JP5413025B2 - 複合基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、メンブレン構造（中空構造）を備え、圧電基板と支持基板とを積層した複合基板の製造方法に関し、特に、圧電基板に分極処理を施す複合基板の製造方法に関する。

圧電デバイスは、水晶・LiTaO₃・LiNbO₃などからなる圧電基板を備え、圧電基板と支持基板との間に空間を設けたメンブレン構造の複合基板として製造されることがある。メンブレン構造の複合基板は、支持基板と圧電基板との間に犠牲層を配置して支持基板と圧電基板とを接合し、犠牲層を除去することで空間部が形成される。

圧電基板は、スパッタ法やＣＶＤ法などの堆積法により圧電体を堆積して構成されることがある。（例えば、非特許文献１参照。）。堆積法では、圧電体の結晶軸の配向方向が限定されてしまうだけでなく、その素材もAlNやZnOなどに限定されてしまう。結晶軸の配向方向や素材は、圧電デバイスの電気機械結合係数や周波数温度特性、音速などに影響するため、堆積法を用いると圧電デバイスの設計自由度が抑制されてしまう。

圧電基板における結晶軸の配向方向や素材を任意に設定するためには、圧電体ブロックからの切断や研磨により圧電基板を成形するとよい。しかしながらその場合、加工により圧電基板の分極方向が部分的に反転することがある。圧電基板に電界を与えることで分極方向は制御可能であり、圧電基板における分極方向を揃えるために分極処理が行われることがある（例えば、特許文献２および３参照。）。

Y. Osugi et al.; "Single crystalFBAR with LiNbO3 and LiTaO3", 2007 IEEE MTT-S International MicrowaveSymposium, pp.873-876

特開平５−９０８５９号公報 特開平１０−３２４５４号公報

分極処理を行うためには、圧電基板の上下面に電界を印加するための分極電極対を設け、分極処理後に分極電極対を除去し、その後に圧電デバイスの機能電極を形成する必要がある。したがって、分極処理に付随して製造工程数が増加してしまう。

また、例えばLiTaO₃やLiNbO₃からなる圧電基板は抗電界が高く、分極処理には、22kV/mm以上の高電界の印加が必要である。他にも、支持基板に積層された圧電基板に分極処理を施す場合にも、やはり高電界の印加が必要である。高電界を圧電基板に印加する場合、圧電基板にクラックなどの欠陥が存在して絶縁破壊が生じて分極電極対が放電により溶融・短絡し、過電流が流れて電圧源の故障が生じて問題となることがあった。

本発明の目的は、圧電基板の分極処理時の絶縁破壊に伴う障害の発生を防げ、分極処理に付随して増加する製造工程数を抑制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、支持基板に導電性犠牲層を形成する工程と、導電性犠牲層および支持基板に重ねて圧電基板を設ける工程と、過電流によりオープンになる受動素子を配線に設けて圧電基板に上面分極電極を形成する工程と、上面分極電極と導電性犠牲層との間に分極電界を印加する工程と、圧電基板から上面分極電極および受動素子を除去する工程と、圧電基板を圧電デバイスとして機能させる上面機能電極を形成する工程と、導電性犠牲層を除去する工程と、を備える。
この製造方法では、上面分極電極と導電性犠牲層との間に分極電界を印加することで、圧電基板における分極方向を揃えられる。圧電基板に分極電界を印加する際に、絶縁破壊が生じて過電流が発生しても、上面分極電極の配線に設けた受動素子がオープンになるので、過電流に伴う障害の発生を防ぐことができる。さらには、メンブレン構造の空間部となる導電性犠牲層を分極電極対の一方として利用するので、別途、圧電基板の下面に分極電極を形成することや、圧電基板の下面の分極電極を除去すること無く、分極処理を行え、製造工程数の増加を抑制できる。上面分極電極および受動素子を分極後に除去することで、上面分極電極および受動素子の影響を受けずに完成品の圧電デバイスの特性を設定できる。

この発明の導電性犠牲層および支持基板に重ねて圧電基板を設ける工程は、ブロック状の圧電基板にイオン注入を行う工程と、ブロック状の圧電基板のイオン注入面を導電性犠牲層および支持基板に接合する工程と、ブロック状の圧電基板のイオン注入面から一定深さを剥離面として加熱により圧電基板の薄膜を剥離する工程とを備えると好適である。

