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JP2005005689A - Piezoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents

Piezoelectric element and method for manufacturing the same Download PDF

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JP2005005689A
JP2005005689A JP2004143484A JP2004143484A JP2005005689A JP 2005005689 A JP2005005689 A JP 2005005689A JP 2004143484 A JP2004143484 A JP 2004143484A JP 2004143484 A JP2004143484 A JP 2004143484A JP 2005005689 A JP2005005689 A JP 2005005689A
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thin film
piezoelectric
film
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piezoelectric thin
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JP2004143484A
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Hiroyuki Kita
弘行 喜多
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】圧電特性が良好で、かつ成膜速度を大きくして量産性を向上させた圧電体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第1の電極膜と、第2の電極膜と、第1の電極膜および第2の電極膜で挟まれた圧電体薄膜とからなる圧電体素子であって、上記圧電体薄膜は化学量論組成に対して0%より大きく、10%以下の酸素欠損量を有する酸化物圧電体薄膜であることを特徴とする。このような酸素欠損量を有する圧電体薄膜を備えた圧電体素子は、化学量論組成の酸化状態にある酸化物圧電体薄膜の場合に比して大きな圧電性を有し、かつこのような条件で作製することにより成膜速度を大きくできるので量産性を改善することができる。
【選択図】図5
The present invention provides a piezoelectric element having good piezoelectric characteristics and increasing the film formation rate to improve mass productivity and a method for manufacturing the same.
A piezoelectric element comprising a first electrode film, a second electrode film, and a piezoelectric thin film sandwiched between the first electrode film and the second electrode film, the piezoelectric thin film Is characterized by being an oxide piezoelectric thin film having an oxygen deficiency of greater than 0% and less than 10% with respect to the stoichiometric composition. A piezoelectric element provided with such a piezoelectric thin film having an oxygen deficiency has a large piezoelectricity compared to an oxide piezoelectric thin film in an oxidized state of stoichiometric composition, and such Since the film formation rate can be increased by manufacturing under conditions, mass productivity can be improved.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は圧電体薄膜を備えた圧電体素子とその製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element including a piezoelectric thin film and a manufacturing method thereof.

近年、圧電体薄膜は目的に応じて様々な圧電体素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサ等の機能性電子部品として広く利用されている。   In recent years, piezoelectric thin films have been processed into various piezoelectric elements depending on the purpose. In particular, they are widely used as functional electronic parts such as actuators that generate deformation by applying voltage, and sensors that generate voltage from element deformation. It's being used.

例えば、圧電体素子を用いて磁気ディスクにおける磁気ヘッド位置の微細制御を行う方法が検討されている(例えば、特許文献1)。これは、磁気ディスクの記録密度が増大し、1ビットの記録領域部の面積が小さくなってきており、従来のボイスコイルモータによる磁気ヘッドの位置決めだけでは充分な精度を得ることが困難になっているためである。このため、ボイスコイルモータによる位置決めに加えて、圧電体素子により微小領域での高精度の位置決めを行う2段アクチュエータ構成が検討されている。これに用いる圧電体素子ユニットは一対の圧電体素子で構成されており、一方が伸張したとき、他方が収縮するように配置されているので、その先端部に取り付けられた磁気ヘッドをディスク面上で微小に高精度に移動させることができる。   For example, a method of performing fine control of a magnetic head position on a magnetic disk using a piezoelectric element has been studied (for example, Patent Document 1). This is because the recording density of the magnetic disk has increased, and the area of the 1-bit recording area has become smaller, and it has become difficult to obtain sufficient accuracy only by positioning the magnetic head with a conventional voice coil motor. Because it is. For this reason, in addition to positioning by a voice coil motor, a two-stage actuator configuration that performs high-precision positioning in a minute region using a piezoelectric element has been studied. The piezoelectric element unit used for this is composed of a pair of piezoelectric elements, and is arranged so that when one is expanded, the other contracts, so the magnetic head attached to the tip of the piezoelectric element unit is placed on the disk surface. Can be moved minutely with high accuracy.

このような圧電体素子は、一般に以下のような方法で作製されている。基板として、例えば酸化マグネシウム単結晶基板(MgO基板)を用いる。このMgO基板上に(100)配向の白金膜(Pt膜)を形成する。そして、このPt膜上に(001)配向のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜を形成する。さらに、このPZT薄膜上に電極薄膜を形成した後、これらの薄膜を所定の形状にフォトリソグラフィとエッチングプロセスにより加工する。その後、MgO基板をエッチングプロセス等により除去することで圧電体素子を作製する。   Such a piezoelectric element is generally manufactured by the following method. For example, a magnesium oxide single crystal substrate (MgO substrate) is used as the substrate. A (100) -oriented platinum film (Pt film) is formed on the MgO substrate. Then, a (001) -oriented lead zirconate titanate (PZT) thin film is formed on the Pt film. Further, after forming an electrode thin film on the PZT thin film, these thin films are processed into a predetermined shape by photolithography and etching processes. Thereafter, the MgO substrate is removed by an etching process or the like to produce a piezoelectric element.

PZT薄膜の作製には、一般にスパッタリング法が用いられ、その成膜温度は550℃〜650℃である。このような高温でスパッタリングすると、スパッタ成膜中にPZT薄膜から鉛(Pb)が再蒸発していくので、最終的に作製されたPZT薄膜はPb組成減少により化学量論組成からずれたものとなる。このため、化学量論組成のPZT薄膜を得るために、例えばスパッタリング用のターゲットとしてPbを約20%過剰に含む組成とし、このターゲットを用いて成膜することで、PZT薄膜中のPb成分の減少を防止することが示されている(例えば、非特許文献1)。   A sputtering method is generally used for producing the PZT thin film, and the film forming temperature is 550 ° C. to 650 ° C. When sputtering is performed at such a high temperature, lead (Pb) is re-evaporated from the PZT thin film during the sputtering film formation, so that the finally produced PZT thin film deviates from the stoichiometric composition due to the decrease in the Pb composition. Become. For this reason, in order to obtain a PZT thin film having a stoichiometric composition, for example, a composition containing about 20% excess of Pb as a sputtering target is formed, and by using this target, a Pb component in the PZT thin film is formed. It has been shown to prevent the decrease (for example, Non-Patent Document 1).

しかしながら、Pbを過剰に含むターゲットを用いて化学量論組成のPZT薄膜を得るためには、放電ガスとして不活性ガスに酸素ガスを添加し、比較的圧力の高い条件でスパッタ成膜する必要がある。しかし、このような条件では成膜速度を大きくできない。圧電体素子として使用する場合のPZT薄膜は1μm〜10μm程度の厚みを必要とするため、小さな成膜速度では量産性が非常に低下する。   However, in order to obtain a PZT thin film having a stoichiometric composition using a target containing Pb in excess, it is necessary to add oxygen gas to an inert gas as a discharge gas and perform sputter deposition under relatively high pressure conditions. is there. However, the film formation rate cannot be increased under such conditions. When used as a piezoelectric element, a PZT thin film requires a thickness of about 1 μm to 10 μm, and therefore, mass productivity is greatly reduced at a low film formation rate.

また、半導体メモリに使用するためのPZT薄膜形成において、成膜速度を大きくするために真空装置内の放電ガス圧力を比較的低圧力としてスパッタリングすることが示されている(例えば、特許文献2)。放電ガス圧力を低くすると、作製される膜中のPb成分が減少しやすいので、この方法では化学量論組成のPZT薄膜を作製するために放電ガス圧力に応じた過剰のPb組成のターゲットを用いている。   In addition, in forming a PZT thin film for use in a semiconductor memory, it has been shown that sputtering is performed with a discharge gas pressure in a vacuum apparatus being relatively low in order to increase the deposition rate (for example, Patent Document 2). . When the discharge gas pressure is lowered, the Pb component in the produced film is likely to decrease. Therefore, in this method, a target having an excessive Pb composition corresponding to the discharge gas pressure is used to produce a PZT thin film having a stoichiometric composition. ing.

一方、PZT薄膜の圧電特性を改善するために作製した薄膜が化学量論組成よりもPbを過剰に含み、かつ結晶構造を菱面体晶系とすることで、圧電定数d31を大きくすることが開示されている(例えば、特許文献3)。
特開2002−279742号公報 特開平6−49638号公報 特許第3341357号公報 J.Appl.Phys.65(4),1666(1989)
On the other hand, when the thin film produced to improve the piezoelectric properties of the PZT thin film contains Pb in excess of the stoichiometric composition and the crystal structure is rhombohedral, the piezoelectric constant d 31 can be increased. It is disclosed (for example, Patent Document 3).
JP 2002-279742 A JP-A-6-49638 Japanese Patent No. 3341357 J. et al. Appl. Phys. 65 (4), 1666 (1989)

しかしながら、上記の圧電体素子の作製方法の第1の例と第2の例では、両方ともに化学量論組成のPZT薄膜を作製することを目的としており、このため比較的高い酸素分圧を有する放電ガス中でスパッタ成膜する必要がある。このような高い酸素分圧で形成されたPZT薄膜の圧電定数d31は一般に小さく、かつスパッタリング時の成膜速度も大きくできない。したがって、大きな圧電特性が得られず、かつ量産性も低下する。 However, both the first and second examples of the piezoelectric element fabrication method described above aim to fabricate a PZT thin film having a stoichiometric composition, and thus have a relatively high oxygen partial pressure. It is necessary to perform sputter deposition in a discharge gas. The piezoelectric constant d 31 of the PZT thin film formed at such a high oxygen partial pressure is generally small, and the film formation rate during sputtering cannot be increased. Therefore, large piezoelectric characteristics cannot be obtained, and mass productivity also decreases.

一方、上記の圧電体素子の作製方法の第3の例では、PZT薄膜中のPb量がチタン(Ti)およびジジルコニウム(Zr)を加えた量よりも過剰になるようにしているが、PZT薄膜中の酸素(O)とPbとの量の比については同じ割合で増加させており、酸素欠損を生じさせてはいない。このため、成膜時には酸素を多く添加し、放電ガス圧力の高い条件でスパッタリングする必要があり、成膜速度が大きくできない。この結果、量産性が低下する。   On the other hand, in the third example of the method for manufacturing the piezoelectric element, the amount of Pb in the PZT thin film is set to be larger than the amount of titanium (Ti) and dizirconium (Zr) added. The ratio of the amount of oxygen (O) and Pb in the thin film is increased at the same rate, and oxygen vacancies are not generated. For this reason, it is necessary to add a large amount of oxygen at the time of film formation and to perform sputtering under conditions of a high discharge gas pressure, and the film formation rate cannot be increased. As a result, mass productivity decreases.

本発明は、酸化物圧電体薄膜に対して一定の範囲の酸素欠損量とすれば、圧電定数d31が改善され、圧電特性の良好な圧電体素子を実現できるという知見に基づき、圧電特性が良好で、かつ成膜速度を大きくして量産性を向上させた圧電体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention is based on the knowledge that the piezoelectric constant d 31 can be improved and a piezoelectric element with good piezoelectric characteristics can be realized if the oxygen deficiency is within a certain range with respect to the oxide piezoelectric thin film. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that is favorable and has a high film forming rate to improve mass productivity and a method for manufacturing the same.

この課題を解決するために、本発明の圧電体素子は、第1の電極膜と、第2の電極膜と、第1の電極膜と第2の電極膜とで挟まれた圧電体薄膜とからなり、上記圧電体薄膜は化学量論組成に対して0%より大きく、10%以下の酸素欠損量を有する酸化物圧電体薄膜であることを特徴とする。   In order to solve this problem, a piezoelectric element of the present invention includes a first electrode film, a second electrode film, a piezoelectric thin film sandwiched between the first electrode film and the second electrode film, The piezoelectric thin film is an oxide piezoelectric thin film having an oxygen deficiency of greater than 0% and 10% or less with respect to the stoichiometric composition.

本発明者は、このような酸素欠損量を有する圧電体薄膜を備えた圧電体素子は、化学量論組成の酸化状態にある酸化物圧電体薄膜の場合に比して高い圧電性を有することを見出した。さらに、このような条件で作製することにより成膜速度を大きくして、量産性を改善することができる。なお、酸素欠損量は化学両論組成の酸素量を100として、この酸素量と作製された酸化物圧電体薄膜中の酸素量との比を百分率で表示したものである。   The present inventor has found that a piezoelectric element including a piezoelectric thin film having such an oxygen deficiency has higher piezoelectricity than an oxide piezoelectric thin film in an oxidized state having a stoichiometric composition. I found. Further, by manufacturing under such conditions, the deposition rate can be increased and the mass productivity can be improved. The oxygen deficiency is expressed as a percentage of the amount of oxygen in the produced oxide piezoelectric thin film, where the stoichiometric oxygen amount is 100.

