JP7235840B2

JP7235840B2 - 圧電振動基板および圧電振動素子

Info

Publication number: JP7235840B2
Application number: JP2021190871A
Authority: JP
Inventors: 知義多井; 雄大鵜野; 圭一郎浅井; 良祐服部; 真人丹羽; 政彦滑川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-03-08
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: WO2021141081A1; CN114868266A; US20220329230A1; TW202141820A; DE112021000498T5; KR20220110277A; TWI826762B; JP2022022276A; JPWO2021141081A1; JP7015411B2

Description

本発明は、ＭＥＭＳミラー等に好適に利用できる圧電振動基板および素子に関するものである。

ヘッドアップディスプレイ(HUD)とは、「視線を前方に保ったまま必要な情報を視界にオーバーラップして表示する装置」である。自動車の運転においては、メーターパネルやコンソールパネル上の情報をみる場合に比べ、前方に視線を保ったまま情報を視認できるので、わき見運転防止に効果があり、更には目の焦点移動が少なくて済むためドライバーの疲労軽減と安全性向上が図れる。

HUDの原理は、蛍光管、CRTや液晶ディスプレイの画像を車のフロントガラスや透明なスクリーン(コンバイナ)に映す。HUDは光学的な構造の違いにより、以下の２方式がある。
（１）フロントガラスなどをスクリーンとして直接画像を投影するDirect Projection方式
（２）フロントガラスなどを反射ミラーとして作用させドライバーの網膜上に結像させるVirtual Imaging方式

これらの方式の大きな相違は、ドライバーが画像を目にしたときの距離感にある。Direct Projection方式では、普通のプロジェクタと同様にスクリーン(コンバイナ)上に画像を認識するが、Virtual Imaging方式では、ドライバーの視線数メートル先の空間上に画像を認識する。いずれの方式でも、HUDを使用しないときと比較すると、ドライバーの前方視界とメーターパネルやコンソールパネルとの視線移動は格段に少なくなるしかし、Virtual Imaging方式においては通常運転時の視野からの焦点移動も少なくてすむため、より運転に注意を集中でき疲労も少ない。Virtual Imaging方式では、近年レーザービームを走査して描画する新しい方式の開発が進んでいる。

レーザー走査型ディスプレイは、RGB3色のレーザービームをコンバイナと呼ぶ光学素子で合波し、この1本のビームを微小ミラーで反射して2次元に走査することにより描画を行う。この方式は、CRTの電子ビーム走査に似ているが、蛍光体を励起する代わりに、その水平走査線上の画素にあたる位置で各レーザーのパルス幅と出力を制御して色と輝度を変え、画素を高速に点描画する。実現可能な解像度はミラーの振動周波数とレーザーの変調周波数によって決まる。
この方式による主な利点は以下のとおりである。
（１）部品点数が少ないため小型化、低コスト化、信頼性向上を実現できる。
（２）各画素に必要な明るさでレーザーを点灯するため、低消費電力を実現できる。
（３）コリメート(平行光)されたレーザー光を用いるため、フォーカス調整が不要である。

レーザー走査型ディスプレイのコア部品であるマイクロミラーは、SiをMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術で加工し、金属を蒸着する。MEMSミラーの駆動方法は、静電引力で駆動する静電方式、電磁力で駆動する電磁方式、圧電素子で駆動する圧電方式などがある。この中で圧電方式の長所として高速駆動、低消費電力、大駆動力、短所として圧電素子の成膜が難しいことが挙げられる。

従来、MEMSミラーなどに使用する圧電振動素子を製造するには、シリコン基板上にＰＺＴなどの圧電膜をスパッタリング法などによって成膜している（特許文献１）。

特開2014-225596 特開2014-086400

今後、HUDには大画面化・広画角化が要求されており、現状の画角7~8度に対し、最大20度まで広げる要求もある。大画面化・広画角を実現するためには、MEMSミラーの圧電振動素子の周波数、振幅および信頼性を向上させる必要がある。しかし、特許文献１記載のように、従来のシリコン基板上に成膜法で圧電層を形成した圧電振動素子では、こうした高度の周波数、振幅および信頼性を備えた圧電振動素子を実現できないことが判明してきた。

