JP5549167B2 - Ｓａｗデバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＳＡＷデバイス用の基板、上記基板を用いたＳＡＷデバイス、その他のデバイス用の基板および上記基板を用いたデバイスに関するものである。

携帯電話の内部には、電気信号のノイズをカットし、所望の周波数の電気信号のみを送受信するための、ＳＡＷフィルタと呼ばれる電子部品が組み込まれている。ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタとは表面波フィルタを意味する。ＳＡＷフィルタは圧電効果を有する材料からなる圧電体基板を用いる。ＳＡＷフィルタは通常、使用時に圧電体基板が発生する熱を放出するために、放熱性に優れた基板上に載置された状態で使用される。

圧電体基板は、入力される電気信号により応力を受けて変形する。そのため、圧電体基板が載置される基板には高い強度が要求される。このため従来から用いられるＳＡＷフィルタを載置する基板は、たとえばＦＵＪＩＴＳＵ ＳＡＷフィルター（非特許文献１）に示すようにサファイアから構成されるものがある。

"ＳＡＷフィルター"、[online]、２００８年６月、[２００９年９月９日検索]、インターネット<URL: http://jp.fujitsu.com/group/labs/downloads/business/activities/activities-2/fujitsu-labs-netdev-001.pdf>

しかしながらサファイアの単結晶は一般に高価である。このためサファイアからなるＳＡＷフィルタを載置する基板の生産はコスト高となっていた。

またサファイアは、ＳＡＷフィルタを載置する基板として十分な強度を有するが、硬度が非常に高いため、形成する基板にチッピングなどの不具合が発生することがある。またサファイアは硬度が高いため、所望の形状の基板に切削加工することが困難である。このため切削速度が上げられないことも、サファイア基板のコスト高の遠因となっていた。

本発明は、以上の問題に鑑みなされたものである。その目的は、より低コストで適度な強度を有する基板を用いたＳＡＷデバイスを提供することである。

本発明の一の局面に係る基板は、ＳＡＷデバイス用の多結晶体のスピネルからなる基板である。
本発明の発明者は鋭意研究の結果、たとえば上述したＳＡＷフィルタなどのＳＡＷデバイスを載置する基板として、サファイアの代わりに、光学素子の分野で主に用いられるスピネルを用いることができる可能性があることを見出した。スピネルの強度などの物性値は、サファイアの強度などの物性値に近い。スピネルを用いて形成するＳＡＷデバイス用の基板も、サファイアからなるＳＡＷデバイス用の基板と同様に実用に耐えうるという可能性を見出した。たとえば、スピネル製のＳＡＷデバイス用基板は、サファイア製のＳＡＷデバイス用基板と同等ではないが実用上問題ないレベルの強度（ヤング率）を示す。またスピネルは、ＳＡＷデバイスを構成する圧電体基板が発生する熱を放熱するため実用上問題ないレベルの熱伝導率を有する。
しかし従来、ＳＡＷデバイス用の基板としてはサファイアなどの単結晶体を用いることが技術常識であり、当業者の間ではそもそも多結晶体のスピネルを基板材料の候補とすること自体、考えられていなかった。発明者は当業者の常識にとらわれることなく研究を進めた結果、スピネルをＳＡＷデバイス用基板として用いうるという知見を得た。サファイアの代わりにスピネルを用いてＳＡＷデバイス用基板を形成すれば、当該基板の生産コストを低減することができる。

上述した基板においては、基板の一方の主表面の平均粗さＲａの値が０．０１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。なおここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。

サファイアの結晶は単結晶であるため、サファイアからなる基板は、主表面の平均粗さＲａの値が良好となるよう加工することが容易である。一方スピネルの結晶は多結晶であるため、一般に隣接する結晶粒界において面粗度が大きくなる。しかしスピネルの多結晶を用いた上記基板においても、加工方法を制御することにより、主表面の平均粗さＲａの値を０．０１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下という優れた平坦度にすることができることを、本発明の発明者は見出した。したがって当該基板の、圧電体基板と接合する主表面は、圧電体基板を構成する圧電材料とファンデルワールス力を利用して接合できる。すなわち、圧電体基板を構成する材料の分子と、基板を構成するスピネルの分子とは、ファンデルワールス力により結合される。

上述したスピネル製の基板を用いたＳＡＷデバイスは、上述したように従来のサファイアを用いたＳＡＷデバイスより安価でありながら、サファイア製の基板と同等であり、実用上問題ないレベルの強度を有する基板が用いられているため、電気信号の伝達特性などが安定する。

