JP5786393B2 - Quartz device manufacturing method - Google Patents

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Description

この発明は、水晶の薄膜を用いた水晶デバイス、及びこの水晶デバイスの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a quartz crystal device using a quartz thin film and a method for manufacturing the quartz crystal device.

従来、圧電体の薄膜を備える圧電デバイスが製造されている。圧電デバイスは使用周波数帯域が高いほど圧電体の薄膜が薄く、薄膜の厚みはＭＨｚ帯で１００μｍ以下、ＧＨｚ帯で数μｍ以下である。   Conventionally, a piezoelectric device having a piezoelectric thin film has been manufactured. The piezoelectric device has a thinner piezoelectric thin film as the operating frequency band is higher, and the thickness of the thin film is 100 μm or less in the MHz band and several μm or less in the GHz band.

圧電体の薄膜を備える圧電デバイスの製造方法には、半導体基板に接着された水晶基板を研磨加工するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。また、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）基板やＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）基板にイオンを注入してマイクロキャビティを発生させ、加熱によりマイクロキャビティを成長させて圧電単結晶体から圧電薄膜を加熱剥離するものがあった（例えば、特許文献２参照。）。 As a method for manufacturing a piezoelectric device including a piezoelectric thin film, there has been a method of polishing a quartz substrate bonded to a semiconductor substrate (see, for example, Patent Document 1). In addition, there is a type in which ions are implanted into an LT (LiTaO 3 ) substrate or an LN (LiNbO 3 ) substrate to generate a microcavity, and the microcavity is grown by heating to thermally peel the piezoelectric thin film from the piezoelectric single crystal. (For example, refer to Patent Document 2).

特開平５−３２７３８３号公報JP-A-5-327383 米国特許第６７６７７４９号明細書US Pat. No. 6,767,749

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、特許文献１の段落［００２０］に記載されているように、精度よく機械研磨できるのは１０μｍ以上であるため、数μｍ以下の水晶薄膜を製造すると、厚みがばらついて品質が安定しないという問題があった。   However, in the invention described in Patent Document 1, as described in paragraph [0020] of Patent Document 1, since it is 10 μm or more that can be accurately mechanically polished, when a quartz thin film of several μm or less is manufactured, There was a problem that the quality was not stable due to variations in thickness.

また、特許文献２に記載の発明では、圧電基板として水晶基板を用いると、イオンを注入してもマイクロキャビティが形成されず、水晶基板を加熱しても水晶薄膜が剥離しないので、水晶薄膜が得られないという問題があった。   Further, in the invention described in Patent Document 2, when a crystal substrate is used as the piezoelectric substrate, a microcavity is not formed even if ions are implanted, and the crystal thin film does not peel even when the crystal substrate is heated. There was a problem that it could not be obtained.

そこで、この発明は、数μｍ以下の厚みの非常に薄い水晶薄膜を安定して製造できる水晶デバイスの製造方法、及びこの製造方法で製造した水晶デバイスを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a quartz device that can stably manufacture a very thin quartz thin film having a thickness of several μm or less, and a quartz device manufactured by this manufacturing method.

（１）この発明の水晶デバイスの製造方法は、アモルファス層形成工程と、分離工程と、を備えている。アモルファス層形成工程は、イオンまたは原子を水晶基板に注入して、水晶基板内にアモルファス層を形成する。分離工程は、アモルファス層をエッチングにより除去して、水晶基板から水晶薄膜を分離する。   (1) The manufacturing method of the quartz crystal device of this invention is equipped with the amorphous layer formation process and the isolation | separation process. In the amorphous layer forming step, ions or atoms are implanted into the quartz substrate to form an amorphous layer in the quartz substrate. In the separation step, the amorphous layer is removed by etching to separate the quartz thin film from the quartz substrate.

水晶基板に水素イオンや希ガスイオンや水素原子を注入すると、水晶基板とイオン（または原子）が反応してアモルファス化するので、水晶基板内にアモルファス層が形成される。アモルファス層を形成する深さは、イオンや原子の注入条件（注入エネルギーやドーズ量）により決まる。注入条件に応じて、注入面から１μｍ〜数μｍの深さに、ばらつきのない平坦なアモルファス層が形成される。水晶のアモルファスは、水晶結晶よりもエッチング速度が速いので、エッチングによりアモルファス層を除去することで、水晶基板から水晶薄膜を分離できる。したがって、数μｍ以下の厚みの水晶薄膜を安定して製造できる。   When hydrogen ions, rare gas ions, or hydrogen atoms are implanted into the quartz substrate, the quartz substrate and ions (or atoms) react to become amorphous, so that an amorphous layer is formed in the quartz substrate. The depth at which the amorphous layer is formed is determined by ion or atom implantation conditions (implantation energy and dose). Depending on the implantation conditions, a flat amorphous layer having no variation is formed at a depth of 1 μm to several μm from the implantation surface. Since the crystal amorphous has a higher etching rate than the crystal, the crystal thin film can be separated from the crystal substrate by removing the amorphous layer by etching. Therefore, a quartz thin film having a thickness of several μm or less can be stably manufactured.

また、水晶基板は、使用したい振動モードに最適な結晶方位に切り出してイオン注入を行うとよい。これにより、水晶単結晶基板の表面から一定の深さにアモルファス層が形成されるので、水晶メンブレンのカット面を任意に選ぶことができ、用途に応じて優れた性能の水晶振動子が製造できる。   In addition, the crystal substrate may be ion-implanted by cutting into a crystal orientation optimal for the vibration mode to be used. As a result, an amorphous layer is formed at a certain depth from the surface of the quartz single crystal substrate, so that the cut surface of the quartz membrane can be arbitrarily selected, and a quartz resonator having excellent performance can be manufactured according to the application. .

（２）（１）において、分離工程は、アモルファス層の一部をエッチングにより除去して、前記水晶薄膜と前記水晶基板の間に空間を形成する工程であることが好ましい。アモルファス層の一部をエッチングにより除去することで、水晶基板から分離した水晶薄膜の振動空間として使用できる。また、この振動空間の周囲にアモルファス層の一部を除去せずに残すことで、別に支持部を設けることなく、残したアモルファス層により水晶薄膜を支持できる。したがって、簡素な工程により水晶基板から水晶薄膜を分離して、水晶薄膜の振動空間を備えた水晶デバイスを製造できる。   (2) In (1), it is preferable that the separation step is a step of removing a part of the amorphous layer by etching to form a space between the quartz thin film and the quartz substrate. By removing a part of the amorphous layer by etching, it can be used as a vibration space of the crystal thin film separated from the crystal substrate. In addition, by leaving a part of the amorphous layer around the vibration space without removing it, the crystal thin film can be supported by the remaining amorphous layer without providing a separate support portion. Therefore, it is possible to manufacture a crystal device having a vibration space of a crystal thin film by separating the crystal thin film from the crystal substrate by a simple process.

アモルファス層を残す部分は、水晶薄膜を振動体として使用する際に、振動変位の小さい領域（例えば振動ノード点）が好ましい。振動変位の小さい領域と接するアモルファス層を残して水晶薄膜と水晶基板を機械的に接続することで、Ｑ値の劣化を抑制できる。   The portion where the amorphous layer is left is preferably a region having a small vibration displacement (for example, a vibration node point) when the crystal thin film is used as a vibration body. The deterioration of the Q value can be suppressed by mechanically connecting the crystal thin film and the crystal substrate while leaving the amorphous layer in contact with the region where the vibration displacement is small.

（３）（１）において、アモルファス層形成工程よりも前に、イオンまたは原子の注入を阻止するレジスト膜をイオンまたは原子注入側の面の一部に形成し、アモルファス層形成工程において、イオンまたは原子を該注入側の面から注入して、水晶基板内にアモルファス層を形成し、アモルファス層形成工程よりも後に、レジスト膜を除去することが好ましい。   (3) In (1), before the amorphous layer forming step, a resist film that blocks ion or atom implantation is formed on a part of the surface on the ion or atom implantation side. It is preferable to inject atoms from the surface on the injection side to form an amorphous layer in the quartz substrate, and to remove the resist film after the amorphous layer forming step.

水晶基板のイオンまたは原子注入側の面にレジスト膜を形成すると、レジスト膜を形成した部分からはイオンまたは原子が注入されない。そこで、水晶薄膜を形成したい領域以外にレジスト膜を形成してから、イオンまたは原子注入側の面からイオンまたは原子を注入することで、水晶薄膜を形成する必要がある領域だけにアモルファス層を形成できる。したがって、水晶基板全体にアモルファス層を形成してエッチングを行う場合と比較して、アモルファス層の形成とエッチングによるアモルファス層の除去を効率良く行うことができる。また、アモルファス層がエッチングされ、アモルファス層を形成していない領域はエッチングされないため、電極を形成した領域の近傍に、水晶による支持体を形成できる。つまり、水晶薄膜（メンブレン）を最低限の面積で形成できるため、水晶基板の使用効率を上げることができるともに水晶デバイスを小型化できる。   When a resist film is formed on the surface of the quartz substrate on the ion or atom implantation side, ions or atoms are not implanted from the portion where the resist film is formed. Therefore, after forming a resist film in a region other than the region where the crystal thin film is to be formed, ions or atoms are implanted from the surface on the ion or atom implantation side, thereby forming an amorphous layer only in the region where the crystal thin film needs to be formed. it can. Therefore, compared with the case where an amorphous layer is formed on the entire quartz substrate and etching is performed, the formation of the amorphous layer and the removal of the amorphous layer by etching can be performed efficiently. Further, since the region where the amorphous layer is etched and the amorphous layer is not formed is not etched, a support made of quartz can be formed in the vicinity of the region where the electrode is formed. That is, since the quartz thin film (membrane) can be formed with a minimum area, the usage efficiency of the quartz substrate can be increased and the quartz device can be miniaturized.

（４）（１）〜（３）において、アモルファス層形成工程の後から分離工程の前までに、水晶基板のイオンまたは原子の注入面側に支持基板を設けることが好ましい。イオンまたは原子の注入面側に支持基板を設けることで、支持基板により水晶薄膜を支持できる。また、水晶基板と支持基板の間に任意の広さの空間が形成されるように支持基板を設けることで、水晶薄膜と支持基板の間に任意の広さの振動空間を形成できる。振動空間を形成するには、例えば、水晶基板と支持基板の間に犠牲層を設けて、この犠牲層を除去するとよい。   (4) In (1) to (3), it is preferable that a support substrate is provided on the side of the crystal substrate ion or atom implantation surface after the amorphous layer formation step and before the separation step. By providing the support substrate on the ion or atom implantation surface side, the crystal thin film can be supported by the support substrate. Further, by providing the support substrate so that a space having an arbitrary width is formed between the quartz substrate and the support substrate, an oscillation space having an arbitrary width can be formed between the crystal thin film and the support substrate. In order to form the vibration space, for example, a sacrificial layer may be provided between the quartz substrate and the support substrate, and the sacrificial layer may be removed.

