JP7454622B2 - 表面弾性波素子用の複合基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、圧電基板とサファイア基板とを接合した構造の表面弾性波素子用の複合基板および表面弾性波素子用の複合基板の製造方法に関する。

近年、携帯電話などの通信機器に使用される弾性表面波素子などの圧電素子の小型化、高性能化が要求されている。小型で高性能な圧電素子として、圧電基板と支持基板とを接合した複合基板の圧電基板上に素子電極を形成した構成の圧電素子が提案されている。サファイア基板は機械的強度、絶縁性、放熱性に優れ、支持基板として優れている。

複合基板では、圧電基板と支持基板の接合界面におけるバルク波の反射に起因するスプリアスが課題となる。この課題の解決のため、特許文献１には、支持基板の表面をラップ加工により粗面化した複合基板が開示されている。また、特許文献２には、ウェットエッチングによりピラミッド形状の凹凸構造を形成した支持基板を使用した複合基板が開示されている。ところが、バルク波の反射を低減するために支持基板の表面粗さを大きくしていくと、支持基板と圧電基板との接合強度が低下するという問題がある。

特開２０１４－１４７０５４号公報 特開２０１８－６１２２６号公報

本開示は、圧電基板と支持基板との接合強度が高く、接合面でのバルク波の反射を低減した表面弾性波素子用の複合基板を提供することを課題とする。

本開示に係る表面弾性波素子用の複合基板は、素子形成面である第１面とその裏面である第２面とを有する圧電基板と、第２面と対向して配置される第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板と、第２面と対向する第５面と第３面と対向する第６面を有し、第２面と第３面とを接合する接合層とを備える。接合層がアルミナからなり、第３面はｃ面の結晶面である。第３面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、第５面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第３面の算術平均粗さＲａよりも小さい。

本開示に係る他の表面弾性波素子用の複合基板は、素子形成面である第１面とその裏面である第２面とを有する圧電基板と、第２面と対向して配置される第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板と、第２面と対向する第５面と第３面と対向する第６面を有し、第２面と第３面とを接合する接合層とを備える。接合層がアルミナからなり、第３面はｃ面の結晶面である。第２面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、第６面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第２面の算術平均粗さＲａよりも小さい。

本開示に係る表面弾性波素子用の複合基板の製造方法は、素子形成面である第１面とその裏面である第２面を有する圧電基板と、第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板とを準備する準備工程と、第３面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように加工する粗面化工程と、粗面化された第３面に接合層を形成するとともに、接合層のサファイア基板と反対側に位置する露出表面である第５面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第３面の算術平均粗さＲａよりも小さくなるように加工する接合層形成工程と、接合層の第５面と圧電基板の第２面とを直接接合する接合工程とを備える。接合層がアルミナからなり、第３面はｃ面の結晶面である。

本開示に係る他の表面弾性波素子用の複合基板の製造方法は、素子形成面である第１面とその裏面である第２面を有する圧電基板と、第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板とを準備る準備工程と、第２面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように加工する粗面化工程と、粗面化された第２面に接合層を形成するとともに、接合層の圧電基板と反対側に位置する露出表面である第６面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第２面の算術平均粗さＲａよりも小さくなるように加工する接合層形成工程と、接合層の第６面と前記サファイア基板の第３面とを直接接合する接合工程とを備える。接合層がアルミナからなり、第３面はｃ面の結晶面である。

本開示によれば、圧電基板とサファイア基板の接合強度が高く、接合面でのバルク波の反射を低減した表面弾性波素子用の複合基板を提供できる。

本開示の一実施形態に係る複合基板を示す概略断面図である。 本開示の他の実施形態に係る複合基板を示す概略断面図である。 本開示に係る複合基板の製造方法の一実施形態を示す概略断面図である。 本開示に係る複合基板の製造方法の他の実施形態を示す概略断面図である。

