JP2009231615A - 圧電素子の製造方法、圧電素子、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高性能な圧電ＭＥＭＳとその製造方法とを提供する。
【解決手段】本発明の圧電素子の製造方法は、絶縁体基板１上に半導体層２を形成する工程と、半導体層２をレーザ照射により溶融、再結晶させることにより半導体結晶層２１の最表面に（１１１）面を露出させる工程と、半導体結晶層２１上に、積層面に対してｃ軸（［０００１］軸）が垂直である六方晶構造の圧電体層３１を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子の製造方法、圧電素子、電子機器に関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electoro Mechanical System）デバイスに好適に用いられる、安価で高性能な圧電素子の製造方法に関する。

近年、シリコンデバイス技術とＭＥＭＳデバイス技術との融合が進んでいる。このＭＥＭＳデバイス技術は、静電的な電場の印加が必要な静電ＭＥＭＳと、圧電体を用いた圧電ＭＥＭＳとに大別できるが、余分な電源が不要な圧電ＭＥＭＳは、低消費電力という観点で非常に有利である。

圧電ＭＥＭＳとしてはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いたアクチュエータ等が既に製品化されており、さらに最近ではＺｎＯ（酸化亜鉛）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）の薄膜を用いたＭＥＭＳでフィルタやレゾネータを製造する技術の開発が進められている。

ＰＺＴ薄膜が、ゾルゲル法や、ＭＯＣＶＤやＡＬＤ等のエピタキシャル成長法などの方法で作製されるのに対し、圧電応力特性（誘電率を含めた圧電応力定数が高い特性を有する）に優れたＺｎＯやＡｌＮ等の薄膜形成には圧電薄膜の自己配向性を利用したマグネトロンスパッタリング法が用いられることが多い。ただし、このような自己配向性を利用した成膜方法では、下地電極となる金属膜の配向性を予め高めておく必要がある。従来の製造方法においては、種々の金属膜を用いることで配向性を高める方法等が提案されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。
米国特許６８７４２１２号明細書 "Influence of Metal Electrodes on Crystal Orientation of Alminum Nitride Thin Films", Morito Akiyama, et al., The Seventh International Symposium on Sputtering and Plasma Process(ISSP 2003), pp.361-364.

圧電薄膜を成膜する方法としては、面方位（１１１）に良く配向された金属薄膜上にマグネトロンスパッタリング法を用いて成膜する方法がある。これにより、圧電薄膜を六方晶のｃ軸（[０００１]軸）に配向させて成膜することができる。しかし、シリコン半導体デバイスのプロセスと整合させるには、多結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などの薄膜上に圧電膜を形成した方が、安価に製造できて都合が良い。また、多結晶やアモルファスのシリコン上に圧電膜を形成できれば、配線工程以降のプロセスを簡略化できるため、工程数の削減が行える。

一方、シリコン半導体プロセスで通常使われるＣＶＤ法などによる多結晶シリコン膜では、結晶方位がランダムになりやすいため、自己配向性を利用したマグネトロンスパッタリング法で自己配向の圧電薄膜を形成することが難しくなる。また、アモルファスシリコン膜では、基本的に結晶性は得られないので、原理的にその直上に配向性のある圧電薄膜を形成するのは不可能である。

また、単結晶シリコンを用いることも考えられるが、面方位が（１００）である単結晶シリコン基板上に圧電体層を形成すると、圧電薄膜も面方位（１０００）方向に配向しやすく、所望の圧電特性を得ることができない。これに対して、面方位（１１１）面の単結晶シリコン基板上に圧電体層を形成すれば、面方位（０００１）の配向性が得られると期待できるが、面方位（１１１）面を有するシリコンウエハは一般的に特殊であり、コストも高い。従って、安価な圧電ＭＥＭＳを提供できない、という問題があった。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、製造工程が安易で低コストな圧電素子の製造方法、圧電素子、電子機器を提供することを目的としている。

本発明の圧電素子の製造方法は、絶縁体基板上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層をレーザ照射により溶融、再結晶させることにより、半導体結晶層の表面に（１１１）面を露出させる工程と、前記半導体結晶層上に、積層面に対して六方晶構造ｃ軸（［０００１］軸）が垂直となるように圧電体層を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、半導体層にレーザを照射することで、半導体を瞬時に溶融、再結晶させることができる。これにより、半導体層の最表面は表面エネルギーが高い（１１１）面の半導体結晶層が多く露出されるため、圧電体層に対する配向性の良好な下地層となる。この面に対して、六方晶のｃ軸（［０００１］軸）が垂直になるように圧電体材料を積層することで、高い圧電特性を有する圧電体層を形成できる。よって、高価な（１１１）面を有する半導体基板を用意することなく、配向性の良好な圧電体層が形成可能となり、その結果、圧電特性に優れた圧電素子を安価にて提供することができる。

