TWI752264B - 彈性波元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題係在壓電材料基板直接接合於由多晶陶瓷構成之支撐基板上的類型之彈性波元件中，使彈性波元件之Q值提高。 彈性波元件10包含壓電材料基板1A、中間層2、接合層3、支撐基板5及電極9；中間層2設於壓電材料基板1A上，由從由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組選取的一種以上之材質構成；接合層3設於中間層2上，由從由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、氧化鋁、高阻矽及氧化鉿構成之群組選取的一種以上之材質構成；支撐基板5由多晶陶瓷構成，對接合層3直接接合；電極9設於壓電材料基板1A上。

Description

彈性波元件及其製造方法
本發明係有關於一種具有壓電材料基板與由多晶陶瓷構成之支撐基板的接合體之彈性波元件。
可發揮用於行動電話等之濾波器元件及振盪器的功能之表面聲波元件，及使用壓電薄膜之藍姆波元件或薄膜體聲波共振器(FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator)等彈性波元件，乃為吾人所習知者。此種表面聲波元件已知有使支撐基板與傳遞表面聲波之壓電基板貼合並於壓電基板之表面設有可激發表面聲波之梳狀電極者。如此，藉將具有小於壓電基板之熱膨脹係數的支撐基板貼附於壓電基板，而抑制溫度變化時之壓電基板的尺寸之變化，而抑制了表面聲波元件之頻率特性的變化。
在專利文獻1，將2個壓電單晶基板重疊來直接接合而獲得接合體，並於接合體上設電極，藉此，製造了表面聲波元件。此直接接合以熱處理進行。
將矽基板直接接合於壓電單晶基板時，一般使用電漿活化法。然而，在電漿活化法中，為於接合後提高強度，而需加熱，當接合溫度低時，有接合強度降低之傾向。然而，當提高接合溫度時，因矽基板與壓電基板之熱膨脹係數的差異，易產生破裂。
另一方面，已知有所謂之FAB(Fast Atom Beam：快速原子束)方式的直接接合法(專利文獻2)。在此方法中，以常溫對各接合面照射中性原子束而活化，而直接接合。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利公開公報2003-273691 [專利文獻2]日本專利公開公報2014-086400
[發明欲解決之問題]
本案發明人以專利文獻1、2作為參考，嘗試了將壓電材料基板接合於多晶陶瓷基板上，並於該壓電材料基板上設電極而製造表面聲波元件。然而，當實際上試著製作元件時，看出Q值降低，溫度特性惡化之傾向。
本發明之課題係在壓電材料基板直接接合於由多晶陶瓷構成之支撐基板上的類型之彈性波元件中，使彈性波元件之Q值提高。 [解決問題之手段]
本發明之彈性波元件包含壓電材料基板、中間層、接合層、支撐基板及電極；該中間層設於該壓電材料基板上，由從由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組選取的一種以上之材質構成；該接合層設於該中間層上，由從由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、氧化鋁、高阻矽及氧化鉿構成之群組選取的一種以上之材質構成；該支撐基板由多晶陶瓷構成，對該接合層直接接合；該電極設於該壓電材料基板上。
