CN110945787A

CN110945787A - 接合体以及弹性波元件

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Publication number: CN110945787A
Application number: CN201880047171.6A
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: JP2019140697A; DE112018003634B4; TWI692463B; WO2019039474A1; CN110945787B; US20200195217A1; JPWO2019039474A1; US11637541B2; KR102413290B1; KR20200028478A; JP6563616B2; TW201920049A; JP6708773B2; DE112018003634T5

Abstract

提供一种能够将由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层牢固地接合于由莫来石构成的支撑基板上的微结构。作为解决方案，提供一种具备支撑基板(3)以及压电性材料层(2)的接合体(1)。支撑基板(3)由莫来石构成，压电性材料层(2)的材质为LiAO₃，其中，A为选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素。具备：沿着支撑基板(3)与压电性材料层(2)之间的界面而存在的界面层(4)、以及存在于界面层(4)与支撑基板(3)之间的支撑基板侧中间层(5)。界面层(4)以及支撑基板侧中间层(5)分别以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素、氧、铝和硅作为主成分。

Description

接合体以及弹性波元件

技术领域

本发明涉及一种特定的压电性材料层与由莫来石构成的支撑基板的接合体。

背景技术

已知有：能够作为移动电话等所使用的滤波器元件、或振荡器而发挥作用的弹性表面波器件、以及使用了压电薄膜的兰姆波元件、或薄膜谐振器(FBAR：Film BulkAcoustic Resonator)等弹性波器件。作为这种弹性波器件，已知有：将支撑基板与能够传播弹性表面波的压电基板进行贴合，在压电基板的表面设置了能够激发弹性表面波的梳形电极的弹性波器件。这样，将具有比压电基板热膨胀系数还要小的热膨胀系数的支撑基板粘贴于压电基板，由此来抑制：温度变化时的压电基板的大小变化，从而抑制：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：利用含有环氧粘接剂的粘接层而将压电基板与硅基板进行贴合而成的结构的弹性表面波器件。

在此，众所周知，在将压电基板与硅基板进行接合时，在压电基板表面形成出氧化硅膜，经由氧化硅膜而将压电基板与硅基板进行直接接合(专利文献2)。在进行该接合时，对氧化硅膜表面和硅基板表面照射等离子体束，使表面活化，从而进行直接接合(等离子体活化法)。

另外，众所周知，将压电基板的表面制成粗糙面，在该粗糙面上设置填充层，来进行平坦化，将该填充层经由粘接层而粘接于硅基板(专利文献3)。在该方法中，在填充层、粘接层使用了环氧系、丙烯酸系的树脂，并将压电基板的接合面制成粗糙面，由此来抑制体波的反射，从而减少寄生信号。

另外，所谓的FAB(快原子束、Fast Atom Beam)方式的直接接合法是众所周知的(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而直接接合于由陶瓷(氧化铝、氮化铝、氮化硅)构成的支撑基板，而并非接合于硅基板。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

本发明人特别研究了：将由莫来石构成的支撑基板牢固且稳定地接合于由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层。这是因为，从特性的方面考虑，希望在支撑基板上接合压电性材料层之后，再对压电性材料层进行较薄地研磨加工，但是，当接合强度较低时，就会在该研磨加工时会产生出微细的剥离。

但是，将由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层能够牢固且稳定地接合于由莫来石构成的支撑基板上是很困难的事情。

本发明的课题在于，提供一种能够将由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层牢固地接合于由莫来石构成的支撑基板上的微结构。

本发明是具备支撑基板以及压电性材料层的接合体，其特征在于，

所述支撑基板由莫来石构成，

所述压电性材料层的材质为LiAO₃，其中，A为：选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素，

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、以及存在于所述界面层与所述支撑基板之间的支撑基板侧中间层，所述界面层和所述支撑基板侧中间层分别是以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素、氧、铝和硅作为主成分。

发明效果

根据本发明，成功地提供了一种能够将由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层牢固地接合于由莫来石构成的支撑基板上的微结构。

附图说明

图1(a)是示出了本发明的实施方式的接合体1的示意图，(b)是示出了接合体1的主要部分的放大图。

图2是示出了本发明的实施方式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(a)示出了利用中性束A而使压电性材料层2的表面2c活化的状态，(b)示出了利用中性束A而使支撑基板3的表面3c活化的状态。

图5(a)示出了将压电性材料层2与支撑基板3进行接合的状态，(b)示出了通过加工而使压电性材料层2A变薄的状态，(c)示出了在压电性材料层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，对本发明进行详细说明。

