CN102668376B - 压电设备以及压电设备的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在压电薄膜与支撑体之间设置用于接合的中间层，谐振特性也不会劣化的压电设备及压电设备的制造方法。在注入氢离子在压电单晶基板(1)内形成离子注入部分之后，在压电单晶基板(1)的背面(12)形成金属制的中间层(32)。然后，经由该中间层(32)对压电单晶基板(1)与支撑体(30)进行接合。将形成了离子注入部分的复合压电体(2)、或者对压电单晶基板(1)进行了加热分离的复合压电基板(3)以450℃至700℃进行加热，使中间层的金属氧化来使导电性降低。这样，通过形成金属的中间层，从而能够使压电基板与支撑体可靠地贴紧，而且由于使中间层的金属氧化，因此能够使中间层的导电性降低，能够提供一种谐振特性良好的压电设备。

Description

压电设备以及压电设备的制造方法
技术领域
本发明涉及具备压电单晶的薄膜和对该薄膜进行支撑的支撑体的压电设备及其制造方法。
背景技术
当前，对压电单晶体进行薄膜化而成的压电设备被大量开发。在采用这样的压电薄膜的压电设备中，通常，压电薄膜与支撑体接合并通过支撑体而被支撑。作为将压电薄膜和支撑体以实用的强度进行接合的方法，例如有在接合界面设置金属的中间层来进行接合的方法(例如，参照专利文献1。)。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-324195号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在采用压电薄膜的压电设备中，若在压电薄膜与支撑体之间的接合界面存在金属中间层，则该中间层成为导电层，存在谐振特性劣化的问题。
因而，本发明的目的在于，提供一种即使在压电薄膜与支撑体之间设置用于接合的中间层，谐振特性也不会劣化的压电设备以及压电设备的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明涉及一种具备形成了电极的压电薄膜、和对该压电薄膜进行支撑的支撑体的压电设备。该压电设备，在压电薄膜与支撑体之间具备含有被氧化或者氮化了的金属的中间层。
在该构成中，通过在压电基板与支撑体之间形成金属的中间层，从而能够使压电基板与支撑体可靠地贴紧。另外，通过在将压电基板与支撑体进行接合后使中间层的金属氧化，从而中间层的导电性变低，成为绝缘层，因此能够提供一种谐振特性良好的压电设备。
本发明中，被氧化或者氮化了的金属，由Fe、Cr、Ni、Al、W、Cu中的至少一种元素构成。作为中间层的材料，如果含有Fe、Cr、Ni、Al、W、Cu中的至少一种元素，则在对压电薄膜与支撑体进行接合时，能够提高紧密性。另外，这些元素若进行加热则会充分氧化，因此中间层成为绝缘层，能够防止压电单晶基板中的压电性的劣化。
本发明中，中间层的膜厚为2nm至25nm。若使中间层的膜厚为不足2nm，则压电基板与支撑体不接合。另外，若中间层的膜厚超过25nm，则即使在通过热处理对中间层的金属进行了充分氧化或者氮化的情况下，也会因中间层导致在进行压电单晶基板的还原后导电性变高，因而产生压电设备的特性劣化。另一方面，若使中间层的膜厚为2nm至25nm，则能够没有问题地进行接合，压电设备的谐振特性不会劣化。因此，能够提供一种谐振特性良好的压电设备。
在本发明中，压电薄膜以钽酸锂或者铌酸锂为材料。由于钽酸锂或者铌酸锂含有氧，因此在对中间层进行加热时，会促进中间层的金属的氧化，因而中间层的导电性降低，成为绝缘层，能够提供一种谐振特性良好的压电设备。
