JP2006242931A - Manufacturing method for oscillation gyro sensor element - Google Patents
Manufacturing method for oscillation gyro sensor element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006242931A JP2006242931A JP2005106716A JP2005106716A JP2006242931A JP 2006242931 A JP2006242931 A JP 2006242931A JP 2005106716 A JP2005106716 A JP 2005106716A JP 2005106716 A JP2005106716 A JP 2005106716A JP 2006242931 A JP2006242931 A JP 2006242931A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- piezoelectric
- electrode
- gyro sensor
- wiring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
本発明は、表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる片持ち梁形状の振動子からなる振動型ジャイロセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a vibration type gyro sensor element including a cantilever-shaped vibrator including a piezoelectric ceramic vibrator having a driving electrode and a detection electrode formed on a surface thereof.
近年、ビデオカメラの高ズーム率化や、カメラの小型化に伴う保持性の不足などで録画画像に手ブレが起き易くなり、その対策として、CCDイメージセンサなど撮像板上の画像情報の取り込み位置を変えることなどで手ブレを補正する機構が用いられている。 In recent years, it has been easy for camera shake to occur in recorded images due to the high zoom ratio of video cameras and the lack of retainability associated with the miniaturization of cameras. As a countermeasure, image information capture positions such as CCD image sensors can be captured. A mechanism for correcting camera shake by changing the position of the camera is used.
この補正は、画像の時間軸での位置ズレ自体のマッチングを行い補正する場合もあるが、撮影画像をティルトした際などでの誤動作を防ぐため、実際の手ブレを感知するセンサを用いて補正量を取得し、手ブレによる画像ジッターを補正する手法が主に用いられている。 This correction may be performed by matching the position shift itself on the time axis of the image, but it is corrected using a sensor that detects actual camera shake to prevent malfunctions when the captured image is tilted. A method of acquiring an amount and correcting image jitter due to camera shake is mainly used.
このような用途へのセンサとしては、ジャイロセンサが用いられているが、ジャイロセンサは、たとえばビデオカメラでの保持状態の回転角を検出して、対応する角速度を出力するセンサであり、検出機構としては、振動体を用いたもの、回転体を用いたもの、光を用いたものなどが存在する。そのなかで、振動体を用いたものは、機構が単純で、また起動時間が少ない特徴などから、小型で安価なセンサとして主流となっており、前述のビデオカメラでも多く用いられる。 As a sensor for such applications, a gyro sensor is used. The gyro sensor is a sensor that detects a rotation angle in a holding state of a video camera, for example, and outputs a corresponding angular velocity, and a detection mechanism. As such, there are those using a vibrating body, those using a rotating body, and those using light. Among them, those using a vibrating body have become the mainstream as a small and inexpensive sensor because of their simple mechanism and short start-up time, and are often used in the aforementioned video cameras.
従来、民生用の角速度センサとしては、棒状の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子等で検出することによって角速度を検出する振動型ジャイロセンサが広く使用されている。 Conventionally, as an angular velocity sensor for consumer use, there is a vibration type gyro sensor that detects an angular velocity by vibrating a rod-like vibrator at a predetermined resonance frequency and detecting a Coriolis force generated by the influence of the angular velocity with a piezoelectric element or the like. Widely used.
従来、この振動型ジャイロセンサとしては、圧電材料を機械加工により切り出し、整形を行った振動子を用いていたが、ビデオカメラの小型化に伴い、センサ自体の小型化、高性能化、他用途のセンサとの組み合わせなどの要求が発生している。
しかしながら、小型化により圧電材料や電極をスパッタ膜により形成することにともなって、上層電極膜が剥離する等の問題がある。Conventionally, as this vibration type gyro sensor, a piezoelectric material was cut out by mechanical processing and shaped, but a vibrator was used. However, along with the downsizing of video cameras, the sensor itself has become smaller, higher performance, and other uses. There is a demand for combination with other sensors.
However, as the piezoelectric material and the electrode are formed of a sputtered film due to downsizing, there is a problem that the upper electrode film is peeled off.
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、振動型ジャイロセンサにおける圧電体薄膜と上層電極膜の剥離を抑制することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress peeling of the piezoelectric thin film and the upper electrode film in the vibration type gyro sensor in view of the conventional problems as described above.
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。 Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of embodiments described below.
上層電極の剥離を抑えるためには、圧電特性の劣化を最小限に保ちつつ、プロセスの中で剥離する要素を排除する必要がある。剥離要素のひとつは圧電体からのPb析出であるが、下部電極、圧電材料、上層電極パターン形成後の再結晶化熱処理温度が、圧電体薄膜成膜時の熱処理温度より50℃以上低温で行うことで回避できる。また、上層電極上のレジストがある際、熱による応力が加わることも剥離要素となるが、これに関してもレジスト形成後の熱処理温度を120°C以上140°C以下に制御することで、剥離は回避できる。 In order to suppress the peeling of the upper layer electrode, it is necessary to eliminate the peeling element in the process while keeping the deterioration of the piezoelectric characteristics to a minimum. One of the peeling elements is Pb deposition from the piezoelectric material, and the recrystallization heat treatment temperature after forming the lower electrode, piezoelectric material, and upper electrode pattern is 50 ° C. or more lower than the heat treatment temperature at the time of forming the piezoelectric thin film. Can be avoided. In addition, when there is a resist on the upper electrode, stress due to heat is also a peeling element, but also in this regard, by controlling the heat treatment temperature after resist formation to 120 ° C. or more and 140 ° C. or less, peeling can be performed. Can be avoided.
