JP5743383B2 - Piezoelectric element and method for manufacturing piezoelectric device - Google Patents

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Description

本発明は圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element.

電子デバイスの内、圧電素子は圧電材料をその構成要素として持ち、機械と電気の変換機能を活用しており、水晶等の一部の材料においては、従来より、センサ、アクチュエータ等への応用がなされてきている。そして、酸化物、窒化物等のセラミック材料においても、一部の材料が圧電特性を持つことが知られており、様々な用途への応用が実施されている。   Among electronic devices, a piezoelectric element has a piezoelectric material as a component and utilizes a conversion function between a machine and electricity, and some materials such as quartz have conventionally been applied to sensors, actuators, etc. Has been made. In addition, some ceramic materials such as oxides and nitrides are known to have piezoelectric characteristics, and are applied to various applications.

また、近年、圧電素子を集積回路等の電子回路に応用すべく、MEMS(Micro−Electro−Mechanical System)素子という、小型で良好な電気特性を持つ電子デバイスの開発が盛んになってきている。MEMS素子は、その良好な電気特性を活かし、無線通信技術、ディスプレー、バイオテクノロジー等への応用が期待されている素子である。これらの内、特に無線通信技術に関しては、MEMS素子の持つ高いQ値(Quality factor;品質係数)、入力−出力間の良好な線形性、比較的低い動作電圧等の長所により、充電池により駆動する携帯電話等の無線端末に対する回路応用が期待されている。   In recent years, in order to apply a piezoelectric element to an electronic circuit such as an integrated circuit, development of a small electronic device having a good electrical characteristic called a micro-electro-mechanical system (MEMS) element has become active. A MEMS element is an element expected to be applied to wireless communication technology, display, biotechnology, etc. by taking advantage of its good electrical characteristics. Among these, especially in the case of wireless communication technology, it is driven by a rechargeable battery due to the advantages such as high Q value (Quality factor), good linearity between input and output, and relatively low operating voltage. Circuit applications for wireless terminals such as mobile phones are expected.

圧電駆動型のMEMS素子は以下の複数の構成要素から構成される。第一の構成要素に、基板が挙げられる。基板はMEMS素子を支持する部分の一部として、あるいは電極層や絶縁層の一部として活用される。第二の構成要素に、MEMSの電極層やアース及び実装用のパタンとして機能する金属層が挙げられる。第三の構成要素に、MEMSのシム層、支持層、圧電層、電極間の層間絶縁層等として機能する絶縁体層が挙げられる。これらの内、最終的なMEMSの特性に悪い影響を与えるものとして、ウエハ内の膜厚の面内分布の発生、残留応力の制御性の低下やエッチングレートの面内分布の発生等が挙げられる。   The piezoelectric drive type MEMS element is composed of a plurality of components as follows. The first component includes a substrate. The substrate is used as a part of a part that supports the MEMS element or as a part of an electrode layer or an insulating layer. The second component includes a MEMS electrode layer and a metal layer that functions as a grounding and mounting pattern. The third component includes an insulator layer that functions as a MEMS shim layer, a support layer, a piezoelectric layer, an interlayer insulating layer between electrodes, and the like. Among these, what adversely affects the final MEMS characteristics include the occurrence of an in-plane distribution of film thickness within the wafer, a decrease in controllability of residual stress, and an in-plane distribution of etching rate. .

これらの悪影響の発生原因として、成膜装置での成膜中及びエッチング中の、基板表面の電位の変動や面内不均一性等が挙げられる。特に、この傾向が著しいのは、成膜及びエッチングされる際に使用される基板や薄膜が、絶縁性の高い材料である場合であり、静電型MEMSにおけるシム層、支持層、層間絶縁層等の薄膜や、圧電型における圧電層、層間絶縁層等が挙げられる。基板や基板に形成された薄膜が絶縁性の場合、通常の成膜装置やエッチング装置では、基板ホルダとの接触が不完全であることによる電位分布の発生、表裏面に誘起される電荷の不均一性による電位分布の発生等の原因により、結果的に成膜時の基板表面へのイオンアシスト量が変動し、薄膜の様々な特性に影響を及ぼすことになる。   The causes of these adverse effects include fluctuations in the potential of the substrate surface and in-plane non-uniformity during film formation and etching in the film formation apparatus. In particular, this tendency is remarkable when a substrate or a thin film used for film formation and etching is a highly insulating material, such as a shim layer, a support layer, and an interlayer insulating layer in electrostatic MEMS. And a piezoelectric layer such as a piezoelectric layer and an interlayer insulating layer. When the substrate and the thin film formed on the substrate are insulative, in a normal film forming apparatus or etching apparatus, potential distribution is generated due to incomplete contact with the substrate holder, and charge induced on the front and back surfaces is not generated. As a result, the amount of ion assist on the substrate surface during film formation fluctuates due to the occurrence of potential distribution due to uniformity and the like, which affects various characteristics of the thin film.

特開2008−105162JP 2008-105162 A

ここで本発明の圧電素子の製造方法は、基板の側面を除いた表裏両面全面に導電性膜を生成し、前記基板に形成した前記貫通孔によって前記基板表裏の導電性膜を電気的に接続する工程と、前記基板表面の導電性膜の1表面にスパッタリングにより圧電層を形成する工程とを備え、前記圧電層を形成する工程において、前記基板表裏の導電性膜および前記貫通孔の導電性膜を同電位にすることを特徴とする。 Here, in the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, conductive films are formed on the entire front and back surfaces except for the side surfaces of the substrate, and the conductive films on the front and back surfaces of the substrate are electrically connected by the through holes formed in the substrate. And a step of forming a piezoelectric layer by sputtering on one surface of the conductive film on the surface of the substrate. In the step of forming the piezoelectric layer, the conductivity of the conductive film on the front and back of the substrate and the conductivity of the through hole The membrane is characterized by having the same potential .

また、前記基板の表と裏の前記導電性膜を電気的に接続する配線の少なくとも一部が、基板表裏を貫通する貫通配線により構成されていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that at least a part of the wiring for electrically connecting the conductive film on the front and back of the substrate is constituted by a through wiring penetrating the front and back of the substrate.

また、前記圧電層がスパッタリングにより成膜されることが好ましい。   The piezoelectric layer is preferably formed by sputtering.

また、前記貫通配線が前記圧電素子の少なくとも一部の電極を構成するように前記導電性膜が加工されることが好ましい。   Further, it is preferable that the conductive film is processed so that the through wiring constitutes at least a part of the electrodes of the piezoelectric element.

また、もう一つの本発明である圧電装置の製造方法は、上述の製造方法によって製造された圧電素子の前記基板表裏に形成された前記導電性膜を少なくとも一部のパッケージ用金属パタンとして用いて、圧電装置をパッケージングする工程を備えることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric device, wherein the conductive film formed on the front and back surfaces of the piezoelectric element manufactured by the above-described manufacturing method is used as at least a part of a metal pattern for a package. And a step of packaging the piezoelectric device.

圧電素子の製造時に生じる圧電層の残留応力を軽減した。   Residual stress of the piezoelectric layer generated during the manufacture of the piezoelectric element was reduced.

