JP2022189738A

JP2022189738A - 複合基板および複合基板の製造方法

Info

Publication number: JP2022189738A
Application number: JP2022078984A
Authority: JP
Inventors: 美典谷; Minori Tani
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-12-22
Also published as: JP7075529B1; JP2022189405A; WO2022259627A1; TW202315313A

Abstract

【課題】ＳＡＷフィルタの高性能化に寄与し得る複合基板および複合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】複合基板１００は、支持基板１０と、支持基板１０の片側に配置される圧電層２０と、を有する。複合基板１００は、任意の層をさらに有していてもよく、例えば、複合基板１００は、圧電層２０と支持基板１０との間に配置される中間層を有していてもよい。支持基板１０は、その形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅は１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下である。このような支持基板を用いることにより、圧電層２０の膜厚精度が良好に達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合基板および複合基板の製造方法に関する。

携帯電話等の通信機器には、任意の周波数の電気信号を取り出すため、例えば、弾性表面波を利用したフィルタ（ＳＡＷフィルタ）が用いられている。このＳＡＷフィルタは、圧電層を有する複合基板上に電極等が形成された構造を有する（例えば、特許文献１を参照）。

近年、情報通信機器の分野では、例えば、通信量が急激に増加しており、上記ＳＡＷフィルタの高性能化が求められている。

特開２０２０－１５０４８８号公報

本発明の主たる目的は、ＳＡＷフィルタの高性能化に寄与し得る複合基板を提供することにある。

本発明の実施形態による複合基板は、支持基板と、前記支持基板の片側に配置される圧電層と、を有し、前記支持基板の形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅は１０ｎｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記圧電層の第一地点における厚みＴ１と第二地点における厚みＴ２との差の絶対値は、１００ｎｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記圧電層の厚みは５μｍ以下である。
本発明の別の実施形態による弾性表面波素子は、上記複合基板を有する。

本発明の別の実施形態による複合基板の製造方法は、互いに対向する第一主面および第二主面を有する圧電基板の前記第一主面側に、支持基板を接合すること、および、前記圧電基板の第二主面側の表面を研磨すること、を含み、前記支持基板の形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅は１０ｎｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記圧電基板を研磨して得られる圧電層の第一地点における厚みＴ１と第二地点における厚みＴ２との差の絶対値は、１００ｎｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記圧電基板を研磨して得られる圧電層の厚みは５μｍ以下である。

本発明の実施形態によれば、例えば、ＳＡＷフィルタの高性能化に寄与し得る。

本発明の１つの実施形態に係る複合基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。複合基板の外観の一例を示す図である。支持基板の形状と圧電層の形状の概要の一例を示す図である。支持基板の形状と圧電層の形状の概要の別の一例を示す図である。１つの実施形態に係る複合基板の製造工程例を示す図である。図４Ａに続く図である。図４Ｂに続く図である。図４Ｃに続く図である。実施例のシリコン基板の形状を示す図である。実施例のＬＴ層の膜厚分布を示す図である。実施例のシリコン基板の形状およびＬＴ層の膜厚分布のＦＦＴ解析結果を示す図である。図５Ｃの縦軸および横軸を拡大して示す図である。比較例のシリコン基板の形状を示す図である。比較例のＬＴ層の膜厚分布を示す図である。比較例のシリコン基板の形状およびＬＴ層の膜厚分布のＦＦＴ解析結果を示す図である。図６Ｃの縦軸および横軸を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。また、図面は説明をより明確にするため、実施の形態に比べ、各部の幅、厚み、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

Ａ．複合基板
図１は、本発明の１つの実施形態に係る複合基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。複合基板１００は、支持基板１０と、支持基板１０の片側に配置される圧電層２０とを有する。図示しないが、複合基板１００は、任意の層をさらに有していてもよい。このような層の種類・機能、数、組み合わせ、配置等は、目的に応じて適切に決定され得る。例えば、複合基板１００は、圧電層２０と支持基板１０との間に配置される中間層（例えば、無機材料層）を有していてもよい。また、例えば、複合基板１００は、圧電層２０または図示しない中間層と支持基板１０との間に配置される接合層を有していてもよい。

複合基板１００は、任意の適切な形状で製造され得る。１つの実施形態においては、図２に示すように、いわゆる、ウェハの形態で製造され得る。複合基板１００のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、ウェハの直径は、５０ｍｍ～１５０ｍｍである。

