JP5983834B2 - Method for manufacturing acoustic wave device - Google Patents
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Description
この発明は、圧電体の薄膜を支持基板に接合した構成の弾性波デバイスの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing an acoustic wave device having a structure in which a piezoelectric thin film is bonded to a support substrate.
近年、圧電体の薄膜を利用する弾性波デバイスが多く開発されている(例えば、特許文献1参照)。上記弾性波デバイスにおいては、圧電体の薄膜が支持基板に接合されている。圧電体の薄膜と支持基板との接合法としては、従来からさまざまな方法が提案、採用されている。 In recent years, many acoustic wave devices using a piezoelectric thin film have been developed (see, for example, Patent Document 1). In the acoustic wave device, a piezoelectric thin film is bonded to a support substrate. Conventionally, various methods have been proposed and adopted as a bonding method between a piezoelectric thin film and a support substrate.
例えば、親水化接合と呼ばれる接合法(特許文献1参照。)では、まず、鏡面加工された薄膜側の接合面と支持基板側の接合面とのそれぞれに、無機酸化物層が形成される。次に、無機酸化物層の表面に水酸基が形成される。次に、薄膜側の無機酸化物層の表面と支持基板側の無機酸化物層の表面とを重ね合わせ、これにより、水酸基同士の水素結合により薄膜側の無機酸化物層と支持基板側の無機酸化物層とを接合させる。次に、200℃以上での熱処理により、水素結合している水酸基からH2Oを脱離させ、これにより、薄膜側の無機酸化物層と支持基板側の無機酸化物層との接合強度を大幅に向上させる。 For example, in a bonding method called hydrophilization bonding (see Patent Document 1), first, an inorganic oxide layer is formed on each of a thin-film-side bonded surface and a supporting substrate-side bonded surface that are mirror-finished. Next, a hydroxyl group is formed on the surface of the inorganic oxide layer. Next, the surface of the inorganic oxide layer on the thin film side and the surface of the inorganic oxide layer on the support substrate side are overlapped, whereby the inorganic oxide layer on the thin film side and the inorganic on the support substrate side are formed by hydrogen bonding between hydroxyl groups. Bonding with the oxide layer. Next, by heat treatment at 200 ° C. or higher, H 2 O is desorbed from the hydrogen-bonded hydroxyl groups, thereby increasing the bonding strength between the inorganic oxide layer on the thin film side and the inorganic oxide layer on the support substrate side. Greatly improve.
また、活性化接合と呼ばれる接合法では、まず、鏡面加工された薄膜側の接合面と支持基板側の接合面とのそれぞれを、不活性ガス雰囲気または真空中でスパッタエッチングすることにより、表面からのコンタミの除去と表面の活性化とがなされる。その状態で、薄膜側の接合面と支持基板側の接合面とを重ね合わせることにより、非加熱環境下で薄膜側の接合面と支持基板側の接合面とが強固に接合される。 In the joining method called activated joining, first, the mirror-finished joining surface on the thin film side and the joining surface on the support substrate side are sputter-etched in an inert gas atmosphere or in a vacuum to start from the surface. The contamination is removed and the surface is activated. In this state, the bonding surface on the thin film side and the bonding surface on the support substrate side are overlapped to firmly bond the bonding surface on the thin film side and the bonding surface on the support substrate side in a non-heating environment.
また、金属拡散接合と呼ばれる接合法では、まず、薄膜側の接合面と支持基板側の接合面とのそれぞれに、金属層が形成される。次に、薄膜側の金属層と支持基板側の金属層とを重ね合わせることで、金属層間の結晶再配列により、非加熱環境下で薄膜側の金属層と支持基板側の金属層とが強固に接合される。 In a bonding method called metal diffusion bonding, first, a metal layer is formed on each of the bonding surface on the thin film side and the bonding surface on the support substrate side. Next, by overlapping the metal layer on the thin film side and the metal layer on the support substrate side, the metal layer on the thin film side and the metal layer on the support substrate side are strong in an unheated environment by crystal rearrangement between the metal layers. To be joined.
親水化結合のように熱処理により強固な接合を実現する接合法では、圧電体の薄膜と支持基板との線膨張係数差が大きいと、熱処理時に発生する熱応力によって支持基板から薄膜が剥がれる等の不具合が起こり、強固な接合を安定して実現できない。 In a bonding method that realizes strong bonding by heat treatment, such as hydrophilic bonding, if the linear expansion coefficient difference between the piezoelectric thin film and the support substrate is large, the thin film may be peeled off from the support substrate due to thermal stress generated during heat treatment. A defect occurs, and strong bonding cannot be realized stably.
これに対して、活性化接合や金属拡散接合では、非加熱環境下で強固な接合を実現することが可能であり、圧電体と支持基板との線膨張係数差が接合の制約となることは無い。 In contrast, activated bonding and metal diffusion bonding can achieve strong bonding in a non-heated environment, and the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric body and the support substrate is a limitation on bonding. No.
しかしながら、活性化接合は、表面のコンタミに対する許容度が低く、接合を行う際の接合環境の管理を厳しく行う必要がある。このため、多数の処理対象物に対して連続して活性化接合を実施する場合に、強固な接合を安定して実現することが困難である。 However, activated bonding has a low tolerance for surface contamination, and it is necessary to strictly manage the bonding environment during bonding. For this reason, it is difficult to stably realize strong bonding when continuously performing active bonding on a large number of objects to be processed.
一方、金属拡散接合は、強固な接合を安定して実現することが可能であるが、弾性波デバイスが金属接合層を有することになるため、利用できるデバイスの種類が限定されてしまう。例えば、フィルタや分波器などの高周波デバイスでは、高周波信号が金属接合層に漏れることで特性劣化が引き起こされることがあり、金属拡散接合を利用することが難しい。 On the other hand, metal diffusion bonding can stably realize strong bonding, but since an acoustic wave device has a metal bonding layer, the types of devices that can be used are limited. For example, in a high-frequency device such as a filter or a duplexer, characteristic deterioration may be caused by leakage of a high-frequency signal to a metal bonding layer, and it is difficult to use metal diffusion bonding.
