JP2021005785A - 表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】特性が改善された表面弾性波デバイス用複合基板を提供する。【解決手段】本発明に係る表面弾性波デバイス用複合基板は、圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される。圧電単結晶基板と支持基板との間には介在層が存在しており、介在層内の化学吸着水の量が１×１０２０分子／ｃｍ３以下である。圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しているとよく、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比を０．２以上７．０以下とすることが好ましい。【選択図】図２
Description
本発明は、圧電単結晶基板と支持基板とを接合した表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイスに関する。
近年、スマートフォンに代表される移動体通信の市場において、通信量が急激に増大している。これに対応するため、通信バンド数を増やす必要があり、表面弾性波デバイスをはじめとする各種部品の小型化、高性能化が必須となってきている。
表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）デバイス（例えば、表面弾性波フィルタ）の材料としては、圧電材料であるタンタル酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔａｎｔａｌａｔｅ：ＬＴ）やニオブ酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ：ＬＮ）が広く用いられている。これらの材料は、大きな電気機械結合係数を有し、デバイスの広帯域化が可能である一方で、温度安定性が低く温度変化によって対応できる周波数がシフトしてしまうという問題がある。これは、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムが非常に高い熱膨張係数を有することに起因する。
この問題を解決するために、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムに、熱膨張係数の小さな材料を貼り合せて、圧電材料側を数μｍ〜数十μｍに薄化した複合基板が提案されている。この複合基板は、サファイアやシリコン等の熱膨張係数の小さな材料を貼り合せることによって圧電材料の熱膨張を抑え、温度特性を改善したものである（非特許文献１及び非特許文献２）。また、特許文献１には圧電膜を有する弾性波装置であって、支持基板と、前記支持基板上に形成されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜と、前記高音速膜上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、前記低音速膜上に積層された前記圧電膜と、前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える、弾性波装置が開示されている。
さらに、特許文献２には支持基板と、前記支持基板上に積層された媒質層と、前記媒質層上に積層されており、バルク波が伝搬する圧電体と、前記圧電体の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、前記媒質層が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が低速である低速媒質と、前記圧電体を伝搬する前記弾性波の音速よりも、前記弾性波の主成分であるバルク波と同じバルク波の伝搬速度が高速である高速媒質とを含んでおり、前記高速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶＨ、前記低速媒質で該媒質層を形成した場合の主振動モードの音速をＶＬ、としたとき、前記媒質層が形成された弾性波装置における主振動モードの音速が、ＶＬ＜主振動モードの音速＜ＶＨ、となるように、前記媒質層が形成されており、前記媒質層の厚みが、ＩＤＴの周期をλとしたときに、１λ以上である、ことを特徴とする、弾性波装置が開示されている。
また、特許文献３には、圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、該圧電単結晶基板と該支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、該凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下である表面弾性波デバイス用複合基板が開示されている。
スマートフォンのＲＦフロントエンドに用いられるＳＡＷ‐Ｄｕｐｌｅｘｅｒの温度補償技術，電波新聞ハイテクノロジー２０１２年１１月８日
"Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ‐Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ"，２０１０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐａｇｅ ６３７‐６４０．
