JP2020022049A - Composite substrate for surface acoustic wave device and manufacturing method thereof - Google Patents

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直明 北川
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Abstract

To provide a composite substrate for a surface acoustic wave device which can increase the frequency of the surface acoustic wave device and solve the problem of the fluctuation of frequency characteristics due to temperature changes, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A composite substrate for a surface acoustic wave device includes a piezoelectric substrate 1, a support substrate 2 having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate, and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate, and in the piezoelectric substrate 1, the polycrystalline diamond thin film layer is directly bonded to a bonding piezoelectric substrate (bulk crystal), and the thickness of the bonding piezoelectric substrate is reduced to 5 μm or more and 30 μm or less by laser ablation, and the surface roughness Ra is 10 μm or less. In the surface acoustic wave device manufactured using the composite substrate, a high propagation speed is obtained because the surface acoustic wave propagates through the polycrystalline diamond thin film layer 3, and the thermal expansion can be suppressed by the action of the support substrate 2 having a small coefficient of thermal expansion, thereby realizing the good frequency temperature characteristics.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. In particular, it is possible to increase the frequency of the surface acoustic wave device, and also to solve the problem that the frequency characteristics shift (change) due to a temperature change. The present invention relates to a composite substrate for a surface acoustic wave device and a method for 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や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)がある。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。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化・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。   2. Description of the Related Art In recent years, high frequency and miniaturization of communication devices such as mobile phones have been progressing, so that high performance and miniaturization of RF circuit units have been required. Among them, a surface acoustic wave device (Surface Acoustic Wave Device) (hereinafter sometimes abbreviated as SAW device) is used as an electronic element such as a high-frequency filter used in a transmission / reception unit of a communication device or a resonator used in an oscillator. is there. The SAW device is an element utilizing a phenomenon in which a specific frequency is selected in a process of converting a high-frequency signal into a surface acoustic wave using a piezoelectric material and converting the signal into a high-frequency signal again. Compared to dielectric filters and ceramic filters that have been used in the high frequency band, cell phones and smartphones can take advantage of the sharpness and frequency design of frequency characteristics, easy surface mounting, small size and light weight. , And various other communication devices such as sensors and touch panels. In particular, with the explosive development of miniaturized and high-frequency devices such as mobile phones in recent years, the demand has been 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 the surface acoustic wave element, a piezoelectric layer as a surface acoustic wave propagation medium and a pair of comb-shaped electrodes [IDT: Interdigital Transducer] (hereinafter, referred to as IDT, IDT electrode, or electrode) are formed on a substrate. ) Are sequentially laminated. 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 this surface acoustic wave device, when an electric signal (AC power) is supplied to the input IDT, the piezoelectric layer is distorted by the electric field due to the electric signal. Since the electrodes have a comb-like shape, a difference in density occurs in the piezoelectric layer, and surface acoustic waves are generated. 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
で与えられる。
The center frequency f 0 of the transmission band of the surface acoustic wave element is obtained from the interval λ 0 between the comb-shaped electrodes and the propagation velocity V of the elastic wave on the surface of the piezoelectric layer.
f 0 = V / λ 0
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、上記関係式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SAWデバイスによく使用されるタンタル酸リチウム基板(LTと略記する場合がある)の伝搬速度3800m/sでは2400MHzが限度である。従って、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るには、弾性波の伝搬速度Vを大きくすることが必要となる。 However, it is difficult to manufacture a surface acoustic wave device that operates well at 2.5 GHz or higher. In order to increase the center frequency f 0 of the transmission band, either the interval λ 0 between the comb-shaped electrodes is reduced or the propagation velocity V of the surface acoustic wave is increased, as is clear from the above relational expression. However, λ 0 is significantly limited by processing techniques such as photolithography. At the present mass production level, the width of the comb-shaped electrodes is about 0.4 μm, and the interval λ 0 between the comb-shaped electrodes is about 1.6 μm, which is a lithium tantalate substrate (LT) often used recently for SAW devices. 2400 MHz is the limit at a propagation speed of 3800 m / s. Therefore, in order to obtain a surface acoustic wave device operating in a high frequency band, it is necessary to increase the propagation speed V of the acoustic wave.

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。   As a high-frequency device, a film bulk acoustic resonator (FBAR) using, for example, AlN as a piezoelectric material has been studied. However, the manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator FBAR is complicated and expensive, so that 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。   Therefore, studies on a surface acoustic wave device operating in a high frequency band are being repeated. For example, since a diamond crystal has a very high sound velocity of 18000 m / s, research and development of a surface acoustic wave device using this high sound velocity characteristic (see Patent Documents 1 and 2) are proceeding. Non-Patent Document 1 introduces the production of a surface acoustic wave device in which a polycrystalline diamond crystal is formed on a silicon substrate and then a comb-shaped electrode and a zinc oxide layer are formed. Non-Patent Document 1 discloses that the manufactured surface acoustic wave device has a sound velocity of 10,000 m / s or more and a sufficiently high excitation efficiency.

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。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3参照)。ガラスやシリコン等から成る上記補助基板が圧電基板に直接接合されることで、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の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くなって顕著になることが分かっている。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 a surface acoustic wave device required to operate in a high frequency band, there is another problem that a frequency characteristic shifts (fluctuates) because a piezoelectric substrate (piezoelectric layer) expands and contracts due to a temperature change. . In order to improve this temperature characteristic, a composite substrate has been proposed in which a piezoelectric substrate on which an IDT electrode is formed and an auxiliary substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the piezoelectric substrate and a larger thickness than the piezoelectric substrate are directly bonded. (See, for example, Patent Document 3). Since the auxiliary substrate made of glass, silicon, or the like is directly bonded to the piezoelectric substrate, expansion and contraction of the piezoelectric substrate is suppressed by the auxiliary substrate, so that the temperature characteristics can be improved. The effect of improving the temperature characteristics increases as the difference between the thermal expansion coefficients of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate increases. However, a composite substrate (wafer) in which a piezoelectric substrate and an auxiliary substrate having different coefficients of thermal expansion are directly bonded to each other may warp due to a temperature change such as a heat treatment during the surface acoustic wave device manufacturing process, or the directly bonded substrates may be bonded to each other. Since the surface acoustic wave device may be peeled off, the precision of patterning is deteriorated in the manufacturing process of the surface acoustic wave device which has passed the process temperature, and there has been a problem that automatic handling becomes difficult. This situation is remarkable because the larger the difference between the coefficients of thermal expansion of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate, and the larger the size of the composite substrate (wafer), the greater the warpage of the wafer, and the more easily the directly bonded substrates are easily separated from each other. I know it will be. Then, when the warpage of the composite substrate (wafer) exceeds an allowable value or the directly bonded substrates are separated from each other, there is a problem that the composite substrate (wafer) cannot be flowed to the manufacturing process.

そこで、特許文献4では、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3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。但し、デバイスの薄型化要請には対応できる反面、支持基板が薄くなる分、表面弾性波素子の温度特性は低下する。   Therefore, Patent Literature 4 discloses a composite substrate in which a piezoelectric substrate and a supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate (corresponding to the auxiliary substrate of Patent Literature 3) are bonded to each other. The first substrate and the second substrate are bonded by direct bonding with a strength that can be peeled off with a blade, and the first substrate is bonded to the piezoelectric substrate on a surface of the first substrate opposite to the bonding surface with the second substrate. 2 discloses a combined composite substrate. In this composite substrate, the warpage of the composite substrate generated in response to a change in process temperature is suppressed, and after the surface acoustic wave device is manufactured, the second substrate is peeled off from the first substrate with a blade and removed. This has the advantage that the thickness of the substrate can be easily reduced, and that it can meet the demand for thinner devices. However, while it is possible to cope with a demand for a thinner device, the temperature characteristics of the surface acoustic wave element deteriorate as the thickness of the supporting substrate becomes thinner.

このように周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する問題は、特許文献3〜4の方法を採用することで解決の可能性は見えてきた。しかし、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るため、信号伝搬速度を向上させると共に周波数特性の温度変化も抑制可能な表面弾性波素子は未だ見出されていない。   The possibility that the frequency characteristics shift (fluctuate) due to a change in temperature in this way can be solved by employing the methods of Patent Documents 3 and 4. However, in order to obtain a surface acoustic wave device that operates in a high frequency band, a surface acoustic wave device capable of improving a signal propagation speed and suppressing a temperature change in frequency characteristics has not been found yet.

特開平9−051248号公報(段落0053−0055参照)JP-A-9-051248 (see paragraphs 0053-0055) 特開平6−268463号公報(段落0031−0034参照)JP-A-6-268463 (see paragraphs 0031-0034) 特開平11−55070号公報JP-A-11-55070 WO2014/129432号公報WO2014 / 129432 特開2002−94355号公報(段落0017、0031参照)JP-A-2002-94355 (see paragraphs 0017 and 0031) 特願2018−052203号明細書(請求項6参照)Japanese Patent Application No. 2018-052203 (refer to claim 6) 特開平9−269430号公報(段落0008−0012参照)JP-A-9-269430 (see paragraphs 0008-0012) 特開2001−33604号公報(段落0045−0046、図6参照)JP 2001-33604 A (see paragraphs 0045-0046, FIG. 6)

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 6th Diamond Symposium (November 26-27, 1992), pp. 90-91: P21 "Surface elastic waves of ZnO / polycrystalline diamond structures and their application to high-frequency filters"

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 frequency resources has been depleted due to the exhaustion of available frequency band resources, and techniques for further increasing the frequency of surface acoustic wave devices have been required. To increase the frequency of the surface acoustic wave device, a method of miniaturizing the electrode size has been mainly used until now. However, the miniaturization of the electrode interval for determining the frequency has been described in the current lithography technology as described above. We are approaching the limit. Further, even if the frequency can be increased by miniaturization of the electrode dimensions, the thinning of the electrodes and the miniaturization of the electrode intervals cause a problem that the element structure itself is easily broken and power characteristics cannot 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 a surface acoustic wave at high speed, in Patent Document 1, a diamond thin film is formed on a silicon substrate by a microwave plasma CVD method, and the diamond thin film surface is polished and flattened. A surface acoustic wave device in which a piezoelectric (ZnO) film is deposited on a surface of a diamond thin film by a sputtering method and then a comb-like electrode (metal aluminum) is formed on the piezoelectric film is disclosed. In Reference 2, a diamond film is formed on a silicon substrate by a combustion flame method using an oxygen-acetylene flame burner, a comb-like electrode (metal aluminum) is formed on the diamond film, and a piezoelectric material is formed by a high-frequency magnetron sputtering method. A surface acoustic wave device on 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)層の膜質は良好ではなく、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5の段落0017参照)。   However, it has been pointed out that a piezoelectric (ZnO) layer formed on a diamond thin film by a film forming method such as a CVD method or a sputtering method has poor film quality, and a sufficient electromechanical coupling coefficient cannot be obtained. (See paragraph 0017 of Patent Document 5).

この問題を解決するため、特許文献5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材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 this problem, Patent Document 5 discloses an electromechanical conversion electrode formed on a first main surface of a piezoelectric layer (piezoelectric bulk single crystal) and a second main surface of the piezoelectric layer. Have proposed a surface acoustic wave device comprising a diamond layer formed on a substrate and a support substrate bonded to the diamond layer via an adhesive.

しかし、特許文献5の段落0031に記載されているように、圧電体バルク単結晶基板(圧電体層)上にマイクロ波プラズマCVD法を用いて多結晶ダイヤモンド層を形成するとき、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てしまったり、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体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5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)とを接着材(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、接着材が熱で軟化し、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 5, when a polycrystalline diamond layer is formed on a piezoelectric bulk single crystal substrate (piezoelectric layer) by using a microwave plasma CVD method, the substrate (piezoelectric layer) is formed. The film is formed at a temperature of 850 ° C., and if the temperature of the substrate rapidly rises or falls, the pyroelectricity of the piezoelectric bulk single crystal substrate (piezoelectric layer) causes the piezoelectric bulk single crystal substrate to move. There has been another problem that the piezoelectric bulk single crystal substrate is degraded by microwave power or substrate heating, and the characteristics of the piezoelectric material are degraded. For example, when a lithium tantalate substrate is used, since the Curie temperature is 650 ° C., the piezoelectricity is lost after forming a polycrystalline diamond layer on the lithium tantalate substrate, and the function as a SAW device cannot be obtained. There was a problem. Further, in Patent Document 5, the diamond layer and a supporting substrate (silicon substrate, glass substrate, ceramic substrate, etc.) are joined (adhered) using an adhesive (epoxy resin adhesive, solder alloy, etc.). For this reason, the adhesive material is softened by heat and moved by stress, and there is also a problem that the peeling is partially observed in the thermal cycle test and the reliability is lacking.

