JP3453822B2 - 圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイス - Google Patents
圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイスInfo
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Description
を一体化する複合基板の製造方法及びそれを用いた圧電
デバイスに関するものである。
リコン基板を接着剤を用いずに接着する方法として、特
開平4−283957号にある直接接合が知られてい
る。
た清浄な基板間に働く原子間力により、両基板を密着さ
せ、さらに熱処理を加えることでえられる原子同士の強
固な接合のことである。 その一方で、ガラス基板同士
あるいはガラス基板とシリコン基板を接着剤を用いずに
接着する方法として、陽極接合法と呼ばれる方法があ
る。この方法は、ガラス基板とそれに接着される被接着
基板を接触させた状態で、両基板を加温しながら基板間
に直流電圧を加えることにより、互いに強固に接合する
ものである。この方法は、ガラスとシリコンあるいはガ
ラスとガラスを接合する際の一般的な方法であり、この
方法で得られた基板は圧力センサなどに用いられてい
る。
ンを直接接合するには、接合基板の表面粗さ、清浄度、
表面状態といった点で制約が大きい。直接接合法は、陽
極接合法とは異なり、接合される基板が、たとえ絶縁性
を示すものであっても接合可能であるという点で接合で
きる基板の範囲は広くなるが、先に述べたようなプロセ
スを必要とするため、接合に際してより多くの工程を必
要とする。
異なるため、どちらかの基板が厚いと直接接合プロセス
の熱処理段階において、水晶及びシリコンが割れてしま
い接合が困難であるという問題を有していた。しかし、
薄い基板を用いることは、陽極接合より工程が複雑な直
接接合においては、基板の取り扱いが難しく、量産性の
点で問題があった。
要があるため、接合プロセスにおいて、アルカリ性の親
水化処理液により基板表面がOH基終端されていなくて
はならず、このアルカリ性の親水化処理液は、基板をエ
ッチングする効果をもつため、アルカリ性溶液に容易に
エッチングされ、表面が荒れるような基板には適用が難
しい上、電極材料も同時に侵してしまうため、電極を有
する基板への適用も制限されていた。一方、陽極接合法
では、工程は簡便であるが、接合される基板内のイオン
が接合界面へ移動することが接合可能になる条件の一つ
と考えられており、イオン性を示さない基板を陽極接合
法により他基板に接合することは困難であった。
板の組合せは限られ、その応用も制限されている。
化できる基板のバリエーションを拡大するものであり、
圧電体基板と半導体基板を接着剤を用いずに一体化する
方法を提供し、さらにそれを用いた信頼性の高い圧電体
−半導体複合デバイスを提供することを目的とする。
に、本発明は、圧電体基板の一方の面にガラス基板を直
接接合し、前記ガラス基板上のいずれかの面に半導体基
板を陽極接合するものである。さらに、本発明により得
られる複合基板において、圧電基板部を振動部あるいは
弾性表面波素子部として用い、半導体基板部を電子部品
あるいは回路部として用いて圧電デバイスとするもので
ある。また、さらにガラス基板からなる蓋を用いてガラ
ス基板同士を陽極接合あるいは、直接接合することで圧
電デバイスを気密封止するものである。
直接接合し、半導体基板を前記ガラス基板に陽極接合す
ることにより、従来は不可能であった圧電体と半導体と
の接着剤を用いない一体化が可能になる。また、ガラス
基板の熱膨張率を適当に選ぶことにより、接合される材
料の組合せの自由度が広がる。さらに、圧電体基板とガ
ラス基板の直接接合を行った後で、ガラス基板と半導体
基板の最終的な接合を陽極接合法によって行えるので、
圧電体基板の厚さが薄く、強度が弱くても比較的厚いガ
ラス基板と一体化して取り扱い、加工を加えた後に半導
体基板への接合を行うことができる。つまり、最終の工
程がより簡便な工程で行えるので、作業性が向上し、製
造コストが抑えられる。さらに、接合に接着剤を用いて
いないため、複合基板を実際の素子に用いた場合や素子
を封止した後にも、接合部からのガスの発生や接合部の
変化が少なく、素子の経時変化を抑えられる。
構造を有しているため、半導体基板上に電子部品あるい
は回路部を作製すればこの複合基板を用いて小型で、信
頼性が高い圧電デバイスを低コストで得ることができ
る。
板の構成を示す側面図である。図1において、11は水
晶基板、12はガラス基板、13はケイ素基板である。
MHz水晶基板、12のガラス基板として1.0mm厚
