JP6770089B2 - 複合基板、表面弾性波デバイスおよび複合基板の製造方法 - Google Patents
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Description
はじめに、支持基板100を用意する(図4(a))。支持基板100は、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、石英ガラスから選ばれる。
はじめに、圧電単結晶基板200を用意する(図5(a))。圧電単結晶基板200は、タンタル酸リチウム(LT)やニオブ酸リチウム(LN)などの圧電体の単結晶である。続いて、必要に応じて、圧電単結晶基板200の表面に凹凸を形成する(図5(b))。この凹凸は、複合基板1から作製した共振器のスプリアス現象を抑制する効果がある。スプリアスが問題にならない用途に複合基板1を用いる場合には、この工程を省略してよい。
上記のように処理した支持基板100と圧電単結晶基板200について、第1介在層310の表面と第2介在層320の表面とを貼り合わせる(図6(a))。その際、低温(例えば120℃)に加熱して接合強度を高めるとよい。
作製した複合基板1の圧電単結晶基板200表面に0.4μm厚のアルミニウム(Al)薄膜をスパッタ蒸着し、フォトリソグラフィで電極を形成することによって、波長5μmの並列共振子2段と直列共振子4段からなる4段ラダーフィルタ、ならびに共振子を作製した。フォトリソグラフィの露光にはg線のステッパを用い、AlのエッチングにはCl2、BCl3、N2、及びCF4の混合ガスを用いた。ネットワークアナライザを用いて、作製した4段ラダーフィルタの反射係数(S11)を測定した。観測されたスプリアスの山と谷との差をスプリアス強度として評価した。
更に作製した共振子のQ値と共振周波数との関係を下記の数式(1)により求めた。
Ra(算術平均粗さ)で230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を圧電単結晶基板として用意した。このLT基板上に、シランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度堆積することにより形成した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
実施例1と同様の実験を、実施例1と同様にSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化を行わないSi基板とを用いて行った。実施例1と同様の熱耐性試験の結果、5往復目で周辺に剥離が観察された。実施例1と比較例1との対比により、プラズマCVD法によりSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化膜を成長させたSi基板とを貼り合わせることにより、熱酸化膜を成長させずにSi基板を貼り合わせる場合と比べ剥離を抑制できることが明らかとなった。
Raで230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上に有機ケイ素化合物溶液をスピンコートし、350℃で加熱し、この工程を複数回繰り返す事で5μm程度のSiO2層を得た。ここで用いた有機ケイ素化合物溶液は、パーヒドロポリシラザン(溶媒はジブチルエーテル)とメチルトリメトキシシラン(溶媒はプロピレングリコールモノエチルエーテル)の2種類である。
実施例2と同様の実験を、実施例2と同様にSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化を行わないSi基板とを用いて行った。実施例2と同様の熱耐性試験の結果、7往復目で周辺に剥離が観察された。実施例2と比較例2との対比により、有機ケイ素化合物溶液をスピンコートして加熱することでSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化膜を成長させたSi基板とを貼り合わせることにより、熱酸化膜を成長させずにSi基板を貼り合わせる場合と比べ剥離を抑制できることが明らかとなった。
Raで230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上にSiO2膜をPVD法(ここではマグネトロンスパッタ法)で10μm程度成膜した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理の後に研磨を行い鏡面化した。また、500nmの熱酸化膜を成長した直径6インチのSi基板を用意した。両基板にプラズマ表面活性化を施した。そして両基板を貼り合わせ、120℃の熱処理を加え、然る後にLTを研削・研磨で20μmに薄化して複合基板を得た。
実施例3と同様の実験を、実施例3と同様にSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化を行わないSi基板とを用いて行った。実施例3と同様の熱耐性試験の結果、2往復目で周辺に剥離が観察された。実施例3と比較例3との対比により、PVD法によりSiO2膜を設けたLT基板と熱酸化膜を成長させたSi基板とを貼り合わせることにより、熱酸化膜を成長させずにSi基板を貼り合わせる場合と比べ剥離を抑制できることが明らかとなった。
Raで230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を複数用意した。用意したLT基板上にSiO2膜をプラズマCVD法で10μm程度成膜した。SiO2膜に400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化した後に、アモルファスシリコン(a-Si)を、表1に示したように様々な厚さで成膜した。アモルファスシリコンはPVD法(マグネトロンスパッタ法)とCVD法の双方で厚さを変えて成膜した。このLT基板と500nmの熱酸化膜を成長した直径6インチのSi基板との両方にプラズマ表面活性化を施した。そして、両基板を貼り合わせ、120℃の熱処理を加え、然る後にLTを研削・研磨で20μmに薄化して複合基板を得た。
