WO2018203430A1 - 弾性波素子およびその製造方法 - Google Patents

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知義 多井
滑川　政彦
隆史 吉野
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日本碍子株式会社
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    • H10N30/708—Intermediate layers, e.g. barrier, adhesion or growth control buffer layers

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic wave device and a method for manufacturing the same.
  • acoustic wave devices that can function as filter elements and oscillators used in mobile phones, etc., and acoustic wave devices such as Lamb wave elements using piezoelectric thin films and thin film resonators (FBAR: FilmFiBulk Acoustic Resonator) are known.
  • FBAR FilmFiBulk Acoustic Resonator
  • a surface acoustic wave device a device in which a support substrate and a piezoelectric material substrate that propagates a surface acoustic wave are bonded together and a comb-shaped electrode capable of exciting the surface acoustic wave is provided on the surface of the piezoelectric material substrate is known. Yes.
  • a silicon oxide film is formed on the surface of the piezoelectric material substrate, and the piezoelectric material substrate and the silicon substrate are directly bonded via the silicon oxide film.
  • Patent Document 1 the surface of the silicon oxide film and the surface of the silicon substrate are irradiated with a plasma beam to activate the surfaces and perform direct bonding (plasma activation method).
  • Patent Document 2 describes that the temperature characteristic of the frequency of an acoustic wave element is improved by bonding a piezoelectric material substrate such as lithium tantalate to another piezoelectric material substrate. . In this case, it is also described that generation of an unjoined portion is suppressed by interposing silicon or a silicon compound between two piezoelectric material substrates.
  • An object of the present invention is to provide an acoustic wave device having a structure capable of further improving the propagation characteristics of acoustic waves and the temperature characteristics of frequency in an acoustic wave device in which a piezoelectric material substrate and a support substrate are bonded via a bonding layer. It is.
  • the present invention provides a piezoelectric material substrate, Electrodes on a piezoelectric material substrate, An acoustic wave device comprising a support substrate, and a bonding layer for bonding the piezoelectric material substrate and the support substrate,
  • the bonding layer is made of quartz, and relates to an acoustic wave device.
  • the present invention also provides: A process of bonding a piezoelectric material substrate and a crystal plate; Processing the crystal plate to form a bonding layer;
  • the present invention relates to a method for manufacturing an acoustic wave element, comprising the steps of bonding the bonding layer and a support substrate, and forming an electrode on the piezoelectric material substrate.
  • the present inventor further studied the reason why there is a limit to the improvement of the propagation loss and the temperature characteristic of the frequency in the acoustic wave elements as described in Patent Documents 1 and 2. That is, when a silicon oxide film is formed on a piezoelectric material substrate, the silicon oxide film does not grow epitaxially and becomes amorphous, and the crystallinity is low. Therefore, an elastic wave leaks to the silicon oxide film side and propagation loss occurs. In addition, since the restraining force by the support substrate is reduced, it has been found that the temperature change of the frequency tends to increase.
  • an acoustic wave element when an acoustic wave element is manufactured by bonding a piezoelectric material substrate to another piezoelectric material substrate (for example, a quartz substrate), the acoustic wave leaks into the quartz substrate and is absorbed, so that the insertion loss It has been found that it is difficult to reduce the frequency, and the restraining force of the piezoelectric material substrate by the quartz substrate is also limited, so that it is difficult to improve the temperature change of the frequency.
  • the piezoelectric material substrate is bonded to a separate support substrate via a bonding layer made of quartz.
  • Quartz is a single crystal and the bonding layer made of quartz is bonded to a separate support substrate, so that leakage of elastic waves from the piezoelectric material substrate to the bonding layer is suppressed.
  • the piezoelectric material substrate can be restrained by the support substrate, the temperature characteristic of the frequency can be reduced at the same time.
  • (A) is a front view which shows the piezoelectric material board
  • (b) is a front view which shows the joined body of the piezoelectric material board
  • (A) shows a state where the piezoelectric material substrate 2 and the support substrate 3 are joined,
  • (b) shows a state where the piezoelectric material substrate 2 is processed and thinned, and (c) shows the acoustic wave element 5.
  • (A) is a front view showing the piezoelectric material substrate 2, the crystal plate 1 and the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6, and (b) shows a joined body of the piezoelectric material substrate 2 and the crystal plate 1. It is a front view, (c) shows the state which processed the crystal plate 1 and formed 1 A of joining layers.
  • (A) shows a state where the piezoelectric material substrate 2 and the support substrate 3 are joined,
  • (b) shows a state where the piezoelectric material substrate 2 is processed and thinned, and
  • (c) shows an acoustic wave element 5A. Indicates.
  • (A) shows the piezoelectric material substrate 2, the support substrate 3, and the silicon oxide films 8 and 9, and (b) shows a state in which the piezoelectric material substrate 2 and the support substrate 3 are bonded via the bonding layer 10.
  • (C) shows the acoustic wave element 15 of the comparative example.
  • a piezoelectric material substrate 2 and a crystal plate 1 are prepared.
  • the main surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 is a bonding surface
  • the main surface 1a of the crystal plate 1 is a bonding surface.
  • the piezoelectric material substrate 2 and the crystal plate 1 are directly joined.
  • the main surface 1b of the quartz plate 1 is processed to have a predetermined thickness to obtain a bonding layer 1A made of quartz.
  • the bonding surface 3a of the separate support substrate 3 is opposed to the bonding surface 1c of the bonding layer 1A.
  • 3 b is the bottom surface of the support substrate 3.
  • electrodes may be provided on the piezoelectric material substrate 2, but preferably, as shown in FIG. 2B, the main surface 2 b of the piezoelectric material substrate 2 is processed to provide the piezoelectric material substrate 2.
  • FIG. 2C is a processed surface.
  • a predetermined electrode 4 is formed on the processed surface 2c of the piezoelectric material substrate 2A, and the acoustic wave element 5 can be obtained.
  • the piezoelectric material substrate 2 and the crystal plate 1 are directly bonded, and the bonding layer 1A and the support substrate 3 are directly bonded.
  • a piezoelectric material substrate-side intermediate layer can be provided between the piezoelectric material substrate 2 and the bonding layer 1A, and a support substrate-side intermediate layer can be provided between the support substrate 3 and the bonding layer 1A.
  • These intermediate layers can further improve the bonding strength. 3 and 4 relate to this embodiment.
  • a piezoelectric material substrate 2 and a crystal plate 1 are prepared.
  • a piezoelectric material substrate-side intermediate layer 6 is formed on the bonding surface 1 a of the crystal plate 1.
  • the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the surface 6a of the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 are bonded.
  • the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 is provided on the crystal plate 1, but the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 may be provided on the bonding surface 2 a of the piezoelectric material substrate 2.
  • a method for forming the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 it is possible to form an intermediate layer on each of the crystal plate 1 and the piezoelectric material substrate 2 and to join both the intermediate layers together.
  • the quartz plate 1 is processed to a predetermined thickness to obtain a bonding layer 1A made of quartz.
  • the support substrate side intermediate layer 7 is further provided on the bonding surface 1c of the bonding layer 1A.
  • the bonding surface 3 a of the separate support substrate 3 is opposed to the bonding surface 7 a of the support substrate side intermediate layer 7.
  • 3 b is the bottom surface of the support substrate 3.
