JP2013195212A - 薄板振動素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバー部を薄板化し、その自由振動端に重り部を設けた構造において、カンチレバー部の厚みを精密制御できるようにし、かつ、正負加速度に対する変位量の相違を抑制する。
【解決手段】薄板振動素子１０は、酸化物単結晶からなり、一方の主面２ａと他方の主面２ｂとを有し、固定端部２ｅ、自由端部２ｃおよび固定端部と自由端部との間に設けられた中央振動部２ｄを備えている。また、素子１０は、酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、一方の主面１ａ側で固定端部に接合されているアンカー部７、および酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、一方の主面側で自由端部に接合されている重り部６を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動エネルギーから高い変換効率で電力を得る振動発電素子や圧力センサ、加速度センサに関し、ダイヤフラムやカンチレバーなどの肉薄部の厚さ精度の向上および振動安定性の向上に係わる。

従来、圧力センサや加速度センサなどシリコンのマイクロマシンニング技術が応用されてきた。
特許文献１（特開平05-142247）では、シリコン基板に溝が設けられており、この溝により、支持部、揺動自在な重り部、支持部と重り部を連結するカンチレバーが形成されている。このように形成された半導体センサに加速度が加わると、重り部が揺動し、カンチレバーにひずみ応力がかかる。この応力を圧電変換させ発電素子として応用したり、またこの応力を抵抗値の変化として測定し、加速度などを検出している。さらには、前記重り部の表面に電極を形成し、それと対向する側に固定電極を形成しておき、その静電容量の変化を測定することにより加速度などを検出できる。この構造は、重り部、カンチレバー、支持部はシリコンをエッチングすることにより形成しており、一体構造となっている。

特許文献１記載のセンサの場合、重り部が揺動し易いように、カンチレバー部の厚みを極めて薄くする必要があるため、カンチレバーが破損し易いという問題がある。また、カンチレバーの薄肉部はエッチングを使用することにより形成しているが、所望の厚みを精度よく形成することが困難であった。これは、もともとの基板厚のばらつきやエッチング条件の変動が要因となっている。

なお、非特許文献１（日経エレクトロニクス2012年1月号１３頁）では、振動発電素子を開示する。この非特許文献１を表１に示す。

この構造は、前記カンチレバーと同様に振動を発生するための重り部と振動の支点であるアンカー部（支持部）とハリの部分（カンチレバー）をもつ。ハリ部分に形成された圧電素子により、発生したひずみ応力を圧電効果により電圧に変換し発電させている。本構造は、シリコン基板を利用したＳＯＩ（Si on Insulator）構造をもつウエハ基板が使用されている。

SOIウエハの製造法は、SIMOX(Separation by IMplantation
of OXygen)方式と貼り合わせ方式の2種類がある。SIMOX方式はIBMが中心となって開発した技術で、酸素分子をイオン注入によりシリコン結晶表面から埋め込み、それを高熱で酸化させることでシリコン結晶中に酸化シリコンの絶縁膜を形成する。現在ではSIMOX方式よりさらに表面特性の優れたSmartCut方式が主流になっている。これは、バルクウエハの表面に酸化膜を形成したのちもう一枚の加工されていないバルクウエハと表面同士で貼り合わせ、先のウエハを剥離して作成するものである。剥離厚は酸化膜より深部に事前に注入された水素イオンの表面からの距離によって制御され、剥離面は化学機械研磨(CMP)により表面仕上げされる。 SOIウエハの製造コストは、バルクシリコンのウエハに比べ工程が増えるためその分高価になる。

しかし、シリコン単結晶からなるカンチレバー部をエッチングで形成すると、前述したように、カンチレバー部の破損が生じやすく、厚み制御が難しい。

この問題を解決するために、特許文献２（特開平7-221323）では、シリコン／Ａｕ／シリコンの３層構造が開示されている。Ａｕがエッチングのストップ層になるために、カンチレバーの厚みの精度を高めることができると記載されている。しかし、この構造は複雑であり、コストが高いと思われる。

また、特許文献３（特開平06-216396）では、シリコン基板に陽極接合によりガラス基板を接合し、このガラス基板を加速度検出用のカンチレバーとして機能させている。ガラス基板は平板で重りなどは形成されていない。

