JPH07274289A - Ultrasonic transducer - Google Patents
Ultrasonic transducerInfo
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- JPH07274289A JPH07274289A JP6239894A JP6239894A JPH07274289A JP H07274289 A JPH07274289 A JP H07274289A JP 6239894 A JP6239894 A JP 6239894A JP 6239894 A JP6239894 A JP 6239894A JP H07274289 A JPH07274289 A JP H07274289A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板上に形
成される超音波トランスジューサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer formed on a silicon substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超音波は光に比べ伝搬速度が遅いため、
距離、位置、物体形状などの情報を非接触で正確に計測
でき、また分散性が良いので、空間的に広い領域にわた
るセンシングにも適している。このような特徴を生かし
て、生体断層診断装置、魚群探知器、材料損傷、厚さ
計、レベル計、超音波顕微鏡、監視警報装置、リモート
スイッチ等広い分野への応用がなされている。このよう
なセンシング技術では、高速、高精度での測定へ、また
点計測から面計測さらには立体計測へと技術的要求が高
まっている。2. Description of the Related Art Since ultrasonic waves have a slower propagation speed than light,
Since information such as distance, position, and object shape can be measured accurately without contact and has good dispersibility, it is suitable for sensing over a wide spatial area. Utilizing these features, it has been applied to a wide range of fields such as a biological tomography diagnostic apparatus, a fish finder, material damage, a thickness meter, a level meter, an ultrasonic microscope, a monitoring alarm device, and a remote switch. In such sensing technology, there is an increasing technical demand for high-speed and high-accuracy measurement, as well as point measurement, surface measurement, and stereoscopic measurement.
【０００３】このため、検知部と信号処理部を一体化し
たシリコンモノリシック構造の超音波トランスジューサ
が提案されている（例えば、特開昭６１−２２０５９６
号公報（Ｈ０４Ｒ １７／００）参照）。Therefore, an ultrasonic transducer having a silicon monolithic structure in which a detector and a signal processor are integrated has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-220596).
Publication (H04R 17/00)).
【０００４】シリコンモノリシック超音波トランスジュ
ーサの素子構造は、長さ数十〜数百μｍ、幅数十μｍ、
厚さ数千オングストロームの二酸化シリコン（ＳｉＯ
2 ）からなるカンチレバーをシリコン（Ｓｉ）基板上に
異方性エッチングにより形成する。このカンチレバー上
にＰｔなどの下部電極、ＡｌＮ、ＰｂＴｉＯ3 、Ｚｎ
Ｏ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰＬＺＴ（（Ｐ
ｂ1-x，Ｌａx）（Ｚｒy，Ｔｉ1-y）1-x/3Ｏ3）等の圧電
体膜、Ａｌ等の上部電極を順次積層して形成されてい
る。The element structure of the silicon monolithic ultrasonic transducer has a length of several tens to several hundreds μm and a width of several tens μm.
Thousands of Angstrom thick silicon dioxide (SiO
2 ) A cantilever composed of 2 ) is formed on a silicon (Si) substrate by anisotropic etching. On this cantilever, a lower electrode such as Pt, AlN, PbTiO 3 , Zn
O, PZT (lead zirconate titanate), PLZT ((P
b 1-x, La x) (Zr y, Ti 1-y) 1-x / 3 O 3) such as a piezoelectric film is formed by sequentially stacking an upper electrode made of Al or the like.
【０００５】そして、この上から超音波を照射すると、
複合膜からなるカンチレバーは振動する。その振動はカ
ンチレバーの構造により決まるいくつかの機械的共振周
波数のところで非常に大きくなる。この振動により圧電
薄膜内部にストレスが発生し、その圧電効果により下部
電極と上部電極間に電圧が生じ、超音波を検出する。When ultrasonic waves are radiated from above,
A cantilever composed of a composite membrane vibrates. The vibration becomes very large at some mechanical resonance frequencies determined by the structure of the cantilever. Due to this vibration, stress is generated inside the piezoelectric thin film, a voltage is generated between the lower electrode and the upper electrode due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are detected.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電体膜を
形成する場合、基板温度を上げて形成することが多く、
そのため下地との反応を避けるため、下地となる下部電
極は反応性の低い金属であるＰｔが用いられている。そ
して、圧電体膜としては、特性上からその結晶性に配向
性を有することが必要とされている。By the way, when a piezoelectric film is formed, the substrate temperature is often raised to form the piezoelectric film.
Therefore, in order to avoid reaction with the base, Pt, which is a metal with low reactivity, is used for the lower electrode that is the base. The piezoelectric film is required to have crystallinity due to its characteristics.
