JP4997439B2 - Piezoelectric element and method for manufacturing MEMS device - Google Patents

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Description

本発明は圧電素子及び圧電素子を含むMEMSデバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element and a method for manufacturing a MEMS device including the piezoelectric element.

圧電素子は、2枚の電極の間に圧電体を挟んだ構造を基本とする素子である。圧電体は、電圧を加えられると変形し(逆圧電効果)、また変形すると電圧を発生する(正の圧電効果)。この特性を利用して、アクチュエータとして用いられたり、各種のセンサとして用いられたりしている。   A piezoelectric element is an element based on a structure in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes. The piezoelectric body deforms when a voltage is applied (reverse piezoelectric effect), and generates a voltage (positive piezoelectric effect) when deformed. Using this characteristic, it is used as an actuator or as various sensors.

下掲非特許文献1には、カンチレバー型の圧電素子を利用した液体の粘度・密度センサが記載されている。この文献に記載されている圧電カンチレバーを図1に示す。圧電カンチレバー101は、圧電体105を下部電極103上と上部電極107,109によって挟んだ構造をしている。上部電極は、コの字型の電極107と、直方板状の電極109とに分離している。測定時には、舌状の下部電極107を液体に没入させ、コの字電極107と下部電極109との間に交流電圧を印加する。すると、逆圧電効果により圧電体105が変形し、印加電圧と同じ周波数で振動する。この振動によって発生する圧電体105の電圧は、電極109と下部電極103との間の電圧変動として測定することができる。測定される電圧変動の振幅は、印加される電圧が、圧電カンチレバー101と測定対象液とによって定まる共振周波数と同じである場合に最も大きくなるので、この原理を利用して、液体の粘度・密度を測定している。
JapaneseJournal of Applied Physics, vol.42, pp.6139-6142, (2003) Journal ofApplied Physics, vol.89, pp.1497-1505, (2001) Applied PhysicsLetters, vol.75, pp.334-336, (1999)
Non-Patent Document 1 below describes a liquid viscosity / density sensor using a cantilever-type piezoelectric element. The piezoelectric cantilever described in this document is shown in FIG. The piezoelectric cantilever 101 has a structure in which a piezoelectric body 105 is sandwiched between a lower electrode 103 and upper electrodes 107 and 109. The upper electrode is separated into a U-shaped electrode 107 and a rectangular plate-shaped electrode 109. At the time of measurement, the tongue-shaped lower electrode 107 is immersed in the liquid, and an AC voltage is applied between the U-shaped electrode 107 and the lower electrode 109. Then, the piezoelectric body 105 is deformed by the inverse piezoelectric effect and vibrates at the same frequency as the applied voltage. The voltage of the piezoelectric body 105 generated by this vibration can be measured as a voltage fluctuation between the electrode 109 and the lower electrode 103. The amplitude of the voltage fluctuation to be measured becomes the largest when the applied voltage is the same as the resonance frequency determined by the piezoelectric cantilever 101 and the liquid to be measured. Is measuring.
JapaneseJournal of Applied Physics, vol.42, pp.6139-6142, (2003) Journal of Applied Physics, vol.89, pp.1497-1505, (2001) Applied PhysicsLetters, vol.75, pp.334-336, (1999)

上掲の非特許文献1及び2によれば、圧電カンチレバー、ブリッジ、ダイヤフラムは、圧電素子を挟む一方の電極(上部電極)を分離することで、駆動及び検知双方の機能を備えることができることが記載されている。しかしながら、この構造では、圧電体薄膜、下部電極が共通であるため、駆動信号のノイズが、検知信号に入ってしまい、検知のS/N比を低下させてしまうという問題があった。   According to the above-mentioned Non-Patent Documents 1 and 2, the piezoelectric cantilever, the bridge, and the diaphragm can be provided with both driving and detecting functions by separating one electrode (upper electrode) sandwiching the piezoelectric element. Are listed. However, in this structure, since the piezoelectric thin film and the lower electrode are common, there is a problem in that noise of the drive signal enters the detection signal and lowers the S / N ratio of detection.

そこで本願発明者は、鋭意検討の結果、このような問題を解決するために、次のような圧電素子が有効であることを見出した。この圧電素子は、第1の上部電極と第1の下部電極との間に第1の圧電体を挟んだ第1の構造物を、弾性基体上に、前記第1の下部電極が前記弾性基体側となるように設けると共に、第2の上部電極と第2の下部電極との間に第2の圧電体を挟んだ第2の構造物を、前記第2の下部電極が前記弾性基体側となるように、且つ、前記第1の下部電極と前記第2の下部電極が接しないように、且つ、前記第1の圧電体と前記第2の圧電体が接しないように、前記弾性基体上に設けることを特徴とする。   As a result of intensive studies, the present inventor has found that the following piezoelectric element is effective in order to solve such a problem. In this piezoelectric element, a first structure in which a first piezoelectric body is sandwiched between a first upper electrode and a first lower electrode is disposed on an elastic base, and the first lower electrode is disposed on the elastic base. A second structure in which a second piezoelectric body is sandwiched between a second upper electrode and a second lower electrode, and the second lower electrode is connected to the elastic substrate side. And on the elastic substrate so that the first lower electrode and the second lower electrode are not in contact with each other, and the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are not in contact with each other. It is characterized by providing in.

上記の圧電素子によれば、第1の構造物と第2の構造物に、駆動及び検知の機能を付与することができる。例えば第1の構造物を駆動用の素子として用いる場合は、第1の上部及び下部電極に交流電圧を印加することにより、第1の圧電体を、その交流電圧と同一の周波数で振動させる。このとき、その振動は弾性基板を通じて第2の構造物の第2の圧電体を変形させる。圧電体の変形は電圧の発生を伴うので、第2の圧電体の変形は、第2の上部及び下部電極間の電圧変化として測定することができる。このため第2の構造物は、検知用の素子として用いることができる。   According to the above-described piezoelectric element, it is possible to impart a drive and detection function to the first structure and the second structure. For example, when the first structure is used as an element for driving, the first piezoelectric body is vibrated at the same frequency as the AC voltage by applying an AC voltage to the first upper and lower electrodes. At this time, the vibration deforms the second piezoelectric body of the second structure through the elastic substrate. Since the deformation of the piezoelectric body is accompanied by generation of a voltage, the deformation of the second piezoelectric body can be measured as a voltage change between the second upper and lower electrodes. Therefore, the second structure can be used as a detection element.

