DE112020003862T5 - Piezoelektrisches Element und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

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Shinsuke Ikeuchi
Masato Kobayashi
Masayuki Suzuki
Fumiya KUROKAWA
Yutaka Kishimoto
Hajime Yamada
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

Ein piezoelektrisches Element (100) gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer piezoelektrischen Schicht (110), einer ersten Elektrodenschicht (120) und einer zweiten Elektrodenschicht (130) versehen. Die piezoelektrische Schicht (110) weist eine erste Oberfläche (111) und eine zweite Oberfläche (112) auf. Die zweite Oberfläche (112) befindet sich auf der umgekehrten Seite bezüglich der ersten Oberfläche (111). Die erste Elektrodenschicht (120) ist auf der ersten Oberfläche (111) vorgesehen. Die zweite Elektrodenschicht (130) ist auf der zweiten Oberfläche (112) vorgesehen. Zumindest ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht (130) ist der ersten Elektrodenschicht (120) zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht (110) zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht (130) enthält Silizium als Hauptkomponente. Die piezoelektrische Schicht (110) ist aus einem Einkristall gebildet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Element und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • Hintergrundtechnik
  • Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2009-302661 (Patentschrift 1) ist ein Dokument, das die Konfiguration eines piezoelektrischen Elements offenbart. Ein in der Patentschrift 1 offenbartes piezoelektrisches Element umfasst ein Siliziumsubstrat, einen piezoelektrischen Film und einen leitfähigen Film. Der piezoelektrische Film ist aus einem Piezoelektrikum, beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), hergestellt, und ist auf dem Siliziumsubstrat angeordnet. Der leitfähige Film ist aus einem leitfähigen Material hergestellt und ist auf dem piezoelektrischen Film angeordnet. Ein AlN-Film ist derart gebildet, dass ein Film mittels eines Verfahrens einer reaktiven Magnetronzerstäubung (engl.: reactive magnetron sputtering) gebildet wird und unter Verwendung eines chlorbasierten Gases mittels reaktiven Ionenätzens (RIE, reactive ion etching) strukturiert wird.
  • Liste der angeführten Dokumente
  • Patentschrift
  • Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2009-302661
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei einem piezoelektrischen Element in der verwandten Technik ist eine piezoelektrische Schicht, die auf einer aus Silizium hergestellten Elektrodenschicht gebildet ist, polykristallin. In der piezoelektrischen Schicht, die polykristallin ist, sind Korngrenzen vorhanden. Die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) der piezoelektrischen Schicht, die polykristallin ist, ist aufgrund des Vorliegens der Korngrenzen tendenziell relativ hoch, und damit verbunden ist auch die elektrostatische Kapazität der piezoelektrischen Schicht tendenziell hoch. Wenn die elektrostatische Kapazität der piezoelektrischen Schicht hoch ist, ist der Wert der elektrischen Impedanz der piezoelektrischen Schicht niedrig. Wenn also zwischen der Elektrodenschicht, die aus Silizium hergestellt ist, und einem auf der piezoelektrischen Schicht befindlichen leitfähigen Film eine Spannung angelegt wird, ist die Spannung, die auf die Elektrodenschicht, die aus Silizium hergestellt ist, verteilt wird, hoch und ist die an die piezoelektrische Schicht verteilte Spannung niedrig. Deshalb weist das piezoelektrische Element in der verwandten Technik eine geringe Antriebseffizienz auf.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des obigen Problems getätigt und weist eine Aufgabe auf, ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, dessen Antriebseffizienz verbessert werden kann.
  • Lösung des Problems
  • Ein piezoelektrisches Element, das auf der vorliegenden Erfindung beruht, umfasst eine piezoelektrische Schicht, eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht. Die piezoelektrische Schicht weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Die erste Elektrodenschicht ist auf der ersten Oberfläche angeordnet. Die zweite Elektrodenschicht ist auf der zweiten Oberfläche angeordnet. Zumindest ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht ist der ersten Elektrodenschicht zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht zwischen den beiden angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht ist monokristallin.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements, das auf der vorliegenden Erfindung beruht, umfasst einen Schritt eines Bondens einer zweiten Elektrodenschicht und einen Schritt eines Abscheidens einer ersten Elektrodenschicht. Bei dem Schritt des Bondens der zweiten Elektrodenschicht wird die zweite Elektrodenschicht mittels oberflächenaktivierten Bondens oder mittels Atomdiffusionsbondens an eine Seite einer zweiten Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht gebondet, die eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist. Bei dem Schritt des Abscheidens der ersten Elektrodenschicht wird die erste Elektrodenschicht auf eine Seite der ersten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht derart abgeschieden, dass zumindest ein Teil der ersten Elektrodenschicht der zweiten Elektrodenschicht zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht ist monokristallin.
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Antriebseffizienz eines piezoelektrischen Elements verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie II-II der 1 betrachtet.
    • 3 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie III-III der 1 betrachtet.
    • 4 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 5 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Membransegments des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts des im Betrieb befindlichen Membransegments des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 7 ist eine Veranschaulichung, bei der ein piezoelektrisches monokristallines Substrat bei einem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präpariert wird.
    • 8 ist eine Veranschaulichung, bei der ein Mehrschichtsubstrat, das eine zweite Elektrodenschicht umfasst, bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präpariert wird.
    • 9 ist eine Veranschaulichung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem das piezoelektrische monokristalline Substrat bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an das Mehrschichtsubstrat, das die zweite Elektrodenschicht umfasst, gebondet wird.
    • 10 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem eine piezoelektrische Schicht bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Schleifen des piezoelektrischen monokristallinen Substrats gebildet wird.
    • 11 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem eine erste Elektrodenschicht bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet wird.
    • 12 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Poren und dergleichen in der piezoelektrischen Schicht gebildet werden.
    • 13 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Poren und dergleichen in der zweiten Elektrodenschicht gebildet werden.
    • 14 ist eine Veranschaulichung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Öffnung auf der der Seite der zweiten Elektrodenschicht gegenüberliegenden Seite des Mehrschichtsubstrats, das die zweite Elektrodenschicht umfasst, vorgesehen ist.
    • 15 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 16 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie XVI-XVI der 15 betrachtet.
