JP2007534172A - 微小電気機械装置 - Google Patents

Abstract

電気機械装置（２０１）は、第２及び第３の基板（２２０ａ〜ｂ）の内面を、第１の基板（２３０）に取り付けることによって形成された支持構造（２１０）を備える。支持構造（２１０）は、第２の基板と第３の基板（２２０ａ〜ｂ）との間に、少なくとも１つの空洞（２５０）を備える。圧電要素などの電気機械活性要素（２６０ａ〜ｂ）が、第２又は第３の層（２２０ａ〜ｂ）のうち少なくとも一方の外面上に設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に電気機械装置に関する。より詳細には、本発明は、マイクロマシニング技術による圧電装置の形成に関する。

図１は、圧電装置など、従来型の電気機械装置１０１を示す。圧電装置は一般に、支持構造の少なくとも１つの表面上に配設された圧電セラミック要素１０４ａ〜ｂを有する支持構造１０２を備える。支持構造１０２は、スタンピング、曲げ及び／又は金属板を適切な形状に成形することによって、形成される。圧電要素１０４ａ〜ｂは、支持構造上に配設される。

圧電膜が、金属の支持構造の表面上に成膜される。しかし、金属部分は、圧電薄膜を処理するために必要な酸化雰囲気中、高温で容易に酸化される。さらに、圧電膜を製作するためのプロセスは、金属部分の酸化を低減するようになされなければならない。したがって、圧電膜は、例えば水熱成長を使用して、より低い温度で製作される。そうした方法により、例えばスパッタリング、ＭＯＣＶＤ、又はゾルゲル法によって高温アニールで製作されたものに特性及び機械的接着力が劣る膜が製作される。さらに、これらの構造は、水熱成長を実現するために腐食性溶液中に浸漬され、それにより深刻な汚染、及び処理の適合性（compatibility）の問題が生じる。

したがって、前述の議論から、信頼できる電気機械装置を提供することが望ましい。

本発明は一般に、電気機械装置に関する。一実施形態では、本発明は、電気機械装置の製作に関する。この方法は、電気機械装置の支持構造を、第１、第２及び第３の層を提供することによって形成することを含む。第２及び第３の層の内面を第１の層に取り付け、それにより少なくとも１つの空洞を有する支持構造を形成する。支持構造が形成された後、第２及び第３の層のうち少なくとも一方の外面上に電気機械活性要素（active element）を設ける。

一実施形態では、第１、第２、及び第３の層を、単結晶シリコンから形成する。別の実施形態では、第１の層をガラスから形成し、第２及び第３の層を単結晶シリコンから形成する。電気機械活性要素は、圧電膜で分離された第１及び第２の電極を備える。さらに、この電気機械装置には、マイクロマシニング及び一括処理を施すことができ、それにより最小化が容易になり、製造コストが低減される。

図２は、本発明の一実施形態による、電気機械装置２０１を示す。この電気機械装置は、支持構造の第１及び第２の主外面２２４ａ〜ｂを有する支持構造２１０を備える。主外面は、構造の両面にあり、空洞２５０によって分離される。この電気機械装置は、スループットを増大させ、製造コストを低減するための、並列製作技術を施すことができる。一実施形態では、この電気機械装置を、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に使用されるようなマイクロマシニング技術によって製作する。

一実施形態では、主外面が、第１及び第２の主支持部材２２０ａ〜ｂによってもたらされる。一実施形態では、これらの主支持部材を、少なくとも１つの副支持部材２３０によってもたらされる支持構造の中央部分に取り付ける。図のように、第１及び第２の副支持部材２３０ａ〜ｂを設け、そこに主支持部材を取り付ける。一実施形態では、副支持部材の形状が、空洞の形状を画定する。空洞の形状は、所望の量の曲げ変形又は振動を発生させるために十分なコンプライアンスを構造にもたらすものが選択されるべきである。一実施形態では、空洞は、方形を構成する。設計要件に応じて、他の幾何形状も有用である。例えば、空洞３５０は、図３に示すように、副部材３３０ａ〜ｂの形状によって形成されるＨ字型とすることができる。

別の実施形態では、支持構造は、２つ以上の空洞を備える。それらの空洞は、任意の数の副支持部材によって製作することができる。例えば、図４を参照すると、第１及び第２の空洞４５０ａ〜ｂが、単一の支持部材４３０によって作製されている。或いは、図５に示すように、第１及び第２の空洞５５０ａ〜ｂを、第１、第２、及び第３の副支持部材５３０ａ〜ｃによって製作することができる。空洞は、方形として示されているが、すでに論じたように、他の幾何形状も有用であることが理解されよう。さらに、異なる空洞の形状は、同じでも、異なっても、互いに鏡像であってもよい。

図２を再度参照すると、支持構造を形成するのに多くのタイプの材料を使用することができる。一実施形態では、支持構造は、電気機械装置を製作するための様々な処理条件に耐えることのできる材料を含む。例えば、圧電膜などの活性電気機械要素（active electromechanical element）が、主表面２２４ａ〜ｂ上に直接形成される場合、支持構造の材料は、処理中に広い温度範囲の変化を受けて、大幅な膨張、収縮又は変形を示すべきではない。

様々な支持部材を、同じ又は異なる材料から形成することができる。一実施形態では、副支持部材が第１の材料を含み、主支持部材が第２の材料を含む。一実施形態では、多数の装置を同時に並列処理することを容易にするために、支持部材の第１の材料を、より大きな第１の基板から得る。２つの主支持部材の第２の材料を、第１の基板に取り付けられた２つのより大きな第２の基板から得る。２つの主支持部材を、同じ材料から形成する必要がないことも、第１及び第２の材料が異なる材料である必要がないことも理解されたい。

