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JP6621561B1 - 圧電性材料基板と支持基板との接合体および弾性波素子 - Google Patents

圧電性材料基板と支持基板との接合体および弾性波素子 Download PDF

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Abstract

【課題】ニオブ酸リチウム等からなる圧電性材料基板と、酸化珪素層が設けられた支持基板とを接合するのに際して、接合体の特性を向上させる。【解決手段】接合体８、８Ａは、支持基板３、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板１、１Ａ、および支持基板と圧電性材料基板とを接合する接合層７を備える。接合層７の材質が酸化珪素である。接合層７を圧電性材料基板側接合部７ａと支持基板側接合部７ｂとに分けたとき、圧電性材料基板側接合部７ａにおける窒素濃度が支持基板側接合部７ｂにおける窒素濃度よりも高い。【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電性材料基板と支持基板との接合体および弾性波素子に関するものである。
高性能な半導体素子を実現する目的で、高抵抗Si/SiO2薄膜/Si薄膜からなるＳＯＩ基板が広く用いられている。ＳＯＩ基板を実現するにあたりプラズマ活性化が用いられる。これは比較的低温(４００℃)で接合できるためである。圧電デバイスの特性向上を狙い、類似のSi/SiO2薄膜/圧電薄膜からなる複合基板が提案されている(特許文献１)。特許文献１では、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムからなる圧電性材料基板と、酸化珪素層を設けたシリコン基板とをイオン注入法によって活性化した後に接合する。
接合界面に単一または複数の誘電膜を形成する多層構造のフィルターも提案されている(特許文献２)。しかし、タンタル酸リチウム／酸化珪素／珪素の構造を実現するための接合技術に関する公知情報はほとんどない。
特許文献３には、タンタル酸リチウムとサファイアやセラミックスとを、酸化珪素層を介してプラズマ活性化法により接合することが記載されている。
非特許文献１には、タンタル酸リチウム基板と、酸化珪素層を設けたシリコン基板とを、O2のRIE(13.56MHz)プラズマとN2のmicrowave(2.45GHz)プラズマを続けざまに照射することで接合することが記載されている。
SiとSiO2/Siのプラズマ活性化接合においては、その接合界面でSi-O-Si結合が形成されることで十分な接合強度が得られる。また同時にSiがSiO2に酸化されることで平滑度が向上し、最表面で上記接合が促進される(非特許文献２)。
なお、特許文献４に記載の弾性表面波素子では、圧電性材料基板と支持基板との間に、高音速膜と低音速膜とを設けることによって、弾性表面波のエネルギーが支持基板に漏れることを防止することを提案している。
ECS Transactions, 3 (6) 91-98 (2006) J. Applied Physics 113, 094905 (2013)
特開2016-225537 特許 5910763 特許第3774782号 特許 5713025
しかし、先行文献の通り、イオン注入により、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を薄くすることで圧電素子を作製した場合には、特性が低いという問題があった。これは、イオン注入時のダメージにより結晶性が劣化することに起因すると考えられる。
一方、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの圧電性材料基板をシリコン基板上の酸化珪素膜に接合した後に、圧電性材料基板を研磨することで薄くする場合には、加工変質層をＣＭＰにより取り除くことができるので、素子特性は劣化しない。しかし、研磨加工によって圧電性材料基板の厚さを小さくしていくと、得られた接合体の特性が劣化することがあった。特に接合体を弾性波素子として用いる場合、弾性波素子としての特性、特に共振周波数ｆｓでのアドミタンスと反共振周波数ｆｒでのアドミタンスとの比率（アドミタンス比）が低下することがわかった。
本発明の課題は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板と支持基板とを酸化珪素層を介して接合するのに際して、接合体の特性を向上させることである。
本発明は、
支持基板、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板、および
前記支持基板と前記圧電性材料基板とを接合する接合層
を備えている接合体に係る。
