JP2644241B2

JP2644241B2 - 圧電体多層膜およびその製造方法

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Publication number: JP2644241B2
Application number: JP27046787A
Authority: JP
Inventors: 正人新部; 敬介山本; 泰子元井; 恭彦石渡; 典夫金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1997-08-25
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: JPH01114085A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、圧電体薄膜を積層した多層膜に関する。

本発明は、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、アクチュエータ、弾性表面波デバ
イス、センサ等の圧電デバイスに幅広く適用される。

［従来技術］近年、圧電振動子や超音波トランスデューサの高周波
化が進み、これに伴ない積層型の圧電素子を変位素子の
みならず振動素子に応用しようという試みがなされつつ
ある。

一般に、積層型圧電素子は圧電板の分極の向きを交互
に反転させて積層した構成を有しているが、従来の積層
型では、各圧電板又は圧電板および金属板を接着剤等で
接着して積層構造を形成している。

また、最近、ニオブ酸リチウム単結晶にTi拡散や熱処
理を行い、一部分を分極反転層とする技術が報告された
（中村他、電子通信学会技術研究報告、CPM86−17（198
6））。

この技術によれば、接着剤等を使用することなく、分
極の向きを反転させた２層構造を形成することができ
る。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記従来例では、圧電板の材料として
セラミクス板や単結晶を用いているために、振動子の高
周波化に適さず、微細加工技術による精密構造の形成が
困難であった。

また、層間に接着剤や電極材がある場合には、振動子
のＱの低下を招来し、さらに共振周波数のバラツキ等の
不安定化が生ずるという問題点を有していた。また、圧
電板の接着には、一般に有機物の接着剤を用いるため
に、高温での使用は不可能であった。

圧電素子を強誘電性セラミクスで形成する場合には、
焼成後、高温、高電圧で分極処理する必要があり、この
ような高温焼成に耐え得る金属電極材料は銀パラジウム
等の高価な材料に限られている。

また、分極の向きを反転させた２層構造を形成する方
法では、1000℃以上の高温が必要であること、この方法
に使用できる材料としてはニオブ酸リチウムしか現在知
られていないこと、単結晶の結晶方位も限られているこ
と、等の問題点を有していた。

さらに、この技術では、材料に単結晶を使用するため
に、素子全体の厚さが0.1〜1mm程度と厚くなり、共振子
等に使用する場合に高周波化が十分ではなく、また多層
化が困難であるという問題点も有していた。

［問題点を解決するための手段］本発明による圧電体多層膜は、圧電層を２層以上積層
した圧電体多層膜において、前記積層した圧電層は、分
極の向きが層ごとに反転し、かつ隣接する圧電層が直接
接合していることを特徴とする。

本発明による圧電体多層膜の製造方法は、分極の向き
が圧電層ごとに反転し、かつ隣接する圧電層が直接接合
した圧電体多層膜の製造方法において、スパッタ蒸着法
により成膜した圧電体の分極の向きがターゲット材料に
従って変化する現象を利用し、前記圧電層の分極の向き
を制御したことを特徴とする。

［作用］このように、分極の向きが反転した圧電層が接着剤や
電極材等を介在させることなく直接接合して多層構造を
成しているために、十分な高周波化を達成でき、さらに
動作の安定性および信頼性が従来より大幅に向上する。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説
明する。

第１図は、本発明による圧電体多層膜の第１実施例の
概略的構成図である。

同図において、絶縁基板１上に下部電極２が形成さ
れ、その上に、分極の向きが上方の圧電体薄膜３と分極
の向きが下方の圧電体薄膜４とが交互に直接接合して積
層形成され、更に上部電極５が形成されている。各電極
２および５には、各々リード線６が接続している。

本実施例の製造方法は、次の通りである。

まず、ガラス、石英、セラミクス等の絶縁基板１を用
い、その表面にAl、Ag、Au等の導電性材料を蒸着し、下
部電極２を形成する。

なお、基板としては、アルミ合金、しんちゅう、ステ
ンレス等の金属板を表面研磨して下部電極を兼ねてもよ
い。

続いて、下部電極２上に、分極の向きを反転させなが
ら、圧電性窒化アルミニウムAlNの薄膜を厚さ２μｍず
つ６層積層する。

この圧電体薄膜の成膜方法は、例えばスパッタ蒸着法
において、ターゲット材料として金属アルミニウムAlを
用いた時と、窒化アルミニウムAlNの焼結体を用いた時
とで、成長する圧電性窒化アルミニウムの分極の向きが
逆になるという現象を利用する。この成膜条件は、第１
表に示す。

こうして分極の向きが反転した圧電性窒化アルミニウ
ム３および４が接着剤等を挟むことなく直接に接合しな
がら交互に積層形成される。その後、Al、Ag、Au等の導
電性材料を蒸着マスクにより下部電極２に接触しないよ
うにして蒸着し、上部電極５を形成する。

