JP2009302381A

JP2009302381A - 圧電薄膜デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2009302381A
Application number: JP2008156650A
Authority: JP
Inventors: Isaku Jinno; 伊策神野; Hidetoshi Kodera; 秀俊小寺; Norihiro Yamauchi; 規裕山内; Chomei Matsushima; 朝明松嶋
Original assignee: Kyoto University; Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Kyoto University; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-16
Also published as: JP5665161B2

Abstract

【課題】支持基板の小型化が可能な圧電薄膜デバイス、および、その製造方法を提供する。
【解決手段】矩形板状の単結晶基板からなる支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された可動部１０とを備え、可動部１０が、支持基板１の一表面側に立設され、支持基板１の厚み方向に直交する規定方向において離間した一対の短冊状の電極１２，１２と、支持基板１の一表面側に形成した圧電薄膜を用いて形成され、規定方向において一対の電極１２，１２間に介在する短冊状の圧電層１１とを有する。また、可動部１０は、一対の電極１２，１２および圧電層１１を覆う形で支持基板１の厚み方向に板状の変位量増大部１４が立設されている。一対の電極１２，１２間に電圧を印加していない状態で、発光デバイス（例えば、半導体レーザなど）からの光を阻止し、一対の電極１２，１２間に電圧を印加した状態で光を通過させることができる光スイッチを構成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電薄膜デバイスおよびその製造方法に関するものである。

従来から、圧電薄膜を用いた種々の圧電薄膜デバイス（例えば、光偏向装置、光スイッチ、流体制御デバイス、ＭＥＭＳスイッチ、マイクロアクチュエータ、マイクロセンサなど）が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図１５（ａ）に示すように、半導体基板を用いて形成された支持基板１０１と、支持基板１０１の一表面側に形成され支持基板１０１に片持ち支持された可動部である圧電素子１１０とを備え、支持基板１０１に当該支持基板１０１の厚み方向への圧電素子１１０の変位空間を確保するための窓孔１０１ａが形成され、圧電素子１１０のうち支持基板１０１の上記一表面側における窓孔１０１ａの周部上に固定されている部位が半導体レーザ１２０を搭載するオプティカルベンチを構成している。

ここにおいて、図１５（ａ）に示す構成の光偏向装置は、圧電素子１１０が、支持基板１０１の上記一表面側に形成された下部電極１１１と、下部電極１１１における支持基板１０１側とは反対側に形成された圧電薄膜からなる圧電層１１２と、圧電層１１２における下部電極１１１側とは反対側に形成された上部電極１１３とで構成されており、圧電素子１１０のうち窓孔１０１の投影領域内に形成されている部位における上部電極１１３が半導体レーザ１２０からの光を偏向するミラーを兼ねている。

しかして、図１５（ａ）に示した構成の光偏向装置では、圧電素子１１０の上部電極１１３と下部電極１１１との間に電圧を印加して図１５（ｂ）に示すように圧電素子１１０を湾曲変形させることにより、半導体レーザ１２０からの光を偏向することができる（図１５（ｂ）中の一点鎖線は半導体レーザ１２０からの光の進行方向を示している）。なお、上記特許文献１には、圧電層１１２の圧電材料として、ＺｎＯやＰＺＴなどが例示されている。
特開２００２−１３１６８０号公報（段落〔００１６〕−〔００２８〕、および図１−４）

ところで、上記特許文献１に開示された圧電薄膜デバイスに限らず、従来の圧電薄膜デバイスは、支持基板の厚み方向へ圧電素子を変位させる必要があるので、支持基板の厚み方向に直交する面内における圧電素子の面積および支持基板の外形サイズが大きくなり、変位量を増大させるためには上記面内における圧電素子の面積および支持基板の外形サイズを更に大きくする必要があり、マイクロマシニング技術を利用したＭＥＭＳプロセスなどを利用して製造する際のウェハ１枚当たりの収量が低下してコストアップの原因となってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、支持基板の小型化が可能な圧電薄膜デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された可動部とを備え、可動部は、支持基板の前記一表面側に立設され支持基板の厚み方向に直交する規定方向において離間した一対の電極と、支持基板の前記一表面側に形成した圧電薄膜を用いて形成され前記規定方向において前記一対の電極間に介在する圧電層とを有し、前記一対の電極間に電圧を印加することにより圧電層が前記規定方向に振動もしくは変位することを特徴とする。

