CN113676147A - 用于表面声波器件的复合基板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有小损耗的用于SAW器件的压电复合基板。根据本发明的一个实施方式的用于表面声波器件的复合基板具有：压电单晶薄膜，支撑基板，以及在压电单晶薄膜和支撑基板之间的第一中间层。在所述复合基板中，第一中间层与压电单晶薄膜接触，并且第一中间层中的横波的声速比压电单晶薄膜中的快横波的声速快。

Description

用于表面声波器件的复合基板及其制造方法
相关申请的交叉引用
该非临时申请根据35 U.S.C.§119(a)要求2020年5月15日提交的日本专利申请No.2020-086299的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于表面声波器件的复合基板及其制造方法，其中，压电单晶基板与支撑基板粘合。
背景技术
近年来，在以智能手机为代表的移动通信市场中，数据通信量迅速增加。为了应对这一点，必须增加通信频段的数量，并且必不可少的是使各种器件(例如，表面声波器件)小型化并实现器件的高性能。
压电材料(例如，钽酸锂(LT)和铌酸锂(LN))广泛用作用于表面声波(SAW)器件(例如表面声波滤波器)的材料。尽管这些材料具有较大的机电耦合系数并且可以扩大器件的带宽，但是存在的问题是材料的温度稳定性低，因此适用频率随温度变化而偏移。这是因为钽酸锂或铌酸锂具有非常高的热膨胀系数。
为了解决该问题，已经提出了一种复合基板，该复合基板是通过将热膨胀系数小的材料粘合到钽酸锂或铌酸锂以及将压电材料的一侧减薄至数μm至数十μm的厚度而得到的。在该复合基板中，通过粘合热膨胀系数小的材料(例如，蓝宝石或硅)而抑制压电材料的热膨胀，因此，提高了温度特性(非专利文献1和2)。另外，专利文献1公开了一种具有压电膜的声波器件。该声波器件包括：支撑基板；形成在支撑基板上并具有比通过压电膜传播的声速更高的体声速的高声速膜；层叠在高声速膜上并具有比通过压电膜传播的体声速更慢的体声速的低声速膜，层叠在低声速膜上的压电膜，以及形成在压电膜的一个表面上的IDT电极。
此外，专利文献2公开了一种声波器件，其包括：支撑基板；层叠在支撑基板上的介质层；层叠在用于传播体波的介质层上的压电体；以及形成在压电体的一个表面上的IDT电极。在该器件中，介质层包括低速介质和高速介质，在低速介质中，作为声波的主要组成的体波的传播速度比在压电体内传播的声波的声速慢；在高速介质中，作为声波的主要组成的体波的传播速度比在压电体内传播的声波的声速快。当介质层由高速介质形成时的主振动模式的声速为VH且介质层由低速介质形成时的主振动模式的声速为VL时，介质层形成为使得在具有介质层的声波器件中的主振动模式的声速为VL＜主振动模式的声速＜VH，并且当IDT的周期为λ时，介质层的厚度为1λ以上。
此外，专利文献3公开了一种用于表面声波器件的复合基板，其包括压电单晶薄膜和支撑基板。在该器件中，在压电单晶薄膜与支撑基板之间的粘合界面处，压电单晶基板与支撑基板中的至少一者具有凹凸结构，且凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率为0.2以上且7.0以下。
现有技术参考文献
专利文献
专利文献1：日本专利No.5713025
专利文献2：日本专利No.5861789
专利文献3：日本专利No.6250856
非专利文献
非专利文献1：Temperature Compensation Technology for SAW-Duplexer Usedin RF Front End of Smartphone,Dempa Shimbun High Technology，2012年11月8日
非专利文献2：A study on Temperature-Compensated Hybrid Substrates forSurface Acoustic Wave Filters",2010IEEE International Ultrasonic SymposiumProceedings，第637-640页。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在使用专利文献1或专利文献2的复合基板来制造表面声波滤波器的情况下，存在如下问题：在表面声波滤波器的通带内或在更高的频率下生成所谓的杂波或波纹的噪声，这是因为声波的能量从压电材料泄漏到低速介质。该噪声是由于在压电晶体膜与支撑基板之间的粘合界面处的反射以及在压电晶体膜与支撑基板之间的中间层中声波的捕获而产生的。该噪声不是合意的，因为它使表面声波滤波器的频率特性变差并且导致损耗增加。
