CN110463038A - 接合体和弹性波元件 - Google Patents

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Abstract

对于包括:包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板、压电性单晶基板和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层的接合体,提高接合层处的绝缘性,并且提高支撑基板与压电性单晶基板的接合强度。接合体5包括:支撑基板1、压电性单晶基板4和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层2A。接合层2A具有Si(1‑x)Ox(0.008≤x≤0.408)的组成。

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来平坦化,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来进行活化,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以上且50nm以下,从而获得应力缓和所产生的防开裂效果。
进而,在专利文献7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,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
专利文献7:日本特开2012-085286
发明内容
但是,根据接合体的用途,希望通过提高接合层处的电阻来提高绝缘性。例如,在弹性波元件的情况下,通过提高接合层的绝缘性,能够减少噪声、损失。但是,利用高电阻的接合层很难以高强度将支撑基板接合于压电性单晶基板,在后面的加工工序中在压电性单晶基板与支撑基板之间发生剥离。
本发明的课题在于:对于包括包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板、压电性单晶基板、和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层的接合体,提高接合层处的绝缘性,并且提高支撑基板与压电性单晶基板的接合强度。
本发明涉及的接合体的特征在于,包括:包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板、压电性单晶基板、和在上述支撑基板与上述压电性单晶基板之间设置的接合层,上述接合层具有Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)的组成。
另外,本发明涉及的弹性波元件的特征在于,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,对于包括:包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板、压电性单晶基板和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层的接合体,能够提高接合层处的绝缘性,并且提高支撑基板与压电性单晶基板的接合强度。
附图说明
图1中的(a)表示在包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板1上设置有接合层2的状态,(b)表示采用中性束A将接合层2的表面2b活化的状态,(c)表示采用中性束A将压电性单晶基板4的表面4a活化的状态。
图2中的(a)表示将压电性单晶基板4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4A变薄的状态,(c)表示在压电性单晶基板4A上设置了电极6的状态。
图3中的(a)表示在压电性单晶基板4的表面4a设置有接合层2的状态,(b)表示采用中性束A将接合层2A的表面2b活化的状态,(c)表示采用中性束A将支撑基板1的表面1a活化的状态。
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,在包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板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,如图1中的(b)所示,在接合层形成平坦面2b。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2A(参照图1(b))。不过,并非必须进行平坦化加工。接下来,如箭头A所示对接合层2A的表面2b照射中性束,将接合层2A的表面活化而成为活化面。
另一方面,如图1中的(c)所示,通过对压电性单晶基板4的表面照射中性束,进行活化而成为活化面4a。然后,如图2中的(a)所示,通过将压电性单晶基板4的活化面4a和接合层2A的活化面2b直接接合,得到接合体5。
在优选的实施方式中,对接合体5的压电性单晶基板4的表面4b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4A的厚度变小,得到接合体5A。4c为研磨面。
在图2的(c)中,通过在压电性单晶基板4A的研磨面4c上形成规定的电极6,制作弹性波元件7。
在图3的例子中,在压电性单晶基板4上设置接合层2,将其直接接合于支撑基板1的表面1a。
如图3中的(a)所示,在压电性单晶基板4的表面4a设置接合层2。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,如图3中的(b)所示,在接合层2形成平坦面2b。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2A(参照图3(b))。
不过,并非必须进行平坦化加工。接下来,如箭头A所示对接合层2A的表面2b照射中性束,将接合层2A的表面活化而成为活化面。
另一方面,如图3中的(c)所示,通过对支撑基板1的表面照射中性束而进行活化,成为活化面1a。然后,如图2中的(a)所示,通过将支撑基板1的活化面1a与接合层2A的活化面直接接合,得到接合体5(参照图2(a))。然后,如图2中的(b)和图2中的(c)所示,对接合体5的压电性单晶基板4的表面4b进一步进行研磨加工,通过在压电性单晶基板4A的研磨面4c上形成规定的电极6,制作弹性波元件7。
以下对本发明的各构成要素进行进一步说明。