支持部材の材料は、例えば、シリコン又はガラスを含む。セラミック、ガラスセラミック、他の結晶質、単結晶又は非晶質材料、或いはそれらの組合せなど、他のタイプの材料も有用である。一実施形態では、第１及び第２の材料は、結晶質材料を含む。一実施形態では、第１及び第２の材料は、単結晶シリコンを含む。他のタイプの結晶質材料も有用である。シリコンは、装置の並列処理を容易にするために、シリコンウエハーによって提供される。

一実施形態では、副支持部材をもたらす第１の結晶シリコンウエハーを、ウエハーを取り付ける方向（すなわちｚ方向）に平行な＜１１０＞結晶方向に配向させる。主支持部材を形成するために第１のシリコンウエハーの両主表面に取り付ける第２及び第３のシリコンウエハーを、ｚ方向に平行な＜１００＞又は＜１１０＞結晶方向に配向させる。結晶ウエハーの他の配向も有用となり得る。一実施形態では、これらのウエハーを、高温プロセスを使用して取り付ける。そうしたプロセスには、例えばシリコン対シリコンの融解接合が含まれる。接着を容易にするための中間層の使用、レーザアシスト接合、陽極接合など、他の取付け技術も有用であり、それは使用される材料のタイプによることがある。

一実施形態では、電気機械活性要素を、支持構造の第１及び第２の主外面のうち少なくとも一方上に設ける。一実施形態では、電気機械活性要素２６０ａ〜ｂを、支持構造の第１及び第２の主外面上に設ける。例えば主外面以外の表面上を含めて、第１及び第２の電気機械活性要素以外にも電気機械活性要素を設けることも有用である。

一実施形態では、活性電気機械要素が、圧電装置を形成するための圧電スタックを備える。他のタイプの電気機械活性要素も有用である。圧電スタックは、第１の電極２６６と第２の電極２６８の間に挟まれた活性材料又は膜２６４を備える。一実施形態では、活性膜は圧電膜を含む。他のタイプの活性膜も有用である。第１の電極は下部電極であり、第２の電極は上部電極である。３つ以上の電極を有し、それぞれが活性膜によって分離されているような、他のタイプの多層圧電スタックの使用も、有用である。

様々なタイプの圧電材料を使用して、活性膜を形成することができる。一実施形態では、圧電材料は、圧電セラミック材料を含む。圧電セラミック材料は、例えば、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、亜鉛二オブ酸鉛（ＰＺＮ）、又はそれらの組合せを含む。他のタイプの圧電セラミックも、有用である。一実施形態では、圧電セラミックは、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３又は０．７Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−０．３ＰｂＴｉＯ_３など、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）付近の組成を有する。すでに論じたように、他のタイプの材料を使用して、活性膜を形成することもできる。そうした材料には、例えば、電わいセラミックを含む電わい材料、強磁性セラミック、又は反強磁性セラミックが含まれる。

一実施形態では、電極を、室温で固体の導電性材料から形成する。導電性材料は、圧電材料に対して安定であるべき材料を含む。導電性材料には、例えば、貴金属又はその合金が含まれる。導電性セラミックなどの導電性材料も有用である。他のタイプの導電性材料も有用である。一実施形態では、下部電極は白金を含み、上部電極は金を含む。異なる電極に対する材料の他の組合せも有用である。例えば、両方の電極を、同じ材料又は異なるタイプの材料から形成することができる。

一実施形態では、絶縁層２７０を下部電極と主支持表面との間に設け、それにより下部電極を主支持部材から絶縁する、且つ／又はこれら２つの間の接着力を高める。絶縁層の使用は、支持構造が非絶縁材料から形成される用途に特に有用である。絶縁層には、例えば、ＳｉＯ_２などの誘電材料が含まれる。他のタイプの絶縁又は誘電材料を使用することもできる。

図のように、上部電極は、少なくとも１つの接点パッド（contact pad）２６９を備える。一実施形態では、接点パッドを、主支持部材の第１の端部２２１に、又はその近くに配置する。下部電極へのアクセスを可能にするために、接点開口又はウィンドウ２７４を設ける。一実施形態では、接点ウィンドウを、主支持部材の第１の端部に配置する。短絡の問題を回避するために、接点パッドとウィンドウの間に十分な間隔が設けられるべきである。接点パッド及び接点ウィンドウを、別の位置に配置することも有用である。例えば、接点パッド及びウィンドウを、互いに近接して配置する必要はない。

一代替実施形態では、上部電極を、図６に示すように、第１及び第２の上部電極６６８ａ〜ｂに分割する。各電極には、接点パッド（６６９ａ又は６６９ｂ）が伴う。一実施形態では、接点パッドを、主支持部材の第１の端部に、又はその近くに配置する。接点パッドを主支持部材の別の位置に配置することも有用である。３つ以上に分割された上部電極を設けることも有用である。複数の電極を使用すると、主支持部材の動きのより細かい調整が可能になり、圧電装置の性能が向上、又は最適化される。

一実施形態では、下部電極と絶縁層の間の接着力を高めるために、接着促進層（図示せず）を設ける。もう１つの接着促進層（図示せず）を上部電極と圧電膜の間に設けて、これらの２層間の接着力を向上させることもできる。接着促進層は、例えばチタンを含む。他のタイプの接着促進層も有用である。

一実施形態では、圧電スタックの様々な層を、薄膜成膜技術を使用して形成する。そうした技術には、例えば、スパッタリング、パルスレーザ成膜（ＰＬＤ）、蒸着、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、回転コーティング、及び浸漬コーティングが含まれる。一実施形態では、薄膜法によって形成されたこれらの層（例えば圧電膜）は、約５μｍ未満の厚さを有する。或いは、圧電スタックを予め形成して、支持構造上に、例えば接合剤を使用して取り付ける。圧電スタックを形成する他の技術も有用である。

