JPH04184985A - 圧電体変位素子の製造方法 - Google Patents
圧電体変位素子の製造方法Info
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- JPH04184985A JPH04184985A JP2312699A JP31269990A JPH04184985A JP H04184985 A JPH04184985 A JP H04184985A JP 2312699 A JP2312699 A JP 2312699A JP 31269990 A JP31269990 A JP 31269990A JP H04184985 A JPH04184985 A JP H04184985A
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Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、モノリシックタイプの圧電体変位素子の製造
方法に関し、詳しくは走査型トンネル電子顕微鏡（以後
ＳＴＭと略す）もしくはＳＴＭを応用した装置に係る圧
電体変位素子の製造方法に関するものである。
方法に関し、詳しくは走査型トンネル電子顕微鏡（以後
ＳＴＭと略す）もしくはＳＴＭを応用した装置に係る圧
電体変位素子の製造方法に関するものである。
［従来の技術］
近年、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる走査
型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）が開発され、単結晶、
非晶質を問わず実空間像の高い分解能の測定ができるよ
うになった。ＳＴＭはプローブ電極と呼ばれる金属の探
針と導電性物質の間に電圧を加えてｉｎｎ程度の距離ま
で近づけるとトンネル電流が流れることを利用している
。トンネル電流は両者の距離変化に敏感であり、探針を
走査することにより実空間の表面構造を描くことができ
ると同時に表面原子の電子状態に関する種々の情報を読
み取ることができるため、ＳＴＭは高密度記録再生装置
など広範囲な応用が期待されている。
型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）が開発され、単結晶、
非晶質を問わず実空間像の高い分解能の測定ができるよ
うになった。ＳＴＭはプローブ電極と呼ばれる金属の探
針と導電性物質の間に電圧を加えてｉｎｎ程度の距離ま
で近づけるとトンネル電流が流れることを利用している
。トンネル電流は両者の距離変化に敏感であり、探針を
走査することにより実空間の表面構造を描くことができ
ると同時に表面原子の電子状態に関する種々の情報を読
み取ることができるため、ＳＴＭは高密度記録再生装置
など広範囲な応用が期待されている。
最近ＳＴＭの探針をシリコンチップに形成された圧電体
変位素子に取り付けることが試みられている。これを半
導体プロセス技術を利用して圧電体薄膜をバイモルフ構
成に積層した片持ばりの圧電体変位素子と、その先端に
トンネル電流を検出するために取り付けられた探針とか
ら成るもので、第２図にこのような圧電体変位素子の列
が示しである。ここで８は圧電体薄膜、７は電極、１１
はトンネル電流を検出するための探針を示す、探針１１
は電極７に電圧を印加することにより変位させることが
できる。このような圧電体変位素子は、ＳＴＭを小型化
できる、探針の走査を高速化できる、マルチ化が容易に
なる、片持ばりの駆動に関する電気回路系を半導体チッ
プ上に一体形成できる、などの多くの利点を有している
。
変位素子に取り付けることが試みられている。これを半
導体プロセス技術を利用して圧電体薄膜をバイモルフ構
成に積層した片持ばりの圧電体変位素子と、その先端に
トンネル電流を検出するために取り付けられた探針とか
ら成るもので、第２図にこのような圧電体変位素子の列
が示しである。ここで８は圧電体薄膜、７は電極、１１
はトンネル電流を検出するための探針を示す、探針１１
は電極７に電圧を印加することにより変位させることが
