JP2017112282A - 超音波センサー用の圧電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
かかる態様によれば、白金層が圧電体層と接することで残留分極量が増加して強誘電性の向上が見込める。また、イリジウム層の引っ張り応力によって振動板のCAV面側への初期撓みを抑制して変形効率を向上させることが可能となる。従って、超音波センサー用の圧電デバイスの受信特性を向上させることができる。
これによれば、圧電素子において良好な界面を形成するための熱処理を行った際に、少なくとも白金電極上のイリジウム層の剥離を防ぐことができる。
これによれば、X方向だけでなくY方向にもイリジウム層の引っ張り応力が働くため、振動板のCAV面側への初期撓みをより抑制することが可能となる。よって、超音波センサー用の圧電デバイスの受信特性をより向上させることができる。
これによれば、圧電素子の熱処理(RA(Recovery Anneal)処理)後における第2のイリジウム層の剥離を防いで、電極間の断線を防止することができる。
(超音波デバイス)
図1は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブIは、CAV面型の超音波センサー1、超音波センサー1に接続されたフレキシブルプリント基板(FPC基板2)、装置端末(不図示)から引き出されたケーブル3、FPC基板2及びケーブル3を中継ぎする中継基板4、超音波センサー1、FPC基板2及び中継基板4を保護する筐体5、筐体5及び超音波センサー1の間に充填された耐水性樹脂6等を具備して構成されている。
次に、超音波センサー1の構成例について説明する。図2は、超音波センサーの分解斜視図である。図3は、超音波センサーの基板の平面図である。図4は、図3のA−A´線断面図である。図5は、図3のB−B´線断面図である。
次に、超音波センサー1の製造方法の一例を説明する。図6〜図14は、主に超音波センサー素子側の製造方法の工程を示している。図6、図9及び図12は、超音波センサー素子をZ方向から見た平面図である。図7は図6のC−C′線断面図であり、図8は図6のD−D′線断面図である。図10は図9のE−E′線断面図であり、図11は図9のF−F′線断面図である。図13は図12のG−G′線断面図であり、図14は図12のH−H′線断面図である。
<PZT前駆体溶液の調製>
容器に酢酸及び水を量り取り、次いで酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド、チタニウムテトラ−i−プロポキシド、及びポリエチレングリコールを量り取って、これらを90℃で加熱撹拌を行うことでPZT前駆体溶液を作製した。
6inchシリコン基板(ウェハー110)を熱酸化することで、当該基板上に二酸化シリコン膜(弾性膜51)を形成した。次に、スパッタリング法にてジルコニウム膜を形成し、熱酸化させることで酸化ジルコニウム膜(絶縁体層52)を得た。これらの工程により、二酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜を含む振動板50を作製した。
上記の振動板50上(酸化ジルコニウム膜(絶縁体層52)上)に、スパッタリング法にてチタン層、白金層、イリジウム層、及びチタン層の順番で形成し、第1電極層60を作製した。なお、実施例1では、層間又は膜間の密着性を高めるための密着層としてチタン層を形成した。
第1電極層60上に、上記のPZT前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、140℃及び370℃で乾燥/脱脂を行って脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を使用し737℃で加熱処理を行ってPZTからなる圧電体層(下地層)を作製した。
上記の圧電体層(下地層)上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより第1電極層60及び圧電体層(下地層)をパターニングした。
パターニング後の圧電体層(下地層)及び振動板50上に、スパッタリング法にて4nmのチタン層を形成した。なお、このチタン層は、後述する圧電体層(メイン層)の結晶の配向性を向上させるための制御層である。
圧電体層(下地層)と同様の条件で塗布/乾燥/脱脂を2回行い、圧電体層(下地層)と同様の条件でRTA装置による加熱処理を行った。これらの操作を4回繰り返して行うことで、制御層であるチタン層上に圧電体層(メイン層)を形成した。これにより、実施例1では、圧電体層(下地層)、チタン層及び圧電体層(メイン層)を含む圧電体層70を得た。
上記の圧電体層70上(圧電体層(メイン層)上)に、スパッタリング法にて20nmの白金層(下層側電極80a)を形成した。次に、RTA装置を使用して600℃、5分間のRA(Recovery Anneal)処理を行った。
上記の白金層(下層側電極80a)上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりチタン層、圧電体層(メイン層)及び白金層をパターニングした。
パターニング後の白金層(下層側電極80a)上に、スパッタリング法にて30nmのイリジウム層(上層側電極80b)を形成した。次に、イリジウム層上に、スパッタリング法にて15nmのチタン層を形成した。これにより、実施例1では、白金層、チタン層及びイリジウム層を含む第2電極層80を得た。なお、このチタン層は、金等による引き回し配線を重ねるための密着層である。
