CN109075758A - 接合体和弹性波元件 - Google Patents

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Abstract

在包含陶瓷的支撑基板上设置接合层，将接合层和压电性单晶基板接合时，使压电性单晶基板与接合层之间的接合强度提高，同时防止接合层与支撑基板之间的剥离。接合体8具有：包含陶瓷的支撑基板1；在支撑基板1的表面1a设置的接合层3A，接合层3A包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质；和与接合层3A接合的压电性单晶基板6A。支撑基板1的表面1a的算术平均粗糙度Ra为0.5nm～5.0nm。

Description

接合体和弹性波元件
技术领域
本发明涉及压电性单晶基板与包含陶瓷的支撑基板的接合体以及利用该接合体的弹性波元件。
背景技术
已知移动电话等中所使用的能够作为滤波元件、振荡器发挥功能的弹性表面波器件、使用了压电薄膜的兰姆波元件、薄膜谐振器(FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator)等弹性波器件。作为这样的弹性波器件，已知将支撑基板与传播弹性表面波的压电基板贴合、在压电基板的表面设置了可激发弹性表面波的梳形电极的弹性波器件。通过像这样地将热膨胀系数比压电基板小的支撑基板粘贴于压电基板，抑制温度变化时压电基板的大小变化，抑制作为弹性表面波器件的频率特性的变化。
例如，在专利文献1中提出了用包含环氧粘接剂的粘接层将压电基板与硅基板贴合而成的结构的弹性表面波器件。
此处，在将压电基板与硅基板接合时，已知在压电基板表面形成氧化硅膜，经由氧化硅膜将压电基板与硅基板直接接合(专利文献2)。该接合时，对氧化硅膜表面和硅基板表面照射等离子束，使表面活化，进行直接接合。
另外，已知使压电基板的表面成为粗糙面，在该粗糙面上设置填充层而平坦化，经由粘接层将该填充层粘接于硅基板(专利文献3)。在该方法中，在填充层、粘接层中使用环氧系、丙烯酸系的树脂，通过使压电基板的接合面成为粗糙面，抑制体波的反射，减少寄生信号。
另外，已知所谓的FAB(快原子束，Fast Atom Beam)方式的直接接合法(专利文献4)。在该方法中，在常温下对各接合面照射中性化原子束而进行活化，实施直接接合。
另一方面，在专利文献5中记载了将压电性单晶基板经由中间层直接接合于包含陶瓷(氧化铝、氮化铝、氮化硅)的支撑基板，而不是接合于硅基板。该中间层的材质为硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝。
另一方面，对于专利文献6中记载的复合基板而言，记载了：在用有机粘接层将压电基板和支撑基板粘接时，通过使支撑基板对压电基板的粘接面的Rt(粗糙度曲线的最大截面高度)成为5nm～50nm，获得应力缓和所产生的防开裂效果。
进而，在专利文献3中公开了将压电基板与支撑基板经由粘接层贴合而成的弹性表面波元件，其中，在压电基板的接合面形成凹凸，将填充剂涂布于该接合面而形成填充层，将该填充层与支撑基板粘接。这种情况下，通过在压电基板的接合面设置微小的凹凸，并使其算术平均粗糙度Ra成为0.1μm，从而抑制了体波反射所产生的寄生信号。另外，通过使支撑基板的接合面的Ra为10nm，提高了支撑基板与填充层的接合强度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-187373
专利文献2：美国专利第7213314B2
专利文献3：日本专利第5814727
专利文献4：日本特开2014-086400
专利文献5：日本专利第3774782
专利文献6：实用新型注册第3184763
发明内容
但是，将压电性单晶基板与包含陶瓷的支撑基板直接接合时，在接合后的加热时有可能由于压电性单晶基板与陶瓷的热膨胀差而开裂。如专利文献5所述，也有如下方法：在包含陶瓷的支撑基板的表面设置规定的接合层，对接合层照射离子化射束而使其活化，直接接合于压电性单晶基板。但是，本发明人实际试制接合体时，接合强度仍不充分，在后续的加工工序中有时在压电性单晶基板与接合层之间发生剥离。
因此，本发明人对接合层的材质、压电性单晶基板的表面处理方法等进行研究，研究了进一步改善接合层与压电性单晶基板的接合强度。但是，将接合体供于后续工序时，有时沿着支撑基板与接合层的界面发生剥离。
本发明的课题在于：在包含陶瓷的支撑基板上设置接合层并将接合层与压电性单晶基板接合时，提高压电性单晶基板与接合层之间的接合强度，并且防止接合层与支撑基板之间的剥离。
本发明涉及的接合体，其特征在于，具有：包含陶瓷的支撑基板；在上述支撑基板的表面设置的接合层，该接合层包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质；和与上述接合层接合的压电性单晶基板，上述支撑基板的上述表面的算术平均粗糙度Ra为0.5nm～5.0nm。
