Nb03，除了作為構(gòu)成壓電材料的構(gòu)成元素的鉀 (K)、鈉(Na)、鈮(Nb)及氧(0)以外，也可以含有其他元素。例如，作為形成壓電薄膜16的 壓電材料的(K，Na)Nb03&能夠含有使壓電薄膜16的壓電常數(shù)不降低的限度即10%以下含 量的鋰(Li)或鈦(Ta)。而且，由本實施方式涉及的鈮酸鉀鈉構(gòu)成的壓電薄膜16的作為第二熱膨脹系數(shù) 的熱膨脹系數(shù)為5. 5 6. 5X 10_6/°C，形成Si基板10的Si的作為第一熱膨脹系數(shù)的熱膨 脹系數(shù)為2. 6X 10_6/°C。即Si基板10的熱膨脹系數(shù)與壓電薄膜16的熱膨脹系數(shù)大大不 同。另外，帶有壓電薄膜的基板1還能夠在下部電極14與壓電薄膜16之間具備緩沖 層。緩沖層是由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體易在(001)面方向、(100)面方向、(110)面方向、 (010)面方向或(111)面方向中的任一個面方向取向的材料構(gòu)成。例如，緩沖層是由具有鈣 鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物即由KNb03、NaNb03> LaNi03、SrRu03或SrTi03等的化學(xué)通式表示的化合 物構(gòu)成。通過在下部電極14上形成這樣的緩沖層，壓電薄膜16在(001)面方向、(100)面 方向、(110)面方向、(010)面方向或(111)面方向中的任一個面方向上按規(guī)定的比例取向， 在緩沖層上形成。另外，通過在下部電極14上設(shè)置緩沖層，能夠使在緩沖層上形成的層的
5結(jié)晶性提高。下面，如圖1(b)所示，第一實施方式涉及的壓電元件2的結(jié)構(gòu)是，在帶有壓電薄膜 的基板1具備的壓電薄膜16之上進一步形成上部電極18，并使下部電極14的表面的一部 分露出。通過在上部電極表面18a與下部電極表面14a之間施加規(guī)定的電壓，能夠驅(qū)動壓 電元件2。本實施方式涉及的上部電極18是由金屬材料構(gòu)成，作為一例，是由膜厚0.02 ym 的Pt構(gòu)成。而且，壓電元件2形成長度20mm、寬度2. 5mm的長方形狀。另外，上部電極18 也能夠由含有Pt以外的金屬材料的化合物構(gòu)成。圖2是顯示本發(fā)明的第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及壓電元件的制 造工序以及特性評價工序。帶有壓電薄膜的基板1及壓電元件2的制造方法以及特性評價首先，在帶熱氧化膜的Si基板10 ((100)面方向、厚度0. 5mm、20mmX 20mm的方形) 上，用RF磁控管濺射法，形成膜厚2nm的Ti構(gòu)成的貼合層12及膜厚0. 2 y m的Pt ((111) 面單獨取向)構(gòu)成的下部電極14(步驟100)。另外，貼合層12及下部電極14的成模條件如下。即設(shè)定基板溫度為350°C，放 電功率為200W，導(dǎo)入氣體氛圍氣為kr,壓力為2. 5Pa,順序使貼合層12及下部電極14成膜。 另外，設(shè)定貼合層12的成膜時間為1分鐘，下部電極14的成膜時間為10分鐘。接著，按規(guī)定的成膜條件在下部電極14上形成壓電薄膜16。具體是用RF磁控管 濺射法在下部電極14上形成膜厚3 ym的^…^^^(^膜(步驟110)。由此，形成作為 帶有壓電薄膜的基板的帶有壓電薄膜的基板1。在此，根據(jù)磁控管濺射法進行的壓電薄膜16的規(guī)定成膜條件如下。即設(shè)定具有 下部電極14的Si基板10的基板溫度為540°C，并設(shè)定放電功率為100W、導(dǎo)入氣體氛圍氣 為Ar、壓力為0.4Pa。在本實施方式中，將基板溫度設(shè)定為低于根據(jù)濺射法或PLD(Pulsed Laser Deposition，脈沖激光沉積)法將鈮酸鉀鈉膜成膜時使用的通常的溫度(例如600°C 以上的溫度，作為一例為680°C )的低溫。進而將壓電薄膜16的成膜時間設(shè)定為4小時。另外，在RF磁控管濺射法中使用 的靶是具有滿足(K+Na)/Nb = 1. 0及K/(K+Na) = 0. 5的關(guān)系的組成的(K,Na)Nb03的燒結(jié) 體的靶。接著，評價形成的作為帶有壓電薄膜的基板1的帶有0(，妝)他03膜的基板的形狀 (步驟120)。即用激光位移計在室溫下測定帶有壓電薄膜的基板1的形狀(翹曲)。接著，在壓電薄膜16之上即在步驟110中形成的(K，Na)Nb03膜之上形成由膜厚 0. 02um的Pt構(gòu)成的上部電極18 (步驟130)。而且通過從形成了上部電極18的帶有壓電 薄膜的基板1切成長度20mm、寬度2. 5mm的長方形狀，形成壓電元件2。接著，評價形成的 壓電元件2的壓電特性(步驟140)。另外，除了上述濺射法以外，也能夠用PLD法、M0CVD法、溶膠-凝膠法、氣溶膠沉 積法、液相外延法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)等形成鈮酸鉀鈉膜。進而，也可以在鈮酸 鉀鈉膜中混入少量添加物，形成壓電薄膜16。作為少量的添加物的一例，可以例舉原子數(shù)濃 度10%以下的Li。另外，形成了帶有壓電薄膜的基板1后的形狀評價工序(步驟120)在不需要實施
