JP2019097145A - Composite substrate for surface acoustic wave element, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、帯域フィルタや共振子等に適用される表面弾性波素子に係り、特に、表面弾性波素子に好適に用いられる表面弾性波素子用複合基板とその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave device applied to a band pass filter, a resonator or the like, and more particularly to a composite substrate for a surface acoustic wave device suitably used for a surface acoustic wave device and a method of manufacturing the same.
近年、携帯電話等の通信機器では高周波化や小型化が進展しつつあるため、ＲＦ回路部の高性能化や小型化が要求されるようになってきている。この中で、通信機器の送受信部に用いられる高周波フィルタ、および、発振器に用いられる共振子等の電子素子として、表面弾性波素子［Surface Acoustic Wave Device］（以下、ＳＡＷデバイスと略記する場合がある）が用いられている。ＳＡＷデバイスとは、圧電材料を利用し、高周波信号を表面弾性波に変換し、再度高周波信号に変換する過程で特定の周波数が選び出される現象を利用した素子である。そして、従来、高周波帯域で使用されてきた誘電体フィルタやセラミックフィルタ等に較べて周波数特性の急峻さや波形設計が可能なこと、表面実装が容易なこと、小型・軽量という特性を活かし、携帯電話、スマートフォンに代表される移動体通信機器や、その他、各種センサ、タッチパネル等の通信機器に急速に採用されてきている。特に、近年携帯電話等の小型・高周波機器の爆発的進展に伴って、その需要が大幅に拡大しつつある。 In recent years, as communication devices such as mobile phones are advancing in frequency and size, the RF circuit unit is required to have higher performance and size reduction. Among these, as a high frequency filter used for a transmitting and receiving unit of a communication device, and an electronic element such as a resonator used for an oscillator, a surface acoustic wave device (Surface Acoustic Wave Device) (hereinafter, may be abbreviated as a SAW device) Is used. The SAW device is an element utilizing a phenomenon in which a specific frequency is selected in the process of converting a high frequency signal into a surface acoustic wave and converting it again into a high frequency signal by using a piezoelectric material. And, taking advantage of the steepness of the frequency characteristics and the ability to design waveforms compared to dielectric filters and ceramic filters that have been used in the high frequency band conventionally, the ease of surface mounting, and the small size and light weight, a mobile phone They are rapidly being adopted in mobile communication devices represented by smartphones and other communication devices such as various sensors and touch panels. In particular, with the explosive development of small-sized and high-frequency devices such as mobile phones in recent years, the demand is being greatly expanded.
この表面弾性波素子としては、基板上に、表面弾性波の伝搬媒体としての圧電体層と、一対の櫛歯状電極［ＩＤＴ：Interdigital Transducer］（以下、ＩＤＴ、ＩＤＴ電極、若しくは電極と呼ぶ場合がある）を順次積層して構成されたものが知られている。通常、上記ＩＤＴ電極は、圧電体層上に金属材料層を形成した後、該金属材料層に対しエッチングを施すことにより形成される。 As this surface acoustic wave element, a piezoelectric layer as a propagation medium of surface acoustic waves on a substrate, and a pair of interdigital electrodes [IDT: Interdigital Transducer] (hereinafter referred to as an IDT, an IDT electrode, or an electrode) There is known one configured by sequentially stacking layers. Usually, the IDT electrode is formed by forming a metal material layer on a piezoelectric layer and then etching the metal material layer.
この表面弾性波素子においては、入力用のＩＤＴに電気信号（交流電力）が供給されると、これによる電場により圧電体層に歪が生じる。そして、上記電極が櫛歯型形状であるため、圧電体層に密度の差が生じて表面弾性波が発生する。この表面弾性波は出力用ＩＤＴに伝搬され、この表面弾性波のエネルギーは出力用ＩＤＴによって電気的エネルギーに変換されて出力される。 In the surface acoustic wave device, when an electric signal (AC power) is supplied to the input IDT, distortion occurs in the piezoelectric layer due to the electric field. And since the said electrode is a comb-tooth shape shape, the difference in density arises in a piezoelectric material layer, and a surface acoustic wave generate | occur | produces. The surface acoustic wave is propagated to the output IDT, and the energy of the surface acoustic wave is converted into electrical energy by the output IDT and output.
上記表面弾性波素子が有する透過帯域の中心周波数ｆ０は、櫛歯状電極の間隔λ０ と圧電体層表面上の弾性波の伝搬速度Ｖとから、
ｆ０ ＝ Ｖ／λ０ （式１）
で与えられる。
The center frequency f 0 of the transmission band of the surface acoustic wave device is determined by the distance λ 0 of the comb-like electrodes and the propagation velocity V of the elastic wave on the surface of the piezoelectric layer,
f 0 = V / λ 0 (Expression 1)
Given by
しかし、２．５ＧＨｚ以上で良好に動作する表面弾性波素子を作製することは困難である。透過帯域の中心周波数ｆ０を上昇させるためには、上記（式１）から明らかなように櫛歯状電極の間隔λ０を小さくするか、表面弾性波の伝搬速度Ｖを増加させるかのいずれかを行えばよいが、λ０はフォトリソグラフィ等の加工技術により著しく制限を受ける。現在の量産レベルでは、櫛歯状電極の幅は０．４μｍ程度で、櫛歯状電極の間隔λ０は１．６μｍ程度となり、最近、表面弾性波素子によく使用されるタンタル酸リチウム基板（以下、ＬＴ基板と略記する場合がある）の伝搬速度３８００ｍ／ｓでは、透過帯域の中心周波数ｆ０は２４００ＭＨｚが限度である。このため、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るには、伝搬速度Ｖを大きくすることが必要となる。 However, it is difficult to fabricate a surface acoustic wave device that operates well at 2.5 GHz or higher. In order to increase the central frequency f 0 of the transmission band, either the interval λ 0 of the interdigital electrodes is decreased or the propagation velocity V of the surface acoustic wave is increased as is apparent from the above (formula 1) However, λ 0 is extremely limited by processing techniques such as photolithography. At the current mass production level, the width of the comb-like electrodes is about 0.4 μm, the spacing λ 0 of the comb-like electrodes is about 1.6 μm, and a lithium tantalate substrate often used recently for surface acoustic wave devices Hereinafter, at a propagation speed of 3800 m / s (which may be abbreviated as LT substrate), the center frequency f 0 of the transmission band is limited to 2400 MHz. For this reason, in order to obtain a surface acoustic wave device operating in a high frequency band, it is necessary to increase the propagation velocity V.
一方、表面弾性波素子を上記共振子として使用する場合は、図３に示すように、圧電基板２０上にＩＤＴ電極２１と、該ＩＤＴ電極２１の両側部に一対のストリップ状電極２２から成る反射器を配置する構成が採られている。該反射器は、金属若しくは誘電体で構成された格子状薄膜を周期的に形成することにより、圧電基板２０表面の音響インピーダンスを周期的に変動せしめて実現される。音響インピ─ダンスの値は、上記格子状薄膜が存在する部分と格子状薄膜が存在しない部分でそれぞれ異なるため、圧電基板２０表面を伝搬する表面弾性波は、音響インピ─ダンスを異にする上記薄膜が存在する部分で反射し反射波を生じることになる。上記ストリップ状電極２２をλ０/２の周期で並べておくと、反射された表面弾性波は同相で強め合い、殆どのＳＡＷエネルギーがＩＤＴ電極２１へ戻される。その結果、周波数ｆ０では左右に進行する表面弾性波が同期して定在波となり、Ｑの高い共振現象を生ずる。この周波数を共振周波数と呼ぶが、既に示した上記（式１）と同じ関係を満たす。ＳＡＷ共振子の動作として、インピーダンスが最小値となる共振周波数ｆrとインピーダンスが最大値となる***振周波数ｆaの２つの共振周波数が存在することが知られている。ＳＡＷ共振子の特性としては、上記インピーダンスの最小値と最大値との差が大きいほど良いとされている。そして、この共振子においても高周波数帯域で動作する表面弾性波素子が望まれている。
On the other hand, when a surface acoustic wave device is used as the above-mentioned resonator, as shown in FIG. 3, the reflection comprising the
尚、高周波用のデバイスとして、圧電材料に、例えばＡｌＮを用いた圧電薄膜共振子ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）が検討されている。しかし、圧電薄膜共振子ＦＢＡＲは製造工程が複雑で高価なため、一部の機器にしか利用されていない。 In addition, as a device for high frequency, a piezoelectric thin film resonator FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) using, for example, AlN as a piezoelectric material is considered. However, since the piezoelectric thin film resonator FBAR is complicated and expensive to manufacture, it is used only for some devices.
そこで、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子の検討が重ねられている。例えば、ダイヤモンド結晶が１８０００ｍ／ｓと非常に大きい音速を有しているため、この高音速特性を利用した表面弾性波素子の研究開発（特許文献１〜２参照）が進められている。そして、非特許文献１においては、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド結晶を形成した後、櫛歯状電極および酸化亜鉛層を形成した表面弾性波素子の製造が紹介されている。非特許文献１においては、製造された表面弾性波素子が１００００ｍ／ｓ以上の音速と十分に高い励振効率を有していると開示している。
Then, examination of the surface acoustic wave element which operates in a high frequency band is repeated. For example, since a diamond crystal has a very high sound velocity of 18000 m / s, research and development (see
そして、ダイヤモンド結晶層上に圧電体層（酸化亜鉛層）を形成した表面弾性波素子においては、非特許文献１に記載されているように高周波化が容易になるという利点が存在する。しかし、圧電体層の音響インピーダンスは一般に低い反面、ダイヤモンド結晶層の音響インピーダンスは高いため、圧電体層とダイヤモンド結晶層との間に音響インピーダンスの不整合が生じ、圧電体層とダイヤモンド結晶層界面で音響波が反射することにより、圧電体層の内部に弾性波が閉じ込められ、これによって振動変位が圧電体層の表面に極端に集中する場合がある。音響インピーダンスは、それぞれの基板における音速と基板密度に関係している。そして、表面波の変位が表層部に集中すると、圧電体表層部の破壊（変位が増大することによるストレスマイグレーションによる破断）が発生するおそれがあるため、表面弾性波素子（デバイス）の耐電力性が悪化するという問題がある。また、表面波が電極に入射したときに電極端部で一部がバルク波に変換されることによるバルク波変換損が増大し、表面弾性波素子（デバイス）の性能が悪化するという問題もある。更に、表面波が圧電体表層部に集中することにより電極の反射係数が増大するため、表面弾性波素子（デバイス）の設計自由度が低下するという問題もある。
And, in the surface acoustic wave device in which the piezoelectric layer (zinc oxide layer) is formed on the diamond crystal layer, there is an advantage that the frequency can be easily increased as described in Non-Patent
そこで、基体層（ダイヤモンド若しくはダイヤモンド状炭素で構成されている基体層）と、該基体層上に配置された圧電体層と、該圧電体層の表裏いずれかの面上に形成された電極を有する表面弾性波デバイスの課題（音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化等）に対して、特許文献３は、基体層と圧電体層との間に音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい素材、例えば、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3等で構成された音響緩和層）が介在されたデバイスを提案している。そして、基体層と圧電体層の間に音響緩和層を介在させることにより、弾性波の位相速度が高い基体層（ダイヤモンド等）を用いて高周波化を図る場合でも、圧電体層の内部を伝搬する弾性表面波が基体層と圧電体層の境界で反射されて圧電体層に閉じ込められるといった状況が発生し難くなるため、圧電体層の表裏いずれかの面に対する変位の集中が抑制され、その結果、デバイスの耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層の表裏いずれかの面上に構成された電極構造におけるバルク波変換損が低減されると共に、当該電極構造の反射係数が低減されるためにデバイスの設計自由度が向上するとしている。更に、圧電体層から基体層までに存在する各層の音響インピーダンスが順次に増加するように構成された場合、基体層と圧電体層との中間の音響インピーダンスを持つ音響緩和層およびその他の層が、いずれも表面弾性波の変位成分の基体層への浸透を阻害しないので、基体層による弾性表面波の位相速度の向上効果を確保することができ、デバイスの高周波化を妨げないとしている。
Therefore, a base layer (a base layer made of diamond or diamond-like carbon), a piezoelectric layer disposed on the base layer, and an electrode formed on either the front or back surface of the piezoelectric layer are used.
