(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的信頼性を損なうことなく集積度を向上することが可能な圧電体および圧電体の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に形成され、凹部を有する振動板１０と、振動板１０の表面に形成され、振動板１０と鋭角をなすテーパー面を有する圧電部１２と、圧電部１２の少なくとも表面に形成される上部電極１４と、を有する。テーパー面における振動板１０の表面に対する角度をθ、上部電極１４の膜厚をｔ１、凹部の深さをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２＞１／（０．００３７θ２−０．２９３θ＋５．６１７５）の関係を満たす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、凹部を有する振動板と、
前記振動板の表面に形成され、前記振動板と鋭角をなすテーパー面を有する圧電部と、
前記圧電部の少なくとも表面に形成される電極膜と、を有し、
前記テーパー面における前記振動板の表面に対する角度をθ、前記電極膜の膜厚をｔ１、前記凹部の深さをｔ２としたとき、
ｔ１／ｔ２  ＞  １／（０．００３７θ２−０．２９３θ＋５．６１７５）
の関係を満たすことを特徴とする圧電体。
【請求項２】
前記振動板は、酸化ジルコニウムから構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電体。
【請求項３】
前記圧電部は、ジルコン酸チタン酸鉛から構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電体。
【請求項４】
前記電極膜は、イリジウムから構成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電体。
【請求項５】
基板上に振動膜を形成する第１工程と、
前記振動膜の表面に、前記振動膜と鋭角をなすテーパー面を有する圧電部を形成する第２工程と、
前記圧電部の表面に、電極膜を形成する第３工程と、
少なくとも酸素および塩素を含むエッチングガスを用いて、前記電極膜をドライエッチングすることでパターニングして上部電極を形成する第４工程と、を含み、
前記第４工程においては、前記エッチングガスとして、前記酸素の含有量が４％〜２０％の範囲のガスを用いる
ことを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項６】
前記第４工程においては、前記エッチングガスとして、前記塩素の含有量が５０％以上のガスを用いる
ことを特徴とする請求項５に記載の圧電体の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程においては、酸化ジルコニウムを用いて前記振動膜を形成する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電体の製造方法。
【請求項８】
前記第２工程においては、ジルコン酸チタン酸鉛を用いて前記圧電部を形成する
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の圧電体の製造方法。
【請求項９】
前記第３工程においては、イリジウムを用いて前記電極膜を形成する
ことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体および圧電体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アレイ状に配置された複数の超音波センサーを備える超音波アレイ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。超音波センサーは、下部電極、圧電体、上部電極の積層構造からなり、ドライエッチング工程により製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の超音波アレイ装置においては、各超音波センサーを構成する圧電素子の側面がテーパー形状を呈している。そのため、テーパー角を大きくすることで、基材上におけるセンサーの集積度を向上させることが考えられる。
【０００５】
しかしながら、集積度の向上を図るべくテーパー角を大きくすると、圧電体上に形成された上部電極のドライエッチングに要する時間が長くなるため、圧電体が形成された振動板の表面がオーバーエッチングされてしまう。すると、振動板は、オーバーエッチングされた部分において厚みが薄くなってしまい、機械的強度が低下してしまう。
【０００６】
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、機械的信頼性を損なうことなく集積度を向上することが可能な圧電体および圧電体の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】
【０００７】
