專利名稱：壓電元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電元件的制造方法，該壓電元件具有用于在其中心處分布大質(zhì)量的三維表面。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在已經(jīng)在多種領(lǐng)域中使用由石英振蕩器代表的壓電元件，例如在標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩源和電子或電氣裝置的時(shí)鐘的領(lǐng)域當(dāng)中。當(dāng)前的研究和開發(fā)集中在為先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理性能或者傳輸能力如何減小壓電材料的厚度以及如何將壓電材料成形為透鏡狀輪廓。
對(duì)于具有數(shù)毫米以上直徑的電極的大尺寸振蕩器，壓電材料通過(guò)濕法被蝕刻成圓頂形狀，然后通過(guò)對(duì)該圓頂形狀的邊緣進(jìn)行機(jī)械拋光而將其修整為具有曲面的輪廓。對(duì)于具有1毫米以下直徑的電極的小尺寸振蕩器，將壓電材料凹陷設(shè)置成適于利用較小的支撐損耗構(gòu)造高質(zhì)量振蕩器。
干法(JP2002-368572A)也被提出作為先進(jìn)的凹陷法，其中在干法中，壓電材料被機(jī)器加工成類似于產(chǎn)品形狀的中間輪廓，然后再被干蝕刻為產(chǎn)品形狀。其它公知的技術(shù)有微處理法，其利用微?；蛘咧厝?Li L.等人所著，Tech.Digest of Transducers(2003)，第508-511頁(yè))，還有干法(JP2003-234632A)。根據(jù)干法，首先將光敏劑涂布到壓電材料的表面。然后將該光敏劑成形為光掩模，其中通過(guò)控制光能量而形成預(yù)定厚度分布，該光穿過(guò)該光掩模傳輸。其后，壓電材料和該厚度受控的光掩模一起被干蝕刻為產(chǎn)品形狀。
通過(guò)這些公知方法制造的振蕩器可用作石英晶體微量天平(QCM)，該石英晶體微量天平用于將分子吸收作為諧振頻率變化進(jìn)行檢測(cè)。還可以通過(guò)對(duì)準(zhǔn)多個(gè)這種石英振蕩器成為陣列而形成多通道型QCM。
能夠通過(guò)熱重熔(reflow)方法成形的圓頂輪廓的最大直徑被限制為大約100微米，這是由于熱動(dòng)力只能在至多數(shù)十微米的距離上進(jìn)行質(zhì)量傳輸。通過(guò)利用數(shù)十微米以上厚度的抗蝕膜，壓電材料當(dāng)然被成形為較大的圓頂輪廓，但是這種較厚的抗蝕膜在厚度上更加不規(guī)則。厚度分布不規(guī)則使得產(chǎn)品輪廓質(zhì)量等級(jí)下降。和傳統(tǒng)方法相比，利用其它的方法來(lái)沉積所需掩模極其昂貴，其中在其它方法中，通過(guò)控制光能使得抗蝕膜具有預(yù)定厚度分布，因此從經(jīng)濟(jì)的角度考慮會(huì)限制它的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
如果厚度分布受到精確控制的掩模沉積在材料表面上，則能夠?qū)⒃摬牧咸幚頌閷?duì)應(yīng)于該厚度分布的表面輪廓，從而導(dǎo)致獲得振蕩特性響應(yīng)于質(zhì)量負(fù)載的穩(wěn)定性。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)從這個(gè)角度考慮來(lái)尋找對(duì)這種厚度分布的控制，并且在JP2004-349365A中提出一種新的方法。根據(jù)所提出的方法，涂布到壓電材料的表面上然后被圖案化的掩蔽劑被修整為具有受控厚度分布的輪廓，這是通過(guò)利用熱量熔化該掩蔽劑或者通過(guò)利用精密沖模沖壓該掩蔽劑而完成。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)對(duì)涂布到壓電材料的表面的掩蔽劑的厚度分布開展了進(jìn)一步繼續(xù)研究和檢查，并且發(fā)現(xiàn)了一種掩蔽劑的特殊性能。也就是，當(dāng)涂布到壓電材料的掩蔽劑再次熔化接觸到溶劑蒸氣時(shí)，它會(huì)因表面張力而向上升高。掩蔽劑的這種重熔運(yùn)動(dòng)對(duì)于厚度分布的控制是有效的。
