專利名稱：壓電功能部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如傳感器、激勵器、儲存器、光開關(guān)等壓電功能部件及其制造方法。
在上述現(xiàn)有的壓電功能部件中，上部電極層、下部電極層以及壓電層的疊層體對基板的粘合強度差。通過在上部電極層和下部電極層上施加電壓，壓電層變形，使基板常受應力。在現(xiàn)有的壓電功能部件中，上、下部電極層及壓電層以大體相同大小與基板粘接。因此，下部電極層和基板之間粘合強度變?nèi)?，會有剝離的危險。
圖2是根據(jù)實施方式的角速度傳感器的分解立體圖。
圖3是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的流程圖。
圖4是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖5是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖6是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖7是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖8是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖9是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。


圖10是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖11是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖12是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖13是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖14是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖15是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的剖面圖。
圖16是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的立體圖。
圖17是示出根據(jù)實施方式的角速度傳感器制法的立體圖。
用圖1說明用該角速度傳感器檢測角速度的動作。上部電極層5分割為激勵電極5A和檢測電極5B，分別夾持壓電層4地與下部電極3對置。一旦在激勵電極5A和下部電極層3之間施加電壓，則所夾持的壓電層4的部分伸縮，在基板1上設置的音叉的兩根臂部10A及10B的形狀變形。因此，臂部10A及10B沿音叉的水平方向振動。這時，一旦發(fā)生以與臂部10A、10B平行方向為軸的角速度，則在臂部10A、10B上該軸和振動方向一起向垂直方向發(fā)生彎曲。而且，通過檢測電極5B檢測該彎曲量。利用壓電層4檢測在該角速度傳感器上臂部10A、10B的激勵及角速度量。
利用圖2詳細地說明該角速度傳感器。該角速度傳感器包含由音叉形狀的硅構(gòu)成的基板1、與該基板1相接且與該基板1大體相同形狀的緩沖層2和下部電極層3。此外，在其上形成壓電層4及上部電極層5。壓電層4如圖2所示，上部與上部電極層5相同形狀，下部與下部電極層3相同形狀。壓電層4在其外周面的下部側(cè)，如下面詳細敘述，在外周方向形成擴展的展開部，所以面積寬廣。此外，其下方的下部電極層3也與具有該展開部的壓電層4相同的大小。所以，具有足夠的面積，經(jīng)其下方的緩沖層2與基板1牢固地固定。因此，即使在上部、下部電極層5、3之間施加電壓，引起壓電層4伸縮，也不會簡單地從基板1剝離。此外，通過該形狀，由于上部、下部電極層5、3之間的緣面距離變長。所以，防止上部、下部電極層5、3之間短路的效果變好。
另外，在該角速度傳感器中，緩沖層2由NiO，CoO，MgO，Ti中的任一種形成，下部電極層3由Pt形成，壓電層4由鈦酸鋯酸鉛形成，上部電極層5由Au形成。并且，壓電層4比緩沖層2、下部電極層3和上部電極層5厚，由此，在壓電層4的外周面的下部側(cè)容易形成寬廣的展開部。并且通過使上部、下部電極層5、3之間的緣面距離變長，防止上部、下部電極層5、3之間短路的效果變好。
為了在表面上引出下部電極層3，形成圖2的輔助電極6。
其次用附圖對該角速度傳感器的制法加以說明。該角速度傳感器在同一基板上同時形成多個，然而，在這里只說明其中的一個。圖3是說明根據(jù)本實施方式的角速度傳感器制法的圖，用圖4～圖15說明實際的順序。
開始，如圖4所示的硅基板1的表面上形成由NiO形成的緩沖層2，以便NiO在<100>方向結(jié)晶取向(圖3，步驟1)。緩沖層2通過以例如使鎳乙酰丙酮化物升華的氣體作為材料的MOCVD法形成。其次，如圖5所示，下部電極層3通過使Pt濺射等的方法形成(圖3，步驟2)。其次，如圖6所示，壓電層4通過使鈦酸鋯酸鉛濺射等的方法制成(圖3，步驟3)。其次，如圖7所示，上部電極層5通過使Au濺射、真空蒸發(fā)等方法形成(圖3，步驟4)。
