JP7251560B2 - 圧電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、圧電デバイスに関する。
圧電デバイスの構成を開示した文献として、国際公開第2017/218299号(特許文献1)がある。特許文献1に記載された圧電デバイスは、基板と、メンブレン部とを備えている。基板は、貫通するように形成された開口部を有している。メンブレン部は、少なくとも1つの弾性層と、上部電極層および下部電極層の間に挟まれた少なくとも1つの圧電層とから形成されている。メンブレン部は、開口部より上方において基板に取り付けられている。開口部の端に近接するメンブレン部において、エッチングされることにより貫通溝が形成されている。
国際公開第2017/218299号
圧電体層を含む圧電駆動部に貫通溝が形成されている圧電デバイスにおいては、駆動時に温度が上昇する。このとき、圧電体層の熱膨張係数が上下方向と水平方向とで互いに異なる場合、圧電駆動部において、貫通溝に面している部分が歪む。これにより、圧電体層の分極軸の軸方向が乱れて、圧電デバイスの電気的特性が低下する。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、圧電駆動部において貫通溝に面している部分の歪みを小さくすることにより、電気的特性の低下が抑制された、圧電デバイスを提供することを目的とする。
本発明に基づく圧電デバイスは、基部と、圧電駆動部とを備えている。圧電駆動部は、複数の層からなり、基部に直接的または間接的に支持されている。圧電駆動部は、圧電体層と、上部電極層と、下部電極層とを含んでいる。上部電極層は、圧電体層の上側に配置されている。下部電極層は、圧電体層を挟んで上部電極層の少なくとも一部に対向するように配置されている。圧電駆動部には、上下方向に貫通する貫通溝が設けられていることにより、一対の内側面が形成されている。一対の内側面の各々は、貫通溝の幅が圧電体層の上端面から下方に向かって次第に狭くなっている第1狭幅部を含んでいる。
圧電駆動部において貫通溝に面している部分の歪みを小さくして、圧電デバイスの電気的特性の低下を抑制することができる。
本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの平面図である。 図1の圧電デバイスについてII-II線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の下面にエッチングストップ層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、エッチングストップ層および圧電体層の各々の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、図6に示す複数の層に積層体を接合させる状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に積層体を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上端面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、第1外部電極層および第2外部電極層の各々を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、圧電体層に凹部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の上端面まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、活性層に凹部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層に凹部が設けられた状態で、活性層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。 本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、下側基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の上端面まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、活性層に凹部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層に凹部が設けられた状態で、活性層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。 本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、下側基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させる状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上端面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、第1外部電極層および第2外部電極層の各々を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、圧電体層に凹部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。 本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。
以下、本発明の各実施形態に係る圧電デバイスについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの平面図である。図2は、図1の圧電デバイスについてII-II線矢印方向から見た断面図である。図1においては、圧電デバイスの内部の構成を点線で示している。
図1および図2に示すように、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100は、基部110と、圧電駆動部120とを備えている。
図2に示すように、基部110は、下側基部110aと、下側基部110aの上側に位置する上側基部110bとを含んでいる。基部110は、上側主面111および、上側主面111とは反対側に位置する下側主面112を有している。
本実施形態において、上側基部110bの上面が上側主面111であり、下側基部110aの下面が下側主面112である。基部110には、下側基部110aおよび上側基部110bの各々を上下方向に貫通する開口部113が形成されている。
基部110を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において、下側基部110aはSiで構成されている。上側基部110bは、SiO2で構成されている。
