JP5359615B2 - Manufacturing method of composite substrate - Google Patents
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Description
この発明は、圧電基板から剥離した圧電薄膜を、支持基板の主面に接合した複合基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a composite substrate in which a piezoelectric thin film peeled from a piezoelectric substrate is bonded to a main surface of a support substrate.
近年、圧電薄膜と支持基板とを備える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。圧電体の薄膜の製造には、スパッタやCVDなど圧電体を堆積する堆積法が採用されることがある。(例えば、非特許文献1参照。)。また、圧電基板を研磨して薄膜化する研磨法が採用されることもある(例えば、非特許文献2参照。)。 In recent years, a piezoelectric vibrator and a piezoelectric resonator using a composite substrate including a piezoelectric thin film and a support substrate have been developed. In manufacturing a piezoelectric thin film, a deposition method for depositing a piezoelectric material such as sputtering or CVD may be employed. (For example, refer nonpatent literature 1.). Also, a polishing method in which the piezoelectric substrate is polished to form a thin film may be employed (for example, see Non-Patent Document 2).
このような圧電薄膜は、支持基板との間に空間を設けたメンブレン構造の複合基板として製造されることがある。その場合、支持基板と圧電薄膜との間に犠牲層を配置して支持基板と圧電薄膜とを接合し、犠牲層を除去することでメンブレン構造の空間部が形成されていた。 Such a piezoelectric thin film may be manufactured as a composite substrate having a membrane structure in which a space is provided between the piezoelectric thin film and the support substrate. In that case, a sacrificial layer is disposed between the support substrate and the piezoelectric thin film, the support substrate and the piezoelectric thin film are joined, and the sacrificial layer is removed to form a space portion of the membrane structure.
堆積法では、結晶のC軸の配向方向が基板の上下に整列するC軸配向膜しか得られず、その素材もAlNやZnOなど限定される。このため、圧電デバイスの設計自由度が低くなり、電気機械結合係数や周波数温度特性、音速などを調整することが難しくなる。 In the deposition method, only a C-axis oriented film in which the orientation direction of the C-axis of the crystal is aligned above and below the substrate can be obtained, and the material is also limited to AlN, ZnO or the like. For this reason, the degree of freedom of design of the piezoelectric device is lowered, and it becomes difficult to adjust the electromechanical coupling coefficient, frequency temperature characteristics, sound speed, and the like.
研磨法では、結晶軸の配向方向を任意に設定する事が可能であるが、材料の大半が研磨くずとして廃棄され素材利用効率が悪く、高価な圧電基板では製造コストを増大させる要因となる。また、研磨速度のばらつきや基板うねりなどが生じて薄膜の厚みが不均一になりやすく、圧電デバイスにおける音速などの精度が劣化する要因となる。 In the polishing method, it is possible to arbitrarily set the orientation direction of the crystal axis, but most of the material is discarded as polishing waste, resulting in poor material utilization efficiency, which causes an increase in manufacturing cost for an expensive piezoelectric substrate. In addition, variations in the polishing rate, substrate undulation, etc. occur, and the thickness of the thin film tends to be non-uniform, which causes a deterioration in accuracy such as the speed of sound in the piezoelectric device.
また、エッチングにより犠牲層を除去してメンブレン構造の空間部を形成する場合、電極などをエッチャントに触れないようにマスクする必要が生じて製造工程に制約が多くなる。またマスクの形成不良や基板の反りなどによりエッチャントが電極などを汚染すると圧電デバイスにおける不具合の要因になる。さらには、エッチャントを犠牲層まで導入するための圧電薄膜の成形が必要になるが、圧電体の成形加工には長時間を必要とし、高い形状精度の実現は困難である。 In addition, when the sacrificial layer is removed by etching to form the space portion of the membrane structure, it is necessary to mask the electrode or the like so as not to touch the etchant, which increases the manufacturing process. Further, if the etchant contaminates the electrode or the like due to defective mask formation or warpage of the substrate, it becomes a cause of defects in the piezoelectric device. Furthermore, it is necessary to form a piezoelectric thin film for introducing the etchant to the sacrificial layer. However, it takes a long time to form the piezoelectric body, and it is difficult to achieve high shape accuracy.
本発明の目的は、圧電体の材料利用効率が高く、圧電薄膜の結晶軸や膜厚を制御でき、犠牲層のエッチング伴う問題を回避してメンブレン構造の空間部を形成できる、複合基板の製造方法を提供することを目的とする。 The object of the present invention is to produce a composite substrate that has high material utilization efficiency of the piezoelectric body, can control the crystal axis and film thickness of the piezoelectric thin film, and can avoid the problems associated with the etching of the sacrificial layer to form the space portion of the membrane structure It aims to provide a method.
