WO2019244461A1 - 接合体および弾性波素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】単結晶シリコンからなる支持基板を圧電性単結晶基板に対して接合した接合体において、高抵抗接合層を用いつつ、かつ支持基板と圧電性単結晶基板との接合強度を向上させる。 【解決手段】接合体５、５Ａは、圧電性単結晶基板４、４Ａと、単結晶シリコンからなる支持基板１と、支持基板１と圧電性単結晶基板４、４Ａとの間に設けられ、Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有した接合層２Ａと、支持基板１と接合層２Ａとの間に設けられ、珪素原子、酸素原子およびアルゴン原子を含有する非晶質層８とを備える。非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子の濃度が、接合層２Ａ内における酸素原子の平均濃度よりも高い。
Description
本発明は、接合体および弾性波素子に関するものである。
携帯電話等に使用されるフィルタ素子や発振子として機能させることができる弾性表面波デバイスや、圧電薄膜を用いたラム波素子や薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）などの弾性波デバイスが知られている。こうした弾性波デバイスとしては、支持基板と弾性表面波を伝搬させる圧電基板とを貼り合わせ、圧電基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けたものが知られている。このように圧電基板よりも小さな熱膨張係数を持つ支持基板を圧電基板に貼付けることにより、温度が変化したときの圧電基板の大きさの変化を抑制し、弾性表面波デバイスとしての周波数特性の変化を抑制している。
特許文献１には、圧電性単結晶基板とシリコン基板とを、エポキシ接着剤からなる接着層によって貼り合わせた構造の弾性表面波デバイスが提案されている。
圧電基板とシリコン基板とを接合するのに際して、圧電基板表面に酸化珪素膜を形成し、酸化珪素膜を介して圧電基板とシリコン基板とを直接接合することが知られている。この接合の際には、酸化珪素膜表面とシリコン基板表面とにプラズマビームを照射して表面を活性化し、直接接合を行う（特許文献２）。
また、いわゆるＦＡＢ(Fast Atom Beam)方式の直接接合法が知られている。この方法では、中性化原子ビームを常温で各接合面に照射して活性化し、直接接合する（特許文献３）。
圧電性単結晶基板を、シリコン基板ではなく、セラミックス（アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素）からなる支持基板に対して、中間層を介して直接接合することが記載されている（特許文献４）。この中間層の材質は、珪素、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムとされている。
また、圧電基板と支持基板とを有機接着層で接着するのに際して、支持基板の圧電基板に対する接着面のＲｔ（粗さ曲線の最大断面高さ）を５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下とすることで、応力緩和による割れ防止効果を得ることが記載されている（特許文献５）。
しかし、接合体の用途によっては、接合層における電気抵抗を高くすることで絶縁性を高めることが望まれている。例えば、弾性波素子の場合には、接合層の絶縁性を高くすることで、ノイズや損失を低減できる。しかし、高抵抗の接合層によって支持基板を圧電性単結晶基板に対して高い強度で接合することは困難であり、後の加工工程で圧電性単結晶基板と支持基板との間で剥離が生じ易い。
本発明の課題は、単結晶シリコンからなる支持基板を圧電性単結晶基板に対して接合した接合体において、高抵抗接合層を用いつつ、かつ支持基板と圧電性単結晶基板との接合強度を向上させることができるような構造を提供することである。
本発明に係る接合体は、圧電性単結晶基板と、
単結晶シリコンからなる支持基板と、
前記支持基板と前記圧電性単結晶基板との間に設けられ、Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有した接合層と、
前記支持基板と前記接合層との間に設けられ、珪素原子、酸素原子およびアルゴン原子を含有する非晶質層とを備えた接合体であって、
前記非晶質層の前記接合層側端部における酸素原子の濃度が、前記接合層内における酸素原子の平均濃度よりも高いことを特徴とする。
単結晶シリコンからなる支持基板と、
前記支持基板と前記圧電性単結晶基板との間に設けられ、Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有した接合層と、
前記支持基板と前記接合層との間に設けられ、珪素原子、酸素原子およびアルゴン原子を含有する非晶質層とを備えた接合体であって、
前記非晶質層の前記接合層側端部における酸素原子の濃度が、前記接合層内における酸素原子の平均濃度よりも高いことを特徴とする。
また、本発明に係る弾性波素子は、
前記接合体、および
前記圧電性単結晶基板上に設けられた電極を備えていることを特徴とする。
前記接合体、および
