JP2019216165A - Piezoelectric device, piezoelectric actuator, and manufacturing method of piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子、該圧電素子を備える圧電アクチュエータ、及び該圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric actuator including the piezoelectric element, and a method for manufacturing the piezoelectric element.
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)等の微細構造を有するシステムにおいて、圧電素子で構成されたセンサやアクチュエータ等のニーズが大きくなっている。なかでも圧電アクチュエータは、小型で低消費電力、かつ大きな駆動力を発生させることが可能であるため、特に注目されている。 In recent years, in systems having a fine structure such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), the need for sensors, actuators, and the like constituted by piezoelectric elements has been increasing. Among them, piezoelectric actuators have been receiving special attention because they are small, can consume low power, and can generate a large driving force.
圧電アクチュエータを構成する圧電膜の成膜方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PLD(Pulse Laser Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CSD(Chemical Solution Deposition)法、ゾルゲル法等が知られている。 As a method of forming a piezoelectric film constituting a piezoelectric actuator, there are a sputtering method, an ion plating method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a pulse laser deposition (PLD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a CSD ( Chemical Solution Deposition method, sol-gel method and the like are known.
これらの成膜方法によって形成される圧電膜には、程度の差はあるものの、ボイド、表面の窪みや突起、微小なクラック等の膜欠陥が含まれる。このような膜欠陥は、成膜雰囲気からの微細な塵やコンタミ、基板の凹凸などの影響により発生するので、完全にゼロにすることは難しい。 The piezoelectric films formed by these film forming methods include film defects such as voids, surface dents and protrusions, and minute cracks, although the degree is different. Since such a film defect is generated by the influence of minute dust and contamination from the film formation atmosphere, and the unevenness of the substrate, it is difficult to completely eliminate the film defect.
また、圧電アクチュエータの出力を増大させるためには、圧電膜の膜厚を大きくする必要がある。しかし、そうすると、圧電膜の形成に長時間を要し、コストが増大することに加え、成膜中の応力によって剥離やクラックが発生するので、好ましい圧電膜の膜厚は5μm以下とされる。 Further, in order to increase the output of the piezoelectric actuator, it is necessary to increase the thickness of the piezoelectric film. However, this requires a long time to form the piezoelectric film, increases the cost, and causes peeling and cracks due to stress during the film formation. Therefore, the preferable film thickness of the piezoelectric film is 5 μm or less.
圧電アクチュエータを製造する際には、まず、SOI(Silicon On Insulator)ウェハ(SOI基板)の上に下部電極膜が形成される。次に、この下部電極膜の上に圧電材料からなる圧電膜が形成される。このとき、圧電膜内に埋め込まれ、表面に一部分が露出したパーティクル等の異物が生じる。 When manufacturing a piezoelectric actuator, first, a lower electrode film is formed on an SOI (Silicon On Insulator) wafer (SOI substrate). Next, a piezoelectric film made of a piezoelectric material is formed on the lower electrode film. At this time, foreign substances such as particles embedded in the piezoelectric film and partially exposed on the surface are generated.
次に、この圧電膜上に上部電極膜が形成される。このとき、圧電膜上のランダムな位置に存在する上記の異物を避けて上部電極膜を形成することは困難であるため、該異物の上にも上部電極膜が形成される。したがって、上部電極膜を形成して得られる構造は、圧電膜の当該異物が上部電極膜と下部電極膜とで挟まれたものとなる。 Next, an upper electrode film is formed on the piezoelectric film. At this time, since it is difficult to form the upper electrode film while avoiding the foreign matter at random positions on the piezoelectric film, the upper electrode film is also formed on the foreign matter. Therefore, in the structure obtained by forming the upper electrode film, the foreign matter of the piezoelectric film is sandwiched between the upper electrode film and the lower electrode film.
さらに、上部電極膜の上に必要に応じて絶縁膜や引き出し配線等が形成され、圧電アクチュエータの可動部となる部分のSOIウェハが除去され、そして、圧電アクチュエータへの給電用の配線が形成される。これにより、下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜によってそれぞれ下部電極、圧電体及び上部電極が形成された圧電アクチュエータが形成される。 Further, an insulating film, a lead-out wiring, and the like are formed on the upper electrode film as necessary, the SOI wafer at a portion that becomes a movable portion of the piezoelectric actuator is removed, and a wiring for supplying power to the piezoelectric actuator is formed. You. Thus, a piezoelectric actuator in which the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode are respectively formed by the lower electrode film, the piezoelectric film, and the upper electrode film is formed.
この圧電アクチュエータの製造方法によれば、上記の異物を除去する何らかの措置が行われないとすれば、完成した圧電アクチュエータにおいても上記の異物が残存する。そして、その異物は、上部電極と下部電極との間の圧電体において、絶縁耐力の低い欠陥部を構成する。このため、圧電アクチュエータを駆動させると、絶縁耐力が低い欠陥部に印加される駆動電圧により、欠陥部に絶縁破壊が生じるおそれがある。これは、良品のみを選択する手間の増大や、歩留りの低下を招来する要因となる。 According to this method of manufacturing a piezoelectric actuator, if any measures for removing the foreign matter are not performed, the foreign matter remains even in the completed piezoelectric actuator. Then, the foreign matter forms a defective portion having a low dielectric strength in the piezoelectric body between the upper electrode and the lower electrode. For this reason, when the piezoelectric actuator is driven, a dielectric breakdown may occur in the defective portion due to a drive voltage applied to the defective portion having a low dielectric strength. This causes an increase in labor for selecting only non-defective products and a decrease in yield.
そこで、従来、圧電膜等における欠陥部の発生を防止するために、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献1では、圧電素子の製造工程における各層の成膜後に、純水やガスを含む水、ブラシ等を用いたスクラブ洗浄を行うことにより、異物等が圧電膜に含まれるのを防止することが提案されている。 Therefore, conventionally, various methods have been proposed to prevent the occurrence of a defective portion in a piezoelectric film or the like. For example, in Patent Document 1, after forming each layer in a piezoelectric element manufacturing process, scrub cleaning using pure water or water containing gas, a brush, or the like is performed to prevent foreign substances and the like from being included in the piezoelectric film. It has been proposed to.
また、特許文献2では、薄膜コンデンサ用の誘電体薄膜の形成時に、誘電体薄膜に短絡や耐電圧不足を生じさせるような誘電体薄膜表面の異物を、ブラッシング洗浄等で取り除くことが提案されている。 Further, Patent Document 2 proposes that, when a dielectric thin film for a thin film capacitor is formed, foreign matter on the surface of the dielectric thin film that causes a short circuit or an insufficient withstand voltage is removed by brushing cleaning or the like. I have.
また、特許文献3では、成膜工程を例えば2回に分け、その間に混入異物を除去する洗浄工程を組み込んで圧電体薄膜層を形成することが提案されている。この圧電体薄膜層では、異物が除去された領域において、結晶粒界が不連続領域を挟んで不連続となることにより、リークパスが途切れるので、耐電圧特性が向上している。 Further, Patent Document 3 proposes that a film forming process is divided into, for example, two times, and a cleaning process for removing contaminating foreign matter is incorporated during the film forming process to form a piezoelectric thin film layer. In the piezoelectric thin film layer, in the region from which the foreign matter has been removed, the crystal grain boundary becomes discontinuous across the discontinuous region, so that the leak path is interrupted, and the withstand voltage characteristics are improved.
