JP2017032450A - Method for manufacturing vibration device, vibration device, pressure sensor, speaker, and ultrasonic device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a vibration device having excellent durability and capable of suppressing fatigue breakdown due to stress.SOLUTION: A method for manufacturing a vibration device comprises: an anti-oxidization film forming step of forming anti-oxidization film 44 in a partial region of a first surface 20a of a silicon substrate 10; an oxide film forming step of forming a first silicon oxide 30 serving as the oxide film in a first surface 20a region in which the anti-oxidization film 44 is not formed by thermally oxidizing the first surface 20a; an anti-oxidization film removing step of removing the anti-oxidization film 44; a vibration part forming step of forming a vibration part 22 on the first surface 20a from which the anti-oxidization film 44 was removed; and a cavity part forming step of forming a cavity part 28 in a region wider than the second surface 20b region facing the first surface 20a region formed with the anti-oxidization film 44 in the region of the second surface 20b of the silicon substrate 10 facing the first surface 20a.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、振動デバイスの製造方法、振動デバイス、圧力センサー、スピーカー、および超音波デバイスに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a vibration device, a vibration device, a pressure sensor, a speaker, and an ultrasonic device.

従来から、気体などの圧力を検知する圧力センサーは、圧力が作用することによって変位するダイアフラムを有し、変位に伴う容量変化や抵抗変化を検出することで圧力を検知している。圧力センサーは、厚みが一定のダイアフラムの周辺部をケースなどに固定し、圧力が印加されるとダイアフラムの固定されていない領域が変位する構造となっている。そのため、ダイアフラムを固定している領域と固定されていない領域との境界部に圧力による応力が集中し、境界部から疲労破壊する虞があった。
これを回避するために、特許文献１や特許文献２では、ダイアフラムの中央部の厚みを周辺部より薄くし、厚みの厚い周辺部を固定することで、境界部に応力が集中してもダイアフラムが疲労破壊するのを抑制していることが開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a pressure sensor that detects a pressure of gas or the like has a diaphragm that is displaced by the action of pressure, and detects a pressure by detecting a capacitance change or a resistance change that accompanies the displacement. The pressure sensor has a structure in which a peripheral portion of a diaphragm having a constant thickness is fixed to a case or the like, and an area where the diaphragm is not fixed is displaced when pressure is applied. For this reason, stress due to pressure concentrates at the boundary between the region where the diaphragm is fixed and the region where the diaphragm is not fixed, and there is a risk of fatigue failure from the boundary.
In order to avoid this, in Patent Document 1 and Patent Document 2, the diaphragm is made thinner at the central portion than the peripheral portion, and the thick peripheral portion is fixed, so that even if stress is concentrated on the boundary portion, the diaphragm Has been disclosed to suppress fatigue failure.

特開２０００−２１４０３６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-214036 特開２０１０−２１０５０９号公報JP 2010-210509 A

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のダイアフラムは、ステンレス鋼などの金属やセラミックであるため、ダイアフラムの中央部のみを薄くし厚みを一定に加工することは非常に難しいという問題があった。   However, since the diaphragms described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are metals or ceramics such as stainless steel, there is a problem that it is very difficult to make only the central portion of the diaphragm thin and to have a constant thickness. .

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］本適用例に係る振動デバイスの製造方法は、シリコン基板の第１面の一部の領域に酸化防止膜を形成する酸化防止膜形成工程と、前記第１面を熱酸化することで、前記酸化防止膜が形成されていない前記第１面の領域に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化防止膜を除去する酸化防止膜除去工程と、前記酸化防止膜を除去した前記第１面に振動部を形成する振動部形成工程と、前記第１面に対向する前記シリコン基板の第２面の領域に、前記酸化防止膜が形成された前記第１面の領域に対向する前記第２面の領域よりも広い領域にキャビティ部を形成するキャビティ部形成工程と、を有することを特徴とする。   [Application Example 1] In the manufacturing method of the vibration device according to this application example, an antioxidant film forming step of forming an antioxidant film in a partial region of the first surface of the silicon substrate, and thermally oxidizing the first surface. Thus, an oxide film forming step of forming an oxide film in the region of the first surface where the antioxidant film is not formed, an antioxidant film removing step of removing the antioxidant film, and removing the antioxidant film A vibrating portion forming step of forming a vibrating portion on the first surface; and a region of the first surface in which the antioxidant film is formed in a region of the second surface of the silicon substrate facing the first surface. A cavity part forming step of forming a cavity part in a region wider than the region of the second surface facing each other.

本適用例によれば、振動部を保持する周辺部がシリコン基板を熱酸化して形成した酸化膜であり、振動部の厚さよりも厚くなるように製造している。そのため、酸化膜のシリコン基板とキャビティ部との境界部に、振動部の振動による応力や圧力が加えられることより生じる応力が集中しても酸化膜の厚さが厚いので、応力による疲労破壊を抑制することができる。従って、耐久性に優れた振動デバイスを製造することができる。また、熱酸化という簡単な酸化膜形成工程を行うのみなので低価格で振動デバイスを製造することができる。   According to this application example, the peripheral part holding the vibration part is an oxide film formed by thermally oxidizing the silicon substrate, and is manufactured to be thicker than the thickness of the vibration part. For this reason, the oxide film is thick even when stress caused by the vibration of the vibration part is applied to the boundary between the silicon substrate of the oxide film and the cavity, and the stress is damaged. Can be suppressed. Therefore, a vibration device having excellent durability can be manufactured. Further, since only a simple oxide film forming process called thermal oxidation is performed, the vibration device can be manufactured at a low cost.

［適用例２］上記適用例に記載の振動デバイスの製造方法において、前記振動部形成工程は、蒸着により酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、熱酸化により金属酸化膜を形成する金属酸化膜形成工程と、を含んでいることが好ましい。   Application Example 2 In the vibrating device manufacturing method according to the application example described above, the vibration part forming step includes an oxide film forming step of forming an oxide film by vapor deposition and a metal oxide film forming a metal oxide film by thermal oxidation. And a forming step.

本適用例によれば、振動部形成工程において、膜厚制御が容易な蒸着によって酸化膜を形成することにより、振動部を所望の厚みになるようにコントロールすることができる。また、酸化膜上に金属酸化膜を形成することにより、振動部の靱性を高め安定して振動させることができる。   According to this application example, in the vibration part forming step, the vibration part can be controlled to have a desired thickness by forming the oxide film by vapor deposition with easy film thickness control. Further, by forming a metal oxide film on the oxide film, it is possible to increase the toughness of the vibration part and stably vibrate.

［適用例３］上記適用例に記載の振動デバイスの製造方法において、前記酸化防止膜形成工程の前に、熱酸化により酸化膜を形成する酸化膜形成工程を含んでいることが好ましい。   Application Example 3 In the vibrating device manufacturing method described in the above application example, it is preferable that an oxide film forming step of forming an oxide film by thermal oxidation is included before the antioxidant film forming step.

本適用例によれば、酸化防止膜形成工程の前に、熱酸化により酸化膜を形成することにより、酸化防止膜成膜時の応力や酸化膜形成時の応力を緩和し、酸化防止膜や酸化膜における結晶欠陥の発生を抑制することができる。   According to this application example, by forming the oxide film by thermal oxidation before the antioxidant film forming step, the stress at the time of forming the antioxidant film and the stress at the time of forming the oxide film are alleviated, Occurrence of crystal defects in the oxide film can be suppressed.

［適用例４］本適用例に係る振動デバイスは、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面を熱酸化することにより形成される第１酸化シリコンと、前記第１酸化シリコンと周縁部が連結している振動部と、を備え、前記第１酸化シリコンの厚みは、前記振動部の厚みより厚いことを特徴とする。   Application Example 4 The vibration device according to this application example includes a silicon substrate, first silicon oxide formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate, and the first silicon oxide and a peripheral portion connected to each other. And a thickness of the first silicon oxide is greater than a thickness of the vibration part.

