WO2020026611A1 - 圧電デバイス - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a piezoelectric device.
- a vibrator having a unimorph structure or a bimorph structure used for a clock oscillator, a piezoelectric buzzer, and the like has been developed. Techniques related to this are described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-267109 (Patent Document 1) and International Publication WO2015 / 025716 (Patent Document 2).
- the piezoelectric body for example, aluminum nitride (AlN), lead zirconate titanate (PZT), or the like is used.
- Patent Document 3 describes a state in which the surface of a piezoelectric body is observed with a scanning electron microscope (SEM) and a state in which a boundary between an electrode and the piezoelectric body is observed with a TEM. .
- SEM scanning electron microscope
- Piezoelectric materials such as AlN and PZT are formed on the surface of a silicon substrate via an oxide layer. These piezoelectric layers are formed by a method such as sputtering and are polycrystalline layers. The piezoelectric layers thus formed have different polarization states. From the SEM and TEM photographs disclosed in Patent Document 3, it can be seen that the piezoelectric body is polycrystalline, and it can be seen that the directions of polarization are not completely aligned as in a single crystal substrate.
- an object of the present invention is to control the piezoelectric characteristics by controlling the polarization state, thereby controlling and improving the characteristics of the device.
- a piezoelectric device is a piezoelectric device having a membrane portion, including a piezoelectric layer made of a single crystal of a piezoelectric body, and at least a part of the piezoelectric layer is included in the membrane portion.
- An electrode is formed on the surface of the piezoelectric layer in the membrane portion, and the piezoelectric layer includes a first polarization region in a first polarization state and a second polarization region in a second polarization state. The first polarization region and the second polarization region are divided in a thickness direction or an in-plane direction.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of a first modification of the piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of a second modification of the piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 9 is a sectional view of a third modification of the piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 14 is a sectional view of a fourth modification of the piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 4 is an explanatory diagram of a first step of the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 5 is an explanatory diagram of a second step of the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 9 is an explanatory diagram of a third step in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 8 is an explanatory diagram of a fourth step in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 13 is an explanatory diagram of a fifth step in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment based on the present invention.
- FIG. 9 is a sectional view of a piezoelectric device according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a sectional view of a piezoelectric device according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a sectional view of a piezoelectric device according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is a cross-sectional view of a modification of the piezoelectric device according to Embodiment 4 of the present invention.
- FIG. 4 is an explanatory diagram of an example in which two types of regions in which the directions of polarization are opposite to each other are mixed in one surface of a piezoelectric layer.
- FIG. 15 is a sectional view of a piezoelectric device according to a fifth embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is a diagram showing in-plane stress in a membrane portion of a piezoelectric device according to a fifth embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 101 according to the present embodiment.
- FIG. 2 shows a plan view of the piezoelectric device 101.
- the piezoelectric device 101 includes a substrate 1.
- Substrate 1 may be a silicon substrate.
- the piezoelectric device 101 has a membrane section 6.
- the membrane portion 6 is a portion of the piezoelectric device 101 that is thin and easily deformed.
- the substrate 1 includes a thin portion 1e and a thick portion 1f.
- the thin portion 1e is thinner than the thick portion 1f and is easily deformed.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 101 according to the present embodiment.
- FIG. 2 shows a plan view of the piezoelectric device 101.
- the piezoelectric device 101 includes a substrate 1.
- Substrate 1 may be a silicon substrate.
- the piezoelectric device 101 has a membrane section 6.
- the membrane portion 6 is a portion of
- the thin portion 1e is surrounded by the thick portion 1f.
- the membrane part 6 includes a thin part 1e.
- the substrate 1 has a space 21 because the thin portion 1e is formed at a location surrounded by the thick portion 1f.
- the piezoelectric device 101 includes a piezoelectric layer 10 made of a piezoelectric single crystal.
- the “piezoelectric body” here may be, for example, any of LiTaO 3 , LiNbO 3 , ZnO, and PMN-PT. At least a part of the piezoelectric layer 10 is included in the membrane part 6.
- An electrode is formed on the surface of the piezoelectric layer 10 in the membrane section 6.
- the upper electrode 5 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 10 as an electrode.
- the lower electrode 4 is provided on the lower surface of the piezoelectric layer 10 from the thick portion 1f to the thin portion 1e.
- the lower electrode 4 may be embedded in the intermediate layer 3 described later.
- the piezoelectric layer 10 includes a first polarization region 41 in a first polarization state and a second polarization region 42 in a second polarization state, and the first polarization region 41 and the second polarization region 42 have thicknesses different from each other. Divided into directions or in-plane directions. In the example shown in FIG. 1, the first polarization region 41 and the second polarization region 42 are separated in the thickness direction with the interface 16 as a boundary.
- An intermediate layer 3 is interposed between the substrate 1 and the piezoelectric layer 10.
- the intermediate layer 3 is an insulating layer.
- the intermediate layer 3 may be formed of, for example, SiO 2 or the like.
- the intermediate layer 3 may be provided as a plurality of layers.
- the intermediate layer 3 may include a metal layer.
- the membrane part 6 includes a part of the piezoelectric layer 10 and a part of the intermediate layer 3 in addition to the thin part 1 e of the substrate 1.
- the piezoelectric layer 10 can be distorted by giving a potential difference between the upper electrode 5 and the lower electrode 4.
- the piezoelectric device 101 is a PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) that uses bending vibration.
- the lower side of the interface 16 is the first polarization region 41
- the upper side of the interface 16 is the second polarization region 42.