前記圧電性単結晶基板上に設けられた電極を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、前記特定組成の接合層を設けることで、接合層における絶縁性を高くしつつ、接合強度を担保することができる。
その上で、このような接合層を設けた場合には、圧電性単結晶基板上の接合層と支持基板との界面に沿って、薄い非晶質層が生ずる。しかし、こうして得られた接合体について、圧電性単結晶基板を研磨加工等によって薄くしていくと、支持基板からの剥離が生ずることがあった。これは圧電性単結晶基板の支持基板に対する接合強度が十分には高くないことを示している。
このため、本発明者は、接合強度の低下の原因について検討した。単結晶シリコンからなる支持基板に対して、Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘからなる高抵抗な接合層を接合した場合には、両者の界面に沿って、珪素原子、酸素原子およびアルゴン原子を含有する非晶質層が生成する。この場合、単結晶シリコンからなる支持基板は、含有される酸素原子の濃度が極めて低いため、接合層から支持基板へと向かって酸素濃度の勾配が生ずるはずである。
この点に着目し、接合層から支持基板への酸素濃度勾配を実際に測定してみたところ、接合層から支持基板へと向かって酸素濃度がゆるやかに、あるいは連続的に減少していることが判明した。言い換えると、非晶質層中に酸素濃度のピークが存在しなかった。この現象を検討したところ、接合層から支持基板へと向かう酸素の拡散が十分ではなかった可能性がある。
こうした観点から、接合層から支持基板への酸素原子の拡散を促進するように種々検討してみたところ、非晶質層に酸素濃度のピークが生じた場合には、圧電性単結晶基板の支持基板に対する接合強度が向上し、圧電性単結晶基板の剥離が生じにくくなることを見いだし、本発明に到達した。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１～図２に示す実施形態では、まず、図１（ａ）に示すように、圧電性単結晶基板４の表面４ａに接合層２を設ける。４ｂは反対側の表面である。この時点では、接合層２の表面２ａには凹凸があってもよい。
図１～図２に示す実施形態では、まず、図１（ａ）に示すように、圧電性単結晶基板４の表面４ａに接合層２を設ける。４ｂは反対側の表面である。この時点では、接合層２の表面２ａには凹凸があってもよい。
次いで、好適な実施形態においては、接合層２の表面２ａを平坦化加工することによって、図１（ｂ）に示すように、接合層に平坦面２ｂを形成する。この平坦化加工によって、通常、接合層２の厚さは小さくなり、より薄い接合層２Ａになる（図１（ｂ）参照）。ただし、平坦化加工は必ずしも必要ない。次いで、接合層２Ａの表面２ｂに対して矢印Ａのように中性化ビームを照射し、接合層２Ａの表面を活性化して活性化面とする。
一方、図１（ｃ）に示すように、支持基板１の表面１ａに中性化ビームＡを照射することによって活性化し、活性化面１ａとする。１ｂは反対側の表面である。そして、図２（ａ）に示すように、圧電性単結晶基板４上の接合層２Ａの活性化面２ｂと支持基板1の活性化面１ａとを直接接合することによって、接合体５を得る。
好適な実施形態においては、接合体５の圧電性単結晶基板４の表面４ｂを更に研磨加工し、図２（ｂ）に示すように圧電性単結晶基板４Ａの厚さを小さくし、接合体５Ａを得る。４ｃは研磨面である。
図２（ｃ）では、圧電性単結晶基板４Ａの研磨面４ｃ上に所定の電極６を形成することによって、弾性波素子７を作製している。
ここで、各活性化面への照射エネルギー量を適宜調節することによって、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、接合層２Ａと支持基板１との界面に沿って非晶質層８を生成させる。
図３～図４に示す実施形態では、まず、図３（ａ）に示すように、圧電性単結晶基板４の表面４ａに中間層９を設け、中間層９上に接合層２を設ける。次いで、接合層２の表面２ａを平坦化加工することによって、図３（ｂ）に示すように、接合層に平坦面２ｂを形成する。この平坦化加工によって、通常、接合層２の厚さは小さくなり、より薄い接合層２Ａになる。次いで、接合層２Ａの表面２ｂに対して矢印Ａのように中性化ビームを照射し、接合層２Ａの表面を活性化して活性化面とする。
一方、図３（ｃ）に示すように、支持基板１の表面１ａに中性化ビームＡを照射することによって活性化し、活性化面１ａとする。そして、図４（ａ）に示すように、圧電性単結晶基板４上の接合層2Ａの活性化面２ｂと支持基板1の活性化面１ａとを直接接合することによって、接合体１５を得る。
好適な実施形態においては、接合体１５の圧電性単結晶基板４の表面４ｂを更に研磨加工し、図４（ｂ）に示すように圧電性単結晶基板４Ａの厚さを小さくし、接合体１５Ａを得る。図４（ｃ）では、圧電性単結晶基板４Ａの研磨面４ｃ上に所定の電極６を形成することによって、弾性波素子１７を作製している。
ここで、各活性化面への照射エネルギー量を適宜調節することによって、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、接合層２Ａと支持基板１との界面に沿って非晶質層８を生成させる。
以下、本発明の各構成要素について更に説明する。
（支持基板）
