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JP5435802B2 - Piezoelectric thin film element, ultrasonic sensor using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP5435802B2 - Piezoelectric thin film element, ultrasonic sensor using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

Piezoelectric thin film element, ultrasonic sensor using the same, and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

本発明は圧電体薄膜素子に係り、特に圧電体薄膜を利用したダイアフラム型の薄膜素子、及びこれを用いた超音波センサ並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric thin film element, and more particularly to a diaphragm type thin film element using a piezoelectric thin film, an ultrasonic sensor using the same, and a method of manufacturing the same.

特許文献1には、シリコン基板上に形成されるカンチレバー方式の超音波センサが開示されている。この超音波センサは、カンチレバーの基端部がシリコン基板の凹部の二辺と連結されており、基端部にかかる応力の分散により、カンチレバーの破損防止、歩留まり向上が図られている。   Patent Document 1 discloses a cantilever type ultrasonic sensor formed on a silicon substrate. In this ultrasonic sensor, the base end portion of the cantilever is connected to two sides of the concave portion of the silicon substrate, and the cantilever is prevented from being broken and the yield is improved by the dispersion of stress applied to the base end portion.

特許文献2には、シリコン基板上にダイアフラム構造の超音波受信素子を複数配置してなる圧電型超音波センサが開示されている。この構造は、超音波受信部の圧電体膜の全方位(四辺)が基板に固定されているため、超音波を受信して圧電体膜に圧力が加わったときに、大きな変位が得られにくく、圧電体膜から大きな電圧(検知信号)を得ることが難しい。そのため、通常は、ダイアフラムのサイズ(面積)を大きくすることで、感度を確保する必要がある。   Patent Document 2 discloses a piezoelectric ultrasonic sensor in which a plurality of diaphragm-shaped ultrasonic receiving elements are arranged on a silicon substrate. In this structure, since all directions (four sides) of the piezoelectric film of the ultrasonic receiving unit are fixed to the substrate, it is difficult to obtain a large displacement when ultrasonic waves are received and pressure is applied to the piezoelectric film. It is difficult to obtain a large voltage (detection signal) from the piezoelectric film. Therefore, it is usually necessary to ensure sensitivity by increasing the size (area) of the diaphragm.

特許3272141号公報Japanese Patent No. 3272141 特許4228827号公報Japanese Patent No. 42282727

一般に、ダイアフラム型センサの感度は、ダイアフラムの面積の2乗に比例し、ダイアフラムの厚みの3乗に反比例する。矩形ダイアフラムの場合、以下の関係式で表される。   In general, the sensitivity of a diaphragm type sensor is proportional to the square of the area of the diaphragm and inversely proportional to the cube of the thickness of the diaphragm. In the case of a rectangular diaphragm, it is expressed by the following relational expression.

(感度)∝(ダイアフラムの1辺)/(ダイアフラムの厚み)
感度をアップさせるためにダイアフラムの1辺を大きくすると、撓み(変位)が大きくなり、感度は向上するが、素子のサイズが大きくなってしまう。また、高感度化するためには、ダイアフラムの厚みを低減させることが必要となるが、単にダイアフラムを薄くするだけでは、クラック等の発生の問題があり、信頼性や製造歩留まりが低下する。
(Sensitivity) ∝ (one side of diaphragm) 4 / (Thickness of diaphragm) 3
If one side of the diaphragm is increased in order to increase sensitivity, the deflection (displacement) increases and sensitivity is improved, but the size of the element increases. In order to increase the sensitivity, it is necessary to reduce the thickness of the diaphragm. However, if the diaphragm is simply made thin, there is a problem of occurrence of cracks and the like, and the reliability and manufacturing yield are lowered.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高感度で、かつ、サイズの小さい圧電体薄膜素子及びこれを用いた超音波センサ、並びにその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element having a high sensitivity and a small size, an ultrasonic sensor using the piezoelectric thin film element, and a manufacturing method thereof.

前記目的を達成するために、本発明に係る圧電体薄膜素子は、圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、を備え、前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが0より大きく0.1μm以下であることを特徴とする
また、前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。
In order to achieve the above object, a piezoelectric thin film element according to the present invention includes a piezoelectric film, counter electrodes disposed on both sides of the piezoelectric film with the piezoelectric film interposed therebetween, and the counter electrode. A substrate that supports the piezoelectric film, and a recess formed at the corresponding position of the substrate corresponding to the displaceable portion of the piezoelectric film provided on the substrate, and is displaceable. The thickness of the remaining portion excluding the counter electrode and the piezoelectric film from the diaphragm portion including the counter electrode and the piezoelectric film at a site is greater than 0 and 0.1 μm or less .
Moreover, in order to achieve the said objective, the following invention aspects are provided.

(発明1):発明1に係る圧電体薄膜素子は、圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、を備え、前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが0以上1μm以下であることを特徴とする。   (Invention 1): A piezoelectric thin film element according to Invention 1 includes a piezoelectric film, a counter electrode disposed on both sides of the piezoelectric film with the piezoelectric film interposed therebetween, and the piezoelectric device including the counter electrode. A substrate supporting the body film, and a recess formed at the corresponding position of the substrate corresponding to the displaceable portion of the piezoelectric film provided on the substrate, and the displaceable portion of the substrate The remaining portion excluding the counter electrode and the piezoelectric film from the diaphragm portion including the counter electrode and the piezoelectric film has a thickness of 0 to 1 μm.

本発明によれば、ダイアフラム型の圧電体薄膜素子において、基板に形成された凹部に対応した変位可能な膜部分(ダイアフラム部)について、対向電極及び圧電体膜以外の膜要素が存在しないか(残部分の厚みがゼロ)、或いは、実質的に変位性能に影響しない程度の厚み(1μm以下)の層しか存在しない。   According to the present invention, in the diaphragm-type piezoelectric thin film element, there is no film element other than the counter electrode and the piezoelectric film in the displaceable film part (diaphragm part) corresponding to the recess formed in the substrate ( The remaining thickness is zero), or there is only a layer with a thickness (1 μm or less) that does not substantially affect the displacement performance.