図1は本発明の圧電素子の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of the piezoelectric element of the present invention. 図2は基板に導電性膜と貫通配線を備えた基板の模式図である。FIG. 2 is a schematic view of a substrate provided with a conductive film and through wiring on the substrate. 本発明の基板に形成された導電性膜と貫通配線のパタンの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the pattern of the electroconductive film and penetration wiring formed in the board | substrate of this invention. 図4は本発明の圧電素子又は圧電装置の製造に用いるスパッタ装置の一例の模式図である。FIG. 4 is a schematic view of an example of a sputtering apparatus used for manufacturing the piezoelectric element or the piezoelectric device of the present invention. 図5はプラズマ下における導電性膜及び貫通配線を備えていない基板(A)、導電性膜及び貫通配線を備えた基板(B)の帯電状態を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a charged state of a substrate (A) not provided with a conductive film and a through wiring under plasma and a substrate (B) provided with a conductive film and a through wiring. 図6は実施例1−3と比較例1−3の基板の残留応力測定結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the residual stress measurement results of the substrates of Example 1-3 and Comparative Example 1-3. 図7は本発明の圧電素子又は圧電装置の製造に用いるRFイオンエッチング装置の一例の模式図である。FIG. 7 is a schematic view of an example of an RF ion etching apparatus used for manufacturing the piezoelectric element or the piezoelectric device of the present invention. 図8は実施例4と比較例4の基板のエッチングレートを示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the etching rates of the substrates of Example 4 and Comparative Example 4. 図9は実施例5の基板(A)、実施例6の基板(B)、実施例7の基板(C)、実施例8の基板(D)に形成された導電性膜及び貫通配線のパタンの模式図である。FIG. 9 shows patterns of the conductive film and the through wiring formed on the substrate (A) of Example 5, the substrate (B) of Example 6, the substrate (C) of Example 7, and the substrate (D) of Example 8. FIG. 図10は実施例5−8の基板のエッチングレートを示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the etching rate of the substrate of Example 5-8. 図11は本発明の圧電素子製造工程を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic view showing the piezoelectric element manufacturing process of the present invention. 図12は実施例9における圧電素子の特性評価の結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the results of the piezoelectric element characteristic evaluation in Example 9. 図13は本発明の圧電素子製造工程の一例を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the piezoelectric element manufacturing process of the present invention. 図14は実施例9及び10における圧電素子の特性評価の結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing the results of the piezoelectric element characteristic evaluation in Examples 9 and 10. 図15は本発明のウエハレベルでの圧電素子製造工程の一例を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic view showing an example of a piezoelectric element manufacturing process at the wafer level of the present invention.

本発明者が種々の検討を行ったところ以下の事実を見出した。   The inventors have made various studies and found the following facts.

導電性材料を用いて、基板を挟む形で基板表裏に導電性膜を形成し、基板を電気的に導通することにより、基板表裏の電位を同一にすることで、上記課題を解決することを見出した。   Using a conductive material, a conductive film is formed on the front and back of the substrate with the substrate sandwiched between them, and the substrate is electrically connected to make the potentials on the front and back of the substrate the same. I found it.

さらに、圧電素子の電極やパッケージングする際に外層の接合等に基板表裏に形成された導電性材料を用いることで、プロセス工程数を減らす圧電素子及び圧電装置の製造方法を見出した。
Furthermore, the present inventors have found a method for manufacturing a piezoelectric element and a piezoelectric device that reduce the number of process steps by using a conductive material formed on the front and back of a substrate for bonding of an outer layer or the like when packaging an electrode of a piezoelectric element or packaging.

図1の模式図に本発明の圧電素子の製造方法によって製造する圧電素子の一例を示す。図1に示した圧電素子は基板に貫通電極、電極パッド、圧電層や電極層等が形成されたものである。なお、電極パッドはあらかじめ成膜された導電性膜を加工したものである。   An example of a piezoelectric element manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention is shown in the schematic diagram of FIG. The piezoelectric element shown in FIG. 1 is a substrate in which a through electrode, an electrode pad, a piezoelectric layer, an electrode layer, and the like are formed. The electrode pad is obtained by processing a conductive film formed in advance.

まず、導電性膜を形成する基板について説明する。導電性膜を形成する基板は純粋石英ガラスなどの絶縁性の高い基板や半導体基板のどちらでもよい。具体的には、純粋石英ガラス、アルカリガラス、シリコン、サファイア、焼結体セラミック基板などの絶縁体又は半導体基板が挙げられる。なお、半導体基板は特に高抵抗半導体基板の方が導電性膜による効果が大きいが、低抵抗半導体基板でも、導電性膜による効果が得られる。   First, a substrate on which a conductive film is formed will be described. The substrate on which the conductive film is formed may be either a highly insulating substrate such as pure quartz glass or a semiconductor substrate. Specific examples include insulators such as pure quartz glass, alkali glass, silicon, sapphire, and a sintered ceramic substrate, or semiconductor substrates. Note that the effect of the conductive film is greater on the semiconductor substrate, particularly the high resistance semiconductor substrate, but the effect of the conductive film can be obtained even on the low resistance semiconductor substrate.

次に導電性膜について説明する。基板に形成される導電性膜は基板表裏に形成され、基板表裏が電気的に接続されている。基板表裏を電気的に接続する形態の例としては、基板全体の側面の少なくとも一部に配線を設け、この配線により、基板表裏の導電性膜と接続する形態や、基板に貫通孔を設けて、貫通孔を導電性の材料でプラグして貫通配線として、貫通配線により基板表裏を電気的に接続する形態などが挙げられる。   Next, the conductive film will be described. The conductive film formed on the substrate is formed on the front and back of the substrate, and the front and back of the substrate are electrically connected. As an example of a form of electrically connecting the front and back of the substrate, a wiring is provided on at least a part of the entire side surface of the substrate, and the wiring is connected to a conductive film on the front and back of the substrate, or through holes are provided in the substrate. The through hole is plugged with a conductive material to form a through wire, and the front and back of the substrate are electrically connected by the through wire.

貫通配線を形成する方法としては、基板表面に導電性膜を成膜した後に、基板の一部に貫通孔を形成し、導電性材料を用いて貫通孔をプラグする方法や、基板に貫通孔を形成した後に導電性膜を基板表裏に形成するのと同時に貫通孔をプラグする方法等が挙げられる。プラグする方法はめっき法など特に限定されない。   As a method for forming the through wiring, after forming a conductive film on the substrate surface, a through hole is formed in a part of the substrate, and the through hole is plugged using a conductive material. And a method of plugging through-holes at the same time as forming the conductive film on the front and back of the substrate after forming the substrate. The method for plugging is not particularly limited, such as a plating method.

導電性膜及び基板表裏を電気的に接続する配線に用いる導電性材料はある程度導電性があるものであればよい。具体的には、遷移金属(Ti,Ni,Fe,Cu,Mo,W,Ta等)、貴金属(Ag,Au,PT、Ir等)、酸化物薄膜(ITO,YBCO,ReO等)や有機導電性ポリマー等の有機膜等が挙げられる。特に有機導電性ポリマーは基板への塗布及び貫通孔の充填が容易であって好ましい。なお、導電性材料に有機導電性ポリマーなど低融点物質を用いる場合は、圧電素子及び圧電装置の製造において、特にその融点に注意して製造しなくてはならない。 The conductive material used for the wiring that electrically connects the conductive film and the front and back of the substrate may be any material that is conductive to some extent. Specifically, transition metals (Ti, Ni, Fe, Cu, Mo, W, Ta, etc.), noble metals (Ag, Au, PT, Ir, etc.), oxide thin films (ITO, YBCO, ReO 6 etc.) and organic Examples thereof include organic films such as conductive polymers. In particular, an organic conductive polymer is preferable because it can be easily applied to a substrate and filled with a through hole. When a low-melting substance such as an organic conductive polymer is used as the conductive material, the piezoelectric element and the piezoelectric device must be manufactured with particular attention to the melting point.