この製造方法により、研磨などを行わなくても圧電基板の薄膜を成形でき、ブロック状の圧電基板を再利用して高価な圧電材料の使用量を抑制できる。また、イオン注入により圧電基板の薄膜の平坦度を高められる。なお、イオン注入を行うことで圧電基板における分極が反転することがあるが、分極工程を実施することで分極方向を揃えて、圧電基板の薄膜を高品位化できる。

この発明の受動素子は、ミアンダ形状の電極ラインであると好適である。
ミアンダ形状の電極ラインは単位面積あたりの線路長が長く、過電流が流れると熱拡散により抵抗が飛躍的に増大する。そのため、電極ラインが溶断し易く、過電流に対する応答性が高まる。また、電極ラインとして受動素子を構成することにより上面分極電極と受動素子との形成を一度に行え、製造工程数を削減できる。

この発明の支持基板および圧電基板は複数に分割されるものであり、前記導電性犠牲層、前記上面分極電極、前記受動素子、および前記上面機能電極は、分割される複数の領域それぞれに設けられ、各領域に対応する受動素子は電圧源に対して並列に接続されると好適である。

単一の基板を分割して複数の圧電デバイスを形成する場合、一箇所でも絶縁破壊が生じると基板全体で分極電界を印加することが不能になる恐れがある。その場合、絶縁破壊が直接起こっていない他の圧電デバイスであっても、同一ロットの圧電デバイスであれば全て分極処理を経ずに製造されることになり、良品率が低下してしまう。この問題の解消には、複数の受動素子を電圧源に対して並列に接続すると好適である。複数の受動素子を電圧源に対して並列に接続していれば、絶縁破壊が生じた分極電極対のみが過電流によりオープンになって電圧源から分離され、他の分極電極対には引き続き分極電界を印加することができる。したがって、絶縁破壊が生じた場合でも同一ロットの他の圧電デバイスに分極処理を行うことができ、良品率を改善できる。

この発明によれば、圧電基板における部分的な分極方向の反転を回復させられる。また、過電流によってオープンになる受動素子を上面分極電極の配線に設けることで、分極処理時の絶縁破壊に伴って発生する障害を防ぐことができる。さらには、メンブレン構造を実現するための導電性犠牲層を分極電極対の一方に利用するので、別途、圧電基板の下面に分極電極を形成することや、下面の分極電極を除去すること無く分極処理を行え、工程数の増加を抑制できる。上面分極電極および受動素子を分極後に除去するので、上面分極電極および受動素子の影響を受けることなく完成品の圧電デバイスの特性を設定できる。

本発明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。 本発明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。 上面分極電極を設けた複合基板の平面図である。 導電性犠牲層を設けた支持基板の平面図である。

以下、本願発明の実施形態に係るメンブレン構造の圧電デバイスとして、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）デバイスを製造する方法を例に、本願発明を説明する。

図１は、本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。本実施形態では、複数のFBARデバイスを単一の基板から一度に製造するが、図中には同基板における一つのFBARデバイスを構成する部分のみを示している。

まず鏡面研磨を施した平坦な主面を有する圧電基板１を用意し、その主面から水素イオンを注入するイオン注入工程を実施する（Ｓ１）。圧電基板１としては42°YカットのLiTaO₃基板を採用し、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。これにより圧電基板１の表面から一定距離の内部、ここでは形成深さ約1.0μmにマイクロキャビティが集中する剥離層１Ｃが形成される。なお、圧電基板１の各面は、正または負の極性に帯電していて、ここでは圧電基板１の負極性の主面に対して、陽イオンである水素イオンを注入する。イオン注入により、圧電基板１の分極の一部が反転するが、主面の極性と逆極性のイオンを注入することで分極反転の発生を抑制する。圧電基板１としてはLiTaO₃基板の他に、LiNbO₃基板、Li₂B₄O₇基板、La₃Ga₅SiO₁₄基板などを利用してもよい。

次に、圧電基板１の水素イオンを注入した主面に、圧電デバイスの下面機能電極となる電極１１を形成する（Ｓ２）。

次に、圧電基板１の電極１１を形成した面に、支持基板２との密着層となる薄い絶縁膜１２を形成する（Ｓ３）。絶縁膜１２の主面はＣＭＰにより平滑化すると好適である。絶縁膜１２としてはSiNなど、導電性犠牲層１３と圧電基板１との間での素材粒子の拡散を抑制可能な素材を選択すると好適である。

また、Si、ガラス、圧電体基板などにSiO₂膜を成膜した支持基板２を用意する（Ｓ４）。なお、SiO₂膜に替えて、SiN、PSG（フォスフォシリケートグラス）、ZnOなどの絶縁膜を採用してもよい。

