(57)【要約】【課題】金属基板上に設けられた窒化アルミニウムのｃ軸配向性を向上させて、圧電性を向上させることを目的の一つとする。【解決手段】圧電積層体は、第１面及び第２面を有する金属基板と、金属基板の第１面に設けられた緩衝層と、緩衝層上に設けられ、圧電性を有する窒化アルミニウム層と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及び第２面を有する金属基板と、
前記金属基板の前記第１面に設けられた緩衝層と、
前記緩衝層上に設けられ、圧電性を有する窒化アルミニウム層と、を有する、圧電積層体。
【請求項２】
前記金属基板は、３０℃以上３００℃以下の温度範囲で熱膨張率が４ｐｐｍ／Ｋ以上１８ｐｐｍ／Ｋ以下である、請求項１に記載の圧電積層体。
【請求項３】
前記緩衝層は、Ｎｉを有する、請求項１又は２に記載の圧電積層体。
【請求項４】
前記緩衝層は、Ａｌ、Ｍｏ、もしくはＲｕ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である、請求項１又は２に記載の圧電積層体。
【請求項５】
前記緩衝層は、Ｔｉ、Ｗ、もしくはＰｔ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である、請求項１又は２に記載の圧電積層体。
【請求項６】
前記緩衝層は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、もしくはＰｔ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である、請求項１又は２に記載の圧電積層体。
【請求項７】
前記金属基板の厚さは、１０μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧電積層体。
【請求項８】
前記緩衝層の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧電積層体。
【請求項９】
前記金属基板は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、又はＷである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電積層体。
【請求項１０】
前記金属基板は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ａｌ基合金、Ｍｏ基合金、又はＷ基合金である、請求項1乃至８のいずれか一項に記載の圧電積層体。
【請求項１１】
前記Ｆｅ基合金は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、又はＳＵＳ４３０である、請求項１０に記載の圧電積層体。
【請求項１２】
前記Ｎｉ基合金は、４２Ａｌｌｏｙ、Ｉｎｖａｒ、又はＫｏｖａｒである、請求項１１に記載の圧電積層体。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の圧電積層体は柔軟性を有する。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の圧電積層体と、
前記窒化アルミニウム層上に設けられた第１電極と、を有し、
前記金属基板は第２電極として機能する、圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の一実施形態は、圧電積層体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板やガラス基板上に、ｃ軸に一軸配向の窒化アルミニウムを設けることで、圧電素子を形成することが知られている。また、窒化アルミニウムのｃ軸配向性が高いほど、圧電性が高くなるため、窒化アルミニウムのｃ軸配向性を高める方法が研究されてきた。例えば、特許文献１及び２には、シリコン基板やガラス基板と、窒化アルミニウムとの間に、タングステン又は白金などの緩衝層を設けることで、ｃ軸配向性を向上させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６５３５号公報
【特許文献２】特開２００４−２６５８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基板上に窒化アルミニウム層を成膜する場合、窒化アルミニウム層のｃ軸配向性は、基板の表面又は緩衝層の表面の影響を大きく受ける。シリコン基板又はガラス基板に替えて金属基板上に窒化アルミニウムを成膜すると、ｃ軸配向性が低下してしまい、圧電性が低下してしまうという問題があった。また、窒化アルミニウム層の残留応力を制御したい場合には、窒化アルミニウムの熱膨張率約４．７ｐｐｍ／Ｋに対して、熱膨張率がその数倍となる金属基板を用いると熱応力が大きくなり、熱応力と真性応力の和である残留応力を零付近とすることが難しかった。
