JP6750765B1 - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

基部(１１０)と、メンブレン部(１２０)とを備えている。メンブレン部(１２０)は、基部(１１０)に間接的に支持されて、基部(１１０)より上側に位置している。メンブレン部(１２０)は、複数の層からなる。メンブレン部(１２０)は、基部(１１０)に重なっておらず、かつ、単結晶圧電体層(１３０)と、上部電極層(１４０)と、下部電極層(１５０)とを含んでいる。メンブレン部(１２０)には、上下方向に貫通する貫通溝(１８０)が設けられている。貫通溝(１８０)は、メンブレン部(１２０)を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部(１８１)が形成されている。貫通溝(１８０)の幅は、第１段部(１８１)を境に下側が上側より狭くなっている。

Description

本発明は、圧電デバイスに関する。

圧電デバイスの構成を開示した文献として、国際公開第２０１７／２１８２９９号（特許文献１）がある。特許文献１に記載された圧電デバイスは、基板と、メンブレン部とを備えている。基板は、貫通するように形成された開口部を有している。メンブレン部は、少なくとも１つの弾性層と、上部電極層および下部電極層の間に挟まれた少なくとも１つの圧電層とから形成されている。メンブレン部は、開口部より上方において基板に取り付けられている。開口部の端に近接するメンブレン部において、エッチングされることにより貫通溝が形成されている。

国際公開第２０１７／２１８２９９号

複数の層からなるメンブレン部を有する圧電デバイスにおいては、メンブレン部内に生じる応力によって層間剥離が発生する場合がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、メンブレン部内に生じる応力による層間剥離の発生を抑制できる、圧電デバイスを提供することを目的とする。

本発明に基づく圧電デバイスは、基部と、メンブレン部とを備えている。メンブレン部は、基部に間接的に支持されて、基部より上側に位置している。メンブレン部は、複数の層からなる。メンブレン部は、基部に重なっておらず、かつ、単結晶圧電体層と、上部電極層と、下部電極層とを含んでいる。上部電極層は、単結晶圧電体層の上側に配置されている。下部電極層は、単結晶圧電体層を挟んで上部電極層の少なくとも一部に対向するように配置されている。メンブレン部には、上下方向に貫通する貫通溝が設けられている。貫通溝は、メンブレン部を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部が形成されている。貫通溝の幅は、第１段部を境に下側が上側より狭くなっている。

本発明によれば、複数の層からなるメンブレン部を有する圧電デバイスにおいて、メンブレン部内に生じる応力による層間剥離の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの平面図である。 図１の圧電デバイスについてＩＩ−ＩＩ線方向から見た断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の下面に密着層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、密着層および単結晶圧電体層の各々の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、図６に示す複数の層に基部を接合させる状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層から中間層の途中まで貫通溝を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に達するように貫通溝を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、開口部を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態２の係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、図１９に示す複数の層に積層体を接合させる状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に積層体を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層から活性層の途中まで貫通溝を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の下面に達するように貫通溝を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、開口部を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイスの断面図である。 本発明の実施形態２の第３変形例に係る圧電デバイスの断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る圧電デバイスについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの平面図である。図２は、図１の圧電デバイスについてＩＩ−ＩＩ線方向から見た断面図である。図１においては、圧電デバイスの内部の構成を点線で示している。

図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、基部１１０と、メンブレン部１２０とを備えている。

基部１１０は、上側主面１１１、および、上側主面１１１とは反対側に位置する下側主面１１２を有している。基部１１０には、上下方向に貫通する開口部１１３が形成されている。

基部を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において、基部１１０はＳｉで構成されている。

図２に示すように、基部１１０の上側主面１１１上には、複数の層が積層されている。メンブレン部１２０は、上記複数の層のうち、開口部１１３の上側に位置する部分である。すなわち、メンブレン部１２０は、複数の層からなる。

メンブレン部１２０は、基部１１０の開口部１１３の上側に位置しているため、基部１１０に重なっていない。すなわち、メンブレン部１２０は、基部１１０に間接的に支持されて、基部１１０より上側に位置している。

図１および図２に示すように、本実施形態において、メンブレン部１２０を構成する上記複数の層は、単結晶圧電体層１３０と、上部電極層１４０と、下部電極層１５０と、中間層１６０とを含んでいる。

