JP3272141B2 - シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサー - Google Patents
シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサーInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板上に形
成されるシリコンカンチレバー及びそのカンチレバーを
用いた超音波センサーに関する。
成されるシリコンカンチレバー及びそのカンチレバーを
用いた超音波センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波は光に比べ伝搬速度が遅いため、
距離、位置、物体形状などの情報を非接触で正確に計測
でき、また分散性が良いので、空間的に広い領域にわた
るセンシングにも適している。このような特徴を生かし
て、生体断層診断装置、魚群探知器、材料損傷、厚さ
計、レベル計、超音波顕微鏡、監視警報装置、リモート
スイッチ等広い分野への応用がなされている。このよう
なセンシング技術では、高速、高精度での測定へ、また
点計測から面計測さらには立体計測へと技術的要求が高
まっている。
距離、位置、物体形状などの情報を非接触で正確に計測
でき、また分散性が良いので、空間的に広い領域にわた
るセンシングにも適している。このような特徴を生かし
て、生体断層診断装置、魚群探知器、材料損傷、厚さ
計、レベル計、超音波顕微鏡、監視警報装置、リモート
スイッチ等広い分野への応用がなされている。このよう
なセンシング技術では、高速、高精度での測定へ、また
点計測から面計測さらには立体計測へと技術的要求が高
まっている。
【０００３】このため、検知部と信号処理部を一体化し
たシリコンモノリシック構造の超音波センサーが提案さ
れている（例えば、特開昭６１−２２０５９６号公報
（Ｈ０４Ｒ １７／００）参照）。
たシリコンモノリシック構造の超音波センサーが提案さ
れている（例えば、特開昭６１−２２０５９６号公報
（Ｈ０４Ｒ １７／００）参照）。
【０００４】シリコンモノリシック超音波センサーの素
子構造は、長さ数十〜数百μｍ、幅数十μｍ、厚さ数千
オングストロームの二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からな
るカンチレバーをシリコン（Ｓｉ）基板上に異方性エッ
チングにより形成する。このカンチレバー上にＰｔなど
の下部電極、ＰｂＴｉＯ3 ，ＡｌＮ等の圧電体膜、Ａｌ
等の上部電極を順次積層して形成されている。
子構造は、長さ数十〜数百μｍ、幅数十μｍ、厚さ数千
オングストロームの二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からな
るカンチレバーをシリコン（Ｓｉ）基板上に異方性エッ
チングにより形成する。このカンチレバー上にＰｔなど
の下部電極、ＰｂＴｉＯ3 ，ＡｌＮ等の圧電体膜、Ａｌ
等の上部電極を順次積層して形成されている。
【０００５】そして、この上から超音波を照射すると、
複合膜からなるカンチレバーは振動する。その振動はカ
ンチレバーの構造により決まるいくつかの機械的共振周
波数のところで非常に大きくなる。この振動により圧電
薄膜内部にストレスが発生し、その圧電効果により下部
電極と上部電極間に電圧が生じ、超音波を検出する。
複合膜からなるカンチレバーは振動する。その振動はカ
ンチレバーの構造により決まるいくつかの機械的共振周
波数のところで非常に大きくなる。この振動により圧電
薄膜内部にストレスが発生し、その圧電効果により下部
電極と上部電極間に電圧が生じ、超音波を検出する。
【０００６】従来のＳｉＯ2 カンチレバーをシリコンの
異方性エッチング技術を用いて作成する場合、図５に示
すように、カンチレバーの長手方向は〈１１０〉方向と
している。すなわち、（１００）面のＳｉ基板を用い
て、その上に所定の膜厚のＳｉＯ2 を熱酸化、スパッタ
法、ＣＶＤ法などにより形成した後、フォトリソグラフ
ィにより、〈１１０〉方向に向いた凹字型にＳｉＯ2 を
除去する。このＳｉＯ2をマスクとして、エチレンジア
ミン、ピロカテコール、水の混合液等により、Ｓｉ基板
の異方性エッチングを行い、凹部１１を形成することに
より、カンチレバー２を形成している。
異方性エッチング技術を用いて作成する場合、図５に示
すように、カンチレバーの長手方向は〈１１０〉方向と
している。すなわち、（１００）面のＳｉ基板を用い
て、その上に所定の膜厚のＳｉＯ2 を熱酸化、スパッタ
法、ＣＶＤ法などにより形成した後、フォトリソグラフ
ィにより、〈１１０〉方向に向いた凹字型にＳｉＯ2 を
除去する。このＳｉＯ2をマスクとして、エチレンジア
ミン、ピロカテコール、水の混合液等により、Ｓｉ基板
の異方性エッチングを行い、凹部１１を形成することに
より、カンチレバー２を形成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＳｉＯ2 は
高温でＳｉ基板上に形成されるため、そのＳｉＯ2 とＳ
ｉには熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応
力が存在している。上述した異方性エッチングにより、
ＳｉＯ2 の下のＳｉのエッチングが進んで、ＳｉＯ2 カ
ンチレバーが大きくなると、その応力がカンチレバーの
基端部に集中し、カンチレバーが破壊することがある。
このため、カンチレバー作成の歩留まりが悪くなる。こ
れは、カンチレバーの長さにも影響するが、幅が広くな
るほど顕著に現れる。長さが１０μｍ〜５００μｍのカ
ンチレバーでは幅８０μｍまでは、歩留まりよくカンチ
レバーを作成することができるが、それ以上の幅になる
と、ＳｉＯ2 の破壊が頻繁に起こる。特にカンチレバー
をアレイ状に作成する場合には、それぞれの歩留まりを
よくしないと、全体としての歩留まりは著しく悪くな
る。
高温でＳｉ基板上に形成されるため、そのＳｉＯ2 とＳ
ｉには熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応
力が存在している。上述した異方性エッチングにより、
ＳｉＯ2 の下のＳｉのエッチングが進んで、ＳｉＯ2 カ
ンチレバーが大きくなると、その応力がカンチレバーの
