JPWO2019102952A1 - 圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体１０と、圧電体１０の上表面上に配置された上部電極２２であって、圧電体１０の上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極２２と、圧電体１０の下表面上に配置された下部電極２１であって、圧電体１０の下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極２１と、圧電体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備え、支持基板４０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている、圧電デバイス。
Description
本発明は、圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法に関する。
クロック用発振子や圧電ブザー等に用いられる、ユニモルフ構造やバイモルフ構造を有する振動子が開発されてきている。ユニモルフ構造は、圧電体と、非圧電体あるいは電圧印加されない圧電体と、の積層構造である。圧電体の上部には上部電極が、圧電体の下部には下部電極が配置される。上部電極及び下部電極を用いて圧電体に電圧を印加すると、圧電体は面内方向に伸縮しようとする。しかし、非圧電体あるいは電圧印加されない圧電体は伸縮しないため、ユニモルフ構造は屈曲振動する。バイモルフ構造は、二層の圧電体の積層構造である。二層の圧電体の間には、シムと呼ばれる金属板等の弾性板が挟まれることがある。二層の圧電体に電圧を印加すると、一方の圧電体は面内方向に伸び、他方の圧電体は面内方向に縮もうとするため、二層の圧電体は全体として屈曲する。圧電体は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる（例えば、特許文献１、２参照。）。圧電体は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法等を用いて、下部電極上に形成される。その後、上部電極が、圧電体上に形成される。
より信頼性の高い圧電デバイスが求められている。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供することを目的の一つとする。
本発明の一側面に係る圧電デバイスは、少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体と、圧電体の上表面上に配置された上部電極であって、圧電体の上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極と、圧電体の下表面上に配置された下部電極であって、圧電体の下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極と、圧電体の下方に配置された支持基板と、を備え、支持基板の下表面から圧電体の下表面上に向かう凹部が設けられている。
また、本発明の一側面に係る圧電体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法は、圧電体の下表面上から導電物質を成膜し、成膜された導電物質からなる下部電極を形成することと、圧電体の上表面上から導電物質を成膜し、成膜された導電物質からなる上部電極を形成することと、圧電体の下方に支持基板を配置することと、支持基板の下表面から圧電体の下表面上に向かう凹部を設けることと、を含む。
本発明によれば、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供可能である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
［第１実施形態］
第１実施形態に係る圧電デバイスは、上方斜視図である図１、図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た模式的な断面図である図２、及び下方斜視図である図３に示すように、少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体１０と、圧電体１０の上表面上に配置された上部電極２２であって、圧電体１０の上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極２２と、圧電体１０の下表面上に配置された下部電極２１であって、圧電体１０の下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極２１と、圧電体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備える。圧電デバイスには、支持基板４０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている。
第１実施形態に係る圧電デバイスは、上方斜視図である図１、図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た模式的な断面図である図２、及び下方斜視図である図３に示すように、少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体１０と、圧電体１０の上表面上に配置された上部電極２２であって、圧電体１０の上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極２２と、圧電体１０の下表面上に配置された下部電極２１であって、圧電体１０の下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極２１と、圧電体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備える。圧電デバイスには、支持基板４０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている。