一方、高周波数帯域で動作することが求められる表面弾性波素子においては、温度変化により圧電基板（圧電体層）が伸縮するため周波数特性がシフト（変動）するという別な課題も存在している。そこで、この温度特性を改善するため、ＩＤＴ電極が形成された圧電基板と、該圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ圧電基板よりも厚みが大きい補助基板を直接接合させた複合基板が提案されている（例えば特許文献４参照）。圧電基板に補助基板が直接接合されることで、圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ厚みが大きい補助基板により圧電基板の伸縮が抑制されるため温度特性を改善できる。そして、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差を大きくする程、温度特性の改善効果は大きい。しかし、熱膨張係数が異なる圧電基板と補助基板を直接接合させた複合基板（ウェハ）は、表面弾性波素子製造工程中の熱処理等温度変化により反ってしまったり、直接接合された基板同士が剥がれたりすることがあるため、プロセス温度を経る表面弾性波素子の製造過程でパターニングの精度が悪化し、自動ハンドリングが困難となる問題があった。この事態は、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差が大きい程、また、複合基板（ウェハ）サイズが大きい程、ウェハの反りが大きくなり、直接接合させた基板同士が剥がれ易い。そして、複合基板（ウェハ）の反りが許容値を超えたり、直接接合させた基板同士が剥がれたりした場合、複合基板（ウェハ）を製造工程に流すことができなくなるという問題を有していた。 On the other hand, in surface acoustic wave devices which are required to operate in a high frequency band, another problem exists that the frequency characteristics shift (fluctuate) because the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) expands and contracts due to temperature change. . Therefore, in order to improve this temperature characteristic, a composite substrate is proposed in which a piezoelectric substrate on which an IDT electrode is formed and an auxiliary substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate and larger than that of the piezoelectric substrate are directly bonded. (See, for example, Patent Document 4). Since the auxiliary substrate is directly bonded to the piezoelectric substrate, expansion and contraction of the piezoelectric substrate is suppressed by the auxiliary substrate having a smaller thermal expansion coefficient and a larger thickness than the piezoelectric substrate, so that the temperature characteristics can be improved. As the difference between the thermal expansion coefficients of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate is increased, the effect of improving the temperature characteristics is greater. However, a composite substrate (wafer) in which a piezoelectric substrate and an auxiliary substrate having different thermal expansion coefficients are directly bonded is warped due to temperature change such as heat treatment in the surface acoustic wave device manufacturing process, or directly bonded substrates are peeled off. As the surface acoustic wave device passes through the process temperature, the patterning accuracy is deteriorated in the process of manufacturing the surface acoustic wave device, which makes automatic handling difficult. In this situation, the larger the difference between the thermal expansion coefficients of the piezoelectric substrate and the auxiliary substrate, and the larger the size of the composite substrate (wafer), the larger the warpage of the wafer, and the directly bonded substrates are easily peeled off. When the warpage of the composite substrate (wafer) exceeds the allowable value or the substrates directly bonded to each other are peeled off, the composite substrate (wafer) can not flow in the manufacturing process.
そこで、特許文献５は、圧電基板と該圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板（特許文献４の補助基板に対応する）を貼り合わせた複合基板であって、該支持基板は、同じ材料で作られた第１基板と第２基板とがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合され、第１基板のうち上記２基板との接合面とは反対側の面で上記圧電基板と貼り合わされた複合基板を開示している。この複合基板においては、プロセス温度変化に応じて発生する複合基板の反りが小さく抑えられると共に、表面弾性波素子を作製した後は、ブレードで第１基板から第２基板を剥がして除去すれば支持基板の厚さを簡単に薄くでき、デバイスの薄型化要請に対応できる利点を有している。
Therefore,
しかし、特許文献４〜５の方法により、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する問題には対応可能になったが、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るための信号伝搬速度を向上させる機能について特許文献４〜５には何ら考慮がなされていない。
However, although the methods of
通信機器の分野では、利用周波数帯資源の枯渇により、より一層の高周波数化が指向されてきており、表面弾性波素子においても更なる高周波数化の技術が求められている。表面弾性波素子を高周波数化するため、これまでは主に電極寸法を微小化する方法が行われてきたが、周波数を決定する電極間隔の微小化は、現在のリソグラフィ技術では上述したように限界に近づきつつある。また、電極寸法の微小化によって周波数を上昇できても、電極の細線化や電極間隔の微細化は素子構造自体を壊れ易くしパワー特性を得ることができないという問題を生じさせている。 In the field of communication equipment, the use of higher frequency bands has been directed by the exhaustion of available frequency band resources, and even in surface acoustic wave devices, a technology for further high frequency bands is required. In order to increase the frequency of the surface acoustic wave device, the method of mainly reducing the electrode size has been performed until now, but the reduction of the electrode spacing for determining the frequency is as described above in the current lithography technology. It is approaching its limit. Further, even if the frequency can be increased by the miniaturization of the electrode dimensions, the thinning of the electrodes and the miniaturization of the electrode spacing cause the problem that the element structure itself is easily broken and power characteristics can not be obtained.
そこで、表面弾性波を高速に伝達する素子として、特許文献１においては、シリコン基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を成膜し、該ダイヤモンド薄膜表面を研磨して平坦化し、かつ、平坦化されたダイヤモンド薄膜表面にスパッタリング法により圧電体（ＺｎＯ）膜を堆積させた後、該圧電体膜上に櫛歯状電極（金属アルミニウム）を形成した表面弾性波素子が開示され、また、特許文献２においては、シリコン基板上に酸素−アセチレン炎バーナーによる燃焼炎法によりダイヤモンド膜を形成し、該ダイヤモンド膜上に櫛歯状電極（金属アルミニウム）を形成した後、高周波マグネトロンスパッタリング法により圧電体（ＺｎＯ）層を成膜した表面弾性波素子が開示されている。
Therefore, as an element for transmitting surface acoustic waves at high speed, in
しかし、ＣＶＤ法やスパッタリング法等の成膜法によりダイヤモンド薄膜上に形成された圧電体（ＺｎＯ）層の膜質は良好でなく、十分な電気機械結合係数が得られないという問題が指摘されている（特許文献６の段落００１７参照）。また、音響インピーダンスの不整合に起因した表面弾性波デバイスの課題を改善する特許文献３においても、ＣＶＤ法やスパッタリング法等の成膜法により音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層）上に圧電体層が形成されており（特許文献３の段落００２５参照）、特許文献１〜２と同様、圧電体層の膜質が良好でない問題を有している。
However, it has been pointed out that the film quality of the piezoelectric (ZnO) layer formed on the diamond thin film by the film forming method such as the CVD method or the sputtering method is not good and a sufficient electromechanical coupling coefficient can not be obtained. (See paragraph 0017 of Patent Document 6). Further, also in
これ等の問題を解決するため、特許文献６では、圧電体層（圧電体バルク単結晶）の第１の主面上に形成された電気−機械変換電極と、圧電体層の第２の主面上に形成されたダイヤモンド層と、該ダイヤモンド層と接着剤を介して接着された支持基板を具備する表面弾性波素子を提案している。
In order to solve these problems, in
しかし、特許文献６の段落００３１に記載されているように、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて圧電体バルク単結晶基板（圧電体層）上に多結晶ダイヤモンド層を形成するときの基板（圧電体バルク単結晶基板）温度を８５０℃にして成膜がなされており、基板温度が急上昇や急降下すれば、圧電体バルク単結晶基板（圧電体層）の焦電性により圧電体バルク単結晶基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電体バルク単結晶基板が変質して圧電特性が低下してしまう別の問題を有していた。例えば、タンタル酸リチウム基板を用いた場合、キュリー温度が６５０℃であるため、タンタル酸リチウム基板上に多結晶ダイヤモンド層を成膜した後に圧電性がなくなり、ＳＡＷデバイスとしての機能を得られなくなってしまう問題が存在した。更に、特許文献６においては、上記ダイヤモンド層と支持基板（シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板等）とを接着剤（エポキシ型樹脂接着剤、半田合金等）を用いて接合（接着）させているため、接着剤が熱で軟化し、応力で動いたりし、冷熱サイクル試験では一部に剥離が見られる等信頼性に欠けるという問題も有していた。
However, as described in paragraph 0031 of
また、特許文献７では、高音速膜（窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ダイヤモンド等から成る）と圧電膜（ＬｉＴａＯ3から成る）との間に、低音速膜（酸化ケイ素、ガラス、酸化タンタル等から成る）を配置することで、弾性波の音速は低下するが、弾性波エネルギーを低音速な媒質に集中させる弾性波装置を提案している。上記圧電膜内および弾性波が励振されているＩＤＴ電極内への弾性波エネルギーの閉じ込め効果を高めることができるため、低音速膜が設けられていない場合に較べて損失が低減し、Ｑ値を高めることができるとしている。また、上記高音速膜は、弾性波を圧電膜および低音速膜が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜より下の構造に漏れないように機能していると記載されている。しかし、特許文献７には、ＬｉＴａＯ3から成る圧電基板上に酸化ケイ素等から成る低音速膜と窒化アルミニウム等から成る高音速膜を順次形成し、高音速膜の露出している面を鏡面加工して支持基板（サファイア、シリコン、ガラス等から成る）と接合する製法手順が記載されているに過ぎず（段落０１３８−０１４２参照）、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜法を用いて圧電基板上に結晶質窒化アルミニウム膜が成膜された場合、特許文献６と同様、圧電基板の温度を高温にして成膜を行うことになるため、圧電基板の焦電性により圧電基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電基板が変質して圧電特性が低下する問題を有している。また、成膜法によらず転写法を用いて上記低音速膜や高音速膜が形成された場合、特許文献６と同様、接着剤の熱軟化に起因した信頼性に欠ける諸問題が懸念される。
In
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、表面弾性波の伝搬速度を大きくすることにより表面弾性波素子の高周波数化を実現し、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題を改善すると共に、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失の増加が抑制され、かつ、良好な膜質の圧電体層を具備する表面弾性波素子用複合基板とその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made focusing on such problems, and the problem to be solved is to increase the propagation velocity of the surface acoustic wave to realize higher frequency of the surface acoustic wave element, and to obtain frequency characteristics. While improving the problem of shifting (fluctuation) due to temperature change, deterioration in power resistance and increase in signal loss due to mismatch in acoustic impedance between the piezoelectric layer and the diamond crystal are suppressed and good. It is an object of the present invention to provide a composite substrate for a surface acoustic wave device having a film quality piezoelectric layer and a method of manufacturing the same.
そこで、本発明者は、表面弾性波素子に求められている高周波数化と温度変化により周波数特性が変動する課題、および、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が増加する課題を解決するため、表面弾性波の伝搬速度を大きくし、周波数温度特性を改善させると共に耐電力性の悪化や信号損失の増加を抑制させる方法について鋭意検討した。 Therefore, the inventor has found that the frequency characteristics are changed due to the increase in frequency and the temperature change required for the surface acoustic wave device, and the acoustic impedance mismatch between the piezoelectric layer and the diamond crystal. In order to solve the problem of deterioration in power resistance and increase in signal loss, a method of increasing surface acoustic wave propagation speed, improving frequency temperature characteristics and suppressing deterioration in power resistance and increase in signal loss investigated.