この発明によれば、支持基板の一表面側に形成された可動部が、支持基板の一表面側に立設され支持基板の厚み方向に直交する規定方向において離間した一対の電極と、支持基板の前記一表面側に形成した圧電薄膜を用いて形成され前記規定方向において前記一対の電極間に介在する圧電層とを有し、前記一対の電極間に電圧を印加することにより圧電層が前記規定方向に振動もしくは変位するので、支持基板の厚み方向に振動もしくは変位する圧電素子を用いた圧電薄膜デバイスに比べて支持基板の小型化が可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記圧電薄膜が、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した多結晶薄膜、あるいは、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した単結晶薄膜であることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電薄膜の結晶性が良く、前記規定方向への前記圧電層の変位量を大きくすることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記圧電層は、前記一対の電極間に電圧を印加したときの変位が圧電定数ｄ_１５で規定されることを特徴とする。

この発明によれば、前記一対の電極間に電圧を印加したときの前記圧電層の変位が圧電定数ｄ_３１や圧電定数ｄ_３３で規定される場合に比べて、前記規定方向への前記圧電層の変位量を大きくすることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記支持基板は、ＳｉもしくはＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ_３からなり、前記圧電層は、鉛系圧電材料からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が鉛系圧電材料からなるので、前記圧電層の材料としてＺｎＯを採用する場合に比べて前記圧電層の変位量を大きくすることが可能となり、また、前記支持基板がＳｉもしくはＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ_３からなるので、マイクロマシニング技術を利用して製造することが可能となる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記支持基板の前記厚み方向において前記圧電層の両側に形成された一対のポーリング処理用電極を備えることを特徴とする。

この発明によれば、一対のポーリング処理用電極間に電圧を印加することにより前記圧電層の分極方向を揃えることができるので、前記圧電層の基礎となる前記圧電薄膜の成膜方法の選択肢が多くなって製造プロセスのプロセス設計が容易になり、また、前記圧電層の分極状態が経時変化した場合でも一対のポーリング処理用電極間に電圧を印加してポーリング処理を行うことにより前記圧電層の分極方向を揃えることができるので、長寿命化を図れる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記可動部は、前記支持基板の前記一表面側に変位量を増大させる変位量増大部が立設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が変位する際に変位量増大部も変位するので、前記一対の電極間に印加する電圧を増加させることなく前記可動部の変位量を増大させることができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法であって、支持基板として一表面が（００１）面もしくは（１１１）面の単結晶基板を用い、圧電層の基礎となる圧電薄膜をスパッタ法により支持基板の前記一表面側にエピタキシャル成長させ、その後、圧電薄膜をパターニングすることにより当該圧電薄膜の一部からなる圧電層を形成し、その後、圧電層における前記規定方向の両側それぞれに前記電極を形成することを特徴とする。

この発明によれば、支持基板として一表面が（００１）面もしくは（１１１）面の単結晶基板を用い、圧電層の基礎となる圧電薄膜をスパッタ法により支持基板の前記一表面側にエピタキシャル成長させることにより、分極方向の揃った結晶性の良い圧電薄膜を形成することができるので、ポーリング処理が不要であり、ゾルゲル法やＣＶＤ法により圧電薄膜を形成する場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、圧電薄膜をパターニングすることにより当該圧電薄膜の一部からなる圧電層を形成し、その後、圧電層における前記規定方向の両側それぞれに前記電極を形成するので、支持基板の小型化が可能な圧電薄膜デバイスを提供することが可能となる。

請求項１の発明では、支持基板の厚み方向に振動もしくは変位する圧電素子を用いた圧電薄膜デバイスに比べて支持基板の小型化が可能になるという効果がある。

請求項７の発明では、支持基板の小型化が可能な圧電薄膜デバイスを提供することが可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして、光通信装置やカラーディスプレイなどに適用可能な光スイッチを例示する。

本実施形態の光スイッチは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、矩形板状の単結晶基板からなる支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された可動部１０とを備え、可動部１０が、支持基板１の上記一表面側に立設され支持基板１の厚み方向に直交する規定方向（図１（ｂ）の左右方向）において離間した一対の短冊状の電極１２，１２と、支持基板１の上記一表面側に形成した圧電薄膜を用いて形成され上記規定方向において一対の電極１２，１２間に介在する短冊状の圧電層１１とを有し、一対の電極１２，１２間に電圧を印加することにより圧電層１１が上記規定方向に変位するように構成されている。また、本実施形態の光スイッチは、支持基板１の上記一表面側に各電極１２，１２それぞれに電気的に接続された導体パターン１３，１３が形成されている。また、可動部１０は、支持基板１の上記一表面側に変位量を増大させる変位量増大部１４が立設されている。ここで、変位量増大部１４は、支持基板１の厚み方向を長手方向、圧電層１１の厚さ方向（一対の電極１２，１２の並設方向）を短手方向とする細長の板状の形状に形成されている。しかして、本実施形態の光スイッチでは、一対の電極１２，１２間に電圧を印加していない状態で図示しない発光デバイス（例えば、半導体レーザなど）からの光ＬＢを阻止し、一対の電極１２，１２間に電圧を印加した状態で上記光を通過させることができる。なお、本実施形態における変位量増大部１４は、支持基板１の上記一表面側において一対の電極１２，１２および圧電層１１を覆う形で支持基板１の厚み方向に立設されているが、圧電層１１上のみに立設してもよい。また、本実施形態では、一対の電極１２，１２と圧電層１１とで圧電素子を構成している。