つまり、従来、圧電体膜を保持する機能を有した「振動板」に相当する部材要素が存在しない。したがって、本発明の圧電体膜は、その動き(変位)が阻害・抑制されることなく、大きな変位が得られる。これにより、大きな出力電圧を得ることができ、感度の高い、小サイズのセンサを実現できる。   That is, conventionally, there is no member element corresponding to a “diaphragm” having a function of holding the piezoelectric film. Therefore, the piezoelectric film of the present invention can obtain a large displacement without hindering / suppressing its movement (displacement). Thereby, a large output voltage can be obtained, and a small sensor with high sensitivity can be realized.

(発明2):発明2に係る圧電体薄膜素子は、発明1において、前記ダイアフラム部は、実質的に前記圧電体膜と前記対向電極のみで構成されている自立膜であることを特徴とする。   (Invention 2): The piezoelectric thin film element according to Invention 2 is characterized in that, in Invention 1, the diaphragm portion is a self-supporting film substantially composed of only the piezoelectric film and the counter electrode. .

「実質的に」とは、圧電体膜の変位を阻害・抑制する影響力が殆どないような膜要素の有無は問題にしないという意味である。例えば、製造工程においてエッチングストッパー層として利用した酸化膜の残存部、或いは、対向電極の上に島状のパターンで付加された膜片などは、振動板として実質機能しない。したがって、これら酸化膜や膜片が存在していても、実質的に自立膜であると解釈する。   “Substantially” means that the presence or absence of a film element that has little influence to inhibit or suppress the displacement of the piezoelectric film does not matter. For example, the remaining portion of the oxide film used as an etching stopper layer in the manufacturing process, or a film piece added in an island shape pattern on the counter electrode does not substantially function as a diaphragm. Therefore, even if these oxide films and film pieces are present, it is interpreted as a substantially self-supporting film.

(発明3):発明3に係る圧電体薄膜素子は、発明1において、前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする。   (Invention 3) A piezoelectric thin film element according to Invention 3 is characterized in that, in Invention 1, the remaining portion is a thermal oxide film of a material of the substrate.

(発明4):発明4に係る圧電体薄膜素子は、発明1乃至3のいずれか1項において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が5%以下であることを特徴とする。
(Invention 4): A piezoelectric thin film element according to Invention 4, in any one of Inventions 1 to 3,
The difference in displacement amount of the piezoelectric film depending on the presence or absence of the remaining portion is 5% or less.

ダイアフラム部が、圧電体膜と対向電極のみで構成された自立膜である場合(残存部が無い場合)に、ある規定の圧力に対する変位量を基準変位量とし、圧電体膜及び対向電極以外の要素が存在する場合(残部分が有る場合)の同規定圧力に対する変位量を比較したとき、その変位量の差が基準変位量に対して5%以下である場合には、実質的に影響しない程度であるとして取り扱うことができる。   When the diaphragm part is a self-supporting film composed only of a piezoelectric film and a counter electrode (when there is no remaining part), the displacement amount with respect to a specified pressure is set as a reference displacement amount, and other than the piezoelectric film and the counter electrode When the amount of displacement with respect to the specified pressure is compared when there is an element (when there is a remaining part), if the difference in the amount of displacement is less than 5% of the reference displacement, there is virtually no effect. It can be handled as a degree.

(発明5):発明5に係る圧電体薄膜素子は、発明1乃至4のいずれか1項において、前記圧電体膜の厚みが1μmを超えるものであることを特徴とする。   (Invention 5) A piezoelectric thin film element according to Invention 5 is characterized in that, in any one of Inventions 1 to 4, the thickness of the piezoelectric film exceeds 1 μm.

圧電体膜が薄すぎると、クラックが発生しやすくなるため、1μmを超える厚みであることが好ましい。より好ましくは2μm以上、さらに好ましくは3μm以上である。   If the piezoelectric film is too thin, cracks are likely to occur, and therefore the thickness is preferably more than 1 μm. More preferably, it is 2 micrometers or more, More preferably, it is 3 micrometers or more.

(発明6):発明6に係る圧電体薄膜素子は、発明1乃至5のいずれか1項において、前記圧電体膜がPZT系のペロブスカイト型酸化物であり、ABO型の結晶構造におけるAサイトに入る材料の組成比が1.0以上、1.1未満であることを特徴とする。 (Invention 6): A piezoelectric thin film element according to Invention 6, in any one of Inventions 1 to 5, wherein the piezoelectric film is a PZT-based perovskite oxide and an A site in an ABO 3 type crystal structure The composition ratio of the material entering is not less than 1.0 and less than 1.1.

Aサイトに入る材料(例えば主としてPbであるが、BiなどAサイトに置換されている材料も含む)が少ないと、圧電体膜の表面が荒れてクラックが入りやすい傾向にある。   If the material entering the A site (for example, mainly Pb, but also including materials substituted by the A site such as Bi) is small, the surface of the piezoelectric film tends to be rough and easily cracked.

その一方、Aサイトの材料のモル比が1.1以上あると、湿度等によって特性が変化してしまう可能性がある。よって、発明6に記載の条件が好ましい。   On the other hand, if the molar ratio of the material at the A site is 1.1 or more, the characteristics may change due to humidity or the like. Therefore, the conditions described in Invention 6 are preferable.

(発明7):発明7に係る圧電体薄膜素子は、発明1乃至6のいずれか1項において、前記圧電体膜がPZT系のペロブスカイト型酸化物であり、Nbを2%以上含むことを特徴とする。   (Invention 7): The piezoelectric thin film element according to Invention 7 is characterized in that, in any one of Inventions 1 to 6, the piezoelectric film is a PZT-based perovskite oxide and contains 2% or more of Nb. And

Nb量が多くなると、圧電定数が大きくなる傾向にある。また、Nbを添加することにより、Nbを添加しないものと比較して材料のヤング率が下がるため、クラックが発生しに難くなる。   As the amount of Nb increases, the piezoelectric constant tends to increase. Further, by adding Nb, the Young's modulus of the material is lowered as compared with the case where Nb is not added, so that cracks are hardly generated.

(発明8):発明8に係る圧電体薄膜素子は、発明1乃至7のいずれか1項において、前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする。   (Invention 8): The piezoelectric thin film element according to Invention 8 is the piezoelectric thin film element according to any one of Inventions 1 to 7, wherein a plurality of the concave portions are formed on the substrate, and a plurality of the diaphragm portions corresponding to the respective concave portions are formed. It is characterized by being.

