塑性加工によるﾏｲｸﾛﾏﾃﾘｱﾙの Electro-Mechanical 特性の改変
京都大学

工学研究科 マイクロエンジニアリング専攻
教授 小寺秀俊（平成 11 年度研究開発助成 AF-99012）

キーワード：薄膜, 圧電特性，MEMS,

RF-MEMS,1. 研究の背景
近年 MEMS の利用範囲は急速に広がっており、図１に示すように、センサー・アクチュエータに始まった MEMSの分野は、自動車・航空宇宙・バイオ・医療関係へと利用範囲が広がり、様々な用途の MEMS が研究され、事業化されている。
MEMEの駆動原理として、静電アクチュエータが一般的であったが、今日では圧電アクチュエータの利用も多くなってきている 1), 2), 3), 4) 。本研究の目的は、圧電薄膜の内部応
力と圧電特性の関係を明らかにするとともに、圧電薄膜を成膜した基板に塑性加工を付与することにより、圧電薄膜の内部応力を制御することによる、圧電特性の改変の可能性を明らかにすることであった。
これは、以下の理由から着想したものである。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の構造及び部品は CVD やスパッタ，リソグラフィーなどの薄膜プロセスを用いて作製される．MEMS の構造を設計する場合，薄膜の電気的特性や機械的特性を把握する必要がある．
薄膜の特性に関する研究は多くなされており，その特性は成膜方法や材料の組成に依存することが報告されている
5),6),7),8)．薄膜の特性が設計した部品において必要とする特性に合わない場合には，通常，材料の成分を変えたり，成膜の条件を変えたりすることが行われる．作製プロセスにより必要な特性を持つ薄膜を作製することができなければ，MEMSの構造及び部品の設計を変更しなくてはならない．
もし，成膜した後に何らかの方法により薄膜の機械的特性
及び電気的特性を改変することが可能になれば，薄膜を利用したMEMSの構造及び部品の設計の自由度を向上することができる．
そこで，本研究では上述したように、成膜後の薄膜に機械的な変形やひずみを与えることにより機械的特性及び電気的特性を改変する方法を提案し、その可能性を示した．

アクチュエータ
本研究では，圧電薄膜として、強誘電体材料である
Pb(Zr,Ti)O 3 （以下PZT）を対象の圧電材料として用いた。
1．2 これまでの圧電薄膜のひずみ依存性に関する研究例
MEMSのセンサーやアクチュエータに利用されている
PZT薄膜はゾル－ゲル法やCVD，スパッタリングなどにより成膜されており，その圧電特性を高くする為の成膜方法
や成膜条件の検討が行われている 9),10),11),12) ．バルクのPZT
材料の圧電特性はひずみにより変化することがよく知られており，DuboisらはPZT薄膜に引張ひずみを与えると圧電定数e 31 の絶対値が大きくなり，圧縮ひずみを与えると圧電定数e 31 の絶対値が小さくなると報告している 13) ．しかし，
Duboisらの実験は与えたひずみが 8.0×10 -4 と小さく，PZT
薄膜もバルクのPZT同様にひずみを与えると圧電特性が変化することを示したのみである．PZT薄膜の圧電特性を機
械的な変形によるひずみを与えて改変するためには，基板が塑性変形をするオーダーのひずみを与える必要があり，
大きなひずみを与えた場合の圧電特性の変化を明らかにする必要がある．
1．3 研究の目的
本研究では，まず，Zr と Ti の比が 57：43 の PZT 薄膜の圧電特性が，成膜後に外部からひずみを与えることで，どのように変化するかについて明らかにする．また，熱膨張係数の異なる基板上に成膜した PZT 薄膜は，結晶性が同じで残留ひずみが異なる．これらの PZT 薄膜に圧縮又は引張りのひずみを与えて，内部ひずみが同じになるように調節した場合の比誘電率を比較し，ひずみが PZT 薄膜の特性に与える影響について考察した結果を報告する。また、助成期間終了後に本研究に関連した研究成果に関しても報告する。