このような技術的背景の下、本発明者は、表面弾性波の伝搬速度を大きくして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、バルク結晶で構成された圧電基板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既に提案している(特許文献6参照)。   Under such technical background, the present inventor has realized an increase in the propagation speed of the surface acoustic wave to realize a higher frequency of the surface acoustic wave element, and has improved the problem that the frequency characteristics are shifted (changed) due to a temperature change. In addition, a composite substrate for a surface acoustic wave device having a piezoelectric substrate made of a bulk crystal and a method for manufacturing the same have already been proposed (see Patent Document 6).

すなわち、この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を常温接合法により直接接合し、多結晶ダイヤモンド薄膜層と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得られるものであった。   That is, the composite substrate for a surface acoustic wave device is composed of a piezoelectric substrate made of a bulk crystal and a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of a supporting substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the piezoelectric substrate. Are directly bonded by a room temperature bonding method, and the non-bonded surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the polycrystalline diamond thin film layer is polished to a thin film.

そして、提案した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り、かつ、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)する課題も改善され、更に、バルク結晶で構成された圧電基板はダイヤモンド薄膜上にCVDやスパッタリング等で成膜した特許文献1〜2の圧電体層に較べて膜質が良好で、かつ、圧電基板と多結晶ダイヤモンド薄膜層は常温接合されることから特許文献5に記載されている圧電基板の破壊や圧電体特性の劣化が起こらない顕著な効果を有するものであった。   In the proposed surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device, a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of a supporting substrate having a smaller thermal expansion coefficient than that of a piezoelectric substrate is used. Since elastic waves propagate, it is possible to achieve extremely high propagation speeds, and frequency characteristics shift due to temperature changes because a support substrate with a smaller thermal expansion coefficient than that of a piezoelectric substrate is applied. The problem of (variation) is also improved, and the piezoelectric substrate made of a bulk crystal has better film quality than the piezoelectric layers of Patent Documents 1 and 2 formed by CVD or sputtering on a diamond thin film, and In addition, since the piezoelectric substrate and the polycrystalline diamond thin film layer are bonded at room temperature, a remarkable effect of preventing the piezoelectric substrate from being destroyed and the characteristics of the piezoelectric body from deteriorating described in Patent Document 5 It was having.

但し、本発明者が提案した表面弾性波素子用複合基板においては、バルク結晶で構成された圧電基板の非接合面を研磨法で薄膜化しているため、若干、生産性に劣り、かつ、生産コストを考慮した場合、研磨法で薄膜化する圧電基板の厚さは12μm〜25μm(特許文献6の実施例1〜2参照)程度となっている。このため、研磨法による圧電基板の薄膜化には生産コストと技術的な限界が存在し、表面弾性波素子の伝搬速度と周波数温度特性を向上させるためには更なる改善の余地を有していた。   However, in the composite substrate for a surface acoustic wave device proposed by the present inventor, the non-bonding surface of the piezoelectric substrate made of a bulk crystal is thinned by a polishing method. In consideration of the cost, the thickness of the piezoelectric substrate to be thinned by the polishing method is about 12 μm to 25 μm (see Examples 1 and 2 of Patent Document 6). For this reason, there is a production cost and a technical limit in thinning the piezoelectric substrate by the polishing method, and there is room for further improvement in improving the propagation speed and frequency temperature characteristics of the surface acoustic wave device. Was.

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、表面弾性波素子の伝搬速度と周波数温度特性を改善すると共に加工時間を短縮した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。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to improve a propagation speed and a frequency temperature characteristic of a surface acoustic wave element and to shorten a processing time for a composite for a surface acoustic wave element. It is to provide a substrate and a manufacturing method thereof.

上記課題を解決するため、本発明者は、従前の研磨法を用いた圧電基板の薄膜化に代えて、特許文献7〜8に記載された「レーザアブレーション加工法」の採用を試みた。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor tried to employ a “laser ablation processing method” described in Patent Documents 7 and 8 instead of thinning the piezoelectric substrate using the conventional polishing method.

特許文献7には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶から成る基板と、この基板の主面上に突出するリッジ型光導波路を備えた光導波路デバイスの製造方法が開示され、波長が150〜300nmである紫外領域のエキシマレーザを用いた「レーザアブレーション加工法」により上記リッジ型光導波路が形成されている。   Patent Literature 7 discloses a method of manufacturing an optical waveguide device including a substrate made of an oxide single crystal such as lithium niobate and lithium tantalate, and a ridge-type optical waveguide protruding on a main surface of the substrate. The ridge-type optical waveguide is formed by a “laser ablation method” using an excimer laser in an ultraviolet region having a wavelength of 150 to 300 nm.

尚、「レーザアブレーション加工法」とは、エキシマレーザのような高エネルギーの光が加工対象の材質に照射されることで、光が照射された部分を瞬時に分解および気化させて目的の形状を得る加工方法である。   The “laser ablation processing method” is a method in which high-energy light such as excimer laser is applied to the material to be processed, thereby instantaneously decomposing and evaporating the irradiated area to form a desired shape. It is a processing method to obtain.

また、特許文献8には、シリコン基板と、該基板面と平行でない面(すなわち斜面)を複数備えるよう形成された光学素子(例えば、光路変換ミラー、偏光分離プリズム等)を有する光学部品の製造方法が開示され、シリコン基板上に塗布された高分子材料を「レーザアブレーションエッチング法」により加工して上記光学素子を構成する傾斜45度の斜面が形成されている。   Patent Document 8 discloses manufacturing of an optical component having a silicon substrate and an optical element (for example, an optical path conversion mirror, a polarization splitting prism, or the like) formed to include a plurality of surfaces (that is, inclined surfaces) that are not parallel to the substrate surface. A method is disclosed, in which a polymer material applied on a silicon substrate is processed by a "laser ablation etching method" to form a 45-degree slope forming the optical element.

そこで、本発明者が提案した表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、多結晶ダイヤモンド薄膜層と直接接合された圧電基板を薄膜化させる手法について、従前の上記研磨法に代えて特許文献7等に開示された「レーザアブレーション加工法」を選択したところ、生産コストを大きく上昇させることなく結晶ダイヤモンド薄膜層と直接接合された圧電基板の厚さを30μm以下に設定でき、かつ、「レーザアブレーション加工法」の採用に伴い薄膜化された圧電基板の表面粗さRaについて10nm以下に設定できることが確認され、更に、上記圧電基板の薄膜化(30μm以下)に伴って表面弾性波素子の伝搬速度と周波数温度特性が改善され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。   Therefore, in the method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device proposed by the inventor of the present invention, a method for thinning a piezoelectric substrate directly bonded to a polycrystalline diamond thin film layer is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157300, instead of the conventional polishing method. And the like, the thickness of the piezoelectric substrate directly bonded to the crystal diamond thin film layer can be set to 30 μm or less without greatly increasing the production cost, and the “laser ablation processing method” can be set. It has been confirmed that the surface roughness Ra of the thinned piezoelectric substrate can be set to 10 nm or less with the adoption of the “working method”, and the propagation velocity of the surface acoustic wave element is further reduced with the thinning of the piezoelectric substrate (30 μm or less). And it came to find that frequency temperature characteristic was improved. The present invention has been completed based on such technical findings.

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と圧電基板が直接接合され、かつ、該圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とし、
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と圧電基板が金属薄膜を介し直接接合され、かつ、該圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とするものである。
That is, the first invention according to the present invention is:
A piezoelectric substrate,
A supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In 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 the piezoelectric substrate are directly bonded, and the thickness of the piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less,
The second invention is
A piezoelectric substrate,
A supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In 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 the piezoelectric substrate are directly bonded via a metal thin film, the thickness of the piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less. It is assumed that.

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、
第5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、
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。
Further, a third invention according to the present invention provides:
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second invention,
The metal thin film is a titanium film or a chromium film,
The fourth invention is
The composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first invention to the third invention,
The support substrate is characterized by being constituted by one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass, and quartz glass,
The fifth invention is
The composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first invention to the third invention,
The piezoelectric substrate is made of at least one kind of bulk crystal selected from lithium tantalate, lithium niobate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, crystal, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, and langatate. It is characterized by comprising.

次に、第6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、
支持基板上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程と、
上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程、
を具備することを特徴とし、
第7の発明は、
第6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、
上記支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程において、
金属薄膜を介して、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合することを特徴とし、
第8の発明は、
第6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9の発明は、
第6の発明または第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10の発明は、
第6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、
上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程において、
波長150〜300nmの上記レーザがエキシマレーザであることを特徴とするものである。
Next, the sixth invention is
A piezoelectric substrate,
A supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In a method for manufacturing 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,
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
A step of forming a bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
Characterized by having
The seventh invention is
A method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a sixth aspect,
In the step of forming a bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
Characterized in that the polycrystalline diamond thin film layer and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded by a surface activated room temperature bonding method via a metal thin film,
The eighth invention is
A method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a sixth aspect,
In the step of forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer is formed by a microwave plasma CVD method,
The ninth invention is
In the method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the sixth or eighth invention,
Polishing the surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The tenth invention is
A method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a sixth aspect,
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
The laser having a wavelength of 150 to 300 nm is an excimer laser.

また、第11の発明は、
第6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、
上記支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程において、
接合前の上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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活性化した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
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、
金属薄膜を介して、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板の一方の主面と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、
接合前の上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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、多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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13の発明は、
第12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。
Also, the eleventh invention is
A method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a sixth aspect,
In the step of forming a bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
After cleaning each bonding surface of the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate before bonding, irradiating each bonding surface with an ion beam to remove and activate residual impurities, and then directly bonding in vacuum at room temperature Characterized in that
The twelfth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In a step of directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activated room temperature bonding method via a metal thin film,
The bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and each bonding surface is irradiated with an ion beam to remove residual impurities, and the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate are bonded. After forming a metal thin film on at least one of the joining surfaces, in vacuum, characterized by direct joining at room temperature,
The thirteenth invention is
In the method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a twelfth aspect,
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と圧電基板が直接接合され、かつ、該圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とする。   A composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention includes a piezoelectric substrate, a support substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate, and a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate. Wherein the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric substrate are directly joined, the thickness of the piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less. And

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と直接接合された圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下と極めて薄いため、該圧電基板が多結晶ダイヤモンド薄膜層の影響を顕著に受けて多結晶ダイヤモンド薄膜層の硬度に近づき、かつ、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従前より高い伝搬速度を実現することが可能となる。   In the 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 support substrate having a smaller thermal expansion coefficient than a piezoelectric substrate Since the thickness of the piezoelectric substrate directly bonded to the substrate is extremely thin, 5 μm or more and 30 μm or less, the piezoelectric substrate is significantly influenced by the polycrystalline diamond thin film layer, and approaches the hardness of the polycrystalline diamond thin film layer. Since the surface acoustic wave propagates through the diamond thin film layer, it is possible to realize a higher propagation speed than before.

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、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直接接合された上記圧電基板が多結晶ダイヤモンド薄膜層の影響を顕著に受けて多結晶ダイヤモンド薄膜層の硬度に近づくため、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、従前より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 a surface acoustic wave device according to the present invention, a support substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate is applied, and is formed on one main surface of the support substrate. The frequency characteristic shifts (fluctuates) due to a temperature change because the piezoelectric substrate directly bonded to the formed polycrystalline diamond thin film layer is remarkably influenced by the polycrystalline diamond thin film layer and approaches the hardness of the polycrystalline diamond thin film layer. Therefore, it is possible to provide better frequency temperature characteristics than before.

