JP6850401B1 - 接合体および弾性波素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】弾性波素子のＱ値向上を可能とするような接合体を提供する。【解決手段】接合体９Ａは、支持基板６、圧電性材料基板１Ａ、および支持基板と圧電性材料基板との間の多層膜２２を備える。多層膜２２は、第一層３、第二層７Ａ、第三層３および第四層７Ａをこの順で有する積層構造２を有する。第一層３および第三層３が珪素酸化物からなり、第二層７Ａおよび第四層７Ｂが金属酸化物からなる。第二層７Ａの屈折率が第一層３の屈折率および第三層３の屈折率よりも高い。第二層７Ａの屈折率が第四層７Ｂの屈折率と異なる。【選択図】 図３
Description
本発明は、圧電性材料基板と支持基板との接合体および弾性波素子に関するものである。
携帯電話等に使用されるフィルタ素子や発振子として機能させることができる弾性表面波デバイスや、圧電薄膜を用いたラム波素子や薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）などの弾性波デバイスが知られている。こうした弾性波デバイスとしては、支持基板と弾性表面波を伝搬させる圧電基板とを貼り合わせ、圧電基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けたものが知られている。このように圧電基板よりも小さな熱膨張係数を持つ支持基板を圧電基板に貼付けることにより、温度が変化したときの圧電基板の大きさの変化を抑制し、弾性表面波デバイスとしての周波数特性の変化を抑制している。
圧電基板とシリコン基板とを接合するのに際して、圧電基板表面に酸化珪素膜を形成し、酸化珪素膜を介して圧電基板とシリコン基板とを直接接合することが知られている（特許文献１）。この接合の際には、酸化珪素膜表面とシリコン基板表面とにプラズマビームを照射して表面を活性化し、直接接合を行う（プラズマ活性化法）。
また、いわゆるＦＡＢ(Fast Atom Beam)方式の直接接合法が知られている（特許文献２）。この方法では、中性化原子ビームを常温で各接合面に照射して活性化し、直接接合する。
また、圧電性単結晶基板と支持基板間に、Ｔａ２Ｏ５等からなる中間層を設け、中間層と支持基板に対してそれぞれ中性化ビームを照射する事で表面を活性化し、直接接合することが提案されている（特許文献３）。
特許文献４では、支持基板と圧電性材料基板との間に、ＳｉＯ２層やＴａ２Ｏ５層を複数積層した多層膜を設けた構造が提案されている。
特許文献３の弾性波素子では、中周波数向け（0.7〜3.5GHzの4G向け等）ではＱ値等の特性改善が見られた。しかし、高周波数向け（3.5〜6GHzの5G向け等）では、Ｑ値の改善が少ないことがわかった。
また、特許文献４記載のように、支持基板と圧電性材料基板との間に、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の多層膜を挿入した弾性波素子では、圧電性材料基板から支持基板へと向かって漏れる弾性波を多層膜で反射し、ロス低減を図っている。しかし、高周波数向け（3.5〜6GHzの5G向け等）では、こうした弾性波素子でも、Ｑ値向上が必ずしも十分ではないことが判明してきた。
本発明の課題は、弾性波素子のＱ値向上を可能とするような接合体を提供することである。
本発明は、支持基板、
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間の多層膜部を備えており、
前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有しており、
前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記金属酸化物が、それぞれ、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物またはジルコニウム酸化物であり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、接合体に係るものである。
また、本発明は、支持基板、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間の多層膜部を備えており、前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有する接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えており、前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、周波数３．５〜６ＧＨｚの弾性波用の弾性波素子に係るものである。
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間の多層膜部を備えており、
前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有しており、
前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記金属酸化物が、それぞれ、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物またはジルコニウム酸化物であり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、接合体に係るものである。
