CN111066243B - 弹性波元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

针对在由多晶陶瓷构成的支撑基板上直接接合压电性材料基板这种类型的弹性波元件，提高弹性波元件的Q值。弹性波元件10具备：压电性材料基板1A；中间层2，所述中间层2设置于压电性材料基板1A上，并且由选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质构成；接合层3，所述接合层3设置于中间层2上，并且由选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、氧化铝、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质构成；支撑基板5，所述支撑基板5由多晶陶瓷构成，并与接合层3直接接合；以及电极9，所述电极9设置于压电性材料基板1A上。

Description

弹性波元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有压电性材料基板和由多晶陶瓷构成的支撑基板的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或振荡器发挥功能的表面弹性波元件、使用了压电薄膜的兰姆波元件或薄膜谐振器(FBAR：Film Bulk AcousticResonator)等弹性波元件。作为这样的表面弹性波元件，已知将支撑基板与传播弹性表面波的压电基板贴合、且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表面弹性波元件。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发生变化，抑制作为弹性表面波元件的频率特性发生变化。
在专利文献1中，将2个压电单晶基板重叠而直接接合从而得到接合体，并在接合体上设置电极，由此制造了表面弹性波元件。该直接接合是通过热处理进行的。
将硅基板直接接合于压电单晶基板的情况下，一般使用等离子体活化法。但是，在等离子体活化法中，为了在接合后提高强度而需要进行加热，若接合温度低则存在接合强度下降的倾向。但是，若提高接合温度，则容易因硅基板和压电基板的热膨胀系数的不同而产生破裂。
另一方面，已知有所谓的FAB(Fast Atom Beam)方式的直接接合法(专利文献2)。在该方法中，在常温下对各接合面照射中性化原子束而活化，从而进行直接接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-273691
专利文献2：日本特开2014-086400
发明内容
本发明人将专利文献1、2作为参考，尝试了在多晶陶瓷基板上接合压电性材料基板，并在其上设置电极来制造表面弹性波元件。但是，当实际制作元件时，观察到Q值下降，温度特性劣化的倾向。
本发明的课题在于，针对在由多晶陶瓷构成的支撑基板上直接接合压电性材料基板这种类型的弹性波元件，提高弹性波元件的Q值。
本发明的弹性波元件的特征在于，其具备：
压电性材料基板；
中间层，所述中间层设置于所述压电性材料基板上，并且由以下材质构成：即、选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质；
接合层，所述接合层设置于所述中间层上，并且由以下材质构成：即、选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、氧化铝、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质；
支撑基板，所述支撑基板由多晶陶瓷构成，并与所述接合层直接接合；以及
电极，所述电极设置于所述压电性材料基板上。
另外，本发明还涉及弹性波元件的制造方法，其特征在于，所述弹性波元件的制造方法具有以下工序：
在压电性材料基板上设置中间层的工序，所述中间层由以下材质构成：即、选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质；
在所述中间层上设置接合层的工序，所述接合层由以下材质构成：即、选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、氧化铝、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质；
通过对所述接合层的表面照射中性束来形成活化面的工序；
通过对由多晶陶瓷构成的支撑基板的表面照射中性束来形成活化面的工序；
将所述接合层的所述活化面和所述支撑基板的所述活化面直接接合的工序；以及
在所述压电性材料基板上设置电极的工序。
发明效果
针对在由多晶陶瓷构成的支撑基板上直接接合压电性材料基板这种类型的弹性波元件，本发明人对观察到弹性波元件的Q值下降的原因进行了研究。其结果，得到了以下见解。