（５）（１）〜（４）において、アモルファス層形成工程の後から分離工程の前までの間に、溝形成工程を行うことが好ましい。溝形成工程では、水晶基板に複数の溝を設けて、アモルファス層の側面を露出させる。また、分離工程は、複数の溝にエッチング液を導入して、溝と溝の間におけるアモルファス層を除去する工程とするのが好ましい。   (5) In (1) to (4), it is preferable to perform the groove forming step after the amorphous layer forming step and before the separating step. In the groove forming step, a plurality of grooves are provided in the quartz substrate to expose the side surfaces of the amorphous layer. The separation step is preferably a step of introducing an etching solution into the plurality of grooves to remove the amorphous layer between the grooves.

水晶基板に複数の溝を設けてアモルファス層の側面を露出させて、各溝からエッチングを行うと、水晶基板に溝を設けずに水晶基板の端部からエッチングを行う場合よりも、エッチングを行う距離を短くできる。したがって、エッチングを行う時間を短縮でき、水晶デバイスを効率良く製造できる。   When the quartz substrate is provided with a plurality of grooves to expose the side surfaces of the amorphous layer and etching is performed from each groove, the etching is performed compared to the case where etching is performed from the end of the quartz substrate without providing the grooves on the quartz substrate. The distance can be shortened. Therefore, the etching time can be shortened and the quartz crystal device can be manufactured efficiently.

（６）（５）において、溝形成工程は、水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸に対して線対称に複数の溝を形成する工程であることが好ましい。   (6) In (5), the groove forming step is preferably a step of forming a plurality of grooves in line symmetry with respect to an axis passing through the center along the surface of the crystal thin film.

水晶基板に対して上記のように溝を形成すると、分離工程でエッチングによりアモルファス層を除去する際には、水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸の部分が端部よりも厚い、山型形状に形成することが可能となる。これは、水晶薄膜の端部は溝に近く、水晶薄膜の中央部よりもエッチング液に触れている（浸っている）時間が長いからである。水晶薄膜を上記のように山型形状にすることで、動作周波数帯域において、中央部の主振動モードの波数を実数、周辺部の波数を虚数とするエネルギー閉じ込め構造を構成できる。水晶薄膜をエネルギー閉じ込め構造にすることで、共振時に振動エネルギーの漏洩がなくなるため、Ｑ値が高く安定した特性の水晶デバイスを製造できる。   When a groove is formed on a quartz substrate as described above, when the amorphous layer is removed by etching in the separation step, the axis portion passing through the center along the surface of the quartz thin film is thicker than the end portion. It can be formed into a shape. This is because the end portion of the crystal thin film is close to the groove, and the time during which the crystal thin film is touched (soaked) is longer than the center portion of the crystal thin film. By making the quartz thin film into a mountain shape as described above, an energy confinement structure in which the wave number of the main vibration mode in the central part is real and the wave number in the peripheral part is imaginary can be configured in the operating frequency band. Since the quartz thin film has an energy confinement structure, vibration energy does not leak at the time of resonance, so that a quartz device having a high Q value and stable characteristics can be manufactured.

（７）（１）〜（６）において、分離工程は、さらに水晶基板の一部をエッチングにより除去する工程であることが好ましい。   (7) In (1) to (6), the separating step is preferably a step of further removing a part of the quartz substrate by etching.

エッチング液の混合比を調整することで、アモルファス層とともに、水晶基板の一部をエッチングにより除去することが可能となる。水晶薄膜の端部は溝に近く、水晶薄膜の中央部よりもエッチング液に触れている（浸っている）時間が長いので、水晶薄膜の端部に近いほど水晶薄膜が除去される。このように、水晶のアモルファス層だけでなく水晶薄膜も除去されると、水晶薄膜は中央部が最も厚い山型形状になり、エネルギー閉じ込め構造を構成できるので、Ｑ値が高く安定した特性の水晶デバイスを得ることができる。   By adjusting the mixing ratio of the etching liquid, it is possible to remove part of the quartz crystal substrate together with the amorphous layer by etching. Since the end of the crystal thin film is close to the groove and the etching liquid is in contact with (dipped) for a longer time than the center of the crystal thin film, the crystal thin film is removed closer to the end of the crystal thin film. In this way, when not only the amorphous layer of crystal but also the crystal thin film is removed, the crystal thin film has the thickest mountain shape at the center and can form an energy confinement structure. You can get a device.

（８）この発明の水晶デバイスは、上記（１）〜（７）のいずれかの製造方法により製造され、水晶薄膜は、その両面にそれぞれ電圧を印加する電極を備え、水晶薄膜の一方の面は、振動空間をおいて支持基板に対向し、水晶薄膜は、前記電極間に電圧が印加されると、振動空間において屈曲振動する。   (8) The crystal device of the present invention is manufactured by the manufacturing method according to any one of the above (1) to (7), and the crystal thin film includes electrodes for applying voltages to both sides thereof, and one surface of the crystal thin film Is opposed to the support substrate in a vibration space, and the quartz crystal thin film vibrates in the vibration space when a voltage is applied between the electrodes.

水晶薄膜の周波数変動の感度は厚みに対して反比例する。水晶デバイスは、上記の方法により製造した数μｍ以下の非常に薄い水晶薄膜を備えているので、非常に高感度なセンサとして使用できる。   The sensitivity of the frequency fluctuation of the quartz thin film is inversely proportional to the thickness. Since the quartz crystal device is provided with a very thin quartz thin film of several μm or less manufactured by the above method, it can be used as a very sensitive sensor.

また、水晶薄膜をＸカットの屈曲振動モードで構成した場合、屈曲振動するときの共振周波数は厚みに比例し、長さに反比例する。水晶デバイスは、上記の方法で製造した非常に薄い水晶薄膜を備えているので、共振周波数を低周波数化できる。また、周波数が同じ場合、上記の方法で製造した水晶薄膜の長さを短くすると、薄化による共振周波数の低周波数化は水晶薄膜の短化により打ち消されるので、結果として水晶薄膜を小型にすることができる。したがって、このような水晶薄膜を備える水晶デバイスは、小型のセンサとして使用できる。   When the quartz thin film is configured in the X-cut bending vibration mode, the resonance frequency at the time of bending vibration is proportional to the thickness and inversely proportional to the length. Since the quartz device includes a very thin quartz thin film manufactured by the above method, the resonance frequency can be lowered. In addition, when the frequency is the same, if the length of the quartz thin film manufactured by the above method is shortened, the reduction of the resonance frequency due to the thinning is canceled by the shortening of the quartz thin film, resulting in the miniaturization of the quartz thin film. be able to. Therefore, the crystal device provided with such a crystal thin film can be used as a small sensor.

（９）水晶薄膜は、電極間に電圧が印加されると、振動空間において面振動するように構成することもできる。このような特性の水晶薄膜を備える水晶デバイスは、１０〜１００ＭＨｚ程度の共振子として使用できる。水晶薄膜を、ＧＴカットの結合振動モード、ＣＴカット・ＤＴカットの輪郭振動モード、すなわち面振動モードになるように構成した場合、厚みを薄くできるので、水晶デバイスの低インピーダンス化が可能となる。また、水晶薄膜の薄化により、パッケージを含む水晶デバイス全体を薄くできる。   (9) The quartz crystal thin film can be configured to undergo surface vibration in the vibration space when a voltage is applied between the electrodes. A crystal device including a crystal thin film having such characteristics can be used as a resonator of about 10 to 100 MHz. When the quartz thin film is configured to be in the GT-cut coupled vibration mode, the CT-cut / DT-cut contour vibration mode, that is, the surface vibration mode, the thickness can be reduced, so that the impedance of the crystal device can be reduced. In addition, the entire quartz crystal device including the package can be thinned by thinning the quartz crystal thin film.

（１０）水晶薄膜は、電極間に電圧が印加されると、振動空間において厚み振動するように構成することもできる。   (10) The crystal thin film can be configured to vibrate in thickness in the vibration space when a voltage is applied between the electrodes.

このような特性の水晶薄膜を備える水晶デバイスは、１ＧＨｚ〜２ＧＨｚの共振子として使用できる。この共振子は、従来のＡｌＮ膜を用いた共振子に比べてＱ値が高く、周波数温度特性が安定している。   A crystal device including a crystal thin film having such characteristics can be used as a resonator of 1 GHz to 2 GHz. This resonator has a higher Q value and a stable frequency-temperature characteristic than a resonator using a conventional AlN film.

（１１）この発明の水晶デバイスは、上記（１）〜（７）のいずれかの製造方法により製造され、水晶薄膜は、第１の面に電圧を印加する一対のくし形電極を備え、第２の面が振動空間をおいて水晶基板に対向し、水晶薄膜は、一対のくし形電極間に電圧が印加されると、板波を発生する。   (11) A quartz crystal device of the present invention is manufactured by the manufacturing method according to any one of (1) to (7) above, and the quartz crystal thin film includes a pair of comb-shaped electrodes for applying a voltage to the first surface, The surface of 2 faces the quartz substrate with a vibration space, and the quartz thin film generates a plate wave when a voltage is applied between the pair of comb electrodes.

このような特性の水晶薄膜を備える水晶デバイスは、板波共振子として使用できる。この水晶デバイスを溶液濃度センサやガスセンサとして使用した場合、水晶薄膜の厚みが非常に薄いので、溶液やガスの濃度を高感度に検出できる。   A crystal device including a crystal thin film having such characteristics can be used as a plate wave resonator. When this crystal device is used as a solution concentration sensor or gas sensor, the thickness of the crystal thin film is very thin, so that the concentration of the solution or gas can be detected with high sensitivity.

（１２）水晶薄膜は、一対のくし形電極に電圧が印加されると、表面波を発生するように構成することもできる。このような特性の水晶薄膜を備える水晶デバイスは、表面波デバイスとして使用できる。   (12) The quartz crystal thin film can be configured to generate a surface wave when a voltage is applied to the pair of comb electrodes. A crystal device including a crystal thin film having such characteristics can be used as a surface wave device.

この発明によれば、数μｍ以下の厚みの非常に薄い水晶薄膜を備えた水晶デバイスを安定して製造できる。   According to the present invention, it is possible to stably manufacture a crystal device including a very thin crystal thin film having a thickness of several μm or less.

