JP6250856B1 - 表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電結晶膜と支持基板の接合界面における波の反射に起因するスプリアスを低減した、温度特性が良好で、高性能な表面弾性波デバイス用複合基板を提供する。【解決手段】表面弾性波デバイス用複合基板は、圧電単結晶基板１と支持基板２とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、圧電単結晶基板と該支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有している。この凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長との比が０．２以上７．０以下であることを特徴とする。【選択図】図１６

Description

本発明は、圧電単結晶基板と支持基板とを接合した表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイスに関する。

近年、スマートフォンに代表される移動体通信の市場において、通信量が急激に増大している。これに対応するため、通信バンド数を増やす必要があり、表面弾性波デバイスをはじめとする各種部品の小型化、高性能化が必須となってきている。

表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）デバイスの材料としては、圧電材料であるタンタル酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔａｎｔａｌａｔｅ：ＬＴ）やニオブ酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ：ＬＮ）が広く用いられている。これらの材料は、大きな電気機械結合係数を有し、デバイスの広帯域化が可能である一方で、温度安定性が低く温度変化によって対応できる周波数がシフトしてしまうという問題がある。これは、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムが非常に高い熱膨張係数を有することに起因する。

この問題を解決するために、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムに、熱膨張係数の小さな材料を貼り合せて、圧電材料側を数μｍ〜数十μｍに薄化した複合基板が提案されている。この複合基板は、サファイアやシリコン等の熱膨張係数の小さな材料を貼り合せることによって圧電材料の熱膨張を抑え、温度特性を改善したものである（非特許文献１）。図２１には、参考として各種材料の熱膨張係数を示す。

スマートフォンのＲＦフロントエンドに用いられるＳＡＷ‐Ｄｕｐｌｅｘｅｒの温度補償技術，電波新聞ハイテクノロジー２０１２年１１月８日 "Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ‐Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ"，２０１０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐａｇｅ ６３７‐６４０．

しかしながら、上記の複合基板の場合は、通過帯域より高い周波数にスプリアス若しくはリップルと呼ばれるノイズが発生するという問題がある。このノイズは、圧電結晶膜と支持基板の接合界面における波の反射に起因するものである。

図２２及び図２３は、Ｓｉ基板と厚さ２０μｍのＬＴ基板からなる複合基板を用いて作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）とＳ１２（挿入損失）を示したグラフである。図２３では、通過帯域より高い周波数において挿入損失の値が小さくなっている箇所が観測されており、図２２では、その周波数において、Ｓ１１のスプリアスが生じている。ここでは、スプリアスの山と谷の差を強度（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）と定義している。

この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。非特許文献２には、１０００番の砥石を用いて、算術平均粗さＲａで３００ｎｍとなるようにＬＴの貼り合せ面を粗くして、接着剤を介して支持基板と接合することによってスプリアス強度が低減されることが示されている。

しかしながら、本発明者らが、非特許文献２に記載の方法を検討した結果、同程度の算術平均粗さＲａの場合であっても複合基板としたときのスプリアス強度が異なることを見出した。図２４は、同程度のＲａであるＬＴ基板をシリコン基板と貼り合わせて、スプリアスを測定した結果を示すものである。この結果によると、同程度のＲａの場合であっても、スプリアス強度は大きく異なっているため、Ｒａとは別の要素がスプリアス強度の低減に重要な影響を及ぼしていると考えられる。

そのため、本発明者らは、さらに検討を進めたところ、圧電結晶基板と支持基板との接合界面部における凹凸構造の周期と表面弾性波の波長との比が複合基板のスプリアスの低減のために重要な要素であることを知見し、本発明に至ったものである。
なお、ここでは、凹凸構造の周期を凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍで評価している。

そこで、本発明の目的は、圧電結晶膜と支持基板の接合界面における波の反射に起因するスプリアスを低減した、温度特性が良好で、高性能な表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイスを提供することである。

すなわち、本発明の表面弾性波デバイス用複合基板は、圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、この凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下であることを特徴とするものである。

本発明の凹凸構造の断面曲線における算術平均粗さＲａは、１００ｎｍ以上であることが好ましく、圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部において、圧電単結晶基板と支持基板との間に介在層が存在し、その介在層としては、少なくともＳｉＯ_２、ＳｉＯ_{２±０．５}、ａ‐Ｓｉ、ｐ‐Ｓｉ、ａ‐ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３の何れかを含むことが好ましい。

本発明の複合基板は、介在層として、少なくとも熱酸化シリカ又は８００℃以上の温度で熱処理が施されたシリカを含むことが好ましい。

介在層の厚みは、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．２倍以下であることが好ましい。また、圧電単結晶基板の厚みは、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．０倍以上３．５倍以下であることが好ましい。

本発明の支持基板は、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素の何れかであることが好ましく、その支持基板が凹凸構造を有するシリコン基板の場合、凹凸構造はピラミッド形状であることが好ましい。

本発明の圧電単結晶基板は、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板であることが好ましく、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板であるか、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされているタンタル酸リチウム単結晶基板であることが好ましい。

また、本発明の圧電単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が概略一様であり、その場合は、ＬｉとＴａ又はＮｂとの比率がＬｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であることが好ましい。

さらに、本発明の圧電単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有してもよく、その場合は、支持基板との接合界面部側のＬｉ濃度が、反対側表面のＬｉ濃度よりも大きいか、又は支持基板との接合界面部側のＬｉとＴａ又はＮｂとの比率が、Ｌｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であることが好ましい。

次に、本発明の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法は、少なくとも圧電単結晶基板及び／又は支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、この凹凸構造の上に介在層を設ける工程を含むと共に、圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板とを接合するか、支持基板上に設けられた介在層と圧電単結晶基板とを接合するか、又は圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板上に設けられた介在層とを接合する工程を含むことを特徴とするものであり、この場合、介在層の表面を鏡面化する工程を含むことが好ましい。

また、本発明の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法は、ウェットエッチングによって支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、この凹凸構造を有する基板表面が接合界面となるように、圧電単結晶基板と接合する工程とを少なくとも含むことを特徴とするものであり、この場合、凹凸構造を設ける工程では、ウェットエッチングによってシリコン単結晶から成る支持基板の表面に、ピラミッド形状の凹凸構造を設けることが好ましい。

