TW202339313A - 壓電膜整合裝置、其製造方法及聲振動感測器 - Google Patents

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Abstract

議題：藉由在同一基板上設置兩種以上的單晶壓電膜來提升壓電膜整合裝置的性能。解決方式：壓電膜整合裝置（100）具有基板（33）、設置在基板（33）上的電極（34）、具有第一單晶壓電膜（25或15）和與其重疊的第一電極膜（26或16）、設置在電極（34）上的第一壓電元件、以及具有第二單晶壓電膜（15或25）和與其重疊的第二電極膜（16或26）、設置在第一壓電元件上的第二壓電元件。

Description

壓電膜整合裝置、其製造方法及聲振動感測器
本揭示係關於壓電膜整合裝置、其製造方法及聲振動感測器者。
以往，揭示兩個壓電膜經由黏著層積層的壓電元件（例如參照專利文獻1）。 [先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利公開第2017-130701號公報
[發明所欲解決的問題]
然而，在以往的裝置中，在重疊配置複數個壓電膜的情況下，無法得到高性能的壓電膜整合裝置。
本揭示的目的在於提供重疊設置具有單晶壓電膜之兩種以上的壓電元件的高性能壓電膜整合裝置及其製造方法、以及具有壓電膜整合裝置的聲振動感測器。 [用以解決問題的手段]
本揭示的壓電膜整合裝置的特徵在於具有基板、設置在前述基板上的電極、具有第一單晶壓電膜和在前述第一單晶壓電膜上重疊的第一電極膜、設置在前述電極上的第一壓電元件、以及具有第二單晶壓電膜和在前述第二單晶壓電膜上重疊的第二電極膜、設置在前述第一壓電元件上的第二壓電元件。 [發明功效]
根據本揭示，藉由重疊設置具有單晶壓電膜之兩種以上的壓電元件，可以提升壓電膜整合裝置及聲振動感測器的性能。
以下參照圖式說明實施形態相關的壓電膜整合裝置、其製造方法及聲振動感測器。以下的實施形態僅是範例，並且在本揭示的範圍內可以進行各種修改。在本案中，壓電膜整合裝置是在同一基板上設置兩個以上的單晶壓電膜的裝置。另外，在本案中，聲振動感測器是輸出聲振動波並藉由檢測聲振動波的反射波來檢測檢測對象的狀態（例如距離、形狀、運動等）的感測器。聲振動感測器也稱為「超聲波感測器」。另外，一般而言，在本案中，聲振動波由聲波和超聲波中的至少一種構成。亦即，聲振動波由聲波、超聲波、或聲波和超聲波的兩者構成。
《1》實施形態1 《1-1》壓電膜整合裝置100的結構 圖1是示意性地繪示實施形態1相關的壓電膜整合裝置100的結構的側視圖。圖2是示意性地繪示壓電膜整合裝置100的結構的上視圖。圖3是圖2的壓電膜整合裝置100以S3-S3線截取的剖面圖。圖4是示意性地繪示壓電膜整合裝置100的結構的下視圖。
壓電膜整合裝置100具有作為基板的SOI基板33、設置在SOI基板33上的作為電極的鉑（Pt）膜34。如圖2所示，Pt膜34經由在SOI基板33形成的配線層連接到連接器40。SOI是絕緣體上覆矽（Silicon On Insulator）。另外，也可以在SOI基板33內形成用於驅動壓電膜整合裝置100以產生聲振動波的驅動電路以及使用聲振動波的檢測訊號進行處理的處理電路等。
壓電膜整合裝置100具有設置在Pt膜34上的作為下側壓電元件的第一壓電元件（25、26）以及設置在第一壓電元件上的作為上側壓電元件的第二壓電元件（15、16）。Pt膜26作為第一壓電元件（25、26）和第二壓電元件（15、16）的公共電極。然而，第二壓電元件（15、16）也可以具備不同於Pt膜26的其他電極膜。第一壓電元件具有作為第一單晶壓電膜的單晶AlN膜25和在其上重疊的作為第一電極膜的Pt膜26。第二壓電元件具有作為第二單晶壓電膜的單晶PZT膜15和在其上重疊的作為第二電極膜的Pt膜16。AlN是氮化鋁。PZT是鋯鈦酸鉛。作為第一單晶壓電膜，也可以使用例如單晶鉭酸鋰（單晶LiTaO 3）膜或單晶鈮酸鋰（單晶LiNbO 3）膜等其他單晶材料的壓電膜代替單晶AlN膜25。作為第二單晶壓電膜，也可以使用由例如單晶鈮酸鉀鈉（單晶KNN）膜或單晶鈦酸鋇（單晶BaTiO 3）膜等其他單晶材料構成的壓電膜代替單晶PZT膜15。在圖示的範例中，第一單晶壓電膜是檢測聲振動波（或其反射波）的壓電體，較佳是比第二單晶壓電膜低的介電常數、高的檢測靈敏度的壓電體。第二單晶壓電膜是產生聲振動波的壓電體，較佳是比第一單晶壓電膜大的壓電常數、獲得大振動振幅的壓電體。
又，作為下側壓電元件的第一壓電元件也可以具有作為第一單晶壓電膜的單晶PZT膜和Pt膜，作為上側壓電元件的第二壓電元件也可以具有單晶AlN膜和在其上重疊的Pt膜。
另外，壓電膜整合裝置100具有絕緣膜35a和形成於其上的配線膜36a、絕緣膜35b和形成於其上的配線膜36b。
SOI基板33具有Si基板30、作為絕緣膜的氧化矽（SiO 2）部31和單晶矽（單晶Si）部32。藉由在單晶矽（單晶Si）部32的單晶PZT膜15和單晶AlN膜25的下部區域（亦即與壓電膜重疊的區域）蝕刻Si基板30來形成孔71（空腔），在形成孔71的區域的位置的SiO 2部31和單晶矽（單晶Si）部32具有作為振動板的功能。另外，藉由形成與Si基板30不同的材料的氧化矽（SiO 2）部31具有作為蝕刻停止層的功能，可以防止由於蝕刻的影響而引起的振動板的厚度變異。另外，作為基板，也可以使用由例如玻璃基板或有機膜基板等其他材料構成的基板代替SOI基板33。在SOI基板33的Si基板30形成露出SiO 2部31的孔71。孔71形成為對應單晶PZT膜15或單晶AlN膜25的形狀的圓形開口形狀。在單晶PZT膜15中產生的聲振動波從孔71輸出，並且單晶AlN膜25經由孔71檢測聲振動波的反射波。
