JP2017135553A - 圧電体複合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高額な設備投資を必要とせず、簡便で効率的な高特性の表面弾性波デバイス用圧電体複合基板の製造方法を提供する。【解決手段】タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板と該基板より低熱膨張係数を有するシリコン基板とを接着層を介して、常温で貼り合せて複合基板を作製する際に、アルミナ粒子を含む無機系接着剤により接着層を４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さで貼り合わせ、その後、前記タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨することにより、支持基板より熱膨張が大きいタンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の反りを抑えられ剥離や割れを防ぐことができる【選択図】なし

Description

本発明は、圧電体複合基板の製造方法に関し、さらに詳しくは表面弾性波デバイス用に使用する圧電基板と支持基板とを接着層を介して貼り合すことにより得られる圧電体複合基板の製造方法に関する。

弾性表面波を用いたデバイスには、ＳＡＷ（ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ ）フィルターが知られている。このＳＡＷフィルターは、携帯電話、スマートフォンに用いられ、任意の周波数を選択するのに用いられ、通信には、重要な部品となる。ＳＡＷフィルターを製造するときに用いる基板には、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３、以下、ＬＴと称することがある。）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下、ＬＮと称することがある。）等の圧電体が用いられている。

これらの基板にＡｌやＡｌ合金の櫛形電極が形成され、当該電極の間隔で選択する周波数が決まる。この櫛形電極の間隔は、数ミクロンレベルであり、一般的に温度特性が良いＬＴが多く用いられている。しかし、ＬＴの線膨張係数は、Ｘ軸方向で１６×１０^−６／Ｋ、Ｙ軸方向で４．１×１０^−６Ｋと大きいため、温度が変化すると基板、さらには櫛型電極間隔が変化して、その結果、周波数通過領域が移動してしまい、混線、通信が出来なくなるという問題が発生する可能性がある。また、熱変化に晒されることによって、内部に応力が発生して、ひび割れや欠損が生じる可能性もあった。

一方、スマートフォン、携帯電話は、高集積化が進み、上記のＳＡＷフィルターもアンプと共にモジュール化され、高温下に晒されるようになってきた。前述したように、温度上昇による問題点が顕在化し、高温下に晒されても、ＳＡＷフィルターの周波数通過領域が変化せずに、温度特性が安定していることが求められていた。

そこで、これらの問題を解決するために様々な検討がなされてきた。例えば、特許文献１では、ＬＮあるいはＬＴ基板に、熱膨張係数がＬＮあるいはＬＴより小さく、比較的安価なシリコンを支持基板として貼り合せて接合した複合基板が提案されている。また、特許文献２では、ＬＮあるいはＬＴ基板にサファイアを支持基板として貼り合わせた基板が提案されている。さらに、特許文献３では、ＬＮあるいはＬＴ基板に線膨張係数の小さい基板を有機接着剤により貼り付けられた基板が提案されている。また、特許文献４には、圧電素子を当該圧電素子より線膨張係数が小さい基板に加熱処理して貼り付けている複合基板が提案されている。さらに、特許文献５には、常温接合による基板とＬＴ、ＬＮの貼り合わせが提案されている。

特開２００４−０９６６７７号公報 特開２００４−１８６８６８号公報 特開２００１−０５３５７９号公報 特許第３４３５７８９号公報 特許第３７７４７８２号公報

しかしながら、シリコンは、安価で線膨張係数がＬＴより低いが、導電性があり、浮遊容量が発生してデバイスとしての安定性に問題がある。このため、特許文献１に記載されたように、シリコン基板を単に貼り合わせただけでは、温度による変動が少ない複合基板にならない。また、サファイアは、高価な基板であることから、特許文献２に記載されたように、サファイアを支持基板に用いると過剰なコストがかかってしまい好ましくない。