以上のように、シリコン単結晶からカンチレバー部を形成すると、前述したような問題点があることから、特許文献４（特開平05-325274）では、カンチレバー部をＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｔａ2 Ｏ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12 、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 などの圧電多結晶体膜で構成している。圧電多結晶体膜は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法によって形成される。さらに、複数の電極・圧電多結晶体膜を配置しており、その方法はろう接等、接着剤を用いて貼り合わせる構造が開示されている。

日経エレクトロニクス2012年1月号１３頁

特開平05-142247 特開平7-221323 特開平06-216396 特開平05-325274

特許文献４では、シリコン単結晶ではなく、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｔａ2 Ｏ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12 、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）などの圧電多結晶材料によってカンチレバー部を形成しているが、これらの用途では、振動を効率よく発生するために、重り部を設け、かつカンチレバー部は極力薄くする必要がある。しかし、カンチレバー部を薄くすると、低い応力でも大きく振動し易くなる。同時にカンチレバー部の自由振動端に重り部を設けると、この振動変位が一層大きくなり、カンチレバー部の薄さと相まって大きな変形が高速度で生ずる。

しかし、特許文献４記載のようなカンチレバー構造では、前記のような方法で成膜される場合には、多結晶、あるいはアモルファス状であるので内部応力が発生する。このため応力の影響で反りが発生し、製品毎で初期のカンチレバーの位置にバラツキが生ずる。カンチレバーを加速度センサとして使用する場合には、この初期位置の個別差を補正するため複雑な補償回路が必要になっている。

さらに、この内部応力がある場合には、加速度が正方向に変化する場合と負方向に変化する場合で変位量が異なる現象が発生し、変位量から加速度を求める場合にはこれを補正する回路がないと正確に加速度を計測できないことが判明してきた。さらにこの現象は、初期の反りが大きいと大きくなることから、反りに個別差がある場合には補正係数が個々で異なるため実用的には使用が困難となっていた。

加速度の計測方法について、下記に示す。一般的に、質量Ｍの物体に加速度Ｇが加わると、力Ｆ（＝ＭＧ）が発生する。また図５に示すようなカンチレバー構造に力Ｆが働く場合には、カンチレバーのばね係数ｋと変位量をｘとするとＦ＝ｋｘの関係が成り立つ。したがって、変位量ｘとばね係数は一次の関係があり、変位量ｘが検知できれば加速度Ｇを検出するのが加速度計測の原理である。

しかしながら、上記の方法で成膜して作製した薄板構造のカンチレバーは、残留応力があるために加速度が正方向に変化する場合と負方向に変化する場合で変位量が異なり正確に加速度を計測することが困難であった。その他の応用についても、変位量が振動方向の正負で異なるために各種センシングの絶対値のバラツキや振動発電素子の発電出力のバラツキの原因となっていた。

上記の正負加速度に対する変位量の相違原因については、よくわかってはいない。しかし、カンチレバーを構成する振動層の内部応力によって発生した反りに起因していると推測している。つまり、反りの方向と加速度の方向が逆の場合には、加速度Ｇによる力Ｆが反る力により打ち消されて変位量が小さくなるのではないかと考えている。

本発明の課題は、カンチレバー部を薄板化し、その自由振動端に重り部を設けた構造において、カンチレバー部の厚みを精密制御できるようにし、かつ、正負加速度に対する変位量の相違を抑制することである。

本発明に係る薄板振動素子は、酸化物単結晶からなり、一方の主面と他方の主面とを有する振動層であって、固定端部、自由端部および固定端部と自由端部との間に設けられた中央振動部を備えている振動層、
酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、一方の主面側で固定端部に接合されているアンカー部、および
酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、一方の主面側で自由端部に接合されている重り部を備えている。

また、本発明は、前記薄板振動素子を製造する方法であって、
前記振動層の前記一方の主面を、前記酸化物単結晶またはシリコンからなる一体の平板に対して接合し、平板をウエットエッチングすることによってアンカー部および重り部を成形することを特徴とする。

本発明によれば、酸化物単結晶からなる振動層の固定端部に、酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなるアンカー部を接合し、自由端部に酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなる重り部を接合し、中央振動部がアンカー部と重り部との間の空隙に面する構造とした。

