DE112010002662B4 - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements, das einen piezoelektrischen Dünnfilm (10) und ein Stützelement (50), welches den piezoelektrischen Dünnfilm (10) stützt, enthält, umfassend:einen Ionenimplantationsschritt zum Ausbilden einer lonenimplantationsschicht (100) durch Implantieren von Ionen in ein piezoelektrisches Substrat (1),einen Opferschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Opferschicht (30) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) auf einer Seite der lonenimplantationsschicht (100),einen Stützelementausbildungsschritt zum Ausbilden des Stützelements (50) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) auf der Seite der lonenimplantationsschicht (100),einen Abschälschritt zum Ausbilden des piezoelektrischen Dünnfilms (10) durch Abschälen von dem piezoelektrischen Substrat (1), in dem die lonenimplantationsschicht (100) ausgebildet ist, undeinen Opferschichtentfernungsschritt zum Entfernen der Opferschicht (30).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements, das mit einem Dünnfilm eines piezoelektrischen Einkristalls arbeitet, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements mit einer Membranstruktur.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Es sind zahlreiche piezoelektrische Bauelemente entwickelt worden, die jeweils aus einem Dünnfilm einer piezoelektrischen einkristallinen Substanz bestehen. Bei einem piezoelektrischen Bauelement, das unter Verwendung eines piezoelektrischen Dünnfilms, wie oben beschrieben, hergestellt wird, ist in der Praxis ein Stützelement nötig, das den piezoelektrischen Dünnfilm stützt. Außerdem ist das Stützelement, wie oben beschrieben, auf einer einzelnen Hauptfläche des piezoelektrischen Dünnfilms angeordnet, wie in der JP 2007-228319 A und der JP 2002-534886 A offenbart ist. In dem oben beschriebenen Fall gibt es als die Anordnungsstruktur des Stützelements die Struktur, bei der das Stützelement auf einer ungefähr gesamten Region einer einzelnen Hauptfläche angeordnet ist, und die Struktur, bei der das Stützelement nicht nur in einer Region angeordnet ist, die als das piezoelektrische Bauelement fungiert, sondern nur in einer Region angeordnet ist, die nicht als das piezoelektrische Bauelement fungiert. Die Struktur, bei der das Stützelement nur in einer Region angeordnet ist, die nicht als das piezoelektrische Bauelement fungiert, ist eine sogenannte Membranstruktur.
  • Als ein Verfahren zum Herstellen dieser Membranstruktur ist in der Vergangenheit ein Verfahren verwendet worden, bei dem ein in einer als piezoelektrisches Bauelement fungierenden Region angeordnetes Stützelement, nachdem es an die gesamte Hauptfläche einer piezoelektrischen Substanz gebondet wurde, nur durch Ätzen oder dergleichen entfernt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Bei dem Verfahren, das durch den Materialabtrag, wie oben beschrieben, durchgeführt wird, ist es nicht leicht, das Stützelement nur in einer notwendigen Region vollständig zu entfernen, ohne die piezoelektrische Substanz in Mitleidenschaft zu ziehen. Aus diesem Grund hat die Anmelderin, wie in der JP 2010-109949 A offenbart, ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem, nachdem ein Aussparungsabschnitt in einem Stützelement ausgebildet und ein leicht entfernbares Opferschichtmaterial in den Aussparungsabschnitt eingefüllt wurde, das Stützelement so an eine piezoelektrische Substanz gebondet wird, dass das Opferschichtmaterial einem Funktionsabschnitt der piezoelektrischen Substanz zugewandt ist, und das Opferschichtmaterial nach dem Bonden entfernt wird. Durch das oben beschriebene Verfahren kann eine hohle Membranstruktur einfacher realisiert werden, als es in der Vergangenheit möglich war.
  • Weil aber das Stützelement und die piezoelektrische Substanz mit einem hohen Druck zueinander geschoben werden, um eine ausreichende Festigkeit der Bondung zu erreichen, wirkt bei dem oben beschriebenen Verfahren, wenn die Bondungsebene des Stützelements, in die das Opferschichtmaterial eingefüllt wird, vor dem Ausführen der Bondung nicht hinreichend geglättet wurde, eine starke Belastung mit voller Kraft direkt von einem Vorsprungabschnitt des Stützelements in dieser Bondung auf die Oberfläche der piezoelektrischen Substanz ein, und es kommt zur Zerstörung der Kristallstruktur der piezoelektrischen Substanz. Folglich ist es nicht gänzlich auszuschließen, dass die Funktion des piezoelektrischen Bauelements beeinträchtigt wird.
