JP6036926B2 - 圧電デバイス - Google Patents
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Description
この発明は、圧電薄膜を用いた圧電デバイスに関するものである。
現在、圧電薄膜を用いた圧電デバイスが開発されている。このような圧電デバイスを形成するための圧電薄膜の製造方法は複数あるが、例えば、特許文献１に示すように、イオン注入層を分離面として圧電基板から圧電薄膜を分離形成する方法を用いた圧電デバイスの製造方法が考案されている。
このイオン注入層を分離面として圧電基板から圧電薄膜を分離形成する方法を用いた圧電デバイスの製造方法について以下説明する。
このイオン注入層を分離面として圧電基板から圧電薄膜を分離形成する方法を用いた圧電デバイスの製造方法について以下説明する。
図１は、特許文献１の圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。まず、図１（Ａ）に示すように、圧電基板５の表面７側から水素イオンを注入することで、圧電基板５の所定の深さｄの位置にイオン注入層６を形成する。次に、図１（Ｂ）に示すように、圧電基板５の表面７に結合材８をスパッタリングにより堆積させる。次に、図１（Ｃ）に示すように、圧電基板５と支持基板９とを接合させる。最後に、圧電基板５と支持基板９の接合体に加熱処理を施し、イオン注入層６を分離面とした分離を行う。この結果、図１（Ｄ）に示すような圧電薄膜４が支持基板９上に形成される。そして、特許文献１の製造方法では、圧電薄膜４の分離面を研磨して平坦化する。
この後、図１（Ｄ）に示す圧電薄膜４上に電極を形成することで、ＳＡＷなどの圧電デバイスが得られる。ここで、結合材８の材質は、ＳｉＯ２、金属材料（Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ）などが挙げられる。
また、圧電デバイスに用いられる電極材料としては、電気抵抗率が低く比重の小さいＡｌ、又はＡｌを主成分とするＡｌ系合金を用いるのが一般的である。しかしながら、Ａｌ電極は耐ストレスマイグレーション性が悪く、大きな電力を投入すると、Ａｌ電極にヒロックやボイドが発生し、最終的にＡｌ電極が短絡または断線してしまい、圧電デバイスが破壊される。
この問題を解決するために、例えば特許文献２には、圧電基板２の表面をエッチングした後にＡｌを圧電基板２上にエピタキシャル成長させることによって、耐電力性を向上させたＡｌ電極を形成する方法が開示されている。詳述すると、まず、研磨等によって圧電基板２の表面に生じた厚さ数ｎｍの加工変質層３（図２（Ａ）参照）をフッ酸などの強酸でエッチングして、エピタキシャル成長可能な圧電基板２の＋Ｚ軸側の結晶面１４を露出させる。加工変質層３をエッチングにより除去すると、圧電基板２の表面には、図２（Ｂ）に示すように、結晶軸である＋Ｚ軸に垂直な圧電基板２の＋Ｚ軸側の結晶面１４（以下、単に「＋Ｚ面１４」と称する。）を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。次に、Ａｌを、結晶成長面が＋Ｚ面１４と平行になるよう圧電基板２の＋Ｚ面１４に＋Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図２（Ｃ）に示すように、結晶方位が圧電基板２の＋Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極１１が圧電基板２上に得られるため、Ａｌ電極の耐電力性を向上できる。
しかしながら、上記特許文献２の方法では、圧電基板２の＋Ｙ軸方向のエッチングレートが極めて遅いという問題があった。そのため、図１（Ｄ）に示す圧電薄膜４を用いた圧電デバイスにおいて、耐電力性を向上させた高性能な圧電デバイスを得ようとする場合、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜４の＋Ｚ面を露出させるために、エッチング液の濃度を濃くしたり、エッチングを長時間行ったりすることが必要になる。エッチング液の濃度を濃くしたり、エッチングを長時間行ったりすると、圧電薄膜４と支持基板９の間の結合材８が、上記強酸によって溶解してしまうという問題がある。
従って、本発明の目的は、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる圧電デバイス、を提供することにある。
本発明の圧電デバイスは、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）支持体と、
支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜と、
−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜の結晶面に形成され、圧電薄膜の結晶面に対して平行な結晶面を有する電極と、を備える。
支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜と、
−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜の結晶面に形成され、圧電薄膜の結晶面に対して平行な結晶面を有する電極と、を備える。
また、好ましくは、支持体と前記圧電薄膜との間に、誘電体膜を備える。
この構成において電極は、−Ｚ軸方向に配向した結晶方位を有するため、耐電力性に優れる。