図2に示すように、基部110の上側主面111上には、複数の層が積層されている。本実施形態において、圧電駆動部120は、上記複数の層のうち、開口部113の上側に位置する部分である。すなわち、圧電駆動部120は、複数の層からなる。
本実施形態において、圧電駆動部120は、基部110の開口部113の上側に位置しているため、基部110に重なっていない。すなわち、圧電駆動部120は、基部110に間接的に支持されて、基部110より上側に位置している。すなわち、本実施形態において、圧電駆動部120はメンブレン構造で構成されている。なお、圧電駆動部120は、基部110に直接的に支持されていてもよい。
図2に示すように、本実施形態において、圧電駆動部120を構成する上記複数の層は、圧電体層130と、上部電極層140と、下部電極層150と、中間層160と、活性層170とを含んでいる。
圧電体層130は、基部110より上側に位置している。圧電体層130は、圧電体層130の一部が圧電駆動部120に含まれるように配置されている。圧電体層130の上端面131および下端面132の各々は、平坦である。
圧電体層130は、後述する貫通溝とは異なる孔部133を有している。孔部133は、圧電体層130を上下に貫通するように形成されている。本実施形態において、孔部133は、基部の110の上方に位置し、圧電駆動部120には含まれていない。
本実施形態において、圧電体層130は、単結晶圧電体で構成されており、具体的には、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成されている。タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムなどの単結晶圧電体は、分極軸の軸方向が一定である。
上記単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、圧電駆動部120の積層方向に対して傾いている。また、単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、圧電駆動部120の積層方向と直交していない。すなわち、本実施形態において、圧電体層130は、回転Yカットの単結晶圧電体で構成されている。
本実施形態において、圧電体層130は、単結晶圧電体で構成されているため、圧電体層130の熱膨張係数が、圧電駆動部120の積層方向と平面方向とで互いに異なっている。
なお、圧電体層130は、単結晶圧電体で構成されていなくてもよい。圧電体層130が単結晶圧電体で構成されていない場合であっても、圧電体層130の熱膨張係数が圧電駆動部120の積層方向と平面方向とで互いに異なるように、圧電体層130が構成されていてもよい。
上部電極層140は、圧電体層130の上側に配置されている。上部電極層140は、上部電極層140の一部が圧電駆動部120に含まれるように配置されている。
本実施形態において、上部電極層140は圧電体層130の一部の上側に積層されている。なお、上部電極層140と圧電体層130との間に、TiまたはNiCrなどで構成された密着層が配置されていてもよい。
下部電極層150は、圧電体層130を挟んで上部電極層140の少なくとも一部に対向するように配置されている。下部電極層150は、下部電極層150の一部が圧電駆動部120に含まれるように配置されている。また、下部電極層150は、圧電駆動部120において、圧電体層130を挟んで上部電極層140の少なくとも一部と対向するように配置されている。なお、下部電極層150と圧電体層130との間に、TiまたはNiCrなどで構成された密着層が配置されていてもよい。
下部電極層150の一部は、圧電体層130に形成された孔部133の下方に位置するように配置されている。本実施形態においては、下部電極層150は、エッチングストップ層155を介して圧電体層130と接続されている。エッチングストップ層155は、圧電体層130の孔部133の下方を覆うように形成されている。
本実施形態において、下部電極層150の一部は、エッチングストップ層155の下面を覆うように、エッチングストップ層155の下側に配置されている。エッチングストップ層155は、圧電駆動部120には含まれていない。なお、エッチングストップ層155は必ずしも設けられていなくてもよい。エッチングストップ層155が設けられていない場合、下部電極層150の一部は、孔部133の下方を直接覆うように形成される。
下部電極層150は、Pt、NiまたはAuなどの導電性材料で構成されている。エッチングストップ層155の材料は、導電性を有し、かつ、圧電体層をエッチングする際においてエッチングされない材料であることが望ましい。エッチングストップ層155は、たとえばNiで構成される。
中間層160は、圧電体層130より下方に配置されている。本実施形態においては、中間層160は、下部電極層150の下面、および、圧電体層130の下面のうち下部電極層150に覆われていない部分の、各々と接するように設けられている。中間層160の下面は平坦である。
中間層160の材料は、絶縁物であれば特に限定されない。本実施形態において、中間層160は、SiO2で構成されている。また、中間層160は、電気絶縁性および断熱性を有する有機材料で構成されていてもよい。
活性層170は、中間層160の下面の全面と接続するように設けられている。すなわち、活性層170は、下部電極層150および圧電体層130の各々の下方に配置されている。
活性層170は、開口部113の上方を覆うように、基部110の上側主面111上に積層されている。すなわち、本実施形態においては、開口部113に活性層170の下面が露出している。
活性層170を構成する材料は特に限定されないが、本実施形態において、活性層170はSiで構成されている。
圧電デバイス100は、第1外部電極層181と第2外部電極層182とをさらに含んでいる。第1外部電極層181は、上部電極層140の一部の上側に積層されている。第2外部電極層182は、圧電体層130の一部およびエッチングストップ層155の各々の上側に積層されている。すなわち、第2外部電極層182は、孔部133内において、エッチングストップ層155を介して下部電極層150の上側に積層されている。なお、下部電極層150として二層配線が積層されていてもよい。第1外部電極層181および第2外部電極層182の各々は、圧電駆動部120に含まれていない。
このように、圧電駆動部120は、圧電体層130と、上部電極層140と、下部電極層150と、中間層160と、活性層170とを含んでいる。
図2に示すように、圧電駆動部120において、上部電極層140は、圧電体層130の上側に配置されている。圧電駆動部120において、下部電極層150は、圧電体層130を挟んで上部電極層140の少なくとも一部に対向するように配置されている。