振動層は、内部応力のないバルクの酸化物単結晶を薄板加工によって製作するので、厚みが高精度で、反りもなくカンチレバーの初期位置にバラツキが生ずることはない。その上で、振動層の振動変位を大きくすることができる構造である。更に、本構造では、正負加速度に対する変位量の相違が抑制されるので、長期間安定して動作させることが可能であり、産業上の利用価値は大きい。

（ａ）は、振動層２と平板１とを接着した状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る素子１０を示す模式図である。 （ａ）は、振動層２と平板１Ａ、１Ｂとを接着した状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る素子１０Ａを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る素子１０Ｂを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る素子１０Ｃを示す模式図である。 素子をキャパシタンス測定装置２１に設置した状態を示す模式図である。

最初に図面の実施形態を説明する。まず、振動層となる酸化物単結晶基板と平板１を接合する。本例では接着剤層３によって両者を接着している。次に、この酸化物単結晶基板を所定の厚さになるように研磨加工を行い振動層２を形成し図１（ａ）に示す構造を得る
本例では他方の主面２ｂは空間に面している。平板１の所定箇所にマスク４を設け、マスク４間にエッチング用の開口５を形成する。

次いで、開口４からエッチングを行い、空隙８を形成し、振動層２の主面２ａを空隙に露出させる。これによって、平板１は、アンカー部７と重り部６とに分離される。こうして得られた素子１０においては、振動層２のうち、固定端部２ｅがアンカー部７に固定され、重り部６の付いた自由端部２ｃと中央振動部２ｄとが振動する。
尚、本例では、空隙８はエッチングによる方法を示したが、外周刃による溝加工、サンドブラスト加工との併用で形成することも可能である。

図２の例では、所定厚さの振動層２の一方の主面２ａに対して第一の平板１Ａを接合し、他方の主面２ｂに対して第二の平板１Ｂを接合する。本例では接着剤層３Ａ、３Ｂによって両者をそれぞれ接着している。平板１Ａ、１Ｂの所定箇所にマスク４Ａ、４Ｂを設け、マスク４Ａ、４Ｂ間にエッチング用の開口５Ａ、５Ｂを形成する。

次いで、開口５Ａ、５Ｂからそれぞれエッチングを行い、空隙８Ａ、８Ｂを形成し、振動層２の主面２ａ、２ｂを空隙に露出させる。これによって、平板１Ａ、１Ｂは、それぞれ、アンカー部７Ａ、７Ｂと重り部６Ａ、６Ｂとに分離される。こうして得られた素子１０Ａにおいては、振動層２のうち、固定端部２ｅがアンカー部７Ａ、７Ｂに固定され、重り部６Ａ、６Ｂの付いた自由端部２ｃと中央振動部２ｄとが振動する。このように、第二アンカー部、第二重り部を設けることで、振動構造全体の対称性が上がり、振動状態が一層安定になる。
尚、本例では、空隙８Ａ、８Ｂはエッチングによる方法を示したが、外周刃による溝加工、エキシマレーザやサンドブラスト加工との併用で形成することも可能である。

図３の素子１０Ｂにおいては、振動層２のうち、固定端部２ｅがアンカー部１７Ａ、１７Ｂに固定され、重り部１６Ａ、１６Ｂの付いた自由端部２ｃと中央振動部２ｄとが振動する。また、本例では、振動層２が、酸化物単結晶のＸ板、あるいはＹ板からなる。また、固定端部１７Ａ、１７Ｂの空隙８Ａ、８Ｂ側の壁面が傾斜面１２を形成しており、重り部１６Ａ、１６Ｂの空隙８Ａ、８Ｂ側の壁面が傾斜面１１を形成している。

図４の素子１０Ｃにおいては、振動層２のうち、固定端部２ｅがアンカー部２７Ａ、２７Ｂに固定され、重り部２６Ａ、２６Ｂの付いた自由端部２ｃと中央振動部２ｄとが振動する。また、本例では、振動層２が、酸化物単結晶のＸ板、あるいはＹ板からなる。また、固定端部２７Ａ、２７Ｂの空隙８Ａ、８Ｂ側の壁面が、振動層２の近傍で湾曲面１４を形成しており、重り部１６Ａ、１６Ｂの空隙８Ａ、８Ｂ側の壁面が、振動層２の近傍で湾曲面１３を形成している。