検討の結果、上記課題を解決するには、バルク結晶で構成された圧電基板を圧電体層として適用し、上記圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持ちかつ一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層と音響インピーダンス層（圧電体層および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい素材で構成された音響インピーダンス層）が順次形成された支持基板を適用すると共に、上記圧電基板と音響インピーダンス層とを直接接合し、更に、直接接合された圧電基板の非接合面を研磨して薄膜化することで達成できることを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見により完成されている。 As a result of examination, in order to solve the above-mentioned subject, a piezoelectric substrate composed of bulk crystal is applied as a piezoelectric layer, and a polycrystalline diamond thin film having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate and on one main surface A support substrate on which a layer and an acoustic impedance layer (an acoustic impedance layer composed of a material having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer and the polycrystalline diamond thin film layer) is sequentially applied, and the piezoelectric substrate and the acoustic impedance layer It has been found that this can be achieved by directly bonding and further polishing and thinning the non-bonded surface of the directly bonded piezoelectric substrate. The present invention is completed by such technical discovery.
すなわち、本発明に係る第１の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とし、
第２の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする。
That is, the first invention according to the present invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded. age,
The second invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film. It is characterized by
また、本発明に係る第３の発明は、
第２の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記金属薄膜がチタン膜またはクロム膜であることを特徴とし、
第４の発明は、
第１の発明〜第３の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記音響インピーダンス層がＳｉＯ2膜で構成されることを特徴とし、
第５の発明は、
第１の発明〜第４の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される１種で構成されることを特徴とし、
また、第６の発明は、
第１の発明〜第５の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記圧電基板が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される１種以上のバルク結晶で構成されることを特徴とするものである。
In addition, the third invention according to the present invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second invention,
Characterized in that the metal thin film is a titanium film or a chromium film;
The fourth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to third inventions,
The acoustic impedance layer is composed of a SiO 2 film,
The fifth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to fourth inventions,
The supporting substrate is made of one selected from silicon, sapphire, aluminum nitride, aluminum oxide, borosilicate glass and quartz glass;
The sixth invention is
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of the first to fifth inventions,
The piezoelectric substrate is one or more bulk crystals selected from lithium tantalate, lithium niobate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, quartz, lithium borate, zinc oxide, aluminum nitride, langasite, langaite It is characterized by being composed of
次に、本発明に係る第７の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とし、
第８の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする。
Next, a seventh invention according to the present invention is
A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising the polycrystalline diamond thin film layer and the acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate, which is formed on the polycrystalline diamond thin film layer.
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
Forming a polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer on the polycrystalline diamond thin film layer;
Directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding;
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer;
Characterized in that
The eighth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
The acoustic impedance layer is directly bonded to the piezoelectric substrate through a metal thin film.
また、第９の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により成膜することを特徴とし、
第１０の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を研磨することを特徴とし、
第１１の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と直接接合された上記圧電基板の非接合面を研磨する工程において、
上記圧電基板の厚さが０．３〜２５μｍになるまで研磨することを特徴とする。
The ninth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate,
Forming the polycrystalline diamond thin film layer by microwave plasma CVD method;
The tenth invention is
In the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the seventh invention,
Polishing the surface of the polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the supporting substrate;
The eleventh invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer,
Polishing is performed until the thickness of the piezoelectric substrate becomes 0.3 to 25 μm.
また、第１２の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第１３の発明は、
第８の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第１４の発明は、
第１３の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記金属薄膜が、膜厚５〜１０ｎｍのチタン膜またはクロム膜であることを特徴とするものである。
The twelfth invention is
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to a seventh invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and the bonding surfaces are irradiated with an ion beam to remove residual impurities, and then bonding is performed directly at room temperature in vacuum.
The thirteenth invention is
It is a manufacturing method of the compound substrate for surface acoustic wave elements given in the 8th invention,
In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate via a metal thin film,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and ion beams are irradiated to the bonding surfaces to remove residual impurities, and the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate After forming a metal thin film on the upper surface, it is characterized by direct bonding at normal temperature in vacuum,
The fourteenth invention is
In the method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to the thirteenth invention,
The metal thin film is a titanium film or a chromium film having a thickness of 5 to 10 nm.
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴としている。 A composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention comprises a piezoelectric substrate, a support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate, and a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate. An acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric substrate is formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded to each other. It is characterized by
そして、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となる。 And, in a surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of a supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of a piezoelectric substrate. Since the surface acoustic wave propagates, it is possible to realize an extremely high propagation speed.
また、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト（変動）することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。 Further, in the surface acoustic wave device using the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the present invention, since the supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate is applied, the frequency characteristic is shifted due to the temperature change ( It is possible to provide good frequency temperature characteristics without fluctuation.
更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。 Furthermore, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention comprises a piezoelectric substrate made of a bulk crystal, and an acoustic wave on a polycrystalline diamond thin film layer provided on a supporting substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the piezoelectric substrate. It is obtained by directly bonding to the impedance layer and thinning the non-bonding surface of the bonded piezoelectric substrate by polishing.
そして、バルク結晶で構成された圧電基板（圧電体層）は、ダイヤモンド薄膜上若しくは音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層）上にＣＶＤやスパッタリング等で成膜した特許文献１〜３の圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献６〜７に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。
The piezoelectric substrate (piezoelectric layer) made of bulk crystal is deposited on the diamond thin film or on the acoustic relaxation layer (the acoustic relaxation layer having a smaller acoustic impedance than the base layer and a larger acoustic impedance than the piezoelectric layer) The film quality is good compared to the piezoelectric layers of
更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層（圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層）が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。 Furthermore, in the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, the acoustic impedance layer (the piezoelectric substrate and the polycrystalline diamond thin film layer) has an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film. Layer), the surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention includes a piezoelectric layer associated with a mismatch in acoustic impedance between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film layer. The reflection of the elastic wave at the interface is reduced, thereby suppressing the phenomenon in which the vibration displacement of the surface elastic wave is concentrated in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, thereby preventing the breakage on the surface of the piezoelectric layer and preventing the surface acoustic wave element Power property can be improved, and a signal propagating on the surface of the piezoelectric layer is spread inside the acoustic impedance layer. When, since the signal at the interface between the acoustic impedance layer and the polycrystalline diamond thin film layer is returned to the piezoelectric layer is reflected, it is possible to reduce the loss of propagation signal in the surface acoustic wave element.
以下、本発明の第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板とその製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.
１．表面弾性波素子用複合基板
（Ａ）本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図１に示すように、圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合されていることを特徴とし、また、第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板１の非接合面に櫛歯状電極６が形成されて成るものである。
1. Composite substrate for surface acoustic wave device (A) Composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention The composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention is as shown in FIG. A
（Ｂ）本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図２に示すように、圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されていることを特徴とし、また、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板１の非接合面に櫛歯状電極６が形成されて成るものである。
(B) Composite Substrate for Surface Acoustic Wave Element According to Second Embodiment of the Present Invention The composite substrate for a surface acoustic wave element according to the second embodiment of the present invention is, as shown in FIG. A
以下、（１）圧電基板、（２）支持基板、（３）多結晶ダイヤモンド薄膜層、（４）音響インピーダンス層、（５）金属薄膜、（６）表面弾性波素子用複合基板、および、（７）表面弾性波素子の順に説明する。 (1) piezoelectric substrate, (2) support substrate, (3) polycrystalline diamond thin film layer, (4) acoustic impedance layer, (5) metal thin film, (6) composite substrate for surface acoustic wave device, 7) The surface acoustic wave elements will be described in order.
（１）圧電基板
圧電基板１は弾性波が伝搬可能な圧電性を有する基板であり、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる圧電基板として、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される１種以上のバルク結晶であることが好ましく、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムがより好ましい。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムは表面弾性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かつ広帯域周波数の表面弾性波デバイス用として適しているからである。
(1) Piezoelectric Substrate The
上記圧電基板１は、支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と直接接合されて本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を構成する。尚、圧電基板１表面に凹凸が存在していると、音響インピーダンス層４と原子レベルで完全に接合させることができず浮きが発生する可能性があるため、圧電基板１表面は表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下に平滑にしておくことが好ましい。
The
圧電基板１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、直径が５０〜２００ｍｍ、厚さが０．３〜２５μｍのものが好適に用いられる。
Although the size of the
（２）支持基板
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる支持基板２としては、圧電基板１よりも熱膨張係数が小さい材料で構成されることが必要である。支持基板２として圧電基板１よりも熱膨張係数が小さい材料を用い、支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と、圧電基板１を備えた複合基板とすることで、上記支持基板２と圧電基板１の間に多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が介在していても、温度変化したときの圧電基板１の伸縮が上記支持基板２の作用で抑制されるため、当該複合基板をＳＡＷデバイスとして用いた場合、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題を解消することが可能となる。
(2) Support Substrate The
支持基板２の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、および、石英ガラスから選択される１種であることが好ましい。硬度で見ると、安価で汎用的なソーダガラス基板は、ビッカース硬度が５００〜６００、シリコン基板は１０４０程度、サファイア基板は２３００であり、サファイア基板の方が好ましい。しかし、ガラス基板やシリコン基板は安価で大量に生産されており、コスト的にも安価であるため、総合的に見ると、支持基板２としてシリコン基板が好ましい。
The material of the
そこで、安価なシリコン基板を使用し、この支持基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３を成膜することで支持基板２の硬度を高め、また、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と圧電基板１とを直接接合することで、得られる複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。更に、シリコン基板は、熱膨張係数が３．９×１０-6／Ｋとタンタル酸リチウム等の圧電基板１に較べて大変小さく、ＳＡＷデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。
Therefore, the hardness of the
支持基板２の大きさは、例えば、直径が５０〜２００ｍｍ、厚さが２００〜１２００μｍのものが好適に用いられる。
As the size of the
（３）多結晶ダイヤモンド薄膜層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成される。更に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合された構成とすることにより、例えば、圧電基板１に一対の櫛歯状電極６を形成して電圧を印加することで表面弾性波が励起される。そして、圧電基板１と多結晶ダイヤモンド薄膜層３間には、これ等圧電基板１および多結晶ダイヤモンド薄膜層３よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が介在するため、励起された表面弾性波は音響インピーダンスの小さい音響インピーダンス層４に広がり、この表面弾性波は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３を伝搬され、別の一対の櫛歯状電極で再び圧電基板１によって電気信号に変換される。これにより、圧電基板１と多結晶ダイヤモンド薄膜層３が直接接合された場合における両層の音響インピーダンスの不整合に伴う諸問題（ＳＡＷデバイスにおける耐電力性の悪化や信号損失が増加する問題等）を改善することが可能となる。
(3) Polycrystalline Diamond Thin Film Layer In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention, polycrystalline diamond
ダイヤモンド層は物質中最高の音の伝搬速度を有する材料であり、圧電体薄膜を積層しても伝搬速度１００００ｍ／ｓ以上を実現させることが可能なため、本発明に係る複合基板を高周波表面弾性波素子に使用することができる。 The diamond layer is a material having the highest sound propagation speed in the substance, and it is possible to realize a propagation speed of 10000 m / s or more even by laminating a piezoelectric thin film, so the composite substrate according to the present invention has high frequency surface elasticity. It can be used for wave elements.
