JP5277999B2 - 複合基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、圧電体・焦電体・強誘電体などの機能性材料で構成される基板から剥離した機能性材料薄膜を、支持基板の主面に接合した複合基板の製造方法に関するものである。

近年、機能性材料の薄膜を利用する素子の開発が進展している。機能性材料として圧電体を利用する場合、スパッタ法やＣＶＤ法などにより圧電体を堆積して薄膜を形成する方法や、単結晶基板の研磨により薄膜を形成する方法が採用されることがある（例えば特許文献１参照。）。

圧電体の薄膜を利用した素子の例としては、上下面に電極を形成した薄膜を支持基板に設けた空間上に配置して振動させるＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）などがある（例えば特許文献２参照。）。このＦＢＡＲの製造では、犠牲層を形成した支持基板上に薄膜が接合され、犠牲層をエッチングにより除去して振動用の空間が形成される。このエッチングの際、エッチャントを犠牲層に到達させるために薄膜の下から犠牲層が露出するように、薄膜にビアホールなどのパターンが形成される。

また、水素イオンの注入によって機能性材料の結晶体の数ミクロンの深さに剥離層を形成し、結晶体を支持基板に接合してから熱処理により結晶体を切断して薄膜を形成する方法が採用されることがある（例えば特許文献３・４参照。）。この薄膜の製造では薄膜は支持基板上一面に接合される。そこで薄膜下面から上面への電極の引き回しなどのために、やはり薄膜にビアホールを形成する必要が生じる。

これらのように機能性材料の薄膜をパターン化して支持基板上に形成するためには、従来、支持基板への接合の後に薄膜をエッチングすることで機能性材料を部分的に除去する方法が採用されていた。

特開２００７−２２８３１９号公報 ＷＯ２００５／０６００９１号公報 特開平１１−３０７４７２号公報 特表２００２−５３４８８６号公報

しかしながら機能性材料による薄膜において、機能性材料自体が難エッチング性を有してエッチングに時間がかかったり、機能性材料下の電極や支持基板にダメージが生じたりして課題が多い。エッチングに時間がかかると、エッチング加工による機能性材料のダメージやレジストの焼き付き等が生じ問題になる。特に機能性材料が圧電体であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの場合はエッチングによって発生するリチウム化合物が化学的に安定でエッチングを阻害するので、エッチング時間や製造コストに大きく影響する。また圧電体や焦電体などの機能性材料の場合、エッチング加工によって基板の分極が劣化することが問題になる。

そこで本発明は、機能性材料をエッチングすることなく薄膜をパターン形成でき、エッチングによる弊害を除くことができる複合基板の製造方法の提供を目的とする。

この発明の複合基板の製造方法はマスク工程とイオン注入工程とマスク除去工程と接合工程と剥離工程とを含む。マスク工程は、開口が形成されたマスクで機能性材料基板の主面を覆う。イオン注入工程は、機能性材料基板にイオンを注入し、マスク開口領域の表面から一定距離の内部に剥離層を形成する。この領域をパターン領域とする。マスク除去工程はイオン注入工程の後、機能性材料基板の主面からマスクを除く。接合工程はマスク除去工程の後、機能性材料基板の主面を支持基板の平坦な主面に接合する。剥離工程は、機能性材料基板のパターン領域から機能性材料薄膜を剥離する。

この製造方法によれば、機能性材料基板のパターン領域のみにイオン注入を実施するので、パターン領域下でのみイオン注入によるダメージ層（剥離層）が形成される。剥離層の形成により、パターン領域が膨らみ機能性材料基板の主面に段差が生じる。この段差を利用してパターン領域からのみ機能性材料薄膜を剥離し、パターン領域以外の機能性材料基板は除去する。したがって機能性材料をエッチングすることなく機能性材料薄膜をパターニングでき、エッチングの弊害を除くことができる。

機能性材料基板はタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの圧電単結晶体であり、機能性材料薄膜はバルク波素子薄膜または板波素子薄膜であり、支持基板は機能性材料薄膜の振動空間を備えるものであり、剥離工程の後に、振動空間に設ける犠牲層のエッチャントを機能性材料薄膜が剥落した位置から導入する工程を含む。

タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムなどのリチウムを含有する基板組成材は化学的に反応しづらくエッチングしにくい。このため、機能性材料基板のエッチング加工を除くことによって、加工時間やレジストマスクを使用する場合のレジスト焼き付きを抑制できる。また犠牲層除去のためのビアホールの形成を行う工程を省くことが可能になる。