    • 17 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 18 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie XVIII-XVIII der 17 betrachtet.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Ein piezoelektrisches Element gemäß jedem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Bei der Beschreibung der nachstehenden Ausführungsbeispiele sind dieselben oder entsprechende Komponenten in den Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen benannt und werden nicht wiederholt beschrieben.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • 1 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie II-II der 1 betrachtet.
  • 3 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie III-III der 1 betrachtet.
  • Wie in 1 bis 3 veranschaulicht ist, umfasst ein piezoelektrisches Element 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Schicht 110, eine erste Elektrodenschicht 120, eine zweite Elektrodenschicht 130, ein Basissegment 140, eine erste Verbindungselektrode 150 und eine zweite Verbindungselektrode 160.
  • Wie in 2 veranschaulicht ist, weist die piezoelektrische Schicht 110 eine erste Oberfläche 111 und eine zweite Oberfläche 112 auf. Die zweite Oberfläche 112 liegt der ersten Oberfläche 111 gegenüber.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der piezoelektrischen Schicht 110 von 0,3 µm bis 5,0 µm und beträgt vorzugsweise von 0,5 µm bis 1,0 µm.
  • Die piezoelektrische Schicht 110 ist monokristallin. Die Schnittrichtung der piezoelektrischen Schicht 110 wird geeignetermaßen derart gewählt, dass das piezoelektrische Element 100 gewünschte Vorrichtungscharakteristika aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 aus einem monokristallinen Substrat zusammengesetzt und ist im Einzelnen ein Gedrehter-Y-Schnitt-Substrat. Die Schnittrichtung des Gedrehter-Y-Schnitt-Substrats ist im Einzelnen 30 °. Wenn die Schnittrichtung des Gedrehter-Y-Schnitt-Substrats 30 ° beträgt, ist die Verschiebung einer Biegeschwingung eines nachstehend beschriebenen Membransegments größer.
  • Material, das die piezoelektrische Schicht 110 ausmacht, wird geeigneterweise derart gewählt, dass das piezoelektrische Element 100 gewünschte Vorrichtungseigenschaften aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 aus einer auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder aus einer auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung hergestellt. Die piezoelektrische Konstante dieser Verbindungen ist relativ hoch und ist höher als die piezoelektrische Konstante von beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Alkalimetall, das in der auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder der auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung enthalten ist, zumindest eines von Lithium, Natrium und Kalium. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 aus Lithiumniobat (LiNbO3) oder Lithiumtantalat (LiTaO3) gebildet.
  • Wie in 2 veranschaulicht ist, ist die erste Elektrodenschicht 120 auf der ersten Oberfläche 111 angeordnet. Eine Kontaktschicht kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 120 und der piezoelektrischen Schicht 110 angeordnet sein.
  • Wie in 1 und 3 veranschaulicht ist, umfasst die erste Elektrodenschicht 120 ein Gegenelektrodensegment 121, ein Verdrahtungssegment 122 und ein Außenelektrodensegment 123. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Gegenelektrodensegment 121 im Wesentlichen in der Mitte des piezoelektrischen Elements 100 und weist in einer zu der ersten Oberfläche 111 senkrechten Richtung betrachtet ein kreisförmiges Profil auf. Wie in 3 veranschaulicht ist, befindet sich das Außenelektrodensegment 123 an einem Endabschnitt der ersten Oberfläche 111 in einer innerhalb der Ebene liegenden Richtung derselben. Das Verdrahtungssegment 122 verbindet das Gegenelektrodensegment 121 und das Außenelektrodensegment 123 miteinander.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der ersten Elektrodenschicht 120 von 0,05 µm bis 0,2 µm. Die Dicke der Kontaktschicht beträgt von 0,005 µm bis 0,05 µm.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrodenschicht 120 aus Pt hergestellt. Die erste Elektrodenschicht 120 kann aus einem anderen Material wie z. B. AI hergestellt sein. Die erste Elektrodenschicht 120 und die Kontaktschicht können epitaxial gewachsene Filme sein.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kontaktschicht aus Ti hergestellt. Die Kontaktschicht kann aus einem anderen Material wie beispielsweise NiCr hergestellt sein. Wenn die piezoelektrische Schicht 110 aus Lithiumniobat (LiNbO3) hergestellt ist, ist die Kontaktschicht vom Gesichtspunkt des Unterbindens der Diffusion von Material, das die Kontaktschicht ausmacht, in die erste Elektrodenschicht 120 aus betrachtet vorzugsweise aus NiCr statt Ti hergestellt. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Elements 100.
  • Wie in 2 veranschaulicht ist, ist die zweite Elektrodenschicht 130 auf der zweiten Oberfläche 112 angeordnet. Zumindest ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 130 ist der ersten Elektrodenschicht 120 zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektrodenschicht 130 dem Gegenelektrodensegment 121 zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 130 größer als die Dicke der piezoelektrischen Schicht 110. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 130 beträgt beispielsweise von 0,5 µm bis 50 µm.
  • Die zweite Elektrodenschicht 130 enthält hauptsächlich Silizium. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die zweite Elektrodenschicht 130 hauptsächlich monokristallines Silizium. Im Einzelnen ist die zweite Elektrodenschicht 130 aus monokristallinem Silizium hergestellt, das mit einem Element dotiert ist, das den spezifischen elektrischen Widerstand der zweiten Elektrodenschicht 130 verringert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektrodenschicht 130 mit einem Element wie z. B. B, P, Sb oder Ge oder einer Kombination dieser Elemente (beispielsweise einer Kombination aus B und Ge) dotiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der spezifische elektrische Widerstand der zweiten Elektrodenschicht 130 von 0,1 mΩ·cm bis 100 mΩ·cm.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schnittstelle 190 zwischen der zweiten Elektrodenschicht 130 und der piezoelektrischen Schicht 110 aus einem Schnittstellenübergang (engl.: interface junction) zusammengesetzt, der durch oberflächenaktiviertes Bonden oder Atomdiffusionsbonden gebildet wird.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 2 veranschaulicht ist, umfasst ein Mehrschichtkörper 101 zumindest die erste Elektrodenschicht 120, die piezoelektrische Schicht 110 und die zweite Elektrodenschicht 130. Wie in 3 veranschaulicht ist, umfasst der Mehrschichtkörper 101 ferner die erste Verbindungselektrode 150 und die zweite Verbindungselektrode 160. Das Basissegment 140 trägt den Mehrschichtkörper 101.