【０００７】一方、圧電膜として、ＡｌＮを用いようと
すると、Ｐｔの上にＡｌＮを密着性よく形成することが
できず、パターニングなどの微細加工ができないという
問題があった。On the other hand, if AlN is used as the piezoelectric film, there is a problem that AlN cannot be formed on Pt with good adhesion and fine processing such as patterning cannot be performed.
【０００８】このため、ＡｌＮとの密着性だけを考える
と、下部電極としてＡｌを用いることも考えられるが、
ＳｉＯ2 膜上にＡｌを形成すると、Ａｌの配向性は良く
なく、その上に形成されるＡｌＮも配向性が悪くなると
いう問題があり、実用化に耐えない。さらに、ＡｌはＡ
ｌＮ膜のパターニングの際、同時にエッチングされるの
で、下部の取り出し電極としては使いずらいという問題
もある。Therefore, considering only the adhesiveness with AlN, it is possible to use Al as the lower electrode.
When Al is formed on the SiO 2 film, the orientation of Al is not good, and AlN formed on the SiO 2 film also has a problem that the orientation is poor, and it cannot be put to practical use. Furthermore, Al is A
Since it is etched at the same time as the patterning of the 1N film, there is a problem that it is difficult to use as the lower extraction electrode.
【０００９】この発明は、上述した従来の問題点を解消
するためになされたものにして、配向性の良好な圧電体
膜を有し、特性の良好な超音波トランスジューサを提供
することを目的とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer having a piezoelectric film having a good orientation and having a good characteristic. To do.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】この発明は、片持ち梁形
式でシリコン基板に支持された二酸化シリコン薄膜と、
この二酸化シリコン薄膜上に下部電極を介して積層され
た圧電薄膜と、この圧電薄膜上に積層された上部電極
と、を備えてなる超音波トランスジューサであって、前
記二酸化シリコン薄膜上に、配向し易く且つ反応性が低
い白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉ
ｒ）またはロジウム（Ｒｈ）から選択される金属からな
る下部電極が設けられ、この下部電極上にアルミニウム
（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）または銅（Ｃｕ）から選択され
る金属層が下部電極の配向性を反映して形成され、この
金属層の配向性を反映してこの金属層上に配向性を有す
る圧電薄膜が形成される。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention comprises a silicon dioxide thin film supported on a silicon substrate in the form of a cantilever,
An ultrasonic transducer comprising a piezoelectric thin film laminated on the silicon dioxide thin film via a lower electrode and an upper electrode laminated on the piezoelectric thin film, the ultrasonic transducer being oriented on the silicon dioxide thin film. Easy and low reactivity platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (I
r) or rhodium (Rh) is provided on the lower electrode, and a metal layer selected from aluminum (Al), zinc (Zn), or copper (Cu) is provided on the lower electrode. The piezoelectric thin film having the orientation is formed on the metal layer by reflecting the orientation of the metal layer.
【００１１】[0011]
【作用】この発明は、二酸化シリコン薄膜上に、Ｐｔ、
Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈは配向性よく形成できる。そして、こ
れらの金属からなる下部電極上にＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕはこ
の下部電極の配向性を反映して形成することができる。
このＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕ上に圧電薄膜を形成することで、
圧電薄膜は良好な配向が得られるとともに、Ａｌ、Ｚ
ｎ、Ｃｕとの密着性もよい。The present invention is characterized in that Pt,
Pd, Ir and Rh can be formed with good orientation. Then, Al, Zn, and Cu can be formed on the lower electrode made of these metals by reflecting the orientation of the lower electrode.
By forming a piezoelectric thin film on this Al, Zn, Cu,
The piezoelectric thin film has good orientation, and Al, Z
Adhesion with n and Cu is also good.
【００１２】[0012]
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１３】図１は、この発明の一実施例を示す平面図
であり、図２はその実施例の縦断面図である。FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical sectional view of the embodiment.
【００１４】（１００）Ｓｉ単結晶基板１上に熱酸化法
により、膜厚０．１５〜１．２μｍ、この実施例では
０．５μｍのＳｉＯ2 膜２０が設けられている。このＳ
ｉＯ2膜２０はフォトリソグラフィにより、〈１１０〉
方向に凹の字上の開口部が形成され、ＳｉＯ2 膜２０を
マスクとして、アルカリ溶液、例えば、エチレンジアミ
ン、ピロカテコール、水の混合液によるエッチング溶液
による異方性エッチングにより、Ｓｉ基板１に片持ち梁
形式で支持されたＳｉＯ2 膜からなるカンチレバー２が
形成されている。A SiO 2 film 20 having a thickness of 0.15 to 1.2 μm, 0.5 μm in this embodiment, is provided on the (100) Si single crystal substrate 1 by a thermal oxidation method. This S
The iO 2 film 20 was formed by photolithography to <110>.
