JP3453822B2 - 圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電体基板と半導体基板
を一体化する複合基板の製造方法及びそれを用いた圧電
デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電体である水晶基板と半導体であるシ
リコン基板を接着剤を用いずに接着する方法として、特
開平４−２８３９５７号にある直接接合が知られてい
る。

【０００３】ここでいう直接接合とは親水化処理を施し
た清浄な基板間に働く原子間力により、両基板を密着さ
せ、さらに熱処理を加えることでえられる原子同士の強
固な接合のことである。 その一方で、ガラス基板同士
あるいはガラス基板とシリコン基板を接着剤を用いずに
接着する方法として、陽極接合法と呼ばれる方法があ
る。この方法は、ガラス基板とそれに接着される被接着
基板を接触させた状態で、両基板を加温しながら基板間
に直流電圧を加えることにより、互いに強固に接合する
ものである。この方法は、ガラスとシリコンあるいはガ
ラスとガラスを接合する際の一般的な方法であり、この
方法で得られた基板は圧力センサなどに用いられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、水晶とシリコ
ンを直接接合するには、接合基板の表面粗さ、清浄度、
表面状態といった点で制約が大きい。直接接合法は、陽
極接合法とは異なり、接合される基板が、たとえ絶縁性
を示すものであっても接合可能であるという点で接合で
きる基板の範囲は広くなるが、先に述べたようなプロセ
スを必要とするため、接合に際してより多くの工程を必
要とする。

【０００５】その上水晶とシリコンは熱膨張率が大きく
異なるため、どちらかの基板が厚いと直接接合プロセス
の熱処理段階において、水晶及びシリコンが割れてしま
い接合が困難であるという問題を有していた。しかし、
薄い基板を用いることは、陽極接合より工程が複雑な直
接接合においては、基板の取り扱いが難しく、量産性の
点で問題があった。

【０００６】さらに、接合される表面が親水性である必
要があるため、接合プロセスにおいて、アルカリ性の親
水化処理液により基板表面がＯＨ基終端されていなくて
はならず、このアルカリ性の親水化処理液は、基板をエ
ッチングする効果をもつため、アルカリ性溶液に容易に
エッチングされ、表面が荒れるような基板には適用が難
しい上、電極材料も同時に侵してしまうため、電極を有
する基板への適用も制限されていた。一方、陽極接合法
では、工程は簡便であるが、接合される基板内のイオン
が接合界面へ移動することが接合可能になる条件の一つ
と考えられており、イオン性を示さない基板を陽極接合
法により他基板に接合することは困難であった。

【０００７】そのため、陽極接合法によって得られる基
板の組合せは限られ、その応用も制限されている。

【０００８】本発明は上記従来の問題点を解決し、一体
化できる基板のバリエーションを拡大するものであり、
圧電体基板と半導体基板を接着剤を用いずに一体化する
方法を提供し、さらにそれを用いた信頼性の高い圧電体
−半導体複合デバイスを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧電体基板の一方の面にガラス基板を直
接接合し、前記ガラス基板上のいずれかの面に半導体基
板を陽極接合するものである。さらに、本発明により得
られる複合基板において、圧電基板部を振動部あるいは
弾性表面波素子部として用い、半導体基板部を電子部品
あるいは回路部として用いて圧電デバイスとするもので
ある。また、さらにガラス基板からなる蓋を用いてガラ
ス基板同士を陽極接合あるいは、直接接合することで圧
電デバイスを気密封止するものである。

【００１０】

【作用】上記手段のように、圧電体基板とガラス基板を
直接接合し、半導体基板を前記ガラス基板に陽極接合す
ることにより、従来は不可能であった圧電体と半導体と
の接着剤を用いない一体化が可能になる。また、ガラス
基板の熱膨張率を適当に選ぶことにより、接合される材
料の組合せの自由度が広がる。さらに、圧電体基板とガ
ラス基板の直接接合を行った後で、ガラス基板と半導体
基板の最終的な接合を陽極接合法によって行えるので、
圧電体基板の厚さが薄く、強度が弱くても比較的厚いガ
ラス基板と一体化して取り扱い、加工を加えた後に半導
体基板への接合を行うことができる。つまり、最終の工
程がより簡便な工程で行えるので、作業性が向上し、製
造コストが抑えられる。さらに、接合に接着剤を用いて
いないため、複合基板を実際の素子に用いた場合や素子
を封止した後にも、接合部からのガスの発生や接合部の
変化が少なく、素子の経時変化を抑えられる。

