TWI692463B - 接合體及彈性波元件 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題係提供可將由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地接合於由莫來石構成之支撐基板上的微構造。 本發明提供包含有支撐基板3及壓電材料層2之接合體1。支撐基板3由莫來石構成，壓電材料層2之材質係LiAO3
(A係從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素)。並包含有沿著支撐基板3與壓電材料層2之界面存在的界面層4及存在於界面層4與支撐基板3之間的支撐基板側中間層5。界面層4及支撐基板側中間層5分別以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素、氧、鋁及矽為主成分。
Description
本發明係有關於一種特定之壓電材料層與由莫來石構成之支撐基板的接合體。
已知有可發揮用於行動電話等之濾波器元件及振盪器的功能之表面聲波裝置、使用壓電薄膜之藍姆波元件或薄膜體聲波共振器(FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator)等彈性波裝置。此種彈性波裝置已知有使支撐基板與傳遞表面聲波之壓電基板貼合並於壓電基板之表面設有可激發表面聲波之梳狀電極者。如此，藉將具有小於壓電基板之熱膨脹係數的支撐基板貼附於壓電基板，而抑制溫度變化時之壓電基板的尺寸之變化，而抑制了表面聲波裝置之頻率特性的變化。
舉例而言，於專利文獻1提出了以由環氧接著劑構成之接著層將壓電基板與矽基板貼合之構造的表面聲波裝置。
在此，已知有下述技術，前述技術係將壓電基板與矽基板接合之際，於壓電基板表面形成氧化矽膜，而藉由氧化矽膜將壓電基板與矽基板直接接合(專利文獻2)。於此接合之際，對氧化矽膜表面與矽基板表面照射電漿束而將表面活化， 而進行直接接合(電漿活化法)。
又，已知有下述技術，前述技術係令壓電基板之表面為粗糙面，且於該粗糙面上設填充層而平坦化，並藉由接著層將此填充層接著於矽基板(專利文獻3)。 在此方法中，填充層、接著層使用環氧系、丙烯酸系樹脂，並令壓電基板之接合面為粗糙面，藉此，抑制體聲波之反射，減低了雜波。
又，已知有所謂之FAB(Fast Atom Beam：快速原子束)方式的直接接合法(專利文獻4)。在此方法中，以常溫對各接合面照射中性原子束而活化，而直接接合。
另一方面，在專利文獻5，記載有下述技術，前述技術係將壓電單晶基板對非矽基板而是由陶瓷(氧化鋁、氮化鋁、氮化矽)構成之支撐基板藉由中間層直接接合。此中間層之材質為矽、氧化矽、氮化矽、氮化鋁。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利公開公報2010-187373 [專利文獻2]美國專利第7213314B2 [專利文獻3]日本專利第5814727 [專利文獻4]日本專利公開公報2014-086400 [專利文獻5]日本專利第3774782
[發明欲解決之問題]
本案發明人特別檢討了將由莫來石構成之支撐基板對由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地穩定接合這點。此係因將壓電材料層接合於支撐基板上後，將壓電材料層拋光加工成薄在特性上較佳，但當接合強度低，則於此拋光加工時，產生細微之剝離。
然而，將由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地穩定接合於由莫來石構成之支撐基板上並不易。
本發明之課題係提供可將由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地接合於由莫來石構成之支撐基板上的微構造。 [解決問題之手段]
本發明係包含有支撐基板及壓電材料層之接合體，該支撐基板由莫來石構成；該壓電材料層之材質係LiAO3
(A係從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素)；該接合體並包含有沿著該支撐基板與該壓電材料層之界面存在的界面層及存在於該界面層與該支撐基板之間的支撐基板側中間層，該界面層及該支撐基板側中間層分別以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素、氧、鋁及矽為主成分。 [發明之功效]