  • the bonding surface 3a of the support substrate 3 and the bonding surface 7a of the intermediate layer 7 are directly bonded.
  • the support substrate side intermediate layer 7 is provided on the bonding layer 1 ⁇ / b> A made of quartz, but the support substrate side intermediate layer 7 may be provided on the bonding surface 3 a of the support substrate 3.
  • an intermediate layer can be formed on each of the bonding layer 1 ⁇ / b> A made of quartz and the support substrate 3, and both intermediate layers can be bonded and integrated.
  • an electrode may be provided on the piezoelectric material substrate 2, but preferably, the main surface 2b of the piezoelectric material substrate 2 is processed as shown in FIG. 4B.
  • the substrate 2 is thinned to obtain a thin piezoelectric material substrate 2A.
  • 2c is a processed surface.
  • a predetermined electrode 4 is formed on the processed surface 2c of the piezoelectric material substrate 2A, and an acoustic wave element 5A can be obtained.
  • the acoustic wave element 5A includes the piezoelectric material substrate-side intermediate layer 6 and the support substrate-side intermediate layer 7.
  • the present invention is not limited thereto, and only one of the intermediate layers (only the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 or the support substrate side intermediate layer 7) may be provided.
  • a surface acoustic wave device As the acoustic wave elements 5 and 5A, a surface acoustic wave device, a Lamb wave element, a thin film resonator (FBAR), and the like are known.
  • a surface acoustic wave device has an IDT (Interdigital Transducer) electrode (also referred to as a comb-shaped electrode or a comb-shaped electrode) for exciting surface acoustic waves on the surface of a piezoelectric material substrate and an output side for receiving surface acoustic waves. IDT electrodes are provided.
  • IDT Interdigital Transducer
  • a metal film may be provided on the bottom surfaces of the piezoelectric material substrates 2 and 2A.
  • the metal film plays a role of increasing the electromechanical coupling coefficient in the vicinity of the back surface of the piezoelectric material substrates 2 and 2A when a Lamb wave element is manufactured as an elastic wave device.
  • the Lamb wave element has a structure in which comb electrodes are formed on the surfaces of the piezoelectric material substrates 2 and 2A, and the metal film of the piezoelectric material substrates 2 and 2A is exposed by the cavity provided in the support substrate 3. .
  • Examples of the material of such a metal film include aluminum, an aluminum alloy, copper, and gold.
  • a composite substrate including a piezoelectric material substrate that does not have a metal film on the bottom surface may be used.
  • a metal film and an insulating film may be provided on the bottom surfaces of the piezoelectric material substrates 2 and 2A.
  • the metal film serves as an electrode when a thin film resonator is manufactured as an acoustic wave device.
  • the thin film resonator has a structure in which electrodes are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric material substrates 2 and 2A, and the metal film of the piezoelectric material substrates 2 and 2A is exposed by using the insulating film as a cavity.
  • the material for such a metal film include molybdenum, ruthenium, tungsten, chromium, and aluminum.
  • the material for the insulating film include silicon dioxide, phosphorous silica glass, and boron phosphorous silica glass.
  • the material constituting the electrode pattern on the piezoelectric material substrates 2 and 2A is preferably aluminum, aluminum alloy, copper, or gold, and more preferably aluminum or aluminum alloy.
  • As the aluminum alloy it is preferable to use Al mixed with 0.3 to 5% by weight of Cu.
  • Ti, Mg, Ni, Mo, Ta may be used instead of Cu.
  • the piezoelectric material substrates 2 and 2A used in the present invention may be single crystals. If the material of the piezoelectric material substrates 2 and 2A is a single crystal, the surface of the piezoelectric material substrates 2 and 2A can be easily activated. However, when an intermediate layer is provided on the surfaces of the piezoelectric material substrates 2 and 2A, the bonding surface of the intermediate layer can be activated, so the piezoelectric material substrates 2 and 2A do not have to be single crystals, and the surfaces thereof are rough. It may be a surface.
  • the piezoelectric material substrates 2 and 2A are made of lithium tantalate (LT) single crystal, lithium niobate (LN) single crystal, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, crystal, lithium borate. Can be illustrated. Of these, LT or LN is more preferable. LT and LN are suitable as surface acoustic wave devices for high frequencies and wideband frequencies because of the high propagation speed of surface acoustic waves and a large electromechanical coupling coefficient.
  • the normal direction of the principal surfaces 2a and 2b of the piezoelectric material substrates 2 and 2A is not particularly limited.
  • the piezoelectric material substrates 2 and 2A are made of LT
  • the X direction which is the propagation direction of the surface acoustic wave is used. It is preferable to use a direction rotated about 36 to 47 ° (for example, 42 °) from the Y axis to the Z axis around the axis because of a small propagation loss.
  • the piezoelectric material substrates 2 and 2A are made of LN, those having a rotation direction of 60 to 68 ° (for example, 64 °) from the Y axis to the Z axis are used around the X axis as the propagation direction of the surface acoustic wave. Is preferable because of low propagation loss.
  • the size of the piezoelectric material substrates 2 and 2A is not particularly limited. For example, the diameter is 50 to 150 mm and the thickness is 0.2 to 60 ⁇ m.
  • the material of the support substrate 3 is preferably made of a material selected from the group consisting of silicon, sialon, mullite, sapphire, and translucent alumina. Thereby, the temperature characteristic of the frequency of the acoustic wave elements 5 and 5A can be further improved.
  • the bonding layer 1A between the piezoelectric material substrates 2, 2A and the support substrate 3 is made of quartz. Quartz is a trigonal single crystal of SiO 2 .
  • the thickness of the bonding layer 1A is preferably 0.05 ⁇ m or more, more preferably 0.1 ⁇ m or more, and more preferably 0.5 ⁇ m or more from the viewpoint of the insertion loss of the elastic wave and the temperature characteristics of the frequency. It is particularly preferred.
  • the thickness of the bonding layer 1A is preferably 30 ⁇ m or less, preferably 25 ⁇ m or less, more preferably 20 ⁇ m or less, and particularly preferably 15 ⁇ m or less, from the viewpoints of elastic wave insertion loss and frequency temperature characteristics. It can also be 10 micrometers or less. As will be described later, by setting the thickness of the bonding layer 1A to 0.05 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, an elastic wave element having a small propagation loss of elastic waves and good frequency temperature characteristics while maintaining the bonding strength. Can be produced.
  • the material is one or more materials selected from the group consisting of tantalum pentoxide, niobium pentoxide, titanium oxide, and high resistance silicon. And By providing these intermediate layers, the bonding strength between the support substrate 3 and the piezoelectric material substrates 2 and 2A can be further improved.
  • the thickness of the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 and the support substrate side intermediate layer 7 is preferably 0.01 ⁇ m or more, and more preferably 0.05 ⁇ m or more from the viewpoint of bonding strength. From the viewpoint of insertion loss and frequency temperature characteristics, 0.2 ⁇ m or less is preferable, and 0.1 ⁇ m or less is more preferable.
  • Each method for forming the piezoelectric material substrate-side intermediate layer 6 and the support substrate-side intermediate layer 7 is not limited, and examples thereof include sputtering, chemical vapor deposition (CVD), and vapor deposition.
