JP4968200B2 - 圧電機能部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばセンサ、アクチュエータ、メモリ、光スイッチなどの圧電機能部品の製造方法に関するものである。

従来のこの種の圧電機能部品の構成は次のような構成となっていた。すなわち従来のこの種の圧電機能部品は、基板の表面上に順次、下部電極層、圧電層、上部電極層を積層形成したものである。そして上部電極層に電圧を加えることで圧電層を電界によって歪ませ、各種機能を発揮する構成となっていた。

上記従来例に於いて問題となるのは、基板上における上、下電極層、及び圧電層の３種の積層体が基板に対して密着強度が悪いということであった。すなわち、上述のごとく、圧電層は上、下電極層に電圧を加えることで歪むものであり、基板に対して常に応力を受ける部分であるが、従来のものは上、下電極層及び圧電層はほぼ同じ大きさで基板に対して接着させられていたので、下部電極層と基板との間で密着強度が弱くなって、剥離のおそれがあった。そこで本発明は、基板上における積層体の密着強度を高めることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、基板の表面に、バッファ層、下部電極層、圧電層、上部電極層を順次、積層形成し、次に上部電極層上に第一のレジスト膜を形成し、その後ドライエッチングで第一のレジスト膜の外周を圧電層の下部までエッチングし、次に上部第一のレジスト膜を剥離し、その後上部第一のレジスト膜で覆われていた上部電極層及び圧電層の下部において、この上部電極層の垂直下方から外方に残る表面部分を覆う第二のレジスト膜を形成し、次にこの第二のレジスト膜外周を基板表面までドライエッチングし、その後、エッチングガスを切り替え、第二のレジスト膜を利用して基板のエッチングを行う圧電機能部品の製造方法としたものである。

上記製造方法により、圧電層の外周部の下部側に外周方向に広がる裾野部を形成すれば、この圧電層およびその下方に位置する下部電極層及びバッファ層も上部電極層よりも広い面積を有することになり、この広い面積をもって基板に接合されているのでその密着強度を高めることができるようになるものである。またこのように、圧電層の下部を外周方向に広げる裾野部を形成することにより、上、下電極層間の縁面距離が長くなることによって、上、下電極層間の短絡防止効果も高くなるものである。また、基板をエッチングする際にエッチングガスを切り替えることにより、圧電層の下方の裾野部を損なうことなく、基板のみを垂直下方にエッチングすることが可能になる。

（実施の形態１）
以下本発明の一実施形態を添付図面に従って説明する。図１は本発明の圧電機能部品の製造方法により製造された一実施形態としての角速度センサを示したものである。この角速度センサは図２の分解斜視図に示すようにシリコンで形成された音叉形状の基板１上に、バッファ層２、下部電極層３、圧電層４、上部電極層５を順次積層して形成したものである。ここでこの角速度センサが角速度を検出する時の動作について図１を用いて少し説明する。図１に示すように上部電極層５は、励振電極５Ａ、検出電極５Ｂのように分割されており、それぞれ下部電極層３とともに圧電層４を挟むように対向している。

このような状態で、励振電極５Ａと下部電極層３との間に電圧を加えると、これら励振電極５Ａと下部電極層３に挟まれた圧電層４の部分が伸縮し、結果として基板１に設けられた２本の腕部１０Ａ及び１０Ｂの形状を歪ませるので、音叉の水平方向に振動が起こる。このとき、この音叉の腕部１０Ａ，１０Ｂと平行方向を軸とする角速度が発生すると、腕部１０Ａ，１０Ｂにはこの軸と振動方向の共に垂直な方向へたわみが発生する。そしてこのたわみ量を検出電極５Ｂによって検出するのである。このような音叉型の角速度センサの動作については良く知られたものであるのでこれ以上の説明は省略するが、このような角速度センサにおいては、腕部１０Ａ，１０Ｂの励振及び角速度量の検知を行うために圧電層４を利用したものである。

さて、それではこの角速度センサについて今一度、図２を用いて構成を詳細に説明する。すなわち、本発明の一実施の形態として示す角速度センサは、シリコンよりなる基板１が音叉型をした形状であり、この基板１の上にはほぼ同じ形状をしたバッファ層２、下部電極層３が当接されている。さらに、これらの上には、圧電層４および上部電極層５が形成されている。ここで、圧電層４は図２に示すようにこれの上部は上部電極層５と同じ形状で、これの下部は下部電極層３と同形状になるように形成されている。この圧電層４はその外周面の下部側に於いて、下記で詳述するが外周方向に広がる裾野部を形成しているので面積が広く、またその下方の下部電極層３もこの裾野部を有する圧電層４と同じ大きさなので十分な面積を持って、その下方のバッファ層２を介して基板１と強固に固定されている。よって、上、下電極層５，３間に電圧を加え、圧電層４が伸縮を起こしたとしても、簡単には基板１より剥がれるということがなくなるのである。さらに、この形状によって、上、下電極層５，３間の縁面距離が長くなることによって、上、下電極層５，３間の短絡防止効果も高くなるものである。

