CN114731150A - 压电性材料基板与支撑基板的接合体 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够抑制无法通过对接合体的压电性材料基板或支撑基板的接合面的表面形状进行控制来加以抑制的寄生波的结构。接合体具备：支撑基板；压电性材料基板，其由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及接合层，其将支撑基板和压电性材料基板接合，并与压电性材料基板的主面接触。利用X射线反射率法对支撑基板的接合面和压电性材料基板的接合面中的至少一者进行测定，此时将全反射时的信号强度设为1时，在来自接合面的反射光的相对强度I为1.0×10^－4以上1.0×10^－1以下的范围内，通过下式(1)进行近似。【数学式1】I＝a(2θ)^‑b·····(1)(θ为针对接合面的入射角，a为1.0×10^－5以上2.0×10^－3以下，b为5.0以上9.0以下。)。

Description

压电性材料基板与支撑基板的接合体

技术领域

本发明涉及压电性材料基板与支撑基板的接合体以及弹性波元件。

背景技术

已知：将钽酸锂和蓝宝石借助氧化硅层贴合得到的表面弹性波滤波器在其接合界面产生体波，在通频带及高频域出现不需要的响应。出于防止该响应的目的，提出了如下方法，即，在接合界面引入粗糙面，使体波散射，抑制不需要的响应(专利文献1、专利文献2)。

专利文献1中，在对接合面进行粗糙面化时，关于该粗糙面的几何规格，将构成粗糙面的凹凸结构的截面曲线处的要素的平均长度RSm与表面弹性波的波长λ之比设为0.2以上7.0以下，另外，将凹凸结构的截面曲线处的算术平均粗糙度Ra设为100nm以上。另一方面，专利文献2中，规定了粗糙面的高低差。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第6250856号公报

专利文献2：美国公开第2017－063333号公报

发明内容

以往，对支撑基板或压电性材料基板的接合面的凹凸形状(例如RSm、Ra)进行测定，将它们控制在相当大的水平，由此抑制寄生波。但是，即便接合面的RSm相同，也有时无法抑制寄生波，可知只控制该接合面表面的凹凸形状是无法抑制寄生波的。

本发明的课题在于，提供能够抑制无法通过对接合体的压电性材料基板或支撑基板的接合面的表面形状进行控制来加以抑制的寄生波的新结构。

本发明是一种接合体，其具备：

支撑基板；

压电性材料基板，该压电性材料基板由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及

接合层，该接合层将所述支撑基板和所述压电性材料基板接合，并与所述压电性材料基板的主面接触，

所述接合体的特征在于，

利用X射线反射率法对所述支撑基板的接合面和所述压电性材料基板的接合面中的至少一者进行测定，此时将全反射时的信号强度设为1时，在来自所述接合面的反射光的相对强度I为1.0×10^－4以上1.0×10^－1以下的范围内，通过下式(1)进行近似。

【数学式1】

I＝a(2θ)^-b·····(1)

(式(1)中，

θ为X射线相对于所述接合面的入射角，

a为1.0×10^－5以上2.0×10^－3以下，

b为5.0以上9.0以下。

发明效果

本发明的发明人尝试：在将支撑基板或压电性材料基板的接合面进行镜面化之后，通过机械加工进行粗糙面化，详细地观察其微结构，并进行分析。由结果可知：在机械加工后的接合面产生根据表面凹凸形状无法推量的微细缺陷或膜变质。由该测定结果判明：寄生波的抑制效果不应该利用表面凹凸形状进行控制，而应该利用压电性材料基板的表面区域、接合层的表面区域中的有效的结晶学特性及几何学特性进行控制。

本发明的发明人基于上述的见解，对各种加工方法、接合面的测定方法进行了研究。在该过程中，关注到了X射线反射率法(XRR法、X-ray Reflection)。

X射线反射率法是如下方法，即，使X射线以极浅的角度向试样表面入射，对其入射角和在镜面方向上反射的反射光的X射线强度曲线进行测定。将该测定得到的曲线与模拟结果进行比较，将模拟参数优化，由此确定试样的膜厚及密度。即，X射线反射率法原本是：利用来自薄膜的X射线反射对薄膜的膜厚及密度进行测定的方法。这意味着：从薄膜反射来的反射光不仅体现了薄膜表面的凹凸，还体现了薄膜的深度方向上的信息(膜厚及密度的信息)。