上記のチタン層上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりイリジウム層(上層側電極80b)及びチタン層をパターニングした。
シリコン基板(ウェハー110)の振動板50を挟んで圧電素子300とは反対側の面上に形成された二酸化シリコン膜を、研削処理によって除去するとともに、基板厚みが400μmとなるように基板を研削研磨した。次に、研削した面に所定形状のクロム(Cr)膜を形成することで、Crハードマスクを作製した。次に、圧電素子300を防水した状態で、KOHを含むエッチング液に基板を浸漬することで、シリコン基板の振動板50を挟んで圧電素子300とは反対側の面に、所定形状のキャビティ(CAV)を形成した。
実施例2では、実施例1とは異なるパターニング形状により、第1電極層60、圧電体層70及び第2電極層80のパターニングを行い、第1電極層60と、圧電体層70と、白金層(下層側電極80a)及びイリジウム層(上層側電極80b)を含む第2電極層80とを備えた圧電素子300が完成した。
比較例1では、第2電極層80における下層側電極80aを20nmのPt層とし、上層側電極80bを40nmとした以外は、実施例1と同様にしてデバイス素子を作製した。
比較例2では、第2電極層80における下層側電極80aを4nmのIr層上に5nmTi層を形成した電極層とし、740℃、7分間のRA処理を行ったこと以外は、実施例1と同様にしてデバイス素子を作製した。
比較例3では、第2電極層80における下層側電極80aを4nmのIr層上に5nmTi層を形成した電極層とし、740℃、7分間のRA処理を行ったこと以外は、実施例2と同様にしてデバイス素子を作製した。
比較例4では、第2電極層80における下層側電極80aを4nmのIr層上に5nmTi層を形成し、740℃、7分間のRA処理を行った電極層としたこと、及び上層側電極80bを20nmのPt層としたこと以外は、実施例1と同様にしてデバイス素子を作製した。
実施例3では、PZT前駆体溶液に替えてPMN−PT前駆体溶液を用いたこと、及び圧電体層の作製条件が異なること以外は実施例1と同様にしてデバイス素子を作製した。つまり、実施例3のデバイス素子は、圧電体層70におけるメイン層がPMN−PTからなり、デバイス構造aを有するものである。
PMN−PT前駆体溶液は、次の通りに作製した。まず、容器に2−ブトキシエタノールとジメチルアミノエタノールを量り取り混合溶液を作製した。次に、乾燥窒素を充填したグローブボックス中でチタニウムテトラ−i−プロポキシドとニオブペンタ−n−ブトキシドとを量り取り、上記の混合溶液に混合した。その後、室温にて十分撹拌した後に、大気下で酢酸マグネシウム及び酢酸鉛をそれぞれ量り取り、室温にて混合/撹拌を行うことで、PMN−PT前駆体溶液を作製した。
第1電極層60上に、上記のPZT前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、140℃及び370℃で乾燥/脱脂を行うことで脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を使用し737℃で加熱処理を行うことで、PZTからなる圧電体層(下地層A)を作製した。
上記の圧電体層(下地層A)上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより第1電極層60及び圧電体層(下地層A)をパターニングした。
パターニング後の圧電体層(下地層A)及び振動板50上に、スパッタリング法にて4nmのチタン層を形成した。なお、このチタン層は、後述する圧電体層(メイン層)の結晶の配向性を向上させるための制御層である。
圧電体層(下地層A)と同様の条件で塗布/乾燥/脱脂を行い、圧電体層(下地層A)と同様の条件でRTA装置による加熱処理を行い、上記のチタン層上に、圧電体層(下地層B)を形成した。
上記の圧電体層(下地層B)上に、上記のPMN−PT前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、180℃及び350℃で乾燥/脱脂を行うことで脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を使用し750℃で加熱処理を行うことで、PMN−PTからなる圧電体膜を作製した。この圧電体膜の作製工程を6回繰り返して行うことで、圧電体層(下地層B)上に圧電体層(メイン層)を形成した。これにより、実施例1では、圧電体層(下地層A)、チタン層、圧電体層(下地層B)及び圧電体層(メイン層)を含む圧電体層70を得た。
実施例4では、圧電体層の作製条件が実施例3と同様であること以外は実施例2と同様にしてデバイス素子を作製した。つまり、実施例4のデバイス素子は、圧電体層70におけるメイン層がPMN−PTからなり、デバイス構造bを有するものである。
比較例5では、圧電体層の作製条件が実施例3と同様であること以外は比較例1と同様にしてデバイス素子を作製した。
比較例6では、圧電体層の作製条件が実施例3と同様であること以外は比較例2と同様にしてデバイス素子を作製した。
比較例7では、圧電体層の作製条件が実施例3と同様であること以外は比較例3と同様にしてデバイス素子を作製した。
