TWI826762B - 壓電振動基板及壓電振動元件 - Google Patents

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Abstract

本發明能夠抑制壓電振動元件的安裝時施加的熱，超音波振動及重壓所致的龜裂或是剝裂。本發明之壓電振動元件11具備：塊體狀的壓電性材料所構成的壓電層2A；壓電層2A的第一面2a上的下部電極3；及接合於下部電極3的支持基板5。

Description

壓電振動基板及壓電振動元件
本發明係關於能夠合適地用於MEMS微鏡等處的壓電振動基板及元件。
抬頭顯示器(HUD)係一種「將視線保持在前方，並且將必要的資訊重疊顯示在視野中的裝置」。在汽車的駕駛中，比起觀看儀表板還有中控面板上的資訊之情形，因為能夠將視線保持在前方並且視覺確認資訊，所以對於防止分心駕駛而言為有效，再者，由於眼睛的焦點移動變少了，所以能減輕駕駛人疲勞與提昇安全性。
HUD的原理，係將螢光燈、CRT或液晶顯示器的影像投射在車的前擋玻璃或透明的螢幕(疊像器)。HUD依照光學結構的不同，有以下兩種方式。
(1)將前擋玻璃等作為螢幕而直接投射影像的直接投影(Direct Projection)方式。
(2)將前擋玻璃等作為反射用鏡而成像在駕駛人網膜上的虛擬投影(Virtual Imaging)方式。
兩種方式的主要差異在於駕駛人看到影像時的距離感。在直接投影方式中，係與普通投影機同樣在螢幕(疊像器)上認識到影像，但在虛擬投影方式中，是在駕駛人的視線數公尺前的空間上認識到影像。在任一種方式中，相較於不使用HUD時而言，駕駛人的前方視野與儀表板還有中控面板之間的視線移動大為減少，在虛擬投影方式中，從平常駕駛時的視野之焦點移動變少了，故能使駕駛人的注意力更集中，較不會疲勞。在虛擬投影方式中，近年來持續開發掃描雷射光束來描繪的新方式。
雷射掃描型顯示器將RGB三色的雷射光束在稱為疊像器(combiner)的光學元件上進行多工處理(multiplexing)，將一束光線在微鏡上反射而進行二維掃描來描繪。此方式類似CRT的電子束掃描，但不激發螢光體，取而代之以在其水平掃描線上的像素所在位置上控制各雷射的脈衝寬度與輸出功率來改變顏色與輝度，而能高速地點描繪像素。可實現的解析度係由微鏡的振動頻率與雷射的調變頻率所決定。
此方式所帶來的主要優點如下。
(1)因為零件數量少，所以能實現小型化、低成本化、及可靠度改善。
(2)因為以各像素所須的亮度來點亮雷射，所以能實現低耗電量。
(3)因為使用準直(平行光)的雷射光，所以不需調整聚焦點。
作為雷射掃描型顯示器的核心零件之微鏡，係將Si以MEMS(Micro Electro Mechanical System，微機電系統)技術來加工，而蒸鍍上金屬。MEMS微鏡的驅動方法有以靜電引力來驅動的靜電型、以電磁力來驅動的電磁型、以壓電元件 來驅動的壓電型等。其中，壓電型的優點可舉出有高速驅動、低耗電量、大驅動力，缺點可舉出有壓電元件成膜不易。
以往，在製造用於MEMS微鏡等的壓電振動元件時，係將PZT等壓電膜利用濺鍍法等來成膜於矽基板上(專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2014-225596
專利文獻2：日本特開2014-086400
往後，HUD會要求大畫面化、廣視角化，相對於現狀的視角7~8度而言，有時會要求最大視角達20度。為了實現大畫面化、廣視角，必須提昇MEMS微鏡的壓電振動元件之頻率、振幅及可靠度。然而，吾人已得知在如專利文獻1記載般，以成膜法形成壓電層於以往的矽基板上的壓電振動元件中，無法實現具備如此高度的頻率、振幅及可靠度的壓電振動元件。
尤其，將壓電振動元件安裝於封裝體或基板，進行電性連接之際，係進行打線接合或覆晶接合。在接合程序中，必須對於壓電振動元件施加熱、超音波 振動及重力之類的負載。吾人已得知，此時若提昇壓電振動元件的頻率、振幅、可靠度的規格，則熱、超音波振動及重力的負載變大，壓電振動元件容易發生龜裂或是剝裂。因此，壓電振動元件的良率降低。