【０００５】
本開示は、金属基板上に設けられた窒化アルミニウムｃ軸配向性を向上させて、圧電性を向上させることを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施形態に係る圧電積層体は、第１面及び第２面を有する金属基板と、金属基板の第１面に設けられた緩衝層と、緩衝層上に設けられ、圧電性を有する窒化アルミニウム層と、を有する。
【０００７】
上記圧電積層体において、金属基板は、３０℃以上３００℃以下の温度範囲で熱膨張率が４ｐｐｍ／Ｋ以上１８ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【０００８】
上記圧電積層体において、緩衝層は、Ｎｉを有する。
【０００９】
上記圧電積層体において、緩衝層は、Ａｌ、Ｍｏ、もしくはＲｕ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である。
【００１０】
上記圧電積層体において、緩衝層は、Ｔｉ、Ｗ、もしくはＰｔ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である。
【００１１】
上記圧電積層体において、緩衝層は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、もしくはＰｔ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物である。
【００１２】
上記圧電積層体において、金属基板の厚さは、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。
【００１３】
上記圧電積層体において、緩衝層の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００１４】
上記圧電積層体において、金属基板は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、又はＷである。
【００１５】
上記圧電積層体において、金属基板は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ａｌ基合金、Ｍｏ基合金、又はＷ基合金である。
【００１６】
上記圧電積層体において、Ｆｅ基合金は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、又はＳＵＳ４３０である。
【００１７】
上記圧電積層体において、Ｎｉ基合金は、４２Ａｌｌｏｙ、Ｉｎｖａｒ、又はＫｏｖａｒである。
【００１８】
本開示の一実施形態に係る圧電積層体は、柔軟性を有する。
【００１９】
本開示の一実施形態に係る圧電素子は、本開示の一実施形態に係る圧電積層体と、窒化アルミニウム層上に設けられた第１電極と、を有し、金属基板は第２電極として機能する。
【発明の効果】
【００２０】
本開示によれば、金属基板上に設けられた窒化アルミニウムのc軸配向性を向上させて、圧電性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示の一実施形態に係る圧電積層体の断面図である。
【図２】（Ａ）本開示の一実施形態に係る圧電積層体の製造方法を示す断面図である。（Ｂ）本開示の一実施形態に係る圧電積層体の製造方法を示す断面図である。（Ｃ）本開示の一実施形態に係る圧電積層体の製造方法を示す断面図である。
【図３】本開示の一実施形態に係る圧電積層体を用いた圧電素子の断面図である。
【図４】本開示の一実施形態に係る圧電積層体を用いた圧電素子の断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉ／５０μｍ厚を介して、３μｍ厚の窒化アルミニウム層が設けられた評価試料の形状である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す圧電梁を、梁の有効長が６．５ｍｍとなるように配線付きのガラス治具へ固定した図である。
【図６】図６（Ａ）は、５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉを介して設けられた３μｍ厚の窒化アルミニウム層の全体写真である。図６（Ｂ）は、電界放出型電子顕微鏡により撮影した窒化アルミニウム層の表面性状である。
【図７】５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉを介して設けられた３μｍ厚の窒化アルミニウム層のＸ線結晶解析における２θ−θ図である。