第一壓電元件的單晶AlN膜25是具有與Pt膜34的表面平行的晶面的(0001)面且貼附於Pt膜34的表面的磊晶成長膜。第二壓電元件的單晶PZT膜15是具有與Pt膜26的表面平行的晶面的(001)面且貼附於第一壓電元件的Pt膜26的表面的磊晶成長膜。單晶PZT膜15的厚度通常在10 nm～10 μm的範圍內，較佳在100 nm～5 μm的範圍內。另外，單晶AlN膜25的厚度通常在10 nm～10 μm的範圍內，較佳在100 nm～2 μm的範圍內。Pt膜34形成於SOI基板33的上表面。Pt膜34的表面（上表面）和作為單晶AlN膜25的晶面的(0001)面藉由分子間力接合。第一壓電元件的Pt膜26的表面和作為單晶PZT膜15的晶面的(001)面藉由分子間力接合。這些接合不需要使用接著劑。為了使其藉由分子間力良好地接合，Pt膜34和Pt膜26的表面粗糙度較佳為10 nm以下。為此，也可以進行使Pt膜34和Pt膜26的表面平滑化的處理。
另外，單晶PZT膜15的結晶c軸方向與單晶AlN膜25的結晶c軸方向為平行關係。有關於此，後文使用圖23進行描述。
《1-2》單晶PZT膜的結構 圖5是示意性地繪示包含單晶PZT膜15的磊晶成長膜的結構的剖面圖。圖6是繪示圖5的單晶PZT膜15的晶體結構的圖。圖7是示意性地繪示圖5的磊晶成長膜的晶體結構的圖。又，在圖7中，垂直方向的尺寸比水平方向的尺寸縮減得多。
圖5的磊晶成長膜形成在作為單晶Si基板的成長基板11上。圖5的磊晶成長膜具有依序積層的單晶的氧化鋯（ZrO 2）膜12、單晶的Pt膜13、單晶的SRO膜14、單晶PZT膜15和單晶的Pt膜16的結構。成長基板11是其上表面為(100)面的基板的一例。ZrO 2膜12是具有立方晶的晶體結構且上表面為(100)面的配向膜的一例。Pt膜13是具有立方晶的晶體結構且上表面為(100)面的導電膜的一例。SRO膜14是SrRuO 3膜（釕酸鍶膜），為配向膜的一例。單晶PZT膜15是振動輸出用的單晶壓電膜的一例。當單晶PZT膜15包含具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物時，單晶PZT膜15可以在正方晶表示中以(001)配向在成長基板11上磊晶成長。另外，在單晶PZT膜15上磊晶成長具有立方晶的晶體結構且(100)配向的Pt膜16。
「ZrO 2膜12為(100)配向」是指具有立方晶的晶體結構的ZrO 2膜12的(100)面沿著成長基板11的(100)面形成，亦即，平行於成長基板11的(100)面。另外，「平行」包含成長基板11的上表面與ZrO 2膜12的(100)面形成20°以下的角度的情況。此外，「配向」的含義在其他膜之間也相同。
成長基板11的單晶Si晶格常數、ZrO 2膜12的ZrO 2的晶格常數、Pt膜13的Pt的晶格常數、SRO膜14的SRO的晶格常數、以及單晶PZT膜15的單晶PZT的晶格常數如表1所示。
[表1]
表1
材料 晶格常數 [nm]
單晶PZT 0.411
SRO 0.390 – 0.393
Pt 0.392 (0.544)
ZrO 2 0.511
Si 0.543
Si的晶格常數為0.543 nm，ZrO 2的晶格常數為0.511 nm，由於ZrO 2的晶格常數對於Si的晶格常數的失配小至6.1%，ZrO 2的晶格常數對於Si的晶格常數的匹配性良好。由此，如圖7的示意圖所示，作為配向膜的ZrO 2膜12可以在成長基板11的由(100)面構成的主表面上磊晶成長。因此，ZrO 2膜12能夠在成長基板11的(100)面上在立方晶的晶體結構中以(100)配向，能夠提升ZrO 2膜12的結晶性。
當ZrO 2膜12具有立方晶的晶體結構且為(100)配向的氧化鋯膜時，ZrO 2膜12配向為使得沿著作為成長基板11的主表面的上表面的＜100＞方向平行於沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向。
又，ZrO 2膜12沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向平行於沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向，不僅包含ZrO 2膜12的＜100＞方向與沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向完全平行的情況，還包含ZrO 2膜12的＜100＞方向與沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向形成20°以下的角度的情況。另外，不僅ZrO 2膜12，同樣也適用於其他層的膜的面內的配向。