本发明的发明人将X射线反射率法应用于对压电性材料基板或支撑基板进行粗糙面化加工之后的接合面，由此取得这些接合面的靠近表面的区域的变质及密度变化的信息，并对这些信息与寄生波的抑制效果之间的关系进行了研究。

即，对压电性材料基板或支撑基板的接合面进行粗糙面化加工。然后，利用X射线反射率法，取得接合面的表面区域处的结晶状态的信息。具体而言，使X射线以非常低的角度向接合面入射，对其反射光进行测定。此处，将X射线的入射角设为θ，对使θ从0°开始逐渐变化时的反射光的相对强度I进行记录。此时，相对强度I为将全反射时的信号强度设为1时的相对强度。已知：该相对强度I在反射面为理想的平坦状态时与1×10^－4呈比例衰减。然而，判明了：在接合面为平坦的镜面的情况下，产生寄生波，并且，即使在进行了粗糙面化的情况下，相对强度具有接近1×10^－4的比例系数时，仍然无法抑制寄生波。

因此，本发明的发明人利用X射线反射率法对进行了各种粗糙面化处理的接合面分别进行测定，并测定寄生波的抑制程度。结果发现：在来自接合面的反射光的相对强度I为1.0×10^－4以上1.0×10^－1以下的范围内，能够通过式(1)进行近似。

即，例如，如图1示意性所示，可知：在入射角θ从0.0至例如0.5°左右之间，相对强度I停留在约1，之后，急剧降低，然后，在由四边形包围的区域(相对强度I为1.0×10^－4以上1.0×10^－1以下的范围)内，以下的近似式成立。如果相对强度比该区域低，则以对数刻度观察时大致成直线。

【数学式1】

I＝a(2θ)^-b·····(1)

此处，可以按指数b为5.0以上、系数a＝1.0×10^－5～2.0×10^－3进行近似。这意味着：与接合面为镜面的情形相比，随着入射角θ的增加，相对强度I更加急剧地减少。另外，这意味着：在接合面的表面区域，结晶发生变质，或者产生表面的微细凹凸以外的缺陷。这种情况下，发现寄生波得到抑制。

应予说明，如果指数b超过9.0，则寄生波反倒增加，因此，必须使b为9.0以下。

附图说明

图1是表示入射角θ与反射光的相对密度I之间的关系的模型曲线。

图2中，(a)表示对支撑基板1的接合面1a进行加工的状态，(b)表示在支撑基板1的接合面1a设置有接合层2的状态，(c)表示对接合层2的接合面照射等离子体B而进行了活化的状态。

图3中，(a)表示压电性材料基板3，(b)表示对压电性材料基板3的接合面3b进行了活化的状态。

图4中，(a)表示支撑基板1与压电性材料基板3的接合体5，(b)表示通过加工使接合体5A的压电性材料基板3A变薄的状态，(c)表示弹性波元件6。

图5中，(a)表示压电性材料基板3，(b)表示对压电性材料基板3上的中间层12的接合面12a进行了活化的状态。

图6中，(a)表示支撑基板1与压电性材料基板3的接合体15，(b)表示通过加工使接合体15A的压电性材料基板3A变薄的状态，(c)表示弹性波元件16。

图7是表示本发明的实施例的表面弹性波元件的反射特性的曲线。

图8是表示比较例的表面弹性波元件的反射特性的曲线。

具体实施方式

以下，适当参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。

首先，如图2(a)所示，准备具有一对主面1a、1b的支撑基板1。接下来，通过对主面(接合面)1a实施加工A，使其进行粗糙面化。接下来，如图2(b)所示，在支撑基板1的主面1a上形成接合层2。出于得到镜面的目的，对该接合层2的表面2a进行CMP研磨。接下来，如图2(c)所示，像箭头B那样向接合层2的表面2a照射等离子体，得到表面活化后的接合面2b。

