专利名称：压电体元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有压电体薄膜的压电体元件及其制造方法。
背景技术：
近年来，根据不同的需要，压电体薄膜被加工成各种各样的压电体元件，特别是被广泛运用于加压能产生变形的致动器及由元件变形产生电压的传感器等功能性电子部件。例如，如日本特开2002-279742号公报中公开了运用压电体元件可以对磁盘的磁头位置进行微细控制。这是由于磁盘的记录密度增大，一个磁头的记录区域的面积变小，但用原来的音圈电机很难对磁头的位置进行高精度控制。因此，除了利用音圈电机确定位置，正在研究利用压电体元件来进行微小区域内的高精度位置确认的2段致动器的结构。所采用的压电体元件单元由一对压电体元件构成，一方伸张时，另一方收缩，因此可以使其前端附着的磁头在磁盘面上进行微小且高精度的移动。
上述压电体元件通常用以下的方法制作而成。例如，用氧化镁单晶基板(MgO基板)作为基板。在该MgO基板上形成(100)取向的铂膜(Pt膜)。再在该Pt膜上形成(001)取向的钛酸锆酸铅(PZT)薄膜。进一步地，在该PZT薄膜上形成电极薄膜后，利用照相平板印刷法(フオトリ ソグラフイ一プロセス)和蚀刻法(エツチングプロセス)将这些薄膜加工成一定的形状。其后，通过蚀刻等除去MgO基板，由此制备压电体元件。
PZT薄膜的制备通常采用溅射法(スパツタリング法)，其成膜温度为550℃-650℃。在该高温下溅射时，溅射成膜过程中，铅(Pb)将从PZT薄膜中再蒸发，因此，最终形成的PZT薄膜是Pb组成减少、偏移化学计量组成的膜。因此，为了得到化学计量组成的PZT薄膜，Takayama等使溅射用的靶(タ一グツト)的Pb量过剩20％，通过用该靶成膜防止PZT薄膜中Pb成分的减少。(J.Appl.Phys.65(4)，1666(1989))。
然而，为了得到用含过剩Pb的靶制备的化学计量组成的PZT薄膜，作为放电气体，必须在惰性气体中添加氧气，并在较高压力条件下进行溅射成膜。不过，该条件下的成膜速度不能大。作为压电体元件使用的PZT薄膜的厚度必须控制在1μm-10μm左右，因此在小成膜速度下批量生产性非常低。
日本特开平6-49638号公报公开了在形成用于半导体存储器的PZT薄膜时，为了增大成膜速度，使真空装置内的放电气体压力为较低压力进行溅射。放电气体压力低时，所制备膜中的Pb成分更容易减少，因此，为了制备化学计量组成的PZT薄膜，使用对应于放电气体压力的Pb组成过剩的靶。
此外，日本特许第3341357号公报公开了为了改善PZT薄膜压电特性而制成的薄膜比化学计量组成含有过剩的Pb，而且，结晶结构为菱形晶，由此增大压电常数d31。
不过，上述第1例和第2例中，都是以制备化学计量组成的PZT薄膜为目的，因此，有必要在具有较高氧分压的放电气体中溅射成膜。在该高氧分压下形成的PZT薄膜的压电常数d31通常较小，而且，溅射时的成膜速度不能大。因此，不能得到高压电特性，并且无法改善批量生产性。
此外，上述第3例中，PZT薄膜中Pb量比加入钛(Ti)和锆(Zr)的量还过剩，但PZT薄膜中的氧(O)和Pb的量同比例增加，并不造成氧缺损。因此，有必要在成膜时添加较多的氧，在高放电气体压力条件下进行溅射，成膜速度不能大，结果是不能改善批量生产性。
发明概述若能对氧化物压电体薄膜设定适当的氧缺损量，则有望改善压电常数d31，可以得到具有良好压电特性的压电体元件。基于该认识，本发明提供压电特性好，且能增大成膜速度，提高批量生产性的压电体元件及其制造方法。
针对上述课题，本发明的压电体元件具有以下结构其包括第1电极膜、第2电极膜以及所述第1电极膜和第2电极膜所夹的压电体薄膜，所述压电体薄膜是相对化学计量组成具有0％以上、10％或10％以下的氧缺损量的氧化物压电体薄膜。
通过使用具有氧缺损的氧化物压电体薄膜，可以获得比原来压电特性大的压电体元件，而且可以高速成膜，所以，有望提高压电体元件的特性及改善其批量生产性。
