JP4723207B2 - 複合圧電基板 - Google Patents

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本発明は、弾性表面波デバイス等に用いられる複合圧電基板に関するものであり、特に熱による反りが小さく、挿入損失の少ないデバイスが作製でき、絶縁性に優れ、なおかつ安価な複合圧電基板に関するものである。
携帯電話等の高周波通信において周波数選択用の部品として、例えば圧電基板上に弾性表面波を励起するための櫛形電極が形成された弾性表面波(Surface Acoustic Wave、SAW)デバイスが用いられる。これに用いられる圧電基板材料は、電気信号から機械的振動への変換効率(以下電気機械結合係数と記す)が大きいこと、また櫛形電極の電極間隔と弾性波の音速により決まるフィルタ等の中心周波数が温度により変動しないことが求められる(以下、周波数温度特性と記す)。
すなわち、大きな電気機械結合係数と小さな周波数温度係数を兼ね備えた圧電基板が有れば好ましい。
こうした特性を実現する圧電基板の一例として、圧電基板と他の基板を接合した複合圧電基板がある。
このような複合圧電基板の一例として、圧電材料の表面に弾性波を励振・検出するための電極が設けられており、前記圧電材料裏面に複合積層体を接合したことを特徴とする温度安定化表面波装置が開示されている。この表面波装置は、制御された応力変化を前記圧電材料に誘起させることにより、前記圧電材料において温度補正がなされるというものである(特許文献1参照)。
この例では、「複合積層体にLiNbO(ニオブ酸リチウム)基板を強固に結合することにより、前述したように基板上に圧縮力が生じ、この圧縮力は温度が増大するに従って増大する。かくして、遅延時間およびフィルタ中心周波数に対する温度の影響を補正する手段を得ることができる。」とされている。これは、支持基板となる複合積層体の膨張係数は圧電材料であるLiNbO基板の弾性表面波伝播方向のそれよりも小さいことを意味し、これにより温度変化に応じて圧電基板に応力が発生してSAWデバイスの遅延時間およびフィルタ中心周波数に対する温度の影響を補正できるということを意味する。
また、接着剤を使用して剛板と圧電板とを貼り合せて一体の基板とし、前記圧電板表面に電極を設けた機能素子を、パッケージに収納した電気部品が開示されている(特許文献2参照)。
すなわち、圧電材料とこれより小さな膨張係数を有する基板とを貼り合せた複合圧電基板を用いた弾性表面波素子は周波数温度特性が改善されること、接着剤を用いて剛板と圧電板を貼り合せて一体の基板とすることは公知の技術である。
また、少なくとも1つの単結晶圧電基板と非圧電基板からなり、前記単結晶圧電基板と前記非圧電基板が、少なくとも前記基板の一方の表面に、無機薄膜層を有し、前記無機薄膜層および基板表面を、平坦化、鏡面化、清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより直接接合されて積層されており、前記単結晶圧電基板に表面弾性波を励振するための櫛形電極を設けたことを特徴とする表面弾性波素子が開示されている(特許文献3参照)。
また、SAWデバイスであって、前記SAWデバイスの圧電基板は少なくともSAWの波長の2倍以上の厚みを持ち、前記圧電基板表面にはSAWを励振もしくは検出するための電極が形成され、圧電基板を支持する支持基板は少なくとも30Ω・cmの抵抗率を有するとともに熱伝導性を持ち、前記圧電基板と支持基板は1μm以上厚みを有するSiOからなる接合膜により接合されることを特徴とするSAWデバイスが開示されている。
このSAWデバイスでは、支持基板の抵抗率が30Ω・cm以上で300Ω・cm程度とある程度大きいので、SAWデバイスからなるフィルタの挿入損失が少なくなり好ましいとされる(特許文献4参照)。
しかし、従来検討されている複合圧電基板は、圧電基板と他の基板を直接接合する場合は基板の平坦化・クリーン化等複雑な工程を用いなければならいことから、低コストで複合圧電基板を提供することが難しい。
