JP3325751B2 - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
圧電素子およびその製造方法Info
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- JP3325751B2 JP3325751B2 JP20740895A JP20740895A JP3325751B2 JP 3325751 B2 JP3325751 B2 JP 3325751B2 JP 20740895 A JP20740895 A JP 20740895A JP 20740895 A JP20740895 A JP 20740895A JP 3325751 B2 JP3325751 B2 JP 3325751B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子に関する。
特に酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜を用いた圧電素子の結晶性
と感度との関係に関する。
特に酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜を用いた圧電素子の結晶性
と感度との関係に関する。
【０００２】
【従来の技術】基板上に形成された金（Ａｕ）電極膜、
該金電極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛
薄膜上に形成された金属（例えば、Ａｕ）製上部電極を
有する圧電素子は、材料の内部を非破壊で観察するため
のセンサ部分の超音波プローブとして広く使用されてい
る。
該金電極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛
薄膜上に形成された金属（例えば、Ａｕ）製上部電極を
有する圧電素子は、材料の内部を非破壊で観察するため
のセンサ部分の超音波プローブとして広く使用されてい
る。
【０００３】上下の電極によってサンドイッチ構造にさ
れた酸化亜鉛は、電極に電圧を印加することにより歪変
形を起こし、基板内部に超音波を放射することができ、
電気信号を超音波に変換する。また、超音波を酸化亜鉛
薄膜で受信し、歪み変形が生じることによって両電極間
に電圧の差が生じ、超音波信号を電気エネルギーに変換
することが可能となる。
れた酸化亜鉛は、電極に電圧を印加することにより歪変
形を起こし、基板内部に超音波を放射することができ、
電気信号を超音波に変換する。また、超音波を酸化亜鉛
薄膜で受信し、歪み変形が生じることによって両電極間
に電圧の差が生じ、超音波信号を電気エネルギーに変換
することが可能となる。
【０００４】このような超音波プローブを使用する非破
壊検査装置の一例を図６に示す。図６において、符号６
０は超音波プローブを示し、６１は被検体を示す。超音
波プローブ６０はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能
なステージ６３，６３’に保持されており、被検体６１
は水槽６２内に配置されている。超音波プローブ６０の
一端は適当な伝送媒体（例えば、導線又は光ファイバ）
により映像化装置６４に接続されている。図６に示す装
置は例えば、被検体内部の映像を撮る目的に使用され
る。超音波プローブ６０あるいは被検体６１をスキャナ
によって２次元（ｘｙ，ｘｚ，ｙｚ）に機械走査し、１
個の超音波プローブあるいは送受信別々に２個の超音波
プローブを用いて、被検体内部からの反射波や透過波を
Ａ／Ｄ変換してその信号強度に応じた映像の輝度で画像
表示を行う。
壊検査装置の一例を図６に示す。図６において、符号６
０は超音波プローブを示し、６１は被検体を示す。超音
波プローブ６０はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能
なステージ６３，６３’に保持されており、被検体６１
は水槽６２内に配置されている。超音波プローブ６０の
一端は適当な伝送媒体（例えば、導線又は光ファイバ）
により映像化装置６４に接続されている。図６に示す装
置は例えば、被検体内部の映像を撮る目的に使用され
る。超音波プローブ６０あるいは被検体６１をスキャナ
によって２次元（ｘｙ，ｘｚ，ｙｚ）に機械走査し、１
個の超音波プローブあるいは送受信別々に２個の超音波
プローブを用いて、被検体内部からの反射波や透過波を
Ａ／Ｄ変換してその信号強度に応じた映像の輝度で画像
表示を行う。
【０００５】酸化亜鉛（ＺｎＯ）の結晶構造は六方晶ウ
ルツァイト鉱構造をしており、Ｃ軸［０００１］方向に
良好な圧電特性（バルクの電気機械結合係数＝０．３）
を有するばかりか、比較的簡単に薄膜化できるために、
圧電素子や弾性表面波フィルタ（ＳＡＷデバイス）とし
て利用されている。
ルツァイト鉱構造をしており、Ｃ軸［０００１］方向に
良好な圧電特性（バルクの電気機械結合係数＝０．３）
を有するばかりか、比較的簡単に薄膜化できるために、
圧電素子や弾性表面波フィルタ（ＳＡＷデバイス）とし
て利用されている。
【０００６】圧電素子から放射される超音波の周波数は
圧電素子の厚み共振で決まる。この酸化亜鉛からなる圧
電素子は、薄膜プロセスによっても形成できるため、厚
みの薄い領域（約１００ＭＨｚ以上の高周波領域）で使
用されている。
圧電素子の厚み共振で決まる。この酸化亜鉛からなる圧
電素子は、薄膜プロセスによっても形成できるため、厚
みの薄い領域（約１００ＭＨｚ以上の高周波領域）で使
用されている。
【０００７】酸化亜鉛の薄膜は、蒸着、スパッタ、化学
的気相成長（ＣＶＤ）などによって形成することができ
る。ここでは、焼結した酸化亜鉛をスパッタリングター
ゲットとし、Ａｒ及び酸素の混合ガス雰囲気中でスパッ
タリングを行う製造方法について述べる。まず、ガラス
などの基板上に下部電極となるＡｕ薄膜を蒸着法によっ
て成膜する。
的気相成長（ＣＶＤ）などによって形成することができ
る。ここでは、焼結した酸化亜鉛をスパッタリングター
ゲットとし、Ａｒ及び酸素の混合ガス雰囲気中でスパッ
