WO2018066653A1 - 複合基板及び複合基板の製造方法 - Google Patents

複合基板及び複合基板の製造方法 Download PDF

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WO2018066653A1
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piezoelectric
piezoelectric layer
composite
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丹野　雅行
永田　和寿
昌次 秋山
加藤　公二
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信越化学工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a composite substrate including a piezoelectric layer made of lithium tantalate or the like and a support substrate, and a method for manufacturing the composite substrate.
  • a surface acoustic wave (SAW) device in which a comb-shaped electrode (IDT) for exciting a surface acoustic wave is formed on a piezoelectric substrate is used as a frequency adjustment / selection component in a cellular phone or the like.
  • SAW surface acoustic wave
  • the surface acoustic wave device is required to have a small size, a small insertion loss, and a performance that does not allow unnecessary waves to pass.
  • Piezoelectric materials such as lithium tantalate (LiTaO 3 ; LT) and lithium niobate (LiNbO 3 ; LN) are used. ing.
  • the frequency band interval in transmission and reception is narrow and the bandwidth is wide.
  • the piezoelectric material used for the surface acoustic wave device needs to have a sufficiently small characteristic variation due to temperature.
  • the shoulder characteristics of the filter and duplexer need to be extremely steep so that extra noise does not protrude between the bands, and a high Q value is required.
  • Patent Document 1 discloses that on a support substrate, a high acoustic velocity film having a higher bulk acoustic wave velocity than an acoustic acoustic velocity propagating through a piezoelectric membrane, and a bulk acoustic velocity propagating from a bulk acoustic velocity propagating through a piezoelectric membrane.
  • a composite substrate in which a low-velocity low-velocity film and a piezoelectric film are sequentially laminated is disclosed, and an elastic wave device using this composite substrate has been shown to increase the Q value.
  • Patent Document 1 discloses that a piezoelectric film is formed by ion implantation as a method of manufacturing this composite substrate.
  • Non-Patent Document 1 discloses a method of separating a lithium tantalate substrate into two after bonding a lithium tantalate substrate implanted with H + ions to a support substrate via a SiN film or a SiO 2 film. ing.
  • Li ions in the LiTaO 3 substrate are implanted by ions such as implanted H +. It was revealed that variation in the amount of Li occurred in the formed LiTaO 3 layer because a part of the was ejected. Such a variation in the amount of Li becomes a significant problem in the manufacture of a surface acoustic wave device because it manifests as a characteristic variation such as the acoustic velocity of the surface acoustic wave and the electromechanical coupling coefficient.
  • the amount of Li in the LiTaO 3 layer is reduced, the performance of LiTaO 3 as a piezoelectric material is lowered.
  • the amount of Li decreases to 48.5 mol. % Or less.
  • an object of the present invention is to provide a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate with less variation in the amount of Li, and a method for manufacturing the composite substrate.
  • the present inventors have found that variation in the amount of Li in the piezoelectric layer can be suppressed by applying Li diffusion to the piezoelectric layer, resulting in the present invention. Is.
  • the present invention is a method of manufacturing a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate, the step of implanting ions into the piezoelectric substrate, and the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate. And a step of separating the piezoelectric layer bonded to the support substrate and the remaining piezoelectric substrate in the ion implantation portion of the piezoelectric substrate after the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate. And a step of diffusing Li into the piezoelectric layer after the step.
  • the method may include a step of raising the temperature of the piezoelectric substrate to the Curie temperature or higher and lowering the temperature to the Curie temperature or lower with an electric field applied.
  • a step of raising the temperature of the piezoelectric substrate and restoring the piezoelectricity can be included.
  • the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate is preferably performed by a surface activated room temperature bonding method, and an intervening layer may be provided between the piezoelectric layer and the support substrate.
  • the piezoelectric layer has a pseudo stoichiometric composition
  • the ion species in the step of ion implantation into the piezoelectric substrate are hydrogen ions, hydrogen molecules It is preferably at least one ion selected from ions and helium ions.
  • the piezoelectric substrate of the present invention preferably has a range in which the Li concentration varies across the thickness direction, and is preferably lithium tantalate or lithium niobate.
  • the support substrate preferably contains at least one material selected from silicon, sapphire, silicon carbide, and spinel.
  • the present invention is a method of manufacturing a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate, the step of implanting ions into the piezoelectric substrate, the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, And after the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, the step of separating the piezoelectric layer bonded to the support substrate and the remaining piezoelectric substrate at the ion implantation portion of the piezoelectric substrate,
  • the substrate is lithium tantalate, and has a location where the Li concentration is 48.5 ⁇ 0.5% and a location where the Li concentration is 50.0 ⁇ 0.5%.
  • the side has a range in which the Li concentration becomes higher.
  • the present invention is a method of manufacturing a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate, the step of implanting ions into the piezoelectric substrate, the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, And after the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, the step of separating the piezoelectric layer bonded to the support substrate and the remaining piezoelectric substrate at the ion implantation portion of the piezoelectric substrate,
  • the substrate is lithium tantalate or lithium niobate, and the Li concentration at a depth position where ions are implanted into the piezoelectric substrate is more than 50.0%.
  • the present invention is a method of manufacturing a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate, the step of implanting ions into the piezoelectric substrate, the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, And after the step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate, the step of separating the piezoelectric layer bonded to the support substrate and the remaining piezoelectric substrate at the ion implantation portion of the piezoelectric substrate,
  • the substrate is lithium tantalate, and has a location where the Li concentration is 48.5 ⁇ 0.5% and a location where the Li concentration is 50.0 ⁇ 0.5%.
  • the side has a range in which the Li concentration is higher, and the Li concentration at a depth position where ions are implanted into the piezoelectric substrate is more than 50.0%.
  • the Li concentration from the surface of the piezoelectric substrate on the side bonded to the support substrate to the depth position where ions are implanted is preferably 49.0% or more and 52.5% or less. Moreover, it is preferable to provide an intervening layer between the piezoelectric layer and the support substrate.
  • the present invention is a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate, wherein the piezoelectric layer is lithium tantalate or lithium niobate, and the Li concentration on the surface of the piezoelectric layer is 49.9.
  • the thickness of the piezoelectric layer is 1.0 ⁇ m or less, and the maximum surface roughness Rz value of the piezoelectric layer is 10% or less of the thickness of the piezoelectric layer. Is.
  • an intervening layer exists between the piezoelectric layer and the support substrate.
  • the present invention it is possible to manufacture a composite substrate in which the amount of Li in the piezoelectric layer is small. Moreover, if the composite substrate manufactured by this invention is used, the surface acoustic wave device of the outstanding characteristic can be manufactured stably. Furthermore, according to the present invention, a composite substrate having a LiTaO 3 layer having a stoichiometric composition, a thin piezoelectric layer, and excellent thickness uniformity can be manufactured.
  • FIG. 6 is an input impedance waveform of a SAW resonator using the composite substrate of Example 1.
  • 3 is a graph showing a Q value of a SAW resonator using the composite substrate of Example 1.
  • FIG. 14 is a graph showing a profile in the depth direction of the Li amount of the LT substrate of Example 3. It is a figure which shows an example of the creation flow of the composite substrate of this application. 10 is a graph showing a profile in the depth direction of the Li amount of the LT substrate of Example 5.
  • the present invention is a method for manufacturing a composite substrate including a piezoelectric layer and a support substrate.
  • the material used for the piezoelectric layer and the support substrate is not particularly limited, but the piezoelectric material is preferably lithium tantalate or lithium niobate containing Li in the composition, and single crystals thereof can be used.
  • the piezoelectric material is a lithium tantalate single crystal
  • the crystal orientation is preferably a rotation of 36 ° to 49 ° Y cut.
  • the support substrate material can be selected from silicon, sapphire, silicon carbide, spinel, etc., and may be a laminated substrate including these.
  • the present invention includes a step of implanting ions into the piezoelectric substrate.
  • ions are implanted to an arbitrary depth of the piezoelectric substrate, and in the subsequent piezoelectric substrate separation step, the ions are separated in this ion implantation portion. Therefore, the depth of ion implantation in this step determines the thickness of the piezoelectric layer after separation of the piezoelectric substrate. For this reason, it is preferable that the ion implantation depth is equal to the thickness of the piezoelectric layer of the target composite substrate, or slightly increased in consideration of the polishing allowance and the like. The depth of ion implantation differs depending on the material, ion species, etc., but can be adjusted by the ion acceleration voltage.
  • the ion species used in the ion implantation step is not particularly limited as long as it disturbs the crystallinity of the piezoelectric substrate material, but is preferably a light element such as hydrogen ion, hydrogen molecular ion, or helium ion. If these ion species are used, ions can be implanted with a small acceleration voltage, and there are advantages such as few restrictions on the apparatus, small damage to the piezoelectric substrate, and good distribution in the depth direction.
  • the dose is preferably 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 18 atm / cm 2
  • the ion species is hydrogen molecular ions.
  • the dose is preferably 1 ⁇ 10 16 to 2 ⁇ 10 18 atm / cm 2
  • the ion species is helium ion
  • the dose is preferably 2 ⁇ 10 16 to 2 ⁇ 10 18 atm / cm 2 .
  • the present invention also includes a step of bonding the piezoelectric substrate and the support substrate.
  • the bonding method in this step is not particularly limited, and may be bonded via an adhesive or the like, or a direct bonding method such as a diffusion bonding method, a room temperature bonding method, a plasma activated bonding method, or a surface activated room temperature bonding method. Can be used.