A concave opening is formed in the direction, and the Si substrate 1 is subjected to anisotropic etching using an etching solution of an alkaline solution, for example, a mixed solution of ethylenediamine, pyrocatechol, and water, using the SiO 2 film 20 as a mask. A cantilever 2 made of a SiO 2 film supported in a cantilever form is formed.
【００１５】そのＳｉＯ2 膜２０上に、下部電極３とな
る配向し易く且つ反応性が低い白金（Ｐｔ）、パラジウ
ム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）またはロジウム（Ｒ
ｈ）が設けられている。この実施例では、Ｐｔからなる
下部電極３が設けられている。このＰｔはＳｉＯ2 膜２
０上に配向性よく形成することができる。On the SiO 2 film 20, platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir) or rhodium (R), which is easy to orient as the lower electrode 3 and has low reactivity, is formed.
h) is provided. In this embodiment, the lower electrode 3 made of Pt is provided. This Pt is a SiO 2 film 2
0 can be formed with good orientation.
【００１６】そして、この下部電極３上に、Ａｌ、Ｚｎ
またはＣｕからなる膜厚５０〜３００オングストローム
の金属層４が下部電極の配向性を反映して形成される。
この実施例では、Ａｌからなる金属層４が形成されてい
る。On the lower electrode 3, Al, Zn
Alternatively, a metal layer 4 made of Cu and having a film thickness of 50 to 300 Å is formed by reflecting the orientation of the lower electrode.
In this embodiment, the metal layer 4 made of Al is formed.
【００１７】この金属層４上にＡｌＮ、ＰｂＴｉＯ3 、
ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴからなる圧電体膜５が設けら
れている。この圧電体５は金属層４の配向を反映して良
好な配向性を有して形成されている。この実施例では、
ＡｌＮからなる圧電体膜５が形成されている。そして、
下部電極３の取り出し部分３ａとの短絡を防止するため
にＳｉＯ2 膜６を介して、Ａｌからなる上部電極７が設
けられている。このようして、Ｓｉ基板１上に片持ち梁
形式にＳｉＯ2 膜２０が支持され、この上に下部電極
３、金属層４、圧電体膜５、上部電極６を積層して振動
体が形成され、この振動体が、Ｓｉ基板１に設けられた
エッチング溝内を上下に振動することにより超音波の送
受波を行う。On the metal layer 4, AlN, PbTiO 3 ,
A piezoelectric film 5 made of ZnO, PZT, PLZT is provided. The piezoelectric body 5 reflects the orientation of the metal layer 4 and has a good orientation. In this example,
A piezoelectric film 5 made of AlN is formed. And
An upper electrode 7 made of Al is provided via a SiO 2 film 6 in order to prevent a short circuit between the lower electrode 3 and the extraction portion 3a. In this way, the SiO 2 film 20 is supported in a cantilever manner on the Si substrate 1, and the lower electrode 3, the metal layer 4, the piezoelectric film 5, and the upper electrode 6 are laminated on the SiO 2 film 20 to form a vibrating body. Then, the vibrating body vibrates up and down in the etching groove formed in the Si substrate 1 to transmit and receive ultrasonic waves.
【００１８】上述したように、ＳｉＯ2 膜２０上に、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈからなる下部電極３を設ける。こ
れら下部電極３はＳｉＯ2 膜２０上に配向よく形成でき
る。そして、これら下部電極３上には、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃ
ｕがこの下部電極３の配向性を反映して形成することが
できる。このＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕ上に圧電薄膜５を形成す
ることで、圧電薄膜５は良好な配向が得られるととも
に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕとの密着性も良好である。As described above, on the SiO 2 film 20, P
A lower electrode 3 made of t, Pd, Ir, and Rh is provided. These lower electrodes 3 can be formed on the SiO 2 film 20 with good orientation. Then, on these lower electrodes 3, Al, Zn, C
u can be formed by reflecting the orientation of the lower electrode 3. By forming the piezoelectric thin film 5 on this Al, Zn, Cu, the piezoelectric thin film 5 can obtain a good orientation and also has good adhesiveness with Al, Zn, Cu.
【００１９】次に、この発明の第２実施例を図３ないし
図４に従い説明する。図３は、この発明の第２実施例を
示す平面図であり、図４はその実施例の縦断面図であ
る。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a plan view showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a vertical sectional view of the embodiment.