さらに上記の圧電体素子によれば、2つの構造物における圧電体と下部電極が分離しているので、駆動信号のノイズが検知信号に混入することが少なくなり、検知のS/N比を向上させることができる。   Furthermore, according to the above piezoelectric element, since the piezoelectric body and the lower electrode in the two structures are separated, the noise of the drive signal is less likely to be mixed into the detection signal, and the S / N ratio of the detection is improved. Can be made.

上記の圧電素子の周波数特性が、その置かれる環境によって変化することから、上記の圧電素子は、周波数変化を検出することで物理量の状態変化を検知するあらゆるセンサとして用いることができ、例えば、加速度・角速度などの運動量センサ、・力センサ、液体の粘度センサ、ガス濃度センサ、においセンサ、質量センサなどとして用いることができる。   Since the frequency characteristics of the piezoelectric element change depending on the environment in which the piezoelectric element is placed, the piezoelectric element can be used as any sensor that detects a change in the state of a physical quantity by detecting a change in frequency. It can be used as a momentum sensor such as angular velocity, a force sensor, a liquid viscosity sensor, a gas concentration sensor, an odor sensor, and a mass sensor.

また上記の圧電素子は様々な形状とすることができ、例えば、カンチレバー・ブリッジ・ダイヤフラムのような形状とすることができる。   The piezoelectric element can have various shapes, such as a cantilever, a bridge, and a diaphragm.

ある実施態様において、上記の圧電素子は、前記第1の構造物が、互いに平行となる2本の腕部を有し、前記第2の構造物が、前記2本の腕部の間に配されるような構造を有することができる。このような構造とすると、第1の構造物が音叉のような形状を持つこととなるので、共振周波数における弾性基板の振幅を大きくすることができる。このため、環境の周波数特性をより鋭敏に測定することができるようになる。   In one embodiment, in the piezoelectric element, the first structure has two arms that are parallel to each other, and the second structure is disposed between the two arms. The structure can be as follows. With such a structure, since the first structure has a shape like a tuning fork, the amplitude of the elastic substrate at the resonance frequency can be increased. For this reason, it becomes possible to measure the frequency characteristics of the environment more sensitively.

本発明による上記の圧電素子は、上部電極・圧電体・下部電極が分離されるようなフォトマスクを利用して、半導体微細加工技術により製造することが可能である。この場合、上部電極と圧電体を同一のエッチングマスクで連続的にエッチングすると、次のような問題が発生する可能性がある。
(1)圧電体層をエッチング、特にウエットエッチングする場合は、圧電体層が必要以上にエッチングされ、結果として上部電極が下部電極にまで垂れ、電気的ショートを引き起こしてしまう。
(2)エッチング後の圧電体層の側壁がエッチング時のダメージのために非晶質化してしまい、これが圧電体の圧電特性を低下させてしまう(上掲非特許文献3参照)。
(3)エッチング時のプラズマ環境により圧電体層の側壁から水素が侵入し、これが圧電体を還元して圧電特性を低下させてしまう。
The piezoelectric element according to the present invention can be manufactured by a semiconductor microfabrication technique using a photomask in which the upper electrode, the piezoelectric body, and the lower electrode are separated. In this case, if the upper electrode and the piezoelectric body are continuously etched with the same etching mask, the following problem may occur.
(1) When etching the piezoelectric layer, particularly wet etching, the piezoelectric layer is etched more than necessary, and as a result, the upper electrode hangs down to the lower electrode, causing an electrical short circuit.
(2) The side wall of the piezoelectric layer after etching becomes amorphous due to damage during etching, which deteriorates the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body (see Non-Patent Document 3 listed above).
(3) Hydrogen enters from the side wall of the piezoelectric layer due to the plasma environment at the time of etching, and this reduces the piezoelectric body and degrades the piezoelectric characteristics.

そこで本願発明者は、鋭意検討の結果、このような問題を解決するために、次のような製造方法が有効であることを見出した。この製造方法は、圧電体を上部電極と下部電極とで挟んだ圧電素子を製造する方法であって、
・ 基板上に、前記下部電極の材料となる下部導電層・前記圧電体の材料となる圧電体層・前記上部電極の材料となる上部導電層を、この順序で形成するステップと、
・ 前記上部電極の形状を定める第1のマスクパターンを有する第1のエッチングマスクを用いて前記上部導電層をエッチングするステップと、
・ 前記圧電体薄膜の形状の形状を定める第2のマスクパターンを有する第2のエッチングマスクを用いて前記圧電体層をエッチングして前記圧電体を形成するステップと、を備え、
・ 前記第2のマスクパターンは、前記第1のマスクパターンの全領域を、その内部に収めうる形状を有することを特徴とする。
Therefore, the present inventor has found that the following manufacturing method is effective in order to solve such problems as a result of intensive studies. This manufacturing method is a method of manufacturing a piezoelectric element in which a piezoelectric body is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode,
A step of forming a lower conductive layer as a material for the lower electrode, a piezoelectric layer as a material for the piezoelectric material, and an upper conductive layer as a material for the upper electrode on the substrate in this order;
Etching the upper conductive layer using a first etching mask having a first mask pattern defining a shape of the upper electrode;
Etching the piezoelectric layer using a second etching mask having a second mask pattern that defines the shape of the piezoelectric thin film, and forming the piezoelectric body,
The second mask pattern has a shape that can accommodate the entire area of the first mask pattern.

