(57)【要約】【課題】信頼性の高い圧電デバイスを提供する。【解決手段】  少なくとも一部が屈曲振動可能な、分極状態が一様である圧電単結晶体１０と、圧電単結晶体１０の上表面上に配置された上部電極２２と、圧電単結晶体１０の下表面上に配置された下部電極２１と、圧電単結晶体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備え、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている、圧電デバイス。【選択図】図１
2020123748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が屈曲振動可能な、分極状態が一様である圧電単結晶体と、
前記圧電単結晶体の上表面上に配置された上部電極と、
前記圧電単結晶体の下表面上に配置された下部電極と、
前記圧電単結晶体の下方に配置された支持基板と、
を備え、
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部が設けられている、
圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電単結晶体を複層備え、
前記複層が上層と下層を備え、
前記上部電極が前記上層の圧電単結晶体の上表面上に配置されており、
前記下部電極が前記下層の圧電単結晶体の下表面上に配置されており、
前記上層及び下層のそれぞれの前記圧電単結晶体の分極状態が一様である、
請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記下部電極が前記圧電単結晶体の平坦な下表面上に配置されている、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記支持基板の上方かつ前記圧電単結晶体の下方に配置された非晶質層をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記非晶質層が断熱材からなる、請求項４に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記支持基板が、ハンドル層、ハンドル層上に配置された埋め込み酸化膜、及び埋め込み酸化膜上に配置された活性層を備えるシリコン・オン・インシュレーター基板であり、
前記非晶質層の下表面と前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層の上表面とが接合している、
請求項４又は５に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記埋め込み酸化膜が露出している、請求項６に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層が露出している、請求項６に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
前記凹部の底面に前記非晶質層が露出している、請求項４から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１０】
前記凹部の底面に前記圧電単結晶体の下表面及び前記下部電極が露出している、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１１】
前記圧電単結晶体の上表面及び前記上部電極上に配置された支持膜をさらに備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１２】
分極状態が一様である圧電単結晶体を用意することと、
前記圧電単結晶体の下表面上に下部電極を形成することと、
前記圧電単結晶体の上表面上に上部電極を形成することと、
前記圧電単結晶体の下方に支持基板を配置することと、
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部を設けることと、
を含む、前記圧電単結晶体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記圧電単結晶体が複層であり、
前記複層が上層と下層を備え、
前記下部電極を前記下層の圧電単結晶体の下表面上に形成し、
前記上部電極を前記上層の圧電単結晶体の上表面上に形成し、
前記上層及び下層のそれぞれの前記圧電単結晶体の分極状態が一様である、
請求項１２に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記下部電極が前記圧電単結晶体の平坦な下表面上に形成される、請求項１２又は１３に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記支持基板の上方かつ前記圧電単結晶体の下方に非晶質層を形成することをさらに含む、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記非晶質層が断熱材からなる、請求項１５に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記非晶質層の下表面と前記支持基板の上表面とを接合することをさらに含む、請求項１５又は１６に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記支持基板が、ハンドル層、ハンドル層上に配置された埋め込み酸化膜、及び埋め込み酸化膜上に配置された活性層を備えるシリコン・オン・インシュレーター基板であり、
前記接合することにおいて、
前記非晶質層の下表面と前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層の上表面とを接合する、