単結晶圧電体層１３０は、基部１１０より上側に位置している。単結晶圧電体層１３０は、単結晶圧電体層１３０の一部がメンブレン部１２０に含まれるように配置されている。単結晶圧電体層１３０の上面および下面の各々は、平坦である。

単結晶圧電体層１３０は、後述する貫通溝とは異なる孔部１３１を有している。孔部１３１は、単結晶圧電体層１３０を上下に貫通するように形成されている。本実施形態において、孔部１３１は、基部１１０の上方に位置し、メンブレン部１２０に含まれていない。

単結晶圧電体層１３０は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成されている。タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成された単結晶圧電体層１３０は、分極状態が一様である。

上部電極層１４０は、単結晶圧電体層１３０の上側に配置されている。上部電極層１４０は、上部電極層１４０の一部がメンブレン部１２０に含まれるように配置されている。

本実施形態において、上部電極層１４０は単結晶圧電体層１３０の一部の上側に積層されている。なお、上部電極層１４０と単結晶圧電体層との間に、Ｔｉなどで構成された密着層が配置されていてもよい。

下部電極層１５０は、単結晶圧電体層１３０を挟んで上部電極層１４０の少なくとも一部に対向するように配置されている。下部電極層１５０は、下部電極層１５０の一部がメンブレン部１２０に含まれるように配置されている。また、下部電極層１５０は、メンブレン部１２０において、単結晶圧電体層１３０を挟んで上部電極層１４０の少なくとも一部と対向するように配置されている。

下部電極層１５０の一部は、単結晶圧電体層１３０に形成された孔部１３１より下方に位置するように配置されている。本実施形態においては、下部電極層１５０は、密着層１５５を介して単結晶圧電体層１３０と接続されている。密着層１５５は、単結晶圧電体層１３０の孔部１３１の下方を覆うように形成されている。

本実施形態において、下部電極層１５０の一部は、密着層１５５の下面を覆うように、密着層１５５の下側に配置されている。密着層１５５は、メンブレン部１２０には含まれていない。なお、密着層１５５は必ずしも設けられていなくてもよい。密着層１５５が設けられていない場合、下部電極層１５０の一部は、孔部１３１の下方を直接覆うように形成される。

下部電極層１５０は、Ｐｔ、ＮｉまたはＡｕなどの導電性材料で構成されている。密着層１５５の材料は、導電性および密着性を有する材料であれば特に限定されない。密着層１５５は、たとえばＴｉ、Ｃｒ、ＮｉまたはＮｉＣｒで構成される。

中間層１６０は、単結晶圧電体層１３０より下方に配置されている。本実施形態においては、中間層１６０は、下部電極層１５０の下面、および、単結晶圧電体層１３０の下面のうち下部電極層１５０に覆われていない部分の、各々と接するように設けられている。

中間層１６０の下面には凹部１６１が形成されており、中間層１６０の下面において凹部１６１以外の部分は平坦である。図１および図２に示すように、凹部１６１の下側周縁部と、開口部１１３の上側周縁部とは、上下方向に連続している。本実施形態において、凹部１６１の上底面は、メンブレン部１２０の下面を構成している。

なお、中間層１６０と基部１１０とは互いに直接接続されていなくてもよく、中間層１６０と基部１１０とは、金属層を介して互いに接続されていてもよい。

中間層１６０の材料は、絶縁物であれば特に限定されない。本実施形態において、中間層１６０は、ＳｉＯ₂で構成されている。また、中間層１６０は、電気絶縁性および断熱性を有する有機材料で構成されていてもよい。

圧電デバイス１００は、第１外部電極層１７１と第２外部電極層１７２とをさらに含んでいる。第１外部電極層１７１は、上部電極層１４０の一部の上側に積層されている。第２外部電極層１７２は、単結晶圧電体層１３０の一部および密着層１５５の各々の上側に積層されている。すなわち、第２外部電極層１７２は、孔部１３１内において、密着層１５５を介して下部電極層１５０の上側に積層されている。なお、下部電極層１５０として二層配線が積層されていてもよい。第１外部電極層１７１および第２外部電極層１７２の各々は、メンブレン部１２０に含まれていない。

このように、メンブレン部１２０は、単結晶圧電体層１３０と、上部電極層１４０と、下部電極層１５０と、中間層１６０とを含んでいる。

図２に示すように、メンブレン部１２０において、上部電極層１４０は、単結晶圧電体層１３０の上側に配置されている。メンブレン部１２０において、下部電極層１５０は、単結晶圧電体層１３０を挟んで上部電極層１４０の少なくとも一部に対向するように配置されている。