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接合用圧電基板と、該接合用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とを常温接合し、上記接合用圧電基板を「レーザアブレーション加工法」により薄膜化しているため、厚さが5μm以上30μm以下で、表面粗さRaが10nm以下となる圧電基板として得られている。   Furthermore, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention is formed on one main surface of a bonding piezoelectric substrate made of a bulk crystal and a supporting substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the bonding piezoelectric substrate. Since the bonded piezoelectric substrate is thinned by the “laser ablation method” at room temperature, the thickness is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra is 10 nm or less. Obtained as a piezoelectric substrate.

そして、バルク結晶で構成された接合用圧電基板は、ダイヤモンド薄膜上にCVD法やスパッタリング法等で成膜した特許文献1〜2の圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、接合用圧電基板と多結晶ダイヤモンド薄膜層は常温接合されることから特許文献5に記載されている接合用圧電基板の破壊や圧電体特性の劣化が起こることもない。   The bonding piezoelectric substrate made of a bulk crystal has a better film quality than the piezoelectric layers of Patent Documents 1 and 2 formed on a diamond thin film by a CVD method or a sputtering method. Since the polycrystalline diamond thin film layer and the polycrystalline diamond thin film layer are bonded at room temperature, the breakage of the bonding piezoelectric substrate and the deterioration of the piezoelectric characteristics described in Patent Document 5 do not occur.

また、上記接合用圧電基板を「レーザアブレーション加工法」により薄膜化しているため、薄膜化された圧電基板は、そのまま表面弾性波素子(SAWフィルタ)の製造に適用できるレベルである表面粗さRaが10nm以下の表面状態にすることができる。   Further, since the bonding piezoelectric substrate is thinned by the “laser ablation processing method”, the thinned piezoelectric substrate has a surface roughness Ra at a level that can be directly applied to the manufacture of a surface acoustic wave device (SAW filter). Can be set to a surface state of 10 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を用いた表面弾性波素子の構成説明図。FIG. 1 is a configuration explanatory 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説明図。FIG. 4 is a configuration explanatory view of a surface acoustic wave device using a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention. マイクロ波プラズマCVD装置の概略構成を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a microwave plasma CVD apparatus. アブレーション加工用レーザ加工装置の概略構成を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a laser processing device for ablation processing.

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, a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first and second embodiments of the present invention and a method for 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と圧電基板1が直接接合され、かつ、該圧電基板1の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とし、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4が形成されて成るものである。
1. 1. Composite substrate for surface acoustic wave device (A) Composite substrate for surface acoustic wave device according to first embodiment of the present invention As shown in FIG. A piezoelectric substrate, a support substrate 2 having a smaller thermal expansion coefficient than the piezoelectric substrate 1, and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2. The diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded, and the thickness of the piezoelectric substrate 1 is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less, The surface acoustic wave device configured by using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment has a configuration in which a comb-shaped electrode 4 is formed on a non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1.

(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と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合され、かつ、該圧電基板1の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とし、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4が形成されて成るものである。
(B) Composite substrate for surface acoustic wave device according to second embodiment of the present invention A composite substrate for surface acoustic wave device according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. A supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate; and a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the supporting substrate. 1 is directly bonded via the metal thin film 5, the thickness of the piezoelectric substrate 1 is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less. The surface acoustic wave device configured by using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the embodiment has a configuration in which a comb-shaped electrode 4 is formed on a non-bonding surface of the piezoelectric substrate 1.

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)金属薄膜、および、(5)表面弾性波素子用複合基板、(6)表面弾性波素子の順に説明する。   Hereinafter, (1) a piezoelectric substrate, (2) a support substrate, (3) a polycrystalline diamond thin film layer, (4) a metal thin film, (5) a composite substrate for a surface acoustic wave device, and (6) a surface acoustic wave device It will be described in order.

(1)圧電基板
本発明に係る圧電基板は弾性波が伝搬可能な基板であり、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は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、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。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と直接接合されて第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を構成する。
(1) Piezoelectric substrate The piezoelectric substrate according to the present invention is a substrate through which elastic waves can propagate, and the piezoelectric substrate used in the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention includes lithium tantalate, lithium niobate, and niobium. It is preferably one or more bulk crystals selected from lithium oxide-lithium tantalate solid solution single crystal, quartz, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, and langate, and lithium tantalate or lithium niobate is preferably used. More preferred. This is because lithium tantalate and lithium niobate have a high surface acoustic wave propagation speed and a large electromechanical coupling coefficient, and thus are suitable for high-frequency and wide-band frequency surface acoustic wave devices. The piezoelectric substrate 1 is directly joined to the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 to constitute the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment.

ところで、上記圧電基板1は、支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成した後、上記接合用圧電基板の非接合面を「レーザアブレーション加工法」により薄膜化して、厚さが5μm以上30μm以下の薄膜として形成される。   By the way, the piezoelectric substrate 1 is formed by directly bonding a polycrystalline diamond thin film layer formed on a supporting substrate and one main surface of a bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method to form a bonded body. The non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is thinned by a “laser ablation method” to form a thin film having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less.

すなわち、支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成した後、接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下の圧電基板が形成される。更に、アブレーション加工では、接合用圧電基板を構成する材質の吸収端よりも短波長側のレーザ光(すなわち、波長150〜300nmのレーザ)を使用しており、接合用圧電基板の上記非接合面に照射されたレーザ光が極表面層中で吸収されるため、上記非接合面の表面層のみを分解し、瞬時に分解および気化するので、接合用圧電基板の内部には加工ダメージを与えず、加工変質層がまったく生成されず、形成される圧電基板の表面粗さRaは10nm以下となる。   That is, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded by a surface activation room temperature bonding method to form a bonded body. A non-bonded surface is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm, and ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate forms a piezoelectric substrate having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. Further, in the ablation process, a laser beam having a shorter wavelength than the absorption edge of the material constituting the bonding piezoelectric substrate (that is, a laser having a wavelength of 150 to 300 nm) is used. Since the laser light irradiated to the surface is absorbed in the very surface layer, only the surface layer of the non-bonding surface is decomposed and instantaneously decomposed and vaporized, so that no processing damage is given to the inside of the bonding piezoelectric substrate. In addition, no process-affected layer is generated, and the surface roughness Ra of the formed piezoelectric substrate is 10 nm or less.

また、上記接合用圧電基板の大きさは特に限定されないが、直径50〜200mm程度の接合用圧電基板が例示される。尚、多結晶ダイヤモンド薄膜層と直接接合される前の接合用圧電基板の厚さに関しては、支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して形成された接合体の接合用圧電基板に対し、上記「レーザアブレーション加工」する際の作業性等を考慮して適宜設定される。   The size of the bonding piezoelectric substrate is not particularly limited, but a bonding piezoelectric substrate having a diameter of about 50 to 200 mm is exemplified. With respect to the thickness of the bonding piezoelectric substrate before being directly bonded to the polycrystalline diamond thin film layer, the thickness of the polycrystalline diamond thin film layer formed on the supporting substrate and one of the principal surfaces of the bonding piezoelectric substrate are set to the surface. It is appropriately set in consideration of the workability and the like at the time of the above-mentioned “laser ablation processing” with respect to the bonding piezoelectric substrate of the bonded body formed by direct bonding by the activated room temperature bonding method.

(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を要する。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、圧電基板1とを備えた複合基板とすることで、温度変化したときの圧電基板1の伸縮が抑制されるため、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 in the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention needs to be made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate 1. The support substrate 2 is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate 1. The support substrate 2, the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2, and the piezoelectric substrate 1 Since the expansion and contraction of the piezoelectric substrate 1 when the temperature changes is suppressed by using the composite substrate provided, when the composite substrate is used as a SAW device, the problem that the frequency characteristic shifts (changes) due to the temperature change is solved. It becomes possible.

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 general-purpose soda glass substrate has a Vickers hardness of 500 to 600, a silicon substrate is about 1040, and a sapphire substrate is 2300, and a sapphire substrate is more preferable. However, a glass substrate or a silicon substrate is inexpensive, mass-produced, and inexpensive. Therefore, a silicon substrate is preferable as the support substrate 2 when viewed comprehensively.

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を成膜することで支持基板の硬度を高め、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3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, by using an inexpensive silicon substrate and forming a polycrystalline diamond thin film layer having high hardness on the support substrate, the hardness of the support substrate is increased, and the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 are separated. By direct bonding, the resulting composite substrate has a higher propagation speed than the piezoelectric substrate alone. Further, the silicon substrate has a thermal expansion coefficient of 3.9 × 10 −6 / K, which is much smaller than that of a piezoelectric substrate made of lithium tantalate or the like, and can suppress the temperature change of the frequency characteristics 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、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が形成される。更に、接合用圧電基板と上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3を表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成し、上記接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、接合用圧電基板が厚さ5μm以上30μm以下に薄膜化され、かつ、表面粗さRaが10nm以下となった圧電基板1が形成される。その後、得られた表面弾性波素子用複合基板の上記圧電基板1に形成された一対の櫛歯状電極4を用いて電圧を印加することにより、表面弾性波が励起され、この表面弾性波は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。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、圧電基板を接合して一体化されても伝搬速度10000m/s以上を実現させることができ、本発明に係る複合基板は高周波表面弾性波素子に使用することができる。
(3) Polycrystalline Diamond Thin Film Layer In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, a polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of the support substrate 2. Further, a bonding body is formed by directly bonding the bonding piezoelectric substrate and the polycrystalline diamond thin film layer 3 by a surface activation room temperature bonding method, and a laser having a wavelength of 150 to 300 nm is applied to the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate. The piezoelectric substrate for bonding is thinned to a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra is reduced to 10 nm or less by ablation processing for irradiating the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate to decompose and volatilize the non-bonded surface. A substrate 1 is formed. Thereafter, by applying a voltage using a pair of comb-shaped electrodes 4 formed on the piezoelectric substrate 1 of the obtained composite substrate for a surface acoustic wave device, a surface acoustic wave is excited, and the surface acoustic wave is The light propagates through the polycrystalline diamond thin film layer 3 and is converted again into an electric signal by the piezoelectric substrate 1 by another pair of comb-like electrodes. The diamond layer is a material having the highest sound propagation speed among materials, and can achieve a propagation speed of 10,000 m / s or more even when integrated with a piezoelectric substrate. The composite substrate according to the present invention has a high-frequency surface. It can be used for an elastic wave device.

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。ダイヤモンド層は、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、エネルギーが高いので他の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。   For forming the polycrystalline diamond thin film layer 3, it is preferable to form a film on the support substrate 2 by using a microwave plasma CVD method. The diamond layer is formed by a gas phase synthesis method using a hydrocarbon or the like as a raw material gas, for example, a method of activating a raw material gas by heating an electron emitting material, a method of exciting a raw material gas by plasma, and a method of decomposing and exciting a gas by light. It can be formed by a method, a method of growing polycrystalline diamond from a source gas by ion bombardment, or the like. The polycrystalline diamond thin film layer 3 according to the present invention is formed by using a microwave plasma CVD method among the above-described film forming methods. Is preferred. The microwave plasma CVD method is a synthesis method using electrodeless discharge using microwaves (usually a frequency of 2.45 GHz is used). The microwave plasma CVD method is a film forming method using plasma only by microwaves in a pressure range of about 1.3 to 8.0 kPa. The microwave plasma CVD method is a method in which a raw material gas is excited by plasma, and a denser thin film can be formed at a lower temperature than a thermal CVD method or the like. It has the advantages that the speed is high, damage due to heat can be suppressed, and interdiffusion between stacked 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。   The magnetic field microwave CVD method, which is a kind of the microwave plasma CVD method, makes it possible to produce a stable high-density plasma even at a low pressure by utilizing the interaction between the plasma and the magnetic field. In this case, a stronger plasma state by electron cyclotron resonance (ECR) is used in a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region than the CVD method. Since the plasma is low-pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed over a large area, which is suitable for forming the polycrystalline diamond thin film layer according to 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しており、接合用圧電基板と直接接合する前に、接合面を研磨して平滑化する必要があるからである。尚、接合面に凹凸が存在していると、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。   The thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is preferably set to about 5 μm on the support substrate 2. The reason is that the surface of the formed polycrystalline diamond thin film layer 3 has irregularities, and it is necessary to grind and smooth the bonding surface before directly bonding to the bonding piezoelectric substrate. . In addition, if there is unevenness on the bonding surface, there is a possibility that floating may occur without being completely bonded at the atomic level. For example, in the case of the above film thickness (about 5 μm), it is preferable that the surface is polished to about 3 μm to make the surface roughness Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less.

