JP2004221550A - 圧電体積層構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電特性を改善し、かつ機械加工だけでなくフォトリソグラフィーによる微細加工を可能とする圧電体積層構造体を提供する。
【解決手段】圧電体３の分極方向が逆になるように中間層４を介して圧電体３を配置した構造を基本単位とし、この基本単位を１単位以上積層する。これにより、圧電体３の分極方向が交互に反対になるため、中間層３を介した圧電体同士は交互に反対方向に変位することになり、変位も力も改善される。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の圧電体を積層した圧電体積層構造体に関する。このような圧電体積層構造体は、ロボット、マイクロアクチュエータ、インクジェットヘッド、圧電振動子、圧電共振器、フィルタ、超音波トランスデューサ、弾性表面波デバイス、センサなど、各種の圧電体デバイスに幅広く適用される。

従来、圧電体積層構造体は、セラミック板や単結晶を用いた圧電体を分極処理し、この圧電体同士を分極方向が反対になるように接着剤で接着して積層していく構造となっていた。結晶中で分極方向を反転させる方法としては、ニオブ酸リチウム単結晶にチタンを拡散させることによりチタン拡散部分の分極方向を反転層とする方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、圧電体材料に圧電特性の優れているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた圧電体が、アクチュエータ等の各種の圧電体応用分野で使われている。ＰＺＴ以外の圧電体材料としては、用途に応じてニオブ酸リチウムやチタン酸ビスマス、水晶、酸化亜鉛、窒化アルミニウム等の無機材料やポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料も実用化されている。
中村他、電子通信学会技術研究報告、ＣＰＭ８６−１７（１９８６）

しかしながら、上述したような従来技術においては、圧電体としてセラミック板や単結晶を用いているために、圧電体応用においては高周波化に適していなかった。また、個々の圧電体の厚さも通常は１０μｍ以上であるために積層体が大型になり、また、機械加工が中心であるために半導体の微細加工に比べて精密構造の形成が困難であった。さらに、圧電体の厚さが厚いと共振周波数も低下するため、圧電体応用における高周波化には不適であり、アクチュエータ等では使用できる駆動周波数が大きくすることができないという問題もあった。

さらに、圧電体同士を接着剤により積層する方法は、通常、接着剤が有機物であるために高温での使用ができなかった。また、接着剤の厚さも分布が大きいために圧電特性のばらつきが生じていた。

また、ニオブ酸リチウムにチタンを拡散させる方法は、チタンの拡散と分極方向を反転させるために１０００℃以上の高温が必要である。この方法は、ニオブ酸リチウム単結晶が非常に高価であり、単結晶の結晶方位も限られる。さらに、チタンの拡散範囲も限定されるために分極方向を反転させた圧電体の厚さの制御に限界もあった。また、ニオブ酸リチウムを用いてチタンを拡散させる方法では、２層構造は作れるが、これ以上の多層化が困難であるという問題もあった。

また、圧電体材料としては、ＰＺＴがアクチュエータをはじめとして各種応用分野で使われているが、地球環境問題からＰＺＴを構成する鉛の使用制限が検討されている。すでに、圧電体応用分野以外の分野では、はんだやレンズ等で鉛を全く含まない材料が使われるようになっている。このように、圧電体応用分野でも圧電特性が優れているだけでは、実用材料とは言えなくなっており、環境負荷の少ない材料で優れた圧電特性を実現することが急務になってきている。

また、各種の圧電体応用製品の小型化も重要であり、このためには圧電体の厚さをより薄くして、機械加工では不可能な微細加工に対応する必要もある。

本発明の目的は、接着剤や環境負荷の大きい圧電体材料を使用することなく優れた圧電特性を実現することができるとともに、機械加工だけでなく微細加工をも可能とする圧電体積層構造体を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の圧電体積層構造体は、圧電特性を備える圧電体を積層した積層体からなる圧電体積層構造体において、前記積層体は、前記圧電体同士の界面に中間層を配置した積層体であり、前記中間層を介した前記圧電体同士は互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とするものである。

