【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板上に形
成されるシリコンカンチレバー及びそのカンチレバーを
用いた超音波センサーに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon cantilever formed on a silicon substrate and an ultrasonic sensor using the cantilever.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超音波は光に比べ伝搬速度が遅いため、
距離、位置、物体形状などの情報を非接触で正確に計測
でき、また分散性が良いので、空間的に広い領域にわた
るセンシングにも適している。このような特徴を生かし
て、生体断層診断装置、魚群探知器、材料損傷、厚さ
計、レベル計、超音波顕微鏡、監視警報装置、リモート
スイッチ等広い分野への応用がなされている。このよう
なセンシング技術では、高速、高精度での測定へ、また
点計測から面計測さらには立体計測へと技術的要求が高
まっている。2. Description of the Related Art Since ultrasonic waves have a slower propagation speed than light,
Since information such as distance, position, and object shape can be measured accurately without contact and has good dispersibility, it is suitable for sensing over a wide spatial area. Utilizing these features, it has been applied to a wide range of fields such as a biological tomography diagnostic apparatus, a fish finder, material damage, a thickness meter, a level meter, an ultrasonic microscope, a monitoring alarm device, and a remote switch. In such sensing technology, there is an increasing technical demand for high-speed and high-accuracy measurement, as well as point measurement, surface measurement, and stereoscopic measurement.
【０００３】このため、検知部と信号処理部を一体化し
たシリコンモノリシック構造の超音波センサーが提案さ
れている（例えば、特開昭６１−２２０５９６号公報
（Ｈ０４Ｒ １７／００）参照）。For this reason, an ultrasonic sensor having a silicon monolithic structure in which a detection section and a signal processing section are integrated has been proposed (see, for example, JP-A-61-220596 (H04R 17/00)).
【０００４】シリコンモノリシック超音波センサーの素
子構造は、長さ数十〜数百μｍ、幅数十μｍ、厚さ数千
オングストロームの二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からな
るカンチレバーをシリコン（Ｓｉ）基板上に異方性エッ
チングにより形成する。このカンチレバー上にＰｔなど
の下部電極、ＰｂＴｉＯ3 ，ＡｌＮ等の圧電体膜、Ａｌ
等の上部電極を順次積層して形成されている。The element structure of a silicon monolithic ultrasonic sensor is such that a cantilever made of silicon dioxide (SiO2 ) having a length of several tens to several hundreds μm, a width of several tens μm and a thickness of several thousand angstroms is formed on a silicon (Si) substrate. It is formed by anisotropic etching. On this cantilever, a lower electrode of Pt or the like, a piezoelectric film of PbTiO3 , AlN or the like, Al
Are formed by sequentially stacking upper electrodes such as.
【０００５】そして、この上から超音波を照射すると、
複合膜からなるカンチレバーは振動する。その振動はカ
ンチレバーの構造により決まるいくつかの機械的共振周
波数のところで非常に大きくなる。この振動により圧電
薄膜内部にストレスが発生し、その圧電効果により下部
電極と上部電極間に電圧が生じ、超音波を検出する。When ultrasonic waves are radiated from above,
A cantilever composed of a composite membrane vibrates. The vibration becomes very large at some mechanical resonance frequencies determined by the structure of the cantilever. Due to this vibration, stress is generated inside the piezoelectric thin film, a voltage is generated between the lower electrode and the upper electrode due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are detected.
【０００６】従来のＳｉＯ2 カンチレバーをシリコンの
異方性エッチング技術を用いて作成する場合、図５に示
すように、カンチレバーの長手方向は〈１１０〉方向と
している。すなわち、（１００）面のＳｉ基板を用い
て、その上に所定の膜厚のＳｉＯ2 を熱酸化、スパッタ
法、ＣＶＤ法などにより形成した後、フォトリソグラフ
ィにより、〈１１０〉方向に向いた凹字型にＳｉＯ2 を
除去する。このＳｉＯ2をマスクとして、エチレンジア
ミン、ピロカテコール、水の混合液等により、Ｓｉ基板
の異方性エッチングを行い、凹部１１を形成することに
より、カンチレバー２を形成している。When a conventional SiO2 cantilever is formed by using an anisotropic silicon etching technique, the longitudinal direction of the cantilever is the <110> direction as shown in FIG. That is, a (100) plane Si substrate is used, and SiO2 having a predetermined film thickness is formed thereon by thermal oxidation, a sputtering method, a CVD method, or the like, and then a photolithography is performed to form a concave portion in the <110> direction. The SiO2 is removed in a letter shape. Using this SiO2 as a mask, the cantilever 2 is formed by anisotropically etching the Si substrate with a mixed solution of ethylenediamine, pyrocatechol, water and the like to form the recess 11.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＳｉＯ2 は
高温でＳｉ基板上に形成されるため、そのＳｉＯ2 とＳ
ｉには熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応
力が存在している。上述した異方性エッチングにより、
ＳｉＯ2 の下のＳｉのエッチングが進んで、ＳｉＯ2 カ
ンチレバーが大きくなると、その応力がカンチレバーの
基端部に集中し、カンチレバーが破壊することがある。
このため、カンチレバー作成の歩留まりが悪くなる。こ
れは、カンチレバーの長さにも影響するが、幅が広くな
るほど顕著に現れる。長さが１０μｍ〜５００μｍのカ
ンチレバーでは幅８０μｍまでは、歩留まりよくカンチ
レバーを作成することができるが、それ以上の幅になる
と、ＳｉＯ2 の破壊が頻繁に起こる。特にカンチレバー
をアレイ状に作成する場合には、それぞれの歩留まりを
よくしないと、全体としての歩留まりは著しく悪くな
る。By the way, since SiO2 is formed on a Si substrate at a high temperature, the SiO2 and S
i has a large compressive stress at room temperature due to the difference in the coefficient of thermal expansion. By the anisotropic etching described above,
When the etching of Si under SiO2 progresses and the SiO2 cantilever becomes large, the stress concentrates on the base end portion of the cantilever, and the cantilever may be broken.