  • an intervening layer may be provided between the piezoelectric substrate and the support substrate.
  • a piezoelectric substrate such as a lithium tantalate single crystal substrate or a lithium niobate single crystal substrate and a support substrate such as silicon or sapphire have a large difference in thermal expansion coefficient.
  • the room temperature bonding method also has the aspect that the bonding system is limited. In some cases, heat treatment is required to recover the crystallinity of the piezoelectric layer.
  • the surface activation treatment method in the surface activation bonding method is not particularly limited, and ozone water treatment, UV ozone treatment, ion beam treatment, plasma treatment, and the like can be used.
  • the separation method is not particularly limited.
  • the separation can be performed by heating to a temperature of 200 ° C. or lower and applying mechanical stress due to wedge or the like to one end of the ion implantation portion.
  • the surface of the piezoelectric layer bonded to the support substrate can be polished to adjust the surface roughness and thickness.
  • the surface roughness and thickness of the piezoelectric layer may be arbitrarily set as necessary, but the surface roughness is preferably an RMS value of 0.4 nm or less and a thickness of about 0.5 to 5 ⁇ m. Further, the remaining piezoelectric substrate can be reused as a piezoelectric substrate by re-polishing.
  • the thickness of the piezoelectric layer can be controlled to 1.0 ⁇ m or less, and the surface roughness can be controlled to 10% or less of the thickness with the maximum height Rz value.
  • the thickness is controlled to 0.8 ⁇ m or less, and the surface roughness is controlled to a maximum height Rz value of 5% or less of the thickness.
  • the present invention includes a step of diffusing Li into the piezoelectric layer bonded to the support substrate after the separation step.
  • a step of diffusing Li into the piezoelectric layer bonded to the support substrate after the separation step.
  • Li deficiency in the piezoelectric layer generated in the ion implantation step can be compensated.
  • the method for diffusing Li into the piezoelectric layer is not particularly limited, and Li can be diffused by bringing the Li diffusion source into contact with the piezoelectric layer. At this time, the state of the Li diffusion source may be solid, liquid, or gas.
  • Li can be diffused into the piezoelectric layer by embedding and heating a piezoelectric layer bonded to a support substrate in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 .
  • Li can also be diffused into the piezoelectric layer by impregnating the piezoelectric layer bonded to the support substrate into a melt obtained by mixing LiNO 3 , NaNO 3 , and KNO 3 in an equimolar ratio.
  • the piezoelectric layer has a pseudo stoichiometric composition.
  • characteristics such as the electromechanical coupling coefficient, temperature characteristics, and Q value can be improved as compared with the case where the piezoelectric layer has a normal congruent melting (congruent) composition.
  • the pseudo stoichiometric composition is determined on the basis of technical common sense according to the piezoelectric material.
  • the piezoelectric material is LiTaO 3
  • ⁇ is in the range of ⁇ 1.0 ⁇ ⁇ 2.5.
  • the piezoelectric material is LiNbO 3
  • ⁇ is in the range of ⁇ 1.0 ⁇ ⁇ 2.5.
  • the Li concentration of the lithium tantalate single crystal substrate and the lithium niobate single crystal substrate may be measured by a known method, but can be evaluated by, for example, Raman spectroscopy.
  • a lithium tantalate single crystal substrate it is known that there is an approximately linear relationship between the half-value width of the Raman shift peak and the Li concentration (the value of Li / (Li + Ta)). Therefore, by using an expression representing such a relationship, the composition at an arbitrary position of the oxide single crystal substrate can be evaluated.
  • the relational expression between the half-width of the Raman shift peak and the Li concentration is obtained by measuring the Raman half-width of several samples having known compositions and different Li concentrations, but the Raman measurement conditions are the same. If so, a relational expression that has already been clarified in literature may be used.
  • the following formula 1 may be used (see 2012 International International Symposium Proceedings, Page (s) 1252-1255).
  • FWHM1 is the full width at half maximum of the Raman shift peak near 600 cm ⁇ 1 .
  • lithium tantalate single crystal substrate or a lithium niobate single crystal substrate as the piezoelectric substrate, one having a substantially uniform Li concentration over its thickness direction can be used. It can be a pseudo stoichiometric composition.
  • a congruent composition piezoelectric single crystal substrate is preferable in that it can be manufactured relatively easily by the Czochralski method or the like.
  • the step of diffusing Li into the piezoelectric layer bonded to the support substrate can be performed in a short time.
  • a piezoelectric single crystal substrate having a pseudo stoichiometric composition can be obtained by a known double crucible method, but if this substrate is used, the cost becomes high. Therefore, as the lithium tantalate single crystal substrate or the lithium niobate single crystal substrate, one having a range in which the Li concentration differs in the thickness direction can be used. That is, when this substrate is bonded to a supporting substrate to form a composite substrate, a piezoelectric substrate having a pseudo stoichiometric composition at a portion that becomes a piezoelectric layer can be used.
  • Such a piezoelectric substrate can be obtained by diffusing Li from the substrate surface into the inside of a piezoelectric single crystal substrate having a congruent composition. At this time, by adjusting the reaction time, reaction temperature, and the like, a piezoelectric substrate having a pseudo stoichiometric composition on the surface and a congruent composition on the inside can be obtained. Moreover, it is preferable that the pseudo stoichiometric composition is at least from the substrate surface to a depth equivalent to the thickness of the target piezoelectric layer.
  • the substrate surface side is preferably a substrate having a range in which the Li concentration is higher.
  • the Li concentration at the depth position where ions are implanted in the piezoelectric substrate is preferably more than 50.0 mol%. % Or more is more preferable, and 50.1 mol% or more is further more preferable. In this way, even if the Li concentration is decreased by ion implantation, the Li concentration of the piezoelectric layer can be made higher than 49.9 mol%, and excellent characteristics can be obtained.
  • the Li concentration at the depth position where ions are implanted in the piezoelectric substrate is preferably 52.5 mol% or less, more preferably 51.0 mol% or less, and preferably 50.5 mol% or less.
  • the Li concentration from the surface of the piezoelectric substrate on the side to be bonded to the support substrate to the depth position where ions are implanted is preferably 49.0 mol% or more and 52.5 mol% or less. More preferably, it is 49.5 mol% or more, More preferably, it is more than 50.0 mol%, More preferably, it is 50.1 mol% or more.
  • the Li concentration of the piezoelectric substrate correlates with a decrease in Li concentration due to ion implantation. That is, the amount of decrease in Li concentration when ions are implanted into a piezoelectric substrate having a pseudo stoichiometric composition is smaller than the amount of decrease in Li concentration when ions are implanted into a piezoelectric substrate having a congruent composition. That is, in the case of a piezoelectric substrate having a congruent composition, a decrease of about 0.4 mol% is observed, but in the case of a piezoelectric substrate having a pseudo stoichiometric composition, the decrease is about 0.1 mol% and there is little variation.
  • the piezoelectricity is increased. There may be no step of diffusing Li into the piezoelectric layer after the separation step of the body substrate.
  • the piezoelectricity of the portion through which the ions have passed may be impaired. Exhibits piezoelectricity without performing recovery treatment.
  • the Li concentration on the surface of the piezoelectric layer, which was impossible in the past, is over 49.9 mol%
  • the thickness of the piezoelectric layer is 1.0 ⁇ m or less
  • the piezoelectric layer A composite substrate in which the maximum height Rz value of the surface roughness of the body layer is 10% or less of the thickness of the piezoelectric layer can be produced.
  • the Li concentration on the surface of the piezoelectric layer is preferably 49.95 mol% or more, and preferably 52.0 mol% or less.
  • the thickness of the piezoelectric layer is preferably 0.8 ⁇ m or less, and more preferably 0.6 ⁇ m or less.
  • the maximum height Rz value of the surface roughness of the piezoelectric layer is preferably 5% or less, more preferably 1% or less of the thickness of the piezoelectric layer.
  • the maximum height Rz is a parameter defined in JIS B 0601: 2013 (ISO 4287: 1997), and can be measured based on these standards.
  • an intervening layer may be provided between the piezoelectric layer of the composite substrate and the support substrate.
  • the material of the intervening layer is not particularly limited, but is preferably an inorganic material, for example, SiO 2, SiO 2 ⁇ 0.5 , SiO 2 doped with Ti, a-Si, p- Si, a-SiC, Al 2 O 3 or the like may be included as a main component.
  • the intervening layer may be a stack of layers made of a plurality of materials.
  • the piezoelectricity of the portion through which the ions have passed may be impaired. Therefore, it is preferable to perform a step of raising the temperature of the piezoelectric substrate to the Curie temperature or higher and lowering the temperature to the Curie temperature or lower with an electric field applied after joining the piezoelectric substrate and the support substrate. By doing so, the piezoelectricity of the piezoelectric layer can be recovered. Further, this step may be performed simultaneously with the step of diffusing Li in the piezoelectric layer.
  • the piezoelectricity can be recovered by raising the temperature of the piezoelectric substrate.
  • the temperature at this time is preferably not higher than the Curie temperature and about 500 to 700 ° C.
  • a sapphire substrate having a thickness of 500 ⁇ m and a one-side mirror surface was prepared as a support substrate. And it confirmed that the surface roughness in the mirror surface of LT board
  • the LT substrate and the sapphire substrate subjected to ion implantation are “Takagi H. et al,“ Room-temperament wafer bonding, using argon beam activation ”From Proceedings-Electrochemical Semiconductor (35) and Applications V), 265-274. "
  • the cleaned LT substrate and sapphire substrate were set in a high-vacuum chamber, and the substrate surface to be bonded was irradiated with a neutral argon high-speed atomic beam for activation treatment. Thereafter, the LT substrate and the sapphire substrate were bonded together.