このように形成された本実施例の電極２および５に交
番電圧を印加すると、逆圧電効果により分極の向きが反
転した圧電層３および４は、逆方向の変位を示す。

今、圧電層の厚さ方向の変位に注目すると、波長λが
薄膜の１層の厚さの２倍、すなわちλ＝４μｍとなるよ
うな周波数の交番電圧に対して、本実施例は共振状態と
なり、電気的インピーダンスが極値を示す。

第２図は、本実施例の共振特性を示すグラフである。

同グラフに示すように、共振点2.6GHz付近で素子のア
ドミッタンスは極大、極小を示し、共振のＱは3000程度
であった。

なお、本実施例では１層を厚さを２μｍとしたが、こ
の厚さを使用する周波数に応じて変化させることによ
り、数十MHz〜数百GHzの振動子、共振素子を実現でき
る。

また、圧電体の総数は６層としたが、これに限定され
るものではなく、２層以上の任意の多層構造が可能であ
る。

また、使用した振動モードは縦効果伸縮、振動に限る
ものではなく、横効果振動やすべり振動モード等、任意
の圧電振動モードを選択できる。

さらに、基板１をサファイヤ、溶融石英等で形成し、
音波放出機能を持たせることにより、超音波トランスデ
ューサ、超音波顕微鏡のヘッドとして応用することも可
能である。

第３図は、本発明の第２実施例の概略的構成図であ
る。

同図において、基板１上に下部電極２を形成し、さら
に分極の向きが反転した圧電層が交互に積層された圧電
体多層膜７が形成されている。更に、本実施例では、圧
電体多層膜７の両端に弾性波発生用電極８および弾性波
検出用電極９が各々設けられ、リード線10および11に接
続している。

本実施例の製造方法としては、まず基板１および下部
電極２の形成工程は第１実施例と同様である。

圧電体多層膜７は、厚さ５μｍの酸化亜鉛ZnOの薄膜
を分極の方向が交互に反転するように４層積層して構成
されている。

分極の向きは第１実施例の場合と同様に制御される。
すなわち、スパッタ蒸着法において、ターゲット材料と
して金属亜鉛と酸化亜鉛の焼結体とを用いた時に、成長
する圧電層の分極の向きが逆になる現象を利用する。Zn
O膜の成膜条件を第２表に示す。

こうして、分極の向きが逆である圧電層が交互に直接
接合しながら積層形成される。

なお、電極８および９の材料および形成方法は、第１
実施例と同様である。

本実施例の電極８に交番電圧を印加すると、逆圧電効
果によって弾性波が発生する。この弾性波は圧電多層膜
７内を電極９方向へ伝搬し、電極９では圧電効果による
起電力が発生する。この伝搬する周波数が圧電体多層膜
７の共振周波数の時、特に弾性波が強く励起され伝搬す
るために、本実施例は帯域通過形フィルタの機能を有す
る。

第４図は、本実施例のフィルタとしての周波数特性を
示すグラフである。

同グラフからわかるように、本実施例は圧電体表面に
交差指型電極を設けた表面弾性波フィルタと同様の特性
を有する。したがって、本実施例は、フィルタだけでは
なく、遅延線等の各種信号処理回路に応用可能である。

第５図は、本実施例を用いた高周波発振器の概略構成
図である。

本実施例は遅延線として用いられ、リード線10および
11が増幅器12の出力端子および入力端子に接続されてい
る。

この発振器の発振条件は、 φｍ＋φｅ＝2mπ（ｍは整数）である。ここで、φｍは遅延線である本実施例の位相遅
れ、φｅは増幅器12を含めた電気回路の位相遅れであ
る。

更に、本実施例をSi、GaAs等の半導体上に積層するこ
とにより、半導体キャリアとの相互作用を利用して超音
波増幅器を構成できる。また、この時の電気的非線形応
答特性を用いて、実時間相関器、コンボルバ等の非直線
デバイスを構成することもできる。

第６図は、本発明の第３実施例の概略的構成図であ
る。

同図において、絶縁基板１上に下部電極２が形成さ
れ、その上に、分極の向きが上方の圧電体薄膜３と分極
の向きが下方の圧電体薄膜４とが積層され、更に上部電
極５が形成されている。

基板１の寸法は８×30×ｔ（mm）で、ｔ＝0.05〜0.2m
mのものを用いる。

この基板１上の全面又は一部分に、イオンプレーティ
ング法を用いて、分極の向きが上向きのZnO圧電体薄膜
３を厚さ６μｍ蒸着する。この時の成膜条件を第３表に
示す。

