JPH09221392A - Composite piezoelectric substrate and its production - Google Patents
Composite piezoelectric substrate and its productionInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ランガサイトを用
いた複合圧電基板に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite piezoelectric substrate using Langasite.
【０００２】[0002]
【従来の技術】水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リ
チウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウムなどを用いた圧
電振動子、表面弾性波素子などの圧電デバイスは、各種
発振器の発振子やフィルタとして、無線通信機器に広く
利用されている。これらの素子は機械的に振動するた
め、その固定をどう行うかがその性能と密接に関連して
いる。バネやねじで機械的に固定する方法は、簡便であ
るが、熱的変化や機械的振動に対して長期間安定なもの
を得ることが困難である。各種有機系接着剤を用いて固
定する方法も知られているが、これらの接着剤は、やは
り耐熱性が十分でなく半田リフローなどを行うと、振動
の周波数が変化することがあり、使用上も生産上でも好
ましくない。2. Description of the Related Art Piezoelectric devices such as crystal oscillators, lithium tantalate, lithium niobate, lithium borate, gallium phosphate, and piezoelectric devices such as surface acoustic wave devices are used as oscillators and filters for various oscillators in wireless communication equipment. Widely used in. Since these elements vibrate mechanically, how they are fixed is closely related to their performance. The method of mechanically fixing with a spring or a screw is simple, but it is difficult to obtain a stable one for a long time against thermal change or mechanical vibration. There are also known methods of fixing with various organic adhesives, but these adhesives still do not have sufficient heat resistance and the frequency of vibration may change when solder reflow is performed. Also, it is not preferable in terms of production.
【０００３】また、電気音響素子を用いた電子回路、例
えば圧電共振子を用いた発振器などの発振回路や、圧電
フィルタを共に用いた増幅回路では、発振を起こしたり
増幅するための電子素子であるトランジスタ、および希
望の周波数で発振させるための共振子や、希望の周波数
のみを取り出すためのフィルタと、若干のコンデンサや
抵抗などの電気部品より構成される。ここに用いられる
共振子やフィルタは、その振動周波数あるいは選択周波
数として所定の値を持ち、その性能が十分長期間安定で
あるように、金属管などの容器に気密封止されている。
そのため共振子やフィルタの形状寸法が共振子やフィル
タそのものの大きさの数倍にもなってしまい、携帯電話
など小型であることが極めて重要な装置においては、そ
の小型化が極めて重要な課題となっている。An electronic circuit using an electroacoustic element, for example, an oscillating circuit such as an oscillator using a piezoelectric resonator, or an amplifying circuit using a piezoelectric filter is an electronic element for causing or amplifying oscillation. It is composed of a transistor, a resonator for oscillating at a desired frequency, a filter for extracting only a desired frequency, and some electric parts such as a capacitor and a resistor. The resonator or filter used here has a predetermined value as its vibration frequency or selected frequency, and is hermetically sealed in a container such as a metal tube so that its performance is stable for a long period of time.
Therefore, the size of the resonator and the filter becomes several times the size of the resonator and the filter itself, and miniaturization is an extremely important issue for devices such as mobile phones where small size is extremely important. Has become.
【０００４】一方、Ｓｉなどの半導体基板上にスパッタ
リングなどの薄膜技術により、ＺｎＯやＡｌＮなどの圧
電体薄膜を形成し、この圧電薄膜で共振子などを形成し
て、Ｓｉ電子素子と電気音響素子を一体に集積化する例
が知られている。On the other hand, a piezoelectric thin film such as ZnO or AlN is formed on a semiconductor substrate such as Si by a thin film technique such as sputtering, and a resonator or the like is formed from this piezoelectric thin film to form a Si electronic element and an electroacoustic element. There is known an example of integrating the above.
【０００５】これらの問題点を解決する一つの方法とし
て、特開平４−２８３９５７号公報、特開平４−１６４
４５２号公報、 特開平６−１２０４１６号公報、特開
平６−１２５０３６号公報などに、圧電デバイスである
水晶、ほう酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウムをシリコン基板に直接接合する方法が知られて
いる。これらの構造は、熱的および機械的変化に対して
極めて安定であり、半導体基板に一体に形成できるとい
った優れた特徴を有している。As one method for solving these problems, Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-283957 and 4-164 are known.
No. 452, JP-A No. 6-120416, JP-A No. 6-125036, etc., a method of directly bonding a piezoelectric device such as quartz, lithium borate, lithium niobate, or lithium tantalate to a silicon substrate is known. There is. These structures have excellent characteristics that they are extremely stable against thermal and mechanical changes and can be integrally formed on a semiconductor substrate.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】圧電基板を他の基板に
積層するのに、各種接着剤を用いて固定する方法がある
が、従来の接着剤を用いた接着方法では、接着界面の厚
み精度が十分でないとか、耐熱性、信頼性が十分でない
などの課題がある。There is a method of fixing a piezoelectric substrate on another substrate by using various adhesives. In the pasting method using an adhesive, the thickness accuracy of the adhesive interface is improved. Is not enough, and there are problems such as insufficient heat resistance and reliability.
【０００７】また薄膜形成技術により、半導体基板など
の基板上に形成する方法では、形成できる膜がＺｎＯや
ＡｌＮなどの一部の材料に限られており、またその特性
はバルクの特性よりも劣るものであり、また水晶のよう
に優れた温度依存性を示すものは得られていない。また
結晶方位の任意のものが得られない。Further, in the method of forming on a substrate such as a semiconductor substrate by the thin film forming technique, the film that can be formed is limited to some materials such as ZnO and AlN, and its characteristics are inferior to those of the bulk. However, there is no crystal that exhibits excellent temperature dependence like quartz. Also, any crystal orientation cannot be obtained.
【０００８】各種エピタキシャル成長法による複合圧電
基板を形成する方法では、基板の格子定数に合った膜し
か形成できないため、材料の組合せが限られている。ま
た形成できる膜の結晶方位についても、基板の結晶方位
に依存するため、好ましい結晶方位の膜を得ようとして
も制約があり自由に形成することはできない。また液相
エピタキシャル成長、化学気相エピタキシャル成長、分
子線エピタキシャル成長など各種のエピタキシャル成長
技術があるが、いずれを用いてもバルク単結晶の特性よ
りも優れたものは得にくい。In the method of forming the composite piezoelectric substrate by various epitaxial growth methods, only the film suitable for the lattice constant of the substrate can be formed, so that the combination of materials is limited. Further, the crystallographic orientation of the film that can be formed depends on the crystallographic orientation of the substrate, and therefore, there is a limitation in obtaining a film having a preferable crystallographic orientation, so that the film cannot be formed freely. There are various epitaxial growth techniques such as liquid phase epitaxial growth, chemical vapor phase epitaxial growth, and molecular beam epitaxial growth, but it is difficult to obtain a superior single bulk crystal characteristic even if any of them is used.
【０００９】また水晶とシリコン、あるいはニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウムと各種シ
リコン基板を直接接合する方法では、いずれの圧電基板
も、直接接合可能な温度および基板厚みに制約があり、
基板厚みの厚いものを直接接合しようとすると、熱処理
を高温でできないため、接合強度が弱い、あるいは製造
の歩留まりが悪いなどの難点がある。とくに温度特性に
優れた水晶は５７３℃で結晶相の相転移を起こすことな
どから、高温での熱処理ができない。そのため接合強度
の十分強いものが製造しにくいこと、また直接接合でき
る形状、寸法に大きな制約があるなどの課題があった。Further, in the method of directly bonding quartz and silicon, or lithium niobate, lithium tantalate, lithium borate and various silicon substrates, there is a limitation in temperature and substrate thickness at which any piezoelectric substrate can be directly bonded.