基端部に集中し、カンチレバーが破壊することがある。
このため、カンチレバー作成の歩留まりが悪くなる。こ
れは、カンチレバーの長さにも影響するが、幅が広くな
るほど顕著に現れる。長さが１０μｍ〜５００μｍのカ
ンチレバーでは幅８０μｍまでは、歩留まりよくカンチ
レバーを作成することができるが、それ以上の幅になる
と、ＳｉＯ2 の破壊が頻繁に起こる。特にカンチレバー
をアレイ状に作成する場合には、それぞれの歩留まりを
よくしないと、全体としての歩留まりは著しく悪くな
る。
【０００８】この発明は、上述した従来の問題点を解消
するためになされたものにして、歩留まり良く作成でき
るカンチレバーを提供することを目的とする。
するためになされたものにして、歩留まり良く作成でき
るカンチレバーを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、Ｓｉ基板に
設けられた凹部に自由端が延出され、少なくとも基端部
がＳｉ基板と連結された二酸化シリコン薄膜からなるシ
リコンカンチレバーであって、前記カンチレバーの基端
部はＳｉ基板に設けられた凹部の２辺と連結しているこ
とを特徴とする。
設けられた凹部に自由端が延出され、少なくとも基端部
がＳｉ基板と連結された二酸化シリコン薄膜からなるシ
リコンカンチレバーであって、前記カンチレバーの基端
部はＳｉ基板に設けられた凹部の２辺と連結しているこ
とを特徴とする。
【００１０】そして、前記Ｓｉ基板は（１００）面基板
からなり、上記カンチレバーの基端部から自由端の方向
を〈１００〉方向とし、基板に設ける凹部の辺の方向を
〈１１０〉とすればよい。
からなり、上記カンチレバーの基端部から自由端の方向
を〈１００〉方向とし、基板に設ける凹部の辺の方向を
〈１１０〉とすればよい。
【００１１】また、前記二酸化シリコン薄膜の膜厚を
０．１ないし１．５μｍ、カンチレバー基端部から自由
端の長さを１ないし５００μｍ、カンチレバーの幅を１
ないし３００μｍとする。
０．１ないし１．５μｍ、カンチレバー基端部から自由
端の長さを１ないし５００μｍ、カンチレバーの幅を１
ないし３００μｍとする。
【００１２】上記のシリコンカンチレバー上に、下部電
極、圧電薄膜、上部電極を積層して超音波センサーを構
成する。
極、圧電薄膜、上部電極を積層して超音波センサーを構
成する。
【００１３】
【作用】この発明は、二酸化シリコン薄膜からなるカン
チレバーの基端部を凹部の２辺で連結することにより、
基端部にかかる応力を分散する。この結果、応力集中に
よる二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。
チレバーの基端部を凹部の２辺で連結することにより、
基端部にかかる応力を分散する。この結果、応力集中に
よる二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。
【００１４】シリコン基板の凹部の辺の方向を〈１１
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。
【００１５】この発明のカンチレバー上に、下部電極、
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。
【００１６】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。
明する。
【００１７】図１は、この発明の一実施例を示す平面図
であり、図２はその実施例の縦断面図である。
であり、図２はその実施例の縦断面図である。
【００１８】（１００）Ｓｉ単結晶基板１上に熱酸化法
により、膜厚０．１５〜１．２μｍ、この実施例では
０．５μｍのＳｉＯ2 膜２０が設けられている。このＳ
ｉＯ2膜２０をフォトリソグラフィにより、図１に示す
ように、形成されるカンチレバーの基端部から自由端の
方向を〈１００〉方向とし、直角２等辺三角形をカンチ
レバーの上下に設けたような形状の部分を除去する。す
なわち、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜さ
せた正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望す
るカンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を
除去し、開口部を設ける。
により、膜厚０．１５〜１．２μｍ、この実施例では
０．５μｍのＳｉＯ2 膜２０が設けられている。このＳ
ｉＯ2膜２０をフォトリソグラフィにより、図１に示す
ように、形成されるカンチレバーの基端部から自由端の
方向を〈１００〉方向とし、直角２等辺三角形をカンチ
レバーの上下に設けたような形状の部分を除去する。す
なわち、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜さ
せた正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望す
るカンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を
除去し、開口部を設ける。
【００１９】このＳｉＯ2 膜２０をマスクとして、アル
カリ溶液、例えば、エチレンジアミン、ピロカテコー
ル、水の混合液によるエッチング溶液による異方性エッ
チングにより、カンチレバー２の回りの（１００）Ｓｉ
単結晶基板１をエッチングする。
カリ溶液、例えば、エチレンジアミン、ピロカテコー
ル、水の混合液によるエッチング溶液による異方性エッ
チングにより、カンチレバー２の回りの（１００）Ｓｉ
単結晶基板１をエッチングする。
【００２０】（１００）面を有するＳｉ単結晶基板１に
上記開口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、
（１００）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺に
より囲まれた凹部１１が形成される。（１１１）面及び
ＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１００）や
（１１０）面のエッチング速度は速く、このエッチング
