JP5110092B2 - 複合圧電基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合圧電基板の製造方法に関し、詳しくは、圧電膜を有する複合圧電基板の製造方法に関する。
近年、極めて薄い圧電体（極薄圧電膜）を利用したフィルタ等の開発が活発に行われている。これらのフィルタ等の極薄圧電膜には、一般には、スパッタ法やＣＶＤ法などの堆積法で形成されたＡｌＮ薄膜やＺｎＯ薄膜が用いられているが、いずれもＣ軸が基板の上下に整列したＣ軸配向膜である。
一方、圧電体の単結晶基板を支持基板に張り合わせた後に、研磨により圧電体の単結晶基板を薄化することにより、圧電膜を有する複合圧電基板を製造することも提案されている。
例えば図６の断面図に示す弾性表面波装置１００では、励振電極１０５が形成されている単結晶からなる圧電基板１０１は、予めガラス層１０８を介して保護基板１０３に接合された状態で研磨され薄板化されたものである（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
また、圧電基板に水素イオンを注入し、圧電基板と支持基板を湿潤雰囲気下に置いて、それぞれの基板表面に親水基を形成した後に、圧電基板と支持基板を張り合わせ、その後、高速加熱して、イオン注入した深さで圧電基板を割って圧電薄膜を得る手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−１６４６８号公報 特表２００２−５３４８８５号公報 Ｙ． Ｏｓｕｇｉ ｅｔ ａ１、「Ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａ１ ＦＢＡＲ ｗｉｔｈ ＬｉＮｂＯ３ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｌａｙｅｒｓ」、２００７ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐ．８７３−８７６
しかしながら、堆積法で形成した圧電膜は、配向膜を得るための成膜温度や成膜条件などから材料制約が厳しく、主としてＡｌＮが利用される。また、結晶軸の配向方向を制御することもできず、Ｃ軸配向膜が主として採用されるため、圧電軸を傾斜させることによる振動モードの工夫が難しい。
一方、圧電体の単結晶基板を研磨して形成した圧電膜は、大半の圧電単結晶を研磨クズとして廃棄するため、材料の利用効率が悪い。さらに、圧電膜の厚みは、研磨速度のばらつき、研磨前の基板のうねりにより左右されるため、均質な厚みを得るための制御は難しく生産性が悪い。
特許文献２では、親水基による接合が用いられる。この接合方法では、圧電基板表面と支持基板表面に親水基を形成し、その親水基を介して接合される。この親水基による接合は極めて弱いため、強固な接合を得るために、親水基を分解できる温度（例えば４００℃）で加熱して、親水基（ＯＨ）から水素（Ｈ）を脱離させ、圧電基板表面と支持基板表面のボンドを強固にする工程を経る必要がある。
しかしながら、接合後に水素ガスを脱離するため、接合界面にガスが溜まり、マイクロキャビティを形成したり、水素ガスが十分に除去できずに圧電結晶中に残留し、結晶構造を破損し、圧電性を劣化させるなどの問題点があった。マイクロキャビティや結晶破壊による接合界面の不均一は、表面波フィルタやバルク波フィルタに応用するときに、弾性散乱や吸音による発熱を引き起こし、フィルタの挿入損失の劣化や発熱による耐電力性能の劣化を引き起こす要因となっていた。
特に、Ｌｉ系圧電材料であるＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３を用いる場合、水素が残留すると、ＬｉイオンサイトのＬｉと水素が置換し、圧電性の劣化を生じやすい。