さらに、本発明の製造方法では、その圧電単結晶基板は、厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有し、少なくとも一方の基板表面から任意の深さまでＬｉ濃度が概略一様であり、この圧電単結晶基板と支持基板とを接合して、Ｌｉ濃度が概略一様になっている部分の少なくとも一部を残すか、又はＬｉ濃度が概略一様になっている部分のみを残すように、接合面の反対側の圧電単結晶基板表層を除去することが好ましい。そして、この場合、Ｌｉ濃度が概略一様になっている部分は、疑似ストイキオメトリー組成であることが好ましい。

本発明によれば、圧電結晶膜と支持基板の接合界面における波の反射に起因するスプリアスを低減した、温度特性が良好で、高性能な表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイスを提供することができる。

実施例１におけるスプリアス強度とＲＳｍ／λの関係を表すグラフである。 ピラミッド形状の凹凸構造が形成されたＳｉ基板のＡＦＭによる断面プロファイルである。 ピラミッド形状の凹凸構造が形成されたＳｉ基板のＳＥＭ観察像である。 実施例２におけるスプリアス強度とＲＳｍ／λの関係を表すグラフである。 実施例３におけるスプリアス強度とＲＳｍ／λの関係を表すグラフである。 実施例５におけるＬＴ基板の厚みとスプリアス強度の関係を表すグラフである。 実施例５におけるＬＴ基板の厚みとＱ_ｍａｘの関係を表すグラフである。 実施例５におけるＬＴ基板の厚みとＴＣＦの平均値との関係を表すグラフである。 実施例５におけるＬＴ基板の厚みと剥離開始温度の関係を表すグラフである。 実施例５において使用したＬＴ基板のラマンプロファイルを示したグラフである。 実施例５の複合基板の接合界面部付近の断面ＳＥＭ像である。 実施例５の複合基板を用いて作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）を示したグラフである。 実施例５の複合基板を用いて作製した４段ラダーフィルタのＳ１２（挿入損失）を示したグラフである。 実施例５におけるスプリアス強度とＲＳｍ／λの関係を表すグラフである。 実施例５の複合基板を用いて作製した共振子の入力インピーダンス波形を示したグラフである。 圧電単結晶基板１及び支持基板２の両方の表面を粗面化（凹凸構造を形成）し、そこに介在層として無機材料６を形成すると共に鏡面化して複合基板を作製する一態様を示す図である。 圧電単結晶基板１の表面だけを粗面化（凹凸構造を形成）し、そこに介在層として無機材料６を形成すると共に鏡面化して複合基板を作製する一態様を示す図である。 圧電単結晶基板１の表面だけを粗面化（凹凸構造を形成）し、そこに介在層として接着剤５を形成して複合基板を作製する一態様を示す図である。 支持基板２の表面だけを粗面化し、そこに介在層として無機材料６を形成すると共に鏡面化して複合基板を作製する一態様を示す図である。 本発明の複合基板の接合界面部構造の種々の態様を示す図である。 各材料の熱膨張係数を比較したグラフである。 Ｓｉ基板と厚さ２０μｍのＬＴ基板から成る複合基板を用いて作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）を示したグラフである。 Ｓｉ基板と厚さ２０μｍのＬＴ基板から成る複合基板を用いて作製した４段ラダーフィルタのＳ１２（挿入損失）を示したグラフである。 同程度のＲａであるＬＴ基板を用いた場合のスプリアス強度の比較である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明は、圧電単結晶基板１と支持基板２とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板及びその製造方法とこの複合基板を用いた表面弾性波デバイスに関するものである。そして、本発明の複合基板は、圧電単結晶基板１と支持基板２とを貼り合わせた様態が好ましく、貼り合わせの方法は限定されない。

圧電単結晶基板１と支持基板２との貼り合わせ（接合）方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、常温接合法や接着剤を介して接合することができる。常温接合を行う際の表面活性化処理は、例えば、オゾン水処理、ＵＶオゾン処理、イオンビーム処理、又はプラズマ処理等により行うことができる。

ここで、圧電単結晶基板１と支持基板２は、直接接合されていてもよいが、少なくとも圧電単結晶基板１と支持基板２の何れか一方が凹凸構造を有しているため、現実的には両者の間に介在層３を設けることが好ましい。

介在層３としては、アクリル接着剤、エポキシ接着剤、シリコーン接着剤等の接着剤５やＳｉＯ_２、ａ‐Ｓｉ、ｐ‐Ｓｉ、ａ‐ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機材料６を介在層とすることができる。ただし、実際のデバイスでは、信頼性の観点から有機成分を含む接着剤を用いることは難しい。また、介在層とする無機材料は、ＳｉＯ_{２±０．５}のように厳密にストイキオメトリックである必要はない。

圧電単結晶基板１と支持基板２との接合界面部４において、圧電単結晶基板１と支持基板２の何れか一方又は両方が凹凸構造を有している複合基板は、例えば、図１６乃至図１９に示す工程を経て作製することができる。図１６は、圧電単結晶基板１と支持基板２の両方が凹凸構造を有している複合基板の作製方法を示し、図１７及び図１８は、圧電単結晶基板１が凹凸構造を有している複合基板の作製方法を示し、図１９は、支持基板２が凹凸構造を有している複合基板の作製方法を示すものである。

作製する際は、図１６乃至図１９の何れの場合でも、最初に、粗面（凹凸構造）を有する圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２を準備する。これらは接着剤５を介して接合してもよいが、好ましくは、無機材料６の介在層を設けて接合する。この場合、圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２の粗面（凹凸構造）上に、ＳｉＯ_２等を堆積させる。

ＳｉＯ_２等を堆積させる方法としては、例えば、ＰＥ‐ＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ強化化学気相成長法）やスパッタ等に代表されるＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相成長法）を用いることができる。また、アルコキシドシラン等のシラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、パーヒドロポリシラザン等のポリシラザン、シリコーンオイル等のシリコーンオリゴマーやそれらの溶液をウェーハ上に塗布して、熱処理によって硬化させてもよい。

