JP2020092228A - 圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基板と、
電極膜と、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜と、を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電積層体およびその関連技術が提供される。
以下、本発明の一実施形態について図1〜図2を参照しながら説明する。
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。
図2に、本実施形態における圧電デバイス30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に接続される電圧検出手段11aまたは電圧印加手段11bと、を少なくとも備えて構成される。
続いて、上述の圧電積層体10の製造方法について説明する。まず、基板1のいずれかの主面上に下部電極膜2を製膜する。なお、いずれかの主面上に下部電極膜2が予め製膜された基板1を用意してもよい。続いて、下部電極膜2上に、例えばRFスパッタリング法を用いてKNN膜3を製膜する。その後、KNN膜3に対して熱処理を行う。そして、熱処理後のKNN膜3上に、例えばRFスパッタリング法を用いて上部電極膜4を製膜する。これにより、圧電積層体10が得られる。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ことで、圧電素子20が得られ、圧電素子20に電圧検出手段11aまたは電圧印加手段11bを接続することで、圧電デバイス30が得られる。下部電極膜2、KNN膜3、上部電極膜4を製膜する際の条件、KNN膜3の熱処理条件としては、下記の条件が例示される。
温度(製膜温度、例えば基板温度):常温(27℃程度)〜500℃、好ましくは150〜250℃、より好ましくは200℃程度
放電パワー:100〜500W、好ましくは200〜400W
導入ガス:Arガス
Arガス雰囲気の圧力:1〜10Pa、好ましくは3〜5Pa
製膜時間:3〜10分、好ましくは5〜6分
温度(製膜温度、例えば基板温度):100〜500℃、好ましくは200〜400℃
放電パワー:1,000〜1,500W、好ましくは1,200〜1300W
処理雰囲気:Arガス雰囲気
雰囲気圧力:0.1〜0.5Pa、好ましくは0.2〜0.4Pa
処理時間:30秒から2分、好ましくは1分程度
温度(製膜温度、例えば基板温度):500〜700℃、好ましくは600℃
放電パワー:2,000〜2,400W、好ましくは2,200W
導入ガス:Ar+O2混合ガス
Ar+O2混合ガス雰囲気の圧力:0.2〜0.5Pa、好ましくは0.25〜0.4Pa
O2ガスに対するArガスの分圧(Ar/O2分圧比):30/1〜20/1、好ましくは27/1〜23/1
製膜速度:0.5〜2μm/hr、好ましくは1〜1.5μm/hr
雰囲気:大気または酸素含有雰囲気
温度:600〜1,000℃、好ましくは650〜900℃、より好ましくは、上記範囲内の温度であってKNN膜の処理温度以上の温度
熱処理時間:KNN膜の厚さ1μmあたり0.5時間以上、好ましくは24時間以上、より好ましくは40時間以上
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。
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。
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上に製膜された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。
上述の実施形態では、基板1上に下部電極膜2、KNN膜3、および上部電極膜4を、この順に製膜して圧電積層体10を作製する場合について説明したが、これに限定されるものではない。圧電積層体10を以下のように作製してもよい。なお、本変形例では、上述の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
温度(例えば基板温度):常温(27℃程度)〜500℃、好ましくは100〜300℃
放電パワー:100〜500W、好ましくは200〜400W
雰囲気:Arガス雰囲気
Arガス雰囲気の圧力:1〜10Pa、好ましくは3〜5Pa
時間:3〜8分、好ましくは3〜6分
温度(例えば基板温度):100〜500℃、好ましくは200〜400℃
放電パワー:1,000〜1,500W、好ましくは1,200〜1,300W
雰囲気:Arガス雰囲気
Arガス雰囲気の圧力:0.1〜0.5Pa、好ましくは0.2〜0.4Pa
処理時間:30秒から3分、好ましくは1分
圧電積層体10全体の上述の光透過率を例えば50%以上に保つことができれば、基板1と下部電極膜2との間や、KNN膜3と上部電極膜4との間に、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(TiO2)、ニッケル(Ni)、ルテニウム酸化物(RuOx)、イリジウム酸化物(IrOx)等を主成分とする密着層を設けてもよい。これらの密着層の厚さは例えば1〜10nmとすることができる。
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をセンサや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。
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。
処理温度:300℃
放電パワー:1,200W
導入ガス:Arガス
Ar雰囲気の圧力:0.3Pa
製膜時間:5分
製膜温度:600℃
放電パワー:2,200W
導入ガス:Ar+O2混合ガス
Ar+O2混合ガス雰囲気の圧力:0.3Pa
O2ガスに対するArガスの分圧(Ar/O2分圧比):25/1
製膜速度:1μm/hr
熱処理雰囲気:大気
熱処理温度:650℃
熱処理時間:48時間
KNN膜の平均光透過率の評価は、以下の手順で行った。分光エリプソメータを用い、熱処理を行う前と熱処理を行った後で、圧電積層体が有する圧電膜(KNN膜)の380〜1,400nmの波長領域における光透過率を測定した。光透過率は、380〜1,400nmの波長領域において1nm毎に測定した。そして、所定の波長範囲内における光透過率の測定値の平均値(算術平均値)を算出し、この算出した値を平均光透過率とした。平均光透過率の算出結果は下記の表1に示す通りである。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
