專利名稱：壓電體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有壓電體薄膜的壓電體元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，根據(jù)不同的需要，壓電體薄膜被加工成各種各樣的壓電體元件，特別是被廣泛運用于加壓能產(chǎn)生變形的致動器及由元件變形產(chǎn)生電壓的傳感器等功能性電子部件。例如，如日本特開2002-279742號公報中公開了運用壓電體元件可以對磁盤的磁頭位置進(jìn)行微細(xì)控制。這是由于磁盤的記錄密度增大，一個磁頭的記錄區(qū)域的面積變小，但用原來的音圈電機很難對磁頭的位置進(jìn)行高精度控制。因此，除了利用音圈電機確定位置，正在研究利用壓電體元件來進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的高精度位置確認(rèn)的2段致動器的結(jié)構(gòu)。所采用的壓電體元件單元由一對壓電體元件構(gòu)成，一方伸張時，另一方收縮，因此可以使其前端附著的磁頭在磁盤面上進(jìn)行微小且高精度的移動。
上述壓電體元件通常用以下的方法制作而成。例如，用氧化鎂單晶基板(MgO基板)作為基板。在該MgO基板上形成(100)取向的鉑膜(Pt膜)。再在該Pt膜上形成(001)取向的鈦酸鋯酸鉛(PZT)薄膜。進(jìn)一步地，在該PZT薄膜上形成電極薄膜后，利用照相平板印刷法(フオトリ ソグラフイ一プロセス)和蝕刻法(エツチングプロセス)將這些薄膜加工成一定的形狀。其后，通過蝕刻等除去MgO基板，由此制備壓電體元件。
PZT薄膜的制備通常采用濺射法(スパツタリング法)，其成膜溫度為550℃-650℃。在該高溫下濺射時，濺射成膜過程中，鉛(Pb)將從PZT薄膜中再蒸發(fā)，因此，最終形成的PZT薄膜是Pb組成減少、偏移化學(xué)計量組成的膜。因此，為了得到化學(xué)計量組成的PZT薄膜，Takayama等使濺射用的靶(タ一グツト)的Pb量過剩20％，通過用該靶成膜防止PZT薄膜中Pb成分的減少。(J.Appl.Phys.65(4)，1666(1989))。
然而，為了得到用含過剩Pb的靶制備的化學(xué)計量組成的PZT薄膜，作為放電氣體，必須在惰性氣體中添加氧氣，并在較高壓力條件下進(jìn)行濺射成膜。不過，該條件下的成膜速度不能大。作為壓電體元件使用的PZT薄膜的厚度必須控制在1μm-10μm左右，因此在小成膜速度下批量生產(chǎn)性非常低。
日本特開平6-49638號公報公開了在形成用于半導(dǎo)體存儲器的PZT薄膜時，為了增大成膜速度，使真空裝置內(nèi)的放電氣體壓力為較低壓力進(jìn)行濺射。放電氣體壓力低時，所制備膜中的Pb成分更容易減少，因此，為了制備化學(xué)計量組成的PZT薄膜，使用對應(yīng)于放電氣體壓力的Pb組成過剩的靶。
此外，日本特許第3341357號公報公開了為了改善PZT薄膜壓電特性而制成的薄膜比化學(xué)計量組成含有過剩的Pb，而且，結(jié)晶結(jié)構(gòu)為菱形晶，由此增大壓電常數(shù)d31。
不過，上述第1例和第2例中，都是以制備化學(xué)計量組成的PZT薄膜為目的，因此，有必要在具有較高氧分壓的放電氣體中濺射成膜。在該高氧分壓下形成的PZT薄膜的壓電常數(shù)d31通常較小，而且，濺射時的成膜速度不能大。因此，不能得到高壓電特性，并且無法改善批量生產(chǎn)性。
此外，上述第3例中，PZT薄膜中Pb量比加入鈦(Ti)和鋯(Zr)的量還過剩，但PZT薄膜中的氧(O)和Pb的量同比例增加，并不造成氧缺損。因此，有必要在成膜時添加較多的氧，在高放電氣體壓力條件下進(jìn)行濺射，成膜速度不能大，結(jié)果是不能改善批量生產(chǎn)性。
發(fā)明概述若能對氧化物壓電體薄膜設(shè)定適當(dāng)?shù)难跞睋p量，則有望改善壓電常數(shù)d31，可以得到具有良好壓電特性的壓電體元件?；谠撜J(rèn)識，本發(fā)明提供壓電特性好，且能增大成膜速度，提高批量生產(chǎn)性的壓電體元件及其制造方法。
針對上述課題，本發(fā)明的壓電體元件具有以下結(jié)構(gòu)其包括第1電極膜、第2電極膜以及所述第1電極膜和第2電極膜所夾的壓電體薄膜，所述壓電體薄膜是相對化學(xué)計量組成具有0％以上、10％或10％以下的氧缺損量的氧化物壓電體薄膜。
通過使用具有氧缺損的氧化物壓電體薄膜，可以獲得比原來壓電特性大的壓電體元件，而且可以高速成膜，所以，有望提高壓電體元件的特性及改善其批量生產(chǎn)性。