又，本發明係一種彈性波元件之製造方法，包含下列製程：(1)於壓電材料基板上設中間層，該中間層由從由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組選取的一種以上之材質構成；(2)於該中間層上設接合層，該接合層由從由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、氧化鋁、高阻矽及氧化鉿構成之群組選取的一種以上之材質構成；(3)藉對該接合層之表面照射中性射束而形成活化面；(4)藉對由多晶陶瓷構成之支撐基板的表面照射中性射束而形成活化面；(5)將該接合層之該活化面與該支撐基板之該活化面直接接合；及(6)於該壓電材料基板上設電極。 [發明之功效]
本案發明人就在壓電材料基板直接接合於由多晶陶瓷構成之支撐基板上的類型之彈性波元件中，看出彈性波元件之Q值的降低之原因作了檢討。結果，得到了以下之見解。
即，作為標的之彈性波原本應僅在壓電材料基板中傳遞。然而，在壓電材料基板直接接合於由多晶陶瓷構成之支撐基板上的類型之彈性波元件中，看出下述傾向，前述傾向係沿著接合界面，生成細微之非晶質層，彈性波之一部分在此非晶質層中傳遞，並且更越過非晶質層，亦在支撐基板內傳遞，因而彈性波在支撐基板中傳遞。結果，看出彈性波元件之Q值惡化的傾向。
因此，本案發明人嘗試了將由上述特定種類之異種材質構成的中間層與接合層個別形成於壓電材料基板上，將此接合層對由多晶陶瓷構成之支撐基板直接接合。結果，發現了彈性波元件之Q值明顯增加。
此理由雖不明確，但在如此進行而得之彈性波元件中，從壓電材料基板漏出之彈性波在中間層中以比較高之效率傳遞，並且在與由不同於中間層之材質構成的接合層之界面受到遮斷，在接合層中之傳遞量減少。因藉此，抑制在接合層與支撐基板之界面(特別是非晶質層)的傳遞或在支撐基板中之傳遞，故亦視為Q值增加。
[用以實施發明之形態]
以下，一面適宜參照圖式，一面詳細地說明本發明。
如圖1(a)所示，壓電材料基板1具有表面1a及1b。接著，如圖1(b)所示，於壓電材料基板1之表面1a設中間層2，於中間層2之表面2a上設接合層3。然後，如圖1(c)所示，對接合層3之表面3a如箭號A般照射中性射束，使接合層3之表面活化而作為活化面4。
另一方面，如圖2(a)所示，準備由多晶陶瓷構成之支撐基板5。支撐基板5具有1對表面5a、5b。接著，如圖2(b)所示，藉對支撐基板5之其中一表面5a如箭號B般照射中性射束而活化，而形成活化面6。然後，如圖2(c)所示，藉將支撐基板5之活化面6與接合層3之活化面4直接接合，而獲得接合體7。
在較佳之實施形態中，進一步將接合體7之壓電材料基板1的表面1b拋光加工，而如圖3(a)所示，使壓電材料層1A之厚度小。1c係拋光面。藉此，獲得接合體8。
在圖3(b)中，藉於壓電材料基板1A之拋光面1c上形成預定電極9，而製作了彈性波元件10。
以下，就本發明之功效，一面參照圖3，一面加以補充。 彈性波原本應僅在壓電材料基板1A中傳遞。然而，在壓電材料基板1A直接接合於由多晶陶瓷構成之支撐基板5上的類型之彈性波元件中，看出下述傾向，前述傾向係沿著接合界面，生成細微之非晶質層，彈性波之一部分在此非晶質層中傳遞，並且更越過非晶質層，亦在支撐基板5內傳遞，因而彈性波在支撐基板中傳遞。結果，看出彈性波元件之Q值惡化的傾向。
另一方面，根據本發明之彈性波元件10，由上述特定種類之異種材質構成的中間層2與接合層3個別形成於壓電材料基板1A上，將此接合層3對由多晶陶瓷構成之支撐基板5直接接合。結果，發現了彈性波元件之Q值明顯增加。
此理由雖不明確，但在如此進行而得之彈性波元件中，從壓電材料基板1A漏出之彈性波在中間層2中以比較高之效率傳遞，並且在與由不同於中間層2之材質構成的接合層3之界面受到遮斷，在接合層3中之傳遞量減少。因藉此，抑制在接合層3與支撐基板5之界面(特別是非晶質層)的傳遞或在支撐基板5中之傳遞，故亦視為Q值增加。
