CN1848473A - 压电元件及用于制造该压电元件的方法 - Google Patents
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Abstract
需要一种能够提高生产率和产量而不降低压电特性的压电元件及其制造方法。压电元件提供有衬底、设置在衬底上的第一电极膜、设置在第一电极膜上的压电膜和设置在压电膜上的第二电极膜。该压电膜具有由多个结晶化的压电薄膜构成的叠置结构。通过形成压电薄膜的膜形成步骤和热处理压电薄膜以影响结晶化的结晶化热处理步骤的重复循环来形成具有预定厚度的压电薄膜。以这种方式，可制造在膜厚度方向上显示出均匀结晶度的压电膜。
Description
技术领域
本发明涉及到包括压电膜的压电元件和用于制造该元件的方法。
背景技术
压电元件先前用于激励器、传感器等的压电振动器。总体上，在相关技术中的压电元件具有这样的结构，其中第一电极膜设置在晶片上、压电膜通过溅射方法、溶胶凝胶方法等设置在第一电极膜上、和第二电极膜进一步设置在上述压电膜上(参考例如日本未经审查的专利申请公开No.7-113643和日本未经审查的专利申请公开No.10-19574)。
发明内容
对于这种类型的压电元件，有时，希望通过图案化将形成于第一电极膜上的压电膜处理成预定形状。通过图案化将干法蚀刻方法和湿法蚀刻方法用于处理压电膜。
总体上，随着压电膜厚度的增加，压电元件显示出更高的压电特性。然而，在干法蚀刻方法中，当压电膜的厚度为1μm或更多时，该处理花费更长时间，且元件的制造时间增加了。在湿法蚀刻方法中，存在其中由于残留部分未蚀刻而产生的产量倾向于降低的问题。
例如，在压电膜由锆钛酸铅(PZT)构成的情况下，氢氟酸和硝酸的混合溶液例如用作蚀刻溶液，且通过将该压电膜沉浸在该蚀刻溶液中几分钟来蚀刻。然而，在该处理中，压电膜的锆部分倾向于作为晶片上的残留物保留下来，且能引起与电极膜、引线层等电短路，使得晶片产量显著降低。
考虑到上述的问题，构成了本发明。需要一种能够提高生产率和产量而不损害压电特性的压电元件以及一种用于制造这种压电元件的方法。
根据本发明实施例的压电元件提供有衬底、设置在衬底上的第一电极膜、设置在第一电极膜上的压电膜和设置在压电膜上的第二电极膜，其中上述的压电膜具有由多个结晶化的压电薄膜构成的叠置结构。
过去，对于压电元件，在单个步骤中形成具有适合于获得希望压电特性的厚度的压电膜，之后，进行结晶化热处理(退火处理)。然而，当例如在单个步骤中形成具有1μm或更大厚度的压电膜时，即使是进行退火处理时，也能以高精确度在层厚度方向上使得晶体取向均匀。然而，根据本发明的实施例，可以通过允许压电膜具有由结晶化的压电薄膜构成的叠置结构，来增强压电膜的结晶度。以这种方式，可提高压电特性，此外，可提高通过湿法蚀刻方法形成的压电膜的图案化精确度，从而与通过干法蚀刻方法可获得的那些相对比，可实现卓越的生产率和提高的产量。
一种用于制造压电膜的方法包括如下步骤：在衬底上形成第一电极膜，在第一电极膜上形成压电膜，和在压电膜上形成第二电极膜，其中具有预定厚度的压电膜通过形成压电薄膜的膜形成步骤和热处理压电薄膜的结晶体以影响结晶化的热处理步骤的重复循环来形成。以这种方式，可制造在膜厚度方向上呈现均匀结晶度的压电膜。
希望膜形成的每个循环的压电薄膜厚度为350nm或更小。如果压电薄膜的厚度超出了350nm，则由于结晶度的降低产生了不适当的蚀刻，使得产量降低。因此，当形成了具有1μm或更大膜厚度的压电膜时，叠置了350nm或更小膜厚的至少四层的压电薄膜。优选地，结晶化热处理的温度在700℃或更多和800℃或更少的范围内。
由于可降低形成的压电薄膜的氧缺乏且由此可制造显示出卓越压电特性的压电膜，因此可在氧气和惰性气体的混合气体气氛中进行压电薄膜的膜形成。优选地，氧气的分压为50％或更多。还优选在纯净的氧气氛围中进行膜形成，而不引进惰性气体。
由于可呈现出卓越的压电特性，所以希望压电薄膜由锆钛酸铅(PZT)构成。除此之外，可使用其它钙钛矿氧化物基的压电材料。溅射方法可用于形成压电薄膜。
另一方面，清楚的是，压电膜的晶体取向能够借助于用作衬底的第一电极的膜结构来控制。根据本发明的实施例，第一电极膜由Ti层和Pt层的叠置膜构成，而且，Ti层厚度在5nm或更多和20nm或更少的范围内。
如上所述，根据本发明的实施例，可形成显示出高结晶度的压电膜，且因此，可以以高精确度进行压电膜的图案化处理。以这种方式，可以以高生产率制造显示出卓越的压电特性的压电膜。
附图说明
图1A和1B是在本发明的第一实施例中说明的振动陀螺传感器元件的示意性透视图。
图2是上述的振动陀螺传感器元件的示意性俯视图。
图3是示出上述振动陀螺传感器元件的驱动检测电路结构的框图。
图4是用于说明制造上述振动陀螺传感器元件的方法的主要步骤流程图。
图5A和5B是用于说明制造上述振动陀螺传感器元件的步骤的图；图5A是单晶硅衬底的平面图，图5B是通过图5A中示出的线VB-VB表示的截面的截面图。
图6A和6B是示出其中抗蚀剂图案膜设置在上述衬底上的状态的图；图6A是平面图，图6B是通过图6A中的线VIB-VIB表示的截面的截面图。
图7A和7B是示出其中上述衬底的热氧化膜被移除的状态的图；图7A是平面图，图7B是通过图7A中示出的VIIB-VIIB表示的截面的截面图。
图8A和8B是示出其中对上述衬底实施各向异性蚀刻的状态的图；图8A是平面图，图8B是通过图8A中的线VIIIB-VIIIB表示的截面的截面图。
图9是图8中示出的上述衬底的部分W的放大图。
图10A和10B是示出提供有下部电极膜、压电膜和上部电极膜的上述衬底的状态的放大图。图10A是平面图，图10B是通过在图10A中示出的线XB-XB表示的截面的截面图。
图11A和11B是示出构成上述压电膜的压电薄膜的单位层膜厚度和合格产品百分率之间关系的图。
图12是示出压电膜的退火温度和X-线衍射强度之间关系的图。
图13是示出压电膜的厚度和衬底后表面温度之间关系的图。
图14是示出压电膜的退火温度和产量之间关系的图。
图15A和15B是示出提供有驱动电极和检测电极上述衬底的状态的放大图；图15A是平面图，图15B是通过15A中示出的线XVB-XVB表示的截面的截面图。
图16A和16B是示出提供有压电膜的上述衬底的状态的放大图；图16A是平面图，图16B是通过图16A中的线XVIB-XVIB表示的截面的截面图。
图17是示出Ti层厚度和压电偏移(piezoelectric displacement)之间关系的图。
图18示出Ti层和合格产品百分率之间关系的图。
图19A和19B是示出提供有下部电极的上述衬底的状态的放大图；图19A是平面图，图19B是通过图19A中示出的线XIXB-XIXB表示的截面的截面图。
图20是示出提供有引线衬底膜的上述衬底的状态的放大平面图。
图21是通过图20中示出的线XXI-XXI表示的截面的截面图。
图22是示出提供有平坦化抗蚀剂膜的上述衬底的状态的放大平面图。
图23是通过图22中示出的线XXIII-XXIII表示的截面的截面图。
图24是示出提供有引线连接端子的上述衬底的状态的放大平面图。
图25是通过图24中示出的线XXV-XXV表示的截面的截面图。
图26是示出提供有极化导轨(polarization rail)的上述衬底的整个状态的平面图。
图27示出提供有绝缘保护膜的上述衬底的状态的放大平面图。
图28是通过图27中示出的线XXVIII-XXVIII表示的截面的截面图。