(4)金属薄膜
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の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と圧電基板1が直接接合されている。圧電基板1と上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3を直接接合するには、接合前の多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の各接合面を洗浄し、洗浄した多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板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。上記接合は常温・無電圧で行うことが好ましい。
(4) Metal Thin Film In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention, the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded. Have been. In order to directly join the piezoelectric substrate 1 and the polycrystalline diamond thin film layer 3, the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate before joining are cleaned, and the cleaned polycrystalline diamond thin film layer 3 is joined. Place the piezoelectric substrate for use in a vacuum vessel, irradiate each joint surface with an ion beam in ultra-high vacuum to remove residual impurities, activate each joint surface, and then apply an appropriate load to join. Thereby, the diffusion of the atoms at the bonding interface proceeds, the bonding interface becomes amorphous, and the bonding interface can be directly bonded at the atomic level. It is preferable that the above-mentioned joining be performed at normal temperature and no voltage.

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の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と圧電基板1が金属薄膜5を介し直接接合されている。圧電基板1と上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3が金属薄膜5を介し直接接合されるには、接合前の多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の各接合面を洗浄し、洗浄した多結晶ダイヤモンド薄膜層3と該接合用圧電基板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、スパッタリング法等の成膜法で多結晶ダイヤモンド薄膜層3と該接合用圧電基板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。上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と上記接合用圧電基板の界面に金属薄膜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 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 formed on one main surface of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 1 are directly joined via the metal thin film 5. Have been. In order for the piezoelectric substrate 1 and the polycrystalline diamond thin film layer 3 to be directly bonded via the metal thin film 5, the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and the cleaned polycrystalline diamond film 3 is cleaned. The diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate are placed in a vacuum vessel, and each bonding surface is irradiated with an ion beam in an ultra-high vacuum to remove residual impurities and activate each bonding surface. A metal thin film 5 is formed on the bonding surface of at least one of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate by a film forming method such as that described above. -Direct bonding can be performed without voltage. The metal thin film 5 exists at the interface between the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate, and the metal thin film 5 can be bonded by atomic diffusion.

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と接合用圧電基板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。   As the metal thin film 5, a thin film such as chromium or titanium which has a strong bonding force with oxygen and a high diffusion coefficient is preferable. The thickness of the metal thin film 5 is preferably 5 to 10 nm. If the film thickness is too thin, less than 5 nm, the film becomes discontinuous and diffusion becomes discontinuous. On the other hand, if the film thickness exceeds 10 nm and is too thick, a continuous film may be formed before diffusion, and the film may be interposed between the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate and may not function as a diffusion layer. There is. Due to the presence of the metal thin film 5, the surface roughness at both bonding surfaces may be coarser than when the metal thin film 5 is not interposed, and there is a merit of reducing the polishing cost.

(5)表面弾性波素子用複合基板
支持基板2の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3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の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3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おいて、各複合基板の圧電基板1は、接合用圧電基板の非接合面を「レーザアブレーション加工法」により薄膜化して厚さが5μm以上30μm以下の薄膜として形成されている。すなわち、接合用圧電基板の一方の主面と、支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層とを直接接合して接合体を形成した後、該接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下に薄膜化された圧電基板1が形成されている。
(5) Composite substrate for surface acoustic wave device The composite for a surface acoustic wave device according to the first embodiment in which the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 1 are directly joined. A composite substrate for a surface acoustic wave device according to a second embodiment in which a substrate and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of a support substrate 2 and a piezoelectric substrate 1 are directly bonded via a metal thin film 5. In the above, the piezoelectric substrate 1 of each composite substrate is formed as a thin film having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less by thinning the non-joining surface of the joining piezoelectric substrate by “laser ablation processing”. That is, after directly bonding one main surface of the bonding piezoelectric substrate and the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate to form a bonded body, the non-bonded surface of the bonded piezoelectric substrate in the bonded body is formed. Is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to decompose and volatilize the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate, thereby forming a piezoelectric substrate 1 having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. .

尚、上記アブレーション加工は、上述したように接合用圧電基板を構成する材質の吸収端よりも短波長側のレーザ光(例えば、波長150〜300nmのエキシマレーザ)を使用しており、接合用圧電基板の非接合面に照射されたレーザ光が極表面層中で吸収されるため、上記非接合面の表面層のみを分解し、瞬時に分解および気化するので、接合用圧電基板の内部に加工ダメージを与えず、加工変質層をまったく生成せず、平坦度も高く、形成される圧電基板の表面粗さRaは10nm以下となる。このため、「レーザアブレーション加工法」で薄膜化された圧電基板1の非接合面については、特別な用途がある場合を除き、更なる研磨を行うことなくSAWフィルタの製造に適用することが可能となる。   The ablation process uses a laser beam (for example, an excimer laser having a wavelength of 150 to 300 nm) shorter than the absorption end of the material constituting the piezoelectric substrate for bonding as described above. Since the laser light applied to the non-bonded surface of the substrate is absorbed in the very surface layer, only the surface layer of the non-bonded surface is decomposed and instantly decomposed and vaporized. No damage is caused, no deteriorated layer is formed at all, the flatness is high, and the surface roughness Ra of the formed piezoelectric substrate is 10 nm or less. Therefore, the non-bonded surface of the piezoelectric substrate 1 thinned by the “laser ablation processing method” can be applied to the manufacture of a SAW filter without further polishing unless there is a special use. Becomes

また、多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成された支持基板2の合計厚(多結晶ダイヤモンド薄膜層厚さ+支持基板厚さ)よりも圧電基板1の厚さを十分に薄くすることで、多結晶ダイヤモンド薄膜層3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に起因する複合基板の反る力が減少して複合基板を平行に保てると共に、複合基板として多結晶ダイヤモンド薄膜層3の硬度に近づいた状態が得られる。   Further, by making the thickness of the piezoelectric substrate 1 sufficiently smaller than the total thickness of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed (the thickness of the polycrystalline diamond thin film layer + the thickness of the support substrate), The warping force of the composite substrate caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the support substrate 2 on which the diamond thin film layer 3 is formed and the piezoelectric substrate 1 is reduced so that the composite substrate can be kept parallel and the polycrystalline diamond thin film layer can be used as the composite substrate. A state approaching a hardness of 3 is obtained.

そして、多結晶ダイヤモンド薄膜層3が形成された支持基板2の合計厚(多結晶ダイヤモンド薄膜層厚さ+支持基板厚さ)と圧電基板1の厚さの比率については、(多結晶ダイヤモンド薄膜層厚さ+支持基板厚さ)に対し圧電基板1の厚さが1/10以下であることが好ましく、更に好ましくは1/20以下がよい。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。   The ratio of the total thickness of the support substrate 2 on which the polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed (the thickness of the polycrystalline diamond thin film layer + the thickness of the support substrate) to the thickness of the piezoelectric substrate 1 is expressed as (polycrystalline diamond thin film layer). The thickness of the piezoelectric substrate 1 is preferably 1/10 or less, and more preferably 1/20 or less of (thickness + supporting substrate thickness). If there is the difference in the film thickness, the warpage of the composite substrate due to the difference in the thermal expansion is suppressed even when the ambient temperature is about 120 ° C.

表面弾性波素子用複合基板において、上記「レーザアブレーション加工法」で薄膜化された圧電基板1の厚さは5μm以上30μm以下であることを要する。圧電基板1の厚さが厚くなると圧電基板(例えばタンタル酸リチウム)の特性が出てしまうため、表面弾性波素子を構成した場合、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、表面弾性波素子の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。   In the composite substrate for a surface acoustic wave device, the thickness of the piezoelectric substrate 1 thinned by the “laser ablation processing method” needs to be 5 μm or more and 30 μm or less. When the thickness of the piezoelectric substrate 1 is increased, the characteristics of the piezoelectric substrate (for example, lithium tantalate) appear, so when a surface acoustic wave device is configured, the thermal expansion of the piezoelectric substrate becomes dominant and the surface acoustic wave device electrode is formed. This is because expansion and contraction of the surface acoustic wave element increase, the frequency temperature characteristic of the surface acoustic wave element decreases, and the hardness as the composite substrate decreases, and the propagation speed also decreases.

(6)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に示すように上記複合基板における圧電基板1の表面に表面弾性波素子用電極(櫛歯状電極)4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)がフォトリソグラフィ技術を利用して形成される。
(6) Surface acoustic wave device The surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention is, as shown in FIGS. An electrode (comb-shaped electrode) 4 is formed. The surface of the piezoelectric substrate 1 is partitioned so that a large number of surface acoustic wave devices are formed, and a pair of comb-like electrodes (IDT electrodes) for the acoustic wave device are provided at positions corresponding to the respective surface acoustic wave devices. Are formed using a photolithography technique.

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。そして、伝搬方向に設けられた出力側のIDT電極から、伝搬された表面弾性波を電気信号として取り出すことができる。   Finally, a large number of SAW devices can be obtained by dicing along the sections. In the obtained SAW device, when a high-frequency signal is applied to the input-side IDT electrode, an electric field is generated between the electrodes, and a surface acoustic wave is excited and propagates on the piezoelectric substrate. Then, the propagated surface acoustic wave can be extracted as an electric signal from the output-side IDT electrode provided in the propagation direction.

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を具備し、多結晶ダイヤモンド薄膜層3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、
支持基板2上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程と、
上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程、
を具備することを特徴としている。
2. Method for manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device (1) Method for manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device according to first embodiment of the present invention Piezoelectric substrate 1 and support having a smaller coefficient of thermal expansion than piezoelectric substrate 1 A first embodiment in which a substrate 2 and a polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 are provided, and the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded. The method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device is as follows.
Forming a polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of the support substrate 2;
Forming a bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activated room temperature bonding method;
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
It is characterized by having.

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、前1.(2)に記載した圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板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3を形成する。
Hereinafter, each step will be described.
<a> Step of Forming Polycrystalline Diamond Thin-Film Layer 3 on One Main Surface of Supporting Substrate 2 The method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment is described in 1. 1. On one main surface of the support substrate 2 having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate described in (2). The polycrystalline diamond thin film layer 3 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、硬度や材料コストを加味すると、シリコン基板がより好ましい。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、多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電基板を直接接合することで、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 smaller thermal expansion coefficient than the selected piezoelectric substrate 1. Specifically, the material of the supporting substrate 2 is preferably one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass, and quartz glass. Further, in consideration of hardness and material cost, a silicon substrate is more preferable. By using a silicon substrate and forming a polycrystalline diamond thin film layer having high hardness on the silicon substrate, the hardness as a support substrate is increased, and by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric substrate. The resulting composite substrate for a surface acoustic wave device has a higher propagation speed than 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。   For forming the polycrystalline diamond thin film layer, it is preferable to use a microwave plasma CVD method. The microwave plasma CVD method is a synthesis method using electrodeless discharge using microwaves (usually a frequency of 2.45 GHz is used). The microwave plasma CVD method is a film forming method using plasma only by 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 has a higher film forming rate than other CVD methods. It has the advantages that damage due to heat can be suppressed and interdiffusion between the stacked 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。   The magnetic field microwave CVD method, which is a kind of the microwave plasma CVD method, makes it possible to produce a stable high-density plasma even at a low pressure by utilizing the interaction between the plasma and the magnetic field. This uses a strong plasma state by electron cyclotron resonance (ECR) in a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region than the CVD method. Since the plasma is low-pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed over a large area, which is suitable for forming the polycrystalline diamond thin film layer according to the present invention.

