CN104752602B - 具备pzt膜的传感器元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种具备PZT膜的传感器元件的制造方法，能够形成优质且大致均匀的PZT膜。在具有550μm以上的厚度的SOI衬底31的一面上形成下部电极E0。在从SOI衬底31的另一面侧加热了SOI衬底31的状态下，在下部电极E0之上形成PZT膜37。对PZT膜37实施蚀刻处理，形成规定的PZT膜图案19。在PZT膜图案19之上形成与下部电极E0相对置的规定图案的上部电极E1。对SOI衬底31的另一面实施研磨加工，使SOI衬底31的厚度薄到使PZT膜图案19的特性有效地发挥的规定厚度。之后，从SOI衬底31的另一面实施蚀刻处理，形成具有可挠性的可挠部11。

Description

具备PZT膜的传感器元件的制造方法

本申请是申请号为201180013522.X(PCT国际申请号PCT/JP2011/055470)、申请日为2011年3月9日(PCT申请进入国家阶段日2012年9月12日)、发明名称为“具备PZT膜的传感器元件的制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及能够在角速度传感器(陀螺仪)、加速度传感器等中使用的具备PZT膜的传感器元件的制造方法。

背景技术

在日本特开2008-190931号公报(专利文献1)中揭示了具备配备有PZT(锆钛酸铅)膜的传感器元件的压电型角速度传感器(压电陀螺仪)。在该公报中对PZT膜的形成方法没有具体记载，但一般是预先在规定厚度的SOI衬底的一面上形成下部电极，在从该SOI衬底的另一面侧加热SOI衬底的状态下，在下部电极之上形成PZT膜。而后，对PZT膜实施蚀刻处理而形成规定的PZT膜图案。接着，在PZT膜图案之上形成与下部电极相对置的规定图案的上部电极。接着，对SOI衬底实施蚀刻处理而形成具有可挠性的可挠部。

专利文献1：日本特开2008-190931号公报

发明内容

但是，实际上在形成PZT膜时，面临难以简单地形成优质且大致均匀的PZT膜这一问题。在进行X射线衍射(XRD)解析时，在有问题的PZT膜上，作为对(100)面相对于Pyro焦和(111)面那样的不必要的峰值的优先定向的比例[PZT(100)/Pyro]、以及[PZT(100)/PZT(111)]的值减小。

本发明的目的在于提供一种具备PZT膜的传感器元件的制造方法，能够形成优质且大致均匀的PZT膜。

本发明的另一目的在于提供一种具备PZT膜的传感器元件的制造方法，在蚀刻处理SOI衬底时，即使从上部电极侧用静电卡盘保持SOI衬底，也能够防止PZT膜带电。

在本发明中，如以下那样制造具备有PZT膜的传感器元件。首先，在具有550μm以上厚度的SOI衬底的一面上形成下部电极。一般情况下认为具备有PZT膜的传感器元件所需要的SOI衬底在400μm左右。因此，以往从一开始就使用400μm左右厚度的SOI衬底来形成PZT膜，但在本发明中使用比所需的厚度厚的、具有550μm以上厚度的SOI衬底。而后在从SOI衬底的另一面侧加热SOI衬底的状态下，在下部电极上形成PZT膜。在本申请说明书中，所谓“PZT膜”是锆钛酸铅的膜，是由钛酸铅和锆酸铅的混晶组成的膜。另外，所谓“SOI衬底”是具有在Si层内插入了SiO₂层的构造的衬底。

在本发明中，接着，对PZT膜实施蚀刻处理而形成规定的PZT膜图案，在PZT膜图案上形成和下部电极相对置的规定图案的上部电极。接着，对SOI衬底的另一面上实施研磨加工，让另一面镜面化，并且使SOI衬底的厚度薄到使PZT膜图案的特性有效发挥的规定的厚度(例如400μm左右)。其后，从SOI衬底的另一面实施蚀刻处理形成具有可挠性的可挠部。