本適用例によれば、振動部の周縁部に連結している第１酸化シリコンのシリコン基板とキャビティ部との境界部に、振動部の振動による応力や圧力が加えられることより生じる応力が集中しても、第１酸化シリコンの厚みが振動部の厚みより厚いため、応力による疲労破壊を抑制することができ、耐久性に優れた振動デバイスを得ることができる。   According to this application example, stress generated by applying stress or pressure due to vibration of the vibration part is concentrated on the boundary between the silicon substrate of the first silicon oxide and the cavity part connected to the peripheral part of the vibration part. Even so, since the thickness of the first silicon oxide is thicker than the thickness of the vibration part, fatigue failure due to stress can be suppressed, and a vibration device having excellent durability can be obtained.

［適用例５］上記適用例に記載の振動デバイスにおいて、前記第１酸化シリコンの厚みは、前記振動部に向かって薄くなっていることが好ましい。   Application Example 5 In the vibrating device according to the application example described above, it is preferable that the thickness of the first silicon oxide is thinner toward the vibrating portion.

本適用例によれば、第１酸化シリコンの厚みが振動部に向かって薄くなっていることにより、第１酸化シリコンと振動部との連結部に大きな段差がないため、応力の集中を厚みの厚い第１酸化シリコンのシリコン基板とキャビティ部との境界部側に移すことができ、耐久性に優れた振動デバイスを得ることができる。   According to this application example, since the thickness of the first silicon oxide is reduced toward the vibrating portion, there is no large step at the connecting portion between the first silicon oxide and the vibrating portion. The thick first silicon oxide can be transferred to the boundary between the silicon substrate and the cavity, and a vibration device having excellent durability can be obtained.

［適用例６］上記適用例に記載の振動デバイスにおいて、前記シリコン基板はキャビティ部を有し、前記振動部は、前記キャビティ部の領域に形成されていることが好ましい。   Application Example 6 In the vibration device according to the application example described above, it is preferable that the silicon substrate has a cavity portion, and the vibration portion is formed in a region of the cavity portion.

本適用例によれば、振動部がキャビティ部の領域に形成されていることにより、振動部が拘束されていないので自由に振動することができる。また、キャビティ部側から圧力を加え振動部を自由に変形させることができる。   According to this application example, since the vibration part is formed in the region of the cavity part, the vibration part is not constrained and can vibrate freely. Further, the vibration part can be freely deformed by applying pressure from the cavity part side.

［適用例７］上記適用例に記載の振動デバイスにおいて、前記振動部は、熱酸化により形成される第２酸化シリコンと、蒸着により形成される第３酸化シリコンと、熱酸化により形成される金属酸化膜と、を積層し形成されていることが好ましい。   Application Example 7 In the vibration device according to the application example described above, the vibration unit includes a second silicon oxide formed by thermal oxidation, a third silicon oxide formed by vapor deposition, and a metal formed by thermal oxidation. It is preferably formed by stacking an oxide film.

本適用例によれば、振動部が熱酸化により形成される第２酸化シリコンと、蒸着により形成される第３酸化シリコンと、熱酸化により形成される金属酸化膜と、を積層し形成されていることにより、第２酸化シリコンがキャビティ部を形成する際に、第２酸化シリコンがストッパーとなるので、精度良くシリコン基板の一部を溶解しキャビティ部を形成することができる。また、第２酸化シリコン上に膜厚制御が容易な蒸着によって第３酸化シリコンを形成することで、所望の共振周波数となるように振動部の厚みをコントロールすることができる。更に、靱性がある金属酸化膜を積層することにより、振動部の破損を抑え振動部を安定して振動させることができる。   According to this application example, the vibrating portion is formed by stacking the second silicon oxide formed by thermal oxidation, the third silicon oxide formed by vapor deposition, and the metal oxide film formed by thermal oxidation. Accordingly, when the second silicon oxide forms the cavity portion, the second silicon oxide serves as a stopper, so that a portion of the silicon substrate can be accurately dissolved to form the cavity portion. Further, by forming the third silicon oxide on the second silicon oxide by vapor deposition whose film thickness can be easily controlled, the thickness of the vibration part can be controlled so as to obtain a desired resonance frequency. Furthermore, by laminating a tough metal oxide film, the vibration part can be prevented from being damaged and the vibration part can be stably vibrated.

［適用例８］本適用例に係る圧力センサーは、上記適用例に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする。   Application Example 8 A pressure sensor according to this application example includes the vibration device described in the application example.

本適用例によれば、圧力が加わったことにより生じる応力による疲労破壊を抑制し、耐久性に優れた振動デバイスを備えているため信頼性の高い圧力センサーを得ることができる。   According to this application example, since the fatigue failure due to stress generated by applying pressure is suppressed and the vibration device having excellent durability is provided, a highly reliable pressure sensor can be obtained.

［適用例９］本適用例に係るスピーカーは、上記適用例に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする。   Application Example 9 A speaker according to this application example includes the vibration device described in the application example.

本適用例によれば、振動部の振動により生じる応力による疲労破壊を抑制し、耐久性に優れた振動デバイスを備えているため信頼性の高いスピーカーを得ることができる。   According to this application example, since the fatigue destruction due to the stress caused by the vibration of the vibration part is suppressed and the vibration device having excellent durability is provided, a highly reliable speaker can be obtained.

［適用例１０］本適用例に係る超音波デバイスは、上記適用例に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする。   Application Example 10 An ultrasonic device according to this application example includes the vibration device described in the application example.

本適用例によれば、振動部の振動により生じる応力による疲労破壊を抑制し、耐久性に優れた振動デバイスを備えているため信頼性の高い超音波デバイスを得ることができる。   According to this application example, since the fatigue failure due to the stress caused by the vibration of the vibration part is suppressed and the vibration device having excellent durability is provided, a highly reliable ultrasonic device can be obtained.

圧電膜を備えた振動デバイスの形状を模式的に示す概略平面図。The schematic plan view which shows typically the shape of the vibration device provided with the piezoelectric film. 図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 振動デバイスの製造方法を示す工程図。Process drawing which shows the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の洗浄工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the washing | cleaning process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の酸化膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the oxide film formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の酸化防止膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the antioxidant film | membrane formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の酸化膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the oxide film formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の酸化防止膜除去工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the antioxidant film removal process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の振動部形成工程の酸化膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the oxide film formation process of the vibration part formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の振動部形成工程の金属酸化膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the metal oxide film formation process of the vibration part formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の下部電極形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the lower electrode formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の圧電膜形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the piezoelectric film formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の上部電極形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the upper electrode formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法のキャビティ部形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the cavity part formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法のキャビティ部形成工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA line in FIG. 1 explaining the cavity part formation process of the manufacturing method of a vibration device. 振動デバイスの製造方法の分割工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図。The schematic sectional drawing in the AA in FIG. 1 explaining the division | segmentation process of the manufacturing method of a vibration device. 本発明の実施形態に係る振動デバイスを備える圧力センサーの構成を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the structure of a pressure sensor provided with the vibration device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る振動デバイスを備えるスピーカーの構成を示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a speaker including a vibration device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る振動デバイスを備える超音波デバイスの構成を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the structure of an ultrasonic device provided with the vibration device which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each layer and each member is different from the actual scale so that each layer and each member can be recognized.

＜実施形態＞
［振動デバイス］
先ず、本発明の実施形態に係る振動デバイスの形状について、圧電膜を備えた振動デバイスを一例として挙げ、図１および図２を参照して説明する。図１は、圧電膜を備えた振動デバイスの形状を模式的に示す概略平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図である。 <Embodiment>
[Vibration device]
First, the shape of the vibration device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 2 by taking a vibration device including a piezoelectric film as an example. FIG. 1 is a schematic plan view schematically showing the shape of a vibration device provided with a piezoelectric film. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG.