アモルファスシリコンの成膜を、LT基板側ではなく熱酸化膜を成長させたSi基板側に行い、実施例4と同様の実験を行った。結果は実施例4とほぼ同じとなった。このことから、アモルファスシリコンはLT基板側及びSi基板側のどちらに設けてもよいことが分かった。
アモルファスシリコンの成膜をLT基板、酸化Si基板側双方に行い、実施例4と同様の実験を行った。アモルファスシリコンの厚さは双方に堆積したアモルファスシリコン膜の合計とした。結果は実施例4とほぼ同じとなった。このことから、アモルファスシリコンはLT基板側及びSi基板側の両方に設けてもよいことが分かった。
表面活性化方法の方法を、オゾン水処理、UVオゾン処理、イオンビーム処理、に変更して上記実験を行ったが、貼り合せの結果に差異は見いだせなかった。本発明は活性化の方法には強く依存しないものと思われる。また表面活性化を片方の基板のみに施した際も大きな差は見受けられなかった。
実施例1の方法で作製した複合基板に4段ラダーフィルタを作り込み、反射係数(S11)のスペクトラムを測定し、スプリアスの特性を評価した。その結果、図9に示すように、スプリアスの強度は1dB以下で有ることを確認した。この方法で作製した共振器は効果的にスプリアスを低減できることが判明した。
Si基板に成長させる熱酸化膜の厚さを変えて実施例1と同様の実験を行った。その結果、20nm以上の熱酸化膜に効果が確認された。反対に、20nm未満の熱酸化膜ではアウトガス吸収能力が十分でなく、加熱冷却サイクル試験で剥離が生じるケースがあった。
LT基板に堆積するSiO2膜の厚さを変えて実施例1と同様の実験を行った。その結果を表2に示す。表2に示す堆積SiO2厚さは表面平坦化後の厚さである。この結果からSiO2膜の厚さ(堆積膜のみ、熱酸化膜は除く)が25μmを超えるとLT層にクラックが発生することが判明した。これは急速加熱・冷却により発生したLTとSiO2の膨張係数の差に起因するストレスにより発生したものと思われる。SiO2が25μm以下の場合はSiO2が膨張係数の差にある程度追随して変形できるが、この厚さ以上では応力緩和によりクラックが発生するものと思われる。
片面が鏡面の直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板の鏡面側上に、スパッタ法によりAl2O3膜を1μm堆積した。さらにこのAl2O3膜付LT基板のAl2O3膜上にシランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度成膜した。このAl2O3とSiO2積層膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
Ra(算術平均粗さ)で230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上に、シランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度堆積することにより形成した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
Ra(算術平均粗さ)で230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上に、シランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度堆積することにより形成した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
Ra(算術平均粗さ)で230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上に、シランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度堆積することにより形成した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
Ra(算術平均粗さ)で230nm程度の粗さ(P-Vでは1.7μm程度)を有する直径6インチのLT基板を用意した。このLT基板上に、シランと酸素ガスを原料ガスとして、プラズマCVD法によりSiO2膜を10μm程度堆積することにより形成した。このSiO2膜を400℃程度の熱処理を施し、研磨を行い鏡面化し前記SiO2膜を膜厚約2μmに仕上げた。
Ra(算術平均粗さ)とRSm(輪郭(粗さ)曲線における要素の平均長さ)が同程度の凹凸構造を有する複数のLT基板を準備した(Ra=300nm±10%、RSm=3μm±10%、Rz=2.0μm±10%)。ここで、LT基板の凹凸構造は、遊離砥粒を用いて研磨することによって形成した。ここで、Ra、RSmの定義はJIS B 0601:2001及びISO 4287:1997に従って、AFM(Atomic Force Microscope;原子間力顕微鏡)を用いて計測した輪郭曲線から算出した。
次に、LT基板の凹凸構造を有する面に、プラズマCVD法を用いて35℃でSiO2を10μm程度堆積させた後に、SiO2を堆積させた面を研磨して鏡面化を行った。このとき、LT基板によって研磨量を変えて、SiO2の厚みが1.5μm〜9.5μmとなるようにした。
そして、SiO2鏡面及びSi基板表面に形成した熱酸化シリカの双方に、プラズマ表面活性化を施して貼り合わせ、さらに、LT基板を研磨して複合基板を作製した。このとき、基板によって研磨量を変えて、LT基板の厚みが5μm〜25μmとなるようにした。
Ra(算術平均粗さ)で20nmの粗さを有する、直径100mm、厚さ0.35mmのLT基板を用意した。このLT基板上に、PVD法により200nmのSiO2膜を10μm程度成膜し、50nmまで研磨を行い鏡面化を行い、表面粗さがRMSで1.0nm以下である事を確認した。続いて、SiO2膜を製膜したLT基板に、水素イオン(H+)をドーズ量7.0×1016atoms/cm2、加速電圧100KeVの条件で打ち込んだ。また支持基板としてSi基板を用意し、500nmの熱酸化膜を成長した。LT基板及びSi基板にプラズマ活性化処理を施し、表面活性化を行った。そして、両基板を貼り合わせ、100℃24時間の熱処理を施した。次に、このようにして貼り合わせた基板の側面におけるイオン注入界面付近に楔状の刃を当て、機械的に剥離を行った。このようにして、Si基板にSiO2層を介して約600nmのLT薄膜が積層された複合基板を得ることができた。研磨を施し鏡面化の後に評価行ったが、熱耐久性試験で剥離は観察されなかった。
