JP2023148096A - 圧電膜集積デバイス、その製造方法、及び音響振動センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】同一基板上に2種類以上の単結晶圧電膜を設けることで圧電膜集積デバイスの性能を向上させる。【解決手段】圧電膜集積デバイス(100)は、基板(33)と、基板(33)上に設けられた電極(34)と、第1の単結晶圧電膜(25又は15)とこれに重なる第1の電極膜(26又は16)とを有し、電極(34)上に設けられた第1の圧電素子と、第2の単結晶圧電膜(15又は25)とこれに重なる第2の電極膜(16又は26)とを有し、第1の圧電素子上に設けられた第2の圧電素子とを有する。【選択図】図1
Description
本開示は、圧電膜集積デバイス、その製造方法、及び音響振動センサに関するものである。
従来、2つの圧電膜を密着層を介して積層する圧電素子が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の装置において、複数の圧電膜を重ねて配置した場合、高性能な圧電膜集積デバイスを得ることができない。
本開示は、単結晶圧電膜を有する2種類以上の圧電素子を重ねて設けた高性能な圧電膜集積デバイス及びその製造方法、並びに、圧電膜集積デバイスを有する音響振動センサを提供することを目的とする。
本開示の圧電膜集積デバイスは、基板と、前記基板上に設けられた電極と、第1の単結晶圧電膜と前記第1の単結晶圧電膜上に重なる第1の電極膜とを有し、前記電極上に設けられた第1の圧電素子と、第2の単結晶圧電膜と前記第2の単結晶圧電膜上に重なる第2の電極膜とを有し、前記第1の圧電素子上に設けられた第2の圧電素子とを有することを特徴とする。
本開示によれば、単結晶圧電膜を有する2種類以上の圧電素子を重ねて設けることで圧電膜集積デバイス及び音響振動センサの性能を向上させることができる。
以下に、実施の形態に係る圧電膜集積デバイス、その製造方法、及び音響振動センサを、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本開示の範囲内で種々の変更が可能である。本出願において、圧電膜集積デバイスは、同じ基板上に2個以上の単結晶圧電膜を設けたデバイスである。また、本出願において、音響振動センサは、音響振動波を出力し、音響振動波の反射波を検出することで検出対象物の状態(例えば、距離、形状、動きなど)を検出するセンサである。音響振動センサは、「超音波センサ」とも呼ばれる。一般には、また、本出願において、音響振動波は、音波及び超音波の少なくとも一方からなる。すなわち、音響振動波は、音波、又は超音波、又は音波及び超音波の両方からなる。
《1》実施の形態1
《1-1》圧電膜集積デバイス100の構造
図1は、実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す側面図である。図2は、圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す上面図である。図3は、図2の圧電膜集積デバイス100をS3-S3線で切る断面図である。図4は、圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す下面図である。
《1-1》圧電膜集積デバイス100の構造
図1は、実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す側面図である。図2は、圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す上面図である。図3は、図2の圧電膜集積デバイス100をS3-S3線で切る断面図である。図4は、圧電膜集積デバイス100の構造を概略的に示す下面図である。
圧電膜集積デバイス100は、基板としてのSOI基板33と、SOI基板33上に設けられた電極としての白金(Pt)膜34とを有している。図2に示されるように、Pt膜34は、SOI基板33に形成された配線層を通してコネクタ40に接続されている。SOIは、Silicon On Insulatorである。また、SOI基板33内には、圧電膜集積デバイス100を駆動して音響振動波を発生させるための駆動回路及び音響振動波の検出信号を用いた処理を行う処理回路などが形成されてもよい。
圧電膜集積デバイス100は、Pt膜34上に設けられた下側の圧電素子である第1の圧電素子(25、26)と、第1の圧電素子上に設けられた上側の圧電素子である第2の圧電素子(15、16)とを有している。Pt膜26は、第1の圧電素子(25、26)と、第2の圧電素子(15、16)との共通の電極としての役割を持つ。ただし、第2の圧電素子(15、16)は、Pt膜26とは別の電極膜を備えてもよい。第1の圧電素子は、第1の単結晶圧電膜としての単結晶AlN膜25とこの上に重なる第1の電極膜としてのPt膜26とを有している。第2の圧電素子は、第2の単結晶圧電膜としての単結晶PZT膜15とこの上に重なる第2の電極膜としてのPt膜16とを有している。AlNは、窒化アルミニウムである。PZTは、チタン酸ジルコン酸鉛である。第1の単結晶圧電膜としては、単結晶AlN膜25の代わりに、単結晶タンタル酸リチウム(単結晶LiTaO3)膜又は単結晶ニオブ酸リチウム(単結晶LiNbO3)膜などのような他の単結晶材料の圧電膜を用いてもよい。第2の単結晶圧電膜としては、単結晶PZT膜15の代わりに、単結晶ニオブ酸カリウムナトリウム(単結晶KNN)膜又は単結晶チタン酸バリウム(単結晶BaTiO3)膜などのような他の単結晶材料からなる圧電膜を用いてもよい。図示の例では、第1の単結晶圧電膜は、音響振動波(又はその反射波)を検出する圧電体であり、第1の単結晶圧電膜より比誘電率が低く、より高い検出感度の圧電体であることが望ましい。第2の単結晶圧電膜は、音響振動波を発生させる圧電体であり、第2の単結晶圧電膜の振動振幅より圧電定数が大きく、大きい振動振幅が得られる圧電体であることが望ましい。
なお、下側の圧電素子である第1の圧電素子が、第1の単結晶圧電膜としての単結晶PZT膜とPt膜とを有し、上側の圧電素子である第2の圧電素子が、単結晶AlN膜とこの上に重なるPt膜とを有してもよい。
また、圧電膜集積デバイス100は、絶縁膜35aとその上に形成された配線膜36aと、絶縁膜35bと、その上に形成された配線膜36bとを有している。
