特開 2022-152431 積層体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022152431

(43)【公開日】2022-10-12

(54)【発明の名称】積層体

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/047 20060101AFI20221004BHJP

   B32B 7/025 20190101ALI20221004BHJP

   B32B 15/04 20060101ALI20221004BHJP

   H01L 41/06 20060101ALI20221004BHJP

   H01L 41/47 20130101ALI20221004BHJP

   H01L 41/04 20060101ALI20221004BHJP

   H01L 41/29 20130101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

H01L41/047

B32B7/025

B32B15/04 Z

H01L41/06

H01L41/47

H01L41/04

H01L41/29

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021055204

(22)【出願日】2021-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001494

【氏名又は名称】前田・鈴木国際特許弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】岡野 靖久

(72)【発明者】

【氏名】野口 隆男

【テーマコード（参考）】

4F100

【Ｆターム（参考）】

4F100AA27C

4F100AA30C

4F100AA34C

4F100AB00B

4F100AB00D

4F100AB02D

4F100AB11A

4F100AB11D

4F100AB15D

4F100AB24B

4F100AB31D

4F100AR00C

4F100AT00A

4F100AT00E

4F100BA04

4F100BA05

4F100BA07

4F100BA10A

4F100BA10D

4F100BA10E

4F100DD01D

4F100EH66D

4F100GB41

4F100JG00C

4F100JG06D

4F100YY00D

(57)【要約】

【課題】圧電体膜および金属膜を有する積層体であって、高温・高湿環境に保存した後であっても、良好な特性を維持できる積層体を提供する。
【解決手段】基板上に積層する積層体であって、少なくとも下部金属膜と、前記下部金属膜の上に位置する圧電体膜と、前記圧電体膜の上に位置する上部金属膜と、を有し、前記上部金属膜における前記圧電体膜側の面である下面の表面粗さＰ－Ｖより、前記上部金属膜における前記下面とは反対面である上面の表面粗さＰ－Ｖが小さいことを特徴とする積層体。
【選択図】図4

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に積層する積層体であって、
少なくとも下部金属膜と、前記下部金属膜の上に位置する圧電体膜と、前記圧電体膜の上に位置する上部金属膜と、を有し、
前記上部金属膜における前記圧電体膜側の面である下面の表面粗さＰ－Ｖより、前記上部金属膜における前記下面とは反対面である上面の表面粗さＰ－Ｖが小さいことを特徴とする積層体。

【請求項2】

前記上部金属膜が磁性膜であることを特徴とする請求項１に記載の積層体。

【請求項3】

前記上部金属膜の膜厚が、前記上部金属膜の前記下面の表面粗さＰ－Ｖより大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層体。

【請求項4】

前記上部金属膜における前記下面は、前記圧電体膜と接し前記上部金属膜と前記圧電体膜との界面を構成する請求項１から請求項３までのいずれかに記載の積層体。

【請求項5】

前記上部金属膜の前記上面は、保護膜で被覆されている請求項１から請求項４までのいずれかに記載の積層体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電体膜および金属膜を有しており基板上に積層する積層体に関する。

【背景技術】

【0002】

圧電体の圧電効果や逆圧電効果を利用するものが知られており、また、圧電体膜および金属膜を基板上に積層する積層体として構成することにより、小型化する試みがある（特許文献１等参照）。また、金属膜が磁性膜となっており、圧電体膜と強磁性膜とを有する積層体についても、開発が進められている。このような積層体は、磁電効果（Magnetoelectric (ＭＥ) effect）を有しており、離間したところから非接触で送信される磁場や、電磁波、超音波などのエネルギー（入力信号）を電気出力に変換することができる（特許文献２等参照）。すなわち、圧電体膜と強磁性膜とを有する積層体では、外部磁場などが印加されると、磁歪効果により強磁性膜で歪みが発生する。そして、その歪が圧電体膜に伝わり、圧電体膜自体が撓むことで、圧電体層の表面に電荷が発生する。

【0003】

一方、基板上に積層する積層体について、小型で優れた特性を生かすためには、保存信頼性の確保が必要である。従来の積層体では、高温・高湿環境に保存すると、特性低下を示す場合があり、課題となっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１３８９７２号公報

【特許文献2】実全昭５８－０４０８５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、圧電体膜および金属膜を有する積層体であって、高温・高湿環境に保存した後であっても、良好な特性を維持できる積層体を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するために、本発明に係る積層体は、
基板上に積層する積層体であって、
少なくとも下部金属膜と、前記下部金属膜の上に位置する圧電体膜と、前記圧電体膜の上に位置する上部金属膜と、を有し、
前記上部金属膜における前記圧電体膜側の面である下面の表面粗さＰ－Ｖより、前記上部金属膜における前記下面とは反対面である上面の表面粗さＰ－Ｖが小さいことを特徴とする。

【0007】

本発明に係る積層体は、上部金属膜の下面の表面粗さより、上面の表面粗さが小さいことにより、高温・高湿環境に保存した後であっても、良好な特性を維持できる。その要因の一つとしては、積層体の上表面に近く環境から腐食を受けやすいと考えられる上部金属膜の上面の表面粗さが小さいことにより、上部金属膜の環境からの腐食が抑制されることが考えられる。

【0008】

また、たとえば、前記上部金属膜が磁性膜であってもよい。

【0009】

このような積層体は、磁電効果（Magnetoelectric (ＭＥ) effect）を有しており、離間したところから非接触で送信される磁場や、電磁波、超音波などのエネルギー（入力信号）を電気出力に変換することができ、保存信頼性の良好なME素子の一部として、好適に用いることができる。