Ra(算術平均粗さ)で20nmの粗さを有する、直径100mm、厚さ0.35mmのLT基板を用意した。このLT基板上に、PVD法により200nmのSiO2膜を10μm程度成膜し、50nmまで研磨を行い鏡面化を行い、表面粗さがRMSで1.0nm以下である事を確認した。続いて、SiO2膜を製膜したLT基板に、水素イオンをドーズ量7.0×1016atoms/cm2、加速電圧100KeVの条件で打ち込んだ。また支持基板としてSi基板を用意し、500nmの熱酸化膜を成長した。LT基板及びSi基板にプラズマ活性化処理を施し、表面活性化を行った。そして、両基板を貼り合わせ、100℃24時間の熱処理を施した。次に、このようにして貼り合わせた基板に、LT側よりフラッシュランプアニール(FLA)装置を用いてフラッシュ閃光を照射することにより、イオン注入界面で剥離を行った。このようにして、Si基板にSiO2層を介して約600nmのLT薄膜が積層された複合基板を得ることができた。研磨を施し鏡面化の後に評価行ったが、熱耐久性試験で剥離は観察されなかった。
上記の実施例・参考例はすべて圧電単結晶基板としてLT基板を用いているが、LT基板に代えてLN基板を用いても全く同じ傾向の結果となった。また第2介在層をSiO2に代えてSiO2以外のSiOx、Al2O3、AlN、SiN、SiON、Ta2O5等としても同様の結果となった。また介在層の膜材質については、上記検討ではすべてSiO2を用いてきたが、SiO2±0.5のように厳密にストイキオメトリックなものでないものでも効果は全く変わらなかった。これは介在層が主に凹凸を埋めることで上記の効果を奏しているから考えられる。また、支持基板をシリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、あるいは窒化アルミに変え、その表面にCVD、PVD、又は有機ケイ素を塗布して合成シリカ膜を形成し、800℃以上の温度で加熱焼結することによって熱合成シリカを形成した場合でも、良好に接合でき、2mm角にダイシングして温度サイクル試験を実施したが、剥離は見られなかった。
200 圧電単結晶基板
300 介在層
310 第1介在層
320 第2介在層
330 第3介在層
Claims (40)
- 圧電単結晶基板と、
支持基板と、
前記圧電単結晶基板と前記支持基板との間に設けられた介在層と
を有する複合基板であって、
前記介在層は、無機材料からなる膜であり、複合基板の接合面に沿って少なくとも3層に分かれており、
前記介在層は、前記支持基板に接し、熱合成シリカを含有する第1介在層と、
前記第1介在層よりも前記圧電単結晶基板側に設けられ、無機材料を含有する第2介在層と、
アモルファスシリコンからなる第3介在層とを備え、
前記第1介在層と前記第2介在層とが、前記第3介在層を挟んで接合されていることを特徴とする複合基板。 - 前記支持基板の材質はシリコン基板であり、前記熱合成シリカが前記シリコン基板の熱酸化により合成されることを特徴とする請求項1に記載の複合基板。
- 前記熱合成シリカが合成シリカの焼結体であることを特徴とする請求項1に記載の複合基板。
- 前記第2介在層の材質が、SiOx、Al2O3、AlN、SiN、SiON、及びTa2O5のうち少なくとも一つを含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記第2介在層は、材質の異なる少なくとも2つの層を有することを特徴とする請求項1に記載の複合基板。
- 前記第1介在層の厚みが20nm以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記第2介在層の厚みが25μm以下であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記支持基板の裏面に熱合成シリカ層を更に備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記第3介在層が、厚み50nm以下のアモルファスシリコンからなることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記介在層の厚みが8μm以下であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記介在層の厚みが7μm以下であることを特徴とする請求項10に記載の複合基板。
- 前記圧電単結晶基板の厚みが20μm以下であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の複合基板。
- 前記圧電単結晶基板と前記介在層との界面が凹凸構造となっていることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の複合基板。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の複合基板を含む表面弾性波デバイス。
- 前記圧電単結晶基板の厚みが、表面弾性波の波長の1.0倍以上3.5倍以下であることを特徴とする請求項14に記載の表面弾性波デバイス。
- 支持基板の表面に熱合成シリカを含有する第1介在層を形成する工程と、
圧電単結晶基板の表面に無機材料を含有する第2介在層を形成する工程と、
前記第2介在層の表面を平坦化する工程と、
前記第1介在層の表面と前記第2介在層の平坦化された表面とを貼り合わせる工程とを備え、
前記第1介在層は、化学気相成長法で堆積したシリカ層を800℃以上で焼結した熱合成シリカの層であることを特徴とする複合基板の製造方法。 - 支持基板の表面に熱合成シリカを含有する第1介在層を形成する工程と、
圧電単結晶基板の表面に無機材料を含有する第2介在層を形成する工程と、
前記第2介在層の表面を平坦化する工程と、
前記第1介在層の表面と前記第2介在層の平坦化された表面とを貼り合わせる工程とを備え、