附圖簡述圖1是本發(fā)明實施例中壓電體元件的斜視圖；圖2A-2D是同一實施例中壓電體元件的制造方法中主要步驟的斷面圖；圖3是同一實施例中，用Y＝0.25組成的靶制備的壓電體元件的位移量和氧分壓之間關(guān)系的示意圖；圖4是同一實施例中壓電體元件位移量與對應(yīng)氧缺損量比率的氧分壓之間關(guān)系的示意圖；圖5是同一實施例中求算壓電體元件的氧缺損量比率與位移量之間關(guān)系的示意圖；圖6是同一實施例中改變靶組成制備的壓電體元件的位移量和氧分壓之間關(guān)系的示意圖；圖7是將同一實施例中的壓電體元件用于磁盤裝置的磁頭位置確認(rèn)的示例圖；圖8A是同一實施例中磁盤裝置中的壓電體元件附近形狀的平面圖；圖8B是沿圖8A所示X-X射線的斷面圖。符號說明1，1081 第1電極膜(Pt膜)2，1082氧化物壓電體薄膜(PZT薄膜)3，1083第2電極膜(Pt膜)5驅(qū)動電源10，108，108A，108B壓電體元件15 MgO基板100磁頭支持結(jié)構(gòu)102滑動器(スライダ一)103撓性部(フレクシヤ一)103A電極墊103B壓電體電極線
103C磁頭電極線104懸浮器(サスペンション)105簧片106臂107粘合層109導(dǎo)線110軸承部112音圈200磁盤220旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置具體實施方案以下通過


本發(fā)明的實施例。另外，下面所說明的附圖中，相同的要素附加了相同的符號，有時省略說明。
第1實施例圖1為與本發(fā)明第1實施例涉及的壓電體元件的斜視圖。此外，圖1還顯示了用于驅(qū)動壓電體元件10的驅(qū)動電源5。
壓電體元件10由第1電極膜1、在該第1電極膜1上形成的氧化物壓電體薄膜2及在該氧化物壓電體薄膜2上形成的第2電極膜3構(gòu)成。第1電極膜1、氧化物壓電體薄膜2及第2電極膜3分別通過濺射等薄膜形成技術(shù)成膜，并利用照相平板印刷法和蝕刻法加工成圖1所示的近長方體形狀。
該壓電體元件10的尺寸，例如，壓電體產(chǎn)生伸縮的方向，即長方向(如圖中B所示方向)約2mm、寬方向約0.5mm、厚度約3μm。此外，為了利用壓電體元件10，有必要在氧化物壓電體薄膜2上進(jìn)行初期極化，在本實施例中，如圖1所示，該極化方向為箭頭A所示方向。該極化矢量不一定必須與膜面垂直，傾斜時，考慮其垂直成分即可。即，氧化物壓電體薄膜2的區(qū)域不必都在膜厚方向極化。
另外，在成膜后的狀態(tài)下自然地產(chǎn)生自發(fā)極化時，也可以直接利用該自發(fā)極化。壓電體元件10的形狀也不一定必須為長方體。例如，也可以是與使用裝置形狀相適的梯形形狀或三角形形狀等各種形狀。
驅(qū)動電源5是將所定電壓外加到壓電體元件10上的電源，一旦第1電極膜1和第2電極膜3上有外加電壓，通過該電壓，氧化物壓電體薄膜2即可伸縮運動。
利用以上結(jié)構(gòu)，壓電體元件10在驅(qū)動電源5的電壓作用下，可沿箭頭B所示方向作伸縮運動。本實施例中，將該伸縮運動用作驅(qū)動力。即，將一個方向的頂端固定，另一方向的頂端作為自由端，在該自由端上固定待控制的被控制物，由此可以確定被控制物的精密位置。單位電壓的位移量依賴于壓電常數(shù)d31(壓電性指標(biāo)之一)，d31越大，元件位移量越大。
本發(fā)明的特征在于，將該氧化物壓電體薄膜2中的氧缺損量控制在0％以上至10％或10％以下，優(yōu)選控制在2％或2％以上至7％或7％以下，進(jìn)一步優(yōu)選控制在2％或2％以上至5％或5％以下。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，包含具有上述氧缺損量的氧化物壓電體薄膜的壓電體元件與處于化學(xué)計量組成的氧化狀態(tài)的氧化物壓電體薄膜相比，具有較大的壓電特性。而且，在該條件下制作可以增大成膜速度，改善批量生產(chǎn)性。
若使氧缺損量在0％以上至10％或10％以下，則能增大壓電常數(shù)d31，其結(jié)果可以增大壓電體的位移量。例如，使用通式為Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z的PZT薄膜時，可使氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)為0以上，并且為0.1(即，10％)或0.1以下。
此外，如果使該氧缺損量為2％或2％以上至7％或7％以下，則能控制結(jié)晶取向度的不規(guī)則性，而且，即使氧缺損量產(chǎn)生不規(guī)則性，也能使位移量的變動比較小。因此，有望改善制備成品率。若該氧缺損量為2％或2％以上至5％或5％以下，對應(yīng)于氧缺損量的位移量的變動將更小。因此，有望進(jìn)一步改善制備成品率。
此外，優(yōu)選結(jié)晶取向使極化軸為膜厚方向。例如，如果為正方晶PZT薄膜，則優(yōu)選取向(001)方向，如果為菱形晶PZT膜，則優(yōu)選取向(111)方向。
下面，作為氧化物壓電體薄膜2，以濺射法制備氧化物壓電體薄膜為例，該氧化物壓電體薄膜的通式為A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)，與其極化軸平行的方位的結(jié)晶取向度為70％或70％以上，說明通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z表示的PZT薄膜的具體制造方法及壓電特性的測定結(jié)果。
圖2A至圖2D是本實施例中壓電體元件10的制造方法的主要工程的斷面圖。
