CN100391024C - 压电功能部件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的压电功能部件包含基板、基板上的缓冲层、缓冲层上的下部电极层、下部电极上的压电层、压电层上的上部电极层。在压电层上，在其外周面的下部侧形成向外周方向扩展的展开部。在该压电功能部件中，上、下部电极层以及压电层的三种叠层体对基板的粘合强度高。
Description
技术领域
本发明涉及例如传感器、激励器、储存器、光开关等压电功能部件及其制造方法。
背景技术
现有的压电功能部件包含基板、在基板的表面上顺序叠层的下部电极层、压电层和上部电极层。该压电功能部件通过在上部电极层上施加电压，通过电场使压电层变形，发挥各种功能。
在上述现有的压电功能部件中，上部电极层、下部电极层以及压电层的叠层体对基板的粘合强度差。通过在上部电极层和下部电极层上施加电压，压电层变形，使基板常受应力。在现有的压电功能部件中，上、下部电极层及压电层以大体相同大小与基板粘接。因此，下部电极层和基板之间粘合强度变弱，会有剥离的危险。
发明内容
本压电功能部件包含基板、在基板的上方设置的下部电极层、设置在下部电极层上且具有向下部电极层侧的外方向扩展的展开部(裾野部)的压电层、和在压电层上设置的上部电极层。压电层在其外周面的下部侧形成向外周方向扩展的展开部。据此，压电层及位于其下方的下部电极层具有比上部电极层宽广的面积，通过该宽广面积在基板上粘接，可以使其粘合强度变高。通过展开部，使上部电极层和下部电极层间的缘面距离变长，防止这些电极层间的短路效果变高。
附图说明
图1是本发明实施方式的角速度传感器的立体图。
图2是根据实施方式的角速度传感器的分解立体图。
图3是示出根据实施方式的角速度传感器制法的流程图。
图4是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图5是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图6是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图7是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图8是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图9是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图10是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图11是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图12是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图13是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图14是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图15是示出根据实施方式的角速度传感器制法的剖面图。
图16是示出根据实施方式的角速度传感器制法的立体图。
图17是示出根据实施方式的角速度传感器制法的立体图。
具体实施方式
图1示出作为根据本发明实施方式的压电功能部件的角速度传感器。该角速度传感器如图2的分解立体图所示地包含用硅形成的音叉形状的基板1、在基板1上顺序叠层的缓冲层2、下部电极层3、压电层4和上部电极层5。
用图1说明用该角速度传感器检测角速度的动作。上部电极层5分割为激励电极5A和检测电极5B，分别夹持压电层4地与下部电极3对置。一旦在激励电极5A和下部电极层3之间施加电压，则所夹持的压电层4的部分伸缩，在基板1上设置的音叉的两根臂部10A及10B的形状变形。因此，臂部10A及10B沿音叉的水平方向振动。这时，一旦发生以与臂部10A、10B平行方向为轴的角速度，则在臂部10A、10B上该轴和振动方向一起向垂直方向发生弯曲。而且，通过检测电极5B检测该弯曲量。利用压电层4检测在该角速度传感器上臂部10A、10B的激励及角速度量。
