JP6567970B2 - 複合基板の製法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合基板及びその製法に関する。
弾性波デバイスは、圧電基板の片面にＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極が形成されたものであり、特定の周波数帯域の信号を取り出すものである。近年、弾性波デバイスの温度特性を改善する目的で、熱膨張係数の小さな支持基板上に薄い圧電基板を接合した複合基板が用いられている。こうした複合基板としては、例えば、圧電基板としてタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム、支持基板としてシリコンや石英を用いたものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００６−３１９６７９号公報
ところで、複合基板は、一般に、圧電基板の分極プラス面にＩＤＴ電極が形成され、分極マイナス面で支持基板と接合される。また、複合基板を製造するにあたっては、まず圧電基板と支持基板とを直接接合法で接合し、次に圧電基板の表面を研削・研磨して圧電基板を薄くする。直接接合法で接合する場合、圧電基板の接合面及び支持基板の接合面にアルゴンビームを照射する。この際、圧電基板の分極マイナス面にアルゴンビームを照射すると、照射後の算術平均粗さＲａは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で１０μｍ四方の面積を測定したとき０．５ｎｍ程度となる。
しかしながら、直接接合法で接合したときの接合強度は、表面の酸化膜や水分などの吸着物を完全に除去し表面を活性化した上で、接合面の算術平均粗さＲａが小さいほど強くなるため、接合面の算術平均粗さＲａをできるだけ小さくすることが望まれていた。
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、複合基板において圧電基板と支持基板とを直接接合法で接合したときの接合強度を強くすることを主目的とする。
本発明の複合基板は、
一方の面が分極マイナス面、もう一方の面が分極プラス面である圧電基板と、
前記圧電基板の前記分極プラス面と直接接合により接合された支持基板と、
を備えたものである。
この複合基板では、圧電基板の分極プラス面が支持基板の片面と直接接合されている。ここで、圧電基板の分極プラス面に直接接合のための処理を施したあとの分極プラス面と、分極マイナス面に直接接合のための処理を施したあとの分極マイナス面とを比較すると、圧電基板の表面の除去量が同じ時、表面粗さは前者の方が後者よりも良好な値となる。このため、前者の方が後者よりも直接接合法で接合したときの接合強度が強くなる。なお、直接接合のための処理としては、例えば、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。
本発明の複合基板において、前記圧電基板の前記分極マイナス面は、強酸によりエッチングされたものであり、前記強酸によるエッチングレートは、前記分極プラス面よりも前記分極マイナス面の方が大きく、前記分極マイナス面よりも前記支持基板の方が大きいものとしてもよい。この複合基板では、圧電基板の分極プラス面が支持基板の片面と接合されているため、圧電基板の表面は強酸によるエッチングのレートの大きな分極マイナス面である。そのため、圧電基板の表面を所定厚さだけ強酸によりエッチングするのに必要な時間、つまり、エッチングする際に複合基板全体を強酸に浸漬する時間は、圧電基板の表面が分極プラス面の場合に比べて短くなる。ここで、支持基板は圧電基板の分極マイナス面よりもエッチングレートが大きいため、複合基板全体を強酸に浸漬すると支持基板もエッチングされる。しかし、上述したように、強酸に浸漬する時間は、圧電基板の表面が分極プラス面の場合に比べて短いため、支持基板のエッチングの進行度合いを接合強度に影響のない程度に低く抑えることができる。したがって、複合基板において圧電基板表面を強酸によってエッチングした後も支持基板と圧電基板との接合強度を十分確保することができる。
本発明の複合基板において、前記強酸は、フッ硝酸又はフッ酸が好ましい。フッ硝酸又はフッ酸を用いれば、圧電基板の表面（分極マイナス面）を比較的速やかにエッチングすることができる。