附图简述图1是本发明实施例中压电体元件的斜视图；图2A-2D是同一实施例中压电体元件的制造方法中主要步骤的断面图；图3是同一实施例中，用Y＝0.25组成的靶制备的压电体元件的位移量和氧分压之间关系的示意图；图4是同一实施例中压电体元件位移量与对应氧缺损量比率的氧分压之间关系的示意图；图5是同一实施例中求算压电体元件的氧缺损量比率与位移量之间关系的示意图；图6是同一实施例中改变靶组成制备的压电体元件的位移量和氧分压之间关系的示意图；图7是将同一实施例中的压电体元件用于磁盘装置的磁头位置确认的示例图；图8A是同一实施例中磁盘装置中的压电体元件附近形状的平面图；图8B是沿图8A所示X-X射线的断面图。符号说明1，1081 第1电极膜(Pt膜)2，1082氧化物压电体薄膜(PZT薄膜)3，1083第2电极膜(Pt膜)5驱动电源10，108，108A，108B压电体元件15 MgO基板100磁头支持结构102滑动器(スライダ一)103挠性部(フレクシヤ一)103A电极垫103B压电体电极线
103C磁头电极线104悬浮器(サスペンション)105簧片106臂107粘合层109导线110轴承部112音圈200磁盘220旋转驱动装置具体实施方案以下通过
本发明的实施例。另外，下面所说明的附图中，相同的要素附加了相同的符号，有时省略说明。
第1实施例图1为与本发明第1实施例涉及的压电体元件的斜视图。此外，图1还显示了用于驱动压电体元件10的驱动电源5。
压电体元件10由第1电极膜1、在该第1电极膜1上形成的氧化物压电体薄膜2及在该氧化物压电体薄膜2上形成的第2电极膜3构成。第1电极膜1、氧化物压电体薄膜2及第2电极膜3分别通过溅射等薄膜形成技术成膜，并利用照相平板印刷法和蚀刻法加工成图1所示的近长方体形状。
该压电体元件10的尺寸，例如，压电体产生伸缩的方向，即长方向(如图中B所示方向)约2mm、宽方向约0.5mm、厚度约3μm。此外，为了利用压电体元件10，有必要在氧化物压电体薄膜2上进行初期极化，在本实施例中，如图1所示，该极化方向为箭头A所示方向。该极化矢量不一定必须与膜面垂直，倾斜时，考虑其垂直成分即可。即，氧化物压电体薄膜2的区域不必都在膜厚方向极化。
另外，在成膜后的状态下自然地产生自发极化时，也可以直接利用该自发极化。压电体元件10的形状也不一定必须为长方体。例如，也可以是与使用装置形状相适的梯形形状或三角形形状等各种形状。
驱动电源5是将所定电压外加到压电体元件10上的电源，一旦第1电极膜1和第2电极膜3上有外加电压，通过该电压，氧化物压电体薄膜2即可伸缩运动。
利用以上结构，压电体元件10在驱动电源5的电压作用下，可沿箭头B所示方向作伸缩运动。本实施例中，将该伸缩运动用作驱动力。即，将一个方向的顶端固定，另一方向的顶端作为自由端，在该自由端上固定待控制的被控制物，由此可以确定被控制物的精密位置。单位电压的位移量依赖于压电常数d31(压电性指标之一)，d31越大，元件位移量越大。
本发明的特征在于，将该氧化物压电体薄膜2中的氧缺损量控制在0％以上至10％或10％以下，优选控制在2％或2％以上至7％或7％以下，进一步优选控制在2％或2％以上至5％或5％以下。本发明人发现，包含具有上述氧缺损量的氧化物压电体薄膜的压电体元件与处于化学计量组成的氧化状态的氧化物压电体薄膜相比，具有较大的压电特性。而且，在该条件下制作可以增大成膜速度，改善批量生产性。
若使氧缺损量在0％以上至10％或10％以下，则能增大压电常数d31，其结果可以增大压电体的位移量。例如，使用通式为Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z的PZT薄膜时，可使氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)为0以上，并且为0.1(即，10％)或0.1以下。
此外，如果使该氧缺损量为2％或2％以上至7％或7％以下，则能控制结晶取向度的不规则性，而且，即使氧缺损量产生不规则性，也能使位移量的变动比较小。因此，有望改善制备成品率。若该氧缺损量为2％或2％以上至5％或5％以下，对应于氧缺损量的位移量的变动将更小。因此，有望进一步改善制备成品率。
此外，优选结晶取向使极化轴为膜厚方向。例如，如果为正方晶PZT薄膜，则优选取向(001)方向，如果为菱形晶PZT膜，则优选取向(111)方向。
下面，作为氧化物压电体薄膜2，以溅射法制备氧化物压电体薄膜为例，该氧化物压电体薄膜的通式为A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)，与其极化轴平行的方位的结晶取向度为70％或70％以上，说明通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z表示的PZT薄膜的具体制造方法及压电特性的测定结果。