如本发明所示那样，发明人发现了如果使用具有550μm以上厚度的SOI衬底形成PZT膜，则能够得到优质且大致均匀的PZT的晶体。其原因虽然不明确，但发明者认为是由于形成PZT膜时加热时的热而处于SOI衬底内发生变形的状况。在本发明中，在形成PZT膜后，对SOI衬底的另一面实施研磨加工使SOI衬底成为期望的厚度，所以即使最初使用厚度厚的SOI衬底，也能够形成具备有所希望厚度的SOI衬底的传感器元件。

优选在不对SOI衬底的另一面实施研磨加工的状态(粗糙的状态)下进行基于蚀刻处理的PZT膜的形成。这样一来，因为从SOI衬底的另一面施加的热均匀地进入到SOI衬底内，所以进一步提高了PZT膜的均匀生成。

优选加热SOI衬底的温度是500～800℃。如果加热温度低于500℃，则不能充分形成PZT膜。另外，如果加热温度高于800℃，则因Pb的蒸发而不能得到所希望的组成比。虽然优选的是SOI衬底的厚度尺寸设置成550～750μm，但其上限如果考虑加热温度的影响则自然而然地确定，没有必要设置成需要以上的厚度。

在从另一面研磨加工以及蚀刻处理SOI衬底时，需要从一面侧夹住SOI衬底。优选静电卡盘使用能够均匀地冷却衬底并固定它的静电卡盘。但是如果单纯使用静电卡盘，则PZT膜带电而发生膜破损，与各层的粘合强度降低。其结果，无法得到所希望的压电特性。因而优选在将上部电极和下部电极设置成同电位的状态下，利用静电卡盘从上部电极侧保持SOI衬底。此外，静电卡盘只要使用公知的技术即可。如果将上部电极和下部电极设置在同一电位，则PZT膜难以带电，所以PZT膜的特性难以受到影响。

此外，如果如上述那样从上部电极侧用静电卡盘夹住SOI衬底而保持SOI衬底，则由于从静电卡盘接收到的电压，在PZT膜图案的形成有上部电极图案的部分和未形成的部分上发生不同的电场。其结果，在PZT膜图案产生变形，有可能引起PZT膜图案的膜破裂或者与各层的粘合强度的降低。因而，也可以在形成了PZT膜图案后，不立即形成上部电极，在进行用于形成可挠部的研磨加工以及蚀刻处理后形成上部电极。这种情况下，首先在PZT膜图案上形成用于形成上部电极的上部电极材料层。其后，如上所述的那样，通过研磨加工使SOI衬底的厚度薄到规定的厚度，通过蚀刻处理形成可挠部。而后，对形成于PZT膜图案上的上部电极材料层实施蚀刻处理，在PZT膜图案上形成规定图案的上部电极。

这种情况下，也是在从另一面研磨加工以及蚀刻处理SOI衬底时，在将上部电极材料层和下部电极设置成相同电位的状态下，从上部电极材料层侧用静电卡盘保持SOI衬底即可。

如果像这样在PZT膜图案上形成了上部电极材料层的状态下，从上部电极材料层侧利用静电卡盘夹住，则PZT膜图案内的电场变成固定，因为成为膜破裂等的原因的变形难以产生，所以能够形成稳定的PZT膜图案。

为了将上部电极和下部电极设置成相同电位，可以采用各种构造。例如，上部电极能够形成为包含取出下部电极的输出的下部电极输出电极。这种情况下，能够通过在厚度方向上贯通PZT膜图案的贯通孔内与上部电极一起形成并将下部电极输出电极和下部电极连接起来的贯通导电部、和在PZT膜图案上与上部电极一起形成并将下部电极输出电极和其他的上部电极连接起来的表面导电部，来形成设为相同电位的状态。如果这样，则能够通过贯通导电部和表面导电部来电连接下部电极和上部电极整体并形成相同电位。贯通导电部以及表面导电部与上部电极一起形成，所以可以容易将上部电极和下部电极设置成相同电位。

