DE112006000191T5 - Prozess zur Herstellung eines Piezoelektrischen Elements - Google Patents
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Abstract
ein erster Prozess der Ablagerung einer unteren Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht aufeinander folgend auf einem Substrat;
ein zweiter Prozess des Ätzens einschließlich einer Trockenätzung;
ein dritter Prozess des Polarisierens durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht; und
ein vierter Prozess des Vereinzelns des Elements in unabhängige Einheiten,
wobei die untere Elektrodenschicht und die obere Elektrodenschicht zumindest dann, wenn die Trockenätzung eingesetzt wird, kurzgeschlossen bleiben.
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 bis22E dargestellt. Die22A bis22E sind Querschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren für das herkömmliche piezoelektrische Element erläutern. - Zuerst wird, wie in
22A gezeigt, eine untere Elektrode102 ausgebildet, durch Ablagern einer Schicht aus Platin, Iridium und Titan aufeinander folgend auf einem ersten Siliziumsubstrat101 mit einem thermischen Siliziumdioxidfilm. Dann wird die untere Elektrodenschicht102 durch ein Verfahren mit reaktiver Ionenätzung mit einem Muster versehen. Dann wird ein piezoelektrischer Dünnfilm durch ein Sol-Gel-Verfahren auf der unteren Elektrodenschicht102 abgelagert. Die piezoelektrische Dünnfilmschicht103 wird aus Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt, welches Bleimagnesiumniobat enthält. Dann wird die obere Elektrodenschicht104 durch aufeinander folgendes Sputtern von Titan und Iridium auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht103 ausgebildet, und dann wird die obere Elektrodenschicht104 durch reaktives Ionenätzen mit einem Muster versehen. - Dann wird, wie in
22B gezeigt, ein anderes Substrat oder eine andere Schicht105 über eine Haftschicht106 an einer Seite der oberen Elektrode104 oberhalb des ersten Substrats101 angebracht. Die Haftschicht106 ist eine Polyesterfilmschicht. Dann lässt man, wie in22C gezeigt, Ultraviolettstrahlung (nachstehend als UV bezeichnet) einer UV-Lampe auf die Polyesterfilm-Haftschicht106 einwirken, um ihre Haftfestigkeit abzuschwächen, und dann wird das erste Substrat101 von der Haftschicht106 abgeschält. Dann lässt man, wie in22D gezeigt, die untere Elektrodenschicht102 über die Haftschicht107 an dem bereits hergestellten zweiten Substrat108 anhaften. Dann lässt man UV-Strahlung auf die Haftschicht106 über das andere Substrat oder die andere Schicht106 einwirken, wodurch die Haftfestigkeit der Haftschicht106 an der oberen Elektrodenschicht104 abgeschwächt wird, und dann wird das andere Substrat oder die andere Schicht106 sowie die Haftschicht106 von der oberen Elektrode104 abgeschält, wie dies in22E gezeigt ist. Ein Herstellungsverfahren für diese Art eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements ist beispielsweise in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung Nr. 2000-91656 beschrieben. - Wenn bei der voranstehend geschilderten Konstruktion auf die obere Elektrodenschicht
104 eine elektrische Ladung einwirkt, wird ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Dünnfilmschicht103 angelegt, wodurch der spontane Polarisierungszustand geändert wird. Die elektrische Aufladung der oberen Elektrodenschicht104 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 Dünnfilmschicht103 , 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. - 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, welche 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 Ele ments 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. -
8 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. -
- 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. Die2 bis15 sind Querschnittsansichten des piezoelektrischen Elements, welche einen ersten bis vierten Prozess des Herstellungsverfahrens erläutern. Jeder Herstellungsprozess wird nachstehend entsprechend dem Flussdiagramm in1 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 Elektrodenschicht2 auf einem Si-Substrat1 , das aus Silizium besteht, Pt so abgelagert, dass es in Richtung <111> kristallin wird. Als übliches Verfahren zur Ausbildung der unteren Elektrodenschicht2 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(Zr1-xTix)O3) (0 < x < 1) oder dergleichen auf die untere Elektrodenschicht2 , so dass das Material so abgelagert wird, dass es in Richtung <001> kristallin wird, wobei die Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 kleiner wird als jene der unteren Elektrodenschicht2 , wie in3 gezeigt ist. - Dann erfolgt, wie in