根據本發明，成功地提供了可將由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地穩定接合於由莫來石構成之支撐基板上的微構造。
[用以實施發明之形態]
以下，適宜參照圖式，詳細地說明本發明。 本發明之接合體係包含有支撐基板及壓電材料層之接合體，支撐基板由莫來石構成；壓電材料層之材質係LiAO3
(A係從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素)。舉例而言，在圖1(a)所示之接合體1中，壓電材料層2之活化面2a對支撐基板3之活化面3a直接接合。此外，2b係壓電材料層2之主面，3b係支撐基板3之主面。
在此，將圖1(a)之接合體的接合界面放大而作為示意圖顯示於圖1(b)。 沿著支撐基板3與壓電材料層2之界面設有界面層4，於界面層4與支撐基板3之間存在支撐基板側中間層5。界面層4及支撐基板側中間層5分別由以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素、氧、鋁及矽為主成分之材質構成。
壓電材料層之材質為LiAO3
。在此，A係從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素。因此，LiAO3
可為鈮酸鋰，亦可為鉭酸鋰，還可為鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體。
支撐基板由莫來石構成。莫來石係由具有3Al2
O3
･2SiO2
(Al6
O13
Si2
)之組成的莫來石結晶構成之陶瓷。莫來石宜為燒結體，製造法則未特別限定。
在本發明使用之莫來石的相對密度從接合強度之觀點而言，以99.5%以上為佳，亦可為100%。相對密度以阿基米德法測定。又，莫來石之純度從接合強度之觀點而言，以98%以上為佳，以99%以上為更佳。
在此，在圖1(b)、圖2中，各層之組成如以下。 支撐基板3之組成：Al6
O13
Si2
壓電材料層2之組成：LiAO3
(A=Ta、Nb)
接著，在將支撐基板3與壓電材料層2直接接合之階段，藉控制各接合面之活化條件，在兩者之界面產生適度之原子擴散，而可生成本發明之界面層4及支撐基板側中間層5。即，界面層及支撐基板側中間層分別以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素(A)、氧(O)、鋁(Al)及矽(Si)為主成分。此顯示了從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素(A)從壓電材料層2往支撐基板3側擴散。還顯示了鋁(Al)及矽(Si)從支撐基板3(Al6
O13
Si2
)往壓電材料層(LiAO3
)擴散。 發現了藉此種微構造可將由鈮酸鋰或鉭酸鋰構成之壓電材料層堅固地穩定接合於由莫來石構成之支撐基板上。
此外，「以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素(A)、氧(O)、鋁(Al)及矽(Si)為主成分」係指令全原子比率為100原子%時，該等原子之原子比率的總和為95%以上，以97原子%以上為更佳。
本案發明人更詳細檢討該等組成，結果，清楚明白了以下情形。即，發現了當界面層4之矽比率高於支撐基板側中間層5之矽比率時，接合強度特別明顯提高，在接合界面以外之部分易產生主體破壞。
此理由並不明確。由於矽(Si)原子從支撐基板往壓電材料層2擴散，故通常支撐基板側中間層5之矽比率應高於界面層4之矽比率。然而，支撐基板側中間層及界面層非常薄，因各接合面之活化狀態，矽之擴散易進行，因此，矽之擴散更往稍微遠離支撐基板3之界面層4集中。而發現當產生此種擴散時，接合強度特別提高。
在較佳之實施形態中，如圖2、圖3所示，界面層4亮，支撐基板側中間層5暗。惟，此照片係穿透式電子顯微鏡之明視野像，以以下之條件拍攝。 測定裝置： 使用穿透式電子顯微鏡(日本電子製JEM-ARM200F)來觀察微構造。 測定條件： 對以FIB(聚焦離子束)法薄片化之樣品以加速電壓200kV觀察。
在本發明，支撐基板、支撐基板側中間層、界面層、壓電材料層之各原子比率如以下決定。 測定裝置： 使用元素分析裝置(日本電子製JED-2300T)，進行元素分析。 測定條件： 對以FIB(聚焦離子束)法薄片化之樣本以加速電壓200kV、X射線掠出角21.9˚、立體角0.98sr、擷取時間30秒來分析。