により、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去される。そ
して、カンチレバー２が形成されたとき、このカンチレ
バー２の基端部２１はＳｉ基板１に設けられた凹部１１
の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。
上記開口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、
（１００）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺に
より囲まれた凹部１１が形成される。（１１１）面及び
ＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１００）や
（１１０）面のエッチング速度は速く、このエッチング
により、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去される。そ
して、カンチレバー２が形成されたとき、このカンチレ
バー２の基端部２１はＳｉ基板１に設けられた凹部１１
の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。
【００２１】この発明は、上記Ｓｉエッチングの際に、
ＳｉＯ2 膜２０とＳｉの界面のストレスのために、カン
チレバー２とＳｉ基板１の連結部でＳｉＯ2 膜２０が破
壊することを防止するものである。すなわち、上述した
ように、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるの
で、エッチングにおける応力開放が徐々に行われるとと
もに、カンチレバー２の基端部２１を凹部１１の２辺
（１１ａ，１１ｂ）で連結することにより、基端部２１
にかかる応力が分散され、応力集中によるＳｉＯ2 膜２
０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ2 膜２０の形成温
度が高い場合に大きな応力が存在するため、応力開放が
徐々に行わるという効果が大きい。
ＳｉＯ2 膜２０とＳｉの界面のストレスのために、カン
チレバー２とＳｉ基板１の連結部でＳｉＯ2 膜２０が破
壊することを防止するものである。すなわち、上述した
ように、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるの
で、エッチングにおける応力開放が徐々に行われるとと
もに、カンチレバー２の基端部２１を凹部１１の２辺
（１１ａ，１１ｂ）で連結することにより、基端部２１
にかかる応力が分散され、応力集中によるＳｉＯ2 膜２
０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ2 膜２０の形成温
度が高い場合に大きな応力が存在するため、応力開放が
徐々に行わるという効果が大きい。
【００２２】図１に示す構造のこの発明のカンチレバー
を作成した場合、図５に示す従来の〈１１０〉方向を長
手方向にした、すなわちカンチレバー２の基端部を凹部
１１の一辺で直交するように連結したものと比べて歩留
まりが６５％から９５％に向上した。
を作成した場合、図５に示す従来の〈１１０〉方向を長
手方向にした、すなわちカンチレバー２の基端部を凹部
１１の一辺で直交するように連結したものと比べて歩留
まりが６５％から９５％に向上した。
【００２３】また、カンチレバーを種々の大きさに形成
し、より広い周波数に応答する超音波センサーなどにお
いては、その設計に余裕ができ高性能化が図れる。
し、より広い周波数に応答する超音波センサーなどにお
いては、その設計に余裕ができ高性能化が図れる。
【００２４】上記したこの発明のカンチレバーを用い
て、Ｓｉ基板にモノリシックに組み込んだ以下のような
センサーやアクチュエータを歩留まりよく作成できる。
て、Ｓｉ基板にモノリシックに組み込んだ以下のような
センサーやアクチュエータを歩留まりよく作成できる。
【００２５】例えば、カンチレバーの超音波による振動
を圧電体で受ける超音波センサー、カンチレバーの慣性
による曲がりを圧電体や容量変化によって検出する加速
度センサー、カンチレバーの流体の流れによる曲がりを
圧電体で検出する流量センサー、カンチレバーと圧電体
を組み合わせたマイクロバルブ及びマイクロポンプ、さ
らに、Ｓｉ異方性エッチングを用いたカンチレバー及び
ブリッジを用いた微少構造体、抵抗温度係数の高い材料
を積層したサーモパイル型非接触温度計、カンチレバー
上に熱膨張係数の異なる材料を積層し、バイモルフ構造
のサーモスイッチなどが歩留まりよく作成できる。
を圧電体で受ける超音波センサー、カンチレバーの慣性
による曲がりを圧電体や容量変化によって検出する加速
度センサー、カンチレバーの流体の流れによる曲がりを
圧電体で検出する流量センサー、カンチレバーと圧電体
を組み合わせたマイクロバルブ及びマイクロポンプ、さ
らに、Ｓｉ異方性エッチングを用いたカンチレバー及び
ブリッジを用いた微少構造体、抵抗温度係数の高い材料
を積層したサーモパイル型非接触温度計、カンチレバー
上に熱膨張係数の異なる材料を積層し、バイモルフ構造
のサーモスイッチなどが歩留まりよく作成できる。
【００２６】さらに、カンチレバーが熱容量が小さいこ
とを利用した熱的変化型センサー、例えば、ＰｂＴｉＯ
3 ，ＰＺＴ，ＰＬＺＴ，ＬｉＴａＯ3 ，ＬｉＮｂＯ3 な
どを用いた焦電型非接触温度センサーにおいては、感度
の向上が見られる。
とを利用した熱的変化型センサー、例えば、ＰｂＴｉＯ
3 ，ＰＺＴ，ＰＬＺＴ，ＬｉＴａＯ3 ，ＬｉＮｂＯ3 な
どを用いた焦電型非接触温度センサーにおいては、感度
の向上が見られる。
【００２７】次に、この発明のカンチレバーを用いた超
音波センサーにつきその製造例とともに説明する。図３
及び図４はこの発明の超音波センサーの製造方法を工程
別に示す断面図である。
音波センサーにつきその製造例とともに説明する。図３
及び図４はこの発明の超音波センサーの製造方法を工程
別に示す断面図である。
【００２８】まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ（１
００）単結晶基板１に熱酸化法により、膜厚０．１５〜
１．２μｍ、この実施例では０．５μｍのＳｉＯ2 膜２
０を形成する。このＳｉＯ2 膜２０は、熱酸化法以外