另一方面，如表1所示，ZrO 2的晶格常數為0.511 nm，Pt的晶格常數為0.392 nm，當Pt在平面內旋轉45°時，對角線的長度為0.554 nm，對於ZrO 2的晶格常數的此對角線的長度的失配小至8.1%。由此，Pt膜13可以在ZrO 2膜12的(100)面上磊晶成長。
另外，如表1所示，Pt的晶格常數為0.392 nm，SRO的晶格常數為0.390～0.393 nm，SRO的晶格常數對於Pt的晶格常數的失配小至0.5%以下。由此，SRO的晶格常數對於Pt的晶格常數的匹配性良好，如圖7所示，SRO膜14可以在Pt膜13的(100)面上磊晶成長。因此，SRO膜14可以在Pt膜13的(100)面上在擬立方晶表示中以(100)配向，可以提升SRO膜14的結晶性。
當單晶PZT膜15具有正方晶的晶體結構且包含(001)配向的PZT膜時，鋯鈦酸鉛膜配向為使沿著鋯鈦酸鉛膜的成長基板11的上表面的＜100＞方向平行於沿著成長基板11的上表面的＜100＞方向。
在(001)配向的單晶PZT膜15上進行(100)配向的磊晶成長Pt膜16以形成膜作為電極。因為單晶PZT膜15上的電極膜是最上層，所以也可以藉由其他製造方法形成。
《1-3》單晶AlN膜的結構 圖8是示意性地繪示包含作為單晶壓電膜的單晶AlN膜25的磊晶成長膜的結構的剖面圖。圖9（A）是示意性地繪示單晶的SRO膜、單晶的Pt膜和單晶的ZrO 2膜的晶體的(111)面的圖，圖9（B）是繪示單晶SRO的晶體的晶格常數的圖。圖10（A）是示意性地繪示單晶AlN膜25的晶體結構的圖，圖10（B）是繪示單晶AlN膜25的晶體的晶格常數的圖。
圖8的磊晶成長膜形成在例如作為單晶Si基板的成長基板21上。磊晶成長膜具有依序積層ZrO 2膜22、Pt膜23、SRO膜24、單晶AlN膜25和Pt膜26的結構。成長基板21是其上表面為(111)面的基板的一例。ZrO 2膜22是具有立方晶的晶體結構且上表面為(111)面的配向膜的一例。Pt膜23是具有立方晶的晶體結構且上表面為(111)面的導電膜的一例。SRO膜24是SrRuO 3膜。單晶AlN膜25是振動檢測用（亦即，輸入用）的單晶壓電膜的一例。Pt膜26是上部電極的一例。圖9（A）繪示從上俯視SRO立方晶的(111)面的形狀。另外，圖10（A）繪示從上俯視作為AlN六方晶的晶面的(0001)面的形狀。
當單晶AlN膜25由氮化鋁的六方晶構成時，單晶AlN膜25可以在六方晶表示中以(0001)配向在成長基板21上磊晶成長。此外，可以在單晶AlN膜25上磊晶成長具有立方晶的晶體結構且(100)配向的Pt膜26。
「ZrO 2膜22為(111)配向」是指具有立方晶的晶體結構的ZrO 2膜22的(111)面沿著成長基板21的(111)面，亦即，平行於成長基板21的(111)面。另外，「平行」包含成長基板21的主表面與ZrO 2膜22的(111)面形成20°以下的角度的情況。另外，在其他層之間的配向也相同。
Si的晶格常數、ZrO 2的晶格常數、Pt的晶格常數、SRO的晶格常數以及單晶AlN的晶格常數如表2所示。
[表2]
表2
材料 晶格常數 [nm]
單晶AlN 0.311
SRO 0.390 – 0.393
Pt 0.392 (0.544)
ZrO 2 0.511
Si 0.543
Si的晶格常數為0.543 nm，ZrO 2的晶格常數為0.511 nm，由於ZrO 2的晶格常數對於Si的晶格常數的失配小至6.1%，ZrO 2的晶格常數對於Si的晶格常數的匹配性良好。由此，ZrO 2膜22可以在成長基板21的由(111)面構成的主表面上磊晶成長。因此，ZrO 2膜22能夠在成長基板21的(111)面上在立方晶的晶體結構中以(111)配向，能夠提升ZrO 2膜22的結晶性。圖9（A）繪示立方晶體的(111)面。
當作為配向膜的ZrO 2膜22具有立方晶的晶體結構且為(111)配向的氧化鋯膜時，ZrO 2膜22配向為使得沿著作為成長基板21的主表面的上表面的＜111＞方向平行於沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向。
又，ZrO 2膜22沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向平行於沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向，不僅包含ZrO 2膜22的＜111＞方向與沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向完全平行的情況，還包含ZrO 2膜22的＜111＞方向與沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向形成20°以下的角度的情況。另外，同樣也適用於其他層的膜之間的配向。
另一方面，ZrO 2的晶格常數為0.511 nm，Pt的晶格常數為0.392 nm，當Pt在平面內旋轉45°時，對角線的長度為0.554 nm，對於ZrO 2的晶格常數的此對角線的長度的失配小至8.1%，因此Pt膜23可以在ZrO 2膜22的(111)面上磊晶成長。