即，作为目标的弹性波原本应该仅在压电性材料基板中传播。但是，对于在由多晶陶瓷构成的支撑基板上直接接合压电性材料基板这种类型的弹性波元件而言，沿着接合界面生成了微细的非晶质层，弹性波的一部分在该非晶质层中传播，并且进一步越过非晶质层而在支撑基板内也观察到传播弹性波在支撑基板中传播的倾向。其结果，观察到弹性波元件的Q值劣化的倾向。
因此，本发明人进行了下述尝试，即，在压电性材料基板上分别形成由上述特定种类的不同材质构成的中间层和接合层，并将该接合层与由多晶陶瓷构成的支撑基板直接接合。其结果，发现弹性波元件的Q值显著增加。
虽然其原因并不明确，但在如此得到的弹性波元件中，从压电性材料基板漏出的弹性波在中间层中以较高的效率传播，并且在所述中间层和由与中间层不同的材质构成的接合层的界面被隔断，在接合层中的传播量变少。由此认为，接合层和支撑基板的界面(尤其是非晶质层)处的传播、支撑基板中的传播得到抑制，因此Q值增加。
附图说明
图1(a)是表示压电性材料基板1的示意图，(b)是表示在压电性材料基板1上设置了中间层2以及接合层3的状态的示意图，(c)是表示对接合层3的表面3a进行了活化处理的状态的示意图。
图2(a)是表示支撑基板5的示意图，(b)是表示对支撑基板5的表面5a进行了活化处理的状态的示意图，(c)是表示将接合层3和支撑基板5直接接合后的状态的示意图。
图3(a)是表示通过加工使接合体8的压电性材料基板1A变薄后的状态的示意图，(b)是表示在压电性材料基板上1A设置了电极9的状态的示意图。
具体实施方式
以下，一边适当地参照附图一边对本发明进行详细说明。
如图1(a)所示，压电性材料基板1具有表面1a和1b。接着，如图1(b)所示，在压电性材料基板1的表面1a设置中间层2，在中间层2的表面2a上设置接合层3。接着，如图1(c)所示，对接合层3的表面3a，如箭头符号A那样照射中性束，使接合层3的表面活化而形成活化面4。
另一方面，如图2(a)所示，准备由多晶陶瓷构成的支撑基板5。支撑基板5具有一对表面5a、5b。接着，如图2(b)所示，对支撑基板5的一个表面5a，如箭头符号B那样照射中性束而活化，形成活化面6。并且，如图2(c)所示，将支撑基板5的活化面6和接合层3的活化面4直接接合，从而得到接合体7。
在优选的实施方式中，进一步对接合体7的压电性材料基板1的表面1b进行研磨加工，如图3(a)所示那样减小压电性材料基板1A的厚度。1c为研磨面。由此，得到接合体8。
在图3(b)中，在压电性材料基板1A的研磨面1c上形成规定的电极9，从而制作弹性波元件10。
以下，关于本发明的效果，一边参照图3一边进行进一步的补充。
弹性波原本应该仅在压电性材料基板1A中传播。但是，对于在由多晶陶瓷构成的支撑基板5上直接接合压电性材料基板1A这种类型的弹性波元件而言，沿着接合界面生成了微细的非晶质层，弹性波的一部分在该非晶质层中传播，并且进一步越过非晶质层而在支撑基板5内也观察到传播弹性波在支撑基板中传播的倾向。其结果，观察到弹性波元件的Q值劣化的倾向。
另一方面，根据本发明的弹性波元件10，在压电性材料基板1A上分别形成由所述特定种类的不同材质构成的中间层2和接合层3，并且该接合层3与由多晶陶瓷构成的支撑基板5直接接合。其结果，发现弹性波元件的Q值显著增加。
虽然其原因并不明确，但在如此得到的弹性波元件中，从压电性材料基板1A漏出的弹性波在中间层2中以较高的效率传播，并且在所述中间层2和由与中间层2不同的材质构成的接合层3的界面被隔断，在接合层3中的传播量变少。由此认为，接合层3和支撑基板5的界面(尤其是非晶质层)处的传播、支撑基板5中的传播得到抑制，因此Q值增加。
以下，进一步对本发明的各构成要素进行说明。
作为弹性波元件，已知弹性表面波元件、兰姆波元件、薄膜谐振器(FBAR)等。例如，弹性表面波元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(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。当对输入侧的IDT电极施加高频信号时，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，能够从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极，将所传播的弹性表面波作为电信号输出。
在压电性材料基板1A的底面可以具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波元件时，金属膜发挥增大压电基板的背面附近的机电耦合系数的作用。该情况下，兰姆波元件为如下结构：在压电基板的表面形成梳齿电极，利用在支撑基板设置的空腔，使得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。需要说明的是，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基板的复合基板。
