JP6166170B2

JP6166170B2 - 複合基板及びその製法

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Publication number: JP6166170B2
Application number: JP2013259487A
Authority: JP
Inventors: 裕二堀
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: JP2015119219A

Description

本発明は、複合基板及びその製法に関する。

近年、半導体製造プロセスを応用した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electoro Mechanical Sysem）の研究・開発が盛んに行われている。こうしたＭＥＭＳに利用可能な基本的構造の一つとして、キャビティを有する支持基板と、このキャビティを覆うようにして支持基板に接合された圧電薄板とを備えたものが挙げられる。この基本的な構造は、ＭＥＭＳのほかに、弾性波デバイスなどにも利用可能である。こうした基本的な構造を作製するには、例えば、以下の２つの方法がある。第１の方法は、キャビティを有する支持基板に、このキャビティを覆うようにして厚めの圧電基板を接合し、接合後、圧電基板を薄く研磨する方法である（例えば非特許文献１参照）。第２の方法は、キャビティを有する支持基板のキャビティを犠牲層で充填しておき、支持基板の犠牲層側と厚めの圧電基板とを接合し、圧電基板を薄く研磨したあと、犠牲層をエッチングする方法である。キャビティ内の犠牲層をエッチングする技術については、例えば非特許文献２に開示されている。

IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, 2007, p873-876 ＲＦＭＥＭＳとその応用（大和田邦樹著、ケイラボ出版，２００４年）６２頁

しかしながら、第１の方法では、圧電基板を研磨したとき、圧電基板のうちキャビティの直上の部分とそうでない部分とで研磨後の厚みが大きく異なってしまうという問題があった。圧電基板の面内厚み分布が大きいと、圧電ＭＥＭＳを作製した場合に所望の特性が得にくいため、好ましくない。一方、第２の方法では、キャビティが犠牲層で充填されているため、研磨後の圧電基板の面内厚み分布は小さいが、犠牲層をエッチングする工程が必要であり、更には犠牲層を完全に除去できなかったり、圧電基板がキャビティ内に張り付いてしまい素子が機能しないおそれがあった。こうしたことから、厚みの薄い圧電基板でありながら面内厚み分布の小さな複合基板を比較的簡単に製造する方法の開発が望まれていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、圧電基板とキャビティを有する支持基板とを備えた複合基板であって、厚みの薄い圧電基板でありながら面内厚み分布の小さな複合基板を比較的簡単に製造することを主目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の複合基板の製法は、
（ａ）表裏両面が平坦な第１支持基板と表裏両面が平坦な圧電基板とを有機接着層で貼り合わせた貼り合わせ基板を用意し、前記貼り合わせ基板の前記圧電基板の厚みが０．１〜３μｍとなるように研磨を行う工程と、
（ｂ）キャビティを有する第２支持基板を用意し、前記第２支持基板のうち前記キャビティが設けられた面と前記圧電基板のうち前記第１支持基板の接合面とは反対側の面とを直接接合する工程と、
（ｃ）前記有機接着層をエッチングして前記圧電基板から前記第１支持基板を外すことにより、前記圧電基板と前記第２支持基板とが接合された複合基板を得る工程と、
を含むものである。

この複合基板の製法では、まず、工程（ａ）で、貼り合わせ基板の圧電基板を研磨によって厚みが０．１〜３μｍとなるようにする。研磨の一例としては、ラップ研磨機を用いてダイヤモンドスラリーによる表面を研磨し、続いて、コロイダルシリカを用いてＣＭＰ研磨機により精密研磨を行う。ＣＭＰとは、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing）のことであり、研磨剤（砥粒）自体が有する表面化学作用または研磨液に含まれる化学成分の作用によって、研磨剤と研磨対象物の相対運動による機械的研磨（表面除去）効果を増大させ、高速かつ平滑な研磨面を得る技術である。貼り合わせ基板を構成する第１支持基板及び圧電基板はいずれもキャビティなどのない平坦な表面をもつ基板であるため、研磨後の圧電基板の面内厚み分布を非常に小さくすることができる（例えば±５０ｎｍ以内）。次に、工程（ｂ）で、第２支持基板のうち前記キャビティが設けられた面と圧電基板のうち第１支持基板の接合面とは反対側の面とを直接接合する。これにより、圧電基板が第１支持基板と第２支持基板とにより挟まれた３層構造となる。次に、工程（ｃ）で、有機接着層をエッチングして圧電基板から第１支持基板を外すことにより、圧電基板と第２支持基板とが接合された複合基板を得る。得られた複合基板の圧電基板は、工程（ａ）終了時の面内厚み分布を維持している。以上のように、この複合基板の製法によれば、上述した第２の方法のようにキャビティに犠牲層を充填したりその犠牲層を除去したりする必要がないため、厚みの薄い圧電基板でありながら面内厚み分布の小さな複合基板を比較的簡単に製造することができる。