また、前記半導体結晶層上に金属層を形成する工程をさらに有し、前記金属層を形成した後に前記圧電体層を形成するようにしても良い。
この構成によれば、半導体層と圧電体層との間に金属層を挿入することにより、圧電体層の配向性をより一層良好にすることができる。

また、本発明の圧電体素子の製造方法においては、前記半導体層の材料としてシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、化合物系半導体のうちのいずれかを用いることが好ましい。
シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、化合物系半導体は、汎用的な材料であり、かつ比較的安価であるので、圧電ＭＥＭＳの材料として好適である。したがって、生産コストおよび汎用性の向上を図ることができる。

また、本発明の圧電素子は、上記のうちいずれかに記載の圧電素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
また、本発明の電子機器は、本発明の圧電素子が備えられたことを特徴とする。

（圧電素子）
次に、図を参照して本発明の圧電素子について説明する。本実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。なお、以下に示す各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を異ならせてある。

図１は、本発明の製造方法によって得られた圧電素子の一実施形態としての圧力センサを示した断面図である。図１に示した圧力センサ１０は、ダイアフラム６の撓みを検出することにより圧力を測定するものである。図１において、符号１は絶縁体基板を示している。絶縁体基板１の上面には、表面が（１１１）面のシリコンからなる半導体結晶層２１と圧電体層３１と上部電極４とが、順次積層されている。半導体結晶層２１と圧電体層３１との側面には、圧電体壁部３２が配設されている。なお、圧電体壁部３２は、圧電体層３１と同質の圧電材料からなるが、その下地に配向性を有する（１１１）面半導体結晶層２１がなく、絶縁体基板１上に直接積層されており、電極もないため、圧電体として機能しない。

絶縁体基板１の下面側には、その側面が絶縁体基板１、上面が半導体結晶層２１で囲まれたキャビティ（空洞部）５が形成されており、このキャビティ５の天井部を構成する半導体結晶層２１と圧電体層３１とによってダイアフラム６が形成されている。このダイアフラム６の上には、ダイアフラム６の撓みを検出するための上部電極４が形成されており、図示略の他の半導体素子に接続されている。

半導体結晶層２１の圧電体層３１と接する面は、レーザ光によって再結晶化されており、面方位（１１１）の結晶面が多く露出されている。圧電体層３１は下地となる半導体結晶層２１表面の（１１１）面の配向性に従って、六方晶のｃ軸（［０００１］軸）が半導体結晶層２１の（１１１）面に対して垂直となるように積層されている。

（圧電素子の製造方法）
図２(ａ)〜(ｅ)は、上記実施形態の圧電センサ１０の製造方法を説明するための工程図である。図１に示した圧力センサ１０を製造するには、まず図２（ａ）に示したように、絶縁体基板１を用意し、この絶縁体基板１の片面側に半導体層２を形成する。本実施例においては、ガラス基板上にＣＶＤ（化学気相成長）法により５０ｎｍのアモルファスシリコンを積層している。

この絶縁体基板１は特に限定されるものではなく、その取り扱い性、加工のしやすさ、汎用性、価格等の観点から、ガラス基板、石英基板、水晶基板、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板等を好適に用いることができる。

半導体層２の材料も特に限定されるものではなく、上記絶縁体基板１と同様の観点から、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイドの他、種々の化合物系半導体を用いることができる。
ただし、後に詳述するが、圧電体層３にＡｌＮを用いた場合には、格子間隔がＡｌＮのａ軸の格子定数（六方晶の底辺の格子間隔：３．１１２Å）に近い、ＧａＮ、ＭｇＯなどが好適となるが、シリコンの（１１１）面の格子間隔も３．１１２Åに近くなるため、圧電体層３の配向性をより一層向上させることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、このアモルファスシリコンからなる半導体層２に波長３００〜５００ｎｍのエキシマレーザを照射し、半導体層２を瞬時に溶融させると同時に再結晶させて半導体結晶層２１の表面に（１１１）面を露出させる。
シリコンの結晶は、図３に示したように、ダイヤモンド構造を有する（ただし、その空間格子は面心立方格子となる）。このアモルファスシリコン層をレーザ照射によって非常に短時間で溶融、再結晶させると、その最表面は表面エネルギーが高い（１１１）面となる。図３において、結晶構造の立方体を構成する各球体２０…はシリコン原子を表す。図３中のシリコン原子２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈを通る平面（あるいは２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅを通る平面）が最密構造の（１１１）面であり、この（１１１）面を図４（ａ）に示した。このシリコンの結晶は、図５に示したように、シリコン原子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅによって正四面体を形成し、この正四面体の格子間隔はシリコンの格子定数ａの（√２／２）倍となるので、ａ＝５．４３を代入すると３．８４Åとなる。