請求項１７に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記埋め込み酸化膜を露出させる、請求項１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層を露出させる、請求項１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２１】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記非晶質層が露出させる、請求項１７又は１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記圧電単結晶体の下表面及び前記下部電極が露出させる、請求項１７又は１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２３】
前記圧電単結晶体の上表面及び前記上部電極上に支持膜を形成することをさらに含む、請求項１２から２２のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
クロック用発振子や圧電ブザー等に用いられる、ユニモルフ構造やバイモルフ構造を有する振動子が開発されてきている。ユニモルフ構造は、圧電体と、非圧電体あるいは電圧印加されない圧電体と、の積層構造である。圧電体の上部には上部電極が、圧電体の下部には下部電極が配置される。上部電極及び下部電極を用いて圧電体に電圧を印加すると、圧電体は面内方向に伸縮しようとする。しかし、非圧電体あるいは電圧印加されない圧電体は伸縮しないため、ユニモルフ構造は屈曲振動する。バイモルフ構造は、二層の圧電体の積層構造である。二層の圧電体の間には、シムと呼ばれる金属板等の弾性板が挟まれることがある。二層の圧電体に電圧を印加すると、一方の圧電体は面内方向に伸び、他方の圧電体は面内方向に縮もうとするため、二層の圧電体は全体として屈曲する。圧電体は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる（例えば、特許文献１、２参照。）。圧電体は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法等を用いて、下部電極上に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４０４２１８号公報
【特許文献２】特許第６１３２０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
より信頼性の高い圧電デバイスが求められている。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面に係る圧電デバイスは、少なくとも一部が屈曲振動可能な、分極状態が一様である圧電単結晶体と、圧電単結晶体の上表面上に配置された上部電極と、圧電単結晶体の下表面上に配置された下部電極と、圧電単結晶体の下方に配置された支持基板と、を備え、支持基板の下表面から圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部が設けられている。
【０００６】
また、本発明の一側面に係る圧電単結晶体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法は、分極状態が一様である圧電単結晶体を用意することと、圧電単結晶体の下表面上に下部電極を形成することと、圧電単結晶体の上表面上に上部電極を形成することと、圧電単結晶体の下方に支持基板を配置することと、支持基板の下表面から圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部を設けることと、を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る圧電デバイスを示す上方斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た、第１実施形態に係る圧電デバイスを示す模式的斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る圧電デバイスを示す下方斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図５】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図６】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図７】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図８】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図９】第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１０】従来技術に係る圧電デバイスを示す模式的断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る圧電デバイスを示す模式的断面図である。