上記の構成により、上部電極層140と下部電極層150との間に電圧が印加されることによって、圧電体層130の伸縮に応じて圧電駆動部120が上下に屈曲振動する。
図1および図2に示すように、圧電駆動部120には、上下方向に貫通する貫通溝121が設けられている。圧電駆動部120には、貫通溝121が設けられていることにより、一対の内側面122が形成されている。
図2に示すように、一対の内側面122の各々は、貫通溝121の幅が圧電体層130の上端面131から下方に向かって次第に狭くなっている、第1狭幅部123を含んでいる。本実施形態においては、圧電体層130における一対の内側面122の一部が、第1狭幅部123で構成されている。圧電体層130における一対の内側面122の各々では、第1狭幅部123の下側に位置する面が、上下方向に沿うように形成されている。なお、第1狭幅部123は、圧電体層130における一対の内側面122の各々の全面を構成していてもよい。
本実施形態において、圧電体層130は、圧電体層130の上端面131と連続しつつ第1狭幅部123の少なくとも一部を構成する第1角部134を有している。第1角部134は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している。本実施形態においては、第1狭幅部123の全部が第1角部134で構成されている。
なお、第1狭幅部123の一部が、第1角部134で構成されていてもよい。この場合、第1狭幅部123のうち第1角部134より下側の部分が、傾斜面であってもよい。
また、孔部133の内側面においても、圧電体層130の上端面131と連続しつつ、孔部133の内側面の一部を構成する角部が、斜め上方に向かって凸状に湾曲していてもよい。
圧電駆動部120において、上部電極層140は、圧電体層130の上端面131上に配置されている。本実施形態において、圧電体層130の上端面131は、一対の内側面122として露出していない。
圧電駆動部120において、下部電極層150は、一対の内側面122の一部を構成している。下部電極層150における一対の内側面122は、上下方向に沿うように形成されており、かつ、圧電体層130における一対の内側面122と上下方向に連続するように接続されている。
圧電駆動部120において、中間層160は、一対の内側面122の一部を構成している。中間層160における一対の内側面122は、上下方向に沿うように形成されており、かつ、下部電極層150における一対の内側面122と上下方向に連続するように接続されている。
なお、下部電極層150は、一対の内側面122の一部を構成していなくてもよい。この場合、圧電体層130における一対の内側面122が、中間層160における一対の内側面122と上下方向に連続するように接続される。
図2に示すように、一対の内側面122の各々は、貫通溝121の幅が活性層170の上端面から下方に向かって次第に狭くなっている第2狭幅部124をさらに含んでいる。本実施形態においては、活性層170における一対の内側面122の一部が、第2狭幅部124で構成されている。活性層170における一対の内側面122の各々では、第2狭幅部124の下側に位置する面が、上下方向に沿うように形成されている。なお、第2狭幅部124は、活性層170における一対の内側面122の全面を構成していてもよい。
本実施形態において、活性層170は、活性層170の上端面171と連続しつつ第2狭幅部124の少なくとも一部を構成する第2角部172を有している。第2角部172は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している。本実施形態においては、第2狭幅部124の全部が第2角部172で構成されている。
なお、第2狭幅部124の一部が、第2角部172で構成されていてもよい。この場合、第2狭幅部124のうち第2角部172より下側の部分が、傾斜面であってもよい。
第1角部134の曲率半径と、第2角部172の曲率半径とは、互いに異なっている。本実施形態において、第1角部134の曲率半径は、第2角部172の曲率半径より大きい。なお、第1角部134の曲率半径が、第2角部172の曲率半径より小さくてもよい。
圧電駆動部120において、中間層160は、活性層170の上端面171上に配置されている。本実施形態において、活性層170の上端面171は、一対の内側面122として露出していない。換言すれば、本実施形態において、活性層170の上端面171は、一対の内側面122を構成しない。
貫通溝121における開口部113側の端部は、活性層170の下面に位置している。貫通溝121の幅は、開口部113側の端部において最も狭くなるように形成されている。このように、本実施形態において、貫通溝121の幅は、貫通溝121の上端から下端に向かうに従って段階的に狭くなっている。
以下、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
図3は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の下面にエッチングストップ層を設けた状態を示す断面図である。図3に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、圧電体層130の下面にエッチングストップ層155を設ける。
図4は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、エッチングストップ層および圧電体層の各々の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。図4に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、エッチングストップ層155の下面全面および圧電体層の下面の一部に、下部電極層150を設ける。
図5は本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。図5に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはPVD(Physical Vapor Deposition)法などにより、下部電極層150および圧電体層130の各々の下面に、中間層160を設ける。
図6は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。図6に示すように、中間層160の下面を化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などにより、平坦にする。
