JP7067915B2 - 圧電素子積層体および圧電素子積層体の製造方法 - Google Patents
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以下、「圧電素子積層体」を「積層体」と略して説明する場合がある。
本開示の1実施態様における積層体の製造方法は、金属材料を含む基材の一方の面上に、めっき処理を施して、第1金属材料を含む第1金属層を形成する第1金属層形成工程と、上記第1金属層の上記基材とは反対側の面上に、スパッタ成膜処理を施して、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層を形成する第1窒化アルミニウム層形成工程とを有することを特徴とする製造方法である。
図1は、本開示の1実施態様における積層体の製造方法の一例を示す概略工程図である。本開示の1実施態様における積層体の製造方法は、まず、図1(a)、(b)に例示するように、金属材料を含む基材1の一方の面上に、めっき処理を施して、第1金属材料を含む第1金属層2aを形成する第1金属層形成工程と、第1金属層2aの基材1とは反対側の面上に、スパッタ成膜処理を施して、図1(c)に示すように、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層3aを形成する第1窒化アルミニウム層形成工程とを有する。
まず、本開示の発明者等は、窒化アルミニウム層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向を高めることについて種々の検討を重ねたところ、窒化アルミニウム層が形成される下地層の平滑性が影響するという知見を得た。このような知見に基づき、本開示の発明者等は、窒化アルミニウム層の下地層となる基材表面に、優れた平滑性を得ることが可能な化学的研磨処理を施したところ、高い配向を有する窒化アルミニウムを含む窒化アルミニウム層の形成を実現することができた。しかしながら、化学的研磨処理は、生産性が低いため、高コストとなってしまうという問題があった。
そこで、本開示の発明者等は、更なる検討を重ねた。その結果、基材上に、金属材料を含む金属層を、めっき処理を施すことにより形成し、当該金属層上に、窒化アルミニウム層を形成した場合に、窒化アルミニウム層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向を高めることができることを見出した。これは、窒化アルミニウム層の下地層として、金属層をめっき処理により形成することで、より平滑性の高い面上に窒化アルミニウム層を形成できることに起因すると推測される。
本開示の1実施態様においては、窒化アルミニウム層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向を高めることにより、本開示の1実施態様により得られる積層体を、圧電素子における圧電体として用いた際に、圧電素子の圧電定数および電気機械結合係数を向上させることができる。したがって、本開示の1実施態様においては、圧電性の高い圧電素子とすることが可能な圧電体、すなわち積層体を得ることができるという効果を奏する。
本開示の1実施態様における第1金属層形成工程は、金属材料を含む基材の一方の面上に、めっき処理を施して、第1金属材料を含む第1金属層を形成する工程である。
本開示の1実施態様における第1金属層は、後述する基材の一方の面上に、上述しためっき処理を施して形成される部材である。また、第1金属層は、第1金属材料を含む部材である。
なお、第1金属層の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡(JPKインスツルメンツ・AG,JPK NanoWizard)や白色干渉計式非接触式表面粗さ計(テーラーホブソン,CCI Sunstar)により測定することができる。
本開示の1実施態様における基材は、一方の面上に、上述した第1金属層が形成される部材である。また、基材は、金属材料を含む部材である。
なお、基材の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡(JPKインスツルメンツ・AG,JPK NanoWizard)や白色干渉計式非接触式表面粗さ計(テーラーホブソン,CCI Sunstar)により測定することができる。
本開示の1実施態様における第1窒化アルミニウム層形成工程は、第1金属層の基材とは反対側の面上に、スパッタ成膜処理を施して、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層を形成する工程である。
本開示の1実施態様においては、基材の第1金属層とは反対側の面上に、めっき処理を施して、第2金属材料を含む第2金属層を形成する第2金属層形成工程を有していても良い。
本開示の1実施態様においては、第2金属層の基材とは反対側の面上に、窒化アルミニウムを含む第2窒化アルミニウム層を形成する第2窒化アルミニウム層形成工程を有していても良い。
本開示の1実施態様においては、基材にエッチング処理を施すエッチング処理工程を有していても良い。
本開示の1実施態様においては、基材表面に研磨処理を施す基材研磨処理工程を有していても良い。基材表面、すなわち、第1金属層が形成される側の基材表面または第2金属層が形成される側の基材表面に研磨処理を施すことにより、基材表面の平滑性を高めることができる。したがって、基材上に形成される第1金属層または第2金属層の平滑性を効果的に向上させることができ、第1窒化アルミニウム層または第2窒化アルミニウム層における窒化アルミニウムの結晶配向を十分に高めることが可能となる。
なお、基材の表面粗さの測定方法については、上述した「1.第1金属層形成工程 (2)基材」の項に記載した方法と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
本開示の1実施態様においては、第1金属層形成工程の後に、第1金属層表面に研磨処理を施す金属層研磨処理工程を有していても良い。また、金属層研磨処理工程は、第2金属層形成工程の後に、第2金属層表面に研磨処理を施す工程であっても良い。第1金属層および第2金属層の表面に研磨処理を施すことにより、第1金属層および第2金属層の平滑性を効果的に向上させることができ、第1窒化アルミニウム層または第2窒化アルミニウム層における窒化アルミニウムの結晶配向を十分に高めることが可能となる。