另一方面，如图3(a)所示，准备具有主面3a的压电性材料基板3。接下来，通过像箭头C那样向压电性材料基板3的主面照射等离子体，使其进行表面活化，形成活化后的接合面3b。

接下来，使支撑基板上的接合层2的活化后的接合面2b和压电性材料基板3的活化后的接合面3b接触，进行直接键合，由此得到图4(a)所示的接合体5。

在该状态下，可以在压电性材料基板3上设置电极。但是，优选为，如图4(b)所示，对压电性材料基板3的主面3c进行加工而使基板3A变薄，形成薄板化后的压电性材料基板3A，制成接合体5A。9为加工面。接下来，如图4(c)所示，在接合体5A的压电性材料基板3A的加工面9上形成规定的电极10，能够得到弹性波元件6。

另外，可以在接合层2与压电性材料基板3之间设置中间层。图5、图6涉及该实施方式。

本例中，如图2(a)所示，准备具有一对主面1a、1b的支撑基板1。接下来，通过对主面(接合面)1a实施加工A，使其进行粗糙面化。接下来，如图2(b)所示，在支撑基板1的主面1a上形成接合层2。出于得到镜面的目的，对该接合层2的表面进行CMP研磨。接下来，如图2(c)所示，像箭头B那样向接合层2的接合面照射等离子体，得到表面活化后的接合面2b。

另一方面，如图5(a)所示，准备具有主面3a的压电性材料基板3。接下来，如图5(b)所示，在压电性材料基板3的主面(接合面)3a上形成中间层12，通过像箭头C那样向中间层12的表面照射等离子体，使其进行表面活化，形成活化后的接合面12a。

接下来，使支撑基板上的接合层2的活化后的接合面2b和压电性材料基板3上的中间层12的活化后的接合面12a接触，进行直接键合，由此得到图6(a)所示的接合体15。

在该状态下，可以在压电性材料基板3上设置电极。但是，优选为，如图6(b)所示，对压电性材料基板3的主面3c进行加工而使基板3变薄，形成薄板化后的压电性材料基板3A，制成接合体15A。9为加工面。接下来，如图6(c)所示，在接合体15A的压电性材料基板3A的加工面9上形成规定的电极10，能够得到弹性波元件16。

或者，可以在形成接合层2后，接着在接合层2之上形成中间层12。这种情况下，对中间层12的表面实施CMP加工，得到接合面(镜面)。向得到的接合面照射等离子体，进行活化。接下来，对支撑基板的表面进行等离子体活化后，与中间层的接合面直接键合。

本发明中，使b为5.0以上。另外，b为9.0以下，不过，更优选为7.0以下。另外，本发明中，使a为1.0×10^－5以上，不过，优选为1.0×10^－4以上。另外，a为2.0×10^－3以下，不过，更优选为1.0×10^－3以下。

优选的实施方式中，a和b满足以下的关系式(2)。

－0.713ln(a)+0.5≤b≤－0.713ln(a)+0.7…(2)

更优选的实施方式中，a和b满足以下的关系式(3)。

b＝－0.713ln(a)+0.6…(3)

X射线反射率法的测定条件如下。

测定装置:理学制SmartLab

测定条件

X射线产生部：对阴极Cu

：输出45kV 200mA

检测部：半导体检测器

入射光学系统：Ge(111)非对称射束压缩结晶

梭拉狭缝：入射侧－

：受光侧5.0゜

狭缝：入射侧IS＝0.05(mm)

：长度限制5(mm)

：受光侧RS1＝0.1RS2＝0.1(mm)