<形状観察>
実施例1〜4及び比較例1〜7の外観形状(積層状態、断線、剥離等の外観上の異常の有無)を、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により観察した。その結果、比較例4のデバイス素子において、第2電極層80の剥離が確認され、このデバイス素子以外では、特性に影響を及ぼす特異な外観上の異常は観測されなかった。
実施例1,3及び比較例2,6について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」を用い、φ=500μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波を印加して、分極量P(μC cm−2)と電圧E(V)の関係(P−E loop)を求めた。図15に、実施例1を±25Vで測定したP−E loopを示す。同様に、図16に実施例3、図17に比較例2、及び図18に比較例6の測定結果をそれぞれ示す。また、各P−E loopの測定結果より求めた残留分極量Pr(μC cm−2)を表1に示す。
実施例1〜4及び比較例1〜7について、電圧無印加状態での撓み量(初期撓み量)を、Veeco社製の光干渉型表面形状粗さ測定システム「NT9300DMEMS」を用いて測定した。図19に、デバイス素子のCAV(空間12)に対して凸状に撓んだ状態(以下、「凸撓み」という。)の模式図を示し、図20に、デバイス素子のCAV(空間12)に対して凹状に撓んだ状態(以下、「凹撓み」という。)の模式図を示す。また、各初期撓み測定結果を表1に示す。表1では、撓みがない場合をゼロとし、凸撓みの場合(図19参照)の初期撓み量dをプラス、凹撓みの場合(図20参照)の初期撓み量dをマイナスと表記した。
図21に、送受信特性の評価手法について説明するための図を示す。図示するように、送受信特性は、評価機400、超音波素子401及びSUS板402を用いて測定した。実施例1,2及び比較例1〜4では、水中における6MHzの送受信特性の評価を行い、実施例3,4及び比較例5〜8では、水中における5.5MHzの送受信特性の評価を行った。
図24に、シミュレーションにより算出した撓み形状と送受信特性の関係について示す。図24に示す通り、初期撓み量dが0nm〜+200nmの範囲では、送受信感度に殆ど影響を及ぼさないのに対し、初期撓み量dが0nm未満では、その量に応じて送受信感度が低下することがわかった。即ち、実施例1及び同様の第2電極層80の構成である実施例2と、比較例2及び同様の構成である比較例3との比較においては、初期撓みの差は考慮する必要がないことが明らかとなった。
上記の実施形態では、振動板の圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる型(所謂CAV面型)のレンズ構造を適用したが、かかる構造はこれに限定されない。例えば、振動板の圧電素子側が超音波の通過領域となる型(所謂ACT面型)等のレンズ構造を、用途に応じて適用してもよい。
Claims (4)
- キャビティを有する基板と、
前記キャビティの開口面を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、
前記振動板の、前記キャビティとは反対側の面上に設けられ、第1電極と、前記第1電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第2電極とを有する圧電素子と
を備えた超音波センサー用の圧電デバイスであって、
前記第2電極は、白金層と、イリジウム層とを含む積層構造を有しており、
前記白金層は、前記圧電体層と接しており、
前記基板の面と平行であり、且つ互いに直交する2つの方向をX方向及びY方向としたとき、前記イリジウム層は、XY平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティを少なくともX方向に、前記キャビティの外側まで延設されていることを特徴とする超音波センサー用の圧電デバイス。 - 前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、
前記白金層は、前記X方向において前記圧電体層上のみに存在することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサー用の圧電デバイス。 - 第2のイリジウム層が、XY平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティをY方向に、前記キャビティの外側まで延設され、
前記第2のイリジウム層は、前記圧電体層上において、前記イリジウム層と分離されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波センサー用の圧電デバイス。 - 前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、
前記第2のイリジウム層は、前記圧電体層上の両端部から前記Y方向に前記キャビティの外側まで延設され、前記圧電体層の両端部と前記第2のイリジウム層との間には、前記白金層とは分離された第2の白金層が存在することを特徴とする請求項3に記載の超音波センサー用の圧電デバイス。
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