  • Wie in 2 veranschaulicht ist, befindet sich das Basissegment 140 auf der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 des Mehrschichtkörpers 101. Wie in 1 veranschaulicht ist, ist das Basissegment 140 kreisförmig gebildet, aus der Sicht einer Abscheidungsrichtung des Mehrschichtkörpers 101 betrachtet um der Peripherie des Mehrschichtkörpers 101 zu folgen.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 2 veranschaulicht ist, umfasst das Basissegment 140 eine Siliziumoxidschicht 141 und einen Basiskörper 142. Die Siliziumoxidschicht 141 steht in Kontakt mit der zweiten Elektrodenschicht 130. Der Basiskörper 142 steht in Kontakt mit der Siliziumoxidschicht 141 auf derjenigen Seite der Siliziumoxidschicht 141, die der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 gegenüberliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel unterliegt Material, das den Basiskörper 142 ausmacht, keiner besonderen Einschränkung, und der Basiskörper 142 ist aus monokristallinem Silizium hergestellt.
  • Wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, befindet sich in der Abscheidungsrichtung betrachtet eine Öffnung 143 in dem Basissegment 140. Die Öffnung 143 weist in der Abscheidungsrichtung betrachtet ein kreisförmiges Profil auf.
  • Wie in 1 und 3 veranschaulicht ist, befindet sich die erste Verbindungselektrode 150 auf der oberen Seite des Außenelektrodensegments 123 der ersten Elektrodenschicht 120. Eine Kontaktschicht kann sich zwischen der ersten Verbindungselektrode 150 und der ersten Elektrodenschicht 120 befinden.
  • Die Dicke der ersten Verbindungselektrode 150 beträgt beispielsweise von 0,1 µm bis 1,0 µm . Die Dicke einer Kontaktschicht, die mit der ersten Verbindungselektrode 150 verbunden ist, beträgt beispielsweise von 0,005 µm bis 0,1 µm.
  • Wie in 3 veranschaulicht ist, ist die zweite Verbindungselektrode 160 auf einem Abschnitt einer Oberfläche der zweiten Elektrodenschicht 130 angeordnet, wobei sich die Oberfläche auf der Seite der piezoelektrischen Schicht 110 befindet, wobei der Abschnitt nicht durch die piezoelektrische Schicht 110 bedeckt ist. Dies führt dazu, dass eine Kontinuität von einem außerhalb des piezoelektrischen Elements 100 befindlichen Bauglieds bis zu der zweiten Elektrodenschicht 130 gewährleistet werden kann, wobei die zweite Verbindungselektrode 160 zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Verbindungselektrode 160 und die zweite Elektrodenschicht 130 stehen in ohmschem Kontakt zueinander.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die erste Verbindungselektrode 150 und die zweite Verbindungselektrode 160 aus Au hergestellt. Die erste Verbindungselektrode 150 und die zweite Verbindungselektrode 160 können aus einem anderen leitfähigen Material wie z. B. AI hergestellt sein. Die zwischen der ersten Verbindungselektrode 150 und der ersten Elektrodenschicht 120 befindliche Kontaktschicht ist aus Ti hergestellt. Die Kontaktschicht kann aus NiCr hergestellt sein.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, der Mehrschichtkörper 101 mit einem Membransegment 102 versehen. In der Abscheidungsrichtung betrachtet überlappt das Membransegment 102 die Öffnung 143 und überlappt nicht das Basissegment 140. Wie in 2 veranschaulicht ist, ist die Größe der Breite des Membransegments 102 in einer zu der zweiten Oberfläche 112 parallelen Richtung auf zumindest das Fünffache oder mehr der Größe der Dicke des Membransegments 102 in einer zu der zweiten Oberfläche 112 senkrechten Richtung eingestellt.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, der Mehrschichtkörper 101 mit einer Mehrzahl von Schlitzen 103 versehen, die sich von der Seite der ersten Elektrodenschicht 120 bis zu der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 durch den Mehrschichtkörper 101 hindurch erstrecken. Jeder der Schlitze 103 kommuniziert mit der Öffnung 143. Die Schlitze 103 sind dazu angeordnet, in einer zu der ersten Oberfläche 111 senkrechten Richtung betrachtet von im Wesentlichen der Mitte des piezoelektrischen Elements 100 auszustrahlen.
  • Da die Schlitze 103 angeordnet sind, ist das Membransegment 102 des Mehrschichtkörpers 101 mit einer Mehrzahl von Strahlsegmenten (engl.: beam segments) 105 versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel verbindet, wie in 1 veranschaulicht ist, jedes der Strahlsegmente 105 ein Segment des Mehrschichtkörpers 101, das das Membransegment 102 ausschließt, mit einem plattenförmigen Abschnitt 104, der ein Abschnitt ist, wo sich das Gegenelektrodensegment 121 des Mehrschichtkörpers 101 in einer zu der ersten Oberfläche 111 senkrechten Richtung betrachtet befindet. Jedes der Strahlsegmente 105 weist ein Profil auf, das in einer zu der ersten Oberfläche 111 senkrechten Richtung betrachtet in einer Richtung, die einer Außenkante des Membransegments 102 folgt, konvex gekrümmt ist. Das Profil jedes der Strahlsegmente 105 unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich, da die Schlitze 103 angeordnet sind, die Strahlsegmente 105 in einer Richtung, die der Außenkante des Membransegments 102 folgt, nebeneinander.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Membransegment 102 eine unimorphe Struktur auf, wie oben beschrieben ist. Das Membransegment 102 wird einer Biegeschwingung unterzogen, wodurch das piezoelektrische Element 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel befähigt wird, eine Ultraschallwelle zu senden und zu empfangen. Um zu ermöglichen, dass das Membransegment 102 einer Biegeschwingung unterzogen wird, wird eine Spannung an die piezoelektrische Schicht 110 angelegt.
  • Bei dem piezoelektrischen Element 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Spannung V zwischen der ersten Verbindungselektrode 150 und der zweiten Verbindungselektrode 160, die in 3 veranschaulicht sind, angelegt, wodurch eine Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht 120 und der zweiten Elektrodenschicht 130, die in 2 veranschaulicht sind, angelegt wird. Dies treibt die piezoelektrische Schicht 110 an, die sich zwischen der ersten Elektrodenschicht 120 und der zweiten Elektrodenschicht 130 befindet. Zu diesem Zeitpunkt wird die zwischen der ersten Verbindungselektrode 150 und der zweiten Verbindungselektrode 160 angelegte Spannung V geteilt, und deswegen wird ein Teil der Spannung V an die piezoelektrische Schicht 110 angelegt. Die Teilung der Spannung V wird nachstehend beschrieben.