測定值之處理： 在壓電材料層、界面層、支撐基板側中間層及支撐基板之各部分測定從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素(A)、氧(O)、鋁(Al)、矽(Si)及氬(Ar)的原子比率。元素(A)之原子比率為Ta與Nb之總和量。此時，在各部分，調整成該元素比率之總和為100原子%，而算出各原子之原子比率(原子%)。
接著，將支撐基板之鋁(Al)、矽(Si)的原子比率換算為100，按此，算出其他各層之鋁(Al)、矽(Si)的原子比率。此作為顯示鋁及矽從支撐基板往各層擴散之程度的指標。在壓電材料層，鋁(Al)、矽(Si)之原子比率為0。
另一方面，將壓電材料層之從由鈮及鉭構成的群組選取之一種以上的元素(A)之原子比率換算成100，按此，算出各層之元素(A)的原子比率。此作為顯示元素(A)從壓電材料層往各層擴散之程度的指標。在支撐基板，元素(A)之原子比率為0。
在較佳之實施形態中，令支撐基板之矽比率為100時之界面層的矽比率為41以上。藉令此矽比率為41以上，接合強度更高。從此觀點而言，界面層之矽比率以51以上為佳，以61以上為更佳。
又，在較佳之實施形態中，令支撐基板之矽比率為100時之界面層的矽比率為98以下。界面層之矽比率以89以下為佳，以79以下為更佳。
在本發明中，界面層之矽比率亦可低於支撐基板側中間層之矽比率。惟，此時，令支撐基板之矽比率為100時，界面層之矽比率與支撐基板側中間層之矽比率的差以21以下為佳，以12以下為更佳。又，在較佳之實施形態中，令界面層之矽比率高於支撐基板側中間層之矽比率。此時，界面層之矽比率與支撐基板側中間層之矽比率的差以19以上為佳，以38以上為更佳。
在較佳之實施形態中，支撐基板側中間層之鋁比率高於支撐基板之鋁比率。 此係指在支撐基板側中間層，來自支撐基板之鋁(Al)擴散之際局部地集中。此時， 特別有接合強度高之傾向。
從此種觀點而言，令支撐基板之鋁比率為100時，支撐基板側中間層之鋁比率以105以上為佳，以112以上為更佳。又，實際上，支撐基板側中間層之鋁比率多為116以下。
令支撐基板之鋁比率為100時，界面層之鋁比率從接合強度之觀點而言，以31以上為佳，通常多為45以下。又，界面層之鋁比率以低於支撐基板側中間層之鋁比率為佳。
從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素(A)從壓電材料層往支撐基板擴散。因此，令壓電材料層之元素(A)的原子比率為100時，界面層之元素(A)的原子比率以50~90為佳，以60~88為更佳。又，支撐基板側中間層之元素(A)的原子比率以6~30為佳，以16~23為更佳。 又，支撐基板側中間層之元素(A)的原子比率通常低於界面層之元素(A)的原子比率。
舉例而言，界面層之氬(Ar)等載體氣體的原子比率以1.8~2.5原子%為佳。又， 支撐基板側中間層之氬(Ar)等載體氣體的原子比率以0.1~0.5原子%為佳。
以下，就本發明之接合體的較佳製造例敘述。 圖4~圖5係用以說明將支撐基板直接接合於壓電材料層之表面的製造例之示意圖。
如圖4(a)所示，對壓電材料層2之表面2c如箭號A般照射中性射束，使壓電材料層2之表面活化而作為活化面。
另一方面，如圖4(b)所示，藉對支撐基板3之表面3c照射中性射束A而活化，而獲得形成有活化面之支撐基板。接著，如圖5(a)所示，藉將壓電材料層2之活化面2a與支撐基板3之活化面3a直接接合，而獲得接合體1。
在較佳之實施形態中，進一步將接合體1之壓電材料層2的表面2b拋光加工， 如圖5(b)所示，使壓電材料層2A之厚度小，而獲得接合體7。2d係拋光面。
在圖5(c)中，藉於壓電材料層2A之拋光面2d上形成預定電極9，而製作了表面聲波元件8。
以下，就本發明之各構成要件進一步說明。 本發明之接合體的用途未特別限定，可適當地適用於例如彈性波元件或光學元件。
彈性波元件已知有表面聲波裝置、藍姆波元件、或薄膜體聲波共振器(FBAR)等。舉例而言，表面聲波裝置係於壓電材料層之表面設有激發表面聲波之輸入側IDT(Interdigital Transducer，數位間轉換器)電極(亦稱為梳狀電極、指叉狀電極)及接收表面聲波之輸出側IDT電極。當對輸入側IDT電極施加高頻信號時，便於電極間產生電場，激發表面聲波而在壓電材料層上傳遞。接著，可從設於傳遞方向之輸出側IDT電極取出所傳遞之表面聲波作為電信號。