  • Darum ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise eine Membranstruktur ausgebildet werden kann und mit dem außerdem zuverlässig die Zerstörung der Kristallstruktur in einem Funktionsabschnitt des piezoelektrischen Bauelements verhindert werden kann.
  • Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements, das einen piezoelektrischen Dünnfilm und ein Stützelement, das den piezoelektrischen Dünnfilm stützt, enthält. Dieses Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements enthält mindestens einen Ionenimplantationsschritt, einen Opferschichtausbildungsschritt, einen Stützelementausbildungsschritt, einen Abschälschritt und einen Opferschichtentfernu ngssch ritt.
  • Der Ionenimplantationsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden einer lonenimplantationsschicht durch Implantieren von Ionen in einem piezoelektrischen Substrat. Der Opferschichtausbildungsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden einer Opferschicht auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf einer Seite der lonenimplantationsschicht zum Beispiel durch Vakuumfilmausbildung. Der Stützelementausbildungsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden eines Stützelements auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf der Seite der lonenimplantationsschicht. Der Abschälschritt ist ein Schritt zum Ausbilden eines piezoelektrischen Dünnfilms durch Abschälen von dem piezoelektrischen Substrat, in dem die lonenimplantationsschicht ausgebildet ist. Der Opferschichtentfernungsschritt ist ein Schritt zum Entfernen der Opferschicht.
  • In dem Herstellungsverfahren, wie oben beschrieben, wird die Opferschicht direkt durch Vakuumfilmausbildung auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf einer Seite ausgebildet, die der piezoelektrische Dünnfilm werden soll. Da kein Arbeitsschritt ausgeführt wird, bei dem eine Region, die als ein Funktionsabschnitt des piezoelektrischen Substrats verwendet wird, und die Opferschicht miteinander verbondet werden, bedeutet dies, dass es im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Fall zu keiner Zerstörung der Kristallstruktur des Funktionsabschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms kommt.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung der Stützelementausbildungsschritt nach dem Opferschichtausbildungsschritt ausgeführt. Außerdem enthält der Stützelementausbildungsschritt einen Stützschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Stützschicht, um die Opferschicht zu bedecken, und einen Stütz-Basismaterial-Bondungsschritt zum Bonden eines Stütz-Basismaterials an die Stützschicht.
  • Dieses Herstellungsverfahren weist insbesondere die Schritte zum Ausbilden einer Opferschicht und eines Stützelements, wie oben beschrieben, auf. Nachdem die Opferschicht wie oben beschrieben ausgebildet ist und die Stützschicht so ausgebildet ist, dass die Opferschicht bedeckt ist, kann des Weiteren das Stütz-Basismaterial dergestalt aufgebracht werden, dass es nur an die Stützschicht gebondet wird. Somit kann auf einfache Weise ein Bondungsschritt ausgeführt werden. Da des Weiteren das Bonden ohne eine Planarisierungsbehandlung, die später noch beschrieben wird, an die Position der Opferschicht ausgeführt werden kann, können, wenn die Opferschicht stabil ausgebildet werden kann, Schwankungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements verhindert werden. Das bedeutet, dass die Anzahl der Herstellungsfaktoren, die Schwankungen der Eigenschaften verursachen, verringert werden, kann und somit können Schwankungen der Eigenschaften auf einfache Weise verhindert werden.
  • Außerdem enthält bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung der Stützelementausbildungsschritt vor dem Opferschichtausbildungsschritt einen Stützschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Stützschicht in einer anderen Region als der Region, in der die Opferschicht ausgebildet werden soll, und nach dem Opferschichtausbildungsschritt einen Stütz-Basismaterial-Bondungsschritt zum Bonden eines Stütz-Basismaterials an die Opferschicht und die Stützschicht.