本発明では、支持基板１は単結晶シリコンからなる。単結晶シリコン中には遷移金属元素や希土類元素がドープされていてもよい。
（支持基板）
本発明では、支持基板１は単結晶シリコンからなる。単結晶シリコン中には遷移金属元素や希土類元素がドープされていてもよい。
（圧電性単結晶基板）
圧電性単結晶基板４、４Ａの材質は、具体的には、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウムを例示できる。このうち、ＬＴ又はＬＮであることがより好ましい。ＬＴやＬＮは、弾性表面波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性表面波デバイスとして適している。また、圧電性単結晶基板４、４Ａの主面の法線方向は、特に限定されないが、例えば、圧電性単結晶基板４、４ＡがＬＴからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に３６～４７°（例えば４２°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。圧電性単結晶基板４、４ＡがＬＮからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に６０～６８°（例えば６４°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性単結晶基板４、４Ａの大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０～１５０ｍｍ，厚さが０．２～６０μｍである。
圧電性単結晶基板４、４Ａの材質は、具体的には、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウムを例示できる。このうち、ＬＴ又はＬＮであることがより好ましい。ＬＴやＬＮは、弾性表面波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性表面波デバイスとして適している。また、圧電性単結晶基板４、４Ａの主面の法線方向は、特に限定されないが、例えば、圧電性単結晶基板４、４ＡがＬＴからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に３６～４７°（例えば４２°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。圧電性単結晶基板４、４ＡがＬＮからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に６０～６８°（例えば６４°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性単結晶基板４、４Ａの大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０～１５０ｍｍ，厚さが０．２～６０μｍである。
（接合層）
本発明においては、支持基板１と圧電性単結晶基板４、４Ａとの間に設けられた接合層２Ａを備えており、接合層２ＡがＳｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有する。この組成は、ＳｉＯ２（ｘ＝０．６６７に対応する）に比べて酸素比率がかなり低くされている組成である。このような組成の珪素酸化物Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘからなる接合層２Ａによって支持基板１に対して圧電性単結晶基板４、４Ａを接合すると、接合強度を高くすることができ、かつ接合層２Ａにおける絶縁性も高くすることができる。
本発明においては、支持基板１と圧電性単結晶基板４、４Ａとの間に設けられた接合層２Ａを備えており、接合層２ＡがＳｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有する。この組成は、ＳｉＯ２（ｘ＝０．６６７に対応する）に比べて酸素比率がかなり低くされている組成である。このような組成の珪素酸化物Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘからなる接合層２Ａによって支持基板１に対して圧電性単結晶基板４、４Ａを接合すると、接合強度を高くすることができ、かつ接合層２Ａにおける絶縁性も高くすることができる。
接合層２Ａを構成するＳｉ（１－ｘ）Ｏｘの組成において、ｘが０．００８未満であると、接合層２Ａにおける電気抵抗が低くなり、所望の絶縁性が得られない。このため、ｘを０．００８以上とするが、０．０１０以上が好ましく、０．０２０以上が更に好ましく、０．０２４以上が特に好ましい。またｘが０．４０８より大きいと、接合強度が下がり、圧電性単結晶基板４、４Ａの剥離が生じ易くなるので、ｘを０．４０８以下とするが、０．２２５以下とすることが更に好ましい。
接合層２Ａの電気抵抗率は４．８×１０３Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、５．８×１０３Ω・ｃｍ以上であることが更に好ましく、６．２×１０３Ω・ｃｍ以上が特に好ましい。一方、接合層２Ａの電気抵抗率は、一般に１．０×１０８Ω・ｃｍ以下となる。
接合層２Ａの厚さは、特に限定されないが、製造コストの観点からは０．０１～１０μｍが好ましく、０．０１～０．５μｍが更に好ましい。
