JP2019097145A - Composite substrate for surface acoustic wave element, and manufacturing method thereof - Google Patents

Composite substrate for surface acoustic wave element, and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

To provide a composite substrate for surface acoustic wave element which is capable of increasing a frequency of a surface acoustic wave element, solves the problem that a frequency characteristic is fluctuated by a temperature change, suppresses power resistance deterioration or signal loss caused by mismatching of acoustic impedance between a piezoelectric layer and a diamond crystal and further comprises the piezoelectric layer of high film quality, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A composite substrate for surface acoustic wave element comprises: a piezoelectric substrate 1; a support substrate 2 having a smaller thermal expansion coefficient than that of the piezoelectric substrate; and a polycrystal diamond thin film layer 3 formed on one principal surface of the support substrate. An acoustic impedance layer 4 of which the acoustic impedance is smaller than the polycrystal diamond thin film layer and the piezoelectric substrate is formed on the polycrystal diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、帯域フィルタや共振子等に適用される表面弾性波素子に係り、特に、表面弾性波素子に好適に用いられる表面弾性波素子用複合基板とその製造方法に関する。   The present invention relates to a surface acoustic wave device applied to a band pass filter, a resonator or the like, and more particularly to a composite substrate for a surface acoustic wave device suitably used for a surface acoustic wave device and a method of manufacturing the same.

近年、携帯電話等の通信機器では高周波化や小型化が進展しつつあるため、RF回路部の高性能化や小型化が要求されるようになってきている。この中で、通信機器の送受信部に用いられる高周波フィルタ、および、発振器に用いられる共振子等の電子素子として、表面弾性波素子[Surface Acoustic Wave Device](以下、SAWデバイスと略記する場合がある)が用いられている。SAWデバイスとは、圧電材料を利用し、高周波信号を表面弾性波に変換し、再度高周波信号に変換する過程で特定の周波数が選び出される現象を利用した素子である。そして、従来、高周波帯域で使用されてきた誘電体フィルタやセラミックフィルタ等に較べて周波数特性の急峻さや波形設計が可能なこと、表面実装が容易なこと、小型・軽量という特性を活かし、携帯電話、スマートフォンに代表される移動体通信機器や、その他、各種センサ、タッチパネル等の通信機器に急速に採用されてきている。特に、近年携帯電話等の小型・高周波機器の爆発的進展に伴って、その需要が大幅に拡大しつつある。   In recent years, as communication devices such as mobile phones are advancing in frequency and size, the RF circuit unit is required to have higher performance and size reduction. Among these, as a high frequency filter used for a transmitting and receiving unit of a communication device, and an electronic element such as a resonator used for an oscillator, a surface acoustic wave device (Surface Acoustic Wave Device) (hereinafter, may be abbreviated as a SAW device) Is used. The SAW device is an element utilizing a phenomenon in which a specific frequency is selected in the process of converting a high frequency signal into a surface acoustic wave and converting it again into a high frequency signal by using a piezoelectric material. And, taking advantage of the steepness of the frequency characteristics and the ability to design waveforms compared to dielectric filters and ceramic filters that have been used in the high frequency band conventionally, the ease of surface mounting, and the small size and light weight, a mobile phone They are rapidly being adopted in mobile communication devices represented by smartphones and other communication devices such as various sensors and touch panels. In particular, with the explosive development of small-sized and high-frequency devices such as mobile phones in recent years, the demand is being greatly expanded.

この表面弾性波素子としては、基板上に、表面弾性波の伝搬媒体としての圧電体層と、一対の櫛歯状電極[IDT:Interdigital Transducer](以下、IDT、IDT電極、若しくは電極と呼ぶ場合がある)を順次積層して構成されたものが知られている。通常、上記IDT電極は、圧電体層上に金属材料層を形成した後、該金属材料層に対しエッチングを施すことにより形成される。   As this surface acoustic wave element, a piezoelectric layer as a propagation medium of surface acoustic waves on a substrate, and a pair of interdigital electrodes [IDT: Interdigital Transducer] (hereinafter referred to as an IDT, an IDT electrode, or an electrode) There is known one configured by sequentially stacking layers. Usually, the IDT electrode is formed by forming a metal material layer on a piezoelectric layer and then etching the metal material layer.

この表面弾性波素子においては、入力用のIDTに電気信号(交流電力)が供給されると、これによる電場により圧電体層に歪が生じる。そして、上記電極が櫛歯型形状であるため、圧電体層に密度の差が生じて表面弾性波が発生する。この表面弾性波は出力用IDTに伝搬され、この表面弾性波のエネルギーは出力用IDTによって電気的エネルギーに変換されて出力される。   In the surface acoustic wave device, when an electric signal (AC power) is supplied to the input IDT, distortion occurs in the piezoelectric layer due to the electric field. And since the said electrode is a comb-tooth shape shape, the difference in density arises in a piezoelectric material layer, and a surface acoustic wave generate | occur | produces. The surface acoustic wave is propagated to the output IDT, and the energy of the surface acoustic wave is converted into electrical energy by the output IDT and output.

上記表面弾性波素子が有する透過帯域の中心周波数fは、櫛歯状電極の間隔λと圧電体層表面上の弾性波の伝搬速度Vとから、
= V/λ(式1)
で与えられる。
The center frequency f 0 of the transmission band of the surface acoustic wave device is determined by the distance λ 0 of the comb-like electrodes and the propagation velocity V of the elastic wave on the surface of the piezoelectric layer,
f 0 = V / λ 0 (Expression 1)
Given by

しかし、2.5GHz以上で良好に動作する表面弾性波素子を作製することは困難である。透過帯域の中心周波数fを上昇させるためには、上記(式1)から明らかなように櫛歯状電極の間隔λを小さくするか、表面弾性波の伝搬速度Vを増加させるかのいずれかを行えばよいが、λはフォトリソグラフィ等の加工技術により著しく制限を受ける。現在の量産レベルでは、櫛歯状電極の幅は0.4μm程度で、櫛歯状電極の間隔λは1.6μm程度となり、最近、表面弾性波素子によく使用されるタンタル酸リチウム基板(以下、LT基板と略記する場合がある)の伝搬速度3800m/sでは、透過帯域の中心周波数fは2400MHzが限度である。このため、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るには、伝搬速度Vを大きくすることが必要となる。 However, it is difficult to fabricate a surface acoustic wave device that operates well at 2.5 GHz or higher. In order to increase the central frequency f 0 of the transmission band, either the interval λ 0 of the interdigital electrodes is decreased or the propagation velocity V of the surface acoustic wave is increased as is apparent from the above (formula 1) However, λ 0 is extremely limited by processing techniques such as photolithography. At the current mass production level, the width of the comb-like electrodes is about 0.4 μm, the spacing λ 0 of the comb-like electrodes is about 1.6 μm, and a lithium tantalate substrate often used recently for surface acoustic wave devices Hereinafter, at a propagation speed of 3800 m / s (which may be abbreviated as LT substrate), the center frequency f 0 of the transmission band is limited to 2400 MHz. For this reason, in order to obtain a surface acoustic wave device operating in a high frequency band, it is necessary to increase the propagation velocity V.

一方、表面弾性波素子を上記共振子として使用する場合は、図3に示すように、圧電基板20上にIDT電極21と、該IDT電極21の両側部に一対のストリップ状電極22から成る反射器を配置する構成が採られている。該反射器は、金属若しくは誘電体で構成された格子状薄膜を周期的に形成することにより、圧電基板20表面の音響インピーダンスを周期的に変動せしめて実現される。音響インピ─ダンスの値は、上記格子状薄膜が存在する部分と格子状薄膜が存在しない部分でそれぞれ異なるため、圧電基板20表面を伝搬する表面弾性波は、音響インピ─ダンスを異にする上記薄膜が存在する部分で反射し反射波を生じることになる。上記ストリップ状電極22をλ/2の周期で並べておくと、反射された表面弾性波は同相で強め合い、殆どのSAWエネルギーがIDT電極21へ戻される。その結果、周波数fでは左右に進行する表面弾性波が同期して定在波となり、Qの高い共振現象を生ずる。この周波数を共振周波数と呼ぶが、既に示した上記(式1)と同じ関係を満たす。SAW共振子の動作として、インピーダンスが最小値となる共振周波数frとインピーダンスが最大値となる反共振周波数faの2つの共振周波数が存在することが知られている。SAW共振子の特性としては、上記インピーダンスの最小値と最大値との差が大きいほど良いとされている。そして、この共振子においても高周波数帯域で動作する表面弾性波素子が望まれている。 On the other hand, when a surface acoustic wave device is used as the above-mentioned resonator, as shown in FIG. 3, the reflection comprising the IDT electrode 21 on the piezoelectric substrate 20 and the pair of strip electrodes 22 on both sides of the IDT electrode 21 The configuration to place the container is taken. The reflector is realized by periodically changing the acoustic impedance of the surface of the piezoelectric substrate 20 by periodically forming a lattice-like thin film made of metal or dielectric. Since the value of acoustic impedance differs between the portion where the lattice thin film exists and the portion where the lattice thin film does not exist, the surface acoustic wave propagating on the surface of the piezoelectric substrate 20 has different acoustic impedance as described above. It will be reflected at the portion where the thin film is present to produce a reflected wave. If you leave arranging the strip-like electrode 22 in a cycle of lambda 0/2, a surface acoustic wave which is reflected constructive in-phase, most SAW energy is returned to the IDT electrode 21. As a result, the surface acoustic wave traveling in the left and right at the frequency f 0 is synchronized becomes a standing wave produces a high resonant phenomena Q. This frequency is called a resonant frequency, and satisfies the same relationship as the above-mentioned (Equation 1). As the operation of the SAW resonator, it is known that there exist two resonance frequencies: a resonance frequency fr at which the impedance becomes a minimum value, and an antiresonance frequency fa at which the impedance becomes a maximum value. As the characteristics of the SAW resonator, the larger the difference between the minimum value and the maximum value of the impedance, the better. Also in this resonator, a surface acoustic wave device that operates in a high frequency band is desired.

尚、高周波用のデバイスとして、圧電材料に、例えばAlNを用いた圧電薄膜共振子FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)が検討されている。しかし、圧電薄膜共振子FBARは製造工程が複雑で高価なため、一部の機器にしか利用されていない。   In addition, as a device for high frequency, a piezoelectric thin film resonator FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) using, for example, AlN as a piezoelectric material is considered. However, since the piezoelectric thin film resonator FBAR is complicated and expensive to manufacture, it is used only for some devices.

そこで、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子の検討が重ねられている。例えば、ダイヤモンド結晶が18000m/sと非常に大きい音速を有しているため、この高音速特性を利用した表面弾性波素子の研究開発(特許文献1〜2参照)が進められている。そして、非特許文献1においては、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド結晶を形成した後、櫛歯状電極および酸化亜鉛層を形成した表面弾性波素子の製造が紹介されている。非特許文献1においては、製造された表面弾性波素子が10000m/s以上の音速と十分に高い励振効率を有していると開示している。   Then, examination of the surface acoustic wave element which operates in a high frequency band is repeated. For example, since a diamond crystal has a very high sound velocity of 18000 m / s, research and development (see Patent Documents 1 and 2) of a surface acoustic wave device utilizing this high sound velocity characteristic has been advanced. Then, Non-Patent Document 1 discloses the production of a surface acoustic wave device in which a comb-like electrode and a zinc oxide layer are formed after polycrystalline diamond crystals are formed on a silicon substrate. Non-Patent Document 1 discloses that the manufactured surface acoustic wave device has an acoustic velocity of 10000 m / s or more and sufficiently high excitation efficiency.

そして、ダイヤモンド結晶層上に圧電体層(酸化亜鉛層)を形成した表面弾性波素子においては、非特許文献1に記載されているように高周波化が容易になるという利点が存在する。しかし、圧電体層の音響インピーダンスは一般に低い反面、ダイヤモンド結晶層の音響インピーダンスは高いため、圧電体層とダイヤモンド結晶層との間に音響インピーダンスの不整合が生じ、圧電体層とダイヤモンド結晶層界面で音響波が反射することにより、圧電体層の内部に弾性波が閉じ込められ、これによって振動変位が圧電体層の表面に極端に集中する場合がある。音響インピーダンスは、それぞれの基板における音速と基板密度に関係している。そして、表面波の変位が表層部に集中すると、圧電体表層部の破壊(変位が増大することによるストレスマイグレーションによる破断)が発生するおそれがあるため、表面弾性波素子(デバイス)の耐電力性が悪化するという問題がある。また、表面波が電極に入射したときに電極端部で一部がバルク波に変換されることによるバルク波変換損が増大し、表面弾性波素子(デバイス)の性能が悪化するという問題もある。更に、表面波が圧電体表層部に集中することにより電極の反射係数が増大するため、表面弾性波素子(デバイス)の設計自由度が低下するという問題もある。   And, in the surface acoustic wave device in which the piezoelectric layer (zinc oxide layer) is formed on the diamond crystal layer, there is an advantage that the frequency can be easily increased as described in Non-Patent Document 1. However, while the acoustic impedance of the piezoelectric layer is generally low, the acoustic impedance of the diamond crystal layer is high, so that the acoustic impedance mismatch occurs between the piezoelectric layer and the diamond crystal layer, and the interface between the piezoelectric layer and the diamond crystal layer The reflection of the acoustic wave at this time may confine the elastic wave to the inside of the piezoelectric layer, whereby the vibration displacement may be extremely concentrated on the surface of the piezoelectric layer. The acoustic impedance is related to the velocity of sound and substrate density at each substrate. Then, if displacement of the surface wave is concentrated on the surface layer, there is a possibility that breakage of the surface layer of the piezoelectric body (rupture due to stress migration due to increase in displacement) may occur, so the power durability of the surface acoustic wave device (device) Problem of getting worse. Also, there is a problem that bulk wave conversion loss is increased due to partial conversion to a bulk wave at the electrode end when a surface wave is incident on the electrode, and the performance of the surface acoustic wave device (device) is deteriorated. . Furthermore, since the surface acoustic wave is concentrated on the surface layer of the piezoelectric body, the reflection coefficient of the electrode is increased, so that the design freedom of the surface acoustic wave device (device) is reduced.

そこで、基体層(ダイヤモンド若しくはダイヤモンド状炭素で構成されている基体層)と、該基体層上に配置された圧電体層と、該圧電体層の表裏いずれかの面上に形成された電極を有する表面弾性波デバイスの課題(音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化等)に対して、特許文献3は、基体層と圧電体層との間に音響緩和層(基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい素材、例えば、AlN、Si34、Al23、SrTiO3等で構成された音響緩和層)が介在されたデバイスを提案している。そして、基体層と圧電体層の間に音響緩和層を介在させることにより、弾性波の位相速度が高い基体層(ダイヤモンド等)を用いて高周波化を図る場合でも、圧電体層の内部を伝搬する弾性表面波が基体層と圧電体層の境界で反射されて圧電体層に閉じ込められるといった状況が発生し難くなるため、圧電体層の表裏いずれかの面に対する変位の集中が抑制され、その結果、デバイスの耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層の表裏いずれかの面上に構成された電極構造におけるバルク波変換損が低減されると共に、当該電極構造の反射係数が低減されるためにデバイスの設計自由度が向上するとしている。更に、圧電体層から基体層までに存在する各層の音響インピーダンスが順次に増加するように構成された場合、基体層と圧電体層との中間の音響インピーダンスを持つ音響緩和層およびその他の層が、いずれも表面弾性波の変位成分の基体層への浸透を阻害しないので、基体層による弾性表面波の位相速度の向上効果を確保することができ、デバイスの高周波化を妨げないとしている。 Therefore, a base layer (a base layer made of diamond or diamond-like carbon), a piezoelectric layer disposed on the base layer, and an electrode formed on either the front or back surface of the piezoelectric layer are used. Patent Document 3 describes an acoustic relaxation layer (a base layer and a base layer) between a base layer and a piezoelectric layer, for the problem of the surface acoustic wave device (such as deterioration of power resistance due to mismatch of acoustic impedance). Propose a device in which a material with small acoustic impedance and larger acoustic impedance than the piezoelectric layer, such as an acoustic relaxation layer composed of AlN, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SrTiO 3 etc., is interposed There is. And, by interposing the acoustic relaxation layer between the base layer and the piezoelectric layer, even in the case of achieving high frequency using a base layer (such as diamond) having a high phase velocity of the elastic wave, propagation in the inside of the piezoelectric layer Of the surface acoustic wave is reflected at the boundary between the base layer and the piezoelectric layer and confined in the piezoelectric layer, so that concentration of displacement on either the front or back surface of the piezoelectric layer is suppressed. As a result, the power resistance of the device can be improved, and the bulk wave conversion loss in the electrode structure formed on either the front or back surface of the piezoelectric layer is reduced, and the reflection coefficient of the electrode structure is It is said that the degree of freedom in device design is improved due to the reduction. Furthermore, when the acoustic impedance of each layer present from the piezoelectric layer to the base layer is configured to increase sequentially, an acoustic relaxation layer and other layers having an acoustic impedance intermediate between the base layer and the piezoelectric layer become In any case, since the penetration of the displacement component of the surface acoustic wave into the base layer is not inhibited, the improvement effect of the phase velocity of the surface acoustic wave by the base layer can be secured, and it is not disturbed to increase the frequency of the device.