图2A至图2D是本实施例中压电体元件10的制造方法的主要工程的断面图。
采用(100)方向的MgO基板作为基板。用氩(Ar)气，在基板温度500℃，放电气体压力为0.5Pa的条件下，通过溅射法在所述MgO基板15上形成Pt膜1，该膜是膜厚为100nm，(100)取向的第1电极膜。
然后，在Pt膜1上形成膜厚5μm的氧化物压电体薄膜PZT薄膜2。图2A是表示形成PZT薄膜2状态的断面图。靶组成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示时，采用X＝0.58、Y＝0.25的靶。此时，Z值与Y值相同。
将溅射时的放电气体压力设为0.5Pa，基板温度设为600℃。此时，放电气体的组成为Ar气和氧气(O2)的混合气体，在放电气体中氧气比率为于Ar气的0.5％-50％的条件下成膜。进一步地，包括PZT薄膜2的成膜中，用质量过滤法(マスフイルタ一)测定靶和基板间的放电空间中的放电气体组成。另外，制成的PZT薄膜2通过采用电子探针微区分析法(Electron ProbeMicro Analysis，以下称为EPMA)的膜组成定量分析和X射线衍射进行结晶性评价。
接着，采用Ar气，在放电气体压力为0.5PA、常温的条件下，利用溅射法制备PZT薄膜2上的第2电极膜Pt膜3。图2B是表示形成Pt膜3状态的断面图。此外，已确认，上述条件下制造的PZT薄膜2即使不特别外加电压进行极化处理，也会朝基板面的上方向自然地自发极化。
然后，如图2C所示，在MgO基板上，通过照相平板印刷法和蚀刻法制备一定的压电体元件形状。该形状如图1所示，长方向为2mm，宽方向为0.5mm。
如此加工成一定形状后，如图2D所示，通过蚀刻除去MgO基板15，得到图1所示形状的压电体元件10。
之后，在制成的压电体元件10上接上图1所示的驱动电源5，测定箭头B所示方向的位移。外加电压设为10V。位移量是外加10V电压时，该箭头B所示方向的位移值。该位移量可用激光多普勒振动计测定。
图3是表示用Y＝0.25组成的靶求解压电体元件10的位移量与对应于结晶取向度的氧分压之间关系的图。横轴为氧分压占总压的百分数，纵轴左侧为位移量、右侧为结晶取向度。
PZT薄膜2的结晶取向度通过X射线衍射装置得出。X射线衍射可用CuKα射线源测定θ-2θ。2θ的角度范围为20°-40°。由于正方晶系PZT薄膜2的极化方向为(001)方向，结晶取向度通过X射线衍射的峰强度比(001)/∑(hkl)求出。极化方向为(001)方向的材料时，通过(001)/∑(hkl)求出，极化方向为(111)方向时，通过(111)/∑(hkl)求出。此处的∑(hkl)是用CuKα射线源测定θ-2θ时，在能从(001)反射测定(111)反射的最小范围内设定2θ上限和下限的情况下，PZT起因的反射峰的强度之和。以下有时将结晶取向度简称为取向度。
由图3可知，当氧分压在2％以下时，取向度降低，但即使氧分压为0.5％，取向度也能达到60％。当氧分压为50％时，取向度急剧降低，但即便是这种情况，取向度也能达到65％。氧分压在0.5％至10％范围内时，氧分压为1.5％时，取向度为95％，增加氧分压时，取向度将缓慢增大，氧分压为10％时，取向度达100％。氧分压在10％至30％范围内时，取向度为100％，氧分压为40％时，取向度为96％，在比其更大的氧分压下，取向度急剧降低。
另一方面，随着氧分压由0.5％增加到2％，位移量也急剧增大。然而，超过2％后，位移量将减少。其减少程度在氧分压为10％前后有差别，出现拐点。
图4是表示用Y＝0.25组成的靶，通过氧分压求解压电体元件10的位移量及氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)之间关系的图。横轴为相对总压的氧分压百分数，纵轴左侧为位移量、右侧为氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)。此外，图5为表示氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)与位移量之间关系的图。
下面，就氧缺损量比率的求算方法进行说明。首先，求算氧缺损量所必需的强电介质薄膜的组成通过上述EPMA测定。该分析法中，将极细的电子射线束照射到样品表面，用X射线分光器对该部分放射出的特征X射线的波长和强度进行测定，从而求出该样品的组成。