本發明之所欲解決之問題在於能夠抑制安裝壓電振動元件時施加的熱、超音波振動及重壓所致的龜裂或是剝裂。
關於第一的態樣之發明，係一種壓電振動基板，具備：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及與前述第一面相反側的第二面；下部電極，位在前述壓電層的第一面上；及支持基板，接合於前述下部電極。
又，本發明係關於一種壓電振動元件，其特徵在於具備：前述壓電振動基板；及前述壓電層上的上部電極。
關於第二態樣之發明，係一種壓電振動基板，其特徵在於具備：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及與前述第一面相反側的第二面；下部電極，位在前述壓電層的第一面上； 高剛性陶瓷材料板，接合於前述下部電極；及支持基板，接合於前述高剛性陶瓷材料板。
又，本發明係係關於一種壓電振動元件，具備：前述壓電振動基板，及前述壓電層的第二面上的上部電極。
本案發明人探討在將壓電振動元件安裝於封裝體還有基板，電性連接之際，由於熱、超音波振動及重壓而在壓電振動元件發生龜裂或是剝裂的理由。其結果，得知在藉由濺鍍等各種成膜方法來成膜出PZT等壓電膜之情形，壓電膜的結晶品質不佳，成為龜裂或是剝裂的原因。
因此，本案發明人亦探討藉由將塊體的壓電性材料基板加以薄膜化來製造壓電振動板。然而，塊體的壓電性材料基板，藉由加工而使厚度薄到例如50μm以下時，因為強度不足而有裂開的傾向，所以難以用來作為壓電振動元件。
基於此等知識，本案發明人發現，藉由將塊體狀的壓電性材料基板隔著下部電極及中間層而直接接合於獨立的支持基板，並將此壓電性材料基板研磨至薄到適合射頻下的振動之期望厚度，成功地形成厚度較薄之結晶性良好的壓電振動層，藉此而能夠抑制熱，超音波振動及重壓所致的壓電振動元件之龜裂或是剝裂。
再者，本案發明人發現，在如此形態的壓電振動元件中，藉由在設於壓電層之第一面上的下部電極與支持基板之間設置獨立的高剛性陶瓷材料板，能夠進一步降低熱、超音波振動及重壓所致的壓電振動元件之龜裂或是剝裂。
其結果，依據本發明，能夠實現壓電特性及耐久性優異的壓電致動器元件。
1:上部電極
2:壓電體
2A:壓電層
2a,7a:第一面
2b,7b,7c:第二面
2c:加工面(第二面)
3:下部電極
4,8,16:中間層
4a,5a,8a,16a:接合面
5:支持基板
6,10:非晶質層
7:高剛性陶瓷材料體
7A:高剛性陶瓷材料板
11,12:壓電振動元件
圖1(a)顯示壓電體2、下部電極3及中間層4的疊層體，(b)顯示支持基板5，(c)顯示將中間層4與支持基板5直接接合而成的接合體。
圖2(a)顯示在圖1(c)的接合體中對壓電體進行加工所獲得的接合體，(b)顯示具有壓電層2A、上部電極1、下部電極3、中間層4、非晶質層6及支持基板5的壓電振動元件11。
圖3(a)顯示將中間層8設置在高剛性陶瓷材料體7之第一面上的狀態，(b)顯示支持基板5，(c)顯示將高剛性陶瓷材料板7A接合於支持基板5的狀態，(d)顯示將下部電極3及中間層4設置在壓電體2上的狀態。
圖4(a)顯示支持基板5、下部電極3、高剛性陶瓷材料板7A及壓電體2的接合體，(b)顯示在圖4(a)的接合體中對壓電體2進行加工以作為壓電層2A的狀態，(c)顯示壓電振動元件12。
圖5係本發明實施例之中的支持基板與中間層之界面附近的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
圖6係顯示本發明實施例之中的下部電極之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料板之接合界面與其周邊的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
