Vol. 68, 7, 小特集 : 最新の MEMS 事情圧電薄膜アクチュエータ神野伊策 a 神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻 ( 兵庫県神戸市灘区六甲台町 1 1) Piezoelectric Thin-Film Actuators Isaku KANN

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なおたておか
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Vol. 68, 7, 2017 387 小特集 : 最新の MEMS 事情圧電薄膜アクチュエータ神野伊策神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻 ( 657 8501 兵庫県神戸市灘区六甲台町 1 1) Piezoelectric Thin-Film Actutors Isku KANNO Dept.

1 Vol. 68, 7, 小特集 : 最新の MEMS 事情圧電薄膜アクチュエータ神野伊策神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻 ( 兵庫県神戸市灘区六甲台町 1 1) Piezoelectric Thin-Film Actutors Isku KANNO Dept. of Mechnicl Engineering, Kobe University(1-1 Rokkodi-cho, Nd-ku, Kobe-shi, Hyogo ) Keywords : Piezoelectric Thin Film, Piezoelectric MEMS, Actutor 1. はじめに圧電性とは, 材料が有する線形的な電気機械変換効果を示すこの圧電性は, 絶縁材料に電気もしくは機械的入力をした際に結晶構造の異方性による分極が生じることに起因し, 機械入力に対する電気出力を正圧電効果, また電気入力に対する機械出力は逆圧電効果と呼ばれるこのことは, 圧電材料は材料そのものがセンサ, アクチュエータの機能を有していることを意味しており, その優れた電気機械変換効果によりこれまで様々な圧電材料応用素子が実用化されてきたこの圧電効果は, 材料そのものの特性に起因するため, 優れた圧電材料の開発が最終的なデバイス性能を大きく左右する一方, 半導体技術の進展と共にMicroelectromechnicl systems(mems) に関するデバイス, プロセス研究が, 特に 1970 年以降活発となり, 現在も様々な形態の MEMS 関連デバイスの開発が継続されているこの MEMS 技術は, 日本語の直訳では微小電気機械変換素子を意味しているつまり電気機械変換効果に代表される機能性をマイクロスケールの構造で実現することにその特徴があるそのためこれまでの MEMS デバイスは一般に Si の微細加工性を最大限に利用することでその微細構造に起因する機能性を追求してきたこれら Si-MEMS は, 一般に Si と電極を中心とした単純な材料系で構成され, 対向する電極配置構造のキャパシティブセンサ, また静電アクチュエータのとして利用されるこれら Si-MEMS の素子特性は, 通常素子構造が決まれば単純な計算でその出力を比較的正確に見積もることができるため, デバイス設計上非常に有利であるしかしその反面, 素子の性能が素子構造およびその加工精度等の物理的要因により決定されるため, その限界性能が容易に予測され, それ以上の機能性向上は困難となる 2. 圧電 MEMS の特徴 Si 材料を中心とした従来の MEMS の機能限界を超えるため, また圧電デバイスの新しい展開として, 圧電材料を MEMS デバイスに導入する圧電 MEMS 技術が注目されている圧電材料を MEMS へ実装する効果は, キャパシタとの対比で考えることができる ( 図 1) キャパシタの静電容量は電極間隔に反比例して増加するが, 実際のコンデンサでは高誘電材料が挿入され, 誘電体の持つ高い誘電特性を利用することでその体積効率を大幅に増加させている Si-MEMS に図 1 圧電材料と高誘電キャパシタの相似性 29

388 解表面技術図 2 圧電 MEMS 関連デバイスおいても単純に電極間隔を減少させることで静電容量, 静電気力は増加するが, 圧電材料の導入により材料が有する高い電気機械特性を利用することが可能となる通常の圧電素子と同様, 圧電 MEMS デバイス特性の限界値は圧電材料特性に依存するため, 新しい材料技術の進展によりその限界値を更に向上させる可能性を有するこの他, 一般に圧電