扫描条件：扫描轴2θ/ω

扫描模式：连续扫描

扫描速度：0.2゜/min

步幅：0.002゜

解析范围：0.3～3.0゜

为了如上所述地控制压电性材料基板的接合面、支撑基板的接合面的X射线反射率法的测定结果，优选采用以下的加工方法。

作为表面的粗糙化方法，可以举出：采用了磨削磨石的磨削加工、采用氧化铝、氮化硅等微少介质的喷砂加工这样的机械加工法、以高速使离子冲撞的离子束加工等。

以下，对本发明的各构成要素依次进行说明。

支撑基板1的材质没有特别限定，优选由选自由硅、水晶、硅铝氧氮陶瓷、多铝红柱石、蓝宝石以及透光性氧化铝构成的组中的材质形成。由此，能够进一步改善弹性波元件6、16的频率的温度特性。

接合层、中间层的成膜方法没有限定，可例示：溅射法、化学气相生长法(CVD)、蒸镀。

对于接合层2的材质，能够进行表面活化处理即可，没有特别限定，优选为金属氧化膜，特别优选为选自由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、五氧化钽、多铝红柱石、五氧化铌以及氧化钛构成的组中的材质。另外，表面活化处理方法可以根据所采用的接合层的材质而选择适当的方法。作为该表面活化方法，可例示：等离子体活化和FAB(Ar原子束)。

对于中间层12的材质，能够进行表面活化处理即可，没有特别限定，优选为金属氧化膜，特别优选为选自由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、五氧化钽、多铝红柱石、五氧化铌以及氧化钛构成的组中的材质。不过，中间层的材质优选选择与接合层不同的材质。

从本发明的观点出发，接合层2的厚度优选为0.05μm以上，更优选为0.1μm以上，特别优选为0.2μm以上。另外，接合层2的厚度优选为3μm以下，更优选为2μm以下，进一步优选为1μm以下。

本发明中使用的压电性材料基板3采用钽酸锂(LT)单晶、铌酸锂(LN)单晶、铌酸锂－钽酸锂固溶体。这些材料对弹性波的传播速度快，机电耦合系数大，因此，适合作为高频且宽频用的弹性表面波器件。

另外，压电性材料基板3的主面3a的法线方向没有特别限定，例如，在压电性材料基板3由LT形成时，采用以弹性表面波的传播方向、即X轴为中心并从Y轴向Z轴旋转了32～55°的方向的、以欧拉角表示为(180°，58～35°，180°)的压电性材料基板，传播损失较小，故优选。在压电性材料基板1由LN形成时，(ア)采用以弹性表面波的传播方向、即X轴为中心并从Z轴向-Y轴旋转了37.8°的方向的、以欧拉角表示为(0°，37.8°，0°)的压电性材料基板，机电耦合系数较大，故优选，或者，(イ)采用以弹性表面波的传播方向、即X轴为中心并从Y轴向Z轴旋转了40～65°的方向的、以欧拉角表示为(180°，50～25°，180°)的压电性材料基板，得到高音速，故优选。此外，压电性材料基板3的大小没有特别限定，例如为直径100～200mm，厚度0.15～1μm。

接下来，于150℃以下向支撑基板1上的接合层2的接合面、压电性材料基板3的接合面、压电性材料基板3上的中间层12的接合面照射等离子体，使接合面活化。从本发明的观点出发，优选照射氮等离子体，不过，在照射氧等离子体的情况下，也能够得到本发明的接合体。

表面活化时的压力优选为100Pa以下，更优选为80Pa以下。另外，气氛可以仅为氮，也可以仅为氧，还可以为氮、氧的混合物。

等离子体照射时的温度设为150℃以下。由此，得到接合强度较高且结晶性没有劣化的接合体。从该观点出发，使等离子体照射时的温度为150℃以下，更优选为100℃以下。

另外，等离子体照射时的能量优选为30～150W。另外，等离子体照射时的能量与照射时间之积优选为0.12～1.0Wh。

于室温使等离子体处理后的压电性材料基板的接合面和接合层的接合面彼此接触。此时，可以在真空中进行处理，更优选为在大气中使其接触。

在利用氩原子束进行表面活化时，优选使用日本特开2014－086400中记载那样的装置来产生氩原子束，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，从而生成氩原子和离子的射束。到达栅格的射束中的离子束在栅格被中和，因此，氩原子的射束从高速原子束源射出。利用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。