また、この構成では、製造時において、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるために、圧電薄膜の−Ｚ軸側の主面をエッチングすることになる。ここで、圧電薄膜の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜と支持体の間に誘電体膜を設けた場合でも、エッチングによる誘電体膜のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
従って、この構成によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、製造時におけるエッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
また、この構成では、製造時において、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるために、圧電薄膜の−Ｚ軸側の主面をエッチングすることになる。ここで、圧電薄膜の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜と支持体の間に誘電体膜を設けた場合でも、エッチングによる誘電体膜のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
従って、この構成によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、製造時におけるエッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
（２）電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料であることが好適である。
（３）電極は、アルミニウムの結晶面（１１１）が圧電薄膜の−Ｚ面と平行になるよう圧電薄膜の結晶面に形成されていることが、好適である。
（４）圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなることが好適である。この構成における圧電薄膜では、＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って自発分極している。
なお、圧電デバイスは、以下のように製造してもよい。
（５）圧電デバイスの製造方法は、少なくとも、エッチング工程、および電極形成工程を有してもよい。エッチング工程は、圧電薄膜の＋Ｚ軸側の主面と圧電薄膜の−Ｚ軸側の主面のうち、圧電薄膜の−Ｚ軸側の主面をエッチングする。電極形成工程は、エッチングにより露出した−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜の結晶面に、結晶成長面が圧電薄膜の結晶面と平行になるよう電極材料を−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する。
この製造方法では、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜の結晶面を露出させるために、圧電薄膜の−Ｚ軸側の主面をエッチングしている。ここで、圧電薄膜の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜の結晶面を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜と支持体の間に誘電体膜を設けた場合でも、エッチングによる誘電体膜のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
また、上記電極形成工程において電極は、結晶方位が圧電薄膜の−Ｚ軸方向に配向するよう圧電薄膜の結晶面に形成されるため、耐電力性に優れた電極を得ることができる。
また、上記電極形成工程において電極は、結晶方位が圧電薄膜の−Ｚ軸方向に配向するよう圧電薄膜の結晶面に形成されるため、耐電力性に優れた電極を得ることができる。
以上より、この製造方法によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
（６）電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料であることが好適である。
（７）電極形成工程は、アルミニウムの結晶成長面（１１１）が圧電薄膜の結晶面と平行になるよう、アルミニウムを圧電薄膜の結晶面に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する。
（８）圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなることが好適である。
（９）圧電デバイスの製造方法は、少なくとも、イオン注入工程、分離工程とを有してもよい。イオン注入工程は、圧電単結晶基板にイオン化した元素を注入することで、圧電単結晶基板の中に注入された元素の濃度がピークとなる部分を形成する。分離工程は、注入された元素の濃度がピークとなる部分を分離面として、圧電単結晶基板から圧電薄膜を分離する。
この製造方法では、イオン注入、分離により単結晶の圧電薄膜を形成している。そのため、この製造方法によれば、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜より圧電性に優れた圧電薄膜を形成することができる。
