JP2024075023A - Elements, electronic devices, electronic equipment and systems - Google Patents
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- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
【課題】環境に優しく、精度に優れた素子を提供する。【解決手段】結晶基板上に、第１の中間膜としてＨｆを含む化合物膜を積層し、ついで第２の中間膜として熱処理又は加工によりマルテンサイト変態する金属を含む金属膜を積層した後、直接に又は他の層を介して、結晶成長により、圧電体膜を積層し、ついで前記結晶基板を剥離する。そして、得られた圧電体を、略円柱状の基体に巻回し、接合箇所から順に、反射器とすだれ状電極とを設けて圧電体素子を作製する。【選択図】図１[Problem] To provide an element that is environmentally friendly and has excellent precision. [Solution] A compound film containing Hf is laminated as a first intermediate film on a crystal substrate, and then a metal film containing a metal that undergoes martensitic transformation by heat treatment or processing is laminated as a second intermediate film. After that, a piezoelectric film is laminated by crystal growth, either directly or via another layer, and then the crystal substrate is peeled off. The obtained piezoelectric body is then wound around a roughly cylindrical base, and a reflector and an interdigital transducer are provided in this order from the joint to produce a piezoelectric element. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、素子、電子デバイス、電子機器及びシステムに関する。 The present invention relates to elements, electronic devices, electronic equipment and systems.
圧電素子の一つである表面弾性波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子は、水晶基板などの圧電基板上にすだれ状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を備えている。すだれ状電極は、一対となっており、櫛型の電極が非接触で対向するように圧電基板上に形成されている。このすだれ状電極に交流電圧を印加することで、圧電基板の有する圧電効果および逆圧電効果により、すだれ状電極が形成されている圧電基板の表面および表面付近を周波数帯で振動させることができる。表面弾性波素子は、すだれ状電極の組合せや構成によって、発振器、帯域フィルタ、ジャイロなど、様々な電子機器を構成する電子回路に幅広く用いられている。 A surface acoustic wave (SAW) element, which is one type of piezoelectric element, is equipped with an interdigital transducer (IDT) on a piezoelectric substrate such as a quartz substrate. The interdigital transducer is formed in a pair on the piezoelectric substrate so that the comb-shaped electrodes face each other without contact. By applying an AC voltage to the interdigital transducer, the piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect of the piezoelectric substrate can be used to vibrate the surface or near the surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital transducer is formed in a frequency band. Depending on the combination and configuration of the interdigital transducers, surface acoustic wave elements are widely used in electronic circuits that make up various electronic devices such as oscillators, bandpass filters, and gyros.
また、近年においては、例えば、移動体通信に用いられる携帯端末装置の小型化、軽量化が進むとともに、高い通信品質を実現するために、さらに高い精度を有する表面弾性波素子が求められており、このような要求に応えるべく、球状ＳＡＷセンサ（ボールＳＡＷセンサ）等が検討されている（特許文献１）。ボールＳＡＷセンサは、ＳＡＷの自然なコリメートビームが多重周回する現象を利用して、相互作用距離を平面型センサよりも著しく増加させることができたため、高感度化に有用である。しかしながら、製造工程が煩雑になるなどコストの問題があり、高周波特性等についてもＳＡＷデバイスには課題が多くあり、まだまだ満足のいくものではなかった。さらには、環境問題等に対する省エネの要求も加わり、これら課題を解決するような新規ＳＡＷ素子が待ち望まれていた。 In recent years, for example, as mobile terminal devices used in mobile communications become smaller and lighter, there is a demand for surface acoustic wave elements with even higher accuracy to achieve high communication quality, and in order to meet such demands, spherical SAW sensors (ball SAW sensors) and the like have been considered (Patent Document 1). Ball SAW sensors are useful for increasing sensitivity because they utilize the phenomenon in which the natural collimated beam of SAW makes multiple revolutions, allowing the interaction distance to be significantly increased compared to planar sensors. However, there are cost issues such as a complicated manufacturing process, and SAW devices have many issues with regard to high-frequency characteristics, etc., and are still not satisfactory. Furthermore, with the demand for energy conservation in response to environmental issues, etc., a new SAW element that can solve these issues has been eagerly awaited.
本発明は、環境に優しく、優れた精度を有する素子、電子デバイス、電子機器及びシステムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide elements, electronic devices, electronic equipment, and systems that are environmentally friendly and have excellent precision.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、金属膜上に圧電体が同一の結晶軸方向に配向して積層されている積層構造体の創製に成功し、このような積層構造体によれば、１以上のすだれ状電極が圧電体に設けられている素子であって、前記圧電体がシート状である素子が容易に実現できることを知見し、このような素子が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて、本発明を完成させるに至った。
As a result of intensive research into achieving the above-mentioned object, the inventors have succeeded in creating a laminated structure in which piezoelectric bodies are laminated on a metal film with the piezoelectric bodies oriented in the same crystal axis direction. They have discovered that such a laminated structure can easily realize an element in which one or more interdigital electrodes are provided on a piezoelectric body, and the piezoelectric body is in sheet form, and have found that such an element can solve the above-mentioned conventional problems in one fell swoop.
After obtaining the above findings, the present inventors conducted further studies and completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］ １以上のすだれ状電極が圧電体に設けられている素子であって、前記圧電体がシート状であることを特徴とする素子。
［２］ 前記圧電体が基体に接合されている前記［１］記載の素子。
［３］ 前記基体が円柱状、略円柱状、樽状又は略樽状であり、前記圧電体が前記基体に巻回して円状又は略円状を形成し、前記円状又は略円状の円周方向又は略円周方向に表面弾性波が伝搬可能となるように前記すだれ状電極が設置されている前記［２］記載の素子。
［４］ 前記表面弾性波の伝搬経路内に反射器が設けられている前記［３］記載の素子。
［５］ 前記反射器が２以上設けられており、前記の巻回による前記圧電体同士の接合部が、前記反射器間に設けられている前記［４］記載の素子。
［６］ 前記すだれ状電極が前記表面弾性波を発生させるＳＡＷ発生手段及び前記表面弾性波を受信するＳＡＷ受信手段を備えている前記［３］～［５］のいずれかに記載の素子。
［７］ 前記圧電体が、金属膜上に成膜されてなる前記［１］～［６］のいずれかに記載の素子。
［８］ 前記圧電体と前記金属膜とがそれぞれ（１００）方向に配向している前記［７］記載の素子。
［９］ 前記金属膜が２種以上の金属層からなる前記［７］又は［８］に記載の素子。
［１０］ 前記金属膜が熱処理又は加工によりマルテンサイト変態する金属を含み、前記圧電体と前記金属膜とがそれぞれ略同一の結晶軸方向に配向している前記［７］～［９］のいずれかに記載の素子。
［１１］ 前記金属膜が、Ｆｅを含む前記［１０］記載の素子。
［１２］ 前記金属膜が、Ｃｒを含む前記［１０］又は［１１］に記載の素子。
［１３］ 前記圧電体が単結晶膜からなる前記［１］～［１２］のいずれかに記載の素子。
［１４］ 素子を含む電子デバイス、電子機器又はシステムであって、前記素子が前記［１］～［１３］のいずれかに記載の素子である電子デバイス、電子機器又はシステム。
That is, the present invention relates to the following inventions.
[1] An element comprising one or more interdigital transducers provided on a piezoelectric body, the piezoelectric body being in the form of a sheet.
[2] The element according to [1] above, wherein the piezoelectric body is bonded to a substrate.
[3] The element according to [2], wherein the base is cylindrical, approximately cylindrical, barrel-shaped or approximately barrel-shaped, the piezoelectric body is wound around the base to form a circle or approximately circle, and the interdigital electrodes are arranged so that surface acoustic waves can propagate in a circumferential direction or approximately circumferential direction of the circle or approximately circle.
[4] The element according to [3], wherein a reflector is provided in a propagation path of the surface acoustic wave.
