CN110945786A

CN110945786A - 接合体及弹性波元件

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Publication number: CN110945786A
Application number: CN201880047134.5A
Authority: CN
Inventors: 后藤万佐司; 多井知义; 箕浦舞
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: KR102218935B1; TW201921743A; CN110945786B; DE112018003633T5; JPWO2019039475A1; US10931256B2; DE112018003633B4; JP6507326B1; TWI699015B; KR20200024328A; US20200195218A1; WO2019039475A1

Abstract

本发明的课题是提供能够在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层的微结构。本发明的解决手段是提供能够在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层的微结构。接合体具备支撑基板及压电性材料层。支撑基板包含硅铝氧氮陶瓷。压电性材料层的材质为LiAO₃(A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素)。接合体具备：沿着支撑基板与压电性材料层之间的界面而存在的界面层及在界面层与支撑基板之间所存在的支撑基板侧中间层。界面层及支撑基板侧中间层分别以选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素、氮、氧、铝以及硅为主成分。

Description

接合体及弹性波元件

技术领域

本发明涉及特定的压电性材料层与包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板的接合体。

背景技术

已知移动电话等中所使用的能够作为滤光元件、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中提出了具备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键合(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，进行直接键合(等离子体活化法)。

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)。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(Fast Atom Beam)方式的直接键合法(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，实施直接键合。

另一方面，专利文献5中记载了将压电性单晶基板经由中间层直接键合于包含陶瓷(氧化铝、氮化铝、氮化硅)的支撑基板，而不是直接键合于硅基板。该中间层的材质为硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝。

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

发明内容

本发明的发明人特别是对将包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板牢固且稳定地接合于包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层进行了研究。其原因在于：在支撑基板上接合压电性材料层后，从特性上考虑优选对压电性材料层进行研磨加工使其变薄，但是，如果接合强度较低，则在该研磨加工时产生微细的剥离。

但是，在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固且稳定地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层是特别困难的。

本发明的课题在于：提供一种能够在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层的微结构。

本发明涉及一种接合体，其具备支撑基板及压电性材料层，

所述接合体的特征在于，

所述支撑基板包含硅铝氧氮陶瓷，

所述压电性材料层的材质为LiAO₃(A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素)，

所述接合体具备：沿着所述支撑基板与所述压电性材料层之间的界面而存在的界面层及在所述界面层与所述支撑基板之间所存在的支撑基板侧中间层，所述界面层及所述支撑基板侧中间层分别以选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素、氮、氧、铝以及硅为主成分。

另外，本发明涉及一种弹性波元件，其特征在于，具备：所述接合体、以及在所述压电性材料层上所设置的电极。

发明效果

根据本发明，成功地提供一种能够在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固且稳定地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层的微结构。

附图说明

图1中，(a)是表示本发明的实施方式所涉及的接合体1的示意图，(b)是表示接合体1的主要部分的放大图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的主要部分的照片。

图3是图2的照片的说明图。

图4中，(a)表示采用中性束A将压电性材料层2的表面2c活化的状态，(b)表示采用中性束A将支撑基板3的表面3c活化的状态。

图5中，(a)表示将压电性材料层2与支撑基板3接合的状态，(b)表示通过加工使压电性材料层2A变薄的状态，(c)表示在压电性材料层2A上设置了电极9的状态。

具体实施方式

以下，适当地参照附图，对本发明详细地进行说明。

本发明的接合体是具备支撑基板及压电性材料层的接合体，支撑基板包含硅铝氧氮陶瓷，压电性材料层的材质为LiAO₃(A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素)。例如，图1(a)所示的接合体1中，压电性材料层2的活化面2a直接键合于支撑基板3的活化面3a。应予说明，2b为压电性材料层2的主面，3b为支撑基板3的主面。

