CN115943565A

CN115943565A - 复合基板及复合基板的制造方法

Info

Publication number: CN115943565A
Application number: CN202280002228.7A
Authority: CN
Inventors: 堀裕二
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2023-04-07
Also published as: EP4122885A4; JPWO2022259591A1; JP7455205B2; US20220399873A1; EP4122885A1

Abstract

本发明提供寄生信号的产生得以抑制的复合基板。本发明的实施方式所涉及的复合基板按以下顺序具有支撑基板、中间层以及压电层，所述中间层包含气泡。所述中间层可以包含氧化硅。所述中间层的厚度可以为500nm以上1000nm以下。

Description

复合基板及复合基板的制造方法

技术领域

本发明涉及复合基板及复合基板的制造方法。

背景技术

移动电话等通信设备中，为了取出任意频率的电信号，例如采用利用了弹性表面波的滤波器(SAW滤波器)。该SAW滤波器采用具有压电层和支撑基板的复合基板。像这样的复合基板中，例如已知有如下问题，即，因在压电层与支撑基板之间产生的弹性波的反射，在高频区域产生寄生信号。

针对上述寄生信号的问题，例如专利文献1所公开那样，提出了在构成复合基板的压电基板和支撑基板中的至少一者形成凹凸结构的方案，不过，期望进一步改善。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-14606号公报

发明内容

本发明的主要目的在于，提供能够抑制寄生信号的产生的复合基板。

本发明的实施方式所涉及的复合基板按以下顺序具有支撑基板、中间层以及压电层，所述中间层包含气泡。

1个实施方式中，上述中间层包含氧化硅。

1个实施方式中，上述中间层的厚度为500nm以上1000nm以下。

1个实施方式中，上述中间层具有不存在上述气泡的第一区域，所述第一区域形成于自上述支撑基板侧的界面起算为200nm以下的范围。

1个实施方式中，上述中间层具有不存在上述气泡的第三区域，所述第三区域形成于自上述压电层侧的界面起算为200nm以下的范围。

1个实施方式中，上述气泡的气泡径为10nm～100nm。

1个实施方式中，上述压电层的厚度为5μm以下。

本发明的另一实施方式所涉及的弹性表面波元件具有上述复合基板。

本发明的再一实施方式所涉及的复合基板的制造方法包括：在支撑基板的单侧形成第一层、在压电基板的单侧形成第二层、将所述第一层和所述第二层进行接合而得到接合层、以及在所述接合层形成气泡而得到中间层。

1个实施方式中，在上述接合时，对上述第一层的接合面及上述第二层的接合面实施活化处理。

1个实施方式中，利用上述活化处理，将上述接合面进行亲水化。

1个实施方式中，利用等离子体照射，进行上述活化处理。

1个实施方式中，对上述接合层进行加热，由此进行上述气泡形成。

1个实施方式中，上述加热包括：以0.7℃/分钟以下的升温速率加热至达到100℃～150℃。

1个实施方式中，上述加热包括：于180℃以上进行加热。

发明效果

根据本发明的实施方式，通过在压电层与支撑基板之间设置包含气泡的中间层，能够抑制寄生信号的产生。

附图说明

图1是表示本发明的1个实施方式所涉及的复合基板的概要构成的示意性的截面图。

图2A是表示1个实施方式所涉及的复合基板的制造工序例的图。

图2B是紧接着图2A的图。

图2C是紧接着图2B的图。

图3是表示比较例1的反射特性S11的曲线图。

图4是实施例1的由光学显微镜得到的观察照片。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明，不过，本发明不限定于这些实施方式。另外，为了更清楚地说明，与实施方式相比，附图有时将各部分的宽度、厚度、形状等进行示意性表示，但这只不过是一例，并不限定本发明的解释。

A.复合基板

图1是表示本发明的1个实施方式所涉及的复合基板的概要构成的示意性的截面图。复合基板100按以下顺序具有支撑基板10、中间层20以及压电层30。具体而言，在具有彼此对置的第一主面10a及第二主面10b的支撑基板10的第一主面10a侧配置有压电层30，在支撑基板10与压电层30之间配置有中间层20。

在中间层20形成有气泡5。通过设置像这样的中间层，能够抑制寄生信号的产生。图示例中，在中间层20自支撑基板10侧开始(自图1的下侧开始)按以下顺序形成有实质上不存在气泡的第一区域21、存在气泡的第二区域22、以及实质上不存在气泡的第三区域23。应予说明，图1中，为了容易看图，中间层的截面省略了阴影线。