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の形成には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて支持基板２上に成膜することが好ましい。多結晶ダイヤモンド薄膜層３は、炭化水素等を原料ガスとする気相合成法、例えば、電子放射材を加熱して原料ガスを活性化する方法、プラズマにより原料ガスを励起する方法、光によりガスを分解励起する方法、イオン衝撃により原料ガスから多結晶ダイヤモンドを成長させる方法等により形成できるが、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層３は、上記成膜方法の中でもマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、マイクロ波（通常は２．４５ＧＨｚの周波数が使用される）を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、１．３〜８．０ｋＰａ程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱ＣＶＤ法等と比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のＣＶＤ法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。
In order to form the polycrystalline diamond
尚、マイクロ波プラズマＣＶＤ法の１種である有磁場マイクロ波ＣＶＤ法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法よりも更に低圧力（１．３〜１３３Ｐａ）領域で電子のサイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。 Magnetic field microwave CVD, which is a type of microwave plasma CVD, makes it possible to create a stable high density plasma even at low pressure by utilizing the interaction between plasma and magnetic field, and microwave plasma It uses a strong plasma state by electron cyclotron resonance (ECR) in a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region further than the CVD method. And since it is low pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed into a large area, and it is suitable for forming a polycrystalline diamond thin film layer concerning the present invention.
多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚は、支持基板２上に約５μｍ程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面には凹凸が存在するため、この多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面に成膜される音響インピーダンス層４の表面にも上記凹凸が転写されてしまう。そして、圧電基板１と直接接合される音響インピーダンス層４の表面に凹凸が存在していると、上記（１）圧電基板欄で述べたように原子レベルで完全に接合されずに浮きを生ずる可能性があり、これを回避するためである。すなわち、音響インピーダンス層４が成膜される前に多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面の凹凸面を研磨して平滑化する必要があるからである。例えば、上記膜厚（約５μｍ程度）であれば、約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さＲａになるまでは研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
The film thickness of the polycrystalline diamond
（４）音響インピーダンス層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、上記支持基板２の一方の主面上に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４が形成され、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合されている。
(4) Acoustic Impedance Layer In the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the present invention, the
上記音響インピーダンス層４は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。
The
そして、音響インピーダンスは「媒質中の音速」と「媒質の密度」との積で表されるため、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の音響インピーダンスＺは、Ｚ＝密度ρ・音速ＶＬ＝６１．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］である。このため、音響インピーダンス層４は、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の音響インピーダンスＺ＝６１．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］よりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。
Since the acoustic impedance is represented by the product of "sound velocity in the medium" and "density of the medium", the acoustic impedance Z of the polycrystalline diamond
他方、上記圧電基板１の音響インピーダンスＺは、例えば、酸化亜鉛で圧電基板が構成された場合はＺｎＯ（Ｚ＝３４．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、タンタル酸リチウムで圧電基板が構成された場合はＬｉＴａＯ3（一例として、Ｚ＝３１．２［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、窒化アルミニウムで圧電基板が構成された場合はＡｌＮ（Ｚ＝３８．４［Ｐａ・ｓ／ｍ］）である。このため、音響インピーダンス層４は、これ等圧電基板の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。
On the other hand, when the piezoelectric substrate is made of zinc oxide, the acoustic impedance Z of the
そして、これ等の条件を満たす音響インピーダンス層４としては、ＳｉＯ2（Ｚ＝１５．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｌ（Ｚ＝１７．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、および、Ｓｉ（Ｚ＝１９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）等が挙げられ、その中でもＳｉＯ2膜が好ましい。
Then, as the condition is satisfied
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合された表面弾性波素子の構成とすることで、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と圧電体層が直接接合された構造に較べて、圧電体層１の界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層１表面を伝搬する信号が音響インピーダンス層４内部に拡散したとき、音響インピーダンス層４と多結晶ダイヤモンド薄膜層３との界面で信号が反射され圧電体層１に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することが可能となる。
An
そして、音響インピーダンス層４としてＳｉＯ2膜を用いる場合、ＳｉＯ2膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Ｓｉ若しくはＳｉＯをターゲットとして酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。尚、ＳｉＯ2をターゲットとして用いることも可能であるが、成膜速度が遅くなるためＳｉ若しくはＳｉＯをターゲットとして用いることが好ましい。
When an SiO 2 film is used as the
また、上述したように、音響インピーダンス層４の膜厚は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。音響インピーダンス層４の膜厚が大きくなると応力が発生して複合基板に反りを生じ、取り扱いが困難になる等の不具合があるからである。
Further, as described above, the film thickness of the
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３については、その成膜時における膜厚が約５μｍ程度であれば約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。上記表面粗さＲａを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層４の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層４の表面粗さを、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層４の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
The polycrystalline diamond
本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されている。
In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention, polycrystalline diamond
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、適度な荷重を加えて接合させることにより接合界面は原子拡散が進み、アモルファス化し、原子レベルで直接接合させることができる。尚、上記直接接合は、常温・無電圧で行うことが好ましい。
In order to directly bond the
（５）金属薄膜
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されている。
(5) Metal Thin Film In the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment of the present invention, the polycrystalline diamond
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されるには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、スパッタリング等の成膜法で音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に金属薄膜５を成膜し、該金属薄膜５の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で直接接合させることが可能となる。上記音響インピーダンス層４と圧電基板１の界面に金属薄膜５が存在し、金属薄膜５の原子拡散により接合させることができる。
In order to directly bond the
上記金属薄膜５としては、クロムやチタン等酸素と結合する力が強くかつ拡散係数が高い薄膜が好ましい。また、金属薄膜５の膜厚は５〜１０ｎｍが好ましい。膜厚が５ｎｍ未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり拡散が不連続となる。一方、膜厚が１０ｎｍを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成され多結晶ダイヤモンド薄膜層３と圧電基板１との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。上記金属薄膜５が存在することで、両接合面における表面粗さは、金属薄膜５が介在しないときよりも粗くてよく、研磨コストを低下させるメリットがある。
The metal
（６）表面弾性波素子用複合基板
支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板については、当該複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨して圧電基板１の厚さが薄くなるように調整する。
(6) Composite substrate for surface acoustic wave device The polycrystalline diamond
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２と圧電基板１の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするため、圧電基板１の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板１の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板は平行を保てると共に、複合基板として、音響インピーダンス層４を介して圧電基板１に接合した多結晶ダイヤモンド薄膜層３の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。
The difference in the thermal expansion coefficients of the
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）と圧電基板１の厚さについては、圧電基板１の厚さが薄くなるようにし、その比率は、（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）に対し１／１０以下であることが好ましく、更に好ましくは１／２０がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が１２０℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。
Total thickness of
複合基板における上記圧電基板１の非接合面を研磨した後における圧電基板厚さは、０．３〜２５μｍとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は１〜２５μｍとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は０．３〜５μｍとすることが望ましい。研磨後における圧電基板の厚さが０．３μｍ未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、音響インピーダンス層４／多結晶ダイヤモンド薄膜層３／支持基板２における接合表面平滑度の影響から圧電基板１としての厚さが保持できなくなり、圧電基板１の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後における圧電基板の厚さが２５μｍを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板１の厚さが大きくなると圧電基板（例えばタンタル酸リチウム）の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。
The thickness of the piezoelectric substrate after polishing the non-bonding surface of the
（７）表面弾性波素子
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、図１〜２に示すように複合基板における圧電基板１側の表面に表面弾性波素子用電極（櫛歯状電極）６が形成されて成るものである。上記圧電基板１の表面は、多数の表面弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各表面弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の一対の櫛歯状電極（ＩＤＴ電極）および反射器（ＳＡＷ共振子用）がフォトリソグラフィ技術を利用して形成される。
(7) Surface Acoustic Wave Element The surface acoustic wave element using the composite substrate for surface acoustic wave elements according to the present invention is for surface acoustic wave elements on the surface of the composite substrate on the side of the
最後に、区画に沿ってダイシングすることにより、多数のＳＡＷデバイスを得ることができる。得られたＳＡＷデバイスは、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、表面弾性波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。 Finally, by dicing along the sections, a large number of SAW devices can be obtained. In the obtained SAW device, when a high frequency signal is applied to the IDT electrode on the input side, an electric field is generated between the electrodes, and a surface acoustic wave is excited to propagate on the piezoelectric substrate.
共振子の場合、ＩＤＴ電極の両側に同じ電極膜で形成されたストリップ状電極から成る反射器が配置されており、ストリップ状電極の端部で表面弾性波はわずかに反射するためその反射波がＩＤＴ電極に戻る。ストリップ状電極がλ／２の周期で並んでいると反射された表面弾性波は同相で強め合い、ほとんどの表面弾性波エネルギーがＩＤＴ電極に戻される。そして、他方の出力側ＩＤＴ電極から、伝搬された表面弾性波を電気信号として取り出すことができる。 In the case of a resonator, a reflector consisting of strip-like electrodes formed of the same electrode film is disposed on both sides of the IDT electrode, and the surface acoustic wave is slightly reflected at the end of the strip-like electrodes, so that the reflected wave is Return to IDT electrode. When the strip electrodes are arranged at a period of λ / 2, the reflected surface acoustic waves are in-phase and constructive, and most of the surface acoustic wave energy is returned to the IDT electrode. Then, the propagated surface acoustic wave can be extracted as an electrical signal from the other output IDT electrode.
２．表面弾性波素子用複合基板の製造方法
（１）本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を具備し、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されている第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層４と直接接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程、を具備することを特徴としている。
2. Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device (1) Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device according to the first embodiment of the present
Forming a polycrystalline diamond
Forming a polycrystal diamond
Directly bonding the
And polishing the non-bonding surface of the
以下、各工程について説明する。
＜ａ＞支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程
第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、上記圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持ち、前１．(２)に記載した支持基板２の一方の主面上に、前１．(３)に記載した多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する。
Each step will be described below.
<a> Step of Forming Polycrystalline Diamond
支持基板２としては、選択された圧電基板１と比較し、当該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を有していることが必要である。具体的には、支持基板２の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される１種であることが好ましい。更に、硬度や材料コストからシリコン基板がより好ましい。シリコン基板は、熱膨張係数が３．９×１０-6／Ｋとタンタル酸リチウム等の圧電基板１に較べて大変小さく、ＳＡＷデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。シリコン基板を使用し、該シリコン基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜することで、支持基板としての硬度が高められ、圧電基板に直接接合された音響インピーダンス層を介し多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電基板が積層されることで、得られる表面弾性波素子用複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。
The supporting
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、マイクロ波（通常は２．４５ＧＨｚの周波数が使用される）を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、１．３〜８．０ｋＰａ程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱ＣＶＤ法等に比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のＣＶＤ法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。 It is preferable to use the microwave plasma CVD method for film-forming of the said polycrystalline diamond thin film layer. Microwave plasma CVD is a synthesis method by electrodeless discharge using microwaves (a frequency of 2.45 GHz is usually used). The microwave plasma CVD method is a film forming method using plasma with only microwaves in a pressure range of about 1.3 to 8.0 kPa. The microwave plasma CVD method is a method of exciting the source gas by plasma, and can form a denser thin film at a lower temperature than the thermal CVD method etc., and the film forming speed is faster than other CVD methods, It is advantageous in that damage due to heat can be suppressed, and mutual diffusion between laminated films can be suppressed.
尚、マイクロ波プラズマＣＶＤ法の１種である有磁場マイクロ波ＣＶＤ法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法よりも更に低圧力（１．３〜１３３Ｐａ）領域で電子のサイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。 Magnetic field microwave CVD, which is a type of microwave plasma CVD, makes it possible to create a stable high density plasma even at low pressure by utilizing the interaction between plasma and magnetic field, and microwave plasma It uses a strong plasma state by cyclotron resonance (ECR) of electrons at a lower pressure (1.3 to 133 Pa) region than the CVD method. And since it is low pressure plasma, a uniform polycrystalline diamond thin film can be formed into a large area, and it is suitable for forming a polycrystalline diamond thin film layer concerning the present invention.