また、本発明は、支持基板、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間の多層膜部を備えており、前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有する接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えており、前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、周波数３．５〜６ＧＨｚの弾性波用の弾性波素子に係るものである。
本発明は、前記接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えていることを特徴とする、弾性波素子に係るものである。
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えていることを特徴とする、弾性波素子に係るものである。
本発明者は、特許文献４記載のように、支持基板と圧電性材料基板との間に、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の多層膜を挿入した弾性波素子では、高周波数向け（3.5〜6GHzの5G向け等）では、Ｑ値向上が必ずしも十分ではない理由を検討した。この結果、中周波（４Ｇ等）向けに適した多層膜品質と、より高周波（５Ｇ等）向けに適した多層膜品質とが異なるために、高周波領域では所望のＱ値を得ることが困難であるものと推測した。
本発明者は、こうした推測に基づき、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で有する多層膜を設け、この際第一層および第三層を珪素酸化物とし、第二層および第四層を珪素酸化物よりも屈折率の高い金属酸化物とした。その上で、金属酸化物からなる第二層の屈折率と第四層の屈折率とを異ならせることで、Ｑ値が更に改善することを見いだした。特に高周波帯（５Ｇ帯）においても、高いＱ値が得られることを見いだし、本発明に到達した。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、圧電性材料基板１は一対の表面１ａと１ｂとを有する。この一方の表面１ａに多層膜部２２を成膜する。本例では、多層膜部２２は、圧電性材料基板１上に例えば２層の多層膜２を積層することで得られる。各多層膜２は、圧電性材料基板１側から見て、第一層３Ａ、第二層７Ａ、第三層３Ｂ、第四層７Ｂを交互に設けた構造になっている。なお、本例では、圧電性材料基板側から第一層、第二層、第三層、第四層を順次積層しているが、圧電性材料基板１側から見て第四層、第三層、第二層、第一層を順次積層することもできる。
図１（ａ）に示すように、圧電性材料基板１は一対の表面１ａと１ｂとを有する。この一方の表面１ａに多層膜部２２を成膜する。本例では、多層膜部２２は、圧電性材料基板１上に例えば２層の多層膜２を積層することで得られる。各多層膜２は、圧電性材料基板１側から見て、第一層３Ａ、第二層７Ａ、第三層３Ｂ、第四層７Ｂを交互に設けた構造になっている。なお、本例では、圧電性材料基板側から第一層、第二層、第三層、第四層を順次積層しているが、圧電性材料基板１側から見て第四層、第三層、第二層、第一層を順次積層することもできる。
図１（ｂ）に示すように、多層膜部２２の表面２２ａに接合層４を更に設けることができる。この場合には、図１（ｃ）に示すように、接合層４の表面に対して矢印Ａのように中性化ビームを照射し、接合層４の表面を活性化して活性化面５とすることができる。
一方、図２（ａ）に示すように、支持基板６の表面に対して、矢印Ｂのように中性化ビームを照射し、支持基板６の表面を活性化して活性化面６ａとする。次いで、図２（ｂ）に示すように、第一の接合層４の活性化面５と支持基板６の活性化面６ａとを直接接触させ、圧力を加えることで、図２（ｂ）に示すように接合体９を得る。矢印Ｃは接合境界である。
好適な実施形態においては、接合体９の圧電性材料基板１の表面１ｂを更に研磨加工し、図３（ａ）に示すように圧電性材料基板１Ａの厚さを小さくし、接合体９Ａを得る。１ｃは研磨面である。図３（ｂ）では、圧電性材料基板１Ａの研磨面１ｃ上に所定の電極１１を形成することによって、弾性波素子１０Ａを作製している。
好適な実施形態においては、支持基板上にも接合層１４を設け、多層膜上の接合層と直接接合する。これによって、図４（ａ）に示すような接合体９Ｂが得られる。接合境界を矢印Ｃによって示す。図４（ｂ）に示すように、この接合体の圧電性材料基板１Ａ上に電極１１を設けることによって、弾性波素子１０Ｂを得ることができる。
また、好適な実施形態においては、支持基板と多層膜とを直接接合する。これによって、図５（ａ）に示すような接合体９Ｃが得られる。接合境界を矢印Ｃによって示す。図５（ｂ）に示すように、この接合体の圧電性材料基板１Ａ上に電極１１を設けることによって、弾性波素子１０Ｃを得ることができる。
本発明において、支持基板と圧電性材料基板との間に設けられる多層膜部は、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有しており、第一層および第三層が珪素酸化物からなり、第二層および第四層が金属酸化物からなり、第二層の屈折率が第一層の屈折率および第三層の屈折率よりも高く、第二層の屈折率と第四層の屈折率とが異なるようにする。第一層、第二層、第三層および第四層は、支持基体側から圧電性材料基板側へと向かってこの順で配列されていてよく、あるいは圧電性材料基板側から支持基体側へと向かってこの順で配列されていてもよい。