本発明の複合基板において、前記支持基板は、前記圧電基板よりも熱膨張係数の小さいものが好ましい。こうすれば、この複合基板を用いて弾性波デバイスを作製した場合、温度が変化したときの圧電基板の大きさの変化を小さくして弾性波デバイスの温度変化に対する周波数特性の変化を抑制することができる。
本発明の複合基板において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）基板又はニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板であり、前記支持基板は、シリコン基板又はガラス基板であることが好ましい。ＬＴ基板やＬＮ基板は分極ベクトルが大きいため、分極プラス面及び分極マイナス面の強酸によるエッチングレートの差が大きくなりやすく、本発明を適用する意義が高い。また、シリコン基板やガラス基板は、ＬＴ基板やＬＮ基板に比べて強酸によるエッチングレートが大きく、強酸に浸漬する時間を短くしてエッチングの進行度合いを低く抑える必要性が高いため、本発明を適用する意義が高い。
本発明の複合基板の製法は、一方の面が分極マイナス面、もう一方の面が分極プラス面である圧電基板の分極プラス面と支持基板の片面とを直接接合法で接合することにより複合基板を製造する接合工程を含むものである。
この複合基板の製法では、圧電基板の分極プラス面と支持基板の片面とを直接接合する。ここで、圧電基板の分極プラス面に直接接合のための処理を施したあとの分極プラス面と、分極マイナス面に直接接合のための処理を施したあとの分極マイナス面とを比較すると、表面粗さは前者の方が後者よりも良好な値となる。このため、前者の方が後者よりも直接接合法で接合したときの接合強度が強くなる。
本発明の複合基板の製法は、更に、前記接合工程で得られた複合基板のうち前記圧電基板の前記分極マイナス面を研削・研磨する薄板化工程と、前記薄板化工程後に前記分極マイナス面に発生した加工変質層を強酸によってエッチングするエッチング工程と、を含み、前記圧電基板及び前記支持基板として、前記強酸によるエッチングレートが前記分極プラス面よりも前記分極マイナス面の方が大きく、前記分極マイナス面よりも前記支持基板の方が大きいものを使用してもよい。薄板化工程では、分極マイナス面に加工変質層（研削・研磨によって材質的に変化した層）が発生する。エッチング工程では、この加工変質層を強酸によってエッチングして除去する。その際、圧電基板の表面に生じた加工変質層を強酸によりエッチングするのに必要な時間、つまり、エッチングする際に複合基板全体を強酸に浸漬する時間は、圧電基板の表面が分極プラス面の場合に比べて短くなる。ここで、支持基板は圧電基板の分極マイナス面よりもエッチングレートが大きいため、複合基板全体を強酸に浸漬すると支持基板もエッチングされる。しかし、上述したように、強酸に浸漬する時間は、圧電基板の表面が分極プラス面の場合に比べて短いため、支持基板のエッチングの進行度合いを接合強度に影響のない程度に低く抑えることができる。したがって、複合基板において圧電基板表面を強酸によってエッチングした後も支持基板と圧電基板との接合強度を十分確保することができる。
本発明の複合基板の製法において、前記強酸としてフッ硝酸又はフッ酸を用いることが好ましい。フッ硝酸又はフッ酸を用いれば、圧電基板の表面を比較的速やかにエッチングすることができる。
本発明の複合基板の製法において、前記支持基板として前記圧電基板よりも熱膨張係数の小さいものを用意するのが好ましい。こうすれば、この複合基板を用いて弾性波デバイスを作製した場合、温度が変化したときの圧電基板の大きさの変化を小さくして弾性波デバイスの温度変化に対する周波数特性の変化を抑制することができる。
本発明の複合基板の製法において、前記圧電基板として、ＬＴ基板又はＬＮ基板を用意し、前記支持基板として、シリコン基板又はガラス基板を用意するのが好ましい。ＬＴ基板やＬＮ基板は分極ベクトルが大きいため、分極プラス面及び分極マイナス面の強酸によるエッチングレートの差が大きくなりやすく、本発明を適用する意義が高い。また、シリコン基板やガラス基板は、ＬＴ基板やＬＮ基板に比べて強酸によるエッチングレートが大きく、強酸に浸漬する時間を短くしてエッチングの進行度合いを低く抑える必要性が高いため、本発明を適用する意義が高い。
複合基板１０の斜視図。 圧電単結晶から切り出したウェハーのカット角度の説明図。 複合基板１０の製造工程を模式的に示す断面図。 複合基板１０の製造工程を模式的に示す斜視図。 複合基板１０を用いて作製した１ポートＳＡＷ共振子３０の斜視図。