在优选的实施方式中，在表面活化处理前，对支撑基板上的接合层的接合面、压电性材料基板的接合面、压电性材料基板上的中间层的接合面进行平坦化加工。对各接合面进行平坦化的方法有精研(lap)、化学机械研磨加工(CMP)等。另外，对于平坦面，优选为Ra≤1nm，更优选为0.3nm以下。

接下来，使支撑基板上的接合层的接合面和压电性材料基板3的接合面或者中间层的接合面接触，进行接合。然后，优选进行退火处理而使接合强度提高。退火处理时的温度优选为100℃以上300℃以下。

本发明的接合体5、5A、15、15A可以优选利用于弹性波元件6、16。即，具备本发明的接合体及在压电性材料基板上所设置的电极的弹性波元件。

具体而言，作为弹性波元件6、16，已知有弹性表面波器件、兰姆波元件、薄膜共振器(FBAR)等。例如，弹性表面波器件为在压电性材料基板的表面设置有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电极的器件。如果向输入侧的IDT电极施加高频信号，则在电极间产生电场，激发出弹性表面波而在压电性材料基板上传播。然后，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。

构成压电性材料基板3A上的电极10的材质优选为铝、铝合金、铜、金，更优选为铝或铝合金。铝合金优选使用在Al中混合有0.3至5重量％的Cu的铝合金。在这种情况下，可以使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta来代替Cu。

实施例

(实施例1)

按照参照图2～图4进行说明的方法，制作图4(c)所示的弹性波元件6。

具体而言，将厚度250μm的42Y切割X传播LiTaO₃基板(压电性材料基板)3的一个主面3c研磨成镜面，将另一个主面3a利用GC#1000进行精研加工。另外，准备出厚度为0.23mm的高电阻(>2kΩ·cm)Si(100)基板(支撑基板)1。基板尺寸均为150mm。

接下来，将支撑基板的接合面加工成粗糙面。本实施例中，采用粒度号为#6000的磨削磨石，进行磨削加工。加工量为约3μm。

利用X射线反射率法取得该支撑基板的接合面的图谱，将相对信号强度以(1)式进行近似，结果，a＝9.2×10^－4，b＝5.55。

接下来，在该支撑基板1的接合面1a上形成0.7μm的氧化硅膜2，利用CMP(化学机械研磨加工)将其表面研磨掉约0.2um，使其平坦化。接下来，将压电性材料基板3的接合面3b和氧化硅膜2的接合面分别利用N2等离子体进行活化，然后，在大气中进行接合。具体而言，利用AFM(原子力显微镜)对研磨后的接合层的表面粗糙度进行测定，结果，Ra为0.4nm，确认得到了对于接合而言足够的镜面。

接下来，对压电性材料基板3的接合面3b及接合层2的接合面2b分别进行清洗及表面活化。具体而言，实施使用了纯水的超声波清洗，利用旋转干燥，使基板表面干燥。接下来，将清洗后的支撑基板导入至等离子体活化腔室，利用氮气等离子体于30℃将接合层的接合面活化。另外，将压电性材料基板3同样地导入至等离子体活化腔室，利用氮气等离子体于30℃进行表面活化。表面活化时间设为40秒，能量设为100W。出于将表面活化中所附着的颗粒除去的目的，再次实施与上述相同的超声波清洗、旋转干燥。

接下来，将各基板对准，于室温，使两个基板的活化后的接合面彼此接触。按使压电性材料基板3侧朝上的方式进行接触。结果，对基板彼此的密合扩展的情况(所谓的键合波)进行观测，能够确认到良好地进行了预接合。接下来，出于增加接合强度的目的，将接合体放入氮气氛的烘箱中，于130℃保持40小时。