  • the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 When the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2, the bonding surface 1a of the crystal plate 1, and the bonding surface 3a of the support substrate 3 are used for direct bonding, it is preferable to flatten them and then activate them. Further, when the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 is provided on the bonding surface 2 a of the piezoelectric material substrate 2, and when the support substrate side intermediate layer 7 is provided on the bonding surface 3 a of the support substrate 3, these intermediate layers 6. , 7 are preferably flattened and activated. When the piezoelectric material substrate-side intermediate layer 6 is provided on the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2, the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 may be roughened.
  • This rough surface is a surface in which periodic irregularities are uniformly formed in the surface, the arithmetic average roughness is 0.05 ⁇ m ⁇ Ra ⁇ 0.5 ⁇ m, and the height Ry from the lowest valley bottom to the largest mountain top is 0.5 ⁇ m ⁇ The range is Ry ⁇ 5 ⁇ m.
  • the suitable roughness depends on the wavelength of the elastic wave and is appropriately selected so that reflection of the bulk wave can be suppressed.
  • the roughening method includes grinding, polishing, etching, sand blasting, and the like.
  • the method of flattening each joint surface 1a, 2a, 3a, 6a, 7a includes lapping and chemical mechanical polishing (CMP).
  • the flat surface is preferably Ra ⁇ 1 nm, more preferably 0.3 nm or less.
  • each of the bonding surfaces 1a, 2a, 3a, 6a, 7a is irradiated with a neutral beam.
  • a neutral beam it is preferable to generate and irradiate the neutralized beam using an apparatus as described in Patent Document 3. That is, a saddle field type fast atomic beam source is used as the beam source. Then, an inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied to the electrodes from a DC power source.
  • the saddle field type electric field generated between the electrode (positive electrode) and the casing (negative electrode) moves the electrons e, thereby generating atomic and ion beams by the inert gas.
  • the ion beam is neutralized by the grid, so that a beam of neutral atoms is emitted from the fast atom beam source.
  • the atomic species constituting the beam is preferably an inert gas (argon, nitrogen, etc.).
  • the voltage during activation by beam irradiation is preferably 0.5 to 2.0 kV, and the current is preferably 50 to 200 mA.
  • the temperature at this time is room temperature, but specifically, it is preferably 40 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or lower.
  • the temperature at the time of joining is particularly preferably 20 ° C. or higher and 25 ° C. or lower.
  • the pressure at the time of joining is preferably 100 to 20000 N.
  • the surface can be activated by a plasma irradiation method. Irradiate plasma (N2, NH3, O2, Ar, etc.) to the bonding surface in a low vacuum (up to 10 Pa) to activate the surface. After irradiation, it is taken out into the atmosphere and the joining surfaces are brought into contact with each other and joined. After bonding, heating is performed at 200 to 300 ° C to improve the bonding strength.
  • a plasma irradiation method Irradiate plasma (N2, NH3, O2, Ar, etc.) to the bonding surface in a low vacuum (up to 10 Pa) to activate the surface. After irradiation, it is taken out into the atmosphere and the joining surfaces are brought into contact with each other and joined. After bonding, heating is performed at 200 to 300 ° C to improve the bonding strength.
  • the acoustic wave element 15 was produced according to the method described with reference to FIG. Specifically, a lithium tantalate substrate (LT substrate) having an orientation flat portion (OF portion), a diameter of 4 inches, and a thickness of 250 ⁇ m was used as the piezoelectric material substrate 2. Further, a silicon substrate having an OF portion, a diameter of 4 inches, and a thickness of 230 ⁇ m was prepared as the support substrate 3. As the LT substrate, a 46 ° Y-cut X-propagation LT substrate in which the propagation direction of the surface acoustic wave (SAW) is X and the cutting angle is a rotating Y-cut plate is used.
  • SAW surface acoustic wave
  • the surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the surface 3a of the support substrate 3 were mirror-polished so that the arithmetic average roughness Ra was 1 nm.
  • Arithmetic mean roughness was evaluated by an atomic force microscope (AFM) with a square field of 10 ⁇ m length ⁇ 10 ⁇ m width.
  • a silicon oxide film 9 was formed on the surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 with a thickness of 3.0 ⁇ m by sputtering.
  • the arithmetic average roughness Ra after the film formation was 2 nm.
  • a silicon oxide film 8 was formed on the surface 3a of the support substrate 3 by a sputtering method with a thickness of 3.0 ⁇ m.
  • the arithmetic average roughness Ra after the film formation was 2 nm.
  • each silicon oxide film was subjected to chemical mechanical polishing (CMP), each film thickness was set to 2.5 ⁇ m, and Ra was set to 0.3 nm.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • each silicon oxide film was cleaned and removed, and then introduced into a vacuum chamber.
  • Each of the bonding surfaces 8a and 9a was activated by a plasma activation method and then bonded to each other (see FIG. 5B).
  • Reference numeral 10 denotes a bonding layer.
  • the chamber pressure was 10 Pa
  • the plasma was irradiated with O 2 plasma for 60 s
  • the bonding load was 1000 N, 100 s.
  • the surface 2b of the piezoelectric material substrate 2 was ground and polished so that the thickness became 3 ⁇ m from the initial 250 ⁇ m (see FIG. 5C). During the grinding and polishing process, no peeling of the joint could be confirmed. Moreover, it was 0.6 J / m ⁇ 2 > when the joining strength was evaluated by the crack opening method. Then, an electrode 4 was formed on the processed surface 2c of the piezoelectric material substrate 2A after grinding and polishing, and an acoustic wave element 15 was obtained.
  • an acoustic wave element chip was produced from the acoustic wave element 15, and propagation loss and frequency temperature characteristics were measured.
  • the IDT electrode 4 that generates surface acoustic waves was formed through a photolithography process. After the electrode 4 was formed, it was cut into small pieces by dicing, and an element having a propagation direction of 5 mm and a vertical direction of 4 mm was obtained. Further, a reference substrate of the same size for measuring the linear expansion coefficient was prepared without forming the IDT electrode 4.
  • a lithium tantalate substrate having an orientation flat portion (OF portion), a diameter of 4 inches, and a thickness of 250 ⁇ m was used as the piezoelectric material substrate 2.
  • a quartz substrate having an OF portion, a diameter of 4 inches, and a thickness of 230 ⁇ m was prepared as the support substrate 3.
  • a 46 ° Y-cut X-propagation LT substrate in which the propagation direction of the surface acoustic wave (SAW) is X and the cutting angle is a rotating Y-cut plate is used.
  • the surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the surface 3a of the support substrate 3 were mirror-polished so that the arithmetic average roughness Ra was 1 nm.
  • the surface 2 a of the piezoelectric material substrate 2 and the surface 3 a of the support substrate 3 were directly bonded under the same conditions as in Comparative Example 1.
  • the silicon oxide films 8 and 9 were not formed as the bonding layers.
  • the surface 2b of the piezoelectric material substrate 2 was ground and polished so that the thickness became 3 ⁇ m from the initial 250 ⁇ m. During the grinding and polishing process, no peeling of the joint could be confirmed. Moreover, it was 0.6 J / m ⁇ 2 > when the joining strength was evaluated by the crack opening method. Then, an electrode 4 was formed on the processed surface 2c of the piezoelectric material substrate 2A after grinding and polishing, and an acoustic wave element 15 was obtained.