【００１１】また、圧電体と半導体が一体化されている
構造を有しているため、半導体基板上に電子部品あるい
は回路部を作製すればこの複合基板を用いて小型で、信
頼性が高い圧電デバイスを低コストで得ることができ
る。

【００１２】

【実施例】（実施例１）図１は、第１の実施例の複合基
板の構成を示す側面図である。図１において、１１は水
晶基板、１２はガラス基板、１３はケイ素基板である。

【００１３】本実施例では、１１の水晶基板として３０
ＭＨｚ水晶基板、１２のガラス基板として１．０ｍｍ厚
さのパイレックスガラス、１３のケイ素基板には０．３
５ｍｍ厚さの（１００）ケイ素基板を用いた。

【００１４】まず、ガラス基板１２とケイ素基板１３を
通常の脱脂洗浄を行った後、陽極接合する。この時、基
板温度は５５０℃、基板間電圧は６５０Ｖで十分な強度
をもった接合が得られるが、通常必要な接合強度を得る
ためにはこれより低い温度、低い印加電圧でも問題はな
い。

【００１５】次に、陽極接合によって得られた接合基板
と水晶基板１１を接合界面に粒子が存在しないように洗
浄した後、アルカリ性の親水化処理液に浸し、親水化処
理を行う。その後、流水洗浄し、接合面のアルカリ分を
十分洗い流すことでＯＨ基終端された清浄な表面が得ら
れる。その後、両基板を界面に塵やほこりが入らないよ
うに十分に清浄な雰囲気中で接触させ、接合し一体化す
る。さらに、十分な接合強度を得るために、熱処理を加
えることで様々な後処理に耐えることのできる、安定で
強力な接合が得られる。この時の最高熱処理温度は、ガ
ラス基板１２と水晶基板１１の熱膨張率差と両基板の厚
さの比により決定される。当然熱処理温度が高いほど強
力な接合強度が得られるが、今回の組合せにおいては、
３５０℃程度の熱処理が可能であり、この温度で十分な
接合強度が得られる。さらに、ガラス基板として熱膨張
率が水晶に近いものを用いるか、より薄い水晶基板を用
いることでより高い温度での熱処理が可能になることが
わかっている。

【００１６】なお、本実施例では水晶基板１１とガラス
基板１２の直接接合を後に行ったが、この順序に限るも
のではなく、先にこの工程を行ってもよいがその際には
基板の構造をかえる必要がある。その例を次に示す。

【００１７】（実施例２）図２は、第２の実施例の複合
基板の構成を示す側面図である。図２において、２１は
ニオブ酸リチウム基板、２２はガラス基板、２３はひ化
ガリウム基板である。

【００１８】本実施例では、２１のニオブ酸リチウム基
板として、１２８゜Ｙ−Ｘニオブ酸リチウム基板、２２
のガラス基板として０．５ｍｍ厚さのホウ珪酸ガラス、
２３のひ化ガリウム基板には０．３５ｍｍ厚さの（１０
０）ひ化ガリウム基板を用いた。

【００１９】まず、ガラス基板２２とニオブ酸リチウム
基板２１を実施例１に述べたのと同様な方法で直接接合
する。直接接合を先に行うのは、ひ化ガリウム基板２３
がアルカリ性の親水化処理液に容易にエッチングされる
ために、ひ化ガリウム基板を直接接合のプロセスに通す
ことができないからである。

【００２０】次に、直接接合により得られた接合基板と
ひ化ガリウム基板の脱脂洗浄を行った後、実施例１と同
様な方法で陽極接合する。この際、ガラス基板２２とひ
化ガリウム基板間に効果的に電圧を印加するために、電
圧印加のための端子接続空間をニオブ酸リチウム基板上
に開けておく必要がある。この空間は基板上のどこにあ
ってもよく、その面積は微小なもので十分である。本実
施例の場合は、ひ化ガリウム基板を用いたため、直接接
合の工程を先にせざるを得ないが、実施例１のような組
合せにおいても、水晶基板１１上に金属電極などが存在
する場合には、直接接合の工程は電極を侵すので、この
工程は電極形成の後に行う必要があり、本実施例と同様
の構造が必要となる。

