JPH1019574A - Manufacture of piezoelectric vibration angular velocity meter - Google Patents

Manufacture of piezoelectric vibration angular velocity meter

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Publication number
JPH1019574A
JPH1019574A JP16806196A JP16806196A JPH1019574A JP H1019574 A JPH1019574 A JP H1019574A JP 16806196 A JP16806196 A JP 16806196A JP 16806196 A JP16806196 A JP 16806196A JP H1019574 A JPH1019574 A JP H1019574A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
film
electrode
thin film
vibrator
Prior art date
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Pending
Application number
JP16806196A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuyoshi Ichijo
Shunji Watanabe
弥栄 一条
俊二 渡辺
Original Assignee
Nikon Corp
株式会社ニコン
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp, 株式会社ニコン filed Critical Nikon Corp
Priority to JP16806196A priority Critical patent/JPH1019574A/en
Publication of JPH1019574A publication Critical patent/JPH1019574A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately manufacture a vibrator base body and form a piezoelectric thin film without deteriorating electric characteristics, by forming the vibrator base body of a silicon single crystal by photolithography and anisotropic etching, forming the piezoelectric thin film on a lower electrode and it is subjected to a heat treatment. SOLUTION: A photoresist 210 is applied to the lower face of a wafer 10. The photoresist at a position where a vibrator is formed is removed by photolithography. An Si3 N4 film 202 without the photoresist is removed by reactive ion etching, thereby to expose silicon. Then, a photoresist 220 is applied to an upper face of the wafer to form a resist pattern of a lever part. Moreover, the Si3 N4 film is removed. A PZT (lead titanate zirconate) film 20 is formed with the use of a metal mask by RF sputtering. Subsequently, the PZT film is subjected to a heat treatment to be crystallized. Finally, an Al film is formed on the PZT thin film 20 as three split upper electrodes 30, 31, 40 by a lift-off method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶、自
動車等のナビゲーションシステムやこれらの姿勢制御
等、あるいはスチールカメラ、ビデオカメラ等の手振れ
や振動感知に使用する角速度計の製造方法、特に、圧電
材料を用いた圧電振動角速度計に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing an gyro for use in navigation systems of aircraft, ships, automobiles, etc., attitude control of these systems, and sensing of camera shake and vibration of steel cameras, video cameras, etc. The present invention relates to a piezoelectric vibration angular velocity meter using a piezoelectric material.
【0002】[0002]
【従来の技術】圧電振動角速度計は、振動している物体
に回転角速度が与えられたとき、その振動方向と垂直な
方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジ
ャイロスコープの一種である。図8及び図9は、従来の
圧電振動角速度計に使用される振動子の一例である。
(A)に斜視図、(B)に長さ方向から見た断面図を示
す。
2. Description of the Related Art A piezoelectric vibrating gyro is a type of gyroscope utilizing a mechanical phenomenon in which when a rotating angular velocity is given to a vibrating object, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the direction of vibration. 8 and 9 show an example of a vibrator used in a conventional piezoelectric vibration gyro.
(A) is a perspective view, and (B) is a cross-sectional view as viewed from the length direction.
【0003】図8の振動子300の基体は、断面が正方
形の四角柱310であり、弾性定数の温度変化が小さい
エリンバー合金で作製される。基体の各側面には、両面
に銀ペースト電極を形成した圧電材料、例えばPZT
(チタン酸ジルコン酸鉛)製の板311、312、31
3、314が貼り付けられる。PZT板311、312
に振動用の電圧が印加されると、PZT板が逆圧電効果
により振動し、金属基体310が(B)の上下方向に振
幅を持つように単振動する。このとき、金属基体310
の長さ方向に平行な軸の周りに、ある角速度を持った回
転が生じると、(B)の左右方向にコリオリ力が発生
し、金属基体310が(B)の左右方向に凹凸を持つよ
うに振動する。
The base of the vibrator 300 shown in FIG. 8 is a quadrangular prism 310 having a square cross section, and is made of an Elinvar alloy whose elastic constant has a small temperature change. On each side of the substrate, a piezoelectric material having silver paste electrodes formed on both sides, for example, PZT
(Lead zirconate titanate) plates 311, 312, 31
3, 314 are pasted. PZT plates 311 and 312
When the voltage for vibration is applied to the PZT plate, the PZT plate vibrates due to the inverse piezoelectric effect, and the metal base 310 vibrates in a simple manner so as to have an amplitude in the vertical direction of FIG. At this time, the metal base 310
When a rotation having a certain angular velocity occurs around an axis parallel to the length direction of (B), Coriolis force is generated in the left and right direction of (B), and the metal base 310 has irregularities in the left and right direction of (B). Vibrates.