在直接形成Au層的情況下，如果在形成Au層前形成薄的Cr層或Ti層等，則Au層的粘合強度提高。通過實驗，通過真空蒸發(fā)形成Ti層從20到100埃程度可以獲得足夠的粘合性。在現(xiàn)有的壓電功能部件中，在硅基板1上形成壓電特性高的壓電層4是困難的，然而，如上所述通過緩沖層2可以形成由壓電特性高的鈦酸硅酸鉛構(gòu)成的壓電層4。
圖8～圖15是圖1中音叉形狀的臂部10A、10B部分的剖面圖，圖8～圖15的左側(cè)部與圖1中臂部10A對應，而圖8～圖15的右側(cè)部與圖1中臂部10B對應。
其次，如圖8所示，在上部電極層5上形成第一保護膜7(圖3，步驟5)。其次，如圖9所示，通過干蝕刻對上部電極層5及壓電壓4蝕刻(圖3，步驟6)。這時蝕刻在達到下方的下部電極層3前的壓電層4終止。其次，如圖10所示，第一抗蝕膜7從上部電極層5上剝離(圖3，步驟7)。據(jù)此，如該圖10所示，上部電極層5分離為激勵電極5A和檢測電極5B。其次，如圖11所示，在上部電極層5上形成第二保護膜8。第二保護膜8的外周部覆蓋蝕刻的上部電極層5和從壓電層4的垂直下方向外方殘留的表面部分(圖3，步驟8)。其次如圖12所示。通過干蝕刻，壓電層4、下部電極層3及緩沖層2被蝕刻直到基板1為止(圖3，步驟9)。
根據(jù)以上所述，最終如圖14的A部所示，壓電層4具有在其外周部的下部側(cè)向外周方向擴展的展開部4a。據(jù)此，壓電層4以足夠的面積牢固地在下部電極層3上粘合。通過實驗確認壓電層4蝕刻直到下部電極層3為止的情況下可簡單地被剝離，而在有展開部4a時，即使在其后的工序中也不會簡單地被剝離。
其次，由硅形成的基板1通過干蝕刻進行蝕刻(圖3，步驟10)。這時，通過與在圖12的壓電層4、下部電極層3以及緩沖層2蝕刻時不同的蝕刻氣體對硅基板1進行蝕刻。如果用相同的蝕刻氣體，則壓電層4、下部電極層3以及緩沖層2也從橫向開始蝕刻。例如，壓電層4、下部電極層3以及緩沖層2通過CF4或Ar氣蝕刻，而基板1通過SF6、O2、C4F8等氣體蝕刻。據(jù)此，對壓電層4、下部電極層3以及緩沖層2進行蝕刻后，使壓電層4下方的展開部4a不受損傷，可只對基板1如圖13所示地在垂直下方進行蝕刻。
而且，最后如圖14所示，第二抗蝕膜8通過氧拋光等方法除去(圖3，步驟11)。由此，制造在壓電層4外周面的下部側(cè)上形成向外周方向擴展的展開部4a的圖1的角速度傳感器。
在上述方法中，為了不蝕刻直到處于壓電層4下方的展開部4a下方的基板1，硅基板1被向垂直下方進行干蝕刻。如果考慮只在硅基板1的單側(cè)上形成上、下部電極層5、3，壓電層4，則使在未形成這些層的基板1的內(nèi)側(cè)部分的質(zhì)量下降，常常有必要保持平衡。
這時，如圖15所示，基板1隨著向下方寬度變小地進行蝕刻也可。因此，硅基板1也可以通過增加SF6、O2而減少C4F8的氣體進行蝕刻。如果用該氣體，則隨著向形成緩沖層2一側(cè)的相反側(cè)面，基板1被強蝕刻，如圖15所示，硅基板1隨著向下方，寬度變窄。
至此為止，如前所述，只敘述了一個角速度傳感器，下面對多個角速度傳感器同時形成的情況加以說明。
圖16示出干蝕刻硅基板13的方式。被蝕刻的基板13通過粘接材料15粘合在玻璃制的毛坯基板14上。粘接材料15是通過與硅基板13顏色不同的材料，例如，混合了白色氧化鋁的膏形成。如果據(jù)此，如圖17所示，通過干蝕刻除去基板13，則因為看見下方的粘接材料15的顏色，所以，可以立即判斷蝕刻終止。一旦硅基板13被蝕刻，則各個角速度傳感器16被分割成單個。因為，在分割前通過粘接材料15在毛坯基板14上粘接，所以不會七零八落。此外毛坯基板14是玻璃制的，所以，在硅基板13的蝕刻中，以及除去基板13后露出的部分，因為玻璃不受蝕刻氣體侵蝕，所以可以進行極其穩(wěn)定的蝕刻。另外，在基板13上配置保護膜12。
在實施方式中，通過緩沖層2經(jīng)下部電極層3，使壓電層4牢固地固定在硅基板1上。如果下部電極層3在Pt內(nèi)混入1～15％左右的Ti，則混入的Ti在Pt層上取向，以便與壓電層4的晶格常數(shù)相同，由此，即使除去緩沖層2也可以使緩沖層2牢固地固定在下部電極層3本身上。因此，不含緩沖層2的角速度傳感器在上述制法中，也可以僅僅作為沒有緩沖層2的傳感器制造。
實施方式作為壓電功能部件示出角速度傳感器，然而，可以應用于利用壓電體的其它壓電功能部件，例如，傳感器、激勵器、存儲器、光開關(guān)等、利用具有壓電層4及其兩側(cè)設置的電極并通過在這些電極上施加電壓而產(chǎn)生的壓電層4的特性變化，例如變形、介電率變化的一切部件之中。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的壓電功能部件上，在壓電層的外周部的下部側(cè)上形成向外周方向擴展的展開部。據(jù)此，位于壓電層及其下方的下部電極層及緩沖層具有比上部電極層還寬廣的面積，以該寬廣的面積與基板粘合，因此，可以提高其粘接強度。通過這樣的展開部，使上、下部電極層間的緣面距離變長，因此，使上、下部電極層間的防止短路效果變好。
權(quán)利要求