本発明の第１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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図１に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device formed with the manufacturing flow shown in FIG. 本発明の第２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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図３に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device formed with the manufacturing flow shown in FIG. 本発明の第３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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図５に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device formed with the manufacturing flow shown in FIG. 本発明の第４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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図７に示す製造フローで形成される圧電デバイスの製造過程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing process of the piezoelectric device formed with the manufacturing flow shown in FIG.

［第１実施形態］
第１実施形態では、水晶単結晶基板に水晶薄膜を設ける例を説明する。 [First Embodiment]
In the first embodiment, an example in which a crystal thin film is provided on a crystal single crystal substrate will be described.

図１は、本発明の第１実施形態に係る水晶デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図２は、図１に示す製造フローで形成される水晶デバイスの製造過程を模式的に示す図である。   FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the quartz crystal device formed by the manufacturing flow shown in FIG.

図２（Ａ）に示すように、所定の厚みの水晶単結晶基板１を用意する。水晶単結晶基板１としては、表面１Ａが鏡面研磨され、水晶薄膜を複数配列可能な基板を用いる。なお、図２には、水晶単結晶基板１の一部分を示している。   As shown in FIG. 2A, a quartz single crystal substrate 1 having a predetermined thickness is prepared. As the quartz single crystal substrate 1, a substrate whose surface 1A is mirror-polished and on which a plurality of quartz thin films can be arranged is used. FIG. 2 shows a part of the quartz single crystal substrate 1.

図２（Ｂ）に示すように、水晶単結晶基板１のイオン注入側の面である表面１Ａにおいて、水晶薄膜を形成しない部分にレジスト膜１１Ａ，１１Ｂを形成する（図１：Ｓ１０１）。レジスト膜１１Ａ，１１Ｂは、例えば、フォトリソグラフィ法により形成する。   As shown in FIG. 2 (B), resist films 11A and 11B are formed on the surface 1A, which is the surface on the ion implantation side of the quartz single crystal substrate 1, on the portion where the quartz thin film is not formed (FIG. 1: S101). The resist films 11A and 11B are formed by, for example, a photolithography method.

図２（Ｃ）に示すように、水晶単結晶基板１の表面１Ａから水素イオン１２を注入する。水晶単結晶基板１に水素イオン１２を注入すると、表面１Ａから一定の深さに、水晶（ＳｉＯ２）がアモルファス化した層（以下、アモルファス層と称する。）１３Ａ〜１３Ｃが形成される（図１：Ｓ１０２［アモルファス層形成工程］）。このとき、水晶単結晶基板１の表面１Ａに設けたレジスト膜１１Ａ，１１Ｂは、イオンの注入を阻止するので、レジスト膜１１Ａ及びレジスト膜１１Ｂの直下にはアモルファス層は形成されない。なお、レジスト膜１１Ａ，１１Ｂに代えて、金属膜を設けても、イオンの注入を阻止できる。 As shown in FIG. 2C, hydrogen ions 12 are implanted from the surface 1A of the quartz single crystal substrate 1. When hydrogen ions 12 are implanted into the quartz single crystal substrate 1, layers (hereinafter referred to as amorphous layers) 13A to 13C in which quartz (SiO 2 ) is amorphized are formed at a certain depth from the surface 1A (see FIG. 1: S102 [amorphous layer forming step]). At this time, since the resist films 11A and 11B provided on the surface 1A of the quartz single crystal substrate 1 block ion implantation, an amorphous layer is not formed immediately below the resist film 11A and the resist film 11B. Note that ion implantation can be prevented even if a metal film is provided instead of the resist films 11A and 11B.

水素イオンの注入条件を、注入エネルギー１１０ｋｅＶ、ドーズ量（イオン注入密度）５．０×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ２に設定した場合、水晶単結晶基板１の表面１Ａから深さ１．２５μｍを中心とする位置に、厚み０．１μｍのアモルファス層１３Ａ〜１３Ｃが形成される。 When the hydrogen ion implantation conditions are set to an implantation energy of 110 keV and a dose (ion implantation density) of 5.0 × 10 16 atoms / cm 2 , the depth from the surface 1A of the quartz single crystal substrate 1 is 1.25 μm. Amorphous layers 13 </ b> A to 13 </ b> C having a thickness of 0.1 μm are formed at the positions to be formed.

なお、水晶単結晶基板１に注入する物質としては、水素イオン１２の他に、ヘリウムイオンやアルゴンイオンなどの希ガスイオンや、水素などの原子を用いることが可能である。アモルファス層１３Ａ〜１３Ｃを形成する深さは、水素イオン１２の注入条件や水晶基板に注入する物質（イオンや原子）を変更することにより調整可能である。   As a material to be injected into the quartz single crystal substrate 1, in addition to hydrogen ions 12, rare gas ions such as helium ions and argon ions, and atoms such as hydrogen can be used. The depth at which the amorphous layers 13A to 13C are formed can be adjusted by changing the implantation conditions of the hydrogen ions 12 and the substances (ions and atoms) implanted into the quartz substrate.

図２（Ｄ）に示すように、レジスト膜１１Ａ，１１Ｂを除去する（図１：Ｓ１０３）。レジスト膜１１Ａ，１１Ｂは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：リアクティブ・イオン・エッチング）法などにより除去する。   As shown in FIG. 2D, the resist films 11A and 11B are removed (FIG. 1: S103). The resist films 11A and 11B are removed by RIE (Reactive Ion Etching) method or the like.

図２（Ｅ）に示すように、水晶単結晶基板１の表面１Ａに複数の溝１４Ａ〜１４Ｄを形成する。溝１４Ａ〜１４Ｄは、ダイシングやドライエッチングにより、アモルファス層１３Ａ〜１３Ｃの側面が露出するように形成する（図１：Ｓ１０４［溝形成工程］）。   As shown in FIG. 2 (E), a plurality of grooves 14 </ b> A to 14 </ b> D are formed in the surface 1 </ b> A of the quartz single crystal substrate 1. The grooves 14A to 14D are formed by dicing or dry etching so that the side surfaces of the amorphous layers 13A to 13C are exposed (FIG. 1: S104 [groove forming step]).

続いて、エッチングによりアモルファス層を除去して、水晶単結晶基板１から水晶薄膜を分離する（図１：Ｓ１０５［分離工程］）。具体的には、まず、水晶単結晶基板１の表面１Ａに形成した複数の溝１４Ａ〜１４Ｄにエッチング液を導入する。水晶のアモルファス層は、水晶単結晶よりもエッチング速度が速い。そのため、アモルファス層の露出した側面からエッチングが開始される。エッチングが進むと、溝と溝の間におけるアモルファス層が除去されて、水晶単結晶基板１内に空間（振動空間）が形成される。これにより、水晶単結晶基板１の表面１Ａに、例えば厚さ約１．２μｍの水晶薄膜が形成される。   Subsequently, the amorphous layer is removed by etching, and the quartz thin film is separated from the quartz single crystal substrate 1 (FIG. 1: S105 [separation step]). Specifically, first, an etching solution is introduced into the plurality of grooves 14 </ b> A to 14 </ b> D formed on the surface 1 </ b> A of the crystal single crystal substrate 1. The amorphous layer of quartz has a higher etching rate than the quartz single crystal. Therefore, etching is started from the exposed side surface of the amorphous layer. As the etching proceeds, the amorphous layer between the grooves is removed, and a space (vibration space) is formed in the crystal single crystal substrate 1. As a result, a quartz thin film having a thickness of about 1.2 μm is formed on the surface 1A of the quartz single crystal substrate 1, for example.

なお、基本的には、アモルファス層がエッチングされ、アモルファス層を形成していない領域はエッチングされないので、後述のくし形電極を形成する領域の近傍に、水晶単結晶による支持体を形成できる。つまり、水晶薄膜（メンブレン）を最低限の面積で形成できるため、水晶基板の使用効率を上げることができるとともに水晶デバイスを小型化できる。   Basically, since the amorphous layer is etched and the region where the amorphous layer is not formed is not etched, a support made of a crystal single crystal can be formed in the vicinity of a region where a comb electrode described later is formed. That is, since the quartz thin film (membrane) can be formed with a minimum area, the usage efficiency of the quartz substrate can be increased and the quartz device can be miniaturized.

エッチング液としては、例えば、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いる。ＢＨＦは、フッ酸と水とフッ化アンモニウムを混合したものである。これらの混合比を調整して、水晶の単結晶と、水晶のアモルファス（石英ガラス）と、のエッチングレートの比を変えることで、水晶薄膜を山型形状または平坦な形状に形成できる。   For example, BHF (buffered hydrofluoric acid) is used as the etchant. BHF is a mixture of hydrofluoric acid, water, and ammonium fluoride. By adjusting these mixing ratios and changing the ratio of the etching rate of crystal single crystal and crystal amorphous (quartz glass), the crystal thin film can be formed in a mountain shape or a flat shape.

例えば、フッ酸：水：フッ化アンモニウムの混合比（重量比）を１：５９：４０にすると、水晶の単結晶とアモルファスのエッチングレートの比は２００倍程度である。この場合には、エッチング時間が長くなると、アモルファス層だけでなく水晶単結晶の一部もエッチングにより除去される。すなわち、水晶薄膜１６Ａ〜１６Ｃの端部は、溝１４Ａ〜１４Ｄに近く、エッチング液に触れている（浸っている）時間が長いので、アモルファス層１３Ａ〜１３Ｃだけでなく水晶単結晶基板１の一部もエッチングにより除去される。一方、水晶薄膜１６Ａ〜１６Ｃの中央部は、エッチング液に触れている時間が端部よりも短いので、アモルファス層１３Ａ〜１３Ｃの一部が残る。したがって、各水晶薄膜１６Ａ〜１６Ｃの中央部と端部の厚みの差が大きくなる。すなわち、図２（Ｆ）に示す水晶薄膜１６Ｂのように、端部が最も薄く、端部から離れるのに従って厚みが徐々に増して中央部が最も厚い山型形状になる。   For example, when the mixing ratio (weight ratio) of hydrofluoric acid: water: ammonium fluoride is 1:59:40, the ratio of the crystal single crystal to the amorphous etching rate is about 200 times. In this case, when the etching time becomes long, not only the amorphous layer but also a part of the crystal single crystal is removed by etching. That is, the end portions of the crystal thin films 16A to 16C are close to the grooves 14A to 14D and have a long time of being touched (immersed) in the etching solution. The part is also removed by etching. On the other hand, in the central part of the crystal thin films 16A to 16C, the time during which the etching liquid is touched is shorter than the end part, so that a part of the amorphous layers 13A to 13C remains. Therefore, the difference in thickness between the central portion and the end portion of each of the crystal thin films 16A to 16C is increased. That is, like the crystal thin film 16B shown in FIG. 2 (F), the end portion is the thinnest, the thickness gradually increases as the distance from the end portion increases, and the central portion has the thickest mountain shape.

