(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電体素子のＱ値を低下させることなく、第１電極と第２電極のショートを防止することが可能な圧電体素子を用いた角速度センサを提供する。【解決手段】圧電体素子３０は、第１電極１３ａと第２電極１５ａとにより、厚み方向の断面が台形状に形成された圧電体１４が挟まれた構造を有している。圧電体１４の基板１０側である第１面Ｆ１には第１電極１３ａが設けられ、第２面Ｆ２には第２電極１５ａが設けられている。圧電体１４の側面には、基板１０に対して傾斜した傾斜部１４ａが形成されている。また、圧電体１４の側面であって、傾斜部１４ａを除く残余部分には、基板１０に対して平行とした平坦部１４ｂが形成されている。圧電体素子３０は、第１電極１３ａと第２電極１５ａとの間の距離が大きいのでショートが生じにくく、さらに、圧電体１４における共振に寄与しない部分が除去された形となるので、Ｑ値を大きくすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な第１面と第２面を有する圧電体の前記第１面に第１電極を、前記第２面に第２電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、
前記第１面は、前記第２面を第１面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、
前記第１電極は、前記第１面の輪郭と同じか大きい形状であり、
前記第２電極は、前記第２面の輪郭と同じか小さい形状であることを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
前記圧電体の厚み方向の断面が、台形状である請求項１記載の圧電体素子。
【請求項３】
前記圧電体が、前記第１面側に平坦部を有する請求項１または２記載の圧電体素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の圧電体素子が、可撓性を有する基板上に、駆動用圧電体素子及び検出用圧電体素子として搭載されたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
互いに平行な第１面と第２面を有する圧電体の前記第１面に第１電極を、前記第２面に第２電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第１面は、前記第２面を第１面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第１電極は、前記第１面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第２電極は前記第２面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子を製造する方法であって、
基板の主面に第１電極膜と、圧電体膜と、第２電極膜を順に形成する工程と、
第２電極膜から前記第２電極を形成する工程と、
圧電体膜を、第２電極側の第２面から第１電極側の第１面に至る部分が前記圧電体の形状になるようにエッチングする工程と、
前記第１電極膜を、前記圧電体の第１面と同じか大きい形状となるように形成する工程とからなる圧電体素子の製造方法。
【請求項６】
前記圧電体膜をエッチングする工程において、ドライエッチングによって、前記圧電体を、その厚み方向の断面が、台形状に形成する請求項５に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項７】
前記圧電体を台形状に形成した後に、ウェットエッチングにより前記圧電体の側面の前記第１面側に平坦部を形成する工程を含む請求項６に記載の圧電体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することで圧電体の収縮運動を機械的な運動に変化させる圧電体素子及びその製造方法、並びに該圧電体素子を用いた角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を印加することで圧電体の収縮運動を機械的な運動に変化させる薄膜状の圧電体素子は、角速度センサ用の薄膜微小共振子として、広く用いられている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
図１２は、従来の角速度センサの模式図、図１３は図１２のＡ−Ａ断面図である。
従来の角速度センサ１００は、矩形状の基板１１０に、４つの駆動用圧電体素子１２０と４つの検出用圧電体素子１３０とが搭載されたものである。
基板１１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）などから形成されている。基板１１０の中心部上面には、肉厚が薄い可撓部１１０ａが形成されている。可撓部１１０ａの周囲には肉厚が厚い固定部１１０ｂが形成されている。可撓部１１０ａの下面の中心には重錘体が備えられた錘部１４０が形成されている。
４つの駆動用圧電体素子１２０と４つの検出用圧電体素子１３０とは、可撓部１１０ａ上面に搭載されている。