一方、高周波数帯域で動作することが求められる表面弾性波素子においては、温度変化により圧電基板(圧電体層)が伸縮するため周波数特性がシフト(変動)するという別な課題も存在している。そこで、この温度特性を改善するため、IDT電極が形成された圧電基板と、該圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ圧電基板よりも厚みが大きい補助基板を直接接合させた複合基板が提案されている(例えば特許文献4参照)。圧電基板に補助基板が直接接合されることで、圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ厚みが大きい補助基板により圧電基板の伸縮が抑制されるため温度特性を改善できる。そして、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差を大きくする程、温度特性の改善効果は大きい。しかし、熱膨張係数が異なる圧電基板と補助基板を直接接合させた複合基板(ウェハ)は、表面弾性波素子製造工程中の熱処理等温度変化により反ってしまったり、直接接合された基板同士が剥がれたりすることがあるため、プロセス温度を経る表面弾性波素子の製造過程でパターニングの精度が悪化し、自動ハンドリングが困難となる問題があった。この事態は、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差が大きい程、また、複合基板(ウェハ)サイズが大きい程、ウェハの反りが大きくなり、直接接合させた基板同士が剥がれ易い。そして、複合基板(ウェハ)の反りが許容値を超えたり、直接接合させた基板同士が剥がれたりした場合、複合基板(ウェハ)を製造工程に流すことができなくなるという問題を有していた。   On the other hand, in surface acoustic wave devices which are required to operate in a high frequency band, another problem exists that the frequency characteristics shift (fluctuate) because the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) expands and contracts due to temperature change. . Therefore, in order to improve this temperature characteristic, a composite substrate is proposed in which a piezoelectric substrate on which an IDT electrode is formed and an auxiliary substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate and larger than that of the piezoelectric substrate are directly bonded. (See, for example, Patent Document 4). Since the auxiliary substrate is directly bonded to the piezoelectric substrate, expansion and contraction of the piezoelectric substrate is suppressed by the auxiliary substrate having a smaller thermal expansion coefficient and a larger thickness than the piezoelectric substrate, so that the temperature characteristics can be improved. As the difference between the thermal expansion coefficients of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate is increased, the effect of improving the temperature characteristics is greater. However, a composite substrate (wafer) in which a piezoelectric substrate and an auxiliary substrate having different thermal expansion coefficients are directly bonded is warped due to temperature change such as heat treatment in the surface acoustic wave device manufacturing process, or directly bonded substrates are peeled off. As the surface acoustic wave device passes through the process temperature, the patterning accuracy is deteriorated in the process of manufacturing the surface acoustic wave device, which makes automatic handling difficult. In this situation, the larger the difference between the thermal expansion coefficients of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate, and the larger the size of the composite substrate (wafer), the larger the warpage of the wafer, and the directly bonded substrates are easily peeled off. When the warpage of the composite substrate (wafer) exceeds the allowable value or the substrates directly bonded to each other are peeled off, the composite substrate (wafer) can not flow in the manufacturing process.

そこで、特許文献5は、圧電基板と該圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板(特許文献4の補助基板に対応する)を貼り合わせた複合基板であって、該支持基板は、同じ材料で作られた第1基板と第2基板とがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合され、第1基板のうち上記2基板との接合面とは反対側の面で上記圧電基板と貼り合わされた複合基板を開示している。この複合基板においては、プロセス温度変化に応じて発生する複合基板の反りが小さく抑えられると共に、表面弾性波素子を作製した後は、ブレードで第1基板から第2基板を剥がして除去すれば支持基板の厚さを簡単に薄くでき、デバイスの薄型化要請に対応できる利点を有している。   Therefore, Patent Document 5 is a composite substrate in which a piezoelectric substrate and a supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate (corresponding to the auxiliary substrate in Patent Document 4) are bonded, and the supporting substrate is the same material Of the first substrate and the second substrate are bonded by direct bonding with a peelable strength with a blade, and the first substrate is bonded to the piezoelectric substrate on the side opposite to the bonding surface with the two substrates. A combined composite substrate is disclosed. In this composite substrate, warpage of the composite substrate generated according to the process temperature change is suppressed to a small level, and after the surface acoustic wave device is manufactured, the second substrate is peeled off from the first substrate by a blade and removed. The thickness of the substrate can be easily reduced, which has the advantage of being able to meet the demand for thinner devices.

しかし、特許文献4〜5の方法により、周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する問題には対応可能になったが、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るための信号伝搬速度を向上させる機能について特許文献4〜5には何ら考慮がなされていない。   However, although the methods of Patent Documents 4 to 5 can cope with the problem that the frequency characteristic is shifted (varied) due to temperature change, the signal propagation speed for obtaining the surface acoustic wave device operating in the high frequency band is The functions to be improved are not considered at all in Patent Documents 4 to 5.

特開平9−051248号公報(段落0053−0055参照)Unexamined-Japanese-Patent No. 9-051248 (refer to paragraph 0053-0055) 特開平6−268463号公報(段落0031−0034参照)Unexamined-Japanese-Patent No. 6-268463 (refer to paragraph 0031-0034) 特開2007−228225号公報(段落0011、段落0018−0025参照)JP, 2007-228225, A (refer to paragraph 0011, paragraph 0018-0025) 特開平11−55070号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-55070 WO2014/129432号公報WO 2014/129432 特開2002−94355号公報(段落0017、0031参照)JP 2002-94355 A (see paragraphs 0017 and 0031) 特開2015−73331号公報(段落0138−0142参照)JP, 2015-73331, A (refer to paragraph 0138-0142)

第6回ダイヤモンドシンポジウム(平成4年11月26〜27日)講演予稿集の90〜91ページ:P21「ZnO/多結晶ダイヤモンド構造の表面弾性波と高周波フィルターヘの応用」Proceedings of the Sixth Diamond Symposium (November 26-27, 1992) pp. 90-91: P21 "Application of ZnO / Polycrystalline Diamond Structure to Surface Acoustic Wave and High Frequency Filter"

通信機器の分野では、利用周波数帯資源の枯渇により、より一層の高周波数化が指向されてきており、表面弾性波素子においても更なる高周波数化の技術が求められている。表面弾性波素子を高周波数化するため、これまでは主に電極寸法を微小化する方法が行われてきたが、周波数を決定する電極間隔の微小化は、現在のリソグラフィ技術では上述したように限界に近づきつつある。また、電極寸法の微小化によって周波数を上昇できても、電極の細線化や電極間隔の微細化は素子構造自体を壊れ易くしパワー特性を得ることができないという問題を生じさせている。   In the field of communication equipment, the use of higher frequency bands has been directed by the exhaustion of available frequency band resources, and even in surface acoustic wave devices, a technology for further high frequency bands is required. In order to increase the frequency of the surface acoustic wave device, the method of mainly reducing the electrode size has been performed until now, but the reduction of the electrode spacing for determining the frequency is as described above in the current lithography technology. It is approaching its limit. Further, even if the frequency can be increased by the miniaturization of the electrode dimensions, the thinning of the electrodes and the miniaturization of the electrode spacing cause the problem that the element structure itself is easily broken and power characteristics can not be obtained.

そこで、表面弾性波を高速に伝達する素子として、特許文献1においては、シリコン基板上にマイクロ波プラズマCVD法によりダイヤモンド薄膜を成膜し、該ダイヤモンド薄膜表面を研磨して平坦化し、かつ、平坦化されたダイヤモンド薄膜表面にスパッタリング法により圧電体(ZnO)膜を堆積させた後、該圧電体膜上に櫛歯状電極(金属アルミニウム)を形成した表面弾性波素子が開示され、また、特許文献2においては、シリコン基板上に酸素−アセチレン炎バーナーによる燃焼炎法によりダイヤモンド膜を形成し、該ダイヤモンド膜上に櫛歯状電極(金属アルミニウム)を形成した後、高周波マグネトロンスパッタリング法により圧電体(ZnO)層を成膜した表面弾性波素子が開示されている。   Therefore, as an element for transmitting surface acoustic waves at high speed, in Patent Document 1, a diamond thin film is formed on a silicon substrate by microwave plasma CVD method, and the surface of the diamond thin film is polished and planarized. A surface acoustic wave device is disclosed, in which a piezoelectric (ZnO) film is deposited on the surface of a crystallized diamond thin film by sputtering, and then a comb-like electrode (metallic aluminum) is formed on the piezoelectric film. In Reference 2, a diamond film is formed on a silicon substrate by a combustion flame method using an oxygen-acetylene flame burner, and a comb-like electrode (metal aluminum) is formed on the diamond film, and then a piezoelectric material is formed by high frequency magnetron sputtering. A surface acoustic wave device in which a (ZnO) layer is formed is disclosed.

しかし、CVD法やスパッタリング法等の成膜法によりダイヤモンド薄膜上に形成された圧電体(ZnO)層の膜質は良好でなく、十分な電気機械結合係数が得られないという問題が指摘されている(特許文献6の段落0017参照)。また、音響インピーダンスの不整合に起因した表面弾性波デバイスの課題を改善する特許文献3においても、CVD法やスパッタリング法等の成膜法により音響緩和層(基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層)上に圧電体層が形成されており(特許文献3の段落0025参照)、特許文献1〜2と同様、圧電体層の膜質が良好でない問題を有している。   However, it has been pointed out that the film quality of the piezoelectric (ZnO) layer formed on the diamond thin film by the film forming method such as the CVD method or the sputtering method is not good and a sufficient electromechanical coupling coefficient can not be obtained. (See paragraph 0017 of Patent Document 6). Further, also in Patent Document 3 for improving the problem of the surface acoustic wave device caused by the mismatch of the acoustic impedance, the acoustic relaxation layer (the acoustic impedance is smaller than that of the base layer by the film forming method such as CVD or sputtering) The piezoelectric material layer is formed on the acoustic relaxation layer having an acoustic impedance larger than that of the body layer (see paragraph 0025 of Patent Document 3), and the film quality of the piezoelectric layer is not good as in Patent Documents 1 and 2. Have.

これ等の問題を解決するため、特許文献6では、圧電体層(圧電体バルク単結晶)の第1の主面上に形成された電気−機械変換電極と、圧電体層の第2の主面上に形成されたダイヤモンド層と、該ダイヤモンド層と接着剤を介して接着された支持基板を具備する表面弾性波素子を提案している。   In order to solve these problems, in Patent Document 6, an electromechanical conversion electrode formed on a first main surface of a piezoelectric layer (piezoelectric bulk single crystal) and a second main of the piezoelectric layer are disclosed. A surface acoustic wave device is proposed which comprises a diamond layer formed on a surface and a supporting substrate bonded to the diamond layer via an adhesive.

しかし、特許文献6の段落0031に記載されているように、マイクロ波プラズマCVD法を用いて圧電体バルク単結晶基板(圧電体層)上に多結晶ダイヤモンド層を形成するときの基板(圧電体バルク単結晶基板)温度を850℃にして成膜がなされており、基板温度が急上昇や急降下すれば、圧電体バルク単結晶基板(圧電体層)の焦電性により圧電体バルク単結晶基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電体バルク単結晶基板が変質して圧電特性が低下してしまう別の問題を有していた。例えば、タンタル酸リチウム基板を用いた場合、キュリー温度が650℃であるため、タンタル酸リチウム基板上に多結晶ダイヤモンド層を成膜した後に圧電性がなくなり、SAWデバイスとしての機能を得られなくなってしまう問題が存在した。更に、特許文献6においては、上記ダイヤモンド層と支持基板(シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板等)とを接着剤(エポキシ型樹脂接着剤、半田合金等)を用いて接合(接着)させているため、接着剤が熱で軟化し、応力で動いたりし、冷熱サイクル試験では一部に剥離が見られる等信頼性に欠けるという問題も有していた。   However, as described in paragraph 0031 of Patent Document 6, a substrate (piezoelectric material) when a polycrystalline diamond layer is formed on a piezoelectric bulk single crystal substrate (piezoelectric material layer) using microwave plasma CVD method Bulk single crystal substrate) is deposited at 850 ° C., and if the substrate temperature rises or drops rapidly, the piezoelectric bulk single crystal substrate is formed by the pyroelectricity of the piezoelectric bulk single crystal substrate (piezoelectric layer). Another problem is that the piezoelectric bulk single crystal substrate is degraded due to destruction or heating of the substrate due to microwave power or substrate heating, resulting in deterioration of the piezoelectric characteristics. For example, when a lithium tantalate substrate is used, since the Curie temperature is 650 ° C., after forming a polycrystalline diamond layer on the lithium tantalate substrate, the piezoelectricity is lost and the function as a SAW device can not be obtained. There was a problem that Furthermore, in Patent Document 6, the diamond layer and a support substrate (silicon substrate, glass substrate, ceramic substrate, etc.) are bonded (adhered) using an adhesive (epoxy resin adhesive, solder alloy, etc.) Therefore, the adhesive softens due to heat and moves due to stress, and there is also a problem that in the thermal cycle test, there is a problem such as lack of reliability, such as peeling in part.

また、特許文献7では、高音速膜(窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ダイヤモンド等から成る)と圧電膜(LiTaO3から成る)との間に、低音速膜(酸化ケイ素、ガラス、酸化タンタル等から成る)を配置することで、弾性波の音速は低下するが、弾性波エネルギーを低音速な媒質に集中させる弾性波装置を提案している。上記圧電膜内および弾性波が励振されているIDT電極内への弾性波エネルギーの閉じ込め効果を高めることができるため、低音速膜が設けられていない場合に較べて損失が低減し、Q値を高めることができるとしている。また、上記高音速膜は、弾性波を圧電膜および低音速膜が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜より下の構造に漏れないように機能していると記載されている。しかし、特許文献7には、LiTaO3から成る圧電基板上に酸化ケイ素等から成る低音速膜と窒化アルミニウム等から成る高音速膜を順次形成し、高音速膜の露出している面を鏡面加工して支持基板(サファイア、シリコン、ガラス等から成る)と接合する製法手順が記載されているに過ぎず(段落0138−0142参照)、例えば、CVD法、スパッタリング法等の成膜法を用いて圧電基板上に結晶質窒化アルミニウム膜が成膜された場合、特許文献6と同様、圧電基板の温度を高温にして成膜を行うことになるため、圧電基板の焦電性により圧電基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電基板が変質して圧電特性が低下する問題を有している。また、成膜法によらず転写法を用いて上記低音速膜や高音速膜が形成された場合、特許文献6と同様、接着剤の熱軟化に起因した信頼性に欠ける諸問題が懸念される。 In Patent Document 7, made of a high acoustic velocity film between the (aluminum nitride, aluminum oxide, made of diamond or the like) and a piezoelectric film (made of LiTaO 3), a low speed of sound film (silicon oxide, glass, tantalum oxide etc. Although the sound velocity of the elastic wave is lowered by arranging the acoustic wave device, an elastic wave device is proposed in which elastic wave energy is concentrated on a low sound velocity medium. Since the confinement effect of the elastic wave energy in the piezoelectric film and in the IDT electrode in which the elastic wave is excited can be enhanced, the loss is reduced compared to the case where the low sound velocity film is not provided, and the Q value is improved. It can be raised. Further, the high sound velocity film is described as confining the elastic wave in a portion where the piezoelectric film and the low sound velocity film are stacked and functioning so as not to leak to a structure below the high sound velocity film. However, Patent Document 7, sequentially forming a high acoustic velocity film made of low sound speed film, an aluminum nitride or the like made of silicon oxide on a piezoelectric substrate such as made of LiTaO 3, mirror polishing an exposed surface of the high acoustic velocity film Only the manufacturing procedure for bonding to a supporting substrate (made of sapphire, silicon, glass, etc.) is described (see paragraphs 0138-0142), for example, using a film forming method such as CVD or sputtering. When the crystalline aluminum nitride film is formed on the piezoelectric substrate, the film is formed with the temperature of the piezoelectric substrate set to a high temperature as in Patent Document 6, so the piezoelectric substrate is broken due to the pyroelectricity of the piezoelectric substrate. Alternatively, there is a problem that the piezoelectric substrate is degraded due to microwave power or substrate heating to deteriorate the piezoelectric characteristics. Further, when the low sound velocity film or the high sound velocity film is formed using the transfer method regardless of the film forming method, as in Patent Document 6, there are concerns about various problems of lack of reliability due to heat softening of the adhesive. Ru.

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、表面弾性波の伝搬速度を大きくすることにより表面弾性波素子の高周波数化を実現し、周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する課題を改善すると共に、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失の増加が抑制され、かつ、良好な膜質の圧電体層を具備する表面弾性波素子用複合基板とその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made focusing on such problems, and the problem to be solved is to increase the propagation velocity of the surface acoustic wave to realize higher frequency of the surface acoustic wave element, and to obtain frequency characteristics. While improving the problem of shifting (fluctuation) due to temperature change, deterioration in power resistance and increase in signal loss due to mismatch in acoustic impedance between the piezoelectric layer and the diamond crystal are suppressed and good. It is an object of the present invention to provide a composite substrate for a surface acoustic wave device having a film quality piezoelectric layer and a method of manufacturing the same.

そこで、本発明者は、表面弾性波素子に求められている高周波数化と温度変化により周波数特性が変動する課題、および、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が増加する課題を解決するため、表面弾性波の伝搬速度を大きくし、周波数温度特性を改善させると共に耐電力性の悪化や信号損失の増加を抑制させる方法について鋭意検討した。   Therefore, the inventor has found that the frequency characteristics are changed due to the increase in frequency and the temperature change required for the surface acoustic wave device, and the acoustic impedance mismatch between the piezoelectric layer and the diamond crystal. In order to solve the problem of deterioration in power resistance and increase in signal loss, a method of increasing surface acoustic wave propagation speed, improving frequency temperature characteristics and suppressing deterioration in power resistance and increase in signal loss investigated.

検討の結果、上記課題を解決するには、バルク結晶で構成された圧電基板を圧電体層として適用し、上記圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持ちかつ一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層と音響インピーダンス層(圧電体層および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい素材で構成された音響インピーダンス層)が順次形成された支持基板を適用すると共に、上記圧電基板と音響インピーダンス層とを直接接合し、更に、直接接合された圧電基板の非接合面を研磨して薄膜化することで達成できることを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見により完成されている。   As a result of examination, in order to solve the above-mentioned subject, a piezoelectric substrate composed of bulk crystal is applied as a piezoelectric layer, and a polycrystalline diamond thin film having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate and on one main surface A support substrate on which a layer and an acoustic impedance layer (an acoustic impedance layer composed of a material having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer and the polycrystalline diamond thin film layer) is sequentially applied, and the piezoelectric substrate and the acoustic impedance layer It has been found that this can be achieved by directly bonding and further polishing and thinning the non-bonded surface of the directly bonded piezoelectric substrate. The present invention is completed by such technical discovery.

