CN1665131A - 接合基板、表面声波芯片以及表面声波器件 - Google Patents
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Abstract
接合基板、表面声波芯片以及表面声波器件。接合基板包括钽酸锂基板及与钽酸锂基板相接合的蓝宝石基板，钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm、处于非晶态的接合区域。处于非晶态的接合区域是通过利用惰性气体或氧的中性化原子束、离子束或者等离子体在接合界面中激活钽酸锂基板和蓝宝石基板中的至少一方来形成的。可以无需高温热处理而将压电基板与具有不同晶格常数的支撑基板相接合，并且可以实现具有优良接合强度和更小翘曲的接合基板。
Description
技术领域
本发明总体上涉及接合基板和表面声波芯片，更具体地，涉及一种其中钽酸锂基板和蓝宝石基板被接合在一起的基板，以及一种配备有该接合基板的表面声波芯片。
背景技术
表面声波(此后称为SAW)器件是利用其上具有多个梳状电极的压电基板来制造的。将高频电力施加给一个梳状电极以产生表面声波，而由另一梳状电极将该表面声波转换为高频信号。
SAW器件的波长比电磁波的小10-5。因此SAW器件可以小型化。SAW器件因其低损耗而具有高传播效率。另外，半导体制造工艺的技术可用来生产SAW器件。这样就实现了大规模生产和低成本。SAW器件广泛用作通信设备如移动电话中的带通滤波器。
近年来，根据移动电话的高性能，要求其中包括SAW芯片的滤波器具有更高的性能。对高性能的要求之一是改进SAW芯片的温度稳定性。钽酸锂(LT)和铌酸锂(LN)是具有大机电耦合系数的压电材料，它们适于实现宽频带的滤波特性。因此在SAW芯片的压电材料中广泛采用LT和LN。然而LT和LN具有温度稳定性差的缺点。利用上述压电材料制造的SAW芯片存在通带依赖于温度的问题。相反，同样是SAW芯片的压电材料的石英晶体具有优良的温度稳定性，但是却具有机电耦合系数小的缺点。
如上所述，作为压电材料的一个总体趋势，这些压电材料具有两种矛盾的特性。机电耦合系数大的压电材料具有较差的温度稳定性。反之，机电耦合系数小的压电材料具有优良的温度稳定性。
已经提出一些技术，以实现具有大机电耦合系数和良好的温度稳定性的压电材料。例如，根据Ohnishi，et al.“Proc.of IEEE UltrasonicSymposium”，pp.335-338(1998)(此后称为文献1)，将薄压电基板直接与具有低膨胀的厚压电支撑基板相接合。因此，可以通过抑制由温度变化引起的膨胀和收缩来改进温度稳定性。具体地，诸如LT的压电基板的两面都经过镜面精加工。将玻璃用作支撑基板。将压电基板和支撑基板浸入水溶液中以成为亲水性的，该水溶液中混合有氢氧化铵和过氧化氢溶液。接着，以纯水清洗这两种基板，并且这两种基板的表面以氢氧基终止。当叠合两种基板的主表面时，由于氢氧基、氧以及氢的分子间力，湿气逐渐去除，并且主表面和辅助基板稳固地接合(初始接合)。在初始接合之后，至少在100℃下对两种基板进行持续几十分钟到几十小时的热处理。由此获得在室温下没有任何残余应力的接合基板(参照文献1和日本专利申请特开No.11-55070(此后称为文献2))。
然而，在文献1和文献2中公开的接合方法需要高温下的退火处理。对于支撑基板必须使用具有小杨氏模量的低膨胀材料，如玻璃，以使得在退火期间可不损坏基板。由接合基板中的热膨胀系数差产生的应变没有充分传递给压电基板。结果导致对温度特性的改进不能令人满意。
在诸如LT的单晶压电基板接合到诸如蓝宝石的单晶支撑基板的情况下，两种基板的晶格常数通常不同。即使在多晶基板或陶瓷基板用作压电基板或支撑基板的情况下，大多数情况下，压电基板和支撑基板也具有不同晶格常数。如果压电基板和支撑基板具有不同的晶格常数，则在接合界面处将出现晶格失配，并且因此在接合界面处产生扭变(distortion)。在此，这将引起接合强度降低和器件合格率降低的问题。
发明内容
本发明的总体目的是提供一种SAW芯片，其中具有不同晶格常数的压电基板(钽酸锂基板)和支撑基板(蓝宝石基板)在不经受高温下的热处理的情况下被接合起来。
本发明更具体的目的是提供具有接合基板的SAW芯片，该接合基板具有充分的接合强度、小扭变以及优良的温度稳定性。