水晶薄膜を山型形状に形成することで、Ｑ値を高くできる。バルク振動子は、動作周波数帯域において、中央部の主振動モードの波数を実数とし、周辺部の波数を虚数とすることで、エネルギー閉じ込め状態となることが知られている。ＡＴカット水晶の厚み滑り振動モードに代表される多くのバルク振動モードは、低域遮断型の分散特性を有している。低域遮断型の分散特性を有する振動モードは、中央部に対して、端部の厚みを僅かに薄くすることで、エネルギー閉じ込め構造を構成できる。   The Q value can be increased by forming the quartz thin film in a mountain shape. It is known that the bulk vibrator is in an energy confined state in the operating frequency band by setting the wave number of the main vibration mode in the central part as a real number and the wave number in the peripheral part as an imaginary number. Many bulk vibration modes represented by the thickness-shear vibration mode of AT-cut quartz have low-frequency cutoff type dispersion characteristics. In the vibration mode having a low-frequency cutoff type dispersion characteristic, the energy confinement structure can be configured by slightly reducing the thickness of the end portion with respect to the central portion.

一方、フッ酸：水：フッ化アンモニウムの混合比（重量比）を６：６４：３０にすると、水晶の単結晶とアモルファスのエッチングレートの比は５００倍程度である。この場合には、水晶単結晶基板１はほとんどエッチングされないので、水晶薄膜の中央部と端部の厚みの差は小さい。   On the other hand, when the mixing ratio (weight ratio) of hydrofluoric acid: water: ammonium fluoride is 6:64:30, the ratio of the crystal single crystal to the amorphous etching rate is about 500 times. In this case, since the quartz single crystal substrate 1 is hardly etched, the difference in thickness between the central portion and the end portion of the quartz thin film is small.

水晶単結晶基板１に形成されるアモルファス層１３Ａ〜１３Ｃは緻密かつ平坦なので、エッチングによりアモルファス層を除去した後も、水晶薄膜１６Ａ〜１６Ｃの表面を平滑に保つことができる。したがって、エッチングによりアモルファス層を除去すると、水晶薄膜の表面を平滑にすることができ、図２（Ｇ）に示す水晶薄膜１８Ｂのように、平坦な形状になる。   Since the amorphous layers 13A to 13C formed on the crystal single crystal substrate 1 are dense and flat, the surfaces of the crystal thin films 16A to 16C can be kept smooth even after the amorphous layer is removed by etching. Therefore, when the amorphous layer is removed by etching, the surface of the quartz thin film can be smoothed, and a flat shape is obtained as in the quartz thin film 18B shown in FIG.

以上のように、フッ酸：水：フッ化アンモニウムの混合比（重量比）を変更することで、水晶薄膜の形状を調整できる。なお、フッ酸／フッ化アンモニウムの比を１〜２０の範囲に設定することで、水晶振動子としては好ましい形状にできる。すなわち、振動エネルギーの漏洩がなくなるため、Ｑ値が高く安定した特性の水晶デバイスを得ることができる。   As described above, the shape of the quartz thin film can be adjusted by changing the mixing ratio (weight ratio) of hydrofluoric acid: water: ammonium fluoride. In addition, by setting the ratio of hydrofluoric acid / ammonium fluoride to a range of 1 to 20, a preferable shape can be obtained as a crystal resonator. That is, since leakage of vibration energy is eliminated, a crystal device having a high Q value and stable characteristics can be obtained.

なお、エッチング液の混合比を調整することで、水晶単結晶基板１を除去することなく、アモルファス層の除去により、水晶薄膜を山型形状に形成することも可能である。   It is to be noted that by adjusting the mixing ratio of the etching solution, the quartz thin film can be formed in a mountain shape by removing the amorphous layer without removing the quartz single crystal substrate 1.

図２（Ｈ）は、水晶単結晶基板１の平面図、図２（Ｉ）は、図２（Ｈ）に示す水晶単結晶基板１のＢ−Ｂ断面図、図２（Ｊ）は、図２（Ｈ）に示す水晶単結晶基板１のＡ−Ａ断面図である。   2H is a plan view of the quartz single crystal substrate 1, FIG. 2I is a BB cross-sectional view of the quartz single crystal substrate 1 shown in FIG. 2H, and FIG. It is AA sectional drawing of the quartz single crystal substrate 1 shown to 2 (H).

図２（Ｈ）に示すように、水晶薄膜１８の表面に振動子として駆動するための電極を水晶薄膜上に形成する（図１：Ｓ１０６）。   As shown in FIG. 2H, an electrode for driving as a vibrator is formed on the surface of the crystal thin film 18 on the crystal thin film (FIG. 1: S106).

水晶薄膜１８Ｂの上面には、一対のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極１９と、反射器２０Ａ，２０Ｂと、を形成する。反射器２０Ａ，２０Ｂは、一対のＩＤＴ電極１９の表面波伝搬方向の両端に形成する。水晶単結晶基板１において中空保持した水晶薄膜１８Ｂ上に一対のＩＤＴ電極１９を形成し、一対のＩＤＴ電極１９間に電圧を印加することで、板波を発生する板波共振子を形成できる。 A pair of IDT (Interdigital Transducer) electrodes 19 and reflectors 20A and 20B are formed on the upper surface of the crystal thin film 18B. The reflectors 20A and 20B are formed at both ends of the pair of IDT electrodes 19 in the surface wave propagation direction. A plate wave resonator that generates a plate wave can be formed by forming a pair of IDT electrodes 19 on a quartz crystal thin film 18B held hollow in the quartz single crystal substrate 1 and applying a voltage between the pair of IDT electrodes 19.

なお、板波共振子の振動変位は小さいので、アモルファス層を除去して形成した空間１５Ａ〜１５Ｃまたは空間１７Ａ〜１７Ｃを振動空間として用いても問題ない。   Since the vibration displacement of the plate wave resonator is small, there is no problem even if the spaces 15A to 15C or the spaces 17A to 17C formed by removing the amorphous layer are used as the vibration space.

次に、水晶単結晶基板１を切断して個別の水晶デバイスを切り出す（図１：Ｓ１０７）。以上の工程により、水晶薄膜の片面にくし形電極を備えた水晶デバイスを製造できる。   Next, the quartz single crystal substrate 1 is cut to cut out individual quartz devices (FIG. 1: S107). Through the above steps, a quartz crystal device having a comb-shaped electrode on one side of a quartz crystal thin film can be manufactured.

このようにして製造した水晶デバイスは、前記のように板波共振子が形成されているので、溶液濃度センサやガスセンサとして使用した場合、水晶薄膜の厚みが非常に薄いので、溶液やガスの濃度を高感度に検出できる。   Since the crystal device manufactured in this way has a plate wave resonator as described above, when used as a solution concentration sensor or a gas sensor, the thickness of the crystal thin film is very thin. Can be detected with high sensitivity.

なお、第１実施形態において、図１に示したフローチャートでは、イオン注入を行う前に、水晶単結晶基板１の表面１Ａにレジスト膜１１Ａ，１１Ｂを設けたが、レジスト膜１１Ａ，１１Ｂを設けずに、水晶薄膜１８Ａ〜１８Ｃを形成することも可能である。すなわち、ステップＳ１０１とＳ１０３を行わずに、ステップＳ１０２とステップＳ１０４以降の処理を行うことも可能である。   In the first embodiment, in the flowchart shown in FIG. 1, the resist films 11A and 11B are provided on the surface 1A of the crystal single crystal substrate 1 before ion implantation. However, the resist films 11A and 11B are not provided. In addition, it is possible to form the crystal thin films 18A to 18C. That is, steps S102 and S104 and subsequent steps can be performed without performing steps S101 and S103.

この場合には、ステップＳ１０２では、水晶単結晶基板１の表面１Ａから、水晶単結晶基板１の全体に水素イオンを注入する。ステップＳ１０４では、図２（Ｈ）に示した溝よりも、同図における上下方向の長さを短く形成する。ステップ１０５では、ＩＤＴ１９と反射器２０Ａ，２０Ｂを形成する部分の直下のアモルファス層１３が主に除去されるように、エッチング液の混合比やエッチングの時間を調整する。また、ステップＳ１０６，Ｓ１０７は、前記の説明と同様に処理を行う。   In this case, in step S102, hydrogen ions are implanted into the entire crystal single crystal substrate 1 from the surface 1A of the crystal single crystal substrate 1. In step S104, the length in the vertical direction in FIG. 2H is formed shorter than the groove shown in FIG. In step 105, the mixing ratio of the etching solution and the etching time are adjusted so that the amorphous layer 13 immediately below the portion where the IDT 19 and the reflectors 20A and 20B are formed is mainly removed. Steps S106 and S107 are processed in the same manner as described above.

これにより、ＩＤＴと反射器の直下のアモルファス層を除去した時点でエッチングを停止することで、ＩＤＴと反射器から離れた領域はエッチング除去されずにアモルファス層が残る。つまり、水晶薄膜がアモルファス層により保持された構造となる。   As a result, the etching is stopped when the amorphous layer immediately below the IDT and the reflector is removed, so that the region away from the IDT and the reflector is not removed by etching and the amorphous layer remains. That is, the crystal thin film is held by the amorphous layer.

アモルファス層の一部を除去せずに残す領域は、水晶薄膜を振動体として使用する際に、振動変位の小さい領域（例えば振動ノード点）が好ましい。振動変位の小さい領域と接するアモルファス層を残して水晶薄膜と水晶基板を機械的に接続することで、Ｑの劣化を抑制できる。例えば、上記の構成では、水晶薄膜の振動変位がないＩＤＴと反射器の周囲の部分（外側）で保持された構造にするとよい。   The region that remains without removing a part of the amorphous layer is preferably a region where vibration displacement is small (for example, a vibration node point) when the crystal thin film is used as a vibration body. The deterioration of Q can be suppressed by mechanically connecting the crystal thin film and the crystal substrate while leaving the amorphous layer in contact with the region where the vibration displacement is small. For example, in the above configuration, it is preferable to have a structure in which the quartz thin film is held by the IDT and the portion around the reflector (outside) without vibration displacement.

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る水晶デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図４は、図３に示す製造フローで形成される水晶デバイスの製造過程を模式的に示す図である。 [Second Embodiment]
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the quartz crystal device formed by the manufacturing flow shown in FIG.