【００２０】この第２実施例のものは、第１実施例のも
のが下部電極３の取り出し電極として、Ｐｔを用いてい
るのに対し、下部電極３の取り出しを金属層４のＡｌに
より行っている。すなわち、ＳｉＯ2 膜２０の一部分に
窓を開け、その上部に結晶性の良好なＡｌからなる取り
出し電極部４ｃを設けたものである。その他の構成は第
１実施例と同様であるので、説明の重複を避けるために
ここでは説明を省略する。In the second embodiment, Pt is used as the extraction electrode of the lower electrode 3 in the first embodiment, whereas the lower electrode 3 is extracted by Al of the metal layer 4. There is. That is, a window is opened in a part of the SiO 2 film 20, and an extraction electrode portion 4c made of Al having good crystallinity is provided above the window. The other structure is similar to that of the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here to avoid duplication of description.
【００２１】次に、この発明の超音波トランスジューサ
につきその製造例とともに説明する。図５及び図６はこ
の発明の超音波トランスジューサの製造方法を工程別に
示す断面図である。Next, the ultrasonic transducer of the present invention will be described together with its manufacturing example. 5 and 6 are sectional views showing the method of manufacturing the ultrasonic transducer of the present invention step by step.
【００２２】まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ（１
００）単結晶基板１に熱酸化法により、膜厚０．１５〜
１．２μｍ、この実施例では０．５μｍのＳｉＯ2 膜２
０を形成する。このＳｉＯ2 膜２０は、熱酸化法以外
に、ＲＦスパッタ法、ＣＶＤ法等により形成しても良
い。First, as shown in FIG. 5 (a), Si (1
00) The film thickness of 0.15 is formed on the single crystal substrate 1 by the thermal oxidation method.
1.2 μm, 0.5 μm in this embodiment SiO 2 film 2
Form 0. The SiO 2 film 20 may be formed by an RF sputtering method, a CVD method, or the like, other than the thermal oxidation method.
【００２３】そのＳｉＯ2 膜２０上に、下部電極３を設
ける。下部電極３としてＰｔを０．１〜０．４μｍ、Ｒ
Ｆスパッタ法あるいはイオンビームスパッタ法により形
成する。下部電極３はＰｔ以外にＰｄ、Ｉｒ、Ｐｄなど
を用いても良い。The lower electrode 3 is provided on the SiO 2 film 20. As the lower electrode 3, Pt is 0.1 to 0.4 μm, R
It is formed by the F sputtering method or the ion beam sputtering method. The lower electrode 3 may use Pd, Ir, Pd or the like other than Pt.
【００２４】その後、Ｐｔからなる下部電極３をフォト
リソグラフィによりパターニングする。下部電極３のパ
ターニングは、膜厚０．８μｍ程度のレジストでマスク
し、イオンビームミリングにより行う。そのイオンビー
ムミリングの条件は、Ａｒガス圧が２．８×１０-4Ｔｏ
ｒｒ、加速電圧が５００Ｖ、イオン電流が０．３ｍＡ／
ｃｍ2 、ミリング速度が２０００オングストローム／１
０分とした。After that, the lower electrode 3 made of Pt is patterned by photolithography. The patterning of the lower electrode 3 is performed by masking with a resist having a film thickness of about 0.8 μm and performing ion beam milling. The condition of the ion beam milling is that the Ar gas pressure is 2.8 × 10 −4 To.
rr, accelerating voltage is 500V, ion current is 0.3mA /
cm 2 , milling speed 2000 Å / 1
It was set to 0 minutes.
【００２５】イオンミリングが終了後、レジストをＯ2
プラズマあるいはアセトン、、メチルエチルケトンなど
の有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液により除
去する。After the ion milling was completed, the resist was replaced with O 2
It is removed by plasma or an organic solvent such as acetone or methyl ethyl ketone, or a solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution.
【００２６】その後、金属層４として膜厚５０〜３００
オングストロームのＡｌをイオンビームスパッタ法によ
り形成する。Thereafter, the metal layer 4 has a film thickness of 50 to 300.
Angstrom Al is formed by the ion beam sputtering method.
【００２７】このＡｌのイオンビームスパッタ法による
成膜条件は、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃に保ち、Ａｒガス
圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イ
オン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、Ａｌの成膜速度を
３５オングストローム／分とした。As the film forming conditions of this Al by the ion beam sputtering method, 99.999% aluminum was used as the target, the substrate temperature was kept at room temperature to 300 ° C., the Ar gas pressure was 2.8 × 10 -4 Torr, The acceleration voltage was 800 V, the ion current was 0.76 mA / cm 2 , and the Al film formation rate was 35 Å / min.