本發(fā)明的主要目的是，能夠容易獲得掩蔽膜的預(yù)定厚度分布而沒(méi)有任何的尺度限制。本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種表面輪廓對(duì)應(yīng)于掩模的厚度分布的壓電元件。
根據(jù)本發(fā)明，掩蔽劑涂布到壓電材料的表面上，并且成形為預(yù)定圖案。然后保持該掩蔽劑接觸到溶劑蒸氣，從而促使掩蔽劑在壓電材料的表面上重熔。該重熔運(yùn)動(dòng)將掩蔽劑在壓電材料的表面上向上提升，從而導(dǎo)致形成具有預(yù)定厚度分布的修整好的掩模。其后，壓電材料和修整好的掩模一起進(jìn)行干蝕刻。因此，壓電材料被處理為對(duì)應(yīng)于修整好的掩模的厚度分布的三維輪廓。
掩蔽劑涂布到壓電材料的表面部分上，然后成形為預(yù)定圖案以便形成壓電元件。而不會(huì)涉及到該元件的形成的剩余表面部分優(yōu)選的經(jīng)受抗油處理。該抗油表面部分使接觸到溶劑蒸氣而液化的掩蔽劑脫落，抑制掩蔽劑的重熔以及促使掩蔽劑聚集在預(yù)定區(qū)域上。可以在涂布掩蔽劑之前或者之后，通過(guò)形成具有較小溶劑可濕性的膜或者通過(guò)涂布抗油劑來(lái)執(zhí)行該抗油處理。
當(dāng)例如光致抗蝕劑的掩蔽劑涂布到壓電材料的表面上然后通過(guò)接觸溶劑蒸氣流而液化時(shí)，掩蔽劑向上提升，從而形成具有預(yù)定厚度分布的凸形。該厚度分布對(duì)于將壓電材料的表面改造成圓頂形狀是有利的，其中該圓頂形狀的曲率半徑在數(shù)微米到數(shù)厘米的范圍內(nèi)，也就是，和傳統(tǒng)熱重熔方法相比該圓頂形狀具有應(yīng)用為多種尺度的高適用性。通過(guò)提供由例如氮?dú)獾亩栊詺怏w稀釋的溶劑，對(duì)溶劑蒸氣的流速實(shí)施控制，并且通過(guò)利用噴淋頭而確保獲得均勻的溶劑蒸氣流。
部分表面經(jīng)受抗油處理的壓電材料限制掩蔽劑重熔到其它表面部分。限制重熔運(yùn)動(dòng)能夠在壓電材料的預(yù)定表面部分上形成一個(gè)或者多個(gè)具有預(yù)定厚度分布的圓頂掩模。通過(guò)對(duì)壓電材料和圓頂掩模一起進(jìn)行干蝕刻，覆蓋有圓頂掩模的表面部分被處理為對(duì)應(yīng)于圓頂掩模的厚度分布的三維形狀。簡(jiǎn)言之，本發(fā)明用于構(gòu)造多通道壓電裝置，其中多個(gè)壓電元件被設(shè)置為具有預(yù)定圖案，其可用作高性能的傳感器。


圖1是說(shuō)明干蝕刻法的流程圖，該干蝕刻法用于將壓電材料形成為三維凸形輪廓。
圖2是示出固定到支承體的壓電元件的截面圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)以下步驟制造壓電元件例如光致抗蝕劑的掩蔽劑涂布到壓電材料的基底11，然后圖案化為具有預(yù)定厚度的掩蔽膜12(圖1A)。在多個(gè)壓電元件構(gòu)建在一個(gè)基底11中的情況中，優(yōu)選掩蔽膜12的密集圖案用于構(gòu)造具有高密度的壓電元件。該掩蔽劑可以是用于形成有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)聚合物或者溶膠凝膠膜的前體，只要它能夠通過(guò)光刻、激光寫入、絲網(wǎng)印刷等等利用預(yù)定圖案涂布。
在形成圖案化的掩蔽膜12之后，利用合適的表面處理化學(xué)試劑對(duì)基底11的表面部分進(jìn)行修飾，其中該化學(xué)試劑排斥用于掩蔽劑的溶劑，從而減小在不涉及壓電元件的形成的表面部分(圖1B)上的基底11的表面張力。具有較小溶劑可濕性的抗油膜可以疊加在基底11的表面部分上，而不是涂布表面處理化學(xué)試劑。根據(jù)掩蔽劑的種類，表面處理化學(xué)試劑從由有機(jī)和無(wú)機(jī)聚合物組成的組中選擇，其中有機(jī)和無(wú)機(jī)聚合物的分子中均具有例如-CH3、-CF3、-(CH2)-或者-(CF2)-的官能團(tuán)。一種代表性的化學(xué)試劑是碳氟聚合物或者有機(jī)硅聚合物。