  • 4 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 4 veranschaulicht ist, umfasst das piezoelektrische Element 100 eine Schaltung, bei der die piezoelektrische Schicht 110, die eine elektrostatische Kapazität C aufweist, und die zweite Elektrodenschicht 130, die einen Widerstandswert R aufweist, miteinander in Reihe geschaltet sind. Dies ermöglicht, dass die Spannung V, die zwischen der ersten Verbindungselektrode 150 und der zweiten Verbindungselektrode 160 angelegt wird, zwischen der piezoelektrischen Schicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 130 geteilt wird.
  • Hierin weist die piezoelektrische Schicht 110, die eine elektrostatische Kapazität C aufweist, eine durch die Formel (1/jωC) angegebene elektrische Impedanz auf. In der Formel ist j eine komplexe Zahl, und ω ist die Antriebswinkelfrequenz. Wie durch die Formel veranschaulicht ist, ist die elektrische Impedanz tendenziell geringer, wenn die elektrostatische Kapazität größer ist.
  • Wenn beispielsweise bei dem in 2 veranschaulichten piezoelektrischen Element 100 die Dicke der piezoelektrischen Schicht 110 1 µm beträgt, beträgt die Breite des plattenförmigen Abschnitts 104 in der innerhalb der Ebene liegenden Richtung der zweiten Oberfläche 112 0,8 mm, und die relative Permittivität der piezoelektrischen Schicht 110, die monokristallin ist, beträgt 50, die aus der elektrostatischen Kapazität C der piezoelektrischen Schicht 110 berechnete elektrische Impedanz beträgt etwa 14 kΩ. Angenommen, dass der spezifische Widerstand der zweiten Elektrodenschicht 130 1 mΩ·cm beträgt, beträgt die Länge eines Pfads von dem plattenförmigen Abschnitt 104 bis zu der zweiten Verbindungselektrode 160 in einer zu der zweiten Oberfläche 112 senkrechten Richtung betrachtet, wie in 1 veranschaulicht, 0,1 mm, beträgt die Breite der zweiten Elektrodenschicht 130 in dem Pfad 0,8 mm und beträgt die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 130 in einer zu der zweiten Oberfläche 112 senkrechten Richtung 1 µm, beträgt der Widerstandswert R der zweiten Elektrodenschicht 130 4 kΩ. Bei dem piezoelektrischen Element 100 werden unter derartigen Bedingungen 78 % (=14/(14 + 4)) der angelegten Spannung V an die piezoelektrische Schicht 110 angelegt.
  • Andererseits wird bei dem piezoelektrischen Element 100, das die obige Struktur aufweist, ein Fall untersucht, bei dem Material, das die piezoelektrische Schicht 110 ausmacht, zu einem polykristallinen Piezoelektrikum mit einer Permittivität verändert wird, die relativ höher ist als die eines monokristallinen Piezoelektrikums. Wenn die piezoelektrische Schicht 110 polykristallin ist und eine relative Permittivität von 500 aufweist, beträgt die elektrische Impedanz der piezoelektrischen Schicht 110 etwa 1, 6 kΩ. Dann werden bei dem piezoelektrischen Element 100 unter derartigen Bedingungen 29 % (= 1,6/(1,6 + 4)) der angelegten Spannung V an die piezoelektrische Schicht 110 angelegt. Wenn die piezoelektrische Schicht 110 polykristallin ist, wie oben beschrieben wurde, ist die angelegte Spannung niedrig im Vergleich zu dem Fall, wenn die piezoelektrische Schicht 110 monokristallin ist.
  • Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht bei diesem Ausführungsbeispiel ein Bilden der piezoelektrischen Schicht 110 unter Verwendung eines monokristallinen Materials, dass die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100 verbessert wird.
  • Als Nächstes werden Einzelheiten einer Funktion des piezoelektrischen Elements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 5 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts des Membransegments des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts des im Betrieb befindlichen Membransegments des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 5 veranschaulicht ist, befindet sich die piezoelektrische Schicht 110 lediglich auf einer Seite einer beanspruchungsneutralen Ebene N des Membransegments 102. Dies ermöglicht, dass das Membransegment 102 einer starken Biegeschwingung unterzogen wird, wie in 6 veranschaulicht ist, wenn die piezoelektrische Schicht 110 angetrieben wird.
  • Im Einzelnen ist bei dem Membransegment 102 die piezoelektrische Schicht 110 eine elastische Schicht, und andere Schichten als die piezoelektrische Schicht 110, z. B. die zweite Elektrodenschicht 130, sind beschränkende Schichten. Wie in 6 veranschaulicht ist, wird bei dem Membransegment 102 dann, wenn sich die piezoelektrische Schicht 110, die die elastische Schicht ist, in einer innerhalb der Ebene liegenden Richtung ausdehnt oder zusammenzieht, die Ausdehnung oder das Zusammenziehen derselben durch die zweite Elektrodenschicht 130, die eine Hauptschicht unter den beschränkenden Schichten ist, eingeschränkt. Deshalb wird das Membransegment 102 in einer zu der zweiten Oberfläche 112 senkrechten Richtung gebogen. Da der Abstand zwischen der beanspruchungsneutralen Ebene N und der zweiten Oberfläche 112 der piezoelektrischen Schicht 110 länger ist, schwingt das Membransegment 102 beträchtlicher.
  • Das piezoelektrische Element 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann als Vorrichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS - microelectromechanical system) verwendet werden, da das Membransegment 102 beträchtlich schwingt, wie oben beschrieben wurde. Die MEMS-Vorrichtung ist ein Audiomikrofon, ein Audiolautsprecher, ein Ultraschallwandler oder dergleichen.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel weist, wie in 1 veranschaulicht ist, das piezoelektrische Element 100 ein rechtwinkliges Profil und eine Seite mit einer Länge von 1 mm bis 2 mm auf, wenn das piezoelektrische Element 100 von der Seite der ersten Elektrodenschicht 120 aus betrachtet wird. Dies ermöglicht, dass das piezoelektrische Element 100 als MEMS-Vorrichtung verwendet wird.