特に、圧電振動素子をパッケージや基板に実装し、電気的な接続をする際には、ワイヤーボンディングやフリップチップボンディングを行う。ボンディング工程では、圧電振動素子に加熱、超音波振動および荷重という負荷をかけることが必要である。この際、圧電振動素子の周波数、振幅、信頼性を向上させる仕様とすると、加熱、超音波振動および加重の負荷が大きくなり、圧電振動素子にクラックやチッピングが発生しやすくなることが判明してきた。これによって、圧電振動素子の歩留りが低下する。

本発明の課題は、圧電振動素子の実装時に加わる加熱、超音波振動および加重によるクラックやチッピングを抑制できるようにすることである。

第一の態様に係る発明は、
バルク状の圧電性材料からなり、第一面および前記第一面と反対側の第二面を有する圧電層、
前記圧電層の第一面上の下部電極、および
前記下部電極に対して接合されている支持基板
を備えていることを特徴とする、圧電振動基板
に係るものである。

また、本発明は、前記圧電振動基板、および
前記圧電層上の上部電極
を備えることを特徴とする、圧電振動素子に係るものである。

第二の態様に係る発明は、
バルク状の圧電性材料からなり、第一面および前記第一面と反対側の第二面を有する圧電層、
前記圧電層の第一面上の下部電極、
前記下部電極に対して接合されている高剛性セラミック板、および
前記高剛性セラミック板に対して接合されている支持基板
を備えていることを特徴とする、圧電振動基板に係るものである。

また、本発明は、前記圧電振動基板、および
前記圧電層の第二面上の上部電極
を備えることを特徴とする、圧電振動素子に係るものである。

本発明者は、圧電振動素子をパッケージや基板に実装し、電気的な接続をする際には、加熱、超音波振動および加重によって圧電振動素子にクラックやチッピングが発生する理由を検討した。この結果、スパッタリング等の各種成膜方法によってＰＺＴなどの圧電膜を成膜した場合、圧電膜の結晶品質が悪く、これがクラックやチッピングの原因となっていることがわかった。

このため、本発明者は、バルクの圧電性材料基板を薄膜化することで圧電振動板を製造することも検討した。しかし、パルクの圧電性材料基板は、加工によって厚さを例えば５０µm以下に薄くすると、強度不足のため割れる傾向があるため、圧電振動素子として利用することは困難であった。

これらの知見に立ち、本発明者は、バルク状の圧電性材料基板を下部電極および中間層を介して別体の支持基板に直接接合し、この圧電性材料基板を高周波での振動に適した所望の厚みにまで薄く研磨することで、厚みが薄く結晶性の良い圧電振動層を形成することに成功し、これによって加熱、超音波振動および加重による圧電振動素子のクラックやチッピングを抑制できることを見いだした。

更に、本発明者は、こうした形態の圧電振動素子において、圧電層の第一面上に設けられた下部電極と支持基板との間に別体の高剛性セラミック板を設けることによって、加熱、超音波振動および加重による圧電振動素子のクラックやチッピングをより一層低減できることを見いだした。
この結果、本発明によって、圧電特性および耐久性に優れた圧電アクチュエーターデバイスを実現可能となる。