1.一種壓電功能部件，其特征在于，包含基板；在所述基板上方設置的下部電極層；在所述下部電極層上設置的、具有向所述下部電極層側(cè)的外方擴展的展開部的壓電層；以及在所述壓電層上設置的上部電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電功能部件，其特征在于，所述基板是音叉型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電功能部件，其特征在于，還包含在所述基板上設置的緩沖層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電功能部件，其特征在于，所述緩沖層含有NiO、CoO、MgO、Ti中的至少一種，所述下部電極含有Pt，所述壓電層含有鋯酸鈦酸鉛，所述上部電極層含有Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電功能部件，其特征在于，所述壓電層比所述緩沖層、所述上部電極層和所述下部電極層厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電功能部件，其特征在于，所述下部電極由混入1～15％Ti的Pt形成，所述壓電層含有鋯酸鈦酸鉛，所述上部電極層含有Au。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電功能部件，其特征在于，所述壓電層比所述上部電極層和所述下部電極層厚。
8.一種壓電功能部件的制造方法，其特征在于，在基板上順序疊層、形成緩沖層、下部電極層、壓電層和上部電極層，該方法包含以下工序在所述上部電極層上形成第一保護膜的工序；對所述第一保護膜外的所述壓電層在所述下部電極層側(cè)的下部以外的部分進行蝕刻的工序；剝離所述第一保護膜的工序；形成覆蓋被所述第一保護膜所覆蓋部分的上部電極層和所述壓電層的所述殘留的下部表面的第二保護膜的工序；對所述緩沖層、所述下部電極層和所述壓電層在所述第二保護膜外的部分進行蝕刻直到所述基板表面的工序。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述緩沖層含有NiO、CoO、MgO、Ti中至少一種，所述下部電極含有Pt，所述壓電層含有鋯酸鈦酸鉛，所述上部電極層含有Au。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述基板含有Si，對所述第二保護膜外的所述緩沖層、所述下部電極層和所述壓電層進行蝕刻的工序包括通過第一蝕刻氣體蝕刻所述緩沖層、所述下部電極層和所述壓電層的工序；之后，通過第二蝕刻氣體蝕刻所述緩沖層、所述下部電極層和所述壓電層的工序。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包含隨著朝向與形成所述緩沖層的面相反的面，對所述基板進行強蝕刻的工序。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，對所述基板進行蝕刻的工序包含對在形成所述緩沖層的所述面上通過粘接材料粘合毛坯基板的所述基板進行蝕刻的工序。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述毛坯基板由玻璃制造，所述粘接材料與所述基板的顏色不同。
14.一種壓電功能部件的制造方法，其特征在于，它包含以下工序在基板上順序、疊層形成下部電極層、壓電層和上部電極層的工序；在所述上部電極層上形成第一保護膜的工序；對所述壓電層在所述下部電極層側(cè)的下部之外的所述第一保護膜外的上部電極和壓電層進行蝕刻的工序；剝離所述第一保護膜的工序；覆蓋由所述第一保護膜覆蓋部分的上部電極層和所述壓電層的所述殘留的下部表面的、形成第二保護膜的工序；以及對所述壓電層和所述下部電極層在所述第二保護膜外的部分進行蝕刻直到所述基板表面的工序。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述下部電極含有Pt，所述壓電層含有鋯酸鈦酸鉛，所述上部電極層含有Au。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述基板含有Si，對所述壓電層和所述下部電極層進行蝕刻的工序包含用第一蝕刻氣體對所述壓電層和所述下部電極層進行蝕刻的工序；之后，用第二蝕刻氣體對所述壓電層和所述下部電極層進行蝕刻的工序。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包含隨著朝向與形成所述下部電極層的面相反的面，對所述基板進行強蝕刻的工序。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對所述基板進行蝕刻的工序包含對在形成所述下部電極層的所述面上通過粘接材料粘合毛坯基板的所述基板進行蝕刻的工序。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述毛坯基板是玻璃制的，所述粘接材料與所述基板的顏色不同。
全文摘要
本發(fā)明的壓電功能部件包含基板、基板上的緩沖層、緩沖層上的下部電極層、下部電極上的壓電層、壓電層上的上部電極層。在壓電層上，在其外周面的下部側(cè)形成向外周方向擴展的展開部。在該壓電功能部件中，上、下部電極層以及壓電層的三種疊層體對基板的粘合強度高。
文檔編號H01L41/22GK1471736SQ02802763
公開日2004年1月28日 申請日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月27日
發(fā)明者中谷將也 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社