振動デバイス１００は、図１および図２に示すように、ベースとなるシリコン基板（Ｓｉ）１０と、シリコン基板１０の表面を熱酸化することにより形成される第１酸化シリコン（ＳｉＯ2）３０と、周縁部２４が第１酸化シリコン３０と連結している振動部２２と、振動部２２を振動させるための圧電膜４０と、を含んで構成されている。振動デバイス１００は、平面視で正方形であり、シリコン基板１０の中央部に正方形のキャビティ部２８が形成されている。よって、シリコン基板１０は、中央が開口したリング状である。また、振動部２２の周縁部２４で連結し、シリコン基板１０に固定する第１酸化シリコン３０もリング状である。従って、振動デバイス１００は、キャビティ部２８が形成されている領域に正方形の振動部２２が形成されている構造であり、振動部２２を拘束することがなく、自由に振動させることができる。また、キャビティ部２８側から圧力を加えることにより振動部２２を自由に変形させることができる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration device 100 includes a silicon substrate (Si) 10 serving as a base, and first silicon oxide (SiO 2 ) 30 formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 10. The peripheral portion 24 includes a vibrating portion 22 connected to the first silicon oxide 30 and a piezoelectric film 40 for vibrating the vibrating portion 22. The vibration device 100 is square in plan view, and a square cavity portion 28 is formed at the center of the silicon substrate 10. Therefore, the silicon substrate 10 has a ring shape with an opening at the center. In addition, the first silicon oxide 30 that is connected to the peripheral portion 24 of the vibrating portion 22 and fixed to the silicon substrate 10 is also ring-shaped. Therefore, the vibration device 100 has a structure in which the square vibration part 22 is formed in the region where the cavity part 28 is formed, and can be vibrated freely without restraining the vibration part 22. Moreover, the vibration part 22 can be freely deformed by applying pressure from the cavity part 28 side.

第１酸化シリコン３０は、シリコン基板１０の表面を熱酸化することにより形成されているため、固定部２６においてシリコン基板１０と一体化している。また、第１酸化シリコン３０の厚みは、振動部２２の厚みより厚く形成されており、更に、固定部２６における厚みに比べ、振動部２２と連結している部分の厚みが薄くなるように形成されており、つまり、第１酸化シリコン３０の厚みは振動部２２に向かって薄くなっている。そのため、第１酸化シリコン３０のシリコン基板１０とキャビティ部２８との境界部２９に応力が集中しても第１酸化シリコン３０の厚みが厚いので、破損する虞を低減できる。更に、第１酸化シリコン３０と振動部２２との連結部に大きな段差がないため、応力の集中を第１酸化シリコン３０のシリコン基板１０とキャビティ部２８との境界部２９側に移すことができる。よって、耐久性に優れた振動デバイス１００を得ることができる。   Since the first silicon oxide 30 is formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 10, the first silicon oxide 30 is integrated with the silicon substrate 10 at the fixing portion 26. Further, the thickness of the first silicon oxide 30 is formed to be thicker than the thickness of the vibrating portion 22, and further, the thickness of the portion connected to the vibrating portion 22 is thinner than the thickness of the fixed portion 26. In other words, the thickness of the first silicon oxide 30 is reduced toward the vibrating portion 22. Therefore, even if stress concentrates on the boundary portion 29 between the silicon substrate 10 of the first silicon oxide 30 and the cavity portion 28, the thickness of the first silicon oxide 30 is thick, so that the possibility of breakage can be reduced. Further, since there is no large step at the connecting portion between the first silicon oxide 30 and the vibrating portion 22, the stress concentration can be transferred to the boundary portion 29 side between the silicon substrate 10 and the cavity portion 28 of the first silicon oxide 30. . Therefore, the vibration device 100 having excellent durability can be obtained.

振動部２２は、シリコン基板１０の表面を熱酸化することにより形成される第２酸化シリコン（ＳｉＯ2）３２と、蒸着により形成される第３酸化シリコン（ＳｉＯ2）３４と、金属を熱酸化することにより形成される金属酸化膜３６と、を含み構成されている。振動部２２は、キャビティ部２８側から第２酸化シリコン３２、第３酸化シリコン３４、金属酸化膜３６の順に積層されて形成されている。金属酸化膜３６はアルミニウム（Ａｌ）などの金属を熱酸化した酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などである。 The vibration unit 22 thermally oxidizes a second silicon oxide (SiO 2 ) 32 formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 10, a third silicon oxide (SiO 2 ) 34 formed by vapor deposition, and a metal. And a metal oxide film 36 formed by doing so. The vibration part 22 is formed by laminating the second silicon oxide 32, the third silicon oxide 34, and the metal oxide film 36 in this order from the cavity part 28 side. The metal oxide film 36 is aluminum oxide (Al 2 O 3 ) obtained by thermally oxidizing a metal such as aluminum (Al).

なお、熱酸化により形成された第２酸化シリコン３２はキャビティ部２８を形成する際に、第２酸化シリコン３２がストッパーとなるので、精度良くシリコン基板１０だけを溶解しキャビティ部２８を形成することができる。また、第２酸化シリコン３２上に膜厚制御が容易な蒸着によって第３酸化シリコン３４を形成することで、所望の厚みになるように振動部２２の厚みをコントロールすることができる。更に、靱性がある金属酸化膜３６を積層することにより、振動部２２の破損を抑え振動部２２を安定して振動させることができる。金属酸化膜３６の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）以外に、ジルコニウム（Ｚｒ）の酸化膜である二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）やチタン（Ｔｉ）の酸化膜である酸化チタン（ＴｉＯ2）などが好適である。 Since the second silicon oxide 32 formed by thermal oxidation serves as a stopper when the cavity portion 28 is formed, only the silicon substrate 10 is accurately dissolved to form the cavity portion 28. Can do. Further, by forming the third silicon oxide 34 on the second silicon oxide 32 by vapor deposition whose film thickness can be easily controlled, the thickness of the vibrating portion 22 can be controlled to a desired thickness. Furthermore, by laminating the tough metal oxide film 36, the vibration part 22 can be prevented from being damaged and the vibration part 22 can be vibrated stably. In addition to aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the metal oxide film 36 is made of zirconium dioxide (ZrO 2 ), which is an oxide film of zirconium (Zr), or titanium oxide (TiO 2 ), which is an oxide film of titanium (Ti). And the like are preferred.

振動部２２のキャビティ部２８側とは反対側の表面には、振動部２２を励振するための圧電膜４０が設けられている。振動部２２の金属酸化膜３６上に、下部電極３８と、圧電膜４０と、上部電極４２と、が積層して形成されている。下部電極３８は第１酸化シリコン３０の上部に形成されているリード電極３８ａと、上部電極４２は第１酸化シリコン３０の上部に形成されているリード電極４２ａと、それぞれ電気的に接続されている。そのため、外部からリード電極３８ａ，４２ａを介して、下部電極３８および上部電極４２に電圧が印加されると圧電膜４０の圧電特性により振動部２２が振動する。下部電極３８および上部電極４２の材料としては、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）やチタン（Ｔｉ）や銅（Ｃｕ）などが好適である。また、圧電膜４０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が大きな圧電特性を有しているので好適である。   A piezoelectric film 40 for exciting the vibrating portion 22 is provided on the surface of the vibrating portion 22 opposite to the cavity portion 28 side. A lower electrode 38, a piezoelectric film 40, and an upper electrode 42 are stacked on the metal oxide film 36 of the vibration unit 22. The lower electrode 38 is electrically connected to the lead electrode 38a formed on the upper portion of the first silicon oxide 30, and the upper electrode 42 is electrically connected to the lead electrode 42a formed on the upper portion of the first silicon oxide 30. . Therefore, when a voltage is applied to the lower electrode 38 and the upper electrode 42 from the outside via the lead electrodes 38 a and 42 a, the vibrating part 22 vibrates due to the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 40. As a material of the lower electrode 38 and the upper electrode 42, platinum (Pt), iridium (Ir), titanium (Ti), copper (Cu), and the like are preferable. As a material of the piezoelectric film 40, lead zirconate titanate (PZT) is preferable because it has large piezoelectric characteristics.