第一層および第三層を構成する珪素酸化物は、好ましくはＳｉＯｘ（１．８０≦ｘ≦２．５０）の組成を有する。
また、第二層および第四層を構成する金属酸化物は特に限定されないが、Ｑ値向上の観点からは、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物またはジルコニウム酸化物であることが特に好ましい。
ここで、ハフニウム酸化物の組成は、ＨｆＯｚ（１．８０≦ｚ≦２．５０）であることが好ましい。タンタル酸化物の組成は、Ｔａ２Ｏｙ（４．６０≦ｙ≦５．５０）であることが好ましい。また、ジルコニウム酸化物の組成は、ＺｒＯｚ（１．８０≦ｚ≦２．５０）であることが好ましい。
好適な実施形態においては、多層膜部が複数の前記多層膜を有する。これによって屈折率変調が有効となり、Ｑ値が一層効果的に低減される。多層膜部が有する多層膜の層数は、２以上が好ましい。ただし、多層膜の層数が多くなりすぎると、支持基板による圧電性材料基板の拘束効果が少なくなるので、層数は５以下が好ましく、３以下がさらに好ましい。
本発明の観点からは、第二層の屈折率と第一層の屈折率との差、第三層の屈折率との差は、0.2以上であることが好ましく、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、第二層の屈折率と第一層の屈折率との差、第三層の屈折率との差は、0.8以下であることが好ましく、0.6以下であることがさらに好ましい。
本発明の観点からは、第四層の屈折率と第二層の屈折率との差を０．０２以上とすることが好ましく、０．０３以上とすることがさらに好ましい。一方、この差は0.１０以下とすることが好ましい。
第一層、第三層は珪素酸化物からなるが、屈折率は通常1.40〜1.58である。第一層の屈折率と第三層の屈折率とは略同一にすることが好ましく、この観点からは、第一層の屈折率と第三層の屈折率との差は０．０１以下であることが好ましい。ただし、第一層の屈折率と第三層の屈折率との間に差異を設けることで、Ｑ値をさらに向上させることもできるので、この観点からは、第一層と第三層の屈折率との差を０．０２以上とすることが好ましく、０．０３以上とすることがさらに好ましい。しかし、この差は０．１０以下とすることが好ましい。
各層の屈折率は以下の条件で測定するものとする。
高速分光エリプソメーターにて以下装置及び測定条件にて測定を実施した。
「装置」
M-2000（J.A.Woollam社製）、回転補償子型
「測定条件」
入射角：65,70,75度
測定波長：195〜1680nm
ビーム径：2mm×8mm
その後、以下解析を実施した。
「解析モデル」
金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/基板
「解析方法」
測定されたΔ（位相差）とψ（振幅反射率）のスペクトルを上記解析モデルから算出された（Δ、ψ）と比較し、測定値（Δ、ψ）に近づくように誘電関数や膜厚を変化させてフィッティングを行う。それぞれの膜の光学定数は単層成膜時のリファレンスから得られた値を初期値とした。測定値と理論値がベストフィット（平均二乗誤差が最小に収束）した結果にて、屈折率の波長分散を得る。
高速分光エリプソメーターにて以下装置及び測定条件にて測定を実施した。
「装置」
M-2000（J.A.Woollam社製）、回転補償子型
「測定条件」
入射角：65,70,75度
測定波長：195〜1680nm
ビーム径：2mm×8mm
その後、以下解析を実施した。
「解析モデル」
金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/金属酸化物/珪素酸化物/基板
「解析方法」
測定されたΔ（位相差）とψ（振幅反射率）のスペクトルを上記解析モデルから算出された（Δ、ψ）と比較し、測定値（Δ、ψ）に近づくように誘電関数や膜厚を変化させてフィッティングを行う。それぞれの膜の光学定数は単層成膜時のリファレンスから得られた値を初期値とした。測定値と理論値がベストフィット（平均二乗誤差が最小に収束）した結果にて、屈折率の波長分散を得る。
第一層の厚さ、第二層の厚さ、第三層の厚さおよび第四層の厚さは、それぞれ２０ｎｍ以上とすることが好ましく、１００ｎｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、各層の厚さが厚くなりすぎると支持基板による圧電性材料基板の拘束が弱くなるので、この観点からは、各層の厚さは３００ｎｍ以下が好ましい。
多層膜を構成する第一層、第二層、第三層、第四層の成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。例えば、スパッタリングの場合には、バイアス電圧の有無によって第二層の屈折率と第四層の屈折率を変化させることができる。すなわち、バイアス電圧を印加することで金属酸化物層の屈折率を相対的に高くでき、バイアス電圧を印加しないことで同じ金属酸化物層の屈折率を低くできる。また、イオンアシスト蒸着の場合はアシストエネルギーによって各層の屈折率を調整できる。すなわち、アシストエネルギーを大きくすることで金属酸化物層の屈折率を相対的に高くでき、アシストエネルギーを小さくすることで同じ金属酸化物層の屈折率を低くできる。