すなわち、本発明に係る第1の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とし、
第2の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする。
That is, the first invention according to the present invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded. age,
The second invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film. It is characterized by

また、本発明に係る第3の発明は、
第2の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記金属薄膜がチタン膜またはクロム膜であることを特徴とし、
第4の発明は、
第1の発明〜第3の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記音響インピーダンス層がSiO2膜で構成されることを特徴とし、
第5の発明は、
第1の発明〜第4の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される1種で構成されることを特徴とし、
また、第6の発明は、
第1の発明〜第5の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記圧電基板が、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、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される1種以上のバルク結晶で構成されることを特徴とするものである。
In addition, the third invention according to the present invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second invention,
Characterized in that the metal thin film is a titanium film or a chromium film;
The fourth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to third inventions,
The acoustic impedance layer is composed of a SiO 2 film,
The fifth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to fourth inventions,
The supporting substrate is made of one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass and quartz glass;
The sixth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to fifth inventions,
The piezoelectric substrate is one or more bulk crystals selected from lithium tantalate, lithium niobate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, quartz, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, langaite It is characterized by being composed of

次に、本発明に係る第7の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とし、
第8の発明は、
第7の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする。
Next, a seventh invention according to the present invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising the polycrystalline diamond thin film layer and the acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate, which is formed on the polycrystalline diamond thin film layer.
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
Forming a polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer on the polycrystalline diamond thin film layer;
Directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding;
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer;
Characterized in that
The eighth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
The acoustic impedance layer is directly bonded to the piezoelectric substrate through a metal thin film.

また、第9の発明は、
第7の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマCVD法により成膜することを特徴とし、
第10の発明は、
第7の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を研磨することを特徴とし、
第11の発明は、
第7の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と直接接合された上記圧電基板の非接合面を研磨する工程において、
上記圧電基板の厚さが0.3〜25μmになるまで研磨することを特徴とする。
The ninth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate,
Forming the polycrystalline diamond thin film layer by microwave plasma CVD method;
The tenth invention is
In the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the seventh invention,
Polishing the surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the supporting substrate;
The eleventh invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer,
Polishing is performed until the thickness of the piezoelectric substrate becomes 0.3 to 25 μm.

また、第12の発明は、
第7の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第13の発明は、
第8の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第14の発明は、
第13の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記金属薄膜が、膜厚5〜10nmのチタン膜またはクロム膜であることを特徴とするものである。
The twelfth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and the bonding surfaces are irradiated with an ion beam to remove residual impurities, and then bonding is performed directly at room temperature in vacuum.
The thirteenth invention is
It is a manufacturing method of the compound substrate for surface acoustic wave elements given in the 8th invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate via a metal thin film,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and ion beams are irradiated to the bonding surfaces to remove residual impurities, and the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate After forming a metal thin film on the upper surface, it is characterized by direct bonding at normal temperature in vacuum,
The fourteenth invention is
In the method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the thirteenth invention,
The metal thin film is a titanium film or a chromium film having a thickness of 5 to 10 nm.

本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴としている。   A composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention comprises a piezoelectric substrate, a support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate, and a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate. An acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric substrate is formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded to each other. It is characterized by

そして、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となる。   And, in a surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of a supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of a piezoelectric substrate. Since the surface acoustic wave propagates, it is possible to realize an extremely high propagation speed.

また、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト(変動)することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。   Further, in the surface acoustic wave device using the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the present invention, since the supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate is applied, the frequency characteristic is shifted due to the temperature change ( It is possible to provide good frequency temperature characteristics without fluctuation.

更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。   Furthermore, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention comprises a piezoelectric substrate made of a bulk crystal, and an acoustic wave on a polycrystalline diamond thin film layer provided on a supporting substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the piezoelectric substrate. It is obtained by directly bonding to the impedance layer and thinning the non-bonding surface of the bonded piezoelectric substrate by polishing.

そして、バルク結晶で構成された圧電基板(圧電体層)は、ダイヤモンド薄膜上若しくは音響緩和層(基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層)上にCVDやスパッタリング等で成膜した特許文献1〜3の圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献6〜7に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。   The piezoelectric substrate (piezoelectric layer) made of bulk crystal is deposited on the diamond thin film or on the acoustic relaxation layer (the acoustic relaxation layer having a smaller acoustic impedance than the base layer and a larger acoustic impedance than the piezoelectric layer) The film quality is good compared to the piezoelectric layers of Patent Documents 1 to 3 formed by sputtering or the like, and the acoustic impedance layer on the polycrystalline diamond thin film layer provided on the supporting substrate is directly bonded to the piezoelectric substrate. As a result, there is no problem of destruction of the piezoelectric substrate and deterioration of the piezoelectric characteristics described in Patent Documents 6 to 7 and various problems caused by heat softening of the adhesive because the bonding method by the adhesive is not adopted. Is also resolved.

更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板(圧電体層)と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層(圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層)が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板(圧電体層)と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。   Furthermore, in the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, the acoustic impedance layer (the piezoelectric substrate and the polycrystalline diamond thin film layer) has an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film. Layer), the surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention includes a piezoelectric layer associated with a mismatch in acoustic impedance between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film layer. The reflection of the elastic wave at the interface is reduced, thereby suppressing the phenomenon in which the vibration displacement of the surface elastic wave is concentrated in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, thereby preventing the breakage on the surface of the piezoelectric layer and preventing the surface acoustic wave element Power property can be improved, and a signal propagating on the surface of the piezoelectric layer is spread inside the acoustic impedance layer. When, since the signal at the interface between the acoustic impedance layer and the polycrystalline diamond thin film layer is returned to the piezoelectric layer is reflected, it is possible to reduce the loss of propagation signal in the surface acoustic wave element.

本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子の構成断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface acoustic wave device using a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子の構成断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view of a surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention. 表面弾性波素子を共振子として使用する場合の構成例を示しており、圧電基板と該圧電基板上に設けられたIDT電極と該IDT電極の両側部に配置されたストリップ状電極から成る反射器とで構成される共振子の概略平面図。A configuration example in which a surface acoustic wave device is used as a resonator is shown, and a reflector comprising a piezoelectric substrate, an IDT electrode provided on the piezoelectric substrate, and strip electrodes disposed on both sides of the IDT electrode And FIG. 7 is a schematic plan view of a resonator configured by マイクロ波プラズマCVD装置の概略構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of a microwave plasma CVD apparatus.

以下、本発明の第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板とその製造方法について詳細に説明する。   Hereinafter, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.

1.表面弾性波素子用複合基板
(A)本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図1に示すように、圧電基板1と、該圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板2と、該支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成され、かつ、該音響インピーダンス層4と上記圧電基板1が直接接合されていることを特徴とし、また、第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板1の非接合面に櫛歯状電極6が形成されて成るものである。
1. Composite substrate for surface acoustic wave device (A) Composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention The composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention is as shown in FIG. A piezoelectric substrate 1, a supporting substrate 2 having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate 1, and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the supporting substrate 2; The polycrystalline diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate 1 are formed on the diamond thin film layer 3, and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded. Also, in the surface acoustic wave device configured using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, the comb-like electrode 6 is formed on the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1. What It is.

(B)本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図2に示すように、圧電基板1と、該圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板2と、該支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成され、かつ、該音響インピーダンス層4と上記圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合されていることを特徴とし、また、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板1の非接合面に櫛歯状電極6が形成されて成るものである。
(B) Composite Substrate for Surface Acoustic Wave Element According to Second Embodiment of the Present Invention The composite substrate for a surface acoustic wave element according to the second embodiment of the present invention is, as shown in FIG. A support substrate 2 having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate 1 and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 are provided. A polycrystalline diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate 1 are formed, and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5. The surface acoustic wave device is characterized by using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment, wherein the comb-like electrode 6 is formed on the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 described above. It is.

以下、(1)圧電基板、(2)支持基板、(3)多結晶ダイヤモンド薄膜層、(4)音響インピーダンス層、(5)金属薄膜、(6)表面弾性波素子用複合基板、および、(7)表面弾性波素子の順に説明する。   (1) piezoelectric substrate, (2) support substrate, (3) polycrystalline diamond thin film layer, (4) acoustic impedance layer, (5) metal thin film, (6) composite substrate for surface acoustic wave device, 7) The surface acoustic wave elements will be described in order.

(1)圧電基板
圧電基板1は弾性波が伝搬可能な圧電性を有する基板であり、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる圧電基板として、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、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される1種以上のバルク結晶であることが好ましく、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムがより好ましい。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムは表面弾性波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため高周波数かつ広帯域周波数の表面弾性波デバイス用として適しているからである。
(1) Piezoelectric Substrate The piezoelectric substrate 1 is a substrate having piezoelectricity capable of propagating elastic waves, and lithium tantalate, lithium niobate, niobium as a piezoelectric substrate used for the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention. Lithium tantalate solid solution single crystal, quartz crystal, lithium borate, zinc oxide, aluminum oxide, langasite, langasite, preferably bulk crystal selected from lithium tantalate or lithium niobate More preferable. It is because lithium tantalate and lithium niobate are suitable for surface acoustic wave devices of high frequency and wide band frequency because the propagation speed of surface acoustic wave is high and the electromechanical coupling coefficient is large.

上記圧電基板1は、支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に設けられた音響インピーダンス層4と直接接合されて本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を構成する。尚、圧電基板1表面に凹凸が存在していると、音響インピーダンス層4と原子レベルで完全に接合させることができず浮きが発生する可能性があるため、圧電基板1表面は表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下に平滑にしておくことが好ましい。   The piezoelectric substrate 1 is directly bonded to the acoustic impedance layer 4 provided on the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 and the composite substrate for the surface acoustic wave device according to the present invention Configure It should be noted that if the surface of the piezoelectric substrate 1 is uneven, it can not be completely bonded to the acoustic impedance layer 4 at the atomic level, which may cause floating, so the surface of the piezoelectric substrate 1 has a surface roughness Ra 0 It is preferable to make the surface smooth to 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less.

圧電基板1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50〜200mm、厚さが0.3〜25μmのものが好適に用いられる。   Although the size of the piezoelectric substrate 1 is not particularly limited, for example, one having a diameter of 50 to 200 mm and a thickness of 0.3 to 25 μm is suitably used.

(2)支持基板
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる支持基板2としては、圧電基板1よりも熱膨張係数が小さい材料で構成されることが必要である。支持基板2として圧電基板1よりも熱膨張係数が小さい材料を用い、支持基板2と、該支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に設けられた音響インピーダンス層4と、圧電基板1を備えた複合基板とすることで、上記支持基板2と圧電基板1の間に多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が介在していても、温度変化したときの圧電基板1の伸縮が上記支持基板2の作用で抑制されるため、当該複合基板をSAWデバイスとして用いた場合、周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する課題を解消することが可能となる。
(2) Support Substrate The support substrate 2 used for the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the present invention needs to be made of a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate 1. Using a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate 1 as the supporting substrate 2, the supporting substrate 2, a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the supporting substrate 2, and the polycrystalline diamond thin film By setting it as the composite substrate provided with the acoustic impedance layer 4 provided on the layer 3 and the piezoelectric substrate 1, the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 are interposed between the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 1. Even if the composite substrate is used as a SAW device, the frequency characteristics shift (fluctuate) due to the temperature change because expansion and contraction of the piezoelectric substrate 1 when the temperature changes are suppressed by the action of the support substrate 2. It becomes possible to solve the problem.

支持基板2の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、および、石英ガラスから選択される1種であることが好ましい。硬度で見ると、安価で汎用的なソーダガラス基板は、ビッカース硬度が500〜600、シリコン基板は1040程度、サファイア基板は2300であり、サファイア基板の方が好ましい。しかし、ガラス基板やシリコン基板は安価で大量に生産されており、コスト的にも安価であるため、総合的に見ると、支持基板2としてシリコン基板が好ましい。   The material of the support substrate 2 is preferably one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass, and quartz glass. In terms of hardness, an inexpensive and general-purpose soda glass substrate has a Vickers hardness of 500 to 600, a silicon substrate of about 1040, and a sapphire substrate of 2300, and a sapphire substrate is preferable. However, since a glass substrate and a silicon substrate are inexpensive and mass-produced and inexpensive, the silicon substrate is preferable as the support substrate 2 from a comprehensive viewpoint.

そこで、安価なシリコン基板を使用し、この支持基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層3を成膜することで支持基板2の硬度を高め、また、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に設けられた音響インピーダンス層4と圧電基板1とを直接接合することで、得られる複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。更に、シリコン基板は、熱膨張係数が3.9×10-6/Kとタンタル酸リチウム等の圧電基板1に較べて大変小さく、SAWデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。 Therefore, the hardness of the support substrate 2 is increased by forming the polycrystalline diamond thin film layer 3 having high hardness on the support substrate using an inexpensive silicon substrate, and the above-mentioned polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed. By directly bonding the provided acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1, the composite substrate obtained can obtain a propagation velocity faster than that of the piezoelectric substrate alone. Furthermore, the silicon substrate has a thermal expansion coefficient of 3.9 × 10 -6 / K, which is much smaller than that of the piezoelectric substrate 1 such as lithium tantalate, and can suppress the temperature change of the frequency characteristic of the SAW device. .

支持基板2の大きさは、例えば、直径が50〜200mm、厚さが200〜1200μmのものが好適に用いられる。   As the size of the support substrate 2, for example, one having a diameter of 50 to 200 mm and a thickness of 200 to 1200 μm is suitably used.

(3)多結晶ダイヤモンド薄膜層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成される。更に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に設けられた音響インピーダンス層4と上記圧電基板1が直接接合された構成とすることにより、例えば、圧電基板1に一対の櫛歯状電極6を形成して電圧を印加することで表面弾性波が励起される。そして、圧電基板1と多結晶ダイヤモンド薄膜層3間には、これ等圧電基板1および多結晶ダイヤモンド薄膜層3よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が介在するため、励起された表面弾性波は音響インピーダンスの小さい音響インピーダンス層4に広がり、この表面弾性波は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3を伝搬され、別の一対の櫛歯状電極で再び圧電基板1によって電気信号に変換される。これにより、圧電基板1と多結晶ダイヤモンド薄膜層3が直接接合された場合における両層の音響インピーダンスの不整合に伴う諸問題(SAWデバイスにおける耐電力性の悪化や信号損失が増加する問題等)を改善することが可能となる。
(3) Polycrystalline Diamond Thin Film Layer In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of support substrate 2. Furthermore, by forming the acoustic impedance layer 4 provided on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 directly bonded to each other, for example, a pair of comb-like electrodes 6 is formed on the piezoelectric substrate 1 The surface acoustic wave is excited by applying a voltage. Since the acoustic impedance layer 4 having a smaller acoustic impedance than the piezoelectric substrate 1 and the polycrystalline diamond thin film layer 3 is interposed between the piezoelectric substrate 1 and the polycrystalline diamond thin film layer 3, the excited surface acoustic wave is The surface acoustic wave is propagated through the polycrystalline diamond thin film layer 3 and converted into an electrical signal by the piezoelectric substrate 1 again by another pair of comb-like electrodes. As a result, when the piezoelectric substrate 1 and the polycrystalline diamond thin film layer 3 are directly bonded, various problems associated with the mismatch of the acoustic impedance of the two layers (such as the deterioration of the power resistance of the SAW device and the increase of the signal loss) It is possible to improve the

ダイヤモンド層は物質中最高の音の伝搬速度を有する材料であり、圧電体薄膜を積層しても伝搬速度10000m/s以上を実現させることが可能なため、本発明に係る複合基板を高周波表面弾性波素子に使用することができる。   The diamond layer is a material having the highest sound propagation speed in the substance, and it is possible to realize a propagation speed of 10000 m / s or more even by laminating a piezoelectric thin film, so the composite substrate according to the present invention has high frequency surface elasticity. It can be used for wave elements.

上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の形成には、マイクロ波プラズマCVD法を用いて支持基板2上に成膜することが好ましい。多結晶ダイヤモンド薄膜層3は、炭化水素等を原料ガスとする気相合成法、例えば、電子放射材を加熱して原料ガスを活性化する方法、プラズマにより原料ガスを励起する方法、光によりガスを分解励起する方法、イオン衝撃により原料ガスから多結晶ダイヤモンドを成長させる方法等により形成できるが、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層3は、上記成膜方法の中でもマイクロ波プラズマCVD法を用いて成膜することが好ましい。マイクロ波プラズマCVD法は、マイクロ波(通常は2.45GHzの周波数が使用される)を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマCVD法は、1.3〜8.0kPa程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマCVD法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱CVD法等と比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のCVD法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。   In order to form the polycrystalline diamond thin film layer 3, it is preferable to form a film on the supporting substrate 2 using a microwave plasma CVD method. The polycrystalline diamond thin film layer 3 is a vapor phase synthesis method using hydrocarbon etc. as a source gas, for example, a method of heating the electron emitting material to activate the source gas, a method of exciting the source gas by plasma, a gas by light The polycrystalline diamond thin film layer 3 according to the present invention can be formed by the microwave plasma CVD method among the film forming methods described above. It is preferable to form a film. Microwave plasma CVD is a synthesis method by electrodeless discharge using microwaves (a frequency of 2.45 GHz is usually used). The microwave plasma CVD method is a film forming method using plasma with only microwaves in a pressure range of about 1.3 to 8.0 kPa. The microwave plasma CVD method is a method of exciting a source gas by plasma, and can form a denser thin film at a lower temperature than a thermal CVD method or the like, and the film forming speed is faster than other CVD methods, It is advantageous in that damage due to heat can be suppressed, and mutual diffusion between laminated films can be suppressed.