本发明中，压电薄膜的导电率为1.0×10-13Ω-1·m-1至1.0×10-11Ω-1·m-1。在该构成中，通过使压电薄膜的导电率为上述值，从而既能够抑制工序中的热电破坏，又能够充分供给有利于热处理中的氧化的压电基板中的氧原子，因此能够使中间层可靠地氧化，能够使压电设备的谐振特性保持良好。
本发明涉及一种具备形成了电极的压电薄膜、和对该压电薄膜进行支撑的支撑体的压电设备的制造方法。该压电设备的制造方法包括：离子注入工序、中间层形成工序、接合工序、分离工序、和热处理工序。离子注入工序，对压电基板注入离子化了的元素，在压电基板内形成对压电基板注入的元素的浓度成为峰值的部分。中间层形成工序，在对压电基板进行 支撑的支撑体或者压电基板的至少一方，形成含金属的中间层。接合工序，经由中间层对压电基板与支撑体进行接合。分离工序，对压电基板进行加热，将对压电基板注入的元素的浓度成为峰值的部分作为分离面，对压电薄膜进行分离。热处理工序，对中间层进行加热来进行氧化或者氮化。
在该构成中，通过形成金属的中间层，从而能够使压电基板与支撑体可靠地贴紧。另外，由于使中间层的金属氧化，因此能够使中间层的导电性降低，谐振特性不会劣化，能够制造一种谐振特性良好的压电设备。
在本发明中，将由经由中间层而接合的压电薄膜与支撑体构成的压电复合体在热处理工序中以450℃～700℃进行加热。在该构成中，通过以上述温度对压电复合体进行加热，从而使中间层的金属充分氧化或者氮化，因此中间层的导电性降低，成为绝缘层，能够制造一种特性良好的压电设备。
本发明中，将由经由中间层而接合的压电薄膜与支撑体构成的压电复合体，在热处理工序中以压电薄膜的材料的居里温度以下进行加热。压电薄膜的材料，若以超过居里温度的温度被加热则会消除极化，但通过在居里温度以下进行加热，从而不会消除极化，因此不会增加使材料极化的处理等工序，能够制造一种特性良好的压电设备。
发明效果
根据本发明，由于经由含金属的中间层对压电薄膜与支撑体进行接合，在接合后对中间层的金属进行氧化或者氮化，因此能够提供一种中间层不会成为导电层，谐振特性不会劣化的压电设备以及压电设备的制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的薄膜型压电设备的制造方法的流程图。
图2是示意性地表示以图1所示的制造流程形成的薄膜型压电设备的制造过程的图。
图3是示意性地表示以图1所示的制造流程形成的薄膜型压电设备的制造过程的图。
图4(A)是表示本发明的第1实施方式涉及的压电设备的导电率与相对带宽(fractional bandwidth)的关系的曲线图，图4(B)是表示本发明的第1实施方式涉及的压电设备的热处理温度与相对带宽的关系的曲线图。
图5是表示本发明的第2实施方式涉及的薄膜型压电设备的制造方法的流程图。
图6是示意性地表示以图5所示的制造流程形成的薄膜型压电设备的制造过程的图。
图7是示意性地表示以图5所示的制造流程形成的薄膜型压电设备的制造过程的图。
图8是示意性地表示以图5所示的制造流程形成的薄膜型压电设备的制造过程的图。
具体实施方式
关于本发明的第1实施方式涉及的压电设备的制造方法，参照附图进行说明。在以下说明中，作为压电设备，以弹性表面波(SAW)设备为例进行说明。
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的压电设备的制造方法的流程图。图2、图3是示意性表示以图1所示的制造流程形成的压电设备的制造过程的图。
首先，准备规定厚度的压电单晶基板1。此时，作为压电单晶基板1，采用背面12被镜面研磨、且能够排列多个压电设备单体的基板。另外，示出作为压电单晶基板1，采用了脆性/裂开性非常强，而且还是难加工材料的LiTaO3(钽酸锂)的单晶基板(以下称作LT基板)的一例。
如图2(A)所示，从压电单晶基板1的背面12侧注入氢离子(H+)，在压电单晶基板1内形成离子注入部分100(图1：S101)。