＜複合基板と圧電素子＞
本開示の一実施形態に係る複合基板および圧電素子について、図を参照しながら説明する。図１に、一実施形態に係る複合基板１の概略断面図を示す。複合基板１は、素子形成面である第１面２ａとその裏面である第２面２ｂとを有する圧電基板２と、第２面２ｂと対向して配置される第３面３ａを有するサファイア基板３と、第２面２ｂと第３面３ａとを接合する接合層４とを備える。接合層４は、圧電基板２と同じ材料、アルミナ、圧電基板２とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物のいずれかからなる。図１において、接合層４はアルミナからなる「アルミナ層４」として説明する。サファイア基板３の第３面３ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、アルミナ層４の圧電基板２側の表面である第５面４ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第３面３ａの算術平均粗さＲａよりも小さい。

本開示の一実施形態に係る圧電素子は、一実施形態に係る複合基板１を備える。圧電素子としては、発振回路等に用いられる発振子、フィルタ回路等に用いられる、表面弾性波素子、境界弾性波素子、バルク波素子等の弾性波素子等が挙げられる。第２面２ｂと第３面３ａとは、上記のように、アルミナ層４を介して互いに対向している。

以下、一実施形態に係る複合基板１の詳細について説明する。一実施形態に係る複合基板１は、圧電基板とサファイア基板３とアルミナ層４とを備える。圧電基板２は、素子形成面である第１面２ａと、その裏面でありアルミナ層４と接合する第２面２ｂとを有する。サファイア基板３は、圧電基板２の第２面２ｂと対向して配置される第３面３ａと、その裏面である第４面３ｂとを有する。アルミナ層４は、圧電基板２の第２面２ｂと接する第５面４ａと、サファイア基板３の第３面３ａと接する第６面４ｂとを有している。アルミナ層４は、圧電基板２とサファイア基板３とを接着剤などを介さずに接合している。

圧電基板２の第１面２ａには素子電極が形成され、表面弾性波素子などの圧電素子用の複合基板１として用いられる。以下の説明では、便宜上、圧電基板２が弾性表面波素子用の基板である例を挙げて説明している。圧電基板２は、これに限らず、振動センサ等のセンサ用基板または発信子用の基板等の他の用途、機能の基板でもよい。

一実施形態に係る複合基板１は、第１面２ａが素子電極等の素子形成面、第２面２ｂと第３面３ａとが接合面、第４面３ｂが裏面である。素子形成面は、上記のように素子電極等の機能部分が位置する部分である。素子電極は、例えば互いにかみ合うように位置しているくし歯状電極である。くし歯電極間の表面弾性波により、くし歯電極間で伝送される信号のフィルタリング等が行われる。

従来、複合基板を備えた表面弾性波素子では、通過帯域（バンドパスフィルタが信号を減衰させずに通過させる周波数帯域）より高い周波数にスプリアスと呼ばれるノイズが発生するという問題があった。このノイズは、圧電基板２と支持基板であるサファイア基板３との接合界面におけるバルク波の反射に起因する。バルク波の反射を低減するために接合面の表面粗さを大きくすることが知られているが、接合面の表面粗さを大きくすると、接合強度が低下するという問題がある。

一実施形態に係る複合基板１は、サファイア基板３の接合面である第３面３ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下、特に好ましくは０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。そのため、第３面３ａに到達したバルクの一部が吸収または乱反射され、素子形成面２ａ（つまりは素子電極等の機能部分）に向かう反射バルク波が低減される。これによりスプリアスを低減することができる。

さらに、一実施形態に係る複合基板１は、アルミナ層４の圧電基板２側の表面である第５面４ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以下である。これにより、サファイア基板３およびアルミナ層４と、圧電基板２との接合の強度を高めることができる。したがって、圧電基板２とサファイア基板３との接合強度が高く、接合面である第３面３ａでのバルク波の反射を低減した複合基板１を提供できる。

算術平均粗さＲａは、例えば、レーザ顕微鏡、触針式表面形状測定装置、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、または、接合部断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察などにより測定できる。測定長は５μｍ以上とし、面内で５点以上測定してその平均値を測定値とする。

