JP2014197845A - 圧電デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜と支持体の間に接合のための中間層を設けても、共振特性が劣化することがない圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】水素イオンを注入して圧電単結晶基板内にイオン注入部分を形成Ｓ１０１した後に、圧電単結晶基板の裏面に金属製の中間層Ｓ１０２を形成する。そして、この中間層を介して圧電単結晶基板と支持体を接合するＳ１０３。イオン注入部分が形成された複合圧電体、または圧電単結晶基板を加熱分離Ｓ１０４した複合圧電基板を４５０℃乃至７００℃で加熱してＳ１０５、中間層の金属を酸化させて導電性を低下させる。これにより、金属の中間層を形成することで、圧電基板と支持体を確実に密着させることができ、また、中間層の金属を酸化させるので、中間層の導電性を低下させることができる。【選択図】図１
Description
この発明は、圧電単結晶の薄膜とこれを支持する支持体を備える圧電デバイスと、その製造方法に関するものである。
現在、圧電単結晶体を薄膜化してなる圧電デバイスが多く開発されている。このような圧電薄膜を用いた圧電デバイスでは、通常、圧電薄膜は支持体と接合されて支持体により支持されている。圧電薄膜と支持体を、実用的な強度で接合する方法としては、例えば、接合界面に金属の中間層を設けて接合する方法があった（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、圧電薄膜を用いた圧電デバイスでは、圧電薄膜と支持体との接合界面に金属の中間層が存在すると、この中間層が導電層となり、共振特性が劣化するという問題があった。
そこで、この発明は、圧電薄膜と支持体の間に接合のための中間層を設けても、共振特性が劣化することがない圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
この発明は、電極が形成された圧電薄膜と、該圧電薄膜を支持する支持体と、を備える圧電デバイスに関するものである。この圧電デバイスは、圧電薄膜と支持体との間に、酸化または窒化された金属を含む中間層を備え、圧電薄膜は圧電単結晶基板からなる。
この構成においては、圧電基板と支持体の間に、金属の中間層を形成することで、圧電基板と支持体を確実に密着させることができる。また、圧電基板と支持体を接合してから中間層の金属を酸化させることで、中間層の導電性が低くなり絶縁層となるので、共振特性の良い圧電デバイスを提供できる。
この発明においては、酸化または窒化された金属は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕの少なくとも１種類の元素から構成される。中間層の材料として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕの少なくとも１種類の元素を含んでいると、圧電薄膜と支持体を接合する際に密着性を高めることができる。また、これらの元素は、加熱すると十分酸化するので中間層が絶縁層となり、圧電単結晶基板における圧電性の劣化を防止できる。
この発明においては、中間層の膜厚が２ｎｍ乃至２５ｎｍである。中間層の膜厚を２ｎｍ未満にすると圧電基板と支持体は接合しない。また、中間層の膜厚が２５ｎｍを超えると、熱処理により中間層の金属を十分酸化または窒化した場合でも、中間層によって圧電単結晶基板の還元が進んで導電性が高くなるため、圧電デバイスの特性劣化が発生する。一方、中間層の膜厚を２ｎｍ乃至２５ｎｍにすると問題なく接合でき、圧電デバイスの共振特性は劣化しない。したがって、共振特性の良い圧電デバイスを提供できる。
この発明においては、圧電薄膜はタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムを材料としている。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムは酸素を含むので、中間層を加熱した際に中間層の金属の酸化を促進するので、中間層の導電性が低下して絶縁層となり、共振特性の良い圧電デバイスを提供できる。
この発明においては、圧電薄膜の導電率は、１．０×１０−１３Ω−１・ｍ−１乃至１．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１である。この構成においては、圧電薄膜の導電率を上記の値にすることで、プロセスでの焦電破壊を抑制しつつ、熱処理における酸化に寄与する圧電基板中の酸素原子を十分供給することができるので、中間層を確実に酸化させることができ、圧電デバイスの共振特性を良好にすることができる。