2 388 解表面技術図 2 圧電 MEMS 関連デバイスおいても単純に電極間隔を減少させることで静電容量, 静電気力は増加するが, 圧電材料の導入により材料が有する高い電気機械特性を利用することが可能となる通常の圧電素子と同様, 圧電 MEMS デバイス特性の限界値は圧電材料特性に依存するため, 新しい材料技術の進展によりその限界値を更に向上させる可能性を有するこの他, 一般に圧電 MEMS デバイスは単純なカンチレバーやダイヤフラム構造で構成されるため設計上の自由度もその分大きくなり, 素子の小型化や高機能化に対して優位性が生じるしかしながら欠点として, センサの場合力学量の変化のみを検出するため一定の力や加速度の計測には向かない, またアクチュエータにおいても比較的大きな応力が発生する一方, 発生するひずみや変位は小さい等の性質から, それらの特徴を理解し使い分けることが必要となる圧電材料を用いた圧電 MEMS デバイスの例を図 2に示すインクジェットヘッドやジャイロセンサについては既に実用化されており, 市販製品の中に組み込まれている更に HDD 用 2 段アクチュエータやオートフォーカス用アクチュエータは実用化を見据えた開発が継続されているこの他, 近年注目されている振動発電によるエナジーハーベスト分野においても圧電 MEMS の応用が検討されているインフラモニタリングやウェラブルデバイスへの応用を想定したセンサノードの駆動源として研究されており,IoT 関連技術の重要な要素技術として今後の展開が注目されているこれらの圧電 MEMS は多様な用途に利用可能であるが, その中心となる技術は圧電材料の薄膜化である圧電材料を薄膜化することで, 微細加工技術を用いた MEMS プロセスとの整合性が確保でき, マイクロ機能性デバイスとして展開が可能となる (1) ここで c,s,ε,β はそれぞれ弾性スティフネス, 弾性コンプライアンス, 誘電率およびその逆行列からなるマトリクスであり, 上付きで示される変数はその状態が一定であることを示しているつまり s E,ε T はそれぞれ E = 0, すなわち短絡状態の弾性コンプライアンス,T = 0 は応力開放状態の誘電率を示すこれらの関係から圧電材料の電気的, 機械的入出力関係が規定されるが,4 つの形式の圧電定数はそれぞれ表記が異なるだけで相互に変換可能であり, 用途によって便利な形式が用いられるこの中で, 一般に圧電ひずみ定数である d 形式がよく用いられる通常, 分極方向を 3 軸 (z 軸 ) 方向にとるため, 圧電効果も分極軸方向の入力により生じる圧電縦効果 (d 33 ) と圧電横効果 (d 31 ), および分極軸と垂直方向の入力による圧電すべり効果 (d 15 ) に集約され ( 図 3), d 形式の圧電基本式も以下のように簡略化される 3. 圧電薄膜アクチュエータの基礎 3.1 圧電基本式圧電性によって生じる電気機械変換効果は, 圧電基本式によって示されるそれぞれの入出力は, 応力 (T) ひずみ(S), および電束密度 (D) 電界 ( E) をそれぞれ独立変数とするベクトルとして表され, それらの相互関係はそれぞれの組み合わせにより 4 つの圧電定数 (h,d,g,e 形式 ) のマトリクスを用いて以下の形式で規定される (2) 30