図７ａ〜ｇは、本発明の一実施形態に従って圧電装置を製作するための一プロセスの断面図を示す。図７ａを参照すると、第１の基板７０３が提供される。一実施形態では、第１の基板は、複数の装置を並行して形成するのに使用される。第１の基板は、副部材を含む、圧電装置の支持構造の中央部分を製作するのに使用される。一実施形態では、第１の基板は、シリコンなどの単結晶材料を含む。例えば、基板は、４インチのシリコンウエハーを含む。他の寸法のウエハーを用意することも有用である。他のタイプの単結晶材料、並びに非単結晶材料も有用である。例えば、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、又はそれらの組合せなどの材料を使用することができる。

第１の基板の厚さが、支持構造の全体の厚さの一因となる副支持構造の幅を画定する。シリコンウエハーの典型的な厚さは約２００〜９００μｍである。設計要件に応じて、他の厚さも有用である。一実施形態では、第１の基板の両面を研磨する。基板表面を研磨することにより、例えば接合の質を高めることができる。基板が研磨される際、研磨による厚さの低減が考慮されるべきである。一実施形態では、基板の結晶方位＜１１０＞が、基板の厚さの方向（ｚ方向）である。

図７ｂを参照すると、支持構造の副支持部材（例えば中央部分）を形成するようにパターン形成した後の、基板の一部分が示してある。説明として、基板のこの一部分は、第１及び第２の圧電装置が製作されるところに相当する。一実施形態では、第１の基板を、貫通溝７５２ａ〜ｂを形成するようにパターン形成する。これらの溝は、各圧電装置の単一の方形空洞と関連する。所望の空洞パターン又は空洞の数に応じて、他のタイプのパターンも有用である。

一実施形態では、副支持部材を、マイクロマシニング技術によって形成する。そうした技術には、例えば、湿式又は乾式エッチング技術が含まれる。他の技術も有用である。一実施形態では、第１の基板のパターン形成は、（１１０）配向されたシリコンウエハーの場合、湿式エッチング技術を使用して実現される。

基板を、パターン形成プロセス用に前処理する。一実施形態では、ハードマスク７５５を使用して、基板をパターン形成する。基板をパターン形成するための他の技術も有用である。ハードマスクを、第１の基板の第１及び第２の主表面７０６及び７０７上に形成する。一実施形態では、ハードマスクは、酸化シリコンを含む。他のタイプのハードマスク材料を使用することもできる。例えば、窒化シリコンを使用して、ハードマスクとして機能させることができる。一実施形態では、酸化雰囲気環境中、約９００〜１２００℃で約１０時間にわたって基板を処理することを含む熱酸化によって、酸化シリコンのハードマスクを形成する。化学気相成長又はスパッタリングなど、ハードマスクを形成するための他の技術も有用である。ハードマスクの厚さは、パターン形成プロセスに耐えるのに十分でなければならない。一実施形態では、ハードマスクは約２μｍ厚さである。他の厚さも有用である。

ハードマスクが形成された後、ソフトマスク（図示せず）をその上に形成する。一実施形態では、ソフトマスクは、フォトレジストなどの感光材料を含む。他の感光材料も有用である。ソフトマスクを、従来のフォトリソグラフィ技術を使用して、ハードマスクの部分が選択的に露光されるようにパターン形成する。例えば、ソフトマスクを、所望のパターンを有するリソグラフィマスクを通して、適当な波長の放射で選択的に露光する。一実施形態では、ソフトマスクは、１つずつ露光される。露光後、ソフトマスクを現像して、ポジティブ型の感光材料が使用されたかネガティブ型の感光材料が使用されたかに応じて、露光された、又は露光されていない部分を除去する。これにより、ソフトマスク内に、基板内に形成されるべき溝に対応するウィンドウ又は開口が作製される。ソフトマスクのパターンは、好ましくは同一である。

次いで、ソフトマスクによって露出されたハードマスクの部分を除去するために、湿式エッチングを実施する。湿式エッチングは、例えば、湿式エッチング溶液の中に浸漬することによって実施される。一実施形態では、エッチング溶液は、フッ化水素酸及び水溶性のフッ化アンモニウムを含む。他のタイプの湿式エッチング溶液も有用である。湿式エッチング技術は、両方のハードマスクが同時にパターン形成されるので、好ましい。乾式エッチングなど、ハードマスクをパターン形成するための他の技術も有用である。

ハードマスクをパターン形成した後、ソフトマスクを除去する。次いで、基板を湿式エッチングして、貫通する溝７５２ａ〜ｂを形成する。湿式エッチングは、例えば、基板を湿式エッチング溶液中に浸漬することによって実施される。一実施形態では、基板をエッチングするための湿式エッチング溶液は、水溶性の水酸化カリウム溶液を含む。他のタイプのエッチング溶液も有用となり得る。例えば、重量比３０％のエッチング溶液中で、（１１０）配向されたシリコンウエハーのエッチング速度は、６０℃で１時間あたり約１３μｍである。確実に基板が完全にエッチングによって貫通されて溝がもたらされるように、エッチング時間を制御することができる。

一実施形態では、実質的に異方性湿式エッチング法となるように、基板の結晶方向を配向させる。（１１０）シリコンウエハーの順方向の＜１１０＞方向と斜めの＜１１１＞方向との間の湿式エッチング比は、約２００：１〜３００：１である。したがって、シリコン基板を＜１１０＞方向（例えば、（１１０）面は上部表面７０６及び下部表面７０７に平行である）に配向させることによって、湿式エッチングを行うと、実質的に異方性エッチングがもたらされることになり、それにより、横方向のエッチングを実質的に抑制しながら、溝を形成することが可能になる。

