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JP2015204544A - MEMS element, method for manufacturing MEMS element, and electronic device - Google Patents

MEMS element, method for manufacturing MEMS element, and electronic device Download PDF

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JP2015204544A
JP2015204544A JP2014083400A JP2014083400A JP2015204544A JP 2015204544 A JP2015204544 A JP 2015204544A JP 2014083400 A JP2014083400 A JP 2014083400A JP 2014083400 A JP2014083400 A JP 2014083400A JP 2015204544 A JP2015204544 A JP 2015204544A
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JP
Japan
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film
thin film
electrode
substrate
mems element
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JP2014083400A
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Japanese (ja)
Inventor
一幸 宮下
Kazuyuki Miyashita
一幸 宮下
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small and highly reliable MEMS element capable of high frequency operation, in which variation of operation frequency is reduced.SOLUTION: A MEMS element 1000 has a cavity 108 formed in a substrate 100, a diaphragm 101 provided above the cavity 108, and a piezoelectric element 111 provided on the diaphragm 101. The diaphragm 101 has a lamination of at least a first thin film 102 and a second thin film 103, and the piezoelectric element 111 includes a first electrode 104, a second electrode 106, and a piezoelectric material 105 sandwiched by the first electrode 104 and second electrode 106. Consequently, a highly reliable MEMS element capable of high frequency operation, in which variation of operation frequency is reduced, can be achieved.

Description

本発明は、MEMS素子、MEMS素子の製造方法、及び電子機器に関する。   The present invention relates to a MEMS element, a method for manufacturing a MEMS element, and an electronic apparatus.

近年、マイクロマシニング加工技術を用いて製造されるMEMS素子が注目を集めている。MEMS素子は、物体検知、計測等を目的としたロボット分野、FA分野、流通・物流分野、医療分野、介護・福祉分野、セキュリティー分野等の種々の分野において、障害物・人・物などの移動体、侵入者等を検知するセンシングシステムとして幅広く採用されている。   In recent years, attention has been focused on MEMS devices manufactured using micromachining technology. MEMS devices are used to move obstacles, people, things, etc. in various fields such as robotics, FA, distribution / logistics, medical, nursing / welfare, and security for object detection and measurement. Widely used as a sensing system for detecting body, intruders, etc.

特開2012−10158号公報JP 2012-10158 A

しかしながら、特許文献1に記載されているMEMS素子では、高周波での動作が困難であるという課題があった。一般に、超音波発振器や超音波センサー等のMEMS素子の動作周波数(発振周波数や検出周波数)は、ダイヤフラム部のヤング率の平方根に比例する。特許文献1に記載されているMEMS素子では、ダイヤフラム部が圧電体膜と対向電極のみで構成されており、圧電体膜のヤング率が低い為に、MEMS素子の動作周波数は低くなっていた。この様に、従来のMEMS素子では、高周波動作が困難であるという課題があった。   However, the MEMS element described in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to operate at a high frequency. In general, the operating frequency (oscillation frequency or detection frequency) of a MEMS element such as an ultrasonic oscillator or an ultrasonic sensor is proportional to the square root of the Young's modulus of the diaphragm portion. In the MEMS element described in Patent Document 1, the diaphragm portion is composed only of the piezoelectric film and the counter electrode, and the operating frequency of the MEMS element is low because the Young's modulus of the piezoelectric film is low. Thus, the conventional MEMS device has a problem that high-frequency operation is difficult.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

(適用例1)本適用例に関わるMEMS素子は、空洞部が形成された基板と、空洞部上に設けられたダイヤフラム部と、ダイヤフラム部上に設けられた圧電素子部と、を有し、ダイヤフラム部は基板と接している第一薄膜と第二薄膜とが少なくとも積層されており、圧電素子部は、第一電極と、第二電極と、第一電極と第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えることを特徴とする。
この構成によると、ダイヤフラム部を少なくとも二層の薄膜で構成することで、高周波動作が可能な信頼性の高いものとすることができる。従って、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いMEMS素子が実現できる。
(Application Example 1) A MEMS element according to this application example includes a substrate in which a cavity is formed, a diaphragm provided on the cavity, and a piezoelectric element provided on the diaphragm, The diaphragm portion includes at least a first thin film and a second thin film contacting the substrate, and the piezoelectric element portion is sandwiched between the first electrode, the second electrode, the first electrode, and the second electrode. And a piezoelectric material.
According to this configuration, by configuring the diaphragm part with at least two layers of thin films, it is possible to achieve high reliability capable of high-frequency operation. Therefore, a high-reliability MEMS element capable of high-frequency operation, having a small variation in operating frequency, and high reliability can be realized.

(適用例2)上記適用例に関わるMEMS素子において、第一薄膜の厚みとヤング率とをh1とE1とし、第二薄膜の厚みとヤング率とをh2とE2とした際に、数式1の関係式を満たすことが好ましい。 Application Example 2 In the MEMS element according to the application example described above, when the thickness and Young's modulus of the first thin film are h 1 and E 1, and the thickness and Young's modulus of the second thin film are h 2 and E 2. It is preferable that the relational expression of Formula 1 is satisfied.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

この構成によると、高い剛性を有する第二薄膜がダイヤフラム部の主要素になり、これによって高周波動作が可能な信頼性の高いMEMS素子が実現できる。   According to this configuration, the second thin film having high rigidity becomes the main element of the diaphragm portion, and thereby, a highly reliable MEMS element capable of high-frequency operation can be realized.

(適用例3)上記適用例に関わるMEMS素子において、第一薄膜の厚みh1と第二薄膜の厚みh2とが、数式2の関係式を満たすことが好ましい。 Application Example 3 In the MEMS element according to the application example described above, it is preferable that the thickness h 1 of the first thin film and the thickness h 2 of the second thin film satisfy the relational expression (2).

Figure 2015204544
Figure 2015204544

この構成によると、第二薄膜がダイヤフラム部の主要素になるため、高周波動作で且つ動作周波数のばらつきが小さい安定したMEMS素子が実現できる。   According to this configuration, since the second thin film is the main element of the diaphragm portion, a stable MEMS element that operates at high frequency and has small variations in operating frequency can be realized.

(適用例4)上記適用例に関わるMEMS素子において、第一薄膜の膜応力をP1とし、第二薄膜の膜応力をP2とした際に、第一薄膜の膜応力P1と第二薄膜の膜応力P2とが、数式3の関係式を満たすことが好ましい。 Application Example 4 In the MEMS element according to the application example described above, when the film stress of the first thin film is P 1 and the film stress of the second thin film is P 2 , the film stress P 1 of the first thin film and the second film stress The film stress P 2 of the thin film preferably satisfies the relational expression of Expression 3.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

この構成によると、第一薄膜の膜応力P1よりも第二薄膜の膜応力P2のほうが小さい。これによってクラックなどの発生を抑制でき、ダイヤフラム部の膜厚を厚くすることが可能である。すなわち、この構成によって高周波動作で信頼性の高いMEMS素子が実現できる。 According to this configuration, the film stress P 2 of the second thin film is smaller than the film stress P 1 of the first thin film. As a result, generation of cracks and the like can be suppressed, and the film thickness of the diaphragm portion can be increased. That is, with this configuration, a highly reliable MEMS element can be realized with high frequency operation.

(適用例5)上記適用例に関わるMEMS素子において、第二薄膜は、酸化ジルコニウム膜であることが好ましい。
この構成によると、高い剛性を有し、膜厚を厚くすることも容易な酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部の主要素となる第二薄膜に用いることによって、高周波動作が可能な信頼性の高いMEMES素子が実現できる。
Application Example 5 In the MEMS element according to the application example described above, the second thin film is preferably a zirconium oxide film.
According to this configuration, a highly reliable MMEMES element capable of high-frequency operation by using a zirconium oxide film having high rigidity and easy to increase in thickness as the second thin film that is a main element of the diaphragm portion. Can be realized.

(適用例6)上記適用例に関わるMEMS素子において、第一薄膜は、窒化珪素膜であることが好ましい。
この構成によると、基板との密着性が高く、且つ基板をエッチングする際の強固なエッチング保護層となりえる窒化珪素膜を第一薄膜に用いることによって、ダイヤフラム部の膜厚が安定する。従って、動作周波数が安定したMEMS素子が実現できる。
Application Example 6 In the MEMS element according to the application example, the first thin film is preferably a silicon nitride film.
According to this configuration, the film thickness of the diaphragm portion is stabilized by using, as the first thin film, a silicon nitride film that has high adhesion to the substrate and can be a strong etching protection layer when the substrate is etched. Therefore, a MEMS element with a stable operating frequency can be realized.

(適用例7)本適用例に関わるMEMS素子の製造方法は、基板上に、第一薄膜と第二薄膜とを積層する工程と、第二薄膜上に、第一電極と、第二電極と、第一電極と第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えた圧電素子部を形成する工程と、圧電素子部に平面視にて重なる基板の一部位を除去して空洞部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
この方法によると、基板上に、基板と接する第一薄膜と、第二薄膜とを積層する。このような工程によって形成されたダイヤフラム部を有するMEMS素子は、動作周波数が高く、且つ動作周波数のばらつきが小さく、信頼性を高めることができる。
Application Example 7 A method for manufacturing a MEMS element according to this application example includes a step of laminating a first thin film and a second thin film on a substrate, a first electrode, a second electrode on the second thin film, Forming a piezoelectric element portion including a piezoelectric material sandwiched between the first electrode and the second electrode, and removing a portion of the substrate overlapping the piezoelectric element portion in plan view to form a cavity portion And a step of performing.
According to this method, the first thin film in contact with the substrate and the second thin film are laminated on the substrate. A MEMS element having a diaphragm portion formed by such a process has a high operating frequency, a small variation in the operating frequency, and can improve reliability.