第１実施形態に係る圧電デバイスは、圧電体１０の下表面及び下部電極２１の下表面上に配置された非晶質層３０をさらに備えていてもよい。支持基板４０は、非晶質層３０の下表面上に配置されていてもよい。
圧電体１０は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬＴ）及びニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の単結晶からなる。圧電体１０は、下方に下部電極２１がある部分と、下方に下部電極２１がない部分と、にわたって、膜質が均一であり、膜内において、分極（配向）状態が同じである。圧電体１０の上表面及び下表面は、取り出し電極やデバイス形成などのために加工された部分を除いて平坦かつ平滑であり、段やテーパー構造がない。ただし、２μｍ以下のＴＴＶ（Ｔｏｔａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）は許容される。
下部電極２１及び上部電極２２は、例えば、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる。下部電極２１及び上部電極２２は、圧電体１０に電圧を印加可能である。下部電極２１及び上部電極２２は、少なくとも１種類の３軸配向組織を有する。ミスフィット転位により、下部電極２１の圧電体１０に近い側は結晶格子に歪みがあり、下部電極２１は、圧電体１０から離れるほど、結晶格子の歪みが緩和される。また、ミスフィット転位により、上部電極２２の圧電体１０に近い側は結晶格子に歪みがあり、上部電極２２は、圧電体１０から離れるほど、結晶格子の歪が緩和される。したがって、下部電極２１及び上部電極２２の結晶性は、圧電体１０を挟んで、対称的に変化していく。
第１実施形態に係る圧電デバイスは、圧電体１０と下部電極２１の間に、圧電体１０と下部電極２１を密着させる下部密着層を備えていてもよい。下部密着層は、例えば、チタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる。下部密着層の少なくとも一部は、酸化していてもよい。また、第１実施形態に係る圧電デバイスは、圧電体１０と上部電極２２の間に、圧電体１０と上部電極２２を密着させる上部密着層を備えていてもよい。上部密着層は、例えば、チタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる。上部密着層の少なくとも一部は、酸化していてもよい。
非晶質層３０は、例えば、酸化ケイ素等の絶縁材からなる。非晶質層３０は断熱材であってもよい。下部電極２１は、非晶質層３０に埋め込まれるように配置されている。
支持基板４０は、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板である。非晶質層３０の下表面と、ＳＯＩ基板の活性層４３の上表面と、は、接合している。
凹部１４１の底面１４２から埋め込み酸化膜４２が露出していてもよいし、活性層４３が露出していてもよいし、非晶質層３０が露出していてもよいし、圧電体１０及び下部電極２１が露出していてもよい。
第１実施形態において、上方から見て、少なくとも上部電極２２、圧電体１０、及び下部電極２１が重なる部分は、屈曲振動膜として機能する。下部電極２１及び上部電極２２から圧電体１０に電圧が印加されると、圧電体１０は面内方向に伸縮しようとするが、少なくとも上部電極２２及び下部電極２１は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。
圧電デバイスに設けられた凹部１４１の底面の位置により、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部をさらに含み得る。また、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部及び活性層４３の少なくとも一部をさらに含み得る。あるいは、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部、活性層４３の少なくとも一部及び酸化膜４２の少なくとも一部をさらに含み得る。当該屈曲振動膜が屈曲振動する際に、屈曲振動膜内の応力中立面が、圧電体１０の外に存在することが好ましい。
凹部１４１の底面から非晶質層３０が露出している場合、非晶質層３０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０内にあり、圧電体１０内にないように設定されることが好ましい。
凹部１４１の底面から活性層４３が露出している場合、非晶質層３０と活性層４３の合計厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０又は活性層４３内にあり、圧電体１０内にないように設定されることが好ましい。
凹部１４１の底面から埋め込み酸化膜４２が露出している場合、非晶質層３０、活性層４３及び埋め込み酸化膜４２の合計厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０、活性層４３又は埋め込み酸化膜４２内にあり、圧電体１０内にないように設定されることが好ましい。
次に、第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