ＳｉＯ_２等を高温下で堆積させた場合、室温に戻した際の反りやクラックが問題となるため、室温に近い温度で介在層３を形成させることが好ましい。工程温度が７０℃以下となるようにすれば、真空チャックに吸着可能な程度まで基板の反りを抑えることが可能である。具体的には、室温ＣＶＤ法やマグネトロンスパッタ等を用いることが好ましい。
また、介在層３に水素や水等の不純物を多量に含むとアウトガスと呼ばれる揮発成分が発生し、信頼性を低下させることから、できる限り高純度の介在層を形成する必要がある。

このように、圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２の粗面（凹凸構造）上に、無機材料６の介在層を堆積させた後、表面を研磨して鏡面化する。そして、例えば、図１６に示す作製工程を経て、圧電単結晶基板１上に設けられた無機材料６の介在層の鏡面と支持基板２上に設けられた無機材料６の介在層の鏡面とを貼り合わせた場合、図２０（Ａ）に示すように、圧電単結晶基板１と支持基板２の双方が凹凸構造を有している複合基板が得られる。

また、図１７に示すように、圧電単結晶基板１の表面だけに凹凸構造を形成し、そこに無機材料６の介在層を形成すると共に鏡面化して、支持基板２の鏡面と貼り合わせた場合、図２０（Ｂ）に示すように、圧電単結晶基板１と支持基板２との接合界面部４において、圧電単結晶基板１が凹凸構造を有している複合基板が得られる。
このとき、図１８に示すように、介在層として接着剤５を用いて複合基板を得ることもできる。さらに、図１９に示すように、支持基板２の表面だけに凹凸構造３を形成し、そこに無機材料６の介在層を形成すると共に鏡面化して、圧電単結晶基板１の鏡面と貼り合わせた場合、図２０（Ｃ）に示すように、接合界面部４において、支持基板２が凹凸構造を有している複合基板が得られる。

圧電単結晶基板１と支持基板２の何れか一方のみが凹凸構造を有している複合基板とする場合は、介在層３の材料とより熱膨張係数の近い基板材料に凹凸構造を設ければ、介在層３を基板の凹凸構造上に堆積させる際に、クラックや反りの発生を抑制しやすくなる。

介在層３は、同一又は異種材料による多層構造になっていてもよく、介在層３には、熱酸化シリカ、及び／又は、８００℃以上の温度で熱処理が施されたシリカが含まれることが好ましい。

支持基板２としてシリコン基板を用いる場合、様々な方法で介在層３として用いるのにに適したシリカを形成することができる。例えば、シリコン基板を酸素雰囲気中で８００〜１１００℃で熱処理を施すことによって、シリコン基板表面に１ｎｍ〜１μｍ程度の熱酸化シリカを形成することができる。

また、基板上にＣＶＤ法やＰＶＤ法によりシリカを堆積させ、８００℃以上の温度で熱処理が施して、このようなシリカを形成することができる。また、有機ケイ素化合物を塗布して、８００℃以上の温度で熱処理が施してもよい。

圧電単結晶基板１又は支持基板２が凹凸構造を有していない場合でも、その表面に介在層を設けてもよく、特に、支持基板２には、凹凸構造の有無にかかわらず、熱酸化シリカ、及び／又は、８００℃以上の温度で熱処理が施されたシリカを介在層として設けることが好ましい。

圧電単結晶基板１の表面に設けた介在層３は、圧電単結晶のキュリー温度や、介在層３との熱膨張係数の差のために、高温で熱処理することが困難である。そのため、加熱冷却等の操作を含む後工程においてアウトガスが発生し、貼り合せ界面で剥離が生じる懸念がある。

しかしながら、上記のようなシリカは、緻密で不純物が少なく、ある程度の量のガスを吸収することができる。したがって、圧電単結晶基板１の表面に設けた介在層３からアウトガスが発生しても、介在層３中に熱酸化シリカ又は８００℃以上の温度で熱処理が施されたシリカが含まれれば、このようなガスを吸収するため、剥離の発生を抑制することが可能となる。

介在層３を圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２の凹凸構造上に堆積させる際は、凹凸構造を埋めるために、凹凸構造の最も低い位置を基準として、最大高さ粗さＲｚよりも厚く堆積させることが好ましい。

最大高さ粗さＲｚは、基準長さにおける輪郭（粗さ）曲線の山高さＲｐの最大値と谷深さＲｖの最大値の和であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１及びＩＳＯ ４２８７：１９９７に規定されている。原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）等を用いて測定することができる。

また、介在層３の厚みは小さい方が、Ｑ値が大きく、温度特性も向上し、さらに耐熱性にも優れるため好ましい。特に、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．０倍以下の厚みであることが好ましい。なお、ここでの介在層の厚みは、凹凸構造において輪郭（粗さ）曲線の平均線を基準とする。介在層の厚みが大きいと、圧電基板と支持基板との熱膨張差によって、特に介在層の外周部付近において、大きなせん断応力が発生して剥離の原因となり得る。

圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２の少なくとも何れか一方が有する凹凸構造は、その輪郭（粗さ）曲線における要素の平均長さＲＳｍと、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下である。

ここで、凹凸構造の輪郭（粗さ）曲線における要素の平均長さＲＳｍは、ＡＦＭ等を用いて測定することができ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１及びＩＳＯ ４２８７：１９９７に規定されている粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍである。

ＲＳｍは、下記数式（１）によって表され、基準長さにおける粗さ曲線要素の長さＸｓの平均である。

このとき、山及び谷と判断する最小高さ及び最小長さの識別が必要である。識別可能な最小高さの標準値は、最大高さ粗さＲｚの１０％とする。また、識別可能な最小長さの標準値は、基準長さの１％とする。この二つの条件を両方満足するように、山及び谷を決定した上で、粗さ曲線要素の平均長さを求めることにより、ＲＳｍが得られる。