また、複合圧電基板は異なる膨張係数を持つ材料を組み合わせているので、温度変化により基板の反りが生じる。この反りはSAWデバイス作製工程の基板加熱工程でパターン形成に支障が生じる等の問題となる。そして、この反りは製造不良の原因となり、複合圧電基板の生産性を低下させる。
特開昭51−25951号公報 特開平02−62108号公報 特許第3435789号公報 国際公開第2004/006431号パンフレット
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、温度変化させたときの反りが少なく、耐熱性に優れ、周波数温度特性改善効果が高く、挿入損失の少ないデバイスが作製でき、絶縁性に優れ、なおかつ半導体デバイスとSAWデバイスの複合化が容易な複合圧電基板を安価に提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、圧電基板と該圧電基板よりも小さな膨張係数を有する支持基板とを絶縁性接着層を介して貼り合せた複合圧電基板であって、前記圧電基板は厚さが5〜100μmであって、前記支持基板は、Siからなるものであって、抵抗率が2000Ω・cm以上のものであり、かつ該支持基板の両表面層が0.1〜20μmの厚さで酸化されたものであることを特徴とする複合圧電基板を提供する(請求項1)。
このように、圧電基板と該圧電基板よりも小さな膨張係数を有する支持基板とを絶縁性接着層を介して貼り合せた複合圧電基板であれば、周波数温度特性が改善され、また直接接合するものよりも安価になり、圧電基板の厚さが5〜100μm、好ましくは15〜30μmであれば、加熱による反りが少なくかつ割れないものとなり、耐熱性に優れたものとなる。また、支持基板がSiからなるものであれば、SAWデバイスと半導体デバイスを複合化しやすいものとなり、支持基板の両表面層が0.1〜20μmの厚さで酸化されたものであれば、圧電基板と支持基板の膨張係数が異なっていても加熱による複合圧電基板の反りが低減され耐熱性が優れたものとなり、支持基板の抵抗率が2000Ω・cm以上と極めて高いものであれば、支持基板の表面層に形成したSi酸化膜及び絶縁性接着層と合わせて、支持基板の絶縁性が十分に確保可能なものとなる。また、このように極めて抵抗率の高い支持基板であるので、挿入損失の少ないデバイスを作製できる。そして反りが少なく割れがない複合圧電基板であるので、製造歩留まりが高く、安価なものとなる。
この場合、前記支持基板の両表面層は高圧下において酸化されたものであることが好ましい(請求項2)。
このように、支持基板の両表面層が高圧下において酸化されたものであれば、支持基板の表面層に形成したSi酸化膜は緻密でピンホールが無く、またこの方法を用いれば酸化のスピードが速いため、生産性に優れた良質のSi酸化層付支持基板とできる。
また、前記接着層の表面抵抗値が1×1015Ω以上であることが好ましい(請求項3)。
このように、接着層の表面抵抗値が1×1015Ω以上であれば、抵抗値が十分に高く、支持基板はさらに高い絶縁性を確保可能なものとなる。
また、前記接着層のtanδ(誘電正接)が周波数1GHzにおいて0.1以下であることが好ましい(請求項4)。
このように、接着層のtanδ(誘電正接)が周波数1GHzにおいて0.1以下であれば、このような高周波においても誘電損失が少ないので、高周波においても挿入損失が小さいSAWデバイスが製造可能な複合圧電基板とできる。
また、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウムのいずれか1つからなるものであることが好ましい(請求項5)。
このように、圧電基板が、上記の電気機械結合係数が大きい結晶材料からなるものであれば、周波数選択フィルタとしての帯域幅が広く、挿入損失が小さいSAWデバイスが製造可能な複合圧電基板とできる。