【0004】検出用のPZT板313、314は、この
左右方向の振動を正圧電効果により電極に電圧として発
生させ、その電圧の差動を取ることにより、コリオリ力
に起因した、すなわち角速度に起因した信号を得ること
ができる。また、他の従来例として、基体自体を圧電材
料で形成した、三角柱あるいは円柱状の振動子がある。
図9は三角柱状の振動子の例である。振動子400は振
動子の基体410がPZT圧電材料で形成され、その各
側面には直接、銀ペーストによる電極411、412、
413が形成されている。電極413の垂直方向に凹凸
が発生するように基体410を振動中に長さ方向に平行
な軸の周りにある角度を持った回転が生じると、基体4
10の振動方向に垂直な方向にコリオリ力に起因した振
動が発生し、電極411、412に電圧が発生し、両者
の出力の差動を取ることによりコリオリ力に起因する信
号を得ることができる。
[0004] The PZT plates 313 and 314 for detection generate the vibration in the left and right directions as a voltage at the electrodes by the positive piezoelectric effect, and take a differential of the voltage, thereby causing the Coriolis force, that is, the angular velocity. Signal can be obtained. As another conventional example, there is a triangular or cylindrical vibrator in which a base itself is formed of a piezoelectric material.
FIG. 9 shows an example of a triangular prism-shaped vibrator. In the vibrator 400, a base 410 of the vibrator is formed of a PZT piezoelectric material, and electrodes 411, 412 of silver paste are directly provided on each side surface thereof.
413 are formed. When the base 410 is rotated at an angle around an axis parallel to the longitudinal direction during the vibration of the base 410 so as to generate unevenness in the vertical direction of the electrode 413, the base 4
A vibration caused by the Coriolis force occurs in a direction perpendicular to the vibration direction of 10, and a voltage is generated at the electrodes 411 and 412, and a signal caused by the Coriolis force can be obtained by taking a difference between the outputs of the two. .
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電振動角速度計の振動子は、前述のように金属または
圧電材料のバルクを加工して作製するため、以下のよう
な問題点を有していた。金属基体の振動子の場合、通常
使用されているエリンバー合金は加工性が悪く、精度良
く加工することが困難な上、その側面に圧電材料を精度
良く貼り付けなければならず、その工数も多大なものと
なる。
However, the vibrator of the conventional piezoelectric vibrating gyro has the following problems since it is manufactured by processing the bulk of metal or piezoelectric material as described above. Was. In the case of a metal-based vibrator, the commonly used Elinvar alloy is poor in workability and difficult to process with high accuracy. In addition, a piezoelectric material must be accurately attached to the side surface, and the number of steps is large. It becomes something.
【0006】また、圧電材料基体の振動子の場合、加工
し難いセラミックの圧電材料を三角柱あるいは円柱状に
精度良く加工しなければならず、さらにその側面にスク
リーン印刷等の手法により電極を精度良く形成しなけれ
ばならない。振動子においては、電極の面積、位置の設
定の誤差はそのまま振動の誤差となってしまう。このた
め、金属基体または圧電材料基体の振動子では、角速度
を精度良く測定することが困難であった。さらに、マイ
クロメカニクス等の超小型のナビゲーションや姿勢制御
を可能にするほどの小型化が困難である。
In the case of a vibrator made of a piezoelectric material base, it is necessary to process a ceramic piezoelectric material, which is difficult to process, into a triangular prism or a cylindrical shape with high accuracy, and further, to form electrodes on the side surface with high precision by a method such as screen printing. Must be formed. In the vibrator, an error in setting the area and position of the electrode becomes an error in vibration as it is. For this reason, it has been difficult to accurately measure the angular velocity with a vibrator made of a metal substrate or a piezoelectric material substrate. Furthermore, it is difficult to make the device small enough to enable micro-mechanical navigation and attitude control.
【0007】本発明の目的は、これらの問題点を解決
し、超小型化が可能な振動子を提供することにある。
An object of the present invention is to solve these problems and to provide a vibrator which can be miniaturized.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】従来の振動子において、
超小型化が実現できなかった理由は、金属であれ、圧電
材料であれ、加工し難いバルクの材料を基体材料として
使用していたからである。そこで、本発明者らはまず、
振動子の基体材料として、加工が容易である材料、例え
ば半導体材料を用いることを検討した。
Means for Solving the Problems In a conventional vibrator,
The reason that the miniaturization could not be realized is that a bulk material, which is difficult to process, whether a metal or a piezoelectric material, was used as the base material. Therefore, the present inventors first,
The use of a material that can be easily processed, for example, a semiconductor material, was studied as the base material of the vibrator.