[5] The element according to [4], wherein two or more of the reflectors are provided, and the joint between the piezoelectric bodies formed by the winding is provided between the reflectors.
[6] The element according to any one of [3] to [5], wherein the interdigital transducer comprises a SAW generating means for generating the surface acoustic wave and a SAW receiving means for receiving the surface acoustic wave.
[7] The element according to any one of [1] to [6], wherein the piezoelectric body is formed on a metal film.
[8] The element according to [7], wherein the piezoelectric body and the metal film are each oriented in a (100) direction.
[9] The element according to [7] or [8] above, wherein the metal film is made of two or more kinds of metal layers.
[10] The element according to any one of [7] to [9], wherein the metal film contains a metal that undergoes martensitic transformation by heat treatment or processing, and the piezoelectric body and the metal film are oriented in substantially the same crystal axis direction.
[11] The element according to [10], wherein the metal film contains Fe.
[12] The element according to [10] or [11], wherein the metal film contains Cr.
[13] The element according to any one of [1] to [12] above, wherein the piezoelectric body is made of a single crystal film.
[14] An electronic device, an electronic equipment, or a system including an element, the element being the element according to any one of [1] to [13] above.
本発明の素子、電子デバイス、電子機器及びシステムは、環境に優しく、優れた精度を有するという効果を奏する。 The elements, electronic devices, electronic equipment, and systems of the present invention have the advantage of being environmentally friendly and having excellent precision.
本発明の素子は、１以上のすだれ状電極がシート状の圧電体に設けられている素子であれば特に限定されない。本発明においては、前記圧電体が基体に接合されているのが好ましい。前記の接合は公知の接合手段が用いられてよく、本発明においては、金属接合手段又は貼付手段であるのが好ましい。前記金属接合手段は公知の金属接合手段であってよく、金属膜を前記圧電体に貼り付けて用いてもよいが、本発明においては、前記金属膜上に前記圧電体を成膜し、得られた積層構造体を用いるのが好ましい。なお、本発明においては、前記圧電体が金属膜上に成膜されてなるのが好ましく、前記圧電体と前記金属膜とがそれぞれ（１００）方向に配向しているのがより好ましい。また、本発明においては、前記金属膜が２種以上の金属層からなるのが好ましく、うち一種が、熱処理又は加工によりマルテンサイト変態する金属を含み、前記圧電体と前記金属膜とがそれぞれ略同一の結晶軸方向に配向しているのがより好ましい。このような好ましい範囲によれば、前記素子の精度をより優れたものとすることができる。また、前記金属膜は、Ｆｅを含むのが好ましく、さらに、Ｃｒを含むのがより好ましい。このような好ましい範囲によれば、可撓性により優れたものとなり、前記圧電体の曲げを伴う素子において、より容易に優れた精度を奏することができる。なお、前記圧電体は単結晶膜からなるのが好ましい。また、前記貼付手段は、特に限定されないが、公知の接着剤を用いる手段などが好適な例として挙げられる。 The element of the present invention is not particularly limited as long as it is an element in which one or more interdigital electrodes are provided on a sheet-shaped piezoelectric body. In the present invention, it is preferable that the piezoelectric body is bonded to a base. The bonding may be performed by a known bonding means, and in the present invention, it is preferable that the bonding means is a metal bonding means or a bonding means. The metal bonding means may be a known metal bonding means, and a metal film may be attached to the piezoelectric body, but in the present invention, it is preferable to form the piezoelectric body on the metal film and use the resulting laminated structure. In the present invention, it is preferable that the piezoelectric body is formed on a metal film, and it is more preferable that the piezoelectric body and the metal film are each oriented in the (100) direction. In the present invention, it is preferable that the metal film is made of two or more metal layers, one of which contains a metal that undergoes martensitic transformation by heat treatment or processing, and it is more preferable that the piezoelectric body and the metal film are each oriented in approximately the same crystal axis direction. According to such a preferable range, the precision of the element can be improved. In addition, it is preferable that the metal film contains Fe, and it is more preferable that it contains Cr. Within this preferred range, the piezoelectric element has better flexibility, and can more easily achieve excellent precision in an element involving bending of the piezoelectric element. The piezoelectric element is preferably made of a single crystal film. The attachment means is not particularly limited, but a suitable example is one that uses a known adhesive.
また、本発明においては、前記基体が円柱状、略円柱状、樽状又は略樽状であり、前記圧電体が前記基体に巻回して円状又は略円状を形成し、前記円状又は略円状の円周方向又は略円周方向に表面弾性波が伝搬可能となるように前記すだれ状電極が設置されているのが好ましい。このような好ましい範囲によれば、例えばボールＳＡＷ等にしなくても、前記素子のＳＡＷデバイスとしての精度をより向上させることができる。また、本発明においては、前記表面弾性波の伝搬経路内に反射器が設けられているのが好ましく、前記反射器が２以上設けられており、前記の巻回による前記圧電体同士の接合部が、前記反射器間に設けられているのがより好ましい。このような好ましい範囲によれば、前記素子の製造工程を大幅に簡易なものとすることができ、また、汎用性もより向上させることができる。また、本発明においては、前記すだれ状電極が前記表面弾性波を発生させるＳＡＷ発生手段及び前記表面弾性波を受信するＳＡＷ受信手段を備えているのが好ましい。このような好ましい範囲によれば、どのような形状の基体であっても、前記素子の精度をより容易に優れたものにすることができる。 In the present invention, it is preferable that the base is cylindrical, approximately cylindrical, barrel-shaped or approximately barrel-shaped, the piezoelectric body is wound around the base to form a circle or approximately circle, and the interdigital transducer is disposed so that the surface acoustic wave can propagate in the circumferential direction or approximately circumferential direction of the circle or approximately circle. According to such a preferable range, the precision of the element as a SAW device can be improved even without using a ball SAW or the like. In the present invention, it is preferable that a reflector is provided in the propagation path of the surface acoustic wave, and more preferably, two or more reflectors are provided, and the joint between the piezoelectric bodies by the winding is provided between the reflectors. According to such a preferable range, the manufacturing process of the element can be significantly simplified, and the versatility can be improved. According to the present invention, it is preferable that the interdigital transducer is provided with a SAW generating means for generating the surface acoustic wave and a SAW receiving means for receiving the surface acoustic wave. According to such a preferable range, the precision of the element can be improved more easily regardless of the shape of the base.
前記素子は、円状又は略円状の圧電体を含み、円周方向又は略円周方向に表面弾性波が伝搬可能となるように１以上のすだれ状電極が前記圧電体に設けられている素子であるのが好ましいが、本発明においては、前記表面弾性波の伝搬経路内となる前記圧電体に反射器が設けられているのがより好ましい。 The element preferably includes a circular or nearly circular piezoelectric body, and one or more interdigital transducers are provided on the piezoelectric body so that surface acoustic waves can propagate in the circumferential or nearly circumferential direction. In the present invention, however, it is more preferable that a reflector is provided on the piezoelectric body that is within the propagation path of the surface acoustic waves.
前記反射器は、前記表面弾性波（以下、「ＳＡＷ」ともいう。）の伝搬経路内となる前記圧電体に設けられていれば特に限定されず、公知の反射器であってよいが、本発明においては、例えば図１に示すように、ＳＡＷの伝搬方向において、すだれ状電極（以下「ＩＤＴ電極」ともいう。）と隣り合うように位置しているのが好ましい。前記反射器は、例えば、格子状に形成されている電極等であってよく、本発明においては、図２に示すように、互いに対向する１対の反射バスバー１１と、前記１対の反射バスバー１１間において延びる複数の反射電極指１３とを有しているのが好ましい。 The reflector is not particularly limited as long as it is provided on the piezoelectric body within the propagation path of the surface acoustic wave (hereinafter also referred to as "SAW"), and may be a known reflector, but in the present invention, it is preferable that the reflector is located adjacent to an interdigital transducer (hereinafter also referred to as "IDT electrode") in the propagation direction of the SAW, for example, as shown in FIG. 1. The reflector may be, for example, an electrode formed in a lattice shape, and in the present invention, it is preferable that the reflector has a pair of mutually opposing reflection bus bars 11 and a plurality of reflection electrode fingers 13 extending between the pair of reflection bus bars 11, as shown in FIG. 2.
