JP2011049419A

JP2011049419A - 圧電デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2011049419A
Application number: JP2009197833A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Nakamura; 大輔中村; Tsutomu Nakanishi; 努中西
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】本発明は、エッチング時のプラズマによって圧電体層に生じた酸素欠損部を回復させることができて圧電デバイスの性能向上を図ることができる圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の圧電デバイスの製造方法は、半導体基板２１の上方に下部電極層２３と、圧電体層２４と、上部電極層２５を形成する工程と、前記上部電極層２５、圧電体層２４、下部電極層２３をエッチング加工するエッチング加工工程とを備え、前記エッチング加工工程によって圧電体層２４の表面に形成される酸素欠損部２７に酸素２８を再結合させて圧電体層２４の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を圧電体層２４のキュリー温度以下で行うようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度センサやインクジェットプリンタ用ヘッドなどの圧電デバイスの製造方法に関するものである。

図４は従来の圧電デバイスの一種である角速度センサの検出素子の斜視図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図である（特許文献１参照）。

図４において、１は振動子で、この振動子１はシリコン基板２をエッチングすることにより形成され、かつこの振動子１の一端は開放端であり、他端は前記シリコン基板２に連接する固定端を形成している。そして、この振動子１の表面には前記固定端から開放端方向に、薄膜圧電素子３が設けられている。４ａ，４ｂは振動子１に対向して配置されたコリオリ力検出用電極である。また、前記シリコン基板２の下方にはガラスの台盤５が陽極接合等により接合され、かつ振動子１の下方と台盤５との間には空隙が形成されている。この空隙は例えば台盤５をエッチングすることにより凹部６が形成されるもので、この凹部６における前記振動子１と対向する部分には励振振幅検出電極７が配置されている。

前記薄膜圧電素子３は、図５に示すように、酸化シリコン層８を有するシリコン基板２上に形成されているもので、下部電極９、圧電体層１０、上部電極１１からなる。下部電極９はスパッタリング法により形成したＰｔからなり、シリコン基板２の温度とスパッタガスの種類、圧力等を選択することにより特定の結晶軸をシリコン基板２に対して配向させている。圧電体層１０はスパッタリング法により形成したチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下「ＰＺＴ」とする）からなり、前記下部電極９の配向方向に沿ってＰＺＴの結晶軸が配向するため、結晶方向の揃った多結晶圧電薄膜を形成することができる。このように結晶方向が揃うことにより圧電定数の大きな圧電体層１０が得られる。この圧電体層１０上にレジストを塗布してパターニングを行ない、ＣＦ₄を用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によりエッチングする。この後、Ａｌを蒸着し、パターニング、エッチングを行って上部電極１１を形成する。

上記した従来の角速度センサは、図４に示す検出素子と、この検出素子から出力される信号を処理して角速度を算出する信号処理回路（図示せず）とを備えている。そして、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を図４のようにとった時、上記振動子１の薄膜圧電素子３に交流信号を印加すると、振動子１がｚ軸方向に振動する。このとき、ｘ軸周りの角速度が生じると、ｙ軸方向のコリオリ力が発生して、振動子１にｙ軸方向の撓みが発生する。この撓みによる振動子１、コリオリ力検出用電極４ａ，４ｂ間の静電容量の変化を検知することにより、角速度信号を得ることができるものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平８−２９１７８号公報

上記のように形成された従来の薄膜圧電素子３の圧電体層１０はＲＩＥによる加工ダメージを受けてしまうもので、すなわち、ＲＩＥ時にプラズマ中のイオンやラジカル種が圧電体層１０のＰＺＴに衝突するため、ＰＺＴの結晶格子秩序が乱され、酸素原子が離脱する。これにより、圧電体層１０の表面や側壁部にＰＺＴの化学量論的組成から外れた酸素欠損部が生ずる。その結果、圧電体層１０の圧電特性が低下してしまうという課題を有していた。