圖7係顯示支持基板之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料板的第一面之接合界面與其周邊的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
圖8係壓電振動元件的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
[實施發明之較佳形態]
以下，適當參照圖式來進一步詳細說明本發明的實施形態。
圖1及圖2係關於第一態樣的發明。
在較佳實施形態中，如圖1(a)所示，壓電體2具有第一面2a與第二面2b。壓電體2之第一面2a上設置有下部電極3、中間層4。其次，對於中間層4之接合面4a如箭頭A所示照射中性化原子束，藉而使接合面4a活化。
另一方面，如圖1(b)所示，對於支持基板5之接合面5a如箭頭B所示照射中性化原子束，藉而使接合面5a活化。其次，如圖1(c)所示，使中間層4之接合面4a與支持基板5之接合面5a接觸，兩者直接接合而獲得接合體。典型而言，沿著支持基板5與中間層4之界面會產生非晶質層6。
其次，如圖2(a)所示，藉由對接合體的壓電體進行加工使其薄化，而形成具有期望厚度的壓電層2A。壓電層2A的厚度因應於目標之振動頻率而適當變更。 2c係壓電層2A之加工面(第二面)。其次，如圖2(b)所示，藉由在壓電層2A的第二面2c上形成上部電極1而獲得壓電振動元件11。
圖3及圖4係關於第二態樣的發明。
如圖3(a)所示，高剛性陶瓷材料體7具有第一面7a及第二面7b。高剛性陶瓷材料體7之第一面7a上設置有中間層8。其次，對於中間層8之接合面8a如箭頭C所示照射中性化原子束，藉而使接合面8a活化。另一方面，如圖3(b)所示，對於支持基板5之接合面5a如箭頭B所示照射中性化原子束，藉而使接合面5a活化。
其次，如圖3(c)所示，藉由使中間層8之接合面8a與支持基板5之接合面5a接觸，兩者直接接合而獲得接合體。此時，典型而言，沿著接合面8a與接合面5a之界面會產生非晶質層10。
其次，藉由對高剛性陶瓷材料體7進行加工使其薄化，形成期望厚度的高剛性陶瓷材料板7A。其次，在高剛性陶瓷材料板7A的第二面7c上設置中間層16，如箭頭D所示對於中間層之接合面16a照射中性化原子束，使表面活化。
另一方面，如圖3(d)所示，在壓電體2之第一面2a上依序設置下部電極3及中間層4，藉由中性化原子束E使中間層4之接合面4a活化。其次，如圖4(a)所示，藉由使中間層4之接合面4a與高剛性陶瓷材料板7A之第二面7c上的中間層16接觸，兩者直接接合而獲得接合體。此時，典型而言，沿著直接接合的中間層4與中間層16之界面會產生非晶質層。
其次，如圖4(b)所示，藉由對接合體之壓電體2進行加工使其薄化，形成具有期望厚度的壓電層2A。壓電層2A的厚度因應於目標之振動頻率而適當變更。2c係壓電層2A之加工面(第二面)。其次，如圖4(c)所示，藉由在壓電層2A之第二面2c上形成上部電極1，而獲得壓電振動元件12。
本發明的元件具有：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及第二面。塊體狀的壓電性材料並非成膜於基板上的狀態之壓電性材料，而係意指藉由磊晶法或燒結法而形成為塊體狀的壓電性材料。此種壓電性材料通常結晶性佳、強度高。
尤其，因為塊體狀的壓電性材料結晶性高，所以具有如下特徵：作為元件所須的壓電特性之一的d31(電極面翹曲方向的伸縮)，比起成膜品更大。壓電常數(d31：pc/N=pm/V)而言，即使是塊體品時例如係150以上(有時會超過200)，一般情況成膜品為150以下，平均來說為100前後。
壓電性材料並未特別限定，例如可為鉛系鈣鈦礦氧化物(例如鋯鈦酸鉛(PZT)還有鈮酸鉛鎂鈦酸鉛(PMN-PT)。又，鉛系鈣鈦礦氧化物(例如PZT)可添加La(鑭)、Nb(鈮)、及/或Sr(鍶)，亦可使用Pb(Mg,Nb)O3、Pb(Ni,Nb)O3、PbTiO3等之氧化物或此等者之組合。