図４に、上記マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す。 FIG. 4 shows a schematic configuration of the microwave plasma CVD apparatus.
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、マグネトロン１０、矩形導波管７、整合器８、プランジャー９、反応管１４、サセプタ（基板ホルダー）１１、排気用ポンプ１２、パワーモニタ１３等から構成されている。尚、図４中、符号１５は反応ガスを示す。
The microwave plasma CVD apparatus comprises a
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応管１４内のサセプタ（基板ホルダー）１１に本発明で用いる支持基板２を配置し、所定の反応ガスを導入して圧力を調整する。マグネトロン１０で発生させたマイクロ波は矩形導波管７内を伝わりプランジャー９に達する。上記プランジャー９は矩形導波管７の長さを変える働きをし、この調整により反応管１４に強い電界が設定されるように所定波を発生させ、反応管１４内にプラズマＰを発生させる。基板加熱は、一般に基板ホルダー１１のマイクロ波による誘電加熱を利用する。反応管１４には、マイクロ波の吸収が少なく、耐熱性が高い透明石英が用いられる。整合器８は反射波をゼロにして効率よくマイクロ波を反応管に送るためのものである。
The supporting
成膜条件としては、反応圧力が１．３〜８．０ｋＰａ、反応ガスとしてはメタンガス（ＣＨ4）を用い、キャリアガスとしては水素ガス（Ｈ2）を用いるのが一般的であるが、ＣＯ／Ｈ2等他の種類のガスも使用することができる。Ｈ2ガスの割合は８０％以上が好適であり、Ｈ2ガスの割合が低くなると、得られる多結晶ダイヤモンド薄膜層の非ダイヤモンド成分が増大して膜質が低下してしまう。 As film forming conditions, it is general to use a reaction pressure of 1.3 to 8.0 kPa, a reaction gas using methane gas (CH 4 ), and a carrier gas using hydrogen gas (H 2 ), but CO / H 2, etc. other types of gas can also be used. The proportion of H 2 gas is preferably 80% or more. If the proportion of H 2 gas is low, the non-diamond component of the obtained polycrystalline diamond thin film layer will increase and the film quality will deteriorate.
マイクロ波プラズマはエネルギーが高いので、他のＣＶＤ法に較べて成膜速度が速い。また、マイクロ波プラズマＰが支持基板２付近に存在して高温になるため、基板ホルダー１１の直接加熱等は必要としない。成膜時の基板温度は７００〜８００℃に調整することが好ましい。基板温度が低温であると、成膜される薄膜においてｓｐ3Ｃ−Ｃ結合の比率が低下してしまい、ダイヤモンド構造が低下し硬度が低下してしまう。基板温度が高くなり過ぎると、基板への影響が大きくなり基板が変形する等の虞がある。
Since the energy of microwave plasma is high, the deposition rate is faster than other CVD methods. Further, since the microwave plasma P is present in the vicinity of the
上記した成膜条件を調整して多結晶ダイヤモンド薄膜層３を支持基板２上に成膜する。上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚は、支持基板２上に約５μｍ程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面には凹凸が存在しており、音響インピーダンス層４を成膜する前に、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の凹凸面を研磨することが好ましいからである。凹凸が存在していると、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成される音響インピーダンス層４に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面の凹凸が転写され、圧電基板１と上記音響インピーダンス層４が直接接合するときに原子レベルで完全に接合されず浮きを生ずる可能性がある。
The polycrystalline diamond
例えば、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚が約５μｍ程度であれば、約３μｍ程度まで研磨して、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さＲａになるまで研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
For example, if the film thickness of the polycrystalline diamond
多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面を研磨する方法としては、例えば、ダイヤモンド電着ホイール若しくはダイヤモンド砥粒による直接研磨、または、高温で加熱した鉄若しくはニッケル等の金属による研磨（熱化学反応を用いた研磨）等が利用できる。
As a method of polishing the surface of the polycrystalline diamond
次工程で、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成した後、音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合するため、上記圧電基板１の接合面も凹凸が存在していないことが好ましく、表面粗さはＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。
In the next step, the
＜ｂ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成する工程
次に、上記支持基板２上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する。
<B> Step of Forming
音響インピーダンス層４は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。上記条件を満たす音響インピーダンス層４としては、ＳｉＯ2（Ｚ＝１５．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｌ（Ｚ＝１７．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、および、Ｓｉ（Ｚ＝１９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）等が挙げられ、その中でもＳｉＯ2膜が好ましい。
The
音響インピーダンス層４として上記ＳｉＯ2膜を成膜する場合、ＳｉＯ2膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Ｓｉ若しくはＳｉＯをターゲットとし、酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。
When the SiO 2 film is formed as the
音響インピーダンス層４としてＳｉＯ2膜を上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に積層することで、圧電基板１から伝搬する表面弾性波を多結晶ダイヤモンド薄膜層とＳｉＯ2膜の界面により圧電基板１側へ反射して戻す効果がある。
By laminating a SiO 2 film as the
また、音響インピーダンス層４の膜厚は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。具体的には５０ｎｍ以上２μｍ以下の膜厚とすることが好ましい。５０ｎｍ未満では、音響インピーダンス層として効果が現れ難くなり、本発明の目的とする特性が得られなくなるおそれがあり、また、薄いことから膜厚に均一性がなくなり連続膜とならない可能性がある。また、２μｍを超える膜厚であると、表面弾性波の伝搬速度を向上させる効果が抑制されてしまうと共に、かえって安定した結晶性が得られなくなるおそれがあり、成膜時間が延びてコストが上昇する一因となる。
The film thickness of the
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３については、その成膜時における膜厚が約５μｍ程度であれば約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。上記表面粗さＲａを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層４の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層４の表面粗さを、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層４の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
The polycrystalline diamond
＜ｃ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
次に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する。
<C> Step of Directly Bonding the
通常、音響インピーダンス層４と圧電基板１とを接合するには、有機接着剤や無機接着剤、ＵＶ接着剤、熱拡散接合等が用いられる。しかし、各種接着剤は温度上昇に伴い軟化するため、複合基板をＳＡＷデバイスに用いたときに圧電基板１上に形成されている櫛歯状電極４も圧電基板１と同時に動き、共振周波数が変化する可能性が高い。また、熱拡散で音響インピーダンス層４と圧電基板１の接合を行うには１０００℃以上の加熱が必要で、圧電基板のキュリー温度を超えるため圧電性が低下する問題がある。
In general, an organic adhesive, an inorganic adhesive, a UV adhesive, a thermal diffusion bonding, or the like is used to bond the
この問題点を回避するには、常温で接合でき、原子レベルで接合する直接常温接合（以下、常温接合と略称する場合がある）が望ましい。常温接合するには、多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４の接合面と圧電基板１の接合面を十分に洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオン（アルゴン）ビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、常温・無加圧・無電圧で接合する。音響インピーダンス層４の接合面と圧電基板１の接合面の洗浄後、更に、当該各接合面にＵＶ照射を行うことも好ましい。
In order to avoid this problem, it is desirable that direct normal temperature bonding (hereinafter sometimes referred to as normal temperature bonding), which can be bonded at normal temperature and bonded at the atomic level, is desirable. For normal temperature bonding, the bonding surface of the
＜ｄ＞音響インピーダンス層４と接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程
次に、得られた複合基板を研磨機に装着し、複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨して圧電基板１の厚さが薄くなるように調整する。多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２と圧電基板１の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするためには、圧電基板１の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板１の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板の反りは抑制される。また、圧電基板１を薄くすることで直接接合した音響インピーダンス層４を介して多結晶ダイヤモンド薄膜層３の影響を受け、複合基板として、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。
<D> Step of polishing the non-bonding surface of the
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）と圧電基板１の厚さについては、上述したように圧電基板１の厚さが薄くなるようにし、その比率は、（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）に対し１／１０以下であることが好ましく、更に好ましくは１／２０がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が１２０℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。
Total thickness of
複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨した後における厚さは、０．３〜２５μｍとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は１〜２５μｍとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は０．３〜５μｍとすることが望ましい。研磨後の厚さが０．３μｍ未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面平滑度が音響インピーダンス層４に影響しており、当該音響インピーダンス層４と直接接合している圧電基板１は表面研磨途中で厚さが保持できなくなり、圧電基板１の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後の厚さが２５μｍを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板１の厚さが大きいと圧電基板１（例えばタンタル酸リチウム）の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。
The thickness of the composite substrate after polishing the non-bonding surface of the
上記＜ａ＞〜＜ｄ＞工程により、高周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。 By the above steps <a> to <d>, high frequency and frequency temperature characteristics are improved, and the deterioration of power resistance and signal loss due to the mismatch of the acoustic impedance between the piezoelectric layer and the diamond crystal are suppressed. The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment can be obtained.
（２）本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を具備し、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されている第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する工程と、
金属薄膜５を介し上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層４と直接接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程、を具備し、かつ、
金属薄膜５を介し上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、接合前の上記音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、各接合面へイオン（アルゴン）ビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面上に上記金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴としている。
(2) Method of manufacturing composite substrate for surface acoustic wave device according to second embodiment of the present
Forming a polycrystalline diamond
Forming a polycrystal diamond
Directly bonding the
Polishing the non-bonding surface of the
In the step of directly bonding the
上記製造工程の内、
＜ａ＞支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する（研磨も含める）工程
＜ｂ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成する工程
＜ｄ＞複合基板における圧電基板の非接合面を研磨する工程
の各工程については、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ａ＞工程、＜ｂ＞工程、＜ｄ＞工程と同様で、
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｃ＞工程、すなわち、金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程が相違している。
Of the above manufacturing processes,
<a> Step of forming polycrystalline diamond
The step <c> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment, that is, the step of directly bonding the
このため、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｃ＞工程について、以下、説明する。 Therefore, the process <c> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the second embodiment will be described below.
＜ｃ＞金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ａ＞工程と＜ｂ＞工程により、支持基板２上の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４を有する支持基板２が得られる。
<C> Step of Directly Bonding the
次に、多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と上記圧電基板１を表面活性化常温接合法により金属薄膜５を介して直接接合する。
Next, the
金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と上記圧電基板１を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化させる。
In order to directly bond the
次に、スパッタリング法により音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に金属薄膜５を成膜する。金属薄膜５としてはクロム膜、チタン膜等酸素と結合する力が強く拡散係数が高い膜が好ましく、特にチタン膜が好ましい。音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に成膜される金属薄膜５の膜厚は５〜１０ｎｍであることが好ましい。膜厚が５ｎｍ未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり、成膜された接合面への拡散が不連続となる。一方、膜厚が１０ｎｍを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。
Next, a metal
上記金属薄膜５を成膜した後、金属薄膜５の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で音響インピーダンス層４と圧電基板１を接合する。これ等接合面には金属薄膜５が存在し、金属薄膜５の原子拡散により接合することができる。これにより金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されて第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。上記金属薄膜５が介在することで、音響インピーダンス層４と圧電基板１の両接合面における表面粗さは、金属薄膜５がないときに較べ粗くてもよくなり、接合前における研磨コストを低下させるメリットがある。
After the metal
その後、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｄ＞工程、すなわち、音響インピーダンス層４と接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程に従い、得られた表面弾性波素子用複合基板を研磨機に装着し、該複合基板の圧電基板１面を研磨することで、金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板が得られる。すなわち、周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。
Thereafter, it is obtained according to the step <d> in the method of manufacturing the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment, that is, the step of polishing the non-bonding surface of the
３．表面弾性波素子の製造方法
上述した方法で製造された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板における圧電基板１の非接合面上に上述した機能を有する表面弾性波素子用電極（ＩＤＴ電極）６を形成して表面弾性波素子が作製される。尚、表面弾性波素子を共振子として使用する場合は、圧電基板上にＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側部に一対のストリップ状電極から成る反射器を配置する。
3. Method of manufacturing surface acoustic wave device The composite substrate for a surface acoustic wave device according to the first embodiment manufactured by the method described above, and non-bonding of the
以下、表面弾性波素子の製造方法について具体的に説明する。 Hereinafter, the method of manufacturing the surface acoustic wave device will be specifically described.