図3に、上記マイクロ波プラズマCVD装置の概略構成を示す。   FIG. 3 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6、矩形導波管7、整合器8、プランジャー9、反応管10、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3中、符号14は反応ガスを示す。   The microwave plasma CVD apparatus includes a magnetron 6, a rectangular waveguide 7, a matching device 8, a plunger 9, a reaction tube 10, a susceptor (substrate holder) 11, an exhaust pump 12, a power monitor 13, and the like. In FIG. 3, reference numeral 14 denotes a reaction gas.

マイクロ波プラズマCVD装置の反応管10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6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10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10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10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 support substrate 2 used in the present invention is placed on a susceptor (substrate holder) 11 in a reaction tube 10 of a microwave plasma CVD apparatus, and a predetermined reaction gas is introduced to adjust the pressure. The microwave generated by the magnetron 6 travels through 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 10, and a plasma P is generated in the reaction tube 10. . The substrate heating generally utilizes dielectric heating of the substrate holder 11 by microwaves. For the reaction tube 10, transparent quartz having low microwave absorption and high heat resistance is used. The matching unit 8 is for reducing the reflected wave to zero and efficiently transmitting the microwave to the reaction tube.

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 the film forming conditions, a reaction pressure of 1.3 to 8.0 kPa, a methane gas (CH 4 ) as a reaction gas, and a hydrogen gas (H 2 ) as a carrier gas are generally used. / H 2, etc. other types of gas can also be used. The ratio of the H 2 gas is preferably 80% or more. If the ratio of the H 2 gas is low, the non-diamond component of the obtained polycrystalline diamond thin film layer is increased, and the film quality is deteriorated.

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 microwave plasma has high energy, the film formation rate is higher than other CVD methods. Further, since the microwave plasma P exists near the supporting substrate 2 and becomes high temperature, direct heating of the substrate holder 11 is not required. The substrate temperature during film formation is preferably adjusted 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 decreases, and the diamond structure decreases and the hardness decreases. If the substrate temperature becomes too high, the influence on the substrate is increased, 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、圧電基板1形成用の接合用圧電基板と直接接合する前に、接合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、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。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以下にすることが望ましい。   The polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on the support substrate 2 by adjusting the above film forming conditions. The thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is preferably set to about 5 μm on the support substrate 2. The reason for this is that irregularities are present on the surface of the formed polycrystalline diamond thin film layer 3, and it is preferable to polish the bonding surface before directly bonding to the bonding piezoelectric substrate for forming the piezoelectric substrate 1. It is. If there are irregularities, there is a possibility that floating will not occur due to complete bonding at the atomic level. For example, if the thickness of the polycrystalline diamond thin film layer 3 is about 5 μm, it is desirable that the surface roughness Ra is about 0.5 μm or less, preferably 0.3 nm or less by polishing to about 3 μm.

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 for polishing the surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3, for example, direct polishing using a diamond electrodeposition wheel or diamond abrasive grains, or polishing using a metal such as iron or nickel heated at a high temperature (polishing using a thermochemical reaction) ) Etc. are available.

次工程で、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と、接合用圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合するため、上記接合用圧電基板の接合面も凹凸が存在し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以下になっていることが望ましい。表面粗さを小さくする理由は、次工程で、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板を直接接合するには平滑性が重要なためだからである。凹凸があると原子レベルで完全に接合せず浮きが発生する可能性がある。   In the next step, since the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and the bonding piezoelectric substrate are directly bonded by the surface activation room temperature bonding method, the bonding surface of the bonding piezoelectric substrate has no irregularities. Preferably, the surface roughness is Ra 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less. The reason for reducing the surface roughness is that smoothness is important for directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate in the next step. If there are irregularities, there is a possibility that floating will occur without complete bonding at the atomic level.

<b>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と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程
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と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する。
<B> Step of directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method to form a bonded body. The polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded by a surface activated room temperature bonding method to form a bonded body.

通常、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板とを接合するには、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、得られた複合基板を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、熱拡散で多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の接合を行うには1000℃以上の加熱が必要で、接合用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。   Usually, in order to join the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the joining piezoelectric substrate, an organic adhesive, an inorganic adhesive, a UV adhesive, heat diffusion bonding, or the like is used. However, since the various adhesives soften as the temperature rises, when the obtained composite substrate is used for a SAW device, the comb-shaped electrodes 4 formed on the piezoelectric substrate 1 also move at the same time as the piezoelectric substrate 1, causing resonance. The frequency is likely to change. Further, in order to join the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the piezoelectric substrate for bonding by thermal diffusion, heating at 1000 ° C. or more is required, and the temperature exceeds the Curie temperature of the piezoelectric substrate for bonding.

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常温接合が望ましい。常温接合するには、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の接合面と、接合用圧電基板の接合面となる一方の主面を十分に洗浄し、洗浄した多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板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。多結晶ダイヤモンド薄膜層3の接合面と接合用圧電基板の接合面を洗浄した後、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 to use room temperature bonding that can be bonded at room temperature and is bonded at the atomic level. In order to bond at room temperature, the bonding surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface which is the bonding surface of the bonding piezoelectric substrate are sufficiently washed, and the washed polycrystalline diamond thin film is washed. The layer 3 and the bonding piezoelectric substrate are placed in a vacuum vessel, and each bonding surface is irradiated with an ion (argon) beam in an ultra-high vacuum to remove residual impurities and activate each bonding surface. Join with pressure and no voltage. After cleaning the bonding surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding surface of the bonding piezoelectric substrate, it is also preferable to further perform UV irradiation on each of the bonding surfaces.

<c>接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により薄膜化した圧電基板を形成する工程
次に、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と接合用圧電基板との接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザ(例えば、エキシマレーザ)を照射して、接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下とする圧電基板を形成する。上記アブレーション加工により、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と直接接合された接合用圧電基板が薄膜化され、厚さ5μm以上30μm以下の圧電基板1が形成される。
<C> A non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to form a piezoelectric substrate thinned by ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate. Step Next, a laser (for example, an excimer laser) having a wavelength of 150 to 300 nm is applied to the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body of the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and the bonding piezoelectric substrate. To form a piezoelectric substrate having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less and a surface roughness Ra of 10 nm or less by ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate. By the ablation process, the bonding piezoelectric substrate directly bonded to the polycrystalline diamond thin film layer 3 is thinned, and the piezoelectric substrate 1 having a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less is formed.

アブレーション加工用の光源としては、接合用圧電基板を構成する材質の吸収端よりも短波長側の光を使用することが好ましく、通常は、350nm以下の波長を有する光が好ましい。特に、酸化物単結晶からなる基板を加工する場合には、300nm以下の波長を有する光を使用することによって、基板に対して照射された光が、極表面層中で吸収されるため、表面層のみを分解し、基板内部には加工ダメージを与えない。   As a light source for ablation processing, it is preferable to use light having a wavelength shorter than the absorption end of the material constituting the bonding piezoelectric substrate, and usually, light having a wavelength of 350 nm or less is preferable. In particular, when processing a substrate made of an oxide single crystal, by using light having a wavelength of 300 nm or less, light irradiated to the substrate is absorbed in the extremely surface layer. Decomposes only the layer and does not damage the inside of the substrate.

接合用圧電基板の上記非接合面を薄膜化させるアブレーション加工用光の波長としては、上述したように300nm以下とすることが一層好ましい。但し、実用的な観点からは、150nm以上とすることが好ましい。また、具体的な光源としては、エキシマレーザ光源の他に、YAGの四次高調波(266nmのレーザー光)、エキシマランプ等が、現在のところ実用的である。   The wavelength of the light for ablation processing for thinning the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is more preferably 300 nm or less as described above. However, from a practical viewpoint, the thickness is preferably 150 nm or more. As specific light sources, in addition to excimer laser light sources, fourth-order harmonics of YAG (laser light of 266 nm), excimer lamps, and the like are currently practical.

図4は、アブレーション加工用レーザ加工装置の概略構成を示す説明図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus for ablation processing.

このレーザ加工装置30は、図4に示す接合用圧電基板21/(直接接合)/多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)22から成る接合体の上記接合用圧電基板21の非接合面をアブレーション加工によって薄膜化する装置であり、次のように構成されている。すなわち、このレーザ加工装置30においては、接合用圧電基板21/(直接接合)/多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)22から成る接合体が、例えば、真空吸着方式等で支持台37上に固定保持されている。また、上記支持台37に固定保持される接合体は、該支持台37の下部に設けられたステージ41をX軸方向移動手段およびY軸方向移動手段を制御することにより、レーザビームLBが照射される照射部36の直下に移動される。   The laser processing apparatus 30 is a non-bonded surface of the bonded piezoelectric substrate 21 of a bonded body composed of the bonded piezoelectric substrate 21 / (direct bonding) / polycrystalline diamond thin film layer / support substrate (silicon substrate) 22 shown in FIG. Is a device for making a thin film by ablation processing, and is configured as follows. That is, in the laser processing apparatus 30, a bonded body composed of the bonding piezoelectric substrate 21 / (direct bonding) / polycrystalline diamond thin film layer / support substrate (silicon substrate) 22 is formed on the support base 37 by, for example, a vacuum suction method. Fixedly held on top. The joined body fixed and held by the support table 37 is irradiated with the laser beam LB by controlling the X-axis direction moving means and the Y-axis direction moving means of the stage 41 provided below the support table 37. Is moved directly below the irradiation unit 36 to be irradiated.

そして、このレーザ加工装置30では、レーザビームLBを出力するレーザ光源31が用いられ、このレーザ光源31から水平方向に出力されるレーザビームLBが、照射部36でビーム形状に整形されると共に、支持台37に固定されている接合体の上記接合用圧電基板21の非接合面に照射される。   In the laser processing apparatus 30, a laser light source 31 that outputs a laser beam LB is used. The laser beam LB output from the laser light source 31 in the horizontal direction is shaped into a beam shape by an irradiation unit 36, and The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate 21 of the bonded body fixed to the support table 37 is irradiated.

また、上記照射部36は、レーザビームLBを反射して下方に導光するミラー61と、ミラー61で反射されたレーザビームLBを整形する2枚のシリンドリカルレンズ62、63と、これ等のシリンドリカルレンズ62、63により整形されたレーザビームLBを接合用圧電基板21の内部に集光させる集光レンズ64とを有している。そして、このレーザ加工装置30では、上記照射部36によりレーザビームLBを所望のビーム形状に整形し、かつ、上記接合用圧電基板21の内部に集光させる照射ビームサイズ、つまり照射面積を調整することができる。短波長のエキシマレーザ等を用い、照射部36のレンズでレーザ光を集光すれば、レーザが短波長であるほど集光スポット径を数μmと小さくすることができ、該レーザ光をパルス状にしてエネルギーのピーク値を上げることで単位面積当たりのパワー密度を107〜109W/cm2とすることができ、当該レーザ光が照射される接合用圧電基板21について所望の厚さ分だけ溶解する前に瞬時に気化させることができる。また、気化するのはスポット径の部分だけではなく圧電基板材料の蒸発温度を超えた部分が気化する。圧電基板材料が溶融状態を経ないで気化するため圧電基板の表面状態もナノレベルで平滑にすることができる。照射されるレーザ光のエネルギー密度にもよるが、圧電基板の厚さで1〜2mm程度まで気化させることが可能である。従って、圧電基板の厚さを、容易に5μm以上30μm以下とすることができる。接合用圧電基板21の非接合面を上記レーザ光でスキャニングすることで広い面積も分解揮発させて薄膜化することができる。また、薄膜化した圧電基板表面は、そのままSAWフィルタの製造に適用できるレベルである表面粗さRa10nm以下の表面状態が得られる。 The irradiating unit 36 includes a mirror 61 that reflects the laser beam LB and guides the laser beam LB downward, two cylindrical lenses 62 and 63 that shape the laser beam LB reflected by the mirror 61, and these cylindrical lenses. A condensing lens 64 for condensing the laser beam LB shaped by the lenses 62 and 63 inside the bonding piezoelectric substrate 21. Then, in the laser processing apparatus 30, the irradiation section 36 shapes the laser beam LB into a desired beam shape, and adjusts the irradiation beam size, that is, the irradiation area to be focused inside the bonding piezoelectric substrate 21. be able to. By using a short wavelength excimer laser or the like and condensing the laser light with the lens of the irradiation unit 36, the shorter the laser wavelength, the smaller the focused spot diameter can be reduced to several μm. By raising the peak value of the energy, the power density per unit area can be set to 10 7 to 10 9 W / cm 2, and the desired thickness of the bonding piezoelectric substrate 21 to be irradiated with the laser beam can be obtained. It can be instantaneously vaporized just before dissolution. Further, not only the portion having the spot diameter but also the portion exceeding the evaporation temperature of the piezoelectric substrate material is vaporized. Since the piezoelectric substrate material is vaporized without passing through a molten state, the surface state of the piezoelectric substrate can be smoothed at the nano level. Depending on the energy density of the irradiated laser beam, it can be vaporized to a thickness of about 1 to 2 mm in the thickness of the piezoelectric substrate. Therefore, the thickness of the piezoelectric substrate can be easily set to 5 μm or more and 30 μm or less. By scanning the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate 21 with the laser light, a large area can be decomposed and volatilized to be thin. In addition, the surface of the thinned piezoelectric substrate has a surface state with a surface roughness Ra of 10 nm or less, which is a level that can be directly applied to the manufacture of a SAW filter.

