(57)【要約】本発明は圧電共振器の製造方法と圧電共振器を提供する。そのうち製造方法は、第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップと、単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップとを含む。
2019535148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップと、
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップとを含む、圧電共振器の製造方法。
【請求項２】
第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップは、
単結晶基板を提供するステップと、
単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、前記単結晶基板に単結晶窒化アルミニウムＡｌＮをエピタキシャル成長するステップとを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記多結晶圧電材料層及び前記単結晶圧電材料層の材料が同じである、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、
多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、前記単結晶ＡｌＮ圧電層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着するステップを含む、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記多結晶圧電材料層と前記単結晶圧電材料層とは材料が異なる、請求項２に記載の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、
蒸着法を採用して、前記単結晶ＡｌＮ圧電層の前記第１の基板から離れた側の表面に、ＰＺＴ圧電層、ＺｎＯ圧電層、ＬｉＴａＯ３圧電層又はＬｉＮｂＯ３圧電層を形成するように、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスＰＺＴ、多結晶酸化亜鉛ＺｎＯ、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ３又はニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３を蒸着するステップを含む、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さが０．６μｍ未満である、請求項２〜６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記単結晶圧電材料層と前記多結晶圧電材料層との総厚さが１．５μｍ以上である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップの後に、
前記多結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に第１の電極を形成するステップと、
前記第１の電極を第２の基板に圧着し、且つ薄膜転写プロセスを利用して前記第１の基板を剥離するステップと、
前記単結晶圧電材料層の前記第２の基板から離れた側の表面に第２の電極を形成するステップとを更に含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一種の電極の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちの一種又は複数種の組合せである、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
単結晶圧電材料層と、
前記単結晶圧電材料層の一側の表面に形成された多結晶圧電材料層と、
前記多結晶圧電材料層の前記単結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第１の電極と、
前記単結晶圧電材料層の前記多結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第２の電極とを含む、圧電共振器。
【請求項１２】
前記単結晶圧電材料層の材料が単結晶ＡｌＮである、請求項１１に記載の圧電共振器。
【請求項１３】
前記多結晶圧電材料層の材料が、多結晶窒化アルミニウムＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス、多結晶酸化亜鉛、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである、請求項１２に記載の圧電共振器。
【請求項１４】
前記単結晶圧電材料層の厚さが０．６μｍ未満である、請求項１２又は１３に記載の圧電共振器。
【請求項１５】
前記単結晶圧電材料層と前記多結晶圧電材料層との総厚さが１．５μｍ以上である、請求項１１に記載の圧電共振器。
【請求項１６】
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一種の電極の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちの一種又は複数種の組合せである、請求項１１に記載の圧電共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイス分野に関し、例えば、圧電共振器の製造方法と圧電共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜バルク音響共振器（Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ、ＦＢＡＲ）（圧電薄膜バルク音響共振器とも呼ばれる）の原理は、圧電薄膜の逆圧電効果を利用し、入力された高周波電気信号を一定の周波数の声信号に変換し、且つ共振を生じさせることである。そのうち、共振周波数における音波損失が最も小さい。圧電共振技術により、より進化した電子部品を製造でき、且つ通信技術により広い適用範囲を提供する。
【０００３】
通常、圧電共振器は、対向設置された２つの電極及び２つの電極の間に位置された圧電薄膜を含む。関連技術において、常に単結晶窒化アルミニウムＡｌＮ圧電材料又は多結晶窒化アルミニウムＡｌＮ圧電材料を採用して圧電薄膜を製造する。しかし、単結晶ＡｌＮ圧電材料は、成長又は蒸着する速度が遅く、その内部応力が制御しにくく、多くのプロセス問題が増加するため、製造コストが高くなり、厚い圧電薄膜を取得しにくく、低周波数帯がより高い性能を有するフィルタを製造しにくい。一方、多結晶ＡｌＮ圧電材料を成長させて形成された圧電薄膜の厚さは、厚さが厚く、低周波数帯共振器を実現できるが、多結晶ＡｌＮ結晶の品質が悪く、品質係数Ｑと圧電結合係数ｋｔ２が低くなり、製造された共振器の性能を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、厚い圧電薄膜を容易に製造でき、低周波数帯圧電共振器を実現しやすく、且つ製造コスト及びプロセス難易度を低下させただけでなく、圧電共振器の性能を向上でき、且つ結晶化度が多結晶圧電材料より高い圧電共振器の製造方法と圧電共振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の様態において、本発明は、
第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップと、
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップとを含む圧電共振器の製造方法を提供する。
【０００６】
第２の様態において、本発明は、
単結晶圧電材料層と、
前記単結晶圧電材料層の一側の表面に形成された多結晶圧電材料層と、
前記多結晶圧電材料層の前記単結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第１の電極と、
前記単結晶圧電材料層の前記多結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第２の電極とを含む圧電共振器を更に提供する。
【０００７】