したがって、電圧印加時に中間層を介した圧電体同士は互いに反対方向に変位することになり、変位も力も改善させることができるため、同じ膜厚で１層だけ成膜された圧電体と比較して大きな圧電特性を得ることができる。

また、高周波応用においても、本発明では圧電体の層間に中間層があり、この中間層の存在により圧電体の分極方向が明確になるために、従来の接着剤を用いるような場合に比べて、共振周波数のばらつきを少なくすることもできる。このために、共振の度合いを示すＱ値も大幅に改善することが可能である。

以上説明したように本発明の圧電体積層構造体は、中間層を介した圧電体同士の分極方向が互いに反対方向であるため、電圧印加時に中間層を介した圧電体同士は互いに反対方向に変位することになり、変位、力、さらには高周波応用における共振周波数やＱ値も改善させることができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態による圧電体積層構造体の断面図である。

図１に示した本発明の一実施形態による圧電体積層構造体は、基板１に電極２ａを積層したものの上に、次のような圧電体積層体７が形成された構造となっている。すなわち、圧電体積層体７は、圧電体３同士の界面に中間層４を配置した積層体であり、中間層４を介した圧電体３同士は互いにその分極方向が反対方向である。また、圧電体積層体７の上下の面には導電性材料からなる電極２を配置している。

圧電体３および中間層４の製造方法としては、各種真空成膜法、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが一般的に使用できる。また、ゾルゲル法、水熱法、化学気相法、各種メッキ法や焼結法なども使用可能である。

圧電体３の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能であるが、１層分の厚さは２０μｍ未満であることが望ましい。図１では、圧電体３の各層の厚さが同じであるように図示されているが、必ずしも同じ厚さでなくても良いことは言うまでもない。また、圧電体３の圧電体材料としては、圧電特性を有する材料であればいかなる材料も使用可能である。また、圧電体積層体７は、当該圧電体積層体７を構成する圧電体３がすべて同一の圧電体材料からなるものであっても良く、また、当該圧電体積層体７を構成する一の圧電体３が他の圧電体３とは異なる圧電体材料（組成が異なる、結晶構造が異なる、結晶状態が異なる等）からなるものであっても良い。ただし、環境問題を考慮すると、圧電体３の圧電体材料には、温度変化等により鉛、水銀、カドミウムやクロム等の重金属等の有害な元素を放出しない安定な材料であることが望ましいことは言うまでもない。

中間層４の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能である。中間層４の厚さＴ１は、圧電体積層体７を構成する圧電体３の中で最も薄い圧電体３の膜厚Ｔ２に対して、０＜Ｔ１≦Ｔ２の関係を満足することが望ましい。また、中間層４に用いられる材料には何ら制限がないが、圧電体材料と格子定数あるいは熱膨張係数が類似している材料が好ましい。

このように、圧電体３は、セラミック板や結晶を用いることなく、真空成膜法等で製造されるため、圧電体３の厚さを薄くすることができるとともに、主に有機材料からなる接着剤を用いる必要がなくなる。同様に、中間層４も、真空成膜法等で製造されるため、中間層４の厚さも薄くすることができる。

したがって、機械加工では不可能な微細加工に対応することもできるため、機械加工だけでなく、半導体加工技術を利用した微細加工およびレーザー光を利用した加工などを適用して圧電体積層構造体を加工することが可能となる。

上記のような圧電体積層構造体は、例えば、圧電定数ｄ₃₁を利用する場合、圧電体積層構造体を片持ち支持した状態で、圧電体積層構造体の電極２に交流電圧を印加すると、中間層４を介した圧電体３同士の分極方向が反転しているために、中間層４を介した圧電体３は互いに反対方向に変位することになる。

このため、圧電体３を単独で用いた場合と比較して、変位も力も改善させることが可能であり、優れた圧電特性を実現することができる。特に、圧電体３を積層した構造にすることにより、印加電圧に対する変位特性のヒステリシスも緩和され、精密な変位を制御できるアクチュエータとして使用することができる。また、圧電特性が大きく改善されるため、上述のような環境負荷の少ない材料を用いた場合にも、優れた圧電特性を実現することができる。