- the first polarization state and the second polarization state have opposite polarization directions. That is, the polarization directions of the first polarization region 41 and the second polarization region 42 are opposite to each other.
- the polarization state can be measured by observing the cross section of the thin film with an SNDM (scanning nonlinear dielectric microscope), a PRM (piezoelectric response microscope), an FFM (friction force microscope), or the like.
- the membrane portion 6 is circular when viewed in plan.
- the shape of the membrane portion 6 when viewed in plan is not limited to a circle. It may be a square, rectangle, polygon, or the like.
- the upper electrode 5 is arranged in a fixed pattern on the upper surface of the piezoelectric layer 10, but the upper electrode 5 is not shown in FIG.
- one or more slits may be provided inside the membrane portion 6 when viewed in plan. The slit may be provided intermittently, for example, along the outline of the membrane portion 6 when viewed in plan.
- the piezoelectric layer 10 includes the first polarization region 41 in the first polarization state and the second polarization region 42 in the second polarization state. Since the second polarization region 42 is divided in the thickness direction or the in-plane direction, device characteristics can be improved. For example, when used as a PMUT, the sound pressure can be set to a desired value by adjusting the position of the interface 16 in the thickness direction.
- the piezoelectric property is controlled by controlling the polarization state, whereby the property of the device can be controlled and improved.
- the configuration in which the substrate 1 includes the thin portion 1e and the membrane portion 6 includes the thin portion 1e has been exemplified.
- the substrate 1 may not have the thin portion 1e.
- the thickness of the thin portion 1e is zero.
- the membrane portion 6 does not include the thin portion 1e of the substrate 1.
- the membrane part 6 includes a part of the piezoelectric layer 10 and a part of the intermediate layer 3. The intermediate layer 3 may be exposed on the lower surface of the membrane 6.
- the interface 16 exists on the same plane in the plane direction of the piezoelectric layer 10, but is not limited to such a configuration. That is, not all of the interfaces 16 need be present on the same plane. Part of the interface 16 inside the piezoelectric layer 10 may be shifted in the thickness direction.
- the first polarization region 41 and the second polarization region 42 are separated in the thickness direction of the piezoelectric layer 10, and the interface 16 between them is preferably in the vicinity of the electrode.
- the interface 16 is preferably located, for example, near the upper electrode 5. Adopting this configuration is advantageous for improving device characteristics.
- the piezoelectric body forming the piezoelectric layer 10 is preferably LiTaO 3 or LiNbO 3 . By employing this configuration, the effect of controlling the polarization state is increased.
- the membrane portion 6 bends and vibrates. Adopting this configuration is advantageous for appropriately controlling sound pressure and frequency.
- the device may be like the piezoelectric device 102 shown in FIG.
- the polarization is unified upward in the first polarization region 41 below the interface 16, but in the second polarization region 42 above the interface 16, the direction of polarization is upward and downward. Mixed.
- the piezoelectric device 103 may be like the piezoelectric device 103 shown in FIG.
- the piezoelectric layer 10 includes two interfaces 16a and 16b in the middle of the piezoelectric layer 10 in the thickness direction.
- the direction of polarization changes at the interfaces 16a and 16b, respectively. That is, there is a first polarization region 41 below the interface 16a, a second polarization region 42 above the interface 16a and below the interface 16b, and a third polarization region 43 above the interface 16b.
- the first polarization region 41 is polarized downward
- the second polarization region 42 is polarized upward
- the third polarization region 43 is polarized downward.
- one piezoelectric device may have three or more interfaces.
- each of the interfaces 16a and 16b exists on the same plane in the plane direction of the piezoelectric layer 10, but the present invention is not limited to such a configuration. That is, all of the interfaces 16a and 16b do not necessarily have to be on the same plane. Some of the interfaces 16a and 16b inside the piezoelectric layer 10 may be shifted in the thickness direction.
- a piezoelectric device 104 as shown in FIG. 5 may be used.
- the direction of polarization inside the piezoelectric layer 10 is not the thickness direction of the piezoelectric layer 10 but the direction parallel to the main surface of the piezoelectric layer 10.
- the piezoelectric layer 10 includes a first polarization region 41 and a second polarization region.
- the first polarization region 41 below the interface 16 is polarized leftward in the figure.
- the second polarization region 42 above the interface 16 is polarized rightward in the figure.
- the interface 16 is present on the same plane in the plane direction of the piezoelectric layer 10, but is not limited to such a configuration. That is, not all of the interfaces 16 need be present on the same plane. Part of the interface 16 inside the piezoelectric layer 10 may be shifted in the thickness direction.
- Whether the direction of polarization of the piezoelectric layer 10 is set to the thickness direction or the direction parallel to the main surface can be appropriately selected depending on the direction in which the piezoelectric material to be the piezoelectric layer 10 is cut out from a lump of material. .
- a piezoelectric device such as the piezoelectric device 105 shown in FIG. 6 may be used.
- the direction of polarization inside the piezoelectric layer 10 is a direction parallel to the main surface of the piezoelectric layer 10.
- the piezoelectric layer 10 includes two interfaces 16a and 16b in the middle of the piezoelectric layer 10 in the thickness direction.
- the piezoelectric layer 10 includes a first polarization region 41, a second polarization region 42, and a third polarization region 43.
- the first polarization region 41 below the interface 16a is polarized rightward in the figure.
- the second polarization region 42 above the interface 16a and below the interface 16b is polarized leftward in the figure.
- the third polarization region 43 above the interface 16b is polarized rightward in the figure.