Ａ－１．支持基板
支持基板１０の厚みは、任意の適切な厚みが採用され得る。支持基板の厚みは、例えば１００μｍ～１０００μｍである。

支持基板は、その形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅は０ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下である。このような支持基板を用いることにより、後述の圧電層の膜厚精度が良好に達成され得る。

支持基板としては、任意の適切な基板が用いられ得る。支持基板は、単結晶体で構成されてもよく、多結晶体で構成されてもよい。支持基板を構成する材料としては、好ましくは、シリコン、サファイア、ガラス、石英、水晶およびアルミナからなる群から選択される。

上記シリコンは、単結晶シリコンであってもよく、多結晶シリコンであってもよく、高抵抗シリコンであってもよい。

代表的には、上記サファイアはＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する単結晶体であり、上記アルミナはＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する多結晶体である。

支持基板を構成する材料の熱膨張係数は、後述の圧電層を構成する材料の熱膨張係数よりも小さいことが好ましい。このような支持基板によれば、温度が変化したときの圧電層の形状・サイズの変化を抑制し、例えば、得られる弾性表面波素子の周波数特性の変化を抑制し得る。

Ａ－２．圧電層
上記圧電層を構成する材料としては、任意の適切な圧電性材料が用いられ得る。圧電性材料としては、好ましくは、ＬｉＡＯ_３の組成を有する単結晶が用いられる。ここで、Ａは、ニオブおよびタンタルからなる群から選択される一種以上の元素である。具体的には、ＬｉＡＯ_３は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）であってもよく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）であってもよく、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体であってもよい。

圧電性材料がタンタル酸リチウムである場合、圧電層として、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、その法線方向がＹ軸からＺ軸に３２°～５５°（例えば、４２°）回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５８°～３５°，１８０°）のものを用いるのが、伝搬損失が小さいため好ましい。

圧電性材料基板がニオブ酸リチウムである場合、圧電層として、例えば、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、その法線方向がＺ軸から－Ｙ軸に３７．８°回転した方向のもの、オイラー角表示で(０°，３７．８°，０°）のものを用いるのが、電気機械結合係数が大きいため好ましい。また例えば、圧電性材料基板がニオブ酸リチウムである場合、圧電層として、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、その法線方向がＹ軸からＺ軸に４０°～６５°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５０°～２５°，１８０°）のものを用いるのが、高音速が得られるため好ましい。

圧電層の厚みは、好ましくは５μｍ以下であり、より好ましくは３μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以下である。一方、圧電層の厚みは、例えば０．２μｍ以上である。このような厚みによれば、高性能な弾性表面波素子を得ることができる。具体的には、温度特性（ＴＣＦ）を改善し得る、Ｑ値を向上させ得る等の効果が期待される。

圧電層の厚みは均一であることが好ましい。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、支持基板の形状（例えば、Ｘ軸方向の）と圧電層の形状の概要の一例を示す図である。図３Ａに示すように、支持基板１０のうねり周波数が低い場合（例えば、空間周波数が０．０４５ｃｙｃ／ｍｍ以下の場合）、圧電層２０の形状を支持基板１０のうねりに対応させやすく、圧電層２０の膜厚精度に優れ得る。例えば、Ｘ軸方向において、第一地点における圧電層２０の厚み（第一の厚み）Ｔ１と第二地点における圧電層の厚み（第二の厚み）Ｔ２との差の絶対値は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以下である。このような膜厚精度を有することにより、高性能な弾性表面波素子を得ることができる。具体的には、Ｑ値を向上させ得る等の効果が期待される。また、特性のばらつきの小さい弾性表面波素子を得ることができる。図３Ｂに示すように、支持基板１０のうねり周波数が高い場合（例えば、空間周波数が０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超える場合）、圧電層２０の形状を支持基板１０のうねりに対応させにくい傾向にあるが、上記支持基板のうねりの振幅を満たすことにより、圧電層２０の膜厚精度に優れ得る。

Ａ－３．その他
上述のとおり、複合基板は、中間層を有し得る。中間層を構成する材料としては、例えば、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムが挙げられる。中間層の厚みは、例えば０．１μｍ～２μｍである。

上記中間層は、任意の適切な方法により成膜され得る。例えば、スパッタリング、イオンビームアシスト蒸着（ＩＡＤ）等の物理蒸着、化学蒸着、原子層堆積（ＡＬＤ）法により成膜され得る。

また、上述のとおり、複合基板は、接合層を有し得る。接合層を構成する材料としては、例えば、ケイ素酸化物、シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ハフニウムが挙げられる。接合層の厚みは、例えば０．００５μｍ～１μｍである。