在专利文献3中描述的用于表面声波器件的复合基板中，压电单晶薄膜或支撑基板均具有凹凸结构，这是期望的，因为凹凸结构散射不需要的波，从而抑制反射波的影响。
然而，发明人仔细研究了当经历专利文献3所述的制造用于表面声波器件的复合基板的晶圆工艺及使用该复合基板的器件工艺的热处理时，单晶压电膜的电阻率和其热电性增加的可能性。发现其原因在于该工艺期间的温度变化导致在复合基板的压电单晶的凹凸区域中将生成超过矫顽电场的电场，这在极端情况下导致单晶压电膜的极化受到干扰的问题。
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有小损耗的用于SAW器件的压电复合基板。
用于解决问题的方案
根据本发明的一个实施方式的用于表面声波器件的复合基板具有：压电单晶薄膜，支撑基板，以及在压电单晶薄膜和支撑基板之间的第一中间层。在所述复合基板中，第一中间层与压电单晶薄膜接触，以及第一中间层的横波的声速比压电单晶薄膜中的快横波的声速快。优选的是，复合基板的体积电阻率为1×1012Ω·cm以下。
以压电单晶薄膜为LiTaO3(LT)的情况为例来说明本发明。中间层设置在作为压电单晶薄膜的LT与支撑基板之间。如果中间层的体波(横波)的速度比LT的体波(快横波)慢，则声波容易在中间层中被捕获。因此，如果使中间层的横波的声速比复合基板中的压电单晶薄膜的慢横波的声速快，则可以改善使用这样的复合基板1获得的表面声波滤波器的通带的损失。在下文中，将描述细节。
在通过在复合基板上形成周期性电极结构所获得的表面声波滤波器中，例如，在其中旋转46°的Y轴切割的LT和Si接合并且LT厚度为1个以上波长以及LT厚度排除频散曲线的奇点的复合基板中，当电极是电开路时，表面声波的主模式的声速为4060m/s(作为声速的倒数的慢度为2.46×10-3s/m)，以及当电极是电短路时为3910m/s(作为声速的倒数的慢度为2.56×10-3s/m)。
因此，从电极开始的沿着LT表面传播的表面声波(或漏波或SH波)可以与能够在LT基板内部传播的LT中的特定体波耦合。也就是说，如图1所示的旋转46°的Y轴切割的LT的慢度表面(计算值)中所示，可以将复合基板结构(其中，如上文所解释的，上述旋转46°的Y轴切割的LT和Si粘合)的主模式与能够从X轴开始的深度方向约22度传播的相位匹配的体波(慢横波)耦合。
图2示出了当将旋转46°的Y轴切割的LT用作压电单晶薄膜并且将Si3N4用作中间层时的慢度表面的示例。当将Si3N4用作中间层时，可以使中间层的横波的声速比压电单晶薄膜的快横波的声速快。
如图2所示在中间层的慢横波的声速比压电单晶薄膜的慢横波的声速快的情况下，从旋转46°的Y轴切割的LT的X轴开始沿约22°方向发射的慢横波即使在到达中间层时也由中间层完全反射。因此，从电极开始的沿着LT表面传播的表面声波(或漏波或SH波)向内泄漏的体波由中间层全反射，而不能停留在中间层中。
结果，在主模式频率附近的中间层中没有残留的杂波。因此，可以防止特性变差(例如，滤波器的通带中的波纹和损耗)。
此外，在本发明的一个实施方式中，第一中间层的特征在于高声速和10-3(g/m2/天)以下的水蒸气透过率。这抑制了氧从中间层的支撑基板侧到压电单晶薄膜侧的扩散，这又抑制了复合基板的压电单晶薄膜中的热电性的增加以及当热处理复合基板时生成电场。此处，水蒸气透过率是在40℃的温度和90％的相对湿度下通过Mocon法测得的值。
第一中间层的材料可以是氮氧化硅、氮化硅、非晶氮化铝、或氧化铝中的任一种。
在本发明中，复合基板可以至少具有在压电单晶薄膜和支撑基板之间的第一中间层和第二中间层。在此，第一中间层可以与压电单晶薄膜接触。优选的是，第一中间层中的横波的声速比压电单晶薄膜中的快横波的声速快，并且第二中间层的横波的声速为比压电单晶薄膜中的快横波的声速慢。
在本发明中，第二中间层可以包含氧。第二中间层可以包含二氧化硅、二氧化钛、五氧化钽、五氧化铌和二氧化锆中的任一种。这样的中间层提供了具有高粘合强度的复合基板。
这里，第二中间层中的横波的声速比压电单晶薄膜中的快横波的声速慢，这允许在高于主模式频率的频率处更好地抑制杂波。换句话说，在高于主模式频率的频率下，体波以甚至比22°深的角度辐射到压电单晶薄膜中。在这种情况下，将会有泄漏到第一中间层中的体波。由于第二中间层中的横波的声速比压电单晶薄膜中的快横波的声速慢，因此体波可以容易地进入第二中间层。然而，在支撑基板中被再反射的体波在第一中间层处被再次反射而不能容易地返回到第一中间层。结果，体波被限制在第二中间层中并且难以返回到压电单晶薄膜。因此，可以防止在滤波器的通带内或更高频率下的波纹。