基板と、
電極膜と、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物がからなる圧電膜と、を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電積層体が提供される。
付記1の圧電積層体であって、好ましくは、
前記圧電膜の可視光の波長領域における平均光透過率が56%以上である。
付記1または2の圧電積層体であって、好ましくは、
前記圧電膜は、CuおよびMnからなる群より選択される少なくとも1つ以上の金属元素を、0.2at%以上2.0at%以下の濃度で含む。
付記1〜3のいずれかの圧電積層体であって、好ましくは、
前記基板は、少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である。
付記1〜4のいずれかの圧電積層体であって、好ましくは、
前記電極膜は、少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である。
付記1〜5のいずれかの圧電積層体であって、好ましくは、
前記圧電積層体全体の少なくとも可視光の波長領域における光透過率が50%以上、好ましくは60%以上である。
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、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜と、前記圧電膜上に製膜された上部電極膜と、を有する圧電積層体を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電素子または圧電デバイスが提供される。
付記7の圧電素子または圧電デバイスであって、好ましくは、
前記基板、前記下部電極膜、および前記上部電極膜の少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である。
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、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化からなる圧電膜と、前記圧電膜上に製膜された電極膜と、を有する圧電積層体を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電素子または圧電デバイスが提供される。
付記9の圧電素子または圧電デバイスであって、
前記基板および前記電極膜の少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である。
付記7〜9のいずれかの圧電素子または圧電デバイスであって、
前記圧電積層体全体の少なくとも可視光の波長領域における光透過率が50%以上、好ましくは60%以上である。
本発明のさらに他の態様によれば、
(a)基板上、またはいずれかの主面上に電極膜が製膜された基板上に、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜を製膜する工程を有し、
(a)では、前記圧電膜の製膜雰囲気中のH2O分圧を高めることで、前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率を65%以上とする圧電積層体の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
(a)基板上、またはいずれかの主面上に電極膜が製膜された基板上に、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜を製膜する工程と、
(b)大気または酸素含有雰囲気で、前記圧電膜に対して熱処理を行う工程と、を有し、
(a)を行った後(b)を行うことで、前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率を65%以上とする圧電積層体の製造方法が提供される。
2 電極膜(下部電極膜)
3 圧電膜
4 電極膜(上部電極膜)
10 圧電積層体
Claims (8)
- 基板と、
電極膜と、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜と、を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電積層体。 - 前記圧電膜の可視光の波長領域における平均光透過率が56%以上である請求項1に記載の圧電積層体。
- 前記基板は、少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である請求項1または2に記載の圧電積層体。
- 前記電極膜は、少なくとも可視光の波長領域における光透過率が65%以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電積層体。
- 前記圧電積層体全体の少なくとも可視光の波長領域における光透過率が50%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電積層体。
- 基板と、
電極膜と、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化からなる圧電膜と、を備え、
前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率が65%以上である圧電素子。 - (a)基板上、またはいずれかの主面上に電極膜が製膜された基板上に、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜を製膜する工程を有し、
(a)では、前記圧電膜の製膜雰囲気中のH2O分圧を高めることで、前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率を65%以上とする圧電積層体の製造方法。 - (a)基板上、またはいずれかの主面上に電極膜が製膜された基板上に、組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる圧電膜を製膜する工程と、
(b)大気または酸素含有雰囲気で、前記圧電膜に対して熱処理を行う工程と、を有し、
(a)を行った後(b)を行うことで、前記圧電膜の可視光および近赤外線の波長領域における平均光透過率を65%以上とする圧電積層体の製造方法。
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