できる。このような圧電体変位素子は、ＳＴＭを小型化
できる、探針の走査を高速化できる、マルチ化が容易に
なる、片持ばりの駆動に関する電気回路系を半導体チッ
プ上に一体形成できる、などの多くの利点を有している
。
［発明が解決しようとしている課題］
しかしながら、このモノリシックタイプの圧電体変位素
子には、その変位量が小さいという欠点があった。変位
量を大きくするためには、片持ばりの長さを大きくする
、圧電体薄膜を厚くするなど方法が考えられる。だが、
片持ばりの長さを大きくすると、トンネル電極を走査す
る際の共振周波数が低くなってしまい、また圧電体薄膜
を厚くすると駆動に必要な電圧が大きくなってしまうな
どのデメリットが生じるため、このような方法は得策で
はない。従って変位量を大きくするためには圧電体薄膜
に圧電特性のすぐれた材料を用いることが最も望まれる
方法である。
子には、その変位量が小さいという欠点があった。変位
量を大きくするためには、片持ばりの長さを大きくする
、圧電体薄膜を厚くするなど方法が考えられる。だが、
片持ばりの長さを大きくすると、トンネル電極を走査す
る際の共振周波数が低くなってしまい、また圧電体薄膜
を厚くすると駆動に必要な電圧が大きくなってしまうな
どのデメリットが生じるため、このような方法は得策で
はない。従って変位量を大きくするためには圧電体薄膜
に圧電特性のすぐれた材料を用いることが最も望まれる
方法である。
現在知られている圧電材料のうち、圧電定数、電気機械
結合係数の大籾なものとしては、Ｐ ｂ Ｚ ｒ Ｏｓ
−Ｐ ｂ Ｔ ｉ ０３を主要構成分として含むもの
があげられる。中でもチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺ
Ｔと略す）は代表的な圧電材料であり、その圧電定数は
、窒化アルミニウム（ＡＪＩＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）
より一桁以上大きい。ところが薄膜化に関して、上記材
料系は基板に高融点で、化学的に安定でかつ格子定数な
ど結晶的性質の似ているものを用い、さらに基板温度を
高温にして成膜しないとすぐれた圧電特性を示す薄膜が
得られていないのが現状である。
結合係数の大籾なものとしては、Ｐ ｂ Ｚ ｒ Ｏｓ
−Ｐ ｂ Ｔ ｉ ０３を主要構成分として含むもの
があげられる。中でもチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺ
Ｔと略す）は代表的な圧電材料であり、その圧電定数は
、窒化アルミニウム（ＡＪＩＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）
より一桁以上大きい。ところが薄膜化に関して、上記材
料系は基板に高融点で、化学的に安定でかつ格子定数な
ど結晶的性質の似ているものを用い、さらに基板温度を
高温にして成膜しないとすぐれた圧電特性を示す薄膜が
得られていないのが現状である。
モノリシックタイプの圧電体変位素子を製造する場合、
その製造工程は、電気回路系の形成と片持ばりの形成に
大別できるが、電気回路系の形成（ＩＣプロセス）は片
持ばりの形成より複雑かつ微細な加工が必要なため、片
持ばりの形成前に形成される。
その製造工程は、電気回路系の形成と片持ばりの形成に
大別できるが、電気回路系の形成（ＩＣプロセス）は片
持ばりの形成より複雑かつ微細な加工が必要なため、片
持ばりの形成前に形成される。
しかしながら、このようにして形成された電気回路系は
ＰＺＴに代表されるような圧電特性のすぐれた材料を薄
膜化する際の形成温度に耐えられないため、従来の圧電
体変位素子においては低温で薄膜化のできるＡｕＮやＺ
ｎＯが用いられ、小さな変位量で満足しなければならな
かった。
ＰＺＴに代表されるような圧電特性のすぐれた材料を薄
膜化する際の形成温度に耐えられないため、従来の圧電
体変位素子においては低温で薄膜化のできるＡｕＮやＺ
ｎＯが用いられ、小さな変位量で満足しなければならな
かった。
［課題を解決するための手段及び作用］本発明は、一端
が半導体チップの本体に固定され且つ圧電体薄膜と電極