6形狀評價的場合可以省略。同樣，關(guān)于壓電特性的評價工序(步驟140)在不需要該評價的 場合也可以省略。圖3是顯示本發(fā)明的第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及比較例涉及的 帶有壓電薄膜的基板的形狀評價結(jié)果的圖。表1是顯示本發(fā)明的第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的制造工序中的 壓電薄膜的成膜條件與比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板的制造工序中的壓電薄膜的成 膜條件的比較的表。表 1 比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板具備與第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的 基板1同樣的結(jié)構(gòu)。即比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板包括具有(100)面方向的硅基板10、在Si基板10上形成的貼合層12、在貼合層12上形成的下部電極14、在下部 電極14上形成的作為壓電薄膜的壓電薄膜16 (無圖示)。另外，比較例涉及的帶有壓電薄 膜的基板的制造也是用與第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板大致相同的工序制造， 所以除了不同點以外省略詳細(xì)說明。如表1所示，在比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板上，在下部電極14之上形成壓 電薄膜16時的成膜條件中，將具有下部電極14等的Si基板10的基板溫度設(shè)定為680°C。 而且，在將基板溫度設(shè)定為680°C的狀態(tài)下，在下部電極14之上形成作為壓電薄膜16的 (K, Na)Nb03 膜。圖3是顯示用激光位移計測定第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1及比較 例涉及的帶有壓電薄膜的基板的形狀(翹曲)的結(jié)果。參照圖3，第一實施方式涉及的帶有 壓電薄膜的基板1及比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板雙方都是在上方配置了(K，Na)Nb03 膜即壓電薄膜16的狀態(tài)下，以凸起的形狀向下翹曲。而且，第一實施方式涉及的帶有壓電 薄膜的基板1的翹曲的曲率半徑在室溫下為13. 5m,比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板的 翹曲的曲率半徑在室溫下為8. 3m。由此顯示，由于形成作為壓電薄膜16的鈮酸鉀鈉膜時的基板的溫度是低于通常溫度的低溫，所以，具備由鈮酸鉀鈉膜構(gòu)成的壓電薄膜16的帶有壓電薄膜的基板1的翹曲 比將基板溫度設(shè)定為通常溫度形成壓電薄膜16時小。圖4是顯示壓電元件的壓電常數(shù)d31的評價方法的概略。對第一實施方式涉及的壓電元件2和比較例涉及的壓電元件雙方評價了壓電常 數(shù)d31。另外，用與由第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1制造壓電元件2的方法相 同的方法，由比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板形成了比較例涉及的壓電元件。如下評價 了壓電常數(shù)d31。即首先，用夾板20固定壓電元件的長度方向的一端，構(gòu)成簡易的單型懸臂 (unimorph cantilever)。接著，在該狀態(tài)下，向上部電極18和下部電極14之間的作為壓電 薄膜16的(K，Na)Nb03膜施加規(guī)定的電壓。由此，(K，Na) Nb03膜伸縮，單型懸臂(unimorph cantilever)整體產(chǎn)生彎曲動作，如圖4(b)所示，懸臂的前端產(chǎn)生動作。這時，用激光多普 勒位移計30測定了施加電壓前的上部電極表面18a的表面位置300a與施加電壓后的表面 位置300b的位移，即位移量300。壓電常數(shù)d31能夠從位移量300、懸臂的長度、Si基板10及壓電薄膜16的楊氏模 量、施加電壓中計算出來。連續(xù)10億次實施了該懸臂的彎曲動作。而且，計算出了實施彎 曲動作前(初期狀態(tài))的壓電常數(shù)(初期壓電常數(shù)d31)和實施了 10億次彎曲動作后的壓 電常數(shù)(驅(qū)動后壓電常數(shù)d31)。接著，從(初期壓電常數(shù)d31-驅(qū)動后壓電常數(shù)d31)/初期壓 電常數(shù)d31X100(% )的公式中計算出了 10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降低率。表2是顯示第一實施方式涉及的壓電元件的壓電常數(shù)的降低率與比較例的壓電 元件的壓電常數(shù)的降低率的比較。