ここで、エキシマレーザについて説明する。エキシマレーザは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザであり、ArF(波長193nm)、KrF(波長248nm)、XeCl(波長308nm)等の気体状の化合物が発振する紫外光を、光共振機により方向性を揃えて取り出したものである。エキシマレーザは、紫外線の短波長レーザであるため、物質を構成する原子や分子の結合をフォトンのエネルギーで分解することができ、この化学的作用に基づいた応用が展開されてきている。   Here, the excimer laser will be described. An excimer laser is a pulse repetition oscillation laser of ultraviolet light. The excimer laser emits ultraviolet light oscillated by a gaseous compound such as ArF (wavelength 193 nm), KrF (wavelength 248 nm), XeCl (wavelength 308 nm), and directs the light by an optical resonator. It was taken out together. Since the excimer laser is a short-wavelength laser of ultraviolet light, it is possible to decompose the bonds of atoms and molecules constituting a substance with the energy of photons, and applications based on this chemical action have been developed.

ところで、上記エキシマレーザによって、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と直接接合された接合用圧電基板の非接合面を薄膜化して圧電基板を形成する方法として、以下の三つの態様を挙げることができる。   By the way, the following three modes can be mentioned as a method of forming a piezoelectric substrate by thinning the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate directly bonded to the polycrystalline diamond thin film layer 3 by the excimer laser.

(1)スポットスキャン加工;
上記接合用圧電基板の非接合面に対し、レーザの光軸が垂直となるようにスポット状の光束を照射し、該スポット状の光束を走査させて光束が通過した部分を分解揮発させ、薄膜化した圧電基板を形成する。
(1) Spot scan processing;
A non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is irradiated with a spot-like light beam so that the optical axis of the laser is perpendicular, and the spot-like light beam is scanned to decompose and volatilize a portion through which the light beam has passed, thereby forming a thin film. A piezoelectric substrate is formed.

(2)一括転写加工;
予め所定パターンのマスクを通過させたレーザ光束を、接合用圧電基板の非接合面に直接照射し、該レーザ光束を移動させることなく照射部位を平面的に分解揮発させて薄膜化し圧電基板を形成する。一括して接合用圧電基板を薄膜化できるため加工能率が高く、平面性が極めて良好である。但し、大面積のレーザビームを発振させる必要があり、かつ光学系の精度も高くする必要がある。
(2) Batch transfer processing;
A non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is directly irradiated with a laser beam which has been passed through a mask of a predetermined pattern in advance, and the irradiated portion is decomposed and volatilized in a plane without moving the laser beam to form a thin film to form a piezoelectric substrate. I do. Since the bonding piezoelectric substrate can be thinned at one time, the processing efficiency is high and the flatness is extremely good. However, it is necessary to oscillate a large area laser beam, and it is necessary to increase the precision of the optical system.

(3)スリットスキャン加工;
レーザを、細長いパターンのスリットを有するマスクを透過させることで、細長い長方形の平面形状を有するレーザ光束を得る。そして、該レーザ光束を接合用圧電基板の非接合面に照射すると共に移動させ、これにより分解揮発させて薄膜化し圧電基板を形成する。スリットスキャン加工法によれば、照射部位を平面的に分解揮発させることができるため表面の平滑性が確保される。
(3) Slit scan processing;
The laser beam is transmitted through a mask having slits of an elongated pattern to obtain a laser beam having an elongated rectangular planar shape. Then, the laser beam is irradiated and moved on the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate, thereby being decomposed and volatilized into a thin film to form a piezoelectric substrate. According to the slit scan processing method, the irradiation site can be decomposed and volatilized in a planar manner, so that the surface smoothness is ensured.

このように、接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下の圧電基板を形成することができる。そして、圧電基板の厚さが極めて薄いため、該圧電基板が多結晶ダイヤモンド薄膜層の影響を顕著に受けて多結晶ダイヤモンド薄膜層の硬度に近づき、かつ、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従前より高い伝搬速度を実現することが可能となる。   As described above, the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm, and the thickness of the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less by ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonding surface. A piezoelectric substrate can be formed. Since the thickness of the piezoelectric substrate is extremely small, the piezoelectric substrate is significantly affected by the polycrystalline diamond thin film layer and approaches the hardness of the polycrystalline diamond thin film layer. Since the signal is propagated, it is possible to realize a higher propagation speed than before.

また、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板(例えばシリコン基板)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直接接合された上記圧電基板が、多結晶ダイヤモンド薄膜層の影響を顕著に受けて多結晶ダイヤモンド薄膜層の硬度に近づくため、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、従前より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, the piezoelectric substrate directly bonded to a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of a support substrate (for example, a silicon substrate) having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate, Since the hardness is remarkably influenced and approaches the hardness of the polycrystalline diamond thin film layer, the frequency characteristics do not shift (fluctuate) due to a temperature change, and it is possible to provide better frequency-temperature characteristics than before.

上記<a>〜<c>工程により、高周波数化と周波数温度特性が改善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。   According to the steps <a> to <c>, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment in which the frequency is increased and the frequency temperature characteristic is improved 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を具備し、多結晶ダイヤモンド薄膜層3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、
金属薄膜5を介し、支持基板2上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程と、
上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程、
を具備し、かつ、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の一方の主面と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、接合前の多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用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、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と上記接合用圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜3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 a smaller coefficient of thermal expansion than piezoelectric substrate 1, and one of support substrates 2 For the surface acoustic wave device according to the second embodiment in which the polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on the main surface of the substrate and the piezoelectric thin film layer 3 and the piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5. The manufacturing method of the composite substrate
Forming a polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of the support substrate 2;
The above-mentioned polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film 5 by a surface activated room temperature bonding method to form a bonded body. Process and
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
Having, and
In the step of directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer 3 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by the surface activation room temperature bonding method, the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate before bonding are formed. Is cleaned, and each bonding surface is irradiated with an ion beam to remove residual impurities, and after the metal thin film 3 is formed on at least one of the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate. It is characterized by direct bonding at room temperature in vacuum.

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を形成する工程
<c>接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により薄膜化した圧電基板を形成する工程
の各工程については、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>工程と<c>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<b>工程、すなわち、金属薄膜5を介し、支持基板2上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程、が相違している。
Of the above manufacturing process,
<a> Step of forming polycrystalline diamond thin film layer 3 on one main surface of support substrate 2 <c> Irradiating a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to a non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body, Regarding each step of the step of forming the piezoelectric substrate thinned by ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate, <a> in the manufacturing method of the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment Step and <c> step,
Step <b> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment, that is, the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 via the metal thin film 5 and the bonding piezoelectric The process is different from the first embodiment in that a main body is directly bonded to one main surface of the substrate by a surface activated room temperature bonding method to form a bonded body.

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<b>工程について、以下、説明する。   Therefore, the step <b> in the method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment will be described below.

<b>金属薄膜5を介し、支持基板2上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程
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>工程により、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。
<B> A bonded body obtained by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate via the metal thin film 5 by a surface activated room temperature bonding method. Step of Forming Polycrystalline diamond thin film layer 3 is formed on one main surface of support substrate 2 by the step <a> in the method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment.

次に、金属薄膜5を介し、支持基板2上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層3と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する。   Next, the above-mentioned polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film 5 by a surface activated room temperature bonding method to form a joined body. To form

金属薄膜5を介し、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板を直接接合するには、接合前の多結晶ダイヤモンド薄膜層3の接合面と上記接合用圧電基板の一方の主面を洗浄し、洗浄した多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の接合面をイオンビーム照射できるように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 join the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate via the metal thin film 5, the bonding surface of the polycrystalline diamond thin film layer 3 before bonding and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are washed. The bonding surface between the cleaned polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate is placed in a vacuum vessel so that the ion beam can be irradiated, and each bonding surface is irradiated with an ion beam in an ultra-high vacuum to remove residual impurities. And activate each joint surface.

次に、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の少なくとも一方の接合面にスパッタリング法により金属薄膜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。多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板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、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板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 at least one of the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate by a sputtering method. The metal thin film 5 is preferably a chromium film, a titanium film, or the like having a strong bonding force with oxygen and a high diffusion coefficient, and particularly preferably a titanium film. The thickness of the metal thin film 5 formed on at least one of the bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate is preferably 5 to 10 nm. If the film thickness is too thin, less than 5 nm, the film becomes discontinuous, and diffusion to the formed bonding surface 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 the film is interposed between the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate, and may not function as a diffusion layer. There is.

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・無電圧で多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板の主面を接合する。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、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板が金属薄膜5を介して直接接合され、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と接合用圧電基板とが接合された接合体が得られる。上記金属薄膜5が介在することで、多結晶ダイヤモンド薄膜層3と接合用圧電基板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 polycrystalline diamond thin film layer 3 and the main surface of the bonding piezoelectric substrate are bonded at room temperature, without pressure, and without voltage by utilizing the large atomic diffusion of the metal thin film 5. The metal thin film 5 exists on these bonding surfaces, and the metal thin film 5 can be bonded by atomic diffusion. Thereby, the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film 5, and the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on one main surface of the support substrate 2 and the bonding piezoelectric substrate are connected to each other. Are obtained. With the metal thin film 5 interposed, the surface roughness at both bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer 3 and the bonding piezoelectric substrate may be higher than when the metal thin film 5 is not provided, and the polishing cost before bonding is reduced. There is a merit to lower.

次いで、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<c>工程、すなわち、接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により薄膜化した圧電基板を形成する。   Next, in the <c> step in the method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, a non-bonded surface of the bonded piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm. Then, a piezoelectric substrate thinned by ablation processing for decomposing and volatilizing the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate is formed.

これにより、金属薄膜5を介し支持基板2上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層3と薄膜化された圧電基板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、高周波数化と周波数温度特性が改善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。   As a result, a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment in which the polycrystalline diamond thin film layer 3 formed on the support substrate 2 and the thinned piezoelectric substrate 1 are directly bonded via the metal thin film 5 is obtained. Can be That is, it is possible to obtain the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment in which the frequency is increased and the frequency temperature characteristic is improved.

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レーザアブレーション加工で薄膜化された圧電基板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)4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、上記圧電基板上にIDT電極と該IDT電極の両側部に一対の反射器を配置する。
3. Method for 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 the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment are thinned by laser ablation processing. The surface acoustic wave device electrode (IDT electrode) 4 having the above-described function is formed on the non-bonded surface of the piezoelectric substrate 1 thus manufactured, and the surface acoustic wave device is manufactured. When the surface acoustic wave device is used as a resonator, an IDT electrode and a pair of reflectors are arranged on the piezoelectric substrate on both sides of the IDT electrode.