（１０）圧電単結晶基板のカット角は、回転Ｙカットであることが好適である。
（１１）圧電単結晶基板のカット角は、９０°より大きく２７０°より小さいこと（−２７０°より大きく−９０°より小さいことと同義）が好適である。
この発明によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスについて、図３〜図７を参照して説明する。なお、以下の説明では、圧電デバイスの製造方法として弾性表面波デバイスの製造方法を例に説明する。
図３は、第１の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図４、図５、図７は、図３に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。図６（Ａ）は、図３のＳ１０９に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜２０の−Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す断面図である。図６（Ｂ）は、図３のＳ１１０に示す電極形成工程により圧電薄膜２０の−Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ〜６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。
まず、図４に示すように、所定厚みからなる圧電単結晶基板１を用意する。この実施形態において圧電単結晶基板１は、４２°Ｙ−Ｘカットのタンタル酸リチウム基板を利用する。したがって、圧電単結晶基板１の結晶のＹ軸方向およびＺ軸方向は、それぞれ、図６に矢印で示した方向に向いている。Ｘ軸方向は、紙面に垂直な方向にある。ここで、圧電単結晶基板１は、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って自発分極している。図４と図６（Ａ）に示す圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の−Ｃ面１２とは圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の−Ｚ軸側の主面であり、図５に示す圧電薄膜２０の＋Ｃ面２２とは圧電薄膜２０の＋Ｚ軸側の主面である。また、図６（Ａ）に示す圧電薄膜２０の−Ｚ面２１とは−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の結晶面であり、圧電薄膜２０の＋Ｚ面とは＋Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の結晶面である。
なお、圧電単結晶基板１は、タンタル酸リチウム基板の他、ニオブ酸リチウム基板、四ホウ酸リチウム基板やランガサイト基板、ニオブ酸カリウム基板、を用いても構わない。
なお、圧電単結晶基板１は、タンタル酸リチウム基板の他、ニオブ酸リチウム基板、四ホウ酸リチウム基板やランガサイト基板、ニオブ酸カリウム基板、を用いても構わない。
そして、圧電単結晶基板１の−Ｃ面１２側から水素イオンを注入することで、圧電単結晶基板１中にイオン注入部分１００を形成する（図３、４：Ｓ１０１）。例えば圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板を用いれば、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、−Ｃ面１２から深さ約１μｍの位置にイオン注入部分１００が形成される。このイオン注入部分１００は、圧電単結晶基板１に注入されたイオン元素の濃度がピークになる部分である。
なお、圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板以外の素材を用いた場合、それぞれの基板に応じた条件でイオン注入を行う。
なお、圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板以外の素材を用いた場合、それぞれの基板に応じた条件でイオン注入を行う。
次に、圧電単結晶基板１の−Ｃ面１２に被エッチング層３１を積層形成する被エッチング層形成工程を行う（図３、４：Ｓ１０２）。被エッチング層３１は、後の仮支持基板除去工程において、圧電薄膜２０や支持材に対して選択性を確保してエッチングできる構成材料を採用するとよく、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの無機材料やＣｕ、Ａｌ、Ｔｉなどの金属材料、ポリイミド系などの有機材料、あるいはそれらの多層膜などを用いることができる。
なお、被エッチング層３１は設けられずともよい。
なお、被エッチング層３１は設けられずともよい。
次に、圧電単結晶基板１に積層した被エッチング層３１に仮支持体４１を形成する仮支持体形成工程を行う（図３、４：Ｓ１０３）。ここで、仮支持体４１は被エッチング層３１とともに仮支持基板を構成する。被エッチング層３１と仮支持体４１とからなる仮支持基板は、特に限定されるものではなく、圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力が支持体５１よりも小さく、好ましくは、問題とならない程度に十分小さくすることが可能な構成材料を選定するのがよい。