If a substrate having a large thickness is to be directly joined, heat treatment cannot be performed at a high temperature, resulting in weak joining strength or poor manufacturing yield. Quartz, which is particularly excellent in temperature characteristics, cannot undergo a heat treatment at a high temperature because it causes a phase transition of a crystal phase at 573 ° C. Therefore, there are problems that it is difficult to manufacture a product having a sufficiently high bonding strength, and that there are large restrictions on the shape and size that can be directly bonded.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ランガサイト基板とシリコン基板が、界面の水酸基
の水素結合または酸素との共有結合により直接接合され
ているようにしたものである。In order to solve the above-mentioned problems, the Langasite substrate and the silicon substrate are directly bonded by hydrogen bond of the hydroxyl group at the interface or covalent bond with oxygen.
【００１１】またランガサイト基板およびシリコン基板
から成り、前記基板の少なくとも一方の基板表面に、無
機薄膜層を有し、前記基板同士が、前記無機薄膜層と他
方の基板との界面の水酸基の水素結合または酸素との共
有結合により直接接合されているようにしたものであ
る。Further, it is composed of a Langasite substrate and a silicon substrate, and has an inorganic thin film layer on the surface of at least one of the substrates, and the substrates have hydrogen of a hydroxyl group at the interface between the inorganic thin film layer and the other substrate. A direct bond is formed by a bond or a covalent bond with oxygen.
【００１２】また直接接合部の厚みが２０ｎｍ以下であ
るようにしたものである。無機薄膜層には、珪素または
珪素化合物を用いることができる。The thickness of the direct joint portion is set to 20 nm or less. Silicon or a silicon compound can be used for the inorganic thin film layer.
【００１３】またランガサイト基板に少なくとも一対の
櫛形電極を有することにより、前記ランガサイト基板に
表面弾性波を励振させるようにしたものであってもよ
い。The Langasite substrate may have at least a pair of comb-shaped electrodes so that the Langasite substrate can excite surface acoustic waves.
【００１４】またランガサイト基板の両面に少なくとも
一対の対向電極を有することにより、前記ランガサイト
基板にバルク波を励振させるようにしたものであっても
よい。The Langasite substrate may be provided with at least a pair of opposing electrodes on both sides thereof so that the Langasite substrate is excited with a bulk wave.
【００１５】またシリコン基板にに電子素子または電子
回路を有するようにしたものであってもよい。Further, a silicon substrate may have an electronic element or an electronic circuit.
【００１６】またランガサイト基板およびシリコン基板
の、接合予定部表面を極めて清浄にし、さらに水酸基を
付着させ、重ね合わせて加熱することにより、前記ラン
ガサイト基板を前記シリコン基板に直接接合するように
したものである。Further, the surfaces of the langasite substrate and the silicon substrate, which are to be joined, are extremely cleaned, hydroxyl groups are further attached, and the langasite substrate is directly joined to the silicon substrate by heating them in superposition. It is a thing.
【００１７】またランガサイト基板およびシリコン基板
の、少なくとも一方の接合予定部表面に、無機薄膜層を
形成し、その表面ならびに他方の基板表面の接合予定部
を極めて清浄にし、さらに水酸基を付着させ、重ね合わ
せて加熱することにより、前記ランガサイト基板を前記
シリコン基板に、前記無機薄膜層を介して直接接合する
ようにしたものである。Further, an inorganic thin film layer is formed on at least one surface of the Langasite substrate and the silicon substrate to be bonded, and the surface and the surface of the other substrate to be bonded are extremely cleaned, and hydroxyl groups are further attached. By overlapping and heating, the Langasite substrate is directly bonded to the silicon substrate via the inorganic thin film layer.
【００１８】[0018]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
る複合圧電基板について、図面を参照しながら説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, composite piezoelectric substrates according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００１９】（実施の形態１）本発明の複合圧電基板の
構造の実施の形態１における断面構造を図１（ａ）に示
す。図１（ａ）において、１は圧電基板であるランガサ
イト基板、２はシリコン基板で、この両者の基板は、界
面の水酸基による水素結合または酸素による共有結合に
より直接接合されている。単結晶ランガサイトは、化学
式としてLa3Ga5SiO14で表わされる。水晶と同じ結晶対
称性を有し、水晶と同様温度依存性がほぼ０になる結晶
方位が存在する。また、その電気機械結合係数などの特
性は水晶よりも良好な値が得られる。具体的には、バル
ク波に対して、２．２％という水晶の３−５倍の電気機
械結合係数が得られる。また、その結晶相転移温度は、
融点１４７０℃まで存在せず、水晶の５７３℃、また燐
酸ガリウムの９３３℃よりもはるかに高い。(Embodiment 1) FIG. 1A shows a sectional structure of Embodiment 1 of the structure of the composite piezoelectric substrate of the present invention. In FIG. 1A, 1 is a langasite substrate which is a piezoelectric substrate, 2 is a silicon substrate, and these two substrates are directly bonded by hydrogen bond by a hydroxyl group or covalent bond by oxygen at the interface. Single crystal langasite is represented by the chemical formula La3Ga5SiO14. There is a crystal orientation that has the same crystal symmetry as crystal and has a temperature dependence of almost 0 as in crystal. In addition, the characteristics such as the electromechanical coupling coefficient are better than those of quartz. Specifically, an electromechanical coupling coefficient of 2.2%, which is 3-5 times that of quartz, is obtained for bulk waves. Also, its crystal phase transition temperature is
It does not exist up to a melting point of 1470 ° C, much higher than 573 ° C of quartz and 933 ° C of gallium phosphate.
【００２０】このような実施の形態１における他の構成
を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）において、１、２は図
１（ａ）と同じである。３は、ランガサイト基板１とシ
リコン基板２の間に形成された無機薄膜層で、たとえば
酸化珪素や窒化珪素などの珪素化合物ないしは珪素層で
ある。無機薄膜層３は、ランガサイト基板１またはシリ
コン基板２に、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成
長法（ＣＶＤ）などにより形成、付着されている。ラン
ガサイト基板１とシリコン基板２とは、無機薄膜層３と
シリコン基板２との界面またはランガサイトとの界面
で、図１（ａ）の場合と同様、直接接合により接合され
ている。Another configuration of the first embodiment is shown in FIG. 1 (b). In FIG. 1B, 1 and 2 are the same as those in FIG. An inorganic thin film layer 3 is formed between the Langasite substrate 1 and the silicon substrate 2, and is, for example, a silicon compound such as silicon oxide or silicon nitride or a silicon layer. The inorganic thin film layer 3 is formed and attached to the langasite substrate 1 or the silicon substrate 2 by vacuum vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) or the like. The langasite substrate 1 and the silicon substrate 2 are directly bonded to each other at the interface between the inorganic thin film layer 3 and the silicon substrate 2 or the interface with the langasite, as in the case of FIG.
【００２１】無機薄膜層を界面に介在させることによ
り、この内部に電極を埋め込むことができるなど応用範
囲が広がるものである。具体的には、基板の一方の表面
に電極配線を形成し、その上からスパッタリングなどの
薄膜形成技術で、酸化珪素や窒化珪素などの高抵抗無機
薄膜層を、電極配線厚みよりも十分厚く堆積し、研磨な
どによって電極配線部の段差を平坦化したのち直接接合
することができる。By interposing the inorganic thin film layer at the interface, it is possible to embed an electrode in the inside of the interface, thereby expanding the range of application. Specifically, electrode wiring is formed on one surface of the substrate, and a high resistance inorganic thin film layer such as silicon oxide or silicon nitride is deposited on the surface of the substrate sufficiently thicker than the electrode wiring thickness by a thin film forming technique such as sputtering. Then, the steps of the electrode wiring portion can be flattened by polishing or the like, and then directly joined.
