(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、
前記圧電基板上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜と、
前記圧電膜の上面及び／または下面に形成された電極と、
前記圧電基板と前記圧電膜との間に形成された、ＳｉＯ２膜と、
を備え、
前記ＳｉＯ２膜の導電率は、１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上であり、
オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、前記ニオブ酸リチウム及び前記タンタル酸リチウムのオイラー角φが０°であり、タンタル酸リチウムのオイラー角のθをθＬＴ、ニオブ酸リチウムのオイラー角のθをθＬＮとした場合、前記θＬＴ及び前記θＬＮが、θＬＮをｘ軸、θＬＴをｙ軸とした（ｘ，ｙ）座標系において、下記の表１の左欄及び右欄にそれぞれ示す下記座標（ｘ，ｙ）で表される点を順に結ぶ線により囲まれた各領域の範囲内であって、かつ、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率の差の絶対値が２ｐｐｍ／℃以下の範囲内にある、弾性波装置。
【表１】
0005992912.tif 000006
【請求項２】
前記弾性波装置は、さらに、
前記圧電基板に積層された支持基板を備える、請求項１に記載の弾性波装置。
【請求項３】
前記θＬＴ及びθＬＮの値が、下記の表２の左欄及び右欄にそれぞれ示す下記座標（ｘ，ｙ）で表される点を順に結ぶ線により囲まれた各領域の範囲内にある、請求項１または２に記載の弾性波装置。
【表２】
0005992912.tif 000007
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置の製造方法であって、
ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を用意する工程と、
前記圧電基板上に、導電率が１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上であるＳｉＯ２膜を介して、間接的にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程と、
前記圧電膜の上面及び下面の少なくとも一方に電極を形成する工程とを備え、
前記圧電基板上に前記タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程が、
（ａ）前記圧電膜より厚みの厚いタンタル酸リチウムを主成分とする圧電板を用意する工程と、
（ｂ）前記圧電板の一方面からイオン注入する工程と、
（ｃ）前記イオン注入が行われた圧電板の前記一方面から該圧電板を間接にニオブ酸リチウムを主成分とする前記圧電基板上に積層する工程と、
（ｄ）前記圧電板を加熱しつつ、前記圧電板の注入イオン濃度が最も高い注入イオン高濃度部分において圧電膜と残りの圧電板部分とを分離し、前記圧電基板側に前記圧電膜を残存させる工程と、
（ｅ）オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、前記ニオブ酸リチウム及び前記タンタル酸リチウムのオイラー角φが０°であり、タンタル酸リチウムのオイラー角のθをθＬＴ、ニオブ酸リチウムのオイラー角のθをθＬＮとした場合、前記θＬＴ及び前記θＬＮが、θＬＮをｘ軸、θＬＴをｙ軸とした（ｘ，ｙ）座標系において、下記の表３の左欄及び右欄にそれぞれ示す下記座標（ｘ，ｙ）で表される点を順に結ぶ線により囲まれた各領域の範囲内であって、かつ、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率の差の絶対値が２ｐｐｍ／℃以下の範囲内になるように、前記ニオブ酸リチウム及び前記タンタル酸リチウムを形成する工程と、
を有する、弾性波装置の製造方法。
【表３】
0005992912.tif 000008
【請求項５】
前記圧電板を加熱しつつ前記圧電膜と残りの圧電板部分とを分離する工程において、３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下の温度で加熱する、請求項４に記載の弾性波装置の製造方法。
【請求項６】
前記電極を形成する工程が、前記圧電板の一方面からイオン注入する工程（ｂ）の後に、該イオン注入された圧電板の一方面に下部電極を形成する工程と、
前記圧電基板側に圧電膜を残存させる工程（ｄ）の後に、残存した圧電膜上に上部電極を形成する工程とを有する、請求項４または５に記載の弾性波装置の製造方法。
【請求項７】
前記下部電極形成後に、下部電極の一部を覆うように犠牲層を形成し、
前記犠牲層を覆うように前記圧電板のイオン注入された面にニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を積層し、
前記工程（ｄ）の後に犠牲層を消滅させて、犠牲層が設けられていた部分に空洞を形成し、それによってバルク波装置を得る、請求項６に記載の弾性波装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルク波や弾性表面波などの弾性波を利用した弾性波装置及びその製造方法に関し、より詳細には、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板上に、直接または間接にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜が積層されている構造を有する弾性波装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、共振子や帯域フィルタなどに弾性波装置が広く用いられている。下記の特許文献１の実施例２では、Ｓｉ基板上にＬｉＴａＯ３薄板を積層した構造を有するバルク波共振子が開示されている。【０００３】