多層膜を構成する各層の具体的な製造条件はチャンバー仕様によるので適宜選択するが、好適例では、全圧を０．２８〜０．３４Ｐａとし、酸素分圧を１．２×１０―３〜５．７×１０−２Ｐａとし、成膜温度を常温とする。
好適な実施形態においては、圧電性材料基板と支持基板との間に、一層または複数層の接合層を設けることができる。こうした接合層の材質としては、以下を例示できる。
Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５，ＴｉＯ２。
Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５，ＴｉＯ２。
更に好適な実施形態においては、支持基板と圧電性材料基板との間に設けられる前記接合層が、Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖ（０．００８≦ｖ≦０．４０８）の組成を有する。
この組成は、ＳｉＯ２（ｖ＝０．６６７に対応する）に比べて酸素比率がかなり低くされている組成である。このような組成の珪素酸化物Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖからなる接合層を更に介在させることで、接合層における絶縁性を更に高くすることができる。
各接合層を構成するＳｉ（１−ｖ）Ｏｖの組成において、ｖが０．００８未満であると、接合層における電気抵抗が低くなる。このため、ｖを０．００８以上とすることが好ましく、０．０１０以上が更に好ましく、０．０２０以上が特に好ましく、０．０２４以上が特に好ましい。またｖを０．４０８以下とすることによって、接合強度が更に向上するので、ｖを０．４０８以下とすることが好ましく、０．２２５以下とすることが更に好ましい。
各接合層の厚さは、特に限定されないが、製造コストの観点からは０．０１〜１０μｍが好ましく、０．０１〜０．５μｍが更に好ましい。
各接合層の成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。ここで、特に好ましくは、スパッタターゲットをＳｉとした反応性スパッタリングの際に、チャンバー内に流す酸素ガス量を調整することによって、各接合層の酸素比率（ｖ）をコントロールすることが可能である。
各接合層の具体的な製造条件はチャンバー仕様によるので適宜選択するが、好適例では、全圧を０．２８〜０．３４Ｐａとし、酸素分圧を１．２×１０―３〜５．７×１０−２Ｐａとし、成膜温度を常温とする。また、ＳｉターゲットとしてはＢドープＳｉを例示できる。
接合層の酸素濃度はＥＤＳによって以下の条件で測定する。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
本発明では、支持基板は、単結晶からなっていてよく、多結晶からなっていてもよい。支持基板の材質は、好ましくは、シリコン、サイアロン、サファイア、コージェライト、ムライトおよびアルミナからなる群より選ばれる。アルミナは好ましくは透光性アルミナである。
シリコンは、単結晶シリコンでも多結晶シリコンでもよく、また高抵抗シリコンであってもよい。
サイアロンは、窒化珪素とアルミナとの混合物を焼結して得られるセラミックスであり、以下のような組成を有する。
Ｓｉ６−ｗＡｌｗＯｗＮ８−ｗ
すなわち、サイアロンは、窒化珪素中にアルミナが混合された組成を有しており、ｗがアルミナの混合比率を示している。ｗは、０．５以上が更に好ましい。また、ｗは、４．０以下が更に好ましい。
サイアロンは、窒化珪素とアルミナとの混合物を焼結して得られるセラミックスであり、以下のような組成を有する。
Ｓｉ６−ｗＡｌｗＯｗＮ８−ｗ
すなわち、サイアロンは、窒化珪素中にアルミナが混合された組成を有しており、ｗがアルミナの混合比率を示している。ｗは、０．５以上が更に好ましい。また、ｗは、４．０以下が更に好ましい。
サファイアはＡｌ２Ｏ３の組成を有する単結晶であり、アルミナはＡｌ２Ｏ３の組成を有する多結晶である。コージェライトは、2MgO・2Al2O3・5SiO2の組成を有するセラミックスである。ムライトは、3Al2O3・2SiO2〜2Al2O3・SiO2の範囲の組成を有するセラミックスである。
圧電性材料基板の材質は、必要な圧電性を有する限り限定されないが、ＬｉＡＯ３の組成を有する単結晶が好ましい。ここで、Ａは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である。このため、ＬｉＡＯ３は、ニオブ酸リチウムであってよく、タンタル酸リチウムであってよく、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体であってよい。
以下、本発明の各構成要素について更に説明する。
本発明の接合体の用途は特に限定されず、例えば、弾性波素子や光学素子に好適に適用できる。
弾性波素子としては、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。
本発明の接合体の用途は特に限定されず、例えば、弾性波素子や光学素子に好適に適用できる。
弾性波素子としては、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。