本発明によれば、実用上問題ない強度を有する、ＳＡＷデバイス用のスピネル製の基板を、安価に提供することができる。

本実施の形態に係る基板の態様を示す概観図である。 図１の基板を用いたＳＡＷフィルタの態様を示す概観図である。 本実施の形態に係る基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施の形態の基板１は、たとえば主表面１ａが直径４インチであり、スピネルからなるウェハである。基板１を構成するスピネルとしてはたとえばＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３（１≦ｎ≦３）が挙げられる。

基板１は、たとえば電子デバイス中の放熱用の部品として用いられてもよいし、高周波発信機用のフィルタとして用いられてもよい。あるいは自動車部品として用いる電子デバイス用の基板として用いられてもよい。その他基板１は、たとえば図２に示すように、ＳＡＷデバイスとしてのＳＡＷフィルタ２を構成する圧電体基板１０を載置する用途に用いられる。なお基板１はＳＡＷデバイスとしては、ＳＡＷフィルタ２のほかに共振器として使う用途もある。

図２における基板１は、図１に示す基板１の一部の領域である。基板１の主表面１ａ上に、圧電体基板１０が載置される。そして圧電体基板１０の、基板１と対向する主表面と反対側の主表面上（図２における上側の主表面上）には、金属薄膜からなる櫛型形状の電極３および電極４が形成されている。

たとえば図２における電極３を音波の信号入力用の電極、電極４を音波の信号出力用の電極とする。電極３は第１極３ａと第２極３ｂ、電極４は第１極４ａと第２極４ｂとのそれぞれ１組からなる。第１極３ａと第２極３ｂとの間にたとえば交流電圧を印加し、第１極４ａと第２極４ｂとの間にもたとえば交流電圧を印加する。そして第１極３ａと第２極３ｂとの間に印加した交流電圧による電流に、音波の信号を入力する。すると電極３、４が形成された圧電体基板１０を構成する結晶粒子（原子）同士が応力を受けることにより圧電効果により近づいたり離れたりするため、圧電体基板１０の主表面が波打つように振動する。

しかし図２に示すように、第１極３ａ、４ａおよび第２極３ｂ、４ｂはそれぞれ櫛型形状を有する。したがってたとえば電極３に入力される音波の信号のうち、第１極３ａの櫛型成分３ｃと櫛型成分３ｄとの距離に相当する波長の音波の信号のみが、共振して出力側の電極４から外部へ伝播される。つまり上述した波長以外の波長を持つ音波の信号は、出力側の電極４から外部へ伝播されず、ＳＡＷフィルタ２の内部にて遮断されることになる。このような原理によりＳＡＷフィルタ２は、所望の波長を持つ音波の信号のみを外部に出力することにより、所望の波長以外の音波の信号（つまり雑音）を遮断し、出力信号のノイズを排除することができる。

特に図２に示すＳＡＷフィルタ用のベース基板として基板１を用いた場合、基板１の一方の主表面すなわち圧電体基板１０が載置される主表面１ａは、圧電体基板１０を構成する結晶粒子（分子）とファンデルワールス力により結合されることが好ましい。より具体的には、圧電体基板１０を構成する材料の分子と、基板１を構成するスピネルの分子とは、ファンデルワールス力により結合されることが好ましい。スピネルからなる基板１の主表面１ａ上にたとえば接着剤を用いて圧電体基板１０を形成することは困難である。このためスピネルからなる基板１の主表面１ａ上に圧電体基板１０を安定に載置するためには、上述したファンデルワールス力を利用して主表面１ａ上に圧電体基板１０が強固に接合されることが好ましい。

このようにファンデルワールス力を利用してスピネルからなる基板１の主表面１ａ上に圧電体基板１０を安定に載置するためには、主表面１ａが平坦性に優れることが好ましい。具体的には、主表面１ａの平均粗さＲａの値が０．０１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが好ましい。当該Ｒａの値を３．０ｎｍ以下とすれば、主表面１ａが優れた平坦性を有することになる。このため、ファンデルワールス力を利用して基板１の主表面１ａ上に圧電体基板１０を安定に接合することができる。ただしＲａの値が０．０１ｎｍ以下となるようにするためには、主表面１ａが非常に平坦になるように加工する必要があるため、加工コストが向上する。このため、合理的なコストおよび加工時間で達成可能なＲａは０．０１ｎｍ以上ということになる。なお、上述した合理的な加工コストおよび圧電体基板１０の接合強度の確保の観点から、上述したＲａの値は０．１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることがより好ましい。

ただし基板１を、たとえば上述した高周波発信機用のフィルタなど、ＳＡＷフィルタ２以外のデバイス用の基板として用いる場合には、基板の当該用途に応じて、必ずしも上述した主表面１ａの平坦性が要求されない場合もある。