  • the bonded substrate was heated to 110 ° C., and wedges were driven into one end of the ion implantation portion of the piezoelectric substrate to separate the piezoelectric layer bonded to the support substrate and the remaining piezoelectric substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm.
  • This bonded substrate composed of the piezoelectric layer and the sapphire support substrate is induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface using a piezo d33 / d15 meter (model ZJ-3BN) manufactured by the Institute of Chinese Academy of Sciences.
  • a piezo d33 / d15 meter model ZJ-3BN manufactured by the Institute of Chinese Academy of Sciences.
  • the temperature of this bonded substrate was raised to 650 ° C., which is higher than the Curie temperature of lithium tantalate, and gradually lowered to room temperature with an electric field of 4000 V / m applied in the + Z direction of the LT substrate. .
  • the amount of Li on the surface of the piezoelectric layer varied from 47.9 to 48.2 mol%.
  • the amount of Li was similarly calculated for the surface of the LT substrate before ion implantation, and the amount of Li at that time was uniform at 48.3 mol%. Therefore, in this LT substrate, the amount of Li is reduced by a maximum of 0.4 mol% by ion implantation.
  • the bonded substrate was washed to complete a composite substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate. Subsequently, the composite substrate thus prepared was subjected to Raman spectroscopic measurement in the same manner as described above, and as a result of calculating the amount of Li on the surface of the piezoelectric layer, the amount of Li was uniform at 48.3 mol% in all the measurement locations. .
  • an Al film having a thickness of 0.4 ⁇ m was formed on the surface of the piezoelectric layer of the composite substrate by sputtering. Subsequently, a resist was applied, and the electrode pattern of the resonator was exposed and developed using a stepper. Further, an electrode of the SAW device was formed by RIE (Reactive Ion Etching). Here, one wavelength of the resonator is 5 ⁇ m.
  • FIG. 1 also shows an input impedance waveform for a resonator (Comparative Example 1) using a composite substrate manufactured in the same manner as in Example 1 except that Li diffusion treatment is not performed.
  • FIG. 2 shows the Q values of the resonators of Example 1 and Comparative Example 1.
  • the Q value was obtained by the following formula 2 (refer to 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Page (s) 861 to 863).
  • ⁇ is an angular frequency
  • ⁇ (f) is a group delay time
  • ⁇ is a reflection coefficient measured by a network analyzer.
  • Table 1 shows the electromechanical coupling coefficient (K 2 ) of the resonator of Example 1, the maximum Q value, and the frequency temperature coefficient of the resonance frequency and antiresonance frequency in the temperature range of 20 ° C. to 85 ° C. TCF) values are shown respectively.
  • the electromechanical coupling coefficient (K 2 ) was obtained by the following Equation 3.
  • K 2 ( ⁇ fr / 2fa) / tan ( ⁇ fr / 2fa) fr: resonance frequency fa: anti-resonance frequency
  • Table 1 also shows values of the resonance load Qso and anti-resonance load Qpo calculated by the following formula 4 using the MBVD model (John D. et al., “Modified Butterworth-Van Dyke Circuit for FBAR Resonators and Automata. "Measurement System", IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2000, pp. 863-868).
  • Example 2 ion implantation was performed on the LT substrate by the same method as in Example 1 to join the LT substrate and the sapphire substrate. Further, the LT substrate was separated at the ion implantation portion, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate.
  • the bonding substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • this small container was set in an electric furnace, and the inside of the furnace was made an N 2 atmosphere and heated at 750 ° C. for 100 hours. Subsequently, an electric field of 4000 V / m was applied in the approximate + Z-axis direction of the LT substrate between 750 ° C. and 500 ° C. in the temperature lowering process, and then the temperature was gradually decreased to room temperature.
  • the surface of the piezoelectric layer was polished by about 10 nm to complete a composite substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate. There were no cracks or cracks in this composite substrate. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm.
  • AFM atomic force microscope
  • Example 1 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 50.2 mol% at all the measurement locations, and was uniform. It was a pseudo stoichiometric composition.
  • Example 2 For the composite substrate of Example 2, an electrode was formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and the results of performing the same evaluation as in Example 1 on this SAW resonator are shown in Table 1 below. .
  • both surfaces of the LT substrate were polished to finish a quasi-mirror surface having a surface roughness Ra value of 0.01 ⁇ m.
  • the LT substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • this small container was set in an electric furnace, and the inside of the furnace was made an N 2 atmosphere and heated at 975 ° C. for 24 hours to diffuse Li into the LT substrate. After this treatment, one surface of the LT substrate was mirror polished.
  • the full width at half maximum (FWHM1) of the Raman shift peak in the vicinity of 600 cm ⁇ 1 from the surface to the depth direction was measured using the same laser Raman spectroscopic measurement apparatus as in Example 1.
  • FWHM1 full width at half maximum
  • a sapphire substrate having a thickness of 500 ⁇ m and a mirror surface on one side was prepared as a support substrate. And it confirmed that the surface roughness in the mirror surface of LT board
  • the LT substrate and the sapphire substrate subjected to ion implantation were bonded using the surface activated room temperature bonding method in the same manner as in Example 1. Further, in the same manner as in Example 1, the LT substrate was separated at the ion implantation portion, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm.
  • the bonding substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • the surface of the piezoelectric layer was polished by about 10 nm to complete a composite substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate. There were no cracks or cracks in this composite substrate. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm.
  • AFM atomic force microscope
  • the voltage waveform induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface was observed in the same manner as in Example 1. The response could be observed and the piezoelectricity could be confirmed.
  • Example 1 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 50.2 mol% at all the measurement locations, and was uniform. It was a pseudo stoichiometric composition.
  • Example 3 For the composite substrate of Example 3, an electrode was formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and this SAW resonator was evaluated in the same manner as in Example 1. Almost the same result was obtained.
  • Example 4 an LT substrate subjected to Li diffusion treatment was prepared by the same method as in Example 3.
  • the profile of the LT substrate in the depth direction of the Li amount is substantially the same as that of Example 3 shown in FIG.
  • a SiO 2 film having a thickness of 5 ⁇ m was deposited on the mirror surface side of the LT substrate on which ion implantation was performed by using a room temperature CVD method.
  • the LT / SiO 2 substrate was degassed by heating at 350 ° C. for 48 hours, and then the SiO 2 film was polished to a thickness of 2.7 ⁇ m.
  • a Si (SiO 2 / Si) substrate having a mirror surface on one side and an oxide (SiO 2 ) film formed on the surface was prepared as a support substrate.
  • the support substrate had a thickness of 400 ⁇ m, and the oxide film had a thickness of 0.3 ⁇ m.
  • an a-Si film having a thickness of 50 nm was formed on the mirror surface side of the SiO 2 / Si substrate by using a room temperature CVD method. Then, it was confirmed that the surface roughness of the LT / SiO 2 substrate and the a-Si / SiO 2 / Si substrate specular is 1.0nm or less in RMS value.
  • these substrates were bonded by a surface activation room temperature bonding method using plasma activation treatment. Further, the LT substrate was separated at the ion implantation portion by the same method as in Example 1, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the Si support substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer at this time was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm.
  • an intervening layer exists between the LT piezoelectric layer and the Si support substrate, and the intervening layer has a laminated structure of SiO 2 / a-Si / SiO 2 .
  • the bonding substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • the surface of the piezoelectric layer was polished by about 10 nm to complete a composite substrate composed of the LT piezoelectric layer and the Si support substrate. There were no cracks or cracks in this composite substrate. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm.
  • AFM atomic force microscope
  • the voltage waveform induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface was observed in the same manner as in Example 1. The response could be observed and the piezoelectricity could be confirmed.
  • Example 1 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 50.2 mol% at all the measurement locations, and was uniform. The pseudo stoichiometric composition.
  • Example 4 For the composite substrate of Example 4, electrodes were formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and the results of evaluation similar to Example 1 for this SAW resonator are shown in Table 1 below. Show.
  • both surfaces of the LT substrate were polished to finish a quasi-mirror surface having a surface roughness Ra value of 0.01 ⁇ m.
  • the LT substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • this small container was set in an electric furnace, and the inside of the furnace was set to N 2 atmosphere and heated at 990 ° C. for 50 hours to diffuse Li into the LT substrate. After this treatment, one surface of the LT substrate was mirror polished.
  • the full width at half maximum (FWHM1) of the Raman shift peak in the vicinity of 600 cm ⁇ 1 from the surface to the depth direction was measured using the same laser Raman spectroscopic measurement apparatus as in Example 1.
  • the amount of Li was calculated from the measured half-width using the above formula 1, the profile of the depth of Li amount shown in FIG. 5 was obtained.
  • a sapphire substrate having a thickness of 500 ⁇ m and a mirror surface on one side was prepared as a support substrate. And it confirmed that the surface roughness in the mirror surface of LT board
  • the dose was 9 ⁇ 10 16 atm / cm 2 and the acceleration voltage was 160 KeV.
  • the position where ions are implanted is a position at a depth of 900 nm from the surface, and the Li amount at that position is 50.1 mol%.