そこで、本発明の目的は、強固な接合を安定して実現しながら、デバイスの種類が限定されることがない弾性波デバイスの製造方法を実現することにある。 Therefore, an object of the present invention is to realize a method for manufacturing an acoustic wave device in which a strong bonding is stably realized and the type of the device is not limited.
この発明に係る弾性波デバイスの製造方法は、第1の金属層形成工程と、第2の金属層形成工程と、金属接合層形成工程と、金属酸化層形成工程と、を有する。第1の金属層形成工程は、圧電体からなる圧電基板の接合面側に第1の金属層を形成する工程である。第2の金属層形成工程は、支持基板の接合面側に第2の金属層を形成する工程である。金属接合層形成工程は、第1の金属層と第2の金属層とを重ね合わせ、第1の金属層の結晶と第2の金属層の結晶とを再配列させて金属接合層を形成する工程である。金属酸化層形成工程は、金属接合層を酸化させて金属酸化層を形成する工程である。 The method for manufacturing an acoustic wave device according to the present invention includes a first metal layer forming step, a second metal layer forming step, a metal bonding layer forming step, and a metal oxide layer forming step. The first metal layer forming step is a step of forming the first metal layer on the bonding surface side of the piezoelectric substrate made of a piezoelectric body. The second metal layer forming step is a step of forming the second metal layer on the bonding surface side of the support substrate. In the metal bonding layer forming step, the first metal layer and the second metal layer are overlapped, and the crystal of the first metal layer and the crystal of the second metal layer are rearranged to form the metal bonding layer. It is a process. The metal oxide layer forming step is a step of forming a metal oxide layer by oxidizing the metal bonding layer.
この製造方法では、圧電基板と支持基板とが金属接合層を介して金属拡散接合されるので、強固な接合を安定して実現することができる。その上、金属接合層を酸化させて金属酸化層とすることにより、弾性波デバイスにおける特性劣化等の要因となる金属接合層の導電率を十分に下げることができ、デバイスの種類の制約が大幅に緩和される。 In this manufacturing method, since the piezoelectric substrate and the support substrate are metal diffusion bonded through the metal bonding layer, it is possible to stably realize strong bonding. In addition, by oxidizing the metal bonding layer to form a metal oxide layer, the conductivity of the metal bonding layer, which causes deterioration of characteristics in the acoustic wave device, can be sufficiently lowered, greatly restricting the device type. To be relaxed.
上述の弾性波デバイスの製造方法において、圧電基板の接合面側に第1の酸化物層を形成する第1の酸化物層形成工程を、有すると好適である。 The above-described method for manufacturing an acoustic wave device preferably includes a first oxide layer forming step of forming a first oxide layer on the bonding surface side of the piezoelectric substrate.
また、上述の弾性波デバイスの製造方法において、支持基板の接合面側に第2の酸化物層を形成する第2の酸化物層形成工程を、有すると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, it is preferable to include a second oxide layer forming step of forming a second oxide layer on the bonding surface side of the support substrate.
また、上述の弾性波デバイスの製造方法において、金属層は酸化物の生成自由エネルギーが負の材料からなると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, it is preferable that the metal layer is made of a material having a negative oxide generation free energy.
また、上述の弾性波デバイスの製造方法において、金属酸化層は、膜厚が50nm以下であると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, the metal oxide layer preferably has a thickness of 50 nm or less.
これらの製造方法では、第1の酸化物層や第2の酸化物層が酸素供給源となるので、酸化に要する時間や、加熱により酸化させる場合の加熱温度を大幅に低減することができる。 In these manufacturing methods, since the first oxide layer and the second oxide layer serve as an oxygen supply source, the time required for oxidation and the heating temperature in the case of oxidation by heating can be significantly reduced.
上述の弾性波デバイスの製造方法において、第1の金属層と第2の金属層とは同じ材料からなると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, it is preferable that the first metal layer and the second metal layer are made of the same material.
これらの製造方法では、第1の金属層形成工程と第2の金属層形成工程とを実質的に同じ製造工程とすることができ、第1および第2の金属層の形成が容易となる。また、第1の金属層と第2の金属層との接合面を高品位なものにできる。 In these manufacturing methods, the first metal layer forming step and the second metal layer forming step can be made substantially the same manufacturing step, and the first and second metal layers can be easily formed. In addition, the bonding surface between the first metal layer and the second metal layer can be made high quality.
上述の弾性波デバイスの製造方法において、第1の金属層形成工程と第2の金属層形成工程と金属接合層形成工程とは、不活性ガス雰囲気下または真空下で連続して行われると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, it is preferable that the first metal layer forming step, the second metal layer forming step, and the metal bonding layer forming step are performed continuously in an inert gas atmosphere or in a vacuum. It is.
この製造方法では、第1および第2の金属層の表面が、外気により酸化されることや、コンタミに汚染されることがなく、清浄な表面同士を重ね合わせて金属接合層を形成できる。したがって、強固な接合をより安定して実現することができる。 In this manufacturing method, the surfaces of the first and second metal layers are not oxidized by outside air or contaminated with contamination, and the metal bonding layer can be formed by superposing clean surfaces. Therefore, it is possible to realize strong bonding more stably.
上述の弾性波デバイスの製造方法において、イオン注入工程と、分離工程とを有すると好適である。イオン注入工程は、圧電基板の接合面側からイオンを注入する工程である。分離工程は、加熱により前記イオンによる圧電基板の欠陥層から接合面側の領域を圧電薄膜として分離する工程である。 The above-described method for manufacturing an acoustic wave device preferably includes an ion implantation step and a separation step. The ion implantation step is a step of implanting ions from the bonding surface side of the piezoelectric substrate. The separation step is a step of separating the bonding surface side region as a piezoelectric thin film from the defect layer of the piezoelectric substrate due to the ions by heating.