本発明の第１態様に従えば、基板上に形成され、凹部を有する振動板と、前記振動板の表面に形成され、前記振動板と鋭角をなすテーパー面を有する圧電部と、前記圧電部の少なくとも表面に形成される電極膜と、を有し、前記テーパー面における前記振動板の表面に対する角度をθ、前記電極膜の膜厚をｔ１、前記凹部の深さをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２  ＞  １／（０．００３７θ２−０．２９３θ＋５．６１７５）の関係を満たす圧電体が提供される。
【０００８】
第１態様に係る圧電素子によれば、圧電部のテーパー角を大きくしつつ、凹部の深さを抑えることができる。よって、テーパー角を大きくすることで基板上に圧電部を高い集積度で配置することができる。また、凹部の深さが抑えられるので、振動板の機械的強度を確保することができる。よって、機械的信頼性を損なうことなく集積度を向上させた圧電体を提供できる。
【０００９】
上記第１態様において、前記振動板は、酸化ジルコニウムから構成される構成としてもよい。
この構成によれば、電極層との間で高い選択比が得られるので、振動板がオーバーエッチングにより薄くなることが防止される。
【００１０】
上記第１態様において、前記圧電部は、ジルコン酸チタン酸鉛から構成される構成としてもよい。
この構成によれば、圧電素子として良好に機能する信頼性の高いものとなる。
【００１１】
上記第１態様において、前記電極膜は、イリジウムから構成される構成としてもよい。
この構成によれば、振動板との間で高い選択比が得られるので、振動板がオーバーエッチングにより薄くなることが防止される。
【００１２】
本発明の第２態様に従えば、基板上に振動膜を形成する第１工程と、前記振動膜の表面に、前記振動膜と鋭角をなすテーパー面を有する圧電部を形成する第２工程と、前記圧電部の表面に、電極膜を形成する第３工程と、少なくとも酸素および塩素を含むエッチングガスを用いて、前記電極膜をドライエッチングすることでパターニングして上部電極を形成する第４工程と、を含み、前記第４工程においては、前記エッチングガスとして、前記酸素の含有量が４％〜２０％の範囲のガスを用いる圧電体の製造方法が提供される。
【００１３】
第２態様に係る圧電体の製造方法によれば、圧電部のテーパー角を大きくしつつ、振動膜のオーバーエッチングを抑えることで凹部の深さを小さくすることができる。よって、テーパー角を大きくすることで基板上に圧電部を高い集積度で配置することができる。また、凹部の深さが抑えられるので、振動膜の機械的強度を確保することができる。よって、機械的信頼性を損なうことなく圧電体の集積度を向上させることができる。
【００１４】
上記第２態様において、前記第４工程においては、前記エッチングガスとして、前記塩素の含有量が５０％以上のガスを用いる構成としてもよい。
この構成によれば、振動膜のオーバーエッチングを抑えつつ、電極膜を良好にエッチングすることができる。
【００１５】
上記第２態様において、前記第１工程においては、酸化ジルコニウムを用いて前記振動膜を形成する構成としてもよい。
この構成によれば、電極層との間で高い選択比を得ることができ、オーバーエッチングによって薄くなるのを防止できる。
【００１６】
上記第２態様において、前記第２工程においては、ジルコン酸チタン酸鉛を用いて前記圧電部を形成する構成としてもよい。
この構成によれば、良好な圧電素子を形成することができる。
【００１７】
上記第２態様において、前記第３工程においては、イリジウムを用いて前記電極膜を形成する構成としてもよい。
この構成によれば、振動膜との間で高い選択比を得ることができ、振動膜におけるオーバーエッチング量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】超音波アレイセンサーの概略構成を示す断面図である。
【図２】一つのセンサー素子を拡大した断面構成図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、テーパー角度によるセンサー素子の集積度の違いを示した図である。
【図４】超音波アレイセンサーの製造方法を示した概略断面図である。
【図５】テーパー角度と凹部のエッチング量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２０】
以下の実施形態では、圧電体をアレイ状に配列した超音波アレイセンサーを例に挙げて説明する。
図１は超音波アレイセンサーの概略構成を示す断面図である。以下、図面において必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて説明する。各図において、Ｘ方向とは複数のセンサー素子の配列方向の一方向を規定し、Ｙ方向とはＸ方向に直交し、且つセンサー素子の配列方向の他方向を規定し、Ｚ方向はＸＹ方向に直交する方向であって超音波アレイセンサーの厚さ方向（鉛直方向）を規定する。
【００２１】