另外，在压电性材料基板1A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元件时，金属膜发挥电极的作用。该情况下，薄膜谐振器为如下结构：在压电基板的表面和背面形成电极，通过使绝缘膜为空腔，使得压电基板的金属膜露出。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。
对于压电性材料基板1A的材质而言，具体地，能够示例出钽酸锂(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，因此适合作为高频率且宽带频率用的弹性表面波元件。另外，对压电性材料基板1A的主面的法线方向并无特别限定，例如，在压电性材料基板1A由LT构成时，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°)后的方向的压电性材料基板由于传播损失小，因此优选。在压电性材料基板1A由LN构成时，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°)后的方向的压电性材料基板由于传播损失小，因此优选。进而，对压电性材料基板的大小并无特别限定，例如直径为50～150mm，厚度为0.2～60μm。
支撑基板5由多晶陶瓷构成。作为优选，可以示例出选自由莫来石、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的材质。
另外，构成支撑基板5的陶瓷的相对密度优选为95％以上，也可以为100％。需要说明的是，相对密度通过阿基米德法来测定。
中间层2由选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质构成。通过夹着由这些材质构成的中间层2，可以提高弹性波的传播效率。
从抑制弹性波向接合层3以及支撑基板5侧漏出的观点出发，中间层2的厚度优选为0.25μm以上，进一步优选为0.5μm以上。另外，从成膜成本、基板的翘曲量的观点出发，中间层2的厚度优选为5.0μm以下。
在中间层2上设置接合层3。接合层3由以下材质构成：即、选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、氧化铝、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质。通过设置这种接合层3，容易抑制弹性波从中间层漏出。从这种观点出发，接合层的厚度优选为0.01μm以上；另外，优选为1.0μm以下。另外，高电阻硅是指体积电阻率为1000Ω·cm以上的硅。
另外，从增大Q值的观点出发，中间层的厚度/接合层的厚度优选为5～25，进一步优选为10～20。
接着，通过对由多晶陶瓷构成的支撑基板5的表面5a以及接合层3的表面3a照射中性束而将支撑基板5的表面5a以及接合层3的表面3a活化。该情况下，优选的是，可以分别将接合层3的表面3a、支撑基板5的表面5a平坦化而得到平坦面。在此，将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，平坦面必须为Ra≤1nm，进一步优选使其为0.3nm以下。
采用中性束进行表面活化时，优选使用专利文献2中记载的装置来产生中性束，并进行照射。即，作为束源，使用鞍域(saddle field)型的高速原子束源。然后，向腔室中导入非活性气体，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，使得电子e运动并生成由非活性气体产生的原子和离子的射束。在到达了栅的射束中，离子束在栅处被中和，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非活性气体(氩、氮等)。
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。
接着，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，具体而言，优选为40℃以下，进一步优选为30℃以下。另外，接合时的温度特别优选为20℃以上且25℃以下。接合时的压力优选为100～20000N。
在优选的实施方式中，沿着支撑基板5和接合层3的界面生成非晶质层。这种非晶质层多数为支撑基板5的材质和接合层3的材质的混合物或组合物。另外，构成用于表面活化时的中性束(氩、氮等)的原子种多数情况下作为组成存在。因此，该非晶质层以构成支撑基板5的原子、构成接合层3的原子和构成中性束的原子混合存在的方式形成。另外，非晶质层的厚度多数情况下为20nm以下。
