解説
圧 電 セ ラ ミックス とマ イクロ
エ レクトロニ クス(そ の1)
Piezoelectric Ceramics and Microelectronics (I )
杉 原
勝 博*坂
野
久 夫*
1.は じめ に 圧 電 性 が 発 見 さ れ た 当 時 の 圧 電 材 料 は,水 晶,ロ ッ シ ェ ル 塩 等 の わ ず か な 単 結 晶 で あ り,応 用 性 は 乏 し く,特 性 レベ ル も低 い も の で あ っ た が,多 結 晶 体BaTiO3(チ タ ン 酸 バ リウ ム)が 圧 電 材 料 と して 発 見 さ れ,圧 電 セ ラ ミ ッ ク スの 誕 生 と し て,物 性 的,応 用 的 に 画 期 的 な も の と 評 価 され た 。 しか し,こ れ も実 用 化 に 供 す る に は 種 々 の 問 題 が あ り,ご く一 部 の 分 野 の み に 実 用 化 さ れ た に す ぎ なか っ た が,そ の 後Fig.1に 示 す よ うに さ ま ざ ま な 角 度 か ら検 討 改 良 が 行 わ れ 多 分 野 に わ た っ た 応 用 が 実 現 され た 。 機 械 エ ネ ル ギ ー と電 気 エ ネ ル ギ ー の 変 換 機 能 は エ レ ク トロ セ ラ ミッ ク ス と して エ レ ク トロ ニ クス の 分 野 に お い て も 多方 面 に わ た っ て 応 用 さ れ て い る。 一 方,エ レ ク トロ ニ ク ス産 業 は,大 き な 躍 進 と 成 長 を 続 け て い る が,機 器 全 般 に 軽 薄 短 小 の テ ン ポ が 急 で,部 品 レベ ル まで 小 型 化 さ れ,高 集 積 化 され て き て い る。 こ うい っ た マ イ ク ロ エ レ ク トロ ニ ク ス の 分 野 に お い て 応 用 さ れ て い る圧 電 製 品 の 概 要 を 述 べ る 。 2。 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス と は 対 称 中 心 を も た な い 結 晶 に 外 力 を加 え る と 力 に 比 例 し た 誘 電 分 極 を 発 生 し,そ の 両 端 面 に 正 負 の 電 荷 が 現 わ れ る(圧 電 正 効 果)。 逆 に こ の 結 晶 に 電 界 を 加 え る と,電 界 に 比 例 した 歪 み を 生 じ る(圧 電 逆 効 果)。 こ の 効 果 を 総 称 し て 圧 電 効 果 とい う。 こ の 圧 電 効 果 を 発 生 す る 原 理 を ご く簡 略 に 表 現 す る と,Fig.2にBaTiO3(チ タ ン 酸 バ ウ ム)の 結 晶 構 造 を 示 す が,ペ ロ ブ ス 型 結 晶 構 造 と称 さ れ る も の で,Ti原 子 が 中 心 か ら ず れ て お り,陽 イ オ ン, 陰 イ オ ン の 位 置 的 な バ ラ ン ス が と れ て い な い た め に+, -の 中 心 が ず れ て い る 。 この た め に 外 力 が 加 わ り結 晶 が 歪 む と+と-の 位 置 関 係 が 変 わ り電 荷 を 発 生 す る 。 ま た, 電 圧 が 印 加 さ れ る とず れ て い る+,-イ オ ンが 各 々 印 加 さ れ た 電 圧-,+の 方 向 に 動 こ う とす る た め,結 晶 の 寸 法 が 変 化 し 歪 み を生 じ る 。 した が っ て 圧 電 効 果 を示 す か 否 か は,結 晶 の 対 称 性 に よ っ て 決 ま る 。 現 在,圧 電 セ ラ ミッ ク ス は,一 般 的 に 必 要 な 組 成 の 原 料 を混 合,成 形 し 焼 成 して お り,粉 体 の 固 体 反 応 と焼 結 か ら得 ら れ た μ単 位 の 微 結 晶 の 集 合 し た 多結 晶 体 で あ り, そ の ま ま で は 圧 電 効 果 を生 じ な い 。 