JP2005252550A - 接合基板、弾性表面波素子および弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 タンタル酸リチウム基板とサファイア基板とを高温熱処理を施すことなく接合させて接合強度が高くかつ反りの少ない接合基板を実現すること、および温度安定性に優れたＳＡＷ素子を提供すること。
【解決手段】 タンタル酸リチウム基板およびサファイア基板の少なくとも一方の接合表面を、不活性ガスまたは酸素ガスの中性化ビーム、イオンビーム、若しくはプラズマにより活性化させてアモルファス化する、若しくはこれらの基板の少なくとも一方の接合表面上に、所望の組成のアモルファス層を真空成膜して形成する。このようにして得られたタンタル酸リチウム基板とサファイア基板とを接合し、その界面に０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みのアモルファスの接合領域を設けると、接合強度の高い基板が得られる。また、接合領域の厚みを１．５ｎｍ以上とすると、１５０℃で１時間保持した後の反り量を概ね２００μｍ以下とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は接合基板および弾性表面波素子に関し、より詳細には、タンタル酸リチウム基板とサファイア基板とを接合した基板およびその接合基板を用いて作製された弾性表面波素子に関する。

弾性表面波素子(Surface Acoustic Wave :ＳＡＷ)は、圧電体基板上に形成された櫛形電極に高周波電力を入力して圧電体基板表面に弾性表面波を発生させ、この弾性表面波を別の櫛形電極により再び高周波電気信号に戻すデバイスである。

ＳＡＷ素子は、弾性表面波の波長が電磁波と比較して１０^−５程度小さいために小型化が可能であること、伝搬損失が小さいために効率が高いこと、その作製に半導体プロセス技術が応用できるために量産性に優れ低価格化が可能なデバイスであり、携帯電話機など通信機器におけるバンドパスフィルタとして幅広く用いられている。

近年の携帯電話などの高性能化に伴い、ＳＡＷ素子を用いたフィルタにも更なる高性能化が求められている。この高性能化のための課題の一つとしてＳＡＷ素子の温度安定性の改善がある。タンタル酸リチウム（ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬＮ）は、広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利な大きな電気機械結合係数をもつ圧電材料であることからＳＡＷ素子用の圧電材料として広く用いられているが、温度安定性に劣るという欠点のためにこれらの圧電材料を用いて作製されたＳＡＷ素子は温度変化によって通過帯域が移動してしまうという問題を有する。これに対して、同じくＳＡＷ素子用圧電材料である水晶などには、温度安定性に優れている反面、電気機械結合係数が小さいという欠点がある。

このように、圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きな材料は温度安定性に劣り、逆に温度安定性に優れた材料は電気機械結合係数が小さいという相反する特性を有している。

電気機械結合係数が大きくかつ温度安定性に優れた圧電材料を実現するために、さまざまな方法が提案されている。例えば、大西らは、薄い圧電基板と厚い低膨張支持基板とを直接接合し、圧電基板の温度変化による伸縮を抑制して温度安定性の向上を実現している。具合的には、両面鏡面仕上げされたＬＴなどの圧電基板とガラスなどの支持基板とを水酸化アンモニウムと過酸化水素水との混合水溶液に浸責して基板表面を親水化処理した後に純水でリンスして両基板表面を水酸基で終端し、この両基板の一方主面同士を重ねあわせると徐々に水分が除去されて水酸基、酸素、水素などの分子間力による接合により主基板と補助基板が強固に接合され（初期接合）、初期接合後の両基板を１００℃以上の温度で数十分から数十時間熱処理を行うことにより室温において残留応力のない接合体を得ている（特許文献１および非特許文献１を参照）。
特開平１１−５５０７０号公報 大西ら、"Proc. of IEEE Ultrasonic Symposium", pp.335-338 (1998).