【0010】

また、たとえば、前記上部金属膜の膜厚が、前記上部金属膜の前記下面の表面粗さＰ－Ｖより大きくてもよい。

【0011】

膜厚を下面の表面粗さＰ－Ｖより大きくすることにより、上面の表面粗さを小さく抑制しつつ膜厚を確保することができ、高温・高湿環境に保存された後の特性を改善することができる。

【0012】

前記上部金属膜における前記下面は、前記圧電体膜と接し前記上部金属膜と前記圧電体膜との界面を構成してもよい。

【0013】

このような積層体は、上部金属膜と圧電体膜との間に他の膜が介在しないことにより、小型化に有利であり、かつ、変形を機械的に阻害する要素が少ないため、特性的にも有利である。また、上部金属膜と圧電体膜との界面の表面粗さが大きいことにより、結晶性の高い圧電体膜を採用することが可能になり、圧電体膜の特性を向上させることができる。

【0014】

また、たとえば、前記上部金属膜の前記上面は、保護膜で被覆されていてもよい。

【0015】

上面が保護膜で被覆されていることにより、上部金属膜への環境からの腐食をより効果的に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る積層体を有するＭＥ素子の一例を示す平面図である。

【図2】図２は、図１に示すII－II線に沿う断面図である。

【図3】図３は、図１に示すIII－III線に沿う断面図である。

【図4】図４は、図１に示すＭＥ素子における積層体の断面図である。

【図5】図５は、実施例１の結果を示すグラフである。

【図6】図６は、膜厚が薄い領域における実施例２の結果を示すグラフである。

【図7】図７は、膜厚が薄い領域から厚い領域までの実施例２の結果を示すグラフである。

【図8】図８は、表面粗さと出力電圧に関する実施例３の結果を示すグラフである。

【図9】図９は、表面粗さ差と出力電圧に関する実施例３の結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、表面粗さ差と出力電圧差に関する実施例３の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態に係る積層体３２を有するＭＥ素子３０の一例を示す平面図である。ＭＥ素子３０は、電源や電気／電子回路と接続され、回路基板に搭載するかパッケージされることにより、エネルギー変換デバイスや磁気センサなどの電子デバイスを構成する。

【0019】

図１に示すように、ＭＥ素子３０は、全体として略矩形の平面視形状を有する。ＭＥ素子３０の寸法は、特に限定されず、電子デバイスの用途に応じて適宜決定すればよい。そして、ＭＥ素子３０は、基板４０上に積層する積層体３２と、平面視において積層体３２の外側を取り囲む外周部３４と、を有する。

【0020】

積層体３２は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面に沿って形成してあり、略矩形の平面視形状を有する。そして、積層体３２は、Ｘ軸と平行な縁辺と、Ｙ軸と平行な縁辺とを有し、積層体３２の長手方向が、Ｘ軸と一致する。なお、図１～３において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、相互に略垂直であり、Ｚ軸が膜の積層方向に一致する。また、ＭＥ素子３０および積層体３２の説明では、Z軸方向を上下方向として説明を行うが、ＭＥ素子３０および積層体３２の配置としては、Z軸方向が重力方向に一致するように配置される形態のみには限定されない。たとえば、ＭＥ素子３０および積層体３２は、Z軸方向が水平方向に一致するように配置されてもよく、Z軸方向が水平面に対して斜めになるように配置されてもよい。

【0021】

図２は、図１に示すII－II線に沿う断面図である。図２に示すように、ＭＥ素子３０におけるＺ軸方向の最下層には、基板４０が存在する。この基板４０は、Ｘ－Ｙ平面の略中央部、すなわちＺ軸方向から見て積層体３２に重複する部分に、開口部４２を有する。基板４０は、実質的にＭＥ素子３０の外周部３４にのみ存在している。開口部４２のＺ軸上方に位置する積層体３２は、下部金属膜５０と、下部金属膜５０の上に位置する圧電体膜１０と、圧電体膜１０の上に位置する上部金属膜２０とを有する。また、本実施形態に係る積層体３２では、下部金属膜５０と圧電体膜１０または圧電体膜１０と上部金属膜２０との間に他の膜は介在しておらず、下部金属膜５０、圧電体膜１０、上部金属膜２０は、この順で基板４０側から積層してある。

【0022】

下部金属膜５０は、端部５０ａと中央部分５０ｂとを一体的に有する。図１に示す平面視において、下部金属膜５０の中央部分５０ｂは、開口部４２の開口面よりも小さい略矩形の形状を有する。また、下部金属膜５０の端部５０ａは、中央部分５０ｂのＸ軸方向の両端に位置し、図１に示す平面視において、中央部分５０ｂよりもＹ軸方向の幅が小さい略矩形の形状を有する。下部金属膜５０は、上記のような形状を有するため、図２に示す断面において、開口部４２のＺ軸方向の上部開口面を、Ｘ軸方向に掛け渡すように存在している。そして、下部金属膜５０の端部５０ａのみが、ＭＥ素子３０の外周部３４に位置する基板４０の表面に存在している。

【0023】

一方で、図３は、図１のIII-III線に沿う断面図である。図３では、下部金属膜５０の中央部分５０ｂの断面のみが現れ、図２に示すように基板４０に接続する端部５０ａが現れない。そのため、図３に示す断面においては、下部金属膜５０を含む積層体３２が、開口部４２のＺ軸上方において、浮遊しているように見える。開口部４２の上方に配置される積層体３２は、積層体３２に含まれる各膜の応力の不均衡によって、反りが発生する場合があるが、その反りは小さいほうが、ＭＥ素子３０内でのエネルギー伝達ロスを小さくする観点で好ましい。