圧電基板２は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、酸化亜鉛、水晶などの圧電性を有する材料からなる。圧電基板２の第１面２ａは、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であると、良好な素子特性が得られる。また、第２面２ｂは、算術平均粗さＲａが０．０１μｍ以下であると、アルミナ層４との接合強度が大きくなる。

サファイアは、単結晶アルミナのことである。サファイア基板３は、第３面３ａと第４面３ｂとが、ｃ面、ａ面、ｍ面、ｒ面などの特定の結晶面、または、これら結晶面に対し、所定のオフ角を有する結晶面となっている。サファイア基板３の第４面３ｂは、算術平均粗さＲａが１μｍ以上であると、第４面３ｂにおけるバルク波の反射が低減できるので、素子特性の向上に有効である。

アルミナ層４は、サファイア基板３と同じく、アルミナからなる。そのため、材質の異なる接合層を用いる場合と比べて、材質の違いによる熱膨張係数や弾性率などの物性の違いによって生じる、接合時の残留応力などを低減することができる。アルミナ層４が、多結晶又はアモルファスであると、単結晶と比べて原子配列の規則性が低いため、バルク波の反射を低減することができる。アルミナ層４が、単結晶であるか、多結晶であるか、アモルファスであるかは、Ｘ線回折、電子線回折などの方法で、判定できる。接合強度、接合部での反射波の低減の観点から、アルミナ層４の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下であるとよい。

バルク波の反射の低減等のために、圧電基板側の表面部分が加工されたサファイア基板（図示せず）を含む複合基板とすることは考えられるが、一実施形態に係る複合基板１はこれとは相違する。例えば、サファイア基板３の第３面３ａをラッピング装置等を用いて機械加工すると、多数の結晶欠陥が導入された加工変質層が形成される。また、サファイア基板３に第３面３ａから原子（またはイオン）を打ち込むと、イオン（原子）注入層が形成される。本開示のアルミナ層４は、サファイア基板３の第３面３ａが、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となっていて、その第３面３ａがアルミナ層４（第６面４ｂ）に接合され、さらにそのアルミナ層４の比較的平滑な第５面４ａが圧電基板２に接合されている点で、加工変質層やイオン（原子）注入層とは異なる。

次に、本開示の他の実施形態に係る複合基板および圧電素子について、図を参照しながら説明する。図２に、他の実施形態に係る複合基板１’の概略断面図を示す。他の実施形態に係る複合基板１’は、素子形成面である第１面２ａ’とその裏面である第２面２ｂ’とを有する圧電基板２’と、第２面２ｂ’と対向して配置される第３面３ａ’を有するサファイア基板３’と、圧電基板２’と同じ材料、アルミナ、圧電基板２’とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物のいずれかからなり、第２面２ｂ’と第３面３ａ’とを接合する接合層４’とを備える。圧電基板２’の第２面２ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、接合層４’のサファイア基板３’側の表面である第６面４ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第２面２ｂ’の算術平均粗さＲａよりも小さい。

本開示の他の実施形態に係る圧電素子は、他の実施形態に係る複合基板１’を備える。圧電素子としては、上述の通りであり、詳細な説明は省略する。第２面２ｂ’と第３面３ａ’とは、上記のように、接合層４’を介して互いに対向している。

以下、他の実施形態に係る複合基板１’の詳細について説明する。他の実施形態に係る複合基板１’は、圧電基板２’とサファイア基板３’と接合層４’とを備える。圧電基板２’は、素子形成面である第１面２ａ’と、その裏面であり接合層４’と接合する第２面２ｂ’とを有する。サファイア基板３’は、圧電基板２’の第２面２ｂ’と対向して配置される第３面３ａ’と、その裏面である第４面３ｂ’とを有する。接合層４’は、圧電基板２’の第２面２ｂ’と接する第５面４ａ’と、サファイア基板３’の第３面３ａ’と接する第６面４ｂ’とを有している。接合層４’は、圧電基板２’とサファイア基板３’とを、接着剤などを介さずに接合している。