そこで、本発明は、梁形状をなす基体となる基板上に下部電極膜、圧電材料、上層電極膜を形成してなる片持ち梁形状の振動子からなる振動型ジャイロセンサ素子の製造方法であって、下部電極、圧電材料、上層電極パターン形成後の再結晶化熱処理を、圧電体薄膜成膜時の熱処理温度より50℃以上低温で行う再結晶化熱処理工程を有することを特徴とする。 Accordingly, the present invention is a method for manufacturing a vibration type gyro sensor element comprising a cantilever-shaped vibrator formed by forming a lower electrode film, a piezoelectric material, and an upper electrode film on a substrate serving as a base having a beam shape. And a recrystallization heat treatment step in which the recrystallization heat treatment after forming the lower electrode, the piezoelectric material, and the upper layer electrode pattern is performed at a temperature lower by 50 ° C. or more than the heat treatment temperature at the time of forming the piezoelectric thin film.
また、本発明に係る振動型ジャイロセンサ素子の製造方法は、上層電極のレジストパターン形成後、120°C以上140°C以下で熱処理を行う熱処理工程を有する。 Moreover, the manufacturing method of the vibration type gyro sensor element according to the present invention includes a heat treatment step of performing heat treatment at 120 ° C. or more and 140 ° C. or less after forming the resist pattern of the upper electrode.
さらに、本発明に係る振動型ジャイロセンサ素子の製造方法は、下部電極のレジストパターン形成後、120°C以上140°C以下で熱処理を行う熱処理工程を有する。 Furthermore, the manufacturing method of the vibration type gyro sensor element according to the present invention includes a heat treatment step of performing heat treatment at 120 ° C. or more and 140 ° C. or less after forming the resist pattern of the lower electrode.
本発明によれば、超小型の振動子を持つ薄膜ジャイロにおいて、圧電特性の劣化を最小限に保持し、且つ上部電極の剥離を回避できる。 According to the present invention, in a thin film gyro having an ultra-small vibrator, deterioration of piezoelectric characteristics can be kept to a minimum, and peeling of the upper electrode can be avoided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily changed without departing from the gist of the present invention.
図1は、本発明を適用した角速度センサが備える振動型ジャイロセンサ素子100の外観斜視図である。 FIG. 1 is an external perspective view of a vibration type
この振動型ジャイロセンサ素子100は、図1の(A),(B)に示すように、シリコン単結晶基板から切り出されるいわゆる片持ち梁の振動子110を備えている。この振動子110は、長手方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状が直角四辺形となる四角柱状に形成されている。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the vibration
この振動型ジャイロセンサ素子100は、そのおおよその大きさとして、素子厚みt1を300μm、素子長さt2を3mm、素子幅t3を1mmとした。また、実際に振動する振動梁すなわち振動子110の大きさとして、振動梁厚みt4を100μm、振動梁長さt5を2.0mm、振動梁幅t6を100μmとした。この形状で振動梁を振動させた場合の共振周波数はおよそ40kHz前後となる。以上の数値は1例であり使用する周波数、目標とする素子の大きさにより任意に設定可能である。 The vibration type
この振動型ジャイロセンサ素子100の平面図を図2に示す。振動子110は、基準電極104a、圧電体105aが順に積層され、さらに圧電体5a上に駆動電極106aと、駆動電極106aを挟む形で一対の検出電極106b,106cとが、振動子110の長手方向に沿って互いに平行に、且つ接触しないように形成されている。駆動電極106a,検出電極106b,106c、基準電極104aには、それぞれ配線接続端子101A,101B,101C,101Dが設けられている。 A plan view of the vibration
圧電体105aは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスや、水晶、LaTaO3などの圧電単結晶などからなる薄膜である。The
この振動型ジャイロセンサ素子100は、図3に示すIC回路40に接続されることで動作し、角速度に応じて発生するコリオリ力を検出する角速度センサ50として機能する。 The vibration type
IC回路40は、加算回路41と、増幅回路42と、移相回路43と、AGC(Automatic Gain Control)44と、差動増幅回路45と、同期検波回路46と、平滑回路47とを備えている。 The
振動型ジャイロセンサ素子100の1対の検出電極106b,106cは、それぞれ配線接続端子101B,101Cを介して、加算回路41と、差動増幅回路45に接続される。また、振動型ジャイロセンサ素子100の駆動電極106aは、AGC44の出力端と接続される。 The pair of
角速度センサ50では、加算回路41、増幅回路42、移相回路43、AGC44及び振動型ジャイロセンサ素子100によっていわゆる移相発振回路が構成されており、この移相発振回路によって振動型ジャイロセンサ素子100の基準電極104a、駆動電極106a間に電圧が印加され振動子110を自励振動させる。振動子110の振動方向は、当該振動子110の厚み方向となる。 In the angular velocity sensor 50, a so-called phase shift oscillation circuit is configured by the
また、角速度センサ50では、1対の検出電極106b,106cが配線接続端子101B,101Cを介して接続された加算回路41、差動増幅回路45の出力端が、同期検波回路46に接続され、この同期検波回路46が平滑回路47に接続されており、これらと、圧電体105aとで、振動子110の角速度を検出する検出部として機能する。 Further, in the angular velocity sensor 50, the output terminal of the
すなわち、図2に示す角速度センサ50では、振動型ジャイロセンサ素子100の振動子110を上述した移相発振回路で自励振動させている際に、振動子110の長手方向に角速度が加えられることで振動方向に垂直な方向に発生するコリオリ力を、圧電体105aで検出し、検出電極106b,106cから互いに逆極性の信号として出力し、差動増幅回路45に入力する。差動増幅回路45にて増幅された出力は、同期検波回路46に入力され、同期検波が行われる。このとき、同期検波回路46には、同期検波を行うために、加算器41からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波回路46からの出力が、平滑回路47を介して、振動子110に生じたコリオリ力を検出することにより得られた直流信号である角速度信号として出力される。 That is, in the angular velocity sensor 50 shown in FIG. 2, the angular velocity is applied in the longitudinal direction of the
以上のように、角速度センサ50では、圧電体105aを用いて振動子110を振動させるとともに、振動子110に生じるコリオリ力を圧電体105aによって検出し、この圧電体105aによって検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することができる。 As described above, in the angular velocity sensor 50, the
上記振動型ジャイロセンサ素子100は、薄膜プロセスを用いて圧電薄膜センサとして次のようにして製造した。 The vibration
まず、図4及び図5に示すようなSi基板1を用意する。基板1の大きさは所有する薄膜プロセスのラインに応じて任意に設定され、本実施の形態では直径が4インチのウエハーを用いた。基板1の厚みは、作業性や基板の値段により決定されるが、最終的に振動子の厚み以上であれば良く、本実施の形態では300μmの厚みとした。このSi基板1には両面には、異方性湿式エッチングの際の保護マスクとなる熱酸化により形成された熱酸化膜(SiO2膜)2A,2Bを形成しておく。熱酸化膜2A、2Bの厚みは任意であるが、本実施の形態では0.3μm程度とした。また、Si基板1に関してはN型を採用しているが、その選択は任意である。ただし、Si基板1の方位面は正確に規定され、図1で示す基板広口面が(100)方位面、基板1の断面となる図4の面が(110)面となるように基板の切り出しを行う必要がある。First, a
次に、図6及び図7に示すように、基板1の裏面の熱酸化膜2Bの一部を除去するために、除去する部分を開口部とするレジストパターン膜3を形成する。 Next, as shown in FIGS. 6 and 7, in order to remove a part of the thermal oxide film 2 </ b> B on the back surface of the
図7は図6のX−X‘部分の断面図で以下同様である。 FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG.