上述气泡可以存在于中间层的整体，也可以偏在。图1所示的例子中，在中间层20，气泡5偏在，在中间层20的内部沿着面方向而形成。具体而言，在中间层20的压电层30侧的端部形成有无气泡区域23。无气泡区域23例如可以形成于自压电层30侧的界面20a起算为0nm以上200nm以下的范围，也可以形成于自压电层30侧的界面20a起算为20nm以上100nm以下的范围。另外，在中间层20的支撑基板10侧的端部形成有无气泡区域21。无气泡区域21例如可以形成于自支撑基板10侧的界面20b起算为0nm以上200nm以下的范围，也可以形成于自支撑基板10侧的界面20b起算为20nm以上100nm以下的范围。

上述气泡可以包含水分。气泡径为例如10nm～100nm，可以为20nm～60nm。此处，气泡径是指气泡的长径。例如，可以利用激光显微镜观察来确认气泡径。

中间层中的气泡所占据的比例为例如3％～20％，优选为7％～15％。中间层中的气泡所占据的比例可以如下求解，例如，利用扫描型电子显微镜(SEM)观察中间层的截面，针对得到的图像，进行图像解析处理，由此求出中间层中的气泡所占据的比例。

虽然未图示，不过，复合基板100可以进一步具有任意层。这些层的种类、功能、数量、组合、配置等可以根据目的而适当地设定。

复合基板100可以以任意的适当形状进行制造。1个实施方式中，可以以所谓的晶片的形态进行制造。复合基板100的尺寸可以根据目的而适当地设定。例如，晶片的直径为100mm～200mm。

A-1.支撑基板

作为支撑基板，可以采用任意的适当基板。支撑基板可以由单晶体构成，也可以由多晶体构成，还可以由它们的组合构成。作为构成支撑基板的材料，优选选自由硅、蓝宝石、玻璃、石英、水晶以及氧化铝构成的组。

上述硅可以为单晶硅且在其表面形成有多晶层，还可以为高阻硅。

代表性地，上述蓝宝石为具有Al₂O₃的组成的单晶体，上述氧化铝为具有Al₂O₃的组成的多晶体。氧化铝优选为透光性氧化铝。

构成支撑基板的材料的热膨胀系数优选小于构成后述的压电层的材料的热膨胀系数。根据该支撑基板，能够抑制温度变化时的压电层的形状、尺寸的变化，例如抑制得到的弹性表面波元件的频率特性的变化。

作为支撑基板的厚度，可以采用任意的适当厚度。支撑基板的厚度为例如100μm～1000μm。

支撑基板的第一主面的算术平均粗糙度Ra为例如0.1nm以上1nm以下，可以为0.5nm以下，也可以为0.3nm以下。根据该支撑基板，例如可以得到高性能的(例如具有高Q值的)弹性表面波元件。应予说明，算术平均粗糙度Ra为通过原子力显微镜(AFM)以10μm×10μm的视野进行测定得到的值。

A-2.中间层

作为构成上述中间层的材料，例如可以采用能够形成气泡的任意的适当材料。作为构成中间层的材料，优选采用氧化硅(SiO_x)。从由氧化硅构成的层可以含有水分子考虑，例如能够良好地进行后述的气泡形成。SiO_x中的x优选满足1.95≤x≤2.05的关系。中间层中包含的氧化硅的含有比例为例如97重量％以上。中间层可以包含F、Ar等微量的其他成分(杂质)。

中间层的厚度优选为200nm以上，更优选为300nm以上，进一步优选为500nm以上。根据像这样的厚度，例如能够良好地形成气泡。另一方面，中间层的厚度优选为2000nm以下，更优选为1500nm以下，进一步优选为1000nm以下。

上述中间层可以利用任意的适当方法进行成膜。例如，可以利用溅射、离子束辅助蒸镀(IAD)等物理蒸镀、化学蒸镀、原子层堆积(ALD)法进行成膜。

A-3.压电层

作为构成上述压电层的材料，可以采用任意的适当压电性材料。作为压电性材料，优选采用组成为LiAO₃的单晶。此处，A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上元素。具体而言，LiAO₃可以为铌酸锂(LiNbO₃)，也可以为钽酸锂(LiTaO₃)，还可以为铌酸锂-钽酸锂固溶体。

压电性材料为钽酸锂的情况下，压电层优选为：例如将压电性材料的X轴(结晶轴)设为弹性表面波的传播方向(X₁)时，从其Y轴向Z轴旋转32°～55°(例如42°)得到的方向对应于与压电层主面垂直的方向(X₃)，具体而言，以欧拉角表示为(180°，58°～35°，180°)。