【００２２】また無機薄膜層が珪素を含有する場合、直
接接合において、酸素が関与した共有結合を形成しやす
く、接合強度が上がる、より低い熱処理温度で直接接合
が可能であるなどの効果がある。In addition, when the inorganic thin film layer contains silicon, in the direct bonding, oxygen-related covalent bonds are easily formed, the bonding strength is increased, and the direct bonding is possible at a lower heat treatment temperature. .
【００２３】ここで本発明で述べる直接接合について説
明する。基板表面を極めて清浄にし、表面を親水化処理
して純水に浸すと、基板表面には多数の水酸基が吸着さ
れる。この様子を図２（ａ）に示す。図では非常に代表
的な場合を模式的に表わしたものである。水酸基は酸素
と水素からなる。この状態で基板同士を重ね合わせる
と、水酸基をを介して、主として水素結合により、基板
同士の初期の接合が行われる。この様子を図２（ｂ）に
示す。これも代表例を模式的に表わしたものである。Here, the direct joining described in the present invention will be described. When the surface of the substrate is made extremely clean, and the surface is made hydrophilic and immersed in pure water, a large number of hydroxyl groups are adsorbed on the surface of the substrate. This situation is shown in FIG. The figure schematically shows a very typical case. The hydroxyl group consists of oxygen and hydrogen. When the substrates are overlapped with each other in this state, the initial bonding between the substrates is performed mainly by hydrogen bonding via the hydroxyl group. This state is shown in FIG. This also represents a typical example.
【００２４】この状態で加熱していくと、次第に接合界
面から水分子の離脱または水素の離脱がおこり、接合は
強化される。この接合強化は水酸基による水素結合から
酸素を中心とする共有結合の割合が増すことにより行わ
れる。この状態は熱処理温度として、２００−５００℃
に多く見られる。When heating is performed in this state, water molecules or hydrogen are gradually released from the joint interface, and the joint is strengthened. This strengthening of bonding is performed by increasing the ratio of covalent bonds centering on oxygen from hydrogen bonds by the hydroxyl groups. In this state, the heat treatment temperature is 200-500 ° C.
Are often found in.
【００２５】さらに温度を上げていくと、水素がさらに
離脱し、酸素を介しての結合が主となる。この様子を図
２（ｃ）に示す。この結合は共有結合的なものとなり接
合強度はさらに強化される。界面に珪素がある場合は、
珪素も共有結合強化を促進する。When the temperature is further raised, hydrogen is further released, and bonds mainly via oxygen become main. This state is shown in FIG. This bond becomes covalent and the bond strength is further enhanced. If there is silicon at the interface,
Silicon also promotes covalent bond strengthening.
【００２６】図２は、いずれの図においても代表的な場
合を模式的に表わしたものであり、詳細は、基板の構成
元素や表面状態の影響を受ける。FIG. 2 schematically shows a typical case in any of the drawings, and the details are influenced by the constituent elements of the substrate and the surface condition.
【００２７】接合強度は２００℃、１時間程度の熱処理
でも、容易に数１０Ｋｇ／cm2の接合強度の値が得ら
れ、十分実用に耐えるものである。With respect to the bonding strength, a value of several tens of kg / cm 2 is easily obtained even by heat treatment at 200 ° C. for about 1 hour, which is sufficiently practical.
【００２８】接合界面は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観
察によれば、原子オーダーで接合されており、その直接
接合部の厚みは、通常１０ｎｍ以下で、２０ｎｍ以下に
抑えることは容易である。According to TEM (transmission electron microscope) observation, the bonding interface is bonded on the atomic order, and the thickness of the direct bonding portion is usually 10 nm or less, and it is easy to suppress it to 20 nm or less.
【００２９】有機物他の接着剤を用いて接着した場合
と、本実施例で説明した直接接合の違いと効果について
述べる。まず接着剤を用いて接着した場合は、必ず接着
界面に接着剤の層が残る。これは通常数μｍから数１０
μｍになる。本実施例では水酸基数分子層の厚みで接合
が可能となっている。そのため接合後の基板の上下面の
平行度は極めて良好なものとなる。接着剤を用いた場合
は、接着剤の厚みを原子オーダーで制御することは実質
的に不可能である。Differences and effects between the case where the organic material or other adhesive is used and the direct bonding described in this embodiment will be described. First, when bonding is performed using an adhesive, an adhesive layer always remains at the bonding interface. This is usually several μm to several tens
μm. In this embodiment, the bonding can be performed with the thickness of several molecular layers of hydroxyl groups. Therefore, the parallelism of the upper and lower surfaces of the substrates after bonding becomes extremely good. When an adhesive is used, it is virtually impossible to control the thickness of the adhesive on the atomic order.
【００３０】このことから本実施例で述べた複合圧電基
板の場合、複合圧電基板表面の微細加工が可能になる。
例えば表面弾性波デバイスを作る場合、ランガサイト基
板表面に微細な櫛形電極を形成する必要がある。櫛形電
極の幅はサブミクロンの精度が要求される。櫛形電極の
形成は電極を真空蒸着などにより形成し、ホトリソグラ
フィーを用いてマスクを形成し、エッチング加工により
形成するのが通常の方法である。サブミクロンのホトリ
ソグラフィーを行う場合、基板の上下面の平行度が十分
でないと露光の精度が十分とれず、良好な加工が得られ
ない。From the above, in the case of the composite piezoelectric substrate described in this embodiment, fine processing of the surface of the composite piezoelectric substrate becomes possible.
For example, when manufacturing a surface acoustic wave device, it is necessary to form fine comb-shaped electrodes on the surface of a Langasite substrate. Sub-micron precision is required for the width of the comb electrodes. A common method for forming the comb-shaped electrodes is to form the electrodes by vacuum vapor deposition or the like, form a mask using photolithography, and form the mask by etching. When sub-micron photolithography is performed, unless the parallelism of the upper and lower surfaces of the substrate is sufficient, the exposure accuracy cannot be sufficient and good processing cannot be obtained.
【００３１】また湿式エッチングやドライエッチングな
どの微細加工においては、エッチング剤としての酸や各
種ガスにさらされたり、高温にさらされる場合があり、
各種接着剤を用いた場合には、その化学的および熱的安
定性が重要な問題であるが、本実施例の場合には、そう
いった問題がなく、高精度微細加工が可能となる。Further, in fine processing such as wet etching or dry etching, there is a case where it is exposed to an acid as an etching agent or various gases, or exposed to a high temperature.
When various adhesives are used, their chemical and thermal stability are important problems, but in the case of this embodiment, such problems do not occur and high-precision fine processing is possible.
【００３２】接着剤、とくに有機系のものは、高温まで
安定な状態で保つことが困難である。製造の途中で行わ
れる半田付け、半田リフロー（２３０℃程度）などの加
熱工程で特性が変化したり、またガスが発生して、基板
表面の特性を利用する表面弾性波デバイスなどには悪影
響を与える。本実施例では接合のための熱処理温以下で
はきわめて強固で安定である。また界面には酸素、水素
しかないため、デバイス化した時に悪影響を与えるよう
なガスの発生がない。Adhesives, especially organic ones, are difficult to keep stable at high temperatures. The characteristics may change in the heating process such as soldering and solder reflow (about 230 ° C) that occurs during the manufacturing process, or gas may be generated, which may adversely affect surface acoustic wave devices that utilize the characteristics of the substrate surface. give. In this embodiment, it is extremely strong and stable below the heat treatment temperature for joining. Further, since only oxygen and hydrogen are present at the interface, there is no generation of gas that would adversely affect device fabrication.