形成方法は通常半導体の薄膜工程で用いられるいわゆるフォトリソグラフィーの技術を用いている。レジスト膜3は東京応化社製OFPR−8600を用いたが、レジスト膜3の種類に関しては任意である。フォトリソグラフィーの工程はレジスト膜塗布・プレベーキング・露光・現像という一般的に薄膜工程で用いられる技術であり、ここでは詳細は省略する。また、今後のプロセスに於いてもフォトリソグラフィーの技術を用いているが、特殊な使用方法を除き一般的な工程に関しては省略する。図5で示す開口部のそれぞれが1つの素子となる。 As a forming method, a so-called photolithography technique usually used in a semiconductor thin film process is used. As the resist
開口部の形状は最終的な梁形状と基板1の厚み、および梁形状を形成する際のエッチング幅で決定される。エッチング幅は後に図39〜図41を参照して説明するが、ここでは50μmとする。 The shape of the opening is determined by the final beam shape, the thickness of the
まず、幅方向(ダイヤフラム幅t9)に関して、必要となる幅は振動梁幅t6+エッチング幅t7×2(左右分)にさらに基板1の厚みが本実施の形態では300μmで振動梁厚みが100μmであり、後述するが湿式エッチングの方法で基板厚み300μmを振動梁厚み100μmまで削る場合、図10で示すように55°の角度を持って削られる特徴があるためその分の幅(300−100)μm×tan55°=140μmを左右足しておく必要がある。結局ダイヤフラム幅t9=t6+t7×2+140×2=100+50×2+140×2=480μmとなる。同様にダイヤフラム長t8=振動梁長t5+梁空間幅t7+140×2=2000+50+140×2=2330μmとなる。 First, with respect to the width direction (diaphragm width t9), the required width is the vibrating beam width t6 + etching width t7 × 2 (left and right), and the thickness of the
次に、図8及び図9で示すように、上記の開講部分に相当する部分の熱酸化膜2Bを除去する。除去の方法はイオンエッチング等の物理的エッチングでも湿式エッチングでも構わないが、基板1の界面の平滑性を考慮すると熱酸化膜2Bのみが除去される湿式エッチングが好適である。本実施の形態では湿式エッチングの薬液としてフッ化アンモニウムを用いた。ただし、湿式エッチングの場合長時間エッチングを行うと開口部分の側面からエッチングが進行するいわゆるサイドエッチングが大きくなるため、熱酸化膜2Bの開口部分のみが除去された時点で終了させる必要がある。 Next, as shown in FIGS. 8 and 9, the portion of the thermal oxide film 2 </ b> B corresponding to the opening portion is removed. The removal method may be physical etching such as ion etching or wet etching, but considering the smoothness of the interface of the
次に、図10、図11及び図12に示すように、開口部分として露出した基板1に対して湿式エッチングを施すことにより、開口部分の基板1の厚みを所望の振動梁厚t4になるまで削る。本実施の形態ではSiである基板1をエッチングするためTMAH20%溶液を用いている。この際液温度を80°Cに保持し、浸漬エッチングを行っている。図12は図11のA部分を拡大して示したものである。上記の条件でエッチング量(ダイヤフラム深さt10を200μmとするためにはおよそ6時間必要となる。また、このエッチングにより開口部分の基板1の形状は図12に示すように端部が湿式エッチング角度θ1(=55°)を持って形成される。また、このような湿式エッチング薬液としてTMAH以外にKOH等が一般的に使用されるが、本実施の形態では熱酸化膜2A,2Bとのエッチングレートの選択比がより大きくなるTMAHを採用した。 Next, as shown in FIGS. 10, 11, and 12, wet etching is performed on the
ところで本実施の形態では振動梁厚みになるまでの基板研削にSiの特徴を活かした湿式エッチングを採用しているが、研削の方法は任意でありこの方法に限定されるものではない。 By the way, in this embodiment, wet etching utilizing the characteristics of Si is employed for substrate grinding until the thickness of the vibrating beam is reached, but the grinding method is arbitrary and is not limited to this method.
上記の方法により上記開口部分の中にダイヤフラムが形成される。湿式エッチングにより残されたダイヤフラム厚みt11が最終的に振動梁厚みt4と等しくなる。 A diaphragm is formed in the opening by the above method. The diaphragm thickness t11 left by wet etching finally becomes equal to the vibrating beam thickness t4.