压电性材料为铌酸锂的情况下，压电层优选为：例如将压电性材料的X轴(结晶轴)设为弹性表面波的传播方向(X₁)时，从其Z轴向-Y轴旋转0°～40°(例如37.8°)得到的方向对应于与压电层主面垂直的方向(X₃)，具体而言，以欧拉角表示为(0°，0°～40°，0°)。压电性材料为铌酸锂的情况下，压电层还优选为：例如将压电性材料的X轴(结晶轴)设为弹性表面波的传播方向(X₁)时，从其Y轴向Z轴旋转40°～65°得到的方向对应于与压电层主面垂直的方向(X₃)，具体而言，以欧拉角表示为(180°，50°～25°，180°)。

压电层的厚度为例如10μm以下，优选为5μm以下，更优选为3μm以下。根据像这样的厚度，例如可以得到高性能的(例如具有良好的温度特性、高Q值的)弹性表面波元件。通过在中间层形成上述气泡，例如与在压电层形成气泡的方案相比，能够将压电层设计得较薄。另一方面，压电层的厚度为例如0.2μm以上。

压电层的配置支撑基板(中间层)一侧的表面的算术平均粗糙度Ra为例如0.1nm以上1nm以下，可以为0.5nm以下，也可以为0.3nm以下。根据像这样的压电层，例如能够得到高性能的(例如具有良好的温度特性、高Q值的)弹性表面波元件。

A-4.制造方法

本发明的1个实施方式所涉及的复合基板的制造方法包括：在支撑基板的单侧形成第一层、在压电基板的单侧形成第二层、将第一层和第二层进行接合而得到接合层、以及在接合层形成气泡而得到中间层。

图2A～图2C是表示1个实施方式所涉及的复合基板的制造工序例的图。

图2A表示在支撑基板10的单侧形成有第一层1、在压电基板32的单侧形成有第二层2的状态。第一层1及第二层2的成膜可以利用上述的中间层的成膜方法进行。1个实施方式中，构成第一层1的材料和构成第二层2的材料实质上相同。例如，采用相同的靶(例如Si靶)，以相同条件进行溅射，由此将第一层1及第二层2成膜。应予说明，能够进行后述的接合即可，作为构成第一层1的材料及构成第二层2的材料，可以分别选择任意的适当材料。

第一层1及第二层2的厚度分别为例如100nm以上1000nm以下，优选为250nm以上500nm以下。第一层1的厚度和第二层2的厚度可以根据例如期望的气泡形成位置进行设定。第二层2的厚度相对于第一层1的厚度的比值为例如0.1～2.0，优选为0.3～1.7。

图2B表示将在支撑基板10所成膜的第一层1的表面1a和在压电基板32所成膜的第二层2的表面2a进行重合而使得支撑基板10和压电基板32预接合的状态。通过预接合，得到第一层1和第二层2接合得到的接合层3(接合体90)。预接合时，优选利用任意的适当活化处理将接合面1a、2a活化。通过进行活化处理，接合面1a与接合面2a的密合性能够提高。

优选利用上述活化处理使接合面1a、2a亲水化。例如，优选接合面1a、2a具有羟基。1个实施方式中，接合面1a、2a具有硅醇基。根据像这样的状态，通过使接合面1a和接合面2a相接触，能够在两面之间形成氢键。

1个实施方式中，利用等离子体照射进行上述活化处理。作为活化处理时的气氛中包含的气体，例如可以举出：氧、氮、氢、氩。这些气体可以单独使用，也可以二种以上组合(以混合气体的形式)使用。优选采用氧、氮。

利用等离子体照射进行活化处理时的气氛压力优选为100Pa以下，更优选为80Pa以下。另一方面，气氛压力优选为30Pa以上，更优选为50Pa以上。

等离子体照射时的温度优选为150℃以下，更优选为100℃以下，进一步优选为50℃以下。根据像这样的温度，例如能够抑制由等离子体照射所导致的压电基板劣化。

等离子体照射时的能量优选为30W～150W，更优选为60W～120W。等离子体照射的时间优选为5秒～15秒。

图2C表示在接合层3形成气泡5而完成了中间层20的形成的状态。例如，可以对接合层3(接合体90)进行加热来形成气泡5。具体而言，通过上述氢键(例如Si-OH-OH-Si)变为共价键(例如Si-O-Si)，能够生成水分子。该水分子能够在第一层1与第二层2的接合界面4进行扩散，并向接合层3(接合体90)的外部释放。此时，水分膨胀，能够形成气泡。利用加热，能够促进上述共价键的生成及上述扩散、膨胀。另外，利用加热，能够使第一层1与第二层2的(支撑基板10与压电基板32的)接合强度提高。例如，能够使其提高到可耐受后述的压电基板的磨削、研磨等加工的强度。