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, a method for 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 a surface acoustic wave device, an IDT electrode and a reflector were formed on the conductive material layer by photolithography. A resist layer having a shape is formed.

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, by using the resist layer as a mask and removing the conductive material layer in a portion where the resist layer is not formed by a dry etching method such as reactive ion etching (RIE), the IDT electrode having a predetermined pattern and the reflective layer are removed. A 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。   When forming the IDT electrode, patterning may be performed by a lift-off method instead of the etching method. The number of the reflectors is appropriately adjusted in consideration of necessary 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理由から、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。 As the conductive material for the electrode, aluminum or a trace amount of a different metal (for example, Cu, Si, Ti, HfB 2, etc.) is used for aluminum or aluminum because of its low mass, low electric resistance, and high power durability. (Preferably, not necessarily a solid solution). For example, from the viewpoint of the power durability of the IDT electrode that affects the life of the surface acoustic wave element, an aluminum alloy to which a trace amount of copper is added by sputtering film deposition, which has a reputation for being resistant to migration in the field of semiconductor devices, is used. Preferably, it is used. However, the present invention is not limited to the above-described 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.

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、表面を伝搬する表面弾性波の伝搬速度が速くなって共振周波数が高くなり、かつ、周波数特性が温度変化によりシフト(変動)する課題も改善されると共に、良好な膜質の圧電体層を具備する長所を有する。   The surface acoustic wave device manufactured using the composite substrate for the surface acoustic wave device according to the first embodiment and the second embodiment, the propagation speed of the surface acoustic wave propagating on the surface is increased, the resonance frequency is increased, In addition, the problem that the frequency characteristics shift (fluctuate) due to a change in temperature is improved, and the piezoelectric layer has a good film quality.

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)接合用圧電基板の研磨
直径2インチ、厚さ50μmのタンタル酸リチウム基板[住友金属鉱山(株)社製]における一方の主面表面を、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。研磨後のタンタル酸リチウム基板表面の表面粗さを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。
[Example 1]
(1) Polishing of piezoelectric substrate for bonding One main surface of a lithium tantalate substrate (manufactured by Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) having a diameter of 2 inches and a thickness of 50 μm was coated with a diamond nano polishing machine [Abiko Giken Research Inc.] [In-house]. The surface roughness of the polished lithium tantalate substrate surface was measured with a three-dimensional optical profiler Nexview device (manufactured by Canon Inc.), and the substrate was polished until the surface roughness Ra became 0.3 nm.

(2)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。
(2) Formation of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer on Support Substrate (Silicon Substrate) A 2-inch diameter single-crystal silicon substrate (2 inches in diameter × 200 μm in thickness) is prepared as a support substrate, and the silicon substrate is formed using acetone. Ultrasonic cleaning.

次に、洗浄後の当該シリコン基板上に、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。
<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
Next, a 5.0 μm-thick polycrystalline diamond thin film layer was formed on the cleaned silicon substrate using a microwave plasma CVD apparatus under the following film forming conditions.
<Deposition conditions of polycrystalline diamond thin film layer>
・ Pretreatment: Ar bombard (10 minutes)
・ Reaction gas / carrier gas used: methane (CH 4 ) / hydrogen, (methane concentration 3%)
・ Gas flow rate: 100sccm
・ Power supply microwave frequency; 2.45 GHz
・ Microwave output: 600W
-Film forming pressure: 1.3 kPa
・ Substrate temperature during film formation: 700 ° C
・ Deposition time: 180 minutes

得られた薄膜のラマンスペクトルについて、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。 The Raman spectrum of the obtained thin film was measured using a Raman spectrophotometer. As a result, a high peak was confirmed at 1333 cm -1 . From this measurement result, it was confirmed that the film was a diamond film.

(3)多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、支持基板(シリコン基板)上に成膜し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。
(3) Polishing of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the supporting substrate (silicon substrate) was polished using a diamond nano-polisher [Abiko Giken Co., Ltd.]. The surface roughness of the polished polycrystalline diamond thin film layer was measured with a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon Inc.), and polished until the surface roughness Ra became 0.3 nm.

(4)多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板との常温接合
表面研磨した多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)と、主面表面が研磨されたタンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)を、アセトン液中で超音波洗浄し、更に、両基板の研磨がなされた表面にUV照射を60秒行った。
(4) Room Temperature Bonding of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer and Piezoelectric Bonding Substrate Surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / support substrate (silicon substrate) and lithium tantalate substrate whose main surface is polished (piezoelectric bonding substrate) ) Was subjected to ultrasonic cleaning in an acetone solution, and the polished surfaces of both substrates were subjected to UV irradiation 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照射を終えた上記両基板を配置し、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)、該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、多結晶ダイヤモンド薄膜層とタンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の接合体を得た。 Next, the two substrates, which have been washed and irradiated with UV, are placed in a surface activated bonding type room temperature bonding apparatus [Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuated to an ultra-high vacuum of 2 × 10 −6 Pa. The surface of the polished substrate is irradiated with an Ar beam (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and after activating the surface, polishing of both substrates is performed. The two surfaces were bonded at room temperature without applying heat, pressure, etc. to obtain a bonded body of a polycrystalline diamond thin film layer and a lithium tantalate substrate (piezoelectric substrate for bonding).

(5)接合体における接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工による圧電基板の薄膜化
タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)/(直接接合)/多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)の構成を有する接合体における上記タンタル酸リチウム基板の非接合面についてレーザアブレーション加工処理を行った。
<レーザアブレーション加工処理の条件>
・レーザアブレーション加工用レーザ装置:コヒーレント社エキシマレーザLEAP 150K
・レーザ波長:波長248nm
・レーザ光モード:シングルモード
・集光スポット径10μm、パルス幅1msec、出力0.8J(ピーク値80J)
・パワー密度:8×107J/m2
・レーザ光照射条件:スキャニング速度5mm/s、スキャニング幅2mm
(5) Thinning of the piezoelectric substrate by ablation processing to decompose and volatilize the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body Lithium tantalate substrate (piezoelectric bonding substrate) / (direct bonding) / polycrystalline diamond thin film layer / support substrate A laser ablation process was performed on the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate in the bonded body having the configuration of (silicon substrate).
<Laser ablation processing conditions>
・ Laser device for laser ablation processing: Excimer laser LEAP 150K by Coherent
・ Laser wavelength: wavelength 248 nm
Laser mode: single mode Focused spot diameter 10 μm, pulse width 1 msec, output 0.8 J (peak value 80 J)
・ Power density: 8 × 10 7 J / m 2
・ Laser irradiation conditions: scanning speed 5 mm / s, scanning width 2 mm

上記条件でレーザアブレーション加工を行ったところ、1回のスキャニングで、タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の厚さが約5μm分揮発した。このスキャニングを6回行い、タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の厚さを約30μm減少させた。   When laser ablation processing was performed under the above conditions, the thickness of the lithium tantalate substrate (bonding piezoelectric substrate) was evaporated by about 5 μm by one scanning. This scanning was performed six times, and the thickness of the lithium tantalate substrate (piezoelectric substrate for bonding) was reduced by about 30 μm.

上記処理により、タンタル酸リチウム基板の厚さは20μmで、レーザアブレーション加工後におけるタンタル酸リチウム基板表面の表面粗さRaは8nmとなり、平滑さが保たれていた。従って、この状態のまま表面弾性波素子の製造工程に移行できた。   By the above treatment, the thickness of the lithium tantalate substrate was 20 μm, the surface roughness Ra of the lithium tantalate substrate surface after laser ablation processing was 8 nm, and the smoothness was maintained. Therefore, it was possible to shift to the manufacturing process of the surface acoustic wave device in this state.

(6)表面弾性波素子の作製
実施例1に係る表面弾性波素子用複合基板のレーザアブレーション加工がなされた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。
(6) Production of Surface Acoustic Wave Device A 5 nm-thick Cr was first deposited on the non-bonded surface of the laser ablation-processed lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 1 by a vacuum evaporation method. Was formed, and then a Cu film having a thickness of 0.15 μm 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に係る表面弾性波素子(SAWフィルタ)を作製した。   Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed on the Cu film by a photolithography method, and the resist layer is formed by a dry etching method of reactive ion etching (RIE) using the resist layer as a mask. The portions of the Cu film and the Cr film not removed were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and the surface acoustic wave device (SAW filter) according to Example 1 was manufactured.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は11,000m/s、周波数温度特性は−12.8ppm/℃、電気機械結合係数は7.2%であった。   Regarding the characteristics of the obtained SAW device, the propagation speed was 11,000 m / s, the frequency temperature characteristic was −12.8 ppm / ° C., and the electromechanical coupling coefficient was 7.2%.

これ等の評価結果から、タンタル酸リチウム基板を用いた従来の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ていることが確認された。   From these evaluation results, it was confirmed that the propagation speed and the frequency temperature characteristics were higher than those of the conventional SAW device using the lithium tantalate substrate.

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6875MHzのSAWデバイスを得ることができた。得られたSAWデバイスの特性を表2に示す。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave becomes 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device having a resonance frequency of 6875 MHz could be obtained. Table 2 shows the characteristics of the obtained SAW device.

[実施例2]
実施例1の(4)工程において、金属薄膜を介して多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板の常温接合を行った以外は、実施例1の(1)(2)(3)工程と同様の条件で実施例2に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層とタンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の接合体を得た。
[Example 2]
In the step (4) of the embodiment 1, except that the room temperature bonding between the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate was performed via the metal thin film, the same as the steps (1), (2) and (3) of the embodiment 1 Under the conditions described above, a joined body of the polycrystalline diamond thin film layer according to Example 2 and a lithium tantalate substrate (piezoelectric substrate for joining) was obtained.

実施例2における(4)工程、すなわち、金属薄膜を介した多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板との常温接合は以下のように行った。   Step (4) in Example 2, that is, the room-temperature bonding between the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate via the metal thin film was performed as follows.

表面研磨した多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)と、主面表面が研磨されたタンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)を、アセトン液中で超音波洗浄し、更に、両基板の研磨がなされた表面にUV照射を60秒行った。   The surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / support substrate (silicon substrate) and the lithium tantalate substrate (bonding piezoelectric substrate) whose main surface has been polished are ultrasonically cleaned in an acetone solution. UV irradiation was performed on the polished surface 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)、該表面を活性化した後、同一チャンバー内で、支持基板(シリコン基板)上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層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, both substrates that have been washed and irradiated with UV light are placed in a surface activated bonding type room-temperature bonding device [Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuated to an ultra-high vacuum of 2 × 10 −6 Pa. Is irradiated with an Ar beam (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and after activating the surface, a support substrate (silicon) is placed in the same chamber. On the surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on the (substrate), a titanium film was formed to a thickness of 7 nm by a sputtering method.

次いで、上記タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)とチタン膜が成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、多結晶ダイヤモンド薄膜層とタンタル酸リチウム基板の接合体を得た。   Then, the lithium tantalate substrate (piezoelectric substrate for bonding) and the surface of the polycrystalline diamond thin film layer on which the titanium film is formed are opposed to each other, and both surfaces are bonded at room temperature without applying heat, pressure and the like. A joined body of the thin film layer and the lithium tantalate substrate was obtained.

(5)接合体における接合用圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工による圧電基板の薄膜化
タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)/(直接接合:Ti膜)/多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)の構成を有する接合体におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面について実施例1と同条件でレーザアブレーション加工を行った。
(5) Thinning the piezoelectric substrate by ablation processing to decompose and volatilize the non-bonding surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body Lithium tantalate substrate (bonding piezoelectric substrate) / (direct bonding: Ti film) / polycrystalline diamond thin film layer Laser ablation processing was performed on the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate in the bonded body having the structure of / supporting substrate (silicon substrate) under the same conditions as in Example 1.