本実施形態の光スイッチは、圧電層１１の圧電材料として鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを採用しており、単結晶基板からなる支持基板１として、上記一表面である主表面が（００１）面のＭｇＯ基板を用いているが、これに限らず、例えば、主表面が（００１）面のＳｒＴｉＯ_３基板や、主表面が（１１１）面のＭｇＯ基板もしくは主表面が（１１１）面のＳｒＴｉＯ_３基板などを用いてもよい。また、支持基板１としては、主表面が（００１）面のＳｉ基板を用いてもよいが、この場合は、支持基板１と可動部１０との間に一対の電極１２，１２が電気的に接続されるのを防止するための絶縁層を形成する必要があり、可動部１０の形成前に当該絶縁層として、支持基板１の上記一表面側にＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）薄膜や、ＣｅＯ_２薄膜とＹＳＺ薄膜との積層膜や、Ａｌ_２Ｏ_３薄膜をスパッタ法などによりエピタキシャル成長させればよい。なお、本実施形態の光スイッチは、支持基板１が上述のようにＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ_３、Ｓｉのいずれかからなるので、マイクロマシニング技術を利用して製造することができる。

なお、当該絶縁層は、支持基板１の上記一表面側の全面に残すようにしてもよいが、少なくとも各導体パターン１３，１３および各電極１２，１２と支持基板１との間に介在する形で残るようにパターニングしてもよい。

上述の圧電層１１は、支持基板１の上記一表面側にエピタキシャル成長したＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜１１ａ（図３（ｂ）参照）をパターニングすることにより形成されている。ここにおいて、圧電薄膜１１ａは、（００１）配向の単結晶薄膜により構成されているが、（００１）配向の多結晶薄膜により構成してもよいし、（１１１）配向の単結晶薄膜もしくは多結晶薄膜により構成してもよい。なお、圧電薄膜１１ａは、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した単結晶薄膜、あるいは、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した多結晶薄膜であればよい。

圧電層１１の圧電材料（つまり、圧電薄膜１１ａの圧電材料）は、ＰＺＴに限らず、不純物を添加したＰＺＴやＰＭＮ−ＰＺＴなどの鉛系圧電材料であればよく、圧電材料がＺｎＯである場合に比べて圧電層１２の先端部の変位量を大きくすることが可能となる。また、圧電層１１の圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５ＮｂＯ_３）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ_３）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ_３）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものでもよい。

また、各電極１１および各導体パターン１３の材料としてＡｕを採用しているが、これらの材料はＡｕに限定するものではなく、例えば、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏなどを採用してもよい。

また、変位量増大部１４は、電気絶縁性を有する感光性樹脂組成物の硬化物により構成されている。なお、変位量増大部１４用の感光性樹脂組成物としては、５〜７００μｍ厚の厚膜に成膜が可能で、耐薬品性および耐熱性が高く、露光・現像により、高アスペクト比のパターニングが可能なもの（永久レジストと呼ばれ、露光・現像によるパターニング後に永久膜として利用可能なフォトレジスト）を用いている。また、変位量増大部１４を板状の形状としてあるが、変位量増大部１４の形状は特に限定するものではない。

ところで、本実施形態の光スイッチは、一対の電極１２，１２間に電圧を印加したときの圧電層１１の変位が圧電定数ｄ_１５〔ｍ／Ｖ〕で規定される。要するに、本実施形態の光スイッチは、圧電層１１がｄ_３１モードではなくｄ_１５モードで変形する。ここで、図２（ａ）に示すように上記規定方向における圧電層１１の厚さをｔ_１〔μｍ〕、支持基板１の厚み方向における圧電層１１の高さをｌ_１〔μｍ〕、上記規定方向における可動部１０の厚さをｔ_２、支持基板１の厚み方向における可動部１０の高さをｌ_２〔μｍ〕とし、一対の電極１２，１２間に電圧Ｖｉを印加して圧電層１１に電界Ｅ〔Ｖ／ｍ〕をかけたときに変位量増大部１４の先端部が図２（ｂ）に示すように上記規定方向へΔｘ〔μｍ〕の変位量だけ変位するものとし、例えば、ｔ_１＝５〔μｍ〕、ｌ_１＝３〔μｍ〕、ｔ_２＝７〔μｍ〕、ｌ_２＝５０〔μｍ〕、Ｖｉ＝１０〔Ｖ〕とし、圧電層１１の材料をＰＺＴ−５Ｈとして、圧電定数をｅ_ｙｘ＝−６．５、ｅ_ｙｙ＝２３．３、ｅ_ｘ−ｘｙ＝１７とし、弾性率や誘電率などの他の物性定数はＰＺＴ−５Ｈの値を用い、また、変位量増大部１４の材料を化薬マイクロケム株式会社製のＳＵ８（商品名）として当該ＳＵ８の物性定数を用い、有限要素法によるシミュレーションを行った結果、Δｘ＝８〔ｎｍ〕となり、圧電層１１の先端部の変位量に比べて大きな変位量を得ることができるという結果が得られた。要するに、可動部１０に変位量増大部１４を設けたことにより、変位量増大部１４を設けていない場合に比べて可動部１０の先端部の変位量を増大させることができる。