振動層を、酸化物単結晶からなり、一方の主面と他方の主面とを有する。振動層の厚さは、振動振幅を大きくするためには、５０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以下であることが更に好ましい。また、構造の安定性の観点からは、振動層の厚さは１μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以上であることが更に好ましい。

振動層を構成する酸化物単結晶は、弾性率が大きく、エッチングされにくいことが好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、水晶が特に好ましい。

振動層は、酸化物単結晶のＸ板、Ｙ板、Ｚ板であってよく、またオフカットＸ、オフカットＹ板であってよい。特に、平板のエッチングによって空隙を形成する実施形態では、振動層を構成する酸化物単結晶がＸ板、あるいはＹ板であると、エッチングレートが特に小さいので好ましい。

振動層の厚さは、振動層の全体にわたって一定であることが好ましいが、中央振動部が若干薄くなっていてもよい。また、振動層の厚さは、公知の精密研磨加工によって高い精度で一定とすることが可能である。

次に、振動層とアンカー部、第二アンカー部、重り部、第二重り部とは、接着されていてよく、あるいは接着層なしに直接接合されていてよい。直接接合法としては、加熱接合、常温接合、表面活性化接合、陽極接合、超音波接合、プラズマ照射接合、高温高圧接合がある。また、接着剤としては、エポキシ、アクリル、ウレタン、ポリイミドなどの熱硬化型、あるいはＵＶ硬化型樹脂が好ましい。

アンカー部，第二アンカー部は、酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなる。この酸化物単結晶としては、振動層用の酸化物単結晶として例示したものを利用できる。ただし、アンカー部、第二アンカー部の材質と振動層の材質とが同一である必要はない。

また、重り部、第二重り部は、酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなる。この酸化物単結晶としては、振動層用の酸化物単結晶として例示したものを利用できる。ただし、重り部、第二重り部の材質と振動層の材質とが同一である必要はない。

好適な実施形態においては、図面に示すように、中央振動部２ｄがアンカー部と重り部との間の空隙に面している。

また、好適な実施形態においては、アンカー部、第二アンカー部と重り部、第二重り部とが同じ材料からなる。ただし、両者が異なる材料からなっていても良い。

さらに、好適な実施形態においては、振動層とアンカー部、第二アンカー部と重り部、第二重り部とが同じ材料であってもよい。この場合、材料は異方性があり、結晶方位によってエッチングされやすい方位とされにくい方位をもつことが好ましい。実際には、振動層はエッチングされにくい方位が、アンカー部、第二アンカー部と重り部、第二重り部の接合面となり、アンカー部、第二アンカー部と重り部、第二重り部は、エッチングされやすい方位が接合面とは逆の面を向いている構造が好ましい。

好適な実施形態においては、図１に例示するように、振動層の他方の主面が全面にわたって空間に面する。空間は、雰囲気充填されていてよく、あるいは大気であってよく、あるいは高真空ないし減圧条件であってもよい。

エッチング方法は、ドライエッチング、ウエットエッチングであって良い。ただし、エッチング速度が速く、振動層の厚さ、アンカー、固定部の形状を安定的に均一化できるという観点からは、ウエットエッチング法が好ましい。
また、プロセス工数、タクトを節減するために、外周刃に切削加工、エキシマレーザやサンドブラスト加工による溝加工とを併用させてもよい。

ウエットエッチング法のエッチャントとしては、酸化物単結晶の場合には、フッ酸、フッ硝酸、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）が例示できる。また、シリコンの場合には、上記の他、ＫＯＨ、ＥＤＰが使用できる。また、マスクとしては、エッチャントに浸食されず、電極としても機能する必要があり高導電率の金属材料であることが好ましく、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒなどを例示できる。

