JPH0937391A - Piezoelectric element and its manufacture - Google Patents

Piezoelectric element and its manufacture

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JPH0937391A
JPH0937391A JP20740895A JP20740895A JPH0937391A JP H0937391 A JPH0937391 A JP H0937391A JP 20740895 A JP20740895 A JP 20740895A JP 20740895 A JP20740895 A JP 20740895A JP H0937391 A JPH0937391 A JP H0937391A
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zinc oxide
axis
substrate
thin film
piezoelectric element
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Shoji Yamaguchi
祥司 山口
Akimasa Onozato
陽正 小野里
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element having sensitivity necessary for flaw detection inside a material. SOLUTION: The piezoelectric element has a lower electrode formed on a base, a zinc oxide thin film formed on the surface of the lower electrode film and an upper electrode formed on the surface of the zinc oxide thin film. A material having > (13×10<6> kg/m<2> s) acoustic impedance is used as the base and a strength ratio between the a-axis [1000]0 and c-axis [0001] of the zinc oxide based upon X-ray diffraction measurement is within the range of 0<a/c<=5.0. The zinc oxide thin film can be formed by a high frequency magetron sputtering method under a condition satisfying an equation V=-0.125L+1.95 provided that L is an interval between the base and a target and V is film forming speed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric element.
In particular, it relates to the relationship between crystallinity and sensitivity of a piezoelectric element using a zinc oxide (ZnO) thin film.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A gold (Au) electrode film formed on a substrate,
A piezoelectric element having a zinc oxide thin film formed on the gold electrode film and a metal (eg, Au) upper electrode formed on the zinc oxide thin film is a sensor portion for nondestructive observation of the inside of the material. Widely used as an ultrasonic probe.

【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。
Zinc oxide, which is sandwiched by the upper and lower electrodes, undergoes strain deformation when a voltage is applied to the electrodes, and ultrasonic waves can be emitted inside the substrate.
Converts electrical signals into ultrasonic waves. In addition, when ultrasonic waves are received by the zinc oxide thin film and distortion deformation occurs, a voltage difference occurs between both electrodes, and it becomes possible to convert ultrasonic signals into electrical energy.

【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。
An example of a nondestructive inspection device using such an ultrasonic probe is shown in FIG. In FIG. 6, reference numeral 6
0 indicates an ultrasonic probe, and 61 indicates a subject. The ultrasonic probe 60 is held on stages 63, 63 ′ that are movable in the X direction, the Y direction, and the Z direction, and
Is arranged in the water tank 62. One end of the ultrasonic probe 60 has a suitable transmission medium (eg, wire or optical fiber).
Is connected to the visualization device 64. The apparatus shown in FIG. 6 is used, for example, for the purpose of taking an image of the inside of a subject. The ultrasonic probe 60 or the subject 61 is mechanically scanned in two dimensions (xy, xz, yz) by a scanner, and 1
Using one ultrasonic probe or two ultrasonic probes separately for transmission and reception, the reflected wave and the transmitted wave from the inside of the subject are A / D converted and the image is displayed with the brightness of the image according to the signal strength. .

【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。
The crystal structure of zinc oxide (ZnO) has a hexagonal wurtzite structure, and has good piezoelectric characteristics in the C-axis [0001] direction (bulk electromechanical coupling coefficient = 0.3).
In addition to having, because it can be thinned relatively easily,
It is used as a piezoelectric element and a surface acoustic wave filter (SAW device).

【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。
The frequency of ultrasonic waves emitted from the piezoelectric element is determined by the thickness resonance of the piezoelectric element. Since this piezoelectric element made of zinc oxide can be formed by a thin film process, it is used in a thin region (high frequency region of about 100 MHz or more).

【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。
The thin film of zinc oxide can be formed by vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) or the like. Here, a manufacturing method of performing sputtering in a mixed gas atmosphere of Ar and oxygen using sintered zinc oxide as a sputtering target will be described. First, an Au thin film to be a lower electrode is formed on a substrate such as glass by a vapor deposition method.