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は本実施形態の複合基板１０の斜視図である。
複合基板１０は、圧電基板１２と支持基板１４とが直接接合により接合されたものである。直接接合方法の一例としては、まず、両基板１２，１４の接合面を洗浄後アルゴン等の不活性ガスのイオンビームを照射することで接合面を活性化させ、その後両基板１２，１４を貼り合わせる方法が挙げられる。
圧電基板１２は、弾性表面波（ＳＡＷ）を伝搬可能な基板である。この圧電基板１２の材質としては、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、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（ＬＧＳ）、ランガテイト（ＬＧＴ）などが挙げられる。このうち、ＬＴ又はＬＮが好ましい。ＬＴやＬＮは、ＳＡＷの伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性波デバイスとして適しているからである。圧電基板１２の厚さは、特に限定するものではないが、例えば、０．２〜５０μｍとしてもよい。この圧電基板１２は、一方の面が分極マイナス面１２ａ、もう一方の面が分極プラス面１２ｂである。強酸（例えばフッ硝酸やフッ酸）によるエッチングのレートは、分極プラス面１２ｂよりも分極マイナス面１２ａの方が大きい。圧電基板１２は、分極プラス面１２ｂで支持基板１４と直接接合されており、分極マイナス面１２ａが表面に現れている。また、圧電基板１２の分極マイナス面１２ａは、強酸によってエッチングされたものである。
ここで、各種のＬＴ及びＬＮについて、６５℃でフッ硝酸を用いてエッチングしたときのレートを表１に示す。いずれの基板においても、エッチングレートは分極プラス面よりも分極マイナス面の方が大きな値になっている。表１中のカット角度について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は圧電単結晶をウェハーに切断する前の状態であって、Ｘ軸が左右方向、Ｙ軸が上下方向，Ｚ軸が紙面に垂直方向である。この圧電単結晶は、ｃ軸方向、つまりＺ軸方向に自発分極している。例えば、表１中の「ＬＴ３６°Ｙ」は、３６°回転ＹカットＬＴであり、図２（ｂ）に示すようにＸ軸を回転軸として、Ｙ軸及びＺ軸を同方向に３６°回転させて新たにＹ’軸及びＺ’軸としたときに、Ｙ’軸が上面の法線方向となるように切断したウェハーであることを意味する。なお、弾性波の伝搬方向はＸ軸方向である。
Figure 0006567970
支持基板１４は、圧電基板１２よりも熱膨張係数が小さいものであり、圧電基板１２の裏面に直接接合により接合されている。支持基板１４を圧電基板１２よりも熱膨張係数が小さいものとすることで、温度が変化したときの圧電基板１２の大きさの変化を抑制し、複合基板１０を弾性波デバイスとして用いた場合における周波数特性の温度変化を抑制することができる。支持基板１４は、圧電基板１２の分極マイナス面１２ａよりも強酸によるエッチングのレートが大きな材質（例えば１０〜５０μｍ／ｈｒ）で作製されている。こうした支持基板１４の材質としては、シリコンやガラス（ホウ珪酸ガラスや石英ガラス等）などが挙げられる。また、支持基板１４の厚さは、特に限定するものではないが、例えば、２００〜１２００μｍとしてもよい。
次に、複合基板１０の製法について、図３及び図４を用いて以下に説明する。図３及び図４は複合基板１０の製造工程を模式的に示す断面図及び斜視図である。
まず、オリエンテーションフラット（ＯＦ）を有する円盤状の圧電基板１２と、これと同形状の支持基板１４とを用意する（図３（ａ）及び図４（ａ）参照）。次に、両基板１２，１４の接合面を洗浄し、該接合面に付着している汚れを除去する。このとき、圧電基板１２については、分極プラス面１２ｂを接合面とする。次に、両基板１２，１４の接合面にアルゴン等の不活性ガスのイオンビームを照射することで、残留した不純物（酸化膜や吸着物等）を除去すると共に接合面を活性化させる。その後、真空中、常温で両基板１２，１４のＯＦが一致するように位置合わせをした上で両基板１２，１４を貼り合わせる（図３（ｂ）及び図４（ｂ）参照）。その結果、圧電基板１２の表面は分極マイナス面１２ａとなる。次に、圧電基板１２の表面を所定の厚さになるまで研削・研磨して、薄板化された圧電基板１２とする（図３（ｃ）及び図４（ｃ）参照）。研削・研磨後の圧電基板１２の表面には、加工変質層１２ｃが発生する。加工変質層１２ｃは、研削・研磨によって材質的に変化した層である。その後、接合された基板全体を強酸に浸漬して圧電基板１２の加工変質層１２ｃをエッチングにより除去して更に薄板化した圧電基板１２とすることにより、複合基板１０を得る（図３（ｄ）及び図４（ｄ）参照）。