（ａ）は、圧電体２、下部電極３および中間層４の積層体を示し、（ｂ）は、支持基板５を示し、（ｃ）は、中間層４と支持基板５とを直接接合した接合体を示す。（ａ）は、図１（ｃ）の接合体において圧電体を加工することで得られた接合体を示し、（ｂ）は、圧電層２Ａ、上部電極１、下部電極３、中間層４、非晶質層６および支持基板５を有する圧電振動素子１１を示す。（ａ）は、高剛性セラミック体７の第一面上に中間層８を設けた状態を示し、（ｂ）は、支持基板５を示し、（ｃ）は、支持基板５に高剛性セラミック板７Ａを接合している状態を示し、（ｄ）は、圧電体２上に下部電極３および中間層４を設けた状態を示す。（ａ）は、支持基板５、下部電極３、高剛性セラミック板７Ａおよび圧電体２の接合体を示し、（ｂ）は、図４（ａ）の接合体において圧電体２を加工して圧電層２Ａとした状態を示し、（ｃ）は、圧電振動素子１２を示す。本発明実施例における支持基板と中間層との界面付近の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。本発明実施例における下部電極の接合面上の中間層と高剛性セラミック板との接合界面とその周辺を示す断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。支持基板の接合面上の中間層と高剛性セラミック板の第一面との接合界面とその周辺を示す断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。圧電振動素子の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施形態を更に詳細に説明する。
図１および図2は、第一の態様の発明に係るものである。
好適な実施形態においては、図１（ａ）に示すように、圧電体２は第一面２ａと第二面２ｂとを有する。圧電体２の第一面２ａ上に下部電極３、中間層４を設ける。次いで、中間層４の接合面４ａに対して矢印Ａのように中性化原子ビームを照射することによって，中間層４ａを活性化する。

一方、図１（ｂ）に示すように、支持基板５の接合面５ａに対して矢印Ｂのように中性化原子ビームを照射することによって、接合面５ａを活性化する。次いで、図１（ｃ）に示すように、中間層４の接合面４ａと支持基板５の接合面５ａとを接触させ、直接接合することによって、接合体が得られる。典型的には、支持基板５と中間層４との境界に沿って非晶質層６が生成する。

次いで、図２（ａ）に示すように、接合体の圧電体を加工して薄くすることによって、所望の厚さを有する圧電層２Ａを形成する。圧電層２Ａの厚さは、目的とする振動周波数に応じて適宜変更する。２ｃは圧電層２Ａの加工面（第二面）である。次いで、図２（ｂ）に示すように、圧電層２Ａの第二面２ｃ上に上部電極１を形成することによって、圧電振動素子１１を得る。

図３および図４は、第二の態様の発明に係るものである。
図３（ａ）に示すように、高剛性セラミック体７は第一面７ａおよび第二面７ｂを有する。高剛性セラミック体７の第一面７ａ上に中間層８を設ける。次いで、中間層８の接合面８ａに対して矢印Ｃのように中性化原子ビームを照射することによって、接合面８ａを活性化する。一方、図３（ｂ）に示すように、支持基板５の接合面５ａに対して矢印Ｂのように中性化原子ビームを照射することによって、接合面５ａを活性化する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、中間層８の接合面８ａと支持基板５の接合面５ａとを接触させ、直接接合することによって、接合体を得る。この際、典型的には、接合面８ａと接合面５ａとの界面に沿って非晶質層１０が生成している。

次いで、高剛性セラミック体７を加工して薄くすることによって、所望厚さの高剛性セラミック板７Ａを形成する。次いで、高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃ上に中間層１６を設け、中間層の接合面１６ａに対して矢印Ｄのように中性化原子ビームを照射し、表面活性化する。

一方、図３（ｄ）に示すように、圧電体２の第一面２ａ上に下部電極３および中間層４を順次設け、中間層４の接合面４ａを中性化原子ビームＥによって活性化する。次いで、図４（ａ）に示すように、中間層４の接合面４ａと高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃ上の中間層１６とを接触させ、直接接合することによって、接合体を得る。この際、典型的には、直接接合された中間層４と中間層１６との界面に沿って非晶質層が生成する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、接合体の圧電体２を加工して薄くすることによって、所望の厚さを有する圧電層２Ａを形成する。圧電層２Ａの厚さは、目的とする振動周波数に応じて適宜変更する。２ｃは圧電層２Ａの加工面（第二面）である。次いで、図４（ｃ）に示すように、圧電層２Ａの第二面２ｃ上に上部電極１を形成することによって、圧電振動素子１２を得る。