表 2 比較例涉及的壓電元件進行了 10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降低率為 7.4%。而第一實施方式涉及的壓電元件2進行了 10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降 低率為3.3%。由此，在第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1的制造方法中，顯示了通過 將形成壓電薄膜16時的基板的溫度定為低于通常的溫度的低溫，能夠?qū)崿F(xiàn)減少壓電常數(shù) d31的降低率。這是因為，如果將形成壓電薄膜16時的基板的溫度定為低于通常的溫度的 低溫，第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1的翹曲小于比較例涉及的帶有壓電薄膜 的基板的翹曲。圖5是顯示帶有壓電薄膜的基板的翹曲的曲率半徑與壓電常數(shù)d31的降低率的關(guān)系。首先，通過濺射法或PLD法在規(guī)定的基板等上將鈮酸鉀鈉膜成膜的場合，通常是 將成膜溫度設(shè)定為600°C以上。這時，在規(guī)定的基板為MgO基板或SrTi03基板等的場合，由 于成膜后的鈮酸鉀鈉膜的熱膨脹系數(shù)與基板的熱膨脹系數(shù)之差的原因，在鈮酸鉀鈉膜中會
8產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。由此，如果將鈮酸鉀鈉膜配置為上、基板配置為下，則在上方會產(chǎn)生凸起形 狀的翹曲。發(fā)明者獲知，這種場合的翹曲的曲率半徑在室溫下大致為4m 7m。另外，以下說明中的帶有壓電薄膜的基板的形狀是顯示配置成壓電薄膜(鈮酸鉀 鈉膜)為上、帶有壓電薄膜的基板具備的基板為下的形狀。具體說是當(dāng)壓電薄膜的熱膨脹 系數(shù)小于基板的熱膨脹系數(shù)時，帶有壓電薄膜的基板的形狀為向下凸起的形狀。另外，當(dāng)壓 電薄膜的熱膨脹系數(shù)大于基板的熱膨脹系數(shù)時，帶有壓電薄膜的基板的形狀為向上凸起的 形狀。另外，在基板上使用Si基板10的場合，如果將成膜溫度設(shè)定為600°C以上，則在 鈮酸鉀鈉膜上會發(fā)生拉應(yīng)力。由此，如果將將鈮酸鉀鈉膜配置為上、基板配置為下，則會發(fā) 生向下的凸起形狀的翹曲。發(fā)明者獲知，這種場合的翹曲的曲率半徑在室溫下大致為6m 9m。進而，發(fā)明者獲知，如果作為基板分別使用MgO基板、SrTi03基板及Si基板，作為 基板溫度設(shè)定成通常的成膜溫度600°C以上的溫度，使形成的各個帶有壓電薄膜的基板構(gòu) 成的各個壓電元件長期連續(xù)進行壓電動作，則壓電常數(shù)d31會大大降低。另一方面，通過采取將形成壓電薄膜時的基板溫度設(shè)定為550°C以下等的對策，做 成了具有各種曲率半徑的翹曲的鈮酸鉀鈉帶有壓電薄膜的基板。而且，由做成的各個帶有 壓電薄膜的基板制作了壓電元件。接著，與圖4的上述說明同樣，計算出了壓電常數(shù)d31的 降低率。其結(jié)果是，在基于由鈮酸鉀鈉構(gòu)成的壓電薄膜的熱膨脹系數(shù)及基板的熱膨脹系數(shù) 之差在帶有壓電薄膜的基板上產(chǎn)生的室溫中的翹曲具有10m以上的曲率半徑的場合，得到 了 10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降低率為5%以下的結(jié)果。發(fā)明者獲知帶有壓電 薄膜的基板的壓電常數(shù)31大大降低的原因是由于對帶有壓電薄膜的基板具有的壓電薄膜 施加的應(yīng)力，使帶有壓電薄膜的基板上產(chǎn)生翹曲。第一實施方式的效果本發(fā)明的第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1是將具有下部電極14的Si 基板10的溫度設(shè)定為比通常的(K，Na)Nb03成膜時使用的溫度低的低溫，在下部電極14之 上形成由(K，Na)Nb03構(gòu)成的壓電薄膜16，因此，即便在Si基板10的熱膨脹系數(shù)與壓電薄 膜16的熱膨脹系數(shù)大大不同的場合，也能夠減少帶有壓電薄膜的基板1的翹曲。由此，在 使由不含鉛的帶有壓電薄膜的基板1構(gòu)成的壓電元件2長期連續(xù)進行壓電動作的場合，也 能夠抑制壓電常數(shù)d31的降低。另外，如第一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1，通過使帶有壓電薄膜的基板 1的翹曲的曲率半徑為10m以上，還能夠減少帶有壓電薄膜的基板的翹曲，抑制壓電常數(shù)d31 的降低，能夠提供無鉛材料的具有優(yōu)越的壓電特性的帶壓電薄膜的基板。第二實施方式圖6(a)及(b)是顯示本發(fā)明的第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板的剖視 圖。第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3及帶有壓電薄膜的基板4除了將Si 基板10置換為Ge基板1 la或GaAs基板1 lb以外，具有與第一實施方式涉及的帶有壓電薄 膜的基板1大致相同的結(jié)構(gòu)，所以，除了不同點以外省略詳細(xì)的說明。