例えば、圧電基板としてタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム基板、支持基板としてもタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム基板を用い、圧電基板と支持基板の表面をＣＭＰ（化学機械研磨）により平滑化し、その後、湿潤雰囲気下に圧電基板と支持基板を晒して親水基を形成し、基板表面同士を接して張り合わせて親水基による弱い接合をし、５００℃で１時間加熱して親水基を分解して強固な接合を行った。このような方法で接合した複合圧電基板は、親水基による弱い接合をした後、５００℃で加熱する前は、外力を加えることにより接合界面で容易に剥離することができた。一方、５００℃で加熱した後は、接合が強化されたが、接合界面には、目視できる程度のキャビティが随所に形成されていた。また、接合界面の結晶配列をＴＥＭ（透過型電子戦顕微鏡）で観察すると、数十ｎｍのキャビティや結晶配列の乱れが観察された。
さらに、非線形誘電率顕微鏡を用いて、Ｈイオンを注入し、４００℃で加熱してＬｉＴａＯ３の分極状態を調査したところ、当初整列していた分極極性がドメイン単位で局所的に反転し、圧電性が劣化していることが分かった。より高温の５００℃で加熱すると更に圧電性劣化が顕著となる。
本発明は、かかる実情に鑑み、圧電体材料を効率良く利用して、均質な厚みの極薄圧電膜を形成することができる、複合圧電基板の製造方法を提供しようとするものである。
本発明は、以下のように構成した複合圧電基板の製造方法を提供する。
複合圧電基板の製造方法は、（ａ）圧電体基板と、支持基板とを準備する、第１の工程と、（ｂ）前記圧電体基板の表面からイオンを注入して、前記圧電体基板内において前記表面から所定深さの領域に欠陥層を形成する、第２の工程と、（ｃ）前記欠陥層が形成された前記圧電体基板の前記表面に前記支持基板を接合して基板接合体を形成する、第３の工程と、（ｄ）前記基板接合体を、前記圧電体基板内に形成された前記欠陥層で分離して、前記圧電体基板の前記表面と前記欠陥層との間の剥離層が前記圧電体基板から剥離されて前記支持基板に接合された複合圧電基板を形成する、第４の工程と、（ｅ）前記複合圧電基板の前記剥離層の表面を平滑化する、第５の工程とを含む。複合圧電基板の製造方法は、（ｆ）前記第２の工程の後かつ前記第３の工程の前又はそれ以降に、前記第２の工程でのイオン注入によって生じた前記複合圧電基板の前記剥離層における分極の極性の反転を修復する分極処理を行う分極処理工程をさらに含む。
上記方法によれば、イオン注入によりに分極が反転しても、修復することができる。
好ましくは、（ｆ）前記欠陥層が形成された前記圧電体基板の表面と前記支持基板の表面との少なくとも一方について、当該表面に付着した不純物を除去して当該表面を構成する原子を直接露出させ、活性化させる、清浄活性化工程をさらに含む。
好ましくは、接合界面に金属元素を配する。
好ましくは、前記圧電体基板にリチウム系圧電材料を用いる。
上記方法で製造された複合圧電基板に形成された圧電体基板の剥離層の極めて薄い圧電体を利用して、弾性表面波素子、弾性境界波素子、バルク波素子、板波素子などの弾性波素子を形成することができる。これらの弾性波素子を有する電子部品の製造に、上記方法で製造された複合圧電基板を用いると、高価な圧電体基板の使用量を削減できる。
本発明の複合圧電基板の製造方法によれば、圧電体材料を効率良く利用して、均質な厚みの極薄圧電膜を形成することができる。
複合圧電基板の製造工程を示す断面図である。（実施例１） ＢＡＷデバイスの製造工程を示す断面図である。（実施例２） ＢＡＷデバイスの製造工程を示す断面図である。（実施例３） ＢＡＷデバイスの断面図である。（実施例３） ＳＡＷデバイスの製造工程を示す断面図である。（実施例１） 弾性表面波装置の断面図である。（従来例）
符号の説明
２ 圧電体基板
３ 剥離層
４ 欠陥層
１０，１０ｘ 支持基板
３０，３０ａ 複合圧電基板
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。
＜実施例１＞ 実施例１のＳＡＷ（surface acoustic wave；弾性表面波）デバイスの製造方法について、図１、図５を参照しながら説明する。
まず、ＳＡＷデバイスに用いる複合圧電基板３０の製造工程について、図１を参照しながら説明する。図１は、複合圧電基板３０の製造工程を示す断面図である。