Ｓ１０３では仮支持体４１の構成材料として圧電単結晶基板１と同種のタンタル酸リチウム基板を採用し、被エッチング層３１の構成材料としてＣｕ膜およびＳｉＯ２膜をそれぞれスパッタ成膜により積層したものを採用する。したがって仮支持体４１単体の線膨張係数と圧電単結晶基板１単体の線膨張係数は等しく、これにより、被エッチング層３１と仮支持体４１とからなる複合材である仮支持基板と圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を問題とならない程度に十分小さくすることができる。
なお、被エッチング層３１の線膨張係数はタンタル酸リチウム基板の線膨張係数と相違するが、上記Ｃｕ膜のような延性が高い構成材料（金属材料など）を圧電単結晶基板１に直接積層するとともに、被エッチング層３１の厚みを必要十分な程度に薄くしておくことにより、圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面における熱応力を低減することができる。
Ｓ１０３では仮支持体４１の構成材料として圧電単結晶基板１と同種のタンタル酸リチウム基板を採用し、被エッチング層３１の構成材料としてＣｕ膜およびＳｉＯ２膜をそれぞれスパッタ成膜により積層したものを採用する。したがって仮支持体４１単体の線膨張係数と圧電単結晶基板１単体の線膨張係数は等しく、これにより、被エッチング層３１と仮支持体４１とからなる複合材である仮支持基板と圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を問題とならない程度に十分小さくすることができる。
なお、被エッチング層３１の線膨張係数はタンタル酸リチウム基板の線膨張係数と相違するが、上記Ｃｕ膜のような延性が高い構成材料（金属材料など）を圧電単結晶基板１に直接積層するとともに、被エッチング層３１の厚みを必要十分な程度に薄くしておくことにより、圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面における熱応力を低減することができる。
上記Ｓ１０３の後、圧電単結晶基板１を加熱して、圧電単結晶基板１に注入された元素の濃度がピークになるイオン注入部分１００を分離面とした分離を行う（図３、５：Ｓ１０４）。この工程により、仮支持基板上に単結晶の圧電薄膜２０が形成されたものが得られる。
なお、Ｓ１０４の分離工程は、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることが可能である。
なお、Ｓ１０４の分離工程は、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることが可能である。
そして、圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の−Ｃ面１２に対向するこの分離面（即ち＋Ｃ面２２）を研磨して平坦化する（図３、５：Ｓ１０５）。この表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．５ｎｍ以下が好ましい。
次に、誘電体膜９０を圧電薄膜２０の分離面に形成する（図３、５：Ｓ１０６）。誘電体膜９０は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により、圧電薄膜２０の分離面に成膜される。そして、誘電体膜９０の表面をＣＭＰ等により平坦化処理する。ここで、誘電体膜９０は、弾性表面波デバイスの温度―周波数特性を改善させるために、圧電薄膜２０よりも線膨張率の小さな材料を形成する。誘電体膜９０は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、金属酸化物、金属窒化物、ダイヤモンドライクカーボンなどを利用する。この誘電体膜９０の材質として熱伝導性の良い材料を選べば、弾性表面波デバイスでは耐電力性が良くなる。
次に、誘電体膜９０に支持体５１を形成する支持体形成工程を行う（図３、５：Ｓ１０７）。この工程は、少なくともアニール温度以下、好ましくは分離温度以下で実施できればどのような方法を採用して実現してもよい。
ここで、支持体５１は誘電体膜９０とともに支持基板を構成する。誘電体膜９０と支持基板５１とからなる支持基板は、前述の仮支持基板のように加熱工程における圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を考慮する必要が無く、任意の線膨張係数の構成材料を選定できる。そのため、誘電体膜９０や支持体５１として、単体での線膨張係数が圧電薄膜２０に比べて著しく小さな構成材料を採用することも可能になり、弾性表面波デバイスの温度―周波数特性を大幅に改善させられる。また、誘電体膜９０や支持体５１として熱伝導性の良い構成材料を採用することで、弾性表面波デバイスの放熱性、耐電力性を良化できる。さらに、誘電体膜９０や支持体５１として安価な構成材料、形成方法を採用することで、弾性表面波デバイスの製造コストを低廉にできる。
ここで、支持体５１は誘電体膜９０とともに支持基板を構成する。誘電体膜９０と支持基板５１とからなる支持基板は、前述の仮支持基板のように加熱工程における圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を考慮する必要が無く、任意の線膨張係数の構成材料を選定できる。そのため、誘電体膜９０や支持体５１として、単体での線膨張係数が圧電薄膜２０に比べて著しく小さな構成材料を採用することも可能になり、弾性表面波デバイスの温度―周波数特性を大幅に改善させられる。また、誘電体膜９０や支持体５１として熱伝導性の良い構成材料を採用することで、弾性表面波デバイスの放熱性、耐電力性を良化できる。さらに、誘電体膜９０や支持体５１として安価な構成材料、形成方法を採用することで、弾性表面波デバイスの製造コストを低廉にできる。