以降、本実施の形態の振動型ジャイロセンサ素子100の製造方法の説明では、図13及び図14にWで示した1つの素子を拡大して説明する。また図では説明をわかり易くするため、実際の寸法比とは異なる場合もある。 Hereinafter, in the description of the manufacturing method of the vibration type
また、図15及び図16に示すように今後は上記までに形成したダイヤフラムを形成した開口部および熱酸化膜2Bを下方にして説明する。 Further, as shown in FIG. 15 and FIG. 16, the description will be made with the opening formed with the above-described diaphragm and the
次に、図17及び図18に示すように下層電極膜4、圧電膜5、上部電極膜6を形成する。下層電極膜4には圧電膜の特性を向上させるためにTi:50nm+Pt:100nmとした。まず、マグネトロンスパッタ装置でTiを50nm成膜し、上記i上にPtを200nm成膜した。Ti及びPtは、ガス圧0.3Paでそれぞれ1.0kW及び0.1kWのRFパワーで成膜した。次いで、マグネトロンスパッタ装置でPb1+x(Zr0.53Ti0.47)O3−yの酸化物ターゲットを用い、常温、Ar/O2比1/1、ガス圧0.7Pa、RFパワー1.0kWの条件で圧電体薄膜を1μm成膜した。その後、電気炉を用い酸素雰囲気下において700°Cで30分間結晶化熱処理を行った。その後、上記圧電体薄膜表面に上部電極膜としてPtを300nm成膜した。上記Ptはマグネトロンスパッタ装置でガス圧0.3Pa、RFパワー0.3kWの条件で成膜した。 Next, as shown in FIGS. 17 and 18, a
次に、図19及び図20に示すように上部電極6を形成する。上部電極6は図19で示すように3つの部分に分かれる。その中の中心が振動梁を駆動させる動力を発生させるための駆動電極6Aであり、その左右にコリオリ力を検出するための検出電極6B,6Cが設置される。幅方向で駆動部分の中心が振動梁の中心と一致し、左右は対照に置かれる。また、図19のように振動梁の根元と上部電極膜6の直線部分の端部が一致する位置に置かれ、さらにその端部から配線接続部分が設けられている。 Next, as shown in FIGS. 19 and 20, the
本実施の形態では駆動電極幅t13を50μm、検出電極幅t14を10μm、上部電極長t12を1.8mm、駆動電極6Aと検出電極6B,6Cの間は5μmとした。この大きさに関しては任意であるが、最終的な振動梁の大きさの範囲内に納める必要がある。また、後述する配線パターンとの接続部分に関しての形状も任意であり、本実施の形態では接続部幅t16を50μm、接続部長t15を50μmとした。 In this embodiment, the drive electrode width t13 is 50 μm, the detection electrode width t14 is 10 μm, the upper electrode length t12 is 1.8 mm, and the distance between the drive electrode 6A and the detection electrodes 6B and 6C is 5 μm. This size is arbitrary, but it must be within the range of the final vibrating beam size. In addition, the shape of the connection portion with the wiring pattern to be described later is also arbitrary, and in this embodiment, the connection portion width t16 is 50 μm and the connection portion length t15 is 50 μm.
上部電極6の形成方法としてはフォトリソグラフィー技術を用いて所望のレジスト膜パターンを形成した後、130°Cで3分間熱処理を行い、イオンエッチングにより不要な部分の上部電極膜を除去して形成した。レジスト膜パターン形成後の熱処理温度は120°C未満だとレジスト壁面が十分なテーパー角にならず、エッチングバリが発生し、140℃超だとレジストの応力で上層電極の剥がれが発生する。 The
次に図21及び図22に示す圧電膜5の形成を行う。圧電膜5の形状は上部電極膜6を完全に覆う形であれば形状は任意である。本実施の形態では圧電膜長t17を1.85mm、圧電膜幅t18を90μmとした。ここで、圧電膜幅の中心が振動梁の中心と一致し、下方端部を根元ラインに一致させる。圧電膜幅t18は振動梁の幅t4以下の幅である必要がある。また、上部電極膜6の接続部6a,6b,6cの圧電膜5は上部電極膜6の接続部分の外周より5μmの幅を待たせて形成した。この幅に関しては素子全体の形状サイズにより任意に設定される。 Next, the
以上の圧電部形成方法としては、フォトリソグラフィー技術を用いて圧電部形状のレジスト膜パターンを形成した後、本実施の形態ではフッ硝酸溶液による湿式エッチングにより除去した。除去の方法に関しては任意であり、物理的なイオンエッチングによる除去や、化学的にRIE(Reactive Ion Etching)により除去する方法が考えられる。 As the above piezoelectric part forming method, a resist film pattern having a piezoelectric part shape is formed using a photolithography technique, and then removed by wet etching with a hydrofluoric acid solution in this embodiment. The removal method is arbitrary, and removal by physical ion etching or chemical removal by RIE (Reactive Ion Etching) can be considered.
次に、図23及び図24に示すように下層電極4を形成する。この下層電極4も上記圧電部と同様に圧電膜5を完全に覆う形であれば形状は任意である。本実施の形態では下層電極長t19を1.9mm、下層電極幅t20を94μmとした。ここで、下層電極幅の中心が振動梁の中心と一致し、下方端部を根元ラインに一致させる。下層電極幅t20は振動梁の幅t4以下の幅である必要がある。また、接続部の下層電極4は圧電膜5の接続部分の外周より5μmの幅を待たせて形成した。この幅に関しては素子全体の形状サイズにより任意に設定される。また、下層電極膜4に対して外部との電気的接合を図るため、図23に示すように下層電極接合部分4Aを設ける。下層電極接合部4Aは、この後配線パターンで引き出せる面積を確保する必要があり、下層電極接合部長t21を50μm、下層電極接合部幅t22を100μmとした。 Next, as shown in FIGS. 23 and 24, the
以上の下層電極部形成方法としては、フォトリソグラフィー技術を用いて下層電極部形状のレジスト膜パターンを形成した後、イオンエッチングにより不要部分を除去することで形成している。この方法に関しても任意であり、イオンエッチングに限定されるものではない。 As the above lower electrode part formation method, after forming the resist film pattern of a lower electrode part shape using a photolithographic technique, it forms by removing an unnecessary part by ion etching. This method is also arbitrary and is not limited to ion etching.