  • Dieses Herstellungsverfahren weist des Weiteren insbesondere die Schritte zum Herstellen einer Opferschicht und eines Stützelements, wie oben beschrieben, auf. In dem Fall, in dem nach dem Ausbilden der Stützschicht in einer solchen Weise, dass sie in einer teilweisen Ausschlussregion, wie oben beschrieben, nicht vorhanden ist, die Opferschicht ausgebildet und anschließend das Stütz-Basismaterial angebondet wird, kann darüber hinaus, wenn die Oberfläche der Stützschicht als eine Bondungsebene verwendet wird, eine hohle Form einer Membran stabil ausgebildet werden. Dementsprechend können die Schwankungen der Eigenschaften, die durch die Ausbildung der Membran verursacht werden, auf einfache Weise verhindert werden.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ein Planarisierungsschritt zum Planarisieren der Oberfläche der Stützschicht auf einer Seite des Stütz-Basismaterials ausgeführt.
  • Da bei diesem Herstellungsverfahren die Stützschicht nach dem Planarisieren angebondet wird, wird die Festigkeit der Bondung zwischen der Stützschicht und dem Stütz-Basismaterial verbessert, so dass ein überaus zuverlässiges piezoelektrisches Bauelement hergestellt werden kann.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung die Opferschicht aus einem Material gebildet, das sich im Vergleich zu dem Material des piezoelektrischen Substrats und des Stützelements auf einfache Weise entfernen lässt.
  • Bei diesem Herstellungsverfahren kann ein negativer Einfluss auf das Stützelement und das piezoelektrische Substrat verringert werden, obgleich die Opferschicht in einem Raum zwischen dem Stützelement und dem piezoelektrischen Substrat so ausgebildet wird, dass sie das Stützelement und das piezoelektrische Substrat berührt, und die Opferschicht kann allein auf einfache und zuverlässige Weise entfernt werden.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ein Elektrodenausbildungsschritt zum Ausbilden einer Elektrode zum Fungieren als ein Bauelement auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf der Seite der lonenimplantationsschicht zwischen dem Ionenimplantationsschritt und dem Opferschichtausbildungsschritt ausgeführt.
  • Bei diesem Herstellungsverfahren wird der Fall beschrieben, bei dem die obigen Ausbildungsschritte auf ein piezoelektrisches Bauelement mit einer Elektrode auf einer hohlen Seite der Membran angewendet werden, und selbst bei einem piezoelektrischen Bauelement mit der oben beschriebenen Struktur kann verhindert werden, dass eine mechanische Belastung während der Herstellung auf einen piezoelektrischen Film einwirkt.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung die Opferschicht aus einem Material gebildet, das im Vergleich zu dem Material des piezoelektrischen Substrats, des Stützelements und der Elektrode, die als ein Bauelement fungieren soll, auf einfache Weise entfernt werden kann.
  • Obgleich bei diesem Herstellungsverfahren die Opferschicht in einem Raum zwischen dem Stützelement und dem piezoelektrischen Substrat dergestalt ausgebildet wird, dass sie das Stützelement, das piezoelektrische Substrat und die Elektrode, die als ein Bauelement fungieren soll, berührt, kann ein negativer Einfluss auf das Stützelement, das piezoelektrische Substrat und die als Bauelement fungierende Elektrode verringert werden, und die Opferschicht kann allein auf einfache und zuverlässige Weise entfernt werden.
  • Außerdem wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verstärkungsschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf der Seite der lonenimplantationsschicht zwischen dem Ionenimplantationsschritt und dem Opferschichtausbildungsschritt ausgeführt.
  • Bei diesem Herstellungsverfahren wird der Fall beschrieben, bei dem die obigen Ausbildungsschritte auf ein piezoelektrisches Bauelement mit einer piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht auf einer hohle Seite der Membran angewendet werden, und selbst bei einem piezoelektrischen Bauelement mit der oben beschriebenen Struktur kann verhindert werden, dass während der Herstellung eine mechanische Belastung auf einen piezoelektrischen Film einwirkt. Weil die piezoelektrische Dünnfilmverstärkungsschicht verwendet wird, kann des Weiteren bei einer Wärmebehandlung und dergleichen während des Herstellungsprozesses verhindert werden, dass das Material der Opferschicht in den piezoelektrischen Dünnfilm diffundiert.
  • Außerdem wird bei diesem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung die Opferschicht aus einem Material gebildet, das sich im Vergleich zu dem Material der piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht auf einfache Weise entfernen lässt.