実施例1と同条件でレーザアブレーション加工を行ったところ、1回のスキャニングで、タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の厚さが約5μm分揮発した。このスキャニングを6回行い、タンタル酸リチウム基板(接合用圧電基板)の厚さを約30μm減少させた。   When laser ablation was performed under the same conditions as in Example 1, the thickness of the lithium tantalate substrate (bonding piezoelectric substrate) was evaporated by about 5 μm by one scanning. This scanning was performed six times, and the thickness of the lithium tantalate substrate (piezoelectric substrate for bonding) was reduced by about 30 μm.

上記処理により、タンタル酸リチウム基板の厚さは20μmで、レーザアブレーション加工後におけるタンタル酸リチウム基板表面の表面粗さRaは8nmとなり、平滑さが保たれていた。従って、この状態のまま表面弾性波素子の製造工程に移行できた。   By the above treatment, the thickness of the lithium tantalate substrate was 20 μm, the surface roughness Ra of the surface of the lithium tantalate substrate after laser ablation processing was 8 nm, and the smoothness was maintained. Therefore, it was possible to shift to the manufacturing process of the surface acoustic wave device in this state.

尚、これ等の製造条件について実施例1と共に表1に示す。   Table 1 shows these manufacturing conditions together with Example 1.

(6)表面弾性波素子の作製
実施例2に係る表面弾性波素子用複合基板のレーザアブレーション加工がなされた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。
(6) Production of Surface Acoustic Wave Device A 5 nm-thick Cr layer was first formed on the non-bonding surface of the laser ablation-processed lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 2 by a vacuum evaporation method. Was formed, and then a Cu film having a thickness of 0.15 μm 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2に係る表面弾性波素子(SAWフィルタ)を作製した。   Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed on the Cu film by a photolithography method, and the resist layer is formed by a dry etching method of reactive ion etching (RIE) using the resist layer as a mask. The portions of the Cu film and the Cr film not removed were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and a surface acoustic wave device (SAW filter) according to Example 2 was manufactured.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度は8,900m/s、周波数温度特性は−22.2ppm/℃、電気機械結合係数は7.4%であった。   Regarding the characteristics of the obtained SAW device, the propagation speed was 8,900 m / s, the frequency temperature characteristic was -22.2 ppm / ° C., and the electromechanical coupling coefficient was 7.4%.

これ等の評価結果から、タンタル酸リチウム基板を用いた従来の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ていることが確認された。   From these evaluation results, it was confirmed that the propagation speed and the frequency temperature characteristics were higher than those of the conventional SAW device using the lithium tantalate substrate.

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5563MHzのSAWデバイスを得ることができた。得られたSAWデバイスの特性を表2に示す。   Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave becomes 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device having a resonance frequency of 5563 MHz was able to be obtained. Table 2 shows the characteristics of the obtained SAW device.

[比較例1]
実施例1の(1)〜(5)工程については行わず、直径2インチ、厚さ50μmのタンタル酸リチウム基板を用い、タンタル酸リチウム基板のIDT電極を形成する側の表面研磨を行い、実施例1の(6)「表面弾性波素子の作製」工程に従って比較例1に係る表面弾性波素子(SAWフィルタ)を作製した。
[Comparative Example 1]
The steps (1) to (5) of Example 1 were not performed, and the surface of the lithium tantalate substrate on which the IDT electrode was formed was polished using a lithium tantalate substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of 50 μm. A surface acoustic wave device (SAW filter) according to Comparative Example 1 was manufactured in accordance with the step (6) of “producing a surface acoustic wave device” of Example 1.

得られたSAWフィルタの特性は、伝搬速度は3900m/s、周波数温度特性は−38.2ppm/℃、電気機械結合係数は8.0%であった。これ等の評価結果は、従前のSAWフィルタと同様の伝搬速度、周波数温度特性であった。   Regarding the characteristics of the obtained SAW filter, the propagation speed was 3900 m / s, the frequency temperature characteristic was -38.2 ppm / ° C., and the electromechanical coupling coefficient was 8.0%. These evaluation results were the same propagation speed and frequency temperature characteristics as those of the conventional SAW filter.

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2438MHz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 becomes 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device having a resonance frequency of 2438 MHz was obtained.

上記伝搬速度(3900m/s)であり、SAWデバイスの高周波数化は実現できなかった。得られたSAWデバイスの特性を表2に示す。   With the above propagation speed (3900 m / s), a higher frequency of the SAW device could not be realized. Table 2 shows the characteristics of the obtained SAW device.

[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200μm、表面粗さRa0.3nm)を準備した。
[Comparative Example 2]
A 2-inch diameter single crystal silicon substrate (2 inches in diameter × 200 μm in thickness, 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50μm、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。   Further, as a piezoelectric substrate, a lithium tantalate substrate [manufactured by Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.] having a diameter of 2 inches, a thickness of 50 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。   Then, 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、支持基板(シリコン基板)とタンタル酸リチウム基板が接合された比較例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 that have been washed and irradiated with UV light are placed in a surface activated bonding type room-temperature bonding device [Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuated to an ultra-high vacuum of 2 × 10 −6 Pa. Is irradiated with an Ar beam (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and after activating the surfaces of both substrates, the surfaces of both substrates are opposed to each other. By bonding both surfaces at room temperature without applying heat, pressure, etc., a composite substrate (composite substrate) for a surface acoustic wave device according to Comparative Example 2 in which a support substrate (silicon substrate) and a lithium tantalate substrate are bonded is produced. did.

実施例1の(5)工程、「接合体における圧電基板の非接合面を分解揮発させるアブレーション加工による薄膜化」は行わず、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の研磨を行った。   The non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate was polished without performing the step (5) of Example 1, "thinning by ablation processing to decompose and volatilize the non-bonding surface of the piezoelectric substrate in the bonded body". .

すなわち、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31μm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。   That is, the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate having the structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / silicon substrate is reduced to a thickness of 31 μm using a surface polisher [DGP8761 manufactured by Disco Corporation]. Polished. Further, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to have a surface roughness Ra of 4 nm for the non-bonded surface.

上記製造条件について表1に示す。   Table 1 shows the above manufacturing conditions.

得られた複合基板を用い、実施例1の(6)「表面弾性波素子の作製」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 obtained composite substrate, a SAW device according to Comparative Example 2 was manufactured in accordance with the step (6) “Production of surface acoustic wave device” of Example 1.

得られたSAWデバイスの特性は、伝搬速度4100m/s、周波数温度特性は−14.8ppm/℃、電気機械結合係数は7.3であった(表2参照)。   As for the characteristics of the obtained SAW device, the propagation speed was 4100 m / s, the frequency temperature characteristic was −14.8 ppm / ° C., and the electromechanical coupling coefficient was 7.3 (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)とすることにより、共振周波数2563MHzのSAWデバイスが得られた。   By setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave becomes 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device having a resonance frequency of 2563 MHz was 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従来のSAWデバイスを上回る伝搬速度は得られなかった。   Comparative Example 2 employs a composite substrate structure in which a silicon substrate and a lithium tantalate substrate are directly bonded to each other. The silicon substrate has a smaller thermal expansion than the lithium tantalate substrate, and thus the elongation of the lithium tantalate substrate is reduced. It was suppressed, the electrode spacing was not widened, and the change in resonance frequency was very small. However, a propagation speed higher than that of a conventional SAW device using a lithium tantalate substrate was not obtained.

Figure 2020022049
Figure 2020022049

Figure 2020022049
Figure 2020022049

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。   The surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention can be used as a substrate for a surface acoustic wave device because the frequency can be increased and the frequency characteristics can be shifted (fluctuated) due to a temperature change. Has industrial applicability 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 櫛歯状電極(IDT電極)
5 金属薄膜
6 マグネトロン
7 矩形導波管
8 整合器
9 プランジャー
10 反応管
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 反応ガス
21 接合用圧電基板
22 多結晶ダイヤモンド薄膜層/支持基板(シリコン基板)
30 レーザ加工装置
31 レーザ光源
34 制御部
36 照射部
37 支持台
41 ステージ
61 ミラー
62、63 シリンドリカルレンズ
64 集光レンズ
LB レーザビーム
P plasma 1 Piezoelectric substrate 2 Support substrate 3 Polycrystalline diamond thin film layer 4 Comb-shaped electrode (IDT electrode)
Reference Signs List 5 metal thin film 6 magnetron 7 rectangular waveguide 8 matching device 9 plunger 10 reaction tube 11 susceptor (substrate holder)
12 Exhaust pump 13 Power monitor 14 Reaction gas 21 Piezoelectric substrate for bonding 22 Polycrystalline diamond thin film layer / support substrate (silicon substrate)
Reference Signs List 30 laser processing device 31 laser light source 34 control unit 36 irradiation unit 37 support base 41 stage 61 mirror 62, 63 cylindrical lens 64 condensing lens LB laser beam

Claims (13)

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と圧電基板が直接接合され、かつ、該圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であ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 supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In 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 surface elasticity, wherein the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric substrate are directly joined, the thickness of the piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less. Composite substrate for wave elements.
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と圧電基板が金属薄膜を介し直接接合され、かつ、該圧電基板の厚さが5μm以上30μm以下であり、該圧電基板の表面粗さRaが10nm以下であ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 supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In 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 the piezoelectric substrate are directly bonded via a metal thin film, the thickness of the piezoelectric substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, and the surface roughness Ra of the piezoelectric substrate is 10 nm or less. Composite substrate for a surface acoustic wave device.
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1〜3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 3, wherein the support substrate is made of one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass, and quartz glass. Composite substrate for devices. 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1〜3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 made of at least one kind of bulk crystal selected from lithium tantalate, lithium niobate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, crystal, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, and langatate. The composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the composite substrate is configured. 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、
支持基板上に形成された上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程と、
上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程、
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 supporting substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric substrate,
In a method for manufacturing 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,
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
A step of forming a bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
A method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising:
上記支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程において、
金属薄膜を介して、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合することを特徴とする請求項6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 bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
7. The surface acoustic wave device according to claim 6, wherein the polycrystalline diamond thin film layer and one main surface of the bonding piezoelectric substrate are directly bonded via a metal thin film by a surface activation room temperature bonding method. A method for manufacturing a composite substrate.
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6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,
7. The method according to claim 6, 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6または8に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。   9. The method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 6, wherein a surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate is polished. 上記接合体における接合用圧電基板の非接合面に、波長150〜300nmのレーザを照射して、接合用圧電基板の上記非接合面を分解揮発させるアブレーション加工により、厚さが5μm以上30μm以下で、かつ、表面粗さRaが10nm以下である圧電基板を形成する工程において、
波長150〜300nmの上記レーザがエキシマレーザであることを特徴とする請求項6に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
The non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate in the bonded body is irradiated with a laser having a wavelength of 150 to 300 nm to ablate to decompose and volatilize the non-bonded surface of the bonding piezoelectric substrate, and has a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less. And forming a piezoelectric substrate having a surface roughness Ra of 10 nm or less,
The method according to claim 6, wherein the laser having a wavelength of 150 to 300 nm is an excimer laser.
上記支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、接合用圧電基板の一方の主面とを表面活性化常温接合法により直接接合して接合体を形成する工程において、
接合前の上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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活性化した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項6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 bonded body by directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer formed on the support substrate and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activation room temperature bonding method,
After cleaning each bonding surface of the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate before bonding, irradiating each bonding surface with an ion beam to remove and activate residual impurities, and then directly bonding in vacuum at room temperature The method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 6, wherein:
金属薄膜を介して、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用圧電基板の一方の主面と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、
接合前の上記多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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、多結晶ダイヤモンド薄膜層と接合用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7に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
In a step of directly bonding the polycrystalline diamond thin film layer and one main surface of the bonding piezoelectric substrate by a surface activated room temperature bonding method via a metal thin film,
The bonding surfaces of the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and each bonding surface is irradiated with an ion beam to remove residual impurities, and the polycrystalline diamond thin film layer and the bonding piezoelectric substrate are bonded. 8. The method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein a metal thin film is formed on at least one of the bonding surfaces, and then directly bonded at room temperature in a 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12に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。   The method for manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 12, 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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