検出用圧電体素子１３０は、それぞれが同じ扇状に形成されている。検出用圧電体素子１３０は、可撓部１１０ａの中央部に、互いに隙間をあけた状態で向き合うように配置されている。駆動用圧電体素子１２０は、それぞれが同じ円弧状に形成されている。駆動用圧電体素子１２０は、４つの検出用圧電体素子１３０の外側に、それぞれを対応させた同心円状に配置されている。
４つの駆動用圧電体素子１２０は可撓部１１０ａをその厚み方向に振動させ、４つの検出用圧電体素子１３０は、可撓部１１０ａの厚み方向への変形を検出する。
【０００４】
図１３の１２０は駆動用圧電体素子である。この駆動用圧電体素子１２０は、それぞれ可撓部１１０ａの上に第１電極１２１、圧電体１２２及び第２電極１２３の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第１電極１２１及び第２電極１２３に挟まれてなる圧電体１２２を備えた薄膜圧電体素子である。１３０は検出用圧電体素子である。この検出用圧電体素子１３０は、それぞれ可撓部１１０ａの上に第１電極１３１、圧電体１３２及び第２電極１３３の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第１電極１３１及び第２電極１３３に挟まれてなる圧電体１３２を備えた薄膜圧電体素子である。なお、駆動用圧電体素子１２０の第１電極１２１及び第２電極１２３、そして検出用圧電体素子１３０の第１電極１３１及び第２電極１３３にはそれぞれリード線（図示せず）が接続されている。
【０００５】
以上のように構成される従来の角速度センサ１００の動作を説明する。４つの駆動用圧電体素子１２０の各第１電極１２１と第２電極１２３に所定の周波数ｆの交流電圧を印加すると、圧電体１２２が周波数ｆに応じて電極面に沿って伸縮運動する。この伸縮変動に伴い駆動用圧電体素子１２０が搭載された可撓部１１０ａが振動する。この振動により基板１１０の中央に形成された重錘体１４０が、可撓部１１０ａの面と垂直な軸ｚ方向に周波数ｆで振動する。一方、各検出用圧電体素子１３０には、重錘体１４０の振動に基づく圧電力が第１電極１３２と第２電極１３３の間に生成される。このように重錘体１４０が軸ｚ方向に振動しているときに軸ｚ方向と直行する軸ｘの回りに角速度が加わると、重錘体１４０には、軸ｚおよび軸ｘと直交する軸ｙ方向のコリオリ力が働き、その分力が重錘体１４０の周囲の可撓部１１０ａに歪みとして伝わる。そして、各検出用圧電体素子１３０にはその歪みに応じた出力が表れる。この出力は、コリオリ力の大きさと相関がある。そこで、それぞれの検出用圧電体素子１３０の第１電極１３２と第２電極１３３から出力される電圧の差を検出することにより、コリオリ力の大きさ、すなわち角速度を検出することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２７７１９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９４９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような薄膜状の圧電体素子において、振動特性の良否の指標の一つであるＱ値を高くするためには、第１電極、圧電体及び第２電極のそれぞれの平面形状が同一形状であることが望ましい。これは、圧電体において電圧印加によって伸縮運動が起こるのは第１電極と第２電極に挟まれた部分のみだからである。
ところが、エッチングなどの処理により基板上に微小共振子である薄膜圧電体素子を形成する場合、第１電極、圧電体及び第２電極を同一形状にすることは、以下の理由で大きな問題がある。
すなわち、圧電体素子は、面積が小さく、また、電極及び圧電体の膜厚が数μｍ程度の薄膜であるため、圧電体の上面に第２電極を正確に形成することが難しく、圧電体上に第２電極を形成するときにおいて、電極パターンの位置ずれにより第２電極が圧電体からはみ出してしまう。その結果、圧電体側面に導電性の不純物が付着したりすることで第２電極と第１電極とがショートしやすい。
また、同一形状を有する電極パターンと圧電体パターンの位置を正確に合わせたとしても圧電体が薄膜であるため、第１電極と第２電極の距離が近くなり、沿面放電によるショートを起こしやすい。
【０００８】
この対策として、特許文献１では、圧電体を第２電極より十分大きくなるように形成することで絶縁性を確保し第１電極と第２電極とのショートを防止している。
しかしながら、上記したように、圧電体において、伸縮運動が起こるのは電圧が印加される、すなわち両電極に挟まれた部分のみであるので、電圧が印加されない圧電体における第２電極からはみ出した余分な圧電体の部分は、圧電体の伸縮運動に寄与しないだけでなく、むしろ、基板の可撓部の共振運動の妨げになり、その結果Ｑ値が小さくなる。
【０００９】
本発明者はかかる課題を解決するために、鋭意研究の結果「共振の妨げになる圧電体のはみ出し部分の一部」をエッチング処理することで、ショート防止効果を維持しつつかつ高いＱ値を維持することに思い至った。
【００１０】
一般に、圧電体のエッチング工程において、圧電体の不要部分を除去するエッチング方法として、圧電体のみを溶解する溶液を使用したウェットエッチングが多用されている。このエッチング工程では、電極をレジストでマスクすることで必要な部分以外をエッチングすることを回避している。このウェットエッチングは、等方性エッチングであるので、圧電体の厚み方向だけでなく、表面に平行な方向にもエッチングされる。