この製造方法では、圧電薄膜を安定した膜厚と所望の結晶方位で形成できるとともに、圧電基板の材料利用効率を高めることができる。また、この製造方法では、圧電薄膜の厚み方向でイオン分布密度に偏りが生じることになる。この結果、圧電薄膜がやや反った状態となり、支持基板との接合に困難性が生じやすくなる。しかしながら、本製造方法を用いる場合、熱応力の影響を受けずに圧電基板と支持基板とを金属拡散接合させることが可能であるため、効用が非常に大きなものとなる。 In this manufacturing method, the piezoelectric thin film can be formed with a stable film thickness and a desired crystal orientation, and the material utilization efficiency of the piezoelectric substrate can be increased. In this manufacturing method, the ion distribution density is biased in the thickness direction of the piezoelectric thin film. As a result, the piezoelectric thin film is slightly warped, and difficulty in joining to the support substrate is likely to occur. However, when this manufacturing method is used, since the piezoelectric substrate and the support substrate can be metal diffusion bonded without being affected by thermal stress, the utility is very large.
上述の弾性波デバイスの製造方法において、圧電薄膜に機能電極を形成する機能電極形成工程を有すると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, it is preferable to have a functional electrode forming step of forming a functional electrode on the piezoelectric thin film.
また、上述の弾性波デバイスの製造方法において、圧電基板は圧電単結晶基板であると好適である。 In the above-described method for manufacturing an acoustic wave device, the piezoelectric substrate is preferably a piezoelectric single crystal substrate.
これらの製造方法では、金属層同士の結晶再配列を利用して、強固な接合を安定して実現しながら、機能電極からの信号漏れを防いだ弾性波デバイスを得ることができる。 In these manufacturing methods, it is possible to obtain an acoustic wave device that prevents signal leakage from the functional electrode while stably realizing strong bonding by utilizing crystal rearrangement between metal layers.
この発明によれば、圧電基板と支持基板との接合に金属層同士の結晶再配列を利用するので、圧電基板と支持基板とを強固に安定して接合することができる。そして、金属接合層を酸化させて金属酸化層とするので、金属接合層の無い弾性波デバイスを得ることができ、金属接合層の存在によって弾性波デバイスの特性劣化が生じることが無く、デバイスの種類についての制約が緩和される。 According to this invention, since the crystal rearrangement of the metal layers is used for joining the piezoelectric substrate and the support substrate, the piezoelectric substrate and the support substrate can be joined firmly and stably. Since the metal bonding layer is oxidized to form a metal oxide layer, an elastic wave device without the metal bonding layer can be obtained, and the presence of the metal bonding layer does not cause deterioration of the characteristics of the elastic wave device. Restrictions on types are relaxed.
《第1の実施形態》
まず、本発明の第1の実施形態に係る弾性波デバイスの製造方法について、SAW(SurfaceAcousticWave;弾性表面波)デバイスの製造方法を具体例として説明する。
<< First Embodiment >>
First, a method for manufacturing an acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention will be described using a method for manufacturing a SAW (Surface Acoustic Wave) device as a specific example.
図1は、本実施形態のSAWデバイスの製造フローを説明する図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a manufacturing flow of the SAW device of this embodiment.
図2〜4は、製造フローの各工程における模式図である。 2 to 4 are schematic diagrams in each step of the manufacturing flow.
まず、圧電単結晶基板1が用意され、圧電単結晶基板1の主面1A(接合面1A)側からイオンが打ち込まれる(S101)。これにより、図2(S101)に示すように、圧電単結晶基板1の接合面1Aから所定深さの位置に欠陥層2が形成される。この工程が、本実施形態におけるイオン注入工程に相当する。欠陥層2は、圧電単結晶基板1に注入されたイオンの原子による欠陥が集中して存在する領域である。この工程は、後に圧電単結晶基板1から極めて薄い膜厚の圧電体単結晶薄膜11(符号不図示)を分離するための前処理として行われる。
First, the piezoelectric
ここで用いる圧電単結晶基板1はLT基板である。また、イオンは、水素イオンである。そして、水素イオンは80KeVの加速電圧で、1.0×1017atom/cm2のドーズ量となるように、圧電単結晶基板1に打ち込まれる。これにより、欠陥層2は、接合面1Aから深さ約550nmの位置に形成される。欠陥層2の形成位置は、イオン注入時の加速電圧により決定され、例えば、約半分の深さに欠陥層2を形成する場合は、加速電圧を約半分にすればよい。
The piezoelectric
なお、圧電単結晶基板1の材料は、LT基板の他、LN(LiNbO3)、LBO(Li2B4O7)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)、KN(KNbO3)などの圧電材料から適宜選択するとよい。また、注入するイオンも、水素イオンの他、ヘリウムイオンやアルゴンイオンなどから適宜選択するとよい。
The material of the piezoelectric
次に、図2(S102)に示すように、圧電単結晶基板1の接合面1Aに、誘電体層21が形成される(S102)。誘電体層21は、SAWデバイスにおける表面弾性波を閉じ込めて良好なデバイス特性を得るために設けるものである。ここで用いる誘電体層21は、膜厚が700nmの酸化ケイ素膜(不図示)と、膜厚が1400nmの窒化アルミニウム膜(不図示)との積層膜である。なお、誘電体層21は必須の構成では無く、設けなくても良い。
Next, as shown in FIG. 2 (S102), a
次に、図2(S103)に示すように、誘電体層21の表面に酸化物層31が形成される(S103)。この工程が、本実施形態における第1の酸化物層形成工程に相当する。酸化物層31の表面は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などにより平坦化されると好適である。ここで用いる酸化物層31は酸化ケイ素膜である。なお、この酸化物層31は、後に金属接合層43(符号不図示)への酸素供給源となりうる材質であれば、それ以外の材質で構成されていても良い。また、その膜厚は、後に金属接合層43(符号不図示)へ十分な酸素供給を行えるように、金属接合層43(符号不図示)の種類や膜厚に応じて適宜調整するとよい。
Next, as shown in FIG. 2 (S103), an
また、図2(S111)に示すように、支持基板12が用意され、支持基板12の表面に酸化物層32が形成される(S111)。この工程が、本実施形態における第2の酸化物層形成工程に相当する。酸化物層32の表面は、CMP法などによって平坦化されると好適である。ここで用いる酸化物層32は、酸化ケイ素膜である。この酸化物層32も、前述の酸化物層31と同様に、後に金属接合層43(符号不図示)への酸素供給源となる材質であれば、それ以外の材質で構成されていても良い。また、その膜厚は、後に金属接合層43(符号不図示)へ十分な酸素供給を行えるように、金属接合層43(符号不図示)の種類や膜厚に応じて適宜調整するとよい。
As shown in FIG. 2 (S111), the