SOI基板33は、Si基板30と、絶縁膜としての酸化シリコン(SiO2)部31と、単結晶シリコン(単結晶Si)部32とを有している。単結晶シリコン(単結晶Si)部32の単結晶PZT膜15及び単結晶AlN膜25の下部領域(すなわち、圧電膜に重なる領域)にSi基板30をエッチングすることで穴71(キャビティ)が形成され、穴71が形成された領域に位置するSiO2部31及び単結晶シリコン(単結晶Si)部32が振動板としての機能を持つ。また、Si基板30と異なる材料である酸化シリコン(SiO2)部31を形成し、エッチングストップ層としての機能を持たせることで、エッチングの影響による振動板の厚みのばらつきを防止することができる。また、基板として、SOI基板33の代わりに、ガラス基板又は有機膜基板のような他の材料からなる基板を用いてもよい。SOI基板33のSi基板30には、SiO2部31を露出させる穴71が形成されている。穴71は、単結晶PZT膜15又は単結晶AlN膜25の形状に対応する開口形状である円形に形成されている。単結晶PZT膜15で発生した音響振動波は、穴71から出力され、単結晶AlN膜25は穴71を通して音響振動波の反射波を検出する。
第1の圧電素子の単結晶AlN膜25は、Pt膜34の表面に平行な結晶面である(0001)面を持ち、Pt膜34の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である。第2の圧電素子の単結晶PZT膜15は、Pt膜34の表面に平行な結晶面である(001)面を持ち、第1の圧電素子のPt膜26の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である。単結晶PZT膜15の厚さは、一般には、10nm~10μmの範囲内であり、望ましくは、100nm~5μmの範囲内である。また、単結晶AlN膜25の厚さは、一般には、10nm~10μmの範囲内であり、望ましくは、100nm~2μmの範囲内である。Pt膜34は、SOI基板33の上面に形成されている。Pt膜34の表面(上面)と単結晶AlN膜25の結晶面である(0001)面とは、分子間力によって接合されている。Pt膜34の表面(上面)と単結晶AlN膜25の結晶面である(0001)面とは、分子間力によって接合されている。第1の圧電素子のPt膜26の表面と単結晶PZT膜15の結晶面である(001)面とは、分子間力によって接合されている。これらの接合には、接着剤を用いる必要はない。これらを分子間力により良好に接合するためには、Pt膜34とPt膜26の表面粗さが、10nm以下であることが望ましい。このために、Pt膜34とPt膜26の表面を平滑化する処理を行ってもよい。
また、単結晶PZT膜15の結晶c軸方向と単結晶AlN膜25の結晶c軸方向とは平行関係にある。これに関しては、図23を用いて後述される。
《1-2》単結晶PZT膜の構造
図5は、単結晶PZT膜15を含むエピタキシャル成長膜の構造を概略的に示す断面図である。図6は、図5の単結晶PZT膜15の結晶構造を示す図である。図7は、図5のエピタキシャル成長膜の結晶構造を概略的に示す図である。なお、図7において、縦方向の寸法は横方向の寸法より大きく縮小されている。
図5は、単結晶PZT膜15を含むエピタキシャル成長膜の構造を概略的に示す断面図である。図6は、図5の単結晶PZT膜15の結晶構造を示す図である。図7は、図5のエピタキシャル成長膜の結晶構造を概略的に示す図である。なお、図7において、縦方向の寸法は横方向の寸法より大きく縮小されている。
図5のエピタキシャル成長膜は、単結晶Si基板である成長基板11上に形成される。図5のエピタキシャル成長膜は、単結晶の酸化ジルコニウム(ZrO2)膜12、単結晶のPt膜13、単結晶のSRO膜14、単結晶PZT膜15、及び単結晶のPt膜16を、この順に積層させた構造を持つ。成長基板11は、その上面が(100)面である基板の一例である。ZrO2膜12は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、上面が(100)面である配向膜の一例である。Pt膜13は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、上面が(100)面である導電膜の一例である。SRO膜14は、SrRuO3膜(ルテニウム酸ストロンチウム膜)であり、配向膜の一例である。単結晶PZT膜15は、振動出力用の単結晶圧電膜の一例である。単結晶PZT膜15が、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を含む場合に、単結晶PZT膜15を、成長基板11上で、正方晶表示で(001)配向させ、エピタキシャル成長させることができる。単結晶PZT膜15上には、さらに、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したPt膜16がエピタキシャル成長される。
「ZrO2膜12が(100)配向している」とは、立方晶の結晶構造を有するZrO2膜12の(100)面が、成長基板11の(100)面に沿って形成されていること、すなわち、成長基板11の(100)面に平行であることを意味する。また、「平行である」とは、成長基板11の上面とZrO2膜12の(100)面とのなす角度が20°以下である場合を含む。また、「配向」の意味は、他の膜の間でも同様である。
成長基板11の単結晶Siの格子定数、ZrO2膜12のZrO2の格子定数、Pt膜13のPtの格子定数、SRO膜14のSROの格子定数、及び、単結晶PZT膜15の単結晶PZTの格子定数を、表1に示す。
Siの格子定数は、0.543nmであり、ZrO2の格子定数は、0.511nmであり、Siの格子定数に対するZrO2の格子定数の不整合は、6.1%と小さいため、Siの格子定数に対するZrO2の格子定数の整合性がよい。そのため、模式図である図7に示されるように、配向膜であるZrO2膜12を、成長基板11の(100)面よりなる主面にエピタキシャル成長させることができる。したがって、ZrO2膜12を、成長基板11の(100)面上に、立方晶の結晶構造で(100)配向させることができ、ZrO2膜12の結晶性を向上させることができる。
ZrO2膜12は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向した酸化ジルコニウム膜である場合、ZrO2膜12は、成長基板11の主面である上面に沿った<100>方向が、成長基板11の上面に沿った<100>方向と平行になるように、配向する。