For this reason, the yield of cantilever production becomes poor. This also affects the length of the cantilever, but it becomes more prominent as the width increases. With a cantilever having a length of 10 μm to 500 μm, a cantilever can be produced with a good yield up to a width of 80 μm, but if the width exceeds that, SiO2 is frequently destroyed. In particular, when the cantilevers are formed in an array, unless the respective yields are improved, the overall yield is significantly deteriorated.
【０００８】この発明は、上述した従来の問題点を解消
するためになされたものにして、歩留まり良く作成でき
るカンチレバーを提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a cantilever which can be manufactured with a high yield.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】この発明は、Ｓｉ基板に
設けられた凹部に自由端が延出され、少なくとも基端部
がＳｉ基板と連結された二酸化シリコン薄膜からなるシ
リコンカンチレバーであって、前記カンチレバーの基端
部はＳｉ基板に設けられた凹部の２辺と連結しているこ
とを特徴とする。According to the present invention, there is provided a silicon cantilever comprising a silicon dioxide thin film having a free end extending into a recess provided in a Si substrate and at least a base end thereof being connected to the Si substrate. The base end of the cantilever is connected to two sides of a recess provided in the Si substrate.
【００１０】そして、前記Ｓｉ基板は（１００）面基板
からなり、上記カンチレバーの基端部から自由端の方向
を〈１００〉方向とし、基板に設ける凹部の辺の方向を
〈１１０〉とすればよい。If the Si substrate is a (100) plane substrate, the direction from the base end of the cantilever to the free end is the <100> direction, and the direction of the side of the recess provided in the substrate is <110>. Good.
【００１１】また、前記二酸化シリコン薄膜の膜厚を
０．１ないし１．５μｍ、カンチレバー基端部から自由
端の長さを１ないし５００μｍ、カンチレバーの幅を１
ないし３００μｍとする。The thickness of the silicon dioxide thin film is 0.1 to 1.5 μm, the length from the base end of the cantilever to the free end is 1 to 500 μm, and the width of the cantilever is 1.
Or 300 μm.
【００１２】上記のシリコンカンチレバー上に、下部電
極、圧電薄膜、上部電極を積層して超音波センサーを構
成する。An ultrasonic sensor is constructed by laminating a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode on the above silicon cantilever.
【００１３】[0013]
【作用】この発明は、二酸化シリコン薄膜からなるカン
チレバーの基端部を凹部の２辺で連結することにより、
基端部にかかる応力を分散する。この結果、応力集中に
よる二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。According to the present invention, by connecting the base ends of the cantilevers made of a silicon dioxide thin film with the two sides of the recess,
Disperses the stress on the base end. As a result, damage to the silicon dioxide thin film due to stress concentration can be prevented.
【００１４】シリコン基板の凹部の辺の方向を〈１１
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。The direction of the side of the recess of the silicon substrate is set to <11.
By setting 0>, the stress in etching is gradually released, the damage of the cantilever can be prevented, and the yield is improved.
【００１５】この発明のカンチレバー上に、下部電極、
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。On the cantilever of the present invention, a lower electrode,
According to the ultrasonic sensor in which the piezoelectric thin film and the upper electrode are laminated, the stress due to the vibration of the cantilever can be efficiently transmitted to the piezoelectric thin film, and the sensitivity of the sensor is improved.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１７】図１は、この発明の一実施例を示す平面図
であり、図２はその実施例の縦断面図である。FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical sectional view of the embodiment.
【００１８】（１００）Ｓｉ単結晶基板１上に熱酸化法
により、膜厚０．１５〜１．２μｍ、この実施例では
０．５μｍのＳｉＯ2 膜２０が設けられている。このＳ
ｉＯ2膜２０をフォトリソグラフィにより、図１に示す
ように、形成されるカンチレバーの基端部から自由端の
方向を〈１００〉方向とし、直角２等辺三角形をカンチ
レバーの上下に設けたような形状の部分を除去する。す
なわち、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜さ
せた正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望す
るカンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を
除去し、開口部を設ける。A SiO2 film 20 having a thickness of 0.15 to 1.2 μm, 0.5 μm in this embodiment, is provided on the (100) Si single crystal substrate 1 by a thermal oxidation method. This S
As shown in FIG. 1, the iO2 film 20 is formed by photolithography so that the direction from the base end of the formed cantilever to the free end is the <100> direction, and isosceles right triangles are provided above and below the cantilever. Remove the part. That is, a rectangular portion having a desired cantilever shape is left in the <100> direction corresponding to a diagonal line of a square inclined by 45 ° with respect to the <100> direction of the substrate 1, and other square portions are removed to form an opening. .