上記の製造方法を採用することにより、圧電体が上部電極より一回り大きく成形されるため、上部電極が下部電極まで垂れて電気的ショートを引き起こすという問題を生ずることがなく、また電極間の圧電体がエッチング中やエッチング後に劣化するという問題を回避することができる。この結果、素子の圧電特性を向上させ、さらに製造の歩留まり向上を達成することができる。   By adopting the above manufacturing method, since the piezoelectric body is formed to be slightly larger than the upper electrode, there is no problem that the upper electrode hangs down to the lower electrode and causes an electrical short circuit. The problem that the body deteriorates during or after etching can be avoided. As a result, it is possible to improve the piezoelectric characteristics of the element and to further improve the manufacturing yield.

上記の製造方法によれば、必要なフォトマスクが一枚増えてしまう。従って、この製造方法は、フォトマスクのコストを増大させる要因となり、コスト削減努力が求められる当業者にとって、上記のような課題の把握がなければ、フォトマスクをわざわざ一枚増やすなど、容易には想到し得ないであろう。   According to the manufacturing method described above, one photomask is necessary. Therefore, this manufacturing method is a factor that increases the cost of the photomask. For those skilled in the art who are required to make cost reduction efforts, it is easy to increase the number of photomasks without knowing the above problems. I can't think of it.

上に開示した本発明による圧電素子を含めて、カンチレバー・ブリッジ・ダイヤフラムのような自立構造体を製造する場合、最終工程で、シリコン等の基板を背面からドライエッチングにより貫通することで、自立構造体を形成することがしばしば行なわれる。   In the case of manufacturing a self-supporting structure such as a cantilever, a bridge, or a diaphragm including the piezoelectric element according to the present invention disclosed above, a self-supporting structure is formed by penetrating a substrate such as silicon from the back surface by dry etching in the final process. It is often done to form the body.

このとき、エッチングされるウエハをダミーウエハに貼り合わせることで、エッチングされるウエハの貫通後、ドライエッチング装置内部のウエハ設置部分が損傷されることを防ぐことが必要である。ウエハ同士を貼り合わせるためには、図6(a)に示すように、フォトレジストやワックスを用いるか、あるいは図6(b)に示すように、拡散ポンプ用オイルを用いていた。   At this time, it is necessary to prevent the wafer installation portion inside the dry etching apparatus from being damaged after the wafer to be etched passes through by bonding the wafer to be etched to the dummy wafer. In order to bond the wafers together, photoresist or wax is used as shown in FIG. 6A, or diffusion pump oil is used as shown in FIG. 6B.

しかし、フォトレジストを用いた場合は、ウエハ同士を完全に貼り合わせることが容易でなく、部分的に剥がれてしまうことが頻発する。この状態でドライエッチングを行うと、エッチングされるウエハの放熱が十分に行なわれない。(エッチングされるウエハ→フォトレジスト→ダミーウエハという経路で放熱が行なわれる。)するとエッチングされるウエハの温度が上昇するため、エッチングマスクが蒸発してしまい。望みの形状にエッチングをすることができなくなる。また、たとえエッチングマスクが蒸発しなくても、フォトレジストが過熱固化し、エッチング終了後にアセトンや酸素プラズマによるアッシングをもってしても、フォトレジストが除去できなくなってしまうことがある。   However, when a photoresist is used, it is not easy to completely bond the wafers, and the wafers are often peeled off. If dry etching is performed in this state, the wafer to be etched is not sufficiently dissipated. (The heat is dissipated through the path of etched wafer → photoresist → dummy wafer.) Then, the temperature of the etched wafer rises and the etching mask evaporates. It becomes impossible to etch into the desired shape. Even if the etching mask does not evaporate, the photoresist may be solidified by overheating, and even if ashing with acetone or oxygen plasma is performed after the etching is completed, the photoresist may not be removed.

ワックスを用いた場合は、フォトレジストの場合のような剥がれの問題は起こらないが、エッチング終了後のワックス除去が困難な場合が多い。   When wax is used, the problem of peeling as in the case of a photoresist does not occur, but it is often difficult to remove the wax after etching.

図6(b)のように拡散ポンプ用オイルを用いる場合は、フォトレジストの場合のような剥がれの問題は起こらず、放熱もフォトレジストに比べて良好である。しかしながら、放熱が良好とはいえ、エッチング時の熱により拡散ポンプ用オイルが固化してしまい、エッチング終了後のオイル除去が困難であったり、場合によってはダミーウエハからデバイスが剥がれないという問題が生じる。   When the diffusion pump oil is used as shown in FIG. 6B, the problem of peeling as in the case of the photoresist does not occur, and the heat dissipation is better than that of the photoresist. However, although heat dissipation is good, the diffusion pump oil is solidified by the heat during etching, and it is difficult to remove the oil after the etching is completed, and in some cases, the device does not peel off from the dummy wafer.

そこで本願発明者は、鋭意検討の結果、このような問題を解決するために、次のような製造方法が有効であることを見出した。この製造方法は、表面に所定の構造が形成されたウエハを、裏面からドライエッチングにより貫通させることによりMEMSデバイスを製造する方法であって、
・ 前記エッチングされるウエハの前記表面をフォトレジストで被膜する第1ステップと、
・ ドライエッチング装置への設置に用いるダミーウエハに拡散ポンプ用オイルを塗布する第2ステップと、
・ 前記フォトレジストで被膜された面と、前記拡散ポンプ用オイルが塗布された面とを貼り合わせることによって、前記エッチングされるウエハに前記ダミーウエハを貼り合わせる第3ステップと、
・ 前記ドライエッチング装置によって前記エッチングされるウエハのドライエッチングを行なう第4ステップと、
を有することを特徴とする。
Therefore, the present inventor has found that the following manufacturing method is effective in order to solve such problems as a result of intensive studies. This manufacturing method is a method for manufacturing a MEMS device by causing a wafer having a predetermined structure formed on the front surface to penetrate by dry etching from the back surface,
A first step of coating the surface of the wafer to be etched with a photoresist;
A second step of applying diffusion pump oil to a dummy wafer used for installation in a dry etching apparatus;
A third step of bonding the dummy wafer to the wafer to be etched by bonding the surface coated with the photoresist and the surface coated with the diffusion pump oil;
A fourth step of dry etching the wafer to be etched by the dry etching apparatus;
It is characterized by having.