【００２８】続いて、図５（ｂ）に示すように、ＡｌＮ
からなる膜厚０．１〜２０μｍの圧電体膜５を金属層４
上につづいてイオンビームスパッタリングにより形成す
る。この実施例では、０．７μｍのＡｌＮを積層した。Then, as shown in FIG. 5B, AlN
The piezoelectric film 5 having a film thickness of 0.1 to 20 μm
Subsequently, it is formed by ion beam sputtering. In this example, 0.7 μm of AlN was laminated.
【００２９】このＡｌＮの成膜条件は、イオンビームス
パッタ法を用いる場合には、ターゲットは９９．９９９
％のアルミニウムを用い、基板温度を室温〜８００℃、
この実施例では３００℃に保ち、窒素ガス流量を８ＣＣ
Ｍ、Ａｒ流量を４ＣＣＭ、カウフマンイオンガンを８０
０ｅＶ，０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、窒素イオンビームエネ
ルギーを７２〜２００ｅＶ、この実施例では、１００ｅ
Ｖ、窒素イオンビーム電流を０．２０〜０．７４ｍＡ／
ｃｍ2 、この実施例では、０．３２ｍＡ／ｃｍ2 、ＥＣ
Ｒマクロ波パワーを２００〜５００Ｗ、この実施例で
は、３００Ｗ、到達圧を〜２×１０-7Ｔｏｒｒ、成膜中
の圧力１．４×１０-4Ｔｏｒｒ、ＡｌＮの成膜速度を１
０〜７０オングストローム／分、この実施例では、３０
オングストローム／分とした。When the ion beam sputtering method is used, the target is 99.999 for the AlN film forming conditions.
% Aluminum and the substrate temperature is room temperature to 800 ° C.,
In this embodiment, the temperature is kept at 300 ° C. and the nitrogen gas flow rate is 8 CC.
M, Ar flow rate 4 CCM, Kaufman ion gun 80
0 eV, 0.76 mA / cm 2 , nitrogen ion beam energy of 72 to 200 eV, 100 e in this example.
V, nitrogen ion beam current 0.20 to 0.74 mA /
cm 2 , in this example 0.32 mA / cm 2 , EC
R macro wave power is 200 to 500 W, in this embodiment, 300 W, ultimate pressure is up to 2 × 10 −7 Torr, pressure during film formation is 1.4 × 10 −4 Torr, AlN film formation rate is 1
0-70 angstroms / minute, in this example 30
Angstrom / min.
【００３０】成膜したＡｌからなる金属層４とＡｌＮか
らなる圧電体膜５をウェットエッチングまたはイオンミ
リングによりパターニングする。Ａｌ及びＡｌＮ膜はほ
とんどの酸に室温付近の低温ではエッチングされず、ア
ルカリ液を用いる必要がある。The formed metal layer 4 made of Al and the piezoelectric film 5 made of AlN are patterned by wet etching or ion milling. Al and AlN films are not etched by most acids at low temperatures near room temperature, and it is necessary to use an alkaline solution.
【００３１】Ａｌ、ＡｌＮ膜をウェットエッチングによ
り、パターニングする場合の条件は、レジストによりマ
スクを形成後、１．０Ｎ−ＫＯＨなどのアルカリ溶液を
４０〜７０℃に加熱してエッチングする。イオンビーム
スパッタ法により形成したＡｌ，ＡｌＮ膜の場合には、
かかるウェットエッチングによるエッチング速度は７０
オングストローム／分である。The conditions for patterning the Al and AlN films by wet etching are as follows. After forming a mask with a resist, an alkaline solution such as 1.0N-KOH is heated to 40 to 70 ° C. for etching. In the case of Al and AlN films formed by the ion beam sputtering method,
The etching rate by such wet etching is 70
Angstrom / min.
【００３２】Ａｌ、ＡｌＮ膜をイオンミリングでパター
ニングする場合の条件は、レジストでマスクし、Ａｒガ
ス圧が２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が５００Ｖ、
イオン電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 とする。ミリング速度
は、イオンビームスパッタ法により形成したＡｌ，Ａｌ
Ｎ膜の場合には、４０オングストローム／分である。The conditions for patterning the Al and AlN films by ion milling are: masking with a resist, Ar gas pressure of 2.8 × 10 −4 Torr, acceleration voltage of 500 V,
The ion current is 0.3 mA / cm 2 . The milling speed is Al, Al formed by the ion beam sputtering method.
In the case of N film, it is 40 Å / min.
【００３３】そして、エッチングの際に使用したレジス
トをＯ2 プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケト
ンなどの有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液に
より除去する。Then, the resist used in the etching is removed by O 2 plasma or an organic solvent such as acetone or methyl ethyl ketone or a solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution.