  • Obgleich bei diesem Herstellungsverfahren die Opferschicht in einem Raum zwischen dem Stützelement und der piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht dergestalt ausgebildet wird, dass sie das Stützelement und die piezoelektrische Dünnfilmverstärkungsschicht berührt, kann ein negativer Einfluss auf das Stützelement und die piezoelektrische Dünnfilmverstärkungsschicht verringert werden, und die Opferschicht kann allein auf einfache und zuverlässige Weise entfernt werden.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn ein piezoelektrisches Bauelement mit einer Membranstruktur hergestellt wird, die Entstehung einer mechanischen Belastung, die örtlich auf einen Funktionsabschnitt des piezoelektrischen Bauelements wirkt, zuverlässig durch ein einfaches Verfahren verhindert werden.
  • Dementsprechend kann die Zerstörung der Kristallstruktur in dem Funktionsabschnitt verhindert werden, und eine Verschlechterung der Eigenschaften des mittels dieses Herstellungsverfahrens gefertigten piezoelektrischen Bauelements kann verhindert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 enthält schematische Ansichten, die jeweils einen Schritt zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in 1 dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
    • 3 enthält schematische Ansichten, die jeweils einen Schritt zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in 1 dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
    • 4 enthält schematische Ansichten, die jeweils einen Schritt zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in 1 dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 6 enthält schematische Ansichten, die lediglich kennzeichnende Schritte zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in 5 dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird als das piezoelektrische Bauelement ein piezoelektrisches Dünnfilm-Bauelement für F-BAR, das mit einem piezoelektrischen Dünnfilm arbeitet, beispielhaft beschrieben.
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • 2 bis 4 enthalten schematische Ansichten, die jeweils einen Schritt zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in 1 dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
  • Es wird ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1 mit einer vorgegebenen Dicke hergestellt, und es wird, wie in 2(A) gezeigt, eine lonenimplantationsschicht 100 durch Implantieren von Wasserstoffionen von einer Rückseite 12 her gebildet ( 1: S101). In diesem Schritt wird als das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 ein Substrat in einem Mehrfachzustand verwendet, bei dem mehrere piezoelektrische Dünnfilm-Bauelemente angeordnet sind. Des Weiteren wird zum Beispiel, wenn ein LT-Substrat als das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 verwendet wird, durch Implantieren von Wasserstoffionen mit einer Dosierung von 1,0 × 1017 Atomen/cm2 und einer Beschleunigungsenergie von 150 KeV eine Wasserstoffionenschicht in einer Tiefe von ungefähr 1 µm von dem Rückseite 12 gebildet, so dass eine lonenimplantationsschicht 100 entsteht. Außerdem können als das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 neben dem LT-Substrat auch ein LN-Substrat, ein LBO (Li2B4O7)-Substrat, ein Langasit (La3Ga5SiO14)-Substrat, ein KN (KNbO3)-Substrat und ein KLN (K3Li2Nb5O15)-Substrat verwendet werden, und eine Ionenimplantation wird unter Bedingungen entsprechend jedem Substrat ausgeführt.
  • Als Nächstes werden, wie in 2(B) gezeigt, eine untere Elektrode 20 und eine (nicht gezeigte) Leitungselektrode zum Ansteuern als das F-BAR-Bauelement unter Verwendung von Aluminium (AI) oder dergleichen auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 auf eine vorgegebene Dicke ausgebildet (1: S102). Außerdem können für die untere Elektrode 20 neben AI auch Einzelelemente, wie zum Beispiel W, Mo, Ta, Hf, Cu, Pt und Ti, allein oder in Kombination entsprechend der Spezifikation des Bauelements verwendet werden, und Cu kann ebenfalls für die Leitungselektrode verwendet werden.