本発明に従う複合圧電基板であれば、周波数温度特性が改善され、また直接接合するものよりも安価になる。また加熱による反りが少なくかつ割れないものとなり、耐熱性に優れたものとなる。また、SAWデバイスと半導体デバイスを複合化しやすいものとなり、加熱による複合圧電基板の反りが低減され耐熱性が優れたものとなる。また、支持基板の絶縁性が十分に確保可能なものとなり、挿入損失の少ないデバイスを作製できるものとなる。そして反りが少なく割れがない複合圧電基板であるので、製造歩留まりが高く、安価なものになる。
以下では、本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は本発明に係る複合圧電基板の実施形態の一例を示す断面概略図である。
複合圧電基板1は、圧電基板2とこれよりも小さい膨張係数を有する支持基板3とを絶縁性の接着層4を介して貼り合せて作製したものである。このような構成により、温度変化に応じて圧電基板2に応力が発生し、周波数温度特性を改善することができる。また、接着層4を介して貼り合わせたものであるので、比較的安価なものとできる。このような複合圧電基板1は、例えば圧電基板2及び支持基板3の一方又は両方に接着剤を塗布し、真空下で貼り合わせて荷重をかけて強固に接合することにより作製することができる。接着面に異物が混入しないように貼り合わせ前に各基板の表面を洗浄することが好ましく、また、表面をアンモニア−過酸化水素水溶液等で親水化処理をしたり、またはプラズマ処理をして接着力を高めてもよい。
基板の大きさは特に限られず、例えば直径100mmのものとできるがそれ以上でもそれ以下でもよい。
本発明では、圧電基板2は、厚さが5〜100μmである。このように、圧電基板2の厚さが5〜100μm、好ましくは15〜30μmであるので、加熱による反りが少なく割れのないものとなる。圧電基板2の厚さを上記範囲内の所望の値とするには、例えば複合圧電基板1を形成後、圧電基板2を研削、ラップ、ポリッシュ(研磨)加工すればよい。圧電基板2の厚さが5μmより薄いと、例えば研削、ラップ工程等により生じる加工歪みが圧電基板内部に残存した場合に、圧電基板2を所望の厚さに加工する際にクラックが生じることがあるので好ましくない。また、100μmより厚いと、複合圧電基板1を250℃程度に加熱した場合に、圧電基板2が割れてしまうことがあるので好ましくない。また、ラップ加工等により圧電基板2の接着面5が粗面に加工されたものであれば、バルク波の裏面反射が抑制され、圧電基板の接着力をより高めることができる。この場合、接着面5の中心線平均粗さを示すRa値が、0.05(μm)<Ra<0.3(μm)であることが好ましい。
また、圧電基板2は、水晶等圧電性結晶材料からなるものであればいずれのものでもよいが、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウムのいずれか1つからなるものであれば、これらは電気機械結合係数が大きい結晶材料なので、周波数選択フィルタとしての帯域幅が広く、挿入損失が小さいSAWデバイスが製造可能な複合圧電基板とできる。これらの圧電結晶材料からなる圧電基板は、例えばチョクラルスキー法でこれらの単結晶棒を育成し、これを所望の厚さにスライスすることによって高品質なものが得られる。
また、基板方位についても、36°回転Yカット、41°回転Yカット、45°回転Yカット等、圧電性結晶材料の種類やSAWデバイスの用途、所望特性等に応じて適宜選択することができる。
また、本発明では、支持基板3は、Siからなるものであって、かつ支持基板3の両表面層が0.1〜20μmの厚さで酸化され、Si酸化膜6が形成されたものである。