PZT薄膜的定量分析法具体如下进行。即，用已知Pb、Zr、Ti和O各元素浓度的标准样品测定最初的X射线强度。下面以Pb为例进行说明。标准样品的Pb浓度为WPb(std)，该样品的X射线强度设为IPb(std)。测定未知浓度的PZT薄膜时，Pb的X射线强度设为IPb。通过这些数据进行一次近似(一次近似)，未知浓度的PZT薄膜的Pb浓度WPb可通过下式求出WPb＝WPb(std)×Ipb/Ipb(std)Ipb及Ipb(std)是进行死时间校正和背景校正后单位电流的X射线强度。
利用同样的方法，可分别求出Zr、Ti和O的浓度WZr、WTi及WO。
下面，计算ZAF校正系数。Z为原子序号校正，用最小二乘法计算出Duncumb-Reed的数值。A为吸收校正，通过Philibert式计算。F为荧光校正，用Reed式求算。从WPb、WZr、WTi及WO的标准化(正規化)值可计算出各元素最初的ZAF校正系数Z、A及F，将其代入式中，得到校正后的浓度。用由此得到的浓度值即可计算出再次ZAF校正系数。用该校正系数进一步求出校正后的浓度。这样反复进行，直到计算误差达到0.001％，算出定量值。
分析所用装置为波长分散型EPMA(日本电子(株)制JXA-8900R)。样品采用加工成约5mm大小正方形的物质，将其用碳糊粘贴在样品台，导通，并在表面进行碳涂层(カ一ボンコ一テイング)。
实际测定时，最初为了确认膜厚及检查是否存在杂质，对样品进行全定性(全定性)分析。据此也可以确认电子射线是否侵入到了底层。之后，测定标准样品的PZT，并读取标准样品的值，进行样品的定量分析。此时的分析条件为加速电压为15kV，照射电流为70mA，射束直径(ビ一ム径)为10μm。确认测定是否有异常，若测定正常，将测定值标准化作为测定结果。通过以上测定方法，得到Pb、Zr、Ti及O的定量值。
氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)是以Pb取2价、Zr及Ti取4价时PZT薄膜2中的氧缺损量的比率来定义的。即，如果Pb的氧化以化学计量完全进行，此时的氧(O)量与Pb相同，为Y+1，Zr的氧化同样以化学计量式完全进行，此时的氧(O)量是Zr的2倍2X，Ti的氧化以同样方式进行时，此时的氧(O)量是Ti的2倍2(1-X)。化学计量组成的状态下，合计氧量为(Y+1)+2X+2(1-X)＝(Y+3)。
此外，制备的PZT薄膜2的实际氧量为(3+Z)，氧的不足量为(Y+3)-(3+Z)＝(Y-Z)。化学计量组成中的合计氧量为(Y+3)，氧缺损比率，即两者的比为(Y-Z)/(Y+3)。即(Y-Z)/(Y+3)表示氧缺损量的比率。利用上述EPMA的定量分析结果可求算出WPb、WZr、WTi及WO，因此以这些值为基础进行计算很容易地得到其中的X、Y及Z的值。
如图4所示，氧分压为1％或1％以下时，氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)随氧分压的减少急剧增大。即，氧分压为1％或1％以下时，PZT薄膜2中将产生大量氧缺损。当氧分压大于1％时，氧缺损量将逐渐减小，氧分压为10％时，氧缺损量比率为0.2％(0.002)，在这之上的氧分压下，得到化学计量组成的PZT薄膜。
如图4所示，氧缺损量比率为0.2％时，氧分压为10％，氧缺损量比率为5％(0.05)时，氧分压为2％，由此可看出，随着氧缺损量比率的增加，位移量也有几乎呈直线增加的倾向。然而，氧缺损量比率一旦大于5％(0.05)，位移量反而变小，在该区域，与氧缺损量比率无相关性。其原因是由于取向度变低(如图3所示)。
图5是求算氧缺损量比率(Y-Z)/(Y+3)与位移量之间关系的图。当氧缺损量比率为5％左右时，位移量显示出最大值。当氧缺损量比率小于5％左右时，位移量逐渐减小。另一方面，当氧缺损量比率为5％或5％以上时，位移量同样地减小，但在氧缺损量达为10％的附近位移量出现拐点。
由以上结果可知，要增大压电体元件10的位移量，使PZT薄膜2产生某种程度的氧缺损是有效的。当PZT薄膜2的取向度为70％或70％以上时，该氧缺损量比率的上限值为0.1。从图4可以看出，为了确保位移量比取向度为100％、无氧缺损量时的位移量大，氧缺损量比率必须控制在0.1或以下。此时的氧分压必须控制在1％或以上至10％以下的范围。