此处，将图1(a)的接合体的接合界面放大并以示意图的形式示于图1(b)。

本例中，沿着支撑基板3与压电性材料层2之间的界面而设置有界面层4，在界面层4与支撑基板3之间存在支撑基板侧中间层5，在界面层4与压电性材料层之间存在压电性材料层侧中间层10。界面层4、支撑基板侧中间层5及压电性材料层侧中间层10分别由以选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素、氮、氧、铝及钽为主成分的材质形成。

压电性材料层的材质为LiAO₃。此处，A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素。因此，LiAO₃可以为铌酸锂，也可以为钽酸锂，还可以为铌酸锂－钽酸锂固溶体。

支撑基板包含硅铝氧氮陶瓷。硅铝氧氮陶瓷为将氮化硅与氧化铝的混合物烧结而得到的陶瓷，具有如下组成。

Si_6－zAl_zO_zN_8－z

即，硅铝氧氮陶瓷具有在氮化硅中混合氧化铝得到的组成，z表示氧化铝的混合比率。z更优选为0.5以上。另外，z更优选为4.0以下。另外，硅铝氧氮陶瓷优选为烧结体，不过，制造方法没有特别限定。

从接合强度的观点考虑，本发明中使用的硅铝氧氮陶瓷的相对密度优选为95.5％以上，可以为100％。利用阿基米德法来测定相对密度。

此处，图1(b)、图2、图3中，各层的组成如下。

支撑基板3的组成：Si_6－zAl_zO_zN_8－z

压电性材料层2的组成：LiAO₃(A＝Ta、Nb)

并且，在将支撑基板3和压电性材料层2直接键合的阶段，通过控制各接合面的活化条件，而在两者的界面产生适度的原子扩散，由此能够生成本发明的界面层4及支撑基板侧中间层5。即，界面层及支撑基板侧中间层分别以选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)、氮(N)、氧(O)、铝(Al)及硅(Si)为主成分。这说明选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)从压电性材料层2朝向支撑基板3侧扩散。另外，说明氮(N)、铝(Al)及硅(Si)从支撑基板3(Si_6－zAl_zO_zN_8－z)朝向压电性材料层(LiAO₃)扩散。

通过上述微结构，发现能够在包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板上牢固且稳定地接合包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料层。

应予说明，“以选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)、氮(N)、氧(O)、铝(Al)及硅(Si)为主成分”是指：在使全部原子比率为100原子％时，这些原子的原子比率的合计为93原子％以上，更优选为95原子％以上。

本发明的发明人进一步对它们的组成详细地进行了研究，结果进一步判明如下。即，发现：在界面层4中的氮比率高于支撑基板侧中间层5中的氮比率的情况下，接合强度特别显著地提高，且在接合界面以外的部分容易发生主体破坏。

其理由尚不明确。由于氮(N)原子从支撑基板朝向压电性材料层2扩散，所以支撑基板侧中间层5中的硅比率通常应高于界面层4中的硅比率。但是，支撑基板侧中间层及界面层非常薄，各接合面的活化状态使得硅的扩散更容易进行，因此，认为硅更集中地扩散至稍微远离支撑基板3的界面层4。并且，在发生了上述扩散的情况下，发现接合强度明显提高。

优选的实施方式中，例如图2、图3所示，界面层4及压电性材料层侧中间层10亮，支撑基板侧中间层5暗。其中，该照片是透射型电子显微镜的明场像，在以下的条件下拍摄得到。

测定装置：

使用透射型电子显微镜(日本电子制JEM－ARM200F)来观察微结构。

测定条件：

针对利用FIB(聚焦离子束)法薄片化的样品，以加速电压200kV进行观察。

本发明中，如下确定支撑基板、支撑基板侧中间层、界面层、压电性材料层侧中间层、压电性材料层的各原子比率。

测定装置：

使用元素分析装置(日本电子制JED－2300T)进行元素分析。

测定条件：

针对利用FIB(聚焦离子束)法薄片化的样品，以加速电压200kV、X射线取出角21.9°、立体角0.98sr、采集时间30秒进行分析。

测定值的处理：

在压电性材料层、压电性材料层侧中间层、界面层、支撑基板侧中间层及支撑基板的各部分测定选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)、氮(N)、氧(O)、铝(Al)、硅(Si)及氩(Ar)的原子比率。元素(A)的原子比率为Ta与Nb的合计量。此时，在各部分，按所述元素比率的合计为100原子％进行调整，计算出各原子的原子比率(原子％)。