（工程１） 図１（ａ−１）及び（ａ−２）に示すように、圧電体基板２と支持基板１０を準備する。例えば、圧電体基板２として４２°ＹカットＬｉＴａＯ３基板、支持基板１０としてＳｉ基板を準備する。それぞれの基板２、１０の表面２ａ，１０ａは、予め鏡面研磨しておく。
（工程２） 次いで、図１（ｂ）に示すように、圧電体基板２の表面２ａに、矢印８で示すように、イオンを注入して、圧電体基板２内において表面２ａから所定深さの領域に、破線で模式的に示す欠陥層４を形成する。例えば、ＬｉＴａＯ３圧電体基板２にＨ＋イオンを注入する。注入エネルギーは１５０ＫｅＶ、ドーズ量は９×１０１６ｃｍ−１である。このとき、Ｈ＋イオンが圧電体基板２の表面２ａから１μｍ程度の深さに分布する欠陥層４が形成される。
（洗浄活性化工程） 圧電体基板２と支持基板２０を減圧チャンバに入れ、それぞれの表面２ａ，１０ａにＡｒイオンをビーム照射し、表面２ａ，１０ａに付着した親水基、水素、酸化被膜などの不純物を除去する。不純物が除去された表面２ａ，１０ａは、基板２，１０を構成する原子が直接露出し、活性化される。このように、清浄活性化した表面２ａ，１０ａ同士を真空中で接触させると、元素同士が直接ボンドを結び、強固な接合が得られる。接合界面に不純物が存在しないため、接合後に不純物を除去する必要がなく、接合界面付近の結晶の破損も抑制される。
（工程３） 次いで、図１（ｃ）に示すように、圧電体基板２の表面２ａと、支持基板１０の表面１０ａとを接合して、基板接合体４０を形成する。
ＬｉＴａＯ３圧電体基板２とＳｉ支持基板１０の場合には、線熱膨張係数が異なるので、常温において、基板表面２ａ，１０ａをプラズマにより活性化し、真空中で接合する常温直接接合を行うことが望ましい。
ＬｉＴａＯ３圧電体基板２とＳｉ支持基板１０とを接合した後、５００℃で加熱する。これにより、Ｈ＋イオンを注入したＬｉＴａＯ３圧電体基板２の表面２ａから１μｍの深さの欠陥層４には、表面２ａ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。
なお、接合界面に、元素同士のボンドを強化するために微量（数ｎｍ）のＦｅなどの金属元素を配してもよい。金属元素は大気中での酸化反応などにより汚染されやすい。そこで、金属イオンの堆積は、接合を行う真空に減圧したチャンバ内で、接合の直前に行うことが望ましい。
（工程４） 次いで、図１（ｄ）に示すように、基板接合体４０の圧電体基板２と支持基板１０とを、圧電体基板２内に形成された欠陥層４で分離して、圧電体基板２の表面２ａと欠陥層４との間の剥離層３が圧電体基板２から剥離されて支持基板１０に接合された複合圧電基板３０を形成する。
例えば、ＬｉＴａＯ３圧電体基板２の表面２ａから１μｍの深さの欠陥層４に形成されたマイクロキャビティに沿って分離するため、１μｍの厚さのＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３が支持基板１０の表面１０ａに接合された複合圧電基板３０と、表面２ａ側からＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３が剥離されたＬｉＴａＯ３圧電体基板２とに分離する。
（工程５） 次いで、図１（ｅ−１）及び（ｅ−２）に模式的に示すように凹凸が形成された破断面である圧電体基板２と複合圧電基板３０の表面２ａ，３ａを研磨し、図１（ｆ−１）及び（ｆ−２）に示すように圧電体基板２と複合圧電基板３０の表面２ｋ，３ｋを平滑化する。
例えば、ＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３の破断面が現れる複合圧電基板３０の表面３ａと、ＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３が剥離されたＬｉＴａＯ３圧電体基板２の表面２ａは、ＲＭＳ（root mean square）で１ｎｍ程度の荒れた面になっているため、ＣＭＰ（chemical-mechanical polishing；化学機械研磨）により表面２ａ，３ａから厚さ１００ｎｍ程度研磨して除去して平滑化する。
