Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7399752B2 - Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7399752B2 - Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method - Google Patents

Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP7399752B2
JP7399752B2 JP2020037495A JP2020037495A JP7399752B2 JP 7399752 B2 JP7399752 B2 JP 7399752B2 JP 2020037495 A JP2020037495 A JP 2020037495A JP 2020037495 A JP2020037495 A JP 2020037495A JP 7399752 B2 JP7399752 B2 JP 7399752B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
piezoelectric
knn
layer
piezoelectric film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020037495A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021141186A (en
Inventor
稔顕 黒田
憲治 柴田
和俊 渡辺
健司 木村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Chemical Co Ltd filed Critical Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority to JP2020037495A priority Critical patent/JP7399752B2/en
Priority to PCT/JP2020/026022 priority patent/WO2021002434A1/en
Priority to EP20835288.0A priority patent/EP3995454A4/en
Priority to US17/624,555 priority patent/US12581862B2/en
Priority to TW109145604A priority patent/TWI862764B/en
Publication of JP2021141186A publication Critical patent/JP2021141186A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7399752B2 publication Critical patent/JP7399752B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

本発明は、圧電膜、圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric film, a piezoelectric laminate, a piezoelectric element, and a method for manufacturing a piezoelectric laminate.

圧電体は、センサ、アクチュエータ等の機能性電子部品に広く利用されている。圧電体の材料としては、鉛系材料、特に、組成式Pb(Zr1-xTi)Oで表されるPZT系の強誘電体が広く用いられている。PZT系の圧電体は鉛を含有しているため、公害防止の面等から好ましくない。そこで、鉛非含有の圧電体の材料として、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)が提案されている(例えば特許文献1,2参照)。近年、KNNのように鉛非含有の材料からなる圧電体の性能をさらに高めることが強く求められている。 Piezoelectric bodies are widely used in functional electronic components such as sensors and actuators. As a material for the piezoelectric body, lead-based materials, particularly PZT-based ferroelectrics represented by the composition formula Pb(Zr 1-x Ti x )O 3 are widely used. Since PZT-based piezoelectric bodies contain lead, they are not preferred from the viewpoint of pollution prevention. Therefore, potassium sodium niobate (KNN) has been proposed as a lead-free piezoelectric material (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In recent years, there has been a strong demand to further improve the performance of piezoelectric bodies made of lead-free materials such as KNN.

特開2007-184513号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-184513 特開2008-159807号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-159807

本発明の目的は、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電膜の寿命をさらに長くすることにある。 An object of the present invention is to further extend the life of a piezoelectric film made of potassium sodium niobate.

本発明の一態様によれば、
ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜であり、
Mnを含み、
結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電膜およびその関連技術が提供される。
According to one aspect of the invention,
It is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate,
Contains Mn,
A piezoelectric film in which more Mn exists in the grain boundaries of a crystal than in a parent phase of the crystal, and its related technology are provided.

本発明によれば、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電膜の寿命をさらに長くすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to further extend the life of a piezoelectric film made of potassium sodium niobate.

本発明の一実施形態にかかる圧電積層体の断面構造の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a piezoelectric laminate according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる圧電積層体の断面構造の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the cross-sectional structure of the piezoelectric laminated body concerning one embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる圧電積層体を作製する際の中間体(熱処理前の積層体)の断面構造の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of an intermediate body (a laminate before heat treatment) when producing a piezoelectric laminate according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成の変形例を示す図である。It is a figure showing a modification of the schematic structure of the piezoelectric device concerning one embodiment of the present invention.

<本発明の一実施形態>
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
<One embodiment of the present invention>
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(1)圧電積層体の構成
図1に示すように、本実施形態にかかる圧電膜を有する積層体(積層基板)10(以下、圧電積層体10とも称する)は、基板1と、基板1上に製膜された下部電極膜2と、下部電極膜2上に製膜された圧電膜(圧電薄膜)3と、圧電膜3上に製膜された上部電極膜4と、を備えている。
(1) Configuration of Piezoelectric Laminate As shown in FIG. A piezoelectric film (piezoelectric thin film) 3 is formed on the lower electrode film 2, and an upper electrode film 4 is formed on the piezoelectric film 3.

基板1としては、熱酸化膜またはCVD(Chemical Vapor Deposition)酸化膜等の表面酸化膜(SiO膜)1bが形成された単結晶シリコン(Si)基板1a、すなわち、表面酸化膜を有するSi基板を好適に用いることができる。また、基板1としては、図2に示すように、その表面にSiO以外の絶縁性材料により形成された絶縁膜1dを有するSi基板1aを用いることもできる。また、基板1としては、表面にSi(100)面またはSi(111)面等が露出したSi基板1a、すなわち、表面酸化膜1bまたは絶縁膜1dを有さないSi基板を用いることもできる。また、基板1としては、SOI(Silicon On Insulator)基板、石英ガラス(SiO)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、サファイア(Al)基板、ステンレス(SUS)等の金属材料により形成された金属基板を用いることもできる。単結晶Si基板1aの厚さは例えば300μm以上1000μm以下、表面酸化膜1bの厚さは例えば1nm以上4000nm以下とすることができる。 The substrate 1 is a single crystal silicon (Si) substrate 1a on which a surface oxide film (SiO 2 film) 1b such as a thermal oxide film or a CVD (Chemical Vapor Deposition) oxide film is formed, that is, a Si substrate having a surface oxide film. can be suitably used. Further, as the substrate 1, as shown in FIG. 2, a Si substrate 1a having an insulating film 1d formed of an insulating material other than SiO 2 on its surface can also be used. Further, as the substrate 1, a Si substrate 1a having an exposed Si (100) plane or Si (111) plane or the like on the surface, that is, a Si substrate without the surface oxide film 1b or the insulating film 1d can also be used. The substrate 1 may be formed of a metal material such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate, a quartz glass (SiO 2 ) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, or stainless steel (SUS). It is also possible to use a metal substrate. The thickness of the single crystal Si substrate 1a can be, for example, 300 μm or more and 1000 μm or less, and the thickness of the surface oxide film 1b can be, for example, 1 nm or more and 4000 nm or less.

下部電極膜2は、例えば、白金(Pt)を用いて製膜することができる。下部電極膜2は、単結晶膜または多結晶膜(以下、これらをPt膜とも称する)となる。Pt膜を構成する結晶は、基板1の表面に対して(111)面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、Pt膜の表面(圧電膜3の下地となる面)は、主にPt(111)面により構成されていることが好ましい。Pt膜は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜2は、Pt以外に、金(Au)、ルテニウム(Ru)、またはイリジウム(Ir)等の各種金属、これらを主成分とする合金、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO、略称:SRO)またはニッケル酸ランタン(LaNiO、略称:LNO)等の金属酸化物等を用いて製膜することもできる。また、下部電極膜2は、上記各種金属または金属酸化物等を用いて製膜した単層膜であってもよく、あるいは、Pt膜とPt膜上に設けられたSROからなる膜との積層体や、Pt膜とPt膜上に設けられたLNOからなる膜との積層体等であってもよい。なお、基板1と下部電極膜2との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、酸化チタン(TiO)、ニッケル(Ni)、ルテニウム酸化物(RuO)、イリジウム酸化物(IrO)等を主成分とする密着層6が設けられていてもよい。密着層6は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜2の厚さは例えば100nm以上400nm以下、密着層6の厚さは例えば1nm以上200nm以下とすることができる。 The lower electrode film 2 can be formed using platinum (Pt), for example. The lower electrode film 2 is a single crystal film or a polycrystalline film (hereinafter also referred to as a Pt film). It is preferable that the crystals constituting the Pt film are preferentially oriented in the (111) plane with respect to the surface of the substrate 1. That is, it is preferable that the surface of the Pt film (the surface that becomes the base of the piezoelectric film 3) is mainly composed of a Pt (111) plane. The Pt film can be formed using techniques such as sputtering and vapor deposition. In addition to Pt, the lower electrode film 2 is made of various metals such as gold (Au), ruthenium (Ru), or iridium (Ir), alloys containing these as main components, strontium ruthenate (SrRuO 3 , abbreviation: SRO), or The film can also be formed using a metal oxide such as lanthanum nickelate (LaNiO 3 , abbreviation: LNO). Further, the lower electrode film 2 may be a single layer film formed using the above-mentioned various metals or metal oxides, or a laminated film of a Pt film and a film made of SRO provided on the Pt film. It may also be a laminate of a Pt film and a film made of LNO provided on the Pt film. Note that in order to improve the adhesion between the substrate 1 and the lower electrode film 2, for example, titanium (Ti), tantalum (Ta), titanium oxide (TiO 2 ), nickel (Ni), ruthenium oxide, etc. An adhesion layer 6 mainly composed of (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), or the like may be provided. The adhesive layer 6 can be formed using a method such as a sputtering method or a vapor deposition method. The thickness of the lower electrode film 2 can be, for example, 100 nm or more and 400 nm or less, and the thickness of the adhesive layer 6 can be, for example, 1 nm or more and 200 nm or less.

圧電膜3は、例えば、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)を含み、組成式(K1-xNaNbOで表されるアルカリニオブ酸化物、すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)を用いて製膜することができる。上述の組成式中の係数x[=Na/(K+Na)]は、0<x<1の範囲内の大きさとする。係数y[=(K+Na)/Nb]は、例えば0.7≦y≦1.50の範囲内の大きさとすることが好ましい。圧電膜3は、KNNの多結晶膜(以下、KNN膜3とも称する)となる。KNNの結晶構造は、ペロブスカイト構造となる。KNN膜3は、スパッタリング法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ゾルゲル法等の手法を用いて製膜することができる。KNN膜3の厚さは例えば0.5μm以上5μm以下である。 The piezoelectric film 3 includes, for example, potassium (K), sodium (Na), and niobium (Nb), and is made of an alkali niobium oxide represented by the composition formula (K 1-x Na x ) y NbO 3 , that is, niobic acid. A film can be formed using potassium sodium (KNN). The coefficient x [=Na/(K+Na)] in the above-mentioned composition formula has a size within the range of 0<x<1. The coefficient y [=(K+Na)/Nb] is preferably set within the range of 0.7≦y≦1.50, for example. The piezoelectric film 3 is a KNN polycrystalline film (hereinafter also referred to as KNN film 3). The crystal structure of KNN is a perovskite structure. The KNN film 3 can be formed using a method such as a sputtering method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, or a sol-gel method. The thickness of the KNN film 3 is, for example, 0.5 μm or more and 5 μm or less.

KNN膜3を構成する結晶は、基板1(基板1が例えば表面酸化膜1bまたは絶縁膜1d等を有するSi基板1aである場合はSi基板1a)の表面に対して(001)面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、KNN膜3の表面(上部電極膜4の下地となる面)は、主にKNN(001)面方位により構成されていることが好ましい。基板1の表面に対して(111)面方位に優先配向させたPt膜上にKNN膜3を直接製膜することで、KNN膜3を構成する結晶を、基板1の表面に対して(001)面方位に優先配向させることが容易となる。すなわち、KNN膜3を構成する結晶群のうち80%以上の結晶を基板1の表面に対して(001)面方位に配向させ、KNN膜3の表面のうち80%以上の領域をKNN(001)面とすることが容易となる。 The crystals constituting the KNN film 3 have priority over the (001) plane orientation with respect to the surface of the substrate 1 (for example, the Si substrate 1a if the substrate 1 is a Si substrate 1a having a surface oxide film 1b or an insulating film 1d). It is preferable that it is oriented. That is, it is preferable that the surface of the KNN film 3 (the surface that becomes the base of the upper electrode film 4) is mainly constituted by the KNN (001) plane orientation. By directly forming the KNN film 3 on the Pt film that is preferentially oriented in the (111) plane with respect to the surface of the substrate 1, the crystals constituting the KNN film 3 are oriented in the (001) direction with respect to the surface of the substrate 1. ) It becomes easy to achieve preferential orientation in the plane direction. That is, 80% or more of the crystal groups constituting the KNN film 3 are oriented in the (001) plane with respect to the surface of the substrate 1, and 80% or more of the surface of the KNN film 3 is oriented in the KNN (001) direction. ) surface.