このような方法でダミーウエハを貼り合わせることにより、エッチングされるウエハとダミーウエハとの密着性が向上するため、熱伝導性が向上し、所望の形状にエッチングを行なうことが容易となる。さらに、熱伝導性が向上して放熱が良好に行なわれるようになるため、フォトレジストはエッチング終了後にアセトンと酸素プラズマによるアッシングで容易に除去できるようになり、フォトレジストが過熱固化して除去が困難になるという事態を最小限に防ぐことができる。拡散ポンプ用オイルとしては、アルキルナフタレン(ナフタレン環にアルキル基を持つもの)などが知られており、これらを用いることができる。   By bonding the dummy wafers by such a method, the adhesion between the wafer to be etched and the dummy wafers is improved, so that the thermal conductivity is improved and the etching into a desired shape is facilitated. Furthermore, since the thermal conductivity is improved and the heat radiation is performed well, the photoresist can be easily removed by ashing with acetone and oxygen plasma after the etching is completed, and the photoresist is solidified by being overheated and removed. The situation where it becomes difficult can be prevented to a minimum. Alkyl naphthalene (having an alkyl group in the naphthalene ring) is known as a diffusion pump oil, and these can be used.

別の実施態様においては、ダミーウエハにフォトレジストを被膜して、その上に拡散ポンプ用オイルを塗布してもよい。このような実施態様によれば、エッチングされるウエハとダミーウエハとの密着性・熱伝導性を、より向上させることができる。   In another embodiment, a photoresist may be coated on the dummy wafer, and a diffusion pump oil may be applied thereon. According to such an embodiment, the adhesion and thermal conductivity between the wafer to be etched and the dummy wafer can be further improved.

この方法によって、あらゆるMEMSデバイスの製造においてついて回るフォトレジスト除去の問題が解決可能である。   This method can solve the problem of photoresist removal that follows in the manufacture of any MEMS device.

以下、本発明のより具体的な実施態様を添付図面を参照しながら説明する。まず、本発明による圧電素子の実施態様の一例を、図2に描かれた圧電素子201を用いて説明する。   Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, an example of an embodiment of a piezoelectric element according to the present invention will be described using the piezoelectric element 201 depicted in FIG.

圧電素子201は、圧電素子201の上に、圧電体を2枚の電極で挟んだ圧電素子構造を、お互いが直接接触しないように、2つ有している。第1の圧電素子構造は、それぞれU字型(コの字型)の下部電極205,圧電体薄膜207,上部電極209により構成される。第2の圧電素子構造は、第1の圧電素子構造のU字型の腕の間に配置され、下部電極211,圧電体薄膜213,上部電極215により構成される。下部電極205,211が圧電体薄膜207,209からはみ出している部分205a,211aは、それぞれ下部電極205,211への導通を確保するために、わざと露出させた部分である。   The piezoelectric element 201 has two piezoelectric element structures in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes on the piezoelectric element 201 so that they do not directly contact each other. The first piezoelectric element structure includes a U-shaped (U-shaped) lower electrode 205, a piezoelectric thin film 207, and an upper electrode 209, respectively. The second piezoelectric element structure is disposed between the U-shaped arms of the first piezoelectric element structure, and includes a lower electrode 211, a piezoelectric thin film 213, and an upper electrode 215. The portions 205a and 211a where the lower electrodes 205 and 211 protrude from the piezoelectric thin films 207 and 209 are portions that are intentionally exposed in order to ensure conduction to the lower electrodes 205 and 211, respectively.

上部電極209と圧電体薄膜207が接する面において、上部電極209は圧電体薄膜207より一回り小さい。このため上部電極209の外周全域に亘り、上部電極209と圧電体薄膜207とは段差構造を呈している。同様に、上部電極215と圧電体薄膜213が接する面において、上部電極215は圧電体薄膜213より一回り小さく、上部電極215の外周全域に亘って、上部電極215と圧電体薄膜213とは段差構造を呈している。第1の圧電素子構造においても第2の圧電素子構造においても、圧電体薄膜213のはみ出し幅は、0.5μm以上としている。この段差構造は、圧電素子201を製造する際に発生する可能性のある問題を、未然に防ぐために形成された構造である。詳細については後述する。   The upper electrode 209 is slightly smaller than the piezoelectric thin film 207 on the surface where the upper electrode 209 contacts the piezoelectric thin film 207. Therefore, the upper electrode 209 and the piezoelectric thin film 207 have a step structure over the entire outer periphery of the upper electrode 209. Similarly, the upper electrode 215 is slightly smaller than the piezoelectric thin film 213 on the surface where the upper electrode 215 and the piezoelectric thin film 213 are in contact, and the upper electrode 215 and the piezoelectric thin film 213 are stepped over the entire outer periphery of the upper electrode 215. It has a structure. In both the first piezoelectric element structure and the second piezoelectric element structure, the protruding width of the piezoelectric thin film 213 is set to 0.5 μm or more. This step structure is a structure formed in order to prevent problems that may occur when the piezoelectric element 201 is manufactured. Details will be described later.

弾性基板の材料としては様々な物質を用いることが可能であり、例えば、シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコンカーバイド、ガリウム砒素等の化合物半導体全般、アルミナ、アルミニウム、ステンレスなどを用いることが可能である。圧電体薄膜の材料も、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)など、既知の様々な物質を用いることができる。   Various materials can be used as the material for the elastic substrate. For example, silicon, silicon oxide film, silicon nitride film, silicon carbide, gallium arsenide and other compound semiconductors, alumina, aluminum, stainless steel, etc. can be used. Is possible. Various known materials such as lead zirconate titanate (PZT) can be used as the material of the piezoelectric thin film.