【００１９】このＳｉＯ2 膜２０をマスクとして、アル
カリ溶液、例えば、エチレンジアミン、ピロカテコー
ル、水の混合液によるエッチング溶液による異方性エッ
チングにより、カンチレバー２の回りの（１００）Ｓｉ
単結晶基板１をエッチングする。By using this SiO2 film 20 as a mask, anisotropic etching with an alkaline solution, for example, an etching solution of a mixed solution of ethylenediamine, pyrocatechol and water, is carried out to form (100) Si around the cantilever 2.
The single crystal substrate 1 is etched.
【００２０】（１００）面を有するＳｉ単結晶基板１に
上記開口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、
（１００）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺に
より囲まれた凹部１１が形成される。（１１１）面及び
ＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１００）や
（１１０）面のエッチング速度は速く、このエッチング
により、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去される。そ
して、カンチレバー２が形成されたとき、このカンチレ
バー２の基端部２１はＳｉ基板１に設けられた凹部１１
の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。When deep Si etching is performed on the Si single crystal substrate 1 having a (100) plane through the opening,
A recess 11 surrounded by four sides arranged in the <110> direction on the (100) plane is formed. Although the etching of the (111) plane and the SiO2 film 20 is slow, the etching rate of the (100) and (110) planes is high, and this etching causes the Si substrate 1 under the cantilever 2 to be <110>.
The two sides arranged in the direction are gradually removed by etching. Then, when the cantilever 2 is formed, the base end portion 21 of the cantilever 2 is a recess 11 provided in the Si substrate 1.
Are connected to the two sides 11a and 11b.
【００２１】この発明は、上記Ｓｉエッチングの際に、
ＳｉＯ2 膜２０とＳｉの界面のストレスのために、カン
チレバー２とＳｉ基板１の連結部でＳｉＯ2 膜２０が破
壊することを防止するものである。すなわち、上述した
ように、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉
方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるの
で、エッチングにおける応力開放が徐々に行われるとと
もに、カンチレバー２の基端部２１を凹部１１の２辺
（１１ａ，１１ｂ）で連結することにより、基端部２１
にかかる応力が分散され、応力集中によるＳｉＯ2 膜２
０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ2 膜２０の形成温
度が高い場合に大きな応力が存在するため、応力開放が
徐々に行わるという効果が大きい。According to the present invention, in the above Si etching,
This prevents the SiO2 film 20 from being broken at the connecting portion between the cantilever 2 and the Si substrate 1 due to the stress at the interface between the SiO2 film 20 and Si. That is, as described above, the Si substrate 1 under the cantilever 2 is <110>
Since the two sides arranged in the direction are gradually removed by etching, the stress in the etching is gradually released, and the base end portion 21 of the cantilever 2 is connected by the two sides (11a, 11b) of the recess 11, Proximal end 21
SiO2 film 2 due to stress concentration
0 damage can be prevented. In particular, since a large stress exists when the formation temperature of the SiO2 film 20 is high, the effect of gradually releasing the stress is great.
【００２２】図１に示す構造のこの発明のカンチレバー
を作成した場合、図５に示す従来の〈１１０〉方向を長
手方向にした、すなわちカンチレバー２の基端部を凹部
１１の一辺で直交するように連結したものと比べて歩留
まりが６５％から９５％に向上した。When the cantilever of the present invention having the structure shown in FIG. 1 is produced, the conventional <110> direction shown in FIG. 5 is set to the longitudinal direction, that is, the base end portion of the cantilever 2 is perpendicular to one side of the recess 11. The yield was improved from 65% to 95% compared with the one connected to.
【００２３】また、カンチレバーを種々の大きさに形成
し、より広い周波数に応答する超音波センサーなどにお
いては、その設計に余裕ができ高性能化が図れる。Further, in an ultrasonic sensor or the like in which the cantilever is formed in various sizes to respond to a wider frequency, the design can be afforded and high performance can be achieved.
【００２４】上記したこの発明のカンチレバーを用い
て、Ｓｉ基板にモノリシックに組み込んだ以下のような
センサーやアクチュエータを歩留まりよく作成できる。By using the above-described cantilever of the present invention, the following sensors and actuators monolithically incorporated in a Si substrate can be produced with high yield.
【００２５】例えば、カンチレバーの超音波による振動
を圧電体で受ける超音波センサー、カンチレバーの慣性
による曲がりを圧電体や容量変化によって検出する加速
度センサー、カンチレバーの流体の流れによる曲がりを
圧電体で検出する流量センサー、カンチレバーと圧電体
を組み合わせたマイクロバルブ及びマイクロポンプ、さ
らに、Ｓｉ異方性エッチングを用いたカンチレバー及び
ブリッジを用いた微少構造体、抵抗温度係数の高い材料
を積層したサーモパイル型非接触温度計、カンチレバー
上に熱膨張係数の異なる材料を積層し、バイモルフ構造
のサーモスイッチなどが歩留まりよく作成できる。For example, an ultrasonic sensor which receives vibration of a cantilever by ultrasonic waves with a piezoelectric body, an acceleration sensor which detects bending of the cantilever due to inertia by a piezoelectric body or a capacitance change, and a bending body which detects bending of the cantilever due to fluid flow are detected by a piezoelectric body. Flow sensor, microvalve and micropump combining cantilevers and piezoelectrics, microstructures using cantilevers and bridges using Si anisotropic etching, thermopile type non-contact temperature laminated materials with high resistance temperature coefficient By stacking materials with different coefficients of thermal expansion on the meter and cantilever, it is possible to produce thermo switches with a bimorph structure with good yield.