KNN膜3を構成する結晶群のうち半数以上の結晶が柱状構造を有していることが好ましい。KNN膜3を構成する結晶同士の境界、すなわちKNN膜3に存在する結晶粒界は、KNN膜3の厚さ方向に貫いていることが好ましい。例えば、KNN膜3では、その厚さ方向に貫く結晶粒界が、KNN膜3の厚さ方向に貫いていない結晶粒界(例えば基板1の平面方向に平行な結晶粒界)よりも多いことが好ましい。 It is preferable that more than half of the crystals in the crystal group constituting the KNN film 3 have a columnar structure. It is preferable that the boundaries between the crystals constituting the KNN film 3, that is, the crystal grain boundaries existing in the KNN film 3, penetrate in the thickness direction of the KNN film 3. For example, in the KNN film 3, there are more crystal grain boundaries that penetrate in the thickness direction than crystal grain boundaries that do not penetrate in the thickness direction of the KNN film 3 (for example, crystal grain boundaries parallel to the plane direction of the substrate 1). is preferred.

KNN膜3を構成する結晶(結晶群)の平均粒径(以下、「KNN膜3の平均結晶粒径」とも称する)は、例えば100nm以上であることが好ましい。ここでいうKNN膜3の平均結晶粒径とは、基板1の平面方向におけるKNN膜3の断面での平均結晶粒径である。KNN膜3の平均結晶粒径は、走査型電子顕微鏡で撮影した画像(例えばSEM像)や、透過電子顕微鏡で撮影した画像(例えばTEM像)の視野を画像解析することで得ることができる。画像解析ソフトとして、例えばWayne Rasband製の「ImageJ」を用いることができる。 The average grain size of the crystals (crystal group) constituting the KNN film 3 (hereinafter also referred to as "average crystal grain size of the KNN film 3") is preferably, for example, 100 nm or more. The average crystal grain size of the KNN film 3 herein refers to the average crystal grain size in a cross section of the KNN film 3 in the planar direction of the substrate 1. The average crystal grain size of the KNN film 3 can be obtained by analyzing the field of view of an image taken with a scanning electron microscope (for example, a SEM image) or an image taken with a transmission electron microscope (for example, a TEM image). As the image analysis software, for example, "ImageJ" manufactured by Wayne Rasband can be used.

KNN膜3の平均結晶粒径を大きくすることで、KNN膜3における粒界密度を低くすることが可能となる。ここでいう粒界密度とは、基板1の平面方向におけるKNN膜3の断面内の結晶の粒界の合計長さを、断面積で割った値(=結晶粒の粒界の合計長さ/断面積)である。 By increasing the average crystal grain size of the KNN film 3, it is possible to lower the grain boundary density in the KNN film 3. The grain boundary density here is the value obtained by dividing the total length of the grain boundaries of the crystals in the cross section of the KNN film 3 in the plane direction of the substrate 1 by the cross-sectional area (=total length of the grain boundaries of the crystal grains/ cross-sectional area).

KNN膜3の粒界密度を低くする観点からは、KNN膜3の平均結晶粒径は大きければ大きいほど好ましい。しかしながら、KNN膜3の平均結晶粒径がKNN膜3の厚さよりも大きくなると、圧電特性の面内均一性が低下する場合がある。したがって、圧電特性の面内均一性の低下抑制の観点から、KNN膜3の平均結晶粒径は、KNN膜3の厚さよりも小さいことが好ましい。 From the viewpoint of lowering the grain boundary density of the KNN film 3, it is preferable that the average crystal grain size of the KNN film 3 is as large as possible. However, if the average crystal grain size of the KNN film 3 becomes larger than the thickness of the KNN film 3, the in-plane uniformity of piezoelectric properties may deteriorate. Therefore, from the viewpoint of suppressing deterioration of in-plane uniformity of piezoelectric properties, the average crystal grain size of the KNN film 3 is preferably smaller than the thickness of the KNN film 3.

KNN膜3はマンガン(Mn)を含んでいる。加えて、KNN膜3では、結晶粒界にMnが存在しているとともに、結晶粒界に存在するMn(例えば結晶粒界に存在するMn粒子数)がKNN膜3を構成する結晶の母相に存在するMn(例えば母相に存在するMn粒子数)よりも多くなっている。このため、後述の圧電素子20(圧電デバイス30)に電界を印加した際、KNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損の移動を抑制することが可能となる。 The KNN film 3 contains manganese (Mn). In addition, in the KNN film 3, Mn exists at the grain boundaries, and the Mn present at the grain boundaries (for example, the number of Mn particles existing at the grain boundaries) is the parent phase of the crystals constituting the KNN film 3. (for example, the number of Mn particles present in the matrix). Therefore, when an electric field is applied to the piezoelectric element 20 (piezoelectric device 30), which will be described later, it is possible to suppress the movement of oxygen vacancies present in the grain boundaries of the KNN film 3.

KNN膜3を構成する結晶(結晶粒)の内部や、結晶粒界には、所定の割合で酸素欠損(酸素空乏(Oxygen Vacancy))が存在している。これらの酸素欠損のうち、特にKNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損が、圧電積層体10を加工することで作製される後述の圧電素子20(圧電デバイス30)に電界を印加した際に移動することがある。酸素欠損が移動し、電極膜(下部電極膜2または上部電極膜4)に到達すると、酸素欠損と電極膜中の金属とが反応して短絡(ショート)してしまう。そこで、本願発明者等は、KNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損の移動の抑制について鋭意検討を行った。その結果、KNN膜3の結晶粒界にMnが存在していると、このMnがKNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損と対になり、すなわち結晶粒界に存在するMnが酸素欠損をトラップし、結晶粒界に存在する酸素欠損の移動を抑制することができることが分かった。また、このような酸素欠損移動抑制効果は、結晶粒界に存在するMnによって得られるものの、KNN膜3を構成する結晶の母相(結晶の内部)に存在するMn(例えばKNN膜3を構成する結晶の格子中に組み込まれたMn)によっては得られにくいことも分かった。これらの知見は、本願発明者等の鋭意検討の結果、初めて見出された知見である。 Oxygen vacancies (oxygen vacancies) exist at a predetermined ratio inside the crystals (crystal grains) constituting the KNN film 3 and at the grain boundaries. Among these oxygen vacancies, the oxygen vacancies that exist in the grain boundaries of the KNN film 3 in particular occur when an electric field is applied to a piezoelectric element 20 (piezoelectric device 30), which will be described later, which is manufactured by processing the piezoelectric laminate 10. may move to. When the oxygen vacancies move and reach the electrode film (lower electrode film 2 or upper electrode film 4), the oxygen vacancies react with the metal in the electrode film, resulting in a short circuit. Therefore, the inventors of the present application conducted extensive studies on suppressing the movement of oxygen vacancies present at the grain boundaries of the KNN film 3. As a result, when Mn exists at the grain boundaries of the KNN film 3, this Mn becomes a pair with the oxygen vacancies existing at the grain boundaries of the KNN film 3, that is, the Mn existing at the grain boundaries becomes oxygen vacancies. It was found that it is possible to trap oxygen vacancies and suppress the movement of oxygen vacancies present at grain boundaries. In addition, although such an effect of suppressing the movement of oxygen vacancies is obtained by Mn present in the grain boundaries, Mn present in the parent phase (inside the crystal) of the crystals constituting the KNN film 3 (for example, Mn constituting the KNN film 3) It was also found that it is difficult to obtain Mn depending on the Mn incorporated in the lattice of the crystal. These findings were discovered for the first time as a result of intensive studies by the inventors of the present application.

KNN膜3中のMnの含有量は、KNN膜3(多結晶膜)中のニオブの量に対して例えば0.2at%以上2.0at%以下の範囲内であることが好ましい。すなわち、KNN膜3のMn濃度は0.2at%以上2.0at%以下であることが好ましい。ここでいうMn濃度とは、結晶粒界に存在しているMnと母相に存在しているMnとの合計濃度である。 The content of Mn in the KNN film 3 is preferably within a range of, for example, 0.2 at% or more and 2.0 at% or less with respect to the amount of niobium in the KNN film 3 (polycrystalline film). That is, the Mn concentration of the KNN film 3 is preferably 0.2 at% or more and 2.0 at% or less. The Mn concentration here is the total concentration of Mn present in the grain boundaries and Mn present in the parent phase.

KNN膜3のMn濃度が0.2at%以上であれば、KNN膜3中のMn含有量が微量であっても、結晶粒界に一定量以上のMnを存在させることできるとともに、結晶粒界に存在するMnを母相に存在するMnよりも多くすることが可能となる。その結果、上述の酸素欠損移動抑制効果を得ることができる。KNN膜3のMn濃度が2.0at%以下であることで、KNN膜3の比誘電率を、センサやアクチュエータ等の用途に好適な大きさとすることが可能となる。 If the Mn concentration in the KNN film 3 is 0.2 at% or more, even if the Mn content in the KNN film 3 is a small amount, a certain amount or more of Mn can be present in the grain boundaries, and It becomes possible to increase the amount of Mn present in the matrix compared to the amount of Mn present in the matrix. As a result, the above-mentioned effect of suppressing oxygen vacancy movement can be obtained. By setting the Mn concentration of the KNN film 3 to 2.0 at % or less, the relative dielectric constant of the KNN film 3 can be set to a size suitable for applications such as sensors and actuators.

KNN膜3は、銅(Cu)、リチウム(Li)、Ta、アンチモン(Sb)等のK、Na、Nb、Mn以外の元素を、Mnを上述の範囲内で添加することによる効果を損なわない範囲内、例えば5at%以下(上述の元素を複数種添加する場合は合計濃度が5at%以下)の範囲内で含んでいてもよい。 The KNN film 3 does not impair the effect of adding elements other than K, Na, Nb, and Mn, such as copper (Cu), lithium (Li), Ta, and antimony (Sb), with Mn within the above-mentioned range. It may be contained within a range, for example, within a range of 5 at % or less (if multiple types of the above-mentioned elements are added, the total concentration is 5 at % or less).

上部電極膜4は、例えば、Pt、Au、アルミニウム(Al)、Cu等の各種金属またはこれらの合金を用いて製膜することができる。上部電極膜4は、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法、金属ペースト法等の手法を用いて製膜することができる。上部電極膜4は、下部電極膜2のようにKNN膜3の結晶構造に大きな影響を与えるものではない。そのため、上部電極膜4の材料、結晶構造、製膜手法は特に限定されない。なお、KNN膜3と上部電極膜4との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、Ti、Ta、TiO、Ni、RuO、IrO等を主成分とする密着層が設けられていてもよい。上部電極膜4の厚さは例えば100nm以上5000nm以下、密着層を設ける場合には密着層の厚さは例えば1nm以上200nm以下とすることができる。 The upper electrode film 4 can be formed using various metals such as Pt, Au, aluminum (Al), and Cu, or alloys thereof. The upper electrode film 4 can be formed using a method such as a sputtering method, a vapor deposition method, a plating method, or a metal paste method. The upper electrode film 4 does not have a large influence on the crystal structure of the KNN film 3 unlike the lower electrode film 2. Therefore, the material, crystal structure, and film forming method of the upper electrode film 4 are not particularly limited. Note that an adhesion layer containing, for example, Ti, Ta, TiO 2 , Ni, RuO 2 , IrO 2 or the like as a main component is provided between the KNN film 3 and the upper electrode film 4 in order to improve their adhesion. It may be. The thickness of the upper electrode film 4 can be, for example, 100 nm or more and 5000 nm or less, and when an adhesive layer is provided, the thickness of the adhesive layer can be, for example, 1 nm or more and 200 nm or less.