図２の反射バスバー１１及び反射電極指１３の形状および寸法は、各反射電極指１３の両端が１対の反射バスバー１１に接続されていることを除いては、基本的に、ＩＤＴ電極のバスバー及び電極指と同様であってよい。例えば、各反射電極指１３は、一定の幅でＳＡＷの伝搬方向に直交する方向（Ｄ２方向）に直線状に延びる長尺形状を有しており、互いに同等の長さであり、これら複数の反射電極指１３は、例えば、ＳＡＷの伝搬方向にそれぞれ並べて配列されている。複数の反射電極指１３の本数は、通常、利用を意図しているモードのＳＡＷの反射率が概ね１００％以上となるように設定されている。その理論的な必要最小限の本数は、例えば、数本～１０本程度が好適な例として挙げられ、反射電極指１３の本数は、好ましくは２０本以上である。 The shape and dimensions of the reflective busbar 11 and the reflective electrode fingers 13 in FIG. 2 may be basically the same as those of the busbar and electrode fingers of the IDT electrode, except that both ends of each reflective electrode finger 13 are connected to a pair of reflective busbars 11. For example, each reflective electrode finger 13 has an elongated shape that extends linearly in a direction (direction D2) perpendicular to the propagation direction of the SAW with a constant width, and has the same length as each other, and these multiple reflective electrode fingers 13 are arranged, for example, side by side in the propagation direction of the SAW. The number of multiple reflective electrode fingers 13 is usually set so that the reflectivity of the SAW in the mode intended to be used is approximately 100% or more. A theoretically necessary minimum number is, for example, several to about 10, and the number of reflective electrode fingers 13 is preferably 20 or more.
前記反射器は、通常、ＩＤＴ電極とは電気的に非接続であり、電気的に浮遊状態（外部から電位が付与されない状態）であってもよいし、基準電位等が付与されてもよい。本発明においては、前記反射器が、ＩＤＴ電極のうちの一方の電極部と電気的に接続されていてもよいが、電気的に浮遊状態（外部から電位が付与されない状態）であるのが好ましい。 The reflector is usually not electrically connected to the IDT electrode, and may be in an electrically floating state (a state in which no potential is applied from the outside), or may be applied with a reference potential or the like. In the present invention, the reflector may be electrically connected to one electrode portion of the IDT electrode, but is preferably in an electrically floating state (a state in which no potential is applied from the outside).
また、本発明においては、前記素子が、前記すだれ状電極が前記表面弾性波を発生させるＳＡＷ発生手段及び前記表面弾性波を受信するＳＡＷ受信手段を備えているのが好ましい。また、本発明においては、例えば図３に示すように、前記すだれ状電極が前記反射器２つ及び前記圧電体の継ぎ目を挟んで合計で２以上設けられているのがより好ましく、このように構成することで、さらに一段と、前記信号を用いた補正による精度を向上させることができ、より高感度のセンサをより容易に実現することができる。 In the present invention, it is also preferable that the element includes a SAW generating means for generating the surface acoustic waves and a SAW receiving means for receiving the surface acoustic waves, in which the interdigital transducer is arranged. In the present invention, it is also more preferable that a total of two or more interdigital transducers are arranged between the two reflectors and the joint of the piezoelectric body, as shown in FIG. 3, for example. With this configuration, it is possible to further improve the accuracy of correction using the signal, and it is easier to realize a sensor with higher sensitivity.
ここで、図３のＳＡＷ受信手段１９を用いた補正の態様の好適な一例を示す。図４に示すように、すだれ状電極１３に電圧が印加されると、すだれ状電極の電極指によって圧電体１２に電圧が印加され圧電体１２に沿ってＤ１方向及びＤ２方向に伝搬する所定のモードのＳＡＷが励起される。励起されたＳＡＷは、すだれ状電極１３の電極指及び反射器２０によって機械的に反射され、電極指のピッチを半波長とする定在波が形成される。定在波は、当該定在波と同一周波数の電気信号に変換され、すだれ状電極の電極指によって取り出される。ここで、回転角速度が加わったＳＡＷの伝搬するＤ１方向の波とＤ２方向の波とに位相差が生じるので、例えば、位相差を表す下記式（１）を利用した補正等が可能となる。
前記素子は、前記積層構造体を用いて容易に作製することが可能である。なお、本発明においては、前記積層構造体が結晶基板を含む場合には、かかる結晶基板を剥離してから用いるのが好ましい。なお、前記積層構造体は、第１の層上に少なくとも第２の層が積層されており、可撓性を有する積層構造体であって、前記第１の層が金属膜からなり、前記第２の層が前記圧電体からなる圧電体膜（以下、「圧電体層」ともいう）からなるのが好ましい。このような積層構造体によれば、高周波等においてより優れた圧電特性を発揮し得る。 The element can be easily manufactured using the laminated structure. In the present invention, when the laminated structure includes a crystal substrate, it is preferable to peel off the crystal substrate before use. The laminated structure is a flexible laminated structure in which at least a second layer is laminated on a first layer, and the first layer is preferably made of a metal film, and the second layer is preferably made of a piezoelectric film (hereinafter also referred to as a "piezoelectric layer") made of the piezoelectric material. Such a laminated structure can exhibit superior piezoelectric characteristics at high frequencies, etc.
本発明においては、前記圧電体膜と前記金属膜とがそれぞれ（１００）方向に配向しているのが好ましい。また、本発明においては、前記圧電体膜が単結晶膜であるのがより優れた圧電特性及び耐久性等を有するので好ましい。なお、本発明においては、前記圧電体膜が、ＰＴＯ膜又はＰＺＴ膜であるのが好ましい。また、本発明においては、前記金属がＦｅを含むのが好ましく、Ｃｒをさらに含むのがより好ましい。このような好ましい範囲によれば、より良好な結晶成長を実現することができ、より高品質の結晶膜を得ることができる。また、本発明においては、前記金属膜と前記圧電体膜との間に導電性酸化膜が、導電性窒化膜上に前記金属膜が積層されているのがそれぞれ好ましい。なお、前記導電性酸化膜が積層される場合には、前記導電性酸化膜が、Ｓｒ及び／又はＲｕを含むのが好ましく、前記導電性窒化膜が積層される場合には、前記導電性窒化膜が、Ｈｆを含むのが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the piezoelectric film and the metal film are each oriented in the (100) direction. In addition, in the present invention, it is preferable that the piezoelectric film is a single crystal film because it has better piezoelectric properties and durability. In addition, in the present invention, it is preferable that the piezoelectric film is a PTO film or a PZT film. In addition, in the present invention, it is preferable that the metal contains Fe, and more preferably further contains Cr. According to such a preferable range, better crystal growth can be realized and a higher quality crystal film can be obtained. In addition, in the present invention, it is preferable that a conductive oxide film is between the metal film and the piezoelectric film, and that the metal film is laminated on the conductive nitride film. In addition, when the conductive oxide film is laminated, it is preferable that the conductive oxide film contains Sr and/or Ru, and when the conductive nitride film is laminated, it is preferable that the conductive nitride film contains Hf.
