JP2007204320A

JP2007204320A - 複合圧電基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007204320A
Application number: JP2006025680A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Tanaka; 一美田中; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; Yoshiaki Ikeda; 義秋池田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】歪や微細な亀裂及び空隙の発生が少なく、高い圧電特性を有する、複合圧電基板及びその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】圧電基板３０３とシリコン基板３０２との間に非晶質層３０４を設けて、圧電基板３０３とシリコン基板３０２及び非晶質層３０４の最適化を行うと共に、圧電基板３０３とシリコン基板３０４間に電圧を印加しながら陽極接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は複合圧電基板に関し、特に圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板及びその製造方法に関する。

圧電基板とシリコン基板とを接合した複合圧電基板は、圧電効果による機械−電気変換機能と逆圧電効果による電気−機械変換機能とを有し、従来の表面弾性波デバイスや圧電センサ・圧電アクチュエータ等の圧電デバイスをさらに小型化・薄型化するのに適した材料として検討がなされている。

圧電基板とシリコン基板とを接合する方法には、接合界面の水酸基の水素結合または酸素との共有結合を利用して接合する直接接合とよばれる方法が提案されている。これは、圧電基板とシリコン基板の接合面をそれぞれ清浄にして親水化処理した後、重ね合わせて熱処理することにより、接合界面の水酸基の水素結合または酸素との共有結合を生じさせて接合する方法である。

或いは、圧電基板とシリコン基板のどちらか一方の基板表面に酸化珪素や窒化珪素などの珪素化合物を無機薄膜層として形成して、水酸基の水素結合または酸素との共有結合を前記無機薄膜層と他方の基板との界面で生じさせて前記基板同士を接合する方法なども提案されている。このような直接接合による複合圧電基板及び製造方法は特許文献１に開示されている。

特開平９−２２１３９２号公報

上述した、圧電基板とシリコン基板との直接接合による接合では、圧電基板とシリコン基板との間に無機薄膜層を形成して強度の高い直接接合を得ようとすると８００℃を超える高温での熱処理が必要となるという問題点がある。また、上記の直接接合では、相変化温度が高い圧電材料でなければ接合できない。従って、使用できる材料が特定の材料に限定されるので、材料選択の自由度が制限されるという問題点がある。更に、接合強度を高めるために高温での熱処理工程を導入すると、圧電基板とシリコン基板に熱応力による歪や微細な亀裂および空隙を発生させ、複合圧電基板の圧電特性を劣化させるという問題点がある。

これは、圧電基板の熱膨張係数とシリコン基板の熱膨張係数の差による熱応力が発生するためである。例えば、圧電基板としてよく知られているニオブ酸リチウムの熱膨張係数の平均値は、１５×１０^-6／℃、シリコン基板の熱膨張係数は３×１０^-6／℃である。５００℃でニオブ酸リチウム基板とシリコン基板を接合した場合、常温において熱応力による変形がみられ、冷却条件によっては亀裂が生じる。

また、圧電基板において熱膨張係数は結晶方位によって大きく異なることがある。例えば、圧電基板として知られているランガサイトの熱膨張係数は、α１１＝５×１０^-6／℃、α３３＝４×１０^-6／℃である。圧電基板とシリコン基板の熱膨張係数が近いとしても、熱膨張係数差をゼロとすることができないため、高温で接合した場合、熱応力の影響による変形や亀裂が生じる。

このように、圧電基板とシリコン基板との間に大きな熱膨張係数差がある場合、圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板は、使用温度範囲内での温度変化による熱応力の変化の影響を大きく受け、たとえ室温で接合したとしても急激な温度変化により、接合界面に応力が集中するので、ヒートショックやヒートサイクルに対しては非常に弱いという問題点がある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、歪や微細な亀裂及び空隙の発生が少なく、高い圧電特性を有する、複合圧電基板及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、圧電基板とシリコン基板との間に非晶質層を設けて、圧電基板とシリコン基板及び非晶質層の最適化を行うと共に、圧電基板とシリコン基板間に電圧を印加しながら熱処理を行う陽極接合を採用することをその要旨とする。

本発明によれば、圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板であって、前記圧電基板と前記シリコン基板との間に厚さが０．０１μｍ以上、５ｍｍ以下の非晶質層を有し、前記圧電基板の基板表面に対して平行方向の、前記圧電基板の熱膨張係数の平均値をα１とし、前記シリコン基板の熱膨張係数をα２とし、前記非晶質層の熱膨張係数をα３としたときに、α１＜α３＜α２、または、α２＜α３＜α１であることを特徴とする複合圧電基板が得られる。