また、本発明の圧電体素子は、圧電体薄膜が一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛であって、圧電体薄膜中の酸素欠損量比率を(Y−Z)/(Y+3)であらわしたとき、0<(Y−Z)/(Y+3)≦0.1であることを特徴とする。 In the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric thin film is a lead zirconate titanate represented by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1). When the oxygen deficiency ratio in the piezoelectric thin film is represented by (Y−Z) / (Y + 3), 0 <(Y−Z) / (Y + 3) ≦ 0.1. .

なお、酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)は、Pbが2価、ZrとTiが4価の化学量論的に酸化した状態と比較したときの酸素欠損の割合を示す指標である。化学量論的な酸化状態、すなわちY=Zの場合に比べて、酸素欠損が生じている方が大きな圧電特性を示す。ただし、この酸素欠損量比率が10%(0.1)を超えると、圧電特性は減少していくので、0<(Y−Z)/(Y+3)≦0.1の範囲となるように、YとZを設定すれば、大きな圧電特性を有するPZT薄膜を得ることができる。   The oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3) is an index indicating the ratio of oxygen deficiency when compared with a stoichiometrically oxidized state in which Pb is divalent and Zr and Ti are tetravalent. is there. Compared with the stoichiometric oxidation state, that is, Y = Z, oxygen vacancies show larger piezoelectric characteristics. However, when the oxygen deficiency ratio exceeds 10% (0.1), the piezoelectric characteristics decrease, so that 0 <(Y−Z) / (Y + 3) ≦ 0.1. If Y and Z are set, a PZT thin film having large piezoelectric characteristics can be obtained.

また、本発明の圧電体素子は、圧電体薄膜がその分極軸と平行な方位の結晶配向度が70%以上であることを特徴とする。これにより、大きな圧電特性を有する圧電体素子を実現できる。   In addition, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the degree of crystal orientation of the piezoelectric thin film in the direction parallel to the polarization axis is 70% or more. Thereby, a piezoelectric element having large piezoelectric characteristics can be realized.

なお、結晶配向度に関しては、X線回折のピーク強度比を用いる。分極が(001)方位となる材料の場合は(001)/Σ(hkl)により求め、分極が(111)方位の場合は(111)/Σ(hkl)により求める。ここで、Σ(hkl)はCuKα線源を用いたθ−2θ測定において、(001)反射から(111)反射を測定できる最小限の範囲に2θの上限と下限を設定した場合のPZT起因の反射ピークの強度の和である。   Note that the peak intensity ratio of X-ray diffraction is used for the degree of crystal orientation. In the case of a material whose polarization is in the (001) direction, it is obtained by (001) / Σ (hkl), and in the case where the polarization is in a (111) direction, it is obtained by (111) / Σ (hkl). Here, Σ (hkl) is derived from PZT when the upper and lower limits of 2θ are set in the minimum range in which (111) reflection can be measured from (001) reflection in θ-2θ measurement using a CuKα radiation source. It is the sum of the intensity of the reflection peaks.

また、本発明の圧電体素子は、圧電体薄膜の結晶構造がペロブスカイト型正方晶系であり、(001)方向に結晶配向していることを特徴とする。これにより、圧電体材料として正方晶系のPZT薄膜を用いる際に、圧電体素子に大きな圧電特性を付与できる。   In addition, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the crystal structure of the piezoelectric thin film is a perovskite type tetragonal system and is crystal-oriented in the (001) direction. Thereby, when a tetragonal PZT thin film is used as the piezoelectric material, a large piezoelectric characteristic can be imparted to the piezoelectric element.

また、本発明の圧電体素子は、圧電体薄膜の結晶構造がペロブスカイト型菱面体晶系であり、(111)方向に結晶配向していることを特徴とする。これにより、圧電体材料として菱面体晶系のPZT薄膜を用いる際に、圧電体素子に大きな圧電特性を付与できる。   In addition, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the crystal structure of the piezoelectric thin film is a perovskite rhombohedral system and is oriented in the (111) direction. Thereby, when a rhombohedral PZT thin film is used as the piezoelectric material, a large piezoelectric characteristic can be imparted to the piezoelectric element.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPbの一部を、2属典型元素、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)およびイッテルビウム(Yb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする。このような元素を1種類または複数種類添加した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 In addition, the piezoelectric element of the present invention may include a part of Pb in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1) , Manganese (Mn), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), samarium (Sm), europium (Eu) and at least one element selected from ytterbium (Yb) It is characterized by that. In the composite oxide piezoelectric thin film to which one or more kinds of such elements are added, the piezoelectric characteristics can be further improved by making the amount of oxygen deficiency larger than 0% and smaller than 10%.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のTiとZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、ハフニウム(Hf)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)およびテルビウム(Tb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする。TiとZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部をこのような元素で置換した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 The piezoelectric element of the present invention is at least one selected from Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1). A part of the element was selected from hafnium (Hf), iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), cerium (Ce), praseodymium (Pr) and terbium (Tb) It is characterized by comprising a structure replaced with at least one kind of element. In a composite oxide piezoelectric thin film in which a part of at least one element selected from Ti and Zr is substituted with such an element, if the oxygen deficiency is larger than 0% and smaller than 10%, the piezoelectric characteristics are further improved. Can be improved.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPb、TiおよびZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、1価の1属典型元素、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ランタン(La)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)およびルテチウム(Lu)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする。Pb、TiおよびZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部をこのような元素で置換した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 In addition, the piezoelectric element of the present invention has at least one selected from Pb, Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1). A part of one kind of element is a monovalent one-genus typical element, scandium (Sc), yttrium (Y), chromium (Cr), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In ), Antimony (Sb), bismuth (Bi), lanthanum (La), neodymium (Nd), promethium (Pm), gadolinium (Gd), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium ( Tm) and lutetium (Lu) are replaced with at least one element selected from the elements. In a composite oxide piezoelectric thin film in which a part of at least one element selected from Pb, Ti and Zr is substituted with such an element, if the amount of oxygen deficiency is larger than 0% and smaller than 10%, the piezoelectricity is further increased. The characteristics can be improved.

また、本発明の圧電体素子は、上記圧電体薄膜がスパッタリング法またはレーザアブレーション法により作製された薄膜からなることを特徴とする。これにより、高精度に制御されたガス雰囲気下において、酸素欠損量を精密に制御しながら酸化物圧電体薄膜の結晶成長をさせることができ、酸素欠損量の膜中の分布を均質にすることができる。例えば、粉体焼結法によって圧電体を形成する場合にも低酸素雰囲気下で焼成すれば酸素欠損が生じるが、この場合には酸素欠損が局在しやすく、このため信頼性が低下してしまう。また、化学気相成膜(CVD)法の場合には、スパッタリング法やレーザアブレーション法とは異なり、反応ガスの酸化、分解により膜生成するため、低酸素分圧で良好な圧電特性を有する圧電体薄膜を形成することは比較的困難である。   The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that the piezoelectric thin film is a thin film produced by a sputtering method or a laser ablation method. This enables crystal growth of the oxide piezoelectric thin film while precisely controlling the amount of oxygen vacancies in a gas atmosphere controlled with high accuracy, and makes the distribution of oxygen vacancies in the film uniform. Can do. For example, even when a piezoelectric material is formed by a powder sintering method, oxygen deficiency occurs if fired in a low oxygen atmosphere. In this case, however, oxygen deficiency is likely to be localized, which reduces reliability. End up. In the case of chemical vapor deposition (CVD), unlike the sputtering method or laser ablation method, a film is formed by oxidation and decomposition of the reaction gas, so that the piezoelectric material has good piezoelectric characteristics at a low oxygen partial pressure. It is relatively difficult to form a body thin film.

さらに、本発明の圧電体素子の製造方法は、基板上に第1の電極膜を形成する工程と、第1の電極膜上に一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)であらわされ、その分極軸と平行な方位の結晶配向度が70%以上である酸化物圧電体薄膜をスパッタリング法またはレーザアブレーション法により形成する場合に成膜中の真空装置内の酸素分圧が全圧に対して1%以上で、かつ10%より少ない範囲で形成する工程と、この酸化物圧電体薄膜上に第2の電極膜を形成する工程と、第1の電極膜と酸化物圧電体薄膜と第2の電極膜とをあらかじめ設定したパターン形状に加工する工程とを含む方法からなる。 Furthermore, the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention includes a step of forming a first electrode film on a substrate and a general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B are formed on the first electrode film). In the vacuum apparatus during film formation when an oxide piezoelectric thin film having a crystal orientation degree parallel to the polarization axis of 70% or more is formed by sputtering or laser ablation. A step of forming the oxygen partial pressure in a range of 1% or more and less than 10% of the total pressure, a step of forming a second electrode film on the oxide piezoelectric thin film, and a first electrode And a step of processing the film, the oxide piezoelectric thin film, and the second electrode film into a preset pattern shape.

これにより、作製された酸化物圧電体薄膜には所定の酸素欠損量が膜中に均質に存在するようになり、大きな圧電特性を有する薄膜を得ることができる。酸素分圧が10%を超えた状態でスパッタリングすると、酸素欠損が生じず、かつ成膜速度も速くできない。一方、酸素分圧が1%以下であると、分極軸と平行な結晶の割合が低下して圧電特性も改善されない。すなわち、必要な圧電特性を得るためには、結晶配向度としては70%以上が必要であり、このためには酸素分圧を1%以上とすることが要求される。また、このように比較的低い酸素分圧でスパッタリングするため、成膜レートを大きくでき、量産性を向上できる。   Thereby, the produced oxide piezoelectric thin film has a predetermined amount of oxygen deficiency uniformly present in the film, and a thin film having large piezoelectric characteristics can be obtained. When sputtering is performed with the oxygen partial pressure exceeding 10%, oxygen vacancies do not occur and the film formation rate cannot be increased. On the other hand, when the oxygen partial pressure is 1% or less, the ratio of crystals parallel to the polarization axis is lowered, and the piezoelectric characteristics are not improved. That is, in order to obtain the necessary piezoelectric characteristics, the degree of crystal orientation needs to be 70% or more. For this purpose, the oxygen partial pressure is required to be 1% or more. Further, since sputtering is performed at such a relatively low oxygen partial pressure, the film formation rate can be increased and the mass productivity can be improved.

なお、結晶配向度は、X線回折のピーク強度比を用いて、以下のように求める。分極が(001)方位となる材料の場合は(001)/Σ(hkl)により求め、分極が(111)方位の場合は(111)/Σ(hkl)により求める。ここで、Σ(hkl)はCuKα線源を用いたθ−2θ測定において(001)反射から(111)反射を測定できる最小限の範囲に2θの上限と下限を設定した場合のPZT起因の反射ピークの強度の和である。   The degree of crystal orientation is determined as follows using the peak intensity ratio of X-ray diffraction. In the case of a material whose polarization is in the (001) direction, it is obtained by (001) / Σ (hkl), and in the case where the polarization is in a (111) direction, it is obtained by (111) / Σ (hkl). Here, Σ (hkl) is the reflection caused by PZT when the upper limit and the lower limit of 2θ are set within the minimum range in which (111) reflection can be measured from (001) reflection in θ-2θ measurement using a CuKα radiation source. It is the sum of peak intensities.

さらに、本発明の圧電体素子の製造方法は、酸化物圧電体薄膜が上記一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)において、Aが鉛(Pb)であり、Bがジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)とからなるチタン酸ジルコン酸鉛で、その結晶構造がペロブスカイト型正方晶系であり、結晶配向が(001)方向であることを特徴とする。これにより、圧電体材料として正方晶系のPZTを用いる際に、圧電体素子に大きな圧電特性を付与できる。 Furthermore, in the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, the oxide piezoelectric thin film has the general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B represent elements), and A is lead (Pb). And B is lead zirconate titanate composed of zirconium (Zr) and titanium (Ti), the crystal structure of which is a perovskite tetragonal system, and the crystal orientation is the (001) direction. Thereby, when tetragonal PZT is used as the piezoelectric material, a large piezoelectric characteristic can be imparted to the piezoelectric element.