本发明中,支撑基板1包含多晶陶瓷材料或单晶材料。作为构成支撑基板1的单晶材料,优选硅和蓝宝石。另外,作为多晶陶瓷材料,优选选自由莫来石、堇青石、透光性氧化铝和硅铝氧氮陶瓷构成的组中的材质。
就压电性单晶基板4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4的主面的法线方向并无特别限定,例如,在压电性单晶基板4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。在压电性单晶基板4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°)的方向的压电性单晶基板由于传播损失小,因此优选。进而,对压电性单晶基板4的大小并无特别限定,例如为直径50~150mm、厚度0.2~60μm。
本发明中,包括在支撑基板1与压电性单晶基板4、4A之间设置的接合层2、2A,接合层2、2A具有Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)的组成。该组成是与SiO2(对应于x=0.667)相比,氧比率相当低的组成。如果采用包含这样的组成的硅氧化物Si(1-x)Ox的接合层2、2A将压电性单晶基板4、4A接合于支撑基板1,则能够提高接合强度,并且也能够提高接合层2、2A处的绝缘性。
在构成接合层2、2A的Si(1-x)Ox的组成中,如果x低于0.008,则接合层2、2A处的电阻降低,没有获得所期望的绝缘性。因此,使x为0.008以上,优选0.010以上,更优选0.020以上,特别优选0.024以上。另外,如果x大于0.408,则接合强度降低,容易发生压电性单晶基板4、4A的剥离,因此使x为0.408以下,更优选使其为0.225以下。
接合层2、2A的电阻率优选为4.8×103Ω·cm以上,更优选为5.8×103Ω·cm以上,特别优选6.2×103Ω·cm以上。另一方面,接合层2、2A的电阻率一般成为1.0×108Ω·cm以下。
对接合层2、2A的厚度并无特别限定,从制造成本的观点出发,优选0.01~10μm,更优选0.05~0.5μm。
对接合层2、2A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。在此,特别优选在以Si为溅射靶的反应性溅射时,可通过调整流入腔室内的氧气量来控制接合层2、2A的氧比率(x)。
具体的制造条件取决于腔室规格,因此适当地选择,在优选例中,使总压为0.28~0.34Pa,使氧分压为1.2×10-3~5.7×10-2Pa,使成膜温度为常温。另外,作为Si靶,能够例示掺杂B的Si。如后所述,在接合层2、2A与支撑基板1的界面,以作为杂质的B(硼)量成为5×1018原子/cm3~5×1019原子/cm3程度的方式进行控制。由此能够更可靠地确保接合层2、2A处的绝缘性。
在优选的实施方式中,将接合层2、2A的表面2b与压电性单晶基板4的表面4a直接接合,或者将接合层2、2A的表面2b与支撑基板1的表面1a直接接合。这种情况下,优选接合层2、2A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4的上述表面4a、支撑基板1的表面1a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4或支撑基板1与接合层2、2A的接合强度进一步提高。
将接合层2、2A的表面2b、压电性单晶基板4、支撑基板1的表面4a、1a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,能够采用中性束使接合层2、2A的表面2b、压电性单晶基板4、支撑基板1的表面4a、1a活化。特别地,在接合层2、2A的表面2b、压电性单晶基板4的表面4a、支撑基板1的表面1a为平坦面的情况下,容易直接接合。
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℃以上且25℃以下。接合时的压力优选100~20000N。
对本发明的接合体5、5A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7,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单晶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4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4的表面4b、4c形成梳齿电极,利用在支撑基板1设置的空腔,压电性单晶基板4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4的复合基板。
另外,在压电性单晶基板4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:在压电性单晶基板4的表面和背面形成电极,通过使绝缘膜成为空腔,从而压电性单晶基板的金属膜露出。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,在压电性单晶基板4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2、2A的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4上形成的周期极化反转结构的形状紊乱。
实施例
(实验A)
按参照图2和图3说明的方法,制作表1、表2中所示的各例的接合体5、5A。
具体地,作为压电性单晶基板4,使用具有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4的表面4a进行了镜面研磨以使算术平均粗糙度Ra成为0.3nm。其中,对于Ra,采用原子间力显微镜(AFM),在10μm×10μm的视野中测定。
接下来,采用直流溅射法在压电性单晶基板4的表面4a将接合层2成膜。靶使用了掺杂硼的Si。另外,导入了氧气作为氧源。此时,通过使氧气导入量如表1、2中所示那样变化,使腔室内的气氛的总压和氧分压变化,由此使接合层2的氧比率(x)变化。使接合层2的厚度为100~200nm。接合层2的表面2a的算术平均粗糙度Ra为0.2~0.6nm。接下来,对接合层2进行化学机械研磨加工(CMP),使膜厚为80~190μm,使Ra为0.08~0.4nm。