4 gezeigt, die Ausbildung der oberen Elektrodenschicht4 durch Sputtern oder durch Vakuumverdampfung eines Elektrodenmaterials, wie beispielsweise Gold (Au), auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 so, dass die Schicht4 elektrisch mit einem Teil der unteren Elektrodenschicht2 verbunden wird, auf jenem Teil, bei welchem die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 nicht vorgesehen ist. - Durch Ausbildung der Abmessung der oberen Elektrodenschicht
4 größer als jene der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 , und durch Ausbildung der Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 so, dass sie kleiner ist als jene der unteren Elektrodenschicht2 , wodurch die obere Elektrodenschicht4 und die untere Elektrodenschicht2 kurzgeschlossen werden, wird ein hoher Herstellungswirkungsgrad erzielt. Falls eine Au-Schicht direkt auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 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 20 Angström (A) bis 500 A hergestellt, wodurch eine ausreichende Haftfestigkeit erzielt wird. - Wie geschildert, wird ein Bereich, in welchem die piezoelektrische Dünnfilmschicht
3 nicht vorgesehen ist, auf der unteren Elektrodenschicht2 und der oberen Elektrodenschicht4 ausgebildet, welche den Bereich abdeckt. Bei dieser Anordnung werden die untere Elektrodenschicht2 , die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 und die obere Elektrodenschicht4 aufeinander folgend auf dem Substrat1 abgelagert. Daher werden die obere Elektrodenschicht4 und die untere Elektrodenschicht2 kurzgeschlossen, so dass ein gleiches elektrisches Potential zwischen der oberen Elektrodenschicht4 und der unteren Elektrodenschicht2 aufrechterhalten wird. Eine Änderung des Polarisierungszustands in der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 , hervorgerufen durch eine elektrische Aufladung der oberen Elektrodenschicht4 , wird daher durch diese Konstruktion verhindert. - Wenn es schwierig ist, die obere Elektrodenschicht
4 und die untere Elektrodenschicht2 nur durch Ausbildung eines Musters bei der oberen Elektrodenschicht4 kurzzuschließen, kann ein leitfähiges Haftmittel zum Verbinden der oberen Elektrodenschicht4 und der unteren Elektrodenschicht2 verwendet werden, über eine Ausbildung eines Musters der Elektrodenschicht4 hinaus. Auf diese Art und Weise werden die obere Elektrodenschicht4 und die untere Elektrodenschicht2 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 aus richtet. Als ein alternatives Verfahren wird eine Drahtverbindung oder ein leitfähiges Band dazu eingesetzt, die obere Elektrodenschicht4 und die untere Elektrodenschicht2 kurzzuschließen, wodurch ein äquivalenter Effekt wie bei einem leitfähigen Haftmittel erzielt wird. Ein optimales Verfahren zum Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht4 und der unteren Elektrodenschicht2 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 Elektrodenschicht4 kurzgeschlossen, nachdem die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 ausgebildet wird, jedoch vor Beginn des Polarisierungsprozesses, wodurch der Polarisierungszustand oder die Richtung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 stabil aufrechterhalten wird, wodurch ermöglicht wird, die Polarisierung in einer vorbestimmten Richtung in dem Polarisierungsprozess auszurichten. Wenn die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 einem elektrischen Feld während des Herstellungsprozesses einschließlich eines Nachbearbeitungsprozesses ausgesetzt wird, kann die Dünnfilmschicht3 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 Elektrodenschicht2 und die obere Elektrodenschicht4 kurzgeschlossen werden. Eine abrupte Temperaturänderung kann ebenfalls eine teilweise Zerstörung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 durch die elektrische Entladung hervorrufen, die infolge des pyroelektrischen Effekts hervorgerufen wird, jedoch kann eine derartige Zerstörung ebenfalls dadurch verhindert werden, dass vorher die Elektrodenschicht2 und die obere Elektrodenschicht4 kurzgeschlossen werden. - Als nächstes wird als zweiter Prozess ein erster Resistfilm
