JP4509152B2 - 薄膜圧電トランスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、携帯型マルチメディア機器など複数の電圧回路が組み込まれ、小型で高信頼性が要求される用途に好適な、圧電トランス部品に関する。特に、シリコン基板上に圧電薄膜で形成された圧電振動子をモノリシック構造で作りこみ、さらに、簡易に封止することのできる高信頼性の小型圧電トランス部品に関する。
電子機器においては、小型化の市場要求が常にあり、使用される部品についても小型化、軽量化が要求されている。特に、近年急速に普及している携帯型マルチメディア機器においてこのような傾向は顕著であり、使用される部品に対する小型化、軽量化の要求が大きい。
また、このような携帯型の機器に使用される部品においては、使用の際に発生する衝撃などに対して、安定に動作ができるように高信頼性化も要求される。
一方、電気回路において電圧変換を行う役割は、電磁トランスが果たしている。しかしながら、電磁トランスは、フェライトコアなどの芯材に電線をコイル状に巻きつけた構造を有しており、形状が大きくなりがちであるため、小型化の要求に応えることが難しい。
そこで、電磁トランスの代わりに、圧電トランスが実用化されてきている。圧電トランスは、圧電現象を利用して、圧電体にかかる交流信号を機械的な振動に一度変換し、その後に再び電気信号に変換することによって、電圧の変換を行うものである。圧電トランスにおいては、巻き線を用いる必要がなく、構造的にも簡単であり、小型化が可能になるという利点がある。特に、部品の低背化（高さを低くすること）が行えるという利点があり、液晶のバックライトに用いられる昇圧用のトランスとして適しているためその用途が広がってきている。
一般的な圧電トランスにおいては、圧電体を振動させて動作させることから、振動する素子の支持と封止が必要になる。たとえば、下記特許文献１に記載の構成に見られるように振動体であるセラミック振動子を何らかの部品を使って圧力によって支持し、また、樹脂ケースを用いて封止することが行われている。また、下記特許文献２では、圧電トランスの小型化、薄型化は図られているが、圧電振動子の素子構造が複雑であり、信頼性の観点から問題がある。
特開２００３−３０９３００号公報
特開２００７−１９０９７号公報
以上に説明したように、回路中で電圧を変換する素子として圧電トランスが用いられるようになってきたが、圧電トランスでは、セラミック振動子を何らかの部品を使って圧力によって支持する必要があり、そのため、支持部が故障の原因となり、また、樹脂ケースを用いて封止するため、ケースが冗長になり小型化を実現することが難しいという問題がある。
振動子は、入力した周波数に応答した振動モードによって振動を発生させる。振動を抑制する位置で素子を支持する構造になれば、損失を生じるばかりでなく、所定の電圧に変換することが困難になる。従って、通常は、振動のノード部分に圧力をかけて挟み込むようにして支持している。
しかしながら、上記のように挟み込むような支持構造では、外部からの衝撃等に対して不安定になり、信頼性劣化の原因となりやすい。また、ある程度の安定した支持を必要とする場合は、接触面積を増やす必要があり、その場合、素子の振動部分に影響を与えることになり、損失が無視できなくなるという問題がある。
圧電トランスにおいては、水蒸気、ごみ、などの素子の振動に影響を与える因子が、直接特性に影響を与えることから、素子を封止しなければならない。もちろん、振動部分に触れることのない構造とする必要があり、モールド、ガラズビードなどの簡単な封止構造は採用できない。
圧電トランスの封止は、一般的には、一回り大きな樹脂などのケースを用いて、その中に支持部を含めた素子構造体を囲むことが行われている。この場合、冗長な構造とならざるを得ず、小型化を実現することが難しい。
さらに、素子を電気的に接続するためには、支持部を介して電気的な引き出し導線を取り出し、かつ、ケースのいずれかの部分に、はんだによる接続部分を設ける必要もあり、振動部品の支持、封止を同時に実現し、信頼性を取得するためには小型化を犠牲にするという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、強固な支持部により高い信頼性を実現し、かつ、簡単な封止構造とすることによって小型化も同時に実現することである。