在本发明中，压电单晶薄膜与支撑基板之间的任何粘合界面(例如，第一中间层和与第一中间层相邻的层之间的粘合界面)可以具有凹凸的结构。凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率可以在0.2至5.0之间。
当本申请的压电单晶薄膜在与中间层的交界处具有凹凸结构时，由于来自LT的主模式，在大约22°方向上的体波被凹凸结构散射，以及返回至电极的分量可以被大幅减少。如果主模式的频率为fo并且体波从SAW器件的电极到LT内部的辐射角为θ，则以高于fo的频率生成反射波，其中该频率表示为fo/cosθ，但是凹凸结构会散射反射波。
另外，发明人研究了上述凹凸的程度，发现凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率在0.2至5.0之间时，本申请的用于表面声波器件的复合基板可以保持单极化而不会失去压电单晶的极化，从而完成了本发明。
在本发明中，形成压电单晶薄膜的压电材料可以是钽酸锂或铌酸锂。
在本发明中，支撑基板可以是硅晶圆、蓝宝石晶圆、氧化铝晶圆、玻璃晶圆、碳化硅晶圆、氮化铝晶圆、氮化硅晶圆和结晶石英中的任一种。
根据本发明实施方式的制造复合基板的方法的特征在于，在压电材料基板的一侧上沉积防扩散层的步骤；在防扩散层上进一步沉积中间层的步骤；将支撑基板粘合在防扩散层上的步骤；以及减薄压电材料基板的另一侧的步骤。用于制造复合基板的方法的特征在于，在包含氮气或氢气的还原性或惰性气体气氛下对复合基板进行热处理。
在本发明中，优选的是，通过PVD法或CVD法沉积防扩散层。
在本发明中，防扩散层的粘合表面和/或支撑基板的粘合表面可以施加表面活化处理，然后粘合到彼此。表面活化处理可以包括等离子体活化方法、离子束活化方法和臭氧水活化方法中的任一种。
附图说明
图1示出了旋转46°的Y轴切割的LT的慢度表面。
图2示出了在YX平面中旋转46°的Y轴切割的LT和中间层(Si3N4)的慢度表示。
图3示出了复合基板的横截面结构的剖视图。
图4示出了用于制造复合基板的流程。
图5示出了实施例1中形成在复合压电基板上的SAW滤波器的特性(S11频率响应)所表示的波形。
图6示出了实施例1的复合基板的横截面的压电响应力显微镜(PFM)图像。
图7示出了在热循环之前，比较例1中形成在复合压电基板上的SAW滤波器的特性(S11频率响应)所表示的波形。
图8示出了在热循环之后，比较例2的复合基板的横截面的压电响应力显微镜(PFM)图像。
图9示出了在热循环之后，比较例3的复合基板的横截面的压电响应力显微镜(PFM)图像。
具体实施方式
在图3中示出了根据本发明的复合基板1的横截面结构。图3所示的复合基板1在支撑基板3上具有压电单晶薄膜2。压电单晶薄膜2具有高声速。压电单晶薄膜2经由防止氧扩散的防扩散层4和中间层5而粘合到支撑基板3。
压电单晶薄膜2由作为压电材料的钽酸锂(LT)或铌酸锂(LN)形成。压电单晶薄膜2优选具有单极化。支撑基板3可以是硅晶圆、蓝宝石晶圆、氧化铝晶圆、玻璃晶圆、碳化硅晶圆、氮化铝晶圆、氮化硅晶圆和结晶石英晶圆中的任一种。
防扩散层4有时称为本发明中的第一中间层。防扩散层4放置成与压电单晶薄膜2接触。防扩散层4形成为使得防扩散层4中的横波的声速比压电单晶薄膜2中的快横波的声速快。防扩散层4具有10-3(g/m2/天)以下的水蒸气透过率。防扩散层4可以由氮氧化硅、氮化硅、非晶氮化铝、或氧化铝中的任一种形成。
中间层5设置在防扩散层4和支撑基板3之间。中间层5有时称为第一中间层，或者为了将其与防扩散层4区分而称为第二中间层。中间层5可以由包含氧的材料形成。更具体地，中间层可以包含以下物质的中的任一种：二氧化硅、二氧化钛、五氧化钽、五氧化铌和二氧化锆。中间层5形成为使得中间层5中的横波的声速比压电单晶薄膜2中的快横波的声速慢。
凹凸结构形成在防扩散层4和与防扩散层4相邻的层之间的粘合界面处(在该实施例中，在与压电单晶薄膜2的界面处或与中间层5的界面处)。凹凸结构形成为使得凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率为0.2以上且5.0以下。
图4示出了用于制造复合基板1的方法的流程。在该制造方法中，首先制备作为压电单晶薄膜的压电单晶晶圆2(图4的S01)，以及通过用松散的磨粒打磨或喷砂在其表面之一上形成凹凸结构(图4中的S02)。另外，在上述压电单晶薄膜的凹凸结构上形成防扩散层4，然后在该防扩散层4上形成中间层5(图4中的S03)。此时，优选的是，通过PVD法或CVD法沉积防扩散层4。优选的是，中间层5也通过PVD法或CVD法沉积。然后，通过打磨使中间层的表面镜面化(图4中的S04)。