この発明によれば、金属を含む中間層を介して圧電薄膜と支持体を接合し、接合後に中間層の金属を酸化または窒化するので、中間層が導電層とならず、共振特性が劣化することがない圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。以下の説明では、圧電デバイスとして、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスを例に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図２、図３は、図１に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。
まず、所定の厚みの圧電単結晶基板１を用意する。この際、圧電単結晶基板１としては、裏面１２が鏡面研磨され、圧電デバイス単体が複数配列可能な基板を用いる。また、圧電単結晶基板１としては、脆性・劈開性が非常に強くまた難加工材でもあるＬｉＴａＯ３［タンタル酸リチウム］の単結晶基板（以下、ＬＴ基板と称する。）を用いた例を示す。
図２（Ａ）に示すように、圧電単結晶基板１の裏面１２側から水素イオン（Ｈ＋）を注入して、圧電単結晶基板１内にイオン注入部分１００を形成する（図１：Ｓ１０１）。
圧電単結晶基板１がＬＴ基板の場合、注入エネルギー１５０ｋｅＶ、ドーズ量（イオン注入密度）１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ２で水素イオンの注入を行うと、裏面１２から深さ約１μｍの位置に水素イオンが分布するイオン注入部分１００が形成される。このイオン注入部分１００は、圧電単結晶基板に注入されたイオン元素の濃度がピークになる部分である。なお、圧電単結晶基板１には、ＬＴ基板以外に、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチウム）基板、ＬＢＯ（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）基板、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）基板、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）基板等を用いても良く、それぞれの基板に応じた条件でイオン注入を行う。また、基板の種類に応じて、注入イオンをヘリウムイオンやアルゴンイオンなどに変更すると良い。
図２（Ｂ）に示すように、圧電単結晶基板１の接合面に、金属からなる中間層３２を形成する（図１：Ｓ１０２）。中間層３２の材料としては、接合の密着力を高め、かつ後述する熱処理工程により十分酸化され、圧電単結晶基板１の圧電性を劣化しないものが良い。このような特性を有する金属としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕがあり、中間層３２がこれらの元素の少なくとも１種類から構成されるように形成すると良い。中間層３２の膜厚は２ｎｍ〜２５ｎｍ以下にすると良い。これは、以下のような実験結果による。すなわち、次に行う接合工程で圧電単結晶基板１と支持体３０を接合する際に、中間層の膜厚を２ｎｍ未満にすると接合ができなかった。一方、中間層の膜厚を２ｎｍ乃至２５ｎｍにすると問題なく接合できた。また、後述の熱処理工程で中間層の金属を酸化または窒化して導電性を低下させるが、圧電単結晶基板が還元されて導電性が増加することがなく、ＳＡＷデバイスの共振特性は劣化しなかった。しかし、中間層の膜厚が２５ｎｍを超えると、熱処理により中間層の金属を十分酸化または窒化した場合でも、中間層によって圧電単結晶基板が還元されて導電性が増加し、ＳＡＷデバイスの共振特性の劣化が発生した。以上の実験結果より、中間層の膜厚は２ｎｍ〜２５ｎｍ以下が好適である。
中間層３２の形成は、スパッタ、ＥＢ蒸着、ＣＶＤ、またはイオンプレーティングにより行うと良い。または、後述の接合工程において清浄化接合を接合装置内で行う際に、接合装置の部品または中間層の金属材料をエッチングすることで中間層３２を形成しても良い。
次に、支持体３０を準備する。支持体３０の材料としては、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、アルミナ、水晶、石英、窒化アルミニウム等を用いる。これらの材料は、酸素または窒素を含むことから、後述の熱処理時に、中間層の酸化または窒化を促進することができる。後述する熱処理時において、線膨張係数差による基板の反りやクラックの発生を避けるためには、圧電単結晶材料と線膨張係数が近いＬＴ、ＬＮ、アルミナを支持体３０の材料に用いることが好ましい。また、支持体３０の接合面には、支持体に用いる材料に応じて、窒化ケイ素、酸化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム等の膜を形成しても良い。さらに、支持体の材料を選定することで、温度特性の良化、基板の放熱性改善を実現できる。なお、中間層３２は、圧電単結晶基板１の接合面と、支持体３０の接合面と、の一方または両方に形成すれば良い。