利用图2详细地说明该角速度传感器。该角速度传感器包含由音叉形状的硅构成的基板1、与该基板1相接且与该基板1大体相同形状的缓冲层2和下部电极层3。此外，在其上形成压电层4及上部电极层5。压电层4如图2所示，上部与上部电极层5相同形状，下部与下部电极层3相同形状。压电层4在其外周面的下部侧，如下面详细叙述，在外周方向形成扩展的展开部，所以面积宽广。此外，其下方的下部电极层3也与具有该展开部的压电层4相同的大小。所以，具有足够的面积，经其下方的缓冲层2与基板1牢固地固定。因此，即使在上部、下部电极层5、3之间施加电压，引起压电层4伸缩，也不会简单地从基板1剥离。此外，通过该形状，由于上部、下部电极层5、3之间的缘面距离变长。所以，防止上部、下部电极层5、3之间短路的效果变好。
另外，在该角速度传感器中，缓冲层2由NiO，CoO，MgO，Ti中的任一种形成，下部电极层3由Pt形成，压电层4由钛酸锆酸铅形成，上部电极层5由Au形成。并且，压电层4比缓冲层2、下部电极层3和上部电极层5厚，由此，在压电层4的外周面的下部侧容易形成宽广的展开部。并且通过使上部、下部电极层5、3之间的缘面距离变长，防止上部、下部电极层5、3之间短路的效果变好。
为了在表面上引出下部电极层3，形成图2的辅助电极6。
其次用附图对该角速度传感器的制法加以说明。该角速度传感器在同一基板上同时形成多个，然而，在这里只说明其中的一个。图3是说明根据本实施方式的角速度传感器制法的图，用图4～图15说明实际的顺序。
开始，如图4所示的硅基板1的表面上形成由NiO形成的缓冲层2，以便NiO在<100>方向结晶取向(图3，步骤1)。缓冲层2通过以例如使镍乙酰丙酮化物升华的气体作为材料的MOCVD法形成。其次，如图5所示，下部电极层3通过使Pt溅射等的方法形成(图3，步骤2)。其次，如图6所示，压电层4通过使钛酸锆酸铅溅射等的方法制成(图3，步骤3)。其次，如图7所示，上部电极层5通过使Au溅射、真空蒸发等方法形成(图3，步骤4)。
在直接形成Au层的情况下，如果在形成Au层前形成薄的Cr层或Ti层等，则Au层的粘合强度提高。通过实验，通过真空蒸发形成Ti层从20到100埃程度可以获得足够的粘合性。在现有的压电功能部件中，在硅基板1上形成压电特性高的压电层4是困难的，然而，如上所述通过缓冲层2可以形成由压电特性高的钛酸硅酸铅构成的压电层4。
图8～图15是图1中音叉形状的臂部10A、10B部分的剖面图，图8～图15的左侧部与图1中臂部10A对应，而图8～图15的右测部与图1中臂部10B对应。
其次，如图8所示，在上部电极层5上形成第一保护膜7(图3，步骤5)。其次，如图9所示，通过干蚀刻对上部电极层5及压电压4蚀刻(图3，步骤6)。这时蚀刻在达到下方的下部电极层3前的压电层4终止。其次，如图10所示，第一抗蚀膜7从上部电极层5上剥离(图3，步骤7)。据此，如该图10所示，上部电极层5分离为激励电极5A和检测电极5B。其次，如图11所示，在上部电极层5上形成第二保护膜8。第二保护膜8的外周部覆盖蚀刻的上部电极层5和从压电层4的垂直下方向外方残留的表面部分(图3，步骤8)。其次如图12所示。通过干蚀刻，压电层4、下部电极层3及缓冲层2被蚀刻直到基板1为止(图3，步骤9)。
根据以上所述，最终如图14的A部所示，压电层4具有在其外周部的下部侧向外周方向扩展的展开部4a。据此，压电层4以足够的面积牢固地在下部电极层3上粘合。通过实验确认：压电层4蚀刻直到下部电极层3为止的情况下可简单地被剥离，而在有展开部4a时，即使在其后的工序中也不会简单地被剥离。
其次，由硅形成的基板1通过干蚀刻进行蚀刻(图3，步骤10)。这时，通过与在图12的压电层4、下部电极层3以及缓冲层2蚀刻时不同的蚀刻气体对硅基板1进行蚀刻。如果用相同的蚀刻气体，则压电层4、下部电极层3以及缓冲层2也从横向开始蚀刻。例如，压电层4、下部电极层3以及缓冲层2通过CF4或Ar气蚀刻，而基板1通过SF6、O2、C4F8等气体蚀刻。据此，对压电层4、下部电极层3以及缓冲层2进行蚀刻后，使压电层4下方的展开部4a不受损伤，可只对基板1如图13所示地在垂直下方进行蚀刻。