しかしながら、特許文献１および非特許文献１に開示されている接合方法では高温でのアニール工程が必要とされるため、アニール中に基板が破損しないようにヤング率の小さいガラスなどの低膨張率材料を支持基板とする必要がある。その結果、接合した基板間の熱膨張率の違いにより発生する歪が圧電基板に充分に伝達されず、温度特性の改善が充分に図られないという課題が残る。

また、ＬＴなどの単結晶の圧電基板とサファイアなどの単結晶の支持基板とを接合させる場合には、一般に両基板の格子定数は異なる。圧電基板や支持基板を多結晶基板あるいはセラミックス基板とした場合でも、圧電基板と支持基板の格子定数は異なる場合が殆どである。圧電基板と支持基板の格子定数が相違すると、その接合界面において格子ミスマッチが生じるため、接合基板に歪が生じて接合強度が低下したりデバイスの製造歩留まりが低下するという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、格子定数の異なる圧電基板（タンタル酸リチウム基板）と支持基板（サファイア基板）とを高温熱処理を施すことなく接合させて、接合強度が高くかつ反りの少ない接合基板を実現し且つ温度安定性に優れたＳＡＷ素子を提供することにある。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、接合基板であって、タンタル酸リチウム基板とサファイア基板との接合界面に、０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みのアモルファスの接合領域を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の接合基板において、前記接合領域の厚みは１．５ｎｍ以上であり、１５０℃で１時間保持した後の反り量が概ね２００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合基板において、前記アモルファスの接合領域は、前記タンタル酸リチウム基板およびサファイア基板の少なくとも一方の接合表面を、不活性ガスまたは酸素ガスの中性化ビーム、イオンビーム、若しくはプラズマにより活性化させて形成したものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合基板において、前記アモルファスの接合領域は、前記タンタル酸リチウム基板およびサファイア基板の少なくとも一方の接合表面上に、所望の組成のアモルファス層を真空成膜して形成したものであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、弾性表面波素子であって、請求項１乃至４の何れかの接合基板のタンタル酸リチウム基板主面上に、少なくとも１つの櫛形電極を備えていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の弾性表面波素子において、前記タンタル酸リチウム基板は、弾性表面波伝播方向をＸとした切り出し角が回転Ｙカット板であることを特徴とする。

本発明により、格子定数の異なる圧電基板と支持基板とを高温熱処理を施すことなく接合させて接合強度が高くかつ反りの少ない接合基板を実現すること、および電気機械結合係数が大きく温度安定性に優れたＳＡＷ素子を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の接合基板を用いて作製されたＳＡＷ素子の構成を説明するための斜視図である。このＳＡＷ素子１０は、圧電基板１１と支持基板１２とがアモルファス状態の接合界面１３を介して接合されて形成された接合基板１５を用いて作製されており、圧電基板１１の主面上にはＳＡＷの伝搬方向がＸ方向となるようにＳＡＷ共振器１４が設けられている。

この例では、圧電基板１１として、ＳＡＷの伝搬方向であるＸ軸のまわりに４２°だけ回転した回転Ｙ板として切り出した厚み４０μｍの単結晶ＬＴ基板（４２°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板）が用いられている。なお、この単結晶ＬＴ基板のＳＡＷ伝搬方向Ｘの線膨張係数は１６．１ｐｐｍ／℃である。また、支持基板１２としては、Ｒ面カットの厚み２５０μｍの単結晶サファイア基板（ＳＡＷ伝搬方向Ｘの線膨張係数が５．３ｐｐｍ／℃）が用いられている。なお、サファイア基板はＬＴ基板よりも小さい熱膨張係数をもち、かつ加工が容易な基板である。

圧電基板１１であるＬＴ基板と支持基板１２であるサファイア基板は、後述する方法により設けられたアモルファス状態の接合界面１３により接合されており、ＬＴ基板の膨張収縮をサファイア基板が抑制することにより、温度変化に起因するＳＡＷ共振器の周波数変動を低減することが可能となる。図１に示した構成のＳＡＷ共振器の周波数温度係数は−２５ｐｐｍ／℃であり、通常のＬＴ基板を用いたＳＡＷ共振器の−４０ｐｐｍ／℃を大幅に改善している。熱膨張係数の低減量（約９ｐｐｍ／℃）より周波数温度係数の改善量（約１５ｐｐｍ／℃）が大きいのは、ＬＴ基板が膨張収縮を抑制される際の応力の効果によると考えられる。

図２は、本発明の接合基板におけるアモルファス状態の接合界面の形成プロセスを説明するための図である。ここでは、圧電基板と支持基板の接合面に真空中でＡｒ原子ビームを照射し、これらの基板表面の原子配列をランダム化（活性化）してアモルファス状態とすることで接合する場合を例として説明する。