采用(100)方向的MgO基板作為基板。用氬(Ar)氣，在基板溫度500℃，放電氣體壓力為0.5Pa的條件下，通過濺射法在所述MgO基板15上形成Pt膜1，該膜是膜厚為100nm，(100)取向的第1電極膜。
然后，在Pt膜1上形成膜厚5μm的氧化物壓電體薄膜PZT薄膜2。圖2A是表示形成PZT薄膜2狀態(tài)的斷面圖。靶組成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示時，采用X＝0.58、Y＝0.25的靶。此時，Z值與Y值相同。
將濺射時的放電氣體壓力設(shè)為0.5Pa，基板溫度設(shè)為600℃。此時，放電氣體的組成為Ar氣和氧氣(O2)的混合氣體，在放電氣體中氧氣比率為于Ar氣的0.5％-50％的條件下成膜。進(jìn)一步地，包括PZT薄膜2的成膜中，用質(zhì)量過濾法(マスフイルタ一)測定靶和基板間的放電空間中的放電氣體組成。另外，制成的PZT薄膜2通過采用電子探針微區(qū)分析法(Electron ProbeMicro Analysis，以下稱為EPMA)的膜組成定量分析和X射線衍射進(jìn)行結(jié)晶性評價。
接著，采用Ar氣，在放電氣體壓力為0.5PA、常溫的條件下，利用濺射法制備PZT薄膜2上的第2電極膜Pt膜3。圖2B是表示形成Pt膜3狀態(tài)的斷面圖。此外，已確認(rèn)，上述條件下制造的PZT薄膜2即使不特別外加電壓進(jìn)行極化處理，也會朝基板面的上方向自然地自發(fā)極化。
然后，如圖2C所示，在MgO基板上，通過照相平板印刷法和蝕刻法制備一定的壓電體元件形狀。該形狀如圖1所示，長方向為2mm，寬方向為0.5mm。
如此加工成一定形狀后，如圖2D所示，通過蝕刻除去MgO基板15，得到圖1所示形狀的壓電體元件10。
之后，在制成的壓電體元件10上接上圖1所示的驅(qū)動電源5，測定箭頭B所示方向的位移。外加電壓設(shè)為10V。位移量是外加10V電壓時，該箭頭B所示方向的位移值。該位移量可用激光多普勒振動計測定。
圖3是表示用Y＝0.25組成的靶求解壓電體元件10的位移量與對應(yīng)于結(jié)晶取向度的氧分壓之間關(guān)系的圖。橫軸為氧分壓占總壓的百分?jǐn)?shù)，縱軸左側(cè)為位移量、右側(cè)為結(jié)晶取向度。
PZT薄膜2的結(jié)晶取向度通過X射線衍射裝置得出。X射線衍射可用CuKα射線源測定θ-2θ。2θ的角度范圍為20°-40°。由于正方晶系PZT薄膜2的極化方向為(001)方向，結(jié)晶取向度通過X射線衍射的峰強度比(001)/∑(hkl)求出。極化方向為(001)方向的材料時，通過(001)/∑(hkl)求出，極化方向為(111)方向時，通過(111)/∑(hkl)求出。此處的∑(hkl)是用CuKα射線源測定θ-2θ時，在能從(001)反射測定(111)反射的最小范圍內(nèi)設(shè)定2θ上限和下限的情況下，PZT起因的反射峰的強度之和。以下有時將結(jié)晶取向度簡稱為取向度。
由圖3可知，當(dāng)氧分壓在2％以下時，取向度降低，但即使氧分壓為0.5％，取向度也能達(dá)到60％。當(dāng)氧分壓為50％時，取向度急劇降低，但即便是這種情況，取向度也能達(dá)到65％。氧分壓在0.5％至10％范圍內(nèi)時，氧分壓為1.5％時，取向度為95％，增加氧分壓時，取向度將緩慢增大，氧分壓為10％時，取向度達(dá)100％。氧分壓在10％至30％范圍內(nèi)時，取向度為100％，氧分壓為40％時，取向度為96％，在比其更大的氧分壓下，取向度急劇降低。
另一方面，隨著氧分壓由0.5％增加到2％，位移量也急劇增大。然而，超過2％后，位移量將減少。其減少程度在氧分壓為10％前后有差別，出現(xiàn)拐點。
圖4是表示用Y＝0.25組成的靶，通過氧分壓求解壓電體元件10的位移量及氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)之間關(guān)系的圖。橫軸為相對總壓的氧分壓百分?jǐn)?shù)，縱軸左側(cè)為位移量、右側(cè)為氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)。此外，圖5為表示氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)與位移量之間關(guān)系的圖。
下面，就氧缺損量比率的求算方法進(jìn)行說明。首先，求算氧缺損量所必需的強電介質(zhì)薄膜的組成通過上述EPMA測定。該分析法中，將極細(xì)的電子射線束照射到樣品表面，用X射線分光器對該部分放射出的特征X射線的波長和強度進(jìn)行測定，從而求出該樣品的組成。
PZT薄膜的定量分析法具體如下進(jìn)行。即，用已知Pb、Zr、Ti和O各元素濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品測定最初的X射線強度。下面以Pb為例進(jìn)行說明。標(biāo)準(zhǔn)樣品的Pb濃度為WPb(std)，該樣品的X射線強度設(shè)為IPb(std)。測定未知濃度的PZT薄膜時，Pb的X射線強度設(shè)為IPb。通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一次近似(一次近似)，未知濃度的PZT薄膜的Pb濃度WPb可通過下式求出WPb＝WPb(std)×Ipb/Ipb(std)Ipb及Ipb(std)是進(jìn)行死時間校正和背景校正后單位電流的X射線強度。