図４に示すように、例えばタンタル酸リチウム（ＬＴ）及びニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の単結晶からなる基板状の圧電体１５を用意し、圧電体１５の平滑かつ平坦な下表面上に白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる導電膜を、ヘテロエピタキシャル成長により成膜する。導電膜を所定の形状にパターニングして、圧電体１５の下表面上に、下部電極２１を形成する。なお、圧電体１５の下表面上にチタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる下部密着層を形成し、その後、下部密着層上に導電膜を成膜してもよい。
図５に示すように、圧電体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等からなる非晶質層３０を形成する。これにより、下部電極２１は、非晶質層３０内に配置される。その後、非晶質層３０の下表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）し、非晶質層３０の下表面を平滑にする。
図６に示すように、支持基板４０として、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるＳＯＩ基板を用意する。次に、図７に示すように、ＳＯＩ基板の活性層４３の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図８に示すように、基板状の圧電体１５を上表面側から研磨して薄化し、圧電体１０を膜にする。圧電体１０の厚さは、電圧を印加された際に、所望の伸縮が生じるように設定される。
図９に示すように、圧電体１０の上表面上に、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる導電膜を、ヘテロエピタキシャル成長により成膜する。導電膜を所定の形状にパターニングして、圧電体１０の平滑かつ平坦な上表面上に、上部電極２２を形成する。なお、圧電体１０の上表面上にチタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる上部密着層を形成し、その後、上部密着層上に導電膜を成膜してもよい。次に、任意により、ＳＯＩ基板の活性層４３、非晶質層３０及び圧電体１０の一部をエッチング法等により除去して、所望の形状にパターニングしてもよい。例えば、圧電体１０の一部を除去して露出した下部電極２１に接続する配線を設けてもよい。
ＳＯＩ基板のハンドル層４１の下表面の一部から、圧電体１０の下表面上に向かって、深掘り反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）等によって、図２に示す、凹部１４１を形成する。凹部１４１の底面１４２から埋め込み酸化膜４２の下表面が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよいし、活性層４３の下表面が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよいし、非晶質層３０が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよい。あるいは、圧電体１０及び下部電極２１が露出するまでＳＯＩ基板と非晶質層３０をエッチングしてもよい。屈曲振動膜が屈曲振動する際に、屈曲振動膜内の応力中立面が、圧電体１０の外に存在するよう、凹部１４１の深さを設定することが好ましい。例えば、以上の工程を含む製造方法により、第１実施形態に係る圧電デバイスが得られる。
従来、屈曲振動膜を備える圧電デバイスを製造する際には、図１０に示すように、支持基板２４０上に非晶質膜２３０を形成し、非晶質膜２３０上に下部電極２２１をエピタキシャル成長により形成した後に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体２１０を、例えば、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法等を用いて形成し、圧電体２１０上に上部電極２２２をエピタキシャル成長により形成し、その後、支持基板２４０に凹部３４１を設けている。したがって、下部電極２２１においては、圧電体２１０に近いほうが結晶格子の歪が緩和されており局所応力が小さく、また、上部電極２２２においては、圧電体２１０から離れるほうが結晶格子の歪が緩和されており、局所応力が小さい。
そのため、図１０に示す圧電デバイスにおいては、下部電極２２１及び上部電極２２２の結晶格子の歪みは、圧電体２１０を挟んで、非対称的に変化していく。よって、図１０に示す圧電デバイスにおいては、屈曲振動可能な部分において、応力分布が非対称になり、反りが発生しやすく、振動効率が悪く、また、クラックや界面剥離が生じやすい。また、図１０に示す圧電デバイスにおいては、下部電極２２１の上表面に密着層を形成すると、その後形成される圧電体２１０の結晶性が悪化する。
これに対し、図１から図３に示す第１実施形態に係る圧電デバイスにおいては、上述したように、下部電極２１及び上部電極２２の結晶格子の歪みは、圧電体１０を挟んで、対称的に変化していく。よって、第１実施形態に係る圧電デバイスにおいては、屈曲振動可能な部分において、応力分布が対称になり、反りが発生しにくく、振動効率が良好であり、また、クラックや界面剥離が生じにくい。さらに、第１実施形態に係る圧電デバイスにおいては、下部電極２１と圧電体１０の間に下部密着層があっても、圧電体１０の結晶性に影響しない。したがって、第１実施形態によれば、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供可能である。
［第２実施形態］
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。第２実施形態に係る圧電デバイスは、図１１に示すように、支持基板５０がシリコン基板である。第２実施形態に係る圧電デバイスには、支持基板５０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１５１が設けられている。凹部１５１の底面１５２からは、非晶質層３０が露出している。