接合層は、任意の適切な方法により成膜され得る。具体的には、上記中間層の成膜方法と同様の方法により成膜され得る。

Ａ－４．製造方法
本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法は、互いに対向する第一主面および第二主面を有する圧電基板の第一主面側に支持基板を接合すること、および、圧電基板の第二主面側の表面を研磨すること、を含む。代表的には、接合後に研磨を行う。

図４Ａ～図４Ｄは、１つの実施形態に係る複合基板の製造工程例を示す図である。

図４Ａは、支持基板１０の互いに対向する両主面の研磨が完了した状態を示している。図４Ａに示す例では、支持基板１０の下面１０ａは平らに研磨され、上面１０ｂは下方に凸の湾曲した形状を呈している。支持基板１０の形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅は、０ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下である。このような値は、例えば、図示例の形状により良好に達成され得る。図示しないが、上面１０ｂは上方に凸の湾曲した形状を呈していてもよい。

図４Ｂは、支持基板１０と圧電基板２２とが直接接合された状態を示している。圧電基板２２は互いに対向する第一主面２２ａおよび第二主面２２ｂを有し、第一主面２２ａを研磨した後、支持基板１０と接合する。直接接合に際し、接合面は任意の適切な活性化処理により活性化されていることが好ましい。例えば、支持基板１０の上面１０ｂを活性化し、圧電基板２２の第一主面２２ａを活性化した後、支持基板１０の活性化面と圧電基板２２の活性化面とを接触させ、加圧することで直接接合する。こうして、図４Ｂに示す接合体９０を得る。

得られた接合体９０の圧電基板２２の第二主面２２ｂは、上記所望の厚みの圧電層となるように、研削、研磨等の加工が施される。図４Ｃは第二主面２２ｂの研削が完了した状態を示し、図４Ｄは第二主面２２ｂの研磨が完了し状態を示している。研磨により圧電層２０が形成され、複合基板１００を得る。圧電層２０の上面２０ａの形状は、例えば、支持基板１０の上面１０ｂの形状に対応し得る。

上記研磨の方法としては、例えば、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）、ラップ（ｌａｐ）研磨等による鏡面研磨が挙げられる。好ましくは、化学機械研磨加工が採用される。具体的には、研磨スラリー（例えば、コロイダルシリカ）を用いた研磨パッドによる化学機械研磨加工が採用される。

上記接合に際し、例えば、研磨剤の残渣、加工変質層等の除去のため、各層の表面を洗浄することが好ましい。洗浄方法としては、例えば、ウエット洗浄、ドライ洗浄、スクラブ洗浄が挙げられる。これらの中でも、簡便かつ効率的に洗浄し得ることから、スクラブ洗浄が好ましい。スクラブ洗浄の具体例としては、洗浄剤（例えば、ライオン社製、サンウオッシュシリーズ）を用いた後に、溶剤（例えば、アセトンとイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）との混合溶液）を用いてスクラブ洗浄機にて洗浄する方法が挙げられる。

上記活性化処理は、代表的には、中性化ビームを照射することにより行う。好ましくは、特開２０１４－０８６４００号公報に記載の装置のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、このビームを照射することにより活性化処理を行う。具体的には、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用し、チャンバーにアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入し、直流電源から電極へ高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビーム照射による活性化処理時の電圧は０．５ｋＶ～２．０ｋＶとすることが好ましく、ビーム照射による活性化処理時の電流は５０ｍＡ～２００ｍＡとすることが好ましい。

上記接合面の接触および加圧は、真空雰囲気で行うことが好ましい。このときの温度は、代表的には、常温である。具体的には、２０℃以上４０℃以下が好ましく、より好ましくは２５℃以上３０℃以下である。加える圧力は、好ましくは１００Ｎ～２００００Ｎである。

Ｂ．弾性表面波素子
本発明の実施形態による弾性表面波素子は、上記複合基板を有する。弾性表面波素子は、代表的には、上記複合基板と、上記複合基板の圧電層側に設けられた電極（櫛型電極）とを有する。このような弾性表面波素子は、例えば、ＳＡＷフィルタとして携帯電話等の通信機器に好適に用いられる。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

［実施例］
直径４インチで厚み５００μｍのタンタル酸リチウム（ＬＴ）基板（弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４２°ＹカットＸ伝搬のＬＴ基板）を用意した。