【図１２】第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１３】第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１４】第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１５】第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１６】第３実施形態に係る圧電デバイスを示す模式的断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１８】第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図２０】第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【図２１】第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る圧電デバイスは、上方斜視図である図１、図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た模式的な断面図である図２、及び下方斜視図である図３に示すように、少なくとも一部が屈曲振動可能な、分極状態が一様である圧電単結晶体１０と、圧電単結晶体１０の上表面上に配置された上部電極２２と、圧電単結晶体１０の下表面上に配置された下部電極２１と、圧電単結晶体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備える。圧電デバイスには、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている。
【００１１】
第１実施形態に係る圧電デバイスは、圧電単結晶体１０の下表面及び下部電極２１の下表面上に配置された非晶質層３０をさらに備えていてもよい。支持基板４０は、非晶質層３０の下表面上に配置されていてもよい。
【００１２】
圧電単結晶体１０は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬＴ）及びニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の単結晶からなる。圧電単結晶体１０は、下方に下部電極２１がある部分と、下方に下部電極２１がない部分と、にわたって、膜質が均一であり、膜内において、分極（配向）状態が同じである。圧電単結晶体１０の上表面及び下表面は、取り出し電極やデバイス形成などのために加工された部分を除いて平坦かつ平滑であり、段やテーパー構造がない。
【００１３】
下部電極２１及び上部電極２２は、例えば、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる。下部電極２１及び上部電極２２は、圧電単結晶体１０に電圧を印加可能である。下部電極２１は、非晶質層３０に埋め込まれるように配置されている。非晶質層３０は、酸化ケイ素等の絶縁材からなる。非晶質層３０は断熱材であってもよい。
【００１４】
支持基板４０は、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板である。非晶質層３０の下表面と、ＳＯＩ基板の活性層４３の上表面と、は、接合している。
【００１５】
凹部１４１の底面１４２から埋め込み酸化膜４２が露出していてもよいし、活性層４３が露出していてもよいし、非晶質層３０が露出していてもよいし、圧電単結晶体１０及び下部電極２１が露出していてもよい。
【００１６】
第１実施形態において、上方から見て、少なくとも上部電極２２、圧電単結晶体１０、及び下部電極２１が重なる部分は、屈曲振動膜として機能する。下部電極２１及び上部電極２２から圧電単結晶体１０に電圧が印加されると、圧電単結晶体１０は面内方向に伸縮しようとするが、少なくとも上部電極２２及び下部電極２１は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。
【００１７】
圧電デバイスに設けられた凹部１４１の底面の位置により、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部をさらに含み得る。また、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部及び活性層４３の少なくとも一部をさらに含み得る。あるいは、屈曲振動膜は、非晶質層３０の少なくとも一部、活性層４３の少なくとも一部及び酸化膜４２の少なくとも一部をさらに含み得る。当該屈曲振動膜が屈曲振動する際に、屈曲振動膜内の応力中立面が、圧電単結晶体１０の外に存在することが好ましい。
【００１８】
凹部１４１の底面から非晶質層３０が露出している場合、非晶質層３０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０内にあり、圧電単結晶体１０内にないように設定されることが好ましい。
【００１９】
凹部１４１の底面から活性層４３が露出している場合、非晶質層３０と活性層４３の合計厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０又は活性層４３内にあり、圧電単結晶体１０内にないように設定されることが好ましい。
【００２０】
凹部１４１の底面から埋め込み酸化膜４２が露出している場合、非晶質層３０、活性層４３及び埋め込み酸化膜４２の合計厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０、活性層４３又は埋め込み酸化膜４２内にあり、圧電単結晶体１０内にないように設定されることが好ましい。
【００２１】
次に、第１実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
【００２２】