本発明に係る圧電共振器の製造方法と圧電共振器は、第１の基板に単結晶圧電材料層を形成し、更に単結晶圧電材料層に多結晶圧電材料層を形成することにより、単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層からなる圧電薄膜を形成する。単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層との厚みの比を調整することにより、圧電共振器の総合的コストパフォーマンスを適正化できる。圧電薄膜の総厚さを調整することにより、低周波数帯圧電共振器を実現できる。低周波数帯圧電共振器を実現した場合に、薄い単結晶圧電材料層と厚い多結晶圧電材料層を更に形成することで、製造コスト及びプロセス難易度を低下させることができる。同時に、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図２】実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図３】実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図４】実施例２に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図５】実施例３に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図６】実施例４に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図７】実施例５に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図８】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図９】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１０】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１１】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１２】実施例６に係る圧電共振器の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面と実施例を参考にしながら、本発明を説明する。ここで説明する具体的な実施例は、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００１０】
実施例１
図１は実施例１に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートであり、図２〜図３は実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。本実施例は、圧電共振器の性能を向上させる場合に適用できる。図１に示すように、本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、以下のステップを含む。
【００１１】
ステップ１１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成する。
図２のように、第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成する。そのうち、単結晶圧電材料層１１の材料は、単結晶ＡｌＮであってもよく、エピタキシャル方法により形成されてもよい。例示的なものとして、エピタキシャル方法は、金属有機物化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）（金属有機化学気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ）とも呼ばれる）を含んでもよい。アルミニウムの有機物（一般的に、トリメチルアルミニウムである）をアルミニウム源とし、アンモニアを反応する窒素源として選択してもよい。キャリアガスである水素の搬送で、有機アルミニウム源と過剰なアンモニアを真空の反応チャンバに搬送してもよい。高温作用で、有機アルミニウム源とアンモニアとが反応し、高品質な単結晶圧電材料層１１を生産する。また、オプションとして、単結晶圧電材料は、更に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等であってもよい。上記材料を利用して、第１の基板に単結晶圧電材料層１１を形成する。
【００１２】
ステップ１２０：単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成する。
図３のように、蒸着方法により、単結晶圧電材料層１１の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶圧電材料層１２を形成してもよい。そのうち、多結晶圧電材料層１２及び単結晶圧電材料層１１の材料は同じであってもよく、異なってもよい。オプションとして、多結晶圧電材料層１２の材料は、多結晶ＡｌＮであってもよい。蒸着方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着技術であってもよい。高純度アルミニウムＡｌターゲット（９９．９９％）を利用し、高純度アルゴンＡｒ、窒素Ｎ２をそれぞれスパッタガス、反応ガスとしてもよい。高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、基板温度、Ｎ２流量及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層１１の表面に蒸着された多結晶圧電材料１２により整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、第１の基板１０に蒸着された多結晶ＡｌＮ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなる。また、オプションとして、多結晶圧電材料は、更に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等であってもよい。上記材料を使用することで、製造された単結晶圧電材料層１１に多結晶圧電材料層１２を形成できる。
【００１３】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、第１の基板に単結晶圧電材料層を形成し、更に単結晶圧電材料層に多結晶圧電材料層を形成することにより、単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層からなる圧電薄膜を形成する。単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層との厚みの比を調整することにより、圧電共振器の総合的コストパフォーマンスを適正化できる。圧電薄膜の総厚さを調整して低周波数帯圧電共振器を実現できる。低周波数帯圧電共振器を実現した場合に、薄い単結晶圧電材料層と厚い多結晶圧電材料層を更に形成して、製造コスト及びプロセス難易度を低下させることができる。同時に、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【００１４】
上記技術的手段において、オプションとして、単結晶圧電材料層１１と多結晶圧電材料層１２との総厚さ（即ち圧電薄膜の厚さ）は１．５μｍ以上であれば、圧電共振器の共振周波数が１００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ（低周波数帯）である要求を満たすことができる。
【００１５】
実施例２
図４は実施例２に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。本実施例は、実施例１を基に適正化する。そのうち、ステップ１１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップは、単結晶基板を提供するステップと、単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、当該単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップとを含む。そのうち、単結晶ＡｌＮ圧電層は、上記単結晶圧電材料層である。
【００１６】