- each of the interfaces 16a and 16b is present on the same plane in the plane direction of the piezoelectric layer 10, but is not limited to such a configuration. That is, all of the interfaces 16a and 16b do not necessarily have to be on the same plane. Some of the interfaces 16a and 16b inside the piezoelectric layer 10 may be shifted in the thickness direction.
- a piezoelectric single crystal substrate 17 is prepared.
- the piezoelectric single crystal substrate 17 may be a substrate formed of, for example, LiTaO 3 or LiNbO 3 .
- the lower electrode 4 is formed by film formation on one surface of the piezoelectric single crystal substrate 17, and is patterned into a desired shape.
- the lower electrode 4 may be formed of Pt or the like.
- a Ti layer or the like may be interposed as an adhesion layer.
- the intermediate layer 3 is formed so as to cover the lower electrode 4.
- the intermediate layer 3 may be formed of SiO 2 or the like. After the intermediate layer 3 is formed once, the surface of the intermediate layer 3 is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing).
- this structure is bonded to the substrate 1. This bonding is performed such that the intermediate layer 3 is in contact with the substrate 1.
- a metal layer may be interposed at the interface where the intermediate layer 3 and the substrate 1 are joined.
- Substrate 1 may be a silicon substrate.
- An intermediate layer may be arranged inside the substrate 1. The intermediate layer 3 may be formed by thermally oxidizing a part of the substrate 1.
- the piezoelectric single crystal substrate 17 is polished, peeled off, or subjected to both steps to reduce the thickness to a desired thickness. Grinding, CMP, or the like may be employed as a method for controlling the polarization by thinning the piezoelectric single crystal substrate 17 by polishing.
- a peeling layer is provided on the piezoelectric single crystal substrate 17 in advance by an ion implantation method.
- a desired polarization can be obtained by controlling the power and depth of ion implantation.
- polarization is induced, and, for example, a first polarization region 41 and a second polarization region 42 are formed as shown in FIG. Further, annealing may be performed to recover crystallinity or control polarization.
- the upper electrode 5 is formed on the upper surface of the piezoelectric single crystal substrate 17 and patterned into a desired shape.
- the upper electrode 5 may be formed of Pt or the like.
- a Ti layer or the like may be interposed as an adhesion layer.
- the piezoelectric single crystal substrate 17, the intermediate layer 3, and the substrate 1 are patterned into desired shapes.
- the membrane part 6 is formed by removing part or all of the substrate 1 by DRIE (Deep Reactive-Ion @ Etching). If necessary, the intermediate layer 3 may be removed from the lower surface of the membrane 6. Thus, the piezoelectric device 101 shown in FIG. 1 can be obtained.
- the piezoelectric device 106 With reference to FIG. 12, the piezoelectric device 106 according to the second embodiment of the present invention will be described.
- an SOI substrate is used as the substrate 1.
- the substrate 1 includes an active layer 1a and a base 1b, and an insulating film 13 is interposed between the two.
- the piezoelectric layer 10 is joined to the upper side of the active layer 1a with the intermediate film 3 interposed.
- the configuration of other parts is the same as that described in the first embodiment.
- the piezoelectric layer 10 can be efficiently distorted. Portions of the membrane 6 other than the piezoelectric layer 10 are not deformed by the potential difference itself. When only the piezoelectric layer 10 of the membrane portion 6 is distorted, as a result, the membrane portion 6 vibrates so as to bend up and down.
- the piezoelectric device 106 can be used as a PMUT.
- the piezoelectric device 107 With reference to FIG. 13, the piezoelectric device 107 according to the third embodiment of the present invention will be described.
- a comb-shaped electrode 15 is arranged on the upper surface of the piezoelectric layer 10.
- the comb-shaped electrode is also called an IDT (Interdigital Transducer) electrode.
- the piezoelectric device 107 uses a plate wave.
- a Ti layer or the like may be interposed between the piezoelectric layer 10 and the comb-shaped electrode 15 as an adhesion layer.
- the term “plate wave” as used herein generally means various waves excited on a piezoelectric thin plate having a film thickness of 1 ⁇ or less, where the wavelength of the excited plate wave is 1 ⁇ .
- the fractional bandwidth is 4.5%, but by controlling the polarization state by applying the present embodiment, the fractional bandwidth is 1.0%. Became.
- the piezoelectric device uses a plate wave, but the type of wave is not limited to this.
- the piezoelectric device may use, for example, a bulk wave.
- the membrane section 6 may use a plate wave or a bulk wave. In these cases, a similar effect can be obtained.
- FIG. 14 piezoelectric device 108 according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
- the intermediate layer 3 is arranged on the lower surface of the piezoelectric layer 10.
- the substrate 1 is joined to the lower side of the intermediate layer 3.
- the intermediate layer 3 is exposed on a part of the lower surface of the membrane 6.
- the lower electrode 4 is exposed at another part of the lower surface of the membrane part 6.
- the piezoelectric device 109 shown in FIG. 15 does not include the intermediate layer 3.
- the piezoelectric layer 10 is directly bonded to the upper surface of the substrate 1.
- the piezoelectric layer 10 is exposed on a part of the lower surface of the membrane part 6.
- the lower electrode 4 is exposed at another part of the lower surface of the membrane part 6.
- the polarization state is controlled by polishing, peeling, ion implantation, or the like, which is related to the above-described embodiments in common.
- the orientation can be changed.
- the direction of polarization can be changed depending on the depth from the surface, it is also possible to change the direction of polarization depending on a portion viewed in plan.