に、ＲＦスパッタ法、ＣＶＤ法等により形成しても良
い。そして、ＳｉＯ2 膜２０は高温でＳｉ基板１上に形
成されるため、そのＳｉＯ2 膜２０とＳｉ基板１の界面
には熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応力
が存在する。
００）単結晶基板１に熱酸化法により、膜厚０．１５〜
１．２μｍ、この実施例では０．５μｍのＳｉＯ2 膜２
０を形成する。このＳｉＯ2 膜２０は、熱酸化法以外
に、ＲＦスパッタ法、ＣＶＤ法等により形成しても良
い。そして、ＳｉＯ2 膜２０は高温でＳｉ基板１上に形
成されるため、そのＳｉＯ2 膜２０とＳｉ基板１の界面
には熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応力
が存在する。
【００２９】そのＳｉＯ2 膜２０上に、下部電極を設け
る。まず、Ｔｉ膜３を５０〜５００オングストローム、
そして、このＴｉ膜３上にＰｔ膜４を０．１〜０．４μ
ｍ、それぞれＲＦスパッタ法あるいはイオンビームスパ
ッタ法により形成する。下部電極はＰｔ以外にＡｕ、Ｐ
ｄなどを用いても良い。また、Ｔｉ膜３はＰｔ膜とＳｉ
Ｏ2 膜との密着性を高めるために用いるもので、Ｐｔ膜
形成時の基板温度を上げるなどして密着性を上げる場合
には、Ｔｉ膜を設けなくても良い。またＴｉ以外に密着
性を上げるものとしては、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏを用いるこ
ともできる。
る。まず、Ｔｉ膜３を５０〜５００オングストローム、
そして、このＴｉ膜３上にＰｔ膜４を０．１〜０．４μ
ｍ、それぞれＲＦスパッタ法あるいはイオンビームスパ
ッタ法により形成する。下部電極はＰｔ以外にＡｕ、Ｐ
ｄなどを用いても良い。また、Ｔｉ膜３はＰｔ膜とＳｉ
Ｏ2 膜との密着性を高めるために用いるもので、Ｐｔ膜
形成時の基板温度を上げるなどして密着性を上げる場合
には、Ｔｉ膜を設けなくても良い。またＴｉ以外に密着
性を上げるものとしては、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏを用いるこ
ともできる。
【００３０】なお、この実施例では、膜厚２００オング
ストロームのＴｉ膜３と膜厚０．２μｍのＰｔ膜４を積
層した。
ストロームのＴｉ膜３と膜厚０．２μｍのＰｔ膜４を積
層した。
【００３１】その後、Ｔｉ膜３とＰｔ膜４を積層した下
部電極をフォトリソグラフィによりパターニングする。
このＴｉ３とＰｔ４を積層膜のパターニングは、膜厚
０．８μｍ程度のレジストでマスクし、イオンビームミ
リングにより行う。そのイオンビームミリングの条件
は、Ａｒガス圧が２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が
５００Ｖ、イオン電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 、ミリング
速度が２０００オングストローム／１０分とした。
部電極をフォトリソグラフィによりパターニングする。
このＴｉ３とＰｔ４を積層膜のパターニングは、膜厚
０．８μｍ程度のレジストでマスクし、イオンビームミ
リングにより行う。そのイオンビームミリングの条件
は、Ａｒガス圧が２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が
５００Ｖ、イオン電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 、ミリング
速度が２０００オングストローム／１０分とした。
【００３２】イオンミリングが終了後、レジストをＯ2
プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケトンなどの
有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液により除去
する。
プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケトンなどの
有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液により除去
する。
【００３３】続いて、図３（ｂ）に示すように、ＡｌＮ
からなる膜厚０．２〜２０μｍの圧電体膜５をイオンビ
ームスパッタリングまたはＲＦスパッタリングにより形
成する。この実施例では、０．７μｍのＡｌＮを形成し
た。
からなる膜厚０．２〜２０μｍの圧電体膜５をイオンビ
ームスパッタリングまたはＲＦスパッタリングにより形
成する。この実施例では、０．７μｍのＡｌＮを形成し
た。
【００３４】このＡｌＮの成膜条件は、イオンビームス
パッタ法を用いる場合には、ターゲットは９９．９９９
％のアルミニウムを用い、基板温度を室温〜８００℃、
この実施例では３００℃に保ち、窒素ガス流量を８ＣＣ
Ｍ，Ａｒ流量を４ＣＣＭ、カウフマンイオンガンを８０
０ｅＶ，０．７６ｍＡ／ｃｍ2、窒素イオンビームエネ
ルギーを７２〜２００ｅＶ、この実施例では、１００ｅ
Ｖ、窒素イオンビーム電流を０．２０〜０．７４ｍＡ／
ｃｍ2、この実施例では、０．３２ｍＡ／ｃｍ2、ＥＣＲ
マイクロ波パワーを２００〜５００Ｗ、この実施例で
は、３００Ｗ、到達圧を〜２×１０-7Ｔｏｒｒ、成膜中
の圧力１．４×１０-4Ｔｏｒｒ、ＡｌＮの成膜速度を１
０〜７０オングストローム／分、この実施例では、３０
オングストローム／分とした。
パッタ法を用いる場合には、ターゲットは９９．９９９
％のアルミニウムを用い、基板温度を室温〜８００℃、
この実施例では３００℃に保ち、窒素ガス流量を８ＣＣ
Ｍ，Ａｒ流量を４ＣＣＭ、カウフマンイオンガンを８０
０ｅＶ，０．７６ｍＡ／ｃｍ2、窒素イオンビームエネ
ルギーを７２〜２００ｅＶ、この実施例では、１００ｅ
Ｖ、窒素イオンビーム電流を０．２０〜０．７４ｍＡ／
ｃｍ2、この実施例では、０．３２ｍＡ／ｃｍ2、ＥＣＲ
マイクロ波パワーを２００〜５００Ｗ、この実施例で
は、３００Ｗ、到達圧を〜２×１０-7Ｔｏｒｒ、成膜中
の圧力１．４×１０-4Ｔｏｒｒ、ＡｌＮの成膜速度を１
０〜７０オングストローム／分、この実施例では、３０
オングストローム／分とした。
【００３５】このＡｌＮの成膜をＲＦスパッタ法を用い