  • Example 1 According to the method described with reference to FIGS. 1 and 2, an acoustic wave element 5 was produced. Specifically, a lithium tantalate substrate (LT substrate) having an orientation flat portion (OF portion), a diameter of 4 inches, and a thickness of 250 ⁇ m was used as the piezoelectric material substrate 2. A quartz plate 1 having a diameter of 4 inches and a thickness of 250 ⁇ m was prepared. Further, a silicon substrate having an OF portion, a diameter of 4 inches, and a thickness of 230 ⁇ m was prepared as the support substrate 3.
  • LT substrate lithium tantalate substrate having an orientation flat portion (OF portion), a diameter of 4 inches, and a thickness of 250 ⁇ m was used as the piezoelectric material substrate 2.
  • a quartz plate 1 having a diameter of 4 inches and a thickness of 250 ⁇ m was prepared. Further, a silicon substrate having an OF portion, a diameter of 4 inches, and a thickness of 230 ⁇ m was prepared as the support substrate 3.
  • a 46 ° Y-cut X-propagation LT substrate in which the propagation direction of the surface acoustic wave (SAW) is X and the cutting angle is a rotating Y-cut plate is used.
  • the surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the surface 3a of the support substrate 3 were mirror-polished so that the arithmetic average roughness Ra was 1 nm.
  • the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the bonding surface 1a of the crystal plate 1 were subjected to chemical mechanical polishing so that Ra was 0.3 nm or less.
  • the joint surfaces 2a and 1a were cleaned and removed, and then introduced into a vacuum chamber.
  • Each of the bonding surfaces 2a and 1a was activated by a plasma activation method and then bonded to each other.
  • the chamber pressure was 10 Pa
  • the plasma was irradiated with O 2 plasma for 60 s
  • the bonding load was 1000 N, 100 s.
  • the crystal plate 1 was ground and polished to a thickness of 0.1 ⁇ m, and a bonding layer 1A was obtained (see FIG. 1 (c)).
  • Ra was adjusted to 0.3 nm or less by subjecting the bonding surface 1c of the bonding layer 1A and the bonding surface 3a of the support substrate 3 to chemical mechanical polishing.
  • the joint surfaces 1c and 3a were cleaned and cleaned, and then introduced into the vacuum chamber.
  • the respective joined surfaces were activated by a plasma activation method and then joined to each other (see FIG. 2A).
  • the surface 2b of the piezoelectric material substrate 2 was ground and polished so as to have a thickness of 250 ⁇ m to 3 ⁇ m (see FIG. 2B). During the grinding and polishing process, no peeling of the joint could be confirmed. Moreover, it was 0.6 J / m ⁇ 2 > when the joining strength was evaluated by the crack opening method.
  • an acoustic wave element chip was produced from the acoustic wave element 5, and propagation loss and frequency temperature characteristics were measured.
  • the temperature characteristic of the frequency was measured in the range of 25 to 80 ° C. with the element on which the IDT electrode 4 was formed, it was ⁇ 15 ppm / K. Further, the propagation loss was -1.9 dB.
  • the measurement results are shown in Table 1. From this, it was found that the acoustic wave device 5 manufactured in Example 1 has little propagation loss of acoustic waves and good frequency temperature characteristics while maintaining the bonding strength.
  • Example 2 The elastic wave element 5 of each example was produced in the same manner as in Example 1.
  • the thickness of the bonding layer 1A made of quartz was variously changed as shown in Table 1. Specifically, in Example 2, the thickness of the bonding layer 1A is 0.5 ⁇ m, in Example 3, the thickness of the bonding layer 1A is 5.0 ⁇ m, and in Example 4, the thickness of the bonding layer 1A is 10 ⁇ m. In Example 5, the thickness of the bonding layer 1A was 20 ⁇ m.
  • Table 1 shows the bonding strength of the joined body, the propagation loss of the obtained acoustic wave device 5 and the temperature characteristics of the frequency for each example. When the temperature characteristic of the frequency was measured in the range of 25 to 80 ° C.
  • Example 5 With the element on which the IDT electrode 4 was formed, it was ⁇ 14 ppm / K in Example 2, ⁇ 15 ppm / K in Example 3, and ⁇ 16 ppm / K in Example 4. K, in Example 5, it was ⁇ 21 ppm / K.
  • the propagation loss was -1.1 dB in Example 2, -1.1 dB in Example 3, -1.2 dB in Example 4, and -2.3 dB in Example 5. From this, in the acoustic wave device 5 manufactured in Examples 2 to 5, even when the joining layer 1A is thick, the propagation loss of the acoustic wave is small and the frequency temperature characteristic is good while maintaining the joining strength. I understood that.
  • Example 6 In accordance with the method described with reference to FIGS. 3 and 4, an acoustic wave element 5A was produced. Specifically, the same piezoelectric material substrate 2, crystal plate 1, and support substrate 3 as those in Example 1 were prepared.
  • the piezoelectric material substrate-side intermediate layer 6 made of tantalum pentoxide having a thickness of 0.05 ⁇ m was formed on the bonding surface 1a of the quartz plate 1 by sputtering.
  • the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the bonding surface 6a of the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 were cleaned and removed, and then introduced into the vacuum chamber. After evacuation to a level of 10 ⁇ 6 Pa, high-speed atomic beams (acceleration voltage 1 kV, Ar flow rate 27 sccm) were irradiated for 120 seconds to the bonding surfaces of the respective substrates.
  • the bonding surface 2a of the piezoelectric material substrate 2 and the bonding surface 6a of the piezoelectric material substrate side intermediate layer 6 are brought into contact with each other, and then pressurized at 10,000 N for 2 minutes to bond the piezoelectric material substrate 2 and the crystal plate 1 together. (FIG. 3B).
  • the quartz plate 1 was ground and polished so that the thickness was 5.0 ⁇ m, and a bonding layer 1A was obtained (see FIG. 3C).
  • a support substrate side intermediate layer 7 made of tantalum pentoxide having a thickness of 0.05 ⁇ m was formed on the bonding surface 1c of the bonding layer 1A by sputtering.
  • the bonding surface 3a of the support substrate 3 and the bonding surface 7a of the support substrate side intermediate layer 7 were washed and removed, and then introduced into the vacuum chamber.
  • the high-speed atomic beam (acceleration voltage 1 kV, Ar flow rate 27 sccm) was irradiated to the bonding surfaces 3a and 7a of the respective substrates for 120 seconds.
  • the bonding surface 3a of the supporting substrate 3 and the bonding surface 7a of the supporting substrate side intermediate layer 7 are brought into contact with each other, and then pressed at 10,000 N for 2 minutes to bond the supporting substrate 3 and the piezoelectric material substrate 2 (FIG. 4). (A)).
  • the surface 2b of the piezoelectric material substrate 2 was ground and polished so that the thickness became 3 ⁇ m from the initial 250 ⁇ m (see FIG. 4B). During the grinding and polishing process, no peeling of the joint could be confirmed. Moreover, it was 1.5 J / m ⁇ 2 > when the joining strength was evaluated by the crack opening method.
  • Example 5 when the temperature characteristic of the frequency was measured in the range of 25 to 80 ° C. with the element on which the IDT electrode 4 was formed, it was ⁇ 15 ppm / K. Further, the propagation loss was only -0.9 dB. Further, the bonding strength was 1.5 J / m 2 .