また、特許文献4では、圧電素子の圧電体となる圧電膜を形成する際に、第1の圧電体層を形成した後、その上に、第1の圧電体層に生じた空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層を形成することが提案されている。これによれば、圧電膜におけるリークパスの形成や電界集中箇所の発生を抑制することができるとされている。 Further, in Patent Document 4, when forming a piezoelectric film serving as a piezoelectric body of a piezoelectric element, after forming a first piezoelectric layer, holes formed in the first piezoelectric layer are buried thereon. It has been proposed to form a second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide. According to this, formation of a leak path in the piezoelectric film and occurrence of an electric field concentration point can be suppressed.
上記特許文献1〜3の方法によれば、圧電素子の各層の成膜後にその表面に付着している異物を除去することは可能である。しかし、一部分は露出してはいるが大部分が圧電膜や誘電体薄膜に埋め込まれたパーティクル状の異物までは除去することができない。 According to the methods described in Patent Documents 1 to 3, it is possible to remove foreign substances adhering to the surface of each layer of the piezoelectric element after film formation. However, although a part is exposed, it is not possible to remove a particle-like foreign matter which is mostly embedded in a piezoelectric film or a dielectric thin film.
また、上記特許文献4の方法によれば、圧電体層が第1の圧電体層に生じた空孔を埋める第2の圧電体層で構成されるので圧電体層内に界面が生じる。また、第1の圧電体層に生じた空孔を除去できるが、一部分は露出してはいるが大部分が圧電体層内圧電膜や誘電体薄膜に埋め込まれたパーティクル状の異物を除去することはできない。 Further, according to the method of Patent Document 4, since the piezoelectric layer is composed of the second piezoelectric layer that fills the holes generated in the first piezoelectric layer, an interface is generated in the piezoelectric layer. In addition, pores generated in the first piezoelectric layer can be removed, but most of them are particle-like foreign matter embedded in the piezoelectric film or the dielectric thin film in the piezoelectric layer although a part is exposed. It is not possible.
したがって、特許文献1〜4の方法を圧電アクチュエータの圧電素子の製造に適用したとしても、製造時に圧電膜の上記パーティクルによる欠陥部が生じ、その欠陥部が、製造された圧電アクチュエータの圧電体にも残存するおそれがある。 Therefore, even if the methods of Patent Documents 1 to 4 are applied to the manufacture of a piezoelectric element of a piezoelectric actuator, a defect due to the particles of the piezoelectric film occurs during the manufacture, and the defect is generated in the piezoelectric body of the manufactured piezoelectric actuator. May also remain.
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、圧電体において上記のようなパーティクルによる欠陥部が存在しない圧電素子及びその製造方法並びに圧電アクチュエータを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric element in which the above-described defect due to particles does not exist in a piezoelectric body, a method of manufacturing the same, and a piezoelectric actuator in view of the problems of the related art.
第1発明に係る圧電素子は、
下部電極と、
上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に挟まれた圧電体と、
圧電性を有しない絶縁物からなり、前記上部電極側が該上部電極により閉塞された状態で前記圧電体に埋め込まれている埋め込み物とを備えることを特徴とする。
The piezoelectric element according to the first invention includes:
A lower electrode;
An upper electrode;
A piezoelectric body sandwiched between the lower electrode and the upper electrode,
And an embedded material made of an insulator having no piezoelectricity and embedded in the piezoelectric body in a state where the upper electrode side is closed by the upper electrode.
第1発明の圧電素子は、その圧電体となる圧電膜の成膜時に出現したパーティクルであって、一部分は露出しているが他の部分は圧電膜内に埋め込まれている状態の該パーティクルを、上記の埋め込み物に置換することにより、該パーティクルによる絶縁耐力の低い欠陥部を極力排除した圧電素子を提供することができる。 The piezoelectric element according to the first aspect of the invention is a particle that has appeared during the formation of the piezoelectric film serving as the piezoelectric body. The particle is partially exposed but the other portion is embedded in the piezoelectric film. By replacing the buried material with a buried material, it is possible to provide a piezoelectric element in which a defective portion having a low dielectric strength due to the particles is eliminated as much as possible.
第2発明に係る圧電素子は、第1発明において、前記埋め込み物は、前記圧電体における前記上部電極側に偏在していることを特徴とする。 A piezoelectric element according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the embedded material is unevenly distributed on the upper electrode side of the piezoelectric body.
上述のパーティクルは、上述の圧電膜の成膜時には上部電極側に露出しているので、圧電膜の上部電極側に偏在する。このため、該パーティクルを埋め込み物に置換して得られる圧電素子においては、埋め込み物が圧電体の上部電極側に偏在したものとなる。かかる圧電素子によれば、該パーティクルによる絶縁耐力の低い欠陥部を極力排除することができる。 The above-mentioned particles are exposed to the upper electrode side when the above-described piezoelectric film is formed, and thus are unevenly distributed to the upper electrode side of the piezoelectric film. For this reason, in the piezoelectric element obtained by replacing the particles with the embedded material, the embedded material is unevenly distributed on the upper electrode side of the piezoelectric body. According to such a piezoelectric element, a defective portion having a low dielectric strength due to the particles can be eliminated as much as possible.
第3発明に係る圧電アクチュエータは、第1又は第2の発明の圧電素子を備えることを特徴とする。 A piezoelectric actuator according to a third aspect is provided with the piezoelectric element according to the first or second aspect.
第3発明によれば、圧電素子は、上述のパーティクルによる欠陥部が極力排除されているので、該欠陥部に起因する絶縁破壊が防止された圧電アクチュエータを提供することができる。 According to the third aspect of the present invention, since the defective portion due to the particles is eliminated as much as possible in the piezoelectric element, it is possible to provide a piezoelectric actuator in which dielectric breakdown due to the defective portion is prevented.
第4発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板上に下部電極膜、圧電膜及び上部電極膜をこの順で形成する工程と、
前記圧電膜の形成後、前記上部電極膜の形成前に、一部分が露出した状態で該圧電膜に埋め込まれているパーティクルを、圧電性を有しない絶縁物からなる埋め込み物に置換する置換工程とを備えることを特徴とする。
The method for manufacturing a piezoelectric element according to the fourth invention is as follows.
Forming a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film on the substrate in this order;
After the formation of the piezoelectric film, before the formation of the upper electrode film, a replacement step of replacing particles embedded in the piezoelectric film in a partially exposed state with an embedded material made of a non-piezoelectric insulator. It is characterized by having.
第4発明によれば、一部分が露出した状態で圧電膜に埋め込まれているパーティクルが上記の埋め込み物に置換されるので、圧電素子の圧電膜に該パーティクルによる絶縁耐力の低い欠陥部が生じるのを防止することができる。 According to the fourth aspect, the particles embedded in the piezoelectric film in a partially exposed state are replaced with the above-mentioned embedded material, so that a defective portion having a low dielectric strength due to the particles is generated in the piezoelectric film of the piezoelectric element. Can be prevented.