【0024】

圧電体膜１０は、下部金属膜５０のＺ軸方向の上方に位置し、下部金属膜５０と同じか、下部金属膜５０より若干小さい略矩形の平面視形状を有する。図１では、圧電体膜１０の平面寸法（Ｘ－Ｙ平面上の面積）が、下部金属膜５０の平面寸法よりも小さくなっているが、圧電体膜１０の平面寸法は、下部金属膜５０と同程度の大きさであってもよい。また、圧電体膜１０のＺ軸方向の上方には、上部金属膜２０が存在し、この上部金属膜２０も、略矩形の平面視形状を有する。そして、上部金属膜２０の平面寸法は、圧電体膜１０の平面寸法よりも、さらに若干小さくなっている。上部金属膜２０の平面寸法を、圧電体膜１０よりも小さくすることで、ＭＥ素子３０の耐久性が向上する傾向となる。ただし、上部金属膜２０の平面寸法は、圧電体膜１０の平面寸法と同程度であってもよい。

【0025】

また、図２に示すように、下部金属膜５０の一方の端部５０ａには、第１取出電極膜５１の先端が接続してある。この第１取出電極膜５１の後端には、第１電極パッド５１ａが基板４０の表面に形成してあり、第１電極パッド５１ａを介して、図示しない外部回路が接続可能になっている。

【0026】

さらに、図２に示すように、下部金属膜５０の他方の端部５０ａは、圧電体膜１０の表面の一部と共に、絶縁膜５４で覆われている。そして、絶縁膜５４の上をＸ軸方向に掛け渡すように、第２取出電極膜５３が形成してあり、第２取出電極膜５３の先端は、上部金属膜２０に接続してある。この第２取出電極膜５３の後端には、第２電極パッド５３ａが基板４０の表面に形成してあり、第２電極パッド５３ａを介して、図示しない外部回路が接続可能になっている。なお、絶縁膜５４があるため、第２取出電極膜５３は、下部金属膜５０に対して絶縁されている。

【0027】

ＭＥ素子３０では、積層体３２において、圧電体膜１０が下部金属膜５０と上部金属膜２０とで挟まれた状態で積層してある。そのため、圧電体膜１０には、下部金属膜５０と上部金属膜２０とを介して、電圧の印加が可能である。もしくは、圧電体膜１０で発生した電荷を、下部金属膜５０と上部金属膜２０とを介して、取り出し可能となっている。

【0028】

（圧電体膜１０）
積層体３２における圧電体膜１０は、圧電材料で構成してあり、圧電効果または逆圧電効果を奏する。圧電効果とは、外力（応力）が加わることで電荷を発生する効果を意味し、逆圧電効果とは、電圧を加えることで歪が発生する効果を意味する。このような効果を奏する圧電材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム（ＢＣＺＴ：（Ｂａ，Ｃａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、などが例示される。

【0029】

本実施形態では、上記の圧電材料のうち、特に、ＰＺＴ、ＫＮＮ、およびＢＣＺＴなどのペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いることが好ましい。圧電体膜１０として、ペロブスカイト構造の圧電材料を使用することで、優れた圧電特性と、高い信頼性と、を両立して得ることができる。なお、圧電体膜１０を構成する上記の圧電材料には、特性を改善するために、適宜他の元素が添加してあっても良い。

【0030】

圧電体膜１０の厚みは、たとえば０．５～１０μｍとすることができる。圧電体膜１０の厚みは、たとえば、断面写真を画像解析することで求められる。すなわち、圧電体膜１０の厚みは、面内方向で３点以上の箇所で計測を行い、その平均値として算出することが好ましい。なお、圧電体膜１０としては、厚みのばらつきが±５％以下と少ないものを用いることが好ましい。

【0031】

圧電体膜１０は、エピタキシャル成長膜であってもよい。エピタキシャル成長膜とは、単結晶基板上でエピタキシャル成長した膜を意味する。ここで、エピタキシャル成長とは、成膜の際に、膜の結晶が、下地材料の結晶格子に整合する形で、膜厚方向（Ｚ軸方向）および面内方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）に揃いながら成長することをいう。そのため、エピタキシャル成長膜である圧電体膜１０は、成膜中の高温状態においては、結晶が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３軸すべての方向において揃って配向した状態の結晶構造をとり（エピタキシャル膜）、成膜後の室温状態においては、結晶粒界がほとんど形成されず、単結晶に近い（完全な単結晶ではない）結晶構造を有する（エピタキシャル成長（した）膜）。

【0032】

圧電体膜１０がＰＺＴのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、菱面体晶のドメインとの計３種のドメインを含むことが好ましい。一方、圧電体膜１０がＫＮＮのエピタキシャル成長膜である場合には、斜方晶の２種のドメインと、単斜晶の１種のドメインと（計３種のドメイン）を有することが好ましい。また、圧電体膜１０がＢＣＺＴのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、斜方晶の２種のドメインと（計４種のドメイン）を有することが好ましい。

【0033】

なお、圧電体膜１０としては、エピタキシャル成長した膜でなくてもよく、エピタキシャル成長以外の薄膜法によって形成されたＰＺＴ、ＫＮＮ、およびＢＣＺＴなどの圧電体薄膜であってもよい。

【0034】

（上部金属膜）
積層体３２における上部金属膜２０は磁性膜（強磁性膜）であり、上部金属膜２０が強磁性膜であることにより、図１～図３に示す素子がＭＥ素子３０として機能する。ただし、上部金属膜２０を圧電体膜１０の電極としてのみ機能させる場合には、強磁性を示さない金属膜であってもよい。