【００３４】その後、図５（ｃ）に示すように、取り出
し電極の層間絶縁膜として、ＳｉＯ2 膜６を形成した
後、図６（ａ）に示すように、上部電極７として膜厚
０．１〜０．８μｍ、この実施例では０．３μｍのＡｌ
をイオンビームスパッタ法により選択形成する。After that, as shown in FIG. 5C, a SiO 2 film 6 is formed as an interlayer insulating film of the take-out electrode, and then, as shown in FIG. 1 to 0.8 μm, 0.3 μm Al in this embodiment
Are selectively formed by the ion beam sputtering method.
【００３５】このＡｌのイオンビームスパッタ法による
成膜条件は、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃に保ち、Ａｒガス
圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イ
オン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ2、Ａｌの成膜速度を３
５オングストローム／分とした。As the film forming conditions of this Al by the ion beam sputtering method, the target is aluminum of 99.999%, the substrate temperature is kept at room temperature to 300 ° C., the Ar gas pressure is 2.8 × 10 −4 Torr, Accelerating voltage 800V, ion current 0.76mA / cm 2 , Al film formation rate 3
It was set to 5 angstrom / min.
【００３６】この上部電極７はＡｌ以外にＡｕ、Ｐｔな
どの金属膜や，ＩｎＯ、ＳｎＯ2ＩＴＯなどの導電性酸
化物などを用いることもできる。In addition to Al, a metal film of Au, Pt or the like, a conductive oxide such as InO, SnO 2 ITO or the like can be used for the upper electrode 7.
【００３７】さらに、パッシベーション膜を設ける場合
には、ＳｉＯ2 、ポリイミド膜などのパッシベーション
膜を選択的に形成すればよい。また、複数個のチップを
同一基板上に形成している場合には、この時点でそれぞ
れのチップにダイシングしたりあるいは分割を容易にす
るためにハーフカットのダイシングを行っても良い。Further, when a passivation film is provided, a passivation film such as SiO 2 or a polyimide film may be selectively formed. In addition, when a plurality of chips are formed on the same substrate, dicing may be performed on each chip at this point or half-cut dicing may be performed to facilitate division.
【００３８】この後、Ｓｉエッチングを行いＳｉＯ2 カ
ンチレバーを作成するが、このＳｉエッチングに用いる
エッチング溶液がアルカリ溶液のため、Ａｌ、ＡｌＮに
ダメージを与えないために、エッチングマスクとしてＣ
ｒを用いる。図６（ｂ）に示すように、イオンビームス
パッタリングまたはＲＦスパッタリングによりＣｒ膜８
を形成し、さらにフォトリソグラフィによりＳｉエッチ
ングを行う予定の部分のＣｒ膜８を除去した後、Ｃｒ膜
８が除去された箇所のＳｉＯ2 膜２０をバッファドフッ
酸によりエッチングする。After that, Si etching is performed to form a SiO 2 cantilever. Since the etching solution used for this Si etching is an alkaline solution, Al and AlN are not damaged, so that C is used as an etching mask.
r is used. As shown in FIG. 6B, the Cr film 8 is formed by ion beam sputtering or RF sputtering.
Is formed, and the Cr film 8 at the portion where Si etching is to be performed is removed by photolithography, and then the SiO 2 film 20 at the portion where the Cr film 8 is removed is etched by buffered hydrofluoric acid.
【００３９】Ｃｒ膜８を、例えばイオンビームスパッタ
リングにより形成する場合には、成膜条件は、ターゲッ
トは９９．９９９％のＣｒを用い、基板温度を室温〜３
００℃に保ち、Ａｒガス圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、
加速電圧を８００Ｖ、イオン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ
2、Ａｌの成膜速度を３５オングストローム／分とし
た。When the Cr film 8 is formed by, for example, ion beam sputtering, the film forming condition is that the target is 99.999% Cr, and the substrate temperature is room temperature to 3%.
Keeping at 00 ° C., Ar gas pressure is 2.8 × 10 −4 Torr,
Accelerating voltage 800V, ion current 0.76mA / cm
2. The film forming rate of Al was 35 Å / min.
【００４０】また、Ｃｒ膜８のエッチングは、エッチン
グ液として、硝酸第２セリウムアンモニウム２５ｇ、７
０％過塩素酸６．５ｍｌ、水１５０ｍｌの混合液を用い
る。このエッチング溶液は、Ｃｒ膜８を選択的にエッチ
ングし、Ａｌ、Ｐｔ、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 などにほとんど
ダメージを与えない。このエッチング溶液によるエッチ
ング速度は１３００オングストローム／分である。Further, the etching of the Cr film 8 is performed by using an etching solution of 25 g of ceric ammonium nitrate,
A mixture of 6.5 ml of 0% perchloric acid and 150 ml of water is used. This etching solution selectively etches the Cr film 8 and hardly damages Al, Pt, AlN, SiO 2, and the like. The etching rate with this etching solution is 1300 Å / min.
