JP2012109399A

JP2012109399A - 複合基板及びその製法

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Publication number: JP2012109399A
Application number: JP2010257088A
Authority: JP
Inventors: Kenji Suzuki; 健司鈴木
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: JP5695394B2

Abstract

【課題】温度特性の改善効果が高く、比較的低コストで製造可能であり、圧電基板と支持基板との組み合わせも１組に限定されない複合基板を提供する。
【解決手段】複合基板１０は、圧電基板１２と支持基板１４とを接着層１６を介して接着されている。接着層１６は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩（例えば６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのモノナトリウム塩）を主成分とする分子接着剤を硬化したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合基板及びその製法に関する。

従来より、圧電基板と支持基板とを接合した複合基板が知られている。例えば、特許文献１には、圧電基板とその圧電基板より線膨張係数の小さな支持基板とを接着剤で貼り付けた複合基板が開示されている。また、特許文献２にも、類似の技術が開示されている。更に、特許文献３には、圧電基板であるタンタル酸リチウム基板と支持基板であるサファイア基板とを０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みのアモルファス接合領域を介して接合した複合基板が開示されている。具体的には、少なくとも一方の基板の接合面に、Ａｒ原子ビームを照射し、照射面の原子配列をランダム化（活性化）してアモルファス状態とし、両基板を接合している。この場合、接着剤は使用しておらず、両基板は直接接合されている。

特開２０００−１９６４１０号公報特開２００１−５３５７９号公報特開２００５−２５２５５０号公報

しかしながら、特許文献１，２の複合基板では、紫外線硬化型の一般的な有機接着剤などを使用しているため、接着層はマイクロメートルオーダー（数μｍ程度）と比較的厚くなり、その厚い接着層によって応力が緩和されてしまい、温度特性を改善する効果が十分得られないという問題があった。一方、特許文献３の複合基板では、直接接合のため温度特性を改善する効果は高いものの、真空中でＡｒを照射するため、特殊な真空装置が必要であり、製造コストが高くなるという問題があった。また、圧電基板と支持基板との組み合わせがタンタル酸リチウム基板とサファイヤ基板に限定されるという問題もあった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、温度特性の改善効果が高く、比較的低コストで製造可能であり、圧電基板と支持基板との組み合わせも１組に限定されない複合基板を提供することを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の複合基板は、
圧電基板と支持基板とを接着層を介して接着された複合基板であって、
前記接着層は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を硬化した
ものである。

本発明の複合基板の製法は、
（ａ）圧電基板の表面及び支持基板の表面をそれぞれ表面粗さＲａが１ｎｍ以下となるように研磨する工程と、
（ｂ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面に反応性のＯＨ基を出現させる工程と、
（ｃ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面の少なくとも片面に、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を塗布し、両方の基板を塗布面で貼り合わせ、１２ｋｇ／ｃｍ²以上の圧力であって両方の基板が割れない大きさの圧力を加えながら前記分子接着剤を熱硬化する工程と、
を含むものである。

本発明の複合基板は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤が硬化してなる接着層を介して圧電基板と支持基板とが接着されているため、紫外線硬化型の一般的な有機接着剤を硬化してなる接着層と比べて、厚さをナノメートルオーダーまで薄くすることができる。このように厚さを極めて薄くできるため、応力を緩和する機能が少なく、温度特性の改善効果が高くなる。また、圧電基板と支持基板とを直接接合する場合には特殊な装置が必要となるが、圧電基板と支持基板とを分子接着剤で接着する場合には、加圧しながら加熱する装置があればよいため、製造コストが嵩まない。更に、圧電基板と支持基板とを直接接合する場合には両基板の材質の組み合わせが限定されるが、圧電基板と支持基板とを分子接着剤で接着する場合には、それほど限定されない。

複合基板１０の斜視図。図１のＡ−Ａ断面図。

本発明の複合基板は、圧電基板と支持基板とを接着層を介して接着された複合基板であって、前記接着層は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を硬化したものである。