【００３３】また本実施例の直接接合では、エピタキシ
ャル成長のようにシリコン基板とランガサイト基板の格
子定数のあった角度を選ぶ必要がないので、材料組合せ
の自由度がきわめて大きくなる。Further, in the direct junction of this embodiment, it is not necessary to select an angle having a lattice constant between the silicon substrate and the Langasite substrate as in the case of epitaxial growth, so that the degree of freedom in material combination becomes extremely large.
【００３４】接合界面が原子レベルで接合されているこ
と、および水素、酸素、基板構成元素以外の特別な元素
を介在させないことから、以下このような方法で行われ
た接合を、直接接合と呼ぶことにする。Since the bonding interface is bonded at the atomic level and no special element other than hydrogen, oxygen and substrate constituent elements is interposed, the bonding performed by such a method is hereinafter referred to as direct bonding. I will decide.
【００３５】このような直接接合の例として、水晶、ニ
オブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウ
ム、などと、半導体基板やガラス基板などの基板に直接
接合する方法が知られている。しかしランガサイト基板
を用いることにより、従来のこれらの基板では直接接合
が困難であった条件での直接接合が可能となる。As an example of such direct bonding, there is known a method of directly bonding quartz, lithium niobate, lithium tantalate, lithium borate, etc. to a substrate such as a semiconductor substrate or a glass substrate. However, by using the Langasite substrate, it becomes possible to perform the direct bonding under the condition that the conventional direct bonding is difficult for these substrates.
【００３６】図３は、水晶、燐酸ガリウムとＳｉ基板と
の直接接合可能な条件を、ランガサイト基板の場合と比
較したものである。FIG. 3 compares the conditions under which direct bonding of quartz or gallium phosphate and the Si substrate is possible with the case of the Langasite substrate.
【００３７】直接接合は、シリコン基板の厚みを一定と
した時、圧電基板の厚みが厚いほど、また熱処理温度が
高いほど、界面での熱応力が生じ、直接接合が困難とな
る。図３でわかるように、水晶とＳｉの直接接合の場
合、例えば、水晶の厚みが５０μｍの場合では、約３０
０℃以下での熱処理しかできない。一方、ランガサイト
の場合には、厚み５０μｍの場合、珪素の融点１４１０
℃近傍の温度約１４００℃まで熱処理が可能となる。処
理できる温度が高いほど、接合強度が強固で安定となる
ことから、信頼性の面で好ましい。In the direct bonding, when the thickness of the silicon substrate is constant, the thicker the piezoelectric substrate is and the higher the heat treatment temperature is, the thermal stress is generated at the interface, and the direct bonding becomes difficult. As can be seen from FIG. 3, in the case of direct bonding of quartz and Si, for example, when the thickness of quartz is 50 μm, about 30
Only heat treatment at 0 ° C or lower is possible. On the other hand, in the case of langasite, when the thickness is 50 μm, the melting point of silicon is 1410.
The heat treatment can be performed up to a temperature of about 1400 ° C in the vicinity of ° C. The higher the temperature that can be treated, the stronger and stable the bonding strength, which is preferable in terms of reliability.
【００３８】また製造上からみた場合、製造において容
易にハンドリングできる基板厚みは、直径２インチのウ
ェーハで考えた場合、５０μｍ以上であり、そのため接
合可能な基板厚みは、少なくとも５０μｍ以上が好まし
い。この点からみてもランガサイトは好ましい。In terms of manufacturing, the substrate thickness that can be easily handled in manufacturing is 50 μm or more when considering a wafer having a diameter of 2 inches. Therefore, the bondable substrate thickness is preferably at least 50 μm or more. From this point of view, langasite is preferable.
【００３９】またバルク波振動子の場合、圧電基板の厚
みは、共振周波数に反比例するので、取り扱える基板厚
みの範囲が広いほど、製造可能な周波数範囲が広がる。
この観点からもランガサイトは好ましい。Further, in the case of a bulk wave oscillator, the thickness of the piezoelectric substrate is inversely proportional to the resonance frequency, so the wider the range of substrate thickness that can be handled, the wider the manufacturable frequency range.
Langasite is preferable also from this viewpoint.
【００４０】この状況は、その他の圧電基板、例えば、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウ
ムと比較しても同様である。この状況を図４に示す。図
４は、シリコン基板にニオブ酸リチウム、タンタル酸リ
チウム、ほう酸リチウムを接合した場合の接合可能な範
囲をランガサイトの場合と比較して示したものである。This situation applies to other piezoelectric substrates, such as
The same applies when compared with lithium niobate, lithium tantalate, and lithium borate. This situation is shown in FIG. FIG. 4 shows the bondable range in the case of bonding lithium niobate, lithium tantalate, and lithium borate to a silicon substrate in comparison with the case of langasite.
【００４１】この場合もやはり、ランガサイトの場合の
方が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸
リチウムよりも、より高温で直接接合可能、または同一
温度であれば、より厚い基板まで直接接合可能であり、
やはり、好ましい結果が得られている。In this case as well, in the case of langasite, it is possible to directly bond at a higher temperature than lithium niobate, lithium tantalate, or lithium borate, or even a thicker substrate at the same temperature. And
Again, favorable results have been obtained.
【００４２】これらのことは、ランガサイト基板の結晶
相の相変化の温度が１４７０℃であり、水晶の相変化温
度５７３℃やタンタル酸リチウムのキューリー温度６０
７℃、また燐酸ガリウムの相変化温度９３３℃に比べて
はるかに高いことにより得られる効果である。These are the fact that the phase change temperature of the crystalline phase of the Langasite substrate is 1470 ° C., the phase change temperature of quartz is 573 ° C. and the Curie temperature of lithium tantalate is 60.
This is an effect obtained when the temperature is 7 ° C., which is far higher than the phase change temperature of gallium phosphate of 933 ° C.
【００４３】また、直接接合という手法において、特に
ランガサイト基板が、シリコン基板との接合で非常に高
温まで、あるいは厚みの厚い場合まで可能であること
を、実験的に調べることにより得られた効果である。Further, in the method of direct bonding, the effect obtained by experimentally investigating that the Langasite substrate can be bonded to a silicon substrate up to an extremely high temperature or a large thickness, in particular, is obtained. Is.
【００４４】図１（ｂ）の構成においても、真空蒸着、
スパッタリング、化学気相成長法などにより無機薄膜層
を形成することにより、その膜厚を精度よく制御するこ
とが可能なので、ホトリソグラフィーにおいて、基板上
下両面の平行度が重要な表面弾性波デバイスについて
も、適用することができる。Also in the configuration of FIG. 1B, vacuum evaporation,
By forming an inorganic thin film layer by sputtering, chemical vapor deposition, etc., it is possible to control the film thickness with high accuracy. Therefore, in photolithography, even for surface acoustic wave devices where parallelism between the upper and lower surfaces of the substrate is important. , Can be applied.
【００４５】（実施の形態２）実施の形態１で述べた構
造の複合圧電基板は、種々の用途に用いられる。(Second Embodiment) The composite piezoelectric substrate having the structure described in the first embodiment is used for various purposes.
【００４６】実施の形態１で述べた構造を用いた応用デ
バイスの第１の例を、実施の形態２として図５（ａ）、
（ｂ）に示す。A first example of an applied device using the structure described in the first embodiment is shown in FIG.
(B).