利用同樣的方法，可分別求出Zr、Ti和O的濃度WZr、WTi及WO。
下面，計算ZAF校正系數(shù)。Z為原子序號校正，用最小二乘法計算出Duncumb-Reed的數(shù)值。A為吸收校正，通過Philibert式計算。F為熒光校正，用Reed式求算。從WPb、WZr、WTi及WO的標(biāo)準(zhǔn)化(正規(guī)化)值可計算出各元素最初的ZAF校正系數(shù)Z、A及F，將其代入式中，得到校正后的濃度。用由此得到的濃度值即可計算出再次ZAF校正系數(shù)。用該校正系數(shù)進(jìn)一步求出校正后的濃度。這樣反復(fù)進(jìn)行，直到計算誤差達(dá)到0.001％，算出定量值。
分析所用裝置為波長分散型EPMA(日本電子(株)制JXA-8900R)。樣品采用加工成約5mm大小正方形的物質(zhì)，將其用碳糊粘貼在樣品臺，導(dǎo)通，并在表面進(jìn)行碳涂層(カ一ボンコ一テイング)。
實際測定時，最初為了確認(rèn)膜厚及檢查是否存在雜質(zhì)，對樣品進(jìn)行全定性(全定性)分析。據(jù)此也可以確認(rèn)電子射線是否侵入到了底層。之后，測定標(biāo)準(zhǔn)樣品的PZT，并讀取標(biāo)準(zhǔn)樣品的值，進(jìn)行樣品的定量分析。此時的分析條件為加速電壓為15kV，照射電流為70mA，射束直徑(ビ一ム徑)為10μm。確認(rèn)測定是否有異常，若測定正常，將測定值標(biāo)準(zhǔn)化作為測定結(jié)果。通過以上測定方法，得到Pb、Zr、Ti及O的定量值。
氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)是以Pb取2價、Zr及Ti取4價時PZT薄膜2中的氧缺損量的比率來定義的。即，如果Pb的氧化以化學(xué)計量完全進(jìn)行，此時的氧(O)量與Pb相同，為Y+1，Zr的氧化同樣以化學(xué)計量式完全進(jìn)行，此時的氧(O)量是Zr的2倍2X，Ti的氧化以同樣方式進(jìn)行時，此時的氧(O)量是Ti的2倍2(1-X)?；瘜W(xué)計量組成的狀態(tài)下，合計氧量為(Y+1)+2X+2(1-X)＝(Y+3)。
此外，制備的PZT薄膜2的實際氧量為(3+Z)，氧的不足量為(Y+3)-(3+Z)＝(Y-Z)?；瘜W(xué)計量組成中的合計氧量為(Y+3)，氧缺損比率，即兩者的比為(Y-Z)/(Y+3)。即(Y-Z)/(Y+3)表示氧缺損量的比率。利用上述EPMA的定量分析結(jié)果可求算出WPb、WZr、WTi及WO，因此以這些值為基礎(chǔ)進(jìn)行計算很容易地得到其中的X、Y及Z的值。
如圖4所示，氧分壓為1％或1％以下時，氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)隨氧分壓的減少急劇增大。即，氧分壓為1％或1％以下時，PZT薄膜2中將產(chǎn)生大量氧缺損。當(dāng)氧分壓大于1％時，氧缺損量將逐漸減小，氧分壓為10％時，氧缺損量比率為0.2％(0.002)，在這之上的氧分壓下，得到化學(xué)計量組成的PZT薄膜。
如圖4所示，氧缺損量比率為0.2％時，氧分壓為10％，氧缺損量比率為5％(0.05)時，氧分壓為2％，由此可看出，隨著氧缺損量比率的增加，位移量也有幾乎呈直線增加的傾向。然而，氧缺損量比率一旦大于5％(0.05)，位移量反而變小，在該區(qū)域，與氧缺損量比率無相關(guān)性。其原因是由于取向度變低(如圖3所示)。
圖5是求算氧缺損量比率(Y-Z)/(Y+3)與位移量之間關(guān)系的圖。當(dāng)氧缺損量比率為5％左右時，位移量顯示出最大值。當(dāng)氧缺損量比率小于5％左右時，位移量逐漸減小。另一方面，當(dāng)氧缺損量比率為5％或5％以上時，位移量同樣地減小，但在氧缺損量達(dá)為10％的附近位移量出現(xiàn)拐點。
由以上結(jié)果可知，要增大壓電體元件10的位移量，使PZT薄膜2產(chǎn)生某種程度的氧缺損是有效的。當(dāng)PZT薄膜2的取向度為70％或70％以上時，該氧缺損量比率的上限值為0.1。從圖4可以看出，為了確保位移量比取向度為100％、無氧缺損量時的位移量大，氧缺損量比率必須控制在0.1或以下。此時的氧分壓必須控制在1％或以上至10％以下的范圍。
進(jìn)一步地，如果把氧缺損量比率控制在2％(0.02)到7％(0.07)的范圍，由圖5可知，由于該范圍包括位移峰值，所以，即使氧缺損量出現(xiàn)偏差，位移的變動也比較小。由此可以改善制造成品率，因此優(yōu)選。并且，如果控制氧缺損量比率在2％或以上至5％或以下，對應(yīng)于氧缺損比率的位移變動更小?？梢赃M(jìn)一步改善制造成品率，因此更優(yōu)選。