(2)圧電デバイスの構成
図3に、本実施形態におけるKNN膜3を有するデバイス30(以下、圧電デバイス30とも称する)の概略構成図を示す。圧電デバイス30は、上述の圧電積層体10を所定の形状に成形することで得られる素子20(KNN膜3を有する素子20、以下、圧電素子20とも称する)と、圧電素子20に接続される電圧印加部11aまたは電圧検出部11bと、を少なくとも備えている。電圧印加部11aは、下部電極膜2と上部電極膜4との間(電極間)に電圧を印加するための手段であり、電圧検出部11bは、下部電極膜2と上部電極膜4との間(電極間)に発生した電圧を検出するための手段である。電圧印加部11a、電圧検出部11bとしては、公知の種々の手段を用いることができる。
(2) Configuration of piezoelectric device FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of a device 30 (hereinafter also referred to as piezoelectric device 30) having a KNN film 3 in this embodiment. The piezoelectric device 30 is connected to an element 20 (element 20 having the KNN film 3, hereinafter also referred to as piezoelectric element 20) obtained by molding the piezoelectric laminate 10 described above into a predetermined shape, and the piezoelectric element 20. It includes at least a voltage applying section 11a or a voltage detecting section 11b. The voltage applying section 11a is a means for applying a voltage between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 (between the electrodes), and the voltage detecting section 11b is a means for applying a voltage between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4. This is a means for detecting the voltage generated between the electrodes (between the electrodes). Various known means can be used as the voltage applying section 11a and the voltage detecting section 11b.

電圧印加部11aを、圧電素子20の下部電極膜2と上部電極膜4との間に接続することで、圧電デバイス30をアクチュエータとして機能させることができる。電圧印加部11aにより下部電極膜2と上部電極膜4との間に電圧を印加することで、KNN膜3を変形させることができる。この変形動作により、圧電デバイス30に接続された各種部材を作動させることができる。この場合、圧電デバイス30の用途としては、例えば、インクジェットプリンタ用のヘッド、スキャナー用のMEMSミラー、超音波発生装置用の振動子等が挙げられる。 By connecting the voltage application section 11a between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 of the piezoelectric element 20, the piezoelectric device 30 can function as an actuator. The KNN film 3 can be deformed by applying a voltage between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 using the voltage applying section 11a. Through this deformation operation, various members connected to the piezoelectric device 30 can be operated. In this case, examples of uses of the piezoelectric device 30 include heads for inkjet printers, MEMS mirrors for scanners, and vibrators for ultrasonic generators.

電圧検出部11bを、圧電素子20の下部電極膜2と上部電極膜4との間に接続することで、圧電デバイス30をセンサとして機能させることができる。KNN膜3が何らかの物理量の変化に伴って変形すると、その変形によって下部電極膜2と上部電極膜4との間に電圧が発生する。この電圧を電圧検出部11bによって検出することで、KNN膜3に印加された物理量の大きさを測定することができる。この場合、圧電デバイス30の用途としては、例えば、角速度センサ、超音波センサ、圧カセンサ、加速度センサ等が挙げられる。 By connecting the voltage detection section 11b between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 of the piezoelectric element 20, the piezoelectric device 30 can function as a sensor. When the KNN film 3 deforms due to a change in some physical quantity, a voltage is generated between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 due to the deformation. By detecting this voltage with the voltage detection section 11b, the magnitude of the physical quantity applied to the KNN film 3 can be measured. In this case, applications of the piezoelectric device 30 include, for example, an angular velocity sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, and the like.

(3)圧電積層体、圧電素子、圧電デバイスの製造方法
上述の圧電積層体10、圧電素子20、および圧電デバイス30の製造方法について、図4を用いて説明する。
(3) Method for manufacturing piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric device A method for manufacturing the piezoelectric laminate 10, piezoelectric element 20, and piezoelectric device 30 described above will be described with reference to FIG. 4.

図4に示すように、まず、基板1を用意し、基板1のいずれかの主面上に、例えばスパッタリング法により密着層6(Ti層)および下部電極膜2(Pt膜)をこの順に製膜する。なお、いずれかの主面上に、密着層6や下部電極膜2が予め製膜された基板1を用意してもよい。 As shown in FIG. 4, first, a substrate 1 is prepared, and an adhesion layer 6 (Ti layer) and a lower electrode film 2 (Pt film) are formed in this order on one of the main surfaces of the substrate 1 by, for example, sputtering. To form a film. Note that the substrate 1 may be prepared on which the adhesive layer 6 and the lower electrode film 2 are formed in advance on one of the main surfaces.

密着層6を設ける際の条件としては、下記の条件が例示される。
温度(基板温度):100℃以上500℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下
放電パワー:1000W以上1500W以下、好ましくは1100W以上1300W以下
雰囲気:アルゴン(Ar)ガス雰囲気
雰囲気圧力:0.1Pa以上0.5Pa以下、好ましくは0.2Pa以上0.4Pa以下
形成時間:30秒以上3分以下、好ましくは45秒以上2分以下
The following conditions are exemplified as conditions for providing the adhesive layer 6.
Temperature (substrate temperature): 100°C or more and 500°C or less, preferably 200°C or more and 400°C or less Discharge power: 1000W or more and 1500W or less, preferably 1100W or more and 1300W or less Atmosphere: Argon (Ar) gas atmosphere Atmospheric pressure: 0.1 Pa or more 0.5 Pa or less, preferably 0.2 Pa or more and 0.4 Pa or less Formation time: 30 seconds or more and 3 minutes or less, preferably 45 seconds or more and 2 minutes or less

下部電極膜2を製膜する際の条件としては、下記の条件が例示される。
温度(基板温度):100℃以上500℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下
放電パワー:1000W以上1500W以下、好ましくは1100W以上1300W以下
雰囲気:Arガス雰囲気
雰囲気圧力:0.1Pa以上0.5Pa以下、好ましくは0.2Pa以上0.4Pa以下
製膜時間:3分以上10分以下、好ましくは4分以上8分以下、より好ましくは5分以上6分以下
The following conditions are exemplified as conditions for forming the lower electrode film 2.
Temperature (substrate temperature): 100°C or more and 500°C or less, preferably 200°C or more and 400°C or less Discharge power: 1000W or more and 1500W or less, preferably 1100W or more and 1300W or less Atmosphere: Ar gas atmosphere Atmospheric pressure: 0.1Pa or more and 0.5Pa Below, preferably 0.2 Pa or more and 0.4 Pa or less Film forming time: 3 minutes or more and 10 minutes or less, preferably 4 minutes or more and 8 minutes or less, and more preferably 5 minutes or more and 6 minutes or less

続いて、下部電極膜2上、すなわち、KNN膜3の下面と接することとなる位置に、Mnを含む層を設ける。Mnを含む層としては、例えばMnを含むKNN層(Mnを含むKNN膜)が挙げられる。以下、下部電極膜2上に設けるMnを含む層を第1Mn層7とも称する。第1Mn層7は、単結晶層または多結晶層となる。第1Mn層7は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて設けることができる。第1Mn層7の厚さは例えば1nm以上200nm以下とすることができる。第1Mn層中のMn濃度については後述する。 Subsequently, a layer containing Mn is provided on the lower electrode film 2, that is, at a position that will be in contact with the lower surface of the KNN film 3. Examples of the layer containing Mn include a KNN layer containing Mn (KNN film containing Mn). Hereinafter, the layer containing Mn provided on the lower electrode film 2 will also be referred to as the first Mn layer 7. The first Mn layer 7 is a single crystal layer or a polycrystalline layer. The first Mn layer 7 can be provided using a method such as a sputtering method or a vapor deposition method. The thickness of the first Mn layer 7 can be, for example, 1 nm or more and 200 nm or less. The Mn concentration in the first Mn layer will be described later.

第1Mn層7としてMnを含むKNN層を例えばスパッタリング法により製膜する場合、第1Mn層7の組成比は、例えばスパッタリング製膜時に用いるターゲット材の組成を制御することで調整可能である。ターゲット材は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、Mn粉末(又はMnO粉末)等を混合させて焼成すること等により作製することができる。ターゲット材の組成は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、Mn粉末(又はMnO粉末)等の混合比率を調整することで制御することができる。 When forming a KNN layer containing Mn as the first Mn layer 7 by, for example, a sputtering method, the composition ratio of the first Mn layer 7 can be adjusted, for example, by controlling the composition of the target material used during sputtering film formation. The target material can be produced by mixing and firing K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, Mn powder (or MnO powder), or the like. The composition of the target material can be controlled by adjusting the mixing ratio of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, Mn powder (or MnO powder), etc.

第1Mn層7としてMnを含むKNN層を例えばスパッタリング法により設ける際の条件としては、下記の条件が例示される。なお、製膜時間は、第1Mn層の厚さによって適宜設定する。
放電パワー:2000W以上2400W以下、好ましくは2100W以上2300W以下
雰囲気:Arガス+酸素(O)ガス雰囲気
雰囲気圧力:0.2Pa以上0.5Pa以下、好ましくは0.2Pa以上0.4Pa以下
ガスに対するArガスの分圧(Ar/O分圧比):30/1~20/1、好ましくは27/1~22/1
製膜温度:500℃以上600℃以下、好ましくは500℃以上600℃未満、より好ましくは550℃以上600℃未満
製膜速度:0.5μm/hr以上2μm/hr以下、好ましくは0.75μm/hr以上1.5μm/hr以下
The following conditions are exemplified as conditions for providing the KNN layer containing Mn as the first Mn layer 7 by, for example, a sputtering method. Note that the film forming time is appropriately set depending on the thickness of the first Mn layer.
Discharge power: 2000 W or more and 2400 W or less, preferably 2100 W or more and 2300 W or less Atmosphere: Ar gas + oxygen (O 2 ) gas atmosphere Atmospheric pressure: 0.2 Pa or more and 0.5 Pa or less, preferably 0.2 Pa or more and 0.4 Pa or less O 2 Partial pressure of Ar gas to gas (Ar/O 2 partial pressure ratio): 30/1 to 20/1, preferably 27/1 to 22/1
Film forming temperature: 500°C or more and 600°C or less, preferably 500°C or more and less than 600°C, more preferably 550°C or more and less than 600°C Film forming rate: 0.5 μm/hr or more and 2 μm/hr or less, preferably 0.75 μm/hr hr or more and 1.5μm/hr or less

第1Mn層7上にMnを含まないKNN膜(Mn非含有KNN膜)3Aを製膜する。Mn非含有KNN膜3Aを例えばスパッタリング法により製膜する場合、Mn非含有KNN膜3Aの組成比は、例えばスパッタリング製膜時に用いるターゲット材の組成を制御することで調整可能である。ターゲット材は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末等を混合させて焼成すること等により作製することができる。ターゲット材の組成は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末等の混合比率を調整することで制御することができる。Mn非含有KNN膜3Aを製膜する際の条件は、上述の第1Mn層7を設ける際の条件と同様の条件とすることができる。 A KNN film not containing Mn (Mn-free KNN film) 3A is formed on the first Mn layer 7. When forming the Mn-free KNN film 3A by, for example, a sputtering method, the composition ratio of the Mn-free KNN film 3A can be adjusted, for example, by controlling the composition of the target material used during sputtering film formation. The target material can be produced by mixing K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, etc. and firing the mixture. The composition of the target material can be controlled by adjusting the mixing ratio of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, etc. The conditions for forming the Mn-free KNN film 3A can be the same as the conditions for forming the first Mn layer 7 described above.

Mn非含有KNN膜3A上、すなわち、Mn非含有KNN膜3Aの上面と接する位置に、Mnを含む層又はMnからなる層を設ける。Mnを含む層としては、例えばMnを含むKNN層(Mnを含むKNN膜)が挙げられる。以下、Mn非含有KNN膜3A上に設けるMnを含む層又はMnからなる層を第2Mn層8とも称する。第2Mn層8は、第1Mn層7とは異なり、Mn非含有KNN膜3Aの結晶構造に大きな影響を与えるものではない。そのため、第2Mn層8の材料、結晶構造、製膜手法は特に限定されない。第2Mn層8は、スパッタリング法、蒸着法、金属ペースト法等の手法を用いて設けることができる。第2Mn層8の厚さは例えば1nm以上200nm以下とすることができる。第2Mn層8がMnを含む層である場合の第2Mn層8中のMn濃度については後述する。 A layer containing Mn or a layer made of Mn is provided on the Mn-free KNN film 3A, that is, at a position in contact with the upper surface of the Mn-free KNN film 3A. Examples of the layer containing Mn include a KNN layer containing Mn (KNN film containing Mn). Hereinafter, the layer containing Mn or the layer made of Mn provided on the Mn-free KNN film 3A will also be referred to as the second Mn layer 8. The second Mn layer 8, unlike the first Mn layer 7, does not have a large effect on the crystal structure of the Mn-free KNN film 3A. Therefore, the material, crystal structure, and film forming method of the second Mn layer 8 are not particularly limited. The second Mn layer 8 can be provided using a method such as a sputtering method, a vapor deposition method, or a metal paste method. The thickness of the second Mn layer 8 can be, for example, 1 nm or more and 200 nm or less. The Mn concentration in the second Mn layer 8 when the second Mn layer 8 is a layer containing Mn will be described later.