(適用例8)上記適用例に関わるMEMS素子の製造方法は、空洞部を形成する工程において、水酸化カリウムを含んだ溶液を用いて空洞部を形成することが好ましい。
この方法によると、水酸化カリウムを含んだ溶液にて空洞部を形成することで、第一薄膜がエッチングされることがなく、ダイヤフラム部の膜厚が安定する。更に基板がダイヤフラム部に対して垂直にエッチングされるため、基板とダイヤフラム部が直角に交差するようになるため、ダイヤフラム部が振動した際に、支点である基板の端部が破壊される恐れを抑制できる。このような工程によって形成された空洞部を有するMEMS素子は、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性を高めることができる。
Application Example 8 In the MEMS element manufacturing method according to the application example described above, in the step of forming the cavity, the cavity is preferably formed using a solution containing potassium hydroxide.
According to this method, the cavity is formed with a solution containing potassium hydroxide, so that the first thin film is not etched and the film thickness of the diaphragm is stabilized. Furthermore, since the substrate is etched perpendicularly to the diaphragm portion, the substrate and the diaphragm portion intersect at a right angle, so that when the diaphragm portion vibrates, the end portion of the substrate that is a fulcrum may be destroyed. Can be suppressed. A MEMS element having a cavity formed by such a process has a small variation in operating frequency and can improve reliability.

(適用例9)本適用例に関わる電子機器は、上記の適用例に記載のMEMS素子、又は上記の適用例に記載のMEMS素子の製造方法にて製造されたMEMS素子を備えたことを特徴とする。
この構成によると、高周波動作が可能で、且つ動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高い電子機器が実現できる。
(Application Example 9) An electronic apparatus according to this application example includes the MEMS element described in the above application example or the MEMS element manufactured by the method for manufacturing the MEMS element described in the above application example. And
According to this configuration, it is possible to realize a highly reliable electronic device that can operate at a high frequency and has a small variation in operating frequency.

実施形態1に係るMEMS素子の断面図。1 is a cross-sectional view of a MEMS element according to Embodiment 1. FIG. 酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜とのヤング率を示すグラフ。The graph which shows the Young's modulus of a silicon oxide film, a zirconium oxide film, and a silicon nitride film. 酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を示すグラフ。The graph which shows the film | membrane stress of a silicon oxide film, a zirconium oxide film | membrane, and a silicon nitride film. 本実施形態に係るMEMS素子の製造工程を説明した断面図。Sectional drawing explaining the manufacturing process of the MEMS element which concerns on this embodiment. 酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the Young's modulus by the annealing temperature at the time of zirconium oxide film formation. 酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the film | membrane stress by the annealing temperature at the time of zirconium oxide film formation. 本実施形態に係る電子機器を説明した図。FIG. 6 illustrates an electronic device according to an embodiment. 変形例1に係るMEMS素子の断面図。Sectional drawing of the MEMS element which concerns on the modification 1. FIG.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
また、以下の形態において、「○○上に」と記載された場合は、○○の表面上に接する様に配置される場合、又は○○の表面上に他の構成物を介して配置される場合、又は○○の表面上に一部が接する様に配置され一部が他の構成物を介して配置される場合、を表すものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each layer and each member is made different from the actual scale so that each layer and each member can be recognized.
In addition, in the following forms, when “on XX” is described, it is arranged so as to be in contact with the surface of XX, or is arranged on the surface of XX via another component. Or a case where a part is arranged on the surface of OO and a part is arranged via another component.

(実施形態1)
「MEMS素子のダイヤフラム部」
図1は、実施形態1に係るMEMS素子の断面図である。図2は、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜とのヤング率を示すグラフである。図3は、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を示すグラフである。まず、図1乃至図3を参照して、実施形態1に係るMEMS素子1000について説明する。
(Embodiment 1)
"Diaphragm part of MEMS element"
FIG. 1 is a cross-sectional view of the MEMS element according to the first embodiment. FIG. 2 is a graph showing the Young's modulus of the silicon oxide film, the zirconium oxide film, and the silicon nitride film. FIG. 3 is a graph showing film stresses of the silicon oxide film, the zirconium oxide film, and the silicon nitride film. First, the MEMS element 1000 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

図1に示す様に、MEMS素子1000は、基板100、ダイヤフラム部101、圧電素子部111、引き出し電極107などから構成されている。具体的には、MEMS素子1000は、断面視において、空洞部108が形成された基板100と、空洞部108を覆うように基板100上に設けられたダイヤフラム部101と、ダイヤフラム部101上に設けられた圧電素子部111と、圧電素子部111上に設けられた引き出し電極107と、を有する。   As shown in FIG. 1, the MEMS element 1000 includes a substrate 100, a diaphragm portion 101, a piezoelectric element portion 111, an extraction electrode 107, and the like. Specifically, the MEMS element 1000 includes a substrate 100 in which a cavity portion 108 is formed, a diaphragm portion 101 provided on the substrate 100 so as to cover the cavity portion 108, and a diaphragm portion 101 in a cross-sectional view. And a lead electrode 107 provided on the piezoelectric element portion 111.

ダイヤフラム部101は、基板100側から順に第一薄膜102と、第二薄膜103とが積層されている。第一薄膜102と第二薄膜103とは特性が異なる薄膜である。
圧電素子部111は、第一電極104と、第二電極106と、第一電極104と第二電極106とに挟持された圧電材料105と、を備えており、ダイヤフラム部101側から順に第一電極104と、圧電材料105と、第二電極106とが積層されている。
引き出し電極107は、導電性材料が用いられ、圧電素子部111の第一電極104と第二電極106とに電気的に接続されている。
In the diaphragm portion 101, a first thin film 102 and a second thin film 103 are laminated in order from the substrate 100 side. The first thin film 102 and the second thin film 103 are thin films having different characteristics.
The piezoelectric element unit 111 includes a first electrode 104, a second electrode 106, and a piezoelectric material 105 sandwiched between the first electrode 104 and the second electrode 106, and the first in order from the diaphragm unit 101 side. The electrode 104, the piezoelectric material 105, and the second electrode 106 are stacked.
The lead electrode 107 is made of a conductive material and is electrically connected to the first electrode 104 and the second electrode 106 of the piezoelectric element portion 111.

基板100としては、珪素を主成分とする珪素基板を用いる。珪素以外にリンやボロンなどの不純物が添加されていても良い。珪素基板の中では、単結晶珪素基板が好ましく、面方位が(110)の単結晶珪素基板を使用することが望ましい。本実施形態では、面方位が(110)の単結晶珪素基板を用いた場合で説明する。
単結晶珪素基板の(110)面は、後に詳述する様に、基板100を、ダイヤフラム部101形成面の反対面である裏面(図1の下側)より、ウェットエッチングによって空洞部108を形成する場合に、垂直にエッチングができるという利点を有する。
垂直にエッチングされることにより、空洞部108をなす基板100の側壁とダイヤフラム部101の空洞部108に露出する面とが直角に交差する様になるため、ダイヤフラム部101が振動した際に、支点である基板100の端部が破壊される恐れを抑制できる。
As the substrate 100, a silicon substrate containing silicon as a main component is used. Impurities such as phosphorus and boron may be added in addition to silicon. Among the silicon substrates, a single crystal silicon substrate is preferable, and it is desirable to use a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (110). In this embodiment, the case where a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (110) is used will be described.
As will be described later in detail, the cavity 110 is formed on the (110) surface of the single crystal silicon substrate by wet etching from the back surface (the lower side in FIG. 1) opposite to the surface on which the diaphragm 101 is formed. In this case, there is an advantage that etching can be performed vertically.
By etching vertically, the side wall of the substrate 100 forming the cavity 108 and the surface exposed to the cavity 108 of the diaphragm 101 intersect at a right angle, so that when the diaphragm 101 vibrates, the fulcrum The possibility that the end of the substrate 100 is destroyed can be suppressed.

ダイヤフラム部101は、第一電極104と第二電極106に電圧が印加された際に圧電材料105が機械的変位することを受けて振動し、外部に信号を発信する。更にダイヤフラム部101は、外部より発生した力を受けて振動することによって圧電材料105を機械的に変位させ、これによって発生した電圧を、第一電極104と第二電極106とから取り出すことで外部信号を受信することができる。すなわち、ダイヤフラム部101は発信も受信も可能な振動板として機能している。   The diaphragm 101 vibrates in response to mechanical displacement of the piezoelectric material 105 when a voltage is applied to the first electrode 104 and the second electrode 106, and transmits a signal to the outside. Further, the diaphragm 101 mechanically displaces the piezoelectric material 105 by receiving a force generated from the outside and vibrates, and the voltage generated thereby is taken out from the first electrode 104 and the second electrode 106 to be externally supplied. A signal can be received. That is, the diaphragm unit 101 functions as a diaphragm capable of transmitting and receiving.