另外，Pt的晶格常數為0.392 nm，SRO的晶格常數為0.390～0.393 nm，SRO的晶格常數對於Pt的晶格常數的匹配性良好。由此，如圖9（A）及（B）所示，SRO膜24可以在Pt膜23的(111)面上磊晶成長。因此，SRO膜24可以在Pt膜23的(111)面上在擬立方晶表示中以(111)配向，可以提升SRO膜24的結晶性。SRO膜的(111)面的對角線的長度為0.552～0.556 nm，如圖10（B）所示，對於AlN六方晶的寬0.539 nm的失配小至2.8%，可以在SRO膜24的(111)面上以(0001)配向磊晶成長單晶AlN膜25。
當單晶AlN膜25具有六方晶的晶體結構且包含(0001)配向的氮化鋁膜時，配向為使單晶AlN膜25的沿著成長基板21的上表面的＜111＞方向平行於成長基板21的上表面的＜111＞方向。圖10（A）及（B）繪示六方晶的(0001)面。在(0001)配向的單晶AlN膜25上，進行(111)配向的磊晶成長Pt膜26以形成膜作為電極。因為單晶AlN膜25上的電極膜是最上層，所以也可以用其他製法形成。
《1-4》製造方法 使用在單晶Si的上表面為(100)面的成長基板11上形成膜的壓電元件的PZT磊晶成長膜（包含單晶PZT膜15和Pt膜16）、在單晶Si的上表面為(111)面的成長基板21上形成膜的壓電元件的AlN磊晶成長膜（包含單晶AlN膜25和Pt膜26）來說明製造壓電膜整合裝置100的方法。
圖11是繪示壓電膜整合裝置100的製造方法的流程圖。圖12（A）和（B）繪示圖11的步驟ST102。圖13（A）和（B）繪示圖11的步驟ST103，圖14（A）和（B）繪示圖11的步驟ST104，圖15和圖16繪示圖11的步驟ST109。圖17（A）和（B）繪示圖11的步驟ST105，圖18（A）和（B）繪示圖11的步驟ST106，圖19和圖20繪示圖11的步驟ST107。圖21繪示圖11的步驟ST108，圖22繪示圖11的步驟ST110。
首先，在作為裝置基板的SOI基板33形成配線層（步驟ST101）。接下來，如圖12（A）和（B）所示，在SOI基板33的主表面形成作為電極的Pt膜34。
另外，如圖13（A）和（B）所示，在作為第一成長基板的成長基板11上磊晶成長SRO膜14、單晶PZT膜15和Pt膜16（步驟ST103），如圖14（A）和（B）所示，藉由蝕刻使單晶PZT膜15和Pt膜16的形狀為圓形（步驟ST104）。
另外，如圖17（A）和（B）所示，在作為第二成長基板的成長基板21上磊晶成長SRO膜24、單晶AlN膜25和Pt膜26（步驟ST105），如圖18（A）和（B）所示，藉由蝕刻使單晶AlN膜25和Pt膜26的形狀為圓形（步驟ST106）。
接下來，如圖19所示，用作為保持部件的印模80保持由單晶AlN膜25和Pt膜26構成的單片（亦即，作為AlN磊晶成長膜的壓電元件），如圖20所示，蝕刻作為犧牲層的SRO膜24，剝離單片，移動至SOI基板33上（步驟ST107），如圖21所示，在作為Pt膜34上貼附由單晶AlN膜25和Pt膜26構成的單片（亦即，作為磊晶成長膜的壓電元件）。
接下來，如圖15所示，用作為保持部件的印模80保持由單晶PZT膜15和Pt膜16構成的單片（在實施形態1中為第二壓電元件），如圖16所示，蝕刻作為犧牲層的SRO膜14，剝離單片，如圖22所示，移動至作為裝置基板的SOI基板33上（步驟ST109）。
接下來，如圖22所示，將由單晶PZT膜15和Pt膜16構成的單片（亦即，作為磊晶成長膜的壓電元件）貼附至Pt膜26上（步驟ST110）。接下來，在單晶PZT膜15和Pt膜16上形成絕緣膜35a和配線膜36a，並在單晶AlN膜25和Pt膜26上形成絕緣膜35b和配線膜36b（步驟ST111）。
圖23是繪示作為第一單晶壓電膜的單晶PZT膜15和作為第二單晶壓電膜的單晶AlN膜25的結晶c軸的圖。如圖23所示，貼附時，AlN的六方晶和PZT的立方晶的相位關係如圖所示配置為平行於c軸，藉此使單晶PZT膜15的壓電振動驅動和單晶AlN膜25的壓電振動接收的效率最大化。
如圖24所示，將SOI基板33蝕刻至SiO 2部31以減薄壓電元件的背面，產生振動板。藉由控制SOI基板33的各層厚度，能夠使振動板的厚度成為期望的厚度。
《1-5》聲振動感測器 圖24示意性地繪示使用實施形態1相關的半導體整合裝置的聲振動感測器400的結構。圖25繪示聲振動感測器的操作原理。單晶PZT膜15的上下電極連接到驅動接收電路41，並對單晶PZT膜15的電極施加具有在可聽範圍的頻率或高於可聽範圍的頻率的交流偏壓，藉此使單晶PZT膜15在厚度方向振動，SiO 2部31也同樣地振動。與此同時，放射聲振動波，由檢測對象90反射的反射波使貼附單晶AlN膜25的SOI基板33的振動板振動。由於振動而在單晶AlN膜25中激發的電荷由驅動接收電路41增幅，控制電路（控制部）42根據接收反射波的時間差Δt計算到檢測對象90的距離。控制電路42和驅動接收電路41由電路或訊息處理裝置構成。
《1-6》變形例 圖26是示意性地繪示實施形態1的變形例相關的壓電膜整合裝置100a的結構的側視圖。圖27是示意性地繪示壓電膜整合裝置100a的結構的上視圖。圖28是圖27的壓電膜整合裝置100a以S28-S28線截取的剖面圖。圖29是示意性地繪示壓電膜整合裝置100a的結構的下視圖。當將SOI基板33蝕刻至SiO 2部31時，孔72的形狀也可以是四角形等圓形以外的形狀。孔72的形狀較佳為對應壓電元件的平面形狀。