さらには、第1、第2の酸化物層31,32は、酸化物としてエネルギー的に安定な組成比よりも酸素リッチな組成からなると好適である。そうすることで、金属層を酸化させるための酸素を供給しやすくなり、低温・短時間の処理で金属接合層43(符号不図示)を酸化させることができる。なお、支持基板12を酸化物とすれば、金属接合層43(符号不図示)の種類や膜厚次第では、支持基板12上に別途酸化物層を形成せずとも、金属接合層43(符号不図示)の酸化のための酸素を十分に供給することが可能になる。
Furthermore, it is preferable that the first and second oxide layers 31 and 32 have an oxygen-rich composition rather than an energetically stable composition ratio as an oxide. By doing so, it becomes easy to supply oxygen for oxidizing the metal layer, and the metal bonding layer 43 (symbol not shown) can be oxidized by low-temperature and short-time processing. Note that if the
また、ここで用いる支持基板12は、アルミナ基板またはマグネシア基板である。アルミナ基板やマグネシア基板は、熱伝導が良好で、線膨張率が圧電単結晶材料に近い材質である。このような支持基板12を用いることにより、SAWデバイスの周波数温度特性や放熱性・耐電力性を改善することが可能になる。
The
なお、酸化物層31,32はいずれか一方のみを設けるように構成しても良いが、支持基板12側と圧電単結晶基板1側との両方に設けることで、後の金属接合層43(符号不図示)の酸化を、より低温且つ短時間で行うことが可能になる。
Note that only one of the oxide layers 31 and 32 may be provided. However, when the oxide layers 31 and 32 are provided on both the
次に、図3(S121)に示すように、圧電単結晶基板1側の酸化物層31の表面に、極薄厚の金属層41がスパッタ成膜される(S121)。この工程が、本実施形態における第1の金属層形成工程に相当する。なお、ここで用いる金属層41は、1nm以下の膜厚のチタン薄膜である。
Next, as shown in FIG. 3 (S121), an
また、図3(S122)に示すように、支持基板12側の酸化物層32の表面に、極薄厚の金属層42がスパッタ成膜される(S122)。この工程が、本実施形態における第2の金属層形成工程に相当する。なお、金属層42も1nm以下の膜厚のチタン薄膜である。
Further, as shown in FIG. 3 (S122), a very
次に、図3(S123)に示すように、支持基板12側の金属層42(符号不図示)と、圧電単結晶基板1側の金属層41(符号不図示)とを重ね合わせて、2nm以下の膜厚の金属接合層43が形成される(S123)。この工程が、本実施形態における金属接合層形成工程に相当する。
Next, as shown in FIG. 3 (S123), the metal layer 42 (reference not shown) on the
これらの金属層41、42の形成工程と金属接合層43の形成工程とは、連続して10−6Pa以下の高真空中で実施される。このため、圧電単結晶基板1側の表面のチタン結晶と支持基板12側の表面のチタン結晶とが、雰囲気中の酸素等による酸化や水分の吸着などを伴うこと無く、常温で再配列されることになる。これにより、金属層41,42が結晶再配列によって強固に接合して一体の結晶となり、金属接合層43が形成されることになる。
The formation process of these
このため、圧電単結晶基板1と支持基板12とを非加熱環境下で貼り合せるだけで、強固な接合を実現でき、圧電単結晶基板1と支持基板12とで線膨張率が大きく異なっても、金属接合層43には線膨張率差による応力が残留することが無い。
For this reason, strong bonding can be realized by simply bonding the piezoelectric
なお、金属接合層43を構成する金属層41,42は同種の金属材料であることが好ましい。これは、異種金属材料の場合、加熱時の拡散速度の違いによって、接合金属部に空洞部ができることや、あるいは偏析による貼り合せ強度の劣化が起こることがあるためである。
The metal layers 41 and 42 constituting the
また、金属層41,42は、拡散係数(拡散速度)が大きい金属材料であることが好ましい。これは、拡散係数が大きい金属材料であれば、接合面の平坦度に関するマージンを大きく取ることができるためである。また、金属層41,42は、酸化物の生成自由エネルギーが負の金属材料であり、酸化され易いことが好ましい。また、酸化物になることで十分に導電率が小さくなる金属材料であることが好ましい。これらの条件を満足する金属としては、例えば、上述のチタンの他、アルミニウム、コバルト、銅、クロム、鉄、モリブデン、ニッケル、ニオブ、シリコン、タンタル、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、などが挙げられる。また、第1の金属層41と第2の金属層42は、単一の元素からなることが好ましい。2種類以上の元素からなる場合、偏析による接合層の強度劣化が懸念されるが、単一の元素であればそういったことが無く、高信頼性が期待できる。
Moreover, it is preferable that the metal layers 41 and 42 are metal materials with a large diffusion coefficient (diffusion speed). This is because a metal material having a large diffusion coefficient can provide a large margin regarding the flatness of the joint surface. In addition, the metal layers 41 and 42 are preferably a metal material having a negative free energy of formation of oxides and are easily oxidized. Moreover, it is preferable that it is a metal material from which an electrical conductivity becomes small enough by becoming an oxide. Examples of the metal that satisfies these conditions include aluminum, cobalt, copper, chromium, iron, molybdenum, nickel, niobium, silicon, tantalum, tungsten, zinc, and zirconium in addition to the above-described titanium. Moreover, it is preferable that the
次に、金属接合層43を介して強固に接合した支持基板12と圧電単結晶基板1との接合体が約250℃の加熱環境下に置かれる(S124)。すると、図3(S124)に示すように、圧電単結晶基板1(符号不図示)が欠陥層2(符号不図示)で分離されて圧電体単結晶薄膜11が形成される。この工程が、本実施形態における分離工程に相当する。
Next, the bonded body of the
このように、イオン注入と熱処理とを用いて圧電体単結晶薄膜11を分離することで、良好な膜厚分布が保持された、極めて薄い膜厚の圧電体単結晶薄膜11を容易に製造することができる。また、圧電単結晶基板1は結晶方位を任意に設定することが可能であるため、その圧電単結晶基板1へのイオン注入を用いて圧電体単結晶薄膜11を形成することにより、圧電体単結晶薄膜11の結晶方位も任意に設定することが可能になる。これにより、SAWデバイスとして望ましい結晶方位の圧電体単結晶薄膜11を得て、SAWデバイスの圧電特性を向上させることができる。
Thus, by separating the piezoelectric single crystal
次に、図3(S125)に示すように、圧電体単結晶薄膜11の表面がCMP法などにより平坦化される(S125)。
Next, as shown in FIG. 3 (S125), the surface of the piezoelectric single crystal
次に、図4(S126)に示すように、加熱により金属接合層43(符号不図示)を酸化させて金属酸化層44が形成される(S126)。この工程が、本実施形態における金属酸化層形成工程に相当する。なお、金属接合層43(符号不図示)には、酸化物層31,32が接しているため、酸化反応に利用される酸素は酸化物層31,32から供給される。 Next, as shown in FIG. 4 (S126), the metal bonding layer 43 (not shown) is oxidized by heating to form a metal oxide layer 44 (S126). This step corresponds to the metal oxide layer forming step in this embodiment. Since the oxide layers 31 and 32 are in contact with the metal bonding layer 43 (not shown), oxygen used for the oxidation reaction is supplied from the oxide layers 31 and 32.