すなわち、水平方向へ余分にエッチングされるいわゆるサイドエッチングで、このサイドエッチングがあるウェットエッチングでは圧電体の水平方向の寸法制御が困難であり、本発明に適用するのは好ましくない。
【００１１】
これに対し、異方性エッチングであるドライエッチング（特に反応性イオンエッチング、ＲＩＥ）では、サイドエッチングを起こすことなく圧電体の不要部分を除去することができる。しかしながら、一般的に使用されるイオンミリングによるドライエッチングでは選択性が低いため、圧電体部分のみでなく、圧電体素子として必要な第１電極までを過分にエッチングしてしまうという問題がある。
【００１２】
本発明は、圧電体素子の共振性能を低下させることなく、電極間のショートを効果的に防止することが可能な圧電体素子を提供すること、またエッチング法を用いたこの圧電体素子の有効な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決する第１の発明は、互いに平行な第１面と第２面を有する圧電体の前記第１面に第１電極を、前記第２面に第２電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第１面は、前記第２面を第１面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第１電極は、前記第１面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第２電極は前記第２面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子に係るものである。
【００１４】
このように、第１電極が設けられた圧電体の第１面を、第２電極が設けられた圧電体の第２面を第１面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とすることにより、共振に寄与しない部分が減少するため、Ｑ値を大きくすることができる。
さらに上述の形状の圧電体に形成された電極は、前記第１電極が、前記第１面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第２電極が前記第２面の輪郭と同じか小さい形状であるため、両電極の端縁間の距離が長くなり、電極間のショートを効果的に防止することができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記圧電体の厚み方向の断面が、台形状であることを規定したものである。なお、「台形状」とは、前記第１電極側から第２電極側に向かうにつれて、圧電体における厚み方向に直交する断面が小さくなる形状を意味し、圧電体の側部が、直線状、円弧状、階段状、あるいはこれらが組み合わされた形状に広がっていることを含む。
このような構成とすることで、特に共振に寄与しない部分が減少するため、Ｑ値をより大きくすることができる。
【００１６】
この第３の発明では、第２の発明において、圧電体の前記第１面側に平坦部を有する構造としたものである。
ここで、「平坦部」とは、圧電体側面の第１面と平行である部分を意味する。このような構成とすることにより、共振時のＱ値を維持しつつ、第２電極と第１電極とのショートをさらに回避することができる。
【００１７】
また、本発明の圧電体素子の第１の製造方法は、互いに平行な第１面と第２面を有する圧電体の前記第１面に第１電極を、前記第２面に第２電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第１面は、前記第２面を第１面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第１電極は、前記第１面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第２電極は前記第２面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子を製造する方法であって、基板の主面に第１電極膜と、圧電体膜と、第２電極膜を順に形成する工程と、第２電極膜から前記第２電極を形成する工程と、圧電体膜を、第２電極側の第２面から第１電極側の第１面に至る部分が前記圧電体の形状になるようにエッチングする工程と、前記第１電極膜を、前記圧電体の第１面と同じか大きい形状となるように形成する工程とからなる圧電体素子の製造方法に係るものである。
すなわち、本発明の第１の製造方法は、圧電体膜を形成した後にエッチング法を用いて、第１の発明の形状の圧電体を形成することを特徴とするものである。
【００１８】
さらに本発明の第２の製造方法は、第１の製造方法においる前記圧電体膜をエッチングする工程において、ドライエッチングによって、前記圧電体を、その厚み方向の断面が、台形状に形成する製造方法である。
すなわち、圧電体膜を形成した後にドライエッチングを用いて、第２の発明の形状の圧電体を形成することを特徴とするものである。
【００１９】