上記実施例を基に、オプションとして、多結晶圧電材料層及び単結晶圧電材料層の材料が同じである。上記実施例を基に、オプションとして、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着するステップを含む。図４に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００１７】
ステップ２１０：単結晶基板を提供する。
そのうち、製造された単結晶圧電材料層１１の材料が単結晶ＡｌＮであれば、提供された単結晶基板は、炭化珪素ＳｉＣ、サファイア及び窒化ガリウムＧａＮ等の単結晶基板であってもよい。ＡｌＮは、重要な３−５族窒化物であり、安定したウルツ鉱構造を有するため、上記基板に製造されたＡｌＮ薄膜格子不整合度と熱的不整合は相対的に小さい。よって、製造された薄膜の欠陥を減少させ、格子不整合の薄膜品質に対する影響を低下させる。
【００１８】
そのうち、ＡｌＮ材料は高温でも依然として圧電性を保持できるため、ＡｌＮ圧電薄膜デバイスは高温作動環境に適応できる。良好な化学的安定性は、ＡｌＮ圧電薄膜を腐食性のある作動環境にも適応させる。ＡｌＮ材料は、良好な熱伝導特性を更に有しており、ＡｌＮから作製された音波デバイスは、作動による熱によってデバイスの使用寿命を低下させることがない。そのため、ＡｌＮは、単結晶圧電材料層１１の材料とすることができる。
【００１９】
ステップ２２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
そのうち、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップについて、単結晶ＡｌＮのエピタキシャル成長方法は、金属有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）又はＲＦマグネトロンスパッタ方法であってもよい。本実施例において、金属有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）方法によって単結晶ＡｌＮを成長できる。そのうち、単結晶ＡｌＮの成長中に、アルミニウムの有機物（トリメチルアルミニウムであってもよい）をアルミニウム源とし、アンモニアを窒素源とし、キャリアガスである水素の搬送で、有機アルミニウム源と過剰なアンモニアを真空の反応チャンバに搬送し、高温作用で、有機アルミニウム源とアンモニアとが反応し、単結晶ＡｌＮ薄膜を生じて基板表面に蒸着する。ＭＯＣＶＤ方法を利用することで、単結晶ＡｌＮ薄膜の組成、成長の厚さ及びその均一性を厳しく制御でき、高品質の単結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造し、単結晶Ａ１ｌ薄膜の量産に適する。
【００２０】
ステップ２３０：多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着する。
【００２１】
そのうち、多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着するステップについて、蒸着の方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着方法であってもよく、高純度Ａｌターゲット（９９．９９％）を利用し、高純度Ａｒ、Ｎ２をそれぞれスパッタガス、反応ガスとし、高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、基板温度、Ｎ２流量及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、その表面に蒸着された多結晶圧電材料により整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、第１の基板１０に蒸着された多結晶ＡｌＮ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなれる。
【００２２】
本実施例において、オプションとして、単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さが０．６μｍ未満である。単結晶ＡｌＮ圧電層は０．６μｍ以上に成長すると、成長プロセスの時間が長くなり、プロセス問題が多くなる。プロセス及び生産要求の制限により、より厚い単結晶ＡｌＮ圧電層を成長させると、製造コストが大幅に増加し、生産歩留りを低下させるため、単結晶ＡｌＮ圧電層だけでは、高性能の低周波数帯（例えば１ＧＨｚ以下）圧電共振器を製造しにくい。本実施例における単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さは０．６μｍ未満であり、多結晶ＡｌＮ圧電層を蒸着することによって圧電薄膜の厚さを増加する。例えば、圧電共振器の共振周波数を２ＧＨｚまでにしなければならない時、対応する圧電薄膜の厚さが１．５μｍであれば、単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さを０．５μｍ又は未満にすることができ、多結晶ＡｌＮ圧電層の厚さを１μｍにすることができる。それにより、単結晶ＡｌＮ圧電層の製造時間を節約し、製造時間全体を短縮し、プロセス問題が減少し、低周波数帯及び高性能の圧電共振器を実現できる。
【００２３】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップは、ＡｌＮ格子不整合度と熱的不整合を減少でき、単結晶ＡｌＮの結晶に有利であり、格子不整合が圧電薄膜品質に対する影響を低下させる。単結晶ＡｌＮ圧電層に多結晶ＡｌＮ圧電層を蒸着するステップは、単純に多結晶ＡｌＮで実現した共振器及びフィルタと比べて（本分野において主流で大規模に量産する製品）、損失を低下させ、高Ｑ値と低挿入損失を実現できる。
【００２４】
実施例３
図５は実施例３に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。本実施例と上記実施例２との相違点は、多結晶圧電材料層と単結晶圧電材料層とでは材料が異なることである。相応的に、オプションとして、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、蒸着法を採用し、ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着するステップを含む。図５に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００２５】
ステップ３１０：単結晶基板を提供する。
【００２６】
ステップ３２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
【００２７】
ステップ３３０：蒸着法を採用して、ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着する。
【００２８】
そのうち、ＺｎＯ薄膜は、高い圧電性（圧電定数ｄ３３≒１２ｐｍ／Ｖ）を有し、その構造もウルツ鉱構造であり、単結晶ＡｌＮ薄膜を基に、良好な格子整合を形成し、格子不整合の多結晶ＺｎＯ薄膜品質に対する影響を低下させることができる。
【００２９】
オプションとして、多結晶ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着するステップについて、蒸着方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着方法であってもよく、ＺｎＯセラミックスターゲット（９９．９％）を利用し、高純度Ｏ２、Ａｒをそれぞれ反応ガス、保護ガスとし、高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、ガス流量、基板温度、蒸着時間及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＺｎＯ圧電層を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、その表面に蒸着された多結晶圧電材料がより整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、第１の基板に蒸着された多結晶ＺｎＯ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなる。
【００３０】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、単結晶ＡｌＮ圧電層に多結晶ＺｎＯを蒸着し、多結晶ＡｌＮ圧電層に対し、圧電共振器の圧電結合係数ｋｔ２を向上させ、圧電共振器の性能を向上させることができる。
