JP2010226573A - 圧電音叉振動子および圧電音叉振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定で良好な特性を維持しつつ、小型化が可能で、ウェハ基板内に多数配置して量産化を図ることが可能な圧電音叉振動子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 矩形平板状の基部と、基部と同一の厚さで同一平面内で互いに平行に配置され、その一辺に一端を連結されたｎ本の振動アームからなる圧電音叉振動子において、振動アームの幅をＷ１、振動アームの互いの間隔をＷ２、基部の振動アームが連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２ｎ×Ｗ１＋（２ｎ−１）×Ｗ２をほぼ満たす関係にある。製造においては、基板上に振動アームの先端を直線状となるように配列した第一の列１０１と、第一の列１０１を１８０度回転した向きに配列した第二の列１０２とを互いに対向して配置し、第一の列１０１の互いに隣接する圧電音叉振動子パターンの振動アームの間に第二の列１０２の振動アームを配置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、力学量を検出するセンサや基準周波数信号の発振器、電気信号フィルタ等に用いられる圧電効果を利用した音叉振動子、すなわち圧電音叉振動子とその製造方法に関する。

ビデオカメラの手ぶれ補正装置やロボットの姿勢制御装置などの分野においてはジャイロなどの物体に作用する力学量を検出するためのセンサデバイスが用いられ、電子機器、電気通信機器の分野においては時間を制御したり基準周波数の電気信号を発生させるために発振器デバイスが用いられ、また、電話機や無線機などの分野においては任意の周波数帯域の電気信号を検出するフィルタデバイスなどが用いられている。圧電効果を利用した振動子、すなわち圧電振動子はこれらのデバイスにおいて多く利用されており、例えば、センサデバイスの１つに圧電単結晶基板を加工して形成される振動子を利用した圧電振動ジャイロデバイスがあり、発振器デバイスの１つに、水晶基板を加工して形成される水晶振動子を利用した発振器デバイスがある。これらのデバイスの圧電振動子は、近年、高性能化及び小型化を図る上で、振動体となる振動アーム部と、振動体を固定支持する基部とを一体的な構造とすることが多くなっている。また、これらの構造体の多くは、外部に電気信号を送るために、支持体である基部に数個の接続用電極を設けている。

このような一体的な構造の圧電振動子のひとつに振動アーム部が音叉形状となった圧電音叉振動子があり、圧電効果により振動の励振または振動の検出を行う。圧電音叉振動子は振動アーム部の振動エネルギの基部への漏れが少なく、特性が安定する構造であり、多くのセンサデバイス、発振器デバイスに使われている。
圧電振動子には、振動体となる非圧電体の表面に金属電極と圧電膜を形成し交流電圧を印加することで圧電効果による励振を行う構造と、圧電材料自体を振動体として構成した振動子の表面に金属電極を設け、交流電圧を印加することで圧電効果による励振を行う構造がある。

圧電音叉振動子をはじめ、一体的な構造の圧電振動子の多くの製造方法においては、近年、小型化を図る上で、単結晶材料などからなる基板にフォトリソグラフィー技術を用いた微細加工を施すことで振動子の構造体を加工する技術が主流である。その加工方法には、薬液を使用し化学的反応により加工するウェットエッチングや、ガスや砥粒を使用するドライエッチングがある。いずれの加工方法においても、加工前に加工により除去する領域部の表面を露出させ、非加工領域部の表面をレジストで保護するフォトリソグラフィー技術を使用する。基板上に多数の振動子のパターンを配置して一括加工することにより同時に多数の振動子が得られ、量産性に優れ、低コストを実現できる加工方法である。このようなフォトリソグラフィー技術による圧電音叉振動子の製造方法の一例が特許文献１に示されている。

ここで、エッチング加工の一般的な特徴としては、露出した基板表面の加工部の露出面の大きさにより、深さ方向のエッチングレートに差異が生ずる。図５は、露出面の幅によるエッチングレートの違いを示す模式図であり、加工部分の基板表面に垂直な断面図である。図５（ａ）は、基板３０２の表面に、フォトリソグラフィー技術により非加工部分を保護するレジスト３０１のパターンを形成した図であり、ここでは開口幅Ａ、開口幅Ｂと異なる幅の開口を設けた場合の模式図である。図５（ｂ）は、エッチング加工途中の状態を示す図であり、エッチングレート差が発生し、図５（ｂ）に示すように開口幅が広がるとエッチングはレートは早く、開口幅が狭くなるとエッチングレートが遅くなる。