基板１は、上記のように振動する圧電体基板１０を支持する。このため基板１には相当の応力が加わる。また圧電体基板１０が作動すると圧電体基板１０は発熱し、その熱が基板１にも伝播する。つまりこの際、基板１には熱応力が発生する。このため基板１は、相応の強度を有することが好ましい。あるいは基板１を上述したＳＡＷフィルタ２以外のデバイス用の基板として用いる場合においても、過酷な条件下に基板１を用いることがあるため、基板１はＳＡＷフィルタ２に用いる場合と同様に相応の強度を有することが好ましい。

構造体は一般に、ヤング率が高いと強度が高くなり、ヤング率が低いと強度が低くなる。したがって基板１は、上述した条件での使用に耐えうる強度を備えるために、ヤング率が１５０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ以下であることが好ましい。基板１のヤング率が１５０ＧＰａ以上であれば、上記条件での使用に耐えうる強度を有するものとなる。また構造体は一般に、ヤング率が高いと硬度が高くなり、ヤング率が低いと硬度が低くなる。このためたとえば基板１のヤング率が３５０ＧＰａを超えると、基板１の硬度が過剰に高くなるためにチッピングを起こす可能性が高くなる。また、基板１の硬度が過剰に高くなるために加工が困難となる。このため適切な強度を有し、かつチッピングなどの不具合を抑制する観点から基板１のヤング率は上記範囲内であることが好ましく、そのなかでも１８０ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下であることが最も好ましい範囲であるといえる。

次に、上記基板１の製造方法について説明する。図３のフローチャートに示すように、まず高純度スピネル粉末準備工程（Ｓ１０）を実施する。これは具体的には、上述したスピネルからなる基板１を形成する材料としてのスピネル粉末を準備する工程である。より具体的には、組成式がＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３（１≦ｎ≦３）であり、平均粒径が０．１μｍ以上０．３μｍ以下であり、純度が９９．５％以上であるスピネル粉末を準備することが好ましい。

上述した組成のスピネル粉末を準備するためには、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）粉末とＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）粉末とを、１≦Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＯ≦３の混合比率（物質量比）となるように混合することが好ましい。

なお、ここで粉末粒子の粒径とは、レーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法を用いて測定した場合における、小粒径側から大粒径側に向けて当該粉末の体積を積算した累積体積が５０％となる箇所における粉末断面の直径の値を意味する。上述した粒子径分布測定方法とは具体的には、粉末粒子に照射したレーザ光の散乱光の散乱強度分布を解析することにより、粉末粒子の直径を測定する方法である。準備したスピネル粉末中に含まれる複数の粉末粒子の粒径の平均値が、上述した平均粒径である。

次に図３に示す成形工程（Ｓ２０）を実施する。これは具体的には、プレス成形またはＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing；冷間等方圧加工法）により成形する。より具体的には、たとえば工程（Ｓ１０）で準備したＭｇＡｌ_２Ｏ_４の粉末を、まずプレス成形により予備成形した後、ＣＩＰを行ない、成形体を得ることが好ましい。ただしここではプレス成形とＣＩＰとのいずれか一方のみを行なってもよいし、たとえばプレス成形を行なった後にＣＩＰを行なうなど、両方を行なってもよい。

ここでプレス成形においてはたとえば１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下、特に２０ＭＰａの圧力を用いることが好ましく、ＣＩＰにおいてはたとえば１６０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下、特に１８０ＭＰａ以上２３０ＭＰａ以下の圧力を用いることが好ましい。

次に図３に示す焼結工程（Ｓ３０）を実施する。焼結工程として具体的には、真空雰囲気下に成形体を載置して焼結する真空焼結法や、たとえばアルゴン雰囲気下に成形体を載置して加圧焼結するＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing；熱間等方加圧）を用いることが好ましい。あるいは上記方法の代わりにホットプレス法を用いてもよい。真空焼結法とＨＩＰなどとのいずれかのみを行なってもよいし、たとえば真空焼結法を行なった後にＨＩＰを行なうなど、複数を行なってもよい。さらにＨＩＰ後に再度熱処理を行なってもよい。

真空焼結法においては具体的には、成形体を真空雰囲気中に載置し、１６００ＭＰａ以上１８５０ＭＰａ以下の圧力を加えた条件の下で１６００℃以上１８００℃以下に加熱し、１時間以上３時間以下保持することが好ましい。このようにすれば、密度が９５％以上の焼結体を形成することができる。またＨＩＰにおいては、上記焼結体を（あるいはホットプレスによる焼結を行なっていない成形体を）アルゴン雰囲気中に載置し、１５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力を加えながら１６００℃以上１９００℃以下に加熱し、１時間以上３時間以下保持することにより焼結する。上述した圧力および温度により焼結を行なえば、形成される焼結体の密度を、最終的に形成される基板に要求される強度（ヤング率）の条件を満たすに足りる密度とすることができる。これは加圧によりスピネル焼結体の組成変形が起こるとともに、拡散機構により当該焼結体内部の空孔が外部へ除去されるためである。