本発明による複合圧電基板は、圧電基板の伝導担体を正極性又は負極性として圧電基板に電圧を印加しながら圧電基板とシリコン基板とを接合する陽極接合を採用することで熱処理温度を下げることができる。その際、圧電基板とシリコン基板との間に、厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下の非晶質層を設け、さらに、圧電基板とシリコン基板と非晶質層それぞれの熱膨張係数α１、α２、α３の関係をα１＜α３＜α２、または、α２＜α３＜α１となるようにすることで、熱膨張の差によって発生する熱応力を緩和することができる。ここで、圧電基板が異方性をもつ材料の場合は、圧電基板表面に対して平行な方向の熱膨張係数の平均値をα１とする。これは、圧電基板表面上に直交する２軸を設定し、一方をＸ軸、他方をＹ軸としたときに、Ｘ軸方向成分の熱膨張係数とＹ軸方向成分の熱膨張係数との平均値をα１とするものである。これに対してシリコン基板は、異方性が無いので上記のような平均値を考慮する必要はない。

本発明では、非晶質層の厚さは０．０１μｍ以上あれば熱応力緩和の効果が得られるが、５ｍｍ以上とすると複合圧電基板全体の厚みが増し、小型化・薄膜化の趣旨に反するので、実用的には２ｍｍ以下であることが好ましい。また、非晶質層は、熱膨張係数を考慮した上で、２種類以上の材料を使用して２層以上としても良い。

本発明によれば、圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板であって、前記圧電基板と前記シリコン基板との間に厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下の非晶質層を有し、前記圧電基板のヤング率をＥ１とし、前記シリコン基板のヤング率をＥ２とし、前記非晶質層のヤング率をＥ３としたとき、Ｅ３＜Ｅ１、且つ、Ｅ３＜Ｅ２であることを特徴とする複合圧電基板が得られる。

本発明による複合圧電基板は、圧電基板の伝導担体を正極性又は負極性として圧電基板に電圧を印加しながら圧電基板とシリコン基板とを接合する陽極接合を採用することで熱処理温度を下げることができる。その際、圧電基板とシリコン基板との間には厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下非晶質層を設け、さらに、圧電基板とシリコン基板と非晶質層それぞれのヤング率Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の関係をＥ３＜Ｅ１、且つ、Ｅ３＜Ｅ２とすることでも、熱膨張の差によって発生する熱応力を緩和することができる。

このとき、非晶質層の厚さは０．０１μｍ以上あれば熱応力緩和の効果が得られるが、５ｍｍ以上とすると複合圧電基板全体の厚みが増し、小型化・薄膜化の趣旨に反するので、実用的には２ｍｍ以下であることが好ましい。また、非晶質層は、熱膨張係数を考慮した上で、２種類以上の材料を使用して２層以上としも良い。

本発明によれば、前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウム、ランガサイト、置換型ランガサイトのいずれかからなることを特徴とする複合圧電基板が得られる。

本発明による複合圧電基板は、圧電基板とシリコン基板とを接合する際、陽極接合を採用し、接合に必要な熱処理温度を５００℃前後にまで下げることが可能となる。従って、圧電基板に使用できる圧電材料もニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウム、ランガサイト、置換型ランガサイト等の様々な材質のものが使用できるばかりでなく、複合圧電基板としても十分な圧電特性が得られる。

本発明によれば、前記圧電基板と前記シリコン基板との間に前記非晶質層を介在させた状態で重ね合わせる積載工程と、所定の温度に保持する熱処理工程と、前記シリコン基板と前記圧電基板間に所定の電圧を印加する電圧印加工程を有する特徴とする複合圧電基板の製造方法が得られる。

本発明による複合圧電基板の製造方法は、圧電基板又はシリコン基板のどちらか一方の接合面に予め非晶質層を形成し、前記非晶質層が圧電基板とシリコン基板との間に位置するように重ね合わせて積層体にする積載工程を設けるのが良い。前記積載工程では、予め加工された非晶質膜を挟むように圧電基板とシリコン基板を重ね合わせても良い。

次に、本発明による複合圧電基板の製造方法では、前記積層体を、接合するのに適した所定の温度に保持して熱処理する熱処理工程を設ける。この熱処理の温度は、使用する圧電基板の材質に合わせて適宜設定する。

さらに、前記圧電基板の伝導担体を正極性又は負極性として直流電圧を印加する電圧印加工程を設ける。前記電圧印加工程は、前記熱処理工程と同時に行うことにより、前記熱処理工程の熱処理温度を下げる効果が得られる。本発明によれば、陽極接合による前記非晶質層が圧電基板とシリコン基板との間に位置する複合圧電基板の製造方法が得られる。