さらに、本発明の圧電体素子の製造方法は、酸化物圧電体薄膜が上記一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)において、Aが鉛(Pb)であり、Bがジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)とからなるチタン酸ジルコン酸鉛で、その結晶構造がペロブスカイト型菱面体晶系であり、結晶配向が(111)方向であることを特徴とする。これにより、圧電体材料として菱面体晶系のPZTを用いる際に、圧電体素子に大きな圧電特性を付与できる。 Furthermore, in the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, the oxide piezoelectric thin film has the general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B represent elements), and A is lead (Pb). B is lead zirconate titanate composed of zirconium (Zr) and titanium (Ti), the crystal structure is a perovskite rhombohedral system, and the crystal orientation is in the (111) direction . Thereby, when rhombohedral PZT is used as the piezoelectric material, large piezoelectric characteristics can be imparted to the piezoelectric element.

なお、上記において、A1+YBO3+Zであらわされる酸化物圧電体薄膜は、ABOで表現されるペロブスカイト型構造を基本としており、このペロブスカイト型構造の範囲内においてYとZとを可変するものとする。 In the above, the oxide piezoelectric thin film represented by A 1 + Y BO 3 + Z is based on the perovskite structure represented by ABO 3 , and Y and Z are within the range of the perovskite structure. It shall be variable.

さらに、本発明の圧電体素子の製造方法は、スパッタリング法またはレーザアブレーション法による酸化物圧電体薄膜の形成工程において、成膜源として一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)であらわしたとき、0<Y<1で、かつ−3≦Z≦Yの組成を有するターゲットを用いる。これにより、比較的低圧で高速のスパッタリングを行っても、大きな圧電特性を有するPZT薄膜を安定的に製造できる。 Furthermore, in the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, a general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 is used as a film forming source in the step of forming an oxide piezoelectric thin film by sputtering or laser ablation. When represented by + Z (where 0 <X <1), a target having a composition of 0 <Y <1 and −3 ≦ Z ≦ Y is used. As a result, a PZT thin film having large piezoelectric characteristics can be stably manufactured even when high-speed sputtering is performed at a relatively low pressure.

さらに、本発明の圧電体素子の製造方法は、スパッタリング法またはレーザアブレーション法による酸化物圧電体薄膜の形成工程において、真空装置内へのガス導入流量として、全ガス導入流量に対する酸素ガス導入流量比を0.01以上で、かつ0.1未満としたことを特徴とする。これにより、比較的低圧で、かつ高速のスパッタリングを行う場合に、所定の酸素欠損量比率を有する酸化物圧電体薄膜を得ることができ、高速の成膜が可能となり、生産性を向上できる。   Furthermore, the piezoelectric element manufacturing method of the present invention is a method for forming an oxide piezoelectric thin film by a sputtering method or a laser ablation method, wherein a gas introduction flow rate into the vacuum apparatus is a ratio of oxygen gas introduction flow rate to total gas introduction flow rate. Is 0.01 or more and less than 0.1. Accordingly, when performing high-speed sputtering at a relatively low pressure, an oxide piezoelectric thin film having a predetermined oxygen deficiency amount ratio can be obtained, high-speed film formation is possible, and productivity can be improved.

このように酸素欠損を有する酸化物圧電体薄膜を用いることにより従来よりも大きな圧電特性を有する圧電体素子を得ることができ、かつ、高速で成膜できるので、圧電体素子の特性の向上と量産性の改善を実現できる。   By using an oxide piezoelectric thin film having oxygen vacancies in this way, a piezoelectric element having larger piezoelectric characteristics than before can be obtained, and film formation can be performed at a high speed, which improves the characteristics of the piezoelectric element. Improve mass productivity.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下で説明する図では同じ要素については同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the figure demonstrated below, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and description may be abbreviate | omitted.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる圧電体素子の斜視図である。なお、図1には、この圧電体素子10を駆動するための駆動電源5も示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 also shows a drive power supply 5 for driving the piezoelectric element 10.

圧電体素子10は、第1の電極膜1、この第1の電極膜1上に形成されている酸化物圧電体薄膜2およびこの酸化物圧電体薄膜2上に形成されている第2の電極膜3から構成されている。第1の電極膜1、酸化物圧電体薄膜2および第2の電極膜3は、それぞれスパッタリング等の薄膜形成技術により成膜され、フォトリソグラフィとエッチングプロセス等により図1に示す略直方体形状に加工される。   The piezoelectric element 10 includes a first electrode film 1, an oxide piezoelectric thin film 2 formed on the first electrode film 1, and a second electrode formed on the oxide piezoelectric thin film 2. It is composed of a film 3. The first electrode film 1, the oxide piezoelectric thin film 2 and the second electrode film 3 are each formed by a thin film forming technique such as sputtering, and processed into a substantially rectangular parallelepiped shape shown in FIG. 1 by photolithography and etching processes. Is done.

この圧電体素子10の寸法は、例えば圧電体の伸縮が生じる方向、すなわち長さ方向(図1中、Bで示す方向)は約2mm、幅方向が約0.5mmで、厚さが約3μmである。なお、圧電体素子10として利用するためには酸化物圧電体薄膜2に初期分極を生じさせる必要があるが、本実施の形態では図1に示すように、その分極方向は矢印Aで示す方向である。この分極ベクトルは、必ずしも膜面に垂直である必要はなく、斜めの場合はその垂直成分を考えればよい。すなわち、酸化物圧電体薄膜2のドメインがすべて膜厚方向に分極している必要はない。   The dimensions of the piezoelectric element 10 are, for example, about 2 mm in the direction in which the expansion and contraction of the piezoelectric body, that is, the length direction (direction indicated by B in FIG. 1), the width direction is about 0.5 mm, and the thickness is about 3 μm. It is. In order to use the piezoelectric element 10 as an element, it is necessary to cause the initial polarization in the oxide piezoelectric thin film 2, but in this embodiment, the polarization direction is the direction indicated by the arrow A as shown in FIG. It is. This polarization vector does not necessarily have to be perpendicular to the film surface, and if it is oblique, its vertical component may be considered. That is, it is not necessary that all the domains of the oxide piezoelectric thin film 2 are polarized in the film thickness direction.

また、成膜直後の状態で自然に自発分極が生じている場合は、その自発分極をそのまま利用してもよい。また、圧電体素子10の形状は必ずしも直方体でなくてもよい。例えば、使用する装置の形状に合せて台形状や三角形状等、種々の形状としてもよい。   In addition, when spontaneous polarization occurs naturally immediately after the film formation, the spontaneous polarization may be used as it is. Further, the shape of the piezoelectric element 10 is not necessarily a rectangular parallelepiped. For example, various shapes such as a trapezoidal shape and a triangular shape may be used according to the shape of the device to be used.

駆動電源5は、圧電体素子10に所定の電圧を印加する電源であり、第1の電極膜1と第2の電極膜3とに電圧が印加され、この電圧により酸化物圧電体薄膜2が伸縮動作をする。   The driving power source 5 is a power source that applies a predetermined voltage to the piezoelectric element 10, and a voltage is applied to the first electrode film 1 and the second electrode film 3, and the oxide piezoelectric thin film 2 is caused by this voltage. Extends and contracts.

以上の構成により、圧電体素子10は、駆動電源5の電圧に応じて矢印Bで示す方向に伸縮動作をすることができる。本実施の形態では、この伸縮動作をアクチュエータとして利用する。すなわち、一方の端部を固定し、他方の端部を実質的に自由端として、この自由端に制御すべき被制御物を固定することにより、この被制御物の精密な位置決めを行うことができる。電圧あたりの変位量は圧電性の指標のひとつである圧電定数d31に依存し、これが大きいほど大きな素子変位量を得ることができる。 With the above configuration, the piezoelectric element 10 can expand and contract in the direction indicated by the arrow B according to the voltage of the drive power supply 5. In the present embodiment, this expansion / contraction operation is used as an actuator. That is, it is possible to perform precise positioning of the controlled object by fixing one controlled end and fixing the controlled object to be controlled to the free end with the other end fixed substantially. it can. The amount of displacement per voltage depends on the piezoelectric constant d 31 , which is one of the indices of piezoelectricity.

本発明では、この酸化物圧電体薄膜2の膜中の酸素欠損量を0%より大きく、かつ10%以下、望ましくは2%以上で、かつ7%以下、さらに望ましくは2%以上で、かつ5%以下に制御することを特徴とする。本発明者は、このような酸素欠損量を有する酸化物圧電体薄膜を備えた圧電体素子は、化学量論組成の酸化状態にある酸化物圧電体薄膜の場合に比して大きな圧電特性を有することを見出した。さらに、このような条件で作製することにより成膜速度を大きくして、量産性を改善することができる。   In the present invention, the amount of oxygen vacancies in the oxide piezoelectric thin film 2 is greater than 0% and not more than 10%, desirably not less than 2%, not more than 7%, more desirably not less than 2%, and It is characterized by controlling to 5% or less. The present inventor has found that a piezoelectric element including such an oxide piezoelectric thin film having an oxygen deficiency has a large piezoelectric characteristic compared to an oxide piezoelectric thin film in an oxidized state having a stoichiometric composition. Found to have. Further, by manufacturing under such conditions, the deposition rate can be increased and the mass productivity can be improved.

酸素欠損量を0%より大きく、かつ10%以下とすることで、圧電定数d31を大きくでき、この結果、圧電体素子の変位量を大きくできる。例えば、一般式がPb1+Y(ZrXTi1-X)O3+ZであるPZT薄膜を用いる場合には、酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)が0より大きく、かつ0.1(すなわち、10%)以下とする。 By making the oxygen deficiency larger than 0% and 10% or less, the piezoelectric constant d 31 can be increased, and as a result, the displacement of the piezoelectric element can be increased. For example, when a PZT thin film having a general formula of Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z is used, the oxygen deficiency ratio (YZ) / (Y + 3) is greater than 0, and 0.1 (that is, 10%) or less.

また、この酸素欠損量を2%以上で、かつ7%以下とすれば、結晶配向度のばらつきを抑制でき、かつ酸素欠損量のばらつきが生じても変位量の変動を比較的小さくできる。これにより、製造歩留まりを改善できるので望ましい。さらに、酸素欠損量を2%以上で、かつ5%以下とすれば、酸素欠損量に対する変位量の変動をより小さくできる。したがって、製造歩留まりをさらに改善できることからより望ましい。   If the oxygen deficiency is 2% or more and 7% or less, the variation in crystal orientation can be suppressed, and the variation in displacement can be made relatively small even if the variation in oxygen deficiency occurs. This is desirable because the manufacturing yield can be improved. Furthermore, if the oxygen deficiency amount is 2% or more and 5% or less, the variation of the displacement amount with respect to the oxygen deficiency amount can be further reduced. Therefore, it is more desirable because the manufacturing yield can be further improved.

さらに、分極軸が膜厚方向になるように結晶配向させることが望ましい。例えば、正方晶のPZT薄膜であれば(001)方向、菱面体晶のPZT薄膜であれば(111)方向に配向させることが望ましい。   Furthermore, it is desirable to make the crystal orientation so that the polarization axis is in the film thickness direction. For example, it is desirable to orient in the (001) direction for a tetragonal PZT thin film and in the (111) direction for a rhombohedral PZT thin film.

以下、酸化物圧電体薄膜2として、一般式がPb1+Y(ZrXTi1-X)O3+ZであらわされるPZT薄膜をスパッタリング法により作製する場合を例として、具体的な製造方法および圧電特性を測定した結果について説明する。 Hereinafter, a specific manufacturing method will be described by taking as an example a case where a PZT thin film represented by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z is formed by sputtering as the oxide piezoelectric thin film 2. The results of measuring the piezoelectric characteristics will be described.

図2は、本実施の形態の圧電体素子10の製造方法の主要工程の断面図を示す。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the main steps of the method for manufacturing the piezoelectric element 10 of the present embodiment.

基板として(100)方位のMgO基板を用いる。このMgO基板15上に、膜厚100nmで、(100)配向した第1の電極膜であるPt膜1を基板温度500℃、アルゴン(Ar)ガスを用いて放電ガス圧力を0.5Paとして、スパッタリングにより形成した。   A (100) -oriented MgO substrate is used as the substrate. On this MgO substrate 15, the Pt film 1, which is a 100-nm-thick (100) -oriented first electrode film, has a substrate temperature of 500 ° C. and an argon (Ar) gas at a discharge gas pressure of 0.5 Pa. It was formed by sputtering.