  • the LT substrate and the sapphire substrate subjected to ion implantation were bonded using the surface activated room temperature bonding method in the same manner as in Example 1. Further, in the same manner as in Example 1, the LT substrate was separated at the ion implantation portion, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm. There were no cracks or cracks in this composite substrate.
  • AFM atomic force microscope
  • the voltage waveform induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface was observed in the same manner as in Example 1. The response could be observed and the piezoelectricity could be confirmed.
  • Example 1 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 50.0 mol% at all the measurement locations, and was uniform. It was a pseudo stoichiometric composition. In this LT substrate, the amount of Li is reduced by a maximum of 0.1 mol% by ion implantation.
  • Example 5 For the composite substrate of Example 5, an electrode was formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and this SAW resonator was evaluated in the same manner as in Example 1. Almost the same result was obtained.
  • the lithium tantalate substrate was cut out.
  • the surface roughness of the cut LT substrate was adjusted to 0.15 ⁇ m in terms of arithmetic average roughness Ra by the lapping process, and the thickness of the LT substrate was 250 ⁇ m.
  • both surfaces of the LT substrate were polished to finish a quasi-mirror surface having a surface roughness Ra value of 0.01 ⁇ m.
  • the LT substrate was embedded in a powder mainly composed of Li 3 TaO 4 spread in a small container.
  • this small container was set in an electric furnace, and the inside of the furnace was set to N 2 atmosphere and heated at 990 ° C. for 50 hours to diffuse Li into the LT substrate.
  • the dose was 9 ⁇ 10 16 atm / cm 2 and the acceleration voltage was 160 KeV.
  • the position where ions are implanted is a position at a depth of 900 nm from the surface, and the Li amount at that position is 50.1 mol%.
  • the SiO 2 at 35 ° C. using a plasma CVD method to ion-implanted side of the surface of the LT substrate was allowed to 10 ⁇ m approximately deposited were subjected to mirror polishing to the surface depositing the SiO 2.
  • a Si (SiO 2 / Si) substrate having a thickness of 500 ⁇ m and having a one-side mirror thermal oxide film was prepared as a support substrate. Then, it was confirmed that the surface roughness of the SiO 2 / LT substrate and the SiO 2 / Si substrate specular is 1.0nm or less in RMS value.
  • the SiO 2 / LT substrate and the SiO 2 / Si substrate were bonded together using the surface activated room temperature bonding method as in Example 1. Further, the LT substrate was separated at the ion implantation portion by the same method as in Example 1, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the Si support substrate. In this bonded substrate, there is an SiO 2 layer as an intervening layer between the piezoelectric layer and the support substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm. There were no cracks or cracks in this composite substrate.
  • AFM atomic force microscope
  • the voltage waveform induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface was observed in the same manner as in Example 1. The response could be observed and the piezoelectricity could be confirmed.
  • Example 1 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 50.0 mol% at all the measurement locations, and was uniform. It was a pseudo stoichiometric composition. In this LT substrate, the amount of Li is reduced by a maximum of 0.1 mol% by ion implantation.
  • Example 6 For the composite substrate of Example 6, electrodes were formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and this SAW resonator was evaluated in the same manner as in Example 1. Almost the same result was obtained.
  • This LT substrate is made of a single crystal obtained by the double crucible method, and the whole has a pseudo stoichiometric composition. One side of this LT substrate was mirror-polished.
  • a sapphire substrate having a thickness of 500 ⁇ m and a mirror surface on one side was prepared as a support substrate. And it confirmed that the surface roughness in the mirror surface of LT board
  • the dose was 9 ⁇ 10 16 atm / cm 2 and the acceleration voltage was 160 KeV.
  • the position where ions are implanted is a position at a depth of 900 nm from the surface, and the Li amount at that position is 49.95 mol%.
  • the LT substrate and the sapphire substrate subjected to ion implantation were bonded using the surface activated room temperature bonding method in the same manner as in Example 1. Further, in the same manner as in Example 1, the LT substrate was separated at the ion implantation portion, and the surface of the piezoelectric layer was polished to obtain a bonded substrate composed of the LT piezoelectric layer and the sapphire support substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer was 900 nm, but the surface of the piezoelectric layer was polished by 200 nm to make the thickness of the piezoelectric layer 700 nm. Moreover, when the maximum height Rz of the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM), the value was 1 nm. There were no cracks or cracks in this composite substrate.
  • AFM atomic force microscope
  • the voltage waveform induced by applying vertical vibration in the thickness direction to the main surface and the back surface was observed in the same manner as in Example 1. The response could be observed and the piezoelectricity could be confirmed.
  • Example 2 laser Raman spectroscopic measurement was performed at several locations on the surface of the piezoelectric layer, and the amount of Li was calculated. As a result, the amount of Li was 49.8 mol% in all the measurement locations, and was uniform. It was a pseudo stoichiometric composition. In this LT substrate, the amount of Li is reduced by a maximum of 0.15 mol% by ion implantation.
  • Example 2 For the composite substrate of Comparative Example 3, an electrode was formed in the same manner as in Example 1 to produce a resonator, and this SAW resonator was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, Example 2, The result was slightly inferior to 5 and 6.