本発明による圧電素子は、振動部をシリコン基板上にシリコン梁を介してシリコン中心部に配置し、シリコン周辺部の上下に蓋をすることによって、封止構造とすることを特徴とする。
シリコン基板上に形成したダイヤフラム構造の上部に空隙を設け梁によって圧電振動子と連結され、かつ、シリコン外周部と梁と圧電振動子がもともと同一のダイヤフラムに空隙を設けることによって一体成形されたトランス部品とすることである。圧電振動子を、シリコン基板に形成したダイヤフラム上に配置し、圧電振動子とシリコン基板の間に空隙が形成されるようにし、振動のノード部分でシリコン基板によって一体形成された梁を介してシリコン外周部に固定する。封止部材により封止するときは、シリコン外周部に樹脂、ガラスなどの封止材上部封止材および下部封止材を接着させることによって行う。構造的に強固で特性が安定し、また、小型の圧電トランス部品が形成される。
すなわち、本発明の一観点によれば、圧電振動子と、該圧電振動子を支持する支持構造体と、を有する圧電トランスであって、前記支持構造体は、前記圧電振動子の周辺に配置され、内部に空間を有する外周部と、該外周部から前記空間の形成される領域に渡された梁部と、を有し、前記圧電振動子は前記内部の空間領域に配置され、前記梁部のみによって支持されていることを特徴とする圧電トランスが提供される。
前記外周部と前記梁部とが同じＳｉなどの材料により形成されていることが好ましい。Ｓｉを基板とした場合には、それを加工して枠組みを形成する。Ｓｉ基板以外を用いた場合には、用いた材料により枠組みを形成する。この枠組みにより、一体化された支持構造を簡単に形成することができる。前記梁部が、その延在方向と交差する方向に離されて複数形成されているのが好ましい。支持が安定するとともに、下記の電極構造を形成しやすいという特徴がある。
前記圧電振動子の一面に設けられている、一次側電極及び該一次側電極と離れて形成されている二次側電極と、前記一面と反対側の面に設けられ、前記一次側電極の下方であって前記梁部を通って前記外周部まで引き出された一次側引き出し電極と、前記二次側電極の下方であって前記梁部を通って前記外周部まで引き出された二次側引き出し電極と
を備えているのが好ましい。
を備えているのが好ましい。
前記梁の太さが５０μｍ以上であり、かつ、３００μｍ以下であることを特徴とする。５０μｍより細いと機械的強度が保てず、衝撃等によって破壊することがあり、３００μｍよりも太いと振動子の振動に影響を与え、特性が低下することがあるためである。
上記に記載の外周部の表裏にそれぞれ板状の封止部材で封止することで、圧電トランス装置を感性することができる。
尚、前記圧電振動子は、ＰＺＴの薄膜により構成され、前記支持構造体はシリコン基板を加工して得られたダイヤフラムにより構成されていることが好ましい。
尚、前記圧電振動子は、ＰＺＴの薄膜により構成され、前記支持構造体はシリコン基板を加工して得られたダイヤフラムにより構成されていることが好ましい。
本発明の他の観点によれば、シリコン基板の一面に凹部を形成する工程と、該凹部内に、ＰＺＴ薄膜を堆積する工程と、該ＰＺＴ薄膜の外周部を除去し、前記凹部内に外周溝部を形成する工程と、前記シリコン基板において外周部と該外周部から前記凹部が形成されている領域に渡された梁部とを除く部分を除去する工程と、を有することを特徴とする圧電素子の製造方法が提供される。
さらに、前記圧電振動子の一面に、一次側電極及び該一次側電極と離れて二次側電極を形成する工程と、前記一面と反対側の面に、前記一次側電極の下方であって前記梁部を通って前記外周部まで一次側引き出し電極を引き出し、前記二次側電極の下方であって前記梁部を通って前記外周部まで二次側引き出し電極を引き出す工程と、を有することが好ましい。さらに、前記外周部の表裏にそれぞれ封止部材を形成することが好ましい。