タリングを行う製造方法について述べる。まず、ガラス
などの基板上に下部電極となるＡｕ薄膜を蒸着法によっ
て成膜する。
【０００８】このとき、酸化亜鉛薄膜を良好にＣ軸配向
させるためにＡｕ薄膜を［１１１］配向させるとよい。
これは、酸化亜鉛薄膜の面方位である（０００１）面の
単位格子が面心立方格子の構造をもつＡｕの（１１１）
面の単位格子と等価であるため、先に基板上に形成され
るＡｕ電極が［１１１］配向することで、その上に形成
される酸化亜鉛のＣ軸配向が促進されるからである。Ａ
ｕ電極の上に所望の厚さでスパッタで形成された酸化亜
鉛薄膜の上にはさらに上部電極となるＡｕ電極が蒸着に
よって形成される。
させるためにＡｕ薄膜を［１１１］配向させるとよい。
これは、酸化亜鉛薄膜の面方位である（０００１）面の
単位格子が面心立方格子の構造をもつＡｕの（１１１）
面の単位格子と等価であるため、先に基板上に形成され
るＡｕ電極が［１１１］配向することで、その上に形成
される酸化亜鉛のＣ軸配向が促進されるからである。Ａ
ｕ電極の上に所望の厚さでスパッタで形成された酸化亜
鉛薄膜の上にはさらに上部電極となるＡｕ電極が蒸着に
よって形成される。
【０００９】特公平５−４１０８０号公報には、石英ガ
ラス基板上に形成された金電極膜として（１１１）回折
線ロッキングカーブの標準偏差が３度以下のものを使用
する圧電素子が開示されている。しかし、このような構
成の圧電素子を使用しても十分な感度が得られなかっ
た。特に、材料の内部構造を観察するための装置では３
％程度の感度が必要であるが、特公平５−４１０８０号
公報に開示された構造の圧電素子ではこの感度を達成す
ることができないし、また感度にばらつきがあり、素子
の不良品化、従って、歩留まり低下などの問題点が存在
する。
ラス基板上に形成された金電極膜として（１１１）回折
線ロッキングカーブの標準偏差が３度以下のものを使用
する圧電素子が開示されている。しかし、このような構
成の圧電素子を使用しても十分な感度が得られなかっ
た。特に、材料の内部構造を観察するための装置では３
％程度の感度が必要であるが、特公平５−４１０８０号
公報に開示された構造の圧電素子ではこの感度を達成す
ることができないし、また感度にばらつきがあり、素子
の不良品化、従って、歩留まり低下などの問題点が存在
する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、材料の内部探傷に必要な感度を有する圧電素子を提
供することである。
は、材料の内部探傷に必要な感度を有する圧電素子を提
供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板上に形成された金（Ａｕ）電極膜、
該金電極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛
薄膜上に形成された上部電極を有する圧電素子におい
て、基板として音響インピーダンスが１３（×１０6ｋ
ｇ／ｍ2ｓ）以上の材料を使用し、酸化亜鉛のａ軸［１
０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強
度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内であることを特徴と
する圧電素子を提供する。
に、本発明は、基板上に形成された金（Ａｕ）電極膜、
該金電極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛
薄膜上に形成された上部電極を有する圧電素子におい
て、基板として音響インピーダンスが１３（×１０6ｋ
ｇ／ｍ2ｓ）以上の材料を使用し、酸化亜鉛のａ軸［１
０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強
度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内であることを特徴と
する圧電素子を提供する。
【００１２】さらに、本発明は、基板上に下部電極であ
る金（Ａｕ）を電子ビーム（ＥＢ）蒸着によって所定の
厚さに成膜し、この電極上に高周波マグネトロンスパッ
タ法で酸化亜鉛薄膜を所定の厚さで形成し、さらに酸化
亜鉛上に上部電極を形成することからなる圧電素子の製
造方法において、音響インピーダンスが１３（×１０6
ｋｇ／ｍ2ｓ）以上の材料の基板と、酸化亜鉛薄膜を形
成可能なターゲットとの間の間隔Ｌと、成膜速度Ｖと
が、次の関係、 Ｖ＝−０．１２５Ｌ＋１．９５ を満たす条件で酸化亜鉛薄膜を生成、酸化亜鉛のａ軸
［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定によ
る強度比を０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内とすることを特
徴とする圧電素子の製造方法を提供する。
る金（Ａｕ）を電子ビーム（ＥＢ）蒸着によって所定の
厚さに成膜し、この電極上に高周波マグネトロンスパッ
タ法で酸化亜鉛薄膜を所定の厚さで形成し、さらに酸化
亜鉛上に上部電極を形成することからなる圧電素子の製
造方法において、音響インピーダンスが１３（×１０6
ｋｇ／ｍ2ｓ）以上の材料の基板と、酸化亜鉛薄膜を形
成可能なターゲットとの間の間隔Ｌと、成膜速度Ｖと
が、次の関係、 Ｖ＝−０．１２５Ｌ＋１．９５ を満たす条件で酸化亜鉛薄膜を生成、酸化亜鉛のａ軸
［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定によ
る強度比を０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内とすることを特
徴とする圧電素子の製造方法を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】酸化亜鉛はｃ軸方向で高い圧電性
をもつ。スパッタや蒸着によって酸化亜鉛薄膜を形成さ
せた場合、通常多結晶となりやすく理想的な単結晶に近
い組成の膜を形成するのは困難である。この場合、基板