この酸化のための加熱温度や加熱時間については、金属接合層43の金属材料や厚みに応じて調整するとよい。例えば、金属接合層43が厚み1nmのチタン薄膜である場合には、加熱温度が約300℃、加熱時間が約1時間であれば、金属接合層43を十分に酸化させて金属酸化層44とすることができる。
The heating temperature and heating time for this oxidation may be adjusted according to the metal material and thickness of the
なお、本実施形態では、金属酸化層44の酸化のための熱処理を、圧電体単結晶薄膜11を分離するための熱処理とは別に実施するが、圧電体単結晶薄膜11を分離するための熱処理での加熱温度や加熱時間を調整して金属酸化層44を酸化させても良い。また、金属酸化層44の酸化のための熱処理工程は、圧電体単結晶薄膜11の表面を平坦化する工程の前に実施しても良い。
In this embodiment, the heat treatment for oxidizing the
次に、図4(S127)に示すように、圧電体単結晶薄膜11の表面に、SAWデバイスの動作に必要なIDT電極50と配線パターン60Aが形成される(S127)。この工程が、本実施形態における機能電極形成工程に相当する。なお、ここではIDT電極50や配線パターン60Aとしてアルミニウム膜とチタン膜の積層膜を用いる。なお、アルミニウム膜は、アルミニウムを主として含む合金、たとえばAl−Cu合金などを用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 4 (S127), the
次に、図4(S128)に示すように、配線パターン60Aを覆う2層配線部60Bが形成されることにより配線が低抵抗化され、IDT電極50が絶縁性保護膜70で覆われる(S128)。その後、個片化によりSAWデバイスが製造される。
Next, as shown in FIG. 4 (S128), the two-
以上のSAWデバイスの製造方法では、非加熱環境下で圧電単結晶基板1と支持基板12との接合強度が発現するために、接合強度を発現させるための加熱が不要で、圧電単結晶基板1と支持基板12とで線膨張率差が大きくても、接合時に各種不具合が発生し難い。特に、本実施形態では、イオン注入により圧電体単結晶薄膜11を形成するために、圧電体単結晶薄膜11の結晶中にイオンの原子が介在し、その分布密度が圧電体単結晶薄膜11の厚み方向に偏るため、圧電体単結晶薄膜11が膜応力を持つことになる。そのため、仮に接合時に熱応力が生じると、膜応力と熱応力の足し合わせで圧電体単結晶薄膜11(圧電単結晶基板1)が支持基板12から剥がれ易くなり、安定的に強固な接合を実現することが困難である。したがって、非加熱環境下で貼り合せた瞬間から強固な接合が発現する本実施形態の方法は、接合時に熱応力の影響を受けること無いため、強固な接合を安定的に実現させるために極めて有効な方法であるといえる。
In the above-described SAW device manufacturing method, the bonding strength between the piezoelectric
その上、金属接合層43の導電率が高ければSAWデバイスの特性に悪影響を与えるが、貼り合せ後に金属接合層43を導電率の低い金属酸化層44とすることで、良好なSAWデバイスの特性が得られることになる。
In addition, if the electrical conductivity of the
ここで、金属接合層の膜厚と特性劣化率の関係を表1に示す。ここで言う特性劣化とは、位相浮きのことを示しており、この位相浮きが5%を超えると、弾性波デバイスとして使用に耐えられないものとなる。下記表1に示すように、接合層膜厚が2.2nmで特性劣化率が5%を超えている。したがって、金属接合層の膜厚としては、2nm以下が望ましい。ただし、加熱、酸化により金属接合層は拡散するため、金属酸化層は金属接合層よりも拡がっている。金属接合層の膜厚が2nm以下の場合、金属酸化層の膜厚は50nm程度までの範囲となる。 Here, Table 1 shows the relationship between the film thickness of the metal bonding layer and the characteristic deterioration rate. The characteristic deterioration referred to here indicates phase float. If this phase float exceeds 5%, it cannot be used as an acoustic wave device. As shown in Table 1 below, the bonding layer thickness is 2.2 nm and the characteristic deterioration rate exceeds 5%. Therefore, the thickness of the metal bonding layer is desirably 2 nm or less. However, since the metal bonding layer is diffused by heating and oxidation, the metal oxide layer is wider than the metal bonding layer. When the thickness of the metal bonding layer is 2 nm or less, the thickness of the metal oxide layer is in a range up to about 50 nm.