表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λは、複合基板（表面弾性波デバイス）に入力される電気信号の周波数と表面波（リーキー波）の速度によって決定される。表面波の速度は、材料によって異なり、ＬｉＴａＯ_３では約４０００ｍ／ｓである。したがって、ＬｉＴａＯ_３を圧電単結晶基板１として用いた複合基板から、２ＧＨｚの表面弾性波デバイスを製造する場合において、表面弾性波の波長λは約２μｍとなる。
また、８００ＭＨｚの表面弾性波デバイスを製造する場合において、表面弾性波の波長λは約５μｍである。

本発明において、凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比は、ＲＳｍ／λで表され、この値が０．２以上７．０以下であれば、スプリアスを効果的に低減することが可能である。

凹凸構造の断面曲線における算術平均粗さＲａは、特に限定されないが、Ｒａが小さすぎると、スプリアスを低減する効果が十分に得られないと考えられるため、Ｒａは１００ｎｍ以上であることが好ましい。
また、Ｒａが大きすぎると、介在層３を設ける際に時間やコストが掛かる他、表面を均一に研磨することも難しく、製造上好ましくないため、Ｒａは１０００ｎｍ以下であることが好ましい。

圧電単結晶基板１及び／又は支持基板２の表面に凹凸構造を形成する方法は、特に限定されない。目的の表面粗さとなるように砥粒や砥石を選択して研磨を施してもよいし、乾式／湿式エッチングを用いてもよい。

特に、支持基板２をシリコン単結晶基板とし、この基板上に凹凸構造を形成する場合は、アルカリ液を用いたウェットエッチングを行うことが好ましい。（１００）方位のシリコン基板を、ＮａＯＨやＫＯＨなどの強アルカリ液中に浸漬して超音波等で処理することによって異方性エッチングが進み、ピラミッド形状の凹凸構造が得られる。温度や浸漬時間を変化させることによって、容易にピラミッド形状の大きさを制御することができる。

本発明は、スプリアスが問題となる表面弾性波デバイス用複合基板であれば、圧電材料の種類によらず適用可能であると考えられるが、圧電単結晶基板１としては、大きな電気機械結合係数を有するタンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板であることが好ましい。

特に、圧電単結晶基板１としてタンタル酸リチウム単結晶基板を用いる場合は、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板を用いることが好ましい。

タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が概略一様であるものを用いることができ、そのＬｉ濃度は、概略コングルエント組成や疑似ストイキオメトリー組成とすることができる。概略コングルエント組成の圧電単結晶基板は、チョクラルスキー法などの公知の方法から比較的容易に作製できる点で好ましいが、ＬｉとＴａ又はＮｂとの比率がＬｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であるような疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板は、高い機械結合係数と優れた温度特性を示すために好ましい。

圧電単結晶基板のＬｉ濃度を疑似ストイキオメトリー組成とする場合は、公知の二重るつぼ法により作製された疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板を用いてもよいが、以下の方法によっても得られる。

すなわち、チョクラルスキー法などの公知の方法から得られた概略コングルエント組成の圧電単結晶基板に、基板表面から内部へＬｉを拡散させる気相処理を施す方法である。具体的には、例えば、タンタル酸リチウム単結晶基板を、Ｌｉ_３ＴａＯ_４を主成分とする粉体に埋め込み、熱処理を施すことによって行うことができる。

このような処理によって、疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板が得られるが、基板全体を疑似ストイキオメトリー組成にするには、比較的長時間の気相処理を施す必要があるため、基板の反りや割れが問題となる場合もある。

その場合、比較的短時間の気相処理によって、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有する圧電単結晶基板が得られる。そして、このような圧電単結晶基板において、基板表面から任意の深さまでのＬｉ濃度が疑似ストイキオメトリー組成であれば、この圧電単結晶基板を支持基板に貼り合わせて、疑似ストイキオメトリー組成である部分を残すように、残りの圧電単結晶基板を除去すれば、圧電単結晶基板のＬｉ濃度が厚さ方向にわたって概略一様で、疑似ストイキオメトリー組成である複合基板が得られる。

さらに、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有するものを用いることができる。

このとき、圧電単結晶基板の支持基板との接合界面部側のＬｉ濃度が、反対側表面のＬｉ濃度よりも大きくなるようにすれば、弾性波動エネルギーがＬｉ濃度の小さい領域に集中し、複合基板からなる共振子のＱ値を大きくすることができるために好ましい。
また、圧電単結晶基板の支持基板との接合界面部側におけるＬｉとＴａ又はＮｂとの比率は、Ｌｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であるような疑似ストイキオメトリー組成とすることができる。

厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有する圧電単結晶基板は、上記と同様に、概略コングルエント組成の圧電単結晶基板に、基板表面から内部へＬｉを拡散させる気相処理を施すことによって得られる。そして、このような圧電単結晶基板を支持基板に貼り合わせて、圧電単結晶基板の支持基板との接合界面部側のＬｉ濃度よりも、Ｌｉ濃度の小さな面が露出するように、残りの圧電単結晶基板を除去すれば、圧電単結晶基板のＬｉ濃度が厚さ方向にわたって異なっている範囲を有する複合基板が得られる。

また、圧電単結晶基板として用いるタンタル酸リチウム単結晶基板は、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされていてもよい。Ｆｅがドープされたタンタル酸リチウム単結晶基板は、Ｌｉ拡散速度が２割程度向上するため、Ｌｉ拡散処理を伴うような、例えば、上記手法によって複合基板を作製する場合は生産性が向上するために好ましい。また、Ｌｉ拡散処理時間を短くすることができるため、基板の反りや割れの発生も抑制することができる。

なお、タンタル酸リチウム単結晶基板及びニオブ酸リチウム単結晶基板のＬｉ濃度については、公知の方法により測定すればよいが、例えば、ラマン分光法により評価することができる。タンタル酸リチウム単結晶基板については、ラマンシフトピークの半値幅とＬｉ濃度（Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｔａ）の値）との間に、おおよそ線形な関係があることが知られている。したがって、このような関係を表す式を用いれば、酸化物単結晶基板の任意の位置における組成を評価することが可能である。

ラマンシフトピークの半値幅とＬｉ濃度との関係式は、その組成が既知であって、Ｌｉ濃度が異なる幾つかの試料のラマン半値幅を測定することによって得られるが、ラマン測定の条件が同じであれば、文献などで既に明らかになっている関係式を用いてもよい。