2. PZT 薄膜に与えたひずみと誘電率の関係

PZT 3µm
Pt 200nm
Ti 30nmステンレス基板100µm

図 1 現在のマイクロマシンの要素デバイスと応用分野

図2

試験片の断面構造

PZT等の圧電性薄膜の圧電定数d31 と膜厚方向の誘電率εの関係は次式となる．

T33

d 31 = k 31 s11 ε 33
E

T

(1)
E

ここでk 31 は電気機械結合係数であり，s11 は弾性コンプライアンスである．
電気機械結合係数及び弾性コンプライアンスが，電極に加えた電圧による変形中に変化しないと仮定すると，式(1)に示すように， PZT薄膜の圧電定数d 31 は膜厚方向の誘電率
ε33 T の平方根に比例する．すなわち，圧電定数を測定する
代わりに，比誘電率を測定することで，PZT薄膜の圧電特性を評価することができる．
MEMSでは、Si基板などを利用することがほとんどであ

PZT

Pt/Ti

るが、本研究では塑性加工により圧電薄膜にひずみを加え

SUS304
substrate

ることから、脆性材料であるSiに代わって厚さ 100µmのス
テンレス基板を用いてその上にPZT薄膜を成膜した。PZTの成膜の前に、SUSの基板の上にTiおよびPtを成膜し、そ

図 3 SUS304 基板上の PZT 薄膜の SEM 像の上にPZT（Pb(Zr 0.53 Ti0.47 )O 3 ）を厚さ 3µmまで成膜した（図2，表 1 成膜条件参照）．
表 1 Pb(Zr,Ti)O 3 薄膜の成膜条件
Parameter
Conditions
Substrate
Pt/Ti/SUS304, Pt/Ti/SUS430[Pb(Zr0.53Ti 0.47 )O 3 ]0.8 +[PbO]
Target0.2
Substrate tempetature 650 ℃
Gas composition
Ar(9 SCCM )+O 2 (1.0SCCM)
Gas pressure
4.0x10 -1 Pa
RF Power
500 W
17～20 nm/min
Deposition rate

Pt
W

PZT

t

x

Pt/Ti/SUS
substrate
Holderhb

LCR meter
本研究では、加工による圧電特性の変化を調べることを

図4

ひずみと電気特性の評価装置の概略図

目的としていることから、熱膨張係数の異なる 2 つのSUS
基板（SUS304；熱膨張係数は 18.7×10 -6 [/°C]とSUS430 の熱膨張係数は 11.9×10 -6 [1/℃]）にPZT（多結晶PZTの熱膨張係数（8.0×10 -6 [1/℃]）14) ））に加わる残留応力を変え、それぞれの特性を計測した後にひずみを加えて、薄膜内のひずみを一致させた場合に同じ圧電特性になるかどうかを計測することで、塑性加工による圧電特性の改変の可能性を示す。
図 3 に SUS304 上に成膜した PZT 薄膜の断面の SEM 写
真を示す．PZT 薄膜は数百 nm のグレインが，厚さ方向に結晶成長した柱状構造をしている．
基板に用いたSUS304 の熱膨張係数は 18.7×10 -6[/°C]であり，650°Cで成膜したPZT薄膜を室温（25℃）まで冷却した
場合，PZT薄膜には約 6.7×10 -3 の大きさの圧縮残留ひずみが生じていると考えられる．また、SUS430 の熱膨張係数は11.9×10 -6 [1/℃]であり，その上にPZT薄膜を 650℃の基板温度で成膜し，室温まで冷却するとPZT薄膜とSUS430 の熱膨張係数の差から，PZT薄膜には 2.4×10 -3 の大きさの圧縮残留
ひずみが生じると考えられる。

図5

PZT 薄膜特性のひずみ依存性

PZT薄膜の上に上部電極を成膜し，図４に示すようにス
テンレス基板の片方を固定し，他方の自由端に強制変位を加えることでPZT薄膜に圧縮又は引張のひずみを与えた．

ステンレス基板の厚さは 100µmでありPZT薄膜の厚さに比SUS304 と SUS430 上の PZT 薄膜の XRD パターンにおいて，

べて十分に厚いこと及び曲げによる曲率が小さいことから，

圧電特性を示す PZT のペロブスカイト構造の(001)面，(101)PZT薄膜の厚さ方向におけるひずみの分布は小さいと仮定

面，(111)面，(200)面を示す 2θ＝21°，2 θ＝31°，2 θ＝38°，

できる．PZT薄膜に生じるひずみは次式により求めること

2 θ＝44°のピークと下部電極として用いた Pt のピーク 2 θ

ができる

15)