【００２６】さらに、カンチレバーが熱容量が小さいこ
とを利用した熱的変化型センサー、例えば、ＰｂＴｉＯ
3 ，ＰＺＴ，ＰＬＺＴ，ＬｉＴａＯ3 ，ＬｉＮｂＯ3 な
どを用いた焦電型非接触温度センサーにおいては、感度
の向上が見られる。Further, a thermal change type sensor utilizing the fact that the cantilever has a small heat capacity, for example, PbTiO 3
In the pyroelectric non-contact temperature sensor using3 ,3 , PZT, PLZT, LiTaO3 , LiNbO3, etc., the sensitivity is improved.
【００２７】次に、この発明のカンチレバーを用いた超
音波センサーにつきその製造例とともに説明する。図３
及び図４はこの発明の超音波センサーの製造方法を工程
別に示す断面図である。Next, an ultrasonic sensor using the cantilever of the present invention will be described together with its manufacturing example. Figure 3
4 and FIG. 4 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the ultrasonic sensor of the present invention step by step.
【００２８】まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ（１
００）単結晶基板１に熱酸化法により、膜厚０．１５〜
１．２μｍ、この実施例では０．５μｍのＳｉＯ2 膜２
０を形成する。このＳｉＯ2 膜２０は、熱酸化法以外
に、ＲＦスパッタ法、ＣＶＤ法等により形成しても良
い。そして、ＳｉＯ2 膜２０は高温でＳｉ基板１上に形
成されるため、そのＳｉＯ2 膜２０とＳｉ基板１の界面
には熱膨張係数の違いにより、室温では大きな圧縮応力
が存在する。First, as shown in FIG. 3 (a), Si (1
00) The film thickness of 0.15 is formed on the single crystal substrate 1 by the thermal oxidation method.
1.2 μm, 0.5 μm in this embodiment SiO2 film 2
Form 0. The SiO2 film 20 may be formed by an RF sputtering method, a CVD method, or the like, other than the thermal oxidation method. Since the SiO2 film 20 is formed on the Si substrate 1 at high temperature, a large compressive stress exists at room temperature at the interface between the SiO2 film 20 and the Si substrate 1 due to the difference in thermal expansion coefficient.
【００２９】そのＳｉＯ2 膜２０上に、下部電極を設け
る。まず、Ｔｉ膜３を５０〜５００オングストローム、
そして、このＴｉ膜３上にＰｔ膜４を０．１〜０．４μ
ｍ、それぞれＲＦスパッタ法あるいはイオンビームスパ
ッタ法により形成する。下部電極はＰｔ以外にＡｕ、Ｐ
ｄなどを用いても良い。また、Ｔｉ膜３はＰｔ膜とＳｉ
Ｏ2 膜との密着性を高めるために用いるもので、Ｐｔ膜
形成時の基板温度を上げるなどして密着性を上げる場合
には、Ｔｉ膜を設けなくても良い。またＴｉ以外に密着
性を上げるものとしては、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏを用いるこ
ともできる。A lower electrode is provided on the SiO2 film 20. First, the Ti film 3 is 50 to 500 angstroms,
Then, a Pt film 4 is formed on the Ti film 3 by 0.1 to 0.4 μm.
m by RF sputtering or ion beam sputtering. The lower electrode is Au, P instead of Pt.
You may use d etc. Further, the Ti film 3 is formed of Pt film and Si.
It is used to enhance the adhesiveness with the O2 film, and the Ti film may not be provided if the adhesiveness is increased by increasing the substrate temperature during the formation of the Pt film. In addition to Ti, Cr, Ni, or Co may be used as a material for improving the adhesion.
【００３０】なお、この実施例では、膜厚２００オング
ストロームのＴｉ膜３と膜厚０．２μｍのＰｔ膜４を積
層した。In this embodiment, a Ti film 3 having a film thickness of 200 Å and a Pt film 4 having a film thickness of 0.2 μm are laminated.
【００３１】その後、Ｔｉ膜３とＰｔ膜４を積層した下
部電極をフォトリソグラフィによりパターニングする。
このＴｉ３とＰｔ４を積層膜のパターニングは、膜厚
０．８μｍ程度のレジストでマスクし、イオンビームミ
リングにより行う。そのイオンビームミリングの条件
は、Ａｒガス圧が２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が
５００Ｖ、イオン電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 、ミリング
速度が２０００オングストローム／１０分とした。After that, the lower electrode having the Ti film 3 and the Pt film 4 laminated thereon is patterned by photolithography.