例えば、タンタル酸リチウム単結晶については、下記数式（２）を用いてもよい（2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Page(s):1252-1255参照）。
Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｔａ）＝（５３．１５−０．５ＦＷＨＭ１）／１００ （２）
ここで、「ＦＷＨＭ１」は、６００ｃｍ^−１付近のラマンシフトピークの半値幅である。測定条件の詳細については文献を参照されたい。

また、支持基板２は、特に限定されないが、接合する圧電材料に対して熱膨張係数の小さな材料が好ましく、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素の何れかであることが好ましい。

圧電単結晶基板１と支持基板２を貼り合わせた複合基板は、さらに、研削、研磨等の任意の方法によって、圧電単結晶を薄化してもよい。このとき、圧電単結晶基板１の厚みが大きすぎると、支持基板２との貼り合わせによる熱膨張の抑制効果が小さくなるため、温度特性の劣化や反りの増大が懸念される。したがって、複合基板における圧電単結晶基板１の厚みは、１００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以下であることがより好ましい。

また、圧電単結晶基板１の厚みは小さい方が、スプリアス強度が小さく、温度特性が向上し、耐熱性も優れる傾向があるため好ましい。

さらに、圧電単結晶基板１の厚みを、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．０倍以上３．５倍以下とすれば、介在層の厚みにもよるが、Ｑ値を大きくすることができるため好ましく、１．５倍以上３．０倍以下とすることがさらに好ましい。

上記のように、圧電単結晶基板１の厚みが、表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．０倍以上３．５倍以下の場合には、介在層の厚みが、表面弾性波の波長λの１．２倍以下であれば、約２５０℃まで熱耐性を有するため好ましく、１．０倍以下であることがさらに好ましい。

このような表面弾性波デバイス用複合基板を用いて、表面弾性波デバイスを作製すれば、スプリアスが少なく、温度特性が良好表面弾性波デバイスを構成することが可能となる。

以下、本発明の実施例についてより具体的に説明する。

〈実施例１〉
実施例１では、最初に、算術平均粗さＲａが同程度であり（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％）、ＲＳｍが異なる凹凸構造を有する複数のＬＴ基板を準備した。各ＬＴ基板の凹凸構造は、異なる遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。

次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。

そして、ＳｉＯ_２鏡面及び支持基板となるＳｉ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して２０μｍまで薄化することによって、複合基板を作製した。

また、作製した複合基板のＬＴ基板側表面に、スパッタで厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子４段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ_２，ＢＣｌ_３，Ｎ_２，ＣＦ_４の混合ガスを用いた。

最後に、ネットワークアナライザを用いて、作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）及びＳ１２（挿入損失）を測定した。そして、観測されたスプリアスの山と谷の差をスプリアス強度として評価した。

図１は、各複合基板から作製した４段ラダーフィルタの評価結果を示すものである。横軸はＲＳｍ／λであり、λ＝５μｍである。また、縦軸はスプリアス強度である。

この結果によれば、ＲＳｍ／λの値が０．２以上７．０以下のときに、スプリアスを有効に低減できることがわかる。これは、凹凸構造の周期を示すＲＳｍが大きすぎると、接合界面の凹凸による波の散乱が起こりにくく、一方で、ＲＳｍが小さすぎると、当該波長を有する波は凹凸の影響を受けにくいためと考えられる。

また、同一の複合基板を用いて、波長約２μｍの４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、波長約５μｍの場合と同様の傾向を示した。

また、複合基板のうちＲＳｍ／λの値が０．２であるウェーハを２ｍｍ角にダイシングし、２００℃のホットプレートと金属製の冷却ステージ台を往復させる事で（ホットプレートと冷却ステージ台それぞれにおいて３０秒保持）熱耐性試験を調査した。５回往復目で、周囲に剥離が観察された。この結果によれば、実施例１の複合基板は、ある程度の耐熱性を有することがわかる。

〈実施例１’〉
実施例１’では、最初に、算術平均粗さＲａが同程度であり（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％）、ＲＳｍが異なる凹凸構造を有する複数のＬＴ基板を準備した。各ＬＴ基板の凹凸構造は、異なる遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。

次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。

支持基板となるＳｉ基板を、酸素雰囲気中、８５０℃で熱処理を施すことによって、Ｓｉ基板表面に熱酸化シリカを形成した。このとき、熱酸化シリカの厚みが、１００ｎｍ、２５０ｎｍ、５００ｎｍのものを用意した。

そして、ＳｉＯ_２鏡面及びＳｉ基板表面に形成した熱酸化シリカの双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して２０μｍまで薄化することによって、複合基板を作製した。

作製した複合基板を用いて、４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、実施例１の場合と同様の傾向を示した。

また、複合基板のうちＲＳｍ／λの値が０．２であるウェーハを２ｍｍ角にダイシングし、２００℃のホットプレートと金属製の冷却ステージ台を往復させる事で（ホットプレートと冷却ステージ台それぞれにおいて３０秒保持）熱耐性試験を調査した。１００回往復まで試みたが、熱酸化シリカの厚みにもよらず、剥離などは観察されなかった。この結果と実施例１での耐熱性試験の結果とを対比すると、支持基板となるＳｉ基板の表面に熱酸化シリカを設けることにより、複合基板の耐熱性が劇的に向上することがわかる。

〈実施例２〉
実施例２では、最初に、算術平均粗さＲａが同程度であり（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％）、ＲＳｍが異なる凹凸構造を有する複数のＳｉ基板を準備した。各Ｓｉ基板の凹凸構造は、アルカリ液を用いたウェットエッチングにより形成し、温度と浸漬時間を変化させて凹凸構造を制御した。これによって、ピラミッド形状の凹凸構造が形成されたＳｉ基板を得た。ピラミッド形状の凹凸構造が形成されたＳｉ基板のＡＦＭによる断面プロファイルとＳＥＭ観察像を、図２及び図３にそれぞれ示す。

次に、Ｓｉ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。

そして、ＳｉＯ_２鏡面と圧電単結晶基板となるＬＴ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して２０μｍまで薄化して複合基板を作製した。