強 誘 電 性 セ ラ ミ ッ ク ス に 直 流 電 界 を加 え て 分 極 処 理 を行 う と,セ ラ ミ ッ クス の 各 結 晶 粒 の 自発 分 極 の 向 きが 電 界 方 向 に 配 合 し,単 結 晶 に 近 い 極 性 を もつ よ う に な る の で 大 きな 圧 電 効 果 を 示 す 。 圧 電 セ ラ ミッ ク ス の 現 在 の 主 流 は,ペ ロ ブ ス カ イ ト構 造 結 晶 のPbTiO3(チ タ ン酸 鉛)とPbZrO3(ジ ル コ ン 酸 鉛) の ほ ぼ 中 間 の 組 成Pb(Zr,TDO3(チ タ ン 酸 ジ ル コ ン 酸 鉛,略 してPZT)で あ る 。 圧 電 性 の 応 用 は 大 別 す る と, 1)力 を 加 え る と電 気 を 発 生 す る性 質(正 効 果)の 利 用 2)電 気 を加 え る と 歪,力 を 発 生 す る性 質(逆 効 果)の 利 用 3)1)お よ び2)の 組 合 せ で,電 気 → 力 → 電 気 の 変 換 の 利 用 が 主 で あ るが,そ の 他 に 圧 電 セ ラ ミッ ク ス は,焦 電 性 結 晶 で あ り,熱 に よ り電 荷 を 生 ず る性 質 の 利 用 も あ り,ま たLa(ラ ン タ ン)を 加 え た 組 成 のPLZTセ ラ ミッ ク ス は 透 光 性 とな り,電 気 光 学 的 特 性 も 利 用 され る 。 応 用 製 品 の 主 な もの をFig.3に 示 す 。 そ の う ち で マ イ ク ロ エ レ ク*Katsuhiro Sugihara, Hisao Banno 日 本 特 殊 陶 業/NGK Spark Plag Co.,Ltd.
Fig. 1 Improvements of piezoelectric ceramics
Fig.2 Perovskite structure (BaTiO3)
トロニ ク ス の 分 野 に お け る 主 な 応 用 は 概 略Tab.1の よ う に な る 。 こ の う ち で,関 連 の 強 い と思 わ れ る 太 枠 内 に 示 す 超 音 波 振 動 子,積 層 型 ア クチ ュ エ ー タ,セ ラ ミ ッ ク ス フ ィル タ お よ び レ ゾ ネ ー タ に つ い て 以 下 に 述 べ る 。 3.超 音 波 振 動 子 超 音 波 の 発 生 方 法 は 発 振 器 な ど で 電 気 エ ネ ル ギー を 発 生 し,こ れ を振 動 子 と呼 ぶ 電 気 音 響 変 換 器 に 加 え て 機 械 的 振 動 エ ネ ル ギー に 変 換 し,こ の 振 動 子 に 接 す る音 響 伝 達 媒 質 中 へ 超 音 波 を 発 す る 方 法 で あ る 。 こ の 変 換 振 動 子 の 一 種 類 と して 圧 電 セ ラ ミッ ク ス が 応 用 さ れ る 。 圧 電 性2)の 電 気 エ ネ ル ギ/か ら機 械 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 機 能 の 基 本 動 作 をFig.4に 示 す が,こ の 材 料 の 形 状 お よ び 寸 法 で 決 ま る 機 械 共 振 周 波 数 に 等 し い 周 波 数 の 高 周 波 電 界 を加 え る と強 勢 な 周 波 数 の 振 動 が 得 られ る。 この 周 波 数 を 可 聴 域 よ り高 い と こ ろ で使 用 す る こ とに よ り, 高 エ ネ ル ギ ー 化 し応 用 し た も の が 超 音 波 振 動 子 で あ る 。 超 音 波 は,気 体 中,液 体 中,固 体 中,生 体 中 の 域 で さ ま ざ ま な 用 途 に 利 用 さ れ て い る が,圧 電 超 音 波 振 動 子 は, 主 に 洗 浄 用,分 散 用,加 工 用,溶 接 用,診 断 用 等 に 応 用 さ れ て い る 。 超 音 波 エ ネ ル ギー と して 利 用 す る に は 適 当 な 周 波 数 域 が 必 要 で あ り普 通10∼100kHzが 用 い られ る が,こ の 周 波 数 に 調 整 す る た め に 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス を 金 属 ブ ロ ッ ク 16 HYBRIDS