この発明によれば、イオン注入により膨らんだパターン領域からのみ機能性材料薄膜を剥離し、パターン領域以外の機能性材料基板を除去する。したがって支持基板に接合される機能性材料薄膜をエッチングすることなくパターニングでき、エッチング加工の弊害を除くことが可能になる。

本発明の第1の実施形態に係る複合基板の製造方法の製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。 図１に示す剥離工程での基板状態を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。

本発明の第１の実施形態に係る複合基板の製造方法を説明する。
図１は、本実施形態に係る複合基板の製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。

まず鏡面研磨を施した平坦な主面を有する機能性材料基板１を用意する。そして必要とする機能性材料薄膜のパターンと同形状の開口２Ａを有するレジストマスク２を、機能性材料基板１の主面にフォトリソグラフィ法により形成する（Ｓ１１）。なお、レジストマスク２はイオン注入を選択できるマスクであればよく金属等であっても良い。この工程が本発明のマスク工程に相当する。

次に、レジストマスク２の開口２Ａから機能性材料基板１に水素イオンを注入する（Ｓ１２）。これにより開口２Ａに露出する機能性材料基板１の表面下一定距離に剥離層１Ｃが形成される。そして機能性材料基板１の開口２Ａに露出するパターン領域１Ａが、剥離層１Ｃの形成により膨む。ここで、剥離層１Ｃの形成深さは約1.0μmとする。この工程が本発明のイオン注入工程に相当する。イオン注入のマスクとして用いたレジストは、そのまま電極や接合層パターンの形成のためのレジストに使用しても良い。その場合は、ＣＭＰを用いて形成膜の主面を鏡面加工する。

次にレジストマスク２の除去により、レジストマスク２の下に残る逆パターン領域１Ｂを露出させる（Ｓ１３）。この工程が本発明のレジスト除去工程に相当する。

また支持基板３を用意し、機能性材料基板１をパターン領域１Ａで支持基板３に直接接合して複合基板５とする（Ｓ１４）。この工程が本発明の接合工程に相当し、パターン領域１Ａと逆パターン領域１Ｂとの段差によりパターン領域１Ａのみが支持基板３に接合される。なお、機能性材料基板１の線膨張係数が支持基板３側の線膨張係数と大きく異なる場合、例えばタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとを接合する場合などには、常温において基板表面をプラズマにより活性化して真空中で接合する清浄化接合法などの常温直接接合法を採用すると望ましい。またこの場合、SiO2やSiNなどの絶縁膜を接合面に設ければ接合強度が高まりさらに好ましい。

次に複合基板５を熱雰囲気下に置く。これにより剥離層１Ｃで発生、成長して機能性材料薄膜が剥離する（Ｓ１５）。この際に逆パターン領域１Ｂとパターン領域１Ａとの境界では局所的に膜厚が薄いため、この境界に歪みが集中して亀裂が生じ、パターン領域１Ａから機能性材料薄膜が剥離して素子薄膜４として複合基板５に残る。この工程が本発明の剥離工程に相当する。

図２はこの剥離工程における機能性材料基板１の基板状態を説明する図である。

機能性材料基板１は、剥離工程での加熱の際、パターン領域１Ａの表面から一定距離の剥離層１Ｃにマイクロキャビティが発生し、表面側の領域をさらに浮き上がらせる。そのため、例えばパターン領域と逆パターン領域との境界に約250nmの段差が生じる。パターン領域１Ａは図中上面側が支持基板３に接合されていて、一方、逆パターン領域１Ｂは支持基板３から浮いていて、パターン領域１Ａと逆パターン領域１Ｂとの境界部１Ｄでは図中に示すように膜厚が極端に薄い。このため境界部１Ｄに歪みが集中し、マイクロキャビティの成長に伴い境界部１Ｄに掛かる応力が増大して、境界部１Ｄが分断される。

再び図１に戻り、剥離工程（Ｓ１５）の後、素子薄膜４が剥落した機能性材料基板１と素子薄膜４が残存する複合基板５との剥離面を、それぞれ鏡面加工する（Ｓ１６）。鏡面加工を施した機能性材料基板１は再利用し、機能性材料基板１の材料効率を高める。なお、エッチング深さやマイクロキャビティの集中する深さによっては素子薄膜４の剥離が自然には生じないことや、素子薄膜４の縁にバリがたつこともある。その場合には、鏡面加工時や鏡面加工の前に、複合基板のパターン領域と逆パターン領域との境界付近にエッチング等を施し、剥離し易くしたりバリを除去したりするとよい。