本发明的接合体是：具备支撑基板以及压电性材料层的接合体，支撑基板由莫来石构成，压电性材料层的材质为LiAO₃，其中，A为选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素。例如，在图1的(a)所示的接合体1中，压电性材料层2的活化面2a被直接接合于支撑基板3的活化面3a。另外，2b是压电性材料层2的主面，3b是支撑基板3的主面。

此处，将图1的(a)的接合体的接合界面进行放大，并在图1的(b)中以示意图的形式予以示出。

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之间存在有支撑基板侧中间层5。界面层4和支撑基板侧中间层5分别是由下述的材质来构成的，即，该材质是以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素、氧、铝和硅作为主成分的。

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

支撑基板由莫来石构成。莫来石是由具有3Al₂O₃·2SiO₂(Al₆O₁₃Si₂)的组成的莫来石晶体构成的陶瓷。莫来石优选为烧结体，但制法没有特别限定。

从接合强度的观点考虑，本发明所使用的莫来石的相对密度优选为99.5％以上，也可以为100％。相对密度通过阿基米德法来测定。另外，从接合强度的观点考虑，莫来石的纯度优选为98％以上，进一步优选为99％以上。

此处，在图1的(b)、图2中，各层的组成如下。

支撑基板3的组成：Al₆O₁₃Si₂

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进行直接接合的阶段，通过控制各接合面的活化条件，而在两者的界面产生出适度的原子扩散，由此能够生成本发明的界面层4和支撑基板侧中间层5。即，界面层和支撑基板侧中间层分别是以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素(A)、氧(O)、铝(Al)和硅(Si)为主成分。这就表示：选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素(A)从压电性材料层2向支撑基板3侧扩散。另外，还表示：铝(Al)和硅(Si)从支撑基板3(Al₆O₁₃Si₂)向压电性材料层(LiAO₃)扩散。

由此发现：通过这种微结构，能够将由铌酸锂和/或钽酸锂构成的压电性材料层牢固且稳定地接合于由莫来石构成的支撑基板上。

此外，“以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素(A)、氧(O)、铝(Al)和硅(Si)为主成分”是指：将总原子比率设定为100原子％时，这些原子的原子比率的合计为95原子％以上，进一步优选为97原子％以上。

本发明人进一步对这些组成进行了详细研究，结果得到了如下判断。即，发现了在界面层4中的硅比率高于支撑基板侧中间层5中的硅比率的情况下，接合强度特别显著地得到提高，在接合界面以外的部分容易产生主体破坏。

其原因尚未明了。硅(Si)原子从支撑基板向压电性材料层2扩散，因此，支撑基板侧中间层5中的硅比率通常应该高于界面层4中的硅比率。但是，支撑基板侧中间层和界面层非常薄，根据各接合面的活化状态，容易进行硅的扩散，因此，可以认为硅的扩散更加集中于稍微远离支撑基板3的界面层4。并且发现了：在产生了这样扩散的情况下，接合强度特别地提高。

在优选的实施方式中，例如，如图2、图3所示，界面层4较亮，支撑基板侧中间层5较暗。其中，该照片是透射型电子显微镜的明视野图像，其是在以下的条件下进行拍摄而得到的。

测定装置：

使用透射型电子显微镜(日本电子制JEM-ARM200F)，进行微结构观察。

测定条件：

针对于利用FIB(聚焦离子束)法而进行了薄片化的样品，以加速电压200kV来进行观察。

在本发明中，支撑基板、支撑基板侧中间层、界面层、压电性材料层的各原子比率如下决定。

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：

针对于利用FIB(聚焦离子束)法而进行了薄片化的样品，以加速电压200kV、X射线取出角21.9°、立体角0.98sr、读取时间30秒来进行分析。

测定值的处理：

在压电性材料层、界面层、支撑基板侧中间层、以及支撑基板的各部分，来测定：选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素(A)、氧(O)、铝(Al)、硅(Si)和氩(Ar)的原子比率。元素(A)的原子比率为Ta和Nb的总量。此时，在各部分中，调整为：所述元素比率的合计为100原子％，来计算各原子的原子比率(原子％)。

接着，将支撑基板中的铝(Al)、硅(Si)的原子比率换算为100，据此来算出：其它各层中的铝(Al)、硅(Si)的原子比率。这是：表示铝和硅从支撑基板向各层扩散的程度的指标。在压电性材料层中，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和钽构成的组中的一种以上的元素(A)的原子比率换算为100，据此来算出：各层中的元素(A)的原子比率。这是：表示元素(A)从压电性材料层向各层扩散的程度的指标。在支撑基板中，元素(A)的原子比率为0。

在优选的实施方式中，将支撑基板中的硅比率设定为100时，界面层中的硅比率为41以上。通过使之为41以上，接合强度进一步得到提高。从该观点考虑，优选使界面层中的硅比率为51以上，进一步优选为61以上。