ところで、一般的に、MEMS素子の動作周波数は数式4にて表される。   By the way, generally, the operating frequency of the MEMS element is expressed by Equation 4.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

ここで、fは動作周波数、aはダイヤフラム部101の平面視における短辺の長さ、hは膜厚、ρは密度、λは定数、Dは曲げ剛性である。
数式4より、曲げ剛性Dを高くすること、もしくは短辺の長さaを短くすることが、動作周波数fを高くするための有効な手段であることが分かる。しかしながら、短辺の長さaを短くすると、MEMS素子の加工ばらつきに対してより敏感になるため、個々のMEMS素子の発振周波数のばらつきが大きくなる。つまり、曲げ剛性Dを大きくすることが高周波動作において好適な手段である。この曲げ剛性Dは数式5にて表される。
Here, f is the operating frequency, a is the length of the short side of the diaphragm 101 in plan view, h is the film thickness, ρ is the density, λ is a constant, and D is the bending rigidity.
From Equation 4, it can be seen that increasing the bending rigidity D or shortening the short side length a is an effective means for increasing the operating frequency f. However, if the length a of the short side is shortened, it becomes more sensitive to the processing variation of the MEMS element, so that the variation of the oscillation frequency of each MEMS element becomes large. That is, increasing the bending rigidity D is a suitable means for high-frequency operation. This bending rigidity D is expressed by Equation 5.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

ここで、Eはヤング率、νはポアソン比である。曲げ剛性Dを大きくするためには、ヤング率Eが大きな材料を用いることと、膜厚hを厚くすることが有効である。   Here, E is Young's modulus and ν is Poisson's ratio. In order to increase the bending rigidity D, it is effective to use a material having a large Young's modulus E and to increase the film thickness h.

図2に、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜とのヤング率を測定した結果を示す。これより、酸化珪素膜よりも酸化ジルコニウム膜、又は窒化珪素膜の方が、4倍以上ヤング率が高いことが分かる。動作周波数fは、ヤング率の平方根に比例するため、ダイヤフラム部101が同じ膜厚の場合には、酸化珪素膜よりも、酸化ジルコニウム膜もしくは窒化珪素膜でダイヤフラム部101を構成したほうが、動作周波数fはおよそ2倍高いことになる。従って、高周波動作のためには酸化ジルコニウム膜、又は窒化珪素膜を用いてダイヤフラム部101を構成することが望ましい。   FIG. 2 shows the results of measuring the Young's modulus of the silicon oxide film, the zirconium oxide film, and the silicon nitride film. Accordingly, it can be seen that the zirconium oxide film or the silicon nitride film has a Young's modulus four times or more higher than the silicon oxide film. Since the operating frequency f is proportional to the square root of the Young's modulus, when the diaphragm portion 101 has the same film thickness, the operating frequency is higher when the diaphragm portion 101 is made of a zirconium oxide film or a silicon nitride film than a silicon oxide film. f will be approximately twice as high. Therefore, for high frequency operation, it is desirable to configure the diaphragm portion 101 using a zirconium oxide film or a silicon nitride film.

図3に、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を測定した結果を示す。グラフのY軸目盛は膜応力(Gpa)を示しており、プラス方向が引っ張り応力、マイナス方向が圧縮応力を示している。これより、窒化珪素膜は極めて大きい圧縮応力を有していることが分かる。膜応力は、引っ張り応力と圧縮応力どちらの応力においても、膜のクラックや基板の反りと密接に関係している。応力が大きい場合、膜厚を厚くするとクラックが発生しやすくなる。加えて、基板の反りが大きくなると、MEMS素子製造時の製造装置での基板搬送が困難になる等の不具合を引き起こす。すなわち、窒化珪素膜をダイヤフラム部101の主要素にする場合には膜厚を薄くせざるを得ない。数式4,5より、動作周波数fはダイヤフラム部101の膜厚hに比例しているため、ダイヤフラム部101の膜厚hが薄い場合には動作周波数が低くなる。それに対して、酸化ジルコニウム膜は、窒化珪素膜に比べて膜応力が小さい為クラックが発生しにくく、且つ基板100が反りにくい。そのため、膜厚hを厚くすることが容易である。   FIG. 3 shows the results of measuring the film stress of the silicon oxide film, the zirconium oxide film, and the silicon nitride film. The Y-axis scale of the graph indicates the film stress (Gpa), the positive direction indicates tensile stress, and the negative direction indicates compressive stress. This shows that the silicon nitride film has an extremely large compressive stress. The film stress is closely related to the crack of the film and the warp of the substrate in both the tensile stress and the compressive stress. When the stress is large, cracks are likely to occur when the film thickness is increased. In addition, when the warpage of the substrate becomes large, problems such as difficulty in transporting the substrate in the manufacturing apparatus at the time of manufacturing the MEMS element are caused. That is, when the silicon nitride film is used as the main element of the diaphragm portion 101, the film thickness must be reduced. From Equations 4 and 5, since the operating frequency f is proportional to the film thickness h of the diaphragm 101, the operating frequency is low when the film thickness h of the diaphragm 101 is thin. On the other hand, the zirconium oxide film has less film stress than the silicon nitride film, so that cracks are hardly generated and the substrate 100 is not easily warped. Therefore, it is easy to increase the film thickness h.

このように、窒化珪素膜をダイヤフラム部101の主要素として構成するよりも、酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部101の主要素として構成すると、膜厚hの厚いダイヤフラム部101が形成でき、MEMS素子1000の高周波動作が可能となる。   As described above, when the zirconium oxide film is configured as the main element of the diaphragm portion 101 rather than the silicon nitride film as the main component of the diaphragm portion 101, the thick diaphragm portion 101 can be formed. High frequency operation is possible.

本実施形態では、ダイヤフラム部101を特性が異なる第一薄膜102と第二薄膜103とが積層された構成としている。具体的には、基板100との密着性を高める役割を果たす第一薄膜102と、剛性が高く、且つ膜厚を厚くすることが容易な第二薄膜103を用いてダイヤフラム部101を構成している。このようにすることで高周波動作が可能な信頼性の高いMEMS素子1000が実現できる。   In the present embodiment, the diaphragm 101 has a configuration in which a first thin film 102 and a second thin film 103 having different characteristics are laminated. Specifically, the diaphragm portion 101 is configured by using a first thin film 102 that plays a role of improving adhesion to the substrate 100 and a second thin film 103 that has high rigidity and can be easily thickened. Yes. By doing so, a highly reliable MEMS element 1000 capable of high-frequency operation can be realized.

また、第二薄膜103をダイヤフラム部101の主要素としている。このようにすることで、更に高周波動作を有する信頼の高いMEMS素子1000が実現できる。本実施形態では、第一薄膜102の厚みをh1、ヤング率をE1とし、第二薄膜103の厚みをh2、ヤング率をE2とした際に、数式6の関係式を満たすような構成としている。 The second thin film 103 is a main element of the diaphragm portion 101. By doing so, a highly reliable MEMS element 1000 having a higher frequency operation can be realized. In the present embodiment, when the thickness of the first thin film 102 is h 1 , the Young's modulus is E 1 , the thickness of the second thin film 103 is h 2 , and the Young's modulus is E 2 , the relational expression of Equation 6 is satisfied. It has a simple structure.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

数式5を参照すると、曲げ剛性Dは、ヤング率と膜厚の3乗との積Eh3に比例しており、数式6の構成を取ることで、第二薄膜103をダイヤフラム部101の主要素とすることができ、数式4によって高周波動作が可能なMEMS素子1000が実現される事が判る。 Referring to Equation 5, the bending stiffness D is proportional to the product Eh 3 of the Young's modulus and the cube of the film thickness. By taking the configuration of Equation 6, the second thin film 103 is made to be the main element of the diaphragm portion 101. It can be seen from Equation 4 that the MEMS element 1000 capable of high-frequency operation is realized.

本実施形態では、ダイヤフラム部101を構成する二層の薄膜のうちで、基板100と接している第一薄膜102には、窒化珪素膜が用いられている。窒化珪素膜は、基板100の材料と同種の材料を含んだ材料であるため、ダイヤフラム部101と基板100との密着性を高めることができる。
また、第一薄膜102の膜厚は50nm以上から200nm以下の範囲にある。これによって、第二薄膜103を単層でダイヤフラム部101として使用する場合と比較して、基板100とダイヤフラム部101との密着性が向上する。さらに、MEMS素子1000を高周波で動作させても、基板100とダイヤフラム部101の界面に亀裂が生じる恐れを抑制することができる。即ち、MEMS素子1000は、高周波で安定的に動作するようになる。
In the present embodiment, a silicon nitride film is used for the first thin film 102 that is in contact with the substrate 100 among the two thin films constituting the diaphragm portion 101. Since the silicon nitride film is a material containing the same kind of material as the material of the substrate 100, adhesion between the diaphragm portion 101 and the substrate 100 can be improved.
The film thickness of the first thin film 102 is in the range of 50 nm to 200 nm. Thereby, compared with the case where the second thin film 103 is used as the diaphragm portion 101 in a single layer, the adhesion between the substrate 100 and the diaphragm portion 101 is improved. Furthermore, even if the MEMS element 1000 is operated at a high frequency, the risk of cracks occurring at the interface between the substrate 100 and the diaphragm portion 101 can be suppressed. That is, the MEMS element 1000 operates stably at a high frequency.