圧電基板２’の第１面２ａ’には素子電極が形成され、表面弾性波素子などの圧電素子用の複合基板１’として用いられる。以下の説明では、便宜上、圧電基板２’が弾性表面波素子用の基板である例を挙げて説明している。圧電基板２’は、これに限らず、振動センサ等のセンサ用基板または発信子用の基板等の他の用途、機能の基板でもよい。

他の実施形態に係る複合基板１’は、第１面２ａ’が素子電極等の素子形成面、第２面２ｂ’と第３面３ａ’とが接合面、第４面３ｂ’が裏面である。素子形成面は、上記のように素子電極等の機能部分が位置する部分である。素子電極は、例えば互いにかみ合うように位置しているくし歯状電極である。くし歯電極間の表面弾性波により、くし歯電極間で伝送される信号のフィルタリング等が行われる。

従来、複合基板を備えた表面弾性波素子では、通過帯域（バンドパスフィルタが信号を減衰させずに通過させる周波数帯域）より高い周波数にスプリアスと呼ばれるノイズが発生するという問題があった。このノイズは、圧電基板２’と支持基板であるサファイア基板３’との接合界面におけるバルク波の反射に起因する。バルク波の反射を低減するために接合面の表面粗さを大きくすることが知られているが、接合面の表面粗さを大きくすると、接合強度が低下するという問題がある。

他の実施形態に係る複合基板１’は、圧電基板２’の接合面である第２面２ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下、特に好ましくは０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。そのため、第２面２ｂ’に到達したバルクの一部が吸収または乱反射され、素子形成面２ａ’（つまりは素子電極等の機能部分）に向かう反射バルク波が低減される。これによりスプリアスを低減することができる。

さらに、他の実施形態に係る複合基板１’は、接合層４’のサファイア基板３’側の表面である第６面４ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以下である。これにより、圧電基板２’および接合層４’と、サファイア基板３’との接合の強度を高めることができる。したがって、圧電基板２’とサファイア基板３’との接合強度が高く、接合面である第２面２ｂ’でのバルク波の反射を低減した複合基板１’を提供できる。算術平均粗さＲａの測定方法については上述の通りであり、詳細な説明は省略する。

圧電基板２’は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、酸化亜鉛、水晶などの圧電性を有する材料からなる。圧電基板２’の第１面２ａ’は、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であると、良好な素子特性が得られる。

サファイアは、単結晶アルミナのことである。サファイア基板３’は、第３面３ａ’と第４面３ｂ’とが、ｃ面、ａ面、ｍ面、ｒ面などの特定の結晶面、または、これら結晶面に対し、所定のオフ角を有する結晶面となっている。サファイア基板３’の第３面３ａ’は、算術平均粗さＲａが０．０１μｍ以下であると、接合層４’との接合強度が大きくなる。また、サファイア基板３’の第４面３ｂ’は、算術平均粗さＲａが１μｍ以上であると、第４面３ｂ’におけるバルク波の反射が低減できるので、素子特性の向上に有効である。

接合層４’は、圧電基板２’と同じ材料、アルミナ、圧電基板２’とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物のいずれかからなる。接合層４’が圧電基板２’と同じ材料であれば、圧電基板２’に接合層４’を形成する際に形成温度（例えば、数百度）に応じて発生する、熱応力や熱歪みを低減できる。一方、接合層４’が、サファイア基板３’と同じく、アルミナであれば、接合層４’とサファイア基板３’とを接合する際に接合温度（例えば、数十℃から１５０℃程度）に応じて発生する、熱応力や熱歪みを低減できる。また、接合層４’が、圧電基板２’とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物であれば、接合層４’の形成時またはサファイア基板３’との接合時に発生する、熱応力や熱歪みを低減できる。