図１に示すように、超音波アレイセンサー１は、シリコン基板２と、複数のセンサー素子（圧電体）３と、を備える。複数のセンサー素子３は、シリコン基板２上のＸＹ平面内においてアレイ状に配置されている。
【００２２】
センサー素子３は、シリコン基板２上において、複数行複数列のマトリクス状に配置されていても良いし、千鳥状に配置されていても良い。なお、千鳥配置では偶数列の素子群は奇数列の素子群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。
【００２３】
図２は、超音波アレイセンサーのうち、一つのセンサー素子３を拡大した断面構成図である。
図２に示すように、各センサー素子３は、振動板１０と、下部電極１１と、下部電極１１の上面に形成された圧電体層（圧電部）１２と、下部電極１１が形成された側と反対側の圧電体層１２の上面に形成された上部電極１４と、を備えている。
【００２４】
振動板１０は、第１絶縁膜１０ａと、第２絶縁膜１０ｂとから構成されている。第１絶縁膜１０ａおよび第２絶縁膜１０ｂには、一例として、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、ステンレス鋼等といった靱性の高い絶縁材料が用いられる。本実施形態では、例えば、酸化ジルコニウムを用いて、振動板１０を形成した。第１絶縁膜１０ａおよび第２絶縁膜１０ｂを含んだ振動板１０の全体の膜厚は、例えば、２００〜５０００ｎｍ程度である。
【００２５】
シリコン基板２は、圧電体層１２の形成領域に対応する位置に、空洞部２ａが形成されており、シリコン基板２が除去された部分が特に振動板１０として機能する。
【００２６】
下部電極１１の形成材料としては、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。下部電極１１の膜厚は、例えば、２０〜４００ｎｍ程度である。
【００２７】
圧電体層１２の形成材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。
なお、圧電体層１２の形成材料としては、その他の圧電材料が用いられてもよい。本実施形態において、上部電極１４の下で圧電体層１２は完全に下部電極１１を覆っている。これにより、圧電体層１２の働きによって上部電極１４と下部電極１１との間で短絡することが回避されている。
【００２８】
上部電極１４の形成材料としては、下部電極１１と同様、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。本実施形態においては、上部電極１４をイリジウムから構成した。なお、上部電極１４は、下部電極１１と同じ種類の金属材料を用いてもよいし、下部電極１１とは異なる種類の金属材料を用いてもよい。上部電極１４の膜厚は、例えば、５０〜４００ｎｍ程度である。
【００２９】
下部電極１１は、下部電極引き回し部（不図示）により、図１、２の横方向（Ｘ方向）において隣り合う下部電極１１同士が電気的に接続されている。一方、上部電極１４は、上部電極引き回し部１５により、図１、２の紙面垂直方向（Ｙ方向）において隣り合う上部電極１４同士が電気的に接続されている。上部電極引き回し部１５および下部電極引き回し部は、シリコン基板２の周縁部に設けられた図示しないボンディングパッドに接続されている。なお、これら上部電極引き回し部１５および下部電極引き回し部の膜厚は、例えば、５０〜４００ｎｍ程度である。
【００３０】
シリコン基板２の表面には保護膜３０が積層されている。保護膜３０は、例えば全面にわたってシリコン基板２の表面に覆い被さる。これにより、各センサー素子３は、保護膜３０によって覆われている。保護膜３０としては、例えばシリコーン樹脂膜が用いられる。保護膜３０は、センサー素子３や、不図示の端子の接合部分などを保護する。
【００３１】
圧電体層１２の下部電極１１と上部電極１４との間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて圧電体層１２に機械的変位が生じ、振動板１０が振動する。一方、振動板１０を介して圧電体層１２に機械的変位が生じると、下部電極１１と上部電極１４との間に機械的変位の大きさに応じた起電力が発生する。この起電力の大きさから、対象物の有無を検知したり、対象物までの距離を測定したりすることが可能となる。
【００３２】
本実施形態において、圧電体層１２の側面１２ａはテーパー形状となっている。側面１２ａ（テーパー面）は、振動板１０の表面と鋭角をなすテーパー面となっている。上部電極１４は、圧電体層１２の上面１２ｂのうち下部電極１１と対向する領域に配置されている。上部電極引き回し部１５は、上部電極１４の一部から構成される。上部電極引き回し部１５は、圧電体層１２の一方の側面１２ａから振動板１０の表面に至るようにパターン形成されている。
【００３３】
