薄膜壓電元件、薄膜壓電致動(dòng)器、和薄膜壓電傳感器以及硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、和噴墨打印機(jī)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及使用薄膜壓電材料的薄膜壓電元件、使用該薄膜壓電元件的薄膜壓電 致動(dòng)器、和薄膜壓電傳感器、W及具有該薄膜壓電致動(dòng)器的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、和噴墨打印機(jī)裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，替代體壓電材料，使用薄膜壓電材料的壓電元件的實(shí)用化正在進(jìn)行。作為 一個(gè)例子，能夠列舉作為利用將施加于壓電薄膜的力轉(zhuǎn)換為電壓的壓電效果的壓電傳感器 的、巧螺儀傳感器、壓力傳感器、脈搏傳感器、沖擊傳感裝置、麥克風(fēng)等，或者利用在對(duì)壓電 薄膜施加電壓時(shí)壓電薄膜變形的逆壓電效果的壓電致動(dòng)器的、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器頭組件、噴墨打 印頭，或者同樣利用逆壓電效果的揚(yáng)聲器、蜂鳴器、諧振器等。
[0003]當(dāng)使壓電材料薄膜化時(shí)，能夠進(jìn)行能元件的小型化，能夠應(yīng)用的領(lǐng)域擴(kuò)大，并且， 能夠在基板上一起制作多個(gè)元件，因此，批量生產(chǎn)性增加。另外，在用于傳感器的情況下的 靈敏度的提高等性能方面的優(yōu)點(diǎn)也較多。
[0004] 在構(gòu)成薄膜壓電元件的壓電薄膜中，具有規(guī)定的結(jié)晶構(gòu)造，由此能夠獲得良好的 壓電特性，通過(guò)進(jìn)一步提高結(jié)晶性，能夠進(jìn)一步提高壓電常數(shù)。結(jié)晶性的提高能夠列舉形成 壓電薄膜的瓣射和CVD之類(lèi)的成膜裝置的成膜條件的最優(yōu)化、和對(duì)形成壓電薄膜的基底面 實(shí)施處理之類(lèi)的方法。
[0005] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，使成為壓電薄膜的基底層的電極層表面的表面粗趟度降低，由 此進(jìn)行基于壓電薄膜的結(jié)晶成長(zhǎng)進(jìn)行的取向性提高，由此，能夠得到壓電特性的增加。
[0006] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，使壓電薄膜的結(jié)晶粒徑和壓電薄膜自身的粗趟度最優(yōu)化，由此 為了提高壓電常數(shù)關(guān)于最佳的結(jié)晶性高的壓電薄膜的形成進(jìn)行闡述。
[0007] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中，抑制作為壓電薄膜的整個(gè)面中的最大最小值的差的P-V值來(lái)提 高壓電常數(shù)，并且，關(guān)于具有對(duì)絕緣破壞的耐性的壓電薄膜的形成進(jìn)行闡述。
[000引專(zhuān)利文獻(xiàn)1 ;日本特開(kāi)2010-161330號(hào)公報(bào)
[0009] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 ;日本特開(kāi)平09-298324號(hào)公報(bào)
[0010] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3 ;日本特開(kāi)2010-219493號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 發(fā)明想要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0012] 如專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示，作為用于提高壓電薄膜的壓電特性的方法，具有使成為壓電 薄膜的基底層的電極層表面的粗趟度降低的方法。
[0013]另外，薄膜壓電元件的移位量由壓電薄膜和與其接觸的電極層的接地面積決定， 因此，具有較大的接地面是有用的。