The patterning of the laminated film of Ti3 and Pt4 is performed by masking with a resist having a film thickness of about 0.8 μm and performing ion beam milling. The conditions of the ion beam milling were Ar gas pressure of 2.8 × 10−4 Torr, accelerating voltage of 500 V, ion current of 0.3 mA / cm2 , and milling speed of 2000 Å / 10 minutes.
【００３２】イオンミリングが終了後、レジストをＯ2
プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケトンなどの
有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液により除去
する。After the ion milling was completed, the resist was replaced with O2
It is removed by plasma, an organic solvent such as acetone or methyl ethyl ketone, or a solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution.
【００３３】続いて、図３（ｂ）に示すように、ＡｌＮ
からなる膜厚０．２〜２０μｍの圧電体膜５をイオンビ
ームスパッタリングまたはＲＦスパッタリングにより形
成する。この実施例では、０．７μｍのＡｌＮを形成し
た。Subsequently, as shown in FIG. 3B, AlN
The piezoelectric film 5 having a thickness of 0.2 to 20 μm is formed by ion beam sputtering or RF sputtering. In this example, 0.7 μm of AlN was formed.
【００３４】このＡｌＮの成膜条件は、イオンビームス
パッタ法を用いる場合には、ターゲットは９９．９９９
％のアルミニウムを用い、基板温度を室温〜８００℃、
この実施例では３００℃に保ち、窒素ガス流量を８ＣＣ
Ｍ，Ａｒ流量を４ＣＣＭ、カウフマンイオンガンを８０
０ｅＶ，０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、窒素イオンビームエネ
ルギーを７２〜２００ｅＶ、この実施例では、１００ｅ
Ｖ、窒素イオンビーム電流を０．２０〜０．７４ｍＡ／
ｃｍ2 、この実施例では、０．３２ｍＡ／ｃｍ2 、ＥＣ
Ｒマクロ波パワーを２００〜５００Ｗ、この実施例で
は、３００Ｗ、到達圧を〜２×１０-7Ｔｏｒｒ、成膜中
の圧力１．４×１０-4Ｔｏｒｒ、ＡｌＮの成膜速度を１
０〜７０オングストローム／分、この実施例では、３０
オングストローム／分とした。When the ion beam sputtering method is used, the target is 99.999 for the AlN film forming conditions.
% Aluminum and the substrate temperature is room temperature to 800 ° C.,
In this embodiment, the temperature is kept at 300 ° C. and the nitrogen gas flow rate is 8 CC.
M, Ar flow rate 4 CCM, Kaufman ion gun 80
0 eV, 0.76 mA / cm2 , nitrogen ion beam energy of 72 to 200 eV, 100 e in this example.
V, nitrogen ion beam current 0.20 to 0.74 mA /
cm2 , in this example 0.32 mA / cm2 , EC
R macro wave power is 200 to 500 W, in this embodiment, 300 W, ultimate pressure is up to 2 × 10−7 Torr, pressure during film formation is 1.4 × 10−4 Torr, AlN film formation rate is 1
0-70 angstroms / minute, in this example 30
Angstrom / min.
【００３５】このＡｌＮの成膜をＲＦスパッタ法を用い
る場合には、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃、Ａｒガス圧２．
８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イオン電流
を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 ＡｌＮの成膜速度を２１００オ
ングストローム／６０分とした。When the RF sputtering method is used to form this AlN film, 99.999% aluminum is used as the target, the substrate temperature is room temperature to 300 ° C., and the Ar gas pressure is 2.
The film formation rate of 8 × 10−4 Torr, the acceleration voltage of 800 V, and the ion current of 0.76 mA / cm2 AlN was 2100 Å / 60 minutes.
【００３６】成膜したＡｌＮ膜をウェットエッチングま
たはイオンミリングによりパターニングする。ＡｌＮ膜
はほとんどの酸に室温付近の低温ではエッチングされ
ず、アルカリ液を用いる必要がある。The formed AlN film is patterned by wet etching or ion milling. AlN films are not etched by most acids at low temperatures near room temperature, and it is necessary to use an alkaline solution.
【００３７】ＡｌＮ膜をウェットエッチングにより、パ
ターニングする場合の条件は、レジストによりマスクを
形成後、１．０Ｎ−ＫＯＨなどのアルカリ溶液を４０〜
７０℃に加熱してエッチングする。イオンビームスパッ
タ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、かかるウェッ
トエッチングによるエッチング速度は７０オングストロ
ーム／分である。また、ＲＦスパッタ法により形成した
ＡｌＮ膜の場合には、かかるウェットエッチングによる
エッチング速度は１０００オングストローム／分であ
る。The conditions for patterning the AlN film by wet etching are as follows. After forming a mask with a resist, an alkaline solution such as 1.0N-KOH is added to 40 to 40 times.
Etch by heating to 70 ° C. In the case of the AlN film formed by the ion beam sputtering method, the etching rate by such wet etching is 70 Å / min. Further, in the case of the AlN film formed by the RF sputtering method, the etching rate by such wet etching is 1000 angstrom / min.