加工前的壓電體的厚度，從處理時的機械強度之觀點而言，宜係200μm以上。又，加工後的壓電層(振動體)之厚度，因應於目標之振動頻率來決定，可定為例如0.5μm~50μm。
上部電極、下部電極之材質並未特別限定，只要能施加控制壓電層振動的電壓即沒有問題，例如可為例如鉑、金、Au-Cu、Al、Al-Cu合金。又，壓電層與上部電極之間、高剛性陶瓷材料板與下部電極之間，亦可設置用來提昇各電極之密接性的Cr或Ti等之緩衝層。
以成膜法將PZT等壓電體形成在支持基板上之情形，必須有用以使壓電體在支持基板上成長的晶種層。從壓電體育成之觀點而言，晶種層的材質一般係Pt，在成膜方法中，實質上沒有Pt以外的下部電極選項。
另一方面，在本發明中，因為將塊體狀的壓電性材料接合於支持基板來製作振動體，所以能夠不受下部電極的材料還有膜厚等之影響而將下部電極接合於壓電體。因此，能選擇最適合元件還有製程的電極材料。例如，因為相較於Pt而言，Au容易蝕刻，所以能使下部電極微細化。一般而言，若使下部電極微細化，則配線電阻上昇而元件特性的劣化或發熱所致的可靠度劣化會成為問題，但Au相較於Pt而言，電阻率低，所以即使微細化，亦能避免配線電阻上昇帶來的問題。因此，能兼顧元件的小型化與高性能化。
從此種觀點而言，下部電極的材質尤其宜為Au，但亦適合使用Ag、Cu、Al、W、Mo，又適合使用Au、Ag、Cu、Al、W、Mo的合金。又，下部電極與壓電體之間宜藉由設置前述緩衝層來提昇密接性。
在第一態樣的發明中，可在下部電極上設置中間層，又可在支持基板上設置中間層。此直接接合有以下的實施形態。
(1)將下部電極上的中間層與支持基板直接接合。
(2)將支持基板上的中間層與下部電極直接接合。
(3)將下部電極上的中間層與支持基板上的中間層直接接合。
又，在第二態樣的發明中，可在下部電極之接合面上設置中間層，並可在高剛性陶瓷材料板之第一面上設置中間層。此直接接合有以下的實施形態。
(1)將下部電極之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料板之第二面直接接合。
(2)將高剛性陶瓷材料板之第二面上的中間層與下部電極之接合面直接接合。
(3)將下部電極之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料板之第二面上的中間層直接接合。
又，在第二態樣的發明中，可在支持基板之接合面上設置中間層，並可在高剛性陶瓷材料體之第一面上設置中間層。此直接接合有以下的實施形態。
(1)將支持基板之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料體之第一面直接接合。
(2)將高剛性陶瓷材料板之第一面上的中間層與支持基板之接合面直接接合。
(3)將高剛性陶瓷材料板之第一面上的中間層與支持基板之接合面上的中間層直接接合。
在任一形態中，有時會沿著直接接合的界面產生非晶質層。
此種中間層會提高下部電極與高剛性陶瓷材料板、高剛性陶瓷材料板與支持基板之間的接合強度，因而為佳。
中間層的材質並未限定，例如可為氧化矽、五氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化鈮、氧化鉍、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化矽、矽。
中間層的厚度並未特別限定，從製造成本的觀點宜為0.01~1μm，較佳者為0.01~0.5μm。
中間層的成膜方法並未限定，例如可為濺鍍(sputtering)法、化學氣相沉積法(CVD)、蒸鍍。
支持基板的材質並未特別限定，宜為金屬氧化物、氮化鋁、碳化矽、矽、玻璃、金屬、SOI(Silicon on Insulator，絕緣層覆矽)。此金屬氧化物可係單一金屬的氧化物，亦可係多種金屬的複合氧化物。此金屬氧化物宜為選自賽隆 (SiAlON，矽鋁氮氧化物)、藍寶石、堇青石、莫來石及氧化鋁所構成的群。氧化鋁宜為透光性氧化鋁。金屬例如可為SUS、銅、鋁等。