さらに、本実施の形態において製造された角速度センサでは、バッファ層２の材料はＮｉＯ，ＣｏＯ，ＭｇＯ，Ｔｉのいずれか一つの材料よりなり、下部電極層３はＰｔよりなり、圧電層４はチタン酸ジルコン酸鉛よりなり、上部電極層５はＡｕより形成されている。さらに、圧電層４はバッファ層２、下部電極層３、及び上部電極層５よりも肉厚とするが、これにより、圧電層４の外周面の下部側に広がる裾野部が形成しやすくなっており、また、上、下電極層５，３間の縁面距離が長くなることによって、上、下電極層５，３間の短絡防止効果も高くなるという効果も有する。

なお図１、図２の６は下部電極層３を表面に引出すための補助電極である。

次に本実施の一形態による角速度センサの製造方法について、図面を用いて説明する。なお、本来は本実施の形態による角速度センサは、同一基板上に複数個同時に形成するものであるが、ここでは一つの部分について説明する。図３は本実施の一形態による角速度センサの製造方法の流れを説明したものであるが、実際の製造順序を図４〜図１５を用いて説明する。

始めに、図４に示すようにシリコンの基板１の表面上に、ＮｉＯよりなるバッファ層２をＮｉＯが＜１００＞方向に結晶配向するように形成する（図３Ａ）。これを形成する方法としてはニッケルアセチルアセトナトを昇華気化させたガスを材料とするＭＯＣＶＤ法が代表的である。次に図５に示すように下部電極層３としてＰｔをスパッタリングなどの方法によって形成する（図３Ｂ）。次に図６に示すように圧電層４としてチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタリングなどの方法により形成する（図３Ｃ）。

次に図７に示すように上部電極層５としてＡｕをスパッタリング、真空蒸着などの方法により形成する（図３Ｄ）。Ａｕを直接形成した場合に密着強度などが問題になる場合は、Ａｕを形成する前にＣｒやＴｉなどを薄く形成しておけば良い。実験ではＴｉを２０から１００オングストローム程度、真空蒸着により形成することで十分な密着性が得られた。さて、通常、シリコンの基板１上には圧電特性の高い圧電層４を形成することが難しいが、上記のようにバッファ層２を設けることによって、圧電特性の高い圧電層４であるチタン酸ジルコン酸鉛を形成することができるようになるのである。

次に、図８に示すように上部電極層５上に第一のレジスト膜７を形成する（図３Ｅ）。なお、図８〜図１５では図１における音叉形状の腕部１０Ａ，１０Ｂ部分における断面図を示しており、図８〜図１５における左側部は図１における腕部１０Ａ、また図８〜図１５における右側部は図１における腕部１０Ｂに対応するものである。

次に図９に示すようにドライエッチングによって上部電極層５及び圧電層４をエッチングする（図３Ｆ）。このとき、エッチングは下方の下部電極層３に到達する前の圧電層４で止める。次に図１０に示すように、第一のレジスト膜７を上部電極層５上から剥離する（図３Ｇ）。これにより、上部電極層５はこの図１０に示すように励振電極５Ａと検出電極５Ｂに分離されるのである。

次に、図１１に示すように第二のレジスト膜８を上部電極層５上に形成するが、その外周部は前記ドライエッチングによりエッチングされた上部電極層５と、圧電層４の垂直下方から外方に残る表面部分を覆うように形成する（図３Ｈ）。そして次に図１２に示すようにドライエッチングにより、圧電層４、下部電極層３及びバッファ層２を基板１に到達するまでエッチングする（図３Ｉ）。

このことにより、最終的には図１４のＡ部に示すように圧電層４はその外周部の下部側に外周方向に広がる裾野部４ａを持つことになるのである。これによって、圧電層４は十分な面積を持って下層の下部電極層３に強固に密着することになるのである。実験では、圧電層４を下部電極層３に到達するまでエッチングした場合には、圧電層４が簡単に剥がれたが、裾野部４ａを形成することにより、この後の工程を経ても簡単には剥がれなくなることを確認した。