基板表裏に形成される導電性膜の厚さは1nmより薄いと成膜が困難で好ましくなく、1000nmより厚いと、成膜及びエッチングのコストが高くなることから、1nm以上1000nm以下が好ましい。また、スパッタリング法、CVD法、真空蒸着法、めっき法等によって導電性膜を成膜することが好ましい。   If the thickness of the conductive film formed on the front and back of the substrate is less than 1 nm, it is difficult to form a film, and if it is more than 1000 nm, the cost of film formation and etching increases. In addition, the conductive film is preferably formed by a sputtering method, a CVD method, a vacuum evaporation method, a plating method, or the like.

図2において絶縁又は半導体基板1に導電性膜2及び貫通配線3を形成した模式図を示す。図2のような導電性膜2及び貫通配線3が基板に形成されることによって基板1が絶縁性基板や半導体基板であっても、その後の、圧電層等の形成プロセスにおいて基板ホルダ、貫通配線及び基板表裏の電位を同電位にすることが出来る。   FIG. 2 is a schematic view in which a conductive film 2 and a through wiring 3 are formed on an insulating or semiconductor substrate 1. Even if the substrate 1 is an insulating substrate or a semiconductor substrate by forming the conductive film 2 and the through wiring 3 as shown in FIG. 2 in the subsequent formation process of the piezoelectric layer and the like, the substrate holder and the through wiring And the electric potential of the substrate front and back can be made the same electric potential.

また、図3にはチップ面積等に応じた基板表裏に形成された導電性膜2(斜線部又は太線部)と貫通配線3(白色円柱部)の形成パタンの例をいくつか示す。図3Aの基板表裏に導電性膜3が成膜された基板1では、正方形型のチップの一辺の周期的に応じて、各正方形チップの頂点に貫通配線3が形成されている。また、図3Bの基板表裏に導電性膜2が成膜された基板1では、チップが形成されるウエハ中央付近には貫通配線3を形成せず、ウエハハンドリングエリアとして利用する最外周部に貫通配線3を形成している。また、図3Cの基板1では、太線で示した導電性膜2がスリット状にX及びY方向にパタニングされており、スリットの各交点(ノード)直下部分で裏面導電性膜と貫通配線を形成するものである。この場合、基板電位を良好に保ちながら、元来の基板上での素子形成が可能となるものである。   FIG. 3 shows some examples of patterns for forming the conductive film 2 (hatched or thick line portion) and the through wiring 3 (white cylindrical portion) formed on the front and back of the substrate according to the chip area and the like. In the substrate 1 in which the conductive film 3 is formed on both sides of the substrate in FIG. 3A, the through wiring 3 is formed at the apex of each square chip according to the periodicity of one side of the square chip. In addition, in the substrate 1 in which the conductive film 2 is formed on the front and back of the substrate in FIG. 3B, the through wiring 3 is not formed near the center of the wafer on which the chip is formed, but penetrates to the outermost periphery used as a wafer handling area A wiring 3 is formed. Further, in the substrate 1 of FIG. 3C, the conductive film 2 indicated by a thick line is patterned in a slit shape in the X and Y directions, and a back surface conductive film and a through-wiring are formed immediately below each intersection (node) of the slit. To do. In this case, it is possible to form an element on the original substrate while maintaining a good substrate potential.

図4のような成膜装置を用いて、基板表裏及び貫通孔に導電性膜を形成していない基板に圧電層を形成する場合、基板表面付近のプラズマ中の電荷の不均一性等による影響を受け、図5Aの基板の帯電状態を表した模式図ように基板ホルダ10に配置された基板の表裏における帯電量が不均一となる。なお、図5中の−及び+は電荷を示す。   When a piezoelectric layer is formed on a substrate on which no conductive film is formed on the front and back surfaces of the substrate and through-holes using a film forming apparatus as shown in FIG. 4, the influence due to the non-uniformity of the charge in the plasma near the substrate surface As shown in FIG. 5A, the charge amount on the front and back sides of the substrate disposed in the substrate holder 10 becomes non-uniform as shown in the schematic diagram showing the charged state of the substrate. Note that − and + in FIG. 5 indicate electric charges.

しかし、上記の導電性膜及び導電性膜を電気的に接続する配線を具備する基板は、図5の様な装置を用いて、導電性膜に圧電層を形成する場合、図5Bの基板の帯電状態を表した模式図ように、基板表面の導電性膜2及び貫通配線3が基板ホルダ10と同電位にそして、その電位が均一となり、Arイオンの基板へのイオン衝撃の強度(加速電圧)、及びArイオン照射量(イオン電流)が制御されるので、薄膜のミクロな成長様式が制御される。   However, when the substrate having the conductive film and the wiring for electrically connecting the conductive film is formed with a piezoelectric layer on the conductive film using an apparatus as shown in FIG. 5, the substrate of FIG. As shown in the schematic diagram showing the charged state, the conductive film 2 and the through wiring 3 on the substrate surface have the same potential as the substrate holder 10 and the potential becomes uniform, and the intensity of ion bombardment of Ar ions on the substrate (acceleration voltage). ) And Ar ion irradiation amount (ion current) are controlled, so that the micro growth mode of the thin film is controlled.

したがって、図2の様な基板表裏及び貫通孔の電位が同電位の基板に圧電層等を成膜すると、基板に形成した圧電層の配向性、残留応力、面内分布の制御が容易となる。さらに、このような圧電層はエッチング特性に優れ、同一チップ中の素子のばらつきを減少させ、留止まりを改善することが可能である。   Accordingly, when a piezoelectric layer or the like is formed on a substrate having the same front and back surface and through-hole potential as shown in FIG. 2, the orientation, residual stress, and in-plane distribution of the piezoelectric layer formed on the substrate can be easily controlled. . Further, such a piezoelectric layer has excellent etching characteristics, can reduce variations in elements in the same chip, and can improve the retention.

次に、参考例として、導電性膜を固定電極の少なくとも一部に用いた圧電素子の製造方法について図11の圧電素子の製造工程の一例を示す模式図を用いてその概略を説明する。
なお、片持ちタイプの橋梁を持つ、ユニモルフ型のチューナブルキャパシタの製造方法を基に導電性膜を利用した圧電素子の製造方法について説明するがユニモルフ型のチューナブルキャパシタ以外にも適用することが可能である。
Next, as a reference example, an outline of a method for manufacturing a piezoelectric element using a conductive film as at least a part of a fixed electrode will be described with reference to a schematic diagram illustrating an example of a manufacturing process of the piezoelectric element in FIG.
A method for manufacturing a piezoelectric element using a conductive film based on a method for manufacturing a unimorph type tunable capacitor having a cantilever bridge will be described. However, the present invention can be applied to other than a unimorph type tunable capacitor. Is possible.