本実施形態において、メンブレン部１２０を構成する複数の層のうち最も厚い層は、中間層１６０である。

上記の構成により、上部電極層１４０と下部電極層１５０との間に電圧が印加されることによって、単結晶圧電体層１３０の伸縮に応じてメンブレン部１２０が上下に屈曲振動する。

メンブレン部１２０には、上下方向に貫通する貫通溝１８０が設けられている。図１および図２に示すように、上部電極層１４０における貫通溝１８０の幅は、単結晶圧電体層１３０の上面における貫通溝１８０の幅より広い。貫通溝１８０に隣接する単結晶圧電体層１３０の上面の一部は露出している。

なお、上部電極層１４０および単結晶圧電体層１３０の各々における貫通溝１８０の溝幅の関係は、上記に限らない。たとえば、上部電極層１４０における貫通溝１８０の幅が、単結晶圧電体層１３０の上面における貫通溝１８０の幅と略同一であってもよい。貫通溝１８０側に位置する、上部電極層１４０の端面および単結晶圧電体層１３０の端面の各々が、互いに上下方向に連続していてもよい。

本実施形態において、貫通溝１８０側に位置する、単結晶圧電体層１３０の端面および下部電極層１５０の端面の各々は、互いに上下方向に連続している。

本実施形態において、貫通溝１８０側に位置する、下部電極層１５０の端面および中間層１６０の端面の各々は、互いに上下方向に連続している。すなわち、貫通溝１８０側に位置する、メンブレン部１２０を構成する複数の層のうち最も厚い層の端面およびその最も厚い層上に位置する層の端面の各々が、互いに上下方向に連続している。

本実施形態において、貫通溝１８０は、中間層１６０において第１段部１８１が形成されている。すなわち、貫通溝１８０は、メンブレン部１２０を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部１８１が形成されている。貫通溝１８０の幅は、第１段部１８１を境に下側が上側より狭くなっている。

貫通溝１８０における開口部１１３側の端部は、中間層１６０の凹部１６１の上底面に位置している。

図２に示すように、貫通溝１８０の幅は、貫通溝１８０の上端から下端に向かうに従って狭くなっている。なお、貫通溝１８０の幅が、貫通溝１８０の上端から下端に向かうに従って段階的に狭くなっていてもよい。すなわち、貫通溝１８０の上端から下端に向かうに従って貫通溝１８０の幅が同一となっている部分が含まれていてもよい。本実施形態においては、貫通溝１８０の幅は、上部電極層の上端から下端まで略同一である。このように、貫通溝１８０は、開口部１１３側の端部において最も狭くなるように形成されている。

以下、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の下面に密着層を設けた状態を示す断面図である。形成時の単結晶圧電体層１３０の厚みは、本実施形態に係る圧電デバイス１００に最終的に含まれる単結晶圧電体層１３０の厚みより厚い。

図３に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、単結晶圧電体層１３０の下面に密着層１５５を設ける。

図４は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、密着層および単結晶圧電体層の各々の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。図４に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、密着層１５５の下面全面および単結晶圧電体層の下面の一部に、下部電極層１５０を設ける。

図５は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。図５に示すように、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法またはＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)法などにより、下部電極層１５０および単結晶圧電体層１３０の各々の下面に、中間層１６０を設ける。

図６は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。図６に示すように、中間層１６０の下面を化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)などにより、平坦にする。

図７は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、図６に示す複数の層に基部を接合させる状態を示す断面図である。図８は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に基部を接合させた状態を示す断面図である。

図７および図８に示すように、中間層１６０の下面に、開口部１１３が形成されていない、基部１１０である基板を接合させる。

図９は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。図９に示すように、単結晶圧電体層１３０の上面をＣＭＰなどにより削って、単結晶圧電体層１３０を所望の厚さにする。この場合、単結晶圧電体層１３０の厚さは、電圧の印加による単結晶圧電体層１３０の所望の伸縮量が得られるように調整される。

なお、単結晶圧電体層１３０の上面側に、予めイオン注入することにより、剥離層を形成していてもよい。この場合、単結晶圧電体層１３０の上面をＣＭＰなどにより削る前に、剥離層を剥離させることにより、単結晶圧電体層１３０の厚さ調整が容易になる。