【0035】

磁性膜である上部金属膜２０は、たとえば、軟磁性高磁歪膜で構成することが好ましく、外部から磁場や電磁波、超音波などが印加されると磁歪効果により歪みを発生させる。軟磁性高磁歪膜とは、保磁力Ｈ_Ｃやしきい磁場Ｈ_ＴＨが低い軟磁性体で構成されており、かつ、飽和磁歪λ_MAXが５ｐｐｍ以上の膜であることが好ましい。飽和磁歪λ_ＭＡＸは、より好ましくは１０ｐｐｍ以上である。なお、軟磁性体は、飽和磁歪λ_ＭＡＸが１ｐｐｍ以下の低磁歪材料であることが一般的であるが、本実施形態の上部金属膜２０は、軟磁性体であり、かつ、高磁歪特性を有することが重要である。

【0036】

上記のような特徴を有する軟磁性体としては、たとえば、鉄（Ｆｅ）－コバルト（Ｃｏ）－ケイ素（Ｓｉ）－ホウ素（Ｂ）合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ合金、Ｆｅ－クロム（Ｃｒ）－Ｓｉ－Ｂ合金、Ｆｅ－ニッケル（Ｎｉ）－モリブデン（Ｍｏ）－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－銅（Ｃｕ）－ニオブ（Ｎｂ）合金、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｎｉ－Ｓｉ－Ｂ―Ｍｏ合金などが挙げられる。上記の軟磁性体は、結晶磁気異方性が、硬磁性体に比べて遥かに小さい。

【0037】

また、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜の保磁力Ｈ_Ｃは、２５００Ａ／ｍ未満とすることが好ましい。保磁力Ｈ_Ｃが低ければ低いほど、ＭＥ素子３０における磁電効果の応答性が向上する。ただし、保磁力Ｈ_Ｃを０Ａ／ｍとすることは困難であり、保磁力Ｈ_Ｃの下限値は、製造時に使用する成膜装置の仕様にも依存する。軟磁性高磁歪膜の保磁力Ｈ_Ｃは、５Ａ／ｍ以上、２５００Ａ／ｍ未満とすることがより好ましく、５Ａ／ｍ以上、１５００Ａ／ｍ以下とすることがさらに好ましい。

【0038】

さらに、軟磁性高磁歪膜のしきい磁場Ｈ_ＴＨは、２Ａ／ｍ以上、５００Ａ／ｍ未満とすることがより好ましく、２Ａ／ｍ以上、３５０Ａ／ｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、本実施形態において、しきい磁場Ｈ_ＴＨとは、軟磁性高磁歪膜に０．１ｐｐｍの磁歪が発生する磁場を意味する。加えて、軟磁性高磁歪膜の磁場感度ｄλ／ｄＨは、１０ｐｐｂ・ｍ・Ａ^－１以上であることが好ましく、１５ｐｐｍ・ｍ・Ａ^－１以上であることがより好ましい。なお、本実施形態において、磁場感度ｄλ／ｄＨは、バイアス磁場として５００Ａ／ｍの直流磁場を印加した環境下における磁歪の変化量を意味する。

【0039】

磁性膜である上部金属膜２０は、非晶質相と結晶相とを含むことが好ましい。また、非晶質層と結晶層を含む強磁性膜の上部金属膜２０は、含まれる結晶相のほとんどが、面心立方構造（ｆｃｃ）を有することがより好ましい。ただし、この場合でも、少なくとも一部の結晶相に、体心立方構造（ｂｃｃ）の結晶相が混じっていてもよい。

【0040】

上部金属膜２０の厚みは、好ましくは０．０３～５μｍ、より好ましくは０．１～５μｍの範囲内である。なお、上部金属膜２０の厚みは、圧電体膜１０の厚みと同様にして測定される。上部金属膜２０の厚みも、面内方向のばらつきが小さく、圧電体膜１０の厚みと同程度のばらつきを有するものを用いることができる。本実施形態では、圧電体膜１０の厚みに対する上部金属膜２０の厚みの比率（圧電体膜１０の厚み／上部金属膜２０の厚み）は、好ましくは、１／１０～１０の範囲内である。

【0041】

（基板４０）
ＭＥ素子３０における基板４０は、少なくとも積層体３２を支持する絶縁部材などで構成される。たとえば、基板４０としては、積層体３２の圧電体膜１０をエピタキシャル成長させる際に使用する単結晶基板や、積層体３２を構成する部分を薄膜法などによる積層する際の基板を用いてもよい。基板４０の材質は、Ｓｉ、ＭｇＯ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの各種単結晶から選択することができ、特に、表面がＳｉ（１００）面の単結晶となっているシリコン基板とすることが好ましい。

【0042】

積層体３２における下部金属膜５０は、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの導電性金属膜で構成される。圧電体膜１０がエピタキシャル成長膜である場合、下部金属膜５０もエピタキシャル成長膜であることが好ましい。エピタキシャル成長膜である下部金属膜５０としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの面心立方構造の金属薄膜か、ＳｒＲｕＯ_３（ＳＲＯ）やＬａＮｉＯ_３などのペロブスカイト型構造の酸化物導電体膜とすることが好ましい。このような金属薄膜および酸化物導電体薄膜は、単結晶の基板上にエピタキシャル成長させることができ、これにより、下部金属膜５０もエピタキシャル成長膜とすることができる。また、下部金属膜５０は、上記の金属薄膜と上記の酸化物導電体膜とを積層して構成してもよい（例えば、Ｐｔ電極／ＳｒＲｕＯ_３など）。この場合（複数積層の場合）、下部金属膜５０の圧電体膜１０側（すなわちＺ軸方向の上方）には、酸化物導電体膜が存在することが好ましい。そして、下部金属膜５０の平均厚みは、全体として、３ｎｍ～２００ｎｍとすることが好ましい。