  • Als Nächstes wird, wie in 2(C) gezeigt, eine Opferschicht 30 auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 auf einer Seite der lonenimplantationsschicht 100 ausgebildet (1: S103). Die Opferschicht 30 wird aus einem Material hergestellt, das durch Auswählen eines Ätzgases oder einer Ätzlösung mit einer Ätzrate geätzt werden kann, die sich von der Ätzrate der unteren Elektrode 20 unterscheidet; dieses Material lässt sich im Vergleich zu dem Material der unteren Elektrode 20 leicht ätzen. Außerdem wird die Opferschicht 30 aus einem Material hergestellt, das sich im Vergleich zu dem Material einer Stützschicht 40, die weiter unten noch beschrieben wird, und dem Material des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 leicht ätzen lässt. Des Weiteren wird die Opferschicht 30 besonders bevorzugt aus einem Material hergestellt, das sich durch einen exzellenten Elektromigrationswiderstand auszeichnet. Insbesondere wird das Material der Opferschicht 30 entsprechend den Bedingungen zweckmäßigerweise zum Beispiel aus der Gruppe bestehend aus Metallen, wie zum Beispiel Ni, Cu und AI, Isolierfilmen aus SiO2, ZnO und Phosphosilikatglas (PSG) sowie organischen Filmen ausgewählt. Die Opferschicht 30 wird durch Laminierung mittels Vakuumabscheidung, Sputtern, CVD oder dergleichen gebildet, oder wird durch Rotationsbeschichtung oder dergleichen gebildet, und wird in einer vorgegebenen Region gebildet, die mindestens einen Funktionsabschnitt als das F-BAR-Bauelement, das heißt die untere Elektrode 20, enthält.
  • Als Nächstes wird, wie in 2(D) gezeigt, die Stützschicht 40 auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1, auf der die Opferschicht 30 gebildet wird, gebildet (1: S104). Die Stützschicht 40 wird aus einem Isoliermaterial hergestellt, und als dieses Isoliermaterial ist ein Material bevorzugt, das eine anorganische Substanz enthält, wie zum Beispiel ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid, ein Aluminiumoxid oder PSG, oder eine organische Substanz enthält, wie zum Beispiel ein Harz, und das eine hohe Beständigkeit gegen ein Ätzgas und eine Ätzlösung aufweist, die zum Entfernen der Opferschicht 30 verwendet wird. Außerdem wird das Material der Stützschicht 40 bevorzugt unter Berücksichtigung des Linearausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und der Opferschicht 30 ausgewählt. Die Stützschicht 40 wird ebenfalls durch Laminierung mittels Vakuumabscheidung, Sputtern, CVD oder dergleichen gebildet, oder wird durch Rotationsbeschichtung oder dergleichen gebildet, und wird auf der gesamten Rückseite 12 auf eine vorgegebene Dicke ausgebildet.
  • Als Nächstes wird, wie in 2(E) gezeigt, eine Planarisierungsbehandlung, wie zum Beispiel CMP, auf der Oberfläche der Stützschicht 40 (1: S105) ausgeführt. Da die Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements nicht beeinträchtigt werden, solange die Opferschicht 30 nicht frei liegt, ist es bei diesem Schritt, wie in 2(E) gezeigt, nicht notwendig, ein unbedingt einzuhaltendes Polierergebnis zu erreichen, und der Polieraufwand kann entsprechend festgelegt werden. Dementsprechend kann die Anzahl der einschränkenden Bedingungen des Polierschrittes verringert werden, und somit kann der Polierschritt auf einfache Weise ausgeführt werden. Außerdem kann eine Beeinträchtigung der Eigenschaften infolge dieses Polierens verhindert werden.
  • Als Nächstes werden, wie in 3(A) gezeigt, die Stützschicht 40 und ein Stütz-Basismaterial 50 aneinander gebondet (1: S106). Ein Abschnitt, der aus der Stützschicht 40 und dem Stütz-Basismaterial 50 besteht, entspricht einem „Stützelement“ gemäß der vorliegenden Erfindung. Als das Stütz-Basismaterial 50 kann zum Beispiel Si oder ein Keramikwerkstoff, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Glas, verwendet werden. Außerdem wird für dieses Bonden bevorzugt eine direkte Bondung durch aktiviertes Bonden verwendet. Aktiviertes Bonden ist ein Bondungsverfahren, bei dem das Bonden unter Verwendung einer Bondungsebene in einem aktivierten Zustand durch Bestrahlen mit Ar-Ionen in einem Vakuum ausgeführt wird; dieses Verfahren erfordert kein Erwärmen. Durch dieses Verfahren können eine Verschlechterung der Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements infolge von Erwärmung sowie das Entstehen mechanischer Belastungen durch unterschiedliche Linearausdehnungskoeffizienten zwischen der Stützschicht 40 und dem Stütz-Basismaterial 50 verhindert werden, da im Gegensatz zu dem Fall der hydrophilen Bondung eine Wärmebehandlung zum Eliminieren von Wasserstoff nach dem Bonden nicht erforderlich ist.