本発明の圧電体薄膜素子は、1つの基板に複数のダイアフラム構造をアレイ状に形成することができ、小型かつ高感度のアレイ型のセンサを実現することができる。   In the piezoelectric thin film element of the present invention, a plurality of diaphragm structures can be formed in an array on one substrate, and a small and highly sensitive array type sensor can be realized.

(発明9):発明9は前記目的を達成する超音波センサを提供する。すなわち、発明9に係る超音波センサは、発明1乃至8のいずれか1項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする。   (Invention 9): Invention 9 provides an ultrasonic sensor that achieves the above object. That is, the ultrasonic sensor according to the ninth aspect of the invention receives a ultrasonic wave at the displaceable portion of the piezoelectric thin film element according to any one of the first to eighth aspects, and generates a voltage according to the displacement of the piezoelectric film. The signal is obtained from the counter electrode.

(発明10):発明10は前記目的を達成する製造方法を提供する。すなわち、発明10に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、基板の第1面上に第1電極、圧電体膜及び第2電極を重ねて形成する工程と、前記第1電極、圧電体膜及び第2電極を形成した前記基板の前記第1面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第1面と反対側の第2面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、を含むことを特徴とする。   (Invention 10): Invention 10 provides a production method for achieving the object. That is, the method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to the tenth aspect includes a step of superposing and forming a first electrode, a piezoelectric film, and a second electrode on a first surface of a substrate, the first electrode, the piezoelectric film, and A step of bonding a surface protection member covering the first surface side of the substrate on which the second electrode is formed to the substrate; a second side opposite to the first surface of the substrate to which the surface protection member is bonded; Etching the substrate from the surface side to form a recess, and removing the surface protection member after forming the recess.

発明10によれば、発明1乃至8の圧電体薄膜素子や発明9の超音波センサを製造することができる。特に、表面保護部材によって圧電体膜を機械的な衝撃から保護することができ、製造時の破損等を防止できるとともに、基板のハンドリング性が向上し、製造効率が高まる。なお、第1電極と第2電極は発明1等でいう「対向電極」に相当する。   According to the tenth aspect, the piezoelectric thin film element according to the first to eighth aspects and the ultrasonic sensor according to the ninth aspect can be manufactured. In particular, the surface protection member can protect the piezoelectric film from mechanical impacts, can prevent damage during manufacturing, etc., improves the handleability of the substrate, and increases manufacturing efficiency. The first electrode and the second electrode correspond to the “counter electrode” referred to in the first aspect of the invention.

(発明11):発明11に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明10において、前記基板の第1面には熱酸化膜が形成されており、前記第1電極は前記熱酸化膜に重ねて形成され、前記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする。   (Invention 11): The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to Invention 11 is the method according to Invention 10, wherein a thermal oxide film is formed on the first surface of the substrate, and the first electrode is overlapped with the thermal oxide film. The thermal oxide film is formed as a stopper layer during the etching.

(発明12):発明12に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明11において、前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする。   (Invention 12): The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to Invention 12 is characterized in that, in Invention 11, a piezoelectric thin film element having a diaphragm structure in which the thermal oxide film is left in the recess is obtained.

本発明によれば、小型かつ高感度な圧電体薄膜素子を提供することができる。また、本発明によれば、高感度でありながらサイズの小さい超音波センサを提供することができる。   According to the present invention, a small and highly sensitive piezoelectric thin film element can be provided. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic sensor that is highly sensitive and small in size.

本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図Sectional drawing of the diaphragm type sensor using the piezoelectric thin film element which concerns on embodiment of this invention 図1の平面図Plan view of FIG. ダイアフラムが電極と圧電体のみからなる自立膜である構成例を示す断面図Sectional drawing which shows the structural example whose diaphragm is a self-supporting film | membrane which consists only of an electrode and a piezoelectric material ダイアフラム型センサの製造プロセスの説明図Diagram of manufacturing process of diaphragm type sensor 比較例のセンサ構造を示す断面図Sectional drawing which shows the sensor structure of a comparative example シミュレーションの計算に用いたダイアフラム構造の斜視図Perspective view of diaphragm structure used for simulation calculation 図6の平面図Plan view of FIG. シミュレーションにより、振動板の厚みを変化させてダイアフラムの共振周波数と出力電圧を計算した結果を示すグラフGraph showing the result of calculating the resonance frequency and output voltage of the diaphragm by changing the thickness of the diaphragm by simulation

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図、図2はその平面図である。なお、図1は図2中の1−1線に沿う断面図となっている。ここでは、1つの素子要素のみを示したが、同構造の素子が基板上に複数個配列されたアレイ状のセンサが構成される。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a diaphragm type sensor using a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. 1 is a cross-sectional view taken along line 1-1 in FIG. Although only one element element is shown here, an array-like sensor in which a plurality of elements having the same structure are arranged on a substrate is configured.

<センサの構造について>
このダイアフラム型センサ10は、基板12の片側面(図1において上面、以下「表面」という場合がある。)に、下部電極20、圧電体膜22、上部電極24が積層形成された構成を有する。圧電体膜22を挟んで下部電極20と上部電極24とが対向して配置された構成により、圧電体膜22の変位を電圧信号に変換する圧電素子26が形成される。
<About sensor structure>
The diaphragm type sensor 10 has a configuration in which a lower electrode 20, a piezoelectric film 22, and an upper electrode 24 are laminated on one side surface of the substrate 12 (the upper surface in FIG. . The piezoelectric element 26 that converts the displacement of the piezoelectric film 22 into a voltage signal is formed by the configuration in which the lower electrode 20 and the upper electrode 24 are arranged to face each other with the piezoelectric film 22 interposed therebetween.

一方、基板12には、圧電素子26が形成されている面と反対側の面(図1において下面、以下「裏面」という場合がある。)から当該基板12の一部が除去されてなる凹部14が形成されている。   On the other hand, the substrate 12 has a recess formed by removing a part of the substrate 12 from the surface opposite to the surface on which the piezoelectric element 26 is formed (the lower surface in FIG. 1, hereinafter referred to as “rear surface” in some cases). 14 is formed.