なお、ZrO2膜12の、成長基板11の上面に沿った<100>方向が、成長基板11の上面に沿った<100>方向と平行であるとは、ZrO2膜12の<100>方向が成長基板11の上面に沿った<100>方向と完全に平行な場合のみならず、ZrO2膜12の<100>方向と成長基板11の上面に沿った<100>方向とのなす角度が20°以下であるような場合を含む。また、ZrO2膜12のみならず、他の層の膜の面内の配向についても同様である。
一方、表1に示されるように、ZrO2の格子定数は、0.511nmであり、Ptの格子定数は、0.392nmであるが、Ptが平面内で45°回転すると、対角線の長さは、0.554nmとなり、ZrO2の格子定数に対する当該対角線の長さの不整合は、8.1%と小さい。このため、Pt膜13を、ZrO2膜12の(100)面上にエピタキシャル成長させることができる。
また、表1に示されるように、Ptの格子定数は、0.392nmであり、SROの格子定数は、0.390~0.393nmであり、Ptの格子定数に対する単結晶PZTの格子定数の不整合は、0.5%以下と小さい。このため、Ptの格子定数に対するSROの格子定数の整合性がよく、図7に示されるように、SRO膜14を、Pt膜13の(100)面上にエピタキシャル成長させることができる。したがって、SRO膜14を、Pt膜13の(100)面上に、擬立方晶表示で(100)配向させることができ、SRO膜14の結晶性を向上させることができる。
単結晶PZT膜15が、正方晶の結晶構造を有し、且つ、(001)配向したPZT膜を含む場合、チタン酸ジルコン酸鉛膜は、チタン酸ジルコン酸鉛膜の成長基板11上面に沿う<100>方向が、成長基板11の上面に沿うの<100>方向と平行になるように、配向する。
(001)配向した単結晶PZT膜15上に、Pt膜16を(100)配向のエピタキシャル成長を行い、電極として成膜する。単結晶PZT膜15上の電極膜は、最上層であるから、他の製造方法で形成してもよい。
《1-3》単結晶AlN膜の構造
図8は、単結晶圧電膜である単結晶AlN膜25を含むエピタキシャル成長膜の構造を概略的に示す断面図である。図9(A)は、単結晶のSRO膜、単結晶のPt膜、及び単結晶のZrO2膜の結晶の(111)面を概略的に示す図であり、図9(B)は、単結晶SROの結晶の格子定数を示す図である。図10(A)は、単結晶AlN膜25の結晶構造を概略的に示す図であり、図10(B)は、単結晶AlN膜25の結晶の格子定数を示す図である。
図8は、単結晶圧電膜である単結晶AlN膜25を含むエピタキシャル成長膜の構造を概略的に示す断面図である。図9(A)は、単結晶のSRO膜、単結晶のPt膜、及び単結晶のZrO2膜の結晶の(111)面を概略的に示す図であり、図9(B)は、単結晶SROの結晶の格子定数を示す図である。図10(A)は、単結晶AlN膜25の結晶構造を概略的に示す図であり、図10(B)は、単結晶AlN膜25の結晶の格子定数を示す図である。
図8のエピタキシャル成長膜は、例えば、単結晶Si基板である成長基板21上に形成される。エピタキシャル成長膜は、ZrO2膜22、Pt膜23、SRO膜24、単結晶AlN膜25、及びPt膜26を、この順に積層させた構造を持つ。成長基板21は、その上面が(111)面である基板の一例である。ZrO2膜22は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、上面は(111)面である配向膜の一例である。Pt膜23は、立方晶の結晶構造を有し、且つ、上面は(111)面である導電膜の一例である。SRO膜24は、SrRuO3膜である。単結晶AlN膜25は、振動検出用(すなわち、入力用)の単結晶圧電膜の一例である。Pt膜26は、上部電極の一例である。図9(A)には、SRO立方晶の(111)面を上から俯瞰した形状が示されている。また、図10(A)には、AlN六方晶の結晶面である(0001)面を上から俯瞰した形状が示されている。
単結晶AlN膜25が窒化アルミニウムの六方晶で構成される場合、単結晶AlN膜25を成長基板21上で、六方晶表示で(0001)配向させ、エピタキシャル成長させることができる。単結晶AlN膜25上には、さらに、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(100)配向したPt膜26をエピタキシャル成長させることができる。
「ZrO2膜22が(111)配向している」とは、立方晶の結晶構造を有するZrO2膜22の(111)面が、成長基板21の(111)面に沿っていること、すなわち、成長基板21の(111)面に平行であることを意味する。また、「平行」とは、ZrO2膜22の(111)面が成長基板21の主面とのなす角度が20°以下であるような場合を含む。また、他の層の間の配向についても同様である。
Siの格子定数、ZrO2の格子定数、Ptの格子定数、SROの格子定数、及び単結晶AlNの格子定数を、表2に示す。
Siの格子定数は、0.543nmであり、ZrO2の格子定数は、0.511nmであり、Siの格子定数に対するZrO2の格子定数の不整合は、6.1%と小さいため、Siの格子定数に対するZrO2の格子定数の整合性がよい。そのため、ZrO2膜22を、成長基板21の(111)面よりなる主面にエピタキシャル成長させることができる。したがって、ZrO2膜22を、成長基板21の(111)面上に、立方晶の結晶構造で(111)配向させることができ、ZrO2膜22の結晶性を向上させることができる。図9(A)に立方晶の(111)面を示す。
配向膜であるZrO2膜22が、立方晶の結晶構造を有し、且つ、(111)配向した酸化ジルコニウム膜である場合、ZrO2膜12は、成長基板21の主面である上面に沿う<111>方向が、成長基板21の上面に沿う<111>方向と平行になるように、配向する。
なお、ZrO2膜22の、成長基板21の上面に沿う<111>方向が、成長基板21の上面に沿う<111>方向と平行であるとは、ZrO2膜22の<111>方向が成長基板21の上面に沿う<111>方向と完全に平行な場合のみならず、ZrO2膜22の<111>方向と成長基板21の上面に沿う<111>方向とのなす角度が20°以下であるような場合を含む。また、他の層の膜の間の配向についても同様である。