圧電性材料基板の底面に金属膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとしてラム波素子を製造した際に、圧電性材料基板の裏面近傍の電気機械結合係数を大きくする役割を果たす。この場合、ラム波素子は、圧電性材料基板の表面に櫛歯電極が形成され、支持基板に設けられたキャビティによって圧電性材料基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、金などが挙げられる。なお、ラム波素子を製造する場合、底面に金属膜を有さない圧電性材料層を備えた複合基板を用いてもよい。
また、圧電性材料基板の底面に金属膜と絶縁膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとして薄膜共振子を製造した際に、電極の役割を果たす。この場合、薄膜共振子は、圧電性材料基板の表裏面に電極が形成され、絶縁膜をキャビティにすることによって圧電性材料基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えば、モリブデン、ルテニウム、タングステン、クロム、アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜の材質としては、例えば、二酸化ケイ素、リンシリカガラス、ボロンリンシリカガラスなどが挙げられる。
また、光学素子としては、光スイッチング素子、波長変換素子、光変調素子を例示できる。また、圧電性材料基板中に周期分極反転構造を形成することができる。
本発明の対象が弾性波素子であり、圧電性材料基板の材質がタンタル酸リチウムである場合には、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に１２３〜１３３°（例えば１２８°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。
また圧電性材料基板がニオブ酸リチウムからなる場合には、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に８６〜９４°（例えば９０°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性材料基板の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０〜１５０ｍｍ，厚さが０．２〜６０μｍである。
また圧電性材料基板がニオブ酸リチウムからなる場合には、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に８６〜９４°（例えば９０°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性材料基板の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０〜１５０ｍｍ，厚さが０．２〜６０μｍである。
本発明の接合体を得るためには、以下の方法が好ましい。
まず、接合すべき表面（多層膜の表面、接合層の表面、圧電性材料基板の表面、支持基板の表面）を平坦化して平坦面を得る。ここで、各表面を平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面は、Ra≦1nmが好ましく、0.3nm以下にすると更に好ましい。
まず、接合すべき表面（多層膜の表面、接合層の表面、圧電性材料基板の表面、支持基板の表面）を平坦化して平坦面を得る。ここで、各表面を平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面は、Ra≦1nmが好ましく、0.3nm以下にすると更に好ましい。
次いで、研磨剤の残渣や加工変質層の除去のため、各接合層の各表面を洗浄する。表面を洗浄する方法は、ウエット洗浄、ドライ洗浄、スクラブ洗浄などがあるが、簡便かつ効率的に清浄表面を得るためには、スクラブ洗浄が好ましい。この際には、洗浄液としてサンウオッシュLH540を用いた後に、アセトンとＩＰＡの混合溶液を用いてスクラブ洗浄機にて洗浄することが特に好ましい。
次いで、各接合面に中性化ビームを照射することで、各接合面を活性化する。
中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特許文献２に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.5〜2.0kVとすることが好ましく、電流は50〜200mAとすることが好ましい。
中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特許文献２に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.5〜2.0kVとすることが好ましく、電流は50〜200mAとすることが好ましい。
次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100〜20000Nが好ましい。
（予備実験）
最初に、圧電性材料基板上に酸化珪素層や酸化ハフニウム層を成膜し、以下のような各層が得られるような成膜条件を記録した。ただし、ハフニウム酸化物層の屈折率を調節するために、バイアス電圧を以下のように調節した。
珪素酸化物層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５２