《1-7》功效 如以上說明，由於晶格常數和晶體結構不同的理由，難以在同一SOI基板33上磊晶成長的單晶PZT膜15和單晶AlN膜25，在個別的成長基板上單晶磊晶成長，從成長基板剝離，貼附至共同的SOI基板33上，藉此可以製造高性能的壓電膜整合裝置100。
另外，由於單晶PZT膜15的壓電常數高於多晶PZT膜，可以容易地增加振動的振幅。
另外，由於單晶AlN膜25的介電常數低於多晶AlN膜，能夠提高振動的接收靈敏度。
另外，以往，為了形成不同種類的壓電膜，在一個壓電膜上覆蓋保護層和在形成另一壓電膜後移除保護層等步驟很複雜，並且由於在各步驟的處理施加熱，殘留應力應變殘留在壓電膜中，導致作為感測器的效率下降。在實施形態1的製造方法中，由於使用作為壓電元件的磊晶成長膜的貼附，可以構成沒有殘留應力應變的壓電膜整合裝置和聲振動感測器。
《2》實施形態2 《2-1》結構 圖30是示意性地繪示壓電膜整合裝置200的結構的側視圖。圖31是示意性地繪示壓電膜整合裝置200的結構的上視圖。圖32是圖31的壓電膜整合裝置200以S32-S32線截取的剖面圖。
在實施形態1中，包含單晶AlN膜25和Pt膜26的AlN磊晶成長膜在成長基板21上成長，貼附至SOI基板33的Pt膜34上，包含單晶PZT膜15和Pt膜16的PZT磊晶成長膜在成長基板11上成長，PZT磊晶成長膜貼附在AlN磊晶成長膜上，AlN磊晶成長膜貼附在SOI基板33的Pt膜34上。或者，在實施形態1中，在SOI基板33的Pt膜34上貼附的PZT磊晶成長膜上貼附AlN磊晶成長膜。與此相對，在實施形態2中，PZT磊晶成長膜在SOI基板50上成長。SOI基板50的上表面為(100)面。因此，可以藉由與實施形態1的情況相同的處理，在SOI基板50上磊晶成長PZT磊晶成長膜。
《2-2》製造方法 圖33是繪示壓電膜整合裝置200的製造方法的流程圖。圖34繪示圖33的步驟ST201，圖35繪示圖33的步驟ST202。圖36繪示圖33的步驟ST207。
首先，如圖34所示，在作為裝置基板的SOI基板50的主表面上形成ZrO 2膜12和作為電極層的Pt膜13（步驟ST201）。然後，在Pt膜13上磊晶成長SRO膜14、單晶PZT膜15、Pt膜16，形成由SRO膜14、單晶PZT膜15和Pt膜16構成的磊晶成長膜（步驟ST201）。接下來，如圖35所示，藉由蝕刻使包含單晶PZT膜15的磊晶成長膜的形狀成為期望的形狀（例如圓形）（步驟ST202）。接下來，蝕刻作為電極層的Pt膜13以形成作為電極的Pt膜34，並在SOI基板50形成配線層（步驟ST203）。
接下來，用作為保持部件的印模80保持由單晶AlN膜25和Pt膜26構成的AlN磊晶成長膜的單片（上側壓電元件），蝕刻作為犧牲層的SRO膜24，剝離AlN磊晶成長膜的單片，如圖36所示，移動並貼附至作為裝置基板的SOI基板50上的PZT磊晶成長膜上（步驟ST204～ST207）。換言之，將在實施形態1中說明的具有單晶AlN膜25和Pt膜26的壓電元件貼附在Pt膜16上。貼附時，藉由檢查等確認單晶PZT膜15的結晶方位，如圖23所示，單晶PZT膜15的結晶方位與單晶AlN膜25的結晶方位一致。由於單晶PZT膜15的方向固定在SOI基板50上，調整單晶AlN膜25的貼附角度。另外，在如圖35所示之蝕刻步驟時確認結晶方位之後，也可以經由遮罩形成壓電膜以成為與實施形態1相同的方向。如圖30所示，在單晶PZT膜15和Pt膜16上形成絕緣膜35a和配線膜（拉出配線）36a，並在單晶AlN膜25和Pt膜26上形成絕緣膜35b和配線膜（拉出配線）36b。
此後，與實施形態1的情況相同地蝕刻SOI基板50，製造圖30至圖32所示之壓電膜整合裝置200。
《2-3》功效 在實施形態2中，藉由在具有磊晶成長的單晶PZT膜15的SOI基板50上的Pt膜16上貼附包含單晶AlN膜25的磊晶成長膜，與實施形態1的情況相同，可以獲得因單晶而高性能的壓電膜整合裝置。
在實施形態2中，相較於實施形態1，提升單晶PZT膜15的對準精度。因此，在實施形態2中，相較於實施形態1和3，提升聲振動波的輸出性能。
關於上述之外，實施形態2與實施形態1相同。
《3》實施形態3 《3-1》結構 圖37是示意性地繪示壓電膜整合裝置300的結構的側視圖。圖38是示意性地繪示壓電膜整合裝置300的結構的上視圖。圖39是圖38的壓電膜整合裝置以S39-S39線截取的剖面圖。
在實施形態1中，AlN磊晶成長膜在成長基板21上成長，PZT磊晶成長膜在成長基板11上成長，PZT磊晶成長膜貼附在AlN磊晶成長膜上，AlN磊晶成長膜貼附在SOI基板33的Pt膜34上。或者，在實施形態1中，在SOI基板33的Pt膜34上貼附的PZT磊晶成長膜上貼附AlN磊晶成長膜。與此相對，在實施形態3中，AlN磊晶成長膜在SOI基板60上成長。SOI基板60的上表面為(111)面。因此，可以藉由與實施形態1的情況相同的處理，在SOI基板60上磊晶成長AlN磊晶成長膜。
《3-2》製造方法 圖40是繪示壓電膜整合裝置300的製造方法的流程圖。圖41繪示圖40的步驟ST301，圖42繪示圖40的步驟ST302。圖43繪示圖40的步驟ST307。