《第2の実施形態》
次に、本発明の第2の実施形態に係る弾性波デバイスの製造方法について、SAWデバイスの製造方法を具体例として説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a method for manufacturing an acoustic wave device according to the second embodiment of the present invention will be described using a method for manufacturing a SAW device as a specific example.
本実施形態では、イオン注入により一定程度低下する圧電体単結晶薄膜の圧電性や結晶性を回復するために、500℃程度での高温熱処理を圧電体単結晶薄膜に施し、その際の支持基板と圧電体単結晶薄膜との線膨張率差による熱変形を回避する製造方法について説明する。 In this embodiment, in order to recover the piezoelectricity and crystallinity of the piezoelectric single crystal thin film that is lowered to a certain extent by ion implantation, the piezoelectric single crystal thin film is subjected to high-temperature heat treatment at about 500 ° C., and the support substrate at that time A manufacturing method for avoiding thermal deformation due to a difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric single crystal thin film and the piezoelectric single crystal thin film will be described.
図5は、本実施形態のSAWデバイスの製造フローを説明する図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the manufacturing flow of the SAW device of this embodiment.
図6,7は、製造フローの前半の各工程における模式図である。 6 and 7 are schematic diagrams in each step of the first half of the manufacturing flow.
まず、圧電単結晶基板201が用意され、圧電単結晶基板201の主面201A(接合面1A)側からイオンが打ち込まれる(S201)。これにより、図6(S201)に示すように、圧電単結晶基板201の接合面201Aから所定深さの位置に欠陥層202が形成される。
First, the piezoelectric
次に、図6(S202)に示すように、圧電単結晶基板201の接合面201Aに、被エッチング層291が形成される(S202)。被エッチング層291の表面は、CMP法などにより平坦化されると好適である。この被エッチング層291は、後にエッチングにより除去されるものである。ここで用いる被エッチング層291は、膜厚3μmのCu膜である。
Next, as shown in FIG. 6 (S202), an
また、図6(S203)に示すように、仮支持基板212が用意され、仮支持基板212の表面にも被エッチング層292が形成される(S203)。被エッチング層292の表面は、CMP法などにより平坦化されると好適である。ここで用いる仮支持基板212は、圧電単結晶基板201と同じ材質である。後に圧電体単結晶薄膜211(符号不図示)の高温熱処理が、同種の材質からなる仮支持基板212に接合された状態で実施されるため、高温熱処理に伴う圧電単結晶基板201の割れなどを防ぐことができる。なお、仮支持基板212の材質は、圧電体単結晶薄膜211(符号不図示)との線膨張係数差が小さい、他の材質であってもよい。また、ここで用いる被エッチング層292は、膜厚3μmのCu膜である。
Further, as shown in FIG. 6 (S203), a
次に、図6(S204)に示すように、被エッチング層292(符号不図示)と被エッチング層291(符号不図示)とが接合され、被エッチング接合層293が形成される(S204)。ここでは、被エッチング層292(符号不図示)と被エッチング層291(符号不図示)との接合に、金属拡散接合を用いる。ただし、ここでの接合法は金属拡散接合に限られず、ある程度の接合強度が得られる接合法であれば、他の接合法を用いても良い。 Next, as shown in FIG. 6 (S204), the to-be-etched layer 292 (reference numeral not shown) and the to-be-etched layer 291 (reference numeral not shown) are joined to form the to-be-etched joining layer 293 (S204). Here, metal diffusion bonding is used for bonding the etched layer 292 (not shown) and the etched layer 291 (not shown). However, the bonding method here is not limited to metal diffusion bonding, and other bonding methods may be used as long as the bonding method provides a certain degree of bonding strength.
次に、被エッチング接合層293を介して接合した仮支持基板212と圧電単結晶基板201との接合体は、約250℃の加熱環境下に置かれる(S205)。すると、図6(S205)に示すように、圧電単結晶基板201(符号不図示)が欠陥層202(符号不図示)で分離されて圧電体単結晶薄膜211が形成される。続いて、被エッチング接合層293を介して接合した仮支持基板212と圧電体単結晶薄膜211との接合体は、約500℃の高温環境下に置かれる。すると、イオン注入によって崩れた圧電体単結晶薄膜211の結晶性が回復していく。なお、仮支持基板212と圧電単結晶基板201(符号不図示)とが同じ材質で線膨張率が同じであるために、これらの熱処理による変形は殆ど生じず、圧電単結晶基板201の破壊は防がれる。
Next, the bonded body of the
次に、図6(S206)に示すように、圧電体単結晶薄膜211の表面がCMP法などにより平坦化される(S206)。
Next, as shown in FIG. 6 (S206), the surface of the piezoelectric single crystal
ここまでの工程を経て、被エッチング接合層293を介して圧電体単結晶薄膜211を仮支持基板212に接合した薄膜仮支持構造200が構成される。
The thin film
次に、図7(S207)に示すように、薄膜仮支持構造200における圧電体単結晶薄膜211の表面に、誘電体層221が形成される(S207)。
Next, as shown in FIG. 7 (S207), a
次に、図7(S208)に示すように、薄膜仮支持構造200における誘電体層221の表面に酸化物層231が形成される(S208)。
Next, as shown in FIG. 7 (S208), the
また、図7(S211)に示すように、支持基板213が用意され、支持基板213の表面に酸化物層233が形成される(S211)。
Further, as shown in FIG. 7 (S211), a
次に、図7(S221)に示すように、薄膜仮支持構造200における酸化物層231の表面に、極薄厚の金属層241が成膜される(S221)。
Next, as shown in FIG. 7 (S221), a very
また、図7(S222)に示すように、支持基板213側の酸化物層233の表面に、極薄厚の金属層243が成膜される(S222)。
Further, as shown in FIG. 7 (S222), an extremely
次に、図7(S223)に示すように、支持基板213側の金属層243(符号不図示)と、薄膜仮支持構造200側の金属層241(符号不図示)とを重ね合わされて金属接合層244が形成される(S223)。なお、上述の金属層241,243の形成工程と、この接合工程とは、連続して高真空中で実施され、金属拡散接合法により金属層241,243間の接合が実現される。
Next, as shown in FIG. 7 (S223), the metal layer 243 (reference numeral not shown) on the
次に、圧電体単結晶薄膜211や、仮支持基板212、支持基板213を接合した接合体は、硝酸などのエッチング液に浸漬され、被エッチング接合層293がエッチングされて、被エッチング接合層293および仮支持基板212が除去される(S224)。これにより、図7(S224)に示すような、圧電体単結晶薄膜211と支持基板213とが、金属接合層244を介して接合された構造体が構成される。
Next, the bonded body obtained by bonding the piezoelectric single crystal
この後、第1の実施形態と同様に(図4参照。)、金属接合層244の酸化により金属酸化層(不図示)が形成され、IDT電極や絶縁性保護膜が形成され、個片化されることにより、SAWデバイスが製造される(S225→S226→S227)。
Thereafter, as in the first embodiment (see FIG. 4), a metal oxide layer (not shown) is formed by oxidation of the