［振動デバイスの動作原理］
次に、振動デバイス１００の動作原理について説明する。
振動部２２上に設けられた下部電極３８と上部電極４２に所定の交流電圧が印加すると、例えば、下部電極３８にマイナス電位が上部電極４２にプラス電位が印加されると圧電膜４０は、振動部２２の板厚方向と交差する方向に伸張し、逆に、下部電極３８にプラス電位が上部電極４２にマイナス電位が印加されると圧電膜４０は、振動部２２の板厚方向と交差する方向に縮む。そのため、交流電圧を印加することで、圧電膜４０を伸縮運動させることができる。従って、圧電膜４０が形成されている振動部２２は、圧電膜４０の伸縮運動と連動して伸縮運動する。 [Principle of vibration device operation]
Next, the operation principle of the vibration device 100 will be described.
When a predetermined alternating voltage is applied to the lower electrode 38 and the upper electrode 42 provided on the vibrating portion 22, for example, when a negative potential is applied to the lower electrode 38 and a positive potential is applied to the upper electrode 42, the piezoelectric film 40 vibrates. When a positive potential is applied to the lower electrode 38 and a negative potential is applied to the upper electrode 42, the piezoelectric film 40 intersects the plate thickness direction of the vibrating portion 22. Shrink in the direction. Therefore, the piezoelectric film 40 can be expanded and contracted by applying an AC voltage. Therefore, the vibration part 22 on which the piezoelectric film 40 is formed expands and contracts in conjunction with the expansion and contraction movement of the piezoelectric film 40.

しかし、圧電膜４０は振動部２２の一方の主面にしか形成されていないため、圧電膜４０が伸張すると振動部２２の圧電膜４０が形成されている主面側に引張応力が発生し、圧電膜４０側を凸とする屈曲状に変形する。また、逆に、圧電膜４０が縮むと振動部２２の圧電膜４０が形成されている主面側に圧縮応力が発生し、圧電膜４０側を凹とする屈曲状に変形する。そのため、圧電膜４０に交流電圧を印加することにより、振動部２２を振動部２２の中央部を最大変位とする屈曲振動で励振させることができる。なお、屈曲振動する振動部２２の共振周波数は、振動部２２の板厚と振動部２２の板厚方向と交差する方向の長さにより決定されるため、所望の共振周波数になるように、振動部２２の板厚と長さを設定する。屈曲振動の共振周波数は、振動部２２の板厚に比例し、振動部２２の長さに反比例する。つまり、板厚が厚くなると共振周波数は高くなり、長さが長くなると共振周波数は低くなる。なお、振動部２２の長さとは、振動部２２の対向する周縁部２４間の長さとする。   However, since the piezoelectric film 40 is formed only on one main surface of the vibration part 22, when the piezoelectric film 40 expands, tensile stress is generated on the main surface side of the vibration part 22 where the piezoelectric film 40 is formed, The piezoelectric film 40 is deformed into a bent shape having a convex side. On the contrary, when the piezoelectric film 40 is contracted, a compressive stress is generated on the main surface side of the vibrating portion 22 where the piezoelectric film 40 is formed, and the piezoelectric film 40 is deformed into a bent shape with the piezoelectric film 40 side being concave. Therefore, by applying an AC voltage to the piezoelectric film 40, the vibration part 22 can be excited by bending vibration with the central part of the vibration part 22 being the maximum displacement. Note that the resonance frequency of the vibration part 22 that flexes and vibrates is determined by the plate thickness of the vibration part 22 and the length in the direction intersecting the plate thickness direction of the vibration part 22, so that the vibration frequency is adjusted to a desired resonance frequency. The plate thickness and length of the part 22 are set. The resonance frequency of the bending vibration is proportional to the plate thickness of the vibration part 22 and inversely proportional to the length of the vibration part 22. That is, as the plate thickness increases, the resonance frequency increases, and as the length increases, the resonance frequency decreases. Note that the length of the vibration part 22 is the length between the peripheral edges 24 of the vibration part 22 facing each other.

ここで、所望の共振周波数で振動している振動部２２に、キャビティ部２８側から圧力を印加すると、振動部２２は圧電膜４０側を凸とする屈曲状に変形し振動部２２の長さが長くなる。そのため、振動部２２の共振周波数は圧力が印加される前に比べ低くなる。印加する圧力量と振動部２２の長さの変化量とは比例関係にあるため、振動部２２の共振周波数の変化量を検出することにより、印加した圧力を計測することができる。   Here, when pressure is applied from the cavity portion 28 side to the vibrating portion 22 vibrating at a desired resonance frequency, the vibrating portion 22 is deformed into a bent shape with the piezoelectric film 40 side convex, and the length of the vibrating portion 22 is increased. Becomes longer. Therefore, the resonance frequency of the vibration part 22 is lower than before the pressure is applied. Since the amount of pressure to be applied and the amount of change in the length of the vibrating portion 22 are in a proportional relationship, the applied pressure can be measured by detecting the amount of change in the resonance frequency of the vibrating portion 22.

なお、本実施形態では、振動デバイス１００の外形形状を平面視で正方形を例に説明したが、この形状に限定することはなく、長方形や円形や楕円形であっても構わない。また、キャビティ部２８や圧電膜４０の形状も正方形に限定する必要はなく、長方形や円形や楕円形であっても構わない。更に、振動デバイス１００やキャビティ部２８や圧電膜４０の形状は正方形などの同一形状とすることはなく、それぞれを正方形や長方形や円形や楕円形などを自由に組み合わせて構成しても構わない。   In the present embodiment, the outer shape of the vibration device 100 has been described as an example of a square in plan view, but is not limited to this shape, and may be a rectangle, a circle, or an ellipse. Further, the shape of the cavity 28 and the piezoelectric film 40 need not be limited to a square, and may be a rectangle, a circle, or an ellipse. Furthermore, the vibration device 100, the cavity portion 28, and the piezoelectric film 40 do not have the same shape such as a square, and may be configured by freely combining a square, a rectangle, a circle, an ellipse, or the like.

［振動デバイスの製造方法］
次に、本発明の実施形態に係る振動デバイス１００の製造方法の一例として、振動部２２に圧電膜４０を有する振動デバイス１００の製造方法を挙げ、図３から図１６を参照して説明する。
図３は、振動デバイスの製造方法を示す工程図である。図４〜図１６は、振動デバイスの製造方法の主要な工程毎の図１におけるＡ−Ａ線での概略断面図である。 [Manufacturing method of vibration device]
Next, as an example of the method for manufacturing the vibration device 100 according to the embodiment of the present invention, a method for manufacturing the vibration device 100 having the piezoelectric film 40 in the vibration portion 22 will be described and described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a vibrating device. 4 to 16 are schematic cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1 for each main process of the method for manufacturing the vibration device.

図１および図２に示すような圧電膜４０を備えた振動デバイス１００の製造方法は、図３に示すように、酸化防止膜形成工程（Ｓｔｅｐ３）と、酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ４）と、酸化防止膜除去工程（Ｓｔｅｐ５）と、振動部形成工程（Ｓｔｅｐ６）と、キャビティ部形成工程（Ｓｔｅｐ１０）と、を含んでいる。また、振動部形成工程（Ｓｔｅｐ６）は、蒸着により酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、熱酸化により金属酸化膜３６を形成する金属酸化膜形成工程と、を含んでいる。   As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the vibration device 100 including the piezoelectric film 40 as shown in FIGS. 1 and 2 includes an antioxidant film forming step (Step 3), an oxide film forming step (Step 4), an oxidation It includes a prevention film removing step (Step 5), a vibrating portion forming step (Step 6), and a cavity portion forming step (Step 10). The vibration part forming step (Step 6) includes an oxide film forming step for forming an oxide film by vapor deposition and a metal oxide film forming step for forming a metal oxide film 36 by thermal oxidation.

＜洗浄工程（Ｓｔｅｐ１）＞
先ず、洗浄工程（Ｓｔｅｐ１）では、図４に示すように、振動デバイス１００のベースとなる第１面２０ａと第２面２０ｂとを有するシリコン基板（Ｓｉ）１０を準備し、フッ酸（ＨＦ）等によりシリコン基板１０の表面に形成されている自然酸化膜を除去する。なお、本実施形態では、複数個の振動デバイス１００を一括で製造する、大型のシリコン基板１０を用いた方法を例に説明する。 <Washing process (Step 1)>
First, in the cleaning step (Step 1), as shown in FIG. 4, a silicon substrate (Si) 10 having a first surface 20a and a second surface 20b to be a base of the vibration device 100 is prepared, and hydrofluoric acid (HF). The natural oxide film formed on the surface of the silicon substrate 10 is removed by, for example. In the present embodiment, a method using a large silicon substrate 10 for manufacturing a plurality of vibrating devices 100 at once will be described as an example.