一方、特許文献３で用いる有機接着剤は、ガラス転移温度が１００℃以下であり、ＳＡＷフィルター製造時に加わる２００℃以上の温度では、軟化してしまい、密着力も低下することから、製品の信頼性が不十分なことが懸念される。また、有機接着剤の濡れ性、伸び等が考慮されていないため、研磨する結晶を３５μｍ以下まで研磨すると、接着剤の凹凸が起点となって割れやクラックが入る可能性がある。

また、特許文献４に記載されたように、圧電素子を当該圧電素子より線膨張係数が小さい基板に加熱処理して貼り付けた複合基板を製造する際に、加熱して接合すると、常温に戻した時に、圧電素子と基板の線膨張係数の差から基板が反るという問題点がある。さらに、特許文献５に記載のように、高真空装置を用いる場合では、タクトタイムが長く生産性が低いことに加えて、当該装置が高価であることから、コスト面でも課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、より低コストで優れた周波数温度特性を有する弾性表面波デバイスに好適な圧電体複合基板を製造することの可能な圧電体複合基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討した結果、タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板と該基板より低熱膨張係数を有するシリコン基板とを接着層を介して、常温で貼り合せて複合基板を作製する際に、アルミナ粒子を含む無機系接着剤により接着層を４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さで塗布し、貼り合わせ、その後、前記タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨することにより、支持基板より熱膨張が大きいタンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の反りを抑えて、剥離や割れを防ぐことができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の第１の発明は、
タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の圧電基板と、シリコンからなる支持基板とを、接着層を介して貼り合すことにより得られる圧電体複合基板の製造方法であって、
工程Ａ：タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板とシリコンからなる支持基板とを、アルミナ粒子を含む無機系接着剤により接着層を４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さで塗布し、その後貼り合わせる工程
工程Ｂ：工程Aにより得られた貼り合せ基板のタンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨する工程
を有することを特徴とする圧電体複合基板の製造方法である。

また、本発明の第１の発明において、無機系接着剤は、窒化アルミニウム、ジルコニア、酸化マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一種をアルミナ粒子とともに含むことが好ましい。

以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更することができる。

[１．複合基板］
本実施の形態に係る複合基板は、圧電基板と支持基板と、両者を貼り合せる接着層とからなる構成の複合基板である。

ここで、圧電基板としては、弾性波（特に、弾性表面波）を伝搬可能な基板が挙げられ、この圧電基板の材質としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル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。特に、ＳＡＷフィルターに使用する表面弾性波デバイス用途では、タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶が好適に使用することができる。

また、支持基板の材質としては、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、水晶など圧電基板よりも熱膨張係数が小さい材料が挙げられるが、コスト、品質の安定性の面からシリコン基板が最も好ましく使用することができる。

圧電基板は、上記材質の基板であれば、特に限定するものではないが、この圧電基板の大きさは、例えば、直径が５０μｍ以上 １５０ ｍｍ以下 、厚さが１５０μｍ以上 ５００μｍ以下の基板を好適に使用することができる。

支持基板は、上記材質の基板であれば、特に限定するものではないが、この支持基板の大きさは、例えば、直径が５０ μｍ以上 １５０ ｍｍ以下 、厚さが１５０μｍ以上 ５００μｍ以下の基板を好適に使用することができる。

また、圧電基板は、最初に準備した基板を支持基板に接着層を介して貼り合せた後にさらに研磨加工され、最終的な複合基板としての圧電基板の厚さは、支持基板の厚さの１／５以下の厚さとすることが好ましく、１／１０以下の厚さであることがさらに好ましい。

具体的には、圧電基板の厚さは、５μｍ以上１００μｍとすることが好ましい。また、５μｍ以上３０μｍ以下とすることがより好ましい。５μｍより薄いと、研磨加工するときにクラックが生じる恐れがあり、１００μｍより厚いと、複合基板が加熱されたときに割れる恐れがあるため好ましくない。

接着層を形成する接着剤としては、無機系接着剤を使用する。本発明の圧電体複合基板は、アルミナ粒子を含む無機系接着剤であることが好ましく、さらに窒化アルミニウム、ジルコニア、酸化マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一種をアルミナ粒子とともに含むことが好ましい。