壓電材料層之底面亦可具有金屬膜。金屬膜於製造藍姆波元件作為彈性波裝置之際，發揮使壓電材料層之背面附近的機電耦合係數大之功用。此時，藍姆波元件之構造為於壓電材料層之表面形成梳齒電極且壓電材料層之金屬膜藉設於支撐基板之凹洞而露出。此種金屬膜之材質可舉例如鋁、鋁合金、銅、金等為例。此外，製造藍姆波元件時，亦可使用具有底面不具金屬膜之壓電材料層的複合基板。
又，壓電材料層之底面亦可具有金屬膜及絕緣膜。金屬膜於製造薄膜體聲波共振器作為彈性波裝置之際，發揮電極之功用。此時，薄膜體聲波共振器之構造為於壓電材料層之表面背面形成電極，並藉使絕緣膜形成凹洞，而使壓電材料層之金屬膜露出。此種金屬膜之材質可舉例如鉬、釕、鎢、鉻、鋁等為例。又，絕緣膜之材質可舉例如二氧化矽、磷矽玻璃、硼磷矽玻璃等為例。
又，光學元件可例示光開關元件、波長轉換元件、光調變元件。又，可於壓電材料層中形成週期性極化反轉構造。
本發明之對象係彈性波元件，當壓電材料層之材質為鉭酸鋰時，由於使用以表面聲波之傳遞方向亦即X軸為中心而從Y軸往Z軸旋轉36~47˚(例如42˚)之方向者傳遞損失小，故較佳。 又，當壓電材料層由鈮酸鋰構成時，由於使用以表面聲波之傳遞方向亦即X軸為中心而從Y軸往Z軸旋轉60~68˚(例如64˚)之方向者傳遞損失小，故較佳。再者，壓電材料層之尺寸並未特別限定，例如直徑為50~150mm，厚度為0.2~60μm。
為獲得本發明之接合體，以下之方法較佳。 首先，將壓電材料層、支撐基板之表面(接合面)平坦化而獲得平坦面。在此，將各表面平坦化之方法有研光(lap)拋光、化學機械拋光加工(CMP)等。又，平坦面以Ra≦1nm為佳，以0.3nm以下為更佳。 接著，為去除拋光劑之殘渣，而清洗壓電材料層、支撐基板之表面。清洗表面之方法有濕洗、乾洗、刷洗等，為簡便且有效率地獲得潔淨表面，以刷洗為佳。此時，清洗液使用Semi Clean M-LO後，使用丙酮與IPA之混合溶液，以刷洗機清洗為特佳。
接著，對壓電材料層、支撐基板之表面照射中性射束，而使平坦之各表面活化。
以中性射束進行表面活化之際，以使用記載於專利文獻4之裝置，產生中性射束來照射為佳。即，射束源使用鞍形場型高速原子束源。接著，將惰性氣體導入至腔室，從直流電源對電極施加高電壓。藉此，因產生於電極(正極)與殼體(負極)之間的鞍形場型電場，電子e運動，而生成惰性氣體之原子與離子束。由於到達柵極之射束中，離子束在柵極被中和，故中性原子束從高速原子束源射出。構成射束之原子種以惰性氣體(氬、氮等)為佳。 照射射束所行之活化時的電壓以0.5~2.0kV為佳，電流以50~200mA為佳。
接著，在真空氣體環境，使活化面彼此接觸、接合。此時之溫度為常溫，具體而言，以40℃以下為佳，以30℃以下為更佳。又，接合時之溫度以20℃以上、25℃以下為特佳。接合時之壓力以100~20000N為佳。 [實施例]
(比較例1) 根據一面參照圖4~圖5一面說明之方法，而獲得了接合體。 具體而言，準備了具有定向平面部(OF部)且由直徑4吋、厚度250μm之鉭酸鋰(LT)構成的壓電材料層2。以表面聲波(SAW)之傳遞方向為X，壓電材料層採用切割角度為旋轉Y切割板，亦即46˚的Y切割X傳遞LT基板。壓電材料層2之表面2c進行鏡面拋光成算術平均粗糙度Ra為1nm。
又，支撐基板3準備了具有OF部且直徑4吋、厚度230μm之莫來石基板。由莫來石構成之支撐基板3的表面3c之算術平均粗糙度Ra為0.3nm。算術平均粗糙度以原子力顯微鏡(AFM)評估了長10μm×寬10μm之正方形的視野。
接著，刷洗支撐基板3。清洗液使用Semi Clean M-LO後，使用了丙酮與IPA之混合溶液。 以刷洗機清洗後，將支撐基板3與壓電材料層2導入至真空腔室。抽真空至10-6
Pa上下後，對各基板之接合面照射高速原子束(加速電壓0.5kV、Ar流量27 sccm)120sec。然後，使壓電材料層2之射束照射面(活化面)2a與支撐基板3之活化面3a接觸後，以10000N加壓2分鐘而使兩基板接合(圖5(a))。
對所得之接合體，測定壓電材料層、界面層、支撐基板側中間層、支撐基板之氧(O)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、氬(Ar)的各原子比率，並將結果顯示於表1。 此外，在比較例1中，由於界面層不含有矽，故在本發明之範圍外。
又，對所得之接合體，以裂縫開口位移試驗法評估接合強度，結果為0.5J/m2