上記のような構成の圧電トランス部品においては、シリコンダイヤフラム外周部と一体化した梁構造を有しているため、従来の金属部品のような圧力による支持を用いる必要がなく、耐衝撃性などの信頼性に優れた構造となる。
また、上記圧電トランスは、前記外周部（周縁領域）において封止することによって、封止構造が簡単になり、従来のように素子全体を樹脂等のケースに組み入れる必要がなくなり、そのため、小型化が可能になる。
前記圧電素子は、シリコンウエハーに一括して複数個を作りこみ、その後、あらかじめ端子電極を形成した樹脂または、ガラスなどの封止材を接着した後に個々の部品に分割するようにしても良い。
以上説明したように、本発明によれば、簡単な支持構造と封止とを同時に実現できる。従って、圧電素子の信頼性が高まり、かつ、小型の圧電トランス部品を実現することができる。
以下に、本発明の一実施の形態による圧電素子について図面を参照しながら説明を行う。図１は、シリコン基板をウエットエッチングによりエッチングした場合の図であり、図１を参照して説明する。本実施の形態においては、圧電振動子の形状が１．０ｍｍ×０．３ｍｍの降圧型圧電トランスを例にして説明を行う。
まず、本実施の形態による圧電トランスの構造例について説明する。図１は、圧電素子を上面から見た図とこのＩａ−Ｉｂ断面を示す図を合わせて示したものである。図１に示すように、シリコン基板１２は、図１下方の断面図に示すように、中央部の上面及び背面が削られこの部分に圧電振動子１が配されている。上面図に示すように圧電振動子１は、シリコンをエッチングなどの公知の方法で除去して形成した４本の梁２を介して、厚みのある図の左右を含む外周部に設けられているシリコン周辺部３に支持がされている。この支持されている部分が前述したようにノード部分に相当する。圧電振動子１の膜構造は、厚み方向に上方から順番に、Ａｌ電極と、ＰＺＴ薄膜と、Ｐｔ下地電極と、Ｔｉ下地層と、ＳｉＯ２薄膜と、を有している。上記構成により、圧電振動子１は、シリコン周辺部３と一体化された梁２によって支持されるため、機械的な接続部分が無く、安定した接続が得られる。
シリコン周辺部３は、圧電振動子１よりも厚く、その上面は圧電振動子１よりも高い位置にあり、また、その下面は、圧電振動子１よりも低い位置にある。この部分に、樹脂またはガラスを接着することによって封止構造を得ることができる。あるいは、封止部材に凹部をつけ、振動部と同じ程度の高さのシリコン周辺部と接着させることもできる。
さらに、圧電振動子１の一方側に一次側表面電極４を、もう一方側に二次側表面電極７を設け、これらの電極４・７を、シリコンの梁２を介してシリコン周辺部３へそれぞれ一次側引出電極５および二次側引出電極８により導くように構成する。さらに、一次側引出電極５、二次側引出電極８を、それぞれ封止部材１１のそれぞれの側端部に配した一次側端子電極６、二次側端子電極９に接続する。尚、詳細な構造は、後述する製造工程により、明らかにする。
従来の一般的な封止構造は、樹脂等のケースに素子を配置し、この樹脂ケースに端子電極を金属で形成している。そのため、装置の小型化が困難であったが、本実施の形態によれば、パッケージなどのケースを用いる必要がないため、封止構造全体としての小型化が可能となる。
以下に、本実施の形態による圧電トランスの製造方法について説明する。本実施の形態による圧電トランスは、薄膜圧電部材の製造、MEMS（Micro-Electrico Mechanical System：微小電気機械システム）製造のシリコン微細加工技術、金属薄膜、酸化物薄膜のパターニング技術を利用して行うことができる。
図２において、平面図（上図）と断面図（下図）とにより示すように、まず、シリコン基板１２に、例えばＩＣＰ（Inductively-coupled plasma：誘導結合プラズマ法）ドライエッチング法などのエッチング方法を用いて、上面のある領域２１ａで画定される窪み２１を形成する。但し、この工程は、封止材に元々凹部が設けられている部材を用いる場合は省略可能である。