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。第２実施形態に係る圧電デバイスは、図１１に示すように、支持基板５０がシリコン基板である。第２実施形態に係る圧電デバイスには、支持基板５０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１５１が設けられている。凹部１５１の底面１５２からは、非晶質層３０が露出している。
第２実施形態においても、下部電極２１及び上部電極２２から圧電体１０に電圧が印加されると、圧電体１０は面内方向に伸縮しようとするが、上部電極２２、下部電極２１、及び非晶質層３０は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。非晶質層３０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０内にあり、圧電体１０内にないように設定されることが好ましい。
次に、第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
第１実施形態と同様に、図１２に示すように、基板状の圧電体１５の下表面上に、ヘテロエピタキシャル成長により下部電極２１を形成し、さらに、圧電体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、非晶質層３０を形成する。また、支持基板５０としてシリコン基板を用意する。次に、図１３に示すように、シリコン基板の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図１４に示すように、基板状の圧電体１５を上表面側から研磨して薄化し、膜状にする。
図１５に示すように、圧電体１０の上表面上に、ヘテロエピタキシャル成長により上部電極２２を形成する。次に、シリコン基板の下表面の一部から、圧電体１０の下方に向かって、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ等によって、図１１に示す非晶質層３０の下表面を底面１５２とする凹部１５１を形成する。例えば、以上の工程を含む製造方法により、第２実施形態に係る圧電デバイスが得られる。なお、非晶質層３０を形成する時に、非晶質層３０の厚さを、その後形成される屈曲振動膜が屈曲振動可能な厚さにしてもよいし、凹部１５１を形成する時に、非晶質層３０の厚さを、屈曲振動膜が屈曲振動可能な厚さにしてもよい。
［第３実施形態］
第３実施形態に係る圧電デバイスは、図１６に示すように、圧電体１０の上表面及び上部電極２２を覆う支持膜７０をさらに備える。支持膜７０の材料としては、ポリシリコン、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウム等が使用可能である。第３実施形態においては、支持膜７０も、屈曲振動膜の一部をなす。このように、支持膜７０を圧電体１０の上表面を覆うように配置して、支持膜７０に、外気に対する保護膜としての機能も持たせることが可能である。
第３実施形態に係る圧電デバイスは、図１６に示すように、圧電体１０の上表面及び上部電極２２を覆う支持膜７０をさらに備える。支持膜７０の材料としては、ポリシリコン、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウム等が使用可能である。第３実施形態においては、支持膜７０も、屈曲振動膜の一部をなす。このように、支持膜７０を圧電体１０の上表面を覆うように配置して、支持膜７０に、外気に対する保護膜としての機能も持たせることが可能である。
第３実施形態において、下部電極２１及び上部電極２２から圧電体１０に電圧が印加されると、圧電体１０は面内方向に伸縮しようとするが、支持膜７０、上部電極２２、下部電極２１、及び非晶質層３０は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。支持膜７０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が支持膜７０内にあり、圧電体１０内にないように設定されることが好ましい。
次に、第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
第１実施形態と同様に、図１７に示すように、基板状の圧電体１５の下表面上に下部電極２１を形成し、さらに、圧電体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、非晶質層３０を形成する。また、支持基板５０としてシリコン基板を用意する。次に、図１８に示すように、シリコン基板の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図１９に示すように、基板状の圧電体１５を上表面側から研磨して薄化し、膜状にする。
図２０に示すように、圧電体１０の上表面上に、上部電極２２を形成する。次に、図２１に示すように、圧電体１０の上表面及び上部電極２２を覆う支持膜７０を形成する。任意により、非晶質層３０、圧電体１０及び支持膜７０の一部をエッチング法等により除去して、所望の形状にパターニングしてもよい。次に、シリコン基板の下表面の一部から、圧電体１０の下方に向かって、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ等によって、図１６に示す非晶質層３０の下表面を底面１５２とする凹部１５１を形成する。なお、非晶質層３０の一部も除去して、凹部１５１の底面に下部電極２１及び圧電体１０の下表面を露出させてもよい。
