JP5934424B2 - 弾性波デバイスの製法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合基板、弾性波デバイス及び弾性波デバイスの製法に関する。
近年、弾性波デバイスの温度特性を改善する目的で、熱膨張係数の小さな支持基板上に薄い圧電基板を接合した複合基板が用いられている。例えば、特許文献１には、圧電基板であるＬＴ基板（ＬＴはタンタル酸リチウムの略）と支持基板であるシリコン基板とをエポキシ接着剤からなる接着層によって貼り合わせた構造の複合基板が開示されている。
こうした複合基板を用いて弾性波デバイスを作製する際には、以下の問題点が存在する。第１に、温度変化による複合基板の反りが大きいため、様々なプロセス温度を経る弾性波デバイスの製造過程において、パターニングの精度が悪化したり、複合基板の自動ハンドリングが困難になるという点である。第２に、複合基板の強度が低く、弾性波デバイスの作成時の加熱プロセス中に基板割れが発生するという点である。
こうした問題点を解決するためには、例えば、特許文献１の複合基板において、支持基板を厚くすることが考えられる。単純に支持基板の厚みを増すだけで、剛性が上がり複合基板の反りは抑制される。また基板の反りによる破損も低減される。あるいは、特許文献２のように、支持基板のうち圧電基板との接合面とは反対側の面に、圧電基板と実質的に同等の熱膨張係数を持つ補償層を、圧電基板と同じぐらいの厚みで設けることが提案されている。こうした複合基板では、温度が変化したときに圧電基板と補償層とは同じようにして伸縮するため、複合基板の反りが抑制される。
特開２００７−１５０９３１号公報 米国特許第７４０８２８６号明細書
しかしながら、特許文献１の複合基板において、支持基板を例えば５００μｍ程度に厚くした場合、上述した問題点は解決されるものの、この複合基板を利用して作製した弾性波デバイスは高さが高すぎるため、薄型化の傾向に逆行し、商品価値が下がる。そのため、作製した弾性波デバイスの支持基板の裏面を研磨して薄くする必要がある。しかし、研磨にかかるコストが多大となり、結果的に弾性波デバイスのコストが上がる。一方、特許文献２の複合基板では、支持基板の裏面に補償層を付け加えるため、これを利用して作製した弾性波デバイスのコストが上がるという問題が生じる。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、複合基板の反りの低減や強度の向上を実現しつつ、弾性波デバイスにしたときの製造コストが嵩むのを抑えることを主目的とする。
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の複合基板は、
圧電基板と該圧電基板よりも低い熱膨張係数を持つ支持基板とを貼り合わせた複合基板であって、
前記支持基板は、同じ材料で作られた第１基板と第２基板とがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合され、前記第１基板のうち前記第２基板との接合面とは反対側の面で前記圧電基板と貼り合わされたものである。
本発明の弾性波デバイスの製法は、
（ａ）上述した複合基板を準備する工程と、
（ｂ）前記複合基板のうち前記圧電基板の表面に弾性波デバイス用の電極を形成する工程と、
（ｃ）ブレードで前記第１基板から前記第２基板を剥離して除去する工程と、
（ｄ）前記複合基板をダイシングして弾性波デバイスを得る工程と、
を含むものである。
本発明の弾性波デバイスは、上述した本発明の弾性波デバイスの製法によって得られたものである。
本発明の複合基板は、支持基板として、同じ材料で作られた第１基板と第２基板とがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合されたものである。そのため、第１基板のみを支持基板として使用する場合に比べて、支持基板を厚くすることができる。その結果、温度変化に応じて発生する複合基板の反りを小さく抑えることができるし、複合基板の強度も高くすることができる。また、弾性波デバイスを作製したあとは、ブレードで第１基板から第２基板を剥離して除去すれば、支持基板の厚さを簡単に薄くすることができる。そのため、研磨により厚い支持基板を薄くする場合に比べて、低コストで済む。その結果、弾性波デバイスにしたときの製造コストが嵩むのを抑えることができる。除去した第２基板は、本発明の複合基板を作製する際に再利用することができるため、その点でもコストを抑えることができる。