【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。
At this time, in order to favorably orient the zinc oxide thin film on the C-axis, the Au thin film is preferably [111] oriented.
This is because the unit cell of the (0001) plane, which is the plane orientation of the zinc oxide thin film, has the structure of the face-centered cubic lattice of (111) of Au.
This is because it is equivalent to a unit cell of the plane, and thus the [111] orientation of the Au electrode previously formed on the substrate promotes the C-axis orientation of zinc oxide formed thereon. A
An Au electrode to be an upper electrode is further formed by vapor deposition on the zinc oxide thin film formed by sputtering on the u electrode to have a desired thickness.

【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。
Japanese Patent Publication No. 5-41080 discloses a piezoelectric element using a gold electrode film formed on a quartz glass substrate and having a standard deviation of a (111) diffraction line rocking curve of 3 degrees or less. There is. However, even if the piezoelectric element having such a structure is used, sufficient sensitivity cannot be obtained. Especially, in the device for observing the internal structure of the material, 3
% Sensitivity is required, but this sensitivity cannot be achieved by the piezoelectric element having the structure disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 5-40080, and there is a variation in sensitivity, which results in defective elements, However, there are problems such as a decrease in yield.

【0010】[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。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a piezoelectric element having the sensitivity required for internal flaw detection in materials.

【0011】[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(×106
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。
In order to achieve the above object, the present invention provides a gold (Au) electrode film formed on a substrate,
In a piezoelectric element having a zinc oxide thin film formed on the gold electrode film and an upper electrode formed on the zinc oxide thin film, a substrate having an acoustic impedance of 13 (× 10 6 k
g / m 2 s) or higher material, zinc oxide a-axis [1
000] and c-axis [0001] have an intensity ratio in the range of 0 <a / c ≦ 5.0 by X-ray diffraction measurement.

【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。
Further, according to the present invention, a lower electrode of gold (Au) is formed on a substrate by electron beam (EB) vapor deposition to a predetermined thickness, and a zinc oxide thin film is formed on this electrode by a high frequency magnetron sputtering method. In a method of manufacturing a piezoelectric element, which has a predetermined thickness and further an upper electrode is formed on zinc oxide, an acoustic impedance of 13 (× 10 6
(kg / m 2 s) or more, the distance L between the substrate and the target capable of forming a zinc oxide thin film, and the film formation rate V satisfy the following relationship: V = −0.125L + 1.95 A zinc oxide thin film is produced under the conditions, and the intensity ratio of a-axis [1000] and c-axis [0001] of zinc oxide measured by X-ray diffraction is within the range of 0 <a / c ≦ 5.0. A method for manufacturing a piezoelectric element is provided.

【0013】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Zinc oxide has a high piezoelectric property in the c-axis direction. When a zinc oxide thin film is formed by sputtering or vapor deposition, it usually becomes polycrystalline and it is difficult to form a film having a composition close to an ideal single crystal. In this case, when the crystal is grown on the substrate, crystal axes other than the c-axis also grow. Here, by optimizing the sputtering conditions, it is possible to improve the sensitivity by suppressing the amount of generation of other crystal axes, particularly the a axis which is an axis perpendicular to the c axis.

【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。
In the piezoelectric element of the present invention, a material having an acoustic impedance of 13 (× 10 6 kg / m 2 s) or more is used as the substrate. Substrate materials that meet these requirements are, for example, sapphire, quartz, glass, Si, diamond,
It is either a ceramic substrate or metal. For example, metal
Examples include stainless steel, aluminum and copper.

【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
6kg/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。
The acoustic impedance of sapphire is 44
(× 10 6 kg / m 2 s), and quartz and glass are 14
(× 10 6 kg / m 2 s), and Si is 14 to 20 (×
10 6 kg / m 2 s) and the diamond is 50 (× 1)
0 6 kg / m 2 s) and a ceramic substrate (for example, S
iC) is 30 (× 10 6 kg / m 2 s), and the acoustic impedance of metal such as stainless steel is 22 to 25.
(× 10 6 kg / m 2 s). When a substrate material having an acoustic impedance of less than 13 (× 10 6 kg / m 2 s) is used, the a-axis generation amount tends to increase, which is not preferable.