第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法によれば、支持膜７０が、支持基板５０と非晶質層３０との接合、及び圧電体１０の研磨工程の後に形成されるため、圧電デバイスの製造が容易になる。また、圧電体１０の研磨状態に応じて、支持膜７０の厚みを調整することが可能である。
［第４実施形態］
第４実施形態に係る圧電デバイスは、図２２に示すように、第１実施形態に係る圧電デバイスと同様の構成を有するが、少なくとも、ハンドル層４１、活性層４３、及び圧電体１０のそれぞれが、厚み方向にばらつきを有する。ハンドル層４１の表面には凹凸が設けられており、ハンドル層４１の表面の平坦度（ＴＴＶ：Ｔｏｔａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）は、例えば、０ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは０ｎｍ以上１μｍ以下である。活性層４３の表面には、ハンドル層４１の表面の凹凸に沿った凹凸が設けられている。ただし、活性層４３の厚み方向のばらつきは、ハンドル層４１の厚み方向のばらつきより小さい。そのため、活性層４３の表面のＴＴＶの値は、ハンドル層４１の表面のＴＴＶの値より小さくなる。圧電体１０の表面には、ハンドル層４１及び活性層４３の表面の凹凸に沿った凹凸が設けられている。ただし、圧電体１０の厚み方向のばらつきは、活性層４３の厚み方向のばらつきより小さい。そのため、圧電体１０の表面のＴＴＶの値は、活性層４３の表面のＴＴＶの値より小さくなる。
第４実施形態に係る圧電デバイスは、図２２に示すように、第１実施形態に係る圧電デバイスと同様の構成を有するが、少なくとも、ハンドル層４１、活性層４３、及び圧電体１０のそれぞれが、厚み方向にばらつきを有する。ハンドル層４１の表面には凹凸が設けられており、ハンドル層４１の表面の平坦度（ＴＴＶ：Ｔｏｔａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）は、例えば、０ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは０ｎｍ以上１μｍ以下である。活性層４３の表面には、ハンドル層４１の表面の凹凸に沿った凹凸が設けられている。ただし、活性層４３の厚み方向のばらつきは、ハンドル層４１の厚み方向のばらつきより小さい。そのため、活性層４３の表面のＴＴＶの値は、ハンドル層４１の表面のＴＴＶの値より小さくなる。圧電体１０の表面には、ハンドル層４１及び活性層４３の表面の凹凸に沿った凹凸が設けられている。ただし、圧電体１０の厚み方向のばらつきは、活性層４３の厚み方向のばらつきより小さい。そのため、圧電体１０の表面のＴＴＶの値は、活性層４３の表面のＴＴＶの値より小さくなる。
次に、第４実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
図２３に示すように、シリコンからなるハンドル層４１を用意し、ＴＴＶが所定の値となるよう、ハンドル層４１の上表面と下表面を研磨又はエッチング処理して、ハンドル層４１の上表面と下表面に凹凸を形成する。例えば、ハンドル層４１の直径が４インチ、６インチ、又は８インチである場合、ＴＴＶが０ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは０ｎｍ以上１μｍ以下となるよう、ハンドル層４１の上表面と下表面を処理する。
図２３に示すように、シリコンからなるハンドル層４１を用意し、ＴＴＶが所定の値となるよう、ハンドル層４１の上表面と下表面を研磨又はエッチング処理して、ハンドル層４１の上表面と下表面に凹凸を形成する。例えば、ハンドル層４１の直径が４インチ、６インチ、又は８インチである場合、ＴＴＶが０ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは０ｎｍ以上１μｍ以下となるよう、ハンドル層４１の上表面と下表面を処理する。
ハンドル層４１を熱酸化し、図２４に示すように、ハンドル層４１の上表面上に酸化膜４２を形成する。ハンドル層４１表面の凹凸形状にしたがって、酸化膜４２の表面にも凹凸形状が形成される。その後、図２５に示すように、酸化膜４２が設けられたハンドル層４１と、シリコン基板１４３とを、フュージョンボンディング等により接合する。
グラインダー加工や化学的機械研磨（ＣＭＰ）加工によりシリコン基板１４３を薄膜化し、図２６に示すように、酸化膜４２上に活性層４３を形成する。これにより、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板である支持基板４０が形成される。シリコン基板１４３を薄膜化する際、ハンドル層４１の下表面を基準面とすることで、活性層４３の上表面にも凹凸形状が形成される。ただし、活性層４３におけるＴＴＶの値は、ハンドル層４１におけるＴＴＶの値より小さくなる。
第１実施形態と同様に、図２７に示すように、基板状の圧電体１５の下表面上に、ヘテロエピタキシャル成長により下部電極２１を形成し、さらに、圧電体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、非晶質層３０を形成する。
図２８に示すように、ＳＯＩ基板の活性層４３の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。接合する前に、活性層４３の上表面上に、非晶質層３０と同じ材料からなる層あるいは金属からなる層を形成してもよい。
図２９に示すように、基板状の圧電体１５を上表面側から研磨して薄化し、圧電体１０を膜にする。この際、ハンドル層４１の下表面を基準面とすることで、圧電体１０の上表面にも凹凸形状が形成される。ただし、圧電体１０におけるＴＴＶの値は、ハンドル層４１におけるＴＴＶの値より小さくなる。なお、圧電体１０の上表面を平坦化する処理をしてもよい。
