JPWO2011099381A1 - 圧電デバイス、圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

エッチングの回数を減らし、エッチングにより受ける圧電薄膜のダメージを減らすとともに圧電デバイスの製造コストを削減できる圧電デバイス、及び当該圧電デバイスの製造方法を提供する。支持基板(50)に形成された支持層(40)の表面にエッチング調整層(90)を形成する。エッチング窓(71、72)を介してエッチャントを流入させて、犠牲層(30)の一部を圧電薄膜(10)の表面側に露出させる孔部(81)と、下部電極(20)と導通するエッチング調整層(90)を圧電薄膜(10)の表面側に露出させる開口部(82)とを同時に形成する。エッチャントを孔部(81)を介して流入させることで犠牲層(30)を除去する。上部電極(60)からバンプパッド(61A)へ引き回し配線(63A)を形成し、下部電極(20)と導通する導電性のエッチング調整層(90)からバンプパッド(61B)へ引き回し配線(63B)を形成する。

Description

この発明は、圧電単結晶の薄膜を用いた圧電デバイス、特にメンブレン構造を有する圧電デバイス、及び当該圧電デバイスの製造方法に関するものである。
現在、圧電単結晶体を薄膜化してなる圧電デバイスが多く開発されている。このような圧電薄膜を用いた圧電デバイスでは、実際の使用時において圧電薄膜を支持する支持体を必要とする。そして、このような支持体は、圧電薄膜の一方の主面に配設される。この際、支持体の配設構造は、圧電デバイスとして機能する圧電薄膜の振動領域のみには支持体を配設せず、圧電デバイスとして機能しない圧電薄膜の非振動領域のみに支持体を配設する構造となっており、所謂メンブレン構造と呼ぶ。
このメンブレン構造を有する従来の圧電デバイスの製造方法について、図1を用いて以下説明する。
図1は、従来の圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。まず、空隙層80となる犠牲層30が狭持される構造となる下部電極20を有する圧電薄膜10と支持体40、50との複合基板を形成する迄の工程と、上部電極60を圧電薄膜10の表面に形成する工程とを経ると、断面が図1(A)に示す状態となる。この状態では、下部電極20と犠牲層30が圧電薄膜10と支持体40、50とにより完全に覆われているため、下部電極20を圧電薄膜10の表面側に露出させる開口部82と、犠牲層30の一部を圧電薄膜10の表面側に露出させる孔部81とを形成する必要がある。
そこで、圧電薄膜10の上面にレジスト膜を形成し、当該レジスト膜の下部電極20を露出させる領域にエッチング窓を開けてエッチングし、圧電薄膜10に開口部82を形成する下部電極露出工程を行う。
次に、再度、圧電薄膜10の上面にレジスト膜を形成し、当該レジスト膜の犠牲層30を露出させる領域にエッチング窓を開けてエッチングし、上部電極60、圧電薄膜10及び下部電極40に孔部81を形成する犠牲層露出工程を行う。
次に、その孔部81を介して犠牲層30を除去する犠牲層除去工程を行う。これにより、犠牲層30が形成されていた空間は、空隙層80となる。
最後に、上部電極60からバンプパッド(不図示)へ引き回し配線63Aが形成されるとともに、下部電極21からバンプパッド(不図示)へ引き回し配線63Bが形成される。
以上に示す下部電極露出工程と犠牲層露出工程では、エッチングを行う深さが異なる。即ち、下部電極露出工程では下部電極20がエッチングされないように圧電薄膜10の膜厚分だけエッチングする必要があり、犠牲層露出工程では圧電薄膜10の膜厚分と上下電極20、60の膜厚分をエッチングする必要がある。そのため、これら2種類のエッチング工程はエッチング深さやエッチングする材料が異なるため、それぞれ別の工程で実施されていた。
なお、下部電極と圧電基板とを接合して圧電薄膜を下部電極の表面に形成する方法が特許文献1において開示されている。
特開2007−228319号公報
しかしながら、上記従来の製造方法では、犠牲層露出工程および下部電極露出工程においてエッチングを行うことで合計2回のエッチングを行っていたため、該エッチングにより受ける圧電薄膜10のダメージが大きかった。特に、犠牲層露出工程および下部電極露出工程においてドライエッチングを使用した場合、圧電薄膜10が帯電し、帯電した電荷によって圧電薄膜10において分極劣化が生じることもあった。
また、犠牲層露出工程および下部電極露出工程のそれぞれの工程において、レジスト膜形成工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程などのエッチングに要する時間が必要となり、製造コスト高の一因となっていた。
したがって、本発明の目的は、エッチングの回数を減らし、エッチングにより受ける圧電薄膜のダメージを減らすとともに圧電デバイスの製造コストを削減できる圧電デバイス、及び当該圧電デバイスの製造方法を提供することにある。
この発明は、圧電薄膜と、圧電薄膜の裏面に接合し圧電薄膜を支持する支持体と、圧電薄膜の裏面に形成された第1の電極と、圧電薄膜と支持体との間で第1の電極の支持体側に形成された空隙層とを備えた圧電デバイス、及び当該圧電デバイスの製造方法に関するものである。この圧電デバイスの製造方法では、少なくとも、犠牲層形成工程、調整層形成工程、露出工程、および犠牲層除去工程を有する。
犠牲層形成工程は、空隙層となる空間に犠牲層を形成する。調整層形成工程は、第1の電極を圧電薄膜の表面側に露出させる領域に、エッチングの進行程度を調整するエッチング調整層を形成する。露出工程は、圧電薄膜およびエッチング調整層をエッチングし、犠牲層の一部を圧電薄膜の表面側に部分的に露出させる孔部と、第1の電極を圧電薄膜の表面側に露出させる開口部とを同時に形成する。犠牲層除去工程は、孔部を介して犠牲層を除去する。