本発明の圧電体複合基板の用途であるＳＡＷフィルターに使用する表面弾性波デバイス用途では、モジュール化によりＳＡＷデバイスの温度が１００℃を超えることもあり周波数変化の防ぐ対策が求められている。そこで低熱膨張係数を有するシリコンからなる支持基板に圧電基板を貼り付けて、圧電基板の伸びを抑えることが検討されているが、通常、簡単に基板の伸びを抑える手段として、接着剤を塗布し、常温、あるいは加熱して硬化させ圧電基板の裏面に貼り付ける方法が行われている。

一般的に用いられる接着剤は量産性に優れたＵＶ塗料、もしくは強固な接着力を持つエポキシ樹脂の有機接着剤が多用されるが、これらの樹脂はガラス転移温度が１００℃前後で耐熱性も１５０℃レベルである。ＳＡＷフィルター製造時にＡｌ電極を形成する際に２００〜３００℃の熱がかかると言われており、前記の接着剤では熱劣化により変色、体積変化、密着力低下などが起こり、ＳＡＷフィルターに使用する貼り合せ基板には適さない。

そこで熱に強く、ガラス質との接着力に優れる無機系接着剤を用いることを検討した。各種の無機系接着剤の中で、含有するセラミックスとしてアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、酸化マグネシウムなどが適しているという知見を得た。線膨張係数が違う結晶を貼り付けるために常温で乾燥、硬化させることが重要である。圧電基板の作製途中の乾燥工程で１００℃を超えると貼り合せ基板が、線膨張係数が低い基板を凸面として反ってしまう恐れがある。そこで、本発明では、常温乾燥させるために、セラミックスの分子間から水分子が脱離することとで反応が進行する脱水反応を起こす接着剤が望ましいと考え、アルミナ粒子を含む無機系接着剤が最も好ましいという結果を得た。また、窒化アルミ、ジルコニア、酸化マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一種をアルミナ粒子とともに含むことが好ましい。

[ ２．複合基板の製造方法］
次に、本実施の形態に係る圧電体複合基板の製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電体複合基板の製造方法は、
タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の圧電基板と、シリコンからなる支持基板とを、接着層を介して貼り合すことにより得られる圧電体複合基板の製造方法であって、
工程Ａ：タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板とシリコンからなる支持基板とを、アルミナ粒子を含む無機系接着剤により接着層を４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さで塗布し、その後貼り合わせる工程
工程Ｂ：工程Aにより得られた貼り合せ基板のタンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨する工程
を有することを特徴とする圧電体複合基板の製造方法である。

以下に、各工程について詳細に説明する。
（工程Ａ）
工程Ａにおいては、圧電基板と支持基板とを無機接着剤により張り合わせる。
前述した圧電基板と支持基板とを準備するが、通常市販されている基板は、鏡面研磨されている場合は、基板表面の平均表面粗さ（Ｒａ）は数ｎｍレベルである。貼り合せ強度を高めるために、機械加工やブラスト加工など公知の方法により粗面化処理を行うことができる。

次に、準備した圧電基板と支持基板のいずれかに無機系接着剤を塗布する。前述したように、無機系接着剤はアルミナ粒子を含む無機系接着剤であることが好ましく、さらに窒化アルミ、ジルコニア、酸化マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一種をアルミナ粒子とともに含むことが好ましい。無機系接着層の厚さを４０μｍ以上８０μｍと範囲とする。無機接着剤の塗布する方法は、特に限定されず、例えばアプリケータを用いて、均一に所定の膜厚に塗布することができる。圧電基板と支持基板の接着方法は、例えば、圧電基板または支持基板の中心に、両者を重ね合わせた状態で１．２５MＰａ程度の圧力でプレスし、無機系接着剤を常温で硬化させることにより貼り合わせ基板を作製することができる。

（工程Ｂ）
工程Ｂは、工程Ａにより得られた貼り合せ基板の圧電基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨する工程である。