本例の凹部14は、平面視で略矩形(本例では正方形とした)であるが、矩形に限らず、他の多角形、円形、楕円形なども可能である。凹部14の空隙部の位置に対応した圧電体膜22の部分(符号28)は、その下面が拘束されていない状態(非拘束)となり、変位可能な領域となる。符号28で示した非拘束領域が「変位可能部位」に相当し、超音波センサとして超音波を受信する受信部要素となる。   The recess 14 in this example is substantially rectangular (in this example, a square) in plan view, but is not limited to a rectangle, and may be other polygons, circles, ellipses, or the like. The portion of the piezoelectric film 22 (reference numeral 28) corresponding to the position of the gap portion of the recess 14 is in a state where the lower surface thereof is not restrained (unconstrained) and becomes a displaceable region. The unconstrained region indicated by reference numeral 28 corresponds to a “displaceable part” and serves as a receiving element that receives ultrasonic waves as an ultrasonic sensor.

下部電極20は、基板12上の複数の素子について一体的に繋がった共通電極として構成される。上部電極24は、各素子の凹部14に合わせて個別にパターニングされている。圧電体膜22が変位すると、その歪み変形に応じて電圧が発生する。圧電体膜22が図1の下方に撓むと、真ん中付近では圧縮方向に応力がかかり、端の方(拘束部に近い周辺部)では伸びる方向に応力がかかる。したがって、上部電極24は、ダイアフラムの全面に形成するよりはむしろ、真ん中付近のみ、或いは、端の部分のみに設ける構成が好ましい。   The lower electrode 20 is configured as a common electrode integrally connected to a plurality of elements on the substrate 12. The upper electrode 24 is individually patterned in accordance with the recess 14 of each element. When the piezoelectric film 22 is displaced, a voltage is generated according to the distortion. When the piezoelectric film 22 bends downward in FIG. 1, stress is applied in the compression direction in the vicinity of the middle, and stress is applied in the extending direction at the end (peripheral part near the restraint part). Therefore, it is preferable that the upper electrode 24 is provided only in the vicinity of the center or only at the end portion, rather than being formed on the entire surface of the diaphragm.

本例(図1、図2)では、凹部14の開口形状(ダイアフラムの平面形状)の中心部分に、その開口面積(ダイアフラムの面積)よりも小さい面積の上部電極24が形成されている。なお、図1、図2では、配線のための引き出し電極等の図示は省略した。   In this example (FIGS. 1 and 2), an upper electrode 24 having an area smaller than the opening area (diaphragm area) is formed at the center of the opening shape (diaphragm planar shape) of the recess 14. In FIG. 1 and FIG. 2, illustration of an extraction electrode and the like for wiring is omitted.

本実施形態によるダイアフラム型センサ10は、凹部14に対応した変位可能部位28において、圧電体膜22の下面を保持するための振動板に相当する部材要素を有していない。図1において、下部電極20の下面に形成されている符号30で示した膜は、基板12の熱酸化膜である。この熱酸化膜30は、製造プロセスにおいて基板12をエッチングして凹部14を形成した際にエッチングストッパー層として用いられたものである。熱酸化膜30の厚みは0.1μm(100nm)程度であり、振動板として実質機能せず、圧電体膜22の変位に殆ど影響しない。   The diaphragm sensor 10 according to the present embodiment does not have a member element corresponding to a diaphragm for holding the lower surface of the piezoelectric film 22 in the displaceable portion 28 corresponding to the recess 14. In FIG. 1, a film indicated by reference numeral 30 formed on the lower surface of the lower electrode 20 is a thermal oxide film of the substrate 12. This thermal oxide film 30 is used as an etching stopper layer when the recess 12 is formed by etching the substrate 12 in the manufacturing process. The thickness of the thermal oxide film 30 is about 0.1 μm (100 nm), does not substantially function as a diaphragm, and hardly affects the displacement of the piezoelectric film 22.

圧電体膜22の変位を阻害・抑制しないという観点から、圧電体膜22と電極(20,24)を除いたダイアフラム部の厚み(「残部分」に相当)を1μm未満とする。好ましくは0.5μm以下、さらに好ましくは0.1μm以下、より好ましくは0「ゼロ」とする。   From the viewpoint of not inhibiting / suppressing the displacement of the piezoelectric film 22, the thickness of the diaphragm part (corresponding to the “remaining part”) excluding the piezoelectric film 22 and the electrodes (20, 24) is set to less than 1 μm. Preferably it is 0.5 μm or less, more preferably 0.1 μm or less, and more preferably 0 “zero”.

残部分の厚みが0「ゼロ」というのは、図3に示すように、ダイアフラムが電極(20,22)と圧電体膜22のみの自立膜であることを意味している。図3に示した構成が最も好ましい。   The thickness of the remaining portion being 0 “zero” means that the diaphragm is a self-supporting film including only the electrodes (20, 22) and the piezoelectric film 22, as shown in FIG. The configuration shown in FIG. 3 is most preferable.

また、圧電体膜22は、クラック防止の観点から、厚みを1μmよりも厚くすることが好ましい。   In addition, the piezoelectric film 22 is preferably thicker than 1 μm from the viewpoint of preventing cracks.

<圧電体の物性について>
圧電体膜22は、PZT系とし、Pb量を1.0以上、1.1未満とする。Pbが少ないと膜の表面が荒れてクラックが入りやすいためのである。なお、Pbが1.0以下であっても、Bi等のAサイトに置換されている材料があればよい。また、Pbが1.1以上あると、温度等によって特性が変化してしまう可能性があるため、1.1未満とすることが好ましい。
<Physical properties of piezoelectric material>
The piezoelectric film 22 is a PZT system, and the amount of Pb is 1.0 or more and less than 1.1. This is because if the amount of Pb is small, the surface of the film is rough and cracks are likely to occur. Even if Pb is 1.0 or less, it is sufficient if there is a material substituted for the A site such as Bi. Further, if Pb is 1.1 or more, the characteristics may change depending on the temperature or the like.