この製造方法では、孔部の形成と開口部の形成とでエッチング深さが異なっていても、開口部の形成におけるエッチングの速度がエッチング調整層で調整される。そのため、孔部の形成と開口部の形成とを同時に実施した場合、所定のエッチングレートの材料と所定の膜厚とでエッチング調整層を形成することにより、犠牲層を露出させる孔部の形成に要するエッチング時間で第1の電極が残って露出された状態となる。
そのため、この製造方法では、従来の製造方法で行われていた犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うことができる。即ちエッチングが一回で済むため、エッチングによる圧電薄膜へのダメージを減らすことができる。また、上記露出工程においてドライエッチングを使用した場合でも、圧電薄膜における分極劣化が抑えられる。
また、レジスト膜形成工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程などのエッチングに要する時間が約半分となるため、製造コストを削減できる。
従って、この発明によれば、エッチングにより受ける圧電薄膜のダメージを減らすとともに圧電デバイスの製造コストを削減できる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、少なくとも、イオン注入工程、接合工程、および剥離形成工程を有する。
イオン注入工程は、圧電単結晶基板にイオンを注入することで、圧電単結晶基板の中で注入されたイオン元素の濃度がピークになるイオン注入層を形成する。接合工程は、イオン注入層が形成された圧電単結晶基板と支持体とを接合する。剥離形成工程は、圧電単結晶基板から単結晶の圧電薄膜を剥離し、単結晶の圧電薄膜を第1の電極の表面に形成する。
この製造方法は、上述の圧電薄膜の形成方法を具体的に示すものである。この製造方法では、イオン注入工程、接合工程、および剥離形成工程により単結晶の圧電薄膜を形成している。圧電薄膜を単結晶とすることで、スパッタ、蒸着、CVD法等で成膜される多結晶膜より圧電性に優れた薄膜を形成することができる。また、圧電単結晶基板の結晶方位が圧電薄膜の結晶方位となるため、圧電デバイスの特性に応じた結晶方位を有する圧電単結晶基板を用意することで、該特性に応じた結晶方位を有する圧電薄膜を形成できる。また、イオン注入、接合、剥離により単結晶薄膜を形成しているため、1枚の圧電単結晶基板から複数の圧電薄膜を形成することができる。そのため、単結晶の圧電材料を節約することができる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、圧電薄膜の材質は、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである。
タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の難エッチング材料で圧電薄膜を形成する場合にはエッチングに要する時間が長くなるため、この製造方法では、製造コストを大幅に削減できる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を圧電薄膜の裏面側に形成する。
この製造方法では、上述のエッチング調整層の形成位置を具体的に示すものである。この製造方法では、圧電薄膜がエッチング調整層より先にエッチングされる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を第1の電極の支持体側に形成する。
この製造方法では、上述のエッチング調整層の形成位置を具体的に示すものである。この製造方法では、圧電薄膜がエッチング調整層より先にエッチングされ、第1の電極がエッチング調整層より先にエッチングされる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を、圧電薄膜と第1の電極との間に形成する。
この製造方法では、上述のエッチング調整層の形成位置を具体的に示すものである。この製造方法では、圧電薄膜がエッチング調整層より先にエッチングされ、エッチング調整層が第1の電極より先にエッチングされる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を導電性材料で形成する。
この製造方法では、エッチング調整層が導電性であるため、エッチング調整層を電極として使用できる。そのため、圧電薄膜に直接又は第1の電極を介して導通するエッチング調整層からバンプパッドへ引き回し配線を形成することができる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を、第1の電極よりエッチングレートの低い材料で形成する。
この製造方法では、エッチング調整層が第1の電極よりもエッチングレートの低い材料からなるため、エッチング調整層のエッチング速度が第1の電極のエッチング速度より遅い。即ち孔部の形成速度の方が開口部の形成速度より速くなるように調整できる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を、金属材料で形成する。
この製造方法では、エッチング調整層が金属性であるため、エッチング調整層が第1の電極と接着し易い。また、エッチング調整層が導電性であるため、エッチング調整層を電極として使用できる。そのため、圧電薄膜に第1の電極を介して導通するエッチング調整層からバンプパッドへ引き回し配線を形成することができる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を、Al、Cu、Ni、Cr、Ptのいずれかを含む金属材料で形成する。
この製造方法おいて、Al、Cuは、フッ素系プラズマエッチングのエッチングレートが低く、導電率が高い素材である。また、Ni、Cr、Ptは、Al、Cuよりもエッチングレートが低い素材である。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、エッチング調整層を圧電薄膜の表面上に形成する。