第5発明に係る圧電素子の製造方法は、第4発明において、
前記置換工程は、
前記圧電膜を研磨することにより前記パーティクルを除去するパーティクル除去工程と、
前記パーティクルが除去された圧電膜の上に、圧電性を有しない絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記圧電膜の上に形成された絶縁膜を研磨することにより、該絶縁膜を、前記パーティクルの除去により生じた穴に充填されている部分を残して除去する絶縁膜除去工程とを備えることを特徴とする。
The method for manufacturing a piezoelectric element according to the fifth invention is the method according to the fourth invention, wherein
The replacing step includes:
A particle removing step of removing the particles by polishing the piezoelectric film,
An insulating film forming step of forming an insulating film having no piezoelectricity on the piezoelectric film from which the particles have been removed,
An insulating film removing step of polishing the insulating film formed on the piezoelectric film to remove the insulating film while leaving a portion filled in a hole generated by the removal of the particles. Features.
第5発明によれば、一部分が露出した状態で圧電膜に埋め込まれているパーティクルを、パーティクル除去工程、絶縁膜形成工程及び絶縁膜除去工程によって、確実かつ容易に、上述の埋め込み物に置換することができる。また、絶縁膜は、絶縁膜除去工程により、パーティクルがあった穴に充填された部分を残して除去されるので、その後に支障なく上部電極を形成することができる。 According to the fifth aspect, particles embedded in the piezoelectric film in a partially exposed state are reliably and easily replaced with the above-described embedded material by the particle removing step, the insulating film forming step, and the insulating film removing step. be able to. In addition, since the insulating film is removed by the insulating film removing step while leaving the portion filled in the hole where the particles are present, the upper electrode can be formed without any trouble thereafter.
第6発明に係る圧電素子の製造方法は、第5発明において、前記パーティクル除去工程における研磨は、化学的機械研磨により行うことを特徴とする。 A method for manufacturing a piezoelectric element according to a sixth aspect is characterized in that, in the fifth aspect, the polishing in the particle removing step is performed by chemical mechanical polishing.
第6発明によれば、化学研磨と機械研磨の相乗効果により、研磨の速度や質を向上させながら、パーティクルを除去することができる。 According to the sixth aspect, particles can be removed while improving the polishing speed and quality by the synergistic effect of chemical polishing and mechanical polishing.
第7発明に係る圧電素子の製造方法は、第4〜第6のいずれかの発明において、前記圧電性を有しない絶縁膜は、テトラエトキシシランを主成分とするものであることを特徴とする。 A method for manufacturing a piezoelectric element according to a seventh invention is characterized in that, in any one of the fourth to sixth inventions, the insulating film having no piezoelectricity has tetraethoxysilane as a main component. .
第7発明によれば、テトラエトキシシランは流動性が高いので、パーティクルの除去により生じた穴を、極力隙間なく埋めることができる。 According to the seventh aspect, since tetraethoxysilane has a high fluidity, a hole formed by removing particles can be filled as much as possible.
(光偏向器の構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを用いて構成される光偏向器を示す。図1に示すように、この光偏向器1は、MEMSとして製造される。なお、平板状の光偏向器1に対し、ミラー部2の反射面が視認できる側を「正面」、その反対側を「背面」ということにする。
(Configuration of optical deflector)
FIG. 1 shows an optical deflector configured using a piezoelectric actuator according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical deflector 1 is manufactured as a MEMS. The side of the flat optical deflector 1 on which the reflection surface of the mirror unit 2 is visible is referred to as “front”, and the opposite side is referred to as “back”.
以下、光偏向器1について上下左右というとき、光偏向器1の正面視での上下左右をいうものとする。光偏向器1の構成の把握の便宜のため、図1等に三軸直交座標を定義している。原点Oは、ミラー部2の中心に設定している。Z軸は、光偏向器1の厚み方向に対応している。X軸及びY軸は、左右方向及び上下方向に対応している。Z軸は、背面から正面に向かう向きとされる。X軸は、左から右に向かう向きとされる。Y軸は、下から上に向かう向きとされる。以下、光偏向器1の構成は、ミラー部2の静止状態、すなわちミラー部2の反射面の法線がZ軸に一致している状態で説明する。 Hereinafter, when the light deflector 1 is referred to as up, down, left, and right, the upper, lower, left, and right in the front view of the light deflector 1 are referred to. For convenience of understanding the configuration of the optical deflector 1, three-axis orthogonal coordinates are defined in FIG. 1 and the like. The origin O is set at the center of the mirror unit 2. The Z axis corresponds to the thickness direction of the optical deflector 1. The X axis and the Y axis correspond to the horizontal direction and the vertical direction. The Z axis is directed from the back to the front. The X axis is oriented from left to right. The Y axis is oriented from bottom to top. Hereinafter, the configuration of the optical deflector 1 will be described in a state where the mirror unit 2 is stationary, that is, a state where the normal of the reflection surface of the mirror unit 2 is coincident with the Z axis.
光偏向器1は、ミラー部2、内側圧電式アクチュエータ3a、3b、可動支持部としての可動枠4、外側圧電式アクチュエータ5a、5b、及び固定枠6を備える。固定枠6は、正面視で横長の矩形となっている。固定枠6の長辺及び短辺は、それぞれX軸及びY軸に平行である。 The optical deflector 1 includes a mirror unit 2, inner piezoelectric actuators 3a and 3b, a movable frame 4 as a movable support, outer piezoelectric actuators 5a and 5b, and a fixed frame 6. The fixed frame 6 is a horizontally long rectangle when viewed from the front. The long side and the short side of the fixed frame 6 are parallel to the X axis and the Y axis, respectively.
図1において、軸線Lx、Lyは、ミラー部2が往復回動(正逆転)する2つの軸線である。軸線Lx、Lyは、ミラー部2の中心(原点O)において直交する。内側圧電式アクチュエータ3a、3bは、駆動部(図示せず)から第1駆動電圧を供給されて、ミラー部2を軸線Lyの回りに第1周波数(例:30kHz)で往復回動させる。外側圧電式アクチュエータ5a、5bは、駆動部から第2駆動電圧を供給されて、ミラー部2を軸線Lxの回りに第2周波数(例:60Hz)で往復回動させる。 In FIG. 1, axes Lx and Ly are two axes along which the mirror unit 2 reciprocates (forward / reverse). The axes Lx and Ly are orthogonal at the center (origin O) of the mirror unit 2. The inner piezoelectric actuators 3a and 3b are supplied with a first drive voltage from a drive unit (not shown), and reciprocate the mirror unit 2 around the axis Ly at a first frequency (eg, 30 kHz). The outer piezoelectric actuators 5a and 5b are supplied with the second drive voltage from the drive unit, and reciprocate the mirror unit 2 around the axis Lx at the second frequency (eg, 60 Hz).