ドライエッチングの方法としては、イオンミリングあるいは圧電体のみを選択的にエッチングするガスを用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）があり、前者の場合はＲＩＥに比べて有毒な反応性ガスを使用する必要がなく、さらに安価という利点がある。
【００２０】
さらに本発明の他の製造方法は、上記第２の製造方法において、前記圧電体を台形状に形成した後に、ウェットエッチングにより前記圧電体の側面の前記第１面側に平坦部を形成する工程を含むものである。平坦部を形成せず、ドライエッチングだけでエッチングを完了した場合と比べて、圧電体の端面寸法が安定するため、絶縁特性が安定する。
【００２１】
なお、本発明の圧電体素子は、可撓性を有する基板上に、駆動用圧電体素子及び検出用圧電体素子として搭載された角速度センサに好適に使用することができ、該圧電体素子を備えた角速度センサは、角速度に対する高い検出感度を有する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の圧電体素子は、製造時における第１電極と第２電極との間でのショートが生じにくくなり、さらに、圧電体における共振に寄与しない部分が除去された形となるので、作動時にＱ値を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係る圧電体素子及びこの圧電体素子を備えた薄膜微小共振子を図面に基づいて説明する。図１に本発明の実施形態に係る圧電体素子を備えた微小共振子の断面図を示す。
本発明の実施形態に係る薄膜微小共振子４０は、基板１０の片面上に圧電体素子３０を設けたものである。
基板１０は、外力に応じた撓みが発生する可撓部１１ａと、固定されることで変動しない固定部１１ｂとを備えている。
圧電体素子３０は、基板１０上全体に形成された絶縁膜１２上に搭載されている。圧電体素子３０は、第１電極１３ａと第２電極１５ａとにより、圧電体１４が挟まれた構造を有している。
【００２４】
圧電体１４は、互いに平行な一方の主面である第１面Ｆ１と、一方の主面の反対側となる第２面Ｆ２を有している。基板１０側である第１面Ｆ１には第１電極１３ａが設けられ、第２面Ｆ２には第２電極が設けられている。
圧電体１４は、厚み方向の断面が台形状に形成されていることで、第２面Ｆ２を第１面Ｆ１に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状をしている。圧電体１４の側面には、基板１０に対して傾斜した傾斜部１４ａが形成されている。また、圧電体１４の側面であって、傾斜部１４ａを除く残余部分には、基板１０に対して平行とした平坦部１４ｂが形成されている。さらに平坦部１４ｂは、その端面が第１電極１３ａの端面より内側に位置することで、第１電極１３ａとの間に段差Ｓができている。
第１電極１３ａは、その輪郭が第１面Ｆ１の輪郭と同じか大きい形状であり、また、第２電極１５ａは、その輪郭が第２面Ｆ２の輪郭と同じか小さい形状とすることができる。本実施形態では、第１電極１３ａは第１面Ｆ１の輪郭より大きく、第２電極１５ａは第２面Ｆ２の輪郭より小さく形成されている。
なお、圧電体１４の側面は、第２面Ｆ２側から第１面Ｆ１側に向かうに従って下る傾斜面であればよい。従って、圧電体１４の側面の断面形状は、直線状や、円弧状、または階段状とすることができる。圧電体１４の側面を円弧状とするときは、外側に対して凹状とするのが望ましい。また、圧電体１４の側面は、図２に示すような平坦な平坦部１４ｂを設けずに、傾斜部１４ａのみとしてもよい。また、段差Ｓの形状も任意の形状でよい。
【００２５】
圧電体素子３０において、第１電極１３ａ及び第２電極１５ａには、両電極間に電圧を印加するために、たとえば、アルミニウムから形成された配線（図示せず）が接続されている。
【００２６】
本実施形態では、可撓部１１ａ、固定部１１ｂとして、Ｓｉ板を使用しているが、適度な弾性を有する物質であればよく、金属や金属酸化物やガラスなどを使用することもできる。さらには、絶縁膜１２としてＳｉ板を酸化して形成したＳｉＯ2を絶縁膜として使用しているが、絶縁体であればよく、非導電性樹脂膜などを使用してもよい。なお、絶縁膜１２は、可撓部１１ａと圧電体素子３０との間の絶縁性を保つために０．１〜５μｍ程度の厚みが必要である。また、本実施形態では、固定部１１ｂを基板１０の一端のみに形成した例を示すが、基板１０の両端に形成してもよく、また、圧電体素子３０の伸縮運動を制御するために、可撓部１１ａに錘を設けてもよい。
【００２７】
第１電極１３ａ及び第２電極１５ａの材料としては、本実施形態ではＰｔを使用しているが、これに限定されず、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕに代表される貴金属、または貴金属を含む合金を使用することができる。また、電極の製造方法も特に限定されず、スパッタリング、めっき法などの方法を利用することができる。
【００２８】
圧電体１４としては、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用しているが、これに限定されず、例えば、チタン酸バリウムなど圧電体から適宜選択できる。圧電体１４の厚さは、特に限定されないが、本実施形態の圧電体素子をその好適な適用例である角速度センサ用に駆動電圧を最適範囲で使用するため、すなわち、絶縁耐圧を確保しつつ高電圧の使用を実現するためには、第１電極１３ａ及び第２電極１５ａで挟まれた最も厚い部分の厚み（以下、「圧電体の中央部の厚みＴ」と称す。）で、０．１〜１０μｍ（好ましくは１〜５μｍ）の厚みが好適である。