以上の下層電極部形成方法では、フォトリソグラフィー技術を用いて下層電極部形状のレジスト膜パターンを形成した後、130°Cで3分間熱処理し、イオンエッチングにより不要部分を除去することとした。レジスト膜パターン形成後の熱処理温度は120°C未満だとレジスト壁面が十分なテーパー角にならず、エッチングバリが発生し、140℃超たとレジストの応力で上層電極の剥がれが発生する。 In the above lower electrode portion forming method, a resist film pattern having a lower electrode portion shape is formed by using a photolithography technique, followed by heat treatment at 130 ° C. for 3 minutes, and unnecessary portions are removed by ion etching. When the heat treatment temperature after forming the resist film pattern is less than 120 ° C., the resist wall surface does not have a sufficient taper angle and etching burrs are generated, and when it exceeds 140 ° C., the upper layer electrode peels off due to the stress of the resist.
ここで、エッチングを繰り返したことにより圧電特性の劣化が生じているため、電気炉を用い酸素雰囲気下において再度結晶化熱処理を行った。熱処理は高温の方が望ましいが、圧電体薄膜の成膜時の熱処理温度以上に加熱すると、上層電極が剥離する可能性があるため、本実施の形態では650°Cで30分間熱処理することとした。 Here, since the piezoelectric characteristics were deteriorated by repeating the etching, crystallization heat treatment was performed again in an oxygen atmosphere using an electric furnace. The heat treatment is preferably performed at a high temperature, but if heated above the heat treatment temperature at the time of forming the piezoelectric thin film, the upper electrode may be peeled off. In this embodiment, the heat treatment is performed at 650 ° C. for 30 minutes. did.
次に、図25及び図26に示すように、配線下地膜7を形成する。この目的は、後述する配線膜9の密着性を確保するためであり、絶縁材料が前提となる。配線下地膜7は振動子上、各電極接続部6a,6b,6c、振動子周辺のエッチング領域以外に成膜されていれば、その形状は任意である。本実施の形態では電極膜の密着性向上も兼ねて、上部電極膜6、下層電極膜4のそれぞれと配線下地膜を5μmの重なりを持たせることとした。 Next, as shown in FIGS. 25 and 26, a
配線下地膜7の形成方法は、フォトリソグラフィー技術により所望の形状を開口部とするレジスト膜パターンを形成した後、配線電極膜をスパッタリングにより成膜し、不要な部分に付着したスパッタリングした膜をレジスト膜の除去と同時に除去するいわゆるリフトオフの手法により形成した。材料はアルミナを選定し、75nm堆積させた。ただし、この配線膜の材料および形成方法は任意であり上記の形成方法および材料に限定されるものではない。 The
次に、図27及び図28に示すように電極接続部6a,6b,6cに平坦化レジスト膜8を設置する。この平坦化レジスト膜8は後述する配線膜9と上部電極膜6との電気的接合を円滑に行うことが目的である。配線膜9と上部電極膜6を物理的に接合する際に、圧電膜5と下層電極膜4の端部を通過せざるを得ないが、圧電膜5に関しては本実施の形態では湿式エッチングにより形成しておりその端部は逆テーパーないしはほぼ垂直状態となっており平坦化レジスト膜8を設置せずに配線を行うとその端部で断線する恐れがある。また、下層電極膜4が露出しているため平坦化レジスト膜により絶縁を取らないと電気的に短絡してしまう。以上の観点から平坦化レジスト膜8を設置している。 Next, as shown in FIGS. 27 and 28, a planarizing resist
平坦化レジスト膜8の形状は、後述する配線膜9を覆う形であれば任意であり、本実施の形態では平坦化レジスト膜幅t23を200μm、平坦化レジスト膜長t24を50μmとした。 The shape of the flattening resist
平坦化レジスト膜8の形成方法はフォトリソグラフィー技術によりレジスト膜を所望の形状にパターニングを行った後、280〜300°C程度の熱処理を加えることでパターニングを行ったレジスト膜を硬化させる。この際、本実施の形態ではレジスト膜の厚みを2μm程度としたが、この厚みに関しては圧電膜5、下層電極膜4の厚みに応じて変化させ、およそ両者の厚みの合計の厚み以上の厚みを持たせることが望ましい。 The planarizing resist
本実施の形態では上記の平坦化の目的のため、レジスト膜を用いているが、この材料に関してはこれに限定されるものではない。上記の目的に合う非導電性の材料であればその形成方法も含めて任意である。 In this embodiment mode, a resist film is used for the purpose of the above planarization, but this material is not limited to this. Any non-conductive material that meets the above-mentioned purpose is arbitrary including its formation method.