また、下記の特許文献２には、３６°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、４１°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３薄板を接合した構造を有する弾性表面波素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００９／０８１６５１
【特許文献２】特開平６−３２６５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のバルク波共振子では、Ｓｉ基板上にＬｉＴａＯ３薄板が積層されている。Ｓｉ基板の線膨張率は３．３５ｐｐｍ／℃であり、ＬｉＴａＯ３薄板の線膨張率は１６．１ｐｐｍ／℃である。従って、両者の線膨張率差が大きい。そのため、熱履歴を伴う加工工程や使用環境に晒されると、Ｓｉ基板と、ＬｉＴａＯ３薄板との間で剥離が生じるおそれがあった。【０００６】
同様に、特許文献２に記載の弾性表面波素子においても、３６°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板の弾性波伝搬方向の線膨張率は、１６．１ｐｐｍ／℃であり、Ｘ軸と垂直方向の線膨張率は８．２ｐｐｍ／℃である。他方、４１°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３薄板では、弾性波伝搬方向の線膨張率が１５．４ｐｐｍ／℃であり、Ｘ軸と垂直方向の線膨張率は１０．９ｐｐｍ／℃である。両者のＸ軸を揃えてＬｉＴａＯ３基板上にＬｉＮｂＯ３薄板を接合した場合には、弾性波伝搬方向の線膨張率差は０．７ｐｐｍ／℃程度と小さい。しかし、Ｘ軸と垂直方向の線膨張率差は２．７ｐｐｍ／℃と大きかった。そのため、熱履歴を伴う加工工程や使用環境に晒されると、ＬｉＴａＯ３基板と、ＬｉＮｂＯ３薄板との間で剥離や浮きが生じるおそれがあった。【０００７】
本発明の目的は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜とを積層してなる構造を有する弾性波装置であって、両者の線膨張率差を小さくすることができる、弾性波装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の第１の発明に係る弾性波装置は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、前記圧電基板上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜と、前記圧電膜の上面及び／または下面に形成された電極とを備え、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、前記ニオブ酸リチウム及び前記タンタル酸リチウムのオイラー角φが０°であり、タンタル酸リチウムのオイラー角のθをθＬＴ、ニオブ酸リチウムのオイラー角のθをθＬＮとした場合、θＬＴ及びθＬＮが、図５のハッチングを付した領域Ｘ内にある。【０００９】
第１の発明のある特定の局面では、前記θＬＴ及びθＬＮが、θＬＮをｘ軸、θＬＴをｙ軸とした座標系において、下記の表１の左欄及び右欄にそれぞれ示す下記座標で表される点を順に結ぶ線により囲まれた各領域の範囲内にある。この場合には、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの線膨張率差を２ｐｐｍ／℃以内とすることができる。より好ましくは、前記θＬＴ及びθＬＮの値が、下記の表２の左欄及び右欄にそれぞれ示す下記座標で表される点を順に結ぶ線により囲まれた各領域の範囲内にある。この場合に、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜との線膨張率差を１ｐｐｍ／℃以下とすることができる。【００１０】
【表１】
0005992912.tif 000002
【００１１】
【表２】
0005992912.tif 000003
【００１２】
本願の第２の発明の弾性波装置は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、前記圧電基板上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜と、前記圧電膜の上面及び／または下面に形成された電極とを備える。第２の発明では、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムのオイラー角φが０°であり、タンタル酸リチウムのオイラー角のθをθＬＴ、ニオブ酸リチウムのオイラー角のθをθＬＮとしたときに、５７．９°≦θＬＴ≦１２２．１°かつθＬＮ＝９０°とされている。【００１３】
第１及び第２の発明の他の特定の局面では、前記タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムの分極の極性が同一である。この場合には、焦電現象によりタンタル酸リチウムが発生する電荷と、ニオブ酸リチウムにおいて発生する電荷とが相殺される。従って、界面における接合強度の低下が生じ難い。【００１４】
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜の導電率が、１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上、１×１０−９Ω−１ｃｍ−１以下である。この場合には、高温に晒されたとしても、焦電荷による電極の破壊が生じ難い。【００１５】