进一步地，如果把氧缺损量比率控制在2％(0.02)到7％(0.07)的范围，由图5可知，由于该范围包括位移峰值，所以，即使氧缺损量出现偏差，位移的变动也比较小。由此可以改善制造成品率，因此优选。并且，如果控制氧缺损量比率在2％或以上至5％或以下，对应于氧缺损比率的位移变动更小。可以进一步改善制造成品率，因此更优选。
当氧缺损量比率在2％到7％的范围内时，氧分压必须设定在1.5％或以上至小于5％的范围内。
如图6所示，把靶的组成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示时，X＝0.58一定，用Y＝0、Y＝0.25以及Y＝1的三种组成的靶制作PZT薄膜2，图6显示了成膜时放电气体体中的氧分压与压电体元件10位移之间的关系。
用Y＝0的靶时，氧分压在10％到20％的范围内出现位移峰值，整体来看，位移量小。原因是Y＝0时用该靶通过溅射法制成的PZT薄膜处于Pb缺乏状态。
用Y＝1的靶时，发现在氧分压为1％的附近局部有位移量的峰值。
另一方面，发现用Y＝0.25的靶时，获得大位移量的范围变大，可以高成品率地制造PZT薄膜2。
由图6可知，随着表示靶中Pb组成的Y值由0开始增大，表示位移量峰值的氧分压值有向小的方向移动的趋势。虽然没有图示，但我们用使Y值发生了各种变化的靶研究与位移的关系，结果发现，当0＜Y＜1时，在氧分压为1％到10％的范围内成膜，由此可以使压电特性良好并且可以改善批量生产性和成品率。溅射过程中利用质量过滤法对放电气体体进行分析，同时控制导入的氩(Ar)气以及氧气(O2)的比例即可控制氧分压。或者，对于Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z的靶Z＝0等情况，把作为放电气体体导入的Ar与O2的流量比例设定在上述的范围内，可以获得同样的压电体薄膜。
在本实施例中，用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示时，如果X＝0.58一定，使用Z与Y等值的靶。但是，不仅限于靶的氧组成值Z与Pb组成值Y相等的情况，也可以分别设定。即，只要在3≤Z≤Y范围，溅射时放电气体体中氧含量在上述范围内，如果适当控制成膜速度，则可以制作出具有优良压电特性的压电体薄膜。
另外，在本实施例中，使用(100)方位的MgO基板作为基板，但本发明不限于此。例如，也可以使用单晶硅基板、单晶钛酸锶基板、蓝宝石(サフアイヤ)基板或者烧结氧化铝基板、氧化锆基板等。如果使用这些基板，当不能产生自发极化时，可以在氧化物压电体薄膜成膜后进行极化处理。
在本实施例中，使用Pt膜作为第1电极膜，但本发明不限于此。例如，也可以同样使用金(Au)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)或者是它们的氧化物并具有导电性的材料。
在本实施例中，使用Pt膜作为第2电极膜，但本发明不限于此。例如也可以使用与上述第1电极膜同样的材料，或者，只要是铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)等金属材料也可以使用，不受特别限制。
另外，在本实施例中，压电体元件的制作方法是通过照相平板印刷以及蚀刻法进行加工，但本发明不限于此。例如，可以通过用掩膜(マスク)溅射或蒸镀制作规定的形状。
第2实施例本实施例是用压电体元件(按实施例1说明的方法制成)制备致动器，下面，就利用该致动器确定磁盘装置的磁头位置加以说明。图7是将本实施例中的压电体元件用于确定磁盘装置上磁头位置的装置结构模式图。该磁盘装置的特征是2段致动器结构，即在由原来的音圈电机制备的致动器上，附加由本发明压电体元件制备的致动器。磁头支持结构100由刚性较低的悬浮器104、簧片105、刚性较高的臂106、挠性部103、在该装置103上在与磁盘200相对的面上附着的滑动器102、该滑动器102上装载的磁头(无图示)及挠性部103上粘结固定的压电体元件108构成。
悬浮器104刚性较低，另一的顶端构成了簧片105，该簧片105被固定在臂106上。臂106上附着的音圈112与未图示的磁铁构成音圈电机。磁头支持结构100可通过该音圈电机在与磁盘200面平行的方向上作一定角度范围内的转动。
为了使滑动器102上装载的磁头高精度地确定在磁盘200的一定轨道位置上，驱动压电体元件108。即，该磁头支持结构100是通过音圈电机粗略确定位置，然后利用压电体元件108进行微调的两段致动器结构。