まず、上記表面弾性波素子用複合基板における圧電基板１の非接合面に電極用導電性材料層を形成した後、この導電性材料層上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極および反射器に対応した形状のレジスト層を形成する。
First, after forming a conductive material layer for an electrode on the non-bonding surface of the
そして、レジスト層をマスクとして使用し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング法により上記レジスト層が形成されていない部分の導電性材料層を除去することで、所定パターンのＩＤＴ電極と反射器が形成される。 Then, using the resist layer as a mask, the conductive material layer in a portion where the resist layer is not formed is removed by dry etching such as reactive ion etching (RIE), thereby reflecting the IDT electrode of a predetermined pattern and reflection. The vessel is formed.
ＩＤＴ電極を形成する場合、上記エッチング法によらず、リフトオフ法によりパターニングしてもよい。また、上記反射器の本数は、必要とする挿入損失、チップサイズ等を勘案して適宜調節する。 In the case of forming an IDT electrode, patterning may be performed by a lift-off method instead of the etching method. Further, the number of the reflectors is appropriately adjusted in consideration of the required insertion loss, chip size and the like.
上記電極用導電性材料としては、質量が小さく、電気抵抗値が低くかつ耐電力性が要請されることから、アルミニウム若しくはアルミニウムに微量の異種金属（例えば、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｔｉ、ＨｆＢ2等が挙げられる）が添加されたアルミニウム系合金（必ずしも固溶体でなくてもよい）が好ましい。例えば、表面弾性波素子の寿命に影響を及ぼすＩＤＴ電極の耐電力性の観点から、半導体装置の分野でマイグレーションに強いことで定評のあるスパッタリング成膜による微量の銅が添加されたアルミニウム系合金を用いることが好ましい。但し、上記アルミニウム系合金に限定されず、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇおよびこれ等金属の内の１つを主成分とする合金から選ばれる１種を用いることもできる。 The conductive material for the electrode has a small mass, a low electric resistance value, and a demand for electric power resistance. Therefore, aluminum or aluminum with a small amount of dissimilar metals (eg Cu, Si, Ti, HfB 2 etc.) An aluminum-based alloy (which may not necessarily be a solid solution) to which is mentioned is preferred. For example, an aluminum-based alloy to which a small amount of copper is added by sputtering deposition, which has a reputation for being resistant to migration in the field of semiconductor devices, from the viewpoint of power resistance of IDT electrodes affecting the life of surface acoustic wave devices It is preferred to use. However, the present invention is not limited to the above-mentioned aluminum-based alloy, and one selected from Cu, Au, Pt, Ag and an alloy containing one of these metals as a main component can also be used.
そして、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて製造された表面弾性波素子は、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となり、また、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト（変動）することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。 The surface acoustic wave device manufactured using the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment has one of the main surfaces of the support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate. Since the surface acoustic wave propagates through the polycrystalline diamond thin film layer formed on the substrate, it is possible to realize an extremely high propagation velocity, and a support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate is applied. Therefore, the frequency characteristics do not shift (fluctuate) due to the temperature change, and it is possible to provide good frequency temperature characteristics.
また、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。そして、バルク結晶で構成された圧電基板（圧電体層）は、ダイヤモンド薄膜上若しくは特許文献３の音響緩和層上にＣＶＤやスパッタリング等で成膜した圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献６に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。
Moreover, the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment includes multiple piezoelectric substrates formed of bulk crystals and a supporting substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrates. It is obtained by directly bonding the acoustic impedance layer on the crystalline diamond thin film layer, and thinning the non-bonding surface of the bonded piezoelectric substrate by polishing. The piezoelectric substrate (piezoelectric layer) made of bulk crystal has a better film quality than a piezoelectric layer formed by CVD or sputtering on a diamond thin film or the acoustic relaxation layer of
更に、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層（圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層）が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。 Furthermore, in the composite substrate for surface acoustic wave devices according to the first embodiment and the second embodiment, an acoustic impedance layer (piezoelectric substrate and polycrystalline diamond thin film layer) is provided between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and polycrystalline diamond thin film layer. In the surface acoustic wave device using the above composite substrate for surface acoustic wave devices, the acoustic impedance layer between the piezoelectric substrate (piezoelectric layer) and the polycrystalline diamond thin film layer is used. The reflection of the elastic wave at the interface of the piezoelectric layer due to the misalignment is reduced, which can suppress the phenomenon that the vibration displacement of the surface elastic wave concentrates in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, thereby preventing the breakage on the surface of the piezoelectric layer Power resistance of the surface acoustic wave device can be improved, and the signal propagating on the surface of When it diffuses into the inside of the impedance layer, the signal is reflected at the interface between the acoustic impedance layer and the polycrystalline diamond thin film layer and returned to the piezoelectric layer, so that it is possible to reduce the loss of the propagation signal in the surface acoustic wave device. It becomes.
以下、本発明の実施例について比較例も挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described with reference to comparative examples.
［実施例１］
（１）支持基板（シリコン基板）上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成
支持基板として２インチ径単結晶シリコン基板（直径２インチ×厚さ２００μｍ）を準備し、該シリコン基板を、アセトンを用いて超音波洗浄した。
Example 1
(1) Formation of polycrystalline diamond thin film layer on supporting substrate (silicon substrate) A 2 inch diameter single crystal silicon substrate (
次に、洗浄後のシリコン基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、下記成膜条件により多結晶ダイヤモンド薄膜層を５．０μｍ成膜した。 Next, a polycrystalline diamond thin film layer was formed 5.0 [mu] m on the cleaned silicon substrate under the following film forming conditions using a microwave plasma CVD apparatus.
＜多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜条件＞
・前処理：Ａｒボンバード（１０分）
・使用反応ガス／キャリアガス：メタン（ＣＨ4）／水素、（メタン濃度３％）
・ガス流量：１００ｓｃｃｍ
・電源マイクロ波周波数；２．４５ＧＨｚ
・マイクロ波出力：６００Ｗ
・成膜時圧力：１．３ｋＰａ
・成膜時の基板温度：７００℃
・成膜時間：１８０分
<Deposition conditions of polycrystalline diamond thin film layer>
Pretreatment: Ar bombardment (10 minutes)
・ Used reaction gas / carrier gas: methane (CH 4 ) / hydrogen, (
Gas flow rate: 100 sccm
・ Power source microwave frequency; 2.45 GHz
・ Microwave output: 600W
-Pressure during film formation: 1.3 kPa
・ Substrate temperature during film formation: 700 ° C
Film formation time: 180 minutes
得られた薄膜のラマンスペクトルを、ラマン分光光度計を用いて測定した結果、１３３３ｃｍ-1に高いピークが確認された。この測定結果から、ダイヤモンド膜であることが確認された。 As a result of measuring the Raman spectrum of the obtained thin film using a Raman spectrophotometer, a high peak was confirmed at 1333 cm −1 . It was confirmed from this measurement result that it is a diamond film.
（２）多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器［（株）アビコ技研研究所製］を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。
(2) Polishing of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the silicon substrate was polished using a diamond nano-polisher [manufactured by Abiko Giken Lab.]. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer after polishing was measured with a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon Inc.), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.
（３）上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成
次に、上記（２）の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして３インチ径のＳｉＯターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は６．５×１０-3Ｐａであった。
(3) Formation of SiO 2 Film (Acoustic Impedance Layer) on Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, a DC magnetron sputtering apparatus (Shibaura) is used for the silicon substrate having the polycrystalline diamond thin film layer subjected to the polishing treatment of (2). It was set to Mfg. Co., Ltd., model CFS-4ES, and a SiO target with a diameter of 3 inches was attached to the apparatus as a sputtering target. In addition, the ultimate vacuum before the start of sputtering was 6.5 × 10 −3 Pa.
そして、基板温度を１２０℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス（アルゴンガス流量：１５ｓｃｃｍ、酸素流量：１０ｓｃｃｍ）を供給しながら、スパッタリング出力：２００Ｗ、成膜時間３５分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚０．５μｍの酸化シリコン膜を成膜した。 Then, while heating the substrate temperature to 120 ° C., while supplying a mixed gas of argon and oxygen (argon gas flow rate: 15 sccm, oxygen flow rate: 10 sccm) as a reactive gas, sputtering output: 200 W, film forming time 35 minutes Sputtering was performed to form a silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm as an acoustic impedance layer.
得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）により調べたところ、（００２）面ピーク（半値幅は１２．４°）が確認され、（００２）配向のＳｉＯ2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。 When the crystallinity of the obtained silicon oxide thin film is examined by thin film X-ray diffraction (XRD), a (002) plane peak (half value width is 12.4 °) is confirmed, and a (002) oriented SiO 2 crystal film It turned out that it was. Subsequently, the surface roughness of the obtained silicon oxide thin film was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.
（４）圧電基板（タンタル酸リチウム基板）の研磨
次に、直径２インチ、厚さ３５０μｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとした。
(4) Polishing of piezoelectric substrate (lithium tantalate substrate) Next, the surface of a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches and a thickness of 350 μm is the same as in the case of the above diamond thin film layer. The surface roughness Ra was 0.3 nm.
（５）ＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）と圧電基板との常温接合
次に、上記（３）で得られたＳｉＯ2膜／表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板と、上記（４）で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＵＶ照射を６０秒行った。
(5) Room temperature bonding of SiO 2 film (acoustic impedance layer) and piezoelectric substrate Next, the SiO 2 film / surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate obtained in the above (3), and the above (4 After ultrasonically cleaning the surface-polished lithium tantalate substrate obtained in 2.) in acetone solution, UV irradiation is further performed for 60 seconds on the SiO 2 film surface on the silicon substrate and the polished lithium tantalate substrate surface The
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、両基板の活性化された表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例１に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。 Next, place both substrates after cleaning and UV irradiation in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuate to an ultra-high vacuum of 2 × 10 -6 Pa, and silicon substrate Ar beam irradiation is performed on the SiO 2 film surface and the polished lithium tantalate substrate surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and these surfaces are After activation, the activated surfaces of both substrates are made to face each other, and both surfaces are joined at room temperature without applying heat, pressure or the like, and the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 1 (composite substrate) Made.
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２２μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
(6) Polishing of non-bonding surface of lithium tantalate substrate in composite substrate Lithium tantalate substrate in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonding surface of the above was polished to a thickness of 22 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation]. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.
上記製造条件について表１に示す。 The above production conditions are shown in Table 1.
（７）表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製
研磨処理がなされた実施例１に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ５ｎｍのＣｒを成膜し、次いで厚さ０．１５μｍのＣｕ膜を成膜した。
(7) Production of Surface Acoustic Wave Element (SAW Device) The thickness of the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave element according to Example 1 subjected to polishing treatment is first deposited by vacuum evaporation. A 5 nm thick Cr film was formed, and then a 0.15 μm thick Cu film was formed.
次に、上記Ｃｕ膜上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のＣｕ膜およびＣｒ膜を除去した。これにより、所定パターンのＩＤＴ電極を形成し、実施例１に係るＳＡＷデバイスを作製した。 Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed by photolithography on the Cu film, and the resist layer is used as a mask to form a resist layer by dry etching using reactive ion etching (RIE). The Cu film and the Cr film in the unexposed portions were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and a SAW device according to Example 1 was manufactured.