如圖6(a)所示，第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3包括Ge基板11a、在 Ge基板11a上形成的貼合層12、在貼合層12上形成的下部電極14以及在下部電極14上 形成的壓電薄膜16。另外，如圖6(b)所示，第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3包 括GaAs基板lib、在GaAs基板lib上形成的貼合層12、在貼合層12上形成的下部電極14 以及在下部電極14上形成的壓電薄膜16。Ge基板11a作為一例俯視為20mmX20mm的大致長方形狀、0. 5mm厚。而且，Ge基 板11a具有(100)面方向。同樣，GaAse基板lib作為一例俯視為20mmX20mm的大致長方 形狀、0.5mm厚。而且，GaAs基板lib具有(100)面方向。在此，作為形成Ge基板11a的Ge的第二熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)為 6. 1X10_6/°C，作為形成GaAs基板lib的GaAs的第二熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)為 5. 7X 10_6/°C。因此，Ge基板11a及GaAs基板lib各自的熱膨脹系數(shù)接近鈮酸鉀鈉構(gòu)成的 壓電薄膜16的熱膨脹系數(shù)(5. 5 6. 5X 10_6/°C )。圖7是顯示本發(fā)明的第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及壓電元件的制 造工序以及特性評價工序。第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3及帶有壓電薄膜的基板4是經(jīng)過與第 一實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板1大致相同的工序形成的。因此，除了不同點以外 省略詳細(xì)的說明。 在本實施方式中，在Ge基板1 la或GaAs基板1 lb的上方的下部電極14之上形成 由(1(，妝)他03構(gòu)成的壓電薄膜16時，設(shè)定為與第一實施方式不同的基板溫度。即在第二 實施方式中，將基板溫度設(shè)定為包含在通常形成0(，妝)他03的溫度范圍內(nèi)的6801。其他 的制造工序及制造條件與第一實施方式同樣。圖8是現(xiàn)實本發(fā)明的第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板及比較例涉及的 帶有壓電薄膜的基板的形狀評價結(jié)果。圖8是顯示用激光位移計測定了第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3、帶 有壓電薄膜的基板4以及比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板的形狀(翹曲)的結(jié)果。另 外，比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板是與第一實施方式中所述的比較例涉及的帶有壓電 薄膜的基板相同的帶有壓電薄膜的基板。參照圖8，第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3、帶有壓電薄膜的基板4以 及比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板都是由于(K，Na)Nb03膜即壓電薄膜16配置在上方， 所以以凸起的形狀向下方翹曲。而且，第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3的曲率 半徑在室溫下為15. 2m,第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板4的曲率半徑在室溫下 為14. 0m,比較例涉及的帶有壓電薄膜的基板的曲率半徑在室溫下為8. 3m。表3顯示第二實施方式涉及的壓電元件的壓電常數(shù)的降低率與比較例涉及的壓 電元件的壓電常數(shù)的降低率的比較。表 3