- FIG. 16 shows an example in which two types of regions whose polarization directions are opposite to each other are mixed in one surface of the piezoelectric layer 10.
- a white area has a “+” polarity
- a hatched area has a “ ⁇ ” polarity.
- the support film 7 covers the upper side of the piezoelectric layer 10.
- the support film 7 may be formed of any material selected from SiN, SiO 2 , AlN, ZnO, Ta 2 O 5 and the like.
- the support film 7, the piezoelectric layer 10, and the intermediate layer 3 may be patterned so as to have a desired shape in plan view.
- the membrane portion 6 includes the support film 7 arranged so as to cover one surface of the piezoelectric layer 10, and the support film 7 and the piezoelectric layer 10 are integrated in the membrane portion 6. And vibrate.
- the piezoelectric layer 10 can be distorted by giving a potential difference between the upper electrode 5 and the lower electrode 4.
- the portion of the membrane 6 other than the piezoelectric layer 10 is not deformed by the potential difference itself.
- the membrane portion 6 vibrates so as to bend up and down.
- providing the piezoelectric layer 10 with the polarization regions having different directions may degrade the characteristics of the device depending on the application.
- the first piezoelectric region 41 may degrade the characteristics of the device.
- the piezoelectric device 110 having the membrane section 6 includes the piezoelectric layer 10 made of a single crystal of a piezoelectric material, and at least a part of the piezoelectric layer 10 is included in the membrane section 6.
- the electrode 5 is formed on the surface of the first polarization region.
- the piezoelectric layer 10 includes a first polarization region 41 in a first polarization state and a second polarization region 42 in a second polarization state.
- the support film 7 is formed on 41.
- FIG. 18 shows the in-plane stress in the membrane 6.
- an internal stress is generated on the outer peripheral side of the stress neutral surface 20 as shown by an arrow 81.
- compressive internal stress is generated as shown by an arrow 82.
- the in-plane stress is small. Accordingly, the degree of contribution to deformation of the piezoelectric layer 10 is also small.
- the stress neutral plane 20 may pass through the inside of the first polarization region 41.
- the first polarization region 41 and the second polarization region 42 are separated in the thickness direction, and the boundary between the first polarization region 41 and the second polarization region 42 It is preferable that the inside of the included piezoelectric layer 10 is closer to the support film 7 in the thickness direction.
- the first polarization region 41 and the second polarization region 42 are formed in the same piezoelectric layer 10.
- the first polarization region 41 and the second polarization region 42 exist inside the single crystal piezoelectric body.
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Abstract