本発明の弾性波デバイスの製法では、上述した本発明の複合基板を準備し、その複合基板のうち圧電基板の表面に弾性波デバイス用の電極を形成し、ブレードで第１基板から第２基板を剥離して除去したあとダイシングして弾性波デバイスを得る。弾性波デバイス用の電極を形成したあとは、ブレードで第１基板から第２基板を剥離して除去すれば、支持基板の厚さを簡単に薄くすることができる。そのため、研磨により厚い支持基板を薄くする場合に比べて、低コストで済む。その結果、弾性波デバイスにしたときの製造コストが嵩むのを抑えることができる。
複合基板１０を模式的に示す断面図である。 複合基板１０の製造工程を模式的に示す断面図である。 弾性波デバイス３０の製造工程を模式的に示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の複合基板１０を模式的に示す断面図である。この複合基板１０は、圧電基板１２と、支持基板１４とを備えている。
圧電基板１２は、弾性波を伝搬可能な基板である。この圧電基板１２の材質としては、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト（ＬＧＳ）、ランガテイト（ＬＧＴ）などが挙げられる。このうち、ＬＴ又はＬＮが好ましい。ＬＴやＬＮは、弾性表面波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性波デバイスとして適しているからである。圧電基板１２の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが０．２〜５０μｍである。
支持基板１４は、圧電基板１２よりも熱膨張係数が小さいものであり、圧電基板１２の裏面に直接接合により接合されているか有機接着層を介して接合されている。支持基板１４を圧電基板１２よりも熱膨張係数が小さいものとすることで、温度が変化したときの圧電基板１２の大きさの変化を抑制し、複合基板１０を弾性波デバイスとして用いた場合における周波数特性の温度変化を抑制することができる。この支持基板１４は、同じ材料で作られた第１基板１４ａと第２基板１４ｂとがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合されたものである。また、支持基板１４は、第１基板１４ａのうち第２基板１４ｂとの接合面とは反対側の面で、圧電基板１２と貼り合わされている。支持基板１４の材質としては、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスなどが挙げられるが、シリコンが好ましい。また、支持基板１４の大きさは、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが２００〜１２００μｍである。第１及び第２基板１４ａ，１４ｂの大きさは、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１００〜６００μｍである。また、支持基板１４のヤング率は、圧電基板１２より大きいことが好ましい。
圧電基板１２及び支持基板１４に用いられる代表的な材質の熱膨張係数を表１に示す。
Figure 0005934424
次に、こうした複合基板１０を製造する方法について、図２を用いて以下に説明する。図２は、複合基板１０の製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、円盤状で同じ材質からなる第１及び第２基板１４ａ，１４ｂを用意し（図２（ａ）参照）、両基板１４ａ，１４ｂを直接接合により接合して支持基板１４を作製する（図２（ｂ）参照）。両基板１４ａ，１４ｂを直接接合する方法としては、以下の方法が例示される。すなわち、まず、両基板１４ａ，１４ｂの接合面を洗浄し、該接合面に付着している汚れを除去する。次に、両基板１４ａ，１４ｂの接合面にアルゴン等の不活性ガスのイオンビームを照射することで、残留した不純物（酸化膜や吸着物等）を除去すると共に接合面を活性化させる。その後、真空中、常温で両基板１４ａ，１４ｂを貼り合わせる。両基板１４ａ，１４ｂの接合強度は、厚さ１００μｍのブレードを挿入したときに剥離する強度とする。このような強度となるように、接合面の表面粗さ、イオンビームの照射時間、貼り合わせ時の圧力などを実験により決定する。例えば、両基板１４ａ，１４ｂが共にシリコン基板の場合、一般的にシリコンのバルク強度は２〜２．５Ｊ／ｍ2と言われているため、両基板１４ａ，１４ｂのＳｉとＳｉの結合エネルギーをそれより小さい値、例えば０．０５〜０．６Ｊ／ｍ2となるようにする。０．０５Ｊ／ｍ2を下回ると弾性波デバイスの製造中に剥離するおそれがあり、０．６Ｊ／ｍ2を上回るとブレードをスムーズに挿入できないおそれがある。