【００２１】以上のことを考慮して接合を行えば、基板
の種類を問わず、圧電体基板と半導体基板の接合が可能
である。また、実施例１、２においては三層構造となっ
ているが、これに限るものではなく、陽極接合と直接接
合を用いて得られる構造であればよいことはいうまでも
ない。次に２層構造の例を示す。

【００２２】（実施例３）図３は、第３の実施例の複合
基板の構成を示す側面図である。図３において、３１は
タンタル酸リチウム基板である。

【００２３】本実施例では、３１のタンタル酸リチウム
基板として、３６゜Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム基板を用
いた。

【００２４】ガラス基板２２とタンタル酸リチウム基板
３１は直接接合されており、実施例１と同様な方法で行
う。また、ケイ素基板１３とガラス基板２２は陽極接合
されており、これも実施例１と同様の手順で接合されて
いる。

【００２５】本実施例において特徴的なことは、デバイ
スを構成するのに本質的な圧電体と半導体が同一平面上
に存在することである。このことにより、接続電極を用
いて圧電体と半導体を電気的に容易に接続することが可
能になる。そのため、製造工程が簡略化され生産コスト
が抑えられる。

【００２６】上に述べてきたような構造の複合基板から
得られる実際の圧電デバイスについて以下に図を用いて
説明する。

【００２７】（実施例４）図４（ａ）は、本発明の実施
例における複合基板から得られる水晶振動子の側面図、
（ｂ）は上面図である。図４において、４１は励振電
極、４２は接続電極である。

【００２８】本実施例では、励振電極４１及び接続電極
４２にはアルミ電極を用いた。図に示すように、水晶基
板１１の振動部の振動が妨げられないようにガラス基板
１２に片持ち梁で直接接合されており、さらに、ガラス
基板１２とケイ素基板１３が陽極接合されている。

【００２９】上記のような構造をもった複合基板におい
て、ケイ素基板上に水晶振動子の整合回路などをあらか
じめ作製しておき、それを水晶基板上の励振電極４１に
接続電極４２を用いて接続すれば、水晶振動子とその回
路部が一体となった圧電デバイスが完成する。

【００３０】なお、励起電極４１の下面側は、半導体下
面に接続されており、この面をアース面に取っている。
上面にアース端子がある場合には、半導体内にスルーホ
ールを形成し、導通を取るための導体を充填するなどの
方法をとればよいが、通常、半導体下面はアース面とな
ることが多いため、この構造の方が都合がよい。

【００３１】次に圧電体を弾性表面波素子として用いる
場合についての例を示す。 （実施例５） 図５は、本発明の実施例における複合基板から得られる
弾性表面波素子の構成を示す側面図である。図５におい
て、５１は櫛形電極、５２は入出力電極である。

【００３２】本実施例では、櫛形電極５１及び入出力電
極５２の電極材料にはアルミを用いた。

【００３３】ガラス基板２２とニオブ酸リチウム基板２
１は直接接合されており、ケイ素基板１３とガラス基板
２２は陽極接合されている。接合の手順は前に述べたと
おりである。

【００３４】さらに、櫛形電極５１と入出力電極５２を
有する弾性表面波素子をケイ素基板１３上に接続電極４
２を用いて接続することで、圧電デバイスとしての原型
が得られる。本実施例においても、実施例４と同様、ケ
イ素基板１３上に回路を作製することができるのは当然
である。

【００３５】また、ニオブ酸リチウム基板２１上に形成
されている櫛形電極５１は、接合の前に作製しても接合
後に作製してもよいが、接合前に作製する場合には、熱
処理時の雰囲気を不活性ガスにするか、真空中で行うの
が望ましい。しかし、空気中で行っても、アルミ電極の
融点以下であれば特に問題はない。

【００３６】以上のように、本発明の実施例における複
合基板からは、回路と素子が一体となった圧電デバイス
が容易に得られる。さらに、形状を後から加工すること
により様々な形が得られる。次にその例を示す。

【００３７】（実施例６）図６は、本発明の実施例にお
ける複合基板を加工することにより得られる水晶振動子
の構成を示す断面図である。

【００３８】本実施例は、実施例１と同様の手順で複合
基板を得た後、前記基板のケイ素基板１３及びガラス基
板１２の一部をくり抜きエッチングした構成となってい
る。各接合部は、化学的にも安定でエッチングの際に剥
がれてしまうようなことはないので、通常のエッチング
と同様の方法で図のような形状が得られる。