前記金属膜は、金属を主成分として含む膜であれば特に限定されない。なお、「主成分」とは、前記金属膜中の前記金属の原子比が０．５以上の割合であればそれでよい。本発明においては、前記金属膜中の全ての金属元素に対する前記金属の原子比が０．７以上であることが好ましく、０．８以上であるのがより好ましい。前記金属は、熱処理又は加工によりマルテンサイト変態する金属であるのが好ましいが、特に限定されず、公知の金属であってよい。前記のマルテンサイト変態する金属としては、例えば、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ、Ｆｅ、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｃｕ－Ｎｂ、Ｆｅ－Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｃｒ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｎｉ、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃｒ、Ｆｅ－Ｃ、Ｆｅ－Ｎ、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃ、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ、Ｆｅ－Ｃｕ－Ｃ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃ、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｃ、Ｃｏ、Ｃｏ－Ｎｉ、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｍｎ－Ｃｕ、Ｉｎ－Ｔｌ、Ｉｎ－Ｔｌ－Ｌｉ、Ｎａ、Ｚｒ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔｉ－Ａｌ、Ｔｉ－Ｃｕ、Ｔｉ－Ｃｒ、Ｔｉ－Ｆｅ、Ｔｉ－Ｍｎ、Ｔｉ－Ｍｏ、Ｔｉ－Ｖ、Ｔｉ－Ｚｒ、Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ、Ｚｒ－Ｕ、Ｃｕ－Ａｌ－Ｎｉ、Ｃｕ－Ａｌ、Ａｇ－Ｃｄ、Ａｕ－Ｃｄ、Ａｕ－Ｃｄ－Ｃｕ、Ｌｉ、Ｌｉ－Ｍｇ、Ｃｕ－Ｚｎ、Ｕ、Ｕ－Ｃｒ、Ｈｇなどが挙げられる。本発明においては、前記金属が、Ｆｅ、Ｃｒ又はＮｉを含むのが好ましく、Ｆｅ及びＣｒを含むのがより好ましく、ステンレスであるのが最も好ましい。このような好ましい範囲によれば、曲げ強度をより優れたものとすることができる。 The metal film is not particularly limited as long as it contains a metal as the main component. The "main component" may be any metal whose atomic ratio in the metal film is 0.5 or more. In the present invention, the atomic ratio of the metal to all metal elements in the metal film is preferably 0.7 or more, and more preferably 0.8 or more. The metal is preferably a metal that undergoes martensitic transformation by heat treatment or processing, but is not particularly limited and may be a known metal. Examples of the metals that undergo martensitic transformation include Fe-Cr-Ni, Fe, Fe-Cr-Ni-Cu-Nb, Fe-Ni, Fe-Ni-Co, Fe-Si, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-Mn-C, Fe-Mn-Ni, Fe-Mn-Cr, Fe-C, Fe-N, Fe-Ni-C, Fe-Cr-C, Fe-Cu-C, Fe-Si-C, Fe-Cr-Ni-C, Co, and Co-Ni. , Co-Fe, Mn-Cu, In-Tl, In-Tl-Li, Na, Zr, Tl, Hf, Ti, Ti-Al, Ti-Cu, Ti-Cr, Ti-Fe, Ti-Mn, Ti-Mo, Ti-V, Ti-Zr, Ti-Al-V, Zr-U, Cu-Al-Ni, Cu-Al, Ag-Cd, Au-Cd, Au-Cd-Cu, Li, Li-Mg, Cu-Zn, U, U-Cr, Hg, etc. In the present invention, the metal preferably contains Fe, Cr or Ni, more preferably contains Fe and Cr, and most preferably is stainless steel. According to such a preferred range, the bending strength can be improved.
前記の「（１００）方向に配向」とは、Ｘ線回折法により検出される結晶方位角が（１００）方向に配向していればそれでよく、より具体的には、Ｘ線回折法により検出される前記金属膜の全ピークに対し、（１００）方向のピーク比が５０％以上であればそれでよく、好ましくは前記ピーク比が９０％以上である。 The above-mentioned "oriented in the (100) direction" means that the crystal orientation angle detected by X-ray diffraction is oriented in the (100) direction, and more specifically, the peak ratio in the (100) direction of the total peaks of the metal film detected by X-ray diffraction is 50% or more, and preferably the peak ratio is 90% or more.
本発明においては、前記金属膜の膜厚が１００μｍ以下であるのが好ましく、膜厚１μｍ～１０μｍであるのがより好ましい。このような好ましい範囲によれば、機能膜の結晶成長用中間膜として、より優れたものとなる。 In the present invention, the thickness of the metal film is preferably 100 μm or less, and more preferably 1 μm to 10 μm. This preferred range makes it a superior intermediate film for crystal growth of the functional film.
前記積層構造体は、例えば、結晶基板上に、第１の中間膜としてＨｆを含む化合物膜を積層し、ついで第２の中間膜として熱処理又は加工によりマルテンサイト変態する金属を含む金属膜を積層した後、直接に又は他の層を介して、結晶成長により、圧電体膜（以下、「圧電体層」ともいう）を積層し、ついで前記結晶基板を剥離することにより、容易に得ることが可能である。前記結晶成長における結晶成長手段としては、例えば、ＰＬＤ法又はＣＶＤ法等の公知の結晶成長手段が挙げられる。なお、前記剥離手段は、前記結晶基板を前記圧電体膜から剥離できればそれでよく、公知の剥離手段を用いてよい。前記剥離手段は、前記結晶基板の除去手段であってよく、本発明の目的を阻害しない限り、ドライエッチング及びウエットエッチング等の公知の除去手段も前記剥離に用いることができる。なお、本発明では、前記結晶基板の剥離を、ウエットエッチングにて行うのが好ましい。前記ウエットエッチング手段には、例えば強アルカリ等の公知のエッチング剤が好適に用いられ得る。 The laminated structure can be easily obtained by, for example, laminating a compound film containing Hf as a first intermediate film on a crystal substrate, laminating a metal film containing a metal that undergoes martensitic transformation by heat treatment or processing as a second intermediate film, laminating a piezoelectric film (hereinafter also referred to as a "piezoelectric layer") by crystal growth directly or via another layer, and then peeling off the crystal substrate. Examples of the crystal growth means in the crystal growth include known crystal growth means such as a PLD method or a CVD method. The peeling means may be any known peeling means that can peel off the crystal substrate from the piezoelectric film. The peeling means may be a means for removing the crystal substrate, and known removal means such as dry etching and wet etching may also be used for the peeling as long as they do not impede the object of the present invention. In the present invention, it is preferable to peel off the crystal substrate by wet etching. For the wet etching means, known etching agents such as strong alkalis may be suitably used.
前記結晶基板（以下、単に「基板」ともいう）は、基板材料等、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の結晶基板であってよい。有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。本発明においては、前記結晶基板が無機化合物を含んでいるのが好ましい。本発明においては、前記基板が、表面の一部または全部に結晶を有するものであるのが好ましく、結晶成長側の主面の全部または一部に結晶を有している結晶基板であるのがより好ましく、結晶成長側の主面の全部に結晶を有している結晶基板であるのが最も好ましい。前記結晶は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、結晶構造等も特に限定されないが、立方晶系、正方晶系、三方晶系、六方晶系、斜方晶系又は単斜晶系の結晶であるのが好ましく、（１００）又は（２００）に配向している結晶であるのがより好ましい。また、前記結晶基板は、オフ角を有していてもよく、前記オフ角としては、例えば、０．２°～１２．０°のオフ角などが挙げられる。ここで、「オフ角」とは、基板表面と結晶成長面とのなす角度をいう。前記基板形状は、板状であって、前記エピタキシャル膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいが、本発明においては、前記基板が、Ｓｉ基板であるのが好ましく、結晶性Ｓｉ基板であるのがより好ましく、（１００）に配向している結晶性Ｓｉ基板であるのが最も好ましい。なお、前記基板材料としては、例えば、Ｓｉ基板の他に周期律表第３族～第１５族に属する１種若しくは２種以上の金属又はこれらの金属の酸化物等が挙げられる。前記基板の形状は、特に限定されず、略円形状（例えば、円形、楕円形など）であってもよいし、多角形状（例えば、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形など）であってもよく、様々な形状を好適に用いることができる。また、本発明においては、大面積の基板を用いることもでき、このような大面積の基板を用いることによって、エピタキシャル膜の面積を大きくすることができる。 The crystal substrate (hereinafter, simply referred to as "substrate") is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, such as the substrate material, and may be a known crystal substrate. It may be an organic compound or an inorganic compound. In the present invention, it is preferable that the crystal substrate contains an inorganic compound. In the present invention, it is preferable that the substrate has crystals on a part or all of its surface, more preferably a crystal substrate having crystals on all or a part of the main surface on the crystal growth side, and most preferably a crystal substrate having crystals on the entire main surface on the crystal growth side. The crystal is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and the crystal structure is not particularly limited, but it is preferable that it is a crystal of a cubic crystal system, a tetragonal crystal system, a trigonal crystal system, a hexagonal crystal system, an orthorhombic crystal system, or a monoclinic crystal system, and more preferably a crystal oriented in (100) or (200). In addition, the crystal substrate may have an off angle, and examples of the off angle include an off angle of 0.2° to 12.0°. Here, the "off angle" refers to the angle between the substrate surface and the crystal growth surface. The shape of the substrate is not particularly limited as long as it is plate-like and serves as a support for the epitaxial film. It may be an insulating substrate or a semiconductor substrate, but in the present invention, the substrate is preferably a Si substrate, more preferably a crystalline Si substrate, and most preferably a crystalline Si substrate oriented in (100). In addition to a Si substrate, examples of the substrate material include one or more metals belonging to Groups 3 to 15 of the periodic table or oxides of these metals. The shape of the substrate is not particularly limited, and may be an approximately circular shape (e.g., a circular shape, an elliptical shape, etc.) or a polygonal shape (e.g., a triangular shape, a square shape, a rectangular shape, a pentagonal shape, a hexagonal shape, a heptagonal shape, an octagonal shape, a nonagonal shape, etc.), and various shapes can be suitably used. In addition, in the present invention, a large-area substrate can be used, and the area of the epitaxial film can be increased by using such a large-area substrate.