次に、図29及び図30に示すように、上部電極膜6と外部との接続を図るために配線膜9を形成する。これは外部との電気的接続を容易にするためであり、配線膜9は平坦化レジスト膜8の上面を通り上部電極膜6の接合部に接触される。上部電極接続部6a,6b,6cの形状は任意であるが電気的な接触抵抗を減少させるため、5μm四方以上の大きさが望ましい。また本実施の形態では外部との電気的接続に関してはAuバンプ+フリップチップによる接合方法を前提としているため、図29のように各電極に対して電極PAD101a,101b,101c,101dを形成することでAuバンプ領域を確保している。電極PAD101a,101b,101c,101dはAuバンプが可能な面積が必要であり、本実施の形態では電極PAD部長t25を120μm、電極PAD部幅t26を120μmとした。また、上部電極膜6である駆動電極6Aおよび左右の検出電極6B,6C、下層電極4の4つに対してそれぞれ外部との電気的な接合が必要となるため、配線膜9に関してもこれら4つに対して独立していることが必要であり、配線PAD101a,101b,101c,101dの位置については素子エリアAR内にあることが前提である。 Next, as shown in FIGS. 29 and 30, a
また、この工程において同時に分極レールも形成する。本実施の形態の振動子は、最終的に分極して圧電特性を安定化させるが、その分極作業を効率化するために同列の素子をまとめて行うことにしている。この同時分極を行うためには電圧印加側、GND側の配線を事前に形成しておく必要があり、ここでは、図31のように各分極レール111,112として横一直線に形成している。この時点では素子とレールは独立しているが、後述するCu分極線11の形成で印加側とGND側の配線が接続される。 In this process, a polarization rail is also formed at the same time. The vibrator according to the present embodiment is finally polarized to stabilize the piezoelectric characteristics, but in order to make the polarization work more efficient, the elements in the same row are collectively performed. In order to perform this simultaneous polarization, wirings on the voltage application side and the GND side must be formed in advance. Here, the polarization rails 111 and 112 are formed in a horizontal straight line as shown in FIG. At this time, the element and the rail are independent, but the wiring on the application side and the GND side are connected by the formation of the
配線膜9の形成方法は、フォトリソグラフィー技術により所望の形状を開口部とするレジスト膜パターンを形成した後、配線電極膜をスパッタリングにより成膜し、不要な部分に付着したスパッタリングした膜をレジスト膜の除去と同時に除去するいわゆるリフトオフの手法により形成した。配線膜の材料としては付着力を向上させるためTiを20nm堆積させた後、Auバンプを容易にするためAuを500nm堆積させた。ただし、この配線膜の材料および形成方法は任意であり上記の形成方法および材料に限定されるものではない。 The
次に、図32及び33に示すように、振動梁上および配線上に絶縁保護膜10を形成する。この目的は、湿度などの外的要因による電極間リークを防止すること、また、電極膜の酸化を防止することである。振動子上保護膜幅t27は下層電極幅t20よりも広く、振動梁幅t6より狭いことが条件であり、本実施の形態ではt27を98μmとした。振動子上保護膜長t28は下層電極長t19よりも広く、振動子長さt5より狭いことが条件であり、本実施の形態ではt28を1.95mmとした。配線膜9上の保護膜10は、全体を覆うパターンであるが、Auバンプを行う電極PAD4箇所、及びCu配線11との接続部4箇所においては、選択的に保護膜が付かないようにする必要がある。 Next, as shown in FIGS. 32 and 33, the insulating
保護膜10の形成方法は、フォトリソグラフィー技術により所望の形状を開口部とするレジスト膜パターンを形成した後、保護膜をスパッタリングにより成膜し、不要な部分に付着したスパッタリングした膜をレジスト膜の除去と同時に除去するいわゆるリフトオフの手法により形成した。保護膜10の材料としては、付着力を向上させるためAl2O3を50nm堆積させた後、絶縁性の高いSiO2を750nm堆積し、最上層にはその後の振動梁形成時のレジスト密着性を向上させるためにAl2O3を50nm堆積させた。絶縁保護膜として機能するSiO2は、少なくとも上部電極の厚みの2倍以上は必要であるが、1μm以上の厚みになるとリフトオフ時にバリが発生しやすくなるため、本実施の形態では750nmとしている。また、SiO2成膜時は膜密度を高めるため、Ar圧を放電限界の下限である0.4Paで行った。The
次に、図34及び図35に示すようにCu配線11を形成する。Cu配線11は上部電極膜6の駆動電極6A、左右検出電極6B,6Cを電圧印加側のレール111に、下層電極4をGND側のレール112にそれぞれ接続する。Cu配線11は、図36に示すようにすべての素子で同様に接続を行う。この配線をCuにする理由は、分極後に湿式エッチングで容易に溶解し、素子にダメージを与えることなく再度素子を独立することができるためである。そのため、素子にダメージを与えることなく容易に消失させることができる導電体であれば、材料は任意である。配線幅は分極時の導通を確保するため、30μm以上が望ましい。 Next, as shown in FIGS. 34 and 35, a
Cu配線11の形成方法は、フォトリソグラフィー技術により所望の形状を開口部とするレジスト膜パターンを形成した後、Cuをスパッタリングにより成膜し、不要な部分に付着したスパッタリングした膜をレジスト膜の除去と同時に除去するいわゆるリフトオフの手法により形成した。Cu膜厚は分極時の導通を確保するため、400nmとした。この配線膜の形成方法は任意であり上記の形成方法に限定されるものではない。 The
次に、図37及び図38に示すように裏面ストッパー膜12を形成する。この目的は、後述の振動梁形成で貫通エッチングをした際、最下面のプラズマ集中によるエッジ形状不良を防止するためである。本実施の形態では裏面全面にSiO2を500nm、スパッタリングにより形成した。Next, as shown in FIGS. 37 and 38, the back
次に、図39、図40及び図41に示すように梁空間を除去して振動梁を形成する。図40は図39のYY’の断面図、図41は図39のXX’の断面図である。 Next, as shown in FIGS. 39, 40 and 41, the beam space is removed to form a vibrating beam. 40 is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 39, and FIG. 41 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG.