【００４７】図５は、ランガサイト基板に表面弾性波デ
バイスを形成したものである。図５において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、４、４’はランガサイト基板表面に形成した櫛形
電極である。ここでは２組の櫛形電極構成を示したが、
これは代表的構成を示したものであり、通常表面弾性波
を用いたデバイスに用いられる電極構成は、同様に構成
可能である。FIG. 5 shows a surface acoustic wave device formed on a Langasite substrate. In FIG. 5, reference numerals 1 and 2 are the Langasite substrate and the silicon substrate, and 4 and 4 ′ are comb-shaped electrodes formed on the surface of the Langasite substrate, as in the first embodiment. Although two sets of comb-shaped electrodes are shown here,
This shows a typical configuration, and the electrode configuration normally used in a device using surface acoustic waves can be similarly configured.
【００４８】図５（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種櫛形電極の構成が可能である。
さらにこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込む
ことができ、電極構成の自由度がさらに増すものであ
る。FIG. 5B shows a structure in which the inorganic thin film layer 3 is interposed between the Langasite substrate and the silicon substrate. Also in this case, various comb-shaped electrodes can be formed.
Further, in this case, the electrode can be embedded in the inorganic thin film layer, and the degree of freedom of the electrode configuration is further increased.
【００４９】（実施の形態３）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第２の例を、実施の形態３とし
て、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６は、ランガサイト
基板にバルク波デバイスを形成したものである。図６に
おいて、１、２は実施の形態１と同様、ランガサイト基
板およびシリコン基板、５はシリコン基板の一部をエッ
チングなどにより除去した空洞部、６、６’はランガサ
イト基板に対向して形成した一対のバルク波励振用電極
である。ここでは１組の対向電極構成を示したが、これ
は代表的構成を示したものであり、通常バルク波を用い
たデバイスに用いられる電極構成は、同様に構成可能で
ある。(Third Embodiment) A second example of an applied device using the structure of the first embodiment is shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) as a third embodiment. FIG. 6 shows a bulk wave device formed on a Langasite substrate. In FIG. 6, 1 and 2 are the same as in the first embodiment, a langasite substrate and a silicon substrate, 5 is a cavity formed by removing a part of the silicon substrate by etching, and 6 and 6 ′ are opposed to the langasite substrate. It is a pair of formed bulk wave excitation electrodes. Here, a pair of counter electrode configurations is shown, but this is a representative configuration, and the electrode configuration normally used for a device using a bulk wave can be similarly configured.
【００５０】このような構成をとることにより、バルク
波デバイスの特性を熱的、機械的に安定に保ちながら保
持することが可能となる。例えば、シリコン基板の場
合、単結晶の異方性エッチングを利用して、空洞部の微
細加工を高精度に加工することができる。By adopting such a configuration, it becomes possible to maintain the characteristics of the bulk wave device while keeping them thermally and mechanically stable. For example, in the case of a silicon substrate, the fine processing of the cavity can be processed with high accuracy by utilizing anisotropic etching of a single crystal.
【００５１】また本実施の形態３においては、直接接合
部の厚みが２０ｎｍ以下であることから、直接接合後の
ランガサイト基板を、研磨などの機械的加工により、高
精度で薄板化することが可能となる。バルク波デバイス
の共振周波数は、一般に圧電基板の厚みに反比例するた
め、高周波化するためには、薄板化加工が必要である。
５００ＭＨｚ以上で動作させる場合３−５μｍ以下に薄
板化することが必要である。通常の接着剤を用いてシリ
コン基板に接合した場合、接着剤の厚みがμｍオーダー
であることから、通常の接着剤を用いて、３−５μｍ以
下の薄板に高精度（面内が均一）で加工することはでき
ない。この場合の精度は、大体３−５μｍ＋−１μｍ程
度である。しかし本実施例の直接接合を用いた場合、３
−５μｍ＋−２０ｎｍ程度の精度で薄板化が可能であ
る。Further, in the third embodiment, since the thickness of the direct bonding portion is 20 nm or less, the Langasite substrate after the direct bonding can be thinned with high precision by mechanical processing such as polishing. It will be possible. Since the resonance frequency of the bulk wave device is generally inversely proportional to the thickness of the piezoelectric substrate, thinning is required to increase the frequency.
When operating at 500 MHz or higher, it is necessary to reduce the thickness to 3-5 μm or less. When a normal adhesive is used to bond to a silicon substrate, the thickness of the adhesive is on the order of μm. Therefore, using a normal adhesive, a thin plate of 3-5 μm or less can be obtained with high accuracy (in-plane uniformity). It cannot be processed. The accuracy in this case is about 3-5 μm + −1 μm. However, when the direct joining of this embodiment is used, 3
It is possible to make a thin plate with an accuracy of about −5 μm + −20 nm.
【００５２】図６（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種電極の構成が可能である。さら
にこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込むこと
ができ、さらに電極構成の自由度が増すものである。FIG. 6B shows a structure in which the inorganic thin film layer 3 is interposed between the Langasite substrate and the silicon substrate. Also in this case, various electrode configurations are possible. Further, in this case, the electrode can be embedded in the inorganic thin film layer, and the degree of freedom of the electrode configuration is further increased.
【００５３】（実施の形態４）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第３の例を実施の形態４として、
図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７は、ランガサイト基板
とシリコン基板を直接接合した複合基板に、バルク波デ
バイスを形成したものである。図７において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、６、６’はランガサイト基板とシリコン基板の直
接接合界面に対向する面に、対向して形成した一対のバ
ルク波励振用電極である。ここでは１組の対向電極構成
を示したが、これは代表的構成を示したものであり、通
常バルク波を用いたデバイスに用いられる電極構成は、
同様に構成可能である。(Fourth Embodiment) A third example of an applied device using the structure of the first embodiment will be described as a fourth embodiment.
This is shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). FIG. 7 shows a bulk wave device formed on a composite substrate in which a Langasite substrate and a silicon substrate are directly bonded. In FIG. 7, reference numerals 1 and 2 are the same as in the first embodiment, and 6 and 6 ′ are a pair of facing surfaces that are opposed to the direct bonding interface between the Langasite substrate and the silicon substrate. It is an electrode for bulk wave excitation. Here, a pair of counter electrode configurations is shown, but this is a typical configuration, and the electrode configuration normally used for a device using bulk waves is
It is similarly configurable.
【００５４】図７（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種電極の構成が可能である。さら
にこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込むこと
ができ、さらに電極構成の自由度が増すものである。FIG. 7B shows a structure in which the inorganic thin film layer 3 is interposed between the Langasite substrate and the silicon substrate. Also in this case, various electrode configurations are possible. Further, in this case, the electrode can be embedded in the inorganic thin film layer, and the degree of freedom of the electrode configuration is further increased.
【００５５】（実施の形態５）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第４の例を実施の形態５として、
図８（ａ）、（ｂ）に、実施の形態５の他の例を図９
（ａ）、（ｂ）に示す。(Fifth Embodiment) A fifth example of an applied device using the structure of the first embodiment will be described as a fifth embodiment.
8A and 8B, another example of the fifth embodiment is shown in FIG.
(A) and (b) show.