一方、ZrO2の格子定数は、0.511nmであり、Ptの格子定数は、0.392nmであるが、Ptが平面内で45°回転すると、対角線の長さは、0.554nmとなり、ZrO2の格子定数に対する当該対角線の長さの不整合は、8.1%と小さいため、Pt膜23を、ZrO2膜22の(111)面上にエピタキシャル成長させることができる。
また、Ptの格子定数は、0.392nmであり、SROの格子定数は、0.390~0.393nmであり、Ptの格子定数に対するSROの格子定数の整合性がよい。そのため、図9(A)及び(B)5に示されるように、SRO膜24を、Pt膜23の(111)面上にエピタキシャル成長させることができる。したがって、SRO膜24を、Pt膜23の(111)面上に、擬立方晶表示で(111)配向させることができ、SRO膜24の結晶性を向上させることができる。SRO膜の(111)面の対角線の長さは、0.552~0.556nmであり、図8に示されるように、AlN六方晶の幅0.539nmに対する不整合は、2.8%と小さく、単結晶AlN膜25をSRO膜24(111)面上に(0001)配向でエピタキシャル成長させることができる。
単結晶AlN膜25が、六方晶の結晶構造を有し、且つ、(0001)配向した窒化アルミニウム膜を含む場合、単結晶AlN膜25の成長基板21上面に沿う<111>方向が、成長基板21の上面の<111>方向と平行になるように、配向する。図10(A)及び(B)に、六方晶の(0001)面を示す。(0001)配向した単結晶AlN膜25上にさらに、Pt膜26を(111)配向のエピタキシャル成長を行い電極として成膜する。単結晶AlN膜25上の電極膜は、最上層であるから、他の製法で形成してもよい。
《1-4》製造方法
単結晶Siの上面が(100)面である成長基板11に成膜した圧電素子であるPZTエピタキシャル成長膜(単結晶PZT膜15とPt膜16を含む)、単結晶Siの上面が(111)面である成長基板21に成膜した圧電素子であるAlNエピタキシャル成長膜(単結晶AlN膜25とPt膜26を含む)を用いて、圧電膜集積デバイス100を製造する方法を説明する。
単結晶Siの上面が(100)面である成長基板11に成膜した圧電素子であるPZTエピタキシャル成長膜(単結晶PZT膜15とPt膜16を含む)、単結晶Siの上面が(111)面である成長基板21に成膜した圧電素子であるAlNエピタキシャル成長膜(単結晶AlN膜25とPt膜26を含む)を用いて、圧電膜集積デバイス100を製造する方法を説明する。
図11は、圧電膜集積デバイス100の製造方法を示すフローチャートである。図12(A)及び(B)は、図11のステップST102を示す。図13(A)及び(B)は、図11のステップST103を示し、図14(A)及び(B)は、図11のステップST104を示す。図15及び図16は、図11のステップST109を示す。図17(A)及び(B)は、図11のステップST105を示し、図18(A)及び(B)は、図11のステップST106を示す。図19及び図20は、図11のステップST107を示す。図21は、図11のステップST108を示し、図22は、図11のステップST110を示す。
先ず、デバイス基板であるSOI基板33に配線層を形成する(ステップST101)。次に、図12(A)及び(B)に示されるように、SOI基板33の主面に電極としてのPt膜34を形成する。
また、図13(A)及び(B)に示されるように、第1の成長基板である成長基板11上に、SRO膜14、単結晶PZT膜15、Pt膜16をエピタキシャル成長させ(ステップST103)、図14(A)及び(B)に示されるように、単結晶PZT膜15及びPt膜16の形状をエッチングにより円形状にする(ステップST104)。
また、図17(A)及び(B)に示されるように、第2の成長基板である成長基板21上に、SRO膜24、単結晶AlN膜25、Pt膜26をエピタキシャル成長させ(ステップST105)、図18(A)及び(B)に示されるように、単結晶AlN膜25及びPt膜26の形状をエッチングにより円形状にする(ステップST107)。
次に、図19に示されるように、単結晶AlN膜25とPt膜26からなる個片(すなわち、AlNエピタキシャル成長膜である圧電素子)を保持部材としてのスタンプ80で保持し、図20に示されるように、犠牲層であるSRO膜24をエッチングして、個片を剥がし、SOI基板33上に移動し(ステップST108)、図21に示されるように、Pt膜34上に単結晶AlN膜25とPt膜26からなる個片(すなわち、エピタキシャル成長膜である圧電素子)を貼り付ける。
次に、図15に示されるように、単結晶PZT膜15とPt膜16からなる個片(実施の形態1においては、第2の圧電素子)を保持部材としてのスタンプ80で保持し、図16に示されるように、犠牲層であるSRO膜14をエッチングして、個片を剥がし、図22に示されるように、デバイス基板であるSOI基板33上に移動する(ステップST105)。
次に、図22に示されるように、単結晶PZT膜15とPt膜16からなる個片(すなわち、エピタキシャル成長膜である圧電素子)をPt膜26上に貼り付ける(ステップST109)。次に、単結晶PZT膜15とPt膜16上に絶縁膜35aと配線膜36aとを形成し、単結晶AlN膜25とPt膜26上に絶縁膜35bと配線膜36bとを形成する。
図23は、第1の単結晶圧電膜である単結晶PZT膜15と第2の単結晶圧電膜である単結晶AlN膜25の結晶c軸を示す図である。図23に示されるように、貼り付けの際に、AlNの六方晶とPZTの立方晶の位相関係が図のようにc軸が平行となるように配置することで単結晶PZT膜15の圧電振動駆動と単結晶AlN膜25の圧電振動受信の効率が最大化される。
図24に示されるように、SOI基板33をSiO2部31までエッチングすることで圧電素子の裏側を薄くし、振動板を生成する。振動板の厚みは、SOI基板33の各層厚をコントロールすることで所望の厚さにすることが可能である。
《1-5》音響振動センサ
図24は、実施の形態1に係る半導体集積デバイスを用いた音響振動センサの構成を概略的に示す。図25は、音響振動センサの動作原理を示す。単結晶PZT膜15の上下電極が駆動受信回路41に接続され、単結晶PZT膜15の電極に対して可聴域の周波数又は可聴域より高い周波数の交流バイアスを印加することで、単結晶PZT膜15が厚み方向に振動し、SiO2部31も同様に振動する。それに伴い、音響振動波が、放射され、検知対象物90で跳ね返された反射波が単結晶AlN膜25の貼り付けられたSOI基板33の振動板を振動させる。振動により単結晶AlN膜25に励起される電荷を駆動受信回路41で増幅し、制御回路42は、反射波を受ける時間差Δtにより検知対象物90までの距離を演算する。制御回路42及び駆動受信回路41は、電気回路又は情報処理装置によって構成される。