圧電体材料においてPZTに少なくともNbが2%以上、より好ましくは5%以上、さらに好ましくは、10%以上であることが好ましい。Nb量を増やすと、圧電定数が大きくなる。また、Nbを添加することによってヤング率が下がり、クラックに対して強い膜となる。例えば、Nbを添加しない材料のヤング率は70〜90GPaであるのに対し、Nbを添加することにより、50GPa程度となる。   In the piezoelectric material, it is preferable that at least Nb in PZT is 2% or more, more preferably 5% or more, and further preferably 10% or more. Increasing the amount of Nb increases the piezoelectric constant. Further, the addition of Nb lowers the Young's modulus and makes the film strong against cracks. For example, the Young's modulus of the material to which Nb is not added is 70 to 90 GPa, but when Nb is added, it becomes about 50 GPa.

超音波センサとして好適なダイアフラム構造上の共振周波数を考慮すると、圧電体のヤング率が60GPa以下であることが好ましい。   In consideration of the resonance frequency on a diaphragm structure suitable as an ultrasonic sensor, the Young's modulus of the piezoelectric body is preferably 60 GPa or less.

<製造方法について>
図4は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの製造プロセスを示す図である。
<About manufacturing method>
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the diaphragm type sensor using the piezoelectric thin film element according to the embodiment of the present invention.

(工程1):基板表面に熱酸化膜(SiO膜)130が所定厚(例えば、100nm)形成されたシリコン(Si)ウエハ112を基板として用いた(図4(a))。 (Step 1): A silicon (Si) wafer 112 having a thermal oxide film (SiO 2 film) 130 formed on the substrate surface with a predetermined thickness (for example, 100 nm) was used as the substrate (FIG. 4A).

(工程2):このSiウエハ112の片側面(図4において上面)に下部電極120としてTi20nmとIr150nmを積層形成した。その後、当該下部電極120の上にNbを10%添加したPZT膜122を500度の成膜温度で形成した(図4(b))。PZT膜122の膜厚は3μmとした。さらに、このPZT膜1222の上面に、上部電極124としてPtを形成し、所望の構造にパターニングした。上部電極124の膜厚は、下部電極120と同程度の膜厚とし、超音波受光部となるダイアフラム部の平面形状、並びに配列形態に合わせて上部電極124がパターニングされる。   (Step 2): Ti 20 nm and Ir 150 nm were laminated as the lower electrode 120 on one side surface (upper surface in FIG. 4) of the Si wafer 112. Thereafter, a PZT film 122 added with 10% Nb was formed on the lower electrode 120 at a deposition temperature of 500 degrees (FIG. 4B). The thickness of the PZT film 122 was 3 μm. Further, Pt was formed as the upper electrode 124 on the upper surface of the PZT film 1222 and patterned into a desired structure. The film thickness of the upper electrode 124 is approximately the same as the film thickness of the lower electrode 120, and the upper electrode 124 is patterned in accordance with the planar shape of the diaphragm portion serving as the ultrasonic light receiving portion and the arrangement form.

(工程3):次に、図4(c)に示すように、PZT膜122の上面に、表面保護部材150を貼り付けた。この表面保護部材150は、PZT膜122の上面との間に空隙152を形成しつつ、PZT膜122の上面を覆うキャップ状の構造を有する。表面保護部材150によってPZT膜122の上部を包囲することにより、後述のエッチング工程(図4(d))の最中やエッチング後において、PZT膜122が機械的なダメージを受けないようになっている。   (Step 3): Next, as shown in FIG. 4C, the surface protection member 150 was attached to the upper surface of the PZT film 122. The surface protection member 150 has a cap-like structure that covers the top surface of the PZT film 122 while forming a gap 152 between the surface protection member 150 and the top surface of the PZT film 122. By enclosing the upper portion of the PZT film 122 with the surface protection member 150, the PZT film 122 is prevented from being mechanically damaged during or after the etching process (FIG. 4D) described later. Yes.

保護部材として特に制限はないが、材質としてSi、ガラス、ステンレス、樹脂などのものを使うことができる。保護部材とセンサ部はレジスト、接着剤、発泡テープなどを用いて貼り合わす事ができる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a protection member, things, such as Si, glass, stainless steel, resin, can be used as a material. The protective member and the sensor part can be bonded together using a resist, an adhesive, a foam tape, or the like.

(工程4):表面保護部材150によってPZT膜122を覆い、PZT膜122を保護した状態でSiウエハ112の裏面側から、ボッシュ法にてシリコンを表面側のSiO膜130までエッチングする(図4(e))。エンチングによって除去形成された凹部114の空間がPZT膜122の変位を許容する空間(空隙部)となる。凹部114の周囲に存在するSi層によってPZT膜122の下面が固定(拘束)され、凹部114が固定され、ダイアフラム構造が形成される。 (Step 4): The PZT film 122 is covered with the surface protection member 150, and silicon is etched from the back surface side of the Si wafer 112 to the SiO 2 film 130 on the front surface side by the Bosch method with the PZT film 122 protected (FIG. 4 (e)). The space of the recess 114 removed by the etching is a space (gap) that allows the displacement of the PZT film 122. The lower surface of the PZT film 122 is fixed (restrained) by the Si layer present around the recess 114, and the recess 114 is fixed, thereby forming a diaphragm structure.

(工程5):その後、表面保護部材150を除去し、ダイアフラム型センサ110を完成させる。   (Step 5): Thereafter, the surface protection member 150 is removed, and the diaphragm type sensor 110 is completed.

除去方法としては、特にこだわらないが、溶剤によって接着部の部材を溶かしたり、機械的に剥離させたり、熱などによって剥離させたりすることができる。   The removal method is not particularly limited, but the member of the adhesive portion can be melted with a solvent, mechanically peeled off, or peeled off by heat or the like.

なお、工程4において、さらに凹部114のSiO膜を除去して、図3の構造を作製してもよい。 In step 4, the SiO 2 film in the recess 114 may be further removed to produce the structure of FIG.