本発明の弾性波装置の製造方法は、本発明に従って構成された上記弾性波装置の製造方法である。この製造方法は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を用意する工程と、前記圧電基板上に直接または間接にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程と、前記圧電膜の上面及び下面の少なくとも一方に電極を形成する工程を備える。そして、前記圧電基板上に前記タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程が、
（ａ）前記圧電膜より厚みの厚いタンタル酸リチウムを主成分とする圧電板を用意する工程と、
（ｂ）前記圧電板の一方面からイオン注入する工程と、
（ｃ）前記イオン注入が行われた圧電板の前記一方面から該圧電板を直接または間接にニオブ酸リチウムを主成分とする前記圧電基板上に積層する工程と、
（ｄ）前記圧電板を加熱しつつ、前記圧電板の注入イオン濃度が最も高い注入イオン高濃度部分において圧電膜と残りの圧電板部分とを分離し、前記圧電基板側に前記圧電膜を残存させる工程とを有する。【００１６】
本発明に係る弾性波装置の製造方法のある特定の局面では、前記圧電板を加熱しつつ前記圧電膜と残りの圧電板部分とを分離する工程において、３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下の温度で加熱する。この場合には、３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下で加熱するため、熱応力による損傷を抑制することができる。従って、タンタル酸リチウムからなる圧電膜の圧電性を効果的に回復させることができる。【００１７】
本発明に係る弾性波装置の製造方法のさらに特定の局面では、前記電極を形成する工程が、前記圧電板の一方面からイオン注入する工程（ｂ）の後に、該イオン注入された圧電板の一方面に下部電極を形成する工程と、前記圧電基板側に圧電膜を残存させる工程（ｄ）の後に、残存した圧電膜上に上部電極を形成する工程とを有する。この場合には、タンタル酸リチウムからなる圧電膜の下面に下部電極を、上面に上部電極を有する構造の弾性波装置を提供することができる。【００１８】
より好ましくは、前記下部電極形成後に、下部電極の一部を覆うように犠牲層を形成する。次に、前記犠牲層を覆うように前記圧電板のイオン注入された面にニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を積層する。さらに、前記工程（ｄ）の後に犠牲層を消滅させて、犠牲層が設けられていた部分に空洞を形成する。それによって、犠牲層部分が空洞とされているバルク波共振装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明に係る弾性波装置では、θＬＴ及びθＬＮが図５のハッチングを付した領域Ｘ内にあるため、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜との間の線膨張率差を２ｐｐｍ／℃以下とすることができる。従って、熱履歴が加わる加工工程や環境に晒されたとしても、圧電基板と上記圧電膜との間の剥離や浮きが生じ難い。【００２０】
第２の発明に係る弾性波装置では、θＬＮ及びθＬＴが上記特定の範囲内とされているため、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板の線膨張率と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜の線膨張率とを近づけることができる。従って、熱履歴が加わる加工工程や環境に晒されたとしても、圧電基板と上記圧電膜との間の剥離や浮きが生じ難い。【００２１】
本発明に係る弾性波装置の製造方法によれば、上記のように、熱履歴を伴う加工工程や使用環境に晒されたとしても、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜との間の剥離や浮きが生じ難い、本発明の弾性波装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置としてのバルク波共振子を示す正面断面図である。
【図２】図２は、タンタル酸リチウムのオイラー角のθ及びψと線膨張率との関係を示す図である。
【図３】図３は、ニオブ酸リチウムにおけるオイラー角のθ及びψと線膨張率との関係を示す図である。
【図４】図４は、オイラー角のψが０°または９０°のタンタル酸リチウム及びオイラー角ψが０°または９０°のニオブ酸リチウムの線膨張率とオイラー角のθとの関係を示す図である。
【図５】図５は、ＬｉＮｂＯ３とＬｉＴａＯ３との線膨張率差と、θＬＴ及びθＬＮとの関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の製造工程を説明するための各正面断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の製造工程を説明するための各正面断面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の製造工程を説明するための各正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る弾性波装置としてのバルク波共振子を示す模式的正面断面図である。
【００２５】
弾性波装置１は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板２を有する。圧電基板２は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のみから形成されていてもよいが、ＬｉＮｂＯ３に金属元素をドープした材料を用いてもよい。すなわち、圧電基板２は、上記のようにニオブ酸リチウムを主成分とするものであればよい。