另外，在优选的实施方式中，将支撑基板中的硅比率设定为100时，界面层中的硅比率为98以下。界面层中的硅比率优选为89以下，进一步优选为79以下。

在本发明中，界面层中的硅比率也可以低于支撑基板侧中间层中的硅比率。但是，在该情况下，将支撑基板中的硅比率设定为100时，界面层中的硅比率与支撑基板侧中间层中的硅比率之差优选为21以下，进一步优选为12以下。另外，在优选的实施方式中，使界面层中的硅比率高于支撑基板侧中间层中的硅比率。在该情况下，界面层中的硅比率与支撑基板侧中间层中的硅比率之差优选为19以上，进一步优选为38以上。

在优选的实施方式中，支撑基板侧中间层中的铝比率高于支撑基板中的铝比率。这意味着：在支撑基板侧中间层中，铝(Al)从支撑基板扩散时呈局部集中。在该情况下，特别存在着接合强度提高的倾向。

从这样的观点考虑，在将支撑基板中的铝比率设定为100时，优选使支撑基板侧中间层中的铝比率为105以上，进一步优选为112以上。另外，实际上，支撑基板侧中间层中的铝比率多为116以下。

在将支撑基板中的铝比率设定为100时，从接合强度的观点考虑，界面层中的铝比率优选为31以上，另外，通常多为45以下。另外，优选界面层中的铝比率低于支撑基板侧中间层中的铝比率。

选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素(A)从压电性材料层向支撑基板扩散。因此，在将压电性材料层中的元素(A)的原子比率设定为100时，界面层中的元素(A)的原子比率优选为50～90，进一步优选为60～88。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6～30，进一步优选为16～23。

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1.8～2.5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0.1～0.5原子％。

以下，对本发明的接合体的优选的制造例进行说明。

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

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

另一方面，如图4的(b)所示，通过向支撑基板3的表面3c照射中性束A而活化，得到：形成有活化面的支撑基板。接着，如图5的(a)所示，通过将压电性材料层2的活化面2a与支撑基板3的活化面3a进行直接接合，来得到接合体1。

在优选的实施方式中，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的(b)所示，减小压电性材料层2A的厚度，得到接合体7。2d是研磨面。

在图5的(c)中，通过在压电性材料层2A的研磨面2d上形成有规定的电极9，来制作弹性表面波元件8。

以下，进一步说明本发明的各构成要素。

本发明的接合体的用途并不特别限定，例如，可以合适地适用于弹性波元件、光学元件。

作为弹性波元件，已知有弹性表面波器件、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有：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)、以及接收弹性表面波的输出侧的IDT电极。如果对输入侧的IDT电极外加高频信号，就会在电极间产生出电场，激发弹性表面波，并在压电性材料层上传播。而且，从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极，能够将传播来的弹性表面波作为电信号输出。

即便在压电性材料层的底面也可以可具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波器件时，金属膜发挥：增大压电性材料层的背面附近的机电耦合系数的作用。该情况下，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空腔，压电性材料层的金属膜呈露出。作为这样的金属膜的材质，例如，可列举出铝、铝合金、铜、金等。另外，制造兰姆波元件的情况下，可使用：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，即便在压电性材料层的底面也可以可具有金属膜和绝缘膜。在制造薄膜谐振器来作为弹性波器件时，金属膜发挥电极的作用。该情况下，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，通过使绝缘膜成为空腔，压电性材料层的金属膜呈露出。作为这样的金属膜的材质，可以举出：例如，钼、钌、钨、铬、铝等。另外，作为绝缘膜的材质，可以举出：例如，二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。

另外，作为光学元件，可示例出：光开关元件、波长转换元件、光调制元件。另外，可以在压电性材料层中，形成出周期极化反转结构。

本发明的对象是弹性波元件，压电性材料层的材质为钽酸锂的情况下，如果使用以弹性表面波的传播方向亦即X轴为中心、从Y轴向Z轴旋转36°～47°(例如42°)的方向的材料，传播损耗较小，故而优选。

另外，在压电性材料层由铌酸锂构成的情况下，如果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60°～68°(例如64°)的方向的材料，传播损耗较小，故而优选。进一步，压电性材料层的尺寸没有特别限定，例如直径为50～150mm，厚度为0.2～60μm。

为了得到本发明的接合体，以下的方法为优选。

首先，使压电性材料层、支撑基板的表面(接合面)平坦化而得到平坦面。此处，使各表面平坦化的方法有抛光(lap)研磨、化学机械研磨加工(CMP)等。另外，平坦面优选为Ra≤1nm，进一步优选为0.3nm以下。