一方、圧電音叉振動子においては、上述のような現在の微細加工技術をもってすれば振動アーム部を小型化することは比較的容易であるが、接続電極を有し振動アームを固定する機能を有する基部を小型化することは特性を安定化し信頼性を確保する上で望ましくない。従って、振動アーム部のみを小型化する構造が良く知られており、図６は、このような従来の圧電音叉振動子の構造の一例を示す斜視図である。

特許第３８６１７３５号公報

しかしながら、振動アーム部の小型化だけでは、製造において基板ウェハ内の振動子の取り数が顕著に上がらない問題があった。更に、上述のようにエッチングレートの露出部分の開口幅に対する依存性があるため、その開口幅をウェハ内で一律とするため、大きく開口した箇所には露出部分を覆って本来不必要な未加工領域を設ける必要があった。この領域のため振動子の取り数が減少する。また、加工後に振動子がバラバラになり製品品質を損うおそれがあるため、それを防ぐための工夫が必要となる。従来は上記のような対応のため、設計や工程が複雑化するといった問題があった。

一方、取り数を上げるための従来技術が特許文献１に示されている。特許文献１の実施例においては、圧電音叉振動子が備える２つの振動アームの間隔を広げ、その間に対向配置した振動子の振動アームを挟んで交差指状に配置する技術が記載されている。この製造方法の配置で作製される圧電音叉振動子の斜視図を図７に示す。しかし、振動アーム間の間隔は狭い方が振動漏れが小さいため高感度で良好な特性が得られる。また、上述のように小型化を図る上でも振動アーム間の間隔は小さい方が望ましい。特許文献１の圧電音叉振動子の形状およびその基板ウェハ内の配置方法では、振動アーム間の間隔を小さくし、かつ、エッチングする開口幅を均一に揃えながら基板ウェハ内に配置することができない。以上のように、従来は良好な特性を維持しつつ、小型化を図り、ウェハ基板内に多数配置して量産化を図ることが困難であるといった問題があった。

そこで、本発明の課題は、安定で良好な特性を維持しつつ、小型化が可能で、ウェハ基板内に多数配置して量産化を図ることが可能な圧電音叉振動子およびその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による圧電音叉振動子は、矩形平板状の基部と、該基部とほぼ同一の厚さを有し、該基部と同一平面内において互いに平行に配置され、該基部の一辺に一端を連結されたｎ本（但し、ｎは２以上の整数）の振動アームからなる圧電音叉振動子において、前記振動アームの幅をＷ１、前記振動アームの互いの間隔をＷ２、前記基部の前記振動アームが連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２ｎ×Ｗ１＋(２ｎ−１)×Ｗ２をほぼ満たす関係にあることを特徴とする。

また、本発明による圧電音叉振動子の製造方法は、矩形平板状の基部と、該基部とほぼ同一の厚さを有し、該基部と同一平面内において互いに平行に配置され、該基部の一辺に一端を連結されたｎ本（但し、ｎは２以上の整数）の振動アームからなる圧電音叉振動子の製造方法において、前記振動アームの幅をＷ１、前記振動アームの互いの間隔をＷ２、前記基部の前記振動アームが連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２ｎ×Ｗ１＋(２ｎ−１)×Ｗ２をほぼ満たす関係にあり、１つの基板上に複数個の前記圧電音叉振動子のパターンを配置してフォトリソグラフィー技術により一括加工により作製する製造方法であって、複数個の前記圧電音叉振動子のパターンからなり前記振動アームの先端および前記基部の前記振動アームを連結した辺をそれぞれ直線状となるように配列した第一の列と、該第一の列を１８０度回転した向きに配列した第二の列とを互いに対向して配置し、前記第一の列の互いに隣接する圧電音叉振動子のパターンの振動アームの間に前記第二の列の前記圧電音叉振動子のパターンの振動アームを配置することを特徴とする。

ここで、前記基板は単結晶基板であってもよい。

本発明は、上述のように圧電音叉振動子の振動アームの幅及び間隔、および基部の幅を限定することにより、安定で良好な特性を維持しつつ、小型化が可能で、ウェハ基板内に多数配置して量産化を図ることが可能な圧電音叉振動子およびその製造方法が得られる。

本発明による圧電音叉振動子の一実施例であるジャイロセンサ用の圧電音叉振動子を示す斜視図。 本発明による圧電音叉振動子の製造方法の一実施例における圧電音叉振動子パターンのＳｉ基板内への配置の部分詳細を示す斜視図。 本発明の製造法の実施例における圧電音叉振動子パターンのＳｉ基板内への全体配置を示す上面図。 ジャイロセンサ評価用回路結線図。 露出面の幅によるエッチングレートの違いを示す加工部分の基板表面に垂直な断面を示す模式図であり、図５（ａ）はレジストにより異なる幅の開口を設けた場合の模式図、図５（ｂ）はエッチング加工途中の状態を示す図。 従来の圧電音叉振動子の構造の一例を示す斜視図。 従来技術の製造方法の配置で作製される圧電音叉振動子の斜視図。 Ｓｉ基板内に圧電音叉振動子パターンを単純な格子状に配列した場合の配置を示す上面図。