  • Examples 7 and 8 In the same manner as in Example 6, an acoustic wave element 5A was produced, and the temperature characteristics of the bonding strength, propagation loss, and frequency were measured. The measurement results are shown in Table 2. However, the material of the support substrate 3 was changed to sialon in Example 7 and mullite in Example 8. When the temperature characteristic of the frequency was measured in the range of 25 to 80 ° C. with the element on which the IDT electrode 4 was formed, it was ⁇ 10 ppm / K in Example 7 and ⁇ 14 ppm / K in Example 8. The propagation loss was only -0.7 dB in Example 7 and only -0.7 dB in Example 8. The bonding strength was 1.5 J / m 2 as in Example 6. From this, it was found that the acoustic wave device 5 manufactured in Examples 6 to 8 improved the bonding strength, had a small acoustic wave propagation loss, and had good frequency temperature characteristics.
  • the bonding strength is equivalent to that of the comparative example, and the temperature characteristics of insertion loss and frequency are improved as a whole.
  • the thickness of the bonding layer 1A made of quartz was 0.1 ⁇ m to 20 ⁇ m. However, if the thickness of the bonding layer 1A is 0.05 ⁇ m to 30 ⁇ m, the bonding strength is reduced. An elastic wave device having a small propagation loss of elastic waves and good frequency temperature characteristics can be manufactured while keeping the same.

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Abstract

【課題】圧電性材料基板と支持基板とを接合層を介して接合する弾性波素子において、弾性波の伝搬損失および周波数の温度特性を一層改善できる構造の弾性波素子を提供する。 【解決手段】弾性波素子は、圧電性材料基板２Ａ、圧電性材料基板２Ａ上の電極４、支持基板３、および圧電性材料基板２Ａと支持基板３とを接合する接合層１Ａを備える。接合層１Ａが水晶からなる。

Description

弾性波素子およびその製造方法
　本発明は、弾性波素子およびその製造方法に係るものである。
　携帯電話等に使用されるフィルタ素子や発振子として機能させることができる弾性表面波デバイスや、圧電薄膜を用いたラム波素子や薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）などの弾性波デバイスが知られている。こうした弾性表面波デバイスとしては、支持基板と弾性表面波を伝搬させる圧電性材料基板とを貼り合わせ、圧電性材料基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けたものが知られている。このように圧電性材料基板よりも小さな熱膨張係数を持つ支持基板を圧電性材料基板に貼付けることにより、温度が変化したときの圧電性材料基板の大きさの変化を抑制し、弾性表面波デバイスとしての周波数特性の変化を抑制している。
　ここで、圧電性材料基板とシリコン基板とを接合するのに際して、圧電性材料基板表面に酸化珪素膜を形成し、酸化珪素膜を介して圧電性材料基板とシリコン基板とを直接接合することが知られている（特許文献１）。この接合の際には、酸化珪素膜表面とシリコン基板表面とにプラズマビームを照射して表面を活性化し、直接接合を行う（プラズマ活性化法）。
　また、特許文献２によれば、タンタル酸リチウム等の圧電性材料基板を別の圧電性材料基板に対して接合することによって、弾性波素子の周波数の温度特性を改善することが記載されている。この場合、二つの圧電性材料基板の間に、珪素や珪素化合物を介在させることで、未接合部の発生を抑制することも記載されている。
米国特許第７２１３３１４Ｂ２ 特開平７－０３８３６０ 特開２０１４－０８６４００
　特許文献１記載の弾性波素子では、圧電性材料基板上に酸化珪素膜を成膜し、次いでシリコン基板に対して直接接合している。しかし、こうした弾性波素子では、弾性波の伝搬損失や周波数の温度変化を、ある程度以上改善することが難しかった。
　一方、特許文献２記載の弾性波素子でも，弾性波の伝搬損失、周波数の温度特性が比較的大きくなり、ある程度以上改善することが難しかった。
　本発明の課題は、圧電性材料基板と支持基板とを接合層を介して接合する弾性波素子において、弾性波の伝搬損失および周波数の温度特性を一層改善できる構造の弾性波素子を提供することである。
　本発明は、圧電性材料基板、
　圧電性材料基板上の電極、
　支持基板、および
　前記圧電性材料基板と前記支持基板とを接合する接合層を備えている弾性波素子であって、
　前記接合層が水晶からなることを特徴とする、弾性波素子に係るものである。
　また、本発明は、
　圧電性材料基板と水晶板とを接合する工程、
　前記水晶板を加工して接合層を形成する工程、
　前記接合層と支持基板とを接合する工程、および
　前記圧電性材料基板上に電極を形成する工程
を有することを特徴とする、弾性波素子の製造方法に係るものである。
　本発明者は、特許文献１、２記載のような弾性波素子において、伝搬損失と周波数の温度特性との改善に限界がある理由について更に検討した。すなわち、圧電性材料基板上に酸化珪素膜を成膜した場合には、酸化珪素膜がエピタキシャル成長しないためにアモルファス状態となり、結晶性が低いため、弾性波が酸化珪素膜側に漏れて伝搬損失が生ずる上、支持基板による拘束力も低下するので周波数の温度変化も大きくなり易いことがわかった。
　また、圧電性材料基板を別の圧電性材料基板（たとえば水晶基板）に接合して弾性波素子を製造した場合にも、水晶基板内に向かって弾性波が漏れて吸収されるので、挿入損失を低下させることが難しく、かつ水晶基板による圧電性材料基板の拘束力にも限界があるため、周波数の温度変化を改善することが難しいことがわかった。
　これに対して、本発明によれば、圧電性材料基板を水晶からなる接合層を介して別体の支持基板に対して接合している。水晶は単結晶であり、かつ水晶からなる接合層が別体の支持基板に対して接合されているので、圧電性材料基板から接合層への弾性波の漏れが抑制される。これとともに、圧電性材料基板を支持基板によって拘束できるので、周波数の温度特性も同時に低減することが可能である。
（ａ）は、圧電性材料基板２と水晶板１とを示す正面図であり、（ｂ）は、圧電性材料基板２と水晶板１との接合体を示す正面図であり、（ｃ）は、水晶板１を加工して接合層１Ａを形成した状態を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板２と支持基板３とを接合した状態を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板２を加工して薄くした状態を示し、（ｃ）は弾性波素子５を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板２、水晶板１および圧電性材料基板側中間層６を示す正面図であり、（ｂ）は、圧電性材料基板２と水晶板１との接合体を示す正面図であり、（ｃ）は、水晶板１を加工して接合層１Ａを形成した状態を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板２と支持基板３とを接合した状態を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板２を加工して薄くした状態を示し、（ｃ）は弾性波素子５Ａを示す。 （ａ）は、圧電性材料基板２、支持基板３および酸化珪素膜８、９を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板２と支持基板３とを接合層１０を介して接合した状態を示し、（ｃ）は比較例の弾性波素子１５を示す。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