3 Vol. 68, 7, 2017 圧電薄膜アクチュエータユニモルフアクチュエータバルク圧電材料を用いたアクチュエータの場合, 圧電素子の形状と電極構成は比較的自由に加工できるため, 圧電縦効果を用いた積層アクチュエータ, また圧電横効果を用いたバイモルフ素子等に代表される特徴的なデバイスが実用化されている一方, 圧電 MEMS デバイスは通常圧電薄膜材料を用いるため, 電極構成も圧電膜を上下電極で挟み込む構造となり, 図 3に示した逆圧電効果のうち分極方向と電気入力方向が垂直となる圧電すべり効果を用いた素子の実現は困難となる一方, 外部応力がゼロの場合, 厚さ t, 長さ l の圧電素子において圧電縦効果と圧電横効果による変形量 (Δt,Δl) はそれぞれ以下の式で示される (3) 圧電薄膜素子の場合, 厚さはデバイス面内寸法より十分小さいため, 圧電横効果による変形量は圧電縦効果によるものよりも大幅に大きくなるため, 圧電 MEMS デバイスはセンサおよびアクチュエータ共に圧電横効果による素子が用いられる一般の圧電 MEMS アクチュエータは図 4に示すユニモルフカンチレバー構造となるユニモルフ構造とは圧電層と被圧電層の 2 層からなり, 外部電圧印加による発生する圧電層の面内伸縮が回転モーメントとなりカンチレバーのたわみとして出力される圧電薄膜を用いたユニモルフカンチレバーの先端変位 δと入力電圧の関係は, 組み合わせはりのたわみ問題として微小変位の近似により以下の式で表される (4) ここで h,e は厚さ, 実効ヤング率 (E/(1-ν)) で, 下付 1,2 はそれぞれ圧電層, 非圧電層を示すこの式が示す通り, 素子構造, 各層のヤング率, 圧電定数 d により入出力関係が決定されるここで問題となるのが, 圧電薄膜のヤング率および圧電定数であるが, 薄膜材料においてこれらの値を直接導出することは容易ではない 3.3 薄膜材料の圧電定数測定我々は, これまでユニモルフアクチュエータの変位特性から圧電薄膜の圧電特性を評価してきた, 微細加工した素子では加工精度および加工によるダメージにより圧電薄膜そのものの圧電特性を正確に評価することが難しいそのため, 基板上の圧電薄膜を短冊状に切り出した後, 一端をクランプすることでユニモルフカンチレバーを構成し, 上下電極間に電圧を印加した際に生じる先端変位から圧電定数を求める圧電薄膜の場合, 前述したとおり正確に機械的物性を評価することが困難であるため, 通常の圧電定数とは異なる下記に定義される e,f により評価される (5) 基板材料は圧電薄膜よりも十分に厚いため, 式 (4) において p ~ 0 と近似できるため, (6) となり, 従って (7) 式 (5) と (7) より, (8) この式は, ユニモルフカンチレバーの電圧と変位の関係から圧電定数 e,f を求めるものであるが, 既知の基板材料の機械特性を用いる一方, 圧電薄膜の機械特性が不要であるため正確な圧電特性を評価することができる以上の議論は, 逆圧電効果による圧電特性評価であるが, 同じユニモルフカンチレバーにたわみ変形を加えることによって生じる電荷出力から正圧電効果による圧電定数 e,f も求めることができる正確な圧電特性は, デバイス設計において不可欠な情報であると共に, 材料特性向上の指針を明らかにする上での基礎となるため, 圧電薄膜素子研究の最も重要な技術の一つである現在, これらの関係式を用いた圧電薄膜の測定法について, 現在 IEC 規格による国際標準化も進められている V Si bem Top electrode Piezo film Bottom electrode Piezoelectric force Neutrl xis 図 3 逆圧電効果における分極, 外部電場と変形方向の関係 31 図 4 ユニモルフカンチレバー構造