  • Ferner sind in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element 100 als Ultraschallwandler verwendet wird, die Form, Dicke und dergleichen des Membransegments 102 derart ausgelegt, dass die mechanische Resonanz des Membransegments 102 bei einer Frequenz von 20 kHz oder mehr auftritt, was eine nicht-hörbare Frequenz ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise dann, wenn die Länge einer Seite des piezoelektrischen Elements 100 in einer zu der ersten Oberfläche 111 senkrechten Richtung betrachtet 1,2 mm beträgt, der Durchmesser des Membransegments 102 auf beispielsweise 0,8 mm eingestellt, so dass der Sende/-Empfangsbereich für Ultraschallwellen maximiert wird. Bei dem wie oben beschrieben entworfenen piezoelektrischen Element 100 wird in einem Fall, in dem eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 40 kHz gesendet oder empfangen wird, die Dicke des Membransegments 102 auf beispielsweise einen Bereich von 2 µm bis 5 µm eingestellt.
  • Bei dem piezoelektrischen Element 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel fungiert ein Abschnitt eines Substrats, das bei einem nachstehend beschriebenen Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 100 verwendet wird, als die zweite Elektrodenschicht 130 so, wie sie ist. Dies ermöglicht, dass die Dicke des Membransegments 102 wie bei dem obigen numerischen Bereich relativ gering ist.
  • Ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. In 7 bis 14 ist derselbe Querschnitt wie der in 2 veranschaulicht.
  • 7 ist eine Veranschaulichung, bei der ein piezoelektrisches monokristallines Substrat bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präpariert wird. Wie in 7 veranschaulicht ist, wird ein piezoelektrisches monokristallines Substrat 110a präpariert. Das piezoelektrische monokristalline Substrat 110a wird später zu der piezoelektrischen Schicht 110 verarbeitet.
  • 8 ist eine Veranschaulichung, bei der ein Mehrschichtsubstrat, das eine zweite Elektrodenschicht umfasst, bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung präpariert wird. Wie in 8 veranschaulicht ist, wird ein Mehrschichtsubstrat 106a, das die zweite Elektrodenschicht 130 und das Basissegment 140 umfasst, präpariert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Mehrschichtsubstrat 106a ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat, SOI = silicon-on-insulator).
  • 9 ist eine Veranschaulichung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem das piezoelektrische monokristalline Substrat bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an das Mehrschichtsubstrat, das die zweite Elektrodenschicht umfasst, gebondet wird. Wie in 9 veranschaulicht ist, wird das piezoelektrische monokristalline Substrat 110a mittels oberflächenaktivierten Bondens oder Atomverteilungsbondens an die Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 des Mehrschichtsubstrats 106a gebondet. Dies ermöglicht, dass die Schnittstelle 190, die aus dem Schnittstellenübergang zusammengesetzt ist, zwischen dem Mehrschichtsubstrat 106a und dem piezoelektrischen monokristallinen Substrat 110a gebildet wird. Vor dem Bonden wird eine Passfläche sowohl des Mehrschichtsubstrats 106a als auch des piezoelektrischen monokristallinen Substrats 110a vorzugsweise vorab mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP, chemical mechanical polishing) planarisiert. Ein vorab erfolgendes Planarisieren der Passfläche erhöht die Herstellungsausbeute des piezoelektrischen Elements 100.
  • 10 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem die piezoelektrische Schicht bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Schleifen des piezoelektrischen monokristallinen Substrats gebildet wird. Wie in 9 und 10 veranschaulicht ist, ist die piezoelektrische Schicht 110 derart gebildet, dass ein Abschnitt des piezoelektrischen monokristallinen Substrats 110a, der sich auf der Seite befindet, die der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 gegenüberliegt, durch Schleifen unter Verwendung beispielsweise eines Schleifmittels ausgedünnt wird und anschließend mittels Polierens wie z. B. CMP planarisiert wird.
  • Eine Freigabeschicht kann auf der Seite des piezoelektrischen monokristallinen Substrats 110a, die der Seite der Passoberfläche gegenüberliegt, mittels Ionenimplantation vorab gebildet werden. Bevor das piezoelektrische monokristalline Substrat 110a an das Mehrschichtsubstrat 106a gebondet wird, wird die Freigabeschicht gebildet, wodurch ermöglicht wird, dass die piezoelektrische Schicht 110 mittels Abblätterns der Freigabeschicht nach dem Bonden gebildet wird. Die piezoelektrische Schicht 110 kann derart gebildet werden, dass nach Abblättern der Freigabeschicht das piezoelektrische monokristalline Substrat 110a mittels CMP oder dergleichen weiter poliert wird.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie in 7 bis 10 veranschaulicht ist, die zweite Elektrodenschicht 130 mittels oberflächenaktivierten Bondens oder Atomdiffusionsbondens an die Seite der zweiten Oberfläche 112 der piezoelektrischen Schicht 110, die die erste Oberfläche 111 und die der ersten Oberfläche 111 gegenüberliegende zweite Oberfläche 112 aufweist, gebondet. Wie oben beschrieben wurde, umfasst das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt eines Bondens der zweiten Elektrodenschicht 130 an die piezoelektrische Schicht 110.
  • 11 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem eine erste Elektrodenschicht bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet wird. Wie in 11 veranschaulicht ist, wird die erste Elektrodenschicht 120 auf der Seite der ersten Oberfläche 111 der piezoelektrischen Schicht 110 derart abgeschieden, dass zumindest ein Teil der ersten Elektrodenschicht 120 der zweiten Elektrodenschicht 130 zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Wie oben beschrieben wurde, umfasst das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Schritt eines Abscheidens der ersten Elektrodenschicht 120. Bevor die erste Elektrodenschicht 120 angeordnet wird, kann die zwischen der ersten Elektrodenschicht 120 und der piezoelektrischen Schicht 110 befindliche Kontaktschicht abgeschieden werden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrodenschicht 120 durch einen Dampfabscheidungs-Abhebeprozess gebildet, um ein gewünschtes Muster aufzuweisen. Die erste Elektrodenschicht 120 kann derart gebildet sein, dass, nachdem die erste Elektrodenschicht 120 mittels Zerstäubens über der ersten Oberfläche 111 der piezoelektrischen Schicht 110 abgeschieden wurde, ein gewünschtes Muster mittels eines Ätzprozesses gebildet wird.