＜酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ２）＞
次に、酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ２）では、酸化炉に洗浄したシリコン基板１０を設置し、酸素ガス雰囲気中で一般的な熱酸化の処理温度である１０００℃に加熱する。この工程により、図５に示すように、シリコン基板１０の第１面２０ａ上に酸化膜である第２酸化シリコン（ＳｉＯ2）３２が２０ｎｍ〜６０ｎｍの厚みに形成される。なお、本工程を行うことにより、以降の酸化防止膜成膜時の応力や酸化膜形成時の応力を緩和し、酸化防止膜や酸化膜における結晶欠陥の発生を抑制することができる。 <Oxide Film Formation Step (Step 2)>
Next, in the oxide film forming step (Step 2), the cleaned silicon substrate 10 is placed in an oxidation furnace and heated to 1000 ° C., which is a general thermal oxidation processing temperature, in an oxygen gas atmosphere. By this step, as shown in FIG. 5, a second silicon oxide (SiO 2 ) 32, which is an oxide film, is formed on the first surface 20a of the silicon substrate 10 to a thickness of 20 nm to 60 nm. In addition, by performing this process, the stress at the time of subsequent formation of the antioxidant film and the stress at the time of forming the oxide film can be relieved, and the generation of crystal defects in the antioxidant film or the oxide film can be suppressed.

＜酸化防止膜形成工程（Ｓｔｅｐ３）＞
酸化防止膜形成工程（Ｓｔｅｐ３）では、図６に示すように、第１面２０ａ側に形成された第２酸化シリコン３２上に、ＣＶＤ法などの蒸着によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の酸化防止膜４４を形成し、振動部２２となる領域にパターニングする。パターニングする方法としては、振動部２２の領域が開口した金属マスクなどを用いる方法や、酸化防止膜４４を第１面２０ａ側の第２酸化シリコン３２の全面に蒸着し、その後、フォトリゾラフィにより振動部２２の領域以外を除去して形成する方法などが用いられる。 <Antioxidation Film Formation Step (Step 3)>
In the anti-oxidation film forming step (Step 3), as shown in FIG. 6, an anti-oxidation film of a silicon nitride film (SiN) is deposited on the second silicon oxide 32 formed on the first surface 20a side by vapor deposition such as CVD. 44 is formed and patterned in a region to be the vibration part 22. As a patterning method, a method using a metal mask or the like in which the region of the vibrating portion 22 is opened, or an anti-oxidation film 44 is deposited on the entire surface of the second silicon oxide 32 on the first surface 20a side, and then by photolithography. A method of removing the region other than the region of the vibration part 22 and the like is used.

＜酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ４）＞
次に、酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ４）では、酸化炉に酸化防止膜４４が形成されたシリコン基板１０を設置し、水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）の混合ガス雰囲気中で一般的な熱酸化の処理温度である１０００℃に加熱する。なお、水素（Ｈ2）を含む混合ガスを用いることで、酸化レートを速めることができるので、厚みの厚い酸化膜を形成することができる。この工程により、図７に示すように、酸化防止膜４４が形成されていないシリコン基板１０の表面（第１面２０ａ）に第２酸化シリコン３２を含み酸化した酸化膜である第１酸化シリコン３０（ＳｉＯ2）が形成される。なお、第１酸化シリコン３０は、シリコン基板１０中のシリコン（Ｓｉ）に酸素（Ｏ2）が結合して酸化シリコン（ＳｉＯ2）となるため、シリコン（Ｓｉ）単体の厚みより厚くすることができるので、振動部２２を保持する固定部２６を厚くすることができる。なお、第１酸化シリコン３０は１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みに形成される。 <Oxide Film Formation Step (Step 4)>
Next, in the oxide film forming step (Step 4), the silicon substrate 10 on which the antioxidant film 44 is formed is installed in an oxidation furnace, and is generally used in a mixed gas atmosphere of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). Heat to 1000 ° C., which is the thermal oxidation treatment temperature. Note that by using a mixed gas containing hydrogen (H 2 ), the oxidation rate can be increased, so that a thick oxide film can be formed. By this step, as shown in FIG. 7, the first silicon oxide 30 which is an oxidized film containing the second silicon oxide 32 on the surface (first surface 20a) of the silicon substrate 10 on which the antioxidant film 44 is not formed. (SiO 2 ) is formed. The first silicon oxide 30 is made thicker than the thickness of silicon (Si) alone because oxygen (O 2 ) is bonded to silicon (Si) in the silicon substrate 10 to form silicon oxide (SiO 2 ). Since it can do, the fixing | fixed part 26 holding the vibration part 22 can be thickened. The first silicon oxide 30 is formed to a thickness of 1000 nm to 3000 nm.

＜酸化防止膜除去工程（Ｓｔｅｐ５）＞
酸化防止膜除去工程（Ｓｔｅｐ５）では、図８に示すように、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）を用いたウェットエッチングにより第２酸化シリコン３２上に形成されている酸化防止膜４４であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を除去する。なお、酸化防止膜４４を除去する方法としてはドライエッチングであっても構わない。 <Antioxidation Film Removal Step (Step 5)>
In the antioxidant film removing step (Step 5), as shown in FIG. 8, silicon nitride which is an antioxidant film 44 formed on the second silicon oxide 32 by wet etching using phosphoric acid (H 3 PO 4 ). The film (SiN) is removed. The method for removing the antioxidant film 44 may be dry etching.

＜振動部形成工程（Ｓｔｅｐ６）＞
振動部形成工程（Ｓｔｅｐ６）は、上述したように、蒸着により酸化膜を形成する酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ６−１）と、熱酸化により金属酸化膜３６を形成する金属酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ６−２）と、を含んでいる。 <Vibration part forming step (Step 6)>
As described above, the vibration part forming step (Step 6) includes an oxide film forming step (Step 6-1) for forming an oxide film by vapor deposition and a metal oxide film forming step (Step 6) for forming the metal oxide film 36 by thermal oxidation. 2).

先ず、酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ６−１）では、図９に示すように、第１酸化シリコン３０と第２酸化シリコン３２との表面に、ＣＶＤ法などの蒸着により酸化膜である第３酸化シリコン（ＳｉＯ2）３４を形成する。ＣＶＤ法などの蒸着は膜厚制御が容易なので、精度良く膜厚を制御することができる。そのため、この工程において、振動部２２が所望の共振周波数となるように膜厚を制御して形成する。なお、第３酸化シリコン３４は５００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みに形成される。 First, in the oxide film forming step (Step 6-1), as shown in FIG. 9, third silicon oxide which is an oxide film is formed on the surfaces of the first silicon oxide 30 and the second silicon oxide 32 by vapor deposition such as CVD. (SiO 2 ) 34 is formed. Since deposition such as CVD is easy to control the film thickness, the film thickness can be accurately controlled. Therefore, in this step, the vibrating portion 22 is formed by controlling the film thickness so as to have a desired resonance frequency. The third silicon oxide 34 is formed to a thickness of 500 nm to 3000 nm.

次に、金属酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ６−２）では、図１０に示すように、第３酸化シリコン３４上に、アルミニウム（Ａｌ）などの金属をスパッタリングし、その後、酸化炉により酸素ガス雰囲気中で９００℃に加熱する。この工程により、第３酸化シリコン３４上に、金属が熱酸化された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの金属酸化膜３６が形成される。この金属酸化膜３６は靱性があるので、振動部２２に金属酸化膜３６を積層することにより、脆性を有する第３酸化シリコン３４の亀裂や破壊を防止し、振動部２２の破損を抑え振動部２２を安定して振動させることができる。なお、金属酸化膜３６の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）以外に、ジルコニウム（Ｚｒ）の酸化膜である二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）やチタン（Ｔｉ）の酸化膜である酸化チタン（ＴｉＯ2）などが好適である。 Next, in the metal oxide film formation step (Step 6-2), as shown in FIG. 10, a metal such as aluminum (Al) is sputtered on the third silicon oxide 34, and then in an oxygen gas atmosphere by an oxidation furnace. To 900 ° C. By this step, a metal oxide film 36 such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) obtained by thermally oxidizing the metal is formed on the third silicon oxide 34. Since this metal oxide film 36 has toughness, by laminating the metal oxide film 36 on the vibration part 22, the brittle third silicon oxide 34 is prevented from cracking or breaking, and the vibration part 22 is prevented from being damaged and the vibration part. 22 can be vibrated stably. In addition to the aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the material of the metal oxide film 36 includes zirconium dioxide (ZrO 2 ), which is an oxide film of zirconium (Zr), and titanium oxide, which is an oxide film of titanium (Ti) ( TiO 2 ) and the like are preferred.