図２（ａ）に示すように、圧電基板の接合面２１および支持基板の接合面２２には、その表面が自然酸化されて形成された酸化物や表面に吸着している不純物（２３ａ、２３ｂ）が存在する。これらの基板の接合面にＡｒ原子を照射すると、基板表面の酸化物や不純物はＡｒ原子によってスパッタされて除去されるとともに、Ａｒ原子のもつエネルギにより基板表面の原子が活性化する。

このような表面活性化の結果として圧電基板の接合面２１と支持基板の接合面２２の表層領域（ｎｍオーダ）はアモルファス化され、図２（ｂ）に示すように、圧電基板接合面２１上のアモルファス領域２４ａと支持基板接合面２２上のアモルファス領域２４ｂとが形成される。

なお、圧電基板接合面２１上に形成されたアモルファス領域２４ａは、圧電基板であるＬＴの構成元素とビーム照射により取り込まれたＡｒとを構成元素とする組成を有することとなる。同様に、支持基板接合面２２上に形成されたアモルファス領域２４ｂは、支持基板であるサファイアの構成元素とビーム照射原子であるＡｒとを構成元素とする組成を有する。

このようにしてアモルファス領域を形成した圧電基板接合面２１と支持基板接合面２２とを位置合わせして張り合わせると、図２（ｃ）に示すような、圧電基板接合面２１と支持基板接合面２２との界面にアモルファス状態の接合層２４が形成される。

上記の張り合わせ処理は、多くの場合、真空中あるいは窒素などの高純度不活性ガスの雰囲気中で実行される。これは、張り合わせ前の基板表面への不純物吸着を回避し、Ａｒ原子ビーム照射により形成された基板表面のアモルファス状態を維持することで接合強度を高めるためである。しかし、接合される基板の表面特性（すなわち表面の活性度などの化学的特性）や得たい接合強度により、大気中での張り合わせでも充分な接合強度を得ることができる場合がある。また、張り合わせ処理を実行するに際しては、必要に応じて両基板を挟み込むように加圧するとよい。

なお、この張り合わせ工程は、得るべき接合強度に応じて、１００℃以下程度の加熱条件下で行うようにしてもよい。なお、上記の張り合わせ工程温度を５℃〜２５℃（常温）で実行して得た接合基板の接合強度を調べた限りでは、温度依存性は認められていない。

上述した例では、基板表面の活性化をＡｒ原子ビームの照射により実行したが、不活性ガスまたは酸素ガスの中性化ビーム、イオンビーム、またはプラズマを照射したり曝したりすることによって実行するようにしてもよい。また、両基板の双方に活性化処理を施すかわりに、何れか一方の基板表面に活性化処理を行って接合させるようにしてもよい。さらに、圧電基板または支持基板の少なくとも一方の接合面に基板組成と異なる組成を有するアモルファス膜を成膜することとしてもよい。

図３は、上述した手順で接合されたＬＴ基板とサファイア基板の接合界面近傍を透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microsope）により断面観察した格子像である。周期的な格子配列による明瞭な格子像が確認されるＬＴ基板とサファイア基板との界面領域に、長周期性が欠如したアモルファス層の存在が確認できる。なお、この観察試料のＬＴ基板とサファイア基板界面のアモルファス層の厚みは凡そ１．７ｎｍである。

図４は、アモルファス層の厚みと接合強度との関係を説明するための図で、横軸にアモルファス層の厚み、縦軸に接合基板の接合強度を示してある。ここで、接合強度は、接合した基板をダイシングソウを用いて５ｍｍ角の大きさに個片化した後、引張り試験用のステンレス製治具をエポキシ接着剤で試料両面に貼り付け、接着剤が十分硬化した後に引張り試験機で１５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張り試験を行って測定した。この図に示されているように、アモルファス層の厚みが薄い領域では接合強度は弱いが、アモルファス層の厚みが厚くなるにつれて接合強度は増大し、概ね０．３ｎｍで８〜１０ＭＰａの接合強度に達して一旦飽和傾向を示す。アモルファス層の厚みが１．５ｎｍを超えた領域では、接合強度が急激に増大する傾向を示すものの強度のばらつきも激しくなり、概ね２．５ｎｍを超えた厚み領域で接合強度が低下する。

接合強度がアモルファス層の厚みに伴って高くなった後に再度急激な低下を示す原因としては、本発明の接合方法では、Ａｒ原子ビームなどの照射により基板表面にアモルファス領域を形成する手法がとられるため、ビーム照射時間を長くしたり照射パワーを強くしてアモルファス領域の厚みを厚くすると基板表面のラフネスが増大してしまい、その結果、基板の接合に寄与する実効的な基板面積が減少して接合強度の低下を招くなどの理由が考えられる。