上記規定方向における電極１２の厚さは、上記規定方向において、圧電層１１の厚さ：電極１２の厚さ＝５０：１となるように２０ｎｍに設定してあるが、これらの値は特に限定するものではない。また、支持基板１の厚み方向における圧電層１１の高さｌ_１〔μｍ〕もおよび上記規定方向における圧電層１１の厚さｔ_１も特に限定するものではなく、高さ１_１は１０μｍ以下、厚さｔ_１は５００μｍ以下で適宜設定することが好ましい。なお、圧電層１１の高さｌ_１は上述の圧電薄膜１１ａの膜厚により決まるので、圧電層１１の高さｌ_１が高すぎると圧電薄膜１１ａの形成時にクラックが生じる恐れがあり、圧電層１１の高さｌ_１が低すぎると圧電薄膜１１ａの結晶性が悪く圧電定数ｄ_１５が低くなってしまうので、これらの問題を考慮して適宜設定すればよい。また、圧電層１１の厚さｔ_１については、厚すぎると一対の電極１２，１２間に印加する電圧が大きくなって消費電力が増加し、薄すぎると一対の電極１２，１２間にリーク電流が流れてしまうので、これらの問題を考慮して適宜設定すればよい。

以下、本実施形態の光スイッチの製造方法について図３および図４に基づいて説明するが、（ａ）〜（ｅ）それぞれは上段が概略断面図、下段が概略平面図を示している。

まず、図３（ａ）に示すＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層１１の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜１１ａをスパッタ法（ＲＦスパッタ法など）によりエピタキシャル成長させる圧電薄膜形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、圧電薄膜１１ａは、スパッタ法に限らず、ＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成してもよいが、スパッタ法によりエピタキシャル成長させることにより、分極方向の揃った結晶性の良い圧電薄膜１１ａを形成することができるので、ポーリング処理が不要であり、ゾルゲル法やＣＶＤ法により圧電薄膜１１ａを形成する場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れる。

上述の圧電薄膜形成工程の後、圧電薄膜１１ａの一部からなる圧電層１１を形成するためにパターニングされたレジスト層（以下、第１のレジスト層と称する）２１をフォトリソグラフィ技術を利用して圧電薄膜１１ａ上に形成する第１のレジスト層形成工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。なお、第１のレジスト層２１における上記規定方向（図３（ｃ）上段での左右方向）の幅は、圧電層１１の上記厚さｔ_１（図２（ａ）参照）よりもやや大きな値に設定してある。

第１のレジスト層形成工程の後、第１のレジスト層２１をマスクとして、圧電薄膜１１ａをエッチングすることで圧電層１１を形成する圧電薄膜パターニング工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。ここで、圧電薄膜パターニング工程では、サイドエッチングが起こるようなエッチング条件で圧電薄膜１１ａをエッチングする。なお、圧電薄膜パターニング工程は、ウェットエッチングでパターニングするようにしてもよいし、ドライエッチングによりパターニングするようにしてもよい。上述のように圧電薄膜１１ａの圧電材料がＰＺＴの場合にウェットエッチングでパターニングする際のエッチング条件としては、例えば、フッ酸（５０％）：硝酸（６５％）：水＝１：１：１０００のエッチング液を用いればよく、ドライエッチングでパターニングする際のエッチング条件としては、例えば、反応性ドライエッチング装置において、エッチングガスとしてＣｌ_２ガスとＣＦ_４ガスとを用い、トータルのガス流量を標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ｓｃｃｍ）、エッチング圧力を２．７〜２１．３Ｐａ（２〜１６ｍＴｏｒｒ）、入力電力を８００Ｗ程度とすればよい。

上述の圧電薄膜パターニング工程の後、支持基板１の上記一表面側に各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３の基礎となる導電性膜（例えば、Ａｕ膜など）１２ａをスパッタ法などにより形成する導電性膜形成工程を行うことによって、図３（ｅ）に示す構造を得る。なお、導電成膜１２ａをスパッタ法により形成する場合には、いわゆる斜めスパッタ法により導電性膜１２ａを形成することにより、第１のレジスト層２１下の圧電薄膜１１ａの側面にも導電性膜１２ａを略均一に被着させることができる。