つぎに、Pt膜1上に膜厚5μmの酸化物圧電体薄膜であるPZT薄膜2を形成した。図2(a)は、PZT薄膜2を形成した状態を示す断面図である。このときのターゲット組成としては、一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)であらわしたとき、X=0.58で、Y=0.25からなるターゲットを用いた。なお、このとき、Zの値はYの値と同じとした。 Next, a PZT thin film 2 which is an oxide piezoelectric thin film having a thickness of 5 μm was formed on the Pt film 1. FIG. 2A is a cross-sectional view showing a state in which the PZT thin film 2 is formed. As a target composition at this time, when represented by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1), X = 0.58 and Y = 0 A target consisting of .25 was used. At this time, the value of Z was the same as the value of Y.

さらに、スパッタリング時の放電ガス圧力を0.5Pa、基板温度は600℃で一定とした。このときの、放電ガスの組成はArガスと酸素(O2)ガスとの混合ガスとし、放電ガス中のO2ガスの割合に関しては、Arガスに対して0.5%〜50%までの条件にて成膜を行った。さらに、PZT薄膜2の成膜中を含めて、ターゲットと基板間の放電空間中の放電ガスの組成をマスフィルターにより測定した。また、作製したPZT薄膜2は、電子線微小分析法(Electron Probe Micro Analysis、以下、EPMAとよぶ)を用いた膜組成の定量分析とX線回折による結晶性評価を行った。 Furthermore, the discharge gas pressure during sputtering was set to 0.5 Pa, and the substrate temperature was kept constant at 600 ° C. The composition of the discharge gas at this time is a mixed gas of Ar gas and oxygen (O 2 ) gas, and the ratio of O 2 gas in the discharge gas is 0.5% to 50% with respect to Ar gas. Film formation was performed under conditions. Further, the composition of the discharge gas in the discharge space between the target and the substrate was measured using a mass filter, including during the formation of the PZT thin film 2. Further, the produced PZT thin film 2 was subjected to quantitative analysis of the film composition using an electron probe microanalysis (hereinafter referred to as EPMA) and evaluation of crystallinity by X-ray diffraction.

続いて、このPZT薄膜2上に第2の電極膜であるPt膜3を、Arガスを用いて放電ガス圧力0.5Pa、常温でスパッタリングにより作製した。図2(b)は、Pt膜3を形成した状態を示す断面図である。なお、上記条件で作製したPZT薄膜2は、特に電界を印加して分極処理を施さなくとも、自然に基板面の上方向を向くように自発分極をしていることが確認された。   Subsequently, a Pt film 3 as a second electrode film was formed on the PZT thin film 2 by sputtering using Ar gas at a discharge gas pressure of 0.5 Pa and at room temperature. FIG. 2B is a cross-sectional view showing a state in which the Pt film 3 is formed. In addition, it was confirmed that the PZT thin film 2 produced on the said conditions is spontaneously polarized so that it may face the upper direction of a board | substrate surface naturally, even if it does not apply an electric field especially and performs a polarization process.

つぎに、図2(c)に示すように、MgO基板15上で、フォトリソグラフィおよびエッチングプロセスを行うことにより、所定の圧電体素子形状を作製した。この形状としては、図1に示すように長手方向が2mm、幅方向が0.5mmである。   Next, as shown in FIG. 2C, a predetermined piezoelectric element shape was produced by performing photolithography and an etching process on the MgO substrate 15. As this shape, as shown in FIG. 1, the longitudinal direction is 2 mm, and the width direction is 0.5 mm.

このようにして所定の形状に加工した後、図2(d)に示すようにMgO基板15をエッチング除去すると、図1に示した形状の圧電体素子10が得られる。   After processing into a predetermined shape in this way, the MgO substrate 15 is removed by etching as shown in FIG. 2D, whereby the piezoelectric element 10 having the shape shown in FIG. 1 is obtained.

つぎに、作製した圧電体素子10に対して、図1に示すように駆動電源5を接続し、矢印Bで示す方向の変位を測定した。なお、印加する電圧は10Vとした。変位量は、電圧10Vを印加したときに、この矢印Bで示す方向の変位の値である。なお、この変位量は、レーザドップラー振動計を用いて測定した。   Next, a drive power source 5 was connected to the fabricated piezoelectric element 10 as shown in FIG. 1, and the displacement in the direction indicated by the arrow B was measured. The applied voltage was 10V. The amount of displacement is the value of displacement in the direction indicated by arrow B when a voltage of 10 V is applied. This displacement was measured using a laser Doppler vibrometer.

図3は、Y=0.25組成のターゲットを用いて、圧電体素子10の変位量と結晶配向度に対する酸素分圧との関係を求めた結果を示す図である。横軸は全圧に対する酸素分圧をパーセントで表示しており、縦軸の左側は変位量、右側は結晶配向度である。   FIG. 3 is a diagram showing the results of determining the relationship between the displacement amount of the piezoelectric element 10 and the oxygen partial pressure with respect to the degree of crystal orientation using a target having a Y = 0.25 composition. The horizontal axis represents the oxygen partial pressure with respect to the total pressure as a percentage, the left side of the vertical axis is the displacement, and the right side is the degree of crystal orientation.

PZT薄膜2の結晶配向度はX線回折装置により求めた。X線回折はCuKα線源を用いたθ−2θの測定を行った。2θの角度範囲は20°〜40°とした。正方晶系のPZT薄膜2は分極が(001)方向であるため、結晶配向度はX線回折のピーク強度比(001)/Σ(hkl)にて求めた。なお、分極が(001)方向となる材料の場合は(001)/Σ(hkl)により求め、分極が(111)方向の場合は(111)/Σ(hkl)により求める。ここで、Σ(hkl)はCuKα線源を用いたθ−2θ測定において、(001)反射から(111)反射を測定できる最小限の範囲に2θの上限と下限を設定した場合のPZT起因の反射ピークの強度の和である。以下、結晶配向度を単に配向度とよぶ場合がある。   The degree of crystal orientation of the PZT thin film 2 was determined by an X-ray diffractometer. X-ray diffraction was measured for θ-2θ using a CuKα radiation source. The angle range of 2θ was 20 ° to 40 °. Since the tetragonal PZT thin film 2 is polarized in the (001) direction, the degree of crystal orientation was determined by the X-ray diffraction peak intensity ratio (001) / Σ (hkl). In the case of a material whose polarization is in the (001) direction, it is obtained by (001) / Σ (hkl), and when the polarization is in the (111) direction, it is obtained by (111) / Σ (hkl). Here, Σ (hkl) is derived from PZT when the upper and lower limits of 2θ are set in the minimum range in which (111) reflection can be measured from (001) reflection in θ-2θ measurement using a CuKα radiation source. It is the sum of the intensity of the reflection peaks. Hereinafter, the degree of crystal orientation is sometimes simply referred to as the degree of orientation.

図3からわかるように、配向度は酸素分圧が2%以下では低下するが、酸素分圧が0.5%でも60%の配向度である。また、酸素分圧が50%になると配向度は急激に低下するが、この場合でも65%の配向度である。酸素分圧が0.5%から10%の範囲では、酸素分圧が1.5%で配向度が95%となり、さらに酸素分圧を増加させると配向度は徐々に大きくなり、酸素分圧が10%で配向度が100%となった。酸素分圧が10%から30%の範囲では、配向度は100%であり、酸素分圧が40%で配向度が96%となり、それより大きな酸素分圧では急激に配向度が低下した。   As can be seen from FIG. 3, the degree of orientation decreases when the oxygen partial pressure is 2% or less, but it is 60% even when the oxygen partial pressure is 0.5%. Further, when the oxygen partial pressure is 50%, the degree of orientation sharply decreases, but even in this case, the degree of orientation is 65%. When the oxygen partial pressure is in the range of 0.5% to 10%, the oxygen partial pressure is 1.5% and the degree of orientation is 95%. When the oxygen partial pressure is further increased, the degree of orientation gradually increases. Was 10% and the degree of orientation was 100%. When the oxygen partial pressure was in the range of 10% to 30%, the degree of orientation was 100%, the degree of orientation was 96% when the oxygen partial pressure was 40%, and the degree of orientation suddenly decreased at an oxygen partial pressure higher than that.

一方、変位量は、酸素分圧が0.5%から2%まで増加するとともに急激に大きくなる。しかし、2%を超えると変位量は減少していく。この減少の度合いは、酸素分圧が10%前後で異なり、変曲点を有することが見出された。   On the other hand, the displacement increases rapidly as the oxygen partial pressure increases from 0.5% to 2%. However, when it exceeds 2%, the amount of displacement decreases. The degree of this decrease was found to have an inflection point, with the oxygen partial pressure varying around 10%.

図4は、同様にY=0.25組成のターゲットを用いて、酸素分圧による圧電体素子10の変位量および酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)に対する関係を求めた結果を示す図である。横軸は全圧に対する酸素分圧をパーセントで表示している。縦軸の左側は変位量、右側は酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)である。また、図5は、酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)と変位量との関係を示す図である。   FIG. 4 shows the result of determining the relationship between the displacement amount of the piezoelectric element 10 due to the partial pressure of oxygen and the oxygen deficiency amount ratio (Y−Z) / (Y + 3) using a target of Y = 0.25 composition. FIG. The horizontal axis represents the oxygen partial pressure with respect to the total pressure in percent. The left side of the vertical axis is the displacement amount, and the right side is the oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3). FIG. 5 is a graph showing the relationship between the oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3) and the displacement.

なお、酸素欠損量比率を求める方法について、以下説明する。最初に、酸素欠損量比率を求めるために必要な強誘電体薄膜の組成は、上述したようにEPMAにより測定した。この分析法は、きわめて細く絞った電子線束を試料表面に照射し、その部分から放射される特性X線の波長と強度とをX線分光器で測定し、試料の組成を求める分析法である。   A method for obtaining the oxygen deficiency ratio will be described below. First, the composition of the ferroelectric thin film necessary for obtaining the oxygen deficiency ratio was measured by EPMA as described above. This analysis method is an analysis method for obtaining the composition of a sample by irradiating a sample surface with a very finely focused electron beam and measuring the wavelength and intensity of characteristic X-rays radiated from that portion with an X-ray spectrometer. .

PZT薄膜の定量分析は、具体的には以下のようにして行った。すなわち、Pb、Zr、TiおよびOのそれぞれの元素の濃度が既知である標準試料を用いて、そのX線強度を最初に測定する。例として、Pbについて、以下説明する。標準試料のPb濃度がWPbstdであり、その試料のX線強度がIPbstdであるとする。つぎに、濃度未知であるPZT薄膜を測定したときのPbのX線強度がIPbとする。これらのデータより一次近似を行うと、濃度未知のPZT薄膜のPbの濃度WPbは下記の式より求められる。 Specifically, the quantitative analysis of the PZT thin film was performed as follows. That is, the X-ray intensity is first measured using a standard sample in which the concentration of each element of Pb, Zr, Ti and O is known. As an example, Pb will be described below. It is assumed that the Pb concentration of the standard sample is W Pbstd and the X-ray intensity of the sample is I Pbstd . Next, the X-ray intensity of Pb when measuring a PZT thin film whose concentration is unknown is assumed to be IPb . When linear approximation is performed from these data, the concentration W Pb of Pb of the PZT thin film whose concentration is unknown can be obtained from the following equation.

Pb=WPbstd×IPb/IPbstd
ただし、IPbおよびIPbstdは、不感時間補正およびバックグラウンド補正を行った後の単位電流あたりのX線強度である。
W Pb = W Pbstd × I Pb / I Pbstd
However, I Pb and I Pbstd are X-ray intensities per unit current after dead time correction and background correction.

同様な方法により、Zr、TiおよびOの濃度WZr、WTiおよびWをそれぞれ求める。 By the same method, the concentrations W Zr , W Ti and W 2 of Zr , Ti and O are obtained, respectively.