圧電振動子を形成するために、図３に示すように、シリコン基板１２に、例えば、ゾルゲル法などの液相合成、または、マグネトロンスパッタリングなどの気相合成を用いてＰＺＴ薄膜１７を領域２１ａにより画定される窪み内に形成する。その前に、シリコン表面とＰＺＴ薄膜１７との密着性を向上させるために、酸化シリコン（ＳｉＯ２）薄膜１４、チタン（Ｔｉ）薄膜１５、白金（Ｐｔ）薄膜１６をそれぞれ形成する。Ｔｉ、Ｐｔの導体層は電極としても用いることができる。図３に示す状態では、まだ窪み領域２１ａには凹部が残っている。
次に、図４に示すように、窪み領域２１ａ内のＰＺＴ薄膜１７を所定の形状（ここでは、窪み領域２１ａよりも小さい直方体状の形状）に、周知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を利用してパターニングする。エッチング方法としては、バッファードフッ酸を用いる方法が好ましい。振動部の形状は、入力の信号周波数に対応して共振させるようにするために、寸法精度が出るように精密なフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングするのが好ましい。
次いで、図５に示すように、シリコン基板１２の裏面において、ダイヤフラム形状の窪みの部分２４を形成する。この場合も、上記と同様に、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行うのが好ましい。但し、シリコンの裏面側を深く削るために、ＩＣＰドライエッチャーを用いて、高アスペクト比のリソグラフィーを行うのが好ましい。或いは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）をエッチング液として利用することで、シリコンの１１１面に沿った異方性エッチングによって窪みの部分２４を形成することも可能である。いずれの場合においても、シリコンの所望の部分がエッチングされ、ＳｉＯ２薄膜１４が露出するとエッチングが自動的に停止するように工夫されている。もちろん、必要に応じて、エッチングを途中で停止させることによりシリコン層を残しておくことも可能である。次いで、図６に示すように、シリコン周辺部１２ａとＰＺＴ薄膜１７領域との間の空隙部分１９に上下に貫通する貫通パターンを形成する。具体的には、フォトリソグラフィーを用いてＳｉＯ２を除去する。エッチング液としてはフッ酸を用いると容易に除去が可能である。
残存したＴｉ、Ｐｔは、ごく薄い層であるため、ＳｉＯ２を除去する工程によって、付随して除去されるが、フォトリソグラフィーによって取り除くこともできる。
図７に示すように、シリコン周辺部１２ａを枠組みのように利用することで、一次側引出電極５、二次側引出電極８、および、圧電振動子の一次側表面電極４、二次側表面電極７、を形成する。一次側表面電極４、二次側表面電極７、は、圧電振動子の上面に分離されて形成され、それぞれの電極４、７から、梁部２及びシリコン周辺部１２ａ上を這わせて一次側引出電極５、二次側引出電極８、が形成される。一次側引出電極５、二次側引出電極８、は、圧電振動子の裏面に形成する。これらの電極を形成する場合には、表裏面側の各電極とも、アルミニウム製の導体パターンを形成しフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングにより加工を行うことができる。
次いで、得られた圧電振動子の電極に、電圧を印加して圧電体の分極処理を行う。この分極処理は、多結晶により形成された、各々の結晶の分極方向を所定の方向に揃える方法によって行うことができるが、本実施の形態では、特に厚み方向の部分と、長手方向の部分の２方向で電圧の印加を行っている。その後に、裏面電極を形成するために、アルミニウム電極をパターン形成するが、分極用電極をそのまま用いることができれば、この工程は不要である。
次いで、図８に示すように、ガラス、樹脂などの上下の封止用の材料１０、１１に、半田付け用の電極パターンを形成する。電極パターンの形成工程においては、薄膜形成にめっき法を行い、銅、ニッケル、スズ層を形成するのが好ましい。
樹脂との接着を行うためには、樹脂のガラス転移点Ｔｇ付近まで温度を上昇させ、樹脂を軟化させたものを付着すればよいが、全体を真空中にいれて行うことにより、密着が一層促進されるという効果がある。樹脂としては、例えば、エポキシ系の材料を使い、フィラーを入れることにより熱膨張率が抑えられ、強度を上げることができるので、フィラーとして、ガラス粉体、シリコン粉体を用いるのが好ましい。