首先，如圖41所示，在作為裝置基板的SOI基板60的主表面上形成ZrO 2膜22和作為電極層的Pt膜23。然後，在Pt膜23上磊晶成長SRO膜24、單晶AlN膜25、Pt膜26，形成由SRO膜24、單晶AlN膜25和Pt膜26構成的磊晶成長膜（步驟ST301）。接下來，如圖42所示，藉由蝕刻使包含單晶AlN膜25的磊晶成長膜的形狀成為期望的形狀（例如圓形）（步驟ST302）。接下來，蝕刻作為電極層的Pt膜23以形成作為第一電極的Pt膜26，並在SOI基板60形成配線層（步驟ST303）。
接下來，用作為保持部件的印模80保持由單晶PZT膜15和Pt膜16構成的PZT磊晶成長膜的單片（上側壓電元件），蝕刻作為犧牲層的SRO膜14，剝離PZT磊晶成長膜的單片，如圖43所示，移動並貼附至作為裝置基板的SOI基板60上的AlN磊晶成長膜上（步驟ST304～ST307）。換言之，將在實施形態1中說明的具有單晶PZT膜15和Pt膜16的壓電元件貼附在Pt膜26上。貼附時，藉由檢查等確認單晶PZT膜15的結晶方位，如圖23所示，單晶PZT膜15的結晶方位與單晶AlN膜25的結晶方位一致。由於單晶AlN膜25的方向固定在SOI基板60上，調整單晶PZT膜15的貼附角度。另外，在如圖42所示之蝕刻步驟時確認結晶方位之後，也可以經由遮罩形成壓電膜以成為與實施形態1相同的方向。如圖39所示，在單晶PZT膜15和Pt膜16上形成絕緣膜35a和配線膜（拉出配線）36a，並在單晶AlN膜25和Pt膜26上形成絕緣膜35b和配線膜（拉出配線）36b。
此後，與實施形態1的情況相同地蝕刻SOI基板60，製造圖37至圖39所示之壓電膜整合裝置300。
《3-3》功效 在實施形態3中，藉由在具有磊晶成長的單晶AlN膜25和Pt膜26的AlN磊晶成長膜上貼附包含單晶PZT膜15的磊晶成長膜，與實施形態1相同，可以獲得因複數個單晶壓電膜而高性能的壓電膜整合裝置300。
在實施形態3中，相較於實施形態1，提升單晶AlN膜25的對準精度。因此，在實施形態3中，相較於實施形態1和2，提升聲振動波的檢測靈敏度、S/N比。
關於上述之外，實施形態3與實施形態1和2相同。
《4》變形例1 變形例1的壓電膜整合裝置500在貼附在SOI基板33上的Pt膜34上的磊晶成長膜由Pt膜126、單晶AlN膜25和Pt膜26構成且貼附在Pt膜26上的磊晶成長膜由Pt膜116、單晶PZT膜15和Pt膜16構成的這點上，不同於貼附在Pt膜34上的磊晶成長膜由單晶AlN膜25和Pt膜26構成且貼附在Pt膜26上的磊晶成長膜由單晶PZT膜15和Pt膜16構成的實施形態1相關的壓電膜整合裝置100。關於這點以外，變形例1的壓電膜整合裝置500與實施形態1相關的壓電膜整合裝置100相同。
圖44是繪示在Si基板11上的ZrO 2膜12上依序磊晶成長Pt膜13、SRO膜14、Pt膜116、單晶PZT膜15和Pt膜16的狀態的剖面圖。圖45是繪示在Si基板21上的ZrO 2膜22上依序磊晶成長Pt膜23、SRO膜24、Pt膜126、單晶AlN膜25和Pt膜26的狀態的剖面圖。
圖46是示意性地繪示變形例1的壓電膜整合裝置500的結構的剖面圖。圖47是示意性地繪示圖46的壓電膜整合裝置500的結構的上視圖。在圖46和圖47中，圖1至圖4（實施形態1）所示之結構相同或對應的結構附加圖1至圖4中的符號相同的符號。在變形例1的壓電膜整合裝置500中，由Pt膜126、單晶AlN膜25和Pt膜26構成的磊晶成長膜（圖45所示）貼附至Pt膜34，由Pt膜116、單晶PZT膜15和Pt膜16構成的磊晶成長膜（圖44所示）貼附至Pt膜26。關於這點以外，變形例1的壓電膜整合裝置500與實施形態1相關的壓電膜整合裝置100相同。
又，也可以用由Pt膜116、單晶PZT膜15和Pt膜16構成的磊晶成長膜（圖44所示）來代替實施形態2或3相關的壓電膜整合裝置200或300（圖30至圖32、圖37至圖39所示）的由單晶PZT膜15和Pt膜16構成的磊晶成長膜。另外，也可以用由Pt膜126、單晶AlN膜25和Pt膜26構成的磊晶成長膜（圖45所示）來代替實施形態2或3相關的壓電膜整合裝置200或300（圖30至圖32、圖37至圖39所示）的由單晶AlN膜25和Pt膜26構成的磊晶成長膜。
《5》變形例2 實施形態相關的壓電膜整合裝置100、200、300和聲振動感測器400不僅可用於距離感測器，還可用於例如指紋感測器、靜脈（脈搏波）感測器等其他感測器。
另外，根據將成對的單晶PZT膜15和單晶AlN膜25配置成矩陣狀的壓電膜整合裝置，能夠檢測檢測對象的表面形狀。
11,21:成長基板（單晶Si基板） 12,22:ZrO 2膜 13,23,116,126:Pt膜 14,24:SRO膜（配向膜） 15:單晶PZT膜（第一單晶壓電膜） 16,26:Pt膜（電極膜） 25:單晶AlN膜（第二單晶壓電膜） 30:Si基板 31:SiO 2部 32:單晶Si部 33,50,60:SOI基板（基板） 34:Pt膜（電極） 35a,35b:絕緣膜 36a,36b:配線膜 40:連接器 41:驅動接收電路 42:控制電路 71,72:孔 80:印模 90:檢測對象 100,100a,200,300,500:壓電膜整合裝置 400:聲振動感測器 S3-S3,S12-S12,S28-S28,S32-S32,S39-S39:線 ST101,ST102,ST103,ST104,ST105,ST106,ST107:步驟 ST108,ST109,ST110,ST111,ST201,ST202,ST203:步驟 ST204,ST205,ST206,ST207,ST208,ST301,ST302:步驟 ST303,ST304,ST305,ST306,ST307,ST308:步驟