作为上述加热的条件，例如可以采用能够形成气泡的任意的适当条件。代表性地，在氮、氩等非活性气体气氛下进行加热。1个实施方式中，加热按以下顺序包括第一加热工序及第二加热(退火)工序。第一加热工序中，将接合体90从室温加热至达到温度T1(例如100℃～150℃)。至温度T1的升温时的升温速率优选为0.7℃/分钟以下，更优选为0.5℃/分钟以下。根据像这样的升温速率，能够良好地形成气泡。另一方面，至温度T1的升温速率为例如0.1℃/分钟以上。

上述第二加热工序中，将接合体90在温度T2的条件下放置规定时间(例如3小时～25小时)。根据第二加热工序(退火)，能够良好地形成气泡，并且，能够使第一层1与第二层2的(支撑基板10与压电基板32的)接合强度进一步提高。温度T2为例如180℃以上，可以为200℃以上，可以为230℃以上，可以为250℃以上，可以为270℃以上。另一方面，从例如防止接合体90破损的观点出发，温度T2优选为350℃以下，更优选为300℃以下。

应予说明，温度T1至温度T2的升温条件可以设定为任意的适当条件。另外，在第二加热工序后，代表性地，将接合体90自然冷却。

中间层20形成后，代表性地，对压电基板32的表面(上表面)32a实施磨削、研磨等加工，以使其成为上述期望的厚度的压电层。据此，能够得到图1所示的复合基板100。

优选为，各层(具体的为压电层、第一层、支撑基板、第二层)的表面为平坦面。具体而言，各层的表面的表面粗糙度Ra优选为1nm以下，更优选为0.3nm以下。作为使各层的表面平坦化的方法，例如可以举出利用化学机械研磨加工(CMP)的镜面研磨。1个实施方式中，在上述接合前(活化处理前)，对第一层1及第二层2的表面进行平坦化加工。

上述成膜、接合(接触)时，例如优选对各层的表面进行清洗，以便除去研磨剂的残渣、加工变质层等。作为清洗方法，例如可以举出：湿洗、干洗、刷洗。其中，从能够简便且有效地清洗考虑，优选为刷洗。作为刷洗的具体例，可以举出如下方法，即，采用清洗剂(例如lion公司制、Sun wash series)后，采用溶剂(例如丙酮与异丙醇(IPA)的混合溶液)，利用刷洗机进行清洗。

B.弹性表面波元件

本发明的实施方式所涉及的弹性表面波元件具有上述复合基板。代表性地，弹性表面波元件具有上述复合基板、以及在上述复合基板的压电层侧所设置的电极(梳型电极)。该弹性表面波元件优选作为例如SAW滤波器用于移动电话等通信设备。

实施例

以下，通过实施例对本发明具体地进行说明，不过，本发明并不受这些实施例的限定。

[实施例1]

准备直径150mm、厚度675μm的高电阻(＞2kΩ·cm)的硅基板。

另外，准备直径150mm、表面及背面均进行了镜面研磨的厚度350μm的钽酸锂(LT)基板(将弹性表面波(SAW)的传播方向设为X、切出角为旋转Y的切割板即42°Y切割X传播的LT基板)。

利用RF溅射法，采用掺杂有硼的Si靶，在硅基板的表面形成第一氧化硅层(厚度：300nm)，在LT基板的表面形成第二氧化硅层(厚度：300nm)。另外，作为氧源，导入氧气。此时，通过调节氧气导入量，对腔室内的气氛的总压和氧分压进行调节。然后，对第一氧化硅层及第二氧化硅层各自的表面实施化学机械研磨加工(CMP)，使算术平均粗糙度Ra0.6nm变为0.3nm。此处，算术平均粗糙度Ra为利用原子力显微镜(AFM)以10μm×10μm的视野进行测定得到的值。