【００２９】
ここで、圧電体１４において、平坦部１４ｂの厚みｔが、圧電体の中央部の厚みＴ（図８参照）の０．５倍以下、好ましくは０．３倍以下であり、傾斜部１４ａの幅Ｗが圧電体１４の中央部の厚みＴの１〜６倍、好ましくは２〜５倍であることが望ましい。
幅Ｗが圧電体の中央部の厚みＴの１倍未満であると、圧電体素子３０の使用状態において圧電体１４を伸縮運動させると、傾斜部１４ａの下端部側において応力が集中し、破損することがあるため好ましくない。また、傾斜部１４ａの幅Ｗが６倍を超えると圧電体１４のうち伸縮運動しない部分が多く、Ｑ値が小さくなるため好ましくない。なお、平坦部１４ｂの厚みｔは、上記した具体例では０．０１〜１μｍ（好ましくは１〜５μｍ）である。
【００３０】
以下、本発明に係る圧電体素子の好適な製造方法の具体例を図面に基づいて説明する。
【００３１】
（１）基板の作製
図３に本実施形態の圧電体素子形成に使用される基板を示す。本実施形態における基板１０には、シリコン（Ｓｉ）板からなる基部１１の一方の表面に、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる絶縁膜１２を形成したものが使用される。
【００３２】
（２）成膜基板の作製
次に、図４に示すように、基板１０上に第１電極膜１３、圧電体膜１４ｃおよび第２電極膜１５を順次成膜する。先ず、基板１０上にスパッタあるいは蒸着等の方法により、電極用金属材料、たとえば、Ｐｔからなる０．１〜１μｍの第１電極膜１３を成膜する。なお、基板１０のＳｉＯ2絶縁膜１２と上記第１電極膜１３の間に密着層としてＴｉからなる０．０２μｍ程度の膜を形成してもよい。
【００３３】
次いで、第１電極膜１３上にスパッタ等の方法によりＰＺＴからなる圧電体膜１４ｃを成膜する。圧電体膜１４ｃの厚みＴは０．１〜１０μｍである。さらに、この圧電体膜１４ｃ上に、スパッタあるいは蒸着等の方法によりＰｔからなる０．１〜１μｍの第２電極膜１５を成膜することにより成膜基板２０を作製する。
【００３４】
（３）第２電極膜のエッチング
図５（ａ）に示すように、上記成膜基板２０にレジスト１６ａをパターニング後、イオンミリングあるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のＰｔエッチング方法により第２電極膜１５のエッチングを行う。その後、図５（ｂ）に示すようにレジスト１６ａを除去することにより、第２電極１５ａが形成される。なお、レジスト１６ａの除去は必ずしも行うことなく次の圧電体膜１４ｃのエッチング工程に移行することができる。
【００３５】
（４）圧電体膜のエッチング
本実施形態においては、圧電体膜のエッチングを次の２工程で行う。
（４−１）圧電体膜のドライエッチング(第１エッチング工程)
図６（ａ），（ｂ）は第１エッチング工程である、圧電体膜のドライエッチングの説明図である。先ず、上記で得られた第２電極１５ａを覆うようにレジスト１６ｂをパターニング後、Ａｒプラズマのイオンミリング等によるドライエッチングによって、レジスト１６ｂでマスクされた部分を除いて、圧電体膜１４ｃの削り込みを行う。ここで、第２電極１５ａを覆うように形成されたレジスト１６ｂによって、ドライエッチングが阻害されるため、レジスト１６ｂの側端の近傍ほどエッチング速度が低下する。その結果、正面視で圧電体膜１４の側面に第２電極１５ａ側から第１電極膜１３側に向かうにつれて広がる傾斜部１４ａが形成される。
また、レジスト１６ｂによるエッチング速度の低下効果は、レジスト１６ｂから離れるほど小さくなるため、レジスト１６ｂから遠い領域では、圧電体膜１４は一様にエッチングされ、均一厚みの圧電体膜のスキン層１４ｄが形成される。
【００３６】
ここで、ドライエッチングの条件（イオンやエッチングガスの放射方向、強度など）を変えることで、傾斜部１４ａの形状及び幅Ｗを変化させることが可能である。図６（ａ）はドライエッチングの照射角度を９０°（基板に対して垂直）にした例であるが、ドライエッチングは直進性が高いため、急傾斜で幅Ｗが小さい傾斜部１４ａが形成される。
一方、図６（ｂ）のようにドライエッチングを基板に対して傾斜させてドライエッチングを行うと、レジストの陰となる部分はエッチングされないため、傾斜が緩やかで幅Ｗが大きい傾斜部１４ａを形成することができる。ここで、ドライエッチングの照射角度を３０°〜６０°とすると、傾斜部１４ａの形状を容易に好適制御可能であり、また、エッチング中の発熱が最小限のため、レジスト１６ａの変質が少なく、後工程のレジスト１６ａの除去が容易という利点もある。
【００３７】
好適な幅Ｗは、圧電体膜の中央部の厚み（図６（ａ），（ｂ）におけるＴ）の１〜６倍（特に好適は２〜５倍）である。幅Ｗが圧電体膜の中央部の厚みの１倍未満であると、圧電体素子を形成した後に圧電体１４を伸縮運動させた際に傾斜部１４ａと平坦部１４ｂとの境界部分に応力が集中し、該境界部分が破損することがあるため好ましくなく、幅Ｗが６倍を超えると圧電体のうち伸縮運動しない部分が多くなって、Ｑ値が小さくなるため好ましくない。