さて、図１３に戻って説明を続けると、次にシリコンよりなる基板１をドライエッチングによりエッチングする（図３Ｊ）。このとき、図１２における圧電層４、下部電極層３及びバッファ層２をエッチングしたときのガスとはエッチングガスを変えて、シリコンの基板１をエッチングする。エッチングガスを変えない場合は、圧電層４、下部電極層３及びバッファ層２も横からエッチングされてしまうのである。例えば、圧電層４、下部電極層３及びバッファ層２をエッチングするガスをＣＦ₄やＡｒによって行い、基板１をエッチングするガスをＳＦ₆、Ｏ₂、Ｃ₄Ｆ₈等のガスを使うことにより、圧電層４、下部電極層３及びバッファ層２をエッチングした後、形成した圧電層４の下方の裾野部４ａを損なうことなく、基板１のみを図１３のごとく垂直下方にエッチングすることが可能になる。

そして最後に図１４に示すように第二のレジスト膜８を酸素アッシングなどの方法によって除去する（図３Ｋ）。このようにして、圧電層４の外周面の下部側に外周方向に広がる裾野部４ａが形成された図１の角速度センサが製造されるのである。

なお、上述の実施の形態では、シリコンの基板１をドライエッチングする際には、垂直下方へエッチングするようにしたが、これは、圧電層４の下方の裾野部４ａの下方にある基板１までエッチングされないようにしたためで、シリコンの基板１の片側にのみ上、下電極層５，３、圧電層４が形成されていることを考慮すると、これら上、下電極層５，３や圧電層４が形成されていない基板１の裏側部分を質量を低下させてバランスをとる必要がある場合が考えられる。

このようなときには図１５に示すように下方に従って基板１の幅が小さくなるようにすべきである。そのために、シリコンの基板１をエッチングする際に、使用するガスとして、ＳＦ₆，Ｏ₂の流量を増やし、Ｃ₄Ｆ₈の流量を減らす方法がある。この方法を用いると、バッファ層２が形成された側とは反対側面に向かうに従ってエッチングが強くなり、図１５のようにシリコンの基板１は下方に従って幅が狭くなるのである。

さて、これまでは前述のように、角速度センサの一つについてのみ述べたが、複数個の角速度センサを同時に形成する場合について説明する。

図１６はシリコンの基板１３をドライエッチングする際の様子であるが、図に示すようにエッチングする基板１３はダミー基板１４の上にボンディング材１５によって貼り合わせるものとする。このときダミー基板１４はガラスであり、ボンディング材１５はシリコンの基板１３とは色調の異なる材料、例えば白いアルミナ粒子が混合されたペーストで形成されている。

このようにしておけば、図１７のようにシリコンの基板１３のドライエッチングによって、基板１３が除去されると、下方のボンディング材１５の色が見えてくるので、エッチングが終了したことがすぐに判断できるのである。また、シリコンの基板１３がエッチングされると個々の角速度センサ１６は個別に分割されるが、ボンディング材１５によりダミー基板１４に接着されているのでバラバラになってしまうことがない。さらにダミー基板１４をガラスとすることで、シリコンの基板１３のエッチング中及び基板１３が除去された後に露出する部分に於いてもガラスは侵されることがないので、極めて安定したエッチングを行うことができるようになる。なお、１２はレジスト膜である。

なお、上記実施形態では、バッファ層２を設けることでシリコンの基板１に下部電極層３を介して圧電層４を強固に固着させるようにしたが、下部電極層３をＰｔにＴｉを１〜１５％程度混入させたもので形成すれば、バッファ層２を除いてもこの下部電極層３自体にバッファ層２を強固に固着することができた。その理由は今のところ十分には解明出来ていないが、混入させたＴｉがＰｔ上において圧電層４の格子定数と同じように整列するためではないかと考えられている。

したがってこの様にバッファ層２を除く場合には上記製造方法において単純にバッファ層２がないものとして製造すれば良い。

なお、本実施の形態に於いては、圧電機能部品の代表的なものとして角速度センサについて示したが、圧電体を利用する他の圧電機能部品、例えばセンサ、アクチュエータ、メモリ、光スイッチなど圧電層４の両側に電極を構成し、これら電極に電圧を加えることで発生する圧電層４の特性変化、例えば歪み、誘電率変化の現象を利用する部品のすべてに応用できるものである。