U字型の下部電極205及び上部電極209の間に交流電圧を印加すると、圧電体薄膜207は逆圧電効果によって変形し、その交流電圧と同じ周波数で振動する。この振動は、弾性基板203に伝わり、弾性基板203を震わせる。さらに弾性基板203の振動は、第2の圧電素子構造の圧電体薄膜213へ伝わり、圧電体薄膜213をも振動させる。この振動により圧電体薄膜213が変形すると、正の圧電効果により圧電体薄膜213は電圧を発生する。この電圧変動は、下部電極211及び上部電極215間の電圧変動として測定することができる。第2の圧電素子構造211〜215から検出される電圧変動の振幅は、第1の圧電素子構造205〜209に印加される交流電圧の周波数が、弾性基板203の(又は圧電素子201全体の)共振周波数に一致したときに最も大きくなる。そして弾性基板203(又は圧電素子201全体)の共振周波数は、弾性基板203(又は圧電素子201)が位置する環境によって異なるため、圧電素子201は、周波数変化を検出することで物理量の状態変化を検知するセンサとして用いることができる。例えば圧電素子201は、加速度・角速度などの運動量センサ、・力センサ、液体の粘度センサ、ガス濃度センサ、においセンサ、質量センサなどとして用いることができる。このように圧電素子201は、単体で駆動・検知の両方の機能を備える素子である。   When an AC voltage is applied between the U-shaped lower electrode 205 and the upper electrode 209, the piezoelectric thin film 207 is deformed by the inverse piezoelectric effect and vibrates at the same frequency as the AC voltage. This vibration is transmitted to the elastic substrate 203 and shakes the elastic substrate 203. Further, the vibration of the elastic substrate 203 is transmitted to the piezoelectric thin film 213 having the second piezoelectric element structure, and the piezoelectric thin film 213 is also vibrated. When the piezoelectric thin film 213 is deformed by this vibration, the piezoelectric thin film 213 generates a voltage due to a positive piezoelectric effect. This voltage fluctuation can be measured as a voltage fluctuation between the lower electrode 211 and the upper electrode 215. The amplitude of the voltage fluctuation detected from the second piezoelectric element structures 211 to 215 is such that the frequency of the alternating voltage applied to the first piezoelectric element structures 205 to 209 is that of the elastic substrate 203 (or the entire piezoelectric element 201). It becomes the largest when it matches the resonance frequency. Since the resonance frequency of the elastic substrate 203 (or the entire piezoelectric element 201) varies depending on the environment where the elastic substrate 203 (or the piezoelectric element 201) is located, the piezoelectric element 201 detects the change in the physical quantity by detecting the frequency change. It can be used as a sensor to detect. For example, the piezoelectric element 201 can be used as a momentum sensor such as acceleration and angular velocity, a force sensor, a liquid viscosity sensor, a gas concentration sensor, an odor sensor, a mass sensor, and the like. As described above, the piezoelectric element 201 is a single element having both functions of driving and detection.

圧電素子201は、図2に描かれるように、第1の圧電素子構造の下部電極205や圧電体207が、第2の圧電素子構造の下部電極211や圧電体213に接触していない。このため圧電素子201においては、第1の圧電素子構造に加えられる駆動信号が、第2の圧電素子構造から得られる検知信号に混入しにくくなっており、ノイズの少ない測定を行なうことが可能になっている。   In the piezoelectric element 201, as illustrated in FIG. 2, the lower electrode 205 and the piezoelectric body 207 of the first piezoelectric element structure are not in contact with the lower electrode 211 and the piezoelectric body 213 of the second piezoelectric element structure. For this reason, in the piezoelectric element 201, the drive signal applied to the first piezoelectric element structure is less likely to be mixed into the detection signal obtained from the second piezoelectric element structure, enabling measurement with less noise. It has become.

図2に描かれるように、第1の圧電素子構造がU字型を呈していると、音叉と同じように共振時の振幅を増すことができるので、共振周波数の検知をより容易とすることができる。しかし、本発明を利用した圧電素子が備える一方の圧電素子構造が、必ずU字型を備えていなければならない訳ではない。また図2においては、第1の圧電素子構造と第2の圧電素子構造が、弾性基板の同一面上に形成されているが、これも実施態様によっては、それぞれが別の面上に形成されていてもよい。   As illustrated in FIG. 2, when the first piezoelectric element structure has a U shape, the amplitude at the time of resonance can be increased in the same manner as a tuning fork, so that the resonance frequency can be detected more easily. Can do. However, one piezoelectric element structure provided in a piezoelectric element using the present invention does not necessarily have a U-shape. In FIG. 2, the first piezoelectric element structure and the second piezoelectric element structure are formed on the same surface of the elastic substrate. However, depending on the embodiment, each of the first piezoelectric element structure and the second piezoelectric element structure may be formed on different surfaces. It may be.

次に圧電素子201の製造方法について説明する。圧電素子201は、大体においては通常の半導体製造プロセスと同様のプロセスで製造されるが、一部に本発明の一側面によって提供される特有の製造方法を用いて製造される部分がある。以下、通常の半導体製造プロセスと同様の製造プロセスの説明は簡単に説明し、本発明に特有の製造プロセスのみを詳細に説明する。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 201 will be described. The piezoelectric element 201 is generally manufactured by a process similar to a normal semiconductor manufacturing process, but a part thereof is manufactured by using a specific manufacturing method provided by one aspect of the present invention. Hereinafter, a description of a manufacturing process similar to a normal semiconductor manufacturing process will be briefly described, and only a manufacturing process unique to the present invention will be described in detail.

圧電素子201の製造プロセスは、図3のフローチャートに示すように、大まかに4段階に分けられる。最初のステップ301では、弾性基板203上に、下部電極205,211の材料となる下部導電層と、圧電体薄膜207,213の材料となる圧電体層と、上部電極209,215の材料となる上部導電層とを、この順序で形成する。次のステップ302では、上部電極層を、リソグラフィによるレジストパターニングとエッチングにより成型する。続いて、ステップ303では圧電体層を、ステップ304では下部電極と基板を、同じくリソグラフィによるレジストパターニングとエッチングにより成型する。   The manufacturing process of the piezoelectric element 201 is roughly divided into four stages as shown in the flowchart of FIG. In the first step 301, on the elastic substrate 203, the lower conductive layer that is the material of the lower electrodes 205 and 211, the piezoelectric layer that is the material of the piezoelectric thin films 207 and 213, and the material of the upper electrodes 209 and 215. The upper conductive layer is formed in this order. In the next step 302, the upper electrode layer is formed by resist patterning by lithography and etching. Subsequently, in step 303, the piezoelectric layer is formed, and in step 304, the lower electrode and the substrate are formed by resist patterning and etching by lithography.

