DE112006000191B4

DE112006000191B4 - Prozess zur Herstellung eines Piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE112006000191B4
Application number: DE112006000191.4T
Authority: DE
Inventors: Yuki Nakamura; Yuji Murashima; Masahiro Yasumi; Kazuki Komaki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: KR20070093102A; DE112006000191T5; US20100125988A1; CN101120455A; US8006357B2; WO2006090618A1; CN100530735C; KR100880306B1; JP2006237118A

Abstract

Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element, bei welchem vorgesehen sind: ein erster Prozess der Ablagerung einer unteren Elektrodenschicht (2), einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht (4) aufeinander folgend auf einem Substrat (1); ein zweiter Prozess des Ätzens einschließlich einer Trockenätzung; ein dritter Prozess des Polarisierens durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4); und ein vierter Prozess des Vereinzelns des Elements in unabhängige Einheiten, wobei die untere Elektrodenschicht (2) und die obere Elektrodenschicht zumindest dann, wenn die Trockenätzung eingesetzt wird, kurzgeschlossen bleiben, und wobei der zweite Prozess eine Trockenätzung zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements und nachfolgendes Nassätzen zum Unterbrechen des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elements, das einen piezoelektrischen Dünnfilm einsetzt, zum Einsatz als ein Sensor, ein Betätigungsglied oder dergleichen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein piezoelektrischer Dünnfilm, der aus Ferroelektrica mit Perowskit-Struktur hergestellt wird, weist hervorragende dielektrische, piezoelektrische und pyroelektrische Auswirkungen auf, und von ihm wird erwartet, dass er in weitem Ausmaß für verschiedene piezoelektrische Bauelemente eingesetzt wird, einschließlich Sensoren, Stellgliedern und Wandlern. Der piezoelektrische Dünnfilm aus Ferroelektrica weist inhärent eine spontane Polarisierung auf. Wenn eine mechanische Belastung auf den piezoelektrischen Dünnfilm einwirkt, wird der Polarisationszustand durch mechanische Spannung geändert, und als ein Strom detektiert. Wenn eine Spannung an den Dünnfilm angelegt wird, expandiert sich der Film und zieht sich zusammen, in Reaktion auf die Intensität der angelegten Spannung.
Ein piezoelektrisches Element, welches den piezoelektrischen Dünnfilm einsetzt, wird durch Ablagern einer unteren Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht nacheinander auf einem Substrat hergestellt. Wenn eine Spannung über die untere Elektrodenschicht und die obere Elektrodenschicht angelegt wird, expandiert der piezoelektrische Dünnfilm sich bzw. zieht sich zusammen, wodurch eine mechanische Verschiebung hervorgerufen wird. Infolge dieser Eigenschaft ist es zur Verbesserung der Leistung des piezoelektrischen Elements wesentlich, die Polarisierungsrichtung des Films in derselben Richtung wie jener der angelegten Spannung auszurichten, nämlich in Richtung der Dicke des Films.
Ein typisches Herstellungsverfahren für ein derartiges herkömmliches piezoelektrisches Element ist in den 22A bis 22E dargestellt. Die 22A bis 22E sind Querschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren für das herkömmliche piezoelektrische Element erläutern.
Zuerst wird, wie in 22A gezeigt, eine untere Elektrode 102 ausgebildet, durch Ablagern einer Schicht aus Platin, Iridium und Titan aufeinander folgend auf einem ersten Siliziumsubstrat 101 mit einem thermischen Siliziumdioxidfilm. Dann wird die untere Elektrodenschicht 102 durch ein Verfahren mit reaktiver Ionenätzung mit einem Muster versehen. Dann wird ein piezoelektrischer Dünnfilm durch ein Sol-Gel-Verfahren auf der unteren Elektrodenschicht 102 abgelagert. Die piezoelektrische Dünnfilmschicht 103 wird aus Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt, welches Bleimagnesiumniobat enthält. Dann wird die obere Elektrodenschicht 104 durch aufeinander folgendes Sputtern von Titan und Iridium auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 103 ausgebildet, und dann wird die obere Elektrodenschicht 104 durch reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen.