本発明の複合基板において、圧電基板は、弾性波（特に弾性表面波）を伝搬可能な基板である。具体的な材質としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム−ニオブ酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム、ランガサイト、水晶などが挙げられる。これらのうち代表的な材質の線熱膨張係数を表１に示す。圧電基板の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１０〜５００μｍとすることができる。また、圧電基板は、角が予め面取りされていてもよい。ここで、面取りとは、２つの面の交差部分（稜）が所定の角度の面でカットされたＣ面取りであってもよいし、稜が所定の曲率半径となるようにカットされたＲ面取りであってもよい。圧電基板の裏面には、例えば、厚さが０．１〜５μｍの金属層や酸化物層（例えばＳｉＯ₂層）が設けられていてもよい。圧電基板は、接着面の表面粗さＲａが１ｎｍ以下であることが接着を確実に実施する点で好ましい。

本発明の複合基板において、支持基板は、圧電基板より線膨張係数の小さな基板である。具体的な材質としては、シリコン、サファイア、アルミナ、スピネル、ホウ珪酸ガラスなどが挙げられる。これらの線熱膨張係数及びヤング率を表１に示す。本発明の複合基板では、接着層の厚みが極めて薄いため、接着層の応力緩和効果があまり望めない。そのため、支持基板の材質としてヤング率の小さい材質を用いると、反りが発生しやすいため割れやクラックが生じるおそれがある。こうしたことから、支持基板の材質としては、ヤング率の大きなものが好ましく、具体的には、シリコン、サファイア、アルミナ、スピネルなどがより好ましい。支持基板の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１０〜５００μｍとしてもよい。支持基板も角が予め面取りされていてもよい。支持基板は、接着面の表面粗さＲａが１ｎｍ以下であることが接着を確実に実施する点で好ましい。

本発明の複合基板において、圧電基板はＬｉＴａＯ₃基板又はＬｉＮｂＯ₃基板であり、支持基板はＳｉ基板、スピネル基板であることが好ましい。こうした組み合わせを選択すれば、分子接着剤による接着が良好になる。

本発明の複合基板において、分子接着剤は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を硬化したものである。アルコキシシリルとしては、例えば、トリアルコキシシリル、アルキルジアルコキシシリル、ジアルキルアルコキシシリルなどが挙げられるが、反応性や入手容易性を考慮すると、トリアルコキシシリルが好ましい。また、アルコキシシリルを含む置換基は、１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールの６位に結合していることが好ましい。なお、Ｓｉにアルコキシが２以上結合している場合には、それぞれのアルコキシは同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、アルカリ金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムなどが挙げられるが、入手容易性を考慮すると、ナトリウムが好ましい。

こうした分子接着剤としては、例えば、下記式（１）で表される化合物が挙げられる。式（１）中、ｎは１〜５の整数、Ｒ¹〜Ｒ³は炭素数１〜５の分岐を有していてもよいアルキル基であって互いに同じであっても異なっていてもよい。アルキル基としては、特に限定するものではないが、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチルなどが挙げられる。