  • Als Nächstes wird, wie in 3(B) gezeigt, das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 erwärmt, so dass ein Abschälen ausgeführt wird, wobei die lonenimplantationsschicht 100 als eine abgelöste Ebene verwendet wird (1: S107). Dementsprechend wird ein piezoelektrischer Dünnfilm 10 gebildet, der durch das Stützelement gestützt wird, das die Opferschicht 30 enthält. In diesem Schritt kann die Erwärmungstemperatur gesenkt werden, wenn das Erwärmen in einer druckverminderten Atmosphäre ausgeführt wird. Anschließend wird eine Oberfläche 13 des piezoelektrischen Dünnfilms 10, der durch Abschälen, wie oben beschrieben, gebildet wurde, zum Beispiel durch eine CMP-Behandlung zum Planarisieren poliert.
  • Als Nächstes wird, wie in 3(C) gezeigt, eine obere Elektrodenstruktur, die eine obere Elektrode 60 und Bondinseln 61 zum Ansteuern als das F-BAR-Bauelement enthält, auf der Oberfläche 13 des piezoelektrischen Dünnfilms 10 ausgebildet (1: S108).
  • Als Nächstes werden, wie in 3(D) gezeigt, Ätzfenster 71 zum Entfernen der Opferschicht 30 in der Oberfläche 13 des piezoelektrischen Dünnfilms 10, auf der eine obere Elektrodenstruktur ausgebildet ist, ausgebildet (1: S109). Als Nächstes wird die Opferschicht 30 durch Einleiten eines Ätzgases oder einer Ätzlösung durch die Ätzfenster 71 entfernt. Dementsprechend wird ein Raum, in dem die Opferschicht 30 ausgebildet ist und der einer Region entspricht, in der die untere Elektrode 20 und die obere Elektrode 60 des piezoelektrischen Bauelements ausgebildet sind, zu einer Verarmungsschicht 80, wie in 4(A) gezeigt (1: S110).
  • Als Nächstes werden, wie in 4(B) gezeigt, zum Beispiel Bondhöcker 62 auf den Bondinseln 61 ausgebildet, so dass eine fertige Oberflächen-Elektrodenstruktur entsteht (1: S111). Wie oben beschrieben, wird das piezoelektrische Bauelement gebildet.
  • Da die Opferschicht 30 und die Stützschicht 40 direkt auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 ausgebildet werden, können bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren die Opferschicht 30 und die Stützschicht 40 auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 ohne Einsatz eines Bondungsschritts angeordnet werden.
  • Da der Membranabschnitt, der als der piezoelektrische Funktionsabschnitt verwendet wird, durch die Opferschicht geschützt wird, kommt es selbst dann, wenn, wie in der Vergangenheit, nach einer Planarisierungsbehandlung der Bondungsebene des Stützelements Unregelmäßigkeiten vorhanden sind, zu keiner Zerstörung der piezoelektrischen Kristallstruktur infolge einer örtlichen und starken mechanischen Belastung durch einen Vorsprungabschnitt des Stützelements. Folglich kann eine Verschlechterung der Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements, das mittels des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt wird, verhindert werden.
  • Da, wie oben beschrieben, ein Verfahren verwendet wird, bei dem die Stützschicht 40 so ausgebildet wird, dass die Opferschicht 30 bedeckt ist, und die Stützschicht 40 nach dem Polieren an das Stütz-Basismaterial 50 gebondet wird, kann darüber hinaus eine hohle Region der Membran, die aus der Verarmungsschicht 80 gebildet wird, gleichmäßig ausgebildet werden, wenn die Ausbildungsgenauigkeit der Opferschicht 30 verbessert wird, und infolge dessen können Schwankungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements auf einfache Weise verhindert werden.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Dünnfilm-Bauelements gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • 6 enthält schematische Ansichten, die nur kennzeichnende Schritte zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements zeigen, das mittels des in dieser Ausführungsform dargestellten Produktionsablaufs hergestellt wird.