つぎに、ZAF補正係数を計算する。Zは原子番号補正であり、Duncumb−Reedの数値を最小二乗法により計算して求める。Aは吸収補正であり、Philibertの式を使って計算する。Fは蛍光補正であり、Reedの式を使って求める。WPb、WZr、WTiおよびWを正規化した値からそれぞれの元素の最初のZAF補正係数のZ、AおよびFを計算し、これらを掛け合せることで補正後の濃度が得られる。これにより求められた濃度の値を用いて再度ZAF補正係数を計算する。この補正係数を用いてさらに補正した濃度を求める。このようにして計算誤差が0.001%になるまでこれらを繰り返し行い、定量値を求めた。 Next, a ZAF correction coefficient is calculated. Z is atomic number correction, and is obtained by calculating the value of Duncum-Reed by the method of least squares. A is an absorption correction and is calculated using the Philbert equation. F is fluorescence correction, and is obtained using the Reed equation. From the values obtained by normalizing W Pb , W Zr , W Ti and W 2 O , the first ZAF correction coefficients Z, A and F of the respective elements are calculated and multiplied to obtain the corrected concentration. The ZAF correction coefficient is calculated again using the density value thus obtained. Using this correction coefficient, a further corrected density is obtained. Thus, these were repeated until the calculation error became 0.001%, and the quantitative value was obtained.

なお、分析に用いた装置は、波長分散型EPMA(日本電子(株)製 JXA−8900R)である。試料は約5mmの大きさの正方形状に加工したものを用い、これをカーボンペーストにより試料台に貼り付けて導通をとり、さらに表面にカーボンコーティングを行った。   The apparatus used for the analysis is a wavelength dispersion type EPMA (JXA-8900R manufactured by JEOL Ltd.). A sample processed into a square shape having a size of about 5 mm was used. The sample was attached to a sample table with a carbon paste to obtain electrical conduction, and the surface was coated with carbon.

実際の測定は、最初に膜厚の確認および不純物の有無を調べるため、試料について全定性分析を行う。これにより、下地まで電子線が侵入していないかどうかの確認も行う。つぎに、標準試料のPZTを測定する。この後、標準試料の値を読み込み、試料の定量分析を行う。このときの分析条件は、加速電圧が15kV、照射電流が70mA、ビーム径が10μmである。測定の異常の有無を確認し、正常に測定されていれば測定されたデータを正規化して測定結果とする。以上の測定方法により、Pb、Zr、TiおよびOの定量値が得られる。   In actual measurement, first, a total qualitative analysis is performed on the sample in order to confirm the film thickness and to check for the presence of impurities. Thereby, it is also confirmed whether an electron beam has penetrated to the ground. Next, the PZT of the standard sample is measured. Thereafter, the value of the standard sample is read and the sample is quantitatively analyzed. The analysis conditions at this time are an acceleration voltage of 15 kV, an irradiation current of 70 mA, and a beam diameter of 10 μm. The presence or absence of measurement abnormality is confirmed. If the measurement is normal, the measured data is normalized to obtain a measurement result. By the above measuring method, quantitative values of Pb, Zr, Ti and O are obtained.

酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)は、Pbを2価、ZrとTiを4価とした場合のPZT薄膜2中の酸素欠損量の比率として定義した。すなわち、Pbの酸化が化学量論的に完全に生じれば、そのときの酸素(O)量はPbと同じY+1であり、Zrの酸化が同様に化学量論的に完全に生じれば、そのときの酸素(O)量はZrの2倍の2X、Tiの酸化が同様に生じれば、酸素(O)量はTiの2倍の2(1−X)である。したがって、化学量論組成の状態では、合計の酸素量は(Y+1)+2X+2(1−X)=(Y+3)となる。   Oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3) was defined as the ratio of oxygen deficiency in the PZT thin film 2 when Pb was divalent and Zr and Ti were tetravalent. That is, if the oxidation of Pb occurs completely stoichiometrically, the amount of oxygen (O) at that time is Y + 1, which is the same as Pb, and if the oxidation of Zr occurs similarly stoichiometrically, At that time, the amount of oxygen (O) is 2X, which is twice that of Zr, and if oxidation of Ti occurs similarly, the amount of oxygen (O) is 2 (1-X), which is twice that of Ti. Therefore, in the stoichiometric composition state, the total oxygen amount is (Y + 1) + 2X + 2 (1−X) = (Y + 3).

一方、作製されたPZT薄膜2の実際の酸素の量は(3+Z)なので、酸素の不足量は(Y+3)−(3+Z)=(Y−Z)となる。化学量論組成の合計の酸素量が(Y+3)であるので、酸素欠損の割合は、両者の比である(Y−Z)/(Y+3)となる。すなわち(Y−Z)/(Y+3)は酸素欠損量比率をあらわす。このX、YおよびZの値は、上記のEPMAによる定量分析結果からWPb、WZr、WTiおよびWが求められているので、これらの値をもとに計算すれば容易に得られる。 On the other hand, since the actual amount of oxygen in the fabricated PZT thin film 2 is (3 + Z), the shortage of oxygen is (Y + 3) − (3 + Z) = (Y−Z). Since the total oxygen amount in the stoichiometric composition is (Y + 3), the ratio of oxygen deficiency is (Y−Z) / (Y + 3), which is the ratio of both. That is, (Y−Z) / (Y + 3) represents the oxygen deficiency ratio. The values of X, Y and Z can be easily obtained by calculating based on these values since W Pb , W Zr , W Ti and W 2 O are obtained from the above quantitative analysis results by EPMA. .

図4に示されるように、酸素分圧が1%以下では、酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)は酸素分圧の減少とともに急激に大きくなることが見出された。すなわち、酸素分圧が1%以下では、PZT薄膜2中に多量の酸素欠損が生じることがわかった。酸素分圧が1%より大きくなると、酸素欠損量比率は徐々に小さくなり、酸素分圧が10%で酸素欠損量比率は0.2%(0.002)となり、それ以上の酸素分圧では化学量論組成のPZT薄膜2が得られる。   As shown in FIG. 4, it was found that when the oxygen partial pressure was 1% or less, the oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3) rapidly increased as the oxygen partial pressure decreased. That is, it was found that a large amount of oxygen deficiency occurs in the PZT thin film 2 when the oxygen partial pressure is 1% or less. When the oxygen partial pressure is greater than 1%, the oxygen deficiency ratio gradually decreases, the oxygen partial pressure is 10%, and the oxygen deficiency ratio is 0.2% (0.002). A PZT thin film 2 having a stoichiometric composition is obtained.

さらに、図4からわかるように、酸素欠損量比率が0.2%(0.002)となる酸素分圧10%から酸素欠損量比率が5%(0.05)となる酸素分圧2%までは、酸素欠損量比率の増加とともに変位量がほぼ直線的に増加する傾向を示している。しかしながら、酸素欠損量比率が5%(0.05)より大きくなると、変位量は逆に小さくなり、この領域では酸素欠損量比率との相関が見られない。この原因は、図3に示すように配向度が低下するためである。   Further, as can be seen from FIG. 4, the oxygen partial pressure of 2% at which the oxygen deficiency ratio is 5% (0.05) is changed from the oxygen partial pressure of 10% at which the oxygen deficiency ratio is 0.2% (0.002). Up to this point, the displacement amount tends to increase almost linearly as the oxygen deficiency ratio increases. However, when the oxygen deficiency amount ratio is greater than 5% (0.05), the displacement amount is decreased, and no correlation with the oxygen deficiency amount ratio is observed in this region. This is because the degree of orientation decreases as shown in FIG.

図5は、酸素欠損量比率(Y−Z)/(Y+3)と変位量との関係を求めた図である。変位量は、酸素欠損量比率が5%(0.05)程度で最大値を示している。また、酸素欠損量比率が5%(0.05)より少なくなると、変位量は徐々に減少する。一方、酸素欠損量比率が5%(0.05)以上でも同様に減少するが、酸素欠損量比率が10%(0.1)近傍で変位量には変曲点を有しているように見られる。   FIG. 5 shows the relationship between the oxygen deficiency ratio (Y−Z) / (Y + 3) and the displacement. The amount of displacement shows the maximum value when the oxygen deficiency ratio is about 5% (0.05). When the oxygen deficiency ratio is less than 5% (0.05), the displacement amount gradually decreases. On the other hand, even when the oxygen deficiency ratio is 5% (0.05) or more, the decrease similarly occurs. However, when the oxygen deficiency ratio is in the vicinity of 10% (0.1), the displacement amount has an inflection point. It can be seen.

以上の結果から、圧電体素子10の変位量を大きくするためには、PZT薄膜2中に酸素欠損をある程度生じさせることが有効であることが見出された。この酸素欠損量比率の上限値は、PZT薄膜2の配向度が70%以上の場合には0.1である。これは、配向度100%で酸素欠損がない場合の変位量より大きな変位量を確保できるのは、酸素欠損量比率として10%(0.1)以下が必要なことが図4から認められることによる。このときの酸素分圧は、1%以上で、10%より少ない範囲とすることが必要である。   From the above results, it has been found that it is effective to cause oxygen vacancies to some extent in the PZT thin film 2 in order to increase the displacement amount of the piezoelectric element 10. The upper limit of the oxygen deficiency ratio is 0.1 when the degree of orientation of the PZT thin film 2 is 70% or more. It can be seen from FIG. 4 that the displacement amount larger than the displacement amount when the degree of orientation is 100% and there is no oxygen deficiency is 10% (0.1) or less as the oxygen deficiency ratio. by. The oxygen partial pressure at this time needs to be 1% or more and less than 10%.

さらに、酸素欠損量比率を2%(0.02)から7%(0.07)の範囲とすれば、図5からわかるように変位量のピーク値を挟む範囲となるので、酸素欠損量のばらつきが生じても変位量の変動を比較的小さくできる。これにより、製造歩留まりを改善できるので望ましい。さらに、酸素欠損量比率を2%(0.02)以上で、かつ5%(0.05)以下とすれば、酸素欠損量比率に対する変位量の変動をより小さくできる。したがって、製造歩留まりをさらに改善できることからより望ましい。   Furthermore, if the oxygen deficiency ratio is in the range of 2% (0.02) to 7% (0.07), as shown in FIG. Even if the variation occurs, the variation of the displacement amount can be made relatively small. This is desirable because the manufacturing yield can be improved. Furthermore, if the oxygen deficiency amount ratio is 2% (0.02) or more and 5% (0.05) or less, the variation of the displacement amount with respect to the oxygen deficiency amount ratio can be further reduced. Therefore, it is more desirable because the manufacturing yield can be further improved.

なお、酸素欠損量比率が2%(0.02)から7%(0.07)の範囲とするときの酸素分圧は、1.5%以上で、5%より少ない範囲に設定することが必要である。   The oxygen partial pressure when the oxygen deficiency ratio is in the range of 2% (0.02) to 7% (0.07) may be set to a range of 1.5% or more and less than 5%. is necessary.

図6に、ターゲットとして、その組成を一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)であらわしたとき、X=0.58一定で、Y=0、Y=0.25およびY=1の組成の3種類のターゲットを用いてPZT薄膜2を作製したときの、成膜時の放電ガス中の酸素分圧と圧電体素子10の変位量との関係を示す。 In FIG. 6, when the composition is represented by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1), X = 0.58 is constant, Oxygen partial pressure in the discharge gas and displacement of the piezoelectric element 10 when the PZT thin film 2 is produced using three types of targets having compositions of Y = 0, Y = 0.25, and Y = 1. The relationship with quantity is shown.

Y=0のターゲットを用いた場合には、酸素分圧が10%から20%の範囲に変位量のピーク値を有し、かつ全体として変位量は小さい。これはY=0であるため、このターゲットを用いてスパッタリングにより作製されたPZT薄膜は、Pb欠乏状態となるためである。   When a target with Y = 0 is used, the peak value of the displacement amount is in the range where the oxygen partial pressure is 10% to 20%, and the displacement amount is small as a whole. Since Y = 0, the PZT thin film produced by sputtering using this target is in a Pb-deficient state.

Y=1のターゲットを用いた場合には、酸素分圧が1%近傍で局所的に変位量のピークを有することが見出された。   When using a Y = 1 target, it was found that the oxygen partial pressure had a local displacement peak in the vicinity of 1%.

一方、Y=0.25のターゲットを用いた場合には、大きな変位量が得られる範囲も広く、PZT薄膜2を歩留まりよく製造できることがわかった。   On the other hand, it was found that when a target with Y = 0.25 was used, the range in which a large amount of displacement was obtained was wide, and the PZT thin film 2 could be manufactured with a high yield.