圧電デバイス(101)は、メンブレン部(6)を有する圧電デバイスであって、圧電体の単結晶からなる圧電層(10)を備える。圧電層(10)の少なくとも一部はメンブレン部(6)に含まれる。メンブレン部(6)において圧電層(10)の表面に電極が形成されており、圧電層(10)は、第1の分極状態である第1分極領域と、第2の分極状態である第2分極領域とを含み、前記第1分極領域と前記第2分極領域とは、厚み方向または面内方向に分かれている。
Description
本発明は、圧電デバイスに関するものである。
クロック用発振子、圧電ブザーなどに用いられるユニモルフ構造またはバイモルフ構造を備える振動子が開発されている。これに関連する技術は、たとえば特開2007-267109号公報(特許文献1)および国際公開WO2015/025716号(特許文献2)に記載されている。圧電体としては、たとえば窒化アルミニウム(AlN)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などが用いられる。
特開2018-23082号公報(特許文献3)には、圧電体の表面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察した様子、および電極と圧電体との境界をTEMで観察した様子について記載されている。
AlN、PZTなどの圧電体はシリコン基板の表面に酸化物層を介して形成されるが、これらの圧電体層はスパッタなどの方法で形成され、多結晶の層となっている。このように形成された圧電体層では分極状態がばらばらである。特許文献3に掲載されたSEMおよびTEMによる写真からは、圧電体が多結晶であることが読み取れ、単結晶基板のように分極の向きが完全には揃っているわけではないということがわかる。
そこで、本発明は、分極状態を制御することにより圧電特性を制御し、これによりデバイスの特性を制御し、改善することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に基づく圧電デバイスは、メンブレン部を有する圧電デバイスであって、圧電体の単結晶からなる圧電層を備え、上記圧電層の少なくとも一部は上記メンブレン部に含まれ、上記メンブレン部において上記圧電層の表面に電極が形成されており、上記圧電層は、第1の分極状態である第1分極領域と、第2の分極状態である第2分極領域とを含み、上記第1分極領域と上記第2分極領域とは、厚み方向または面内方向に分かれている。
本発明によれば、デバイス特性を改善することができる。
図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。
(実施の形態1)
図1~図2を参照して、本発明に基づく実施の形態1における圧電デバイスについて説明する。本実施の形態における圧電デバイス101の断面図を図1に示す。圧電デバイス101の平面図を図2に示す。圧電デバイス101は、基板1を備える。基板1はシリコン基板であってよい。圧電デバイス101は、メンブレン部6を有する。メンブレン部6は、圧電デバイス101の中で薄くなっていて変形しやすくなっている部分である。図1に示した例では、基板1は薄肉部1eと厚肉部1fとを備える。薄肉部1eは厚肉部1fより薄くなっており、変形しやすくなっている。図1における真下から見れば、薄肉部1eは厚肉部1fによって取り囲まれている。図1に示した例では、メンブレン部6は、薄肉部1eを含む。厚肉部1fによって取り囲まれた場所に薄肉部1eが形成されていることによって、基板1は空間21を有する。
図1~図2を参照して、本発明に基づく実施の形態1における圧電デバイスについて説明する。本実施の形態における圧電デバイス101の断面図を図1に示す。圧電デバイス101の平面図を図2に示す。圧電デバイス101は、基板1を備える。基板1はシリコン基板であってよい。圧電デバイス101は、メンブレン部6を有する。メンブレン部6は、圧電デバイス101の中で薄くなっていて変形しやすくなっている部分である。図1に示した例では、基板1は薄肉部1eと厚肉部1fとを備える。薄肉部1eは厚肉部1fより薄くなっており、変形しやすくなっている。図1における真下から見れば、薄肉部1eは厚肉部1fによって取り囲まれている。図1に示した例では、メンブレン部6は、薄肉部1eを含む。厚肉部1fによって取り囲まれた場所に薄肉部1eが形成されていることによって、基板1は空間21を有する。
圧電デバイス101は、圧電体の単結晶からなる圧電層10を備える。ここでいう「圧電体」とは、たとえばLiTaO3、LiNbO3、ZnO、またはPMN-PTのいずれかであってよい。圧電層10の少なくとも一部はメンブレン部6に含まれる。メンブレン部6において圧電層10の表面に電極が形成されている。ここで示す例では、電極として圧電層10の上面に上部電極5が形成されている。圧電層10の下面には下部電極4が厚肉部1f上から薄肉部1e上にわたって設けられている。下部電極4は、後述する中間層3に埋め込まれていてもよい。
圧電層10は、第1の分極状態である第1分極領域41と、第2の分極状態である第2分極領域42とを含み、第1分極領域41と第2分極領域42とは、厚み方向または面内方向に分かれている。図1に示す例では、第1分極領域41と第2分極領域42とは、界面16を境として厚み方向に分かれている。
基板1と圧電層10との間には中間層3が介在している。中間層3は絶縁層である。中間層3はたとえばSiO2などで形成されていてよい。中間層3は複数の層として設けられていてもよい。中間層3は金属層を含んでいてもよい。図1に示した例では、メンブレン部6は、基板1の薄肉部1eの他に、圧電層10の一部と中間層3の一部とを含む。
本実施の形態では、上部電極5と下部電極4との間に電位差を与えることにより、圧電層10を歪ませることができる。圧電デバイス101は、屈曲振動を利用するPMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)である。ここで示す例では、界面16より下側が第1分極領域41であり、界面16より上側が第2分極領域42である。第1の分極状態と、第2の分極状態とは、分極の向きが互いに逆である。すなわち、第1分極領域41と第2分極領域42とで分極の向きが互いに逆となっている。なお、分極状態は、薄膜の断面をSNDM(走査型非線形誘電率顕微鏡)、PRM(圧電応答顕微鏡)、FFM(摩擦力顕微鏡)などで観察することにより測定が可能である。
図2に示すように、ここで示した例では、メンブレン部6が平面的に見て円形であるものとしたが、メンブレン部6の平面的に見たときの形状は、円形に限らず、正方形、長方形、多角形などであってもよい。本来、圧電層10の上面には上部電極5が一定のパターンで配置されているが、図2では、上部電極5は図示省略されている。圧電デバイス101としてはスリットが設けられていない例を示したが、平面的に見てメンブレン部6の内部に1以上のスリットが設けられていてもよい。スリットは、たとえば平面的に見てメンブレン部6の外形線に沿って断続的に設けられていてもよい。
本実施の形態における圧電デバイスでは、圧電層10は、第1の分極状態である第1分極領域41と、第2の分極状態である第2分極領域42とを含み、第1分極領域41と第2分極領域42とは、厚み方向または面内方向に分かれているので、デバイス特性を改善することができる。たとえばPMUTとして用いる場合には、界面16の厚み方向の位置を調整することによって、音圧を所望の値にすることができる。
本実施の形態では、分極状態を制御することにより圧電特性を制御し、これによりデバイスの特性を制御し、改善することができる。
本実施の形態では、基板1が薄肉部1eを含んでおり、メンブレン部6が薄肉部1eを含んでいる構成を例示した。しかし、基板1が薄肉部1eを備えない構成であってもよい。言い換えれば薄肉部1eの厚みが0である構成である。この場合、メンブレン部6は基板1の薄肉部1eを含まない構成となる。この場合であっても、メンブレン部6は、圧電層10の一部と、中間層3の一部とを含む。メンブレン部6の下面には中間層3が露出していてもよい。
図1に示した例では、界面16は圧電層10の面方向において同一平面上に存在しているが、このような構成に限らない。すなわち、界面16の必ずしも全てが同一平面上に存在しなくてもよい。圧電層10の内部で界面16の一部が厚み方向にずれていてもよい。
本実施の形態で示したように、第1分極領域41と第2分極領域42とは、圧電層10の厚み方向に分かれており、両者の界面16は電極の近傍にあることが好ましい。界面16はたとえば上部電極5の近傍にあることが好ましい。この構成を採用することにより、デバイス特性を改善するために有利となる。
本実施の形態で示したように、圧電層10を構成する圧電体は、LiTaO3またはLiNbO3であることが好ましい。この構成を採用することにより、分極状態を制御した場合の効果が大きくなる。
本実施の形態で示したように、メンブレン部6が屈曲振動をすることが好ましい。この構成を採用することにより、音圧、周波数を適当に制御するために有利となる。
(変形例)
なお、図3に示す圧電デバイス102のようなものであってもよい。圧電デバイス102では、界面16より下側にある第1分極領域41では分極は上向きに統一されているが、界面16より上側にある第2分極領域42では、分極の向きは上向きと下向きとが混在している。
なお、図3に示す圧電デバイス102のようなものであってもよい。圧電デバイス102では、界面16より下側にある第1分極領域41では分極は上向きに統一されているが、界面16より上側にある第2分極領域42では、分極の向きは上向きと下向きとが混在している。
なお、図4に示す圧電デバイス103のようなものであってもよい。圧電デバイス103では、圧電層10は、圧電層10の厚み方向の途中に2つの界面16a,16bを含んでいる。界面16a,16bをそれぞれ境に分極の向きが変化している。すなわち、界面16aより下側には第1分極領域41があり、界面16aより上側で界面16bより下側には第2分極領域42があり、界面16bより上側には第3分極領域43がある。第1分極領域41は下向きに分極されており、第2分極領域42は上向きに分極されており、第3分極領域43は下向きに分極されている。ここでは、1つの圧電デバイスが2つの界面を備える例を示したが、1つの圧電デバイスが3つ以上の界面を備えてもよい。図4に示した例では、界面16a,16bの各々は圧電層10の面方向において同一平面上に存在しているが、このような構成に限らない。すなわち、界面16a,16bの各々は、必ずしも全てが同一平面上に存在しなくてもよい。圧電層10の内部で界面16a,16bの一部が厚み方向にずれていてもよい。
なお、図5に示す圧電デバイス104のようなものであってもよい。圧電デバイス104では、圧電層10の内部の分極の向きは、圧電層10の厚み方向ではなく、圧電層10の主表面に平行な方向となっている。圧電層10の厚み方向の途中に界面16がある。圧電デバイス104においては、圧電層10は、第1分極領域41と、第2分極領域42とを含んでいる。界面16より下側にある第1分極領域41は、図中左向きに分極されている。界面16より上側にある第2分極領域42は、図中右向きに分極されている。図5に示した例では、界面16は圧電層10の面方向において同一平面上に存在しているが、このような構成に限らない。すなわち、界面16の必ずしも全てが同一平面上に存在しなくてもよい。圧電層10の内部で界面16の一部が厚み方向にずれていてもよい。
圧電層10の分極の方向を厚み方向とするか主表面に平行な方向とするかについては、圧電層10となるべき圧電体を素材の塊から切り出す際の方向によって、適宜選択することができる。
なお、図6に示す圧電デバイス105のようなものであってもよい。圧電デバイス105においても、圧電層10の内部の分極の向きは、圧電層10の主表面に平行な方向となっている。なおかつ、圧電層10は、圧電層10の厚み方向の途中に2つの界面16a,16bを含んでいる。圧電層10は、第1分極領域41と、第2分極領域42と、第3分極領域43とを含んでいる。界面16aより下側にある第1分極領域41は、図中右向きに分極されている。界面16aより上側で界面16bより下側にある第2分極領域42は、図中左向きに分極されている。界面16bより上側にある第3分極領域43は、図中右向きに分極されている。図6に示した例では、界面16a,16bの各々は圧電層10の面方向において同一平面上に存在しているが、このような構成に限らない。すなわち、界面16a,16bの各々は、必ずしも全てが同一平面上に存在しなくてもよい。圧電層10の内部で界面16a,16bの一部が厚み方向にずれていてもよい。
(製造方法)
図7~図11を参照して、本実施の形態における圧電デバイス101の製造方法について説明する。
図7~図11を参照して、本実施の形態における圧電デバイス101の製造方法について説明する。
まず、図7に示すように、圧電単結晶基板17を用意する。圧電単結晶基板17は、たとえばLiTaO3またはLiNbO3によって形成された基板であってよい。次に、圧電単結晶基板17の一方の面において、下部電極4を成膜によって形成し、所望の形状にパターニングする。下部電極4は、Ptなどによって形成してよい。圧電単結晶基板17と下部電極4との界面には、密着層としてTi層などが介在していてもよい。
図8に示すように、下部電極4を覆うように中間層3を形成する。中間層3は、SiO2などによって形成されたものであってよい。中間層3を一旦形成した後で、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によって中間層3の表面を平坦化する。
図9に示すように、この構造体を基板1と貼り合わせる。この貼合せは、中間層3が基板1と接するように行なわれる。中間層3と基板1とが接合する界面に金属層が介在していてもよい。基板1はシリコン基板であってよい。基板1の内部にも中間層が配置されていてもよい。中間層3は、基板1の一部を熱酸化して形成されたものであってよい。
圧電単結晶基板17を研磨したり、剥離したり、または両方の工程を経たりして所望の膜厚まで薄くする。圧電単結晶基板17を研磨によって薄くして分極を制御するための方法としては、グラインド、CMPなどを採用してよい。剥離によって薄くする場合は、圧電単結晶基板17に予めイオン注入法により剥離層を設けておく。この場合、イオン注入のパワー、深さなどを制御することによって、所望の分極を得ることができる。これらの処理をすることによって、分極が誘発され、たとえば図10に示すように第1分極領域41と第2分極領域42とが形成される。さらに、結晶性の回復のため、または、分極の制御のためにアニールを行なってもよい。
図11に示すように、圧電単結晶基板17の上面に上部電極5を成膜し、所望の形状にパターニングする。上部電極5は、Ptなどによって形成してよい。圧電単結晶基板17と上部電極5との界面には、密着層としてTi層などが介在していてもよい。
圧電単結晶基板17、中間層3、基板1を所望の形状にパターニングする。基板1の一部または全部をDRIE(Deep Reactive-Ion Etching)によって除去することによって、メンブレン部6を形成する。必要に応じてメンブレン部6の下面において中間層3を除去してもよい。こうして、図1に示した圧電デバイス101を得ることができる。
(実施の形態2)
図12を参照して、本発明に基づく実施の形態2における圧電デバイス106について説明する。圧電デバイス106では、基板1としてSOI基板が用いられている。基板1は、活性層1aと基礎部1bとを含み、両者の間には絶縁膜13が介在している。活性層1aの上側には中間膜3を介在させる形で圧電層10が接合されている。他の部分の構成は、実施の形態1で説明したものと同様である。
図12を参照して、本発明に基づく実施の形態2における圧電デバイス106について説明する。圧電デバイス106では、基板1としてSOI基板が用いられている。基板1は、活性層1aと基礎部1bとを含み、両者の間には絶縁膜13が介在している。活性層1aの上側には中間膜3を介在させる形で圧電層10が接合されている。他の部分の構成は、実施の形態1で説明したものと同様である。
本実施の形態では、上部電極5と下部電極4との間に電位差を与えることにより、圧電層10を効率的に歪ませることができる。メンブレン部6のうち圧電層10以外の部分は、電位差を受けたこと自体によっては変形しない。メンブレン部6のうち圧電層10のみが歪むことによって、結果的に、メンブレン部6は上下に屈曲するように振動する。圧電デバイス106は、PMUTとして用いることができる。
(実施の形態3)
図13を参照して、本発明に基づく実施の形態3における圧電デバイス107について説明する。圧電デバイス107では、圧電層10の上面には、櫛形電極15が配置されている。櫛形電極は、IDT(Interdigital Transducer)電極ともいう。圧電デバイス107は、板波を利用するものである。圧電層10と櫛形電極15との間には、密着層としてTi層などが介在していてもよい。ただし、ここでいう「板波」とは、励振される板波の波長を1λとした場合に、膜厚1λ以下の圧電薄板に励振される種々の波を総称している。
図13を参照して、本発明に基づく実施の形態3における圧電デバイス107について説明する。圧電デバイス107では、圧電層10の上面には、櫛形電極15が配置されている。櫛形電極は、IDT(Interdigital Transducer)電極ともいう。圧電デバイス107は、板波を利用するものである。圧電層10と櫛形電極15との間には、密着層としてTi層などが介在していてもよい。ただし、ここでいう「板波」とは、励振される板波の波長を1λとした場合に、膜厚1λ以下の圧電薄板に励振される種々の波を総称している。
本実施の形態においても、デバイス特性を改善することができる。たとえば、分極状態を制御しない構造の場合には、比帯域幅は4.5%であったが、本実施の形態を適用することによって分極状態を制御したことにより比帯域幅は1.0%になった。
本実施の形態では、圧電デバイスが板波を利用する例について説明したが、波の種類はこれに限らない。圧電デバイスは、たとえばバルク波を利用するものであってもよい。言い換えれば、メンブレン部6が板波またはバルク波を利用するものであってよい。これらの場合も同様の効果を得ることができる。
(実施の形態4)
図14を参照して、本発明に基づく実施の形態4における圧電デバイス108について説明する。圧電デバイス108では、圧電層10の下面に中間層3が配置されている。中間層3の下側には基板1が接合されている。メンブレン部6の下面の一部には中間層3が露出している。メンブレン部6の下面の他の一部には下部電極4が露出している。
図14を参照して、本発明に基づく実施の形態4における圧電デバイス108について説明する。圧電デバイス108では、圧電層10の下面に中間層3が配置されている。中間層3の下側には基板1が接合されている。メンブレン部6の下面の一部には中間層3が露出している。メンブレン部6の下面の他の一部には下部電極4が露出している。
本実施の形態においても、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施の形態の変形例として、図15に示すような構成も考えられる。図15に示した圧電デバイス109は、中間層3を備えていない。基板1の上面に圧電層10が直接接合されている。圧電デバイス109においては、メンブレン部6の下面の一部には圧電層10が露出している。メンブレン部6の下面の他の一部には下部電極4が露出している。
なお、本実施の形態の変形例として、図15に示すような構成も考えられる。図15に示した圧電デバイス109は、中間層3を備えていない。基板1の上面に圧電層10が直接接合されている。圧電デバイス109においては、メンブレン部6の下面の一部には圧電層10が露出している。メンブレン部6の下面の他の一部には下部電極4が露出している。
なお、これまでの実施の形態に共通して関連することであるが、研磨、剥離、イオン注入などにより分極状態を制御することで、圧電層10の1つの面の中で、部位によって分極の向きを変化させることができる。表面からの深さによって分極の向きが異なるようにすることも可能であるが、平面視したときの部位によって分極の向きが異なるようにすることも可能である。圧電層10の1つの面の中で分極の向きが互いに逆である2種類の領域が混在している例を図16に示す。図16においては、白い領域は「+」の極性であり、ハッチングが入っている領域は「-」の極性である。
(実施の形態5)
図17を参照して、本発明に基づく実施の形態5における圧電デバイス110について説明する。圧電デバイス110では、圧電層10の上側を支持膜7が覆っている。支持膜7は、SiN、SiO2、AlN、ZnO、Ta2O5などの中から選択されるいずれかの材料で形成されたものであってよい。支持膜7、圧電層10および中間層3は、それぞれ平面的に見て所望の形状となるようにパターニングされていてもよい。本実施の形態における圧電デバイス110においては、メンブレン部6は、圧電層10の一方の表面を覆うように配置された支持膜7を含み、メンブレン部6において支持膜7と圧電層10とは一体となって振動する。
図17を参照して、本発明に基づく実施の形態5における圧電デバイス110について説明する。圧電デバイス110では、圧電層10の上側を支持膜7が覆っている。支持膜7は、SiN、SiO2、AlN、ZnO、Ta2O5などの中から選択されるいずれかの材料で形成されたものであってよい。支持膜7、圧電層10および中間層3は、それぞれ平面的に見て所望の形状となるようにパターニングされていてもよい。本実施の形態における圧電デバイス110においては、メンブレン部6は、圧電層10の一方の表面を覆うように配置された支持膜7を含み、メンブレン部6において支持膜7と圧電層10とは一体となって振動する。
本実施の形態では、上部電極5と下部電極4との間に電位差を与えることにより、圧電層10を歪ませることができる。メンブレン部6のうち圧電層10以外の部分は、電位差を与えられたこと自体によっては変形しない。メンブレン部6のうち圧電層10のみが歪むことによって、結果的に、メンブレン部6は上下に屈曲するように振動する。
ここで、圧電層10がそれぞれ向きの異なる分極領域を備えることは、用途によってはデバイスの特性を低下させることもあり得る。たとえば図1において、第1分極領域41と第2分極領域42とを有する圧電層10のうち、第1圧電領域41がデバイスの特性を低下させることもあり得る。
この場合、第1分極領域41によるデバイスの特性低下を抑制するための構造が必要となる。
そのためには、たとえば圧電デバイス110のような構成を採用すればよい。具体的には、メンブレン部6を有する圧電デバイス110は、圧電体の単結晶からなる圧電層10を備え、圧電層10の少なくとも一部はメンブレン部6に含まれ、メンブレン部6において圧電層10の表面に電極5が形成されており、圧電層10は、第1の分極状態である第1分極領域41と、第2の分極状態である第2分極領域42とを含み、第1分極領域41上には支持膜7が形成されている。
支持膜7を設けることにより、メンブレン部6の応力中立面が第1分極領域41付近に存在することになる。メンブレン部6における面内応力を表示したものを図18に示す。応力中立面20の近傍に注目したところ、応力中立面20より外周側では、矢印81に示すように引っ張る内部応力が発生する。応力中立面20より内外周側では、矢印82に示すように圧縮する内部応力が発生する。応力中立面20近傍では面内応力が小さくなっている。これに伴い、圧電層10の変形への寄与の度合いも軽微なものとなる。
なお、応力中立面20は第1分極領域41の内部を通っていてもよい。
本実施の形態で示したように、第1分極領域41と第2分極領域42とは厚み方向に分かれており、第1分極領域41と第2分極領域42との境目は、メンブレン部6に含まれる圧電層10の内部のうち厚み方向に関して支持膜7寄りにあることが好ましい。
本実施の形態で示したように、第1分極領域41と第2分極領域42とは厚み方向に分かれており、第1分極領域41と第2分極領域42との境目は、メンブレン部6に含まれる圧電層10の内部のうち厚み方向に関して支持膜7寄りにあることが好ましい。
本実施の形態で示したように、第1分極領域41および第2分極領域42は、同一の圧電層10内に形成されていることが好ましい。この場合、単結晶圧電体の内部に第1分極領域41および第2分極領域42があることになる。
なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
1 基板、1a 活性層、1b 基礎部、1e 薄肉部、1f 厚肉部、2 絶縁層、3 中間層、4 下部電極、5 上部電極、6 メンブレン部、7 支持膜、10 圧電層、13 絶縁膜、15 櫛形電極、16,16a,16b 界面、17 圧電単結晶基板、20 応力中立面、21 空間、41 第1分極領域、42 第2分極領域、43 第3分極領域、81,82 矢印、101,102,103,104,105,106,107,108,109,110 圧電デバイス。
Claims (9)
- メンブレン部を有する圧電デバイスであって、
圧電体の単結晶からなる圧電層を備え、
前記圧電層の少なくとも一部は前記メンブレン部に含まれ、
前記メンブレン部において前記圧電層の表面に電極が形成されており、
前記圧電層は、第1の分極状態である第1分極領域と、第2の分極状態である第2分極領域とを含み、前記第1分極領域と前記第2分極領域とは、厚み方向または面内方向に分かれている、圧電デバイス。 - 前記第1の分極状態と、前記第2の分極状態とは、分極の向きが互いに逆である、請求項1に記載の圧電デバイス。
- 前記第1分極領域と前記第2分極領域とは、前記圧電層の厚み方向に分かれており、両者の界面は前記電極の近傍にある、請求項1または2に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体は、LiTaO3またはLiNbO3である、請求項1から3のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記メンブレン部が屈曲振動をする、請求項1から4のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記メンブレン部が板波またはバルク波を利用する、請求項1から4のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記メンブレン部は、前記圧電層の一方の表面を覆うように配置された支持膜を含み、前記メンブレン部において前記支持膜と前記圧電層とは一体となって振動する、請求項5に記載の圧電デバイス。
- 前記第1分極領域と前記第2分極領域とは厚み方向に分かれており、前記第1分極領域と前記第2分極領域との境目は、前記メンブレン部に含まれる前記圧電層の内部のうち厚み方向に関して前記支持膜寄りにある、請求項6に記載の圧電デバイス。
- 前記第1分極領域および前記第2分極領域は、同一の圧電層内に形成されている、請求項1から8のいずれかに記載の圧電デバイス。
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