このように、支持基板3が、圧電基板2よりも膨張係数が小さく、しかも半導体デバイス作製用として最も実用化されているSiからなるので、SAWデバイスと半導体デバイスを複合化しやすくなる。通常、Si基板と圧電基板を貼り合わせて形成した複合圧電基板は、両基板の膨張係数が異なるため加熱すると反りが生じるので好ましくない。そこで本発明では、支持基板3の両表面層を0.1〜20μmの厚さだけ酸化し、Si酸化膜6を形成することにより、複合圧電基板1の反りを低減できる。本発明では前述のように接着層4が絶縁性であるが、これに加えて前記支持基板3の抵抗率が2000Ω・cm以上である。このように絶縁性を考慮した高抵抗率とすることにより、挿入損失が少なくなるだけでなく、Si酸化膜6とともに絶縁性を十分確保可能とし、電気的特性も向上できる。また、接着層4が絶縁性であり且つ支持基板3の抵抗率が極めて高いので、Si酸化膜6が上記の薄さであっても絶縁性を飛躍的に向上させることができる。
もし支持基板3の一方の表面のみにSi酸化膜6がある場合には、複合圧電基板1に室温でも反りが生じ、圧電基板2を前記の厚さに加工する際に外周から剥がれたり、外周からクラックが生じるので好ましくない。またSi酸化膜6の厚さが0.1μmより薄いと、複合圧電基板1の反りの低減効果が少なく、20μmより厚いと、例えば複合圧電基板1をN雰囲気下300℃程度に加熱した時に圧電基板2にクラックが生じることがあるので好ましくない。
なお、Si酸化膜6の厚さは、上記範囲内であれば必ずしも両表面が同じである必要はないが、同程度であることが好ましい。また、このようなSiからなる2000Ω・cm以上の極めて高抵抗率の支持基板3は、例えばフローティングゾーン法でSiの単結晶棒を育成し、これを所望の厚さにスライスすることによって高品質なものが容易に得られる。また、支持基板3の両表面層を酸化する方法は特に限定されないが、例えば高圧酸化法を用いることができる。この方法によれば、酸化のスピードが速いため、高生産性でSi酸化膜6を前記の所望の厚さとでき、しかも緻密でピンホールがない良質の酸化膜とすることができるので好ましい。
なお、支持基板3の厚さは、100〜400μmであることが好ましい。支持基板3の厚さが400μm以下であれば、携帯電話等に搭載するのに適する、厚さの薄いSAWデバイスの製造に適するものとできる。また、複合圧電基板1のたわみを防止するために、支持基板3の厚さが100μm以上であるものが貼り合わせに適する。
接着層4を構成する接着剤としては、絶縁性のものであれば特に限定されないが、接着層の表面抵抗値が1×1015Ω以上となるものであれば、抵抗値が十分に高いので、高い絶縁性を確保可能なものとなるので好ましい。また、tanδが周波数1GHzにおいて0.1以下であれば、このような高周波においても誘電損失が少ないので、高周波においても挿入損失が小さいSAWデバイスが製造可能な複合圧電基板とできるので好ましい。
なお、tanδで表される誘電正接とは、誘電体に交流電流を流したときの位相遅れδに対して定義される量であり、位相遅れに関係する誘電体内の損失(誘電損失)はtanδに比例する。
また、該接着剤が例えばエポキシメタクリレートを主成分とする光硬化接着剤であれば、上記の表面抵抗値およびtanδの規定を満たすものであるのに加え、250℃以上の耐熱性が得られるので、加熱やSAWデバイス実装時のハンダのリフローによる接着面の剥がれを確実に防止できる。またこの接着剤は光硬化前の粘度が100cps以下と低いので、スピンコーティングやその他の塗布方法で容易に均一な接着層とできる。このように接着層が均一とできれば、複合圧電基板1は均一に接着された高品質なものとなり、より剥離しにくいものとなる。そして、光硬化性であるから、室温で光照射により圧電基板2と支持基板3を強固に貼り合わせ接合することができ、高温にしなくてもよいので貼り合わせ時に圧電基板2が高温で変形せず室温でフラットな形状を保つことができるので好ましい。
なお、圧電基板2は、焦電性による表面電荷の蓄積がないものであってもよい。このように、焦電性による表面電荷の蓄積がないものであれば、SAWデバイスの製造工程等で複合圧電基板1が温度変化を受けた時に、表面電荷の蓄積による放電現象によりデバイスが特性劣化や破損するのを防止することができる。焦電性による表面電荷の蓄積をなくすには、従来のように接地電極を設ける等して表面電荷を逃がしたり、また圧電基板2の導電性を高め、表面電荷を迅速に中和又は消滅させる等の方法がある。圧電基板2の導電性を高める方法としては、例えば圧電基板2を水素等の還元性雰囲気下で熱処理する方法等がある。