また、本発明においては、前記結晶基板が平坦面を有するのが好ましいが、前記結晶基板が表面の一部または全部に凹凸形状を有しているのも、前記エピタキシャル膜の結晶成長の品質をより良好なものとし得るので、好ましい。前記の凹凸形状を有する結晶基板は、表面の一部または全部に凹部または凸部からなる凹凸部が形成されていればそれでよく、前記凹凸部は、凸部または凹部からなるものであれば特に限定されず、凸部からなる凹凸部であってもよいし、凹部からなる凹凸部であってもよいし、凸部および凹部からなる凹凸部であってもよい。また、前記凹凸部は、規則的な凸部または凹部から形成されていてもよいし、不規則な凸部または凹部から形成されていてもよい。本発明においては、前記凹凸部が周期的に形成されているのが好ましく、周期的かつ規則的にパターン化されているのがより好ましい。前記凹凸部の形状としては、特に限定されず、例えば、ストライプ状、ドット状、メッシュ状またはランダム状などが挙げられるが、本発明においては、ドット状またはストライプ状が好ましく、ドット状がより好ましい。また、凹凸部が周期的かつ規則的にパターン化されている場合には、前記凹凸部のパターン形状が、三角形、四角形（例えば正方形、長方形若しくは台形等）、五角形若しくは六角形等の多角形状、円状、楕円状などの形状であるのが好ましい。なお、ドット状に凹凸部を形成する場合には、ドットの格子形状を、例えば正方格子、斜方格子、三角格子、六角格子などの格子形状にするのが好ましく、三角格子の格子形状にするのがより好ましい。前記凹凸部の凹部または凸部の断面形状としては、特に限定されないが、例えば、コの字型、Ｕ字型、逆Ｕ字型、波型、または三角形、四角形（例えば正方形、長方形若しくは台形等）、五角形若しくは六角形等の多角形等が挙げられる。なお、前記結晶基板の厚さは、特に限定されないが、好ましくは、５０～２０００μｍであり、より好ましくは１００～１０００μｍである。 In addition, in the present invention, it is preferable that the crystal substrate has a flat surface, but it is also preferable that the crystal substrate has an uneven shape on a part or all of the surface, since this can improve the quality of the crystal growth of the epitaxial film. The crystal substrate having the uneven shape may have an uneven portion consisting of a concave or convex portion formed on a part or all of the surface, and the uneven portion is not particularly limited as long as it is composed of a convex portion or a concave portion, and may be an uneven portion consisting of a convex portion, an uneven portion consisting of a concave portion, or an uneven portion consisting of a convex portion and a concave portion. In addition, the uneven portion may be formed from regular convex portions or concave portions, or may be formed from irregular convex portions or concave portions. In the present invention, it is preferable that the uneven portion is formed periodically, and it is more preferable that it is patterned periodically and regularly. The shape of the uneven portion is not particularly limited, and examples thereof include a stripe shape, a dot shape, a mesh shape, and a random shape, but in the present invention, a dot shape or a stripe shape is preferable, and a dot shape is more preferable. In addition, when the unevenness is patterned periodically and regularly, the pattern shape of the unevenness is preferably a triangle, a quadrangle (for example, a square, a rectangle, or a trapezoid), a polygon such as a pentagon or a hexagon, a circle, an ellipse, or the like. In addition, when the unevenness is formed in a dot shape, the lattice shape of the dots is preferably a lattice shape such as a square lattice, an oblique lattice, a triangular lattice, or a hexagonal lattice, and more preferably a triangular lattice shape. The cross-sectional shape of the concave or convex part of the unevenness is not particularly limited, but examples thereof include a U-shape, an inverted U-shape, a wave shape, or a polygon such as a triangle, a quadrangle (for example, a square, a rectangle, or a trapezoid), a pentagon, or a hexagon. In addition, the thickness of the crystal substrate is not particularly limited, but is preferably 50 to 2000 μm, and more preferably 100 to 1000 μm.
前記圧電体層は、前記圧電体からなる圧電体層であれば特に限定されない。前記圧電体も公知の圧電体であってよいが、本発明においては、前記圧電体が、Ｐｂ及びＴｉを含むのが好ましい。なお、本明細書中、「膜」及び「層」の各用語は、それぞれ場合によって、又は状況に応じて、互いに入れ替えてもよい。 The piezoelectric layer is not particularly limited as long as it is a piezoelectric layer made of the piezoelectric material. The piezoelectric material may be a known piezoelectric material, but in the present invention, it is preferable that the piezoelectric material contains Pb and Ti. In this specification, the terms "film" and "layer" may be interchangeable depending on the case or situation.
また、本発明においては、結晶基板上に、第１の中間膜を積層し、ついで第２の中間膜を積層した後、そのままで又は他の層を介して、前記圧電体層が積層するのが好ましい。前記他の層としては、例えば、金属膜、導電性酸化膜又は導電性窒化膜などが挙げられる。前記導電性酸化膜は、Ｓｒ及び／又はＲｕを含む導電性酸化膜などが挙げられる。また、前記導電性窒化膜は、Ｈｆを含む導電性窒化膜などが挙げられる。前記他の層における金属膜としては、前記金属とは異なる金属からなるのが好ましく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、銀パラジウム、銅、ニッケル、又はこれらの合金等が挙げられる。
前記の積層手段は、いずれも公知の成膜手段を用いて積層することができる。本発明においては、前記成膜手段が、蒸着（ＭＢＥ含む）又はスパッタであるのが好ましい。各層のそれぞれの厚さは、特に限定されないが、好ましくは、１０ｎｍ～１００μｍであり、より好ましくは５０ｎｍ～３０μｍである。
In the present invention, it is preferable that a first intermediate film is laminated on a crystal substrate, and then a second intermediate film is laminated, and then the piezoelectric layer is laminated directly or via another layer. Examples of the other layer include a metal film, a conductive oxide film, or a conductive nitride film. Examples of the conductive oxide film include a conductive oxide film containing Sr and/or Ru. Examples of the conductive nitride film include a conductive nitride film containing Hf. The metal film in the other layer is preferably made of a metal different from the metal, and examples of the metal include gold, silver, platinum, palladium, silver-palladium, copper, nickel, and alloys thereof.
The above-mentioned lamination means can be any known film-forming means. In the present invention, the film-forming means is preferably deposition (including MBE) or sputtering. The thickness of each layer is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 100 μm, and more preferably 50 nm to 30 μm.