なお、圧電体３の層数は、目的の用途に応じて任意に設定可能であり、図２に示すように、圧電体３と中間層４とを交互に成膜することとして、圧電体３の層数をさらに増やすことができる。たとえば、本発明の圧電体積層構造体を高周波応用の分野に適用する場合には、圧電体積層体７の共振周波数や共振の度合いを示すＱ値が問題になるが、圧電体積層体７を構成する圧電体３の厚さや層数、面積などを調整することにより、目的の共振周波数を得ることができる。このため、本発明の圧電体積層構造体を用いて数十ＭＨｚから数百ＧＨｚの振動子や共振素子を実現することができる。

また、図１および図２に示した圧電体積層構造体においては、電極２は、圧電体積層体７の上下の面に配置するだけでなく、圧電体積層体７の上下のどちらかの面に配置しても良い。

さらに、本発明の圧電体積層構造体は、図３に示すように、基体Ａ上に圧電体積層体７を形成した構造とすることも可能である。なお、図３に示した圧電体積層構造体においては、圧電体積層体７の構成、圧電体積層体７を構成する圧電体３および中間層４の好ましい形態（製造方法、厚さ、材料、層数等）は、図１に示したものと同様とである。また、図３に示した圧電体積層構造体においては、電極２は、圧電体積層体７の上下の面に配置するだけでなく、圧電体積層体７の上面に配置しても良く、また、基体Ａと圧電体３の間に配置しても良く、また、基体Ａと圧電体３の間および圧電体積層体７の上面に配置しても良く、また、基体Ａの下面（圧電体３がある面と反対側の面）に配置しても良い。

以下に、具体的な実施例により、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例では、圧電体、中間層、電極の作製には、ＲＦスパッタリング法等のスパッタリング法（以下、スパッタ法とも称する）を用いるが、本発明は、これらに限定されるものではないことは言うまでもない。

（実施例１）
本実施例では、以下のような方法で図１の圧電体積層構造体を作製した。

まず、石英ガラス（厚さ０．５ｍｍ）である基板１に、スパッタ法でチタン／白金の積層電極である電極２ａ／電極２を形成した。本実施例では、チタンの電極２ａは５０ｎｍ、白金の電極２は１００ｎｍである。

次に、チタン／白金の積層電極の上に、酸化亜鉛をターゲット材料としてＲＦスパッタ法で酸化亜鉛膜を５μｍ成膜して圧電体３とし、続いて２００ｎｍの酸化マグネシウム膜を成膜して中間層４とした。

その後、酸化マグネシウム膜の上に、金属亜鉛をターゲット材料としてＲＦスパッタ法で酸化亜鉛膜を５μｍ成膜して圧電体３とし、続いて、電極２として白金電極を１５０ｎｍ取り付け、圧電体積層構造体とした。

ここで、上記のように作製した圧電体積層構造体に電圧を印加して、光変位計により変位を測定した。測定方法は、図４に示すように、圧電体積層構造体を台８上に片持ち支持した状態で、圧電体積層体７の上下に配置された電極２にリード線を取り付けて電源５（本実施例では、５Ｈｚ〜５０Ｈｚの低周波交流電源を使用）で交流電圧を印加した。このように電圧が印加されると、圧電体３は、圧電体３の横効果により積層方向に垂直、つまり基板１の長手方向に収縮または伸長する。このために圧電体積層構造体は全体として基板１の長手方向に垂直に屈曲変形する。この変形を光変位計６で検出することにより圧電特性を調べた。本実施例では、圧電体積層体７を幅が２ｍｍ、長さが１０ｍｍになるように機械加工により切断したものを試料として用いた。測定結果を図５に示す。

また、比較のために、本実施例の圧電体積層構造体の電極２間に形成されている圧電体３および中間層４からなる積層体の代わりに、金属亜鉛をターゲット材料として１０μｍの酸化亜鉛膜を成膜し、１層圧電体を形成した圧電体積層構造体、および、酸化亜鉛をターゲット材料として１０μｍの酸化亜鉛膜を成膜し、１層圧電体を形成した圧電体積層構造体についても上記と同様に変位を測定した。金属亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図６に示し、酸化亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図７に示す。

