压电器件及压电器件的制造方法
【专利摘要】本申请的压电器件具备压电体薄膜、功能电极、半导电层和支撑基板。功能电极被设置于压电体薄膜的第一主面侧且与所述压电体薄膜进行机电耦合。半导电层由半导体材料或、金属与该金属的氧化物的混合材料构成且设置于压电体薄膜的第二主面侧。支撑基板设置在压电体薄膜的第二主面侧，使所述半导电层介于压电体薄膜与支撑基板之间。
【专利说明】压电器件及压电器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将压电体薄膜接合到支撑基板的压电器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，开发着很多压电器件。上述压电器件中，压电体薄膜被接合于支撑基板等(例如参照专利文献I?3)。
[0003]作为压电体薄膜与支撑基板的接合法，一直以来提出并采用各种各样的方法。例如，在被称为亲水化接合的接合法(参照专利文献I。)中，首先在已被镜面加工的薄膜侧的接合面与支撑基板侧的接合面各自形成无机氧化物层。接着，在无机氧化物层的表面形成羟基。接着，使薄膜侧的无机氧化物层的表面与支撑基板侧的无机氧化物层的表面重合，由此借助羟基彼此的氢键结合而使薄膜侧的无机氧化物层与支撑基板侧的无机氧化物层接合。接着，通过200°c以上的热处理，使H2O自氢键结合的羟基脱离，由此可大幅地提高薄膜侧的无机氧化物层与支撑基板侧的无机氧化物层的接合强度。
[0004]在被称为活化接合的接合法(参照专利文献2、3。)中，首先在惰性气体气氛或真空中对已被镜面加工的薄膜侧的接合面与支撑基板侧的接合面各自进行溅射蚀刻，由此从表面除去污染物和进行表面的活化。该状态下，通过使薄膜侧的接合面与支撑基板侧的接合面重合，从而在非加热环境下，薄膜侧的接合面与支撑基板侧的接合面隔着非结晶层而被牢固地接合。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开平6— 326553号公报
[0008]专利文献2 JP特开2004— 343359号公报
[0009]专利文献3 JP特开2005— 252550号公报
【发明内容】
[0010]-发明所要解决的技术问题-
[0011]一般而言，压电体如果不是一定以上的电阻值、特性就会劣化，因此具有较大的电阻率。为此，通过热施加而产生大的焦电荷(pyroelectric charge)。例如,钽酸锂或银酸锂等的体积电阻率高达IO8 Ω.πι以上。为此，如果在压电体薄膜上不设置使该焦电荷自压电体薄膜跑出的构造，则有时在压电体薄膜的面内，焦电荷引起的电场局部地超过压电体的矫顽电场。压电体虽然不进行自发极化就得不到充分的压电性，但在焦电荷引起的电场超过了压电体的矫顽电场的情况下，在该区域内会产生极化反转，压电体薄膜的压电性降低。再有，焦电荷也会引起功能电极的电极损坏。
[0012]因此，在上述在先文献所公开的压电器件的构成中，由于在压电薄膜与支撑基板间形成有绝缘层，故焦电荷不能跑掉，有可能就会产生如上所述的焦电荷所引起的问题。
[0013]为了防止发生该焦电荷引起的问题，期望在压电体薄膜设置使焦电荷跑出的电极构造。然而，该情况下由于压电器件具有不必要的电极构造，故可利用的器件的种类被限定。例如，在滤波器或分波器等高频器件中，高频信号经由不需要的电极构造而泄漏，由此会引起特性劣化。因此，不能设置用于使焦电荷跑出的电极构造，难以防止焦电荷引起的问题的发生。
[0014]因而，本发明的目的在于，实现可回避焦电荷引起的不良发生的构成的压电器件及该压电器件的制造方法，但可利用的器件的种类不被限定。
[0015]-用于解决技术问题的方案-