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Abstract

【課題】　本発明の目的は、Ｌｉ量のバラツキが少ない圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法を提供することである。 【解決手段】　本発明の複合基板の製造方法は、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、この分離する工程の後に、圧電体層にＬｉを拡散させる工程とを含むことを特徴とするものである。

Description

複合基板及び複合基板の製造方法
　本発明は、タンタル酸リチウム等からなる圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板及び複合基板の製造方法に関する。
　携帯電話等には、周波数調整・選択用の部品として、圧電基板上に弾性表面波を励起するための櫛形電極（ＩＤＴ）が形成された弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスが用いられている。
 　弾性表面波デバイスには、小型で挿入損失が小さく、不要波を通さない性能が要求され、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３；ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；ＬＮ）などの圧電材料が用いられている。
　一方で、第四世代以降の携帯電話の通信規格は、送受信における周波数バンド間隔は狭く、バンド幅は広くなっている。このような通信規格のもとでは、弾性表面波デバイスに用いられる圧電材料は、その温度による特性変動を十分小さくする必要がある。また、バンド間に余計なノイズがはみ出ないように、フィルタやデュプレクサの肩特性は極めて急峻である必要があり、高いＱ値が求められる。
　このような弾性表面波デバイスに用いられる材料に関して、圧電材料と他の材料からなる複合基板が検討されている。例えば、特許文献１には、支持基板上に、圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜、圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜、圧電膜が順に積層された複合基板が開示されており、この複合基板を用いた弾性波装置は、Ｑ値を高められることが示されている。
　さらに、特許文献１には、この複合基板の製造方法として、イオン注入によって圧電膜を形成することが示されている。
　また、非特許文献１では、Ｈ＋イオンを注入したタンタル酸リチウム基板を、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜を介して支持基板に接合した後、タンタル酸リチウム基板を二つに分離する方法が開示されている。
国際公開ＷＯ２０１２／０８６６３９号公報
Ｈ．Ｋａｎｄｏ，ｅｔ　al．，"ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴ　ＩＮ　ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ　ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ　ＯＦ　ＰＬＡＴＥ　ＷＡＶＥ　ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ　ＵＳＩＮＧ　ＲＯＴＡＴＥＤ　Ｙ‐ＣＵＴ　ＬｉＴａＯ３／ＳＩＮ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ"，Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ），２０１１　ＩＥＥＥ　２４ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ，２０１１年，第７６８‐７７１頁
　イオン注入を伴う複合基板の製造方法では、圧電膜の膜厚が薄く、膜厚均一性にも優れた複合基板が得られる一方で、本発明者らが、イオン注入を伴う複合基板の製造方法について詳細に検討した結果、いくつかの問題点があることがわかった。
　すなわち、特許文献１や非特許文献１で用いられているようなＬｉＴａＯ３基板にイオン注入を施して、これを分離した場合、注入されたＨ＋等のイオンによって、ＬｉＴａＯ３基板内のＬｉイオンの一部がはじき出されるため、形成したＬｉＴａＯ３層にＬｉ量のバラツキが生じることが明らかとなった。このようなＬｉ量のバラツキは、弾性表面波の音速や電気機械結合係数等の特性バラツキとして顕在化するため、弾性表面波デバイスの製造において大きな問題となる。
　さらに、この場合、ＬｉＴａＯ３層のＬｉ量が減少するため、ＬｉＴａＯ３の圧電材料としての性能が低下することになる。例えば、一致溶融（コングルエント）組成（Ｌｉ／Ｌｉ＋Ｔａ＝４８．５ｍｏｌ％）のＬｉＴａＯ３基板を圧電基板として、イオン注入を伴って複合基板を作製した場合は、Ｌｉ量は減少して、４８．５ｍｏｌ％以下となる。
　また、二重ルツボ法などにより作製した定比（ストイキオメトリー）組成（Ｌｉ／Ｌｉ＋Ｔａ＝４９．９５～５０．０ｍｏｌ％）のＬｉＴａＯ３基板を圧電基板として用いても、Ｌｉ量は少なくとも０．１％程度減少して、４９．９ｍｏｌ％以下となる。
　そのため、従来は、ストイキオメトリー組成のＬｉＴａＯ３層を有し、研磨・研削による作製方法では得られないような膜厚が薄く、膜厚均一性に優れた複合基板は得られなかった。
　したがって、本発明の目的は、Ｌｉ量のバラツキが少ない圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板と複合基板の製造方法を提供することである。
　本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、圧電体層にＬｉ拡散を施すことによって、圧電体層のＬｉ量のバラツキを抑えられることを見出して、本発明に至ったものである。
　すなわち、本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、この分離する工程の後に、圧電体層にＬｉを拡散させる工程とを含むことを特徴とするものである。
　また、本発明では、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板をキュリー温度以上に昇温して、電界を印加した状態でキュリー温度以下に降温する工程を含むことが好ましく、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板を昇温して圧電性を回復させる工程を含むこともできる。
　本発明では、その圧電体基板と支持基板とを接合する工程は、表面活性化常温接合法によって行うことが好ましく、圧電体層と前記支持基板との間に介在層を設けることもできる。
　本発明の圧電体層にＬｉを拡散させる工程では、圧電体層を疑似ストイキオメトリー組成とすることが好ましく、また、圧電体基板にイオン注入を行う工程のイオン種は、水素イオン、水素分子イオン、ヘリウムイオンから選ばれる少なくとも１種のイオンであることが好ましい。
　本発明の圧電体基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有するものがよく、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであることが好ましい。また、支持基板は、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、スピネルから選ばれる少なくとも１種の材料を含むものが好ましい。
　本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムであり、Ｌｉ濃度が４８．５±０．５％である箇所と、Ｌｉ濃度が５０．０±０．５％である箇所を有し、その厚み方向について、基板表面側の方がＬｉ濃度の高くなる範囲を有することを特徴とするものである。
　本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであり、圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５０．０％超であることを特徴とするものである。
　本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムであり、Ｌｉ濃度が４８．５±０．５％である箇所と、Ｌｉ濃度が５０．０±０．５％である箇所を有し、その厚み方向について、基板表面側の方がＬｉ濃度の高くなる範囲を有し、圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５０．０％超であることを特徴とするものである。
本発明では、圧電体基板の支持基板と接合する側の表面からイオン注入される深さ位置までのＬｉ濃度は、４９．０％以上５２．５％以下であることが好ましい。また、前記圧電体層と前記支持基板との間に介在層を設けることが好ましい。
　本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板であって、圧電体層は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであり、圧電体層表面のＬｉ濃度は、４９．９％超であり、圧電体層の厚みは、１．０μｍ以下であり、圧電体層の表面粗さの最大高さＲｚ値は、圧電体層の厚みの１０％以下であることを特徴とするものである。
本発明では、前記圧電体層と前記支持基板との間に介在層が存在することが好ましい。
　本発明によれば、圧電体層のＬｉ量のバラツキが少ない複合基板を製造することが可能となる。また、本発明により製造された複合基板を用いれば、優れた特性の弾性表面波デバイスを安定して製造することができる。
　さらに、本発明によれば、ストイキオメトリー組成のＬｉＴａＯ３層を有し、圧電体層の膜厚が薄く、膜厚均一性に優れた複合基板を製造することができる。
実施例１の複合基板を用いたＳＡＷ共振子の入力インピーダンス波形である。 実施例１の複合基板を用いたＳＡＷ共振子のＱ値を示したグラフである。 実施例３のＬＴ基板のＬｉ量の深さ方向のプロファイルを示したグラフである。 本願の複合基板の作成フローの一例を示す図である。 実施例５のＬＴ基板のＬｉ量の深さ方向のプロファイルを示したグラフである。
　本発明は、圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法である。ここで、圧電体層及び支持基板に用いられる材料は特に限定されないが、圧電材料としては、Ｌｉを組成中に含むタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムが好ましく、これらの単結晶を用いることができる。圧電材料がタンタル酸リチウム単結晶である場合、その結晶方位は回転３６°～４９°Ｙカットであることが好ましい。
　また、支持基板材料としては、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、スピネル等から選択することができ、これらを含む積層基板でもよい。
　本発明は、圧電体基板にイオン注入を行う工程を含む。この工程では、圧電体基板の任意の深さにイオンを注入し、後の圧電体基板の分離工程においては、このイオン注入部において分離される。したがって、この工程におけるイオン注入の深さが、圧電体基板分離後の圧電体層の厚みを決定する。そのため、イオン注入の深さは、目的とする複合基板の圧電体層の厚みと同等か、研磨代等を考慮すれば若干大きくすることが好ましい。イオン注入の深さは、材料、イオン種等によって異なるが、イオンの加速電圧によって調整できる。
　また、イオン注入工程において用いるイオン種は、圧電体基板材料の結晶性を乱すものであれば特に限定されないが、水素イオン、水素分子イオン、ヘリウムイオン等の軽元素であることが好ましい。これらのイオン種を用いれば、小さな加速電圧でイオン注入することができ、装置上の制約が少ない、圧電基板の損傷が小さい、深さ方向の分布が良い等の利点がある。
　ここで、イオン注入工程において用いるイオン種が水素イオンである場合は、そのドーズ量は１×１０１６～１×１０１８ａｔｍ／ｃｍ２であることが好ましく、イオン種が水素分子イオンである場合は、そのドーズ量は１×１０１６～２×１０１８ａｔｍ／ｃｍ２であることが好ましい。また、イオン種がヘリウムイオンである場合は、そのドーズ量は２×１０１６～２×１０１８ａｔｍ／ｃｍ２であることが好ましい。
　また、本発明は、圧電体基板と支持基板とを接合する工程を含む。この工程における接合方法は特に限定されず、接着剤等を介して接合してもよいし、拡散接合法、常温接合法、プラズマ活性化接合法、表面活性化常温接合法等の直接接合法も用いることができる。このとき、圧電体基板と支持基板との間には、介在層を設けてもよい。
　タンタル酸リチウム単結晶基板やニオブ酸リチウム単結晶基板等の圧電基板と、シリコン、サファイア等の支持基板では、熱膨張係数の差が大きく、剥がれや欠陥等の抑制のためには、常温接合法を用いることが好ましいが、常温接合法は接合する系が限定されるという面もある。また、圧電体層の結晶性回復のために、熱処理が必要となる場合もある。
　表面活性化接合法における表面活性化処理方法は、特に限定されないが、オゾン水処理、ＵＶオゾン処理、イオンビーム処理、プラズマ処理等を用いることができる。
　本発明では、圧電体基板と支持基板とを接合した後、前述の圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離される。このとき、分離方法は特に限定されないが、例えば、２００℃以下の温度に加熱して、イオン注入部の一端にクサビ等による機械的応力を加えることによって分離可能である。