温度特性に優れた表面弾性波デバイス用に適した基板として使用することから、支持基板との強固な接着により圧電基板の膨張を抑制するためには、圧電基板の厚さが支持基板の厚さより薄くすることが必要である。最終的な複合基板としての圧電基板の厚さは、支持基板の厚さの１／５以下の厚さとすることが好ましく、１／１０以下の厚さであることがさらに好ましい。具体的には、圧電基板の厚さは、５〜１００μｍとすることが好まし、５〜３０μｍとすることがより好ましい。圧電基板の厚さが５μｍより薄いと、研磨加工するときにクラックが生じる恐れがあり、１００μｍより厚いと、複合基板が加熱されたときに割れる恐れがあるため好ましくない。

このようにして得られた圧電体複合基板は、圧電基板が強固に支持基板に接合しており、温度変化による圧電基板の周波数特性の変動を抑え、温度特性に優れた表面弾性波デバイス用に適した基板として使用することができる。

以下に、本発明の実施例を示してさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
まず、支持基板として、オリエンテーションフラット部（ＯＦ部）を有し、直径が１００ｍｍ（４インチ）、厚さが３５０μｍのシリコン基板を用意した。また、圧電基板として、ＯＦ部を有し、直径が１００ｍｍ、厚さが３５０μｍのタンタル酸リチウム基板を用意した。準備したシリコン基板に、アルミナ粒子を含有する無機系接着剤としてアレムコ社製「セラマボンド５６９」１０ｇをギャップ２００μｍのアプリケータで８０μｍ塗布した。次にタンタル酸リチウム基板を真上から乗せて大気中で２４間乾燥させて、常温で硬化させた。

その後、作製した貼り合せ基板のうち、タンタル酸リチウム基板のみをポリッシュ研磨により４０μｍまで鏡面研磨して、圧電体複合基板を得た。

上記により得られた圧電体複合基板を以下のように評価した。
電気炉に圧電体複合基板を入れ、５℃／分の速度で２８０℃まで加熱し、２８０℃で２時間保時した。その後、室温まで戻し、外観を観察した結果、接着層は変化していなかった。

同じ熱履歴を経た試料を用いて５００ｋｇの圧縮応力を加えたが、圧電体複合基板は剥離しなかった。また、同じ試料を１００℃まで加熱して反りを測定したが反りは観察できなかった。

［比較例１］
実施例１と同じ圧電基板、支持基板を準備し、接着剤としてエポキシ樹脂系有機接着剤（太陽金網社製）「ＤＵＲＡＬＣＯ４４６１Ｐ」を、３０μｍの厚さでシリコン基板に塗布し、その他は実施例１と同様にして圧電体複合基板を得た。実施例１と同様に評価した結果、接着層は濃い茶色に変色し、圧縮応力を加えると圧電体複合基板は剥離した。

［比較例２］
UV接着剤を２μｍの厚さでシリコン基板に塗布し、LT基板と貼り合わせた。それを大気中で２８０℃、２時間の耐熱試験を行った。取り出して外観を観察するとUV接着剤は濃い茶色に変色し、熱で接着剤が不均一な分布になり基板同士を引っ張ったら剥離した。

Claims (2)

1. タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の圧電基板と、シリコンからなる支持基板とを、接着層を介して貼り合すことにより得られる圧電体複合基板の製造方法であって、
   工程Ａ：タンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板と、シリコンからなる支持基板とを、アルミナ粒子を含む無機系接着剤により接着層を４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さで塗布し、その後貼り合わせる工程
   工程Ｂ：工程Aにより得られた貼り合せ基板のタンタル酸リチウム単結晶又はニオブ酸リチウム単結晶の単結晶基板を支持基板の１／５以下の厚さに研磨する工程
   を有することを特徴とする圧電体複合基板の製造方法
2. 前記無機系接着剤は、窒化アルミニウム、ジルコニア、酸化マグネシウムの群から選ばれる少なくとも一種をアルミナ粒子とともに含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電体複合基板の製造方法