以下，就本發明之各構成要件進一步說明。 彈性波元件已知有表面聲波元件、藍姆波元件、或薄膜體聲波共振器(FBAR)等。舉例而言，表面聲波元件係於壓電材料基板之表面設有激發表面聲波之輸入側IDT(Interdigital Transducer：數位間轉換器)電極(亦稱為梳狀電極、指叉狀電極)及接收表面聲波之輸出側IDT電極。當對輸入側IDT電極施加高頻信號時，便於電極間產生電場，激發表面聲波而在壓電基板上傳遞。接著，可從設於傳遞方向之輸出側IDT電極取出所傳遞之表面聲波作為電信號。
壓電材料基板1A之底面亦可具有金屬膜。金屬膜於製造藍姆波元件作為彈性波元件之際，發揮使壓電基板之背面附近的機電耦合係數大之功用。此時，藍姆波元件之構造為於壓電基板之表面形成梳齒電極且壓電基板之金屬膜藉設於支撐基板之凹洞而露出。此種金屬膜之材質可舉例如鋁、鋁合金、銅、金等為例。此外，製造藍姆波元件時，亦可使用具有底面不具金屬膜之壓電基板的複合基板。
又，壓電材料基板1A之底面亦可具有金屬膜及絕緣膜。金屬膜於製造薄膜體聲波共振器作為彈性波元件之際，發揮電極之功用。此時，薄膜體聲波共振器之構造為於壓電基板之表面背面形成電極，並藉使絕緣膜形成凹洞，而使壓電基板之金屬膜露出。此種金屬膜之材質可舉例如鉬、釕、鎢、鉻、鋁等為例。又，絕緣膜之材質可舉例如二氧化矽、磷矽玻璃、硼磷矽玻璃等為例。
壓電材料基板1A之材質具體可例示鉭酸鋰(LT)單晶、鈮酸鋰(LN)單晶、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體單晶、水晶、硼酸鋰。此當中，以LT或LN為較佳。
LT及LN由於表面聲波之傳遞速度快，故機電耦合係數大，故適合作為高頻且寬頻用表面聲波元件。又，壓電材料基板1A之主面的法線方向未特別限定，舉例而言，壓電材料基板1A由LT構成時，由於使用以表面聲波之傳遞方向亦即X軸為中心而從Y軸往Z軸旋轉36~47(例如42)之方向者傳遞損失小，故較佳。壓電材料基板1A由LN構成時，由於使用以表面聲波之傳遞方向亦即X軸為中心而從Y軸往Z軸旋轉60~68(例如64)之方向者傳遞損失小，故較佳。再者，壓電材料基板之尺寸並未特別限定，例如直徑為50~150mm，厚度為0.2~60μm。
支撐基板5由多晶陶瓷構成。此較佳可例示從由莫來石、氮化鋁、及矽鋁氮氧化物構成的群組選取之材質。
又，構成支撐基板5之陶瓷的相對密度以95%以上為佳，亦可為100%。此外，相對密度以阿基米德法測定。
中間層2由從由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組選取的一種以上之材質構成。藉使由該等材質構成之中間層2存在，可使彈性波之傳遞效率高。
中間層2之厚度從抑制彈性波漏出至接合層3及支撐基板5側之觀點而言，以0.25μm以上為佳，以0.5μm以上為更佳。又，中間層2之厚度從成膜成本、基板之翹曲量的觀點而言，以5.0μm以下為佳。
於中間層2上設接合層3。接合層3由從由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、氧化鋁、高阻矽及氧化鉿構成之群組選取的一種以上之材質構成。藉設此種接合層3，易抑制彈性波從中間層漏出。從此種觀點而言，接合層之厚度以0.01μm以上為佳，且以1.0μm以下為佳。又，高阻矽係指體積電阻率為1000Ω･cm以上之矽。
又，從使Q值增大之觀點而言，中間層之厚度/接合層之厚度以5~25為佳，以10~20為更佳。
接著，藉對由多晶陶瓷構成之支撐基板5的表面5a及接合層3之表面3a照射中性射束，而將支撐基板5之表面5a及接合層3之表面3a活化。此時，較佳為可將接合層3之表面3a、支撐基板5之表面5a分別平坦化而獲得平坦面。在此，將各表面平坦化之方法有研光(lap)拋光、化學機械拋光加工(CMP)等。又，平坦面需Ra≦1nm，以0.3nm以下為更佳。