[0016]本发明涉及的压电器件具备压电体薄膜、功能电极、半导电层和支撑基板。功能电极被设置于压电体薄膜的第一主面侧且与所述压电体薄膜进行机电耦合。半导电层由半导体材料、或金属与该金属的氧化物的混合材料构成且设置于压电体薄膜的第二主面侧。支撑基板设置在压电体薄膜的第二主面侧，使所述半导电层介于支撑基板与压电体薄膜之间。
[0017]在该构成中，热施加时发生的焦电荷经由半导电层而扩散，焦电荷引起的电场在压电体薄膜内不会局部地升高。由此，可以防止焦电荷引起的电场超过压电体薄膜的矫顽电场，防止压电体薄膜内的极化反转的发生或功能电极的电极损坏。此外，通过设置半导电层，从而无需设置不必要的电极构造，可以防止电信号的泄漏等导致的电特性(器件特性)的劣化。
[0018]另外，在上述的压电器件中，半导电层的体积电阻率优选为1Χ10_5(Ω.m)?I X IO2 (Ω.m)。
[0019]再有，上述的压电器件中，半导电层优选为作为半导体材料的钛氧化物、锌氧化物、氧化错氧化物(zirconia oxide)、铬氧化物、娃的任一种,或是下述的混合物的任一种:铝与铝氧化物的混合物、钴与钴氧化物的混合物、铜与铜氧化物的混合物、铬与铬氧化物的混合物、铁与铁氧化物的混合物、钥与钥氧化物的混合物、镍与镍氧化物的混合物、铌与铌氧化物的混合物、钛与钛氧化物的混合物、硅与硅氧化物的混合物、钽与钽氧化物的混合物、钨与钨氧化物的混合物、锌与锌氧化物的混合物、锆与锆氧化物的混合物。
[0020]还有，上述的压电器件中，半导电层优选膜厚为IOOnm以下。
[0021]上述的压电器件中，压电体薄膜也可以由压电单晶体构成，在第一主面侧与第二主面侧，该压电体单晶体薄膜的膜应力存在差别。
[0022]另外，在上述的压电器件中，压电体单晶体薄膜也可以是下述构造:氢原子或氦原子作为介入原子(interstitial atoms)介入晶体,在第一主面侧与第二主面侧，介入原子的分布密度存在差别。
[0023]在这些构成中，如果未设置半导电层，热施加时发生的焦电荷增加，压电性因焦电荷而受损，或者产生功能电极的电极损坏的危险性高。为此，设置半导电层所带来的效用大。
[0024]本发明涉及的压电器件的制造方法具有接合体形成工序、半导电层形成工序和功能电极形成工序。接合体形成工序是形成将金属层介于之间的压电体薄膜与支撑基板的接合体的工序。半导电层形成工序是使所述金属层氧化来形成半导电层的工序。功能电极形成工序是在压电体薄膜的第一主面侧形成与所述压电体薄膜进行机电耦合的功能电极的工序。半导电层是构成金属层的金属与其氧化物混合的层、或是由构成所述金属层的金属的氧化物、即半导体构成的层。
[0025]在该制造方法中，可以制造设置了半导电层的压电器件。为此，在压电器件中可以防止焦电荷引起的极化反转的发生或焦电荷引起的功能电极的电极损坏。
[0026]在上述压电器件的制造方法中，优选具有形成层叠于金属层上的氧化物层的氧化物层形成工序。
[0027]在该制造方法中，氧化物层成为与金属层的氧化反应相对应的氧供给源，可以大幅地降低金属层的氧化所需的时间或者通过加热而进行氧化的情况下的加热温度。
[0028]在上述压电器件的制造方法中，优选在惰性气体气氛下或真空下连续地进行接合体形成工序。
[0029]在该制造方法中，金属层的表面不会被外部空气氧化或者不会被污染物污染，可使干净的表面彼此重合来形成金属接合层。因此，可以更稳定地实现牢固的接合。
[0030]在上述压电器件的制造方法中，优选具有离子注入工序和分离工序。离子注入工序是从压电基板的接合面注入离子化的元素，在所述压电基板之中形成所述元素集中存在的区域的工序。分离工序是通过加热而将压电基板中的接合面侧的区域作为压电体薄膜来分离的工序。