當(dāng)氧缺損量比率在2％到7％的范圍內(nèi)時，氧分壓必須設(shè)定在1.5％或以上至小于5％的范圍內(nèi)。
如圖6所示，把靶的組成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示時，X＝0.58一定，用Y＝0、Y＝0.25以及Y＝1的三種組成的靶制作PZT薄膜2，圖6顯示了成膜時放電氣體體中的氧分壓與壓電體元件10位移之間的關(guān)系。
用Y＝0的靶時，氧分壓在10％到20％的范圍內(nèi)出現(xiàn)位移峰值，整體來看，位移量小。原因是Y＝0時用該靶通過濺射法制成的PZT薄膜處于Pb缺乏狀態(tài)。
用Y＝1的靶時，發(fā)現(xiàn)在氧分壓為1％的附近局部有位移量的峰值。
另一方面，發(fā)現(xiàn)用Y＝0.25的靶時，獲得大位移量的范圍變大，可以高成品率地制造PZT薄膜2。
由圖6可知，隨著表示靶中Pb組成的Y值由0開始增大，表示位移量峰值的氧分壓值有向小的方向移動的趨勢。雖然沒有圖示，但我們用使Y值發(fā)生了各種變化的靶研究與位移的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0＜Y＜1時，在氧分壓為1％到10％的范圍內(nèi)成膜，由此可以使壓電特性良好并且可以改善批量生產(chǎn)性和成品率。濺射過程中利用質(zhì)量過濾法對放電氣體體進(jìn)行分析，同時控制導(dǎo)入的氬(Ar)氣以及氧氣(O2)的比例即可控制氧分壓?；蛘?，對于Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z的靶Z＝0等情況，把作為放電氣體體導(dǎo)入的Ar與O2的流量比例設(shè)定在上述的范圍內(nèi)，可以獲得同樣的壓電體薄膜。
在本實施例中，用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(0＜X＜1)表示時，如果X＝0.58一定，使用Z與Y等值的靶。但是，不僅限于靶的氧組成值Z與Pb組成值Y相等的情況，也可以分別設(shè)定。即，只要在3≤Z≤Y范圍，濺射時放電氣體體中氧含量在上述范圍內(nèi)，如果適當(dāng)控制成膜速度，則可以制作出具有優(yōu)良壓電特性的壓電體薄膜。
另外，在本實施例中，使用(100)方位的MgO基板作為基板，但本發(fā)明不限于此。例如，也可以使用單晶硅基板、單晶鈦酸鍶基板、藍(lán)寶石(サフアイヤ)基板或者燒結(jié)氧化鋁基板、氧化鋯基板等。如果使用這些基板，當(dāng)不能產(chǎn)生自發(fā)極化時，可以在氧化物壓電體薄膜成膜后進(jìn)行極化處理。
在本實施例中，使用Pt膜作為第1電極膜，但本發(fā)明不限于此。例如，也可以同樣使用金(Au)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)或者是它們的氧化物并具有導(dǎo)電性的材料。
在本實施例中，使用Pt膜作為第2電極膜，但本發(fā)明不限于此。例如也可以使用與上述第1電極膜同樣的材料，或者，只要是鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)等金屬材料也可以使用，不受特別限制。
另外，在本實施例中，壓電體元件的制作方法是通過照相平板印刷以及蝕刻法進(jìn)行加工，但本發(fā)明不限于此。例如，可以通過用掩膜(マスク)濺射或蒸鍍制作規(guī)定的形狀。
第2實施例本實施例是用壓電體元件(按實施例1說明的方法制成)制備致動器，下面，就利用該致動器確定磁盤裝置的磁頭位置加以說明。圖7是將本實施例中的壓電體元件用于確定磁盤裝置上磁頭位置的裝置結(jié)構(gòu)模式圖。該磁盤裝置的特征是2段致動器結(jié)構(gòu)，即在由原來的音圈電機制備的致動器上，附加由本發(fā)明壓電體元件制備的致動器。磁頭支持結(jié)構(gòu)100由剛性較低的懸浮器104、簧片105、剛性較高的臂106、撓性部103、在該裝置103上在與磁盤200相對的面上附著的滑動器102、該滑動器102上裝載的磁頭(無圖示)及撓性部103上粘結(jié)固定的壓電體元件108構(gòu)成。
懸浮器104剛性較低，另一的頂端構(gòu)成了簧片105，該簧片105被固定在臂106上。臂106上附著的音圈112與未圖示的磁鐵構(gòu)成音圈電機。磁頭支持結(jié)構(gòu)100可通過該音圈電機在與磁盤200面平行的方向上作一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動。
為了使滑動器102上裝載的磁頭高精度地確定在磁盤200的一定軌道位置上，驅(qū)動壓電體元件108。即，該磁頭支持結(jié)構(gòu)100是通過音圈電機粗略確定位置，然后利用壓電體元件108進(jìn)行微調(diào)的兩段致動器結(jié)構(gòu)。
