薄膜压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器和喷墨打印机装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用薄膜压电材料的薄膜压电元件；包括薄膜压电元件的压电致动器 和压电传感器；以及包括压电致动器的硬盘驱动器和喷墨打印机装置。
【背景技术】
[0002] 当压电薄膜形成时，为了实现良好的压电特性，膜的结晶性被控制。为了实现高结 晶性，压电薄膜通常在单结晶基板上外延生长。
[0003] 用于制造压电薄膜的一般的方法包括诸如离子电镀法、溅射法、电子束蒸镀法和 MOCVD法（金属有机化合物化学气相沉积法）的干法、以及诸如溶胶-凝胶法和MOD法（金 属有机化合物分解法）的湿法。
[0004] 专利文献1公开了压电薄膜的底层，该底层通过溅射法形成。通过使用具有比压 电薄膜小的a轴的晶格常数的底层从而增强压电薄膜的c轴取向，其结果使压电薄膜的压 电特性增强。
[0005] 专利文献2公开了由晶粒构成的铌酸碱基压电薄膜，为了实现高的压电常数，晶 粒的大多数具有柱状结构，该柱状结构在基板的厚度方向上比在平面方向上具有更长的长 度，并且晶粒在基板的平面方向上具有0. 1ym以上且1ym以下的平均晶粒直径，。
[0006] 专利文献3公开了电介质薄膜通过M0CVD法形成，然后，在包含臭氧的氧化性气体 的气氛中退火以减少在电介质薄膜的网眼结构中的缺陷，其结果，降低了泄漏电流。
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本未经审查的专利申请公开No. 11-026296
[0009] 专利文献2 :日本未经审查的专利申请公开No. 2008-159807
[0010] 专利文献3 :日本未经审查的专利申请公开No. 10-182300
【发明内容】
[0011] 如上所述，为了实现铌酸碱基压电薄膜的实用的压电特性，平均晶粒直径需要被 控制在适当的范围内。
[0012] 然而，如果晶粒直径变大，则当在形成于厚度方向（垂直于电极膜）上的晶界发生 氧缺陷时，晶界用作电流通道，从而增大电极膜之间的泄漏电流的风险增加。图2A是表示 泄漏电流通过比适当范围大的平均晶粒直径而增加了的铌酸碱基压电薄膜的截面的示意 图，图2B表不实际观察到的图像。
[0013] 图2A和2B中所示的薄膜压电元件包括基板101、下部电极102、压电薄膜103和 上部电极104,并且压电薄膜103的粒子由晶界106分隔。
[0014] 其问题是对于薄膜压电元件的制造和其可靠性高度关注的问题。如上所述，通常 使用的对策是在沉积之后使压电薄膜退火，但即使当电介质薄膜通过溅射法形成然后进行 退火时，也获得一定程度的效果，但难以在膜中的全部晶界消除氧缺陷。因此，成膜之后的 退火不是用于减小电极膜之间的泄漏电流的令人满意的对策。
[0015] 本发明是有鉴于该问题而完成的发明，其目的在于，不使铌酸钾钠基压电薄膜 (以下简称为"KNN薄膜"）的压电特性劣化，通过减小电极膜之间的泄漏电流从而可以提高 薄膜压电元件的可靠性。
[0016] 本发明所涉及的薄膜压电元件包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的 铌酸钾钠基压电薄膜（KNN薄膜）、以及配置成将压电薄膜保持于其间的一对电极层。当通 过晶体生长形成的KNN薄膜具有在该范围内的平均晶粒直径时，在薄膜压电元件中在压电 薄膜的上下形成的电极膜之间的泄漏电流能够被减小。铌酸钾钠基压电薄膜是指具有由基 本化学式（NaxKh)Nb03 (0〈x〈l)表示并且必要时在存在碱金属的A位和存在Nb的B位包含 各种添加物的薄膜的组合物。
[0017] 在此，定义本发明所涉及的平均晶粒直径。具体来说，平均晶粒直径由通过用扫描 电子显微镜（以下简称为"SEM"）在以5000倍的图像放大倍数的视野内观察压电薄膜的表 面而获得的图像的图像分析来计算。每个晶粒的直径通过将其形状近似为圆形来确定。近 似晶粒直径的平均值被视为平均晶粒直径（参考图4)。
[0018] 再有，本发明所涉及的压电薄膜优选具有下述结构：垂直于电极膜的方向上的截 面包含在压电薄膜的厚度方向上存在多个粒子的部分，构成存在多个粒子的部分的晶粒的 总截面积的比例是压电薄膜的总截面积的50%以上。
[0019] 在此，截面是通过用机器或聚焦离子束（以下简称为"FIB"）在压电薄膜的厚度 方向上切割包括压电薄膜的层叠体并且其切断面用SEM或透射电子显微镜（以下简称为 "TEM"）以10000倍的图像放大倍数观察而获得的表面。所谓"在压电薄膜的厚度方向上 存在多个粒子的部分"，是指在图3A和图3B中所示的厚度方向上至少两个粒子被沉积的部 分。另外，所谓"构成存在多个粒子的部分的粒子的总截面积"，是指在图3A中所示的粒子 A至V的截面积或在图3B中所示的粒子A至I的截面积的总和。图3C表示实际的TEM图 像。
[0020] 在图3A至图3C中所示的本发明所涉及的薄膜压电元件包括基板201、下部电极 202、压电薄膜203和上部电极204,并且压电薄膜203的粒子由晶界206分隔。
[0021] 优选，本发明的压电薄膜包含Mn(锰）。当该薄膜包含Mn时，泄漏电流可以减小， 并且可以实现高的压电特性-d31。
[0022] 另外，优选，本发明的压电薄膜包含Li(锂）、Sr(锶）、Ba(钡）、Zr(锆）和Ta(钽） 中的至少三种元素。当该薄膜包含这些元素时，泄漏电流可以减小，并且可以实现高的压电 特性-d31。
[0023] 根据本发明，构成铌酸钾钠基压电薄膜的晶粒的平均晶粒直径可以在预定范围内 进行调节，并且由此可以使对于薄膜压电元件而言的两个重要特性、即改进了的压电特性 和降低了的电极膜之间的泄漏电流均满足。
[0024] 本发明所涉及的压电致动器包括具有增加的压电特性和减小的泄漏电流并且可 以提高变形特性的薄膜压电元件，本发明所涉及的压电传感器包括具有增加的压电特性和 减小的泄漏电流并且可以提高检测灵敏度的薄膜压电元件。因此，可提供高性能的硬盘驱 动器和喷墨打印机装置。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明所涉及的薄膜压电元件的配置图。
[0026] 图2A是具有高结晶性的压电薄膜的截面结构的示意图。
[0027] 图2B是截面结构的透射电子显微镜（TEM)的图像。
[0028] 图3A和图3B分别为本发明所涉及的铌酸钾钠基压电薄膜的截面结构的示意图。
[0029] 图3C是截面结构的透射电子显微镜（TEM)的图像。
[0030] 图4是表示本发明所涉及的平均晶粒直径的定义的图。
[0031] 图5A和5B是本发明所涉及的压电致动器的结构图。
[0032] 图6A至6D是本发明所涉及的压电传感器的结构图。
[0033] 图7是本发明所涉及的硬盘驱动器的结构图。
[0034]