図１０は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。図１０に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、単結晶圧電体層１３０の上面の一部に、上部電極層１４０を設ける。

図１１は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。図１１に示すように、単結晶圧電体層１３０の一部をエッチングすることにより、孔部１３１を形成する。

図１２は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層から中間層の途中まで貫通溝を設けた状態を示す断面図である。図１２に示すように、単結晶圧電体層１３０側からエッチングをすることにより、単結晶圧電体層１３０から中間層１６０の途中まで貫通溝１８０を形成する。これにより、中間層１６０にトレンチが形成される。

図１３は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に達するように貫通溝を設けた状態を示す断面図である。図１３に示すように、中間層１６０に形成されたトレンチの底部をさらにエッチングすることにより、中間層１６０の下面に達するように貫通溝１８０を形成する。貫通溝１８０は、中間層１６０において第１段部１８１が形成されている。このエッチングに伴い、基部１１０に、図１３に示すようなトレンチが形成されていてもよいし、トレンチが形成されていなくてもよい。

図１４は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、開口部を形成した状態を示す断面図である。図１４に示すように、基部１１０の下側主面１１２側から基部１１０に対して、深掘反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）などにより、基部１１０に開口部１１３を形成し、かつ、中間層１６０に凹部１６１を形成する。これにより、本実施形態に係る圧電デバイス１００において、メンブレン部１２０が形成される。

最後に、リフトオフ法、めっき法またはエッチング法などにより、第１外部電極層１７１および第２外部電極層１７２の各々が設けられる。なお、第１外部電極層１７１および第２外部電極層１７２の各々は、メンブレン部１２０を形成する前に設けられてもよい。上記の工程により、図２に示すような本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００が製造される。

上記のように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００においては、貫通溝１８０は、メンブレン部１２０を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部１８１が形成されており、貫通溝１８０の幅は、第１段部１８１を境に下側が上側より狭くなっている。

これにより、メンブレン部１２０が屈曲振動する際に最も高い応力が作用する、最も厚い層である中間層１６０と中間層１６０に隣接する下部電極層１５０との間への応力集中を、第１段部１８１によって緩和することができるため、メンブレン部１２０内に生じる応力による中間層１６０と下部電極層１５０との間での層間剥離の発生を抑制することができる。

特に、本実施形態においては、貫通溝１８０側に位置する、下部電極層１５０の端面および中間層１６０の端面の各々が、互いに上下方向に連続しているため、中間層１６０と下部電極層１５０との間への応力集中を、第１段部１８１によって効果的に緩和することができる。

本実施形に係る圧電デバイス１００においては、貫通溝１８０の幅は、貫通溝１８０の上端から下端に向かうに従って狭くなっている。これにより、単結晶圧電体層１３０が位置する部分の貫通溝１８０の幅を広く確保しつつ、第１段部１８１より下側の貫通溝１８０の幅を狭くすることができる。

その結果、メンブレン部１２０が屈曲振動する際に単結晶圧電体層１３０に作用する応力を緩和して、単結晶圧電体層１３０と上部電極層１４０との間、および、単結晶圧電体層１３０と下部電極層１５０との間の、各々における層間剥離の発生を抑制することができる。また、第１段部１８１より下側の貫通溝１８０の幅を狭くすることができるため、貫通溝１８０の幅が広くなりすぎることによる圧電デバイス１００の特性低下が起きることを抑制できる。たとえば、圧電デバイス１００が音響デバイスとして用いられる場合には、貫通溝１８０の幅が広くなりすぎることによる音響抵抗の低下を抑制することができる。

本実施形に係る圧電デバイス１００においては、単結晶圧電体層１３０は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成されている。これにより、圧電デバイス１００の圧電特性を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る圧電デバイス１００においては、貫通溝１８０に複数の段部が形成されていてもよい。ここで、本実施形態に係る圧電デバイス１００の変形例について説明する。

図１５は、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイスの断面図である。図１５に示す圧電デバイス１００ａの断面図は、図２に示す圧電デバイス１００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図１５に示すように、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイス１００ａにおいては、貫通溝１８０は、単結晶圧電体層１３０において第２段部１８２ａがさらに形成されている。