　たとえば、図１（ａ）に示すように、圧電性材料基板２と水晶板１とを準備する。圧電性材料基板２の主面２ａを接合面とし、また水晶板１の主面１ａを接合面とする。そして、図１（ｂ）に示すように、圧電性材料基板２と水晶板１とを直接接合する。次いで、図１（ｃ）に示すように、水晶板１の主面１ｂを加工することによって所定厚さとし、水晶からなる接合層１Ａを得る。この接合層１Ａの接合面１ｃに対して、別体の支持基板３の接合面３ａを対向させる。３ｂは支持基板３の底面である。
　次いで、図２（ａ）に示すように、支持基板３の接合面３ａと接合層１Ａの接合面１ｃとを直接接合する。この状態で、圧電性材料基板２上に電極を設けても良いが、好ましくは、図２（ｂ）に示すように、圧電性材料基板２の主面２ｂを加工して圧電性材料基板２を薄くし、薄板化された圧電性材料基板２Ａを得る。２ｃは加工面である。次いで、図２（ｃ）に示すように、圧電性材料基板２Ａの加工面２ｃ上に所定の電極４を形成し、弾性波素子５を得ることができる。
　図１、図２の例では、圧電性材料基板２と水晶板１とを直接接合し、また接合層１Ａと支持基板３とを直接接合している。しかし、圧電性材料基板２と接合層１Ａとの間に圧電性材料基板側中間層を設けることができ、支持基板３と接合層１Ａとの間に支持基板側中間層を設けることができる。これら中間層（圧電性材料基板側中間層、又は、支持基板側中間層）によって、接合強度を一層改善することが可能となる。図３、図４は、この実施形態に係るものである。
　すなわち、図３（ａ）に示すように、圧電性材料基板２と水晶板１とを準備する。水晶板１の接合面１ａ上に圧電性材料基板側中間層６を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、圧電性材料基板２の接合面２ａと圧電性材料基板側中間層６の表面６ａとを接合する。ただし、本例では、水晶板１上に圧電性材料基板側中間層６を設けたが、圧電性材料基板２の接合面２ａ上に圧電性材料基板側中間層６を設けることもできる。また、圧電性材料基板側中間層６の形成方法として、水晶板１上および圧電性材料基板２上にそれぞれ中間層を成膜し、両方の中間層を接合して一体化することもできる。
　次いで、図３（ｃ）に示すように、水晶板１を加工することによって所定厚さとし、水晶からなる接合層１Ａを得る。ここで、本例では、接合層１Ａの接合面１ｃ上に、更に支持基板側中間層７を設ける。そして、支持基板側中間層７の接合面７ａに対して、別体の支持基板３の接合面３ａを対向させる。３ｂは支持基板３の底面である。
　次いで、図４（ａ）に示すように、支持基板３の接合面３ａと中間層７の接合面７ａとを直接接合する。ただし、本例では、水晶からなる接合層１Ａ上に支持基板側中間層７を設けたが、支持基板３の接合面３ａ上に支持基板側中間層７を設けることもできる。また、支持基板側中間層７の形成方法として、水晶からなる接合層１Ａ上および支持基板３上にそれぞれ中間層を成膜し、両方の中間層を接合して一体化することもできる。
　図４（ａ）の状態で、圧電性材料基板２上に電極を設けても良いが、好ましくは、図４（ｂ）に示すように、圧電性材料基板２の主面２ｂを加工して基板２を薄くし、薄板化された圧電性材料基板２Ａを得る。２ｃは加工面である。次いで、図４（ｃ）に示すように、圧電性材料基板２Ａの加工面２ｃ上に所定の電極４を形成し、弾性波素子５Ａを得ることができる。なお、上述した実施形態（図３（ａ）～図４（ｃ））では、弾性波素子５Ａは、圧電性材料基板側中間層６及び支持基板側中間層７を有していたが、これに限定されず、何れか一方の中間層のみ（圧電性材料基板側中間層６のみ、又は、支持基板側中間層７）を設ける構成でも良い。
　以下、本発明の各構成要素について更に述べる。
　弾性波素子５、５Ａ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。
　圧電性材料基板２、２Ａの底面に金属膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとしてラム波素子を製造した際に、圧電性材料基板２、２Ａの裏面近傍の電気機械結合係数を大きくする役割を果たす。この場合、ラム波素子は、圧電性材料基板２、２Ａの表面に櫛歯電極が形成され、支持基板３に設けられたキャビティによって圧電性材料基板２、２Ａの金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、金などが挙げられる。なお、ラム波素子を製造する場合、底面に金属膜を有さない圧電性材料基板を備えた複合基板を用いてもよい。
　また、圧電性材料基板２、２Ａの底面に金属膜と絶縁膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとして薄膜共振子を製造した際に、電極の役割を果たす。この場合、薄膜共振子は、圧電性材料基板２、２Ａの表裏面に電極が形成され、絶縁膜をキャビティにすることによって圧電性材料基板２、２Ａの金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えば、モリブデン、ルテニウム、タングステン、クロム、アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜の材質としては、例えば、二酸化ケイ素、リンシリカガラス、ボロンリンシリカガラスなどが挙げられる。
　圧電性材料基板２、２Ａ上の電極パターンを構成する材質は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、金が好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金がさらに好ましい。アルミニウム合金は、Ａｌに0.3から5重量％のＣｕを混ぜたものを使用するのが好ましい。この場合、ＣｕのかわりにＴｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔａを使用しても良い。
　本発明で用いる圧電性材料基板２、２Ａは、単結晶であって良い。圧電性材料基板２、２Ａの材質が単結晶であると、圧電性材料基板２、２Ａの表面を活性化し易い。ただし、圧電性材料基板２、２Ａの表面に中間層を設ける場合には、中間層の接合面を活性化できるので、圧電性材料基板２、２Ａは単結晶でなくともよく、その表面は粗面であってもよい。
　圧電性材料基板２、２Ａの材質は、具体的には、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶、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、ホウ酸リチウムを例示できる。このうち、ＬＴ又はＬＮであることがより好ましい。ＬＴやＬＮは、弾性表面波の伝搬速度が速く、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表面波デバイスとして適している。また、圧電性材料基板２、２Ａの主面２ａ、２ｂの法線方向は、特に限定されないが、例えば、圧電性材料基板２、２ＡがＬＴからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に３６～４７°（例えば４２°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。圧電性材料基板２、２ＡがＬＮからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に６０～６８°（例えば６４°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性材料基板２、２Ａの大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０～１５０ｍｍ，厚さが０．２～６０μｍである。
　支持基板３の材質は、好ましくは、シリコン、サイアロン、ムライト、サファイアおよび透光性アルミナからなる群より選ばれた材質からなる。これによって、弾性波素子５、５Ａの周波数の温度特性を一層改善することができる。
　本発明においては、圧電性材料基板２、２Ａと支持基板３との接合層１Ａが水晶からなる。水晶とは、ＳｉＯ２の三方晶系の単結晶である。
　接合層１Ａの厚さは、弾性波の挿入損失および周波数の温度特性の観点からは、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることが更に好ましく、０．５μｍ以上であることが特に好ましい。また、接合層１Ａの厚さは、弾性波の挿入損失および周波数の温度特性の観点からは、３０μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下が更に好ましく、１５μｍ以下が特に好ましく、１０μｍ以下とすることもできる。後述するように、接合層１Ａの厚さを０．０５μｍ以上、３０μｍ以下とすることで、接合強度を保ったまま、弾性波の伝搬損失が少なく、かつ、周波数の温度特性が良い弾性波素子を作製することができる。
　圧電性材料基板側中間層６、支持基板側中間層７を設ける場合には、その材質は、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタンおよび高抵抗シリコンからなる群より選ばれた一種以上の材質とする。これら中間層を設けることによって、支持基板３と圧電性材料基板２、２Ａとの接合強度を一層改善することができる。