図４に示すように、タンタル酸リチウム（ＬＴ）及びニオブ酸リチウム（ＬＮ）等からなる基板状の圧電単結晶体１５を用意し、圧電単結晶体１５の平滑かつ平坦な下表面上に白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる導電膜を製膜する。導電膜を所定の形状にパターニングして、圧電単結晶体１５の下表面上に、下部電極２１を形成する。なお、圧電単結晶体１５の下表面上にチタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる密着層を形成し、その後、密着層上に導電膜を製膜してもよい。
【００２３】
図５に示すように、圧電単結晶体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等からなる非晶質層３０を形成する。これにより、下部電極２１は、非晶質層３０内に配置される。その後、非晶質層３０の下表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）し、非晶質層３０の下表面を平滑にする。
【００２４】
図６に示すように、支持基板４０として、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるＳＯＩ基板を用意する。次に、図７に示すように、ＳＯＩ基板の活性層４３の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図８に示すように、基板状の圧電単結晶体１５を上表面側から研磨して薄化し、圧電単結晶体１０を膜にする。圧電単結晶体１０の厚さは、電圧を印加された際に、所望の伸縮が生じるように設定される。
【００２５】
図９に示すように、圧電単結晶体１０の上表面上に、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の導電材料からなる導電膜を製膜する。導電膜を所定の形状にパターニングして、圧電単結晶体１０の平滑かつ平坦な上表面上に、上部電極２２を形成する。なお、圧電単結晶体１０の上表面上にチタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）等の金属からなる密着層を形成し、その後、密着層上に導電膜を製膜してもよい。次に、任意により、ＳＯＩ基板の活性層４３、非晶質層３０及び圧電単結晶体１０の一部をエッチング法等により除去して、所望の形状にパターニングしてもよい。
【００２６】
ＳＯＩ基板のハンドル層４１の下表面の一部から、圧電単結晶体１０の下表面上に向かって、深掘り反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ  ＲＩＥ）等によって、図２に示す、凹部１４１を形成する。凹部１４１の底面１４２から埋め込み酸化膜４２の下表面が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよいし、活性層４３の下表面が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよいし、非晶質層３０が露出するまでＳＯＩ基板をエッチングしてもよい。あるいは、圧電単結晶体１０及び下部電極２１が露出するまでＳＯＩ基板と非晶質層３０をエッチングしてもよい。屈曲振動膜が屈曲振動する際に、屈曲振動膜内の応力中立面が、圧電単結晶体１０の外に存在するよう、凹部１４１の深さを設定することが好ましい。例えば、以上の工程を含む製造方法により、第１実施形態に係る圧電デバイスが得られる。
【００２７】
従来、屈曲振動膜を備える圧電デバイスを製造する際には、図１０に示すように、支持基板２４０上に非晶質膜２３０を形成し、非晶質膜２３０上に下部電極２２１を形成した後に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電膜２１０を、例えば、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法等を用いて形成し、圧電膜２１０上に上部電極２２２を形成し、その後、支持基板２４０に凹部３４１を設けている。そのため、下部電極２２１の端部において、圧電膜２１０に段やテーパー構造が形成される。また、圧電膜２１０の下方に下部電極２２１がある部分と、圧電膜２１０の下方に下部電極２２１がない部分と、で、分極（配向）状態が異なり得る。
【００２８】
図１０に示す従来の圧電デバイスにおいては、圧電膜２１０の膜質が不均一であり、圧電膜２１０が屈曲振動する際に、振動特性が不安定になる場合がある。また、圧電膜２１０の膜質が不均一であるため、圧電膜２１０の膜内で応力分布が発生し、圧電膜２１０にクラックが生じる場合がある。あるいは、圧電膜２１０に形成された段やテーパー構造で応力分布が発生し、圧電膜２１０にクラックが生じる場合がある。さらに、下部電極２２１を形成した後に圧電膜２１０の分極処理が必要であり、また、粒界で応力分布が生じて、クラックやリークが発生し得る。
【００２９】
これに対し、図１から図３に示す第１実施形態に係る圧電デバイスにおいては、圧電単結晶体１０に段やテーパー構造が形成されていない。また、圧電単結晶体１０の下方に下部電極２１がある部分と、圧電単結晶体１０の下方に下部電極２１がない部分と、で、分極（配向）状態が同じである。そのため、第１実施形態に係る圧電デバイスにおいては、圧電単結晶体１０の膜質が均一であり、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、安定した振動特性を得ることが可能である。また、圧電単結晶体１０の膜質が均一であり、かつ、圧電単結晶体１０に段やテーパー構造がないため、圧電単結晶体１０に応力分布が発生しづらく、圧電単結晶体１０にクラックが生じにくい。さらに、上部電極２２及び下部電極２１を形成する前に圧電単結晶体１５が分極処理されているので、上部電極２２及び下部電極２１を形成した後に圧電単結晶体１５の分極処理をする必要がない。また、粒界がないため、粒界で応力が生じることもない。したがって、第１実施形態によれば、信頼性の高い圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法を提供可能である。