【００３８】ＡｌＮ膜をイオンミリングでパターニング
する場合の条件は、レジストでマスクし、Ａｒガス圧が
２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧が５００Ｖ、イオン
電流が０．３ｍＡ／ｃｍ2 とする。ミリング速度は、イ
オンビームスパッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合に
は、４０オングストローム／分である。また、ＲＦスパ
ッタ法により形成したＡｌＮ膜の場合には、ミリング速
度は１００オングストローム／分である。The conditions for patterning the AlN film by ion milling are masking with a resist, Ar gas pressure of 2.8 × 10−4 Torr, acceleration voltage of 500 V, and ion current of 0.3 mA / cm2 . . The milling rate is 40 Å / min in the case of the AlN film formed by the ion beam sputtering method. Further, in the case of the AlN film formed by the RF sputtering method, the milling speed is 100 angstrom / min.
【００３９】そして、エッチングの際に使用したレジス
トをＯ2 プラズマあるいはアセトン、メチルエチルケト
ンなどの有機溶剤若しくは硫酸と過酸化水素水の溶液に
より除去する。Then, the resist used in the etching is removed by O2 plasma, an organic solvent such as acetone or methyl ethyl ketone, or a solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution.
【００４０】圧電体膜５としては、ＡｌＮ膜以外に、Ｐ
ｂＴｉＯ3 、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）、ビニリデンフロライドポリマ（略称ＰＶＤＦ）な
どを用いても良い。As the piezoelectric film 5, in addition to the AlN film, P
bTiO3 , ZnO, PZT (lead zirconate titanate), vinylidene fluoride polymer (abbreviated as PVDF), or the like may be used.
【００４１】その後、図３（ｃ）に示すように、上部電
極６として膜厚０．１〜０．８μｍ、この実施例では
０．３μｍのアルミニウム（Ａｌ）をイオンビームスパ
ッタ法により選択形成する。Thereafter, as shown in FIG. 3C, aluminum (Al) having a film thickness of 0.1 to 0.8 μm, 0.3 μm in this embodiment, is selectively formed as the upper electrode 6 by the ion beam sputtering method. .
【００４２】このＡｌのイオンビームスパッタ法による
成膜条件は、ターゲットは９９．９９９％のアルミニウ
ムを用い、基板温度を室温〜３００℃に保ち、Ａｒガス
圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧を８００Ｖ、イ
オン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ2 、Ａｌの成膜速度を
３５オングストローム／分とした。The Al film formation conditions by the ion beam sputtering method are as follows: the target is 99.999% aluminum, the substrate temperature is room temperature to 300 ° C., the Ar gas pressure is 2.8 × 10−4 Torr, The acceleration voltage was 800 V, the ion current was 0.76 mA / cm2 , and the Al film formation rate was 35 Å / min.
【００４３】この上部電極６はＡｌ以外にＡｕ、Ｐｔな
どの金属膜や，ＩｎＯ、ＳｎＯ2ＩＴＯなどの導電性酸
化物などを用いることもできる。In addition to Al, a metal film of Au, Pt, or the like, a conductive oxide such as InO, SnO2 ITO, or the like can be used for the upper electrode 6.
【００４４】さらに、パッシベーション膜を設ける場合
には、ＳｉＯ2 、ポリイミド膜などのパッシベーション
膜を選択的に形成すればよい。また、複数個のチップを
同一基板上に形成している場合には、この時点でそれぞ
れのチップにダイシングしたりあるいは分割を容易にす
るためにハーフカットのダイシングを行っても良い。Further, when a passivation film is provided, a passivation film such as SiO2 or polyimide film may be selectively formed. In addition, when a plurality of chips are formed on the same substrate, dicing may be performed on each chip at this point or half-cut dicing may be performed to facilitate division.
【００４５】この後、Ｓｉエッチングを行いＳｉＯ2 カ
ンチレバーを作成するが、このＳｉエッチングに用いる
エッチング溶液がアルカリ溶液のため、Ａｌ、ＡｌＮに
ダメージを与えないために、エッチングマスクとしてＣ
ｒを用いる。図４（ａ）に示すように、イオンビームス
パッタリングまたはＲＦスパッタリングによりＣｒ膜７
を形成し、さらにフォトリソグラフィによりＳｉエッチ
ングを行う予定の部分のＣｒ膜を除去した後、Ｃｒ膜が
除去された箇所のＳｉＯ2 膜２０をバッファドフッ酸に
よりエッチングする。After that, Si etching is performed to form a SiO2 cantilever. Since the etching solution used for this Si etching is an alkaline solution, Al and AlN are not damaged, so that C is used as an etching mask.
r is used. As shown in FIG. 4A, the Cr film 7 is formed by ion beam sputtering or RF sputtering.
Is formed, and the Cr film in the portion where Si etching is to be performed is removed by photolithography, and then the SiO2 film 20 in the portion where the Cr film is removed is etched by buffered hydrofluoric acid.
【００４６】Ｃｒ膜７を、例えばイオンビームスパッタ
リングにより形成する場合には、成膜条件は、ターゲッ
トは９９．９９９％のＣｒを用い、基板温度を室温〜３
００℃に保ち、Ａｒガス圧を２．８×１０-4Ｔｏｒｒ、
加速電圧を８００Ｖ、イオン電流を０．７６ｍＡ／ｃｍ
2 、Ａｌの成膜速度を３５オングストローム／分とし
た。When the Cr film 7 is formed by, for example, ion beam sputtering, the target is 99.999% Cr as the target and the substrate temperature is room temperature to 3%.