前記第1介在層は、物理気相成長法で堆積したシリカ層を800℃以上で焼結した熱合成シリカの層であることを特徴とする複合基板の製造方法。 - 前記第1介在層の表面を平坦化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項16または17に記載の複合基板の製造方法。
- 前記圧電単結晶基板の表面に凹凸を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項16から18のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記支持基板の材質がシリコン、サファイア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、石英ガラスから選ばれることを特徴とする請求項16から19のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層を前記圧電単結晶基板のキュリー温度よりも低い最高温度で加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項16から20のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層を加熱する工程の最高温度が600℃以下であることを特徴とする請求項21に記載の複合基板の製造方法。
- 前記支持基板の表面に加え、前記支持基板の裏面にも第1介在層と同じ材質の熱合成シリカ層を形成することを特徴とする請求項16から22のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第1介在層の表面および前記第2介在層の表面の少なくとも一方に更にアモルファスシリコン層を堆積してから貼り合わせることを特徴とする請求項16から23のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記アモルファスシリコン層の厚みの合計は50nm以下であることを特徴とする請求項24に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第1介在層と前記第2介在層の少なくとも一方の表面に活性化処理を施した後で、第1介在層の表面と前記第2介在層の表面とを貼り合わせることを特徴とする請求項16から25のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記活性化処理が、オゾン水処理、UVオゾン処理、イオンビーム処理、プラズマ処理のいずれかであることを特徴とする請求項26に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第1介在層の表面および/または前記第2介在層の表面を、化学的機械研磨により平坦化することを特徴とする請求項16から27のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層の材質は、SiOx、Al2O3、AlN、SiN、SiON、Ta2O5のいずれかを含有することを特徴とする請求項16から28のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層を化学気相成長法で形成することを特徴とする請求項16から29のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層を物理的気相法で形成することを特徴とする請求項16から29のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記第2介在層を、有機ケイ素化合物の溶液を塗布し、塗布した当該有機ケイ素化合物を硬化することによって形成することを特徴とする請求項16から29のいずれか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記貼り合わせる工程より前に、前記圧電単結晶基板にイオン注入処理を行う工程を有し、
前記貼り合わせる工程より後に、イオンを注入した領域の界面にて剥離する工程を有することを特徴とする、請求項16から32の何れか1項に記載の複合基板の製造方法。 - 前記イオン注入処理を行う工程において、水素イオンを、6.0×1016atoms/cm2〜2.75×1017atoms/cm2注入することを特徴とする請求項33に記載の複合基板の製造方法。
- 前記イオン注入処理を行う工程において、水素分子イオンを、3.0×1016atoms/cm2〜1.37×1017atoms/cm2注入することを特徴とする請求項33に記載の複合基板の製造方法。
- 前記剥離する工程において、イオンを注入した領域の界面に沿って機械的に剥離を行うことを特徴とする請求項33から35の何れか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記剥離する工程において、フラッシュランプアニールにより剥離を行うことを特徴とする請求項33から35の何れか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 前記貼り合わせる工程より後に、前記圧電単結晶基板を研削及び/又は研磨して薄化する工程を有することを特徴とする、請求項16から33の何れか1項に記載の複合基板の製造方法。
- 支持基板の表面に熱合成シリカを含有する第1介在層を形成する工程と、
圧電単結晶基板の表面に無機材料を含有する第2介在層を形成する工程と、
前記第2介在層の表面を平坦化する工程と、
前記第1介在層の表面と前記第2介在層の平坦化された表面とを貼り合わせる工程とを備え、
前記第1介在層の表面および前記第2介在層の表面の少なくとも一方に更にアモルファスシリコン層を堆積してから貼り合わせることを特徴とする複合基板の製造方法。 - 前記アモルファスシリコン層の厚みの合計は50nm以下であることを特徴とする請求項39に記載の複合基板の製造方法。
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