図４に示した結果から、ＬＴ基板とサファイア基板との界面に設けるアモルファス層の厚みを０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とすることにより、接合強度の大きな接合基板を得ることができることがわかる。接合強度の向上はＳＡＷ素子をＳＡＷ素子のチップ毎に切断する際の欠けや剥がれを抑制するため、製造プロセスでの素子歩留まりを向上させることができ、さらに製品化後の耐衝撃性が向上するなどにより高い信頼性を有するＳＡＷ素子を実現することができる。

接合強度のほかにも接合基板に求められる重要な特性として、熱処理後の反り増加量が少ないことがある。これは、ＳＡＷデバイスの製造工程においては熱処理を施すことが必要とされる場合があり、かかる熱処理後に基板に反りが生じるとその後のダイシング工程などで基板をステージに吸着させることが困難となり生産性が大幅に低下するためである。

例えば、ＳＡＷフィルタに入出力端子やグラウンド端子などを設ける際に、チップ上にＡｕバンプを形成する場合がある。このようなＡｕバンプの形成工程は、接合基板上に形成した多数のＳＡＷフィルタを個々のチップとする個片化前に実行されるため、接合基板はホットプレート上で例えば１５０℃程度の温度に加熱される。このＡｕバンプ形成工程での熱処理時間は、接合基板上に形成したＳＡＷフィルタのチップ数や形成すべきＡｕバンプの数などによって設定されるが、一般的には１時間程度であり、この間、接合基板は１５０℃程度の温度に保持されることとなる。従って、接合強度に優れかつ反りの少ない接合基板を実現するためには、接合界面に設けるアモルファス層を適正化することが必要となる。

図５は、Ａｕバンプ形成工程後の反り増加量とアモルファス層の厚みとの関係を説明するための図で、横軸にアモルファス層の厚み、縦軸に反り増加量を示してある。ここで、接合基板の反り量は、被測定基板に波長７５０ｎｍのレーザ光を照射した際の反射光を受光して、その位置情報から求めている。この方法でアニール前後の反り量を測定し、その差分を反り増加量とした。この図に示すとおり、反り増加量はアモルファス層の厚みとともに単調に減少する。すなわち、反りの少ない接合基板を得るためにはなるべく厚いアモルファス層を設ける必要がある。ＳＡＷフィルタのＡｕバンプ形成工程後のチップ個片化工程において、接合基板の反りが概ね２００μｍ以上となると、ダイシング装置などのステージ上に基板を吸着させることが困難となる。このため、かかる工程を経た後の接合基板の反り増加量が２００μｍ以下となるようにアモルファス層の厚みを設定することが必要である。

図５に示した結果によれば、基板の反り増加量を２００μｍ以下とするためには、アモルファス層厚を概ね１．５ｎｍ以上とする必要がある。この結果と、接合強度のアモルファス層厚依存性を考慮すると、接合強度が高くかつ反りの少ない接合基板を実現するためには、アモルファス層の厚みを１．５〜２．５ｎｍの範囲に設定することが必要となる。

上記の接合基板のＬＴ基板の主面上に、少なくとも一つの櫛形電極（ＩＤＴ）、外部との電気端子となる電極パッド、及びＩＤＴと電極パッドとを接続するための配線パターンを形成してＳＡＷ共振子１４を設けることにより、図１に示したような構成のＳＡＷ素子が得られる。

以上のように、ＬＴ基板とサファイア基板との接合面に比較的簡便な活性化処理を行うことで、容易かつ堅強に圧電基板と支持基板とを接合することができる。これにより、電気機械結合係数が大きくかつ周波数温度特性が改善されたＳＡＷ素子を提供することが可能となる。