或いは、副支持部材は、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、又はスパッタエッチング及び気相エッチングを含む他の乾式エッチング技術などの乾式エッチングを使用して形成することができる。エッチングは、基板の一方又は両方の主表面から実施することができる。例えば、乾式エッチングであれば、上部又は下部の表面からエッチングすることによって、又は最初に上部からエッチングし、次いで下部からエッチングすることによって、溝を形成することができる。エッチングされる表面だけにハードマスクが必要となることになる。基板をパターン形成するための他の技術も有用である。基板をパターン形成するために使用される技術は、基板の材料によることもある。

基板をパターン形成した後、ハードマスクを除去する。ハードマスクの除去は、湿式エッチングによって実現することができる。湿式エッチング液は、例えば、フッ化水素酸溶液のエッチング溶液を含む。次いで基板に、後続の処理のための前処理が行われる。そうした前処理には、例えば、基板表面の表面粗さを改善するための、化学的機械研磨（ＣＭＰ）が含まれ得る。研磨後、次いで基板を洗浄する。一実施形態では、基板を標準的なＲＣＡ１及びＲＣＡ２溶液で洗浄し、脱イオン水ですすぐ。他の洗浄法も有用となり得る。

図７ｃを再度参照すると、第２及び第３の基板７２１ａ〜ｂが、第１のパターン形成済み基板に取り付けられている。一実施形態では、第２及び第３の基板は、シリコンを含む。ガラス、セラミック、又はガラスセラミックなど、他のタイプの材料も有用となり得る。さらに、第２及び第３の基板は、同じ材料から形成される必要はない。一実施形態では、第２及び第３のシリコン基板を、＜１００＞方向に配向させる。他の結晶方位も有用である。

一実施形態では、第２及び第３の基板を、融解接合などの高温プロセスによって、パターン形成済みの第１の基板７０３に取り付ける。陽極接合、接着接合、又は熱圧着など、基板を取り付けるための他の技術も有用である。

一実施形態では、第２及び第３の基板を、融解接合の前に前処理する。前処理には、例えば、基板の両面を研磨して、表面粗さを改善すること、また基板をＲＣＡ２及びＲＣＡ１溶液中で洗浄し、それに続いて脱イオン水中ですすぐことが含まれ得る。基板をＲＣＡ１溶液中で処理することにより、基板上の表面の親水性が促進される。表面が親水性の基板を使用すると、有利には、高温での融解接合の前に、低温予備接合（pre‐bonding）が可能になる。或いは、基板表面をプラズマで処理して、親水性表面をもたらしてもよい。

第２の基板を、第１の基板に取り付け、ウエハーボンダ内で予備接合処理する。予備接合処理には、例えば、加圧すること、且つ／又は温度を中程度に上昇させることが含まれる。予備接合処理は、好ましくは基板表面が親水性である間に実施する。予備接合処理後、次いで第１及び第２の基板を、約９００〜１２００℃での約２時間にわたるアニールによって互いに接合する。予備接合及び接合の手順を、第３の基板について繰り返し、それによって、基板の接合を完了する。

一般には、基板は、約数百μｍ厚さである。この厚さは、所望するよりも大きいことがある。そうである場合、第２及び第３の基板の厚さを低減することができる。一実施形態では、第２及び第３の基板の厚さは、約１〜６０μｍに低減される。設計要件に応じて、他の厚さも有用となり得る。機械的研磨、化学的湿式エッチング、又はプラズマエッチングなどの様々な技術を使用して、基板の厚さを低減することができる。他の技術も有用である。一実施形態では、基板の厚さを、機械的研磨によって低減する。薄化プロセス後に表面粗さを改善するために、基板表面を、例えばＣＭＰによって研磨することができる。

その他の実施形態では、第２及び第３の基板は、ＳＯＩ基板を含む。一般に、ＳＯＩ基板は、第１の（例えばバルク）シリコンウエハーと第２の（例えば表面）シリコンウエハーとによって挟まれた絶縁層を備える。通常、これらのシリコンウエハーのうち一方（例えば表面）が、他方（例えばバルク）よりも薄い。一実施形態では、薄い方のシリコンウエハーを、支持構造の中央部分を形成する第１の基板に接合する。ＳＯＩウエハーを使用することにより、例えば、シリコンの薄化プロセスの期間を不要にする、又は低減することができる。

第１の基板に接合されないシリコンウエハーを、湿式エッチングによって除去する。例えば、基板スタックを、水溶性の水酸化カリウム溶液など、シリコンを溶解する湿式エッチング溶液の中に浸漬する。乾式エッチングなど、ＳＯＩ基板の上部シリコンウエハーを除去する他の技術も有用である。保護被覆又は機械的チャックを使用して、第１の基板、及び第１の基板に接合されるＳＯＩ基板の下部シリコンウエハーの周縁部を保護することができる。

ＳＯＩ基板の上部シリコンウエハーを除去した後、湿式エッチングを使用して、ＳＯＩ基板の酸化シリコン絶縁層を剥ぎ取る。湿式エッチング液には、例えば、ＨＦ酸溶液が含まれる。他の技術又は化学的性質を使用して、酸化シリコン層を除去することもできる。例えば、酸化シリコン層は、乾式エッチングによって除去することができる。

図７ｄを参照すると、絶縁層７７１ａ〜ｂが、第２及び第３の基板７２１ａ〜ｂの外面上に成膜されている。一実施形態では、絶縁層は、酸化シリコンを含む。他のタイプの誘電又は絶縁材料も有用である。これらの層を、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）技術によって成膜させる。様々なタイプのＣＶＤ又は他の技術を使用することができる。一実施形態では、絶縁層を、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を使用して、約２８０℃の温度で成膜させる。絶縁層の厚さは約０．５μｍである。他の厚さも有用である。