しかしながら、発明者が鋭意検討したところ、上記の複合基板を用いて表面弾性波フィルタを作製した場合、支持基板と圧電基板の間の介在層が膨潤して表面弾性波フィルタの特性が継時変化することがあるという問題があることがわかった。また、上記の複合基板を用いた場合、Ｍ表面弾性波フィルタの通過帯域内若しくは、より高い周波数にスプリアス若しくはリップルと呼ばれるノイズが発生するという問題がある。このノイズは、圧電結晶膜と支持基板の接合界面における波の反射や、圧電結晶膜と支持基板間の介在層に弾性波動がトラップされることにより生じ、表面弾性波フィルタの周波数特性を悪化させたり、ロス増大の原因となったりするため好ましくない。
上記課題を解決すべく、本発明に係る表面弾性波デバイス用複合基板は、圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される。圧電単結晶基板と支持基板との間には介在層が存在しており、介在層内の化学吸着水の量が１×１０２０分子／ｃｍ３以下である。
本発明では、圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しているとよく、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比を０．２以上７．０以下とすることが好ましい。
本発明では、介在層の遅い横波の音速は圧電基板の遅い横波の音速より速いとよい。
本発明では、介在層として、ＳｉＯｘ（ｘ＝２±０．５）を含むとよい。あるいは、
介在層として、酸窒化ケイ素膜、ＳｉＮ、アモルファスＳｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯを含むとよい。
介在層として、酸窒化ケイ素膜、ＳｉＮ、アモルファスＳｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯを含むとよい。
本発明では、介在層の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき、０．２波長以上、１波長以下であるとよい。
本発明では、圧電単結晶基板の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき１波長以上、６波長以下であるとよい。
本発明では、支持基板は、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、水晶の何れかであるとよい。支持基板が、凹凸構造を有するシリコン基板である場合、凹凸構造は、ピラミッド形状であるとよい。
本発明では、圧電単結晶基板は、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板であるとよい。圧電単結晶基板は、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙまたは回転２１６°Ｙ〜２２９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板であると特によい。圧電単結晶基板は、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされているタンタル酸リチウム単結晶基板としてもよい。
本発明では、圧電単結晶基板が、タンタル酸リチウム単結晶基板である場合、タンタル酸リチウム単結晶基板の母材である、タンタル酸リチウム単結晶のテール側のＸ軸の格子定数が２３℃で５．１５４０４Å〜５．１５４１０Åであることが好ましい。
また、本発明に係る表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法は、圧電単結晶基板及び／又は支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、凹凸構造の上に介在層を設ける工程とを少なくとも含む。該製造方法は、圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板とを接合する工程、支持基板上に設けられた介在層と圧電単結晶基板とを接合する工程、および圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板上に設けられた介在層とを接合する工程の何れかの接合する工程をさらに含む。そして、介在層内の化学吸着水の量が１×１０２０分子／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
本発明では、介在層の表面を鏡面化する工程を含むとよい。また、介在層を４００℃以下で熱処理するとよい。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明は、圧電単結晶基板２と支持基板３とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板１及びその製造方法に関するものである。図１に示すように、複合基板１において、圧電単結晶基板２と支持基板３との間に介在層４が設けられる。
本実施形態の複合基板１は、圧電単結晶基板２と支持基板３との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板２と支持基板３の何れか一方は凹凸構造を有している。この凹凸構造は、当該凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比であるＲＳｍ／λが０．２以上７．０以下となるように形成される。このようにすれば、主に通過帯域外のスプリアスを効果的に低減することが可能である。