図7は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、図6に示す複数の層に積層体を接合させる状態を示す断面図である。図8は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に積層体を接合させた状態を示す断面図である。
図7および図8に示すように、中間層160の下面に、積層体10を接合させる。積層体10は、開口部113が形成されていない基部110と、基部110の上面に接合された活性層170とから構成されている。本実施形態において、積層体10はSOI(Silicon on Insulator)基板である。
図9は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。図9に示すように、圧電体層130の上面をCMPなどにより削って、圧電体層130を所望の厚さにする。この場合、圧電体層130の厚さは、電圧の印加による圧電体層130の所望の伸縮量が得られるように調整される。
図10は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上端面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。図10に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、圧電体層130の上端面131の一部に、上部電極層140を設ける。
図11は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。図11に示すように、圧電体層130の一部をエッチングすることにより、孔部133を形成する。
図12は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、第1外部電極層および第2外部電極層の各々を設けた状態を示す断面図である。図12に示すように、リフトオフ法、めっき法またはエッチング法などにより、第1外部電極層181および第2外部電極層182の各々が設けられる。
図13は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、圧電体層に凹部を設けた状態を示す断面図である。図13に示すように、圧電体層130の一部をエッチングすることにより、圧電体層130に凹部121aを設ける。凹部121aが、本実施形態に係る圧電デバイス100の貫通溝121の一部分に相当する。
圧電体層130に凹部121aを設けた後、上記エッチングのために圧電体層130およびその他の部材に塗布されていたフォトレジストを除去する。
なお、本実施形態においては、貫通溝121の形成のために、圧電体層130にのみ凹部121aが設けられるが、凹部121aの底面は、下部電極層150に位置していてもよいし、中間層160のうち中間層160の下端面より上側の部分に位置していてもよい。
図14は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。図14に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス100の製造方法においては、圧電体層130の上端面131上の少なくとも凹部121aに隣接する部分において、フォトレジスト1を設ける。凹部121aには、フォトレジスト1は設けない。
図14に示すように、フォトレジスト1は、凹部121aの上方において凹部121aと連続するように配置された貫通溝を有している。フォトレジスト1における貫通溝は、貫通溝の幅が、下方に向かって次第に狭くなっている部分を有している。言い換えると、圧電体層130の上端面131の面方向において、フォトレジスト1の厚さは、凹部121aに近づくに従って薄くなっている。
本実施形態において、フォトレジスト1には、貫通溝が設けられることで一対の内側面が形成されており、フォトレジスト1における一対の内側面の各々は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している部分を有している。
次に、フォトレジスト1が設けられた状態においてドライエッチングを行うことにより、凹部121aの深さをさらに深くする。当該ドライエッチングにおいては、同時にフォトレジスト1の外表面を溶融させる。これにより、凹部121aに近づくに従って厚さが薄くなっているフォトレジスト1が溶融することで、圧電体層130の上端面131のうち、凹部121aに隣接する部分がはじめに露出する。そして、圧電体層130の上端面131は、凹部121aの近傍から次第に外部に露出する。これにより、圧電体層130における凹部121aの上端角部が面取りされ、第1角部134が形成される。
図15は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の上端面まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。フォトレジスト1を設けた状態でドライエッチングを行うことにより、図15に示すように、第1角部134が形成されつつ、凹部121aが活性層170の上端面171に達するまで、凹部121aが掘り下げられる。
図14および図15に示すように、凹部121aの上端角部が上記のように面取りされるため、第1角部134は、フォトレジスト1において凹部121aに隣接する部分の外形に倣った外形を有している。
図16は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、活性層に凹部を設けた状態を示す断面図である。図16に示すように、凹部121aの底面となっている活性層170の上端面171において、活性層170の一部をエッチングすることにより、活性層170に凹部121bを設ける。凹部121bは、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100の貫通溝121の一部分に相当する。
活性層170に凹部121bを設けた後、上記エッチングのために活性層170およびその他の部材に塗布されていたレジストを除去する。
なお、本実施形態においては、貫通溝121の形成のために、活性層170にのみ凹部121bが設けられるが、凹部121bの底面は、上側基部110bまたは下側基部110aに位置していてもよい。
図17は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層に凹部が設けられた状態で、活性層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。図17に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス100の製造方法においては、活性層170の上端面171上の少なくとも凹部121bに隣接する部分において、フォトレジスト2を設ける。凹部121bには、フォトレジスト2は設けない。