【００３８】
このようにドライエッチングを行ったのちに、レジスト１６ｂの除去を行う。なお、本工程においてレジストパターニングおよびレジストの除去は必須ではなく、省略して次の工程へ進むことができる。また、圧電体の側面は、その第２電極側から第１電極側に向かうにつれて、広がった形状であればよく、レジスト１６ｂの形成及び除去方法を適当にすることで、直線状、円弧状、階段状とすることもできる。
【００３９】
（４−２）圧電体膜のウェットエッチング（第２エッチング工程）
図７は第２エッチング工程である、圧電体膜のウェットエッチングの説明図である。
ドライエッチングを行った後に前記第２電極部分および前記圧電体の側面部を覆うようにレジスト１６ｃを作製し、１５０℃のポストベーク処理を行う。
次に、フッ酸と硝酸の混合液からなるウェットエッチング液によりウェットエッチングをおこない、基板上に平坦に残存していた圧電体膜のスキン層１４ｄのうち傾斜部１４ａに接合する一部を残し、それ以外の部分を除去する。これにより、圧電体膜の平坦部１４ｂが形成される。この方法によると、残存圧電体膜の残膜が僅かな為（０．０１〜１μｍ）にウェットエッチング時間が短く、また、圧電体の側面の大部分がレジストで保護されているため、図７に示すようにサイドエッチが最小限ですむという利点を有する。なお、レジスト除去工程は必須ではなく、場合により省略して次の工程へ進むことができる。なお、ウェットエッチング後の平坦部１４ｂの長さＬは、レジスト１６ｃの大きさ及びウェットエッチング液の組成、温度、ウェッチング時間によりコントロール可能である。また、平坦部１４ｂの厚みｔは、圧電体素子としての特性とエッチング等の圧電体素子製法上の観点から、圧電体１４の中央部の厚みＴの０．５倍以下、または、０．０１μｍから１μｍであることが望ましい。平坦部１４ｂの厚みｔが圧電体１４の中央部の厚みＴの０．５倍を超えるとＱ値が急激に低くなって、圧電体素子としての特性が阻害される。また、エッチング等の圧電体素子製法上の観点から、０．０１μｍ未満では第１電極膜１３までドライエッチングしてしまう問題があり好ましくない。また、１μｍを超えるとウェットエッチング時のサイドエッチングが起こりやすくなり寸法制御が困難である。なお、本実施例ではウェットエッチング後に圧電体に平坦部が残存するようにレジスト１６ｃの大きさを決めたが、ウェットエッチング後に圧電体に平坦部が残存せず、第一の電極側で段差Ｓを有する傾斜部のみが残存するようにレジスト１６ｃの大きさを決めてもよい。
【００４０】
（５）第１電極膜のエッチング
図８に示すように、レジスト１６ｃを除去した後に、第２電極、圧電体膜および第１電極膜上に上記成膜基板をレジスト１６ｄをパターニンク後、イオンミリングあるいはＲＩＥ等のＰｔエッチング方法により第１電極膜１３のエッチングを行い、レジスト除去により第１電極１３ａを形成することで、基板１０上に圧電体素子３０が製造される。
【００４１】
なお、上記（１）から（５）の工程により得られた圧電体素子３０は、薄膜微小共振子として利用できるが、そのためには更に次のシリコンエッチング工程に付される。
【００４２】
（６）シリコンエッチング工程
図９に示すように基板１０において、圧電体素子３０を設けた面の反対面の端部をレジスト１６ｅでマスクした後に、前記反対面のエッチングを行う。なお、この工程はドライエッチングでも、ウェットエッチングでもよい。この工程により、レジスト１６ｅでマスクした部分以外がエッチングされる。
その後、レジスト１６ｅを除去することにより、図１に示した薄膜微小共振子４０を得ることができる。なお、梁部の厚さの精度を向上させるために基板１０としてＳＯＩ（Silicon on Insulator)を用いてもよい。
【００４３】
なお、本実施形態の製造工程では、第１エッチング工程にドライエッチング、第２エッチング工程にウェットエッチングを採用したが、両工程をドライエッチングのみあるいはウェットエッチングのみでおこなってもよい。ただし、圧電体膜１４ｃの形状を好適に制御し、かつ、上述したドライエッチングによると圧電体膜１４ｃが薄膜化した後に、第１電極膜までを過分にエッチングされるという問題が生じる場合があるため、第１エッチング工程にドライエッチング、第２エッチング工程にウェットエッチングを採用した本実施形態の製造方法が特に好適である。
【００４４】
以上のように作製される本実施形態に係る圧電体素子３０を用いた薄膜微小共振子４０の動作について説明する。薄膜微小共振子４０は、第１電極１３ａ及び第２電極１５ａの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると、所定の周波数に応じて圧電体１４が電極面に沿って伸縮運動する。この伸縮運動に応じて第１電極１３ａが撓み、この撓みが可撓部１１ａに伝わることで、可撓部１１ａに縦方向（圧電体１４の厚み方向）の振幅運動が起きる。
