JP3357227B2 - 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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- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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８に示す。図８において、符号８
０は超音波プローブを示し、８１は被検体を示す。超音
波プローブ８０はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能
なステージ８３，８３’に保持されており、被検体８１
は水槽８２内に配置されている。超音波プローブ８０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８４に接続されている。図８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８０あるいは被検体８１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８に示す。図８において、符号８
０は超音波プローブを示し、８１は被検体を示す。超音
波プローブ８０はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能
なステージ８３，８３’に保持されており、被検体８１
は水槽８２内に配置されている。超音波プローブ８０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８４に接続されている。図８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８０あるいは被検体８１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）の結晶構造は図９に示
されるように、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。
されるように、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。
【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。
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。
【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
としてサファイアを使用し、酸化亜鉛薄膜のＸ線による
ロッキングカーブの標準偏差σの値が、０゜＜σＺｎＯ
≦２．５゜であり、及び／又は、下部電極を形成する金
（Ａｕ）薄膜のＸ線によるロッキングカーブの標準偏差
σの値が、０゜＜σＡｕ≦４．５゜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
としてサファイアを使用し、酸化亜鉛薄膜のＸ線による
ロッキングカーブの標準偏差σの値が、０゜＜σＺｎＯ
≦２．５゜であり、及び／又は、下部電極を形成する金
（Ａｕ）薄膜のＸ線によるロッキングカーブの標準偏差
σの値が、０゜＜σＡｕ≦４．５゜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、基板材料としてサファイアを使用し、
サファイア基板の端面を光学研磨し、この光学研磨した
サファイア端面に下部電極の金薄膜を蒸着させ、更にこ
の金薄膜上に酸化亜鉛薄膜を形成させることを特徴とす
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、基板材料としてサファイアを使用し、
サファイア基板の端面を光学研磨し、この光学研磨した
サファイア端面に下部電極の金薄膜を蒸着させ、更にこ
の金薄膜上に酸化亜鉛薄膜を形成させることを特徴とす
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
ったり、また、ｃ軸の方向性にばらつきがみられたりす
る。そこで、基板材料及び成膜条件の最適化を図ること
によってｃ軸の配向性を向上させる。ｃ軸配向性が良く
なることで感度の向上が期待できる。
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
ったり、また、ｃ軸の方向性にばらつきがみられたりす
る。そこで、基板材料及び成膜条件の最適化を図ること
によってｃ軸の配向性を向上させる。ｃ軸配向性が良く
なることで感度の向上が期待できる。
【００１４】単結晶サファイアは酸化亜鉛と同じ結晶構
造（図９参照）を有し、また、下部電極であるＡｕの
（１１１）面はサファイア及び酸化亜鉛のＣ面（（００
０１）面）と等価である。従って、サファイア上に形成
したＡｕは蒸着条件によってサファイア基板の結晶構造
の影響を受けて（１１１）面配向が容易となり、ときに
はエピタキシャル成長もする。サファイア基板は加工が
し難いのに対して、従来の石英基板は加工が容易である
という利点を有する。しかし、石英基板では、基板表面
に形成されるＡｕ及び酸化亜鉛結晶が面に平行な方向で
ランダムに成長する。すなわち、ｃ軸配向性は不良にな
る。従って、石英基板よりもサファイア基板を使用した
ほうが、Ａｕ下部電極上に形成される酸化亜鉛は、下部
のＡｕの配向性の影響で良好なｃ軸配向をすることが可
能となる。
造（図９参照）を有し、また、下部電極であるＡｕの
（１１１）面はサファイア及び酸化亜鉛のＣ面（（００
０１）面）と等価である。従って、サファイア上に形成
したＡｕは蒸着条件によってサファイア基板の結晶構造
の影響を受けて（１１１）面配向が容易となり、ときに
はエピタキシャル成長もする。サファイア基板は加工が
し難いのに対して、従来の石英基板は加工が容易である
という利点を有する。しかし、石英基板では、基板表面
に形成されるＡｕ及び酸化亜鉛結晶が面に平行な方向で
ランダムに成長する。すなわち、ｃ軸配向性は不良にな
る。従って、石英基板よりもサファイア基板を使用した