而且，最后如图14所示，第二抗蚀膜8通过氧抛光等方法除去(图3，步骤11)。由此，制造在压电层4外周面的下部侧上形成向外周方向扩展的展开部4a的图1的角速度传感器。
在上述方法中，为了不蚀刻直到处于压电层4下方的展开部4a下方的基板1，硅基板1被向垂直下方进行干蚀刻。如果考虑只在硅基板1的单侧上形成上、下部电极层5、3，压电层4，则使在未形成这些层的基板1的内侧部分的质量下降，常常有必要保持平衡。
这时，如图15所示，基板1随着向下方宽度变小地进行蚀刻也可。因此，硅基板1也可以通过增加SF6、O2而减少C4F8的气体进行蚀刻。如果用该气体，则随着向形成缓冲层2一侧的相反侧面，基板1被强蚀刻，如图15所示，硅基板1随着向下方，宽度变窄。
至此为止，如前所述，只叙述了一个角速度传感器，下面对多个角速度传感器同时形成的情况加以说明。
图16示出干蚀刻硅基板13的方式。被蚀刻的基板13通过粘接材料15粘合在玻璃制的毛坯基板14上。粘接材料15是通过与硅基板13颜色不同的材料，例如，混合了白色氧化铝的膏形成。如果据此，如图17所示，通过干蚀刻除去基板13，则因为看见下方的粘接材料15的颜色，所以，可以立即判断蚀刻终止。一旦硅基板13被蚀刻，则各个角速度传感器16被分割成单个。因为，在分割前通过粘接材料15在毛坯基板14上粘接，所以不会七零八落。此外毛坯基板14是玻璃制的，所以，在硅基板13的蚀刻中，以及除去基板13后露出的部分，因为玻璃不受蚀刻气体侵蚀，所以可以进行极其稳定的蚀刻。另外，在基板13上配置保护膜12。
在实施方式中，通过缓冲层2经下部电极层3，使压电层4牢固地固定在硅基板1上。如果下部电极层3在Pt内混入1～15％左右的Ti，则混入的Ti在Pt层上取向，以便与压电层4的晶格常数相同，由此，即使除去缓冲层2也可以使缓冲层2牢固地固定在下部电极层3本身上。因此，不含缓冲层2的角速度传感器在上述制法中，也可以仅仅作为没有缓冲层2的传感器制造。
实施方式作为压电功能部件示出角速度传感器，然而，可以应用于利用压电体的其它压电功能部件，例如，传感器、激励器、存储器、光开关等、利用具有压电层4及其两侧设置的电极并通过在这些电极上施加电压而产生的压电层4的特性变化，例如变形、介电率变化的一切部件之中。
如上所述，在根据本发明的压电功能部件上，在压电层的外周部的下部侧上形成向外周方向扩展的展开部。据此，位于压电层及其下方的下部电极层及缓冲层具有比上部电极层还宽广的面积，以该宽广的面积与基板粘合，因此，可以提高其粘接强度。通过这样的展开部，使上、下部电极层间的缘面距离变长，因此，使上、下部电极层间的防止短路效果变好。
Claims (19)
1.一种压电功能部件，其特征在于，包含：
基板；
在所述基板上方设置的下部电极层；
在所述下部电极层上设置的压电层；以及
在所述压电层上设置的上部电极层，
所述压电层由位于所述下部电极层上的下部和上面设置有所述上部电极层的上部形成，
所述下部电极由混入1～15％Ti的Pt形成，
所述压电层的所述下部，相比于所述上部宽度大，且形成向所述压电层的外方扩展的展开部。
2.根据权利要求1所述的压电功能部件，其特征在于，所述基板是音叉型。
3.根据权利要求1所述的压电功能部件，其特征在于，还包含在所述基板上设置的缓冲层。
4.根据权利要求3所述的压电功能部件，其特征在于，所述缓冲层含有NiO、CoO、MgO、Ti中的至少一种，
所述压电层含有锆酸钛酸铅，
所述上部电极层含有Au。
5.根据权利要求3所述的压电功能部件，其特征在于，所述压电层比所述缓冲层、所述上部电极层和所述下部电极层厚。
6.根据权利要求1所述的压电功能部件，其特征在于，
所述压电层含有锆酸钛酸铅，
所述上部电极层含有Au。
7.根据权利要求6所述的压电功能部件，其特征在于，所述压电层比所述上部电极层和所述下部电极层厚。
8.一种压电功能部件的制造方法，其特征在于，