なお、図6からわかるように、ターゲット中のPb組成を示すYの値が0から大きくなるにつれて、変位量のピークを示す酸素分圧値が小さい方にシフトする傾向が見られる。図示はしていないが、Yの値をさらに種々変化させたターゲットを用いて変位量との関係を調べた。その結果、0<Y<1の範囲であれば、酸素分圧を1%から10%までの範囲で成膜することで、圧電特性が良好で、かつ量産性と歩留まりも改善できることが見出された。この酸素分圧はスパッタリング中に放電ガスをマスフィルターにより分析しながら、導入するアルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの比率を制御すればよい。あるいは、Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Zのターゲットで、Z≒0である場合等については、放電ガスとして導入するArとO2との流量比率を上記の範囲に設定して導入しても同様の圧電体薄膜が得られる。 As can be seen from FIG. 6, as the value of Y indicating the Pb composition in the target increases from 0, the oxygen partial pressure value indicating the displacement peak tends to shift to a smaller value. Although not shown, the relationship with the amount of displacement was examined using a target in which the value of Y was further varied. As a result, when the range is 0 <Y <1, it is found that by forming the film with the oxygen partial pressure in the range of 1% to 10%, the piezoelectric characteristics are good and the mass productivity and the yield can be improved. It was done. The oxygen partial pressure may be controlled by controlling the ratio of the introduced argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas while analyzing the discharge gas with a mass filter during sputtering. Alternatively, when the target is Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z and Z≈0, the flow rate ratio of Ar and O 2 introduced as the discharge gas is set to the above range. Even if set and introduced, the same piezoelectric thin film can be obtained.

なお、本実施の形態では、一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)であらわしたとき、X=0.58一定とし、ZはYと同じ値としたターゲットを用いた。しかし、ターゲットの酸素組成であるZの値は、Pb組成であるYと同じ値に限定されるものではなく、それぞれ個別に設定してもよい。すなわち、−3≦Z≦Yの範囲であれば、スパッタリング時の放電ガス中の酸素含有量を上記の範囲とし、成膜速度を適切に制御すれば良好な圧電特性を有する圧電体薄膜を作製することができる。 In the present embodiment, when expressed by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1), X = 0.58 is constant, and Z is A target having the same value as Y was used. However, the value of Z, which is the oxygen composition of the target, is not limited to the same value as Y, which is the Pb composition, and may be set individually. That is, if it is in the range of -3 ≦ Z ≦ Y, the oxygen content in the discharge gas at the time of sputtering is within the above range, and a piezoelectric thin film having good piezoelectric characteristics is produced if the film formation rate is appropriately controlled. can do.

また、本実施の形態では、基板として(100)方位のMgO基板を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、単結晶シリコン基板、単結晶チタン酸ストロンチウム基板、サファイヤ基板あるいは焼結アルミナ基板、ジルコニア基板等を用いることができる。これらの基板を用いた場合に自発分極が生じないときには、酸化物圧電体薄膜の成膜後に分極処理を行えばよい。   In this embodiment, a (100) -oriented MgO substrate is used as the substrate, but the present invention is not limited to this. For example, a single crystal silicon substrate, a single crystal strontium titanate substrate, a sapphire substrate, a sintered alumina substrate, a zirconia substrate, or the like can be used. If spontaneous polarization does not occur when these substrates are used, polarization treatment may be performed after the oxide piezoelectric thin film is formed.

さらに、本実施の形態では、第1の電極膜としてPt膜を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金(Au)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)あるいはこれらの酸化物で導電性を有する材料であれば同様に用いることができる。   Furthermore, although the Pt film is used as the first electrode film in the present embodiment, the present invention is not limited to this. For example, gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), or an oxide thereof can be used similarly.

また、本実施の形態では、第2の電極膜としてPt膜を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記の第1の電極膜と同様の材料も用いることができる。さらに、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属材料であれば特に限定なく使用することができる。   In this embodiment, a Pt film is used as the second electrode film, but the present invention is not limited to this. For example, the same material as the first electrode film can be used. Furthermore, any metal material such as aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni) can be used without any particular limitation.

また、本実施の形態では、圧電体素子とする方法として、フォトリソグラフィおよびエッチングプロセスにより加工したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスクを用いてスパッタリングまたは蒸着することで所定の形状を作製してもよい。   In this embodiment, the piezoelectric element is processed by photolithography and an etching process, but the present invention is not limited to this. For example, the predetermined shape may be produced by sputtering or vapor deposition using a mask.

(第2の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した方法により作製した圧電体素子からなるアクチュエータを作製し、このアクチュエータを磁気ディスク装置の磁気ヘッドの位置決め用に用いる場合について説明する。図7は、本実施の形態の圧電体素子を磁気ディスク装置の磁気ヘッド位置決め用に用いた装置構成の模式図を示す。この磁気ディスク装置は、従来のボイスコイルモータからなるアクチュエータに、さらに本発明の圧電体素子からなるアクチュエータを付加した2段アクチュエータ構成であることが特徴である。磁気ヘッド支持機構100は、比較的剛性の低いサスペンション104、板バネ部105、比較的剛性の高いアーム106、フレクシャー103、このフレクシャー103上でディスク200に対向する面に取り付けられたスライダ102、このスライダ102に搭載された磁気ヘッド(図示せず)およびフレクシャー103上に接着固定された圧電体素子108から構成されている。
(Second Embodiment)
In this embodiment, a case will be described in which an actuator made of a piezoelectric element manufactured by the method described in the first embodiment is manufactured and this actuator is used for positioning a magnetic head of a magnetic disk device. FIG. 7 is a schematic diagram of a device configuration in which the piezoelectric element of the present embodiment is used for positioning a magnetic head of a magnetic disk device. This magnetic disk apparatus is characterized by a two-stage actuator configuration in which an actuator made of a piezoelectric element of the present invention is added to an actuator made of a conventional voice coil motor. The magnetic head support mechanism 100 includes a suspension 104 having a relatively low rigidity, a leaf spring portion 105, an arm 106 having a relatively high rigidity, a flexure 103, a slider 102 attached to the surface facing the disk 200 on the flexure 103, and A magnetic head (not shown) mounted on the slider 102 and a piezoelectric element 108 bonded and fixed on the flexure 103 are configured.

サスペンション104は、比較的剛性が低く設計されており、その他方の端部は板バネ部105を構成し、この板バネ部105がアーム106に固定されている。アーム106に取り付けられたボイスコイル112と図示しない磁石とにより、ボイスコイルモータを構成している。磁気ヘッド支持機構100は、このボイスコイルモータによりディスク200面に平行な方向に所定の角度範囲で回動することができる。   The suspension 104 is designed to have relatively low rigidity, and the other end constitutes a leaf spring portion 105, and the leaf spring portion 105 is fixed to the arm 106. A voice coil motor is constituted by a voice coil 112 attached to the arm 106 and a magnet (not shown). The magnetic head support mechanism 100 can be rotated within a predetermined angle range in a direction parallel to the surface of the disk 200 by the voice coil motor.

さらに、スライダ102に搭載された磁気ヘッドをディスク200の所定のトラック位置に高精度に位置決めするために、圧電体素子108が駆動される。すなわち、この磁気ヘッド支持機構100は、ボイスコイルモータにより粗く位置決めし、圧電体素子108により微調整する2段アクチュエータ構成である。   Further, the piezoelectric element 108 is driven in order to accurately position the magnetic head mounted on the slider 102 at a predetermined track position of the disk 200. That is, the magnetic head support mechanism 100 has a two-stage actuator configuration in which the positioning is roughly performed by a voice coil motor and fine adjustment is performed by the piezoelectric element 108.

この磁気ディスク装置の動作について説明する。ディスク200は、回転駆動手段220によって所定の回転速度で回転する。磁気ディスク装置の記録再生時には、ディスク200の回転に伴い生じる空気流による浮揚力と、スライダ102をディスク200面側に押し付ける付勢力との力の釣合によりスライダ102は一定の浮上量で浮上し、磁気ヘッドはこの一定の浮上状態で記録再生を行う。このような浮上状態で記録再生を行うが、所定のトラック位置に磁気ヘッドを位置決めするために、アーム106がボイスコイルモータにより軸受部110を中心として回動する。従来の磁気ディスク装置では、このボイスコイルモータのみで位置決めを行っているが、本実施の形態の磁気ディスク装置ではさらに圧電体素子108による高精度の位置決めも行う。   The operation of this magnetic disk device will be described. The disk 200 is rotated at a predetermined rotation speed by the rotation driving means 220. During recording / reproduction of the magnetic disk device, the slider 102 floats with a certain flying height by the balance between the levitation force caused by the air flow generated by the rotation of the disk 200 and the urging force that presses the slider 102 against the disk 200 surface side. The magnetic head performs recording and reproduction in this constant flying state. Recording and reproduction are performed in such a floating state. In order to position the magnetic head at a predetermined track position, the arm 106 is rotated around the bearing 110 by a voice coil motor. In the conventional magnetic disk apparatus, positioning is performed only by this voice coil motor, but in the magnetic disk apparatus of the present embodiment, positioning with high accuracy is further performed by the piezoelectric element 108.

図8に、この圧電体素子108近傍部分の形状を示す。図8(a)は、その平面図であり、図8(b)は図8(a)に示すX−X線に沿った断面図である。フレクシャー103上に一対の圧電体素子108A、108Bがサスペンションの長手方向の中心線Y−Y線に対して対称な位置に接着層107で接着固定されている。それぞれの圧電体素子108A、108Bは、Y−Y線に対して対称な形状であり、その断面構造も同じである。すなわち、PZT薄膜1082を挟むように第1の電極膜1081と第2の電極膜1083とにより圧電体素子108A、108Bが形成されている。なお、さらにこれらの圧電体素子108A、108Bの表面には絶縁性の保護樹脂膜を形成する場合もある。それぞれの圧電体素子108A、108Bの第1の電極膜1081、第2の電極膜1083がフレクシャー103の電極パッド103Aとワイヤリード109により接続されている。電極パッド103Aからは磁気ディスク装置の制御部(図示せず)に接続される圧電体電極配線103Bがフレクシャー103上に形成されている。また、スライダ102に搭載された磁気ヘッドと磁気ディスク装置の制御部(図示せず)とを接続するための磁気ヘッド電極配線103Cが一対の圧電体素子108A、108Bの中央部のフレクシャー103上に形成されている。   FIG. 8 shows the shape of the vicinity of the piezoelectric element 108. FIG. 8A is a plan view thereof, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. A pair of piezoelectric elements 108A and 108B are bonded and fixed on the flexure 103 with an adhesive layer 107 at positions symmetrical to the center line Y-Y line in the longitudinal direction of the suspension. Each of the piezoelectric elements 108A and 108B has a symmetrical shape with respect to the YY line, and the cross-sectional structure thereof is also the same. That is, the piezoelectric elements 108A and 108B are formed by the first electrode film 1081 and the second electrode film 1083 so as to sandwich the PZT thin film 1082. Furthermore, an insulating protective resin film may be formed on the surface of these piezoelectric elements 108A and 108B. The first electrode film 1081 and the second electrode film 1083 of each of the piezoelectric elements 108A and 108B are connected to the electrode pad 103A of the flexure 103 and the wire lead 109. From the electrode pad 103A, a piezoelectric electrode wiring 103B connected to a control unit (not shown) of the magnetic disk device is formed on the flexure 103. Also, a magnetic head electrode wiring 103C for connecting a magnetic head mounted on the slider 102 and a control unit (not shown) of the magnetic disk device is formed on the flexure 103 at the center of the pair of piezoelectric elements 108A and 108B. Is formed.

この構成の磁気ヘッド支持機構100における圧電体素子108に対して電圧10Vを印加して磁気ヘッド(図示せず)の変位量を計測した。その結果、酸素欠損量比率が0<(Y−Z)/(Y+3)≦0.1となるPZT薄膜の場合には、従来のPZT薄膜を用いた圧電体素子に比べて2倍以上大きな変位量を発生できることが認められた。したがって、従来の圧電体素子に比べて、より大きな範囲で微小位置決めが可能となり、さらに記録密度の大きな磁気ディスク装置を実現できる。   A voltage of 10 V was applied to the piezoelectric element 108 in the magnetic head support mechanism 100 having this configuration to measure the displacement of the magnetic head (not shown). As a result, in the case of a PZT thin film in which the oxygen deficiency ratio is 0 <(Y−Z) / (Y + 3) ≦ 0.1, the displacement is twice or more larger than that of a piezoelectric element using a conventional PZT thin film. It was found that the amount could be generated. Therefore, compared with the conventional piezoelectric element, fine positioning can be performed in a larger range, and a magnetic disk device with a higher recording density can be realized.