なお、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λは、複合基板（表面弾性波デバイス）に入力される電気信号の周波数と表面波（リーキー波）の速度によって決定される。表面波の速度は、材料によって異なり、ＬｉＴａＯ３では約４０００ｍ／ｓである。したがって、ＬｉＴａＯ３を圧電単結晶基板として用いた複合基板から、２ＧＨｚの表面弾性波デバイスを製造する場合、表面弾性波の波長λは約２μｍとなる。また、同複合基板から８００ＭＨｚの表面弾性波デバイスを製造する場合には、表面弾性波の波長λは約５μｍとなる。
凹凸構造の断面曲線における算術平均粗さＲａは、特に限定されないが、Ｒａが小さすぎると、スプリアスを低減する効果が十分に得られないと考えられる。このため、Ｒａは１００ｎｍ以上であることが好ましい。また、Ｒａが大きすぎると、介在層４を設ける際に時間やコストが掛かる他、表面を均一に研磨することも難しく、製造上好ましくない。このため、Ｒａは１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
圧電単結晶基板２には、スプリアスが問題となる表面弾性波デバイス用複合基板であれば、圧電材料の種類によらずいかなるものを用いてもよい。圧電単結晶基板２の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき１波長以上、６波長以下とするとよい。
圧電単結晶基板２の材質としては、例えば、大きな電気機械結合係数を有するタンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板を用いるとよい。特に、圧電単結晶基板２としてタンタル酸リチウム単結晶基板を用いる場合は、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板を用いることが好ましい。また、結晶構造が対象である２１６°Ｙ〜２２９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板を用いてもよい。また、圧電単結晶基板２として、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされているタンタル酸リチウム単結晶基板を用いてもよい。
タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が概略一様であるものを用いるとよい。そのＬｉ濃度は、概略コングルエント組成や疑似ストイキオメトリー組成とすることができる。コングルエント組成の圧電単結晶基板は、チョクラルスキー法などの公知の方法から比較的容易に作製できる点で好ましい。一方、ＬｉとＴａ又はＮｂとの比率がＬｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であるような疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板は、高い機械結合係数と優れた温度特性を示す点で好ましい。
タンタル酸リチウム単結晶基板を圧電単結晶基板２として用いる場合、タンタル酸リチウム単結晶基板は、テール側のＸ軸の格子定数が２３℃で５．１５４０４Å〜５．１５４１０Åであるタンタル酸リチウム単結晶を母材とするものであることが好ましい。このような格子定数のタンタル酸リチウム単結晶はシードからテールまで音速変動が極めて小さく、また面内においても音速変動が極めて少ない。このため、このようなタンタル酸リチウム基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板は、音速や結合係数、さらに温度特性がウエハ面内で安定したものとなり、これを用いた表面弾性波デバイスは面内で安定した特性を示すことになる。
支持基板３は、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、水晶の何れかとするとよい。支持基板３として、凹凸構造を有するシリコン基板を用いるとよく、この場合、凹凸構造は、ピラミッド形状とするとよい。
上述のとおり、介在層４は、圧電単結晶基板２と支持基板３との間に設けられる。介在層４の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき、０．２波長以上、１波長以下とするとよい。介在層４は、ガスバリア性がある素材で形成するとよい。介在層４は、例えば、酸窒化ケイ素膜、ＳｉＮ、アモルファスＳｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯのいずれかを含むとよい。また、ＳｉＯｘ（ｘ＝２±０．５）、酸窒化膜を含んでもよい。
介在層４内の化学吸着水の量は１×１０２０分子／ｃｍ３以下とするとよい。このようにすれば、表面弾性波フィルタ特性が経時変化することを防ぐことができる。また、介在層４に水素や水等の不純物を多量に含むとアウトガスと呼ばれる揮発成分が発生し、信頼性を低下させることため、できる限り高純度の介在層４を形成することが好ましい。
続いて、図２を参照して、本実施形態に係る複合基板１の製造方法を説明する。
はじめに、圧電単結晶基板２および支持基板３のそれぞれについて、貼り合わせ前の処理を行う。まず圧電単結晶基板２および支持基板３を用意し（図２のＳ０１およびＳ１１）、その表面を粗面化して凹凸構造を形成する（図２のＳ０２およびＳ１２）。続いて、凹凸構造の上に、無機材料の介在層４を堆積させた後（図２のＳ０３およびＳ１３）、表面を研磨して鏡面化する（図２のＳ０４およびＳ１４）。
はじめに、圧電単結晶基板２および支持基板３のそれぞれについて、貼り合わせ前の処理を行う。まず圧電単結晶基板２および支持基板３を用意し（図２のＳ０１およびＳ１１）、その表面を粗面化して凹凸構造を形成する（図２のＳ０２およびＳ１２）。続いて、凹凸構造の上に、無機材料の介在層４を堆積させた後（図２のＳ０３およびＳ１３）、表面を研磨して鏡面化する（図２のＳ０４およびＳ１４）。