第2Mn層8としてMnを含む層を例えばスパッタリング法により設ける際の条件は、上述の第1Mn層7を設ける際の条件と同様の条件とすることができる。 The conditions for providing the layer containing Mn as the second Mn layer 8 by, for example, sputtering can be the same as the conditions for providing the first Mn layer 7 described above.

また、第2Mn層8としてMnからなる層を形成する際の条件としては、下記の条件が例示される。
温度(基板温度):室温以上300℃以下、好ましくは室温以上100℃以下
放電パワー:100W以上500W以下、好ましくは150W以上300W以下、より好ましくは200W以上250W以下
雰囲気:Arガス雰囲気
雰囲気圧力:0.05Pa以上0.5Pa以下、好ましくは0.05Pa以上0.2Pa以下
形成時間:30秒以上3分以下、好ましくは45秒以上2分以下
Moreover, the following conditions are exemplified as conditions for forming a layer made of Mn as the second Mn layer 8.
Temperature (substrate temperature): Room temperature or more and 300°C or less, preferably room temperature or more and 100°C or less Discharge power: 100W or more and 500W or less, preferably 150W or more and 300W or less, more preferably 200W or more and 250W or less Atmosphere: Ar gas atmosphere Atmospheric pressure: 0 .05 Pa or more and 0.5 Pa or less, preferably 0.05 Pa or more and 0.2 Pa or less Formation time: 30 seconds or more and 3 minutes or less, preferably 45 seconds or more and 2 minutes or less

第1Mn層7中のMn濃度、および第2Mn層8がMnを含む層である場合の第2Mn層8中のMn濃度は、後述の熱処理を行った際の第1Mn層7および第2Mn層8からのMnの拡散によって、熱処理後のKNN膜3中のMn濃度を0.2at%以上2.0at%以下の範囲内にすることができる濃度にそれぞれ調整されている。 The Mn concentration in the first Mn layer 7 and the Mn concentration in the second Mn layer 8 when the second Mn layer 8 is a layer containing Mn are as follows: The Mn concentration in the KNN film 3 after heat treatment is adjusted to be within the range of 0.2 at % to 2.0 at % by diffusion of Mn from the KNN film 3 .

そして、第2Mn層8上に、例えばスパッタリング法により上部電極膜4を製膜する。上部電極膜4を製膜する際の条件は、上述の下部電極膜2を製膜する際の条件と同様の条件とすることができる。これにより、図4に示すように、基板1、下部電極膜2、第1Mn層7、Mn非含有KNN膜3A、第2Mn層8、および上部電極膜4を有する積層体12が得られる。 Then, the upper electrode film 4 is formed on the second Mn layer 8 by, for example, a sputtering method. The conditions for forming the upper electrode film 4 can be similar to the conditions for forming the above-described lower electrode film 2. As a result, as shown in FIG. 4, a laminate 12 having the substrate 1, the lower electrode film 2, the first Mn layer 7, the Mn-free KNN film 3A, the second Mn layer 8, and the upper electrode film 4 is obtained.

その後、積層体12に対して所定の条件下で熱処理を行う。これにより、第1Mn層7および第2Mn層8中のMnがMn非含有KNN膜3Aへと拡散する。その結果、Mn非含有KNN膜3Aが、Mnを所定濃度で含む膜であって、結晶粒界にMnが存在するとともに結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3となる。 Thereafter, the laminate 12 is subjected to heat treatment under predetermined conditions. As a result, Mn in the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 diffuses into the Mn-free KNN film 3A. As a result, the Mn-free KNN film 3A is a film containing Mn at a predetermined concentration, and is a KNN film in which Mn exists in the grain boundaries and in which the Mn present in the grain boundaries is larger than the Mn present in the matrix. It becomes 3.

熱処理条件としては、下記の条件が例示される。
アニール温度(積層体の温度):600℃以上、好ましくは600℃以上800℃以下、より好ましくは650℃以上750℃以下
アニール時間:0.5時間以上12時間以下、好ましくは1時間以上6時間以下、より好ましくは2時間以上3時間以下
アニール雰囲気:大気又は窒素雰囲気
The following conditions are exemplified as the heat treatment conditions.
Annealing temperature (temperature of laminate): 600°C or higher, preferably 600°C or higher and 800°C or lower, more preferably 650°C or higher and 750°C or lower Annealing time: 0.5 hours or more and 12 hours or less, preferably 1 hour or more and 6 hours Annealing atmosphere: air or nitrogen atmosphere, more preferably 2 hours or more and 3 hours or less

熱処理を行って、第1Mn層7および第2Mn層8中のMnがMn非含有KNN膜3Aへと拡散することで、第1Mn層7および第2Mn層8はほぼ消失する。その結果、基板1、下部電極膜2、KNN膜3、および上部電極膜4を有する圧電積層体10(図1参照)であって、Mnを含み、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3を有する圧電積層体10が得られる。なお、熱処理を行うことで、第1Mn層7および第2Mn層8は消失することが好ましいが、第1Mn層7および第2Mn層8は残っていてもよい。 By performing the heat treatment, Mn in the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 diffuses into the Mn-free KNN film 3A, so that the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 almost disappear. As a result, a piezoelectric laminate 10 (see FIG. 1) having a substrate 1, a lower electrode film 2, a KNN film 3, and an upper electrode film 4, which contains Mn and exists in the grain boundaries, becomes the parent phase. A piezoelectric laminate 10 is obtained having more KNN film 3 than Mn present. Although it is preferable that the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 disappear by performing the heat treatment, the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 may remain.

そして、この圧電積層体10をエッチング等により所定の形状に成形する(所定のパターンに微細加工を行う)ことで、図3に示すような圧電素子20が得られ、圧電素子20に電圧印加部11aまたは電圧検出部11bを接続することで、圧電デバイス30が得られる。エッチング方法としては、例えば、反応性イオンエッチング等のドライエッチング法、所定のエッチング液を使用するウェットエッチング法を用いることができる。 Then, by forming this piezoelectric laminate 10 into a predetermined shape by etching or the like (performing fine processing into a predetermined pattern), a piezoelectric element 20 as shown in FIG. 11a or the voltage detection section 11b, the piezoelectric device 30 is obtained. As the etching method, for example, a dry etching method such as reactive ion etching, or a wet etching method using a predetermined etching solution can be used.

圧電積層体10をドライエッチングにより成形する場合、圧電積層体10(例えば上部電極膜4)上に、ドライエッチングに対するエッチングマスクとしてのフォトレジストパターンをフォトリソグラフィプロセス等により形成する。エッチングマスクとして、クロム(Cr)膜、ニッケル(Ni)膜、白金(Pt)膜、Ti膜等の貴金属膜(メタルマスク)をスパッタリング法により形成してもよい。そして、エッチングガスとしてハロゲン元素を含むガスを用いて圧電積層体10(上部電極膜4、KNN膜3等)に対してドライエッチングを行う。なお、ハロゲン元素には、塩素(Cl)、フッ素(F)等が含まれる。ハロゲン元素を含むガスとしては、BClガス、SiClガス、塩素(Cl)ガス、CFガス、Cガス等を用いることができる。 When forming the piezoelectric laminate 10 by dry etching, a photoresist pattern as an etching mask for dry etching is formed on the piezoelectric laminate 10 (for example, the upper electrode film 4) by a photolithography process or the like. As an etching mask, a noble metal film (metal mask) such as a chromium (Cr) film, nickel (Ni) film, platinum (Pt) film, or Ti film may be formed by sputtering. Then, dry etching is performed on the piezoelectric laminate 10 (upper electrode film 4, KNN film 3, etc.) using a gas containing a halogen element as an etching gas. Note that the halogen element includes chlorine (Cl), fluorine (F), and the like. As the gas containing the halogen element, BCl 3 gas, SiCl 4 gas, chlorine (Cl 2 ) gas, CF 4 gas, C 4 F 8 gas, etc. can be used.

圧電積層体10をウェットエッチングにより成形する場合、圧電積層体10(例えば上部電極膜4)上に、ウェットエッチングに対するエッチングマスクとしての酸化シリコン(SiO)膜等を形成する。そして、例えばキレート剤のアルカリ水溶液を含みフッ酸を含まないエッチング液中に圧電積層体10を浸漬させ、圧電積層体10(上部電極膜4、KNN膜3等)に対してウェットエッチングを行う。なお、キレート剤のアルカリ水溶液を含みフッ酸を含まないエッチング液としては、キレート剤としてのエチレンジアミン四酢酸と、アンモニア水と、過酸化水素水とを混合したエッチング液を用いることができる。 When forming the piezoelectric laminate 10 by wet etching, a silicon oxide (SiO x ) film or the like is formed on the piezoelectric laminate 10 (for example, the upper electrode film 4) as an etching mask for wet etching. Then, the piezoelectric laminate 10 is immersed in, for example, an etching solution containing an alkaline aqueous solution of a chelating agent and not containing hydrofluoric acid, and wet etching is performed on the piezoelectric laminate 10 (upper electrode film 4, KNN film 3, etc.). Note that as the etching solution containing an alkaline aqueous solution of a chelating agent and not containing hydrofluoric acid, an etching solution that is a mixture of ethylenediaminetetraacetic acid as a chelating agent, aqueous ammonia, and aqueous hydrogen peroxide can be used.

(4)本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
(4) Effects obtained by this embodiment According to this embodiment, one or more of the following effects can be obtained.

(a)KNN膜3の結晶粒界にMn(例えばMnの粒子)が存在しているとともに、KNN膜3の結晶粒界に存在するMnがKNN膜3を構成する結晶の母相に存在するMnよりも多いことで、圧電積層体10を加工することで作製される圧電素子20(圧電デバイス30)に電界を印加した際、KNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損の移動を抑制することが可能となる。これにより、電極膜(下部電極膜2または上部電極膜4)に到達する酸素欠損を低減したり、酸素欠損が電極膜に到達するまでの時間を長くしたりすることが可能となる。これらの結果、KNN膜3の寿命を長くすることが可能となる。例えば、圧電積層体10の温度が200℃となるように加熱した状態で、上部電極膜4に対して300kV/cmの正又は負の電界を印加する高加速寿命試験(Highly Accelerated Life Test、略称:HALT)を行った際、少なくとも一方の電界(正又は負の電界)印加条件における電界印加開始からKNN膜3が絶縁破壊に至るまでの時間を7600秒以上とすることが可能となる。なお、本実施形態では、KNN膜3に流れるリーク電流密度が30mA/cmを超えた時点でKNN膜3が絶縁破壊に至ったとみなしている。 (a) Mn (for example, Mn particles) is present at the grain boundaries of the KNN film 3, and Mn present at the grain boundaries of the KNN film 3 is present in the parent phase of the crystals constituting the KNN film 3. By being larger than Mn, when an electric field is applied to the piezoelectric element 20 (piezoelectric device 30) produced by processing the piezoelectric laminate 10, the movement of oxygen vacancies present in the grain boundaries of the KNN film 3 is suppressed. It becomes possible to do so. This makes it possible to reduce oxygen vacancies reaching the electrode film (lower electrode film 2 or upper electrode film 4) and to lengthen the time it takes oxygen vacancies to reach the electrode film. As a result, the life of the KNN film 3 can be extended. For example, a Highly Accelerated Life Test (abbreviation) is performed in which a positive or negative electric field of 300 kV/cm is applied to the upper electrode film 4 while the piezoelectric laminate 10 is heated to a temperature of 200° C. :HALT), it is possible to make the time from the start of electric field application to the dielectric breakdown of the KNN film 3 under at least one of the electric field (positive or negative electric field) application conditions to 7600 seconds or more. Note that in this embodiment, it is assumed that the KNN film 3 has reached dielectric breakdown when the leakage current density flowing through the KNN film 3 exceeds 30 mA/cm 2 .