【0009】そして、シリコンを代表とする半導体材料
は、単結晶ウエハを作製する事が出来、結晶異方性を利
用したエッチングにより、超小型化が実現できることを
見い出した。さらに、半導体材料の超小型加工で得られ
た振動子を振動させるには、圧電材料を真空薄膜形成技
術により振動子上に形成し、その膜を励振させることに
より超小型振動子が得られると考え、鋭意研究した。
It has been found that a semiconductor material typified by silicon can produce a single crystal wafer, and that ultra-miniaturization can be realized by etching utilizing crystal anisotropy. Furthermore, in order to vibrate a vibrator obtained by micromachining of a semiconductor material, a piezoelectric material is formed on the vibrator by vacuum thin film forming technology, and the microvibrator is obtained by exciting the film. I thought and studied diligently.
【0010】その結果、ウエハ上にパターン形成及びエ
ッチングを施し、振動子の形状を作製し、その後、圧電
特性等の電気的特性を劣化させない薄膜形成法を採用す
ることにより、本発明をなすに至った。本発明は、「振
動子基体上に順に下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を
形成してなる圧電振動角速度計の製造方法において、前
記振動子基体が、フォトリソグラフィー及び異方性エッ
チングにより形成されたシリコン単結晶であり、前記圧
電薄膜が、前記下部電極上に成膜した後、熱処理するこ
とにより形成された圧電結晶であることを特徴とする圧
電振動角速度計の製造方法」を提供するものである。
As a result, the present invention is achieved by forming a pattern of a vibrator by performing pattern formation and etching on a wafer, and then adopting a thin film forming method which does not deteriorate electrical characteristics such as piezoelectric characteristics. Reached. The present invention provides a method for manufacturing a piezoelectric vibration gyro comprising a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode formed on a vibrator base in this order, wherein the vibrator base is formed by photolithography and anisotropic etching. Wherein the piezoelectric thin film is a piezoelectric crystal formed by forming a film on the lower electrode and then heat-treating the piezoelectric thin film. It is.
【0011】[0011]
【実施の形態】鉛系圧電材料は、その優れた圧電特性か
ら、さまざまな用途に用いられる。しかしながら、シリ
コンウエハに鉛系圧電薄膜を成膜する場合、物理的ある
いは化学的気相合成法のいずれを問わず、ウエハ温度6
00℃以上の高温ではペロブスカイト単一構造が得られ
るが、これより低温ではペロブスカイトとパイロクロア
の混合相となる。このため、600℃以下での成膜では
充分な圧電結晶層が得られず、バルクに比べて著しく圧
電特性が劣っていた。これに反して600℃以上の真空
槽中での高温の成膜は、特に鉛成分の組成制御が難し
く、化学量論比の組成物が得られなかった。そこで、低
温で薄膜を形成し、引き続いて熱処理をして結晶化する
ことにより成膜する薄膜形成法を用いることとした。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Lead-based piezoelectric materials are used for various applications because of their excellent piezoelectric properties. However, when a lead-based piezoelectric thin film is formed on a silicon wafer, the temperature of the wafer may be reduced to 6 regardless of physical or chemical vapor phase synthesis.
At a high temperature of 00 ° C. or higher, a perovskite single structure is obtained, but at a lower temperature, a mixed phase of perovskite and pyrochlore is formed. For this reason, when the film was formed at a temperature of 600 ° C. or less, a sufficient piezoelectric crystal layer could not be obtained, and the piezoelectric characteristics were significantly inferior to those of the bulk. On the other hand, when forming a film at a high temperature in a vacuum chamber at 600 ° C. or higher, it is particularly difficult to control the composition of the lead component, and a composition having a stoichiometric ratio cannot be obtained. Therefore, a thin film forming method in which a thin film is formed at a low temperature and subsequently heat-treated and crystallized to form a film is used.