本発明の複合基板において、接着層は、以下のように形成されると考えられる。すなわち、分子接着剤で接着する前の圧電基板及び支持基板のそれぞれの表面には、ＯＨ基が存在する。分子接着剤は、アルコキシシリル（−Ｓｉ−ＯＲ）のアルコキシが加水分解してヒドロキシシリル（−Ｓｉ−ＯＨ）になった後、圧電基板の表面に存在するＯＨ基と脱水縮合して結合し、更に隣のヒドロキシシリルと反応して三次元網目構造を形成すると考えられる。分子接着剤は、支持基板の表面に存在するＯＨ基とも同様に脱水縮合し、更に隣のヒドロキシシリルと反応して三次元網目構造反応すると考えられる。一方、圧電基板に三次元網目構造を形成した分子接着剤も、支持基板に三次元網目構造を形成した分子接着剤も、トリアジンジチオールを有している。このため、圧電基板側のチオールと支持基板側のチオールとが反応してスルフィド結合を形成し、その結果、圧電基板と支持基板とが分子接着剤を硬化してなる接着層を介して結合したと考えられる。こうした分子接着剤を硬化してなる接着層は、厚さがナノメートルオーダー、例えば０．２〜２０ｎｍ、好ましくは０．２〜１０ｎｍであり、分子接着剤分子が数層で結合していると考えられる。なお、こうした分子接着剤の接着メカニズムについては、日本接着学会誌Vol.43, No.6(2007), p242-248やJournal of the Society of Inorganic Materials, Japan, Vol.16(2009), p474-479に説明されている。

本発明の複合基板は、弾性波デバイスに用いられるものである。弾性波デバイスとしては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、周知のとおり、圧電基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極（櫛形電極、すだれ状電極ともいう）と弾性表面波を受信する出力側のＩＤＴ電極とを設けたものである。入力側のＩＤＴ電極に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。

本発明の複合基板において、圧電基板は、裏面に金属膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとしてラム波素子を製造した際に、圧電基板の裏面近傍の電気機械結合係数を大きくする役割を果たす。この場合、ラム波素子は、圧電基板の表面に櫛歯電極が形成され、支持基板に設けられたキャビティによって圧電基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、金などが挙げられる。なお、ラム波素子を製造する場合、裏面に金属膜を有さない圧電基板を備えた複合基板を用いてもよい。

本発明の複合基板において、圧電基板は、裏面に金属膜と絶縁膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとして薄膜共振子を製造した際に、電極の役割を果たす。この場合、薄膜共振子は、圧電基板の表裏面に電極が形成され、絶縁膜をキャビティにすることによって圧電基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えば、モリブデン、ルテニウム、タングステン、クロム、アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜の材質としては、例えば、二酸化ケイ素、リンシリカガラス、ボロンリンシリカガラスなどが挙げられる。

本発明の複合基板の製法は、（ａ）圧電基板の表面及び支持基板の表面をそれぞれ表面粗さＲａが１ｎｍ以下となるように研磨する工程と、（ｂ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面に反応性のＯＨ基を出現させる工程と、（ｃ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面の少なくとも片面に、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を塗布し、両方の基板を塗布面で貼り合わせ、１２ｋｇ／ｃｍ²以上の圧力であって両方の基板が割れない大きさの圧力を加えながら前記分子接着剤を熱硬化する工程と、を含むものである。

工程（ａ）では、例えば、ポリッシング鏡面加工により実施すればよい。

工程（ｂ）では、例えば、各基板の表面にコロナ放電処理を施すことにより反応性のＯＨ基を出現させる。コロナ放電処理によって基板の表面がＯＨ基化するわけではなく、表面の汚れが除去されて反応性のＯＨ基が表面に現れるのである。基板の表面に反応性のＯＨ基を出現させる他の方法としては、大気圧プラズマ処理、ＵＶ照射処理及び化成処理などが挙げられる。

工程（ｃ）では、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を塗布する。塗布方法は、特に限定するものではないが、例えばスピンコートが挙げられる。なお、分子接着剤については、既に述べたため、ここでは説明を省略する。両方の基板を塗布面で貼り合わせ、加圧しながら熱硬化させるが、圧力が１２ｋｇ／ｃｍ²未満では分子接着剤による接着機能が十分でないため好ましくない。また、加熱温度は、使用する分子接着剤によって適宜設定すればよいが、例えば１００〜２００℃の範囲で設定する。工程（ｃ）の後に得られる接着層は、厚みがナノメートルオーダー（例えば０．２〜２０ｎｍ、好ましくは０．２〜１０ｎｍ）となる。なお、圧電基板はＬｉＴａＯ₃基板又はＬｉＮｂＯ₃基板であり、支持基板はＳｉ基板であることが好ましい。こうした組み合わせを選択すれば、分子接着剤による接着が良好になる。