次に、被エッチング層３１および仮支持体４１からなる仮支持基板を除去する仮支持基板除去工程を行う（図３、５：Ｓ１０８）。この工程により、支持体５１上に単結晶の圧電薄膜２０が形成されたものが得られる。この実施形態では、イオン注入工程、分離工程により単結晶薄膜を形成しているため、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜よりも圧電性に優れた薄膜を形成することができる。なお、この工程は、少なくともアニール温度以下、好ましくは分離温度以下で実施できればどのような方法を採用して実現してもよい。
また、ここでは、被エッチング層３１および仮支持体４１からなる仮支持基板を除去するために、被エッチング層３１をウェットエッチング、あるいはドライエッチングする。一般的には、被エッチング層３１が無機系材料、金属系材料であればウェットエッチングを用い、有機系材料であればドライエッチングを用いる。これにより、圧電薄膜２０に不要な応力や衝撃を与えることなく被エッチング層３１および仮支持体４１を除去でき、圧電薄膜２０における不具合の発生を抑止できる。なお、被エッチング層３１から分離した仮支持体４１は、その後の弾性表面波デバイスの製造で再利用すると好適である。
また、ここでは、被エッチング層３１および仮支持体４１からなる仮支持基板を除去するために、被エッチング層３１をウェットエッチング、あるいはドライエッチングする。一般的には、被エッチング層３１が無機系材料、金属系材料であればウェットエッチングを用い、有機系材料であればドライエッチングを用いる。これにより、圧電薄膜２０に不要な応力や衝撃を与えることなく被エッチング層３１および仮支持体４１を除去でき、圧電薄膜２０における不具合の発生を抑止できる。なお、被エッチング層３１から分離した仮支持体４１は、その後の弾性表面波デバイスの製造で再利用すると好適である。
次に、図５のＳ１０８に示す圧電薄膜２０の−Ｚ軸側の−Ｃ面１２をエッチングする（図３：Ｓ１０９）。これにより、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の−Ｚ面２１を露出させる。この実施形態では、圧電薄膜２０の−Ｃ面１２をエッチング液に浸漬するウェットエッチングを行う。このエッチング液は、リン酸、ピロリン酸、安息香酸、オクタン酸、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）および硫酸水素カリウムの中から、少なくとも１種を選択する。エッチングが終了すると、圧電薄膜２０の表面には、図６（Ａ）に示すように、圧電薄膜２０の−Ｚ面２１を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。このように階段状構造となる理由は、−Ｚ面２１のエッチングレートが−Ｙ軸方向に比べて極めて低いためである。
ここで、圧電薄膜２０の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。例えば、圧電薄膜２０の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートの２倍から１００倍であることが実験により明らかとなっている。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の−Ｚ面２１を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
次に、圧電薄膜２０の表面上に、所定膜厚の上部電極６０Ａ，６０ＢとＩＤＴ（InterdigitalTransducer）電極６０Ｃを形成する（図３、図６（Ｂ）、７：Ｓ１１０）。電極６０Ａ，６０Ｂ、６０Ｃは、Ａｌ電極６６の結晶性を向上させる下地電極６５、及びＡｌ電極６６からなる。下地電極６５の材質は、例えばＴｉを利用する。
詳述すると、Ｓ１１０では、まず、例えばＴｉを、結晶成長面（００１）が圧電薄膜２０の−Ｚ面２１と平行になるよう圧電薄膜２０の−Ｚ面２１に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、結晶成長面（１１１）が圧電薄膜２０の−Ｚ面２１及びＴｉの結晶面（００１）と平行になるようＴｉ電極６５の表面に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、結晶方位が圧電薄膜２０の−Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極６６が圧電薄膜２０上に得られる。そのため、耐電力性に優れたＡｌ電極６６を圧電薄膜２０上に形成できる。
詳述すると、Ｓ１１０では、まず、例えばＴｉを、結晶成長面（００１）が圧電薄膜２０の−Ｚ面２１と平行になるよう圧電薄膜２０の−Ｚ面２１に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、結晶成長面（１１１）が圧電薄膜２０の−Ｚ面２１及びＴｉの結晶面（００１）と平行になるようＴｉ電極６５の表面に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、結晶方位が圧電薄膜２０の−Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極６６が圧電薄膜２０上に得られる。そのため、耐電力性に優れたＡｌ電極６６を圧電薄膜２０上に形成できる。