図７ｅを参照すると、圧電スタック７６０ａ〜ｂの様々な層が、絶縁層上に成膜されている。一実施形態では、このスタックの様々な層を、基板スタックの両面上に１層ずつ、片面ずつ形成する。例えば、下部電極を、基板スタックの片面上に形成し、それに続いて基板スタックを裏返し、他面上に下部電極を形成する。スタックを形成するための他の手順も有用である。例えば、一方のスタックの層を全て形成し、次いで基板を裏返して、他方のスタックを形成する。

一実施形態では、下部電極層７６６、圧電層７６４、及び上部電極層７６８を、絶縁層上に連続して成膜する。接着促進層を絶縁層上に設けて、絶縁層と下部電極層の間の接着力を促進することができる。様々な技術を使用して、圧電スタック層を成膜することができる。一実施形態では、圧電スタックの層を、薄膜成膜技術によって形成する。そうした技術には、例えば、スパッタリング、パルスレーザ成膜、蒸着、ＣＶＤ、回転コーティング、及び浸漬コーティングが含まれる。薄膜法によって、それぞれ約５μｍ未満の厚さの層が成膜される。異なる層を形成するための他の技術も有用である。スタックの様々な対応する層が、同じである、又は類似することが好ましいが、必然ではない。

一実施形態では、接着促進層は、約５０ｎｍ厚さのチタンを含む。接着促進層を、スパッタリングによって成膜する。下部電極層は、貴金属を含む。一実施形態では、下部電極層は、白金を含む。下部電極層は、例えば、約０．３μｍである。Ｔｉ及びＰｔ層を、好ましくは、基板スタックの面ごとに、１スパッタリングサイクル内で成膜する。

圧電層は、ＰＺＴを含む。好ましくは、ＰＺＴは、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３など、ＭＰＢ付近のターゲット組成を有する。他のターゲット組成も有用である。圧電層の厚さは約０．３〜２０μｍである。好ましくは、圧電層の厚さは、約５μｍ未満である。ＰＺＴ層を、例えば、ゾルゲルなどの回転コーティング、又は有機金属分解（ＭＯＤ）によって成膜する。ＣＶＤ、パルスレーザ成膜、スパッタリングなど、他の技術も有用である。

一実施形態では、圧電層の組成成分（compositional-element）を含む前駆溶液を、下部電極上に回転コーティングし、加熱して圧電層を形成する。濡れた層を、約１１０℃の温度で約２分間乾燥させ、その後、約４１０℃での熱分解プロセスに約１０分間かける。回転コーティングプロセス、乾燥プロセス、及び熱分解プロセスを、約３回繰り返してから、層を約５６０℃で２０分間加熱する。一実施形態では、前述の諸プロセスをもう２回繰り返し、その後層を約７００℃で５分間アニールする。圧電層は、このプロセスの後、好ましくは、亀裂することなく完全に結晶化する。

上部電極層を、圧電層上に成膜する。一実施形態では、上部電極は、貴金属を含む。一実施形態では、上部電極は金を含む。他のタイプの貴金属又は導電性材料も有用である。上部電極の厚さは、約０．２μｍである。他の厚さの上部電極を形成することも有用である。一実施形態では、上部電極層を、スパッタリングによって成膜する。上部電極層を形成するための他の成膜技術も有用である。

接着促進層を上部電極層の前に形成して、圧電層に対する上部電極層の接着力を促進することもできる。接着促進層は、例えばチタンを含む。他のタイプの接着促進材料も有用である。一実施形態では、接着促進層の厚さは、約２０ｎｍである。他の厚さも有用である。

図７ｆを参照すると、基板表面上の層が所望のとおりにパターン形成されて、圧電スタック７６０ａ〜ｂが形成されている。様々なマスク技術、エッチング技術、及びリフトオフ技術を使用して、圧電スタックを形成することができる。例えば、湿式又は乾式エッチング技術を使用して、圧電スタックの様々な層をパターン形成することができる。

一実施形態では、湿式エッチング技術を使用して、様々な層をパターン形成する。上部電極層の上にフォトレジスト層を形成し、それをパターン形成して、マスク層を形成する。レジストマスクを使用して、圧電スタックをパターン形成することができる。異なる層に対して異なる化学的性質を使用することができる。例えば、上部電極層を水溶性のヨウ素溶液及び水溶性のヨウ化カリウム溶液中でエッチングし、圧電層をＨＮＯ_３及びＨＦ酸溶液中でエッチングする。他のエッチング溶液を使用して、様々な層をパターン形成することができる。

一実施形態では、マスクを使用して、上部電極層をパターン形成することによって、図２に示すような、単一の上部電極を形成する。２つ（図６に示すような）、又はそれより多い上部電極を形成するのに使用されるマスクを形成することも有用である。その後、別のマスクを使用して、下部電極への接点ウィンドウを形成することもできる。

すでに説明したように、これらの層を、湿式エッチング技術を使用してパターン形成する。湿式エッチングは、第２及び第３の基板の両上部表面上にある圧電スタックの様々な層を同時にパターン形成することができるので、好ましい。或いは、乾式、湿式エッチング技術、及びリフトオフ技術の組合せを使用して、これらの層をパターン形成することもできる。例えば、上部電極を、リフトオフ法を使用してパターン形成し、下部電極層を、湿式エッチング法によって形成し、圧電層を乾式エッチング法によってパターン形成することができる。一実施形態では、乾式エッチングは、ＣＨＦ_３／Ａｒを使用するプラズマエッチングを含む。これらの層をパターン形成するための他の構成も有用である。