本発明の複合基板の製法において、前記工程（ｂ）では、前記第２支持基板と前記圧電基板とを接合する前に、前記圧電基板上に電極を形成し、前記第２支持基板の前記キャビティ内に前記電極が包含されるように前記第２支持基板と前記圧電基板とを直接接合してもよい。こうすれば、圧電基板のうちキャビティ側の表面に電極を持つ構造を容易に作製することができる。こうした複合基板の製法において、前記第２支持基板は、前記キャビティを複数有しており、前記圧電基板の前記電極は、前記キャビティのそれぞれに対応して形成されていてもよい。こうすれば、複合基板をキャビティごとにダイシングすることで、微小なサイズの複合基板を多数製造することができる。

本発明の複合基板は、
キャビティを有する支持基板と、
前記キャビティを覆うようにして前記支持基板に直接接合され、厚みが０．１〜３μｍで面内の厚み分布が±５０ｎｍ以内の圧電基板と、
前記圧電基板のうち前記支持基板の前記キャビティ内に位置する表面に形成された電極と、
を備えたものである。

この複合基板は、上述した複合基板の製法によって得られるものである。上述した複合基板の製法は、従来の製法と比べて大きく異なるものである。その製法によって、圧電基板の厚みが０．１〜３μｍと極めて薄いにもかかわらず面内の厚み分布が±５０ｎｍと非常に小さな複合基板が得られるようになったのである。その結果、この複合基板を用いて圧電ＭＥＭＳや弾性波デバイスなどを作製すると、所望の特性を得ることができる。

複合基板１０を模式的に示す断面図。複合基板１０の製造プロセスを模式的に示す断面図。研磨装置１２０の説明図。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、複合基板１０を模式的に示す断面図である。

複合基板１０は、支持基板２２と圧電基板１２とを備えている。支持基板２２は、キャビティ２４を有している。圧電基板１２は、キャビティ２４を覆うようにして支持基板２２に直接接合されている。圧電基板１２のうち支持基板２２に対向する表面には、所定のパターンの電極１４が形成されている。なお、以下では、支持基板２２を第２支持基板２２と称することもある。

支持基板２２の材質としては、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、無アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、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、ホウ酸リチウム、ランガサイト、水晶などが挙げられる。また、支持基板２２の大きさは、特に限定するものではないが、例えば直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１００〜１０００μｍ、好ましくは１５０〜５００μｍである。

圧電基板１２の材質としては、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、硼酸リチウム、ランガサイト、水晶などが挙げられる。圧電基板１２の大きさは、特に限定するものではないが、例えば直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが０．１〜３μｍである。また、圧電基板１２の面内厚み分布は例えば±５０ｎｍ以内である。

この複合基板１０は、更に圧電基板１２の露出面に電極パターンを形成して圧電ＭＥＭＳや弾性波デバイスとして利用可能である。

こうした複合基板１０を製造するプロセスについて、図２に基づいて以下に説明する。図２は、複合基板１０の製造プロセスを模式的に示す断面図である。ここでは、工程（ａ）〜（ｃ）の３つに分けて説明する。

・工程（ａ）
厚みが１００〜１０００μｍの第１支持基板２１と、厚みが１００〜１０００μｍの圧電基板１２とを有機接着層３０で貼り合わせた貼り合わせ基板５０を用意する。第１支持基板２１及び圧電基板１２の表裏両面は、いずれもキャビティなどのない平坦な面である。第１支持基板２１の材質は、支持基板２２で例示したものと同じである。なお、第１支持基板２１と支持基板２２とは同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。有機接着層３０は、例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂などが挙げられる。この貼り合わせ基板５０の圧電基板１２の厚みが０．１〜３μｍとなるように研磨を行う。貼り合わせ基板５０を構成する第１支持基板２１及び圧電基板１２はいずれもキャビティなどのない平坦な表面をもつ基板であるため、研磨後の圧電基板１２の面内厚み分布は非常に小さくなる（例えば±５０ｎｍ以内）。研磨の一例としては、ラップ研磨機を用いてダイヤモンドスラリーによる表面を研磨し、続いて、コロイダルシリカを用いてＣＭＰ研磨機により精密研磨を行う。