上述の導電性膜形成工程の後、第１のレジスト層２１と導電性膜１２ａのうち当該第１のレジスト層２１に被着されている部位を除去するリフトオフ工程（第１のレジスト層除去工程）を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。

その後、圧電層１１をパターニングするとともにそれぞれ導電性膜１２ａの一部からなる各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３を形成するためにパターニングされたレジスト層（以下、第２のレジスト層と称する）２２をフォトリソグラフィ技術を利用して支持基板の上記一表面側に形成する第２のレジスト層形成工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。

その後、第２のレジスト層２２をマスクとして、圧電層１１をエッチングする圧電層パターニング工程と、導電性膜１２ａをエッチングすることで各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３を形成する導電性膜パターニング工程とを順次行うことによって、図４（ｃ）に示す構造を得る。

その後、第２のレジスト層２２を除去する第２のレジスト層を除去する第２のレジスト層除去工程を行うことによって、図４（ｄ）に示す構造を得る。

その後、支持基板１の上記一表面側に変位量増大部１４を形成する変位量増大部形成工程を行うことによって、図４（ｅ）に示す構造の光スイッチを得る。なお、変位量増大部形成工程では、支持基板１の上記一表面側に変位量増大部１４の基礎となる上述の感光性樹脂組成物をスピンコート法により塗布して感光性樹脂層を形成してから、当該感光性樹脂層を露光して現像することにより変位量増大部１４を形成する。

上述の光スイッチの製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数の光スイッチを形成した後、ダイシング工程で個々の光スイッチに分割すればよい。

以上説明した本実施形態の圧電薄膜デバイス（光スイッチ）によれば、支持基板１の上記一表面側に形成された可動部１０が、支持基板１の上記一表面側に立設され支持基板１の厚み方向に直交する上記規定方向において離間した一対の電極１２，１２と、支持基板１の上記一表面側に形成した圧電薄膜１１ａを用いて形成され上記規定方向において一対の電極１２，１２間に介在する圧電層１１とを有し、一対の電極１２，１２間に電圧を印加することにより圧電層１１が上記規定方向に振動もしくは変位するので、支持基板１の厚み方向に振動もしくは変位する圧電素子を用いた圧電薄膜デバイスに比べて支持基板１の小型化が可能になる。

また、本実施形態の圧電薄膜デバイスでは、上述の圧電薄膜１１ａが、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した多結晶薄膜、あるいは、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した単結晶薄膜なので、圧電薄膜１１ａの結晶性が良く、上記規定方向への圧電層１１の変位量を大きくすることができる。また、本実施形態では、一対の電極１２，１２間に電圧を印加したときの変位が圧電定数ｄ_１５で規定されるので、圧電層１１の変位が圧電定数ｄ_３１や圧電定数ｄ_３３で規定される場合に比べて、上記規定方向への圧電層１１の変位量を大きくすることができる。

また、上述の圧電薄膜デバイス（光スイッチ）の製造方法によれば、支持基板１として一表面が（００１）面もしくは（１１１）面の単結晶基板を用い、圧電層１１の基礎となる圧電薄膜１１ａをスパッタ法により支持基板１の上記一表面側にエピタキシャル成長させることにより、分極方向の揃った結晶性の良い圧電薄膜１１ａを形成することができるので、ポーリング処理が不要であり、ゾルゲル法やＣＶＤ法により圧電薄膜１１ａを形成する場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、圧電薄膜１１ａをパターニングすることにより当該圧電薄膜１１ａの一部からなる圧電層１１を形成し、その後、圧電層１１における上記規定方向の両側それぞれに電極１２，１２を形成するので、支持基板１の小型化が可能な圧電薄膜デバイスを提供することが可能となる。

なお、本実施形態では、可動部１０に変位量増大部１４を設けてあるが、変位量増大部１４は必ずしも設ける必要はない。

（実施形態２）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして、光通信装置やカラーディスプレイなどに適用可能な光スイッチを例示する。

本実施形態の光スイッチの基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、複数個（図示例では、４個）の可動部１０が支持基板１の上記一表面側に形成され、支持基板１の上記一表面側に可動部１０の一対の電極１２，１２に電気的に接続される一対の導体パターン１３，１３が複数対（図示例では、４対）形成されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態の光スイッチの製造方法は、実施形態１と同様なので説明を省略する。

複数個の可動部１０は、支持基板１の上記一表面側において電極１２，１２間に電圧が印加されていない状態で互いに平行し且つ圧電層１１の厚み方向において互いに重ならないように配置されている。なお、各可動部１０の変位量増大部１４は、実施形態１と同様、支持基板１の厚み方向を長手方向、圧電層１１の厚さ方向（一対の電極１２，１２の並設方向）を短手方向とする細長の板状（帯板状）の形状に形成されている。