この製造方法は、上述のエッチング調整層の形成位置を具体的に示すものである。この製造方法では、エッチング調整層が圧電薄膜より先にエッチングされる。また、この製造方法では、エッチング調整層を圧電薄膜の表面上に形成するため、エッチング調整層の膜厚を自由に微調整できる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、調整層形成工程は、膜厚と材質が第1の電極および第2の電極と等しいエッチング調整層を形成する。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、前記圧電薄膜の前記裏面に形成される前記第1の電極の膜厚をA、
前記圧電薄膜の表面に形成される第2の電極の膜厚をB、
前記エッチング調整層の膜厚をC、
前記第1の電極のエッチングレートをα、
前記第2の電極のエッチングレートをβ、
前記エッチング調整層のエッチングレートをγ、としたとき、
前記調整層形成工程は、
A/α +B/β = C/γ
の式を満たす膜厚と材質で前記エッチング調整層を形成する。
この製造方法は、上述のエッチング調整層の膜厚と材質を設定するための計算式を明示している。この製造方法では、孔部の形成に要するエッチング時間と開口部の形成に要するエッチング時間とが等しくなるエッチング調整層の材質と膜厚を、上記の計算式により算出し、設定できる。
また、この発明の圧電デバイスの製造方法では、犠牲層除去工程までを、複数の圧電デバイスが同時形成可能なマルチ状態で行い、
犠牲層が除去された複数の圧電デバイスを個別の圧電デバイスに分割する分割工程を有する。
この製造方法では、犠牲層除去工程までの全工程がマルチ状態で行われる。そして、この製造方法における分割工程が、その犠牲層除去工程の後に行われる。この分割工程により、1つの圧電デバイスが完成する。
以上より、複数の圧電デバイスを一括製造できる。従って、圧電デバイスの製造コストを大幅に削減できる。
この発明によれば、エッチングにより受ける圧電薄膜のダメージを減らすとともに圧電デバイスの製造コストを削減できる。
従来の圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 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2に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図2に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図2に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図2に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図2に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 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8に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図8に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図8に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 第3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12に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 図12に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す図である。 第4の実施形態に係る板波デバイスの製造工程を模式的に示す図である。
本発明の第1の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。なお、以下の説明では、圧電デバイスとして、薄膜型圧電デバイス(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)を例に説明する。
図2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3〜図7は、第1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図である。
まず、図3(A)(B)に示すように、所定厚みからなる圧電単結晶基板1と、所定厚みからなる支持基板50とを用意する。圧電単結晶基板1は、タンタル酸リチウム基板を利用し、支持基板50は、ニオブ酸リチウム基板を利用する。この際、支持基板50としては、薄膜型圧電デバイス単体が複数配列されるマルチ状態の基板を用いる。ここで、圧電単結晶基板1は、ニオブ酸リチウム基板の他、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、ニオブ酸カリウムリチウム基板を用いても構わない。また、支持基板50は、Siやガラス等のセラミック、水晶、又はサファイア等を用いても構わない。
そして、図3(B)に示すように、支持基板50の表面に、所定膜厚の支持層40を形成する(図2:S101)。支持層40は、絶縁性材料からなり、シリコン酸化物や窒化物、アルミニウム酸化物、PSG等の無機物や、樹脂等の有機物を利用し、犠牲層30の除去のためのエッチングガスやエッチング液に対して強い耐性を有するものであればよい。支持層40は、蒸着、スパッタリング、CVD、スピン塗布等により、支持基板50の表面の一定領域(犠牲層30を形成する領域を除外した領域)に成膜される。即ち、この支持層40は、圧電薄膜10が圧電デバイスとして機能しない非振動領域の直下に形成される。そして、支持層40の膜厚は、メンブレンの中空領域を構成する空隙層80の深さに応じて設定される。ここで、支持層40と支持基板50とからなる部分が、本発明の「支持体」に相当する。