る場合には、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃、Ａｒガス圧２．
８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イオン電流
を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 ＡｌＮの成膜速度を２１００オ
ングストローム／６０分とした。
る場合には、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃、Ａｒガス圧２．
８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イオン電流
を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 ＡｌＮの成膜速度を２１００オ
ングストローム／６０分とした。
【００３６】成膜したＡｌＮ膜をウェットエッチングま
たはイオンミリングによりパターニングする。ＡｌＮ膜
はほとんどの酸に室温付近の低温ではエッチングされ
ず、アルカリ液を用いる必要がある。
たはイオンミリングによりパターニングする。ＡｌＮ膜
はほとんどの酸に室温付近の低温ではエッチングされ
ず、アルカリ液を用いる必要がある。
【００３７】ＡｌＮ膜をウェットエッチングにより、パ
ターニングする場合の条件は、レジストによりマスクを
形成後、１．０Ｎ−ＫＯＨなどのアルカリ溶液を４０〜
７０℃に加熱してエッチングする。イオンビームスパッ
タ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、かかるウェッ
トエッチングによるエッチング速度は７０オングストロ
ーム／分である。また、ＲＦスパッタ法により形成した
ＡｌＮ膜の場合には、かかるウェットエッチングによる
エッチング速度は１０００オングストローム／分であ
る。
ターニングする場合の条件は、レジストによりマスクを
形成後、１．０Ｎ−ＫＯＨなどのアルカリ溶液を４０〜
７０℃に加熱してエッチングする。イオンビームスパッ
タ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、かかるウェッ
トエッチングによるエッチング速度は７０オングストロ
ーム／分である。また、ＲＦスパッタ法により形成した
ＡｌＮ膜の場合には、かかるウェットエッチングによる
エッチング速度は１０００オングストローム／分であ
る。
【００３８】ＡｌＮ膜をイオンミリングでパターニング
する場合の条件は、レジストでマスクし、Ａｒガス圧が
２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が５００Ｖ、イオン
電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 とする。ミリング速度は、イ
オンビームスパッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合に
は、４０オングストローム／分である。また、ＲＦスパ
ッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、ミリング速
度は１００オングストローム／分である。
する場合の条件は、レジストでマスクし、Ａｒガス圧が
２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が５００Ｖ、イオン
電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 とする。ミリング速度は、イ
オンビームスパッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合に
は、４０オングストローム／分である。また、ＲＦスパ
ッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、ミリング速
度は１００オングストローム／分である。
【００３９】そして、エッチングの際に使用したレジス
トをＯ2 プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケト
ンなどの有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液に
より除去する。
トをＯ2 プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケト
ンなどの有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液に
より除去する。
【００４０】圧電体膜５としては、ＡｌＮ膜以外に、Ｐ
ｂＴｉＯ3 、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）、ビニリデンフロライドポリマ（略称ＰＶＤＦ）な
どを用いても良い。
ｂＴｉＯ3 、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）、ビニリデンフロライドポリマ（略称ＰＶＤＦ）な
どを用いても良い。
【００４１】その後、図３（ｃ）に示すように、上部電
極６として膜厚０．１〜０．８μｍ、この実施例では
０．３μｍのアルミニウム（Ａｌ）をイオンビームスパ
ッタ法により選択形成する。
極６として膜厚０．１〜０．８μｍ、この実施例では
０．３μｍのアルミニウム（Ａｌ）をイオンビームスパ
ッタ法により選択形成する。
【００４２】このＡｌのイオンビームスパッタ法による
成膜条件は、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃に保ち、Ａｒガス
圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イ
オン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、Ａｌの成膜速度を
３５オングストローム／分とした。
成膜条件は、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃に保ち、Ａｒガス
圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イ