ほうが、Ａｕ下部電極上に形成される酸化亜鉛は、下部
のＡｕの配向性の影響で良好なｃ軸配向をすることが可
能となる。
【００１５】本発明の圧電素子を非破壊検査用プローブ
で使用する場合、被検体表面を探査するには、被検体表
面での反射のみを捕捉すればよい。すなわち、伝播損失
は、音響レンズと伝播媒体間の透過損失と、伝播媒体中
の減衰だけである。従って、この場合、酸化亜鉛薄膜の
ｃ軸配向性（σＺｎＯ）は０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜で
あればよい。しかし、被検体内部を探査する場合、被検
体内部への透過損失、すなわち被検体内部での減衰が非
常に大きい。従って、この場合、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配
向性（σＺｎＯ）は０゜＜σＺｎＯ≦１．５でなければ
ならない。
で使用する場合、被検体表面を探査するには、被検体表
面での反射のみを捕捉すればよい。すなわち、伝播損失
は、音響レンズと伝播媒体間の透過損失と、伝播媒体中
の減衰だけである。従って、この場合、酸化亜鉛薄膜の
ｃ軸配向性（σＺｎＯ）は０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜で
あればよい。しかし、被検体内部を探査する場合、被検
体内部への透過損失、すなわち被検体内部での減衰が非
常に大きい。従って、この場合、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配
向性（σＺｎＯ）は０゜＜σＺｎＯ≦１．５でなければ
ならない。
【００１６】石英基板の場合、基板上に成膜される酸化
亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）は２〜３゜程度であ
った。従って、被検体の表面探査だけならば、石英基板
でも十分に対応できる。しかし、石英基板では１．５゜
以下のσＺｎＯを得ることはできない。換言すれば、石
英基板を用いるプローブの場合、被検体内部の探査に必
要な感度を得ることはできない。
亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）は２〜３゜程度であ
った。従って、被検体の表面探査だけならば、石英基板
でも十分に対応できる。しかし、石英基板では１．５゜
以下のσＺｎＯを得ることはできない。換言すれば、石
英基板を用いるプローブの場合、被検体内部の探査に必
要な感度を得ることはできない。
【００１７】同様に、被検体表面を探査する場合、Ａｕ
薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦４．５゜
であればよいが、被検体内部を探査する場合、Ａｕ薄膜
のｃ軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦２．２゜でな
ければならない。
薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦４．５゜
であればよいが、被検体内部を探査する場合、Ａｕ薄膜
のｃ軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦２．２゜でな
ければならない。
【００１８】酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）は
必ずしもＡｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の影響を受け
ない。従って、被検体表面を探査する場合、０゜＜σＺ
ｎＯ≦２．５゜の要件が満たされるだけで良く、同時に
０゜＜σＡｕ≦４．５゜の要件が満たされなくても良
い。しかし、良好な測定結果を得るには、両方の要件が
同時に満たされことが好ましい。同様に、被検体内部を
探査する場合、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）
が０゜＜σＺｎＯ≦１．５であればよく、Ａｕ薄膜のｃ
軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦２．２゜である必
要はない。しかし、最も良好な測定結果を得るには、０
゜＜σＺｎＯ≦１．５及び０゜＜σＡｕ≦２．２゜の両
方の要件を同時に満たすことが好ましい。
必ずしもＡｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の影響を受け
ない。従って、被検体表面を探査する場合、０゜＜σＺ
ｎＯ≦２．５゜の要件が満たされるだけで良く、同時に
０゜＜σＡｕ≦４．５゜の要件が満たされなくても良
い。しかし、良好な測定結果を得るには、両方の要件が
同時に満たされことが好ましい。同様に、被検体内部を
探査する場合、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）
が０゜＜σＺｎＯ≦１．５であればよく、Ａｕ薄膜のｃ
軸配向性（σＡｕ）は０゜＜σＡｕ≦２．２゜である必
要はない。しかし、最も良好な測定結果を得るには、０
゜＜σＺｎＯ≦１．５及び０゜＜σＡｕ≦２．２゜の両
方の要件を同時に満たすことが好ましい。
【００１９】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
３０ｍｍ以下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
３０ｍｍ以下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。
【００２０】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
（ＺｎＯ））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２
８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２１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