【００３０】
また、第１実施形態に係る圧電デバイスにおいて、非晶質層３０が断熱材からなる場合は、支持基板４０から圧電単結晶体１０に熱が伝わることが抑制され、焦電効果によるノイズを抑制することが可能である。
【００３１】
［第２実施形態］
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。第２実施形態に係る圧電デバイスは、図１１に示すように、支持基板５０がシリコン基板である。第２実施形態に係る圧電デバイスには、支持基板５０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１５１が設けられている。凹部１５１の底面１５２からは、非晶質層３０が露出している。
【００３２】
第２実施形態においても、下部電極２１及び上部電極２２から圧電単結晶体１０に電圧が印加されると、圧電単結晶体１０は面内方向に伸縮しようとするが、上部電極２２、下部電極２１、及び非晶質層３０は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。非晶質層３０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が非晶質層３０内にあり、圧電単結晶体１０内にないように設定されることが好ましい。
【００３３】
次に、第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
【００３４】
第１実施形態と同様に、図１２に示すように、基板状の圧電単結晶体１５の下表面上に下部電極２１を形成し、さらに、圧電単結晶体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、非晶質層３０を形成する。また、支持基板５０としてシリコン基板を用意する。次に、図１３に示すように、シリコン基板の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図１４に示すように、基板状の圧電単結晶体１５を上表面側から研磨して薄化し、膜状にする。
【００３５】
図１５に示すように、圧電単結晶体１０の上表面上に、上部電極２２を形成する。次に、シリコン基板の下表面の一部から、圧電単結晶体１０の下方に向かって、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥ等によって、図１１に示す非晶質層３０の下表面を底面１５２とする凹部１５１を形成する。例えば、以上の工程を含む製造方法により、第２実施形態に係る圧電デバイスが得られる。なお、非晶質層３０を形成する時に、非晶質層３０の厚さを、その後形成される屈曲振動膜が屈曲振動可能な厚さにしてもよいし、凹部１５１を形成する時に、非晶質層３０の厚さを、屈曲振動膜が屈曲振動可能な厚さにしてもよい。
【００３６】
［第３実施形態］
第３実施形態に係る圧電デバイスは、図１６に示すように、圧電単結晶体１０の上表面及び上部電極２２を覆う支持膜７０をさらに備える。支持膜７０の材料としては、ポリシリコン、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウム等が使用可能である。第３実施形態においては、支持膜７０も、屈曲振動膜の一部をなす。このように、支持膜７０を圧電単結晶体１０の上表面を覆うように配置して、支持膜７０に、外気に対する保護膜としての機能も持たせることが可能である。
【００３７】
第３実施形態において、下部電極２１及び上部電極２２から圧電単結晶体１０に電圧が印加されると、圧電単結晶体１０は面内方向に伸縮しようとするが、支持膜７０、上部電極２２、下部電極２１、及び非晶質層３０は伸縮しないため、屈曲振動膜が上下に屈曲振動する。支持膜７０の厚さは、屈曲振動膜が屈曲振動する際に、応力中立面が支持膜７０内にあり、圧電単結晶体１０内にないように設定されることが好ましい。
【００３８】
次に、第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
【００３９】
第１実施形態と同様に、図１７に示すように、基板状の圧電単結晶体１５の下表面上に下部電極２１を形成し、さらに、圧電単結晶体１５の下表面上及び下部電極２１の下表面上に、非晶質層３０を形成する。また、支持基板５０としてシリコン基板を用意する。次に、図１８に示すように、シリコン基板の上表面と、非晶質層３０の下表面と、を直接接合する。その後、図１９に示すように、基板状の圧電単結晶体１５を上表面側から研磨して薄化し、膜状にする。
【００４０】
図２０に示すように、圧電単結晶体１０の上表面上に、上部電極２２を形成する。次に、図２１に示すように、圧電単結晶体１０の上表面及び上部電極２２を覆う支持膜７０を形成する。任意により、非晶質層３０、圧電単結晶体１０及び支持膜７０の一部をエッチング法等により除去して、所望の形状にパターニングしてもよい。次に、シリコン基板の下表面の一部から、圧電単結晶体１０の下方に向かって、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥ等によって、図１６に示す非晶質層３０の下表面を底面１５２とする凹部１５１を形成する。なお、非晶質層３０の一部も除去して、凹部１５１の底面に下部電極２１及び圧電単結晶体１０の下表面を露出させてもよい。
【００４１】
第３実施形態に係る圧電デバイスの製造方法によれば、支持膜７０が、支持基板５０と非晶質層３０との接合、及び圧電単結晶体１５の研磨工程の後に形成されるため、圧電デバイスの製造が容易になる。また、圧電単結晶体１５の研磨状態に応じて、支持膜７０の厚みを調整することが可能である。