この第2の実施形態においては、圧電基板との界面に作用する熱応力がほとんど存在しない、あるいは、圧電基板との界面に作用する熱応力が支持基板と圧電基板との界面に作用する熱応力よりも小さい仮支持基板を、圧電基板のイオン注入面側に形成されているので、加熱による圧電薄膜の不具合の発生を従来よりも抑止できる。また、この発明による弾性波デバイスが、圧電単結晶材料による場合は、より不具合を抑制して製造できる。支持基板自体は加熱の後で圧電薄膜に形成するので、加熱による圧電薄膜との界面に作用する熱応力を考慮する必要がなく、任意の線膨張係数の構成材料を選定できる。 In the second embodiment, there is almost no thermal stress that acts on the interface with the piezoelectric substrate, or thermal stress that acts on the interface with the piezoelectric substrate acts on the interface between the support substrate and the piezoelectric substrate. Since the smaller temporary support substrate is formed on the ion-implanted surface side of the piezoelectric substrate, it is possible to suppress the occurrence of defects in the piezoelectric thin film due to heating as compared with the conventional case. In addition, when the acoustic wave device according to the present invention is made of a piezoelectric single crystal material, it can be manufactured while suppressing problems. Since the support substrate itself is formed on the piezoelectric thin film after heating, it is not necessary to consider the thermal stress acting on the interface with the piezoelectric thin film due to heating, and a constituent material having an arbitrary linear expansion coefficient can be selected.
したがって、圧電薄膜の構成材料と支持基板の構成材料との組み合わせの選択性を高められる。例えば、フィルタ用途のデバイスでは、支持基板の構成材料の線膨張係数を圧電薄膜の線膨張係数よりも大幅に小さくすることで、フィルタの温度−周波数特性を向上させることが可能になる。また、支持基板に熱伝導率性が高い構成材料を選定して放熱性および耐電力性を向上させることが可能になり、安価な構成材料を選定してデバイスの製造コストを低廉にすることが可能になる。 Therefore, the selectivity of the combination of the constituent material of the piezoelectric thin film and the constituent material of the support substrate can be enhanced. For example, in a device for a filter, the temperature-frequency characteristics of the filter can be improved by making the linear expansion coefficient of the constituent material of the support substrate much smaller than the linear expansion coefficient of the piezoelectric thin film. In addition, it is possible to improve the heat dissipation and power durability by selecting a constituent material with high thermal conductivity for the support substrate, and to select a cheap constituent material to reduce the manufacturing cost of the device. It becomes possible.
《第3の実施形態》
次に、本発明の第3の実施形態に係る弾性波デバイスについて、圧電体単結晶薄膜をメンブレン構造で支持するBAW(Bulk Acoustic Wave;バルク弾性波)デバイスの製造方法を具体例として説明する。
<< Third Embodiment >>
Next, a method for manufacturing a BAW (Bulk Acoustic Wave) device that supports a piezoelectric single crystal thin film with a membrane structure will be described as a specific example of the acoustic wave device according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態では、まず、第2の実施形態と同様の方法で、図9(S301)に示すような、圧電体単結晶薄膜311が被エッチング接合層393を介して仮支持基板312に接合された薄膜仮支持構造300が形成される(S301)。
In this embodiment, first, a piezoelectric single crystal
次に、図9(S302)に示すように、薄膜仮支持構造300における圧電体単結晶薄膜311の表面に、BAWデバイスを駆動させるための下部電極パターン321が形成される(S302)。
Next, as shown in FIG. 9 (S302), a
次に、図9(S303)に示すように、薄膜仮支持構造300における圧電体単結晶薄膜311の表面に、下部電極パターン321を覆うように、メンブレン構造の空洞部を形成するための犠牲層パターン331が形成される(S303)。
Next, as shown in FIG. 9 (S303), a sacrificial layer for forming a cavity of the membrane structure on the surface of the piezoelectric single crystal
次に、図9(S304)に示すように、薄膜仮支持構造300における圧電体単結晶薄膜311の表面に、犠牲層パターン331を覆うようにメンブレン支持層341が形成される(S304)。メンブレン支持層341は、スパッタ成膜後にCMPにより表面が平坦化される。ここで用いるメンブレン支持層341は、酸化ケイ素膜であり、後に酸化物層としても利用される。
Next, as shown in FIG. 9 (S304), a
また、図9(S305)に示すように、支持基板313が用意され、支持基板313の表面に酸化物層343が形成される(S305)。
As shown in FIG. 9 (S305), a
次に、図9(S306)に示すように、薄膜仮支持構造300におけるメンブレン支持層341の表面に、極薄厚の金属層351が成膜される(S306)。
Next, as shown in FIG. 9 (S306), an
また、図9(S307)に示すように、支持基板313側の酸化物層343の表面に、極薄厚の金属層353が成膜される(S307)。
Further, as shown in FIG. 9 (S307), an extremely
次に、図10(S308)に示すように、支持基板313側の金属層353(符号不図示)と、薄膜仮支持構造300側の金属層351(符号不図示)とを重ね合わせて、金属接合層354が形成される(S308)。なお、上述の金属層351,353の形成工程と、この接合工程とは、連続して高真空中で実施され、金属拡散接合法により金属層351,353間の接合が実現される。
Next, as shown in FIG. 10 (S308), a metal layer 353 (reference numeral not shown) on the
次に、圧電体単結晶薄膜311や、仮支持基板312、支持基板313を接合した接合体は、硝酸などのエッチング液に浸漬され、被エッチング接合層393がエッチングされて、被エッチング接合層393および仮支持基板312が除去される(S309)。これにより、図10(S309)に示すような、圧電体単結晶薄膜311と支持基板313とが、金属接合層354を介して接合された構造体が構成される。
Next, the bonded body obtained by bonding the piezoelectric single crystal
次に、図10(S310)に示すように、加熱により金属接合層354(符号不図示)を酸化させて金属酸化層355が形成される(S310)。 Next, as shown in FIG. 10 (S310), the metal bonding layer 354 (not shown) is oxidized by heating to form a metal oxide layer 355 (S310).