単結晶材料の熱膨張係数は、結晶方位によって異なり、ニオブ酸リチウムの熱膨張係数は７．５～１５ｐｐｍ／℃、タンタル酸リチウムの熱膨張係数は、４～１６ｐｐｍ／℃である。Ｘ軸を中心にＹ軸から３６°～４６°の角度で回転されたタンタル酸リチウム基板のＸ軸、すなわち弾性表面波伝搬方向では約１６ｐｐｍ／℃である。また、サファイアの熱膨張係数は、７．０～７．７ｐｐｍ／℃である。例えば、圧電基板２’とサファイア基板３’の熱膨張係数が１６ｐｐｍ／℃と７ｐｐｍであれば、接合層４’として、熱膨張係数が７～１６ｐｐｍ／℃である材料を用いるとよい。このような熱膨張係数を持つ材料として、例えば、シリカ（単結晶シリカの熱膨張係数は、７．５～１４ｐｐｍ／℃）が挙げられる。

接合層４’が多結晶又はアモルファスであると、単結晶と比べて原子配列の規則性が低いため、バルク波の反射を低減することができる。接合層４’が、単結晶であるか、多結晶であるか、アモルファスであるかは、Ｘ線回折、電子線回折などの方法で判定できる。接合強度、接合部での反射波の低減の観点から、接合層４’の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下であるとよい。

バルク波の反射の低減等のために、圧電基板側の表面部分が加工されたサファイア基板（図示せず）を含む複合基板とすることは考えられる。しかし、他の実施形態に係る複合基板１’はこれとは相違する。サファイア基板３’に第３面３ａ’から原子（またはイオン）を打ち込むと、イオン（原子）注入層が形成される。本開示の接合層４’は、圧電基板２’の第２面２ｂ’が、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となっていて、その第２面２ｂ’が接合層４’（第５面４ａ’）に接合されている。さらに、その接合層４’の比較的平滑な第６面４ｂ’がサファイア基板３’に接合されている。これらの点で、加工変質層やイオン（原子）注入層とは異なる。

＜複合基板の製造方法＞
次いで、本開示の一実施形態に係る複合基板の製造方法について、図を参照しながら説明する。図３に、一実施形態に係る複合基板の製造方法についての概略説明図を示す。一実施形態に係る複合基板の製造方法は、下記の工程（１）～（４）を備える。下記の工程（１）～（４）により、例えば図１に示すような一実施形態に係る複合基板１を製作することができる。下記の工程（３）および（４）に記載の複合層４は、圧電基板２と同じ材料、アルミナ、圧電基板２とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物のいずれかからなる。
（１）素子形成面である第１面２ａとその裏面である第２面２ｂを有する圧電基板２と、第３面３ａとその裏面である第４面３ｂを有するサファイア基板３とを準備する準備工程。
（２）サファイア基板３の第３面３ａを、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように加工する粗面化工程。
（３）粗面化された第３面３ａに接合層４を形成するとともに、接合層４のサファイア基板３と反対側に位置する露出表面である第５面４ａを、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第３面３ａの算術平均粗さＲａよりも小さくなるように加工する接合層形成工程。
（４）接合層４の第５面４ａと圧電基板２の第２面２ｂとを直接接合する接合工程。

以下、本開示の複合基板の製造方法の詳細について説明する。図３において、接合層４はアルミナからなる「アルミナ層４」として説明する。まず、対向する第１面２ａおよび第２面２ｂを有する圧電基板２と、対向する第３面３ａおよび第４面３ｂを有するサファイア基板３とを準備する。第１面２ａが素子形成面、第２面２ｂと第３面３ａとが接合面、第４面３ｂが裏面となる。

サファイア基板３は、チョクラルスキー法などの適当な育成方法で育成されたインゴット状、またはリボン状のサファイア結晶を、第３面３ａと第４面３ｂとが、ｃ面、ａ面、ｍ面、ｒ面などの特定の結晶面、またはこれら結晶面に対し、所定のオフ角を有するように切断して作製される。