一方、ガラスを封止部材として用いる場合は、パイレックスガラスを用いるのが好ましく、真空陽極接合を行うと接着ができる。
上記の方法によれば、シリコン基板を分割せずに素子を形成し、これを一括して封止をして、その後に個々の部品に分割することもできるため、量産性に優れるという利点もある。
尚、本実施の形態は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであって、請求項に記載された本発明の範囲を限定する意図で記載したものではない。また、本実施の形態において記載した各構成要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また、任意好適な種々の改変が可能である。例えば、内蔵する振動子素子は１つだけに限定されるものではなく、複数を一括して内蔵してもよい。本発明の特徴の１つは、圧電振動子に対して気密性の高い空間（空隙）を封止部材により確保することにあり、より具体的な形態としては種々の形態が考えられる。
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明を行う。
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明を行う。
以下、本発明のより具体的な実施例に関して図面を参照しながら説明を行う。まず、上記の方法により図１に示す構造を有する素子を備えた圧電トランス部品を製造し、その動作について検証した結果について説明する。作製した圧電トランスの寸法について図９を参照しながら説明を行う。図９は、シリコン基板をドライエッチングによりエッチングした場合の図であり、可動部は０．３ｍｍｘ１．０ｍｍの長方形を０．２ｍｍの幅の梁４本で支える構造とした。外周部の大きさは、１．８ｍｍｘ１．１ｍｍであった。膜の厚みは、シリコン４００μｍ、ＳｉＯ２ ０．３μｍ、Ｔｉ ０．０２μｍ、Ｐｔ０．１５μｍ、ＰＺＴ ５μｍ、Ａｌ ０．３μｍである。これに封止処理を施すことによって全体の厚みは１ｍｍとなった。まず、窪み２１を形成した厚み４００μｍのシリコン基板１２を洗浄した後に、熱酸化法を用いてＳｉＯ２膜を形成した。次に、ＴｉおよびＰｔをＲＦスパッタリング法によって形成した。ＰＺＴの形成には、ゾルゲル法を用いた。ＰＺＴアルコキシド溶液をスピンコート法によってシリコン基板に塗布した後に乾燥を行い、所定の厚みが形成されるまで、スピンコートと、乾燥と、を繰り返した。その後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing:：赤外線アニール）法を用いて、シリコン基板をベーキングし、厚さ５μｍのＰＺＴ膜を形成した。
ＰＺＴ膜の表面に、フォトレジストを塗布し、所定のパターンを露光現像により形成し、レジストパターンを形成した。その後、バッファードフッ酸を用いて、ＰＺＴを所定のパターンにエッチングにより加工した。その後にレジストを剥離し、ウエハーを洗浄・乾燥した。
次いで、シリコン基板１２の裏面にフォトレジストをスピンコートし、乾燥処理を行った。ＩＣＰドライエッチングに先立ってレジスト膜を強固なものとするために、フォトレジスト膜にプリベーク処理を行った。ＩＣＰドライエッチング法としては、いわゆるボッシュプロセスを用いた。これは、エッチングガスである六フッ化硫黄（ＳＦ６）と保護膜であるオクタフルオロシンクロブタン（Ｃ４Ｆ８）を交互に用いる方法で、高アスペクト比のエッチングが可能になる。
この後に、同じくフォトリソグラフィー法を用いて、空隙部に対応するＳｉＯ２膜を除去した。その際には、表面をフォトレジストを用いてパターニングし、フッ酸を用いて加工する処理を行った。このときに空隙部１９が形成されるとともに、振動子の裏側部分のＳｉＯ２も溶解させることができる。