图29是示出提供有Cu引线的上述衬底的状态的放大平面图。
图30是通过图29中示出的线XXX-XXX表示的截面的截面图。
图31是在其整体中提供有Cu引线的上述衬底的平面图。
图32是示出其中背面表面停止膜设置于上述衬底上的状态的上述衬底的截面图。
图33是示出通过提供梁空间而提供有振动梁的上述衬底的状态的放大平面图。
图34是通过图33中示出的线XXXIV-XXXIV表示的截面的截面图。
图35是通过图33中示出的线XXXV-XXXV表示的截面的截面图。
图36是表示自其移除停止层的上述衬底的状态的放大平面图。
图37是通过图36中示出的线XXXVII-XXXVII表示的截面的截面图。
图38是通过36中示出的线XXXVIII-XXXVIII表示的截面的截面图。
图39A和39B是示出施加极化处理以稳定极化特性的步骤的图；图39A是整个衬底的平面图，图39B是示出上述衬底的状态的放大平面图。
图40A和40B是示出其中在极化处理之后移除了不必要的Cu引线的状态的图；图40A是整个衬底的平面图，图40B是示出上述衬底的状态的放大平面图。
图41A和41B是示出其中形成了能进行倒装芯片封装的Au突起的状态的图；图41A是整个衬底的平面图，和图41B是示出上述衬底状态的放大平面图。
图42A和42B是示出分割成形成为压电薄膜传感器的单个振动陀螺传感器元件的切割线；图41A是整个衬底的平面图，图41B是示出上述衬底的状态的放大平面图。
图43是形成为压电薄膜传感器的振动陀螺传感器元件的平面图。
图44是示出其中振动陀螺传感器元件安装于IC衬底上的状态的示意性透视图。
图45是示出其中覆盖元件设置于提供有振动陀螺传感器元件的角速度传感器上的状态的平面图。
图46是用于说明在本发明第二实施例中说明的压电膜的高温极化处理温度和电压施加周期的时序图。
图47是示出在上述极化处理中施加的电压和在检测信号电压之间关系的图。
图48是示出在上述极化处理中施加电压开始的温度和检测信号电压之间关系的图。
图49是示出回流之后施加电压中断温度和检测信号电压之间关系的图。
图50是示出当在极化处理之后再次施加高温时检测信号的衰减系数的测量结果的图。
图51是示出本发明第三实施例中说明高温处理之后压电滞后回线的图。
图52A和52B是示出进行了高温极化处理的压电元件的矫顽电场和极化温度中间关系的实例的图。
图53是示出进行了高温极化处理的压电元件的矫顽电场转换数目和压电特性之间关系的实例的图。
图54A和54B是示出在本发明第四实施例中说明的振动陀螺传感器元件的压电膜的极化方向的侧面图。
图55A和55B是用于说明当将电压施加到振动陀螺传感器元件时的振动器的经向的侧面图。
图56是示出用于说明根据极化方向中的差的检测灵敏度特性的试验结果的图。
图57是示出用于说明根据极化方向中的差的输出的时延变化的试验结果的图。
具体实施方式
以下将参考附图描述根据本发明的实施例。当然，本发明不限于以下的实施例，可基于本发明的技术思想做出各种修改。
第一实施例
图1A和1B示出根据本发明的实施例用作压电元件的振动陀螺传感器元件100。图1A是整个振动陀螺传感器元件100的外透视图，图1B是与振动陀螺传感器元件100分离的振动器110的放大透视图。如图1A和1B中示出的，振动陀螺传感器元件100提供有从硅单晶衬底切割的所谓悬臂状振动器110。当在垂直于纵向的平面中切割时，振动器110形成为具有长方形状横截面的四角柱形状。
对于振动陀螺传感器元件100的大致尺寸，元件厚度t1为300μm，元件长度t2为3mm，且元件宽度t3为1mm。对于振动梁即实际振荡的振荡器110的尺寸，振荡横梁厚度t4指定为100μm，振荡横梁长度t5指定为2.5mm，且振动梁宽度t6指定为100μm。当该形状的振荡横梁振荡时，共振频率为约40kHz。作为一个实例示出上述值，且可以根据将使用的频率和目标元件的尺寸来设置这些值。
将振动陀螺传感器元件100安装在IC衬底上，尽管在图中未示出，但是使用了这种结构。在图2中示出了在面对IC衬底侧上的元件100的安装表面(底部表面)。
在振动器110表面上依次叠置参考电极104a和压电膜105a。在压电膜105a上沿着振荡器110的纵向分离地且相互平行地设置驱动电极106a和一对检测电极106b和106c。驱动电极106a、检测电极106b和106c以及参考电极104a分别提供有引线连接端子101A、101B、101C和101D。
压电膜105a是由压电陶瓷材料如锆钛酸铅(PZT)或如石英或LaTaO3的压电单晶所构成的压电膜。参考电极104a、驱动电极106a和检测电极106b和106c由金属电极、导电氧化物电极等构成。参考电极104a对应于在本发明中的“第一电极”，驱动电极106a以及检测电极106b和106c对应于本发明中的“第二电极膜”。
通过图3中所示的连接到IC电路40来操作振动陀螺传感器元件100，且其用作角速度传感器(振动陀螺传感器)以根据角速度检测产生的科利奥利力(Coriolis)。IC电路40由IC电路元件和在IC衬底上同时安装的其它电元件构成，在IC衬底上安装振动陀螺传感器元件100。
IC电路40提供有加法电路41、放大电路42、相移电路43、自动增益控制器(AGC)44，差动放大电路45、同步检测电路46和平滑电路47。
振动陀螺传感器元件100的检测电极106b和106c对中的每一个连接到加法电路41和差动放大电路45。振动陀螺传感器元件100的驱动电极106a连接到AGC 44的输出端子。
在角速度传感器中，所谓的相移振荡电路由加法电路41、放大电路42、相移电路43、AGC 44和振荡陀螺传感器元件100构成。通过相移振荡电路将电压施加到振动陀螺传感器元件100的参考电极104a和驱动电极106a之间，以使振动器110通过自身激励来振动。振动器110的振动方向是振动器110的厚度方向。
在角速度传感器中，检测电极106b和106c对连接到加法电路41和差动放大电路45，差动放大电路45的输出端子连接到同步检测电路46，同步检测电路46连接到平滑电路47。这些元件和压电膜105a用作检测单元以检测振动器110的角速度。
即为，当在振动陀螺传感器元件100的振动器110的纵向附近产生角速度时，同时振动器110通过由上述的相移振荡电路的自身激励来振动时，振动器110的振动方向通过科利奥利力而改变。在这种情况下，检测电极106b和106c中的一个的输出增加了，且另一个的输出也增加了。通过IC电路40检测和测量任一个输出和两个输出的数量变化，以检测在振动器110的纵向附近的输入角速度。
以下将描述具有上述结构的本实施例的振荡陀螺传感器元件100的制造实例。图4示出了用于说明用于制造振动陀螺传感器元件100的方法的主要步骤流程。
衬底准备步骤
制备如图5A和5B中示出的Si衬底1。根据使用的薄膜处理类型来最优设置衬底1的尺寸。在当前实施例中，使用具有4英寸直径的晶片。在可操作性和成本的基础上确定衬底1的厚度，但是希望该厚度大于或等于最终振动器的厚度。在当前实施例中，该厚度指定为300μm。
用作各向异性湿法蚀刻中的保护掩模的热氧化膜(SiO2膜)2A和2B形成于Si衬底1的任一表面上。可随意设置热氧化膜的厚度，且在当前发明中将其指定为0.3μm。尽管可随意选择，但是对于Si衬底1适用N型。以关于Si衬底1的定向表面的这种方式切削衬底，在图5A中示出的衬底宽嘴表面变为(100)定向表面，且为衬底1的横截面的图5B中示出的表面变为(100)表面。