【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。
The shape and size of the substrate are not particularly limited. An appropriate shape and size can be selected according to the application of the piezoelectric element. Those skilled in the art can easily make such a selection. For example, when the piezoelectric element is used as a probe for ultrasonic nondestructive inspection, the substrate can be in the shape of a cylinder having a diameter of about 9 to 30 mm. This substrate is used as an acoustic lens. When the substrate has a small diameter, a film having a uniform film thickness distribution can be formed over the entire surface of the substrate when the zinc oxide thin film is formed.

【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。
The intensity ratio (a / c) of the zinc oxide a-axis [1000] and c-axis [0001] measured by X-ray diffraction required for the piezoelectric element of the present invention varies depending on the substrate material used. To do. For example, when the substrate material is sapphire, 0 <a
/C≦0.2, 0 <a / c ≦ 1.0 for diamond or ceramic substrates, 0 <a / c ≦ 5.0 for quartz, glass or metals.

【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。
The zinc oxide thin film in the piezoelectric element of the present invention is produced by the high frequency magnetron sputtering method. The radio frequency magnetron sputtering method itself is known to those skilled in the art.
An example of an apparatus used to carry out this film forming method is shown in FIG. A target 26 is arranged in the chamber 21. The target 26 (for example, sintered zinc oxide) is held by the target holder 27. The substrate 1 is arranged above the target 26 so as to face the target 26. The substrate 1 is held by the substrate holder 28. The substrate 1 is heated to a predetermined temperature by the heater 20. Atmospheric gas such as Ar and O 2 is fed into the chamber 21 through the atmospheric gas supply pipe 22. In addition, exhaust from the exhaust duct 23, the chamber 2
The inside of 1 can be made into a predetermined vacuum degree.

【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。
When forming a film, the inside of the chamber is filled with argon (A
A mixed gas atmosphere of r) and oxygen (O 2 ) is formed. The mixing ratio of argon and oxygen is not particularly limited.
The gas pressure is also not particularly limited. Generally, 1.0-4.
Gas pressures in the range of 0 Pascal (Pa) can be used.
It is preferably within the range of 2 to 3 Pa.

【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。
When the substrate 1 is heated by the heater 20, the substrate can be heated to a temperature within the range of 100 ° C to 500 ° C. The heating temperature can be changed depending on the substrate used. If the substrate is made of sapphire, if the heating temperature is too low, then the sputtered particles will not migrate easily, and if the heating temperature is too high, then the film will crack due to thermal stress.

【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。
In a mixed gas atmosphere of argon and oxygen,
When ZnO target is irradiated with heavy charged particles such as Ar + ions, the impact causes ZnO to jump out of the target.
The particles are attached to the opposite substrate surface. The high-frequency output to be applied is not particularly limited, but if the output is too low, the film forming speed will be too slow, and on the other hand, if the output is too high, the crystallinity will be deteriorated, which is not preferable.

【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。
The most important factor in forming the zinc oxide thin film of the piezoelectric element of the present invention is the distance between the target 26 and the substrate surface. This interval is related to the deposition rate,
It has the relationship shown by the following formula. V = -0.125L + 1.95 (In the formula, V is a film formation rate and L is a distance.) The distance L between the target and the substrate surface is generally 7.5 cm to
It is preferably within the range of 9.2 cm. Therefore, the film formation rate is in the range of 0.8 to 1.0 μm / h. The distance L between the target and the substrate surface is 7.5 cm to 9.2 cm.
When the value is out of the range, the a-axis of the obtained zinc oxide thin film [1
[000] and the c-axis [0001] by the X-ray diffraction measurement is out of the range of 0 <a / c ≦ 5.0, and the sensitivity of the piezoelectric element cannot be improved. In other words, when the distance between the target and the substrate is out of the range of the above value, the a-axis generation amount as the crystal axis of the formed zinc oxide thin film increases,
The sensitivity of the piezoelectric element is reduced. The zinc oxide thin film is formed on the lower electrode film deposited on the surface of the substrate. Since the film thickness of this lower electrode film is 1 μm or less at most, the lower electrode film should be used when setting the distance between the substrate and the target. Is negligible.