本実施形態に係る圧電体素子３０は、圧電体１４は厚み方向の断面が台形状に形成され、圧電体１４の第１面Ｆ１に第１面Ｆ１の輪郭より大きい輪郭の第１電極１３ａが形成され、第２面Ｆ２に第２面Ｆ２の輪郭より小さい輪郭の第２電極１５ａが形成されているので、電圧の印加に伴う伸縮運動が、第１電極１３ａと、第１電極１３ａと比較して面積の小さい第２電極１５ａとの間に位置する圧電体１４の一部にしか起きなくても、圧電体１４の共振に寄与しない側部部分が除去されているため、高いＱ値を確保することができる。従って、圧電体素子３０は、図１３に示す従来の、圧電体の厚み方向の断面が矩形状の圧電体素子である駆動用圧電体素子１２０や、検出用圧電体素子１３０の厚み方向の断面が矩形状の圧電体１２２，１２３と比較して、高いショート防止効果と高い振動特性を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明の実施形態に係る圧電体素子の好適な応用例として、圧電体素子を備えた角速度センサについて、図面に基づいて説明する。
図１０は本実施形態に係る角速度センサの模式図、図１１は図１０のＢ−Ｂ断面図である。なお、この角速度センサについて、その作動方式は、図１２で示した従来の角速度センサと、同様であるので説明を省略する。
【００４６】
角速度センサ２００は、基板２１０と、駆動用圧電体素子２２０と、検出用圧電体素子２３０とを備えている。
基板２１０は、肉厚が薄い板状の可撓部２１０ａと、肉厚が厚い固定部２１０ｂと、肉厚が厚い錘部２４０とが形成された矩形状のシリコン板である。固定部２１０ｂは、駆動用圧電体素子２２０と検出用圧電体素子２３０とが設けられた搭載面側とは反対側となる裏面に、周縁部に沿って矩形状に設けられている。錘部２４０は、基板２１０の裏面の中心部に設けられている。そして、基板２１０の固定部２１０ｂと錘部２４０を除く残余部分が可撓部２１０ａである。
４つの駆動用圧電体素子２２０と４つの検出用圧電体素子２３０とは、可撓部２１０ａ上面に搭載されている。
検出用圧電体素子２３０は、それぞれが同じ扇状に形成されている。検出用圧電体素子２３０は、可撓部２１０ａの中央部に、互いに隙間をあけた状態で向き合うように配置されている。駆動用圧電体素子２２０は、それぞれが同じ円弧状に形成されている。駆動用圧電体素子２２０は、４つの検出用圧電体素子２３０の外側に、それぞれを対応させた同心円状に配置されている。
【００４７】
この駆動用圧電体素子２２０および検出用圧電体素子２３０は、圧電体素子３０と形状が異なるだけで、基本構成は同じである。
４つの駆動用圧電体素子２２０は可撓部２１０ａをその厚み方向に振動させるためのものである。４つの駆動用圧電体素子２２０は、可撓部１１０ａの厚み方向への変形を検出するためのものである。
駆動用圧電体素子２２０は、それぞれ可撓部２１０ａの上に第１電極２２１、圧電体２２２及び第２電極２２３の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第１電極２２１及び第２電極２２３に圧電体２２２が挟まれている。また、２３０は検出用圧電体素子で、この検出用圧電体素子２３０は、それぞれ可撓部２１０ａの上に第１電極２３１、圧電体２３２及び第２電極２３３の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第１電極２３１及び第２電極２３３に圧電体２３２が挟まれている。
【００４８】
駆動用圧電体素子２２０および検出用圧電体素子２３０は、それぞれ圧電体素子３０と同様に、圧電体２２２，２３２が、厚み方向の断面が台形状に形成されていることで、互いに平行な第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂと、第２面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂとにおいて、第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂは、第２面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂを第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂに投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状を有している。
圧電体２２２，２３２は、第２面側Ｆ２ａ，Ｆ２ｂから第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ側に向かうにつれて山の裾野が広がるような台形状に形成され、その側面には傾斜部が設けられ、かつ傾斜部の端部に第１電極２２１，２３１の端部を露出させる段差Ｓ１，Ｓ２が形成されている。また、圧電体２２２，２３２の傾斜部を除く残余部分には、基板２１０に対して平行とした平坦部が形成されている。
第１電極２２１，２３１は、第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂに、第１面Ｆ１ａ，Ｆ１ｂの輪郭と同じか大きい形状で形成されている。第２電極２２３，２３３は、第２面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂに、第２面Ｆ２ａ，Ｆ２ｂの輪郭と同じか小さい形状で形成されている。
【００４９】
以上のように構成される角速度センサ２００の動作および使用状態を説明する。