【００２６】
圧電基板２の厚みは、特に限定されないが、０．０５〜０．５ｍｍ程度である。
【００２７】
上記圧電基板２上に、誘電体膜３が積層されている。誘電体膜３は、本実施形態では、複数の誘電体層３ａ、３ｃを積層することにより形成されている。誘電体層３ａはＳｉＯ２からなり、誘電体層３ｃはＳｉＯ２からなる。もっとも、複数の誘電体層の積層数はこれに限定されない。また、誘電体膜３は単一の誘電体層により形成されていてもよい。誘電体膜３は、ＳｉＯ２などの誘電体材料からなるため、正の周波数温度係数ＴＣＦを有する。従って、誘電体膜３によりＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。
【００２８】
また本実施形態では、上記誘電体膜３中に中空部としてのキャビティ７が形成されている。キャビティ７は、後述する共振部の振動を阻害しないために設けられている。より詳細には、誘電体層３ａに、上記キャビティ７を形成するための、上面に開いた凹部が形成されている。他方、誘電体層３ｃは、誘電体層３ａ上に積層されており、かつ上記キャビティ７の上面を閉成するように設けられている。このようなキャビティ７は、キャビティ７が形成される部分に挿入された犠牲層を後工程で消失させることにより形成されている。
【００２９】
誘電体膜３上には下部電極４が形成されている。下部電極４は、Ａｌ―Ｃｕ膜４ａ上に、Ｔｉ膜４ｂを積層した構造を有する。下部電極４は、これらの金属に限らず、適宜の導電性材料により形成することができる。また、下部電極４は、複数の金属層からなるものに限らず、単一の金属膜を積層した構造であってもよい。
【００３０】
下部電極４上には、圧電膜５が積層されている。圧電膜５は、タンタル酸リチウムを主成分とする。すなわち、圧電膜５は、ＬｉＴａＯ３のみから形成されていてもよく、ＬｉＴａＯ３に金属元素をドープすることにより形成されていてもよい。
【００３１】
上記圧電膜５の膜厚は、０．５〜２μｍ程度と、圧電基板２よりも非常に薄い。
【００３２】
上記圧電膜５上には、上部電極６が形成されている。上部電極６は、Ｔｉ膜６ａ、Ａｌ−Ｃｕ膜６ｂ、Ｔｉ膜６ｃを積層した構造を有する。上部電極６は、これらの金属に限らず、適宜の導電性材料により形成することができる。また、上部電極６は、複数の金属膜を積層した構造に限らず、単一の金属膜により形成されていてもよい。
【００３３】
上部電極６上に、外部と電気的に接続するための配線電極８が形成されている。本実施形態では、配線電極８は、Ａｌからなる。また、特に図示はしないが、下部電極４は、図示されていない部分において、同様の配線電極に電気的に接続されている。
【００３４】
本実施形態の弾性波装置１では、下部電極４と、上部電極６との間に交流電界を印加することにより、圧電膜５が励振される。この圧電膜５の下方にキャビティ７が形成されているため、この圧電膜５の振動が妨げられ難い。キャビティ７の上方において、圧電膜５と、下部電極４及び上部電極６とが存在している部分が振動部を構成している。
【００３５】
なお、誘電体膜３は必ずしも設けられずともよい。すなわち、キャビティ７は、圧電基板２の上面に開いた凹部を形成することにより構成されていてもよい。もっとも、前述したように、誘電体膜３を設けることにより、温度特性を改善することができる。加えて、誘電体膜３内に犠牲層を形成し、犠牲層を消失させることにより、上記キャビティ７を容易に形成することができる。
【００３６】
本明細書においては、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムのオイラー角を（φ，θ，ψ）で表す。本実施形態の弾性波装置１の特徴は、上記ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムのオイラー角φが０°であり、タンタル酸リチウムのオイラー角θをθＬＴ、ニオブ酸リチウムのオイラー角θをθＬＮとした場合、θＬＴ及びθＬＮが、図５のハッチングを付した領域Ｘ内にあることにある。それによって、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板２の線膨張率と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜５の線膨張率との差の絶対値を２ｐｐｍ／℃以内とすることができる。従って、製造工程において、並びに使用環境の下で熱履歴が加わったとしても、支持基板としての圧電基板と圧電膜間において剥離等が生じ難い。よって、１００℃以上の高温プロセスにより、弾性波装置１を製造した場合であっても、歩留りの低下が生じ難い。これを、以下においてより詳細に説明する。
【００３７】
図２は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３単結晶におけるθを０°〜１８０°の範囲で変化させた場合のオイラー角のψと線膨張率との関係を示す図である。また、図３は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ３単結晶におけるθを０°〜１８０°と変化させた場合のオイラー角のψと、線膨張率との関係を示す。
【００３８】
図２及び図３において、ψ＝０°方向及び ψ＝１８０°方向の線膨張率はオイラー角のθに対して一定であることがわかる。これに対して、オイラー角のθが９０°方向または２７０°方向の線膨張率は、θに大きく依存することがわかる。
【００３９】
ＬｉＴａＯ３の圧電特性、光学特性及び焦電特性などは、結晶方位に対して依存性を有する。従って、弾性波装置などを構成する場合、所望とする特性に応じて、ＬｉＴａＯ３の結晶方位を選択する。上記弾性波装置１では、特性を決定する機能膜であるタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜５の結晶方位を先ず決定する。それによって、弾性波装置１を製造するためのタンタル酸リチウムを主成分とするウェハーのカット面が決定されることになる。