その後、硝酸に含浸して裏面の金属層を除去した。レジストはこの後に剥離し、洗浄及び乾燥処理を行った。分極電極および取り出し電極の形成工程としては、Ｓｉ基板の表裏面にアルミニウム薄膜を真空蒸着し、その後にフォトリソグラフィー法によってパターン形成を行った。分極は、直流安定化電源を用いて、各端子５・９に、それぞれの電圧を２０分間印加することによって行った。この際、分極方向は入力一次側の部分が厚み方向になるように１０Ｖの電圧を印加し、また、出力二次側は、長手方向になるように１００Ｖの電圧を印加した。電圧印加のための電気的接続には、マイクロプローブを用いた。
その後に、二次側の底面アルミニウム電極と引出導体層とを、フォトリソグラフィー技術を利用して上記と同様に形成した。
エポキシ系樹脂にガラスフィラーを混入してシート状に成形されたシートを、金型を用いて、シリコン周辺部と同じ大きさに合わせて圧痕を形成した。端子電極になる部分に穴を開けさらに真空蒸着によって電極部分を形成し、これを電解めっきによって、銅、ニッケル、スズの皮膜を形成した。これを、シリコンウエハーの上に乗せ、ポリ袋に入れた。ポリ袋を脱気して真空状態にした後に、７０℃に加熱したプレス上に載せ、全圧１ＭＰａの圧力で接着を行った。さらに、ダイシングマシンを用いて個別の素子（各片）に分割した。エポキシ樹脂の代わりにガラス板を用いて同様の処理を行った試料も作成した。この際に、接着処理は真空陽極接合装置を用いて行った。
図１０に、作成した素子の特性例を示す図である。入力１００Ｖを印加した場合において、出力が４５Ｖ程度となり、降圧変換が行われていることがわかる。従来の素子と比較し、遜色のない共振特性を示している（なお、電磁トランスと比較すると、電磁トランスには共振特性がないので比較できない。）。さらに、図１１に振動モードの様子を示す。おおよそ、ノードの部分を支持することができ、単一の寄生振動を伴わない基本的な振動モードであることがわかる。
以上に説明したように、本実施の形態による圧電素子においては、可動部を支持するにための機構が簡単になるという利点がある。また、ケースを必要とせず、シンプルな構造の圧電トランスを得ることができる。
本発明は、圧電素子として利用可能である。
１…圧電振動子、２…シリコンの梁、３…シリコン周辺部、４…一次側表面電極、５…一次側引出電極、７…二次側表面電極、８…二次側引出電極。
Claims (6)
- シリコン基板に形成され、圧電振動子と、該圧電振動子を支持する支持構造体と、を有する圧電トランスであって、前記支持構造体は、前記圧電振動子の周辺に配置され、内部に空間を有するシリコン外周部と、該外周部から前記空間の形成される領域に渡された梁部と、を有し、前記圧電振動子は前記内部の空間領域に配置され、前記梁部のみによって支持されている圧電トランスにおいて、
前記圧電振動子が、前記シリコン外周部から前記内部に向けて延びる梁部によって支持されることを特徴とする圧電トランス。 - 前記梁部が、その延在方向と交差する方向に離されて複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
- 前記梁の太さが５０μｍ以上であり、かつ、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電トランス。
- 請求項１から３までに記載の圧電トランスの外周部の表裏にそれぞれ板状の封止部材で封止したことを特徴とする圧電トランス装置。
- 前記圧電振動子は、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３、以下「Ｐ
ＺＴ」と称する。）の薄膜により構成され、前記支持構造体はシリコン基板を加工して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電トランス装置。 - 請求項１に記載の圧電トランスの製造方法であって、
シリコン基板において外周部と該外周部から内側に向けて延びた梁部とを除く部分を除去して凹部を形成する工程と、
該凹部内に、ＰＺＴ薄膜を堆積する工程と、
該ＰＺＴ薄膜の外周部を除去し、前記梁部のみによって支持されている圧電振動子を形成する工程と、
を有することを特徴とする圧電トランスの製造方法。
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