図３は、圧電体層１２の側面１２ａのテーパー角度によるセンサー素子３の集積度の違いを示した図である。図３（ａ）はテーパー角度が相対的に低い場合を示し、図３（ｂ）はテーパー角度が相対的に高い場合を示す。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電体層１２の側面１２ａのテーパー角度を大きくとると、隣り合うセンサー素子３同士を近づけることが可能である。すなわち、テーパー角度を大きくすると、シリコン基板２上におけるセンサー素子３の集積度を向上させることが可能である。
【００３５】
また、上述のように上部電極引き回し部１５は、圧電体層１２の一方の側面１２ａから振動板１０の表面に至るようにパターン形成されている。上部電極１４および上部電極引き回し部１５は、後述の製造工程に示すように、同一のドライエッチング工程によって形成される。
【００３６】
上部電極引き回し部１５をエッチングによってパターニングする際、振動板１０の一部がオーバーエッチングされてしまう。これは、側面１２ａを覆う導電材料（上部電極引き回し部１５の形成材料）をエッチング速度に比べ、振動板１０の上面を覆う導電材料のエッチング速度の方が大きいためである。
【００３７】
本実施形態において、振動板１０（第２絶縁膜１０ｂ）は、表面の一部に上記オーバーエッチングによって形成された凹部１６を有している。凹部１６は、センサー素子３の第一配列方向（図２のＸ方向）において、各センサー素子３の右側に配置されている。また、凹部１６は、第二配列方向（図２のＹ方向）に沿って延びており、平面形状がストライプ状となっている。具体的に、凹部１６は、圧電体層１２の側面１２ａのうち上部電極引き回し部１５が形成されていない側の側面１２ａ側に形成されている。
【００３８】
振動板１０のオーバーエッチング量は、側面１２ａのテーパー角度に比例する。すなわち、テーパー角度を相対的に大きくすると振動板１０に形成される凹部１６の深さが大きくなる。凹部１６の深さが大きくなると、振動板１０の機械的強度が低下してしまい、機械的信頼性が低下してしまう。
【００３９】
以上のように、側面１２ａのテーパー角度を相対的に大きくすると集積度を向上させることができるものの、凹部１６の深さが大きくなることで振動板１０の機械的強度が低下してしまうといった問題が生じる。一方、側面１２ａのテーパー角度を相対的に小さくすると凹部１６の深さが抑えられることで振動板１０の機械的強度を向上させることができるものの、集積度を向上させることができなくなるといった問題が生じる。
すなわち、従来、センサー素子３の集積度向上および振動板１０の機械的強度向上の課題解決は両立して実現することが難しかった。
【００４０】
これに対し、本実施形態の超音波アレイセンサー１は、後述の製造方法を採用することでセンサー素子３の集積度向上および振動板１０の機械的強度向上を同時に実現している。
【００４１】
ここで、本実施形態の超音波アレイセンサー１の製造方法について説明する。
図４は超音波アレイセンサー１の製造方法を示した概略断面図である。
はじめに、図４（ａ）に示すように、シリコン基板２の表面に第１絶縁膜１０ａを形成する。第１絶縁膜１０ａとして例えば酸化シリコン層を用いる場合、熱酸化法によりシリコン基板２の表面に酸化シリコン層を形成する。なお、熱酸化法に代えて、ＣＶＤ法を用いても良い。次に、第１絶縁膜１０ａの上面に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法により第２絶縁膜１０ｂを形成する。
【００４２】
続いて、第２絶縁膜１０ｂの上面に、後で下部電極１１となる第１金属膜をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により形成する。そして、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、ドライエッチング、レジスト剥離を順に行い、第１金属膜をパターニングすることで、図４（ｂ）に示すように下部電極１１を形成する。
【００４３】
続いて、下部電極１１の上面に、圧電体層１２を構成する圧電材料層をゾル・ゲル法により成膜する。ここでのゾル・ゲル法は、圧電性材料、例えばＰＺＴを含むゾルを塗布、乾燥してゲル化させ、さらに高温で焼成することにより圧電材料層を得る方法である。次いで、圧電材料層の上面に、後で上部電極１４となる第２金属膜をスパッタ法もしくは熱ＣＶＤ法により形成する。そして、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、ドライエッチング、レジスト剥離を順に行い、圧電材料層をパターニングすることで、図４（ｃ）に示すように圧電体層１２を形成する。ここで、圧電材料層は、下部電極１１を覆う部分と覆わない部分とで膜厚が異なるため、圧電材料層を異方性エッチングすると圧電体層１２の側面１２ａがテーパー形状となる。
【００４４】
続いて、圧電体層１２の上面に、上部電極１４および上部電極引き回し部１５を構成する第２金属膜をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により形成する。そして、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、ドライエッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜をパターニングすることで、図４（ｄ）に示すように上部電極１４および上部電極引き回し部１５を形成する。