この発明の複合基板の製造方法はパターン形成工程とイオン注入工程と接合工程と剥離工程とを含む。パターン形成工程は、支持基板の主面に、主面の部分領域から突出する支持部をパターン形成する。イオン注入工程は、圧電基板の平坦面にイオンを注入する。接合工程は、圧電基板の平坦面に支持基板を支持部で接合する。剥離工程は、圧電基板の平坦面から一定距離の内部でマイクロキャビティを成長させて、圧電基板から圧電薄膜を剥離する。
この製造方法では剥離工程で圧電基板を分断して圧電薄膜を剥離するので、圧電基板を再利用可能になり、高価な圧電基板の材料利用効率が高まる。さらには、圧電基板の配置方向により圧電薄膜における結晶軸の配向方向を制御することができる。また、イオン注入の深さを精緻に設定することで、均質な厚みで圧電薄膜を形成できる。その上、支持基板から突出する支持部の段差を利用してメンブレン構造の空間を形成するので、犠牲層を設けてエッチングにより除去することなく、また、エッチング液の導入孔を圧電薄膜に設ける必要がなく、メンブレン構造を構成できる。
The manufacturing method of the composite substrate of this invention includes a pattern formation process, an ion implantation process, a bonding process, and a peeling process. In the pattern forming step, a support portion protruding from a partial region of the main surface is pattern-formed on the main surface of the support substrate. In the ion implantation step, ions are implanted into the flat surface of the piezoelectric substrate. In the bonding step, the support substrate is bonded to the flat surface of the piezoelectric substrate by the support portion. In the peeling step, a microcavity is grown inside a fixed distance from the flat surface of the piezoelectric substrate, and the piezoelectric thin film is peeled off from the piezoelectric substrate.
In this manufacturing method, since the piezoelectric thin film is separated by dividing the piezoelectric substrate in the separation step, the piezoelectric substrate can be reused, and the material utilization efficiency of the expensive piezoelectric substrate is increased. Furthermore, the orientation direction of the crystal axes in the piezoelectric thin film can be controlled by the arrangement direction of the piezoelectric substrate. In addition, by precisely setting the ion implantation depth, the piezoelectric thin film can be formed with a uniform thickness. In addition, since the space of the membrane structure is formed by using the level difference of the support part protruding from the support substrate, it is necessary to provide an etching solution introduction hole in the piezoelectric thin film without providing a sacrificial layer and removing it by etching. The membrane structure can be configured.
この発明の製造方法は、剥離工程の後で圧電薄膜の剥離面を平坦化する工程と、圧電薄膜の平坦化した剥離面に電極を形成する工程と、を有すると好適である。これにより、圧電薄膜と電極の密着性を向上させて電極の形成不良を抑制できる。さらには、圧電薄膜を伝搬する表面波の伝搬損を低減でき、圧電性能を改善できる。 The manufacturing method of the present invention preferably includes a step of flattening the peeled surface of the piezoelectric thin film after the peeling step and a step of forming an electrode on the flattened peeled surface of the piezoelectric thin film. Thereby, the adhesiveness of a piezoelectric thin film and an electrode can be improved and the formation failure of an electrode can be suppressed. Furthermore, the propagation loss of the surface wave propagating through the piezoelectric thin film can be reduced, and the piezoelectric performance can be improved.
この発明のパターン形成工程は、複数の支持部の先端が同一面内になるように平坦化し、剥離工程の後で複合基板を分割してメンブレン構造の複数のデバイスを形成すると好適である。これにより、複数のデバイスを、支持部と薄膜との接合面の平坦化バラツキを低減できる。したがって支持部と圧電薄膜との接合不良を抑制でき、各デバイスの形状精度を高めることができる。 In the pattern forming process of the present invention, it is preferable that the plurality of support portions are flattened so that the tips thereof are in the same plane, and the composite substrate is divided after the peeling process to form a plurality of devices having a membrane structure. Thereby, the flattening variation of the joint surface of a support part and a thin film can be reduced for several devices. Therefore, it is possible to suppress the bonding failure between the support portion and the piezoelectric thin film, and to increase the shape accuracy of each device.