以下に本発明の実施例および比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
フローティングゾーン法を用いて製造した、直径4インチ(100mm)で厚さが300μmであり、抵抗率が3,800Ω・cmのSi基板の両面の表面層を、高圧酸化法により10μmの厚さで酸化した。次に直径4インチ(100mm)の36°回転Yカットタンタル酸リチウム(LiTaO)基板を厚さが0.2mm(200μm)で両面ラップにより表面のRaが0.12μmとなるように加工した。
次いで、前記酸化膜付きSi基板の表面を洗浄し、エポキシメタクリレートを主成分とする紫外線硬化接着剤をスピンコートし片側表面上に均一に塗布した。次いで、前記LiTaO基板の裏面を洗浄し、前記接着剤を同様に塗布し、前記酸化膜付きSi基板の接着剤塗布面と前記LiTaO基板の接着剤塗布面を圧力1×10−3mbarの真空下で貼り合せた。このとき基板面に均一に10Nで荷重をかけた。
次に、この貼り合わせた複合圧電基板に、照度50mW/cmの紫外線を10分間照射し、接着剤を硬化させた。このとき基板面内で接着層は一様に6μmの厚さだった。また、接着層の表面抵抗値を測定したところ1×1016Ωであった。また、接着層の周波数1GHzにおけるtanδを測定したところ0.07と小さな値であった。
そして、この前記複合圧電基板を面取り加工した後、LiTaO基板の表面側を研削及びラップにより160μm削り落とし、さらにポリッシュによりLiTaO基板の厚さが30μmになるようにした。
このようにして作製した複合圧電基板を150℃に加熱したところその反り量は最大で1.5mmと小さかった。また、この複合圧電基板を2×3mmの複合圧電基板チップに切断し、このチップをN雰囲気下、300℃まで加熱してもチップは割れなかった。また、前記チップを−35℃〜125℃のヒートサイクルに500サイクルかけても、前記チップはヒートサイクル前と変化は無かった。
(実施例2)
Si基板のSi酸化膜の厚さを0.6μm、36°回転YカットLiTaO基板の表面のRaが0.26μmとなるように加工した以外は実施例1と同様の条件、方法で複合圧電基板を作製した。
このようにして作製した複合圧電基板を150℃に加熱したところその反り量は最大で2mmと小さかった。また、この複合圧電基板を2×3mmの複合圧電基板チップに切断し、このチップをN雰囲気下、300℃まで加熱してもチップは割れなかった。また、前記チップを−35℃〜125℃のヒートサイクルに500サイクルかけても、前記チップはヒートサイクル前と変化は無かった。
(比較例1)
Si基板の両面いずれも酸化しないこと以外は実施例1と同様の条件、方法で複合圧電基板を作製した。
このようにして作製した複合圧電基板を150℃に加熱したところその反り量は最大で5mmと大きかった。また、この複合圧電基板を2×3mmの複合圧電基板チップに切断し、このチップをN雰囲気下、300℃まで加熱したところチップが割れてしまった。
(比較例2)
Si基板の両面の表面層を高圧酸化法により10μmの厚さで酸化した後片側面の酸化膜を加工により除去し、前記片側酸化膜付きSi基板の酸化膜がある側をLiTaO基板と貼り合わせた以外は実施例1と同様の条件、方法で複合圧電基板を作製しようとした。
しかし、複合圧電基板を面取り加工した後、LiTaO基板の表面側を研削により180μm削り落としたところ、片側酸化膜付きSi基板とLiTaO基板が剥離してしまった。
(比較例3)
実施例1とほぼ同様の条件、方法で複合圧電基板を作製しようとした。
但し、複合圧電基板を面取り加工した後、LiTaO基板の表面側を研削により180μm削り落とし、さらにポリッシュによりLiTaO基板の厚さが4μmになるようにしたところ、前記LiTaO基板が加工中に割れてしまった。
(比較例4)