がバイモルフを構成するように積層された片持ばりと、
上記片持ばりの自由端を変位させるための駆動系に関す
る電気回路のすくなくとも一部が形成されている上記半
導体チップとから成る圧電体変位素子の製造方法におい
て、 上記半導体チップ上に上記片持ばりと上記電気回路を形
成する際、電気回路をコンタクトパターニングの直前の
工程までに形成し、次に圧電体薄膜および電極を積層し
、しかるのちにコンタクトパターニングを行うことを特
徴とする圧電体変位素子の製造方法に係るものである。
が半導体チップの本体に固定され且つ圧電体薄膜と電極
がバイモルフを構成するように積層された片持ばりと、
上記片持ばりの自由端を変位させるための駆動系に関す
る電気回路のすくなくとも一部が形成されている上記半
導体チップとから成る圧電体変位素子の製造方法におい
て、 上記半導体チップ上に上記片持ばりと上記電気回路を形
成する際、電気回路をコンタクトパターニングの直前の
工程までに形成し、次に圧電体薄膜および電極を積層し
、しかるのちにコンタクトパターニングを行うことを特
徴とする圧電体変位素子の製造方法に係るものである。
本発明によれば、電気回路系を劣化させずに圧電性のす
ぐれたＰＺＴ系材料による薄膜バイモルフの形成を可能
にするものであり、これにより変位量の大きな圧電体変
位素子を得ることができる。
ぐれたＰＺＴ系材料による薄膜バイモルフの形成を可能
にするものであり、これにより変位量の大きな圧電体変
位素子を得ることができる。
すなわち、ＰＺＴ系の薄膜化において、その形成温度は
およそ７００℃に達するが、ここにおいて電気回路系が
制限を受けるのは配線用電極および電極と半導体素子と
のコンタクトに問題が生じるからであるが、本発明はコ
ンタクトパターニングを行う前に圧電体材料の薄膜形成
を行うことによりこの問題を回避するものである。
およそ７００℃に達するが、ここにおいて電気回路系が
制限を受けるのは配線用電極および電極と半導体素子と
のコンタクトに問題が生じるからであるが、本発明はコ
ンタクトパターニングを行う前に圧電体材料の薄膜形成
を行うことによりこの問題を回避するものである。
以下、実施例により具体的に説明する。
［実施例］
ｑユ
第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の製造方法を示す説明図
である。１は方位（１００）のｎ型基板、２はシリコン
酸化膜、３はＰウェル領域、４はＮ９層、５は２０層を
示し、第１図（ａ）はＭＯＳ集積回路のゲート酸化まで
終了した状態を示している。従来の工程では、次にコン
タクト領域内の酸化膜除去（コンタクト・パターニング
）になるが、本発明ではこれより圧電薄膜の形成を行う
。
である。１は方位（１００）のｎ型基板、２はシリコン
酸化膜、３はＰウェル領域、４はＮ９層、５は２０層を
示し、第１図（ａ）はＭＯＳ集積回路のゲート酸化まで
終了した状態を示している。従来の工程では、次にコン
タクト領域内の酸化膜除去（コンタクト・パターニング
）になるが、本発明ではこれより圧電薄膜の形成を行う
。
まず、第１図（ｂ）に示すようにａ−ＳｉＮ膜６を片持
ばりを形成する位置に形成する。ａ−３ｉＮ膜６はＭＯ
Ｓ集積回路の工程で必ずしも第１図（ａ）の後に行う必
要はなく、それ以前の工程で形成されていても問題はな
い、形成法はプラズマＣＶＤやＬＰ−ＣＶＤなどがあげ
られる。プラズマＣＶＤの場合は、ガス流量ＳＳｉＨ４
１ＯＳＣＣ，ＮＨ３２０ＳＣＣＭ、圧力６０Ｐａ、形成
温度２５０〜３５０℃にて行い、ＬＰＧＶＤの場合はガ
ス流量５ｉＨ２Ｃｊ！。
ばりを形成する位置に形成する。ａ−３ｉＮ膜６はＭＯ
Ｓ集積回路の工程で必ずしも第１図（ａ）の後に行う必
要はなく、それ以前の工程で形成されていても問題はな
い、形成法はプラズマＣＶＤやＬＰ−ＣＶＤなどがあげ
られる。プラズマＣＶＤの場合は、ガス流量ＳＳｉＨ４
１ＯＳＣＣ，ＮＨ３２０ＳＣＣＭ、圧力６０Ｐａ、形成
温度２５０〜３５０℃にて行い、ＬＰＧＶＤの場合はガ
ス流量５ｉＨ２Ｃｊ！。
５０ Ｓ ＣＣＭ 、 Ｎ Ｈｓ ３００ Ｓ ＣＣＭ
、 Ｎ ２２５００ＳＣＣＭ、圧力４０Ｐａ、形成温