Dann wird, wie in 22B gezeigt, ein anderes Substrat oder eine andere Schicht 105 über eine Haftschicht 106 an einer Seite der oberen Elektrode 104 oberhalb des ersten Substrats 101 angebracht. Die Haftschicht 106 ist eine Polyesterfilmschicht. Dann lässt man, wie in 22C gezeigt, Ultraviolettstrahlung (nachstehend als UV bezeichnet) einer UV-Lampe auf die Polyesterfilm-Haftschicht 106 einwirken, um ihre Haftfestigkeit abzuschwächen, und dann wird das erste Substrat 101 von der Haftschicht 106 abgeschält. Dann lässt man, wie in 22D gezeigt, die untere Elektrodenschicht 102 über die Haftschicht 107 an dem bereits hergestellten zweiten Substrat 108 anhaften. Dann lässt man UV-Strahlung auf die Haftschicht 106 über das andere Substrat oder die andere Schicht 106 einwirken, wodurch die Haftfestigkeit der Haftschicht 106 an der oberen Elektrodenschicht 104 abgeschwächt wird, und dann wird das andere Substrat oder die andere Schicht 106 sowie die Haftschicht 106 von der oberen Elektrode 104 abgeschält, wie dies in 22E gezeigt ist. Ein Herstellungsverfahren für diese Art eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements ist beispielsweise in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung Nr. JP 2000-91 656 A beschrieben.
Wenn bei der voranstehend geschilderten Konstruktion auf die obere Elektrodenschicht 104 eine elektrische Ladung einwirkt, wird ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Dünnfilmschicht 103 angelegt, wodurch der spontane Polarisierungszustand geändert wird. Die elektrische Aufladung der oberen Elektrodenschicht 104 wird durch statische Elektrizität hervorgerufen, durch eine elektrische Ladung, die in einem Plasma erzeugt wird, das bei einem Herstellungsprozess oder während des Trockenätzens verwendet wird, oder durch einen pyroelektrischen Effekt in der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 103, der etwa durch eine plötzliche Temperaturänderung hervorgerufen wird. Wenn ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung angelegt wird, bevor der Polarisierungsprozess beginnt, wird es schwierig, vollständig die Polarisierungsrichtung in vorbestimmter Art und Weise in dem Polarisierungsprozess auszurichten.
Die US 2002/0 130 929 A1 zeigt eine Herstellungsmethode für ein piezoelektrisches Element, die folgende Schritte umfasst: Ausbilden einer Membran auf einem Substrat; Ausbilden einer unteren Elektrode auf der Membran; Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht auf der unteren Elektrode; Strukturieren der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode; Ausbilden einer zweiten piezoelektrischen Schicht zum Ablagern eines piezoelektrischen Dünnfilms; und Ausbilden einer oberen Elektrode auf dem piezoelektrischen Film.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung wird angestrebt, ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Erzeugung eines elektrischen Felds in einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht während eines Herstellungsprozesses vermieden wird, wodurch beträchtliche piezoelektrische Eigenschaften oder eine beträchtliche Leistung des Elements sichergestellt werden.