【0043】

なお、変形例に係るMＥ素子として、図２に示す積層体３２とは異なり、図２に示す強磁性膜としての上部金属膜２０と圧電体膜１０との間に、上部電極膜が形成してあるものも考えられる。圧電体膜１０と強磁性の上部金属膜２０との間に上部電極膜を形成する場合、上部電極膜は、たとえば下部金属膜５０と同様の材質および厚みとすることができる。

【0044】

図１～図３に示す第１取出電極膜５１および第２取出電極膜５３は、導電性を有する膜で構成され、材質や厚みは特に限定されない。たとえば、第１取出電極膜５１および第２取出電極膜５３は、Ｐｔのほか、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの導電性金属を含むことができる。図１～図３に示す絶縁膜５４は、電気絶縁性を有する膜で構成され、材質や厚みは特に限定されない。たとえば、絶縁膜５４の材質に関しては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ポリイミドなどを用いることができる。

【0045】

なお、変形例に係るMＥ素子として、図２に示すＭＥ素子３０とは異なり、下部金属膜５０のＺ軸方向の下方（すなわち、基板４０と下部金属膜５０との間）に、バッファ層が形成してあるものも考えられる。基板４０と下部金属膜５０との間）にバッファ層が形成してあることで、バッファ層より上層に位置する膜のエピタキシャル成長を促進させることが可能である。また、バッファ層は、開口部４２を形成する際に、エッチングストッパ層としても機能する。バッファ層を形成する場合、その厚みは、５ｎｍ～１００ｎｍとすることが好ましい。

【0046】

また、変形例に係るMＥ素子として、積層体３２の上部金属膜２０の上面２２を被覆する保護膜６０（図３の仮想線（二点鎖線）を参照）を有するものが考えられる。保護膜６０としては、たとえば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ポリイミドなどの絶縁膜のほか、ＴｉやＴａなどの金属膜を用いることができる。保護膜６０の厚みは、特に制限されないが、少なくとも１０ｎｍ程度あればよい。保護膜６０を有することにより、環境からのアタックを効果的に防止できる。ただし、保護膜６０を有さず、上部金属膜２０の上面２２が露出する積層体３２は、積層体３２の変形を阻害する層が少ない点では有利である。

【0047】

図１～図３に示すＭＥ素子３０では、積層体３２が、特定の周波数の振動モードを有する振動子としても機能する。すなわち、積層体３２は、Ｘ-Ｙ平面に沿って膜積層体３２が伸縮する面内伸縮を生じることができ、面内方向の伸縮振動が可能である。なお、ＭＥ素子３０は、面内伸縮だけでなく、Ｚ軸方向において積層体３２が伸縮する面外伸縮も生じることもできる。

【0048】

積層体３２の振動子としての機能に着目した場合、下部金属膜５０の端部５０ａと圧電体膜１０の端部が積層してあるが上部金属膜２０が無い部分（そのなかでも、特に、開口部４２の上方で、積層体３２における３層構造部分（振動部３８）を、X軸方向両側から支持している部分）が支持部３６となる。

【0049】

支持部３６は、積層体３２の振動部３８（振動子）で生じる面内伸縮を妨げないように、積層体３２の振動部３８に対して剛性の低い形態であることが好ましい。たとえば、支持部３６のＹ軸方向幅は、積層体３２の振動部３８（または上部金属膜２０）のＹ軸方向幅に対して狭くする。あるいは、支持部３６のＺ軸方向厚みは、膜積層体３２における振動部３８のＺ軸方向厚みに対して小さくする。支持部３６の厚みと幅の積は、振動部３８のそれに対して９０％よりも小さいことが好ましく、７５％よりも小さいことがより好ましい。このように構成することによって、大きな振幅の面内伸縮振動を誘起でき、ＭＥ素子３０の出力をより大きくすることができる。

【0050】

また、支持部３６のＸ軸方向の長さは、積層体３２に伝わる振動波長の１／４程度であることが好ましい。このような長さとすることで、エネルギーが積層体３２に効率的に閉じ込められ、ＭＥ素子３０の出力より大きくできるとともに、アレー化（ＭＥ素子３０を複数個組み合わせること）した場合の素子間の干渉を抑制することができる。

【0051】

図４は、図２に示す積層体３２の端面の一部分を拡大した拡大断面図である。図４に示すように、積層体３２では、上部金属膜２０における圧電体膜１０側の面である下面２４の表面粗さＰ－Ｖより、上部金属膜２０における下面２４の反対面である上面２２の表面粗さＰ－Ｖが小さい。なお、表面粗さＰ－Ｖとは、基準長さ（ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１）における最大高さ（ピーク値）と最小高さ（バレー値V）との差で規定される表面粗さＰ－Ｖ値のことを意味する。

【0052】

このような積層体３２は、上部金属膜２０の下面２４の表面粗Ｐ－Ｖさより、上面２２の表面粗さＰ－Ｖが小さいことにより、高温・高湿環境に保存した後であっても、良好な特性を維持できる。その要因の一つとしては、積層体３２の上表面である上面２２は、環境から腐食を受けやすいと考えられるが、その上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを小さくすることにより、上部金属膜２０に対する環境からの腐食が抑制されることが考えられる。