上に結晶成長させるとｃ軸以外の結晶軸も成長してしま
う。ここで、スパッタ条件の最適化を図ることによって
他の結晶軸、特にｃ軸と垂直な軸であるａ軸の発生量を
抑えることで感度を向上させることができる。
をもつ。スパッタや蒸着によって酸化亜鉛薄膜を形成さ
せた場合、通常多結晶となりやすく理想的な単結晶に近
い組成の膜を形成するのは困難である。この場合、基板
上に結晶成長させるとｃ軸以外の結晶軸も成長してしま
う。ここで、スパッタ条件の最適化を図ることによって
他の結晶軸、特にｃ軸と垂直な軸であるａ軸の発生量を
抑えることで感度を向上させることができる。
【００１４】本発明の圧電素子では、基板として音響イ
ンピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）以上の材料
を使用する。このような要件を満たす基板材料は例え
ば、サファイア、石英、ガラス、Ｓｉ、ダイヤモンド、
セラミック基板、金属の何れかである。金属は例えば、
ステンレス鋼、アルミニウム、銅などである。
ンピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）以上の材料
を使用する。このような要件を満たす基板材料は例え
ば、サファイア、石英、ガラス、Ｓｉ、ダイヤモンド、
セラミック基板、金属の何れかである。金属は例えば、
ステンレス鋼、アルミニウム、銅などである。
【００１５】サファイアの音響インピーダンスは４４
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、石英及びガラスは１４
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、Ｓｉは１４〜２０（×
１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、ダイヤモンドは５０（×１
０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、セラミック基板（例えば、Ｓ
ｉＣ）は３０（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、金属例え
ば、ステンレス鋼の音響インピーダンスは２２〜２５
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）である。音響インピーダンスが
１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）未満の基板材料を使用する
と、ａ軸の発生量が増大する傾向があり好ましくない。
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、石英及びガラスは１４
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、Ｓｉは１４〜２０（×
１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、ダイヤモンドは５０（×１
０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、セラミック基板（例えば、Ｓ
ｉＣ）は３０（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）であり、金属例え
ば、ステンレス鋼の音響インピーダンスは２２〜２５
（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）である。音響インピーダンスが
１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）未満の基板材料を使用する
と、ａ軸の発生量が増大する傾向があり好ましくない。
【００１６】基板の形状及び大きさは特に限定されな
い。圧電素子の用途に応じて、適切な形状及び大きさを
選択することができる。このような選択は当業者にとっ
て容易に実施できる。例えば、圧電素子が超音波非破壊
検査用のプローブとして使用される場合、基板は直径が
９〜３０ｍｍ程度の円柱形とすることができる。この基
板は音響レンズとして使用される。基板の直径が小さい
と、酸化亜鉛薄膜を成膜する際、基板表面の全体にわた
って均一な膜厚分布を有する膜を成膜することができ
る。
い。圧電素子の用途に応じて、適切な形状及び大きさを
選択することができる。このような選択は当業者にとっ
て容易に実施できる。例えば、圧電素子が超音波非破壊
検査用のプローブとして使用される場合、基板は直径が
９〜３０ｍｍ程度の円柱形とすることができる。この基
板は音響レンズとして使用される。基板の直径が小さい
と、酸化亜鉛薄膜を成膜する際、基板表面の全体にわた
って均一な膜厚分布を有する膜を成膜することができ
る。
【００１７】本発明の圧電素子に必要な酸化亜鉛のａ軸
［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定によ
る強度比（ａ／ｃ）は、使用される基板材料に応じて変
化する。例えば、基板材料がサファイアの場合、０＜ａ
／ｃ≦０．２であり、ダイヤモンド又はセラミック基板
の場合、０＜ａ／ｃ≦１．０であり、石英、ガラス又は
金属の場合、０＜ａ／ｃ≦５．０である。
［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定によ
る強度比（ａ／ｃ）は、使用される基板材料に応じて変
化する。例えば、基板材料がサファイアの場合、０＜ａ
／ｃ≦０．２であり、ダイヤモンド又はセラミック基板
の場合、０＜ａ／ｃ≦１．０であり、石英、ガラス又は
金属の場合、０＜ａ／ｃ≦５．０である。
【００１８】本発明の圧電素子における酸化亜鉛薄膜は
高周波マグネトロンスパッタ法により生成される。高周
波マグネトロンスパッタ法自体は当業者に公知である。
この成膜方法を実施するのに使用される装置の一例を図
２に示す。チャンバ２１内にはターゲット２６が配置さ
れている。ターゲット２６（例えば、焼結した酸化亜