另外，本发明涉及的弹性波元件，其特征在于，包括上述接合体和在上述压电性单晶基板上设置的电极。
根据本发明，在将压电性单晶基板与包含陶瓷的支撑基板接合时，通过设置接合层，该接合层包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的材质，能够提高压电性单晶基板与接合层的接合强度。并且，通过使支撑基板的表面的算术平均粗糙度Ra为0.5nm～5.0nm，可防止支撑基板与特定接合层的界面处的剥离。支撑基板的表面的Ra即使超过5.0nm，也可以说是极其平滑的状态，尽管如此，支撑基板与特定接合层的界面处的剥离开始显著地发生，难以对此进行预测。
附图说明
图1中的(a)表示在包含陶瓷的支撑基板1上设置了接合层2的状态，(b)表示对接合层3的表面3a进行了平坦化加工的状态，(c)表示采用中性束A将平坦面4活化的状态。
图2中的(a)表示将压电性单晶基板6与支撑基板1接合的状态，(b)表示通过加工使压电性单晶基板6A变薄的状态，(c)表示在压电性单晶基板6A上设置了电极10的状态。
图3中的(a)表示使压电性单晶基板11的表面11a为粗糙面的状态，(b)表示在粗糙面11a上设置了中间层12的状态，(c)表示对中间层13的表面13a进行了平坦化加工的状态，(d)表示采用中性束A使平坦面14活化的状态。
图4中的(a)表示将压电性单晶基板11与支撑基板1接合的状态，(b)表示通过加工使压电性单晶基板11A变薄的状态，(c)表示在压电性单晶基板11A上设置了电极10的状态。
具体实施方式
以下适当地参照附图对本发明详细地说明。
图1、图2涉及在支撑基板上设置接合层、将其直接接合于压电性单晶基板的表面的实施方式。
如图1中的(a)所示，在包含陶瓷的支撑基板1的表面1a设置接合层2。1b为相反侧的表面。此时，在接合层2的表面2a可具有凹凸。
接下来，在优选的实施方式中，通过对接合层2的表面2a进行平坦化加工，形成平坦面3a。通过该平坦化加工，通常，接合层2的厚度变小，成为更薄的接合层3(参照图1(b))。不过，并非必须进行平坦化加工。
接下来，如图1中的(c)所示，如箭头A所示对平坦面3a照射中性束，将接合层3A的表面活化而成为活化面4。
另一方面，如图2中的(a)所示，通过对压电性单晶基板6的表面照射中性束，进行活化而成为活化面6a。然后，通过将压电性单晶基板6的活化面6a和接合层3A的活化面4直接接合，得到接合体7。
在优选的实施方式中，对接合体7的压电性单晶基板的表面6b进一步进行研磨加工，如图2中的(b)所示使压电性单晶基板6A的厚度变小，得到接合体8。6c为研磨面。
在图2的(c)中，通过在压电性单晶基板6A的研磨面6c上形成规定的电极10，制作弹性表面波元件9。
图3、图4涉及使压电性单晶基板的表面成为了粗糙面的实施方式。
如图3中的(a)所示，对压电性单晶基板11的表面11a实施加工，形成粗糙面11a。11b为相反侧的表面。接下来，如图3中的(b)所示，在粗糙面11a上设置中间层12。此时，粗糙面也转印到中间层12的表面12a，形成了凹凸。
接下来，在优选的实施方式中，通过对中间层12的表面12a进行平坦化加工，如图3中的(c)所示形成平坦面13a。通过该平坦化加工，通常，中间层12的厚度变小，成为更薄的中间层13。接下来，如图3中的(d)所示，如箭头A所示对平坦面13a照射中性束，使中间层13A的表面活化而形成活化面14。
另一方面，如图1中的(c)所示，通过对支撑基板1上的接合层3A的平坦面照射中性束而进行活化，形成活化面4。然后，通过将接合层3A的活化面4与中间层13A的活化面14直接接合，得到接合体17(图4(a))。
在优选的实施方式中，对接合体17的压电性单晶基板的表面11b进一步进行研磨加工，如图4中的(b)所示使压电性材料基板11A的厚度变小，得到接合体18。11c为研磨面。
应予说明，在图4(c)的表面弹性波元件19的情况下，在压电性材料基板11A的研磨面11c上形成了规定的电极10。
以下对本发明的各构成要素进行进一步说明。
支撑基板包含陶瓷。作为构成支撑基板的陶瓷，优选选自由莫来石、堇青石和硅铝氧氮陶瓷构成的组中的材质。
在本发明中，在支撑基板上的表面设置了接合层。接合层的材质为选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质，由此能够提高接合层与压电性单晶基板的接合强度。另外，对接合层的成膜方法并无限定，能够例示溅射(sputtering)法、化学气相沉积法(CVD)、蒸镀。
就压电性单晶基板的材质而言，具体地，能够例示钽酸锂(LT)单晶、铌酸锂(LN)单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶、水晶、硼酸锂。其中，更优选为LT或LN。LT、LN由于弹性表面波的传播速度快，机电耦合系数大，因此适合用作高频率且宽带频率用的弹性表面波器件。另外，对压电性单晶基板的主面的法线方向并无特别限定，例如，在压电性单晶基板包含LT时，使用以弹性表面波的传播方向即X轴为中心、从Y轴向Z轴旋转了36～47°(例如42°)的方向的压电性单晶基板由于传播损失小，因此优选。在压电性材料基板包含LN时，使用以弹性表面波的传播方向即X轴为中心、从Y轴向Z轴旋转了60～68°(例如64°)的方向的压电性材料基板由于传播损失小，因此优选。进而，对压电性单晶基板的大小并无特别限定，例如直径为50～150mm，厚度为0.2～60μm。