将硅基板(第一氧化硅层)的表面及LT基板(第二氧化硅层)的表面进行清洗后，将它们放入等离子体活化腔室中，使硅基板(第一氧化硅层)的表面及LT基板(第二氧化硅层)的表面活化。具体而言，于30℃进行10秒钟利用氮气等离子体(能量：100W)的活化处理。然后，对这些基板进行采用了纯水的超声波清洗，进行旋转干燥，除去附着于活化面的颗粒。接下来，进行各基板的对位，于室温按LT基板为上侧的方式将两个基板的活化面重合。因两个基板的接触，观测到基板彼此的密合扩展的样子(所谓的键合波)，确认到良好地进行了预接合。

接下来，将得到的接合体放入氮气的烘箱中，自室温开始，保持着0.3℃/分钟的升温速率加热至120℃后，使升温速率为0.5℃/分钟，进一步升温至200℃，保持3小时。然后，将对加热器的供电中止，使其自然冷却。

接下来，对接合体的LT基板进行磨削及精研研磨，使其厚度为10μm。然后，通过CMP，使厚度为5μm，同时使表面平滑化，得到具有压电层的复合基板。

[实施例2]

使活化处理用的气体为氧，另外，加热时，使至200℃的升温速率为0.3℃/分钟，并使200℃的保持时间为5小时，除此以外，与实施例1同样地得到复合基板。

[比较例1]

使活化处理用的气体为氧，另外，加热时，使升温速率为0.8℃/分钟，并使200℃的保持时间为2小时，除此以外，与实施例1同样地得到复合基板。

＜评价＞

对得到的复合基板进行下述评价。将评价结果汇总于表1。

1.气泡的发生的确认

自压电层侧，利用激光显微镜(倍率：200倍)观察复合基板，由此确认有无产生气泡。

2.反射特性的测定

在复合基板的压电层表面，以下述所示的条件，由金属铝形成梳型电极，得到弹性表面波元件的谐振器，针对该谐振器，采用网络分析仪，测定其反射特性。

·IDT(梳型电极)周期：6μm

·IDT开口长度：300μm

·IDT根数：80根

将高频区域(680MHz以上)的杂音成分的最大值(dB)设为寄生信号，将测定结果汇总于表1。应予说明，图3是表示比较例1的反射特性S11的曲线图。

另外，根据下式，由所测定的反射系数计算出谐振器的Q值，将其最大值汇总于表1。

【数学式1】

【表1】

	有无气泡	寄生信号(dB)	Q(ω)max
				实施例1	有	3.5	887
实施例2	有	4.3	905
				比较例1	无	12.1	720

由图3可知，比较例1中，能够确认到较大的寄生信号。实施例中，如图4所示，能够确认到气泡(气泡径：约20nm～60nm)的产生，寄生信号的产生得以抑制。

实施例中，得到高于比较例的Q值，气泡的形成还能够有助于性能提高。

产业上的可利用性

代表性地，本发明的实施方式所涉及的复合基板能够优选用于弹性表面波元件。

符号说明

1 第一层

2 第二层

3 接合层

4 接合界面

5 气泡

10 支撑基板

20 中间层

30 压电层

90 接合体

100 复合基板

Claims

1.一种复合基板，其中，

按以下顺序具有支撑基板、中间层以及压电层，

所述中间层包含气泡。

2.根据权利要求1所述的复合基板，其中，

所述中间层包含氧化硅。

3.根据权利要求1或2所述的复合基板，其中，

所述中间层的厚度为500nm以上1000nm以下。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的复合基板，其中，

所述中间层具有不存在所述气泡的第一区域，所述第一区域形成于自所述支撑基板侧的界面起算为200nm以下的范围。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的复合基板，其中，

所述中间层具有不存在所述气泡的第三区域，所述第三区域形成于自所述压电层侧的界面起算为200nm以下的范围。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的复合基板，其中，

所述气泡的气泡径为10nm～100nm。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的复合基板，其中，

所述压电层的厚度为5μm以下。

8.一种复合基板的制造方法，其中，包括：

在支撑基板的单侧形成第一层、

在压电基板的单侧形成第二层、

将所述第一层和所述第二层进行接合而得到接合层、以及、

在所述接合层形成气泡而得到中间层。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其中，

在所述接合时，对所述第一层的接合面及所述第二层的接合面实施活化处理。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其中，

利用所述活化处理，将所述接合面进行亲水化。

11.根据权利要求9或10所述的制造方法，其中，

利用等离子体照射，进行所述活化处理。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的制造方法，其中，

对所述接合层进行加热，由此进行所述气泡形成。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，

所述加热包括：以0.7℃/分钟以下的升温速率加热至达到100℃～150℃。

14.根据权利要求12或13所述的制造方法，其中，

所述加热包括：于180℃以上进行加热。