鉛）はターゲットホルダ２７により保持されている。こ
のターゲット２６と対峙するように、ターゲットの上部
に基板１が配置される。基板１は基板ホルダ２８により
保持されている。基板１はヒータ２０により所定温度に
まで加熱される。チャンバ２１内には雰囲気ガス供給管
２２から、例えば、Ａｒ及びＯ2などの雰囲気ガスを送
入する。また、排気ダクト２３から排気し、チャンバ２
１内を所定の真空度にすることができる。
高周波マグネトロンスパッタ法により生成される。高周
波マグネトロンスパッタ法自体は当業者に公知である。
この成膜方法を実施するのに使用される装置の一例を図
２に示す。チャンバ２１内にはターゲット２６が配置さ
れている。ターゲット２６（例えば、焼結した酸化亜
鉛）はターゲットホルダ２７により保持されている。こ
のターゲット２６と対峙するように、ターゲットの上部
に基板１が配置される。基板１は基板ホルダ２８により
保持されている。基板１はヒータ２０により所定温度に
まで加熱される。チャンバ２１内には雰囲気ガス供給管
２２から、例えば、Ａｒ及びＯ2などの雰囲気ガスを送
入する。また、排気ダクト２３から排気し、チャンバ２
１内を所定の真空度にすることができる。
【００１９】成膜する際、チャンバ内はアルゴン（Ａ
ｒ）及び酸素（Ｏ2）の混合ガス雰囲気が形成されてい
る。アルゴンと酸素との混合比率は特に限定されない。
ガス圧力も特に限定されない。一般的に、１．０〜４．
０パスカル（Ｐａ）の範囲内のガス圧力を使用できる。
２〜３Ｐａの範囲内が好ましい。
ｒ）及び酸素（Ｏ2）の混合ガス雰囲気が形成されてい
る。アルゴンと酸素との混合比率は特に限定されない。
ガス圧力も特に限定されない。一般的に、１．０〜４．
０パスカル（Ｐａ）の範囲内のガス圧力を使用できる。
２〜３Ｐａの範囲内が好ましい。
【００２０】ヒータ２０で基板１を加熱する場合、基板
を１００℃〜５００℃の範囲内の温度にまで加熱するこ
とができる。加熱温度は使用される基板に素材に応じて
変化させることができる。基板がサファイアである場
合、加熱温度が低すぎるとスパッタ粒子のマイグレーシ
ョンが起き難いなどの不都合が生じ、一方、加熱温度が
高すぎると熱応力のため膜が割れるなどの不都合が生じ
るので好ましくない。
を１００℃〜５００℃の範囲内の温度にまで加熱するこ
とができる。加熱温度は使用される基板に素材に応じて
変化させることができる。基板がサファイアである場
合、加熱温度が低すぎるとスパッタ粒子のマイグレーシ
ョンが起き難いなどの不都合が生じ、一方、加熱温度が
高すぎると熱応力のため膜が割れるなどの不都合が生じ
るので好ましくない。
【００２１】アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で、
Ａｒ+イオンのような重い荷電粒子をＺｎＯターゲット
に照射し、その衝撃でターゲットから飛び出したＺｎＯ
粒子を対向する基板表面に付着させる。印加する高周波
出力は特に限定されないが、出力が低すぎると、成膜速
度が遅くなり過ぎるなどの不都合が生じ、一方、出力が
高すぎると結晶性が劣化するなどの不都合が生じるので
好ましくない。
Ａｒ+イオンのような重い荷電粒子をＺｎＯターゲット
に照射し、その衝撃でターゲットから飛び出したＺｎＯ
粒子を対向する基板表面に付着させる。印加する高周波
出力は特に限定されないが、出力が低すぎると、成膜速
度が遅くなり過ぎるなどの不都合が生じ、一方、出力が
高すぎると結晶性が劣化するなどの不都合が生じるので
好ましくない。
【００２２】本発明の圧電素子の酸化亜鉛薄膜の生成に
おいて最も重要なファクタは、ターゲット２６と基板表
面との間の間隔である。この間隔は成膜速度と関連し、
下記の式で示される関係を有する。 Ｖ＝−０．１２５Ｌ＋１．９５ （式中、Ｖは成膜速度であり、Ｌは間隔である。）ター
ゲットと基板表面との間隔Ｌは一般的に、７．５ｃｍ〜
９．２ｃｍの範囲内であることが好ましい。従って、成
膜速度は０．８〜１．０μｍ／ｈの範囲内である。ター
ゲットと基板表面との間隔Ｌが７．５ｃｍ〜９．２ｃｍ
の範囲外の値の場合、得られた酸化亜鉛薄膜のａ軸［１
０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強
度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲外となり、圧電素子の
感度を改善することができない。換言すれば、ターゲッ
トと基板間の間隔が前記値の範囲外になると、成膜され
た酸化亜鉛薄膜の結晶軸としてａ軸の発生量が増大し、
圧電素子の感度を低下させる。なお、酸化亜鉛薄膜は基
板表面に蒸着された下部電極膜上に成膜されるが、この
下部電極膜の膜厚はせいぜい１μｍ以下なので、基板と
ターゲット間の間隔を設定する際において、下部電極の
膜厚は無視可能である。
おいて最も重要なファクタは、ターゲット２６と基板表
面との間の間隔である。この間隔は成膜速度と関連し、
下記の式で示される関係を有する。 Ｖ＝−０．１２５Ｌ＋１．９５ （式中、Ｖは成膜速度であり、Ｌは間隔である。）ター
ゲットと基板表面との間隔Ｌは一般的に、７．５ｃｍ〜
９．２ｃｍの範囲内であることが好ましい。従って、成
膜速度は０．８〜１．０μｍ／ｈの範囲内である。ター
ゲットと基板表面との間隔Ｌが７．５ｃｍ〜９．２ｃｍ
の範囲外の値の場合、得られた酸化亜鉛薄膜のａ軸［１
０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強
度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲外となり、圧電素子の
感度を改善することができない。換言すれば、ターゲッ
トと基板間の間隔が前記値の範囲外になると、成膜され
た酸化亜鉛薄膜の結晶軸としてａ軸の発生量が増大し、
圧電素子の感度を低下させる。なお、酸化亜鉛薄膜は基
板表面に蒸着された下部電極膜上に成膜されるが、この
下部電極膜の膜厚はせいぜい１μｍ以下なので、基板と
ターゲット間の間隔を設定する際において、下部電極の
膜厚は無視可能である。