本願発明者等は、Mn含有量が0.5at%(wt%)であって、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3のサンプル1~5のそれぞれについて、上記条件下でHALTを行った。サンプル1~5は上述の実施形態に記載の条件範囲内の同一の条件で作製している。HALTの測定結果は、サンプル1:24334.3秒、サンプル2:16080.0秒、サンプル3:22045.7秒、サンプル4:15831.4秒、サンプル5:7602.9秒であった。これらのHALTの数値は、1サンプルにつき0.5mmφ内の7箇所で測定した値の平均である。 For each of Samples 1 to 5 of the KNN film 3, in which the Mn content is 0.5 at% (wt%), and the Mn present in the grain boundaries is greater than the Mn present in the matrix, the inventors of the present application , HALT was performed under the above conditions. Samples 1 to 5 were produced under the same conditions within the range of conditions described in the above embodiment. The HALT measurement results were: Sample 1: 24334.3 seconds, Sample 2: 16080.0 seconds, Sample 3: 22045.7 seconds, Sample 4: 15831.4 seconds, and Sample 5: 7602.9 seconds. These HALT values are the average of values measured at seven locations within 0.5 mmφ for each sample.

本願発明者等は、Mn含有量が1.0at%(wt%)であって、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3のサンプル6~10のそれぞれについて、上記条件下でHALTを行った。サンプル6~10は、Mnの含有量(例えば、第1Mn層および第2Mn層の厚さ、第1Mn層および第2Mn層中のMn濃度)を調整したこと以外は、上述のサンプル1~5と同じ条件で作製している。HALTの測定結果は、サンプル6:30737.1秒、サンプル7:25465.7秒、サンプル8:9822.9秒、サンプル9:24274.3秒、サンプル10:36154.3秒であった。これらのHALTの数値は、上記HALTの数値は、1サンプルにつき0.5mmφ内の7箇所で測定した値の平均である。 For each of Samples 6 to 10 of KNN film 3 in which the Mn content is 1.0 at% (wt%) and the Mn present in the grain boundaries is greater than the Mn present in the matrix, the inventors of the present application , HALT was performed under the above conditions. Samples 6 to 10 are the same as Samples 1 to 5 described above, except that the Mn content (for example, the thickness of the first Mn layer and the second Mn layer, the Mn concentration in the first Mn layer and the second Mn layer) was adjusted. Manufactured under the same conditions. The HALT measurement results were: Sample 6: 30737.1 seconds, Sample 7: 25465.7 seconds, Sample 8: 9822.9 seconds, Sample 9: 24274.3 seconds, and Sample 10: 36154.3 seconds. These HALT values are the average of values measured at seven locations within 0.5 mmφ for each sample.

また、本願発明者等は、Mn含有量が0.5at%であって、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも少ないKNN膜のサンプル11~15のそれぞれについて、上記条件下でHALTを行った。なお、サンプル11~15は、第1Mn層および第2Mn層を形成することなく、KNN膜中におけるMn含有量が0.5at%となるように、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、MnO粉末を混合させて焼成することにより作製したターゲット材を用いて、下部電極膜上にKNN膜を製膜し、KNN膜上に上部電極膜を製膜して、圧電積層体を作製した。また、サンプル11~15では、上述の実施形態に記載の熱処理は行っていない。HALTの測定結果は、サンプル11:6171.4秒、サンプル12:5648.6秒、サンプル13:4705.7秒、サンプル14:5284.3秒、サンプル15:3428.6秒であった。これらのHALTの数値は、1サンプルにつき0.5mmφ内の7箇所で測定した値の平均である。 In addition, the inventors of the present application under the above conditions for each of KNN film samples 11 to 15 in which the Mn content is 0.5 at% and the Mn present in the grain boundaries is smaller than the Mn present in the matrix. I performed HALT below. Note that in samples 11 to 15, K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Using a target material prepared by mixing Nb 2 O 5 powder and MnO powder and firing, a KNN film was formed on the lower electrode film, an upper electrode film was formed on the KNN film, and piezoelectric A laminate was produced. Further, samples 11 to 15 were not subjected to the heat treatment described in the above embodiment. The HALT measurement results were: Sample 11: 6171.4 seconds, Sample 12: 5648.6 seconds, Sample 13: 4705.7 seconds, Sample 14: 5284.3 seconds, and Sample 15: 3428.6 seconds. These HALT values are the average of values measured at seven locations within 0.5 mmφ for each sample.

また、本願発明者等は、Mn含有量が1.0at%であって、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも少ないKNN膜のサンプル16~20のそれぞれについて、上記条件下でHALTを行った。なお、サンプル16~20は、MnO粉末の混合比率を変更したこと以外は、上述のサンプル11~15と同じ条件で作製している。HALTの結果は、サンプル16:5220.0秒、サンプル17:4311.4秒、サンプル18:7491.4秒、サンプル19:4782.9秒、サンプル20:4050.0秒であった。これらのHALTの数値は、1サンプルにつき0.5mmφ内の7箇所で測定した値の平均である。 In addition, the inventors of the present application under the above conditions for each of KNN film samples 16 to 20, in which the Mn content is 1.0 at%, and the Mn present in the grain boundaries is smaller than the Mn present in the matrix. I performed HALT below. Note that Samples 16 to 20 were manufactured under the same conditions as Samples 11 to 15 described above, except that the mixing ratio of MnO powder was changed. The HALT results were sample 16: 5220.0 seconds, sample 17: 4311.4 seconds, sample 18: 7491.4 seconds, sample 19: 4782.9 seconds, and sample 20: 4050.0 seconds. These HALT values are the average of values measured at seven locations within 0.5 mmφ for each sample.

このように、本願発明者等は、Mn含有量が所定範囲内であっても、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも少ない場合、上記HALTの寿命が7600秒未満となることを確認した。 As described above, the inventors of the present application have found that even if the Mn content is within a predetermined range, if the Mn present in the grain boundaries is less than the Mn present in the matrix, the life of the HALT is less than 7600 seconds. I confirmed that it would happen.

(b)KNN膜3の平均結晶粒径が従来のKNN膜の平均結晶粒径よりも大きい、例えば100nm以上であることで、KNN膜3の粒界密度を低くすることが可能となる。これにより、例えば、KNN膜3を構成する結晶の内部および結晶粒界に存在する酸素欠損(KNN膜3中の全酸素欠損)に対するKNN膜3の結晶粒界に存在する酸素欠損の比率(=結晶粒界に存在する酸素欠損/全酸素欠損)を低くすることが可能となる。その結果、圧電デバイス30に電界を印加した際に移動するKNN膜3中の酸素欠損を確実に減らすことができ、KNN膜3の寿命をさらに長くすることが可能となる。 (b) Since the average crystal grain size of the KNN film 3 is larger than the average crystal grain size of a conventional KNN film, for example, 100 nm or more, it is possible to lower the grain boundary density of the KNN film 3. As a result, for example, the ratio (= This makes it possible to reduce oxygen vacancies present at grain boundaries (oxygen vacancies/total oxygen vacancies). As a result, oxygen vacancies in the KNN film 3 that move when an electric field is applied to the piezoelectric device 30 can be reliably reduced, and the life of the KNN film 3 can be further extended.

(c)KNN膜3の結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多く、かつ、KNN膜3の平均結晶粒径が大きい(例えば100nm以上である)ことで、KNN膜3の寿命をさらに長くすることが可能となる。なお、KNN膜3の結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いことで、KNN膜3の平均結晶粒径が大きくなくても(例えば100nm未満である場合であっても)、少なくとも上述の(a)の効果、すなわち上述の酸素欠損移動抑制効果を得ることができる。 (c) Since the amount of Mn present in the grain boundaries of the KNN film 3 is larger than that of Mn present in the parent phase, and the average crystal grain size of the KNN film 3 is large (for example, 100 nm or more), the KNN film 3 This makes it possible to further extend the lifespan of the Note that since the amount of Mn present in the grain boundaries of the KNN film 3 is greater than the amount of Mn present in the matrix, even if the average grain size of the KNN film 3 is not large (for example, even if it is less than 100 nm) ), it is possible to obtain at least the above-mentioned effect (a), that is, the above-mentioned effect of suppressing oxygen vacancy movement.

(d)KNN膜3がMnを例えば0.2at%以上2.0at%以下の濃度で含むことで、結晶粒界に存在するMnによる酸素欠損移動抑制効果を得ながら、KNN膜3の比誘電率が過大となることを抑制し、比誘電率をセンサやアクチュエータ等の用途に好適な大きさにすることが可能となる。 (d) By including Mn in the KNN film 3 at a concentration of, for example, 0.2 at% or more and 2.0 at% or less, the relative dielectric constant of the KNN film 3 can be It is possible to prevent the dielectric constant from becoming excessively high and to make the dielectric constant suitable for applications such as sensors and actuators.

(5)変形例
本実施形態は上述の態様に限定されず、以下のように変形することもできる。また、これらの変形例は任意に組み合わせることができる。なお、以下の変形例等の説明において「KNN膜3」という場合、Mnを含有するKNN膜を意味する場合、Mn非含有のKNN膜を意味する場合、これらの両方を意味する場合を含むものとする。
(5) Modifications This embodiment is not limited to the above-mentioned aspects, but can also be modified as follows. Moreover, these modifications can be combined arbitrarily. In addition, in the description of the following modified examples, etc., the term "KNN film 3" includes cases where it means a KNN film containing Mn, a case where it means a KNN film not containing Mn, and cases where it means both of these. .

(変形例1)
第1Mn層7または第2Mn層8のうちの少なくともいずれかの層を設ければよい。この場合、熱処理後のKNN膜3のMn濃度が0.2at%以上2.0at%以下となるように、第1Mn層7または第2Mn層8中のMn濃度等を調整する。本変形例においても、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3を得ることができ、上述の実施形態と同様の効果が得られる。しかしながら、KNN膜3の厚さ方向にわたって均一にMnを拡散させる観点から、第1Mn層7および第2Mn層8の両方を設けることが好ましい。
(Modification 1)
At least one of the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 may be provided. In this case, the Mn concentration, etc. in the first Mn layer 7 or the second Mn layer 8 is adjusted so that the Mn concentration in the KNN film 3 after heat treatment is 0.2 at % or more and 2.0 at % or less. In this modification as well, it is possible to obtain a KNN film 3 in which the amount of Mn present in the grain boundaries is greater than the amount of Mn present in the matrix, and the same effects as in the above-described embodiment can be obtained. However, from the viewpoint of uniformly diffusing Mn over the thickness direction of the KNN film 3, it is preferable to provide both the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8.

(変形例2)
KNN膜3と上部電極膜4との間に密着層を設ける場合は、密着層を設ける前に、第2Mn層8を設けることが好ましい。第2Mn層8は、KNN膜3と密着層との間、つまりKNN膜3の上面と接するように設けることが好ましい。第2Mn層8を密着層と上部電極膜4との間に設けると、密着層によって、第2Mn層8からKNN膜3へのMnの拡散が阻害される場合があるからである。なお、KNN膜3と上部電極膜4との間に密着層を設ける際の条件は、上述の密着層6を設ける際の条件と同様の条件とすることができる。本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
(Modification 2)
When providing an adhesive layer between the KNN film 3 and the upper electrode film 4, it is preferable to provide the second Mn layer 8 before providing the adhesive layer. The second Mn layer 8 is preferably provided between the KNN film 3 and the adhesive layer, that is, in contact with the upper surface of the KNN film 3. This is because if the second Mn layer 8 is provided between the adhesion layer and the upper electrode film 4, the adhesion layer may inhibit the diffusion of Mn from the second Mn layer 8 to the KNN film 3. Note that the conditions for providing the adhesive layer between the KNN film 3 and the upper electrode film 4 can be the same as the conditions for providing the adhesive layer 6 described above. Also in this modification, the same effects as in the above-described embodiment can be obtained.