接下来，将支撑基板中的氮(N)、铝(Al)、硅(Si)的原子比率换算为100，与其相对应地计算出其他各层中的氮(N)、铝(Al)、硅(Si)的原子比率。这成为表示氮(N)、铝及硅从支撑基板朝向各层扩散的程度的指标。压电性材料层中，氮(N)、铝(Al)、硅(Si)的原子比率为0。

另一方面，将压电性材料层中的选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)的原子比率换算为100，与其相对应地计算出各层中的元素(A)的原子比率。这成为表示元素(A)从压电性材料层朝向各层扩散的程度的指标。支撑基板中，元素(A)的原子比率为0。

本发明中，界面层中的氮比率可以低于支撑基板侧中间层中的氮比率。不过，在这种情况下，界面层中的氮比率与支撑基板侧中间层中的氮比率之差优选为11以下，更优选为10以下。另外，优选的实施方式中，使界面层中的氮比率高于支撑基板侧中间层中的氮比率。从该观点考虑，界面层中的氮比率与支撑基板侧中间层中的氮比率之差优选为2以上，更优选为7以上。

优选的实施方式中，通过使将支撑基板中的氮比率设为100时的界面层中的氮比率为51以上93以下，能够使接合强度进一步提高。从该观点考虑，优选使将支撑基板中的氮比率设为100时的界面层中的氮比率为60以上84以下，更优选为68以上76以下。

优选的实施方式中，优选使将支撑基板中的氮比率设为100时的支撑基板侧中间层中的氮比率为50以上67以下，更优选为56以上61以下。

优选使将支撑基板中的氮比率设为100时的压电性材料层侧中间层中的氮比率为25以上50以下，更优选为27以上43以下。另外，压电性材料层侧中间层中的氮比率优选低于界面层中的氮比率，两者之差优选为25以上。

优选使将支撑基板中的氧比率设为100时的支撑基板侧中间层中的氧比率为102以上130以下，更优选为111以上117以下。

优选使将支撑基板中的氧比率设为100时的界面层中的氧比率为130以上180以下，更优选为148以上165以下。

优选使将支撑基板中的氧比率设为100时的压电性材料层侧中间层中的氧比率为198以上230以下，更优选为202以上208以下。

优选使将支撑基板中的铝比率设为100时的支撑基板侧中间层中的铝比率为80以上98以下，更优选为87以上88以下。

优选使将支撑基板中的铝比率设为100时的界面层中的铝比率为29以上51以下，更优选为39以上41以下。

优选使将支撑基板中的铝比率设为100时的压电性材料层侧中间层中的铝比率为16以上29以下，更优选为17以上19以下。

优选使将支撑基板中的硅比率设为100时的支撑基板侧中间层中的硅比率为80以上120以下，更优选为97以上110以下。

优选使将支撑基板中的硅比率设为100时的界面层中的硅比率为1以上20以下，更优选为1以上3以下。

选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素(A)从压电性材料层朝向支撑基板扩散。因此，在将压电性材料层中的元素(A)的原子比率设为100时，界面层中的元素(A)的原子比率优选为85～97，更优选为90～92。另外，支撑基板侧中间层界面层中的元素(A)的原子比率优选为4～29，更优选为6～11。

另外，支撑基板侧中间层中的元素(A)的原子比率通常低于界面层中的元素(A)的原子比率。

例如，界面层中的氩(Ar)等载气的原子比率优选为2～4原子％。另外，支撑基板侧中间层中的氩(Ar)等载气的原子比率优选为2～5原子％。另外，压电性材料层侧中间层中的氩(Ar)等载气的原子比率优选为4～8原子％。