  • 12 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Poren und dergleichen in der piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Wie in 12 veranschaulicht ist, werden eine Mehrzahl von Poren mittels reaktiven Ionenätzens (RIE) gebildet, so dass sie den Schlitzen 103 entsprechen, die sich in dem Membransegment 102 befinden, wie in 2 veranschaulicht ist. Wie in 3 veranschaulicht ist, wird zusammen mit den Poren eine Kerbe zum Platzieren der zweiten Verbindungselektrode 160 auf der zweiten Elektrodenschicht 130 gebildet. Die Poren und die Kerbe können mittels Nassätzens unter Verwendung von Fluorsalpetersäure oder dergleichen gebildet werden.
  • 13 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Poren und dergleichen in der zweiten Elektrodenschicht gebildet werden. Wie in 13 veranschaulicht ist, werden die Poren und dergleichen mittels reaktiven lonentiefenätzens (deep RIE, deep reactive ion etching) gebildet. Die Poren entsprechen den Schlitzen 103 des piezoelektrischen Elements 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
  • Als Nächstes wird, wie in 3 veranschaulicht ist, die erste Verbindungselektrode 150 mittels des Dampfabscheidungs-Abhebeprozesses gebildet, so dass sie ein gewünschtes Muster aufweist. Nachdem die erste Verbindungselektrode über der Seite der ersten Oberfläche 111 der piezoelektrischen Schicht 110 abgeschieden wurde, kann das gewünschte Muster mittels eines Ätzprozesses gebildet werden.
  • Als Nächstes wird die zweite Verbindungselektrode 160 auf die piezoelektrische Schicht 110 abgeschieden, die durch Bilden der Kerbe freigelegt ist. Die Abscheidung ermöglicht, dass die piezoelektrische Schicht 110 und die zweite Verbindungselektrode 160 in ohmschem Kontakt miteinander stehen. Wenn die piezoelektrische Schicht 110 und die zweite Verbindungselektrode 160 nicht in ohmschem Kontakt miteinander stehen, wird ein Tempern unmittelbar nach dem Abscheiden der zweiten Verbindungselektrode 160 auf der piezoelektrischen Schicht 110 durchgeführt. Die Temperatur und die Dauer des Temperns werden unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit der zweiten Elektrodenschicht 130 entsprechend eingestellt.
  • 14 ist eine Veranschaulichung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem bei dem Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Öffnung auf der der Seite der zweiten Elektrodenschicht gegenüberliegenden Seite des Mehrschichtsubstrats, das die zweite Elektrodenschicht umfasst, vorgesehen ist. Wie in 14 veranschaulicht ist, wird ein konkaves Segment 143a, das der Öffnung 143 dieses Ausführungsbeispiels entspricht, von derjenigen Seite des Basissegments 140, die der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 gegenüberliegt, mittels reaktiven lonentiefenätzens (deep RIE) gebildet.
  • Schließlich wird die Siliziumoxidschicht 141, die den Boden des konkaven Segments 143a bildet, mittels RIE poliert, wodurch die Öffnung 143 so gebildet wird, wie in 2 veranschaulicht ist.
  • Durch die obigen Schritte wird das piezoelektrische Element 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung so hergestellt, wie in 1 bis 3 veranschaulicht ist.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist bei dem piezoelektrischen Element 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zumindest der Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 130 der ersten Elektrodenschicht 120 zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht 130 enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht 110 ist monokristallin.
  • Dies ermöglicht, dass in der piezoelektrischen Schicht 110, die monokristallin ist, keine Korngrenzen vorliegen. Deshalb ist die Permittivität der piezoelektrischen Schicht 110 gering, und in Verbindung damit ist die elektrostatische Kapazität der piezoelektrischen Schicht 110 gering. Somit ist die an die piezoelektrische Schicht 110 verteilte Spannung hoch, und deshalb nimmt die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100 zu.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die zweite Elektrodenschicht 130 hauptsächlich monokristallines Silizium. Dies ermöglicht, dass die zweite Elektrodenschicht 130 so, wie sie ist, als Substrat oder als Abschnitt eines Substrats verwendet werden kann. Somit kann die Beanspruchungslast der piezoelektrischen Schicht 110 verringert werden. Ferner kann das Auftreten von Rissen in der piezoelektrischen Schicht 110 verringert werden, und die Ausbeute des piezoelektrischen Elements 100 kann erhöht werden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 aus der auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder der auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung hergestellt.
  • Dies ermöglicht, dass die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100 erhöht wird, da die piezoelektrische Schicht 110 aus einem Material mit einer relativ hohen piezoelektrischen Konstante hergestellt ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 beispielsweise aus Lithiumniobat hergestellt.
  • Dies ermöglicht, dass die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Schicht 110 im Vergleich zu dem Fall, in dem die piezoelektrische Schicht 110 aus einer anderen auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder einer anderen auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung hergestellt ist, hoch ist. Deshalb können Vorrichtungscharakteristika des piezoelektrischen Elements 100 verbessert werden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 110 beispielsweise aus Lithiumtantalat hergestellt.
  • Dies ermöglicht, dass die Permittivität der piezoelektrischen Schicht 110 im Vergleich zu dem Fall, in dem die piezoelektrische Schicht 110 aus einer anderen auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder einer anderen auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung hergestellt ist, niedrig ist. Somit nimmt die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100 zu, und Vorrichtungscharakteristika des piezoelektrischen Elements 100 können verbessert werden.
  • Das piezoelektrische Element 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst ferner das Basissegment 140, das den Mehrschichtkörper 101 trägt, der zumindest die erste Elektrodenschicht 120, die piezoelektrische Schicht 110 und die zweite Elektrodenschicht 130 umfasst. Das Basissegment 140 befindet sich auf der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 des Mehrschichtkörpers 101 und ist so gebildet, dass es in der Abscheidungsrichtung des Mehrschichtkörpers 101 betrachtet der Peripherie des Mehrschichtkörpers 101 folgt.