【００４１】続いて、図６（ｃ）に示すように、Ｃｒ膜
８をマスクとして、Ｓｉ基板１のエッチングを行いＳｉ
Ｏ2 カンチレバー２を作成する。所望のカンチレバーが
得られたときにエッチングを終了する。このＳｉエッチ
ングの条件は、エッチング溶液として、エチレンジアミ
ン７５ｍｌ、ピロカテコール１２ｍｌ、水２４ｍｌの混
合液（略称ＥＰＷ）を１１６℃に加熱して行う。幅４０
μｍ、長さ２００μｍのＳｉＯ2 カンチレバー２を２時
間程度のＳｉエッチングにより形成することができる。
エッチング溶液としては、上記以外に、ＫＯＨ，ＮａＯ
Ｈ、ヒドラジン，ＮＨ4 ＯＨなどのエッチング溶液を用
いても良い。これらのエッチング溶液はＳｉの（１０
０）面に対するエッチング速度が（１１１）面に比べて
非常に速い。例えば、ＥＰＷの場合は約４０倍以上大き
く異方性エッチングが行える。なお、このエッチング溶
液によって、ＳｉＯ2 膜も若干エッチングされるがＳｉ
のエッチング速度に比べて非常に僅かである。Subsequently, as shown in FIG. 6C, the Si substrate 1 is etched by using the Cr film 8 as a mask.
Create an O 2 cantilever 2. The etching is terminated when the desired cantilever is obtained. This Si etching is performed by heating a mixed solution (abbreviated as EPW) of 75 ml of ethylenediamine, 12 ml of pyrocatechol and 24 ml of water as an etching solution at 116 ° C. Width 40
A SiO 2 cantilever 2 having a thickness of 200 μm and a length of 200 μm can be formed by Si etching for about 2 hours.
As the etching solution, in addition to the above, KOH, NaO
An etching solution such as H, hydrazine, or NH 4 OH may be used. These etching solutions are Si (10
The etching rate for the (0) plane is much faster than that for the (111) plane. For example, in the case of EPW, anisotropic etching can be performed about 40 times larger. Although the SiO 2 film is slightly etched by this etching solution,
Is very small compared to the etching rate of.
【００４２】（１００）面を有するＳｉ基板１に上記開
口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、（１０
０）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺により囲
まれた凹部１１が形成される。上記したように、（１１
１）面及びＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１
００）や（１１０）面のエッチング速度は速く、このエ
ッチングにより、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が
〈１１０〉方向に配列し、エッチング除去される。When deep Si etching is performed on the Si substrate 1 having the (100) plane through the opening,
A concave portion 11 surrounded by four sides arranged in the <110> direction on the (0) plane is formed. As mentioned above, (11
Although the etching of the 1) plane and the SiO 2 film 20 is slow,
The (00) and (110) planes have a high etching rate, and this etching causes the Si substrates 1 under the cantilevers 2 to be arranged in the <110> direction and removed by etching.
【００４３】最後に、図６（ｄ）に示すように、Ｃｒ膜
８を除去し、チップの分割、ボンディング等の組立を行
って、この発明にかかる超音波トランスジューサが得ら
れる。Finally, as shown in FIG. 6 (d), the Cr film 8 is removed, the chip is divided, and the assembly such as bonding is performed to obtain the ultrasonic transducer according to the present invention.
【００４４】なお、上述した実施例では、圧電体膜５と
して、ＡｌＮ膜を用いたが、ＡｌＮ膜以外に、ＰｂＴｉ
Ｏ3 、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴを用いることもでき、
これらの材料の圧電体膜５を用いた場合でも、金属層４
を介在させないときよりも密着性が向上し特性が良くな
る。Although the AlN film is used as the piezoelectric film 5 in the above-described embodiments, PbTi is used in addition to the AlN film.
O 3 , ZnO, PZT, PLZT can also be used,
Even when the piezoelectric film 5 made of these materials is used, the metal layer 4
The adhesiveness is improved and the characteristics are improved as compared with the case where no intervening material is used.