図４（Ａ）に示すように、水晶単結晶基板３の注入面である表面３Ａから水素イオン３２を注入して、水晶単結晶基板３内にアモルファス層３３を形成する（図３：Ｓ２０１）。水素イオン３２の注入条件は、第１実施形態と同様にするとよい。   As shown in FIG. 4A, hydrogen ions 32 are implanted from the surface 3A, which is an implantation surface of the crystal single crystal substrate 3, and an amorphous layer 33 is formed in the crystal single crystal substrate 3 (FIG. 3: S201). . The implantation conditions of the hydrogen ions 32 may be the same as those in the first embodiment.

図４（Ｂ）に示すように、アモルファス層３３を形成後の水晶単結晶基板３の表面３Ａに下部電極３１Ａ〜３１Ｃを所定の厚みに形成する（図３：Ｓ２０２）。電極の材料としてＡｌ（アルミニウム）を用いる場合には、レジスト形成、Ａｌ蒸着、リフトオフを行い、Ａｌ膜の電極パターニングを行う。なお、下部電極３１Ａ〜３１Ｃの材料には、後述のメンブレン犠牲層のエッチング時に、エッチング液に対して耐性のあるものを用いる。   As shown in FIG. 4B, lower electrodes 31A to 31C are formed to a predetermined thickness on the surface 3A of the crystal single crystal substrate 3 after the amorphous layer 33 is formed (FIG. 3: S202). When Al (aluminum) is used as an electrode material, resist formation, Al vapor deposition, and lift-off are performed, and electrode patterning of the Al film is performed. As the material for the lower electrodes 31A to 31C, a material that is resistant to an etching solution is used when the membrane sacrificial layer described later is etched.

図４（Ｃ）に示すように、下部電極３１Ａ〜３１Ｃの周囲を覆うようにメンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃを形成する（図３：Ｓ２０３）。メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃの材料としてＣｕ（銅）を用いる場合、レジスト形成、Ｃｕ蒸着、及びリフトオフを行ってパターニングする。   As shown in FIG. 4C, membrane sacrificial layers 34A to 34C are formed so as to cover the periphery of the lower electrodes 31A to 31C (FIG. 3: S203). When Cu (copper) is used as the material of the membrane sacrificial layers 34A to 34C, patterning is performed by resist formation, Cu vapor deposition, and lift-off.

メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃは、後述の処理によりメンブレン空間部となるので、メンブレン空間部の必要な大きさに応じた厚みに形成する。例えば、２μｍ程度の厚みに形成する。メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃには、後述のメンブレン犠牲層のエッチング時に下部電極との選択性が得られる材料を使用する。犠牲層材料には、Ｃｕの他に、Ｎｉ・Ｗなどの金属や、ＡｌＮなどの誘電体を用いることができる。メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃを蒸着リフトオフで作成することで、水晶薄膜（メンブレン）のサイズや形状を精度よく作ることができる。   Since the membrane sacrificial layers 34 </ b> A to 34 </ b> C become membrane space portions by processing described later, they are formed to have a thickness corresponding to the required size of the membrane space portions. For example, it is formed to a thickness of about 2 μm. For the membrane sacrificial layers 34 </ b> A to 34 </ b> C, a material capable of obtaining selectivity with the lower electrode when the membrane sacrificial layer described later is etched. As the sacrificial layer material, in addition to Cu, a metal such as Ni · W or a dielectric such as AlN can be used. By creating the membrane sacrificial layers 34A to 34C by vapor deposition lift-off, the size and shape of the crystal thin film (membrane) can be made with high accuracy.

図４（Ｄ）に示すように、メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃ及び水晶単結晶基板３の表面３Ａを被覆するようにメンブレン支持層３５を形成する（図３：Ｓ２０４）。メンブレン支持層３５の材料には窒化アルミニウムを使用し、犠牲層の厚みに対して３倍以上の厚みになるようにスパッタ成膜によりメンブレン支持層３５を形成する。なお、メンブレン支持層３５の材料としては、後述のアモルファス層３３のエッチング時と、メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃのエッチング時と、において、各エッチング液に対する耐性を有するものを使用する。窒化アルミニウムの他には、例えば、シリコン窒化物、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム物、酸化タンタルなどが好ましい。   As shown in FIG. 4D, the membrane support layer 35 is formed so as to cover the membrane sacrificial layers 34A to 34C and the surface 3A of the crystal single crystal substrate 3 (FIG. 3: S204). Aluminum nitride is used as the material of the membrane support layer 35, and the membrane support layer 35 is formed by sputtering so as to have a thickness of 3 times or more the thickness of the sacrificial layer. In addition, as a material of the membrane support layer 35, a material having resistance to each etching solution is used at the time of etching an amorphous layer 33 described later and at the time of etching the membrane sacrificial layers 34A to 34C. In addition to aluminum nitride, for example, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, tantalum oxide and the like are preferable.

図４（Ｅ）に示すように、メンブレン支持層３５の表面を、シリカスラリーを用いたＣＭＰにより平坦化する（図３：Ｓ２０５）。このとき、表面粗度Ｒａを１ｎｍ以下に仕上げる。   As shown in FIG. 4E, the surface of the membrane support layer 35 is planarized by CMP using silica slurry (FIG. 3: S205). At this time, the surface roughness Ra is finished to 1 nm or less.

図４（Ｆ）に示すように、メンブレン支持層３５及び水晶単結晶基板１の一部に対して溝加工を行う（図３：Ｓ２０６）。すなわち、メンブレン支持層３５に対して、フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより、メンブレン支持層３５の表面から水晶単結晶基板１のアモルファス層よりも深い位置まで溝３６Ａ〜３６Ｄを形成する。溝３６Ａ〜３６Ｄは、水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸に対して線対称となるように形成する。すなわち、下部電極３１Ａ〜３１Ｃの面に沿った中心を通る軸に対して線対称となるように形成する。これにより、第１実施形態において詳細を説明したように、水晶薄膜の形状を、下部電極３１Ａ〜３１Ｃの中央が最も厚く、端部に近づくほど薄い山型形状にすることができる。   As shown in FIG. 4F, groove processing is performed on the membrane support layer 35 and a part of the quartz single crystal substrate 1 (FIG. 3: S206). That is, a resist pattern is formed on the membrane support layer 35 by photolithography, and grooves 36A to 36D are formed from the surface of the membrane support layer 35 to a position deeper than the amorphous layer of the crystal single crystal substrate 1 by dry etching or wet etching. Form. The grooves 36A to 36D are formed so as to be line symmetric with respect to an axis passing through the center along the surface of the quartz crystal thin film. That is, it forms so that it may become line symmetrical with respect to the axis which passes along the center along the surface of lower electrode 31A-31C. Thereby, as described in detail in the first embodiment, the shape of the crystal thin film can be formed into a mountain shape where the center of the lower electrodes 31A to 31C is thickest and becomes thinner toward the end.

また、水晶単結晶基板１に複数の溝を設けると、水晶基板に溝を設けずに水晶基板の端部からエッチングを行う場合よりも、エッチングを行う距離を短くできる。したがって、エッチングを行う時間を短縮できる。   Further, when a plurality of grooves are provided in the quartz single crystal substrate 1, the etching distance can be shortened compared to the case where etching is performed from the end of the quartz substrate without providing the grooves in the quartz substrate. Therefore, the time for etching can be shortened.

図４（Ｇ）に示すように、メンブレン支持層３５と支持基板３７を、清浄化接合技術を用いて真空中で直接接合する（図３：Ｓ２０７）。支持基板３７の材料としては、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、Ｓｉ、ガラス等を用いる。 As shown in FIG. 4G, the membrane support layer 35 and the support substrate 37 are directly bonded in a vacuum using a cleaning bonding technique (FIG. 3: S207). As a material of the support substrate 37, LT (LiTaO 3 ), LN (LiNbO 3 ), Si, glass, or the like is used.

図４（Ｈ）に示すように、アモルファス層３３をエッチングにより除去して、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃを水晶単結晶基板３から分離する（図３：Ｓ２０８）。すなわち、溝３６Ａ〜３６Ｄからエッチング液を導入し、アモルファス層３３を除去してメンブレン空間部３８を形成する。エッチング液の混合比は、第１実施形態で説明したように、水晶とアモルファス層とのエッチングレートの比が２００倍程度となるように設定する。これにより、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃは、水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸に沿った部分が最も厚い山型形状になる（図４（Ｉ）参照）。   As shown in FIG. 4H, the amorphous layer 33 is removed by etching, and the crystal thin films 39A to 39C are separated from the crystal single crystal substrate 3 (FIG. 3: S208). That is, an etching solution is introduced from the grooves 36 </ b> A to 36 </ b> D, and the amorphous layer 33 is removed to form the membrane space 38. As described in the first embodiment, the mixing ratio of the etching liquid is set so that the ratio of the etching rate between the crystal and the amorphous layer is about 200 times. Thereby, the crystal thin films 39A to 39C have the thickest mountain shape along the axis passing through the center along the surface of the crystal thin film (see FIG. 4I).

図４（Ｊ）に示すように、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃの上面に、上部電極４０Ａ〜４０Ｃを形成する（図３：Ｓ２０９）。電極材料は下部電極３１Ａ〜３１Ｃと同様に、Ａｌにより電極パターンを形成する。   As shown in FIG. 4J, upper electrodes 40A to 40C are formed on the upper surfaces of the crystal thin films 39A to 39C (FIG. 3: S209). As with the lower electrodes 31A to 31C, the electrode material forms an electrode pattern with Al.

続いて、上部電極４０Ａ〜４０Ｃが形成された水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃの端部に窓開けを行うために、窓開けをする領域以外にフォトリソグラフィによりレジストパターン（不図示）を形成する（図３：Ｓ２１０）。   Subsequently, in order to open windows at the ends of the crystal thin films 39A to 39C on which the upper electrodes 40A to 40C are formed, a resist pattern (not shown) is formed by photolithography in addition to the areas to be opened (FIG. 3). : S210).

図４（Ｋ）に示すように、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃに窓開けを行う（図３：Ｓ２１１）。すなわち、ドライエッチングにより、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃの端部のレジストパターン（不図示）が形成されていない領域に、メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃを除去するためのエッチング窓４１Ａ〜４１Ｃを形成する。水晶薄膜の厚みは、１．２μｍ程度と非常に薄いので、ドライエッチングを行っても、エッチングした部分がテーパー状にならず、加工精度が良好である。   As shown in FIG. 4K, the quartz thin films 39A to 39C are opened (FIG. 3: S211). That is, etching windows 41A to 41C for removing the membrane sacrificial layers 34A to 34C are formed by dry etching in regions where the resist patterns (not shown) at the ends of the crystal thin films 39A to 39C are not formed. Since the thickness of the crystal thin film is as very thin as about 1.2 μm, even if dry etching is performed, the etched portion is not tapered, and the processing accuracy is good.

