WO2010067794A1 - 圧電性複合基板の製造方法、および圧電素子の製造方法 - Google Patents

圧電性複合基板の製造方法、および圧電素子の製造方法 Download PDF

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早川徳洋
神藤始
初田一平
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric composite substrate having a plurality of piezoelectric single crystal bodies, and a method for manufacturing a piezoelectric element in which a drive electrode is formed on at least one piezoelectric single crystal body of the piezoelectric composite substrate.
  • a piezoelectric vibrator and a piezoelectric resonator using a piezoelectric composite substrate having a piezoelectric single crystal thin film have been developed.
  • a manufacturing method in which AlN or ZnO as a piezoelectric material is deposited by sputtering or CVD has been conventionally employed.
  • the single crystal thin film obtained by this manufacturing method becomes a C-axis oriented film, and the orientation direction of the crystal axis is aligned above and below the substrate, so that the performance of the piezoelectric element cannot be adjusted by controlling the tilt of the crystal axis or polarization axis. .
  • Non-Patent Document 2 As a conventional manufacturing method capable of controlling the tilt of the crystal axis and the polarization axis, there is a manufacturing method for polishing a single crystal substrate of a piezoelectric body (for example, see Non-Patent Document 2). In this method, since most of the piezoelectric single crystal is discarded as polishing waste, the utilization efficiency of the material is poor, and it is difficult to make the thickness of the thin film uniform, and the productivity is poor.
  • a plurality of piezoelectric bodies may be bonded together by thermal bonding.
  • each piezoelectric body is held and heated after being superposed.
  • the piezoelectric body is a thin film, it is easily broken and difficult to handle, and the productivity is also poor.
  • the piezoelectric body is heated during manufacturing, resulting in concentration of pyroelectric charges on the bonded surface, resulting in damage to the bonded surface and deterioration of the piezoelectric characteristics.
  • the present invention provides a method for manufacturing a piezoelectric composite substrate that can control the tilt of the crystal axis and polarization axis of a single crystal thin film, has good productivity, and can avoid adverse effects due to pyroelectricity in the manufacturing process, and a piezoelectric element
  • the purpose is to provide a manufacturing method.
  • the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric composite substrate comprising a first piezoelectric single crystal body that utilizes the piezoelectric effect and a second piezoelectric single crystal body that is bonded to the first piezoelectric single crystal body. And an ion implantation process, a bonding process, and a peeling process.
  • the microcavities are integrated and formed in the release layer by implanting ions into the first polar face of the first piezoelectric single crystal.
  • the first polar surface has a substantially uniform polarity.
  • the release layer is separated from the first polar face into the first piezoelectric single crystal body.
  • the bonding step after the ion implantation step, the first polar surface of the first piezoelectric single crystal body is bonded to the second polar surface of the second piezoelectric single crystal body.
  • the second polarity surface has a polarity that is opposite to the first polarity surface and substantially uniform.
  • the peeling layer is divided by applying thermal stress to the microcavity after the joining step.
  • the postures of the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body can be controlled in the joining step, the direction of the crystal axis can be arbitrarily set. Further, the thin film can be peeled off from the first piezoelectric single crystal body in the peeling step, and the first piezoelectric single crystal body can be reused. Therefore, the tilt of the crystal axis and polarization axis of the piezoelectric single crystal thin film can be controlled, and productivity can be improved.
  • the polarity remains without canceling the positive and negative polarities at the bonding surface. .
  • the joint surface has pyroelectricity, and pyroelectric charges due to heating are concentrated on the joint surface, which may cause damage to the joint surface.
  • the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded with the polar surfaces having opposite polarities, the positive and negative polarities are canceled at the bonded surfaces, and the pyroelectricity is almost eliminated. Therefore, even if a thermal stress is applied to the microcavity in the peeling step, a good quality bonded surface can be obtained.
  • the method for manufacturing a piezoelectric composite substrate according to the present invention preferably includes a repolarization step. Part of polarization may be reversed on the surface of the piezoelectric single crystal body by the action of ion implantation or thermal bonding. Therefore, the reverse polarization can be restored by applying an electric field in the repolarization step after the joining step.
  • each piezoelectric body is deformed by application of an electric field in the repolarization step. If the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded with a polar surface having the same polarity in the bonding process, that is, if the direction of polarization in the direction perpendicular to the bonding surface is reversed. The distortion of each piezoelectric single crystal in the direction perpendicular to the bonding surface due to the application of an electric field in the repolarization process occurs in the opposite direction. This may cause damage to the bonding surface, such as wafer cracking.
  • the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded to each other with a polar surface having opposite polarity, and the direction of polarization in the direction perpendicular to the bonded surface is the same.
  • distortion of each piezoelectric single crystal in the direction perpendicular to the bonding surface due to the application of an electric field in the repolarization process occurs in the same direction. Therefore, damage to the joint surface can be suppressed.
  • the effect of facilitating detection of the reversal current generated when reversal of the reversal polarization is also obtained. If the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded with the same polarity polarity plane in the bonding step, the non-inverted polarization of the second piezoelectric single crystal body is restored by applying an electric field. (Inverted). Then, due to the reversal current in the second piezoelectric single crystal body, it becomes difficult to detect the reversal current in the first piezoelectric single crystal body.
  • the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded to each other with a polar surface having a reverse polarity in the bonding step, the first piezoelectric single crystal body is bonded by applying an electric field in the repolarization step.
  • the polarization of the second piezoelectric single crystal is hardly reversed, and it is easy to detect the reversal current in the first piezoelectric single crystal. If the reversal current from the first piezoelectric single crystal can be detected, the control of the repolarization process and the determination of the completion of the repolarization process become easy.
  • the repolarization process of the present invention is included after the peeling process. As a result, reversal polarization due to heating or the like in the peeling step can be restored in the repolarization step while suppressing damage due to distortion.
  • the second piezoelectric single crystal is bonded to the first piezoelectric single crystal so that the polarization axis is in the same direction as the first piezoelectric single crystal.
  • the energy required to shift the constituent elements in the electric dipole inside the piezoelectric single crystal is significantly smaller than the energy required to remove the constituent elements from the crystal unit. Therefore, by injecting ions of opposite polarity from the first polarity surface, ions are injected from the same direction as the direction in which ions indicating spontaneous polarization inside the piezoelectric single crystal are shifted. Polarity inversion can be suppressed.
  • the piezoelectric single crystal is LiTaO 3 or LiNbO 3
  • Li ions, Ta ions, and Nb ions shift to the + C axis side, so it is better to inject cations from the ⁇ C axis side to the + C axis side. .
  • the electrode pattern in which the polar surface is partially exposed may be provided on the first polar surface or the second polar surface of the present invention.
  • the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention may include a step of forming a drive electrode on the first piezoelectric single crystal body of the piezoelectric composite substrate manufactured by the method according to any one of claims 1 to 6. Good.
  • the directions of the crystal axes of the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body can be arbitrarily set in the joining step.
  • the 1st piezoelectric single crystal body which peeled the thin film at the peeling process can be reused. For this reason, the inclination of the crystal axis and polarization axis of the single crystal thin film can be controlled, and the productivity can be improved.
  • the first piezoelectric single crystal body and the second piezoelectric single crystal body are bonded to each other with a polar surface having a reverse polarity, so that the bonding surface has almost no pyroelectricity, and peeling after the bonding step is performed. Even if thermal stress is applied to the microcavity in the process, almost no pyroelectric charge is generated, and damage to the joint surface can be suppressed and good piezoelectric characteristics can be obtained.
  • FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process flow of the method for manufacturing the surface acoustic wave resonator according to the first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows the piezoelectric composite board
  • FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process flow of a method for manufacturing a surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a piezoelectric composite substrate and a piezoelectric single crystal in each process in the manufacturing process flow.
  • a 42 ° Y-cut LiTaO 3 substrate is employed as the first piezoelectric single crystal body 1. Accordingly, the crystal axis of the piezoelectric single crystal 1 is inclined by 42 ° from the principal surface normal direction, and the polarization axis thereof is inclined by 48 ° from the principal surface normal direction.
  • the crystal axis affects the electromechanical coupling coefficient, frequency temperature characteristics, and sound velocity, and has an important effect on the frequency, bandwidth, insertion loss, etc. of the surface acoustic wave resonator. Therefore, a surface acoustic wave resonator having excellent characteristics can be configured by setting the inclination of the crystal axis of the piezoelectric single crystal 1 used in the present embodiment as described above.
  • the design freedom such as the frequency and bandwidth of the surface acoustic wave resonator to be manufactured, the insertion loss, the electromechanical coupling coefficient, the frequency temperature characteristic, and the speed of sound is free. Increase the degree.
  • the piezoelectric single crystal body 1 is subjected to polarization treatment.
  • a plurality of electric dipoles spontaneously polarized along the polarization axis are aligned inside the piezoelectric single crystal body by the polarization treatment, and the polarization directions of the electric dipoles are aligned.
  • the positive and negative polarities appear to be canceled between the adjacent electric dipoles, but both main surfaces of the piezoelectric single crystal body 1 having no adjacent electric dipoles have either positive or negative polarity, A positive polarity surface or a negative polarity surface having almost uniform polarity over the entire surface.
  • the second piezoelectric single crystal body 2 subjected to the polarization treatment is adopted as the support substrate of the first piezoelectric single crystal body 1.
  • the piezoelectric single crystal body 2 it is preferable to use a Z-cut wafer or the like having a large market distribution amount because the manufacturing cost is lowered.
  • an ion implantation step of implanting H + ions into the main surface 1B of the piezoelectric single crystal body 1 is performed (S1).
  • Main surface 1B is mirror-polished, and here is a first polar surface that is negative and substantially uniform.
  • the main surface 1A facing the main surface 1B is a positive polarity and a substantially uniform polar surface.
  • the implantation energy of H + ions is 150 KeV, and the dose (ion implantation density) is 9 ⁇ 10 16 atoms / cm 2 .
  • H + ions are accumulated from the main surface 1B of the piezoelectric single crystal 1 at a depth of about 1 ⁇ m to form a microcavity, thereby forming the release layer 3.
  • a part of polarization in the main surface 1B may be reversed, and the main surface 1B may be partially positive.
  • a joining step for directly joining the main surface 1B of the piezoelectric single crystal body 1 to the main surface 2A of the piezoelectric single crystal body 2 is performed (S2).
  • the main surface 2A is mirror-polished, and is a positive polarity and substantially uniform second polar surface here.
  • the main surface 2B facing the main surface 2A is a negative polarity and a substantially uniform polar surface.
  • this joining step (S2) is performed by thermal joining or the like, a part of polarization in the main surface 1B may be reversed by the heat energy, and the main surface 1B may become partially positive.
  • a part of the polarization in the main surface 2A may be reversed, and the main surface 2A may be partially negative.
  • the piezoelectric single crystal body 1 and the piezoelectric single crystal body 2 are bonded to each other between the positive polarity surface and the negative polarity surface as described above, the polarities of the polar surfaces basically cancel each other. However, since the polarization polarity partially reversed by ion implantation or thermal bonding remains without being canceled, the bonding surface has weak pyroelectricity.
  • the bonded piezoelectric single crystal body 1 and the piezoelectric single crystal body 2 are placed in a 500 ° C. heating environment, and a peeling process for dividing the peeling layer 3 is performed (S3).
  • S3 a peeling process for dividing the peeling layer 3
  • the microcavity grows due to thermal stress, and a thickness portion of about 1 ⁇ m below the release layer 3 of the piezoelectric single crystal 1 is peeled off as the piezoelectric single crystal thin film 4 together with the piezoelectric single crystal 2.
  • the piezoelectric composite substrate 5 is configured.
  • the thickness of the piezoelectric single crystal thin film 4 is determined by the energy at the time of ion implantation, and the thickness is not affected by substrate swell and the like and is stable. Since this thickness determines the sound velocity of the surface acoustic wave, the surface acoustic wave resonator can be set to a stable performance by the manufacturing method of the present embodiment.
  • the remaining piezoelectric single crystal body 1 and the piezoelectric composite substrate 5 are subjected to a polishing process of performing chemical mechanical polishing (CMP) after the respective release layers (S4).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the peeled surface between the piezoelectric single crystal 1 and the piezoelectric composite substrate 5 is roughened by about 10 nm in terms of RMS (root mean square), it is mirror-polished by CMP so that the roughness becomes 1 nm or less.
  • polishing is performed in the depth direction by about 100 nm.
  • the piezoelectric single crystal body 1 after mirror polishing is used again in the ion implantation process.
  • the piezoelectric single crystal 1 after mirror polishing is reused, several tens to several hundreds of piezoelectric single crystal thin films 4 can be obtained from the high-priced piezoelectric single crystal 1. Therefore, the usage amount of Li, Ta, etc. per piece of the piezoelectric single crystal thin film 4 can be suppressed, and the environmental load can be suppressed.
  • the piezoelectric single crystal 2 having a low unit price is used, the piezoelectric composite substrate 5 can be obtained at a low unit price.
  • the reason why the piezoelectric single crystal 1 has a high unit price is that the growth rate of the single crystal is slow, it is easy to break, it is difficult to slice, and raw materials such as Li and Ta are scarce.
  • a repolarization process is performed on the piezoelectric composite substrate 5 after mirror polishing (S5).
  • a pulse voltage of about 5 ms and 22 kV is applied to the piezoelectric composite substrate 5 from the normal direction of the principal surface of the piezoelectric composite substrate 5 in a 400 ° C. environment.
  • the surface on the piezoelectric single crystal thin film 4 side has a positive polarity
  • the surface on the piezoelectric single crystal body 2 side has a negative polarity
  • a positive potential is applied to the piezoelectric single crystal body 2 side.
  • an electric field is applied to the inside of the piezoelectric composite substrate 5 in a certain direction, the positive pole of the electric dipole faces a negative potential, the negative pole of the electric dipole faces a positive potential, and a part of the inverted polarization is restored. It will be.
  • This step is preferably performed after the peeling step, and the temperature is 200 to 1200 ° C. in consideration of the melting point of each part and the difference in thermal expansion coefficient. Note that the higher the temperature, the lower the coercive electric field of the piezoelectric body, so that the applied electric field can be kept low. Further, it is desirable that the electric field be intermittently applied in the range of 1 ⁇ s to 1 minute, since damage to the crystal due to the DC electric field can be suppressed.
  • heating at 200 ° C. or higher is desirable because it relaxes the distortion of crystals received by ion implantation.
  • the heating temperature for taking crystal strain is preferably lower than the Curie temperature by 100 ° C. or more in order to avoid the elimination of polarization.
  • each layer of the piezoelectric composite substrate 5 disposed in the electric field is deformed by the piezoelectric effect.
  • the piezoelectric single crystal thin film 4 and the piezoelectric single crystal The direction of polarization with the crystal body 2 in the main surface normal direction is such that the upper side is positive and the lower side is negative.
  • the distortion in the main surface normal direction is the same,
  • the relative displacement amount of the single crystal can be suppressed, the risk of wafer cracking can be reduced, and the quality of the bonding surface between the piezoelectric single crystal 1 and the piezoelectric single crystal 2 can be improved.
  • the inclination of the polarization axis in the piezoelectric single crystal body 2 from the principal surface normal direction is arbitrary, but it is preferable to match the inclination of the piezoelectric single crystal body 1 and the polarization axis to the crack of the wafer.
  • an aluminum IDT electrode 6 is formed on the piezoelectric single crystal thin film 4 of the piezoelectric composite substrate 5 by using a photolithography process to form a surface acoustic wave resonator (S6).
  • the piezoelectric composite substrate 5 according to the first embodiment of the present invention can be manufactured.
  • the present invention is adopted in the method of manufacturing the surface acoustic wave resonator.
  • the present invention is not limited to this, and the method of manufacturing the bulk acoustic wave resonator or the interfacial acoustic wave resonator can be used. Can also be adopted.
  • the surface acoustic wave resonator and the bulk acoustic wave resonator may have a general configuration.
  • a configuration such as Japanese Patent Application No. 2003-32409 may be employed.
  • Second Embodiment An example of a process in which the method for manufacturing a piezoelectric composite substrate according to the second embodiment of the present invention is employed in the method for manufacturing a surface acoustic wave vibrator will be described.
  • FIG. 3 is a configuration example of the piezoelectric composite substrate 15 manufactured in the present embodiment.
  • the piezoelectric composite substrate 15 includes piezoelectric single crystal bodies 11 and 12, a Si substrate 17, and an intermediate layer electrode pattern 16.
  • the piezoelectric single crystals 11 and 12 are piezoelectric single crystals each having a thickness of 0.1 to 9.9 ⁇ m.
  • the Si substrate 17 is a substrate having a thickness of about 0.5 mm and is bonded to the piezoelectric single crystal body 12.
  • a vibration space 15 ⁇ / b> A formed by removing the sacrificial layer is exposed at the bonding surface between the Si substrate 17 and the piezoelectric single crystal body 12. Further, the piezoelectric single crystals 11 and 12 are provided with a hole 15B reaching the vibration space 15A.
  • the intermediate layer electrode pattern 16 is partially provided between the piezoelectric single crystal bodies 11 and 12, and the piezoelectric single crystal bodies 11 and 12 are directly bonded in a region including the end portion of the main surface, and the central portion of the main surface is formed. Joining is performed via the intermediate layer electrode pattern 16 in the region including the same.
  • the piezoelectric single crystal body 11 is a first piezoelectric single crystal body, and has the same configuration as the piezoelectric single crystal body 1 of the first embodiment. That is, the piezoelectric single crystal body 11 is a 42 ° Y-cut LiTaO 3 substrate, and both main surfaces of the piezoelectric single crystal body 11 are positive or negative surfaces having either positive or negative polarity by polarization treatment.
  • the piezoelectric single crystal body 12 is a second piezoelectric single crystal body, and has the same configuration as the piezoelectric single crystal body 11. That is, the piezoelectric single crystal body 12 is a 42 ° Y-cut LiTaO 3 substrate, and both main surfaces are a positive polarity surface or a negative polarity surface having a positive or negative polarity by polarization treatment.
  • FIG. 4 is a view showing a manufacturing process flow of the method for manufacturing the surface acoustic wave resonator according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a piezoelectric composite substrate and a piezoelectric single crystal in each process in the manufacturing process flow of the method for manufacturing the surface acoustic wave vibrator according to the present embodiment.
  • an ion implantation process for implanting H + ions into the main surface 11B of the first piezoelectric single crystal body 11 is performed (S11).
  • the main surface 11B is mirror-polished, and here is a first polar surface that is negative and substantially uniform.
  • the main surface 11A facing the main surface 11B is a positive and substantially uniform polar surface.
  • the implantation energy of H + ions is 150 KeV, and the dose (ion implantation density) is 9 ⁇ 10 16 atoms / cm 2 .
  • H + ions are accumulated at a depth of about 1 ⁇ m from the main surface 11B of the piezoelectric single crystal 11 to form a microcavity, thereby forming the release layer 13.
  • a part of polarization in the main surface 11B may be reversed, and the main surface 11B may become partially positive.
  • a bonding step is performed in which the main surface 11B of the piezoelectric single crystal 11 is directly bonded to the main surface of the second piezoelectric single crystal 12 (S12).
  • the piezoelectric single crystal body 12 used in this step is formed on the composite substrate 19 in advance.
  • the composite substrate 19 is obtained by bonding the negative polarity surface of the piezoelectric single crystal body 12 to the Si substrate 17 provided with the sacrificial layer 18 and providing the intermediate layer electrode pattern 16 on the positive polarity surface of the piezoelectric single crystal body 12. .
  • the main surface 11B which is the negative polarity surface of the piezoelectric single crystal body 11, is bonded to the surface of the composite substrate 19 where the positive polarity surface of the piezoelectric single crystal body 12 and the intermediate layer electrode pattern 16 are exposed.
  • the composite substrate 19 is manufactured as follows. First, a recess that becomes the vibration space 15A is formed on the main surface of the Si substrate 17 by reactive ion etching, and a sacrificial layer 18 is formed in the recess. Thereafter, the main surface of the Si substrate 17 is smoothed by CMP. Next, the ion-implanted piezoelectric single crystal is bonded to the sacrificial layer forming surface of the Si substrate 17, and the thin film that becomes the piezoelectric single crystal 12 is peeled off by thermal peeling. Next, the intermediate layer electrode pattern 16 is formed after the surface polishing by CMP.
  • the composite substrate 19 can be prepared through the above steps.
  • the piezoelectric single crystal body 11 and the piezoelectric single crystal body 12 are regions including the principal surface end portions, and the positive polarity surface and the negative polarity surface are directly joined. The polarities of each other will cancel each other. However, since the polarization polarity partially reversed by ion implantation or thermal bonding remains without being canceled, the bonding surface has weak pyroelectricity. Note that such pyroelectricity does not occur at a position where the intermediate layer electrode pattern 16 is interposed between the piezoelectric single crystal body 11 and the piezoelectric single crystal body 12.
  • the bonded piezoelectric single crystal body 11 and the composite substrate 19 are placed in a 500 ° C. heating environment, and a peeling process for dividing the peeling layer 13 is performed (S13).
  • a peeling process for dividing the peeling layer 13 is performed (S13).
  • the microcavity grows due to thermal stress, and a portion having a thickness of about 1 ⁇ m below the release layer 13 of the piezoelectric single crystal 11 is peeled off as the piezoelectric single crystal 14, together with the composite substrate 19.
  • the composite substrate 15 is configured.
  • the thickness of the piezoelectric single crystal body 14 is determined by the energy at the time of ion implantation, and the thickness is not affected by substrate waviness or the like and is stable. Since this thickness determines the sound velocity of the surface acoustic wave, the surface acoustic wave vibrator can be set to a stable performance by the manufacturing method of the present embodiment.
  • the remaining piezoelectric single crystal body 11 and the piezoelectric composite substrate 15 are subjected to a polishing process of performing chemical mechanical polishing (CMP) after the respective release layers (S14).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the piezoelectric single crystal body 1 after mirror polishing is used again in the ion implantation process.
  • a repolarization process is performed on the piezoelectric composite substrate 15 after mirror polishing (S15).
  • a pulse voltage of about 5 ms and 22 kV is applied to the piezoelectric composite substrate 15 from the normal direction of the principal surface of the piezoelectric composite substrate 15 in a 400 ° C. environment.
  • a negative potential is applied to the piezoelectric single crystal body 14 side, and a positive potential is applied to the piezoelectric single crystal body 12 side.
  • an electric field is applied to the inside of the piezoelectric composite substrate 15 in a certain direction, and a part of the inverted polarization is restored.
  • the piezoelectric layers of the piezoelectric composite substrate 15 disposed in the electric field are deformed by the piezoelectric effect.
  • the normal surface normal between the piezoelectric single crystal body 14 and the piezoelectric single crystal body 12 is present.
  • the direction of polarization is such that the upper side is positive and the lower side is negative, so the distortion in the main surface normal direction is the same direction, and the relative displacement of each piezoelectric single crystal is suppressed. And the risk of wafer cracking can be reduced.
  • the direction of strain parallel to the principal surface can be matched. It can. Since the adverse effect due to the strain in the repolarization process occurs regardless of the presence or absence of the intermediate layer electrode pattern, the effect of reducing the strain can be obtained even if the plurality of piezoelectric single crystals are not directly joined.
  • the reversal in the piezoelectric single crystal body 12 in this step is performed. There are almost no electrodes, and it is easy to detect a minute inversion current in the piezoelectric single crystal body 14.
  • holes 15B reaching the sacrificial layer are formed in the piezoelectric single crystal bodies 14 and 12 of the piezoelectric composite substrate 15 by etching or the like, and the sacrificial layer 18 is removed to form the vibration space 15A (S16).
  • the piezoelectric composite substrate 15 according to the second embodiment of the present invention can be manufactured by the above manufacturing method.
  • the present invention is adopted in the method of manufacturing the surface acoustic wave vibrator.
  • the present invention is not limited to this, but in the method of manufacturing the bulk acoustic wave vibrator or the interfacial acoustic wave vibrator. Can also be adopted.

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Abstract

　単結晶薄膜の結晶軸や分極軸の傾きを制御可能で生産性が良く、製造工程での焦電性による悪影響を回避できる圧電性複合基板の製造方法の提供を図る。複数の圧電体を備える圧電性複合基板の製造方法であって、イオン注入工程（Ｓ１）と接合工程（Ｓ２）と剥離工程（Ｓ３）を含む。イオン注入工程（Ｓ１）では、圧電体の圧電単結晶体（１）へH+イオンを注入する。接合工程（Ｓ２）では圧電単結晶体（１）に圧電単結晶体（２）を接合する。その際、圧電単結晶体（１）と圧電単結晶体（２）とで接合面側の極性面の正負を逆にしておく。そして、剥離工程（Ｓ３）では、加熱により圧電単結晶体（１）を剥離層（３）で分断して圧電単結晶薄膜（４）を剥離する。

Description

圧電性複合基板の製造方法、および圧電素子の製造方法
　この発明は、複数の圧電単結晶体を備える圧電性複合基板の製造方法、および、圧電性複合基板の少なくとも一つの圧電単結晶体に駆動電極を形成した圧電素子の製造方法に関するものである。
　近年、圧電体の単結晶薄膜を備える圧電性複合基板を利用する圧電振動子や圧電共振子が開発されている。圧電体の単結晶薄膜の製造には、従来はスパッタ法やＣＶＤ法などにより圧電体であるＡｌＮやＺｎＯを堆積する製造方法が採用されている。（例えば、非特許文献１参照。）。この製造方法で得られる単結晶薄膜はＣ軸配向膜となり結晶軸の配向方向が基板の上下に整列するため、結晶軸や分極軸の傾きを制御して圧電素子の性能を調整することができない。
　また、結晶軸や分極軸の傾きを制御できる従来の製造方法としては、圧電体の単結晶基体を研磨する製造方法がある（例えば、非特許文献２参照。）。この方法では、圧電単結晶の大半が研磨くずとして廃棄されるため材料の利用効率が悪く、また、薄膜の厚みを均質にすることが難しく生産性が悪い。
　また、圧電素子を構成する際に複数の圧電体を熱接合により貼り合わせることがある。（例えば、特許文献１参照）。この場合、各圧電体を把持して重ね合わせてから加熱することになるが、圧電体が薄膜であれば割れやすく取り扱いが困難であり、やはり生産性が悪い。
Y. Osugi et al.; "Single crystalFBAR with LiNbO3 and LiTaO3", 2007 IEEE MTT-S International MicrowaveSymposium, pp.873-876 M. Bruel ; "A new Silicon OnInsulator material technology", Electronics Letters, vol. 31, Issue 14,June 6th 1995, p.1201
特許第３２６４０７４号公報
　従来の製造方法を用いて圧電体の薄膜を別の圧電体に接合した圧電性複合基板を製造する場合、単結晶薄膜の結晶軸や分極軸の傾きを制御しながら生産性を改善することは難しかった。
　その上、複数の圧電体を接合した圧電性複合基板では、製造時に圧電体が加熱されることで、接合面に焦電荷が集中して生じて接合面にダメージが及び圧電特性が劣化することがある。
　そこで本発明は、単結晶薄膜の結晶軸や分極軸の傾きを制御可能で生産性が良く、製造工程での焦電性による悪影響を回避できる圧電性複合基板の製造方法、および、圧電素子の製造方法の提供を目的とする。
　この発明は、圧電効果が利用される第１の圧電単結晶体と、第１の圧電単結晶体に接合される第２の圧電単結晶体とを備える圧電性複合基板の製造方法であって、イオン注入工程と接合工程と剥離工程とを含む。イオン注入工程は、第１の圧電単結晶体の第１の極性面にイオンを注入することにより、剥離層にマイクロキャビティを集積して形成する。第１の極性面は略均一な極性を有する。剥離層は第１の極性面から第１の圧電単結晶体の内部に離れる。接合工程は、イオン注入工程の後、第２の圧電単結晶体の第２の極性面に第１の圧電単結晶体の第１の極性面を接合する。第２の極性面は、第１の極性面とは逆極性で略均一な極性を有する。剥離工程は、接合工程の後、マイクロキャビティに熱応力を作用させるにより剥離層を分断する。
　この製造方法によれば、接合工程で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体との姿勢を制御できるため結晶軸の方向を任意に設定できる。また、剥離工程で第１の圧電単結晶体から薄膜を剥離でき、第１の圧電単結晶体を再利用できる。このため、圧電単結晶薄膜の結晶軸や分極軸の傾きを制御可能で生産性が改善できる。
　また、仮に接合工程で、第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを同極性の極性面で接合していれば、接合面で正負の極性が打ち消されずに極性が残留する。このため接合面が焦電性を持つに至り、加熱による焦電荷が接合面に集中して生じ、接合面にダメージが及ぶ危険性がある。しかしながら本製造方法では、第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを逆極性の極性面で接合するので、接合面で正負の極性が打ち消されて焦電性がほとんどなくなる。したがって、剥離工程でマイクロキャビティに熱応力を作用させても良好な品質の接合面が得られる。
　この発明の圧電性複合基板の製造方法は、再分極工程を含むと好適である。イオン注入や熱接合などの作用によって圧電単結晶体の表面では一部の分極が反転することがある。そこで、接合工程の後、再分極工程で電界を印加することで、反転分極を復元させることができる。
　なお、再分極工程での電界印加により各圧電体は変形することになる。仮に接合工程で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを同極性の極性面で接合していれば、すなわち接合面に垂直な方向での分極の向きが逆であれば、再分極工程での電界印加による接合面に垂直な方向での各圧電単結晶体の歪みが逆向きに生じる。これにより、ウェハ割れが生じるなど接合面にダメージが及ぶことがある。しかしながら本製造方法によれば、第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とは逆極性の極性面で接合していて、接合面に垂直な方向での分極の向きが同じなので、再分極工程での電界印加による接合面に垂直な方向での各圧電単結晶体の歪みが同方向に生じる。したがって、接合面に及ぶダメージが抑えられる。
　その上、本製造方法によれば、反転分極が復元する際に生じる反転電流の検出が容易になる効果も得られる。仮に接合工程で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを同極性の極性面で接合していれば、電界印加により第２の圧電単結晶体の非反転な分極まで復元（反転）することがある。すると、第２の圧電単結晶体での反転電流によって、第１の圧電単結晶体での反転電流の検出が困難になる。一方、本製造方法によれば、接合工程で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを逆極性の極性面で接合しているので、再分極工程での電界印加により第２の圧電単結晶体の分極まで反転させることが殆ど無く、第１の圧電単結晶体での反転電流の検出が容易である。第１の圧電単結晶体からの反転電流を検出することができれば、再分極処理の制御や再分極処理の完了の判断が容易になる。
　この発明の再分極工程は、剥離工程の後に含むと好適である。これにより剥離工程での加熱などによる反転分極についても、歪みによるダメージを抑えながら再分極工程で復元できる。
　この発明の接合工程は、分極軸が第１の圧電単結晶体と同方向になるようにして、第２の圧電単結晶体を第１の圧電単結晶体に接合すると好適である。これにより、各圧電単結晶体への電界印加の際に、接合面に平行な方向での歪みの向きまで同じになり、さらにウェハ割れなどの危険性を抑えられる。
　この発明のイオン注入工程は、第１の極性面に逆極性のイオンを注入すると好適である。一般に圧電単結晶体の内部の電気双極子における構成元素をシフトさせるのに必要なエネルギーは、構成元素を結晶単位から外すのに必要なエネルギーに比べ、著しく小さい。そこで、第１の極性面から逆極性のイオンを注入することにより、圧電単結晶体の内部の自発分極を示すイオンのシフトしている方向と同一方向からイオンを注入することになり、自発分極の極性反転を抑制できる。例えば、圧電単結晶体がLiTaO3やLiNbO3であれば、LiイオンやTaイオン、Nbイオンは+C軸側にシフトするので、－C軸側から+C軸側に陽イオンを注入するとよい。
　この発明の第１の極性面または第２の極性面に、部分的に極性面が露出する電極パターンを備えてもよい。
　このように接合面に電極パターンを形成する場合であっても、接合面の一部で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とが直接接合していれば、本発明の採用によって、直接接合した位置での焦電性を抑えられ望ましい。
　本発明の圧電素子の製造方法は、請求項１～６のいずれかに係る方法で製造された圧電性複合基板の、第１の圧電単結晶体に駆動電極を形成する工程を有してもよい。
　この発明によれば、接合工程で第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体との結晶軸の方向を任意に設定できる。また、剥離工程で薄膜を剥離した第１の圧電単結晶体を再利用できる。このため、単結晶薄膜の結晶軸や分極軸の傾きを制御可能であり、その生産性が改善できる。
　その上、接合工程では、第１の圧電単結晶体と第２の圧電単結晶体とを逆極性の極性面で接合するので接合面が焦電性をほとんど持たず、接合工程の後の剥離工程でマイクロキャビティに熱応力を作用させても焦電荷が殆ど生じず、接合面のダメージを抑えて良好な圧電特性が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る表面弾性波共振子の製造方法の製造工程フローを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る製造工程フローにおける各工程での圧電性複合基板や、圧電体の単結晶基体、支持基板を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波振動子の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波共振子の製造方法の製造工程フローを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造工程フローにおける各工程での圧電性複合基板や、圧電体の単結晶基体、支持基板を示す模式図である。
《第１の実施形態》
　以下、本発明の第１の実施形態に係る圧電性複合基板の製造方法を、表面弾性波共振子の製造方法に採用した工程例を説明する。
　図１は、本実施形態に係る表面弾性波共振子の製造方法の製造工程フローを示す図である。図２は、同製造工程フローにおける各工程での圧電性複合基板や、圧電単結晶体を示す模式図である。
　本実施形態では第１の圧電単結晶体１として42°ＹカットのLiTaO3基板を採用する。したがって、この圧電単結晶体１の結晶軸は主面法線方向から42°傾き、その分極軸は主面法線方向から48°傾く。結晶軸は電気機械結合係数や周波数温度特性、音速に影響し、弾性表面波共振子の周波数や帯域幅、挿入損失などに重要な影響を与える。そのため、本実施形態で利用する圧電単結晶体１の結晶軸の傾きを上記のようにしておくことで、優れた特性の弾性表面波共振子を構成できる。本実施形態では、圧電単結晶体１の結晶軸が制御可能であるため、製造する弾性表面波共振子の周波数や帯域幅、挿入損失、電気機械結合係数、周波数温度特性、音速などの設計自由度を高められる。
　また、この圧電単結晶体１には分極処理を施しておく。分極処理によって圧電単結晶体の内部では、分極軸に沿って自発分極した複数の電気双極子が整列し、各電気双極子の分極の向きが揃った状態になる。この状態では、隣接する電気双極子の間で正負の極性が打ち消されたようになるが、隣接する電気双極子が存在しない圧電単結晶体１の両主面は正負いずれかの極性を帯び、全面で極性がほぼ均一な正極性面または負極性面になる。
　また、本実施形態では第１の圧電単結晶体１の支持基板として、分極処理された第２の圧電単結晶体２を採用する。圧電単結晶体２としては市場流通量の多いZカットウエハなどを使用すると製造コストが低くなって好適である。
　製造工程フローでは、まず圧電単結晶体１の主面１ＢにＨ+イオンを注入するイオン注入工程を行う（Ｓ１）。主面１Ｂは鏡面研磨されていて、ここでは負極性で略均一な第1の極性面である。なお、主面１Ｂに対向する主面１Ａは正極性で略均一な極性面である。
　Ｈ+イオンの注入エネルギーは１５０KeVとし、ドーズ量（イオン注入密度）は９×1016atom／cm2とする。これにより、Ｈ+イオンが圧電単結晶体１の主面１Ｂから約1μmの深さで集積してマイクロキャビティを形成して剥離層３を構成する。ここで、注入されるイオンのエネルギーによって、主面１Ｂにおける一部の分極が反転して主面１Ｂが部分的に正極性になることがある。
　次に、圧電単結晶体２の主面２Ａに圧電単結晶体１の主面１Ｂを直接接合する接合工程を行う（Ｓ２）。主面２Ａは鏡面研磨されていて、ここでは正極性で略均一な第２の極性面である。なお、主面２Ａに対向する主面２Ｂは負極性で略均一な極性面である。ここで、この接合工程（Ｓ２）を熱接合などで行うと、熱エネルギーによって主面１Ｂにおける一部の分極が反転して主面１Ｂが部分的に正極性になることがある。また、主面２Ａにおける一部の分極が反転して主面２Ａが部分的に負極性になることもある。
　このように圧電単結晶体１と圧電単結晶体２とを正極性面と負極性面とで接合するため、基本的には、各極性面の互いの極性は打ち消し合うことになる。ただし、イオン注入や熱接合によって反転した一部の分極の極性は打ち消されずに残留するので、接合面は弱い焦電性を持つことになる。
　次に、接合した圧電単結晶体１と圧電単結晶体２とを５００℃加熱環境下におき、剥離層３を分断する剥離工程を行う（Ｓ３）。これにより剥離層３では、マイクロキャビティが熱応力により成長し、圧電単結晶体１の剥離層３より下部の約1μmの厚み部分が、圧電単結晶薄膜４として剥離して圧電単結晶体２とともに圧電性複合基板５を構成する。圧電単結晶薄膜４の厚みはイオン注入するときのエネルギーで決まり、基板うねりなどに厚みが左右されることはなく安定する。この厚みは、表面弾性波の音速を決定するので、本実施形態の製造方法により表面弾性波共振子を安定した性能に設定できる。
　この工程では、圧電性複合基板５における圧電単結晶薄膜４と圧電単結晶体２との接合面に熱が作用することになる。上述のように、この接合面は弱い焦電性を持つのでいくらかの焦電荷が生じることになる。しかしながら、この焦電荷の総量は少ないので、圧電単結晶体１と圧電単結晶体２との接合面は十分な品質を確保できる。
　次に、残りの圧電単結晶体１と圧電性複合基板５とで、それぞれの剥離層の後を化学機械研磨（ＣＭＰ）する研磨工程を行う（Ｓ４）。ここで、圧電単結晶体１と圧電性複合基板５との剥離面は、それぞれＲＭＳ（二乗平均平方根）で1０nm程度荒れるので、ＣＭＰにより荒れが1nm以下になるように鏡面研磨する。ＣＭＰでは深さ方向に約１００ｎｍほど研磨を行う。鏡面研磨後の圧電単結晶体１は再びイオン注入工程で利用する。
　鏡面研磨後の圧電単結晶体１は再利用するので、高単価な圧電単結晶体１から、数十枚～数百枚の圧電単結晶薄膜４を得ることができる。したがって、圧電単結晶薄膜４の一枚当たりのLiやTaなどの使用量を抑制でき環境負荷を抑えられる。また、低単価な圧電単結晶体２を利用するので圧電性複合基板５を低単価で得られる。圧電単結晶体１が高単価となるのは、単結晶の育成速度が遅く、割れやすいためスライスしづらく、LiやTaなどの原料が希少であるためである。
　次に、鏡面研磨後の圧電性複合基板５に再分極工程を行う（Ｓ５）。ここでは、圧電性複合基板５に対して、４００℃環境下で約5ms、22kVのパルス電圧を圧電性複合基板５の主面法線方向から印加する。本実施形態では圧電単結晶薄膜４側の表面を正極性に、圧電単結晶体２側の表面を負極性にしていて、分極の向きもこれにしたがっているので、圧電単結晶薄膜４側に負電位を、圧電単結晶体２側に正電位を印加する。これにより、圧電性複合基板５の内部に一定方向に電界が印加され、電気双極子の正極が負電位を向き、電気双極子の負極が正電位を向き、一部の反転した分極が復元することになる。この工程は剥離工程後に行うことが望ましく、温度は各部の融点や熱膨張係数差を考慮して、200～1200℃で行う。なお、高温であるほど圧電体の抗電界が下がるので、印加する電界を低く抑えることができる。また、電界は1μs～1分の範囲で断続的に印加すると直流電界による結晶へのダメージを抑制でき望ましい。また、200℃以上での加熱は、イオン注入により受けた結晶のひずみを緩和するため望ましい。結晶ひずみをとるための加熱温度は、分極の解消を避けるためにキューリー温度より100℃以上低くするとよい。
　なお、この工程では圧電効果によって電界中に配置された圧電性複合基板５の各層は変形することになる。その際、接合面での圧電単結晶薄膜４の歪みと圧電単結晶体２の歪みが相違することで、ウェハ割れが生じる危険性があるが、本製造方法では圧電単結晶薄膜４と圧電単結晶体２との主面法線方向での分極の向きを、上側が正極性で下側が負極性となるようにしているため、主面法線方向での歪みが同じ向きになり、各圧電単結晶体の相対変位量を抑えることができ、ウェハ割れの危険性を低減して圧電単結晶体１と圧電単結晶体２との接合面の品質を改善できる。なお、圧電単結晶体２における分極軸の主面法線方向からの傾きは任意であるが、圧電単結晶体１と分極軸の傾きまで合わせればウェハ割れをさらに抑制でき好適である。
　また、圧電体内の分極が電界の印加方向に反転する際には反転電流が発生する。本製造方法のように主面法線方向での分極の向きを圧電単結晶薄膜４と圧電単結晶体２とで同じにしていれば、圧電単結晶体２での反転電極がほとんど無いので、圧電単結晶薄膜４での微小な反転電流を検出しやすくなる。したがってこの反転電流を用いての再分極工程の制御や再分極工程の完了判断が可能になる。
　次に、圧電性複合基板５の圧電単結晶薄膜４上に、フォトリソグラフィプロセスを利用して、アルミニウムによるＩＤＴ電極６を形成して表面弾性波共振子を構成する（Ｓ６）。
　以上の製造工程フローにより、本発明の第１の実施形態に係る圧電性複合基板５を製造できる。
　本実施形態では、表面弾性波共振子の製造方法に本発明を採用する実施形態を示したが、本発明はこれ以外にも、バルク弾性波共振子や、界面弾性波共振子の製造方法にも採用することができる。表面弾性波共振子やバルク弾性波共振子は一般的な構成を採用するとよい。境界弾性波共振子については、特願２００３－３２４０９などの構成を採用するとよい。
《第２の実施形態》
　次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電性複合基板の製造方法を、表面弾性波振動子の製造方法に採用した工程例を説明する。
　図３は本実施形態で製造される圧電性複合基板１５の構成例である。
　圧電性複合基板１５は、圧電単結晶体１１，１２とSi基板１７と中間層電極パターン１６とを備える。圧電単結晶体１１，１２は、それぞれ０．１～９．９μｍの厚みの圧電単結晶体である。Si基板１７は約０．５ｍｍの厚みの基板であって、圧電単結晶体１２に接合されている。Si基板１７と圧電単結晶体１２との接合面には、犠牲層を除去してなる振動空間１５Ａが露出する。また、圧電単結晶体１１，１２には、振動空間１５Ａに至る孔１５Ｂを備える。中間層電極パターン１６は、圧電単結晶体１１，１２の間に部分的に設けられていて、圧電単結晶体１１，１２は主面端部を含む領域で直接接合し、主面中央部を含む領域で中間層電極パターン１６を介して接合する。
　本実施形態では、圧電単結晶体１１が第１の圧電単結晶体であり、第１の実施形態の圧電単結晶体１と同様な構成である。すなわち、圧電単結晶体１１は42°ＹカットのLiTaO3基板であり、圧電単結晶体１１の両主面は分極処理によって正負いずれかの極性を帯びた正極性面または負極性面である。
　同様に、圧電単結晶体１２が第２の圧電単結晶体であり、圧電単結晶体１１と同様の構成である。すなわち、この圧電単結晶体１２は42°ＹカットのLiTaO3基板であり、両主面は分極処理により正負いずれかの極性を帯びた正極性面または負極性面である。
　図４は、本実施形態に係る表面弾性波共振子の製造方法の製造工程フローを示す図である。図５は、本実施形態に係る表面弾性波振動子の製造方法の製造工程フローにおける各工程での圧電性複合基板や、圧電単結晶体を示す模式図である。
　製造工程フローでは、まず第1の圧電単結晶体１１の主面１１ＢにＨ+イオンを注入するイオン注入工程を行う（Ｓ１１）。主面１１Ｂは鏡面研磨されていて、ここでは負極性で略均一な第1の極性面である。なお、主面１１Ｂに対向する主面１１Ａは正極性で略均一な極性面である。
　Ｈ+イオンの注入エネルギーは１５０KeVとし、ドーズ量（イオン注入密度）は９×1016atom／cm2とする。これにより、Ｈ+イオンが圧電単結晶体１１の主面１１Ｂから約1μmの深さで集積してマイクロキャビティを形成して剥離層１３を構成する。ここで、注入されるイオンのエネルギーによって、主面１１Ｂにおける一部の分極が反転して主面１１Ｂが部分的に正極性になることがある。
　次に、第２の圧電単結晶体１２の主面に圧電単結晶体１１の主面１１Ｂを直接接合する接合工程を行う（Ｓ１２）。この工程で用いる圧電単結晶体１２は、予め複合基板１９に形成されている。複合基板１９は犠牲層１８が設けられたSi基板１７に、圧電単結晶体１２の負極性面を接合し、圧電単結晶体１２の正極性面に中間層電極パターン１６を設けたものである。そのため、複合基板１９の圧電単結晶体１２の正極性面と中間層電極パターン１６とが露出する表面に、圧電単結晶体１１の負極性面である主面１１Ｂを接合する。
　なお、この複合基板１９は次のようにして製造しておく。まず、Si基板１７の主面にリアクティブイオンエッチングにより振動空間１５Ａとなる窪みを形成し、その窪みに犠牲層１８を形成する。その後、Si基板１７の主面はCMPにより平滑化する。次に、イオン注入を行った圧電単結晶体をSi基板１７の犠牲層形成面に接合し、熱剥離により圧電単結晶体１２となる薄膜を剥離する。次いで、CMPによる表面研磨後に中間層電極パターン１６を形成する。以上のような工程を経ることにより複合基板１９を用意できる。
　ここで、圧電単結晶体１１と圧電単結晶体１２とは主面端部を含む領域で、正極性面と負極性面とを直接接合するため、基本的には、接合箇所での各極性面の互いの極性は打ち消し合うことになる。ただし、イオン注入や熱接合によって反転した一部の分極の極性は打ち消されずに残留するので、接合面は弱い焦電性を持つことになる。なお、圧電単結晶体１１と圧電単結晶体１２との間に中間層電極パターン１６が介在する位置では、このような焦電性は生じない。
　次に、接合した圧電単結晶体１１と複合基板１９を５００℃加熱環境下におき、剥離層１３を分断する剥離工程を行う（Ｓ１３）。これにより剥離層１３では、マイクロキャビティが熱応力により成長し、圧電単結晶体１１の剥離層１３より下部の約1μmの厚み部分が、圧電単結晶体１４として剥離して複合基板１９とともに、圧電性複合基板１５を構成する。圧電単結晶体１４の厚みはイオン注入するときのエネルギーで決まり、基板うねりなどに厚みが左右されることはなく安定する。この厚みは、表面弾性波の音速を決定するので、本実施形態の製造方法により表面弾性波振動子を安定した性能に設定できる。
　この工程では、圧電性複合基板１５における圧電単結晶体１４と複合基板１９と接合面に熱が作用することになる。上述のように、この接合面の主面端部を含む領域は弱い焦電性を持つので、いくらかの焦電荷が生じることになる。しかしながら、この焦電荷の総量は少ないので、接合面は十分な品質を確保できる。
　次に、残りの圧電単結晶体１１と圧電性複合基板１５とで、それぞれの剥離層の後を化学機械研磨（ＣＭＰ）する研磨工程を行う（Ｓ１４）。鏡面研磨後の圧電単結晶体１は再びイオン注入工程で利用する。
　次に、鏡面研磨後の圧電性複合基板１５に再分極工程を行う（Ｓ１５）。ここでは、圧電性複合基板１５に対して、４００℃環境下で約5ms、22kVのパルス電圧を圧電性複合基板１５の主面法線方向から印加する。本実施形態では圧電単結晶体１４側に負電位を、圧電単結晶体１２側に正電位を印加する。これにより、圧電性複合基板１５の内部に一定方向に電界が印加され、一部の反転した分極が復元することになる。
　なお、この工程では圧電効果によって電界中に配置された圧電性複合基板１５の各圧電体層は変形することになる。その際、圧電体層間の接合面での各層の歪みが相違することでウェハ割れが生じる危険性があるが、本製造方法では圧電単結晶体１４と圧電単結晶体１２との主面法線方向での分極の向きを、上側が正極性で下側が負極性となるようにしているため、主面法線方向での歪みが同じ向きになり、各圧電単結晶体の相対変位量を抑えることができ、ウェハ割れの危険性を低減できる。さらには、圧電単結晶体１２における分極軸の主面法線方向からの傾きと、圧電単結晶体１１の分極軸の傾きとを合わせることで、主面に平行な歪みの向きも合わせることができる。なお、再分極工程での歪みによる悪影響は中間層電極パターンの有無によらずに生じるので、仮に複数の圧電単結晶体が直接接合されていなくても、歪みを低減する効果は得られる。
　また、本製造方法のように主面法線方向での分極の向きを圧電単結晶体１４と圧電単結晶体１２とで同じにしていれば、本工程での圧電単結晶体１２での反転電極がほとんど無く、圧電単結晶体１４での微小な反転電流を検出しやすい。
　次に、圧電性複合基板１５の圧電単結晶体１４，１２に、犠牲層に至る孔１５Ｂをエッチングなどにより形成し、犠牲層１８を除去して振動空間１５Ａを構成する（Ｓ１６）。
　以上の製造方法により、本発明の第２の実施形態に係る圧電性複合基板１５を製造できる。
　本実施形態では、表面弾性波振動子の製造方法に本発明を採用する実施形態を示したが、本発明はこれ以外にも、バルク弾性波振動子や、界面弾性波振動子の製造方法にも採用することができる。
　１，２，４，１１，１２，１４…圧電単結晶体
　３，１３…剥離層
　５，１５…圧電性複合基板
　６…ＩＤＴ電極
　１５Ａ…振動空間
　１５Ｂ…孔
　１６…中間層電極パターン
　１７…Ｓｉ基板
　１８…犠牲層
　１９…複合基板

Claims (7)

  1. 　圧電効果が利用される第１の圧電単結晶体と、前記第１の圧電単結晶体に接合される第２の圧電単結晶体と、を備える圧電性複合基板の製造方法であって、
    　前記第１の圧電単結晶体の略均一な極性を有する第１の極性面にイオンを注入することにより、前記第１の極性面から内部に離れた剥離層にマイクロキャビティを集積して形成するイオン注入工程と、
    　前記イオン注入工程の後、前記第２の圧電単結晶体の、前記第１の極性面とは逆極性で略均一な極性を有する第２の極性面に、前記第１の圧電単結晶体の前記第１の極性面を接合する接合工程と、
    　前記接合工程の後、前記マイクロキャビティに熱応力を作用させるにより前記剥離層を分断する剥離工程と、を含む、圧電性複合基板の製造方法。
  2. 　前記接合工程の後、前記第１の圧電単結晶体に対して電界を印加して、前記第１の極性面の一部の反転した分極を復元させる再分極工程を含む、請求項1に記載の圧電性複合基板の製造方法。
  3. 　前記再分極工程は前記剥離工程の後に含む、請求項２に記載の圧電性複合基板の製造方法。
  4. 　前記接合工程は、分極軸が前記第１の圧電単結晶体と同方向になるようにして、前記第２の圧電単結晶体を前記第１の圧電単結晶体に接合する、請求項１～３のいずれかに記載の圧電性複合基板の製造方法。
  5. 　前記イオン注入工程は、前記第１の極性面に同極性のイオンを注入する、請求項１～４のいずれかに記載の複合基板の製造方法。
  6. 　前記第１の極性面または前記第２の極性面に、部分的に前記極性面が露出する電極パターンを備える、請求項１～５のいずれかに記載の圧電性複合基板の製造方法。
  7. 　請求項１～６のいずれかに記載の方法で製造された圧電性複合基板の、前記第１の圧電単結晶体に駆動電極を形成する工程を有する、圧電素子の製造方法。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015012005A1 (ja) * 2013-07-25 2015-01-29 日本碍子株式会社 複合基板及びその製法
JP2015505958A (ja) * 2011-11-30 2015-02-26 ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド イオン注入法によって作られた結晶センサ
JP2017114694A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 信越化学工業株式会社 化合物半導体積層基板及びその製造方法、並びに半導体素子
JP2019077607A (ja) * 2017-10-20 2019-05-23 信越化学工業株式会社 タンタル酸リチウム単結晶基板及びこれの接合基板とこの製造法及びこの基板を用いた弾性表面波デバイス
JP2020092322A (ja) * 2018-12-05 2020-06-11 太陽誘電株式会社 圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサ
WO2021157218A1 (ja) * 2020-02-03 2021-08-12 信越化学工業株式会社 複合基板およびその製造方法
JP2022512700A (ja) * 2018-10-16 2022-02-07 国立大学法人東北大学 弾性波デバイス

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4636292B2 (ja) * 2008-08-27 2011-02-23 株式会社村田製作所 電子部品及び電子部品の製造方法
JP4582235B2 (ja) * 2008-10-31 2010-11-17 株式会社村田製作所 圧電デバイスの製造方法
DE102012202727B4 (de) * 2012-02-22 2015-07-02 Vectron International Gmbh Verfahren zur Verbindung eines ersten elektronischen Bauelements mit einem zweiten Bauelement
JP2017034527A (ja) * 2015-08-04 2017-02-09 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、プローブ、超音波測定装置、電子機器、分極処理方法、及び、初期化装置
CN116032233A (zh) * 2023-03-29 2023-04-28 武汉敏声新技术有限公司 谐振器的制备方法及谐振器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1155070A (ja) * 1997-06-02 1999-02-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 弾性表面波素子とその製造方法
JP2001223556A (ja) * 2000-02-14 2001-08-17 Ueda Japan Radio Co Ltd 圧電振動子及びアレイ型圧電振動子
JP2003017967A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Toshiba Corp 弾性表面波素子及びその製造方法
JP2004513517A (ja) * 2000-11-06 2004-04-30 コミツサリア　タ　レネルジー　アトミーク ターゲット基板に結合される少なくとも一の薄層を備えた積層構造の作製方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55124316A (en) * 1979-03-20 1980-09-25 Toshiba Corp Manufacture of piezoelectric substrate for surface wave element
JP3264074B2 (ja) 1994-01-24 2002-03-11 松下電器産業株式会社 積層強誘電体及びその接合方法
FR2788176B1 (fr) * 1998-12-30 2001-05-25 Thomson Csf Dispositif a ondes acoustiques guidees dans une fine couche de materiau piezo-electrique collee par une colle moleculaire sur un substrat porteur et procede de fabrication

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1155070A (ja) * 1997-06-02 1999-02-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 弾性表面波素子とその製造方法
JP2001223556A (ja) * 2000-02-14 2001-08-17 Ueda Japan Radio Co Ltd 圧電振動子及びアレイ型圧電振動子
JP2004513517A (ja) * 2000-11-06 2004-04-30 コミツサリア　タ　レネルジー　アトミーク ターゲット基板に結合される少なくとも一の薄層を備えた積層構造の作製方法
JP2003017967A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Toshiba Corp 弾性表面波素子及びその製造方法

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015505958A (ja) * 2011-11-30 2015-02-26 ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド イオン注入法によって作られた結晶センサ
US11239405B2 (en) 2013-07-25 2022-02-01 Ngk Insulators, Ltd. Method of producing a composite substrate
US10211389B2 (en) 2013-07-25 2019-02-19 Ngk Insulators, Ltd. Composite substrate
WO2015012005A1 (ja) * 2013-07-25 2015-01-29 日本碍子株式会社 複合基板及びその製法
JP2017114694A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 信越化学工業株式会社 化合物半導体積層基板及びその製造方法、並びに半導体素子
JP2019077607A (ja) * 2017-10-20 2019-05-23 信越化学工業株式会社 タンタル酸リチウム単結晶基板及びこれの接合基板とこの製造法及びこの基板を用いた弾性表面波デバイス
JP2022512700A (ja) * 2018-10-16 2022-02-07 国立大学法人東北大学 弾性波デバイス
US12074581B2 (en) 2018-10-16 2024-08-27 Skyworks Solutions, Inc. Methods and assemblies related to fabrication of acoustic wave devices
US12081188B2 (en) 2018-10-16 2024-09-03 Skyworks Solutions, Inc. Acoustic wave devices
JP2020092322A (ja) * 2018-12-05 2020-06-11 太陽誘電株式会社 圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサ
JP7269719B2 (ja) 2018-12-05 2023-05-09 太陽誘電株式会社 圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサ
JP2021125496A (ja) * 2020-02-03 2021-08-30 信越化学工業株式会社 複合基板およびその製造方法
WO2021157218A1 (ja) * 2020-02-03 2021-08-12 信越化学工業株式会社 複合基板およびその製造方法
JP7271458B2 (ja) 2020-02-03 2023-05-11 信越化学工業株式会社 複合基板の製造方法

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