以中性射束進行表面活化之際，以使用記載於專利文獻2之裝置，產生中性射束來照射為佳。即，射束源使用鞍形場型高速原子束源。接著，將惰性氣體導入至腔室，從直流電源對電極施加高電壓。藉此，因產生於電極(正極)與殼體(負極)之間的鞍形場型電場，電子e運動，而生成惰性氣體之原子與離子束。由於到達柵極之射束中，離子束在柵極被中和，故中性原子束從高速原子束源射出。構成射束之原子種以惰性氣體(氬、氮等)為佳。 照射射束所行之活化時的電壓以0.5~2.0kV為佳，電流以50~200mA為佳。
接著，在真空氣體環境，使活化面彼此接觸、接合。此時之溫度為常溫，具體而言，以40℃以下為佳，以30℃以下為更佳。又，接合時之溫度以20℃以上、25℃以下為特佳。接合時之壓力以100~20000N為佳。
在較佳之實施形態中，沿著支撐基板5與接合層3之界面產生非晶質層。此種非晶質層大多為支撐基板5之材質與接合層3之材質的混合物或組成物。又，構成用於表面活化時之中性射束(氬、氮等)的原子種多以組成存在。因此，該非晶質層係構成支撐基板5之原子、構成接合層3之原子、及構成中性射束之原子混合而形成。又，非晶質層之厚度多為20nm以下。
此種非晶質層之存在可如以下進行而確認。測定裝置使用穿透式電子顯微鏡(日本電子製 JEM-ARM200F)來觀察微構造。此時，測定條件係對以FIB(聚焦離子束)法薄片化之樣品以加速電壓200kV觀察。 [實施例]
(實施例A1) 根據一面參照圖1~圖3一面說明之方法，製作了圖3(b)所示之彈性波元件10。 具體而言，準備了具有定向平面部(OF部)且直徑4吋、厚度250μm之鉭酸鋰基板(LT基板)作為壓電材料基板1。又，支撐基板5準備了具有OF部且直徑4吋、厚度230μm之矽鋁氮氧化物基板。LT基板使用了以表面聲波(SAW)之傳遞方向為X且旋轉切割角度之Y切割板亦即46Y切割X傳遞LT基板。壓電材料基板1之表面1a與支撐基板5之表面5a進行鏡面拋光成算術平均粗糙度Ra為1nm。算術平均粗糙度以原子力顯微鏡(AFM)評估了長10μm×寬10μm之正方形的視野。
接著，以濺鍍法於壓電材料基板1之表面1a形成由氧化矽膜構成之厚度0.5μm的中間層2。成膜後之算術平均粗糙度Ra為2nm。然後，以CVD法於中間層2上形成由五氧化二鉭構成之厚度0.01μm的接合層3。成膜後之Ra為2.0nm。之後，將接合層3之表面進行化學機械拋光加工(CMP)，平坦化，使Ra為0.2nm。接著，支撐基板5亦即矽鋁氮氧化物基板不進行化學機械拋光加工(CMP)，而使用0.5μm以下之超細微研磨粒，進行機械拋光加工，藉此，平坦化而使Ra為0.5nm以下。
然後，清洗接合層3之表面3a與支撐基板5之表面5a，去除髒污後，導入至真空腔室。抽真空至10-6 Pa上下後，對各基板之接合面照射高速原子束(加速電壓1kV、Ar流量27sccm)120sec。接著，使接合層3之射束照射面(活化面)4與支撐基板5之活化面6接觸後，以10000N加壓2分鐘而將兩基板接合。因此，接合層3與支撐基板5之間形成為接合面(換言之，沿著接合層3與支撐基板5之界面存在非晶質層)。
之後，將壓電材料基板1之表面1b研磨及拋光而使厚度從最初之250μm變成3μm(參照圖3(a))。研磨及拋光製程中無法確認接合部分之剝離。又，以裂縫開口位移試驗法評估接合強度，結果為2.0J/m2 。
接著，如圖3(b)所示，於壓電材料基板1A之拋光面1c上設電極9，而製作了彈性波元件10。對所得之元件10，測定了Q值與彈性波之波長λ。將結果顯示於表1。
(實施例A2~A5) 與實施例A1同樣地製作了彈性波元件10。惟，將接合層3之厚度變更成如表1所示(具體而言，接合層3之厚度在實施例A2為0.02μm，在實施例A3為0.05μm，在實施例A4為0.1μm，在實施例A5為0.5μm。)。對所得之元件10，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表1。此外，在實施例A2~A5，與實施例A1同樣地，接合層3與支撐基板5之間作為接合界面。