続いて、エッチング窓４１Ａ〜４１Ｃからエッチング液を導入して、メンブレン犠牲層３４Ａ〜３４Ｃを除去する（図３：Ｓ２１２）。これにより、水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃの下部に振動空間４２Ａ〜４２Ｃが形成される。なお、エッチング液は、メンブレン支持層３５や上部電極６０や下部電極３１Ａ〜３１Ｃに対して影響を与えないものを選択する。   Subsequently, an etching solution is introduced from the etching windows 41A to 41C to remove the membrane sacrificial layers 34A to 34C (FIG. 3: S212). Thereby, the vibration spaces 42A to 42C are formed below the crystal thin films 39A to 39C. Note that an etching solution that does not affect the membrane support layer 35, the upper electrode 60, and the lower electrodes 31A to 31C is selected.

図４（Ｌ）に示すように、水晶単結晶基板３を切断して個別の水晶デバイスを切り出す（図３：Ｓ２１３）。以上の工程により、水晶薄膜の両面に電極を備えた水晶デバイス４４（４４Ａ〜４４Ｃ）を製造できる。   As shown in FIG. 4L, the quartz single crystal substrate 3 is cut to cut out individual quartz devices (FIG. 3: S213). Through the above steps, the crystal device 44 (44A to 44C) having electrodes on both sides of the crystal thin film can be manufactured.

上記のようにして水晶デバイスを製造する際には、使用したい振動モードに最適な結晶方位（カット面やカット角と呼ばれる）に切り出した水晶単結晶基板に対してイオン注入を行う。これにより、水晶単結晶基板の表面から一定の深さにアモルファス層を形成するので、水晶薄膜（メンブレン）のカット面を任意に選ぶことができ、用途に応じて優れた性能の水晶振動子が製造できる。   When a quartz crystal device is manufactured as described above, ion implantation is performed on a quartz single crystal substrate cut out in a crystal orientation (referred to as a cut surface or a cut angle) optimum for a vibration mode to be used. As a result, an amorphous layer is formed at a certain depth from the surface of the crystal single crystal substrate, so the cut surface of the crystal thin film (membrane) can be selected arbitrarily, and a crystal resonator with excellent performance can be selected according to the application. Can be manufactured.

水晶振動子は、共振周波数やインピーダンス、周波数温度安定度などの要求特性や要求寸法に応じて、厚み滑りや輪郭振動などの振動モードを選択する。それぞれの振動モードはスプリアス特性や電気機械結合係数、周波数温度特性などが最適となる結晶方位が存在する。   The crystal resonator selects a vibration mode such as thickness sliding or contour vibration according to required characteristics such as resonance frequency, impedance, frequency temperature stability, and required dimensions. Each vibration mode has a crystal orientation in which spurious characteristics, electromechanical coupling coefficient, frequency temperature characteristics, etc. are optimal.

（１）屈曲振動モード（四角柱のみでなく、三角柱、円柱、音叉や三叉などの振動を含む）
上記のように、水晶薄膜の対向する両面（上面と下面）に金属電極を形成した水晶デバイスは、外部接続端子（不図示）に屈曲振動モードの共振周波数の交番電圧が入力されると、水晶薄膜が屈曲振動モードを主モードとして振動する。水晶薄膜は、Ｘカットにより屈曲振動モードとなる。水晶薄膜（メンブレン）を、屈曲振動モードで共振させると、圧力、衝撃、加速度による歪みで発生する共振周波数の変動を検出できる。そのため、上記の水晶デバイス４４は、圧力センサ、衝撃センサ、加速度センサなどとして使用できる。 (1) Bending vibration mode (including not only quadratic prisms but also vibrations of triangular prisms, cylinders, tuning forks, tridents, etc.)
As described above, a quartz crystal device in which metal electrodes are formed on both opposing surfaces (upper and lower surfaces) of a quartz crystal thin film, when an alternating voltage having a resonance frequency in a bending vibration mode is input to an external connection terminal (not shown). The thin film vibrates with the bending vibration mode as the main mode. The crystal thin film becomes a bending vibration mode by X cut. When the crystal thin film (membrane) is resonated in the bending vibration mode, it is possible to detect fluctuations in the resonance frequency caused by pressure, impact, and strain due to acceleration. Therefore, the crystal device 44 can be used as a pressure sensor, an impact sensor, an acceleration sensor, or the like.

また、水晶薄膜の厚みを１μｍ程度と非常に薄くできるので、センサを以下のような特性にできる。   In addition, since the thickness of the quartz thin film can be made very thin, about 1 μm, the sensor can have the following characteristics.

Ａ．水晶薄膜の周波数変動の感度は厚みと反比例するので、水晶薄膜の薄化により非常に高感度なセンサを構成できる。   A. Since the sensitivity of the frequency fluctuation of the quartz thin film is inversely proportional to the thickness, a very sensitive sensor can be configured by thinning the quartz thin film.

Ｂ．水晶薄膜が屈曲振動するときの共振周波数は、厚みに比例し、長さに反比例する。水晶薄膜の薄化により共振周波数を低周波数化できる。また、水晶薄膜を薄化するとともに短くすることで、薄化による共振周波数の低周波数化は水晶薄膜を短くすることにより打ち消されて、共振周波数は高周波数化するが、水晶薄膜を小型化できるので、小型センサとして使用できる。   B. The resonance frequency when the quartz crystal thin film vibrates is proportional to the thickness and inversely proportional to the length. The resonance frequency can be lowered by thinning the quartz thin film. In addition, by thinning and shortening the quartz thin film, the reduction of the resonance frequency due to the thinning is canceled by shortening the quartz thin film, and the resonance frequency is increased, but the quartz thin film can be miniaturized. Therefore, it can be used as a small sensor.

（２）面振動（面積振動、径方向振動、輪郭振動（ラーメモード、結合モード））
上記のように、水晶デバイスの水晶薄膜の対向する両面（上面と下面）に金属電極を形成した水晶デバイスは、外部接続端子（不図示）に、面振動モードの共振周波数の交番電圧が入力されると、水晶薄膜が、面振動モードを主モードとして振動する。これにより、１０〜１００ＭＨｚ程度の共振子として使用できる。なお、面振動モードは、面積振動モード、径方向振動モード、及び輪郭振動モード（ラーメモード、結合振動モード）の総称である。結合振動モードのときにはＧＴカットやＮＳ−ＧＴカット、輪郭振動モードのときにはＣＴカットまたはＤＴカットで水晶単結晶基板を切り出す。 (2) Surface vibration (area vibration, radial vibration, contour vibration (ramé mode, coupled mode))
As described above, in a quartz crystal device in which metal electrodes are formed on both opposing surfaces (upper surface and lower surface) of the quartz crystal thin film of the quartz device, an alternating voltage having a resonance frequency in the plane vibration mode is input to an external connection terminal (not shown). Then, the crystal thin film vibrates with the plane vibration mode as the main mode. Thereby, it can be used as a resonator of about 10 to 100 MHz. The surface vibration mode is a general term for an area vibration mode, a radial vibration mode, and a contour vibration mode (rame mode, coupled vibration mode). The crystal single crystal substrate is cut out by GT cut or NS-GT cut in the coupled vibration mode, and by CT cut or DT cut in the contour vibration mode.

水晶薄膜の薄化により、水晶薄膜のインピーダンスが低くなり、パッケージを含む全体が薄い水晶デバイスを提供できる。また、この水晶デバイスを、気中ガスや液中溶液濃度の検出に用いた場合、高感度に検出できる。これは、水晶薄膜の振動領域にガスの付着や改質などで質量変化が生じたときの周波数変化の感度は、水晶薄膜の厚みに反比例して向上することによる。したがって、従来の１００μｍ厚程度の水晶薄膜を備えた水晶面振動子に比べて、感度を著しく向上できる。   By reducing the thickness of the quartz thin film, the impedance of the quartz thin film is lowered, and a quartz device including the entire package can be provided. Moreover, when this quartz crystal device is used for detection of air gas or liquid solution concentration, it can be detected with high sensitivity. This is because the sensitivity of frequency change when mass change occurs due to gas adhesion or modification in the vibration region of the crystal thin film is improved in inverse proportion to the thickness of the crystal thin film. Therefore, the sensitivity can be remarkably improved as compared with a quartz crystal resonator having a quartz crystal thin film having a thickness of about 100 μm.

（３）厚み振動モード（厚み縦振動、厚み滑り振動）
上記のように、水晶デバイスの水晶薄膜の対向する両面（上面と下面）に金属電極を形成した水晶デバイスは、外部接続端子（不図示）に、厚み振動モードの共振周波数の交番電圧が入力されると、水晶薄膜は、厚み振動モードを主モードとして振動する。これにより、１ＧＨｚ〜２ＧＨｚの共振子として使用できる。なお、厚み振動モードは、厚み縦振動モードと厚み滑り振動モードの総称である。また、厚み滑り振動モードのときにはＡＴカットで水晶単結晶基板を切り出す。 (3) Thickness vibration mode (thickness longitudinal vibration, thickness sliding vibration)
As described above, in a quartz crystal device in which metal electrodes are formed on both opposing surfaces (upper surface and lower surface) of the quartz crystal device, an alternating voltage having a resonance frequency in the thickness vibration mode is input to an external connection terminal (not shown). Then, the crystal thin film vibrates with the thickness vibration mode as the main mode. Thereby, it can be used as a resonator of 1 GHz to 2 GHz. The thickness vibration mode is a general term for the thickness longitudinal vibration mode and the thickness shear vibration mode. In the thickness-shear vibration mode, the quartz single crystal substrate is cut out by AT cut.

この共振子は、従来のＡｌＮ膜を用いたＦＢＡＲ（薄膜バルク共振子）に比べてＱ値が高く、周波数温度特性が安定する。また、メンブレンを外周からエッチングして中央部を僅かに膨らませることで、低域遮断型の分散特性を有するＡＴカットなどの厚み滑り振動モードではエネルギー閉じ込め状態となり、Ｑ値が良化する。また外周に振動が漏れないため、保持しやすくなる。   This resonator has a higher Q value than a conventional FBAR (thin film bulk resonator) using an AlN film, and has a stable frequency temperature characteristic. Further, by etching the membrane from the outer periphery to slightly bulge the central portion, in the thickness-shear vibration mode such as AT cut having a low-frequency cutoff type dispersion characteristic, the energy is confined and the Q value is improved. Moreover, since vibration does not leak to the outer periphery, it becomes easy to hold.

