JPWO2020027075A1 - 複合基板、圧電素子および複合基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本開示の複合基板は、圧電基板とサファイア基板とが直接接合された複合基板であって、前記サファイア基板の前記圧電基板と接合されている接合面を含む接合面領域におけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい。本開示の圧電素子は、前記複合基板を備える。本開示の複合基板の製造方法は、圧電基板とサファイア基板を準備する工程と、前記サファイア基板を還元雰囲気または真空中で熱処理する工程と、前記圧電基板と前記サファイア基板とを直接接合する工程とを備える。
Description
本開示は、圧電基板と支持基板とを接合した構造の複合基板、該複合基板を備えた圧電素子および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（特許文献１〜３）。
複合基板の接合方法は、大別すると、接着層を介して接着する方法と、接合面に活性化処理を施して直接接合する方法とがある。直接接合は、接着に対して、耐熱性、温度特性などの面で優れている。
圧電基板は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）などの圧電性を有する材料からなる。支持基板として種々の材料が用いられる。中でも、サファイアは機械的強度、絶縁性、放熱性に優れ、支持基板として特に好適である。
特許文献１には、圧電基板及び／又は支持基板の接合面から水素イオンを注入して接合面近傍の結晶性を乱してから接合することで、接合界面でのスプリアス（バルク波の反射）を低減した複合基板が記載されている。特許文献２には、圧電基板の接合表面から水素イオンを注入して剥離層を形成してから接合した複合基板が記載されている。特許文献３には、還元処理により焦電効果を抑制した圧電基板と低熱膨張支持基板とを接合した複合基板が記載されている。
本開示の複合基板は、圧電基板とサファイア基板とが直接接合された複合基板であって、前記サファイア基板の前記圧電基板と接合されている接合面を含む接合面領域における、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい。本開示の圧電素子は、前記複合基板を備える。本開示の複合基板の製造方法は、圧電基板とサファイア基板を準備する工程と、前記サファイア基板を還元雰囲気または真空中で熱処理する工程と、前記圧電基板と前記サファイア基板とを直接接合する工程とを備える。
本開示の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。
＜複合基板と圧電素子＞
図１に、本開示の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、圧電基板２とサファイア基板３とが直接接合された複合基板である。サファイア基板３の圧電基板２と接合されている接合面３ａを含む接合面領域３ｃにおける、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい。本開示の圧電素子は、複合基板１を備える。本開示において、接合面領域３ｃは、第３面３ａから少なくとも数原子層以上の領域を含む。
図１に、本開示の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、圧電基板２とサファイア基板３とが直接接合された複合基板である。サファイア基板３の圧電基板２と接合されている接合面３ａを含む接合面領域３ｃにおける、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい。本開示の圧電素子は、複合基板１を備える。本開示において、接合面領域３ｃは、第３面３ａから少なくとも数原子層以上の領域を含む。
以下、本開示の複合基板１の詳細について説明する。複合基板１は、対向する第１面２ａと第２面２ｂとを有する圧電基板２と、対向する第３面３ａと第４面３ｂとを有するサファイア基板３とを有している。複合基板１は、圧電基板２の第２面２ｂとサファイア基板３の第３面３ａとが互いに対向し合い、直接接合されている。直接接合とは、圧電基板２とサファイア基板３とが、接着剤などを介さず、直に接して接合していることをいう。
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。
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とサファイア基板３（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。
本開示の複合基板１は、サファイア基板３の接合面領域３ｃの、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい。つまり、化学量論組成よりも酸素が欠損している。この酸素欠損により、圧電基板２とサファイア基板３の接合強度を低下させることなく、接合面領域３ｃの結晶性の乱れによって、バルク波の反射を低減することができる。アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．４以下であれば、特に反射低減の効果が大きい。そのため、ノイズ抑制に関しては有利である。サファイア基板３の原子数比は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）などの方法で測定することができる。