この発明の製造方法は、複数の複合基板を切り出す工程よりも前に、圧電薄膜に再分極電界を印加する工程を有すると好適である。
圧電体を構成する原子の一部は、正または負に荷電しイオン化していて、例えば電界を印加すると正に荷電したイオンは陰極側に、負に荷電したイオンは陽極側に結晶内をわずかにシフトして電気双極子を生じる。この現象は電気分極と呼ばれる。結晶によっては電界の印加を止めてもこの分極の状態が維持される自発分極が伴い、その結晶に高エネルギーで多量のイオンを注入してマイクロキャビティを形成すると、一部の分極が反転して圧電性の劣化が招来されることがある。そのため複数の複合基板を切り出すよりも前に再分極電界を印加することで、効率的に分極を復元して圧電性を回復できる。
The manufacturing method of the present invention preferably includes a step of applying a repolarization electric field to the piezoelectric thin film before the step of cutting out the plurality of composite substrates.
Some of the atoms constituting the piezoelectric body are positively or negatively charged and ionized.For example, when an electric field is applied, positively charged ions are on the cathode side and negatively charged ions are slightly on the anode side in the crystal. To produce an electric dipole. This phenomenon is called electric polarization. Some crystals have spontaneous polarization that maintains this polarization state even when the application of an electric field is stopped. When a large amount of ions are injected into the crystal to form a microcavity, some polarization is reversed. Deterioration of piezoelectricity may be caused. Therefore, by applying a repolarization electric field before cutting out a plurality of composite substrates, the polarization can be restored efficiently and the piezoelectricity can be recovered.
この発明のイオンを注入する工程は、圧電基板の正または負の極性を有する主面に、逆極性のイオンを注入すると好適である。一般に電気双極子における圧電体の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、上記工程を実施することで、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。 In the step of implanting ions according to the present invention, it is preferable to implant ions of opposite polarity into the main surface of the piezoelectric substrate having positive or negative polarity. In general, the energy required to shift the constituent elements of a piezoelectric body in an electric dipole is significantly smaller than the energy required to remove the constituent elements from the crystal unit. Therefore, by performing the above steps, ions are implanted from the same direction as the direction in which ions indicating spontaneous polarization inside the piezoelectric single crystal are shifted, and polarity inversion of spontaneous polarization can be suppressed. For example, if 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 implant cations from the −C axis side to the + C axis side. .
この発明によれば、圧電基板などの圧電基板をマイクロキャビティで分断して薄膜を剥離するので、圧電基板を再利用可能になり圧電基板の材料効率が高い。さらには、圧電基板の配置方向により結晶軸の配向方向を制御でき、また、イオン注入の深さによって圧電薄膜の厚みをほぼ均一に制御でき、圧電薄膜の電気機械結合係数や周波数温度特性、音速などの特性を精緻に設定することができる。 According to the present invention, the piezoelectric substrate such as the piezoelectric substrate is divided by the microcavity and the thin film is peeled off, so that the piezoelectric substrate can be reused and the material efficiency of the piezoelectric substrate is high. Furthermore, the orientation direction of the crystal axis can be controlled by the orientation direction of the piezoelectric substrate, and the thickness of the piezoelectric thin film can be controlled almost uniformly by the depth of ion implantation, and the electromechanical coupling coefficient, frequency temperature characteristics, sound speed of the piezoelectric thin film can be controlled. The characteristics such as can be set precisely.
その上、支持基板から突出する支持部の段差を利用して空間を形成するので、圧電基板およびその薄膜がエッチング液に接触することなく、メンブレン構造を構成でき、圧電基板の成形加工に伴う加工時間の増加や良品率の劣化を招来することがない。 In addition, since the space is formed by using the step of the support portion protruding from the support substrate, the membrane structure can be configured without the piezoelectric substrate and its thin film coming into contact with the etching solution, and the processing accompanying the molding process of the piezoelectric substrate There is no increase in time or deterioration of the yield rate.
以下に、本発明の実施形態に係る複合基板の製造方法を説明する。 Below, the manufacturing method of the composite substrate which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
ここでは本発明を板波デバイスの製造方法に採用する。板波デバイスは、板波デバイスとなる圧電薄膜を、振動空間を設けて支持基板上に保持するメンブレン構造(中空構造)のデバイスであり、特開2002−152007号公報などに一般的な構成が開示されている。 Here, the present invention is employed in a method for manufacturing a plate wave device. The plate wave device is a device having a membrane structure (hollow structure) in which a piezoelectric thin film to be a plate wave device is provided on a support substrate by providing a vibration space, and a general configuration is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-152007. It is disclosed.