以下，就磁盤裝置的運動加以說明。磁盤200通過旋轉(zhuǎn)-驅(qū)動裝置220以一定的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動。當(dāng)磁盤裝置的記錄再生時，通過磁盤200旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣流引起的浮揚力和滑動器102壓在磁盤200面的附勢力之間的力平衡，滑動器102上浮一定量，磁頭在該一定的上浮狀態(tài)下進(jìn)行記錄再生。雖然是在上浮狀態(tài)下進(jìn)行記錄再生。為了在一定軌道位置確定磁頭的位置，臂106通過音圈電機以軸承部110為中心轉(zhuǎn)動。原來的磁盤裝置中，僅通過該音圈電機來確定位置，但本實施例中的磁盤裝置還利用壓電體元件108進(jìn)行高精度的位置確認(rèn)。
圖8A以及圖8B表示該壓電體元件108附近部分的形狀。圖8A為平面圖，圖8B為沿圖8A中所示X-X射線的斷面圖。在撓性部103上，一對壓電體元件108A和108B通過粘合層107粘結(jié)固定在以懸浮器較長方向的中心線Y-Y線為軸對稱的位置上。各壓電體元件108A以及108B都沿Y-Y線呈對稱形狀，其橫截面構(gòu)造也是如此。也就是說，由夾著PZT薄膜1082的第1電極膜1081與第2電極膜1083形成了壓電體元件108A以及108B。另外，有時也在這些壓電體元件108A和108B的表面形成絕緣性保護(hù)樹脂膜。各壓電體元件108A以及108B的第1電極膜1081以及第2電極膜1083由撓性部103的電極墊103A和導(dǎo)線109(ワイヤリ一ド)連接。由電極墊103A引出的連接到磁盤裝置控制部(無圖示)的壓電體電極線103B在撓性部103上形成。另外，連接裝載于滑動器102上的磁頭與磁盤裝置控制部(無圖示)的磁頭電極線103C在位于一對壓電體元件108A與108B中央的撓性部103上形成。
對上述結(jié)構(gòu)的磁頭支持結(jié)構(gòu)100中的壓電體元件108外加電壓10V，測量磁頭(無圖示)的位移。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在氧缺損量比例為0＜(Y-Z)/(Y+3)≤0.1的PZT薄膜的情況下，比用原來的PZT薄膜的壓電體元件發(fā)生了2倍以上的位移。所以，與原來的壓電體元件相比，可在更大的范圍內(nèi)確定微小位置，并可實現(xiàn)大記載密度的磁盤裝置。
在圖8A及圖8B所示的壓電體元件108A及108B中，把PZT薄膜1082夾在第1電極膜1081與第2電極膜1083之間的結(jié)構(gòu)，PZT薄膜1082只有一層，另外，也可以把這種結(jié)構(gòu)的膜用粘合劑等粘貼，形成層合多層PZT薄膜的結(jié)構(gòu)。通過層合可以獲得更大的位移驅(qū)動力。
本實施例的PZT薄膜，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為正方晶系，(001)取向。這是因為正方晶系PZT中極化面向(001)方向，取向(001)在壓電特性上有利。若是菱形晶系的PZT薄膜，極化面向(111)方向，此時，若能確保(111)的高取向度，則在壓電特性方面有利。
另外，在實施例1以及實施例2中，對通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z中X＝0.58的情況已經(jīng)做了說明，但是本發(fā)明不是特別受限于此。PZT中結(jié)晶結(jié)構(gòu)依賴于X，正方晶系與菱形晶系邊界附近的X值的組成被稱為MPB(morphotropic phase boundary)組成，大家知道其壓電性變高。如果使用這附近的組成，不限于X＝0.58，就可以得到具有高壓電性的壓電體元件。還有，由于正方晶系和菱形晶系的邊界X的值依賴于膜的形成方法或添加物的量等，因此可以適當(dāng)調(diào)整。
此外，實施例1以及實施例2中，作為壓電體薄膜的材料對PZT進(jìn)行了說明，但可以根據(jù)需要加入添加物元素調(diào)整材料特性。此時，只要考慮計算添加物的量以及它的價數(shù)算出氧缺損量即可。作為添加元素的元素及其價數(shù)如下所示。1族典型元素(1屬典型元素)為一價，2族典型元素、Mn、Ni、Cu、Zn、Sm、Eu、Yb為2價，Sc、Y、Cr、B、Al、Ga、In、Sb、Bi、La、Nd、Pm、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Lu為3價。Hf、Ir、Si、Ge、Sn、Ce、Pr、Tb為4價。
實施例1和實施例2中，Pt膜上PZT薄膜為直接成膜，為了改善PZT薄膜的結(jié)晶性及結(jié)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。
實施例1和實施例2中，進(jìn)行了濺射成膜，但不限于濺射成膜，通過激光削磨(レ一ザ一アブレ一ション)成膜制成的PZT薄膜中，確認(rèn)了通過制成具有氧缺損的膜使壓電性提高。此外，本發(fā)明不限于PZT薄膜，只要是氧化物壓電體薄膜，在可以實現(xiàn)本發(fā)明的效果。