隔膜形成步骤
如图6A和6B中所示，为了移除在衬底1的背面表面上的热氧化膜2B的一部分，形成具有对应于将移除部分的开口部分的抗蚀剂图案膜3。用在通常的半导体薄膜形成处理中使用的光刻技术用作形成抗蚀剂图案膜3的方法。例如，将通过TOKYO OHKA KOGYO有限公司制造的OFPR-8600用作抗蚀剂材料，尽管这种类型不限于此。该光刻步骤是抗蚀剂材料施加、预烘干、曝光和显影的技术，其广泛地用在薄膜形成步骤中，因此在此不提供详细的说明。尽管光刻技术也用在以下的处理中，但是除了用于应用的特定方法之外不提供一般步骤的详细说明。
在图6A中示出的开口部分中每一个对应于一个元件。在形成横梁形状(振荡器110)中的横梁的最终形状、衬底1的厚度和蚀刻宽度(通过图34和35中示出的参考数字t7表示)的基础上确定开口部分的形状。如下所述，在此将蚀刻宽度t7指定为200μm。
关于开口部分(隔膜宽度t9)的宽度方向，首先，必要的宽度为振动梁宽度t6+蚀刻宽度t7×2(左侧和右侧)。而且，在衬底1的厚度为300μm的情况下，振动梁的厚度为100μm，且通过湿法蚀刻方法将300μm厚的衬底切削为100μm厚的振动梁，如下所述，隔膜深度t10为200μm，且以角度θ1＝55°进行切削，如图9中所示。因此，与其对应的宽度：t10×1/tan55°＝140μm加到左侧和右侧。因此，控制隔膜厚度t9＝t6+t7×2+140×2＝100+200×2+140×2＝780μm。相似地，控制隔膜长度t8＝振荡横梁长度t5+横梁间隔t7+140×2＝2500+200+140×2＝2980μm。
如图7A和7B中所示，移除热氧化膜2B部分，对应于上述开口部分的部分。用于移除的方法可以是例如离子蚀刻的物理蚀刻中的任一种和湿法蚀刻。然而，考虑到衬底1表面的平滑度希望使用湿法蚀刻，这是由于只移除热氧化膜2B。在当前实施例中，氟化铵用作湿法蚀刻的化学溶剂。然而，关于湿法蚀刻，如果长时间进行蚀刻，则增加了所谓的侧面蚀刻的发生，其中蚀刻从开口部分侧表面继续进行，因此希望蚀刻在只移除了对应于开口部分的热氧化膜2B时终止。
如图8A和8B和图9中所示，对在开口部分暴露的衬底1施加湿法蚀刻，以切削对应于开口部分的衬底1的厚度直到达到希望的振动梁厚度t4。在当前实施例中，20％的氢氧化四甲胺(TMAH)溶液用于蚀刻由Si构成的衬底1。此时，将溶液温度保持在80℃，且进行浸渍蚀刻。
图9是在图8中示出的部分W的放大图。以蚀刻量(隔膜深度)t10为200μm的这种方式在上述条件下进行蚀刻达约6小时。关于对应于开口部分的衬底1的形状，通过使用湿法蚀刻角度θ1(＝55°)的该蚀刻形成边缘部分，如图9中所示。可选地，除了TMAH之外，氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚水(EDP)溶液等可将用作湿法蚀刻的化学溶液。然而，在当前实施例中，由于进一步增加了相对于热氧化膜2A和2B的蚀刻率的选择率，所以使用TMAH。
在当前实施例中，采用了利用Si特征的湿法蚀刻以切削衬底，直到达到了振荡横梁厚度。然而，任意选择该切削方法，且不限于该方法。
通过上述方法在上述开口部分中形成了隔膜。最后，在湿法蚀刻之后留下的隔膜厚度t11等于振荡横梁厚度t4。
在以下的描述中，将在放大的情况下描述在图8A和8B中示出的W表示的一个元件。在图中，为了说明清楚起见，尺寸比不同于真实的尺寸比。以下，将进行其中形成为如上所述的隔膜在具有开口部分和热氧化膜2B朝下的位置处的说明，如图10A和10B中所示。
电极膜形成步骤
如图10A和10B所示，形成下部电极膜4、压电膜5和上部电极膜6。下部电极膜4对应于“第一电极膜”，和上部电极膜6对应于“第二电极膜”。下部电极膜4指定为叠置膜，其由用作衬底膜的钛(Ti)膜(膜厚20nm)和形成于Ti膜上的铂(Pt)膜(膜厚100nm)构成，以提高压电膜的特性。除了Pt外可应用金属膜如Au、铑(Rh)或铼(Re)，且除了Ti外也可应用钽(Ta)等。
在下部电极膜4的形成步骤中，通过磁控管溅射装置形成20nm厚度的Ti膜，且在上述的Ti膜上形成100nm的Pt膜。在气体压力为0.5Pa且射频(RF)功率分别为1kW和0.5kW的情况下形成Ti和Pt膜。Pt膜用作锆钛酸铅的衬底膜，且形成Ti膜以增加其间的粘合。
形成压电膜5。在压电膜5的形成步骤中，使用磁控管溅射装置、通过使用Pb1.02(Zr0.53Ti0.47)O3的氧靶、在环境温度的条件下、氧气压力为0.2至3Pa、RF功率为0.1至5kW的情况下形成1.4μm厚度的压电膜。以下将详细描述用于形成压电膜5的方法。
在上部电极膜6的形成步骤，在如上形成的压电膜5的表面上形成200nm厚度的Pt膜。通过磁控管溅射装置、在气体压力为0.5Pa和RF功率为0.5kW的条件下形成上述的Pt膜。
用于形成压电膜的方法
在用于形成当前实施例的压电膜5的方法中，多次进行形成由锆钛酸铅构成的、且具有层厚度小于将形成的压电膜5的厚度的压电薄膜的膜形成步骤和热处理压电薄膜以影响结晶化的结晶热处理(退火)步骤，且由此，形成了具有预定厚度压电膜5。以这种方式，制造出在层厚度方向上显示出均匀结晶度的压电膜5。
在膜形成步骤中，将压电薄膜的叠置数目指定为7个，且将单位层厚度指定为200nm。在结晶化热处理步骤中，使用电炉，且在700℃或更多和800℃或更少之间范围的温度下在氧气氛围中进行该步骤达30分钟。
关于公知的压电元件，在单个步骤中形成具有适合于获得希望压电特性的厚度的压电膜，且之后进行退火步骤。然而，当在单个步骤中形成例如具有1μm或更多厚度的压电膜时，即使当进行退火处理时，也难以在层厚度方向上制得均匀的压电膜晶体取向。因此，在当前发明上述的实施例中，通过经由多个结晶化的压电薄膜的叠置形成压电膜5，来增强压电膜5的结晶度。通过这种方式，可提高压电特性，且此外，通过增加压电膜5的处理步骤中的图案精确度可提高产量，如下所述。
图11A示出了一试验结果，其指出了将压电薄膜(锆钛酸铅)的总叠置厚度指定为1.4μm情况下压电薄膜每单位层膜厚度中的变化与合格产品(晶片产量)的百分比的关系。图11B示出了在图11A中示出的每一点处单位层膜厚度和合格产品率百分比之间的关系。在此，由压电特性的变劣导致的合格产品百分比的变劣。很清楚，当压电薄膜每个应用的膜厚度降低时，合格产品百分比增加了(例如，100nm×14次，200nm×7次)。当压电薄膜的膜厚度超出350nm时，此时叠置数目为四，合格产品百分比显著增加。因此，希望压电薄膜的叠置单位层膜厚度为350nm或更少。
压电薄膜的总叠置厚度不限于上述实例中的值。在每单元层膜厚度为350nm的情况下，当压电膜总叠置厚度为1μm时叠置了三层，且当总叠置厚度为700nm时叠置两层。
另一方面，氧不足倾向于在锆钛酸铅的膜形成中发生。如果膜中含有的氧量小的话，则绝缘特性会变劣，且不会显示出有利的压电特性。因此，在当前实施例中，于氧气氛围中形成由锆钛酸铅构成的压电薄膜。在此，氧气氛围涉及到氧气和惰性气体(氩气等)的混合气体的气氛或纯净氧气的气氛。
表1示出包括通过在锆钛酸铅的膜形成条件下改变氧气和氩气的混合比形成的其各自的压电膜的振动器的振幅。较大振幅值表示更有利的压电特性，和表现出35μm或更多振幅量级的振动器评估为合格产品水平的样品。总体上，随着振动器的质量或幅度增加，对科利奥利力的检测灵敏度变得更好。对于具有上述元件形状或当前实施例的元件尺寸的振动陀螺传感器元件100，由于存在质量增加的限制，因此将振幅设置为大的值，由此确保预定检测灵敏度。在该实例中，确保预定检测灵敏度的振幅的下限设置为35μm。