一般に、このような加工ダメージによって生じた酸素欠損部を回復するためには酸素雰囲気中での５００〜７００℃の温度におけるアニール処理が必要とされる。しかしながら、ＰＺＴのキュリー温度は２５０〜３００℃付近にあるため、上記した薄膜圧電素子３にこのような高温でのアニール処理を行うと、圧電体層１０中の結晶軸の方向がランダマイズされて、圧電体層１０は全体として圧電性を示さない状態になってしまうため、従来の薄膜圧電素子の製造工程では圧電体層に生じた酸素欠損部を回復させることはできないものであった。そのため、圧電体層が本来有する圧電特性を十分に引き出すことができず、これにより、圧電デバイスの性能低下を招いてしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ＲＩＥ時のプラズマによって圧電体層に生じた酸素欠損部を回復させることができて圧電デバイスの性能向上を図ることができる圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板の上方に下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層の上方に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に上部電極層を形成する工程と、前記上部電極層、圧電体層、下部電極層をエッチング加工するエッチング加工工程とを備え、前記エッチング加工工程によって前記圧電体層の表面に形成される酸素欠損部に酸素を再結合させて前記圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を前記圧電体層のキュリー温度以下で行うようにしたもので、この製造方法によれば、上部電極層、圧電体層、下部電極層をエッチング加工するエッチング加工工程によって前記圧電体層の表面に形成される酸素欠損部に酸素を再結合させて前記圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を前記圧電体層のキュリー温度以下で行うようにしているため、圧電体層の結晶方向を乱すことなく、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層の表面に生じた酸素欠損部に酸素を再結合させることができ、その結果、結晶配向性を良好に維持できるとともに圧電体層表面の加工ダメージを回復させることができるため、圧電デバイスの圧電性能の向上を図ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を化学的活性化状態にある酸素を用いて行うようにしたもので、この製造方法によれば、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層の表面に生じた酸素欠損部にキュリー温度以下の温度において酸素を再結合させることができるとともに、化学的活性化状態にある酸素をレーザ光またはプラズマ等によって選択的に照射することができ、これにより、圧電デバイスの圧電性能の向上を図ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を酸化作用を有する液体を用いて行うようにしたもので、この製造方法によれば、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層の表面に生じた酸素欠損部にキュリー温度以下の温度において酸素を再結合させることができるとともに、この酸素の再結合を液中において行うため、デバイス全体に物理的ダメージを与えることなく、酸素欠損部の回復を行わせることができ、これにより圧電デバイスの圧電性能の向上を図ることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の圧電デバイスの製造方法は、半導体基板の上方に下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層の上方に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に上部電極層を形成する工程と、前記上部電極層、圧電体層、下部電極層をエッチング加工するエッチング加工工程とを備え、前記エッチング加工工程によって前記圧電体層の表面に形成される酸素欠損部に酸素を再結合させて前記圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を前記圧電体層のキュリー温度以下で行うようにしているため、圧電体層の結晶方向を乱すことなく、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層の表面に生じた酸素欠損部に酸素を再結合させることができ、その結果、圧電体層の結晶配向性を良好に維持できるとともに表面の加工ダメージを回復させることができるため、圧電デバイスの性能向上を図ることができるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態１における圧電デバイスの製造工程を示す断面図本発明の実施の形態２における化学的活性化状態にある酸素注入による回復処理方法を示す図本発明の実施の形態３における酸化作用を有する液体による回復処理方法を示す図従来の角速度センサにおける検出素子の斜視図図４のＡ−Ａ線断面図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。

図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施の形態１における圧電デバイスの製造工程を示す断面図である。

図１（ａ）は半導体基板上に下部電極層と、圧電体層と、上部電極層を形成した状態を示す断面図で、２１はシリコン基板からなる半導体基板で、この半導体基板２１の表面には酸化シリコン層２２が形成されている。そして、この酸化シリコン層２２の上にはＰｔまたはＰｔ−Ｔｉからなる下部電極層２３がスパッタリング法により形成されている。この場合、半導体基板２１の温度を６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒ／Ｏ₂が５０／１０の混合ガスを用いることにより、Ｐｔの［００１］軸を半導体基板２１に対して垂直に配向させることができる。また、酸化シリコン層２２の上にＴｉからなる密着層（図示せず）をスパッタで形成してから、その上に前記下部電極層２３を形成すると、下部電極層２３と酸化シリコン層２２との間の密着性が増すので好ましいものとなる。そしてまた、前記下部電極層２３の上にはＰＺＴからなる圧電体層２４がスパッタリング法により形成されており、前記下部電極層２３の配向方向に沿ってＰＺＴの［００１］軸が配向するため、結晶方向の揃った圧電定数の大きな多結晶圧電体層を得ることができる。このとき、ＰＺＴと下部電極層２３との間にＰＬＴ（ランタンが添加されたチタン酸鉛）やＰＬＭＴ（ランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛）等からなる配向制御層を形成すればＰＺＴの配向性がさらに改善されるものである。２５はＰＺＴの上にスパッタリング法により形成されたＰｔまたはＡｕからなる上部電極層２５である。このとき、圧電体層２４の上にＴｉからなる中間層（図示せず）を形成してから、その上に上部電極層２５を形成すると、圧電体層２４と上部電極層２５との間の密着性が増すので好ましいものとなるものである。

次に、図１（ｂ）に示すように、上部電極層２５の上にレジスト２６を塗布してパターニングを行い、ＣＦ₄等を用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）により上部電極層２５、圧電体層２４、下部電極層２３をエッチング加工する。

図１（ｃ）は上記ＲＩＥが終了し、レジスト２６を除去した状態を示す断面図で、このとき、図１（ｃ）に示すように、ＲＩＥ時にエッチングガスと圧電体層２４等とから生成される水溶性の化合物が圧電体層２４の側壁部に析出するため、圧電体層２４の断面は台形状にエッチングされる。このため、ＲＩＥ時に圧電体層２４の側壁部の表面が直接プラズマに曝され、プラズマ中のイオンやラジカル種が圧電体層２４のＰＺＴに衝突することにより、ＰＺＴの結晶格子秩序が乱され、酸素原子が離脱する。これにより、圧電体層２４の側壁部の表面にＰＺＴの化学量論的組成から外れた酸素欠損部２７が生ずることになる。