【0012】低温で薄膜を形成し、引き続いて熱処理を
して結晶化することにより圧電特性をはじめとする電気
的特性が向上する理由は明かではない。しかしながら、
実験事実がそれを証明する。おそらく、低温で薄膜を形
成することにより、真空槽中での鉛成分の再蒸発を抑え
るからであると思われる。従って、成膜方法としては、
物理的あるいは化学的気相合成法のいずれを問わず、ス
パッタリング、有機金属化学蒸着、真空蒸着、及びイオ
ンプレーティング等の真空薄膜形成技術を用いることが
できる。
It is not clear why a thin film is formed at a low temperature and subsequently heat-treated and crystallized to improve the electrical characteristics such as the piezoelectric characteristics. However,
Experimental facts prove it. Probably, this is because the re-evaporation of the lead component in the vacuum chamber is suppressed by forming the thin film at a low temperature. Therefore, as a film forming method,
Regardless of the physical or chemical vapor phase synthesis method, a vacuum thin film forming technique such as sputtering, metal organic chemical vapor deposition, vacuum deposition, and ion plating can be used.
【0013】また、ウエハと圧電薄膜との間に緩衝層を
形成することにより、さらにウエハと圧電薄膜の成分の
相互拡散による分解、反応を防止し、組成の安定した緻
密な圧電薄膜が得られることも実験で確認できた。本発
明において、ウエハ温度は300℃から500℃が好ま
しい。これより低温では膜の緻密化あるいは酸化反応が
完全には進まず、これより高温では、鉛成分の再蒸発が
促進すると思われる。熱処理温度は600℃から700
℃が好ましく、これより低温では圧電結晶層の生成が完
全には進まず、これより高温では酸化鉛の蒸発が顕著と
なる。
Further, by forming a buffer layer between the wafer and the piezoelectric thin film, decomposition and reaction due to mutual diffusion of the components of the wafer and the piezoelectric thin film are further prevented, and a dense piezoelectric thin film having a stable composition can be obtained. This was also confirmed by experiments. In the present invention, the wafer temperature is preferably from 300 ° C. to 500 ° C. At a temperature lower than this, the densification or oxidation reaction of the film does not completely proceed, and at a temperature higher than this, re-evaporation of the lead component seems to be accelerated. Heat treatment temperature from 600 ° C to 700
C. is preferred. At lower temperatures, the generation of the piezoelectric crystal layer does not completely proceed, and at higher temperatures, the lead oxide vaporizes remarkably.
【0014】下部電極としては、貴金属、Pt、Rh、
Reを用いるとよい。圧電薄膜を酸化雰囲気中、600
℃以上の高温で結晶化すると下部電極と圧電材料の相互
拡散、特に反応性の高い鉛が下部電極に拡散するため、
反応性の低い貴金属を用いることにより圧電特性等の電
気的特性を向上させることができる。下部電極は、スパ
ッタリングや真空蒸着で形成する。ただし、ウエハとの
密着性を高めるためにチタンあるいはタンタル膜を成膜
した上に形成することが好ましい。
As the lower electrode, noble metals, Pt, Rh,
Re may be used. Piezoelectric thin film in oxidizing atmosphere, 600
When crystallized at a high temperature of over ℃, the lower electrode and the piezoelectric material interdiffuse, especially highly reactive lead diffuses into the lower electrode,
By using a noble metal having low reactivity, electrical characteristics such as piezoelectric characteristics can be improved. The lower electrode is formed by sputtering or vacuum evaporation. However, it is preferable to form the film after forming a titanium or tantalum film in order to enhance the adhesion to the wafer.
【0015】また、圧電薄膜の粒径をさらに小さくし、
緻密化するためには、酸化ランタンを含んだ組成の圧電
材料を用いるとよい。さらに、結晶化のため、熱処理す
る場合には酸素濃度50%以上の雰囲気中で行うと、よ
い結果が得られる。圧電振動角速度計に用いられる振動
子基体の形状をフォトリソグラフィー技術およびエッチ
ング法を利用してウエハに形成し、前記薄膜形成法を用
いて前記振動子基体に圧電薄膜を形成して超小型振動子
を作製することができる。
Further, the particle size of the piezoelectric thin film is further reduced,
In order to increase the density, a piezoelectric material containing lanthanum oxide is preferably used. Further, when performing heat treatment for crystallization, good results can be obtained by performing the heat treatment in an atmosphere having an oxygen concentration of 50% or more. The shape of a vibrator base used in a piezoelectric vibrating gyro is formed on a wafer using photolithography technology and an etching method, and a piezoelectric thin film is formed on the vibrator base using the thin film forming method to form a micro vibrator. Can be produced.