尚、マイクロ波プラズマCVD法の1種である有磁場マイクロ波CVD法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマCVD法よりも更に低圧力(1.3〜133Pa)領域で電子のサイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。   Magnetic field microwave CVD, which is a type of microwave plasma CVD, makes it possible to create a stable high density plasma even at low pressure by utilizing the interaction between plasma and magnetic field, and microwave plasma It uses a strong plasma state by electron cyclotron resonance (ECR) in a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region further than the CVD method. And since it is low pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed into a large area, and it is suitable for forming a polycrystalline diamond thin film layer concerning the present invention.

多結晶ダイヤモンド薄膜層3の膜厚は、支持基板2上に約5μm程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面には凹凸が存在するため、この多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面に成膜される音響インピーダンス層4の表面にも上記凹凸が転写されてしまう。そして、圧電基板1と直接接合される音響インピーダンス層4の表面に凹凸が存在していると、上記(1)圧電基板欄で述べたように原子レベルで完全に接合されずに浮きを生ずる可能性があり、これを回避するためである。すなわち、音響インピーダンス層4が成膜される前に多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面の凹凸面を研磨して平滑化する必要があるからである。例えば、上記膜厚(約5μm程度)であれば、約3μm程度まで研磨し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さRaになるまでは研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaが転写された表面粗さRaを有する当該音響インピーダンス層4表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることも好ましい。   The film thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is preferably about 5 μm on the support substrate 2. The reason is that since the unevenness is present on the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed, the unevenness is also transferred to the surface of the acoustic impedance layer 4 formed on the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 I will. And, if unevenness is present on the surface of the acoustic impedance layer 4 to be directly bonded to the piezoelectric substrate 1, as described in the above (1) Piezoelectric substrate column, floatation can be generated without being completely bonded at the atomic level To avoid this. That is, it is necessary to polish and smooth the uneven surface of the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 before the acoustic impedance layer 4 is formed. For example, in the case of the above film thickness (about 5 μm), it is preferable to polish to about 3 μm and to make the surface roughness Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less. However, in consideration of the polishing cost, the polishing is not performed until the surface roughness Ra is reached, and the acoustic impedance layer 4 is equal to or half the polycrystalline diamond thin film layer 3 on the polycrystalline diamond thin film layer 3. The film is formed to have a film thickness within a certain range, and the uneven surface of the surface of the acoustic impedance layer 4 having the surface roughness Ra to which the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is transferred is polished and smoothed. The surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.3 nm or less.

(4)音響インピーダンス層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、上記支持基板2の一方の主面上に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に音響インピーダンス層4が形成され、該音響インピーダンス層4と上記圧電基板1が直接接合されている。
(4) Acoustic Impedance Layer In the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the present invention, the acoustic impedance layer 4 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 provided on one main surface of the support substrate 2, The acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded.

上記音響インピーダンス層4は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電体層1よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。   The acoustic impedance layer 4 is made of a material having an acoustic impedance smaller than that of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric layer 1 as described above.

そして、音響インピーダンスは「媒質中の音速」と「媒質の密度」との積で表されるため、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の音響インピーダンスZは、Z=密度ρ・音速VL=61.6[Pa・s/m]である。このため、音響インピーダンス層4は、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の音響インピーダンスZ=61.6[Pa・s/m]よりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。   Since the acoustic impedance is represented by the product of "sound velocity in the medium" and "density of the medium", the acoustic impedance Z of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is Z = density ρ · sound velocity VL = 61.6 It is [Pa · s / m]. For this reason, it is necessary to use an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance lower than the acoustic impedance Z = 61.6 [Pa · s / m] of the polycrystalline diamond thin film layer 3.

他方、上記圧電基板1の音響インピーダンスZは、例えば、酸化亜鉛で圧電基板が構成された場合はZnO(Z=34.6[Pa・s/m])、タンタル酸リチウムで圧電基板が構成された場合はLiTaO3(一例として、Z=31.2[Pa・s/m])、窒化アルミニウムで圧電基板が構成された場合はAlN(Z=38.4[Pa・s/m])である。このため、音響インピーダンス層4は、これ等圧電基板の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。 On the other hand, when the piezoelectric substrate is made of zinc oxide, the acoustic impedance Z of the piezoelectric substrate 1 is made of ZnO (Z = 34.6 [Pa.s / m]) and lithium tantalate, for example. In this case, LiTaO 3 (as an example, Z = 31.2 [Pa · s / m]), and when the piezoelectric substrate is made of aluminum nitride, it is AlN (Z = 38.4 [Pa · s / m]). is there. Therefore, it is necessary to use an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance lower than the acoustic impedance of these piezoelectric substrates.

そして、これ等の条件を満たす音響インピーダンス層4としては、SiO2(Z=15.6[Pa・s/m])、Al(Z=17.0[Pa・s/m])、および、Si(Z=19.7[Pa・s/m])等が挙げられ、その中でもSiO2膜が好ましい。 Then, as the condition is satisfied acoustic impedance layer 4 such as this, SiO 2 (Z = 15.6 [ Pa · s / m]), Al (Z = 17.0 [Pa · s / m]), and, Si (Z = 19.7 [Pa · s / m]) and the like can be mentioned, and among them, a SiO 2 film is preferable.

上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電体層1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成され、かつ、音響インピーダンス層4と圧電基板1が直接接合された表面弾性波素子の構成とすることで、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と圧電体層が直接接合された構造に較べて、圧電体層1の界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層1表面を伝搬する信号が音響インピーダンス層4内部に拡散したとき、音響インピーダンス層4と多結晶ダイヤモンド薄膜層3との界面で信号が反射され圧電体層1に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することが可能となる。   An acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric layer 1 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded. With the construction of the surface acoustic wave device, reflection of elastic waves at the interface of the piezoelectric layer 1 is reduced, as compared to the structure in which the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric layer are directly bonded. Since the phenomenon in which the vibrational displacement of the elastic wave is concentrated in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer can be suppressed, the breakdown on the surface of the piezoelectric layer can be prevented and the power resistance of the surface acoustic wave device can be improved. When the signal propagating on the surface of layer 1 is diffused into acoustic impedance layer 4, the signal is reflected at the interface between acoustic impedance layer 4 and polycrystalline diamond thin film layer 3. Re order to be returned to the piezoelectric layer 1, it is possible to reduce the loss of propagation signal in the surface acoustic wave element.

そして、音響インピーダンス層4としてSiO2膜を用いる場合、SiO2膜はスパッタリング法、CVD法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Si若しくはSiOをターゲットとして酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。尚、SiO2をターゲットとして用いることも可能であるが、成膜速度が遅くなるためSi若しくはSiOをターゲットとして用いることが好ましい。 When an SiO 2 film is used as the acoustic impedance layer 4, the SiO 2 film can be obtained by a film forming method such as a sputtering method or a CVD method. When forming into a film by sputtering method, it can obtain by carrying out sputtering film-forming, introduce | transducing oxygen by using Si or SiO as a target. Although it is possible to use SiO 2 as a target, it is preferable to use Si or SiO as a target because the film forming rate is slow.

また、上述したように、音響インピーダンス層4の膜厚は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。音響インピーダンス層4の膜厚が大きくなると応力が発生して複合基板に反りを生じ、取り扱いが困難になる等の不具合があるからである。   Further, as described above, the film thickness of the acoustic impedance layer 4 is desirably in the range equivalent to or about half that of the polycrystalline diamond thin film layer 3. When the film thickness of the acoustic impedance layer 4 is increased, stress is generated to cause warpage in the composite substrate, which causes problems such as difficulty in handling.

上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3については、その成膜時における膜厚が約5μm程度であれば約3μm程度まで研磨し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。上記表面粗さRaを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層4の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層4の表面粗さを、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層4の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaが転写された表面粗さRaを有する当該音響インピーダンス層4表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることも好ましい。   The polycrystalline diamond thin film layer 3 is polished to about 3 μm if the film thickness at the time of film formation is about 5 μm, and the surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less . The acoustic impedance layer 4 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 having the surface roughness Ra so as to have a film thickness equal to or approximately half that of the polycrystalline diamond thin film layer 3. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is transferred to the surface of the layer 4, and the surface roughness of the acoustic impedance layer 4 may be reduced to a surface roughness Ra of 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less. it can. When the surface roughness of the acoustic impedance layer 4 is larger than the above range, the surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less, by polishing. However, when the polishing cost of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is also taken into consideration, the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is not polished to the above range, and on the polycrystalline diamond thin film layer 3 as described above. The acoustic impedance layer 4 is formed to have a film thickness equal to or half of that of the polycrystalline diamond thin film layer 3, and the surface roughness to which the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 has been transferred It is also preferable to polish and smooth the uneven surface of the said acoustic impedance layer 4 surface which has Ra, and to make surface roughness Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less.

本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成されると共に、上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が直接接合されている。   In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention, polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of support substrate 2, and on polycrystalline diamond thin film layer 3. The polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate 1 are formed, and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded.

上記音響インピーダンス層4と圧電基板1を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層4と圧電基板1の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層4と圧電基板1を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、適度な荷重を加えて接合させることにより接合界面は原子拡散が進み、アモルファス化し、原子レベルで直接接合させることができる。尚、上記直接接合は、常温・無電圧で行うことが好ましい。   In order to directly bond the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1, each bonding surface of the acoustic impedance layer 4 before bonding and the piezoelectric substrate 1 is cleaned, and the cleaned acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are placed in a vacuum vessel. Arrange and irradiate the ion beam to each bonding surface in ultra high vacuum to remove residual impurities and activate each bonding surface, and then apply appropriate load to bond and the bonding interface promotes atomic diffusion , And can be directly bonded at the atomic level. The direct bonding is preferably performed at normal temperature and without voltage.

(5)金属薄膜
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成されると共に、上記記音響インピーダンス層4と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合されている。
(5) Metal Thin Film In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment of the present invention, the polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of the support substrate 2 and the polycrystalline diamond A polycrystalline diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate 1 are formed on the thin film layer 3, and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5. It is done.

上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合されるには、接合前の音響インピーダンス層4と圧電基板1の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層4と圧電基板1を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、スパッタリング等の成膜法で音響インピーダンス層4と圧電基板1の少なくとも一方の接合面に金属薄膜5を成膜し、該金属薄膜5の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で直接接合させることが可能となる。上記音響インピーダンス層4と圧電基板1の界面に金属薄膜5が存在し、金属薄膜5の原子拡散により接合させることができる。   In order to directly bond the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 via the metal thin film 5, the bonding surface of the acoustic impedance layer 4 before bonding and the piezoelectric substrate 1 is cleaned and cleaned. 1 is placed in a vacuum vessel, and each bonding surface is irradiated with an ion beam in ultrahigh vacuum to remove residual impurities and activate each bonding surface, and then an acoustic impedance layer 4 is formed by a film forming method such as sputtering. It is possible to form a metal thin film 5 on at least one bonding surface of the piezoelectric substrate 1 and directly bond at normal temperature, no pressure and no voltage by utilizing the large atomic diffusion of the metal thin film 5. The metal thin film 5 is present at the interface between the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 and can be bonded by atomic diffusion of the metal thin film 5.

上記金属薄膜5としては、クロムやチタン等酸素と結合する力が強くかつ拡散係数が高い薄膜が好ましい。また、金属薄膜5の膜厚は5〜10nmが好ましい。膜厚が5nm未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり拡散が不連続となる。一方、膜厚が10nmを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成され多結晶ダイヤモンド薄膜層3と圧電基板1との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。上記金属薄膜5が存在することで、両接合面における表面粗さは、金属薄膜5が介在しないときよりも粗くてよく、研磨コストを低下させるメリットがある。   The metal thin film 5 is preferably a thin film having a strong bonding force with oxygen such as chromium and titanium and a high diffusion coefficient. Moreover, as for the film thickness of the metal thin film 5, 5-10 nm is preferable. When the film thickness is too thin, less than 5 nm, the film becomes discontinuous and the diffusion becomes discontinuous. On the other hand, if the film thickness exceeds 10 nm and is too thick, a continuous film is formed before diffusion, and it may intervene as a film between the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 and may not function as a diffusion layer is there. Due to the presence of the metal thin film 5, the surface roughness at both bonding surfaces may be rougher than when the metal thin film 5 is not present, and there is an advantage of reducing the polishing cost.

(6)表面弾性波素子用複合基板
支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成されると共に、上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が直接接合された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4が形成されると共に、上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板については、当該複合基板における圧電基板1の非接合面を研磨して圧電基板1の厚さが薄くなるように調整する。
(6) Composite substrate for surface acoustic wave device The polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of the supporting substrate 2, and the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the above-mentioned piezoelectric material are formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3. The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, in which the acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the substrate 1 is formed, and the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded A polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one of the main surfaces of 2 and the polycrystalline diamond thin film layer 3 on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate 1 In the second embodiment, the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded to each other through the metal thin film 5. With respect to the composite substrate for a surface acoustic wave device, the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 in the composite substrate is polished to adjust the thickness of the piezoelectric substrate 1 to be thin.

多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2と圧電基板1の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするため、圧電基板1の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2の合計厚(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板1の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板は平行を保てると共に、複合基板として、音響インピーダンス層4を介して圧電基板1に接合した多結晶ダイヤモンド薄膜層3の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。   The difference in the thermal expansion coefficients of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 are formed and the piezoelectric substrate 1 makes it possible to prevent the composite substrate from warping due to temperature changes. The total thickness of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 are formed (acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + support substrate 2 thickness) You need to make it thinner. By reducing the thickness of the piezoelectric substrate 1, the warping force of the composite substrate is reduced and the composite substrate can be kept parallel, and a polycrystal bonded to the piezoelectric substrate 1 via the acoustic impedance layer 4 as a composite substrate A state in which the hardness of the diamond thin film layer 3 is as close as possible is obtained.

多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2の合計厚(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)と圧電基板1の厚さについては、圧電基板1の厚さが薄くなるようにし、その比率は、(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)に対し1/10以下であることが好ましく、更に好ましくは1/20がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が120℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。   Total thickness of support substrate 2 on which polycrystalline diamond thin film layer 3 and acoustic impedance layer 4 are formed (acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + support substrate 2 thickness) and thickness of piezoelectric substrate 1 As for the thickness, the thickness of the piezoelectric substrate 1 is reduced, and the ratio is 1/10 or less of (Acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + supporting substrate 2 thickness) Is preferably, more preferably 1/20. If there is a difference in the film thickness, the warpage of the composite substrate due to the difference in thermal expansion is suppressed even when the ambient temperature reaches about 120 ° C.

複合基板における上記圧電基板1の非接合面を研磨した後における圧電基板厚さは、0.3〜25μmとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は1〜25μmとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は0.3〜5μmとすることが望ましい。研磨後における圧電基板の厚さが0.3μm未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、音響インピーダンス層4/多結晶ダイヤモンド薄膜層3/支持基板2における接合表面平滑度の影響から圧電基板1としての厚さが保持できなくなり、圧電基板1の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後における圧電基板の厚さが25μmを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板1の厚さが大きくなると圧電基板(例えばタンタル酸リチウム)の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。   The thickness of the piezoelectric substrate after polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 in the composite substrate is preferably 0.3 to 25 μm. When the polishing cost is also considered, it is desirable to set it as 1-25 micrometers. In addition, in consideration of performance such as suppression of warpage of the composite substrate, it is preferable to set the thickness to 0.3 to 5 μm. If the thickness of the piezoelectric substrate after polishing is less than 0.3 μm, the polishing cost may increase, but the influence of the bonding surface smoothness on the acoustic impedance layer 4 / polycrystalline diamond thin film layer 3 / supporting substrate 2 Thus, the thickness of the piezoelectric substrate 1 can not be maintained, and the thickness of the piezoelectric substrate 1 may be discontinuous. On the other hand, when the thickness of the piezoelectric substrate after polishing exceeds 25 μm, the warpage of the composite substrate increases, and the frequency temperature characteristic and the propagation speed decrease. That is, when the thickness of the piezoelectric substrate 1 increases, the characteristics of the piezoelectric substrate (for example, lithium tantalate) appear, the thermal expansion of the piezoelectric substrate becomes dominant, and the expansion and contraction of the surface acoustic wave device electrode becomes large. This is because the characteristics are lowered and the hardness as the composite substrate is lowered and the propagation speed is also lowered.

(7)表面弾性波素子
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、図1〜2に示すように複合基板における圧電基板1側の表面に表面弾性波素子用電極(櫛歯状電極)6が形成されて成るものである。上記圧電基板1の表面は、多数の表面弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各表面弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の一対の櫛歯状電極(IDT電極)および反射器(SAW共振子用)がフォトリソグラフィ技術を利用して形成される。
(7) Surface Acoustic Wave Element The surface acoustic wave element using the composite substrate for surface acoustic wave elements according to the present invention is for surface acoustic wave elements on the surface of the composite substrate on the side of the piezoelectric substrate 1 as shown in FIGS. An electrode (comb-like electrode) 6 is formed. The surface of the piezoelectric substrate 1 is partitioned such that a large number of surface acoustic wave devices are formed, and a pair of comb-like electrodes (IDT electrodes) for the elastic wave devices are provided at positions corresponding to the respective surface acoustic wave devices. And reflectors (for SAW resonators) are formed using photolithography technology.