这种非晶质层的存在可以如下确认。作为测定装置，使用透射型电子显微镜(日本电子制JEM-ARM200F)来进行微结构观察。此时，关于测定条件，利用FIB(聚焦离子束)法对薄片化的样品在200kv的加速电压的条件下进行观察。
实施例
(实施例A1)
一边参照图1～图3一边根据所说明的方法制作了图3(b)所示的弹性波元件10。
具体而言，作为压电性材料基板1，使用具有定位边部(OF部)、直径为4英寸、厚度为250μm的钽酸锂基板(LT基板)。另外，作为支撑基板5，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。LT基板使用了以弹性表面波(SAW)的传播方向为X、切出角旋转的Y切割板亦即46°Y切割X传播LT基板。对压电性材料基板1的表面1a和支撑基板5的表面5a进行了镜面研磨，以使算术平均粗糙度Ra成为1nm。对于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。
接着，在压电性材料基板1的表面1a，利用溅射法形成由氧化硅膜构成的厚度为0.5μm的中间层2。成膜后的算术平均粗糙度Ra为2nm。接着，在中间层2上，利用CVD法形成由五氧化钽构成的厚度为0.01μm的接合层3。成膜后的Ra为2.0nm。接着，对接合层3的表面进行化学机械研磨加工(CMP)，进行平坦化，使Ra为0.2nm。接着，支撑基板5亦即硅铝氧氮陶瓷基板不进行化学机械研磨加工(CMP)，而是使用0.5μm以下的超微细磨粒进行机械研磨加工，从而进行平坦化，使Ra为0.5nm以下。
接下来，对接合层3的表面3a和支撑基板5的表面5a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3的射束照射面(活化面)4与支撑基板5的活化面6接触后，以10000N加压2分钟，将两基板接合。因此，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面(换言之，沿着接合层3和支撑基板5的界面存在非晶质层)。
接着，对压电性材料基板1的表面1b进行磨削以及研磨，使厚度从当初的250μm变为3μm(参照图3(a))。在磨削以及研磨工序中未确认到接合部分的剥离。另外，利用裂纹张开(crack opening)法评价了接合强度，其结果为2.0J/m2。
接着，如图3(b)所示，在压电性材料基板1A的研磨面1c上设置电极9，制作了弹性波元件10。关于得到的元件10，测定了Q值和弹性波的波长λ。将结果示于表1。
(实施例A2～A5)
与实施例A1同样地制作了弹性波元件10。但是，如表1所示那样，对接合层3的厚度进行了变更(具体而言，关于接合层3的厚度，在实施例A2中为0.02μm，在实施例A3中为0.05μm，在实施例A4中为0.1μm，在实施例A5中为0.5μm。)。关于得到的元件10，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表1。需要说明的是，在实施例A2～A5中，与实施例A1同样，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面。
(比较例A1)
与实施例A1同样地制作了弹性波元件。但是，未设置接合层3而将中间层2的表面和支撑基板5的表面直接接合。关于得到的元件，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表1。需要说明的是，在比较例A1中，中间层2和支撑基板5之间成为接合界面。
(比较例A2)
与实施例A3(接合层的厚度为0.05μm)同样地制作了弹性波元件。但是，未将接合层3和支撑基板5直接接合。取而代之，将中间层2和压电性材料基板1A与实施例A3同样地直接接合。关于得到的元件，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表1。需要说明的是，在比较例A2中，中间层2和压电性材料基板1A之间成为接合界面。
(比较例A3)
与实施例A1同样地制作了弹性波元件。但是，未设置接合层3。另外，将中间层2和压电性材料基板1A与实施例A1同样地直接接合。关于得到的元件，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表1。需要说明的是，在比较例A3中，中间层2和压电性材料基板1A之间成为接合界面。
【表1】
Figure BDA0001987672020000101
由表1可知，在本发明的实施例A1～A5中，Q值相对较高(Q值：1100～2500)。与此相对，在比较例A1～A3中，Q值明显低于实施例A1。
作为其原因，在比较例A1(Q值：500)中，认为是，不具有接合层3，因此在中间层2传播的弹性波的一部分在支撑基板5内或中间层2和支撑基板5的界面的非晶质层中传播，传播效率下降。在比较例A2(Q值：600)中，认为是，中间层2和压电性材料基板1A直接接合，因此由于存在于压电性材料基板1A和中间层2的界面的非晶质层而导致传播效率下降。