（ＺｎＯ））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２
８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２１内を所定の真空度にすることができる。
【００２１】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が、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。１．５〜３．０Ｐａ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が、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。１．５〜３．０Ｐａの範囲内が好ましい。
【００２２】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２６０℃〜４００℃の範囲内が
好ましい。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２６０℃〜４００℃の範囲内が
好ましい。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。
【００２３】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、一般的に、１００Ｗ〜４０
０Ｗの範囲内である。１５０〜３００Ｗの範囲内が好ま
しい。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、一般的に、１００Ｗ〜４０
０Ｗの範囲内である。１５０〜３００Ｗの範囲内が好ま
しい。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。
【００２４】基板とターゲットとの間の間隔に応じて成
膜速度は変動するが、本発明の圧電素子における酸化亜
鉛薄膜を成膜する際の速度は一般的に、０．５〜２．５
μｍ／ｈの範囲内である。０．８〜２．０μｍ／ｈの範
囲内が好ましい。
膜速度は変動するが、本発明の圧電素子における酸化亜
鉛薄膜を成膜する際の速度は一般的に、０．５〜２．５
μｍ／ｈの範囲内である。０．８〜２．０μｍ／ｈの範
囲内が好ましい。
【００２５】
【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。
【００２６】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部が形成されていた。このとき、
光学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（ＥＢ）蒸着
装置を用いた。基板温度を３００℃に保ち、Ａｕを１５
０ｎｍの厚さに蒸着した。
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部が形成されていた。このとき、
光学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（ＥＢ）蒸着
装置を用いた。基板温度を３００℃に保ち、Ａｕを１５
０ｎｍの厚さに蒸着した。
【００２７】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、
基板温度３００℃、ガス圧２Ｐａ、高周波出力２００
Ｗ、ターゲット材と基板の下部電極表面との間の間隔８
ｃｍ、蒸着速度０．９５μｍ／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、室温で上部電極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Ｓ
ＵＳ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部５の内面に音響整合層６（Ｓ
ｉＯ2）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、
基板温度３００℃、ガス圧２Ｐａ、高周波出力２００
Ｗ、ターゲット材と基板の下部電極表面との間の間隔８
ｃｍ、蒸着速度０．９５μｍ／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、室温で上部電極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Ｓ
ＵＳ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部５の内面に音響整合層６（Ｓ
ｉＯ2）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。
【００２８】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（４４×１
０6ｋｇ／ｃｍ2）が酸化亜鉛３の音響インピーダンス
（３４×１０6ｋｇ／ｃｍ2））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、５０
ＭＨｚ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）×（６４００×１０6／５
０×１０6）＝３２μｍとなる。ＳＡＷデバイス、音響
光学素子、光導波路などに使用する場合、酸化亜鉛薄膜
の膜厚は通常、１μｍ以下であるが、プローブで使用す
る場合の酸化亜鉛薄膜の膜厚はその周波数に応じた膜厚
である。下部電極のＡｕ薄膜の膜厚は０．１５μｍ程度
である。
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（４４×１
０6ｋｇ／ｃｍ2）が酸化亜鉛３の音響インピーダンス
（３４×１０6ｋｇ／ｃｍ2））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、５０
ＭＨｚ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）×（６４００×１０6／５