また、この水晶デバイスをＱＣＭ（水晶センサ）として、気中ガスや液中溶液濃度の検出に用いた場合、高感度に検出できる。これは、水晶薄膜の振動領域にガスの付着や改質などで質量変化が生じたときの周波数変化の感度は、水晶薄膜の厚みに反比例して向上するからである。したがって、従来の１００μｍ厚程度の水晶薄膜を備えたＱＣＭに比べて、感度を著しく向上できる。   Moreover, when this quartz crystal device is used as a QCM (quartz crystal sensor) for detection of air gas or liquid solution concentration, it can be detected with high sensitivity. This is because the sensitivity of the frequency change when a mass change occurs due to gas adhesion or modification in the vibration region of the crystal thin film is improved in inverse proportion to the thickness of the crystal thin film. Therefore, the sensitivity can be remarkably improved as compared with the conventional QCM provided with a crystal thin film having a thickness of about 100 μm.

本発明は、これらの振動モードに必ずしも限定されず、例えば、弾性波素子技術ハンドブックｐ１１２表２．１１に記載の各種振動モードを適用できる。いずれの振動モードにおいても、水晶の薄化に伴い、振動子の共振周波数や発振器の基本モード発振の高周波化（表２．１１の周波数定数の項）や、質量負荷や流体や気体の粘性や圧力に対して、従来の削り出しで作成した素子より、高感度化なセンサを構成できる。また、従来の削り出しとエッチングを組み合わせて作成した素子より、イオン注入による深さバラツキが極めて均質なので、厚み分布の小さな素子が作製できる。   The present invention is not necessarily limited to these vibration modes, and for example, various vibration modes described in Table 2.11. In any vibration mode, along with the thinning of the crystal, the resonance frequency of the vibrator, the higher frequency of the fundamental mode oscillation of the oscillator (frequency constant in Table 2.11), the mass load, the viscosity of the fluid or gas, With respect to pressure, it is possible to configure a sensor that is more sensitive than conventional elements created by cutting. In addition, since the depth variation due to ion implantation is extremely uniform as compared with a device formed by combining conventional cutting and etching, a device having a small thickness distribution can be manufactured.

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る水晶デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図６は、図５に示す製造フローで形成される水晶デバイスの製造過程を模式的に示す図である。 [Third Embodiment]
FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the quartz crystal device formed by the manufacturing flow shown in FIG.

第３実施形態に係る水晶デバイスの製造方法は、図３に示した第２実施形態に係る水晶デバイスの製造方法におけるステップＳ２０６〜ステップＳ２０８の工程が異なっており、他の工程は同じである。そのため、以下の説明では、第２実施形態と異なる部分について主に説明する。   The crystal device manufacturing method according to the third embodiment is different in steps S206 to S208 in the crystal device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG. 3, and the other processes are the same. Therefore, in the following description, a different part from 2nd Embodiment is mainly demonstrated.

図６（Ａ）は、図４（Ｅ）と同じ状態を示しており、メンブレン支持層３５の表面を、シリカスラリーを用いたＣＭＰにより平坦化した状態である（図５：Ｓ２０５）。   FIG. 6 (A) shows the same state as FIG. 4 (E), in which the surface of the membrane support layer 35 is planarized by CMP using silica slurry (FIG. 5: S205).

そして、図６（Ｂ）に示すように、支持基板３７（支持基板に相当）を準備して、メンブレン支持層３５と支持基板３７を、清浄化接合技術を用いて真空中で直接接合する（図５：Ｓ３０６）。   Then, as shown in FIG. 6B, a support substrate 37 (corresponding to the support substrate) is prepared, and the membrane support layer 35 and the support substrate 37 are directly bonded in vacuum using a cleaning bonding technique ( FIG. 5: S306).

さらに、図６（Ｃ）に示すように、水晶単結晶基板３の表面３Ｂから水晶単結晶基板３とメンブレン支持層３５に溝３６Ａ〜３６Ｄを形成する（図５：Ｓ３０７）。溝３６Ａ〜３６Ｄは、ブレードを用いたダイサーでハーフカットを行って形成するか、またはサンドブラスト加工により形成する。   Further, as shown in FIG. 6C, grooves 36A to 36D are formed in the crystal single crystal substrate 3 and the membrane support layer 35 from the surface 3B of the crystal single crystal substrate 3 (FIG. 5: S307). The grooves 36A to 36D are formed by half-cutting with a dicer using a blade or by sandblasting.

溝３６Ａ〜３６Ｄは、第２実施形態と同様に形成するとよい。これにより、水晶薄膜を山型形状にすることができる。   The grooves 36A to 36D may be formed in the same manner as in the second embodiment. Thereby, a quartz crystal thin film can be made into a mountain shape.

そして、図６（Ｄ）に示すように、先に形成した溝からエッチング液を導入してエッチングによりアモルファス層を除去して、メンブレン空間部３８を形成する（図５：Ｓ３０８）。これにより、水晶単結晶基板３から水晶薄膜３９Ａ〜３９Ｃが分離され、図６（Ｅ）に示す状態になる。この状態は、図４（Ｉ）と同様の状態である。以降、第２実施形態と同様に窓開け、メンブレン犠牲層の除去、及び分離の各工程を行うことで、水晶デバイスが得られる。   Then, as shown in FIG. 6D, an etching solution is introduced from the previously formed groove and the amorphous layer is removed by etching to form a membrane space 38 (FIG. 5: S308). Thereby, the quartz thin films 39A to 39C are separated from the quartz single crystal substrate 3, and the state shown in FIG. This state is the same as that shown in FIG. Thereafter, similarly to the second embodiment, a quartz crystal device is obtained by performing each process of opening a window, removing the membrane sacrificial layer, and separating.

［第４実施形態］
図７は、本発明の第４実施形態に係る水晶デバイスの製造方法を示すフローチャートである。図８は、図７に示す製造フローで形成される水晶デバイスの製造過程を模式的に示す図である。 [Fourth Embodiment]
FIG. 7 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram schematically showing the manufacturing process of the quartz crystal device formed by the manufacturing flow shown in FIG.

図８（Ａ）に示すように、水晶単結晶基板５の注入面である表面５Ａから水素イオン５２を注入して、水晶単結晶基板５内にアモルファス層５３を形成する（図７：Ｓ４０１）。水素イオン５２の注入条件を第１実施形態と同様にすることで、水晶単結晶基板５の表面３Ａから深さ１．２５μｍを中心として厚み０．１μｍのアモルファス層を形成できる。   As shown in FIG. 8A, hydrogen ions 52 are implanted from the surface 5A, which is the implantation surface of the crystal single crystal substrate 5, thereby forming an amorphous layer 53 in the crystal single crystal substrate 5 (FIG. 7: S401). . By making the implantation conditions of the hydrogen ions 52 the same as in the first embodiment, an amorphous layer having a thickness of 0.1 μm can be formed centering on a depth of 1.25 μm from the surface 3A of the crystal single crystal substrate 5.

図８（Ｂ）に示すように、水晶単結晶基板５の表面５Ａの上部にメンブレン支持層５５を形成する（図７：Ｓ４０２）。   As shown in FIG. 8B, a membrane support layer 55 is formed on the top surface 5A of the quartz single crystal substrate 5 (FIG. 7: S402).

続いて、メンブレン支持層５５の表面を、シリカスラリーを用いたＣＭＰにより平坦化する（図７：Ｓ４０３）。このとき、表面粗度Ｒａを１ｎｍ以下に仕上げる。   Subsequently, the surface of the membrane support layer 55 is planarized by CMP using a silica slurry (FIG. 7: S403). At this time, the surface roughness Ra is finished to 1 nm or less.

図８（Ｃ）に示すように、メンブレン支持層５５及び水晶単結晶基板５に対して溝加工を行う（図７：Ｓ４０４）。すなわち、メンブレン支持層５５に対して、フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより、メンブレン支持層５５の表面から水晶単結晶基板５のアモルファス層５３よりも深い位置まで溝５４Ａ〜５４Ｄを形成する。溝５４Ａ〜５４Ｄは、水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸（水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸）に対して線対称となるように形成することで、山型形状に形成できる。   As shown in FIG. 8C, groove processing is performed on the membrane support layer 55 and the single crystal crystal substrate 5 (FIG. 7: S404). That is, a resist pattern is formed on the membrane support layer 55 by photolithography, and the grooves 54A to 54D are formed from the surface of the membrane support layer 55 to a position deeper than the amorphous layer 53 of the quartz single crystal substrate 5 by dry etching or wet etching. 54D is formed. The grooves 54 </ b> A to 54 </ b> D can be formed in a mountain shape by forming the grooves 54 </ b> A to 54 </ b> D so as to be line symmetric with respect to an axis passing through the center along the crystal thin film surface (axis passing through the center along the crystal thin film surface). .

図８（Ｄ）に示すように、メンブレン支持層５５と支持基板５７を、清浄化接合技術を用いて真空中で直接接合する（図７：Ｓ４０５）。支持基板５７の材料としては、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、Ｓｉ、ガラス等を用いる。 As shown in FIG. 8D, the membrane support layer 55 and the support substrate 57 are directly bonded in a vacuum using a cleaning bonding technique (FIG. 7: S405). As a material for the support substrate 57, LT (LiTaO 3 ), LN (LiNbO 3 ), Si, glass, or the like is used.

図８（Ｅ）に示すように、アモルファス層をエッチングし、水晶薄膜を水晶基板から分離する（図７：Ｓ４０６）。すなわち、ステップＳ４０４で形成した複数の溝からエッチング液を導入してアモルファス層を除去し、水晶基板から水晶薄膜を分離する。エッチング液の混合比は、第１実施形態で説明したように、水晶とアモルファス層とのエッチングレートの比が２００倍程度となるように設定する。これにより、前記のように中央部の軸に沿った部分が最も高い山型になる（図８（Ｆ）参照）。   As shown in FIG. 8E, the amorphous layer is etched to separate the quartz thin film from the quartz substrate (FIG. 7: S406). That is, the etching solution is introduced from the plurality of grooves formed in step S404 to remove the amorphous layer, and the crystal thin film is separated from the crystal substrate. As described in the first embodiment, the mixing ratio of the etching liquid is set so that the ratio of the etching rate between the crystal and the amorphous layer is about 200 times. Thereby, as described above, the portion along the central axis becomes the highest mountain shape (see FIG. 8F).

図８（Ｇ）に示すように、水晶薄膜５９Ａ〜５９Ｃの上面に、上部電極（くし形電極）６０Ａ〜６０Ｃを形成する（図７：Ｓ４０７）。例えば、Ａｌ薄膜をパターン化する。   As shown in FIG. 8G, upper electrodes (comb electrodes) 60A to 60C are formed on the upper surfaces of the crystal thin films 59A to 59C (FIG. 7: S407). For example, an Al thin film is patterned.