以上より、この実施形態の製造方法によれば、Ａｌ電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
次に、圧電薄膜２０及び電極６０Ａ〜６０Ｃを保護するため、圧電薄膜２０及び電極６０Ａ〜６０Ｃの表面に絶縁膜７０を形成する（図３、７：Ｓ１１１）。絶縁膜７０の材質は、例えばＳｉＯ２である。
次に、絶縁膜７０の上部電極６０Ａ，６０Ｂを露出させる領域に開口部（不図示）をエッチング等で形成する（図３、７：Ｓ１１２）。その後、上部電極６０Ａ、６０Ｂ上にバンプパッド６１Ａ、６１Ｂを形成し、両バンプパッド６１Ａ、６１Ｂ上にバンプ６２Ａ、６２Ｂを形成する（図３、７：Ｓ１１３）。
最後に、支持基板上に形成された複数の圧電デバイスから個別の圧電デバイスに分割する分割工程を経て、モールド金型を用いたパッケージングを行う。このようにして複数の圧電デバイスを一括製造する。
以上の製造方法で製造された圧電デバイスは、図６及び図７のＳ１１３に示すように、支持体５１と、支持体５１上に形成された誘電体膜９０と、誘電体膜９０上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜２０と、−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の−Ｚ面２１に形成され、圧電薄膜２０の−Ｚ面２１に対して平行なアルミニウムの結晶面（１１１）を有する電極６０Ａ〜６０Ｃと、を備える。
この構成において上記電極６０Ａ〜６０Ｃは、−Ｚ軸方向に配向した結晶方位を有するため、耐電力性に優れる。また、この圧電デバイスの構造では、製造時において、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の−Ｚ面２１を露出させるために、圧電薄膜２０の−Ｚ軸側の−Ｃ面１２をエッチングすることになる。そのため、上述したように、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
従って、この実施形態の圧電デバイスによれば、Ａｌ電極６６の耐電力性を向上させるとともに、製造時におけるエッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスについて、図を参照して説明する。なお、以下の説明では、圧電デバイスの製造方法として弾性表面波デバイスの製造方法を例に説明する。
この第２の実施形態は、上記第１の実施形態と、仮支持体を形成しない点で異なり、エッチング工程以降は同じである。
この第２の実施形態は、上記第１の実施形態と、仮支持体を形成しない点で異なり、エッチング工程以降は同じである。
図８は、第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図９、図１０、図１２は、第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。図１１（Ａ）は、図１０のＳ２０４に示す圧電薄膜１２０の分離面の様子を模式的に示す断面図である。図１１（Ｂ）は、図８のＳ２０６に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜１２０の−Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す図である。図１１（Ｃ）は、図８のＳ２０７に示す電極形成工程により圧電薄膜１２０の−Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ〜６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。
まず、第１の実施形態と同じ圧電単結晶基板１を用意する。また、図１０に示すように、所定厚みからなる支持基板５０を用意する。支持基板５０は、Ｓｉ基板を利用する。この際、支持基板５０は、圧電デバイス単体が複数配列される基板を用いる。ここで、支持基板５０としては、Ｓｉ基板の他、ガラス等のセラミック基板、水晶基板、又はサファイア基板等を用いることができる。より好ましくは、線膨張係数を合わせることができるので、圧電単結晶基板１と同じ材料を用いるのがよい。
そして、圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２側から水素イオンを注入することで、圧電単結晶基板１中にイオン注入部分２００を形成する（図８、９：Ｓ２０１）。例えば圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板を用いれば、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、＋Ｃ面２２から深さ約１μｍの位置にイオン注入部分２００が形成される。このイオン注入部分２００は、圧電単結晶基板１に注入されたイオン元素の濃度がピークになる部分である。
次に、誘電体膜９０を圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２に形成する（図８、９：Ｓ２０２）。誘電体膜９０は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により、圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２に成膜される。そして、誘電体膜９０の表面をＣＭＰ等により平坦化処理する。