［実施例１］
図１は複合基板１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。この複合基板１０は、弾性表面波デバイスに利用されるものであり、１箇所がフラットになった円形に形成されている。このフラットな部分は、オリエンテーションフラット（ＯＦ）と呼ばれる部分であり、弾性表面波デバイスの製造工程において諸操作を行うときのウエハ位置や方向の検出などに用いられる。複合基板１０は、弾性波を伝搬可能なタンタル酸リチウム（ＬＴ）からなる圧電基板１２と、この圧電基板１２に接合されたシリコンからなる支持基板１４と、両基板１２，１４を接合する接着層１６とを備えている。圧電基板１２は、厚さが２０μｍ、直径が４インチ（約１０．２ｃｍ）である。この圧電基板１２は、４２°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板（４２Ｙ−ＸＬＴ）である。支持基板１４は、厚さが２５０μｍ、直径が４インチである。接着層１６は、分子接着剤である６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのモノナトリウム塩が硬化したものであり、厚さは約１０ｎｍである。

こうした複合基板１０の製造方法について、以下に説明する。まず、支持基板として、直径４インチのシリコン基板を用意した。また、圧電基板として、直径４インチの４２°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用意した。そして、各基板の表面を表面粗さＲａが０．５ｎｍレベルになるように研磨、ポリッシュした。ポリッシュ後の各基板の厚さは、２５０μｍであった。続いて、各基板の接着面にコロナ放電処理を施すことにより、表面の汚れを落とすと共に反応性のＯＨ基を基板表面に出現させた。なお、コロナ放電処理は、コロナマスターで１０秒間照射することにより行った。続いて、各基板の片面に、分子接着剤である６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのモノナトリウム塩をスピンコーターを使用して塗布した。そして、両基板の接着剤塗布面同士が向かい合うようにして両基板を貼り合わせ、基板全面に対して２トンの圧力（約２４．７ｋｇ／ｃｍ²）を加えながら、１２０℃で２０分保持した。これにより、分子接着剤を硬化してなる接着層を介して両基板が接着された貼り合わせ基板を得た。この貼り合わせ基板のうち、圧電基板を厚さが２０μｍになるまで研磨、ポリッシュし、実施例１の複合基板１０を得た。このようにして実施例１の複合基板１０を２０枚作製したが、ウエハーの割れやクラックの発生はゼロだった。

また、シリコン基板とＬＴ基板との接着強度（圧縮せん断強度）を調べた。具体的には、大きさを５ｍｍ×５ｍｍの正方形状とした以外は、実施例１の複合基板１０と同様の構造の複合基板を５ピース作製し、接着強度を調べたところ、平均値１３０ｋｇｆ／ｃｍ²、最小値１００ｋｇｆ／ｃｍ²であった（目標値６０ｋｇｆ／ｃｍ²以上）。

［実施例２］
圧電基板として１２８°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板（１２８Ｙ−ＸＬＮ）を用いた以外は、実施例１と同様の手順で実施例２の複合基板１０を２０枚作製した。この場合も、ウエハーの割れやクラックの発生はゼロだった。また、シリコン基板とＬＮ基板との接着強度（圧縮せん断強度）を、実施例１と同様にして調べた。その結果、平均値１２０ｋｇｆ／ｃｍ²、最小値１００ｋｇｆ／ｃｍ²であった（目標値６０ｋｇｆ／ｃｍ²以上）。

［実施例３］
支持基板としてスピネル基板を用いた以外は、実施例１と同様の手順で実施例３の複合基板１０を２０枚作製した。この場合も、ウエハーの割れやクラックの発生はゼロだった。また、スピネル基板とＬＴ基板との接着強度（圧縮せん断強度）を、実施例１と同様にして調べた。その結果、平均値１００ｋｇｆ／ｃｍ²、最小値９０ｋｇｆ／ｃｍ²であった（目標値６０ｋｇｆ／ｃｍ²以上）。