（工程６） 表面３ｋが平滑化された複合圧電基板３０について、剥離層３の圧電体の分極反転を修正するため、分極処理を行う。例えば、表面３ａを平滑化したＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３について、４００℃で５ｍｓ、２２ｋＶのパルス電圧を印加する分極処理を行う。
圧電体結晶を構成する原子の一部は、正又は負に荷電しイオン化している。このイオン化した原子に、例えば電界を印加すると正に荷電したイオンは陰極側に、負に荷電したイオンは陽極側に結晶内をわずかにシフトし、電気双板子を生ずる。この現象は電気分極と呼ばれている。電界の印加を止めても分極の状態を維持することができる結晶も存在し、この状態は前述した自発分極と呼ばれる。自発分極する圧電体結晶に高エネルギーで多量のイオンを注入すると、このイオンのシフトした状態が変化し、分極の極性が反転したりする。部分的な分極の反転は圧電性の劣化を引き起こすため、好ましくない。
そこで、イオン注入した後に分極処理を行うことで分極の反転を修復できる。例えば、ＬｉＮｂＯ３の場合、７００℃の加熱雰囲気で２２ｋＶ／ｍｍの電界を印加する。分極処理は剥離工程後に行うことが望ましく、温度は支持基板や電極の融点や熱膨張係数差を考慮して、２００〜１２００℃で行う。高温であるほど抗電界が下がるので、印加する電界を低く抑えることができる。また、電界は１μｓ〜１分の範囲で断続的に印加すると直流電界による結晶へのダメージを抑制できるので、望ましい。また、２００℃以上での加熱は、イオン注入により受けた結晶のひずみを緩和するため望ましい。結晶ひずみをとるための加熱温度は、分極の解消を避けるためにキューリー温度より１００℃以上低くする。
なお、分極反転などの圧電性の劣化は工程６の分極処理により回復できるが、結晶に負担がかかるため、工程６に至る前の分極反転などの圧電性劣化は極力抑制しておくことが望ましい。また、結晶材料や結晶方位によっては分極処理が難しい圧電体も存在するため、工程６に至る前の圧電性劣化の抑制策は重要である。
分極はイオン化した圧電結晶の構成元素がわずかにシフトすることで生じる。一般に、わずかにシフトさせるためのエネルギー量は、構成元素が結晶単位からはずれるエネルギー量に比べて小さい。そこで、自発分極を示すイオンのシフトしている方向と同一方向からイオンを注入することで、自発分極の極性反転が生じるのを抑制できる。
例えば、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯの場合、ＬｉイオンやＴａイオン、Ｎｂイオンは＋Ｃ軸方向にわずかにシフトしているので、−Ｃ軸側から＋Ｃ軸側に向かってイオンを注入することが望ましい。なお、イオンの注入方向に対してＣ軸のなす角度θが−９０°＜θ＜＋９０°の範囲とすれば効果が得られる。
また、工程４において、剥離は圧電体のキューリー温度以下で行うことが望ましい。キューリー温度を超えると、分極が一旦開放されるため、圧電性が劣化する。
本願発明者の知見によれば、工程４において、欠陥層で剥離するために必要な加熱温度は５００〜６００℃である。一般に電子部品用に供給されているＬｉＴａＯ３ウェハは、キューリー温度が６００℃前後と低く、剥離に必要な加熱温度とキューリー温度が近接している。このため、圧電性が劣化しやすい。ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３において、ＬｉのＴａやＮｂに対する組成比ｘが４８．０％≦ｘ＜４９．５％の場合、コングルエント組成と呼ばれ、前述の電子部品用圧電基板として大量に供給されているウェハに用いられている。一方、組成比が４９．５％≦ｘ≦５０．５％はストイキオ組成と呼ばれている。ＬｉＴａＯ３の場合、コングルエント組成の場合はキューリー温度が５９０〜６５０℃と低く、ストイキオ組成の場合は６６０〜７００℃となる。そこで、ＬｉＴａＯ３を用いる場合、ＬｉのＴａに対する組成比を４９．５％≦ｘ≦５０．５％としたストイキオ組成とすることが工程４における加熱時の圧電性劣化を抑制できるので望ましい。
なお、ＬｉＮｂＯ３の場合、コングルエント組成の場合は１１００〜１１８０℃、ストイキオ組成の場合は１１８０〜１２００℃となる。