【００３１】
実施例４
図６は実施例４に係る圧電共振器の製造方法のフロー模式図である。本実施例と上記実施例との相違点は、多結晶圧電材料層と単結晶圧電材料層とでは材料が異なることである。相応的に、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、蒸着法を採用し、ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着するステップを含む。図６に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００３２】
ステップ４１０：単結晶基板を提供する。
【００３３】
ステップ４２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
【００３４】
ステップ４３０：蒸着法を採用して、ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着する。
【００３５】
そのうち、ＰＺＴ薄膜は、力電結合性能を備え、その圧電結合係数ｋｔ２が高く、電広帯域フィルタの作製に優れた材料である。オプションとして、多結晶ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着するステップについて、蒸着の方法は、例えばパルスレーザ蒸着方法であってもよく、ジルコニウムチタン比Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８のＰＺＴ圧電セラミックスをターゲット材とし、単結晶ＡｌＮが製造された圧電層に、パルスレーザ蒸着法を使用してＰＺＴ薄膜を製造する。そのうち、フッ化セシウムＫｒＦパルスレーザ器を使用し、実験する際にまず真空引きを行った後、一定の圧力まで酸素を導入する。高品質単結晶ＡｌＮ圧電層が製造された基板を一定の温度に加熱し、ＫｒＦパルスレーザを４５℃角でＰＺＴターゲット材に入射し、ＰＺＴの原子をターゲット材から基板に射出・蒸着する。その後、室温まで徐冷し、それを薄膜晶化し、ＰＺＴ薄膜を製造する。実験パラメータ（例えば、作動気圧、ベース温度、蒸着時間及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、ＰＺＴ圧電層を製造する。
【００３６】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、単結晶ＡｌＮ圧電層にＰＺＴ圧電層を蒸着し、多結晶ＡｌＮ圧電層に対し、圧電共振器の圧電結合係数ｋｔ２を向上させ、圧電共振器の性能を向上させることができる。
【００３７】
実施例５
図７は実施例５に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートであり、図８〜図１１は実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。上記実施例を基に、本実施例は、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップの後に、多結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に第１の電極を形成するステップと、第１の電極付き圧電共振器を第１の電極によって第２の基板に圧着し、且つ薄膜転写プロセスを利用して第１の基板を剥離するステップと、単結晶圧電材料層の第２の基板から離れた側の表面に第２の電極を形成するステップとを更に含んでもよい。図７に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００３８】
ステップ５１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成する。
【００３９】
ステップ５２０：単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成する。
【００４０】
ステップ５３０：多結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に第１の電極を形成する。
【００４１】
図８のように、多結晶圧電材料層１２の第１の基板１０から離れた側の表面に第１の電極１３を形成するステップについて、その形成方法は、マグネトロンスパッタ法であってもよく、多結晶圧電材料層１２に一層のタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちの一種又は複数種の組合せを蒸着してもよく、そのうち、第１の電極１３は基板と類似の形状を有してもよい。
【００４２】
ステップ５４０：第１の電極付き圧電共振器を第１の電極によって第２の基板に圧着し、且つ薄膜転写プロセスを利用して第１の基板を剥離する。
【００４３】
図９のように、例示的なものとして、まず、第１の基板１０、単結晶圧電材料層１１、多結晶圧電材料層１２及び第１の電極１３を反転させ、且つ第１の電極１３を第２の基板１４に機械的に圧着し、第１の電極１３の単結晶圧電材料層１１から離れた表面を第２の基板１４の表面と結合して強固な構造を形成する。次に、レーザ剥離又はプラズマ剥離技術により、単結晶圧電材料層１１を第１の基板１０から剥離する。レーザ剥離又はプラズマ剥離技術による剥離率は高く、同時に、剥離中の薄膜及び基板片の破裂を最大限回避できる。
【００４４】
ステップ５５０：単結晶圧電材料層の第２の基板から離れた側の表面に第２の電極を形成する。
図１０のように、上記手段に基つき、単結晶圧電材料層１１の第１の電極１３から離れた側の表面に、マグネトロンスパッタ技術により、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）及びモリブデン（Ｍｏ）等の少なくとも一種の材料からなる一層の電極構造を形成し、当該電極構造が第２の電極１５である。オプションとして、第１の電極１３及び第２の電極１５の材料は、アルミニウム（Ａｌ）及び白金（Ｐｔ）であってもよい。そのうち、蒸着された第１の電極１３及び第２の電極１５の厚さは、実際の生産要求に応じて決められる。同時に、電極形状は、基板又は圧電薄膜と類似してもよく、類似しなくてもよく、具体的な構造は、状況に応じて確定すべきである。そのうち、第２の基板１４は、シリコンウエハであってもよく、一層の犠牲材料を一時的な支持構造としてもよい。最後に、図１１のように、エッチング技術により、第２の基板１４における一部の材料を除去し、空洞を形成できる。
【００４５】
多結晶圧電共振器を製造する際に、まず、基板に１つのモリブデン電極を形成し、更に当該モリブデン電極に圧電薄膜を形成する。この際、共振器における内部応力は、相対的に制御しやすく、多結晶ＡｌＮに基づく大規模の量産が可能となる。他の金属電極を変更してしまうと、共振器の内部応力を制御しにくくなり、生産歩留まりが低い。
【００４６】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、形成された電極は、モリブデン電極に限らず、複数種の導電材料を選択してもよく、且つ圧電薄膜を製造した後に第１の電極を形成し、第１の基板を剥離した後に圧電薄膜の他面に第２の電極を形成することにより、第２の電極に直接圧電薄膜を形成することを回避し、最適なコストパフォーマンスを達成するように、圧電材料の両面における電極はプロセスと性能要求に応じて異なる金属材料を選択できる。例えば、アルミニウムは、モリブデンより小さい抵抗率を有するため、共振器の寄生抵抗を低下させ、共振器のＱ値を向上できる。
【００４７】
実施例６
図１２は実施例６に係る圧電共振器の構造模式図である。当該圧電共振器は、本発明の実施例に係るいずれかの圧電共振器の製造方法を使用して製造できる。図１２に示すように、当該圧電共振器は、単結晶圧電材料層１１の一側の表面に形成された多結晶圧電材料層１２と、多結晶圧電材料層１２の単結晶圧電材料層１１から離れた側の表面に形成された第１の電極１３と、単結晶圧電材料層１１の多結晶圧電材料層１２から離れた側の表面に形成された第２の電極１５とを含む。
【００４８】
そのうち、単結晶圧電材料層１１の材料は、単結晶ＡｌＮであってもよい。ＡｌＮの音波速度が高いため、ＡｌＮ薄膜材料は高周波共振器（ＧＨｚ）を作製するために用いることができ、且つＡｌＮ材料の損失が低いため、高品質係数（Ｑ）値を実現でき、且つ複雑な作動環境で使用できる。
【００４９】