さらに、窒化珪素膜は基板100と同一の材料ではなく、基板100と同種の材料を一部含み、且つ基板100の材料には含まれない材料を含んでいる。これにより、第一薄膜102を、空洞部108の形成時のエッチングストッパー層として用いることができる。後述するように、基板100に空洞部108を形成するにあたり、基板100を裏面からエッチングする際に、第一薄膜102である窒化珪素膜がエッチングストッパーとして機能する。特に水酸化カリウムを含んだ溶液を用いたエッチングでは窒化珪素膜(第一薄膜102)は、ほとんどエッチングされないためダイヤフラム部101の膜厚ばらつきを抑えることができる。数式4,5より、動作周波数fはダイヤフラム部101の膜厚hに比例しているため、膜厚hのばらつきを抑えることは動作周波数fのばらつきを抑えることにつながる。   Further, the silicon nitride film is not the same material as the substrate 100, but includes a material that partially includes the same material as the substrate 100 and is not included in the material of the substrate 100. Thus, the first thin film 102 can be used as an etching stopper layer when forming the cavity 108. As will be described later, when forming the cavity 108 in the substrate 100, the silicon nitride film as the first thin film 102 functions as an etching stopper when the substrate 100 is etched from the back surface. In particular, in the etching using a solution containing potassium hydroxide, the silicon nitride film (first thin film 102) is hardly etched, so that variations in the film thickness of the diaphragm portion 101 can be suppressed. From Equations 4 and 5, since the operating frequency f is proportional to the film thickness h of the diaphragm portion 101, suppressing the variation in the film thickness h leads to suppressing the variation in the operating frequency f.

なお、第一薄膜102は、基板100との密着性が良く、裏面からの空洞部108加工時にエッチングストッパーとして機能する薄膜であれば窒化珪素膜に限定されることはなく、これ以外に例えば、酸化珪素膜や酸素と窒素を含有した珪素膜(SiON)などを用いることもできる。   The first thin film 102 is not limited to a silicon nitride film as long as it has good adhesion to the substrate 100 and functions as an etching stopper when the cavity 108 is processed from the back surface. A silicon oxide film, a silicon film containing oxygen and nitrogen (SiON), or the like can also be used.

基板100から見て第一薄膜102の上部に形成された第二薄膜103は、ダイヤフラム部101の主要素である。先述したとおり、高周波動作するためには曲げ剛性Dを大きくすることが求められ、ヤング率と膜厚の3乗との積Eh3を大きくすることが必要である。本実施形態では、第二薄膜103に酸化ジルコニウム膜を用いた。酸化ジルコニウム膜は第一薄膜102の窒化珪素膜よりも曲げ剛性が大きく、酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部101の主要素とすることにより、MEMS素子1000の高周波動作が可能となる。
第二薄膜103はダイヤフラム部101の主要素であるため、膜厚をできる限り厚く形成し、400nm以上とするのが好ましい。第二薄膜103の厚みを400nm以上とすることで、第二薄膜103がダイヤフラム部101の主要素となり、高周波動作可能なMEMS素子1000を実現できる。
A second thin film 103 formed on the first thin film 102 when viewed from the substrate 100 is a main element of the diaphragm portion 101. As described above, in order to operate at a high frequency, it is required to increase the bending rigidity D, and it is necessary to increase the product Eh 3 of the Young's modulus and the cube of the film thickness. In this embodiment, a zirconium oxide film is used for the second thin film 103. The zirconium oxide film has a higher bending rigidity than the silicon nitride film of the first thin film 102, and the MEMS element 1000 can be operated at a high frequency by using the zirconium oxide film as a main element of the diaphragm portion 101.
Since the second thin film 103 is a main element of the diaphragm portion 101, it is preferable that the second thin film 103 be formed as thick as possible to be 400 nm or more. By setting the thickness of the second thin film 103 to 400 nm or more, the second thin film 103 becomes the main element of the diaphragm portion 101, and the MEMS element 1000 capable of high-frequency operation can be realized.

第二薄膜103は、膜厚が厚くすることが容易で、且つヤング率が高い薄膜であれば、例えば、酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化ハフニウム膜やこれらの材料を合成した薄膜などを用いても良い。   As the second thin film 103, for example, an aluminum oxide film, a titanium oxide film, a hafnium oxide film, or a thin film obtained by synthesizing these materials can be used as long as it is easy to increase the thickness and has a high Young's modulus. May be.

また、第二薄膜103の膜厚は、第一薄膜102に比べて厚くすることが好ましい。具体的には、第一薄膜102の厚みh1と第二薄膜103の厚みh2とが、数式7の関係式を満たす事が好ましい。 The film thickness of the second thin film 103 is preferably larger than that of the first thin film 102. Specifically, the thickness h 1 of the first thin film 102 and the thickness h 2 of the second thin film 103, it is preferable to satisfy the relational expression of Equation 7.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

これにより、数式6を満たして第二薄膜103をダイヤフラム部101の主要素とすることができる。   Accordingly, the second thin film 103 can be used as the main element of the diaphragm portion 101 by satisfying Expression 6.

また、ダイヤフラム部101の主要素である第二薄膜103の膜厚はできる限り厚くすることが好ましい。先述した通り、膜厚を厚くするためには膜応力が0に近いことが望まれる。具体的には、第一薄膜の膜応力をP1とし、第二薄膜の膜応力をP2とした際に、第一薄膜102の膜応力P1と第二薄膜103の膜応力P2とが、数式8の関係式を満たすことが好ましい。 Moreover, it is preferable to make the film thickness of the second thin film 103 which is the main element of the diaphragm portion 101 as large as possible. As described above, it is desirable that the film stress is close to 0 in order to increase the film thickness. Specifically, the first thin film stress and P 1, the second thin film stress upon the P 2, the film stress P 1 of the first thin film 102 and the film stress P 2 of the second membrane 103 However, it is preferable that the relational expression of Expression 8 is satisfied.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

この構成によると、第一薄膜102の膜応力よりも第二薄膜103の膜応力のほうが小さい。これによって第二薄膜103の膜厚を厚くすることが容易となり、クラックなどの不具合を抑制しつつ、ダイヤフラム部101の膜厚を厚くすることが可能となる。すなわち、この構成によって高周波動作で信頼性の高いMEMS素子1000が実現できる。   According to this configuration, the film stress of the second thin film 103 is smaller than the film stress of the first thin film 102. Accordingly, it is easy to increase the thickness of the second thin film 103, and it is possible to increase the thickness of the diaphragm portion 101 while suppressing defects such as cracks. That is, with this configuration, the MEMS element 1000 with high frequency operation and high reliability can be realized.

なお、第二薄膜103の厚みを2000nm以下とすることが好ましい。第二薄膜103の厚みを2000nm以下とすることで、膜応力によるクラックの発生確率を低下させ、MEMS素子1000製造時の製造装置での基板搬送を容易にすることができる。よって、高周波動作可能なMEMS素子1000を高歩留りで安定的に製造することができる。   In addition, it is preferable that the thickness of the 2nd thin film 103 shall be 2000 nm or less. By setting the thickness of the second thin film 103 to 2000 nm or less, the probability of occurrence of cracks due to film stress can be reduced, and the substrate can be easily transported in the manufacturing apparatus when the MEMS element 1000 is manufactured. Therefore, the MEMS element 1000 capable of high-frequency operation can be stably manufactured with a high yield.

以上で述べたダイヤフラム部101の構成によって、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いMEMS素子1000が実現できる。まお、この構成は一例であり、例えば、各層の薄膜で述べた機能を多層の膜の組み合わせで構成しても良い。   With the configuration of the diaphragm unit 101 described above, a high-reliability MEMS element 1000 capable of high-frequency operation, small variation in operating frequency, and high reliability can be realized. This configuration is merely an example, and for example, the functions described in the thin film of each layer may be configured by a combination of multiple layers.

「MEMS素子の圧電素子部」
次に圧電素子部111を説明する。圧電素子部111は、第一電極104と、第二電極106と、第一電極104と第二電極106とに挟持された圧電材料105と、を備えている。
"Piezoelectric element part of MEMS element"
Next, the piezoelectric element unit 111 will be described. The piezoelectric element unit 111 includes a first electrode 104, a second electrode 106, and a piezoelectric material 105 sandwiched between the first electrode 104 and the second electrode 106.

第一電極104には、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。第一電極104の膜厚は20nm以上400nm以下の範囲にある事が好ましい。   For the first electrode 104, for example, a conductive film selected from nickel, iridium, gold, platinum, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, a composite film of lanthanum and nickel, and the like. Sex materials are used. The film thickness of the first electrode 104 is preferably in the range of 20 nm to 400 nm.