在本发明中，支撑基板的表面的算术平均粗糙度Ra为0.5nm～5.0nm。由此能够显著地抑制沿着支撑基板与接合层的界面的剥离。从该观点出发，支撑基板的表面的算术平均粗糙度Ra更优选为0.8nm以上，另外更优选为3.0nm以下。应予说明，算术平均粗糙度Ra规定为使用AFM(Atomic Force Microscope:原子间力显微镜)、按照测定范围10μm×10μm测定的数值。
在优选的实施方式中，支撑基板的表面的PV值为10nm～50nm。由此，支撑基板与接合层的界面的密合强度进一步改善。从该观点出发，支撑基板的表面的PV值更优选为20nm以上，另外更优选为30nm以下。应予说明，PV值规定为使用AFM(Atomic Force Microscope:原子间力显微镜)、按照测定范围10μm×10μm测定的数值。
在优选的实施方式中，使接合层的表面与压电性单晶基板的表面直接接合。这种情况下，优选接合层的表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下，更优选为0.3nm以下。另外，优选压电性单晶基板的上述表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下，更优选为0.3nm以下。由此，压电性单晶基板与接合层的接合强度进一步提高。
使接合层的表面、压电性单晶基板的表面平坦化的方法有精研(lap)研磨、化学机械研磨加工(CMP)等。
在优选的实施方式中，在压电性单晶基板与接合层之间具有中间层，中间层包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质，将接合层的表面与上述中间层的表面接合。这种情况下，优选将压电性单晶基板的表面与中间层直接接合。
在本实施方式中，压电性单晶基板的表面为面内均匀地形成了周期性的凹凸的面，其算术平均粗糙度Ra为0.05μm～0.5μm。由此，能够抑制与体波在界面处的反射相伴的寄生信号。在优选的实施方式中，从压电性单晶基板表面的最低谷底到最大山顶的高度Ry为0.5μm～5.0μm。具体的粗糙度依赖于弹性波的波长，可按能够抑制体波的反射适当地选择。
另外，粗糙面化加工的方法有研削、研磨、蚀刻、喷砂等。
另外，中间层的材质包括选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质。对中间层的成膜方法并无限定，能够例示溅射、化学气相沉积法(CVD)、蒸镀。
在优选的实施方式中，优选中间层的表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下，更优选为0.3nm以下。由此接合层与中间层的接合强度进一步提高。使中间层的表面平坦化的方法有精研(lap)研磨、化学机械研磨加工(CMP)等。
在优选的实施方式中，能够采用中性束使压电性单晶基板的表面活化。特别是在压电性单晶基板的表面为平坦面的情况下，能够将其表面直接接合于接合层。但是，在压电性单晶基板表面被粗糙面化的情况下，优选设置中间层来使其表面平坦化，并采用中性束进行活化。能够将该压电性单晶基板上的中间层的经活化的平坦面直接接合于支撑基板上的接合层。
另外，在优选的实施方式中，通过对接合层的平坦面照射中性束，使接合层的平坦面活化。
采用中性束进行表面活化时，优选使用专利文献4中记载的装置产生中性束，进行照射。即，作为束源，使用鞍域型的高速原子束源。然后，向腔室中导入不活泼气体，从直流电源向电极施加高电压。由此，利用在电极(正极)与壳体(负极)之间产生的鞍域型的电场，电子e运动并生成由不活泼气体产生的原子和离子的射束。在到达了栅格的射束中，离子束在栅格被中和，因此从高速原子束源射出中性原子的射束。构成射束的原子种优选不活泼气体(氩气、氮气等)。
采用射束照射进行活化时的电压优选为0.5～2.0kV，电流优选为50～200mA。
接下来，在真空气氛中，使活化面彼此接触并接合。此时的温度为常温，具体地，优选40℃以下，更优选30℃以下。另外，接合时的温度特别优选20℃～25℃。接合时的压力优选100～20000N。
对本发明的接合体的用途并无特别限定，例如能够适合应用于弹性波元件、光学元件。
作为弹性波元件，已知弹性表面波器件、兰姆波元件、薄膜谐振器(FBAR)等。例如，弹性表面波器件在压电性材料基板的表面设置了激发弹性表面波的输入侧的IDT(叉指式换能器，Interdigital Transducer)电极(也称为梳形电极、帘状电极)和接收弹性表面波的输出侧的IDT电极。如果对输入侧的IDT电极施加高频信号，则在电极间产生电场，激发弹性表面波，并在压电基板上传播。而且，从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极，能够将传播的弹性表面波作为电信号输出。