図１（ｄ）はキュリー温度以下の温度において、化学的結合力の高い酸素２８を上記酸素欠損部２７に再結合させる回復処理工程を示す断面図である。

図１（ｅ）は図１（ｄ）に示す回復処理工程により、圧電体層２４の表面に生じた酸素欠損部が消失した状態を示す断面図である。

上記したように本発明の実施の形態１においては、半導体基板２１の上方に下部電極層２３を形成する工程と、前記下部電極層２３の上方に圧電体層２４を形成する工程と、前記圧電体層２４の上方に上部電極層２５を形成する工程と、前記上部電極層２５、圧電体層２４、下部電極層２３をエッチング加工するエッチング加工工程とを備え、前記エッチング加工工程によって前記圧電体層２４の表面に形成される酸素欠損部２７に酸素２８を再結合させて前記圧電体層２４の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を前記圧電体層２４のキュリー温度以下で行うようにしているもので、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層２４の表面に生じた酸素欠損部２７に酸素２８を再結合させるようにしているため、圧電体層２４の結晶配向性を良好に維持できるとともに、圧電体層２４の表面の加工ダメージを回復することができ、これにより、圧電デバイスの性能向上を図ることができるという効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。図２は本発明の実施の形態２における化学的活性化状態にある酸素注入による回復処理方法を示す図である。

本発明の実施の形態２は、請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、特に、圧電体層２４の圧電特性を回復処理する工程を化学的活性化状態にある酸素２９を用いて行うようにしたもので、具体的には、図２に示すように、紫外線光およびレーザ光で活性化されたオゾン、あるいはプラズマによって活性化された酸素イオンおよび酸素ラジカルを酸素欠損部２７に対して選択的に注入するものである。この回復処理方法は、キュリー温度以下の温度で実施できるため、圧電体層２４の結晶配向性を良好に維持しながら圧電体層２４の表面の加工ダメージを回復させることができる。さらに、この回復処理方法は選択的なイオン注入によるものであるため、圧電体層２４の側壁部以外の部分に物理的衝突によるダメージを与えることは無い。これにより、圧電デバイスの性能向上を図ることができるという効果が得られるものである。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。図３は本発明の実施の形態３における酸化作用を有する液体３０による回復処理方法を示す図である。

本発明の実施の形態３は、請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、特に、圧電体層２４の圧電特性を回復処理する工程を酸化作用を有する液体を用いて行うようにしたもので、具体的には、図３に示すように、酸化力の高い薬液、例えば過酸化水素水などを主成分とする薬液、すなわち、酸化作用を有する液体３０に圧電デバイスを浸漬することにより、酸素欠損部２７に酸素を再結合させるようにしたものである。この回復処理方法は圧電体層２４のキュリー温度以下で実施できるため、圧電体層２４の結晶配向性を良好に維持しながら圧電体層２４の表面の加工ダメージを回復させることができる。さらに、酸素の再結合を液中において行うため、圧電デバイス全体に物理的ダメージを与えることなく、また、大掛かりな装置を用いずに、酸素欠損部２７の回復を行わせることができる。ここで、下部電極層２３および上部電極層２５はＰｔ、Ａｕ等の貴金属で形成されているため、酸化液中においても酸化されることはない。これにより、圧電デバイスの性能向上を図ることができるという効果が得られるものである。

本発明に係る圧電デバイスの製造方法は、ＲＩＥ時のプラズマにより圧電体層の表面に生じた酸素欠損部にキュリー温度以下の温度において酸素を再結合させることができ、これにより、圧電体層の結晶配向性を良好に維持しながら圧電体層の表面の加工ダメージを回復させることができるという効果を有するものであり、特に、圧電デバイスの製造方法として有用なものである。

２１半導体基板
２３下部電極層
２４圧電体層
２５上部電極層
２７酸素欠損部
２８酸素
２９化学的活性化状態にある酸素
３０酸化作用を有する液体

Claims

半導体基板の上方に下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層の上方に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に上部電極層を形成する工程と、前記上部電極層、圧電体層、下部電極層をエッチング加工するエッチング加工工程とを備え、前記エッチング加工工程によって前記圧電体層の表面に形成される酸素欠損部に酸素を再結合させて前記圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を設け、かつこの回復処理工程を前記圧電体層のキュリー温度以下で行うようにした圧電デバイスの製造方法。
圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を化学的活性化状態にある酸素を用いて行うようにした請求項１記載の圧電デバイスの製造方法。
圧電体層の圧電特性を回復処理する工程を酸化作用を有する液体を用いて行うようにした請求項１記載の圧電デバイスの製造方法。