接合層２、２Ａの成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。ここで、特に好ましくは、スパッタターゲットをＳｉとした反応性スパッタリングの際に、チャンバー内に流す酸素ガス量を調整することによって、接合層２Ａの酸素比率（ｘ）をコントロールすることが可能である。
具体的な製造条件はチャンバー仕様によるので適宜選択するが、好適例では、全圧を０．２８～０．３４Ｐａとし、酸素分圧を１．２×１０―３～５．７×１０－２Ｐａとし、成膜温度を常温とする。また、ＳｉターゲットとしてはＢドープＳｉを例示できる。後述するように、接合層２、２Ａと支持基板１との界面には、不純物としてのB（ボロン）量が、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度になるように制御している。これにより、接合層２Ａにおける絶縁性をより確実に担保することができる。
（中間層）
接合層２、２Ａと圧電性単結晶基板４、４Ａとの間に中間層９を更に設けることができる。こうした中間層９は、接合層２、２Ａと圧電性単結晶基板４、４Ａとの密着性を更に向上させるものであることが好ましく、具体的には、SiO2、Ta2O5、TiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O3、Bi2O3、Al2O3、MgO、AlN、Si3N4からなることが好ましい。特に好ましくは中間層がSiO2からなる。
接合層２、２Ａと圧電性単結晶基板４、４Ａとの間に中間層９を更に設けることができる。こうした中間層９は、接合層２、２Ａと圧電性単結晶基板４、４Ａとの密着性を更に向上させるものであることが好ましく、具体的には、SiO2、Ta2O5、TiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O3、Bi2O3、Al2O3、MgO、AlN、Si3N4からなることが好ましい。特に好ましくは中間層がSiO2からなる。
（非晶質層）
本発明では、支持基板１と接合層２Ａとの間に非晶質層８を設ける。この非晶質層８は、少なくとも珪素原子、酸素原子およびアルゴン元素を含有している。
本発明では、支持基板１と接合層２Ａとの間に非晶質層８を設ける。この非晶質層８は、少なくとも珪素原子、酸素原子およびアルゴン元素を含有している。
本発明では、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素濃度を、接合層２Ａにおける平均酸素濃度よりも高くする。ただし、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子の濃度を測定する際には、非晶質層８の接合層２Ａ側界面から１ｎｍ以下の距離で測定するものとする。また、接合層２Ａにおける平均酸素濃度は、接合層２Ａ中の接合層２Ａの圧電性単結晶基板４Ａ側界面から４ｎｍの距離1点、接合層２Ａの膜厚の中心1点、接合層２Ａの非晶質層側界面から４ｎｍの距離1点の計3点の測定値の平均とする。
非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素濃度は、電気抵抗率の観点から1.08原子％以上であることが好ましく、1.1原子％以上であることが更に好ましい。また、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子の濃度は、４１．８原子％以下であることが好ましい。
接合層２Ａにおける平均酸素濃度は、電気抵抗率の観点から０．８原子％以上であることが好ましく、１．０原子％以上であることが更に好ましい。また、接合層２Ａにおける平均酸素原子の濃度は、４０．８原子％以下であることが好ましい。
接合強度向上という観点からは、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度と接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度との差は、１．０原子％以上であることが好ましく、１．５原子％以上であることが更に好ましい。言い換えると、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度よりも１．０原子％以上高いことが好ましく、１．５原子％以上高いことが更に好ましい。こうすることで、後述するように、圧電性単結晶基板４、４Ａと支持基板１との接合強度を更に高くすることができる。
好適な実施形態においては、非晶質層８の接合層２Ａ側端部におけるアルゴン原子の濃度を接合層２Ａにおけるアルゴン原子の濃度よりも高くする。ここで、非晶質層８の接合層２Ａ側端部におけるアルゴン原子の濃度を測定する際には、非晶質層の接合層２Ａ側界面から１ｎｍ以下の距離で測定するものとする。また、接合層２Ａにおける平均アルゴン濃度は、接合層２Ａ中の接合層２Ａの圧電性単結晶基板４Ａ側界面から４ｎｍの距離1点、接合層２Ａの膜厚の中心1点、接合層２Ａの非晶質層８側界面から４ｎｍの距離1点の計3点の測定値の平均値とする。
非晶質層８の接合層２Ａ側端部におけるアルゴン原子の濃度は、接合強度の観点からは、２．１原子％以上であることが好ましく、2.4原子％以上であることが更に好ましい。また、非晶質層８におけるアルゴン原子の濃度は、通常、5.0原子％以下であり、4.7原子％以下であることが好ましい。