最後に、区画に沿ってダイシングすることにより、多数のSAWデバイスを得ることができる。得られたSAWデバイスは、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、表面弾性波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。   Finally, by dicing along the sections, a large number of SAW devices can be obtained. In the obtained SAW device, when a high frequency signal is applied to the IDT electrode on the input side, an electric field is generated between the electrodes, and a surface acoustic wave is excited to propagate on the piezoelectric substrate.

共振子の場合、IDT電極の両側に同じ電極膜で形成されたストリップ状電極から成る反射器が配置されており、ストリップ状電極の端部で表面弾性波はわずかに反射するためその反射波がIDT電極に戻る。ストリップ状電極がλ/2の周期で並んでいると反射された表面弾性波は同相で強め合い、ほとんどの表面弾性波エネルギーがIDT電極に戻される。そして、他方の出力側IDT電極から、伝搬された表面弾性波を電気信号として取り出すことができる。   In the case of a resonator, a reflector consisting of strip-like electrodes formed of the same electrode film is disposed on both sides of the IDT electrode, and the surface acoustic wave is slightly reflected at the end of the strip-like electrodes, so that the reflected wave is Return to IDT electrode. When the strip electrodes are arranged at a period of λ / 2, the reflected surface acoustic waves are in-phase and constructive, and most of the surface acoustic wave energy is returned to the IDT electrode. Then, the propagated surface acoustic wave can be extracted as an electrical signal from the other output IDT electrode.

2.表面弾性波素子用複合基板の製造方法
(1)本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板1と、該圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板2と、該支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4を具備し、上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が直接接合されている第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層4と直接接合された圧電基板1の非接合面を研磨する工程、を具備することを特徴としている。
2. Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device (1) Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention Piezoelectric substrate 1 and support having a smaller thermal expansion coefficient than that of piezoelectric substrate 1 A substrate 2, a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2, an acoustic wave formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and more than the crystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, comprising the acoustic impedance layer 4 having a small impedance, wherein the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded to each other,
Forming a polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of the support substrate 2;
Forming a polycrystal diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having a smaller acoustic impedance than the piezoelectric substrate 1 on the polycrystal diamond thin film layer 3;
Directly bonding the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 by surface activation room temperature bonding;
And polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 directly bonded to the acoustic impedance layer 4.

以下、各工程について説明する。
<a>支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3を形成する工程
第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、上記圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を持ち、前1.(2)に記載した支持基板2の一方の主面上に、前1.(3)に記載した多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する。
Each step will be described below.
<a> Step of Forming Polycrystalline Diamond Thin Film Layer 3 on One Main Surface of Supporting Substrate 2 The method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment has a thermal expansion smaller than that of the piezoelectric substrate 1. Have a factor, front 1. On one main surface of the support substrate 2 described in (2), the front 1. The polycrystalline diamond thin film layer described in (3) is formed.

支持基板2としては、選択された圧電基板1と比較し、当該圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を有していることが必要である。具体的には、支持基板2の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される1種であることが好ましい。更に、硬度や材料コストからシリコン基板がより好ましい。シリコン基板は、熱膨張係数が3.9×10-6/Kとタンタル酸リチウム等の圧電基板1に較べて大変小さく、SAWデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。シリコン基板を使用し、該シリコン基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜することで、支持基板としての硬度が高められ、圧電基板に直接接合された音響インピーダンス層を介し多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電基板が積層されることで、得られる表面弾性波素子用複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。 The supporting substrate 2 needs to have a thermal expansion coefficient smaller than that of the selected piezoelectric substrate 1 as compared with the selected piezoelectric substrate 1. Specifically, the material of the support substrate 2 is preferably one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass, and quartz glass. Furthermore, a silicon substrate is more preferable in terms of hardness and material cost. The silicon substrate has a thermal expansion coefficient of 3.9 × 10 −6 / K, which is much smaller than that of the piezoelectric substrate 1 such as lithium tantalate, and can suppress the temperature change of the frequency characteristic of the SAW device. By using a silicon substrate and depositing a polycrystalline diamond thin film layer having high hardness on the silicon substrate, the hardness as a support substrate is increased, and polycrystal is formed via an acoustic impedance layer directly bonded to the piezoelectric substrate. By laminating the diamond thin film layer and the piezoelectric substrate, the composite substrate for a surface acoustic wave device obtained can obtain a propagation velocity faster than that of the piezoelectric substrate alone.

上記多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜には、マイクロ波プラズマCVD法を用いることが好ましい。マイクロ波プラズマCVD法は、マイクロ波(通常は2.45GHzの周波数が使用される)を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマCVD法は、1.3〜8.0kPa程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマCVD法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱CVD法等に比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のCVD法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。   It is preferable to use the microwave plasma CVD method for film-forming of the said polycrystalline diamond thin film layer. Microwave plasma CVD is a synthesis method by electrodeless discharge using microwaves (a frequency of 2.45 GHz is usually used). The microwave plasma CVD method is a film forming method using plasma with only microwaves in a pressure range of about 1.3 to 8.0 kPa. The microwave plasma CVD method is a method of exciting the source gas by plasma, and can form a denser thin film at a lower temperature than the thermal CVD method etc., and the film forming speed is faster than other CVD methods, It is advantageous in that damage due to heat can be suppressed, and mutual diffusion between laminated films can be suppressed.

尚、マイクロ波プラズマCVD法の1種である有磁場マイクロ波CVD法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマCVD法よりも更に低圧力(1.3〜133Pa)領域で電子のサイクロトロン共鳴(ECR)による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。   Magnetic field microwave CVD, which is a type of microwave plasma CVD, makes it possible to create a stable high density plasma even at low pressure by utilizing the interaction between plasma and magnetic field, and microwave plasma It uses a strong plasma state by cyclotron resonance (ECR) of electrons at a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region than the CVD method. And since it is low pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed into a large area, and it is suitable for forming a polycrystalline diamond thin film layer concerning the present invention.

図4に、上記マイクロ波プラズマCVD装置の概略構成を示す。   FIG. 4 shows a schematic configuration of the microwave plasma CVD apparatus.

マイクロ波プラズマCVD装置は、マグネトロン10、矩形導波管7、整合器8、プランジャー9、反応管14、サセプタ(基板ホルダー)11、排気用ポンプ12、パワーモニタ13等から構成されている。尚、図4中、符号15は反応ガスを示す。   The microwave plasma CVD apparatus comprises a magnetron 10, a rectangular waveguide 7, a matching device 8, a plunger 9, a reaction tube 14, a susceptor (substrate holder) 11, an exhaust pump 12, a power monitor 13 and the like. In addition, the code | symbol 15 shows reaction gas in FIG.

マイクロ波プラズマCVD装置の反応管14内のサセプタ(基板ホルダー)11に本発明で用いる支持基板2を配置し、所定の反応ガスを導入して圧力を調整する。マグネトロン10で発生させたマイクロ波は矩形導波管7内を伝わりプランジャー9に達する。上記プランジャー9は矩形導波管7の長さを変える働きをし、この調整により反応管14に強い電界が設定されるように所定波を発生させ、反応管14内にプラズマPを発生させる。基板加熱は、一般に基板ホルダー11のマイクロ波による誘電加熱を利用する。反応管14には、マイクロ波の吸収が少なく、耐熱性が高い透明石英が用いられる。整合器8は反射波をゼロにして効率よくマイクロ波を反応管に送るためのものである。   The supporting substrate 2 used in the present invention is disposed on the susceptor (substrate holder) 11 in the reaction tube 14 of the microwave plasma CVD apparatus, and a predetermined reaction gas is introduced to adjust the pressure. The microwave generated by the magnetron 10 travels in the rectangular waveguide 7 and reaches the plunger 9. The plunger 9 functions to change the length of the rectangular waveguide 7. By this adjustment, a predetermined wave is generated so that a strong electric field is set in the reaction tube 14, and a plasma P is generated in the reaction tube 14. . Substrate heating generally utilizes dielectric heating of the substrate holder 11 by microwaves. The reaction tube 14 is made of transparent quartz that has low absorption of microwaves and high heat resistance. The matching unit 8 is for efficiently transmitting microwaves to the reaction tube with the reflected wave being zero.

成膜条件としては、反応圧力が1.3〜8.0kPa、反応ガスとしてはメタンガス(CH4)を用い、キャリアガスとしては水素ガス(H2)を用いるのが一般的であるが、CO/H2等他の種類のガスも使用することができる。H2ガスの割合は80%以上が好適であり、H2ガスの割合が低くなると、得られる多結晶ダイヤモンド薄膜層の非ダイヤモンド成分が増大して膜質が低下してしまう。 As film forming conditions, it is general to use a reaction pressure of 1.3 to 8.0 kPa, a reaction gas using methane gas (CH 4 ), and a carrier gas using hydrogen gas (H 2 ), but CO / H 2, etc. other types of gas can also be used. The proportion of H 2 gas is preferably 80% or more. If the proportion of H 2 gas is low, the non-diamond component of the obtained polycrystalline diamond thin film layer will increase and the film quality will deteriorate.

マイクロ波プラズマはエネルギーが高いので、他のCVD法に較べて成膜速度が速い。また、マイクロ波プラズマPが支持基板2付近に存在して高温になるため、基板ホルダー11の直接加熱等は必要としない。成膜時の基板温度は700〜800℃に調整することが好ましい。基板温度が低温であると、成膜される薄膜においてsp3C−C結合の比率が低下してしまい、ダイヤモンド構造が低下し硬度が低下してしまう。基板温度が高くなり過ぎると、基板への影響が大きくなり基板が変形する等の虞がある。 Since the energy of microwave plasma is high, the deposition rate is faster than other CVD methods. Further, since the microwave plasma P is present in the vicinity of the support substrate 2 and becomes high temperature, direct heating or the like of the substrate holder 11 is not necessary. It is preferable to adjust the substrate temperature at the time of film formation to 700 to 800 ° C. If the substrate temperature is low, the ratio of sp 3 C-C bonds in the thin film to be formed is reduced, the diamond structure is reduced, and the hardness is reduced. When the substrate temperature becomes too high, the influence on the substrate becomes large, and the substrate may be deformed.

上記した成膜条件を調整して多結晶ダイヤモンド薄膜層3を支持基板2上に成膜する。上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の膜厚は、支持基板2上に約5μm程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面には凹凸が存在しており、音響インピーダンス層4を成膜する前に、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の凹凸面を研磨することが好ましいからである。凹凸が存在していると、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成される音響インピーダンス層4に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面の凹凸が転写され、圧電基板1と上記音響インピーダンス層4が直接接合するときに原子レベルで完全に接合されず浮きを生ずる可能性がある。   The polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on the supporting substrate 2 by adjusting the above-mentioned film forming conditions. The film thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is preferably about 5 μm on the support substrate 2. The reason for this is that unevenness is present on the surface of the deposited polycrystalline diamond thin film layer 3, and it is preferable to polish the uneven surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 before depositing the acoustic impedance layer 4. It is from. When the unevenness is present, the unevenness of the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is transferred to the acoustic impedance layer 4 formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3, and the piezoelectric substrate 1 and the acoustic impedance layer 4 are formed. When direct bonding is performed, there is a possibility that floating may not occur due to complete bonding at the atomic level.

例えば、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の膜厚が約5μm程度であれば、約3μm程度まで研磨して、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さRaになるまで研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaが転写された表面粗さRaを有する当該音響インピーダンス層4表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることも好ましい。   For example, if the film thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is about 5 μm, the surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less by polishing to about 3 μm. However, in consideration of the polishing cost, the polishing is not performed until the surface roughness Ra is reached, and the acoustic impedance layer 4 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 to be equivalent to or half the polycrystalline diamond thin film layer 3. Film is formed to a film thickness within the range, and the uneven surface of the surface of the acoustic impedance layer 4 having the surface roughness Ra to which the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is transferred is polished and smoothed, The surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.3 nm or less.

多結晶ダイヤモンド薄膜層3表面を研磨する方法としては、例えば、ダイヤモンド電着ホイール若しくはダイヤモンド砥粒による直接研磨、または、高温で加熱した鉄若しくはニッケル等の金属による研磨(熱化学反応を用いた研磨)等が利用できる。   As a method of polishing the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3, for example, direct polishing with a diamond electrodeposition wheel or diamond abrasive, or polishing with a metal such as iron or nickel heated at high temperature (polishing using a thermochemical reaction) Etc. can be used.

次工程で、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に音響インピーダンス層4を形成した後、音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合するため、上記圧電基板1の接合面も凹凸が存在していないことが好ましく、表面粗さはRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。   In the next step, the acoustic impedance layer 4 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3, and then the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded by the surface activation room temperature bonding method. It is preferable that no unevenness be present, and the surface roughness should be Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less.

<b>多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に音響インピーダンス層4を形成する工程
次に、上記支持基板2上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4を形成する。
<B> Step of Forming Acoustic Impedance Layer 4 on Polycrystalline Diamond Thin Film Layer 3 Next, on polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on supporting substrate 2, the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric material are formed. An acoustic impedance layer 4 having an acoustic impedance smaller than that of the substrate 1 is formed.

音響インピーダンス層4は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層3および上記圧電体層1よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。上記条件を満たす音響インピーダンス層4としては、SiO2(Z=15.6[Pa・s/m])、Al(Z=17.0[Pa・s/m])、および、Si(Z=19.7[Pa・s/m])等が挙げられ、その中でもSiO2膜が好ましい。 The acoustic impedance layer 4 is made of a material having a smaller acoustic impedance than the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric layer 1 as described above. As the acoustic impedance layer 4 satisfying the above conditions, SiO 2 (Z = 15.6 [Pa · s / m]), Al (Z = 17.0 [Pa · s / m]), and Si (Z =) 19.7 [Pa · s / m]) and the like, and among them, a SiO 2 film is preferable.

音響インピーダンス層4として上記SiO2膜を成膜する場合、SiO2膜はスパッタリング法、CVD法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Si若しくはSiOをターゲットとし、酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。 When the SiO 2 film is formed as the acoustic impedance layer 4, the SiO 2 film can be obtained by a film forming method such as a sputtering method or a CVD method. When forming into a film by sputtering method, it can obtain by carrying out sputtering film-forming, making Si or SiO into a target and introduce | transducing oxygen.

音響インピーダンス層4としてSiO2膜を上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に積層することで、圧電基板1から伝搬する表面弾性波を多結晶ダイヤモンド薄膜層とSiO2膜の界面により圧電基板1側へ反射して戻す効果がある。 By laminating a SiO 2 film as the acoustic impedance layer 4 on the polycrystalline diamond thin film layer, the surface acoustic wave propagating from the piezoelectric substrate 1 is reflected to the piezoelectric substrate 1 side by the interface between the polycrystalline diamond thin film layer and the SiO 2 film. It has the effect of returning.

また、音響インピーダンス層4の膜厚は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。具体的には50nm以上2μm以下の膜厚とすることが好ましい。50nm未満では、音響インピーダンス層として効果が現れ難くなり、本発明の目的とする特性が得られなくなるおそれがあり、また、薄いことから膜厚に均一性がなくなり連続膜とならない可能性がある。また、2μmを超える膜厚であると、表面弾性波の伝搬速度を向上させる効果が抑制されてしまうと共に、かえって安定した結晶性が得られなくなるおそれがあり、成膜時間が延びてコストが上昇する一因となる。   The film thickness of the acoustic impedance layer 4 is preferably in the range equivalent to or half of that of the polycrystalline diamond thin film layer 3 as described above. Specifically, the film thickness is preferably 50 nm or more and 2 μm or less. If the thickness is less than 50 nm, the effect as an acoustic impedance layer is less likely to be exhibited, and the characteristics targeted by the present invention may not be obtained. If the film thickness is more than 2 μm, the effect of improving the propagation velocity of the surface acoustic wave is suppressed, and there is a possibility that the stable crystallinity can not be obtained. Contribute to

上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3については、その成膜時における膜厚が約5μm程度であれば約3μm程度まで研磨し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。上記表面粗さRaを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層4の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層4の表面粗さを、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層4の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に、音響インピーダンス層4を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面粗さRaが転写された表面粗さRaを有する当該音響インピーダンス層4表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さRa0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下にすることも好ましい。   The polycrystalline diamond thin film layer 3 is polished to about 3 μm if the film thickness at the time of film formation is about 5 μm, and the surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less . The acoustic impedance layer 4 is formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 having the surface roughness Ra so as to have a film thickness equal to or approximately half that of the polycrystalline diamond thin film layer 3. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is transferred to the surface of the layer 4, and the surface roughness of the acoustic impedance layer 4 may be reduced to a surface roughness Ra of 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less. it can. When the surface roughness of the acoustic impedance layer 4 is larger than the above range, the surface roughness Ra is preferably 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less, by polishing. However, when the polishing cost of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is also taken into consideration, the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is not polished to the above range, and on the polycrystalline diamond thin film layer 3 as described above. The acoustic impedance layer 4 is formed to have a film thickness equal to or half of that of the polycrystalline diamond thin film layer 3, and the surface roughness to which the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer 3 has been transferred It is also preferable to polish and smooth the uneven surface of the said acoustic impedance layer 4 surface which has Ra, and to make surface roughness Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less.

<c>多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成された音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
次に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成された音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する。
<C> Step of Directly Bonding the Acoustic Impedance Layer 4 Formed on the Polycrystalline Diamond Thin Film Layer 3 with the Piezoelectric Substrate 1 by Surface Activated Room Temperature Bonding Method Next, the acoustic form formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 The impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded by surface activation room temperature bonding.