図17に示すように、フォトレジスト2は、凹部121bの上方において凹部121bと連続するように配置された貫通溝を有している。フォトレジスト2における貫通溝は、貫通溝の幅が、活性層170側とは反対側から下方に向かって次第に狭くなっている部分を有している。言い換えると、活性層170の上端面131の面方向において、フォトレジスト2の厚さは、凹部121bに近づくに従って薄くなっている。
本実施形態において、フォトレジスト2には、貫通溝が設けられることで一対の内側面が形成されており、フォトレジスト2における一対の内側面の各々は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している部分を有している。
次に、フォトレジスト2が設けられた状態においてドライエッチングを行うことにより、凹部121bの深さをさらに深くする。当該ドライエッチングにおいては、同時にフォトレジスト2の外表面を溶融させる。これにより、凹部121bに近づくに従って薄くなっているフォトレジスト2が溶融することで、活性層170の上端面171のうち、凹部121bに隣接する部分がはじめに露出する。そして、活性層170の上端面171は、凹部121bの近傍から次第に外部に露出する。これにより、活性層170における凹部121bの上端角部が面取りされ、第2角部172が形成される。
図18は、本発明の実施形態1に係る圧電デバイスの製造方法において、下側基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。フォトレジスト2を設けた状態でドライエッチングを行うことにより、図18に示すように、第2角部172が形成されつつ、凹部121bの底面が下側基部110aの内部に達するまで、凹部121bが掘り下げられる。
図17および図18に示すように、凹部121bの上端角部が上記のように面取りされるため、第2角部172は、フォトレジスト2において凹部121bに隣接する部分の上面の外形に倣った外形を有している。
最後に、基部110の下側主面112側から基部110に対して、深掘反応性イオンエッチング(Deep RIE:Deep Reactive Ion Etching)などにより、基部110に開口部113を形成する。これにより、本実施形態に係る圧電デバイス100において、圧電駆動部120が形成される。なお、第1外部電極層181および第2外部電極層182の各々は、圧電駆動部120を形成する直前に設けられてもよい。
上記の工程により、図2に示すような本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100が製造される。
上記のように、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100においては、圧電駆動部120には、上下方向に貫通する貫通溝121が設けられていることにより、一対の内側面122が形成されている。一対の内側面122の各々は、貫通溝121の幅が、圧電体層130の上端面131から下方に向かって次第に狭くなっている第1狭幅部123を含んでいる。
これにより、圧電駆動部120において貫通溝121に面している部分の歪みを小さくして、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、圧電駆動部120が、基部110に間接的に支持されて、基部110より上側に位置しており、かつ、基部110に重なっていない。
これにより、圧電駆動部120をメンブレン構造で構成することができる。ひいては、圧電デバイス100を薄膜化することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、圧電体層130は、圧電体層130の上端面131と連続しつつ第1狭幅部123の少なくとも一部を構成する第1角部134を有している。第1角部134は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している。
これにより、圧電駆動部120において貫通溝121に面している部分のうち歪み量の大きい圧電体層130での歪みを小さくして、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、一対の内側面122の各々は、貫通溝121の幅が活性層170の上端面171から下方に向かって次第に狭くなっている第2狭幅部をさらに含んでいる。
これにより、圧電駆動部120において貫通溝121に面している部分のうち、圧電体層130の下方においても歪みを小さくすることができ、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、活性層170は、活性層170の上端面171と連続しつつ第2狭幅部124の少なくとも一部を構成する第2角部172を有している。第2角部172は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している。第1角部134の曲率半径と、第2角部172の曲率半径とが、互いに異なっている。
これにより、圧電体層130および活性層170の各々において歪みを緩和するために、各角部の最適な曲率半径を設定することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、圧電体層130は、単結晶圧電体で構成されている。単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、圧電駆動部120の積層方向に対して傾いている。
これにより、圧電駆動部120の上下方向と平面方向の各々の熱膨張係数差を小さくすることができるため、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、圧電駆動部120の積層方向と直交していない。
これにより、圧電デバイス100の電的特性の低下を抑制するとともに、電圧印加による圧電駆動部120の歪み量の低下を抑制して圧電デバイス100の圧電特性を向上させることができる。
本実施形態に係る圧電デバイス100においては、圧電体層130の熱膨張係数が、圧電駆動部120の積層方向と平面方向とで互いに異なっている。
これにより、圧電体層130として種々の材料を採用することができる。なお、本実施形態においては、一対の内側面122が第1狭幅部123を含んでいる。このため、圧電体層130の熱膨張係数が上記2方向において互いに異なっていても、圧電駆動部120において貫通溝121に面している部分の歪みが小さくなり、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