図２（Ｃ）に示すように、圧電単結晶基板１の裏面１２に形成した中間層３２と、支持体３０を、清浄化接合技術を用いて真空中で直接接合して、複合圧電体２を生成する（図１：Ｓ１０３）。清浄化接合とは、真空中でＡｒイオン等を照射して接合面を活性化させた状態で接合するものであり、加熱を必要としない接合方法である。このような接合方法では、親水化接合のように水素を抜くための加熱工程が不要であるため、圧電単結晶基板の圧電性劣化や、支持体と圧電単結晶基板との線膨脹差による応力発生が問題とならないので好ましい。
図３（Ａ）に示すように、複合圧電体２を２５０℃以上に加熱し、イオン注入部分１００を分離面とした分離を行う（図１：Ｓ１０４）。イオン注入部分１００は、圧電単結晶基板１の裏面１２から１μｍの深さに水素イオンが注入された層であり、基板表面に沿ってマイクロキャビティが発生し、加熱によりこのキャビティが成長する。これにより、圧電単結晶基板１から圧電薄膜１０が分離して、支持体３０、中間層３２及び圧電薄膜１０からなる複合圧電基板３と、圧電単結晶基板（ＬＴ基板）（不図示）となる。ＬＴ基板やＬＮ基板は、前記のように脆性・劈開性が非常に強くまた難加工材でもあるが、上記のような方法を用いることで、基板が破損することなく圧電薄膜を分離できる。
なお、この際、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることができる。
続いて、複合圧電基板３に熱処理を行って、圧電薄膜１０と支持体３０に含まれる酸素で、中間層３２の金属を酸化させて、中間層３２の絶縁性を高めることで、中間層３２を絶縁層にする（図１：Ｓ１０５）。
通常、圧電薄膜にＬＴ基板を用いる場合には、焦電性を抑制するためにＬＴ基板を還元して絶縁性を低くする。しかし、ＬＴ基板の還元を過剰に行った場合、圧電薄膜１０から中間層３２へ酸素が十分供給されないため、熱処理を行っても中間層３２は導電性を有したままとなり、ＳＡＷデバイスの特性を改善できない。そこで、圧電薄膜１０の導電性の調整が必要である。
図４は、（Ａ）が本発明の第１実施形態に係る圧電デバイスの導電率と比帯域の関係を示すグラフ、（Ｂ）が本発明の第１実施形態に係る圧電デバイスの熱処理温度と比帯域の関係を示すグラフである。
図４（Ａ）に示すように、圧電薄膜の導電率を５×１０−１４Ω−１・ｍ−１以下にした場合には、ＳＡＷデバイスの製造プロセスにおいてＩＤＴ電極の焦電破壊が発生し、共振特性が劣化した。一方、圧電薄膜の導電率を１．０×１０−１３〜１．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１にすると、プロセスでの焦電破壊を抑制しつつ、熱処理における酸化に寄与する圧電基板中の酸素原子を十分供給することができるので、ＳＡＷデバイスの特性を良好にすることができる。しかし、圧電薄膜の導電率を５．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１以上にすると、ＬＴ基板の導電性が高すぎるため、ＳＡＷ共振特性が劣化した。但し、圧電薄膜の導電率が５×１０−１１Ω−１・ｍ−１以上でも、支持体３０の表面におけるＬＴの導電率が１．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１以下であれば、支持体３０に含まれる酸素により中間層３２は十分酸化し、中間層の導電性による特性劣化は抑制された。したがって、圧電薄膜は、導電率が１．０×１０−１３Ω−１・ｍ−１〜１．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１であるものを使用するのが望ましい。
また、図４（Ｂ）に示すように、熱処理の温度を４５０℃未満にした場合には、イオン注入によるＨガスまたはＨｅガスが脱離しなかったり、イオン注入による圧電薄膜の結晶性ダメージの回復が完全に完了しなかったりするため、共振特性が改善しなかった。しかし、熱処理の温度を４５０℃以上にすると、中間層の金属が十分酸化または窒化されるため、共振特性が改善されて圧電基板単層のＳＡＷと同等になった。また、中間層３２にＷ、Ｃｕを含む場合には６５０℃以上で、中間層３２にＦｅ、Ａｌ、Ｎｉを含む場合には７００℃以上で、圧電薄膜１０への拡散が発生して、圧電薄膜１０の導電率が大きくなり共振特性が劣化した。そのため、熱処理は中間層３２に含まれる各材料が圧電薄膜１０内に拡散しない温度以下で行うことが好ましい。