以上の工程により、支持基板３と素子薄膜４とを備える複合基板５が形成される。ここではレジストマスク２を用いてイオン注入を実施するので、パターン領域１Ａのみを膨らませて支持基板３に接合できる。これにより機能性材料基板１をエッチングすることなく素子薄膜４をパターニングできエッチング加工による弊害を除くことができる。

なお、本発明の複合基板の製造方法は様々な機能性材料基板に適用できる。例えばSi・GaAs・SiC等の半導体用基板や、サファイア・水晶等の酸化物基板、四ホウ酸リチウム・タンタル酸リチウム・ニオブ酸リチウムなどの圧電基板などを利用でき、特開２０００−１５０８３５号公報や特開２００１−２４４４４４に記載された構成の製造も可能になる。

次に本発明の第２の実施形態に係る複合基板の製造方法を説明する。

本実施形態では、本発明を圧電素子であるバルク波素子デバイスの製造方法に採用し、機能性材料基板を単結晶圧電基板とする。

図３は、本実施形態に係るバルク波素子デバイスの製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。

まず鏡面研磨を施した平坦な主面を有する単結晶圧電基板１１を用意する。そして必要とする機能性材料薄膜のパターンと同形状の開口１２Ａを有するレジストマスク１２を、単結晶圧電基板１１の主面にフォトリソグラフィ法により形成する（Ｓ２１）。単結晶圧電基板１１としてはタンタル酸リチウムもしくはニオブ酸リチウムを採用するとよい。なおレジストマスク１２はイオン注入を選択できるマスクであればよく金属等であっても良い。この工程が本発明のマスク工程に相当する。

次にレジストマスク１２の開口１２Ａから単結晶圧電基板１１に水素イオンを注入し、レジストマスク１２の除去によりレジストマスク１２の下に残る逆パターン領域１１Ｂを露出させる（Ｓ２２）。水素イオンの注入エネルギーは１５０KeVとし、ドーズ量（イオン注入密度）は９×10¹⁶atom／cm²とする。これにより開口１２Ａに露出する単結晶圧電基板１１の表面下一定距離に剥離層１３が形成される。そして単結晶圧電基板１１の開口１２Ａに露出するパターン領域１１Ａが膨む。ここで、剥離層１３の形成深さは約1.0μmとする。この工程が本発明のイオン注入工程とマスク除去工程とに相当する。

また支持基板１４を用意し、支持基板１４の主面に接合層１５と犠牲層１６と電極膜１７Ａを形成し、表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）で平滑化する（Ｓ２３）。ここでバルク波素子デバイスは、振動空間を有するメンブレン構造（中空構造）とする。そのため、接合層１５をパターン形成するとともに接合層１５の凹部に犠牲層１６を形成し、接合層１５および犠牲層１６の上面に機能性材料薄膜の下面電極および配線となる電極膜１７Ａを形成する。なお支持基板１４としてはSi・水晶・ガラス・サファイアなどを採用し、接合層１５としてはSiO₂・SiNなどの絶縁膜を採用し、犠牲層１６としてはリンケイ酸ガラス・金属・Si・SiO₂などを採用するとよい。接合層１５と犠牲層１６と電極膜１７Ａとを備える支持基板１４の全体が本発明の支持基板に相当する。

次に単結晶圧電基板１１をパターン領域１１Ａで電極膜１７Ａの上面に直接接合して複合基板１８とする（Ｓ２４）。この工程が本発明の接合工程に相当し、パターン領域１１Ａと逆パターン領域１１Ｂとの段差によりパターン領域１１Ａのみが電極膜１７Ａの上面に接合される。

次に複合基板１８を500℃の熱雰囲気下に置き、剥離層１３でマイクロキャビティを発生・成長させる（Ｓ２５）。マイクロキャビティの成長によりパターン領域１１Ａから素子薄膜１９が剥離して複合基板１８に残る。この際に逆パターン領域１１Ｂとパターン領域１１Ａとの境界では局所的に膜厚が薄く、この境界に歪みが集中して亀裂が生じ、逆パターン領域１１Ｂから機能性材料薄膜が剥落する。ここで、犠牲層１６にエッチャントを導入するためのビアホールを別途設ける必要をなくすために、この工程により犠牲層１６が露出するようにレジストマスク１２の開口１２Ａの形状を予め設定しておく。この工程が本発明の剥離工程に相当する。