根据本发明的一个方面，优选地，提供一种接合基板，该接合基板包括钽酸锂基板及与钽酸锂基板相接合的蓝宝石基板。钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
根据本发明的另一个方面，优选地，提供一种表面声波芯片，该表面声波芯片包括钽酸锂基板和蓝宝石基板，该钽酸锂基板具有其上设有梳状电极的第一表面，还具有第二表面，而蓝宝石基板与钽酸锂基板的第二表面相接合，钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
根据本发明的又一个方面，优选地，提供一种表面声波器件，该表面声波器件包括封装和由该封装气密地密封的表面声波芯片。该表面声波芯片可以包括：钽酸锂基板，具有其上设有梳状电极的第一表面，还具有第二表面；以及与钽酸锂基板的第二表面相接合的蓝宝石基板。钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
附图说明
下面将参照附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1是利用根据本发明的接合基板制造的SAW芯片的立体图；
图2A到2C示出接合基板中非晶态下的接合界面形成工艺；
图3示出利用透射电子显微镜拍摄的LT基板和蓝宝石基板的接合界面中排列的晶格；
图4示出非晶层厚度与接合强度之间的关系；
图5示出在Au凸起(bump)形成工艺后的增加翘曲量与非晶层厚度之间的关系；以及
图6A和6B示出根据本发明的SAW器件的示例。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1是利用根据本发明的接合基板制造的SAW芯片的立体图。SAW芯片10包括接合基板15。接合基板15包括压电基板11、支撑基板12以及处于非晶态的接合界面13。压电基板11和支撑基板12通过接合界面13相接合。SAW谐振器14置于压电基板11的主表面上，以使得SAW在X方向上传播。
压电基板11采用绕作为传播方向的X轴进行42度旋转Y-切割的单晶LT基板(42°Y-切割X-传播LT基板)。单晶LT基板具有40μm的厚度。单晶LT基板的SAW传播方向X的线性膨胀系数是16.1ppm/℃。支撑基板12由R面切割的厚度为250μm的蓝宝石基板制成。单晶蓝宝石基板的SAW传播方向X的线性膨胀系数是5.3ppm/℃。与LT基板相比，蓝宝石基板具有更小的线性膨胀系数，从而易于进行加工。
LT基板的压电基板11和蓝宝石基板的支撑基板12通过如下详细描述的处于非晶态的接合界面13相接合。蓝宝石基板抑制LT基板的膨胀和收缩，这使得能够减小由温度变化引起的SAW谐振器的频率波动。图1中所示的SAW谐振器的频率温度系数是-25ppm/℃，并且与具有常规LT基板的SAW谐振器的频率温度系数-40ppm/℃相比，得到了很大的改进。可以考虑到，频率温度系数比热膨胀系数的减小(约9ppm/℃)得到更多改进(约15ppm/℃)，这是因为在LT基板的膨胀和收缩受到抑制时，应力作用更有效。
图2A到2C示出根据本发明的非晶态下的接合界面形成工艺。在此，在真空中，将Ar原子束照射到压电基板和支撑基板的接合界面中，以完全打乱(激活)基板表面的原子排列，形成非晶态，并接合所述基板。
参照图2A，在压电基板的接合表面21和支撑基板的另一接合表面22上包括有杂质23a和23b。杂质23a和23b是表面上自然氧化的氧化物，或者粘附到表面的物质。当Ar原子照射到基板的接合表面中时，氧化物和杂质被溅出并除去，并且另外，Ar原子的能量激活了基板表面的原子。
上述激活的结果是，压电基板的接合表面21和支撑基板的接合表面22(在纳米量级)转变为非晶态。参照图2B，在压电基板的接合表面21上形成了非晶区域24a，并且在支撑基板的接合表面22上形成了另一非晶区域24b。
在压电基板的接合表面21上形成的非晶区域24a是由LT、压电基板、以及射束照射带入的Ar组成的。同样地，在支撑基板的接合表面22上形成的非晶区域24b是由蓝宝石、支撑基板以及射束照射带入的Ar组成的。
参照图2C，对共同形成非晶态的压电基板的接合表面21和支撑基板的接合表面22进行定位和叠置。由此，在压电基板的接合表面21与支撑基板的接合表面22之间的界面中形成处于非晶态的接合层24。