また、熱処理を６２５℃以上で行うと、ＬＴ基板ではキュリー温度（６１０℃）を超えるため、分極が解消して圧電性の劣化が発生した。但し、熱処理温度が７００℃以下であれば、分極方向を揃える処理として熱処理を行いながら電圧を印加することで、圧電性を回復できた。しかし、熱処理温度が７００℃以上であれば、酸素を含む熱処理雰囲気の場合には、加熱による基板の酸化反応の制御が著しく困難になる。また、真空中や窒素を含む熱処理雰囲気の場合には、加熱による還元反応の制御が著しく困難になるため、ＳＡＷデバイスを安定して製造できない。したがって、熱処理温度は４５０℃〜７００℃とすることが好ましい。また、圧電薄膜の材料のキュリー温度以下で加熱すると、上記の分極方向を揃える処理等が不要なため、製造工程の増加を防止できる。したがって、圧電薄膜がＬＴ基板の場合には、熱処理温度を４５０℃〜６００℃とすることがより好ましい。熱処理は、圧電膜の酸化が進みすぎないようにするため窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中、または真空で行うのが好ましい。また、加熱時間は３時間以上とすることが好ましい。
なお、ステップＳ１０４において熱処理を行うことで、複合圧電基板３の圧電性回復のための基板加熱処理も同時に行うことができる。すなわち、イオン注入により結晶はひずみを受けるが、上記のように熱処理を行うことで、結晶のひずみが緩和され、また、イオン注入時にＬｉのサイトに置換された注入水素イオンが抜け、そのサイトにＬｉが復帰することで圧電性が回復する。
次に、このように分離形成した圧電薄膜１０の表面１３をＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization：化学機械研磨）処理等により研磨して表面粗さＲａが１ｎｍ以下となるように平坦化する（図１：Ｓ１０６）。これにより、圧電デバイスの共振特性を良化させることができる。
次に、図３（Ｂ）に示すように、圧電薄膜１０の表面１３上に、ＩＤＴ電極５０やパッド電極５１等の電極パターンを形成する（図１：Ｓ１０７）。電極材料は、要求されるデバイスの特性に合わせ選択すると良い。
次に、図３（Ｃ）に示すように、パッド電極５１上にバンプ９０を形成する（図１：Ｓ１０８）。そして、図３（Ｄ）に示すように、複合圧電基板３を切断して個別の圧電デバイス４を切り出す（図１：Ｓ１０９）。このような製造工程により、共振特性が良好なＳＡＷデバイスを製造できる。
なお、上記の圧電デバイスの製造工程において、熱処理工程は接合工程の後であれば、どの工程の後でも実施可能である。但し、ＩＤＴ電極の圧電膜やＩＤＴ保護膜への拡散などを避けるため、接合工程完了後から、ＩＤＴ電極の形成工程の前までに行うことが好ましい。また、熱処理工程は、分離工程と兼ねることがより好ましい。
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、フローチャート図に示す工程に沿って、圧電デバイスの製造過程の模式図を参照して説明する。以下の説明では、圧電デバイスとして、ＢＡＷ（bulk acoustic wave）デバイスの一種であるＦ−ＢＡＲ（film bulk acoustic resonator）型の圧電デバイスを例に説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図６，図７，図８は、図５に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。
第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法では、イオン注入部分の形成工程と中間層の形成工程（ステップＳ２０１〜Ｓ２０２）は、第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法のステップＳ１０１〜Ｓ１０２と同様であり、説明を省略する。
なお、中間層３２は、圧電単結晶基板１の接合面と、後述のメンブレン支持層３３の接合面と、の一方または両方に形成すれば良い。
次に、支持体３５を準備する。支持体３５は、支持体３０と同様の材質で良い。
図６（Ａ）に示すように、支持体３５の上部に犠牲層４０を形成する（図５：Ｓ２０３）。犠牲層４０には、後述の工程で行う犠牲層除去時に下部電極と選択性を得られるようなエッチングガスもしくはエッチング液を選択できる材料を選ぶと良い。例えば、ＺｎＯ・Ｃｕ・Ｗ・Ｍｏ・Ｎｉのうち少なくとも１つを含むものを犠牲層材料として用いると良い。犠牲層４０は、材料の種類に応じて、ＥＢ蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすると良い。
図６（Ｂ）に示すように、犠牲層４０の上部に所定の厚みの下部電極２０を形成する（図５：Ｓ２０４）。電極材料は、要求されるデバイスの特性に合わせて、Ｗ・Ｍｏ・Ｎｉ・Ｃｕ・Ｐｔ・Ｒｕのうち少なくとも１つを含む材料を用いると良い。また、電極材料の種類に応じて、ＥＢ蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いて形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすると良い。