在比较例A3(Q值：300)中，认为是，不具有接合层3，并且，中间层2和压电性材料基板1A直接接合，因此在存在于压电性材料基板1A和中间层2的界面的非晶质层或中间层2中传播的弹性波的一部分漏出到支撑基板5内，从而导致传播效率下降最多。
特别是，如实施例A2～A4所示，中间层2的厚度/接合层3的厚度为5～25时，可以使Q值显著增加(Q值：2000～2500)。
(实施例B1、B2)
与实施例A3同样地制作了弹性波元件。但是，将中间层2的材质变更为氮化铝或硅铝氧氮陶瓷。关于得到的元件10，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表2。需要说明的是，在实施例B1、B2中，与实施例A3同样，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面。
(实施例B3～B6)
与实施例A3同样地制作了弹性波元件。但是，将接合层3的材质变更为五氧化铌、氧化钛、莫来石或氧化铝。关于得到的元件10，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表2。需要说明的是，在实施例B3～B6中，与实施例A3同样，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面。
(实施例B7、B8)
与实施例A3同样地制作了弹性波元件。但是，将支撑基板5的材质变更为莫来石或氮化铝。关于得到的元件10，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表2。需要说明的是，在实施例B7、B8中，与实施例A3同样，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面。
【表2】
Figure BDA0001987672020000121
由表2可知，在本发明的实施例B1～B8中，与实施例A3同样地得到了高Q值(Q值：2400～2460)。
需要说明的是，在表2中，与实施例A3同样地使中间层2的厚度/接合层3的厚度为10，但与实施例A2、A4一样，通过使中间层2的厚度/接合层3的厚度为5～25，可以使Q值显著增加。
(实施例B9、B10)
与实施例A3同样地制作了弹性波元件。但是，将接合层3的材质变更为高电阻硅(HR-Si)或氧化铪。关于得到的元件10，对Q值和表面弹性波的波长λ进行测定，将结果示于表3。需要说明的是，在实施例B9、B10中，与实施例A3同样，接合层3和支撑基板5之间成为接合界面。
【表3】
Figure BDA0001987672020000131
由表3可知，在本发明的实施例B9、B10中，得到了非常高的Q值(Q值：2700或2650)。
需要说明的是，在表3中，与实施例A3同样地使中间层2的厚度/接合层3的厚度为10，但与实施例A2、A4一样，通过使中间层2的厚度/接合层3的厚度为5～25，可以使Q值显著增加。

Claims (4)

1.一种弹性波元件，其特征在于，所述弹性波元件具备：
压电性材料基板；
中间层，所述中间层设置于所述压电性材料基板上，并且由以下材质构成：即、选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质；
接合层，所述接合层设置于所述中间层上，并且由以下材质构成：即、选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质；
支撑基板，所述支撑基板由多晶陶瓷构成，并与所述接合层直接接合；以及
电极，所述电极设置于所述压电性材料基板上，
所述中间层的厚度为所述接合层的厚度的5倍以上且25倍以下。
2.根据权利要求1所述的弹性波元件，其特征在于，沿着所述接合层和所述支撑基板的界面存在非晶质层。
3.一种弹性波元件的制造方法，其特征在于，所述弹性波元件的制造方法具有以下工序：
在压电性材料基板上设置中间层的工序，所述中间层由以下材质构成：即、选自由氧化硅、氮化铝以及硅铝氧氮陶瓷组成的组中的一种以上的材质；
在所述中间层上设置接合层的工序，所述接合层由以下材质构成：即、选自由五氧化钽、五氧化铌、氧化钛、莫来石、高电阻硅以及氧化铪组成的组中的一种以上的材质；
通过对所述接合层的表面照射中性束来形成活化面的工序；
通过对由多晶陶瓷构成的支撑基板的表面照射中性束来形成活化面的工序；
将所述接合层的所述活化面和所述支撑基板的所述活化面直接接合的工序；以及
在所述压电性材料基板上设置电极的工序，
所述中间层的厚度为所述接合层的厚度的5倍以上且25倍以下。
4.根据权利要求3所述的弹性波元件的制造方法，其特征在于，沿着所述接合层和所述支撑基板的界面生成非晶质层。
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