【００４５】
本実施形態では、上部電極１４および上部電極引き回し部１５をパターニングする際のドライエッチングを以下の条件で行った。圧力０．８Ｐａ、バイアスパワー（６００Ｗ／４００Ｗ）の条件では、少なくとも酸素および塩素を含むガスを用いてドライエッチングを行うようにしている。
【００４６】
エッチングガスとして、酸素の含有量が４％〜２０％の範囲のガスを用いた。また、エッチングガスとしては、塩素の含有量が５０％以上のガスを用いるのが好ましい。具体的に、本実施形態では、塩素、アルゴン、酸素をそれぞれ６０％、３４％、６％の割合で含有したエッチングガスを用いた。
【００４７】
このような所定量だけ酸素を含有したエッチングガスを用いた場合、エッチングガス中に含まれた酸素によって、酸化ジルコニウムからなる振動板１０のエッチングが抑制される。これによって、上部電極１４および上部電極引き回し部１５のドライエッチングによるパターニングに伴って第２絶縁膜１０ｂ（振動板１０）に形成される凹部１６の深さを抑えることができる。よって、振動板１０の機械的強度の低下を抑制することができる。
【００４８】
以上の工程により、センサー素子３が完成する。その後、センサー素子３を覆うようにシリコン基板２の全面に例えばシリコーン樹脂を塗布して保護膜３０を形成する。
【００４９】
続いて、シリコン基板２の表裏を反転し、センサー素子３が形成されていない側のシリコン基板２の一面に対し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、エッチング、レジスト剥離を順に行い、シリコン基板２のうち、センサー素子３の裏面側に対応する位置に第１絶縁膜１０ａの裏面に達する開口部を形成する。このようにして、図４（ｅ）に示すように、シリコン基板２の裏面には、空洞部２ａが形成される。空洞部２ａを形成したことにより、シリコン基板２が除去されて第１絶縁膜１０ａと第２絶縁膜１０ｂとが残存した部分が振動板１０となる。以上の工程により、超音波アレイセンサー１が完成する。
【００５０】
このようにして形成された超音波アレイセンサー１のセンサー素子３は、以下の条件を満たす。具体的に、側面１２ａにおける振動板１０（第２絶縁膜１０ｂ）の表面に対するテーパー角度をθ、上部電極１４の膜厚をｔ１、凹部１６の深さをｔ２としたとき、次式（１）の関係を満たしている。
【００５１】
ｔ１／ｔ２  ＞  １／（０．００３７θ２−０．２９３θ＋５．６１７５）  …（式１）
【００５２】
図５は、側面１２ａのテーパー角度（ｄｅｇ）と凹部１６のエッチング量との関係を示すグラフである。図５の縦軸に示す凹部１６の深さ（エッチング量）とは、上部電極１４の膜厚ｔ１を１とした場合を想定する。
【００５３】
図５に示されるように、本実施形態のセンサー素子３は、テーパー角度を５８度〜７０度といった高いテーパー角を維持した場合であっても、凹部１６のオーバーエッチング量が１〜３以下（上部電極１４の膜厚の１倍〜３倍）の範囲（図５の斜線ハッチングで示す範囲）に抑えることができる。すなわち、本実施形態のセンサー素子３によれば、テーパー角度を大きくした場合であっても、凹部１６のオーバーエッチングによる深さが抑えられ、振動板１０の機械的強度の低下を防止することができる。
【００５４】
以上述べたように、本実施形態によれば、従来の製造方法と異なり、酸素を所定量だけ含んだエッチングガスを用いるため、圧電体層１２のテーパー角を大きくしつつ、振動板１０のオーバーエッチングを抑えることで凹部１６の深さを小さくできる。よって、テーパー角を大きくすることでシリコン基板２上に圧電体層１２が高い集積度で配置された超音波アレイセンサー１を製造できる。
また、このようにしれ形成された超音波アレイセンサー１によれば、振動板１０に形成される凹部１６の深さが抑えられるため、振動板１０の機械的強度を確保することができる。よって、機械的信頼性を損なうことなくセンサー素子３の集積度を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態で例示した超音波アレイセンサーにおけるセンサー素子の配置、各平面パターンの形状、構成材料等に関しては適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
２…シリコン基板（基板）、３…センサー素子（圧電体）、１０…振動板、１２…圧電体層（圧電部）、１２ａ…側面（テーパー面）、１４…上部電極、１６…凹部。
【図１】
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【図２】
2015198382.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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