<比較例>
比較のために、図5に示すダイアフラム型センサを作成した。図5中、図4(e)の実施例に係るセンサと同一又は類似する要素には同一の符号を付した。図5の比較例は、ダイアフラム部におけるPZT膜122の下面(裏面)側に、振動板165に相当する部材が設けられている。このような構成の製造方法としては、例えば、図4で説明した工程4(図4(d))に代えて、振動板165に相当するシリコン層を残してエッチングを停止させることにより、形成することができる。或いはまた、基板としてSOI(Silicon On Insulator)基板を用い、支持基板層に凹部114を形成し、活性層を振動板165として利用する構成も可能である。
<Comparative example>
For comparison, a diaphragm type sensor shown in FIG. 5 was prepared. In FIG. 5, the same or similar elements as those in the sensor according to the embodiment of FIG. In the comparative example of FIG. 5, a member corresponding to the diaphragm 165 is provided on the lower surface (back surface) side of the PZT film 122 in the diaphragm portion. As a manufacturing method having such a configuration, for example, instead of the step 4 (FIG. 4D) described in FIG. 4, the etching is stopped while leaving the silicon layer corresponding to the diaphragm 165. be able to. Alternatively, an SOI (Silicon On Insulator) substrate may be used as the substrate, the recess 114 may be formed in the support substrate layer, and the active layer may be used as the diaphragm 165.

<比較評価1>
図5に示した構造において、ダイアフラム部における圧電素子(圧電体と電極)以外の厚み(図5の符号t)を変えて、2つの例(実施例2、比較例1)を作成し、実施例1(図4(e))、実施例2及び比較例1についてセンサ感度を比較評価して、その結果を表1にまとめた。
<Comparison evaluation 1>
In the structure shown in FIG. 5, two examples (Example 2 and Comparative Example 1) were created by changing the thickness (reference numeral t in FIG. 5) other than the piezoelectric element (piezoelectric body and electrode) in the diaphragm portion. The sensor sensitivity was compared and evaluated for Example 1 (FIG. 4 (e)), Example 2 and Comparative Example 1, and the results are summarized in Table 1.

Figure 0005435802
Figure 0005435802

圧電体及び電極を除いたダイアフラム部の厚み(t)が1μmを超えると、センサの感度が低下する。    When the thickness (t) of the diaphragm part excluding the piezoelectric body and the electrode exceeds 1 μm, the sensitivity of the sensor is lowered.

<比較評価2>
また、別の比較例として、図1に示したセンサ構造におけるPZT膜の厚みを1μmとした構成を作成した(比較例2)。この比較例2と実施例とを対比して表にまとめた。
<Comparison evaluation 2>
Further, as another comparative example, a configuration was made in which the thickness of the PZT film in the sensor structure shown in FIG. 1 was 1 μm (Comparative Example 2). The comparative example 2 and the example were compared and summarized in a table.

Figure 0005435802
Figure 0005435802

<比較評価3>
図1に示したセンサ構造おけるPZT膜の形成に際して、Pb量を変えて、PZT膜を形成した場合の実施例3、比較例3〜4を作成した。この比較例3〜4と実施例1とを対比して表にまとめた。
<Comparison evaluation 3>
In the formation of the PZT film in the sensor structure shown in FIG. 1, Example 3 and Comparative Examples 3 to 4 in which the PZT film was formed by changing the Pb amount were prepared. Comparative Examples 3 to 4 and Example 1 were compared and summarized in a table.

Figure 0005435802
Figure 0005435802

<比較評価4>
図1におけるPZT膜の形成に際して、Nbの添加量を変えて、PZT膜を形成した場合の実施例4〜7と比較例5を作成した。この比較例5と各実施例とを対比して表にまとめた。
<Comparison evaluation 4>
When forming the PZT film in FIG. 1, Examples 4 to 7 and Comparative Example 5 in which the PZT film was formed by changing the amount of Nb added were prepared. The comparative example 5 and each example were compared and summarized in a table.

Figure 0005435802
Figure 0005435802

<比較評価5>
図4の実施例で記載した表面保護部材150を用いずに、センサを作製すると、途中で破損され、歩留まりが悪かった。
<Comparison evaluation 5>
When the sensor was produced without using the surface protection member 150 described in the example of FIG. 4, the sensor was broken in the middle and the yield was poor.

<ダイアフラム部の厚みとセンサ性能、共振周波数の関係について>
図6及び図7に示す矩形のダイアフラム構造をモデルとし、ムラタソフトウエア(株)のシミュレーションソフトを用いて計算を行った。図6は斜視図、図7は平面図である。ダイアフラムのサイズを200ミクロン角とし(矩形凹部14の一辺が200μmの正方形)、振動板の厚みを変化させて、ダイアフラムの共振周波数と、出力電圧を計算した。図8にその結果を示す。
<Relationship between diaphragm thickness, sensor performance, and resonance frequency>
Calculations were performed using the rectangular diaphragm structure shown in FIGS. 6 and 7 as a model and using simulation software of Murata Software Co., Ltd. 6 is a perspective view, and FIG. 7 is a plan view. Diaphragm resonance frequency and output voltage were calculated by changing the diaphragm size to 200 μm square (square with one side of the rectangular recess 14 being 200 μm) and changing the thickness of the diaphragm. FIG. 8 shows the result.

図8中の太線で示した曲線(■を繋いだ線)は、振動板の厚みに対する出力電圧の変化を示す。図8中の細線で示した曲線(◆を繋いだ線)は、振動板の厚みに対する共振周波数の変化を示す。   A curve indicated by a thick line (line connecting ■) in FIG. 8 indicates a change in output voltage with respect to the thickness of the diaphragm. A curve indicated by a thin line in FIG. 8 (line connecting ◆) indicates a change in resonance frequency with respect to the thickness of the diaphragm.

図8より、振動板の厚みを薄くするほど、大きな出力電圧が得られ、S/Nの大きな信号が得られることがわかる。また、ダイアフラムの共振周波数は、振動板厚みが薄くなるほど小さくなる。   From FIG. 8, it can be seen that as the diaphragm is made thinner, a larger output voltage is obtained and a signal having a larger S / N is obtained. Further, the resonance frequency of the diaphragm decreases as the diaphragm thickness decreases.