【００４２】
以上のとおり、本発明の各実施形態に係る圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法は、上述したいずれか１つ又は複数の組み合わせによる以下の例による構成及び作用効果を有する。
【００４３】
本実施形態に係る圧電デバイスは、少なくとも一部が屈曲振動可能な、分極状態が一様である圧電単結晶体１０と、圧電単結晶体１０の上表面上に配置された上部電極２２と、圧電単結晶体１０の下表面上に配置された下部電極２１と、圧電単結晶体１０の下方に配置された支持基板４０と、を備える。圧電デバイスには、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられている。
【００４４】
本実施形態に係る圧電デバイスは、圧電単結晶体１０の分極状態が一様であり、圧電単結晶体１０に粒界がないため、圧電単結晶体１０に応力分布が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
【００４５】
上記の圧電デバイスにおいて、圧電単結晶体１０を複層備え、複層が上層と下層を備え、上部電極２２が上層の圧電単結晶体の上表面上に配置されており、下部電極２１が下層の圧電単結晶体の下表面上に配置されており、上層及び下層のそれぞれの圧電単結晶体の分極状態が一様であってもよい。
【００４６】
これによれば、バイモルフ構造により、屈曲振動において大きな変位を得ることが可能である。
【００４７】
上記の圧電デバイスにおいて、下部電極２１が圧電単結晶体１０の平坦な下表面上に配置されていてもよい。
【００４８】
これによれば、圧電単結晶体１０に段やテーパー構造がないため、圧電単結晶体１０に応力分布が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
【００４９】
上記の圧電デバイスにおいて、支持基板４０の上方かつ圧電単結晶体１０の下方に配置された非晶質層３０をさらに備えていてもよい。非晶質層３０が断熱材からなっていてもよい。上記の圧電デバイスが、非晶質層３０の下方に配置された支持基板４０をさらに備えていてもよい。上記の圧電デバイスにおいて、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１４１が設けられていてもよい。
【００５０】
非晶質層３０が断熱材である場合、支持基板４０から圧電単結晶体１０に熱が伝わることが抑制され、焦電効果によるノイズを抑制することが可能である。
【００５１】
上記の圧電デバイスにおいて、支持基板４０が、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるＳＯＩ基板であり、非晶質層３０の下表面とＳＯＩ基板の活性層４３の上表面とが接合していてもよい。
【００５２】
上記の圧電デバイスにおいて、凹部１４１の底面１４２にＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜４２が露出していてもよいし、凹部１４１の底面１４２にＳＯＩ基板の活性層４３が露出していてもよい。
【００５３】
これによれば、本実施形態に係る圧電デバイスを製造する際に、埋め込み酸化膜４２又は活性層４３をエッチストップ層として利用可能である。
【００５４】
上記の圧電デバイスにおいて、凹部１５１の底面に非晶質層３０が露出していてもよいし、圧電単結晶体１０の下表面及び下部電極２１が露出していてもよい。支持基板５０がシリコン基板であってもよい。
【００５５】
これによれば、構造が複雑でないため、信頼性が向上し、製造コストの低減及び歩留まりの向上が可能である。
【００５６】
上記の圧電デバイスが、圧電単結晶体１０の上表面及び上部電極２２上に配置された支持膜７０をさらに備えていてもよい。
【００５７】
これによれば、圧電単結晶体１０を外気から保護することが可能である。
【００５８】
また、本実施形態に係る圧電単結晶体の少なくとも一部が屈曲振動可能な圧電デバイスの製造方法は、分極状態が一様である圧電単結晶体１５を用意することと、圧電単結晶体１５の下表面上に下部電極２１を形成することと、圧電単結晶体１０の上表面上に上部電極２２を形成することと、圧電単結晶体１０の下方に支持基板４０を配置することと、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１０の下表面上に向かう凹部１４１を設けることと、を含む。
【００５９】
これによれば、上部電極２２及び下部電極２１を形成する前に圧電単結晶体１５が分極処理されているので、上部電極２２及び下部電極２１を形成した後に圧電単結晶体１５の分極処理をする必要がない。また、本実施形態に係る製造方法で製造される圧電デバイスは、圧電単結晶体１０に粒界がないため、圧電単結晶体１０に応力分布が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
【００６０】
上記の圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶体１０が複層であり、複層が上層と下層を備え、下部電極２１を下層の圧電単結晶体の下表面上に形成し、上部電極２２を上層の圧電単結晶体の上表面上に形成し、上層及び下層のそれぞれの圧電単結晶体の分極状態が一様であってもよい。
【００６１】
これによれば、バイモルフ構造を有する圧電デバイスが製造されるため、製造される圧電デバイスの屈曲振動において大きな変位を得ることが可能である。
【００６２】
上記の圧電デバイスの製造方法において、下部電極２１が圧電単結晶体１５の平坦な下表面上に形成されてもよい。