(実施形態2)
以下、実施形態2に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態2に係る圧電デバイスは、貫通溝および一対の内側面の構成が、実施形態1に係る圧電デバイス100と異なる。よって、本発明の実施形態1と同様である構成については説明を繰り返さない。
図19は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの断面図である。図19に示す圧電デバイスの断面図は、図2に示す圧電デバイス100の断面図と同一の断面視にて図示している。
図19に示すように、圧電体層130は、圧電体層130の上端面131と連続しつつ第1狭幅部223の少なくとも一部を構成する第1傾斜部234を有している。本実施形態においては、第1狭幅部223は、圧電体層130における一対の内側面222の各々の全面を構成している。また、本実施形態においては、第1狭幅部223の全部が第1傾斜部234で構成されている。
なお、第1狭幅部223のうちの一部が、第1傾斜部234で構成されていてもよい。この場合、第1狭幅部223のうち第1傾斜部234より下側の部分が、斜め上方に向かって凸状に湾曲していてもよい。
図19に示すように、活性層170は、活性層170の上端面171と連続しつつ第2狭幅部224の少なくとも一部を構成する第2傾斜部272を有している。本実施形態においては、第2狭幅部224は、活性層170における一対の内側面222の各々の全面を構成している。また、本実施形態においては、第2狭幅部224の全部が第2傾斜部272で構成されている。
なお、第2狭幅部224のうちの一部が、第2傾斜部272で構成されていてもよい。この場合、第2狭幅部224のうち第2傾斜部272より下側の部分が、斜め上方に向かって凸状に湾曲していてもよい。
以下、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
図20は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。まず、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100の製造方法と同様にして、圧電体層130の一部をエッチングすることにより、圧電体層130に凹部221aを設ける。凹部221aを設けたあと、上記エッチングのために圧電体層130およびその他の部材に塗布されていたフォトレジストを除去する。次に、図20に示すように、圧電体層130の上端面131上の少なくとも凹部221aに隣接する部分において、フォトレジスト3を設ける。凹部221aには、フォトレジスト3は設けない。
図20に示すように、フォトレジスト3は、凹部221aの上方において凹部221aと連続するように配置された貫通溝を有している。フォトレジスト3における貫通溝は、貫通溝の幅が、下方に向かって次第に狭くなっている部分を有している。言い換えると、圧電体層130の上端面131の面方向において、フォトレジスト3の厚さは、凹部221aに近づくに従って薄くなっている。
本実施形態において、フォトレジスト3には、貫通溝が設けられることにより、一対の内側面が形成されている。フォトレジスト3における一対の内側面の各々は、貫通溝の中心軸から離れるように、斜め上方に向かって延在することで平面状に形成されている。
次に、フォトレジスト3が設けられた状態においてドライエッチングを行うことにより、凹部221aの深さをさらに深くする。当該ドライエッチングにおいては、同時にフォトレジスト3の外表面を溶融させる。本発明の実施形態1におけるフォトレジスト1と同様に、フォトレジスト3が溶融することにより、凹部221aの上端角部が面取りされ、第1傾斜部234が形成される。
図21は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の上端面まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。フォトレジスト3を設けた状態でドライエッチングを行うことにより、図21に示すように、第1傾斜部234が形成されつつ、凹部221aが活性層170の上端面171に達するまで、凹部221aが掘り下げられる。
図20および図21に示すように、凹部221aの上端角部が上記のように面取りされるため、第1傾斜部234は、フォトレジスト3において凹部221aに隣接する部分の外形に倣った外形を有している。
図22は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、活性層に凹部を設けた状態を示す断面図である。図22に示すように、凹部221aの底面となっている活性層170の上端面171において、活性層170の一部をエッチングすることにより、活性層170に凹部221bを設ける。凹部221bは、本発明の実施形態2に係る圧電デバイス100の貫通溝221の一部分に相当する。
活性層170に凹部221bを設けた後、上記エッチングのために活性層170およびその他の部材に塗布されていたレジストを除去する。
図23は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層に凹部が設けられた状態で、活性層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。図23に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス200の製造方法においては、活性層170の上端面171上の少なくとも凹部221bに隣接する部分において、フォトレジスト4を設ける。凹部221bには、フォトレジスト4は設けない。
図23に示すように、フォトレジスト4は、凹部221bの上方において凹部221bと連続するように配置された貫通溝を有している。フォトレジスト4における貫通溝は、貫通溝の幅が下方に向かって次第に狭くなっている部分を有している。言い換えると、活性層170の上端面171の面方向において、フォトレジスト4の厚さは、凹部221bに近づくに従って薄くなっている。
本実施形態において、フォトレジスト4には、貫通溝が設けられることにより、一対の内側面が形成されている。フォトレジスト4における一対の内側面の各々は、貫通溝の中心から離れる方向に斜め上方に向かって延在することにより平面状に形成されている。
次に、フォトレジスト4が設けられた状態においてドライエッチングを行うことにより、凹部221bの深さをさらに深くする。当該ドライエッチングにおいては、同時にフォトレジスト4の外表面を溶融させる。本発明の実施形態1におけるフォトレジスト2と同様に、フォトレジスト4が溶融することにより、凹部221bの上端角部が面取りされ、第2傾斜部272が形成される。