以下は、各材質について、エッチャント（フッ酸５０％水、温度６５℃）によってエッチングしたときのエッチングレートを示すものである。単位は、μｍ／時間である。

ＬｉＮｂＯ_３（＋Ｘ面）：０．２５
ＬｉＮｂＯ_３（−Ｘ面）：０．２５
ＬｉＮｂＯ_３（＋Ｚ面）：０．００５
ＬｉＮｂＯ_３（−Ｚ面）：３０
ＬｉＴａＯ_３（＋Ｘ面）：１
ＬｉＴａＯ_３（−Ｘ面）：１
ＬｉＴａＯ_３（＋Ｚ面）：０．１
ＬｉＴａＯ_３（−Ｚ面）：２．４
水晶：７１
また、シリコン単結晶については、エッチャント（ＫＯＨ２５％水、温度７０℃）によってエッチングしたときのエッチングレートを示すものである。
シリコン単結晶：４０

（実施例）
図２を参照しつつ説明した前記方法に従い、図３の素子１０Ｂを作製した。
ただし、振動層２としてはニオブ酸リチウム単結晶のＸ板、あるいはＹ板を使用し、振動層２の厚さを１０μｍとした。平板１としてはニオブ酸リチウム単結晶Ｚ板を使用し、―Ｚ面が表面側になるように＋Ｚ面と接合した。平板１の厚さは５００μｍとした。振動層２と平板１とは熱硬化型樹脂によって接着した。マスク４はＡｕによってフォトリソグラフィー法で形成した。

次いで、エッチャントとしてフッ酸を使用し、平板１をエッチングし、空隙を形成した。条件は、温度６５℃の環境下で１７時間浸漬しエッチングを行った。

作製した素子は、反りがないのを確認した。次に加速度センサの特性評価を行った。図５に示すように、素子をキャパシタンス測定装置２１に設置した。カンチレバーの上下方向に加振機にて加速度を１０Ｇ〜―１０Ｇまで変化させ、そのときの変位量を計測した。変位量は、電極間のキャパシタンスを測定することにより静電容量から電極間のギャップｄを算出して、初期値からのシフト量を変位量とした。得られた結果を表２に示す。この結果、加速度と変位量はリニアに変化し、正、負の加速度に対して傾きが一定となっていることがわかった。

（比較例）
実施例と同様にして素子を作製した。ただし、振動層２は多結晶セラミックス（ニオブ酸リチウム）によって形成した。

作製した素子はカンチレバーが全体で５μｍ程度の反りがあった。加速度センサの特性評価は実施例１と同様な方法で行った。得られた結果を表３に示す。この結果、加速度と変位量はリニアに変化するが、正、負の加速度に対して傾きが変わっていることが確認できた。また、この傾きの差は反りが大きい素子ほど大きいことがわかった。

Claims (10)

1. 酸化物単結晶からなり、一方の主面と他方の主面とを有する振動層であって、固定端部、自由端部および固定端部と自由端部との間に設けられた中央振動部を備えている振動層、
   酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、前記一方の主面側で前記固定端部に接合されているアンカー部、および
   酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、前記一方の主面側で前記自由端部に接合されている重り部を備えていることを特徴とする、薄板振動素子。
2. 前記アンカー部と前記重り部とが同じ材料からなることを特徴とする、請求項１記載の素子。
3. 前記振動層の前記他方の主面が全面にわたって空間に面することを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
4. 酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、前記他方の主面側で前記固定端部に接合されている第二アンカー部、および
   酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなり、前記他方の主面側で前記自由端部に接合されている第二重り部を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の素子。
5. 前記第二アンカー部と前記第二重り部とが同じ材料からなることを特徴とする、請求項４記載の素子。
6. 前記振動層が異方性のある前記酸化物単結晶であり、主面の結晶軸がＸ板あるいはＹ板からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
7. 前記アンカー部および前記重り部が、前記酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなる平板のウエットエッチングによって形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
8. 前記第二アンカー部および前記第二重り部が、前記酸化物単結晶またはシリコン単結晶からなる第二の平板のウエットエッチングによって形成されていることを特徴とする、請求項７記載の素子。
9. 請求項７記載の薄板振動素子を製造する方法であって、
   前記振動層の前記一方の主面を、前記平板に対して接合し、前記平板をウエットエッチングすることによって前記アンカー部および前記重り部を成形することを特徴とする、薄板振動素子の製造方法。
10. 請求項８記載の薄板振動素子を製造する方法であって、
    前記振動層の前記他方の主面を、前記第二の平板に対して接合し、前記第二の平板をウエットエッチングすることによって前記第二アンカー部および前記第二重り部を成形することを特徴とする、薄板振動素子の製造方法。

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