【0016】以下に、実施例により本発明を詳細に説明
する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
【0017】[0017]
【実施例】図1および図2に、本発明により作製した2
つの圧電振動閣速度計の振動子の斜視図を示す。それぞ
れの図の10または100は、両面に窒化シリコン(S
34)膜(図示せず)が成膜されたシリコン単結晶ウ
エハであり、結晶の方位によって、振動子11、101
の先端形状が異なってくる。振動子基体11あるいは1
01はシリコンウエハから張り出した片持ち梁構造であ
り、その上面にそれぞれ下部電極50、150を、さら
にその上部に圧電薄膜としてPZT(チタン酸ジルコン
酸鉛)膜20、120を形成し、PZTを挟み込むよう
に圧電薄膜の略中央部に励振電極40、140を、その
両隣には信号検出電極30、31あるいは130、13
1からなる上部電極を形成し、全体として圧電振動角速
度計用の振動子となる。
FIG. 1 and FIG.
1 shows a perspective view of a vibrator of two piezoelectric vibrator speedometers. Each
10 or 100 in these figures indicates that silicon nitride (S
i ThreeNFour) A silicon single crystal substrate on which a film (not shown) is formed
The vibrators 11, 101 according to the crystal orientation.
The shape of the tip becomes different. Vibrator base 11 or 1
Reference numeral 01 denotes a cantilever structure protruding from a silicon wafer.
And lower electrodes 50 and 150 on the upper surface, respectively.
PZT (zircon titanate) as a piezoelectric thin film
Lead oxide) films 20 and 120 are formed to sandwich PZT.
The excitation electrodes 40 and 140 are provided at substantially the center of the piezoelectric thin film.
On both sides, signal detection electrodes 30, 31 or 130, 13
1 is formed, and the piezoelectric vibration angular velocity as a whole is formed.
It becomes a vibrator for the degree meter.
【0018】以下に、これらの振動子の製造方法を、図
3、4および図5を用いて説明する。なお、図3、図4
および図5の3−2から5−3までの各工程図の上図は
上面図、下図は側面からみた断面図を示す。ただし、3
−2から4−1までは、下面を説明するため、下面図と
なっている。
Hereinafter, a method of manufacturing these vibrators will be described with reference to FIGS. 3 and 4
5 is a top view, and the lower figure is a cross-sectional view as viewed from the side. However, 3
From -2 to 4-1 is a bottom view for explaining the lower surface.
【0019】3インチのシリコンウエハ(厚み0.38
mm)の両面全面にCVD法によってSi34膜20
1、202をそれぞれ100nmの厚みで成膜する。ウ
エハ10のオリエンテーションフラットに対して35度
の角度をなす線に平行に28個の振動子を形成する。ウ
エハ10上の長方形は、この部分から振動子を作製する
ための暫定的な一を示す。最終的には、振動子はこの実
線に沿ってダイシングソーにて切断され、チップ化して
完成する(3−1)。以下、ウエハ10上の1つのチッ
プを例に製造方法を示す。
3 inch silicon wafer (thickness 0.38)
Si by CVD on both sides over the entire surface of mm) 3 N 4 film 20
Films 1 and 202 are each formed with a thickness of 100 nm. 28 vibrators are formed parallel to a line that forms an angle of 35 degrees with the orientation flat of the wafer 10. The rectangle on the wafer 10 indicates a tentative one for manufacturing a vibrator from this part. Finally, the vibrator is cut by a dicing saw along the solid line, and is completed as a chip (3-1). Hereinafter, a manufacturing method will be described using one chip on the wafer 10 as an example.
【0020】まず、ウエハ10の下面にフォトレジスト
210を塗布し、振動子を作製する位置のフォトレジス
トをフォトリソグラフィーによって取り除く(3−
2)。次に、反応性イオンエッチング(RIE)法に
て、フォトレジストの無い部分のSi34膜202をエ
ッチングして除去し、シリコンを露出させる。この際、
確実にSi34膜を除去し、残滓がないように注意する
(3−3)。さらに、40wt%、90℃の水酸化カリウ
ム(KOH)溶液にて約200分間、シリコンを異方性
エッチングする。これにより、シリコンは、約0.33
mmエッチングされる。その後、フォトレジスト210
は剥がしておく(4−1)。
First, a photoresist 210 is applied to the lower surface of the wafer 10, and the photoresist at the position where the vibrator is to be formed is removed by photolithography (see FIG.