Das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element gemäß der Erfindung umfasst einen ersten bis einen vierten Herstellungsprozess. Der erste Prozess ist ein Ablagerungsprozess zum aufeinander folgenden Ablagern einer unteren Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht auf einem Substrat. Der zweite Prozess ist ein Ätzprozess, welcher Trockenätzung umfasst. Der dritte Prozess ist ein Polarisierungsprozess zum Polarisieren durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht. Der vierte Prozess ist ein Vereinzelungsprozess zum Vereinzeln jedes piezoelektrischen Elements. Da die untere Elektrodenschicht und die obere Elektrodenschicht zumindest beim Trockenätzungsprozess kurzgeschlossen bleiben, kann verhindert werden, dass die obere Elektrodenschicht elektrisch geladen wird. Daher kann verhindert werden, dass an die piezoelektrische Dünnfilmschicht unerwartet ein elektrisches Feld angelegt wird, so dass die Polarisierung in einer Richtung ausgerichtet werden kann. Auf diese Art und Weise wird ein Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element zur Verfügung gestellt, welches eine hervorragende piezoelektrische Eigenschaft aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen ersten Prozess des Herstellungsverfahrens für das piezoelektrische Element gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die den ersten Prozess für das Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
4 ist eine Querschnittsansicht, welche den ersten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
6 ist eine Querschnittsansicht, die den zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
7 ist eine Querschnittsansicht, welche den zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
6 ist eine Querschnittsansicht, die den zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
9 ist eine Querschnittsansicht, die den zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
10 ist eine Querschnittsansicht, die den zweiten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen dritten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
12 ist eine Querschnittsansicht, die einen vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
13 ist eine Querschnittsansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
14 ist eine Querschnittsansicht zum Erläutern des vierten Prozesses des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform.
15 ist eine Querschnittsansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
16 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Elements gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erläutert.
17 ist eine Querschnittsansicht, die einen vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
18 ist eine Querschnittsansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
19 ist eine Querschnittsansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
20 ist eine Querschnittsansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
21 ist eine Querschnittansicht, die den vierten Prozess des Herstellungsverfahrens des piezoelektrischen Elements gemäß derselben beispielhaften Ausführungsform erläutert.
22A ist eine Querschnittsansicht, die ein Herstellungsverfahren eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements zeigt.
22B ist eine Querschnittsansicht, die das Herstellungsverfahren des herkömmlichen piezoelektrischen Elements zeigt.
22C ist eine Querschnittsansicht, die das Herstellungsverfahren des herkömmlichen piezoelektrischen Elements zeigt.
22D ist eine Querschnittsansicht, die das Herstellungsverfahren des herkömmlichen piezoelektrischen Elements zeigt.
22E ist eine Querschnittsansicht, die das Herstellungsverfahren des herkömmlichen piezoelektrischen Elements zeigt.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: untere Elektrodenschicht
3: piezoelektrische Dünnfilmschicht
4: obere Elektrodenschicht
5: erster Resistfilm
6: zweiter Resistfilm
7: dritter Resistfilm
8: elektrischer Leiter

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
ERSTE BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Elements gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die 2 bis 15 sind Querschnittsansichten des piezoelektrischen Elements, welche einen ersten bis vierten Prozess des Herstellungsverfahrens erläutern. Jeder Herstellungsprozess wird nachstehend entsprechend dem Flussdiagramm in 1 erläutert. Unter Berücksichtigung einer Fertigungslos-Herstellung piezoelektrischer Elemente werden untere Elektroden und obere Elektroden jedes Elements vorzugsweise so verbunden, dass sie auf gleichem Potential liegen. Zur Erläuterung der beispielhaften Ausführungsform zeigen die Zeichnungen Querschnittskonstruktionen von drei Teilen eines piezoelektrischen Elements für jeden derartigen Herstellungsprozess.
Bei dem in 2 gezeigten, ersten Prozess wird zur Ausbildung einer unteren Elektrodenschicht 2 auf einem Si-Substrat 1, das aus Silizium besteht, Pt so abgelagert, dass es in Richtung <111> kristallin wird. Als übliches Verfahren zur Ausbildung der unteren Elektrodenschicht 2 wird Platin (Pt) gesputtert, werden Pt und Titan (Ti) gleichzeitig gesputtert, oder werden sie aufeinander folgend mit Gleichstrom (nachstehend als DC bezeichnet) oder Hochfrequenzstrom (nachstehend als RF bezeichnet) bei einem Magnetron-Sputter-Verfahren gesputtert.
Dann erfolgt die Ausbildung einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 durch Sputtern von Bleizirkonattitanat (PZT) (Pb(Zr_1-xTix)O₃) (0 < x < 1) oder dergleichen auf die untere Elektrodenschicht 2, so dass das Material so abgelagert wird, dass es in Richtung <001> kristallin wird, wobei die Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 kleiner wird als jene der unteren Elektrodenschicht 2, wie in 3 gezeigt ist.