本發(fā)明的壓電體元件，可以是壓電體薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型正方晶系，結(jié)晶取向(001)方向。也可以是壓電體薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型菱形晶系，結(jié)晶取向(111)方向。由此用正方晶系的PZT薄膜或菱形晶系的PZT薄膜作為壓電體材料制作的壓電體元件具有大的壓電特性。
本發(fā)明的壓電體元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，一部分Pb可以用選自2族典型元素、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、釤(Sm)、銪(Eu)以及鐿(Yb)中的至少1種元素取代。添加了一種或多種上述元素的復(fù)合氧化物壓電體薄膜中，如果氧缺損量大于0％并且小于10％，則可以進(jìn)一步改善壓電特性。
本發(fā)明的壓電體元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，Ti和Zr中的至少一種元素的一部分可以用選自鉿(Hf)、銥(Ir)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鈰(Ce)、鐠(Pr)以及鋱(Tb)中的至少一種元素取代。Ti和Zr中的至少一種元素的一部分用上述元素取代得到的復(fù)合氧化物壓電體薄膜中，如果氧缺損量大于0％小于10％，則可以進(jìn)一步改善壓電特性。
本發(fā)明的壓電體元件中，上述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，選自Pb、Ti以及Zr中的至少一種元素的一部分可以用選自一價1族典型元素、鈧(Sc)、釔(Y)、鉻(Cr)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鑭(La)、釹(Nd)、钷(Pm)、釓(Gd)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)以及镥(Lu)中的至少一種元素取代。用這些元素取代選自Pb、Ti以及Zr中的至少一種元素的一部分得到的復(fù)合氧化物壓電體薄膜中，如果氧缺損量大于0％小于10％，則可以進(jìn)一步改善壓電特性。
實施例1和實施例2中，對用濺射方法制作壓電體薄膜的方法進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明不限于此。例如，可以在第1電極膜上通過激光削磨法形成用通式A1+YBO3+Z(A和B表示元素)表示，與其極化軸平行的方位的結(jié)晶取向度為70％或70％以上的氧化物壓電體薄膜。如果在高精密度地控制成膜過程中的真空裝置內(nèi)的氧分壓的放電氣體氛圍下成膜，在精密控制氧缺損量的同時，氧化物壓電體薄膜的結(jié)晶也成為可能，氧缺損量也可以在膜中均勻分布。
與此相對，例如用粉體燒結(jié)法形成壓電體時，如果在低氧的環(huán)境中燒成，可以產(chǎn)生氧缺損，但此種情況下，氧缺損容易產(chǎn)生局部存在，所以可信度會下降。另外，如果用化學(xué)氣相成膜法(CVD)時，與濺射法、激光削磨法不同，通過反應(yīng)氣體的氧化、分解生成膜，所以，在低氧分壓下形成具有良好的壓電特性的壓電體薄膜比較困難。
另一方面，通過濺射法與激光削磨法制造的氧化物壓電體薄膜中，規(guī)定的氧缺損量在膜中均勻存在，所以可以獲得高壓電特性和高可靠性的壓電體薄膜。只是，在氧氣分壓超過10％的狀態(tài)下濺射時，不會產(chǎn)生氧氣缺損，而且成膜速度也不會快。另一方面，氧氣分壓為1％或1％以下時，與極化軸平行的結(jié)晶的比例降低，也不能改善壓電特性。也就是說，為了獲得必要的壓電特性，結(jié)晶取向度必須為70％或70％以上。所以，要求氧氣分壓為1％或1％以上。另外，如此在較低的氧氣分壓下濺射，可以提高成膜率和批量生產(chǎn)性。
此外，在濺射或激光削磨法中，作為向真空裝置內(nèi)的氣體導(dǎo)入流量，氧氣導(dǎo)入流量對全部氣體導(dǎo)入流量的比可以為0.01或0.01以上并且小于0.1。由此，即使在較低壓力的放電氣體壓力的條件下，也可以獲得具有規(guī)定氧缺損量比率的氧化物壓電體薄膜，而且可以高速成膜，大大提高批量生產(chǎn)性。
權(quán)利要求
1.一種壓電體元件，其包括以下組成包含第1電極膜、第2電極膜以及該第1電極膜和第2電極膜所夾的壓電體薄膜的壓電體元件，該壓電體薄膜是相對化學(xué)計量組成具有0％以上至10％或10％以下的氧缺損量的氧化物壓電體薄膜。
2.權(quán)利要求1所述的壓電體元件，其中所述壓電體薄膜為通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)表示的鈦酸鋯酸鉛，將上述壓電體薄膜中的氧缺損量比率用(Y-Z)/(Y+3)表示時，0＜(Y-Z)/(Y+3)≤0.1。
3.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，所述壓電體薄膜中，與其極化軸平行的方位的結(jié)晶取向度為70％或70％以上。