．

＝39.73°が観察される．また，それぞれのステンレス基板

3t
ε PZT = s3 ⋅ y ⋅ x ･･･(2)2λ上の PZT 薄膜の XRD パターンにおいて，（001）面を示す

ここで，t s はステンレス基板の厚さ，λ は固定端かSUS430 上に成膜した PZT 薄膜は，ともに(001)面に優勢配2 θ＝21°のピークが最大となっていることから，SUS304 とら強制変位を加えた点までの距離， x は強制変位

向したペロブスカイト構造である．以上のことから，を加えるステンレス基板の先端から誘電率を測定する位置までの距離， y はステンレス基板先端

SUS304 上に成膜した PZT 薄膜と SUS430 上に成膜した PZT
薄膜とは同じ結晶性を持ち，PZT 薄膜と基板の熱膨張係数に加えた強制変位である．

の差による残留ひずみのみが異なる薄膜であるということ

PZT薄膜にひずみを与えた場合の誘電率の変化を図 5 にができる．

示す．縦軸はPZT薄膜の比誘電率，横軸はPZT薄膜のひずえた圧縮又は引張ひずみの大きさは最大 3×10 -3 であり，ステンレス基板の降伏領域近傍までひずみを与えた．PZT薄膜とステンレス基板の熱膨張係数の差によりPZT薄膜に生じている圧縮残留ひずみの大きさは 6.7×10 -3 であるので，

15000

Intensity [cps]みである．SUSの基板 304 基板上に成膜したPZT薄膜に与SUS304
P ZT(001)

10000

PZT (002)

5000

PZT(101)

PZT薄膜のひずみは-9.7×10 -3 から-3.7×10 -3 まで変化しておPZT(111) Pt(111)

り，常に圧縮ひずみ状態にある． PZT薄膜の圧縮ひずみを0大きくすると，PZT薄膜の比誘電率は小さくなり，PZT薄15000

きくなっている．ステンレス基板の降伏領域近傍のひずみが大きい領域においても，ひずみに対応して比誘電率が変化している．すなわち，基板に変形を加えるとPZT薄膜の圧電特性を変えることができると考えられる．

Intensity [cps]膜の圧縮ひずみを小さくすると，PZT薄膜の比誘電率は大

20

25

30

35

40

45

2θ[degree]
P ZT(001)

SUS430PZT (002)

10000
PZT (101)

5000
Pt(111)
PZT(111)

0

20

25

30
35
2θ[degree]4045

図 7 ステンレス基板上の PZT 薄膜の XRD
パターン

PZT

PZT薄膜に機械的なひずみを与えない場合，SUS304 上に成膜したPZT薄膜の比誘電率は 244 であり，SUS430 上に成膜したPZT薄膜では 384 である．このようにSUS430 上のPZT薄膜の比誘電率はSUS304 上に成膜した場合に比べ，約Pt/Ti
SUS430substrate

図 6 SUS430 基板上の PZT 薄膜の SEM 像

1.6 倍になっている．また，これらのステンレス基板上に成膜した薄膜の圧電定数d 31 を引張試験装置により測定した．その結果，SUS430 上に成膜したPZT薄膜の圧電定数d 31
は-54.8×10 -12 [C/N]であり，SUS304 上の薄膜の圧電定数d 31
は-40.4×10 -12 [C/N]であった．このようにSUS430 上に成膜

SUS430 基板上に成膜した PZT 薄膜の断面の SEM 写真を図したPZT薄膜の方が圧電定数d 31 の絶対値が大きく，高い圧6 に示す．SUS430 基板上の PZT 薄膜は図 4 に示す SUS304