図６は、本発明の弾性表面波デバイスの構成例を説明するための図で、本発明のＳＡＷ素子のチップをパッケージに搭載して封止した状態を図示している。図６（ａ）はワイヤ接続によりパッケージに搭載された状態（ワイヤボンディング法）を示しており、図６（ｂ）はＡｕ等からなるバンプ接続によりパッケージに搭載した状態（フリップチップ法）を示している。ワイヤボンディング法（図６（ａ））では、導電性接着剤などによってチップ１６の裏面（支持基板１２側）とパッケージ１７のチップ載置面とが接着固定されている。また、フリップチップ法（図６（ｂ））ではチップ１６の表面（圧電基板１１側）がバンプ１８を介してパッケージ１７のチップ載置面に固定されている。何れの場合も、ワイヤ１９またはバンプ１８により、チップ１６の圧電基板１１側に設けられた端子（不図示）がパッケージ１７の内部接続端子２０ａに接続され、パッケージ１７内に設けられた配線層（不図示）により外部接続端子２０ｂへと導かれている。

ＬＴ基板を用いて作製されたＳＡＷ素子をフリップチップ法で実装した従来の弾性表面波デバイスでは、ＬＴ基板とパッケージ材料の熱膨張係数が大きく異なるため、温度変化によってＡｕ等のバンプに大きな応力がかかりバンプが破壊されてしまう場合があった。このような応力対策として、バンプの数を電気的配線に必要な数より多く設けるなどの手法がとられていた。

これに対して、ＬＴとサファイアの接合基板を用いた本発明のＳＡＷ素子では、接合基板自体の熱膨張係数がＳＡＷ素子のパッケージ材料として用いられているアルミナやガラスセラミックスなどの材料と同程度の値となっている。このため、ＬＴ基板表面の熱膨張係数はパッケージ材料の熱膨張係数と同程度となり、温度変化に起因して発生する応力が大幅に低減される。これにより、フリップチップ法で実装した本発明の弾性表面波デバイスでは、信頼性向上とバンプ数の低減などを図ることが可能となる。また、ワイヤボンディング法で実装された本発明の弾性表面波デバイスの場合も同様に、温度変化に起因する応力が低減されてデバイスの信頼性が向上する。

本発明により、格子定数の異なる圧電基板と支持基板とを高温熱処理を施すことなく接合させて接合強度が高くかつ反りの少ない接合基板を実現すること、および電気機械結合係数が大きく温度安定性に優れたＳＡＷ素子を提供することが可能となる。

本発明の接合基板を用いて作製されたＳＡＷ素子の構成を説明するための斜視図である。 本発明の接合基板におけるアモルファス状態の接合界面の形成プロセスを説明するための図である。 本発明の接合基板の、ＬＴ基板とサファイア基板の接合界面近傍を透過電子顕微鏡により断面観察した格子像である。 アモルファス層の厚みと接合強度との関係を説明するための図である。 Ａｕバンプ形成工程後の反り増加量とアモルファス層の厚みとの関係を説明するための図である。 本発明の弾性表面波デバイスの構成例を説明するための図である。

符号の説明

１０ ＳＡＷ素子
１１ 圧電基板
１２ 支持基板
１３ 接合界面
１４ ＳＡＷ共振器
１５ 接合基板
１６ チップ
１７ パッケージ
１８ バンプ
１９ ワイヤ
２０ａ 内部接続端子
２０ｂ 外部接続端子
２１ 圧電基板の接合面
２２ 支持基板の接合面
２３ 不純物
２４ アモルファス領域

Claims (7)

1. タンタル酸リチウム基板とサファイア基板との接合界面に、０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みのアモルファスの接合領域を備えていることを特徴とする接合基板。
2. 前記接合領域の厚みは１．５ｎｍ以上であり、１５０℃で１時間保持した後の反り量が概ね２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の接合基板。
3. 前記アモルファスの接合領域は、前記タンタル酸リチウム基板およびサファイア基板の少なくとも一方の接合表面を、不活性ガスまたは酸素ガスの中性化ビーム、イオンビーム、若しくはプラズマにより活性化させて形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合基板。
4. 前記アモルファスの接合領域は、前記タンタル酸リチウム基板およびサファイア基板の少なくとも一方の接合表面上に、所望の組成のアモルファス層を真空成膜して形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合基板。
5. 請求項１乃至４の何れかの接合基板のタンタル酸リチウム基板主面上に、少なくとも１つの櫛形電極を備えていることを特徴とする弾性表面波素子。
6. 前記タンタル酸リチウム基板は、弾性表面波伝播方向をＸとした切り出し角が回転Ｙカット板であることを特徴とする請求項５に記載の弾性表面波素子。
7. 請求項５または６に記載の弾性表面波素子がパッケージ内に封止されている弾性表面波デバイス。

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