さのパイレックスガラス、13のケイ素基板には0.3
5mm厚さの(100)ケイ素基板を用いた。
通常の脱脂洗浄を行った後、陽極接合する。この時、基
板温度は550℃、基板間電圧は650Vで十分な強度
をもった接合が得られるが、通常必要な接合強度を得る
ためにはこれより低い温度、低い印加電圧でも問題はな
い。
と水晶基板11を接合界面に粒子が存在しないように洗
浄した後、アルカリ性の親水化処理液に浸し、親水化処
理を行う。その後、流水洗浄し、接合面のアルカリ分を
十分洗い流すことでOH基終端された清浄な表面が得ら
れる。その後、両基板を界面に塵やほこりが入らないよ
うに十分に清浄な雰囲気中で接触させ、接合し一体化す
る。さらに、十分な接合強度を得るために、熱処理を加
えることで様々な後処理に耐えることのできる、安定で
強力な接合が得られる。この時の最高熱処理温度は、ガ
ラス基板12と水晶基板11の熱膨張率差と両基板の厚
さの比により決定される。当然熱処理温度が高いほど強
力な接合強度が得られるが、今回の組合せにおいては、
350℃程度の熱処理が可能であり、この温度で十分な
接合強度が得られる。さらに、ガラス基板として熱膨張
率が水晶に近いものを用いるか、より薄い水晶基板を用
いることでより高い温度での熱処理が可能になることが
わかっている。
基板12の直接接合を後に行ったが、この順序に限るも
のではなく、先にこの工程を行ってもよいがその際には
基板の構造をかえる必要がある。その例を次に示す。
基板の構成を示す側面図である。図2において、21は
ニオブ酸リチウム基板、22はガラス基板、23はひ化
ガリウム基板である。
板として、128゜Y−Xニオブ酸リチウム基板、22
のガラス基板として0.5mm厚さのホウ珪酸ガラス、
23のひ化ガリウム基板には0.35mm厚さの(10
0)ひ化ガリウム基板を用いた。
基板21を実施例1に述べたのと同様な方法で直接接合
する。直接接合を先に行うのは、ひ化ガリウム基板23
がアルカリ性の親水化処理液に容易にエッチングされる
ために、ひ化ガリウム基板を直接接合のプロセスに通す
ことができないからである。
ひ化ガリウム基板の脱脂洗浄を行った後、実施例1と同
様な方法で陽極接合する。この際、ガラス基板22とひ
化ガリウム基板間に効果的に電圧を印加するために、電
圧印加のための端子接続空間をニオブ酸リチウム基板上
に開けておく必要がある。この空間は基板上のどこにあ
ってもよく、その面積は微小なもので十分である。本実
施例の場合は、ひ化ガリウム基板を用いたため、直接接
合の工程を先にせざるを得ないが、実施例1のような組
合せにおいても、水晶基板11上に金属電極などが存在
する場合には、直接接合の工程は電極を侵すので、この
工程は電極形成の後に行う必要があり、本実施例と同様
の構造が必要となる。
の種類を問わず、圧電体基板と半導体基板の接合が可能
である。また、実施例1、2においては三層構造となっ
ているが、これに限るものではなく、陽極接合と直接接
合を用いて得られる構造であればよいことはいうまでも
ない。次に2層構造の例を示す。
基板の構成を示す側面図である。図3において、31は
タンタル酸リチウム基板である。
基板として、36゜Y−Xタンタル酸リチウム基板を用
いた。
31は直接接合されており、実施例1と同様な方法で行
う。また、ケイ素基板13とガラス基板22は陽極接合
されており、これも実施例1と同様の手順で接合されて
いる。
スを構成するのに本質的な圧電体と半導体が同一平面上
に存在することである。このことにより、接続電極を用
いて圧電体と半導体を電気的に容易に接続することが可
能になる。そのため、製造工程が簡略化され生産コスト
が抑えられる。
得られる実際の圧電デバイスについて以下に図を用いて
説明する。
例における複合基板から得られる水晶振動子の側面図、
(b)は上面図である。図4において、41は励振電
極、42は接続電極である。
42にはアルミ電極を用いた。図に示すように、水晶基
板11の振動部の振動が妨げられないようにガラス基板
12に片持ち梁で直接接合されており、さらに、ガラス
基板12とケイ素基板13が陽極接合されている。
て、ケイ素基板上に水晶振動子の整合回路などをあらか
じめ作製しておき、それを水晶基板上の励振電極41に
接続電極42を用いて接続すれば、水晶振動子とその回
路部が一体となった圧電デバイスが完成する。
面に接続されており、この面をアース面に取っている。
上面にアース端子がある場合には、半導体内にスルーホ
ールを形成し、導通を取るための導体を充填するなどの
方法をとればよいが、通常、半導体下面はアース面とな
ることが多いため、この構造の方が都合がよい。
場合についての例を示す。 (実施例5) 図5は、本発明の実施例における複合基板から得られる
弾性表面波素子の構成を示す側面図である。図5におい