電特性を示していた．熱膨張係数の違いによって生じる残上の PZT 薄膜の構造と同様に，数百 nm のグレインが厚さ

留ひずみがPZT薄膜の圧電特性に与える影響は，与えた機方向に結晶成長した柱状構造をしている．異なる基板に成械的なひずみがPZT薄膜の圧電特性に与える影響と同じで膜した PZT 薄膜の特性に与える機械的なひずみの影響をあった．

明らかにするためには，用いた 2 種類のステンレス基板上

SUS304 基板上に成膜した場合と同様に外部から機械的に成膜した PZT 薄膜の結晶性が同一である必要がある．そなひずみを与え同じひずみの状態にすることにより，比誘

こで，PZT 薄膜の結晶構造を調べた結果を図 7 に示す．

電率を計測した．もし，PZT 薄膜内部のひずみを変えることにより，比誘電率を所望の値に改変することが可能であの圧電定数と SUS304 上に成膜した PZT 薄膜の圧電定数をれば，2 種類の基板のひずみを機械的な変形により調整し，測定し，残留ひずみと機械的な変形により与えたひずみの同じ比誘電率にすることができるはずである．

影響が同じであることを示した．そして，2 種類のステン

SUS430 上のPZT薄膜の比誘電率とひずみの関係を測定

レス基板のひずみが同じになるような機械的なひずみを与した結果（図 4 にSUS304 と示している）、SUS304 上のPZTえ，その時の比誘電率を比較することにより，機械的なひ薄膜の場合と同様に圧縮ひずみが小さくなるほど比誘電率

ずみによる PZT 薄膜の特性改変について検討を行い，改変が大きくなっている．2 種類のステンレス基板上に成膜しが可能であることを示した．

たPZT薄膜の性質が同じであり，PZT薄膜の比誘電率がひずみのみに依存して変化すると仮定すると，ひずみの大き5．最近の研究内容とその成果さを同じにした場合，比誘電率は同じ大きさになるはずで

我々は、PZT 材料の特性研究以降、PZT 材料に関するある．図 8 は基板にひずみを与えてSUS304 上とSUS430 上研究を行うとともに、その材料を用いて様々なマイクロデに成 膜 し た PZT薄 膜 の 圧 縮 ひ ず み の 大 き さ を 3.5×10 -3 ，バイスを開発している。また、同時に NEDO の助成を得て-3-3

4.5×10 ，5.15×10 になるようにした場合の比誘電率を比較

平成 16 年から MEMS の設計解析支援システムを開発してした結果である．縦軸はSUS430 上に成膜したPZT薄膜の比おり、その材料および知識 DB の中に前述の研究内容を含

誘電率であり，横軸はSUS304 上に成膜したPZT薄膜の比誘め、平成 18 年 12 月現在 MEMS-One アルファバージョンと電率である．図中の破線は，両者の比誘電率が等しくなる

して国内に対して無でリリースするとともに平成 19 年 5場合を示す．図 8 に示すように本研究で作製したPZT薄膜

月にはβバージョンをリリースする予定である。

においては，同じひずみの大きさの状態における比誘電率

MEMS-One のシステム構造は図 9 の通りである。

は近い値を示しており，その差は約 20％である．本研究でまた、PZT薄膜を利用したデバイスとしてAO（Adaptive

はSUS304 上のPZT薄膜とSUS430 上のPZT薄膜に機械的な

Optics）用のミラーおよびGHz帯のRF-MEMSスイッチの研

ひずみを与えることによりPZT薄膜の結晶格子が同じ状態

究、さらにSUSの基板上に成膜したPZT薄膜を利用したマになると考えている．上記の差の原因としては，片持ち梁

イクロポンプの研究開発を行っている。以下にその概要とに強制変位を加えた際の試験片におけるひずみの分布や薄図には作製方法と特性を示す。詳細に関しては各項目に関膜の密度，面内での結晶の方位などが考えられる．本研究する論文を参照されたい 16)-36) 。

ではこれら影響について検討をしておらず今後検討を要すが，本研究の結果から，ひずみを与えることによって，PZT
薄膜の誘電率及び圧電特性を改変することができたと考えられる．