支持基板的相對密度從接合強度的觀點而言，宜為95.5%以上，亦可係100%。相對密度藉由阿基米德法來量測。又，支持基板的製法並未特別限定，宜為燒結體、磊晶。
就構成高剛性陶瓷材料板的高剛性陶瓷材料板而言，係指楊氏係數(JIS R1602)：200GPa以上、抗彎強度(JIS R1601)：310MPa以上、斷裂韌性(JIS R1607)：1.5MPa
Figure 110100695-A0305-02-0014-4
m以上的材料。
就高剛性陶瓷材料板的種類而言，例如可為賽隆、透光性氧化鋁、藍寶石等。
賽隆係將氮化矽與氧化鋁之混合物加以燒結而獲得的陶瓷材料，具有如下組成。
Si6-zAIzOzN8-z
亦即，賽隆具有將氧化鋁混合至氮化矽中的組成，z顯示氧化鋁的混合比例。z較佳者為0.5以上。又，z較佳者為4.0以下。
藍寶石係具有Al2O3之組成的單晶，氧化鋁係具有Al2O3之組成的多晶。
將中間層與支持基板、中間層與下部電極、中間層與高剛性陶瓷材料體、中間層與支持基板、及中間層彼此直接接合之際，宜為以下方法。
首先，將各中間層之接合面、支持基板之接合面、高剛性陶瓷材料體之接合面、下部電極之接合面予以平坦化而獲得各平坦面。在此，將各接合面予以平坦化的方法有研光(lapping)、化學機械研磨加工(CMP)等。又，平坦面的算術平均粗糙度Ra宜為1nm以下，較佳者為0.3nm以下。
其次，為了去除研磨劑的殘渣還有加工變質層，清洗各接合面。
清洗各接合面的方法有濕式清洗、乾式清洗、刮式清洗等，為了簡便且有效率地獲得清淨表面，宜為刮式清洗。此時，尤其宜為使用SUNWASH(註冊商標)LH540作為清洗液之後，使用丙酮與IPA(異丙醇)之混合溶液在刮式清洗機進行清洗。
其次，藉由對於各接合面照射中性化原子束，使各接合面活化。
進行利用中性化集束的表面活化之際，宜使用如專利文獻2所記載的裝置來產生、照射中性化集束。亦即，宜使用鞍場型的高速原子束源來作為集束源。並且，將惰性氣體導入至腔室，從直流電源將高電壓施加給電極。藉此，藉由電極(正極)與框體(負極)之間產生的鞍場型的電場，使電子e運動，產生惰性氣體所致的原子束與離子束。到達晶格的集束之中，因為離子束受到晶格所中和，所以中性原子的集束從高速原子束源射出。構成集束的原子種宜為惰性氣體(氬、氮等)。
利用集束照射的活化時的電壓宜定為0.5~2.0kV，電流宜定為50~200mA。
其次，在真空氣體環境下，使經過活化的接合面彼此接觸、接合。此時的溫度係常溫，具體而言宜為40℃以下，較佳者為30℃以下。又，接合時的溫度尤其宜為20℃以上，25℃以下。
接合時的壓力宜為100~20000N。
支持基板與中間層之間有時產生非晶質層。此種非晶質層的組成含有構成中間層的金屬原子、構成支持基板的金屬原子、構成支持基板的氧原子或氮原子，及視情況而言含有氬。
又，下部電極與中間層之間有時產生非晶質層。此種非晶質層的組成，含有構成中間層的金屬原子、構成下部電極的金屬原子、及視情況而言含有氬。
又，高剛性陶瓷材料板與中間層之聞有時產生非晶質層。此種非晶質層的組成，含有構成中間層的金屬原子、構成高剛性陶瓷材料板的金屬原子、構成高剛性陶瓷材料板的氧原子或氮原子、及視情況而言含有氬。
又，壓電體與中間層之間有時產生非晶質層。此種非晶質層的組成，含有構成中間層的金屬原子、構成壓電體的金屬原子、及視情況而言含有氬。
在較佳實施形態中，要製造第1態樣的基板，係藉由在壓電體上設置下部電極及中間層，其次將中間層之接合面與支持基板之接合面直接接合，而獲得接合體。此種情形，典型而言，沿著支持基板與中間層之界面會產生非晶質層。其次，藉由對接合體之壓電體進行加工使其薄化，形成具有期望厚度的壓電層， 而獲得壓電振動基板。其次，如圖2(b)所示，藉由在壓電層之第二面上形成上部電極，而獲得壓電振動元件。
又，要製作第二態樣的基板，係在高剛性陶瓷材料體之第一面上設置中間層。其次，將此中間層與支持基板之接合面直接接合，而獲得接合體。此時，典型而言，沿著中間層與支持基板之接合面的界面會產生非晶質層。其次，對高剛性陶瓷材料體進行加工使其薄化，形成期望厚度的高剛性陶瓷材料板。