[0014] 但是，在薄膜壓電元件的平面形狀或者層構(gòu)造的大小被制限的情況下，根據(jù)上述2 個(gè)事實(shí)，在壓電薄膜的壓電特性存在極限，由此薄膜壓電元件的移位量產(chǎn)生極限。
[0015] 本發(fā)明是鑒于該樣的問(wèn)題而完成的，在使薄膜壓電元件的平面形狀、層構(gòu)造為一 定的狀態(tài)下，能夠進(jìn)一步增大薄膜壓電元件的移位量。
[0016] 本發(fā)明設(shè)及的薄膜壓電元件包括；一對(duì)電極層；和由上述一對(duì)電極層夾著的壓電 薄膜，上述壓電薄膜和上述一對(duì)電極層的至少一者的界面的表面粗趟度P-V在220nmW上 500nmW下。在此，表面粗趟度P-V是由表面中的最大高度（峰值巧和最小高度（谷值V) 的差規(guī)定的表面粗趟度P-V值。
[0017] 該界面的表面粗趟度因在形成壓電薄膜和電極層前對(duì)成為下部層的膜表面等進(jìn) 行機(jī)械或化學(xué)的處理而形成。另外，為在產(chǎn)品的狀態(tài)中測(cè)定上述的界面的表面粗趟度P-V 值，在將作為形成在確認(rèn)對(duì)象的界面的上部的壓電薄膜或者電極膜完全除去后，通過(guò)后述 的方法測(cè)定。
[0018] 通過(guò)采用該構(gòu)成，壓電薄膜的向電極層的接地面的實(shí)際的接地面積（接觸區(qū)域） 變得比外觀上的面積（投影面積）大，壓電薄膜和電極層更能寬廣地接觸，因此，能夠增加 由接地面積決定的薄膜壓電元件的移位量。
[0019]當(dāng)界面的表面粗趟度P-V超過(guò)500nm時(shí)，壓電薄膜和電極層的接地面難W維持作 為薄膜壓電元件的平坦性，在構(gòu)成薄膜壓電元件的各層的成長(zhǎng)方向上產(chǎn)生不均。在界面的 表面粗趟度P-V不到220nm的情況下，不產(chǎn)生本發(fā)明的效果。
[0020] 在利用Ra表示上述的界面的表面粗趟度的情況下，優(yōu)選Ra為90nmW上220nmW 下，該表面粗趟度Ra優(yōu)選比構(gòu)成壓電薄膜的結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑大。在此，優(yōu)選構(gòu)成 本發(fā)明設(shè)及的薄膜壓電元件的壓電薄膜的結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑為90nmW上200nmW 下。
[0021] 通過(guò)采用該構(gòu)成，能夠良好地保持形成在具有規(guī)定的表面粗趟度的界面的壓電薄 膜的結(jié)晶性，能夠增大薄膜壓電元件的移位量。在此，結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑通過(guò)觀察壓 電薄膜的截面部分而求出，測(cè)定方法的詳細(xì)在后文述說(shuō)。
[0022] 在表面粗趟度Ra不到90nm的情況下，壓電薄膜和電極層的接地面積的增加量不 產(chǎn)生較大的變化，其結(jié)果，產(chǎn)生薄膜壓電元件的移位量難W增加的問(wèn)題。
[0023] 另外，在表面粗趟度Ra的值過(guò)大的情況下，壓電薄膜的結(jié)晶成長(zhǎng)向任意的方向擴(kuò) 散，因此，對(duì)壓電特性而言重要的結(jié)晶的取向度降低。所W，為了進(jìn)一步提高薄膜壓電元件 的移位量，優(yōu)選Ra值為220nmW下。
[0024] 作為構(gòu)成壓電薄膜的結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑優(yōu)選90nmW上200nmW下是因?yàn)椋?在上述表面粗趟度Ra的范圍中，能夠使壓電薄膜W均勻的結(jié)晶粒徑成長(zhǎng)。
[0025]另外，隨著本發(fā)明設(shè)及的薄膜壓電元件的壓電薄膜的膜厚增加，對(duì)接地面的凹凸 形狀的移位量提高的影響度變小，因此，壓電薄膜的膜厚優(yōu)選3000nmW下。并且，在膜厚薄 的情況下，因小孔（pinhole)和膜成長(zhǎng)的缺陷而產(chǎn)生泄露電流W及絕緣耐壓的降低，因此， 壓電薄膜的膜厚優(yōu)選220皿W上。