而且，在蚀刻处理后，需要解除除了下部电极输出电极以外的上部电极和下部电极的同电位的状态。因此，直到蚀刻SOI衬底之前，优选使用多模穴衬底形成多个传感器元件，在分割多模穴衬底时将表面导电部设置成非导通状态。如果这样，则能够使用多模穴衬底量产传感器元件，而且能够在分割多模穴衬底的同时解除同电位状态。

附图说明

图1是用本发明的实施方式的方法制造的传感器元件(角速度传感器)的平面图。

图2是图1的II-II线剖面图。

图3(A)～(F)是表示本发明的实施方式的制造方法的一个例子的工序图。

图4是用于说明本发明的实施方式的制造方法的图。

图5是用图3(A)～(F)所示的方法制造的实施例的传感器元件的PZT膜成分的X射线衍射图。

图6是比较例的传感器元件的PZT膜成分的X射线衍射图。

图7(A)～(F)是表示本发明的实施方式的制造方法的另一例子的工序图。

符号说明

1：传感器元件(角速度传感器)

3：传感器主体

5：检测部

11、111：可挠部

19、119：PZT膜图案

19a：贯通孔

21：贯通导电部

31、131：SOI衬底

37：PZT膜

41：表面导电部

139：上部电极材料层

C、C'：静电卡盘

E1：上部电极

E0、E100：下部电极

E13：下部电极输出电极

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的实施方式。图1是用本发明的实施方式的方法制造的具备PZT膜的传感器元件(压电型角速度传感器)1的平面图，图2是图1的II-II线剖面图。如图2所示，本例子的角速度传感器1具有传感器主体3和检测部5。对SOI衬底实施蚀刻，传感器主体3形成为圆柱形的重锤7位于中心部，筒形的支撑部9位于外周部，并具有在重锤7和支撑部9之间具有可挠性的可挠部11。传感器主体3的厚度尺寸L1是约405μm。而且，为了使图2易于理解，检测部5以及可挠部11夸张地描画厚度尺寸。在图2中，符号10是Si层，17是Si的活性层，13是由氧化膜组成的绝缘层，15是SiO₂层。重锤7以及支撑部9通过加工Si层10而构成。可挠部11由绝缘层13和活性层17和SiO₂层15来构成。

检测部5由形成在绝缘层13上的下部电极E0、形成在下部电极E0上的PZT膜图案19、形成在PZT膜图案19上并与下部电极E0相对置的上部电极E1来形成。PZT膜图案19由通过将Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O_x作为标靶的溅射而形成的PZT构成，具有3μm的厚度尺寸。上部电极E1由Ti和Au的层叠薄膜构成。下部电极E0主要形成在可挠部11上，并且由Ti和Pt的层叠薄膜构成。上部电极E1包含根据表面电荷的变化检测角速度的多个检测用电极E11、用于使重锤7振动的多个驱动用电极E12、下部电极输出电极E13。下部电极输出电极E13通过形成于在厚度方向上贯通PZT膜图案19的贯通孔19a内的贯通导电部21来与下部电极E0电连接，起到取出下部电极E0的输出的作用。

接着使用图3的工序图说明本发明的传感器元件(角速度传感器1)的制造方法的一个例子。首先，如图3(A)所示，准备成为多模穴衬底的SOI衬底31。而且，为了方便，图3示出了包含在多模穴衬底中的1个传感器元件的剖面。SOI衬底31具有在Si层10'以及Si的活性层17'之间插入有SiO₂层15'的构造。在Si的活性层17'进行活性化处理。在Si衬底10'的下表面形成由氧化膜构成的绝缘层33，在Si的活性层17'上也形成由氧化膜构成的绝缘层13'。在本例子中使用的SOI衬底31的厚度尺寸L2约是625μm(参照图3(A))。此外，SOI衬底31的厚度尺寸L2优选为550～750μm。