次に、支持基板５０を圧電単結晶基板１に接合する（図８、１０：Ｓ２０３）。ここで、支持基板５０が、本発明の「支持体」に相当する。
なお、この接合には、直接接合と呼ばれる活性化接合や親水化接合や金属層を介した
相互拡散を利用した接合を用いることができる。また、本実施形態では、支持基板５０を圧電単結晶基板１に接合しているが、実施の際は、支持基板５０を、成膜等により圧電単結晶基板１上に形成しても構わない。
なお、この接合には、直接接合と呼ばれる活性化接合や親水化接合や金属層を介した
相互拡散を利用した接合を用いることができる。また、本実施形態では、支持基板５０を圧電単結晶基板１に接合しているが、実施の際は、支持基板５０を、成膜等により圧電単結晶基板１上に形成しても構わない。
次に、圧電単結晶基板１と支持基板５０との接合体を（この実施形態では５００℃まで）加熱し、イオン注入部分２００を分離面とした分離を行う（図８、１０：Ｓ２０４）。ここで、Ｓ２０４の分離工程は、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることができる。
Ｓ２０４の分離形成工程により、支持基板５０上に、単結晶の圧電薄膜１２０が形成される。ここで、第２の実施形態により得られる圧電薄膜１２０は＋Ｃ面２２側からイオン注入されており、−Ｃ面１２側からイオン注入された第１の実施形態の圧電薄膜２０（図４、図５参照）とイオン注入面が逆になっている。また、この実施形態では、イオン注入、分離により単結晶薄膜を形成しているため、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜より圧電性に優れた薄膜を形成することができる。
Ｓ２０４の分離形成工程により、支持基板５０上に、単結晶の圧電薄膜１２０が形成される。ここで、第２の実施形態により得られる圧電薄膜１２０は＋Ｃ面２２側からイオン注入されており、−Ｃ面１２側からイオン注入された第１の実施形態の圧電薄膜２０（図４、図５参照）とイオン注入面が逆になっている。また、この実施形態では、イオン注入、分離により単結晶薄膜を形成しているため、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜より圧電性に優れた薄膜を形成することができる。
次に、圧電薄膜１２０の分離面（即ち−Ｃ面１２）をＣＭＰ等により研磨して平坦化する（図８、１０：Ｓ２０５）。この表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．５ｎｍ以下が好ましい。
次に、圧電薄膜１２０の−Ｚ軸側の−Ｃ面１２をエッチングする（図８、図１１（Ａ）：Ｓ２０６）。ここでのエッチング方法は、第１実施形態のエッチング方法と同じである。これにより、研磨等によって圧電薄膜１２０の表面に生じた厚さ数ｎｍの加工変質層１３（図１１（Ａ）参照）を除去して、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１を露出させる。エッチングが終了すると、圧電薄膜１２０の表面も第１実施形態と同様に、図１１（Ｂ）に示すように、圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。
ここで、上述したように、圧電薄膜１２０の−Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜１２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜１２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
次に、圧電薄膜１２０の表面上に、所定膜厚の上部電極６０Ａ，６０ＢとＩＤＴ電極６０Ｃを形成する（図８、図１１（Ｃ）、図１２：Ｓ２０７）。詳述すると、Ｓ２０７においても、まず、例えばＴｉを、結晶成長面（００１）が圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１と平行になるよう圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、結晶成長面（１１１）が圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１及びＴｉの結晶面（００１）と平行になるようＴｉ電極６５の表面に−Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図１１（Ｃ）に示すように、結晶方位が圧電薄膜１２０の−Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極６６が圧電薄膜１２０上に得られる。そのため、耐電力性に優れたＡｌ電極６６を圧電薄膜１２０上に形成できる。
従って、この実施形態の製造方法によれば、第１実施形態の製造方法と同様の効果が得られる。
最後に、第１の実施形態の圧電デバイスの製造方法と同様に、外部端子の形成等を行い（図８、１２：Ｓ２０８〜Ｓ２１０）、分割工程とモールド工程を経て、弾性表面波デバイスを得る。この弾性表面波デバイスは、第１の実施形態で製造する場合とは圧電薄膜の表裏が逆向きとなる。