感度は、振動板が薄い方が好ましく、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは1μm以下が好ましい。その理由として、出力電圧が大きくなることが上げられる。振動板厚が1μmを超えると出力電圧の低下が徐々に著しくなる。また、共振周波数に注目すると、振動板が薄いほど共振周波数は小さくなるので、例えば、振動板厚をゼロとしたときに、共振周波数を大きくするためには、ダイアフラムのサイズを小さくする必要がある。ダイアフラムサイズを小さくすると、製造時の1ウエハ当りの取れ数が増大し、低コスト化につながる。なお、共振周波数と振動板の厚みは互いに関連する設計パラメータであるため、現実には様々な解(組合せ)が存在するが、出力電圧を大きくし、かつ、小型化するという方向性としては、ダイアフラムの厚みを薄くすることが必須となる。   The sensitivity is preferably such that the diaphragm is thin, and the thickness of the diaphragm portion excluding the electrode and the piezoelectric body is preferably 1 μm or less. The reason is that the output voltage increases. When the diaphragm thickness exceeds 1 μm, the output voltage is gradually lowered. Further, focusing on the resonance frequency, the thinner the diaphragm, the smaller the resonance frequency. For example, when the diaphragm thickness is zero, the diaphragm size needs to be reduced in order to increase the resonance frequency. . If the diaphragm size is made smaller, the number of wafers taken per wafer at the time of manufacture increases, leading to cost reduction. In addition, since the resonant frequency and the thickness of the diaphragm are design parameters related to each other, there are actually various solutions (combinations). However, as a direction to increase the output voltage and reduce the size, It is essential to reduce the thickness of the diaphragm.

既述のとおり、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、より小さい方が好ましい。図4で説明した製造方法であれば、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、ゼロか、若しくは、せいぜい100nmオーダの熱酸化膜(SiO層)30となるため、すべての領域で十分効果を発揮する。また、1μm未満の厚みのSiO層で保護しながら製造することができ、大きな利点がある。 As described above, the thickness of the diaphragm portion excluding the electrode and the piezoelectric body is preferably smaller. In the manufacturing method described with reference to FIG. 4, the thickness of the diaphragm portion excluding the electrodes and the piezoelectric body is zero, or the thermal oxide film (SiO 2 layer) 30 is on the order of 100 nm at most. Demonstrate the effect. Further, it is possible to manufacture while protected by the SiO 2 layer of 1μm thickness less than, there is a great advantage.

<ダイアフラムの面形状について>
上述の実施形態では、ダイアフラムの形状がフラットな形状(平面型の面形状)である場合を例示したが、ダイアフラムの形態はこれに限らず、初期形状として上に凸のドーム型形状や、下に凸の凹面型形状などであってもよい。
<About the surface shape of the diaphragm>
In the above-described embodiment, the case where the shape of the diaphragm is a flat shape (planar surface shape) is illustrated, but the form of the diaphragm is not limited to this, and the initial shape is an upwardly convex dome shape, It may be a concave-convex shape.

<圧電体膜の組成について>
本発明の実施形態に用いる圧電材料について説明する。本例で用いる圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3、俗称「PZT」と呼ばれるもの)をベースとしている。PZTでは、Zr、Tiはいずれも4価のイオンであり、PbTiO3からPbZrO3まで、Ti:Zrは全ての濃度比率を取り得る。このうち、PbTiO3の結晶系である正方晶、PbZrO3の結晶系である菱面体のちょうど間の組成であるZr:Tiが52:48、または53:47である組成が特に圧電特性が良好であり、この特性がアクチュエータ用圧電体として使われている。この組成はMPB組成と呼ばれる。
<About the composition of the piezoelectric film>
The piezoelectric material used in the embodiment of the present invention will be described. The piezoelectric body used in this example is based on lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O3, commonly referred to as “PZT”). In PZT, both Zr and Ti are tetravalent ions, and Ti: Zr can take all concentration ratios from PbTiO3 to PbZrO3. Among these, the composition with Zr: Ti of 52:48 or 53:47, which is the composition between the tetragonal crystal that is the crystal system of PbTiO3 and the rhombohedron that is the crystal system of PbZrO3, has particularly good piezoelectric characteristics. This characteristic is used as a piezoelectric body for an actuator. This composition is called the MPB composition.

ドーパントを何も添加しない真性PZTに対し、Nb5+などの4価よりも価数の大きいイオンを微量添加して圧電特性を向上させたものを変性PZTと言う。本実施例で用いるPZTでは、10%程度以上のNb添加が可能であり、高特性なPZT(変性PZT)が得られる。例えば、d31=200〜300pm/Vという高い圧電性が得られる。 The intrinsic PZT to which no dopant is added is a modified PZT in which a small amount of ions having a valence higher than tetravalent such as Nb 5+ are added to improve the piezoelectric characteristics. In PZT used in this example, about 10% or more of Nb can be added, and high-quality PZT (modified PZT) can be obtained. For example, a high piezoelectricity of d31 = 200 to 300 pm / V can be obtained.

本発明の実施に用いることができる圧電体膜として、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)が挙げられる。かかる圧電体膜は、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜することができる。この圧電体膜(一般式(P))は、絶対値の小さい抗電界の極性が負であり、正電界側にPr−Eヒステリシスが偏った圧電特性を有している。   As a piezoelectric film that can be used in the practice of the present invention, a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P) (may contain unavoidable impurities) Is mentioned. Such a piezoelectric film can be formed on the substrate by a sputtering method using plasma. This piezoelectric film (general formula (P)) has a negative coercive electric field with a small absolute value, and has a piezoelectric characteristic in which Pr-E hysteresis is biased toward the positive electric field.

一般式A・・・(P)
式中、AはPbを主成分とするAサイト元素、BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素であるa≧1.0かつb=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。
General formula A a B b O 3 (P)
In the formula, A is an A site element containing Pb as a main component, B is an element of a B site, and Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, At least one element selected from the group consisting of Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and Ni, O is oxygen is typically a ≧ 1.0 and b = 1.0, These numerical values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.

上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。   Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, and lead niobate zirconium titanate. The piezoelectric film may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P).

また、本発明の実施に際しては、特に、下記一般式(P−1)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電体膜がより好ましい。   In carrying out the present invention, in particular, a piezoelectric film composed of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the following general formula (P-1). More preferred.

Pb(Zrb1Tib2b3)O・・・(P−1)
式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a≧1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. a> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0. Although it is standard that a ≧ 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0, these numerical values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.