以下，就磁盘装置的运动加以说明。磁盘200通过旋转-驱动装置220以一定的旋转速度转动。当磁盘装置的记录再生时，通过磁盘200旋转产生的空气流引起的浮扬力和滑动器102压在磁盘200面的附势力之间的力平衡，滑动器102上浮一定量，磁头在该一定的上浮状态下进行记录再生。虽然是在上浮状态下进行记录再生。为了在一定轨道位置确定磁头的位置，臂106通过音圈电机以轴承部110为中心转动。原来的磁盘装置中，仅通过该音圈电机来确定位置，但本实施例中的磁盘装置还利用压电体元件108进行高精度的位置确认。
图8A以及图8B表示该压电体元件108附近部分的形状。图8A为平面图，图8B为沿图8A中所示X-X射线的断面图。在挠性部103上，一对压电体元件108A和108B通过粘合层107粘结固定在以悬浮器较长方向的中心线Y-Y线为轴对称的位置上。各压电体元件108A以及108B都沿Y-Y线呈对称形状，其横截面构造也是如此。也就是说，由夹着PZT薄膜1082的第1电极膜1081与第2电极膜1083形成了压电体元件108A以及108B。另外，有时也在这些压电体元件108A和108B的表面形成绝缘性保护树脂膜。各压电体元件108A以及108B的第1电极膜1081以及第2电极膜1083由挠性部103的电极垫103A和导线109(ワイヤリ一ド)连接。由电极垫103A引出的连接到磁盘装置控制部(无图示)的压电体电极线103B在挠性部103上形成。另外，连接装载于滑动器102上的磁头与磁盘装置控制部(无图示)的磁头电极线103C在位于一对压电体元件108A与108B中央的挠性部103上形成。
对上述结构的磁头支持结构100中的压电体元件108外加电压10V，测量磁头(无图示)的位移。结果发现，在氧缺损量比例为0＜(Y-Z)/(Y+3)≤0.1的PZT薄膜的情况下，比用原来的PZT薄膜的压电体元件发生了2倍以上的位移。所以，与原来的压电体元件相比，可在更大的范围内确定微小位置，并可实现大记载密度的磁盘装置。
在图8A及图8B所示的压电体元件108A及108B中，把PZT薄膜1082夹在第1电极膜1081与第2电极膜1083之间的结构，PZT薄膜1082只有一层，另外，也可以把这种结构的膜用粘合剂等粘贴，形成层合多层PZT薄膜的结构。通过层合可以获得更大的位移驱动力。
本实施例的PZT薄膜，其结晶结构为正方晶系，(001)取向。这是因为正方晶系PZT中极化面向(001)方向，取向(001)在压电特性上有利。若是菱形晶系的PZT薄膜，极化面向(111)方向，此时，若能确保(111)的高取向度，则在压电特性方面有利。
另外，在实施例1以及实施例2中，对通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z中X＝0.58的情况已经做了说明，但是本发明不是特别受限于此。PZT中结晶结构依赖于X，正方晶系与菱形晶系边界附近的X值的组成被称为MPB(morphotropic phase boundary)组成，大家知道其压电性变高。如果使用这附近的组成，不限于X＝0.58，就可以得到具有高压电性的压电体元件。还有，由于正方晶系和菱形晶系的边界X的值依赖于膜的形成方法或添加物的量等，因此可以适当调整。
此外，实施例1以及实施例2中，作为压电体薄膜的材料对PZT进行了说明，但可以根据需要加入添加物元素调整材料特性。此时，只要考虑计算添加物的量以及它的价数算出氧缺损量即可。作为添加元素的元素及其价数如下所示。1族典型元素(1属典型元素)为一价，2族典型元素、Mn、Ni、Cu、Zn、Sm、Eu、Yb为2价，Sc、Y、Cr、B、Al、Ga、In、Sb、Bi、La、Nd、Pm、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Lu为3价。Hf、Ir、Si、Ge、Sn、Ce、Pr、Tb为4价。
实施例1和实施例2中，Pt膜上PZT薄膜为直接成膜，为了改善PZT薄膜的结晶性及结晶取向，也可以在Pt膜上形成基底膜，然后在其上形成PZT薄膜。
实施例1和实施例2中，进行了溅射成膜，但不限于溅射成膜，通过激光削磨(レ一ザ一アブレ一ション)成膜制成的PZT薄膜中，确认了通过制成具有氧缺损的膜使压电性提高。此外，本发明不限于PZT薄膜，只要是氧化物压电体薄膜，在可以实现本发明的效果。