　支持基板に接合された圧電体層は、その表面を研磨して、表面粗さや厚みを調整することができる。圧電体層の表面粗さや厚みは、必要に応じて任意に設定すればよいが、表面粗さはＲＭＳ値で０．４ｎｍ以下、厚みは０．５～５μｍ程度であることが好ましい。また、残りの圧電体基板は、再研磨を施して、圧電体基板として再利用することができる。
　このようなイオン注入を伴う複合基板の製造方法では、圧電体層の厚みを１．０μｍ以下、表面粗さを最大高さＲｚ値で、厚みの１０％以下に制御することができる。好ましくは、厚みを０．８μｍ以下、表面粗さを最大高さＲｚ値で、厚みの５％以下に制御することである。このレベルの膜厚及び均一性の制御は、接合した圧電体基板を研磨・研削する方法では困難である。
　さらに、本発明は、前記分離工程の後、支持基板に接合された圧電体層にＬｉを拡散させる工程を含む。この工程によって、イオン注入工程において生じた圧電体層のＬｉ欠損を補うことができる。圧電体層にＬｉを拡散させる方法は、特に限定されず、Ｌｉ拡散源と圧電体層を接触させてＬｉを拡散させることができる。このとき、Ｌｉ拡散源の状態は固体、液体、気体の何れでもよい。
　このＬｉ拡散工程の具体的な手法としては、圧電材料がＬｉＴａＯ３である場合は、その構成元素であるＬｉ，Ｔａ，Ｏを含む組成物を用いる。例えば、Ｌｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体に、支持基板に接合された圧電体層を埋め込み、加熱することによって、圧電体層にＬｉを拡散させることができる。また、ＬｉＮＯ３，ＮａＮＯ３，ＫＮＯ３を等モル比で混合した融液中に、支持基板に接合された圧電体層を含浸させることによっても圧電体層にＬｉを拡散させることができる。
　このＬｉ拡散工程においては、圧電体層が疑似ストイキオメトリー組成となるようにＬｉ拡散を施すことが好ましい。このようにすれば、圧電体層が通常の一致溶融（コングルエント）組成である場合と比較して、電気機械結合係数、温度特性、Ｑ値等の特性を向上させることができる。
　ここで、疑似ストイキオメトリー組成とは、圧電材料に応じて技術常識に基づいて判断されるが、圧電材料がＬｉＴａＯ３の場合、ＬｉとＴａとの比率がＬｉ：Ｔａ＝５０－α：５０＋αであり、αが－１．０＜α＜２．５の範囲であることをいう。また、圧電材料がＬｉＮbＯ３の場合、ＬｉとＮｂとの比率がＬｉ：Ｎｂ＝５０－α：５０＋αであり、αが－１．０＜α＜２．５の範囲であることをいう。
　なお、タンタル酸リチウム単結晶基板及びニオブ酸リチウム単結晶基板のＬｉ濃度については、公知の方法により測定すればよいが、例えば、ラマン分光法により評価することができる。タンタル酸リチウム単結晶基板については、ラマンシフトピークの半値幅とＬｉ濃度（Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｔａ）の値）との間に、おおよそ線形な関係があることが知られている。したがって、このような関係を表す式を用いれば、酸化物単結晶基板の任意の位置における組成を評価することが可能である。
　ラマンシフトピークの半値幅とＬｉ濃度との関係式は、その組成が既知であって、Ｌｉ濃度が異なる幾つかの試料のラマン半値幅を測定することによって得られるが、ラマン測定の条件が同じであれば、文献などで既に明らかになっている関係式を用いてもよい。
　例えば、タンタル酸リチウム単結晶については、下記の数式１を用いてもよい（２０１２　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｐａｇｅ（ｓ）１２５２‐１２５５参照）。
［数１］
　　　　　Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｔａ）＝（５３．１５－０．５ＦＷＨＭ１）／１００
　ここで、「ＦＷＨＭ１」は、６００ｃｍ－１付近のラマンシフトピークの半値幅である。測定条件の詳細については文献を参照されたい。
　圧電体基板としてタンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板を用いる場合は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が概略一様であるものを用いることができ、そのＬｉ濃度は、コングルエント組成や疑似ストイキオメトリー組成とすることができる。
　コングルエント組成の圧電単結晶基板は、チョクラルスキー法等により比較的容易に作製できる点で好ましい。一方、疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板を用いれば、支持基板に接合された圧電体層にＬｉを拡散させる工程を短時間で行うことができる。
　疑似ストイキオメトリー組成の圧電単結晶基板は、公知の二重るつぼ法によって得られるが、この基板を用いるとコストが高くなってしまう。そのため、タンタル酸リチウム単結晶基板又はニオブ酸リチウム単結晶基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有するものを用いることができる。すなわち、この基板を支持基板と接合して複合基板としたときに、圧電体層となる箇所が疑似ストイキオメトリー組成となっている圧電体基板を用いることができる。
　このような圧電体基板は、コングルエント組成の圧電単結晶基板に、基板表面から内部へＬｉを拡散させることによって得られる。このとき、反応時間、反応温度等を調整することによって、表面が疑似ストイキオメトリー組成であり、内部がコングルエント組成である圧電体基板とすることができる。また、少なくとも基板表面から目的とする圧電体層の厚みと同等の深さまで疑似ストイキオメトリー組成となっていることが好ましい。
　具体的には、圧電体基板としてタンタル酸リチウム基板を用いる場合、Ｌｉ濃度が４８．５±０．５ｍｏｌ％である箇所と、Ｌｉ濃度が５０．０±０．５ｍｏｌ％である箇所を有し、その厚み方向について、基板表面側の方がＬｉ濃度の高くなる範囲を有する基板であることが好ましい。
　また、圧電体基板として、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板を用いる場合、圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５０．０ｍｏｌ％超であることが好ましく、５０．０５ｍｏｌ％以上であることがより好ましく、５０．１ｍｏｌ％以上であることがさらに好ましい。このようにすれば、イオン注入によりＬｉ濃度が減少しても、圧電体層のＬｉ濃度を４９．９ｍｏｌ％超にすることができ、優れた特性が得られる。
　圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５２．５ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５１．０ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、５０．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
　さらに、圧電体基板の支持基板と接合する側の表面からイオン注入される深さ位置までのＬｉ濃度は、４９．０ｍｏｌ％以上５２．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。より好ましくは４９．５ｍｏｌ％以上、さらに好ましく５０．０ｍｏｌ％超であり、いっそう好ましくは５０．１ｍｏｌ％以上である。
　本発明者らは、圧電体基板のＬｉ濃度が、イオン注入によるＬｉ濃度の減少と相関があることを見出した。すなわち、コングルエント組成の圧電体基板にイオン注入したときのＬｉ濃度の減少量よりも、疑似ストイキオメトリー組成の圧電体基板にイオン注入したときのＬｉ濃度の減少量が小さい。すなわち、コングルエント組成の圧電体基板の場合、０．４ｍｏｌ％程度の減少が見られるが、疑似ストイキオメトリー組成の圧電体基板の場合は、０．１ｍｏｌ％程度の減少となり、バラツキも少ない。
　したがって、圧電体基板の支持基板と接合する側の表面からイオン注入される深さ位置までのＬｉ濃度、特にイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度を、５０．０ｍｏｌ％超にすれば、圧電体基板の分離工程の後に圧電体層にＬｉを拡散させる工程はなくてもよい。
　なお、後述するように、圧電体基板にイオン注入を行うことによって、イオンが通過した部分の圧電性が損なわれる場合があるが、このようにすれば、圧電性が損なわれ難く、圧電性の回復処理を行わなくても圧電性を発揮する。
　本発明によれば、Ｌｉ拡散を用いることによって、従来では不可能であった圧電体層表面のＬｉ濃度が４９．９ｍｏｌ％超であり、圧電体層の厚みが１．０μｍ以下であり、圧電体層の表面粗さの最大高さＲｚ値が圧電体層の厚みの１０％以下である複合基板を作製することができる。
　圧電体層表面のＬｉ濃度は、４９．９５ｍｏｌ％以上であることが好ましく、５２．０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
　また、圧電体層の厚みは、０．８μｍ以下であることが好ましく、０．６μｍ以下であることがより好ましい。圧電体層の表面粗さの最大高さＲｚ値は、圧電体層の厚みの５％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。
　なお、最大高さＲｚは、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３（ＩＳＯ　４２８７：１９９７）に定められたパラメータであり、これらの規格に基づいて測定することができる。
　また、本発明の製造方法では、複合基板の圧電体層と支持基板との間には介在層を設けてもよい。この介在層の材料は特に限定されないが、無機材料であることが好ましく、例えば、ＳｉＯ２，ＳｉＯ２±０．５，ＴｉをドープしたＳｉＯ２，ａ‐Ｓｉ，ｐ‐Ｓｉ，ａ‐ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３等を主成分として含んでいてもよい。また、介在層は、複数の材料からなる層が積層されていてもよい。
　ところで、圧電体基板にイオン注入を行うことによって、イオンが通過した部分の圧電性が損なわれる場合がある。そのため、圧電体基板と支持基板とを接合した後に、圧電体基板をキュリー温度以上に昇温して、電界を印加した状態でキュリー温度以下に降温する工程を行うことが好ましい。このようにすることで、圧電体層の圧電性を回復することができる。また、この工程は、圧電体層にＬｉを拡散させる工程と同時に行ってもよい。
　前記工程は、支持基板の種類によって電界を印加しにくい場合があり、圧電体基板を昇温することによって圧電性を回復させることもできる。このときの温度は、キュリー温度以下であって５００℃～７００℃程度であることが好ましい。
　以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
〈実施例１〉
　実施例１では、まず、単一分極処理を施したコングルエント組成の４インチ径タンタル酸リチウム（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．３：５１．７）単結晶インゴットに、スライス、ラップ、研磨を行って、厚さ２５０μｍで片側鏡面の４２°回転Ｙカットのタンタル酸リチウム基板を作製した。
　次に、支持基板として、厚さ５００μｍで片側鏡面のサファイア基板を準備した。そして、ＬＴ基板とサファイア基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。続いて、ＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。
　イオン注入を行ったＬＴ基板とサファイア基板は、「Ｔａｋａｇｉ　Ｈ．ｅｔ　ａｌ，“Ｒｏｏｍ‐ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｆｅｒ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ａｒｇｏｎｂｅａｍ　ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ”Ｆｒｏｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ（２００１），９９‐３５（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｗａｆｅｒ　Ｂｏｎｄｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖ），２６５‐２７４．」に記載されている常温接合法を用いて接合した。
　具体的には、高真空のチャンバー内に洗浄したＬＴ基板とサファイア基板をセットし、接合する基板表面に中性化したアルゴンの高速原子ビームを照射して活性化処理を行った。その後、ＬＴ基板とサファイア基板を貼り合せることによって接合した。
　その後、接合した基板を１１０℃に加熱して、圧電体基板のイオン注入部の一端にクサビを打ち込んで、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離した。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。
　この圧電体層とサファイア支持基板からなる接合基板について、中国科学院声楽研究所製ピエゾｄ３３／ｄ１５メータ（型式ＺＪ‐３ＢＮ）を用いて、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板では圧電応答は観測できず、圧電性は確認できなかった。
　次に、この接合基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度以上の６５０℃に昇温して、ＬＴ基板の概略＋Ｚ方向に４０００Ｖ／ｍの電界を印加した状態で、室温まで徐々に降温していった。