接合面領域３ｃにおけるアルミニウムと酸素の原子数比は、例えば、サファイア基板３を、第３面３ａまたは第４面３ｂからスパッタリングし、所定の測定間隔で第３面３ａから深さ１０ｎｍ以内の領域のアルミニウムと酸素の原子数比を複数箇所測定し、その平均値から求めるとよい。最表面（深さ０ｎｍ）の測定値は、付着物などの影響で誤差が大きいので、平均値からは除外する。
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。サファイア基板３は、支持基板である。サファイアは機械的強度、絶縁性、放熱性に優れ、支持基板として好適である。
サファイア基板３のバルク領域３ｄ（第３面３ａと第４面３ｂとの間の本体部分であって、第３面３ａおよび第４面３ｂから深さ１０ｎｍ程度の領域を除く部分）は、酸素欠損が少ない方がサファイア基板３の強度が高く、複合基板１および圧電素子が破損しにくい。つまり、バルク領域３ｄは、酸素欠損がなく、化学量論と同じ原子数比率（Ｏ／Ａｌ＝１．６）でもよい。したがって、サファイア基板３の接合面領域３ｃにおけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子の比が、サファイア基板３のバルク領域３ｄにおけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比よりも小さいと好適である。
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。そのため、素子特性の向上に関しては有効である。
従来、第３面３ａから水素を注入し、接合面領域３ｃの結晶性を乱してから接合することでスプリアスを低減する技術が知られている。しかし、水素注入により、圧電基板２とサファイア基板３の接合強度は低下しやすい。接合面領域３ｃの水素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であると圧電基板２とサファイア基板３の接合強度が高くなるので好適である。接合面領域３ｃの水素濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）などの方法で測定できる。
＜複合基板の製造方法＞
図２Ａおよび図２Ｂに、本開示の複合基板の製造方法の概略説明図を示す。本開示の複合基板の製造方法は圧電基板２とサファイア基板３を準備する工程（図２Ａ）と、サファイア基板３を還元雰囲気または真空中で熱処理する工程と、圧電基板２とサファイア基板３とを直接接合する工程（図２Ｂ）とを備える。
図２Ａおよび図２Ｂに、本開示の複合基板の製造方法の概略説明図を示す。本開示の複合基板の製造方法は圧電基板２とサファイア基板３を準備する工程（図２Ａ）と、サファイア基板３を還元雰囲気または真空中で熱処理する工程と、圧電基板２とサファイア基板３とを直接接合する工程（図２Ｂ）とを備える。
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。まず、対向する第１面２ａと第２面２ｂとを有する圧電基板２と、対向する第３面３ａと第４面３ｂと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、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単結晶体を切断して作製される。
圧電基板２の第２面２ｂとサファイア基板３の第３面３ａは、ラッピング装置などを用いて平坦化加工される。第２面２ｂと第３面３ａは、算術平均粗さＲａが、０．１μｍ以下となるように加工すると、良好な接合強度が得られる。
次に、サファイア基板３の少なくとも第３面３ａを水素雰囲気などの還元雰囲気、または真空中で熱処理する。例えば、水素雰囲気処理であれば、９５０℃〜１３００℃で、５分〜６０分の処理が好適である。この処理により、接合面領域３ｃに酸素欠損が導入される。水素注入と異なり、水素雰囲気処理または真空処理であれば、接合面領域３ｃへの水素の侵入が抑えられる。そのため、接合面領域３ｃの接合強度の低下が生じにくい。接合面領域３ｃの水素濃度は、例えば１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
次に、圧電基板２の第２面２ｂとサファイア基板３の第３面３ａ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。
圧電基板２とサファイア基板３とを接着材料を用いない直接接合によって接合する。直接接合では、圧電基板２とサファイア基板３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とサファイア基板３との直接接合では、圧電基板２とサファイア基板３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が接合面領域３ｃに酸素欠損を有していると、酸素欠損を利用して圧電基板２とサファイア基板３との間の原子の拡散が促進され、接合強度が向上する。