Relative dielectric coefficient on SUS430

400

300

200

-3500×10 -6-4500×10 -6-5150×10 -6

100
100

200

300

400

図9

Relative dielectric coefficient on SUS304

図 8 SUS430 上の PZT 薄膜の比誘電率とSUS304 上の比誘電率対応
4. 結言

5．1

ＡＯ用ミラーの構造とデバイスの写真

AO 用ミラー

望遠鏡や眼底カメラなどでは、レンズに代表される光学系以外にレンズ系と被写体の間の物質が、不均一性や揺らぎのためにその中を通過してくる光の波面が位相差を生じ

SUS304 上に成膜した PZT 薄膜にひずみを与えた場合のるためにそれを補正するための波面収差デバイスが必要で比誘電率の変化を測定することにより，PZT 薄膜に与えたある。一例としてスバル望遠鏡が挙げられるが、我々は眼

機械的なひずみが比誘電率に与える影響を明らかにした．

底を検査するための光学系に必要な波面収差用の圧電駆動

また，熱膨張係数の異なる SUS430 上に成膜した PZT 薄膜型の波面収差ミラーを開発している。基板として SOI 基板

を用い、PZT 薄膜を成膜し、駆動用電極パターンを作製した後にエッチングしてダイヤフラム形状にしてミラーにしている。静電型や液晶を用いた波面収差デバイスが開発されているが、我々は、構造が簡単で凹凸両方に駆動できる
波面収差ミラーの実現を目指して現在開発中であり、基本的な特性評価まで至っている。
5．2

ミリ波用 RF-MEMS スイッチ

μTAS を構成する基礎部品として、マイクロポンプ・マイ
クロ流路・マイクロミキサーおよび検出器が挙げられる。
我々は、流路を外壁から圧電素子で数ミクロン押すだけで、100μm×200μm の断面の流路内に 2mm/sec の流速を実現しており、ポンプのサイズと流量から世界最高性能を達成している。我々は、SUS 基板を用いてその上に圧電薄膜を成膜した櫛歯状の片持ち梁アクチュエータにより、このポ
ンプのより小型化を目指して流路構造とともに、現在開発を行っている。

GHz 帯の電磁波はミリ波と呼ばれ光ネットワークの最後の 5m の接続を実現する通信手段として、ユビキタスネ
ットワークの実現のため、重要視されている。ミリ波帯の通信にはミリ波の電波を送受信するための回路をスイッチングするための機械的なスイッチが半導体スイッチに対して必要視されている。RF-MEMS スイッチ素子の開発においても静電駆動型のスイッチが多く研究されているが、構図 11(1) 壁面駆動型マイクロポンプの原理造が複雑でかつ駆動電圧が高いことから、圧電駆動のスイッチが注目されている。図は我々が開発中のスイッチ素子の構造である。変形量ｗ大きくするためには片持ち梁形状にすることがよいが、その場合、前述のように圧電材料が持つ残留応力によるソリが問題となる。そこで我々は、片持ち梁の変形自由度を残しながら残留応力によるソリの影

図 11(2) 駆動用櫛歯アクチュエータ

響を受けないような X-Bar 型のスイッチを開発している。

図 1０(1) 圧電駆動型ミリ波用. X-bar 型 MEMS スイ
ッチの構造
図 11(3) 櫛歯型アクチュエータを用いたマイクロポンプシステムの評価デバイス謝辞

本稿は、平成 11 年度の天田金属加工機械技術振興財団の助成と科学研究費補助金（）,科学技術振興機構地域結集型事業「ﾅﾉﾒﾃﾞｨｼﾝ拠点形成の基盤技術開発」および独立行政法人新ｴﾈﾙｷﾞｰ産業技術総合開発機構「MEMS 用設計・解析支援シス
テム開発プロジェクト」の助成を得て行われた研究成果をまとめたものである。ここに謝意を表します。
図 10(2)
5．3

作製したデバイスの光学写真

マイクロ TAS 用マイクロポンプ

MEMS の応用に一つとしてμTAS（micro Total Analysis
Systems）という分野がある。これは、小さな流路内での拡散時間・反応時間の短さや、μl オーダーの分量という微少量で実験や検査を可能にするという特徴から病院での検査やバイオの研究分野の新しい道具として注目されている。

文

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Kotera",Kelvin-Helmholtz
Instability
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