本変形例において、第２段部１８２ａは、単結晶圧電体層１３０に貫通溝１８０を形成するためのエッチングを、２回に分けることにより形成できる。まず、１回目のエッチングにより、単結晶圧電体層１３０にトレンチを形成する。２回目のエッチングにより、単結晶圧電体層１３０のトレンチの底部をエッチングする。これにより、単結晶圧電体層１３０に第２段部１８２ａを形成することができる。

図１６は、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイスの断面図である。図１６に示す圧電デバイス１００ｂの断面図は、図２に示す圧電デバイス１００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図１６に示すように、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイス１００ｂにおいては、貫通溝１８０は、メンブレン部１２０を構成する複数の層のうち最も厚い層である中間層１６０において、第２段部１８２ｂがさらに形成されている。

本変形例において、第２段部１８２ｂは、中間層１６０に貫通溝１８０を形成するためのエッチングを、３回に分けることにより形成できる。まず、１回目のエッチングにより、中間層１６０に第１トレンチを形成する。２回目のエッチングにより、第１トレンチの底部をエッチングすることにより、第２トレンチを形成する。これにより、中間層１６０に第２段部１８２ｂを形成することができる。３回目のエッチングにより、第２トレンチの底部をエッチングする。これにより、中間層１６０に第１段部１８１を形成することができる。

上記のように、本発明の実施形態１の第１変形例および第２変形例に係る圧電デバイス１００ａ，１００ｂの各々において、貫通溝１８０は、第１段部１８１より上方にて、メンブレン部１２０を構成する複数の層のいずれか一層において、第２段部１８２ａ，１８２ｂがさらに形成されている。貫通溝１８０の幅は、第２段部１８２ａ，１８２ｂを境に下側が上側より狭くなっている。

これにより、メンブレン部１２０が屈曲振動する際にメンブレン部１２０を構成する複数の層の層間への応力集中を、第２段部１８２ａ，１８２ｂによっても緩和することができるため、メンブレン部１２０内に生じる応力による層間剥離の発生をさらに抑制することができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態２に係る圧電デバイスは、主に、メンブレン部および基部の各々の構成が、実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図１７は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの断面図である。図１７に示す圧電デバイス２００の断面図は、図２に示す圧電デバイス１００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図１７に示すように、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００は、基部２１０と、メンブレン部２２０とを備えている。

図１７に示すように、基部２１０は、下側基部２１０ａと、下側基部２１０ａの上側に位置する上側基部２１０ｂとを含んでいる。基部２１０は、上側主面２１１、および、上側主面２１１とは反対側に位置する下側主面２１２を有している。本実施形態において、上側基部２１０ｂの上面が上側主面２１１であり、下側基部２１０ａの下面が下側主面２１２である。基部２１０には、上下方向に下側基部２１０ａと上側基部２１０ｂとを貫通する開口部２１３が形成されている。

基部２１０を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において、下側基部２１０ａはＳｉで構成されている。上側基部２１０ｂはＳｉＯ₂で構成されている。

図１７に示すように、基部２１０の上側主面２１１上には、複数の層が積層されている。メンブレン部２２０は、上記複数の層のうち、開口部２１３の上側に位置する部分である。すなわち、メンブレン部２２０は、複数の層からなる。

メンブレン部２２０は、基部２１０の開口部２１３の上側に位置しているため、基部２１０に重なっていない。すなわち、メンブレン部２２０は、基部２１０に間接的に支持されて、基部２１０より上側に位置している。

図１７に示すように、本実施形態において、メンブレン部２２０を構成する上記複数の層は、単結晶圧電体層２３０と、上部電極層２４０と、下部電極層２５０と、中間層２６０と、活性層２９０とを含んでいる。

本実施形態において、中間層２６０の下面に凹部は形成されていない。また、本実施形態における中間層２６０は、本発明の実施形態１における中間層１６０より厚さが薄くなるように形成されている。

活性層２９０は、中間層２６０の下面の全面と接続するように設けられている。また、活性層２９０は、開口部２１３の上方を覆うように、基部２１０の上側主面２１１上に積層されている。すなわち、本実施形態においては、開口部２１３に中間層２６０の下面が露出している。

活性層２９０を構成する材料は特に限定されないが、本実施形態において、活性層２９０はＳｉで構成されている。

このように、本実施形態において、メンブレン部２２０は、単結晶圧電体層２３０と、上部電極層２４０と、下部電極層２５０と、中間層２６０と、活性層２９０とを含んでいる。