接着，如图3(B)所示，在SOI衬底31的一面上(绝缘层13')之上形成下部电极E0。下部电极E0在SOI衬底31的一面上通过溅射形成厚度20nm的Ti膜后，对Ti膜进行氧化处理，在其之上通过溅射形成厚度100nm的Pt膜来构成。

接着，如图3(C)所示，将SOI衬底31放置在加热器H上，在从SOI衬底31的另一面侧以约700℃加热SOI衬底31的状态下，在下部电极E0上形成PZT膜37。具体地说，将Pb_1.3(Zr_0.52Ti_0.48)O_x作为标靶通过溅射形成厚度3μm的PZT膜37。加热温度优选500～800℃。该PZT膜37的形成工序在对SOI衬底31的另一面未实施研磨加工的状态(粗糙的状态)下进行。

接着，在PZT膜37之上形成未图示的抗蚀剂膜后实施湿蚀刻处理，如图3(D)所示，形成包含贯通孔19a的规定形状的PZT膜图案19。

接着，如图3(E)所示，形成上部电极材料层39以及贯通导电部21。贯通导电部21以与下部电极E0连接的方式在贯通孔19a内与上部电极材料层39一起形成。上部电极材料层39以及贯通导电部21在包含PZT膜图案19在内的一面上全部通过溅射形成厚度20nm的Ti膜后，对Ti膜进行氧化处理，在其上通过溅射形成厚度300nm的Au膜来构成。

接着，在上部电极材料层39之上形成未图示的光敏抗蚀剂膜，对形成有规定图案的抗蚀剂膜的上部电极材料层39实施离子束蚀刻，如图3(F)所示形成上部电极E1。其后，除去抗蚀剂膜。上部电极E1的图案包含多个检测用电极E11和多个驱动用电极E12和下部电极输出电极E13。下部电极输出电极E13通过贯通导电部21与下部电极E0电连接。图4是形成了上部电极E1后的多模穴衬底的平面图。

如图4所示，通过形成在PZT膜图案19上的表面导电部41电连接下部电极输出电极E13和其他的上部电极(检测用电极E11以及驱动用电极E12)。因此，在上部电极E1形成后，下部电极E0和上部电极E1电连接。

接着，对SOI衬底31的另一面实施研磨加工，使SOI衬底31的厚度薄到使PZT膜的特性有效地发挥的规定厚度(图2的L1的尺寸：405μm)。经过研磨的SOI衬底31的另一面(背面)变成镜面状态。而后，从SOI衬底31的另一面实施蚀刻处理，形成如图2所示那样的重锤7、支撑部9以及可挠部11来制作传感器主体3。具体地说，如图3(F)所示，用静电卡盘C从上部电极E1侧保持SOI衬底31。而后通过基于光刻技术的干蚀刻，从SOI衬底31的另一面(背面)实施蚀刻处理。如上所述，下部电极E0和上部电极E1因为电连接，所以在上部电极E1和下部电极E0处于相同电位的状态下，通过静电卡盘C从上部电极E1侧保持SOI衬底31。因而，即使使用静电卡盘C，PZT膜也难以带电。

接着，分割多模穴衬底。在分割时沿着图4所示的虚线B分割，所以表面导电部41成为非导通状态。由此，检测用电极E11以及驱动用电极E12和下部电极E0的电连接被解除。根据以上步骤，通过多模穴完成图1以及图2所示的传感器元件(角速度传感器)1的制造。

接着，调查如上所述那样制造的PZT膜形成时的SOI衬底的厚度尺寸与PZT膜的成分的关系。图5是以上述方法制造的传感器元件(实施例)的PZT膜的中心部的X射线衍射(XRD)图，图6是在PZT膜形成时使用厚度薄的SOI衬底(厚度尺寸400μm的SOI衬底)制造的传感器元件(比较例)的PZT膜中心部的成分的X射线衍射图。在图中，例如PZT(100)是晶体定向为(100)的PZT。另外，Pyro是在低温区域发生的不需要的峰值。从两图求得的PZT(100)