Dann erfolgt, wie in 4 gezeigt, die Ausbildung der oberen Elektrodenschicht 4 durch Sputtern oder durch Vakuumverdampfung eines Elektrodenmaterials, wie beispielsweise Gold (Au), auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 so, dass die Schicht 4 elektrisch mit einem Teil der unteren Elektrodenschicht 2 verbunden wird, auf jenem Teil, bei welchem die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 nicht vorgesehen ist.
Durch Ausbildung der Abmessung der oberen Elektrodenschicht 4 größer als jene der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3, und durch Ausbildung der Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 so, dass sie kleiner ist als jene der unteren Elektrodenschicht 2, wodurch die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 kurzgeschlossen werden, wird ein hoher Herstellungswirkungsgrad erzielt. Falls eine Au-Schicht direkt auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 ausgebildet wird, und eine ausreichende Haftfestigkeit von Au nicht sichergestellt ist, wird eine Unterschicht aus Chrom (Cr) oder Ti zuerst ausgebildet, und wird dann die Au-Schicht ausgebildet. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird Ti eingesetzt, und durch Vakuumverdampfung mit einer Dicke von 2 nm bzw. 20 Angström (Å) bis 50 nm bzw. 500 Å hergestellt, wodurch eine ausreichende Haftfestigkeit erzielt wird.
Wie geschildert, wird ein Bereich, in welchem die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 nicht vorgesehen ist, auf der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4 ausgebildet, welche den Bereich abdeckt. Bei dieser Anordnung werden die untere Elektrodenschicht 2, die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 und die obere Elektrodenschicht 4 aufeinander folgend auf dem Substrat 1 abgelagert. Daher werden die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 kurzgeschlossen, so dass ein gleiches elektrisches Potential zwischen der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 aufrechterhalten wird. Eine Änderung des Polarisierungszustands in der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3, hervorgerufen durch eine elektrische Aufladung der oberen Elektrodenschicht 4, wird daher durch diese Konstruktion verhindert.
Wenn es schwierig ist, die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 nur durch Ausbildung eines Musters bei der oberen Elektrodenschicht 4 kurzzuschließen, kann ein leitfähiges Haftmittel zum Verbinden der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 verwendet werden, über eine Ausbildung eines Musters der Elektrodenschicht 4 hinaus. Auf diese Art und Weise werden die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 durch ein leitfähiges Haftmittel kurzgeschlossen. Das leitfähige Haftmittel wird unmittelbar durch einen mechanischen Prozess oder durch Einsatz eines Lösungsmittels entfernt, bevor der Polarisierungsprozess beginnt, so dass ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Material erzielt wird, welches die Polarisierung homogen in einer vorbestimmten Richtung ausrichtet. Als ein alternatives Verfahren wird eine Drahtverbindung oder ein leitfähiges Band dazu eingesetzt, die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 kurzzuschließen, wodurch ein äquivalenter Effekt wie bei einem leitfähigen Haftmittel erzielt wird. Ein optimales Verfahren zum Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 wird je nach Bedarf ausgewählt, unter Berücksichtigung der Anwendung, der Struktur und der Kosten des piezoelektrischen Elements.