図８（Ｈ）に示すように、水晶薄膜５９Ａ〜５９Ｃの表面全体にくし形電極６０Ａ〜６０Ｃを被覆するようにＳｉＯ２層６１Ａ〜６１Ｃを形成する。 As shown in FIG. 8H, SiO 2 layers 61A to 61C are formed so as to cover the comb electrodes 60A to 60C over the entire surfaces of the quartz thin films 59A to 59C.

水晶薄膜５９Ａ〜５９Ｃの表面にアモルファス層の一部が残っている場合、水晶ガラスの周波数温度係数ＴＣＦは負の値である。一方、ＳｉＯ２層の周波数温度係数ＴＣＦは正の値である。したがって、上記のようにＳｉＯ２層を形成することで、全体として周波数温度係数の絶対値を小さくすることができる。すなわち、温度変化による周波数変動を小さくすることができる。 When a part of the amorphous layer remains on the surfaces of the quartz thin films 59A to 59C, the frequency temperature coefficient TCF of the quartz glass is a negative value. On the other hand, the frequency temperature coefficient TCF of the SiO 2 layer is a positive value. Therefore, the absolute value of the frequency temperature coefficient can be reduced as a whole by forming the SiO 2 layer as described above. That is, frequency fluctuation due to temperature change can be reduced.

次に、図８（Ｉ）に示すように、水晶単結晶基板３を切断して個別の水晶デバイスを切り出す（図７：Ｓ４０８）。以上の工程により、水晶薄膜の片面に一対のくし形電極を備えた水晶デバイス（表面波デバイス）６５Ａ〜６５Ｃを製造できる。   Next, as shown in FIG. 8I, the crystal single crystal substrate 3 is cut to cut out individual crystal devices (FIG. 7: S408). Through the above steps, quartz crystal devices (surface wave devices) 65A to 65C having a pair of comb-shaped electrodes on one side of the quartz crystal thin film can be manufactured.

なお、水晶振動子として厚み方向の振動モード、面方向の振動モード、屈曲モード、板波など、振動エネルギーが振動体である水晶の表面に達している振動モードを用いる場合、振動体の周囲に真空、大気や窒素ガスが充填された空間を形成して振動空間とし、弾性波の漏洩損失を抑えることがＱ値の向上のために望ましい。   In addition, when using a vibration mode in which vibration energy reaches the surface of the crystal, which is a vibrating body, such as a vibration mode in the thickness direction, a vibration mode in the plane direction, a bending mode, a plate wave, etc. In order to improve the Q value, it is desirable to form a space filled with vacuum, air, or nitrogen gas to form a vibration space and suppress leakage loss of elastic waves.

１，３，５…水晶単結晶基板
１１Ａ，１１Ｂ…レジスト膜
１２，３２，５２…水素イオン
１３Ａ〜１３Ｃ，３３，５３…アモルファス層
１４Ａ〜１４Ｄ，３６Ａ〜３６Ｄ，５４Ａ〜５４Ｄ…溝
１５Ａ〜１５Ｃ…空間
１６Ａ〜１６Ｃ，１８Ａ〜１８Ｃ，３９Ａ〜３９Ｃ，５９Ａ〜５９Ｃ…水晶薄膜
１７Ａ〜１７Ｃ…空間
１９…ＩＤＴ（くし形電極）
２０Ａ，２０Ｂ…反射器
３１Ａ〜３１Ｃ…下部電極
３４Ａ〜３４Ｃ…メンブレン犠牲層
３５，５５…メンブレン支持層
３７，５７…支持基板
３８…メンブレン空間部
４０Ａ〜４０Ｃ，６０Ａ〜６０Ｃ…上部電極
４１Ａ〜４１Ｃ…エッチング窓
４２Ａ〜４２Ｃ…振動空間
４４（４４Ａ〜４４Ｃ）…水晶デバイス
６１Ａ〜６１Ｃ…ＳｉＯ２層
６５Ａ〜６５Ｃ…水晶デバイス（表面波デバイス） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,3,5 ... Crystal single crystal substrate 11A, 11B ... Resist film 12, 32, 52 ... Hydrogen ion 13A-13C, 33, 53 ... Amorphous layer 14A-14D, 36A-36D, 54A-54D ... Groove 15A-15C ... Spaces 16A to 16C, 18A to 18C, 39A to 39C, 59A to 59C ... Quartz thin film 17A to 17C ... Space 19 ... IDT (comb electrode)
20A, 20B ... Reflectors 31A-31C ... Lower electrodes 34A-34C ... Membrane sacrificial layers 35, 55 ... Membrane support layers 37, 57 ... Support substrate 38 ... Membrane spaces 40A-40C, 60A-60C ... Upper electrodes 41A-41C ... Etching windows 42A to 42C ... Vibration space 44 (44A to 44C) ... Quartz devices 61A to 61C ... SiO 2 layers 65A to 65C ... Quartz devices (surface wave devices)

Claims (7)

イオンまたは原子を水晶基板に注入して、前記水晶基板内にアモルファス層を形成するアモルファス層形成工程と、
前記アモルファス層をエッチングにより除去して、前記水晶基板から水晶薄膜を分離する分離工程と、
を備えた水晶デバイスの製造方法。 An amorphous layer forming step of injecting ions or atoms into the quartz substrate to form an amorphous layer in the quartz substrate;
A separation step of removing the amorphous layer by etching to separate the quartz thin film from the quartz substrate;
A method of manufacturing a crystal device comprising: 前記分離工程は、前記アモルファス層の一部を除去して、前記水晶薄膜と前記水晶基板の間に空間を形成する工程である、請求項１に記載の水晶デバイスの製造方法。   2. The method of manufacturing a quartz device according to claim 1, wherein the separating step is a step of removing a part of the amorphous layer to form a space between the quartz thin film and the quartz substrate. 前記アモルファス層形成工程よりも前に、前記イオンまたは原子の注入を阻止するレジスト膜を、前記イオンまたは原子注入側の面の一部に形成する工程と、
前記アモルファス層形成工程よりも後に、前記レジスト膜を除去する工程と、
を備えた請求項１に記載の水晶デバイスの製造方法。 Before the amorphous layer forming step, a step of forming a resist film for blocking the implantation of ions or atoms on a part of the surface on the ion or atom implantation side;
Removing the resist film after the amorphous layer forming step;
The manufacturing method of the crystal device of Claim 1 provided with these. 前記アモルファス層形成工程の後から前記分離工程の前までに、
前記水晶基板のイオンまたは原子の注入面側に支持基板を設ける工程を備えた、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶デバイスの製造方法。 After the amorphous layer forming step and before the separating step,
4. The method of manufacturing a crystal device according to claim 1, further comprising a step of providing a support substrate on an ion or atom implantation surface side of the crystal substrate. 5. 前記アモルファス層形成工程の後から前記分離工程の前までに、
前記水晶基板に複数の溝を設けて、前記アモルファス層の側面を露出させる溝形成工程を備え、
前記分離工程は、前記複数の溝にエッチング液を導入して、溝と溝の間におけるアモルファス層を除去する工程である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水晶デバイスの製造方法。 After the amorphous layer forming step and before the separating step,
Providing a plurality of grooves in the quartz substrate and exposing a side surface of the amorphous layer;
5. The method for manufacturing a crystal device according to claim 1, wherein the separation step is a step of introducing an etching solution into the plurality of grooves to remove an amorphous layer between the grooves. 6. . 前記溝形成工程は、前記水晶薄膜の面に沿った中心を通る軸に対して線対称に複数の溝を形成する工程である、請求項５に記載の水晶デバイスの製造方法。   6. The method for manufacturing a crystal device according to claim 5, wherein the groove forming step is a step of forming a plurality of grooves in line symmetry with respect to an axis passing through a center along the surface of the crystal thin film. 前記分離工程は、さらに前記水晶基板の一部をエッチングにより除去する工程である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水晶デバイスの製造方法。 The method for manufacturing a quartz device according to claim 1, wherein the separation step is a step of further removing a part of the quartz substrate by etching .
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5649169B2 (en) 2010-11-22 2015-01-07 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Method, apparatus and computer program for moving object by drag operation on touch panel
JP7062937B2 (en) * 2017-12-14 2022-05-09 日本電信電話株式会社 Optical element and its manufacturing method
CN115441847A (en) * 2021-06-03 2022-12-06 谐振公司 Low-loss transverse-excitation film bulk acoustic resonator and filter

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5596713A (en) * 1979-01-17 1980-07-23 Seiko Instr & Electronics Ltd Outline vibration mode piezo-vibrator
JPH07111435A (en) * 1993-10-14 1995-04-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Production of crystal piezoelectric device
JPH07231073A (en) * 1994-02-17 1995-08-29 Canon Inc Semiconductor substrate and manufacture thereof
FR2748850B1 (en) * 1996-05-15 1998-07-24 Commissariat Energie Atomique PROCESS FOR MAKING A THIN FILM OF SOLID MATERIAL AND APPLICATIONS OF THIS PROCESS
US6120597A (en) * 1998-02-17 2000-09-19 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Crystal ion-slicing of single-crystal films
FR2788176B1 (en) * 1998-12-30 2001-05-25 Thomson Csf GUIDED ACOUSTIC WAVE DEVICE IN A THIN LAYER OF PIEZOELECTRIC MATERIAL ADHESED BY A MOLECULAR ADHESIVE ONTO A CARRIER SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD
JP2008137123A (en) * 2006-12-04 2008-06-19 Seiko Epson Corp Method for manufacturing micromachine, and micromachine
JP5023734B2 (en) * 2007-02-21 2012-09-12 セイコーエプソン株式会社 Method for manufacturing piezoelectric vibrating piece and piezoelectric vibrating element
JP2009055128A (en) * 2007-08-23 2009-03-12 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd Method for manufacturing thin film piezoelectric resonator and thin film piezoelectric resonator
CN101689841A (en) * 2007-12-25 2010-03-31 株式会社村田制作所 Method for manufacturing composite piezoelectric substrate
JP5270412B2 (en) * 2008-03-24 2013-08-21 日本碍子株式会社 Method for manufacturing bulk acoustic wave device
JP4821834B2 (en) * 2008-10-31 2011-11-24 株式会社村田製作所 Method for manufacturing piezoelectric composite substrate
JP2010145121A (en) * 2008-12-16 2010-07-01 Murata Mfg Co Ltd Piezoelectric vibrator and vibrating gyroscope device
JP5277999B2 (en) * 2009-01-29 2013-08-28 株式会社村田製作所 Manufacturing method of composite substrate

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