板波とは薄い平板を伝播する弾性波であり、具体的には、ラム波、SH波、これらにバルクP波・バルクSV波・バルクSH波の各変位成分が表面を境界条件として結合しながら伝搬する振動モードの弾性波、これらの振動モードが板の両表面に挟まれることにより生じる高次伝搬モードの弾性波などである。 A plate wave is an elastic wave that propagates through a thin flat plate. Specifically, Lamb waves, SH waves, and the displacement components of bulk P, bulk SV, and bulk SH waves are combined with the surface as a boundary condition. An elastic wave of a vibration mode that propagates while the vibration mode is generated, and an elastic wave of a higher-order propagation mode that is generated when these vibration modes are sandwiched between both surfaces of the plate.
図1は、本実施形態に係る製造工程フローにおける各工程での基板状態を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a substrate state in each process in the manufacturing process flow according to the present embodiment.
まず鏡面研磨を施した平坦な主面を有する支持基板3を用意し、その主面に、後に支持部となる支持部形成層12をスパッタ法により積層する(S11)。ここでは、後の膜ハガレの要因となる薄膜の応力をできる限り抑えて支持部形成層12を形成するとよい。また支持基板3としてはSiを採用し、支持部形成層12としてはエッチングにより除去可能なZnOやSiO2、ポリイミド等の有機物材料を採用する。
First, a
次に、支持部形成層12の主面に、フォトリソグラフィ法で所定形状のレジスト11を形成する(S12)。
Next, a resist 11 having a predetermined shape is formed on the main surface of the support
そして、レジスト11から露出する支持部形成層12をエッチングし、エッチング後にレジスト11を除去する。これにより、支持基板3の主面から突出する形状の支持部2を形成する。支持部2の先端面はCMPで平滑化する(S13)。
Then, the support
以上の工程(S11〜S13)が本発明のパターン形成工程に相当する。なお、支持基板3は水晶・ガラス・サファイアなどを採用してもよく、また、エッチング法に替えて、電子ビーム蒸着法、スパッタ法などを採用してもよい。
The above steps (S11 to S13) correspond to the pattern forming step of the present invention. The
また鏡面研磨を施した平坦な主面を有する圧電基板1を用意し、その主面から水素イオンを注入するイオン注入工程を実施する(S14)。圧電基板1としては42°YカットのLiTaO3基板を採用し、水素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。これにより圧電基板である圧電基板1の表面から一定距離の内部、ここでは形成深さ約1.0μmにマイクロキャビティが集中し、剥離層1Cが形成される。なお、圧電基板1の各面は、正または負の極性に帯電していて、ここでは圧電基板1の負極性の主面に対して、陽イオンである水素イオンを注入する。これにより、圧電基板1の分極の一部がイオン注入に伴って反転する現象を抑制する。
Also, the piezoelectric substrate 1 having a flat main surface subjected to mirror polishing is prepared, and an ion implantation process is performed in which hydrogen ions are implanted from the main surface (S14). As the piezoelectric substrate 1, a 42 ° Y-cut LiTaO 3 substrate is used, the hydrogen ion implantation energy is 150 KeV, and the dose (ion implantation density) is 9 × 10 16 atom / cm 2 . As a result, the microcavities are concentrated within a certain distance from the surface of the piezoelectric substrate 1 which is a piezoelectric substrate, here, at a formation depth of about 1.0 μm, and the
次に、真空中で、圧電基板1のイオン注入面に、支持部2で支持基板3を直接接合して複合基板5とする(S15)。この工程が本発明の接合工程に相当し、支持基板3の主面と支持部2の先端面との間の段差により、圧電基板1における一部の領域のみが支持基板3に接合される。これにより、板波デバイスの振動空間が形成される。したがって、犠牲層除去のために圧電基板を成形加工する必要が無く、容易にメンブレン構造を構成できる。
Next, in a vacuum, the
次に複合基板5を500℃加熱環境下に置く(S16)。これにより剥離層1Cでマイクロキャビティが発生して成長し、圧電基板1から約1μm厚の薄膜が剥離する。この工程が本発明の剥離工程に相当する。
Next, the composite substrate 5 is placed in a 500 ° C. heating environment (S16). As a result, a microcavity is generated and grows in the
次に、圧電薄膜4が剥落した圧電基板1と、圧電薄膜4が残存する複合基板5との剥離面はそれぞれRMS約1〜20nmで荒れているので、CMPにより100nm程度研磨してそれぞれ平滑化する。そして、圧電薄膜4に400℃で5ms、22kVのパルス電圧を印加することで、圧電薄膜4に再分極電界を印加して、イオン注入などの工程で反転した一部の分極を復元する(S17)。鏡面加工を施した圧電基板1は再利用し、高価な圧電基板1の材料効率を高める。再分極処理により、圧電薄膜4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。温度は各部の融点や熱膨張係数差を考慮して、200〜1200℃で行うとよい。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。 Next, the peeled surfaces of the piezoelectric substrate 1 from which the piezoelectric thin film 4 has been peeled off and the composite substrate 5 from which the piezoelectric thin film 4 remains are roughened at an RMS of about 1 to 20 nm. To do. Then, by applying a pulse voltage of 22 kV for 5 ms at 400 ° C. to the piezoelectric thin film 4, a repolarization electric field is applied to the piezoelectric thin film 4 to restore a part of the polarization reversed in the process such as ion implantation (S17). ). The piezoelectric substrate 1 subjected to the mirror finish is reused, and the material efficiency of the expensive piezoelectric substrate 1 is increased. By the repolarization process, an electric field is applied to the inside of the piezoelectric thin film 4, 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. The temperature is preferably 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 μs to 1 minute, since damage to the crystal due to the DC electric field can be suppressed. In addition, 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.