【００３９】さらに、水晶基板１１上に励振電極４１を
作製することで、水晶振動子の原型が得られる。この電
極は、ケイ素基板１３上に接続電極４２を用いて接続さ
れているので回路との接続も可能である。

【００４０】ケイ素基板１３とガラス基板１２のエッチ
ャントは、両基板をエッチングするようなエッチャント
であれば１種でもよいが、正確な加工のためには、それ
ぞれ異なったエッチャントを用いた方が望ましい。しか
し、ガラスは比較的容易にエッチングされるためエッチ
ャントの選択は容易である。この構成によれば、基板単
位での取り扱いが可能になり、さらに、支持部が基板部
と一体に形成されているため支持に要する面積が極小化
され、素子一つの基板全体に占める体積が極小化できる
ため、小型化に有利である。また、大きさを特に問題と
しなければ、構成をかえることでエッチングの容易なガ
ラスのみを加工することによっても上記のような構造が
得られる。以下にその例を示す。

【００４１】（実施例７）図７は本発明の実施例におけ
る複合基板を加工することにより得られる水晶振動子の
構成を示す断面図である。

【００４２】なお、それぞれの基板は実施例６と同様の
材料で構成されており、得られる機能も同様である。し
かし、実施例６とは異なり、加工すべき基板はガラス基
板１２のみであるので実施例６に比べて加工は容易なも
のとなっている。また、振動部片持ち梁構造でフリーな
状態に近く、振動子としての特性劣化が防げる。

【００４３】なお、複合基板を後から加工して得られる
これらの形状は、接合前に各基板をこのような構造が得
られるように穴開け加工しておいても実現できることは
いうまでもない。

【００４４】最後に、本発明の実施例により得られる基
板からなる素子を気密封止する例を以下に示す。

【００４５】（実施例８）図８（ａ）は、本発明の実施
例８の弾性表面波素子の構成を示す断面図、（ｂ）はそ
の上面図である。図８において、８１は外部にアースを
取るための導通部、８２は取り出し電極、８３は入出力
取り出し部である。

【００４６】なお、導通部８１及び入出力取り出し部８
３には導電性樹脂が埋め込まれておりケイ素基板１３下
面及び取り出し電極８２との導通がとられている。

【００４７】本実施例の構成は、基本的に実施例３の複
合基板と同じ構成であり、同一平面上にデバイス作製上
の本質的な部分が存在しているため、構造が簡単であ
る。さらに、ガラス基板からなる蓋が同じガラス基板部
に陽極接合されることにより素子部の気密封止が実現さ
れているため、封止後のガスの発生源の全くない良好な
気密封止が達成される。ガラス基板の接合は直接接合で
も実現できるが、陽極接合の方が、洗浄工程が複雑でな
い分、全体の製造工程が簡略化される。また、アースの
ための導通部８１はケイ素基板１３の下部にあり、取り
出し電極８２はガラス基板内にあればどこでもよく、取
り出し電極８２周辺の基板表面がガラスと接合されるこ
とで外気と遮断されるため、全体の気密封止においては
特に問題とならない。

【００４８】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、従来は不可能であった圧電体基板と半導体基板が一
体となった構造を接着剤を用いずに実現できる。さら
に、接合部はすべて化学的、物理的に安定で、ガスなど
の発生が全くない複合基板が得られる。このため、本発
明の複合基板からなる圧電デバイスは、信頼性が高く、
経時変化の少ないものとなる。また、圧電デバイスの作
製の際に、基板単位での取り扱いが可能であるため、量
産性が高く、低コストで小型で信頼性の高い圧電デバイ
スが得られる。

【００４９】さらに、半導体部分に圧電デバイスの回路
部を作製できるため、回路が一体となった圧電デバイス
の作製が可能になる。また、圧電体を振動子として用い
て、その対向する励振電極を半導体の上下両面に接続す
ることで、回路のアース部と振動子のアース部を共通に
取ることが容易になる。

【００５０】また、ガラス基板の同一面上に弾性表面波
素子と半導体回路を作製することで、さらに容易に回路
と一体化した圧電デバイスが得られる。

【００５１】そして、ガラス基板からなる蓋をガラス基
板に陽極接合あるいは直接接合することにより、信頼性
の高い気密封止が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の複合基板の構成を示す側面
図