接着，为了除去研磨剂的残渣，对压电性材料层、支撑基板的表面进行清洗。清洗表面的方法有湿式清洗、干式清洗、擦洗等，为了简便且有效地得到清洁表面，优选为擦洗。此时，特别优选为：使用SemiClean M-LO作为清洗液后，又使用丙酮和IPA的混合溶液用擦洗机来进行清洗。

接着，通过向压电性材料层、支撑基板的表面照射中性束，从而使平坦的各表面活化。

利用中性束进行表面活化时，优选为：使用专利文献4中记载的装置，产生中性束，来进行照射。即，作为束源，使用鞍域型的高速原子束源。然后，向腔室中导入惰性气体，从直流电源向电极外加高电压。由此，利用在电极(正极)与壳体(负极)之间产生出的鞍域型的电场，电子e进行运动，并生成由惰性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为惰性气体(氩气、氮气等)。

利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。

接着，在真空气氛中，使活化面彼此接触并进行接合。此时的温度为常温，具体地，优选为40℃以下，进一步优选为30℃以下。另外，进行接合时的温度特别优选为20℃以上且25℃以下。进行接合时的压力优选为100～20000N。

实施例

(比较例1)

根据一边参照图4～图5一边所说明的方法，得到了接合体。

具体而言，准备了：具有定向平面部(OF部)、直径为4英寸、厚度为250μm的由钽酸锂(LT)构成的压电性材料层2。压电性材料层2使用了：以弹性表面波(SAW)的传播方向为X、切出角为旋转Y切割板的46°Y切割X传播LT基板。压电性材料层2的表面2c进行了镜面研磨，以使得算术平均粗糙度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的莫来石基板。由莫来石构成的支撑基板3的表面3c的算术平均粗糙度Ra为0.3nm。对于算术平均粗糙度而言，利用原子间力显微镜(AFM)，来对纵10μm×横10μm的正方形的视野进行了评价。

接着，对支撑基板3进行了擦洗。清洗液使用SemiClean M-LO后，又使用了丙酮和IPA的混合溶液。

在利用擦洗机清洗后，将支撑基板3和压电性材料层2导入到真空腔室。抽真空到10^-6Pa左右后，再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)。接着，使压电性材料层2的射束照射面(活化面)2a与支撑基板3的活化面3a接触后，以10000N加压2分钟，从而使两基板进行接合(图5的(a))。

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1。

另外，在比较例1中，由于界面层不含有硅，因此，为本发明的范围外。

另外，对于得到的接合体，通过裂纹张开法评价了接合强度，其结果为0.5J/m²。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削和研磨，使得厚度从最初的250μm变为30μm。在磨削和研磨工序中产生了接合部分的剥离。

[表1]

比较例1

(实施例1)

与比较例1同样地制造了接合体。但是，将在接合时对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，通过裂纹张开法评价了接合强度，其结果为0.75J/m²。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削和研磨，使得厚度从最初的250μm变为30μm。在磨削和研磨工序中未产生接合部分的剥离。接着，进行了磨削和研磨，直至变为20μm，在磨削和研磨工序中产生了接合部分的剥离。

(实施例2～4)

与比较例1同样地制造了接合体。但是，关于在接合时对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、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3、表4、表5。

另外，对于得到的接合体，通过裂纹张开法评价了接合强度，其结果，均发生了主体破坏。另外，对压电性材料层2的表面2b进行了磨削和研磨，使得厚度从最初的250μm变为20μm。在磨削和研磨工序中未产生接合部分的剥离。

[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，其是具备支撑基板以及压电性材料层的接合体，其特征在于，

所述支撑基板由莫来石构成，

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、以及存在于所述界面层与所述支撑基板之间的支撑基板侧中间层，

所述界面层和所述支撑基板侧中间层分别以选自由铌和钽构成的组中的一种以上的元素、氧、铝和硅作为主成分。

2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，所述界面层中的硅比率高于所述支撑基板侧中间层中的硅比率。

3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，将所述支撑基板的硅比率设定为100时，所述界面层中的硅比率为41以上且98以下。

4.根据权利要求3所述的接合体，其特征在于，将所述支撑基板的硅比率设定为100时，所述界面层中的硅比率为51以上且89以下。

5.根据权利要求4所述的接合体，其特征在于，将所述支撑基板的硅比率设定为100时，所述界面层中的硅比率为61以上且79以下。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的接合体，其特征在于，所述支撑基板侧中间层中的铝比率高于所述支撑基板中的铝比率。

7.根据权利要求6所述的接合体，其特征在于，将所述支撑基板中的铝比率设定为100时，所述支撑基板侧中间层中的铝比率为112以上且116以下。

8.一种弹性波元件，其特征在于，其具备：权利要求1～7中任一项所述的接合体、以及设置在所述压电性材料层上的电极。