10 比較例涉及的壓電元件的10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降低率為7. 4%0 另一方面，由第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3構(gòu)成的壓電元件的10億次彎曲動 作后的壓電常數(shù)d31的降低率為2. 2%。進而，由第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板 4構(gòu)成的壓電元件的10億次彎曲動作后的壓電常數(shù)d31的降低率為2. 9%。第二實施方式的效果由于第二實施方式涉及的帶有壓電薄膜的基板3及帶有壓電薄膜的基板4具備具 有接近鈮酸鉀鈉膜的熱膨脹系數(shù)的值的熱膨脹系數(shù)的Ge基板11a或GaAs基板11b，所以， 在Ge基板11a或GaAs基板lib與鈮酸鉀鈉構(gòu)成的壓電薄膜16之間能夠大幅度減少壓縮 或拉應(yīng)力。由此，能夠抑制帶有壓電薄膜的基板3及帶有壓電薄膜的基板4的翹曲，因此能 夠抑制由帶有壓電薄膜的基板3及帶有壓電薄膜的基板4各自構(gòu)成的壓電元件的壓電常數(shù) d31的降低率變大。以上說明了本發(fā)明的實施方式，但上述的實施方式并不限定專利權(quán)利要求的范圍 涉及的發(fā)明。另外，還應(yīng)留意在實施方式中說明的所有的特征組合都不一定是用于解決發(fā) 明課題的手段所必須的。
權(quán)利要求
一種帶有壓電薄膜的基板，包括具有第一熱膨脹系數(shù)的基板，以及具有第二熱膨脹系數(shù)的、在規(guī)定的條件下在上述基板上方成膜的、通式為(K，Na)NbO3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉的壓電薄膜；形成有上述壓電薄膜的上述基板基于上述第一熱膨脹系數(shù)及上述第二膨脹系數(shù)之差，在室溫中的翹曲具有10m以上的曲率半徑，上述壓電薄膜具有0.2μm～10μm的膜厚，上述壓電薄膜在(001)面方向、(110)面方向或(111)面方向的任一個上取向，上述壓電薄膜是由平均粒徑在0.1μm～1.0μm的范圍內(nèi)的(K，Na)NbO3構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述基板是硅基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述基板是鍺基板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述基板是砷化鎵基板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4的任一項所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述基板 在上述壓電薄膜與上述基板之間具有下部電極，上述壓電薄膜在與上述下部電極接觸的面 相反的面上具有上部電極，上述上部電極及/或上述下部電極被形成為含有白金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5的任一項所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于在上述下 部電極與上述壓電薄膜之間還有具備鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于具有上述鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 層由通式為KNb03、NaNbO3^ LaNi03、SrRuO3或SrTiO3的化合物中的任一種構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7的任一項所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述壓電 薄膜由具有組成在0. 4彡Na/(K+Na)彡0. 75范圍內(nèi)的(K，Na) NbO3構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8的任一項所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述壓電 薄膜包含除了鉀、鈉、鈮或氧以外的其他元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述壓電薄膜中的上述 其他的元素的含量為10%以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的帶有壓電薄膜的基板，其特征在于上述其他的元素 為鋰或鉭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種帶有壓電薄膜的基板，即便使具有無鉛壓電體的帶有壓電薄膜的基板構(gòu)成的壓電元件長期連續(xù)進行壓電動作后，也能夠抑制壓電元件的壓電常數(shù)d31的降低。本發(fā)明涉及的帶有壓電薄膜的基板包括具有第一熱膨脹系數(shù)的基板，在規(guī)定的成膜條件下成膜、具有第二熱膨脹系數(shù)且在基板上方形成的通式為(K，Na)NbO3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉的壓電薄膜；形成壓電薄膜的基板基于第一熱膨脹系數(shù)及第二熱膨脹系數(shù)之差，在室溫中的翹曲具有10m以上的曲率半徑。
文檔編號H01L41/09GK101867014SQ20101019756
公開日2010年10月20日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者岡史人, 柴田憲治 申請人:日立電線株式會社