通常、音響インピーダンス層4と圧電基板1とを接合するには、有機接着剤や無機接着剤、UV接着剤、熱拡散接合等が用いられる。しかし、各種接着剤は温度上昇に伴い軟化するため、複合基板をSAWデバイスに用いたときに圧電基板1上に形成されている櫛歯状電極4も圧電基板1と同時に動き、共振周波数が変化する可能性が高い。また、熱拡散で音響インピーダンス層4と圧電基板1の接合を行うには1000℃以上の加熱が必要で、圧電基板のキュリー温度を超えるため圧電性が低下する問題がある。   In general, an organic adhesive, an inorganic adhesive, a UV adhesive, a thermal diffusion bonding, or the like is used to bond the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1. However, since various adhesives soften as the temperature rises, when the composite substrate is used for a SAW device, the comb-like electrodes 4 formed on the piezoelectric substrate 1 also move simultaneously with the piezoelectric substrate 1, and the resonance frequency changes There is a high possibility of doing. Further, in order to bond the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 by heat diffusion, heating at 1000 ° C. or more is required, and the Curie temperature of the piezoelectric substrate is exceeded, which causes a problem of reduction in piezoelectricity.

この問題点を回避するには、常温で接合でき、原子レベルで接合する直接常温接合(以下、常温接合と略称する場合がある)が望ましい。常温接合するには、多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成された音響インピーダンス層4の接合面と圧電基板1の接合面を十分に洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層4と圧電基板1を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオン(アルゴン)ビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、常温・無加圧・無電圧で接合する。音響インピーダンス層4の接合面と圧電基板1の接合面の洗浄後、更に、当該各接合面にUV照射を行うことも好ましい。   In order to avoid this problem, it is desirable that direct normal temperature bonding (hereinafter sometimes referred to as normal temperature bonding), which can be bonded at normal temperature and bonded at the atomic level, is desirable. For normal temperature bonding, the bonding surface of the acoustic impedance layer 4 formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding surface of the piezoelectric substrate 1 are sufficiently cleaned, and the cleaned acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are vacuum vessels. It is disposed inside, and each bonding surface is irradiated with an ion (argon) beam in an ultrahigh vacuum to remove residual impurities and activate each bonding surface, and bonding is performed at normal temperature, no pressure and no voltage. After cleaning the bonding surface of the acoustic impedance layer 4 and the bonding surface of the piezoelectric substrate 1, it is also preferable to further perform UV irradiation on the bonding surfaces.

<d>音響インピーダンス層4と接合された圧電基板1の非接合面を研磨する工程
次に、得られた複合基板を研磨機に装着し、複合基板における圧電基板1の非接合面を研磨して圧電基板1の厚さが薄くなるように調整する。多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2と圧電基板1の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするためには、圧電基板1の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2の合計厚(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板1の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板の反りは抑制される。また、圧電基板1を薄くすることで直接接合した音響インピーダンス層4を介して多結晶ダイヤモンド薄膜層3の影響を受け、複合基板として、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。
<D> Step of polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 bonded to the acoustic impedance layer 4 Next, the obtained composite substrate is mounted on a polishing machine, and the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 in the composite substrate is polished The thickness of the piezoelectric substrate 1 is adjusted to be thin. The difference between the thermal expansion coefficients of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 are formed and the piezoelectric substrate 1 makes it possible to prevent the composite substrate from warping due to temperature change. The thickness is greater than the total thickness of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 are formed (acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + support substrate 2 thickness) You need to make it thin enough. By reducing the thickness of the piezoelectric substrate 1, the warping force of the composite substrate is reduced, and the warping of the composite substrate is suppressed. In addition, under the influence of the polycrystalline diamond thin film layer 3 through the acoustic impedance layer 4 directly bonded by thinning the piezoelectric substrate 1, the composite substrate is as close as possible to the hardness of the polycrystalline diamond thin film layer 3. can get.

多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4が形成された支持基板2の合計厚(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)と圧電基板1の厚さについては、上述したように圧電基板1の厚さが薄くなるようにし、その比率は、(音響インピーダンス層4厚さ+多結晶ダイヤモンド薄膜層3厚さ+支持基板2厚さ)に対し1/10以下であることが好ましく、更に好ましくは1/20がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が120℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。   Total thickness of support substrate 2 on which polycrystalline diamond thin film layer 3 and acoustic impedance layer 4 are formed (acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + support substrate 2 thickness) and thickness of piezoelectric substrate 1 As to the thickness, as described above, the thickness of the piezoelectric substrate 1 is reduced, and the ratio thereof is 1 for (acoustic impedance layer 4 thickness + polycrystalline diamond thin film layer 3 thickness + support substrate 2 thickness). It is preferably 10 or less, more preferably 1/20. If there is a difference in the film thickness, the warpage of the composite substrate due to the difference in thermal expansion is suppressed even when the ambient temperature reaches about 120 ° C.

複合基板における圧電基板1の非接合面を研磨した後における厚さは、0.3〜25μmとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は1〜25μmとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は0.3〜5μmとすることが望ましい。研磨後の厚さが0.3μm未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、多結晶ダイヤモンド薄膜層3の表面平滑度が音響インピーダンス層4に影響しており、当該音響インピーダンス層4と直接接合している圧電基板1は表面研磨途中で厚さが保持できなくなり、圧電基板1の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後の厚さが25μmを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板1の厚さが大きいと圧電基板1(例えばタンタル酸リチウム)の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。   The thickness of the composite substrate after polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 is preferably 0.3 to 25 μm. When the polishing cost is also considered, it is desirable to set it as 1-25 micrometers. In addition, in consideration of performance such as suppression of warpage of the composite substrate, it is preferable to set the thickness to 0.3 to 5 μm. If the thickness after polishing is less than 0.3 μm, the polishing cost may increase, but the surface smoothness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 affects the acoustic impedance layer 4 and the acoustic impedance layer The piezoelectric substrate 1 directly bonded to 4 is not preferable because the thickness can not be maintained during surface polishing and the thickness of the piezoelectric substrate 1 may be discontinuous. On the other hand, when the thickness after polishing exceeds 25 μm, the warp of the composite substrate increases, and the frequency temperature characteristic and the propagation speed decrease. That is, when the thickness of the piezoelectric substrate 1 is large, the characteristics of the piezoelectric substrate 1 (for example, lithium tantalate) are obtained, the thermal expansion of the piezoelectric substrate becomes dominant, and the expansion and contraction of the surface acoustic wave device electrode becomes large. This is because the temperature characteristic is lowered and the hardness as the composite substrate is lowered and the propagation speed is also lowered.

上記<a>〜<d>工程により、高周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。   By the above steps <a> to <d>, high frequency and frequency temperature characteristics are improved, and the deterioration of power resistance and signal loss due to the mismatch of the acoustic impedance between the piezoelectric layer and the diamond crystal are suppressed. The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment can be obtained.

(2)本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板1と、該圧電基板1よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板2と、該支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4を具備し、上記音響インピーダンス層4と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合されている第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3および圧電基板1よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層4を形成する工程と、
金属薄膜5を介し上記音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層4と直接接合された圧電基板1の非接合面を研磨する工程、を具備し、かつ、
金属薄膜5を介し上記音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、接合前の上記音響インピーダンス層4と圧電基板1の各接合面を洗浄し、各接合面へイオン(アルゴン)ビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、音響インピーダンス層4と圧電基板1の少なくとも一方の接合面上に上記金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴としている。
(2) Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device according to second embodiment of the present invention Piezoelectric substrate 1, support substrate 2 having thermal expansion coefficient smaller than that of piezoelectric substrate 1, and one of support substrate 2 And an acoustic impedance layer 4 formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and having an acoustic impedance smaller than that of the crystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a second embodiment, wherein the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5,
Forming a polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of the support substrate 2;
Forming a polycrystal diamond thin film layer 3 and an acoustic impedance layer 4 having a smaller acoustic impedance than the piezoelectric substrate 1 on the polycrystal diamond thin film layer 3;
Directly bonding the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 through the metal thin film 5 by surface activation room temperature bonding;
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 directly bonded to the acoustic impedance layer 4;
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 by the surface activation room temperature bonding method through the metal thin film 5, the bonding surfaces of the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 before bonding are cleaned and bonded The surface is irradiated with an ion (argon) beam to remove residual impurities, and the metal thin film is formed on the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1, and then directly in vacuum at room temperature. It is characterized by joining.

上記製造工程の内、
<a>支持基板2の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3を形成する(研磨も含める)工程
<b>多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に音響インピーダンス層4を形成する工程
<d>複合基板における圧電基板の非接合面を研磨する工程
の各工程については、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における<a>工程、<b>工程、<d>工程と同様で、
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における<c>工程、すなわち、金属薄膜5を介し音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程が相違している。
Of the above manufacturing processes,
<a> Step of forming polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of support substrate 2 (including polishing) <b> Step of forming acoustic impedance layer 4 on polycrystalline diamond thin film layer 3 <d> About each process of the process of grind | polishing the non-joining surface of the piezoelectric substrate in a composite substrate, the <a> process in the manufacturing method of the composite substrate for surface acoustic wave elements which concerns on said 1st embodiment, <b> process, <d> Similar to the process,
The step <c> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment, that is, the step of directly bonding the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 through the metal thin film 5 by surface activation room temperature bonding method It is different.

このため、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における<c>工程について、以下、説明する。   Therefore, the process <c> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment will be described below.

<c>金属薄膜5を介し音響インピーダンス層4と圧電基板1を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における<a>工程と<b>工程により、支持基板2上の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層3と音響インピーダンス層4を有する支持基板2が得られる。
<C> Step of Directly Bonding the Acoustic Impedance Layer 4 with the Piezoelectric Substrate 1 Through the Metal Thin Film 5 by Surface Activated Room Temperature Bonding Method <a> Step in the Method of Manufacturing the Composite Substrate for Surface Acoustic Wave Element According to the Second Embodiment By the <b> step, the support substrate 2 having the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the acoustic impedance layer 4 on one main surface on the support substrate 2 is obtained.

次に、多結晶ダイヤモンド薄膜層3上に形成された音響インピーダンス層4と上記圧電基板1を表面活性化常温接合法により金属薄膜5を介して直接接合する。   Next, the acoustic impedance layer 4 formed on the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5 by surface activation room temperature bonding method.

金属薄膜5を介し音響インピーダンス層4と上記圧電基板1を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層4と圧電基板1の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層4と圧電基板1を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化させる。   In order to directly bond the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 through the metal thin film 5, the bonding surface of the acoustic impedance layer 4 before bonding and the piezoelectric substrate 1 is cleaned and cleaned. Is placed in a vacuum vessel, and each bonding surface is irradiated with an ion beam in an ultrahigh vacuum to remove residual impurities and to activate each bonding surface.

次に、スパッタリング法により音響インピーダンス層4と圧電基板1の少なくとも一方の接合面に金属薄膜5を成膜する。金属薄膜5としてはクロム膜、チタン膜等酸素と結合する力が強く拡散係数が高い膜が好ましく、特にチタン膜が好ましい。音響インピーダンス層4と圧電基板1の少なくとも一方の接合面に成膜される金属薄膜5の膜厚は5〜10nmであることが好ましい。膜厚が5nm未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり、成膜された接合面への拡散が不連続となる。一方、膜厚が10nmを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成された音響インピーダンス層4と圧電基板1との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。   Next, a metal thin film 5 is formed on the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 by sputtering. The metal thin film 5 is preferably a film such as a chromium film or a titanium film having a strong bonding force with oxygen and a high diffusion coefficient, and particularly preferably a titanium film. The film thickness of the metal thin film 5 formed on the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 is preferably 5 to 10 nm. When the film thickness is too thin at less than 5 nm, the film becomes discontinuous and the diffusion to the formed junction surface becomes discontinuous. On the other hand, if the film thickness exceeds 10 nm and is too thick, it may intervene as a film between the acoustic impedance layer 4 on which the continuous film is formed before diffusion and the piezoelectric substrate 1 and may not function as a diffusion layer .

上記金属薄膜5を成膜した後、金属薄膜5の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で音響インピーダンス層4と圧電基板1を接合する。これ等接合面には金属薄膜5が存在し、金属薄膜5の原子拡散により接合することができる。これにより金属薄膜5を介し音響インピーダンス層4と圧電基板1が直接接合されて第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。上記金属薄膜5が介在することで、音響インピーダンス層4と圧電基板1の両接合面における表面粗さは、金属薄膜5がないときに較べ粗くてもよくなり、接合前における研磨コストを低下させるメリットがある。   After the metal thin film 5 is formed, the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are bonded at normal temperature, no pressure, and no voltage by utilizing the large atomic diffusion of the metal thin film 5. The metal thin film 5 exists on these bonding surfaces, and bonding can be performed by atomic diffusion of the metal thin film 5. Thereby, the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded to each other through the metal thin film 5, and the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment can be obtained. By interposing the metal thin film 5, the surface roughness of both the bonding surfaces of the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 may be rougher than when the metal thin film 5 is not present, and the polishing cost before bonding is reduced. There is a merit.

その後、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における<d>工程、すなわち、音響インピーダンス層4と接合された圧電基板1の非接合面を研磨する工程に従い、得られた表面弾性波素子用複合基板を研磨機に装着し、該複合基板の圧電基板1面を研磨することで、金属薄膜5を介し音響インピーダンス層4と上記圧電基板1が直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板が得られる。すなわち、周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。   Thereafter, it is obtained according to the step <d> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, that is, the step of polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 bonded to the acoustic impedance layer 4 The composite substrate for a surface acoustic wave device is mounted on a polishing machine, and the surface of the piezoelectric substrate 1 of the composite substrate is polished, thereby directly bonding the acoustic impedance layer 4 and the piezoelectric substrate 1 via the metal thin film 5. The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the embodiment is obtained. That is, the surface elasticity according to the second embodiment is improved in frequency resistance and frequency temperature characteristics, and in which deterioration of the power resistance and signal loss due to the mismatch of the acoustic impedance between the piezoelectric layer and the diamond crystal are suppressed. A composite substrate for wave elements can be obtained.

3.表面弾性波素子の製造方法
上述した方法で製造された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板における圧電基板1の非接合面上に上述した機能を有する表面弾性波素子用電極(IDT電極)6を形成して表面弾性波素子が作製される。尚、表面弾性波素子を共振子として使用する場合は、圧電基板上にIDT電極と該IDT電極の両側部に一対のストリップ状電極から成る反射器を配置する。
3. Method of manufacturing surface acoustic wave device The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment manufactured by the method described above, and non-bonding of the piezoelectric substrate 1 in the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment A surface acoustic wave element is produced by forming the surface acoustic wave element electrode (IDT electrode) 6 having the above-described function on the surface. When the surface acoustic wave device is used as a resonator, an IDT electrode and a reflector formed of a pair of strip electrodes on both sides of the IDT electrode are disposed on a piezoelectric substrate.

以下、表面弾性波素子の製造方法について具体的に説明する。   Hereinafter, the method of manufacturing the surface acoustic wave device will be specifically described.

まず、上記表面弾性波素子用複合基板における圧電基板1の非接合面に電極用導電性材料層を形成した後、この導電性材料層上に、フォトリソグラフィ法によりIDT電極および反射器に対応した形状のレジスト層を形成する。   First, after forming a conductive material layer for an electrode on the non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1 in the composite substrate for surface acoustic wave devices, on this conductive material layer, it corresponds to an IDT electrode and a reflector by photolithography. Form a shaped resist layer.

そして、レジスト層をマスクとして使用し、反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチング法により上記レジスト層が形成されていない部分の導電性材料層を除去することで、所定パターンのIDT電極と反射器が形成される。   Then, using the resist layer as a mask, the conductive material layer in a portion where the resist layer is not formed is removed by dry etching such as reactive ion etching (RIE), thereby reflecting the IDT electrode of a predetermined pattern and reflection. The vessel is formed.

IDT電極を形成する場合、上記エッチング法によらず、リフトオフ法によりパターニングしてもよい。また、上記反射器の本数は、必要とする挿入損失、チップサイズ等を勘案して適宜調節する。   In the case of forming an IDT electrode, patterning may be performed by a lift-off method instead of the etching method. Further, the number of the reflectors is appropriately adjusted in consideration of the required insertion loss, chip size and the like.

上記電極用導電性材料としては、質量が小さく、電気抵抗値が低くかつ耐電力性が要請されることから、アルミニウム若しくはアルミニウムに微量の異種金属(例えば、Cu、Si、Ti、HfB2等が挙げられる)が添加されたアルミニウム系合金(必ずしも固溶体でなくてもよい)が好ましい。例えば、表面弾性波素子の寿命に影響を及ぼすIDT電極の耐電力性の観点から、半導体装置の分野でマイグレーションに強いことで定評のあるスパッタリング成膜による微量の銅が添加されたアルミニウム系合金を用いることが好ましい。但し、上記アルミニウム系合金に限定されず、Cu、Au、Pt、Agおよびこれ等金属の内の1つを主成分とする合金から選ばれる1種を用いることもできる。 The conductive material for the electrode has a small mass, a low electric resistance value, and a demand for electric power resistance. Therefore, aluminum or aluminum with a small amount of dissimilar metals (eg Cu, Si, Ti, HfB 2 etc.) An aluminum-based alloy (which may not necessarily be a solid solution) to which is mentioned is preferred. For example, an aluminum-based alloy to which a small amount of copper is added by sputtering deposition, which has a reputation for being resistant to migration in the field of semiconductor devices, from the viewpoint of power resistance of IDT electrodes affecting the life of surface acoustic wave devices It is preferred to use. However, the present invention is not limited to the above-mentioned aluminum-based alloy, and one selected from Cu, Au, Pt, Ag and an alloy containing one of these metals as a main component can also be used.

そして、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて製造された表面弾性波素子は、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となり、また、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト(変動)することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。   The surface acoustic wave device manufactured using the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment has one of the main surfaces of the support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate. Since the surface acoustic wave propagates through the polycrystalline diamond thin film layer formed on the substrate, it is possible to realize an extremely high propagation velocity, and a support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate is applied. Therefore, the frequency characteristics do not shift (fluctuate) due to the temperature change, and it is possible to provide good frequency temperature characteristics.