另一方面,作为支撑基板1,准备了具有定向平面(0F)部、直径为4英寸、厚度为500μm的包含Si的支撑基板1。通过化学机械研磨加工(CMP)对支撑基板1的表面1a、1b进行精加工,各算术平均粗糙度Ra成为了0.2nm。
接下来,对接合层2A的平坦面2b和支撑基板1的表面1a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1a、2b照射120秒高速原子束(加速电压1kV、Ar流量27sccm)。接着,使接合层2A的射束照射面(活化面)2b与支撑基板1的活化面1a接触后,以10000N加压2分钟,将两基板1、4接合(参照图2(a))。接下来,在100℃下将得到的各例的接合体5加热了20小时。
接下来,对压电性单晶基板4的表面4b进行了研削和研磨以使厚度从最初的250μm成为1μm(参照图2(b))。
对于得到的各例的接合体5、5A,评价了以下的特性。
(接合层2A中的氧比率(x))
对于在压电性单晶基板4上成膜的接合层2A,采用卢瑟福背散射法在以下的条件下进行评价。
装置:National Electrostatics Corporation制Pelletron 3SDH
条件:入射离子:4He++
入射能量:2300keV
入射角:0~4度
散射角:110度
试样电流:10nA
射束直径:
面内旋转:无
照射量:70μC
另外,在上述的条件下,不仅对接合面2A所含有的氧比率,也对支撑基板1与接合层2A的界面、以及支撑基板1所含有的氧比率进行了评价。
(电阻率)
在以下的条件下测定了在压电性单晶基板41上成膜的接合层2A的电阻率(Ω·cm)。
装置:Hiresta-UX MCP-HT800高电阻电阻率计(Mitsubishi Chemical AnalytechCo.,Ltd.制造)
条件:探针J Box X型
施加电压:1000V
测定时间:10秒
如后述的表2中所示,在实施例6和实施例7中,采用四极型二次离子质量分析装置(D-SIMS)、在以下的条件下测定了在压电性单晶基板4上成膜的接合层2A的杂质量。
装置:PHI ADEPT 1010
条件:
一次离子种:O2+
一次加速电压:3.0kV
其结果,作为杂质检测出B(硼)。B量在实施例6中为7×1018原子/cm3,在实施例7中为8×1018原子/cm3
(接合强度)
对于各例的接合体5、5A,采用裂纹张开法测定了接合强度。不过,如果接合强度超过1.75J/m2,则在接合层2A附近不会发生剥离,而是接合体5、5A发生本体破坏。
(抛光后是否发生剥离)
对接合体5的压电性单晶基板4进行了抛光加工后,通过目视观察压电性单晶基板4A是否发生剥离。
将它们的测定结果示于表1、表2中。
[表1]
[表2]
由这些结果可知,如实施例1~9所示,在接合层2A的组成为本发明的范围内(x为0.008以上且0.408以下)时,接合强度高,抛光后未见剥离,并且电阻率高(电阻率为4.9×103Ω·cm以上且9.8×106Ω·cm以下)。
而在接合层2A的组成中,如比较例1所示,氧比率(x)低(x为0.0001以下)的情况下,接合层2A的电阻率降低(电阻率为2.3×102Ω·cm)。另一方面,如比较例2、3所示,在接合层2A的氧比率(x)高(x为0.418以上)的情况下,由于接合强度降低,因此没有发生本体破坏,另外也发生抛光后的剥离。
(实验B)
本实验B中,与实验A不同,如图1、图2所示,将接合层2在支撑基板1上成膜,而不是在压电性单晶基板4上成膜。
具体地,准备具有定向平面(OF)部、直径为4英寸、厚度为500μm的支撑基板1。不过,对于支撑基板1的材质,在实施例10中为Si,在实施例11中为莫来石,在实施例12中为硅铝氧氮陶瓷,在实施例13中为透光性氧化铝烧结体,在实施例14中为蓝宝石。通过化学机械研磨加工(CMP)对支撑基板1的表面1a、1b进行精加工,各表面的算术平均粗糙度Ra为0.3~1.0nm。
压电性单晶基板4与实验A相同。
接下来,与实验1A同样地在支撑基板1的表面1a形成了接合层2A。接下来,对接合层2A的平坦面2b和压电性单晶基板4的表面4a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)。接着,使接合层2A的射束照射面(活化面)2b与压电性单晶基板4的活化面4a接触后,以10000N加压2分钟,将两基板接合(参照图2(a))。接下来,在100℃下将得到的各例的接合体加热了20小时。
接下来,对压电性单晶基板4的表面4b进行了研削和研磨以使厚度从最初的250μm成为1μm(参照图2(b))。
对于得到的各例的接合体5A,评价了接合层2A中的氧比率(x)、电阻率、接合强度和抛光后是否发生剥离。将它们的测定结果示于表3中。
[表3]
由表3(实施例10~实施例14)和实施例6可知,在支撑基板1侧将接合层2A成膜的情况下,另外,在使用各种陶瓷基板作为支撑基板1的情况下,也能够提高接合层2A处的绝缘性,并且提高支撑基板1与压电性单晶基板4、4A的接合强度。
在上述的说明中,接合层2A设置于支撑基板1的表面1a或者压电性单晶基板4的表面4a。但是,并不限定于此,接合层2A可设置于预先设置了其他接合层(例如SiO2)的支撑基板1上(换言之,可在接合层2A与支撑基板1之间设置其他接合层)。另外,接合层2A也可设置于预先设置了其他接合层(例如SiO2)的压电性单晶基板4上(换言之,可在接合层2A与压电性单晶基板4之间设置其他接合层)。

Claims (7)

1.一种接合体,其特征在于,包括:
包含多晶陶瓷材料或单晶材料的支撑基板、
压电性单晶基板、和、
在所述支撑基板与所述压电性单晶基板之间设置的接合层,
所述接合层具有Si(1-x)Ox的组成,其中,0.008≤x≤0.408。
2.如权利要求1所述的接合体,其特征在于,所述接合层的电阻率为4.9×103Ω·cm以上。
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1或2所述的接合体,其特征在于,所述支撑基板的表面与所述接合层直接接合。
5.如权利要求1~4中任一项所述的接合体,其特征在于,所述支撑基板包含:选自由硅、蓝宝石、莫来石、堇青石、透光性氧化铝和硅铝氧氮陶瓷构成的组中的材质。
6.如权利要求1~5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。
7.一种弹性波元件,其特征在于,包括:如权利要求1~6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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