図24は、本発明の実施形態2に係る圧電デバイスの製造方法において、下側基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。フォトレジスト4を設けた状態でドライエッチングを行うことにより、図24に示すように、第2傾斜部272が形成されつつ、凹部221bの底面が下側基部110aの内部に達するまで、凹部221bが掘り下げられる。
図23および図24に示すように、凹部221bの上端角部が上記のように面取りされるため、第2傾斜部272は、フォトレジスト4において凹部221bに隣接する部分の外形に倣った外形を有している。
最後に、基部110の下側主面112側から基部110に対して、深掘反応性イオンエッチングなどにより、基部110に開口部113を形成する。これにより、本実施形態に係る圧電デバイス200において、圧電駆動部120が形成される。
上記の工程により、図19に示すような本発明の実施形態2に係る圧電デバイス200が製造される。
上記のように、本発明の実施形態2に係る圧電デバイス200においては、圧電体層130は、圧電体層130の上端面131と連続しつつ第1狭幅部223の少なくとも一部を構成する第1傾斜部234を有している。
これにより、圧電駆動部120において貫通溝121に面している部分のうち歪み量の大きい圧電体層130の歪みを小さくして、圧電デバイス100の電気的特性の低下を抑制することができる。
(実施形態3)
以下、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態3に係る圧電デバイスは、主に、圧電駆動部および基部の各々の構成が、実施形態1に係る圧電デバイス100と異なる。よって、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100と同様である構成については説明を繰り返さない。
図25は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの断面図である。図25に示す圧電デバイス300の断面図は、図2に示す圧電デバイス100の断面図と同一の断面視にて図示している。
図25に示すように、本発明の実施形態3に係る圧電デバイス300において、基部310は一つの層で構成されている。基部310を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において、基部310はSiで構成されている。
図25に示すように、本発明の実施形態3においては、中間層360が、開口部113の上方を覆うように、基部310の上側主面311上に積層されている。このため、本実施形態においては、開口部113に中間層360の下面が露出している。このように、本実施形態において、圧電駆動部120を構成する上記複数の層は、活性層を含んでいない。
以下、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
図26は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。まず、本発明の実施形態1に係る圧電デバイス100の製造方法と同様にして、圧電体層130の下側に、エッチングストップ層155、下部電極層150を設ける。次に、図26に示すように、CVD法またはPVD法などにより、下部電極層150および圧電体層130の各々の下面に、中間層360を設ける。
図27は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。図27に示すように、中間層360の下面を化学機械研磨などにより、平坦にする。
図28は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させる状態を示す断面図である。図29は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させた状態を示す断面図である。
図28および図29に示すように、中間層360の下面に、基部110を接合させる。このとき、基部110には開口部113は形成されていない。
図30は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。図30に示すように、圧電体層130の上面をCMPなどにより削って、圧電体層130を所望の厚さにする。
図31は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の上端面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。図31に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、圧電体層130の上面の一部に、上部電極層140を設ける。
図32は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。図32に示すように、圧電体層130の一部をエッチングすることにより、孔部133を形成する。
図33は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、第1外部電極層および第2外部電極層の各々を設けた状態を示す断面図である。図33に示すように、リフトオフ法、めっき法またはエッチング法などにより、第1外部電極層181および第2外部電極層182の各々が設けられる。
図34は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、貫通溝の形成のために、圧電体層に凹部を設けた状態を示す断面図である。図34に示すように、圧電体層130の一部をエッチングすることにより、圧電体層130に凹部321aを設ける。凹部321aが、本実施形態に係る圧電デバイス300の貫通溝321の一部分に相当する。
圧電体層130に凹部321aを設けた後、上記エッチングのために圧電体層130およびその他の部材に塗布されていたフォトレジストを除去する。
なお、本実施形態においては、貫通溝321の形成のために、圧電体層130および下部電極層150の各々を貫通し、かつ、底面が中間層360に達するように凹部121aが設けられるが、凹部121aは、圧電体層130にのみ設けられてもよい。
図35は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に凹部が設けられた状態で、圧電体層の上端面にフォトレジストを塗布した状態を示す、上記凹部近傍の拡大断面図である。図35に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス300の製造方法においては、圧電体層130の上端面131上の少なくとも凹部321aに隣接する部分において、フォトレジスト5を設ける。凹部321aには、フォトレジスト5は設けない。