在压电单晶基板1为LT基板的情况下，当以注入能量150keV、剂量(离子注入密度)1.0×1017atom/cm2进行氢离子的注入时，在距离背面12深度约1μm的位置形成分布氢离子的离子注入部分100。该离子注入部分100，为被注入到压电单晶基板中的离子元素的浓度达到峰值的部 分。另外，关于压电单晶基板1，除了采用LT基板以外，还可以采用LN(LiNbO3：铌酸锂)基板、LBO(Li2B4O7)基板、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)基板、KN(KNbO3)基板等，以与各个基板相应的条件进行离子注入。另外，最好根据基板的种类，将注入离子变更为氦离子或氩离子等。
如图2(B)所示，在压电单晶基板1的接合面形成由金属构成的中间层32(图1：S102)。作为中间层32的材料，优选提高接合的附着力，且通过后述的热处理工序被充分氧化，不会使压电单晶基板1的压电性劣化的材料。作为具有这样的特性的金属，例如有Fe、Cr、Ni、Al、W、Cu，优选中间层32按照由这些元素的至少一种构成的方式形成。优选中间层32的膜厚为2nm～25nm以下。这是基于以下这样的实验结果所得的值。即，在通过接下来进行的接合工序对压电单晶基板1和支撑体30进行接合时，若使中间层的膜厚不足2nm，则无法进行接合。另一方面，若使中间层的膜厚为2nm至25nm，则没有问题地实现了接合。而且，虽然在后述的热处理工序中对中间层的金属进行氧化或者氮化使导电性降低，但压电单晶基板被还原后导电性没有增加，SAW设备的谐振特性没有劣化。但是，若中间层的膜厚超过25nm，则即使在通过热处理对中间层的金属进行了充分氧化或者氮化的情况下，也会因中间层而在压电单晶基板被还原后导电性增加，产生了SAW设备的谐振特性的劣化。根据以上的实验结果，优选中间层的膜厚为2nm～25nm以下。
中间层32的形成优选通过溅射、EB蒸镀、CVD、或者离子镀敷来进行。或者，也可以在后述的接合工序中在接合装置内进行净化接合时，通过对接合装置的部件或者中间层的金属材料进行蚀刻，从而形成中间层32。
接着，准备支撑体30。作为支撑体30的材料，采用LT(LiTaO3)、LN(LiNbO3)、氧化铝、水晶、石英、氮化铝等。这些材料，由于含有氧或者氮，因此在后述的热处理时，能够促进中间层的氧化或者氮化。在后述的热处理时，为了避免因线膨胀系数差引起的基板的翘曲或者裂纹的产生，优选将线膨胀系数与压电单晶材料接近的LT、LN、氧化铝用于支撑体30的材料。另外，也可以在支撑体30的接合面，根据用于支撑体的材料，而形成氮化硅、氧化硅、氧化铝、氮化铝等的膜。进而，通过选择 支撑体的材料，能够实现温度特性的优化、基板的散热性改善。另外，中间层32只要在压电单晶基板1的接合面、和支撑体30的接合面中的一方或者双方形成即可。
如图2(C)所示，采用净化接合技术在真空中对在压电单晶基板1的背面12形成的中间层32和支撑体30进行直接接合，生成复合压电体2(图1：S103)。所谓净化接合，是指在真空中照射Ar离子等使接合面活性化的状态下进行接合，是不需要加热的接合方法。在这样的接合方法中，如亲水化接合那样不需要用于去掉氢的加热工序，因此不会出现压电单晶基板的压电性劣化、或支撑体与压电单晶基板之间的线膨胀差所引起的应力产生的问题，故而优选。
如图3(A)所示，将复合压电体2加热至250℃以上，进行将离子注入部分100作为分离面的分离(图1：S104)。离子注入部分100，是在距离压电单晶基板1的背面12为1μm的深度处注入了氢离子的层，沿着基板表面产生微型空腔(micro cavity)，通过加热从而该空腔生长。由此，压电薄膜10从压电单晶基板1分离，成为由支撑体30、中间层32以及压电薄膜10构成的复合压电基板3、和压电单晶基板(LT基板)(未图示)。虽然LT基板或LN基板，如上所述，脆性/裂开性非常强而且还是难加工材料，但通过采用上述这样的方法，从而能够不破坏基板地将压电薄膜分离。