まず、図11Aのような圧電素子基板表裏及び貫通配線3を備えた当該基板の表面上に、図11Bの圧電素子製造工程の模式図のように、最終的にキャパシタの圧電体となる誘電体層23をパタニングする。誘電体層23の材料はAlN、PZT、ZnO、結晶性SiO等の一般的に圧電材料として用いられる物質を採用できる。 First, as shown in the schematic diagram of the piezoelectric element manufacturing process in FIG. 11B, on the surface of the substrate having the piezoelectric element substrate front and back and the through wiring 3 as shown in FIG. 11A, a dielectric that finally becomes the piezoelectric body of the capacitor. Layer 23 is patterned. As a material of the dielectric layer 23, a substance generally used as a piezoelectric material such as AlN, PZT, ZnO, crystalline SiO 2 can be adopted.

次に、図11Dの圧電素子製造工程の模式図のように、犠牲層24及び犠牲層上に下部電極層25を形成する。下部電極層を形成した後に、二つの貫通配線をエッチング等により加工して電気的に分離する。そして図11Fの圧電素子製造工程の模式図のように、圧電層26及び圧電層26上に上部電極層27を形成する。なお、圧電層26の成膜はスパッタ法、MOCVD法、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法等の成膜方法が好ましく、犠牲層24はpoly−Siなど一般的に犠牲層として用いられるものを採用できる。   Next, as shown in the schematic diagram of the piezoelectric element manufacturing process in FIG. 11D, the lower electrode layer 25 is formed on the sacrificial layer 24 and the sacrificial layer. After forming the lower electrode layer, the two through wirings are processed by etching or the like to be electrically separated. 11F, the upper electrode layer 27 is formed on the piezoelectric layer 26 and the piezoelectric layer 26. The piezoelectric layer 26 is preferably formed by a sputtering method, MOCVD method, laser ablation method, sol-gel method, or the like, and the sacrificial layer 24 may be a generally used sacrificial layer such as poly-Si.

図11Gの圧電素子製造工程の模式図では、犠牲層24の除去工程の前に、基板裏面に形成されている導電性膜2を、各電極のパッドとしての機能を確保する目的で、電気的に分離する裏面パッドのパタニングを行う。実際には、ウエットエッチング、ドライエッチングや機械的な研磨工程等により、導電性膜を図11Gの圧電素子製造工程の様に分割する。
なお、犠牲層除去工程におけるエッチングレート向上と、エッチングの面内均一性確保のため、犠牲層除去予定のエリアの一部にスリットを開口することが好ましい。
In the schematic diagram of the piezoelectric element manufacturing process of FIG. 11G, the conductive film 2 formed on the back surface of the substrate is electrically used for the purpose of ensuring the function as a pad of each electrode before the sacrificial layer 24 removing process. Pattern the backside pad to be separated into two. Actually, the conductive film is divided by the wet etching, dry etching, mechanical polishing process, and the like as in the piezoelectric element manufacturing process of FIG. 11G.
In order to improve the etching rate in the sacrificial layer removal step and to ensure in-plane uniformity of etching, it is preferable to open a slit in a part of the area where the sacrificial layer is scheduled to be removed.

最後に、図11Iの圧電素子の模式図のように、犠牲層24及び導電性膜2にエッチングを行うと、犠牲層が除去され、さらに、基板表面の電極パッド32,33,36がパタニングされて、チューナブルキャパシタ構造が完成する。また、貫通電極が圧電素子の電極(固定電極)の一部を構成する。   Finally, as shown in the schematic diagram of the piezoelectric element in FIG. 11I, when the sacrificial layer 24 and the conductive film 2 are etched, the sacrificial layer is removed, and the electrode pads 32, 33, and 36 on the substrate surface are patterned. Thus, a tunable capacitor structure is completed. The through electrode constitutes a part of the electrode (fixed electrode) of the piezoelectric element.

次ぎに、導電性膜2をさらにパッケージ用金属膜39,40として活用して圧電装置のパッケージングに利用して図13Dの圧電装置を製造する方法について説明する。パッケージ用金属膜は圧電素子を封止する際の接合部に用いられる。   Next, a method of manufacturing the piezoelectric device shown in FIG. 13D by using the conductive film 2 as the package metal films 39 and 40 and packaging the piezoelectric device will be described. The metal film for a package is used for a joint portion when sealing the piezoelectric element.

パッケージングはダイシングして個片化する前に行う方法と個片化した後に行う方法がある。どちらも、圧電素子製造工程の裏面パッドのパタニングまでは同様の方法によって加工する。具体的には、パッケージ材を接合するパッケージ用金属膜となる部位にエッチング保護膜を形成する前又は後にダイシングして個片化した後に、犠牲層、保護されていない部位の導電性膜及び保護膜を除去して、個片化したチップをそれぞれパッケージングする第1のパッケージングの方法と、パッケージ材を接合するパッケージ用金属膜となる部位にエッチング保護膜を形成して、犠牲層、保護されていない部位の導電性膜及びエッチング保護膜を除去してパッケージングをしてからダイシング行ってウエハを個片化する第2のパッケージングの方法である。   There are two types of packaging methods: dicing before dicing and dicing. Both are processed by the same method until patterning of the back surface pad in the piezoelectric element manufacturing process. Specifically, the sacrificial layer, the conductive film in the unprotected portion, and the protection after dicing and dicing before or after forming the etching protective film on the portion that becomes the package metal film to which the package material is bonded A first packaging method in which the film is removed and the individual chips are individually packaged, and an etching protective film is formed on a portion that becomes a package metal film to which the package material is bonded, and a sacrificial layer, a protection layer This is a second packaging method in which the conductive film and the etching protection film in the unexposed portion are removed and packaged, and then dicing is performed to separate the wafer.

第2のパッケージングの方法であるウエハレベルパッケージは、ウエハレベルで素子を作製した後、チップにダイシングし個片化する工程を経ずして、パッケージが可能となり、工程の迅速性や低コスト化等に寄与する。そのため、第2のパッケージングの方法は、チップ毎にパッケージングする必要がない点が特に好ましい。また、これらのパッケージングの方法は、圧電素子のみでなく、圧電素子の駆動回路、メモリー、その他の回路を含め、集積化した状態で最終的なチップが形成され、より大きい集積化が少ない実装面積で可能であり、実装コストを極めて低く出来る点等が好ましい。   The wafer level package, which is the second packaging method, can be packaged without producing a device at the wafer level, and then dicing into chips to separate the chips. This contributes to the conversion. Therefore, it is particularly preferable that the second packaging method does not require packaging for each chip. In addition, these packaging methods include not only piezoelectric elements but also piezoelectric element drive circuits, memories, and other circuits, so that the final chip is formed in an integrated state, and the packaging is less integrated. It is possible to use an area, and the mounting cost can be extremely low.

なお、素子を個片化する装置はダイヤモンドダイサー、レーザーダイシング装置などを用いることが好ましい。表1に導電性膜に用いる様々な導電性物質とそれぞれに適合したプロセス条件の例を示す。   Note that it is preferable to use a diamond dicer, a laser dicing apparatus, or the like as an apparatus for separating the elements. Table 1 shows examples of various conductive materials used for the conductive film and process conditions suitable for each.