図24は、実施の形態1に係る半導体集積デバイスを用いた音響振動センサの構成を概略的に示す。図25は、音響振動センサの動作原理を示す。単結晶PZT膜15の上下電極が駆動受信回路41に接続され、単結晶PZT膜15の電極に対して可聴域の周波数又は可聴域より高い周波数の交流バイアスを印加することで、単結晶PZT膜15が厚み方向に振動し、SiO2部31も同様に振動する。それに伴い、音響振動波が、放射され、検知対象物90で跳ね返された反射波が単結晶AlN膜25の貼り付けられたSOI基板33の振動板を振動させる。振動により単結晶AlN膜25に励起される電荷を駆動受信回路41で増幅し、制御回路42は、反射波を受ける時間差Δtにより検知対象物90までの距離を演算する。制御回路42及び駆動受信回路41は、電気回路又は情報処理装置によって構成される。
《1-6》変形例
図26は、実施の形態1の変形例に係る圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す側面図である。図27は、圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す上面図である。図28は、図27の圧電膜集積デバイス100aをS28-S28線で切る断面図である。図29は、圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す下面図である。SOI基板33をSiO2部31までエッチングする際に、穴72の形状を四角形などの円形以外の形状にしてもよい。穴72の形状は、圧電素子の平面形状に対応する形状であることが望ましい。
図26は、実施の形態1の変形例に係る圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す側面図である。図27は、圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す上面図である。図28は、図27の圧電膜集積デバイス100aをS28-S28線で切る断面図である。図29は、圧電膜集積デバイス100aの構造を概略的に示す下面図である。SOI基板33をSiO2部31までエッチングする際に、穴72の形状を四角形などの円形以外の形状にしてもよい。穴72の形状は、圧電素子の平面形状に対応する形状であることが望ましい。
《1-7》効果
以上説明したように、格子定数及び結晶構造が異なるという理由で、同一のSOI基板33上にエピタキシャル成長させるのが困難な単結晶PZT膜15と単結晶AlN膜25を、別個の成長基板上で単結晶エピタキシャル成長させ、成長基板から剥離して、共通のSOI基板33上に重ねて貼り付けることで、高性能な圧電膜集積デバイス100を作成することが可能である。
以上説明したように、格子定数及び結晶構造が異なるという理由で、同一のSOI基板33上にエピタキシャル成長させるのが困難な単結晶PZT膜15と単結晶AlN膜25を、別個の成長基板上で単結晶エピタキシャル成長させ、成長基板から剥離して、共通のSOI基板33上に重ねて貼り付けることで、高性能な圧電膜集積デバイス100を作成することが可能である。
また、単結晶PZT膜15は、多結晶PZT膜に比べて圧電定数が高いので、振動の振幅を容易に大きくすることができる。
また、単結晶AlN膜25は、多結晶AlN膜に比べて比誘電率が低いので、振動の受信感度を高くすることができる。
また、従来は、異種圧電膜を形成するためには、保護層で一旦片方の圧電膜を覆い、もう片方の圧電膜形成後に保護層を削除するなどの工程が複雑で、かつ各工程での処理で熱を加えることにより圧電膜に残留応力歪が残ってセンサとしての効率悪化を招いた。実施の形態1の製造方法では、圧電素子であるエピタキシャル成長膜の貼り付けを用いているので、残留応力歪が無い状態で圧電膜集積デバイス及び音響振動センサを構成可能である。
《2》実施の形態2
《2-1》構造
図30は、圧電膜集積デバイス200の構造を概略的に示す側面図である。図31は、圧電膜集積デバイス200の構造を概略的に示す上面図である。図32は、図31の圧電膜集積デバイス200をS32-S32線で切る断面図である。
《2-1》構造
図30は、圧電膜集積デバイス200の構造を概略的に示す側面図である。図31は、圧電膜集積デバイス200の構造を概略的に示す上面図である。図32は、図31の圧電膜集積デバイス200をS32-S32線で切る断面図である。
実施の形態1では、単結晶AlN膜25とPt膜26とを含むAlNエピタキシャル成長膜を成長基板21上で成長させて、SOI基板33のPt膜34上に貼り付け、単結晶PZT膜15とPt膜16とを含むPZTエピタキシャル成長膜を成長基板11上で成長させて、PZTエピタキシャル成長膜をSOI基板33のPt膜34上に貼り付けられているAlNエピタキシャル成長膜上に貼り付けた。または、実施の形態1では、SOI基板33のPt膜34上に貼り付けられているPZTエピタキシャル成長膜上にAlNエピタキシャル成長膜を貼り付けた。これに対し、実施の形態2では、PZTエピタキシャル成長膜をSOI基板50上で成長させる。SOI基板50は、上面が(100)面よりなる。よって、実施の形態1の場合と同様の処理で、SOI基板50上にPZTエピタキシャル成長膜をエピタキシャル成長させることが可能である。
《2-2》製造方法
図33は、圧電膜集積デバイス200の製造方法を示すフローチャートである。図34は、図33のステップST201を示し、図35は、図33のステップST202を示す。図36は、図33のステップST207を示す。
図33は、圧電膜集積デバイス200の製造方法を示すフローチャートである。図34は、図33のステップST201を示し、図35は、図33のステップST202を示す。図36は、図33のステップST207を示す。
先ず、図34に示されるように、デバイス基板であるSOI基板50の主面にZrO2膜12、電極層としてのPt膜13を形成する(ステップST201)。さらに、Pt膜13上に、SRO膜14、単結晶PZT膜15、Pt膜16をエピタキシャル成長させて、SRO膜14と単結晶PZT膜15とPt膜16とからなるエピタキシャル成長膜を形成する(ステップST201)。次に、図35に示されるように、単結晶PZT膜15を含むエピタキシャル成長膜の形状をエッチングにより所望の形状(例えば、円形状)にする(ステップST202)。次に、電極層としてのPt膜13をエッチングして、電極としてのPt膜34を形成、及びSOI基板30に配線層を形成する(ステップST203)。