圧電材料105は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電性材料で構成されている。本実施形態では一例として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。しかしながら、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。
その組成は、圧電素子部の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3−PbTiO3(PIN−PT)、Pb(Sc1/3Ta2/3)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PSN−PT)、BiScO3−PbTiO3(BS−PT)、BiYbO3−PbTiO3(BY−PT)等が挙げられる。
圧電材料105の膜厚は1000nm以上5000nm以下の範囲にある事が好ましい。
The piezoelectric material 105 is made of a piezoelectric material made of a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 . In this embodiment, lead zirconate titanate (PZT) is used as an example. However, for example, a relaxor ferroelectric material in which a metal such as niobium, nickel, magnesium, bismuth or yttrium is added to a ferroelectric piezoelectric material of lead zirconate titanate (PZT) may be used.
The composition may be appropriately selected in consideration of the characteristics and application of the piezoelectric element portion. For example, PbTiO 3 (PT), PbZrO 3 (PZ), Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT) ), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —PbTiO 3 (PZN—PT), Pb (Ni 1 ) / 3 Nb 2/3 ) O 3 —PbTiO 3 (PNN-PT), Pb (In 1/2 Nb 1/2 ) O 3 —PbTiO 3 (PIN-PT), Pb (Sc 1/3 Ta 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PST-PT), Pb (Sc 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PSN-PT), BiScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT), BiYbO 3 -PbTiO 3 (BY-PT) and the like.
The film thickness of the piezoelectric material 105 is preferably in the range of 1000 nm to 5000 nm.

第二電極106には、第一電極104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。第二電極106の膜厚は50nm以上400nm以下の範囲にある事が好ましい。   Similar to the first electrode 104, the second electrode 106 is, for example, nickel, iridium, gold, platinum, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, lanthanum and nickel. A conductive material selected from a composite film or the like is used. The film thickness of the second electrode 106 is preferably in the range of 50 nm to 400 nm.

引き出し電極107には、第一電極104や第二電極106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。引き出し電極107の膜厚は50nm以上400nm以下の範囲にある事が好ましい。引き出し電極107により、第一電極104と第二電極106を外部端子および外部素子へ接続することができる。   The extraction electrode 107 is similar to the first electrode 104 and the second electrode 106, for example, nickel, iridium, gold, platinum, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, lanthanum A conductive material selected from a composite film of nickel and nickel is used. The film thickness of the extraction electrode 107 is preferably in the range of 50 nm to 400 nm. With the extraction electrode 107, the first electrode 104 and the second electrode 106 can be connected to an external terminal and an external element.

以上述べたように、本実施形態に関わるMEMS素子1000によれば、以下の効果を得ることができる。ダイヤフラム部101を少なくとも第一薄膜102と、第二薄膜103との二層の薄膜で構成する。これにより、第一薄膜102によって基板100との密着性が強固にされて、ダイヤフラム部101の振動によりMEMS素子1000が破損される恐れを抑制し、MEMS素子1000の高信頼性が確保される。更に、第一薄膜102は、基板100をエッチングして空洞部108を形成する際にエッチングストッパー層として機能するため、ダイヤフラム部101全体の膜厚が安定し、MEMS素子1000の周波数ばらつきを抑えることができる。
第二薄膜103に高ヤング率で、且つ膜応力の小さい材料を用いることで、クラック等の発生確率を大幅に抑えて第二薄膜103の膜厚を厚く形成することができるため、高周波動作が可能なMEMS素子1000を安定的に製造できる。
この様に、ダイヤフラム部101を少なくとも二層の薄膜で構成する事で、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いMEMS素子1000が実現される。
As described above, according to the MEMS element 1000 according to the present embodiment, the following effects can be obtained. Diaphragm 101 is composed of at least two thin films of first thin film 102 and second thin film 103. Thereby, the adhesiveness with the board | substrate 100 is strengthened by the 1st thin film 102, The possibility that the MEMS element 1000 may be damaged by the vibration of the diaphragm part 101 is suppressed, and the high reliability of the MEMS element 1000 is ensured. Furthermore, since the first thin film 102 functions as an etching stopper layer when the substrate 100 is etched to form the cavity 108, the entire film thickness of the diaphragm portion 101 is stabilized and the frequency variation of the MEMS element 1000 is suppressed. Can do.
By using a material with a high Young's modulus and a small film stress for the second thin film 103, the probability of occurrence of cracks and the like can be greatly suppressed, and the second thin film 103 can be formed thicker. A possible MEMS element 1000 can be stably manufactured.
In this manner, by configuring the diaphragm portion 101 with at least two layers of thin films, a high-reliable MEMS element 1000 capable of high-frequency operation, small variation in operating frequency, and high reliability is realized.

「製造方法」
図4は、本実施形態に係るMEMS素子の製造工程を説明した断面図である。図5は、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフである。図6は、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフである。次に、図4乃至図6を参照して、本実施形態に係るMEMS素子1000の製造方法について説明する。
"Production method"
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the MEMS element according to this embodiment. FIG. 5 is a graph showing the change in Young's modulus depending on the annealing temperature when forming the zirconium oxide film. FIG. 6 is a graph showing changes in film stress depending on the annealing temperature when forming a zirconium oxide film. Next, with reference to FIG. 4 thru | or FIG. 6, the manufacturing method of the MEMS element 1000 which concerns on this embodiment is demonstrated.

MEMS素子1000の製造方法は、基板100上に第一薄膜102と第二薄膜103とを積層する工程(第一工程)と、第一工程後に圧電素子部111を形成する工程(第二工程)と、第二工程後に圧電素子部111に平面視にて重なる基板100の一部位を除去して空洞部108を形成する工程(第三工程)と、を少なくとも含んでいる。
第二工程で形成する圧電素子部111は、第二薄膜103上に、第一電極104と、第二電極106と、第一電極104と第二電極106とに挟持された圧電材料105と、から形成されている。
The manufacturing method of the MEMS element 1000 includes a step of laminating the first thin film 102 and the second thin film 103 on the substrate 100 (first step), and a step of forming the piezoelectric element portion 111 after the first step (second step). And a step (third step) of forming a cavity 108 by removing a portion of the substrate 100 that overlaps the piezoelectric element portion 111 in plan view after the second step.
The piezoelectric element portion 111 formed in the second step includes a first electrode 104, a second electrode 106, a piezoelectric material 105 sandwiched between the first electrode 104 and the second electrode 106 on the second thin film 103, Formed from.

第一工程では、最初に、図4(a)に示す様に、基板100に第一薄膜102を形成する。第一薄膜102は、基板100とダイヤフラム部101との密着性を確保することと、基板100の一部を除去して空洞部108を形成する際のエッチングストッパー層との役割を果たす。
これらの機能を有するためには、基板100と同一の元素を含んだ材料であることが望まれる。本実施形態においては、プラズマCVD法、特に誘導結合プラズマCVD法(ICP−CVD法)を用いて窒化珪素膜を形成し、第一薄膜102とした。
In the first step, first, a first thin film 102 is formed on a substrate 100 as shown in FIG. The first thin film 102 serves as an etching stopper layer for securing adhesion between the substrate 100 and the diaphragm portion 101 and forming a cavity portion 108 by removing a part of the substrate 100.
In order to have these functions, a material containing the same element as the substrate 100 is desired. In the present embodiment, a silicon nitride film is formed using a plasma CVD method, particularly an inductively coupled plasma CVD method (ICP-CVD method), and the first thin film 102 is formed.

一般的な平行平板型プラズマCVD法を用いた場合には膜応力を制御することが可能であり膜厚を厚くすることができる。しかしながら、シラン(SiH4)とアンモニア(NH3)と窒素(N2)を用いて成膜することから水素を多量に含んだ膜となるため、後述する圧電材料105の酸化物材料を還元してしまう不具合を引き起こし、圧電特性の低下を招く。
更に、緻密な膜を形成することが難しいため、基板100に裏面よりエッチングをして空洞部108を形成する際の、エッチングストッパー層として使用した場合にはエッチングされてしまい、ダイヤフラム部101の膜厚がばらつく恐れがある。
When a general parallel plate type plasma CVD method is used, the film stress can be controlled and the film thickness can be increased. However, since a film containing a large amount of hydrogen is formed by using silane (SiH 4 ), ammonia (NH 3 ), and nitrogen (N 2 ), the oxide material of the piezoelectric material 105 described later is reduced. Cause malfunctions, leading to degradation of piezoelectric characteristics.
Further, since it is difficult to form a dense film, the substrate 100 is etched when it is used as an etching stopper layer when the cavity portion 108 is formed by etching from the back surface, and the film of the diaphragm portion 101 is formed. The thickness may vary.

数式4、5より、ダイヤフラム部101の膜厚hは動作周波数fを比例の関係にあるため、ダイヤフラム部101の膜厚がばらつくと動作周波数fがばらつくことになる。本実施形態において用いた、ICP−CVD法で成膜した窒化珪素膜は、極めて緻密な膜であり空洞部108形成の際でもほとんどエッチングされないためダイヤフラム部101の膜厚が安定する。
すなわち、本実施形態によれば、動作周波数fのばらつきが極めて小さいMEMS素子が製造できる。更に、シラン(SiH4)と窒素(N2)のみで成膜が可能なため、水素含有量が極めて少ない膜が形成でき、圧電特性を低下させることもないことから、第一薄膜102として適している。
From Equations 4 and 5, since the film thickness h of the diaphragm portion 101 is proportional to the operating frequency f, if the film thickness of the diaphragm portion 101 varies, the operating frequency f varies. The silicon nitride film formed by the ICP-CVD method used in this embodiment is a very dense film and is hardly etched even when the cavity 108 is formed, so that the thickness of the diaphragm 101 is stabilized.
That is, according to the present embodiment, a MEMS element with extremely small variation in the operating frequency f can be manufactured. Further, since the film can be formed only with silane (SiH 4 ) and nitrogen (N 2 ), a film having a very low hydrogen content can be formed, and the piezoelectric characteristics are not deteriorated. ing.