なお、圧電素子及び圧電装置の製造方法において、犠牲層、保護されていない導電性膜及び保護膜の除去は、Arガスを用いたイオンミリング又はフッ素系ガスを用いたエッチングによって行うことが好ましい。なお、保護層を除去する場合、用いるガスはエッチング保護膜の材料及び厚さによって異なる。例えば、保護膜としてSiOを用いた場合は、SiO層の厚さは1−100nmであることが好ましい。CF系ガスでは約100nm程度、SF系ガスでは約10nm程度、XeF系ガスでは約1nm程度のSiO層を除去するようにすることが好ましい。 In the method for manufacturing a piezoelectric element and a piezoelectric device, the sacrificial layer, the unprotected conductive film, and the protective film are preferably removed by ion milling using Ar gas or etching using fluorine gas. When removing the protective layer, the gas used varies depending on the material and thickness of the etching protective film. For example, when SiO 2 is used as the protective film, the thickness of the SiO 2 layer is preferably 1-100 nm. It is preferable to remove the SiO 2 layer of about 100 nm for CF 4 gas, about 10 nm for SF 6 gas, and about 1 nm for XeF 2 gas.

(実施例1−3、比較例1−3)
実施例1−3及び比較例1−3では、表2に示した6インチの基板を用いた圧電薄膜作製の例を記述する。なお、実施例の基板は基板表裏にスパッタ法により100nmのTi膜が形成され、基板表裏を電気的に接続するように貫通孔をプラグした貫通配線が形成されている。また、比較例の基板には導電性材料を用いた導電性膜及び貫通配線は形成されていない。なお、本実施形態では、図5のようなスパッタ装置を用いて、表2の各基板にスパッタ法による成膜プロセスによって、AlNの圧電層を形成した。AlN層を形成するスパッタの諸条件を表3に示した。本実施形態の実施例では、AlN層の成膜時に、基板にRFパワーを同時に印加して基板に電圧を印加し、プラズマからのイオンアシストを制御することにより、薄膜の配向性確保と残留応力制御を実施している。
(Example 1-3, Comparative example 1-3)
In Example 1-3 and Comparative Example 1-3, an example of manufacturing a piezoelectric thin film using the 6-inch substrate shown in Table 2 will be described. In the substrate of the example, a 100 nm Ti film is formed on the front and back of the substrate by sputtering, and a through wiring plugged with a through hole is formed so as to electrically connect the front and back of the substrate. Further, the conductive film and the through wiring using a conductive material are not formed on the substrate of the comparative example. In the present embodiment, an AlN piezoelectric layer was formed on each of the substrates shown in Table 2 by a sputtering film forming process using a sputtering apparatus as shown in FIG. Table 3 shows the sputtering conditions for forming the AlN layer. In the example of this embodiment, when forming an AlN layer, RF power is simultaneously applied to the substrate, a voltage is applied to the substrate, and ion assist from the plasma is controlled, thereby ensuring orientation of the thin film and residual stress. Control is implemented.

実施例1−3、比較例1−3の基板に圧電層を形成して、その残留応力を測定した結果を図6のグラフに示す。なお、図6中の破線は実施例1−3、実線は比較例1、一点長鎖線は比較例2、二点長鎖線は比較例3の結果である。比較例では、AlN層の残留応力の制御性低下や分布増大などの影響が頻繁に発生した。また、基板電位分布は結晶性にも影響しており、基板中央部が特に成長した圧電体薄膜では、圧電特性が著しく劣化するなどの、構造的特性への影響も見られた。一方、基板に導電性膜及び貫通配線を形成した実施例の場合は、元の基板が絶縁体や半導体であっても、AlN層に生じる残留応力及びその膜厚分布が極めて小さいことが判明した。この実施例の基板は、ウエハ内の分布状態の改善による歩留まり向上に著しい効果を持つ事が分かった。導電性膜及び貫通配線による基板電位の均一化を行った結果、いずれの実施例においても残留応力平均値で約50MPa、ウエハ面内分布の残留応力値の標準偏差は10%であり、良好な評価結果が得られた。   The graph of FIG. 6 shows the result of forming the piezoelectric layer on the substrates of Example 1-3 and Comparative Example 1-3 and measuring the residual stress. The broken line in FIG. 6 is the result of Example 1-3, the solid line is the result of Comparative Example 1, the one-point long chain line is the result of Comparative Example 2, and the two-point long chain line is the result of Comparative Example 3. In the comparative example, effects such as a decrease in controllability and an increase in distribution of the residual stress of the AlN layer frequently occurred. In addition, the substrate potential distribution also affects the crystallinity, and in the piezoelectric thin film in which the central portion of the substrate is particularly grown, an influence on the structural characteristics such as a significant deterioration of the piezoelectric characteristics was also observed. On the other hand, in the case of the example in which the conductive film and the through wiring were formed on the substrate, it was found that the residual stress generated in the AlN layer and its film thickness distribution were extremely small even if the original substrate was an insulator or semiconductor. . It has been found that the substrate of this example has a significant effect on the yield improvement by improving the distribution state in the wafer. As a result of uniformizing the substrate potential by the conductive film and the through wiring, the average residual stress value in each example is about 50 MPa, and the standard deviation of the residual stress value in the wafer in-plane distribution is 10%. Evaluation results were obtained.

(実施例4、比較例4)
実施例4、比較例4では、実施例1及び比較例1において圧電層を形成した6インチのガラスウエハに対してエッチングを行った。エッチングは図7のRFイオンエッチング装置を用いて行った。結果を図8のグラフに示す。グラフ中の実線は実施例4、破線、一点長鎖線及び二点長鎖線は比較例4のエッチングレートを示す。導電性膜及び貫通配線の有無により、基板に形成した1μm厚のAlN薄膜のエッチングレートに大きな差異が観察されている。この効果は、導電性膜及び貫通配線を活用した場合、RF電源によるイオン種の加速効果が、基板電位の分布改善により均一化し、結果的にエッチングレートのウエハ面内分布の改善をもたらしたこともよるものと考えられる。導電性薄膜を用いない場合のエッチングレートの大きな逸脱は、電場分布の差による局所的なイオン加速の変動によるものと考えられる。導電性膜及び貫通配線による基板電位の均一化を行った結果、6インチサイズのガラスウエハにおいて、実施例4では、エッチングレート約100nm/min、ウエハ面内分布の標準偏差は10%であり、良好なエッチング特性が得られた。一方、比較例4では、標準偏差50%であり、AlN層の残留応力等によりエッチングレートが良好ではないと考えられる。
(Example 4, comparative example 4)
In Example 4 and Comparative Example 4, etching was performed on the 6-inch glass wafer on which the piezoelectric layer was formed in Example 1 and Comparative Example 1. Etching was performed using the RF ion etching apparatus of FIG. The results are shown in the graph of FIG. The solid line in the graph indicates the etching rate of Example 4, the broken line, the one-point long chain line, and the two-point long chain line. A large difference is observed in the etching rate of the 1 μm thick AlN thin film formed on the substrate depending on the presence or absence of the conductive film and the through wiring. This effect was achieved when the conductive film and through wiring were used, and the acceleration effect of the ion species by the RF power source was made uniform by improving the distribution of the substrate potential, resulting in an improved distribution of the etching rate in the wafer surface. It is thought that it depends. The large deviation of the etching rate when the conductive thin film is not used is considered to be due to local ion acceleration variation due to the difference in electric field distribution. As a result of uniformizing the substrate potential by the conductive film and the through wiring, in Example 6, in the glass wafer of 6 inch size, in Example 4, the etching rate is about 100 nm / min, and the standard deviation of the wafer in-plane distribution is 10%. Good etching characteristics were obtained. On the other hand, in Comparative Example 4, the standard deviation is 50%, and it is considered that the etching rate is not good due to the residual stress of the AlN layer.