(変形例3)
KNN膜3を製膜する際、Mn粉末(又はMnO粉末等)を混合したターゲット材を用い、Mnが添加(ドープ)されたKNN膜(Mn含有KNN膜)を製膜してもよい。ターゲット材中におけるMn粉末(又はMnO粉末等)の混合比率は、第1Mn層7、第2Mn層8からMn含有KNN膜へと拡散されるMnを考慮し、熱処理後のKNN膜3中のMn濃度が0.2at%以上2.0at%以下となる比率とする。Mn含有KNN膜を製膜する際の条件は、上述の実施形態と同様の条件とすることができる。本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
(Modification 3)
When forming the KNN film 3, a KNN film doped with Mn (Mn-containing KNN film) may be formed using a target material mixed with Mn powder (or MnO powder, etc.). The mixing ratio of Mn powder (or MnO powder, etc.) in the target material is determined by considering the Mn diffused from the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 into the Mn-containing KNN film, and the Mn in the KNN film 3 after heat treatment. The ratio is such that the concentration is 0.2 at% or more and 2.0 at% or less. The conditions for forming the Mn-containing KNN film can be the same as those in the above embodiment. Also in this modification, the same effects as in the above-described embodiment can be obtained.

(変形例4)
圧電積層体10は、下部電極膜2を備えていなくてもよい。すなわち、圧電積層体10は、基板1と、基板1上に製膜され、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜(圧電膜)3と、KNN膜3上に製膜された上部電極膜4(電極膜4)と、を備えて構成されていてもよい。
(Modification 4)
The piezoelectric laminate 10 does not need to include the lower electrode film 2. That is, the piezoelectric laminate 10 includes a substrate 1, a KNN film (piezoelectric film) 3 formed on the substrate 1, in which Mn present in the grain boundaries is larger than Mn present in the matrix, and The upper electrode film 4 (electrode film 4) may be formed.

本変形例にかかる圧電積層体10は、基板1上にMn非含有KNN膜3Aを製膜し、Mn非含有KNN膜3A上にMnを含む層又はMnからなる層、すなわち第2Mn層8を設け、第2Mn層8上に電極膜4を製膜して積層体12を作製し、この積層体12に対して熱処理を行うことで得ることができる。各膜(層)を製膜する(設ける)際の条件は、上述の実施形態で示した各膜(層)の条件と同様の条件とすることができる。第2Mn層8に加えて、あるいは第2Mn層8に代えて、基板1とKNN膜3(Mn非含有KNN膜3A)との間にMnを含む層(すなわち第1Mn層7)を設けてもよい。 In the piezoelectric laminate 10 according to this modification, a Mn-free KNN film 3A is formed on a substrate 1, and a layer containing Mn or a layer made of Mn, that is, a second Mn layer 8, is formed on the Mn-free KNN film 3A. The electrode film 4 is formed on the second Mn layer 8 to produce a laminate 12, and the laminate 12 is heat-treated. The conditions for forming (providing) each film (layer) can be the same as the conditions for each film (layer) shown in the above embodiment. In addition to or in place of the second Mn layer 8, a layer containing Mn (i.e., the first Mn layer 7) may be provided between the substrate 1 and the KNN film 3 (Mn-free KNN film 3A). good.

図5に、本変形例にかかる圧電積層体10を用いて作製した圧電デバイス30の概略構成図を示す。圧電デバイス30は、圧電積層体10を所定の形状に成形して得られる圧電素子20と、圧電素子20に接続される電圧印加部11aおよび電圧検出部11bと、を少なくとも備えて構成されている。本変形例では、圧電素子20は、電極膜4を所定のパターンに成形することで形成されたパターン電極を有している。例えば、圧電素子20は、入力側の正負一対のパターン電極4pと、出力側の正負一対のパターン電極4pと、を有している。パターン電極4p,4pとしては、くし型電極(Inter Digital Transducer、略称:IDT)が例示される。 FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of a piezoelectric device 30 manufactured using the piezoelectric laminate 10 according to this modification. The piezoelectric device 30 includes at least a piezoelectric element 20 obtained by molding the piezoelectric laminate 10 into a predetermined shape, and a voltage applying section 11a and a voltage detecting section 11b connected to the piezoelectric element 20. . In this modification, the piezoelectric element 20 has a patterned electrode formed by forming the electrode film 4 into a predetermined pattern. For example, the piezoelectric element 20 includes a pair of positive and negative pattern electrodes 4p 1 on the input side and a pair of positive and negative pattern electrodes 4p 2 on the output side. An example of the pattern electrodes 4p 1 and 4p 2 is a comb-shaped electrode (Inter Digital Transducer, abbreviation: IDT).

電圧印加部11aをパターン電極4p間に接続し、電圧検出部11bをパターン電極4p間に接続することで、圧電デバイス30を表面弾性波(Surface Acoustic Wave、略称:SAW)フィルタ等のフィルタデバイスとして機能させることができる。電圧印加部11aによりパターン電極4p間に電圧を印加することで、KNN膜3の表面にSAWを励起させることができる。励起させるSAWの周波数の調整は、例えばパターン電極4pのパターンピッチを調整することで行うことができる。例えば、パターン電極4pとしてのIDTのピッチが短くなるほど、SAWの周波数は高くなり、上記ピッチが長くなるほど、SAWの周波数は低くなる。電圧印加部11aにより励起され、KNN膜3を伝搬してパターン電極4pに到達したSAWのうち、パターン電極4pとしてのIDTのピッチ等に応じて定まる所定の周波数(周波数成分)を有するSAWにより、パターン電極4p間に電圧が発生する。この電圧を電圧検出部11bによって検出することで、励起させたSAWのうち所定の周波数を有するSAWを抽出することができる。なお、ここでいう「所定の周波数」という用語は、所定の周波数だけでなく、中心周波数が所定の周波数である所定の周波数帯域を含み得る。 By connecting the voltage applying section 11a between the pattern electrodes 4p1 and the voltage detecting section 11b between the pattern electrodes 4p2 , the piezoelectric device 30 can be used as a filter such as a surface acoustic wave (SAW) filter. It can function as a device. SAW can be excited on the surface of the KNN film 3 by applying a voltage between the pattern electrodes 4p1 by the voltage applying section 11a. The frequency of the SAW to be excited can be adjusted by, for example, adjusting the pattern pitch of the pattern electrode 4p1 . For example, the shorter the pitch of the IDTs as the pattern electrodes 4p1 , the higher the SAW frequency, and the longer the pitch, the lower the SAW frequency. Among the SAWs excited by the voltage application unit 11a, propagating through the KNN film 3, and reaching the pattern electrode 4p2 , the SAW has a predetermined frequency (frequency component) determined according to the pitch of the IDT as the pattern electrode 4p2 , etc. As a result, a voltage is generated between the pattern electrodes 4p2 . By detecting this voltage by the voltage detection unit 11b, it is possible to extract a SAW having a predetermined frequency from among the excited SAWs. Note that the term "predetermined frequency" herein may include not only a predetermined frequency but also a predetermined frequency band whose center frequency is a predetermined frequency.

本変形例においても、KNN膜3において、その結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いことから、上述の実施形態と同様の効果が得られる。 Also in this modification, the same effect as in the above-described embodiment can be obtained because in the KNN film 3, the amount of Mn present in the grain boundaries is greater than the amount of Mn present in the matrix.

(変形例5)
下部電極膜2とKNN膜3との間に、KNN膜3を構成する結晶の配向を制御する配向制御層を設けてもよい。第1Mn層7を設ける場合は、下部電極膜2と第1Mn層7との間に配向制御層を設けることが好ましい。また、変形例4に記載のように下部電極膜2を設けない場合は、基板1とKNN膜3との間(第1Mn層7を設ける場合は基板1と第1Mn層7との間)に配向制御層を設けることが好ましい。配向制御層は、例えば、SRO、LNO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO、略称:STO)等の金属酸化物であって、下部電極膜2を構成する材料とは異なる材料を用いて形成することができる。配向制御層を構成する結晶は、基板1の表面に対して(100)面に優先配向していることが好ましい。
(Modification 5)
An orientation control layer for controlling the orientation of crystals constituting the KNN film 3 may be provided between the lower electrode film 2 and the KNN film 3. When providing the first Mn layer 7, it is preferable to provide an orientation control layer between the lower electrode film 2 and the first Mn layer 7. In addition, when the lower electrode film 2 is not provided as described in Modification 4, between the substrate 1 and the KNN film 3 (when the first Mn layer 7 is provided, between the substrate 1 and the first Mn layer 7). Preferably, an orientation control layer is provided. The orientation control layer is, for example, a metal oxide such as SRO, LNO, strontium titanate (SrTiO 3 , abbreviation: STO), and can be formed using a material different from the material constituting the lower electrode film 2. can. It is preferable that the crystals constituting the orientation control layer are preferentially oriented in the (100) plane with respect to the surface of the substrate 1.

(変形例6)
上述の実施形態や変形例では、第1Mn層7、第2Mn層8を設け、熱処理を行うことで、Mn非含有KNN膜3A(KNN膜3)へMnを拡散させる場合を例に説明した。しかしながら、本発明は、上述の実施形態や変形例に限定されない。例えば、第1Mn層7および第2Mn層8を設ける代わりに、あるいは、第1Mn層7および第2Mn層8のうち少なくともいずれかの層を設けることに加え、下部電極膜2および上部電極膜4(電極膜4)のうち少なくともいずれかの膜にMnを含ませてもよい。このとき、下部電極膜2の上面(KNN膜3と接する面)に近い側、好ましくは下部電極膜2の最上面にMnを含ませ、また上部電極膜4の下面(KNN膜3と接する面)に近い側、好ましくは上部電極膜4の最下面にMnを含ませることが好ましい。下部電極膜2および上部電極膜4に含ませるMn濃度は、熱処理後のKNN膜3のMn濃度を例えば0.2at%以上2.0at%以下とすることができる濃度とする。なお、本変形例において上部電極膜4にMnを含ませる場合、KNN膜3と上部電極膜4との間に密着層を設けないことが好ましい。上述したように、密着層によってKNN膜3へのMnの拡散が阻害される場合があるからである。その他の構成は、上述の実施形態や変形例と同様である。
(Modification 6)
In the above-described embodiments and modifications, the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 are provided, and heat treatment is performed to diffuse Mn into the Mn-free KNN film 3A (KNN film 3). However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications. For example, instead of providing the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8, or in addition to providing at least one of the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8, the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 ( At least one of the electrode films 4) may contain Mn. At this time, Mn is included in the side close to the upper surface of the lower electrode film 2 (the surface in contact with the KNN film 3), preferably the uppermost surface of the lower electrode film 2, and the lower surface of the upper electrode film 4 (the surface in contact with the KNN film 3) ), preferably the lowermost surface of the upper electrode film 4, preferably contains Mn. The Mn concentration contained in the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 is such that the Mn concentration in the KNN film 3 after the heat treatment can be, for example, 0.2 at % or more and 2.0 at % or less. Note that when Mn is included in the upper electrode film 4 in this modification, it is preferable that no adhesive layer be provided between the KNN film 3 and the upper electrode film 4. This is because, as described above, the adhesion layer may inhibit the diffusion of Mn into the KNN film 3. The other configurations are the same as those of the above-described embodiment and modification.

本変形例においても、上述の実施形態と同様の熱処理を行うことで、下部電極膜2、上部電極膜4(電極膜4)中のMnをKNN膜3へと拡散させることができる。その結果、結晶粒界にMnが存在するKNN膜3を有する圧電積層体10を得ることができ、上述の実施形態および変形例と同様の効果が得られる。 Also in this modification, Mn in the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 (electrode film 4) can be diffused into the KNN film 3 by performing the same heat treatment as in the above-described embodiment. As a result, it is possible to obtain a piezoelectric laminate 10 having a KNN film 3 in which Mn exists in the grain boundaries, and the same effects as in the above-described embodiment and modification can be obtained.