本発明によれば、非晶質層を圧電基板と前記シリコン基板との間に設け、圧電基板とシリコン基板、非晶質層の熱膨張係数の関係、或いはヤング率の関係を最適化することにより、熱応力を緩和することができるので、歪や微細な亀裂及び空隙の発生が少なく、高い圧電特性を有する、複合圧電基板及びその製造方法の提供が可能となる。

以下、本発明による複合圧電基板について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明による複合圧電基板の断面図である。本発明による複合圧電基板３０１は、シリコン基板３０２と圧電基板３０３が非晶質層３０４を介して接合する構造を成す。

本発明による複合圧電基板３０１は、圧電基板３０３の伝導担体を正極性又は負極性として圧電基板３０３に電圧を印加しながら圧電基板３０３とシリコン基板３０２とを接合する陽極接合を採用する。その際、圧電基板３０３とシリコン基板３０２との間に、厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下の非晶質層３０４を設け、さらに、圧電基板３０３の熱膨張係数α１とし、シリコン基板３０２の熱膨張係数α２とし、非晶質層３０４の熱膨張係数α３としたときに、α１＜α３＜α２、または、α２＜α３＜α１となるようにする。ここで、圧電基板３０３が異方性をもつ材料の場合は、圧電基板３０３の表面に対して平行な方向の熱膨張係数の平均値をα１とする。これは、圧電基板３０３表面上に直交する２軸を設定し、一方をＸ軸、他方をＹ軸としたときに、Ｘ軸方向成分の熱膨張係数とＹ軸方向成分の熱膨張係数との平均値をα１とするものである。

また、本発明による複合圧電基板３０１は、圧電基板３０３とシリコン基板３０２との間には厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下非晶質層３０４を設け、さらに、圧電基板３０３とシリコン基板３０２と非晶質層３０４それぞれのヤング率Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の関係をＥ３＜Ｅ１、且つ、Ｅ３＜Ｅ２としても良い。

圧電基板３０３には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウム、ランガサイト、置換型ランガサイト等を使用する。

本発明による複合圧電基板３０１の製造方法は、前記圧電基板３０３と前記シリコン基板３０２との間に前記非晶質層３０４を介在させた状態で重ね合わせる積載工程と、所定の温度に保持する熱処理工程と、前記シリコン基板３０２と前記圧電基板３０３の各表面に所定の電圧を印加する電圧印加工程を設ける。

以下、本発明の実施例について、更に詳しく説明する。

（実施例１）
本実施例１では、非晶質層３０４として、厚さが０．００５μｍ、０．０１μｍ、０．１μｍ、１μｍのシリコン熱酸化膜を有する厚さ３００μｍのシリコン基板３０２を用意し、圧電基板３０３として、厚さ３００μｍのニオブ酸リチウム基板（Ｘ板）との接合を行った。１０ｍｍ角のシリコン基板３０２及びニオブ酸リチウム基板をアセトンで洗浄して清浄表面とした。シリコン基板３０２のシリコン熱酸化膜がある面にニオブ酸リチウム基板を重ね合わせ、十分ゆっくりと加熱し、５００℃で保持した。この状態で、ニオブ酸リチウム基板の接合面で無い方の面を陽極にして、シリコン基板３０２の接合面で無い方の面を陰極にして、８００Ｖの直流電圧を１時間印加した後、徐冷した。

非晶質層３０４である、厚さが０．００５μｍのシリコン熱酸化膜を有するサンプルでは微少な亀裂が無数にみられたが、０．０１μｍ以上の厚さのシリコン熱酸化膜を有するサンプルでは亀裂は見られなかった。また、接合強度を測定したところ１Ｎ／ｍｍ²以上であった。

さらに、本実施例１では、非晶質層３０４として、厚さが１０μｍ、０．１ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍのＳｉＯ₂の基板を作製して、これを厚さ３００μｍのシリコン基板３０２と、圧電基板３０３となる厚さ３００μｍのニオブ酸リチウム基板（Ｘ板）との間に挟み、接合を行った。１０ｍｍ角のシリコン基板３０２と各ＳｉＯ₂の基板及びニオブ酸リチウム基板をアセトンで洗浄して清浄表面とした。シリコン基板３０２の上に各ＳｉＯ₂の基板を載せ、さらにニオブ酸リチウム基板載せて重ね合わせた後、十分ゆっくりと加熱し、５００℃で保持した。この状態で、ニオブ酸リチウム基板の接合面で無い方の面を陽極にして、シリコン基板３０２の接合面で無い方の面を陰極にして、８００Ｖの直流電圧を１時間印加した後、徐冷した。