4.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，所述壓電體薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型正方晶系，結(jié)晶取向(001)方向。
5.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，所述壓電體薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型菱形晶系，結(jié)晶取向(111)方向。
6.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，將所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中的部分Pb用選自2族典型元素、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、釤(Sm)、銪(Eu)和鐿(Yb)的至少一種元素取代。
7.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，選自Ti和Zr的至少一元素的一部分用選自鉿(Hf)、銥(Ir)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鈰(Ce)、鐠(Pr)及鋱(Tb)的至少一種元素取代。
8.權(quán)利要求2所述的壓電體元件，所述通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)中，選自Pb、Ti和Zr中的至少一種元素的一部分用選自一價1族典型元素、鈧(Sc)、釔(Y)、鉻(Cr)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鑭(La)、釹(Nd)、钷(Pm)、釓(Gd)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、餌(Er)、銩(Tm)及镥(Lu)的至少一種元素取代。
9.權(quán)利要求1所述的壓電體元件，所述壓電體薄膜是通過濺射法或激光削磨法制成的薄膜。
10.壓電體元件的制造方法，包括以下工序在基板上形成第1電極膜；在所述第1電極膜上通過濺射法或激光削磨法形成氧化物壓電體薄膜，該膜用通式A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)表示，與其極化軸平行的方位的結(jié)晶取向度為70％或70％以上，成膜過程中真空裝置內(nèi)的氧分壓為總壓的1％或1％以上至10％以下；在上述氧化物壓電體薄膜上形成第2電極膜；將所述第1電極膜、氧化物壓電體薄膜和第2電極膜加工成預(yù)先設(shè)定的模型形狀。
11.權(quán)利要求10所述的壓電體元件制造方法，所述氧化物壓電體薄膜是上述通式A1+YBO3+Z(其中A和B表示元素)中，A為鉛(Pb)、B為鋯(Zr)和鈦(Ti)構(gòu)成的鈦酸鋯酸鉛，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型正方晶系，與分極軸平行的方位為(001)面方位。
12.權(quán)利要求10所述的壓電體元件制造方法，所述氧化物壓電體薄膜是上述通式A1+YBO3+Z(其中A及B表示元素)中，A為鉛(Pb)、B為鋯(Zr)和鈦(Ti)構(gòu)成的鈦酸鋯酸鉛，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型菱形晶系，與極化軸平行的方位為(111)面方位。
13.權(quán)利要求10所述的壓電體元件制造方法，在所述濺射法或激光削磨法中，作為成膜源的靶的組成用通式Pb1+Y(ZrXTi1-X)O3+Z(其中0＜X＜1)表示，其中，0＜Y＜1，且-3≤Z≤Y。
14.權(quán)利要求10所述的壓電體元件制造方法，在所述濺射法或激光削磨法中，作為向真空裝置內(nèi)的氣體導(dǎo)入流量，氧氣導(dǎo)入流量與全部氣體導(dǎo)入流量的比為0.01或0.01以上，并且小于0.1。
全文摘要
本發(fā)明涉及由第1電極膜、第2電極膜、第1電極膜及第2電極膜所夾的壓電體薄膜構(gòu)成的壓電體元件，特征是上述壓電體薄膜為氧化物壓電體薄膜，其相對化學(xué)計量組成上具有0％以上至10％或10％以下的氧缺損量。與處于化學(xué)計量組成的氧化狀態(tài)的氧化物壓電體薄膜相比，具有上述氧缺損量的壓電體薄膜制成的壓電體元件有較大的壓電性，而且，在該條件下制作，可以增大成膜速度，從而能改善批量生產(chǎn)性。
文檔編號H01L41/18GK1551380SQ200410045859
公開日2004年12月1日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者喜多弘行 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社