第１実施形態と同様に、図３０に示すように、圧電体１０の上表面上に、上部電極２２を形成する。その後、ＳＯＩ基板のハンドル層４１の下表面の一部から、圧電体１０の下表面上に向かって、第１実施形態と同様に、深掘り反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）等によって、図２２に示す、凹部１４１を形成する。エッチングで形成される凹部１４１の底面１４２は平坦となる。
第４実施形態に係る圧電デバイスの製造方法によれば、ハンドル層４１のＴＴＶより活性層４３と圧電体１０のＴＴＶが小さい圧電デバイスを容易に製造可能である。活性層４３と圧電体１０のＴＴＶが小さいため、形成される屈曲振動膜のＴＴＶが小さくなり、圧電デバイスの特性が向上する。
［第５実施形態］
図３１に示す第５実施形態に係る圧電デバイスにおいては、第４実施形態と同様にハンドル層４１が厚み方向にばらつきを有するが、活性層４３の上表面が平坦となっており、圧電体１０の上表面及び下表面も平坦となっている。第５実施形態に係る圧電デバイスを製造する際には、第４実施形態と同様に酸化膜４２が設けられたハンドル層４１と、シリコン基板１４３とを、フュージョンボンディング等により接合した後、シリコン基板１４を薄膜化して活性層４３を形成する際に、活性層４３の上表面を平坦にすればよい。
図３１に示す第５実施形態に係る圧電デバイスにおいては、第４実施形態と同様にハンドル層４１が厚み方向にばらつきを有するが、活性層４３の上表面が平坦となっており、圧電体１０の上表面及び下表面も平坦となっている。第５実施形態に係る圧電デバイスを製造する際には、第４実施形態と同様に酸化膜４２が設けられたハンドル層４１と、シリコン基板１４３とを、フュージョンボンディング等により接合した後、シリコン基板１４を薄膜化して活性層４３を形成する際に、活性層４３の上表面を平坦にすればよい。
以上のとおり、本発明の各実施形態に係る圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法は、上述したいずれか１つ又は複数の組み合わせによる以下の例による構成及び作用効果を有する。
本実施形態に係る圧電デバイスは、少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体１０と、圧電体１０の上表面上に配置された上部電極２２であって、圧電体１０の上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極２２と、圧電体１０の下表面上に配置された下部電極２１であって、圧電体１０の下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極２１と、圧電体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備える。圧電デバイスには、支持基板４０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている。
ＭＥＭＳ構造を有する圧電デバイスにおいて、上部電極２２及び下部電極２１のそれぞれの厚さは、屈曲振動膜において無視できない厚さである。そのため、屈曲振動膜は、上部電極２２及び下部電極２１における応力分布の影響を受けやすい。しかし、本実施形態に係る圧電デバイスにおいては、下部電極２１及び上部電極２２の結晶格子の歪みの程度が、圧電体１０を挟んで、対称的に変化していく。よって、本実施形態に係る圧電デバイスにおいては、屈曲振動可能な部分において、応力分布が対称になり、反りが発生しにくく、振動効率が良好であり、また、クラックや界面剥離が生じにくい。
上記の圧電デバイスにおいて、圧電体１０を複層備え、複層が上層と下層を備え、上部電極２２が上層の圧電体の上表面上に配置されており、下部電極２１が下層の圧電体の下表面上に配置されていてもよい。
これによれば、バイモルフ構造により、屈曲振動において大きな変位を得ることが可能である。
上記の圧電デバイスにおいて、上部電極２２及び下部電極２１が、少なくとも１種類以上の３軸配向組織を有していてもよい。上記の圧電デバイスにおいて、上部電極２２及び下部電極２１が、１種類の３軸配向組織を有していてもよい。
これによれば、圧電デバイスの性能が向上する。上部電極２２及び下部電極２１が、１種類の３軸配向組織を有する場合、耐電力が向上する。
上記の圧電デバイスにおいて、圧電体１０が単結晶からなっていてもよい。圧電体１０がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムからなっていてもよい。
これによれば、圧電体１０が単結晶であるため、分極状態が一様であり、圧電体１０に粒界がないため、圧電体１０に応力分布が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
また、本実施形態に係る圧電体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法は、圧電体１５の下表面上から導電物質を成膜し、成膜された導電物質からなる下部電極２１を形成することと、圧電体１０の上表面上から導電物質を成膜し、成膜された導電物質からなる上部電極２２を形成することと、圧電体１０の下方に支持基板４０を配置することと、支持基板４０の下表面から圧電体１０の下表面上に向かう凹部１４１を設けることと、を含む。
本実施形態に係る製造方法で製造される圧電デバイスにおいては、下部電極２１及び上部電極２２の結晶性が、圧電体１０を挟んで、対称的に変化していく。よって、本実施形態に係る製造方法で製造される圧電デバイスにおいては、屈曲振動可能な部分において、応力分布が対称になり、反りが発生しにくく、振動効率が良好であり、また、クラックや界面剥離が生じにくい。
上記の圧電デバイスの製造方法において、圧電体１０が複層であり、複層が上層と下層を備え、下部電極２１を下層の圧電体の下表面上に形成し、上部電極２２を上層の圧電体の上表面上に形成してもよい。
これによれば、バイモルフ構造を有する圧電デバイスが製造されるため、製造される圧電デバイスの屈曲振動において大きな変位を得ることが可能である。