【００２３】
【実施例】本発明の圧電素子の具体的使用例を図１に示
す。図１は超音波非破壊検査用の焦点型プローブの概要
断面図である。このプローブは基本的に音響レンズとな
るサファイア基板１と、このサファイア基板の平面に蒸
着されたＡｕ薄膜からなる下部電極２と、この下部電極
上に設けられた酸化亜鉛薄膜３と、この酸化亜鉛薄膜３
の上面に蒸着されたＡｕ薄膜からなる上部電極４と、下
部電極２が設けられた面と反対側の面に凹レンズ様機能
を果たす凹部５が設けられている。この音響レンズの凹
部５が設けられた面が被検体（図示されていない）に接
する面側となる。凹部５の内面には音響整合層６が設け
られている。言うまでもなく、この凹部を有しない非焦
点型プローブに対しても、本発明の圧電素子を使用する
ことができる。
す。図１は超音波非破壊検査用の焦点型プローブの概要
断面図である。このプローブは基本的に音響レンズとな
るサファイア基板１と、このサファイア基板の平面に蒸
着されたＡｕ薄膜からなる下部電極２と、この下部電極
上に設けられた酸化亜鉛薄膜３と、この酸化亜鉛薄膜３
の上面に蒸着されたＡｕ薄膜からなる上部電極４と、下
部電極２が設けられた面と反対側の面に凹レンズ様機能
を果たす凹部５が設けられている。この音響レンズの凹
部５が設けられた面が被検体（図示されていない）に接
する面側となる。凹部５の内面には音響整合層６が設け
られている。言うまでもなく、この凹部を有しない非焦
点型プローブに対しても、本発明の圧電素子を使用する
ことができる。
【００２４】次に、図１の焦点型プローブの製造方法に
ついて説明する。基板兼音響レンズとしてサファイアの
１端面を光学研磨したものを用いた。サファイアの研磨
面と反対側の面には凹レンズが形成されていた。このよ
うな条件で研磨された端面に先ず真空蒸着法によって下
部電極２を形成した。蒸着には常用の電子ビーム（Ｅ
Ｂ）蒸着装置を用いた。基板温度を３００℃に保ち、Ａ
ｕを１５０ｎｍの厚さで蒸着した。
ついて説明する。基板兼音響レンズとしてサファイアの
１端面を光学研磨したものを用いた。サファイアの研磨
面と反対側の面には凹レンズが形成されていた。このよ
うな条件で研磨された端面に先ず真空蒸着法によって下
部電極２を形成した。蒸着には常用の電子ビーム（Ｅ
Ｂ）蒸着装置を用いた。基板温度を３００℃に保ち、Ａ
ｕを１５０ｎｍの厚さで蒸着した。
【００２５】このＡｕ薄膜上に高周波マグネトロンスパ
ッタ法によって酸化亜鉛薄膜３を形成した。図２に示さ
れるような高周波マグネトロンスパッタリング装置を使
用し、（Ａｒ（５０％）＋Ｏ2（５０％））雰囲気で、
酸化亜鉛をターゲット材とし、基板温度３００℃、ガス
圧２Ｐａ、高周波出力２００Ｗ、ターゲット材と基板の
下部電極表面との間の間隔８ｃｍ、蒸着速度０．９５μ
ｍ／ｈの条件で、酸化亜鉛薄膜を形成した。更に、前記
と同一のＥＢ蒸着装置を使用し、この酸化亜鉛薄膜上
に、上部電極４となるクロム及びＡｕをそれぞれ蒸着し
た。上部電極４のサイズはサファイアの先端部に加工す
る凹面レンズの大きさと同等の大きさにするため、所定
の大きさの穴があいたＳＵＳマスクで酸化亜鉛薄膜３を
覆って蒸着を行った。更に、サファイア先端の凹レンズ
内面に音響整合層（ＳｉＯ2）をスパッタリングによっ
て形成させた。音響整合層６の存在により、サファイア
１の先端から伝播媒質への超音波の透過効率が向上され
る。
ッタ法によって酸化亜鉛薄膜３を形成した。図２に示さ
れるような高周波マグネトロンスパッタリング装置を使
用し、（Ａｒ（５０％）＋Ｏ2（５０％））雰囲気で、
酸化亜鉛をターゲット材とし、基板温度３００℃、ガス
圧２Ｐａ、高周波出力２００Ｗ、ターゲット材と基板の
下部電極表面との間の間隔８ｃｍ、蒸着速度０．９５μ
ｍ／ｈの条件で、酸化亜鉛薄膜を形成した。更に、前記
と同一のＥＢ蒸着装置を使用し、この酸化亜鉛薄膜上
に、上部電極４となるクロム及びＡｕをそれぞれ蒸着し
た。上部電極４のサイズはサファイアの先端部に加工す
る凹面レンズの大きさと同等の大きさにするため、所定
の大きさの穴があいたＳＵＳマスクで酸化亜鉛薄膜３を
覆って蒸着を行った。更に、サファイア先端の凹レンズ
内面に音響整合層（ＳｉＯ2）をスパッタリングによっ
て形成させた。音響整合層６の存在により、サファイア
１の先端から伝播媒質への超音波の透過効率が向上され
る。
【００２６】酸化亜鉛薄膜３の厚みは、目的とする周波
数に応じ、圧電素子が厚み共振したときの周波数が実際
に使用する周波数となるように設計をすることができ
る。本発明のようなサファイア１上に圧電素子を形成す
る場合はサファイア１の音響インピーダンス（４４）が
酸化亜鉛３の音響インピーダンス（３４）よりも大きい
ため、圧電素子は１／４λ（λは波長）共振をする。例
えば、５０ＭＨｚの周波数特性をもつ圧電素子を作りた
い場合には、その厚みは、（１／４）×（６４００×１
０6／５０×１０6）＝３２μｍとなる。
数に応じ、圧電素子が厚み共振したときの周波数が実際
に使用する周波数となるように設計をすることができ
る。本発明のようなサファイア１上に圧電素子を形成す
る場合はサファイア１の音響インピーダンス（４４）が
酸化亜鉛３の音響インピーダンス（３４）よりも大きい
ため、圧電素子は１／４λ（λは波長）共振をする。例
えば、５０ＭＨｚの周波数特性をもつ圧電素子を作りた
い場合には、その厚みは、（１／４）×（６４００×１
０6／５０×１０6）＝３２μｍとなる。
【００２７】圧電素子の感度は、形成した圧電素子の結
晶性に依存する。従って、Ｘ線回折装置によって酸化亜
鉛の結晶性を調べることにより、圧電素子の感度を決定
することができる。例えば、回折線測定によって酸化亜
鉛３のｃ軸以外の結晶面が発生していないかを調べる。
酸化亜鉛のｃ軸の格子定数は約２．５Åなので、Ｘ線回
折でのピーク値は約３４゜付近に現れてくる。また、ａ
軸については約３１．７゜付近である。これらの、ピー
ク値の強度比を計算することで薄膜形成に含まれるｃ軸
とａ軸との割合がわかる。
晶性に依存する。従って、Ｘ線回折装置によって酸化亜
鉛の結晶性を調べることにより、圧電素子の感度を決定