梁空間の形成方法は、貫通部13を開口部とするレジスト膜パターンをフォトリソグラフィー技術により形成し、熱酸化膜(SiO2)2Aをイオンエッチングにより除去した後、基板1を貫通するまでエッチングする。熱酸化膜2Aの除去に関しては湿式エッチングでも可能であるが、サイドエッチングによる寸法誤差を考慮するとイオンエッチングが好適である。また基板1のSiを貫通させるためには本実施の形態では振動梁厚みt14(ダイヤフラム厚みt11)が100μmであり、この量をエッチング除去する必要がある。通常のイオンエッチング等ではレジスト膜との選択比がとれない上に垂直な壁面として残すことは困難である。本実施の形態では、MEMS技術で用いられるICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)を備えた装置に、エッチングと側壁保護膜成膜を繰り返すBoschプロセス(エッチング時SF6、成膜時C4F8ガス)を用いることで、垂直な即壁面を持つ振動梁の形成を行った。この垂直にSi材料を研削する技術は一般的に確立されており、本実施の形態でも市販されている装置により行っている。ただし梁空間の除去の方法に関しては任意であり、上記の方法に限定されるものではない。エッチング幅t7はICPでエッチング可能な幅が必要であり、本実施の形態では50μmとした。また、Cu配線ブリッジ幅t29はCu配線のライン上となるため、貫通させないようにする。ただし、本実施の形態の構造では、後述の素子切断にてこのCu配線ブリッジ部に沿ってカッティングすることで素子を分断するため、Cu配線ブリッジ幅t29は切断砥石幅以下であることが条件となる。本実施の形態ではCu配線ブリッジ幅t29を32μmとした。As a method for forming the beam space, a resist film pattern having the through
ICPでエッチング完了後は、裏面ストッパー膜12を除去する。除去方法は任意であるが、本実施の形態ではフッ化アンモニウムによる湿式エッチングにより除去した。この時ストッパー膜12を除去する前に、貫通パターンのレジストを除去してしまうと、絶縁保護膜10が消失してしまうため、ストッパー膜除去後にレジストを除去することとする。ストッパー膜12、レジスト除去後を図42〜図44に示す。 After completion of etching by ICP, the back
以上のプロセスにより、圧電薄膜センサの形成に関して、圧電素子形成、形状形成、配線形成の主要工程が終了する。図45に示すように基板1内に圧電薄膜センサとして振動型ジャイロセンサ素子100が複数個形成された状態となる。図45では5×5列で表しているが、設計する素子の大きさおよび列挙するピッチにより個数は決定される。 With the above process, the main steps of piezoelectric element formation, shape formation, and wiring formation are completed with respect to the formation of the piezoelectric thin film sensor. As shown in FIG. 45, a plurality of vibration type
次に、図46及び図47に示す素子に、圧電特性を安定にさせるための分極処理を施す。同列の素子をまとめて分極するため、印加側PAD、GND側PADを介して外部電源に接続する。接続の方法、分極方法は任意であるが、本実施の形態ではワイヤボンディングで外部電源に接続、20Vで10分間の条件で分極処理を施した。 Next, the element shown in FIGS. 46 and 47 is subjected to a polarization process for stabilizing the piezoelectric characteristics. In order to collectively polarize the elements in the same row, they are connected to an external power source via the application side PAD and the GND side PAD. Although the connection method and the polarization method are arbitrary, in this embodiment, the connection is made to an external power source by wire bonding, and the polarization treatment is performed at 20 V for 10 minutes.
次に、図48及び図49に示すように、分極処理後に不要となったCu配線11を除去する。Cu配線11を残したまま素子切断を行うと、切断面でCu配線11と基板1が電気的にリークするため、化学的に除去することが望ましい。本実施の形態では素子にダメージを与えないために、メルテックス社製エンストリップ溶液を用いて湿式エッチングを行い、消失させた。 Next, as shown in FIGS. 48 and 49, the
次に図50及び図51に示すように、フリップチップを行うためのAuバンプ14を形成する。Auバンプ14は4箇所の電極PAD上に形成する。 Next, as shown in FIGS. 50 and 51, Au bumps 14 for performing flip chip are formed. The Au bumps 14 are formed on the four electrode PADs.
次に図52及び図53に示すように、基板1上に圧電薄膜センサとして形成された15個の振動型ジャイロセンサ素子100を個々に分断する。分断時はCu配線ブリッジ部の幅32μm以上の砥石で切断する必要があり、本実施の形態では幅40μmの砥石でダイシングによりカッティングした。図53のように素子サイズに従って切断線L1〜L3に沿って切断する。この場合の切断線L1,L2はCu配線ブリッジ部上を切断することが条件となるが、これにより貫通部13と切断面で分断された図54に示す圧電薄膜センサとして振動型ジャイロセンサ素子100が完成し、図53に示すC部が不要部分となる。 Next, as shown in FIGS. 52 and 53, the fifteen vibration type
このように、振動型ジャイロセンサ素子100を薄膜プロセスで形成し、上記薄膜プロセスで形成された薄膜の配線を通して複数個1度に分極処理を行うことによって、大量の薄膜ジャイロを安価に、且つ安定に形成できる。 As described above, the vibration type
そして、個々に分断した振動型ジャイロセンサ素子100は、例えば図55に示すように、フリップチップの手法でIC基板に貼り付けられる。IC基板は素子の配置に合わせて電気的結線が完了するようにあらかじめ設計されている。図55の例では、振動型ジャイロセンサ素子100をX方向Y方向に1つずつ貼り付けることにより、2個の振動型ジャイロセンサ素子100X,100Yを備える二軸の加速度センサ150としている。
この加速度センサ150は、図56に示すように、素子および回路と外部との接触をなくすためカバー材15により保護されている。カバー材15の材料は任意であるが外部ノイズの影響を考慮して 金属などシールドの効果のあるものが望ましい。また、カバー材15は振動梁の振動を妨げない形状とされている。Then, the individually divided vibration type
As shown in FIG. 56, the
1 基板、2A 熱酸化膜、2B 熱酸化膜、3 レジストパターン膜、4 下層電極、4A 下層電極接合部、5 圧電膜、6 上部電極膜、6A 駆動電極、6B,6C 左右検出電極、6a,6b,6c 上部電極接続部、7 配線下地膜、8 平坦化レジスト膜、9 配線膜、10 絶縁保護膜、11 Cu配線、12 裏面ストッパー膜、13 貫通部、14 Auバンプ、15 カバー材、40 IC回路、41 加算回路、42 増幅回路、43 移相回路、44 AGC、45 差動増幅回路、46 同期検波回路、47 平滑回路、100,100X,100Y 振動型ジャイロセンサ素子、101a,101b,101c,101d 電極PAD、101A,101B,101C,101D 配線接続端子、104a 基準電極、105a 圧電体、106a 駆動電極、106b,106c 検出電極、110 振動子、111 電圧印加側のレール、112 GND側のレール、50,150 加速度センサ、L1〜L3 切断線 DESCRIPTION OF
Claims (3)
下部電極、圧電材料、上層電極パターン形成後の再結晶化熱処理を圧電体薄膜成膜時の熱処理温度より50℃以上低温で行う再結晶化熱処理工程を有することを特徴とする振動型ジャイロセンサ素子の製造方法。A method for manufacturing a vibration type gyro sensor element comprising a cantilever-shaped vibrator formed by forming a lower electrode film, a piezoelectric material, and an upper electrode film on a substrate that forms a beam shape,
A vibration type gyro sensor element comprising a recrystallization heat treatment step in which a recrystallization heat treatment after formation of a lower electrode, a piezoelectric material, and an upper electrode pattern is performed at a temperature lower than the heat treatment temperature at the time of forming a piezoelectric thin film by 50 ° C. or more Manufacturing method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005106716A JP2006242931A (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Manufacturing method for oscillation gyro sensor element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005106716A JP2006242931A (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Manufacturing method for oscillation gyro sensor element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006242931A true JP2006242931A (en) | 2006-09-14 |