次に、支持基板２にして空間部２Ａを形成する（Ｓ５）。空間部２Ａは、SiO₂膜に対するレジストパターニング、RIE（リアクティブドライエッチング）、レジスト除去によって形成する。

次に、導電性犠牲層１３を空間部２Ａの内部に形成し、CMPにより導電性犠牲層１３の表面と支持基板２の表面とを平坦化する（Ｓ６）。導電性犠牲層としては、Cu、Al、Niなどの金属や、導電ペーストなどの導体を用い、エレクトロンマイグレーションに強い材料を採用することが好ましい。導電性犠牲層１３の形成方法は、スパッタ成膜、EB蒸着、CVD、印刷法などを採用するとよい。また、導電性犠牲層１３および支持基板２の表面には、さらに図示しない絶縁膜を密着層として形成する。この絶縁膜として、前述の絶縁膜１２と同様に導電性犠牲層１３と圧電基板１との間での素材粒子の拡散を抑制可能な素材を選択すると好適である。

次に、圧電基板１と支持基板２とを、密着層を介して清浄化接合して複合基板５を構成する（Ｓ７）。清浄化接合を利用することにより常温での接合処理が可能となる。

次に複合基板５を500℃加熱環境下に置く（Ｓ８）。これにより圧電基板１の剥離層１Ｃでマイクロキャビティが発生して成長し、圧電基板１から約1μm厚の圧電薄膜４が剥離する。

次に、圧電薄膜４が剥落した圧電基板１と、圧電薄膜４が残存する複合基板５との剥離面をそれぞれＣＭＰにより平滑化する（ｓ９）。圧電薄膜４が剥落した圧電基板１は、次ロットの圧電デバイスの製造に利用するために、再びイオン注入を行う。

図２は、本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。

次に、剥離面を平坦化した複合基板５は、圧電薄膜４の表面に上面分極電極１４を形成し、上面分極電極１４と導電性犠牲層１３とを電圧源に接続して、上面分極電極１４と導電性犠牲層１３との間に分極電界を印加する（Ｓ１０）。これにより、イオン注入時に部分的に反転した分極を回復させて、圧電薄膜４における分極方向を揃える。

圧電薄膜４の分極処理後には、上面分極電極１４を除去する（Ｓ１１）。

次に、下面機能電極とともにFBARデバイスを励振する上面機能電極１５、電極引き回し配線（不図示）、および、バンプパッド１６を圧電薄膜４の表面に形成し、絶縁膜１７を全面に成膜する（Ｓ１２）。

次に、導電性犠牲層１３を除去するためのエッチャントを導入する開口窓１８を、圧電薄膜４の窓開け加工により形成する（Ｓ１３）。この工程は、フォトリソグラフィー技術を用いて絶縁膜１７をパターニングし、RIE法によって圧電薄膜４をエッチングするとよい。

次に、開口窓１８からエッチング液、もしくは、エッチングガスを空間部２Ａに導入し、導電性犠牲層１３を除去する（Ｓ１４）。

次に、圧電薄膜４の加工に用いた絶縁膜１７を剥離し、洗浄および乾燥工程を行い、FBARデバイスを外部回路に接続するためのバンプ１９をバンプパッド１６上に形成する（Ｓ１５）。

以上の各工程により本実施形態ではFBARデバイスを製造する。圧電薄膜４を圧電基板１からの剥離により形成するので、圧電体材料、結晶方位などの設計自由度が従来よりも高く、ブロック状の圧電基板１の再利用が可能で高価な圧電材料の使用量を抑制できる。また、イオン注入を利用するので、圧電薄膜４の平坦度が高く、厚みの設計自由度も高い。これにより圧電薄膜４における電気機械結合係数や周波数温度特性、音速を精緻に設定する事が可能になり、FBARデバイスにおける周波数特性や、帯域幅、挿入損失などの特性を改善できる。イオン注入を行うことで圧電基板１における分極が反転することがあるが、分極工程を実施することで分極方向が揃い、圧電薄膜４を高品位にできる。

図３（Ａ）は分極工程に利用する上面分極電極１４を設けた圧電薄膜４の平面図である。複数の上面分極電極１４はマトリクス状に配置されていて、それぞれミアンダ電極２０を介して並列に電圧印加ライン２１に接続し、電圧印加ライン２１を介して電圧源に接続している。図３（Ｂ）はミアンダ電極２０の拡大した平面図である。ミアンダ電極２０は、ミアンダ状に折り返されたライン電極であり、本願発明の受動素子に相当する。