また、作製した複合基板のＬＴ基板側表面に、スパッタで厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子４段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ_２，ＢＣｌ_３，Ｎ_２，ＣＦ_４の混合ガスを用いた。

最後に、ネットワークアナライザを用いて、作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）及びＳ１２（挿入損失）を測定した。そして、観測されたスプリアスの山と谷の差をスプリアス強度として評価した。

図４は、各複合基板から作製した４段ラダーフィルタの評価結果を示すものである。横軸はＲＳｍ／λであり、λ＝５μｍである。また、縦軸はスプリアス強度である。

この結果によれば、ＲＳｍ／λの値が０．２以上７．０以下のときに、スプリアスを有効に低減できることがわかる。

また、同一の複合基板を用いて、波長約２μｍの４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、波長約５μｍの場合と同様の傾向を示した。

〈実施例３〉
実施例３では、最初に、算術平均粗さＲａが同程度であり（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％）、ＲＳｍが異なる凹凸構造を有する複数のＬＴ基板とＳｉ基板を準備した。各ＬＴ基板との凹凸構造は、異なる遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。また、各Ｓｉ基板の凹凸構造は、アルカリ液を用いたウェットエッチングにより形成し、温度と浸漬時間を変化させて凹凸構造を制御した。これによって、ピラミッド形状の凹凸構造が形成されたＳｉ基板を得た。

次に、ＬＴ基板及びＳｉ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。

そして、ＬＴ基板及びＳｉ基板上に形成されたＳｉＯ_２鏡面に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して２０μｍまで薄化することによって、複合基板を作製した。なお、ここでは、ほぼ同程度のＲＳｍであるＬＴ基板とＳｉ基板を貼り合わせている。

また、作製した複合基板のＬＴ基板側表面に、スパッタで厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子４段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ_２，ＢＣｌ_３，Ｎ_２，ＣＦ_４の混合ガスを用いた。

最後に、ネットワークアナライザを用いて、作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）及びＳ１２（挿入損失）を測定した。そして、観測されたスプリアスの山と谷の差をスプリアス強度として評価した。

図５は、各複合基板から作製した４段ラダーフィルタの評価結果を示すものである。横軸はＲＳｍ／λであり、λ＝５μｍである。また、縦軸はスプリアス強度である。

この結果によれば、ＲＳｍ／λの値が０．２以上７．０以下のときに、スプリアスを有効に低減できることがわかる。なお、この評価に用いたＲＳｍは、両基板のＲＳｍの平均値である。

また、同一の複合基板を用いて、波長約２μｍの４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、波長約５μｍの場合と同様の傾向を示した。

〈実施例４〉
実施例４では、実施例１から３について、ＬＴ基板をＬＮ基板に変えて複合基板を作製した。これらの複合基板を用いて、４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、実施例１から３の場合と同様の傾向を示した。

〈実施例５〉
実施例５では、最初に、算術平均粗さＲａとＲＳｍが同程度の凹凸構造を有する複数のＬＴ基板を準備した（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％、ＲＳｍ＝３μｍ±１０％、Ｒｚ＝２．０μｍ±１０％）。ここで、ＬＴ基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。

次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。
このとき、ＬＴ基板によって研磨量を変えて、ＳｉＯ_２の厚みが１．５μｍ〜９．５μｍとなるようにした。

支持基板となるＳｉ基板を、酸素雰囲気中、８５０℃で熱処理を施すことによって、Ｓｉ基板表面に５００ｎｍの熱酸化シリカを形成した。

そして、ＳｉＯ_２鏡面及びＳｉ基板表面に形成した熱酸化シリカの双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して複合基板を作製した。このとき、基板によって研磨量を変えて、ＬＴ基板の厚みが５μｍ〜２５μｍとなるようにした。

作製した複合基板を用いて、弾性表面波の波長を５μｍとした４段ラダーフィルタ及び共振子を作製して評価を行った。

作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）及びＳ１２（挿入損失）を測定した。そして、観測されたスプリアスの山と谷の差をスプリアス強度として評価した。

図６は、ＬＴ基板の厚みが５μｍ（１．０波長）〜２５μｍ（５．０波長）、介在層（ＳｉＯ_２と熱酸化シリカ）の厚みが２μｍ（０．４波長）〜１０μｍ（２．０波長）である各複合基板から作製した４段ラダーフィルタの評価結果を示すものである。横軸はＬＴ基板の厚みであり、縦軸はスプリアス強度である。

この結果によれば、ＬＴ基板の厚みや介在層の厚みによらず、スプリアス強度は１．０ｄＢ以下と低く抑えられている。

次に、作製した共振子のＱ値を下記の数式（３）により求めた（2010 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Page(s):861-863参照）。ここで、ωは角周波数、τ（ｆ）は群遅延時間、Γはネットワークアナライザで測定される反射係数である。

Ｑ（ｆ）＝ω＊τ（ｆ）＊｜Γ｜／（１−｜Γ｜^２） （３）

図７は、ＬＴ基板の厚みが５μｍ（１．０波長）〜２５μｍ（５．０波長）、介在層（ＳｉＯ_２と熱酸化シリカ）の厚みが２μｍ（０．４波長）〜１０μｍ（２．０波長）である各複合基板から作製した共振子について、Ｑ値を評価した結果を示すものである。横軸はＬＴ基板の厚みであり、縦軸はＱ値の最大値（Ｑ_ｍａｘ）である。

この結果によれば、介在層の厚みが小さいほど、Ｑ値が大きくなることがわかる。また、ＬＴ基板の厚みを１．５波長未満としたり、３．０波長を超えたりするとＱ値が低下する傾向がある。

図８は、作製した各共振子について、２０℃〜８５℃の温度範囲における共振周波数と反共振周波数の周波数温度係数（ＴＣＦ）を評価した結果を示すものである。横軸はＬＴ基板の厚みであり、縦軸はＴＣＦの平均値である。

この結果によれば、ＬＴ基板の厚みや介在層の厚みによらず、ＴＣＦの平均値は１５．０ｐｐｍ／℃以下と低く抑えられている。また、ＬＴ基板の厚みが３．０波長以下である場合は、介在層の厚みが小さいほど、ＴＣＦの平均値が小さくなる傾向がある。