　この分極処理の後に、再び、中国科学院声楽研究所製ピエゾｄ３３／ｄ１５メータ（型式ＺＪ‐３ＢＮ）を用いて、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　続いて、圧電体層表面の数箇所について、レーザーラマン分光測定装置（ＨＯＲＩＢＡ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＬａｂＲａｍ　ＨＲシリーズ、Ａｒイオンレーザー、スポットサイズ１μｍ、室温）を用いて、Ｌｉ量の指標となる６００ｃｍ－１付近のラマンシフトピークの半値幅（ＦＷＨＭ１）を測定し、測定した半値幅から上記数式１を用いてＬｉ量を算出した。
　その結果、圧電体層表面のＬｉ量は、４７．９～４８．２ｍｏｌ％とバラツキがあった。なお、イオン注入前のＬＴ基板表面についても、同様にＬｉ量を算出したが、そのときのＬｉ量は４８．３ｍｏｌ％で均一であった。
　したがって、このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．４ｍｏｌ％減少している。
　そこで、このバラツキのある接合基板に対して、「Ａｐｐｌ．Ｐｙｓｉｃ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．６２，２４６８（１９９３）」に記載されているＬｉの液相拡散を施した。具体的には、アルミナ製容器中でＬｉＮＯ３，ＮａＮＯ３，ＫＮＯ３を等モル比で混合して３００℃に加熱し、この融液中に分極処理を施した接合基板を１２時間含浸させた。
　このようなＬｉ拡散処理の後に、この接合基板を洗浄してＬＴ圧電体層とサファイア支持基板から構成される複合基板を完成させた。続いて、作製した複合基板について、上記と同様にラマン分光測定を行い、圧電体層表面のＬｉ量を算出した結果、そのＬｉ量は、測定箇所のすべてにおいて４８．３ｍｏｌ％となり均一であった。
　次に、複合基板の圧電体層表面に、スパッタ処理を施して厚さ０．４μｍのＡｌ膜を成膜した。続いて、レジストを塗布し、ステッパを用いて共振子の電極パターンを露光、現像し、さらに、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、ＳＡＷデバイスの電極を形成した。なお、ここでの共振子の一波長は、５μｍとした。
　このように作製した共振子について、ＲＦプローバーを用いてＳＡＷの入力インピーダンス波形を確認したところ、図１に示す結果が得られた。図１中には、比較のために、Ｌｉ拡散処理を施さないこと以外は実施例１と同様に作製した複合基板を用いた共振子（比較例１）についての入力インピーダンス波形も併せて示す。
　また、図２には、実施例１及び比較例１の共振子のＱ値を示す。なお、Ｑ値は下記の数式２により求めた（２０１０　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｐａｇｅ（ｓ）８６１～８６３参照）。
［数２］
　Ｑ（ｆ）＝ω＊τ（ｆ）＊｜Γ｜／（１－｜Γ｜２）
　ここで、ωは角周波数、τ（ｆ）は群遅延時間、Γはネットワークアナライザで測定される反射係数である。
　また、下記表１には、実施例１の共振子の電気機械結合係数（Ｋ２）、Ｑ値の最大値、２０℃～８５℃の温度範囲における共振周波数と反共振周波数の周波数温度係数（ＴＣＦ）の値をそれぞれ示す。ここで、電気機械結合係数（Ｋ２）は、下記数式３により求めた。
［数３］
　　　　Ｋ２＝（πｆｒ／２ｆａ）／ｔａｎ（πｆｒ／２ｆａ）
　　　　ｆｒ：共振周波数
　　　　ｆａ：反共振周波数
　さらに、下記表１には、ＭＢＶＤモデルによる下記の数式４により算出した共振負荷Ｑｓｏ、反共振負荷Ｑｐｏの値も示す（Ｊｏｈｎ Ｄ.ｅｔ ａｌ．，“Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ‐Ｖａｎ　Ｄｙｋｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ＦＢＡＲ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ”，ＩＥＥＥ　ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ　ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，２０００，ｐｐ．８６３‐８６８参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　下記表１には、比較のために、前記比較例１とＬｉ量が４８．３ｍｏｌ％（コングルエント組成）である４２°ＹカットのＬＴ単結晶基板を用いた共振子（比較例２）の結果も併せて示す。
〈実施例２〉
　実施例２では、実施例１と同様の方法で、ＬＴ基板にイオン注入を行い、ＬＴ基板とサファイア基板を接合した。さらに、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板からなる接合基板を得た。
　続いて、この接合基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　次に、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、７５０℃で１００時間加熱した。続いて、降温過程の７５０℃～５００℃の間において、ＬＴ基板の概略＋Ｚ軸方向に４０００Ｖ/ｍの電界を印可し、その後室温まで徐々に降温していった。
　この処理の後、圧電体層の表面を１０ｎｍ程度研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板から構成される複合基板を完成させた。この複合基板にひびやワレは生じなかった。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。
　そして、このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて５０．２ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　さらに、実施例２の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行った結果を下記表１に示す。
〈実施例３〉
　実施例３では、まず、単一分極処理を施したコングルエント組成の４インチ径タンタル酸リチウム（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．３：５１．７）単結晶インゴットから、厚さ３００μｍの４２°回転Ｙカットのタンタル酸リチウム基板を切り出した。次に、ラップ工程によって、切り出したＬＴ基板の面粗さが算術平均粗さＲａ値で０．１５μｍとなるようにすると共に、ＬＴ基板の厚さは２５０μｍとした。
　また、ＬＴ基板の両面を研磨して、表面粗さがＲａ値で０．０１μｍの準鏡面に仕上げた。続いて、このＬＴ基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　次に、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、９７５℃で２４時間加熱して、ＬＴ基板にＬｉを拡散させた。この処理の後にＬＴ基板の片面に鏡面研磨を施した。
　そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板について、実施例１と同様のレーザーラマン分光測定装置を用いて、表面から深さ方向にわたって６００ｃｍ－１付近のラマンシフトピークの半値幅（ＦＷＨＭ１）を測定し、測定した半値幅から上記数式１を用いてＬｉ量を算出したところ、図３に示すＬｉ量の深さ方向のプロファイルが得られた。
　次に、支持基板として、厚さ５００μｍで片側鏡面のサファイア基板を準備した。そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板とサファイア基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。
　続いて、ＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。
　次に、イオン注入を行ったＬＴ基板とサファイア基板は、実施例１と同様に、表面活性化常温接合法を用いて接合した。また、実施例１と同様の方法で、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板からなる接合基板を得た。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、圧電体層表面のＬｉ量は、４９．５～４９．６ｍｏｌ％とバラツキがあった。なお、イオン注入前のＬＴ基板表面についても、同様にＬｉ量を算出したが、そのときのＬｉ量は４９．７ｍｏｌ％で均一であった。
　したがって、このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．２ｍｏｌ％減少している。
　続いて、この接合基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　そして、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、７５０℃で２０時間加熱した。続いて、降温過程の７５０℃～５００℃の間において、ＬＴ基板の概略＋Ｚ軸方向に４０００Ｖ/ｍの電界を印可して、その後、室温まで徐々に降温していった。
　この処理の後に、圧電体層の表面を１０ｎｍ程度研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板から構成される複合基板を完成させた。この複合基板にひびやワレは生じなかった。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。
　このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて５０．２ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　さらに、実施例３の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して、共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例２とほぼ同様の結果を得た。
〈実施例４〉
　実施例４では、実施例３と同様な方法により、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板を準備した。このＬＴ基板のＬｉ量の深さ方向のプロファイルは、図３に示す実施例３とほぼ同様である。
　次に、このＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。
　続いて、イオン注入を行ったＬＴ基板の鏡面側に、室温ＣＶＤ法を用いて、厚さ５μｍのＳｉＯ２膜を堆積させた。また、このＬＴ／ＳｉＯ２基板を３５０℃で４８時間加熱して脱ガスを行った後に、ＳｉＯ２膜を研磨してその厚みを２．７μｍとした。
　次に、支持基板として、片側が鏡面で表面に酸化（ＳｉＯ２）膜が形成されているＳｉ（ＳｉＯ２／Ｓｉ）基板を準備した。この支持基板の厚みは４００μｍであり、酸化膜の厚みは０．３μｍであった。
　また、ＳｉＯ２／Ｓｉ基板の鏡面側に室温ＣＶＤ法を用いて、厚さ５０ｎｍのａ‐Ｓｉ膜を形成した。そして、ＬＴ／ＳｉＯ２基板とａ‐Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。
　続いて、これらの基板をプラズマ活性化処理による表面活性化常温接合法により接合した。また、実施例１と同様の方法で、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とＳｉ支持基板からなる接合基板を得た。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。ここでは、ＬＴ圧電体層とＳｉ支持基板との間には介在層が存在しており、介在層はＳｉＯ２／ａ‐Ｓｉ／ＳｉＯ２の積層構造となっている。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、圧電体層表面のＬｉ量は、４９．５～４９．６ｍｏｌ％とバラツキがあった。なお、イオン注入前のＬＴ基板表面についても、同様にＬｉ量を算出したが、そのときのＬｉ量は４９．７ｍｏｌ％で均一であった。
　したがって、このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．２ｍｏｌ％減少している。
　次に、この接合基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　そして、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、７５０℃で２０時間加熱した。続いて、降温過程の７５０℃～５００℃の間において、ＬＴ基板の概略＋Ｚ軸方向に４０００Ｖ/ｍの電界を印可し、その後室温まで徐々に降温していった。
　この処理の後、圧電体層の表面を１０ｎｍ程度研磨して、ＬＴ圧電体層とＳｉ支持基板から構成される複合基板を完成させた。この複合基板にひびやワレは生じなかった。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。
　このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて全て５０．２ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　さらに、実施例４の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して、共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行った結果を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
〈実施例５〉