[0031]还有，优选还具有临时支撑工序和支撑工序。临时支撑工序是在压电基板的离子注入面侧形成临时支撑基板的工序，该临时支撑基板由与压电基板同种的材料构成，或者作用于与压电基板的界面的热应力比作用于支撑基板和压电基板的界面的热应力小。支撑工序是在从压电基板分离出的压电体薄膜形成支撑基板的工序。
[0032]在该制造方法中，能以稳定的膜厚和所期望的晶体方位形成压电体薄膜，并且可以提高压电基板的材料利用效率。再有，在该制造方法中，通过离子注入使离子的元素介入压电体薄膜的晶格间，并且其分布密度偏向一个主面侧。结果，压电体薄膜成为稍微翘起的状态，与支撑基板的接合容易产生困难性。然而，在采用本发明涉及的制造方法的情况下，由于能够在非加热环境下不会受到热应力的影响地使压电基板与支撑基板接合，故效用非常大。再有，设置半导电层而使焦电荷扩散的效用也大。
[0033]-发明效果-
[0034]根据本发明，由于在对压电器件施加热时压电体薄膜中发生的焦电荷经由半导电层而分散，故焦电荷引起的电场在压电体薄膜内不会局部地升高。由此，可以防止焦电荷引起的电场超过压电体薄膜的矫顽电场，防止压电体薄膜中极化反转产生或引起功能电极的电极损坏。此外，通过设置半导电层，从而无需设置不必要的电极构造，可以防止电信号的泄漏等导致的电特性(器件特性)的劣化。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是说明本发明第I实施方式涉及的压电器件的构成的图。
[0036]图2是对本发明第I实施方式涉及的压电器件的制造方法的制造流程进行说明的图。
[0037]图3是图2所示的制造流程的各工序中的示意图。
[0038]图4是图2所示的制造流程的各工序中的示意图。
[0039]图5是图2所示的制造流程的各工序中的示意图。[0040]图6是对本发明第2实施方式涉及的压电器件的制造方法的制造流程进行说明的图。
[0041]图7是图6所示的制造流程的各工序中的示意图。
[0042]图8是图6所示的制造流程的各工序中的示意图。
[0043]图9是对本发明第3实施方式涉及的压电器件的制造方法的制造流程进行说明的图。
[0044]图10是图9所示的制造流程的各工序中的示意图。
[0045]图11是图9所示的制造流程的各工序中的示意图。
【具体实施方式】
[0046]《第I实施方式》
[0047]首先，关于本发明第I实施方式涉及的压电器件，以SAW(Surface Acoustic Wave;声表面波)器件为具体例进行说明。
[0048]图1是表示本实施方式的SAW器件10的构成的图。
[0049]SAW 器件 10 具备层叠基板部 80、IDT (Inter-digital Transducer)电极 50、保护绝缘膜70和布线60。对于层叠基板部80，作为整体的厚度约250 μ m,具备压电体单晶体薄膜11、支撑基板12、氧化物层31、32、半导电层44和电介质层21。
[0050]支撑基板12设置于层叠基板部80的最底面。在此，支撑基板12由氧化铝基板或氧化镁基板构成。氧化铝基板或氧化镁基板是热传导良好且线膨胀率比压电单晶体材料小的材质。通过采用这种支撑基板12，从而SAW器件10改善了频率温度特性或散热性?耐电性(electric power handling `capability)。
[0051]氧化物层32层叠形成于支撑基板12的上表面。虽然后述详细内容，但该氧化物层32是为了形成半导电层44而被设置的。在此，氧化物层32由氧化硅膜构成。
[0052]半导电层44层叠形成于氧化物层32的上表面。该半导电层44是为了使压电体薄膜11中发生的焦电荷扩散且防止压电体薄膜11中局部的极化反转或IDT电极50的电极损坏而被设置的。再有，该半导电层44也被使用于压电体薄膜11与支撑基板12的接合。在此，半导电层44由作为半导体的钛氧化物构成。