図９は、ＬＴ基板の厚みが５μｍ（１．０波長）〜２５μｍ（５．０波長）、介在層（ＳｉＯ_２と熱酸化シリカ）の厚みが２μｍ（０．４波長）〜１０μｍ（２．０波長）である各複合基板について、オーブンで加熱して、ＬＴ基板が剥離し始める温度を調査した結果である。横軸はＬＴ基板の厚みであり、縦軸はＬＴ基板の剥離開始温度である。

この結果によれば、ＬＴ基板の厚みが小さく、介在層の厚みが小さいほど、剥離開始温度が高くなり、耐熱性に優れることがわかる。

〈実施例６〉
実施例６では、最初に、単一分極処理を施した概略コングルエント組成（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．５：５１．５）の４インチ径ＬＴ単結晶インゴットをスライスして、回転４２°ＹカットのＬＴ基板を、厚さ３７０μｍとなるように切り出した。その後、必要に応じてラップ工程を経て、スライスウエハの面粗さが算術平均粗さＲａ値で０．１５μｍとなるように調整した。また、スライスウエハの仕上がり厚みは３５０μｍとした。

次に、スライスウエハの表面を研磨し、Ｒａ値で０．０１μｍの準鏡面に仕上げた。続いて、これらの基板を、小容器に敷き詰めたＬｉ_３ＴａＯ_４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このとき、Ｌｉ_３ＴａＯ_４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ_２ＣＯ_３：Ｔａ_２Ｏ_５＝７：３の割合に混合した粉末を、１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。

この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ_２雰囲気として、９７５℃で１００時間加熱した。その後、降温過程において８００℃で１２時間アニール処理を施し、さらに、降温過程の７７０℃〜５００℃の間において、ＬＴ基板の概略＋Ｚ軸方向に４０００Ｖ/ｍの電界を印可した。

この処理の後、ＬＴ基板の−Ｚ軸方向側の表面をサンドブラストして、最算術平均粗さＲａが同程度であり（Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％）、ＲＳｍが異なる凹凸構造を有する複数のＬＴ基板を作製した。

このように作製したＬＴ基板の１枚について、レーザーラマン分光測定装置（ＨＯＲＩＢＡ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＬａｂＲａｍ ＨＲシリーズ、Ａｒイオンレーザー、スポットサイズ１μｍ、室温）を用いて、表面から深さ方向に渡って６００ｃｍ^−１付近のラマンシフトピークの半値幅を測定したところ、図１０に示すラマンプロファイルが得られた。

図１０の結果から、このＬＴ基板は、その基板表面と基板内部のラマン半値幅が異なっており、基板の深さ方向に０μｍ〜約２０μｍの位置にかけてはラマン半値幅が５．９〜６．０ｃｍ^−１とおおよそ一定になっていた。このことから、ＬＴ基板表面から２０μｍの深さまでは概ね一様なＬｉ濃度を有していることがわかる。

また、ＬＴ基板の表面から２０μｍの深さまでのラマン半値幅は、約５．９〜６．０ｃｍ^−１であるから、前記数式（２）を用いると、その範囲における組成は、おおよそＬｉ/（Ｌｉ＋Ｔａ）＝０．５０１５〜０．５０２となる。これは、Ｌｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋αで表すと、α＝−０．２０〜−０．１５であり、疑似ストイキオメトリー組成になっていることが確認された。

次に、このＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。

そして、ＳｉＯ_２鏡面と支持基板となる５５０μｍ厚のＳｉ基板鏡面の双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して２０μｍまで薄化することによって、複合基板を作製した。したがって、このＬＴ基板のＬｉ濃度は、厚さ方向にわたって概略一様で、疑似ストイキオメトリー組成である。図１１には、作製した複合基板の断面ＳＥＭ像を示す。

また、作製した複合基板のＬＴ基板側表面に、スパッタで厚さ０．４μｍのＡｌを成膜し、さらにフォトリソグラフィーで電極を形成することによって、波長約５μｍの並列共振子２段と直列共振子４段からなる４段ラダーフィルタを作製した。このとき、フォトリソグラフィーの露光にｇ線のステッパを使用し、ＡｌのエッチングにはＣｌ_２，ＢＣｌ_３，Ｎ_２，ＣＦ_４の混合ガスを用いた。

最後に、ネットワークアナライザを用いて、作製した４段ラダーフィルタのＳ１１（反射特性）及びＳ１２（挿入損失）を測定した。そして、観測されたスプリアスの山と谷の差をスプリアス強度として評価した。図１２及び図１３に、λ＝５μｍで、ＲＳｍ／λの値が０．２である複合基板のＳ１１及びＳ１２の波形を示す。

図１４は、各複合基板から作製した４段ラダーフィルタの評価結果を示すものであり、その横軸はＲＳｍ／λであり、λ＝５μｍである。また、その縦軸はスプリアス強度である。

この結果によれば、ＲＳｍ／λの値が０．２以上７．０以下のときに、スプリアス強度を有効に低減できることがわかる。

また、同一の複合基板を用いて、波長約２μｍの４段ラダーフィルタを作製して評価を行ったところ、波長約５μｍの場合と同様の傾向を示した。

さらに、ＲＳｍ／λの値が１．２５である複合基板を用いて、波長約２．４μｍの共振子を作製して評価を行った。図１５は、作製した共振子の入力インピーダンス波形を示すものである。ここでは比較のために、概略コングルエント組成のＬＴ基板（ｒｅｆ‐ＬＴ）と概略コングルエント組成のＬＴ基板及びＳｉ基板を直接貼り合わせた複合基板（ＬＴ／Ｓｉ）を用いて作製した共振子の入力インピーダンス波形も示す。ＬＴ基板の結晶方位は全て同一である。

この入力インピーダンス波形の共振周波数及び反共振周波数から、下記数式（４）及び（５）を用いて、共振負荷Ｑｓｏ、反共振負荷Ｑｐｏ、電気機械結合係数Ｋ^２を算出し、その算出した値を表１に示す。