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。

図１は本発明による圧電音叉振動子の一実施例であるジャイロセンサ用の圧電音叉振動子を示す斜視図である。矩形平板状の基部１８と、基部１８と同一の厚さを有し、基部１８と同一平面内において互いに平行に配置され、基部１８の一辺に一端を連結された２本の振動アーム１７からなる圧電音叉振動子において、振動アーム１７の幅をＷ１、振動アーム１７の互いの間隔をＷ２、基部１８の振動アーム１７が連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２×２×Ｗ１＋(２×２−１)×Ｗ２をほぼ満たす関係にある。

以下、本実施例の圧電音叉振動子の製造方法の一例および具体的な構造の一例を説明する。製造において、まず、Ｓｉ（シリコン）基板２を用意する。基板サイズはφ２インチとした。厚みは１００μｍとした。

ここで、本発明による圧電音叉振動子の製造方法の一実施例における圧電音叉振動子パターンのＳｉ基板内への配置の部分詳細図を図２の斜視図に示し、Ｓｉ基板内の全体配置の一例を図３の上面図に示す。図２においては、３個の圧電音叉振動子のパターンからなり振動アームの先端および基部の振動アームを連結した辺をそれぞれ直線状となるように配列した第一の列１０１と、第一の列１０１を１８０度回転した向きに配列した第二の列１０２とを互いに対向して配置し、第一の列１０１の互いに隣接する圧電音叉振動子パターンの振動アームの間に第二の列１０２の圧電音叉振動子のパターンの振動アームを配置する。この配置方法で圧電音叉振動子パターンをＳｉ基板２の全体にわたって配置した図が図３である。なお、図３は模式的に示すものであり、実際には１つのφ２インチのＳｉ基板上に数百個の圧電音叉振動子を配置している。

圧電音叉振動子は振動アーム幅Ｗ１を１００μｍ、振動アーム間の間隔Ｗ２を５０μｍとし、ｎ＝２としたときＷ３＝２ｎ×Ｗ１＋(２ｎ−１)×Ｗ２の計算式により算出される基部１８の幅Ｗ３を５５０μｍとし、隣り合う圧電音叉振動子をＷ２の間隔で図２のように配置した。このような配置により、Ｓｉ基板２のエッチングにおいて加工される開口幅をすべて一律にＷ２とすることができる。

製造においては、Ｓｉ基板上にフォトリソグラフィー技術により、下部電極１５、圧電膜１６、４つの上部電極１１、１２、１３、１４の順で作製する（図１参照）。なお、予めＳｉ基板の表面には、Ｓｉの下部電極１５の層への拡散を防ぐため、熱処理により１μｍ厚程度のＳｉＯ₂層を形成しておくのが好ましい。下部電極１５は、数十ｎｍ厚のＴｉ膜上に３００ｎｍ厚のＰｔ膜をスパッタで成膜して作製した。続いて圧電膜１６として２μｍ厚のＰＺＴ膜をスパッタで成膜した。最後に上部電極１１、１２、１３、１４は、数十ｎｍ厚のＣｒ膜上に４００ｎｍ厚のＡｕ膜をスパッタで成膜して作製した。尚、ＰＺＴ成膜方法に関しては特にスパッタ法に限定されるものではなく、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＭＯＣＶＤ法、エアロゾル堆積法でも構わない。電極成膜方法についても、蒸着法でも構わない。

各膜の成膜後に、レジスト塗布、露光、現像する一般的なフォトリソグラフィー技術を用いレジストを所望のパターンに形成し、エッチングにより電極などのパターンを作製した。露光の際に使用するマスクのパターンは、φ２インチのＳｉ基板２に配置された数百個の圧電音叉振動子のすべてに対して合致し、各層ごとに所望のレジストパターンを形成するようなマスクを用意する必要がある。レジストパターン形成後は、エッチング加工で不要部を除去した後、レジストを除去、洗浄する工程を各層ごとに繰り返し行うことで所望のパターンに加工した。なお、エッチング方法は、上部電極をウェットエッチングで、圧電膜、下部電極、Ｓｉ基板を反応性イオンエッチングで行った。Ｓｉ基板に関しては、ボッシュプロセスを用い基板に垂直にディープエッチングし、貫通加工させた。