　実施例５では、まず、単一分極処理を施したコングルエント組成の４インチ径タンタル酸リチウム（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．３：５１．７）単結晶インゴットから、厚さ３００μｍの４２°回転Ｙカットのタンタル酸リチウム基板を切り出した。次に、ラップ工程によって、切り出したＬＴ基板の面粗さが算術平均粗さＲａ値で０．１５μｍとなるようにすると共に、ＬＴ基板の厚さは２５０μｍとした。
　また、ＬＴ基板の両面を研磨して、表面粗さがＲａ値で０．０１μｍの準鏡面に仕上げた。続いて、このＬＴ基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　次に、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、９９０℃で５０時間加熱して、ＬＴ基板にＬｉを拡散させた。この処理の後にＬＴ基板の片面に鏡面研磨を施した。
　そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板について、実施例１と同様のレーザーラマン分光測定装置を用いて、表面から深さ方向にわたって６００ｃｍ－１付近のラマンシフトピークの半値幅（ＦＷＨＭ１）を測定し、測定した半値幅から上記数式１を用いてＬｉ量を算出したところ、図５に示すＬｉ量の深さ方向のプロファイルが得られた。
　次に、支持基板として、厚さ５００μｍで片側鏡面のサファイア基板を準備した。そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板とサファイア基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。
　続いて、ＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。このとき、イオンが注入される位置は、表面から９００ｎｍの深さの位置であり、その位置のＬｉ量は５０．１ｍｏｌ％である。
　次に、イオン注入を行ったＬＴ基板とサファイア基板は、実施例１と同様に、表面活性化常温接合法を用いて接合した。また、実施例１と同様の方法で、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板からなる接合基板を得た。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。この複合基板にひびやワレは生じなかった。
　このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて５０．０ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．１ｍｏｌ％減少している。
　さらに、実施例５の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して、共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例２とほぼ同様の結果を得た。
〈実施例６〉
　実施例６では、まず、単一分極処理を施したコングルエント組成の４インチ径タンタル酸リチウム（Ｌｉ：Ｔａ＝４８．３：５１．７）単結晶インゴットから、厚さ３００μｍの４２°回転Ｙカットのタンタル酸リチウム基板を切り出した。次に、ラップ工程によって、切り出したＬＴ基板の面粗さが算術平均粗さＲａ値で０．１５μｍとなるようにすると共に、ＬＴ基板の厚さは２５０μｍとした。
　また、ＬＴ基板の両面を研磨して、表面粗さがＲａ値で０．０１μｍの準鏡面に仕上げた。続いて、このＬＴ基板を小容器に敷き詰めたＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体中に埋め込んだ。このときのＬｉ３ＴａＯ４を主成分とする粉体は、モル比でＬｉ２ＣＯ３：Ｔａ２Ｏ５＝７：３の割合に混合した粉末を１３００℃で１２時間焼成したものを用いた。
　次に、この小容器を電気炉にセットし、炉内をＮ２雰囲気として、９９０℃で５０時間加熱して、ＬＴ基板にＬｉを拡散させた。
　そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板について、実施例１と同様のレーザーラマン分光測定装置を用いて、表面から深さ方向にわたって６００ｃｍ－１付近のラマンシフトピークの半値幅（ＦＷＨＭ１）を測定し、測定した半値幅から上記数式１を用いてＬｉ量を算出したところ、図５に示す実施例５とほぼ同様のＬｉ量の深さ方向のプロファイルが得られた。
　続いて、ＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。このとき、イオンが注入される位置は、表面から９００ｎｍの深さの位置であり、その位置のＬｉ量は５０．１ｍｏｌ％である。
　ＬＴ基板のイオン注入した側の面にプラズマＣＶＤ法を用いて３５℃でＳｉＯ２を１０μｍ程度堆積させた後に、ＳｉＯ２を堆積させた面に鏡面研磨を施した。
　次に、支持基板として、厚さ５００μｍで片側鏡面の熱酸化膜付きのＳｉ（ＳｉＯ２／Ｓｉ）基板を準備した。そして、ＳｉＯ２／ＬＴ基板とＳｉＯ２／Ｓｉ基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。
　次に、ＳｉＯ２／ＬＴ基板とＳｉＯ２／Ｓｉ基板は、実施例１と同様に、表面活性化常温接合法を用いて接合した。また、実施例１と同様の方法で、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とＳｉ支持基板からなる接合基板を得た。この接合基板には、介在層として圧電体層と支持基板との間にＳｉＯ２層が存在する。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。この複合基板にひびやワレは生じなかった。
　このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて５０．０ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．１ｍｏｌ％減少している。
　さらに、実施例６の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して、共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例２とほぼ同様の結果を得た。
〈比較例３〉
　比較例３では、まず、単一分極処理を施した疑似ストイキオメトリー組成（Ｌｉ：Ｔａ＝４９．９５：５０．０５）のタンタル酸リチウム単結晶基板（４インチ径、厚さ３００μｍ、４２°回転Ｙカット）を準備した。このＬＴ基板は二重ルツボ法により得られた単結晶から成り、全体が疑似ストイキオメトリー組成である。このＬＴ基板の片面に鏡面研磨を施した。
　次に、支持基板として、厚さ５００μｍで片側鏡面のサファイア基板を準備した。そして、Ｌｉ拡散処理を施したＬＴ基板とサファイア基板の鏡面における表面粗さがＲＭＳ値で１．０ｎｍ以下であることを確認した。
　続いて、ＬＴ基板の鏡面側から水素分子イオンを注入したが、このときのドーズ量は９×１０１６ａｔｍ／ｃｍ２で、加速電圧は１６０ＫｅＶであった。このとき、イオンが注入される位置は、表面から９００ｎｍの深さの位置であり、その位置のＬｉ量は４９．９５ｍｏｌ％である。
　次に、イオン注入を行ったＬＴ基板とサファイア基板は、実施例１と同様に、表面活性化常温接合法を用いて接合した。また、実施例１と同様の方法で、イオン注入部においてＬＴ基板を分離し、圧電体層の表面を研磨して、ＬＴ圧電体層とサファイア支持基板からなる接合基板を得た。
　このときの圧電体層の厚みは９００ｎｍであったが、この圧電体層の表面を２００ｎｍ研磨して、圧電体層の厚みを７００ｎｍとした。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、表面粗さの最大高さＲｚを測定したところ、その値は１ｎｍであった。この複合基板にひびやワレは生じなかった。
　このように作製した複合基板について、実施例１と同様に、主面と裏面に厚み方向の垂直振動を与えて誘起させた電圧波形の観測を行ったところ、この接合基板のすべての箇所において圧電応答を観測することができ、圧電性を確認することができた。
　また、圧電体層表面の数箇所について、実施例１と同様に、レーザーラマン分光測定を行い、Ｌｉ量を算出した結果、Ｌｉ量は、測定箇所のすべてにおいて４９．８ｍｏｌ％であり、均一な疑似ストイキオメトリー組成であった。
　このＬＴ基板では、イオン注入によってＬｉ量が最大０．１５ｍｏｌ％減少している。
　さらに、比較例３の複合基板について、実施例１と同様に電極を形成して、共振子を作製し、このＳＡＷ共振子について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例２、５、６よりもわずかに劣る結果となった。
 

Claims (17)

  1. 　圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、該分離する工程の後に、圧電体層にＬｉを拡散させる工程と、を含むことを特徴とする複合基板の製造方法。
  2. 　前記圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、前記圧電体基板をキュリー温度以上に昇温して、電界を印加した状態でキュリー温度以下に降温する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の複合基板の製造方法。
  3. 　前記圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、前記圧電体基板を昇温して、圧電性を回復させる工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合基板の製造方法。
  4. 　前記圧電体層にＬｉを拡散させる工程において、前記圧電体層を疑似ストイキオメトリー組成とすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  5. 　前記圧電体基板は、その厚さ方向にわたってＬｉ濃度が異なっている範囲を有することを特徴とする請求項請求項１から４の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  6. 　前記圧電体基板は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  7. 　前記圧電体層と前記支持基板との間に介在層を設けることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  8. 　前記支持基板は、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、スピネルから選ばれる少なくとも１種の材料を含むことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  9. 　前記電体基板と支持基板とを接合する工程は、表面活性化常温接合法によって行うことを特徴とする請求項請求項１から８の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  10. 　前記圧電体基板にイオン注入を行う工程において、イオン種は水素イオン、水素分子イオン、ヘリウムイオンから選ばれる少なくとも１種のイオンであることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  11. 　圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムであり、Ｌｉ濃度が４８．５±０．５％である箇所と、Ｌｉ濃度が５０．０±０．５％である箇所を有し、その厚み方向について、基板表面側の方がＬｉ濃度の高くなる範囲を有することを特徴とする複合基板の製造方法。
  12. 　圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであり、圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５０．０％超であることを特徴とする複合基板の製造方法。
  13. 　圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板の製造方法であって、圧電体基板にイオン注入を行う工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程と、圧電体基板と支持基板とを接合する工程の後に、圧電体基板のイオン注入部において、支持基板に接合された圧電体層と残りの圧電体基板とに分離する工程と、を含み、圧電体基板は、タンタル酸リチウムであり、Ｌｉ濃度が４８．５±０．５％である箇所と、Ｌｉ濃度が５０．０±０．５％である箇所を有し、その厚み方向について、基板表面側の方がＬｉ濃度の高くなる範囲を有し、圧電体基板のイオン注入される深さ位置のＬｉ濃度は、５０．０％超であることを特徴とする複合基板の製造方法。
  14. 　圧電体基板の支持基板と接合する側の表面からイオン注入される深さ位置までのＬｉ濃度は、４９．０％以上５２．５％以下であることを特徴とする請求項１１から１３の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  15. 　前記圧電体層と前記支持基板との間に介在層を設けることを特徴とする請求項１１から１４の何れかに記載の複合基板の製造方法。
  16. 　圧電体層と支持基板とを含んで構成される複合基板であって、圧電体層は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであり、圧電体層表面のＬｉ濃度は、４９．９％超であり、圧電体層の厚みは、１．０μｍ以下であり、圧電体層の表面粗さの最大高さＲｚ値は、圧電体層の厚みの１０％以下であることを特徴とする複合基板。
  17. 　前記圧電体層と前記支持基板との間に介在層が存在することを特徴とする請求項１６に記載の複合基板。
     

     
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