另一方面，在壓電體之第一面設置下部電極，在下部電極之接合面上設置中間層。
並且，在高剛性陶瓷材料板之第二面上設置中間層，將此中間層直接接合於下部電極之接合面上的中間層。其次，藉由對壓電體進行加工而獲得壓電層。
本發明的壓電振動元件能夠合適地用於MEMS元件的致動器等。
[實施例]
(實施例A1)
依據參照圖1及圖2來說明的方法，試作出圖2(b)所示的壓電振動元件11。
其中，壓電體2係厚度250μm的PZT之塊狀體，上部電極1、下部電極3的材質定為Pt。在下部電極3上藉由濺鍍法設置由非晶矽所構成的中間層4。又，準備由矽所構成的支持基板5。其次，將支持基板5之接合面5a及中間層4之接合面4a藉由化學機械研磨加工(CMP)進行精細加工，使各算術平均粗糙度Ra為0.2nm。
其次，清洗支持基板5之接合面5a及中間層4之接合面4a，拿掉髒污之後，導入至真空腔室。真空抽吸至10-6Pa程度後，將各接合面4a、5a照射高速原子束(加速電壓1kV，Ar流量27sccm)120秒。接著，使支持基板5之接合面5a與中間層4之接合面4a接觸之後，以10000N加壓接合2分鐘。
其次，藉由對壓電體2另一個主面2b進行研削及研磨加工，而形成厚度1μm的壓電層2A。其次，在壓電層2A之第二面2c上以濺鍍法成膜上部電極1，而獲得壓電振動元件11。
將壓電振動元件11安裝置封裝體，進行打線接合。在接合程序中，將壓電振動元件11加熱(150℃)、施加超音波振動(80kHz)及重力(500gf)。其結果，壓電振動元件11發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係5%。
圖5係顯示壓電振動元件11的中間層與支持基板之接合界面及其周邊的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片(倍率200萬倍)。在圖5中，上側的明亮區域係中間層(非晶矽)，下側係支持基板(矽)，中央部分的帶狀區域係接合時產生的非晶質層。支持基板、非晶質層、及中間層之中的各原子之比例如下。
Figure 110100695-A0305-02-0018-1
(比較例A1)
藉由氣相成膜法來成膜壓電層，試作出壓電振動元件。亦即，在由矽所構成的支持基板上，以濺鍍法成膜由Pt所構成的下部電極3、厚度1μm的由PZT所構成的壓電層及由Pt所構成的上部電極，而獲得壓電振動元件。
其次，將壓電振動元件安裝於封裝體而與實施例A1同樣加熱、施加超音波振動及重力。其結果，壓電振動元件發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係20%。
(實施例B1)
與實施例A1同樣試作出壓電振動元件11。其中，與實施例A1不同，將壓電體2及壓電層2A的材質定為PMN-PT。除此之外係與實施例A1相同。將所獲得的壓電振動元件11安裝於封裝體，與實施例A1同樣加熱、施加超音波振動及重力。其結果，壓電振動元件發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係6%。
(比較例B1)
與比較例A1同樣試作出壓電振動元件11。其中，與比較例A1不同，將壓電層的材質定為PMN-PT。除此之外係與比較例A1相同。將所獲得的壓電振動元件安裝於封裝體，與實施例A1同樣加熱、施加超音波振動及重力。其結果，壓電振動元件發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係22%。
(實施例C1)
依據參照圖3及圖4來說明的方法，試作出圖4(c)所示的壓電振動元件12。
其中，如圖3(a)所示，在厚度250μm的由賽隆所構成的高剛性陶瓷材料體7之第一面7a，設置由非晶矽所構成的中間層8。又，如圖3(b)所示，在由矽所構成的厚度500μm的支持基板5表面準備由非晶矽所構成的中間層。