また、工程４において、圧電体がＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３のように焦電性をもつ場合、昇温や降温により基板表面に電荷が蓄積される。表面に蓄積された電荷による電界が分極方向と逆方向から圧電体の抗電界を超えて加わると分極が反転し圧電性が劣化する。工程４では昇温と降温のいずれかにおいて、分極と逆方向から電界が加わるため、圧電性の劣化を生じやすい。
本願発明者は圧電体の導電率を高め、かつ、温度変化のペースを焦電荷による電界が圧電体の抗電界以下となるようにすることにより、圧電性の劣化を抑制できることを見出した。
実施例１において、ＬｉＴａＯ３の導電率を高めて４×１０１０Ｓ／ｃｍとなるように処理したウェハを用い、工程４において表面の電位が２００Ｖ以下となるように昇温及び降温のペースを低下させることにより圧電性の劣化を抑制できた。ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３の導電率を高める処理は、特開２００４−３２８７１２のように低酸素雰囲気中で高温アニールしたり、特開２００５−１１９９０６や特開２００５−１７９１１７のように金属粉末中で加熱する手段が知られている。
以上に説明した製造工程により製造された複合圧電基板の作製例について、観察した。すなわち、圧電体基板としてＬｉＴａＯ３基板、支持基板としてもＬｉＴａＯ３基板を用い、圧電体基板と支持基板の表面をＣＭＰにより平滑化し、真空中で圧電体基板と支持基板の表面にＡｒイオンビームを照射して、基板表面を清浄活性化し、基板表面同士を接して張り合わせて、基板の元素同士が直接ボンドする強固な接合を行った後の複合圧電基板の外形写真を撮影した。撮影した写真には、接合界面に目視できるようなキャビティはなかった。また、接合界面の結晶配列をＴＥＭ（透過型電子戦顕微鏡）で観察すると、整列した結晶配列が観察された。
以上に説明した製造工程により製造された複合圧電基板３０は、表面に圧電体の剥離層３を有しているので、弾性波素子を作製するために用いることができる。残った圧電体基板２は、次の複合圧電基板３０を作製するための素材として再び利用する。
次に、ＳＡＷデバイスの製造工程について、図５の断面図を参照しながら説明する。
図５（ａ）に示すように、前述の工程１〜６で製造された複合圧電基板３０を準備し、図５（ｂ）に示すように、複合圧電基板３０の表面３ｋに、ＩＤＴ電極１５等を形成する。
例えば、支持基板１０の表面１０ａにＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３が接合された複合圧電基板３０の表面３ｋに露出するＬｉＴａＯ３薄膜の剥離層３の平滑化された表面に、フォトリソグラフィ技術を用いてアルミニウム膜をパターンニングし、ＩＤＴ電極１５、パッド電極（不図示）、ＩＤＴ電極１５とパッド電極との間を接続する配線（不図示）などの導体パターンを形成して、ＳＡＷフィルタなどのＳＡＷデバイスを作製する。
以上に説明した工程でＳＡＷデバイスを作製すると、次のような効果を得ることができる。
（１） ＳＡＷデバイスを製造する上で、圧電体の材料、結晶方位は、電気機械結合係数や周波数温度特性、音速に影響するため、ＳＡＷデバイスの周波数や帯域幅、挿入損失などに重要な影響を与える。圧電体の材料や結晶方位の選択自由度が高い方が、優れたＳＡＷデバイスを構成しやすい。
すなわち、スパッタやＣＶＤなどの成膜法で圧電体薄膜を形成すると、薄膜の材料、結晶方位が制約される。薄膜材料はＡｌＮやＺｎＯなど、成膜法で形成できる膜の種類は少なく、圧電体を単結晶化することは難しく、通常はＣ軸配向膜が得られるに過ぎない。このため、圧電軸が上下にしか向かないのでＳＨ型のＳＡＷを励振することが困難だった。
一方、圧電体単結晶から薄膜を剥離する本発明の手法であれば、圧電体の結晶方位の自由度が高く、優れたＳＨ型ＳＡＷが励振する３６°〜４６゜Ｙカットの圧電基板を得ることができる。
（２） 単結晶の育成速度が遅く、割れやすいためスライスしづらく、ＬｉやＴａなどの原料が希少で高価なために、基板が高価なＬｉＴａＯ３基板やＬｉＮｂＯ３基板、水晶基板などの圧電体基板に比べ、Ｓｉ基板は安価である。
