JP6761919B1 - 複合基板および弾性波素子 - Google Patents
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Abstract
Description
水晶からなる支持基板、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板、および
前記支持基板と前記圧電性材料基板との接合界面にある界面層であって、タンタルとニオブとの少なくとも一方、珪素および酸素を構成成分とするアモルファス構造の界面層を有しており、
前記界面層における水素原子濃度、窒素原子濃度およびフッ素原子濃度がそれぞれ1×1018atoms/cm3以上、5×1021atoms/cm3以下であることを特徴とする。
前記支持基板の表面に対して窒素ガスを含有するプラズマを照射することで活性化面を生成させる工程、
前記圧電性材料基板の表面に対して窒素ガスを含有するプラズマを照射することで活性化面を生成させる工程、
前記支持基板の前記活性化面と前記圧電性材料基板の前記活性化面とを接触させることで接合体を得る工程、および
前記圧電性材料基板を加工によって20μm以下まで薄くする工程、および
前記接合体を250℃以上、350℃以下の温度で熱処理する工程
を有することを特徴とする。
まず、図1(a)に示すように、一対の主面1a、1bを有する圧電性材料基板1を準備する。本例では1aを接合面とする。次いで、図1(b)に示すように、圧電性材料基板1の接合面1aに対して矢印Aのようにプラズマを照射し、表面活性化された接合面1cを得る。
次いで、接合体の圧電基板を研削機により薄く加工する。この接合体を250℃以上の温度で熱処理することで、接合体7を得ることができる。ここで珪素、酸素、およびタンタルとニオブとの一方または双方を主成分とする界面層5が生成している。この状態で、圧電性材料基板1上に電極を設けても良い。しかし、好ましくは、図3(b)に示すように、圧電性材料基板1の主面1bを加工して基板1を薄くし、薄板化された圧電性材料基板1Aを得る。1dは加工面である。次いで、図3(c)に示すように、接合体7Aの圧電性材料基板1Aの加工面1d上に所定の電極8を形成し、弾性波素子10を得ることができる。
支持基板4の材質は水晶とする。水晶は異方性を持つ結晶であり、その結晶方位により圧電素子の特性が左右される。非特許文献1によればその音速に着目することで、スプリアスを抑制することが示されている。従って所望の特性が得られるようにその方位を適宜選択することができる。
表面活性化時の雰囲気は、窒素ガスを含有する雰囲気とする。この雰囲気は、窒素ガスまたは酸素ガスのみであってよく、あるいは窒素ガスと酸素ガス、水素ガス、アルゴンとの混合ガスであってよい。
100℃以下とすることが更に好ましい。
界面層は上下の単結晶基板との比較からアモルファス状態になっていることが見て取れる。界面層は、圧電性材料基板の組成、支持基板の組成からの拡散(移行)によることから、珪素、酸素、および圧電性材料基板を構成するタンタルとニオブとの一方または双方を構成成分とする。好ましくは、界面層が、実質的に珪素、酸素、および圧電性材料基板を構成するタンタルとニオブとの一方または双方からなる。ただし、この場合にも、水素原子、フッ素原子、窒素原子およびそのほかの微量の不純物は含まれていてよい。
弾性波素子10としては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子(FBAR)などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、圧電性材料基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のIDT(Interdigital Transducer)電極(櫛形電極、すだれ状電極ともいう)と弾性表面波を受信する出力側のIDT電極とを設けたものである。入力側のIDT電極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性材料基板上を伝搬していく。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。
図1〜図3を参照しつつ説明したようにして、表面弾性波素子を作製した。
具体的には、厚さが250μmで両面が鏡面に研磨されている42YカットX伝搬LiTaO3基板(圧電性材料基板)1と、厚みが350μmのATカット水晶基板(支持基板)4を用意した。基板サイズはいずれも100mmである。次いで、圧電性材料基板1の表面1aおよび支持基板4の表面4aをそれぞれ洗浄および表面活性化した。
「SEMICONDUCTOR WAFER BONDING」 Q.-Y.Tong, U. Gosele, Wiley-Inter Science. P.27」
さらにCMPを続けたところ、圧電性材料基板の厚みが0.3μmとなっても剥離は見られなかった。
実施例1において、窒素プラズマの代わりに、窒素ガス80%、酸素ガス20%とした混合ガスのプラズマを用いた。ガス組成を変更するにあたり、RFの反射電力が最小となるようにマッチングは適宜変更した。その他は実施例1と同様に複合基板の加工を行った。この場合にも、実施例1と同様に、250℃の加熱後に3.2J/m2と大きな接合強度が測定された。また、得られた複合基板でも、CMP加工により圧電層の厚みを1μmとした場合でも、支持基板からの剥離が発生することはなかった。結果を表1に示す。
実施例1において、窒素プラズマの代わりに高速の中性アルゴンビームを用いて圧電性材料基板および支持基板の各表面を活性化させた。この時の加速電圧は1kV、Ar流量27sccm、表面活性化時間は120秒とした。上述した接合機の真空チャンバー内で圧電性材料基板と支持基板とを接触させ、10kNの圧力をかけて接合した。取り出した接合体を実施例1と同様に、100℃のオーブンに投入し、10時間後に複合基板を取り出した。得られた複合基板を研削機により研削し、圧電性材料基板の厚さが10μmになるまで加工しようとしたが、おおよそ20μm加工したところで研削機がエラーとなった。ウエハーを取り出したところ、圧電性材料が大きく剥離していた。このことから非常に弱い接合強度しか得られていないことが分かった。
最高加熱温度を150℃と低温にした以外は、実施例1と同様にしてプラズマ活性化を行い接合体を作成し、CMP加工したところ、圧電性材料基板の厚みが5umを切ったあたりで剥離した。結果を表2に示す。
これら混入原子の発生源については以下のように考えている。すなわち高温でウエハーを加熱することで圧電基板中のLiイオンが脱離し、雰囲気中の水素が取り込まれる。またフッ素原子はプラズマ活性化チャンバー内のOリングからの脱ガスが起因となる。
実施例1と同様にして各例の表面弾性波素子を作製した。
ただし、プラズマ雰囲気、表面活性化時のエネルギーと接合体の熱処理温度を種々変更することによって、得られた各複合基板の各原子濃度および界面層の厚さを、表1に示すように変更した。そして、各例の複合基板の接合強度を測定した。更に、各例の複合基板の圧電性材料基板を実施例1と同様に加工し、剥離が生じない最小厚さを測定した。これらの結果を表1、表2に示す。
Claims (3)
- 水晶からなる支持基板、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板、および
前記支持基板と前記圧電性材料基板との接合界面にある界面層であって、タンタルとニオブとの少なくとも一方、珪素および酸素を構成成分とするアモルファス構造の界面層を有しており、
前記界面層における水素原子濃度、窒素原子濃度およびフッ素原子濃度がそれぞれ1×1018atoms/cm3以上、5×1021atoms/cm3以下であることを特徴とする、複合基板。 - 前記界面層における前記水素原子濃度、前記窒素原子濃度および前記フッ素原子濃度が1×1019atoms/cm3以上であることを特徴とする、複合基板。
- 請求項1または2記載の複合基板、および前記圧電性材料基板上の電極を備えていることを特徴とする、弾性波素子。
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