Bei der voranstehend geschilderten Konstruktion werden die untere Elektrodenschicht 2 und die obere Elektrodenschicht 4 kurzgeschlossen, nachdem die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 ausgebildet wird, jedoch vor Beginn des Polarisierungsprozesses, wodurch der Polarisierungszustand oder die Richtung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 stabil aufrechterhalten wird, wodurch ermöglicht wird, die Polarisierung in einer vorbestimmten Richtung in dem Polarisierungsprozess auszurichten. Wenn die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 einem elektrischen Feld während des Herstellungsprozesses einschließlich eines Nachbearbeitungsprozesses ausgesetzt wird, kann die Dünnfilmschicht 3 durch eine elektrische Entladung infolge des pyroelektrischen Effekts teilweise zerstört werden. Allerdings kann die Zerstörung infolge einer elektrischen Entladung infolge des pyroelektrischen Effekts dadurch verhindert werden, dass vorher die Elektrodenschicht 2 und die obere Elektrodenschicht 4 kurzgeschlossen werden. Eine abrupte Temperaturänderung kann ebenfalls eine teilweise Zerstörung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 durch die elektrische Entladung hervorrufen, die infolge des pyroelektrischen Effekts hervorgerufen wird, jedoch kann eine derartige Zerstörung ebenfalls dadurch verhindert werden, dass vorher die Elektrodenschicht 2 und die obere Elektrodenschicht 4 kurzgeschlossen werden.
Als nächstes wird als zweiter Prozess ein erster Resistfilm 5 ausgebildet, wie in 5 gezeigt ist. Dann erfolgt, wie in 6 gezeigt, eine Trockenätzung der oberen Elektrodenschicht 4 und der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 bis herunter zu einer Oberfläche der unteren Elektrodenschicht 2. Dann wird der erste Resistfilm 5 entfernt, wie in 7 gezeigt. Trockenätzung stellt ein äußerst exaktes Verfahren zur Erzeugung eines feinen Musters dar, und ist daher dazu geeignet, ein miniaturisiertes, hochexaktes piezoelektrisches Element zu erzeugen.
Als Trockenätzung ist reaktive Ionenätzung des Typs mit parallelen Platten populär. Bei diesem Verfahren wird ein Werkstück in einer Vakuumätzkammer angeordnet, und wird ein Ätzgas, das typischerweise 20 Standard-Kubikzentimeter (sccm³) aus Kohlenstofftetrafluorid (CF₄) und 40 sccm³Argon (Ar) enthält, in die Kammer eingelassen, wobei ein Vakuum von 2.66644 Pa bzw. 20 mTorr bis 13.3322 Pa bzw. 100 mTorr vorzuziehen ist.
Dann wird ein Werkstück auf einem Halter angeordnet, der parallel zu einer oberen Elektrode der Trockenätzungseinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist, und wird elektrische Hochfrequenzenergie von 700 W angelegt, worauf dann das Ätzgas zu einem Plasma wird. Wenn ein Ätzungs-Kristallkeim eine Filmoberfläche des Werkstücks in dem Plasma erreicht, tritt eine chemische Reaktion auf dem Werkstück auf, und dann wird die chemische Substanz von der Oberfläche des Werkstücks entfernt, womit das Ätzen fertig ist. Zu diesem Zeitpunkt kann, da die untere Elektrodenschicht 2 und die obere Elektrodenschicht 4 kurzgeschlossen sind, kein elektrisches Feld auf die obere Elektrodenschicht 4 oder die Elektrodenschicht 2 einwirken, so dass der Polarisierungszustand oder die Richtung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 stabil aufrechterhalten werden.
Dann wird, wie in 8 gezeigt, ein zweiter Resistfilm 6 ausgebildet. Dann erfolgt, gemäß 9, eine Nassätzung eines Teils der oberen Elektrodenschicht 4 unter Einsatz einer sauren oder basischen Lösung, wobei das Teil die obere Elektrode und die untere Elektrode kurzschließt. Dann wird der zweite Resistfilm 2 entfernt, wie in 10 gezeigt ist.
Als Ätzverfahren sind Trockenätzung und Nassätzung üblich. Trockenätzung ist eine Vorgehensweise, die zum Ätzen eines durch Mikrobearbeitung bearbeiteten Werkstücks auf äußerst exakte Art und Weise geeignet ist, jedoch kann sie zur Beschädigung eines piezoelektrischen Dünnfilms führen, der ferroelektrisch ist. Andererseits ruft Nassätzung eine geringe Prozessbeschädigung hervor, aber geht der Ätzvorgang isotrop vor, wodurch möglicherweise eine Ätzung an der Seite hervorgerufen wird, so dass sie nicht zur Bearbeitung eines durch Mikrobearbeitung bearbeiteten Werkstücks geeignet ist. Durch Vereinigung beider derartigen Eigenschaften kann ein Herstellungsverfahren für ein hochexaktes piezoelektrisches Element mit hoher Leistung erzielt werden. Ein Kurzschlussabschnitt zwischen der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 kann frei wählbar an jedem Ort innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ausgebildet werden, unter Berücksichtigung der Form des piezoelektrischen Elements und von dessen Herstellungsprozess.