2). Next, the Si 3 N 4 film 202 in a portion where there is no photoresist is removed by etching by a reactive ion etching (RIE) method to expose silicon. On this occasion,
Care should be taken to remove the Si 3 N 4 film without leaving any residue (3-3). Further, silicon is anisotropically etched in a potassium hydroxide (KOH) solution at 40 ° C. and 90 ° C. for about 200 minutes. As a result, silicon is reduced to about 0.33.
mm. After that, the photoresist 210
Is peeled off (4-1).
【0021】次に、前記ウエハの上面にフォトレジスト
220を塗布し、上記と同様の処理でレバー部のレジス
トパターンを作製する(4−2)。さらに、上記と同
様、RIE法にてSi34膜を除去する。この際も、残
滓がないように注意する(4−3)。さらに、KOH水
溶液(40wt%、90℃)にて約30分間、異方性エッ
チングを行い、レバー部を形成し、その後、フォトレジ
スト220を剥がしておく(4−4)。
Next, a photoresist 220 is applied on the upper surface of the wafer, and a resist pattern for the lever portion is formed by the same processing as described above (4-2). Further, similarly to the above, the Si 3 N 4 film is removed by the RIE method. At this time, care should be taken that there is no residue (4-3). Further, anisotropic etching is performed in a KOH aqueous solution (40 wt%, 90 ° C.) for about 30 minutes to form a lever portion, and thereafter, the photoresist 220 is peeled off (4-4).
【0022】以下に上部電極及び下部電極、圧電薄膜の
形成法を工程順に示す。電極の下地としてシリコンとの
密着性を向上させるTa膜に加えてPt膜を形成する。
パターン形成は、フォトレジストを使用したリフトオフ
にて形成し、成膜はスパッタリングにて行う(5−
1)。PZT薄膜20は、金属マスク(SUS304
製)を使用してRFスパッタリング法にて形成する。成
膜条件は、Arガス9×10 -3Torr、O2ガス1×10
-3Torr、RFパワー3W/cm2、基板温度400℃、
使用ターゲットはPb1.1(Zr0.5Ti0.5)O3にて成
長速度15nm/minで膜厚1μmである。成膜した
膜のX線回折パターンを図6(a)に示す。この図の示
すとおり、成膜した状態ではPZT膜はアモルファス状
態であった。続いて、この状態のPZT膜を酸素分圧5
0%以上の雰囲気中で650℃で1時間熱処理する。熱
処理後のX線回折パターンを図6(b)に示す。この図
の示すとおり、アモルファス状態であったPZT膜が結
晶化し、正方晶のペロブスカイト構造を持つことが確認
された(5−2)。
The upper and lower electrodes and the piezoelectric thin film are described below.
The formation method is shown in the order of steps. With silicon as an electrode base
A Pt film is formed in addition to the Ta film for improving the adhesion.
Pattern formation is lift-off using photoresist
And the film is formed by sputtering (5-
1). The PZT thin film 20 is made of a metal mask (SUS304).
Formed by an RF sputtering method. Success
The film condition is Ar gas 9 × 10 -3Torr, OTwoGas 1 × 10
-3Torr, RF power 3W / cmTwo, Substrate temperature 400 ° C,
The target used is Pb1.1(Zr0.5Ti0.5) OThreeIn
The film thickness is 1 μm at a long speed of 15 nm / min. Deposited
The X-ray diffraction pattern of the film is shown in FIG. This figure shows
As shown, the PZT film is amorphous
It was state. Subsequently, the PZT film in this state is subjected to an oxygen partial pressure of 5%.
Heat treatment is performed at 650 ° C. for 1 hour in an atmosphere of 0% or more. heat
The X-ray diffraction pattern after the treatment is shown in FIG. This figure
As shown in the figure, the amorphous PZT film
Confirmed to have a tetragonal perovskite structure
(5-2).
【0023】このようにして得られたPZT膜の電気的
特性は、比誘電率400、残留分極30μC/cm2
抗電界150kV/cmとなり同組成のバルク材料と同
等の値となった。絶縁破壊強度は500kV/cm以上
となった。ソーヤタワー回路により500kV/cmの
電界を印加した場合の印加電界−分極の曲線(ヒステリ
シスループ)測定結果を図7に示す。
The electrical characteristics of the PZT film thus obtained are as follows: relative dielectric constant: 400, remanent polarization: 30 μC / cm 2 ,
The coercive electric field was 150 kV / cm, which was equivalent to that of a bulk material having the same composition. The dielectric breakdown strength was 500 kV / cm or more. FIG. 7 shows an applied electric field-polarization curve (hysteresis loop) measurement result when an electric field of 500 kV / cm was applied by the Sawyer tower circuit.