することができる。例えば、回折線測定によって酸化亜
鉛３のｃ軸以外の結晶面が発生していないかを調べる。
酸化亜鉛のｃ軸の格子定数は約２．５Åなので、Ｘ線回
折でのピーク値は約３４゜付近に現れてくる。また、ａ
軸については約３１．７゜付近である。これらの、ピー
ク値の強度比を計算することで薄膜形成に含まれるｃ軸
とａ軸との割合がわかる。
【００２８】図３に酸化亜鉛形成後の回折線の様子を示
す。回折線には酸化亜鉛３のｃ面（０００１）と共にａ
面（１０００）も観察される。ａ面はｃ面に対して直角
な面であり、この軸が観察されることは酸化亜鉛薄膜内
部の結晶構造に一部不規則な部分あるいは表面が粗く凹
凸が多いことを示す。
す。回折線には酸化亜鉛３のｃ面（０００１）と共にａ
面（１０００）も観察される。ａ面はｃ面に対して直角
な面であり、この軸が観察されることは酸化亜鉛薄膜内
部の結晶構造に一部不規則な部分あるいは表面が粗く凹
凸が多いことを示す。
【００２９】そこで、Ｘ線回折測定によって得られたａ
軸とｃ軸の回折線の強度比を求め、感度と強度比との関
係を調べた結果、図４に示す実験結果が得られた。サフ
ァイアの場合、０＜ａ／ｃ≦０．２％の条件では非常に
高感度の酸化亜鉛薄膜が形成できることがわかる。
軸とｃ軸の回折線の強度比を求め、感度と強度比との関
係を調べた結果、図４に示す実験結果が得られた。サフ
ァイアの場合、０＜ａ／ｃ≦０．２％の条件では非常に
高感度の酸化亜鉛薄膜が形成できることがわかる。
【００３０】図５に感度評価を行う方法について示す。
サファイア１上に形成された圧電素子３にパルサ５６か
らインパルス電圧ＶPを加える。符号５７はアッテネー
タを示し、インパルス電圧を調整する目的で使用され
る。圧電素子３から放射された超音波は音響レンズであ
るサファイア１の内部を通過したのち圧電素子と反対側
の端部で反射して再び圧電素子３で受信され電気信号に
変換される。ここで受信された超音波信号を増幅器５８
で増幅したのち、波形モニタ５９でその信号強度ＶRを
測定する。このようにして測定された信号強度から、酸
化亜鉛薄膜３の感度を次の関係で求める。 感度＝（ＶR／ＶP）×１００
サファイア１上に形成された圧電素子３にパルサ５６か
らインパルス電圧ＶPを加える。符号５７はアッテネー
タを示し、インパルス電圧を調整する目的で使用され
る。圧電素子３から放射された超音波は音響レンズであ
るサファイア１の内部を通過したのち圧電素子と反対側
の端部で反射して再び圧電素子３で受信され電気信号に
変換される。ここで受信された超音波信号を増幅器５８
で増幅したのち、波形モニタ５９でその信号強度ＶRを
測定する。このようにして測定された信号強度から、酸
化亜鉛薄膜３の感度を次の関係で求める。 感度＝（ＶR／ＶP）×１００
【００３１】また、ａ軸の発生量が多い場合はサファイ
ア内に弾性波（縦波）のほかに、せん断波（横波）が生
じる。通常の測定には弾性波を使うので、せん断波の発
生は感度のロスを招くと同時に、レンズ内部で反射して
ノイズ成分となり測定の際に支障をきたすことがある。
ア内に弾性波（縦波）のほかに、せん断波（横波）が生
じる。通常の測定には弾性波を使うので、せん断波の発
生は感度のロスを招くと同時に、レンズ内部で反射して
ノイズ成分となり測定の際に支障をきたすことがある。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響インピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）以上
の基板材料を使用し、基板の下部電極上に形成される酸
化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線
回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内と
することにより超音波プローブの感度を向上させること
ができる。
音響インピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）以上
の基板材料を使用し、基板の下部電極上に形成される酸
化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線
回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内と
することにより超音波プローブの感度を向上させること
ができる。
【００３３】酸化亜鉛はｃ軸方向で高い圧電性をもつ。
スパッタや蒸着によって酸化亜鉛薄膜を形成させた場
合、通常多結晶となりやすく理想的な単結晶に近い組成
の膜を形成するのは困難である。この場合、基板上に結
晶成長させるとｃ軸以外の結晶軸も成長してしまう。こ
こで、基板とターゲットとの間隔及び成膜速度などのス
パッタ条件の最適化を図ることによって他の結晶軸、特
にｃ軸と垂直な軸であるａ軸の発生量を抑えることで、
ａ／ｃの値を特定の範囲内に収め、感度を向上させるこ
とができる。本発明によれば、超音波プローブの高感度
化によって、従来観察することのできなかった微小な内
部欠陥を観察できるようになる。
スパッタや蒸着によって酸化亜鉛薄膜を形成させた場
合、通常多結晶となりやすく理想的な単結晶に近い組成
の膜を形成するのは困難である。この場合、基板上に結
晶成長させるとｃ軸以外の結晶軸も成長してしまう。こ
こで、基板とターゲットとの間隔及び成膜速度などのス
パッタ条件の最適化を図ることによって他の結晶軸、特
にｃ軸と垂直な軸であるａ軸の発生量を抑えることで、
ａ／ｃの値を特定の範囲内に収め、感度を向上させるこ
とができる。本発明によれば、超音波プローブの高感度
化によって、従来観察することのできなかった微小な内
部欠陥を観察できるようになる。
【図１】本発明の圧電素子からなる、超音波非破壊検査
用の焦点型プローブの概要断面図である。
用の焦点型プローブの概要断面図である。
【図２】本発明の圧電素子用の酸化亜鉛薄膜を形成する
のに使用される高周波マグネトロンスパッタリング装置
の一例の概要構成図である。
のに使用される高周波マグネトロンスパッタリング装置