＜下部電極形成工程（Ｓｔｅｐ７）＞
下部電極形成工程（Ｓｔｅｐ７）では、図１１に示すように、振動部２２上に白金（Ｐｔ）などの金属をスパッタリングし、下部電極３８を形成する。下部電極３８をパターニングする方法としては、振動部２２の中央領域やリード電極３８ａ（図１参照）領域が開口した金属マスクなどを用いる方法や、振動部２２や固定部２６を含む第１酸化シリコン３０の全面に金属をスパッタリングし、その後、フォトリゾラフィにより下部電極３８の形状とリード電極３８ａの形状とをパターニングする方法などが用いられる。なお、下部電極３８は、１３０ｎｍ〜５００ｎｍの厚みに形成されており、下部電極３８の材料としては、白金（Ｐｔ）以外に、イリジウム（Ｉｒ）やチタン（Ｔｉ）や銅（Ｃｕ）などが好適である。 <Lower electrode formation step (Step 7)>
In the lower electrode forming step (Step 7), as shown in FIG. 11, a metal such as platinum (Pt) is sputtered on the vibrating portion 22 to form the lower electrode 38. As a method for patterning the lower electrode 38, a method using a metal mask or the like in which the central region of the vibrating portion 22 or the lead electrode 38 a (see FIG. 1) region is opened, or the first silicon oxide including the vibrating portion 22 and the fixing portion 26 is used. For example, a method is used in which a metal is sputtered on the entire surface 30 and then the shape of the lower electrode 38 and the shape of the lead electrode 38a are patterned by photolithography. The lower electrode 38 is formed to a thickness of 130 nm to 500 nm, and the material of the lower electrode 38 is preferably iridium (Ir), titanium (Ti), copper (Cu), or the like in addition to platinum (Pt). It is.

＜圧電膜形成工程（Ｓｔｅｐ８）＞
圧電膜形成工程（Ｓｔｅｐ８）では、図１２に示すように、振動部２２の中央領域の下部電極３８上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電膜４０をスパッタリングし、圧電膜４０を形成する。圧電膜４０をパターニングする方法としては、振動部２２の中央に形成された下部電極３８を覆う領域が開口した金属マスクなどを用いる方法や、下部電極３８が形成された振動部２２や固定部２６を含む第１酸化シリコン３０の全面にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電膜４０をスパッタリングし、その後、フォトリゾラフィにより圧電膜４０の形状にパターニングする方法などが用いられる。なお、圧電膜４０は５００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みに形成される。 <Piezoelectric film forming step (Step 8)>
In the piezoelectric film forming step (Step 8), as shown in FIG. 12, a piezoelectric film 40 such as lead zirconate titanate (PZT) is sputtered on the lower electrode 38 in the central region of the vibrating portion 22 to form the piezoelectric film 40. To do. As a method for patterning the piezoelectric film 40, a method using a metal mask or the like having an opening covering the lower electrode 38 formed in the center of the vibrating portion 22, or the vibrating portion 22 or the fixed portion 26 in which the lower electrode 38 is formed. For example, a method of sputtering a piezoelectric film 40 such as lead zirconate titanate (PZT) on the entire surface of the first silicon oxide 30 containing, and then patterning the piezoelectric film 40 by photolithography is used. The piezoelectric film 40 is formed to a thickness of 500 nm to 3000 nm.

＜上部電極形成工程（Ｓｔｅｐ９）＞
上部電極形成工程（Ｓｔｅｐ９）では、図１３に示すように、圧電膜４０上に白金（Ｐｔ）などの金属をスパッタリングし、上部電極４２を形成する。上部電極４２をパターニングする方法としては、圧電膜４０を覆う領域やリード電極４２ａ領域が開口した金属マスクなどを用いる方法や、下部電極３８と圧電膜４０とが形成された振動部２２や固定部２６を含む第１酸化シリコン３０の全面に金属をスパッタリングし、その後、フォトリゾラフィにより上部電極４２形状とリード電極４２ａ形状とをパターニングする方法などが用いられる。なお、上部電極４２は、下部電極３８と同様に、１３０ｎｍ〜５００ｎｍの厚みに形成されており、上部電極４２の材料としては、白金（Ｐｔ）以外に、下部電極３８と同様に、イリジウム（Ｉｒ）やチタン（Ｔｉ）や銅（Ｃｕ）などが好適である。 <Upper electrode forming step (Step 9)>
In the upper electrode formation step (Step 9), as shown in FIG. 13, a metal such as platinum (Pt) is sputtered on the piezoelectric film 40 to form the upper electrode. As a method for patterning the upper electrode 42, a method using a metal mask or the like that covers the piezoelectric film 40 or an area where the lead electrode 42a is opened, a vibrating portion 22 or a fixed portion in which the lower electrode 38 and the piezoelectric film 40 are formed. For example, a method is used in which a metal is sputtered on the entire surface of the first silicon oxide 30 including the layer 26, and then the upper electrode 42 shape and the lead electrode 42a shape are patterned by photolithography. The upper electrode 42 is formed to have a thickness of 130 nm to 500 nm similarly to the lower electrode 38, and the material of the upper electrode 42 is iridium (Ir) other than platinum (Pt), like the lower electrode 38. ), Titanium (Ti), copper (Cu), and the like are suitable.

＜キャビティ部形成工程（Ｓｔｅｐ１０）＞
キャビティ部形成工程（Ｓｔｅｐ１０）では、先ず、シリコン基板１０の第２面２０ｂ側にキャビティ部２８を形成するための保護膜４６を形成する。保護膜４６は、シリコン基板１０をエッチングするエッチャントやエッチングガスに耐性のあるシリコン（Ｓｉ）の酸化膜である酸化シリコン（ＳｉＯ2）が好適である。酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ２）と同様に、酸素ガス雰囲気中で１０００℃に加熱し、シリコン基板１０の第２面２０ｂ側に酸化膜である酸化シリコン（ＳｉＯ2）を形成する。その後、フォトリゾラフィによりキャビティ部２８形成領域に、図１４に示すように、開口部をパターニングしシリコン基板１０を露出させエッチングを行う。 <Cavity part forming step (Step 10)>
In the cavity part forming step (Step 10), first, a protective film 46 for forming the cavity part 28 is formed on the second surface 20b side of the silicon substrate 10. The protective film 46 is preferably silicon oxide (SiO 2 ), which is an oxide film of silicon (Si) resistant to an etchant or etching gas for etching the silicon substrate 10. Similarly to the oxide film forming step (Step 2), the substrate is heated to 1000 ° C. in an oxygen gas atmosphere to form silicon oxide (SiO 2 ) as an oxide film on the second surface 20b side of the silicon substrate 10. Thereafter, as shown in FIG. 14, the openings are patterned in the region where the cavity 28 is formed by photolithography, and the silicon substrate 10 is exposed to perform etching.

キャビティ部２８をエッチングして形成する方法は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などをエッチャントとするウェットエッチング法や、アルゴン（Ａｒ）ガスとフッ素（Ｆ2）ガスとを含むエッチングガスとするドライエッチング法などで行う。図１５に示すように、保護膜４６側からエッチングを行い、第１酸化シリコン３０や第２酸化シリコン３２が現れると第１酸化シリコン３０や第２酸化シリコン３２とが保護膜４６と同一材料であるため、ストッパーとして働きエッチングが終了し、キャビティ部２８が形成される。 The cavity 28 is formed by etching using a wet etching method using potassium hydroxide (KOH) or the like as an etchant, or a dry etching method using an etching gas containing argon (Ar) gas and fluorine (F 2 ) gas. Etc. As shown in FIG. 15, etching is performed from the protective film 46 side, and when the first silicon oxide 30 and the second silicon oxide 32 appear, the first silicon oxide 30 and the second silicon oxide 32 are made of the same material as the protective film 46. Therefore, it functions as a stopper and etching is completed, and the cavity portion 28 is formed.