表1
| 膜形成条件 | 振幅(μm) |
| 在100％中的膜形成 | 52 |
| 在95％氧和5％氩中的膜形成 | 50 |
| 在90％氧和10％氩中的膜形成 | 50 |
| 在Ar/50％氧中的膜形成 | 35 |
| 在Ar/15％氧中的膜形成 | 15 |
结果，可以在50％或更多的氧气分压下制造能够显示出希望振动特性的压电元件。尤其，随着氧气分压的增加，可显示出更有利的振动特性。
在靶中的Pb含量对于在100％氧气氛围中的压电薄膜的膜形成是重要的。如从表2清楚可见，当Pb的量相对于Zr/Ti为1.01时，获得的压电膜不是显示出压电特性的钙铁矿相，但却沉积了烧绿石相，以使压电特性变劣。
表2
| Pb含量 | 存在或不存在烧绿石相 |
| 1.1 | 不存在 |
| 1.02 | 不存在 |
| 1.01 | 存在 |
| 1 | 存在 |
而且，表3中所示，当使用含有1.2或更多的过量Pb时的靶时，表示绝缘特性的介电损耗的值增加。这是由于锆钛酸铅的膜结构变得分散。
表3
| Pb含量 | 介电损耗 |
| 1.3 | 0.25 |
| 1.2 | 0.2 |
| 1.1 | 0.1 |
| 1 | 0.09 |
图12示出当退火温度变化时压电薄膜(锆钛酸铅)的钙铁矿相的(111)表面X-线衍射强度的测量结果。该X-线衍射强度表示X-线衍射强度图案的峰值强度。衍射强度中的改变量在700℃退火温度附近变小。这表示在700℃或更高退火温度下压电薄膜结晶度达到基本饱和的情形。衍射强度再次在750℃或更高时增加。这表示用作衬底的Pt层(下部电极膜)结晶度的发展会影响压电薄膜的结晶度。
图13示出了压电薄膜的膜厚度和在结晶退火中衬底背部表面温度之间的关系。虚线表示用于控制衬底表面温度的热电偶的设定值(780℃)。衬底背部表面的温度根据衬底表面上的锆钛酸铅膜厚度而变化。这是由于在表面上锆钛酸铅的颜色根据膜厚度而变化，且红外吸收率也变化。因此，当形成了具有不同膜厚度的压电膜时，实际的退火温度变化。因此，在当前实施例中，通过使用上述结晶退火处理中的衬底背部表面的温度来控制该温度。
图14示出了当退火温度改变时的合格产品百分比(晶片产量)。在此，合格产品百分比涉及到在从一个晶片制造的多个元件中具有预定压电特性的元件比例。当退火温度为700℃或更低时，合格产品百分比降低。其原因是由于锆钛酸铅的结晶度不充分所以压电特性变劣。相反，退火温度在800℃附近时合格产品百分比倾向于降低。尽管这可能是由于烧绿石相的沉积，但是还认为，在压电膜中某些部分留下而未蚀刻，由此，合格产品百分比降低。如从图14中示出的结果清楚可见，退火温度最优的范围是700℃或更多和800℃或更少，优选范围是700℃或更多和750℃或更少。更优选的范围是725℃或更多和750℃或更少。
如上所述，优选地，锆钛酸铅的退火温度在700℃或更多和800℃或更少的范围内。优选地，该退火处理在氧气氛围中进行。
电极膜处理步骤
如在15A和15B中所示，将形成的上部电极膜6处理为预定的形状。将上部电极膜6分成为三部分，如图15A中所示。其中心为用于产生驱动振动梁的动力的驱动电极6a，和用于检测克利奥利力的检测电极6b和6c设置于其左侧和右侧。在宽度方向上驱动电极的中心对准振动梁的中心，且对称形成左侧和右检测电极。将引线连接部分设置于上部电极膜6的直线段端部。
在当前实施例中，将驱动电极宽度t13指定为50μm，将检测电极宽度t14指定为10μm，上部电极长度t12指定为2mm，和驱动电极6a和检测电极6b和6c之间的间隔指定为5μm。可任意指定这些尺寸，但是可在振动梁的最终尺寸范围内调整这些尺寸。可任意确定连接到下面描述的引线图案的部分的形状。在当前实施例中，连接部分宽度t16指定为50μm，连接部分长度t15指定为50μm。
对于用于处理上部电极膜6的方法，通过使用光刻技术形成需要的抗蚀剂图案，且之后通过离子蚀刻自上部电极膜6移除不必要的部分。不特别指定该用于处理上部电极膜6的方法。
如图16A和16B中所示，将压电膜5处理为预定形状。只要压电膜5具有完全覆盖上部电极膜6的形状，就可任意确定该形状。在当前实施例中，压电膜长度t17指定为2.2mm，压电膜宽度t18指定为90μm。在此，在宽度方向上的压电膜中心与振动梁对准。希望压电膜宽度t18小于或等于振动梁宽度t4。将压电膜5处理来以使其自上部电极膜6的外部周界具有5μm的宽度。可基于整个元件形状和尺寸任意设置该宽度。
在当前实施例中，Pt膜用作锆钛酸铅的衬底膜(下部电极膜)，如上所述。为了增强Pt膜和硅衬底之间粘着的目的，形成Ti膜。在此，通过使用清洁炉在260℃下(达10分钟)进行压电元件的老化测试，其中Ti膜的膜厚度改变。如从图17中示出的结果清楚可见，随着Ti膜厚度的降低，老化测试之前和之后之间的压电位移变化越来越小。因此，压电元件对使用环境的温度变化不敏感，且也可制造显示出在高温下使用的高可靠性等级的压电元件。
图17示出Ti膜厚度和元件的压电位移之间的关系。如图17中所示，当Ti层膜厚度超出50nm时，压电位移急剧地降低。图18示出了Ti层膜厚度和合格产品百分比(晶片产量)之间的关系。当Ti层膜厚度在5nm或更多和20nm或更少的范围内时，显示出高的合格产品百分比。其原因相信是通过在上述范围内形成Ti层增强了压电膜的晶体取向，且因此，可以以高的精确度进行通过蚀刻的图案化处理。
另一方面，当Ti层膜厚度小于5nm或多个20nm时，产量降低的原因认为是，压电膜的晶体取向降低，且因此，留下锆钛酸铅的Zr部分未蚀刻。结果，留下未蚀刻的部分在蚀刻下部电极膜期间可用作覆盖介质(掩模)，和电极图案可能不会形成为需要的形状，从而电极之间发生短路。
对于处理压电膜5的方法，通过使用光刻技术形成压电部分形状的抗蚀剂图案，且之后，在当前实施例中，通过使用氟代硝酸溶液的湿法蚀刻进行移除。可任意确定该移除方法，且建议通过离子蚀刻的物理移除方法和使用反应离子蚀刻(RIE)的化学移除方法。
如图19A和19B中所示，将下部电极膜4处理为预定形状。只要下部电极膜4具有完全覆盖压电膜5的形状，即可任意确定该形状。在当前实施例中，将下部电极长度t19指定为2.3mm，和将下部电极宽度t20指定为94μm。在此，使得在宽度方向上的下部电极中心与振动梁的中心对准。希望下部电极宽度t20小于或等于振动梁宽度t4。将下部电极膜4处理为自压电膜5的外部周界具有5μm宽度。基于整个元件的形状和尺寸任意设置该宽度。如图19A中所示，设置下部电极连接部分4A以将下部电极膜4连接至外部。由于希望下部电极连接部分4A确保适合于通过下面步骤中的引线图案画出的区域，所以将下部电极连接部分长度t21指定为200μm，且将下部电极连接部分宽度t22指定为100μm。
对于用于处理上述的下部电极膜4的方法，通过使用光刻技术形成下部电极部分的形状的抗蚀剂图案膜，且之后通过离子蚀刻移除不必要的部分。也可任意确定该处理方法，且其不限于离子蚀刻。
引线膜形成步骤
如图20和图21中所示，形成引线衬底膜7。其目的是确保下面描述的引线膜9的粘着。这是由绝缘材料构成的引线衬底膜7的预处理。只要在除了振动器、单独的电极连接部分6a、6b和6c上的部分以及振动器附近的蚀刻区域上的部分之外的部分上形成膜，即可任意确定引线衬底膜7的形状。在当前实施例中，使得每个上部电极膜6和下部电极膜4与引线衬底膜7交叠5μm，以提高电极膜的粘着。