(実施例5−8)
実施例5−8では、それぞれ異なるパタンで導電性膜及び貫通配線を6インチのガラス基板に成膜し、それぞれ基板の残留応力値の分布を測定した。実施例5−8における導電性薄膜のパタン及びその電気的な接続方法を図9の基板パタンの模式図に示す。実施例5は、図9Aの様なパタンであり、実施例1等と同様である。実施例6の図9Bの様なパタンにおいては、表面に形成された導電性膜の一部にパタニングが施されており、その少なくとも一部の表面導電性膜2と裏面の電極とが電気的に接続されているものである。実施例7の図9Cの様なパタンにおいては、埋め込み型の表面導電性膜と裏面導電性膜とが接続されている。また、実施例8の図9Dの様なパタンにおいては、接続された表裏面導電体の上部に本来のデバイス作製用基板を何らかの方法でボンディングすることが特徴となる。これらの方法により、ガラス基板を用いて作製したAlN薄膜の残留応力の分布状況を図10に示す。図10中の実線は実施例5、破線は実施例6、一点長鎖線は実施例7、二点長鎖線は実施例8の残留応力を示す。6インチウエハ内での残留応力の標準偏差値として、実施例5は5%、実施例6は8%、実施例7は7%、実施例8は10%の値が得られており、絶縁基板および高抵抗半導体基板上に直接成膜した場合(比較例1,2)の50%以上の標準偏差と比較して、良好な特性を持つことが分かる。
(Example 5-8)
In Example 5-8, a conductive film and a through wiring were formed on a 6-inch glass substrate with different patterns, and the distribution of the residual stress value of each substrate was measured. The pattern of the conductive thin film in Example 5-8 and the electrical connection method thereof are shown in the schematic diagram of the substrate pattern in FIG. The fifth embodiment has a pattern as shown in FIG. 9A and is the same as the first embodiment. In the pattern as shown in FIG. 9B of Example 6, a part of the conductive film formed on the surface is patterned, and at least a part of the surface conductive film 2 and the electrode on the back surface are electrically connected. Is connected to. In the pattern as in FIG. 9C of Example 7, the embedded surface conductive film and the back surface conductive film are connected. Further, the pattern as shown in FIG. 9D of Example 8 is characterized in that the original device fabrication substrate is bonded to the upper portions of the connected front and back conductors by some method. FIG. 10 shows the distribution of residual stress in an AlN thin film produced using these methods using a glass substrate. The solid line in FIG. 10 indicates the residual stress of Example 5, the broken line indicates the residual stress of Example 6, the one-dot long chain line indicates the residual stress of Example 7, and the two-dot long chain line indicates the residual stress of Example 8. As standard deviation values of residual stress in a 6-inch wafer, values of 5% were obtained in Example 5, 8% in Example 6, 7% in Example 7, and 10% in Example 8. It can be seen that the film has good characteristics as compared with the standard deviation of 50% or more in the case where the film is formed directly on the substrate and the high-resistance semiconductor substrate (Comparative Examples 1 and 2).

(実施例9(参考例)
実施例9(参考例)では、基板表面の導電性確保のために、圧電素子形成前に予め形成された導電性膜及び貫通配線を、圧電素子を形成する電極層の少なくとも一部に利用して圧電素子を製造した例を記述する。チューナブルキャパシタ(圧電素子)の作製例を図11の製造工程を示す模式図を用いて説明する。なお、本実施例では、片持ちタイプの橋梁を持つ、ユニモルフ型のチューナブルキャパシタを製造した。
(Example 9 (reference example) )
In Example 9 (reference example) , in order to ensure the conductivity of the substrate surface, the conductive film and the through wiring formed in advance before the formation of the piezoelectric element are used as at least a part of the electrode layer forming the piezoelectric element. An example of manufacturing a piezoelectric element will be described. An example of manufacturing a tunable capacitor (piezoelectric element) will be described with reference to a schematic diagram showing a manufacturing process of FIG. In this example, a unimorph type tunable capacitor having a cantilever type bridge was manufactured.

図11Aの模式図の様に表裏面全体を1μm厚のTi膜で覆ったガラス基板を用いた。表裏面のTi膜は貫通配線により電気的に導通してある。図11Bの工程では、最終的にキャパシタの誘電体層23として機能するAlNを基板の表面上の一方の貫通配線上にパタニングした。図11Cの工程では、誘電体層23を含む領域上に犠牲層24として、2μm厚のpoly−Siを形成した。図11Dの工程では、犠牲層24上に下部電極層25として1μm厚のAl膜を形成した。また、Al下部電極層25のパタニングの後、二つの貫通配線を電気的に分離するように表面のTi層を分離した。次に図11Eの工程では、500nm厚のAlNを下部電極層25上に圧電層26として形成した。成膜条件は、表3に示したものと同じである。図11Fの工程では、上部電極層27として、200nm厚のAl層を圧電層26上で貫通配線上に形成した。図11Gの工程では、犠牲層24除去工程の前に、基板裏面に形成されているTi膜を、各電極パッドとしての機能を確保する目的で、エッチングにより電気的に分離した。次に図11Hの工程では、犠牲層24除去工程におけるエッチングレート向上と、エッチングの面内均一性確保のため、犠牲層除去予定のエリアにスリットを開口した。最後に、図11Iの工程では、により、犠牲層及び保護されていない導電性膜をエッチングすることにより、チューナブルキャパシタ構造(圧電素子)が完成した。   A glass substrate in which the entire front and back surfaces were covered with a 1 μm thick Ti film as shown in the schematic diagram of FIG. 11A was used. The Ti films on the front and back surfaces are electrically connected by through wiring. In the step of FIG. 11B, AlN finally functioning as the dielectric layer 23 of the capacitor was patterned on one through wiring on the surface of the substrate. In the step of FIG. 11C, 2 μm-thick poly-Si was formed as the sacrificial layer 24 on the region including the dielectric layer 23. In the step of FIG. 11D, an Al film having a thickness of 1 μm was formed as the lower electrode layer 25 on the sacrificial layer 24. Further, after patterning the Al lower electrode layer 25, the surface Ti layer was separated so as to electrically separate the two through wirings. Next, in the step of FIG. 11E, AlN having a thickness of 500 nm was formed as the piezoelectric layer 26 on the lower electrode layer 25. The film forming conditions are the same as those shown in Table 3. In the step of FIG. 11F, as the upper electrode layer 27, a 200 nm thick Al layer was formed on the through wiring on the piezoelectric layer. In the process of FIG. 11G, before the sacrifice layer 24 removal process, the Ti film formed on the back surface of the substrate was electrically separated by etching for the purpose of ensuring the function as each electrode pad. Next, in the process of FIG. 11H, a slit is opened in an area where the sacrificial layer is to be removed in order to improve the etching rate in the sacrificial layer 24 removing process and to ensure in-plane uniformity of etching. Finally, in the step of FIG. 11I, the sacrificial layer and the unprotected conductive film are etched to complete the tunable capacitor structure (piezoelectric element).