圧電単結晶基板２及び／又は支持基板３の表面に凹凸構造を形成する方法は、特に限定されない。目的の表面粗さとなるように砥粒や砥石を選択して研磨を施してもよいし、乾式／湿式エッチングを用いてもよい。
介在層４としてＳｉＯ２等の無機材料を堆積させる方法としては、例えば、ＰＥ‐ＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ強化化学気相成長法）やスパッタ等に代表されるＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相成長法）を用いることができる。また、アルコキシドシラン等のシラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、パーヒドロポリシラザン等のポリシラザン、シリコーンオイル等のシリコーンオリゴマーやそれらの溶液をウェーハ上に塗布して、熱処理によって硬化させることにより介在層４を堆積してもよい。
ＳｉＯ２等の無機材料を高温下で堆積させた場合、室温に戻した際の反りやクラックが問題となる場合があるため、室温に近い温度で介在層４を形成することが好ましい。工程温度が７０℃以下となるようにすれば、真空チャックに吸着可能な程度まで基板の反りを抑えることが可能である。具体的には、室温ＣＶＤ法やマグネトロンスパッタ等を用いて、室温に近い温度で介在層４を形成するとよい。
また、介在層４に水素や水等の不純物を多量に含むとアウトガスと呼ばれる揮発成分が発生し、信頼性を低下させることから、できる限り高純度の介在層を形成する必要がある。例えば、接合前に介在層の加熱処理やプラズマ処理またはＵＶ光を照射する処理をおこなうことにより介在層の化学吸着水の量を制限するとよい。
貼り合わせ面（堆積した介在層４の表面）を鏡面化した圧電単結晶基板２と支持基板３とを接合する（図２のＳ２１）。そして、圧電単結晶基板２を所定の厚さまで研磨して薄化し（図２のＳ２２）、複合基板１とする。このようにして作製した複合基板１は、圧電単結晶基板２と支持基板３の双方が凹凸構造を有している構造となる。
上述のように、圧電単結晶基板２、支持基板３、および介在層４を含んで構成される複合基板１において、介在層４の遅い横波の音速が圧電単結晶基板２の遅い横波の音速より速くなるように構成するとよい。このようにすれば、介在層４に弾性波がトラップされることにより主に表面弾性波フィルタの通過帯域内でリップルが生じて通過帯域の特性が悪化（つまりロスが増加）するのを防止する効果が得られる。以下ではこのような効果が得られるメカニズムを説明する。
非特許文献２には、タンタル酸リチウム（ＬＴ）とＳｉとを接合した複合基板に周期的電極構造を形成して得た表面弾性波フィルタにおける、音速（共振・反共振）と電極の周期をλで規格化したＬＴの厚みとの関係が示されている（図３）。これによると、電極の周期をλで規格化したＬＴの厚みに対し、いくつかの飛び飛びのＬＴ厚では音速が他のモードと結合して発散する分散関係が有るとされている。こうした、特殊なＬＴ厚とした複合基板を用いてフィルタを構成した場合、通過帯域内にリップルが生じて特性が悪化（つまりロスが増加）する原因となると予想される。
本実施形態の複合基板１では、圧電単結晶基板２（ＬＴ）と支持基板３の間は介在層４が配置されるが、介在層４のバルク波（遅い横波）の速度がＬＴのバルク波（遅い横波）より遅いと、介在層内に弾性波がトラップされやすくなる。特に、前記の図３の音速が他のモードと結合とするＬＴ厚では、介在層に弾性波がトラップされやすくなる。したがって、複合基板１において介在層４の遅い横波の音速を圧電単結晶基板２の遅い横波の音速より速くすれば、このような複合基板１を用いて得られる表面弾性波フィルタの通過帯域のロスを改善することができる。以下、より詳しく説明する。
複合基板に周期的電極構造を形成して得た表面弾性波フィルタにおいて、電極により圧電体表面付近に励振される表面弾性波のメインモードの音速は、例えば４６°回転ＹカットのＬＴとＳｉとを接合した複合基板で、ＬＴの厚みが１波長以上であって分散曲線の特異点を除くＬＴ厚では、図３に示されるように電極が電気的に開放の場合、４０６０ｍ／ｓ（音速の逆数である逆速度は２．４６×１０−３ｓ/ｍ）、電極が電気的に短絡の場合、３９１０ｍ/ｓ（音速の逆数である逆速度は２．５６×１０−３ｓ/ｍ）である。
電極よりＬＴ表面に沿って伝搬する表面弾性波（またはリーキー波、またはＳＨ波）は、ＬＴ基板内部を伝搬可能な特定のＬＴ内のバルク波と結合することができる。すなわち、図４に示した４６℃回転ＹカットＬＴの逆速度面（計算値）に表されるように、図４のように上述の４６℃回転ＹカットＬＴとＳｉとを接合した複合基板構造のメインモードは、位相整合が可能なＸ軸より深さ方向に約２２度に伝搬するバルク波（遅い横波）と結合することができる。
図５は、４６℃回転ＹカットＬＴを圧電単結晶基板として用い、介在層としてＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６を用いた場合の逆速度面の一例を示している。介在層としてＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６を用いると、介在層の遅い横波の音速が圧電単結晶基板の遅い横波の音速より速くすることができる。
図５に示されるような、介在層の遅い横波の音速が圧電単結晶基板の遅い横波の音速より速い状況では、４６℃回転ＹカットＬＴのＸ軸より約２２°方向に放射される遅い横波は、介在層に達しても介在層にて全反射される。このため、電極よりＬＴ表面に沿って伝搬する表面弾性波（またはリーキー波、またはＳＨ波）から内部に漏れるバルク波は介在層にて全反射され、介在層内に留まることができない。