図６（Ｃ）に示すように、支持体３５及び下部電極２０の上部にメンブレン支持層３３を形成する（図５：Ｓ２０５）。メンブレン支持層３３は、ＳｉＯ２、またはＳｉＮなどを材料として、スパッタリングやＣＶＤを用いて形成すると良い。
図６（Ｄ）に示すように、メンブレン支持層３３の表面を下部電極段差が無くなるまで、ＣＭＰ処理等により研磨して平坦化する（図５：Ｓ２０６）。
図７（Ａ）に示すように、圧電単結晶基板１に形成された中間層３２と、支持体３５に形成されたメンブレン支持層３３とを、清浄化接合技術を用いて真空中で直接接合して、複合圧電体５を生成する（図５：Ｓ２０７）。
第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法では、図７（Ｂ）に示す圧電薄膜の分離工程と、熱処理工程と、圧電薄膜の平坦化工程（ステップＳ２０８〜Ｓ２１０）は、第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法のステップＳ１０４〜Ｓ１０６と同様である。そのため、説明を省略する。
図７（Ｃ）に示すように、複合圧電基板６において、圧電薄膜１０の表面１３上に、上部電極６０やパッド電極６１等の上面電極パターンを形成する（図５：Ｓ２１１）。電極材料は下部電極２０と同様に、要求されるデバイスの特性に合わせ選択すると良い。
続いて、上部電極６０が形成された圧電薄膜１０の表面１３にレジスト膜（不図示）を形成する（図５：Ｓ２１２）。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、図７（Ｄ）に示すように、レジスト膜に、犠牲層を除去するためのエッチング窓７１を形成する（図５：Ｓ２１３）。
次に、エッチング窓７１からエッチングガスまたはエッチング液を導入することで、犠牲層４０を除去する（図５：Ｓ２１４）。これにより、単体の圧電デバイスの下部電極２０及び上部電極６０が形成される領域に対応する犠牲層４０が形成された空間は、空隙層８０となる。ウエットエッチング液またはエッチングガスは、メンブレン支持層３３や上部電極６０や下部電極２０に対して影響を与えないものを選択すると良い。
犠牲層４０の除去を行った後、レジスト膜の除去を行う（図５：Ｓ２１５）。
次に、図８（Ｃ）に示すように、パッド電極６１上にバンプ９１を形成する（図５：Ｓ２１６）。そして、図８（Ｄ）に示すように、複合圧電基板６を切断して個別の圧電デバイス７を切り出す（図５：Ｓ２１７）。このような製造工程により、共振特性が良好なＦ−ＢＡＲ型の圧電デバイスを製造できる。
なお、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法は、Ｆ−ＢＡＲや表面波デバイスの他にも、各種圧電デバイスに適用することが可能である。例えば、圧電振動モーター、ジャイロ等にも適用できる。
１…圧電単結晶基板 ２，５…複合圧電体 ３，６…複合圧電基板 ４，７…圧電デバイス １０…圧電薄膜 ２０…下部電極 ３０，３５…支持体 ３２…中間層 ３３…メンブレン支持層 ４０…犠牲層 ５０…ＩＤＴ電極 ６０…上部電極 ８０…空隙層 １００…イオン注入部分
Claims (5)
- 電極が形成された圧電薄膜と、該圧電薄膜を支持する支持体と、を備える圧電デバイスであって、
前記圧電薄膜と前記支持体との間に、酸化または窒化された金属を含む中間層を備え、前記圧電薄膜は圧電単結晶基板からなる圧電デバイス。 - 前記酸化または窒化された金属は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕの少なくとも１種類の元素から構成される請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記中間層は、膜厚が２ｎｍ乃至２５ｎｍである請求項１または２に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電薄膜は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムを材料とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記圧電薄膜の導電率は、１．０×１０−１３Ω−１・ｍ−１乃至１．０×１０−１１Ω−１・ｍ−１である請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイス。
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