【0024】最後に、3分割の上部電極30、31、4
0としてリフトオフにてPZT薄膜20上にAl膜を形
成する(5−3)。なお、振動子の付け根の部分にはダ
イシングソーにて切り込みを付けておき、後の工程でこ
の付け根部にて枠110をカットして取り外せるように
する。枠は、使用直前まで保持することにより、振動子
を保護する役目を果たす。
Finally, the upper electrodes 30, 31, 4 divided into three parts
As 0, an Al film is formed on the PZT thin film 20 by lift-off (5-3). The base of the vibrator is cut with a dicing saw so that the frame 110 can be cut and removed at the base in a later step. The frame serves to protect the vibrator by holding it until immediately before use.
【0025】以上のように、圧電振動角速度計に用いら
れる振動子を精度よく、圧電薄膜の電気特性を劣化させ
ることなく作製することができる。
As described above, a vibrator used for a piezoelectric vibrating gyro can be manufactured with high accuracy without deteriorating the electrical characteristics of the piezoelectric thin film.
【0026】[0026]
【発明の効果】本発明によれば、加工が容易な半導体材
料の単結晶ウエハにフォトリソグラフィ技術及びエッチ
ング法を利用して振動子基体を精度良く作製することが
可能となり、さらに、薄膜形成法を用いて振動子基体に
圧電薄膜を電気特性を劣化させることなく形成すること
が可能となる。
According to the present invention, a vibrator base can be accurately manufactured on a single crystal wafer of a semiconductor material which is easy to process by using photolithography technology and etching method. It is possible to form a piezoelectric thin film on a vibrator base without deteriorating electrical characteristics by using the method.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】 本発明により製造された振動子の一例の斜視
図である。
FIG. 1 is a perspective view of an example of a vibrator manufactured according to the present invention.
【図2】 本発明により製造された振動子の一例の斜視
図である。
FIG. 2 is a perspective view of an example of a vibrator manufactured according to the present invention.
【図3】 本発明の一実施例の振動子の製造工程を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the vibrator according to one embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の一実施例の振動子の製造工程を示す
図である。
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the vibrator according to one embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の一実施例の振動子の製造工程を示す
図である。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the vibrator according to one embodiment of the present invention.
【図6】 本発明の一実施例の薄膜形成法で形成された
PZT薄膜のX線回折パターンである。(a)は熱処理
前、(b)は熱処理後である。
FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of a PZT thin film formed by the thin film forming method according to one embodiment of the present invention. (A) is before heat treatment, and (b) is after heat treatment.
【図7】 本発明の一実施例の薄膜形成法で形成された
PZT薄膜のヒステリシスループである。
FIG. 7 is a hysteresis loop of a PZT thin film formed by a thin film forming method according to one embodiment of the present invention.
【図8】 従来の圧電振動角速度計に用いられる振動子
の図である。(A)は斜視図、(B)は長さ方向からみ
た断面図である。
FIG. 8 is a diagram of a vibrator used in a conventional piezoelectric vibration angular velocity meter. (A) is a perspective view, and (B) is a cross-sectional view as viewed from the length direction.
【図9】 従来の圧電振動角速度計に用いられる振動子
の図である。(A)は斜視図、(B)は長さ方向からみ
た断面図である。
FIG. 9 is a diagram of a vibrator used in a conventional piezoelectric vibration angular velocity meter. (A) is a perspective view, and (B) is a cross-sectional view as viewed from the length direction.
【符号の説明】[Explanation of symbols]
10、100 シリコンウエハ 11、101 振動子基体 110 枠 20、120 PZT薄膜 30、31、130、131 信号検出電極 40、140 励振電極 50、150 下部電極 201、202 Si34膜 210、220 フォトレジスト 300、400 振動子 310、410 振動子基体10, 100 Silicon wafer 11, 101 Transducer base 110 Frame 20, 120 PZT thin film 30, 31, 130, 131 Signal detection electrode 40, 140 Excitation electrode 50, 150 Lower electrode 201, 202 Si 3 N 4 film 210, 220 Photo Resist 300, 400 Transducer 310, 410 Transducer base

Claims (6)

    【特許請求の範囲】[Claims]
  1. 【請求項1】振動子基体上に順に下部電極、圧電薄膜、
    及び上部電極を形成してなる圧電振動角速度計の製造方
    法において、前記振動子基体が、フォトリソグラフィー
    及び異方性エッチングにより形成されたシリコン単結晶
    であり、前記圧電薄膜が、前記下部電極上に成膜した
    後、熱処理することにより形成された圧電結晶であるこ
    とを特徴とする圧電振動角速度計の製造方法。
    A lower electrode, a piezoelectric thin film,
    And a method of manufacturing a piezoelectric vibration gyro comprising an upper electrode, wherein the vibrator base is a silicon single crystal formed by photolithography and anisotropic etching, and the piezoelectric thin film is formed on the lower electrode. A method for manufacturing a piezoelectric vibration angular velocity meter, comprising a piezoelectric crystal formed by heat treatment after forming a film.