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４２０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１２．２ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は９．５％であった。また、信号の損失を示すＱ値は１８００であった。 The obtained SAW device had a propagation velocity of 7420 m / s, a frequency temperature characteristic of −12.2 ppm / ° C., and an electromechanical coupling coefficient of 9.5%. Also, the Q value indicating the loss of signal was 1800.
これ等の評価結果から、実施例１に係るＳＡＷデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイス（比較例１、比較例２参照）を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびＱ値が得られていることが確認された。 From these evaluation results, in the SAW device according to Example 1, the propagation velocity, frequency temperature characteristics, and Q value exceed those of the conventional SAW device (see Comparative Example 1 and Comparative Example 2) to which a lithium tantalate substrate is applied. It was confirmed that it was obtained.
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることにより、共振周波数４６３７ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。 Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), it is possible to obtain a SAW device having a resonance frequency of 4637 MHz.
得られたＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。 The characteristics of the obtained SAW device are shown in Table 2.
［実施例２］
実施例１の（１）〜（５）工程については同様に行い、（６）工程で、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ４０μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
Example 2
The steps (1) to (5) of Example 1 are carried out in the same manner, and in the step (6), it has a structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonded surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate was polished to a thickness of 40 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation]. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.
そして、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って実施例２に係るＳＡＷデバイスを作製した。 Then, the SAW device according to Example 2 was manufactured according to the process of (7) "Preparation of surface acoustic wave device (SAW device)" of Example 1.
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は６０８０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１３．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．２％、および、Ｑ値は１７５０であった。 The obtained SAW device had a propagation velocity of 6080 m / s, a frequency temperature characteristic of −13.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 7.2%, and a Q value of 1750.
これ等の評価結果から、実施例２に係るＳＡＷデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイス（比較例１、比較例２参照）を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびＱ値が得られていることが確認された。 From these evaluation results, the SAW device according to Example 2 has a propagation speed, frequency temperature characteristics and Q value that exceed those of the conventional SAW device (see Comparative Example 1 and Comparative Example 2) to which a lithium tantalate substrate is applied. It was confirmed that it was obtained.
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数３８００ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。 Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 3800 MHz can be obtained.
複合基板の製造条件を表１に示し、ＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。 The production conditions of the composite substrate are shown in Table 1, and the characteristics of the SAW device are shown in Table 2.
［比較例１］
ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板を接合させずに、直径２インチ、厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ３ｎｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］単体を用い、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例１に係るＳＡＷデバイスを作製した。
Comparative Example 1
Conducted using a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.] alone with a diameter of 2 inches, a thickness of 350 μm, and a surface roughness of
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は３８５０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−３８．０ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．０％、および、Ｑ値は１５２０であった（表２参照）。 The obtained SAW device had a propagation velocity of 3850 m / s, a frequency temperature characteristic of -38.0 ppm / ° C, an electromechanical coupling coefficient of 7.0%, and a Q value of 1520 (see Table 2). ).
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数２４０６ＭＨｚのＳＡＷデバイスが得られた。 Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 2406 MHz was obtained.
比較例１においては、ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板を接合させた複合基板の構造が採られておらず、タンタル酸リチウム基板の熱膨張が１５．７×１０-6／Ｋ（シリコン基板は３×１０-6／Ｋ）であるため、温度上昇に伴いタンタル酸リチウム基板が伸びて電極間隔も広がり、共振周波数は低下していき他バンドの混線の危険性があった。 In Comparative Example 1, the structure of the composite substrate in which the SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate are bonded is not employed, and the thermal expansion of the lithium tantalate substrate is 15.7 × 10 −6 / K. Since the silicon substrate is 3 × 10 -6 / K, the lithium tantalate substrate expands with the temperature rise and the electrode interval also spreads, and the resonance frequency is lowered, and there is a danger of cross-wires of other bands.
［比較例２］
支持基板として２インチ径単結晶シリコン基板（直径２インチ×厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ０．３ｎｍ）を準備した。
Comparative Example 2
A 2 inch diameter single crystal silicon substrate (
また、圧電基板として、直径２インチ、厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ０．３ｎｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］を準備した。 In addition, as a piezoelectric substrate, a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches, a thickness of 350 μm, and a surface roughness Ra of 0.3 nm was prepared.
そして、両基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、両基板の表面にＵＶ照射を６０秒行った。 After ultrasonic cleaning of both substrates in an acetone solution, UV irradiation was further performed on the surfaces of both substrates for 60 seconds.
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、両基板の表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、両基板の表面を活性化した後、両基板の表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備していない、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／シリコン基板の構成を有する比較例２に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
Next, both substrates after cleaning and UV irradiation are placed in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and vacuum drawn up to 2 × 10 -6 Pa of ultra-high vacuum. Ar beam is irradiated on the surface of the substrate (irradiation condition: acceleration voltage 50kV, beam diameter 1.2mm,
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ４０μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
(6) Polishing the non-bonding surface of lithium tantalate substrate in the composite substrate The surface polishing machine of the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / silicon substrate It was polished to a thickness of 40 μm using DGP 8761 manufactured by Disco Corporation. Furthermore, the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate was mirror-polished by mechanochemical polishing using colloidal silica to obtain a surface roughness Ra of 4 nm of the non-bonded surface.
上記製造条件について表１に示す。 The above production conditions are shown in Table 1.
得られた複合基板を用い、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例２に係るＳＡＷデバイスを作製した。 Using the composite substrate thus obtained, a SAW device according to Comparative Example 2 was produced according to the process of (7) "Production of surface acoustic wave device (SAW device)" in Example 1.
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度４１８０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−２３．０ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．２、および、Ｑ値は１６８０であった（表２参照）。また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数２６１２ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。 The obtained SAW device had a propagation velocity of 4180 m / s, a frequency temperature characteristic of -23.0 ppm / ° C, an electromechanical coupling coefficient of 7.2, and a Q value of 1680 (see Table 2). Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 2612 MHz can be obtained.
比較例２においては、シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させた複合基板の構造が採られており、シリコン基板の方がタンタル酸リチウム基板よりも熱膨張が小さいためタンタル酸リチウム基板の伸びが抑制され、電極間隔も広がらず共振周波数の変化もごくわずかであった。しかし、タンタル酸リチウム基板を用いた比較例１に係るＳＡＷデバイス（従来のＳＡＷデバイス）の伝搬速度を大きく上回る結果は得られなかった。 In Comparative Example 2, a structure of a composite substrate in which a silicon substrate and a lithium tantalate substrate are directly bonded is taken, and since the silicon substrate has a smaller thermal expansion than the lithium tantalate substrate, the lithium tantalate substrate is used. Elongation was suppressed, electrode spacing did not increase, and the change in resonant frequency was negligible. However, no result was obtained that greatly exceeded the propagation velocity of the SAW device (conventional SAW device) according to Comparative Example 1 using a lithium tantalate substrate.
［比較例３］
ＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成に係る実施例１の（３）工程を行わず、実施例１の（１）（２）工程と同様にして、多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さＲａが０．３ｎｍに表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の積層基板を作製し、かつ、実施例１の（４）工程と同様にして、表面粗さＲａが０．３ｎｍに表面研磨されたタンタル酸リチウム基板を作製した。
Comparative Example 3
The surface roughness Ra of the polycrystalline diamond thin film layer is the same as the step (1) (2) of Example 1 without performing the step (3) of Example 1 for forming a SiO 2 film (acoustic impedance layer). Prepare a laminated substrate of polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate whose surface was polished to 0.3 nm, and polished the surface to a surface roughness Ra of 0.3 nm in the same manner as the step (4) of Example 1 The prepared lithium tantalate substrate was prepared.
次に、表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の積層基板と表面研磨されたタンタル酸リチウム基板の各研磨面をアセトン液中で超音波洗浄し、更に、洗浄された各研磨面にＵＶ照射を６０秒行った。 Next, each polished surface of the surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate laminated substrate and the surface-polished lithium tantalate substrate is ultrasonically cleaned in an acetone solution, and further, each cleaned surface is cleaned. UV irradiation was performed for 60 seconds.
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄とＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、両基板の研磨がなされた表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、両基板の研磨がなされた表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、比較例３に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
Next, both substrates after cleaning and UV irradiation are placed on a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and vacuumed up to 2 × 10 -6 Pa of ultra-high vacuum, both substrates Ar beam irradiation is performed on the polished surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm,
次に、実施例１の（６）工程と同様にして、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２０μｍまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。 Next, in the same manner as in step (6) of Example 1, the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate in the composite substrate having the structure of lithium tantalate substrate / (direct bonding) / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate is obtained. Polished to a thickness of 20 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation], and further mirror-polish the non-bonded surface of the lithium tantalate substrate by mechanochemical polishing using colloidal silica, The surface roughness Ra of the non-bonding surface was 4 nm.
更に、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例３に係るＳＡＷデバイスを作製した。 Furthermore, a SAW device according to Comparative Example 3 was manufactured according to the process of (7) "Preparation of surface acoustic wave device (SAW device)" in Example 1.
これ等の製造条件を表１に示す。 These manufacturing conditions are shown in Table 1.
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４１０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１４．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は６．８％、および、Ｑ値は１６００であり（表２参照）、多結晶ダイヤモンド薄膜層を組み込んだ実施例１〜２に係るＳＡＷデバイスのＱ値に較べて低下している。また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数４６３１ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。 The obtained SAW device has a propagation velocity of 7410 m / s, a frequency temperature characteristic of −14.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 6.8%, and a Q value of 1600 (see Table 2). 4 is lower than the Q value of the SAW device according to Examples 1 and 2 in which the polycrystalline diamond thin film layer is incorporated. Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), a SAW device with a resonance frequency of 4631 MHz can be obtained.
比較例３においては、多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させ、かつ、タンタル酸リチウム基板の厚さを２０μｍまで研磨した複合基板の構造が採られているが、実施例１〜２と異なり、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上にＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）が形成されていない。そして、比較例３に係るＳＡＷデバイスにおいては、タンタル酸リチウム基板を伝搬する信号がタンタル酸リチウム基板内部と該タンタル酸リチウム基板に直接接合された多結晶ダイヤモンド薄膜層に拡散していくため信号の損失が起こり、実施例１〜２に係るＳＡＷデバイスに較べてＱ値が低下したものと考えられる。 In Comparative Example 3, a composite substrate structure in which the polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate and the lithium tantalate substrate are directly bonded and the thickness of the lithium tantalate substrate is polished to 20 μm is taken. Unlike Examples 1 and 2 , the SiO 2 film (acoustic impedance layer) is not formed on the polycrystalline diamond thin film layer. Then, in the SAW device according to Comparative Example 3, the signal propagating in the lithium tantalate substrate is diffused to the inside of the lithium tantalate substrate and the polycrystalline diamond thin film layer directly bonded to the lithium tantalate substrate. It is considered that a loss occurred and the Q value decreased as compared with the SAW devices according to Examples 1 and 2.
［実施例３］
実施例１（１）「支持基板（シリコン基板）上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成」工程に従って、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成した。
[Example 3]
Example 1 (1) A polycrystalline diamond thin film layer was formed on a silicon substrate according to the process of "formation of polycrystalline diamond thin film layer on supporting substrate (silicon substrate)".
（２）多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器［（株）アビコ技研研究所製］を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．４ｎｍとなるまで研磨した。
(2) Polishing of Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, the polycrystalline diamond thin film layer formed on the silicon substrate was polished using a diamond nano-polisher [manufactured by Abiko Giken Lab.]. The surface roughness of the polycrystalline diamond thin film layer after polishing was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra became 0.4 nm.