Ｋ^２＝（πｆｒ／２ｆａ）／ｔａｎ（πｆｒ／２ｆａ） （５）
ｆｒ：共振周波数
ｆａ：反共振周波数

また、作製した共振子について、１５℃〜８５℃の温度範囲における周波数温度係数（ＴＣＦ）を測定したところ、その結果は、表２に示すとおりである。

この結果から、複合基板構成するＬＴ基板のＬｉ濃度を概略一様にし、そのＬｉ濃度を疑似ストイキオメトリー組成にすれば、高い機械結合係数と優れた温度特性を示す複合基板を得ることができる。

〈実施例７〉
実施例７では、実施例６で用いたＬｉを拡散させる気相処理を施したＬＴ基板のうち、Ｒａ＝３００ｎｍ±１０％、ＲＳｍ＝３μｍ±１０％の凹凸構造を有する複数のＬＴ基板を準備した。

次に、ＬＴ基板の凹凸構造を有する面に、プラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ_２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ_２を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。
このとき、ＬＴ基板によって研磨量を変えて、ＳｉＯ_２の厚みが１．５μｍ〜９．５μｍとなるようにした。

支持基板となるＳｉ基板を、酸素雰囲気中、８５０℃で熱処理を施すことによって、Ｓｉ基板表面に５００ｎｍの熱酸化シリカを形成した。

そして、ＳｉＯ_２鏡面及びＳｉ基板表面に形成した熱酸化シリカの双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、ＬＴ基板を研磨して複合基板を作製した。
このとき、基板によって研磨量を変えて、ＬＴ基板の厚みが５μｍ〜２５μｍとなるようにした。

作製した複合基板を用いて、弾性表面波の波長を５μｍとした４段ラダーフィルタ及び共振子を作製して実施例５と同様評価を行ったところ、実施例５の場合と同様の傾向を示した。

１ 圧電単結晶基板
２ 支持基板
３ 介在層
４ 圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部
５ 接着剤
６ 無機材料

Claims (24)

1. 圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、該圧電単結晶基板と該支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、該凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下である表面弾性波デバイス用複合基板。
2. 前記凹凸構造の断面曲線における算術平均粗さＲａは、１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
3. 圧電単結晶基板と支持基板との接合界面部において、圧電単結晶基板と支持基板との間に介在層が存在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
4. 前記介在層として、少なくともＳｉＯ２、ＳｉＯ２±０．５、ａ‐Ｓｉ、ｐ‐Ｓｉ、ａ‐ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３の何れかを含むことを特徴とする請求項３に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
5. 前記介在層として、少なくとも熱酸化シリカ又は８００℃以上の温度で熱処理が施されたシリカを含むことを特徴とする請求項３に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
6. 前記介在層の厚みは、前記表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．２倍以下であることを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
7. 前記圧電単結晶基板の厚みは、前記表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λの１．０倍以上３．５倍以下であることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
8. 前記支持基板は、シリコン、ガラス、石英、アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素の何れかであることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
9. 前記支持基板は、凹凸構造を有するシリコン基板であり、該凹凸構造は、ピラミッド形状であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
10. 前記圧電単結晶基板は、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板であることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
11. 前記圧電単結晶基板は、結晶方位が回転３６°Ｙ〜４９°Ｙである回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板であることを特徴とする請求項１０に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
12. 前記圧電単結晶基板は、Ｆｅが２５ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの濃度でドープされているタンタル酸リチウム単結晶基板あることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
13. 前記圧電単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が概略一様である請求項１０から１２の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
14. 前記圧電単結晶基板は、ＬｉとＴａ又はＮｂとの比率がＬｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
15. 前記圧電単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有する請求項１０から１２の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
16. 前記圧電単結晶基板は、前記支持基板との接合界面部側のＬｉ濃度が、反対側表面のＬｉ濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１５に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
17. 前記圧電単結晶基板は、前記支持基板との接合界面部側のＬｉとＴａ又はＮｂとの比率が、Ｌｉ：Ｔａ＝５０−α：５０＋α又はＬｉ：Ｎｂ＝５０−α：５０＋αであり、αは−１．０＜α＜２．５の範囲であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の表面弾性波デバイス用複合基板。
18. 請求項１から１７の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板を用いて構成されていることを特徴とする表面弾性波デバイス。
19. 圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、該圧電単結晶基板と該支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、該凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下である表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法であって、
    圧電単結晶基板及び／又は支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、該凹凸構造の上に介在層を設ける工程とを少なくとも含むと共に、圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板とを接合する工程か、支持基板上に設けられた介在層と圧電単結晶基板とを接合する工程か、又は圧電単結晶基板上に設けられた介在層と支持基板上に設けられた介在層とを接合する工程の何れかを含むことを特徴とする表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
20. 前記介在層の表面を鏡面化する工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
21. 圧電単結晶基板と支持基板とを含んで構成される表面弾性波デバイス用複合基板であって、該圧電単結晶基板と該支持基板との接合界面部において、少なくとも圧電単結晶基板と支持基板の何れか一方は凹凸構造を有しており、該凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波デバイスとして使用する際の表面弾性波の波長λとの比が０．２以上７．０以下である表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法であって、
    ウェットエッチングによって支持基板の表面に凹凸構造を設ける工程と、該凹凸構造を有する基板表面が接合界面となるように、圧電単結晶基板と接合する工程とを少なくとも含むことを特徴とする表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
22. 前記凹凸構造を設ける工程は、ウェットエッチングによって、シリコン単結晶から成る支持基板の表面に、ピラミッド形状の凹凸構造を設ける工程であることを特徴とする請求項２１に記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
23. 前記圧電単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有し、少なくとも一方の基板表面から任意の深さまでＬｉ濃度が概略一様であり、該圧電単結晶基板と支持基板とを接合して、Ｌｉ濃度が概略一様になっている部分の少なくとも一部を残すか、又はＬｉ濃度が概略一様になっている部分のみを残すように、接合面の反対側の圧電単結晶基板表層を除去することを特徴とする請求項１９から２２の何れかに記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。
24. 前記Ｌｉ濃度が概略一様になっている部分は、疑似ストイキオメトリー組成であることを特徴とする請求項２３に記載の表面弾性波デバイス用複合基板の製造方法。

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