内側圧電式アクチュエータ3a、3bは、圧電構造付きのカンチレバーから構成され、正面視においてY軸に対して左右対称の構造になっている。内側圧電式アクチュエータ3a、3bは、Y軸方向の両端部において相互に結合し、全体では、ミラー部2を包囲するY軸方向に縦長の楕円環を構成する。可動枠4は、内外周がY軸方向に縦長の楕円輪郭の環状枠として形成され、内周側において内側圧電式アクチュエータ3a、3bから構成される楕円環を包囲する。 The inner piezoelectric actuators 3a and 3b are constituted by cantilevers having a piezoelectric structure, and have a structure which is symmetrical with respect to the Y axis in a front view. The inner piezoelectric actuators 3a and 3b are connected to each other at both ends in the Y-axis direction, and as a whole, form a vertically long elliptical ring in the Y-axis direction surrounding the mirror unit 2. The movable frame 4 has an inner and outer periphery formed as an annular frame having an elliptical contour vertically elongated in the Y-axis direction, and surrounds an elliptical ring constituted by the inner piezoelectric actuators 3a and 3b on the inner periphery side.
トーションバー21a、21bは、ミラー部2からY軸に沿って上下に直線状に突出し、中間部において内側圧電式アクチュエータ3a、3bの結合部に結合し、突出端において可動枠4の内周に結合する。軸線Lyは、トーションバー21a、21bの中心線に一致する。 The torsion bars 21a and 21b linearly protrude vertically from the mirror portion 2 along the Y axis, are coupled to the coupling portions of the inner piezoelectric actuators 3a and 3b at an intermediate portion, and are formed on the inner periphery of the movable frame 4 at the protruding ends. Join. The axis Ly coincides with the center line of the torsion bars 21a, 21b.
外側圧電式アクチュエータ5a、5bは、矩形の固定枠6の内周側でかつX軸方向に可動枠4に対して左右対称に配設される。外側圧電式アクチュエータ5a、5bの各々は、ミアンダ配列で直列に結合している複数のカンチレバー23から構成される。カンチレバー23も、内側圧電式アクチュエータ3a、3bのカンチレバー(符号無し)と同様に、圧電構造付きとなっている。なお、各カンチレバー23は、単独で圧電アクチュエータとして使用可能である。 The outer piezoelectric actuators 5a and 5b are disposed on the inner peripheral side of the rectangular fixed frame 6 and symmetrically with respect to the movable frame 4 in the X-axis direction. Each of the outer piezoelectric actuators 5a and 5b includes a plurality of cantilevers 23 connected in series in a meander arrangement. The cantilever 23 also has a piezoelectric structure, like the cantilevers (no reference numeral) of the inner piezoelectric actuators 3a and 3b. Each cantilever 23 can be used alone as a piezoelectric actuator.
具体的には、各カンチレバー23は、長手方向をY軸方向に揃えて、X軸方向に一列に配列される。複数のカンチレバー23は、折り返し部(符号無し)を介して縦方向(Y軸方向)の端部において横方向(X軸方向)に左隣り又は右隣りのカンチレバー23に結合している。 Specifically, the cantilevers 23 are arranged in a line in the X-axis direction with their longitudinal directions aligned in the Y-axis direction. The plurality of cantilevers 23 are coupled to the left or right cantilever 23 in the horizontal direction (X-axis direction) at the end in the vertical direction (Y-axis direction) via a folded portion (no reference numeral).
外側圧電式アクチュエータ5a、5bの各々においてX軸方向の両端のカンチレバー23は、長さが中間のカンチレバー23の半分となっており、X軸上で固定枠6及び可動枠4にそれぞれ結合している。固定枠6に結合しているカンチレバー23の端部は、外側圧電式アクチュエータ5a、5bの基端部を構成し、可動枠4に結合しているカンチレバー23の端部は、外側圧電式アクチュエータ5a、5bの先端部を構成する。 In each of the outer piezoelectric actuators 5a and 5b, the cantilevers 23 at both ends in the X-axis direction are half the length of the intermediate cantilevers 23, and are respectively connected to the fixed frame 6 and the movable frame 4 on the X-axis. I have. The end of the cantilever 23 connected to the fixed frame 6 forms the base end of the outer piezoelectric actuators 5a and 5b, and the end of the cantilever 23 connected to the movable frame 4 is the outer piezoelectric actuator 5a. , 5b.
電極パッド16a、16bは、固定枠6の各短辺部の表面に複数ずつ配設されている。電極パッド16aは、光偏向器1の内部配線を介して光偏向器1の左半部の内側圧電式アクチュエータ3a及び外側圧電式アクチュエータ5aに接続されている。電極パッド16bは、光偏向器1の内部配線を介して光偏向器1の右半部の内側圧電式アクチュエータ3b及び外側圧電式アクチュエータ5bに接続されている。 A plurality of electrode pads 16 a and 16 b are provided on the surface of each short side of the fixed frame 6. The electrode pad 16a is connected to the inner piezoelectric actuator 3a and the outer piezoelectric actuator 5a in the left half of the optical deflector 1 via the internal wiring of the optical deflector 1. The electrode pad 16b is connected to the inner piezoelectric actuator 3b and the outer piezoelectric actuator 5b in the right half of the optical deflector 1 via the internal wiring of the optical deflector 1.
(光偏向器の作用)
光偏向器1の作用について説明する。なお、以下、内側圧電式アクチュエータ3a、3bを特に区別しないときは、「内側圧電式アクチュエータ3」と総称する。外側圧電式アクチュエータ5a、5bを特に区別しないときは、「外側圧電式アクチュエータ5」と総称する。電極パッド16a、16bを特に区別しないときは、「電極パッド16」と総称する。
(Operation of optical deflector)
The operation of the light deflector 1 will be described. Hereinafter, when there is no particular distinction between the inner piezoelectric actuators 3a and 3b, they are collectively referred to as "inner piezoelectric actuator 3". When the outer piezoelectric actuators 5a and 5b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as "outer piezoelectric actuator 5". When the electrode pads 16a and 16b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as "electrode pads 16".
光偏向器1は、二次元スキャナとして、映像器や車両用前照灯等に装備される。光偏向器1は、パッケージ内に収納されて、光偏向器1の電極パッド16とパッケージの端子とは、ボンディングワイヤ(図示せず)により接続されている。内側圧電式アクチュエータ3及び外側圧電式アクチュエータ5には、それらの圧電体に電極パッド16から駆動電圧が供給される。 The optical deflector 1 is provided as a two-dimensional scanner in a video device, a vehicle headlamp, or the like. The optical deflector 1 is housed in a package, and the electrode pads 16 of the optical deflector 1 and terminals of the package are connected by bonding wires (not shown). A drive voltage is supplied to the inner piezoelectric actuator 3 and the outer piezoelectric actuator 5 from the electrode pads 16 to the piezoelectric bodies.
図示していない光源(例:半導体レーザ光源)からの光(例:レーザ光)が、光偏向器1のミラー部2の中心(三軸座標系の原点O)に入射する。 Light (eg, a laser beam) from a light source (eg, a semiconductor laser light source) not shown is incident on the center (origin O of a three-axis coordinate system) of the mirror unit 2 of the optical deflector 1.