与上述压电单晶晶圆的处理并行地，制备支撑基板3(图4中的S11)。作为支撑基板3，可以使用硅晶圆、蓝宝石晶圆、氧化铝晶圆、玻璃晶圆、碳化硅晶圆、氮化铝晶圆、氮化硅晶圆和结晶石英晶圆中的任一种。支撑基板的表面通过打磨而镜面化。代替压电单晶薄膜2或除了压电单晶薄膜2之外，支撑基板3还可以设置有凹凸结构或中间层。在这种情况下，支撑基板3上的凹凸结构可以通过用游离的磨粒打磨、喷砂、化学蚀刻等形成，然后中间层可以形成在该凹凸结构上。然后，可以通过打磨将中间层镜面化以形成粘合表面。
将中间层5的打磨表面和支撑基板3的粘合表面粘合在一起(图4中的S21)。此后，将压电单晶晶圆2中的另一侧(即，与其中形成防扩散层4的一侧相对的一侧)研削和打磨以使其减薄至所需的厚度。由此，可以制造用于表面声波器件的复合基板(图4的S22)。此时，可以预先对待粘合的表面施加表面活化处理。以这种方式，可以增加粘合强度。等离子体活化方法、离子束活化方法和臭氧水活化方法可以用于表面活化处理。在等离子活化方法中，将等离子气体引入放置有晶圆的反应容器中，并在约0.01至0.1Pa的减压下形成约100W的高频等离子体，从而使晶圆粘合表面曝光于等离子体约5至50秒。作为等离子体气体，可以使用氧气、氢气、氮气、氩气或这些气体的混合物。
减薄后，优选在包含氮气或氢气的还原性或惰性气体气氛下进行热处理，以进一步提高粘合强度。关于还原性气氛，例如，可以使用氢气气氛。关于惰性气体气氛，例如，可以使用氮气气氛。
实施例
[实施例1]
通过PVD法，在直径为150mm的旋转46°的Y轴切割的LT晶圆的一侧上沉积大约800nm的氮化硅，以形成防扩散层。然后，通过CVD在该防扩散层上形成厚度为约3μm的氧化硅膜。使用该氧化硅膜作为中间层，对该氧化硅膜进行打磨并粘合到具有2000Ω·cm的电阻率的p型硅晶圆上。所用的LT晶圆具有约1×1010Ω·cm的体积电阻率。
通过喷砂将LT晶圆的其上形成有氮化硅层的表面加工成凹凸结构，该凹凸结构具有3μm的横截面曲线中单元的单元的平均长度RSm，以及Ra＝0.06μm。
粘合后，在氮气气氛中在100℃下施加48小时的热处理。然后LT层通过研削和打磨被减薄至10μm的厚度。然后，为了进一步提高粘合强度，在氢气气氛中在250℃下进行24小时的热处理。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为5×1010Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，如图5所示，获得合适的波形(S11的频率响应)。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该实施例中，如果波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，结果与图5相同。
接着，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的压电响应力显微镜(PFM)图像。结果，如图6所示，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在上述实施例1中，通过纳米压痕和X射线反射率(Xrr)方法分别测量作为中间层的氮化硅和SiO2的杨氏模量和密度。表1示出了所计算的由实施例1的结果获得的氮化硅膜和SiO2膜的横波的声速以及上述杨氏模量和密度。
[表1]
氮化硅 SiO<sub>2</sub> SiO<sub>1.5</sub>N<sub>0.5</sub>
杨氏模量(Gpa) 320 62 130
密度(kg/m<sup>3</sup>) 2800 2180 2260
横波的声速(m/s) 6700 3700 4865
计算出的快横波在46°Y-LiTaO3的x轴方向的声速为4227m/s。
[实施例2]
除了代替氢气气氛而在氮气气氛中进行LT层减薄后为进一步提高粘合强度的热处理以外，以与实施例1相同的方式制造复合基板。对于该复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为2×1011Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以与实施例1相同的方式，在通过上述方法制造的复合基板上形成梯型SAW滤波器，并且通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得类似于图5中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该实施例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，结果与图5的情况相同。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