【図２】本発明の実施例２の複合基板の構成を示す側面
図

【図３】本発明の実施例３の複合基板の構成を示す側面
図

【図４】（ａ）は本発明の実施例における複合基板から
得られる水晶振動子の側面図 （ｂ）は本発明の実施例における複合基板から得られる
水晶振動子の上面図

【図５】本発明の実施例における複合基板から得られる
弾性表面波素子の構成を示す側面図

【図６】本発明の実施例６の水晶振動子の構成を示す断
面図

【図７】本発明の実施例７の水晶振動子の構成を示す断
面図

【図８】（ａ）は本発明の実施例８の弾性表面波素子の
構成を示す断面図 （ｂ）は本発明の実施例８の弾性表面波素子の構成を示
す上面図

【符号の説明】

１１ 水晶基板 １２ ガラス基板 １３ ケイ素基板 ２１ ニオブ酸リチウム基板 ２２ ガラス基板 ２３ ひ化ガリウム基板 ３１ タンタル酸リチウム基板 ４１ 励振電極 ４２ 接続電極 ５１ 櫛形電極 ５２ 入出力電極 ８１ 導通部 ８２ 取り出し電極 ８３ 入出力取り出し部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０３Ｈ 9/02 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｄ Ｚ (72)発明者 江田 和生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−283957（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−254948（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08 C04B 37/00 H01L 21/02 H01L 27/12 H03H 3/02 H03H 9/02

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれ鏡面に研磨された圧電体基板とガ
   ラス基板の接合面に親水化処理を施し、接触させて接着
   し、熱処理を加えることで強固に直接接合し、前記ガラ
   ス基板上の前記圧電体基板の接合されていない部分に半
   導体基板を接触させ、両基板を加温しながら、両基板間
   に電圧を加えて陽極接合することを特徴とする圧電体−
   半導体複合基板の製造方法。
2. 【請求項２】圧電体基板が水晶、ニオブ酸リチウム、あ
   るいはタンタル酸リチウムのいずれかであり、半導体基
   板がケイ素あるいはひ化ガリウムであることを特徴とす
   る請求項１記載の圧電体−半導体複合基板の製造方法。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の製造方法によりえ
   られる複合基板において、圧電体基板及び半導体基板が
   ガラス基板の同一面上にあることを特徴とする圧電体−
   半導体複合基板。
4. 【請求項４】 ガラス基板と、前記ガラス基板の上面に
   直接接合された圧電体基板と、前記ガラス基板の下面に
   陽極接合された半導体基板と、振動部として動作する前
   記圧電体基板上下両面に対向する励振電極とを備え、 前記振動部直下には前記ガラス基板及び前記半導体基板
   がなく、前記励振電極の上面側は前記ガラス基板部を経
   て、前記半導体基板の上面に有する電子部品部あるいは
   電気・電子回路部に接続されており、前記励振電極の下
   面側は前記ガラス基板部を経て、前記半導体基板の下面
   に接続されており、前記半導体基板下面が前記電子部品
   部あるいは電気・電子回路部のアース部と接続されてお
   り、 前記ガラス基板は前記圧電体基板と直接接合する際の熱
   処理で溶融しない ことを特徴とする圧電デバイス。
5. 【請求項５】請求項３記載の複合基板において、振動部
   として動作する圧電体基板上下両面に対向する励振電極
   を有し、前記振動部直下にはガラス基板がなく、さらに
   半導体基板の下面の一部に前記ガラス基板のない部分を
   有し、前記励振電極の上面側は前記ガラス基板の上面を
   経て、前記半導体基板の上面に有する電子部品部あるい
   は電気・電子回路部に接続されており、前記励振電極の
   下面側は、前記ガラス基板の下面を経て、前記半導体基
   板の下面に有する前記ガラス基板のない部分に接続され
   ており、前記半導体基板下面が前記電子部品部あるいは
   電気・電子回路部のアース部と接続されていることを特
   徴とする圧電デバイス。
6. 【請求項６】請求項３記載の複合基板において、圧電体
   基板上面に弾性表面波素子を有し、前記弾性表面波素子
   の入出力電極がガラス基板上面を経て、半導体基板上面
   に有する電子部品部あるいは電気・電子回路部に接続さ
   れていることを特徴とする圧電デバイス。
7. 【請求項７】請求項６記載の圧電デバイスにおいて、さ
   らにガラス基板からなる蓋部を前記ガラス基板に陽極接
   合または直接接合することによって気密封止することを
   特徴とする圧電デバイス。