図35に示すように、フォトレジスト5は、凹部321aの上方において凹部321aと連続するように配置された貫通溝を有している。フォトレジスト5における貫通溝は、貫通溝の幅が、下方に向かって次第に狭くなっている部分を有している。言い換えると、圧電体層130の上端面131の面方向において、フォトレジスト5の厚さは、凹部121aに近づくに従って薄くなっている。
本実施形態において、フォトレジスト5には、貫通溝が設けられることにより、一対の内側面が形成されており、フォトレジスト5における一対の内側面の各々は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している部分を有している。
次に、フォトレジスト5が設けられた状態においてドライエッチングを行うことにより、凹部321aの深さをさらに深くする。当該ドライエッチングにおいては、同時にフォトレジスト5の外表面を溶融させる。本発明の実施形態1におけるフォトレジスト1と同様にフォトレジスト5が溶融することにより、圧電体層130における凹部321aの上端角部が面取りされ、第1角部134が形成される。
図36は、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスの製造方法において、基部まで凹部を掘り下げた状態を示す図である。フォトレジスト5を設けた状態でドライエッチングを行うことにより、図36に示すように、第1角部134が形成されつつ、凹部321aの底面が基部310の内部に達するまで、凹部321aが掘り下げられる。
図35および図36に示すように、凹部321aの上端角部が上記のように面取りされるため、第1角部134は、フォトレジスト5において凹部321aに隣接する部分の上面の外形に倣った外形を有している。
最後に、基部310の下側主面312側から基部310に対して、深掘反応性イオンエッチングなどにより、基部310に開口部113を形成する。これにより、本実施形態に係る圧電デバイス300において、圧電駆動部120が形成される。なお、第1外部電極層181および第2外部電極層182の各々は、圧電駆動部120を形成する直前に設けられてもよい。
上記の工程により、図25に示すような本発明の実施形態3に係る圧電デバイス300が製造される。
このように、本発明の実施形態3に係る圧電デバイス300においても、一対の内側面122の各々は、貫通溝321の幅が、圧電体層130の上端面131から下方に向かって次第に狭くなっている第1狭幅部123を含んでいる。これにより、本発明の実施形態3に係る圧電デバイスにおいては、圧電駆動部120において貫通溝321に面している部分の歪みを小さくして、圧電デバイス300の電気的特性の低下を抑制することができる。
上記の実施形態において、互いに組み合わせ可能な構成を適宜組み合わせてもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,2,3,4,5 フォトレジスト、10 積層体、100,200,300 圧電デバイス、110,310 基部、110a 下側基部、110b 上側基部、111,311 上側主面、112,312 下側主面、113 開口部、120 圧電駆動部、121,221,321 貫通溝、121a,121b,221a,221b,321a 凹部、122,222 内側面、123,223 第1狭幅部、124,224 第2狭幅部、130 圧電体層、131,171 上端面、132 下端面、133 孔部、134 第1角部、140 上部電極層、150 下部電極層、155 エッチングストップ層、160,360 中間層、170 活性層、172 第2角部、181 第1外部電極層、182 第2外部電極層、234 第1傾斜部、272 第2傾斜部。

Claims (7)

  1. 基部と、
    前記基部に直接的または間接的に支持された、複数の層からなる圧電駆動部とを備え、
    前記圧電駆動部は、圧電体層と、該圧電体層の上側に配置された上部電極層と、前記圧電体層を挟んで前記上部電極層の少なくとも一部に対向するように配置された下部電極層とを含み、
    前記圧電駆動部には、上下方向に貫通する貫通溝が設けられていることにより、一対の内側面が形成されており、
    前記一対の内側面の各々は、前記貫通溝の幅が前記圧電体層の上端面から下方に向かって次第に狭くなっている第1狭幅部を含んでおり、
    前記圧電体層は、前記圧電体層の上端面と連続しつつ前記第1狭幅部の少なくとも一部を構成する第1角部を有しており、
    前記第1角部は、斜め上方に向かって凸状に湾曲している、圧電デバイス。
  2. 前記圧電駆動部は、前記基部に間接的に支持されて、前記基部より上側に位置しており、かつ、前記基部に重なっていない、請求項1に記載の圧電デバイス。
  3. 前記圧電駆動部は、前記下部電極層および前記圧電体層の各々の下方に配置された活性層をさらに含み、
    前記一対の内側面の各々は、前記貫通溝の前記幅が前記活性層の上端面から下方に向かって次第に狭くなっている第2狭幅部をさらに含んでいる、請求項1または請求項に記載の圧電デバイス。
  4. 前記圧電駆動部は、前記下部電極層および前記圧電体層の各々の下方に配置された活性層をさらに含み、
    前記一対の内側面の各々は、前記貫通溝の前記幅が前記活性層の上端面から下方に向かって次第に狭くなっている第2狭幅部をさらに含んでおり、
    前記活性層は、前記活性層の上端面と連続しつつ前記第2狭幅部の少なくとも一部を構成する第2角部を有しており、
    前記第2角部は、斜め上方に向かって凸状に湾曲しており、
    前記第1角部の曲率半径と、前記第2角部の曲率半径とが、互いに異なっている、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  5. 前記圧電体層は、単結晶圧電体で構成されており、
    前記単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、前記圧電駆動部の積層方向に対して傾いている、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  6. 前記単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、前記圧電駆動部の積層方向と直交していない、請求項に記載の圧電デバイス。
  7. 前記圧電体層の熱膨張係数が、前記圧電駆動部の積層方向と平面方向とで互いに異なっている、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
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