其次，將支持基板5之中間層接合面5a及中間層8之接合面8a藉由化學機械研磨加工(CMP)進行精細加工，將各算術平均粗糙度Ra定為0.2nm。
其次，清洗支持基板5之中間層接合面5a及中間層8之接合面8a，拿掉髒污之後，導入至真空腔室。真空抽吸至10-6Pa程度後，在各接合面5a、8a照射高速原子束(加速電壓1kV，Ar流量27sccm)120秒。接著，使支持基板5之中間層接合面5a與中間層8之接合面8a接觸之後，以10000N加壓接合2分鐘。其次，將所獲得的接合體以100℃加熱20小時。
其次，藉由對高剛性陶瓷材料體7之第二面7b進行研削及研磨加工，如圖3(c)所示，而形成厚度50μm的高剛性陶瓷材料板7A。其中，在本實施例中，並未在高剛性陶瓷材料板7A之第二面7c上設置中間層16。
另一方面，如圖3(d)所示，將壓電體2定為厚度250nm的PZT之塊狀體，在壓電體2之第一面2a上成膜Ti(15nm)/Pt(200nm)作為下部電極3，再藉由濺鍍法設置出由非晶矽所構成的中間層4。
其次，將高剛性陶瓷材料板7A之第二面7c及中間層4(圖1(a)參照)之接合面4a藉由化學機械研磨加工(CMP)進行精細加工，使各算術平均粗糙度Ra為0.2nm。
其次，清洗高剛性陶瓷材料板7A之第二面7c及中間層4之接合面4a，拿掉髒污之後，導入至真空腔室。真空抽吸至10-6Pa程度後，在第二面7c、接合面4a照 射高速原子束(加速電壓1kV，Ar流量27sccm)120秒。接著，使高剛性陶瓷材料板7A之第二面7c與中間層4之接合面4a接觸之後，以10000N加壓接合2分鐘。其次，將所獲得的接合體以100℃加熱20小時。
其次，藉由對壓電體2之第二面2b進行研削及研磨加工，如圖4(b)所示，而形成厚度1μm的壓電層2A。其次，以濺鍍法成膜上部電極1(Ti(15nm)/Pt(200nm))，而獲得壓電振動元件12。
將壓電振動元件12安裝置封裝體，進行打線接合。在接合程序中，在壓電振動元件12加熱(150℃)、施加超音波振動(80kHz)及重力(500gf)。其結果，壓電振動元件11發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係5%。
圖6係顯示下部電極3之接合面上的中間層與高剛性陶瓷材料板之接合界面及其周邊的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片(倍率200萬倍)。在圖6中，上側的明亮區域係中間層(非晶矽)，下側係高剛性陶瓷材料板(賽隆)，中央部分的帶狀區域係接合時產生的非晶質層。高剛性陶瓷材料板、非晶質層、及中間層之中的各原子之比例如下。
Figure 110100695-A0305-02-0021-2
圖7係顯示支持基板5之接合面5a上的中間層與高剛性陶瓷材料板之第一面上的中間層之接合界面及其周邊的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片(倍率200萬倍)。在圖7中，上側的明亮區域係中間層(非晶矽)，下側的陰暗區域係支持基板(矽)。並且，兩個中間層之間的帶狀區域係接合時產生的非晶質層。高剛性陶瓷材料板上的中間層、第一面上的非晶質層、支持基板上的中間層及支持基板之中的各原子之比例如下。
Figure 110100695-A0305-02-0022-3
(實施例D1)
與實施例A1同樣製作出壓電振動元件。
其中，與實施例A1不同，將壓電體上的緩衝層的材質定為Cr，將下部電極及上部電極的材質定為Au。又，不在下部電極上設置中間層，亦不在支持基板上設置中間層，而將下部電極與支持基板直接接合。
具體而言，將壓電體2定為厚度250μm的PZT之塊狀體，在壓電體2上以濺鍍法成膜出緩衝層及下部電極。將緩衝層的材質定為Cr，將下部電極的材質定為Au。又，準備出由矽所構成的支持基板5。其次，將支持基板5之接合面5a及下 部電極之接合面藉由化學機械研磨加工(CMP)進行精細加工，使各算術平均粗糙度Ra為0.2nm。