对于用于形成引线衬底膜7的方法，使用一种所谓的剥离技术，其中通过光刻技术形成具有所需形状的开口部分的抗蚀剂图案膜，通过溅射形成引线电极膜，且之后，在移除抗蚀剂图案膜的同时移除粘着到不必要部分的溅射膜。将氧化铝选作原料且将其沉积至75nm厚。然而，任意确定用于形成引线衬底膜7的材料和方法，且不限于上述的形成方法和材料。
如图22和图23中所示，将平坦化抗蚀剂膜8设置在电极连接部分6a、6b和6c上。该平坦化抗蚀剂膜8的目的是实现下述的引线膜9和上部电极膜6之间的平稳电连接。当引线膜9物理连接到上部电极膜6时，可能难以避免在下部电极膜4边缘上方通过压电膜5的端部部分。在当前实施例中，通过湿法蚀刻形成压电膜5，且其端部部分处于反向倾斜或基本垂直的状态。因此，如果形成引线而不设置平坦化抗蚀剂膜8，则在端部部分处可能会发生断开。而且，由于暴露出下部电极膜4，所以如果通过平坦化膜8不能确保绝缘，则会发生电短路。根据上述观点设置平坦化抗蚀剂膜8。
只要其形状覆盖下述的引线膜9，就可任意确定平坦化抗蚀剂膜8的形状。在当前实施例中，将平坦化膜宽度t23指定为200μm，且将平坦化抗蚀剂膜长度t24指定为50μm。
对于用于形成平坦化抗蚀剂膜8的方法，通过光刻技术将抗蚀剂膜图案化为所需的形状，且之后，进行约280℃至300℃的热处理，以固化图案化的抗蚀剂膜。在当前实施例中，将此时抗蚀剂膜的厚度指定为约2μm。然而，希望该厚度根据压电膜5和下部电极膜4的厚度而变化，且允许该厚度变得大于或等于该两层的总厚度。
在当前实施例中，将压电抗蚀剂膜用作上述的平坦化抗蚀剂膜8。然而，其材料不限于此。只要材料适合于上述的应用且非导电，就可任意确定该材料及形成方法。
如图24和25中所示，形成引线膜9以将上部电极膜6连接至外部。这是为了便于至外部的电性连接，且引线膜9在平坦化抗蚀剂膜8的顶部表面上方通过，并连接至上部电极膜6的连接部分。尽管可任意确定上部电极连接部分6a、6b和6c的形状，但是希望其尺寸为5平方μm或更多以降低电接触电阻。在当前实施例中，通过经由使用Au突起倒装芯片的连接方法进行至外部的电性连接的预处理。因此，通过设置电极衬垫101A、101B、101C和101D确保用于单独电极的Au突起区域。如图24中所示。
电极衬垫101A、101B、101C和101D具有适合于设置Au突起的区域。在当前实施例中，将电极衬垫部分长度t25指定为120μm，且将电极衬垫宽度t26指定为120μm。由于包括驱动电极6a、左侧和右检测电极6b、6c构成上部电极膜6的三部分、下部电极膜4的四个部分单独地电性连接到外部，四个部分中的每一个都连接到独立的引线膜9。在元件区域AR中设置电极衬垫101A、101B、101C和101D是预处理。
在该步骤中，也同步形成极化导轨。最终极化当前实施例的振动器以便于稳定功能压电特性。为了有效地进行压电操作，以一个操作中极化相同行中的元件。希望在进行同步极化之前形成在电压施加侧和GND侧的引线。如图26中所示，在此以水平的直线形成极化导轨111和112中的每一个。此时元件和导轨相互独立，且通过形成Cu引线11进行在电压施加侧的引线连接和GDN侧的引线连接，如以下描述的。
对于用于形成引线膜9的方法，使用所谓的剥离技术，其中通过光刻技术形成具有希望形状的开口部分的抗蚀剂图案膜，通过溅射形成引线膜，且之后，与移除抗蚀剂膜同时移除粘着到不必要部分的溅射膜。关于引线膜的材料，在沉积了为了提高粘着性的20nm的Ti之后，沉积具有低电阻和低成本的300nm的Cu，随后沉积500nm的Au以便于连接至Au突起。然而可任意确定用于引线膜的材料和形成方法，且不限于上述形成方法和材料。
绝缘保护膜形成步骤
如图27和图28中所示，在振动梁和引线上形成绝缘保护膜10。这便于防止由外部因素如湿度引起的电极之间的泄漏，且防止电极膜的氧化。希望在振动器上的保护膜宽度t27大于下部电极宽度t20且小于振动梁宽度t6。在当前实施例中，将t27指定为98μm。希望在振动器上的保护膜长度t28长于下部电极长度t19且短于振动梁长度t5。在当前实施例中，将t28指定为1.95mm。保护膜10具有覆盖整个引线膜9的图案。然而，不希望保护膜设置在将连接到Au突起的四个电极衬垫部分上和将可选地连接到Cu引线11的四个连接部分上。
对于形成保护膜10的方法，使用一种所谓剥离技术，其中通过光刻技术形成具有希望形状的开口部分的抗蚀剂图案膜，通过溅射形成保护膜，且之后与移除抗蚀剂膜同时移除粘着到不必要部分的溅射膜。关于保护膜10的材料，在沉积了用于提高粘着性的50nm的Al2O3之后，沉积显示出高绝缘特性的750nm的SiO2，其随后，沉积作为最上部层以在下面的振动梁形成中提高抗蚀剂粘着性的50nm的Al2O3。希望起绝缘保护膜作用的SiO2的厚度至少为上部电极膜厚度的两倍。然而，如果该厚度为1μm或更多，则在剥离中易于产生毛刺(burr)。因此，在当前实施例中，将该厚度指定为750nm。而且，可在为放电下限的0.4Pa的Ar压力下进行SiO2膜形成，以增加膜密度。
如图29和图30中所示，形成Cu引线11。Cu引线11将上部电极膜6的驱动电极6a和左侧和右检测电极6b和6c连接到在电压施加侧的导轨111，且将下部电极4连接到在GND侧的导轨112。如图31中所示，对于全部元件以与上述相类似的方式进行通过Cu引线11的连接。将Cu用于引线的原因在于，在极化之后通过湿法蚀刻可容易地将Cu溶解，且由此可允许元件在此变成相互独立且不被损坏。因此，只要该材料是能够被消除且不损坏元件的导电材料，可以任意确定该材料。希望引线宽度t29(参考图33)为30μm或更多，以确保在极化中的连续性。
对于用于形成Cu引线11的方法，使用所谓的剥离技术，其中通过光刻技术形成具有希望形状的开口部分的抗蚀剂图案膜，通过溅射形成Cu膜，且之后，与移除抗蚀剂膜同时移除粘着到不必要部分的溅射膜。将Cu膜厚度指定为400nm以确保在极化中的连续性。可任意确定用以形成引线膜的方法，且不限于上述的形成方法。
如图32中所示，形成背部表面停止膜12。这便于防止由于在下述的振动梁形成中进行浸透蚀刻时的等离子体浓度产生的最底部表面额外边缘形状的出现。在当前实施例中，通过溅射在所有背部表面上形成500nm的SiO2。
振荡横梁形成步骤
如在图33、图34和图35中所示，提供横梁间隔，且由此，形成振动梁。图34是通过图33中示出的线XXXIV-XXXIV表示的截面的截面图。图35是通过图33中的线XXXV-XXXV表示的截面的截面图。
对于用于提供横梁间隔的方法，通过光刻技术形成具有对应于穿透部分(penetration portion)13的开口部分的抗蚀剂图案膜，通过离子蚀刻移除热氧化膜2A，且之后，蚀刻衬底1直到其被穿透。可通过湿法蚀刻移除热氧化膜2A。然而，考虑到由于侧面蚀刻引起的尺寸误差，优选离子蚀刻。
在当前实施例中，振动梁厚度t14(隔膜厚度t11)为100μm。因此，希望通过蚀刻移除该数量以穿透衬底1的Si。在通常的离子蚀刻等中，难以确保相对于抗蚀剂膜的选择率，且难以留下垂直的壁表面。在当前实施例中，通过使用提供有电感耦合等离子体(ICP)的装置和其中重复侧壁保护膜的蚀刻以及膜形成(蚀刻中为SF6和膜形成中为C4F8)的博希(Bosch)过程来形成具有垂直侧壁表面的振动梁。已经普遍形成了垂直磨削Si材料的技术。在当前实施例中，使用商业上可获得的装置。然而，可任意确定该用于提供横梁间隔的方法，但不限于上述的方法。在当前实施例中，将蚀刻宽度t7指定为适合于通过ICP蚀刻的200μm。防止Cu引线11被穿透。