本発明の素子は、バルク状の圧電性材料からなり、第一面および第二面を有する圧電層を有する。
バルク状の圧電性材料とは、基板上に成膜された状態の圧電性材料ではなく、結晶成長法や焼結法によってバルク状に形成された圧電性材料を意味する。こうした圧電性材料は通常結晶性がよく、強度が高い。

特に、バルク状の圧電性材料は結晶性が高いため、デバイスに必要な圧電特性の一つであるｄ_３１（電極面に反った方向の伸び縮み）が、成膜品に比べて大きいという特徴を有する。圧電定数（ｄ_３１：ｐｃ／Ｎ＝ｐｍ／Ｖ）は、バルク品の場合に例えば１５０以上（２００を超える場合もある）であっても、成膜品は１５０以下であり，平均的に１００前後であることが多い。

圧電性材料は、特に限定はされないが、鉛系ペロブスカイト酸化物（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸鉛マグネシウム-チタン酸鉛(PMN-PT)を例示できる。また、鉛系ペロブスカイト酸化物（たとえばＰＺＴ）には、Ｌａ（ランタン）、Ｎｂ（ニオブ）、および／またはＳｒ（ストロンチウム）を添加することができるし、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３等の酸化物またはこれらの組み合わせを用いることができる。

加工前の圧電体の厚さは、ハンドリングの際の機械的強度の観点からは、200μｍ以上であることが好ましい。また、加工後の圧電層（振動体）の厚さは、目的とする振動周波数に投じて決定するが、たとえば0.5µm～50µmとすることができる。

上部電極、下部電極の材質は特に限定されず、圧電層の振動を制御する電圧を印加可能であれば問題はないが、たとえば、白金、金、Ａｕ－Ｃｕ、Al、Al-Cu合金を例示できる。また、圧電層と上部電極との間、高剛性セラミックス板と下部電極との間には、各電極の密着性を向上させるためのCrやTiなどのバッファ層を設けることもできる。

PZTなどの圧電体を支持基板上に成膜法で形成する場合、支持基板上に圧電体を成長させるためのシード層が必須となる。圧電体育成の観点から、シード層の材質はPtが一般的であり、成膜方法ではPt以外に下部電極の選択肢が事実上なかった。

一方、本発明においては、バルク状の圧電性材料を支持基板に対して接合して振動体を作製するので、下部電極の材料や膜厚などの影響を受けずに下部電極を圧電体に対して接合することができる。このため、デバイスやプロセスに最適な電極材料を選択することができる。例えば、Ptと比較してAuはエッチングが容易にできるため、下部電極の微細化が可能となる。一般には下部電極を微細化すると、配線抵抗が上昇しデバイス特性の劣化や発熱による信頼性の劣化が問題となるが、AuはPtと比較して抵抗率が低いため、微細化しても配線抵抗の上昇による問題は回避できる。このため、デバイスの小型化と高性能化の両立が可能となる。

こうした観点からは、下部電極の材質はＡｕが特に好ましいが、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏも好適に利用でき、またＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏの合金も好適に利用できる。また、下部電極と圧電体との間には、前述のバッファ層を設けることで、密着性を向上させることが好ましい。

第一の態様の発明においては、下部電極上に中間層を設けることができ、また支持基板上に中間層を設けることができる。この直接接合には以下の実施形態がある。
（１）下部電極上の中間層と支持基板とを直接接合する。
（２）支持基板の上の中間層と下部電極とを直接接合する。
（３）下部電極上の中間層と支持基板上の中間層とを直接接合する。

また、第二の態様の発明においては、下部電極の接合面上に中間層を設けることができ、高剛性セラミックス板の第一面上に中間層を設けることができる。この直接接合には以下の実施形態がある。
（１）下部電極の接合面上の中間層と高剛性セラミックス板の第二面とを直接接合する。
（２）高剛性セラミックス板の第二面上の中間層と下部電極の接合面とを直接接合する。
（３）下部電極の接合面上の中間層と高剛性セラミックス板の第二面上の中間層とを直接接合する。