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 100Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 200Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 400Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１５
最初に、圧電性材料基板上に酸化珪素層や酸化ハフニウム層を成膜し、以下のような各層が得られるような成膜条件を記録した。ただし、ハフニウム酸化物層の屈折率を調節するために、バイアス電圧を以下のように調節した。
珪素酸化物層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５２
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 100Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 200Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
ハフニウム酸化物層（ＨｆＯ２）：バイアス電圧 400Ｖ：
厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１５
（実施例Ａ１）
次いで、図１〜図３を参照しつつ説明した方法により、弾性表面波素子を試作した。
具体的には、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を、圧電性材料基板１として使用した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である１２８°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板１の表面１ａは、算術平均粗さＲａが０．３ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。ただし、Ｒａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定する。
次いで、図１〜図３を参照しつつ説明した方法により、弾性表面波素子を試作した。
具体的には、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を、圧電性材料基板１として使用した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である１２８°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板１の表面１ａは、算術平均粗さＲａが０．３ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。ただし、Ｒａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定する。
次いで、圧電性材料基板１上に、スパッタリング法によって、積層構造２を２つ順次形成し、多層膜２２を得た。ただし、圧電性材料基板上にはまず酸化珪素からなる第一層を成膜し、第二層、第三層、第四層を順次成膜した。各層の厚さおよび屈折率は、予備実験に従って以下のようになるように調節した。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
次いで、多層膜２上に、接合層４を成膜した。具体的には、直流スパッタリング法を使用し、ターゲットにはボロンドープのＳｉを使用した。また、酸素源として酸素ガスを導入した。この際、酸素ガス導入量を調節することによって、チャンバー内の雰囲気の全圧と酸素分圧を調節した。接合層４の厚さは５０ｎｍとした。接合層４の表面の算術平均粗さＲａは０．２〜０．６ｎｍであった。次いで、接合層４を化学機械研磨加工（CMP）し、膜厚を８０〜１９０ｎｍとし、Ｒａを０．０８〜０．４ｎｍとした。
一方、支持基板６として、オリエンテーションフラット（ＯＦ）部を有し、直径が４インチ，厚さが５００μｍのシリコンからなる支持基板６を用意した。支持基板６の表面は、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工されており、算術平均粗さＲａは０．２ｎｍとなっている。
次いで、接合層４の表面及び支持基板６であるＳｉ基板表面に中性化ビームを照射して表面を活性化して直接接合した。
具体的には、接合層４の表面と支持基板６の表面とを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０−６Ｐａ台まで真空引きした後、各表面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、接合層４のビーム照射面（活性化面）と支持基板６の活性化面とを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。次いで、得られた各例の接合体を１００℃で２０時間加熱した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図６に示すような屈折率チャートを得た。