(変形例7)
上述の実施形態や変形例では、第1Mn層7または第2Mn層8のうちの少なくともいずれかの層を設け、熱処理を行うことで、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3を作製する場合を例に説明した。しかしながら、本発明は、上述の実施形態や変形例に限定されない。例えば、上述の第1Mn層7および第2Mn層8のいずれの層も設けることなく、以下に説明する製法で上述の圧電積層体10を作製することもできる。
(Modification 7)
In the above-described embodiments and modified examples, by providing at least one of the first Mn layer 7 and the second Mn layer 8 and performing heat treatment, the Mn present in the grain boundaries becomes stronger than the Mn present in the matrix. The explanation has been given by taking as an example a case where a KNN film 3 having a large number of KNN films is manufactured. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications. For example, the piezoelectric laminate 10 described above can be manufactured by the manufacturing method described below without providing either the first Mn layer 7 or the second Mn layer 8 described above.

まず、基板1が有する下部電極膜2上にMnが添加(ドープ)されたKNN膜3を製膜する。MnがドープされたKNN膜3を製膜する手法、条件は、上述の実施形態や変形例3に記載の手法、条件と同様とすることができる。その後、KNN膜3上に上部電極膜4を製膜する。密着層6、下部電極膜2、上部電極膜4を製膜する(設ける)際の条件は、上述の実施形態と同様の条件とすることができる。これにより、積層体12が得られる。その後、積層体12に対して所定の条件下で熱処理を行う。熱処理条件は、上述の実施形態と同様の条件とすることができる。熱処理を行った後、積層体12の温度が400℃になるまで20分以上かけて積層体12を冷却する。その後、積層体12の温度が室温(25℃)程度となるまで積層体12を冷却する。このように積層体12を冷却することで、結晶粒界に存在するMnが母相に存在するMnよりも多いKNN膜3を有する圧電積層体10が得られる。本変形例にかかる方法で作製した圧電積層体10も、上述の実施形態等と同様の効果が得られる。 First, a KNN film 3 doped with Mn is formed on the lower electrode film 2 of the substrate 1 . The method and conditions for forming the Mn-doped KNN film 3 can be the same as those described in the embodiment and the third modification described above. Thereafter, an upper electrode film 4 is formed on the KNN film 3. Conditions for forming (providing) the adhesive layer 6, the lower electrode film 2, and the upper electrode film 4 can be the same as those in the above-described embodiment. As a result, a laminate 12 is obtained. Thereafter, the laminate 12 is subjected to heat treatment under predetermined conditions. The heat treatment conditions can be the same as those in the above embodiment. After the heat treatment, the laminate 12 is cooled over 20 minutes or more until the temperature of the laminate 12 reaches 400°C. Thereafter, the laminate 12 is cooled until the temperature of the laminate 12 reaches about room temperature (25° C.). By cooling the laminate 12 in this manner, the piezoelectric laminate 10 having the KNN film 3 in which the amount of Mn present in the grain boundaries is greater than the amount of Mn present in the matrix can be obtained. The piezoelectric laminate 10 produced by the method according to this modification also provides the same effects as the above-described embodiments.

<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other embodiments>
The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit thereof.

上述の実施形態では、KNN膜3がMnを含み、KNN膜3を構成する結晶の粒界に存在するMnが結晶の母相に存在するMnよりも多い場合について説明したが、これに限定されない。例えば、KNN膜3がMnおよび銅(Cu)を含み、KNN膜3を構成する結晶の粒界に存在するMnおよびCu(例えば結晶粒界に存在するMnおよびCuの合計粒子数)が結晶の母相に存在するMnおよびCu(例えば母相に存在するMnおよびCuの合計粒子数)よりも多くなっていてもよい。この場合、KNN膜3は、CuおよびMnの合計濃度が例えば0.2at%以上2.0at%以下の範囲内の濃度となるように、CuおよびMnを含むことが好ましい。この場合であっても、上述の実施形態等と同様の効果が得られる。 In the above-described embodiment, a case has been described in which the KNN film 3 contains Mn, and the amount of Mn present in the grain boundaries of the crystals constituting the KNN film 3 is greater than the Mn present in the parent phase of the crystals, but the present invention is not limited to this. . For example, the KNN film 3 contains Mn and copper (Cu), and the Mn and Cu present in the grain boundaries of the crystals constituting the KNN film 3 (for example, the total number of particles of Mn and Cu present in the grain boundaries) are The number of particles may be greater than the number of Mn and Cu present in the matrix (for example, the total number of particles of Mn and Cu present in the matrix). In this case, the KNN film 3 preferably contains Cu and Mn such that the total concentration of Cu and Mn is within a range of, for example, 0.2 at% or more and 2.0 at% or less. Even in this case, effects similar to those of the above-described embodiments can be obtained.

また例えば、KNN膜3は、Mnに加えて、あるいはMnに変えて、Mnと同等の効果を奏する他の金属元素を、上述の酸素欠損移動抑制効果を得つつ、KNN膜3の比誘電率を適正な大きさとすることができる濃度で含んでいてもよい。この場合であっても、上述の実施形態および変形例と同様の効果が得られる。 For example, in addition to or in place of Mn, the KNN film 3 may contain other metal elements that have the same effect as Mn to maintain the relative dielectric constant of the KNN film 3 while obtaining the above-mentioned oxygen vacancy migration suppressing effect. may be contained in a concentration that allows for appropriate size. Even in this case, the same effects as the above-described embodiment and modification can be obtained.

また例えば、上述の圧電積層体10を圧電素子20に成形する際、圧電積層体10(圧電素子20)を用いて作製した圧電デバイス30をセンサまたはアクチュエータ等の所望の用途に適用することができる限り、圧電積層体10から基板1を除去してもよい。 Furthermore, for example, when the piezoelectric laminate 10 described above is molded into the piezoelectric element 20, the piezoelectric device 30 produced using the piezoelectric laminate 10 (piezoelectric element 20) can be applied to a desired application such as a sensor or an actuator. As far as possible, the substrate 1 may be removed from the piezoelectric laminate 10.

<本発明の好ましい態様>
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiments of the present invention>
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally described.

(付記1)
本発明の一態様によれば、
ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜であり、
Mnを含み、
結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電膜が提供される。
(Additional note 1)
According to one aspect of the invention,
It is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate,
Contains Mn,
A piezoelectric film is provided in which the amount of Mn present in the grain boundaries of the crystal is greater than the amount of Mn present in the parent phase of the crystal.

(付記2)
付記1の圧電膜であって、好ましくは、
200℃の温度下で前記圧電膜上に設けられた電極膜に対して300kV/cmの正又は負の電界を印加した際、少なくとも一方の電界印加条件における電界印加開始からリーク電流密度が30mA/cmを超えるまでの時間が7600秒以上である。
(Additional note 2)
The piezoelectric film according to Supplementary Note 1, preferably,
When a positive or negative electric field of 300 kV/cm is applied to the electrode film provided on the piezoelectric film at a temperature of 200° C., the leakage current density is 30 mA/cm from the start of electric field application under at least one electric field application condition. The time it takes to exceed cm 2 is 7600 seconds or more.

(付記3)
付記1または2の圧電膜であって、好ましくは、
平均粒径が100nm以上である結晶粒で構成されている。
(Additional note 3)
The piezoelectric film according to appendix 1 or 2, preferably,
It is composed of crystal grains having an average grain size of 100 nm or more.

(付記4)
付記1~3のいずれかの圧電膜であって、好ましくは、
Mnの含有量が、前記多結晶膜中のニオブの量に対して0.2at%以上2.0at%以下の範囲内である。
(Additional note 4)
The piezoelectric film according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, preferably,
The content of Mn is within the range of 0.2 at% or more and 2.0 at% or less with respect to the amount of niobium in the polycrystalline film.

(付記5)
本発明の一態様によれば、
基板と、
電極膜と、
ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜と、を備え、
前記圧電膜はマンガン(Mn)を含み、
前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電積層体が提供される。
(Appendix 5)
According to one aspect of the invention,
A substrate and
an electrode film;
A piezoelectric film that is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate,
The piezoelectric film contains manganese (Mn),
A piezoelectric laminate is provided in which more Mn exists in grain boundaries of crystals constituting the piezoelectric film than in a matrix of the crystals.

(付記6)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜され、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された電極膜と、を備え、
前記圧電膜はMnを含み、
前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電素子または圧電デバイスが提供される。
(Appendix 6)
According to yet another aspect of the invention,
A substrate and
a piezoelectric film that is formed on the substrate and is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate;
an electrode film formed on the piezoelectric film,
The piezoelectric film contains Mn,
A piezoelectric element or a piezoelectric device is provided, in which more Mn exists in grain boundaries of crystals constituting the piezoelectric film than in a matrix of the crystals.

(付記7)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に製膜され、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電膜はMnを含み、
前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電素子または圧電デバイスが提供される。
(Appendix 7)
According to yet another aspect of the invention,
A substrate and
a lower electrode film formed on the substrate;
a piezoelectric film that is formed on the lower electrode film and is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate;
an upper electrode film formed on the piezoelectric film,
The piezoelectric film contains Mn,
A piezoelectric element or a piezoelectric device is provided, in which more Mn exists in grain boundaries of crystals constituting the piezoelectric film than in a matrix of the crystals.

(付記8)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上にMnを含む層又はMnからなる層を設ける工程と、
前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層上に電極膜を製膜する工程と、
前記基板と前記圧電膜と前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層と前記電極膜とを備える積層体に対して熱処理を行う工程と、を有し、
前記熱処理を行う工程を実施することで、前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層中のMnを前記圧電膜へと拡散させ、前記圧電膜を、Mnを含むとともに前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い膜とする圧電積層体の製造方法が提供される。
(Appendix 8)
According to yet another aspect of the invention,
A step of forming a piezoelectric film, which is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate, on the substrate;
providing a layer containing Mn or a layer consisting of Mn on the piezoelectric film;
forming an electrode film on the layer containing Mn or the layer consisting of Mn;
a step of performing heat treatment on a laminate including the substrate, the piezoelectric film, the layer containing Mn or the layer consisting of Mn, and the electrode film,
By carrying out the step of performing the heat treatment, Mn in the layer containing Mn or the layer consisting of Mn is diffused into the piezoelectric film, and the piezoelectric film is transformed into a crystal that contains Mn and constitutes the piezoelectric film. Provided is a method for manufacturing a piezoelectric laminate in which the amount of Mn present in the grain boundaries of the piezoelectric laminate is greater than the amount of Mn present in the parent phase of the crystal.

(付記9)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に下部電極膜を製膜する工程と、
前記下部電極膜上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に上部電極膜を製膜する工程と、
前記基板と前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜とを備える積層体に対して熱処理を行う工程と、を有し、
前記圧電膜を製膜する工程を行う前に、前記圧電膜の下面と接するようにMnを含む層を設ける工程か、又は、前記圧電膜を製膜する工程を行った後に、前記圧電膜の上面と接するようにMnを含む層又はMnからなる層を設ける工程の少なくともいずれかを行い、
前記熱処理を行う工程を実施することで、前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層中のMnを前記圧電膜へと拡散させ、前記圧電膜を、Mnを含むとともに前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い膜とする圧電積層体の製造方法が提供される。
(Appendix 9)
According to yet another aspect of the invention,
a step of forming a lower electrode film on the substrate;
forming a piezoelectric film, which is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate, on the lower electrode film;
forming an upper electrode film on the piezoelectric film;
a step of performing heat treatment on a laminate including the substrate, the lower electrode film, the piezoelectric film, and the upper electrode film,
Before performing the step of forming the piezoelectric film, a step of providing a layer containing Mn so as to be in contact with the lower surface of the piezoelectric film, or after performing the step of forming the piezoelectric film, forming a layer of the piezoelectric film. Performing at least one of the steps of providing a layer containing Mn or a layer consisting of Mn so as to be in contact with the upper surface,
By carrying out the step of performing the heat treatment, Mn in the layer containing Mn or the layer consisting of Mn is diffused into the piezoelectric film, and the piezoelectric film is transformed into a crystal that contains Mn and constitutes the piezoelectric film. Provided is a method for manufacturing a piezoelectric laminate in which the amount of Mn present in the grain boundaries of the piezoelectric laminate is greater than the amount of Mn present in the parent phase of the crystal.