続いて、支持基板１４と圧電基板１２とを接合する（図２（ｃ）参照）。具体的には、支持基板１４のうち第１基板１４ａの表面と圧電基板１２の裏面とを接合する。接合方法は、直接接合でもよいし、有機接着層を介して接合してもよい。直接接合については、既に述べたので、ここではその説明を省略する。但し、接合強度がシリコンのバルク強度２〜２．５Ｊ／ｍ2と同等かそれ以上となるように接合面の表面粗さ、イオンビームの照射時間、貼り合わせ時の圧力などを決定する。有機接着層を介して接合する場合には、まず、支持基板１４の表面及び圧電基板１２の裏面の一方又は両方に有機接着剤を均一に塗布し、両者を重ね合わせた状態で有機接着剤を固化させることにより接合する。以上のようにして、複合基板１０が得られる（図２（ｄ）参照）。直接接合方法はここで示した方法以外に、プラズマを用いたものや、中性原子ビームを用いるなどしてもよく、特に限定されるものではない。
次に、こうした複合基板１０を用いて弾性波デバイス３０を作製する方法について、図３を用いて以下に説明する。図３は、弾性波デバイス３０の製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、複合基板１０を準備する（図３（ａ）参照）。これについては、図２を用いて既に説明したため、ここではその説明を省略する。
次に、複合基板１０のうち圧電基板１２の表面に弾性波デバイス用の電極３１を形成する（図３（ｂ）参照）。圧電基板１２の表面は、多数の弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の電極３１をフォトリソグラフィ技術を利用して形成する。なお、電極３１は、図３（ｄ）に示すように、ＩＤＴ電極３２，３４と反射電極３６とからなるものである。
次に、厚さ１００μｍのブレードで第１基板１４ａから第２基板１４ｂを剥離して除去する（図３（ｃ）参照）。第２基板１４ｂを剥離したあとの第１基板１４ａの面（剥離面）は、表面粗さＲａが十分小さいため特に研磨する必要はないが、必要に応じて研磨してもよい。また、第１基板１４ａの剥離面には、第１基板１４ａの材質に由来する元素のほかに、直接接合の際に使用した真空チャンバーの材質に由来する元素が含まれる。例えば、真空チャンバーの材質がステンレス鋼の場合には、それに由来するＦｅ元素やＣｒ元素が含まれる。第１基板１４ａから剥離された第２基板１４ｂは、次回複合基板１０を作製するときに再利用することができる。
最後に、区画に沿ってダイシングすることにより、多数の弾性波デバイス３０を得る（図３（ｄ）参照）。得られた弾性波デバイス３０は、入力側のＩＤＴ電極３２に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電基板１２上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極３４から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。つまり、弾性波デバイス３０は、弾性表面波デバイスである。
以上説明した本実施形態によれば、支持基板１４として、同じ材料で作られた第１基板１４ａと第２基板１４ｂとが接合されたものを用いたため、第１基板１４ａのみを支持基板１４として使用する場合に比べて、支持基板１４を厚くすることができる。その結果、温度変化に応じて発生する複合基板１０の反りを小さく抑えることができるし、複合基板１０の強度も高くすることができる。また、弾性波デバイス用の電極３１を作製したあとは、ブレードで第１基板１４ａから第２基板１４ｂを剥離して除去すれば、支持基板１４の厚さを簡単に薄くすることができる。そのため、支持基板１４と同じ厚さのバルクな支持基板を研磨により薄くする場合に比べて、低コストで済む。その結果、弾性波デバイス３０の製造コストが嵩むのを抑えることができる。除去した第２基板１４ｂは、次回複合基板１０を作製する際に再利用することができるため、その点でもコストを抑えることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
［実施例１］
第１及び第２基板として、直径１００ｍｍ、厚さ２５０μｍのシリコン基板を２枚用意した。各シリコン基板は、両面が鏡面に仕上げられたものを用意した。各シリコン基板を洗浄して表面の汚れを取った後、ステンレス鋼製の真空チャンバーに導入した。チャンバー内を１×１０-6Ｐａ台の真空雰囲気に調節し、その中で各シリコン基板の表面にＡｒイオンビームを１８０ｓｅｃ間照射した。次いで、各シリコン基板のビーム照射面を接触させるように重ね合わせた後、５００ｋｇｆの荷重をかけて両シリコン基板を接合し、総厚み５００μｍの支持基板を得た。この支持基板のほかに、両面が鏡面に仕上げられた直径１００ｍｍ、厚さ２３０μｍのＬＴ基板を圧電基板として用意した。そして、ＬＴ基板と支持基板とを再度洗浄し、真空チャンバーに投入した。チャンバー内を１×１０-6Ｐａ台の真空雰囲気に調節し、その中でＬＴ基板の表面及び支持基板の表面（第１基板の表面）にＡｒイオンビームを３００ｓｅｃ照射した。次いで、ＬＴ基板のビーム照射面と支持基板のビーム照射面とを接触させるように重ね合わせた後、２０００ｋｇｆの加重をかけて両基板を接合し、３層構造の複合基板を得た。