オプションとして、多結晶圧電材料層１２は、単結晶圧電材料層１１の材料と同じであってもよく、異なってもよい。例えば、多結晶圧電材料層１２の材料は、多結晶ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス、多結晶酸化亜鉛、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウム等であってもよい。そのうち、ＬｉＮｂＯ３の圧電結合係数（ｋｔ２）が高く、圧電結合係数（ｋｔ２）は、圧電材料の圧電性能の強弱を評価する重要な物理量であり、フィルタが実現可能な帯域を决定するものである。ＬｉＮｂＯ３及びＰＺＴの圧電結合係数（ｋｔ２）が高く、実現可能な帯域が大きい。酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｋｔ２が７．５％であり、ＡｌＮのｋｔ２が６．５％である。また、品質係数（Ｑ）は、フィルタデバイスを説明する重要な指標であり、圧電共振器のＱ値は、圧電薄膜材料の固有損失及びバルク波の基板における損失によるものである。この点から、ＡｌＮ及びＺｎＯの材料損失はＰＺＴ材料より優れる。
【００５０】
オプションとして、前記単結晶圧電材料層の厚さは０．６μｍ未満である。
【００５１】
オプションとして、単結晶圧電材料層及び多結晶圧電材料層の総厚さは１．５μｍ以上である。
【００５２】
オプションとして、第１の電極１３及び第２の電極１５の材料は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏのうちの一種又は複数種の組合せであってもよい。ＡｌとＰｔを選択できる主な原因は、Ａｌ材料の抵抗率が小さく、Ｐｔ及びＷ電極のＡｌＮ共振器における力学的性質が優れているからである。
【００５３】
本実施例において詳細に説明しない内容については、上記方法の実施例を参考にし、ここでは省略する。
【００５４】
本実施例に係る圧電共振器は、共振周波数が低周波数帯である通信分野に適用でき、関連技術と比べて、本実施例に係る圧電共振器は、前記単結晶圧電材料層の一側の表面に多結晶圧電材料層を形成することにより、圧電材料層を短時間に一定の厚さに達成でき、プロセス時間を短縮し、製造コストを低下させ、低周波数帯の共振周波数を実現すると同時に、高Ｑ値及び高圧電結合係数（ｋｔ２）の性能を保証でき、且つフィルタ帯域を向上させ、適用範囲を増加させる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、圧電共振器の製造方法と圧電共振器を提供し、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【図１】
2019535148.tif 000003
【図２】
2019535148.tif 000004
【図３】
2019535148.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019535148.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月30日(2018.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイス分野に関し、例えば、圧電共振器の製造方法と圧電共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜バルク音響共振器（Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ、ＦＢＡＲ）（圧電薄膜バルク音響共振器とも呼ばれる）の原理は、圧電薄膜の逆圧電効果を利用し、入力された高周波電気信号を一定の周波数の声信号に変換し、且つ共振を生じさせることである。そのうち、共振周波数における音波損失が最も小さい。圧電共振技術により、より進化した電子部品を製造でき、且つ通信技術により広い適用範囲を提供する。
【０００３】
通常、圧電共振器は、対向設置された２つの電極及び２つの電極の間に位置された圧電薄膜を含む。関連技術において、常に単結晶窒化アルミニウムＡｌＮ圧電材料又は多結晶窒化アルミニウムＡｌＮ圧電材料を採用して圧電薄膜を製造する。しかし、単結晶ＡｌＮ圧電材料は、成長又は蒸着する速度が遅く、その内部応力が制御しにくく、多くのプロセス問題が増加するため、製造コストが高くなり、厚い圧電薄膜を取得しにくく、低周波数帯がより高い性能を有するフィルタを製造しにくい。一方、多結晶ＡｌＮ圧電材料を成長させて形成された圧電薄膜の厚さは、厚さが厚く、低周波数帯共振器を実現できるが、多結晶ＡｌＮ結晶の品質が悪く、品質係数Ｑと圧電結合係数ｋｔ２が低くなり、製造された共振器の性能を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、厚い圧電薄膜を容易に製造でき、低周波数帯圧電共振器を実現しやすく、且つ製造コスト及びプロセス難易度を低下させただけでなく、圧電共振器の性能を向上でき、且つ結晶化度が多結晶圧電材料より高い圧電共振器の製造方法と圧電共振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の様態において、本発明は、
第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップと、
前記単結晶圧電材料層の前記第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップとを含む圧電共振器の製造方法を提供する。
【０００６】
第２の様態において、本発明は、
単結晶圧電材料層と、
前記単結晶圧電材料層の一側の表面に形成された多結晶圧電材料層と、
前記多結晶圧電材料層の前記単結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第１の電極と、
前記単結晶圧電材料層の前記多結晶圧電材料層から離れた側の表面に形成された第２の電極とを含む圧電共振器を更に提供する。
【０００７】
本発明に係る圧電共振器の製造方法と圧電共振器は、第１の基板に単結晶圧電材料層を形成し、更に単結晶圧電材料層に多結晶圧電材料層を形成することにより、単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層からなる圧電薄膜を形成する。単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層との厚みの比を調整することにより、圧電共振器の総合的コストパフォーマンスを適正化できる。圧電薄膜の総厚さを調整することにより、低周波数帯圧電共振器を実現できる。低周波数帯圧電共振器を実現した場合に、薄い単結晶圧電材料層と厚い多結晶圧電材料層を更に形成することで、製造コスト及びプロセス難易度を低下させることができる。同時に、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図２】実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図３】実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図４】実施例２に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図５】実施例３に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図６】実施例４に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図７】実施例５に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。
【図８】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図９】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１０】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１１】実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。
【図１２】実施例６に係る圧電共振器の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面と実施例を参考にしながら、本発明を説明する。ここで説明する具体的な実施例は、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００１０】