複合圧電基板を面取り加工した後、LiTaO基板の表面側を研削により80μm削り落とし、さらにポリッシュによりLiTaO基板の厚さが105μmになるようにした以外は、実施例1と同様の条件、方法で複合圧電基板を作製した。
このようにして作製した複合圧電基板を150℃に加熱したところその反り量は最大で5mmと大きかった。また、この複合圧電基板を2×3mmの複合圧電基板チップに切断し、このチップをN雰囲気下、300℃まで加熱したところチップが割れてしまった。
(実施例3、比較例5、6)
実施例1と同様に、フローティングゾーン法を用いて製造した、いずれも直径4インチ(100mm)で厚さが300μmであり、抵抗率がそれぞれ3,800Ω・cm、1,800Ω・cm、1,500Ω・cmのSi基板サンプルの両面の表面層を高圧酸化法により10μmの厚さで酸化した。そして、前記酸化膜付きSi基板の表面を洗浄し、エポキシメタクリレートを主成分とする紫外線硬化接着剤をスピンコートし片側表面上に均一に塗布した後、照度50mW/cmの紫外線を10分間照射し、接着剤を硬化させた。このときいずれのサンプルも基板面内で接着層は一様であり3μmの厚さだった。また、接着層の表面抵抗値を測定したところ1×1016Ωであり、接着層の周波数1GHzにおけるtanδを測定したところ0.07と小さな値であった。
これらのサンプルの表面内で1チップサイズに相当する2×3mmの領域にラダータイプのSAWフィルタを形成し通過域(1GHz)のロスを比較した。参考のため0.25mmtの36°回転YカットLiTaOの表面内で1チップサイズに相当する2×3mmの領域に前記ラダータイプのSAWフィルタと同一パターンを形成しロスを比較した。その結果、前記3,800Ω・cmの抵抗率のサンプルは36°回転YカットLiTaO単体のロスと同じ値であったが、前記1,800Ω・cm及び1,500Ω・cmの抵抗率のサンプルはロスが36°回転YカットLiTaO単体のロスと比べ、それぞれ0.2dB、0.4dB劣化していた。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、実施例では圧電基板として36°回転YカットLiTaO基板を用いたが、LiNbO基板や他の圧電基板を用いてもよい。また、これらの圧電基板は、焦電性による表面電荷の蓄積をなくしたものであってもよい。
本発明に係る複合圧電基板の実施形態の一例を示す断面概略図である。
符号の説明
1…複合圧電基板、 2…圧電基板、 3…支持基板、 4…接着層、
5…圧電基板の接着面、 6…Si酸化膜。

Claims (5)

  1. 圧電基板と該圧電基板よりも小さな膨張係数を有する支持基板とを絶縁性接着層を介して貼り合せた複合圧電基板であって、前記圧電基板は厚さが5〜100μmであって、前記支持基板は、Siからなるものであって、抵抗率が2000Ω・cm以上のものであり、かつ該支持基板の両表面層が0.1〜20μmの厚さで酸化されたものであることを特徴とする複合圧電基板。
  2. 請求項1に記載の複合圧電基板であって、前記支持基板の両表面層は高圧下において酸化されたものであることを特徴とする複合圧電基板。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の複合圧電基板であって、前記接着層の表面抵抗値が1×1015Ω以上であることを特徴とする複合圧電基板。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の複合圧電基板であって、前記接着層のtanδ(誘電正接)が周波数1GHzにおいて0.1以下であることを特徴とする複合圧電基板。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の複合圧電基板であって、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウムのいずれか1つからなるものであることを特徴とする複合圧電基板。
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