の一例の概要構成図である。
【図３】実施例で形成した酸化亜鉛薄膜のＸ線回折分析
の波形図である。
の波形図である。
【図４】実施例で形成した酸化亜鉛薄膜のｃ軸とａ軸の
強度比と感度の関係を示す特性図である。
強度比と感度の関係を示す特性図である。
【図５】プローブの感度を測定するための装置構成を示
す模式図である。
す模式図である。
【図６】従来の超音波プローブを使用する非破壊検査装
置の一例を示す概要構成図である。
置の一例を示す概要構成図である。
１ サファイアレンズ（基板） ２ 下部電極 ３ 酸化亜鉛薄膜 ４ 上部電極 ５ 凹部 ６ 音響整合層 ２０ ヒータ ２１ チャンバ ２２ 雰囲気ガス送入管 ２３ 排気ダクト ２６ ＺｎＯターゲット ２７ ターゲットホルダ ２８ 基板ホルダ ５６ パルサ ５７ アッテネータ ５８ 増幅器 ５９ 波形モニタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｌ 1/16 Ｇ０１Ｌ 1/16 Ｇ０１Ｎ 29/24 Ｇ０１Ｎ 29/24 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ 21/66 21/66 Ｚ 41/08 41/08 Ｚ 41/09 Ｃ 41/18 41/18 １０１Ａ 41/22 41/22 Ｚ (56)参考文献 特開 平３−257882（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259254（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−286897（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−73592（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−2931（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−81076（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 17/00 330 C23C 14/08 C23C 14/34 C23C 14/35 G01L 1/16 G01N 29/24 H01L 21/203 H01L 21/66 H01L 41/08 H01L 41/09 H01L 41/18 H01L 41/22
Claims (12)
- 【請求項１】 基板上に形成された下部電極、該下部電
極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛薄膜上
に形成された上部電極を有する圧電素子において、基板
として音響インピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ
2ｓ）以上の材料を使用し、酸化亜鉛のａ軸［１００
０］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強度比
が０＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内であることを特徴とする
圧電素子。 - 【請求項２】 基板材料がサファイアであり、酸化亜鉛
のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測
定による強度比が０＜ａ／ｃ≦０．２である請求項１の
圧電素子。 - 【請求項３】 基板材料がダイヤモンド又はセラミック
基板であり、酸化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［００
０１］とのＸ線回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦
１．０である請求項１の圧電素子。 - 【請求項４】 基板材料が石英、ガラス又は金属であ
り、酸化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］と
のＸ線回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦５．０であ
る請求項１の圧電素子。 - 【請求項５】 下部電極が金（Ａｕ）電極膜であり、基
板材料がサファイアであり、酸化亜鉛のａ軸［１００
０］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強度比
が０＜ａ／ｃ≦０．２であり、超音波非破壊検査用プロ
ーブとして使用される請求項１の圧電素子。 - 【請求項６】 基板上に下部電極を形成し、この電極上
に酸化亜鉛薄膜を形成し、さらに酸化亜鉛薄膜上に上部
電極を形成することからなる圧電素子の製造方法におい
て、音響インピーダンスが１３（×１０6ｋｇ／ｍ2ｓ）
以上の材料の基板と、酸化亜鉛薄膜を形成可能なターゲ
ットとの間の間隔Ｌと、成膜速度Ｖとが、次の関係、 Ｖ＝−０．１２５Ｌ＋１．９５ を満たす条件で高周波マグネトロンスパッタリング法に
より酸化亜鉛薄膜を生成、酸化亜鉛のａ軸［１０００］
とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測定による強度比を０
＜ａ／ｃ≦５．０の範囲内とすることを特徴とする圧電
素子の製造方法。 - 【請求項７】 基板とターゲットとの間の間隔を７．５
〜９．２ｃｍの範囲内の値に維持して酸化亜鉛薄膜を形
成する請求項６の方法。 - 【請求項８】 基板とターゲットとの間の間隔を７．５
〜９．２ｃｍの範囲内の値に維持し、０．８〜１．０μ
ｍ／ｈの成膜速度で酸化亜鉛薄膜を形成する請求項６の
方法。 - 【請求項９】 基板材料がサファイアであり、酸化亜鉛
のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］とのＸ線回折測
定による強度比が０＜ａ／ｃ≦０．２である請求項６の
方法。 - 【請求項１０】 基板材料がダイヤモンド又はセラミッ