[实施例3]
通过CVD法，在约35℃的温度下在直径为150mm的旋转46°的Y轴切割的LT晶圆的一侧上沉积大约800nm的SiO1.5N0.5，以形成防扩散层。然后，通过CVD在该防扩散层上形成厚度为约3μm的氧化硅膜。使用该氧化硅膜作为中间层，对该氧化硅膜进行打磨并粘合到具有2000Ω·cm的电阻率的p型硅晶圆上。所用的LT晶圆具有约5×1010Ω·cm的体积电阻率。
通过喷砂将LT晶圆的其上形成有SiO1.5N0.5层的表面加工成凹凸结构，该凹凸结构具有3μm的横截面曲线中的单元的平均长度RSm，以及Ra＝0.06μm。
粘合后，在氮气气氛中在100℃下施加48小时的热处理。然后LT层通过研削和打磨被减薄至10μm的厚度。然后，为了进一步提高粘合强度，在氢气气氛中在250℃下进行24小时的热处理。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为7×1010Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得类似于图5中的情况的波形。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，并且与图5没有变化。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
[实施例4]
除了代替氢气气氛而在氮气气氛中进行LT层减薄后为进一步提高粘合强度的热处理以外，以与实施例3相同的方式制造复合基板。对于该复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为4×1011Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以与实施例3相同的方式，在通过上述方法制造的复合基板上形成梯型SAW滤波器，并且通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得类似于图5中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该实施例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，结果与图5的情况相同。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
[实施例5和6]
制备了以与实施例1相同的方式所制造的复合基板，不同之处在于，通过PVD或PLD法在直径为150mm的旋转46°的Y轴切割的LT晶圆的一侧上沉积表2中所示的约800nm的防扩散层。对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为表2所示的值。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得类似于图5中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该实施例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，结果与图5的情况相同。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃进行热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在上述实施例5和6中，分别通过纳米压痕和X射线反射率(Xrr)方法测量中间层的杨氏模量和密度。表2示出了上述实施例5和6的杨氏模量和密度，以及所计算的由杨氏模量和密度获得的防扩散层的横波的声速。
[表2]
Figure BDA0003053952420000141
[比较例1]
然后，通过CVD在直径为150mm的旋转46°的Y轴切割的LT晶圆的一侧上形成厚度约为4μm的氧化硅膜。使用该氧化硅膜作为中间层，对该氧化硅膜进行打磨并粘合到具有2000Ω·cm的电阻率的p型硅晶圆上。所用的LT晶圆具有约5×1010Ω·cm的体积电阻率。
通过喷砂将LT晶圆的其上形成有氧化硅层的表面加工成凹凸结构，该凹凸结构具有3μm的横截面曲线中的单元的平均长度RSm，以及Ra＝0.06μm。
粘合后，在氮气气氛中在100℃下施加48小时的热处理。然后LT层通过研削和打磨被减薄至10μm的厚度。然后，为了进一步提高粘合强度，在氮气气氛下在250℃下进行24小时的热处理。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为2×1012Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