上部電極209,215の表面形状と、圧電体薄膜207,213の表面形状を同一とすれば、これらは同一のフォトマスクでフォトエッチングを行なうことが可能である。しかし、このようにすると、次のような問題が起こる可能性がある。
(1)圧電体層をエッチング、特にウエットエッチングする場合は、圧電体層が必要以上にエッチングされ、結果として上部電極が下部電極にまで垂れ、電気的ショートを引き起こしてしまう。
(2)エッチング後の圧電体層の側壁がエッチング時のダメージのために非晶質化してしまい、これが圧電体の圧電特性を低下させてしまう(Applied Physics Letters, vol.75, pp.334-336, (1999))。
(3)エッチング時のプラズマ環境により圧電体層の側壁から水素が侵入し、これが圧電体を還元して圧電特性を低下させてしまう。
If the surface shape of the upper electrodes 209 and 215 and the surface shape of the piezoelectric thin films 207 and 213 are the same, they can be photoetched with the same photomask. However, this may cause the following problems.
(1) When etching the piezoelectric layer, particularly wet etching, the piezoelectric layer is etched more than necessary, and as a result, the upper electrode hangs down to the lower electrode, causing an electrical short circuit.
(2) The side wall of the piezoelectric layer after etching becomes amorphous due to damage during etching, which degrades the piezoelectric properties of the piezoelectric body (Applied Physics Letters, vol.75, pp.334- 336, (1999)).
(3) Hydrogen enters from the side wall of the piezoelectric layer due to the plasma environment at the time of etching, and this reduces the piezoelectric body and degrades the piezoelectric characteristics.

そこで、本発明による圧電素子201を製造するにあたっては、図4に示す如く、圧電体薄膜の形状の形状を定めるフォトマスクのマスクパターンを、上部電極の形状を定めるフォトマスクのマスクパターンより、一回り大きなものを用いる。すなわち圧電体用のマスクパターンは、上部電極用のマスクパターンの全領域を、その内部に収めうる形状を有する。(図4(c)参照。)これにより、圧電体薄膜207,213は、上部電極209,215よりも一回り大きな形状を有することになり、圧電体薄膜207,213と上部電極209,215とが図2に描かれる如く段差状の構造を呈することとなる。圧電素子の段部の幅は、0.5μm以上とすることが好ましい。このような製造方法を採用することにより、上記のような問題の発生を防ぎ、圧電素子製造における歩留まり向上及び素子の圧電特性向上を達成することができる。   Therefore, when manufacturing the piezoelectric element 201 according to the present invention, as shown in FIG. 4, the mask pattern of the photomask that defines the shape of the piezoelectric thin film is changed from the mask pattern of the photomask that defines the shape of the upper electrode. Use a bigger one. That is, the mask pattern for the piezoelectric body has a shape that can accommodate the entire area of the mask pattern for the upper electrode. (See FIG. 4C.) As a result, the piezoelectric thin films 207 and 213 have a shape slightly larger than the upper electrodes 209 and 215, and the piezoelectric thin films 207 and 213, the upper electrodes 209 and 215, and As shown in FIG. 2, a step-like structure is exhibited. The width of the step portion of the piezoelectric element is preferably 0.5 μm or more. By adopting such a manufacturing method, it is possible to prevent the above-described problems from occurring, and to improve the yield and the piezoelectric characteristics of the element in manufacturing the piezoelectric element.

図5a及び図5bに、本発明による圧電素子のより具体的な実施例を示す。この実施例では、本発明による圧電素子を、カンチレバーとして実施している。カンチレバー501は、圧電体を2枚の電極で挟んだ圧電素子構造が、お互いが直接接触しないように、SOI基板上に2つ形成された構造を有している。SOI基板はシリコン基板503,埋め込みシリコン酸化膜505,表面シリコン層507からなり、表面シリコン層507は、その上に形成されたシリコン酸化膜509と共に、圧電素子201における弾性基板203の役割を果たしている。圧電素子201の第1の圧電素子構造に相当する構造は、下部電極511,圧電体薄膜513,上部電極515であり、これらは圧電素子201の下部電極205,圧電体薄膜207,上部電極209にそれぞれ相当する。同様に、圧電素子201の第2の圧電素子構造に相当する構造は、下部電極519,圧電体薄膜521,上部電極523であり、これらは圧電素子201の下部電極211,圧電体薄膜213,上部電極215にそれぞれ相当する。第1の圧電素子構造511〜515と、第2の圧電素子構造519〜523は、互いに直接接していないので、圧電素子201と同様、第1の圧電素子構造に加えられる駆動信号が、第2の圧電素子構造から得られる検知信号に混入しにくくなっており、ノイズの少ない測定を行なうことが可能になっている。また、圧電素子201と同様に、上部電極は圧電体薄膜よりも一回り小さく形成されており、製造時に上部電極と下部電極が接触したり、圧電体の圧電特性が低下してしまうという問題を回避している。シリコン酸化膜509は、圧電体の成膜において熱処理をする際の、電極とシリコンの相互拡散防止のために設けられる。   5a and 5b show more specific embodiments of the piezoelectric element according to the present invention. In this embodiment, the piezoelectric element according to the present invention is implemented as a cantilever. The cantilever 501 has a structure in which two piezoelectric element structures in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes are formed on an SOI substrate so that they do not directly contact each other. The SOI substrate includes a silicon substrate 503, a buried silicon oxide film 505, and a surface silicon layer 507. The surface silicon layer 507 plays a role of the elastic substrate 203 in the piezoelectric element 201 together with the silicon oxide film 509 formed thereon. . The structure corresponding to the first piezoelectric element structure of the piezoelectric element 201 is a lower electrode 511, a piezoelectric thin film 513, and an upper electrode 515, which are connected to the lower electrode 205, the piezoelectric thin film 207, and the upper electrode 209 of the piezoelectric element 201. Each corresponds. Similarly, the structure corresponding to the second piezoelectric element structure of the piezoelectric element 201 is the lower electrode 519, the piezoelectric thin film 521, and the upper electrode 523, which are the lower electrode 211, the piezoelectric thin film 213, and the upper part of the piezoelectric element 201. Each corresponds to the electrode 215. Since the first piezoelectric element structures 511 to 515 and the second piezoelectric element structures 519 to 523 are not in direct contact with each other, the drive signal applied to the first piezoelectric element structure is the same as that of the piezoelectric element 201. Therefore, it is difficult to mix in the detection signal obtained from the piezoelectric element structure, and measurement with less noise can be performed. Further, like the piezoelectric element 201, the upper electrode is formed to be slightly smaller than the piezoelectric thin film, and the upper electrode and the lower electrode are in contact with each other at the time of manufacture, or the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body are degraded. It is avoiding. The silicon oxide film 509 is provided to prevent mutual diffusion between the electrode and silicon when heat treatment is performed in the formation of the piezoelectric body.