另外，此时，如果在减压气氛下进行加热，则能够降低加热温度。
接着，对复合压电基板3进行热处理，通过压电薄膜10和支撑体30中所含的氧，使中间层32的金属氧化，提高中间层32的绝缘性，从而将中间层32变成绝缘层(图1：S105)。
通常，在压电薄膜采用LT基板的情况下，为了抑制热电性(pyroelectricity)，而对LT基板进行还原来降低绝缘性。但是，在过多地进行了LT基板的还原的情况下，由于无法充分地从压电薄膜10向中间层32进行供氧，因此即使进行热处理，中间层32也仍然具有导电性，而无法改善SAW设备的特性。因而，需要进行压电薄膜10的导电性的调整。
图4(A)是表示本发明的第1实施方式涉及的压电设备的导电率与相对带宽的关系的曲线图，图4(B)是表示本发明的第1实施方式涉及的压电设备的热处理温度与相对带宽的关系的曲线图。
如图4(A)所示，在使压电薄膜的导电率成为5×10-14Ω-1·m-1以下的情况下，在SAW设备的制造工序中，会产生IDT电极的热电破坏，谐振特性劣化。另一方面，若使压电薄膜的导电率成为1.0×10-13～1.0×10 -11Ω-1·m-1，则由于既能够抑制工序中的热电破坏，又能够充分供给有利于热处理中的氧化的压电基板中的氧原子，因此能够使SAW设备的特性保持良好。但是，若使压电薄膜的导电率为5.0×10-11Ω-1·m-1以上，则由于LT基板的导电性过高，因此SAW谐振特性劣化。但是，即使压电薄膜的导电率为5×10-11Ω-1·m-1以上，如果支撑体30的表面的LT的导电率为1.0×10-11Ω-1·m-1以下，则中间层32被支撑体30所含的氧充分氧化，抑制了因中间层的导电性而产生的特性劣化。因此，优选压电薄膜使用导电率为1.0×10-13Ω-1·m-1～1.0×10-11Ω-1·m-1的压电薄膜。
另外，如图4(B)所示，在使热处理的温度为不足450℃的情况下，离子注入所产生的H气体或者He气体没有脱离，或者离子注入所导致的压电薄膜的结晶性破坏的恢复未完全完成，因此谐振特性没有改善。但是，若使热处理的温度为450℃以上，则由于中间层的金属被充分氧化或者氮化，因此谐振特性被改善而变得与压电基板单层的SAW等同。另外，在中间层32含有W、Cu的情况下，在650℃以上向压电薄膜10产生扩散，在中间层32含有Fe、Al、Ni的情况下，在700℃以上向压电薄膜10产生扩散，压电薄膜10的导电率变大，谐振特性劣化。因此，优选热处理在中间层32所含的各材料不扩散到压电薄膜10内的温度以下进行。
另外，若在625℃以上进行热处理，则由于LT基板中超过居里温度(610℃)，因此极化消除而产生了压电性的劣化。但是，如果热处理温度在700℃以下，则通过一边进行作为使极化方向一致的处理的热处理，一边施加电压，从而能够将压电性恢复。但是，如果热处理温度为700℃以上，则在含氧的热处理气氛的情况下，加热所产生的基板的氧化反应的控制明显变得困难。另外，在真空中或含氮的热处理气氛的情况下，由于加热所产生的还原反应的控制明显变得困难，因此无法稳定地制造SAW设备。因此，优选将热处理温度设为450℃～700℃。另外，若在压电薄膜材料的居里温度以下进行加热，则由于不需要上述的使极化方向一致的处理等，因此能够防止制造工序的增加。因而，在压电薄膜为LT基板的情况下，更加优选将热处理温度设为450℃～600℃。为了使压电膜的氧化不过度地进行，热处理优选在氮、氩等非活性气体气氛中或者真空中进行。另外，优选将加热时间设为3小时以上。