(比較例A1) 與實施例A1同樣地製作了彈性波元件。惟，不設接合層3，而將中間層2之表面與支撐基板5之表面直接接合。對所得之元件，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表1。此外，在比較例A1中，中間層2與支撐基板5之間作為接合界面。
(比較例A2) 與實施例A3(接合層之厚度為0.05μm)同樣地製作了彈性波元件。惟，未將接合層3與支撐基板5直接接合。而另一方面，則將中間層2及壓電材料基板1A與實施例A3同樣地直接接合。對所得之元件測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表1。此外，在比較例A2中，中間層2與壓電材料基板1A之間作為接合界面。
(比較例A3) 與實施例A1同樣地製作了彈性波元件。惟，未設接合層3。又，將中間層2及壓電材料基板1A與實施例A1同樣地直接接合。對所得之元件，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表1。此外，在比較例A3中，中間層2與壓電材料基板1A之間作為接合界面。
[表1]
Figure 107132156-A0304-0001
從表1可知，在本發明之實施例A1~A5中，Q值相對高(Q值：1100~2500)。相對於此，在比較例A1~A3，相較於實施例A1，Q值明顯低。
此理由係在比較例A1(Q值：500)，由於無接合層3，故在中間層2傳遞之彈性波的一部分在支撐基板5內及中間層2與支撐基板5之界面的非晶質層傳遞，傳遞效率降低。在比較例A2(Q值：600)，由於中間層2與壓電材料基板1A直接接合，故因存在於壓電材料基板1A與中間層2之界面的非晶質層，傳遞效率降低。
在比較例A3(Q值：300)，由於無接合層3，且中間層2與壓電材料基板1A直接接合，故在存在於壓電材料基板1A與中間層2之界面的非晶質層及中間層2傳遞之彈性波的一部分漏出至支撐基板5內，傳遞效率降最低。 特別是如實施例A2~A4所示，中間層2之厚度/接合層3之厚度為5~25時，可使Q值明顯增加(Q值：2000~2500)。
(實施例B1、B2) 與實施例A3同樣地製作了彈性波元件。惟，將中間層2之材質變更為氮化鋁或矽鋁氮氧化物。對所得之元件10，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表2。此外，在實施例B1、B2，與實施例A3同樣地，接合層3與支撐基板5之間作為接合界面。
(實施例B3~B6) 與實施例A3同樣地製作了彈性波元件。惟，將接合層3之材質變更為五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石或氧化鋁。對所得之元件10，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表2。此外，在實施例B3~B6，與實施例A3同樣地，接合層3與支撐基板5之間作為接合界面。
(實施例B7、B8) 與實施例A3同樣地進行製作了彈性波元件。惟，將支撐基板5之材質變更為莫來石或氮化鋁。對所得之元件10，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表2。此外，在實施例B7、B8，與實施例A3同樣地，接合層3與支撐基板5之間作為接合界面。
[表2]
Figure 107132156-A0304-0002
從表2可知，在本發明之實施例B1~B8，與實施例A3同樣地，獲得高Q值(Q值：2400~2460)。 此外，在表2，與實施例A3同樣地，令中間層2之厚度/接合層3之厚度為10，與實施例A2、A4同樣地，藉令中間層2之厚度/接合層3之厚度為5~25，可使Q值明顯增加。