【００５６】図８（ａ）、（ｂ）は、ランガサイト基板
を、トランジスタなどの電子素子または、それらからな
る電子回路を有する半導体基板に直接接合し、ランガサ
イト基板に圧電デバイスを形成し、電子素子あるいは電
子回路と接続したものである。図８において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、４は、表面弾性波を励振する場合の櫛形電極（図
では櫛形電極形状は省略して表示している）、６’はバ
ルク波を励振する場合の、対向電極（この場合、上下両
面に対向して設けられているが、図では上面の電極のみ
を表示している）、５はバルク波を励振する場合の空洞
部、７は半導体シリコン基板２の上に形成されたトラン
ジスタなどの電子素子ないしはそれらからなる電子回路
部、８、８’は、圧電デバイスの電極と、電子素子また
は電子回路を接続する配線部である。電子素子として
は、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、インダクタなど
であり、電子回路の場合、表面弾性波ないしはバルク波
を用いた発振回路、フィルタを有する増幅回路、各種セ
ンサ回路などが構成可能である。8 (a) and 8 (b), a Langasite substrate is directly bonded to an electronic element such as a transistor or a semiconductor substrate having an electronic circuit including them, and a piezoelectric device is formed on the Langasite substrate. It is connected to an electronic element or electronic circuit. In FIG. 8, 1 and 2 are the same as in the first embodiment, and the Langasite substrate and the silicon substrate are the comb-shaped electrodes when the surface acoustic wave is excited (the comb-shaped electrode shape is omitted in the figure). , 6'are counter electrodes when exciting a bulk wave (in this case, they are provided so as to face both upper and lower surfaces, but only the electrodes on the upper surface are shown in the figure), and 5 excite a bulk wave In the case, a hollow portion 7 is an electronic element such as a transistor formed on the semiconductor silicon substrate 2 or an electronic circuit portion composed of them, and 8 and 8'connect the electrodes of the piezoelectric device to the electronic element or the electronic circuit. It is a wiring part. The electronic element is a transistor, a resistor, a capacitor, an inductor, or the like, and in the case of an electronic circuit, an oscillation circuit using a surface acoustic wave or a bulk wave, an amplifier circuit having a filter, various sensor circuits, and the like can be configured.
【００５７】ここでは代表的構成を示したものであり、
圧電デバイスと電子回路からなる構成であれば、種々の
ものが構成可能である。Here, a typical configuration is shown,
Various structures can be configured as long as they include a piezoelectric device and an electronic circuit.
【００５８】このような構成をとることにより、圧電デ
バイスと半導体デバイスを一体に集積化でき、大幅な小
型化が可能となる。またランガサイト基板と半導体シリ
コン基板との接合を直接接合で行っていることから、熱
的、機械的に極めて信頼性の高いものが得られる。また
このままパッケージに気密封止した場合、接合部からの
ガスの発生などがないことから安定であり、また半田リ
フローなどの製造上の一次的加熱に対しても、直接接合
熱処理温度を、半田リフロー温度よりも高温で行ってお
けば極めて安定な特性が得られる。With this structure, the piezoelectric device and the semiconductor device can be integrated together, and the size can be greatly reduced. In addition, since the Langasite substrate and the semiconductor silicon substrate are directly bonded to each other, a thermally and mechanically highly reliable product can be obtained. If the package is hermetically sealed as it is, it is stable because there is no generation of gas from the joint, and the direct joint heat treatment temperature can be set to the solder reflow temperature even for primary heating during manufacturing such as solder reflow. If it is performed at a temperature higher than the temperature, extremely stable characteristics can be obtained.
【００５９】図９（ａ）、（ｂ）は、ランガサイト基板
とシリコン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合
の構成である。この場合にも各種電極の構成が可能であ
る。さらにこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め
込むことができ、さらに電極構成の自由度が増すもので
ある。FIGS. 9A and 9B show a structure in which the inorganic thin film layer 3 is interposed between the Langasite substrate and the silicon substrate. Also in this case, various electrode configurations are possible. Further, in this case, the electrode can be embedded in the inorganic thin film layer, and the degree of freedom of the electrode configuration is further increased.
【００６０】（実施の形態６）実施の形態１の図１
（ａ）に示す構造の複合圧電基板の製造方法の例を説明
する。(Sixth Embodiment) FIG. 1 of the first embodiment.
An example of a method of manufacturing the composite piezoelectric substrate having the structure shown in (a) will be described.
【００６１】シリコン基板及びランガサイト基板表面を
研磨により平坦化し、さらに表面が鏡面状態になるまで
研磨する。次に接合予定部表面を、洗剤、各種溶剤によ
り極めて清浄にする。その後、それぞれの表面を親水化
処理する。例えば紫外線照射でもよい。その後その表面
を純水で十分洗浄するとともに、表面に水酸基を付着さ
せる。その後、両基板を一様に重ね合わせることによ
り、容易に接合が得られる。この状態で熱処理を行うこ
とにより接合強度が強化される。１００℃から１４００
℃の温度で熱処理を行うと、その接合は更に強化され
る。The surfaces of the silicon substrate and the langasite substrate are flattened by polishing, and further polished until the surfaces are in a mirror state. Next, the surfaces to be joined are made extremely clean with detergent and various solvents. Then, each surface is hydrophilized. For example, ultraviolet irradiation may be used. Then, the surface is thoroughly washed with pure water, and hydroxyl groups are attached to the surface. After that, the two substrates are uniformly overlapped with each other, so that the bonding can be easily obtained. By performing the heat treatment in this state, the bonding strength is enhanced. 100 ° C to 1400
The heat treatment at a temperature of ° C further strengthens the bond.
【００６２】接合強化の熱処理効果は、例えば、２００
℃で、１時間程度保持するだけでも接合強度は数倍に上
がり、数１０Ｋｇ／平方ｃｍの強度が得られる。The heat treatment effect for strengthening the bond is, for example, 200
The bonding strength is increased several times and the strength of several tens Kg / square cm can be obtained even if it is held at ℃ for about 1 hour.
【００６３】また熱処理温度は、シリコン基板とランガ
サイト基板が変質する温度以下であることが必要であ
る。The heat treatment temperature needs to be lower than the temperature at which the silicon substrate and the Langasite substrate are altered.
【００６４】直接接合に用いる基板は、基板表面の凹凸
が、直接接合の歩留まりに影響を与えるため、平坦で清
浄な表面の得易い単結晶基板が好ましい。The substrate used for the direct bonding is preferably a single crystal substrate which is easy to obtain a flat and clean surface because the unevenness of the substrate surface affects the yield of the direct bonding.
【００６５】本製造方法で得られた接合界面は、接着剤
を用いずに原子オーダーの接合が得られるため、熱的変
化や機械的振動にたいして安定な複合圧電基板が得られ
る。Since the bonding interface obtained by the present manufacturing method can be bonded on an atomic order without using an adhesive, a composite piezoelectric substrate that is stable against thermal changes and mechanical vibrations can be obtained.
【００６６】（実施の形態７）実施の形態１の図１
（ｂ）に示す構造の複合圧電基板の製造方法の例を説明
する。(Embodiment 7) FIG. 1 of Embodiment 1
An example of a method of manufacturing the composite piezoelectric substrate having the structure shown in (b) will be described.