次に、複合基板5の上面にフォトリソグラフィ法によりレジストを設け、電子ビーム蒸着法により、板波デバイスの駆動電極であるIDT電極6を形成し、レジストを除去するする(S18)。 Next, a resist is provided on the upper surface of the composite substrate 5 by photolithography, and an IDT electrode 6 that is a driving electrode of the plate wave device is formed by electron beam evaporation, and the resist is removed (S18).
次に、複合基板5のダイシングにより各板波デバイスを切り出す(S19)。 Next, each plate wave device is cut out by dicing the composite substrate 5 (S19).
以上の製造方法では、犠牲層を必要とせずにメンブレン構造の空間部を形成でき、圧電薄膜の成形加工や、犠牲層の形成、犠牲層のエッチングが不要である。したがって、従来よりも製造コストおよび製造工数の効率を高めて、支持基板3と圧電薄膜4との間に振動空間を備える板波デバイスを形成できる。
In the above manufacturing method, the space portion of the membrane structure can be formed without the need for a sacrificial layer, and the piezoelectric thin film forming process, the formation of the sacrificial layer, and the etching of the sacrificial layer are unnecessary. Therefore, it is possible to form a plate wave device including a vibration space between the
またこの製造方法による板波デバイスでは、圧電薄膜4を圧電基板1からの剥離により形成するので、圧電体材料、結晶方位などの設計自由度が従来よりも高い。また、イオン注入を利用するので、圧電薄膜4の平坦度が高く、厚みの設計自由度も高い。したがって圧電薄膜4における電気機械結合係数や周波数温度特性、音速を精緻に設定する事が可能で、板波デバイスにおける周波数特性や、帯域幅、挿入損失などの特性を改善できる。 Moreover, in the plate wave device by this manufacturing method, since the piezoelectric thin film 4 is formed by peeling from the piezoelectric substrate 1, the degree of freedom in designing the piezoelectric material, crystal orientation, etc. is higher than in the past. Moreover, since ion implantation is used, the flatness of the piezoelectric thin film 4 is high, and the degree of freedom in designing the thickness is also high. Therefore, the electromechanical coupling coefficient, frequency temperature characteristics, and sound speed in the piezoelectric thin film 4 can be precisely set, and the frequency characteristics, bandwidth, insertion loss, and other characteristics of the plate wave device can be improved.
1…圧電基板
1C…剥離層
2…支持部
3…支持基板
4…圧電薄膜
5…複合基板
6…IDT電極
11…レジスト
12…支持部形成層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (5)
圧電基板の平坦面にイオンを注入するイオン注入工程と、
圧電基板の前記平坦面に、前記支持基板を前記支持部で接合する接合工程と、
前記圧電基板の前記平坦面から一定距離の内部でマイクロキャビティを成長させて、前記圧電基板から圧電薄膜を剥離する剥離工程と、を有する、複合基板の製造方法。 A pattern forming step of patterning a support portion protruding from a partial region of the main surface on the main surface of the support substrate;
An ion implantation step of implanting ions into the flat surface of the piezoelectric substrate;
A bonding step of bonding the support substrate to the flat surface of the piezoelectric substrate with the support;
And a peeling step of peeling a piezoelectric thin film from the piezoelectric substrate by growing a microcavity within a certain distance from the flat surface of the piezoelectric substrate.
前記圧電薄膜の前記平坦化した剥離面に電極を形成する工程と、を有する、請求項1に記載の複合基板の製造方法。 After the peeling step, flattening the peeling surface of the piezoelectric thin film;
The method of manufacturing a composite substrate according to claim 1, further comprising: forming an electrode on the planarized release surface of the piezoelectric thin film.
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