外側圧電式アクチュエータ5は、電極パッド16からの駆動電圧により作動して、可動枠4をX軸の回りに第2周波数で往復回動させる。この結果、ミラー部2は、軸線Lxの回りを第2周波数で往復回動する。なお、軸線LxとX軸とは、一致しない。ミラー部2は、後述するように、軸線Lyの回りに往復回動しているので、軸線Lxも、軸線Lyの往復回動に伴い、変動するからである。これに対して、X軸は、固定枠6に対して静止している。 The outer piezoelectric actuator 5 is operated by a driving voltage from the electrode pad 16 to reciprocate the movable frame 4 around the X axis at the second frequency. As a result, the mirror unit 2 reciprocates around the axis Lx at the second frequency. Note that the axis Lx does not coincide with the X axis. This is because the mirror unit 2 reciprocates around the axis Ly, as will be described later, so that the axis Lx also fluctuates with the reciprocation of the axis Ly. On the other hand, the X axis is stationary with respect to the fixed frame 6.
外側圧電式アクチュエータ5の作動について詳説する。各外側圧電式アクチュエータ5は、ミアンダ配列の複数のカンチレバー23から成る。外側圧電式アクチュエータ5の基端側(固定枠6側)から先端側(可動枠4側)にかけて順番にカンチレバー23に番号を付けると、奇数番のカンチレバー23と偶数番のカンチレバー23とは、同一周波数の逆位相の駆動電圧が供給され、湾曲変形の凸側の向きが逆になるように、変形する。 The operation of the outer piezoelectric actuator 5 will be described in detail. Each outer piezoelectric actuator 5 comprises a plurality of cantilevers 23 in a meander arrangement. When the cantilevers 23 are numbered in order from the base end side (the fixed frame 6 side) to the front end side (the movable frame 4 side) of the outer piezoelectric actuator 5, the odd-numbered cantilevers 23 and the even-numbered cantilevers 23 are the same. A driving voltage having a phase opposite to that of the frequency is supplied, and the deformation is performed so that the direction of the convex side of the bending deformation is reversed.
この結果、ミアンダ配列を構成する各カンチレバー23は、外側圧電式アクチュエータ5の作動時に、X軸方向に隣接するもの同士で逆向きに湾曲する。この時、各カンチレバー23の基端部に対する先端部の相対回転量の蓄積量が、軸線Lxの回りの外側圧電式アクチュエータ5に対する内側圧電式アクチュエータ3の回転量(捻じれ量)となる。 As a result, when the outer piezoelectric actuator 5 is operated, the cantilevers 23 constituting the meander arrangement are curved in opposite directions between adjacent ones in the X-axis direction. At this time, the accumulated amount of the relative rotation amount of the distal end portion with respect to the base end portion of each cantilever 23 is the rotation amount (torsion amount) of the inner piezoelectric actuator 3 with respect to the outer piezoelectric actuator 5 around the axis Lx.
一方、内側圧電式アクチュエータ3は、電極パッド16からの第1駆動電圧によりトーションバー21をその中心軸線としての軸線Lyの回りに第1周波数で往復回動させる。第1周波数は、高い周波数を確保するために、軸線Lyの回りのミラー部2の共振周波数に設定される。なお、軸線Lxの回りのミラー部2の往復回動の周波数である第2周波数は、非共振周波数に設定される。 On the other hand, the inner piezoelectric actuator 3 causes the torsion bar 21 to reciprocate at the first frequency around the axis Ly as its central axis by the first drive voltage from the electrode pad 16. The first frequency is set to a resonance frequency of the mirror unit 2 around the axis Ly in order to secure a high frequency. The second frequency, which is the frequency of the reciprocating rotation of the mirror unit 2 around the axis Lx, is set to a non-resonant frequency.
こうして、ミラー部2は、軸線Lyの回りに共振周波数で往復回動しつつ、軸線Lxの回りに非共振周波数で往復回動する。この結果、ミラー部2は、正面視で、左右には共振周波数で、上下には非共振周波数で首振りする。 Thus, the mirror unit 2 reciprocates around the axis Lx at the non-resonant frequency while reciprocating around the axis Lx. As a result, the mirror section 2 swings at a resonance frequency on the left and right sides and a non-resonance frequency on the upper and lower sides in a front view.
なお、ミラー部2の反射面の法線がZ軸に一致したときのみ、軸線LxはX軸に一致し、軸線LyはY軸に一致する。図示しない光源からの光は、ミラー部2の中心で反射して、その時々の軸線Lx、Lyの回りの回動角に対応する方向に走査光として出射する。 Note that the axis Lx matches the X axis and the axis Ly matches the Y axis only when the normal of the reflection surface of the mirror unit 2 matches the Z axis. Light from a light source (not shown) is reflected at the center of the mirror unit 2 and is emitted as scanning light in a direction corresponding to a rotation angle around the axis Lx or Ly at that time.
(圧電アクチュエータの構成)
図2は、カンチレバー23を構成するカンチレバー型の圧電アクチュエータ24の断面図である。図2に示すように、圧電アクチュエータ24は、支持部25により一方の端部が支持され、他方の端部が自由端となっている圧電素子26を備える。
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIG. 2 is a sectional view of a cantilever type piezoelectric actuator 24 constituting the cantilever 23. As shown in FIG. 2, the piezoelectric actuator 24 includes a piezoelectric element 26, one end of which is supported by a support portion 25 and the other end of which is a free end.
ただし、上述の外側圧電式アクチュエータ5を構成するために、圧電素子26の他方の端部には、別の圧電アクチュエータ24の支持部25が固定される。圧電アクチュエータ24が、外側圧電式アクチュエータ5の先端側(可動枠4側)のカンチレバー23を構成するものである場合には、圧電素子26の他方の端部は、可動枠4に固定される。 However, in order to configure the outer piezoelectric actuator 5 described above, a supporting portion 25 of another piezoelectric actuator 24 is fixed to the other end of the piezoelectric element 26. When the piezoelectric actuator 24 constitutes the cantilever 23 on the distal end side (the movable frame 4 side) of the outer piezoelectric actuator 5, the other end of the piezoelectric element 26 is fixed to the movable frame 4.
圧電素子26は、下部電極27と、上部電極28と、下部電極27と上部電極28との間に挟まれた圧電体29と、圧電性を有しない絶縁物からなる埋め込み物30とを備える。埋め込み物30は、上部電極28側が上部電極28に閉塞されて圧電体29に埋め込まれている。 The piezoelectric element 26 includes a lower electrode 27, an upper electrode 28, a piezoelectric body 29 interposed between the lower electrode 27 and the upper electrode 28, and a buried material 30 made of a non-piezoelectric insulator. The embedded material 30 is embedded in the piezoelectric body 29 with the upper electrode 28 side closed by the upper electrode 28.
埋め込み物30は、後述のように、圧電素子26の圧電体29となる圧電膜の成膜時に圧電膜内に取り込まれたパーティクルを取り除いて生じた穴に充填された圧電性を有しない絶縁膜の一部により形成されたものである。 As described later, the embedded material 30 is a non-piezoelectric insulating film filled in a hole formed by removing particles taken in the piezoelectric film at the time of forming the piezoelectric film to be the piezoelectric body 29 of the piezoelectric element 26. Is formed by a part of.