以上のようにして得られた積層構造体は、適宜ウエットエッチング等で前記結晶基板から剥離され、圧電体として、公知の手段を用いて、圧電素子等の前記素子に好適に用いられる。例えば、得られた圧電体を、略円柱状の基体に巻回し、接合箇所から順に、反射器とすだれ状電極とを設けることで、高性能な新規圧電体素子を容易に作製することができる。また、前記素子は、常法に従い、電子デバイスに好適に用いられる。例えば、前記積層構造体を、圧電素子として、電源や電気／電子回路と接続し、回路基板に搭載したり、パッケージしたりすることにより様々な電子デバイスを構成することができる。本発明においては、前記電子デバイスが、圧電デバイスであるのが好ましく、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロアクチュエータ、ジャイロスコープ、モーションセンサ等の電子機器における圧電デバイスとして利用可能である。また、例えば、増幅器と整流回路を接続しパッケージすれば、磁気センサなどの各種センサに利用可能である。また、定電圧駆動のメモリにも適用できるし、例えば、蓄電素子と整流電力管理回路を接続すれば、外部からの磁場や振動から電力を発電するエネルギー変換デバイス（エネルギーハーベスタ）となる。なお、前記エネルギー変換デバイスは、電源システムやウェアラブル端末（イヤホン／ヒアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートグラス（眼鏡）、スマートコンタクトレンズ、人工内耳、心臓ペースメーカーなど）などに組み込まれ利用される。本発明においては、前記積層構造体を、例えばスマートグラス、ＡＲヘッドセット、ＬｉＤＡＲシステム向けのＭＥＭＳミラー、先端医療向けの圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、商工業用３Ｄプリンタ向けのピエゾヘッド等に用いることが好ましい。 The laminated structure obtained as described above is peeled off from the crystal substrate by appropriate wet etching or the like, and is suitably used as a piezoelectric body in the element such as a piezoelectric element by using known means. For example, a new high-performance piezoelectric element can be easily produced by winding the obtained piezoelectric body around a substantially cylindrical substrate and providing a reflector and an interdigital electrode in order from the joint. The element is also suitably used in electronic devices according to conventional methods. For example, various electronic devices can be constructed by connecting the laminated structure as a piezoelectric element to a power source or an electric/electronic circuit, mounting it on a circuit board, or packaging it. In the present invention, the electronic device is preferably a piezoelectric device, and can be used as a piezoelectric device in electronic devices such as inkjet printer heads, microactuators, gyroscopes, and motion sensors. For example, if an amplifier and a rectifier circuit are connected and packaged, it can be used in various sensors such as magnetic sensors. It can also be applied to constant-voltage driven memories, and for example, if a storage element and a rectifier power management circuit are connected, it becomes an energy conversion device (energy harvester) that generates power from external magnetic fields and vibrations. The energy conversion device is incorporated into power supply systems and wearable devices (earphones/hearable devices, smart watches, smart glasses, smart contact lenses, cochlear implants, cardiac pacemakers, etc.). In the present invention, the laminated structure is preferably used in, for example, smart glasses, AR headsets, MEMS mirrors for LiDAR systems, piezoelectric MEMS ultrasonic transducers (PMUTs) for advanced medical treatments, and piezo heads for commercial and industrial 3D printers.
前記電子デバイスは、常法に従い電子機器に好適に用いられる。前記電子機器としては、上記した電子機器以外にも様々な電子機器に適用可能であり、より具体的に例えば、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動波モータ、光学機器、振動装置、撮像装置、圧電音響部品や該圧電音響部品を有する音声再生機器、音声録音機器、携帯電話、各種情報端末等が好適な例として挙げられる。 The electronic device is suitable for use in electronic devices in the usual manner. The electronic devices can be applied to various electronic devices other than those mentioned above, and more specific examples of suitable electronic devices include liquid ejection heads, liquid ejection devices, vibration wave motors, optical devices, vibration devices, imaging devices, piezoelectric acoustic components, audio playback devices having the piezoelectric acoustic components, audio recording devices, mobile phones, various information terminals, etc.
また、前記電子機器は、常法に従いシステムにも適用され、かかるシステムとしては、例えばセンサーシステム等が挙げられる。 The electronic devices are also commonly used in systems, such as sensor systems.
以下、本発明の好適な態様を、図面を用いて説明するが、本発明はこれら好適な態様に限定されるものではない。 The following describes preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these preferred embodiments.
図１は、本発明の好適な素子の一例を示す。図１の素子は、圧電体１２が、円柱状の基体側面に巻回されており、側面の圧電体１２上には、すだれ状電極１０及び反射器２０が形成されている。なお、すだれ状電極１０及び反射器２０の形成は、それぞれ公知の手段を用いて行われてよい。すだれ状電極１０に電圧が印加されると、圧電体１２の圧電効果により、すだれ状電極１０の隣り合う電極指間の圧電体上にひずみが生じ表面波が励振される。すだれ状電極は、電極指が周期的に配置されており、表面波はその波長と電極指周期が等しい場合に最も強く励振される。表面に形成された電極間隔で周波数が決まるため、フォトリソ加工等することにより、容易に高周波に対応することができる。 Figure 1 shows an example of a suitable element of the present invention. In the element of Figure 1, a piezoelectric body 12 is wound around the side of a cylindrical substrate, and an interdigital transducer 10 and a reflector 20 are formed on the piezoelectric body 12 on the side. The interdigital transducer 10 and the reflector 20 may be formed by known means. When a voltage is applied to the interdigital transducer 10, the piezoelectric effect of the piezoelectric body 12 causes distortion on the piezoelectric body between adjacent electrode fingers of the interdigital transducer 10, exciting a surface wave. The interdigital transducer has electrode fingers arranged periodically, and the surface wave is excited most strongly when the wavelength is equal to the electrode finger period. Since the frequency is determined by the electrode spacing formed on the surface, high frequencies can be easily accommodated by photolithography or the like.
前記素子は、常法に従い、電子デバイスに好適に用いられる。例えば、前記素子を、圧電素子として、電源や電気／電子回路と接続し、回路基板に搭載したり、パッケージしたりすることにより様々な電子デバイスを構成することができる。本発明においては、前記電子デバイスが、圧電デバイスであるのが好ましく、例えば、ジャイロスコープ、モーションセンサ等の電子機器における圧電デバイスとして利用可能である。また、例えば、増幅器と整流回路を接続しパッケージすれば、磁気センサなどの各種センサに利用可能である。 The element is suitable for use in electronic devices in the usual manner. For example, the element can be connected as a piezoelectric element to a power source or an electric/electronic circuit, and mounted on a circuit board or packaged to form various electronic devices. In the present invention, the electronic device is preferably a piezoelectric device, and can be used as a piezoelectric device in electronic devices such as gyroscopes and motion sensors. In addition, for example, if an amplifier and a rectifier circuit are connected and packaged, the device can be used in various sensors such as magnetic sensors.
前記電子デバイスは、常法に従い電子機器に好適に用いられる。前記電子機器としては、上記した電子機器以外にも様々な電子機器に適用可能であり、より具体的に例えば、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動波モータ、光学機器、振動装置、撮像装置、圧電音響部品や該圧電音響部品を有する音声再生機器、音声録音機器、携帯電話、各種情報端末等が好適な例として挙げられる。 The electronic device is suitable for use in electronic devices in the usual manner. The electronic devices can be applied to various electronic devices other than those mentioned above, and more specific examples of suitable electronic devices include liquid ejection heads, liquid ejection devices, vibration wave motors, optical devices, vibration devices, imaging devices, piezoelectric acoustic components, audio playback devices having the piezoelectric acoustic components, audio recording devices, mobile phones, various information terminals, etc.
また、前記電子機器は、常法に従いシステムにも適用され、かかるシステムとしては、例えばセンサーシステム等が挙げられる。 The electronic devices are also commonly used in systems, such as sensor systems.