すなわち、従来は、１枚のＳＡＷデバイス用ウェハには、１枚の高価な圧電体基板が用いられていた。これに対し、本発明の複合圧電基板は、１枚のＳＡＷデバイス用ウェハを製造するために、１枚の安価なＳｉ基板と圧電体薄膜のみを材料とし、この圧電薄膜は１枚の圧電体基板から数十枚〜数百枚得ることができるので、材料の使用量としては無視できる程度の量に抑えることができる。このため、希少で高価なＬｉやＴａなどの使用量を抑制でき、環境負荷が小さく、安価な圧電基板を得ることができる。
（３） 携帯電話用のＲＦフィルタには、１〜２Ｗの大きな電力印加に耐えることが望まれる。ＳＡＷフィルタの耐電力性能は、電気信号を加えたときのＩＤＴ領域の温度により大きな影響を受ける。電力印加によりＩＤＴ領域が２５０℃などの高温になると、ＳＡＷフィルタが破壊するまでの時間が著しく短くなる。ＩＤＴ領域の温度上昇は、電気的なオーミック損に起因するジュール熱や弾性的な吸音による発熱が、圧電体基板の熱伝導率の低さにより十分に放熱されないことが要因である。ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの圧電体のみで構成された圧電基板は、熱伝導率がＳｉに比べて小さく、放熱性がよくない。本発明の複合圧電基板は、Ｓｉと同等の熱伝導率を得ることができるため、放熱性がよい。このため、大きな電力印加に耐えることができる。
（４） 極薄圧電体の厚みはイオン注入するときのエネルギーで決まる。したがって、研磨のように基板うねりに厚みが左右されることはなく、極薄圧電体でも安定した厚みが得られる。圧電体薄膜の厚みは、ＳＡＷの音速（周波数＝音速／波長なので周波数が決まる）を決定するので重要である。本発明の複合圧電基板は、一定厚みの圧電薄膜を形成できるので、ＳＡＷデバイスの特性が安定する。
（５） ４２°ＹカットのＬｉＴａＯ３基板は、−Ｚ軸が４２°傾斜して表面側となる。ＬｉＴａＯ３を構成するＬｉ原子とＴａ原子は、わずかに裏面側（＋Ｚ軸側）にシフトして自発分極している。本発明では、−Ｚ軸側からイオンを注入することで、分極反転を抑制している。
（６） 工程１〜６で作製した複合圧電基板は、ＳＡＷフィルタに限らず、境界波やラム波などの板波を用いたフィルタなどにも用いることができる。境界波の場合は、次の実施例２のように複合圧電基板に素子部を構成すればよい。板波を用いる場合は、次の実施例３のように、支持基板を裏面からエッチングして圧電体の剥離層を裏面から露出させればよい。
（７） ＳｉはＬｉＴａＯ３に比べて線膨張係数が小さいため、Ｓｉ支持基板にＬｉＴａＯ３剥離膜が接合された複合圧電基板は、周波数温度係数を抑制できる。
＜実施例２＞ 実施例２のＢＡＷ（bulk acoustic wave；バルク弾性波）デバイスについて、図２を参照しながら説明する。図２は、ＢＡＷデバイスの製造工程を示す断面図である。
実施例２のＢＡＷデバイスは、次の工程で製造する。
まず、図２（ａ）に示すように、複合圧電基板３０を準備する。例えば、２０°ＹカットＬｉＴａＯ３圧電体基板とＳｉ支持基板１０とを用い、実施例１の工程１〜５と同じ工程で、Ｓｉ支持基板１０の表面１０ａに２０°ＹカットのＬｉＴａＯ３剥離層３が接合された複合圧電基板３０を作製する。
次いで、図２（ｂ）に示すように、複合圧電基板３０の表面３ｋに上部電極１６を形成する。例えば、ＬｉＴａＯ３剥離層３の表面３ｋに、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィ法により、アルミニウムで上部電極１６を形成する。
次いで、図２（ｃ）に示すように、支持基板１０に穴１３を形成し、剥離層３の裏面３ｓを露出させる。例えば、Ｓｉ支持基板１０の剥離層３とは反対側の裏面１０ｂから、フォトリソグラフィ法とリアクティブイオンエッチング法により、Ｓｉ支持基板１０をエッチングして穴１３を形成し、圧電体の剥離層３の裏面３ｓを露出させる。
次いで、図２（ｄ）に示すように、剥離層３の裏面３ｓに下部電極１４を形成する。例えば、ＬｉＴａＯ３剥離層３の裏面３ｓに、アルミニウムで下部電極１４を電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィ法により形成する。