上記一般式(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、b3=0のときチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であり、b3>0のとき、PZTのBサイトの一部をV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素であるXで置換した酸化物である。   The perovskite oxide represented by the general formula (P-1) is lead zirconate titanate (PZT) when b3 = 0, and when b3> 0, part of the B site of PZT is group V. And an oxide substituted with X which is at least one metal element selected from the group of elements of group VI.

Xは、VA族、VB族、VIA族、及びVIB族のいずれの金属元素でもよく、V,Nb,Ta,Cr,Mo,及びWからなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。   X may be any metal element of Group VA, Group VB, Group VIA, and Group VIB, and is preferably at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W. .

<他の応用例>
上述した実施形態では、超音波センサへの適用を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、超音波探触子や焦電センサなどにも用いることができる。
<Other application examples>
In the above-described embodiment, application to an ultrasonic sensor has been exemplified, but the scope of application of the present invention is not limited to this, and the present invention can also be used for an ultrasonic probe, a pyroelectric sensor, and the like.

10…ダイアフラム型センサ、12…基板、14…凹部、20…下部電極、22…圧電体膜、24…上部電極、26…圧電素子、28…変位可能部位、30…熱酸化膜、110…ダイアフラム型センサ、112…Siウエハ、114…凹部、120…下部電極、122…PZT膜、124…上部電極、130…熱酸化膜、150…表面保護部材   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diaphragm type sensor, 12 ... Substrate, 14 ... Recess, 20 ... Lower electrode, 22 ... Piezoelectric film, 24 ... Upper electrode, 26 ... Piezoelectric element, 28 ... Displaceable part, 30 ... Thermal oxide film, 110 ... Diaphragm Type sensor, 112 ... Si wafer, 114 ... concave, 120 ... lower electrode, 122 ... PZT film, 124 ... upper electrode, 130 ... thermal oxide film, 150 ... surface protective member

Claims (12)

圧電体膜と、
前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、
前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、
前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、
を備え、
前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが0より大きく0.1μm以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
A piezoelectric film;
Counter electrodes disposed on both sides of the piezoelectric film across the piezoelectric film;
A substrate that supports the piezoelectric film including the counter electrode;
Corresponding to the displaceable portion of the piezoelectric film provided on the substrate, a recess formed at the corresponding position of the substrate;
With
The remaining portion excluding the counter electrode and the piezoelectric film from the diaphragm portion including the counter electrode and the piezoelectric film at the displaceable portion has a thickness of more than 0 and 0.1 μm or less. A piezoelectric thin film element.
請求項1において、
前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
In claim 1,
The piezoelectric thin film element, wherein the remaining portion is a thermal oxide film made of a material of the substrate.
請求項1又は2において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が5%以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
In claim 1 or 2 ,
A difference in displacement of the piezoelectric film depending on the presence or absence of the remaining portion is 5% or less.
請求項1乃至のいずれか1項において、
前記圧電体膜の厚みが1μmを超えるものであることを特徴とする圧電体薄膜素子。
In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
A piezoelectric thin film element having a thickness of the piezoelectric film exceeding 1 μm.
請求項1乃至のいずれか1項において、
前記圧電体膜がPZT系のペロブスカイト型酸化物であり、ABO型の結晶構造におけるAサイトに入る材料の組成比が1.0以上、1.1未満であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
In any one of Claims 1 thru | or 4 ,
The piezoelectric film is a PZT-based perovskite oxide, and the composition ratio of the material entering the A site in the ABO 3 type crystal structure is 1.0 or more and less than 1.1. element.
請求項1乃至のいずれか1項において、
前記圧電体膜がPZT系のペロブスカイト型酸化物であり、Nbを2%以上含むことを特徴とする圧電体薄膜素子。
In any one of Claims 1 thru | or 5 ,
The piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric film is a PZT-based perovskite oxide and contains 2% or more of Nb.
請求項1乃至6のいずれか1項において、In any one of Claims 1 thru | or 6,
前記圧電体膜のヤング率が60GPa以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。A piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric film has a Young's modulus of 60 GPa or less.
請求項1乃至7のいずれか1項において、
前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする圧電体薄膜素子。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
A plurality of the concave portions are formed on the substrate, and a plurality of the diaphragm portions corresponding to the respective concave portions are formed.
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする超音波センサ。   An ultrasonic wave is received at the displaceable portion of the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 8, and a voltage signal generated according to the displacement of the piezoelectric film is obtained from the counter electrode. A featured ultrasonic sensor. 基板の第1面に熱酸化膜が形成されており、前記熱酸化膜の上に第1電極、圧電体膜及び第2電極を重ねて形成する工程と、
前記第1電極、圧電体膜及び第2電極を形成した前記基板の前記第1面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、
前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第1面と反対側の第2面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、
前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、
を含み、
前記凹部の位置に前記第1電極、前記圧電体膜及び前記第2電極を含んで構成されるダイアフラム部が形成され、前記ダイアフラム部から前記第1電極、前記圧電体膜及び前記第2電極を除いた残部分の厚みが0よりも大きく0.1μm以下である圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
A thermal oxide film is formed on the first surface of the substrate, and a step of forming a first electrode, a piezoelectric film and a second electrode on the thermal oxide film ,
Bonding a surface protective member covering the first surface side of the substrate on which the first electrode, the piezoelectric film and the second electrode are formed, to the substrate;
Etching the substrate from the second surface side opposite to the first surface of the substrate to which the surface protection member is bonded to form a recess;
Removing the surface protection member after forming the recess;
Only including,
A diaphragm portion including the first electrode, the piezoelectric film, and the second electrode is formed at the position of the recess, and the first electrode, the piezoelectric film, and the second electrode are formed from the diaphragm portion. A method for manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising: obtaining a piezoelectric thin film element having a remaining thickness of greater than 0 and 0.1 μm or less .
請求項10において、
記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
In claim 10,
Method of manufacturing a piezoelectric thin film element the thermal oxide layer during the pre-Symbol etching is characterized by comprising a stopper layer.
請求項11において、
前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
In claim 11,
A method for manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising: obtaining a piezoelectric thin film element having a diaphragm structure in which the thermal oxide film is left in the recess.
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