【図８】図７に示す窒化アルミニウム層のＸ線ロッキングカーブ測定の結果を示す図である。
【図９】圧電梁による印加電圧周波数−圧電梁先端変位特性を示す図である。
【図１０】圧電梁による印加電圧ピークピーク値−圧電梁先端変位特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態の内容を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様を含み、以下に例示される実施形態の内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、それはあくまで一例であって、本発明の内容を限定するものではない。また、本明細書において、ある図面に記載されたある要素と、他の図面に記載されたある要素とが同一又は対応する関係にあるときは、同一の符号（又は符号として記載された数字の後にＡ、Ｂ等を付した符号）を付して、繰り返しの説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有さない。
【００２３】
（第１実施形態）
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００の構造及び作製方法について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００２４】
［圧電積層体の構造］
図１は、本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００の構造を説明する断面図である。図１に示すように、圧電積層体１００は、第１面１０１Ａ及び第２面１０１Ｂを有する金属基板１０１と、金属基板１０１の第１面１０１Ａに設けられた緩衝層１０２と、緩衝層１０２上に設けられ、厚さ方向に圧電性を有する窒化アルミニウム層１０３と、を有する。
【００２５】
基板上に窒化アルミニウム層を成膜する場合、窒化アルミニウム層のｃ軸配向性は、基板の表面又は緩衝層の表面の影響を大きく受ける。
【００２６】
一般に、成膜にあたって基板は４００℃程度に加熱される。そのため高温でも基板の反りや変形が生じにくい、シリコン基板又はガラス基板が用いられてきた。シリコン基板又はガラス基板の熱膨張率と窒化アルミニウムの熱膨張率との差は小さいため、これらの基板に高温が加わっても、基板が変形するなどの問題は起こりにくい。そのため、圧電積層体を形成するために金属基板は従来使われてこなかった。
【００２７】
また、窒化アルミニウム層のｃ軸配向性を向上させるため、シリコン基板又はガラス基板と、窒化アルミニウム層との間に緩衝層として、様々な材料を用いることが検討されてきた。しかしながら、シリコン基板又はガラス基板上にニッケル層を成膜して、窒化アルミニウム層を成膜しても、窒化アルミニウム層のｃ軸配向性は低下してしまうという問題が生じていた。
【００２８】
近年、圧電積層体として、圧電式の燃焼圧センサや振動発電素子が置かれるような、数百度以上の高温や定常的な衝撃が加わる過酷環境で機能する圧電材料が望まれている。このような過酷環境は、バルク焼結体のチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスや、チタン酸ジルコン酸鉛薄膜とシリコン基板による圧電ＭＥＭＳは耐えることができない。このような過酷環境に耐える圧電部材として、実用上キュリー点が存在しない窒化アルミニウムによる圧電薄膜と、脆性破壊しない金属基板を組み合わせた圧電積層体が考えられる。このとき、金属基板を１００μｍ程度以下に薄化すれば、湾曲した対象である人体や構造物への設置が必要なフレキシブル・エレクトロニクスの分野で望まれている圧電積層体の柔軟化も実現できる。しかしながら、シリコン基板又はガラス基板に替えて金属基板を用いる場合、金属基板上に窒化アルミニウム層を成膜すると、ｃ軸配向性が低下し、圧電性が低下してしまうという問題が起こる。
【００２９】
以上の理由から、金属基板を用いた場合であっても、窒化アルミニウム層の圧電性を向上させることが望まれていた。
【００３０】
本発明者らは、鋭意検討の結果、金属基板上に緩衝層を形成することで、窒化アルミニウム層のｃ軸配向性が向上するという知見を得た。その結果、圧電積層体の圧電性が向上するという知見を得た。
【００３１】
そこで、本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００では、金属基板１０１と窒化アルミニウム層１０３との間に緩衝機能を有する緩衝層１０２を設ける。本開示の一実施形態では緩衝層１０２としてニッケルを選定した。また、金属基板１０１の熱膨張率と、窒化アルミニウム層の熱膨張率との差が小さくなるような、金属基板１０１を用いる。以下、本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００の構成について具体的に説明する。