具体的には、接合層４の表面と支持基板６の表面とを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０−６Ｐａ台まで真空引きした後、各表面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、接合層４のビーム照射面（活性化面）と支持基板６の活性化面とを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。次いで、得られた各例の接合体を１００℃で２０時間加熱した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図６に示すような屈折率チャートを得た。
次いで、圧電性材料基板１の表面を厚みが当初の２５０μｍから１μｍになるように研削及び研磨した。次いで、測定用電極パターンを形成し、弾性表面波素子を得た。そして、周波数５．５GHzでのQ値を測定し、表１に示す。
ただし、Ｑ値は以下のようにして測定した。
ウエハー上に表面弾性波共振子を作成し、ネットワークアナライザーを用いて周波数特性を測定した。これにより得られた周波数特性から共振周波数fr、およびその半値幅Δfrを算出し、fr/Δfrを求めることでQ値を得た。
ウエハー上に表面弾性波共振子を作成し、ネットワークアナライザーを用いて周波数特性を測定した。これにより得られた周波数特性から共振周波数fr、およびその半値幅Δfrを算出し、fr/Δfrを求めることでQ値を得た。
（実施例Ａ２）
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１５
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０５
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１５
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０５
（比較例Ａ１）
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図７に示すような屈折率チャートを得た。また、得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図７に示すような屈折率チャートを得た。また、得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．０７
（比較例Ａ２）
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図８に示すような屈折率チャートを得た。また、得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
実施例Ａ１と同様にして接合体および弾性表面波素子を得た。ただし、多層膜を構成する各層は以下のように調節した。得られた接合体を光学エリプソメトリーによって測定し、図８に示すような屈折率チャートを得た。また、得られた素子について、周波数５．５GHzでのＱ値を測定し、表１に示す。
第一層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第二層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
第三層（ＳｉＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率１．５３
第四層（ＨｆＯ２）：厚さ１５０ｎｍ、屈折率２．１２
表１に示すように、比較例Ａ１では、第二層、第四層の屈折率を低めに調節したが、図７に示すように、第二層、第四層の屈折率が予備実験で得られた屈折率と同程度であった。
比較例Ａ２では、第二層、第四層の屈折率を高めに調節したが、図８に示すように、第二層、第四層の屈折率が予備実験で得られた屈折率と同程度であった。また、Ｑ値は、比較例Ａ１におけるＱ値と同じであり、屈折率を高くすることによる効果は見られなかった。
比較例Ａ２では、第二層、第四層の屈折率を高めに調節したが、図８に示すように、第二層、第四層の屈折率が予備実験で得られた屈折率と同程度であった。また、Ｑ値は、比較例Ａ１におけるＱ値と同じであり、屈折率を高くすることによる効果は見られなかった。
実施例Ａ１では、図６に示すような屈折率分布が得られた。
さらに、表１に示すように、Ｑ値が基準値に対して２０％も向上していることが判明した。
さらに、表１に示すように、Ｑ値が基準値に対して２０％も向上していることが判明した。
実施例Ａ２でも、第二層の屈折率と第四層の屈折率とを変化させたが、図６と類似の厚さ方向に見た屈折率変調が観察された。
さらに、表１に示すように、Ｑ値が基準値に対して大きく向上していることが判明した。
さらに、表１に示すように、Ｑ値が基準値に対して大きく向上していることが判明した。
（実施例Ｂ１、Ｂ２、比較例Ｂ１、Ｂ２）
実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２において、第二層の材質を、ＨｆＯ２からＴａ２Ｏ５に変更した。そして、得られた素子についてＱ値を測定したところ、実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２と同様の結果が得られた。