図６および図７からわかるように、ターゲット材料を金属亜鉛から酸化亜鉛にすることにより、変位の位相が変化していることが確認された。

これに対して、本実施例では、図５からわかるように、圧電体３の総膜厚が１０μｍと同じであっても、変位量が約２倍に増大していることが確認された。

（実施例２）
本実施例では、以下のような方法で図３の圧電体積層構造体を作製し、これを薄膜共振子とした。

まず、シリコン（１００）ウエハーである基体Ａに、酸化シリコンをＲＦスパッタ法で２．５μｍの厚さで形成し、この酸化シリコンを基板１とする。

次に、基板１の上に、下部電極となる電極２をＲＦスパッタ法で形成した。この下部電極の材料は、Ｃｒ／Ａｕであり、その膜厚は１０ｎｍ／２００ｎｍである。この下部電極は、成膜後、図２のようにフォトリソグラフ技術によりパターニングした。

次に、下部電極の上に、圧電体３と中間層４とを交互に成膜して圧電体積層構造体７を形成する。まず、ＺｎＯ焼結体をターゲットとして２．２μｍの厚さのＺｎＯ膜を成膜して圧電体３とし、次いで、０．１μｍのアルミナ膜を成膜して中間層４とし、さらに、Ｚｎ金属をターゲットにして２．２μｍの厚さのＺｎＯを成膜して圧電体３とする。

次に、圧電体積層構造体７の上に、上部電極となる電極２をＣｒ／Ａｕをそれぞれ１０ｎｍ／２００ｎｍの厚さに形成した。

最後に、シリコン（１００）ウエハーである基体Ａの裏面に、酸化シリコン膜を２μｍ形成し、これをマスクになるようにパターニングした後、ＥＤＰ液（４６％エチレンジアミン＋４％ピロカテコール＋５０％水）でシリコン（１００）ウエハーを図３のようにエッチングして薄膜共振子を作製した。

ここで、上記のように作製した圧電体積層構造体の電極２間に電力を投入して、圧電体３の厚み方向の振動モードのアドミタンスを測定した。測定結果を図８に示す。図８に示すように、共振周波数は４６６ＭＨｚ、Ｑは５０００であった。この結果は、本発明の圧電体積層構造体が薄膜共振子として十分な機能を示すことを示している。これに対して、ＺｎＯ膜を１層とし、その厚さを４．５μｍ、酸化シリコン膜を２．５μｍとした場合には、共振周波数は同じであったが、Ｑは７３０であった。

（実施例３）
本実施例では、以下のような方法で、図２のように圧電体積層体７に電極２を取り付けた構造の圧電体積層構造体を作製し、これを薄膜共振子とした。

まず、エポキシ板に、ＲＦスパッタ法でＣｒ／Ａｕからなる電極２を形成する。この電極２を所望の形状にパターニングした後、電極２以外の部分をエポキシ樹脂で覆うようにする。

次に、金属アルミニウムをターゲット材料として窒化アルミニウム膜を８ｎｍ成膜して圧電体３とする。続いて、酸化マグネシウム焼結体をターゲット材料として酸化マグネシウム膜を１ｎｍ成膜して中間層４とし、さらに、窒化アルミニウム焼結体をターゲット材料として窒化アルミニウム膜を８ｎｍ成膜して圧電体３とする。

以降、酸化マグネシウム焼結体、窒素アルミニウム焼結体、酸化マグネシウム焼結体、金属アルミニウムを順次ターゲット材料とした成膜を２０００回繰り返し行い、圧電体積層体７を形成した。

その後、圧電体積層体７の上に、Ｃｒ／Ａｕからなる電極２を形成し、最後にエポキシ樹脂を取り除いて、薄膜共振子とした。

ここで、上記のように作製した薄膜共振子の電極２間に電力を投入して、圧電体３の厚み方向の振動モードのアドミタンスを測定した。測定結果を図９に示す。図９に示すように、共振周波数が６０ＧＨｚ、Ｑが６００００の薄膜共振子が得られた。