圧電基板２の第２面２ｂおよびサファイア基板３の第３面３ａは、銅、錫、鉄などからなる定盤と、ダイヤモンド、炭化珪素、炭化硼素などの砥粒とを用いたラッピング加工などにより平坦化加工される。第３面３ａの算術平均粗さＲａが、０．１μｍ以上０．５μｍ以下、特に好ましくは０．１μｍ以上０．３μｍ以下となるように加工すると、バルク波の反射を低減できるともに接合強度も高くなる。第２面２ｂの算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以下であると、アルミナ層４との接合強度を高くできるのでよい。

次に、サファイア基板３の第３面３ａに、アルミナ層４を形成する。アルミナ層４は、例えば、蒸着、スパッタなどのＰＶＤ法、有機金属気相成長法などのＣＶＤ法などで形成することができる。シリカ粒子とアルカリ性水溶液を用いたケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などにより、アルミナ層４の表面である第５面４ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の所望の値（例えば、約０．０１μｍ）となるように研磨加工する。なお、アルミナ層４の形成方法および形成条件の最適化により、成膜後（アズグロウン）のアルミナ層４の第５面４ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の所望の値（例えば０．０１μｍ以下）であれば、研磨加工工程を省略してもよい。

次に、圧電基板２の第２面２ｂおよびアルミナ層４の第５面４ａの少なくとも一方を、プラズマ処理などの方法で活性化処理する。アルミナ層４と圧電基板２とを接着材料を用いない直接接合によって接合する。例えば、圧電基板２と、アルミナ層４形成したサファイア基板３とを真空中、大気中または所定の雰囲気中で加熱および（または）加圧して接合界面の原子を拡散させて拡散接合する。先の活性化処理により、接合時の温度を低くすることができる。そのため、圧電基板２とサファイア基板３との熱膨張率差に起因する、破損や加工精度不良の原因を低減することができる。

圧電基板２とアルミナ層４との直接接合では、圧電基板２とアルミナ層４との間の原子の拡散による拡散接合が用いられる。圧電基板２の第２面２ｂとアルミナ層４の第５面４ａの算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であると、接合強度が向上する。

圧電基板２とサファイア基板３とを接合した後、ラッピング装置などを用いて、サファイア基板３の厚みを薄くしてもよい。この場合、サファイア基板３を第４面３ｂ側から上記加工で除去する。ラッピング装置などを用いて、圧電基板２の厚みを薄くしてもよい。圧電基板２の第１面２ａは、ＣＭＰ装置などを用いて、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下となるように加工すると好適である。

以下、本開示の他の実施形態に係る複合基板の製造方法について、図を参照しながら説明する。図４に、他の実施形態に係る複合基板の製造方法についての概略説明図を示す。他の実施形態に係る複合基板の製造方法は、下記の工程（５）～（８）を備える。下記の工程（５）～（８）により、例えば図２に示すような他の実施形態に係る複合基板１’を製作することができる。
（５）素子形成面である第１面２ａ’とその裏面である第２面２ｂ’を有する圧電基板２’と、第３面３ａ’とその裏面である第４面３ｂ’を有するサファイア基板３’とを準備する準備工程。
（６）圧電基板２’の第２面２ｂ’を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように加工する粗面化工程。
（７）粗面化された第２面２ｂ’に、圧電基板２’と同じ材料、アルミナ、圧電基板２’とアルミナの中間の熱膨張係数を有する酸化物のいずれかからなる接合層４’を形成するとともに、接合層４’の圧電基板２’と反対側に位置する露出表面である第６面４ｂ’を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに第２面２ｂ’の算術平均粗さＲａよりも小さくなるように加工する接合層形成工程。
（８）接合層４’の第６面４ｂ’とサファイア基板３’の第３面３ａ’とを直接接合する接合工程。

他の実施形態に係る複合基板の製造方法の詳細について、圧電基板２’がタンタル酸リチウムで、接合層４’がアルミナである場合について説明する。まず、対向する第１面２ａ’および第２面２ｂ’を有するタンタル酸リチウム単結晶からなる圧電基板２’と、対向する第３面３ａ’および第４面３ｂ’を有するサファイア基板３’とを準備する。第１面２ａ’が素子形成面、第２面２ｂ’と第３面３ａ’とが接合面、第４面３ｂ’が裏面となる。