カンチレバー501は、図3のフローチャートに示すような製造プロセスによって、圧電素子部分が形成された後、最終工程において、シリコン基板503をシリコン基板503側からドライエッチングにより貫通させることで、最終的な部品として完成する。   The cantilever 501 is a final component that is formed by penetrating the silicon substrate 503 from the silicon substrate 503 side by dry etching in the final step after the piezoelectric element portion is formed by the manufacturing process as shown in the flowchart of FIG. To be completed.

このとき、ウエアの圧電素子が形成された面にダミーウエハに貼り合わせることで、エッチングされるウエハの貫通後、ドライエッチング装置内部のウエハ設置部分が損傷されることを防ぐことが必要である。   At this time, it is necessary to prevent the wafer installation portion inside the dry etching apparatus from being damaged after the wafer to be etched is pasted by attaching the wear wafer to the surface on which the piezoelectric element is formed.

このプロセスにおいて、カンチレバー501を製造する場合は、本発明の一側面による次のような方法により、ダミーウエハの貼り合わせを行なうことが好ましい。まず、ウエハのエッチングされる面とは逆の面(圧電素子が形成された面)に、フォトレジストを塗布し、適切な温度でベーキングすることにより、被膜を硬化させる。次に、アルキルナフタレンなどの拡散ポンプ用オイルをダミーウエハにスピンコートなどで塗布する。そしてフォトレジストで被膜された面と、拡散ポンプ用オイルが塗布された面とを貼り合わせることによって、エッチングされるウエハにダミーウエハを貼り合わせる。この様子を図7(a)に示す。   In this process, when the cantilever 501 is manufactured, it is preferable to bond the dummy wafer by the following method according to one aspect of the present invention. First, a photoresist is applied to the surface opposite to the surface to be etched of the wafer (the surface on which the piezoelectric element is formed), and the coating is cured by baking at an appropriate temperature. Next, diffusion pump oil such as alkylnaphthalene is applied to the dummy wafer by spin coating or the like. Then, a dummy wafer is bonded to the wafer to be etched by bonding the surface coated with the photoresist and the surface coated with the diffusion pump oil. This is shown in FIG.

このような方法でダミーウエハを貼り合わせることにより、エッチングされるウエハとダミーウエハとの密着性が向上するため、熱伝導性が向上し、所望の形状にエッチングを行なうことが容易となる。さらに、熱伝導性が向上して放熱が良好に行なわれるようになるため、フォトレジストはエッチング終了後にアセトンと酸素プラズマによるアッシングで容易に除去できるようになり、フォトレジストが過熱固化して除去が困難になるという事態を最小限に防ぐことができる。   By bonding the dummy wafers by such a method, the adhesion between the wafer to be etched and the dummy wafers is improved, so that the thermal conductivity is improved and the etching into a desired shape is facilitated. Furthermore, since the thermal conductivity is improved and the heat radiation is performed well, the photoresist can be easily removed by ashing with acetone and oxygen plasma after the etching is completed, and the photoresist is solidified by being overheated and removed. The situation where it becomes difficult can be prevented to a minimum.

別の実施態様においては、図7(b)のように、ダミーウエハにフォトレジストを塗布した後、その上に拡散ポンプ用オイルを塗布してもよい。このような実施態様によれば、エッチングされるウエハとダミーウエハとの密着性・熱伝導性を、より向上させることができる。   In another embodiment, as shown in FIG. 7B, after a photoresist is applied to the dummy wafer, a diffusion pump oil may be applied thereon. According to such an embodiment, the adhesion and thermal conductivity between the wafer to be etched and the dummy wafer can be further improved.

以上、本発明がより良く理解されるように本発明を好適な実施例を用いて説明してきたが、本発明の実施態様がこれらの実施例に限定されるものではないことは当然であり、本発明は、その範囲を逸脱することなく、様々な実施態様を採り得ることはいうまでもない。   Although the present invention has been described using preferred examples so that the present invention can be better understood, it is obvious that the embodiments of the present invention are not limited to these examples. It goes without saying that the present invention can take various embodiments without departing from the scope thereof.

先行技術による圧電カンチレバーを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the piezoelectric cantilever by a prior art. 本発明によって提供される圧電素子の実施態様の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the embodiment of the piezoelectric element provided by this invention. 本発明によって提供される圧電素子の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the piezoelectric element provided by this invention. 上記の製造方法で用いられるフォトマスクの例である。It is an example of the photomask used with said manufacturing method. 本発明による圧電素子のより具体的な実施例を描いた図である。It is the figure on which the more concrete Example of the piezoelectric element by this invention was drawn. 本発明による圧電素子のより具体的な実施例を描いた図である。It is the figure on which the more concrete Example of the piezoelectric element by this invention was drawn. 先行技術によるMEMSデバイス製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the MEMS device manufacturing method by a prior art. 本発明によって提供されるMEMSデバイスの製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the MEMS device provided by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