以下，对本发明的接合体的优选制造例进行说明。

图4～图5是用于说明将支撑基板直接键合于压电性材料层的表面的制造例的示意图。

如图4(a)所示，如箭头A所示对压电性材料层2的表面2c照射中性束，将压电性材料层2的表面活化而成为活化面。

另一方面，如图4(b)所示，通过对支撑基板3的表面3c照射中性束A进行活化，得到形成有活化面的支撑基板。接下来，如图5(a)所示，通过将压电性材料层2的活化面2a和支撑基板3的活化面3a直接键合，得到接合体1。

优选的实施方式中，对接合体1的压电性材料层2的表面2b进一步进行研磨加工，如图5(b)所示，使压电性材料层2A的厚度变小，得到接合体7。2d为研磨面。

图5(c)中，通过在压电性材料层2A的研磨面2d上形成规定的电极9，制作弹性波元件8。

以下，对本发明的各构成要素进一步进行说明。

本发明的接合体的用途没有特别限定，例如可优选应用于弹性波元件及光学元件。

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层的表面设置了激发弹性表面波的输入侧的IDT(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性材料层上传播。并且，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。

在压电性材料层的底面可以具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波器件时，金属膜发挥出使压电性材料层的背面附近的机电耦合系数变大的作用。在这种情况下，兰姆波元件成为如下结构：在压电性材料层的表面形成梳齿电极，利用在支撑基板设置的腔体，压电性材料层的金属膜暴露出来。作为这样的金属膜的材质，例如可以举出：铝、铝合金、铜、金等。应予说明，在制造兰姆波元件的情况下，可以使用具备在底面不具有金属膜的压电性材料层的复合基板。

另外，在压电性材料层的底面可以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，金属膜发挥出电极的作用。在这种情况下，薄膜谐振器成为如下结构：在压电性材料层的表面和背面形成电极，通过使绝缘膜成为腔体，从而压电性材料层的金属膜暴露出来。作为像这样的金属膜的材质，例如可以举出：钼、钌、钨、铬、铝等。另外，作为绝缘膜的材质，例如可以举出：二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。

另外，作为光学元件，可例示：光开关元件、波长转换元件、光调制元件。另外，在压电性材料层中能够形成周期极化反转结构。

本发明的对象为弹性波元件，在压电性材料层的材质为钽酸锂的情况下，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°)的方向的压电性材料层由于传播损失小，因此优选。

另外，在压电性材料层包含铌酸锂的情况下，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层由于传播损失小，因此优选。进而，压电性材料层的大小没有特别限定，例如直径为50～150mm，厚度为0.2～60μm。

为了得到本发明的接合体，优选以下方法。

首先，使压电性材料层、支撑基板的表面(接合面)平坦化，得到平坦面。此处，使各表面平坦化的方法有精研(lap)研磨、化学机械研磨加工(CMP)等。另外，优选使平坦面为Ra≤1nm，更优选使其为0.3nm以下。

接下来，对压电性材料层、支撑基板的表面进行清洗，以便除去研磨剂的残渣。表面的清洗方法有湿洗、干洗、刷洗等，为了简便且高效率地得到清洁表面，优选为刷洗。此时，特别优选：作为清洗液使用SemiClean M－LO，然后，使用丙酮与IPA的混合溶液利用刷洗机进行清洗。

接下来，通过对压电性材料层、支撑基板的表面照射中性束，使粘接层的平坦面活化。

在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，使活化面之间接触并接合。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25℃以下。接合时的压力优选100～20000N。

实施例

(比较例1)

按参照图4～图5说明的方法，得到接合体。

具体地，准备了具有定向平面部(OF部)、直径为4英寸、厚度为250μm的包含钽酸锂(LT)的压电性材料层2。压电性材料层2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。对压电性材料层2的表面2c进行了镜面研磨以使算术平均粗糙度Ra成为1nm。