て、51は櫛形電極、52は入出力電極である。
極52の電極材料にはアルミを用いた。
1は直接接合されており、ケイ素基板13とガラス基板
22は陽極接合されている。接合の手順は前に述べたと
おりである。
有する弾性表面波素子をケイ素基板13上に接続電極4
2を用いて接続することで、圧電デバイスとしての原型
が得られる。本実施例においても、実施例4と同様、ケ
イ素基板13上に回路を作製することができるのは当然
である。
されている櫛形電極51は、接合の前に作製しても接合
後に作製してもよいが、接合前に作製する場合には、熱
処理時の雰囲気を不活性ガスにするか、真空中で行うの
が望ましい。しかし、空気中で行っても、アルミ電極の
融点以下であれば特に問題はない。
合基板からは、回路と素子が一体となった圧電デバイス
が容易に得られる。さらに、形状を後から加工すること
により様々な形が得られる。次にその例を示す。
ける複合基板を加工することにより得られる水晶振動子
の構成を示す断面図である。
基板を得た後、前記基板のケイ素基板13及びガラス基
板12の一部をくり抜きエッチングした構成となってい
る。各接合部は、化学的にも安定でエッチングの際に剥
がれてしまうようなことはないので、通常のエッチング
と同様の方法で図のような形状が得られる。
作製することで、水晶振動子の原型が得られる。この電
極は、ケイ素基板13上に接続電極42を用いて接続さ
れているので回路との接続も可能である。
ャントは、両基板をエッチングするようなエッチャント
であれば1種でもよいが、正確な加工のためには、それ
ぞれ異なったエッチャントを用いた方が望ましい。しか
し、ガラスは比較的容易にエッチングされるためエッチ
ャントの選択は容易である。この構成によれば、基板単
位での取り扱いが可能になり、さらに、支持部が基板部
と一体に形成されているため支持に要する面積が極小化
され、素子一つの基板全体に占める体積が極小化できる
ため、小型化に有利である。また、大きさを特に問題と
しなければ、構成をかえることでエッチングの容易なガ
ラスのみを加工することによっても上記のような構造が
得られる。以下にその例を示す。
る複合基板を加工することにより得られる水晶振動子の
構成を示す断面図である。
材料で構成されており、得られる機能も同様である。し
かし、実施例6とは異なり、加工すべき基板はガラス基
板12のみであるので実施例6に比べて加工は容易なも
のとなっている。また、振動部片持ち梁構造でフリーな
状態に近く、振動子としての特性劣化が防げる。
これらの形状は、接合前に各基板をこのような構造が得
られるように穴開け加工しておいても実現できることは
いうまでもない。
板からなる素子を気密封止する例を以下に示す。
例8の弾性表面波素子の構成を示す断面図、(b)はそ
の上面図である。図8において、81は外部にアースを
取るための導通部、82は取り出し電極、83は入出力
取り出し部である。
3には導電性樹脂が埋め込まれておりケイ素基板13下
面及び取り出し電極82との導通がとられている。
合基板と同じ構成であり、同一平面上にデバイス作製上
の本質的な部分が存在しているため、構造が簡単であ
る。さらに、ガラス基板からなる蓋が同じガラス基板部
に陽極接合されることにより素子部の気密封止が実現さ
れているため、封止後のガスの発生源の全くない良好な
気密封止が達成される。ガラス基板の接合は直接接合で
も実現できるが、陽極接合の方が、洗浄工程が複雑でな
い分、全体の製造工程が簡略化される。また、アースの
ための導通部81はケイ素基板13の下部にあり、取り
出し電極82はガラス基板内にあればどこでもよく、取
り出し電極82周辺の基板表面がガラスと接合されるこ
とで外気と遮断されるため、全体の気密封止においては
特に問題とならない。
ば、従来は不可能であった圧電体基板と半導体基板が一
体となった構造を接着剤を用いずに実現できる。さら
に、接合部はすべて化学的、物理的に安定で、ガスなど
の発生が全くない複合基板が得られる。このため、本発
明の複合基板からなる圧電デバイスは、信頼性が高く、
経時変化の少ないものとなる。また、圧電デバイスの作
製の際に、基板単位での取り扱いが可能であるため、量
産性が高く、低コストで小型で信頼性の高い圧電デバイ
スが得られる。
部を作製できるため、回路が一体となった圧電デバイス
の作製が可能になる。また、圧電体を振動子として用い
て、その対向する励振電極を半導体の上下両面に接続す
ることで、回路のアース部と振動子のアース部を共通に
取ることが容易になる。
素子と半導体回路を作製することで、さらに容易に回路
と一体化した圧電デバイスが得られる。
板に陽極接合あるいは直接接合することにより、信頼性
の高い気密封止が達成できる。
図
図
図
