JPH1019574A

JPH1019574A - 圧電振動角速度計の製造方法

Info

Publication number: JPH1019574A
Application number: JP16806196A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Ichijo; 弥栄一条; Shunji Watanabe; 俊二渡辺
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】振動子基体を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と
し、圧電薄膜を下部電極上に成膜した後、熱処理するこ
とにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００１６】以下に、実施例により本発明を詳細に説明
する。

【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
ｉ ₃Ｎ₄）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。

【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。

【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Ｓｉ₃Ｎ₄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。

【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Ｓｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄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）。

【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Ｓｉ₃Ｎ₄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）。

【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Ｐｂ_1.1（Ｚｒ_0.5Ｔｉ_0.5）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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

１０、１００シリコンウエハ１１、１０１振動子基体１１０枠２０、１２０ＰＺＴ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、２０２Ｓｉ₃Ｎ₄膜２１０、２２０フォトレジスト３００、４００振動子３１０、４１０振動子基体

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。