【００４０】
例えば、カット面が、４２°Ｙカット、すなわちオイラー角（０°，１３２°，ψ）や、（１８０°，４８°，１８０°−ψ）のタンタル酸リチウムの場合、ψ＝０°方向の線膨張率は１６．１ｐｐｍ／℃であり、ψ＝９０°方向の線膨張率は９．５ｐｐｍ／℃である。
【００４１】
ニオブ酸リチウムにおいて、この線膨張率と近いカット面は、オイラー角（０°，１２０°，ψ）または（１８０°，６０°，１８０°−ψ）である。ニオブ酸リチウムでは、ψ＝０°方向の線膨張率は１５．４ｐｐｍ／℃であり、ψ＝９０°方向の線膨張率は９．５ｐｐｍ／℃である。タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムのψを一致させて、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとを接合すれば、両者の線膨張率の差は、ψ＝０°方向で０．７ｐｐｍ／℃であり、ψ＝９０°方向の線膨張率差は、０ｐｐｍ／℃となる。
【００４２】
上記のように、機能膜であるタンタル酸リチウムのカット面の線膨張率に合わせて、ニオブ酸リチウムのカット面を選択すれば、カット面のψ方向全体に渡り、両者の線膨張率差が小さいタンタル酸リチウム／ニオブ酸リチウム積層構造を得ることができる。
【００４３】
図５は、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムのψ＝９０°方向の線膨張率の差Δαと、θＬＮと、θＬＴとの関係を示す図である。図５から明らかなように、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率の差は、θＬＴ及びθＬＮに依存することがわかる。また、図５から、タンタル酸リチウムのカット面に対し、ψ９０°方向の線膨張率差の小さいニオブ酸リチウムのカット面の存在することがわかる。そして、図５の斜線のハッチングを付して示した領域Ｘ内においては、線膨張率差の絶対値が２ｐｐｍ／℃以下である。本願発明者らは、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差が、上記θＬＴ及びθＬＮに大きく依存することを見出し、上記領域Ｘ内のθＬＴと、θＬＮとを用いれば、線膨張率差を２ｐｐｍ／℃以内とし得ることを初めて見出したものである。このように、両者のφを０°とし、θＬＴ及びθＬＮを上記特定の組み合わせとすることにより、両者の線膨張率差の絶対値を２ｐｐｍ／℃以下とすることができる。
【００４４】
図５の結果を具体的に示すと、θＬＮをｘ軸、θＬＴをｙ軸とした座標系において、下記の表３の左欄及び右欄にそれぞれ示す各座標で表されている点を順に結んだ線で囲まれた各領域の範囲内とすれば、線膨張率差を２ｐｐｍ／℃以下とすることができる。
【００４５】
【表３】
0005992912.tif 000004
【００４６】
従って、上記の範囲内となるように、θＬＴ及びθＬＮを選択すれば、ψ＝９０°方向におけるタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差の絶対値を２ｐｐｍ／℃以下とすることができる。よって、製造工程や使用時熱履歴が加わる処理が施されたとしても、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの積層体が破壊され難い。
【００４７】
さらに、タンタル酸リチウムは圧電性を有する。従って、過大な熱歪みが加わると、不要な電荷が発生する。例えば、弾性波装置１を用いてセンサデバイスを構成した場合には、このような電荷がノイズ成分となる。本実施形態の弾性波装置１では、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差が小さいため、このような熱歪みに伴うノイズ成分を抑制することができる。
【００４８】
また、上記実施形態の弾性波装置１のように、キャビティ７を有するエアギャップ型のバルク波デバイスや、焦電センサもしくは圧電マイクなどでは、機能部を構成するタンタル酸リチウムからなる圧電膜５が蓋材などの他の部材に接触すると性能が劣化する。また、圧電膜５と、圧電基板２や圧電基板２にさらに積層される支持基板などとの線膨張率差が大きくなると、温度変化により、圧電膜５に反りや撓みが生じる。そのため、支持基板もしくは蓋材などに圧電膜５が接触するおそれがある。しかしながら、表３に示すθＬＴとθＬＮとの組み合わせを選択すれば、このような所望でない接触を抑制することができる。
【００４９】
より好ましくは、θＬＴと、θＬＮとは、下記の表４の左欄及び右欄にそれぞれ示す各座標で表される点を順に結んだ線で囲まれた各領域の範囲内であること望ましい。表４に示す組み合わせを用いた場合には、ψ９０°方向の線膨張率差の絶対値を１ｐｐｍ／℃以下とすることができる。
【００５０】
【表４】
0005992912.tif 000005
【００５１】
この場合には、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差が表３の場合よりも、さらに小さくなる。そのため、温度変化に伴う熱応力や圧電膜５の変形をより一層効果的に抑制することができる。加えて、製造工程における加工温度の上限を、２００〜３００℃程度高めることができる。
【００５２】
図４は、オイラー角（０°，θ，ψ）のタンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムにおけるオイラー角θに対するψ＝０°方向及び９０°方向の線膨張率の関係を示す図である。タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率は、θ＝２４．４°及び１５５．６°で交差している。また、図４から明らかなように、θＬＴが下記のそれぞれの範囲の場合に、θＬＴとθＬＮとを下記の特定の範囲内とすれば、同一結晶方位のタンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムを用いた場合に比べて、線膨張率差の絶対値を小さくし得ることがわかる。