接合層２Ａにおける平均アルゴン原子の濃度は、１．０原子％以下であることが好ましい。これは、接合強度の向上に対してはアルゴン原子の接合層２Ａ中への拡散の寄与が相対的に少ないことを意味している。
非晶質層８における珪素原子濃度は、77.6～93.6原子％であることが好ましく、88.8～93.0原子％であることが更に好ましい。
また、非晶質層８の存在は、以下のようにして確認するものとする。
測定装置：
透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製 H-9500）を用いて微構造観察する。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
測定装置：
透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製 H-9500）を用いて微構造観察する。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
接合層２Ａ及び非晶質層８における各原子の濃度は、以下のようにして測定するものとする。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
（好適な製造条件）
接合層２Ａの表面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。また、支持基板１の表面１ａの算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これによって支持基板１と接合層２Ａとの接合強度が一層向上する。
接合層２Ａの表面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。また、支持基板１の表面１ａの算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これによって支持基板１と接合層２Ａとの接合強度が一層向上する。
接合層２Ａの表面２ｂ、支持基板１の表面１ａを平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。
好適な実施形態においては、中性化ビームによって、接合層２Ａの表面２ｂ、支持基板１の表面１ａを活性化できる。特に、接合層２Ａの表面２ｂ、支持基板１の表面１ａが平坦面である場合には、直接接合しやすい。
中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特開２０１４－０８６４００に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーにアルゴンガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、アルゴンガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.5～2.0kVとすることが好ましく、電流は50～200mAとすることが好ましい。
ビーム照射による活性化時のFAB照射量は50KJ～200KJとすることが好ましく、70KJ～180KJとすることが更に好ましい。
次いで、真空雰囲気で、活性化面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。
本発明の接合体５、５Ａ、１５、１５Ａの用途は特に限定されず、例えば、弾性波素子や光学素子に好適に適用できる。
弾性波素子７、１７としては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、圧電性単結晶基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極（櫛形電極、すだれ状電極ともいう）と弾性表面波を受信する出力側のＩＤＴ電極とを設けたものである。入力側のＩＤＴ電極に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。
弾性波素子７、１７としては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、圧電性単結晶基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極（櫛形電極、すだれ状電極ともいう）と弾性表面波を受信する出力側のＩＤＴ電極とを設けたものである。入力側のＩＤＴ電極に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。
圧電性単結晶基板４、４Ａの底面に金属膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとしてラム波素子を製造した際に、圧電基板の裏面近傍の電気機械結合係数を大きくする役割を果たす。この場合、ラム波素子は、圧電性単結晶基板４、４Ａの表面４ｂ、４ｃに櫛歯電極が形成され、支持基板１に設けられたキャビティによって圧電性単結晶基板４、４Ａの金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、金などが挙げられる。なお、ラム波素子を製造する場合、底面に金属膜を有さない圧電性単結晶基板４、４Ａを備えた複合基板を用いてもよい。