对加热后的接合体的压电性材料基板3的表面3c进行磨削加工、精研加工及CMP加工，使压电性材料基板3A的厚度为7μm。

接下来，为了确认本发明的效果，在接合体的压电性材料基板上形成由金属铝形成的梳齿电极，制作表面弹性波元件的谐振器。以下示出其产品规格。

IDT周期 6μm

IDT开口长度 300um

IDT条数 80条

反射器条数 40条

利用网络分析仪，测定共振器的反射特性，结果，如图7所示，在高于反共振频率的区域几乎没有看到寄生信号。寄生波的值为2.7dB。

将这些结果示于表1。

(实施例2)

与实施例1同样地制作表面弹性波元件的共振器，利用网络分析仪，测定共振器的反射特性。不过，关于支撑基板的接合面的加工，采用#8000的磨削磨石实施磨削加工。

结果，利用X射线反射率法取得支撑基板的接合面的图谱，将相对信号强度以(1)式进行近似，结果，a＝7.1×10^－4，b＝5.80。寄生波的大小为3.2dB。

(实施例3)

与实施例1同样地制作表面弹性波元件的共振器，利用网络分析仪，测定共振器的反射特性。不过，关于支撑基板的接合面的加工，采用氮化硅粒，对基板整面进行喷砂加工。此时加工量的估算结果仅为10nm。

结果，利用X射线反射率法取得支撑基板的接合面的图谱，将相对信号强度以(1)式进行近似，结果，a＝2.2×10^－5，b＝8.84。寄生波的大小为4.8dB。

(实施例4)

与实施例1同样地制作表面弹性波元件的共振器，利用网络分析仪，测定共振器的反射特性。不过，关于支撑基板的接合面的加工，将支撑基板放入离子加工机中，使以0.5keV加速的Ar离子冲撞，对其接合面进行加工。

结果，利用X射线反射率法取得支撑基板的接合面的图谱，将相对信号强度以(1)式进行近似，结果，a＝5.6×10^－5，b＝7.63。寄生波的大小为3.3dB。

(实施例5)

与实施例1同样地制作表面弹性波元件的共振器，利用网络分析仪，测定共振器的反射特性。将支撑基板放入离子加工机中，使以1.0keV加速的Ar离子冲撞，对其接合面进行加工。

结果，利用X射线反射率法取得支撑基板的接合面的图谱，将相对信号强度以(1)式进行近似，结果，a＝1.8×10^－3，b＝5.12。寄生波的大小为3.5dB。

(比较例1)

与实施例1同样地制作表面弹性波元件的共振器，利用网络分析仪，测定共振器的反射特性。不过，由于使支撑基板的接合面为镜面，所以，Ra为0.02nm，无法利用上式(1)进行近似。关于反射特性，如图8所示，看到寄生信号。寄生波的大小为12dB。

表1

	a	b	寄生信号(dB)
				实施例1	9.2×10<sup>-4</sup>	5.55	2.7
实施例2	7.1×10<sup>-4</sup>	5.80	3.2
				实施例3	2.2×10<sup>-5</sup>	8.84	4.8
实施例4	5.6×10<sup>-5</sup>	7.63	3.3
				实施例5	1.8×10<sup>-3</sup>	5.12	3.5
比较例1	---	---	12

Claims (2)

1.一种接合体，其具备：

支撑基板；

压电性材料基板，该压电性材料基板由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及

接合层，该接合层将所述支撑基板和所述压电性材料基板接合，

所述接合体的特征在于，

利用X射线反射率法对所述支撑基板的接合面和所述压电性材料基板的接合面中的至少一者进行测定，此时将全反射时的信号强度设为1时，在来自所述接合面的反射光的相对强度I为1.0×10^－4以上1.0×10^－1以下的范围内，通过下式(1)进行近似，

【数学式1】

I＝a(2θ)^-b·····(1)

式(1)中，

θ为X射线相对于所述接合面的入射角，

a为1.0×10^－5以上2.0×10^－3以下，

b为5.0以上9.0以下。

2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，

所述接合层由选自由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、五氧化钽、多铝红柱石、五氧化铌以及氧化钛构成的组中的材质形成。

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