【0023】[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。
EXAMPLE FIG. 1 shows a specific example of use of the piezoelectric element of the present invention. FIG. 1 is a schematic sectional view of a focus probe for ultrasonic nondestructive inspection. This probe is basically a sapphire substrate 1 that serves as an acoustic lens, a lower electrode 2 made of an Au thin film deposited on the plane of this sapphire substrate, a zinc oxide thin film 3 provided on this lower electrode, and this zinc oxide. Thin film 3
An upper electrode 4 made of an Au thin film deposited on the upper surface of the above, and a concave portion 5 having a concave lens-like function are provided on the surface opposite to the surface on which the lower electrode 2 is provided. The surface of the acoustic lens on which the concave portion 5 is provided is the surface side in contact with the subject (not shown). An acoustic matching layer 6 is provided on the inner surface of the recess 5. Needless to say, the piezoelectric element of the present invention can be used for a non-focus probe that does not have this recess.

【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。
Next, a method for manufacturing the focus type probe of FIG. 1 will be described. As the substrate / acoustic lens, one end surface of sapphire optically polished was used. A concave lens was formed on the surface of the sapphire opposite to the polished surface. First, the lower electrode 2 was formed on the end face polished under such conditions by the vacuum deposition method. The electron beam (E
B) A vapor deposition device was used. Keep the substrate temperature at 300 ℃,
u was evaporated to a thickness of 150 nm.

【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。
A zinc oxide thin film 3 was formed on this Au thin film by a high frequency magnetron sputtering method. Using a high frequency magnetron sputtering apparatus as shown in FIG. 2, in an (Ar (50%) + O 2 (50%)) atmosphere,
Using zinc oxide as a target material, the substrate temperature was 300 ° C., the gas pressure was 2 Pa, the high frequency output was 200 W, the distance between the target material and the lower electrode surface of the substrate was 8 cm, and the deposition rate was 0.95 μ.
A zinc oxide thin film was formed under the condition of m / h. Further, using the same EB vapor deposition apparatus as described above, chromium and Au to be the upper electrode 4 were vapor deposited on the zinc oxide thin film, respectively. In order to make the size of the upper electrode 4 equal to the size of the concave lens to be processed on the tip portion of sapphire, the zinc oxide thin film 3 was vapor-deposited by covering it with a SUS mask having a hole of a predetermined size. Further, an acoustic matching layer (SiO 2 ) was formed on the inner surface of the concave lens at the tip of sapphire by sputtering. The presence of the acoustic matching layer 6 improves the transmission efficiency of ultrasonic waves from the tip of the sapphire 1 to the propagation medium.

【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
6/50×106)=32μmとなる。
The thickness of the zinc oxide thin film 3 can be designed so that the frequency at the time of thickness resonance of the piezoelectric element is the frequency actually used, depending on the target frequency. When the piezoelectric element is formed on the sapphire 1 as in the present invention, the acoustic impedance (44) of the sapphire 1 is larger than the acoustic impedance (34) of the zinc oxide 3, so that the piezoelectric element is 1 / 4λ (λ is the wavelength). Resonate. For example, to make a piezoelectric element having a frequency characteristic of 50 MHz, the thickness is (1/4) × (6400 × 1)
0 a 6/50 × 10 6) = 32μm.

【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。
The sensitivity of the piezoelectric element depends on the crystallinity of the formed piezoelectric element. Therefore, the sensitivity of the piezoelectric element can be determined by examining the crystallinity of zinc oxide with an X-ray diffractometer. For example, it is checked by diffraction line measurement whether a crystal plane other than the c-axis of zinc oxide 3 is generated.
Since the lattice constant of c-axis of zinc oxide is about 2.5Å, the peak value in X-ray diffraction appears around 34 °. Also, a
The axis is about 31.7 °. By calculating the intensity ratio of these peak values, the ratio of the c-axis and the a-axis included in the thin film formation can be known.

