圧電性五酸化タンタル/パイレックスガラス構造超音波デバイスの試作

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05650324
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 山口 正恒 千葉大学, 工学部, 教授 (00009664)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 研也 千葉大学, 工学部, 助教授 (90134353)
• Keywords: 五酸化アンタル / 超音波トランスジューサ / 酸化亜鉛 / 圧電性 / 共振子 / スパッタ / パイレックスガラス / マイクロマシニング

Research Abstract

本研究では、五酸化タンタル/パイレックスガラス複合圧電ダイアフラム構造を実現すると共に、これを利用して高性能な超音波デバイスを実現することを目的とした。
まず、対向ターゲットスパッタ法による酸化亜鉛薄膜の成長を試みた。そして、通常のマグネトロンスパッタ法に比べて非常に緻密で配向性に優れた良好な膜が得られ、この薄膜によりUHF帯で特性が格段に良好な超音波トランスジューサが実現できる事が分かった。ただし、ターゲット表面への酸化膜堆積によって異常放電が生じ、これにより膜質が劣化する問題が生じた。この問題については、現在も検討中である。なお、五酸化タンタル薄膜の場合、基板温度が400℃以下ではアモルファスとなって圧電性が生じない事が分かり、熱歪による破壊を避けるために以下の実験は全て酸化亜鉛を用いて行った。
次に、圧電性酸化亜鉛/パイレックスガラス複合ダイアフラムの作成プロセスを検討した。その結果、複合ダイアフラムを構成するパイレックスガラスが、異方性エッチングの際に歪み、これがデバイス特性に悪影響を及ぼすことが明らかとなり、その対策としてパイレックスガラスへのシリコン層付加を提案した。これは、シリコンの柔軟性によりダイアフラム全体に内部応力を拡散しようとするものである。また、窒化シリコンスパッタ膜を保護膜として利用する事により、低歪の複合ダイアフラム構造を実現できる事が分かった。
そして、この構造を利用して次世代移動体通信機器への応用が考えられる圧電共振子を構成し、共振周波数250MH_ZにおいてQ【similar or equal】600に達する良好な特性を実現した。また、このプロセスをさらに発展させ、この共振子を基板から浮かせて作製するプロセスを構築し、共振周波数が500MH_Zに達するデバイスの試作にも成功した。これにより、高周波超音波デバイスのシリコン基板上へのモノリシック集積化の可能性が示された。

Research Products

• [Publications] S.Yoshimoto: "Multi-Layered Ultrasonic Transducers Employing Air-Gap Structure" IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.& Freq.contr.(掲載予定).
• [Publications] S.Yoshimoto: "Multi-Layered Ultrasonic Transducers Employing Air-Gap" Techinical Digest ot the 12th Sensor Symposium. 183-186 (1994)
• [Publications] 山口正恒: "空隙構造を有する複合薄膜超音波トランスジューサ" 超音波テクノ. 6. 34-38 (1994)
• [Publications] 吉本進: "ZnO/パイレックスガラス複合薄膜構造を利用した複合圧電共振子の試作" 第23回EMシンポジウム予稿集. 1-6 (1994)