次に、図10(S311)に示すように、圧電体単結晶薄膜311が窓開け加工されるとともに、BAWデバイスを駆動させるための上部電極パターンが形成される(S311)。
Next, as shown in FIG. 10 (S311), the piezoelectric single crystal
次に、図10(S312)に示すように、圧電体単結晶薄膜311の窓から犠牲層パターン331(符号不図示)にエッチャントが導入され、犠牲層パターン331(符号不図示)を除去してメンブレン空間331Aが形成される(S312)。
Next, as shown in FIG. 10 (S312), an etchant is introduced into the sacrificial layer pattern 331 (not shown) from the window of the piezoelectric single crystal
この後、個片化されることによりBAWデバイスが製造される。 Thereafter, the BAW device is manufactured by being separated.
1,201…圧電単結晶基板
1A,201A…接合面
2,202…欠陥層
11,211,311…圧電体単結晶薄膜
12,213,313…支持基板
21,221…誘電体層
31,32,231,233,343…酸化物層
41,42,241,243,351,353…金属層
43,244,354…金属接合層
44,355…金属酸化層
50…IDT電極
60A…配線パターン
60B…2層配線部
70…絶縁性保護膜
200,300…薄膜仮支持構造
212,312…仮支持基板
291…被エッチング層
292…被エッチング層
293,393…被エッチング接合層
321…下部電極パターン
331…犠牲層パターン
331A…メンブレン空間
341…メンブレン支持層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,201 ... Piezoelectric
Claims (12)
前記圧電基板の接合面側に第1の金属層を形成する第1の金属層形成工程と、
支持基板の接合面側に第2の酸化物層を形成する第2の酸化物層形成工程と、
前記支持基板の接合面側に第2の金属層を形成する第2の金属層形成工程と、
前記第1の金属層と前記第2の金属層とを重ね合わせ、前記第1の金属層の結晶と前記第2の金属層の結晶とを再配列させて金属接合層を形成する金属接合層形成工程と、
前記金属接合層を酸化させて金属酸化層を形成する金属酸化層形成工程と、
を有し、
前記第1及び第2の金属層は、厚さ1nm以下の結晶性金属層であり、
前記金属接合層形成工程は、不活性ガス雰囲気下または真空下で行われ、
前記第1及び第2の酸化物層は、酸化物としてエネルギー的に安定な組成比よりも酸素リッチな組成からなる、弾性波デバイスの製造方法。 A first oxide layer forming step of forming a first oxide layer on a bonding surface side of a piezoelectric substrate made of a piezoelectric body;
A first metal layer forming step of forming a first metal layer on the bonding surface side of the piezoelectric substrate;
A second oxide layer forming step of forming a second oxide layer on the bonding surface side of the support substrate;
A second metal layer forming step of forming a second metal layer on the bonding surface side of the support substrate;
A metal bonding layer which forms a metal bonding layer by superposing the first metal layer and the second metal layer and rearranging the crystals of the first metal layer and the crystals of the second metal layer Forming process;
A metal oxide layer forming step of oxidizing the metal bonding layer to form a metal oxide layer;
Have
The first and second metal layers are crystalline metal layers having a thickness of 1 nm or less,
The metal bonding layer forming step is performed under an inert gas atmosphere or under vacuum,
The method for manufacturing an acoustic wave device, wherein the first and second oxide layers have a composition richer in oxygen than an energetically stable composition ratio as an oxide.
加熱により、前記圧電基板における接合面側の領域を圧電薄膜として残して前記圧電基板を分離する分離工程を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の弾性波デバイスの製造方法。 Before the first metal layer forming step, an ion implantation step of implanting ions from the bonding surface side of the piezoelectric substrate,
The method for manufacturing an acoustic wave device according to claim 1, further comprising a separation step of separating the piezoelectric substrate by heating, leaving a region on the bonding surface side of the piezoelectric substrate as a piezoelectric thin film.
圧電基板にイオン化した元素を注入して、前記圧電基板の中に前記元素が集中して存在する領域を形成するイオン注入工程と、
前記圧電基板のイオン注入面側に、前記圧電基板と同種の材料からなる、あるいは、前記圧電基板との界面に作用する熱応力が前記支持基板と前記圧電基板との界面に作用する熱応力よりも小さい、仮支持基板を形成する仮支持工程と、
加熱により、前記圧電基板における接合面側の領域を圧電薄膜として残す分離工程と、
を有し、
前記第1の金属層形成工程は、前記圧電基板から分離した前記圧電薄膜の接合面側に前記第1の金属層を形成する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の弾性波デバイスの製造方法。 Before the first metal layer forming step,
An ion implantation step of implanting ionized elements into the piezoelectric substrate to form a region where the elements are concentrated in the piezoelectric substrate;
From the thermal stress acting on the interface between the support substrate and the piezoelectric substrate, the thermal stress acting on the interface with the piezoelectric substrate is made of the same kind of material as the piezoelectric substrate on the ion implantation surface side of the piezoelectric substrate. A temporary support step for forming a temporary support substrate,
A separation step of leaving a region on the bonding surface side of the piezoelectric substrate as a piezoelectric thin film by heating; and
Have
9. The acoustic wave device according to claim 1, wherein the first metal layer forming step forms the first metal layer on a bonding surface side of the piezoelectric thin film separated from the piezoelectric substrate. Manufacturing method.
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