実施例１
図１は実施例１に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートであり、図２〜図３は実施例１に係る製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。本実施例は、圧電共振器の性能を向上させる場合に適用できる。図１に示すように、本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、以下のステップを含む。
【００１１】
ステップ１１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成する。
図２のように、第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成する。そのうち、単結晶圧電材料層１１の材料は、単結晶ＡｌＮであってもよく、エピタキシャル方法により形成されてもよい。例示的なものとして、エピタキシャル方法は、金属有機物化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）（金属有機化学気相エピタキシャル（ＭＯＶＰＥ）とも呼ばれる）を含んでもよい。アルミニウムの有機物（一般的に、トリメチルアルミニウムである）をアルミニウム源とし、アンモニアを反応する窒素源として選択してもよい。キャリアガスである水素の搬送で、有機アルミニウム源と過剰なアンモニアを真空の反応チャンバに搬送してもよい。高温作用で、有機アルミニウム源とアンモニアとが反応し、高品質な単結晶圧電材料層１１を生産する。また、オプションとして、単結晶圧電材料は、更に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等であってもよい。上記材料を利用して、第１の基板に単結晶圧電材料層１１を形成する。
【００１２】
ステップ１２０：単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成する。
図３のように、蒸着方法により、単結晶圧電材料層１１の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶圧電材料層１２を形成してもよい。そのうち、多結晶圧電材料層１２及び単結晶圧電材料層１１の材料は同じであってもよく、異なってもよい。オプションとして、多結晶圧電材料層１２の材料は、多結晶ＡｌＮであってもよい。蒸着方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着技術であってもよい。高純度アルミニウムＡｌターゲット（９９．９９％）を利用し、高純度アルゴンＡｒ、窒素Ｎ２をそれぞれスパッタガス、反応ガスとしてもよい。高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、基板温度、Ｎ２流量及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層１１の表面に蒸着された多結晶圧電材料１２により整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、単結晶圧電材料層１１に蒸着された多結晶ＡｌＮ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなる。また、オプションとして、多結晶圧電材料は、更に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等であってもよい。上記材料を使用することで、製造された単結晶圧電材料層１１に多結晶圧電材料層１２を形成できる。
【００１３】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、第１の基板に単結晶圧電材料層を形成し、更に単結晶圧電材料層に多結晶圧電材料層を形成することにより、単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層からなる圧電薄膜を形成する。単結晶圧電材料層と多結晶圧電材料層との厚みの比を調整することにより、圧電共振器の総合的コストパフォーマンスを適正化できる。圧電薄膜の総厚さを調整して低周波数帯圧電共振器を実現できる。低周波数帯圧電共振器を実現した場合に、薄い単結晶圧電材料層と厚い多結晶圧電材料層を更に形成して、製造コスト及びプロセス難易度を低下させることができる。同時に、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【００１４】
上記のとおり、オプションとして、単結晶圧電材料層１１と多結晶圧電材料層１２との総厚さ（即ち圧電薄膜の厚さ）は１．５μｍ以上であれば、圧電共振器の共振周波数が１００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ（低周波数帯）である要求を満たすことができる。
【００１５】
実施例２
図４は実施例２に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。本実施例は、実施例１を基に適正化する。そのうち、ステップ１１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成するステップは、単結晶基板を提供するステップと、単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、当該単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップとを含む。そのうち、単結晶ＡｌＮ圧電層は、上記単結晶圧電材料層である。
【００１６】
上記実施例を基に、オプションとして、多結晶圧電材料層及び単結晶圧電材料層の材料が同じである。上記実施例を基に、オプションとして、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着するステップを含む。図４に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００１７】
ステップ２１０：単結晶基板を提供する。
そのうち、製造された単結晶圧電材料層１１の材料が単結晶ＡｌＮであれば、提供された単結晶基板は、炭化珪素ＳｉＣ、サファイア及び窒化ガリウムＧａＮ等の単結晶基板であってもよい。ＡｌＮは、重要な３−５族窒化物であり、安定したウルツ鉱構造を有するため、上記基板に製造されたＡｌＮ薄膜格子不整合度と熱的不整合は相対的に小さい。よって、製造された薄膜の欠陥を減少させ、格子不整合の薄膜品質に対する影響を低下させる。
【００１８】
そのうち、ＡｌＮ材料は高温でも依然として圧電性を保持できるため、ＡｌＮ圧電薄膜デバイスは高温作動環境に適応できる。良好な化学的安定性は、ＡｌＮ圧電薄膜を腐食性のある作動環境にも適応させる。ＡｌＮ材料は、良好な熱伝導特性を更に有しており、ＡｌＮから作製された音波デバイスは、作動による熱によってデバイスの使用寿命を低下させることがない。そのため、ＡｌＮは、単結晶圧電材料層１１の材料とすることができる。
【００１９】
ステップ２２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
そのうち、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップについて、単結晶ＡｌＮのエピタキシャル成長方法は、金属有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）又はＲＦマグネトロンスパッタ方法であってもよい。本実施例において、金属有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）方法によって単結晶ＡｌＮを成長できる。そのうち、単結晶ＡｌＮの成長中に、アルミニウムの有機物（トリメチルアルミニウムであってもよい）をアルミニウム源とし、アンモニアを窒素源とし、キャリアガスである水素の搬送で、有機アルミニウム源と過剰なアンモニアを真空の反応チャンバに搬送し、高温作用で、有機アルミニウム源とアンモニアとが反応し、単結晶ＡｌＮ薄膜を生じて基板表面に蒸着する。ＭＯＣＶＤ方法を利用することで、単結晶ＡｌＮ薄膜の組成、成長の厚さ及びその均一性を厳しく制御でき、高品質の単結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造し、単結晶ＡｌＮ薄膜の量産に適する。