另外，通过在步骤S104中进行热处理，还能够同时进行用于复合压电基板3的压电性恢复的基板加热处理。即，结晶会因离子注入而受到变形，但通过如上述那样进行热处理，从而结晶的变形被缓和，而且，去掉在离子注入时被置换到Li的位点(site)的注入氢离子，在该位点复原Li，从而压电性恢复。
接着，通过对像这样分离形成的压电薄膜10的表面13通过CMP(ChemicalMechanical Planarization：化学机械研磨)处理等进行研磨，按照使表面粗糙度Ra为1nm以下的方式进行平坦化(图1：S106)。由此，能够使压电设备的谐振特性优化。
接着，如图3(B)所示，在压电薄膜10的表面13上，形成IDT电极50和衬垫电极(padelectrode)51等的电极图案(图1：S107)。电极材料最好根据所要求的设备的特性来进行选择。
接着，如图3(C)所示，在衬垫电极51上形成凸点90(图1：S108)。然后，如图3(D)所示，将复合压电基板3切断来切出独立的压电设备4(图1：S109)。通过这样的制造工序，能够制造谐振特性良好的SAW设备。
另外，在上述的压电设备的制造工序中，热处理工序只要是在接合工序之后，则可以在任一工序之后实施。但是，为了避免IDT电极向压电膜或IDT保护膜的扩散等，因此优选在接合工序完成之后，在IDT电极的形成工序之前进行。另外，更优选热处理工序兼作分离工序。
接着，针对本发明的第2实施方式涉及的压电设备的制造方法，按照流程图所示的工序，参照压电设备的制造过程的示意图进行说明。在以下说明中，作为压电设备，以作为BAW(bulk acoustic wave，体声波)设备的一种的F-BAR(film bulk acoustic resonator，薄膜体声波谐振器)型的压电设备为例进行说明。
图5是表示本发明的第2实施方式涉及的压电设备的制造方法的流程图。图6、图7、图8是示意性地表示以图5所示的制造流程形成的压电设备的制造过程的图。
在第2实施方式涉及的压电设备的制造方法中，离子注入部分的形成工序和中间层的形成工序(步骤S201～S202)，与第1实施方式涉及的压电设备的制造方法的步骤S101～S102相同，故省略说明。
另外，中间层32只要在压电单晶基板1的接合面、和后述的隔膜(membrane)支撑层33的接合面的一方或者双方形成即可。
接着，准备支撑体35。支撑体35可以是与支撑体30相同的材质。
如图6(A)所示，在支撑体35的上部形成牺牲层(sacrificial layer)40(图5：S203)。关于牺牲层40，最好选择能够选择如下蚀刻气体或者蚀刻液的材料，即在后述的工序中进行的牺牲层去除时与下部电极之间能够获得选择性的蚀刻气体或者蚀刻液。例如，可以将含有ZnO、Cu、W、Mo、Ni中的至少一种的材料作为牺牲层材料来使用。牺牲层40，最好根据材料的种类，通过EB蒸镀、溅射、CVD等来形成，并采用光刻技术来进行图案形成。
如图6(B)所示，在牺牲层40的上部形成规定厚度的下部电极20(图5：S204)。电极材料，最好根据所要求的设备的特性，采用含有W、Mo、Ni、Cu、Pt、Ru中的至少一种的材料。另外，最好根据电极材料的种类，采用EB蒸镀、溅射、CVD等来形成，并采用光刻技术进行图案形成。
如图6(C)所示，在支撑体35以及下部电极20的上部形成隔膜支撑层33(图5：S205)。隔膜支撑层33，最好以SiO2或者SiN等为材料，并采用溅射或CVD来形成。
如图6(D)所示，对隔膜支撑层33的表面通过CMP处理等进行研磨来进行平坦化直至下部电极段差消失为止(图5：S206)。
如图7(A)所示，采用净化接合技术在真空中对形成于压电单晶基板1的中间层32、和形成于支撑体35的隔膜支撑层33直接进行接合，生成复合压电体5(图5：S207)。