  2. 【請求項2】請求項1に記載の圧電振動角速度計の製造
    方法において、前記上部電極が、前記振動子基体上に長
    さ方向に平行に形成された2つの検出電極と、該2つの
    検出電極の間に形成された励振電極であることを特徴と
    する圧電振動角速度計の製造方法。
    2. A method for manufacturing a piezoelectric vibrating gyro according to claim 1, wherein said upper electrode is formed on said vibrator base body in two lengthwise parallel directions, and said two detection electrodes are formed in parallel. A method for manufacturing a piezoelectric vibrating angular velocity meter, wherein the piezoelectric vibrating angular velocity meter is an excitation electrode formed between the electrodes.
  3. 【請求項3】請求項1に記載の圧電振動角速度計の製造
    方法において、前記基体が、シリコン単結晶ウエハ上に
    CVD法によって窒化シリコン膜を成膜後、フォトリソ
    グラフィー及び反応性イオンエッチングにより所望の形
    状に窒化シリコン膜を除去し、さらに異方性エッチング
    によりシリコンをエッチングすることにより形成された
    シリコン単結晶であることを特徴とする圧電振動角速度
    計の製造方法。
    3. A method for manufacturing a piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein said substrate is formed by forming a silicon nitride film on a silicon single crystal wafer by a CVD method, and then forming said silicon nitride film by photolithography and reactive ion etching. A method for manufacturing a piezoelectric vibration gyro, characterized by being a silicon single crystal formed by removing a silicon nitride film in the shape of (1) and etching silicon by anisotropic etching.
  4. 【請求項4】請求項1に記載の圧電振動角速度計の製造
    方法において、前記圧電薄膜が、前記下部電極上に30
    0〜500℃の温度で成膜した後、600〜700℃の
    温度で熱処理することにより形成された圧電結晶である
    ことを特徴とする圧電振動角速度計の製造方法。
    4. The method of manufacturing a piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein said piezoelectric thin film is formed on said lower electrode by 30 minutes.
    A method for manufacturing a piezoelectric vibration angular velocity meter, comprising a piezoelectric crystal formed by forming a film at a temperature of 0 to 500 ° C. and then performing a heat treatment at a temperature of 600 to 700 ° C.
  5. 【請求項5】請求項4に記載の圧電振動角速度計の製造
    方法において、前記圧電薄膜が、前記下部電極上にスパ
    ッタリング又は有機金属化学蒸着法又は真空蒸着法又は
    イオンプレーティングのいずれかの方法により300〜
    500℃の温度で成膜した後、600〜700℃の温度
    で熱処理することにより形成されたチタン酸ジルコン酸
    鉛からなる圧電結晶であることを特徴とする圧電振動角
    速度計の製造方法。
    5. The method for manufacturing a piezoelectric vibration gyro according to claim 4, wherein said piezoelectric thin film is formed on said lower electrode by sputtering, metal organic chemical vapor deposition, vacuum vapor deposition, or ion plating. From 300 to
    A method for manufacturing a piezoelectric vibration angular velocity meter, wherein the piezoelectric crystal is made of lead zirconate titanate formed by forming a film at a temperature of 500 ° C. and then performing a heat treatment at a temperature of 600 to 700 ° C.
  6. 【請求項6】請求項1に記載の圧電振動角速度計の製造
    方法において、前記基体上に、スパッタリング又は真空
    蒸着法によりチタン膜又はタンタル膜からなる層を形成
    した後、下部電極を形成することを特徴とする圧電振動
    角速度計の製造方法。
    6. A method of manufacturing a piezoelectric vibration gyro according to claim 1, wherein a lower electrode is formed after forming a layer made of a titanium film or a tantalum film on said base by sputtering or vacuum evaporation. A method for manufacturing a piezoelectric vibrating angular velocity meter, comprising:
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