一代替実施形態では、圧電スタックの様々な層を、湿式又は乾式エッチング技術を使用して、個々にエッチングする。圧電スタックの様々な層をエッチングする他の組合せも有用である。

別の代替実施形態では、パターン形成プロセスによって下部電極の一部分が露出される場合、下部電極への接点ウィンドウを回避することができる。例えば、下部電極は、電極スタックの少なくとも一方の端部上に突き出すことができる。接点ウィンドウを必要とせずに下部電極を露出させる他の構成も有用である。

一実施形態では、圧電スタックのパターン形成によって、図７ｆに示すように、第２及び第３の基板の表面上に絶縁層が残る。場合によっては、点線７８９によって示される下部電極が、第２及び第３の基板の表面上にとどまることもできる。基板のダイシングを容易にするために、基板上にダイシング溝を形成することができる。ダイシング溝は例えば、領域７８３内の、２つの電極スタック間に配置する。ダイシング溝を形成するために、下部電極及び絶縁層の部分を、（もしあれば）除去する。一実施形態では、下部電極を、イオンミリングを使用してエッチングし、絶縁層を、ＣＦ_４を使用してプラズマエッチングする。これらの層をパターン形成するための他の技術も有用である。

次いで、基板スタックを、図７ｇに示すように、個々の装置７０１ａ〜ｂにダイシングする。一実施形態では、ダイシングプロセス中に、下にある層を損傷から保護するために、保護層をスタック上に一時的に被覆する。例えば、ダイシングする前に、スタックのそれぞれの面上に、フォトレジスト層を回転コーティングし、それに続いてハードベークすることができる。ダイシングの完了後、フォトレジスト層を、例えば、アセトン溶液で除去することができる。次いで、装置を、電界（例えば１８０ｋＶ／ｃｍ）を印加して、圧電膜を電気的に分極することによって活性化する。電気的分極後、膜は圧電特性を示す。

別の実施形態では、図７ａ〜ｃで説明したように、例えば第１の基板をパターン形成し、第２及び第３の基板を接合することによって、最初に支持構造を形成する。ウエハースタックが形成された後、接着剤又はテープなどの接合剤を使用して、予め形成された圧電スタックを基板上に取り付ける。そうした用途の場合、予め形成された圧電スタックは、絶縁層も含むことができる。希望するなら、予め形成された圧電スタックを取り付ける前に、ダイシング溝を形成することができる。その後、ウエハーをダイシングして、別々の圧電装置を形成する。或いは、ウエハースタックをダイシングしてから、予め形成された圧電スタックを個々に取り付ける。

図８は、複数の圧電装置を形成するのに使用される基板スタック８０８の上面図を示す。基板スタックは、第２及び第３の基板によって挟まれた第１の基板を含む。溝８５２を第１の基板内に形成する。これらの溝は、支持構造の空洞に対応する。図８に示すように、溝の長さはｘ方向である。一実施形態では、第１の基板として（１１０）配向された単結晶シリコンウエハーを使用し、溝の長さ方向を、単結晶シリコンウエハーの（１１１）面内に配列（align）する。第２及び第３の基板の上部表面上に圧電スタックを形成する（図示せず）。ｘ方向８１５及びｙ方向８１６に沿って、基板のダイシングを実施する。圧電装置８０１は、ダイシング線の交点にある。各方向に２本のダイシング線しか示されていないが、両方向にもっと多くのダイシング線があることを理解されたい。

説明したように、各溝を使用して、複数の装置を形成することができる。溝は、基板上に形成される装置の数を最適にするように、第１の基板上に配設することができる。基板スタックから複数の装置を形成することによって、多数の装置を１処理サイクル内で製造することができる。したがって、製造の一貫性及び効率が大幅に向上され、それにより製造コストが低減される。

図９ａ〜ｃは、本発明の別の実施形態に従って圧電装置を形成するための、一部のプロセスを示す。図９ａを参照すると、第１の基板９０３が提供される。好ましくは、第１の基板を使用して、複数の装置を並行して形成する。第１の基板は、副部材を含む、圧電装置の支持構造の中央部分を製作するのに使用される。一実施形態では、第１の基板は、ガラスなどの非晶質材料を含む。他のタイプの非晶質材料も有用である。一実施形態では、ガラス基板は、４インチのＰｙｒｅｘ ７７４０ガラス基板である。

第１の基板をパターン形成して、圧電装置用の支持構造の副支持部材を形成する。一実施形態では、第１の基板をパターン形成して、溝９５２ａ〜ｂを形成する。基板は、レーザ切断、超音波切断、又は深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）などの様々な技術によってパターン形成することができる。他のパターン形成技術も有用である。一実施形態では、ガラス基板をＤＲＩＥでパターン形成する。ＤＲＩＥプロセスのパラメータを、表１に記載する。他のＤＲＩＥプロセスパラメータも有用である。

図９ｂを参照すると、第２及び第３の基板９２１ａ〜ｂが用意されている。第２及び第３の基板を、第１のパターン形成済み基板に取り付ける。好ましくは、これらの基板の材料が、厳密に合致した膨張係数を有する。厳密に合致した膨張係数を有することによって、全ての部材がほぼ同じ量膨張及び収縮するので、圧電装置を形成するための様々なプロセスステップによって生じた支持構造上の応力が低減される。これにより、応力が最小限に抑えられ、したがって支持構造に対する信頼性が向上する。

一実施形態では、第２及び第３の基板は、シリコンを含む。第１の基板と類似した膨張係数を有するＳＯＩ基板又は他のタイプの材料を使用することも有用である。さらに、第２及び第３の基板を同じ材料から形成する必要はない。一実施形態では、第２及び第３のシリコン基板を、＜１００＞方向に配向させる。