サファイア基板３’は、チョクラルスキー法などの適当な育成方法で育成されたインゴット状、またはリボン状のサファイア結晶を、第３面３ａ’と第４面３ｂ’とが、ｃ面、ａ面、ｍ面、ｒ面などの特定の結晶面、またはこれら結晶面に対し、所定のオフ角を有するように切断して作製される。

圧電基板２’の第２面２ｂ’およびサファイア基板３’の第３面３ａ’は、銅、錫、鉄などからなる定盤と、ダイヤモンド、炭化珪素、炭化硼素などの砥粒とを用いたラッピング加工などにより平坦化加工される。第２面２ｂ’の算術平均粗さＲａが、０．１μｍ以上０．５μｍ以下、特に好ましくは０．１μｍ以上０．３μｍ以下となるように加工すると、バルク波の反射を低減できるともに接合強度も高くなる。第３面３ａ’の算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以下であると、接合層４’との接合強度を高くできるのでよい。

次に、圧電基板２’の第２面２ｂ’に、アルミナからなる接合層４’を形成する。接合層４’は、例えば、蒸着、スパッタなどのＰＶＤ法、有機金属気相成長法などのＣＶＤ法などで形成することができる。シリカ粒子およびアルカリ性水溶液を用いたケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などにより、接合層４’の表面である第６面４ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の所望の値（例えば、約０．０１μｍ）となるように研磨加工する。接合層４’の形成方法および形成条件の最適化により、成膜後（アズグロウン）の接合層４’の第６面４ｂ’の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の所望の値（例えば０．０１μｍ以下）であれば、研磨加工工程を省略してもよい。

次に、サファイア基板３’の第３面３ａ’および接合層４’の第６面４ｂ’の少なくとも一方を、プラズマ処理などの方法で活性化処理する。そして、サファイア基板３’と接合層４’とを接着材料を用いない直接接合によって接合する。例えば、サファイア基板３’と、接合層４’を形成した圧電基板２’とを真空中、大気中または所定の雰囲気中で加熱および（または）加圧して接合界面の原子を拡散させて拡散接合する。先の活性化処理により、接合時の温度を低くすることができる。そのため、圧電基板２’とサファイア基板３’との熱膨張係数差に起因する、破損や加工精度不良の原因を低減することができる。

サファイア基板３’と接合層４’との直接接合では、サファイア基板３’と接合層４’との間の原子の拡散による拡散接合が用いられる。サファイア基板３’の第３面３ａ’と接合層４’の第６面４ｂ’との算術平均粗さＲａが、０．１μｍ以下であると、接合強度が向上する。

圧電基板２’とサファイア基板３’とを接合した後、ラッピング装置などを用いて、サファイア基板３’の厚みを薄くしてもよい。この場合、サファイア基板３’を第４面３ｂ’側から上記加工で除去する。ラッピング装置などを用いて、圧電基板２’の厚みを薄くしてもよい。圧電基板２’の第１面２ａ’は、ＣＭＰ装置などを用いて、算術平均粗さＲａが、１ｎｍ以下となるように加工すると、好適である。接合層４’が、タンタル酸リチウムまたはシリカからなる場合も、上記と同様に接合層を形成することができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。

以下、実施例を挙げて本開示を詳細に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。

圧電基板として複数のＬＴ基板２を、支持基板として複数のサファイア基板３を、それぞれ準備した。そして、ラッピング装置を用いて、ＬＴ基板２の第２面２ｂを算術平均粗さＲａが０．０１μｍとなるように加工し、サファイア基板３の第３面３ａを算術平均粗さＲａが０．０２μｍ（条件１）、０．１μｍ（条件２）、０．５μｍ（条件３）、２．５μｍ（条件４）の４水準となるように加工した。そして、加工後の第３面３ａに蒸着によりアルミナ層４を約１μｍの厚みで製膜し、ＣＭＰ装置を用いてアルミナ層４の第５面４ａを算術平均粗さＲａが０．０１μｍとなるように加工した。圧電基板２の第２面２ｂとアルミナ層４の第５面４ａとをアルゴンプラズマにより活性化処理して接合し、複合基板１を作製した。