Als nächstes wird in dem dritten Prozess ein Gleichstrom über der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4 angelegt, zum Polarisieren des piezoelektrischen Films, wie in 11 gezeigt ist. Die Polarisierung erfolgt vorzugsweise durch Erwärmen des piezoelektrischen Elements bis in die Nähe der Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials. Wenn die Temperatur ansteigt oder absinkt, wird die Änderung des Polarisierungszustands infolge des pyroelektrischen Effekts verhindert, durch Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4.
Dann wird in dem vierten Prozess ein dritter Resistfilm 7 ausgebildet, um die obere Elektrodenschicht 4, die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 und ein Teil der unteren Elektrodenschicht 2 abzudecken, so dass das einzelne piezoelektrische Element seine eigene Form zur Vereinzelung annehmen kann, wie in 12 gezeigt ist. Bei diesem Prozess deckt der dritte Resistfilm 7 vollständig die obere Elektrodenschicht 4 und die piezoelektrische Dünnfilmschicht 3 ab, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung infolge einer elektrischen Entladung verringert wird, die bei einem späteren Prozess hervorgerufen wird. Dadurch, dass der dritte Resistfilm 7 elektrisch leitend ausgebildet wird, wird die Möglichkeit einer Beschädigung infolge einer elektrischen Entladung weiter verringert.
Dann erfolgt, wie in 13 gezeigt, eine Trockenätzung eines freiliegenden Abschnitts der unteren Elektrodenschicht 2. Dann erfolgt, wie in 14 gezeigt, eine Trockenätzung des Siliziumsubstrats 1 zum Vereinzeln jedes piezoelektrischen Elements. Zu Beginn der Trockenätzung des Substrats 1 wird Gas vorzugsweise gegenüber jenem geändert, das zum Ätzen der unteren Elektrodenschicht 2 verwendet wird, also zu einem anderen Gas. Wenn das Ätzen ohne die Änderung des Gases stattfindet, kann möglicherweise die untere Elektrodenschicht 2 seitlich geätzt werden.
Zum Ätzen der unteren Elektrodenschicht 2 wird typischerweise CF₄-Gas oder Ar-Gas eingesetzt. Allerdings wird zum Ätzen des Siliziumsubstrats 1 typischerweise Schwefelhexafluoridgas (SF₆) oder Cyclopropanoctafluoridgas (C₄F₈) eingesetzt, wodurch nur das Siliziumsubstrat 1 in Vertikalrichtung nach unten auf äußerst exakte Art und Weise geätzt wird, und ein Randabschnitt der unteren Elektrode 2, der unter der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 durch Ätzen der unteren Elektrodenschicht 2 ausgebildet wird, unbeschädigt bleibt.
Bei dem voranstehenden vierten Prozess werden einzelne Teile durch Ätzen hergestellt. Allerdings können einzelne Teile ebenso durch Schneiden hergestellt werden. Ein geeignetes Verfahren kann bequem ausgewählt werden, unter Berücksichtigung der Form des Elements und des Herstellungswirkungsgrads für das Element.