（実施例１）
Ｓｉ基板（１００）の結晶成長面側をＲＩＥで処理し、窒素の存在下、蒸着法にて、蒸着源の金属と、窒素とを熱反応させ、ＨｆＺｒＮ単結晶をＳｉ基板上に形成した。なお、この成膜時の蒸着法の各条件は次の通りであった。
蒸着源 ： Ｈｆ、Ｚｒ
電圧 ： ３．５～４．７５Ｖ
圧力 ： ３×１０－２～６×１０－２Ｐａ
基板温度 ： ４５０～７００℃
Example 1
The crystal growth surface of the Si substrate (100) was treated by RIE, and the metal of the deposition source was thermally reacted with nitrogen by deposition in the presence of nitrogen to form a HfZrN single crystal on the Si substrate. The deposition conditions for this film formation were as follows:
Evaporation source: Hf, Zr
Voltage: 3.5 to 4.75 V
Pressure: 3× 10-2 to 6× 10-2 Pa
Substrate temperature: 450 to 700°C
ＨｆＺｒＮ単結晶の蒸着において用いた蒸着成膜装置を図８に示す。図８の成膜装置は、ルツボに金属源１１０１ａ～１１０１ｂ、アース１１０２ａ～１１０２ｈ、ＩＣＰ電極１１０３ａ～１１０３ｂ、カットフィルター１１０４ａ～１１０４ｂ、ＤＣ電源１１０５ａ～１１０５ｂ、ＲＦ電源１１０６ａ～１１０６ｂ、ランプ１１０７ａ～１１０７ｂ、Ａｒ源１１０８、反応性ガス源１１０９、電源１１１０、基板ホルダー１１１１、基板１１１２、カットフィルター１１１３、ＩＣＰリング１１１４、真空槽１１１５及び回転軸１１１６を少なくとも備えている。なお、図８のＩＣＰ電極１１０３ａ～１１０３ｂは基板１１１２の中心側に湾曲した略凹曲面形状又はパラボラ形状を有している。 The deposition apparatus used in the deposition of HfZrN single crystals is shown in FIG. 8. The deposition apparatus in FIG. 8 is equipped with at least metal sources 1101a-1101b, earths 1102a-1102h, ICP electrodes 1103a-1103b, cut filters 1104a-1104b, DC power sources 1105a-1105b, RF power sources 1106a-1106b, lamps 1107a-1107b, Ar source 1108, reactive gas source 1109, power source 1110, substrate holder 1111, substrate 1112, cut filter 1113, ICP ring 1114, vacuum chamber 1115, and rotating shaft 1116. The ICP electrodes 1103a-1103b in FIG. 8 have a substantially concave curved shape or parabolic shape curved toward the center of the substrate 1112.
図８に示すように、基板１１１２を基板ホルダー１１１１上に係止する。ついで、電源１１１０と回転機構（図示せず）とを用いて回転軸１１１６を回転させ、基板１１１２を回転させる。また、基板１１２をランプ１１０７ａ～１１０７ｂによって加熱し、真空ポンプ（図示せず）によって真空槽１１１５内を排気により真空又は減圧下にする。その後、真空槽１１１５内にＡｒ源１１０８からＡｒガスを導入し、ＤＣ電源１１０５ａ～１１０５ｂ、ＲＦ電源１１０６ａ～１１０６ｂ、ＩＣＰ電極１１０３ａ～１１０３ｂ、カットフィルター１１０４ａ～１１０４ｂ、及びアース１１０２ａ～１１０２ｈを用いて基板１１１２上にアルゴンプラズマを形成することにより、基板１１１２の表面の清浄化を行う。 As shown in FIG. 8, the substrate 1112 is fixed on the substrate holder 1111. Next, the rotating shaft 1116 is rotated using the power supply 1110 and a rotating mechanism (not shown) to rotate the substrate 1112. The substrate 112 is heated by the lamps 1107a-1107b, and the vacuum chamber 1115 is evacuated to a vacuum or reduced pressure using a vacuum pump (not shown). Then, Ar gas is introduced from the Ar source 1108 into the vacuum chamber 1115, and argon plasma is formed on the substrate 1112 using the DC power supplies 1105a-1105b, the RF power supplies 1106a-1106b, the ICP electrodes 1103a-1103b, the cut filters 1104a-1104b, and the earths 1102a-1102h, thereby cleaning the surface of the substrate 1112.
真空槽１１１５内にＡｒガスを導入するとともに反応性ガス源１１０９を用いて反応性ガスを導入する。このとき、ランプ７ａ及び７ｂはそれぞれ異なる波長を基板１２に対して照射することができるように構成されている。また、ランプ７ａ及び７ｂはそれぞれランプヒーターであってもよい。前記波長は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、紫外線であってもよいし、赤外線であってもよい。また、前記波長は、原料や反応の種類等によって、適宜設定されてよく、膜質や成膜レートを容易により良好なものとすることができる。また、ランプ７ａ～７ｂのオンとオフとを交互に繰り返すことで、より良質な結晶成長膜を形成することもできる。 Ar gas is introduced into the vacuum chamber 1115, and reactive gas is introduced using the reactive gas source 1109. At this time, the lamps 7a and 7b are configured to irradiate the substrate 12 with different wavelengths. The lamps 7a and 7b may each be a lamp heater. The wavelength is not particularly limited as long as it does not impede the object of the present invention, and may be ultraviolet light or infrared light. The wavelength may be appropriately set depending on the raw material and the type of reaction, etc., and the film quality and film formation rate can be easily improved. Also, a better quality crystal growth film can be formed by alternately turning on and off the lamps 7a to 7b.
次に、蒸着源の金属として、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉを用いたこと以外、上記と同様にして、ＳＵＳ３０４単結晶膜を成膜した。 Next, a SUS304 single crystal film was formed in the same manner as above, except that Fe, Cr, and Ni were used as the deposition source metals.
次に、結晶性金属酸化物の単結晶膜の上に、導電膜として、白金（Ｐｔ）の金属膜をスパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 ： ＵＬＶＡＣ社製スパッタリング装置ＱＡＭ－４
圧力 ： １．２０×１０－１Ｐａ
ターゲット ： Ｐｔ
電力 ： １００Ｗ（ＤＣ）
厚さ ： １００ｎｍ
基板温度 ： ４５０～６００℃
Next, a platinum (Pt) metal film was formed as a conductive film on the single crystal film of the crystalline metal oxide by sputtering under the following conditions.
Equipment: ULVAC sputtering equipment QAM-4
Pressure: 1.20×10 −1 Pa
Target: Pt
Power: 100W (DC)
Thickness: 100 nm
Substrate temperature: 450 to 600°C
次に、導電膜上に、ＳＲＯ膜を、スパッタリング法により形成した。この際の条件を、以下に示す。
装置 ： ＵＬＶＡＣ社製スパッタリング装置ＱＡＭ－４
パワー ： １５０Ｗ（ＲＦ）
ガス ： Ａｒ
圧力 ： １．８Ｐａ
基板温度 ： ６００℃
厚さ ： ２０ｎｍ
Next, an SRO film was formed on the conductive film by sputtering under the following conditions.
Equipment: ULVAC sputtering equipment QAM-4
Power: 150W (RF)
Gas: Ar
Pressure: 1.8 Pa
Substrate temperature: 600° C.
Thickness: 20 nm
次に、ＳＲＯ膜上に、圧電膜として、ＰｂＴｉＯ３膜を成膜した。得られた積層構造体は、良好な密着性及び結晶性を有する積層構造体であった。また、積層構造体の結晶基板、結晶性金属酸化物の単結晶膜及び導電膜につき、Ｘ線回折装置を用いて、それぞれの結晶を測定した。図２に、ＸＲＤ測定結果を示す。図２から明らかなように、良好な結晶性を有するＳＵＳ３０４単結晶膜が形成されており、ＰｂＴｉＯ３膜等の結晶性等も良好であった。 Next, a PbTiO3 film was formed on the SRO film as a piezoelectric film. The resulting laminated structure had good adhesion and crystallinity. In addition, the crystal substrate of the laminated structure, the single crystal film of the crystalline metal oxide, and the conductive film were measured for their respective crystallinity using an X-ray diffraction device. Figure 2 shows the results of the XRD measurement. As is clear from Figure 2, a SUS304 single crystal film with good crystallinity was formed, and the crystallinity of the PbTiO3 film and the like was also good.