【００６３】
これによれば、圧電単結晶体１５に段やテーパー構造がないため、圧電単結晶体１０に応力分布が発生しにくく、クラックやリークが発生しにくい。
【００６４】
上記の圧電デバイスの製造方法が、支持基板４０の上方かつ圧電単結晶体１５の下方に非晶質層３０を形成することをさらに含んでいてもよい。非晶質層３０が断熱材からなっていてもよい。上記の圧電デバイスの製造方法が、非晶質層３０の下表面と支持基板４０の上表面とを接合することをさらに含んでいてもよい。
【００６５】
これによれば、製造される圧電デバイスにおいて、支持基板４０から圧電単結晶体１０に熱が伝わることが抑制され、焦電効果によるノイズを抑制することが可能である。
【００６６】
上記の圧電デバイスの製造方法において、支持基板４０が、ハンドル層４１、ハンドル層４１上に配置された埋め込み酸化膜４２、及び埋め込み酸化膜４２上に配置された活性層４３を備えるＳＯＩ基板であり、接合することにおいて、非晶質層３０の下表面とＳＯＩ基板の活性層４３の上表面とを接合してもよい。
【００６７】
上記の圧電デバイスの製造方法が、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１５の下表面上に向けて凹部１４１を形成することをさらに含み、凹部１４１を形成することにおいて、凹部１４１の底面１４２にＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜４２を露出させてもよいし、凹部１４１の底面１４２にＳＯＩ基板の活性層４３を露出させてもよい。
【００６８】
これによれば、埋め込み酸化膜４２又は活性層４３をエッチストップ層として利用可能である。
【００６９】
上記の圧電デバイスの製造方法が、支持基板４０の下表面から圧電単結晶体１５の下表面上に向けて凹部１４１を形成することをさらに含み、凹部１５１を形成することにおいて、凹部１５１の底面１５２に非晶質層３０を露出させてもよいし、圧電単結晶体１０の下表面及び下部電極２１を露出させてもよい。支持基板５０がシリコン基板であってもよい。
【００７０】
これによれば、製造コストの低減及び歩留まりの向上が可能である。
【００７１】
上記の圧電デバイスの製造方法が、圧電単結晶体１０の上表面及び上部電極２２上に支持膜７０を形成することをさらに含んでいてもよい。
【００７２】
これによれば、支持膜７０が、支持基板５０と非晶質層３０との接合、及び圧電単結晶体１５の研磨工程の後に形成されるため、圧電デバイスの製造が容易になる。また、圧電単結晶体１５の研磨状態に応じて、支持膜７０の厚みを調整することが可能である。
【００７３】
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７４】
１０、１５・・・圧電単結晶体、２１・・・下部電極、２２・・・上部電極、３０・・・非晶質層、４０・・・支持基板、４１・・・ハンドル層、４２・・・酸化膜、４３・・・活性層、５０・・・支持基板、７０・・・支持膜、１４１・・・凹部、１４２・・・底面、１５１・・・凹部、１５２・・・底面、２１０・・・圧電膜、２２１・・・下部電極、２２２・・・上部電極、２３０・・・非晶質膜、２４０・・・支持基板、３４１・・・凹部
【図１】
2020123748.tif 000003
【図２】
2020123748.tif 000004
【図３】
2020123748.tif 000005
【図４】
2020123748.tif 000006
【図５】
2020123748.tif 000007
【図６】
2020123748.tif 000008
【図７】
2020123748.tif 000009
【図８】
2020123748.tif 000010
【図９】
2020123748.tif 000011
【図１０】
2020123748.tif 000012
【図１１】
2020123748.tif 000013
【図１２】
2020123748.tif 000014
【図１３】
2020123748.tif 000015
【図１４】
2020123748.tif 000016
【図１５】
2020123748.tif 000017
【図１６】
2020123748.tif 000018
【図１７】
2020123748.tif 000019
【図１８】
2020123748.tif 000020
【図１９】
2020123748.tif 000021
【図２０】
2020123748.tif 000022
【図２１】
2020123748.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月30日(2020.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極状態が一様である圧電単結晶体と、
前記圧電単結晶体の上表面上に配置された上部電極と、
前記圧電単結晶体の下表面上に配置された下部電極と、
前記圧電単結晶体の下方に配置された支持基板と、
を備え、
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部が設けられており、
前記凹部の上方に配置されている前記圧電単結晶体が屈曲振動する際に、応力中立面が前記圧電単結晶体の外に存在する、
圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電単結晶体を複層備え、
前記複層が上層と下層を備え、
前記上部電極が前記上層の圧電単結晶体の上表面上に配置されており、
前記下部電極が前記下層の圧電単結晶体の下表面上に配置されており、
前記上層及び下層のそれぞれの前記圧電単結晶体の分極状態が一様である、