Dann wird, gemäß 15, der dritte Resistfilm 7 entfernt, unter Verwendung einer Lösung oder eines Lösungsmittels zum Entfernen von Resist, wobei UV-Strahlung oder Ozon eingesetzt wird. Bei dieser Ausbildung wird der dritte Resistfilm 7 entfernt, während die Erzeugung eines elektrischen Felds in der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 3 während des gesamten Prozesses verhindert wird. Daher wird ein piezoelektrisches Element, das eine hohe Leistung aufweist, äußerst exakt hergestellt. Schließlich wird das einzelne piezoelektrische Element in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (nicht dargestellt) aus Keramik oder dergleichen angebracht, und an diesem typischerweise durch Bonden befestigt. Durch Verbindung der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4 durch Draht-Bonden oder eine andere Maßnahme wird die Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements, wie beispielsweise eines piezoelektrischen Filters, eines piezoelektrischen Stellglieds oder verschiedener Sensorelemente, ermöglicht.
Um die obere Elektrodenschicht 4 und die untere Elektrodenschicht 2 nach Ausbildung der Dünnfilmschicht 3 kurzzuschließen, wird ein leitfähiges Haftmittel, ein leitfähiges Band, das aus Kohlenstoff oder Kupferfolie besteht, oder Draht-Bonden eingesetzt, wodurch es einfach wird, den Kurzschlussabschnitt bei einem späteren Prozess zu entfernen. Weiterhin wird durch Kurzschließen der oberen Elektrodenschichten 4 und der unteren Elektrodenschichten 2 mehrerer piezoelektrischer Elemente parallel ermöglicht, eine Änderung des Polarisierungszustands zu verhindern.
Wie geschildert, wird bei dem Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ein Kurzschluss der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4 vor dem Beginn des Polarisierungsprozesses durchgeführt, so dass bei dem Element ein stabiler Polarisierungszustand oder eine stabile Polarisierungsrichtung aufrechterhalten wird, so dass ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines piezoelektrischen Elements mit hoher Leistung sichergestellt wird.
ZWEITE BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORM
16 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die 17 bis 21 sind Querschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform erläutern, und die unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 16 erläutert werden. Das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich wesentlich von der ersten beispielhaften Ausführungsform, und es werden die untere Elektrodenschicht 2 und die obere Elektrodenschicht 4, die gerade vor dem Polarisierungsprozess geöffnet wurden, erneut nach dem Polarisierungsprozess kurzgeschlossen. Infolge dieser Ausbildung wird der Polarisierungszustand oder der Richtungszustand stabil aufrechterhalten, und wird das Auftreten einer Zerstörung infolge statischer Elektrizität oder des pyroelektrischen Effekts verhindert. Dies führt dazu, dass bei dem Herstellungsverfahren der Polarisierungszustand oder die Polarisierungsrichtung nach dem Polarisieren sicherer aufrechterhalten wird, selbst bis zur endgültigen Stufe der Fertigstellung des piezoelektrischen Elements.
Auch bei diesem Herstellungsverfahren ist die Fertigungslos-Herstellung unter dem Gesichtspunkt der Produktivität vorzuziehen, so dass untere Elektrodenschichten 2 und obere Elektrodenschichten 4 mehrerer piezoelektrischer Elemente in einem Wafer im Wesentlich in einem vorbestimmten Bereich kurzgeschlossen werden. Das Element wird durch den gleichen Prozess wie bei dem ersten bis dritten Prozess der ersten beispielhaften Ausführungsform hergestellt. Der erste bis dritte Prozess dieser beispielhaften Ausführungsform ist identisch zu jenen der 2 bis 11 der ersten Ausführungsform, so dass insoweit auf eine Beschreibung verzichtet wird.
Bei dem vierten Prozess erfolgt, wie in 17 gezeigt, eine elektrische Verbindung der unteren Elektrodenschicht 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 mit der oberen Elektrodenschicht 4.