なお、支持層40は、圧電単結晶基板1や犠牲層30に対して、線膨張係数を加味した上で材質を決定するとよりよい。
次に、図3(B)に示すように、支持基板50の表面に、所定膜厚の犠牲層30を形成する(図2:S102)。犠牲層30は、下部電極20等に対してエッチングレートを異ならせられるようなエッチングガスもしくはエッチング液が選択可能な材料からなり、上部電極60と圧電薄膜10と下部電極20と支持層40と支持基板50とエッチング調整層90よりもエッチングされやすい材料からなる。具体的には、Ni,Cu,Al等の金属や、SiO、ZnO、PSG(リンケイ酸ガラス)等の絶縁膜や、有機膜等から、条件に応じて適宜設定する。犠牲層30は、蒸着、スパッタリング、CVD、スピン塗布等により、支持基板50の表面上における空隙層80となる空間(即ち、圧電薄膜10が圧電デバイスとして機能する振動領域および孔部81の直下の空間)に、支持層40の膜厚と同じ膜厚で成膜される。
次に、図4(A)に示すように、圧電単結晶基板1の裏面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にイオン注入層100を形成する(図2:S103)。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9.0×1016atom/cm2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、裏面12から深さ約1μmの位置に水素イオン層(水素分布部分)が形成されて、イオン注入層100が形成される。このイオン注入深さは、イオン注入エネルギーで決まるため、所望の深さにイオン注入層100を形成できる。このイオン注入層100は、圧電単結晶基板1の中で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。
また、図4(B)に示すように、支持基板50に形成された支持層40の表面に、エッチング調整層90を形成する(図2:S104)。このエッチング調整層90は、エッチングの進行程度を調整する層である。
上記S104について詳述すると、エッチング調整層90は、下部電極20よりエッチングレートの低い導電性材料から、条件に応じて適宜設定する。具体的にはAl、Cu、Ni、Cr、Ptのいずれかを含む金属材料を設定するのが好ましい。ここで、Al、Cuは、フッ素系プラズマエッチングのエッチングレートが低く、導電率が高い素材であり、Ni、Cr、Ptは、Al、Cuよりもエッチングレートが低い素材である。エッチング調整層90は、蒸着、スパッタリング、CVD等により、支持層40の表面の特定領域(後述の配線63Bを形成する領域)に所定の膜厚で成膜される。
エッチング調整層90を形成した後、エッチング調整層90、犠牲層30及び支持層40の表面上に、Al(アルミニウム)等を用いて所定膜厚の下部電極20を形成する(図2:S105)。そのため、エッチング調整層90は下部電極20の支持体側に形成される。
なお、下部電極20には、Alのみでなく、デバイスの仕様に応じて、W、Mo、Ta、Hf、Cu、Pt、Ti等を単体もしくは組み合わせて用いてもよい。
そして、図4(B)に示すように、エッチング調整層90が露出しない研磨量で、下部電極20の表面をCMP等により平坦化処理する(図2:S106)。
次に、図5(A)に示すように、支持基板50上の下部電極20と圧電単結晶基板1の裏面12とを接合する(図2:S107)。
なお、この接合には、活性化接合による直接接合を用いると良い。この直接接合とは、常温において、真空中でArイオンビーム等を照射して接合面を活性化させた状態で接合するものであり、加熱を必要としない接合方法である。この方法を用いることにより、親水化接合のような接合後に水素を脱気するための加熱処理を必要とせず、加熱による圧電デバイスの特性の劣化や、圧電単結晶基板1と支持基板50との線膨張係数の差による応力の発生を防止できる。
次に、圧電単結晶基板1を(この実施形態では500℃で)加熱し、イオン注入層100を剥離面とした剥離を行う(図2:S108)。これにより、図5(B)に示すように、支持基板50上の下部電極20の表面に、単結晶の圧電薄膜10が形成される。また、圧電薄膜10を単結晶薄膜とすることで、スパッタ、蒸着、CVD法等で成膜される多結晶膜より圧電性に優れた薄膜を形成することができる。また、圧電単結晶基板1の結晶方位が圧電薄膜10の結晶方位となるため、圧電デバイスの特性に応じた結晶方位を有する圧電単結晶基板1を用意することで、該特性に応じた結晶方位を有する圧電薄膜10を形成できる。また、イオン注入、接合、剥離により単結晶薄膜を形成しているため、1枚の圧電単結晶基板1から複数の圧電薄膜10を形成することができるため、単結晶の圧電材料を節約することができる。
なお、上記S108の際、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。
そして、このように剥離形成した圧電薄膜10の表面をCMP処理等により研磨して平坦化する(図2:S109)。
なお、この実施形態では、イオン注入、接合、剥離により圧電薄膜10を形成しているが、実施の際は、圧電薄膜10をスパッタ、蒸着、CVD法等で成膜しても構わない。
次に、図5(C)に示すように、圧電薄膜10の表面上に、Al(アルミニウム)等を用いて、所定膜厚の上部電極60を形成する(図2:S110)。
なお、この所定膜厚は、下部電極20と等しい膜厚が好ましい。また、上部電極60には、Alのみでなく、デバイスの仕様に応じて、W、Mo、Ta、Hf、Cu、Pt、Ti等を単体もしくは組み合わせて用いてもよい。