在压电性单晶基板的底面可具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波器件时，金属膜发挥增大压电基板的背面附近的机电耦合系数的职能。这种情况下，兰姆波元件成为如下结构：在压电性单晶基板的表面形成梳齿电极，利用在支撑基板设置的空腔，压电基板的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可列举出铝、铝合金、铜、金等。应予说明，制造兰姆波元件的情况下，可使用包括在底面不具有金属膜的压电性单晶基板的复合基板。
另外，在压电性单晶基板的底面可具有金属膜和绝缘膜。在制造薄膜谐振器作为弹性波器件时，金属膜发挥电极的职能。这种情况下，薄膜谐振器成为如下结构：在压电基板的表面和背面形成电极，通过使绝缘膜成为空腔，从而压电基板的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可列举出钼、钌、钨、铬、铝等。另外，作为绝缘膜的材质，例如可列举出二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。
另外，作为光学元件，能够例示光开关元件、波长变换元件、光调制元件。另外，在压电性材料基板中能够形成周期极化反转结构。
在将本发明应用于光学元件的情况下，可实现光学元件的小型化，另外，特别是在形成了周期极化反转结构的情况下，能够防止加热处理引起的周期极化反转结构的劣化。进而，本发明的接合层材料由于也是高绝缘材料，因此在接合前采用中性束进行处理时，抑制极化反转的发生，另外，几乎不会使在压电性单晶基板上形成的周期极化反转结构的形状紊乱。
实施例
(实施例A1)
按参照图1～图2说明的方法，制作接合体。
具体地，作为压电性单晶基板6，使用具有定向平面部(OF部)、直径为4英寸、厚度为250μm的钽酸锂基板(LT基板)。LT基板使用了将弹性表面波(SAW)的传播方向作为X、切出角为旋转Y切割板的46°Y切割X传播LT基板。对压电性单晶基板6的表面6a进行了镜面研磨以使算术平均粗糙度Ra成为0.3nm。
另外，作为支撑基板1，准备了具有OF部、直径为4英寸，厚度为230μm的莫来石基板。包含莫来石的支撑基板1的表面1a的算术平均粗糙度Ra为0.5nm，PV值为10nm。就算术平均粗糙度而言，采用原子间力显微镜(AFM)，对纵10μm×横10μm的正方形的视野进行了评价。
接下来，采用CVD法在支撑基板1的表面1a将1.0μm的包含莫来石的接合层2成膜。成膜后的Ra为2.0nm。接下来，对接合层2进行化学机械研磨加工(CMP)，使膜厚为0.1μm，使Ra为0.3nm。
接下来，对接合层3的平坦面3a和压电性单晶基板6的表面6a进行清洗，将污垢去除后，导入真空室。抽真空直至10-6多帕后，对各个基板的接合面照射120秒高速原子束(加速电压1kV、Ar流量27sccm)。接下来，使接合层3A的射束照射面(活化面)4与压电性单晶基板6的活化面6a接触后，以10000N加压2分钟，将两基板接合。
接下来，对压电性单晶基板6的表面6b进行了研削和研磨以使厚度从最初的250μm成为20μm(参照图2(b))。在研削和研磨工序中未能确认有接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法评价了接合强度，结果为1.4J/m2。
另外，进行了胶带剥离试验，结果在压电性单晶基板与接合层的界面、接合层与支撑基板的界面没有观察到剥离。其中，胶带剥离试验如下所述进行。
在晶片中形成2×2mm的正方形的狭缝。狭缝为贯穿压电单晶基板并进入到支撑基板的中途的深度。将试验用胶带粘贴于压电单晶基板。试验用胶带使用了JIS Z 1522中规定的胶粘带。用手指按压5秒后，以与基板垂直的方式用力拉扯胶带，将其剥离。
(实施例A2～A4和比较例A1～A4)
在实施例1中，通过改变支撑基板表面的加工中使用的磨石，如表1中所示改变支撑基板表面的Ra和PV值，得到了实施例A2～A4和比较例A1～A4的接合体。不过，在比较例A4中，将接合层的厚度改变为300nm。
对于得到的各接合体，进行了接合强度测定和胶带剥离试验。将结果示于表1中。
[表1]
(实施例B)
在实施例A1～A4、比较例A1～A3中，使接合层2的材质为氧化铝，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了各接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中未能确认有接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法得到的接合强度和胶带剥离试验的结果与实施例A1～A4、比较例A1～A3同等。
(实施例C)