［実施例４］
支持基板としてスピネル基板を用いた以外は、実施例２と同様の手順で実施例４の複合基板１０を２０枚作製した。この場合も、ウエハーの割れやクラックの発生はゼロだった。また、スピネル基板とＬＮ基板との接着強度（圧縮せん断強度）を、実施例１と同様にして調べた。その結果、平均値１１０ｋｇｆ／ｃｍ²、最小値１００ｋｇｆ／ｃｍ²であった（目標値６０ｋｇｆ／ｃｍ²以上）。

実施例１〜４の複合基板１０によれば、接着層１６の厚さがナノメートルオーダーまで薄くなる。そのため、応力を緩和する機能が少なく、温度特性の改善効果が高くなることが期待される。また、圧電基板と支持基板とを直接接合する場合には特殊な装置が必要となるが、圧電基板と支持基板とを分子接着剤で接着する場合には、加圧しながら加熱する装置があればよいため、製造コストが嵩まない。更に、圧電基板と支持基板とを直接接合する場合には両基板の材質の組み合わせが限定されるが、圧電基板と支持基板とを分子接着剤で接着する場合には、それほど限定されない。

１０複合基板、１２圧電基板、１４支持基板、１６接着層

Claims

圧電基板と支持基板とを接着層を介して接着された複合基板であって、
前記接着層は、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を硬化したものである、複合基板。
前記アルコキシシリルを含む置換基は、１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールの６位に結合している、請求項１に記載の複合基板。
前記アルカリ金属塩は、下記式（１）（ｎは１〜５の整数、Ｒ¹〜Ｒ³は炭素数１〜５の分岐を有していてもよいアルキル基であって互いに同じであっても異なっていてもよい）で表される、
請求項１又は２に記載の複合基板。
前記接着層は、厚みがナノメートルオーダーである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板。
前記圧電基板はＬｉＴａＯ₃基板又はＬｉＮｂＯ₃基板であり、支持基板はＳｉ基板、スピネル基板である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基板。
（ａ）圧電基板の表面及び支持基板の表面をそれぞれ表面粗さＲａが１ｎｍ以下となるように研磨する工程と、
（ｂ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面に反応性のＯＨ基を出現させる工程と、
（ｃ）前記圧電基板の表面及び前記支持基板の表面の少なくとも片面に、アルコキシシリルを含む置換基を有する１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールのアルカリ金属塩を主成分とする分子接着剤を塗布し、両方の基板を塗布面で貼り合わせ、１２ｋｇ／ｃｍ²以上の圧力であって両方の基板が割れない大きさの圧力を加えながら前記分子接着剤を１００〜２００℃で熱硬化する工程と、
を含む複合基板の製法。
前記アルコキシシリルを含む置換基は、１，３，５−トリアジン−２，４−ジチオールの６位に結合している、請求項６に記載の複合基板の製法。
前記工程（ｂ）では、各基板の表面にコロナ放電処理を施すことにより反応性のＯＨ基を発生させる、
請求項６又は７に記載の複合基板の製法。
前記工程（ｃ）では、前記分子接着剤として、下記式（１）（ｎは１〜５の整数、Ｒ¹〜Ｒ³は炭素数１〜５の分岐を有していてもよいアルキル基であって互いに同じであっても異なっていてもよい）で表される接着剤を使用する、
請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
前記工程（ｃ）では、熱硬化後の接着層は厚みがナノメートルオーダーである、
請求項６〜９のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
前記圧電基板はＬｉＴａＯ₃基板又はＬｉＮｂＯ₃基板であり、支持基板はＳｉ基板、スピネル基板である、
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の複合基板の製法。