非晶質層３０４である、厚さが１０μｍ、０．１ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍのＳｉＯ₂の基板介在させたどの複合圧電基板３０１にも亀裂は見られなかった。また、接合強度を測定したところ１Ｎ／ｍｍ²以上であった。

次に、本実施例１による複合圧電基板と、非晶質層３０４を他の材質に変えた場合と、非晶質層３０４が無い場合とでのシミュレーションを各材料の熱膨張係数を用いて有限要素法で行った。ニオブ酸リチウムの熱膨張係数の平均値は１５×１０^-6／℃を、シリコン基板の熱膨張係数は３×１０^-6／℃を用いて室温での最大熱応力を計算し、比較した。その結果、圧電基板３０３の熱膨張係数の平均値をα１とし、シリコン基板３０２の熱膨張係数をα２とし、非晶質層３０４の熱膨張係数をα３としたとき、各熱膨張係数の関係が、α２＜α３＜α１となるときに、最大熱応力が、非晶質層３０４が無い場合に比べて減少することが確認できた。

また、同様のシミュレーションを各材料のヤング率を用いて有限要素法で行った。ニオブ酸リチウムのヤング率は２．０×１０¹¹（Ｎ／ｍ²）を、シリコン基板３０２のヤング率は１．９×１０¹¹（Ｎ／ｍ²）を用いて室温での最大熱応力を計算し、比較した。その結果、圧電基板３０３のヤング率をＥ１とし、シリコン基板３０２のヤング率をＥ２とし、非晶質層３０４のヤング率をＥ３としたとき、Ｅ３＜Ｅ１、且つ、Ｅ３＜Ｅ２となるときに、最大熱応力が、非晶質層３０４が無いときに比べて減少することが確認できた。

さらに、圧電基板３０３と非晶質層３０４については、本実施例に使用した以外の材料についてもシミュレーションを行った結果、熱膨張係数の関係及びヤング率の関係は前記と同様の結果が得られた。

（実施例２）
本実施例２では、圧電基板３０３として、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウム、置換型ランガサイトをそれぞれ用いた複合圧電基板を実施例１と同様に製作した。本実施例２においても実施例１同様の効果が確認できた。非晶質層３０４には、ＳｉＯ₂の他にガラス等でも同様の効果が得られた。

前述の如く、本発明によれば、非晶質層を圧電基板と前記シリコン基板との間に設け、圧電基板とシリコン基板、非晶質層の熱膨張係数の関係、或いはヤング率の関係を最適化することにより、熱応力を緩和することができるので、歪や微細な亀裂及び空隙の発生が少なく、高い圧電特性を有する、複合圧電基板及びその製造方法の提供が可能となる。

本発明は、表面弾性波デバイスや圧電センサ・圧電アクチュエータ等の圧電デバイスに利用できる。

本発明による複合圧電基板の断面図。

符号の説明

３０１複合圧電基板
３０２シリコン基板
３０３圧電基板
３０４非晶質層

Claims

圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板であって、前記圧電基板と前記シリコン基板との間に厚さが０．０１μｍ以上、５ｍｍ以下の非晶質層を有し、前記圧電基板の基板表面に対して平行方向の、前記圧電基板の熱膨張係数の平均値をα１とし、前記シリコン基板の熱膨張係数をα２とし、前記非晶質層の熱膨張係数をα３としたときに、α１＜α３＜α２、または、α２＜α３＜α１であることを特徴とする複合圧電基板。
圧電基板とシリコン基板とを接合してなる複合圧電基板であって、前記圧電基板と前記シリコン基板との間に厚さが０．０１μｍ以上で５ｍｍ以下の非晶質層を有し、前記圧電基板のヤング率をＥ１とし、前記シリコン基板のヤング率をＥ２とし、前記非晶質層のヤング率をＥ３としたとき、Ｅ３＜Ｅ１、且つ、Ｅ３＜Ｅ２であることを特徴とする複合圧電基板。
前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウム、ランガサイト、置換型ランガサイトのいずれかからなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の複合圧電基板。
前記圧電基板と前記シリコン基板との間に前記非晶質層を介在させた状態で重ね合わせる積載工程と、所定の温度に保持する熱処理工程と、前記シリコン基板と前記圧電基板間に所定の電圧を印加する電圧印加工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の複合圧電基板の製造方法。