[0026] 本發(fā)明適用于利用壓電特性產(chǎn)生機(jī)械的移位，從平面形狀或者層構(gòu)造的方面出發(fā) 其大小被制限的薄膜壓電元件，并且，在具有即使結(jié)晶粒徑小也顯示良好的壓電特性的魄 酸鐘鋼類(lèi)的壓電薄膜的薄膜壓電元件中，是有用的。
[0027] 利用本發(fā)明，在形狀被規(guī)定的薄膜壓電元件中，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的移位量，在使用該 元件的薄膜壓電傳感器w及薄膜壓電致動(dòng)器、w及在使用它們的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、噴墨打印機(jī) 中，能夠?qū)崿F(xiàn)性能提局。
【附圖說(shuō)明】
[002引圖1是本發(fā)明設(shè)及的第1實(shí)施方式的薄膜壓電元件的構(gòu)成圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明設(shè)及的第2實(shí)施方式的薄膜壓電元件的構(gòu)成圖。
[0030] 圖3A、B是本發(fā)明設(shè)及的薄膜壓電致動(dòng)器的構(gòu)造圖。
[0031] 圖4A~D是本發(fā)明設(shè)及的薄膜壓電傳感器的構(gòu)造圖。
[0032] 圖5是本發(fā)明設(shè)及的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)造圖。
[0033] 圖6是本發(fā)明設(shè)及的噴墨打印機(jī)裝置的構(gòu)造圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 參照附圖對(duì)本發(fā)明的適當(dāng)?shù)膶?shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
[00對(duì)（薄膜壓電元件）
[0036](第1實(shí)施方式）
[0037] 圖1表示本實(shí)施方式的薄膜壓電元件10的構(gòu)成。
[003引作為基板1能夠采用單晶娃基板、SilicononInsulator(SOI)基板、石英玻璃基 板、由GaAs等形成的化合物半導(dǎo)體基板、藍(lán)寶石基板、由不誘鋼等形成的金屬基板、MgO基 板、SrTi03基板等，特別是，從基板成本和工藝的處理的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選單晶娃基板?；? 的厚度通常為10~1000ym。
[0039] 在基板1上形成下部電極層2。作為下部電極層2的材料優(yōu)選Pt(白金）、化（錠）。 下部電極層2的形成方法為蒸鍛法、瓣射法。下部電極層2的膜厚優(yōu)選為50~lOOOnm。
[0040] 對(duì)下部電極層2的上表面進(jìn)行表面處理，使得表面粗趟度P-V為220nmW上500nm W下，成為粗化或者凹凸?fàn)顟B(tài)。作為處理方法具有使用藥液的濕蝕刻法、利用等離子體處理 進(jìn)行的干蝕刻法、利用研磨、拋光進(jìn)行的機(jī)械研磨法等。該處理面的表面粗趟度Ra優(yōu)選為 90nmW上220nmW下。認(rèn)為通過(guò)該表面處理，實(shí)質(zhì)上的下部電極層的表面積增加為不處理 情況下的2. 5倍~4倍左右。
[0041] 在進(jìn)行了表面處理的下部電極層2上形成壓電薄膜3。壓電薄膜3具有巧鐵礦構(gòu) 造，形成方法為在瓣射法中在Ar氣氣體和氧氣氣體的混合氣氛中使用高頻電源進(jìn)行成膜。 膜厚無(wú)特別限定，但是優(yōu)選220nmW上3000nmW下。
[0042] 如上所述，作為具有巧鐵礦構(gòu)造的壓電薄膜3,優(yōu)選不含鉛的魄酸鐘鋼類(lèi)的壓電 薄膜。而且，通過(guò)對(duì)魄酸鐘鋼類(lèi)的壓電薄膜3添加Li(裡）、Ba(領(lǐng)）、Sr(鎖）、Ta(粗）、 Zr(錯(cuò)）、Mn(鋪）等的添加元素，即使構(gòu)成壓電薄膜3的結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑在90nm W上200nmW下，該壓電薄膜3也顯示良好的壓電特性。
[0043] 而且，優(yōu)選與構(gòu)成該壓電薄膜3的結(jié)晶顆粒的平均結(jié)晶粒徑相比，上述的表面粗 趟度Ra大。
[0044] 壓電薄膜