上記の圧電デバイスの製造方法において、上部電極２２及び下部電極２１が、導電物質をエピタキシャル成長させることにより形成されてもよい。
これによれば、上部電極２２及び下部電極２１の結晶格子の歪みが対称的でありながらも良好になり、圧電デバイスの性能が向上する。
上記の圧電デバイスの製造方法において、下部電極２１が、金属からなる下部密着層を介して圧電体１５の下表面上に形成されてもよい。
これによれば、製造される圧電デバイスにおいて、圧電体１０と下部電極２１の密着性が向上し、圧電デバイスの信頼性が向上する。
上記の圧電デバイスの製造方法において、上部電極２２が、金属からなる上部密着層を介して圧電体１０の上表面上に形成されてもよい。
これによれば、製造される圧電デバイスにおいて、圧電体１０と上部電極２２の密着性が向上し、圧電デバイスの信頼性が向上する。
上記の圧電デバイスの製造方法において、圧電体１５が単結晶からなっていてもよい。また、圧電体１５がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムからなっていてもよい。
これによれば、製造される圧電デバイスにおいて、圧電体１０が単結晶であるため、上部電極２２及び下部電極２１を形成した後に圧電体１５の分極処理をする必要がなく、圧電体１０に粒界がないため、圧電体１０に応力が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１０、１５・・・圧電体、２１・・・下部電極、２２・・・上部電極、３０・・・非晶質層、４０・・・支持基板、４１・・・ハンドル層、４２・・・酸化膜、４３・・・活性層、５０・・・支持基板、７０・・・支持膜、１４１・・・凹部、１４２・・・底面、１５１・・・凹部、１５２・・・底面、２１０・・・圧電体、２２１・・・下部電極、２２２・・・上部電極、２３０・・・非晶質膜、２４０・・・支持基板、３４１・・・凹部
Claims (15)
- 少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電体と、
前記圧電体の上表面上に配置された上部電極であって、前記上表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される上部電極と、
前記圧電体の下表面上に配置された下部電極であって、前記下表面から離れるほど結晶格子の歪が緩和される下部電極と、
前記圧電体の下方に配置された支持基板と、
を備え、
前記支持基板の下表面から前記圧電体の下表面上に向かう凹部が設けられている、
圧電デバイス。 - 前記圧電体を複層備え、
前記複層が上層と下層を備え、
前記上部電極が前記上層の圧電体の上表面上に配置されており、
前記下部電極が前記下層の圧電体の下表面上に配置されている、
請求項１に記載の圧電デバイス。 - 前記上部電極及び前記下部電極が、少なくとも１種類以上の３軸配向組織を有する、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
- 前記上部電極及び前記下部電極が、１種類の３軸配向組織を有する、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体と前記下部電極の間に、金属からなる下部密着層をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体と前記上部電極の間に、金属からなる上部密着層をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体が単結晶からなる、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムからなる、請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
- 圧電体の下表面上から導電物質を成膜し、前記成膜された導電物質からなる下部電極を形成することと、
前記圧電体の上表面上から導電物質を成膜し、前記成膜された導電物質からなる上部電極を形成することと、
前記圧電体の下方に支持基板を配置することと、
前記支持基板の下表面から前記圧電体の下表面上に向かう凹部を設けることと、
を含む、前記圧電体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法。 - 前記圧電体が複層であり、
前記複層が上層と下層を備え、
前記下部電極を前記下層の圧電体の下表面上に形成し、
前記上部電極を前記上層の圧電体の上表面上に形成する、
請求項９に記載の圧電デバイスの製造方法。 - 前記上部電極及び前記下部電極が、前記導電物質をエピタキシャル成長させることにより形成される、請求項９又は１０に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記下部電極が、金属からなる下部密着層を介して前記圧電体の下表面上に形成される、請求項９から１１のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記上部電極が、金属からなる上部密着層を介して前記圧電体の上表面上に形成される、請求項９から１２のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記圧電体が単結晶からなる、請求項９から１３のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記圧電体がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムからなる、請求項９から１４のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
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