０×１０6）＝３２μｍとなる。ＳＡＷデバイス、音響
光学素子、光導波路などに使用する場合、酸化亜鉛薄膜
の膜厚は通常、１μｍ以下であるが、プローブで使用す
る場合の酸化亜鉛薄膜の膜厚はその周波数に応じた膜厚
である。下部電極のＡｕ薄膜の膜厚は０．１５μｍ程度
である。
【００２９】基板材料として石英を使用する場合、石英
は１／２λ共振なのでサファイア基板上に成膜される酸
化亜鉛薄膜の膜厚の２倍の膜厚が必要になる。しかし、
膜厚が厚くなると、膜厚分布が不均一になり、製品不良
の原因となる。その結果、石英基板では製品の歩留まり
が悪くなる。
は１／２λ共振なのでサファイア基板上に成膜される酸
化亜鉛薄膜の膜厚の２倍の膜厚が必要になる。しかし、
膜厚が厚くなると、膜厚分布が不均一になり、製品不良
の原因となる。その結果、石英基板では製品の歩留まり
が悪くなる。
【００３０】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、配向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。回折線測定によって酸化亜
鉛３のｃ軸の現れる角度を測定し、この角度でＸ線を入
射させた状態で試料だけを、角度をスキャンさせてロッ
キングカーブを測定する。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。
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、配向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。回折線測定によって酸化亜
鉛３のｃ軸の現れる角度を測定し、この角度でＸ線を入
射させた状態で試料だけを、角度をスキャンさせてロッ
キングカーブを測定する。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。
【００３１】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）の回折線
ピーク（３４゜）が観察されている。
す。回折線には酸化亜鉛３のｃ面（０００１）の回折線
ピーク（３４゜）が観察されている。
【００３２】Ｘ線回折におけるピーク値の３４゜の角度
でＸ線を入射させて測定したロッキングカーブ測定結果
を図４に示す。測定されたロッキングカーブは酸化亜鉛
薄膜のｃ軸の配向性、つまりｃ軸の成長している向きの
ばらつき具合を示しており、図示されているようにほぼ
正規分布とみなせる。そこで、このロッキングカーブの
標準偏差（σ）を計測し、この値で定量的に評価を行
う。従って、ｃ軸配向性が悪く、結晶の成長方向のばら
つきが大きい場合はσの値は大きくなり、逆に配向性が
良好な場合はσの値は小さくなる。
でＸ線を入射させて測定したロッキングカーブ測定結果
を図４に示す。測定されたロッキングカーブは酸化亜鉛
薄膜のｃ軸の配向性、つまりｃ軸の成長している向きの
ばらつき具合を示しており、図示されているようにほぼ
正規分布とみなせる。そこで、このロッキングカーブの
標準偏差（σ）を計測し、この値で定量的に評価を行
う。従って、ｃ軸配向性が悪く、結晶の成長方向のばら
つきが大きい場合はσの値は大きくなり、逆に配向性が
良好な場合はσの値は小さくなる。
【００３３】図５に感度評価を行う方法について示す。
サファイア１上に形成された酸化亜鉛薄膜３にパルサ５
６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、印加電圧調整のために使用されている。
酸化亜鉛薄膜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酸化亜鉛薄膜と反
対側の端部で反射して再び酸化亜鉛薄膜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上に形成された酸化亜鉛薄膜３にパルサ５
６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、印加電圧調整のために使用されている。
酸化亜鉛薄膜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酸化亜鉛薄膜と反
対側の端部で反射して再び酸化亜鉛薄膜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
【００３４】図５に示された装置を用いて測定した酸化
亜鉛薄膜のｃ軸のσ値と感度の関係を図６に示す。図６
より、酸化亜鉛薄膜のｃ軸ロッキングカーブのσ値と感
度とは良好な相関関係を有し、σ値が小さいほど感度が
良好になっている。実際に、材料の内部を測定する際に
必要になる圧電素子の感度は約３％である。この程度の
感度があれば内部の欠陥などを検出することが可能であ
る。この、最低限必要な感度３％を満たすための条件
は、図６から、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σ）が１．
５゜以下でなければならないことが理解できる。
亜鉛薄膜のｃ軸のσ値と感度の関係を図６に示す。図６
より、酸化亜鉛薄膜のｃ軸ロッキングカーブのσ値と感
度とは良好な相関関係を有し、σ値が小さいほど感度が
良好になっている。実際に、材料の内部を測定する際に
必要になる圧電素子の感度は約３％である。この程度の
感度があれば内部の欠陥などを検出することが可能であ
る。この、最低限必要な感度３％を満たすための条件
は、図６から、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σ）が１．
５゜以下でなければならないことが理解できる。
【００３５】また、図７に、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性
と下部電極であるＡｕのｃ軸配向性の関係を調べた実験
結果を示す。図７はＸ線回折装置で測定した特性図であ
る。酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性と下部電極であるＡｕの
ｃ軸配向性は良好な相関関係にあり、この関係は次式で