　これらの圧電性材料基板側中間層６および支持基板側中間層７の厚さは、接合強度の観点からは、0.01μm以上が好ましく、0.05μm以上が更に好ましい。また、挿入損失および周波数の温度特性の観点からは、0.2μm以下が好ましく、0.1μm以下が更に好ましい。
　圧電性材料基板側中間層６、支持基板側中間層７の各成膜方法は限定されないが、スパッタリング、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。
　圧電性材料基板２の接合面２ａ、水晶板１の接合面１ａ、支持基板３の接合面３ａを直接接合に供する場合には、これらを平坦化加工し、次いで活性化することが好ましい。また、圧電性材料基板２の接合面２ａ上に圧電性材料基板側中間層６を設ける場合、支持基板３の接合面３ａ上に支持基板側中間層７を設ける場合には、これら中間層６、７の接合面６ａ、７ａを平坦化加工し、活性化することが好ましい。圧電性材料基板２の接合面２ａ上に圧電性材料基板側中間層６を設ける場合、圧電性材料基板２の接合面２ａは粗面化してもよい。
　この粗面とは、面内一様に周期的な凹凸が形成されている面で、算術平均粗さは0.05μm≦Ra≦0.5μm、最低谷底から最大山頂までの高さRyが0.5μm≦Ry≦5μmの範囲である。好適な粗さは、弾性波の波長に依存し、バルク波の反射が抑制できるように適宜選択する。
　また、粗面化加工の方法は、研削、研磨、エッチング、サンドブラストなどがある。
　各接合面１ａ、２ａ、３ａ、６ａ、７ａを平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面は、Ra≦1nmが好ましく、0.3nm以下にすると更に好ましい。
　次いで、各接合層１ａ、２ａ、３ａ、６ａ、７ａを活性化する方法としては、好ましくは、各接合面１ａ、２ａ、３ａ、６ａ、７ａに対して中性化ビームを照射する。
　中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特許文献３に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
　ビーム照射による活性化時の電圧は0.5～2.0kVとすることが好ましく、電流は50～200mAとすることが好ましい。
　次いで、真空雰囲気で、活性化面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。
　また、各接合面１ａ、２ａ、３ａ、６ａ、７ａを平坦化加工した後、プラズマ照射法によって表面活性化することができる。低真空中(～10Pa)で接合面にプラズマ(N2、NH3、O2、Arなど)を照射し、表面を活性化させる。照射後、大気中に出し接合面同士を接触させ、接合する。接合後に、200～300℃で加熱をし、接合強度を向上させる。
（比較例１）
　図５を参照しつつ説明する方法に従って、弾性波素子１５を作製した。
　具体的には、オリエンテーションフラット部（ＯＦ部）を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を圧電性材料基板２として使用した。また、支持基板３として、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２３０μｍのシリコン基板を用意した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板２の表面２ａと支持基板３の表面３ａは、算術平均粗さＲａが１ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。算術平均粗さは原子間力顕微鏡(AFM)で、縦10μm×横10μmの正方形の視野を評価した。
　次いで、圧電性材料基板２の表面２ａに酸化珪素膜９を厚さ　　　　3.0μｍスパッタリング法で成膜した。成膜後の算術平均粗さＲａは、2ｎｍであった。また、支持基板３の表面３ａに酸化珪素膜８を厚さ　3.0μｍスパッタリング法で成膜した。成膜後の算術平均粗さＲａは、2ｎｍであった。次に、各酸化珪素膜を化学機械研磨加工（CMP）し、各膜厚を２．５μｍとし、Ｒａを０．３ｎｍとした。
　次いで、各酸化珪素膜の接合面８ａ、９ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。各接合面８ａ、９ａをプラズマ活性化法で活性化した後、互いに接合した（図５（ｂ）参照）。１０は接合層である。チャンバーの圧力は10Pa、プラズマはO2プラズマを60s照射し、接合荷重は1000N、100sとした。
　次いで、圧電性材料基板２の表面２ｂを厚みが当初の２５０μｍから３μｍになるように研削及び研磨した（図５（ｃ）参照）。研削および研磨工程中に接合部分の剥がれは確認できなかった。またクラックオープニング法で接合強度を評価した所、０．６Ｊ／ｍ２であった。そして、研削及び研磨後の圧電性材料基板２Ａの加工面２ｃに電極４を形成して、弾性波素子１５を得た。
　次いで、弾性波素子１５から弾性波素子チップを作製し、伝搬損失および周波数の温度特性を測定した。
　具体的には、弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極４は、フォトリソグラフィー工程を経て形成した。電極４を形成後、ダイシングにより小片化し、伝搬方向５ｍｍ、その垂直方向４ｍｍの素子を得た。また、ＩＤＴ電極４を形成せず、線膨張係数を計測するための同サイズの参照用基板も用意した。
　ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、－２０ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、－２．４ｄＢに達した。
　なお、本例の測定結果は表１に要約して示す。
（比較例２）
　本例では、ＬＴ基板と水晶基板とをプラズマ活性化法によって直接接合し、弾性波素子１５を作製した。
　具体的には、オリエンテーションフラット部（ＯＦ部）を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を圧電性材料基板２として使用した。また、支持基板３として、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２３０μｍの水晶基板を用意した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板２の表面２ａと支持基板３の表面３ａは、算術平均粗さＲａが１ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。
　次いで、圧電性材料基板２の表面２ａと支持基板３の表面３ａとを、比較例１と同様の条件で直接接合した。ただ、比較例１とは異なり、比較例２では、接合層として、酸化珪素膜８、９を形成しなかった。次いで、圧電性材料基板２の表面２ｂを厚みが当初の２５０μｍから３μｍになるように研削及び研磨した。研削および研磨工程中に接合部分の剥がれは確認できなかった。またクラックオープニング法で接合強度を評価した所、０．６Ｊ／ｍ２であった。そして、研削及び研磨後の圧電性材料基板２Ａの加工面２ｃに電極４を形成して、弾性波素子１５を得た。
　次いで、弾性波素子１５から弾性波素子チップを作製し、比較例1と同様にして伝搬損失および周波数の温度特性を測定した。この結果を表１に示す。ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、－２２ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、－２．５ｄＢに達した。
（実施例１）
　図１、図２を参照しつつ説明した方法に従って、弾性波素子５を作製した。
　具体的には、オリエンテーションフラット部（ＯＦ部）を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を圧電性材料基板２として使用した。また、直径が４インチ、厚さが250μｍの水晶板１を準備した。更に、支持基板３として、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２３０μｍのシリコン基板を用意した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板２の表面２ａと支持基板３の表面３ａは、算術平均粗さＲａが１ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。
　次いで、圧電性材料基板２の接合面２ａ、水晶板１の接合面１ａを化学機械研磨加工することでＲａが０．３ｎｍ以下となるようにした。次いで、接合面２ａ、１ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。各接合面２ａ、１ａをプラズマ活性化法で活性化した後、互いに接合した。チャンバーの圧力は10Pa、プラズマはO2プラズマを60s照射し、接合荷重は1000N、100sとした。
　次いで、水晶板１を研削および研磨加工し、厚さが０．１μｍとなるようにし、接合層１Ａを得た（図１（ｃ）参照）。接合層１Ａの接合面１ｃ、支持基板３の接合面３ａを化学機械研磨加工することでＲａを０．３ｎｍ以下となるようにした。接合面１ｃ、３ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。各接合面をプラズマ活性化法で活性化した後、互いに接合した（図２（ａ）参照）。