これらの加工法については、成膜、フォトリソグラフィー、エッチングの順に行う工法に限定されるものではなく、例えば、上部電極、圧電膜、下部電極をフォトリソグラフィー、成膜、リフトオフの順で所望のパターンに加工する工法であっても構わないし、上部電極をドライエッチングで加工する工法や、圧電膜をウェットエッチングやミリングで加工する工法であっても構わない。

本実施例の製造方法においては、Ｓｉ基板の加工後に得られる個々の圧電音叉振動子がばらばらになるのを防ぐため、圧電音叉振動子の基部の底辺部分で互いに繋がった部分を残してＳｉ基板のエッチング加工をしている。そこで、最後に、その繋がった部分をレーザなどのダイシング加工により個片化して加工が完了する。その後、各圧電音叉振動子は入出力用パッドを使用して下部電極１５と上部電極１１、１２、１３、１４との間に１０Ｖの電圧を印加することで圧電膜１６を分極処理した。なお、分極の向きに関しては、一方向に限定されるものでなく、下部電極と上部電極間の電圧を逆向きにしても構わない。

分極処理後、完成した本実施例の圧電音叉振動子の特性を図４に示すジャイロセンサ評価用回路結線図に従って接続し測定した。ここでは下部電極および上部電極の接続部と各駆動回路、検出回路とをワイヤーボンディングにて図４に示す結線で接続した。圧電音叉振動子を駆動回路により音叉振動モードを励振できる共振周波数で駆動させた。

本実施例の圧電音叉振動子の効果をより明確にするため、図７に示す従来の構造の圧電音叉振動子を本実施例の製造方法と同一のφ２インチのＳｉ基板にて同一の製造工程で作製し、完成後、図４と同様の評価用回路に結線してジャイロセンサの感度と駆動信号の検出電極への振動漏れ量を計測した。そして、その特性を本実施例の圧電音叉振動子と比較したところ、本実施例の圧電音叉振動子は、図７に示す従来の構造の圧電音叉振動子より感度が２倍近く高いという結果が得られた。

また、本実施例の圧電音叉振動子を作製する場合、本実施例の製造方法と同様なφ２インチのＳｉ基板２上に圧電音叉振動子パターンを図８の上面図に示すような単純な格子状に配列して作製した場合に比べ、図３に示す本実施例の製造方法の配置方法においては、取り数が１．５倍近くに増えた。

本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム用のジャイロセンサ、機器の振動衝撃検知や防犯システム用衝撃センサなどのセンサや基準周波数信号の発振器、電気信号フィルタ等に用いられる圧電効果を利用した音叉振動子に利用することができる。

１ 圧電音叉振動子
２ Ｓｉ基板
１１、１２、１３、１４ 上部電極
１５ 下部電極
１６ 圧電膜
１７ 振動アーム
１８ 基部
１０１ 第一の列
１０２ 第二の列
３０１ レジスト
３０２ 基板

Claims (3)

1. 矩形平板状の基部と、該基部とほぼ同一の厚さを有し、該基部と同一平面内において互いに平行に配置され、該基部の一辺に一端を連結されたｎ本（但し、ｎは２以上の整数）の振動アームからなる圧電音叉振動子において、
   前記振動アームの幅をＷ１、前記振動アームの互いの間隔をＷ２、前記基部の前記振動アームが連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２ｎ×Ｗ１＋(２ｎ−１)×Ｗ２をほぼ満たす関係にあることを特徴とする圧電音叉振動子。
2. 矩形平板状の基部と、該基部とほぼ同一の厚さを有し、該基部と同一平面内において互いに平行に配置され、該基部の一辺に一端を連結されたｎ本（但し、ｎは２以上の整数）の振動アームからなる圧電音叉振動子の製造方法において、
   前記振動アームの幅をＷ１、前記振動アームの互いの間隔をＷ２、前記基部の前記振動アームが連結された辺の幅をＷ３とするとき、Ｗ３＝２ｎ×Ｗ１＋(２ｎ−１)×Ｗ２をほぼ満たす関係にあり、
   １つの基板上に複数個の前記圧電音叉振動子のパターンを配置してフォトリソグラフィー技術により一括加工により作製する製造方法であって、複数個の前記圧電音叉振動子のパターンからなり前記振動アームの先端および前記基部の前記振動アームを連結した辺をそれぞれ直線状となるように配列した第一の列と、該第一の列を１８０度回転した向きに配列した第二の列とを互いに対向して配置し、前記第一の列の互いに隣接する圧電音叉振動子のパターンの振動アームの間に前記第二の列の前記圧電音叉振動子のパターンの振動アームを配置することを特徴とする圧電音叉振動子の製造方法。
3. 前記基板は単結晶基板であることを特徴とする請求項２に記載の圧電音叉振動子の製造方法。

Images