得られる水晶振動子の側面図 (b)は本発明の実施例における複合基板から得られる
水晶振動子の上面図
弾性表面波素子の構成を示す側面図
面図
面図
構成を示す断面図 (b)は本発明の実施例8の弾性表面波素子の構成を示
す上面図
Claims (7)
- 【請求項1】それぞれ鏡面に研磨された圧電体基板とガ
ラス基板の接合面に親水化処理を施し、接触させて接着
し、熱処理を加えることで強固に直接接合し、前記ガラ
ス基板上の前記圧電体基板の接合されていない部分に半
導体基板を接触させ、両基板を加温しながら、両基板間
に電圧を加えて陽極接合することを特徴とする圧電体−
半導体複合基板の製造方法。 - 【請求項2】圧電体基板が水晶、ニオブ酸リチウム、あ
るいはタンタル酸リチウムのいずれかであり、半導体基
板がケイ素あるいはひ化ガリウムであることを特徴とす
る請求項1記載の圧電体−半導体複合基板の製造方法。 - 【請求項3】請求項1または2記載の製造方法によりえ
られる複合基板において、圧電体基板及び半導体基板が
ガラス基板の同一面上にあることを特徴とする圧電体−
半導体複合基板。 - 【請求項4】 ガラス基板と、前記ガラス基板の上面に
直接接合された圧電体基板と、前記ガラス基板の下面に
陽極接合された半導体基板と、振動部として動作する前
記圧電体基板上下両面に対向する励振電極とを備え、 前記振動部直下には前記ガラス基板及び前記半導体基板
がなく、前記励振電極の上面側は前記ガラス基板部を経
て、前記半導体基板の上面に有する電子部品部あるいは
電気・電子回路部に接続されており、前記励振電極の下
面側は前記ガラス基板部を経て、前記半導体基板の下面
に接続されており、前記半導体基板下面が前記電子部品
部あるいは電気・電子回路部のアース部と接続されてお
り、 前記ガラス基板は前記圧電体基板と直接接合する際の熱
処理で溶融しない ことを特徴とする圧電デバイス。 - 【請求項5】請求項3記載の複合基板において、振動部
として動作する圧電体基板上下両面に対向する励振電極
を有し、前記振動部直下にはガラス基板がなく、さらに
半導体基板の下面の一部に前記ガラス基板のない部分を
有し、前記励振電極の上面側は前記ガラス基板の上面を
経て、前記半導体基板の上面に有する電子部品部あるい
は電気・電子回路部に接続されており、前記励振電極の
下面側は、前記ガラス基板の下面を経て、前記半導体基
板の下面に有する前記ガラス基板のない部分に接続され
ており、前記半導体基板下面が前記電子部品部あるいは
電気・電子回路部のアース部と接続されていることを特
徴とする圧電デバイス。 - 【請求項6】請求項3記載の複合基板において、圧電体
基板上面に弾性表面波素子を有し、前記弾性表面波素子
の入出力電極がガラス基板上面を経て、半導体基板上面
に有する電子部品部あるいは電気・電子回路部に接続さ
れていることを特徴とする圧電デバイス。 - 【請求項7】請求項6記載の圧電デバイスにおいて、さ
らにガラス基板からなる蓋部を前記ガラス基板に陽極接
合または直接接合することによって気密封止することを
特徴とする圧電デバイス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31635393A JP3453822B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイス |
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JP31635393A JP3453822B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイス |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH07169924A JPH07169924A (ja) | 1995-07-04 |
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JP31635393A Expired - Fee Related JP3453822B2 (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 圧電体−半導体複合基板の製造方法とそれを用いた圧電デバイス |
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-
1993
- 1993-12-16 JP JP31635393A patent/JP3453822B2/ja not_active Expired - Fee Related
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