以上の製造方法で製造された圧電デバイスは、図１１及び図１２のＳ２１０に示すように、支持基板５０と、支持基板５０上に形成された誘電体膜９０と、誘電体膜９０上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜１２０と、−Ｚ軸に垂直な圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１に形成され、圧電薄膜１２０の−Ｚ面２１に対して平行なアルミニウムの結晶面（１１１）を有する電極６０Ａ〜６０Ｃと、を備える。即ち、第２の実施形態で製造される圧電デバイスは、第１の実施形態で製造される圧電デバイスと同じ構造である。従って、この実施形態の圧電デバイスによれば、第１実施形態の圧電デバイスと同様の効果が得られる。
なお、上述の実施形態では、弾性表面波デバイスを例に説明したが、弾性境界波デバイスにも適用できる。他に、バルク波デバイス、ジャイロ、ＲＦスイッチ、振動発電素子等、圧電単結晶薄膜からなりメンブレンを有する各種デバイスに対しても、本発明を適用することができる。
また、上述の実施形態では、圧電単結晶基板１として、４２°Ｙ−Ｘカットのタンタル酸リチウム基板を用いたが、エッチング処理によりエピタキシャル成長可能な−Ｚ面２１を露出させることができるため、異なるカット角を持つ基板に対しても有効である。また、結晶構造が酷似するニオブ酸リチウム基板においても同様の効果が得られる。さらに、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板以外の圧電基板を用いることもできる。
また、上述の実施形態では、電極６６の材料としてＡｌを用いたが、実施の際は、耐電力性を向上させる添加物、たとえば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ等をＡｌに微量添加した合金を用いてもよい。同様に、下地電極層６５の材料として、Ｔｉを用いたが、Ｔｉを主成分とする合金を用いてもよいし、さらには、Ａｌの結晶性向上に効果がある他の金属、ＣｒまたはＣｒを主成分とする合金等を用いてもよい。
また、上述の実施形態では、強酸によるウォットエッチングを用いたが、実施の際は、化学機械研磨、スクラバ洗浄等、他の方法を用いてもよい。
また、上述の実施形態では、強酸によるウォットエッチングを用いたが、実施の際は、化学機械研磨、スクラバ洗浄等、他の方法を用いてもよい。
以上より、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 圧電単結晶基板
２ 圧電基板
３ 加工変質層
４ 圧電薄膜
５ 圧電基板
６ イオン注入層
７ 表面
８ 結合材
９ 支持基板
１１ Ａｌ電極
１２ −Ｃ面
１３ 加工変質層
１４ ＋Ｚ面
２０、１２０ 圧電薄膜
２１ −Ｚ面
２２ ＋Ｃ面
３１ 被エッチング層
４１ 仮支持体
５０ 支持基板
５１ 支持体
６０Ａ，６０Ｂ 上部電極
６０Ｃ ＩＤＴ電極
６１Ａ、Ｂ バンプパッド
６２Ａ、Ｂ バンプ
６５ 下地電極層
６６ Ａｌ電極
７０ 絶縁膜
９０ 誘電体膜
１００、２００ イオン注入部分
２ 圧電基板
３ 加工変質層
４ 圧電薄膜
５ 圧電基板
６ イオン注入層
７ 表面
８ 結合材
９ 支持基板
１１ Ａｌ電極
１２ −Ｃ面
１３ 加工変質層
１４ ＋Ｚ面
２０、１２０ 圧電薄膜
２１ −Ｚ面
２２ ＋Ｃ面
３１ 被エッチング層
４１ 仮支持体
５０ 支持基板
５１ 支持体
６０Ａ，６０Ｂ 上部電極
６０Ｃ ＩＤＴ電極
６１Ａ、Ｂ バンプパッド
６２Ａ、Ｂ バンプ
６５ 下地電極層
６６ Ａｌ電極
７０ 絶縁膜
９０ 誘電体膜
１００、２００ イオン注入部分
Claims (8)
- 支持体と、
前記支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び−Ｚ軸に沿って分極し、＋Ｚ軸側の結晶面が露出する主面である＋Ｃ面と、−Ｚ軸側の結晶面が露出する主面である−Ｃ面と、を有する圧電薄膜と、
前記圧電薄膜の−Ｃ面側に形成され、前記圧電薄膜の結晶面に対して平行な結晶面を有する電極と、を備え、
前記−Ｃ面は、前記結晶面を平坦面とする階段状構造を有する、圧電デバイス。 - 前記支持体は、前記圧電薄膜の前記＋Ｃ面側に形成された、請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記支持体と前記圧電薄膜との間に、誘電体膜を備える、請求項２に記載の圧電デバイス。
- 前記誘電体膜は、前記圧電薄膜のエッチングによって影響を受ける材料からなる、
請求項３に記載の圧電デバイス。 - 前記電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料である、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 前記電極は、前記アルミニウムの結晶面（１１１）が前記圧電薄膜の結晶面と平行になるよう前記圧電薄膜の結晶面に形成された、請求項５に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなる、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶のうちのいずれかであり、
前記誘電体膜の材質は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、金属酸化物、金属窒化物、ダイヤモンドライクカーボンのうちのいずれかである、
請求項３または４に記載の圧電デバイス。
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