ＣＭＰは、図３に示す研磨装置１２０を用いて行う。研磨装置１２０は、円盤状で径の大きな定盤１２２と、円盤状で径の小さな基板キャリア１２６と、研磨剤を含むスラリーを定盤１２２上へ供給するパイプ１２９とを備えている。定盤１２２は、裏面中央にシャフト１２２ａを備えており、図示しない駆動モータでシャフト１２２ａが回転駆動されることにより軸回転する。この定盤１２２は、表面に不織布などからなる研磨布１２４が取り付けられている。基板キャリア１２６は、上面中央にシャフト１２６ａを備えており、図示しない駆動モータでシャフト１２６ａが回転駆動されることにより軸回転する。また、基板キャリア１２６の下面には、凹部１２６ｂが形成されている。この基板キャリア１２６は、定盤１２２の中心からずれた位置に配置されている。パイプ１２９は、基板キャリア１２６の近傍に配置され、研磨剤を含むスラリーを研磨布１２４に供給する役割を果たす。この研磨装置１２０の使用方法について説明する。まず、基板キャリア１２６の下面に設けられた凹部１２６ｂに貼り合わせ基板５０の第１支持基板側をワックスを用いて固定する。次に、貼り合わせ基板５０の圧電基板１２を研磨布１２４に接触させた状態で、パイプ１２９から研磨布１２４にスラリーを供給しながら定盤１２２及び基板キャリア１２６を軸回転させる。そして、圧電基板１２が所定の厚みになるまで研磨を行う。

・工程（ｂ）
圧電基板１２のうち第１支持基板２１と接合している側とは反対側の面に電極１４を形成する。電極１４は、フォトリソグラフィー技術によって形成することができる。続いて、厚みが１００〜５００μｍでキャビティ２４を有する第２支持基板２２を用意する。この第２支持基板２２のキャビティ２４内に電極１４が包含されるように第２支持基板２２と圧電基板１２とを配置する。そして、第２支持基板２２のうちキャビティ２４が設けられた面と圧電基板１２のうち第１支持基板２１の接合面とは反対側の面とを直接接合する。直接接合は、圧電基板１２と第２支持基板２２のそれぞれの接合面を活性化した後、両接合面を向かい合わせにした状態で両基板１２，２２を押圧することにより行う。接合面の活性化は、例えば、接合面への不活性ガス（アルゴンなど）のイオンビームの照射のほか、プラズマや中性原子ビームの照射などが挙げられる。これにより、圧電基板１２を第１支持基板２１と第２支持基板２２とで挟み込んだ３層構造体６０を得る。

・工程（ｃ）
３層構造体６０の有機接着層３０をエッチャントを用いてエッチングして、圧電基板１２から第１支持基板２１を外すことにより、圧電基板２１と第２支持基板２２とが接合された複合基板１０を得る。エッチャントとしては、有機接着層３０を溶解可能なものであれば特に限定するものではなく、例えば、酸性液でもよいし、アルカリ性液でもよい。酸性液としては、フッ硝酸、フッ酸、硝酸、硫酸、塩酸、これらの混合液などが挙げられる。これらは、必要に応じて、適宜水で希釈してもよい。また、アルカリ性溶液としては、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液などが挙げられる。またそのままの状態でのエッチングで時間がかかる場合には、第１支持基板側からハーフダイシングを行い、有機接着層３０まで切り込みを入れた後でエッチングしてもよい。こうすれば、エッチングが容易に進む。あるいは接着剤の接合界面にブレードを入れて機械的に剥離することも可能である。

以上詳述した本実施形態の複合基板１０の製法によれば、厚みの薄い圧電基板１２でありながら面内厚み分布の小さな複合基板１０を比較的簡単に製造することができる。具体的には、背景技術の欄で述べた第２の方法のようにキャビティ２４に犠牲層を充填したりその犠牲層を除去したりする必要がない。

また、圧電基板１２のうちキャビティ２４側の表面に電極１４を持つ構造を容易に作製することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態の第２支持基板２２として、キャビティ２４を複数有するものを使用し、圧電基板１２の電極１４は、キャビティ２４のそれぞれに対応して複数形成されているものを使用してもよい。こうすれば、複合基板１０をキャビティ２４ごとにダイシングすることで、微小なサイズの複合基板を多数製造することができる。