5 ausgebildet, wie in5 gezeigt ist. Dann erfolgt, wie in6 gezeigt, eine Trockenätzung der oberen Elektrodenschicht4 und der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 bis herunter zu einer Oberfläche der unteren Elektrodenschicht2 . Dann wird der erste Resistfilm5 entfernt, wie in7 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 (sccm) aus Kohlenstofftetrafluorid (CF4) und 40 sccm Argon (Ar) enthält, in die Kammer eingelassen, wobei ein Vakuum von 20 bis 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 Elektrodenschicht4 kurzgeschlossen sind, kein elektrisches Feld auf die obere Elektrodenschicht4 oder die Elektrodenschicht2 einwirken, so dass der Polarisierungszustand oder die Richtung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 stabil aufrechterhalten werden. - Dann wird, wie in
8 gezeigt, ein zweiter Resistfilm6 ausgebildet. Dann erfolgt, gemäß9 , eine Nassätzung eines Teils der oberen Elektrodenschicht4 unter Einsatz einer sauren oder basischen Lösung, wobei das Teil die obere Elektrode und die untere Elektrode kurzschließt. Dann wird der zweite Resistfilm2 entfernt, wie in10 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 Elektrodenschicht2 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 Elektroden schicht4 angelegt, zum Polarisieren des piezoelektrischen Films, wie in11 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 Elektrodenschicht2 und der oberen Elektrodenschicht4 . - Dann wird in dem vierten Prozess ein dritter Resistfilm
7 ausgebildet, um die obere Elektrodenschicht4 , die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 und ein Teil der unteren Elektrodenschicht2 abzudecken, so dass das einzelne piezoelektrische Element seine eigene Form zur Vereinzelung annehmen kann, wie in12 gezeigt ist. Bei diesem Prozess deckt der dritte Resistfilm7 vollständig die obere Elektrodenschicht4 und die piezoelektrische Dünnfilmschicht3 ab, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung infolge einer elektrischen Entladung verringert wird, die bei einem späteren Prozess hervorgerufen wird. Dadurch, dass der dritte Resistfilm7 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 Elektrodenschicht2 . Dann erfolgt, wie in14 gezeigt, eine Trockenätzung des Siliziumsubstrats1 zum Vereinzeln jedes piezoelektrischen Elements. Zu Beginn der Trockenätzung des Substrats1 wird Gas vorzugsweise gegenüber jenem geändert, das zum Ätzen der unteren Elektrodenschicht2 verwendet wird, also zu einem anderen Gas. Wenn das Ätzen ohne die Änderung des Gases statt findet, kann möglicherweise die untere Elektrodenschicht2 seitlich geätzt werden. - Zum Ätzen der unteren Elektrodenschicht
2 wird typischerweise CF4-Gas oder Ar-Gas eingesetzt. Allerdings wird zum Ätzen des Siliziumsubstrats1 typischerweise Schwefelhexafluoridgas (SF6) oder Cyclopropanoctafluoridgas (C4F8) eingesetzt, wodurch nur das Siliziumsubstrat1 in Vertikalrichtung nach unten auf äußerst exakte Art und Weise geätzt wird, und ein Randabschnitt der unteren Elektrode2 , der unter der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 durch Ätzen der unteren Elektrodenschicht2 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 Resistfilm7 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 Resistfilm7 entfernt, während die Erzeugung eines elektrischen Felds in der piezoelektrischen Dünnfilmschicht3 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 Elektrodenschicht2 und der oberen Elektro denschicht4 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 Elektrodenschicht2 nach Ausbildung der Dünnfilmschicht3 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 Elektrodenschichten4 und der unteren Elektrodenschichten2 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 Elektrodenschicht4 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. Die17 bis21 sind Querschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Element bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform erläutern, und die unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in16 erläutert werden. Das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich wesentlich von der ersten beispielhaften Ausführungsform, und es werden die untere Elektrodenschicht2 und die obere Elektrodenschicht4 , 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 Elektrodenschichten4 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 der2 bis11 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 Elektrodenschicht2 auf dem Siliziumsubstrat1 mit der oberen Elektrodenschicht4 . - Genauer gesagt, erfolgt ein Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht
4 und der unteren Elektrodenschicht2 durch Ausbildung elektrischer Leiter8 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 Elektrodenschichten4 und der unteren Elektrodenschichten2 mehrerer piezoelektrischer Elemente, die auf dem Substrat1 vorhanden sind, ein einfaches und zusammenhängendes Kurzschießen mehrerer piezoelektrischer Elemente erzielt, was zu einem vereinfachten Herstellungsprozess führt. Dann wird ein dritter Resistfilm7 , der eine Oberfläche des Elements abdeckt, jedoch einen Abschnitt der unteren Elektrodenschicht2 freilässt, wie in18 gezeigt, ausgebildet. Dann erfolgt, wie in19 gezeigt, eine Trockenätzung des Abschnitts der unteren Elektrodenschicht2 bis herunter zu einer Oberfläche des Substrats1 , und dann eine Trockenätzung des Siliziumsubstrats1 , wie in20 gezeigt ist. Die Ätzung wird mit dem gleichen Verfahren wie bei der beispielhaften Ausführungsform 1 durchgeführt. - Dann wird, wie in
21 gezeigt, der dritte Resistfilm7 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 Elektrodenschicht2 und der oberen Elektrodenschicht4 zum Verdrahten, und dann wird eine Unterbrechung des kurzgeschlossenen Abschnitts zwischen der oberen Elektrodenschicht4 und der unteren Elektrodenschicht2 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.
- Zusammenfassung
- Es wird ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element vorgeschlagen, bei welchem verhindert wird, dass ein unerwünschtes elektrisches Feld an eine piezoelektrische Dünnfilmschicht während des Herstellungsprozesses angelegt wird, wodurch ein Hochleistungs-Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element sichergestellt wird. Das Herstellungsverfahren umfasst einen ersten Prozess zum Ablagern einer unteren Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht aufeinander folgend auf einem Substrat, einen zweiten Prozess des Ätzens einschließlich einer Trockenätzung, einen dritten Prozess zum Polarisieren des Elements durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht, und einen vierten Prozess zum Vereinzeln jedes piezoelektrischen Elements, wobei die untere Elektrodenschicht und die obere Elektrodenschicht kurzgeschlossen bleiben, zumindest während der Einwirkung einer Trockenätzung auf das Element.
Claims (9)
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element, bei welchem vorgesehen sind: ein erster Prozess der Ablagerung einer unteren Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht und einer oberen Elektrodenschicht aufeinander folgend auf einem Substrat; ein zweiter Prozess des Ätzens einschließlich einer Trockenätzung; ein dritter Prozess des Polarisierens durch Anlegen einer Spannung über der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht; und ein vierter Prozess des Vereinzelns des Elements in unabhängige Einheiten, wobei die untere Elektrodenschicht und die obere Elektrodenschicht zumindest dann, wenn die Trockenätzung eingesetzt wird, kurzgeschlossen bleiben.
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht durch Ablagern der oberen Elektrodenschicht umfasst.
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der oberen Elektrodenschicht und der unteren Elektrodenschicht durch Ausbildung einer Abmessung der piezoelektrischen Dünnfilmschicht kleiner als jene der unte ren Elektrodenschicht und einer Abmessung der oberen Elektrodenschicht 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 und der oberen Elektrodenschicht 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 und der oberen Elektrodenschicht durch Draht-Bonden umfasst.
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der erste Prozess einen Prozess zum Kurzschließen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht durch ein leitfähiges Band umfasst.
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Prozess eine Trockenätzung zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements und nachfolgendes Nassätzen zum Unterbrechen des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht umfasst.
- Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei welchem der dritte Prozess die Unterbrechung des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht 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 und der unteren Elektrodenschicht nach Fertigstellung des Polarisierungsprozesses umfasst, und der vierte Prozess einen Prozess zum Unterbrechen des Kurzschlussabschnitts zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht nach dem Trockenätzungsprozess umfasst.
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