【0053】

特に、上部金属膜２０が磁性膜であって、積層体３２がＭＥ素子３０の一部となっている場合、上部金属膜２０の磁気特性は、高温・高湿環境で低下しやすい傾向にあり、上部金属膜２０が薄い場合はその傾向が顕著である。しかしながら、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを小さくすることにより、上部金属膜２０の上面と積層体３２の保存環境との接触面積が小さくなるため、高温・高湿環境に保存した後であっても、積層体３２は良好な特性を維持できると考えられる。

【0054】

また、図４に示す上部金属膜２０の膜厚は、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さＰ－Ｖより大きいことが好ましい。薄膜法などで圧電体膜１０の上に上部金属膜２０を積層して成膜する場合、上部金属膜２０の膜厚を上部金属膜２０の下面２４の表面粗さＰ－Ｖより大きくすることにより、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを、下面２４の表面粗さＰ－Ｖより安定的に小さくすることができる。

【0055】

また、薄膜法などで圧電体膜１０の上に上部金属膜２０を積層して成膜する場合、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを小さくする観点から、上部金属膜２０の膜厚は、１０００ｎｍ未満とすることが好ましい。なお、上部金属膜２０の膜厚と、上部金属膜２０の下面２４および上面２２の表面粗さＰ－Ｖとの関係については、実施例２においてデータを示しつつ後述する。

【0056】

図４に示すように、積層体３２において、上部金属膜２０における下面２４は、圧電体膜１０と接し上部金属膜２０と圧電体膜１０との界面を構成する。このような積層体３２は、上部金属膜２０と圧電体膜１０との間に他の膜が介在しないことにより、小型化に有利であり、かつ、変形を機械的に阻害する要素が少ないため、特性的にも有利である。また、上部金属膜２０と圧電体膜１０との界面の表面粗さが大きいことにより、圧電体膜１０に結晶性の良い膜を採用することができ、特性を向上させることができる。

【0057】

なお、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP-Vが30ｎｍ以上であることが、上部金属膜２０と圧電体膜１０との界面の面積が拡大して圧電体膜１０の特性が向上する観点から好ましいが、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP-Vは30ｎｍ未満であってもかまわない。

【0058】

以下、図１～４に示すＭＥ素子３０および積層体３２の製造方法について説明する。

【0059】

ＭＥ素子３０および積層体３２の製造では、まず、シリコン基板などの成膜用基板の上に、下部金属膜５０と、圧電体膜１０と、上部金属膜２０とを、成膜する。下部金属膜５０と、圧電体膜１０と、上部金属膜２０との成膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法などの物理的または化学的な方法を用いることができる。また、下部金属膜５０、圧電体膜１０および上部金属膜２０の少なくとも一部をエピタキシャル成長で成膜するような場合には、スパッタリング法を用いることが好ましい。また、上部金属膜２０を軟磁性高磁歪膜などで構成される磁性膜とする場合は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ法、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ法）などといった真空堆積法により上部金属膜２０を形成することができ、スパッタリング法により形成することが好ましい。

【0060】

さらに、成膜用基板に成膜された下部金属膜５０、圧電体膜１０および上部金属膜２０については、図１に示すようなパターンとなるように、パターニング加工を施す。パターニング加工は、フォトエッチングやレーザードライエッチングなどの各種エッチング法、もしくは、リフトオフ法で行うことができる。

【0061】

パターニング加工を施した後には、第１取出電極膜５１および第２取出電極膜５３と、絶縁膜５４とを、図１に示すような所定のパターンで形成する。また、成膜用基板の一部を、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥ法などのドライエッチングや、異方性ウェットエッチングなどの方法により除去し、開口部４２を有する基板４０を形成する。なお、上記のエッチングにより成膜用基板をすべて除去してもよい。この場合、成膜用基板から剥がされた積層体３２（振動部３８および支持部３６を含む）を、別部材として用意した基板４０に固定してもよい。このような手順により、積層体３２を含むＭＥ素子３０が得られる。

【0062】

以上、実施形態を示して本発明を説明してきたが、本発明に係る積層体は、上述した実施形態のみには限定されず、他の実施形態や変形例を含むことは言うまでもない。

【0063】

たとえば、ＭＥ素子３０に含まれる積層体３２は、略矩形の平面視形状を有していたが、積層体３２の形態は、これに限定されず、楕円形状、円形状、ミアンダ状、もしくは渦巻き状の平面視形状であってもよい。

【0064】

また、ＭＥ素子３０において、積層体３２は、両端が基板４０に支持されており、両端固定型の構造を有しているが、積層体は、積層体の一端が自由端となったカンチレバー型の構造であってもよい。また、ＭＥ素子３０は、図１に示すような単一素子であってもよいが、複数の単一素子が共通の基板４０上に一体的に形成されたアレー素子であってもよい。

【0065】

また、図１～図４に示す実施形態では、積層体３２における上部金属膜２０は磁性膜（強磁性膜）である具体例を中心に説明を行ったが、上部金属膜２０が強磁性を示さない金属膜であってもよい。上部金属膜２０が強磁性を示さない金属膜である場合にも、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを下面２４のそれより小さくすることにより、高温・高湿環境での保存後における上部金属膜２０の劣化を防止できる。