次に、図6(A)に示すように、上部電極60が形成された圧電薄膜10の表面にレジスト膜70を形成する(図2:S111)。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、上部電極60、圧電薄膜10および下部電極20を貫通する孔部81を形成するためのエッチング窓71と、下部電極20と導通するエッチング調整層90を露出するためのエッチング窓72とをレジスト膜70に形成する(図2:S112)。
次に、エッチング窓71、72を介してエッチングガスもしくはエッチング液を流入させることで、犠牲層30の一部を圧電薄膜10の表面側に露出させる孔部81と、下部電極20と導通するエッチング調整層90を圧電薄膜10の表面側に露出させる開口部82とを同時に形成する(図2:S113)。ここで、S113における孔部81の形成と開口部82の形成とでは、開口部82のエッチング深さの方が短い。また、イオン注入層100を形成して剥離形成した圧電薄膜10は、そのイオン注入によるダメージにより、エッチングレートが圧電薄膜10の全体にわたって均一であることは無く、圧電薄膜10の場所によってバラツキが生じている。しかし、エッチング調整層90は、下部電極20よりもエッチングレートの低い材料からなるため、エッチング調整層90のエッチング速度が下部電極20より遅い。そのため、孔部81の形成と開口部82の形成とを同時に実施した場合、孔部81の形成に要するエッチング時間でエッチング調整層90が残って露出された状態となる。そして、エッチング調整層90は導電性材料であって下部電極20と導通しているため、エッチング調整層90が下部電極として機能する。
そして、エッチングガスもしくはエッチング液を孔部81を介して流入させることで、犠牲層30を除去する(図2:S114)。その後、レジスト膜70を除去する。S114のエッチングの際、犠牲層30が形成されていた空間は、図6(B)に示すような空隙層80となる。
なお、S114で使用するエッチングガスもしくはエッチング液は、犠牲層30に応じたエッチングガスもしくはエッチング液であり、上記S113と種類の異なるものである。
次に、図7(A)(B)に示すように、仕上げ表面電極パターンを形成する(図2:S115)。詳述すると、上部電極60からバンプパッド61Aへ引き回し配線63Aが形成されるとともに、下部電極20と導通する導電性のエッチング調整層90からバンプパッド61Bへ引き回し配線63Bが形成され、両バンプパッド61A,B上にバンプ62A,Bを形成する。
なお、下部電極20及びエッチング調整層90が、本発明の「第1の電極」に相当する。また、エッチング調整層90が、本発明の「エッチング調整層」に相当する。
最後に、支持基板50上にマルチ状態で形成された複数の薄膜型圧電デバイスから個別の薄膜型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。このようにして薄膜型圧電デバイスを形成する。そのため、複数の薄膜型圧電デバイスを一括製造できる。
以上のような製造方法および図7(A)(B)に示す構造の圧電デバイスを用いることで、従来の製造方法で行われていた犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うことができる。即ちエッチングが一回で済むため、エッチングによる圧電薄膜10へのダメージを減らすことができる。また、上記S113の露出工程においてドライエッチングを使用した場合でも、圧電薄膜10における分極劣化が抑えられる。
また、レジスト膜形成工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程などのエッチングに要する時間が約半分となるため、製造コストを削減できる。特に、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の難エッチング材料で圧電薄膜10を形成する場合にはエッチング工程に要する時間が長くなるため、製造コストを大幅に削減できる。
従って、この実施形態の圧電デバイス及び当該圧電デバイスの製造方法によれば、エッチングにより受ける圧電薄膜10のダメージを減らすとともに薄膜型圧電デバイスの製造コストを削減できる。
また、複数の薄膜型圧電デバイスを一括製造できるため、薄膜型圧電デバイスの製造コストを大幅に削減できる。
次に、第2の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。
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11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図である。
この実施形態の圧電デバイスの製造方法は、第1の実施形態に示した圧電デバイスの製造方法に対して、エッチング調整層、下部電極、犠牲層および支持層の形成方法、および支持基板と圧電基板の接合方法に関する工程が相違するものである。そのため、当該工程に対応する図8のS202〜S207を以下詳述する。
なお、図8のS201、S208〜S215は、それぞれ第1の実施形態に示したS103、S108〜S115と同じである。そのため、図8のS208〜S215に関しては、図8のS202〜S207によって異なってくる点のみを詳述する。
図9(A)に示すように、エッチング調整層90を圧電単結晶基板1の表面に形成する(図8:S202)。
なお、エッチング調整層90の材料および形成方法は、第1の実施形態と同じである。
次に、図9(B)に示すように、エッチング調整層90が形成された圧電単結晶基板1の表面上に、下部電極21を形成する(図8:S203)。そのため、エッチング調整層90は圧電薄膜10と下部電極21との間に形成される。
なお、下部電極21の材料および形成方法は、第1の実施形態の下部電極20と同じである。
次に、犠牲層30を下部電極21の表面に形成する(図8:S204)。
なお、犠牲層30の材料および形成方法も、第1の実施形態と同じである。