圧電基板２とサファイア基板３を接合した後、ラッピング加工などによって、サファイア基板３の厚みを薄くしてもよい。ラッピング加工などによって、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加工等により、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。
還元雰囲気処理、真空処理で使用される、水素炉、真空炉は、イオン注入装置やプラズマ処理装置と比べ安価で簡便な構成の装置である点でも優れている。圧電基板２を熱処理すると、圧電基板２の導電率や組成が変化して素子特性への影響が大きい。これに対し、支持基板（サファイア基板３）の熱処理条件は、処理条件の許容範囲が大きく、より大きな効果が期待できる。
サファイア基板３への酸素欠損の導入方法として、インゴット状またはリボン状のサファイア結晶体の育成を還元雰囲気中で育成してもよいし、育成後のサファイア結晶体を還元雰囲気中で熱処理してもよい。つまり、サファイア基板３用のサファイア結晶体への酸素欠損の導入は、例えば非還元雰囲気で育成したものに対して（育成後に）行うようにしてもよい。このように、酸素欠損を導入したサファイア結晶体を切断してサファイア基板３を作製することにより、接合面領域３ｃにおいて、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さいサファイア基板３を得ることができる。サファイア結晶体は、ＣＺ法、ＥＦＧ法、ブリッジマン法などの育成方法で育成できる。
サファイア結晶体に酸素欠損を導入する処理に比べ、サファイア基板３に酸素欠陥を導入する処理は、接合面領域３ｃに直接作用して接合面領域３ｃの酸素欠損量を制御できるので、処理の効果が大きい。
本開示によれば、圧電基板と支持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複合基板および圧電素子を提供できる。
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、特許請求の範囲の範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。例えば、サファイア基板３は、接合面領域３ｃ（第３面３ａ）以外の表面においても、アルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さいものであって構わない。
１ ：複合基板
２ ：圧電基板
２ａ：第１面（素子形成面）
２ｂ：第２面（圧電基板の接合面）
３ ：サファイア基板
３ａ：第３面（サファイア基板の接合面）
３ｂ：第４面（裏面）
３ｃ：接合面領域
３ｄ：バルク領域
２ ：圧電基板
２ａ：第１面（素子形成面）
２ｂ：第２面（圧電基板の接合面）
３ ：サファイア基板
３ａ：第３面（サファイア基板の接合面）
３ｂ：第４面（裏面）
３ｃ：接合面領域
３ｄ：バルク領域
サファイア基板３のバルク領域３ｄ（第３面３ａと第４面３ｂとの間の本体部分であって、第３面３ａおよび第４面３ｂから深さ１０ｎｍ程度の領域を除く部分）は、酸素欠損が少ない方がサファイア基板３の強度が高く、複合基板１および圧電素子が破損しにくい。つまり、バルク領域３ｄは、酸素欠損がなく、化学量論と同じ原子数比率（Ｏ／Ａｌ＝１．６）でもよい。したがって、サファイア基板３の接合面領域３ｃにおけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が、サファイア基板３のバルク領域３ｄにおけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比よりも小さいと好適である。
Claims (8)
- 圧電基板とサファイア基板とが直接接合された複合基板であって、
前記サファイア基板の前記圧電基板と接合されている接合面を含む接合面領域におけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が１．５よりも小さい、複合基板。 - 前記サファイア基板の前記接合面領域におけるアルミニウムの原子数に対する酸素の原子数の比が、前記サファイア基板のバルク領域におけるアルミニウムに対する酸素の原子比よりも小さい、請求項１に記載の複合基板。
- 前記サファイア基板の前記接合面領域における水素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、請求項１または２に記載の複合基板。
- 前記圧電基板は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、水晶から選ばれる圧電性を有する材料からなる請求項１から３のいずれかに記載の複合基板。
- 請求項１から４のいずれかに記載の前記複合基板を備える、圧電素子。
- 表面弾性波素子である、請求項５に記載の圧電素子。
- 圧電基板とサファイア基板を準備する工程と、
前記サファイア基板を還元雰囲気または真空中で熱処理する工程と、
前記圧電基板と前記サファイア基板とを直接接合する工程とを備える、複合基板の製造方法。 - 圧電基板を準備する工程と、
サファイア結晶体を還元雰囲気中で育成または熱処理する工程と、
前記サファイア結晶体を切断してサファイア基板を作製する工程と、
前記圧電基板と前記サファイア基板とを直接接合する工程とを備える、複合基板の製造方法。
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