請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記下部電極が前記圧電単結晶体の平坦な下表面上に配置されている、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記支持基板の上方かつ前記圧電単結晶体の下方に配置された非晶質層をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記非晶質層が断熱材からなる、請求項４に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記支持基板が、ハンドル層、ハンドル層上に配置された埋め込み酸化膜、及び埋め込み酸化膜上に配置された活性層を備えるシリコン・オン・インシュレーター基板であり、
前記非晶質層の下表面と前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層の上表面とが接合している、
請求項４又は５に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記埋め込み酸化膜が露出している、請求項６に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層が露出している、請求項６に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
前記凹部の底面に前記非晶質層が露出している、請求項４から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１０】
前記凹部の底面に前記圧電単結晶体の下表面及び前記下部電極が露出している、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１１】
前記圧電単結晶体の上表面及び前記上部電極上に配置された支持膜をさらに備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項１２】
分極状態が一様である圧電単結晶体を用意することと、
前記圧電単結晶体の下表面上に下部電極を形成することと、
前記圧電単結晶体の上表面上に上部電極を形成することと、
前記圧電単結晶体の下方に支持基板を配置することと、
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向かう凹部を設けることと、
を含み、
前記凹部の上方に配置されている前記圧電単結晶体が屈曲振動する際に、応力中立面が前記圧電単結晶体の外に存在するよう前記凹部の深さを設定する、
圧電デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記圧電単結晶体が複層であり、
前記複層が上層と下層を備え、
前記下部電極を前記下層の圧電単結晶体の下表面上に形成し、
前記上部電極を前記上層の圧電単結晶体の上表面上に形成し、
前記上層及び下層のそれぞれの前記圧電単結晶体の分極状態が一様である、
請求項１２に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記下部電極が前記圧電単結晶体の平坦な下表面上に形成される、請求項１２又は１３に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記支持基板の上方かつ前記圧電単結晶体の下方に非晶質層を形成することをさらに含む、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記非晶質層が断熱材からなる、請求項１５に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記非晶質層の下表面と前記支持基板の上表面とを接合することをさらに含む、請求項１５又は１６に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記支持基板が、ハンドル層、ハンドル層上に配置された埋め込み酸化膜、及び埋め込み酸化膜上に配置された活性層を備えるシリコン・オン・インシュレーター基板であり、
前記接合することにおいて、
前記非晶質層の下表面と前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層の上表面とを接合する、
請求項１７に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記埋め込み酸化膜を露出させる、請求項１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記シリコン・オン・インシュレーター基板の前記活性層を露出させる、請求項１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２１】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記非晶質層が露出させる、請求項１７又は１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記支持基板の下表面から前記圧電単結晶体の下表面上に向けて凹部を形成することをさらに含み、
前記凹部を形成することにおいて、前記凹部の底面に前記圧電単結晶体の下表面及び前記下部電極が露出させる、請求項１７又は１８に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項２３】
前記圧電単結晶体の上表面及び前記上部電極上に支持膜を形成することをさらに含む、請求項１２から２２のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。