オン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、Ａｌの成膜速度を
３５オングストローム／分とした。
【００４３】この上部電極６はＡｌ以外にＡｕ、Ｐｔな
どの金属膜や，ＩｎＯ、ＳｎＯ2ＩＴＯなどの導電性酸
化物などを用いることもできる。
どの金属膜や，ＩｎＯ、ＳｎＯ2ＩＴＯなどの導電性酸
化物などを用いることもできる。
【００４４】さらに、パッシベーション膜を設ける場合
には、ＳｉＯ2 、ポリイミド膜などのパッシベーション
膜を選択的に形成すればよい。また、複数個のチップを
同一基板上に形成している場合には、この時点でそれぞ
れのチップにダイシングしたりあるいは分割を容易にす
るためにハーフカットのダイシングを行っても良い。
には、ＳｉＯ2 、ポリイミド膜などのパッシベーション
膜を選択的に形成すればよい。また、複数個のチップを
同一基板上に形成している場合には、この時点でそれぞ
れのチップにダイシングしたりあるいは分割を容易にす
るためにハーフカットのダイシングを行っても良い。
【００４５】この後、Ｓｉエッチングを行いＳｉＯ2 カ
ンチレバーを作成するが、このＳｉエッチングに用いる
エッチング溶液がアルカリ溶液のため、Ａｌ、ＡｌＮに
ダメージを与えないために、エッチングマスクとしてＣ
ｒを用いる。図４（ａ）に示すように、イオンビームス
パッタリングまたはＲＦスパッタリングによりＣｒ膜７
を形成し、さらにフォトリソグラフィによりＳｉエッチ
ングを行う予定の部分のＣｒ膜を除去した後、Ｃｒ膜が
除去された箇所のＳｉＯ2 膜２０をバッファドフッ酸に
よりエッチングする。
ンチレバーを作成するが、このＳｉエッチングに用いる
エッチング溶液がアルカリ溶液のため、Ａｌ、ＡｌＮに
ダメージを与えないために、エッチングマスクとしてＣ
ｒを用いる。図４（ａ）に示すように、イオンビームス
パッタリングまたはＲＦスパッタリングによりＣｒ膜７
を形成し、さらにフォトリソグラフィによりＳｉエッチ
ングを行う予定の部分のＣｒ膜を除去した後、Ｃｒ膜が
除去された箇所のＳｉＯ2 膜２０をバッファドフッ酸に
よりエッチングする。
【００４６】Ｃｒ膜７を、例えばイオンビームスパッタ
リングにより形成する場合には、成膜条件は、ターゲッ
トは９９．９９９％のＣｒを用い、基板温度を室温〜３
００℃に保ち、Ａｒガス圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、
加速電圧を８００Ｖ、イオン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ
2 、Ａｌの成膜速度を３５オングストローム／分とし
た。
リングにより形成する場合には、成膜条件は、ターゲッ
トは９９．９９９％のＣｒを用い、基板温度を室温〜３
００℃に保ち、Ａｒガス圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、
加速電圧を８００Ｖ、イオン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ
2 、Ａｌの成膜速度を３５オングストローム／分とし
た。
【００４７】また、Ｃｒ膜７のエッチングは、エッチン
グ液として、硝酸第２セリウムアンモニウム２５ｇ、７
０％過塩素酸６．５ｍｌ、水１５０ｍｌの混合液を用い
る。このエッチング溶液は、Ｃｒを選択的にエッチング
し、Ａｌ、Ｐｔ、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 などにほとんどダメ
ージを与えない。このエッチング溶液によるエッチング
速度は１３００オングストローム／分である。
グ液として、硝酸第２セリウムアンモニウム２５ｇ、７
０％過塩素酸６．５ｍｌ、水１５０ｍｌの混合液を用い
る。このエッチング溶液は、Ｃｒを選択的にエッチング
し、Ａｌ、Ｐｔ、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 などにほとんどダメ
ージを与えない。このエッチング溶液によるエッチング
速度は１３００オングストローム／分である。
【００４８】続いて、図４（ｂ）に示すように、Ｃｒ膜
７をマスクとして、Ｓｉ基板１のエッチングを行いＳｉ
Ｏ2 カンチレバー２を作成する。所望のカンチレバーが
得られたときにエッチングを終了する。このＳｉエッチ
ングの条件は、エッチング溶液として、エチレンジアミ
ン７５ｍｌ、ピロカテコール１２ｍｌ、水２４ｍｌの混
合液（略称ＥＰＷ）を１１６℃に加熱して行う。幅４０
μｍ、長さ２００μｍのＳｉＯ2 カンチレバー２を２時
間程度のＳｉエッチングにより形成することができる。
エッチング溶液としては、上記以外に、ＫＯＨ，ＮａＯ
Ｈ、ヒドラジン，ＮＨ4 ＯＨなどのエッチング溶液を用
いても良い。これらのエッチング溶液はＳｉの（１０
０）面に対するエッチング速度が（１１１）面に比べて
非常に速い。例えば、ＥＰＷの場合は約４０倍以上大き
く異方性エッチングが行える。なお、このエッチング溶
液によって、ＳｉＯ2 膜も若干エッチングされるがＳｉ
のエッチング速度に比べて非常に僅かである。
７をマスクとして、Ｓｉ基板１のエッチングを行いＳｉ
Ｏ2 カンチレバー２を作成する。所望のカンチレバーが
得られたときにエッチングを終了する。このＳｉエッチ
ングの条件は、エッチング溶液として、エチレンジアミ
ン７５ｍｌ、ピロカテコール１２ｍｌ、水２４ｍｌの混
合液（略称ＥＰＷ）を１１６℃に加熱して行う。幅４０
μｍ、長さ２００μｍのＳｉＯ2 カンチレバー２を２時
間程度のＳｉエッチングにより形成することができる。
エッチング溶液としては、上記以外に、ＫＯＨ，ＮａＯ
Ｈ、ヒドラジン，ＮＨ4 ＯＨなどのエッチング溶液を用
いても良い。これらのエッチング溶液はＳｉの（１０
０）面に対するエッチング速度が（１１１）面に比べて
非常に速い。例えば、ＥＰＷの場合は約４０倍以上大き
く異方性エッチングが行える。なお、このエッチング溶
液によって、ＳｉＯ2 膜も若干エッチングされるがＳｉ
のエッチング速度に比べて非常に僅かである。
【００４９】このＳｉエッチングの際に、マスクとして
用いるＣｒ膜７は、図１に示すように、形成されるカン
チレバーの基端部から自由端の方向を〈１００〉方向と