度７００〜７５０℃にて行った。膜厚は０．２μｍとし
た。
、 Ｎ ２２５００ＳＣＣＭ、圧力４０Ｐａ、形成温
度７００〜７５０℃にて行った。膜厚は０．２μｍとし
た。
次に電極７および圧電体薄膜８の形成を行う。
電極７としてはｐｔを用いた０作製法はＲＦマグネトロ
ンスパッタ法により、形成温度は７００℃、膜厚は０．
１μｍとした。この時のｐｔは＜１１１＞軸方向に配向
成長していることがＸ線回折より確認されており、＜１
１１＞軸のロッキング曲線の半値巾は５°以下であった
。圧電体薄膜８としては、Ｐｂ （Ｚｒｏ、ｓ Ｔｉｏ
、ｓ ）Ｏｓを用いた０作製法はＲＦマグネトロンスパ
ッタ法によった。ターゲットは、組成Ｐｂ（Ｚｒ、、。
ンスパッタ法により、形成温度は７００℃、膜厚は０．
１μｍとした。この時のｐｔは＜１１１＞軸方向に配向
成長していることがＸ線回折より確認されており、＜１
１１＞軸のロッキング曲線の半値巾は５°以下であった
。圧電体薄膜８としては、Ｐｂ （Ｚｒｏ、ｓ Ｔｉｏ
、ｓ ）Ｏｓを用いた０作製法はＲＦマグネトロンスパ
ッタ法によった。ターゲットは、組成Ｐｂ（Ｚｒ、、。
Ｔｉｏ鳳）Ｏｓの焼結体ターゲットを使用し、Ａｒ６０
％および０２４０％の混合雰囲気で圧力０．４Ｐａ、形
成温度６２０℃にて形成した。膜厚は１μｍとした。こ
のようにして得られたＰＺＴ膜は＜１１１＞軸配向して
おり、＜１１１＞軸のＸ線ロッキングカーブの半値巾は
５°以下であった。電極フと圧電体薄膜８は第１図（ｅ
）に示すように順次積層される。なお電極７と圧電体薄
膜８のパターニングはＡｔのイオンミリングによった。
％および０２４０％の混合雰囲気で圧力０．４Ｐａ、形
成温度６２０℃にて形成した。膜厚は１μｍとした。こ
のようにして得られたＰＺＴ膜は＜１１１＞軸配向して
おり、＜１１１＞軸のＸ線ロッキングカーブの半値巾は
５°以下であった。電極フと圧電体薄膜８は第１図（ｅ
）に示すように順次積層される。なお電極７と圧電体薄
膜８のパターニングはＡｔのイオンミリングによった。
電極７と圧電体薄１Ｉｉ８をバイモルフ構成に積層した
後コンタクトパターニングを行い、コンタクト領域内の
酸化膜を除去した（第１図（ｄ））。
後コンタクトパターニングを行い、コンタクト領域内の
酸化膜を除去した（第１図（ｄ））。
次に配線パターニングを行い、電極９を形成した（第１
図（ｅ））。
図（ｅ））。
片持ばりの形成はシリコンウェハーの異方性エツチング
を利用する。まず素子全体に保護層１０としてａ−Ｓｉ
ＮｌｉをプラズマＣＶＤにて形成する０次にａ−ＳｉＮ
膜をパターニングしてエツチングした後、ＫＯＨ溶液に
よりシリコン基板を異方性エツチングすることにより片
持ばりを形成した（第１図（ｆ））。
を利用する。まず素子全体に保護層１０としてａ−Ｓｉ
ＮｌｉをプラズマＣＶＤにて形成する０次にａ−ＳｉＮ
膜をパターニングしてエツチングした後、ＫＯＨ溶液に
よりシリコン基板を異方性エツチングすることにより片
持ばりを形成した（第１図（ｆ））。
以上のようにコンタクトパターニングを行う前の工程に
圧電体薄膜８の形成を行ったため、ＭＯＳ集積回路の電
極コンタクトに膜はがれなどの問題が発生することなく
、良好な圧電体変位素子を得ることができた。
圧電体薄膜８の形成を行ったため、ＭＯＳ集積回路の電
極コンタクトに膜はがれなどの問題が発生することなく
、良好な圧電体変位素子を得ることができた。
夫Ｉｆｆユ
圧電体薄膜８としてチタン酸ランタン鉛（ＰＬＴ）を用
いた０作製法はＲＦマグネトロンスパッタ法によった。
いた０作製法はＲＦマグネトロンスパッタ法によった。
ターゲットはＰｂＯ，？ｔＬ ａ 、、、、’ｒ ｉ
、、 ｌａｏ 、焼結体を使用し、Ａｒ６０％および０
２４０％混合雰囲気で圧力０．４Ｐａ、形成温度５８０
℃にて形成した。他の工程はすべて実施例１と同様にし
て圧電体変位素子を作製したところ、電気回路部に不良
が発生せず、良好な圧電体変位素子を得ることができた
。
、、 ｌａｏ 、焼結体を使用し、Ａｒ６０％および０
２４０％混合雰囲気で圧力０．４Ｐａ、形成温度５８０
℃にて形成した。他の工程はすべて実施例１と同様にし