【００２０】
ステップ２３０：多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着する。
【００２１】
そのうち、多結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶ＡｌＮを蒸着するステップについて、蒸着の方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着方法であってもよく、高純度Ａｌターゲット（９９．９９％）を利用し、高純度Ａｒ、Ｎ２をそれぞれスパッタガス、反応ガスとし、高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、基板温度、Ｎ２流量及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＡｌＮ薄膜材料を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、その表面に蒸着された多結晶圧電材料により整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、単結晶圧電材料層１１に蒸着された多結晶ＡｌＮ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなれる。
【００２２】
本実施例において、単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さが０．６μｍ未満であってもよい。単結晶ＡｌＮ圧電層は０．６μｍ以上に成長すると、成長プロセスの時間が長くなり、プロセス問題が多くなる。プロセス及び生産要求の制限により、より厚い単結晶ＡｌＮ圧電層を成長させると、製造コストが大幅に増加し、生産歩留りを低下させるため、単結晶ＡｌＮ圧電層だけでは、高性能の低周波数帯（例えば１ＧＨｚ以下）圧電共振器を製造しにくい。本実施例における単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さは０．６μｍ未満であり、多結晶ＡｌＮ圧電層を蒸着することによって圧電薄膜の厚さを増加する。例えば、圧電共振器の共振周波数を２ＧＨｚまでにしなければならない時、対応する圧電薄膜の厚さが１．５μｍであれば、単結晶ＡｌＮ圧電層の厚さを０．５μｍ又は未満にすることができ、多結晶ＡｌＮ圧電層の厚さを１μｍにすることができる。それにより、単結晶ＡｌＮ圧電層の製造時間を節約し、製造時間全体を短縮し、プロセス問題が減少し、低周波数帯及び高性能の圧電共振器を実現できる。
【００２３】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長するステップは、ＡｌＮ格子不整合度と熱的不整合を減少でき、単結晶ＡｌＮの結晶に有利であり、格子不整合が圧電薄膜品質に対する影響を低下させる。単結晶ＡｌＮ圧電層に多結晶ＡｌＮ圧電層を蒸着するステップは、単純に多結晶ＡｌＮで実現した共振器及びフィルタと比べて（本分野において主流で大規模に量産する製品）、損失を低下させ、高Ｑ値と低挿入損失を実現できる。
【００２４】
実施例３
図５は実施例３に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートである。本実施例と上記実施例２との相違点は、多結晶圧電材料層と単結晶圧電材料層とでは材料が異なることである。相応的に、オプションとして、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、蒸着法を採用し、ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着するステップを含む。図５に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００２５】
ステップ３１０：単結晶基板を提供する。
【００２６】
ステップ３２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
【００２７】
ステップ３３０：蒸着法を採用して、ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着する。
【００２８】
そのうち、ＺｎＯ薄膜は、高い圧電性（圧電定数ｄ３３≒１２ｐｍ／Ｖ）を有し、その構造もウルツ鉱構造であり、単結晶ＡｌＮ薄膜を基に、良好な格子整合を形成し、格子不整合の多結晶ＺｎＯ薄膜品質に対する影響を低下させることができる。
【００２９】
オプションとして、多結晶ＺｎＯ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶酸化亜鉛を蒸着するステップについて、蒸着方法は、ＲＦマグネトロンスパッタ蒸着方法であってもよく、ＺｎＯセラミックスターゲット（９９．９％）を利用し、高純度Ｏ２、Ａｒをそれぞれ反応ガス、保護ガスとし、高品質単結晶ＡｌＮ材料層の製造を基に、実験パラメータ（例えば、作動気圧、ガス流量、基板温度、蒸着時間及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、多結晶ＺｎＯ圧電層を製造する。第１の基板１０に単結晶圧電材料層１１を形成し、単結晶圧電材料層１１の結晶化度が高いため、その表面に蒸着された多結晶圧電材料がより整然として配列された格子起点が存在できる。そのため、単結晶圧電材料層１１に蒸着された多結晶ＺｎＯ圧電材料の結晶化度がより高くなり、性能がより良くなる。
【００３０】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、単結晶ＡｌＮ圧電層に多結晶ＺｎＯを蒸着し、多結晶ＡｌＮ圧電層に対し、圧電共振器の圧電結合係数ｋｔ２を向上させ、圧電共振器の性能を向上させることができる。
【００３１】
実施例４
図６は実施例４に係る圧電共振器の製造方法のフロー模式図である。本実施例と上記実施例との相違点は、多結晶圧電材料層と単結晶圧電材料層とでは材料が異なることである。相応的に、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップは、蒸着法を採用し、ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着するステップを含む。図６に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００３２】
ステップ４１０：単結晶基板を提供する。
【００３３】
ステップ４２０：単結晶ＡｌＮ圧電層を形成するように、単結晶基板に単結晶ＡｌＮをエピタキシャル成長する。
【００３４】
ステップ４３０：蒸着法を採用して、ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板から離れた側の表面にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着する。
【００３５】
そのうち、ＰＺＴ薄膜は、力電結合性能を備え、その圧電結合係数ｋｔ２が高く、電広帯域フィルタの作製に優れた材料である。オプションとして、多結晶ＰＺＴ圧電層を形成するように、単結晶ＡｌＮ圧電層の第１の基板１０から離れた側の表面に多結晶チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを蒸着するステップについて、蒸着の方法は、例えばパルスレーザ蒸着方法であってもよく、ジルコニウムチタン比Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８のＰＺＴ圧電セラミックスをターゲット材とし、単結晶ＡｌＮが製造された圧電層に、パルスレーザ蒸着法を使用してＰＺＴ薄膜を製造する。そのうち、フッ化セシウムＫｒＦパルスレーザ器を使用し、実験する際にまず真空引きを行った後、一定の圧力まで酸素を導入する。高品質単結晶ＡｌＮ圧電層が製造された基板を一定の温度に加熱し、ＫｒＦパルスレーザを４５℃角でＰＺＴターゲット材に入射し、ＰＺＴの原子をターゲット材から基板に射出・蒸着する。その後、室温まで徐冷し、それを薄膜晶化し、ＰＺＴ薄膜を製造する。実験パラメータ（例えば、作動気圧、ベース温度、蒸着時間及びターゲット−基板間距離等）を調整することにより、ＰＺＴ圧電層を製造する。
【００３６】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法は、単結晶ＡｌＮ圧電層にＰＺＴ圧電層を蒸着し、多結晶ＡｌＮ圧電層に対し、圧電共振器の圧電結合係数ｋｔ２を向上させ、圧電共振器の性能を向上させることができる。