在第2实施方式涉及的压电设备的制造方法中，图7(B)所示的压电薄膜的分离工序、热处理工序、和压电薄膜的平坦化工序(步骤S208～S210)，与第1实施方式涉及的压电设备的制造方法的步骤S104～S106相同。因此，省略说明。
如图7(C)所示，在复合压电基板6中，在压电薄膜10的表面13上，形成上部电极60和衬垫电极61等的上表面电极图案(图5：S211)。与下部电极20同样地，最好根据所要求的设备的特性来选择电极材料。
接着，在形成了上部电极60的压电薄膜10的表面13形成抗蚀膜(未图示)(图5：S212)。然后，采用光刻技术，如图7(D)所示那样，在抗蚀膜中形成用于去除牺牲层的蚀刻窗71(图5：S213)。
接着，通过从蚀刻窗71导入蚀刻气体或者蚀刻液，从而将牺牲层40去除(图5：S214)。由此，与形成了单体的压电设备的下部电极20以及上部电极60的区域对应的形成了牺牲层40的空间，成为空隙层80。湿蚀刻液或者蚀刻气体，最好选择对隔膜支撑层33、上部电极60和下部电极20不会产生影响的液体或气体。
在进行牺牲层40的去除之后，进行抗蚀膜的去除(图5：S215)。
接着，如图8(B)所示，在衬垫电极61上形成凸点91(图5：S216)。然后，如图8(C)所示，将复合压电基板6切断来切出独立的压电设备7(图5：S217)。通过这样的制造工序，能够制造谐振特性良好的F-BAR型的压电设备。
另外，本发明的实施方式涉及的压电设备的制造方法，除了能够应用于F-BAR或表面波设备之外，还能够应用于各种压电设备。例如，还能够应用于压电振动电机、陀螺仪等。
符号说明
1...压电单晶基板 2、5...复合压电体 3、6...复合压电基板4、7...压电设备10...压电薄膜 20...下部电极 30、35...支撑体32...中间层 33...隔膜支撑层 40...牺牲层 50...IDT电极60...上部电极 80...空隙层 100...离子注入部分。

Claims (8)

1.一种压电设备，具备：形成了电极的压电薄膜、和对该压电薄膜进行支撑的支撑体，
在上述压电薄膜与上述支撑体之间，具备含有被氧化过的金属的中间层，
上述压电薄膜由压电单晶基板构成，
上述压电薄膜的导电率为1.0×10-13Ω-1·m-1至1.0×10-11Ω-1·m-1。
2.根据权利要求1所述的压电设备，其中，
上述被氧化过的金属，由Fe、Cr、Ni、Al、W、Cu中的至少一种元素构成。
3.根据权利要求1或2所述的压电设备，其中，
上述中间层的膜厚为2nm至25nm。
4.根据权利要求1或2所述的压电设备，其中，
上述压电薄膜，以钽酸锂或者铌酸锂为材料。
5.根据权利要求3所述的压电设备，其中，
上述压电薄膜，以钽酸锂或者铌酸锂为材料。
6.一种压电设备的制造方法，该压电设备是权利要求1～5中任一项所述的压电设备，
上述压电设备的制造方法包括：
离子注入工序，对压电基板注入离子化了的元素，并在该压电基板内形成对压电基板注入的元素的浓度成为峰值的部分；
中间层形成工序，在对上述压电基板进行支撑的支撑体或者上述压电基板的至少一方，形成含有金属的中间层；
接合工序，经由上述中间层对上述压电基板与上述支撑体进行接合；
分离工序，对上述压电基板进行加热，将对上述压电基板注入的元素的浓度成为峰值的部分作为分离面，对压电薄膜进行分离；和
热处理工序，对上述中间层进行加热来进行氧化。
7.根据权利要求6所述的压电设备的制造方法，其中，
在上述热处理工序中，以450℃～700℃进行加热。
8.根据权利要求6所述的压电设备的制造方法，其中，
在上述热处理工序中，在压电薄膜材料的居里温度以下进行加热。
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