【００６７】シリコン基板及びランガサイト基板表面を
研磨により平坦化し、さらに表面が鏡面状態になるまで
研磨する。次に接合予定部表面を、洗剤、各種溶剤によ
り極めて清浄にする。次に接合する基板の少なくとも一
方の面に、無機薄膜層を、スパッタリング、真空蒸着、
化学気相成長法などにより形成する。無機薄膜層として
は珪素もしくは珪素化合物が好ましく、珪素は多結晶で
も非晶質でもよい。珪素化合物としては、酸化珪素、窒
化珪素などが好ましい。形成した無機薄膜層表面をきわ
めて清浄にした後、それぞれの接合予定部表面を紫外線
照射などにより、親水化処理する。その後、その表面を
純水で十分洗浄して表面に水酸基を付着させる。その
後、両基板を一様に重ね合わせることにより、実施の形
態６と同様、容易に接合が得られる。この状態で熱処理
を行うことにより接合強度が強化される。１００℃から
１４００℃の温度で熱処理を行うと、その接合は更に強
化される。熱処理の効果は実施の形態６とほぼ同様であ
り、２００℃で、１時間程度保持するだけでも接合強度
は数倍に上がり、数１０Ｋｇ／平方ｃｍの強度が得られ
る。The surfaces of the silicon substrate and the langasite substrate are flattened by polishing and further polished until the surfaces are in a mirror state. Next, the surfaces to be joined are made extremely clean with detergent and various solvents. Next, on at least one surface of the substrate to be bonded, an inorganic thin film layer, sputtering, vacuum deposition,
It is formed by a chemical vapor deposition method or the like. The inorganic thin film layer is preferably silicon or a silicon compound, and silicon may be polycrystalline or amorphous. The silicon compound is preferably silicon oxide or silicon nitride. After the surface of the formed inorganic thin film layer is extremely cleaned, the surfaces of the respective portions to be joined are subjected to hydrophilic treatment by irradiating with ultraviolet rays. Then, the surface is thoroughly washed with pure water to attach hydroxyl groups to the surface. After that, the two substrates are uniformly overlapped with each other, so that the bonding can be easily obtained as in the sixth embodiment. By performing the heat treatment in this state, the bonding strength is enhanced. When the heat treatment is performed at a temperature of 100 ° C to 1400 ° C, the bond is further strengthened. The effect of the heat treatment is almost the same as that of the sixth embodiment, and the bonding strength is increased several times and the strength of several tens Kg / square cm can be obtained only by holding at 200 ° C. for about 1 hour.
【００６８】また熱処理温度は、シリコン基板とランガ
サイト基板と無機薄膜層が変質する温度以下であること
が必要である。The heat treatment temperature needs to be lower than the temperature at which the silicon substrate, the Langasite substrate and the inorganic thin film layer are altered.
【００６９】無機薄膜層については、ランガサイト基板
側につけた例について説明したが、シリコン基板側につ
けても同様にして直接接合できる。また両基板の表面に
無機絶縁層を形成してもやはり同様にして直接接合でき
る。得られた複合圧電基板の機能、性能としては、いず
れの場合もほぼ同様のものが得られる。Regarding the inorganic thin film layer, the example in which it is attached to the langasite substrate side has been described, but it can be directly joined in the same manner even if it is attached to the silicon substrate side. Further, even if the inorganic insulating layers are formed on the surfaces of both substrates, the direct bonding can be performed in the same manner. The functions and performances of the obtained composite piezoelectric substrate are almost the same in all cases.
【００７０】また直接接合は、高温の熱処理では、共有
結合が支配的となるため、無機絶縁層に珪素を含むもの
が、共有結合を形成しやすく、接合強度の高いものを得
易い。Further, in the direct bonding, the covalent bond is predominant in the high temperature heat treatment, and therefore, the inorganic insulating layer containing silicon is likely to form the covalent bond and easily obtain the one having high bonding strength.
【００７１】また実施例６の製造方法に比べて、無機薄
膜層が直接接合時のバッファーの役目を果たすため、ラ
ンガサイト基板とシリコン基板の熱膨張率の差が少し緩
和される効果がある。そのため接合熱処理をより高温で
行うことができ、接合強度の高いものが得られる。また
接合界面に多少のゴミがあっても、熱処理により直接接
合が強化される過程で、無機薄膜層に取り込まれるた
め、製造上歩留まりが上がるという効果がある。Further, as compared with the manufacturing method of Example 6, since the inorganic thin film layer plays a role of a buffer at the time of direct bonding, there is an effect that the difference in the coefficient of thermal expansion between the langasite substrate and the silicon substrate is slightly alleviated. Therefore, the joining heat treatment can be performed at a higher temperature, and the one having high joining strength can be obtained. Further, even if there is some dust on the bonding interface, it is taken into the inorganic thin film layer in the process of strengthening the bonding directly by the heat treatment, which has the effect of increasing the manufacturing yield.
【００７２】本製造方法で得られた接合界面は、実施の
形態６と同様、接着剤を用いずに原子オーダーの接合が
得られるため、熱的変化や機械的振動に対して安定な複
合圧電基板が得られる。Since the bonding interface obtained by this manufacturing method can be bonded in atomic order without using an adhesive as in the sixth embodiment, the composite piezoelectric element is stable against thermal changes and mechanical vibrations. A substrate is obtained.
【００７３】本実施の形態では、親水化の一例を示した
が、この方法に限定されるものではない。他の親水化処
理や、水酸基を表面に付着させる方法を用いてもよい。In this embodiment, an example of hydrophilization is shown, but the method is not limited to this. Other hydrophilic treatments or methods of attaching hydroxyl groups to the surface may be used.
【００７４】[0074]
【発明の効果】本発明では、有機物などの接着剤を用い
ずに、２０ｎｍ以下の接合部の厚みで、複合圧電基板を
形成することができることから、基板上下の平行度が良
く、基板表面の高精度微細加工が可能であり、具体的に
は、３μｍ＋−２０ｎｍで膜厚を制御することができ
る。According to the present invention, since a composite piezoelectric substrate can be formed with a bonding portion having a thickness of 20 nm or less without using an adhesive such as an organic substance, the parallelism between the upper and lower sides of the substrate is good and the substrate surface High-precision microfabrication is possible, and specifically, the film thickness can be controlled at 3 μm + −20 nm.
【００７５】また熱的、機械的に安定であり、具体的に
は５７３℃以上の熱処理が容易なので、５７３℃以下の
温度に対して、極めて安定な圧電デバイスが容易に得ら
れる。Further, since it is thermally and mechanically stable and specifically, heat treatment at 573 ° C. or higher is easy, an extremely stable piezoelectric device can be easily obtained at a temperature of 573 ° C. or lower.
【００７６】また９３３℃以上の熱処理も容易なので、
９３３℃以下の温度に対して、極めて安定な圧電デバイ
スが容易に得られる。Since heat treatment at 933 ° C. or higher is easy,
An extremely stable piezoelectric device can be easily obtained at a temperature of 933 ° C. or lower.
【００７７】またシリコン基板とランガサイト基板の、
結晶方位組合せの自由度が大きいことから、材料選択の
自由度が大幅に増すものである。また半導体基板と複合
化したことから、半導体基板に各種電子素子、電子回路
を形成することにより、圧電デバイスと半導体デバイス
を集積化したデバイスが得られる。Further, between the silicon substrate and the langasite substrate,
Since the degree of freedom in combining crystal orientations is large, the degree of freedom in selecting materials is greatly increased. Further, since it is combined with the semiconductor substrate, various electronic elements and electronic circuits are formed on the semiconductor substrate to obtain a device in which the piezoelectric device and the semiconductor device are integrated.
【００７８】また水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウムなどの圧電基
板を用いた場合の直接接合に比べて、より高温で熱処理
可能であり、またより厚い基板での直接接合が可能であ
る。さらに具体的には、５０μｍ以上の基板厚みで、３
００℃以上で、また５７３℃以上でも、また９３３℃以
上でも、１４００℃までは直接接合時の熱処理温度が可
能となる。これにより直接接合部の接合強度が強化さ
れ、より熱的、機械的に安定なものが得られる。Further, compared with direct bonding using a piezoelectric substrate of quartz, lithium niobate, lithium tantalate, lithium borate, gallium phosphate, etc., heat treatment can be performed at a higher temperature, and direct bonding on a thicker substrate is possible. Is possible. More specifically, with a substrate thickness of 50 μm or more, 3
Even if the temperature is 00 ° C. or higher, 573 ° C. or higher, or 933 ° C. or higher, the heat treatment temperature at the time of direct bonding is possible up to 1400 ° C. As a result, the joint strength of the direct joint portion is enhanced, and a more thermally and mechanically stable joint is obtained.