図３に示されるＬＴ厚に対して分散曲線が発散する特異点では、伝搬可能な音速が３８００〜４２００ｍ/ｓと広がる。これを逆速度で表現すれば、逆速度は約２．４×１０−３〜２．６×１０−３（s/ｍ）となる。このため電極よりＬＴ表面に沿って伝搬する表面弾性波（またはリーキー波、またはＳＨ波）から内部に漏れるバルク波は遅い横波または早い横波と結合可能となる。しかし図５に示される状況においては、介在層の遅い横波（＝早い横波）の逆速度が２．３×１０−３（s/ｍ）となり、やはりＬＴからのメインモードに起因するバルク波は本願の介在層で全反射される。
さらに圧電単結晶基板が介在層との境界において凹凸構造を持つと、ＬＴからのメインモードに起因する概略２２°方向のバルク波は凹凸構造で散乱されて、電極へ戻る成分を激減させることができる。
このため、介在層の遅い横波の音速は圧電基板の遅い横波の音速より速い構成の複合基板を用いた表面弾性波デバイス（フィルタ）は、高信頼性であり、ＬＴ厚にあまり依存することなく、介在層に留まってしまうスプリアスが生じないため、フィルタの通過帯域内のリップルやロスといった特性の劣化を防ぐことができる。
＜実施例１＞
実施例１では、算術平均粗さＲａが１５００ｎｍ±３０％、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍが３μｍ±１０％、最大高さＲｚが２．０μｍ±１０％、である凹凸構造を有する４６°ＹカットのＬＴ基板を準備した。ここで、ＬＴ基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。
実施例１では、算術平均粗さＲａが１５００ｎｍ±３０％、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍが３μｍ±１０％、最大高さＲｚが２．０μｍ±１０％、である凹凸構造を有する４６°ＹカットのＬＴ基板を準備した。ここで、ＬＴ基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。
次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ２を８μｍ程度堆積させた後、このＳｉＯ２付ＬＴ基板を２００℃〜６００℃の温度で４８時間加熱した。加熱処理の後、ＳｉＯ２付ＬＴ基板のＳｉＯ２を堆積させた面を研磨してＳｉＯ２の厚みの平均値が約２μｍの厚さになるよう鏡面化を行った。そして、ＳｉＯ２鏡面及び支持基板となるＳｉ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して１８μｍまで薄化することによって、６インチの複合基板を作製した。
また、加熱処理による効果を確認すべく、ＳｉＯ２付ＬＴ基板を加熱処理せずに、ＳｉＯ２付ＬＴ基板のＳｉＯ２を堆積させた面を研磨してＳｉＯ２の厚みの平均値が約３μｍの厚さになるよう鏡面化を行い、さらに前記ＳｉＯ２鏡面及び支持基板となるＳｉ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して１８μｍまで薄化することによって、６インチの複合基板を作製した。
上記の実施例１において、ＳｉＯ２付ＬＴ基板のＳｉＯ２膜における化学吸着水の量を質量分析計にて定量した。また、各試料についてヤング率及び密度を夫々ナノインデーション法、Ｘ線反射率法（Ｘｒｒ）法により測定した。以上で説明した実施例１の結果およびヤング率と密度から求めたＳｉＯ２膜の遅い横波の音速（計算値）を表１に示す。
次に、作製した６インチの複合基板（ＳｉＯ２付ＬＴ基板に加熱処理したものとしていないものの両方）のＬＴ基板側表面に、蒸着で厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子５段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ２，ＢＣｌ３，Ｎ２，ＣＦ４の混合ガスを用いた。
次に、加熱処理有りで作製した複合基板上に形成されているフィルタ部の周波数特性をＲＦプローブにて測定したところ、図６に実線で示す周波数特性が得られた。図６に示すように、フィルタの通過帯域外には目立ったスプリアス応答がないことがわかる。
また、加熱処理無しで作製した複合基板上に形成されているフィルタ部の周波数特性をＲＦプローブにて測定したところ、加熱処理を経た複合基板を用いたフィルタと同様の周波数特性が得られた。
本実施例では表面弾性波の波長λは５μｍであり、ＲＳｍは３μｍであるので、ＲＳｍ／λの値は、０．６である。
次に、６インチの複合基板（ＳｉＯ２付ＬＴ基板に加熱処理したものとしていないものの両方）から、フィルタ回路が描かれた１．５ｍｍ角チップを多数切り出し、セラミックパッケージに実装して、ワイヤーボンディングにて配線した。パッケージに実装したチップの例を図７に示す。このパッケージをリッドにより蓋をし、気密封止した。封止後のセラミックパッケージ外観を図８に示す。
気密封止したフィルタの特性を評価したところ、加熱処理を経た複合基板を用いたもの、および加熱処理を経ていない複合基板を用いたもののいずれについても、図６に実線で示したものと同様の周波数特性となった。
次に、上記の気密封止した表面弾性波フィルタを２６５℃のリフロー炉に６回通したのち、−４０℃〜１２５℃のヒートサイクルを１０００サイクル実施し、さらに２気圧で湿度８５％、１２５℃の環境下に１０００時間放置した。
その後、気密封止した表面弾性波フィルタの特性を評価したところ、加熱処理を経た複合基板を用いたものについては、ヒートサイクルを経た後も、図６に実線で示したものと同様の周波数特性となった。この評価結果を表１に付記した。なお、各条件で評価したフィルタの数はそれぞれ１１個であった。