在完成了通过ICP的蚀刻之后，移除背部表面停止膜12。可任意确定该移除方法。在当前实施例中，通过使用氟化铵的湿法蚀刻进行该移除。此时，如果在移除停止膜12之前移除具有穿透图案的抗蚀剂，则消除了绝缘保护膜10。因此，在移除停止膜之后移除抗蚀剂。图36至图38示出在移除停止膜12和抗蚀剂之后的状态。
极化处理步骤
在图39A和39B中示出的元件进行了极化处理以稳定压电特性。将相同行中的元件通过施加侧衬垫和GND侧衬垫连接到外部电源，以便于通过一个操作来极化。可任意确定连接方法和极化方法。在当前实施例中，通过引线接合进行至外部电源的连接，且最后进行极化处理。
如在图40A和40B中所示，在进行极化处理之后，移除不必要的Cu引线11。当进行切割以分离元件同时保留Cu引线11时，Cu引线11和衬底1引起在切割表面的漏电。因此，希望进行化学移除。在当前实施例中，通过使用由Meltex公司制造的ENSTRIP溶液进行湿法蚀刻且以不损坏元件的这种方式来溶解和移除Cu引线11。
如上所述，通过表面处理形成振动陀螺传感器元件100，通过经由上述薄膜处理制造的薄膜引线的一个操作对多个元件进行极化处理，且由此廉价且稳定地形成大量的薄膜陀螺装置。
移除Cu引线11不限于上述通过湿法蚀刻的溶解和移除。在下述的元件切割步骤中，由于沿着Cu引线11切割元件，所以通过在使用切块机切割元件中的磨削移除Cu引线11。在这种情况下，希望Cu引线11的形成宽度t29小于或等于切削旋转磨石的宽度。在当前实施例中，通过使用具有40μm的旋转磨石宽度的切块机来分离元件，希望Cu引线11的形成宽度t29为20μm或更多和40μm或更少。如果该宽度小于20μm，由于施加极化电压时的电阻，所以产生了热量，且会熔化引线11。如果该宽度超出了40μm，则由于该宽度大于旋转磨石的宽度，所以在分离之后引线保留在元件上。
金突起形成步骤
如图41A和41B中所示，能够形成用于倒装芯片的Au突起14。Au突起14形成于四个电极衬垫上。
切割步骤
如图42A和42B中所示，在衬底1上形成作为压电薄膜传感器的15个振动陀螺传感器100，且将其分为独立的元件。如图42B中所示，根据元件尺寸沿着切割线L1至L3进行切割。以这种方式，完成振动陀螺传感器元件100，其通过穿透部分13和切割表面分隔开且用作图43中示出的压电薄膜传感器。结果，图42B中的部分C变成不必要的部分。
安装步骤
独立分开的振动陀螺传感器元件100通过倒装芯片安装技术安装于支撑衬底如IC衬底上，例如图44中所示。以这种根据元件配置完成电性连接的方式事先设计IC衬底。在图44中示出的实例中，在X方向和Y方向每一个上安装振动陀螺传感器元件100，且由此构成了提供有两个振动陀螺传感器元件100A和100B的双轴角速度传感器150。
气密地密封该角速度传感器150并通过覆盖元件15将其保护起来以防止该元件和电路与外部接触，如图45中所示。可任意确定用于覆盖元件15的材料。然而，考虑到外部噪声的影响，希望使用显示出屏蔽效应的材料，如金属。希望覆盖元件15为不阻碍振动梁的振动的形状。
第二实施例
近些年，电子元件通常通过穿过回流炉连接到安装衬底。在这种情况下，暴露电子元件以在250℃下加热。希望振动陀螺传感元件100的特性在该回流温度下不改变。
因此，在当前实施例的极化处理方法中，高温极化的温度和电压施加时间相关联，且控制电压施加的开始时间Ts天和完成时间Te天，如图46中所示。即为，图46中示出的温度曲线对应于在回流炉中的温度曲线。通过在高于对应于回流的温度的温度(例如，250℃至255℃)下开始电压施加，并且在低于回流温度的温度(例如，室温)下完成电压施加来进行偏压处理。
以这种方式，通过在高于对应于回流温度的温度下开始电压施加和在低于回流温度的温度下完成电压施加来开始其中进行一次回流的状态。因此，即使在下面的步骤中进行回流，也可以不改变极化特性。而且，在进行极化处理之后，通过暴露到对应于回流的温度下来进行检测信号的调整，如下所述。
图47示出了施加的电压和在极化处理中检测信号电压之间的关系。该极化温度为回流中的峰值温度(在当前实例中为260℃)。如图47中所示，随着施加的电压增加，获得较高的检测信号，且在施加的电压为5V或更多时，获得1V或更高的检测信号。当获得1V或更高的检测信号时，使得IC可更适当地操作，且可确保预定的检测灵敏度。在施加的电压为15V或更多时，检测信号电压为常数(在当前实例中为1.5V)。当在检测信号为常数的施加电压下进行极化操作时，会降低晶片之中元件特性的变化。
只要施加的电压处于由于电压产生的元件击穿不发生的范围内，可不指定施加电压的上限，即为，在元件不发生介质击穿的范围内。在图47中示出的实例中，绘图数据直到在极化中施加的电压达到25V。然而，当然，根据构成压电的材料，施加的电压可进一步增加。此外，施加的电压可根据处理的温度而变化。例如，当在高于或等于对应于回流的温度下进行极化处理时，施加15V或更多的电压(例如，20V)，且在低于或等于对应于回流温度的温度下，施加的电压降低(例如，5V)。就电场强度，在极化处理中施加到压电膜的电压量级为5V/μm或更多时，可获得预定级或更大的检测信号电压。
当检测在开始施加电压的温度和在极化处理中的检测信号电压之间的关系时，获得了图48中示出的结果。施加的电压为5V。在图48中，通过水平轴表示的施加开始温度是通过用施加开始温度减去峰值温度(260℃)所确定的温度。如从图48中的结果清楚可见，通过在峰值温度或达到峰值温度之前开始电压施加，可获得恒定的检测信号电压(1V)。即，从图48中可确定，当从低于峰值温度的温度施加电压时(图中水平轴的负侧)，检测信号高且恒定，反之，当在过了峰值温度之后施加电压时(图中水平轴的正侧)，检测信号会降低。
而且，测量中断了施加电压的温度和在回流之后的检测信号电压之间的关系，获得了图49中示出的结果。施加的电压为5V。在图49中，通过水平轴表示的电压中断温度是通过由回流温度(当前实施例中为250℃)减去电压中断温度所确定的温度。如从图49中清楚可见，当在低于回流温度的温度中断施加电压时，获得恒定的检测信号电压(1V)。即，从图49可以确定，当以高于回流温度(图中水平轴的负侧)的温度中断施加电压时，检测信号降低，反之，当以低于回流温度(图中水平轴的正侧)的温度中断电压施加时，检测信号高。
因此，通过从高于对应于回流温度的温度施加电压直到温度低于回流温度，可开始其中已经进行一次回流的状态，且之后暴露到相应的温度以回流，与在当前实施例中一样。因此，即使在接下来的步骤中进行回流，也可不改变极化特性且获得恒定的检测信号电压。
如从图50中可清楚看出，当在极化处理之后再次施加高温和测量检测信号的衰减因子时，由于在较高温度下进行再次热处理且暴露温度变得更高，因此检测信号的衰减因子降低。即，图50是示出检测信号量级的衰减因子的图，且因此其表示出关于只进行极化处理的振动器的检测信号，通过接下来的加热改变如何起始信号的量级。从该图可以确定，在再加热温度和衰减因子之间存在关联，且可通过加热温度调整衰减因子。因此，当在晶片中的振荡器的压电特性表现出分布时，以高于再加热其它部分温度的温度进行检测信号过高的部分中的振动器再加热，以允许检测信号变成与其它部分相同的量级，且由此，可在整个晶片上制造具有均匀检测信号的振动器。尤其是，当在通过IC进行的信号处理中设置检测信号值的上限时，通过调整再加热温度来调整检测信号以适合于IC，以便于提高在振动器制造中的产量。