次に、図9(C)に示すように、犠牲層30が形成された下部電極21の表面上に、犠牲層30を覆うよう支持層41を形成する(図8:S205)。そして、犠牲層30が露出しない研磨量で、支持層41の表面をCMP等により平坦化処理する(図8:S206)。
なお、支持層41の材料および形成方法は、第1の実施形態の支持層40と同じである。
次に、図10(A)に示すように、支持層41の表面と支持基板50とを接合する(図8:S207)。この接合方法も、第1の実施形態と同じである。
次に、イオン注入層100を剥離面とした剥離を行うと(図8:S208)、図10(B)に示すように、支持基板50上の下部電極21の表面に圧電薄膜10が形成される。
次に、平坦化後(図8:S209)、図11(A)に示すように、圧電薄膜10の表面上に上部電極60を形成する(図8:S210)。
次に、図8のS211〜S212の後に、犠牲層30の一部を圧電薄膜10の表面側に露出させる孔部81と、圧電薄膜10および下部電極21に導通するエッチング調整層90を圧電薄膜10の表面側に露出させる開口部82とを同時に形成する(図8:S213)。S213では、エッチング調整層90が圧電薄膜10と下部電極21との間に形成されているため、開口部82の形成において圧電薄膜10がエッチング調整層90より先にエッチングされ、エッチング調整層90が下部電極21より先にエッチングされる。この際、エッチング調整層90によりエッチング速度が調整され、孔部81の形成に要するエッチング時間でエッチング調整層90が残って露出された状態となる。
そして、図8のS214において犠牲層30を除去した後、図11(B)に示すように、仕上げ表面電極パターンを形成する(図8:S215)。詳述すると、上部電極60からバンプパッド61Aへ引き回し配線63Aが形成されるとともに、圧電薄膜10および下部電極21に導通する導電性のエッチング調整層90からバンプパッド61Bへ引き回し配線63Bが形成され、両バンプパッド61A,B上にバンプ62A,Bを形成する(図7(B)参照)。この後、第1の実施形態で述べた分割工程とパッケージング工程に進み、薄膜型圧電デバイスを形成する。
なお、下部電極21及びエッチング調整層90が、本発明の「第1の電極」に相当する。また、エッチング調整層90が、本発明の「エッチング調整層」に相当する。
以上のような製造方法および図7(B)と図11(B)に示す構造の圧電デバイスを用いることで、この実施形態においても、従来の製造方法で行われていた犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うことができる。即ちエッチングが一回で済むため、この実施形態の圧電デバイス及び当該圧電デバイスの製造方法によれば、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
次に、第3の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。
図12は、第3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13〜図14は、第3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図である。
この実施形態の圧電デバイスの製造方法は、第1の実施形態に示した圧電デバイスの製造方法に対して、エッチング調整層の形成順序が相違するものである。そのため、当該工程に対応する図12のS304〜S309を以下詳述する。
なお、図12のS301〜S303、S310〜S314は、それぞれ第1の実施形態に示したS101〜S103、S111〜S115と同じである。そのため、図12のS310〜S314に関しては、図8のS304〜S309によって異なってくる点のみを詳述する。
この実施形態の圧電デバイスの製造方法では、図2のS104においてエッチング調整層91の形成を行わずに次の工程へ進む。即ち、図13(A)に示す下部電極20の形成(図12:S304)、図13(B)に示す下部電極20と圧電単結晶基板1との接合(図12:S305)、図13(C)に示す圧電薄膜10の形成(図12:S306、S307)、図13(D)に示す上部電極60の形成(図12:S308)、を先に行う。
その後、図14(A)に示すように、「A/α +B/β = C/γ」の式を満たすエッチング調整層91を、圧電薄膜10の表面に形成する(図12:S309)。Aは下部電極20の膜厚を示す値であり、Bは上部電極60の膜厚を示す値であり、Cはエッチング調整層90の膜厚を示す値である。また、αは下部電極20のエッチングレートを示す値であり、βは上部電極60のエッチングレートを示す値であり、γはエッチング調整層90のエッチングレートを示す値である。そのため、この実施形態では、エッチング調整層91が圧電薄膜10の表面上に形成される。ここで、Aは下部電極20の膜厚を示す値であり、Bは上部電極60の膜厚を示す値であり、Cはエッチング調整層91の膜厚を示す値である。また、αは下部電極20のエッチングレートを示す値であり、βは上部電極60のエッチングレートを示す値であり、γはエッチング調整層91のエッチングレートを示す値である。
上記S309について詳述すると、エッチング調整層91は、孔部81の形成に要するエッチング時間と開口部82の形成に要するエッチング時間とが等しくなる材料と膜厚で形成する。例えば、下部電極20の材料と膜厚がタングステンの1μmでありで上部電極60の材料と膜厚がアルミニウムの0.5μmである場合、エッチング調整層91の材料と膜厚は、タングステンの1μm及びアルミニウムの0.5μmの多層膜となる。
なお、エッチング調整層91の形成方法は第1の実施形態のエッチング調整層90と同じである。ただし、エッチング調整層91を下部電極として使用しないため、エッチング調整層91の材質は、導電性材料でなくとも構わず、金属材料以外の材料(例えば樹脂等の有機物)でも構わない。また、S308における上部電極60の形成後にS309においてエッチング調整層91を成膜するため、エッチング調整層91の膜厚も自由に微調整できる。