  • Dies ermöglicht, dass das Antreiben der piezoelektrischen Schicht 110 in die Biegungsschwingung des Membransegments 102 umgewandelt wird.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Basissegment 140 die Siliziumoxidschicht 141, die mit der zweiten Elektrodenschicht 130 in Kontakt steht. Die zweite Elektrodenschicht 130 ist aus monokristallinem Silizium hergestellt, das mit dem Element dotiert ist, das den spezifischen elektrischen Widerstand der zweiten Elektrodenschicht 130 verringert.
  • Dies ermöglicht, dass die zweite Elektrodenschicht 130 als Substrat oder als Teil eines Substrats verwendet wird. Deshalb muss eine Elektrodenschicht, die der ersten Elektrodenschicht 120 zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist, nicht separat angeordnet werden. Dies ermöglicht, dass die Dicke des gesamten Membransegments 102 gering ist. Ferner fungiert die zweite Elektrodenschicht 130 als Substrat. Deshalb kann die Anzahl von Schichten, die abgeschieden werden, verringert werden, und die Beanspruchung, die auf das Membransegment 102 einwirkt, kann verringert werden. Somit kann die Herstellungsausbeute des piezoelektrischen Elements 100 erhöht werden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Mehrschichtkörper 101 mit den Schlitzen 103 versehen, die sich von der Seite der ersten Elektrodenschicht 120 bis zu der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130 durch den Mehrschichtkörper 101 hindurch erstrecken. Die Schlitze 103 kommunizieren mit der Öffnung 143, die sich in einer Abscheidungsrichtung betrachtet in dem Basissegment 140 befindet.
  • Dies ermöglicht, dass das Membransegment 102 mit den Strahlsegmenten 105 versehen wird. Die Strahlsegmente 105 erhöhen die Effizienz einer Biegeschwingung des Membransegments 102.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 130 größer als die Dicke der piezoelektrischen Schicht 110.
  • Dies ermöglicht, dass die Dicke der piezoelektrischen Schicht 110 relativ gering ist. Deshalb ist die Verarbeitung der piezoelektrischen Schicht 110 mittels Ätzens oder dergleichen problemlos. Da die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 130 relativ groß ist, kann das Auftreten eines unnötigen Ätzens auf der Seite der zweiten Elektrodenschicht 130, die der Seite der piezoelektrischen Schicht 110 gegenüberliegt, sogar dann unterbunden werden, falls die zweite Elektrodenschicht 130 unnötigerweise geätzt wird, wenn die piezoelektrische Schicht 110 geätzt wird. Ferner befindet sich die beanspruchungsneutrale Ebene des Membransegments 102 in der zweiten Elektrodenschicht 130, und deshalb nimmt die Effizienz der Biegeschwingung des Membransegments 102 zu.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 190 zwischen der zweiten Elektrodenschicht 130 und der piezoelektrischen Schicht 110 aus dem Schnittstellenübergang zusammengesetzt, der durch oberflächenaktiviertes Bonden oder Atomdiffiusionsbonden gebildet wird. Dies ermöglicht, dass die zweite Elektrodenschicht 130 und die piezoelektrische Schicht 110 daran gehindert werden, chemisch miteinander zu reagieren, wodurch die Verringerung von Vorrichtungscharakteristika des piezoelektrischen Elements 100 unterbunden werden kann.
  • Das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst den Schritt des Bondens der zweiten Elektrodenschicht 130 und den Schritt des Abscheidens der ersten Elektrodenschicht 120. Bei dem Schritt des Bondens der zweiten Elektrodenschicht 130 wird die zweite Elektrodenschicht 130 mittels oberflächenaktivierten Bondens oder Atomdiffusionsbondens an Seite der zweiten Oberfläche 112 der piezoelektrischen Schicht 110 gebondet, die die erste Oberfläche 111 und die der ersten Oberfläche 111 gegenüberliegende zweite Oberfläche 112 aufweist. Bei dem Schritt des Abscheidens der ersten Elektrodenschicht 120 wird die erste Elektrodenschicht 120 derart auf die Seite der ersten Oberfläche 111 der piezoelektrischen Schicht 110 abgeschieden, dass zumindest ein Teil der ersten Elektrodenschicht 120 der zweiten Elektrodenschicht 130 zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht 130 enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht 110 ist monokristallin.
  • Dies ermöglicht, dass in der piezoelektrischen Schicht 110, die monokristallin ist, keine Korngrenzen vorliegen. Deshalb ist die Permittivität der piezoelektrischen Schicht 110 gering, und in Verbindung damit ist die elektrostatische Kapazität der piezoelektrischen Schicht 110 gering. Somit ist die an die piezoelektrische Schicht 110 verteilte Spannung hoch, und deshalb nimmt die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100 zu. Die zweite Elektrodenschicht 130 und die piezoelektrische Schicht 110 können daran gehindert werden, chemisch miteinander zu reagieren.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Nachstehend wird ein piezoelektrisches Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das piezoelektrische Element gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem piezoelektrischen Element 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hauptsächlich darin, dass eine Mehrzahl von Strahlsegmenten angetrieben werden. Somit werden im Wesentlichen dieselben Komponenten wie die des piezoelektrischen Elements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt beschrieben.
  • 15 ist eine Draufsicht auf das piezoelektrische Element gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 16 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie XVI-XVI der 15 betrachtet.
  • Bei dem piezoelektrischen Element 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, wie in 15 und 16 veranschaulicht ist, ein Gegenelektrodensegment 221 einer ersten Elektrodenschicht 220 auf einer piezoelektrischen Schicht 110 in jedem der Strahlsegmente 205 angeordnet. Die erste Elektrodenschicht 220 befindet sich nicht auf einem plattenförmigen Abschnitt 204 eines Membransegments 102, der sich in einer Abscheidungsrichtung betrachtet in den Strahlsegmenten 205 befindet. Dies ermöglicht, dass der plattenförmige Abschnitt 204 in der Abscheidungsrichtung durch die Biegeschwingung der Strahlsegmente 205 beträchtlich verschoben wird, wodurch ermöglicht wird, dass eine Ultraschallwelle gesendet oder empfangen wird.
  • Auch ist bei diesem Ausführungsbeispiel zumindest ein Teil einer zweiten Elektrodenschicht 130 der ersten Elektrodenschicht 220 zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht 130 enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht 110 ist monokristallin. Dies erhöht die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • Nachstehend wird ein piezoelektrisches Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das piezoelektrische Element gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem piezoelektrischen Element 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hauptsächlich hinsichtlich der Form einer Mehrzahl von Strahlsegmenten. Somit werden im Wesentlichen dieselben Komponenten wie die des piezoelektrischen Elements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt beschrieben.