以这种方式，关于上述高温极化的温度和施加的电压，可从高于对应于回流温度的温度施加电压，且可通过在接下来的步骤中的暴露温度来调整检测信号的量级。即，振动器的检测信号的量级可降低至希望的量级，且可通过极化处理之后的退火处理的温度来调整。在根据当前发明实施例，于极化处理之后进行再加热的情况下，可通过再加热温度调整检测信号的量级以变成希望的量级。
第三实施例
总之，在进行了上述的极化处理以稳定压电特性之后，使用夹入在参考电极104a和驱动电极106a(检测电极106b和106c)之间的压电膜105a(参考图3)。该极化处理是在预定方向上对准压电膜的极化方向的处理。通常，在低温(室温，如，30℃)下进行压电膜的极化处理。由参考数字105L表示进行了该低温极化处理的压电膜。
本发明的发明人注意到，与在低温下进行了极化处理的压电膜105L的滞后回线的回线中心O(或矫顽电场Ec)相比，在高温下进行了极化处理的压电膜的滞后回线的回线中心O’(或矫顽电场Ec’)负电场强度方向移动。在接下来的说明中，由参考数字105H表示进行了高温极化处理的该压电膜。
当通过施加对应于进行了低温极化处理的压电膜105L的回线中心O的操作电压来驱动进行了高温极化处理的压电膜105H时，基本通过对应于回线中心O’的移动量的补偿电势来驱动压电膜105H。即，输入到驱动电极106a的交流电信号的中心电场强度设置于从压电膜105H的滞后回线的中心O’的正向移动的位置处。
以这种方式，驱动压电元件，同时将预定补偿电势施加到参考电极104a和驱动电极106a以及检测电极106b和106c之间。因此，可以以高于参考电势的电势产生自检测电极106b和106c的检测信号，从而可以增加SN比率且提高检测灵敏度。
在此，对应于进行低温极化处理的压电膜105L的回线中心O的操作电压表示对应于驱动电极106a和参考电极104a设置为相同电势且使用压电元件而不在两个电极之间施加补偿电势的情况下的操作电压。以这种方式，如图51中所示，进行高温极化处理的压电膜105H的回线中心O’在相对于操作电压的负电场强度方向移动。
图52A示出了极化温度和压电膜的矫顽电场Ec的移动数量(绝对值)之间的关系。由处理温度T对压电膜的居里(Curie)温度Tc的比率(T/Tc)来表示水平轴的极化温度。在当前实例中，具有约400℃的居里温度的PZT用作压电膜的样品。图52B示出了处理温度和在图52A中示出的T1至T6的每一点处的矫顽电场Ec的移动量。
如图52A和52B中所示，当极化温度(T/Tc)为0.2或更多时观测到矫顽电场Ec的移动。随着极化温度的增加，矫顽电场的转换量也增加。矫顽电场的移动量对应于压电膜的操作电压的补偿量。因此，压电膜的特性(灵敏度)也随着矫顽电场的移动量的增加而提高。图53示出了矫顽电场移动量和压电特性之间关系的实例。在图53中，竖直轴表示相对于进行了低温极化处理的压电膜105L的检测灵敏度的比率。
根据当前实施例，通过极化温度(T/Tc)为0.2或更多、尤其是处理温度T为100℃或更多的高温极化处理，允许压电膜105H的矫顽电场移动0.5V/μm或更多。因此，增强压电特性2或更多倍，而不进行其中偏置电势施加到电极之间的电路设计。因此，对角速度的检测灵敏度可显著地增加，且由此可提高元件特性。而且，其可以令人满意地响应于元件的最小化。
具有不同居里温度的其它压电膜倾向于显示出与极化温度(T/Tc)和图52A中示出的矫顽电场Ec的移动量之间关系相类似的关系。因此，例如在PZT用作压电膜的情况下，尽管根据锆对钛的组合比率来改变居里温度，相类似的关系可施加到任一组合比率。
如上所述，在当前实施例的振动陀螺传感器元件100中，由于通过改变压电膜的极化处理条件而将压电膜的操作电压设置在从压电膜的滞后回线中心在正向方向移动的位置处，所以对角速度的检测灵敏度较平时会增加，且由此，可提高输出精确度。
如上所述，在晶片级多个元件的同步制造中，因为由面内晶片处理均匀度问题导致的元件特性中的变化可以被补偿，所以提高了可获得的百分比或产量。
第四实施例
总之，通过穿过回流炉将小的电子元件连接到安装基板，如上所述。在这种情况下，将约250℃的热量施加到电子元件。希望振动陀螺传感器元件100的特性在该回流温度下不改变。因此，在上述的第二实施例中，在高于或等于该回流温度的温度下进行极化处理，使得即使当施加回流温度时，元件特性也不改变。
另一方面，各种材料可包含在构成振动器的薄膜中，且当完成元件时，由于各种薄膜层的拉伸强度而在振动器中发生翘曲。因此，如果不考虑振动器的翘曲方向和压电膜的极化方向，则电特性可能不会被稳定，且极化状态失效。
在当前实施例中，通过指定在高温极化中的电压施加极性的变化和在形成处理中产生的振动器翘曲之间的关系，制造能够显示出希望的检测输出的振动陀螺传感器元件。
如在上述第一实施例中说明的，通过在振动陀螺传感器元件100的振动器110表面上叠置来设置构成参考电极104a的下部电极膜4、构成压电膜105a的压电膜5和构成驱动电极106a和检测电极16b和106c的上部电极膜6。由于在厚度约为100μm的薄振动器110的表面上形成这些薄膜层，所以根据这些组成膜的材料选择，由于材料的应力，振动器110自身很可能翘曲。
另一方面，在处在其中在进行极化处理之后对准极化的状态中同时使用压电膜5本身。如图54A中所示，在上部电极膜6侧为正电极(+)和下部电极膜4侧为负电极(-)的情况下，以从上部电极膜6侧向下部电极膜4侧的方向极化压电膜5。当将振动电压施加到该上部电极膜6侧为正电极和下部电极膜6侧为负电极的状态时，振动器110向压电膜5侧翘曲，如图55A中所示。反之，如图54B中所示，当将振动电压施加到上部电极膜6侧为负电极和下部电极膜4侧为正电极的状态时，振动器110以翘曲向相对于压电膜5的一侧发生的方式进行操作，如图55B中所示。与振动器的共振频率交替地重复正性状态和负性状态，且由此竖直地振动振动器。
关于压电膜5，根据极化方向自然地确定翘曲发生的方向。当从上部电极膜6侧向下部电极膜4侧进行极化处理时，如图54A中所示，振动器110具有向压电膜5侧翘曲的特性，如图55A中所示。反之，当从下部电极膜4侧向上部电极膜6侧进行极化处理时，如图54B中所示。振动器110具有向压电膜5的相反侧翘曲的特性，如图55B中所示。
另一方面，在压电膜5从上部电极膜6侧向下部电极膜4侧极化的情况下，如图54A中所示，如图55A中所示的其中振动器110向压电膜5侧翘曲的状态表示极化是稳定的。其对于相反的极化方向也是这样的。
因此，在振动器110向压电膜5侧翘曲的情况下，如图55A中所示，在形成下部电极膜4、压电膜5和上部电极膜6的时间点处，极化状态倾向于在那个方向上变得稳定。即为，将正电极连接到上部电极膜6侧、将负电极连接到下部电极膜4侧和在将极化方向从上部电极膜6侧导向下部电极膜4侧来进行极化处理是适合的。
图56是关于翘曲方向和极化方向的实际振动器的检测信号输出的曲线。在当前实例中，振动器110向压电膜5侧翘曲，如图55A中所示。在图56中，术语“极化和翘曲在相同的方向”表示其中将上部电极膜6侧指定为正向电极和将下部电极膜4侧指定为负向电极的极化处理，如图54A中所示，和属于“极化和翘曲为相反方向”表示其中将上部电极膜6侧指定为负电极和将下部电极膜4侧指定为正电极的极化处理，如图54B中所示。