ここで、最終的に完成されたチューナブルキャパシタにおいては、図11Iのプロセスにある様に、図11Aの時点で表面に形成されていたTi膜をパタニングすることにより固定電極(貫通電極32と電極パッド28など)を形成した。表面のTi膜は、フッ素系ガスでの犠牲層除去工程にて、適切なエッチング条件の選択により、選択的にエッチングすることが可能である。図11I中では、Al電極、AlN圧電層、およびAlN誘電体層に保護された部分においてはTi膜(導電性膜)が残存し、結果的に図11Iの様にパタニングすることが可能となった。本実施例のプロセスの特長は、従来例に見られた様な固定電極の出っ張りがプロセス中に一切存在せず、その上部に形成される層の配向性や残留応力への影響を低減できる点が挙げられる。また、この工程により、残留応力の制御性が向上すると同時に、プロセス工程数を低減可能な点も長所となる。   Here, in the finally completed tunable capacitor, as in the process of FIG. 11I, a fixed electrode (through electrode 32 and electrode) is formed by patterning the Ti film formed on the surface at the time of FIG. 11A. Pad 28 and the like). The Ti film on the surface can be selectively etched by selecting an appropriate etching condition in the sacrificial layer removing step using a fluorine-based gas. In FIG. 11I, a Ti film (conductive film) remains in a portion protected by the Al electrode, the AlN piezoelectric layer, and the AlN dielectric layer, and as a result, it can be patterned as shown in FIG. 11I. It was. The feature of the process of this example is that there is no fixed electrode bulge in the process as seen in the conventional example, and the influence on the orientation of the layer formed on the upper part and the residual stress can be reduced. Is mentioned. In addition, this process improves the controllability of residual stress and at the same time has an advantage that the number of process steps can be reduced.

本実施例の方法に基づいて作製した圧電型チューナブルキャパシタの特性評価を行った。特性評価の結果を図12のグラフに示す。図12の様に、動作電圧2.5V、容量変化率10倍の良好な電気特性が得られた。また、このチューナブルキャパシタのQ値をベクトルネットワークアナライザにて評価したところ、2GHzの周波数帯にて約100が得られ良好な特性を持つことが判明した。   The characteristics of the piezoelectric tunable capacitor manufactured based on the method of this example were evaluated. The result of the characteristic evaluation is shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 12, good electrical characteristics with an operating voltage of 2.5 V and a capacity change rate of 10 times were obtained. Further, when the Q value of this tunable capacitor was evaluated by a vector network analyzer, it was found that about 100 was obtained in the frequency band of 2 GHz, and that it had good characteristics.

(実施例10(参考例)
実施例10(参考例)では、ダイシングにより個片化した基板表面の導電性膜をパッケージ用金属膜(パッケージリッド)としても活用して、圧電素子をパッケージングしたプロセスの例を記述する。図13にその圧電装置製造工程の模式図を示す。なお、図13では図11で示した符号に関しては省略する。図13Aまでの手順において、表裏面の導電体層として、Ti膜ではなくAu/Ti積層膜を用いていること以外は実施例9と同様である。図13Aの圧電装置製造工程の模式図では、Au、Tiの膜厚は、それぞれ、200nm、500nmで、基板表面上に、Ti→Auの順で連続的にスパッタ成膜した。パッケージ用パタンを基板上に形成するため、Au/Tiの導電性膜を残す必要性がある。そこで、図13Bの圧電装置製造工程の模式図の様に犠牲層エッチング時にエッチング保護層として、SiO膜37,38を約100nm積層してパタニングした。次ぎに図13Cの圧電装置製造工程の模式図ではこのパタニングしたSiO膜にフォトリソグラフィーを経てドライエッチングをして、エッチング保護層及び保護されていない部位の導電性膜を除去した。そして、SiOにより保護された部位の導電性膜は残り、パッケージ用金属膜39,40が形成された。最後に、図13Dの圧電装置製造工程の模式図の様に、HTCC(高温焼結セラミック多層基板)セラミック系パッケージ材43を、圧着装置によりAu−Sn合金41,42でボンディングし、圧電装置を製造した。
(Example 10 (reference example) )
In Example 10 (reference example) , an example of a process in which a piezoelectric element is packaged using a conductive film on a substrate surface separated by dicing as a metal film for a package (package lid) will be described. FIG. 13 shows a schematic diagram of the piezoelectric device manufacturing process. In FIG. 13, the reference numerals shown in FIG. 11 are omitted. The procedure up to FIG. 13A is the same as that of Example 9 except that an Au / Ti laminated film is used instead of the Ti film as the conductor layer on the front and back surfaces. In the schematic diagram of the piezoelectric device manufacturing process of FIG. 13A, the film thicknesses of Au and Ti were 200 nm and 500 nm, respectively, and were sequentially formed on the substrate surface by sputtering in the order of Ti → Au. In order to form the package pattern on the substrate, it is necessary to leave an Au / Ti conductive film. Therefore, as shown in the schematic diagram of the piezoelectric device manufacturing process of FIG. 13B, about 100 nm of SiO 2 films 37 and 38 are laminated and patterned as an etching protective layer during the sacrifice layer etching. Next, in the schematic diagram of the piezoelectric device manufacturing process of FIG. 13C, the patterned SiO 2 film was dry-etched through photolithography to remove the etching protection layer and the unprotected conductive film. Then, the conductive film at the site protected by SiO 2 remained, and the metal films for packaging 39 and 40 were formed. Finally, as shown in the schematic diagram of the piezoelectric device manufacturing process in FIG. 13D, an HTCC (High Temperature Sintered Ceramic Multilayer Substrate) ceramic-based package material 43 is bonded with Au—Sn alloys 41 and 42 by a crimping device, and the piezoelectric device is Manufactured.

従来のパッケージ後のチューナブルキャパシタにおいては、セラミック基板側からパッドと取り出さねばならず、このため、セラミック基板に電極層のメッキ、蒸着、ダマシン法等により形成する必要があり、工程数やコストの面で不利であったが、本実施例の方法を用いることにより、セラミック基板の構造が単純化され、且つボンディングによる接触不良等の故障モードの発生の心配も無く、非常に優れたパッケージの作製が簡便に可能となるものである。   In a conventional tunable capacitor after packaging, the pad must be taken out from the ceramic substrate side. Therefore, it is necessary to form the electrode layer on the ceramic substrate by plating, vapor deposition, damascene method, etc. Although it was disadvantageous in terms of production, the structure of the ceramic substrate was simplified by using the method of this embodiment, and there was no fear of occurrence of a failure mode such as contact failure due to bonding. Is easily possible.

本法にて作製した、パッケージ後のチューナブルキャパシタの電気特性評価を、実施例9の電気特性評価と併せて図14のグラフに示す。破線のパッケージ前のグラフは実施例9で、実線のパッケージ後のグラフが実施例10のグラフである。同図より、セラミックパッケージの寄生容量が重畳されてはいるものの、動作電圧が2V、容量変化率が約5倍、のチューナブルキャパシタが得られた。また、寄生容量を含んだQ値は約60と良好な値であった。   The electrical characteristic evaluation of the tunable capacitor after packaging manufactured by this method is shown in the graph of FIG. 14 together with the electrical characteristic evaluation of Example 9. The broken line before the package is Example 9, and the solid line after the package is that of Example 10. From the figure, although the parasitic capacitance of the ceramic package is superimposed, a tunable capacitor having an operating voltage of 2 V and a capacitance change rate of about 5 times was obtained. Further, the Q value including the parasitic capacitance was a good value of about 60.