以上のように本発明の製造方法によれば、圧電層の外周部の下部側に外周方向に広がる裾野部を形成することができ、この様にすれば、この圧電層およびその下方に位置する下部電極層及びバッファ層も上部電極層よりも広い面積を有することになり、この広い面積をもって基板に接合されているのでその密着強度を高めることができるようになるものである。またこのように、圧電層の下部を外周方向に広げる裾野部を形成することにより、上、下電極層間の縁面距離が長くなることによって、上、下電極層間の短絡防止効果も高くなるものである。

本発明の圧電機能部品の製造方法は、基板上における積層体の密着強度を高めることができるという効果を有し有用である。

本発明の一実施の形態による角速度センサを示す斜視図 同分解斜視図 本発明の一実施の形態による角速度センサの製造工程を示す流れ図 同製造工程の一部を示す断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同製造工程の一部を示す斜視図 同斜視図

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ 下部電極層
４ 圧電層
４ａ 裾野部
５ 上部電極層
５Ａ 励振電極
５Ｂ 検出電極
６ 補助電極
７ 第一のレジスト膜
８ 第二のレジスト膜
１０Ａ 腕部
１０Ｂ 腕部
１２ レジスト膜
１３ シリコンの基板
１４ ダミー基板
１５ ボンディング材
１６ 角速度センサ

Claims (13)

1. 基板の表面に、バッファ層、下部電極層、圧電層、上部電極層を順次、積層形成し、次に上部電極層上に第一のレジスト膜を形成し、その後ドライエッチングで第一のレジスト膜の外周を圧電層の下部までエッチングし、次に上部第一のレジスト膜を剥離し、その後上部第一のレジスト膜で覆われていた上部電極層及び圧電層の下部において、この上部電極層の垂直下方から外方に残る表面部分を覆う第二のレジスト膜を形成し、次にこの第二のレジスト膜外周を基板表面までドライエッチングし、その後、エッチングガスを切り替え、第二のレジスト膜を利用して基板のエッチングを行う圧電機能部品の製造方法。
2. バッファ層をＮｉＯ，ＣｏＯ，ＭｇＯ，Ｔｉの少なくとも一つで形成し、下部電極をＰｔで形成し、圧電層をジルコン酸チタン酸鉛で形成し、上部電極層をＡｕで形成した請求項１記載の圧電機能部品の製造方法。
3. 基板をＳｉで形成した請求項１記載の圧電機能部品の製造方法。
4. 基板のエッチングは、バッファ層が形成された面とは反対側面に向かうに従って強く行う請求項１記載の圧電機能部品の製造方法。
5. 基板をエッチングする際には、基板のエッチング面の裏面側にダミー基板がボンディング材によって貼り合わされている状態で、基板のエッチングを行う請求項１記載の圧電機能部品の製造方法。
6. ダミー基板はガラスであり、ボンディング材はＳｉと色調が異なることを特徴とする請求項５記載の圧電機能部品の製造方法。
7. 基板の表面に、下部電極層、圧電層、上部電極層を順次、積層形成し、次に上部電極層上に第一のレジスト膜を形成し、その後ドライエッチングで第一のレジスト膜の外周を圧電層の下部までエッチングし、次に上部第一のレジスト膜を剥離し、その後上部第一のレジスト膜で覆われていた上部電極層及び圧電層の下部において、この上部電極層の垂直下方から外方に残る表面部分を覆う第二のレジスト膜を形成し、次にこの第二のレジスト膜外周を基板表面までドライエッチングし、その後、エッチングガスを切り替え、第二のレジスト膜を利用して基板のエッチングを行う圧電機能部品の製造方法。
8. 下部電極をＰｔで形成し、圧電層をジルコン酸チタン酸鉛で形成し、上部電極層をＡｕで形成した請求項７記載の圧電機能部品の製造方法。
9. 基板をＳｉで形成した請求項７記載の圧電機能部品の製造方法。
10. 基板のエッチングは、下部電極層が形成された面とは反対側面に向かうに従って強く行う請求項７記載の圧電機能部品の製造方法。
11. 基板をエッチングする際には、基板のエッチング面の裏面側にダミー基板がボンディング材によって貼り合わされている状態で、基板のエッチングを行う請求項７記載の圧電機能部品の製造方法。
12. ダミー基板はガラスであり、ボンディング材はＳｉと色調が異なることを特徴とする請求項１１記載の圧電機能部品の製造方法。
13. 前記上部電極層及び前記圧電層の一部が励振電極部と検出電極部とに分離されている請求項１又は請求項７に記載の圧電機能部品の製造方法。

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