次に、図12のS310とS311の後に、圧電薄膜10やエッチング調整層91などをエッチングし、犠牲層30の一部を圧電薄膜10の表面側に露出させる孔部81と、下部電極20を圧電薄膜10の表面側に露出させる開口部82とを同時に形成する(図12:S312)。S312では、開口部82の形成においてエッチング調整層91が圧電薄膜10より先にエッチングされる。この際、エッチング調整層91によりエッチング速度が調整され、孔部81の形成に要するエッチング時間で下部電極20が残って露出された状態となる。
そして、図12のS313において犠牲層30を除去した後、図14(B)に示すように、仕上げ表面電極パターンを形成する(図12:S314)。詳述すると、上部電極60からバンプパッド61Aへ引き回し配線63Aが形成されるとともに、下部電極20からバンプパッド61Bへ引き回し配線63Bが形成され、両バンプパッド61A,B上にバンプ62A,Bを形成する(図7(B)参照)。この後、第1の実施形態で述べた分割工程とパッケージング工程に進み、薄膜型圧電デバイスを形成する。
なお、下部電極20が、本発明の「第1の電極」に相当する。また、エッチング調整層91が、本発明の「エッチング調整層」に相当する。
以上のような製造方法を用いることで、この実施形態においても、従来の製造方法で行われていた犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うことができる。即ちエッチングが一回で済むため、この実施形態の圧電デバイスの製造方法によれば、第1の実施形態の圧電デバイスの製造方法と同様の効果を奏する。
次に、第4の実施形態に係る板波デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。
図15は、第4の実施形態に係る板波デバイスの製造工程を模式的に示す図である。
この実施形態の圧電デバイスの製造方法は、第2の実施形態に示した圧電デバイスの製造方法に対して、下部電極の形成パターンと支持層の膜厚と犠牲層の膜厚が相違し、特にエッチング調整層の形成位置が相違するものである。
まず、イオン注入層100を形成した圧電単結晶基板1の表面にエッチング調整層90を形成し、櫛型の電極22を圧電単結晶基板1の表面に形成し、空隙層85となる犠牲層31を圧電単結晶基板1の表面に形成し、支持層42をエッチング調整層90の表面に形成する。そして、支持基板50と支持層42および犠牲層31とを接合して圧電薄膜10を剥離形成すると、断面が図15(A)に示す状態となる。
ここで、イオン注入層100を形成して剥離形成した圧電薄膜10は、そのイオン注入によるダメージにより、エッチングレートが圧電薄膜10の全体にわたって均一であることは無く、圧電薄膜10の場所によってバラツキが生じている。そのため、エッチング調整層90A、90Bの代わりに下部電極を形成した場合、犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うと、孔部84の形成に要するエッチング時間で下部電極が消失することがある。そこで、この実施形態の製造方法では、下部電極の代わりに導電性のエッチング調整層90A、90Bを圧電薄膜10の裏面側に形成している。
そして、犠牲層31の一部を圧電薄膜10の表面側に露出させる孔部84と、圧電薄膜10および下部電極21に導通するエッチング調整層90A、90Bを圧電薄膜10の表面側に露出させる開口部83A、83Bとを同時に形成する。この実施形態においては、開口部83A、83Bの形成において圧電薄膜10がエッチング調整層90A、90Bより先にエッチングされる。この際、エッチング調整層90A、90Bによりエッチング速度が調整され、孔部84の形成に要するエッチング時間でエッチング調整層90A、90Bが残って露出された状態となる。
次に、孔部84を介して犠牲層31を除去すると、断面が図15(B)に示す状態となる。
次に、圧電薄膜10に接触する導電性のエッチング調整層90Aからバンプパッド61Aへ引き回し配線63Aが形成されるとともに、圧電薄膜10に接触する導電性のエッチング調整層90Bからバンプパッド61Bへ引き回し配線63Bが形成され、両バンプパッド61A,B上にバンプ62A,Bを形成する(図7(B)参照)。
なお、下部電極22およびエッチング調整層90A、90Bが、本発明の「第1の電極」に相当する。また、エッチング調整層90A、90Bが、本発明の「エッチング調整層」に相当する。
最後に、支持基板50上にマルチ状態で形成された複数の板波デバイスから個別の板波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。このようにして板波デバイスを形成する。
以上のような製造方法および図7(B)と図15(B)に示す構造の圧電デバイスを用いることで、この実施形態においても、従来の製造方法で行われていた犠牲層露出工程および下部電極露出工程を同時に行うことができる。即ちエッチングが一回で済むため、この実施形態の圧電デバイス及び当該圧電デバイスの製造方法によれば、第2の実施形態と同様の効果を奏する。
なお、上述の各実施形態では、F−BAR用の圧電デバイスや板波デバイスを例に説明したが、他に、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、本発明の製造方法を適用することができる。
また、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
10 圧電薄膜
100 イオン注入層
20、21、22 下部電極
30、31 犠牲層
40 支持層
41、42 支持層
50 支持基板
60 上部電極
61A、61B バンプパッド
62A、62B バンプ
63A、63B 配線
70 レジスト膜
71、72 エッチング窓
80 空隙層
81 孔部
82、83 開口部
84 孔部