続いて、上記ZnO圧電体薄膜３上に、ターゲット材料A
lNの焼結体を用いたスパッタ蒸着法により、分極の向き
が下向きのAlN圧電体薄膜４を厚さ1.5μｍ蒸着した。こ
の時の成膜条件は、第１表に示したものと同じである。

最後に、第１実施例と同様にして上部電極５をAlN圧
電体薄膜４上に形成した。

このように形成された本実施例の一端を図示されてい
ない支持台に固定し、片持ちはりとする。そして、電極
２および５に10V程度の交流電圧を印加すると、素子の
開放端が数μｍ〜数十μｍの振幅で基板１面に対して垂
直方向に変位した。この振幅は、はりの機械的共振周波
数の付近で特に大きくなった。

この振動モードの解析から本実施例の振動には、はり
の長手方向での屈曲振動と、長手方向の基板の中心を軸
としたひねり振動とが含まれていることがわかった。

0.2mm厚のはりの共振周波数と最大振幅とを第４表に
示す。同表には、ZnO薄膜のみを１層形成した基板の変
位も示したが、２層構造の方が大きな変位を示すことが
わかる。また、振幅の大きさは、40V程度までは印加電
圧にほぼ比例して変化することがわかった。

本実施例は、光ビームの偏向器等に使用することが可
能であるが、特に電極に屈曲振動とひねり振動との２つ
の共振周波数に等しい交流電圧を同時に印加することに
より、２次元的な光ビームの偏向が可能となる。偏向の
周波数は、はりの厚さと使用する振動モードの選択によ
り任意に変えることができる。

本実施例では、ZnO圧電体薄膜３の厚さを６μｍ、AlN
圧電体薄膜４のそれを1.5μｍとしたが、本発明はこれ
らに限定されるものではなく、任意の厚さが可能であ
る。また、分極の向きが上向きの材料としてZnO、下向
きの材料としてAlNを用いたが、これに限らず、ZnOの
み、AlNのみ、又はZnOおよびAlNの積層順を逆にした多
層構造でもよい。

なお、本実施例からもわかるように、本発明による圧
電体多層膜の適用周波数範囲には、MHz〜GHzの超高周波
だけでなく、０〜数十KHzの低周波の帯域も含まれる。

特に多層構造にすることにより、印加電圧に対する変
位量の特性にヒステリシスがなくなり、精密な変位を与
えるために圧電アクチュエータとしても使用することが
できる。

また、VHF、UHFからマイクロ波領域で用いることによ
り、従来の電極波回路素子に比べて極めて小型軽量で類
似機能を有するデバイスを実現できるために、移動無線
通信用や宇宙空間通信用の素子としても広く応用するこ
とができる。

［発明の効果］以上詳細に説明したように、本発明による圧電体多層
膜は、分極の向きが層ごとに交互に反転し、かつ隣接す
る圧電層が接着剤等を介在させることなく直接接合して
多層構造を成している。

このために、数十MHz〜数百GHzの超高周波で使用可能
なデバイスを実現できる。

層間に接着剤、電極材料等の介在物がないために、素
子の動作の安定性および信頼性を従来より大幅に向上さ
せることができる。

また、本発明による上記圧電体多層膜の製造方法は、
隣接する圧電層の直接接合を可能とし、簡単な製造工程
で信頼性の高い多層構造を得ることができる。また、IC
製造に用いる微細加工技術を使用できるために、デバイ
ス設計における自由度が大きくなり、高精度、高信頼性
のデバイスが容易に製造可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による圧電体多層膜の第１実施例の概
略的構成図、第２図は、本実施例の共振特性を示すグラフ、第３図は、本発明の第２実施例の概略的構成図、第４図は、本実施例のフィルタとしての周波数特性を示
すグラフ、第５図は、本実施例を用いた高周波発振器の概略的構成
図、第６図は、本発明の第３実施例の概略的構成図である。１……基板、２……下部電極、３……分極の向きが上向きの圧電層４……分極の向きが下向きの圧電層５……上部電極７……圧電体多層膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石渡恭彦東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者金子典夫東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電層を２層以上積層した圧電体多層膜に
おいて、前記積層した圧電層は、分極の向きが層ごとに反転し、
かつ隣接する圧電層が直接接合していることを特徴とす
る圧電体多層膜。
【請求項２】分極の向きが圧電層ごとに反転し、かつ隣
接する圧電層が直接接合した圧電体多層膜の製造方法に
おいて、スパッタ蒸着法により成膜した圧電体の分極の向きがタ
ーゲット材料に従って変化する現象を利用し、前記圧電
層の分極の向きを制御したことを特徴とする圧電体多層
膜の製造方法。
【請求項３】上記ターゲット材料として金属単体と金属
化合物とを交換使用することで、上記分極の向きを交互
に反転させることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の圧電体多層膜の製造方法。