示される。 σＺｎＯ＝０．６７σＡｕ−０．０３
と下部電極であるＡｕのｃ軸配向性の関係を調べた実験
結果を示す。図７はＸ線回折装置で測定した特性図であ
る。酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性と下部電極であるＡｕの
ｃ軸配向性は良好な相関関係にあり、この関係は次式で
示される。 σＺｎＯ＝０．６７σＡｕ−０．０３
【００３６】前記の関係式から、被検体の内部測定に必
要な感度を有するための酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σ
ＺｎＯ）が１．５゜以下という条件が満たされるのは、
下部電極のＡｕのｃ軸配向性（σＡｕ）が２．２゜以下
の場合であるということが理解できる。
要な感度を有するための酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σ
ＺｎＯ）が１．５゜以下という条件が満たされるのは、
下部電極のＡｕのｃ軸配向性（σＡｕ）が２．２゜以下
の場合であるということが理解できる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
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、基板としてサファイ
アを使用し、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）の
値が、０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜、特に０゜＜σＺｎＯ
≦１．５であり、及び／又は、下部電極を形成する金
（Ａｕ）薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０゜＜σ
Ａｕ≦４．５゜、特に０゜＜σＡｕ≦２．２であれば、
超音波プローブの感度を向上させることができ、従来観
察することのできなかった微小な内部欠陥が観察できる
ようになる。
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、基板としてサファイ
アを使用し、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）の
値が、０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜、特に０゜＜σＺｎＯ
≦１．５であり、及び／又は、下部電極を形成する金
（Ａｕ）薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０゜＜σ
Ａｕ≦４．５゜、特に０゜＜σＡｕ≦２．２であれば、
超音波プローブの感度を向上させることができ、従来観
察することのできなかった微小な内部欠陥が観察できる
ようになる。
【００３８】更に、下部電極であるＡｕの成膜後、ある
いは酸化亜鉛薄膜の成膜後に、配向性評価を行うこと
で、プローブ製作プロセスの途中でプローブの性能管理
を行うことができる。
いは酸化亜鉛薄膜の成膜後に、配向性評価を行うこと
で、プローブ製作プロセスの途中でプローブの性能管理
を行うことができる。
【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】酸化亜鉛薄膜に回折線ピーク角度（３４゜）で
Ｘ線を入射させて測定したロッキングカーブ測定結果を
示す特性図である。
Ｘ線を入射させて測定したロッキングカーブ測定結果を
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】酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）と感度
との関係を示す特性図である。
との関係を示す特性図である。
【図７】酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性（σＺｎＯ）とＡｕ
薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）との関係を示す特性図であ
る。
薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）との関係を示す特性図であ
る。
【図８】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。
【図９】酸化亜鉛の結晶構造を示す模式的構成図であ
り、（ａ）は結晶配位構成を示し、（ｂ）は結晶の模式
的構造を示す。
り、（ａ）は結晶配位構成を示し、（ｂ）は結晶の模式
的構造を示す。
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 Ｃ２３Ｃ 14/35 Ｃ２３Ｃ 14/35 Ｚ Ｇ０１Ｌ 1/16 Ｇ０１Ｌ 1/16 Ｇ０１Ｎ 29/24 Ｇ０１Ｎ 29/24 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ 41/08 Ｈ０４Ｒ 31/00 ３３０ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ 41/18 Ｚ 41/22 41/18 １０１Ａ Ｈ０４Ｒ 31/00 ３３０ 41/22 Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 17/00 330 C01G 7/00 C23C 14/08 C23C 14/34 C23C 14/35 G01L 1/16 H01L 21/203 H01L 41/08 H01L 41/09 H01L 41/18 H01L 41/22 H04R 31/00 330
Claims (6)
- 【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、 基板としてサファイアを使用し、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配
向性（σＺｎＯ）の値が、０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜で