上部電極28の上には、上部電極28の必要な部分を絶縁して保護する絶縁体31が設けられる。上部電極28及び下部電極27の一端には、給電用の配線32が接続される。支持部25は、圧電素子26の形成時に使用された基板であるウェハの残存する一部により形成されている。 An insulator 31 that insulates and protects a necessary portion of the upper electrode 28 is provided on the upper electrode 28. A power supply wiring 32 is connected to one ends of the upper electrode 28 and the lower electrode 27. The support portion 25 is formed by a remaining part of a wafer which is a substrate used when forming the piezoelectric element 26.
圧電素子26は、固定端側が支持部25により支持され、カンチレバー型の圧電アクチュエータ24、すなわちカンチレバー23として機能し、配線32を介して供給される電圧により駆動される。そして、上述のように、複数の圧電アクチュエータ24がミアンダ配列で直列的に結合され、隣り合う者同士が逆極性の駆動電圧で駆動され、外側圧電式アクチュエータ5として機能する。 The piezoelectric element 26 has a fixed end supported by a support 25, functions as a cantilever-type piezoelectric actuator 24, that is, a cantilever 23, and is driven by a voltage supplied via a wiring 32. Then, as described above, the plurality of piezoelectric actuators 24 are connected in series in a meander arrangement, and the neighbors are driven by driving voltages of opposite polarities, and function as the outer piezoelectric actuator 5.
(圧電素子の製造方法)
図3A〜図3Eは、光偏向器1の製造に際して圧電素子26を形成する部分の製造工程を示す。図3A〜図3Eにおいては、図2の圧電アクチュエータ24における圧電素子26の断面に相当する部分の断面が示されている。
(Method of manufacturing piezoelectric element)
3A to 3E show a manufacturing process of a portion where the piezoelectric element 26 is formed when the optical deflector 1 is manufactured. 3A to 3E show cross sections of portions corresponding to the cross section of the piezoelectric element 26 in the piezoelectric actuator 24 of FIG.
図3A〜図3Eに示すように、この製造工程は、ウェハ33上に下部電極膜34、圧電膜35及び上部電極膜36をこの順で形成する工程(図3A、図3E)を備える。また、圧電膜35の形成後、上部電極膜36の形成前に、圧電膜35の表面に露出しているパーティクル37を、圧電性を有しない絶縁物からなる埋め込み物30に置換する置換工程(図3B〜図3D)を備える。 As shown in FIGS. 3A to 3E, the manufacturing process includes a step of forming a lower electrode film 34, a piezoelectric film 35, and an upper electrode film 36 on a wafer 33 in this order (FIGS. 3A and 3E). In addition, after the piezoelectric film 35 is formed and before the upper electrode film 36 is formed, the particles 37 exposed on the surface of the piezoelectric film 35 are replaced with the embedded material 30 made of a non-piezoelectric insulating material ( 3B to 3D).
図4A〜図4Dは、図3の製造工程の一部をより詳細に示す断面図である。具体的には、下部電極膜34を形成する工程では、図4Aに示すように、ウェハ33上にTiやTiO2等のバッファ層38が、10nmの厚さ(又は5〜20nmの範囲の厚さ)で形成される。 4A to 4D are cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of FIG. 3 in more detail. Specifically, in the step of forming the lower electrode film 34, as shown in FIG. 4A, a buffer layer 38 such as Ti or TiO 2 on the wafer 33, the thickness of 10 nm (or in the range of 5~20nm thickness ).
さらに、その上にPt、Ir、IrO2等の電極層39が、150nmの厚さ(又は80〜200nmの範囲の厚さ)で形成される。そして、その上にSRO、LNO等の導電性酸化物層40を、20nmの厚さ(又は5〜30nmの範囲の厚さ)が形成される。 Furthermore, Pt thereon, Ir, an electrode layer 39, such as IrO 2, is formed with a thickness of 150 nm (or thickness in the range of 80 to 200 nm). Then, a conductive oxide layer 40 such as SRO or LNO is formed thereon to a thickness of 20 nm (or a thickness in the range of 5 to 30 nm).
ウェハ33としては、例えば、表面がSiO2又はSiの基板、すなわちSi基板、SOI基板等が使用できる。基板の厚さは、例えば400μm(又は300〜700μmの範囲の厚さ)である。 As the wafer 33, for example, a substrate having a surface of SiO 2 or Si, that is, a Si substrate, an SOI substrate, or the like can be used. The thickness of the substrate is, for example, 400 μm (or a thickness in the range of 300 to 700 μm).
圧電膜35の形成は、PZT(チタン・ジルコン酸鉛)などの圧電層を5μmの厚さ(又は3〜6μmの範囲の厚さ)で形成することにより行われる。圧電層の厚さは、後の工程で研磨される厚さを考慮し、最終的に所望の厚さになるように設定される。このとき、図5に示すように、PZT成膜プロセスによって発生した異物としてのパーティクル37が、その一部分が圧電膜35から露出し、他の部分が圧電膜35に埋め込まれた状態で圧電膜35に多数又は少数発生する。 The piezoelectric film 35 is formed by forming a piezoelectric layer of PZT (titanium lead zirconate) with a thickness of 5 μm (or a thickness in the range of 3 to 6 μm). The thickness of the piezoelectric layer is set so as to finally have a desired thickness in consideration of a thickness to be polished in a later step. At this time, as shown in FIG. 5, a particle 37 as a foreign substance generated by the PZT film forming process is partially exposed from the piezoelectric film 35 and the other portion is embedded in the piezoelectric film 35 in a state where the particle 37 is embedded. Occurs in large or small numbers.
次の置換工程は、パーティクル除去工程(図3B)、絶縁膜形成工程(図3C)、及び絶縁膜除去工程(図3D)とを備える。 The next replacement step includes a particle removing step (FIG. 3B), an insulating film forming step (FIG. 3C), and an insulating film removing step (FIG. 3D).
パーティクル除去工程では、圧電膜35を研磨することにより圧電膜35の表面に露出しているパーティクル37が除去される。図3Bでは、パーティクル37が除去されて穴41ができた状態が示されている。 In the particle removing step, the particles 37 exposed on the surface of the piezoelectric film 35 are removed by polishing the piezoelectric film 35. FIG. 3B shows a state in which the particles 37 have been removed to form holes 41.
すなわち、パーティクル37の一部分が表面から隆起した圧電膜35に平坦化処理が施される。このとき、研磨に際しては、CMP(化学的機械研磨)技術を用いるのが好ましい。化学研磨と機械研磨の相乗効果により、研磨の速度や質を向上させながら、パーティクル37を除去することができるからである。このとき、図4Bに示すように、PZTの圧電膜35を、0.2〜0.4μm削ることが望ましい。 That is, a flattening process is performed on the piezoelectric film 35 in which a part of the particles 37 protrudes from the surface. At this time, it is preferable to use a CMP (chemical mechanical polishing) technique for polishing. This is because particles 37 can be removed while improving the polishing speed and quality by the synergistic effect of chemical polishing and mechanical polishing. At this time, as shown in FIG. 4B, it is desirable that the piezoelectric film 35 of PZT is shaved by 0.2 to 0.4 μm.