一実施形態では、第２及び第３の基板に、第１の基板内の溝の位置に対応する陥凹９２３ａ〜ｂ及び９２４ａ〜ｂを設ける。一実施形態では、陥凹の深さは約２〜２０μｍである。他の深さも有用である。陥凹は、湿式又は乾式エッチングなど、様々なマスク技術及びエッチング技術を使用して形成することができる。

一実施形態では、ハードマスクを使用して、シリコン基板をエッチングする。ハードマスクは、例えば、酸化シリコンを含む。他のタイプのハードマスク材料を使用することもできる。一実施形態では、ハードマスク材料を、熱酸化によって形成する。ＣＶＤなど、他の技術を使用して、ハードマスクを形成することもできる。

ハードマスク層の上にフォトレジストなどのソフトマスク層を成膜させ、それをパターン形成する。ソフトマスクによって保護されていないハードマスク層が、例えば湿式エッチングによって除去される。一実施形態では、湿式エッチング溶液は、フッ化水素酸及び水溶性のフッ化アンモニウム溶液を含む。他のタイプの湿式エッチング溶液を使用することもできる。或いは、ＲＩＥなどの乾式エッチングを使用して、ハードマスクをエッチングすることもできる。ＲＩＥは、例えばＣＨＦ_３／Ｏ_２（１００ ｓｃｃｍ／２ｓ ｓｃｃｍ）を使用して、約１００〜１５０Ｗ、及び３０〜４０ｍＴで実施することができる。ハードマスクをエッチングすることにより、陥凹を形成するのにエッチングされるべきシリコン基板の部分を露出させる開口がもたらされる。

次いで、第２及び第３の基板をパターン形成して、陥凹を形成する。一実施形態では、湿式エッチングを使用して、基板をパターン形成する。湿式エッチング溶液は、ＫＯＨ溶液を含む。保護層をこれらの基板の面上に成膜させて、それらをエッチング溶液から保護することができる。或いは、基板を、Ｃ_４Ｆ_８／ＳＦ_６を用いたＤＲＩＥなどの乾式エッチングによってエッチングする。他のタイプのエッチング技術も有用である。基板をパターン形成した後、ハードマスクを、フッ化水素酸を使用する湿式エッチングで除去する。湿式エッチングにより、非エッチング表面上のどんな自然酸化物も除去される。

図９ｃを参照すると、第２及び第３の基板９２１ａ〜ｂが、パターン形成済みの第１の基板９０３に取り付けられている。一実施形態では、これらの基板を、陽極接合によって取り付ける。基板を接合用に前処理するために、全ての基板を洗浄する。一実施形態では、基板を、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ（１：１：５）及びＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ（１：１：５）浴槽中で洗浄する。洗浄後、約１０００Ｖの電圧印加を伴って、約３５０〜４００℃で基板を接合する。基板を接合した後、図７ｃ〜ｇで説明したようにプロセスを続けて、圧電装置を形成する。

図１０〜１２は、支持構造の異なる空洞形状を形成するように第１の基板をパターン形成する、様々な実施形態を示す。第１の基板１００３が提供される。第１の基板は、例えば、シリコンを含む。他のタイプの材料も有用である。一実施形態では、このシリコン基板を（１１０）面に配向させる。

図１０を参照すると、溝１０５２ａ〜ｂを形成するように、基板をパターン形成する。図７ａ〜ｂに関連して説明したような様々なパターン形成技術を使用して、溝を形成することができる。一実施形態では、湿式エッチングを使用して、溝を形成する。乾式エッチングなど、他の技術も有用となり得る。エッチングは、例えば、一方又は両方の基板表面上にハードマスクを使用して実施する。第１の基板から、圧電装置の支持構造用の第１、第２、及び第３の副支持部材がもたらされる。第２及び第３の基板１０２１ａ〜ｂを第１の基板に取り付けると、溝１０５２ａ〜ｂによって形成される第１及び第２の空洞を有する支持構造がもたらされる。このような支持構造は、図５で説明した支持構造と類似している。

図１１を参照すると、上部表面及び下部表面１００４ａ〜ｂから、基板の中間部材１１５４によって分離された陥凹１１５２ａ〜ｂを形成するように、第１の基板１００３をパターン形成する。一実施形態では、陥凹を湿式エッチングによって形成する。基板の上部表面及び下部表面上に、ハードマスクを形成する。基板を貫通してエッチングせず、それによって陥凹を分離している中間部材１１５４が残るように、湿式エッチングの時間を調整する。或いは、上部表面及び下部表面から１面ずつ、乾式エッチングを実施することができる。乾式エッチングでは、基板は上部表面及び下部表面から部分的にエッチングされ、それにより、中間部材１１５４を残しながら陥凹が形成される。陥凹を形成するための他の技術も有用である。

第２及び第３の基板１２２１ａ〜ｂを第１の基板に取り付けると、図４で説明したような、単一の副支持部材によって形成された第１及び第２の空洞を有する支持構造がもたらされる。

図１２を参照すると、第１の基板１００３が示してある。一実施形態では、図１１で説明したように、第１の基板を最初にパターン形成して陥凹を形成する。陥凹を形成した後、中間部材の一部分を除去して、切れ目１２０４を形成する。切れ目は、湿式又は乾式エッチングなど、様々な技術を使用して形成することができる。湿式エッチングを使用する場合、上部表面上にも下部表面上にもマスク層を形成する。或いは、乾式エッチングを使用する場合、一方の表面上に１つだけマスクが必要である。第２及び第３の基板１２２１ａ〜ｂを第１の基板に取り付けると、図３で説明したような、Ｈ字型の空洞を有する支持構造が形成される。

すでに説明したように、異なるマスクパターン、並びに追加のリソグラフィステップを使用して、様々な空洞形状を容易に形成することができる。複数のリソグラフィステップ及びエッチングステップを使用して、より複雑なパターンを形成することもできる。