図１７に示すように、メンブレン部２２０において、上部電極層２４０は、単結晶圧電体層２３０の上側に配置されている。メンブレン部２２０において、下部電極層２５０は、単結晶圧電体層２３０を挟んで上部電極層２４０の少なくとも一部に対向するように配置されている。

本実施形態において、メンブレン部２２０を構成する複数の層のうち最も厚い層は、活性層２９０である。

上記の構成により、上部電極層２４０と下部電極層２５０との間に電圧が印加されることによって、単結晶圧電体層２３０の伸縮に応じてメンブレン部２２０が上下に屈曲振動する。

メンブレン部２２０には、上下方向に貫通する貫通溝２８０が設けられている。
本実施形態において、貫通溝２８０側に位置する、中間層２６０の端面および活性層２９０の端面の各々は、互いに上下方向に連続している。すなわち、貫通溝２８０側に位置する、メンブレン部２２０を構成する複数の層のうち最も厚い層の端面およびその最も厚い層上に位置する層の端面の各々が、互いに上下方向に連続している。

本実施形態において、貫通溝２８０は、活性層２９０において第１段部２８１が形成されている。すなわち、貫通溝２８０は、メンブレン部２２０を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部２８１が形成されている。貫通溝２８０の幅は、第１段部２８１を境に下側が上側より狭くなっている。

貫通溝２８０の開口部２１３側の端部は、中間層２６０の下面に位置している。
図１７に示すように、貫通溝２８０の幅は、貫通溝２８０の上端から下端に向かうに従って狭くなっている。なお、貫通溝２８０の幅が、貫通溝２８０の上端から下端に向かうに従って段階的に狭くなっていてもよい。すなわち、貫通溝２８０の上端から下端に向かうに従って貫通溝２８０の幅が同一となっている部分が含まれていてもよい。本実施形態においては、貫通溝２８０の幅は、上部電極層の上端から下端まで略同一である。このように、貫通溝２８０は、開口部２１３側の端部において最も狭くなるように形成されている。

以下、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
図１８は、本発明の実施形態２の係る圧電デバイスの製造方法において、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。まず、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００の製造方法と同様にして、単結晶圧電体層２３０の下側に密着層２５５および下部電極層２５０を設ける。次に、図１８に示すように、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法などにより、下部電極層２５０および単結晶圧電体層２３０の各々の下面に、中間層２６０を設ける。

図１９は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面を平坦にした状態を示す断面図である。図１９に示すように、中間層２６０の下面を化学機械研磨などにより、平坦にする。

図２０は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、図１９に示す複数の層に積層体を接合させる状態を示す断面図である。図２１は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、中間層の下面に積層体を接合させた状態を示す断面図である。

図２０および図２１に示すように、中間層２６０の下面に、積層体１０を接合させる。積層体１０は、開口部２１３が形成されていない基部２１０と、基部２１０の上面に接合された活性層２９０とから構成されている。本実施形態において、積層体１０はＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板である。

図２２は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。図２２に示すように、単結晶圧電体層２３０の上面をＣＭＰなどにより削って、単結晶圧電体層２３０を所望の厚さにする。この場合、単結晶圧電体層２３０の厚さは、電圧の印加による単結晶圧電体層２３０の所望の伸縮量が得られるように調整される。

なお、単結晶圧電体層２３０の上面側に、予めイオン注入することにより、剥離層を形成していてもよい。この場合、単結晶圧電体層２３０の上面をＣＭＰなどにより削る前に、剥離層を剥離させることにより、単結晶圧電体層２３０の厚さ調整が容易になる。

図２３は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。図２３に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、単結晶圧電体層２３０の上面の一部に、上部電極層２４０を設ける。

図２４は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層に孔部を設けた状態を示す断面図である。図２４に示すように、単結晶圧電体層２３０の一部をエッチングすることにより、孔部２３１を形成する。

図２５は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、単結晶圧電体層から活性層の途中まで貫通溝を設けた状態を示す断面図である。図２５に示すように、単結晶圧電体層２３０側からエッチングをすることにより、単結晶圧電体層２３０から活性層２９０の途中まで貫通溝２８０を形成する。これにより、活性層２９０にトレンチが形成される。