また、第二の態様の発明においては、支持基板の接合面上に中間層を設けることができ、高剛性セラミックス体の第一面上に中間層を設けることができる。この直接接合には以下の実施形態がある。
（１）支持基板の接合面上の中間層と高剛性セラミックス体の第一面とを直接接合する。
（２）高剛性セラミックス板の第一面上の中間層と支持基板の接合面とを直接接合する。
（３）高剛性セラミックス板の第一面上の中間層と支持基板の接合面上の中間層とを直接接合する。
いずれの形態においても、直接接合の界面に沿って非晶質層が生成することがある。

こうした中間層は、下部電極と高剛性セラミックス板、高剛性セラミック板と支持基板との間の接合強度を高くする上で好ましい。
中間層の材質は限定されないが、酸化珪素、五酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化ビスマス、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、珪素を例示できる。

中間層の厚さは、特に限定されないが、製造コストの観点からは０．０１～１μｍが好ましく、０．０1～０．５μｍが更に好ましい。
中間層の成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。

支持基板の材質は特に限定されないが、金属酸化物、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ケイ素、ガラス、金属、SOI (Silicon
on Insulator) であることが好ましい。この金属酸化物は、単一金属の酸化物であってよく、あるいは複数種の金属の複合酸化物であってもよい。この金属酸化物は、好ましくは、サイアロン、サファイア、コージェライト、ムライトおよびアルミナからなる群より選ばれる。アルミナは好ましくは透光性アルミナである。金属はSUS、銅、アルミニウムなどが例示できる。

支持基板の相対密度は、接合強度の観点からは、９５．５％以上が好ましく、１００％であってもよい。相対密度はアルキメデス法によって測定する。また、支持基板の製法は特に限定されないが、焼結体、結晶育成であることが好ましい。

高剛性セラミック板を構成する高剛性セラミックスとは、ヤング率（ＪＩＳ R1602）：200GPa以上、曲げ強度（ＪＩＳ R1601）：310MPa以上、破壊靭性（ＪＩＳ R1607）：1.5MPa√m以上の材料である。
高剛性セラミックスの種類としては、サイアロン、透光性アルミナ、サファイアなどを例示できる。
サイアロンは、窒化珪素とアルミナとの混合物を焼結して得られるセラミックスであり、以下のような組成を有する。
Ｓｉ_６－ｚＡｌ_ｚＯ_zＮ_８－ｚ
すなわち、サイアロンは、窒化珪素中にアルミナが混合された組成を有しており、ｚがアルミナの混合比率を示している。ｚは、０．５以上が更に好ましい。また、ｚは、４．０以下が更に好ましい。

サファイアはＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する単結晶であり、アルミナはＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する多結晶である。

中間層と支持基板、中間層と下部電極、中間層と高剛性セラミック体、中間層と支持基板、および中間層同士を直接接合する際には、以下の方法が好ましい。
まず、各中間層の接合面、支持基板の接合面、高剛性セラミック体の接合面、下部電極の接合面を平坦化して各平坦面を得る。ここで、各接合面を平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面の算術平均粗さＲａは、１ｎｍ以下が好ましく、０．３ｎｍ以下が更に好ましい。

次いで、研磨剤の残渣や加工変質層の除去のため、各接合面を洗浄する。各接合面を洗浄する方法は、ウエット洗浄、ドライ洗浄、スクラブ洗浄などがあるが、簡便かつ効率的に清浄表面を得るためには、スクラブ洗浄が好ましい。この際には、洗浄液としてサンウオッシュLH540を用いた後に、アセトンとＩＰＡ（イソプロピルアルコール）の混合溶液を用いてスクラブ洗浄機にて洗浄することが特に好ましい。