通过RF探针和网络分析仪评价了SAW滤波器的特性，并获得如图7所示的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该比较例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，以及与图7中的波形相比，插入损耗增加了约5dB。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，如图8中所示，LT部分的极化是无序的。
在上述比较例1中，分别通过纳米压痕法和X射线反射率(Xrr)法测量作为中间层的SiO2的杨氏模量和密度。上述比较例1的结果和由杨氏模量和密度获得的SiO2膜的横波声速(计算值)等于表1所示的值。
[比较例2]
以与比较例1相同的方式制备复合基板，不同之处在于：通过研削和打磨将LT层减薄至10μm的厚度，并且将复合基板在250℃下在大气气氛下热处理24小时以进一步提高粘合强度。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为1×1014Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得如图7中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该比较例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为1.6、1.5和1.4。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，以及与图7中的波形相比，插入损耗增加了约6dB。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图8中所示的情况，LT部分的极化是无序的。
[比较例3]
然后，通过CVD在直径为150mm的旋转46°的Y轴切割的LT晶圆的一侧上形成厚度约为4μm的氧化硅膜。使用该氧化硅膜作为中间层，对该氧化硅膜进行打磨并粘合到具有2000Ω·cm的电阻率的p型硅晶圆上。所用的LT晶圆具有约1×1010Ω·cm的体积电阻率。
通过松散的磨粒将LT晶圆的其上形成有氧化硅层的表面加工成凹凸结构，该凹凸结构具有12μm的横截面曲线中的单元的平均长度RSm，以及Ra＝0.3μm。
粘合后，在氮气气氛中在100℃下施加48小时的热处理。然后LT层通过研削和打磨被减薄至10μm的厚度。然后，为了进一步提高粘合强度，在氮气气氛下在250℃下进行24小时的热处理。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为8×1012Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得如图7中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该比较例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为5.4、5.7和6.3。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，以及与图7中的波形相比，插入损耗增加了约8dB。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，如图9中所示，LT部分的极化是无序的。
在上述比较例3中，分别通过纳米压痕和X射线反射率(Xrr)方法测量作为中间层的SiO2的杨氏模量和密度。上述比较例3的结果和由杨氏模量和密度获得的SiO2膜的横波声速(计算值)等于表1所示的值。
[比较例4]
除了代替氮气气氛而在空气气氛中进行LT层减薄后为进一步提高粘合强度的热处理以外，以与比较例3相同的方式制造复合基板。
对于如上所述制造的复合基板，通过“JIS C 2139：2008固体电绝缘材料-体积电阻率和表面电阻率的测量方法”中描述的方法，测量复合基板的表观体积电阻率，以及体积电阻率为3×1014Ω·cm。测量体积电阻率时所施加的电压为500V。
接着，以0.14μm的厚度将Al膜溅射到如上所述制造的复合基板上，以及在涂覆抗蚀剂之后通过i线曝光而形成线宽为约0.5μm的抗蚀剂图案。然后，通过干法蚀刻对Al进行蚀刻，以形成梯型SAW滤波器。另外，通过在形成有SAW滤波器的基板的表面层上溅射来形成50nm的氮化硅层。