このようにして得られた半導体結晶層２１を、図２（ｃ）に示したように、フォトリソグラフィー法によりダイアフラム６の形状に合わせてパターニングした後、絶縁体基板１の全表面にＡｌＮを反応性スパッタリング法で約１０００ｎｍ（＝１μｍ）の膜厚で成膜すると、半導体結晶層２１上のみで選択的にＡｌＮの配向性が高まり、圧電体層３１が形成される。その一方で、（１１１）面半導体層２１が形成されていない領域にはＡｌＮが配向性を持たないままで積層されて、アモルファス状の圧電体壁部３２が形成される。

ＡｌＮはウルツ鉱構造と呼ばれる六方晶構造を持ち、六方晶の底面となる（０００１）面には、図４（ｂ）に示したように、Ａｌ原子とＮ原子とが配置される。図４（ｂ）において、ハッチングを付した球体３１ＡｌがＡｌ原子を表し、白い球体３１ＮがＮ原子を表す。ＡｌＮの格子定数ａは３．１１２Åであり、上述のシリコンの（１１１）面における格子間隔３．８４Åに近い値を有するので、六方晶構造を歪めることなく（０００１）面を底面とし、半導体結晶層２１に対して六方晶のｃ軸（［０００１］軸）が垂直になるような配向性を持たせて結晶を成長させることができる。ＡｌＮはｃ軸に対して圧電性を示すものであるので、このような圧電体層３１を形成することによって、高効率の圧電特性を有する圧電体層３１を形成できる。

圧電体層３１の構成材料としては、下地となる半導体結晶層２１の格子間隔に近い格子定数を有するものを使用することができる。半導体としてシリコンを用いた場合には、ＡｌＮのほかに、格子定数ａ＝３．２５０ÅのＺｎＯが好適である。

圧電体層３１の膜厚は特に限定されないが、半導体結晶層２１をシリコンとし、圧電体としてＡｌＮを用いた場合には、その間に約５％程度の歪が生じるので、２〜５μｍ程度の膜厚とするとクラックが発生しやすくなる。そのため、２μｍ以下にすることが好ましい。

次いで、図２（ｄ）に示したように、ダイアフラム６の上部にＡｌを積層して上部電極４とするとともに、図２（ｅ）に示したように、絶縁体基板１の裏面側の一部をエッチングしてキャビティ５を形成して、圧電ＭＥＭＳデバイスとして動作可能な圧電センサ１０とする。

さらに、本発明の製造方法においては、半導体結晶層２１の最表面に（１１１）面を露出させた後、圧電体層３１の下地層として金属層を形成してもよい。このような金属層を形成すると、圧電体層３１の配向性をより一層向上させることができ、好適である。

以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、汎用の絶縁体基板上に半導体層を形成した後に、この半導体層にレーザを照射することで配向性を付与することができるので、圧電特性が良好な圧電体層を形成できる。また、（１１１）面を有する高価な半導体基板を予め用意することなく、汎用の絶縁体基板を用意すれば良いうえに、その製造工程は簡便なものであるので、高性能の圧電素子を安価にて提供可能となる。

（電子機器）
次に、本発明の電子機器について図面を参照して説明する。図６は、本発明の電子機器の一例である腕時計型電子機器を示した斜視図である。図６に示す腕時計型電子機器８０の本体８１には、本発明の圧力センサが備えられている。
図６に示す電子機器は、本発明の圧電センサを備えたものであるので、容易に製造でき、ダイナミックレンジやリニアリティなどの特性に優れた圧電センサを備えたものとなる。
なお、本実施形態の電子機器として腕時計型電子機器を例に挙げて説明したが、本発明は図６に示す例に限定されるものではなく、本発明の圧電素子は、各種の電子機器に好適に用いることができる。

は本発明の圧力素子の一実施形態の概略断面図。 は本発明の製造方法の一実施形態を示した概略工程図。 は本発明の製造方法の一実施形態で用いられるシリコンの結晶格子の概略構成図。 は本発明の製造方法の一実施形態で用いられるシリコンとＡｌＮの結晶面を表す概略構成図。 は本発明の製造方法の一実施形態で用いられるシリコン結晶の概略平面図。 は本発明の電子機器の一例である腕時計型電子機器を示した斜視図。

符号の説明

１…絶縁体基板、２…半導体層、２１…（１１１）面半導体結晶層、３１…圧電体層、１０…圧力センサ。

Claims (5)

1. 絶縁体基板上に半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層をレーザ照射により溶融、再結晶させることにより、半導体結晶層の表面に（１１１）面を露出させる工程と、
   前記半導体結晶層上に、積層面に対して六方晶構造ｃ軸（［０００１］軸）が垂直となるように圧電体層を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
2. 前記半導体結晶層上に金属層を形成する工程をさらに有し、前記金属層を形成した後に前記圧電体層を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
3. 前記半導体層がシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、化合物系半導体のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする圧電素子。
5. 請求項４記載の圧電素子を備えたことを特徴とする電子機器。

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