また、圧電性単結晶基板４、４Ａの底面に金属膜と絶縁膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとして薄膜共振子を製造した際に、電極の役割を果たす。この場合、薄膜共振子は、圧電性単結晶基板４、４Ａの表裏面に電極が形成され、絶縁膜をキャビティにすることによって圧電性単結晶基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えば、モリブデン、ルテニウム、タングステン、クロム、アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜の材質としては、例えば、二酸化ケイ素、リンシリカガラス、ボロンリンシリカガラスなどが挙げられる。
また、光学素子としては、光スイッチング素子、波長変換素子、光変調素子を例示できる。また、圧電性単結晶基板４、４Ａ中に周期分極反転構造を形成することができる。
本発明を光学素子に適用した場合には、光学素子の小型化が可能であり、また特に周期分極反転構造を形成した場合には、加熱処理による周期分極反転構造の劣化を防止できる。更に、接合層２Ａの材料は、高絶縁材料でもあるので、接合前の中性化ビームによる処理時に、分極反転の発生が抑制され、また圧電性単結晶基板４、４Ａに形成された周期分極反転構造の形状を乱すことがほとんどない。
（比較例１）
図１および図２を参照しつつ説明した方法に従って、表１に示す比較例１の接合体５Ａを作製した。
具体的には、ＯＦ（オリエンテーションフラット）部を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を、圧電性単結晶基板４として使用した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性単結晶基板４の表面４ａは、算術平均粗さＲａが０．３ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。ただし、Ｒａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定する。
図１および図２を参照しつつ説明した方法に従って、表１に示す比較例１の接合体５Ａを作製した。
具体的には、ＯＦ（オリエンテーションフラット）部を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を、圧電性単結晶基板４として使用した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性単結晶基板４の表面４ａは、算術平均粗さＲａが０．３ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。ただし、Ｒａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定する。
次いで、圧電性単結晶基板４の表面４ａに、直流スパッタリング法によって接合層２を成膜した。ターゲットにはボロンドープのＳｉを使用した。また、酸素源として酸素ガスを導入した。この際、酸素ガス導入量を変化させることによって、チャンバー内の雰囲気の全圧と酸素分圧を変化させ、これによって接合層２の酸素比率（ｘ）を調整した。接合層２の厚さは１００～２００ｎｍとした。接合層２の表面２ａの算術平均粗さＲａは０．２～０．６ｎｍであった。次いで、接合層２を化学機械研磨加工（CMP）し、膜厚を８０～１９０ｎｍとし、Ｒａを０．０８～０．４ｎｍとした。
一方、支持基板１として、オリエンテーションフラット（ＯＦ）部を有し、直径が４インチ，厚さが５００μｍのＳｉからなる支持基板１を用意した。支持基板１の表面１ａ、１ｂは、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工されており、各算術平均粗さＲａは０．２ｎｍとなっている。
次いで、接合層２Ａの平坦面２ｂと支持基板１の表面１ａとを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０－６Ｐａ台まで真空引きした後、それぞれの基板の接合面１ａ、２ｂに高速原子ビームを45ｋJ照射した。ついで、接合層２Ａのビーム照射面（活性化面）２ｂと支持基板１の活性化面１ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して両基板１、４を接合した（図２（ａ）参照）。
次いで、圧電性単結晶基板４の表面４ｂを厚みが当初の２５０μｍから１μｍになるように研削及び研磨した（図２（ｂ）参照）。
得られた接合体５Ａについて、以下の装置を用い、EDS（エネルギー分散型Ｘ線分光器）による元素分析を行い、酸素原子、珪素原子、アルゴン原子の比率を測定した。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。
（接合強度）
得られた接合体５Ａについて、クラックオープニング法によって接合強度を測定した。結果を表１に示す。
得られた接合体５Ａについて、クラックオープニング法によって接合強度を測定した。結果を表１に示す。
表１に示すように、比較例１では，接合層２Ａにおける酸素濃度が６．４原子％であり、非晶質層８の接合層２Ａ側端部の酸素濃度が６．０原子％であるが、接合強度は０．８Ｊ／ｍ２であった。