次いで、各接合面に中性化原子ビームを照射することで、各接合面を活性化する。
中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特許文献２に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.5～2.0kVとすることが好ましく、電流は50～200mAとすることが好ましい。

次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。

支持基板と中間層との間には非晶質層が生成することがある。こうした非晶質層の組成は、中間層を構成する金属原子、支持基板を構成する金属原子、支持基板を構成する酸素原子または窒素原子、および場合によってはアルゴンを含有する。
また、下部電極と中間層との間には非晶質層が生成することがある。こうした非晶質層の組成は、中間層を構成する金属原子、下部電極を構成する金属原子、および場合によってはアルゴンを含有する。

また、高剛性セラミック板と中間層との間には非晶質層が生成することがある。こうした非晶質層の組成は、中間層を構成する金属原子、高剛性セラミック板を構成する金属原子、高剛性セラミックス板を構成する酸素原子または窒素原子、および場合によってはアルゴンを含有する。

また、圧電体と中間層との間には非晶質層が生成することがある。こうした非晶質層の組成は、中間層を構成する金属原子、圧電体を構成する金属原子、および場合によってはアルゴンを含有する。

好適な実施形態においては、第一の態様の基板を製造するには、圧電体上に下部電極および中間層を設け、次いで、中間層の接合面と支持基板の接合面とを直接接合することによって、接合体を得る。この場合、典型的には、支持基板と中間層との境界に沿って非晶質層が生成する。
次いで、接合体の圧電体を加工して薄くすることによって、所望の厚さを有する圧電層を形成し、圧電振動基板を得る。次いで、図２（ｂ）に示すように、圧電層の第二面上に上部電極を形成することによって、圧電振動素子を得る。

また、第二の態様の基板を作製するには、高剛性セラミック体の第一面上に中間層を設ける。次いで、この中間層と支持基板の接合面とを直接接合し、接合体を得る。この際、典型的には、中間層と支持基板の接合面との界面に沿って非晶質層が生成している。次いで、高剛性セラミック体を加工して薄くすることによって、所望厚さの高剛性セラミック板を形成する。
一方、圧電体の第一面に下部電極を設け、下部電極の接合面上に中間層を設ける。
、そして、高剛性セラミックス板の第二面上に中間層を設け、この中間層を下部電極の接合面上の中間層に直接接合する。次いで、圧電体を加工することで圧電層を得る。

本発明の圧電振動素子は、ＭＥＭＳ素子のアクチュエーターなどに好適に利用できる。

（実施例Ａ１）
図１および図２を参照しつつ説明した方法にしたがって、図２（ｂ）に示す圧電振動素子１１を試作した。．
ただし、圧電体２は厚さ250µmのＰＺＴのバルク体とし、上部電極１、下部電極３の材質をPtとした。下部電極３上にスパッタリング法によってアモルファスシリコンからなる中間層４を設けた。また、シリコンからなる支持基板５を準備した。次いで、支持基板５の接合面５ａおよび中間層４の接合面４ａを、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工し、各算術平均粗さＲａを０．２ｎｍとした。

次いで、支持基板５の接合面５ａおよび中間層４の接合面４ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、各接合面４ａ、５ａに高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、支持基板５の接合面５ａと中間層４の接合面４ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。
次いで、圧電体２の一方の主面２ｂを研削および研磨加工することによって、厚み１μｍの圧電層２Ａを形成した。次いで、圧電層２Ａの第二面２ｃ上に上部電極１をスパッタリング法で成膜し、圧電振動素子１１を得た。

圧電振動素子１１をパッケージに実装し、ワイヤーボンディングを行った。ボンディング工程では、圧電振動素子１１に加熱（150℃）、超音波振動（80kＨｚ）および荷重（500ｇf）を加えた。この結果、圧電振動素子１１にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は５％であった。

図５には、圧電振動素子１１の中間層と支持基板との接合界面とその周辺を示す断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である（倍率200万倍）。図５において、上側の明るい領域は中間層（アモルファスシリコン）であり、下側は支持基板（シリコン）であり、中央部分の帯状領域は、接合時に生じた非晶質層である。支持基板、非晶質層、および中間層における各原子の比率は以下のとおりである。

（比較例Ａ１）
気相成膜法によって圧電層を成膜し、圧電振動素子を試作した。
すなわち、シリコンからなる支持基板上に、Ptからなる下部電極３、厚さ１μｍのＰＺＴからなる圧電層およびPtからなる上部電極をスパッタリング法で成膜し、圧電振動素子を得た。
次いで、圧電振動素子をパッケージに実装し、実施例Ａ１と同様にして熱、超音波振動および荷重を加えた。この結果、圧電振動素子にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は２０％であった。

（実施例Ｂ１）
実施例Ａ１と同様にして圧電振動素子１１を試作した。ただし、実施例Ａ１とは異なり、圧電体２および圧電層２Ａの材質をＰＭＮ－ＰＴとした。その他は実施例Ａ１と同様とした。得られた圧電振動素子１１をパッケージに実装し、実施例Ａ１と同様にして熱、超音波振動および荷重を加えた。この結果、圧電振動素子にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は６％であった。

（比較例Ｂ１）
比較例Ａ１と同様にして圧電振動素子１１を試作した。ただし、比較例Ａ１とは異なり、圧電層の材質をＰＭＮ－ＰＴとした。その他は比較例Ａ１と同様とした。得られた圧電振動素子をパッケージに実装し、実施例Ａ１と同様にして熱、超音波振動および荷重を加えた。この結果、圧電振動素子にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は２２％であった。

（実施例Ｃ１）
図３および図４を参照しつつ説明した方法にしたがって、図４（ｃ）に示す圧電振動素子１２を試作した。
ただし、図３（ａ）に示すように、厚さ250μｍのサイアロンからなる高剛性セラミック体７の第一面７ａに、アモルファスシリコンからなる中間層８を設けた。また、図３（ｂ）に示すように、シリコンからなる厚さ５００μｍの支持基板５の表面にアモルファスシリコンからなる中間層を準備した。次いで、支持基板５の中間層接合面５ａおよび中間層８の接合面８ａを、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工し、各算術平均粗さＲａを０．２ｎｍとした。
次いで、支持基板５の中間層接合面５ａおよび中間層８の接合面８ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、各接合面５ａ、８ａに高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、支持基板５の中間層接合面５ａと中間層８の接合面８ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。次いで、得られた接合体を１００℃で２０時間加熱した。

次いで、高剛性セラミック体７の第二面７ｂを研削および研磨加工することによって、図３（ｃ）に示すように、厚み50μｍの高剛性セラミック板７Ａを形成した。ただし、本実施例では、高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃ上に中間層１６を設けなかった。
一方、図３（ｄ）に示すように、圧電体２は厚さ250µmのＰＺＴのバルク体とし、圧電体２の第一面２ａ上に、下部電極３としてTi(15nm)/Pt(200nm)を成膜し、更にスパッタリング法によってアモルファスシリコンからなる中間層４を設けた。
次いで、高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃおよび中間層４（図１（ａ）参照）の接合面４ａを、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工し、各算術平均粗さＲａを０．２ｎｍとした。

次いで、高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃおよび中間層４の接合面４ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、第二面７ｃ、接合面４ａに高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、高剛性セラミック板７Ａの第二面７ｃと中間層４の接合面４ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。次いで、得られた接合体を１００℃で２０時間加熱した。
次いで、圧電体２の第二面２ｂを研削および研磨加工することによって、図４（ｂ）に示すように、厚さ１μｍの圧電層２Ａを形成した。次いで、上部電極１（Ti(15nm)/Pt(200nm)）をスパッタリング法で成膜し、圧電振動素子１２を得た。