【００５３】
０．０°≦θＬＴ≦２４．４°の場合は、θＬＴ＞θＬＮ、かつ、０．０°≦θＬＮとし、
２４．４°＜θＬＴ≦９０．０°の場合は、θＬＴ＜θＬＮ、かつ、９０．０°≧θＬＮとし、
９０．０°＜θＬＴ＜１５５．６°の場合は、θＬＴ＞θＬＮ、かつ、９０．０°≦θＬＮとし、
１５５．６°≦θＬＴ≦１８０．０°の場合は、θＬＴ＜θＬＮ、かつ、１８０．０°≦θＬＮ
【００５４】
また、θＬＴが５７．９°〜１２２．１°の範囲内であれば、タンタル酸リチウムの線膨張率は７．５ｐｐｍ／℃以下となる。すなわち、ニオブ酸リチウムの線膨張率が最小となるθＬＮ＝９０°の線膨張率７．５ｐｐｍ／℃よりも、タンタル酸リチウムの線膨張率が小さくなる。タンタル酸リチウムからなる圧電膜５に求める機能による制約によって、θＬＴ＝５７．９°〜１２２．１°としなければならないことがある。この場合には、θＬＮ＝９０°のニオブ酸リチウムを用いればよい。それによって、ニオブ酸リチウムの線膨張率を、可能な限りタンタル酸リチウムの線膨張率に近づけることができる。従って、θＬＴが５７．９°〜１２２．１°のタンタル酸リチウムとθＬＮ＝９０°のニオブ酸リチウムとを組み合わせて、最も高い加工温度で弾性波装置１を製造することができる。また、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜５の使用時の熱応力も効果的に抑制することができる。
【００５５】
例えば、θＬＴ＝９０°の場合、線膨張率差の絶対値は３．４ｐｐｍ／℃となる。そのため、熱応力による問題が生じる。しかしながら、圧電膜５に求められる特性により、θＬＴ＝９０°を選択しなければならない場合には、その範囲内においてタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差を最小とすることができる。
【００５６】
次に、上記実施形態の弾性波装置とほぼ同様である弾性波装置の製造方法を、図６〜図８を参照して説明する。本製造方法では、誘電体層３ａ、３ｃに代えて、ＳｉＯ２膜３Ａを形成する。
【００５７】
本製造方法では、図６（ａ）に示すオイラー角（１８０°，７４．６°，１８０°）のニオブ酸リチウムからなる圧電基板２と、圧電膜を形成するためのオイラー角（０°，１２５°，０°）のタンタル酸リチウムからなる圧電板５Ａとを用意する。この場合、ψ＝９０°方向のタンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムの線膨張率は共に８．０４ｐｐｍ／℃である。また、ψ＝０°方向の線膨張率は、タンタル酸リチウムでは１６．１ｐｐｍ／℃であり、ニオブ酸リチウムでは１５．４ｐｐｍ／℃と近接している。
【００５８】
なお、金属元素をドープすることにより、圧電基板２及び圧電板５Ａの導電率は３×１０−１３Ω−１ｃｍ−１とした。この導電率は、金属元素のドープの他、若干の酸素原子を脱離させたりする公知技術により実現することができる。
【００５９】
次に、図６（ｂ）に示すように、イオン注入機を用いて注入エネルギー１８０ＫｅＶで圧電板５Ａの一方面に８×１０１６イオン／ｃｍ２の濃度となるようにＨ＋イオンを注入する。注入するイオンとしては、水素イオンに限らず、ヘリウムなどを用いてもよい。
【００６０】
イオン注入を行うと、圧電板５Ａ内において厚み方向にイオン濃度分布が生じる。最もイオン濃度が高い部分を図６（ｂ）において破線で示す。破線で示す、イオン濃度が最も高い部分である注入イオン高濃度部分５ａでは、加熱し、外部応力を加えれば容易に両側の部分が分離する。もっとも、上記イオン注入により、圧電性が若干低下する。この圧電性は、後述する熱処理により回復させることができる。圧電板５Ａのイオン注入側の面から注入イオン高濃度部分５ａまでの距離は約１μｍである。注入イオン高濃度部分５ａにより分離する方法は、特表２００２−５３４８８６号公報に記載されている。
【００６１】
次に、図６（ｃ）に示すように、上記圧電板５Ａのイオン注入が行われた面上に、下部電極４を形成する。下部電極４の形成には、電子ビーム蒸着機及びフォトリソグラフィーを用いる。具体的には、圧電板５Ａの表面に、１０ｎｍの厚みのＴｉ膜と、銅を微量ドープしてなる７５ｎｍの厚みのＡｌ−Ｃｕ膜とを成膜し、下部電極４を形成する。なお、Ｔｉ膜は、Ａｌ−Ｃｕ膜と圧電板５Ａとの間の密着性を高めるための密着性改善膜である。
【００６２】
Ｔｉ膜の成膜前に、フッ硝酸により圧電板５Ａの表面をわずかにエッチングし、清浄化することが好ましい。それによって、Ａｌ−Ｃｕ膜が２軸配向し、エピタキシャル膜となる。そのため、電気抵抗を低めることができ、耐マイグレーション性を高めることができる。従って、下部電極４の耐電力性を高めることができる。
【００６３】
次に図６（ｄ）に示すように、電子ビーム蒸着機及びフォトリソグラフィー技術を用い、圧電板５Ａの下部電極４が形成されている面に、部分的に、犠牲層１１を形成する。犠牲層１１は、後の工程で消失し、前述したキャビティ７を形成するために設けられている。犠牲層１１は、本実施形態では、２μｍの厚みのＣｕ膜により形成した。
【００６４】
次に、図６（ｅ）に示すように、ＲＦスパッタ装置を用い、上記圧電板５Ａの下部電極４及び犠牲層１１が形成されている面の全面にＳｉＯ２膜３Ａを形成する。ＳｉＯ２には、３価または５価の元素をドープすることにより、導電率を１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上とすることが望ましい。それによって、後の工程における加熱時の焦電荷による放電破壊や密着強度の劣化を抑制することができる。なお、ＳｉＯ２に酸素欠陥を設け、それによって導電率を高めてもよい。