  • 17 ist eine Draufsicht auf das piezoelektrische Element gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 18 ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements, in der Richtung eines Pfeils der Linie XVIII-XVIII der 17 betrachtet.
  • Bei dem piezoelektrischen Element 300 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kommunizieren eine Mehrzahl von Schlitzen 303 in einem Membransegment 102 in der Mitte des Membransegments 102 in der Abscheidungsrichtung betrachtet miteinander. Dies ermöglicht, dass jedes einer Mehrzahl von Strahlsegmenten 305 eine auskragende Form aufweist. Bei dem Membransegment 102 befindet sich eine erste Elektrodenschicht 320 über einer ersten Oberfläche 111 einer piezoelektrischen Schicht 110.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Strahlsegmente 305 einer Biegeschwingung unterzogen, um einen Spitzenabschnitt jedes der Strahlsegmente 305 in der Abscheidungsrichtung beträchtlich zu verschieben, wodurch ermöglicht wird, dass eine Ultraschallwelle gesendet oder empfangen wird.
  • Auch ist bei diesem Ausführungsbeispiel zumindest ein Teil einer zweiten Elektrodenschicht 130 der ersten Elektrodenschicht 320 zugewandt, wobei die piezoelektrische Schicht 110 zwischen denselben angeordnet ist. Die zweite Elektrodenschicht 130 enthält hauptsächlich Silizium. Die piezoelektrische Schicht 110 ist monokristallin. Dies erhöht die Antriebseffizienz des piezoelektrischen Elements 100.
  • Bei der Beschreibung oben erwähnter Ausführungsbeispiele können kombinierbare Komponenten miteinander kombiniert werden.
  • Hierin offenbarte Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten in keinster Weise als einschränkend ausgelegt werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Patentansprüche und nicht durch die obige Beschreibung definiert und soll alle Modifikationen umfassen, die innerhalb der Bedeutung und des Schutzumfangs liegen, die bzw. der mit den Patentansprüchen äquivalent ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 200, 300
    Piezoelektrisches Element
    101
    Mehrschichtkörper
    102
    Membransegment
    103, 303
    Schlitz
    104, 204
    Plattenförmiger Abschnitt
    105, 205, 305
    Strahlsegment
    106a
    Mehrschichtsubstrat
    110
    Piezoelektrische Schicht
    110a
    Piezoelektrisches monokristallines Substrat
    111
    Erste Oberfläche
    112
    Zweite Oberfläche
    120, 220, 320
    Erste Elektrodenschicht
    121, 221
    Gegenelektrodensegment
    122
    Verdrahtungssegment
    123
    Außenelektrodensegment
    130
    Zweite Elektrodenschicht
    140
    Basissegment
    141
    Siliziumoxidschicht
    142
    Basiskörper
    143
    Öffnung
    143a
    Konkaves Segment
    150
    Erste Verbindungselektrode
    160
    Zweite Verbindungselektrode
    190
    Schnittstelle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2009302661 [0002, 0003]

Claims (11)

  1. Ein piezoelektrisches Element, das folgende Merkmale aufweist: eine piezoelektrische Schicht, die eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; eine auf der ersten Oberfläche angeordnete erste Elektrodenschicht; und eine auf der zweiten Oberfläche angeordnete zweite Elektrodenschicht, wobei zumindest ein Teil der zweiten Elektrodenschicht der ersten Elektrodenschicht zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht zwischen denselben angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht hauptsächlich Silizium enthält und die piezoelektrische Schicht monokristallin ist.
  2. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Elektrodenschicht hauptsächlich monokristallines Silizium enthält.
  3. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Schicht aus einer auf Alkaliniobat beruhenden Verbindung oder einer auf Alkalitantalat beruhenden Verbindung hergestellt ist.
  4. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 3, bei dem die piezoelektrische Schicht aus Lithiumniobat hergestellt ist.
  5. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 3, bei dem die piezoelektrische Schicht aus Lithiumtantalat hergestellt ist.
  6. Das piezoelektrische Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner ein Basissegment aufweist, das einen Mehrschichtkörper trägt, der zumindest entweder die erste Elektrodenschicht und/oder die piezoelektrische Schicht und/oder die zweite Elektrodenschicht umfasst, wobei sich das Basissegment auf einer Seite der zweiten Elektrodenschicht des Mehrschichtkörpers befindet und so geformt ist, dass es in einer Abscheidungsrichtung des Mehrschichtkörpers betrachtet einer Peripherie des Mehrschichtkörpers folgt.
  7. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 6, bei dem das Basissegment eine Siliziumoxidschicht umfasst, die in Kontakt mit der zweiten Elektrodenschicht steht, und die zweite Elektrodenschicht aus monokristallinem Silizium hergestellt ist, das mit einem Element dotiert ist, das einen spezifischen elektrischen Widerstand der zweiten Elektrodenschicht verringert.
  8. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der Mehrschichtkörper mit einem Schlitz versehen ist, der sich durch den Mehrschichtkörper von einer Seite der ersten Elektrodenschicht bis zu der Seite der zweiten Elektrodenschicht erstreckt, und der Schlitz mit einer Öffnung kommuniziert, die sich in der Abscheidungsrichtung betrachtet in dem Basissegment befindet.
  9. Das piezoelektrische Element gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Dicke der zweiten Elektrodenschicht größer ist als eine Dicke der piezoelektrischen Schicht.
  10. Das piezoelektrische Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Schnittstelle zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht aus einem Schnittstellenübergang zusammengesetzt ist, der durch oberflächenaktiviertes Bonden oder Atomdiffusionsbonden gebildet wird.
  11. Ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements, das folgende Schritte aufweist: einen Schritt eines Bondens, durch oberflächenaktiviertes Bonden oder Atomdiffusionsbonden, einer zweiten Elektrodenschicht an eine Seite einer zweiten Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht, die eine erste Oberfläche und die der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und einen Schritt eines Abscheidens einer ersten Elektrodenschicht auf einer Seite der ersten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht derart, dass zumindest ein Teil der ersten Elektrodenschicht der zweiten Elektrodenschicht zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht zwischen denselben angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht hauptsächlich Silizium enthält und die piezoelektrische Schicht monokristallin ist.
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