一方、加熱処理無しで作製した複合基板を用いたものについては、その結果、図６において破線で示した周波数特性が得られた。加熱処理無しで作製した複合基板からなる表面弾性波フィルタの場合、実装初期は加熱処理有りで作製した複合基板を用いたものの場合と同等の周波数特性であったが、ヒートサイクルを経た後は挿入損失が約２ｄＢ程劣化した。
＜実施例２＞
実施例２では、算術平均粗さＲａが１５００ｎｍ±３０％、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍが３μｍ±１０％、最大高さＲｚが２．０μｍ±１０％、である凹凸構造を有する４６°ＹカットのＬＴ基板を準備した。ここで、ＬＴ基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。
実施例２では、算術平均粗さＲａが１５００ｎｍ±３０％、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍが３μｍ±１０％、最大高さＲｚが２．０μｍ±１０％、である凹凸構造を有する４６°ＹカットのＬＴ基板を準備した。ここで、ＬＴ基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。
次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６を８μｍ程度堆積させた。その後、前記のＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６付ＬＴ基板を室温〜６００℃の温度で４８時間加熱した。図９は２００℃で加熱処理したＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６付ＬＴ基板のＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６膜の顕微鏡像を示す。また図１０は、４００℃以上の加熱処理をしたＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６付ＬＴ基板のＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６膜の顕微鏡像を示す。４００℃以上の加熱処理により、クラックが入ったことが分かる。
加熱処理で割れなかった試料についてＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６付ＬＴ基板のＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６膜を堆積させた面を研磨してＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６の膜の厚みの平均値が約３μｍになるよう鏡面化を行った。そして、ＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６の膜の鏡面及び支持基板となるＳｉ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせた。そして、ＬＴ基板を研磨してＬＴ厚を６μｍから１８μｍまでＬＴ厚が１μｍずつ異なるようＬＴを薄化して、複数の６インチの複合基板を作製した。
上記、ＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６付ＬＴ基板のＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６膜の化学吸着水の量を質量分析計にて定量した。また、各試料についてヤング率及び密度を夫々ナノインデーション法、Ｘ線反射率法（Ｘｒｒ）法により測定した。以上で説明した実施例２の結果およびヤング率と密度から求めたＳｉＯ１．７４Ｎ０．２６膜の遅い横波の音速（計算値）を表２に示す。
次に、作製した６インチの複合基板のＬＴ基板側表面に、蒸着で厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子５段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ２，ＢＣｌ３，Ｎ２，ＣＦ４の混合ガスを用いた。
次に、パタニングを形成したウエハのフィルタ部の特性をＲＦプローブにて測定したところ、各ＬＴ厚のウエハとも図１１に実線で示す周波数特性が得られた。
また、加熱処理による効果を確認すべく、加熱処理無しで作製したＬＴ厚が６〜１８μｍの複数の６インチの複合基板のＬＴ基板側表面にラダーフィルタの電極パタンを形成した。このようにして得られたフィルタの周波数特性をＲＦプローブにて測定したところ加熱処理を経た複合基板を用いたフィルタと同様の周波数特性が得られた。
実施例２では表面弾性波の波長λは５μｍであり、ＲＳｍは３μｍであるので、ＲＳｍ／λの値は、０．６である。
図１１に示されるように、実施例２のフィルタの帯域外には目立ったスプリアス応答がないことがわかる。また、実施例１（図１１中の破線）におけるフィルタと比べ挿入損失が改善されたことが分かる。
次に、６インチの複合基板（加熱処理したものとしていないものの両方）から、フィルタ回路が描かれた１．５ｍｍ角チップを多数切り出し、セラミックパッケージに実装して、ワイヤーボンディングにて配線した。パッケージに実装したチップは図７と同様である。このパッケージをリッドにより蓋をし、気密封止した。封止後のセラミックパッケージ外観は図８と同様である。
前記気密封止した、本願の複合基板からなる表面弾性波フィルタの特性を評価したところ、全ての場合で図１１に実戦で示したものと同様の周波数特性となった。ただし、４００℃以上で加熱した試料については、接合ができなかったため６インチの複合基板を作製することができなかったためデバイスの特性を評価していない。