Keeping at 00 ° C., Ar gas pressure is 2.8 × 10−4 Torr,
Accelerating voltage 800V, ion current 0.76mA / cm
2. The film forming rate of Al was 35 Å / min.
【００４７】また、Ｃｒ膜７のエッチングは、エッチン
グ液として、硝酸第２セリウムアンモニウム２５ｇ、７
０％過塩素酸６．５ｍｌ、水１５０ｍｌの混合液を用い
る。このエッチング溶液は、Ｃｒを選択的にエッチング
し、Ａｌ、Ｐｔ、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 などにほとんどダメ
ージを与えない。このエッチング溶液によるエッチング
速度は１３００オングストローム／分である。Further, the etching of the Cr film 7 is performed by using 25 g of ceric ammonium nitrate as an etching solution.
A mixture of 6.5 ml of 0% perchloric acid and 150 ml of water is used. This etching solution selectively etches Cr and hardly damages Al, Pt, AlN, SiO2, and the like. The etching rate with this etching solution is 1300 Å / min.
【００４８】続いて、図４（ｂ）に示すように、Ｃｒ膜
７をマスクとして、Ｓｉ基板１のエッチングを行いＳｉ
Ｏ2 カンチレバー２を作成する。所望のカンチレバーが
得られたときにエッチングを終了する。このＳｉエッチ
ングの条件は、エッチング溶液として、エチレンジアミ
ン７５ｍｌ、ピロカテコール１２ｍｌ、水２４ｍｌの混
合液（略称ＥＰＷ）を１１６℃に加熱して行う。幅４０
μｍ、長さ２００μｍのＳｉＯ2 カンチレバー２を２時
間程度のＳｉエッチングにより形成することができる。
エッチング溶液としては、上記以外に、ＫＯＨ，ＮａＯ
Ｈ、ヒドラジン，ＮＨ4 ＯＨなどのエッチング溶液を用
いても良い。これらのエッチング溶液はＳｉの（１０
０）面に対するエッチング速度が（１１１）面に比べて
非常に速い。例えば、ＥＰＷの場合は約４０倍以上大き
く異方性エッチングが行える。なお、このエッチング溶
液によって、ＳｉＯ2 膜も若干エッチングされるがＳｉ
のエッチング速度に比べて非常に僅かである。Subsequently, as shown in FIG. 4B, the Si substrate 1 is etched by using the Cr film 7 as a mask.
Create an O2 cantilever 2. The etching is terminated when the desired cantilever is obtained. This Si etching is performed by heating a mixed solution (abbreviated as EPW) of 75 ml of ethylenediamine, 12 ml of pyrocatechol and 24 ml of water as an etching solution at 116 ° C. Width 40
A SiO2 cantilever 2 having a thickness of 200 μm and a length of 200 μm can be formed by Si etching for about 2 hours.
As the etching solution, in addition to the above, KOH, NaO
An etching solution such as H, hydrazine, or NH4 OH may be used. These etching solutions are Si (10
The etching rate for the (0) plane is much faster than that for the (111) plane. For example, in the case of EPW, anisotropic etching can be performed about 40 times larger. Although the SiO2 film is slightly etched by this etching solution,
Is very small compared to the etching rate of.
【００４９】このＳｉエッチングの際に、マスクとして
用いるＣｒ膜７は、図１に示すように、形成されるカン
チレバーの基端部から自由端の方向を〈１００〉方向と
し、基板１の〈１００〉方向に対して４５゜傾斜させた
正方形の対角線に相当する〈１００〉方向に所望するカ
ンチレバーの形状の矩形部を残し他の正方形部分を除去
し、開口部が設けられている。As shown in FIG. 1, the Cr film 7 used as a mask during this Si etching has a <100> direction from the base end of the cantilever to be formed, and the <100> direction of the substrate 1. An opening is provided by leaving a rectangular portion having a desired cantilever shape in the <100> direction corresponding to a diagonal line of a square inclined at 45 ° with respect to the <> direction and removing other square portions.
【００５０】（１００）面を有するＳｉ基板１に上記開
口部を通して深いＳｉエッチングを行ったとき、（１０
０）面上で〈１１０〉方向に配列した４個の辺により囲
まれた凹部１１が形成される。上記したように、（１１
１）面及びＳｉＯ2 膜２０のエッチングは遅いが、（１
００）や（１１０）面のエッチング速度は速く、このエ
ッチングにより、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が
〈１１０〉方向に配列した２辺で徐々にエッチング除去
される。そして、カンチレバー２が形成されたとき、こ
のカンチレバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹
部１１の２辺１１ａ，１１ｂと連結されている。When deep Si etching is performed on the Si substrate 1 having the (100) plane through the opening,
A concave portion 11 surrounded by four sides arranged in the <110> direction on the (0) plane is formed. As mentioned above, (11
Although the etching of the 1) plane and the SiO2 film 20 is slow,
The (00) and (110) planes have a high etching rate, and this etching gradually removes the Si substrate 1 under the cantilever 2 at the two sides arranged in the <110> direction. When the cantilever 2 is formed, the base end portion of the cantilever 2 is connected to the two sides 11 a and 11 b of the recess 11 provided in the Si substrate 1.