こうして得られた複合基板１０は、この後、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて、多数の弾性表面波デバイスの集合体としたあと、ダイシングにより１つ１つの弾性表面波デバイスに切り出される。複合基板１０を弾性表面波デバイスである１ポートＳＡＷ共振子３０の集合体としたときの様子を図５に示す。１ポートＳＡＷ共振子３０は、フォトリソグラフィ技術により、圧電基板１２の表面にＩＤＴ（Interdigital Transducer)電極３２，３４と反射電極３６とが形成されたものである。
以上説明した本実施形態の複合基板１０では、圧電基板１２の分極プラス面１２ｂが支持基板１４の片面と直接接合されている。ここで、圧電基板１２の分極プラス面１２ｂにイオンビームを照射したときと分極マイナス面１２ａにイオンビームを照射したときとを比較すると、イオンビームを照射した面の表面粗さは前者の方が後者よりも良好な値となる。このため、前者の方が後者よりも直接接合法で接合したときの接合強度が強くなる。
また、圧電基板１２の表面は強酸によるエッチングのレートの大きな分極マイナス面１２ａである。そのため、圧電基板１２の表面を所定厚さだけ強酸によりエッチングするのに必要な時間、つまり、エッチングする際に複合基板１０の全体を強酸に浸漬する時間は、圧電基板１２の表面が分極プラス面１２ｂの場合に比べて短くなる。ここで、支持基板１４は圧電基板１２の分極マイナス面１２ａよりもエッチングレートが大きいため、複合基板１０の全体を強酸に浸漬すると支持基板１４もエッチングされる。しかし、上述したように、強酸に浸漬する時間は、圧電基板１２の表面が分極プラス面１２ｂの場合に比べて短いため、支持基板１４のエッチングの進行度合いを接合強度に影響のない程度に低く抑えることができる。したがって、複合基板１０において圧電基板１２の表面を強酸によってエッチングした後も支持基板１４と圧電基板１２との接合強度を十分確保することができる。
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、上述した実施形態では、圧電基板１２として表１に示す各種のＬＴやＬＮを例示したが、分極プラス面よりも分極マイナス面の方が強酸によるエッチングレートの大きい圧電基板であれば、上述した実施形態と同様の効果が得られる。また、支持基板１４としてシリコンやガラスを例示したが、圧電基板１２の分極マイナス面よりも強酸によるエッチングレートの大きな基板であれば、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
上述した実施形態では、圧電基板１２と支持基板１４とをイオンビームを用いる直接接合により貼り合わせたが、イオンビームを用いる方法以外に、プラズマや中性原子ビームを用いる方法を採用してもよい。
ところで、特開２００４−１８６９３８号公報には、圧電基板のＩＤＴ電極が形成された面とは反対側の面に裏面電極を備えた弾性波デバイスにおいて、裏面電極とＩＤＴ電極との間の局部電池効果に起因する電極腐食を抑えるために、圧電基板の分極マイナス面にＩＤＴ電極を形成することが提案されている。しかし、この公報には、弾性波デバイスに複合基板を用いることは記載がなく、また、イオンビームによる直接接合法で圧電基板と支持基板とを接合することや強酸を用いたエッチングにより圧電基板表面の加工変質層を除去することも記載がない。このため、複合基板の接合強度を強くするという課題や複合基板の接合界面が強酸を用いたエッチングにより剥離するという課題がなく、その課題を解決する技術についても当然記載がない。したがって、本発明はこの公報に基づいて当業者が容易に想到し得るものではない。
［実施例１］