在表面修飾之后將基底11設(shè)置在腔室內(nèi)，以及混合了溶劑蒸氣V的惰性氣體被引入到腔室內(nèi)的基底11上。結(jié)果是，掩蔽劑再溶解到溶劑中，并且在基底11的表面上液化。溶劑可以是揮發(fā)性物質(zhì)，例如二甲苯、甲苯、丙酮或者乙醇，以便有效溶解掩蔽劑。在掩蔽劑是市售的光致抗蝕劑等的情況中，溶劑可以是為光致抗蝕劑等而特別設(shè)計(jì)的稀釋劑。
隨著溶劑蒸氣V的體積的增加，其中該溶劑蒸氣接觸到掩蔽膜12，掩蔽劑在溶劑中的溶解速度得以進(jìn)一步加速，而掩蔽劑也因粘性減小而進(jìn)一步液化。優(yōu)選利用惰性氣體稀釋該溶劑蒸氣V，從而確保足夠體積的蒸氣，并且通過(guò)惰性氣體的進(jìn)給速率將溶劑蒸氣V控制為合適的濃度。通過(guò)噴淋頭將溶劑蒸氣V作為具有均勻流動(dòng)分布的氣流而引入到基底11的表面，從而確保掩蔽劑在基底11的表面上獲得均勻的溶解和液化?？梢酝ㄟ^(guò)將基底11保持為低于引入溶劑蒸氣V期間溶劑的蒸發(fā)溫度的溫度，實(shí)現(xiàn)溶劑在基底11的表面上的選擇性凝結(jié)。
液化的掩蔽劑聚集并升高，從而形成為基底11的表面部分上的圓頂掩模14(圖1C)。圓頂掩模14的曲率相應(yīng)于掩蔽劑的厚度發(fā)生變化，以及隨著掩蔽膜12的厚度增加，該曲率半徑也變得更小。還通過(guò)將基底11設(shè)置在向上或者向下的位置，從而利用重力的影響來(lái)形成圓頂掩模14。
當(dāng)掩蔽膜12形成為圓頂掩模14時(shí)，掩蔽劑的液化被限制到基底11的表面部分，以便形成壓電元件，這是由于其它的表面部分因抗油處理或者抗油膜而排斥溶劑。當(dāng)然，抗油處理也可以省略，例如在基底11是溶劑難以將其濕化的壓電材料的情況中。
在形成圓頂掩模14之后，基底11被加熱以從其上蒸發(fā)溶劑，并且經(jīng)受紫外線輻射以固化圓頂掩模14(圖1D)。其后，基底11的表面被干蝕刻為對(duì)應(yīng)于圓頂掩模14的厚度分布的三維輪廓15。
全氟化碳(PFC)、SF6、氯或者碘氣等等可以用作干蝕刻法中使用的選擇性反應(yīng)氣體G。選擇性反應(yīng)氣體G作為唯一氣體或者高密度等離子體引入到反應(yīng)區(qū)，其中選擇性反應(yīng)氣體G是用于選擇性處理或者脆化基底11的原子團(tuán)來(lái)源。該選擇性反應(yīng)氣體G可以和用于物理蝕刻基底的非選擇性反應(yīng)氣體混合，例如Ar、Kr或者Xe，或者可以和用于以受控選擇度蝕刻圓頂掩模14的選擇度控制氣體混合，例如H2或者O2。
相對(duì)處理速率能夠響應(yīng)于非選擇性反應(yīng)氣體或者選擇度控制氣體和選擇性反應(yīng)氣體G在干蝕刻期間的混合比率而被控制。例如，在干蝕刻圓頂掩模14期間，該氣體混合物從富含非選擇性反應(yīng)氣體的組合物變化為富含選擇性反應(yīng)氣體的組合物。在這種情況下，在氣體組合物變化之前，將基底11的表面處理為和圓頂掩模14的厚度分布相仿的輪廓，而基底11則優(yōu)選在氣體組合物變化之后蝕刻。因此，基底11的表面被處理為三維形狀15，這放大了圓頂掩模14的厚度分布。
在基底11的表面被處理為預(yù)定輪廓15之后，被干蝕刻損壞的表面部分通過(guò)氫氟酸等等而被去除，然后清洗基底11。其后，通過(guò)利用用于形成電極的沉積掩?；蛘吖庵驴刮g膜的直接圖案化法，制造出目標(biāo)壓電元件。
利用例如硅樹脂的粘結(jié)劑，將制造出的壓電元件20固定到大體積支承體21上用于強(qiáng)化，如圖2所示。支承體21具有用于容納壓電元件20的凸表面20a在其中的凹穴21a。當(dāng)在基底11中相鄰凹穴21a之間的位置以及在指向外部的位置上刻蝕調(diào)節(jié)凹陷，則基底11和外部之間的壓力或者溫度差異得以減小。通過(guò)表面電極23a和背面電極23b獲得壓電元件20的振蕩特性。
實(shí)施例提供100微米厚度的AT切割石英作為基底11。通過(guò)在75攝氏度或更高溫度加熱丙二醇單甲基醚乙酸酯(PGMEA)以及利用氮?dú)馐乖撊軇┢鹋輥?lái)制備溶劑蒸氣V，其中丙二醇單甲基醚乙酸酯也就是一種專門用于光致抗蝕劑AZP4400(由Clariant有限公司提供)的溶劑。