以上、本発明を、様々な実施形態に即して詳細に示し、説明してきたが、本発明に対して、その精神及び範囲から逸脱することなく、修正及び変更を加えることができることが、当業者には理解されよう。したがって、本発明の範囲は、上記の説明に関してではなく、添付の特許請求の範囲、並びにそれらの相当物の全範囲に関して決定されるべきである。

従来型の電気機械装置を示す図である。 本発明の一実施形態による電気機械装置を示す図である。 本発明の様々な実施形態による、電気機械装置を示す図である。 本発明の一実施形態に従って、電気機械装置を形成するためのプロセスを示す図である。 本発明の一実施形態による、基板のレイアウトを示す図である。 本発明の別の実施形態に従って、電気機械装置を形成するためのプロセスの一部分を示す図である。 支持構造の様々な空洞形状を形成するためのプロセスを示す図である。

Claims (26)

1. 電気機械装置を製作する方法であって、
   第１の層を用意し、
   それぞれが内面及び外面を有する、第２及び第３の層を用意し、
   前記第２及び第３の層の内面を、前記第１の層に取り付けて、前記第２の層と前記第３の層との間に少なくとも１つの空洞を備える支持構造を形成することを含む、支持構造を形成するステップと、
   前記第２及び第３の層のうち少なくとも一方の前記外面上に、電気機械活性要素を設けるステップと
   を含む方法。
2. 第２及び第３の層を第１の層に取り付けた後で、且つ電気機械活性要素を設ける前に、前記第２及び第３の層のうち少なくとも一方の厚さを低減するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 第２及び第３の層の取付けが、前記第２及び第３の層を第１の層に高温で接合することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 第２及び第３の層のうち少なくとも一方の厚さの低減が、少なくとも機械的研磨することを含む、請求項２に記載の方法。
5. 第２及び第３の層がそれぞれ多層基板を含み、前記第２及び第３の層の厚さの低減が、前記多層基板から少なくとも１層の材料を除去することを含む、請求項２に記載の方法。
6. 第２及び第３の層の多層基板が、絶縁体によって分離されたバルクシリコン層及び表面シリコン層を有するシリコン・オン・インシュレータウエハーを含み、前記第２及び第３の層の厚さの低減が、前記シリコン・オン・インシュレータウエハーから少なくとも前記バルクシリコン層を除去することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 第２及び第３の層が、単結晶材料を含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
8. 単結晶材料が、単結晶シリコンを含む、請求項７に記載の方法。
9. 第１の層が、単結晶材料を含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 第１の層の単結晶材料が、単結晶シリコンを含む、請求項９に記載の方法。
11. 第１の層の単結晶シリコンが、サンドイッチ状の第１、第２、及び第３の層のサンドイッチ方向に平行な＜１１０＞結晶方向を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 空洞が、サンドイッチ方向に直交する少なくとも１つのエッジを有する、請求項１１に記載の方法。
13. 第１、第２、及び第３の層が、単結晶シリコンを含み、前記第２及び第３の層が、高温でのシリコン融解接合によって前記第１の層に取り付けられる、請求項７から１２に記載の方法。
14. 第１の層がガラスを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
15. 第２及び第３の層が、単結晶シリコンを含み、前記第２及び第３の層が、高温での陽極接合によって第１の層に取り付けられる、請求項１４に記載の方法。
16. 電気機械活性要素が、圧電又は電わい材料を含む活性膜を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の方法。
17. 電気機械能活性要素が、活性膜を挟む下部電極及び上部電極をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 電気機械活性要素と第２又は第３の層のうち少なくとも一方の外面との間に、少なくとも１層の中間層をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
19. 活性膜が、薄膜成膜技術を使用して成膜される、請求項１から１８のいずれかに記載の方法。
20. 圧電材料が、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）付近の組成を有する、請求項１９に記載の方法。
21. 第１、第２、及び第３のウエハーが、第１、第２、及び第３の層用に用意され、また、
    前記第１のウエハー内に空洞のアレイを形成するステップ、
    前記第２及び第３のウエハーの内面を、前記第１のウエハーに取り付けて、ウエハースタックを形成するステップ、
    前記第２及び第３のウエハーのうち少なくとも一方の前記外面上に、電気機械活性要素を設けるステップ、及び、
    前記ウエハースタックをダイシングして、単一の製作サイクル内で複数の電気機械装置を並列に形成するステップをさらに含む、請求項１から２０のいずれかに記載の方法。
22. 空洞のアレイが、ダイシング線と細長い溝との交点に配置された個々の電気機械装置内に、少なくとも１つの空洞をもたらすための細長い溝を有する、請求項２１に記載の方法。
23. 第１のウエハーが、（１１０）に配向された単結晶シリコンウエハーを含み、細長い溝の長さ方向が、前記単結晶シリコンウエハーの（１１１）面内に配列される、請求項２２に記載の方法。
24. ダイシング中に電気機械装置を損傷から保護するために、ウエハースタックの少なくとも片面を被覆するステップをさらに含む、請求項２１から２３のいずれかに記載の方法。
25. 電気機械装置であって、
    第１の層と、それぞれが内面及び外面を有する第２及び第３の層とを備える支持構造であって、前記第２及び第３の層の前記内面が、前記第１の層に取り付けられ、前記支持構造が、少なくとも１つの空洞を有する支持構造と、
    前記第２及び第３の層のうち少なくとも一方の前記外面上に配設された、電気機械活性要素とを備える、電気機械装置。
26. 電気機械活性要素が、厚さが約５μｍ未満の圧電又は電わい膜を備える、請求項２５に記載の電気機械装置。

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