し、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜させた
正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望するカ
ンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を除去
し、開口部が設けられている。
用いるＣｒ膜７は、図１に示すように、形成されるカン
チレバーの基端部から自由端の方向を〈１００〉方向と
し、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜させた
正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望するカ
ンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を除去
し、開口部が設けられている。
【００５０】（１００）面を有するＳｉ基板１に上記開
口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、（１０
０）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺により囲
まれた凹部１１が形成される。上記したように、（１１
１）面及びＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１
００）や（１１０）面のエッチング速度は速く、このエ
ッチングにより、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が
〈１１０〉方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去
される。そして、カンチレバー２が形成されたとき、こ
のカンチレバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹
部１１の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。
口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、（１０
０）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺により囲
まれた凹部１１が形成される。上記したように、（１１
１）面及びＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１
００）や（１１０）面のエッチング速度は速く、このエ
ッチングにより、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が
〈１１０〉方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去
される。そして、カンチレバー２が形成されたとき、こ
のカンチレバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹
部１１の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。
【００５１】このＳｉエッチングの際に、上述したよう
に、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向
に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるので、エ
ッチングにおける応力開放が徐々に行われるとともに、
カンチレバー２の基端部を凹部１１の２辺で連結するこ
とにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集中に
よるＳｉＯ2 膜２０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ
2 膜２０の形成温度が高い場合により、応力開放が徐々
に行われ、破損が防止できる。
に、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向
に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるので、エ
ッチングにおける応力開放が徐々に行われるとともに、
カンチレバー２の基端部を凹部１１の２辺で連結するこ
とにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集中に
よるＳｉＯ2 膜２０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ
2 膜２０の形成温度が高い場合により、応力開放が徐々
に行われ、破損が防止できる。
【００５２】最後に、図４（ｃ）に示すように、Ｃｒ膜
７を除去し、チップの分割、ボンディング等の組立を行
って、この発明にかかる超音波センサーが得られる。
７を除去し、チップの分割、ボンディング等の組立を行
って、この発明にかかる超音波センサーが得られる。
【００５３】なお、上述した実施例においては、カンチ
レバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹部１１の
２辺１１ａ，１１ｂと連結するように構成されている
が、ＳｉＯ2 膜からなるシリコンカンチレバー２の基端
部から自由端の方向を〈１００〉方向とし、シリコンカ
ンチレバー２の基端部を凹部１１の〈１１０〉方向に配
列した一辺と斜め方向、すなわち、非直交方向で連結す
るように構成してもよい。このように構成することで、
カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向に斜
めに徐々にエッチング除去されるので、エッチングにお
ける応力開放が徐々に行われ、ＳｉＯ2 膜の破損を同様
に防止することが期待できる。
レバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹部１１の
２辺１１ａ，１１ｂと連結するように構成されている
が、ＳｉＯ2 膜からなるシリコンカンチレバー２の基端
部から自由端の方向を〈１００〉方向とし、シリコンカ