【００３２】
金属基板１０１として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗを用いる。または、金属基板１０１として、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ａｌ基合金、Ｍｏ基合金、又はＷ基合金を用いる。また、Ｆｅ基合金は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、又はＳＵＳ４３０などを用いる。また、Ｎｉ基合金として、４２Ａｌｌｏｙ、Ｉｎｖａｒ、又はＫｏｖａｒを用いる。
【００３３】
下記に主要な合金基板として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、４２Ａｌｌｏｙ、Ｋｏｖａｒの組成と熱膨張率を例示する。
【００３４】
ＳＵＳ３０４は、オーステナイト系のステンレスであり、クロムとニッケルの合金である。ＳＵＳ３０４の主な成分は、Ｆｅ  ｂａｌ、Ｎｉ  １０％、Ｃｒ  １８％、Ｍｎ  ２％、Ｓｉ  １％以下、Ｃ  ０．０８％以下である。また、ＳＵＳ３０４の３０℃〜３００℃における熱膨張率は、約１８ｐｐｍ／Ｋである。
【００３５】
ＳＵＳ４３０は、フェライト系のステンレスであり、クロムの合金である。ＳＵＳ４３０の主な成分は、Ｆｅ  ｂａｌ、Ａｌ  ０．２％、Ｃｒ  １２．５％、Ｍｎ  １％以下、Ｓｉ  １％以下、Ｃ  ０．０８％以下である。また、ＳＵＳ４３０の３０℃〜３００℃における熱膨張率は、約１３ｐｐｍ／Ｋである。
【００３６】
４２Ａｌｌｏｙは、鉄とニッケルの合金である。４２Ａｌｌｏｙの主な成分は、例えば、Ｆｅ  ｂａｌ、Ｎｉ  ４２％、Ｍｎ  ０．５３％、Ｃｏ  ０．３７％、Ｓｉ  ０．０６％である。また、４２Ａｌｌｏｙの３０℃〜３００℃における熱膨張率は、約４ｐｐｍ／Ｋである。４２Ａｌｌｏｙのような鉄−ニッケル系の合金は、熱によって格子が広がる効果と、合金中の磁性の影響によって格子を狭める効果が相殺する効果によって熱膨張率が低くなるために好ましい。
【００３７】
Ｋｏｖａｒは、鉄、ニッケル、及びコバルトの合金である。Ｋｏｖａｒの主な成分は、例えば、Ｆｅ  ｂａｌ、Ｎｉ  ２９％、Ｍｎ  ０．３％、Ｃｏ  １７％、Ｓｉ  ０．０２％である。また、Ｋｏｖａｒの３０℃〜３００℃における熱膨張率は、５ｐｐｍ／Ｋである。
【００３８】
なお、上記で説明した金属基板１０１の組成比は一例であり、上記の数値に限定されるものではない。
【００３９】
また、金属基板１０１として、３０℃以上３００℃以下における熱膨張率が４ｐｐｍ／Ｋ以上１８ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。換言すると、金属基板１０１の熱膨張率と、窒化アルミニウム層１０３の熱膨張率との差の絶対値が、３０℃以上３００℃以下において１４ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。金属基板１０１の熱膨張率と、窒化アルミニウム層１０３の熱膨張率との差の絶対値が、３０℃以上３００℃以下において１４ｐｐｍ／Ｋを超える場合には、窒化アルミニウムの成膜条件の調整による残留応力制御のみで無応力状態にすることができず、圧電積層体１００が変形する可能性がある。なお、金属基板１０１として用いることができる材料は、上記に挙げた材料に限定されず、金属基板１０１の熱膨張率と、窒化アルミニウム層１０３の熱膨張率との差の絶対値が、３０℃以上３００℃以下において１４ｐｐｍ／Ｋ以下であることを満たすものであれば、他の材料であってもよい。
【００４０】
金属基板１０１の厚さは、１０μｍ以上１０００μｍ以下であるとよい。金属基板１０１の形成方法については後に詳述する。金属基板１０１の厚さを１００μｍ程度以下にすることで、金属基板１０１に柔軟性をもたせることができるため、折り曲げ可能な柔軟性を有する圧電積層体１００を形成できる。圧電積層体１００が、柔軟性を有することで、圧電積層体１００を、曲面を有する構造体に貼付することができる。
【００４１】
緩衝層１０２は、金属基板１０１と窒化アルミニウム層１０３との間に設けられる。緩衝層としては、組成や表面性状が均一であれば合金や金属窒化物であってもよいが、制御のしやすさから純金属が望ましい。緩衝層１０２の選定方法としては格子整合を考慮するのが望ましい。たとえば、窒化アルミニウムのｈｃｐ（００１）面と、ニッケルのｆｃｃ（１１１）面とが、格子整合するため、緩衝層材料としてニッケルが好ましい。緩衝層１０２は、スパッタリング法により、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚で設けられる。なお、本実施形態では、緩衝層１０２として、ニッケルを用いる場合について説明するが、ニッケルに限定されず、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、もしくはＰｔ、又はこれらの合金もしくはこれらの窒化物を用いてもよい。
【００４２】
窒化アルミニウム層１０３は、反応性スパッタリング法により、緩衝層１０２上に設けられる。膜厚は応用素子に必要なだけ厚くできるが、一般に数μｍ以上になると亀裂が生じやすくなる。本開示の一実施形態においては、窒化アルミニウム層１０３は、膜厚を１μｍから１０μｍの範囲としており、高いｃ軸配向を有している。
【００４３】
本開示の一実施形態では、金属基板１０１と、窒化アルミニウム層１０３との間に、たとえばニッケルを用いた緩衝層１０２を設けることで、金属基板１０１と窒化アルミニウム層１０３との格子の不整合を緩和することができる。また、金属基板１０１の熱膨張率を、３０℃以上３００℃以下において４ｐｐｍ／Ｋ以上１８ｐｐｍ／Ｋ以下とすることにより、窒化アルミニウム層１０３の熱膨張率との差を小さくできる。これにより、窒化アルミニウム層１０３の成膜時に、金属基板１０１に変形が生じることを抑制できる。
【００４４】
［圧電積層体の製造方法］
本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００の製造方法について、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）を参照して説明する。
【００４５】
図２（Ａ）は、金属基板１０１の断面図である。金属基板１０１として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、４２Ａｌｌｏｙ、及びＫｏｖａｒ等を用いる。
【００４６】
金属基板１０１は、厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下で、清浄かつ平坦化された表面を有する。
【００４７】
図２（Ｂ）は、金属基板１０１上に緩衝層１０２を成膜する工程を説明する図である。緩衝層１０２は、蒸着、めっき、又はスパッタリング法などを用いて成膜でき、成膜方法は特に限定されない。本実施形態では、緩衝層１０２として、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタ装置によりニッケル層を成膜する。緩衝層１０２の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で成膜する。また、後に形成される窒化アルミニウム層１０３のｃ軸配向性を向上させるためには、緩衝層１０２の表面の平坦性が高いことが好ましい。
【００４８】
図２（Ｃ）は、緩衝層１０２上に、窒化アルミニウム層１０３を成膜する工程を説明する図である。窒化アルミニウム層１０３は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、パルスドレーザデポジション（ＰＬＤ）、ＤＣスパッタ、パルスドＤＣスパッタ、ＲＦスパッタなどを用いて、膜厚１μｍから１０μｍにて成膜される。本実施形態では、窒化アルミニウム層１０３を、反応性マグネトロンスパッタを用いて成膜する場合について説明する。反応性スパッタは、成膜温度を低温化することができ、大面積に高品質な窒化アルミニウム層１０３を成膜できるため好ましい。
【００４９】
窒化アルミニウム層１０３に加わる残留応力は、熱応力及び真性応力よりなる。窒化アルミニウム層１０３に加わる残留応力は、成膜条件を制御することで、熱応力を真性応力により相殺できる。くわえて、本実施形態では、金属基板１０１の熱膨張率と、窒化アルミニウム層１０３の熱膨張率との差が小さくなる金属基板１０１を用いている。そのため、金属基板１０１が熱により変形することを抑制できるため、窒化アルミニウム層１０３の応力制御が容易になる。
【００５０】
以上の工程により、金属基板１０１と、窒化アルミニウム層１０３との間に緩衝層１０２が設けられた圧電積層体１００を形成することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る圧電積層体１００を用いた圧電素子１１０の構成について、図３及び図４を参照して説明する。
【００５２】
図３に示すように、圧電素子１１０は、圧電積層体１００と、金属基板１０１の第２面１０１Ｂに設けられた電極１０４と、窒化アルミニウム層１０３の第１面１０１Ａに設けられた電極１０５とを有する。本実施形態に示す圧電素子は、金属基板１０１も電極として機能する。よって、圧電素子１１０は、圧電積層体１００と、窒化アルミニウム層１０３の第１面１０１Ａの設けられた電極１０５を一方の電極とし、金属基板１０１を他方の電極として機能させてもよい。
【００５３】
電極１０４及び電極１０５は、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン白金、クロム金等を用いて形成される。
【００５４】
図４に示すように、圧電素子１１０Ａは、圧電積層体１００Ａと、電極１０４と、電極１０５と、を有する。圧電素子１１０Ａは、金属基板１０１の第１面１０１Ａに設けられた緩衝層１０２と、窒化アルミニウム層１０３と、電極１０５と、金属基板１０１の第２面１０１Ｂに設けられた緩衝層１０２Ａと、窒化アルミニウム層１０３Ａと、電極１０４と、を有する。
【００５５】
圧電積層体１００Ａに加わる応力を考慮すると、緩衝層１０２及び緩衝層１０２Ａの膜厚は概ね同じであることが好ましく、窒化アルミニウム層１０３及び窒化アルミニウム層１０３Ａの膜厚は概ね同じであることが好ましい。
【００５６】
本開示に係る圧電素子１１０は、金属基板を薄化することで柔軟性を付与できる。そのため、圧電素子１１０を、曲面を有する構造体に貼付することができ、ウェアラブルデバイスのセンサ部材とすることができる。また、本開示の一実施形態に係る圧電素子１１０は振動発電素子のための圧電部材になり、電力マネジメント回路と組み合わせることで電源素子として使用することができる。このような電源素子は環境発電素子とも呼ばれ、配線給電や電池駆動が困難な場所に設置される、タイヤ空気圧モニタリングシステムや、鉄道や高速道路などのインフラの寿命診断システム用のセンサネットワークの端末素子の電源として利用することができる。また、圧電素子１１０は、圧電式のセンサ・アクチュエータにも応用できる。具体的には、マイクロフォン、スピーカー、歪センサ、指紋センサ、アコースティック・エミッションセンサー、光音響センサ、振動センサなどである。
【実施例】
【００５７】
本実施例では、金属基板上に窒化アルミニウム層を形成した場合と、金属基板上にニッケル層を介して窒化アルミニウム層を形成した場合とで、ロッキングカーブの半値幅を比較した結果と、膜の圧電性の確認のために行った圧電梁による評価について説明する。
【００５８】
［実施例１］
実施例１では、金属基板１０１として厚さ５００μｍで、表面が清浄かつ平坦である４２Ａｌｌｏｙ基板を用いた。
【００５９】
次に、ＲＦマグネトロンスパッタ装置により、金属基板１０１上にニッケルを用いて緩衝層１０２を成膜した。緩衝層１０２の成膜条件は、ターゲットとしてニッケルを用い、室温にて、膜厚１００ｎｍ成膜した。
【００６０】
次に、反応性マグネトロンスパッタ装置により、緩衝層１０２上に窒化アルミニウム層１０３を成膜した。厚みは、１μｍ成膜とした。
【００６１】
以上の工程により、金属基板１０１上に緩衝層１０２を介して窒化アルミニウム層１０３が設けられた実施例１を作製した。
【００６２】
［比較例１］
比較例１は、実施例１において、金属基板１０１上に緩衝層１０２を成膜しないこと以外の条件は同じ条件で、金属基板１０１上に、窒化アルミニウム層１０３を成膜した。
【００６３】
［実施例２］
実施例２は、実施例１において、金属基板１０１として４２Ａｌｌｏｙに代えて、ＳＵＳ３０４を用いたこと以外の条件は同じ条件で、金属基板１０１上に、ニッケルを用いて緩衝層１０２を形成し、緩衝層１０２上に窒化アルミニウム層１０３を形成した。
【００６４】
［比較例２］
比較例２は、実施例２において、金属基板１０１上に緩衝層１０２を成膜しないこと以外の条件は同じ条件で、金属基板１０１上に、窒化アルミニウム層１０３を成膜した。
【００６５】
次に、実施例１、２及び比較例１、２に対して、窒化アルミニウム層１０３をＸＲＤ装置（ＢＲＵＫＥＲ  Ｄ８  ＡＤＶＡＮＣＥ）により測定を行った。表１に、ＸＲＤの測定結果を示す。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
表１に示すように、金属基板１０１上に窒化アルミニウム層１０３を形成した比較例１、２と比較して、金属基板１０１上にニッケルを用いた緩衝層１０２を介して窒化アルミニウム層１０３を形成した実施例１、２の方が、ロッキングカーブの半値幅が小さくなるという結果が得られた。
【００６８】
［実施例３］
本開示に係る実施例を、薄い金属箔にも適用できるか検証するために、金属基板１０１を厚さ５０μｍの４２Ａｌｌｏｙ箔として、窒化アルミニウム層を形成し、結晶配向性及び圧電梁による圧電特性評価を行った。実施例３においては、実施例１を基に、金属基板１０１上が厚さ５０μｍの４２Ａｌｌｏｙ箔であること以外の条件は同じ条件で、金属基板１０１上に、緩衝層１０２として１００ｎｍ厚のＮｉを介して窒化アルミニウム層１０３を３μｍ厚形成した。
【００６９】