。 又，將壓電材料層2之表面2b研磨及拋光而使厚度從最初之250μm變成30μm。於研磨及拋光製程中產生了接合部分之剝離。
【表1】 比較例1 
(實施例1) 與比較例1同樣地製造了接合體。惟，將接合時對基板之接合面照射之高速電子束的加速電壓變更為0.6kV。 對所得之接合體，測定壓電材料層、界面層、支撐基板側中間層、支撐基板之氧(O)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、氬(Ar)之各原子比率，並將結果顯示於表2。
【表2】 實施例1 
又，對所得之接合體，以裂縫開口位移試驗法評估接合強度，結果為0.75 J/m2
。又，將壓電材料層2之表面2b研磨及拋光而使厚度從最初之250μm變成30 μm。於研磨及拋光製程中未產生接合部分之剝離。接著，研磨及拋光成20μm，結果，於研磨及拋光製程中產生了接合部分之剝離。
(實施例2~4) 與比較例1同樣地製造了接合體。惟，將接合時對基板之接合面照射之高速電子束的加速電壓在實施例2變更為1.0kV，在實施例3變更為1.2kV，在實施例4變更為1.5kV。
對所得之接合體，測定壓電材料層、界面層、支撐基板側中間層、支撐基板之氧(O)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、氬(Ar)之各原子比率，並將結果顯示於表3、表4、表5。
又，對所得之接合體，以裂縫開口位移試驗法評估接合強度，結果，皆產生了主體破壞。又，將壓電材料層2之表面2b研磨及拋光而使厚度從最初之250μm變成20μm。於研磨及拋光製程中未產生接合部分之剝離。
【表3】 實施例2 
【表4】 實施例3 
【表5】 實施例4 
1‧‧‧接合體2‧‧‧壓電材料層2A‧‧‧壓電材料層2a‧‧‧活化面2b‧‧‧主面(表面)2c‧‧‧表面2d‧‧‧拋光面3‧‧‧支撐基板3a‧‧‧活化面3b‧‧‧主面3c‧‧‧表面4‧‧‧界面層5‧‧‧支撐基板側中間層7‧‧‧接合體8‧‧‧表面聲波元件9‧‧‧電極A‧‧‧中性射束
【圖1】(a)係顯示本發明實施形態之接合體1的示意圖，(b)係顯示接合體1之主要部分的放大圖。 【圖2】係顯示本發明實施形態之接合體的主要部分之照片。 【圖3】係圖2之照片的說明圖。 【圖4】(a)顯示以中性射束A將壓電材料層2之表面2c活化的狀態，(b)顯示以中性射束A將支撐基板3之表面3c活化的狀態。 【圖5】(a)顯示將壓電材料層2與支撐基板3接合之狀態，(b)顯示以加工使壓電材料層2A薄之狀態，(c)顯示於壓電材料層2A上設有電極9之狀態。
1‧‧‧接合體
2‧‧‧壓電材料層
2a‧‧‧活化面
2b‧‧‧主面(表面)
3‧‧‧支撐基板
3a‧‧‧活化面
3b‧‧‧主面
4‧‧‧界面層
5‧‧‧支撐基板側中間層
Claims (7)
- 一種接合體，包含有支撐基板及壓電材料層，該支撐基板由莫來石構成；該壓電材料層之材質係為LiAO3(A係從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素)；該接合體並包含有沿著該支撐基板與該壓電材料層之界面存在的界面層及存在於該界面層與該支撐基板之間的支撐基板側中間層，該界面層及該支撐基板側中間層分別以從由鈮及鉭構成之群組選取的一種以上之元素、氧、鋁及矽為主成分，該界面層之矽比率高於該支撐基板側中間層之矽比率。
- 如申請專利範圍第1項之接合體，其中，令該支撐基板之矽比率為100時之該界面層的矽比率為41以上、98以下。
- 如申請專利範圍第2項之接合體，其中，令該支撐基板之矽比率為100時之該界面層的矽比率為51以上、89以下。
- 如申請專利範圍第3項之接合體，其中，令該支撐基板之矽比率為100時之該界面層的矽比率為61以上、79以下。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之接合體，其中，該支撐基板側中間層之鋁比率高於該支撐基板之鋁比率。
- 如申請專利範圍第5項之接合體，其中， 令該支撐基板之鋁比率為100時，該支撐基板側中間層之鋁比率為112以上、116以下。
- 一種彈性波元件，包含：如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之接合體；及電極，設於該壓電材料層上。
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