また、平坦化処理後の表面粗度としては、算術平均粗さRaが1nm以下であることが望ましい。これにより、圧電膜35を製膜した後の表面粗度(Raが約10nm以上)を同時に改善し、後続プロセスにおける均一な成膜や加工精度を向上することができる。このCMPによる平坦化処理によってパーティクル37が脱落し、図3B又は図4Bに示すような穴41が形成される。この穴41は、最大で、圧電膜35の膜厚分の深さを有することが想定される。 As the surface roughness after the flattening treatment, it is preferable that the arithmetic average roughness Ra is 1 nm or less. Thereby, the surface roughness (Ra of about 10 nm or more) after the piezoelectric film 35 is formed can be simultaneously improved, and uniform film formation and processing accuracy in a subsequent process can be improved. The particles 37 fall off by the planarization processing by the CMP, and the holes 41 as shown in FIG. 3B or FIG. 4B are formed. It is assumed that the hole 41 has a maximum depth corresponding to the thickness of the piezoelectric film 35.
次の、絶縁膜形成工程では、図3Cに示すように、パーティクル37が除去された圧電膜35の上に、圧電性を有しない絶縁膜42が形成される。この絶縁膜42としては、プラズマCVD法により形成されるテトラエトキシシランを主成分とするTEOS膜が望ましい。TEOSは流動性が高く、穴41に良好に充填されるので、埋め込み物30を形成するのに好ましいからである。 In the next insulating film forming step, as shown in FIG. 3C, an insulating film 42 having no piezoelectricity is formed on the piezoelectric film 35 from which the particles 37 have been removed. As the insulating film 42, a TEOS film mainly composed of tetraethoxysilane formed by a plasma CVD method is desirable. This is because TEOS has a high fluidity and fills the holes 41 well, so that it is preferable to form the embedded material 30.
また、図4Cに示すように、絶縁膜42は、圧電膜35の膜厚(=穴41の最大深さ)以上の膜厚で形成するのが望ましい。例えば、圧電膜35の膜厚が5μm、すなわち穴41の最大深さが5μmであるとき、絶縁膜42は6μm程度の膜厚で成膜することが望ましい。 Further, as shown in FIG. 4C, it is desirable that the insulating film 42 be formed to have a thickness equal to or greater than the thickness of the piezoelectric film 35 (= the maximum depth of the hole 41). For example, when the thickness of the piezoelectric film 35 is 5 μm, that is, when the maximum depth of the hole 41 is 5 μm, it is desirable that the insulating film 42 be formed to a thickness of about 6 μm.
次の、絶縁膜除去工程では、図3Dに示すように、圧電膜35の上に形成された絶縁膜42について研磨による平坦化処理を行うことにより、絶縁膜42が、パーティクル37の除去により生じた穴41に充填されている部分を残して除去される。 In the next insulating film removing step, as shown in FIG. 3D, the insulating film 42 formed on the piezoelectric film 35 is subjected to a planarization process by polishing, so that the insulating film 42 is formed by removing the particles 37. The hole 41 is removed while leaving the portion filled.
研磨に際しては、異物除去工程の場合と同様に、CMP(化学的機械研磨)技術を用いるのが好ましい。研磨に際しては、図4Dに示すように、絶縁膜42に加えて圧電膜35をさらに0.2〜0.4μm削るオーバーエッチングを行うのが望ましい。圧電膜35の穴41以外の部分に絶縁膜42が残ると、圧電膜35の圧電特性が低下するからである。 At the time of polishing, it is preferable to use a CMP (chemical mechanical polishing) technique as in the case of the foreign matter removing step. At the time of polishing, as shown in FIG. 4D, it is preferable to perform over-etching for further reducing the piezoelectric film 35 by 0.2 to 0.4 μm in addition to the insulating film 42. This is because if the insulating film 42 remains in portions other than the holes 41 of the piezoelectric film 35, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 35 deteriorate.
最終的な圧電膜35の厚さtは、例えば、圧電膜35の成膜完了時の厚さが5μm、パーティクル除去工程において除去される厚さが0.4μm、絶縁膜除去工程で除去される厚さが0.4μmであるとすると、t=(5−0.4−0.4)μm=4.2μmとなる。 The final thickness t of the piezoelectric film 35 is, for example, 5 μm when the deposition of the piezoelectric film 35 is completed, 0.4 μm to be removed in the particle removing step, and removed in the insulating film removing step. If the thickness is 0.4 μm, t = (5−0.4−0.4) μm = 4.2 μm.
これにより、パーティクル37を埋め込み物30に置換する置換工程が完了する。この後、図3Eのように、圧電膜35の上に上部電極膜36が形成される。 Thus, the replacement step of replacing the particles 37 with the embedded object 30 is completed. Thereafter, as shown in FIG. 3E, the upper electrode film 36 is formed on the piezoelectric film 35.
なお、この間に又はこの後に、上部電極膜36、圧電膜35、下部電極膜34、及びウェハ33のパターニングにより、ウェハ33上の各光偏向器1のチップにおける圧電アクチュエータ24の上部電極28、圧電体29、下部電極27、配線32、支持部25などが形成される。これにより、図2に示すような圧電アクチュエータ24が、光偏向器1の一部を構成するものとして形成される。 During or after this, by patterning the upper electrode film 36, the piezoelectric film 35, the lower electrode film 34, and the wafer 33, the upper electrode 28 of the piezoelectric actuator 24 in the chip of each optical deflector 1 on the wafer 33, The body 29, the lower electrode 27, the wiring 32, the support 25, and the like are formed. Thus, a piezoelectric actuator 24 as shown in FIG. 2 is formed as a part of the optical deflector 1.
(実施形態の効果)
本実施形態によれば、圧電素子26の圧電体29となる圧電膜35の成膜時に生じたパーティクル37を埋め込み物30に置換するようにしたので、パーティクル37による絶縁耐力の低い欠陥部を極力排除した圧電素子26を提供することができる。なお、置換工程では、圧電膜35から上部電極28側に突出したパーティクル37を埋め込み物30に置換しているので、圧電体29は、埋め込み物30が上部電極28側に偏在した構造を有する。
(Effect of embodiment)
According to the present embodiment, the particles 37 generated during the formation of the piezoelectric film 35 serving as the piezoelectric body 29 of the piezoelectric element 26 are replaced with the buried objects 30, so that the defective portions having low dielectric strength due to the particles 37 are minimized. The excluded piezoelectric element 26 can be provided. In the replacement step, the particles 37 protruding from the piezoelectric film 35 toward the upper electrode 28 are replaced with the embedded material 30, so that the piezoelectric body 29 has a structure in which the embedded material 30 is unevenly distributed on the upper electrode 28 side.