201 圧電素子
203 弾性基板
205 下部電極
207 第1の圧電素子構造の圧電体薄膜
209 第1の圧電素子構造の上部電極
211 第2の圧電素子構造の下部電極
213 第2の圧電素子構造の圧電体薄膜
215 第2の圧電素子構造の上部電極
501 カンチレバー
503 シリコン基板
505 埋め込みシリコン酸化膜
507 表面シリコン層
509 シリコン酸化膜
201 Piezoelectric element 203 Elastic substrate 205 Lower electrode 207 Piezoelectric thin film 209 having the first piezoelectric element structure Upper electrode 211 having the first piezoelectric element structure Lower electrode 213 having the second piezoelectric element structure Piezoelectric body having the second piezoelectric element structure Thin film 215 Upper electrode 501 of second piezoelectric element structure Cantilever 503 Silicon substrate 505 Embedded silicon oxide film 507 Surface silicon layer 509 Silicon oxide film

Claims (6)

第1の上部電極と第1の下部電極との間に第1の圧電体を挟んだ第1の構造物を、弾性基体上に、前記第1の下部電極が前記弾性基体側となるように設けると共に、第2の上部電極と第2の下部電極との間に第2の圧電体を挟んだ第2の構造物を、前記第2の下部電極が前記弾性基体側となるように、且つ、前記第1の下部電極と前記第2の下部電極が接しないように、且つ、前記第1の圧電体と前記第2の圧電体が接しないように、前記弾性基体上に設けた圧電素子であって
前記第1の構造物が、互いに平行となる2本の腕部を有し、前記第2の構造物が、前記2本の腕部の間に配されることを特徴とする圧電素子。
A first structure in which a first piezoelectric body is sandwiched between a first upper electrode and a first lower electrode is placed on an elastic substrate so that the first lower electrode is on the elastic substrate side. A second structure in which a second piezoelectric body is sandwiched between a second upper electrode and a second lower electrode, such that the second lower electrode is on the elastic substrate side, and A piezoelectric element provided on the elastic base so that the first lower electrode and the second lower electrode do not contact each other, and the first piezoelectric body and the second piezoelectric body do not contact each other. Because
The piezoelectric element, wherein the first structure has two arm portions that are parallel to each other, and the second structure is disposed between the two arm portions.
前記第1の構造物及び/又は前記第2の構造物における、前記圧電体が前記上部電極に対向する面において、前記圧電体が前記上部電極より大きな表面積を有すると共に、前記上部電極と前記圧電体とが、前記上部電極の外周全域に亘り、段差構造を呈することを特徴とする、請求項1に記載の圧電素子。   In the surface of the first structure and / or the second structure where the piezoelectric body faces the upper electrode, the piezoelectric body has a larger surface area than the upper electrode, and the upper electrode and the piezoelectric body 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the body exhibits a step structure over the entire outer periphery of the upper electrode. 前記段差構造における前記圧電素子の段部の幅が0.5μm以上であることを特徴とする、請求項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 2 , wherein a width of the step portion of the piezoelectric element in the step structure is 0.5 μm or more. 請求項1に記載の圧電素子を製造する方法であって、
前記弾性基体上に前記第1の下部電極及び第2の下部電極の材料となる下部導電層・前記第1の圧電体及び第2の圧電体の材料となる圧電体層・前記第1の上部電極及び第2の上部電極の材料となる上部導電層を、この順序で形成するステップと、
前記第1の上部電極及び第2の上部電極の形状を定める第1のマスクパターンを有する第1のエッチングマスクを用いて前記上部導電層をエッチングするステップと、
前記第1の圧電体及び第2の圧電体の形状の形状を定める第2のマスクパターンを有する第2のエッチングマスクを用いて前記圧電体層をエッチングして前記第1の圧電体及び第2の圧電体を形成するステップと、を備え
前記第2のマスクパターンは、前記第1のマスクパターンの全領域を、その内部に収めうる形状を有する、
ことを特徴とする、製造方法。
A method of manufacturing the piezoelectric element according to claim 1 ,
A lower conductive layer serving as a material for the first lower electrode and a second lower electrode on the elastic substrate , a piezoelectric layer serving as a material for the first piezoelectric body and the second piezoelectric body , and the first upper portion. Forming an upper conductive layer as a material of the electrode and the second upper electrode in this order;
Etching the upper conductive layer using a first etching mask having a first mask pattern defining a shape of the first upper electrode and the second upper electrode ;
The piezoelectric layer is etched by using a second etching mask having a second mask pattern that defines the shape of the first piezoelectric body and the second piezoelectric body, and the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are etched . the second mask pattern comprises the steps, the forming the piezoelectric body, the whole area of the first mask pattern has a shape that can accommodated in its internal,
The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載の圧電素子が形成されたウエハを、裏面からドライエッチングにより貫通させることによりMEMSデバイスを製造する方法であって、
前記エッチングされるウエハの前記表面をフォトレジストで被膜する第1ステップと、
ドライエッチング装置への設置に用いるダミーウエハに拡散ポンプ用オイルを塗布する第2ステップと、
前記フォトレジストで被膜された面と、前記拡散ポンプ用オイルが塗布された面とを貼り合わせることによって、前記エッチングされるウエハに前記ダミーウエハを貼り合わせる第3ステップと、
前記ドライエッチング装置によって前記エッチングされるウエハのドライエッチングを行なう第4ステップと、
を有することを特徴とする、製造方法。
A method of manufacturing a MEMS device by causing a wafer on which the piezoelectric element according to claim 1 is formed to penetrate from a back surface by dry etching,
A first step of coating the surface of the wafer to be etched with a photoresist;
A second step of applying diffusion pump oil to a dummy wafer used for installation in a dry etching apparatus;
A third step of bonding the dummy wafer to the wafer to be etched by bonding the surface coated with the photoresist and the surface coated with the diffusion pump oil;
A fourth step of performing dry etching of the wafer to be etched by the dry etching apparatus;
The manufacturing method characterized by having.
前記第2ステップにおいて、前記ダミーウエハにフォトレジストで被膜した後、該被膜された面に前記拡散ポンプ用オイルを塗布することを特徴とする、請求項5に記載の製造方法。   6. The manufacturing method according to claim 5, wherein, in the second step, after the dummy wafer is coated with a photoresist, the diffusion pump oil is applied to the coated surface.
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