しかして、本実施形態の圧電薄膜デバイスは、複数の光ＬＢのスイッチングが可能な複数入力複数出力の光スイッチとして用いることができる。

（実施形態３）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして、光通信装置や光偏向装置などに適用可能な光スイッチを例示する。

本実施形態の光スイッチの基本構成は実施形態２と略同じであって、各変位量増大部１４の側面に反射率の高い材料（例えば、Ａｌなど）からなる反射膜（図示せず）が形成されており、図６に示すように、複数の光ＬＢそれぞれを各別に偏向することができる。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の圧電薄膜デバイスは、複数の光ＬＢそれぞれを各別に偏向することが可能な光スイッチとして用いることができる。

（実施形態４）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして光スイッチを例示する。

本実施形態の光スイッチの基本構成は実施形態１と略同じであって、図７および図８に示すように、支持基板１の厚み方向において圧電層１１の両側に形成された一対のポーリング処理用電極１５ｂ，１５ａを備えている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

また、本実施形態の光スイッチは、支持基板１の上記一表面側に、圧電層１１における支持基板１側のポーリング処理用電極１５ａに電気的に接続された導体パターン１６が形成されている。

しかして、本実施形態の光スイッチによれば、一対のポーリング処理用電極１５ｂ，１ａ間に例えば圧電層１１における支持基板１側とは反対側のポーリング処理用電極１５ｂを高電位側として直流の電圧を印加することにより圧電層１１の分極方向を揃えることができるので、圧電層１１の基礎となる圧電薄膜１１ａの成膜方法の選択肢が多くなって製造プロセスのプロセス設計が容易になり、また、圧電層１１の分極状態が経時変化した場合でも一対のポーリング処理用電極１５ｂ，１５ａ間に電圧を印加してポーリング処理を行うことにより圧電層１１の分極方向を揃えることができるので、長寿命化を図れる。

以下、本実施形態の光スイッチの製造方法について図９および図１０に基づいて説明するが、（ａ）〜（ｅ）それぞれは上段が概略断面図、下段が概略平面図を示している。また、実施形態１で説明した工程と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側に一方のポーリング処理用電極１５ａおよび導体パターン１６を形成する第１のポーリング処理用電極形成工程を行うことによって、図９（ａ）に示す構造を得る。なお、第１のポーリング処理用電極形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面にポーリング処理用電極１５ａの基礎となる金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）をスパッタ法などにより形成してから、当該金属膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることによりポーリング処理用電極１５ａを形成する。

第１のポーリング処理用電極形成工程の後、支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層１１の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜１１ａをスパッタ法（ＲＦスパッタ法など）によりエピタキシャル成長させる圧電薄膜形成工程を行うことによって、図９（ｂ）に示す構造を得る。

その後、圧電薄膜１１ａの一部からなる圧電層１１を形成するためにパターニングされたレジスト層（以下、第１のレジスト層と称する）２１をフォトリソグラフィ技術を利用して圧電薄膜１１ａ上に形成する第１のレジスト層形成工程を行うことによって、図９（ｃ）に示す構造を得る。

第１のレジスト層形成工程の後、第１のレジスト層２１をマスクとして、圧電薄膜１１ａをエッチングすることで圧電層１１を形成する圧電薄膜パターニング工程を行うことによって、図９（ｄ）に示す構造を得る。

その後、支持基板１の上記一表面側に各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３の基礎となる導電性膜（例えば、Ａｕ膜など）１２ａをスパッタ法などにより形成する導電性膜形成工程を行うことによって、図９（ｅ）に示す構造を得る。

上述の導電性膜形成工程の後、第１のレジスト層２１と導電性膜１２ａのうち当該第１のレジスト層２１に被着されている部位を除去するリフトオフ工程（第１のレジスト層除去工程）を行うことによって、図１０（ａ）に示す構造を得る。

その後、それぞれ導電性膜１２ａの一部からなる各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３を形成するためにパターニングされたレジスト層（以下、第２のレジスト層と称する）２２をフォトリソグラフィ技術を利用して支持基板１の上記一表面側に形成する第２のレジスト層形成工程を行うことによって、図１０（ｂ）に示す構造を得る。

その後、第２のレジスト層２２をマスクとして、導電性膜１２ａをエッチングすることで各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３を形成する導電性膜パターニング工程を行うことによって、図１０（ｃ）に示す構造を得る。

その後、第２のレジスト層２２を除去する第２のレジスト層を除去する第２のレジスト層除去工程を行うことによって、図１０（ｄ）に示す構造を得る。

その後、圧電層１１における支持基板１側とは反対側の表面上に他方のポーリング処理用電極１５ｂを形成する第２のポーリング処理用電極形成工程を行うことによって、図１０（ｅ）に示す構造の光スイッチを得る。