図２６は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、活性層の下面に達するように貫通溝を設けた状態を示す断面図である。図２６に示すように、活性層２９０に形成されたトレンチの底部をさらにエッチングすることにより、活性層２９０の下面に達するように貫通溝２８０を形成する。このエッチングに伴い、基部２１０に、図２６に示すようなトレンチが形成されていてもよいし、トレンチが形成されていなくてもよい。

図２７は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの製造方法において、開口部を形成した状態を示す断面図である。図２７に示すように、基部２１０の下側主面２１２側から基部２１０に対して、深堀反応性イオンエッチングなどにより、基部２１０に開口部２１３を形成する。これにより、本実施形態に係る圧電デバイス２００において、メンブレン部２２０が形成される。

最後に、リフトオフ法、めっき法またはエッチング法などにより、第１外部電極層１７１および第２外部電極層１７２の各々が設けられる。上記の工程により、図１７に示すような本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００が製造される。

上記のように、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００においては、貫通溝２８０は、メンブレン部２２０を構成する複数の層のうち最も厚い層において、第１段部２８１が形成されており、貫通溝２８０の幅は、第１段部２８１を境に下側が上側より狭くなっている。

これにより、メンブレン部２２０が屈曲振動する際に最も高い応力が作用する、最も厚い層である活性層２９０と活性層２９０に隣接する中間層２６０との間への応力集中を、第１段部２８１によって緩和することができるため、メンブレン部２２０内に生じる応力による活性層２９０と中間層２６０との間での層間剥離の発生を抑制することができる。

特に、本実施形態においては、貫通溝２８０側に位置する、中間層２６０の端面および活性層２９０の端面の各々が、互いに上下方向に連続しているため、活性層２９０と中間層２６０との間への応力集中を、第１段部２８１によって効果的に緩和することができる。

本実施形に係る圧電デバイス２００においては、貫通溝２８０の幅は、貫通溝２８０の上端から下端に向かうに従って狭くなっている。これにより、単結晶圧電体層２３０が位置する部分の貫通溝２８０の幅を広く確保しつつ、第１段部２８１より下側の貫通溝２８０の幅を狭くすることができる。

その結果、メンブレン部２２０が屈曲振動する際に単結晶圧電体層２３０に作用する応力を緩和して、単結晶圧電体層２３０と上部電極層２４０との間、および、単結晶圧電体層２３０と下部電極層２５０との間の、各々における層間剥離の発生を抑制することができる。また、第１段部２８１より下側の貫通溝２８０の幅を狭くすることができるため、貫通溝２８０の幅が広くなりすぎることによる圧電デバイス２００の特性低下が起きることを抑制できる。たとえば、圧電デバイス２００が音響デバイスとして用いられる場合には、貫通溝２８０の幅が広くなりすぎることによる音響抵抗の低下を抑制することができる。

本実施形に係る圧電デバイス２００においては、単結晶圧電体層２３０は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成されている。これにより、圧電デバイス２００の圧電特性を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る圧電デバイス２００においては、貫通溝２８０に複数の段部が形成されていてもよい。ここで、本実施形態に係る圧電デバイス２００の変形例について説明する。

図２８は、本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイスの断面図である。図２８に示す圧電デバイス２００ａの断面図は、図１７に示す圧電デバイス２００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図２８に示すように、本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイス２００ａにおいては、貫通溝２８０は、中間層２６０において第２段部２８２ａがさらに形成されている。

本変形例において、第２段部２８２ａは、中間層２６０に貫通溝２８０を形成するためのエッチングを２回に分けることにより形成できる。まず、１回目のエッチングにより、中間層２６０に第１トレンチを形成する。２回目のエッチングにより、第１トレンチの底部をエッチングすることにより、第２トレンチを形成する。これにより、中間層２６０に第２段部２８２ａを形成することができる。

図２９は、本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイスの断面図である。図２９に示す圧電デバイス２００ｂの断面図は、図１７に示す圧電デバイス２００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図２９に示すように、本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイス２００ｂにおいては、貫通溝２８０は、単結晶圧電体層２３０において第２段部２８２ｂがさらに形成されている。

本変形例において、第２段部２８２ｂは、単結晶圧電体層２３０に貫通溝２８０を形成するためのエッチングを２回に分けることにより形成できる。まず、１回目のエッチングにより、単結晶圧電体層２３０にトレンチを形成する。２回目のエッチングにより、単結晶圧電体層２３０のトレンチの底部をエッチングする。これにより、単結晶圧電体層２３０に第２段部２８２ｂを形成することができる。