4 390 解表面技術 4. 圧電薄膜技術 4.1 圧電薄膜材料圧電 MEMS に用いられる代表的な材料は, 強誘電体材料である PZT と非強誘電体の AlN であるこれらの材料は薄膜として MEMS デバイスへの導入が可能であり, 各種圧電マイクロセンサ, アクチュエータとして既に実用化されている応用分野もある非強誘電体材料である AlN 薄膜も圧電 MEMS 分野においてもポピュラーな圧電材料の一つである AlN はウルツ型六方晶の結晶構造を有しており, 比誘電率が低く, 高いヤング率を示すことから SAW や BAW 等の高周波共振デバイス, またマイクロフォンやエナジーハーベスター等の正圧電効果を利用する素子としての応用が主体となっているしかし, その圧電定数は PZT の1/10 以下であり, ヤング率が高いことを差し引いてもアクチュエータ用途には向かない PZT に代表されるペロブスカイト系強誘電体は高い圧電特性を有しており, 圧電 MEMS におけるセンサアクチュエータに共通して中心的な役割を果たしている PZT セラミックスは多結晶構造において高い圧電性を示し, また安価であることから実用性に優れた機能性材料である PZT は薄膜化した場合においても比較的高い圧電性が得られることから MEMS デバイスとしてもこれまで数多くの研究開発が行われてきた通常,PZT 圧電薄膜は 1 μm ~3 μm 程度の膜厚領域で使用される図 5は, 厚さ 5 μm, 長さ 500 μm の Si カンチレバー上に PZT 膜が形成されたユニモルフカンチレバーに 10 V の電圧を印加した際に生じる先端変位を式 (4) を用いて計算した結果である図より,PZT の膜厚が薄いほど先端変位量は増加するが, この構成の場合 1 μm 以下の膜厚ではその増加率も小さいしかしながら通常の圧電 MEMS は比較的大きな素子面積が必要であり, 素子破壊による信頼性, 寿命の低下を避けるため, またフォトリソによる微細加工プロセスとの整合性を考慮して実際の膜厚が決定される 4.2 薄膜化プロセス圧電 MEMS デバイス実現する上で, 圧電材料の薄膜化プロセスの確立が必須となる応用に適した圧電材料をいかに高品質に薄膜化するか, またコストや信頼性についても実用に耐えうる技術が求められるマイクロアクチュエータの場合,PZT 系圧電薄膜の使用が前提となるが,PZT の薄膜化はレーザアブレーション (PLD) やスパッタ法, ゾルゲル法を中心に研究が行われてきた一方, 量産化には大面積を均質かつ低コストで成膜することが必要であり, 現在スパッタ法とゾルゲル法が量産化可能な工法として採用されている PZT 薄膜の各種特性はスパッタ法とゾルゲル法によるプロセス依存性が見られるが, いずれのプロセスにおいても PZT 薄膜の結晶性, 配向性, 膜中の組成分布等が成膜温度や各種成膜条件に大きく影響され, 最適な圧電特性を安定に維持することは容易ではない我々はこれまでスパッタ法を中心に PZT 圧電薄膜の作製を行ってきた圧電応用では前述したとおり通常 1 μm 以上の膜厚が必要となるため, アモルファス PZT をポストアニールするプロセスはクラックや剥離等引き起こすため現実的ではなく,600 程度の高い基板温度での成膜が一般的である通常の成膜では, 高温酸化雰囲気中でも使用可能な Pt を下部電極として用い, その上に PZT を成長させることになるが, Zr が多い組成領域ではペロブスカイト構造の成長が困難となるそのため,Zr を含有しないペロブスカイト層をシード層とすることで,PZT の成長を改善させることができる我々は通常 PbTiO よりも結晶異方性が小さく成長が容易な L 添加 PbTiO(PLT) をシード層として使うことで PZT の薄膜成長を改善させている PZT 薄膜の結晶性はこのシード層の結晶性に大きく影響され, その配向性についてもシード層の配向性により決定される 4.3 PZT 圧電薄膜の組成および配向依存性我々は PZT 薄膜の配向および組成依存性を詳細に調べるため, コンビナトリアル成膜法により PZT 薄膜を Si 基板上に作製し, その圧電特性を詳細に調べた図 6に装置の構成を示す PbTiO と PbZrO 2 種類のターゲットを同時スパッタすることで組成の異なる PZT 薄膜を同一成膜可能となる今回,, およびとが混在する 3 種類の配向の異なる PZT 薄膜を成膜した図 7にPZT 薄膜の誘電特性および圧電特性の Zr/Ti 組成依存性を示す図より, 配向による各特性の差は見られるが, いずれの PZT 薄膜においても MPB 組成 ( Zr/Ti=52/48) 付近において誘電特性および圧電特性が最大となった一方, 配向の影響については, および配向で大きな差は見られず, それぞれが混在した多結晶性の強い薄膜の方が高い圧電特性を示して 1.4E E E-05 Disp [m] 8.0E E E E E E E E E-04 PZT thickness [m] 図 5 厚さ 5 μm の Si を用いたユニモルフマイクロカンチレバーの変位量の PZT 厚さ依存性 32 図 6 コンビナトリアルスパッタ装置の構成