この複合基板のうち圧電基板であるＬＴ基板を約２０μｍまで研磨した。研磨前後の複合基板の反り量を測定したところ約２５μｍであった。また、研磨後の複合基板を１００℃に加熱する前後の反り量を測定したところ約２５０μｍであった。
［比較例１］
支持基板として直径１００ｍｍ、厚さ２５０μｍのシリコン基板１枚を用いた以外は、実施例１と同様にして複合基板を作製し、研磨前後の複合基板の反り量を測定したところ約６０μｍであった。また、１００℃の加熱前後の反り量を測定したところ約１５００μｍであった。
［反り量のまとめ］
表２に実施例１と比較例１の反り量の結果をまとめた。表１から明らかなように、実施例１では、比較例１と比べて、支持基板が厚いため、大幅な反り低減効果が認められた。
Figure 0005934424
［実施例２］
実施例１の研磨後の複合基板に弾性波デバイス（弾性表面波デバイス）用の電極のパターニングを施した後、ＳｉとＳｉの接合部にブレードを挿入し、接合基板の剥離を行った。これにより、ＬＴ基板とＳｉ基板（第１基板）とが接合された２層構造の複合基板と、単層のＳｉ基板（第２基板）を得た。２層構造の複合基板の剥離面及び単層のＳｉ基板の剥離面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて観察したところ、ウェハーの表面粗さＲａは約０．４ｎｍであり、研磨しなくても十分な表面状態であった。また、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、先ほどの剥離面の元素分析を行ったところ、Ｓｉ元素のほかにＦｅ元素およびＣｒ元素が検出された。Ｆｅ元素およびＣｒ元素は、真空チャンバーに由来する元素である。これらの元素は、第１基板と第２基板とを直接接合する際に混入したものである。
クラックオープニング法を用いて単位面積当たりの結合エネルギーを測定したところ、ＬＴ基板とＳｉ基板（第１基板）との結合エネルギーは約２．５Ｊ／ｍ2、Ｓｉ基板（第１基板）とＳｉ基板（第２基板）との結合エネルギーは約０．２Ｊ／ｍ2であった。一般的にシリコンのバルク強度が２〜２．５Ｊ／ｍ2と言われており、ＬＴ基板とＳｉ基板（第１基板）ではバルク強度以上の結合エネルギーが得られているのに対し、Ｓｉ基板（第１基板）とＳｉ基板（第２基板）との結合エネルギーはバルク強度より弱く、ブレードによる剥離が可能であることを示している。なお、クラックオープニング法とは、貼り合わせ界面にブレードを挿入し、進入したブレードの距離で接合界面の表面エネルギーを測る方法である。使用したブレードはフェザー安全剃刀社製の品番９９０７７（刃渡り：約３７ｍｍ、厚さ：０．１ｍｍ，材質：ステンレス鋼）とした。
本出願は、２０１３年２月１９日に出願された日本国特許出願第２０１３−３０１６１号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明の複合基板は、ＳＡＷフィルタなどの弾性波デバイスに利用可能である。
１０ 複合基板、１２ 圧電基板、１４ 支持基板、１４ａ 第１基板、１４ｂ 第２基板、３０ 弾性波デバイス（弾性表面波デバイス）、３１ 電極、３２，３４ ＩＤＴ電極、３６ 反射電極。

Claims (2)

  1. （ａ）圧電基板よりも熱膨張係数の低い同じ材料で作られた第１及び第２基板を用意し、両基板の接合面に不活性ガスのイオンビームを照射した後、両基板の接合強度が厚さ１００μｍのブレードを挿入したときに剥離する強度となるように、真空中、常温で両基板を貼り合わせて支持基板を作製し、前記第１基板のうち前記第２基板との接合面とは反対側の面で前記圧電基板と貼り合わせることにより複合基板を作製する工程と、
    （ｂ）前記複合基板のうち前記圧電基板の表面に弾性波デバイス用の電極を形成する工程と、
    （ｃ）ブレードで前記第１基板から前記第２基板を剥離して除去する工程と、
    （ｄ）前記複合基板をダイシングして弾性波デバイスを得る工程と、
    を含む弾性波デバイスの製法。
  2. 前記工程（ａ）では、前記支持基板を作製した後前記支持基板と前記圧電基板とを直接接合又は樹脂接合により接合する、
    請求項１に記載の弾性波デバイスの製法。
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