在基板上顺序叠层，形成缓冲层、下部电极层、压电层和上部电极层，该方法包含以下工序：
在所述上部电极层上形成覆盖所述上部电极的部分的第一保护膜的工序；
对所述上部电极层和所述压电层的所述第一保护膜外的部分，按照残留所述压电层的所述下部电极层侧的下部的方式进行蚀刻的工序；
剥离所述第一保护膜的工序；
形成覆盖被所述第一保护膜所覆盖部分的上部电极层和位于该部分的上部电极层之下的所述压电层的从垂直下方向外方所残留的表面部分的第二保护膜的工序；
对所述缓冲层、所述下部电极层和所述压电层在所述第二保护膜外的部分进行蚀刻直到所述基板表面的工序，
所述下部电极由混入1～15％Ti的Pt形成。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述缓冲层含有NiO、CoO、MgO、Ti中至少一种，
所述压电层含有锆酸钛酸铅，
所述上部电极层含有Au。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述基板含有Si，
对所述缓冲层、所述下部电极层和所述压电层的所述第二保护膜外的部分进行蚀刻直到所述基板的表面的工序以第一蚀刻气体来进行，
之后，还包括通过第二蚀刻气体蚀刻所述基板的工序。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包含随着朝向与形成所述缓冲层的面相反的面，对所述基板进行强蚀刻的工序。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对所述基板进行蚀刻的工序包含：在以所述基板为第一基板时，对在与形成有所述缓冲层的面相反的面上通过粘接材料粘合有作为毛坯基板的第二基板的所述第一基板进行蚀刻的工序。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
所述毛坯基板由玻璃制造，
所述粘接材料与所述第一基板的颜色不同。
14.一种压电功能部件的制造方法，其特征在于，它包含以下工序：
在基板上顺序、叠层形成下部电极层、压电层和上部电极层的工序；
在所述上部电极层上形成覆盖所述上部电极层的部分的第一保护膜的工序；
对所述上部电极层和所述压电层的所述第一保护膜外的部分，按照残留所述压电层的所述下部电极层侧的下部的方式进行蚀刻的工序；
剥离所述第一保护膜的工序；
形成覆盖由所述第一保护膜覆盖部分的上部电极层和位于该部分的上部电极层之下的所述压电层的从垂直下方向外方所残留的表面部分的第二保护膜的工序；以及
对所述压电层和所述下部电极层在所述第二保护膜外的部分进行蚀刻直到所述基板表面的工序，
所述下部电极由混入1～15％Ti的Pt形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述压电层含有锆酸钛酸铅，
所述上部电极层含有Au。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述基板含有Si，
对所述压电层和所述下部电极层的所述第二保护膜外的所述部分进行蚀刻直到所述基板的表面的工序以第一蚀刻气体来进行，
之后，还包括用第二蚀刻气体蚀刻所述基板的工序。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包含随着朝向与形成所述下部电极层的面相反的面，对所述基板进行强蚀刻的工序。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对所述基板进行蚀刻的工序包含：在以所述基板作为第一基板时，对在与形成有所述下部电极层的面相反的面上通过粘接材料粘合有作为毛坯基板的第二基板的所述第一基板进行蚀刻的工序。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述毛坯基板是玻璃制的，所述粘接材料与所述第一基板的颜色不同。
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