実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２において、第二層の材質を、ＨｆＯ２からＴａ２Ｏ５に変更した。そして、得られた素子についてＱ値を測定したところ、実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２と同様の結果が得られた。
（実施例Ｃ１、Ｃ２、比較例Ｃ１、Ｃ２）
実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２において、第二層の材質を、ＨｆＯ２からＺｒＯ２に変更した。そして、得られた素子についてＱ値を測定したところ、実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２と同様の結果が得られた。
実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２において、第二層の材質を、ＨｆＯ２からＺｒＯ２に変更した。そして、得られた素子についてＱ値を測定したところ、実施例Ａ１、Ａ２、比較例Ａ１、Ａ２と同様の結果が得られた。
Claims (15)
- 支持基板、
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間の多層膜部を備えており、
前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有しており、
前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記金属酸化物が、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物またはジルコニウム酸化物であり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、接合体。 - 前記多層膜部が複数の前記多層膜を積層してなることを特徴とする、請求項１記載の接合体。
- 前記第二層の前記屈折率と前記第一層の前記屈折率との差が0.3〜0.8であることを特徴とする、請求項１または２記載の接合体。
- 前記第二層の前記屈折率と前記第四層の前記屈折率との差が０．０２以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の接合体。
- 前記第一層の厚さ、前記第二層の厚さ、前記第三層の厚さおよび前記第四層の厚さがそれぞれ２０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の接合体。
- 前記圧電性材料基板と前記支持基板との間に、Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖ（０．００８≦ｖ≦０．４０８）の組成を有する接合層を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の接合体。
- 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えていることを特徴とする、弾性波素子。 - 周波数３．５〜６ＧＨｚの弾性波用であることを特徴とする、請求項７記載の弾性波素子。
- 支持基板、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間の多層膜部を備えており、前記多層膜部が、第一層、第二層、第三層および第四層をこの順で積層してなる多層膜を有する接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えており、前記第一層および前記第三層が珪素酸化物からなり、前記第二層および第四層が金属酸化物からなり、前記第二層の屈折率が前記第一層の屈折率および前記第三層の屈折率よりも高く、前記第二層の前記屈折率が前記第四層の屈折率と異なることを特徴とする、周波数３．５〜６ＧＨｚの弾性波用の弾性波素子。 - 前記多層膜部が複数の前記多層膜を積層してなることを特徴とする、請求項９記載の弾性波素子。
- 前記金属酸化物が、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物またはジルコニウム酸化物であることを特徴とする、請求項９または１０記載の弾性波素子。
- 前記第二層の前記屈折率と前記第一層の前記屈折率との差が0.3〜0.8であることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一つの請求項に記載の弾性波素子。
- 前記第二層の前記屈折率と前記第四層の前記屈折率との差が０．０２以上であることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一つの請求項に記載の弾性波素子。
- 前記第一層の厚さ、前記第二層の厚さ、前記第三層の厚さおよび前記第四層の厚さがそれぞれ２０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一つの請求項に記載の弾性波素子。
- 前記圧電性材料基板と前記支持基板との間に、Ｓｉ（１−ｖ）Ｏｖ（０．００８≦ｖ≦０．４０８）の組成を有する接合層を備えていることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一つの請求項に記載の弾性波素子。
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