以上説明した本実施形態の圧電薄膜デバイス（光スイッチ）の製造方法によれば、支持基板１として一表面が（００１）面もしくは（１１１）面の単結晶基板を用い、圧電層１１の基礎となる圧電薄膜１１ａをスパッタ法により支持基板１の上記一表面側にエピタキシャル成長させることにより、分極方向の揃った結晶性の良い圧電薄膜１１ａを形成することができるので、製造時のポーリング処理が不要であり、ゾルゲル法やＣＶＤ法により圧電薄膜１１ａを形成する場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、圧電薄膜１１ａをパターニングすることにより当該圧電薄膜１１ａの一部からなる圧電層１１を形成し、その後、圧電層１１における上記規定方向の両側それぞれに電極１２，１２を形成するので、支持基板１の小型化が可能な圧電薄膜デバイスを提供することが可能となる。

（実施形態５）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして、マイクロピンセットを例示する。

本実施形態のマイクロピンセットの基本構成は実施形態１の圧電薄膜デバイスと略同じであり、図１１に示すように、支持基板１の上記一表面側に２個の可動部１０が圧電層１１の厚さ方向に所定距離だけ離間して対向配置されており、２個の可動部１０の変位量増大部１４が、圧電層１１の厚さ方向を厚み方向とする板状（帯板状）に形成され、微細な対象物（例えば、細胞など）を摘むための摘み片を構成している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態のマイクロピンセットの製造方法は実施形態１の圧電薄膜デバイスの製造方法と同様なので説明を省略する。

（実施形態６）
本実施形態では、圧電薄膜デバイスとして、流体制御デバイスを例示する。

本実施形態の流体制御デバイスの基本構成は実施形態１の圧電薄膜デバイスと略同じであり、図１２に示すように、支持基板１の上記一表面側に可動部１０を全周に亘って囲むフレーム部１７が形成され、フレーム部１７に流体の流入口１８が１つ形成されるとともに流体の流出口１９ａ，１９ｂが２つ形成されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

可動部１０は、フレーム部１７から離間して配置されており、可動部１０の所望の変位量に応じて各電極１２，１２とフレーム部１７との間の距離を設定してある。ここにおいて、可動部１０は、一対の電極１２，１２間に電圧が印加されていない状態では、圧電層１１において支持基板１の厚み方向に沿った一側面が流入口１８からの流体の流入を阻止するように位置しており（なお、図１２中の矢印は流体の流れを模式的に示している）、一対の電極１２，１２間に電圧が印加された状態では、図１３（ａ）や図１３（ｂ）に示すように流入口１８から流体が流入して２つの流出口１９ａ，１９ｂのいずれか一方から流体が流出するように変位する壁を構成している。フレーム部１７は、圧電層１１と同じ圧電材料により形成されている。なお、本実施形態では、圧電層１１について、高さを２μｍ、厚さを０．５μｍ、幅を５〜１０μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。

また、本実施形態では、各電極１２，１２それぞれに電気的に接続された導体パターン１３，１３が支持基板１の上記一表面とフレーム部１７における内側面とフレーム部１７における支持基板１側とは反対側の表面とに跨って形成されている。

本実施形態の圧電薄膜デバイス（流体制御デバイス）によれば、支持基板１の上記一表面側に形成された可動部１０が、支持基板１の上記一表面側に立設され支持基板１の厚み方向に直交する上記規定方向において離間した一対の電極１２，１２と、支持基板１の上記一表面側に形成した圧電薄膜１１ａを用いて形成され上記規定方向において一対の電極１２，１２間に介在する圧電層１１とを有し、一対の電極１２，１２間に電圧を印加することにより圧電層１１が上記規定方向に振動もしくは変位するので、支持基板１の厚み方向に振動もしくは変位する圧電素子を用いた流体制御デバイスに比べて支持基板１の小型化が可能になる。

以下、本実施形態の流体制御デバイスの製造方法について図１４に基づいて説明するが、実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層１１およびフレーム部１７の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜１１ａをスパッタ法（ＲＦスパッタ法など）によりエピタキシャル成長させる圧電薄膜形成工程を行うことによって、図１４（ａ）に示す構造を得る。

その後、支持基板１の上記一表面側に所定厚さ（例えば、０．５μｍ）のレジスト層４１をスピンコート法により形成するレジスト塗布工程を行うことによって、図１４（ｂ）に示す構造を得る。

その後、それぞれ圧電薄膜１１ａの一部からなる圧電層１１およびフレーム部１７を形成するためにフォトリソグラフィ技術を利用してレジスト層４１をパターニングするレジスト層パターニング工程を行うことでパターニングされたレジスト層４１ａを形成することによって、図１４（ｃ）に示す構造を得る。