【００６５】
次に、ＣＭＰ装置を用い、犠牲層１１上のＳｉＯ２膜の厚みをほぼ５００ｎｍとなるように研磨する。この研磨により、図７（ａ）に示すように、ＳｉＯ２膜３Ａの犠牲層１１が形成されている側とは反対側の面が平坦面となる。なお、研磨方法は特に限定されず、グラインダーによる粗研磨の後、ＣＭＰ装置やポリッシャーにより精密研磨を行ってもよい。研磨の後、適宜の洗浄方法を用いて清浄化することが望ましい。
【００６６】
次に、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜３Ａの表面を酸素プラズマで清浄化することにより親水化処理する。次に、真空中で２００℃に加熱し、ＳｉＯ２膜３Ａの上記平坦化された面に圧電基板２を接合する。タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率差が大きな組み合わせの場合には、このような高い接合温度で接合すると、弾性波装置の使用温度である室温付近において強い熱応力が残留する。その結果、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜５に反りが生じるおそれがある。よって、パッケージの蓋材やキャビティ７の下面に接触するという不具合が生じるおそれがある。本実施形態では、線膨張率差が小さいため、最終的に形成される圧電膜５の反りを抑制することができる。従って、上記のような問題を抑制することができる。
【００６７】
上記接合に際しては、圧電基板２のＸ軸と、圧電板５ＡのＸ軸がほぼ平行となるように両者を位置決めする。なお、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムのオイラー角は前述の通りである。従って、圧電基板２の下方に、圧電膜５を上方に配置したとき、両者の分極軸のプラス方向が上方となる。すなわち、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの分極の極性が揃えられることになる。そのため、焦電効果や圧電効果により生じる、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの対向し合う面に生じる電荷が異極性となる。従って、互いに引き合うことになるため、接合強度の劣化が生じ難い。よって、より高い温度で加工することができる。
【００６８】
なお、圧電基板２の表面と、上記ＳｉＯ２膜３Ａに、真空中でＡｒイオンを照射すること等により、表面の損傷層や不純物を取り除き、清浄化することが望ましい。このような清浄化後に、常温で加圧することにより、圧電基板２に、上記ＳｉＯ２膜３Ａを接合してもよい。
【００６９】
次に、図７（ｂ）に示す積層構造体を真空中で加熱する。より具体的には、１時間で常温すなわち２５℃から２５０℃に昇温し、１０分間２５０℃に維持する。そして、図７（ｃ）に示すように、圧電板５Ａを圧電基板２から遠ざかる方向に外力を加えて圧電板５Ａを注入イオン高濃度部分５ａにおいて分割する。すなわち、圧電板５Ａを、圧電膜５と残りの圧電板部分５ｃとに剥離する。本実施形態では、上記圧電膜５の厚みは、１μｍの厚みとなる。
【００７０】
次に、剥離後に５００℃まで昇温し、水素イオン注入により劣化した圧電性を回復させる。タンタル酸リチウムの圧電性は、加熱により回復する。３００℃から回復傾向を示し、５００〜５５０℃の温度まで加熱すると、回復する。タンタル酸リチウムのキュリー温度である５９０℃〜６００℃を超えると、分極が解放される。従って、この加熱はキュリー温度以下で行うことが望ましい。
【００７１】
前記剥離後に、圧電膜５の表面はＲａ＝１０ｎｍ程度の表面粗さを有している。従って、弾性波装置１に必要な厚みまで圧電膜５を研磨するとともに、平滑化する。本実施形態では、８５０ｎｍの厚みまで、研磨により圧電膜５を薄化する。この薄化は、ドライエッチング、プラズマを用いた逆スパッタなどに行い得る。また、一般にタンタル酸リチウムのエッチングに用いられているエッチャントを用いたウエットエッチングを用いてもよい。さらに、これらの方法を適宜組み合わせてもよい。
【００７２】
上記のようにして形成された圧電膜５は、膜厚分布が１％以下と良好な分布を示す。このようにして、図８（ａ）に示す構造を得る。
【００７３】
次に、図８（ｂ）に示すように、圧電膜５上に、上部電極６を形成する。上部電極６の形成は、電子ビーム蒸着機及びフォトリソグラフィー技術を用いて行うことができる。本実施形態では、１０ｎｍの厚みのＴｉ膜及び銅を微量ドープしてなる７５ｎｍの厚みのアルミニウムからなるＡｌ−Ｃｕ膜を成膜する。Ｔｉ膜は、密着を改善するために設けられている。
【００７４】
次に、図８（ｃ）に示すように、振動部を構成する部分を形成するために、下部電極４、圧電膜５及び上部電極６をパターニングし、犠牲層１１が露出する凹部Ｈを形成する。
【００７５】
次に、凹部Ｈから、銅のエッチング液を浸入させ、上記犠牲層１１を溶かし出し、キャビティ７を形成する。
【００７６】
上記のようにして、図８（ｄ）に示すように、キャビティ７を有するバルク波共振子としての弾性波装置１を得ることができる。なお、図６〜図８では、誘電体層としてＳｉＯ２膜３Ａを形成したが、図１に示した実施形態のように、誘電体膜３を、誘電体層３ａ、３ｃを積層した構造としてもよい。
【００７７】