窒化珪素膜の厚みは、前述の如く、50nm以上200nm以下の範囲にあることが好ましい。これによって、基板100とダイヤフラム部101との密着性が確保され、高周波動作においても基板100とダイヤフラム部101の界面に亀裂が生じることなく、安定した動作が確保できる。
加えて基板100に空洞部108を形成するにあたって、裏面より基板100をエッチングする際に、第一薄膜102である窒化珪素膜がエッチングストッパー層として機能することで、動作周波数のばらつきが極めて小さいMEMS素子が製造できる。
As described above, the thickness of the silicon nitride film is preferably in the range of 50 nm to 200 nm. As a result, adhesion between the substrate 100 and the diaphragm portion 101 is ensured, and a stable operation can be ensured without causing cracks at the interface between the substrate 100 and the diaphragm portion 101 even in high-frequency operation.
In addition, when forming the cavity 108 in the substrate 100, when the substrate 100 is etched from the back surface, the silicon nitride film that is the first thin film 102 functions as an etching stopper layer, so that the variation in operating frequency is extremely small. An element can be manufactured.

なお、窒化珪素膜の形成方法は、ICP−CVD法だけでなく、減圧CVD法(LPCVD法)を用いて形成することもできる。反応ガスとして、ジクロルシラン(SiH2Cl2)とアンモニア(NH3)を使用し、700℃から800℃程度で成膜する。
LPCVD法で形成された窒化珪素膜はICP−CVD法で形成された窒化珪素膜と同様に、極めて緻密な膜であり、水素含有量が極めて少なく、第一薄膜102としては好適である。膜応力は、ICP−CVD法で形成した窒化珪素膜が図3で示されるような圧縮応力であるのに対して、LPCVD法で形成した窒化珪素膜は引っ張り応力を有しているが、応力が大きいため膜厚を厚くすることが困難であり、第一薄膜102として形成される厚みは、ICP−CVD法で形成した窒化珪素膜と同様で50nm以上200nm以下の範囲にある。なお、第一薄膜102の形成方法は、CVD法など適宜用いることができる。
Note that the silicon nitride film can be formed not only by the ICP-CVD method but also by using a low pressure CVD method (LPCVD method). Dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) are used as the reaction gas, and the film is formed at about 700 ° C. to 800 ° C.
The silicon nitride film formed by the LPCVD method is a very dense film, like the silicon nitride film formed by the ICP-CVD method, and has an extremely small hydrogen content and is suitable as the first thin film 102. The film stress is a compressive stress as shown in FIG. 3 for the silicon nitride film formed by the ICP-CVD method, whereas the silicon nitride film formed by the LPCVD method has a tensile stress. Therefore, it is difficult to increase the film thickness, and the thickness formed as the first thin film 102 is in the range of 50 nm to 200 nm, similar to the silicon nitride film formed by the ICP-CVD method. In addition, the formation method of the 1st thin film 102 can be used suitably, such as CVD method.

引き続き、図4(b)に示す様に、第二薄膜103を形成する。ジルコニウム(Zr)を堆積して酸素雰囲気中でアニールを加えることで酸化ジルコニウム膜を形成する。ジルコニウム(Zr)の成膜方法については、CVD法やスパッタリング法を用いることができる。本実施形態においては、スパッタリング法を用いて堆積した。アニールは、まず急速アニール装置(RTA;Rapid Thermal Anneal)によって酸素雰囲気中で900℃にてアニールを行なう。これによってジルコニウムはほとんど酸化されて酸化ジルコニウム膜(ZrOx)となる。引き続き、アニール炉によって酸素雰囲気中で60分アニールを施す。これによって第二薄膜103としての酸化ジルコニウム膜(ZrOx)が形成できる。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, a second thin film 103 is formed. Zirconium (Zr) is deposited and annealed in an oxygen atmosphere to form a zirconium oxide film. As a method for forming a zirconium (Zr) film, a CVD method or a sputtering method can be used. In the present embodiment, deposition is performed using a sputtering method. The annealing is first performed at 900 ° C. in an oxygen atmosphere by a rapid annealing apparatus (RTA; Rapid Thermal Anneal). As a result, zirconium is almost oxidized to form a zirconium oxide film (ZrOx). Subsequently, annealing is performed in an oxygen atmosphere in an annealing furnace for 60 minutes. Thus, a zirconium oxide film (ZrOx) as the second thin film 103 can be formed.

本願発明者が鋭意研究したところによると、アニール炉による酸素雰囲気中でのアニール温度によって膜応力を制御することができることが判明した。図5に、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフを示す。図6に、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフを示す。
これらの図により、アニール温度によって膜応力は大きく変化するが、ヤング率の変化は小さいことが分かった。数式4、5より、動作周波数fはヤング率の平方根に比例し、膜厚に比例する関係にあることが分かる。つまり、アニール温度を下げることでヤング率は僅かに小さくなるものの、動作周波数には平方根で比例するため、その影響は軽微である。それに対して、アニール温度を下げることで、膜応力は大きく変化するため、膜厚を厚くすることが容易になり、動作周波数には比例で効果を与える。
As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the film stress can be controlled by the annealing temperature in an oxygen atmosphere in an annealing furnace. FIG. 5 shows a graph showing the change in Young's modulus depending on the annealing temperature during the formation of the zirconium oxide film. FIG. 6 is a graph showing changes in film stress depending on the annealing temperature when forming a zirconium oxide film.
From these figures, it was found that the film stress greatly changes depending on the annealing temperature, but the change in Young's modulus is small. From Equations 4 and 5, it can be seen that the operating frequency f is proportional to the square root of the Young's modulus and proportional to the film thickness. In other words, the Young's modulus is slightly reduced by lowering the annealing temperature, but the effect is minor because the operating frequency is proportional to the square root. On the other hand, since the film stress changes greatly by lowering the annealing temperature, it is easy to increase the film thickness, and the effect is proportional to the operating frequency.

すなわち、高周波動作のためにはアニール温度を下げることが好ましいことが分かる。900℃のアニール温度においても、図3の窒化珪素膜に比して十分膜応力が小さい(ゼロに近い)と言えるが、アニール温度を800℃以下にすることで応力によるクラックの発生を抑えて、より厚い膜が形成できる。
しかしながら、後述する圧電材料105形成時の焼成温度よりも高い温度アニールする必要がある。なぜならば、アニール温度が圧電材料105形成時の焼成温度よりも低い場合、焼成時に圧電材料105の下層の酸化ジルコニウム膜の膜応力が変化してしまい反りが変化するため、圧電材料105に余分な応力が加わり、圧電特性の低下につながる。
従って、アニール温度は700℃以上900℃以下で行なうことが望ましく、より好ましくは、700℃以上800℃以下である。
That is, it is understood that it is preferable to lower the annealing temperature for high frequency operation. Even at an annealing temperature of 900 ° C., it can be said that the film stress is sufficiently small (close to zero) as compared to the silicon nitride film of FIG. 3, but by suppressing the annealing temperature to 800 ° C. or less, generation of cracks due to the stress is suppressed. A thicker film can be formed.
However, it is necessary to anneal at a temperature higher than the firing temperature when forming the piezoelectric material 105 described later. This is because if the annealing temperature is lower than the firing temperature at the time of forming the piezoelectric material 105, the film stress of the zirconium oxide film below the piezoelectric material 105 changes during the firing, and the warpage changes. Stress is applied, leading to degradation of piezoelectric characteristics.
Therefore, the annealing temperature is desirably 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and more preferably 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

以上の点から、高周波動作を可能にするための第二薄膜103として用いる酸化ジルコニウム膜は、400nm以上2000nm以下とするのが望ましく、より好ましくは、800nm以上2000nm以下である。2000nm以下に抑えることでクラックの発生確率を大幅に抑えることができる。   From the above points, the zirconium oxide film used as the second thin film 103 for enabling high-frequency operation is desirably 400 nm or more and 2000 nm or less, and more preferably 800 nm or more and 2000 nm or less. By suppressing to 2000 nm or less, the probability of occurrence of cracks can be greatly suppressed.

本実施形態においては、第二薄膜103の成膜方法にスパッタリング法を用いて堆積したが、例えばALCVD法や反応性スパッタリング法などによって形成する方法を用いても良い。   In the present embodiment, the second thin film 103 is deposited using the sputtering method, but a method of forming the second thin film 103 using, for example, an ALCVD method or a reactive sputtering method may be used.

次に、圧電素子部111を形成する第二工程に移る。
第二工程では、まず、図4(c)に示す様に、後に第一電極104となる第一導電膜104Cを形成する。第一導電膜104Cとして、プラチナとイリジウムとを第二薄膜103上にスパッタリング法によって20〜400nm程度堆積した。電極材料としては、例えばニッケル、金、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等を用いても良い。成膜方法としても、スパッタリング法だけでなく、ゾルーゲル法や熱CVD法などを用いても良い。
Next, the process proceeds to a second step for forming the piezoelectric element portion 111.
In the second step, first, as shown in FIG. 4C, a first conductive film 104C that will later become the first electrode 104 is formed. As the first conductive film 104C, platinum and iridium were deposited on the second thin film 103 to a thickness of about 20 to 400 nm by a sputtering method. As an electrode material, for example, a conductive material selected from nickel, gold, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, a composite film of lanthanum and nickel, or the like is used. Also good. As a film forming method, not only a sputtering method but also a sol-gel method or a thermal CVD method may be used.