(實施例B9、B10) 與實施例A3同樣地製作了彈性波元件。惟，將接合層3之材質變更為高阻矽(HR-Si)或氧化鉿。對所得之元件10，測定了Q值與表面聲波之波長λ，並將結果顯示於表3。此外，在實施例B9、B10，與實施例A3同樣地，接合層3與支撐基板5之間作為接合界面。
[表3]
Figure 107132156-A0304-0003
從表3可知，在本發明之實施例B9、B10，獲得非常高之Q值(Q值：2700或2650)。 此外，在表3，與實施例A3同樣地，令中間層2之厚度/接合層3之厚度為10，與實施例A2、A4同樣地，令中間層2之厚度/接合層3之厚度為5~25，藉此，可使Q值明顯增加。
1‧‧‧壓電材料基板 1A‧‧‧壓電材料基板 1a‧‧‧表面 1b‧‧‧表面 1c‧‧‧拋光面 2‧‧‧中間層 2a‧‧‧表面 3‧‧‧接合層 3a‧‧‧表面 4‧‧‧活化面(射束照射面) 5‧‧‧支撐基板 5a‧‧‧表面 5b‧‧‧表面 6‧‧‧活化面 7‧‧‧接合體 8‧‧‧接合體 9‧‧‧電極 10‧‧‧彈性波元件 A‧‧‧箭號 B‧‧‧箭號
圖1(a)係顯示壓電材料基板1之示意圖，圖1(b)係顯示於壓電材料基板1上設有中間層2及接合層3之狀態的示意圖，圖1(c)係顯示將接合層3之表面3a活化處理之狀態的示意圖。 圖2(a)係顯示支撐基板5之示意圖，圖2(b)係顯示將支撐基板5之表面5a活化處理之狀態的示意圖，圖2(c)係顯示將接合層3與支撐基板5直接接合之狀態的示意圖。 圖3(a)係顯示以加工使接合體8之壓電材料基板1A薄的狀態之示意圖，圖3(b)係顯示於壓電材料基板1A上設有電極9之狀態的示意圖。
1A‧‧‧壓電材料基板
1a‧‧‧表面
1c‧‧‧拋光面
2‧‧‧中間層
2a‧‧‧表面
3‧‧‧接合層
4‧‧‧活化面(射束照射面)
5‧‧‧支撐基板
5a‧‧‧表面
5b‧‧‧表面
6‧‧‧活化面
8‧‧‧接合體
9‧‧‧電極
10‧‧‧彈性波元件

Claims (4)

  1. 一種彈性波元件，包含：壓電材料基板；中間層，設於該壓電材料基板上，係以由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組所選取的一種以上之材質構成；接合層，設於該中間層上，係以由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、高阻矽及氧化鉿構成之群組所選取的一種以上之材質構成；支撐基板，由多晶陶瓷構成，直接接合於該接合層；及電極，設於該壓電材料基板上，其中該中間層之厚度係該接合層之厚度的5倍以上、25倍以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之彈性波元件，其中，沿著該接合層與該支撐基板之界面存在有非晶質層。
  3. 一種彈性波元件之製造方法，包含下列製程：(1)於壓電材料基板上設中間層，該中間層係以由氧化矽、氮化鋁及矽鋁氮氧化物構成之群組所選取的一種以上之材質構成；(2)於該中間層上設接合層，該接合層係以由五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鈦、莫來石、高阻矽及氧化鉿構成之群組所選取的一種以上之材質構成；(3)藉對該接合層之表面照射中性射束而形成活化面；(4)藉對由多晶陶瓷構成之支撐基板的表面照射中性射束而形成活化面； (5)將該接合層之該活化面與該支撐基板之該活化面直接接合；及(6)於該壓電材料基板上設電極，其中該中間層之厚度係該接合層之厚度的5倍以上、25倍以下。
  4. 如申請專利範圍第3項之彈性波元件之製造方法，其中，沿著該接合層與該支撐基板之界面產生非晶質層。
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