なお、図8に示す圧電体素子108A、108Bにおいては、PZT薄膜1082を第1の電極膜1081と第2の電極膜1083とで挟んだ構成で、PZT薄膜1082は一層のみとしたが、さらにこの構成とした膜を接着剤等により貼り合せてPZT薄膜を複数積層する構造としてもよい。積層することで、より大きな変位駆動力が得られる。   In the piezoelectric elements 108A and 108B shown in FIG. 8, the PZT thin film 1082 is sandwiched between the first electrode film 1081 and the second electrode film 1083, and only one PZT thin film 1082 is provided. A structure in which a plurality of PZT thin films are laminated by bonding the films having this configuration with an adhesive or the like may be employed. By laminating, a larger displacement driving force can be obtained.

なお、本実施の形態におけるPZT薄膜の場合には、その結晶構造が正方晶系であり、(001)配向であるが、これは正方晶系PZTにおいては分極が(001)方向を向くために(001)に配向させた方が圧電特性上有利だからである。菱面体晶系のPZT薄膜であれば、分極は(111)方向を向くため、その場合は(111)の配向度を高く保つようにすれば圧電特性上有利である。   Note that in the case of the PZT thin film in this embodiment, the crystal structure is tetragonal and has (001) orientation. This is because the polarization is oriented in the (001) direction in tetragonal PZT. This is because the orientation to (001) is advantageous in terms of piezoelectric characteristics. In the case of a rhombohedral PZT thin film, the polarization is oriented in the (111) direction. In this case, it is advantageous in terms of piezoelectric characteristics if the degree of orientation of (111) is kept high.

また、本実施の形態においては、一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Zにおいて、X=0.58の場合について説明したが、本発明は特にこれに限るものではない。PZTにおいては結晶構造がXに依存し、正方晶系と菱面体晶系の境界付近となるようなXの値の組成は、MPB(morphotropic phase boundary)組成と呼ばれ、圧電性が高くなることが知られている。この付近の組成を使用すれば、X=0.58に限らず、高い圧電性を有する圧電体素子を得ることができる。なお、正方晶系と菱面体晶系の境界となるXの値は膜の形成方法や添加物量等に依存するので、適宜調整すればよい。 In the present embodiment, the case where X = 0.58 in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z has been described. However, the present invention is not particularly limited to this. Absent. In PZT, the crystal structure depends on X, and the composition of the value of X that is near the boundary between the tetragonal system and the rhombohedral system is called the MPB (morphotropic phase boundary) composition, and the piezoelectricity becomes high It has been known. If a composition in the vicinity is used, not only X = 0.58 but also a piezoelectric element having high piezoelectricity can be obtained. Note that the value of X, which is the boundary between the tetragonal system and the rhombohedral system, depends on the film formation method, the amount of additive, and the like, and may be adjusted as appropriate.

また、本実施の形態においては、圧電体薄膜の材料としてPZTに関して説明したが、必要に応じてこれに添加物元素を加えて材料特性を調整してもよい。その場合、添加物の量とその価数を計算に考慮して酸素欠損量を算出すればよい。添加元素としての元素とその価数を示すと以下の通りである。1属典型元素は1価であり、2属典型元素、Mn、Ni、Cu、Zn、Sm、Eu、Ybは2価であり、Sc、Y、Cr、B、Al、Ga、In、Sb、Bi、La、Nd、Pm、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Luは3価であり、Hf、Ir、Si、Ge、Sn、Ce、Pr、Tbは4価である。   In this embodiment, PZT has been described as the material for the piezoelectric thin film. However, if necessary, an additive element may be added to adjust the material characteristics. In that case, the oxygen deficiency may be calculated in consideration of the amount of additive and its valence. The elements as additive elements and their valences are as follows. Group 1 typical elements are monovalent, Group 2 typical elements, Mn, Ni, Cu, Zn, Sm, Eu, Yb are divalent, Sc, Y, Cr, B, Al, Ga, In, Sb, Bi, La, Nd, Pm, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu are trivalent, and Hf, Ir, Si, Ge, Sn, Ce, Pr, and Tb are tetravalent.

また、本実施の形態においては、Pt膜上にPZT薄膜を直接成膜したが、PZT薄膜の結晶性、結晶配向を改善するためにPt膜上に下地膜を形成し、その上にPZT薄膜を成膜しても構わない。   In this embodiment, the PZT thin film is directly formed on the Pt film. However, in order to improve the crystallinity and crystal orientation of the PZT thin film, a base film is formed on the Pt film, and the PZT thin film is formed thereon. May be formed.

また、本実施の形態においては成膜後には熱処理を行っていないが、PZT薄膜の結晶性、結晶配向を改善するために必要に応じて熱処理を行ってもよい。   In this embodiment, heat treatment is not performed after film formation, but heat treatment may be performed as necessary to improve the crystallinity and crystal orientation of the PZT thin film.

また、本実施の形態においてはスパッタ成膜を行ったが、スパッタ成膜に限定されるものではなく、レーザアブレーション成膜で製作されたPZT薄膜においても、酸素欠損を有する膜にすることで圧電性が向上することを確認している。さらに、本発明はPZT薄膜に限定されることはなく、酸化物圧電体薄膜であれば本発明の効果を奏することができる。   Further, although sputter film formation is performed in the present embodiment, the present invention is not limited to sputter film formation, and a PZT thin film manufactured by laser ablation film formation is also piezoelectric by forming a film having oxygen vacancies. Has been confirmed to improve. Furthermore, the present invention is not limited to the PZT thin film, and the effect of the present invention can be achieved as long as it is an oxide piezoelectric thin film.

また、本発明の圧電体素子は、圧電体薄膜の結晶構造がペロブスカイト型正方晶系であり、分極軸と平行な方位が(001)面方位であってもよいし、圧電体薄膜の結晶構造がペロブスカイト型菱面体晶系であり、分極軸と平行な方位が(111)面方位であってもよい。これにより、圧電体材料として正方晶系のPZT薄膜または菱面体晶系のPZT薄膜を用いて作製した圧電体素子は大きな圧電特性を有する。   In the piezoelectric element of the present invention, the crystal structure of the piezoelectric thin film may be a perovskite type tetragonal system, the orientation parallel to the polarization axis may be a (001) plane orientation, or the crystal structure of the piezoelectric thin film May be a perovskite rhombohedral system, and the orientation parallel to the polarization axis may be the (111) orientation. Accordingly, a piezoelectric element manufactured using a tetragonal PZT thin film or a rhombohedral PZT thin film as the piezoelectric material has large piezoelectric characteristics.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrxTi1-x)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPbの一部を、2属典型元素、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)およびイッテルビウム(Yb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えてもよい。このような元素を1種類または複数種類添加した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 In addition, the piezoelectric element of the present invention may include a part of Pb in the general formula Pb 1 + Y (Zr x Ti 1-x ) O 3 + Z (where 0 <X <1) And at least one element selected from manganese (Mn), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), samarium (Sm), europium (Eu) and ytterbium (Yb). In the composite oxide piezoelectric thin film to which one or more kinds of such elements are added, the piezoelectric characteristics can be further improved by making the amount of oxygen deficiency larger than 0% and smaller than 10%.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrxTi1-x)O3+Z(ただし、0<X<1)中のTiとZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、ハフニウム(Hf)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)およびテルビウム(Tb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えてもよい。TiとZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部をこのような元素で置換した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 The piezoelectric element of the present invention is at least one selected from Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr x Ti 1-x ) O 3 + Z (where 0 <X <1). A part of the element was selected from hafnium (Hf), iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), cerium (Ce), praseodymium (Pr) and terbium (Tb) It may be replaced with at least one element. In a composite oxide piezoelectric thin film in which a part of at least one element selected from Ti and Zr is substituted with such an element, if the oxygen deficiency is larger than 0% and smaller than 10%, the piezoelectric characteristics are further improved. Can be improved.

また、本発明の圧電体素子は、上記一般式Pb1+Y(ZrxTi1-x)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPb、TiおよびZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、1価の1属典型元素、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ランタン(La)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)およびルテチウム(Lu)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えてもよい。Pb、TiおよびZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部をこのような元素で置換した複合酸化物圧電体薄膜において、酸素欠損量を0%より大きく、10%より小さくすればさらに圧電特性を改善することができる。 In addition, the piezoelectric element of the present invention has at least one selected from Pb, Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr x Ti 1-x ) O 3 + Z (where 0 <X <1). A part of one kind of element is a monovalent one-genus typical element, scandium (Sc), yttrium (Y), chromium (Cr), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In ), Antimony (Sb), bismuth (Bi), lanthanum (La), neodymium (Nd), promethium (Pm), gadolinium (Gd), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium ( It may be replaced with at least one element selected from Tm) and lutetium (Lu). In a composite oxide piezoelectric thin film in which a part of at least one element selected from Pb, Ti and Zr is substituted with such an element, if the amount of oxygen deficiency is larger than 0% and smaller than 10%, the piezoelectricity is further increased. The characteristics can be improved.

また、本発明の実施の形態において、圧電体薄膜をスパッタリングにより作製する方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザアブレーション法により作製してもよい。これにより、高精度に制御されたガス雰囲気下において、酸素欠損量を精密に制御しながら酸化物圧電体薄膜の結晶成長が可能となり、酸素欠損量の膜中の分布を均質にすることができる。例えば、粉体焼結法によって圧電体を形成する場合にも低酸素雰囲気下で焼成すれば酸素欠損が生じるが、この場合には酸素欠損が局在しやすく、このため信頼性が低下してしまう。また、化学気相成膜(CVD)法の場合には、スパッタリング法やレーザアブレーション法とは異なり、反応ガスの酸化、分解により膜生成するため、低酸素分圧で良好な圧電特性を有する圧電体薄膜を形成することは比較的困難である。   In the embodiment of the present invention, the method for producing a piezoelectric thin film by sputtering has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, you may produce by the laser ablation method. This enables crystal growth of the oxide piezoelectric thin film while precisely controlling the amount of oxygen vacancies in a gas atmosphere controlled with high precision, and the distribution of oxygen vacancies in the film can be made uniform. . For example, even when a piezoelectric material is formed by a powder sintering method, oxygen deficiency occurs if fired in a low oxygen atmosphere. In this case, however, oxygen deficiency is likely to be localized, which reduces reliability. End up. In the case of chemical vapor deposition (CVD), unlike the sputtering method or laser ablation method, a film is formed by oxidation and decomposition of the reaction gas, so that the piezoelectric material has good piezoelectric characteristics at a low oxygen partial pressure. It is relatively difficult to form a body thin film.

一方、スパッタリング法やレーザアブレーション法により作製された酸化物圧電体薄膜には所定の酸素欠損量が膜中に均質に存在するようになり、大きな圧電特性と高信頼性の圧電体薄膜を得ることができる。酸素分圧が10%を超えた状態でスパッタリングすると、酸素欠損が生じず、かつ成膜速度も速くできない。一方、酸素分圧が1%以下であると、分極軸と平行な結晶の割合が低下して圧電特性も改善されない。すなわち、必要な圧電特性を得るためには、結晶配向度としては70%以上が必要であり、このためには酸素分圧を1%以上とすることが要求される。また、このように比較的低い酸素分圧でスパッタリングするため、成膜レートを大きくでき、量産性を向上できる。   On the other hand, the oxide piezoelectric thin film produced by sputtering or laser ablation method has a predetermined amount of oxygen deficiency uniformly in the film, thereby obtaining a piezoelectric thin film with large piezoelectric characteristics and high reliability. Can do. When sputtering is performed with the oxygen partial pressure exceeding 10%, oxygen vacancies do not occur and the film formation rate cannot be increased. On the other hand, when the oxygen partial pressure is 1% or less, the ratio of crystals parallel to the polarization axis is lowered, and the piezoelectric characteristics are not improved. That is, in order to obtain the necessary piezoelectric characteristics, the degree of crystal orientation needs to be 70% or more. For this purpose, the oxygen partial pressure is required to be 1% or more. Further, since sputtering is performed at such a relatively low oxygen partial pressure, the film formation rate can be increased and the mass productivity can be improved.