４つの駆動用圧電体素子２２０に所定の交流電圧を印加する。この所定の交流電圧の印加は、各第１電極２２１と第２電極２２３に接続された図示しないリード線を介して行われる。所定の周波数ｆの交流電圧を、各第１電極２２１と第２電極２２３に印加すると、圧電体２２２が周波数ｆに応じて電極面に沿って伸縮運動する。
圧電体２２２が伸縮運動することで、圧電体２２２の伸縮に連れて第１電極２２１に撓みが発生する。第１電極２２１の撓みは、可撓部２１０ａを厚み方向に振動させる。この振動により基板２１０の中央に形成された重錘体２４０が、可撓部２１０ａの面と垂直な軸ｚ方向に周波数ｆで振動する。
各検出用圧電体素子２３０には、振動が可撓部２１０ａを介して伝わる。検出用圧電体素子２３０へ振動が伝わることで、第１電極２３１が撓み、この撓みが圧電体２３２への応力となる。これにより圧電体２３２に応力に基づく圧電力が第１電極２２１と第２電極２３１の間に発生する。
そして、外力としてＹ軸回りの角速度が加わると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、重錘体２４０がＸ軸方向に振動する。この振動により生じる撓みを検出用圧電体素子２３０が電位差として検出する。これにより、角速度が決定される。
【００５０】
本実施形態に係る角速度センサ２００は、圧電体２２２，２３２が厚み方向の断面が台形状に形成された駆動用圧電体素子２２０と検出用圧電体素子２３０とを備えている。従って、圧電体２２２，２３２の共振に寄与しない側部部分が除去されているため、駆動用圧電体素子２２０及び検出用圧電体素子２３０は高いＱ値を確保することができる。従って、角速度センサ２００は、高いショート防止性を有する高感度の角度センサとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の圧電体素子は、角速度センサなど様々な用途で好適に適用できるため、工業的に極めて有望である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電体素子を備えた微小共振子の断面図を示す図である。
【図２】圧電体の側面形状が異なる他の実施形態の圧電体素子を使用した薄膜微小共振子を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧電体素子の基板の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る圧電体素子の成膜基板の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る圧電体素子の第２電極膜のエッチングの説明図であり、（ａ）は第２電極部分にレジストパターンを作製した図であり、（ｂ）はレジスト除去後を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る圧電体素子の第１エッチング工程である、圧電体膜のドライエッチングの説明図であり、（ａ）はドライエッチングの入射角度が９０°の例、（ｂ）はドライエッチングの入射角度が４５°の例である。
【図７】本発明の実施形態に係る圧電体素子の第２エッチング工程である、圧電体膜のウェットエッチングの説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る圧電体素子の第１電極膜のエッチングの説明図である。
【図９】本発明の実施形態に係る圧電体素子を使用した薄膜微小共振子の製造工程におけるＳｉ基板のエッチングの説明図である。
【図１０】本発明の圧電体素子が設けられた薄膜微小共振子を備えた角速度センサの模式図である。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図である。
【図１２】従来の圧電体素子が設けられた薄膜微小共振子を備えた角速度センサの模式図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０：基板、１１：基部、１１ａ：可撓部、１１ｂ：固定部、１２：絶縁膜、１３：第１電極膜、１３ａ：第１電極、１４：圧電体、１４ａ：傾斜部、１４ｂ：平坦部、１４ｃ：圧電体膜、１４ｄ：圧電体膜のスキン層、１５：第２電極膜、１５ａ：第２電極、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ：レジスト、１７：ドライエッチング照射方向、２０：成膜基板、３０：圧電体素子、４０：薄膜微小共振子、２００：角速度センサ２１０：基板、２１０ａ：可撓部、２１０ｂ：固定部、２２０：駆動用圧電体素子、２２１，２３１：第１電極、２２２，２３２：圧電体、２２３，２３３：第２電極、２３０：検出用圧電体素子、２４０：錘部、Ｆ１，Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ：第１面、Ｆ２，Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ：第２面、Ｌ：平坦部の長さ、Ｔ：圧電体の中央部の厚み、ｔ：平坦部の厚み、Ｗ：傾斜部の幅、Ｓ：段差。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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