なお、第1金属層および第2金属層の表面粗さの測定方法については、上述した「1.第1金属層形成工程 (1)第1金属層」の項に記載した方法と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
本開示の1実施態様においては、少なくとも第1金属層形成工程および第1窒化アルミニウム層形成工程を有していれば良い。
本開示の1実施態様により得られる積層体は、例えば、圧電素子における圧電体として用いることができる。ここで、圧電素子とは、圧電体による圧電効果または逆圧電効果を利用した素子である。そのため圧電素子は、例えば、圧電効果を利用することが可能な環境下、すなわち、振動等の圧力等が発生する環境下において永久電源として好適に用いることができる。また、圧電素子は、逆圧電効果を利用して振動等の外力の検出が求められる環境下において検出素子として好適に用いることができる。
本開示の1実施形態における積層体は、金属材料を含む基材と、上記基材の一方の面上の、第1金属材料を含む第1金属層と、上記第1金属層の上記基材とは反対側の面上の、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層とを有し、上記第1窒化アルミニウム層は、X線回折法において2θ=36.0±0.4°(AlN由来のピーク)にピークを有する部材である。
基材として厚み50μmのステンレス鋼基板(SUS304)を準備し、当該基材の表面に、第1金属層として厚み1μmのニッケル金属層を形成した。得られた基材の第1金属層とは反対側の面に、第1窒化アルミニウム層として厚み2μmのAlN膜をスパッタ成膜した。
なお、実施例および比較例において、各層に施した処理の有無については、表1に示す。表1における「○」は処理有を示し、「×」は処理無を示す。また、CMPは、化学的機械研磨処理の略語である。
実施例および比較例における第1窒化アルミニウム層に対し、X線回折装置(ブルカー、D8 DISCOVER)を用い、XRD法により結晶構造を解析した。
X線回折の条件は次のとおりである。Cu-Kα線を用い40kV・40mAを印加しX線を発生させた。X線入射側には0.6mm幅のスリットを挿入し、検出器側にはフィルターを用いなかった。2θ走査は0.02°ずつで、各角度で0.05秒間測定した。36.0±0.4°のピーク(AlN由来のピーク)を第1ピークとし、74.6±0.5 °のピーク(ステンレス鋼基板由来のピーク)を第2ピークとしたときの第2ピークに対する第1ピークの強度比(第1ピーク/第2ピーク)を測定した。また、36.0±0.4°のピーク(AlN由来のピーク)についてロッキングカーブ測定を行い、そのピークの半値全幅(FWHM)の値θを評価した。結果は、表2に示す。
2a … 第1金属層
2b … 第2金属層
3a … 第1窒化アルミニウム層
3b … 第2窒化アルミニウム層
10 … 圧電素子積層体
Claims (6)
- 金属材料を含む基材と、
前記基材の一方の面上の、第1金属材料を含む第1金属層と、
前記第1金属層の前記基材とは反対側の面上の、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層と、を有する圧電素子積層体であって、
前記第1窒化アルミニウム層は、X線回折法において2θ=36.0±0.4°(AlN由来のピーク)にピークを有し、
前記第1金属材料は、ニッケルまたはモリブデンであり、
前記第1金属層は、単層で構成され、
前記第1金属層の表面粗さは、算術平均粗さRaで0.100μm以下である、圧電素子積層体。 - 前記第1窒化アルミニウム層は、X線ロッキングカーブ測定による2θ=36.0±0.4°のピークについて、半値全幅(FWHM)の値θが5.1°以下である請求項1に記載の圧電素子積層体。
- 前記基材の前記第1金属層とは反対側の面上の、第2金属材料を含む第2金属層と、
前記第2金属層の前記基材とは反対側の面上の、窒化アルミニウムを含む第2窒化アルミニウム層と
を有し、
前記第2金属材料は、前記第1金属材料と同一材料である請求項1または請求項2に記載の圧電素子積層体。 - 金属材料を含む平板状の基材の一方の面上に、めっき処理を施して、第1金属材料を含む第1金属層を形成する第1金属層形成工程と、
前記第1金属層の前記基材とは反対側の面上に、スパッタ成膜処理を施して、窒化アルミニウムを含む第1窒化アルミニウム層を形成する第1窒化アルミニウム層形成工程と、を有する圧電素子積層体の製造方法であって、
前記第1金属層の膜厚が、0.1μm~5.0μmの範囲内である、圧電素子積層体の製造方法。 - 前記基材の前記第1金属層とは反対側の面上に、めっき処理を施して、第2金属材料を含む第2金属層を形成する第2金属層形成工程と、
前記第2金属層の前記基材とは反対側の面上に、スパッタ成膜処理を施して、窒化アルミニウムを含む第2窒化アルミニウム層を形成する第2窒化アルミニウム層形成工程と
を有し、
前記第2金属材料は、前記第1金属材料と同一の材料であり、
前記第2金属層形成工程は、前記第1金属層形成工程と同時に行われる請求項4に記載の圧電素子積層体の製造方法。 - 前記基材にエッチング処理を施すエッチング処理工程を有する請求項4または請求項5に記載の圧電素子積層体の製造方法。
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J. Y. Zhang et al.,"Microstructure and piezoelectric properties of AlN thin films grown on stainless steel for the application of vibration energy harvesting",Micro & Nano Letters,2012年,Vol. 7, Iss. 12,p. 1170 - 1172 |
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