次いで、図２（ｅ）に示すように、剥離層３に下部電極１４が露出する孔２０を形成する。例えば、ＬｉＴａＯ３剥離層３の表面３ｋ側から、フォトリソグラフィ法とリアクティブイオンエッチング法で孔２０を形成する。
次いで、図２（ｆ）に示すように、孔２０を介して下部電極１４に電気的に接続された配線１８を形成する。例えば、フォトリソグラフィ法と蒸着法でアルミニウムにより配線１８を形成し、ＬｉＴａＯ３剥離層３の孔２０を介して、配線１８と下部電極１４を接続する。図示していないが、さらに、配線１８の電気抵抗を下げるために、バルク波素子の振動領域（下部電極１４と上部電極１６とが剥離層３を挟んで対向する領域）以外の領域にアルミニウムを厚付けし、配線１８を外部端子に接続してパッケージングする。
以上の工程でＢＡＷデバイスを作製すると、次のような効果を得ることができる。
（１） ＢＡＷデバイスを製造する上で、圧電体の材料、結晶方位は、電気機械結合係数や周波数温度特性、音速に影響するため、ＢＡＷデバイスの周波数や帯域幅、挿入損失などに重要な影響を与える。圧電体の材料や結晶方位の選択自由度が高い方が、優れたＢＡＷデバイスを構成しやすい。スパッタやＣＶＤなどの成膜法で圧電体薄膜を形成すると、薄膜の材料、結晶方位が制約される。薄膜材料はＡｌＮやＺｎＯなど成膜法で形成できる膜の種類は少なく、圧電体を単結晶化することは難しく、通常はＣ軸配向膜が得られるに過ぎない。このため、圧電軸が上下にしか向かないので厚みすべり型のＢＡＷを励振することが困難だった。
一方、圧電体単結晶から薄膜を剥離する本発明の手法であれば、圧電体の結晶方位の自由度が高く、優れた厚みすべり型ＢＡＷが励振する基板を得ることができる。
また、ＢＡＷデバイスのエネルギー閉じ込め状態やスプリアス応用は、励振されるバルク波の分散関係により決定されるが、材料や結晶方位を調整することで、エネルギー閉じ込めとスプリアス抑制を両立した高Ｑなバルク波素子が作成できる。
（２） 単結晶の育成速度が遅く、割れやすいためスライスしづらく、ＬｉやＴａなどの原料が希少で高価なために、ＬｉＴａＯ３基板やＬｉＮｂＯ３基板、水晶基板などの圧電体基板は高価である。単結晶薄膜を形成した複合圧電基板を得る手段として、Ｓｉ基板と圧電基板を張り合わせた後にＣＭＰ（chemical-mechanical polishing；化学機械研磨）で圧電体を研磨しで薄化する手段も考えられるが、この場合、１枚の複合圧電基板を得るために、１枚のＳｉ基板と１枚の圧電体基板が必要であるため、高価な圧電体の材料効率が悪い。
本発明の複合圧電基板は、１枚のＢＡＷデバイス用ウェハを製造するために、１枚の安価なＳｉ基板と圧電体薄膜のみを材料とし、この圧電薄膜は１枚の圧電体基板から数十枚〜数百枚得ることができるので、材料の使用量としては無視できる程度に抑えることができる。このため、希少で高価なＬｉやＴａなどの使用量を抑制でき、環境負荷が小さく、安価な圧電基板を得ることができる。
（３） 極薄圧電体の厚みはイオン注入するときのエネルギーで決まる。したがって、研磨のように基板うねりに厚みが左右されることはなく、極薄圧電体でも安定した厚みが得られる。圧電体薄膜の厚みは、ＢＡＷの波長（周波数＝音速／波長なので周波数が決まる）を決定するので、重要である。
＜実施例３＞ 実施例３のＢＡＷデバイスについて、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、ＢＡＷデバイスの製造工程を示す断面図である。図４はＢＡＷデバイスの平面図である。
実施例３のＢＡＷデバイスは、次の工程で製造する。
まず、実施例１の工程１〜５と略同様の工程で、複合圧電基板を準備する。
すなわち、工程１で、２０°ＹカットＬｉＴａＯ３圧電体基板と、図３（ａ）に示す支持基板１０ｘを準備する。支持基板１０ｘは、実施例１と異なり、Ｓｉ支持基板１１にリアクティブイオンエッチングで窪み１３ａを形成し、窪み１３ａに犠牲層１３ｘを形成し、Ｓｉ支持基板１１の表面１１ａをＣＭＰで平滑化し、スパッタ法により、Ｗ（タングステン）で下部電極１４ａを形成したものである。工程２において、実施例２と同じく、圧電体基板にイオン注入する。工程３において、圧電体基板を支持基板１０ｘの下部電極１４ａに金属接合に接合して基板接合体を形成し、実施例１と同様に、工程４において基板接合体を圧電体基板の欠陥層で剥離し、工程５において圧電体基板及び支持基板の表面を平滑化し、図３（ｂ）に示すように、２０°ＹカットＬｉＴａＯ３の剥離層３ａを有する複合圧電基板３０ａを準備する。