[圖1] 是示意性地繪示實施形態1相關的壓電膜整合裝置的結構的側視圖。 [圖2] 是示意性地繪示圖1的壓電膜整合裝置的結構的上視圖。 [圖3] 是圖2的壓電膜整合裝置以S3-S3線截取的剖面圖。 [圖4] 是示意性地繪示圖1的壓電膜整合裝置的結構的下視圖。 [圖5] 是示意性地繪示包含作為單晶壓電膜的單晶PZT膜之磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖6] 是繪示圖5的單晶PZT膜的晶體結構的圖。 [圖7] 是示意性地繪示圖5的磊晶成長膜的晶體結構的圖。 [圖8] 是示意性地繪示包含作為單晶壓電膜的單晶AlN膜之磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖9] （A）是示意性地繪示圖8的單晶SRO膜、單晶Pt和單晶ZrO 2的晶體的(111)面的圖，（B）是繪示單晶SRO的晶體的晶格常數的圖。 [圖10] （A）是示意性地繪示圖8的單晶AlN膜的晶體結構的圖，（B）是繪示單晶AlN的晶體的晶格常數的圖。 [圖11] 是繪示圖1的壓電膜整合裝置的製造方法的流程圖。 [圖12] （A）和（B）是示意性地繪示圖11的步驟ST102中的電極的結構的剖面圖和上視圖。 [圖13] （A）和（B）是示意性地繪示圖11的步驟ST103中的第一磊晶成長膜的結構的上視圖和剖面圖。 [圖14] （A）和（B）是示意性地繪示圖11的步驟ST104中的第一磊晶成長膜的結構的上視圖和剖面圖。 [圖15] 是示意性地繪示圖11的步驟ST109中的第一磊晶成長膜的保持製程的剖面圖。 [圖16] 是示意性地繪示圖11的步驟ST109中的犧牲層的蝕刻製程的剖面圖。 [圖17] （A）和（B）是示意性地繪示圖11的步驟ST105中的第二磊晶成長膜的結構的上視圖和剖面圖。 [圖18] （A）和（B）是示意性地繪示圖11的步驟ST106中的第二磊晶成長膜的結構的上視圖和剖面圖。 [圖19] 是示意性地繪示圖11的步驟ST107中的第二磊晶成長膜的保持製程的剖面圖。 [圖20] 是示意性地繪示圖11的步驟ST107中的犧牲層的蝕刻製程的剖面圖。 [圖21] 是示意性地繪示圖11的步驟ST108中的第一磊晶成長膜的貼附製程的剖面圖。 [圖22] 是示意性地繪示圖11的步驟ST110中的第二磊晶成長膜的貼附製程的剖面圖。 [圖23] 是繪示作為第一單晶壓電膜的單晶PZT膜的結晶c軸和作為第二單晶壓電膜的單晶AlN膜的結晶c軸的圖。 [圖24] 是示意性地繪示使用實施形態1相關的半導體整合裝置的聲振動感測器的結構的圖。 [圖25] 是繪示聲振動感測器的操作原理的圖。 [圖26] 是示意性地繪示實施形態1的變形例相關的壓電膜整合裝置的結構的側視圖。 [圖27] 是示意性地繪示圖26的壓電膜整合裝置的結構的上視圖。 [圖28] 是圖27的壓電膜整合裝置以S28-S28線截取的剖面圖。 [圖29] 是示意性地繪示圖26的壓電膜整合裝置的結構的下視圖。 [圖30] 是示意性地繪示實施形態2相關的壓電膜整合裝置的結構的側視圖。 [圖31] 是示意性地繪示圖30的壓電膜整合裝置的結構的上視圖。 [圖32] 是圖31的壓電膜整合裝置以S32-S32線截取的剖面圖。 [圖33] 是繪示圖30的壓電膜整合裝置的製造方法的流程圖。 [圖34] 是示意性地繪示圖33的步驟ST202中的PZT磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖35] 是示意性地繪示圖33的步驟ST203中的PZT磊晶成長膜（單片）的結構的剖面圖。 [圖36] 是示意性地繪示圖33的步驟ST207中的PZT磊晶成長膜（單片）和AlN磊晶成長膜（單片）的結構的剖面圖。 [圖37] 是示意性地繪示實施形態3相關的壓電膜整合裝置的結構的側視圖。 [圖38] 是示意性地繪示圖37的壓電膜整合裝置的結構的上視圖。 [圖39] 是圖38的壓電膜整合裝置以S39-S39線截取的剖面圖。 [圖40] 是繪示圖37的壓電膜整合裝置的製造方法的流程圖。 [圖41] 是示意性地繪示圖40的步驟ST302中的AlN磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖42] 是示意性地繪示圖40的步驟ST303中的AlN磊晶成長膜（單片）的結構的剖面圖。 [圖43] 是示意地繪示圖40的步驟ST307中的AlN磊晶成長膜（單片）和PZT磊晶成長膜（單片）的結構的剖面圖。 [圖44] 是示意性地繪示包含單晶PZT膜的磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖45] 是示意性地繪示包含單晶AlN膜的磊晶成長膜的結構的剖面圖。 [圖46] 是示意地繪示實施形態1的變形例1相關的壓電膜整合裝置的結構的剖面圖。 [圖47] 是示意性地繪示圖46的壓電膜整合裝置的結構的上視圖。