上述叠置工艺在大多数情况下是在真空或者在存在高纯度惰性气体如氮气的情况下执行的。这是因为，通过防止杂质在接合之前被吸收到基板表面中，并维持通过Ar原子束照射形成的基板表面的非晶态，可加强接合强度。然而，在某些情况下，根据要接合到一起的表面的特性或者希望的接合强度，即，化学特性(如表面的活性水平)，甚至在空气中进行叠置也可以获得充分的接合强度。另外，在叠置基板表面时，必要时可以夹住两块基板并加压。
根据要获得的接合强度，可在约100℃或更低的加热条件下执行上述叠置工艺。对于在5℃到25℃下，即在室温下接合的接合基板的接合强度进行检查，没有发现温度依赖性。
在上述工艺中，照射Ar原子束来激活基板表面。然而也可照射或曝光惰性气体或氧的中性化原子束、离子束或者等离子体。另外，可以激活并接合其中一个基板表面，取代对全部两个基板的激活处理。另外，可以在压电基板和支撑基板的接合表面中的一个上叠置具有不同基板成分的非晶膜。
图3是通过透射电子显微镜拍摄的LT基板和蓝宝石基板的这种接合基板的接合界面中的晶格的横截面视图。在LT基板和蓝宝石基板的接合界面中可观测到非晶层。虽然LT基板和蓝宝石基板分别表现出包括周期晶格排列的清晰晶格图像，但非晶层不包括长周期的晶格排列。在该观测样品中，LT基板和蓝宝石基板的非晶层具有大约1.7nm的厚度。
图4示出非晶层的厚度与接合强度之间的关系。横轴表示非晶层厚度。纵轴表示接合基板的接合强度。在此，为了测量接合强度，利用划片机(dicing saw)将接合基板切割成5mm的立方体，并利用环氧树脂粘合剂将用于拉力试验的不锈钢夹具(jig)施加到样品的两侧。在粘合剂硬化后，利用拉力试验机以15mm/min速率执行拉力试验。如图4中所示，在薄的非晶层中接合强度低。随着非晶层变厚，接合强度变高。当在厚度约为0.3nm的情况下接合强度达到8到10MPa时，接合强度趋于一次饱和。当非晶层的厚度超过1.5nm时，接合强度趋于急剧增加，但接合强度变化范围大。当厚度超过2.5nm时，接合强度下降。
随着非晶层变厚，接合强度变高。接着，接合强度急剧下降。这是因为，根据本发明是通过照射Ar原子束来在基板表面上形成非晶区域的。如果射束照射时段长或者照射功率强，则非晶区域厚并且基板表面愈加粗糙。因此，与有效接合基板相关的基板区域变小，从而接合强度降低。
如图4所示，通过将在LT基板与蓝宝石基板之间的界面中设置的非晶层的厚度配置为0.3到2.5nm，获得了具有高接合强度的接合基板。如果接合强度提高，则在将SAW芯片切割成芯片时，可以抑制SAW芯片的切断(cutout)或者剥起(peel-off)。因此可以改进合格率，另外也提高了在将芯片组合到产品中之后的耐冲击性。由此，可以实现具有高可靠性的SAW芯片。
除了接合强度，作为接合基板所需的另一重要因素，希望在热处理后仅具有小的翘曲。在某些情况下，在SAW器件的生产工艺中需要进行热处理。如果基板在热处理后翘曲，则在切块处理中很难将该基板贴合到平台上。生产率显著下降。
例如，有时在芯片上形成Au凸起以布置输入和输出端子或者接地端子。Au凸起的形成工艺是在将接合基板上形成的多个SAW滤波器切分成芯片之前执行的。所以，按大约150℃在热板上对接合基板进行加热。虽然用于热处理的时间随接合基板上形成的SAW滤波器的芯片数或者Au凸起的数目而变化，但通常需要用大约一小时来执行Au凸起形成工艺中的热处理。在热处理期间，接合基板保持在约150℃的温度下。因此，必须对在接合界面中设置的非晶层进行最优化，以便实现具有优良接合强度和更小翘曲的接合基板。
图5示出在形成Au凸起后，增加翘曲量与非晶层厚度之间的关系。在此，以位置信息测量接合基板的翘曲量，该位置信息是由在将750nm的激光照射到待测量的基板上时的反射光给出的。以此方式，在退火前和退火后测量翘曲量。差值是增加翘曲量。如图5所示，增加翘曲量随着非晶层变厚而简单地递减。换言之，非晶层必须尽可能地厚，以便获得更小翘曲的接合基板。在Au凸起形成工艺之后的SAW滤波器的切块工艺中，如果接合基板的翘曲超过大约200μm，则很难将其贴在诸如切块装置的平台上。因此，对非晶层进行确定，以使得接合基板的翘曲量在上述工艺之后可以小于200μm。
从图5所示的结果判断，非晶层被设置为至少1.5nm以获得200μm或更小的增加翘曲量。考虑这个结果和接合强度对非晶层的依赖性，必须将非晶层设置在1.5到2.5nm的范围内，以实现具有优良接合强度和更小翘曲的接合基板。