［実施例１］
第１支持基板として、厚みが５００μｍのＳｉ（１１１）基板を用意し、圧電基板として、厚みが２３０μｍのＬｉＮｂＯ₃基板（ＬＮ基板）を用意した。Ｓｉ基板にアクリル系の接着剤を用いてＬＮ基板を貼り合わせ、貼り合わせ基板とした。定盤とセラミックス製の基板キャリアとを備えた研磨装置（図３参照）を用意し、貼り合わせ基板のＳｉ基板側を基板キャリアにワックスを用いて固定し、ＬＮ基板の厚みが１．０μｍになるまでＣＭＰで片面研磨を行った。研磨後のＬＮ基板の面内厚み分布を測定したところ、面内で±５０ｎｍの高精度薄膜が実現できていることが分かった。基板キャリアから貼り合わせ基板を剥離し、有機溶剤、純水を用いて十分な洗浄を行った。

貼り合わせ基板のＬＮ基板側に、予め用意したフォトマスクを用いてフォトリソグラフィー工程を実施し、多数の電極を形成した。また、その電極から配線を引き出すために、ＬＮ基板にφ１５μｍのビアホールを同時に形成した。次いで、第２支持基板として、１ｍｍ角、深さ５０μｍのキャビティを多数形成した厚みが２００μｍの無アルカリガラス基板を用意した。キャビティは、電極と１対１に対応するように形成した。続いて、貼り合わせ基板とガラス基板とを直接接合装置内に設置した。そして、貼り合わせ基板の圧電基板表面とガラス基板のキャビティ形成面にアルゴンのイオンビームを照射して表面を活性化させ、約２００ｋｇの加重をかけて両基板を接合した。これにより、ＬＮ基板をＳｉ基板とガラス基板とで挟み込んだ３層構造体を得た。

３層構造体を装置内から取り出し、ガラス基板側をダイシングテープに貼り付け、ハーフダイシングを実施した。その後、ＫＯＨ水溶液（４０ｗｔ％）内に約１０分浸漬することでアクリル系の接着層をエッチングした。その結果、Ｓｉ基板が完全に剥離し、キャビティを持つガラス基板上にＬＮ基板が接合された複合基板を得た。この複合基板は、キャビティを有するガラス基板と、キャビティを覆うようにしてガラス基板に直接接合され、厚みが１．０μｍで面内厚み分布が±５０ｎｍ以内のＬＮ基板と、ＬＮ基板のうちガラス基板のキャビティ内に位置する表面に形成された電極とを備えていた。更に、この複合基板のＬＮ基板にフォトリソグラフィーを実施し、必要な電極を形成することで、ＬＮ薄膜を利用した圧電素子を得た。このような圧電素子は例えば、共振器として利用することができる。

１０複合基板、１２圧電基板、１４電極、２１第１支持基板、２２第２支持基板（支持基板）、２４キャビティ、３０有機接着層、５０貼り合わせ基板、６０３層構造体、１２０研磨装置、１２２定盤、１２２ａシャフト、１２４研磨布、１２６基板キャリア、１２６ａシャフト、１２６ｂ凹部、１２９パイプ。

Claims

（ａ）表裏両面が平坦な第１支持基板と表裏両面が平坦な圧電基板とを有機接着層で貼り合わせた貼り合わせ基板を用意し、前記貼り合わせ基板の前記圧電基板の厚みが０．１〜３μｍとなるように研磨を行う工程と、
（ｂ）キャビティを有する第２支持基板を用意し、前記第２支持基板のうち前記キャビティが設けられた面と前記圧電基板のうち前記第１支持基板の接合面とは反対側の面とを直接接合する工程と、
（ｃ）前記有機接着層をエッチングして前記圧電基板から前記第１支持基板を外すことにより、前記圧電基板と前記第２支持基板とが接合された複合基板を得る工程と、
を含む複合基板の製法。
前記工程（ｂ）では、前記第２支持基板と前記圧電基板とを接合する前に、前記圧電基板上に電極を形成し、前記第２支持基板の前記キャビティ内に前記電極が包含されるように前記第２支持基板と前記圧電基板とを直接接合する、
請求項１に記載の複合基板の製法。
前記第２支持基板は、前記キャビティを複数有しており、
前記圧電基板の前記電極は、前記キャビティのそれぞれに対応して形成されている、
請求項２に記載の複合基板の製法。
前記工程（ｃ）では、前記有機接着層をエッチングする前に前記第１支持基板側からハーフダイシングを行い、前記有機接着層まで切り込みを入れる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
キャビティを有する支持基板と、
前記キャビティを覆うようにして前記支持基板に直接接合され、厚みが０．１〜３μｍで面内の厚み分布が±５０ｎｍ以内の圧電基板と、
前記圧電基板の前記支持基板に対向する表面に形成された電極と、
を備えた複合基板。