＜個片化工程（Ｓｔｅｐ１１）＞
個片化工程（Ｓｔｅｐ１１）では、第２面２０ｂ側の保護膜４６を除去した後、図１６に示すように、ダイシングなどの方法でシリコン基板１０と第１酸化シリコン３０とで構成される固定部２６を切断する。この工程により、大型のシリコン基板１０から個片化した複数の振動デバイス１００を得ることができる。 <Individualization step (Step 11)>
In the singulation step (Step 11), after the protective film 46 on the second surface 20b side is removed, as shown in FIG. 16, the fixing composed of the silicon substrate 10 and the first silicon oxide 30 is performed by a method such as dicing. The part 26 is cut. By this step, a plurality of vibrating devices 100 separated from the large silicon substrate 10 can be obtained.

なお、本実施形態では、酸化防止膜形成工程（Ｓｔｅｐ３）前に、第２酸化シリコン３２を形成する酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ２）を行う製造方法を説明したが、これに限定されることはなく、第２酸化シリコン３２を形成する酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ２）を、振動部形成工程（Ｓｔｅｐ６）で、酸化膜形成工程（Ｓｔｅｐ６−１）の前に行う製造方法でも構わない。この製造方法でも同等の効果が得られる。   In the present embodiment, the manufacturing method in which the oxide film forming step (Step 2) for forming the second silicon oxide 32 is performed before the antioxidant film forming step (Step 3) has been described. However, the present invention is not limited to this. The manufacturing method in which the oxide film forming step (Step 2) for forming the second silicon oxide 32 is performed in the vibration part forming step (Step 6) before the oxide film forming step (Step 6-1) may be used. This manufacturing method can achieve the same effect.

以上の工程を経て、振動部２２が振動することによる応力やキャビティ部２８側から圧力が加えられることにより生じる応力が、第１酸化シリコン３０のシリコン基板１０とキャビティ部２８との境界部２９に集中しても、第１酸化シリコン３０の厚みが厚いため応力による疲労破壊を抑制することができる。そのため、耐久性に優れた振動デバイス１００を製造することができる。   Through the above steps, the stress caused by the vibration of the vibration part 22 and the stress generated by the pressure applied from the cavity part 28 side are applied to the boundary part 29 between the silicon substrate 10 and the cavity part 28 of the first silicon oxide 30. Even if concentrated, fatigue breakdown due to stress can be suppressed because the thickness of the first silicon oxide 30 is thick. Therefore, the vibration device 100 having excellent durability can be manufactured.

［圧力センサー］
次に、本発明の実施形態に係る振動デバイス１００を備えた圧力センサー２００について、図１７を参照して説明する。
図１７は、本発明の実施形態に係る振動デバイスを備える圧力センサーの構成を示す概略断面図である。
圧力センサー２００は、図１７に示すように、圧力導入口２４０を有し、振動デバイス１００を保持するケース２１０と、圧力導入口２４０の反対側を封止するカバー２２０と、振動デバイス１００と、を含み構成されている。 [pressure sensor]
Next, a pressure sensor 200 including the vibration device 100 according to the embodiment of the invention will be described with reference to FIG.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a pressure sensor including the vibration device according to the embodiment of the invention.
As shown in FIG. 17, the pressure sensor 200 includes a pressure introduction port 240, a case 210 that holds the vibration device 100, a cover 220 that seals the opposite side of the pressure introduction port 240, the vibration device 100, It is comprised including.

ケース２１０は、内部にガラス台座２５０が設けられており、低融点ガラスなどの接合部材２６０を介して振動デバイス１００を固定している。ガラス台座２５０は、ケース２１０と振動デバイス１００との線膨張係数の違いにより生じる歪を緩和するために設けられている。また、ケース２１０のカバー２２０側には、外部と電気的接続を図るためのリード端子２３０が設けられており、リード端子２３０と振動デバイス１００の表面に形成されたリード電極４２ａとがボンディングワイヤー２７０を介して電気的に接続されている。圧力導入口２４０とは反対側で、ケース２１０とカバー２２０と振動デバイス１００とに囲まれた空間部２８０は、減圧雰囲気又は大気圧雰囲気で気密されている。   The case 210 is provided with a glass pedestal 250 inside, and the vibration device 100 is fixed via a bonding member 260 such as low-melting glass. The glass pedestal 250 is provided to relieve distortion caused by the difference in linear expansion coefficient between the case 210 and the vibration device 100. Further, a lead terminal 230 for electrical connection with the outside is provided on the cover 220 side of the case 210, and the lead terminal 230 and the lead electrode 42 a formed on the surface of the vibration device 100 are bonded wires 270. It is electrically connected via. On the side opposite to the pressure inlet 240, the space 280 surrounded by the case 210, the cover 220, and the vibration device 100 is hermetically sealed in a reduced pressure atmosphere or an atmospheric pressure atmosphere.

振動デバイス１００に交流電圧が印加されて振動部２２が振動している状態で、圧力導入口２４０から圧力が印加されると、上述した動作原理で説明したように、圧力に比例して振動デバイス１００の振動部２２の長さが変化し、振動部２２の共振周波数が変化するため、振動部２２の共振周波数の変化量を検出することにより、印加した圧力を高精度に計測することができる。   When an AC voltage is applied to the vibration device 100 and the vibration unit 22 is vibrating, when a pressure is applied from the pressure inlet 240, the vibration device is proportional to the pressure as described in the operation principle described above. Since the length of the vibration portion 22 of 100 changes and the resonance frequency of the vibration portion 22 changes, the applied pressure can be measured with high accuracy by detecting the amount of change in the resonance frequency of the vibration portion 22. .

［スピーカー］
次に、本発明の実施形態に係る振動デバイス１００を備えたスピーカー３００について、図１８を参照して説明する。
図１８は、本発明の実施形態に係る振動デバイスを備えるスピーカーの構成を示す概略断面図である。スピーカー３００は、図１８に示すように、振動デバイス１００を保持するケース３１０と、振動デバイス１００の圧電膜４０側に設けられたカバー３２０と、振動デバイス１００の振動部２２側に設けられたフロントカバー３４０と、を含み構成されている。 [speaker]
Next, a speaker 300 including the vibration device 100 according to the embodiment of the invention will be described with reference to FIG.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a speaker including the vibration device according to the embodiment of the invention. As shown in FIG. 18, the speaker 300 includes a case 310 that holds the vibrating device 100, a cover 320 provided on the piezoelectric film 40 side of the vibrating device 100, and a front provided on the vibrating unit 22 side of the vibrating device 100. And a cover 340.

ケース３１０の内部には、エポキシ系接着剤などの接合部材３５０を介して振動デバイス１００が固定されている。また、ケース３１０のカバー３２０側には、外部と電気的接続を図るためのリード端子３３０が設けられており、リード端子３３０と振動デバイス１００の表面に形成されたリード電極４２ａとがボンディングワイヤー３６０を介して電気的に接続されている。
リード端子３３０から音声などに対応した電気信号を入力すると、圧電膜４０を介して振動部２２が振動し、音声としてフロントカバー３４０側から出力される。 The vibration device 100 is fixed inside the case 310 via a bonding member 350 such as an epoxy adhesive. Further, a lead terminal 330 for electrical connection with the outside is provided on the cover 320 side of the case 310, and the lead terminal 330 and the lead electrode 42 a formed on the surface of the vibration device 100 are connected to the bonding wire 360. It is electrically connected via.
When an electrical signal corresponding to sound or the like is input from the lead terminal 330, the vibration unit 22 vibrates via the piezoelectric film 40 and is output as sound from the front cover 340 side.

［超音波デバイス］
次に、本発明の実施形態に係る振動デバイス１００を備えた超音波デバイスとして超音波プローバー４００を一例に挙げ、図１９を参照して説明する。
図１９は、本発明の実施形態に係る振動デバイスを備える超音波デバイスの構成を示す概略平面図である。
超音波デバイスとしての超音波プローバー４００は、図１９に示すように、プローブヘッド４２０と筐体４４０とを有するプローブ本体４１０と、超音波画像を表示する装置端末（図示せず）とプローブ本体４１０とを結ぶケーブル４３０と、を含み構成されている。 [Ultrasonic device]
Next, an ultrasonic prober 400 will be described as an example of an ultrasonic device including the vibration device 100 according to the embodiment of the present invention with reference to FIG.
FIG. 19 is a schematic plan view illustrating a configuration of an ultrasonic device including the vibration device according to the embodiment of the invention.
As shown in FIG. 19, an ultrasonic prober 400 as an ultrasonic device includes a probe main body 410 having a probe head 420 and a housing 440, an apparatus terminal (not shown) for displaying an ultrasonic image, and a probe main body 410. And a cable 430 that connects the two.