その後、圧電薄膜１１ａをエッチングすることにより圧電層１１およびフレーム部１７を形成する圧電薄膜パターニング工程を行うことによって、図１４（ｄ）に示す構造を得る。ここで、圧電薄膜パターニング工程では、ＧａイオンのＦＩＢにより圧電薄膜１１ａをエッチングしている。また、本実施形態では、レジスト層４１ａのうち圧電薄膜１１ａにおいて圧電層１１となる部位の幅が圧電層１１の所定厚さよりも大きく設定されており、レジスト層４１ａと圧電薄膜１１ａとをまとめてＦＩＢによりエッチングしている。なお、圧電層１１の上記所定厚さによっては、レジスト層４１ａの上記幅を上記所定厚さと略同じ値に設定して、反応性イオンエッチングにより圧電薄膜１１ａのみをエッチングするようにしてもよい。

その後、支持基板１の上記一表面側に各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３の基礎となる導電性膜（例えば、Ａｕ膜など）１２ａをスパッタ法などにより形成する導電性膜形成工程を行うことによって、図１４（ｅ）に示す構造を得る。

上述の導電性膜形成工程の後、レジスト層４１ａと導電性膜１２ａのうち当該レジスト層４１ａに被着されている部位を除去するリフトオフ工程（レジスト層除去工程）を行うことで各電極１２，１２および各導体パターン１３，１３を形成することによって、図１４（ｆ）に示す構造を得る。

その後、圧電層１１および各電極１２，１２それぞれにおけるフレーム部１７との連結部位をＦＩＢによりエッチングする分離工程を行うことによって、図１４（ｇ）に示す構造を得る。ここで、分離工程では、ＧａイオンのＦＩＢにより圧電層１１および各電極１２，１２それぞれにおけるフレーム部１７との連結部位をエッチングしている。

上述の分離工程までは支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで図１４（ｇ）に示す構造を多数形成して、分離工程の後でダイシング工程を行い、その後、フレーム部１７に流入口１８および各流出口１９ａ，１９ｂをＦＩＢによるエッチングにより形成する加工工程を行うことによって、図１２に示す構造の流体制御デバイスを得る。

実施形態１の圧電薄膜デバイスを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略横断面図である。同上の動作説明図である。同上の圧電薄膜デバイスの製造方法の説明図である。同上の圧電薄膜デバイスの製造方法の説明図である。実施形態２の圧電薄膜デバイスを示す概略斜視図である。実施形態３の圧電薄膜デバイスを示す概略斜視図である。実施形態４の圧電薄膜デバイスを示す概略斜視図である。同上の圧電薄膜デバイスを示す概略断面図である。同上の圧電薄膜デバイスの製造方法の説明図である。同上の圧電薄膜デバイスの製造方法の説明図である。実施形態５の圧電薄膜デバイスの概略斜視図である。実施形態６の圧電薄膜デバイスの概略斜視図である。同上の圧電薄膜デバイスの動作説明図である。同上の圧電薄膜デバイスの製造方法の説明図である。従来例の圧電薄膜デバイスを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は動作説明図である。

符号の説明

１支持基板（単結晶基板）
１０可動部
１１圧電層
１１ａ圧電薄膜
１２電極
１３導体パターン
１４変位量増大部
１５ａ，１５ｂポーリング処理用電極

Claims

支持基板と、支持基板の一表面側に形成された可動部とを備え、可動部は、支持基板の前記一表面側に立設され支持基板の厚み方向に直交する規定方向において離間した一対の電極と、支持基板の前記一表面側に形成した圧電薄膜を用いて形成され前記規定方向において前記一対の電極間に介在する圧電層とを有し、前記一対の電極間に電圧を印加することにより圧電層が前記規定方向に振動もしくは変位することを特徴とする圧電薄膜デバイス。
前記圧電薄膜が、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した多結晶薄膜、あるいは、〔００１〕方向もしくは〔１１１〕方向に優先配向した単結晶薄膜であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜デバイス。
前記圧電層は、前記一対の電極間に電圧を印加したときの変位が圧電定数ｄ_１５で規定されることを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜デバイス。
前記支持基板は、ＳｉもしくはＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ_３からなり、前記圧電層は、鉛系圧電材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧電薄膜デバイス。
前記支持基板の前記厚み方向において前記圧電層の両側に形成された一対のポーリング処理用電極を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧電薄膜デバイス。
前記可動部は、前記支持基板の前記一表面側に変位量を増大させる変位量増大部が立設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧電薄膜デバイス。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法であって、支持基板として一表面が（００１）面もしくは（１１１）面の単結晶基板を用い、圧電層の基礎となる圧電薄膜をスパッタ法により支持基板の前記一表面側にエピタキシャル成長させ、その後、圧電薄膜をパターニングすることにより当該圧電薄膜の一部からなる圧電層を形成し、その後、圧電層における前記規定方向の両側それぞれに前記電極を形成することを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法。