【００５１】このＳｉエッチングの際に、上述したよう
に、カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向
に配列した２辺で徐々にエッチング除去されるので、エ
ッチングにおける応力開放が徐々に行われるとともに、
カンチレバー２の基端部を凹部１１の２辺で連結するこ
とにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集中に
よるＳｉＯ2 膜２０の破損が防止できる。特に、ＳｉＯ
2 膜２０の形成温度が高い場合により、応力開放が徐々
に行われ、破損が防止できる。During the Si etching, as described above, the Si substrate 1 under the cantilever 2 is gradually removed by etching along the two sides arranged in the <110> direction. Be told,
By connecting the base end portion of the cantilever 2 with the two sides of the recess 11, the stress applied to the base end portion is dispersed, and damage to the SiO2 film 20 due to stress concentration can be prevented. Especially SiO
2 When the formation temperature of the film 20 is high, the stress is gradually released and damage can be prevented.
【００５２】最後に、図４（ｃ）に示すように、Ｃｒ膜
７を除去し、チップの分割、ボンディング等の組立を行
って、この発明にかかる超音波センサーが得られる。Finally, as shown in FIG. 4 (c), the Cr film 7 is removed, chips are divided, and assembly such as bonding is performed to obtain the ultrasonic sensor according to the present invention.
【００５３】なお、上述した実施例においては、カンチ
レバー２の基端部はＳｉ基板１に設けられた凹部１１の
２辺１１ａ，１１ｂと連結するように構成されている
が、ＳｉＯ2 膜からなるシリコンカンチレバー２の基端
部から自由端の方向を〈１００〉方向とし、シリコンカ
ンチレバー２の基端部を凹部１１の〈１１０〉方向に配
列した一辺と斜め方向、すなわち、非直交方向で連結す
るように構成してもよい。このように構成することで、
カンチレバー２の下のＳｉ基板１が〈１１０〉方向に斜
めに徐々にエッチング除去されるので、エッチングにお
ける応力開放が徐々に行われ、ＳｉＯ2 膜の破損を同様
に防止することが期待できる。Although the base end of the cantilever 2 is connected to the two sides 11a and 11b of the recess 11 provided in the Si substrate 1 in the above-described embodiment, it is made of a SiO2 film. The direction from the base end of the silicon cantilever 2 to the free end is defined as the <100> direction, and the base end of the silicon cantilever 2 is connected to one side of the recess 11 arranged in the <110> direction in an oblique direction, that is, a non-orthogonal direction. It may be configured as follows. With this configuration,
Since the Si substrate 1 under the cantilever 2 is gradually etched away in the <110> direction, the stress is gradually released during etching, and it can be expected that the SiO2 film is similarly prevented from being damaged.
【００５４】[0054]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、二酸化シリコン薄膜の基端部を凹部の２辺で連結す
ることにより、基端部にかかる応力が分散され、応力集
中による二酸化シリコン薄膜の破損が防止できる。As described above, according to the present invention, the stress applied to the base end portion is dispersed by connecting the base end portion of the silicon dioxide thin film with the two sides of the recess, and the silicon dioxide due to the stress concentration is dispersed. The damage of the thin film can be prevented.
【００５５】シリコン基板の凹部の辺の方向を〈１１
０〉とすることで、エッチングにおける応力開放が徐々
に行われ、カンチレバーの破損が防止でき、歩留まりが
向上する。The direction of the side of the recess of the silicon substrate is set to <11.
By setting 0>, the stress in etching is gradually released, the damage of the cantilever can be prevented, and the yield is improved.
【００５６】この発明のカンチレバー上に、下部電極、
圧電薄膜、上部電極を積層した超音波センサーによれ
ば、カンチレバーの振動による応力を圧電薄膜に効率よ
く伝えることができ、センサーの感度が向上する。On the cantilever of the present invention, the lower electrode,
According to the ultrasonic sensor in which the piezoelectric thin film and the upper electrode are laminated, the stress due to the vibration of the cantilever can be efficiently transmitted to the piezoelectric thin film, and the sensitivity of the sensor is improved.
【図１】この発明のカンチレバーを示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a cantilever of the present invention.
【図２】この発明のカンチレバーを示す縦断面図であ
る。FIG. 2 is a vertical sectional view showing a cantilever of the present invention.
【図３】この発明の超音波センサーの製造例を工程別に
示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing example of the ultrasonic sensor of the present invention for each process.
【図４】この発明の超音波センサーの製造例を工程別に
示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing example of the ultrasonic sensor of the present invention for each step.
【図５】従来のカンチレバーを示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing a conventional cantilever.
１ Ｓｉ基板 ２ カンチレバー ３ Ｔｉ膜 ４ Ｐｔ膜 ５ 圧電体膜 ６ 上部電極 ７ Ｃｒ膜 １１ 凹部 ２０ ＳｉＯ2 膜1 Si substrate 2 Cantilever 3 Ti film 4 Pt film 5 Piezoelectric film 6 Upper electrode 7 Cr film 11 Recess 20 SiO2 film
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06109794AJP3272141B2 (en) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | Silicon cantilever and ultrasonic sensor using the same |
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