次に、単結晶AlN膜25とPt膜26からなるAlNエピタキシャル成長膜の個片(上側の圧電素子)を保持部材としてのスタンプ80で保持し、犠牲層であるSRO膜24をエッチングして、PZTエピタキシャル成長膜の個片を剥がし、図36に示されるように、デバイス基板であるSOI基板50上のPZTエピタキシャル成長膜上に移動して、貼り付ける(ステップST204~ST207)。つまり、実施の形態1で説明した単結晶AlN膜25とPt膜26とを有する圧電素子をPt膜16上に貼り付ける。貼り付ける際は、単結晶PZT膜15の結晶方位を検査等で確認し、図23に示されるように、単結晶PZT膜15の結晶方位と単結晶AlN膜25の結晶方位とが揃うようにする。単結晶PZT膜15の方向は、SOI基板50上で固定されるので単結晶AlN膜25の貼り付け角度を調整する。また、図35で示すエッチング工程の際に結晶方位を確認した後に実施の形態1と同じ方向となるようにマスクして圧電膜を形成してもよい。図30に示されるように、単結晶PZT膜15とPt膜16上に絶縁膜35aと配線膜(引出配線)36aとを形成し、単結晶AlN膜25とPt膜26上に絶縁膜35bと配線膜(引出配線)36bとを形成する。
その後、実施の形態1の場合と同様にSOI基板50をエッチングして、図30から図32に示される圧電膜集積デバイス200を製造する。
《2-3》効果
実施の形態2においては、エピタキシャル成長させた単結晶PZT膜15のあるSOI基板50上のPt膜34上に単結晶AlN膜25を含むエピタキシャル成長膜を貼り付けることにより、実施の形態1の場合と同様に、単結晶で高性能な圧電膜集積デバイスを得ることが可能となる。
実施の形態2においては、エピタキシャル成長させた単結晶PZT膜15のあるSOI基板50上のPt膜34上に単結晶AlN膜25を含むエピタキシャル成長膜を貼り付けることにより、実施の形態1の場合と同様に、単結晶で高性能な圧電膜集積デバイスを得ることが可能となる。
実施の形態2においては、実施の形態1に比べて、単結晶PZT膜15のアラインメント精度が向上する。したがって、実施の形態2においては、実施の形態1及び3に比べて、音響振動波の出力性能が向上する。
上記以外に関して、実施の形態2は、実施の形態1と同じである。
《3》実施の形態3
《3-1》構造
図37は、圧電膜集積デバイス300の構造を概略的に示す側面図である。図38は、圧電膜集積デバイス300の構造を概略的に示す上面図である。図39は、図38の圧電膜集積デバイスをS39-S39線で切る断面図である。
《3-1》構造
図37は、圧電膜集積デバイス300の構造を概略的に示す側面図である。図38は、圧電膜集積デバイス300の構造を概略的に示す上面図である。図39は、図38の圧電膜集積デバイスをS39-S39線で切る断面図である。
実施の形態1では、AlNエピタキシャル成長膜を成長基板21上で成長させて、PZTエピタキシャル成長膜を成長基板11上で成長させて、PZTエピタキシャル成長膜をSOI基板33のPt膜34上に貼り付けられているAlNエピタキシャル成長膜上に貼り付けた。または、実施の形態1では、SOI基板33のPt膜34上に貼り付けられているAlNエピタキシャル成長膜上にPZTエピタキシャル成長膜を、PZTエピタキシャル成長膜上にAlNエピタキシャル成長膜を貼り付けた。これに対し、実施の形態3では、PZTエピタキシャル成長膜をSOI基板60上で成長させる。SOI基板60は、上面が(111)面よりなる。よって、実施の形態3の場合と同様の処理で、SOI基板60上にAlNエピタキシャル成長膜をエピタキシャル成長させることが可能である。
《3-2》製造方法
図40は、圧電膜集積デバイス300の製造方法を示すフローチャートである。図41は、図40のステップST301を示し、図42は、図40のステップST302を示す。図43は、図33のステップST307を示す。
図40は、圧電膜集積デバイス300の製造方法を示すフローチャートである。図41は、図40のステップST301を示し、図42は、図40のステップST302を示す。図43は、図33のステップST307を示す。
先ず、図41に示されるように、デバイス基板であるSOI基板60の主面にZrO2膜22、電極層としてのPt膜23を形成する。さらに、Pt膜23上にSRO膜24、単結晶AlN膜25、Pt膜16をエピタキシャル成長させて、SRO膜24と単結晶AlN膜25とPt膜26とからなるエピタキシャル成長膜を形成する(ステップST301)。次に、図42に示されるように、単結晶AlN膜25を含むエピタキシャル成長膜の形状をエッチングにより所望の形状(例えば、円形状)にする(ステップST302)。次に、電極層としてのPt膜23をエッチングして、第1の電極としてのPt膜34を形成、及びSOI基板30に配線層を形成する(ステップST303)。
次に、単結晶PZT膜15とPt膜16からなるPZTエピタキシャル成長膜の個片(上側の圧電素子)を保持部材としてのスタンプ80で保持し、犠牲層であるSRO膜14をエッチングして、PZTエピタキシャル成長膜の個片を剥がし、図43に示されるように、デバイス基板であるSOI基板60上のAlNエピタキシャル成長膜上に移動して、貼り付ける(ステップST304~ST307)。つまり、実施の形態1で説明した単結晶PZT膜15とPt膜16とを有する圧電素子をPt膜26上に貼り付ける。貼り付ける際は、単結晶PZT膜15の結晶方位を検査等で確認し、図23に示されるように、単結晶PZT膜15の結晶方位と単結晶AlN膜25の結晶方位とが揃うようにする。単結晶AlN膜25の方向は、SOI基板60上で固定されるので単結晶PZT膜15の貼り付け角度を調整する。また、図35で示すエッチング工程の際に結晶方位を確認した後に実施の形態1と同じ方向となるようにマスクして圧電膜を形成してもよい。図39に示されるように、単結晶PZT膜15とPt膜16上に絶縁膜35aと配線膜(引出配線)36aとを形成し、単結晶AlN膜25とPt膜26上に絶縁膜35bと配線膜(引出配線)36bとを形成する。
その後、実施の形態1の場合と同様にSOI基板60をエッチングして、図37から図39に示される圧電膜集積デバイス200を製造する。