あり、 下部電極が金（Ａｕ）薄膜からなり、該Ａｕ薄膜のｃ軸
配向性（σＡｕ）の値が、０゜＜σＡｕ≦４．５゜であ
る ことを特徴とする圧電素子。 - 【請求項２】 被検体の表面を探査するための超音波非
破壊検査用プローブとして使用され、酸化亜鉛薄膜のｃ
軸配向性（σＺｎＯ）の値が、０゜＜σＺｎＯ≦２．５
゜であり、Ａｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０
゜＜σＡｕ≦４．５゜であることを特徴とする請求項１
の圧電素子。 - 【請求項３】 被検体の内部を探査するための超音波非
破壊検査用プローブとして使用され、酸化亜鉛薄膜のｃ
軸配向性（σＺｎＯ）の値が、０゜＜σＺｎＯ≦１．５
゜であり、Ａｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０
゜＜σＡｕ≦２．２゜であることを請求項１の圧電素
子。 - 【請求項４】 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、 基板材料としてサファイアを使用し、該サファイア基板
の下部電極形成面を光学研磨し、この光学研磨面に下部
電極として金（Ａｕ）を電子ビーム蒸着法により蒸着さ
せることにより金薄膜を形成し、該Ａｕ薄膜のｃ軸配向
性（σＡｕ）の値を、０゜＜σＡｕ≦４．５゜とし、該
下部電極上に、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し、酸化亜鉛薄膜のｃ軸配向性
（σＺｎＯ）の値を０゜＜σＺｎＯ≦２．５゜とするこ
とを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 【請求項５】 被検体の表面を探査するための超音波非
破壊検査用プローブとして使用され、酸化亜鉛薄膜のｃ
軸配向性（σＺｎＯ）の値が、０゜＜σＺｎＯ≦２．５
゜であり、Ａｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０
゜＜σＡｕ≦４．５゜であることを特徴とする請求項３
の圧電素子の製造方法。 - 【請求項６】 被検体の内部を探査するための超音波非
破壊検査用プローブとして使用され、酸化亜鉛薄膜のｃ
軸配向性（σＺｎＯ）の値が、０゜＜σＺｎＯ≦１．５
゜であり、Ａｕ薄膜のｃ軸配向性（σＡｕ）の値が、０
゜＜σＡｕ≦２．２゜であることを特徴とする請求項５
の圧電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20740995A JP3357227B2 (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 |
|---|---|---|---|
| JP20740995A JP3357227B2 (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 |
|---|---|
| JPH0937392A JPH0937392A (ja) | 1997-02-07 |
| JP3357227B2 true JP3357227B2 (ja) | 2002-12-16 |
Family
ID=16539270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20740995A Expired - Lifetime JP3357227B2 (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) | JP3357227B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007100155A1 (ja) * | 2006-03-03 | 2007-09-07 | Niigata University | シリコンウェーハ中に存在する原子空孔の定量評価装置および方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3947443B2 (ja) * | 2002-08-30 | 2007-07-18 | Ｔｄｋ株式会社 | 電子デバイス用基板および電子デバイス |
| US7215067B2 (en) | 2003-02-07 | 2007-05-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Ferroelectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head |
| JP4689482B2 (ja) * | 2003-02-07 | 2011-05-25 | キヤノン株式会社 | 圧電アクチュエーター、圧電アクチュエーターの製造方法、液体吐出ヘッド |
| JP6543109B2 (ja) * | 2015-06-30 | 2019-07-10 | 株式会社日立パワーソリューションズ | 超音波探触子および超音波検査装置 |
-
1995
- 1995-07-21 JP JP20740995A patent/JP3357227B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007100155A1 (ja) * | 2006-03-03 | 2007-09-07 | Niigata University | シリコンウェーハ中に存在する原子空孔の定量評価装置および方法 |
| US8037761B2 (en) | 2006-03-03 | 2011-10-18 | Niigata University | Quantitative evaluation device and method of atomic vacancy existing in silicon wafer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0937392A (ja) | 1997-02-07 |
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