5 Vol. 68, 7, 2017 圧電薄膜アクチュエータ 391 Reltive dielectric constnt Pek positions of e 31,f Composition x in Pb(Zr x,ti 1-x )O 3 e 31,f (C/m 2 ) Pek positions of rertive dielectric constnts Composition x in Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 図 7 PZT 圧電薄膜の比誘電率および圧電定数の Zr/Ti 組成比依存性いた今回用いたコンビナトリアル成膜は, 膜組成の最適化に有効な手法であり, これまで PMN-PT,Pb(Hf,Ti)O の他,(B, C)( Zr,Ti)O,B(Ti,Sn)O 等の圧電特性を詳細に調べてきた圧電材料の非鉛化等, 今後更に新しい材料探索の要求が高まると予想される中, 単なる材料研究の枠内にとどまるのではなく, デバイス技術を含めた一連の技術開発が必要であると考えている 5. おわりに圧電薄膜を用いた MEMS 技術について, その特徴と実用化に向けた現在の開発状況, また圧電体, 圧電薄膜およびその評価技術に関する基礎について述べた圧電材料の有する優れた電気機械変換効果は, マイクロデバイス化することによりその特徴を更に引き出すことができる現在はシンプルな構成のデバイスが実用においても主流となっているが, 今後従来の MEMS で蓄積された微細構造と融合することによって新しい技術展開が起こるのではないかと期待している材料とデバイスの両方の技術と経験が必要な分野であるが, IoT に代表される新しい技術の流れの中で今後圧電薄膜関連技術が更に広がりを見せることを期待している (Received April 30, 2017) 文献 2001). ₂)E. Fujii, R. Tkym, K. Nomur, A. Murt, T. Hirsw, A. Tomozw, S. Fujii, T. Kmd, H. Torii ; IEEE Trns. Ultrson. Ferroelectr. Freq. Control, 54, 2431(2007). ₃ ) 中村滋雄 ; 日本機械学会誌, 119, 223(2016). ₄)S. Roundy, P. K. Wright ; Smrt Mter. Struct., 13, 1131(2004). ₅)M. Renud, K. Krky, T. Sterken, P. Fiorini, C. Vn Hoof, R. Puers ; Sens. Actutors A, , 380(2008). ₆)K. Morimoto, I. Knno, K. Ws, H. Koter ; Sens. Actutors A, 163, 428(2010). ₇)K. B. Lee ; Principles of Microelectromechnicl Systems(Wiley, 2011). ₈)I. Knno, H. Koter, K. Ws ; Sens. Actutors A, 107, 68(2003). ₉)Y. Tsujiur, S. Kwbe, F. Kurokw, H. Hid, I. Knno ; Jpn. J. Appl. Phys., 54, 10NA04(2015). 10)I. Knno, S. Hyshi, T. Kmd, M. Kitgw, T. Hiro ; Jpn. J. Appl. Phys., 32, 4057(1993). 11)K. Tomiok, F. Kurokw, R. Yokokw, H. Koter, K. Adchi, I. Knno ; Jpn. J. Appl. Phys., 51, 09LA12(2012). 12)F. Kurokw, Y. Tsujiur, H. Hid, I. Knno ; Jpn. J. Appl. Phys., 53, 09PA06(2014). 13)F. Kurokw, A. Mori, Y. Tsujiur, H. Hid, I. Knno ; Thin Solid Films, 588, 34(2015). 14)S. Nishio, F. Kurokw, Y. Tsujiur, H. Hid, I. Knno ; Thin Solid Films, 616, 444(2016). 15)H. Cheng, H. Hid, J. Ouyng, I. Knno ; Cermics Interntionl, 43, 1597(2017). ₁)S. D. Senturi ; Microsystem design(klumwer Acdemic Publishers, 33

問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 2 2

問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 2 2 問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 1 問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 2 2 問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 3 問題 1 ₁ ₃ ₅ ₂ ₄ ₆ 問題 2 ₁ ₂ ₃ ₄ 問題 3 ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ 4 4 問題

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