図５（Ａ）に、５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉを介して、３μｍ厚の窒化アルミニウム層が設けられた評価試料の形状を示す。図５（Ａ）に、金属基板２１１として４２Ａｌｌｏｙ箔、緩衝層２１２としてＮｉ層、窒化アルミニウム層２１３、層２１４を示す。層２１４は、１５ｎｍ厚のチタン上に、１００ｎｍ厚のニッケルを介して、２００ｎｍ厚の金が設けられている。評価試料は、長さＬ１０ｍｍ、幅Ｗ１ｍｍの圧電梁状にダイシングにて加工されたものである。また、図５（Ａ）において、Ｄ１は、Ｌｉｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎであり、Ｄ２は、Ｗｉｄｔｈ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎである。また、Ｗｉｄｔｈ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎは４２Ａｌｌｏｙ箔作製時の圧延方向（ＲＤ：  Ｒｏｌｌｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対応し、Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎは、４２Ａｌｌｏｙ箔の幅方向（ＴＤ：  Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対応する。図５（Ｂ）に、図５（Ａ）に示す圧電梁を、梁の有効長が６．５ｍｍとなるように配線付きのガラス治具へ固定した図を示す。図５（Ｂ）において、Ｌ１は、梁の有効長を示している。また、ガラス冶具２２１には、フレキシブル・フラット・ワイヤ２２２が設けられている。ここで、梁の有効長とは、ガラス冶具２２１の端部から、レーザが照射される位置までをいう。
【００７０】
図６（Ａ）に、５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉを介して設けられた３μｍ厚の窒化アルミニウム層２１３の全体写真を示す。図６（Ｂ）に、電界放出型電子顕微鏡により撮影した窒化アルミニウム層の表面性状を示す。図６（Ｂ）に示すように、粒径が５０ｎｍ〜２００ｎｍ径程度の結晶が密に並んでいる様が観察された。
【００７１】
図７に、５０μｍ厚の４２Ａｌｌｏｙ箔上に、１００ｎｍ厚のＮｉを介して設けられた３μｍ厚の窒化アルミニウム層のＸ線結晶解析における２θ−θ図を示す。図７に示すように、本実施例に係る窒化アルミニウムは、ｃ軸（ＡｌＮ（００２））の高配向を示す。また、図７において、Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｍｅｔａｌは圧電特性測定用に形成した上部電極のピークである。図８に、図７に示す窒化アルミニウム層のＸ線ロッキングカーブ測定の結果を示す。圧電梁の機能に関わる、梁の長手方向の測定による半値幅は５．００ｄｅｇ．であった。
【００７２】
図５（Ｂ）に示す圧電梁固定治具を用いて、上部電極と下部電極との間に正弦波電圧を印加することによって圧電振動させた。圧電梁の先端変位を、レーザードップラー振動計およびデジタルロックイン増幅器を用いて測定した。
【００７３】
図９に、圧電梁による印加電圧周波数−圧電梁先端変位特性を示す。このとき印加電圧のピークピーク値は、５、１０Ｖｐｐとした。図１０に圧電梁による印加電圧ピークピーク値−圧電梁先端変位特性を示す。このとき印加電圧は４００Ｈｚとした。この圧電梁評価から、実施例２に係る窒化アルミニウム層が圧電性を有することが確認できた。また、本結果から厚さ５００μｍの基板においても、実施例１、２での窒化アルミニウム層が圧電性を有することは容易に類推できる。
【００７４】
以上の結果により、金属基板１０１上に窒化アルミニウム層１０３を形成する場合、これらの間にニッケルを用いた緩衝層１０２を設けることで、窒化アルミニウム層１０３のｃ軸配向性が向上することが示された。また、本実施例に係る窒化アルミニウム層は、圧電性を有すると確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１０１:金属基板、１０１Ａ：第１面、１０１Ｂ：第２面、１０２：緩衝層、１０２Ａ：緩衝層、１０３：窒化アルミニウム層、１０３Ａ：窒化アルミニウム層、１０４：電極、１０５：電極、１１０：圧電素子、１１０Ａ：圧電素子、２１１：金属基板、２１２：緩衝層、２１３：窒化アルミニウム層、２１４：層、２２１：ガラス冶具、２２２：フレキシブル・フラット・ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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