圧電基板として、弾性波の伝搬方向がＸ軸方向であり、Ｘ軸を回転軸としてＹ軸及びＺ軸を４２°回転させたＬＴ４２°Ｙ板（厚さ２５０μｍ）を用意した。また、支持基板として、Ｓｉ（１１１）板（厚さ２３０μｍ）を用意した。両基板を２×１０-6（Ｐａ）の真空チャンバーに投入し、圧電基板の分極プラス面及び支持基板の片面にアルゴンビームを６０秒照射した。照射後、両基板の照射面同士をコンタクトさせ、２０００ｋｇで加圧し、直接接合により両基板を接合した。これと同じ条件でアルゴンビームを照射した圧電基板の分極プラス面の算術平均粗さＲａをＡＦＭ（測定面積は１０μｍ四方）で測定したところ、０．３ｎｍであった。またこのときの分極プラス面の除去量は、１ｎｍであった。接合体を真空チャンバーから取り出し、圧電基板を３０μｍまで研削した。その後、ダイヤモンドスラリー（粒径１μｍ）を滴下しながら錫定盤で圧電基板を２５μｍまで研磨した。更に、コロイダルシリカ（粒径２０ｎｍ）を滴下しながら、ウレタンパッドで圧電基板を２０μｍまで研磨した。研磨後の接合体の接合強度をクラックオープニング法にて評価したところ、表面エネルギーは１．８Ｊ／ｃｍ2であった。その後、研磨後の接合体を６５℃のフッ硝酸に１分間浸漬し、圧電基板表面の加工変質層をエッチングにより除去して複合基板を得た。このときのエッチング量は２０ｎｍ、エッチング後の表面粗さはＲａで０．３ｎｍ、エッチング後の接合界面の剥離の長さ（接合界面の外周縁から基板中心に向かって剥離が進んだ長さ、図３（ｄ）参照）は０．１ｍｍであった。
［比較例１］
実施例１において、圧電基板の分極マイナス面と支持基板の片面とを直接接合した。アルゴンビームを照射した圧電基板の分極マイナス面の算術平均粗さＲａをＡＦＭ（測定面積は１０μｍ四方）で測定したところ、０．５ｎｍであった。またこのときの分極マイナス面の除去量は、１ｎｍであった。研磨後の接合体の接合強度をクラックオープニング法にて評価したところ、表面エネルギーは１．５Ｊ／ｃｍ2であった。接合体につき、圧電基板の分極プラス面側を研削・研磨したあとフッ硝酸に１０分間浸漬して加工変質層をエッチングした以外は、実施例１と同様にして複合基板を得た。このときのエッチング量は２３ｎｍ、エッチング後の表面粗さはＲａで０．５ｎｍ、エッチング後の接合界面の剥離の長さは０．５ｍｍであった。
実施例１では、比較例１に比べて、圧電基板と支持基板との接合強度を強くすることができた。また、実施例１では、比較例１に比べて、ほぼ同量の加工変質層を除去するためのエッチング時間を１０分の１に短縮することができた。そのため、実施例１では、エッチング時に支持基板がエッチングされる量が抑制され、接合界面の剥離を比較例１に比べて５分の１に抑制することができた。
この出願は、２０１３年７月２５日に出願された日本国特許出願第２０１３−１５４５０５号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
なお、上述した実施例は本発明を何ら限定するものでないことは言うまでもない。
本発明は、ＳＡＷフィルタなどの弾性波デバイスに利用可能である。
１０ 複合基板、１２ 圧電基板、１２ａ 分極マイナス面、１２ｂ 分極プラス面、１２ｃ 加工変質層、１４ 支持基板、３０ １ポートＳＡＷ共振子、３２，３４ ＩＤＴ電極、３６ 反射電極。

Claims (3)

  1. 一方の面が分極マイナス面、もう一方の面が分極プラス面である圧電基板の分極プラス面と支持基板の片面とを直接接合法で接合することにより複合基板を製造する接合工程を含み、
    前記圧電基板としてタンタル酸リチウム基板又はニオブ酸リチウム基板を用意し、前記支持基板としてシリコン基板又はガラス基板を使用し、
    前記直接接合法で接合するための処理には、前記分極プラス面への不活性ガスのイオンビームの照射、プラズマの照射及び中性原子ビームの照射のいずれかが含まれる、
    複合基板の製法。
  2. 前記接合工程で得られた複合基板のうち前記圧電基板の前記分極マイナス面を研削・研磨する薄板化工程と、
    前記薄板化工程後に前記分極マイナス面に発生した加工変質層をフッ硝酸又はフッ酸によってエッチングするエッチング工程と、
    を含み、
    前記圧電基板及び前記支持基板として、フッ硝酸又はフッ酸によるエッチングレートが前記分極プラス面よりも前記分極マイナス面の方が大きく、前記分極マイナス面よりも前記支持基板の方が大きいものを使用する、
    請求項１に記載の複合基板の製法。
  3. 前記支持基板として前記圧電基板よりも熱膨張係数が小さいものを使用する、
    請求項１又は２に記載の複合基板の製法。
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