在实施例A1～A4、比较例A1～A3中，使接合层2的材质为五氧化钽，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了各接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中未能确认有接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法得到的接合强度和胶带剥离试验的结果与实施例A1～A4、比较例A1～A3同等。
(实施例D)
在实施例A1～A4、比较例A1～A3中，使接合层2的材质为氧化钛，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了各接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中未能确认有接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法得到的接合强度和胶带剥离试验的结果与实施例A1～A4、比较例A1～A3同等。
(实施例E)
在实施例A1～A4、比较例A1～A3中，使接合层2的材质为五氧化铌，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了各接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中未能确认有接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法得到的接合强度和胶带剥离试验的结果与实施例A1～A4、比较例A1～A3同等。
(比较例F1)
在实施例A1中，使接合层2的材质为氮化硅，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中发生了接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法评价了接合强度，结果为0.6J/m2。
(比较例F2)
在实施例A1中，使接合层2的材质为氮化铝，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中发生了接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法评价了接合强度，结果为0.5J/m2。
(比较例F3)
在实施例A1中，使接合层2的材质为氧化硅，使用溅射法将接合层2成膜。除此以外，与实施例A1同样地制造了接合体。
其结果，在压电性单晶基板的研削和研磨工序中发生了接合部分的剥离。另外，采用裂纹张开法评价了接合强度，结果为0.1J/m2。

Claims (9)

1.一种接合体，其特征在于，具有：
包含陶瓷的支撑基板；
在所述支撑基板的表面设置的接合层，该接合层包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质；和，
与所述接合层接合的压电性单晶基板，
所述支撑基板的所述表面的算术平均粗糙度Ra为0.5nm～5.0nm。
2.如权利要求1所述的接合体，其特征在于，所述支撑基板包含选自由莫来石、堇青石和硅铝氧氮陶瓷构成的组中的材质。
3.如权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，所述接合层的表面与所述压电性单晶基板的表面直接接合。
4.如权利要求3所述的接合体，其特征在于，所述接合层的所述表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下，所述压电性单晶基板的所述表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下。
5.如权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，在所述压电性单晶基板与所述接合层之间具有中间层，所述中间层包含选自由莫来石、氧化铝、五氧化钽、氧化钛和五氧化铌构成的组中的一种以上的材质，所述接合层的表面与所述中间层的表面接合。
6.如权利要求5所述的接合体，其特征在于，在所述压电性单晶基板的表面上设置有所述中间层，所述压电性单晶基板的所述表面的算术平均粗糙度Ra为0.05μm～0.5μm。
7.如权利要求5或6所述的接合体，其特征在于，所述接合层的所述表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下，所述中间层的所述表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的接合体，其特征在于，所述压电性单晶基板包含铌酸锂、钽酸锂或铌酸锂-钽酸锂固溶体。
9.一种弹性波元件，其特征在于，包括：权利要求1～8中任一项所述的接合体、和在所述压电性单晶基板上设置的电极。
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