（比較例２）
比較例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、比較例１とは異なり、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を２２．５ｋＪにまで低下させた。結果を表１に示す。
比較例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、比較例１とは異なり、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を２２．５ｋＪにまで低下させた。結果を表１に示す。
この結果、接合層２Ａにおける酸素濃度が６．５原子％であり、非晶質層８の接合層２Ａ側端部の酸素濃度が２．０原子％であるが、接合強度は０．２Ｊ／ｍ２であった。
（実施例１）
比較例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を１３５ｋＪとした。結果を表２に示す。
比較例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を１３５ｋＪとした。結果を表２に示す。
表２に示すように、実施例１では、接合層２Ａにおける酸素原子濃度が６．３原子％であり、非晶質層８の接合層２Ａ側の端部における酸素原子濃度が９．０原子％であって、酸素原子濃度のピークが非晶質層８中にある。そのため、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度よりも２．７原子％以上高い。この結果、接合強度は２．４Ｊ／ｍ２に向上した。
（実施例２）
実施例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を９０ｋＪとした。結果を表２に示す。
実施例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を９０ｋＪとした。結果を表２に示す。
表２に示すように、実施例２では、接合層２Ａにおける酸素原子濃度が６．４原子％であり、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が８．５原子％であって、酸素原子濃度のピークが非晶質層８中にある。そのため、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度よりも２．１原子％以上高い。この結果、接合強度は２．０Ｊ／ｍ２に向上した。
（実施例３）
実施例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を75ｋＪとした。結果を表２に示す。
実施例１と同様にして接合体５Ａを作製した。ただし、本例では、ＦＡＢ時のアルゴン原子ビームの照射量を75ｋＪとした。結果を表２に示す。
表２に示すように、実施例３では、接合層２Ａにおける酸素原子濃度が６．１原子％であり、非晶質層８の接合層２Ａ側の端部における酸素原子濃度が７．４原子％であって、酸素原子濃度のピークが非晶質層８中にある。そのため、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度よりも１．３原子％以上高い。この結果、接合強度は１．６Ｊ／ｍ２に向上した。
このように、非晶質層８の接合層２Ａ側の端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａ内における酸素原子の平均濃度よりも高くなっていることで、接合体５Ａ、１５Ａは、高い絶縁性を有しつつ、圧電性単結晶基板４、４Ａと支持基板１とが剥離しにくくなっている。特に、非晶質層８の接合層２Ａ側端部における酸素原子濃度が、接合層２Ａにおける平均酸素原子濃度よりも１．５原子％以上高くすることで、圧電性単結晶基板４、４Ａと支持基板１との接合強度を更に高くすることができる。
Claims (4)
- 圧電性単結晶基板と、
単結晶シリコンからなる支持基板と、
前記支持基板と前記圧電性単結晶基板との間に設けられ、Ｓｉ（１－ｘ）Ｏｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有した接合層と、
前記支持基板と前記接合層との間に設けられ、珪素原子、酸素原子およびアルゴン原子を含有する非晶質層とを備えた接合体であって、
前記非晶質層の前記接合層側端部における酸素原子の濃度が、前記接合層内における酸素原子の平均濃度よりも高いことを特徴とする、接合体。 - 前記圧電性単結晶基板と前記接合層との間に設けられ、ＳｉＯ２の組成を有する中間層を備えていることを特徴とする、請求項１記載の接合体。
- 前記圧電性単結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体からなることを特徴とする、請求項１または２記載の接合体。
- 請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の接合体、および前記圧電性単結晶基板上に設けられた電極を備えていることを特徴とする、弾性波素子。
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