条件１～４のうち、条件４では、十分な接合強度（１．０Ｎ／ｍ^２以上）が得られなかった。さらに、条件１～３の複合基板１を用いて表面弾性波素子を作製したところ、条件１では、第３面３ａの粗面化による、スプリアス低減効果が小さかったのに対し、条件２、３では、良好な素子特性が得られた。

圧電基板として複数のＬＴ基板２’を、支持基板として複数のサファイア基板３’を、それぞれ準備した。そして、ラッピング装置を用いて、ＬＴ基板２’の第２面２ｂ’を算術平均粗さＲａが０．０２μｍ（条件１）、０．１μｍ（条件２）、０．５μｍ（条件３）、２．５μｍ（条件４）の４水準となるように加工し、サファイア基板３’の第３面３ａ’を算術平均粗さＲａが０．０１μｍとなるように加工した。そして、加工後の第２面ｂ’に蒸着によりアルミナからなる接合層４’を約１μｍの厚みで製膜し、ＣＭＰ装置を用いて接合層４’の第６面４ｂ’を算術平均粗さＲａが０．０１μｍとなるように加工した。そして、サファイア基板３’の第３面３ａ’と接合層４’の第６面４ｂ’とをアルゴンプラズマにより活性化処理して接合し、複合基板１’を作製した。

条件１～４のうち、条件４では、十分な接合強度（１．０Ｎ／ｍ^２以上）が得られなかった。さらに、条件１～３の複合基板１’を用いて表面弾性波素子を作製したところ、条件１では、第２面２ｂ’の粗面化による、スプリアス低減効果が小さかったのに対し、条件２、３では、良好な素子特性が得られた。

１、１’：複合基板
２、２’：圧電基板
２ａ、２ａ’：第１面（素子形成面）
２ｂ、２ｂ’：第２面（圧電基板の裏面）
３、３’：サファイア基板
３ａ、３ａ’：第３面（サファイア基板の接合面）
３ｂ、３ｂ’：第４面（複合基板の裏面）
４：接合層
４ａ：第５面（接合層の圧電基板側表面）
４ｂ：第６面（接合層のサファイア基板側表面）
４’：アルミナ層（接合層）
４ａ’：第５面（アルミナ層の圧電基板側表面）
４ｂ’：第６面（アルミナ層のサファイア基板側表面）

Claims (5)

1. 素子形成面である第１面とその裏面である第２面とを有する圧電基板と、
   前記第２面と対向して配置される第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板と、
   前記第２面と対向する第５面と前記第３面と対向する第６面を有し、前記第２面と前記第３面とを接合する接合層と、
   を備え、
   前記接合層がアルミナからなり、
   前記第３面はｃ面の結晶面であり、
   前記第３面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、前記第５面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに前記第３面の算術平均粗さＲａよりも小さい、表面弾性波素子用の複合基板。
2. 前記接合層が、多結晶またはアモルファスである、請求項１に記載の複合基板。
3. 前記接合層の厚みが、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１または２に記載の複合基板。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の複合基板と、前記第１面に位置するくし歯状電極とを備える、表面弾性波素子。
5. 素子形成面である第１面とその裏面である第２面を有する圧電基板と、第３面とその裏面である第４面を有するサファイア基板とを準備する準備工程と、
   前記第３面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように加工する粗面化工程と、
   粗面化された前記第３面に接合層を形成するとともに、前記接合層の前記サファイア基板と反対側に位置する露出表面である第５面を、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下であるとともに前記第３面の算術平均粗さＲａよりも小さくなるように加工する接合層形成工程と、
   前記接合層の前記第５面と前記圧電基板の前記第２面とを直接接合する接合工程と、
   を備え、
   前記接合層がアルミナからなり、
   前記第３面はｃ面の結晶面である、
   表面弾性波素子用の複合基板の製造方法。