【００４５】また、金属層４としてＡｌを用いる場合に
は、その上に積層する圧電体膜５は、Ａｌの拡散等を考
慮して４００℃以下の温度で成膜する方がよい。成膜温
度が４００℃以上になる場合には、金属層４としてはＣ
ｕを用いることにより、拡散はあまり起こらなく、その
上に積層される圧電体膜５の特性の劣化を抑制できる。When Al is used as the metal layer 4, the piezoelectric film 5 to be laminated thereon is preferably formed at a temperature of 400 ° C. or lower in consideration of Al diffusion and the like. When the film forming temperature is 400 ° C. or higher, C is used as the metal layer 4.
By using u, diffusion does not occur so much, and deterioration of the characteristics of the piezoelectric film 5 laminated thereon can be suppressed.
【００４６】さらに、圧電体膜５として、ＺｎＯを用い
る場合には、金属層４としてＺｎを用いれば、そのＺｎ
が圧電体膜５の成膜中に拡散したとしても特性の劣化が
防止できる。Further, when ZnO is used for the piezoelectric film 5, if Zn is used for the metal layer 4, the Zn
Even if is diffused during the formation of the piezoelectric film 5, the characteristic deterioration can be prevented.
【００４７】[0047]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、二酸化シリコン薄膜上に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ
からなる下部電極を形成し、これらの金属からなる下部
電極上にＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕをこの下部電極の配向性を反
映して形成し、このＡｌ、Ｚｎ、Ｃｕ上に圧電薄膜を形
成することで、圧電薄膜は良好な配向が得られるととも
に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕとは密着性よく積層され、特性の
良好な超音波トランスジューサが得られる。As described above, according to the present invention, Pt, Pd, Ir, Rh are formed on the silicon dioxide thin film.
Forming a lower electrode made of Al, Zn, Cu on the lower electrode made of these metals, reflecting the orientation of the lower electrode, and forming a piezoelectric thin film on the Al, Zn, Cu. Thus, the piezoelectric thin film has good orientation, and is laminated with Al, Zn, and Cu with good adhesiveness, so that an ultrasonic transducer with good characteristics can be obtained.
【図１】この発明の第１の実施例を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of the present invention.
【図２】この発明の第１の実施例を示す縦断面図であ
る。FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the present invention.
【図３】この発明の第２の実施例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a second embodiment of the present invention.
【図４】この発明の第２の実施例を示す縦断面図であ
る。FIG. 4 is a vertical sectional view showing a second embodiment of the present invention.
【図５】この発明の超音波トランスジューサの製造例を
工程別に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing example of the ultrasonic transducer of the present invention in steps.
【図６】この発明の超音波トランスジューサの製造例を
工程別に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing example of the ultrasonic transducer of the present invention in steps.
１ Ｓｉ基板 ２ カンチレバー ３ 下部電極 ４ 金属層 ５ 圧電体膜 ７ 上部電極 ２０ ＳｉＯ2 膜1 Si substrate 2 cantilever 3 lower electrode 4 metal layer 5 piezoelectric film 7 upper electrode 20 SiO 2 film
Claims (1)
た二酸化シリコン薄膜と、この二酸化シリコン薄膜上に
下部電極を介して積層された圧電薄膜と、この圧電薄膜
上に積層された上部電極と、を備えてなる超音波トラン
スジューサであって、前記二酸化シリコン薄膜上に、配
向し易く且つ反応性が低い金属からなる下部電極が設け
られ、この下部電極上にアルミニウム、亜鉛または銅か
ら選択される金属層が下部電極の配向性を反映して形成
され、この金属層の配向性を反映してこの金属層上に配
向性を有する圧電薄膜が形成されてなる超音波トランス
ジューサ。1. A silicon dioxide thin film supported on a silicon substrate in a cantilever form, a piezoelectric thin film laminated on the silicon dioxide thin film via a lower electrode, and an upper electrode laminated on the piezoelectric thin film. An ultrasonic transducer comprising: a lower electrode made of a metal that is easily oriented and has low reactivity, is provided on the silicon dioxide thin film, and the lower electrode is selected from aluminum, zinc, or copper. An ultrasonic transducer in which a metal layer is formed by reflecting the orientation of the lower electrode, and a piezoelectric thin film having orientation is formed on the metal layer by reflecting the orientation of the metal layer.
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|---|---|---|---|
| JP06239894A JP3432887B2 (en) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | Ultrasonic transducer |
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| US9461617B2 (en) | 2013-07-22 | 2016-10-04 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric film producing process, vibrator element, vibrator, oscillator, electronic device, and moving object |
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| CN111682097A (en) * | 2020-06-12 | 2020-09-18 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | Piezoelectric structure and piezoelectric device |
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1994
- 1994-03-31 JP JP06239894A patent/JP3432887B2/en not_active Expired - Fee Related
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