85 空隙層
90、91 エッチング調整層

Claims (15)

  1. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の裏面に接合する支持体と、前記圧電薄膜の前記裏面に形成された第1の電極と、前記圧電薄膜と前記支持体との間で前記第1の電極の前記支持体側に形成された空隙層とを備える圧電デバイスであって、
    前記圧電薄膜に直接又は前記第1の電極を介して導通するよう前記支持体の前記圧電薄膜側に形成された、エッチングの進行程度を調整する導電性のエッチング調整層を備え、
    前記圧電薄膜には、前記圧電薄膜を貫通して前記空隙層に連通する孔部と、前記エッチング調整層を前記圧電薄膜の表面側に露出させる開口部と、が形成された、圧電デバイス。
  2. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の裏面に接合する支持体と、前記圧電薄膜の前記裏面に形成された第1の電極と、前記圧電薄膜と前記支持体との間で前記第1の電極の前記支持体側に形成された空隙層とを備える圧電デバイスの製造方法であって、
    前記空隙層となる空間に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
    前記第1の電極を前記圧電薄膜の表面側に露出させる領域に、エッチングの進行程度を調整するエッチング調整層を形成する調整層形成工程と、
    前記圧電薄膜および前記エッチング調整層をエッチングし、前記犠牲層の一部を前記圧電薄膜の表面側に露出させる孔部と、前記第1の電極を前記圧電薄膜の表面側に露出させる開口部とを同時に形成する露出工程と、
    前記孔部を介して前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、
    を有する圧電デバイスの製造方法。
  3. 圧電単結晶基板にイオンを注入することで、イオン注入層を形成するイオン注入工程と、
    前記イオン注入層が形成された前記圧電単結晶基板と前記支持体とを接合する接合工程と、
    前記圧電単結晶基板から単結晶の前記圧電薄膜を剥離し、単結晶の前記圧電薄膜を前記第1の電極の表面に形成する剥離形成工程と、を有する、請求項2に記載の圧電デバイスの製造方法。
  4. 前記圧電薄膜の材質は、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである、請求項1または請求項3に記載の圧電デバイスの製造方法。
  5. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を前記圧電薄膜の前記裏面側に形成する、請求項2〜請求項4のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
  6. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を前記第1の電極の前記支持体側に形成する、請求項5に記載の圧電デバイスの製造方法。
  7. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を、前記圧電薄膜と前記第1の電極との間に形成する、請求項5に記載の圧電デバイスの製造方法。
  8. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を導電性材料で形成する、請求項5〜請求項7のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
  9. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を、前記第1の電極よりエッチングレートの低い材料で形成する、請求項5〜請求項8のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
  10. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を、金属材料で形成する、請求項7又は請求項9に記載の圧電デバイスの製造方法。
  11. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を、Al、Cu、Ni、Cr、Ptのいずれかを含む金属材料で形成する、請求項10に記載の圧電デバイスの製造方法。
  12. 前記調整層形成工程は、前記エッチング調整層を前記圧電薄膜の表面上に形成する、請求項2〜請求項4のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
  13. 前記圧電薄膜の前記裏面に形成される前記第1の電極の膜厚をA、
    前記圧電薄膜の表面に形成される第2の電極の膜厚をB、
    前記エッチング調整層の膜厚をC、
    前記第1の電極のエッチングレートをα、
    前記第2の電極のエッチングレートをβ、
    前記エッチング調整層のエッチングレートをγ、としたとき、
    前記調整層形成工程は、
    A/α +B/β = C/γ
    の式を満たす膜厚と材質で前記エッチング調整層を形成する、請求項12に記載の圧電デバイスの製造方法。
  14. 前記調整層形成工程は、膜厚と材質が前記第1の電極および前記第2の電極と等しい前記エッチング調整層を形成する、請求項13に記載の圧電デバイスの製造方法。
  15. 前記犠牲層除去工程までを、複数の圧電デバイスが同時形成可能なマルチ状態で行い、
    前記犠牲層が除去された複数の圧電デバイスを個別の圧電デバイスに分割する分割工程を有する、請求項2〜請求項14のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
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