【実施例0066】

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は実施例のみに限定されるものではない。

【0067】

（実施例１）
実施例１では、以下に示す手順で、基板４０に積層する積層体３２を作製した。
表面がＳｉ（１００）面の単結晶となっているシリコンウェハ（シリコン基板）の成膜基板上に下部金属膜５０、圧電体膜１０、強磁性膜である上部金属膜２０を、図２および図３に示すように成膜した。この際、下部金属膜５０は、厚みが（１００ｎｍ）のＰｔ電極膜と、厚みが（１００ｎｍ）のＳｒＲｕＯ３（以下、ＳＲＯと記す）からなる導電性酸化物薄膜との積層膜とし、これらの膜を、成膜基板の上面にエピタキシャル成長させて形成した。また、圧電体膜１０としては、厚みが１μｍであるＰＺＴのエピタキシャル成長膜を、下部金属膜５０の上に形成した。

【0068】

さらに、強磁性膜である上部金属膜２０としては、厚みが調整されたＦｅＣｏＳｉＢ合金膜を、スパッタリング法により圧電体膜１０の上に形成した。実施例１では、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが異なる７種類の積層体３２である試料を準備した。各試料における上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖは、圧電体膜１０の上に形成する上部金属膜２０の厚みを変更することにより調整した（実施例２：図７参照）。

【0069】

実施例１では、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが異なる７種類の積層体３２を上述のようにして準備し、準備した積層体を高温・高湿環境（８０℃８５％）で５０時間保存し、各試料について、高温・高湿環境前後において、上部金属膜２０の上面２２に観察される黒点数をカウントした。上部金属膜２０の上面２２に観察される黒点数は、実体顕微鏡の５０倍視野（２×２ｍｍ）で視認される黒点数とした。表１は、各試料の上面２２の表面粗さＰ－Ｖと、高温・高湿環境前後での黒点の増加数を表したものである。また、図５は、横軸を上面２２の表面粗さＰ－Ｖとし、縦軸を黒点増加数として、表１に示す各試料の結果をプロットしたものである。

【0070】

【表1】

【0071】

表１および図５からは、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖの値が大きくなるほど、黒点増加数も多くなることが理解できる。実施例１からは、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖを小さくすることが、保存信頼性の向上に対して有効であることが推察される。なお、上部金属膜２０の上面２２において増加した黒点は、金属酸化、ピンホール、膜剥がれなどの上部金属膜２０の各種劣化が生じた箇所に対応していると考えられ、黒点増加数は、上部金属膜２０の膜劣化の程度を総合的に示している。

【0072】

（実施例２）
実施例２では、実施例１と同様の手順で、基板４０に下部金属膜５０と圧電体膜１０とを形成した。ただし、実施例１とは異なり、成膜時における圧電体膜１０の上面の表面粗さP－Vについては、表面粗さP－Vが互いに異なる３種類の試料を作製した。作製した圧電体膜１０の上面の表面粗さP－Vは、それぞれ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍとした。

【0073】

実施例２では、表面粗さP－Vが２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍの圧電体膜１０の上面に、実施例１と同様の方法で強磁性膜である上部金属膜２０を形成することにより、積層体３２を作製した。ただし、上部金属膜２０の厚みは、２０、２５、３０、３５、４０、５０ｎｍの６種類の異なる試料を、圧電体膜１０の上面の表面粗さP－Vが２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍのものそれぞれについて作製した（合計１８水準）。さらに、圧電体膜１０の上面の表面粗さP－Vが３５ｎｍのものについては、上部金属膜２０の厚みが１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍのものの５水準を追加作製した。

【0074】

作製したそれぞれの試料について、上部金属膜２０の上面２２（図４参照）の表面粗さＰ－Ｖを測定した。なお、図４に示すように、上部金属膜２０の下面２４が、圧電体膜１０の上面に接しており、上部金属膜２０と圧電体膜１０の界面を構成しているため、各試料における上部金属膜２０の下面２４（図４参照）の表面粗さＰ－Ｖは、圧電体膜１０の上面の表面粗さP－Vと同じである。

【0075】

図６は、縦軸を上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖとし、横軸を上部金属膜２０の厚みとして、実施例２の各試料をプロットしたグラフである（追加水準は除く）。図６において、実線は上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vが２５ｎｍの試料のプロットを接続しており、破線は上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vが３０ｎｍの試料のプロットを接続しており、一点鎖線は上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vが３５ｎｍの試料のプロットを接続している。

【0076】

図６の破線および一点鎖線に注目すると、上部金属膜２０の厚みが非常に薄い領域（たとえば厚み２５ｎｍ未満）では、上部金属膜２０の厚みの増加に伴って、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖの値が大きくなることが理解できる。しかし、上部金属膜２０の厚みが、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－V以上となる領域（すなわち、図６において上部金属膜２０の厚みが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vと等しい二点鎖線９８より右下の領域）では、上部金属膜２０の厚みの増加に伴って、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖの値が小さくなる。この傾向は、上部金属膜２０の厚みが２００ｎｍに達するまで続く（図７参照）。

【0077】

図７は、縦軸を上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖとし、横軸を上部金属膜２０の厚みとして、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vが３５ｎｍである試料（追加水準含む）をプロットしたグラフである。図７に示すように、上部金属膜２０の厚みが２００ｎｍを超える領域では、上部金属膜２０の厚みの増加に伴って、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖの値が大きくなる傾向に転ずる。しかしながら、少なくとも上部金属膜２０の膜厚が、１０００ｎｍ未満であって、かつ上部金属膜２０の下面２４の表面粗さの値より大きい領域では、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖは、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより小さいと認められる。

【0078】

図６および図７に示すように、上部金属膜２０の厚みが、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vの値以上となる領域では、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより小さい値であった。この傾向は、少なくとも上部金属膜２０の膜厚が１０００ｎｍ未満である領域において確認された。