以上により焼結がなされた焼結体に対して、図３に示すように加工工程（Ｓ４０）を行なう。これは具体的には、まず上記焼結体を所望の（基板１の）厚みとなるようにダイシング加工により切断（切削加工）する。これにより、所望の厚みを有する基板１の下地が完成する。なおここで所望の厚みとは、最終的に形成したい基板１の厚みと、後工程における基板１の主表面１ａの研磨しろ等を考慮した上で決定することが好ましい。

次に、上記基板１の下地の主表面を研磨する。具体的には、上述したように最終的に形成される基板１の主表面１ａを、平均粗さＲａが所望の値となるように研磨する工程である。特に上述したように、ＳＡＷフィルタ用の基板としての基板１は、主表面１ａを上述した所望のＲａとなるように研磨することが好ましい。

基板１の主表面１ａを、優れた平坦度を達成するために研磨する場合は、粗研磨と通常研磨と、ダイヤ砥粒を用いた研磨との３段階の研磨を順に行なうことが好ましい。具体的には、第１段階である粗研磨および第２段階である通常研磨において、研磨機（たとえばナノファクター社製ＮＦ−３００）を用いて主表面１ａを鏡面加工する。ここで粗研磨と通常研磨とでは、研磨に用いる砥粒の番手が異なる。具体的には、粗研磨においては砥粒の番手が＃８００〜＃２０００であるＧＣ砥石を、通常研磨においては砥粒の粒径が３〜５μｍであるダイヤモンド砥石を用いることが好ましい。

次に第３段階である仕上げ加工としての研磨は、上述したようにダイヤ砥粒を用いて行なうことが好ましい。ダイヤ砥粒は硬度が非常に高く、かつ砥粒の平均粒径が０．５μｍ〜１．０μｍ程度と非常に小さいことから、高精度な鏡面加工用の砥粒として用いることに適している。当該砥粒を用いてたとえば１０分間研磨加工を行なう。このようにすれば、上述した主表面１ａの平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である平坦性の高い主表面１ａを実現することができる。したがって特にＳＡＷフィルタ用の基板１は、圧電体基板１０の主表面とファンデルワールス力により接合することが可能となる。たとえば上記処理により、基板１の主表面１ａの平均粗さＲａの値を２ｎｍ程度とすることができる。

なお、たとえばスピネル製の基板を高周波発信機のフィルタとして用いる場合には、上記のＳＡＷフィルタ用のスピネル基板のような主表面の平坦度は必要ない。この場合は、上述した３段階の研磨を行なうに当たり、第１段階と第２段階とについてはＳＡＷフィルタ用の基板１を形成する場合と同様の砥粒を用いることが好ましい。ただし第３段階の仕上げ加工においては通常、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）が行なわれる。この場合は、その結果、形成される基板の主表面の平均粗さＲａの値は５ｎｍ程度となる。

ＣＭＰにおいては化学研磨剤、研磨パッドを使用し、化学作用と機械的研磨の複合作用で、ウェハ表面の凹凸を削って平坦化する。しかし、ＣＭＰを用いて多結晶であるスピネル製の基板の主表面を研磨した場合は、研磨後の主表面において多結晶粒子の粒界における凹凸が多数残存することになる。これに対し、ダイヤ砥粒を用いて仕上げ加工を行なえば、スピネル製の基板を構成する多結晶の粒界の凹凸をも研磨して平坦にすることができる。以上より、上述したダイヤ砥粒を用いた仕上げ加工により、主表面１ａの平均粗さＲａが極めて良好な値になることがわかる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、より低コストで適度な強度を有する基板、および当該基板を用いたＳＡＷデバイスを提供する技術として、特に優れている。

１ 基板、１ａ 主表面、２ ＳＡＷフィルタ、３，４ 電極、３ａ，４ａ 第１極、３ｂ，４ｂ 第２極、３ｃ，３ｄ 櫛型成分、１０ 圧電体基板。

Claims (1)

1. ＳＡＷデバイス用の多結晶体のスピネルからなる基板であって、前記基板の一方の主表面の平均粗さＲａの値が０．０１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である基板と、
   前記基板上に載置される圧電体基板とを備え、
   前記圧電体基板を構成する材料の分子と、前記基板を構成するスピネルの分子とは、ファンデルワールス力により結合される、ＳＡＷデバイス。

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