圧電振動素子１２をパッケージに実装し、ワイヤーボンディングを行った。ボンディング工程では、圧電振動素子１２に加熱（150℃）、超音波振動（80kＨｚ）および荷重（500ｇf）を加えた。この結果、圧電振動素子１１にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は５％であった。

図６は、下部電極３の接合面上の中間層と高剛性セラミック板との接合界面とその周辺を示す断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である（倍率200万倍）。図６において、上側の明るい領域は中間層（アモルファスシリコン）であり、下側は高剛性セラミック板（サイアロン）であり、中央部分の帯状領域は、接合時に生じた非晶質層である。高剛性セラミック板、非晶質層、および中間層における各原子の比率は以下のとおりである。

図７は、支持基板５の接合面５ａ上の中間層と高剛性セラミック板の第一面上の中間層との接合界面とその周辺を示す断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である（倍率200万倍）。図７において、上側の明るい領域は中間層(アモルファスシリコン)であり、下側の暗い領域は支持基板（シリコン）である。そして、二つの中間層の間の帯状領域は、接合時に生じた非晶質層である。高剛性セラミックス板上の中間層、第一面上の非晶質層、支持基板上の中間層および支持基板における各原子の比率は以下のとおりである。

（実施例Ｄ１）
実施例Ａ１と同様にして圧電振動素子を作製した。
ただし、実施例Ａ１と異なり、圧電体上のバッファ層の材質をＣｒとし、下部電極および上部電極の材質をＡｕとした。また下部電極上には中間層を設けず、支持基板上にも中間層を設けず、下部電極と支持基板とを直接接合した。

具体的には、圧電体２は厚さ250µmのＰＺＴのバルク体とし、圧電体２上にバッファ層および下部電極をスパッタリング法で成膜した。バッファ層の材質をＣｒとし、下部電極の材質をＡｕとした。また、シリコンからなる支持基板５を準備した。次いで、支持基板５の接合面５ａおよび下部電極の接合面を、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工し、各算術平均粗さＲａを０．２ｎｍとした。

次いで、支持基板５の接合面５ａおよび下部電極の接合面を洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、各接合面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、支持基板５の接合面５ａと下部電極の接合面とを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。

次いで、圧電体２の一方の主面２ｂを研削および研磨加工することによって、厚み１μｍの圧電層２Ａを形成した。次いで、圧電層２Ａの第二面２ｃ上に、Ｃｒからなるバッファ層およびＡｕからなる上部電極をスパッタリング法で成膜し、圧電振動素子を得た。

圧電振動素子をパッケージに実装し、ワイヤーボンディングを行った。ボンディング工程では、圧電振動素子に加熱（150℃）、超音波振動（80kＨｚ）および荷重（500ｇf）を加えた。この結果、圧電振動素子１１にクラックやチッピングが発生した不良品の発生率は３％であった。
図８は、圧電振動素子の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である（倍率200万倍）。図８において、上側の明るい領域は圧電層であり、圧電層の第一面にＣｒ層およびＡｕ層がそれぞれ帯として表示されている。そして、下側は支持基板（シリコン）であり、支持基板とＡｕ層との間の帯状領域は、接合時に生じた非晶質層である。

Claims

バルク状の圧電性材料からなり、第一面および前記第一面と反対側の第二面を有する圧電層、
前記圧電層の前記第一面上の下部電極、
前記下部電極に対して接合されている高剛性セラミック板、および
前記高剛性セラミック板に対して接合されている支持基板
を備えている圧電振動基板であって、
前記下部電極と前記高剛性セラミック板との界面に沿って非晶質層が存在し、前記高剛性セラミック板と前記支持基板の界面に沿って非晶質層が存在することを特徴とする、圧電振動基板。
前記下部電極と前記高剛性セラミックの間に中間層を有することを特徴とする、請求項１記載の圧電振動基板。
前記高剛性セラミックと前記支持基板の間に中間層を有することを特徴とする、請求項１記載の圧電振動基板。
前記圧電層の前記第二面上に上部電極を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の圧電振動素子。