【0079】

（実施例３）
実施例３では、実施例１および実施例２と同様の手順で基板４０に積層する積層体３２を作製した。表２に示すように、実施例３では、強磁性膜（ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜）である上部金属膜２０の下面２４（図４）の表面粗さＰ－Ｖが、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍの３水準のものを作製した。また、上部金属膜２０の上面２２（図４）の表面粗さＰ－Ｖについては、１０ｎｍ、２０ｎｍ、２２ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、３５ｎｍのものを作製した。表２に示す膜厚は、各試料の上部金属膜２０の膜厚を示しており、段差計（KLA-Tenchore社製 触針式プロファイラ）で測定した。

【0080】

【表2】

【0081】

表２の左側部分には、実施例３で作製した各試料における上部金属膜２０の表面粗さを示してある。表２に示すように、試料１～試料６は、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さＰ－Ｖ（表１（Ａ））から上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖ（表１（Ｂ））を引いた表面粗さ差（（Ａ）―（Ｂ））が０より大きい（実施例）。これに対して、試料７～試料１１は、上部金属膜２０の下面２４の表面粗さＰ－Ｖ（表２（Ａ））から上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖ（表２（Ｂ））を引いた表面粗さ差（表２（Ａ）―（Ｂ））が０以下である（比較例）。

【0082】

さらに実施例３では、準備した試料１～１７を高温・高湿環境（８０℃８５％）で５０時間保存し、高温・高湿環境前後における積層体３２からの出力電圧の変化を測定した。表２の右側部分には、高温・高質環境保存前に測定した出力電圧（初期出力電圧（表２（C））と、高温・高質環境保存後に測定した出力電圧（保存後出力電圧（表２（D）））と、保存前後での出力電圧差（表２（C)－（D））を示してある。

【0083】

積層体３２の出力電圧の測定は、バイアス磁場として５００Ａ／ｍの直流磁場を印加した環境下において、１ｋＨｚ、０．８Ａ／ｍの交流磁場を積層体３２に加えた場合に、上部金属膜２０と下部金属膜５０との間に生ずる電位差を測定することにより行った。なお、この出力電圧の値が大きい試料は、積層体３２の磁電効果による応答性が優れていると判断でき、また、保存前後での出力電圧差（（C)－（D））の値が小さいものは、高温・高質環境での応答性の劣化が小さいと判断できる。なお、表２の右端欄には、各試料における上部金属膜２０の厚みを示してある。

【0084】

図８は、縦軸を保存後出力電圧（表２（D））、横軸を上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖ（表２（Ｂ））として、表２に示す各試料１～１４をプロットしたものである。図８に示すように、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－V以上である比較例の試料７～試料１１は、保存後出力電圧が０．７V未満であり小さい。これに対して、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより小さい実施例の試料１～試料６は、保存後出力電圧が０．７V以上であり大きい。これにより、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより小さい試料１～１４では、高温・高湿環境での保存後における磁電効果による応答性が、比較例に比べて良いことが確認された。

【0085】

図９は、縦軸を保存後出力電圧（表２（D））、横軸を上部金属膜２０の上面２２と下面２４との表面粗さＰ－Ｖの差（表面粗さ差（表２（Ａ）―（Ｂ）））として、表２に示す各試料１～１ ４をプロットしたものである。図９に示すように、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより小さくなり、表面粗さ差（横軸）が大きくなることにより、高温・高質環境での保存後の出力電圧（縦軸）の値が大きくなることが解る。特に、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが上部金属膜２０の下面２４の表面粗さP－Vより５nｍ以上小さい領域（表面粗さ差５．０以上）で、保存後出力電圧の値が特に良好であることが理解できる。

【0086】

図１０は、縦軸を保存前後での出力電圧差（表２（Ｃ）－（Ｄ））、横軸を上部金属膜２０の上面２２と下面２４との表面粗さＰ－Ｖの差（表面粗さ差（表２（Ａ）―（Ｂ）））として、表２に示す各試料をプロットしたグラフである。ただし、保存前の出力電圧の違いによる影響を除外するため、実施例における初期出力電圧（表２（C））が最大の試料と最小の試料（試料６と試料３）、比較例における初期出力電圧（表２（C））が最大の試料と最小の試料（試料８と試料１０）については、プロットから除外した。

【0087】

図１０に示すように、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが、下面２４の表面粗さＰ－Ｖに対して小さくなり、横軸（表面粗さ差（表２（Ａ）―（Ｂ）））が大きくなるにつれ、保存前後での出力電圧差（縦軸）が小さくなる傾向が認められる。図１０からは、上部金属膜２０の上面２２の表面粗さＰ－Ｖが、下面２４の表面粗さＰ－Ｖに対して小さい試料では、高温・高質環境での応答性の劣化が小さいことが確認された。また、試料１～試料６について、保存前後での出力電圧差（表２（Ｃ）－（Ｄ））との膜厚との関係に着目すると、膜厚５００μｍ以下の試料１、試料２、試料３、試料５は、保存前後での出力電圧差が０．１ｍＶ以下であり、保存前後での出力電圧差が特に小さかった。

【符号の説明】

【0088】

３０…ＭＥ素子
３２…積層体
１０…圧電体膜
２０…上部金属膜
２２…上面
２４…下面
５０…下部金属膜
５０ａ…端部
５０ｂ…中央部分
３６…支持部
３８…振動部
４０…基板
５１…第１取出電極膜
５３…第２取出電極膜
５４…絶縁膜
６０…保護膜
３４…外周部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】