（３）上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成
次に、上記（２）の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして３インチ径のＳｉＯターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は６．５×１０-3Ｐａであった。
(3) Formation of SiO 2 Film (Acoustic Impedance Layer) on Polycrystalline Diamond Thin Film Layer Next, a DC magnetron sputtering apparatus (Shibaura) is used for the silicon substrate having the polycrystalline diamond thin film layer subjected to the polishing treatment of (2). It was set to Mfg. Co., Ltd., model CFS-4ES, and a SiO target with a diameter of 3 inches was attached to the apparatus as a sputtering target. In addition, the ultimate vacuum before the start of sputtering was 6.5 × 10 −3 Pa.
そして、基板温度を１２０℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス（アルゴンガス流量：１５ｓｃｃｍ、酸素流量：１０ｓｃｃｍ）を供給しながら、スパッタリング出力：２００Ｗ、成膜時間３５分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚０．５μｍの酸化シリコン膜を成膜した。 Then, while heating the substrate temperature to 120 ° C., while supplying a mixed gas of argon and oxygen (argon gas flow rate: 15 sccm, oxygen flow rate: 10 sccm) as a reactive gas, sputtering output: 200 W, film forming time 35 minutes Sputtering was performed to form a silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm as an acoustic impedance layer.
得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）により調べたところ、（００２）面ピーク（半値幅は１２．４°）が確認され、（００２）配向のＳｉＯ2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。 When the crystallinity of the obtained silicon oxide thin film is examined by thin film X-ray diffraction (XRD), a (002) plane peak (half value width is 12.4 °) is confirmed, and a (002) oriented SiO 2 crystal film It turned out that it was. Subsequently, the surface roughness of the obtained silicon oxide thin film was measured by a three-dimensional optical profiler Nexview apparatus (manufactured by Canon), and polishing was performed until the surface roughness Ra was 0.3 nm.
（４）圧電基板（タンタル酸リチウム基板）の研磨
次に、直径２インチ、厚さ３５０μｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さＲａ０．４ｎｍとした。
(4) Polishing of piezoelectric substrate (lithium tantalate substrate) Next, the surface of a lithium tantalate substrate [Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. product] having a diameter of 2 inches and a thickness of 350 μm is the same as in the case of the above diamond thin film layer. To a surface roughness Ra of 0.4 nm.
（５）金属薄膜を介したＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）と圧電基板との常温接合
次に、上記（３）で得られたＳｉＯ2膜／表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板と、上記（４）で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＵＶ照射を６０秒行った。
(5) Room temperature bonding of SiO 2 film (acoustic impedance layer) and piezoelectric substrate through metal thin film Next, the SiO 2 film obtained in the above (3) / surface-polished polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate After ultrasonically cleaning the surface-polished lithium tantalate substrate obtained in (4) above in an acetone solution, UV is further applied to the surface of the SiO 2 film on the silicon substrate and the surface of the lithium tantalate substrate polished. Irradiation was performed for 60 seconds.
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、同一チャンバー内で、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面にスパッタリング法を用いてチタン膜を７ｎｍ成膜した。 Next, place both substrates after cleaning and UV irradiation in a surface activation bonding type room temperature bonding apparatus [made by Musashino Engineering Co., Ltd.], and evacuate to an ultra-high vacuum of 2 × 10 -6 Pa, and silicon substrate Ar beam irradiation is performed on the SiO 2 film surface and the polished lithium tantalate substrate surface (irradiation conditions: acceleration voltage 50 kV, beam diameter 1.2 mm, irradiation amount 2 × 10 14 ions / cm 2 ), and these surfaces are After activation, a titanium film was formed to a thickness of 7 nm on the surface of the SiO 2 film on the silicon substrate using the sputtering method in the same chamber.
次いで、上記タンタル酸リチウム基板と、チタン膜が成膜されたＳｉＯ2膜（音響イン
ピーダンス層）表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例３に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
Next, the lithium tantalate substrate and the surface of the SiO 2 film (acoustic impedance layer) on which a titanium film is formed are opposed to each other, and both surfaces are joined at room temperature without applying heat, pressure or the like. A composite substrate for a surface acoustic wave device (composite substrate) was produced.
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合：Ｔｉ膜）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２０μｍまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
(6) Polishing of non-bonded surface of lithium tantalate substrate in composite substrate Tantalum in the above composite substrate having the configuration of lithium tantalate substrate / (direct bonding: Ti film) / SiO 2 film / polycrystalline diamond thin film layer / silicon substrate The non-bonding surface of the lithium oxide substrate is polished to a thickness of 20 μm using a surface polisher [DGP 8761 manufactured by Disco Corporation], and the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate is further treated with colloidal silica. It mirror-polished by chemical polish and was set as surface roughness Ra4nm of the said non-joining surface.
上記製造条件について表１に示す。 The above production conditions are shown in Table 1.
（７）表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製
研磨処理がなされた実施例３に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ５ｎｍのＣｒを成膜し、次いで厚さ０．１５μｍのＣｕ膜を成膜した。
(7) Production of Surface Acoustic Wave Device (SAW Device) The thickness of the non-bonding surface of the lithium tantalate substrate of the composite substrate for a surface acoustic wave device according to Example 3 which has been subjected to polishing treatment is first formed by vacuum evaporation. A 5 nm thick Cr film was formed, and then a 0.15 μm thick Cu film was formed.
次に、上記Ｃｕ膜上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のＣｕ膜およびＣｒ膜を除去した。これにより、所定パターンのＩＤＴ電極を形成し、実施例３に係るＳＡＷデバイスを作製した。 Next, a resist layer having a shape corresponding to the IDT electrode is formed by photolithography on the Cu film, and the resist layer is used as a mask to form a resist layer by dry etching using reactive ion etching (RIE). The Cu film and the Cr film in the unexposed portions were removed. Thus, an IDT electrode having a predetermined pattern was formed, and a SAW device according to Example 3 was produced.
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４４０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１１．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は９．１％、および、Ｑ値は１７８０であった。 The obtained SAW device had a propagation velocity of 7440 m / s, a frequency temperature characteristic of −11.6 ppm / ° C., an electromechanical coupling coefficient of 9.1%, and a Q value of 1780.
これ等の評価結果から以下のことが確認される。 The following is confirmed from these evaluation results.
まず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および圧電体層（タンタル酸リチウム）よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電体層（タンタル酸リチウム）がＴｉ膜を介し直接接合された構成とすることにより、多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電体層（タンタル酸リチウム）が直接接合された構造に較べて、圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため圧電体層表面における破壊が防止されてＳＡＷデバイスの耐電力性を向上させることが可能となり、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるためＳＡＷデバイスにおける伝搬信号の損失を低減することも可能となり、この結果、実施例３に係るＳＡＷデバイスのＱ値が高くなっているものと考えられ、更に、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイスを上回る伝搬速度と周波数温度特性が得られることも確認される。 First, an acoustic impedance layer having a smaller acoustic impedance than the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) is formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric layer (tantalum layer) In the structure in which lithium oxide is directly bonded through the Ti film, the elastic wave at the interface of the piezoelectric layer is compared with the structure in which the polycrystalline diamond thin film layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) are directly bonded. The reflection is reduced, thereby suppressing the phenomenon in which the vibration displacement of the surface acoustic wave is concentrated in the vicinity of the surface of the piezoelectric layer, so that the breakage on the surface of the piezoelectric layer is prevented and the power resistance of the SAW device can be improved. Acoustic impedance when the signal propagating on the surface of the piezoelectric layer is diffused into the acoustic impedance layer. Since the signal is reflected at the interface between the thin film and the polycrystalline diamond thin film and returned to the piezoelectric layer, it is also possible to reduce the loss of the propagation signal in the SAW device, and as a result, the Q value of the SAW device according to the third embodiment. It is also confirmed that propagation speed and frequency temperature characteristics can be obtained over conventional SAW devices to which a lithium tantalate substrate is applied.
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、４６５０ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。 Further, by setting the width of the IDT electrode to 0.4 μm (the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.4 × 4 = 1.6 μm), it is possible to obtain a 4650 MHz SAW device.
得られたＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。 The characteristics of the obtained SAW device are shown in Table 2.
更に、上記音響インピーダンス層と圧電体層（タンタル酸リチウム）がＴｉ膜を介し直接接合されており、Ｔｉ原子の拡散接合により、Ａｒビーム照射のみの接合に較べて大きな接合密着力が得られることも確認された。 Furthermore, the acoustic impedance layer and the piezoelectric layer (lithium tantalate) are directly bonded via a Ti film, and by diffusion bonding of Ti atoms, larger bonding adhesion can be obtained as compared with bonding of only Ar beam irradiation. Also confirmed.
本発明の表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、その高周波数化が図れると共に周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題も改善できるため、表面弾性波素子用基板として使用される産業上の利用可能性を有している。 A surface acoustic wave device using the composite substrate for a surface acoustic wave device according to the present invention can increase the frequency and can solve the problem that the frequency characteristics shift (fluctuate) due to the temperature change. Has industrial applicability to be used.
Ｐ プラズマ
１ 圧電基板
２ 支持基板
３ 多結晶ダイヤモンド薄膜層
４ 音響インピーダンス層
５ 金属薄膜
６ 櫛歯状電極（ＩＤＴ電極）
７ 矩形導波管
８ 整合器
９ プランジャー
１０ マグネトロン
１１ サセプタ（基板ホルダー）
１２ 排気用ポンプ
１３ パワーモニタ
１４ 反応管
１５ 反応ガス
２０ 圧電基板
２１ ＩＤＴ電極
２２ ストリップ状電極
7
12 exhaust pump 13
Claims (14)
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。 A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded. Composite substrate for surface acoustic wave devices.
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。 A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising a polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate,
The polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate are formed on the polycrystalline diamond thin film layer, and the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via the metal thin film. A composite substrate for a surface acoustic wave device, characterized in that
いずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。 The composite substrate for a surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic impedance layer is formed of a SiO 2 film.
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とする表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 A piezoelectric substrate,
A support substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric substrate;
A polycrystalline diamond thin film layer formed on one main surface of the support substrate;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising the polycrystalline diamond thin film layer and the acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric substrate, which is formed on the polycrystalline diamond thin film layer.
Forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate;
Forming a polycrystalline diamond thin film layer and an acoustic impedance layer having an acoustic impedance smaller than that of the piezoelectric layer on the polycrystalline diamond thin film layer;
Directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding;
Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer;
A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device, comprising:
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
8. The method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate are directly bonded via a metal thin film.
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により成膜することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 In the step of forming a polycrystalline diamond thin film layer on one main surface of the support substrate,
The method for producing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the polycrystalline diamond thin film layer is formed by a microwave plasma CVD method.
上記圧電基板の厚さが０．３〜２５μｍになるまで研磨することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 Polishing the non-bonding surface of the piezoelectric substrate directly bonded to the acoustic impedance layer,
8. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 7, wherein the piezoelectric substrate is polished until its thickness becomes 0.3 to 25 [mu] m.
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate by surface activation room temperature bonding method,
Each bonding surface of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding is cleaned, and ion beams are irradiated to each bonding surface to remove residual impurities, and then direct bonding is performed at room temperature in vacuum. The manufacturing method of the composite substrate for surface acoustic wave elements as described in 7.
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項８に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。 In the step of directly bonding the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate via a metal thin film,
The bonding surfaces of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate before bonding are cleaned, and ion beams are irradiated to the bonding surfaces to remove residual impurities, and the bonding surface of at least one of the acoustic impedance layer and the piezoelectric substrate 9. A method of manufacturing a composite substrate for a surface acoustic wave device according to claim 8, wherein a metal thin film is formed thereon and then directly bonded at room temperature in vacuum.
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