次に素子薄膜１９が剥落した後の単結晶圧電基板１１と素子薄膜１９が残存する複合基板１８との剥離面を、それぞれ鏡面加工する（Ｓ２６）。鏡面加工を施した単結晶圧電基板１１は再利用し、単結晶圧電基板１１の材料効率を高める。

次に複合基板１８の素子薄膜１９の上面に上面電極となる電極膜１７Ｂを形成する（Ｓ２７）。電極膜１７Ｂの形成は、例えばフォトリソグラフィ法と蒸着法とを利用してアルミニウム電極をパターン形成することで実現する。

次に電極膜１７Ａ，１７Ｂを外部端子に接続する配線上に、例えばフォトリソグラフィ法と蒸着法とを利用してアルミニウムを厚付けする（Ｓ２８）。この工程では、電極膜１７Ａ，１７Ｂや素子薄膜１９に重ならない位置の配線を厚くすることにより、配線抵抗を抑制できる。

次にエッチャントを導入することでエッチングにより犠牲層１６を除去する（Ｓ２９）。エッチャントとしては、犠牲層１６に対する反応性が高く他の構成材料に対する反応性が著しく小さいものを選択する。この工程はドライエッチングで実現しても良い。

その後、複合基板１８をパッケージングすることでバルク波素子デバイスを製造する。

以上の工程により、支持基板１４と素子薄膜１９とを備えるバルク波素子デバイスが形成される。上記例では、単結晶圧電基板１１のエッチング加工を行わなくても犠牲層を露出させられるので、単結晶圧電基板１１のエッチング時間を省くことができ複合基板および圧電デバイスの生産性が高まる。

また単結晶圧電基板１１から素子薄膜１９を剥離することにより、素子薄膜１９におけるカット角を任意に設定でき、圧電体の結晶軸や分極軸の傾きを制御してバルク波素子の特性に最適なカット角とすることができる。

次に本発明の第３の実施形態に係る複合基板の製造方法を説明する。

本実施形態は、本発明を圧電素子である板波素子デバイスの製造方法に採用し、機能性材料基板を単結晶圧電基板とする。

図４は、本実施形態に係る板波素子デバイスの製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。

まず鏡面研磨を施した平坦な主面を有する単結晶圧電基板２１を用意する。そして必要とする機能性材料薄膜のパターンと同形状の開口２２Ａを有するレジストマスク２２を、単結晶圧電基板２１の主面にフォトリソグラフィ法により形成する（Ｓ３１）。単結晶圧電基板２１としてはタンタル酸リチウムもしくはニオブ酸リチウムを採用するとよい。なおレジストマスク２２はイオン注入を選択できるマスクであればよく金属等であっても良い。この工程が本発明のマスク工程に相当する。

次にレジストマスク２２の開口２２Ａから単結晶圧電基板２１に水素イオンを注入し、レジストマスク２２の除去によりレジストマスク２２の下に残る逆パターン領域２１Ｂを露出させる（Ｓ３２）。水素イオンの注入エネルギーは１５０KeVとし、ドーズ量（イオン注入密度）は９×10¹⁶atom／cm²とする。これにより開口２２Ａに露出する単結晶圧電基板２１の表面下一定距離に剥離層２３が形成される。そして単結晶圧電基板２１の開口２２Ａに露出するパターン領域２１Ａが膨む。ここで、剥離層２３の形成深さは約1.0μmとする。この工程が本発明のイオン注入工程とマスク除去工程とに相当する。

また支持基板２４を用意し、支持基板２４の主面に接合層２５と犠牲層２６を形成し、表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）で平滑化する（Ｓ３３）。ここで板波素子デバイスは、振動空間を有するメンブレン構造（中空構造）とする。そのため、接合層２５をパターン形成するとともに接合層２５の凹部に犠牲層２６を形成する。なお支持基板２４としてはSi・水晶・ガラス・サファイアなどを採用し、接合層２５としてはSiO₂・SiNなどの絶縁膜を採用し、犠牲層２６としてはリンケイ酸ガラス・金属・Si・SiO₂などを採用するとよい。接合層２５と犠牲層２６とを備える支持基板２４の全体が本発明の支持基板に相当する。

次に接合層２５および犠牲層２６の上面に、単結晶圧電基板２１をパターン領域２１Ａで直接接合して複合基板２８とする（Ｓ２４）。この工程が本発明の接合工程に相当し、パターン領域２１Ａと逆パターン領域２１Ｂとの段差によりパターン領域２１Ａのみが接合層２５および犠牲層２６の上面に接合される。