15:單晶PZT膜(第一單晶壓電膜)
16,26:Pt膜(電極膜)
25:單晶AlN膜(第二單晶壓電膜)
30:Si基板
31:SiO2部
32:單晶Si部
33:SOI基板(基板)
34:Pt膜(電極)
35a,35b:絕緣膜
36a,36b:配線膜
40:連接器
100:壓電膜整合裝置

Claims (16)

  1. 一種壓電膜整合裝置，其特徵在於，具有： 基板； 電極，設置在前述基板上； 第一壓電元件，具有第一單晶壓電膜和在前述第一單晶壓電膜上重疊的第一電極膜，設置在前述電極上；以及 第二壓電元件，具有第二單晶壓電膜和在前述第二單晶壓電膜上重疊的第二電極膜，設置在前述第一壓電元件上。
  2. 如請求項1所述之壓電膜整合裝置，其中前述基板具有設置於前述第一單晶壓電膜的下部區域的振動板。
  3. 如請求項2所述之壓電膜整合裝置，其中前述基板為具有Si基板、SiO 2部和單晶Si部的SOI基板，且前述振動板具有前述SiO 2部和前述單晶Si部。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，其中前述第一單晶壓電膜為單晶PZT膜、單晶KNN膜或單晶鈦酸鋇膜，且前述第二單晶壓電膜為單晶AlN膜、單晶鉭酸鋰膜或單晶鈮酸鋰膜。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，其中前述第一單晶壓電膜為單晶AlN膜、單晶鉭酸鋰膜或單晶鈮酸鋰膜，且前述第二單晶壓電膜為單晶PZT膜、單晶KNN膜或單晶鈦酸鋇膜。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，其中前述第一單晶壓電膜具有平行於前述電極的表面的晶面的(001)面，且前述第一壓電元件是貼附於前述電極的表面的磊晶成長膜。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，更具有形成於前述電極上的SRO膜，其中前述第一單晶壓電膜具有平行於前述SRO膜的表面的晶面的(001)面，且前述第一壓電元件是形成於前述SRO膜的表面上的磊晶成長膜。
  8. 如請求項6或7所述之壓電膜整合裝置，其中前述第二單晶壓電膜具有平行於前述電極的表面的晶面的(0001)面，且前述第二壓電元件是貼附於前述第一電極膜的表面的磊晶成長膜。
  9. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，其中前述第一單晶壓電膜具有平行於前述電極的表面的晶面的(0001)面，且前述第一壓電元件是貼附至前述電極的表面的磊晶成長膜。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之壓電膜整合裝置，更具有形成於前述電極上的SRO膜，其中前述第一單晶壓電膜具有平行於前述SRO膜的表面的晶面的(0001)面，且前述第一壓電元件是形成於前述SRO膜的表面上的磊晶成長膜。
  11. 如請求項9或10所述之壓電膜整合裝置，其中前述第二單晶壓電膜具有平行於前述電極的表面的晶面的(001)面，且前述第二壓電元件是貼附至前述第一電極膜的表面的磊晶成長膜。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之壓電膜整合裝置，其中前述第一單晶壓電膜的結晶c軸方向與前述第二單晶壓電膜的結晶c軸方向為平行關係。
  13. 一種聲振動感測器，其特徵在於： 具有如請求項1至12中任一項所述之前述壓電膜整合裝置， 其中前述第一單晶壓電膜和前述第二單晶壓電膜中的一個輸出由聲波和超聲波中的至少一個構成的聲振動波，且 前述第一單晶壓電膜和前述第二單晶壓電膜中的另一個檢測前述聲振動波的反射波。
  14. 一種壓電膜整合裝置的製造方法，其特徵在於： 在成長基板的第一晶面上成長具有第一壓電元件的第一磊晶成長膜，前述第一壓電元件具有第一單晶壓電膜和在前述第一單晶壓電膜上重疊的第一電極膜； 在另一成長基板的第二晶面上成長具有第二壓電元件的第二磊晶成長膜，前述第二壓電元件具有第二單晶壓電膜和在前述第二單晶壓電膜上重疊的第二電極膜，前述第二單晶壓電膜具有與前述第一單晶壓電膜的晶格結構不同的晶格結構；以及 將從前述成長基板剝離的前述第一磊晶成長膜貼附至具有電極的基板上，並將從前述另一成長基板剝離的前述第二磊晶成長膜貼附至前述第一磊晶成長膜上。
  15. 一種壓電膜整合裝置的製造方法，其特徵在於： 在具有電極的基板的第一晶面上成長具有第一壓電元件的第一磊晶成長膜，前述第一壓電元件具有第一單晶壓電膜和在前述第一單晶壓電膜上重疊的第一電極膜； 在成長基板的第二晶面上成長具有第二壓電元件的第二磊晶成長膜，前述第二壓電元件具有第二單晶壓電膜和在前述第二單晶壓電膜上重疊的第二電極膜；以及 將從前述成長基板剝離的前述第二磊晶成長膜貼附至前述第一磊晶成長膜上。
  16. 如請求項14或15所述之壓電膜整合裝置的製造方法，其中前述第一單晶壓電膜的結晶c軸方向與前述第二單晶壓電膜的結晶c軸方向為平行關係。
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