本发明的压电体元件，可以是压电体薄膜的结晶结构为钙钛矿型正方晶系，结晶取向(001)方向。也可以是压电体薄膜的晶体结构为钙钛矿型菱形晶系，结晶取向(111)方向。由此用正方晶系的PZT薄膜或菱形晶系的PZT薄膜作为压电体材料制作的压电体元件具有大的压电特性。
本发明的压电体元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，一部分Pb可以用选自2族典型元素、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钐(Sm)、铕(Eu)以及镱(Yb)中的至少1种元素取代。添加了一种或多种上述元素的复合氧化物压电体薄膜中，如果氧缺损量大于0％并且小于10％，则可以进一步改善压电特性。
本发明的压电体元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，Ti和Zr中的至少一种元素的一部分可以用选自铪(Hf)、铱(Ir)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铈(Ce)、镨(Pr)以及铽(Tb)中的至少一种元素取代。Ti和Zr中的至少一种元素的一部分用上述元素取代得到的复合氧化物压电体薄膜中，如果氧缺损量大于0％小于10％，则可以进一步改善压电特性。
本发明的压电体元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，选自Pb、Ti以及Zr中的至少一种元素的一部分可以用选自一价1族典型元素、钪(Sc)、钇(Y)、铬(Cr)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)、铋(Bi)、镧(La)、钕(Nd)、钷(Pm)、钆(Gd)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)以及镥(Lu)中的至少一种元素取代。用这些元素取代选自Pb、Ti以及Zr中的至少一种元素的一部分得到的复合氧化物压电体薄膜中，如果氧缺损量大于0％小于10％，则可以进一步改善压电特性。
实施例1和实施例2中，对用溅射方法制作压电体薄膜的方法进行了说明，但是本发明不限于此。例如，可以在第1电极膜上通过激光削磨法形成用通式A1+YBO3+Z(A和B表示元素)表示，与其极化轴平行的方位的结晶取向度为70％或70％以上的氧化物压电体薄膜。如果在高精密度地控制成膜过程中的真空装置内的氧分压的放电气体氛围下成膜，在精密控制氧缺损量的同时，氧化物压电体薄膜的结晶也成为可能，氧缺损量也可以在膜中均匀分布。
与此相对，例如用粉体烧结法形成压电体时，如果在低氧的环境中烧成，可以产生氧缺损，但此种情况下，氧缺损容易产生局部存在，所以可信度会下降。另外，如果用化学气相成膜法(CVD)时，与溅射法、激光削磨法不同，通过反应气体的氧化、分解生成膜，所以，在低氧分压下形成具有良好的压电特性的压电体薄膜比较困难。
另一方面，通过溅射法与激光削磨法制造的氧化物压电体薄膜中，规定的氧缺损量在膜中均匀存在，所以可以获得高压电特性和高可靠性的压电体薄膜。只是，在氧气分压超过10％的状态下溅射时，不会产生氧气缺损，而且成膜速度也不会快。另一方面，氧气分压为1％或1％以下时，与极化轴平行的结晶的比例降低，也不能改善压电特性。也就是说，为了获得必要的压电特性，结晶取向度必须为70％或70％以上。所以，要求氧气分压为1％或1％以上。另外，如此在较低的氧气分压下溅射，可以提高成膜率和批量生产性。
此外，在溅射或激光削磨法中，作为向真空装置内的气体导入流量，氧气导入流量对全部气体导入流量的比可以为0.01或0.01以上并且小于0.1。由此，即使在较低压力的放电气体压力的条件下，也可以获得具有规定氧缺损量比率的氧化物压电体薄膜，而且可以高速成膜，大大提高批量生产性。
权利要求
1.一种压电体元件，其包括以下组成包含第1电极膜、第2电极膜以及该第1电极膜和第2电极膜所夹的压电体薄膜的压电体元件，该压电体薄膜是相对化学计量组成具有0％以上至10％或10％以下的氧缺损量的氧化物压电体薄膜。
2.权利要求1所述的压电体元件，其中所述压电体薄膜为通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)表示的钛酸锆酸铅，将上述压电体薄膜中的氧缺损量比率用(Y-Z)/(Y+3)表示时，0＜(Y-Z)/(Y+3)≤0.1。