  • Da die Unterschiede zwischen dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß dieser Ausführungsform und dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements in den Schritten zum Ausbilden der Opferschicht 30 und der Stützschicht 40 sowie in dem Schritt zum Bonden des Stütz-Basismaterials 50 liegen, werden nur die in 5 gezeigten Schritte S203 bis S206, die den obigen Schritten entsprechen, beschrieben. Da S201, S202 und S207 bis S211 jeweils die gleichen sind wie S101, S102 und S107 bis S111, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
  • Auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1, auf dem die untere Elektrode 20 und die (nicht gezeigte) Leitungselektrode ausgebildet werden, wie in 6(A) gezeigt, wird die Stützschicht 40 gebildet (5: S203). In diesem Schritt wird die Stützschicht 40 in einer anderen Region als der Region gebildet, in der die Opferschicht 30 im folgenden Schritt ausgebildet werden soll. Des Weiteren wird die Höhe der Stützschicht 40 entsprechend der Tiefe der Verarmungsschicht 80, die eine hohle Region der Membran bildet, bestimmt. Des Weiteren sind ein Material der Stützschicht 40 und ein Herstellungsverfahren dafür die gleichen wie in der ersten Ausführungsform.
  • Als Nächstes wird, wie in 6(B) gezeigt, die Opferschicht 30 so gebildet, dass sie die Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und die Oberfläche der Stützschicht 40 bedeckt (5: S204). Ein Material der Opferschicht 30 und ein Herstellungsverfahren dafür sind ebenfalls die gleichen wie in der ersten Ausführungsform.
  • Als Nächstes wird, wie in 6(C) gezeigt, die Opferschicht 30 entfernt, bis die Oberfläche der Stützschicht 40 frei liegt (5: S205). Zum Entfernen der Opferschicht 30 kann nach Zweckmäßigkeit jedes Verfahren verwendet werden, das in der Lage ist, lediglich die Opferschicht 30 zu entfernen, ohne die Stützschicht 40 zu entfernen, wie zum Beispiel Ätzen oder Polieren.
  • Als Nächstes werden, wie in 6(D) gezeigt, die Oberfläche der Stützschicht 40 und das Stütz-Basismaterial 50 miteinander verbondet. Dieses Bondungsverfahren ist ebenfalls das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform (5: S206).
  • Mittels des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens kann die Verarmungsschicht 80, die zu der Membran wird, zu einer stabilen Form ausgebildet werden. Dementsprechend können Schwankungen der Eigenschaften infolge der Ausbildung der Membran auf einfache Weise verhindert werden.
  • Obgleich in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Schritte zum Ausbilden der Opferschicht 30 und der Stützschicht 40 direkt auf der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1, auf der die untere Elektrode 20 ausgebildet wird, und ihre Strukturen beschrieben werden, kann eine Dünnfilmverstärkungsschicht auch zwischen der Rückseite 12 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und der unteren Elektrode 20 und der Opferschicht 30 und der Stützschicht 40 angeordnet werden. In diesem Schritt kann ein Isoliermaterial, wie zum Beispiel SiN, SiO2, DLC oder Ta2O5, als die Dünnfilmverstärkungsschicht verwendet werden. Obgleich die Dünnfilmverstärkungsschicht in der oben beschriebenen Weise, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen, angeordnet ist, ist es möglich, die Schritte des direkten Ausbildens der Opferschicht 30 und der Stützschicht 40 ohne Bondung auszuführen. Des Weiteren kann mit Hilfe der Dünnfilmverstärkungsschicht verhindert werden, dass die Opferschicht 30 durch eine Wärmebehandlung und dergleichen während des Herstellungsprozesses in das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 diffundiert, und folglich kann eine Verschlechterung der Eigenschaften des piezoelektrischen Bauelements verhindert werden. Außerdem kann in diesem Fall noch eine weitere Dünnfilmverstärkungsschicht auf einer Seite der Oberfläche 13 des piezoelektrischen Dünnfilms 10 angeordnet werden, und durch diese Dünnfilmverstärkungsschichten kann die Festigkeit der Membran entsprechend erhöht werden; infolge dessen kann eine mechanische Belastung, die durch unnötige mechanische Spannungen oder dergleichen verursacht wird, verhindert werden.