次に、図4(d)に示す様に、第一導電膜104Cをフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、所定形状にパターニングして、第一電極104とする。   Next, as shown in FIG. 4D, the first conductive film 104C is subjected to photolithography, anisotropic etching, and resist stripping in this order, and is patterned into a predetermined shape to form the first electrode 104.

次に、図4(e)に示す様に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電材料105を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料105を得る、いわゆるゾルーゲル法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電材料105を形成している。
圧電材料105の製造方法は、ゾルーゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal−Organic Decomposition)法等を用いてもよい。また、このように圧電材料105を形成すると、焼成時に圧電材料105の鉛成分がダイヤフラム部101に拡散する虞があるが、圧電材料105下側には酸化ジルコニウム膜からなる第二薄膜103が設けられているため、圧電材料105の鉛成分がダイヤフラム部101に拡散するのを防止することができる。
以上のように、最適な組成比を損なわずに圧電材料105を形成することによって、高い出力特性を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 4E, for example, a piezoelectric material 105 made of lead zirconate titanate (PZT) is formed. Here, in this embodiment, a so-called sol-gel method is used in which a so-called sol in which a metal organic substance is dissolved and dispersed in a catalyst is applied, dried, gelled, and further baked at a high temperature to obtain a piezoelectric material 105 made of a metal oxide. Thus, a piezoelectric material 105 made of lead zirconate titanate (PZT) is formed.
The manufacturing method of the piezoelectric material 105 is not limited to the sol-gel method, and for example, a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or the like may be used. In addition, when the piezoelectric material 105 is formed in this way, the lead component of the piezoelectric material 105 may diffuse into the diaphragm portion 101 during firing. However, a second thin film 103 made of a zirconium oxide film is provided below the piezoelectric material 105. Therefore, the lead component of the piezoelectric material 105 can be prevented from diffusing into the diaphragm portion 101.
As described above, high output characteristics can be obtained by forming the piezoelectric material 105 without losing the optimum composition ratio.

引き続き、図4(e)に示す様に、後に第二電極106となる第二導電膜106Cを形成する。第二導電膜106Cは圧電材料105上にスパッタリング法によって20nmから400nm程度の厚みに堆積した。第二導電膜106Cとして、例えばニッケル、金、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等を用いても良い。成膜方法としても、スパッタリング法だけでなく、ゾルーゲル法や熱CVD法などを用いても良い。   Subsequently, as shown in FIG. 4E, a second conductive film 106C to be the second electrode 106 later is formed. The second conductive film 106C was deposited on the piezoelectric material 105 to a thickness of about 20 nm to 400 nm by sputtering. As the second conductive film 106C, for example, a conductive material selected from nickel, gold, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, a composite film of lanthanum and nickel, or the like. It may be used. As a film forming method, not only a sputtering method but also a sol-gel method or a thermal CVD method may be used.

次に、図4(f)に示す様に、第二導電膜106Cを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、第二電極106を形成する。この際に、圧電材料105も同時に、所定の形状に加工される。   Next, as shown in FIG. 4F, the second conductive film 106C is sequentially subjected to photolithography, etching, and resist peeling to form the second electrode 106. At this time, the piezoelectric material 105 is simultaneously processed into a predetermined shape.

次に、図4(g)に示す様に、引き出し電極107を形成する。まず、引き出し電極107となる導電材料をスパッタリング法によって20nmから400nm程度堆積した。導電材料としては、例えばニッケル、金、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等を用いることができる。引き続き、こうして堆積された導電材料に対して、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、引き出し電極107を形成する。これによって、第一電極104と第二電極106を外部端子および外部素子へ接続することができる。   Next, as shown in FIG. 4G, the extraction electrode 107 is formed. First, a conductive material to be the extraction electrode 107 was deposited by sputtering to a thickness of about 20 nm to 400 nm. As the conductive material, for example, a conductive material selected from nickel, gold, tungsten, titanium, palladium, silver, tantalum, molybdenum, chromium, a composite film of strontium and ruthenium, a composite film of lanthanum and nickel, or the like is used. Can do. Subsequently, photolithography, etching, and resist stripping are sequentially performed on the conductive material thus deposited to form the extraction electrode 107. Thereby, the first electrode 104 and the second electrode 106 can be connected to the external terminal and the external element.

次いで、ダイヤフラム部101、第一電極104、圧電材料105、第二電極106などを覆うように基板100の上部全面に保護膜(図示せず)を塗布する。例えば保護膜の一例として、フォトレジストを用いることができる。   Next, a protective film (not shown) is applied to the entire upper surface of the substrate 100 so as to cover the diaphragm portion 101, the first electrode 104, the piezoelectric material 105, the second electrode 106, and the like. For example, a photoresist can be used as an example of the protective film.

次に、空洞部108を形成する第三工程に移る。
第三工程では、まず、図4(h)に示す様に、圧電素子部111が形成されていない側の基板100の一面(裏面)に対し、空洞部108を形成する。まず、基板100の一面(裏面)に酸化珪素膜(図示せず)を形成する。引き続き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ない、酸化珪素膜を平面視で空洞部108の形成個所以外の形状となるように加工する。
この酸化珪素膜をハードマスクとして基板100をエッチングして空洞部108を形成する。なお、本実施形態では酸化珪素膜を使用したが、例えば基板100のエッチングに対して耐えるのであればレジストでも良い。
Next, the process proceeds to a third step for forming the cavity 108.
In the third step, first, as shown in FIG. 4H, a cavity 108 is formed on one surface (back surface) of the substrate 100 on which the piezoelectric element portion 111 is not formed. First, a silicon oxide film (not shown) is formed on one surface (back surface) of the substrate 100. Subsequently, photolithography, etching, and resist removal are sequentially performed, and the silicon oxide film is processed so as to have a shape other than the portion where the cavity 108 is formed in a plan view.
Using this silicon oxide film as a hard mask, the substrate 100 is etched to form the cavity 108. Although a silicon oxide film is used in this embodiment, a resist may be used as long as it can withstand etching of the substrate 100, for example.

更に、第一薄膜102の形成時にLPCVD法を用いて窒化珪素膜を形成した場合には裏面にも同程度の窒化珪素膜が形成されるため、ハードマスクとして利用することもできる。
基板100のエッチングには水酸化カリウムを含んだ溶液によるウェットエッチングが好ましい。水酸化カリウムを含んだ溶液は、基板100をエッチングできるとともに、第一薄膜102がほとんどエッチングされない極めて選択比の高い溶液である。
Furthermore, when a silicon nitride film is formed by LPCVD at the time of forming the first thin film 102, a silicon nitride film of the same degree is formed on the back surface, and therefore it can be used as a hard mask.
For etching the substrate 100, wet etching using a solution containing potassium hydroxide is preferable. The solution containing potassium hydroxide is a highly selective solution that can etch the substrate 100 and hardly etch the first thin film 102.

第一薄膜102がエッチングされないことで、ダイヤフラム部101の膜厚が安定するため、動作周波数のばらつきを抑えることができる。加えて、基板100に面方位が(110)の単結晶珪素基板を使用すると、基板100を垂直にエッチングすることができる。垂直にエッチングされることにより、空洞部108をなす基板100の側壁とダイヤフラム部101とが直角に交差する様になるため、ダイヤフラム部101が振動した際に、支点である基板100の端部が破壊される恐れを抑制でき、信頼性の高いMEMS素子1000が製造できる。   Since the first thin film 102 is not etched, the film thickness of the diaphragm portion 101 is stabilized, so that variation in operating frequency can be suppressed. In addition, when a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (110) is used as the substrate 100, the substrate 100 can be etched vertically. By etching vertically, the side wall of the substrate 100 forming the cavity 108 and the diaphragm portion 101 intersect at a right angle. Therefore, when the diaphragm portion 101 vibrates, the end portion of the substrate 100 that is a fulcrum is The possibility of destruction can be suppressed, and a highly reliable MEMS element 1000 can be manufactured.

なお、基板100をエッチングして空洞部108を形成する方法としては、第一薄膜102がエッチングストッパー層となりえること、ダイヤフラム部101に対して垂直にエッチングできることの要件を満たせば良く、例えばドライエッチング法などを用いることもできる。   As a method of forming the cavity 108 by etching the substrate 100, it is sufficient to satisfy the requirements that the first thin film 102 can be an etching stopper layer and that the first thin film 102 can be etched perpendicular to the diaphragm 101, for example, dry etching. The method can also be used.

最後に基板100の上部全面に形成された保護膜を除去する。このようにして、基板100に空洞部108が形成される。基板100で空洞部108が形成されて第一薄膜102が裏面側に露出した部分がダイヤフラム部101となる。以上の工程により、MEMS素子1000が完成する。   Finally, the protective film formed on the entire upper surface of the substrate 100 is removed. In this way, the cavity 108 is formed in the substrate 100. The portion where the cavity 108 is formed in the substrate 100 and the first thin film 102 is exposed on the back surface side becomes the diaphragm portion 101. The MEMS element 1000 is completed through the above steps.