かかる圧電素子26を有する圧電アクチュエータ24は、パーティクル37が埋め込み物30に置換されているので、圧電素子26にパーティクル37による絶縁耐力の低い欠陥部を有していない。したがって、圧電アクチュエータ24の駆動時に、かかる欠陥部の絶縁破壊により不具合が生じるのを防止することができる。 In the piezoelectric actuator 24 having the piezoelectric element 26, the particles 37 are replaced with the buried objects 30, and therefore, the piezoelectric element 26 does not have a defect having a low dielectric strength due to the particles 37. Therefore, when the piezoelectric actuator 24 is driven, it is possible to prevent a problem from occurring due to the dielectric breakdown of the defective portion.
図7は、パーティクル37が埋め込み物30に置換されている本実施形態の圧電素子26を有する光偏向器1と、パーティクル37が圧電体内に放置されたまま残存する比較例の圧電素子を有する光偏向器について、それぞれ「実施例」及び「比較例」として信頼性試験を行った結果を示す。 FIG. 7 shows an optical deflector 1 having the piezoelectric element 26 of the present embodiment in which the particles 37 are replaced by the embedded object 30 and a light having the piezoelectric element of the comparative example in which the particles 37 are left in the piezoelectric body. The results of reliability tests performed on the deflector as “Example” and “Comparative Example” are shown.
図7のように、実施例及び比較例ともに65VのAC電圧で511時間駆動した場合の故障率が、実施例の場合には0.01%であったのに対し、比較例では61.5%であった。しかも、実施例の0.01%の故障は、圧電素子26の絶縁破壊によるものではなく、別の箇所の不具合によるものであった。 As shown in FIG. 7, the failure rate in the case of driving for 511 hours at an AC voltage of 65 V in both the example and the comparative example was 0.01% in the example, whereas the failure rate was 61.5 in the comparative example. %Met. In addition, the failure of 0.01% in the example was not caused by the dielectric breakdown of the piezoelectric element 26, but was caused by a defect at another place.
この結果から、本発明に従ってパーティクル37を埋め込み物30に置換することにより、圧電素子26の絶縁破壊を実際に防止できることがわかる。 From these results, it is understood that the dielectric breakdown of the piezoelectric element 26 can be actually prevented by replacing the particles 37 with the embedded object 30 according to the present invention.
(変形例)
本発明は、上記の実施形態に限定されず、適宜変形して実施することができる。例えば、パーティクル除去工程及び絶縁膜除去工程における平坦化処理を行う際には、所望の平坦な形状が得られるならば、CMP(化学的機械研磨)に限らず、他のGCIB(ガスクラスターイオンビーム)、RIE(反応性イオンエッチング)、CDE(ケミカルドライエッチング)等の技術を用いてもよい。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified and implemented. For example, when performing a flattening process in a particle removing process and an insulating film removing process, if a desired flat shape can be obtained, not only CMP (chemical mechanical polishing) but also other GCIB (gas cluster ion beam). ), RIE (reactive ion etching), and CDE (chemical dry etching).
また、埋め込み物30を形成するための絶縁膜としては、圧電性がなく、所望の絶縁耐圧を有し、パーティクル除去後の穴を良好に埋め込むことができるものであれば、プラズマCVD法によるTEOS膜に限らず、他のプラズマCVD法によるSiO、SIN、SiON膜や、SOG(スピンオングラス)膜などを用いてもよい。 In addition, as an insulating film for forming the buried material 30, TEOS by plasma CVD may be used as long as it does not have piezoelectricity, has a desired withstand voltage, and can satisfactorily fill the hole after removing particles. Not limited to the film, an SiO, SIN, SiON film, SOG (spin-on-glass) film, or the like by another plasma CVD method may be used.
(適用例)
本発明は、上記のカンチレバー型の圧電アクチュエータに限らず、圧電素子の力・電圧間の変換機能を利用したセンサやスピーカ等の種々の製品に適用することができる。
(Application example)
The present invention is not limited to the above-mentioned cantilever type piezoelectric actuator, but can be applied to various products such as a sensor and a speaker using a function of converting a force and a voltage of a piezoelectric element.
1…光偏向器、2…ミラー部、3a、3b…内側圧電式アクチュエータ、4…可動枠、5(5a、5b)…外側圧電式アクチュエータ、6…固定枠、16(16a、16b)…電極パッド、21a、21b…トーションバー、23…カンチレバー、24…圧電アクチュエータ、25…支持部、26…圧電素子、27…下部電極、28…上部電極、29…圧電体、30…埋め込み物、31…絶縁体、32…配線、33…ウェハ、34…下部電極膜、35…圧電膜、36…上部電極膜、37…パーティクル、38…バッファ層、39…電極層、40…導電性酸化物層、41…穴。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical deflector, 2 ... Mirror part, 3a, 3b ... Inside piezoelectric actuator, 4 ... Movable frame, 5 (5a, 5b) ... Outside piezoelectric actuator, 6 ... Fixed frame, 16 (16a, 16b) ... Electrode Pads, 21a, 21b: torsion bar, 23: cantilever, 24: piezoelectric actuator, 25: support, 26: piezoelectric element, 27: lower electrode, 28: upper electrode, 29: piezoelectric, 30: embedded, 31 ... Insulator, 32 wiring, 33 wafer, 34 lower electrode film, 35 piezoelectric film, 36 upper electrode film, 37 particles, 38 buffer layer, 39 electrode layer, 40 conductive oxide layer, 41 ... hole.
Claims (7)
上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に挟まれた圧電体と、
圧電性を有しない絶縁物からなり、前記上部電極側が該上部電極により閉塞された状態で前記圧電体に埋め込まれている埋め込み物とを備えることを特徴とする圧電素子。 A lower electrode;
An upper electrode;
A piezoelectric body sandwiched between the lower electrode and the upper electrode,
A piezoelectric element comprising an insulator having no piezoelectricity, the embedded element being embedded in the piezoelectric body in a state where the upper electrode side is closed by the upper electrode.
前記圧電膜の形成後、前記上部電極膜の形成前に、一部分が露出した状態で該圧電膜に埋め込まれているパーティクルを、圧電性を有しない絶縁物からなる埋め込み物に置換する置換工程とを備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。 Forming a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film on the substrate in this order;
After the formation of the piezoelectric film, before the formation of the upper electrode film, a replacement step of replacing particles embedded in the piezoelectric film in a partially exposed state with an embedded material made of a non-piezoelectric insulator. A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising:
前記圧電膜を研磨することにより前記パーティクルを除去するパーティクル除去工程と、
前記パーティクルが除去された圧電膜の上に、圧電性を有しない絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記圧電膜の上に形成された絶縁膜を研磨することにより、該絶縁膜を、前記パーティクルの除去により生じた穴に充填されている部分を残して除去する絶縁膜除去工程とを備えることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子の製造方法。 The replacing step includes:
A particle removing step of removing the particles by polishing the piezoelectric film,
An insulating film forming step of forming an insulating film having no piezoelectricity on the piezoelectric film from which the particles have been removed,
An insulating film removing step of polishing the insulating film formed on the piezoelectric film to remove the insulating film while leaving a portion filled in a hole generated by the removal of the particles. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 4, wherein:
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