次いで、図３（ｃ）に示すように、ＬｉＴａＯ３の剥離層３ａの表面３ｋに、アルミニウムで上部電極１６ａを電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィ法により形成する。
次いで、図３（ｄ）に示すように、剥離層３ａと下部電極１４ａに、フォトリソグラフィ法とリアクティブイオンエッチング法で、犠牲層１３ｘに達する孔２２と、下部電極１４ａに達する孔２４とを形成する。
次いで、図３（ｅ）に示すように、犠牲層１３ｘに達する孔２２を通してドライエッチングにより犠牲層１３ｘを除去する。
次いで、図３（ｆ）及び図４に示すように、フォトリソグラフィ法と蒸着法でアルミニウムにより配線１８ａを形成し、下部電極１４ａに達する孔２４を介して下部電極１４ａと接続される配線１８ａを形成する。図示していないが、さらに、配線１８ａの電気抵抗を下げるために、バルク波素子の振動領域（下部電極１４ａと上部電極１６ａとが剥離層３ａを挟んで対向する領域）以外の領域にアルミニウムを厚付けし、配線１８ａを外部端子に接続してパッケージングする。
実施例２のように支持基板１０の裏面１０ｂに穴１３が開いていると、裏面１０ｂ側に別途基板を張り合わせるなどしてフタをする必要があるが、実施例３の構造は支持基板１１に穴が開いていないため、裏面側の密閉は不要となる。その他の効果は、実施例２と同じである。
＜まとめ＞ 以上に説明した方法で複合圧電基板を製造すると、圧電体材料を効率良く利用して、均質な厚みの極薄圧電膜を形成することができる。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
例えば、本発明の方法で製造された複合圧電基板は、ＳＡＷ素子、ＢＡＷ素子、センサー素子、屈曲振動子、その他の種々の素子に用いることができる。

Claims (4)

  1. 圧電体基板と、支持基板とを準備する、第１の工程と、
    前記圧電体基板の表面からイオンを注入して、前記圧電体基板内において前記表面から所定深さの領域に欠陥層を形成する、第２の工程と、
    前記欠陥層が形成された前記圧電体基板の前記表面に前記支持基板を接合して基板接合体を形成する、第３の工程と、
    前記基板接合体を、前記圧電体基板内に形成された前記欠陥層で分離して、前記圧電体基板の前記表面と前記欠陥層との間の剥離層が前記圧電体基板から剥離されて前記支持基板に接合された複合圧電基板を形成する、第４の工程と、
    前記複合圧電基板の前記剥離層の表面を平滑化する、第５の工程と、
    を含み、
    前記第２の工程の後かつ前記第３の工程の前又はそれ以降に、前記第２の工程でのイオン注入によって生じた前記複合圧電基板の前記剥離層における分極の極性の反転を修復する分極処理を行う分極処理工程をさらに含むことを特徴とする、複合圧電基板の製造方法。
  2. 前記欠陥層が形成された前記圧電体基板の表面と前記支持基板の表面との少なくとも一方について、当該表面に付着した不純物を除去して当該表面を構成する原子を直接露出させ、活性化させる、清浄活性化工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合圧電基板の製造方法。
  3. 接合界面に金属元素を配したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の複合圧電基板の製造方法。
  4. 前記圧電体基板にリチウム系圧電材料を用いたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の複合圧電基板の製造方法。
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