ンチレバー２の基端部を凹部１１の〈１１０〉方向に配
列した一辺と斜め方向、すなわち、非直交方向で連結す
るように構成してもよい。このように構成することで、
カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向に斜
めに徐々にエッチング除去されるので、エッチングにお
ける応力開放が徐々に行われ、ＳｉＯ2 膜の破損を同様
に防止することが期待できる。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、二酸化シリコン薄膜の基端部を凹部の２辺で連結す
ることにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集
中による二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。
ば、二酸化シリコン薄膜の基端部を凹部の２辺で連結す
ることにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集
中による二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。
【００５５】シリコン基板の凹部の辺の方向を〈１１
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。
【００５６】この発明のカンチレバー上に、下部電極、
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。
【図１】この発明のカンチレバーを示す平面図である。
【図２】この発明のカンチレバーを示す縦断面図であ
る。
る。
【図３】この発明の超音波センサーの製造例を工程別に
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】この発明の超音波センサーの製造例を工程別に
示す断面図である。
示す断面図である。
【図５】従来のカンチレバーを示す平面図である。
１ Ｓｉ基板 ２ カンチレバー ３ Ｔｉ膜 ４ Ｐｔ膜 ５ 圧電体膜 ６ 上部電極 ７ Ｃｒ膜 １１ 凹部 ２０ ＳｉＯ2 膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 17/00 330
Claims (5)
- 【請求項１】 シリコン基板に設けられた凹部に自由端
が延出され、少なくとも基端部がシリコン基板と連結さ
れた二酸化シリコン薄膜からなるシリコンカンチレバー
であって、前記カンチレバーの基端部はシリコン基板に
設けられた凹部の２辺と連結していることを特徴とする
シリコンカンチレバー。 - 【請求項２】 前記シリコン基板は（１００）面基板か
らなり、前記カンチレバーの基端部から自由端の方向を
〈１００〉方向とし、基板に設ける凹部の辺の方向を
〈１１０〉とすることを特徴とする請求項１に記載のシ
リコンカンチレバー。 - 【請求項３】 （１００）面のシリコン基板に設けられ
た凹部に自由端が延出され、少なくとも基端部がシリコ
ン基板と連結された二酸化シリコン薄膜からなるシリコ
ンカンチレバーであって、前記カンチレバーの基端部か
ら自由端の方向を〈１００〉方向とすることを特徴とす
るシリコンカンチレバー。 - 【請求項４】 前記二酸化シリコン薄膜の膜厚を０．１
ないし１．５μｍ、前記カンチレバーの基端部から自由
端の長さを１ないし５００μｍ、前記カンチレバーの幅
を１ないし３００μｍとすることを特徴とする請求項１
または３のいずれかに記載のシリコンカンチレバー。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載のシ
リコンカンチレバー上に、下部電極、圧電薄膜、上部電
極を積層してなる超音波センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06109794A JP3272141B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06109794A JP3272141B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07274288A JPH07274288A (ja) | 1995-10-20 |
| JP3272141B2 true JP3272141B2 (ja) | 2002-04-08 |
Family
ID=13161246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06109794A Expired - Fee Related JP3272141B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3272141B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998052227A1 (fr) | 1997-05-13 | 1998-11-19 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Element a couche mince dielectrique et son procede de fabrication |
| JP2004281742A (ja) * | 2003-03-17 | 2004-10-07 | Japan Science & Technology Agency | 半導体素子、半導体センサーおよび半導体記憶素子 |
| JP4622574B2 (ja) | 2005-02-21 | 2011-02-02 | 株式会社デンソー | 超音波素子 |
| WO2023135853A1 (ja) * | 2022-01-11 | 2023-07-20 | 株式会社村田製作所 | トランスデューサ |
-
1994
- 1994-03-30 JP JP06109794A patent/JP3272141B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07274288A (ja) | 1995-10-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |