WO2012128268A1 - 圧電デバイス、圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

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岩本敬
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device using a piezoelectric thin film and a method for manufacturing the piezoelectric device.
  • piezoelectric devices using piezoelectric thin films have been developed.
  • Patent Document 1 a method of separating and forming a piezoelectric thin film from a piezoelectric substrate using an ion implantation layer as a separation surface was used.
  • a method of manufacturing a piezoelectric device has been devised.
  • a method of manufacturing a piezoelectric device using a method of separating and forming a piezoelectric thin film from a piezoelectric substrate using this ion implanted layer as a separation surface will be described below.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the manufacturing process of the piezoelectric device of Patent Document 1.
  • hydrogen ions are implanted from the surface 7 side of the piezoelectric substrate 5 to form an ion implantation layer 6 at a predetermined depth d of the piezoelectric substrate 5.
  • a binder 8 is deposited on the surface 7 of the piezoelectric substrate 5 by sputtering.
  • FIG. 1C the piezoelectric substrate 5 and the support substrate 9 are bonded.
  • the bonded body of the piezoelectric substrate 5 and the support substrate 9 is subjected to heat treatment, and separation is performed using the ion implantation layer 6 as a separation surface.
  • the piezoelectric thin film 4 as shown in FIG. 1D is formed on the support substrate 9.
  • separation surface of the piezoelectric thin film 4 is grind
  • examples of the material of the binder 8 include SiO 2 and metal materials (Cu, Ti, Al).
  • an electrode material used for a piezoelectric device it is common to use Al having a low electrical resistivity and a small specific gravity, or an Al-based alloy containing Al as a main component.
  • the Al electrode has poor stress migration resistance, and when large electric power is applied, hillocks and voids are generated in the Al electrode, eventually causing the Al electrode to be short-circuited or disconnected, thereby destroying the piezoelectric device.
  • Patent Document 2 discloses a method of forming an Al electrode with improved power durability by epitaxially growing Al on the piezoelectric substrate 2 after etching the surface of the piezoelectric substrate 2. It is disclosed. More specifically, first, a piezoelectric substrate capable of epitaxial growth by etching a work-affected layer 3 having a thickness of several nanometers (see FIG. 2A) generated on the surface of the piezoelectric substrate 2 by polishing or the like with a strong acid such as hydrofluoric acid. The crystal face 14 on the + Z axis side of 2 is exposed. When the work-affected layer 3 is removed by etching, as shown in FIG.
  • the surface of the piezoelectric substrate 2 has a crystal plane 14 (hereinafter referred to as the crystal plane 14) of the piezoelectric substrate 2 perpendicular to the crystal axis + Z axis. , Simply referred to as “+ Z plane 14”), a very minute step-like structure having a flat surface is exposed.
  • Al is epitaxially grown in the + Z axis direction on the + Z plane 14 of the piezoelectric substrate 2 so that the crystal growth plane is parallel to the + Z plane 14.
  • the Al electrode 11 having the crystal orientation oriented in the + Z-axis direction of the piezoelectric substrate 2 is obtained on the piezoelectric substrate 2, so that the power durability of the Al electrode can be improved.
  • Patent Document 2 has a problem that the etching rate of the piezoelectric substrate 2 in the + Y-axis direction is extremely slow. Therefore, in the piezoelectric device using the piezoelectric thin film 4 shown in FIG. 1D, when trying to obtain a high performance piezoelectric device with improved power durability, the + Z plane of the epitaxially growable piezoelectric thin film 4 is exposed. Therefore, it is necessary to increase the concentration of the etching solution or perform etching for a long time. When the concentration of the etching solution is increased or etching is performed for a long time, there is a problem that the bonding material 8 between the piezoelectric thin film 4 and the support substrate 9 is dissolved by the strong acid.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric device capable of improving the power durability of an electrode formed on a piezoelectric thin film and greatly reducing the concentration of etching solution and the etching time, and a method for manufacturing the piezoelectric device. It is to provide.
  • the piezoelectric device of the present invention has the following configuration in order to solve the above problems.
  • a support A piezoelectric thin film formed on the support and polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis which are crystal axes; An electrode formed on a crystal plane of the piezoelectric thin film perpendicular to the Z-axis and having a crystal plane parallel to the crystal plane of the piezoelectric thin film.
  • a dielectric film is provided between the support and the piezoelectric thin film.
  • the electrode since the electrode has a crystal orientation oriented in the ⁇ Z-axis direction, it has excellent power durability.
  • the main surface on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film is etched in order to expose the crystal plane of the piezoelectric thin film that can be epitaxially grown during manufacturing.
  • the etching rate of the piezoelectric thin film in the ⁇ Y-axis direction is extremely faster than the etching rate of the piezoelectric thin film in the + Y-axis direction. Therefore, the concentration of the etching solution and the etching time for exposing the crystal plane of the piezoelectric thin film that can be epitaxially grown can be greatly reduced.
  • the etching amount of the dielectric film by etching can be suppressed to a very small amount. Therefore, according to this configuration, the power durability of the electrode formed on the piezoelectric thin film can be improved, and the concentration of the etching solution and the etching time can be significantly reduced during the manufacturing.
  • the electrode material is preferably aluminum or a material mainly composed of aluminum.
  • the electrode is preferably formed on the crystal plane of the piezoelectric thin film so that the crystal plane (111) of aluminum is parallel to the ⁇ Z plane of the piezoelectric thin film.
  • the piezoelectric thin film is preferably made of a single crystal of lithium niobate or a single crystal of lithium tantalate.
  • the piezoelectric thin film having this configuration is spontaneously polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis.
  • the method for manufacturing a piezoelectric device of the present invention has the following configuration in order to solve the above problems.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric device including a support and a piezoelectric thin film formed on the support and polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis that are crystal axes.
  • the method for manufacturing a piezoelectric device of the present invention includes at least an etching step and an electrode formation step.
  • the etching step etches the main surface on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film among the main surface on the + Z-axis side of the piezoelectric thin film and the main surface on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film.
  • the electrode material is epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the crystal plane of the piezoelectric thin film perpendicular to the ⁇ Z axis exposed by etching so that the crystal growth plane is parallel to the crystal plane of the piezoelectric thin film, thereby forming an electrode. To do.
  • the main surface on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film is etched in order to expose the crystal plane of the piezoelectric thin film that can be epitaxially grown.
  • the etching rate of the piezoelectric thin film in the ⁇ Y-axis direction is extremely faster than the etching rate of the piezoelectric thin film in the + Y-axis direction. Therefore, the concentration of the etching solution and the etching time for exposing the crystal plane of the piezoelectric thin film that can be epitaxially grown can be greatly reduced.
  • the etching amount of the dielectric film by etching can be suppressed to a very small amount.
  • the electrode forming step since the electrode is formed on the crystal plane of the piezoelectric thin film so that the crystal orientation is oriented in the ⁇ Z-axis direction of the piezoelectric thin film, an electrode having excellent power durability can be obtained.
  • the power durability of the electrode formed on the piezoelectric thin film can be improved, and the concentration of the etching solution and the etching time can be greatly reduced.
  • the electrode material is preferably aluminum or a material mainly composed of aluminum.
  • the electrode forming step aluminum is epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the crystal plane of the piezoelectric thin film so that the crystal growth plane (111) of aluminum is parallel to the crystal plane of the piezoelectric thin film, thereby forming an electrode.
  • the piezoelectric thin film is preferably made of a single crystal of lithium niobate or a single crystal of lithium tantalate.
  • the piezoelectric device manufacturing method of the present invention includes at least an ion implantation step and a separation step.
  • an ionized element is implanted into the piezoelectric single crystal substrate, thereby forming a portion where the concentration of the element implanted into the piezoelectric single crystal substrate reaches a peak.
  • the separation step the piezoelectric thin film is separated from the piezoelectric single crystal substrate with the portion where the concentration of the implanted element has a peak as a separation surface.
  • a single crystal piezoelectric thin film is formed by ion implantation and separation. Therefore, according to this manufacturing method, it is possible to form a piezoelectric thin film having superior piezoelectricity than a polycrystalline thin film formed by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like.
  • the cut angle of the piezoelectric single crystal substrate is preferably a rotational Y cut.
  • the cut angle of the piezoelectric single crystal substrate is preferably larger than 90 ° and smaller than 270 ° (synonymous with being larger than ⁇ 270 ° and smaller than ⁇ 90 °).
  • the power durability of the electrode formed on the piezoelectric thin film can be improved, and the etching solution concentration and etching time can be greatly reduced.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the piezoelectric device of Patent Document 1.
  • FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing the state of the polished surface of the piezoelectric substrate 2 used in the method for manufacturing a piezoelectric device of Patent Document 2.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing a stepped structure on the + C plane side of the piezoelectric substrate 2 exposed after the etching process is completed.
  • FIG. 2C is a cross-sectional view schematically showing the state of the Al electrode 11 epitaxially grown on the + Z plane of the piezoelectric substrate 2 in the electrode forming step.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. 3.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing a stepped structure on the ⁇ C plane side of the piezoelectric thin film 20 exposed after the etching process shown in S109 of FIG. FIG.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing the state of the electrodes 60A to 60C epitaxially grown on the ⁇ Z plane of the piezoelectric thin film 20 by the electrode forming step shown in S110 of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. 3. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on 2nd Embodiment. It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. FIG.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view schematically showing the state of the separation surface of the piezoelectric thin film 120 shown in S204 of FIG.
  • FIG. 11B is a diagram schematically showing a stepped structure on the ⁇ C plane side of the piezoelectric thin film 120 exposed after the etching process shown in S206 of FIG. 8 is completed.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view schematically showing the state of the electrodes 60A to 60C epitaxially grown on the ⁇ Z plane of the piezoelectric thin film 120 by the electrode forming step shown in S207 of FIG. It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG.
  • a method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • a method for manufacturing a surface acoustic wave device will be described as an example of a method for manufacturing a piezoelectric device.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the method for manufacturing the piezoelectric device according to the first embodiment. 4, 5, and 7 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIG. 3.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing a stepped structure on the ⁇ C plane side of the piezoelectric thin film 20 exposed after the etching process shown in S109 of FIG.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing the state of the electrodes 60A to 60C epitaxially grown on the ⁇ Z plane of the piezoelectric thin film 20 by the electrode forming step shown in S110 of FIG.
  • a piezoelectric single crystal substrate 1 having a predetermined thickness is prepared.
  • the piezoelectric single crystal substrate 1 uses a 42 ° YX cut lithium tantalate substrate. Therefore, the Y-axis direction and the Z-axis direction of the crystal of the piezoelectric single crystal substrate 1 are respectively directed in directions indicated by arrows in FIG.
  • the X-axis direction is a direction perpendicular to the paper surface.
  • the piezoelectric single crystal substrate 1 is spontaneously polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis which are crystal axes.
  • the piezoelectric single crystal substrate 1 may be a lithium niobate substrate, a lithium tetraborate substrate, a langasite substrate, or a potassium niobate substrate in addition to the lithium tantalate substrate.
  • an ion implanted portion 100 is formed in the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIGS. 3 and 4: S101).
  • a lithium tantalate substrate is used as the piezoelectric single crystal substrate 1
  • hydrogen ions are implanted with an acceleration energy of 150 KeV and a dose of 1.0 ⁇ 10 17 atoms / cm 2 , so that a depth of about 1 ⁇ m from the ⁇ C plane 12 is obtained.
  • the ion-implanted portion 100 is formed at the position.
  • the ion implanted portion 100 is a portion where the concentration of the ion element implanted into the piezoelectric single crystal substrate 1 reaches a peak.
  • ion implantation is performed under conditions according to each substrate.
  • an etching target layer forming step is performed in which an etching target layer 31 is formed on the ⁇ C surface 12 of the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIG. 3, 4: S102).
  • a constituent material that can be etched while ensuring selectivity with respect to the piezoelectric thin film 20 and the support material in the subsequent temporary support substrate removal step may be employed.
  • Inorganic materials such as ZnO, SiO 2 , and AlN may be used.
  • a metal material such as Cu, Al, Ti, an organic material such as polyimide, or a multilayer film thereof can be used. Note that the etched layer 31 may not be provided.
  • a temporary support forming process is performed in which the temporary support 41 is formed on the etching target layer 31 stacked on the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIGS. 3 and 4: S103).
  • the temporary support 41 and the etched layer 31 constitute a temporary support substrate.
  • the temporary support substrate including the layer to be etched 31 and the temporary support 41 is not particularly limited, and thermal stress acting on the interface with the piezoelectric single crystal substrate 1 (piezoelectric thin film 20) is smaller than that of the support 51.
  • a constituent material that can be made sufficiently small so as not to cause a problem is selected.
  • a lithium tantalate substrate of the same type as that of the piezoelectric single crystal substrate 1 is used as a constituent material of the temporary support 41, and a Cu film and a SiO 2 film are laminated by sputtering as the constituent materials of the etched layer 31, respectively.
  • the linear expansion coefficient of the temporary support body 41 alone and the linear expansion coefficient of the piezoelectric single crystal substrate 1 alone are equal, whereby the temporary support substrate and the piezoelectric single crystal, which are a composite material composed of the layer to be etched 31 and the temporary support body 41, are obtained.
  • the thermal stress acting on the interface with the substrate 1 (piezoelectric thin film 20) can be made sufficiently small so as not to cause a problem.
  • the linear expansion coefficient of the etched layer 31 is different from that of the lithium tantalate substrate, but a highly ductile constituent material (such as a metal material) such as the Cu film is directly laminated on the piezoelectric single crystal substrate 1.
  • a highly ductile constituent material such as a metal material
  • the thermal stress at the interface with the piezoelectric single crystal substrate 1 can be reduced.
  • the piezoelectric single crystal substrate 1 is heated, and separation is performed with the ion implantation portion 100 where the concentration of the element implanted into the piezoelectric single crystal substrate 1 is at a peak (FIG. 3, 5: S104). ).
  • a single crystal piezoelectric thin film 20 formed on the temporary support substrate is obtained.
  • the heating temperature can be lowered by heating in a reduced pressure atmosphere.
  • this separation surface (that is, the + C surface 22) facing the ⁇ C surface 12 of the piezoelectric thin film 20 (piezoelectric single crystal substrate 1) is polished and flattened (FIG. 3, 5: S105).
  • This surface roughness is preferably 0.5 nm or less in terms of arithmetic average roughness Ra.
  • the dielectric film 90 is formed on the separation surface of the piezoelectric thin film 20 (FIGS. 3, 5: S106).
  • the dielectric film 90 is formed on the separation surface of the piezoelectric thin film 20 by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like.
  • the surface of the dielectric film 90 is planarized by CMP or the like.
  • the dielectric film 90 is formed of a material having a smaller linear expansion coefficient than the piezoelectric thin film 20 in order to improve the temperature-frequency characteristics of the surface acoustic wave device.
  • the dielectric film 90 uses, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, metal oxide, metal nitride, diamond-like carbon, or the like. If a material having good thermal conductivity is selected as the material of the dielectric film 90, the surface acoustic wave device has improved power resistance.
  • a support forming process for forming the support 51 on the dielectric film 90 is performed (FIG. 3, 5: S107).
  • This process may be realized by any method as long as it can be performed at least at an annealing temperature or lower, preferably at a separation temperature or lower.
  • the support 51 and the dielectric film 90 constitute a support substrate.
  • the support substrate composed of the dielectric film 90 and the support substrate 51 does not need to consider the thermal stress acting on the interface with the piezoelectric single crystal substrate 1 (piezoelectric thin film 20) in the heating process, unlike the temporary support substrate described above.
  • a constituent material having an arbitrary linear expansion coefficient can be selected.
  • the dielectric film 90 and the support body 51 it is possible to adopt a constituent material having a linear expansion coefficient that is significantly smaller than that of the piezoelectric thin film 20 as the dielectric film 90 and the support body 51, thereby greatly improving the temperature-frequency characteristics of the surface acoustic wave device. Can be improved. Further, by adopting a constituent material having good thermal conductivity as the dielectric film 90 and the support 51, the heat dissipation and power durability of the surface acoustic wave device can be improved. Furthermore, by using inexpensive constituent materials and forming methods as the dielectric film 90 and the support 51, the manufacturing cost of the surface acoustic wave device can be reduced.
  • a temporary support substrate removing step for removing the temporary support substrate composed of the layer to be etched 31 and the temporary support 41 is performed (FIG. 3, 5: S108).
  • a structure in which the single crystal piezoelectric thin film 20 is formed on the support 51 is obtained.
  • the single crystal thin film is formed by the ion implantation process and the separation process, it is possible to form a thin film having better piezoelectricity than a polycrystalline thin film formed by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like. it can.
  • this step may be realized by any method as long as it can be performed at least at an annealing temperature or lower, preferably at a separation temperature or lower.
  • the layer to be etched 31 is wet-etched or dry-etched.
  • wet etching is used if the layer to be etched 31 is an inorganic material or a metal material, and dry etching is used if it is an organic material.
  • dry etching is used if it is an organic material.
  • the ⁇ C surface 12 on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film 20 shown in S108 of FIG. 5 is etched (FIG. 3: S109).
  • the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 20 capable of epitaxial growth is exposed.
  • wet etching is performed in which the ⁇ C surface 12 of the piezoelectric thin film 20 is immersed in an etching solution.
  • the etching solution at least one selected from phosphoric acid, pyrophosphoric acid, benzoic acid, octanoic acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, buffered hydrofluoric acid (BHF), and potassium hydrogen sulfate is selected.
  • a very small step-like structure with the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 20 as a flat surface is exposed on the surface of the piezoelectric thin film 20 as shown in FIG.
  • the reason why the stepped structure is formed in this way is that the etching rate of the ⁇ Z plane 21 is extremely low compared to the ⁇ Y axis direction.
  • the etching rate of the piezoelectric thin film 20 in the ⁇ Y-axis direction is extremely faster than the etching rate of the piezoelectric thin film 20 in the + Y-axis direction.
  • the etching rate of the piezoelectric thin film 20 in the ⁇ Y axis direction is 2 to 100 times the etching rate of the piezoelectric thin film 20 in the + Y axis direction. Therefore, the concentration of the etching solution and the etching time for exposing the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 20 capable of epitaxial growth can be greatly reduced. Thereby, even when the dielectric film 90 is provided between the piezoelectric thin film 20 and the support 51, the etching amount of the dielectric film 90 by the etching liquid can be suppressed to a very small amount.
  • upper electrodes 60A and 60B and IDT (Interdigital Transducer) electrodes 60C having a predetermined film thickness are formed on the surface of the piezoelectric thin film 20 (FIGS. 3, 6B, and 7: S110).
  • the electrodes 60 ⁇ / b> A, 60 ⁇ / b> B, and 60 ⁇ / b> C include a base electrode 65 that improves the crystallinity of the Al electrode 66 and an Al electrode 66.
  • Ti is used as the material of the base electrode 65.
  • Ti is first epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 20 so that the crystal growth surface (001) is parallel to the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 20.
  • Al is epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the surface of the Ti electrode 65 so that the crystal growth surface (111) is parallel to the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 20 and the crystal plane (001) of Ti.
  • an Al electrode 66 having a crystal orientation oriented in the ⁇ Z-axis direction of the piezoelectric thin film 20 is obtained on the piezoelectric thin film 20. Therefore, the Al electrode 66 having excellent power durability can be formed on the piezoelectric thin film 20.
  • the power durability of the Al electrode can be improved and the concentration of the etching solution and the etching time can be greatly reduced.
  • an insulating film 70 is formed on the surfaces of the piezoelectric thin film 20 and the electrodes 60A to 60C (FIG. 3, 7: S111).
  • the material of the insulating film 70 is, for example, SiO 2.
  • an opening (not shown) is formed by etching or the like in the region of the insulating film 70 where the upper electrodes 60A and 60B are exposed (FIG. 3, 7: S112).
  • bump pads 61A and 61B are formed on the upper electrodes 60A and 60B, and bumps 62A and 62B are formed on both the bump pads 61A and 61B (FIG. 3, 7: S113).
  • packaging using a mold is performed through a dividing process of dividing a plurality of piezoelectric devices formed on the support substrate into individual piezoelectric devices. In this way, a plurality of piezoelectric devices are collectively manufactured.
  • the piezoelectric device manufactured by the above manufacturing method is formed on the support 51, the dielectric film 90 formed on the support 51, and the dielectric film 90, as shown in S113 of FIGS.
  • the piezoelectric thin film 20 polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis, which are crystal axes, and the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 20 perpendicular to the ⁇ Z axis are formed on the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 20.
  • Electrodes 60A to 60C having parallel aluminum crystal planes (111).
  • the electrodes 60A to 60C have a crystal orientation oriented in the ⁇ Z-axis direction, they have excellent power durability.
  • the ⁇ C surface 12 on the ⁇ Z axis side of the piezoelectric thin film 20 is etched in order to expose the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 20 that can be epitaxially grown at the time of manufacture. Therefore, as described above, the concentration of the etching solution and the etching time can be greatly reduced. Thereby, even when the dielectric film 90 is provided between the piezoelectric thin film 20 and the support 51, the etching amount of the dielectric film 90 by the etching liquid can be suppressed to a very small amount.
  • the power durability of the Al electrode 66 can be improved, and the concentration of the etching solution and the etching time can be significantly reduced at the time of manufacture.
  • a method for manufacturing a piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • a method for manufacturing a surface acoustic wave device will be described as an example of a method for manufacturing a piezoelectric device.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that a temporary support is not formed, and is the same after the etching step.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a method for manufacturing a piezoelectric device according to the second embodiment.
  • 9, 10 and 12 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the piezoelectric device according to the second embodiment.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view schematically showing the state of the separation surface of the piezoelectric thin film 120 shown in S204 of FIG.
  • FIG. 11B is a diagram schematically showing a stepped structure on the ⁇ C plane side of the piezoelectric thin film 120 exposed after the etching process shown in S206 of FIG. 8 is completed.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view schematically showing the state of the electrodes 60A to 60C epitaxially grown on the ⁇ Z plane of the piezoelectric thin film 120 by the electrode forming step shown in S207 of FIG.
  • the same piezoelectric single crystal substrate 1 as in the first embodiment is prepared. Further, as shown in FIG. 10, a support substrate 50 having a predetermined thickness is prepared.
  • the support substrate 50 uses a Si substrate.
  • the support substrate 50 is a substrate on which a plurality of piezoelectric devices are arranged.
  • a ceramic substrate such as glass, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used in addition to the Si substrate. More preferably, since the linear expansion coefficient can be matched, it is preferable to use the same material as the piezoelectric single crystal substrate 1.
  • an ion implanted portion 200 is formed in the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIGS. 8 and 9: S201).
  • a lithium tantalate substrate is used as the piezoelectric single crystal substrate 1
  • hydrogen ions are implanted at an acceleration energy of 150 KeV and a dose of 1.0 ⁇ 10 17 atoms / cm 2 , so that a depth of about 1 ⁇ m from the + C plane 22 is obtained.
  • An ion implantation portion 200 is formed at the position.
  • the ion implanted portion 200 is a portion where the concentration of the ion element implanted into the piezoelectric single crystal substrate 1 reaches a peak.
  • the dielectric film 90 is formed on the + C surface 22 of the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIGS. 8 and 9: S202).
  • the dielectric film 90 is formed on the + C surface 22 of the piezoelectric single crystal substrate 1 by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like.
  • the surface of the dielectric film 90 is planarized by CMP or the like.
  • the support substrate 50 is bonded to the piezoelectric single crystal substrate 1 (FIG. 8, 10: S203).
  • the support substrate 50 corresponds to the “support” of the present invention.
  • activation bonding called hydrophilic bonding, hydrophilic bonding, or bonding utilizing mutual diffusion through a metal layer can be used.
  • the support substrate 50 is bonded to the piezoelectric single crystal substrate 1.
  • the support substrate 50 may be formed on the piezoelectric single crystal substrate 1 by film formation or the like. .
  • the joined body of the piezoelectric single crystal substrate 1 and the support substrate 50 is heated (up to 500 ° C. in this embodiment), and separation is performed using the ion implanted portion 200 as a separation surface (FIG. 8, 10: S204).
  • the heating temperature can be lowered by heating in a reduced pressure atmosphere.
  • the single crystal piezoelectric thin film 120 is formed on the support substrate 50 by the separation forming process of S204.
  • the piezoelectric thin film 120 obtained by the second embodiment is ion-implanted from the + C plane 22 side
  • the piezoelectric thin film 20 of the first embodiment is ion-implanted from the ⁇ C plane 12 side (FIG. 4, FIG.
  • the single crystal thin film is formed by ion implantation and separation, it is possible to form a thin film having better piezoelectricity than a polycrystalline thin film formed by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like. .
  • the separation surface (that is, the ⁇ C surface 12) of the piezoelectric thin film 120 is polished and flattened by CMP or the like (FIG. 8, 10: S205).
  • This surface roughness is preferably 0.5 nm or less in terms of arithmetic average roughness Ra.
  • the ⁇ C surface 12 on the ⁇ Z-axis side of the piezoelectric thin film 120 is etched (FIG. 8, FIG. 11 (A): S206).
  • the etching method here is the same as the etching method of the first embodiment.
  • the work-affected layer 13 (see FIG. 11A) having a thickness of several nanometers generated on the surface of the piezoelectric thin film 120 by polishing or the like is removed, and the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 120 capable of epitaxial growth is exposed.
  • the surface of the piezoelectric thin film 120 has a very small stepped structure in which the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 120 is a flat surface as shown in FIG. 11B, as in the first embodiment. Exposed.
  • the etching rate of the piezoelectric thin film 120 in the ⁇ Y-axis direction is extremely faster than the etching rate of the piezoelectric thin film 120 in the + Y-axis direction. Therefore, the concentration of the etching solution and the etching time for exposing the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 120 capable of epitaxial growth can be greatly reduced. Thereby, even when the dielectric film 90 is provided between the piezoelectric thin film 120 and the support 51, the etching amount of the dielectric film 90 by the etching liquid can be suppressed to a very small amount.
  • upper electrodes 60A and 60B and an IDT electrode 60C having a predetermined thickness are formed on the surface of the piezoelectric thin film 120 (FIGS. 8, 11C, and 12: S207). More specifically, also in S207, first, for example, Ti is epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 120 so that the crystal growth surface (001) is parallel to the ⁇ Z surface 21 of the piezoelectric thin film 120. . Next, Al is epitaxially grown in the ⁇ Z-axis direction on the surface of the Ti electrode 65 such that the crystal growth surface (111) is parallel to the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 120 and the Ti crystal plane (001).
  • an Al electrode 66 having a crystal orientation oriented in the ⁇ Z-axis direction of the piezoelectric thin film 120 is obtained on the piezoelectric thin film 120. Therefore, the Al electrode 66 having excellent power durability can be formed on the piezoelectric thin film 120.
  • the piezoelectric device manufactured by the above manufacturing method is formed on the support substrate 50, the dielectric film 90 formed on the support substrate 50, and the dielectric film 90 as shown in S210 of FIGS. Formed on the piezoelectric thin film 120 polarized along the + Z axis and the ⁇ Z axis, which are crystal axes, and the ⁇ Z plane 21 of the piezoelectric thin film 120 perpendicular to the ⁇ Z axis. Electrodes 60A to 60C having parallel aluminum crystal planes (111). That is, the piezoelectric device manufactured in the second embodiment has the same structure as the piezoelectric device manufactured in the first embodiment. Therefore, according to the piezoelectric device of this embodiment, the same effect as the piezoelectric device of the first embodiment can be obtained.
  • the surface acoustic wave device has been described as an example, but the present invention can also be applied to a boundary acoustic wave device.
  • the present invention can also be applied to various devices having a membrane made of a piezoelectric single crystal thin film, such as a bulk wave device, a gyroscope, an RF switch, and a vibration power generation element.
  • a 42 ° YX cut lithium tantalate substrate is used as the piezoelectric single crystal substrate 1, but the ⁇ Z plane 21 that can be epitaxially grown can be exposed by an etching process. It is also effective for substrates with cut angles. The same effect can be obtained even in a lithium niobate substrate having a crystal structure very similar. Furthermore, a piezoelectric substrate other than the lithium tantalate substrate or the lithium niobate substrate can also be used.
  • Al is used as the material of the electrode 66.
  • an additive that improves power durability such as Cu, Mg, Ni, Mo, or the like, is added to Al in a small amount during the implementation. May be used.
  • Ti is used as the material of the base electrode layer 65, but an alloy containing Ti as a main component may be used.
  • other metals that are effective in improving Al crystallinity such as Cr or Cr An alloy or the like whose main component is may be used.
  • the wet etching using strong acid is used. However, other methods such as chemical mechanical polishing and scrubber cleaning may be used in the implementation.

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Abstract

　圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる圧電デバイス、及び該圧電デバイスの製造方法を提供する。　圧電薄膜（２０）の＋Ｚ軸側の＋Ｃ面（２２）と圧電薄膜（２０）の－Ｚ軸側の－Ｃ面（１２）とのうち、圧電薄膜（２０）の－Ｚ軸側の－Ｃ面（１２）をエッチングする。これにより、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜（２０）の－Ｚ面（２１）を露出させる。そして、Ｔｉを、その結晶成長面が圧電薄膜（２０）の－Ｚ面（２１）と平行になるよう圧電薄膜（２０）の－Ｚ面（２１）に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、その結晶成長面が圧電薄膜（２０）の－Ｚ面（２１）と平行になるようＴｉ電極（６５）の表面に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。

Description

圧電デバイス、圧電デバイスの製造方法
　この発明は、圧電薄膜を用いた圧電デバイス、及び該圧電デバイスの製造方法に関するものである。
　現在、圧電薄膜を用いた圧電デバイスが開発されている。このような圧電デバイスを形成するための圧電薄膜の製造方法は複数あるが、例えば、特許文献１に示すように、イオン注入層を分離面として圧電基板から圧電薄膜を分離形成する方法を用いた圧電デバイスの製造方法が考案されている。
　このイオン注入層を分離面として圧電基板から圧電薄膜を分離形成する方法を用いた圧電デバイスの製造方法について以下説明する。
　図１は、特許文献１の圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。まず、図１（Ａ）に示すように、圧電基板５の表面７側から水素イオンを注入することで、圧電基板５の所定の深さｄの位置にイオン注入層６を形成する。次に、図１（Ｂ）に示すように、圧電基板５の表面７に結合材８をスパッタリングにより堆積させる。次に、図１（Ｃ）に示すように、圧電基板５と支持基板９とを接合させる。最後に、圧電基板５と支持基板９の接合体に加熱処理を施し、イオン注入層６を分離面とした分離を行う。この結果、図１（Ｄ）に示すような圧電薄膜４が支持基板９上に形成される。そして、特許文献１の製造方法では、圧電薄膜４の分離面を研磨して平坦化する。
　この後、図１（Ｄ）に示す圧電薄膜４上に電極を形成することで、ＳＡＷなどの圧電デバイスが得られる。ここで、結合材８の材質は、ＳｉＯ２、金属材料（Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ）などが挙げられる。
　また、圧電デバイスに用いられる電極材料としては、電気抵抗率が低く比重の小さいＡｌ、又はＡｌを主成分とするＡｌ系合金を用いるのが一般的である。しかしながら、Ａｌ電極は耐ストレスマイグレーション性が悪く、大きな電力を投入すると、Ａｌ電極にヒロックやボイドが発生し、最終的にＡｌ電極が短絡または断線してしまい、圧電デバイスが破壊される。
　この問題を解決するために、例えば特許文献２には、圧電基板２の表面をエッチングした後にＡｌを圧電基板２上にエピタキシャル成長させることによって、耐電力性を向上させたＡｌ電極を形成する方法が開示されている。詳述すると、まず、研磨等によって圧電基板２の表面に生じた厚さ数ｎｍの加工変質層３（図２（Ａ）参照）をフッ酸などの強酸でエッチングして、エピタキシャル成長可能な圧電基板２の＋Ｚ軸側の結晶面１４を露出させる。加工変質層３をエッチングにより除去すると、圧電基板２の表面には、図２（Ｂ）に示すように、結晶軸である＋Ｚ軸に垂直な圧電基板２の＋Ｚ軸側の結晶面１４（以下、単に「＋Ｚ面１４」と称する。）を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。次に、Ａｌを、結晶成長面が＋Ｚ面１４と平行になるよう圧電基板２の＋Ｚ面１４に＋Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図２（Ｃ）に示すように、結晶方位が圧電基板２の＋Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極１１が圧電基板２上に得られるため、Ａｌ電極の耐電力性を向上できる。
特表２００２－５３４８８６号公報 特開２００２－３０５４２５号公報
　しかしながら、上記特許文献２の方法では、圧電基板２の＋Ｙ軸方向のエッチングレートが極めて遅いという問題があった。そのため、図１（Ｄ）に示す圧電薄膜４を用いた圧電デバイスにおいて、耐電力性を向上させた高性能な圧電デバイスを得ようとする場合、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜４の＋Ｚ面を露出させるために、エッチング液の濃度を濃くしたり、エッチングを長時間行ったりすることが必要になる。エッチング液の濃度を濃くしたり、エッチングを長時間行ったりすると、圧電薄膜４と支持基板９の間の結合材８が、上記強酸によって溶解してしまうという問題がある。
　従って、本発明の目的は、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる圧電デバイス、及び該圧電デバイスの製造方法を提供することにある。
　本発明の圧電デバイスは、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）支持体と、
　支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜と、
　－Ｚ軸に垂直な圧電薄膜の結晶面に形成され、圧電薄膜の結晶面に対して平行な結晶面を有する電極と、を備える。
　また、好ましくは、支持体と前記圧電薄膜との間に、誘電体膜を備える。
　この構成において電極は、－Ｚ軸方向に配向した結晶方位を有するため、耐電力性に優れる。
　また、この構成では、製造時において、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるために、圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面をエッチングすることになる。ここで、圧電薄膜の－Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な上記圧電薄膜の結晶面を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜と支持体の間に誘電体膜を設けた場合でも、エッチングによる誘電体膜のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
　従って、この構成によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、製造時におけるエッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
（２）電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料であることが好適である。
（３）電極は、アルミニウムの結晶面（１１１）が圧電薄膜の－Ｚ面と平行になるよう圧電薄膜の結晶面に形成されていることが、好適である。
（４）圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなることが好適である。この構成における圧電薄膜では、＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って自発分極している。
　また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。本発明は、支持体と、支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜とを備える圧電デバイスの製造方法に関するものである。
（５）本発明の圧電デバイスの製造方法は、少なくとも、エッチング工程、および電極形成工程を有する。エッチング工程は、圧電薄膜の＋Ｚ軸側の主面と圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面のうち、圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面をエッチングする。電極形成工程は、エッチングにより露出した－Ｚ軸に垂直な圧電薄膜の結晶面に、結晶成長面が圧電薄膜の結晶面と平行になるよう電極材料を－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する。
　この製造方法では、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜の結晶面を露出させるために、圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面をエッチングしている。ここで、圧電薄膜の－Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜の結晶面を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜と支持体の間に誘電体膜を設けた場合でも、エッチングによる誘電体膜のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
　また、上記電極形成工程において電極は、結晶方位が圧電薄膜の－Ｚ軸方向に配向するよう圧電薄膜の結晶面に形成されるため、耐電力性に優れた電極を得ることができる。
　以上より、この製造方法によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
（６）電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料であることが好適である。
（７）電極形成工程は、アルミニウムの結晶成長面（１１１）が圧電薄膜の結晶面と平行になるよう、アルミニウムを圧電薄膜の結晶面に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する。
（８）圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなることが好適である。
（９）本発明の圧電デバイスの製造方法は、少なくとも、イオン注入工程、分離工程とを有する。イオン注入工程は、圧電単結晶基板にイオン化した元素を注入することで、圧電単結晶基板の中に注入された元素の濃度がピークとなる部分を形成する。分離工程は、注入された元素の濃度がピークとなる部分を分離面として、圧電単結晶基板から圧電薄膜を分離する。
　この製造方法では、イオン注入、分離により単結晶の圧電薄膜を形成している。そのため、この製造方法によれば、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜より圧電性に優れた圧電薄膜を形成することができる。
（１０）圧電単結晶基板のカット角は、回転Ｙカットであることが好適である。
（１１）圧電単結晶基板のカット角は、９０°より大きく２７０°より小さいこと（－２７０°より大きく－９０°より小さいことと同義）が好適である。
　この発明によれば、圧電薄膜上に形成する電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
特許文献１の圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 図２（Ａ）は、特許文献２の圧電デバイスの製造方法に用いられる圧電基板２の研磨後の表面の様子を模式的に示す断面図である。図２（Ｂ）は、エッチング工程終了後に露出する圧電基板２の＋Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す断面図である。図２（Ｃ）は、電極形成工程により圧電基板２の＋Ｚ面にエピタキシャル成長したＡｌ電極１１の様子を模式的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 図３に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 図３に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 図６（Ａ）は、図３のＳ１０９に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜２０の－Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す断面図である。図６（Ｂ）は、図３のＳ１１０に示す電極形成工程により圧電薄膜２０の－Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ～６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。 図３に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 図８に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 図８に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。 図１１（Ａ）は、図１０のＳ２０４に示す圧電薄膜１２０の分離面の様子を模式的に示す断面図である。図１１（Ｂ）は、図８のＳ２０６に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜１２０の－Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す図である。図１１（Ｃ）は、図８のＳ２０７に示す電極形成工程により圧電薄膜１２０の－Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ～６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。 図８に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。
　本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図３～図７を参照して説明する。なお、以下の説明では、圧電デバイスの製造方法として弾性表面波デバイスの製造方法を例に説明する。
　図３は、第１の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図４、図５、図７は、図３に示す圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。図６（Ａ）は、図３のＳ１０９に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜２０の－Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す断面図である。図６（Ｂ）は、図３のＳ１１０に示す電極形成工程により圧電薄膜２０の－Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ～６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。
　まず、図４に示すように、所定厚みからなる圧電単結晶基板１を用意する。この実施形態において圧電単結晶基板１は、４２°Ｙ－Ｘカットのタンタル酸リチウム基板を利用する。したがって、圧電単結晶基板１の結晶のＹ軸方向およびＺ軸方向は、それぞれ、図６に矢印で示した方向に向いている。Ｘ軸方向は、紙面に垂直な方向にある。ここで、圧電単結晶基板１は、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って自発分極している。図４と図６（Ａ）に示す圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の－Ｃ面１２とは圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の－Ｚ軸側の主面であり、図５に示す圧電薄膜２０の＋Ｃ面２２とは圧電薄膜２０の＋Ｚ軸側の主面である。また、図６（Ａ）に示す圧電薄膜２０の－Ｚ面２１とは－Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の結晶面であり、圧電薄膜２０の＋Ｚ面とは＋Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の結晶面である。
　なお、圧電単結晶基板１は、タンタル酸リチウム基板の他、ニオブ酸リチウム基板、四ホウ酸リチウム基板やランガサイト基板、ニオブ酸カリウム基板、を用いても構わない。
　そして、圧電単結晶基板１の－Ｃ面１２側から水素イオンを注入することで、圧電単結晶基板１中にイオン注入部分１００を形成する（図３、４：Ｓ１０１）。例えば圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板を用いれば、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、－Ｃ面１２から深さ約１μｍの位置にイオン注入部分１００が形成される。このイオン注入部分１００は、圧電単結晶基板１に注入されたイオン元素の濃度がピークになる部分である。
　なお、圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板以外の素材を用いた場合、それぞれの基板に応じた条件でイオン注入を行う。
　次に、圧電単結晶基板１の－Ｃ面１２に被エッチング層３１を積層形成する被エッチング層形成工程を行う（図３、４：Ｓ１０２）。被エッチング層３１は、後の仮支持基板除去工程において、圧電薄膜２０や支持材に対して選択性を確保してエッチングできる構成材料を採用するとよく、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの無機材料やＣｕ、Ａｌ、Ｔｉなどの金属材料、ポリイミド系などの有機材料、あるいはそれらの多層膜などを用いることができる。
　なお、被エッチング層３１は設けられずともよい。
　次に、圧電単結晶基板１に積層した被エッチング層３１に仮支持体４１を形成する仮支持体形成工程を行う（図３、４：Ｓ１０３）。ここで、仮支持体４１は被エッチング層３１とともに仮支持基板を構成する。被エッチング層３１と仮支持体４１とからなる仮支持基板は、特に限定されるものではなく、圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力が支持体５１よりも小さく、好ましくは、問題とならない程度に十分小さくすることが可能な構成材料を選定するのがよい。
　Ｓ１０３では仮支持体４１の構成材料として圧電単結晶基板１と同種のタンタル酸リチウム基板を採用し、被エッチング層３１の構成材料としてＣｕ膜およびＳｉＯ２膜をそれぞれスパッタ成膜により積層したものを採用する。したがって仮支持体４１単体の線膨張係数と圧電単結晶基板１単体の線膨張係数は等しく、これにより、被エッチング層３１と仮支持体４１とからなる複合材である仮支持基板と圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を問題とならない程度に十分小さくすることができる。
　なお、被エッチング層３１の線膨張係数はタンタル酸リチウム基板の線膨張係数と相違するが、上記Ｃｕ膜のような延性が高い構成材料（金属材料など）を圧電単結晶基板１に直接積層するとともに、被エッチング層３１の厚みを必要十分な程度に薄くしておくことにより、圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面における熱応力を低減することができる。
　上記Ｓ１０３の後、圧電単結晶基板１を加熱して、圧電単結晶基板１に注入された元素の濃度がピークになるイオン注入部分１００を分離面とした分離を行う（図３、５：Ｓ１０４）。この工程により、仮支持基板上に単結晶の圧電薄膜２０が形成されたものが得られる。
　なお、Ｓ１０４の分離工程は、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることが可能である。
　そして、圧電薄膜２０（圧電単結晶基板１）の－Ｃ面１２に対向するこの分離面（即ち＋Ｃ面２２）を研磨して平坦化する（図３、５：Ｓ１０５）。この表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．５ｎｍ以下が好ましい。
　次に、誘電体膜９０を圧電薄膜２０の分離面に形成する（図３、５：Ｓ１０６）。誘電体膜９０は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により、圧電薄膜２０の分離面に成膜される。そして、誘電体膜９０の表面をＣＭＰ等により平坦化処理する。ここで、誘電体膜９０は、弾性表面波デバイスの温度―周波数特性を改善させるために、圧電薄膜２０よりも線膨張率の小さな材料を形成する。誘電体膜９０は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、金属酸化物、金属窒化物、ダイヤモンドライクカーボンなどを利用する。この誘電体膜９０の材質として熱伝導性の良い材料を選べば、弾性表面波デバイスでは耐電力性が良くなる。
　次に、誘電体膜９０に支持体５１を形成する支持体形成工程を行う（図３、５：Ｓ１０７）。この工程は、少なくともアニール温度以下、好ましくは分離温度以下で実施できればどのような方法を採用して実現してもよい。
　ここで、支持体５１は誘電体膜９０とともに支持基板を構成する。誘電体膜９０と支持基板５１とからなる支持基板は、前述の仮支持基板のように加熱工程における圧電単結晶基板１（圧電薄膜２０）との界面に作用する熱応力を考慮する必要が無く、任意の線膨張係数の構成材料を選定できる。そのため、誘電体膜９０や支持体５１として、単体での線膨張係数が圧電薄膜２０に比べて著しく小さな構成材料を採用することも可能になり、弾性表面波デバイスの温度―周波数特性を大幅に改善させられる。また、誘電体膜９０や支持体５１として熱伝導性の良い構成材料を採用することで、弾性表面波デバイスの放熱性、耐電力性を良化できる。さらに、誘電体膜９０や支持体５１として安価な構成材料、形成方法を採用することで、弾性表面波デバイスの製造コストを低廉にできる。
　次に、被エッチング層３１および仮支持体４１からなる仮支持基板を除去する仮支持基板除去工程を行う（図３、５：Ｓ１０８）。この工程により、支持体５１上に単結晶の圧電薄膜２０が形成されたものが得られる。この実施形態では、イオン注入工程、分離工程により単結晶薄膜を形成しているため、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜よりも圧電性に優れた薄膜を形成することができる。なお、この工程は、少なくともアニール温度以下、好ましくは分離温度以下で実施できればどのような方法を採用して実現してもよい。
　また、ここでは、被エッチング層３１および仮支持体４１からなる仮支持基板を除去するために、被エッチング層３１をウェットエッチング、あるいはドライエッチングする。一般的には、被エッチング層３１が無機系材料、金属系材料であればウェットエッチングを用い、有機系材料であればドライエッチングを用いる。これにより、圧電薄膜２０に不要な応力や衝撃を与えることなく被エッチング層３１および仮支持体４１を除去でき、圧電薄膜２０における不具合の発生を抑止できる。なお、被エッチング層３１から分離した仮支持体４１は、その後の弾性表面波デバイスの製造で再利用すると好適である。
　次に、図５のＳ１０８に示す圧電薄膜２０の－Ｚ軸側の－Ｃ面１２をエッチングする（図３：Ｓ１０９）。これにより、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の－Ｚ面２１を露出させる。この実施形態では、圧電薄膜２０の－Ｃ面１２をエッチング液に浸漬するウェットエッチングを行う。このエッチング液は、リン酸、ピロリン酸、安息香酸、オクタン酸、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）および硫酸水素カリウムの中から、少なくとも１種を選択する。エッチングが終了すると、圧電薄膜２０の表面には、図６（Ａ）に示すように、圧電薄膜２０の－Ｚ面２１を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。このように階段状構造となる理由は、－Ｚ面２１のエッチングレートが－Ｙ軸方向に比べて極めて低いためである。
　ここで、圧電薄膜２０の－Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。例えば、圧電薄膜２０の－Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートの２倍から１００倍であることが実験により明らかとなっている。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の－Ｚ面２１を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
　次に、圧電薄膜２０の表面上に、所定膜厚の上部電極６０Ａ，６０ＢとＩＤＴ（InterdigitalTransducer）電極６０Ｃを形成する（図３、図６（Ｂ）、７：Ｓ１１０）。電極６０Ａ，６０Ｂ、６０Ｃは、Ａｌ電極６６の結晶性を向上させる下地電極６５、及びＡｌ電極６６からなる。下地電極６５の材質は、例えばＴｉを利用する。
　詳述すると、Ｓ１１０では、まず、例えばＴｉを、結晶成長面（００１）が圧電薄膜２０の－Ｚ面２１と平行になるよう圧電薄膜２０の－Ｚ面２１に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、結晶成長面（１１１）が圧電薄膜２０の－Ｚ面２１及びＴｉの結晶面（００１）と平行になるようＴｉ電極６５の表面に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、結晶方位が圧電薄膜２０の－Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極６６が圧電薄膜２０上に得られる。そのため、耐電力性に優れたＡｌ電極６６を圧電薄膜２０上に形成できる。
　以上より、この実施形態の製造方法によれば、Ａｌ電極の耐電力性を向上させるとともに、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
　次に、圧電薄膜２０及び電極６０Ａ～６０Ｃを保護するため、圧電薄膜２０及び電極６０Ａ～６０Ｃの表面に絶縁膜７０を形成する（図３、７：Ｓ１１１）。絶縁膜７０の材質は、例えばＳｉＯ２である。
　次に、絶縁膜７０の上部電極６０Ａ，６０Ｂを露出させる領域に開口部（不図示）をエッチング等で形成する（図３、７：Ｓ１１２）。その後、上部電極６０Ａ、６０Ｂ上にバンプパッド６１Ａ、６１Ｂを形成し、両バンプパッド６１Ａ、６１Ｂ上にバンプ６２Ａ、６２Ｂを形成する（図３、７：Ｓ１１３）。
　最後に、支持基板上に形成された複数の圧電デバイスから個別の圧電デバイスに分割する分割工程を経て、モールド金型を用いたパッケージングを行う。このようにして複数の圧電デバイスを一括製造する。
　以上の製造方法で製造された圧電デバイスは、図６及び図７のＳ１１３に示すように、支持体５１と、支持体５１上に形成された誘電体膜９０と、誘電体膜９０上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜２０と、－Ｚ軸に垂直な圧電薄膜２０の－Ｚ面２１に形成され、圧電薄膜２０の－Ｚ面２１に対して平行なアルミニウムの結晶面（１１１）を有する電極６０Ａ～６０Ｃと、を備える。
　この構成において上記電極６０Ａ～６０Ｃは、－Ｚ軸方向に配向した結晶方位を有するため、耐電力性に優れる。また、この圧電デバイスの構造では、製造時において、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜２０の－Ｚ面２１を露出させるために、圧電薄膜２０の－Ｚ軸側の－Ｃ面１２をエッチングすることになる。そのため、上述したように、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
　従って、この実施形態の圧電デバイスによれば、Ａｌ電極６６の耐電力性を向上させるとともに、製造時におけるエッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。なお、以下の説明では、圧電デバイスの製造方法として弾性表面波デバイスの製造方法を例に説明する。
　この第２の実施形態は、上記第１の実施形態と、仮支持体を形成しない点で異なり、エッチング工程以降は同じである。
　図８は、第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図９、図１０、図１２は、第２の実施形態に係る圧電デバイスの製造工程を模式的に示す断面図である。図１１（Ａ）は、図１０のＳ２０４に示す圧電薄膜１２０の分離面の様子を模式的に示す断面図である。図１１（Ｂ）は、図８のＳ２０６に示すエッチング工程終了後に露出する圧電薄膜１２０の－Ｃ面側の階段状構造を模式的に示す図である。図１１（Ｃ）は、図８のＳ２０７に示す電極形成工程により圧電薄膜１２０の－Ｚ面にエピタキシャル成長した電極６０Ａ～６０Ｃの様子を模式的に示す断面図である。
　まず、第１の実施形態と同じ圧電単結晶基板１を用意する。また、図１０に示すように、所定厚みからなる支持基板５０を用意する。支持基板５０は、Ｓｉ基板を利用する。この際、支持基板５０は、圧電デバイス単体が複数配列される基板を用いる。ここで、支持基板５０としては、Ｓｉ基板の他、ガラス等のセラミック基板、水晶基板、又はサファイア基板等を用いることができる。より好ましくは、線膨張係数を合わせることができるので、圧電単結晶基板１と同じ材料を用いるのがよい。
　そして、圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２側から水素イオンを注入することで、圧電単結晶基板１中にイオン注入部分２００を形成する（図８、９：Ｓ２０１）。例えば圧電単結晶基板１にタンタル酸リチウム基板を用いれば、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、＋Ｃ面２２から深さ約１μｍの位置にイオン注入部分２００が形成される。このイオン注入部分２００は、圧電単結晶基板１に注入されたイオン元素の濃度がピークになる部分である。
　次に、誘電体膜９０を圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２に形成する（図８、９：Ｓ２０２）。誘電体膜９０は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により、圧電単結晶基板１の＋Ｃ面２２に成膜される。そして、誘電体膜９０の表面をＣＭＰ等により平坦化処理する。
　次に、支持基板５０を圧電単結晶基板１に接合する（図８、１０：Ｓ２０３）。ここで、支持基板５０が、本発明の「支持体」に相当する。
　なお、この接合には、直接接合と呼ばれる活性化接合や親水化接合や金属層を介した
相互拡散を利用した接合を用いることができる。また、本実施形態では、支持基板５０を圧電単結晶基板１に接合しているが、実施の際は、支持基板５０を、成膜等により圧電単結晶基板１上に形成しても構わない。
　次に、圧電単結晶基板１と支持基板５０との接合体を（この実施形態では５００℃まで）加熱し、イオン注入部分２００を分離面とした分離を行う（図８、１０：Ｓ２０４）。ここで、Ｓ２０４の分離工程は、減圧雰囲気下で加熱すれば、加熱温度を低くすることができる。
　Ｓ２０４の分離形成工程により、支持基板５０上に、単結晶の圧電薄膜１２０が形成される。ここで、第２の実施形態により得られる圧電薄膜１２０は＋Ｃ面２２側からイオン注入されており、－Ｃ面１２側からイオン注入された第１の実施形態の圧電薄膜２０（図４、図５参照）とイオン注入面が逆になっている。また、この実施形態では、イオン注入、分離により単結晶薄膜を形成しているため、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ法等で成膜される多結晶薄膜より圧電性に優れた薄膜を形成することができる。
　次に、圧電薄膜１２０の分離面（即ち－Ｃ面１２）をＣＭＰ等により研磨して平坦化する（図８、１０：Ｓ２０５）。この表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．５ｎｍ以下が好ましい。
　次に、圧電薄膜１２０の－Ｚ軸側の－Ｃ面１２をエッチングする（図８、図１１（Ａ）：Ｓ２０６）。ここでのエッチング方法は、第１実施形態のエッチング方法と同じである。これにより、研磨等によって圧電薄膜１２０の表面に生じた厚さ数ｎｍの加工変質層１３（図１１（Ａ）参照）を除去して、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１を露出させる。エッチングが終了すると、圧電薄膜１２０の表面も第１実施形態と同様に、図１１（Ｂ）に示すように、圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１を平坦面とした非常に微小な階段状構造が露出する。
　ここで、上述したように、圧電薄膜１２０の－Ｙ軸方向のエッチングレートは、圧電薄膜１２０の＋Ｙ軸方向のエッチングレートに比べて極めて速い。そのため、エピタキシャル成長可能な圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１を露出させるための、エッチング液の濃度やエッチング時間を大幅に低減させることができる。これにより、圧電薄膜１２０と支持体５１の間に誘電体膜９０を設けた場合でも、上記エッチング液による誘電体膜９０のエッチング量を極めて少量に抑えることができる。
　次に、圧電薄膜１２０の表面上に、所定膜厚の上部電極６０Ａ，６０ＢとＩＤＴ電極６０Ｃを形成する（図８、図１１（Ｃ）、図１２：Ｓ２０７）。詳述すると、Ｓ２０７においても、まず、例えばＴｉを、結晶成長面（００１）が圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１と平行になるよう圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。次に、Ａｌを、結晶成長面（１１１）が圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１及びＴｉの結晶面（００１）と平行になるようＴｉ電極６５の表面に－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させる。これにより、図１１（Ｃ）に示すように、結晶方位が圧電薄膜１２０の－Ｚ軸方向に配向したＡｌ電極６６が圧電薄膜１２０上に得られる。そのため、耐電力性に優れたＡｌ電極６６を圧電薄膜１２０上に形成できる。
　従って、この実施形態の製造方法によれば、第１実施形態の製造方法と同様の効果が得られる。
　最後に、第１の実施形態の圧電デバイスの製造方法と同様に、外部端子の形成等を行い（図８、１２：Ｓ２０８～Ｓ２１０）、分割工程とモールド工程を経て、弾性表面波デバイスを得る。この弾性表面波デバイスは、第１の実施形態で製造する場合とは圧電薄膜の表裏が逆向きとなる。
　以上の製造方法で製造された圧電デバイスは、図１１及び図１２のＳ２１０に示すように、支持基板５０と、支持基板５０上に形成された誘電体膜９０と、誘電体膜９０上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜１２０と、－Ｚ軸に垂直な圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１に形成され、圧電薄膜１２０の－Ｚ面２１に対して平行なアルミニウムの結晶面（１１１）を有する電極６０Ａ～６０Ｃと、を備える。即ち、第２の実施形態で製造される圧電デバイスは、第１の実施形態で製造される圧電デバイスと同じ構造である。従って、この実施形態の圧電デバイスによれば、第１実施形態の圧電デバイスと同様の効果が得られる。
　なお、上述の実施形態では、弾性表面波デバイスを例に説明したが、弾性境界波デバイスにも適用できる。他に、バルク波デバイス、ジャイロ、ＲＦスイッチ、振動発電素子等、圧電単結晶薄膜からなりメンブレンを有する各種デバイスに対しても、本発明を適用することができる。
　また、上述の実施形態では、圧電単結晶基板１として、４２°Ｙ－Ｘカットのタンタル酸リチウム基板を用いたが、エッチング処理によりエピタキシャル成長可能な－Ｚ面２１を露出させることができるため、異なるカット角を持つ基板に対しても有効である。また、結晶構造が酷似するニオブ酸リチウム基板においても同様の効果が得られる。さらに、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板以外の圧電基板を用いることもできる。
　また、上述の実施形態では、電極６６の材料としてＡｌを用いたが、実施の際は、耐電力性を向上させる添加物、たとえば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ等をＡｌに微量添加した合金を用いてもよい。同様に、下地電極層６５の材料として、Ｔｉを用いたが、Ｔｉを主成分とする合金を用いてもよいし、さらには、Ａｌの結晶性向上に効果がある他の金属、ＣｒまたはＣｒを主成分とする合金等を用いてもよい。
　また、上述の実施形態では、強酸によるウォットエッチングを用いたが、実施の際は、化学機械研磨、スクラバ洗浄等、他の方法を用いてもよい。
　以上より、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１　　圧電単結晶基板
２　　圧電基板
３　　加工変質層
４　　圧電薄膜
５　　圧電基板
６　　イオン注入層
７　　表面
８　　結合材
９　　支持基板
１１　　Ａｌ電極
１２　　－Ｃ面
１３　　加工変質層
１４　　＋Ｚ面
２０、１２０　　圧電薄膜
２１　　－Ｚ面
２２　　＋Ｃ面
３１　　被エッチング層
４１　　仮支持体
５０　　支持基板
５１　　支持体
６０Ａ，６０Ｂ　　上部電極
６０Ｃ　　ＩＤＴ電極
６１Ａ、Ｂ　　バンプパッド
６２Ａ、Ｂ　　バンプ
６５　　下地電極層
６６　　Ａｌ電極
７０　　絶縁膜
９０　　誘電体膜
１００、２００　　イオン注入部分

Claims (12)

  1. 　支持体と、
    　前記支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜と、
    　前記－Ｚ軸に垂直な前記圧電薄膜の結晶面に形成され、前記圧電薄膜の結晶面に対して平行な結晶面を有する電極と、を備える圧電デバイス。
  2. 　前記支持体と前記圧電薄膜との間に、誘電体膜を備える、請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 　前記電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料である、請求項１または２に記載の圧電デバイス。
  4. 　前記電極は、前記アルミニウムの結晶面（１１１）が前記圧電薄膜の結晶面と平行になるよう前記圧電薄膜の結晶面に形成された、請求項３に記載の圧電デバイス。
  5. 　前記圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなる、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  6. 　支持体と、前記支持体上に形成され、結晶軸である＋Ｚ軸及び－Ｚ軸に沿って分極した圧電薄膜と、を備える圧電デバイスの製造方法であって、
    　前記圧電薄膜の＋Ｚ軸側の主面と前記圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面のうち、前記圧電薄膜の－Ｚ軸側の主面をエッチングするエッチング工程と、
    　前記エッチングにより露出した－Ｚ軸に垂直な前記圧電薄膜の結晶面に、結晶成長面が前記圧電薄膜の結晶面と平行となるよう電極材料を前記－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する電極形成工程と、を備える圧電デバイスの製造方法。
  7. 　前記電極材料は、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とした材料である、請求項６に記載の圧電デバイスの製造方法。
  8. 　前記電極形成工程は、前記アルミニウムの結晶成長面（１１１）が前記圧電薄膜の結晶面と平行となるよう、前記アルミニウムを前記圧電薄膜の結晶面に前記－Ｚ軸方向へエピタキシャル成長させ、電極を形成する、請求項７に記載の圧電デバイスの製造方法。
  9. 　前記圧電薄膜の材質は、ニオブ酸リチウムの単結晶、又はタンタル酸リチウムの単結晶からなる、請求項６から８のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
  10. 　圧電単結晶基板にイオン化した元素を注入することで、前記圧電単結晶基板の中に注入された元素の濃度がピークとなる部分を形成するイオン注入工程と、
    　前記注入された元素の濃度がピークとなる部分を分離面として、前記圧電単結晶基板から前記圧電薄膜を分離する分離工程と、を有する、請求項６から９のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
  11. 　前記圧電単結晶基板のカット角は、回転Ｙカットである、請求項６から１０のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
  12. 　前記圧電単結晶基板のカット角は、９０°より大きく２７０°より小さい、請求項１１に記載の圧電デバイスの製造方法。
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