当使用RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性时，获得类似于图7中的情况的波形。将波长约为2.2μm、2.1μm和1.9μm的SAW滤波器放置在相同的晶圆中。因此，在该比较例中，如果将波长λ取作LT粘合表面的凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度，则对于各个波长处的SAW滤波器，RSm/λ分别为5.4、5.7和6.3。
接着，将如上所述制作的具有SAW滤波器图案的复合基板通过265℃下的回焊炉6次，然后由-40℃至125℃热循环1000次。此后，再次通过RF探针和网络分析仪评价SAW滤波器的特性，以及与图7中的波形相比，插入损耗增加了约9dB。
此外，测量以与上述相同的方式制造的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图6所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
在使基板通过265℃下的回焊炉六次然后将其由-40℃至125℃热循环1000次之后，测量具有SAW滤波器图案的复合基板的横截面的PFM图像。结果，类似于图9所示的情况，发现LT部分是均匀极化的。
从上述实施例1-6中可以看出，防扩散层的横波的声速优选地比压电单晶薄膜(LT)的快横波的声速更快。优选的是，防扩散层与支撑基板之间的中间层的横波的声速比压电单晶薄膜的快横波的声速低。优选的是，凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率为0.2以上且5.0以下。

Claims (15)

1.一种用于表面声波器件的复合基板，包括：压电单晶薄膜，支撑基板，以及在所述压电单晶薄膜和所述支撑基板之间的第一中间层，其中：
所述第一中间层与所述压电单晶薄膜接触；并且
所述第一中间层的横波的声速比所述压电单晶薄膜的快横波的声速快。
2.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述第一中间层的水蒸气透过率为10-3(g/m2/天)以下。
3.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述第一中间层是氮氧化硅、氮化硅、非晶氮化铝或氧化铝中的任一种。
4.根据权利要求1所述的复合基板，其中：
在所述第一中间层和所述支撑基板之间设置有第二中间层；并且
所述第二中间层的横波的声速比所述压电单晶薄膜的快横波的声速慢。
5.根据权利要求4所述的复合基板，其中，所述第二中间层包含二氧化硅、二氧化钛、五氧化钽、五氧化铌和二氧化锆中的任一种。
6.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述第一中间层和与所述第一中间层相邻的至少一个层之间的粘合界面具有凹凸结构，并且
所述凹凸结构的横截面曲线中的单元的平均长度RSm与当用作所述表面声波器件时的表面声波的波长λ的比率为0.2以上且5.0以下。
7.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述复合基板的体积电阻率为1×1012Ω·cm以下。
8.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述压电单晶薄膜由钽酸锂或铌酸锂形成。
9.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述支撑基板是硅晶圆、蓝宝石晶圆、氧化铝晶圆、玻璃晶圆、碳化硅晶圆、氮化铝晶圆、氮化硅晶圆和结晶石英晶圆中的任一种。
10.根据权利要求1所述的复合基板，其中，所述压电单晶薄膜具有单极化。
11.一种制造复合基板的方法，包括：
在压电材料基板的一侧上沉积防扩散层的步骤；
在所述防扩散层上进一步沉积中间层的步骤；
将支撑基板粘合在所述防扩散层上的步骤；以及
减薄所述压电材料基板的另一侧的步骤，
其中，在包含氮气或氢气的还原性或惰性气体气氛下对所述复合基板进行热处理。
12.根据权利要求11所述的制造复合基板的方法，其中，所述防扩散层是氮氧化硅、氮化硅、非晶氮化铝或氧化铝中的任一种。
13.根据权利要求11所述的制造复合基板的方法，其中，在沉积所述防扩散层的步骤中，通过PVD法或CVD法沉积所述防扩散层。
14.根据权利要求11所述的制造复合基板的方法，其中，所述中间层包含二氧化硅、二氧化钛、五氧化钽、五氧化铌和二氧化锆中的任一种。
15.根据权利要求11所述的制造复合基板的方法，在沉积所述防扩散层的步骤之前还包括在所述压电材料基板的一个表面上形成凹凸结构的步骤。
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