【００７９】また５０μｍ以上の基板厚みで直接接合可
能であることから、２−３インチでのウエーハ処理が可
能となり、量産に適している。また直接接合歩留まりが
大幅に向上する。具体的には、圧電基板の厚みが５０μ
ｍ、熱処理温度３５０℃の場合、水晶−Ｓｉ直接接合で
は、歩留まり５％以下であるのに対して、ランガサイト
ーＳｉの場合は、９５％以上である。Further, since it is possible to directly bond the substrate with a thickness of 50 μm or more, it becomes possible to perform wafer processing in 2-3 inches, which is suitable for mass production. In addition, the direct bonding yield is significantly improved. Specifically, the thickness of the piezoelectric substrate is 50μ.
When the heat treatment temperature is 350 ° C., the yield is 5% or less in the case of quartz-Si direct bonding, whereas it is 95% or more in the case of Langasite-Si.
【００８０】これにより、表面弾性波デバイス、バルク
波デバイス、圧電ー半導体集積化デバイスなどの各種応
用デバイスの設計自由度が大幅に増すなどの効果が得ら
れるものである。As a result, it is possible to obtain an effect that the degree of freedom in designing various applied devices such as surface acoustic wave devices, bulk wave devices, and piezoelectric semiconductor integrated devices is significantly increased.
【図１】本発明の実施の形態１における構造図FIG. 1 is a structural diagram according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施の形態１における原理の説明図FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle according to the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施の形態における、ランガサイト基
板をシリコン基板へ直接接合できる基板の厚みと熱処理
温度の関係を、水晶、燐酸ガリウムの場合と比較して示
す図FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of a substrate capable of directly bonding a Langasite substrate to a silicon substrate and the heat treatment temperature in comparison with the case of quartz and gallium phosphate in the embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施の形態における、ランガサイト基
板をシリコン基板へ直接接合できる基板厚みと熱処理温
度の関係を、他の圧電基板と比較して示す図FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a substrate thickness capable of directly joining a Langasite substrate to a silicon substrate and a heat treatment temperature in comparison with other piezoelectric substrates in an embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施の形態２における構造図FIG. 5 is a structural diagram according to a second embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施の形態３における構造図FIG. 6 is a structural diagram according to a third embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施の形態４における構造図FIG. 7 is a structural diagram according to a fourth embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施の形態５における構造図FIG. 8 is a structural diagram according to a fifth embodiment of the present invention.
【図９】同実施の形態５において無機薄膜層を介在させ
た場合の構造図FIG. 9 is a structural diagram when an inorganic thin film layer is interposed in the fifth embodiment.
１ ランガサイト基板 ２ シリコン基板 ３ 無機薄膜層 ４ 櫛形電極 ５ 空洞部 ６ 電極 ７ 電子素子または電子回路部 ８ 配線 1 Langasite Substrate 2 Silicon Substrate 3 Inorganic Thin Film Layer 4 Comb Electrode 5 Cavity 6 Electrode 7 Electronic Element or Electronic Circuit 8 Wiring
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｈ 3/08 7259−5Ｊ Ｈ０３Ｈ 9/25 Ｃ 9/17 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ 9/25 41/22 Ｚ (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H03H 3/08 7259-5J H03H 9/25 C 9/17 H01L 41/08 C 9/25 41 / 22 Z (72) Inventor Osamu Kawasaki 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Claims (10)
の水酸基の水素結合または酸素との共有結合により直接
接合されていることを特徴とする複合圧電基板。1. A composite piezoelectric substrate, wherein a Langasite substrate and a silicon substrate are directly bonded by hydrogen bond of a hydroxyl group at the interface or covalent bond with oxygen.
成り、前記基板の少なくとも一方の基板表面に、無機薄
膜層を有し、前記基板同士が、前記無機薄膜層と他方の
基板との界面の水酸基の水素結合または酸素との共有結
合により直接接合されていることを特徴とする複合圧電
基板。2. A Langasite substrate and a silicon substrate, wherein at least one of the substrates has an inorganic thin film layer on the surface thereof, and the substrates have a hydroxyl group at the interface between the inorganic thin film layer and the other substrate. A composite piezoelectric substrate, which is directly bonded by a hydrogen bond or a covalent bond with oxygen.
とを特徴とする請求項１または２記載の複合圧電基板。3. The composite piezoelectric substrate according to claim 1, wherein the thickness of the direct bonding portion is 20 nm or less.
ことを特徴とする請求項２記載の複合圧電基板。4. The composite piezoelectric substrate according to claim 2, wherein the inorganic thin film layer is silicon or a silicon compound.
電極を有することにより、前記ランガサイト基板に表面
弾性波を励振させるようにしたことを特徴とする請求項
１または２記載の複合圧電基板。5. The composite piezoelectric substrate according to claim 1, wherein the Langasite substrate is provided with at least a pair of comb-shaped electrodes so that surface acoustic waves are excited in the Langasite substrate.
の対向電極を有することにより、前記ランガサイト基板
にバルク波を励振させるようにしたことを特徴とする請
求項１または２記載の複合圧電基板。6. The composite piezoelectric substrate according to claim 1, wherein at least one pair of counter electrodes are provided on both surfaces of the Langasite substrate to excite a bulk wave in the Langasite substrate.
有することを特徴とする請求項１または２記載の複合圧
電基板。7. The composite piezoelectric substrate according to claim 1, wherein the silicon substrate has an electronic element or an electronic circuit.
接合予定部表面を極めて清浄にし、さらに水酸基を付着
させ、重ね合わせて加熱することにより、前記ランガサ
イト基板を前記シリコン基板に直接接合することを特徴
とする複合圧電基板の製造方法。8. A Langasite substrate and a silicon substrate,
A method for manufacturing a composite piezoelectric substrate, which comprises directly bonding the Langasite substrate to the silicon substrate by extremely cleaning the surfaces of the intended bonding portions, further attaching a hydroxyl group, and superposing them on each other and heating them.
少なくとも一方の接合予定部表面に、無機薄膜層を形成
し、その表面ならびに他方の基板表面の接合予定部を極
めて清浄にし、さらに水酸基を付着させ、重ね合わせて
加熱することにより、前記ランガサイト基板を前記シリ
コン基板に、前記無機薄膜層を介して直接接合すること
を特徴とする複合圧電基板の製造方法。9. A Langasite substrate and a silicon substrate,
An inorganic thin film layer is formed on the surface of at least one part to be bonded, the surface and the part to be bonded on the surface of the other substrate are extremely cleaned, further hydroxyl groups are attached, and the langasite substrate is heated by stacking and heating. Is directly bonded to the silicon substrate via the inorganic thin film layer.
あることを特徴とする請求項９記載の複合圧電基板の製
造方法。10. The method for producing a composite piezoelectric substrate according to claim 9, wherein the inorganic thin film layer is silicon or a silicon compound.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2899396A JPH09221392A (en) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Composite piezoelectric substrate and its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2899396A JPH09221392A (en) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Composite piezoelectric substrate and its production |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09221392A true JPH09221392A (en) | 1997-08-26 |
Family
ID=12263948
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2899396A Pending JPH09221392A (en) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Composite piezoelectric substrate and its production |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09221392A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1996
- 1996-02-16 JP JP2899396A patent/JPH09221392A/en active Pending
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