Tab. 1 Applications of piezoelectric ceramics to microelectronics
Fig.3 Applications of PZT piezoelectric ceramics
に接 着 し た ラ ン ジ ュ バ ン 振 動 子 が 用 い られ て い た が,使 用 中 の接 着 剥 が れ の 防 止 お よ び 振 動 伝 送 体 と の 互 換 性 を
も た せ た ボ ル トに よ り機 械 的 に 接 合 した ボ ル ト締 め ラ ン ジ ュ バ ン型 振 動 子(Bolt-Clamped Langevin Type Transducer,略 してBLT)が 開 発 さ れ,各 種 の 用 途 に 使 わ れ て い る。 Fig.5に 洗 浄 用 振 動 子 を示 す が,洗 浄 ム ラ を 少 な くす る た め に セ ラ ミ ッ ク ス を2枚 ず つ に 分 け,間 に 金 属 ブ ロ ッ ク を配 し1本 の 振 動 子 で2つ の 周 波 数(基 本 波 の λ/2 お よ び λ)を 出 す よ うに 開 発 さ れ た も の が2周 波 型 振 動 子 で あ る 。 Fig.6は 振 動 子 の 取 り付 け例 で あ り,投 込 型 洗 浄 ユ ニ ッ トお よ び 槽 外 付 型 洗 浄 機 に 多 数 本 並 列 使 用 さ れ る 。 超 音 波 洗 浄 は 超 音 波 の 作 用 と洗 浄 液 の 化 学 作 用 と の 相 Vol .4,No.4 17
Fig.4 Principle of reverse piezoelectric effect
Fig.5 NTK ultrasonic transeducers for cleaner
Fig.8 Circulating ways of cleaning liquid
Fig.7 Radiating ways of sonic wave
Fig.9 Ultrasonic cleaning tank in production line of semiconductors
Fig.10 NTK ultrasonic transducers for welding of plastics or metals 乗 で 行 わ れ る もの で あ る か ら,超 音 波 の 照 射 方 法 と洗 浄 液 の 浄 化 が 重 要 な ポ イ ン ト と な る 。Fig.7に 種 々 超 音 波 照 射 法 の 例 を ま たFig.8に 洗 浄 液 の 浄 化 方 式 の 例 を示 す 。 実 施 例 と し てFig.9に 半 導体 の 超 音 波 洗 浄 槽 を あ げ た が, 半 導 体 の切 断 後 の切 断 粉,組 付 時 の 塵 埃,手 垢 等 の 除 去 を行 う 。 Fig.10に 加 工 機 用,溶 接 用 振 動 子 を 示 す 。 超 音 波 溶 接 は, 1)温 度 が た い して 上 が ら ず 材 料 へ の 影 響 が 少 な い 2)大 圧 力 を 要 しな い の で 変 形 が 少 な い 3)異 種 の 金 属 間 で も可 能 で あ る 等 の 特 色 が あ り,各 分 野 で 広 く実 用 化 さ れ て い る が,半 導 体ICで の 製 造 過 程 に お い て信 頼 性 の 高 さ と容 易 さ か ら, 極 細 ワ イ ヤ で 電 極 間 を 結 ぶ ワ イ ヤ ボ ンデ ィ ン グ に 使 わ れ
Fig. 11 Welding part in ultrasonics wire bonding
て い る 。Fig-11に ワ イ ヤ ボ ン ダ の 実 施 例 を 示 す 。