《3-3》効果
実施の形態3においては、エピタキシャル成長させた単結晶AlN膜25とPt膜26とを有するAlNエピタキシャル成長膜上に単結晶PZT膜15を含むエピタキシャル成長膜を貼り付けることにより、実施の形態1と同様に複数の単結晶圧電膜によって高性能な圧電膜集積デバイス300を得ることが可能となる。
実施の形態3においては、エピタキシャル成長させた単結晶AlN膜25とPt膜26とを有するAlNエピタキシャル成長膜上に単結晶PZT膜15を含むエピタキシャル成長膜を貼り付けることにより、実施の形態1と同様に複数の単結晶圧電膜によって高性能な圧電膜集積デバイス300を得ることが可能となる。
実施の形態3においては、実施の形態1に比べて、単結晶AlN膜25のアラインメント精度が向上する。したがって、実施の形態3においては、実施の形態1及び2に比べて、音響振動波の検出感度、S/N比が向上する。
上記以外に関して、実施の形態3は、実施の形態1又は2と同じである。
《4》変形例1
変形例1の圧電膜集積デバイス500は、SOI基板33上のPt膜34上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜がPt膜126と単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成され且つPt膜26上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜がPt膜116と単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されている点が、Pt膜34上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜が単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成され且つPt膜36上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜が単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されている実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100と異なる。この点以外に関し、変形例1の圧電膜集積デバイス500は、実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100と同じである。
変形例1の圧電膜集積デバイス500は、SOI基板33上のPt膜34上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜がPt膜126と単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成され且つPt膜26上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜がPt膜116と単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されている点が、Pt膜34上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜が単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成され且つPt膜36上に貼り付けられているエピタキシャル成長膜が単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されている実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100と異なる。この点以外に関し、変形例1の圧電膜集積デバイス500は、実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100と同じである。
図44は、Si基板11上のZrO2膜12上に、Pt膜13、SRO膜14、Pt膜116、単結晶PZT膜15、及びPt膜16を順にエピタキシャル成長させた状態を示す断面図である。図45は、Si基板21上のZrO2膜22上に、Pt膜23、SRO膜24、Pt膜126、単結晶AlN膜25、及びPt膜26を順にエピタキシャル成長させた状態を示す断面図である。
図46は、変形例1の圧電膜集積デバイス500の構造を概略的に示す断面図である。図47は、図46の圧電膜集積デバイス500の構造を概略的に示す上面図である。図46及び図47において、図1から図4(実施の形態1)に示される構成と同一又は対応する構成には、図1から図4における符号と同じ符号が付されている。変形例1の圧電膜集積デバイス500では、Pt膜126と単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成されたエピタキシャル成長膜(図45に示される)がPt膜34に貼り付けられ、Pt膜116と単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されたエピタキシャル成長膜(図44に示される)がPt膜26に貼り付けられている。この点以外に関し、変形例1の圧電膜集積デバイス500は、実施の形態1に係る圧電膜集積デバイス100と同じである。
なお、Pt膜116と単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されたエピタキシャル成長膜(図44に示される)を、実施の形態2又は3に係る圧電膜集積デバイス200又は300(図30から図32、図37から図39に示される)の単結晶PZT膜15とPt膜16とから構成されるエピタキシャル成長膜の代わりに用いることも可能である。また、Pt膜126と単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成されたエピタキシャル成長膜(図45に示される)を、実施の形態2又は3に係る圧電膜集積デバイス200又は300(図30から図32、図37から図39に示される)の単結晶AlN膜25とPt膜26とから構成されるエピタキシャル成長膜の代わりに用いることも可能である。
《5》変形例2
実施の形態に係る圧電膜集積デバイス100、200、300及び音響振動センサ400は、距離センサだけでなく、指紋センサ、静脈(脈波)センサ、などのような他のセンサとして利用可能である。