Genauer gesagt, erfolgt ein Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 durch Ausbildung elektrischer Leiter 8 mit einem leitfähigen Haftmittel, einem leitfähigen Band aus Kohlenstoff oder Kupferfolie, oder durch Draht-Bonden. Durch Einsatz eines derartigen Materials als elektrischer Leiter wird die Unterbrechung des kurzgeschlossenen Abschnitts in einem späteren Prozess schnell und einfach. Weiterhin wird durch Verbindung der oberen Elektrodenschichten 4 und der unteren Elektrodenschichten 2 mehrerer piezoelektrischer Elemente, die auf dem Substrat 1 vorhanden sind, ein einfaches und zusammenhängendes Kurzschießen mehrerer piezoelektrischer Elemente erzielt, was zu einem vereinfachten Herstellungsprozess führt. Dann wird ein dritter Resistfilm 7, der eine Oberfläche des Elements abdeckt, jedoch einen Abschnitt der unteren Elektrodenschicht 2 freilässt, wie in 18 gezeigt, ausgebildet. Dann erfolgt, wie in 19 gezeigt, eine Trockenätzung des Abschnitts der unteren Elektrodenschicht 2 bis herunter zu einer Oberfläche des Substrats 1, und dann eine Trockenätzung des Siliziumsubstrats 1, wie in 20 gezeigt ist. Die Ätzung wird mit dem gleichen Verfahren wie bei der beispielhaften Ausführungsform 1 durchgeführt.
Dann wird, wie in 21 gezeigt, der dritte Resistfilm 7 entfernt, unter Verwendung einer Lösung oder eines Lösungsmittels für das Resist, von UV-Strahlung oder Ozon. Dann wird das einzelne piezoelektrische Element an einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (nicht dargestellt) befestigt, das aus Keramik oder dergleichen besteht, dann erfolgt Draht-Bonden der unteren Elektrodenschicht 2 und der oberen Elektrodenschicht 4 zum Verdrahten, und dann wird eine Unterbrechung des kurzgeschlossenen Abschnitts zwischen der oberen Elektrodenschicht 4 und der unteren Elektrodenschicht 2 vorgenommen, wodurch jedes einzelne piezoelektrische Element fertig gestellt ist.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie voranstehend geschildert, vermeidet das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element gemäß der Erfindung das Anlegen eines elektrischen Felds an eine piezoelektrische Dünnfilmschicht infolge einer elektrischen Aufladung einer oberen Elektrodenschicht, verhindert eine Änderung einer vorbestimmten Polarisierungsrichtung, und verhindert auch eine Beschädigung eines piezoelektrischen Dünnfilms während des Herstellungsprozesses. Das Verfahren ist einsetzbar zur Herstellung eines piezoelektrischen Hochleistungselements, welches den piezoelektrischen Dünnfilm einsetzt, zum Einsatz als Sensor, Stellglied oder dergleichen.

Claims

Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element, bei welchem vorgesehen sind: ein erster Prozess der Ablagerung einer unteren Elektrodenschicht (2), einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht (4) aufeinander folgend auf einem Substrat (1); ein zweiter Prozess des Ätzens einschließlich einer Trockenätzung; ein dritter Prozess des Polarisierens durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4); und ein vierter Prozess des Vereinzelns des Elements in unabhängige Einheiten, wobei die untere Elektrodenschicht (2) und die obere Elektrodenschicht zumindest dann, wenn die Trockenätzung eingesetzt wird, kurzgeschlossen bleiben, und wobei der zweite Prozess eine Trockenätzung zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements und nachfolgendes Nassätzen zum Unterbrechen des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) durch Ablagern der oberen Elektrodenschicht (4) umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht (4) und der unteren Elektrodenschicht (2) durch Ausbildung einer Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht kleiner als jene der unteren Elektrodenschicht (2) und einer Abmessung der oberen Elektrodenschicht (4) größer als jene der piezoelektrischen Dünnfilmschicht umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) durch ein leitfähiges Haftmittel umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) durch Draht-Bonden umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) durch ein leitfähiges Band umfasst.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der dritte Prozess die Unterbrechung des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) umfasst, bevor der Polarisierungsprozess beginnt.
Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der dritte Prozess einen Prozess zum erneuten Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht (4) und der unteren Elektrodenschicht (2) nach Fertigstellung des Polarisierungsprozesses umfasst, und der vierte Prozess einen Prozess zum Unterbrechen des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht (2) und der oberen Elektrodenschicht (4) nach dem Trockenätzungsprozess umfasst.