JP6776484B1 - 複合基板および弾性波素子 - Google Patents
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Abstract
Description
水晶からなる支持基板、
圧電性材料基板、
前記支持基板と前記圧電性材料基板との間に存在する第一のアモルファス層、および
前記支持基板と前記第一のアモルファス層との間に存在する第二のアモルファス層を有しており、
前記第一のアモルファス層は珪素原子を10〜30atom%含有し、前記第二のアモルファス層はフッ素原子を1〜10atom%含有することを特徴とする。
水晶からなる支持基板と、圧電性材料基板とを有する複合基板を製造する方法であって、
前記支持基板の表面に対して酸素ガスと窒素ガスとの少なくとも一方を含有するプラズマを照射することで活性化面を生成させる工程、
前記圧電性材料基板の表面に対して酸素ガスと窒素ガスとの少なくとも一方を含有するプラズマを照射することで活性化面を生成させる工程、
前記支持基板の前記活性化面と前記圧電性材料基板の前記活性化面とを接触させることで接合体を得る工程、および
前記接合体を250℃以上、350°C以下の温度で熱処理する工程
を有することを特徴とする。
なお、アモルファス層の組成中のフッ素原子は、プラズマ処理用チャンバーのOリングを構成するフッ素系ゴム(ペルフルオロカーボン重合体)に由来するものと考えられる。
まず、図1(a)に示すように、一対の主面1a、1bを有する圧電性材料基板1を準備する。本例では1aを接合面とする。次いで、図1(b)に示すように、圧電性材料基板1の接合面1aに対して矢印Aのようにプラズマを照射し、表面活性化された接合面1cを得る。
支持基板4の材質は水晶とする。水晶は異方性を持つ結晶であり、その結晶方位により圧電素子の特性が左右される。非特許文献1によればその音速に着目することで、スプリアスを抑制することが示されている。従って所望の特性が得られるようにその方位を適宜選択することができる。
表面活性化時の雰囲気は、酸素を含有する雰囲気とする。この雰囲気は、酸素のみであってよく、窒素のみであってよく、あるいは酸素と、窒素、水素、およびアルゴンとの混合ガスであってよい。混合ガスの場合には、特に限定されるものではないが、接合強度との関係によりその比率を適宜調整してもよい。
100℃以下とすることが更に好ましい。
次いで、接合体の熱処理(アニール処理)を行うことによって、接合強度を向上させる。本発明の観点からは、熱処理時の温度は250℃以上とするが、270℃以上が更に好ましい。また、この熱処理時の温度は、接合体の破損を防止するために350℃以下とするが、300℃以下が更に好ましい。
15atom%以上が更に好ましく、25atom%以下が更に好ましい。
加速電圧: 200kV、ビーム径: 約0.1nmφとした。
弾性波素子10としては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子(FBAR)などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、圧電性材料基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のIDT(Interdigital Transducer)電極(櫛形電極、すだれ状電極ともいう)と弾性表面波を受信する出力側のIDT電極とを設けたものである。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、弾性表面波が励振されて圧電性材料基板上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のIDT電極から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。
図1〜図3を参照しつつ説明したようにして、表面弾性波素子を作製した。
具体的には、厚さが250μmで両面が鏡面に研磨されている42YカットX伝搬LiTaO3基板(圧電性材料基板)1と、厚みが350μmのATカット水晶基板(支持基板)4を用意した。基板サイズはいずれも100mmである。次いで、圧電性材料基板1の表面1aおよび支持基板4の表面4aをそれぞれ洗浄および表面活性化した。
圧電性材料基板の厚みを光干渉を用いた光学式測定機(Filmetrix社製 F20)により測定したところ、2μmと非常に薄い層が得られた。
圧電性材料基板の厚みの限界を知る目的でさらにCMPを続けたところ、厚みが0.3μmとなっても、剥離は見られなかった。
透過電子顕微鏡: 日立ハイテクノロジーズ製 HD-2700
加速電圧: 200kV
ビーム径: 約0.2nmφ
元素分析装置: EDAX製 Genesis
X線検出器: Si/Li半導体検出器
エネルギー分解能: 約140eV
X線取出角: 25.7°
立体角: 0.31sr
取込時間: 30sec
実施例1において、酸素プラズマの代わりに窒素ガス80%、酸素ガス20%とした混合ガスのプラズマを用いた。ガス組成を変更するにあたり、RFの反射電力が最小となるようにマッチングは適宜変更した。
その他は実施例1と同様に接合体の加工を行った。この結果、実施例1と同様に250℃での加熱後に3.2J/m2と大きな接合強度が測定された。この基板でもCMP加工により圧電層の厚みを1μmとした場合でも剥離が発生することはなかった。
実施例1において、接合体の加熱温度を250℃から270℃に変更した。実施例1と同様にして、得られた接合体を研磨加工したが、厚さ0.3μmまでCMP加工しても、剥離は見られなかった。
実施例1において、酸素プラズマの代わりに中性アルゴンビームを用いて表面を活性化させた。活性化時間は水晶、圧電性材料基板ともに60秒とした。接合機の真空チャンバー内でウエハー同士を接触させ、圧力をかけて接合し、接合体を得た。取り出したウエハーを実施例1と同様に100℃のオーブンに投入し10時間後取り出した。研削機により圧電性材料基板の厚さが10μmになるまで加工しようとしたが、おおよそ20μm加工したところで研削機がエラーとなった。ウエハーを取り出したところ、圧電性材料が大きく剥離していた。このことから非常に弱い接合強度しか得られていないことが分かった。
最高加熱温度を150℃と低温にした以外は、実施例1と同様にしてプラズマ活性化を行い接合体を作成し、CMP加工したところ、圧電性材料基板の厚みが5umを切ったあたりで剥離した。
得られた接合体のアモルファス層の組成を調べる目的で、実施例1と同様にしてTEM分析、EDX分析を行った。測定結果を表4に示す。加熱温度が低かったためか、組成が実施例とは大きく異なっていた。
また、アモルファス層の厚みが非常に薄くなっていることがわかった。
Claims (5)
- 水晶からなる支持基板、
圧電性材料基板、
前記支持基板と前記圧電性材料基板との間に存在する第一のアモルファス層、および
前記支持基板と前記第一のアモルファス層との間に存在する第二のアモルファス層を有しており、
前記第一のアモルファス層は珪素原子を10〜30atom%含有し、前記第二のアモルファス層はフッ素原子を1〜10atom%含有することを特徴とする、複合基板。 - 前記圧電性材料基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなり、前記第一のアモルファス層が前記珪素原子および前記材質を構成する原子を主成分として含むことを特徴とする、請求項1記載の複合基板。
- 前記第二のアモルファス層が、前記フッ素原子、珪素原子および酸素原子を主成分として含むことを特徴とする、請求項1または2記載の複合基板。
- 前記第一のアモルファス層の厚さが1nm〜3nmであり、前記第二のアモルファス層の厚さが4〜10nmであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の複合基板。
- 請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の複合基板、および前記圧電性材料基板上の電極を備えていることを特徴とする、弾性波素子。
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