通過(guò)旋涂器將作為掩蔽劑的光致抗蝕劑涂布到基底11上，從而在基底11上沉積平均厚度為6微米的掩蔽膜12。在通過(guò)光刻將掩蔽膜12形成為預(yù)定圖案之后，六甲基二硅氮烷(HMDS)作為表面處理化學(xué)試劑13涂布到基底11的表面部分，從而減小基底11的表面張力，其中所述表面部分沒(méi)有被掩蔽膜12覆蓋。
在干燥基底11的表面之后，基底11被設(shè)置在腔室內(nèi)的平臺(tái)上，并保持為大約為室溫。通過(guò)熒光樹脂管將溶劑蒸氣V引入到基底11的表面上，其中該熒光樹脂管位于平臺(tái)上面向基底11的位置，并且使溶劑蒸氣保持接觸到掩蔽膜12。溶劑蒸氣V選擇性凝結(jié)在掩蔽膜12的光致抗蝕劑上。因此，在開始供應(yīng)氣體10分鐘之后，光致抗蝕劑被液化成半球形圓頂掩模14。
當(dāng)圓頂掩模14形成為預(yù)定凸形形狀，經(jīng)熒光樹脂管供應(yīng)的溶劑蒸氣V被改變?yōu)閱我坏牡獨(dú)狻＿B續(xù)供應(yīng)氮?dú)?，直到圓頂掩模14被干燥。其后，通過(guò)加熱和紫外線輻射固化圓頂掩模14的光致抗蝕劑。固化的圓頂掩模14具有半球形輪廓，其中中心處的14微米厚度逐漸減小到周邊處的0微米厚度。
然后，在0.2Pa大氣壓和具有-300V的自偏壓的室溫下，通過(guò)SF6∶Xe＝1∶1的混合氣體對(duì)基底11進(jìn)行干蝕刻。在上述條件下選擇度為0.3。也就是，通過(guò)干蝕刻基底11所形成的三維形狀15的厚度分布被轉(zhuǎn)換成參照垂直方向的(圓頂掩模14的厚度分布)×(選擇度)的值。結(jié)果是，三維形狀15在中心處的高度大約為4微米。
制造出的石英振蕩器的諧振頻率為20MHz，其具有比未處理的晶體板的粘彈性負(fù)載大50％以上的線性頻率響應(yīng)。即使在0.8MHz以上的高頻區(qū)，也不會(huì)在主振蕩附近檢測(cè)到寄生振蕩。結(jié)果證明，所制造出的石英振蕩器具有高可靠性的優(yōu)越振蕩特性。
本發(fā)明的工業(yè)適用性根據(jù)上述的本發(fā)明，圖案化的掩蔽膜12通過(guò)接觸到溶劑蒸氣而在基底11上液化，并且被修整為凸形圓頂掩模14。其后，基底11被干蝕刻為和圓頂掩模14的厚度分布相仿的表面輪廓。制造出的壓電元件具有適用于測(cè)量粘彈性液體或者大分子例如油或者膠的優(yōu)越振蕩特性，這是因?yàn)槠湓谥行奶幘哂写蟮馁|(zhì)量，從而它可以用于蛋白質(zhì)、DNA短鏈、生物和化學(xué)分析以及醫(yī)療診斷芯片的高性能的傳感器。
權(quán)利要求
1.一種制造壓電元件的方法，包括以下步驟涂布掩蔽劑到將被處理的壓電材料的表面；將掩蔽劑的膜成形為預(yù)定掩蔽圖案；保持該膜接觸到用于掩蔽劑的溶劑，從而在壓電材料的表面上將該膜液化為圓頂形狀；以及將壓電材料處理為對(duì)應(yīng)于圓頂形狀的厚度分布的三維凸形輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中壓電材料的表面利用抗油劑進(jìn)行部分處理。
全文摘要
掩蔽劑作為圖案化膜12涂布到將被處理的壓電材料11的表面，其通過(guò)接觸到溶劑蒸氣V而液化，并通過(guò)其表面張力而修整為圓頂掩模14。當(dāng)壓電材料和圓頂掩模14一起進(jìn)行干蝕刻時(shí)，它的表面被處理為對(duì)應(yīng)于圓頂掩模14的厚度分布的凸形輪廓。通過(guò)利用抗油劑13處理壓電材料11，從而控制圓頂掩模14的分布和形狀，從而限制掩蔽劑重熔到特定區(qū)域。被處理的壓電材料的表面輪廓的中心處具有大的質(zhì)量，從而適于主振蕩而沒(méi)有寄生振蕩。
文檔編號(hào)H03H3/00GK1914745SQ200580003619
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月2日
發(fā)明者安部隆, 李麗 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)