実施の形態に係る圧電膜集積デバイス100、200、300及び音響振動センサ400は、距離センサだけでなく、指紋センサ、静脈(脈波)センサ、などのような他のセンサとして利用可能である。
また、単結晶PZT膜15と単結晶AlN膜25の対を、マトリクス状に配列した圧電膜集積デバイスによれば、検出対象物の面形状を検出することが可能である。
100、100a、200、300、500 圧電膜集積デバイス、 400 音響振動センサ、 11、21 成長基板(単結晶Si基板)、 15 単結晶PZT膜(第1の単結晶圧電膜)、 16 Pt膜(電極膜)、 14、24 SRO膜(配向膜)、 25 単結晶AlN膜(第2の単結晶圧電膜)、 26 Pt膜(電極膜)、 31 SiO2部、 32 単結晶Si部、 33、50、60 SOI基板(基板)、 34 Pt膜(電極)、 71、72 穴、 116 Pt膜、 126 Pt膜。
Claims (16)
- 基板と、
前記基板上に設けられた電極と、
第1の単結晶圧電膜と前記第1の単結晶圧電膜上に重なる第1の電極膜とを有し、前記電極上に設けられた第1の圧電素子と、
第2の単結晶圧電膜と前記第2の単結晶圧電膜上に重なる第2の電極膜とを有し、前記第1の圧電素子上に設けられた第2の圧電素子と、
を有することを特徴とする圧電膜集積デバイス。 - 前記基板は、前記第1の単結晶圧電膜の下部領域に設けられた振動板を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記基板は、Si基板とSiO2部と単結晶Si部とを有するSOI基板であり、
前記振動板は、前記SiO2部と前記単結晶Si部とを有する、
ことを特徴とする請求項2に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第1の単結晶圧電膜は、単結晶PZT膜、又は単結晶KNN膜、又は単結晶チタン酸バリウム膜であり、
前記第2の単結晶圧電膜は、単結晶AlN膜、又は単結晶タンタル酸リチウム膜、又は単結晶ニオブ酸リチウム膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第1の単結晶圧電膜は、単結晶AlN膜、又は単結晶タンタル酸リチウム膜、又は単結晶ニオブ酸リチウム膜であり、
前記第2の単結晶圧電膜は、単結晶PZT膜、又は単結晶KNN膜、又は単結晶チタン酸バリウム膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第1の単結晶圧電膜は、前記電極の表面に平行な結晶面である(001)面を持ち、
前記第1の圧電素子は、前記電極の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記電極上に形成されているSRO膜を更に有し、
前記第1の単結晶圧電膜は、前記SRO膜の表面に平行な結晶面である(001)面を持ち、
前記第1の圧電素子は、前記SRO膜の表面上に形成されているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第2の単結晶圧電膜は、前記電極の表面に平行な結晶面である(0001)面を持ち、
前記第2の圧電素子は、前記第1の電極膜の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第1の単結晶圧電膜は、前記電極の表面に平行な結晶面である(0001)面を持ち、
前記第1の圧電素子は、前記電極の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記電極上に形成されているSRO膜を更に有し、
前記第1の単結晶圧電膜は、前記SRO膜の表面に平行な結晶面である(0001)面を持ち、
前記第1の圧電素子は、前記SRO膜の表面上に形成されているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第2の単結晶圧電膜は、前記電極の表面に平行な結晶面である(001)面を持ち、
前記第2の圧電素子は、前記第1の電極膜の表面に貼り付けられているエピタキシャル成長膜である
ことを特徴とする請求項9又は10に記載の圧電膜集積デバイス。 - 前記第1の単結晶圧電膜の結晶c軸方向と前記第2の単結晶圧電膜の結晶c軸方向とは平行関係にある
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の圧電膜集積デバイス。 - 請求項1から12のいずれか1項に記載の前記圧電膜集積デバイスを有し、
前記第1の単結晶圧電膜及び前記第2の単結晶圧電膜の一方は、音波及び超音波の少なくとも一方からなる音響振動波を出力し、
前記第1の単結晶圧電膜及び前記第2の単結晶圧電膜の他方は、前記音響振動波の反射波を検出する
ことを特徴とする音響振動センサ。 - 成長基板の第1の結晶面上に、第1の単結晶圧電膜と前記第1の単結晶圧電膜上に重なる第1の電極膜とを有する第1の圧電素子である第1のエピタキシャル成長膜を成長させ、
他の成長基板の第2の結晶面上に、前記第1の単結晶圧電膜の結晶構造と異なる結晶構造を持つ第2の単結晶圧電膜と前記第2の単結晶圧電膜上に重なる第2の電極膜とを有する第2の圧電素子である第2のエピタキシャル成長膜を成長させ、
電極を有する基板上に前記成長基板から剥がされた第1のエピタキシャル成長膜を貼り付け、前記第1のエピタキシャル成長膜上に前記他の成長基板から剥がされた前記第2のエピタキシャル成長膜を貼り付ける
ことを特徴とする圧電膜集積デバイスの製造方法。 - 電極を有する基板の第1の結晶面上に、第1の単結晶圧電膜と前記第1の単結晶圧電膜上に重なる第1の電極膜とを有する第1の圧電素子である第1のエピタキシャル成長膜を成長させ、
成長基板の第2の結晶面上に、前記第2の単結晶圧電膜上に重なる第2の電極膜とを有する第2の圧電素子である第2のエピタキシャル成長膜を成長させ、
前記第1のエピタキシャル成長膜上に前記成長基板から剥がされた前記第2のエピタキシャル成長膜を貼り付ける
ことを特徴とする圧電膜集積デバイスの製造方法。 - 前記第1の単結晶圧電膜の結晶c軸方向と前記第2の単結晶圧電膜の結晶c軸方向とは平行関係にある
ことを特徴とする請求項14又は15に記載の圧電膜集積デバイスの製造方法。
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