　次いで、圧電性材料基板２の表面２ｂを厚みが当初の２５０μｍから３μｍになるように研削及び研磨した（図２（ｂ）参照）。研削および研磨工程中に接合部分の剥がれは確認できなかった。またクラックオープニング法で接合強度を評価した所、０．６Ｊ／ｍ２であった。
　次いで、比較例１と同様にして、弾性波素子５から弾性波素子チップを作製し、伝搬損失および周波数の温度特性を測定した。ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、－１５ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、－１．９ｄＢとなった。測定結果を表１に示す。このことより、実施例１で作製した弾性波素子５では、接合強度を保ったまま、弾性波の伝搬損失が少なく、かつ、周波数の温度特性が良いことが分かった。
（実施例２～５）
　実施例１と同様にして各例の弾性波素子５を作製した。ただし、水晶からなる接合層１Ａの厚さは、表１に示すように種々変更した。具体的には、実施例２では、接合層１Ａの厚さが０．５μｍ、実施例３では、接合層１Ａの厚さが５．０μｍ、実施例４では、接合層１Ａの厚さが１０．０μｍ、実施例５では、接合層１Ａの厚さが２０μｍとした。
　各例について、接合体の接合強度、得られた弾性波素子５の伝搬損失および周波数の温度特性を表１に示す。ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、実施例２では－１４ｐｐｍ／Ｋ、実施例３では－１５ｐｐｍ／Ｋ、実施例４では－１６ｐｐｍ／Ｋ、実施例５では－２１ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、実施例２では－１．１ｄＢ、実施例３では－１．１ｄＢ、実施例４では－１．２ｄＢ、実施例５では－２．３ｄＢとなった。このことより、実施例２～５で作製した弾性波素子５では、接合層１Ａを厚くした場合でも、接合強度を保ったまま、弾性波の伝搬損失が少なく、かつ、周波数の温度特性が良いことが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例６）
　図３、図４を参照しつつ説明した方法に従って、弾性波素子５Ａを作製した。
　具体的には、実施例１と同様の圧電性材料基板２、水晶板１、支持基板３を準備した。
　次いで、水晶板１の接合面１ａ上に、スパッタリング法によって、厚さ０．０５μｍの五酸化タンタルからなる圧電性材料基板側中間層６を成膜した。次いで、圧電性材料基板２の接合面２ａ、圧電性材料基板側中間層６の接合面６ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０－６Ｐａ台まで真空引きした後、それぞれの基板の接合面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、圧電性材料基板２の接合面２ａと圧電性材料基板側中間層６の接合面６ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧し、圧電性材料基板２と水晶板１とを接合した（図３（ｂ））。
　次いで、水晶板１を研削および研磨加工し、厚さが５．０μｍとなるようにし、接合層１Ａを得た（図３（ｃ）参照）。次いで、接合層１Ａの接合面１ｃ上に、スパッタリング法によって、厚さ０．０５μｍの五酸化タンタルからなる支持基板側中間層７を成膜した。次いで、支持基板３の接合面３ａ、支持基板側中間層７の接合面７ａを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０－６Ｐａ台まで真空引きした後、それぞれの基板の接合面３ａ、７ａに高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、支持基板３の接合面３ａと支持基板側中間層７の接合面７ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧し、支持基板３と圧電性材料基板２とを接合した（図４（ａ））。
　次いで、圧電性材料基板２の表面２ｂを厚みが当初の２５０μｍから３μｍになるように研削及び研磨した（図４（ｂ）参照）。研削および研磨工程中に接合部分の剥がれは確認できなかった。またクラックオープニング法で接合強度を評価した所、１．５Ｊ／ｍ２であった。
　次いで、比較例１と同様にして、弾性波素子５Ａから弾性波素子チップを作製し、伝搬損失および周波数の温度特性を測定した。測定結果を表２に示す。実施例５では、ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、－１５ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、－０．９ｄＢしかなかった。また、接合強度は、１．５Ｊ／ｍ２となった。
（実施例７、８）
　実施例６と同様にして、弾性波素子５Ａを作製し、接合強度、伝搬損失および周波数の温度特性を測定した。測定結果を表２に示す。
ただし、支持基板３の材質は、実施例７ではサイアロンに、実施例８ではムライトに変更した。ＩＤＴ電極４を形成した素子で、２５～８０℃の範囲で周波数の温度特性を計測したところ、実施例７では－１０ｐｐｍ／Ｋ、実施例８では－１４ｐｐｍ／Ｋとなった。また、伝搬損失は、実施例７では－０．７ｄＢ、実施例８では－０．７ｄＢしかなかった。また、接合強度は、実施例６と同様、１．５Ｊ／ｍ２となった。このことより、実施例６～８で作製した弾性波素子５では、接合強度が向上する上に、弾性波の伝搬損失が少なく、かつ、周波数の温度特性が良いことが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　以上述べたように、本発明によれば、接合強度は比較例と同等であり、挿入損失、周波数の温度特性は全体として改善されることがわかった。
　なお、実施例１～５では、水晶からなる接合層１Ａの厚さが、０．１μｍ～２０μｍであったが、接合層１Ａの厚さが、０．０５μｍ～３０μｍであれば、接合強度を保ったまま、弾性波の伝搬損失が少なく、かつ、周波数の温度特性が良い弾性波素子を作製することができる。

 

Claims (10)

  1. 　圧電性材料基板、
    　前記圧電性材料基板上の電極、
    　支持基板、および
    　前記圧電性材料基板と前記支持基板とを接合する接合層を備えている弾性波素子であって、
    　前記接合層が水晶からなることを特徴とする、弾性波素子。
  2. 　前記接合層の厚さが０．０５μｍ以上、３０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の弾性波素子。
  3. 　前記接合層と前記圧電性材料基板との間に、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタンおよび高抵抗シリコンからなる群より選ばれた一種以上の材質からなる圧電性材料基板側中間層を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の弾性波素子。
  4. 　前記接合層と前記支持基板との間に、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタンおよび高抵抗シリコンからなる群より選ばれた一種以上の材質からなる支持基板側中間層を備えてい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弾性波素子。
  5. 　前記支持基板が、シリコン、サイアロン、ムライト、サファイアおよび透光性アルミナからなる群より選ばれた材質からなることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一つの請求項に記載の弾性波素子。
  6. 　圧電性材料基板と水晶板とを接合する工程、
    　前記水晶板を加工して接合層を形成する工程、
    　前記接合層と支持基板とを接合する工程、および
    　前記圧電性材料基板上に電極を形成する工程
    を有することを特徴とする、弾性波素子の製造方法。
  7. 　前記接合層の厚さを０．０５μｍ以上、３０μｍ以下とすることを特徴とする、請求項６記載の方法。
  8. 　前記圧電性材料基板と前記水晶板との間に、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタンおよび高抵抗シリコンからなる群より選ばれた一種以上の材質からなる圧電性材料基板側中間層を設ける工程を有することを特徴とする、請求項６または７記載の方法。
  9. 　前記接合層と前記支持基板との間に、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタンおよび高抵抗シリコンからなる群より選ばれた一種以上の材質からなる支持基板側中間層を設ける工程を有することを特徴とする、請求項６～８のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  10. 　前記支持基板が、シリコン、サイアロン、ムライト、サファイアおよび透光性アルミナからなる群より選ばれた材質からなることを特徴とする、請求項６～９のいずれか一つの請求項に記載の方法。
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