また、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。そして、バルク結晶で構成された圧電基板(圧電体層)は、ダイヤモンド薄膜上若しくは特許文献3の音響緩和層上にCVDやスパッタリング等で成膜した圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献6に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。   Moreover, the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment includes multiple piezoelectric substrates formed of bulk crystals and a supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrates. It is obtained by directly bonding the acoustic impedance layer on the crystalline diamond thin film layer, and thinning the non-bonding surface of the bonded piezoelectric substrate by polishing. The piezoelectric substrate (piezoelectric layer) made of bulk crystal has a better film quality than a piezoelectric layer formed by CVD or sputtering on a diamond thin film or the acoustic relaxation layer of Patent Document 3, and Since the acoustic impedance layer on the polycrystalline diamond thin film layer provided on the supporting substrate is directly bonded to the piezoelectric substrate, there is no problem of destruction of the piezoelectric substrate or deterioration of the piezoelectric characteristics described in Patent Document 6; In addition, since no bonding method using an adhesive is adopted, various problems caused by heat softening of the adhesive are solved.

更に、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板(圧電体層)と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層(圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層)が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板(圧電体層)と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。   Furthermore, in the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment, an acoustic impedance layer (piezoelectric substrate and polycrystalline diamond thin film layer) is provided between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and polycrystalline diamond thin film layer. In the surface acoustic wave device using the above composite substrate for surface acoustic wave devices, the acoustic impedance layer between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film layer is used. The reflection of the elastic wave at the interface of the piezoelectric layer due to the misalignment is reduced, which can suppress the phenomenon that the vibration displacement of the surface elastic wave concentrates in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, thereby preventing the breakage on the surface of the piezoelectric layer Power resistance of the surface acoustic wave device can be improved, and the signal propagating on the surface of When it diffuses into the inside of the impedance layer, the signal is reflected at the interface between the acoustic impedance layer and the polycrystalline diamond thin film layer and returned to the piezoelectric layer, so that it is possible to reduce the loss of the propagation signal in the surface acoustic wave device. It becomes.

以下、本発明の実施例について比較例も挙げて具体的に説明する。   Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described with reference to comparative examples.

[実施例1]
(1)支持基板(シリコン基板)上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成
支持基板として2インチ径単結晶シリコン基板(直径2インチ×厚さ200μm)を準備し、該シリコン基板を、アセトンを用いて超音波洗浄した。
Example 1
(1) Formation of polycrystalline diamond thin film layer on supporting substrate (silicon substrate) A 2 inch diameter single crystal silicon substrate (diameter 2 inches × thickness 200 μm) is prepared as a supporting substrate, and the silicon substrate is made of acetone. And ultrasonic cleaning.

次に、洗浄後のシリコン基板上に、マイクロ波プラズマCVD装置を用いて、下記成膜条件により多結晶ダイヤモンド薄膜層を5.0μm成膜した。   Next, a polycrystalline diamond thin film layer was formed 5.0 [mu] m on the cleaned silicon substrate under the following film forming conditions using a microwave plasma CVD apparatus.

<多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜条件>
・前処理:Arボンバード(10分)
・使用反応ガス/キャリアガス:メタン(CH4)/水素、(メタン濃度3%)
・ガス流量:100sccm
・電源マイクロ波周波数;2.45GHz
・マイクロ波出力:600W
・成膜時圧力:1.3kPa
・成膜時の基板温度:700℃
・成膜時間:180分
<Deposition conditions of polycrystalline diamond thin film layer>
Pretreatment: Ar bombardment (10 minutes)
・ Used reaction gas / carrier gas: methane (CH 4 ) / hydrogen, (methane concentration 3%)
Gas flow rate: 100 sccm
・ Power source microwave frequency; 2.45 GHz
・ Microwave output: 600W
-Pressure during film formation: 1.3 kPa
・ Substrate temperature during film formation: 700 ° C
Film formation time: 180 minutes

得られた薄膜のラマンスペクトルを、ラマン分光光度計を用いて測定した結果、1333cm-1に高いピークが確認された。この測定結果から、ダイヤモンド膜であることが確認された。 As a result of measuring the Raman spectrum of the obtained thin film using a Raman spectrophotometer, a high peak was confirmed at 1333 cm −1 . It was confirmed from this measurement result that it is a diamond film.

(2)多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器[(株)アビコ技研研究所製]を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを3次元光学プロファイラーNexview装置(キャノン社製)で測定し、表面粗さRa0.3nmとなるまで研磨した。
(2) Polishing of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the silicon substrate was polished using a diamond nano-polisher [manufactured by Abiko Giken Lab.]. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer after polishing was measured with a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon Inc.), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.

(3)上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのSiO2膜(音響インピーダンス層)の形成
次に、上記(2)の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をDCマグネトロンスパッタリング装置(芝浦製作所製、型式CFS−4ES)にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして3インチ径のSiOターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は6.5×10-3Paであった。
(3) Formation of SiO 2 Film (Acoustic Impedance Layer) on Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, a DC magnetron sputtering apparatus (Shibaura) is used for the silicon substrate having the polycrystalline diamond thin film layer subjected to the polishing treatment of (2). It was set to Mfg. Co., Ltd., model CFS-4ES, and a SiO target with a diameter of 3 inches was attached to the apparatus as a sputtering target. In addition, the ultimate vacuum before the start of sputtering was 6.5 × 10 −3 Pa.

そして、基板温度を120℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス(アルゴンガス流量:15sccm、酸素流量:10sccm)を供給しながら、スパッタリング出力:200W、成膜時間35分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚0.5μmの酸化シリコン膜を成膜した。   Then, while heating the substrate temperature to 120 ° C., while supplying a mixed gas of argon and oxygen (argon gas flow rate: 15 sccm, oxygen flow rate: 10 sccm) as a reactive gas, sputtering output: 200 W, film forming time 35 minutes Sputtering was performed to form a silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm as an acoustic impedance layer.

得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜X線回折(XRD)により調べたところ、(002)面ピーク(半値幅は12.4°)が確認され、(002)配向のSiO2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを3次元光学プロファイラーNexview装置(キャノン社製)で測定し、表面粗さRa0.3nmとなるまで研磨した。 When the crystallinity of the obtained silicon oxide thin film is examined by thin film X-ray diffraction (XRD), a (002) plane peak (half value width is 12.4 °) is confirmed, and a (002) oriented SiO 2 crystal film It turned out that it was. Subsequently, the surface roughness of the obtained silicon oxide thin film was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.

(4)圧電基板(タンタル酸リチウム基板)の研磨
次に、直径2インチ、厚さ350μmのタンタル酸リチウム基板[住友金属鉱山(株)社製]の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さRa0.3nmとした。
(4) Polishing of piezoelectric substrate (lithium tantalate substrate) Next, the surface of a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches and a thickness of 350 μm is the same as in the case of the above diamond thin film layer. The surface roughness Ra was 0.3 nm.

(5)SiO2膜(音響インピーダンス層)と圧電基板との常温接合
次に、上記(3)で得られたSiO2膜/表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板と、上記(4)で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のSiO2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にUV照射を60秒行った。
(5) Room temperature bonding of SiO 2 film (acoustic impedance layer) and piezoelectric substrate Next, the SiO 2 film / surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate obtained in the above (3), and the above (4 After ultrasonically cleaning the surface-polished lithium tantalate substrate obtained in 2.) in acetone solution, UV irradiation is further performed for 60 seconds on the SiO 2 film surface on the silicon substrate and the polished lithium tantalate substrate surface The

次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置[(株)ムサシノエンジニアリング社製]に洗浄およびUV照射を終えた両基板を配置し、超高真空2×10-6Paまで真空引きし、シリコン基板上のSiO2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にArビーム照射し(照射条件:加速電圧50kV、ビーム径1.2mm、照射量2×1014ions/cm2)、これ等表面を活性化した後、両基板の活性化された表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例1に係る表面弾性波素子用複合基板(複合基板)を作製した。 Next, place both substrates after cleaning and UV irradiation in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuate to an ultra-high vacuum of 2 × 10 -6 Pa, and silicon substrate Ar beam irradiation is performed on the SiO 2 film surface and the polished lithium tantalate substrate surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and these surfaces are After activation, the activated surfaces of both substrates are made to face each other, and both surfaces are joined at room temperature without applying heat, pressure or the like, and the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 1 (composite substrate) Made.

(6)複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板/(直接接合)/SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器[(株)ディスコ社製DGP8761]を用いて厚さ22μmまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さRa4nmとした。
(6) Polishing of non-bonding surface of lithium tantalate substrate in composite substrate Lithium tantalate substrate in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonding surface of the above was polished to a thickness of 22 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation]. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.

上記製造条件について表1に示す。   The above production conditions are shown in Table 1.

(7)表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製
研磨処理がなされた実施例1に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ5nmのCrを成膜し、次いで厚さ0.15μmのCu膜を成膜した。
(7) Production of Surface Acoustic Wave Element (SAW Device) The thickness of the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave element according to Example 1 subjected to polishing treatment is first deposited by vacuum evaporation. A 5 nm thick Cr film was formed, and then a 0.15 μm thick Cu film was formed.

次に、上記Cu膜上に、フォトリソグラフィ法によりIDT電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング(RIE)のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のCu膜およびCr膜を除去した。これにより、所定パターンのIDT電極を形成し、実施例1に係るSAWデバイスを作製した。   Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed by photolithography on the Cu film, and the resist layer is used as a mask to form a resist layer by dry etching using reactive ion etching (RIE). The Cu film and the Cr film in the unexposed portions were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and a SAW device according to Example 1 was manufactured.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は7420m/s、周波数温度特性は−12.2ppm/℃、電気機械結合係数は9.5%であった。また、信号の損失を示すQ値は1800であった。   The obtained SAW device had a propagation velocity of 7420 m / s, a frequency temperature characteristic of −12.2 ppm / ° C., and an electromechanical coupling coefficient of 9.5%. Also, the Q value indicating the loss of signal was 1800.

これ等の評価結果から、実施例1に係るSAWデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のSAWデバイス(比較例1、比較例2参照)を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびQ値が得られていることが確認された。   From these evaluation results, in the SAW device according to Example 1, the propagation velocity, frequency temperature characteristics, and Q value exceed those of the conventional SAW device (see Comparative Example 1 and Comparative Example 2) to which a lithium tantalate substrate is applied. It was confirmed that it was obtained.

また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることにより、共振周波数4637MHzのSAWデバイスを得ることができた。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), it is possible to obtain a SAW device having a resonance frequency of 4637 MHz.

得られたSAWデバイスの特性を表2に示す。   The characteristics of the obtained SAW device are shown in Table 2.

[実施例2]
実施例1の(1)〜(5)工程については同様に行い、(6)工程で、タンタル酸リチウム基板/(直接接合)/SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器[(株)ディスコ社製DGP8761]を用いて厚さ40μmまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さRa4nmとした。
Example 2
The steps (1) to (5) of Example 1 are carried out in the same manner, and in the step (6), it has a structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonded surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate was polished to a thickness of 40 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation]. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.

そして、実施例1の(7)「表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製」工程に従って実施例2に係るSAWデバイスを作製した。   Then, the SAW device according to Example 2 was manufactured according to the process of (7) "Preparation of surface acoustic wave device (SAW device)" of Example 1.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は6080m/s、周波数温度特性は−13.6ppm/℃、電気機械結合係数は7.2%、および、Q値は1750であった。   The obtained SAW device had a propagation velocity of 6080 m / s, a frequency temperature characteristic of −13.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 7.2%, and a Q value of 1750.

これ等の評価結果から、実施例2に係るSAWデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のSAWデバイス(比較例1、比較例2参照)を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびQ値が得られていることが確認された。   From these evaluation results, the SAW device according to Example 2 has a propagation speed, frequency temperature characteristics and Q value that exceed those of the conventional SAW device (see Comparative Example 1 and Comparative Example 2) to which a lithium tantalate substrate is applied. It was confirmed that it was obtained.

また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることより、共振周波数3800MHzのSAWデバイスを得ることができた。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 3800 MHz can be obtained.

複合基板の製造条件を表1に示し、SAWデバイスの特性を表2に示す。   The production conditions of the composite substrate are shown in Table 1, and the characteristics of the SAW device are shown in Table 2.

[比較例1]
SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板を接合させずに、直径2インチ、厚さ350μm、表面粗さRa3nmのタンタル酸リチウム基板[住友金属鉱山(株)社製]単体を用い、実施例1の(7)「表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製」工程に従って比較例1に係るSAWデバイスを作製した。
Comparative Example 1
Conducted using a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.] alone with a diameter of 2 inches, a thickness of 350 μm, and a surface roughness of Ra 3 nm without bonding SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate A SAW device according to Comparative Example 1 was manufactured according to the process (7) "Production of surface acoustic wave device (SAW device)" in Example 1.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は3850m/s、周波数温度特性は−38.0ppm/℃、電気機械結合係数は7.0%、および、Q値は1520であった(表2参照)。   The obtained SAW device had a propagation velocity of 3850 m / s, a frequency temperature characteristic of -38.0 ppm / ° C, an electromechanical coupling coefficient of 7.0%, and a Q value of 1520 (see Table 2). ).

また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることより、共振周波数2406MHzのSAWデバイスが得られた。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 2406 MHz was obtained.

比較例1においては、SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板を接合させた複合基板の構造が採られておらず、タンタル酸リチウム基板の熱膨張が15.7×10-6/K(シリコン基板は3×10-6/K)であるため、温度上昇に伴いタンタル酸リチウム基板が伸びて電極間隔も広がり、共振周波数は低下していき他バンドの混線の危険性があった。 In Comparative Example 1, the structure of the composite substrate in which the SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate are bonded is not employed, and the thermal expansion of the lithium tantalate substrate is 15.7 × 10 −6 / K. Since the silicon substrate is 3 × 10 -6 / K, the lithium tantalate substrate expands with the temperature rise and the electrode interval also spreads, and the resonance frequency is lowered, and there is a danger of cross-wires of other bands.

[比較例2]
支持基板として2インチ径単結晶シリコン基板(直径2インチ×厚さ350μm、表面粗さRa0.3nm)を準備した。
Comparative Example 2
A 2 inch diameter single crystal silicon substrate (diameter 2 inches × thickness 350 μm, surface roughness Ra 0.3 nm) was prepared as a supporting substrate.

また、圧電基板として、直径2インチ、厚さ350μm、表面粗さRa0.3nmのタンタル酸リチウム基板[住友金属鉱山(株)社製]を準備した。   In addition, as a piezoelectric substrate, a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches, a thickness of 350 μm, and a surface roughness Ra of 0.3 nm was prepared.

そして、両基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、両基板の表面にUV照射を60秒行った。   After ultrasonic cleaning of both substrates in an acetone solution, UV irradiation was further performed on the surfaces of both substrates for 60 seconds.

次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置[(株)ムサシノエンジニアリング社製]に洗浄およびUV照射を終えた両基板を配置し、超高真空2×10-6Paまで真空引きし、両基板の表面にArビーム照射し(照射条件:加速電圧50kV、ビーム径1.2mm、照射量2×1014ions/cm2)、両基板の表面を活性化した後、両基板の表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備していない、タンタル酸リチウム基板/(直接接合)/シリコン基板の構成を有する比較例2に係る表面弾性波素子用複合基板(複合基板)を作製した。 Next, both substrates after cleaning and UV irradiation are placed in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and vacuum drawn up to 2 × 10 -6 Pa of ultra-high vacuum. Ar beam is irradiated on the surface of the substrate (irradiation condition: acceleration voltage 50kV, beam diameter 1.2mm, irradiation dose 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and after activating the surfaces of both substrates, the surfaces of both substrates are made to face each other Comparative example having a structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / silicon substrate, bonding both surfaces at room temperature without applying heat, pressure, etc. and not having a SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer The composite substrate (composite substrate) for surface acoustic wave elements which concerns on 2 was produced.

(6)複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板/(直接接合)/シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器[(株)ディスコ社製DGP8761]を用いて厚さ40μmまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さRa4nmとした。
(6) Polishing the non-bonding surface of lithium tantalate substrate in the composite substrate The surface polishing machine of the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / silicon substrate It was polished to a thickness of 40 μm using DGP 8761 manufactured by Disco Corporation. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.

上記製造条件について表1に示す。   The above production conditions are shown in Table 1.

得られた複合基板を用い、実施例1の(7)「表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製」工程に従って比較例2に係るSAWデバイスを作製した。   Using the composite substrate thus obtained, a SAW device according to Comparative Example 2 was produced according to the process of (7) "Production of surface acoustic wave device (SAW device)" in Example 1.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度4180m/s、周波数温度特性は−23.0ppm/℃、電気機械結合係数は7.2、および、Q値は1680であった(表2参照)。また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることより、共振周波数2612MHzのSAWデバイスを得ることができた。   The obtained SAW device had a propagation velocity of 4180 m / s, a frequency temperature characteristic of -23.0 ppm / ° C, an electromechanical coupling coefficient of 7.2, and a Q value of 1680 (see Table 2). Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 2612 MHz can be obtained.

比較例2においては、シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させた複合基板の構造が採られており、シリコン基板の方がタンタル酸リチウム基板よりも熱膨張が小さいためタンタル酸リチウム基板の伸びが抑制され、電極間隔も広がらず共振周波数の変化もごくわずかであった。しかし、タンタル酸リチウム基板を用いた比較例1に係るSAWデバイス(従来のSAWデバイス)の伝搬速度を大きく上回る結果は得られなかった。   In Comparative Example 2, a structure of a composite substrate in which a silicon substrate and a lithium tantalate substrate are directly bonded is taken, and since the silicon substrate has a smaller thermal expansion than the lithium tantalate substrate, the lithium tantalate substrate is used. Elongation was suppressed, electrode spacing did not increase, and the change in resonant frequency was negligible. However, no result was obtained that greatly exceeded the propagation velocity of the SAW device (conventional SAW device) according to Comparative Example 1 using a lithium tantalate substrate.