さらに、スパッタリング法またはレーザアブレーション法において、真空装置内へのガス導入流量として、不活性ガス導入流量に対する酸素ガス導入流量比を0.01以上で、かつ0.1未満としてもよい。これにより、比較的低圧力の放電ガス圧力条件でも、所定の酸素欠損量比率を有する酸化物圧電体薄膜を得ることができ、高速の成膜が可能となり、量産性を大きく向上できる。   Furthermore, in the sputtering method or the laser ablation method, the ratio of the oxygen gas introduction flow rate to the inert gas introduction flow rate may be 0.01 or more and less than 0.1 as the gas introduction flow rate into the vacuum apparatus. As a result, an oxide piezoelectric thin film having a predetermined oxygen deficiency ratio can be obtained even under relatively low-pressure discharge gas pressure conditions, high-speed film formation is possible, and mass productivity can be greatly improved.

本発明にかかる圧電体素子およびその製造方法は、酸素欠損を有する酸化物圧電体薄膜を用いることにより従来よりも大きな圧電特性を有する圧電体素子を得ることができ、かつ、高速で成膜できるので、圧電体素子の特性の向上と量産性の改善を実現でき、アクチュエータやセンサ等の機能性電子部品等の用途に適用できる。   The piezoelectric element and the manufacturing method thereof according to the present invention can obtain a piezoelectric element having larger piezoelectric characteristics than before by using an oxide piezoelectric thin film having oxygen vacancies, and can form a film at high speed. Therefore, it is possible to improve the characteristics of the piezoelectric element and improve the mass productivity, and it can be applied to applications such as functional electronic parts such as actuators and sensors.

本発明の第1の実施の形態における圧電体素子の斜視図The perspective view of the piezoelectric element in the 1st Embodiment of this invention 同実施の形態の圧電体素子の製造方法の主要工程の断面図Sectional drawing of the main processes of the manufacturing method of the piezoelectric element of the embodiment 同実施の形態において、Y=0.25組成のターゲットを用いて作製した圧電体素子の変位量および結晶配向度に対する酸素分圧との関係を求めた結果を示す図The figure which shows the result of having calculated | required the relationship with the oxygen partial pressure with respect to the displacement amount and crystal orientation degree of the piezoelectric element produced using the target of Y = 0.25 composition in the same embodiment. 同実施の形態において、Y=0.25組成のターゲットを用いて作製した圧電体素子の変位量および酸素欠損量比率に対する酸素分圧との関係を求めた結果を示す図The figure which shows the result of having calculated | required the relationship with the oxygen partial pressure with respect to the displacement amount and oxygen deficiency amount ratio of the piezoelectric element produced using the target of Y = 0.25 composition in the same embodiment. 同実施の形態の圧電体素子の酸素欠損量比率と変位量との関係を求めた図The figure which calculated | required the relationship between the oxygen deficiency amount ratio and displacement amount of the piezoelectric element of the same embodiment 同実施の形態において、ターゲット組成を変えて作製した圧電体素子の変位量と酸素分圧との関係を示す図The figure which shows the relationship between the displacement of a piezoelectric element produced by changing the target composition and the oxygen partial pressure in the same embodiment 本発明の第2の実施の形態として圧電体素子を磁気ディスク装置の磁気ヘッド位置決め用に用いた例を示す図The figure which shows the example which used the piezoelectric material element for the magnetic head positioning of a magnetic disc apparatus as the 2nd Embodiment of this invention (a)は同実施の形態の磁気ディスク装置の圧電体素子近傍部分の形状を示す平面図(b)は(a)に示すX−X線に沿った断面図(A) is a plan view showing the shape of the vicinity of the piezoelectric element of the magnetic disk apparatus of the same embodiment (b) is a cross-sectional view taken along line XX shown in (a)

符号の説明Explanation of symbols

1,1081 第1の電極膜(Pt膜)
2,1082 酸化物圧電体薄膜(PZT薄膜)
3,1083 第2の電極膜(Pt膜)
5 駆動電源
10,108,108A,108B 圧電体素子
15 MgO基板
100 磁気ヘッド支持機構
102 スライダ
103 フレクシャー
103A 電極パッド
103B 圧電体電極配線
103C 磁気ヘッド電極配線
104 サスペンション
105 板バネ部
106 アーム
107 接着層
109 ワイヤリード
110 軸受部
112 ボイスコイル
200 ディスク
220 回転駆動手段
1,1081 First electrode film (Pt film)
2,1082 Oxide piezoelectric thin film (PZT thin film)
3,1083 Second electrode film (Pt film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Drive power supply 10,108,108A, 108B Piezoelectric element 15 MgO board | substrate 100 Magnetic head support mechanism 102 Slider 103 Flexure 103A Electrode pad 103B Piezoelectric electrode wiring 103C Magnetic head electrode wiring 104 Suspension 105 Leaf spring part 106 Arm 107 Adhesive layer 109 Wire lead 110 Bearing portion 112 Voice coil 200 Disc 220 Rotation drive means

Claims (14)

第1の電極膜と、第2の電極膜と、前記第1の電極膜と前記第2の電極膜とで挟まれた圧電体薄膜とからなり、
前記圧電体薄膜は、化学量論組成に対して0%より大きく、10%以下の酸素欠損量を有する酸化物圧電体薄膜であることを特徴とする圧電体素子。
A first electrode film, a second electrode film, and a piezoelectric thin film sandwiched between the first electrode film and the second electrode film,
The piezoelectric element, wherein the piezoelectric thin film is an oxide piezoelectric thin film having an oxygen deficiency of greater than 0% and 10% or less with respect to the stoichiometric composition.
前記圧電体薄膜が、一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛であって、前記圧電体薄膜中の酸素欠損量比率を(Y−Z)/(Y+3)であらわしたとき、0<(Y−Z)/(Y+3)≦0.1であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。 The piezoelectric thin film is lead zirconate titanate represented by the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1), and the piezoelectric thin film 2. The piezoelectric according to claim 1, wherein 0 <(Y−Z) / (Y + 3) ≦ 0.1 when the oxygen deficiency ratio is expressed as (Y−Z) / (Y + 3). Body element. 前記圧電体薄膜は、その分極軸と平行な方位の結晶配向度が70%以上であることを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 3. The piezoelectric element according to claim 2, wherein the piezoelectric thin film has a crystal orientation degree of 70% or more in an orientation parallel to a polarization axis thereof. 前記圧電体薄膜は、その結晶構造がペロブスカイト型正方晶系であり、(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項3に記載の圧電体素子。 4. The piezoelectric element according to claim 3, wherein the piezoelectric thin film has a perovskite-type tetragonal crystal structure and is oriented in the (001) direction. 前記圧電体薄膜は、その結晶構造がペロブスカイト型菱面体晶系であり、(111)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項3に記載の圧電体素子。 4. The piezoelectric element according to claim 3, wherein the piezoelectric thin film has a perovskite rhombohedral system and has a crystal orientation in a (111) direction. 5. 前記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPbの一部を、2属典型元素、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)およびイッテルビウム(Yb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 A part of Pb in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1) is substituted with two group typical elements, manganese (Mn), nickel (Ni) 3. The composition according to claim 2, comprising at least one element selected from copper (Cu), zinc (Zn), samarium (Sm), europium (Eu) and ytterbium (Yb). Piezoelectric element. 前記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のTiとZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、ハフニウム(Hf)、イリジウム(Ir)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)およびテルビウム(Tb)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 A part of at least one element selected from Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1) is substituted with hafnium (Hf ), Iridium (Ir), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), cerium (Ce), praseodymium (Pr) and at least one element selected from terbium (Tb) The piezoelectric element according to claim 2, wherein: 前記一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)中のPb、TiおよびZrから選択された少なくとも1種類の元素の一部を、1価の1属典型元素、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ランタン(La)、ネオジウム(Nd)、プロメチウム(Pm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)およびルテチウム(Lu)から選択された少なくとも1種類の元素で置き換えた構成からなることを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 A part of at least one element selected from Pb, Ti and Zr in the general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1) is 1 Valent group 1 typical elements, scandium (Sc), yttrium (Y), chromium (Cr), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), antimony (Sb), bismuth (Bi) ), Lanthanum (La), neodymium (Nd), promethium (Pm), gadolinium (Gd), dysprodium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm) and lutetium (Lu) The piezoelectric element according to claim 2, wherein the piezoelectric element is configured to be replaced with at least one kind of element. 前記圧電体薄膜がスパッタリング法またはレーザアブレーション法により作製された薄膜からなることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is a thin film produced by a sputtering method or a laser ablation method. 基板上に第1の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極膜上に、一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)であらわされ、その分極軸と平行な方位の結晶配向度が70%以上である酸化物圧電体薄膜をスパッタリング法またはレーザアブレーション法により形成する場合に成膜中の真空装置内の酸素分圧が全圧に対して1%以上で、かつ10%より少ない範囲で形成する工程と、
前記酸化物圧電体薄膜上に第2の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極膜と前記酸化物圧電体薄膜と前記第2の電極膜とをあらかじめ設定したパターン形状に加工する工程とを含むことを特徴とする圧電体素子の製造方法。
Forming a first electrode film on the substrate;
On the first electrode film, it is represented by the general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B represent elements), and the degree of crystal orientation in the direction parallel to the polarization axis is 70% or more. A process of forming an oxide piezoelectric thin film in a range where the oxygen partial pressure in the vacuum apparatus during film formation is 1% or more and less than 10% with respect to the total pressure when forming a thin oxide film by sputtering or laser ablation When,
Forming a second electrode film on the oxide piezoelectric thin film;
A method of manufacturing a piezoelectric element, comprising: processing the first electrode film, the oxide piezoelectric thin film, and the second electrode film into a preset pattern shape.
前記酸化物圧電体薄膜は、前記一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)においてAが鉛(Pb)であり、Bがジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)とからなるチタン酸ジルコン酸鉛で、その結晶構造がペロブスカイト型正方晶系であり、結晶配向が(001)方向であることを特徴とする請求項10に記載の圧電体素子の製造方法。 The oxide piezoelectric thin film has the general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B represent elements), where A is lead (Pb), and B is zirconium (Zr) and titanium (Ti 11. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 10, wherein the lead zirconate titanate comprises a perovskite tetragonal system and the crystal orientation is in the (001) direction. 前記酸化物圧電体薄膜は、前記一般式A1+YBO3+Z(ただし、AとBは元素をあらわす)においてAが鉛(Pb)であり、Bがジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)とからなるチタン酸ジルコン酸鉛で、その結晶構造がペロブスカイト型菱面体晶系であり、結晶配向が(111)方向であることを特徴とする請求項10に記載の圧電体素子の製造方法。 The oxide piezoelectric thin film has the general formula A 1 + Y BO 3 + Z (where A and B represent elements), where A is lead (Pb), and B is zirconium (Zr) and titanium (Ti 11. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 10, wherein the crystal structure is perovskite rhombohedral and the crystal orientation is in the (111) direction. . 前記スパッタリング法またはレーザアブレーション法による前記酸化物圧電体薄膜の形成工程において、成膜源として一般式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(ただし、0<X<1)であらわしたとき、0<Y<1で、かつ−3≦Z≦Yの組成を有するターゲットを用いることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の圧電体素子の製造方法。 In the step of forming the oxide piezoelectric thin film by the sputtering method or the laser ablation method, a general formula Pb 1 + Y (Zr X Ti 1-X ) O 3 + Z (where 0 <X <1) is used as a film forming source. 13. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 11, wherein a target having a composition of 0 <Y <1 and −3 ≦ Z ≦ Y is used. 前記スパッタリング法またはレーザアブレーション法による前記酸化物圧電体薄膜の形成工程において、真空装置内へのガス導入流量として全ガス導入流量に対する酸素ガス導入流量比を0.01以上で、かつ0.1未満とすることを特徴とする請求項13に記載の圧電体素子の製造方法。 In the step of forming the oxide piezoelectric thin film by the sputtering method or the laser ablation method, the ratio of the oxygen gas introduction flow rate to the total gas introduction flow rate is 0.01 or more and less than 0.1 as the gas introduction flow rate into the vacuum apparatus The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 13.
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