また、直径４インチで厚み５００μｍのシリコン基板を用意し、このシリコン基板の表面（両面）を研磨した。具体的には、ＣＭＰ研磨機のＳＵＳキャリア上にシリコン基板を設置し、硬質ウレタンパッドを使用し、研磨剤としてコロイダルシリカを用いて両面研磨を行った。

次いで、ＬＴ基板とシリコン基板とを直接接合した。具体的には、ＬＴ基板の表面およびシリコン基板の表面を洗浄した後、両基板を真空チャンバーに投入して１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、両基板の表面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量２７ｓｃｃｍ）を８０秒間照射した。照射後、両基板のビーム照射面を重ね合わせ、１２００ｋｇｆで２分間加圧して両基板を接合し、接合体を得た。

次いで、上記接合体（複合基板）のＬＴ基板の裏面を、当初の５００μｍから３μｍになるまで、グラインダー加工機により研削した。さらに、厚みが１μｍになるまで、ＣＭＰ研磨機にて、硬質ウレタンパッドを使用し、研磨剤としてコロイダルシリカを用いて鏡面研磨し、シリコン基板とＬＴ層とを有する複合基板を得た。

［比較例］
シリコン基板の両面研磨時に、硬質ウレタンパッドのかわりに不織布を使用したこと以外は実施例と同様にして、複合基板を得た。

＜評価＞
上記実施例および比較例について下記の評価を行った。
１．平坦度（形状）および厚み（膜厚分布）の測定
斜入射干渉法フラットネステスター（ＮＩＤＥＫ社製の「ＦＴ－１７」）により両面研磨後のシリコン基板のＸ軸方向の平坦度を測定した。また、得られた複合基板のＬＴ層のＸ軸方向の厚みを、顕微分光膜厚計（大塚電子社製の「ＯＰＴＭ」）により測定した。具体的には、ウェハの中心を原点とした時の－４３．４ｍｍ～＋４３．４ｍｍの範囲を２．８ｍｍピッチにて３２点を測定した。
実施例のシリコン基板の結果を図５Ａに、実施例のＬＴ層の結果を図５Ｂに示す。また、比較例のシリコン基板の結果を図６Ａに、比較例のＬＴ層の結果を図６Ｂに示す。なお、図５Ａ，図５Ｂおよび図６Ａ，図６Ｂに示すグラフでは、厚みの平均値を差し引いた値を示している。
２．ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）解析
上記１で得られた結果について、ＦＦＴ解析を行った。具体的には、上記１で得られた形状および膜厚分布を窓関数としてハニング窓を掛け算し、ＦＦＴ解析を行った。計算の際、傾き成分・直流成分は除去した上で、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌの分析ツールを使用した。ＦＦＴ変換、振幅の計算のため、得られた絶対値を１６（データ点数３２点÷２）で割り算し、その後ハニング窓による処理の影響を考慮して２倍した。
なお、シリコン基板が下方（ＬＴ基板が配置されない側）に凸の形状の場合、ハニング窓を掛け算した際に不要な周波数成分が発生したため、シリコン基板が上方に凸の形状になるよう、各データを最大値から引き算することでデータを反転させて計算を行った。
実施例の結果を図５Ｃおよび図５Ｄに示し、比較例の結果を図６Ｃおよび図６Ｄに示す。

図５Ｂに示すように、実施例では、ＬＴ層の膜厚精度に優れた複合基板が得られることがわかる。

本発明の実施形態による複合基板は、代表的には、弾性表面波素子に好適に用いられ得る。

１０支持基板
２０圧電層
１００複合基板

Claims

支持基板と、
前記支持基板の片側に配置される圧電層と、を有し、
前記支持基板の形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅が１０ｎｍ以下である、
複合基板。
前記圧電層の第一地点における厚みＴ１と第二地点における厚みＴ２との差の絶対値は、１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の複合基板。
前記圧電層の厚みは５μｍ以下である、請求項１または２に記載の複合基板。
互いに対向する第一主面および第二主面を有する圧電基板の前記第一主面側に、支持基板を接合すること、および、
前記圧電基板の第二主面側の表面を研磨すること、を含み、
前記支持基板の形状の空間周波数０．０４５ｃｙｃ／ｍｍを超えるうねりの振幅が１０ｎｍ以下である、
複合基板の製造方法。
前記圧電基板を研磨して得られる圧電層の第一地点における厚みＴ１と第二地点における厚みＴ２との差の絶対値は、１００ｎｍ以下である、請求項４に記載の製造方法。
前記圧電基板を研磨して得られる圧電層の厚みは５μｍ以下である、請求項４または５に記載の製造方法。