/Pyro以及PZT(100)/PZT(111)的强度比率如表1所示。

[表1]

	PZT(100)/Pyro	PZT(100)/PZT(111)
			实施例(X00)	241	57
比较例(X00)	37.4	2.3
			实施例(X40)	∞	101.9
比较例(X40)	∞	1.8

在表1中(X00)表示PZT膜的中心部，(X40)表示距PZT膜的中心部在X方向40mm的位置。传感器元件的PZT膜优选PZT(100)/Pyro以及PZT(100)/PZT(111)高的膜。从表1可知，无论在(X00)以及(X40)的哪个中，实施例的PZT膜的PZT(100)/Pyro以及PZT(100)/PZT(111)都比比较例大。

接着使用图7的工序图说明本发明的传感器元件(角速度传感器1)的制造方法的另一例子。在图7中，对于与图3相同的部分，附了在图3所附的数字上加上100这一数字的符号并省略说明。在图7所示的本发明的另一例子中，在图7(A)到(E)中实施与图3所示的本发明的一个例子相同的步骤(参照图3(A)～(E))。其后，如图7(E)所示在形成上部电极材料层139后，通过静电卡盘C'从上部电极材料层139侧保持SOI衬底131。而后，在图7(F)中，从上述那样的SOI衬底131的另一面(背面)实施蚀刻处理。

在该例子中，下部电极E100和上部电极材料层139因为电连接，所以在上部电极材料层139和下部电极E100处于同一电位的状态下，通过静电卡盘C'从上部电极材料层139侧保持SOI衬底131。这样在图7的例子中，因为在形成上部电极的图案之前的上部电极材料层139的状态下利用静电卡盘C'夹持，所以不会如图3的例子所示那样，在形成有上部电极图案的部分和没有形成上部电极图案的部分发生不同的电场。因此，如果采用图7所示的制造工序，则在PZT膜图案119难以产生变形，能够可靠地防止PZT膜图案119的膜破裂或者与各层的粘合强度的降低。

而且，上述的实施方式是示出角速度传感器(陀螺仪)的制造方法的例子，但毋庸置疑，在制造加速度传感器等的其他的具备PZT膜的传感器元件的情况下也能够应用本发明。

根据本发明，则在使用具有550μm以上厚度的SOI衬底形成PZT膜后，使SOI衬底薄到所希望的厚度，所以能够得到优质且均匀的PZT膜。

Claims (2)

1.一种具备PZT膜的传感器元件的制造方法，其特征在于：

在具有550μm以上的厚度的SOI衬底的一面上形成下部电极，

在从上述SOI衬底的另一面侧加热了上述SOI衬底的状态下，在上述下部电极之上形成PZT膜，

对上述PZT膜实施蚀刻处理，形成规定的PZT膜图案，

在上述PZT膜图案之上形成用于形成与上述下部电极相对置的上部电极的上部电极材料层，

对上述SOI衬底的上述另一面实施研磨加工，使上述SOI衬底的厚度薄到使上述PZT膜图案的特性有效地发挥的规定厚度，

之后，从上述SOI衬底的上述另一面实施蚀刻处理，形成具有可挠性的可挠部，

对上述上部电极材料层实施蚀刻处理，在上述PZT膜图案之上形成规定图案的上述上部电极。

2.根据权利要求1所述的具备PZT膜的传感器元件的制造方法，其特征在于：

在从上述另一面对上述SOI衬底进行研磨加工以及蚀刻处理时，在将上述上部电极材料层和上述下部电极设置成相同电位的状态下，通过静电卡盘从上述上部电极材料层侧保持上述SOI衬底。