【００３７】
実施例５
図７は実施例５に係る圧電共振器の製造方法のフローチャートであり、図８〜図１１は実施例５に係る電極製造フローにおける各ステップが対応する圧電共振器の断面構造模式図である。上記実施例を基に、本実施例は、単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成するステップの後に、多結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に第１の電極を形成するステップと、第１の電極付き圧電共振器を第１の電極によって第２の基板に圧着し、且つ薄膜転写プロセスを利用して第１の基板を剥離するステップと、単結晶圧電材料層の第２の基板から離れた側の表面に第２の電極を形成するステップとを更に含んでもよい。図７に示すように、本実施例の方法は、以下のステップを含む。
【００３８】
ステップ５１０：第１の基板に単結晶圧電材料層を形成する。
【００３９】
ステップ５２０：単結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に多結晶圧電材料層を形成する。
【００４０】
ステップ５３０：多結晶圧電材料層の第１の基板から離れた側の表面に第１の電極を形成する。
【００４１】
図８のように、多結晶圧電材料層１２の第１の基板１０から離れた側の表面に第１の電極１３を形成するステップについて、その形成方法は、マグネトロンスパッタ法であってもよく、多結晶圧電材料層１２に一層のタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）及びモリブデン（Ｍｏ）のうちの一種又は複数種の組合せを蒸着してもよく、そのうち、第１の電極１３は基板と類似の形状を有してもよい。
【００４２】
ステップ５４０：第１の電極付き圧電共振器を第１の電極によって第２の基板に圧着し、且つ薄膜転写プロセスを利用して第１の基板を剥離する。
【００４３】
図９のように、例示的なものとして、まず、第１の基板１０、単結晶圧電材料層１１、多結晶圧電材料層１２及び第１の電極１３を反転させ、且つ第１の電極１３を第２の基板１４に機械的に圧着し、第１の電極１３の単結晶圧電材料層１１から離れた表面を第２の基板１４の表面と結合して強固な構造を形成する。次に、レーザ剥離又はプラズマ剥離技術により、単結晶圧電材料層１１を第１の基板１０から剥離する。レーザ剥離又はプラズマ剥離技術による剥離率は高く、同時に、剥離中の薄膜及び基板片の破裂を最大限回避できる。
【００４４】
ステップ５５０：単結晶圧電材料層の第２の基板から離れた側の表面に第２の電極を形成する。
図１０のように、上記手段に基つき、単結晶圧電材料層１１の第１の電極１３から離れた側の表面に、マグネトロンスパッタ技術により、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）及びモリブデン（Ｍｏ）等の少なくとも一種の材料からなる一層の電極構造を形成し、当該電極構造が第２の電極１５である。オプションとして、第１の電極１３及び第２の電極１５の材料は、アルミニウム（Ａｌ）及び白金（Ｐｔ）であってもよい。そのうち、蒸着された第１の電極１３及び第２の電極１５の厚さは、実際の生産要求に応じて決められる。同時に、電極形状は、基板又は圧電薄膜と類似してもよく、類似しなくてもよく、具体的な構造は、状況に応じて確定すべきである。そのうち、第２の基板１４は、シリコンウエハであってもよく、一層の犠牲材料を一時的な支持構造としてもよい。最後に、図１１のように、エッチング技術により、第２の基板１４における一部の材料を除去し、空洞を形成できる。
【００４５】
多結晶圧電共振器を製造する際に、まず、基板に１つのモリブデン電極を形成し、更に当該モリブデン電極に圧電薄膜を形成する。この際、共振器における内部応力は、相対的に制御しやすく、多結晶ＡｌＮに基づく大規模の量産が可能となる。他の金属電極を変更してしまうと、共振器の内部応力を制御しにくくなり、生産歩留まりが低い。
【００４６】
本実施例に係る圧電共振器の製造方法について、形成された電極は、モリブデン電極に限らず、複数種の導電材料を選択してもよく、且つ圧電薄膜を製造した後に第１の電極を形成し、第１の基板を剥離した後に圧電薄膜の他面に第２の電極を形成することにより、第２の電極に直接圧電薄膜を形成することを回避し、最適なコストパフォーマンスを達成するように、圧電材料の両面における電極はプロセスと性能要求に応じて異なる金属材料を選択できる。例えば、アルミニウムは、モリブデンより小さい抵抗率を有するため、共振器の寄生抵抗を低下させ、共振器のＱ値を向上できる。
【００４７】
実施例６
図１２は実施例６に係る圧電共振器の構造模式図である。当該圧電共振器は、本発明の実施例に係るいずれかの圧電共振器の製造方法を使用して製造できる。図１２に示すように、当該圧電共振器は、単結晶圧電材料層１１の一側の表面に形成された多結晶圧電材料層１２と、多結晶圧電材料層１２の単結晶圧電材料層１１から離れた側の表面に形成された第１の電極１３と、単結晶圧電材料層１１の多結晶圧電材料層１２から離れた側の表面に形成された第２の電極１５とを含む。
【００４８】
そのうち、単結晶圧電材料層１１の材料は、単結晶ＡｌＮであってもよい。ＡｌＮの音波速度が高いため、ＡｌＮ薄膜材料は高周波共振器（ＧＨｚ）を作製するために用いることができ、且つＡｌＮ材料の損失が低いため、高品質係数（Ｑ）値を実現でき、且つ複雑な作動環境で使用できる。
【００４９】
オプションとして、多結晶圧電材料層１２は、単結晶圧電材料層１１の材料と同じであってもよく、異なってもよい。例えば、多結晶圧電材料層１２の材料は、多結晶ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス、多結晶酸化亜鉛、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウム等であってもよい。そのうち、ＬｉＮｂＯ３の圧電結合係数（ｋｔ２）が高く、圧電結合係数（ｋｔ２）は、圧電材料の圧電性能の強弱を評価する重要な物理量であり、フィルタが実現可能な帯域を决定するものである。ＬｉＮｂＯ３及びＰＺＴの圧電結合係数（ｋｔ２）が高く、実現可能な帯域が大きい。酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｋｔ２が７．５％であり、ＡｌＮのｋｔ２が６．５％である。また、品質係数（Ｑ）は、フィルタデバイスを説明する重要な指標であり、圧電共振器のＱ値は、圧電薄膜材料の固有損失及びバルク波の基板における損失によるものである。この点から、ＡｌＮ及びＺｎＯの材料損失はＰＺＴ材料より優れる。
【００５０】
オプションとして、前記単結晶圧電材料層の厚さは０．６μｍ未満である。
【００５１】
オプションとして、単結晶圧電材料層及び多結晶圧電材料層の総厚さは１．５μｍ以上である。
【００５２】
オプションとして、第１の電極１３及び第２の電極１５の材料は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ及びＭｏのうちの一種又は複数種の組合せであってもよい。ＡｌとＰｔを選択できる主な原因は、Ａｌ材料の抵抗率が小さく、Ｐｔ及びＷ電極のＡｌＮ共振器における力学的性質が優れているからである。
【００５３】
本実施例において詳細に説明しない内容については、上記方法の実施例を参考にし、ここでは省略する。
【００５４】
本実施例に係る圧電共振器は、共振周波数が低周波数帯である通信分野に適用でき、関連技術と比べて、本実施例に係る圧電共振器は、前記単結晶圧電材料層の一側の表面に多結晶圧電材料層を形成することにより、圧電材料層を短時間に一定の厚さに達成でき、プロセス時間を短縮し、製造コストを低下させ、低周波数帯の共振周波数を実現すると同時に、高Ｑ値及び高圧電結合係数（ｋｔ２）の性能を保証でき、且つフィルタ帯域を向上させ、適用範囲を増加させる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、圧電共振器の製造方法と圧電共振器を提供し、単結晶圧電材料の結晶化度が高いため、単結晶圧電材料層に蒸着された多結晶圧電材料の格子起点がより整然として配列されることにより、多結晶圧電材料層における多結晶圧電材料の結晶化度を向上させ、圧電共振器の性能を向上させる。
【国際調査報告】
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