其次，清洗支持基板5之接合面5a及下部電極之接合面，拿掉髒污之後，導入至真空腔室。真空抽吸至10-6Pa程度後，在各接合面照射高速原子束(加速電壓1kV，Ar流量27sccm)120秒。接著，使支持基板5之接合面5a與下部電極之接合面接觸之後，以10000N加壓接合2分鐘。
其次，藉由對壓電體2的一個主面2b進行研削及研磨加工，而形成厚度1μm的壓電層2A。其次，在壓電層2A之第二面2c上，以濺鍍法成膜由Cr所構成的緩衝層及由Au所構成的上部電極，而獲得壓電振動元件。
將壓電振動元件安裝置封裝體，進行打線接合。在接合程序中，在壓電振動元件加熱(150℃)、施加超音波振動(80kHz)及重力(500gf)。其結果，壓電振動元件11發生龜裂或是剝裂的不良品之發生率係3%。
圖8係顯示壓電振動元件的剖面穿透式電子顯微鏡(TEM)照片(倍率200萬倍)。在圖8中，上側的明亮區域係壓電層，Cr層及Au層分別在壓電層之第一面表示為帶狀。並且，下側係支持基板(矽)，支持基板與Au層之間的帶狀區域係接合時產生的非晶質層。
1:上部電極
2A:壓電層
2a:第一面
2c:加工面(第二面)
3:下部電極
4:中間層
4a,5a:接合面
5:支持基板
6:非晶質層
11:壓電振動元件

Claims (10)

  1. 一種壓電振動基板，具備：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及與該第一面相反側的第二面；下部電極，位在該壓電層的第一面上；支持基板；及中間層，位於該下部電極與該支持基板之間；該中間層係由氧化矽、五氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化鈮、氧化鉍、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化矽或矽構成；沿著該支持基板的表面與該中間層的直接接合界面，存在有非晶質層，該中間層與該非晶質層接觸，該支持基板的該表面與該非晶質層接觸。
  2. 一種壓電振動元件，具備：如請求項1之壓電振動基板；及該壓電層的該第二面上的上部電極。
  3. 一種壓電振動基板，具備：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及與該第一面相反側的第二面；下部電極，位在該壓電層的第一面上；支持基板；及 中間層，設於該支持基板的表面；該中間層係由氧化矽、五氧化鉭、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氧化鈮、氧化鉍、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化矽或矽構成；沿著該下部電極與該中間層的直接接合界面，存在有非晶質層，或沿著該中間層中的直接接合界面，存在有非晶質層。
  4. 一種壓電振動元件，具備：如請求項3之壓電振動基板；及該壓電層的該第二面上的上部電極。
  5. 一種壓電振動基板，具備：壓電層，由塊體狀的壓電性材料所構成，具有第一面及與該第一面相反側的第二面；下部電極，位在該壓電層的該第一面上；高剛性陶瓷材料板，接合於該下部電極；及支持基板，接合於該高剛性陶瓷材料板。
  6. 如請求項5之壓電振動基板，其中，沿著該下部電極與該高剛性陶瓷材料板之界面，存在有非晶質層。
  7. 如請求項5或6之壓電振動基板，其中，沿著該高剛性陶瓷材料板與該支持基板的界面，存在有非晶質層。
  8. 如請求項5或6之壓電振動基板，其中，該下部電極與該高剛性陶瓷材料板之間存在有中間層。
  9. 如請求項5或6之壓電振動基板，其中，該高剛性陶瓷材料板與該支持基板之間具有中間層。
  10. 一種壓電振動元件，具備：如請求項5~9中任一項之壓電振動基板；及該壓電層的該第二面上的上部電極。
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