[0053]另外，半导电层44除了钛氧化物以外，也可以是作为半导体材料的锌氧化物、氧化锆氧化物、铬氧化物、硅的任一种、或、钛与钛氧化物的混合物、铝与铝氧化物的混合物、钴与钴氧化物的混合物、铜与铜氧化物的混合物、铬与铬氧化物的混合物、铁与铁氧化物的混合物、钥与钥氧化物的混合物、镍与镍氧化物的混合物、铌与铌氧化物的混合物、硅与硅氧化物的混合物、钽与钽氧化物的混合物、钨与钨氧化物的混合物、锌与锌氧化物的混合物、锆与锆氧化物的混合物等。
[0054]氧化物层31层叠形成于半导电层44的上表面。该氧化物层31与前述的氧化物层32同样，是为了形成半导电层44而被设置的。在此，氧化物层32由氧化硅膜构成。
[0055]电介质层21层叠形成于氧化物层31的上表面。该电介质层21是为了达到将SAW器件10中的表面弹性波封入表层并获得良好的特性的功能而被设置的。在此使用的电介质层21是膜厚为700nm的氧化娃膜(未图不)和膜厚为1400nm的氮化招膜(未图不)的层叠膜。其中，电介质层21并不是必需的构成，也可以不设置。[0056]压电单晶体薄膜11层叠形成于电介质层21的上表面。在此使用的压电单晶体薄膜11是LT(钽酸锂)单晶体的薄膜。另外，压电单晶体薄膜11的材料优选从LT、LN(LiNbO3)、LBO(Li2B4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)、KN(KNbO3)等压电材料中适宜选择。那些压电材料之中LT或LN容易发生焦电荷，因此在压电单晶体薄膜11由LT或LN构成的情况下，通过设置半导电层44，从而防止焦电荷成为原因的不良状况的发生的效用较大。
[0057]IDT电极50或布线60在压电体单晶体薄膜11的上表面形成图案。IDT电极50是本实施方式中的功能电极，与压电体单晶体薄膜11进行机电耦合，与压电体单晶体薄膜11一起构成表面弹性波元件。布线60在IDT电极50与外部电路之间传输高频信号。在此使用的IDT电极50或布线60是铝与钛的层叠膜。其中，铝膜也可以采用主要包含铝的合金、例如Al — Cu合金等。
[0058]这种构成的SAW器件10中，压电体单晶体薄膜11 (在此为厚度500nm的LT单晶体)的矫顽电场约为20~30kV / mm。为此，压电体单晶体薄膜11的极化轴为压电体单晶体薄膜11的主面法线方向的情况下，如果向压电体单晶体薄膜11的两主面间施加10~15V电压的电场，则超过压电体单晶体薄膜11的矫顽电场而产生极化反转。再有，压电体单晶体薄膜11的极化轴自压电体单晶体薄膜11的主面法线方向倾斜的情况下，导致极化反转的电场增大，在极化轴自压电体单晶体薄膜11的主面法线方向倾斜45°的情况下，需要14.1~21.2V电压的电场。
[0059]在此，如果压电体单晶体薄膜11中发生的焦电荷在半导电层44中未被扩散，则十几V的电压为容易实现极化反转的电压电平。为此通过利用半导电层44使压电单晶体薄膜11中发生的焦电荷扩散，从而可以防止焦电荷引起的电场的集中，回避极化反转区域的发生与IDT电极50的电极损坏。具体是，在半导电层44的厚度为0.1~IOOnm的范围内，如果电阻率为I XlO2 (Ω.m) 以下，则压电体单晶体薄膜11上几乎不会引起极化反转。以下示出该现象。
[0060]对于形成了体积电阻率不同的半导电层的多个压电基板，将l_Xlmm的区域作为I个单元，对因250°C下的热施加而发生了极化反转的单元的个数进行了调查。结果获得了以下的调查结果。
[0061][表 I]
[0062]