从图56中可以确定，在翘曲和极化的方向相互对准情况下的输出高于在翘曲和极化在晶片的任一位置处不对准的情况下的输出。
而且，从图57中示出的长期持续测试的结果可以确定，其中极化和翘曲为相同方向的上述样本的输出长时间保持为常数，反之，其中极化和翘曲为相反方向的样品的特性会变劣，尽管这可以由其中长期持续测试状态的极化变劣引起。
因此，希望考虑到形成于振动器110上的振薄膜材料的应力状态来确定压电膜5的极化方向，和以适合于以相同方向施加应力的方向进行极化处理。在上述实例中，作为实例说明了其中制造的振动器向压电膜侧翘曲的状态。然而，存在其中振动器根据选择的薄膜材料以与上述实例中的方向相反的方向翘曲的情况。在这种情况下，希望极化施加方向与上述实例中的方向相反，且当然也可以选择用于稳定极化状态的极化方向。
上述的当前说明书中公开的压电元件(振动陀螺传感器元件)及其制造方法可提供有以下其它的结构。
1.一种用于制造振动陀螺传感器元件的方法，该振动陀螺传感器元件提供有包括设置在衬底表面上的第一电极膜、设置在第一电极膜上的压电膜和设置在压电膜上的第二电极膜的振动器，该方法包括如下步骤：通过薄膜处理在衬底上形成多个上述振荡器单元；和通过上述的薄膜处理经由设置在衬底上的引线同时地进行多个振荡器的极化处理。
2.该用于制造根据上述项1的振动陀螺传感器元件的方法，其中上述压电膜的极化处理温度对压电膜的居里温度的比率是0.2或更多。
3.一种用于制造振动陀螺传感器元件的方法，该振动陀螺传感器元件的方法提供有包括设置在衬底表面上的第一电极膜、设置在第一电极膜上的压电膜和设置在压电膜上的第二电极膜的振动器，其中上述振动器倒装芯片安装在支撑衬底上，且上述支撑衬底通过回流连接到安装衬底，该方法包括步骤：上述振荡器极化处理步骤中，以高于对应于回流温度的温度施加电压，并以低于对应于回流温度的温度结束施加电压。
4.该用于制造根据上述项3的振动陀螺传感器元件的方法，该方法包括步骤，在上述的极化处理之后，将上述的振荡器暴露到对应于回流的温度。
5.该用于制造根据上述项3的振动陀螺传感器元件的方法，其中，在电场强度方面，在上述压电膜的上述压电处理中的电压量级为5V/μm或更大。
6.一种振动陀螺传感器元件，该振动陀螺传感器元件提供有包括设置在衬底表面上的第一电极、设置在第一电极膜上的压电膜和设置在压电膜上的第二电极膜的振动器，其中将施加到上述压电膜的交流信号的中心电场强度设置于从压电膜的滞后回线中心以正向移动的位置处。
7.根据上述项6的振动陀螺传感器元件，其中将施加到上述的第一电极膜和上述的第二电极膜之间的交流信号中心电场强度设置于从上述压电膜的滞后回线中心以正向移动的位置处。
8.根据上述项7的振动陀螺传感器元件，其中上述压电膜的滞后回线的中心移动量为0.5V/μm或更多。
本领域技术人员应当理解，在权利要求或其等同物的范围内，根据设计需要和其它因素可进行各种修改、组合、子组合和改变。
Claims (27)
1、一种压电元件，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一电极膜；
设置在所述第一电极膜上的压电膜；和
设置在所述压电膜上的第二电极膜，
其中所述压电膜具有由多个结晶化的压电薄膜构成的叠置结构。
2、根据权利要求1的压电元件，
其中所述压电薄膜的厚度为350nm或更小。
3、根据权利要求2的压电元件，
其中叠置至少三层所述压电薄膜。
4、根据权利要求1的压电元件，
其中所述第一电极膜包括钛层和铂层的叠置膜。
5、根据权利要求4压电元件，
其中所述钛层的厚度在5nm或更多和20nm或更少的范围内。
6、根据权利要求1的压电元件，
其中所述压电元件具有悬臂形状。
7.根据权利要求1压电元件，
其中所述衬底是硅单晶衬底。
8、根据权利要求1的压电元件，
其中所述第二电极膜包括设置在所述压电膜上的驱动电极和夹着所述驱动电极的一对检测电极。
9、根据权利要求1的压电元件，
其中压电膜包括作为主要成分的铅、锆、钛和氧。
10、根据权利要求1的压电元件，
其中将施加在所述第一电极膜和所述第二电极膜之间的交流信号中心电场强度设置于从所述压电膜的滞后回线中心以正向移动的位置处。
11、根据权利要求10的压电元件，
其中当驱动压电膜同时将所述第一电极膜和所述第二电极膜连接到相同电势时，所述压电膜的滞后回线的中心相对于交流信号以负向移动。
12、根据权利要求11的压电元件，
其中所述压电膜的滞后回线中心的转换量为0.5V/μm或更多。
13、一种用于制造压电元件的方法，该方法包括步骤：
在衬底上形成第一电极膜；
在所述第一电极膜上形成压电膜；和
在所述压电膜上形成第二电极膜，
其中通过形成压电薄膜的膜形成和热处理压电薄膜以影响结晶化的结晶化热处理的重复循环，来形成具有预定厚度的压电膜。
14、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中每个循环形成的压电薄膜厚度为350nm或更少。
15、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中在700℃或更多和800℃或更少的范围内进行结晶化热处理。
16、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中通过在氧气氛围中以溅射方法进行压电薄膜的膜形成。
17、根据权利要求16的用于制造压电元件的方法，
其中氧气氛围是氧气和惰性气体的混合气体的氛围，和
氧气的分压是50％或更多。
18、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中压电薄膜包括锆钛酸铅，和
基于原子重量相对于钛和锆的总含量1，用于溅射的靶的铅含量为1.02或更多和1.1或更少。
19、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中形成所述第一电极膜的步骤包括：
在所述衬底上形成钛层；和
在所述钛层上形成铂层。
20、根据权利要求19的用于制造压电元件的方法，
其中所述钛层的膜厚在5nm或更大和20nm或更小的范围内。
21、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，该方法还包括步骤：
在形成所述第二电极膜之后图案化所述第二电极膜；
在图案化所述第二电极膜之后图案化所述压电膜；和
在图案化所述压电膜之后图案化所述第一电极膜。
22、根据权利要求21的用于制造压电元件的方法，
其中通过湿法蚀刻方法进行所述压电膜的图案化。
23、根据权利要求13的用于制造压电元件的方法，
其中在所述衬底上同时进行多个所述第一电极膜的、多个所述压电膜和多个所述第二电极膜形成和图案化，和
通过设置在所述衬底上的引线同步地进行多个压电膜的独立极化处理。
24、根据权利要求23的用于制造压电元件的方法，
其中通过在进行所述极化处理之后的溶解来移除所述引线。
25、根据权利要求23的用于制造压电元件的方法，
其中通过在进行所述极化处理之后的磨削来移除所述引线。
26、根据权利要求23的用于制造压电元件的方法，
其中压电膜的极化处理温度对压电膜的居里温度的比率为0.2或更多。
27、根据权利要求23的用于制造压电元件的方法，
其中在所述压电膜的极化处理中，将所述第一电极膜连接到负电极，和将所述第二电极膜连接到正电极。
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