【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。
FIG. 3 shows the appearance of diffraction lines after the formation of zinc oxide. In the diffraction line, a together with the c-plane (0001) of zinc oxide 3
The face (1000) is also observed. The a-plane is a plane perpendicular to the c-plane, and the observation of this axis indicates that the crystal structure inside the zinc oxide thin film is partially irregular or the surface is rough and has many irregularities.

【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。
Then, a obtained by X-ray diffraction measurement
As a result of obtaining the intensity ratio of the diffraction lines of the c-axis and the c-axis and examining the relationship between the sensitivity and the intensity ratio, the experimental results shown in FIG. In the case of sapphire, it can be seen that a zinc oxide thin film with extremely high sensitivity can be formed under the condition of 0 <a / c ≦ 0.2%.

【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
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
FIG. 5 shows a method of evaluating the sensitivity.
An impulse voltage V P is applied from the pulser 56 to the piezoelectric element 3 formed on the sapphire 1. Reference numeral 57 indicates an attenuator, which is used for the purpose of adjusting the impulse voltage. The ultrasonic wave radiated from the piezoelectric element 3 passes through the inside of the sapphire 1 which is an acoustic lens, is reflected at the end opposite to the piezoelectric element, is received again by the piezoelectric element 3, and is converted into an electric signal. The ultrasonic signal received here is amplified by the amplifier 58.
After being amplified by, the signal strength V R is measured by the waveform monitor 59. From the signal intensity thus measured, the sensitivity of the zinc oxide thin film 3 is determined by the following relationship. Sensitivity = (V R / V P) × 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。
When the a-axis is generated in a large amount, shear waves (transverse waves) are generated in sapphire in addition to elastic waves (longitudinal waves). Since elastic waves are used for normal measurement, the generation of shear waves causes a loss of sensitivity, and at the same time, they may be reflected as noise components inside the lens and may interfere with measurement.

【0032】[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。
As described above, according to the present invention,
X-ray diffraction of a-axis [1000] and c-axis [0001] of zinc oxide formed on the lower electrode of the substrate using a substrate material with an acoustic impedance of 13 (× 10 6 kg / m 2 s) or more. When the intensity ratio measured is within the range of 0 <a / c ≦ 5.0, the sensitivity of the ultrasonic probe can be improved.

【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。
Zinc oxide has a high piezoelectric property in the c-axis direction.
When a zinc oxide thin film is formed by sputtering or vapor deposition, it usually becomes polycrystalline and it is difficult to form a film having a composition close to an ideal single crystal. In this case, when the crystal is grown on the substrate, crystal axes other than the c-axis also grow. Here, by optimizing the sputtering conditions such as the distance between the substrate and the target and the film formation rate, the amount of generation of other crystal axes, particularly, the a axis which is an axis perpendicular to the c axis is suppressed.
The sensitivity can be improved by keeping the value of a / c within a specific range. According to the present invention, by increasing the sensitivity of the ultrasonic probe, it becomes possible to observe minute internal defects that could not be observed conventionally.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a focus type probe for ultrasonic nondestructive inspection including a piezoelectric element of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an example of a high frequency magnetron sputtering apparatus used for forming a zinc oxide thin film for a piezoelectric element of the present invention.

【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。
FIG. 3 is a waveform diagram of an X-ray diffraction analysis of a zinc oxide thin film formed in an example.

【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。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the c-axis and a-axis intensity ratio and sensitivity of the zinc oxide thin films formed in the examples.

【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。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a device configuration for measuring the sensitivity of a probe.