プローブ本体４１０のプローブヘッド４２０には、被検対象物に触れる接触面４５０側に音響カプラー４６０の一部が露出するように設けられている。音響カプラー４６０は、シリコーンゴムなどの弾性材料から形成され内部に液体やジェルなどの流動体が満たされており、筐体４４０内部に設けられた超音波トランスデューサーユニット４７０との間で効率的に超音波を伝達する。   The probe head 420 of the probe main body 410 is provided so that a part of the acoustic coupler 460 is exposed on the contact surface 450 side that comes into contact with the test object. The acoustic coupler 460 is formed of an elastic material such as silicone rubber, and is filled with a fluid such as a liquid or gel, and is efficiently connected to the ultrasonic transducer unit 470 provided inside the housing 440. Transmits ultrasound.

超音波トランスデューサーユニット４７０には、超音波を送受する複数の振動デバイス１００が備えられており、振動デバイス１００から超音波が発信されると、超音波トランスデューサーユニット４７０から超音波ビームとして出射される。出射された超音波ビームは音響カプラー４６０内の流動体を効率的に伝搬し、被検対象物に進入していく。その後、被検対象物内で反射した超音波ビームは再び音響カプラー４６０内の流動体を効率的に伝わって超音波トランスデューサーユニット４７０内の振動デバイス１００で受信される。振動デバイス１００では受信した超音波が電気信号に変換される。電気信号はケーブル４３０を介して装置端末に供給されて画像処理が施されて超音波画像が表示される。   The ultrasonic transducer unit 470 includes a plurality of vibration devices 100 that transmit and receive ultrasonic waves. When ultrasonic waves are transmitted from the vibration devices 100, the ultrasonic transducer units 470 emit ultrasonic waves as ultrasonic beams. The The emitted ultrasonic beam efficiently propagates the fluid in the acoustic coupler 460 and enters the object to be examined. Thereafter, the ultrasonic beam reflected in the test object is efficiently transmitted again through the fluid in the acoustic coupler 460 and received by the vibrating device 100 in the ultrasonic transducer unit 470. In the vibration device 100, the received ultrasonic wave is converted into an electric signal. The electric signal is supplied to the device terminal via the cable 430, subjected to image processing, and an ultrasonic image is displayed.

以上、本発明の振動デバイス１００、圧力センサー２００、スピーカー３００、および超音波デバイスとしての超音波プローバー４００について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。   The vibration device 100, the pressure sensor 200, the speaker 300, and the ultrasonic prober 400 as the ultrasonic device of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this. Instead, the configuration of each part can be replaced with any configuration having the same function. In addition, any other component may be added to the present invention. Moreover, you may combine each embodiment suitably.

１０…シリコン基板、２０ａ…第１面、２０ｂ…第２面、２２…振動部、２４…周縁部、２６…固定部、２８…キャビティ部、２９…境界部、３０…第１酸化シリコン、３２…第２酸化シリコン、３４…第３酸化シリコン、３６…金属酸化膜、３８…下部電極、３８ａ…リード電極、４０…圧電膜、４２…上部電極、４２ａ…リード電極、４４…酸化防止膜、４６…保護膜、１００…振動デバイス、２００…圧力センサー、３００…スピーカー、４００…超音波デバイスとしての超音波プローバー。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon substrate, 20a ... 1st surface, 20b ... 2nd surface, 22 ... Vibrating part, 24 ... Peripheral part, 26 ... Fixed part, 28 ... Cavity part, 29 ... Boundary part, 30 ... 1st silicon oxide, 32 2nd silicon oxide, 34 ... 3rd silicon oxide, 36 ... Metal oxide film, 38 ... Lower electrode, 38a ... Lead electrode, 40 ... Piezoelectric film, 42 ... Upper electrode, 42a ... Lead electrode, 44 ... Antioxidation film, 46 ... Protective film, 100 ... Vibration device, 200 ... Pressure sensor, 300 ... Speaker, 400 ... Ultrasonic prober as an ultrasonic device.

Claims (10)

シリコン基板の第１面の一部の領域に酸化防止膜を形成する酸化防止膜形成工程と、
前記第１面を熱酸化することで、前記酸化防止膜が形成されていない前記第１面の領域に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化防止膜を除去する酸化防止膜除去工程と、
前記酸化防止膜を除去した前記第１面に振動部を形成する振動部形成工程と、
前記第１面に対向する前記シリコン基板の第２面の領域に、前記酸化防止膜が形成された前記第１面の領域に対向する前記第２面の領域よりも広い領域にキャビティ部を形成するキャビティ部形成工程と、
を有することを特徴とする振動デバイスの製造方法。 An antioxidant film forming step of forming an antioxidant film in a partial region of the first surface of the silicon substrate;
An oxide film forming step of forming an oxide film in a region of the first surface where the antioxidant film is not formed by thermally oxidizing the first surface;
An antioxidant film removing step for removing the antioxidant film;
A vibration part forming step of forming a vibration part on the first surface from which the antioxidant film has been removed;
A cavity portion is formed in a region wider than the region of the second surface opposite to the region of the first surface on which the antioxidant film is formed in the region of the second surface of the silicon substrate facing the first surface. A cavity forming step to perform,
A method for manufacturing a vibrating device, comprising: 前記振動部形成工程は、蒸着により酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、熱酸化により金属酸化膜を形成する金属酸化膜形成工程と、を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の振動デバイスの製造方法。   2. The vibration part forming step includes an oxide film forming step of forming an oxide film by vapor deposition and a metal oxide film forming step of forming a metal oxide film by thermal oxidation. Method of manufacturing a vibration device. 前記酸化防止膜形成工程の前に、熱酸化により酸化膜を形成する酸化膜形成工程を含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動デバイスの製造方法。   The method for manufacturing a vibrating device according to claim 1, further comprising an oxide film forming step of forming an oxide film by thermal oxidation before the antioxidant film forming step. シリコン基板と、
前記シリコン基板の表面を熱酸化することにより形成される第１酸化シリコンと、
前記第１酸化シリコンと周縁部が連結している振動部と、を備え、
前記第１酸化シリコンの厚みは、前記振動部の厚みより厚いことを特徴とする振動デバイス。 A silicon substrate;
First silicon oxide formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate;
The first silicon oxide and a vibrating part connected to a peripheral part,
The vibration device characterized in that the thickness of the first silicon oxide is thicker than the thickness of the vibration part. 前記第１酸化シリコンの厚みは、前記振動部に向かって薄くなっていることを特徴とする請求項４に記載の振動デバイス。   The vibrating device according to claim 4, wherein a thickness of the first silicon oxide is reduced toward the vibrating portion. 前記シリコン基板はキャビティ部を有し、
前記振動部は、前記キャビティ部の領域に形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の振動デバイス。 The silicon substrate has a cavity portion;
The vibrating device according to claim 4, wherein the vibrating portion is formed in a region of the cavity portion. 前記振動部は、熱酸化により形成される第２酸化シリコンと、蒸着により形成される第３酸化シリコンと、熱酸化により形成される金属酸化膜と、を積層し形成されていることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の振動デバイス。   The vibrating portion is formed by laminating a second silicon oxide formed by thermal oxidation, a third silicon oxide formed by vapor deposition, and a metal oxide film formed by thermal oxidation. The vibrating device according to any one of claims 4 to 6. 請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする圧力センサー。   A pressure sensor comprising the vibration device according to any one of claims 4 to 7. 請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とするスピーカー。   A speaker comprising the vibration device according to any one of claims 4 to 7. 請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする超音波デバイス。   An ultrasonic device comprising the vibration device according to any one of claims 4 to 7.
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WO2020235131A1 (en) * 2019-05-17 2020-11-26 株式会社村田製作所 Piezoelectric device

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