Family
ID=37049476
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005106716A Withdrawn JP2006242931A (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Manufacturing method for oscillation gyro sensor element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006242931A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008157701A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Sony Corp | Piezoelectric element, manufacturing method therefor, oscillatory type gyro sensor, and electronic apparatus |
JP2008170165A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Sony Corp | Vibrating gyro sensor, control circuit, and electronic apparatus |
JP2014089206A (en) * | 2010-04-30 | 2014-05-15 | Qualcomm Mems Technologies Inc | Micromachined piezoelectric x-axis gyroscope |
-
2005
- 2005-03-04 JP JP2005106716A patent/JP2006242931A/en not_active Withdrawn
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008157701A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Sony Corp | Piezoelectric element, manufacturing method therefor, oscillatory type gyro sensor, and electronic apparatus |
JP2008170165A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Sony Corp | Vibrating gyro sensor, control circuit, and electronic apparatus |
JP2014089206A (en) * | 2010-04-30 | 2014-05-15 | Qualcomm Mems Technologies Inc | Micromachined piezoelectric x-axis gyroscope |
US9021880B2 (en) | 2010-04-30 | 2015-05-05 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Micromachined piezoelectric three-axis gyroscope and stacked lateral overlap transducer (slot) based three-axis accelerometer |
US9032796B2 (en) | 2010-04-30 | 2015-05-19 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Stacked lateral overlap transducer (SLOT) based three-axis accelerometer |
US9410805B2 (en) | 2010-04-30 | 2016-08-09 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Micromachined piezoelectric z-axis gyroscope |
US9459099B2 (en) | 2010-04-30 | 2016-10-04 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Micromachined piezoelectric x-axis gyroscope |
US9605965B2 (en) | 2010-04-30 | 2017-03-28 | Snaptrack, Inc. | Micromachined piezoelectric x-axis gyroscope |
US10209072B2 (en) | 2010-04-30 | 2019-02-19 | Snaptrack Inc. | Stacked lateral overlap transducer (SLOT) based three-axis accelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2007043054A (en) | Piezoelectric element and method for manufacturing same | |
KR101119257B1 (en) | Vibration type gyrosensor device | |
JP5145637B2 (en) | Vibration type gyro sensor | |
KR101139635B1 (en) | Method of manufacturing vibration gyro sensor element, vibration gyro sensor element, and method of adjusting vibration direction | |
JP5037819B2 (en) | Electronics | |
KR20060095517A (en) | Method for manufacturing vibrating gyrosensor and vibrating element | |
JP4640459B2 (en) | Angular velocity sensor | |
JP5107399B2 (en) | Vibration type gyro sensor | |
JP2008082850A (en) | Vibration element and its manufacturing method | |
JP2006242931A (en) | Manufacturing method for oscillation gyro sensor element | |
JP2008224628A (en) | Angular velocity sensor and electronic device | |
JP2008157701A (en) | Piezoelectric element, manufacturing method therefor, oscillatory type gyro sensor, and electronic apparatus | |
JP2005227110A (en) | Vibration-type gyro sensor element, and manufacturing method therefor | |
JP2004120351A (en) | Manufacturing method of piezoelectric vibration piece | |
JP3891182B2 (en) | Method for manufacturing vibration gyro sensor element and method for adjusting detuning degree | |
JP2009244202A (en) | Method for manufacturing angular-velocity sensor | |
JP5407250B2 (en) | Angular velocity sensor element, method of manufacturing angular velocity sensor element, angular velocity sensor, and electronic device | |
JP2006214779A (en) | Manufacturing method of vibrator | |
JP4441729B2 (en) | Electronics | |
JP5353651B2 (en) | Manufacturing method of angular velocity sensor | |
JP2005331485A (en) | Piezoelectric element and electromechanical transducer | |
JP2008137123A (en) | Method for manufacturing micromachine, and micromachine | |
JP5146578B2 (en) | Vibration type gyro sensor | |
JP2009231484A (en) | Piezoelectric mems and manufacturing method therefor | |
JP2008261638A (en) | Manufacturing method of inertial force sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080513 |