ＰｂＴｉＯ３膜を成膜した後、水酸化ナトリウムを用いて、Ｓｉ基板をウエットエッチングにより除去して、ＰｂＴｉＯ３膜からＳｉ基板を剥離した。なお、得られた積層構造体は、可撓性を有していた。 After the PbTiO3 film was formed, the Si substrate was removed by wet etching using sodium hydroxide, and the Si substrate was peeled off from the PbTiO3 film. The obtained laminated structure had flexibility.
（試験例）
試験例として図３及び図４のような微小素子の片持ちはりをＦＩＢ ＦＢ２１００ （日立ハイテクノロジーズ製）を用いて作製し、その破壊強度特性をナノインデンター ＮａｎｏＴｅｓｔ Ｘｔｒｅｍｅ（Ｍｉｃｒｏ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）にて破壊強度評価したところ図５のようになった。図５よりＳｉの破壊強度は約１ＧＰａ程度とほぼ一定値を示した。Ｓｉ単結晶バルク材の曲げ強度が、３００ＭＰａ程度（論文）であることを考えると、マイクロマテリアルでは大きな強度を持つことがわかった。さらにＳＵＳ３０４単結晶薄膜の場合は、破壊強度約５ＧＰａと、Ｓｉ単結晶の約５倍の曲げ強度を有していた。このことは、ＳＵＳ３０４単結晶薄膜をＭＥＭＳデバイスの梁（可動部分、ＳＯＩ基板の活性層相当）に用いることで、ＭＥＭＳデバイスの変位量の大幅な改善に加えて、大幅な寿命特性の改善が期待できる。
(Test Example)
As a test example, a cantilever beam of a microelement as shown in Fig. 3 and Fig. 4 was fabricated using FIB FB2100 (Hitachi High-Technologies), and its fracture strength characteristics were evaluated using a nanoindenter NanoTest Xtreme (Micro Materials), as shown in Fig. 5. From Fig. 5, the fracture strength of Si was approximately 1 GPa, which was a nearly constant value. Considering that the bending strength of a Si single crystal bulk material is approximately 300 MPa (paper), it was found that micromaterials have a large strength. Furthermore, in the case of a SUS304 single crystal thin film, the fracture strength was approximately 5 GPa, which is approximately 5 times the bending strength of a Si single crystal. This means that by using a SUS304 single crystal thin film for the beam of a MEMS device (the movable part, equivalent to the active layer of an SOI substrate), a significant improvement in the displacement amount of the MEMS device as well as a significant improvement in the life characteristics can be expected.
得られた圧電体の素子への適用例を、以下、図を用いてより具体的に説明するが、本発明は、これら適用例に限定されるものではない。なお、本発明においては、特に断りがない限り、公知の手段を用いて、前記圧電体から素子及び電子デバイス等を製造することができる。 Examples of the application of the obtained piezoelectric material to elements will be described in more detail below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples. In addition, in the present invention, unless otherwise specified, elements, electronic devices, etc. can be manufactured from the piezoelectric material using known means.
図３は、本発明の好適な態様である素子の一例を示す。図３の素子は、図１とは、ＳＡＷを検出するためのＳＡＷ受信器を備えている点で異なる。図３の素子は、圧電体１２が、円柱状基体側面に巻回されており、基体側面の圧電体１２上には、すだれ状電極１３及び反射器２０がそれぞれ２つずつ公知の手段を用いて形成されている。すだれ状電極１３に電圧が印加されると、圧電体１２の圧電効果により、すだれ状電極１３のそれぞれ隣り合う電極指間の圧電体上にひずみが生じ表面波が励振される。また、すだれ状電極１３には、ＳＡＷ受信器１９が接続されており、図１に示すＳＡＷ伝搬経路１４内に伝搬する表面弾性波を検出できるように構成されている。表面弾性波は、反射器２０により、圧電体１２の表面を図４に示すＤ１方向及びＤ２方向にそれぞれ伝搬し、つまり互いに対向する方向に表面弾性波が伝搬する。これにより、環境にやさしい高精度かつ高感度のセンサを作製することができる。 Figure 3 shows an example of an element according to a preferred embodiment of the present invention. The element in Figure 3 differs from that in Figure 1 in that it is equipped with a SAW receiver for detecting SAW. In the element in Figure 3, a piezoelectric body 12 is wound around the side of a cylindrical substrate, and two interdigital transducers 13 and two reflectors 20 are formed on the piezoelectric body 12 on the side of the substrate using known means. When a voltage is applied to the interdigital transducers 13, the piezoelectric effect of the piezoelectric body 12 causes distortion on the piezoelectric body between adjacent electrode fingers of the interdigital transducer 13, exciting a surface wave. In addition, a SAW receiver 19 is connected to the interdigital transducer 13, and is configured to detect surface acoustic waves propagating in the SAW propagation path 14 shown in Figure 1. The surface acoustic waves are propagated by the reflector 20 on the surface of the piezoelectric body 12 in the directions D1 and D2 shown in Figure 4, respectively, that is, the surface acoustic waves are propagated in the directions opposite to each other. This makes it possible to manufacture an environmentally friendly sensor with high accuracy and sensitivity.
本発明の素子は、種々の用途に適用可能であるが、特に圧電センサに好適に用いられ、例えばセンサーシステム用の電子デバイス等に適用される。 The element of the present invention can be used for a variety of purposes, but is particularly suitable for use as a piezoelectric sensor, for example in electronic devices for sensor systems.
１ 結晶基板（Ｓｉ基板）
２ ＨｆＺｒＮ膜
３ ＳＵＳ膜（ＦｅＣｒＮｉ膜）
４ Ｐｔ膜
５ ＳＲＯ膜
６ 圧電体層（ＰｂＴｉＯ膜）
１０ すだれ状電極
１１ 反射バスバー
１２ 圧電体
１３ 反射電極指
１４ 伝搬経路
１５ 取り出し電極
１９ ＳＡＷ受信器
２０ 反射器
１１０１ａ～１０１ｂ 金属源
１１０２ａ～１０２ｊ アース
１１０３ａ～１０３ｂ ＩＣＰ電極
１１０４ａ～１０４ｂ カットフィルター
１１０５ａ～１０５ｂ ＤＣ電源
１１０６ａ～１０６ｂ ＲＦ電源
１１０７ａ～１０７ｂ ランプ
１１０８ Ａｒ源
１１０９ 反応性ガス源
１１１０ 電源
１１１１ 基板ホルダー
１１１２ 基板
１１１３ カットフィルター
１１１４ ＩＣＰリング
１１１５ 真空槽
１１１６ 回転軸
1. Crystalline substrate (Si substrate)
2 HfZrN film 3 SUS film (FeCrNi film)
4 Pt film 5 SRO film 6 Piezoelectric layer (PbTiO film)
10 Interdigital electrode 11 Reflecting bus bar 12 Piezoelectric body 13 Reflecting electrode finger 14 Propagation path 15 Extraction electrode 19 SAW receiver 20 Reflector 1101a to 101b Metal source 1102a to 102j Earth 1103a to 103b ICP electrode 1104a to 104b Cut filter 1105a to 105b DC power supply 1106a to 106b RF power supply 1107a to 107b Lamp 1108 Ar source 1109 Reactive gas source 1110 Power supply 1111 Substrate holder 1112 Substrate 1113 Cut filter 1114 ICP ring 1115 Vacuum chamber 1116 Rotation axis
Claims (14)
An electronic device, an electronic equipment or a system including an element, the element being the element according to any one of claims 1 to 13.
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