図３０は、本発明の実施形態２の第３変形例に係る圧電デバイスの断面図である。図３０に示す圧電デバイス２００ｃの断面図は、図１７に示す圧電デバイス２００の断面図と同一の断面視にて図示している。

図３０に示すように、本発明の実施形態２の第３変形例に係る圧電デバイス２００ｃにおいては、貫通溝２８０は、中間層２６０において第２段部２８２ｃが形成され、単結晶圧電体層２３０において第３段部２８３ｃがさらに形成されている。

本変形例において、第２段部２８２ｂおよび第３段部２８３ｃの各々は、単結晶圧電体層２３０、下部電極層２５０および中間層２６０の各々に貫通溝２８０を形成するためのエッチングを３回に分けることにより形成できる。まず、１回目のエッチングにより、単結晶圧電体層２３０にトレンチを形成する。２回目のエッチングにより、単結晶圧電体層２３０のトレンチの底部をエッチングし、中間層２６０にトレンチを形成する。これにより、単結晶圧電体層２３０に第３段部２８３ｃを形成することができる。３回目のエッチングにより、中間層２６０トレンチの底部をエッチングする。これにより、中間層２６０に第２段部２８２ｃを形成することができる。

上記のように、本発明の実施形態２の第１変形例、第２変形例および第３変形例に係る圧電デバイス２００ａ，２００ｂ，２００ｃの各々において、貫通溝２８０は、第１段部２８１より上方にて、メンブレン部２２０を構成する複数の層のいずれか一層において、第２段部２８２ａ，２８２ｂ，２８２ｃまたは第３段部２８３ｃがさらに形成されている。貫通溝２８０の幅は、第２段部２８２ａ，２８２ｂ，２８２ｃおよび第３段部２８３ｃの各々を境に下側が上側より狭くなっている。

これにより、メンブレン部２２０が屈曲振動する際にメンブレン部２２０を構成する複数の層の層間への応力集中を、第２段部１８２ａ，１８２ｂ，２８２ｃおよび第３段部２８３ｃによっても緩和することができるため、メンブレン部２２０内に生じる応力による層間剥離の発生をさらに抑制することができる。

上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

今回開示された実施形態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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

１０ 積層体、１００，１００ａ，１００ｂ，２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ 圧電デバイス、１１０，２１０ 基部、１１１，２１１ 上側主面、１１２，２１２ 下側主面、１１３，２１３ 開口部、１２０，２２０ メンブレン部、１３０，２３０ 単結晶圧電体層、１３１，２３１ 孔部、１４０，２４０ 上部電極層、１５０，２５０ 下部電極層、１５５，２５５ 密着層、１６０，２６０ 中間層、１６１ 凹部、１７１ 第１外部電極層、１７２ 第２外部電極層、１８０，２８０ 貫通溝、１８１，２８１ 第１段部、１８２ａ，１８２ｂ，２８２ａ，２８２ｂ，２８２ｃ 第２段部、２１０ａ 下側基部、２１０ｂ 上側基部、２８３ｃ 第３段部、２９０ 活性層。

Claims (3)

1. 基部と、
   前記基部に間接的に支持されて、前記基部より上側に位置し、複数の層からなるメンブレン部とを備え、
   前記メンブレン部は、前記基部に重なっておらず、かつ、単結晶圧電体層と、該単結晶圧電体層の上側に配置された上部電極層と、前記単結晶圧電体層を挟んで前記上部電極層の少なくとも一部に対向するように配置された下部電極層とを含み、
   前記メンブレン部には、上下方向に貫通する貫通溝が設けられており、
   前記貫通溝は、前記メンブレン部を構成する前記複数の層のうち最も厚い層において、第１段部が形成されており、
   前記貫通溝の幅は、前記第１段部を境に下側が上側より狭くなっており、
   前記貫通溝の前記幅は、前記貫通溝の上端から下端に向かうに従って狭くなっている、圧電デバイス。
2. 前記貫通溝は、前記第１段部より上方にて、前記メンブレン部を構成する前記複数の層のいずれか一層において、第２段部がさらに形成されており、
   前記貫通溝の前記幅は、前記第２段部を境に下側が上側より狭くなっている、請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記単結晶圧電体層は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成されている、請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス。

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