図４は、分極工程に利用する導電性犠牲層１３を設けた支持基板２の平面図である。複数の導電性犠牲層１３はマトリクス状に配置されていて、それぞれ上下左右に隣接する他の導電性犠牲層１３と接続ライン２２を介して導通し、電圧印加ライン２１を介して電圧源に接続している。

前述の上面分極電極１４と導電性犠牲層１３とは、平面視して互いに一致する形状で対向していて、電圧印加ライン２１を介して電圧源から印加される電圧によって、圧電薄膜４に分極電界を与える。この分極電界により、圧電薄膜４では、部分的に反転した分極方向が復元されることになる。

抗電界が高いLiTaO₃基板やLiNbO₃基板を圧電基板とした場合、室温での分極処理には22kV/mm以上もの高電界の印加が必要であり、圧電薄膜４に微細なクラックなどがあると絶縁破壊により上面分極電極１４と導電性犠牲層１３との間で放電が発生することがある。このようにして放電が生じると、上面分極電極１４や導電性犠牲層１３が融解して互いに短絡して、絶縁破壊が生じることがある。

従来構成では、一箇所でも絶縁破壊が生じると、その後に基板全体で分極電界を印加することが不能になり、同一ロットの圧電デバイスが全て分極処理を完了せずに製造されることになり、良品率が低下してしまう。

一方、本構成では、各上面分極電極１４と電圧源との間には、個別にミアンダ電極２０を挿入しているので、圧電薄膜４の絶縁破壊により特定の上面分極電極１４のショート箇所で過電流が流れると、その上面分極電極１４に接続されたミアンダ電極２０が熱拡散して抵抗が増大する。これにより、そのミアンダ電極２０が溶断に至り、電圧印加ライン２１がオープンとなってショート箇所の上面分極電極１４を電圧印加ライン２１から分離する。したがって、過電流による影響が他の上面分極電極１４やミアンダ電極２０、電圧源などに及ぶことを防ぐことができる。

なおミアンダ電極としては、熱拡散しやすいCu，Tiなどの材料を選択しておくと、熱拡散によりミアンダ電極の抵抗が増大させることができて好適である。ミアンダ電極は、単位面積当たりの線路長を長くできるため、抵抗を増やすのに効果的である。

以上の実施形態に示すように本願発明は実施できるが、FBARデバイスの他にも板波デバイス、ジャイロ、RFスイッチ、焦電デバイスなどであっても、本願発明は好適に実施できる。

１…圧電基板
１Ｃ…剥離層
２…支持基板
２Ａ…空間部
４…圧電薄膜
５…複合基板
１３…導電性犠牲層
１４…上面分極電極
１５…上面機能電極
１８…開口窓
２０…ミアンダ電極
２１…電圧印加ライン

Claims (4)

1. 支持基板に導電性犠牲層を形成する工程と、
   前記導電性犠牲層および前記支持基板に重ねて圧電基板を設ける工程と、
   過電流によりオープンになる受動素子を配線に設けて前記圧電基板に上面分極電極を形成する工程と、
   前記上面分極電極と前記導電性犠牲層との間に分極電界を印加する工程と、
   前記圧電基板から前記上面分極電極および前記受動素子を除去する工程と、
   前記圧電基板を圧電デバイスとして機能させる上面機能電極を形成する工程と、
   前記導電性犠牲層を除去する工程と、を備える複合基板の製造方法。
2. 導電性犠牲層および支持基板に重ねて圧電基板を設ける前記工程は、
   ブロック状の圧電基板にイオン注入を行う工程と、
   前記ブロック状の圧電基板のイオン注入面を前記導電性犠牲層および前記支持基板に接合する工程と、
   前記ブロック状の圧電基板のイオン注入面から一定深さを剥離面として、加熱により圧電基板の薄膜を剥離する工程とを備える、請求項１に記載の複合基板の製造方法。
3. 前記受動素子は、ミアンダ形状の電極ラインである、請求項１または２に記載の複合基板の製造方法。
4. 前記支持基板および前記圧電基板は複数に分割されるものであり、
   前記導電性犠牲層、前記上面分極電極、前記受動素子、および前記上面機能電極は、分割される複数の領域それぞれに設けられ、
   各領域に対応する前記受動素子は電圧源に対して並列に接続される、請求項１〜３のいずれかに記載の複合基板の製造方法。

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