次に複合基板２８を500℃の熱雰囲気下に置き、剥離層２３のマイクロキャビティを発生・成長させる（Ｓ３５）。マイクロキャビティの成長によりパターン領域２１Ａから素子薄膜２９が剥離する。この際に逆パターン領域２１Ｂとパターン領域２１Ａとの境界では局所的に膜厚が薄く、この境界に歪みが集中して亀裂が生じ、パターン領域２１Ａから機能性材料薄膜が剥離して素子薄膜２９として複合基板２８に残る。ここで、犠牲層２６にエッチャントを導入するためのビアホールを別途設ける必要をなくすために、この工程により犠牲層２６が露出するようにレジストマスク２２の開口２２Ａの形状を設定しておく。この工程が本発明の剥離工程に相当する。

次に素子薄膜２９が剥落した後の単結晶圧電基板２１と素子薄膜２９が残存する複合基板２８との剥離面を、それぞれ鏡面加工する（Ｓ３６）。鏡面加工を施した単結晶圧電基板２１は再利用し、単結晶圧電基板２１の材料効率を高める。

次に複合基板２８の素子薄膜２９の上面にＩＤＴ電極（櫛歯状電極）２７Ａを形成するとともに、接合層２５の上面に配線２７Ｂを形成する（Ｓ３７）。ＩＤＴ電極２７Ａと配線２７Ｂとの形成は、例えばフォトリソグラフィ法と蒸着法とを利用してアルミニウム電極をパターン形成することで実現する。

次にＩＤＴ電極２７Ａを外部端子に接続する配線２７Ｂ上に、例えばフォトリソグラフィ法と蒸着法とを利用してアルミニウムを厚付けする（Ｓ３８）。この工程では、ＩＤＴ電極２７Ａや素子薄膜２９に重ならない位置で電極を厚くすることにより、配線抵抗を抑制できる。

次にエッチャントを導入することでエッチングにより犠牲層２６を除去する（Ｓ３９）。エッチャントとしては、犠牲層２６に対する反応性が高く他の構成材料に対する反応性が著しく小さいものを選択する。この工程はドライエッチングで実現しても良い。

その後、複合基板２８をパッケージングすることで板波素子デバイスを製造する。

以上の工程により、支持基板２４と素子薄膜２９とを備える板波素子デバイスが形成される。上記例では、単結晶圧電基板２１のエッチング加工を行わなくても犠牲層を露出させられるので、単結晶圧電基板２１のエッチング時間を省くことができ複合基板および圧電デバイスの生産性が高まる。

また単結晶圧電基板２１から素子薄膜２９を剥離することにより、素子薄膜２９におけるカット角を任意に設定でき、圧電体の結晶軸や分極軸の傾きを制御して板波素子の特性に最適なカット角とすることができる。

１…機能性材料基板
１１，２１…単結晶圧電基板
１Ａ，１１Ａ，２１Ａ…パターン領域
１Ｂ，１１Ｂ，２１Ｂ…逆パターン領域
１Ｃ，１３，２３…剥離層
１Ｄ…境界部
２，１２，２２…レジストマスク
２Ａ，１２Ａ，２２Ａ…開口
３，１４，２４…支持基板
４，１９，２９…素子薄膜
５，１８，２８…複合基板
１１，２１…単結晶圧電基板
１５，２５…接合層
１６，２６…犠牲層
１７Ａ，１７Ｂ…電極膜
２７Ａ…ＩＤＴ電極
２７Ｂ…配線

Claims (1)

1. 開口が形成されたマスクで機能性材料基板の主面を覆うマスク工程と、
   前記マスクの前記開口から露出する前記機能性材料基板のパターン領域にイオンを注入し、前記パターン領域の表面から一定距離の内部に剥離層を形成するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程の後、前記機能性材料基板の前記主面から前記マスクを除くマスク除去工程と、
   前記マスク除去工程の後、前記機能性材料基板の前記主面を支持基板の平坦な主面に接合する接合工程と、
   前記機能性材料基板の前記パターン領域から機能性材料薄膜を剥離する剥離工程と、を含む、複合基板の製造方法であって、
   前記機能性材料基板はタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶圧電基板であり、前記支持基板に接合される前記機能性材料薄膜はバルク波または板波を利用する素子薄膜であり、前記支持基板は前記機能性材料薄膜の振動空間を備えるものであり、
   前記剥離工程の後に、前記振動空間に設ける犠牲層のエッチャントを前記機能性材料薄膜が接合されていない位置から導入する工程を含む、複合基板の製造方法。

Images