て圧電体変位素子を作製したところ、電気回路部に不良
が発生せず、良好な圧電体変位素子を得ることができた
。
［発明の効果］
以上説明したようにコンタクトパターニングの前に圧電
体薄膜バイモルフを形成することにより、バイモルフ形
成時の温度が高いＰＺＴ系材料を用いることができ、変
位量の大きなモノリシックタイプの圧電体変位素子を作
製することができる。
体薄膜バイモルフを形成することにより、バイモルフ形
成時の温度が高いＰＺＴ系材料を用いることができ、変
位量の大きなモノリシックタイプの圧電体変位素子を作
製することができる。
第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の製造工程図を示す。
第２図は、ＳＴＭの探針が取り付けられた圧電体変位素
子を示す。 １・・・シリコン（１００基板） ２・・・シリコン酸化膜
子を示す。 １・・・シリコン（１００基板） ２・・・シリコン酸化膜
Claims (2)
- （１） 一端が半導体チップの本体に固定され且つ圧電
体薄膜と電極がバイモルフを構成するように積層された
片持ばりと、上記片持ばりの自由端を変位させるための
駆動系に関する電気回路のすくなくとも一部が形成され
ている上記半導体チップとから成る圧電体変位素子の製
造方法において、上記半導体チップ上に上記片持ばりと
上記電気回路を形成する際、電気回路をコンタクトパタ
ーニングの直前の工程までに形成し、次に圧電体薄膜お
よび電極を積層し、しかるのちにコンタクトパターニン
グを行うことを特徴とする圧電体変位素子の製造方法。 - （２） 前記圧電体薄膜がチタン酸ジルコン酸鉛、チタ
ン酸ランタン鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛のいず
れかである請求項（１）に記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2312699A JPH04184985A (ja) | 1990-11-20 | 1990-11-20 | 圧電体変位素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2312699A JPH04184985A (ja) | 1990-11-20 | 1990-11-20 | 圧電体変位素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04184985A true JPH04184985A (ja) | 1992-07-01 |
Family
ID=18032367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2312699A Pending JPH04184985A (ja) | 1990-11-20 | 1990-11-20 | 圧電体変位素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04184985A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6209992B1 (en) * | 1996-02-22 | 2001-04-03 | Seiko Epson Corporation | Ink-jet recording head, ink-jet recording apparatus using the same, and method for producing ink-jet recording head |
| JP2003017767A (ja) * | 2001-07-03 | 2003-01-17 | Sony Corp | 圧電素子 |
| US7098577B2 (en) | 2002-10-21 | 2006-08-29 | Hrl Laboratories, Llc | Piezoelectric switch for tunable electronic components |
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