ク基板であり、酸化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０
００１］とのＸ線回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦
１．０である請求項６の方法。 - 【請求項１１】 基板材料が石英、ガラス又は金属であ
り、酸化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０００１］と
のＸ線回折測定による強度比が０＜ａ／ｃ≦５．０であ
る請求項６の方法。 - 【請求項１２】 サファイア基板の下部電極形成面を光
学研磨し、この光学研磨面に真空蒸着法により下部電極
として金（Ａｕ）電極膜を形成し、基板とターゲットと
の間の間隔を７．５〜９．２ｃｍの範囲内の値に維持
し、０．８〜１．０μｍ／ｈの成膜速度で酸化亜鉛薄膜
を形成し、酸化亜鉛のａ軸［１０００］とｃ軸［０００
１］とのＸ線回折測定による強度比を０＜ａ／ｃ≦０．
２とする請求項６の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20740895A JP3325751B2 (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 圧電素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20740895A JP3325751B2 (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 圧電素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0937391A JPH0937391A (ja) | 1997-02-07 |
| JP3325751B2 true JP3325751B2 (ja) | 2002-09-17 |
Family
ID=16539252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20740895A Expired - Lifetime JP3325751B2 (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 圧電素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3325751B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004031711A1 (ja) * | 2002-10-01 | 2004-04-15 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 圧電センサおよびそれを備えた入力装置 |
| JP2011076578A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-04-14 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | タッチスクリーンの入力装置及びその製造方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4328853B2 (ja) | 2003-01-22 | 2009-09-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 圧電素子およびその製造方法 |
| US7566384B2 (en) * | 2005-07-22 | 2009-07-28 | Praxair Technology, Inc. | System and apparatus for real-time monitoring and control of sputter target erosion |
| KR102637010B1 (ko) | 2010-12-03 | 2024-02-16 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 산화물 반도체막 및 반도체 장치 |
| JP5869439B2 (ja) * | 2012-06-29 | 2016-02-24 | 富士フイルム株式会社 | ウルツァイト型複合酸化物及びそれを備えた圧電素子 |
| JP5528612B1 (ja) * | 2013-07-09 | 2014-06-25 | Ｒｏｃａ株式会社 | 半導体装置 |
-
1995
- 1995-07-21 JP JP20740895A patent/JP3325751B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004031711A1 (ja) * | 2002-10-01 | 2004-04-15 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 圧電センサおよびそれを備えた入力装置 |
| US7152482B2 (en) | 2002-10-01 | 2006-12-26 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Piezoelectric sensor and input device including same |
| JP2011076578A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-04-14 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | タッチスクリーンの入力装置及びその製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0937391A (ja) | 1997-02-07 |
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