(実施例11)
実施例11では、基板表面のパタニングされた導電性膜をパッケージ用金属膜(パッケージリッド)としても活用して、ウエハレベルパッケージに適用した例を記述する。実施例11はダイシングをパッケージング後に行うこと以外は実施例10と同じである。本実施例では基板に図3Cの様なTiの導電性膜がパタニングされている絶縁性のガラスウエハを用いた。ウエハレベルパッケージへの適用工程の一例を図15の模式図に示す。本実施例では、導電性膜2がウエハ上にスリット状に形成された図15Aの模式図のような絶縁性基板に実施例10と同様にウエハ上に圧電素子を図15B、Cの模式図のようなパッケージ用金属膜を備えたウエハを作製した。図15Dの模式図の様に、ウエハと同サイズのパッケージ材43を用いてパッケージを行った。そして、図15E、Fの模式図の様にパッケージされたウエハをダイシングして圧電装置44を得た。
本実施例を用いて作製した圧電装置の電気特性評価からは、駆動電圧3.0V、容量変化率5倍、Q値50のチューナブルキャパシタが得られた。
(Example 11)
Example 11 describes an example in which the patterned conductive film on the substrate surface is also used as a package metal film (package lid) and applied to a wafer level package. Example 11 is the same as Example 10 except that dicing is performed after packaging. In this embodiment, an insulating glass wafer having a Ti conductive film as shown in FIG. 3C is used as a substrate. An example of the application process to the wafer level package is shown in the schematic diagram of FIG. 15A and 15B, the conductive film 2 is formed in a slit shape on the wafer, and the piezoelectric element is formed on the wafer in the same manner as in Example 10 on the insulating substrate as shown in the schematic diagram of FIG. 15A. A wafer provided with a metal film for a package as described above was produced. As shown in the schematic diagram of FIG. 15D, packaging was performed using the packaging material 43 having the same size as the wafer. Then, the packaged wafer was diced as shown in the schematic diagrams of FIGS.
From the electrical characteristics evaluation of the piezoelectric device fabricated using this example, a tunable capacitor having a drive voltage of 3.0 V, a capacitance change rate of 5 times, and a Q value of 50 was obtained.

上記実施例以外にも、金属膜の選択は数多く可能であり、他の構成を持つ多層膜や、傾斜機能材料等においても、同様の機能をせることが可能である。また、基板材料によっては、各種導電性膜をメッキやダマシンプロセス等によっても作製可能であり、本発明の適用範囲の広範性により、表面マイクロマシニングにより作製する圧電素子のみならず、半導体素子への幅広い応用が可能であるものと考えられる。   In addition to the above-described embodiments, many metal films can be selected, and the same function can be achieved in a multilayer film having another configuration, a functionally gradient material, or the like. Depending on the substrate material, various conductive films can be produced by plating, damascene process, etc., and due to the wide range of application of the present invention, not only piezoelectric elements produced by surface micromachining, but also semiconductor elements. A wide range of applications are considered possible.

本発明記述の方法を用いれば、実施例記述のAlN薄膜のみならず、PZT、ZnO、結晶性SiO等、他の圧電材料においても同等の効果をもたらすことがスパッタ法による片持ち型チューナブルキャパシタの特性評価により判明した。また、成膜方法は、スパッタ法に限らず、レーザーアブレーション法、CVD法等の他の成膜方法でも、効果の大きさに差があるものの、同様の効果を持つことが判明した。 If the method described in the present invention is used, the cantilever type tunable by the sputtering method can bring about the same effect not only in the AlN thin film described in the embodiment but also in other piezoelectric materials such as PZT, ZnO, crystalline SiO 2 and the like. It was found by capacitor characteristic evaluation. Further, the film forming method is not limited to the sputtering method, but other film forming methods such as a laser ablation method and a CVD method have been found to have the same effect although there is a difference in the magnitude of the effect.

1…基板
2…導電性膜
3…貫通配線
4…真空チェンバー
5…スパッタ用RF電源
6…カソード
7…Alターゲット
8…プラズマ
9…基板
10…基板ホルダ
11…基板バイアス用RF電源
12…基板ホルダ
13…真空チェンバー
14…エッチング用RF電源
15…エッチング用RF電極
16…プラズマ放電室
17…プラズマ
18…AlN膜
19…基板ホルダ(兼加速電極)
20…イオン加速用RF電源
21…イオン引き出しDC電源
22…デバイス作成用基板
23…誘電体層
24…犠牲層
25…下部電極層
26…圧電層
27…上部電極層
28…電極パッド
29…電極パッド
30…電極パッド
31…貫通電極
32…電極パッド
33…電極パッド
34…貫通電極
35…電極パッド
36…貫通電極
37…エッチング保護層
38…エッチング保護層
39…パッケージ用金属膜
40…パッケージ用金属膜
41…Au−Sn合金層
42…Au−Sn合金層
43…パッケージ材
44…圧電装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate 2 ... Conductive film 3 ... Through-wire 4 ... Vacuum chamber 5 ... RF power source for sputtering 6 ... Cathode 7 ... Al target 8 ... Plasma 9 ... Substrate 10 ... Substrate holder 11 ... RF power source for substrate bias 12 ... Substrate holder DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Vacuum chamber 14 ... RF power supply for etching 15 ... RF electrode for etching 16 ... Plasma discharge chamber 17 ... Plasma 18 ... AlN film 19 ... Substrate holder (also acceleration electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... RF power source for ion acceleration 21 ... DC power source for ion extraction 22 ... Substrate for device creation 23 ... Dielectric layer 24 ... Sacrificial layer 25 ... Lower electrode layer 26 ... Piezoelectric layer 27 ... Upper electrode layer 28 ... Electrode pad 29 ... Electrode pad DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Electrode pad 31 ... Through electrode 32 ... Electrode pad 33 ... Electrode pad 34 ... Through electrode 35 ... Electrode pad 36 ... Through electrode 37 ... Etching protective layer 38 ... Etching protective layer 39 ... Metal film for packages 40 ... Metal film for packages 41 ... Au-Sn alloy layer 42 ... Au-Sn alloy layer 43 ... Packaging material 44 ... Piezoelectric device

Claims (3)

基板の側面を除いた表裏両面全面に導電性膜を生成し、前記基板に形成した前記貫通孔によって前記基板表裏の導電性膜を電気的に接続する工程と、
前記基板表面の導電性膜の1表面にスパッタリングにより圧電層を形成する工程とを備え、
前記圧電層を形成する工程において、前記基板表裏の導電性膜および前記貫通孔の導電性膜を同電位にすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
Producing conductive films on the entire front and back surfaces excluding side surfaces of the substrate, and electrically connecting the conductive films on the front and back sides of the substrate through the through holes formed in the substrate;
Forming a piezoelectric layer by sputtering on one surface of the conductive film on the substrate surface ,
In the step of forming the piezoelectric layer, the conductive film on the front and back of the substrate and the conductive film of the through hole are set to the same potential .
前記貫通配線が前記圧電素子の少なくとも一部の電極を構成するように前記導電性膜を加工する工程を備えることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1 , further comprising a step of processing the conductive film so that the through wiring forms at least a part of an electrode of the piezoelectric element. 請求項1または2に記載の製造方法によって製造された圧電素子の前記基板表裏に形成された前記導電性膜を少なくとも一部のパッケージ用金属パタンとして用いて、圧電装置をパッケージングする工程を備えることを特徴とする圧電装置の実装方法。 A step of packaging a piezoelectric device using the conductive film formed on the front and back of the substrate of the piezoelectric element manufactured by the manufacturing method according to claim 1 as at least a part of a metal pattern for packaging. A method for mounting a piezoelectric device.
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