【权利要求】
1.一种压电器件，具备: 压电体薄膜； 功能电极，其被设置在所述压电体薄膜的第一主面侧且与所述压电体薄膜机电耦合； 半导电层，其由半导体材料、或金属与该金属的氧化物的混合材料组成，被设置在所述压电体薄膜的第二主面侧；和 支撑基板，其被设置于所述压电体薄膜的第二主面侧，使所述半导电层介于所述支撑基板与所述压电体薄膜之间。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其中， 所述半导电层的体积电阻率为IX 10-5(Ω.m)~1Χ102(Ω.m)。
3.根据权利要求1或2所述的压电器件，其中， 所述半导电层是作为半导体材料的钛氧化物、锌氧化物、氧化锆氧化物、铬氧化物、硅的任一种，或者是以下所述的混合物的任一种:铝与铝氧化物的混合物、钴与钴氧化物的混合物、铜与铜氧化物的混合物、铬与铬氧化物的混合物、铁与铁氧化物的混合物、钥与钥氧化物的混合物、镍与镍氧化物的混合物、铌与铌氧化物的混合物、钛与钛氧化物的混合物、硅与硅氧化物的混合物、钽与钽氧化物的混合物、钨与钨氧化物的混合物、锌与锌氧化物的混合物、锆与锆氧化物的混合物。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的弹性波器件的制造方法，其中， 所述半导电层的膜厚为 IOOnm以下。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的压电器件，其中， 所述压电体薄膜由压电单晶体构成，是膜应力在第一主面侧与第二主面侧存在差别的晶体构造。
6.根据权利要求5所述的压电器件，其中， 由所述压电单晶体构成的压电体薄膜是氢原子或氦原子作为介入原子介入晶体，且介入原子的分布密度在第一主面侧与第二主面侧存在差别的晶体构造。
7.一种压电器件的制造方法，具有: 形成将金属层介于之间的压电体薄膜与支撑基板的接合体的接合体形成工序； 使所述金属层氧化来形成半导电层的半导电层形成工序；和 在所述压电体薄膜的第一主面侧形成与所述压电体薄膜进行机电耦合的功能电极的功能电极形成工序， 所述半导电层是构成所述金属层的金属与其氧化物混合的层，或是由半导体构成的层，该半导体是构成所述金属层的金属的氧化物。
8.根据权利要求7所述的压电器件的制造方法，其中， 该制造方法还具有形成层叠于所述金属层上的氧化物层的氧化物层形成工序。
9.根据权利要求7或8所述的压电器件的制造方法，其中， 所述接合体形成工序在惰性气体气氛下或真空下被连续地进行。
10.根据权利要求7~9中任一项所述的压电器件的制造方法，其中， 该制造方法还具有: 从压电基板的接合面注入离子化的元素，以在所述压电基板之中形成所述元素集中存在的区域的离子注入工序；和通过加热而将所述压电基板中的接合面侧的区域作为压电体薄膜残留下来的分离工序。
11.根据权利要求7~9中任一项所述的压电器件的制造方法，其中， 该制造方法还具有: 向压电基板注入离子化的元素，以在所述压电基板之中形成所述元素集中存在的区域的离子注入工序； 在所述压电基板的离子注入面侧，形成由与所述压电基板同种的材料构成、或者作用于与所述压电基板的界面的热应力比作用于所述支撑基板和所述压电基板的界面的热应力小的临时支撑基板的临时支撑工序； 通过加热而将压电体薄膜从所述压电基板分离的分离工序；以及 在自所述压电基板分离出的·所述压电体薄膜上形成所述支撑基板的支撑工序。
【文档编号】H03H9/145GK103718457SQ201280038231
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】岩本敬 申请人:株式会社村田制作所