次に、上記の気密封止した表面弾性波フィルタを２６５℃のリフロー炉に６回通したのち、−４０℃〜１２５℃のヒートサイクルを１０００サイクル実施し、さらに２気圧で湿度８５％、１２５℃の環境下に１０００時間放置した。
その後、前記の表面弾性波フィルタの特性を評価したところ、ヒートサイクルを経た後も、図１１に実線で示したものと同様の周波数特性となった。この評価結果を表２に付記した。なお、各条件で評価したフィルタの数はそれぞれ１１個であった。
以上で説明した通り、本発明の表面弾性波デバイス用複合基板を用いれば、好ましい特区性の表面弾性波デバイスを得ることができる。
１ 複合基板
２ 圧電単結晶基板
３ 支持基板
４ 介在層
２ 圧電単結晶基板
３ 支持基板
４ 介在層
Claims (16)
- 圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、
前記圧電単結晶基板と支持基板との間には介在層が存在しており、
前記介在層内の化学吸着水の量が１×１０２０分子／ｃｍ３以下である
ことを特徴とする表面弾性波デバイス用複合基板。 - 前記圧電単結晶基板と前記支持基板との接合界面部において、少なくとも前記圧電単結晶基板と前記支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、
前記凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。 - 前記介在層の遅い横波の音速は圧電基板の遅い横波の音速より速いことを特徴とする請求項１または２に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記介在層として、ＳｉＯｘ（ｘ＝２±０．５）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記介在層として、酸窒化ケイ素膜、ＳｉＮ、アモルファスＳｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記介在層の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき、０．２波長以上、１波長以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記圧電単結晶基板の厚みは表面弾性波の波長をλとしたとき１波長以上、６波長以下であることを特徴とする請求項６に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記支持基板は、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、水晶の何れかであることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記支持基板は、凹凸構造を有するシリコン基板であり、
該凹凸構造は、ピラミッド形状であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。 - 前記圧電単結晶基板は、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記圧電単結晶基板は、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙまたは回転２１６°Ｙ〜２２９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記圧電単結晶基板は、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされているタンタル酸リチウム単結晶基板であることを特徴とする請求項９に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 前記圧電単結晶基板は、タンタル酸リチウム単結晶基板であって、前記タンタル酸リチウム単結晶基板の母材である、タンタル酸リチウム単結晶のテール側のＸ軸の格子定数が２３℃で５．１５４０４Å〜５．１５４１０Åであることを特徴とする請求項１から８、１１、および１２のいずれか１項に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
- 圧電単結晶基板及び／又は支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、
前記凹凸構造の上に介在層を設ける工程とを少なくとも含み、
前記圧電単結晶基板上に設けられた前記介在層と前記支持基板とを接合する工程、前記支持基板上に設けられた前記介在層と前記圧電単結晶基板とを接合する工程、および前記圧電単結晶基板上に設けられた前記介在層と前記支持基板上に設けられた前記介在層とを接合する工程の何れかの接合する工程を含み、
前記介在層内の化学吸着水の量が１×１０２０分子／ｃｍ３以下であることを特徴とする表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。 - 前記介在層の表面を鏡面化する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
- 前記介在層を４００℃以下で熱処理することを特徴とする請求項１４に記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
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