  • Des Weiteren ist in den obigen Ausführungsformen zwar das piezoelektrische Bauelement für F-BAR beispielhaft beschrieben, aber das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch auf andere piezoelektrische Bauelemente angewendet werden. Insbesondere eignet sich das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Lambwellen-Bauelement und ein Plattenwellen-Bauelement, bei denen die Oberflächenrauhigkeit, die Gleichmäßigkeit der Dicke, die Piezoelektrizität und die Kristallinität der Membran enormen Einfluss auf die Frequenzeigenschaften haben. Darüber hinaus eignet sich das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch für verschiedene Bauelemente, wie zum Beispiel einen pyroelektrischen Sensor, ein Gyroskop, einen HF-Schalter, einen Magnetsensor und ein oszillierendes Stromerzeugungselement, die jeweils aus einem piezoelektrischen Einkristall-Dünnfilm bestehen und die jeweils eine Membran aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    piezoelektrisches Einkristallsubstrat
    10
    piezoelektrischer Dünnfilm
    12
    Rückseite des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1
    13
    Oberfläche des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1
    20
    untere Elektrode
    30
    Opferschicht
    40
    Stützschicht
    50
    Stützelement
    60
    obere Elektrode
    61
    Bondinsel
    71
    Ätzfenster
    80
    Verarmungsschicht
    90
    Bondhöcker
    100
    lonenimplantationsschicht

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements, das einen piezoelektrischen Dünnfilm (10) und ein Stützelement (50), welches den piezoelektrischen Dünnfilm (10) stützt, enthält, umfassend: einen Ionenimplantationsschritt zum Ausbilden einer lonenimplantationsschicht (100) durch Implantieren von Ionen in ein piezoelektrisches Substrat (1), einen Opferschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Opferschicht (30) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) auf einer Seite der lonenimplantationsschicht (100), einen Stützelementausbildungsschritt zum Ausbilden des Stützelements (50) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) auf der Seite der lonenimplantationsschicht (100), einen Abschälschritt zum Ausbilden des piezoelektrischen Dünnfilms (10) durch Abschälen von dem piezoelektrischen Substrat (1), in dem die lonenimplantationsschicht (100) ausgebildet ist, und einen Opferschichtentfernungsschritt zum Entfernen der Opferschicht (30).
  2. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß Anspruch 1, wobei der Stützelementausbildungsschritt nach dem Opferschichtausbildungsschritt ausgeführt wird und enthält: einen Stützschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Stützschicht (40), um die Opferschicht (30) zu bedecken, und einen Stütz-Basismaterial-Bondungsschritt zum Bonden eines Stütz-Basismaterials an die Stützschicht (40).
  3. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß Anspruch 1, wobei der Stützelementausbildungsschritt enthält: vor dem Opferschichtausbildungsschritt einen Stützschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer Stützschicht (40) in einer anderen Region als der Region, in der die Opferschicht (30) ausgebildet werden soll, und nach dem Opferschichtausbildungsschritt einen Stütz-Basismaterial-Bondungsschritt zum Bonden eines Stütz-Basismaterials an die Opferschicht (30) und die Stützschicht (40).
  4. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend einen Planarisierungsschritt zum Ausführen einer Planarisierungsbehandlung auf der Oberfläche der Stützschicht (40) auf einer Seite des Stütz-Basismaterials.
  5. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Opferschicht (30) ein Material enthält, das sich im Vergleich zu den Materialien des piezoelektrischen Substrats (1) und des Stützelements auf einfache Weise entfernen lässt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend zwischen dem Ionenimplantationsschritt und dem Opferschichtausbildungsschritt einen Elektrodenausbildungsschritt zum Ausbilden einer Elektrode (20), die als ein Bauelement fungieren soll, auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) auf der Seite der lonenimplantationsschicht (100).
  7. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß Anspruch 6, wobei die Opferschicht (30) ein Material enthält, das sich im Vergleich zu den Materialien des piezoelektrischen Substrats (1), des Stützelements (50) und der Elektrode (20), die als ein Bauelement fungieren soll, auf einfache Weise entfernen lässt.
  8. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend zwischen dem Ionenimplantationsschritt und dem Opferschichtausbildungsschritt einen Verstärkungsschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auf der Seite der lonenimplantationsschicht (100).
  9. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß Anspruch 8, wobei die Opferschicht (30) ein Material enthält, das sich im Vergleich zu dem Material der piezoelektrischen Dünnfilmverstärkungsschicht auf einfache Weise entfernen lässt.
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