3.权利要求2所述的压电体元件，所述压电体薄膜中，与其极化轴平行的方位的结晶取向度为70％或70％以上。
4.权利要求2所述的压电体元件，所述压电体薄膜的结晶结构为钙钛矿型正方晶系，结晶取向(001)方向。
5.权利要求2所述的压电体元件，所述压电体薄膜的结晶结构为钙钛矿型菱形晶系，结晶取向(111)方向。
6.权利要求2所述的压电体元件，将所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中的部分Pb用选自2族典型元素、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钐(Sm)、铕(Eu)和镱(Yb)的至少一种元素取代。
7.权利要求2所述的压电体元件，所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，选自Ti和Zr的至少一元素的一部分用选自铪(Hf)、铱(Ir)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铈(Ce)、镨(Pr)及铽(Tb)的至少一种元素取代。
8.权利要求2所述的压电体元件，所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，选自Pb、Ti和Zr中的至少一种元素的一部分用选自一价1族典型元素、钪(Sc)、钇(Y)、铬(Cr)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)、铋(Bi)、镧(La)、钕(Nd)、钷(Pm)、钆(Gd)、镝(Dy)、钬(Ho)、饵(Er)、铥(Tm)及镥(Lu)的至少一种元素取代。
9.权利要求1所述的压电体元件，所述压电体薄膜是通过溅射法或激光削磨法制成的薄膜。
10.压电体元件的制造方法，包括以下工序在基板上形成第1电极膜；在所述第1电极膜上通过溅射法或激光削磨法形成氧化物压电体薄膜，该膜用通式A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)表示，与其极化轴平行的方位的结晶取向度为70％或70％以上，成膜过程中真空装置内的氧分压为总压的1％或1％以上至10％以下；在上述氧化物压电体薄膜上形成第2电极膜；将所述第1电极膜、氧化物压电体薄膜和第2电极膜加工成预先设定的模型形状。
11.权利要求10所述的压电体元件制造方法，所述氧化物压电体薄膜是上述通式A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)中，A为铅(Pb)、B为锆(Zr)和钛(Ti)构成的钛酸锆酸铅，其结晶结构为钙钛矿型正方晶系，与分极轴平行的方位为(001)面方位。
12.权利要求10所述的压电体元件制造方法，所述氧化物压电体薄膜是上述通式A1+YBO3+Z(其中A及B表示元素)中，A为铅(Pb)、B为锆(Zr)和钛(Ti)构成的钛酸锆酸铅，其结晶结构为钙钛矿型菱形晶系，与极化轴平行的方位为(111)面方位。
13.权利要求10所述的压电体元件制造方法，在所述溅射法或激光削磨法中，作为成膜源的靶的组成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)表示，其中，0＜Y＜1，且-3≤Z≤Y。
14.权利要求10所述的压电体元件制造方法，在所述溅射法或激光削磨法中，作为向真空装置内的气体导入流量，氧气导入流量与全部气体导入流量的比为0.01或0.01以上，并且小于0.1。
全文摘要
本发明涉及由第1电极膜、第2电极膜、第1电极膜及第2电极膜所夹的压电体薄膜构成的压电体元件，特征是上述压电体薄膜为氧化物压电体薄膜，其相对化学计量组成上具有0％以上至10％或10％以下的氧缺损量。与处于化学计量组成的氧化状态的氧化物压电体薄膜相比，具有上述氧缺损量的压电体薄膜制成的压电体元件有较大的压电性，而且，在该条件下制作，可以增大成膜速度，从而能改善批量生产性。
文档编号H01L41/18GK1551380SQ200410045859
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月20日 优先权日2003年5月20日
发明者喜多弘行 申请人:松下电器产业株式会社