[比較例3]
SiO2膜(音響インピーダンス層)の形成に係る実施例1の(3)工程を行わず、実施例1の(1)(2)工程と同様にして、多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さRaが0.3nmに表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の積層基板を作製し、かつ、実施例1の(4)工程と同様にして、表面粗さRaが0.3nmに表面研磨されたタンタル酸リチウム基板を作製した。
Comparative Example 3
The surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer is the same as the step (1) (2) of Example 1 without performing the step (3) of Example 1 for forming a SiO 2 film (acoustic impedance layer). Prepare a laminated substrate of polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate whose surface was polished to 0.3 nm, and polished the surface to a surface roughness Ra of 0.3 nm in the same manner as the step (4) of Example 1 The prepared lithium tantalate substrate was prepared.

次に、表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の積層基板と表面研磨されたタンタル酸リチウム基板の各研磨面をアセトン液中で超音波洗浄し、更に、洗浄された各研磨面にUV照射を60秒行った。   Next, each polished surface of the surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate laminated substrate and the surface-polished lithium tantalate substrate is ultrasonically cleaned in an acetone solution, and further, each cleaned surface is cleaned. UV irradiation was performed for 60 seconds.

次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置[(株)ムサシノエンジニアリング社製]に洗浄とUV照射を終えた両基板を配置し、超高真空2×10-6Paまで真空引きし、両基板の研磨がなされた表面にArビーム照射し(照射条件:加速電圧50kV、ビーム径1.2mm、照射量2×1014ions/cm2)、これ等表面を活性化した後、両基板の研磨がなされた表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、比較例3に係る表面弾性波素子用複合基板(複合基板)を作製した。 Next, both substrates after cleaning and UV irradiation are placed on a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and vacuumed up to 2 × 10 -6 Pa of ultra-high vacuum, both substrates Ar beam irradiation is performed on the polished surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation dose 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and after these surfaces are activated, both substrates are polished The produced surfaces were made to face each other, and both surfaces were joined at room temperature without applying heat, pressure or the like, to prepare a composite substrate (composite substrate) for a surface acoustic wave element according to Comparative Example 3.

次に、実施例1の(6)工程と同様にして、タンタル酸リチウム基板/(直接接合)/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器[(株)ディスコ社製DGP8761]を用いて厚さ20μmまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さRa4nmとした。   Next, in the same manner as in step (6) of Example 1, the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate having the structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate is obtained. Polished to a thickness of 20 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation], and further mirror-polish the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate by mechanochemical polishing using colloidal silica, The surface roughness Ra of the non-bonding surface was 4 nm.

更に、実施例1の(7)「表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製」工程に従って比較例3に係るSAWデバイスを作製した。   Furthermore, a SAW device according to Comparative Example 3 was manufactured according to the process of (7) "Preparation of surface acoustic wave device (SAW device)" in Example 1.

これ等の製造条件を表1に示す。   These manufacturing conditions are shown in Table 1.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は7410m/s、周波数温度特性は−14.6ppm/℃、電気機械結合係数は6.8%、および、Q値は1600であり(表2参照)、多結晶ダイヤモンド薄膜層を組み込んだ実施例1〜2に係るSAWデバイスのQ値に較べて低下している。また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることより、共振周波数4631MHzのSAWデバイスを得ることができた。   The obtained SAW device has a propagation velocity of 7410 m / s, a frequency temperature characteristic of −14.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 6.8%, and a Q value of 1600 (see Table 2). 4 is lower than the Q value of the SAW device according to Examples 1 and 2 in which the polycrystalline diamond thin film layer is incorporated. Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 4631 MHz can be obtained.

比較例3においては、多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させ、かつ、タンタル酸リチウム基板の厚さを20μmまで研磨した複合基板の構造が採られているが、実施例1〜2と異なり、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上にSiO2膜(音響インピーダンス層)が形成されていない。そして、比較例3に係るSAWデバイスにおいては、タンタル酸リチウム基板を伝搬する信号がタンタル酸リチウム基板内部と該タンタル酸リチウム基板に直接接合された多結晶ダイヤモンド薄膜層に拡散していくため信号の損失が起こり、実施例1〜2に係るSAWデバイスに較べてQ値が低下したものと考えられる。 In Comparative Example 3, a composite substrate structure in which the polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate and the lithium tantalate substrate are directly bonded and the thickness of the lithium tantalate substrate is polished to 20 μm is taken. Unlike Examples 1 and 2 , the SiO 2 film (acoustic impedance layer) is not formed on the polycrystalline diamond thin film layer. Then, in the SAW device according to Comparative Example 3, the signal propagating in the lithium tantalate substrate is diffused to the inside of the lithium tantalate substrate and the polycrystalline diamond thin film layer directly bonded to the lithium tantalate substrate. It is considered that a loss occurred and the Q value decreased as compared with the SAW devices according to Examples 1 and 2.

[実施例3]
実施例1(1)「支持基板(シリコン基板)上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成」工程に従って、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成した。
[Example 3]
Example 1 (1) A polycrystalline diamond thin film layer was formed on a silicon substrate according to the process of "formation of polycrystalline diamond thin film layer on supporting substrate (silicon substrate)".

(2)多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器[(株)アビコ技研研究所製]を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを3次元光学プロファイラーNexview装置(キャノン社製)で測定し、表面粗さRa0.4nmとなるまで研磨した。
(2) Polishing of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the silicon substrate was polished using a diamond nano-polisher [manufactured by Abiko Giken Lab.]. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer after polishing was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra became 0.4 nm.

(3)上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのSiO2膜(音響インピーダンス層)の形成
次に、上記(2)の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をDCマグネトロンスパッタリング装置(芝浦製作所製、型式CFS−4ES)にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして3インチ径のSiOターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は6.5×10-3Paであった。
(3) Formation of SiO 2 Film (Acoustic Impedance Layer) on Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, a DC magnetron sputtering apparatus (Shibaura) is used for the silicon substrate having the polycrystalline diamond thin film layer subjected to the polishing treatment of (2). It was set to Mfg. Co., Ltd., model CFS-4ES, and a SiO target with a diameter of 3 inches was attached to the apparatus as a sputtering target. In addition, the ultimate vacuum before the start of sputtering was 6.5 × 10 −3 Pa.

そして、基板温度を120℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス(アルゴンガス流量:15sccm、酸素流量:10sccm)を供給しながら、スパッタリング出力:200W、成膜時間35分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚0.5μmの酸化シリコン膜を成膜した。   Then, while heating the substrate temperature to 120 ° C., while supplying a mixed gas of argon and oxygen (argon gas flow rate: 15 sccm, oxygen flow rate: 10 sccm) as a reactive gas, sputtering output: 200 W, film forming time 35 minutes Sputtering was performed to form a silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm as an acoustic impedance layer.

得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜X線回折(XRD)により調べたところ、(002)面ピーク(半値幅は12.4°)が確認され、(002)配向のSiO2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを3次元光学プロファイラーNexview装置(キャノン社製)で測定し、表面粗さRa0.3nmとなるまで研磨した。 When the crystallinity of the obtained silicon oxide thin film is examined by thin film X-ray diffraction (XRD), a (002) plane peak (half value width is 12.4 °) is confirmed, and a (002) oriented SiO 2 crystal film It turned out that it was. Subsequently, the surface roughness of the obtained silicon oxide thin film was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.

(4)圧電基板(タンタル酸リチウム基板)の研磨
次に、直径2インチ、厚さ350μmのタンタル酸リチウム基板[住友金属鉱山(株)社製]の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さRa0.4nmとした。
(4) Polishing of piezoelectric substrate (lithium tantalate substrate) Next, the surface of a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches and a thickness of 350 μm is the same as in the case of the above diamond thin film layer. To a surface roughness Ra of 0.4 nm.

(5)金属薄膜を介したSiO2膜(音響インピーダンス層)と圧電基板との常温接合
次に、上記(3)で得られたSiO2膜/表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板と、上記(4)で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のSiO2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にUV照射を60秒行った。
(5) Room temperature bonding of SiO 2 film (acoustic impedance layer) and piezoelectric substrate through metal thin film Next, the SiO 2 film obtained in the above (3) / surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate After ultrasonically cleaning the surface-polished lithium tantalate substrate obtained in (4) above in an acetone solution, UV is further applied to the surface of the SiO 2 film on the silicon substrate and the surface of the lithium tantalate substrate polished. Irradiation was performed for 60 seconds.

次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置[(株)ムサシノエンジニアリング社製]に洗浄およびUV照射を終えた両基板を配置し、超高真空2×10-6Paまで真空引きし、シリコン基板上のSiO2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にArビーム照射し(照射条件:加速電圧50kV、ビーム径1.2mm、照射量2×1014ions/cm2)、これ等表面を活性化した後、同一チャンバー内で、シリコン基板上のSiO2膜表面にスパッタリング法を用いてチタン膜を7nm成膜した。 Next, place both substrates after cleaning and UV irradiation in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuate to an ultra-high vacuum of 2 × 10 -6 Pa, and silicon substrate Ar beam irradiation is performed on the SiO 2 film surface and the polished lithium tantalate substrate surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and these surfaces are After activation, a titanium film was formed to a thickness of 7 nm on the surface of the SiO 2 film on the silicon substrate using the sputtering method in the same chamber.

次いで、上記タンタル酸リチウム基板と、チタン膜が成膜されたSiO2膜(音響イン
ピーダンス層)表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例3に係る表面弾性波素子用複合基板(複合基板)を作製した。
Next, the lithium tantalate substrate and the surface of the SiO 2 film (acoustic impedance layer) on which a titanium film is formed are opposed to each other, and both surfaces are joined at room temperature without applying heat, pressure or the like. A composite substrate for a surface acoustic wave device (composite substrate) was produced.

(6)複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板/(直接接合:Ti膜)/SiO2膜/多結晶ダイヤモンド薄膜層/シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器[(株)ディスコ社製DGP8761]を用いて厚さ20μmまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さRa4nmとした。
(6) Polishing of non-bonded surface of lithium tantalate substrate in composite substrate Tantalum in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding: Ti film) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonding surface of the lithium oxide substrate is polished to a thickness of 20 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation], and the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate is further treated with colloidal silica. It mirror-polished by chemical polish and was set as surface roughness Ra4nm of the said non-joining surface.

上記製造条件について表1に示す。   The above production conditions are shown in Table 1.

(7)表面弾性波素子(SAWデバイス)の作製
研磨処理がなされた実施例3に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ5nmのCrを成膜し、次いで厚さ0.15μmのCu膜を成膜した。
(7) Production of Surface Acoustic Wave Device (SAW Device) The thickness of the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 3 which has been subjected to polishing treatment is first formed by vacuum evaporation. A 5 nm thick Cr film was formed, and then a 0.15 μm thick Cu film was formed.

次に、上記Cu膜上に、フォトリソグラフィ法によりIDT電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング(RIE)のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のCu膜およびCr膜を除去した。これにより、所定パターンのIDT電極を形成し、実施例3に係るSAWデバイスを作製した。   Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed by photolithography on the Cu film, and the resist layer is used as a mask to form a resist layer by dry etching using reactive ion etching (RIE). The Cu film and the Cr film in the unexposed portions were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and a SAW device according to Example 3 was produced.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は7440m/s、周波数温度特性は−11.6ppm/℃、電気機械結合係数は9.1%、および、Q値は1780であった。   The obtained SAW device had a propagation velocity of 7440 m / s, a frequency temperature characteristic of −11.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 9.1%, and a Q value of 1780.

これ等の評価結果から以下のことが確認される。   The following is confirmed from these evaluation results.

まず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および圧電体層(タンタル酸リチウム)よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電体層(タンタル酸リチウム)がTi膜を介し直接接合された構成とすることにより、多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電体層(タンタル酸リチウム)が直接接合された構造に較べて、圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため圧電体層表面における破壊が防止されてSAWデバイスの耐電力性を向上させることが可能となり、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるためSAWデバイスにおける伝搬信号の損失を低減することも可能となり、この結果、実施例3に係るSAWデバイスのQ値が高くなっているものと考えられ、更に、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のSAWデバイスを上回る伝搬速度と周波数温度特性が得られることも確認される。   First, an acoustic impedance layer having a smaller acoustic impedance than the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) is formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric layer (tantalum layer) In the structure in which lithium oxide is directly bonded through the Ti film, the elastic wave at the interface of the piezoelectric layer is compared with the structure in which the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) are directly bonded. The reflection is reduced, thereby suppressing the phenomenon in which the vibration displacement of the surface acoustic wave is concentrated in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, so that the breakage on the surface of the piezoelectric layer is prevented and the power resistance of the SAW device can be improved. Acoustic impedance when the signal propagating on the surface of the piezoelectric layer is diffused into the acoustic impedance layer. Since the signal is reflected at the interface between the thin film and the polycrystalline diamond thin film and returned to the piezoelectric layer, it is also possible to reduce the loss of the propagation signal in the SAW device, and as a result, the Q value of the SAW device according to the third embodiment. It is also confirmed that propagation speed and frequency temperature characteristics can be obtained over conventional SAW devices to which a lithium tantalate substrate is applied.

また、IDT電極の幅を0.4μm(表面弾性波の波長λは0.4×4=1.6μmとなる)とすることより、4650MHzのSAWデバイスを得ることができた。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), it is possible to obtain a 4650 MHz SAW device.

得られたSAWデバイスの特性を表2に示す。   The characteristics of the obtained SAW device are shown in Table 2.

更に、上記音響インピーダンス層と圧電体層(タンタル酸リチウム)がTi膜を介し直接接合されており、Ti原子の拡散接合により、Arビーム照射のみの接合に較べて大きな接合密着力が得られることも確認された。   Furthermore, the acoustic impedance layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) are directly bonded via a Ti film, and by diffusion bonding of Ti atoms, larger bonding adhesion can be obtained as compared with bonding of only Ar beam irradiation. Also confirmed.

Figure 2019097145
Figure 2019097145

Figure 2019097145
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本発明の表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、その高周波数化が図れると共に周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する課題も改善できるため、表面弾性波素子用基板として使用される産業上の利用可能性を有している。   A surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention can increase the frequency and can solve the problem that the frequency characteristics shift (fluctuate) due to the temperature change. Has industrial applicability to be used.

P プラズマ
1 圧電基板
2 支持基板
3 多結晶ダイヤモンド薄膜層
4 音響インピーダンス層
5 金属薄膜
6 櫛歯状電極(IDT電極)
7 矩形導波管
8 整合器
9 プランジャー
10 マグネトロン
11 サセプタ(基板ホルダー)
12 排気用ポンプ
13 パワーモニタ
14 反応管
15 反応ガス
20 圧電基板
21 IDT電極
22 ストリップ状電極
P plasma 1 piezoelectric substrate 2 support substrate 3 polycrystalline diamond thin film layer 4 acoustic impedance layer 5 metal thin film 6 comb-like electrode (IDT electrode)
7 rectangular waveguide 8 alignment device 9 plunger 10 magnetron 11 susceptor (substrate holder)
12 exhaust pump 13 power monitor 14 reaction tube 15 reaction gas 20 piezoelectric substrate 21 IDT electrode 22 strip electrode

Claims (14)

圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded. Composite substrate for surface acoustic wave devices.
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film. A composite substrate for a surface acoustic wave device, characterized in that
上記金属薄膜がチタン膜またはクロム膜であることを特徴とする請求項2に記載の表面弾性波素子用複合基板。   The composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 2, wherein the metal thin film is a titanium film or a chromium film. 上記音響インピーダンス層がSiO2膜で構成されることを特徴とする請求項1〜3の
いずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。
The composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic impedance layer is formed of a SiO 2 film.
上記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される1種で構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。   The surface acoustic wave according to any one of claims 1 to 4, wherein the supporting substrate is made of one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass and quartz glass. Composite substrate for devices. 上記圧電基板が、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、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される1種以上のバルク結晶で構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。   The piezoelectric substrate is one or more bulk crystals selected from lithium tantalate, lithium niobate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, quartz, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, langaite The composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that 圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とする表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising the polycrystalline diamond thin film layer and the acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate, which is formed on the polycrystalline diamond thin film layer.
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
Forming a polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer on the polycrystalline diamond thin film layer;
Directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding;
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising:
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする請求項7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
8. The method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via a metal thin film.
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマCVD法により成膜することを特徴とする請求項7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
In the step of forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate,
The method for producing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the polycrystalline diamond thin film layer is formed by a microwave plasma CVD method.
上記支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を研磨することを特徴とする請求項7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。   8. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate is polished. 上記音響インピーダンス層と直接接合された上記圧電基板の非接合面を研磨する工程において、
上記圧電基板の厚さが0.3〜25μmになるまで研磨することを特徴とする請求項7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer,
8. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the piezoelectric substrate is polished until its thickness becomes 0.3 to 25 [mu] m.
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
Each bonding surface of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding is cleaned, and ion beams are irradiated to each bonding surface to remove residual impurities, and then direct bonding is performed at room temperature in vacuum. The manufacturing method of the composite substrate for surface acoustic wave elements as described in 7.
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項8に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate via a metal thin film,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and ion beams are irradiated to the bonding surfaces to remove residual impurities, and the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate 9. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 8, wherein a metal thin film is formed thereon and then directly bonded at room temperature in vacuum.
上記金属薄膜が、膜厚5〜10nmのチタン膜またはクロム膜であることを特徴とする請求項13に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。   The method according to claim 13, wherein the metal thin film is a titanium film or a chromium film having a thickness of 5 to 10 nm.
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