以上述べたように、本実施形態によれば、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いMEMS素子1000が実現できる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to realize a MEMS element 1000 that can operate at high frequency, has a small variation in operating frequency, and has high reliability.

「電子機器」
図7は、本実施形態に係る電子機器を説明した図である。次に、図7を参照して、本実施形態に係る電子機器を説明する。
"Electronics"
FIG. 7 is a diagram illustrating the electronic apparatus according to the present embodiment. Next, the electronic apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図7に示す様に、超音波診断装置Sは、図略の生体等の被検体Hに対して超音波信号を送信すると共に、被検体Hで反射した超音波の反射超音波信号を受信する超音波探触子2と、超音波診断装置本体1と、を有している。
超音波探触子2と超音波診断装置本体1とはケーブル50を介して接続されている。超音波診断装置Sでは、超音波診断装置本体1から超音波探触子2へ電気信号を送信することによって、超音波探触子2に被検体Hに対して超音波信号を送信させる。さらに、超音波探触子2で受信された被検体H内からの反射超音波信号に応じて受信信号を生成する。
次に、超音波探触子2で生成された電気信号(反射超音波信号)の受信信号に基づいて、被検体H内の内部状態を弾性画像(及び断層画像)として医用画像に画像化する。
本実施形態に記載のMEMS素子1000、或いは、本実施形態に記載の製造方法によって製造されたMEMS素子1000、は超音波探触子2に用いられている。
As shown in FIG. 7, the ultrasound diagnostic apparatus S transmits an ultrasound signal to a subject H such as a living body (not shown) and receives a reflected ultrasound signal of the ultrasound reflected by the subject H. It has an ultrasonic probe 2 and an ultrasonic diagnostic apparatus main body 1.
The ultrasonic probe 2 and the ultrasonic diagnostic apparatus main body 1 are connected via a cable 50. In the ultrasonic diagnostic apparatus S, the ultrasonic probe 2 is caused to transmit an ultrasonic signal to the subject H by transmitting an electrical signal from the ultrasonic diagnostic apparatus body 1 to the ultrasonic probe 2. Further, a reception signal is generated according to the reflected ultrasonic signal from the subject H received by the ultrasonic probe 2.
Next, based on the received signal of the electrical signal (reflected ultrasound signal) generated by the ultrasound probe 2, the internal state in the subject H is imaged as a medical image as an elastic image (and tomographic image). .
The MEMS element 1000 described in this embodiment or the MEMS element 1000 manufactured by the manufacturing method described in this embodiment is used in the ultrasonic probe 2.

以上述べたように、本実施形態に係る電子機器は、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高い超音波探触子2を備えるので、解像度の高い鮮明な超音波画像を取得することができる。   As described above, the electronic apparatus according to the present embodiment includes the ultrasonic probe 2 that is capable of high-frequency operation, has a small variation in operating frequency, and has high reliability. Therefore, a clear ultrasonic image with high resolution can be obtained. Can be obtained.

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be added to the above-described embodiment. A modification will be described below.

(変形例1)
図8は、変形例1に係るMEMS素子1100の断面図である。以下、図8を参照して、変形例1に係るMEMS素子1100について説明する。なお、実施形態1と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
(Modification 1)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a MEMS element 1100 according to Modification 1. Hereinafter, the MEMS element 1100 according to the first modification will be described with reference to FIG. In addition, about the component same as Embodiment 1, the same number is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本変形例においては、ダイヤフラム部101aの第一薄膜102と第二薄膜103との間に密着膜109が形成されている。第一薄膜102と第二薄膜103の密着力をF1とし、第一薄膜102と密着膜109の密着力をF2とし、密着膜109と第二薄膜103の密着力をF3とした場合、数式9の関係にある。   In this modification, an adhesion film 109 is formed between the first thin film 102 and the second thin film 103 of the diaphragm portion 101a. When the adhesion between the first thin film 102 and the second thin film 103 is F1, the adhesion between the first thin film 102 and the adhesion film 109 is F2, and the adhesion between the adhesion film 109 and the second thin film 103 is F3, Equation 9 Are in a relationship.

Figure 2015204544
Figure 2015204544

すなわち、密着膜109を形成することによって、ダイヤフラム部101aの密着力が更に向上する。これによって、高周波動作や長期に渡る動作においても、ダイヤフラム部101aの各膜の界面が剥離する確率を大幅に抑えることができる。これによって、MEMS素子の信頼性を更に高めることができる。   That is, by forming the adhesion film 109, the adhesion force of the diaphragm portion 101a is further improved. As a result, even in high-frequency operation or long-term operation, it is possible to greatly suppress the probability that the interface of each film of the diaphragm portion 101a peels off. Thereby, the reliability of the MEMS element can be further improved.

1…超音波診断装置本体、2…超音波探触子、50…ケーブル、100…基板、101…ダイヤフラム部、102…第一薄膜、103…第二薄膜、104…第一電極、104C…第一導電膜、105…圧電材料、106…第二電極、106C…第二導電膜、107…引き出し電極、108…空洞部、109…密着膜、111…圧電素子部、1000…MEMS素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic diagnostic apparatus main body, 2 ... Ultrasonic probe, 50 ... Cable, 100 ... Board | substrate, 101 ... Diaphragm part, 102 ... 1st thin film, 103 ... 2nd thin film, 104 ... 1st electrode, 104C ... 1st One conductive film, 105 ... piezoelectric material, 106 ... second electrode, 106C ... second conductive film, 107 ... extraction electrode, 108 ... cavity, 109 ... adhesion film, 111 ... piezoelectric element part, 1000 ... MEMS element.

Claims (9)

空洞部が形成された基板と、
前記空洞部上に設けられたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部上に設けられた圧電素子部と、を有し、
前記ダイヤフラム部は、前記基板と接している第一薄膜と第二薄膜とが少なくとも積層されており、
前記圧電素子部は、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えることを特徴とするMEMS素子。
A substrate having a cavity formed thereon;
A diaphragm provided on the cavity,
A piezoelectric element portion provided on the diaphragm portion,
The diaphragm portion is formed by laminating at least a first thin film and a second thin film in contact with the substrate,
The piezoelectric element portion includes a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric material sandwiched between the first electrode and the second electrode.
前記第一薄膜の厚みをh1、ヤング率をとE1とし、前記第二薄膜の厚みをh2、ヤング率をE2とした際に、数式1の関係式を満たすことを特徴とする請求項1に記載のMEMS素子。
Figure 2015204544
When the thickness of the first thin film is h 1 , the Young's modulus is E 1 , the thickness of the second thin film is h 2 , and the Young's modulus is E 2 , the relational expression of Formula 1 is satisfied. The MEMS device according to claim 1.
Figure 2015204544
前記第一薄膜の厚みh1と前記第二薄膜の厚みh2とが、数式2の関係式を満たすことを特徴とする請求項2に記載のMEMS素子。
Figure 2015204544
3. The MEMS element according to claim 2, wherein a thickness h 1 of the first thin film and a thickness h 2 of the second thin film satisfy a relational expression of Formula 2. 4.
Figure 2015204544
前記第一薄膜の膜応力をP1とし、前記第二薄膜の膜応力をP2とした際に、前記第一薄膜の膜応力P1と前記第二薄膜の膜応力P2とが数式3の関係式を満たすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のMEMS素子。
Figure 2015204544
When the film stress of the first thin film is P 1 and the film stress of the second thin film is P 2 , the film stress P 1 of the first thin film and the film stress P 2 of the second thin film are expressed by Equation 3. The MEMS element according to claim 1, wherein the relational expression is satisfied.
Figure 2015204544
前記第二薄膜は、酸化ジルコニウム膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のMEMS素子。   5. The MEMS element according to claim 1, wherein the second thin film is a zirconium oxide film. 前記第一薄膜は、窒化珪素膜であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のMEMS素子。   The MEMS device according to claim 1, wherein the first thin film is a silicon nitride film. 基板上に、第一薄膜と第二薄膜とを積層する工程と、
前記第二薄膜上に、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えた圧電素子部を形成する工程と、
前記圧電素子部に平面視にて重なる前記基板の一部位を除去して空洞部を形成する工程と、
を備えたことを特徴とするMEMS素子の製造方法。
Laminating a first thin film and a second thin film on a substrate;
Forming on the second thin film a piezoelectric element portion comprising a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric material sandwiched between the first electrode and the second electrode;
Removing a portion of the substrate overlapping the piezoelectric element portion in plan view to form a cavity portion;
A method for manufacturing a MEMS device, comprising:
前記空洞部を形成する工程において、水酸化カリウムを含んだ溶液を用いて前記空洞部を形成することを特徴とする請求項7に記載のMEMS素子の製造方法。   The method for manufacturing a MEMS device according to claim 7, wherein in the step of forming the cavity, the cavity is formed using a solution containing potassium hydroxide. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のMEMS素子、又は請求項7又は8に記載のMEMS素子の製造方法にて製造されたMEMS素子を備えたことを特徴とする電子機器。   An electronic device comprising the MEMS element according to claim 1 or the MEMS element manufactured by the method for manufacturing a MEMS element according to claim 7 or 8.
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