图1中所示的SAW芯片可通过将至少一个梳状电极(IDT)、电极焊盘、互连图案以及SAW谐振器14布置在上述接合基板的LT基板的主表面上来获得。电极焊盘用作连接外部的电端子。互连图案连接IDT和电极焊盘。
如上所述，通过对LT基板和蓝宝石基板的接合界面执行相对简单的激活处理，可以容易且稳固地接合压电基板和支撑基板。从而可以提供具有大机电耦合系数和改进的频率温度特性的SAW芯片。
图6A和6B示出根据本发明的SAW器件。利用一封装来安装并气密地密封根据本发明的SAW芯片。图6A示出通过引线(引线接合法)安装到封装中的SAW芯片。图6B示出通过Au凸起连接(倒装芯片安装)安装到封装中的SAW芯片。在引线接合法(图6A中示出)中，芯片16的对应于支撑基板12侧的背侧接合并固定到封装17的芯片安装表面。在倒装芯片安装(图6B中示出)中，芯片16的对应于压电基板11侧的表面通过凸起18固定到封装17的芯片安装表面。在任何方法中，未示出的置于芯片16的压电基板11侧的端子都通过引线19或凸起18连接到封装17的内部连接端子20a，并由未示出的置于封装17中的互连层引至外部连接端子20b。
对于传统的SAW器件(其上通过倒装芯片安装而安装有利用LT基板制成的SAW芯片)，热膨胀系数在LT基板和封装材料中是不同的。当温度改变时，Au等制成的凸起被施加了力，并且该凸起在某些情况下被损坏。为了应对施加给凸起的力，设置了比电连接所需多的凸起。
与之对照，对于根据本发明的SAW芯片(其中采用了LT和蓝宝石的接合基板)，接合基板的热膨胀系数几乎等于SAW芯片的封装材料(如氧化铝、玻璃陶瓷等)的热膨胀系数。LT基板表面上的热膨胀系数与封装材料的热膨胀系数处于相同水平，并且主要因温度变化而导致的力由此降低。这使得可以在根据本发明的采用倒装芯片安装的SAW器件中改进稳定性，并减少凸起的数目。同样，也可以在根据本发明的采用引线接合法的SAW器件中改进稳定性并减少凸起的数目。
可以无需高温热处理而将压电基板接合到具有不同晶格常数的支撑基板，并且实现具有优良接合强度和更小翘曲的接合基板。还可以提供具有大机电耦合系数和优良温度稳定性的SAW芯片。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的范围的情况下，可以提出其它实施例、变型例和修改例。
本申请基于2004年3月3日提交的第2004-058888号日本专利申请，在此通过引用并入其全部公开内容。
Claims (8)
1、一种接合基板，包括：
钽酸锂基板；和
与钽酸锂基板相接合的蓝宝石基板，
钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
2、如权利要求1所述的接合基板，其中，所述接合区域具有至少1.5nm的厚度，并且在150℃下经过一个小时的处理之后，翘曲量大约等于至多200μm。
3、如权利要求1所述的接合基板，其中，所述处于非晶态的接合区域是通过利用惰性气体或氧的中性化原子束、离子束或者等离子体在接合界面中激活钽酸锂基板和蓝宝石基板中的至少一方来形成的。
4、如权利要求1所述的接合基板，其中，所述处于非晶态的接合区域是通过在真空中在钽酸锂基板和蓝宝石基板中的至少一方的接合面上生长具有希望成分的非晶层来形成的。
5、一种表面声波芯片，包括：
钽酸锂基板，具有：其上设有梳状电极的第一表面，和第二表面；和
与钽酸锂基板的第二表面相接合的蓝宝石基板，
钽酸锂和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
6、如权利要求5所述的表面声波芯片，其中，所述钽酸锂基板是旋转的Y切割X传播板。
7、一种表面声波器件，包括：
封装；和
由封装气密地密封的表面声波芯片，
该表面声波芯片包括：
钽酸锂基板，具有：其上设有梳状电极的第一表面，和第二表面；和
与钽酸锂基板的第二表面相接合的蓝宝石基板，钽酸锂基板和蓝宝石基板的接合界面包括厚度为0.3nm到2.5nm的处于非晶态的接合区域。
8、如权利要求7所述的表面声波器件，其中，所述封装由氧化铝或者玻璃陶瓷制成。
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