このように、上記実施形態の製造方法では、簡便な工程で、厚み分布が１％以下と小さく、かつ表面が平滑な圧電膜５を容易に得ることができる。また、上記圧電性を回復するための加熱温度については、タンタル酸リチウムのキュリー温度である５９０℃〜６００℃以下であり、このキュリー温度に近い温度で加熱することが望ましい。しかしながら、３００℃を超える温度で加熱すると、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率差による熱応力に伴う不具合が生じやすくなる。これに対して、上述した図５の領域Ｘ内、あるいは前述した表３及び表４におけるθＬＴ及びθＬＮの組み合わせを用いることにより、このような不具合を抑制することができる。すなわち、タンタル酸リチウムの熱履歴による損傷や反りを抑制するには、本発明に従って、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムのオイラー角θＬＴ及びθＬＮを選択して両者の線膨張率差を近接させることが非常に有効である。
【００７８】
また、上記製造方法では、ＬｉＴａＯ３からなる圧電板にイオンを注入して、注入イオン高濃度部分で分離して圧電膜を得る方法を示したが、本実施形態における弾性波装置の製造方法はこれに限るものではない。たとえば、圧電膜を得る方法として、ＬｉＴａＯ３からなる圧電板を削る方法を用いてもよいし、ＬｉＴａＯ３の薄膜をＣＶＤ法などで成膜する方法を用いてもよい。
【００７９】
なお、本明細書においてオイラー角、並びにオイラー角と分極の極性の意味は以下の通りである。
【００８０】
＜オイラー角＞
本明細書において、基板の切断面と熱膨張率の方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成１３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。すなわち、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転しＸａ軸を得る。次に、Ｘａ軸を軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ′軸を得る。Ｘａ軸を含み、Ｚ′軸を法線とする面を基板の切断面とした。そして、Ｚ′軸を軸としてＸａ軸を反時計廻りにψ回転した軸Ｘ′方向をψ方向とした。
【００８１】
また、オイラー角の初期値として与えるタンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の１つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。
【００８２】
＜等価なオイラー角と分極の極性＞
本発明におけるタンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶のオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、非特許文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶のような三方晶系３ｍ点群に属する結晶では（Ａ）式が成り立つ。
【００８３】
Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ）                …式（Ａ）
ここで、Ｆは、機能性デバイスの特性である。
【００８４】
なお、式（Ａ）には分極軸の極性が上下反転する状態も含まれる。タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの線膨張率を揃えて熱応力の発生を抑制しても、分極軸が対抗している場合、たとえば、温度変化に伴う焦電荷がタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの界面に蓄積され、電気的な反発力により接合が破壊されたり、放電によりデバイスが破壊されるといった不具合を生じる。このような不具合を避けるには、分極の正負極性を揃えることで電荷を中和したり、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの界面に導電率の大きな材料を配して導電率の大きな材料を経由して電荷を外部に逃がしたり、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの導電率を上げて電荷を中和したり、といった手段が有効である。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの導電率は１×１０−１４以上とすることで温度変化に伴う焦電荷が中和できる。
【００８５】
また、前述のように、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの界面にＳｉＯ２などの誘電体を配して接合した構造体では、誘電体の導電率が１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１より小さいと焦電などで発生した電荷がＬｉＴａＯ３と誘電体の界面やＬｉＮｂＯ３と誘電体の界面に蓄積され、誘電体との接合が破壊されたり、放電によりデバイスが破壊されたりする不具合を生じる。この不具合を抑制するには、誘電体の導電率を１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上とすることで、電荷を中和できる。
【符号の説明】
【００８６】
１…弾性波装置
２…圧電基板
３…誘電体膜
３ａ，３ｃ…誘電体層
３Ａ…ＳｉＯ２膜
４…下部電極
４ａ…Ａｌ−Ｃｕ膜
４ｂ…Ｔｉ膜
５…圧電膜
５Ａ…圧電板
６…上部電極
６ａ…Ｔｉ膜
６ｂ…Ａｌ−Ｃｕ膜
６ｃ…Ｔｉ膜
７…キャビティ
８…配線電極
１１…犠牲層
【図１】
0005992912.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005992912.tif 000014
【図７】
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【図８】
0005992912.tif 000016