【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。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional nondestructive inspection apparatus using an ultrasonic probe.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 1 Sapphire Lens (Substrate) 2 Lower Electrode 3 Zinc Oxide Thin Film 4 Upper Electrode 5 Recess 6 Acoustic Matching Layer 20 Heater 21 Chamber 22 Atmospheric Gas Inlet Tube 23 Exhaust Duct 26 ZnO Target 27 Target Holder 28 Substrate Holder 56 Pulser 57 Attenuator 58 Amplifier 59 Waveform monitor

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 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 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical display location 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

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A piezoelectric element having a lower electrode formed on a substrate, a zinc oxide thin film formed on the lower electrode film, and an upper electrode formed on the zinc oxide thin film, wherein the substrate has an acoustic impedance of 13 (× 10 6 kg / m
2 s) or more of material, zinc oxide a-axis [100
0] and the c-axis [0001] have an intensity ratio by X-ray diffraction measurement in the range of 0 <a / c ≦ 5.0.
【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。
2. A substrate material is sapphire, and the intensity ratio of a-axis [1000] and c-axis [0001] of zinc oxide measured by X-ray diffraction is 0 <a / c ≦ 0.2. Piezoelectric element.
【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。
3. The substrate material is a diamond or ceramic substrate, and the a-axis [1000] and c-axis [00] of zinc oxide are used.
01] and the intensity ratio by X-ray diffraction measurement is 0 <a / c ≦
The piezoelectric element according to claim 1, which is 1.0.
【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。
4. The substrate material is quartz, glass or metal, and the intensity ratio of zinc oxide a-axis [1000] and c-axis [0001] measured by X-ray diffraction is 0 <a / c ≦ 5.0. The piezoelectric element according to claim 1.
【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。
5. The lower electrode is a gold (Au) electrode film, the substrate material is sapphire, and the a-axis [100] of zinc oxide is used.
0] and the c-axis [0001] have an intensity ratio of 0 <a / c ≦ 0.2 by X-ray diffraction measurement, and are used as a probe for ultrasonic nondestructive inspection.
【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。
6. A method for manufacturing a piezoelectric element, which comprises forming a lower electrode on a substrate, forming a zinc oxide thin film on this electrode, and further forming an upper electrode on the zinc oxide thin film. (× 10 6 kg / m 2 s)
The high-frequency magnetron sputtering method under the condition that the distance L between the substrate of the above materials and the target capable of forming a zinc oxide thin film and the film formation rate V satisfy the following relationship: V = -0.125L + 1.95. To produce a zinc oxide thin film, the a-axis of zinc oxide [1000]
And the intensity ratio of the c-axis [0001] measured by X-ray diffraction is 0.
<A / c ≦ 5.0 is set, The manufacturing method of the piezoelectric element characterized by the above-mentioned.
【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。
7. The spacing between the substrate and the target is 7.5.
The method of claim 6, wherein the zinc oxide thin film is formed while maintaining the value within the range of ˜9.2 cm.
【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。
8. The spacing between the substrate and the target is 7.5.
Maintain a value within the range of ~ 9.2 cm, 0.8 ~ 1.0μ
The method according to claim 6, wherein the zinc oxide thin film is formed at a film forming rate of m / h.
【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。
9. A substrate material is sapphire, and an intensity ratio of zinc oxide a-axis [1000] and c-axis [0001] measured by X-ray diffraction is 0 <a / c ≦ 0.2. the method of.
【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。
10. The substrate material is a diamond or ceramic substrate, and the a-axis [1000] and c-axis [0] of zinc oxide are used.
001] and the intensity ratio by X-ray diffraction measurement is 0 <a / c ≦
7. The method of claim 6, which is 1.0.
【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。
11. The substrate material is quartz, glass or metal and the intensity ratio of a-axis [1000] and c-axis [0001] of zinc oxide measured by X-ray diffraction is 0 <a / c ≦ 5.0. The method of claim 6, wherein:
【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。
12. A sapphire substrate having a lower electrode forming surface optically polished, and a gold (Au) electrode film is formed as a lower electrode on the optically polished surface by a vacuum deposition method to form a gap between the substrate and the target. The zinc oxide thin film is formed at a film forming rate of 0.8 to 1.0 μm / h while maintaining the value within the range of 5 to 9.2 cm, and the a-axis [1000] and c-axis [000] of zinc oxide are formed.
1] and the intensity ratio by X-ray diffraction measurement is 0 <a / c ≦ 0.
7. The method according to claim 6, which is 2.
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