(付記10)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に、Mnを含む電極膜を製膜する工程と、
前記基板と前記圧電膜と前記電極膜とを備える積層体に対して熱処理を行う工程と、を有し、
前記熱処理を行う工程を実施することで、前記電極膜中のMnを前記圧電膜へと拡散させ、前記圧電膜を、Mnを含むとともに前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い膜とする圧電積層体の製造方法が提供される。
(Appendix 10)
According to yet another aspect of the invention,
A step of forming a piezoelectric film, which is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate, on the substrate;
forming an electrode film containing Mn on the piezoelectric film;
a step of performing heat treatment on a laminate including the substrate, the piezoelectric film, and the electrode film,
By carrying out the step of performing the heat treatment, Mn in the electrode film is diffused into the piezoelectric film, and the piezoelectric film contains Mn and exists in the grain boundaries of the crystals constituting the piezoelectric film. A method of manufacturing a piezoelectric laminate is provided, in which the film contains more Mn than the mother phase of the crystal.

(付記11)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に下部電極膜を製膜する工程と、
前記下部電極膜上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に上部電極膜を製膜する工程と、
前記基板と前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜とを備える積層体に対して熱処理を行う工程と、を有し、
前記下部電極膜を製膜する工程で前記下部電極膜にMnを含ませるか、又は、前記上部電極膜を製膜する工程で前記上部電極膜にMnを含ませ、
前記熱処理を行う工程を実施することで、前記下部電極膜または前記上部電極膜中のMnを前記圧電膜へと拡散させ、前記圧電膜を、Mnを含むとともに前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い膜とする圧電積層体の製造方法が提供される。
(Appendix 11)
According to yet another aspect of the invention,
a step of forming a lower electrode film on the substrate;
forming a piezoelectric film, which is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate, on the lower electrode film;
forming an upper electrode film on the piezoelectric film;
a step of performing heat treatment on a laminate including the substrate, the lower electrode film, the piezoelectric film, and the upper electrode film,
Mn is included in the lower electrode film in the step of forming the lower electrode film, or Mn is included in the upper electrode film in the step of forming the upper electrode film,
By performing the step of performing heat treatment, Mn in the lower electrode film or the upper electrode film is diffused into the piezoelectric film, and the piezoelectric film becomes a crystal grain containing Mn and constituting the piezoelectric film. Provided is a method for manufacturing a piezoelectric laminate in which the amount of Mn present in the field is greater than the amount of Mn present in the matrix of the crystal.

(付記12)
付記11の方法であって、好ましくは、
前記下部電極膜を製膜する工程では、前記下部電極膜の上面に近い側にMnを含ませ、かつ、前記上部電極膜を製膜する工程では、前記上部電極膜の下面に近い側にMnを含ませる。
(Appendix 12)
The method according to appendix 11, preferably,
In the step of forming the lower electrode film, Mn is included in the side closer to the upper surface of the lower electrode film, and in the step of forming the upper electrode film, Mn is included in the side closer to the lower surface of the upper electrode film. include.

1 基板
3 圧電膜
10 圧電積層体
1 Substrate 3 Piezoelectric film 10 Piezoelectric laminate

Claims (6)

ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜であり、
Mnを、前記多結晶膜中のニオブの量に対して0.2at%以上2.0at%以下の範囲内で含み、
前記多結晶膜を構成する結晶は、(001)面方位に優先配向してなり、
前記結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電膜。
It is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate,
Contains Mn in a range of 0.2 at% or more and 2.0 at% or less based on the amount of niobium in the polycrystalline film ,
The crystals constituting the polycrystalline film are preferentially oriented in the (001) plane,
A piezoelectric film in which more Mn exists in grain boundaries of the crystal than in a matrix of the crystal.
200℃の温度下で、前記圧電膜上に設けられた電極膜に対して300kV/cmの正又は負の電界を印加した際、少なくとも一方の電界印加条件における電界印加開始からリーク電流密度が30mA/cmを超えるまでの時間が7600秒以上である請求項1に記載の圧電膜。 When a positive or negative electric field of 300 kV/cm is applied to the electrode film provided on the piezoelectric film at a temperature of 200° C., the leakage current density is 30 mA from the start of electric field application under at least one electric field application condition. 2. The piezoelectric film according to claim 1, wherein the time for exceeding / cm2 is 7600 seconds or more. 平均粒径が100nm以上である結晶粒で構成されている請求項1または2に記載の圧電膜。 3. The piezoelectric film according to claim 1, wherein the piezoelectric film is composed of crystal grains having an average grain size of 100 nm or more. 基板と、
電極膜と、
ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜と、を備え、
前記圧電膜はMnを、前記多結晶膜中のニオブの量に対して0.2at%以上2.0at%以下の範囲内で含み、
前記圧電膜を構成する結晶は(001)面方位に優先配向してなり、
前記圧電膜を構成する前記結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電積層体。
A substrate and
an electrode film;
A piezoelectric film that is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate,
The piezoelectric film contains Mn in a range of 0.2 at% or more and 2.0 at% or less based on the amount of niobium in the polycrystalline film ,
The crystals constituting the piezoelectric film are preferentially oriented in the (001) plane direction,
A piezoelectric laminate in which more Mn exists in grain boundaries of the crystals constituting the piezoelectric film than in a matrix of the crystals.
基板と、
前記基板上に製膜され、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された電極膜と、を備え、
前記圧電膜はMnを、前記多結晶膜中のニオブの量に対して0.2at%以上2.0at%以下の範囲内で含み、
前記圧電膜を構成する結晶は(001)面方位に優先配向してなり、
前記圧電膜を構成する前記結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い圧電素子。
A substrate and
a piezoelectric film that is formed on the substrate and is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate;
an electrode film formed on the piezoelectric film,
The piezoelectric film contains Mn in a range of 0.2 at% or more and 2.0 at% or less based on the amount of niobium in the polycrystalline film ,
The crystals constituting the piezoelectric film are preferentially oriented in the (001) plane direction,
A piezoelectric element in which the amount of Mn present in the grain boundaries of the crystal constituting the piezoelectric film is greater than the amount of Mn present in the matrix of the crystal.
基板上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなる多結晶膜である圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上にMnを含む層又はMnからなる層を設ける工程と、
前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層上に電極膜を製膜する工程と、
前記基板と前記圧電膜と前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層と前記電極膜とを備える積層体に対して熱処理を行う工程と、を有し、
前記熱処理を行う工程を実施することで、前記Mnを含む層又は前記Mnからなる層中のMnを前記圧電膜へと拡散させ、前記圧電膜を、Mnを含むとともに前記圧電膜を構成する結晶の粒界に存在するMnが前記結晶の母相に存在するMnよりも多い膜とする圧電積層体の製造方法。
A step of forming a piezoelectric film, which is a polycrystalline film made of potassium sodium niobate, on the substrate;
providing a layer containing Mn or a layer consisting of Mn on the piezoelectric film;
forming an electrode film on the layer containing Mn or the layer consisting of Mn;
a step of performing heat treatment on a laminate including the substrate, the piezoelectric film, the layer containing Mn or the layer consisting of Mn, and the electrode film,
By carrying out the step of performing the heat treatment, Mn in the layer containing Mn or the layer consisting of Mn is diffused into the piezoelectric film, and the piezoelectric film is transformed into a crystal that contains Mn and constitutes the piezoelectric film. A method for producing a piezoelectric laminate, in which the amount of Mn present in the grain boundaries of the film is greater than the amount of Mn present in the parent phase of the crystal.
JP2020037495A 2019-07-04 2020-03-05 Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method Active JP7399752B2 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020037495A JP7399752B2 (en) 2020-03-05 2020-03-05 Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method
PCT/JP2020/026022 WO2021002434A1 (en) 2019-07-04 2020-07-02 Piezoelectric film, piezoelectric layered body, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric layered body
EP20835288.0A EP3995454A4 (en) 2019-07-04 2020-07-02 PIEZOELECTRIC FILM, PIEZOELECTRIC LAMINATED BODY, PIEZOELECTRIC ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING A PIEZOELECTRIC LAMINATED BODY
US17/624,555 US12581862B2 (en) 2019-07-04 2020-07-02 Piezoelectric film, piezoelectric stack, piezoelectric element, and method of manufacturing piezoelectric stack
TW109145604A TWI862764B (en) 2020-03-05 2020-12-23 Piezoelectric film, piezoelectric stack up, piezoelectric device, and method of producing piezoelectric stack up

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020037495A JP7399752B2 (en) 2020-03-05 2020-03-05 Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021141186A JP2021141186A (en) 2021-09-16
JP7399752B2 true JP7399752B2 (en) 2023-12-18

Family

ID=77669047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020037495A Active JP7399752B2 (en) 2019-07-04 2020-03-05 Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7399752B2 (en)
TW (1) TWI862764B (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009120443A (en) 2007-11-14 2009-06-04 Ngk Insulators Ltd (Li, Na, K) (Nb, Ta) O3-based piezoelectric material and manufacturing method thereof
JP2015534257A (en) 2012-09-21 2015-11-26 Tdk株式会社 Thin film piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, hard disk drive, and inkjet printer device
WO2018180770A1 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Tdk株式会社 Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP2018207055A (en) 2017-06-09 2018-12-27 株式会社サイオクス Laminate board with piezoelectric film, element with piezoelectric film, and method for manufacturing laminate board with piezoelectric film

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009120443A (en) 2007-11-14 2009-06-04 Ngk Insulators Ltd (Li, Na, K) (Nb, Ta) O3-based piezoelectric material and manufacturing method thereof
JP2015534257A (en) 2012-09-21 2015-11-26 Tdk株式会社 Thin film piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, hard disk drive, and inkjet printer device
WO2018180770A1 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Tdk株式会社 Piezoelectric composition and piezoelectric element
US20200243748A1 (en) 2017-03-28 2020-07-30 Tdk Corporation Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP2018207055A (en) 2017-06-09 2018-12-27 株式会社サイオクス Laminate board with piezoelectric film, element with piezoelectric film, and method for manufacturing laminate board with piezoelectric film

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021141186A (en) 2021-09-16
TWI862764B (en) 2024-11-21
TW202134184A (en) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3922749B1 (en) Sputtering target for manufacturing piezoelectric thin films and method of manufacturing the sputtering target
JP7362339B2 (en) Piezoelectric laminate, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric laminate
WO2018225396A1 (en) Layered substrate having piezoelectric film, element having piezoelectric film and production method for layered substrate having piezoelectric film
JP7696347B2 (en) Piezoelectric laminate, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric laminate
JP7464360B2 (en) Piezoelectric laminate, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric laminate
JP7022853B2 (en) Sputtering target material, manufacturing method of sputtering target material, and manufacturing method of laminated substrate with piezoelectric thin film
JP7399752B2 (en) Piezoelectric film, piezoelectric laminate, piezoelectric element, and piezoelectric laminate manufacturing method
TWI888493B (en) Piezoelectric film, piezoelectric stack up, piezoelectric device, and method of producing piezoelectric stack up
JP6502460B2 (en) Laminated substrate with piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element
US12581862B2 (en) Piezoelectric film, piezoelectric stack, piezoelectric element, and method of manufacturing piezoelectric stack
JP7319848B2 (en) Piezoelectric laminate, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric laminate
JP6758444B2 (en) Laminated substrate with piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element
JP7626383B2 (en) Piezoelectric laminate, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric laminate
JP6607993B2 (en) Multilayer substrate having piezoelectric film, element having piezoelectric film, and method of manufacturing multilayer substrate having piezoelectric film
JP7701778B2 (en) Piezoelectric laminate and piezoelectric element
JP7320091B2 (en) Laminated substrate with piezoelectric thin film, method for manufacturing laminated substrate with piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, sputtering target material, and method for manufacturing sputtering target material
JP6961770B2 (en) Laminated substrate with piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element
JP2026019667A (en) Piezoelectric laminate and method for manufacturing the same
TW202439962A (en) Piezoelectric stack, piezoelectric stack wafer, and method of manufacturing piezoelectric stack

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221130

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230711

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230831

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231128

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7399752

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150