（実施例４）
図１０に示すように、まず、シリコンウエハーを異方性エッチングして作製したシリコン加工体１１にパイレックスガラス（振動板）１０を陽極接合してインクジェット用インク室とした。続いて、Ｃｒ／Ａｕの電極２を形成した。さらに、圧電体３として酸化亜鉛をターゲット材料にして成膜した酸化亜鉛膜（膜厚３μｍ）、中間層４として酸化シリコン焼結体をターゲット材料として成膜した酸化シリコン膜（膜厚０．２μｍ）、圧電体３として金属亜鉛をターゲット材料にして成膜した酸化亜鉛膜（膜厚７μｍ）を連続して成膜して圧電体積層体７とし、この圧電体積層体７上に電極２としてＣｒ／Ａｕを取り付けた。これを圧電体積層構造体９とし、上記のインク室に形成した。最後に、フォトリソグラフィーを用いて幅２００μｍ、長さ３ｍｍにパターニングし、インクジェットヘッドを作製した。

ここで、液体供給口１２を液体（例えば、水、アルコール、カラーインクなど）タンク（不図示）と接続して、圧電体積層構造体９にパルス電圧を印加したところ、ノズル１３からの液体の吐出が観測された。この時の液体の吐出速度は、液体にイソプロピルアルコールを用いた場合、最高１０ｍ／ｓであった。

これに対して、酸化亜鉛膜を１０μｍの厚さに成膜して１層圧電体を形成したインクジェットヘッドを作製したところ、パルス電圧を印加しても液体の吐出が観測されないことがあり、また、液体の吐出が観測されてもイソプロピルアルコールの吐出速度は最高１ｍ／ｓであった。

本発明の一実施形態による圧電体積層構造体の断面図である。 本発明に他の実施形態による圧電体積層構造体の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による圧電体積層構造体の断面図である。 本発明の圧電体積層構造体の変位測定方法を説明する図である。 本発明の圧電体積層構造体の変位測定結果を示す図である。 従来の圧電体積層構造体の変位測定結果を示す図である。 従来の圧電体積層構造体の変位測定結果を示す図である。 本発明の圧電体積層構造体のアドミタンス特性の測定結果を示す図である。 本発明の圧電体積層構造体のアドミタンス特性の測定結果を示す図である。 本発明の圧電体積層構造体を用いたインクジェットヘッドの断面図である。

符号の説明

１ 基板
２，２ａ 電極
３ 圧電体
４ 中間層
５ 電源
６ 光変位計
７ａ，７ｂ，７ｃ 圧電体積層体
８ 台
９ 圧電体積層構造体
１０ パイレックスガラス（振動板）
１１ シリコン加工体
１２ 液体供給口
１３ ノズル
Ａ 基体

Claims (9)

1. 圧電特性を備える圧電体を積層した積層体からなる圧電体積層構造体において、
   前記積層体は、前記圧電体同士の界面に中間層を配置した積層体であり、前記中間層を介した前記圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする圧電体積層構造体。
2. 前記積層体の上下の面、または、前記積層体の上下の一方の面に電極を配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧電体積層構造体。
3. 前記積層体は、基体上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体積層構造体。
4. 前記積層体の上下の面、または、前記積層体の上面、または、前記基体と前記圧電体の間、または、前記基体と前記圧電体の間および前記積層体の上面、または、前記基体の下面に、電極を配置したことを特徴とする請求項３に記載の圧電体積層構造体。
5. 前記積層体を構成する中間層の厚さＴ１は、前記積層体を構成する圧電体の中でもっとも薄い圧電体の厚さＴ２に対して、０＜Ｔ１≦Ｔ２の関係を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電体積層構造体。
6. 前記積層体を構成する圧電体の１層の厚さは、２０μｍ未満であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電体積層構造体。
7. 前記積層体を構成する圧電体および中間層は、真空成膜法、メッキ法、ゾルゲル法、水熱法、化学気相法、焼結法のいずれかを用いて製造されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電体積層構造体。
8. 前記積層体は、当該積層体を構成する圧電体がすべて同一材料からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体積層構造体。
9. 前記積層体は、当該積層体を構成する一の圧電体が他の圧電体とは異なる材料からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体積層構造体。
   

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