另外，作为支撑基板3，准备了具有OF部、直径为4英寸、厚度为230μm的硅铝氧氮陶瓷基板。该硅铝氧氮陶瓷的组成用Si_6－zAl_zO_zN_8－z(z＝2.5)表示。包含硅铝氧氮陶瓷的支撑基板3的表面3c的算术平均粗糙度Ra为2nm。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，利用刷洗机对支撑基板3进行清洗。清洗液使用SemiClean M－LO，然后，使用丙酮与IPA的混合溶液。接下来，将支撑基板3和压电性材料层2导入至真空腔室。抽真空直至10^-6多帕后，对各基板的接合面照射120秒高速原子束(加速电压0.5kV、Ar流量27sccm)。接下来，使压电性材料层2的射束照射面(活化面)2a和支撑基板3的活化面3a接触后，以10000N加压2分钟，将两个基板接合(图5(a))。

对于得到的接合体，测定压电性材料层、压电性材料层侧中间层、界面层、支撑基板侧中间层、支撑基板中的氮(N)、氧(O)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、氩(Ar)的各原子比率，将结果示于表1。

应予说明，比较例1中，由于界面层不含硅，所以不在本发明的范围内。

另外，对于得到的接合体，利用裂纹张开法评价接合强度，结果为0.5J/m²。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削及研磨以使厚度从最初的250μm变为30μm。在磨削及研磨工序中，发生了接合部分的剥离。

表1

比较例1

(实施例1)

与比较例1同样地制造接合体。不过，将接合时向基板的接合面照射的高速电子束的加速电压变更为0.6kV。

对于得到的接合体，测定压电性材料层、界面层、支撑基板侧中间层、支撑基板中的氧(O)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、氩(Ar)的各原子比率，将结果示于表2。

表2

实施例1

另外，对于得到的接合体，利用裂纹张开法评价接合强度，结果为0.75J/m²。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削及研磨以使厚度从最初的250μm变为30μm。在磨削及研磨工序中，没有发生接合部分的剥离。接下来，进行磨削及研磨以使其为20μm，结果，在磨削及研磨工序中，发生了接合部分的剥离。

(实施例2～4)

与比较例1同样地制造接合体。不过，关于接合时向基板的接合面照射的高速电子束的加速电压，在实施例2中变更为1.0kV，在实施例3中变更为1.2kV，在实施例4中变更为1.5kV。

对于得到的接合体，测定压电性材料层、压电性材料层侧中间层、界面层、支撑基板侧中间层、压电性材料层侧中间层、支撑基板中的氮(N)、氧(O)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、氩(Ar)的各原子比率，将结果示于表3、表4、表5。

另外，对于得到的接合体，利用裂纹张开法评价接合强度，结果均发生了主体破坏。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削及研磨以使厚度从最初的250μm变为20μm。在磨削及研磨工序中，没有发生接合部分的剥离。

表3

实施例2

表4

实施例3

表5

实施例4

Claims

1.一种接合体，其具备支撑基板及压电性材料层，

所述接合体的特征在于，

所述支撑基板包含硅铝氧氮陶瓷，

所述压电性材料层的材质为LiAO₃，其中，A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素，

2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，

所述界面层中的氮比率高于所述支撑基板侧中间层中的氮比率。

3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，

将所述支撑基板中的氮比率设为100时的所述界面层中的氮比率为51以上93以下。

4.根据权利要求3所述的接合体，其特征在于，

将所述支撑基板中的氮比率设为100时的所述界面层中的氮比率为60以上84以下。

5.根据权利要求4所述的接合体，其特征在于，

将所述支撑基板中的氮比率设为100时的所述界面层中的氮比率为68以上76以下。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的接合体，其特征在于，

构成所述支撑基板的硅铝氧氮陶瓷的组成由Si_6－zAl_zO_zN_8－z表示，其中，z为0.5以上4.0以下。

7.一种弹性波元件，其特征在于，具备：

权利要求1～6中的任意一项所述的接合体、以及在所述压电性材料层上所设置的电极。