そして、この接合層の材質が酸化珪素であり、前記接合層を、圧電性材料基板側接合部、支持基板側接合部および前記圧電性材料基板側接合部と前記支持基板側接合部との間の中間部に分けたとき、前記中間部における窒素濃度が、前記圧電性材料基板側接合部における窒素濃度および前記支持基板側接合部における窒素濃度よりも高く、前記中間部におけるフッ素濃度が、前記圧電性材料基板側接合部におけるフッ素濃度および前記支持基板側接合部におけるフッ素濃度よりも高いことを特徴とする。
また、本発明は、
前記接合体、および前記圧電性材料基板上に設けられた電極を備えることを特徴とする、弾性波素子に係るものである。
本発明者は、ニオブ酸リチウム等からなる圧電性材料基板と支持基板とを酸化珪素層を介して接合するのに際して、接合体の特性が劣化する理由を検討した。特に、共振周波数ｆｓでのアドミタンスと反共振周波数ｆｒでのアドミタンスとの比率（アドミタンス比）が低下する理由について検討した。
圧電性材料基板と支持基板との間の接合層を酸化珪素によって形成する場合、圧電性材料基板（例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム）を伝搬するバルク波の音速よりも、酸化珪素（接合層）中を伝搬するバルク波の音速が低い。このため、圧電性材料基板から接合層を通して支持基板へと伝搬エネルギーが漏洩し、伝搬特性を劣化させたものと考えられる。
ここで、本発明者は、接合層のうち圧電性材料基板側に窒素濃度の相対的に高い部分を設けることで、相対的に高音速な部分を設け、支持基板側には、窒素濃度の相対的に低い低音速な部分を設ける構造を想到した。この結果、圧電性材料基板を伝搬する弾性波の支持基板への漏れを抑制できることを見いだした。
また、本発明者は、接合層のうち中間部に窒素濃度の相対的に高い部分を設けることで、相対的に高音速な部分を設け、支持基板側および圧電性材料基板側には、窒素濃度の相対的に低い低音速な部分を設ける構造を想到した。この結果、圧電性材料基板を伝搬する弾性波の支持基板への漏れを抑制し、低損失な素子を提供できることを見いだした。
なお、特許文献４に記載の弾性表面波素子では、圧電性材料基板と支持基板との間に、高音速膜と低音速膜とを設けることによって、弾性表面波のエネルギーが支持基板に漏れることを防止することを提案している。また、高音速膜として窒化珪素が例示され、低音速膜として酸化珪素が例示されている。しかし、圧電性材料基板と支持基板との間の酸化珪素を材質とする接合層中において、上述のように窒素濃度の相対的に高い層状部位を設けることで、圧電性材料基板を伝搬する弾性波のエネルギーの漏れを抑制することは記載されていない。
更に、支持基板上に酸化珪素膜を設け、この酸化珪素膜の接合面および圧電性材料基板の接合面に対して１５０℃以下で窒素プラズマを照射して活性化した後で、圧電性材料基板の接合面を酸化珪素層の接合面に対して接合することで、酸化珪素を材質とする接合層の圧電性材料基板側部分に窒素濃度の高い領域を生成できることを見いだした。
また、支持基板および圧電性材料基板上にそれぞれ酸化珪素膜を設け、各酸化珪素膜の各接合面に対して１５０℃以下で窒素プラズマを照射して活性化した後で、支持基板上の酸化珪素膜と圧電性材料基板上の酸化珪素膜とを直接接合することで、酸化珪素を材質とする接合層の中間部に窒素濃度の高い領域を生成できることを見いだした。
（ａ）は、圧電性材料基板１を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板１の接合面にプラズマＡを照射して活性化面５を生成させた状態を示す。 （ａ）は、支持基板３上に酸化珪素膜４を設けた状態を示し、（ｂ）は、酸化珪素膜４の接合面に対してプラズマＢを照射している状態を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板１と支持基板３との接合体８を示し、（ｂ）は、接合体８Ａの圧電性材料基板１を加工によって薄くした状態を示し、（ｃ）は弾性波素子１１を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板１を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板１上に酸化珪素膜１２を設けた状態を示し、（ｃ）は、酸化珪素膜１２の接合面に対してプラズマＡを照射して活性化した状態を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板１と支持基板３との接合体１８を示し、（ｂ）は、接合体１８Ａの圧電性材料基板１を加工によって薄くした状態を示し、（ｃ）は、弾性波素子２１を示す。 弾性波素子の典型的な共振特性を示すグラフである。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明の第一の態様に係るものである。
まず、図１（ａ）に示すように、一対の主面１ａ、１ｂを有する圧電性材料基板１を準備する。次いで、図１（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の接合面１ａに対して矢印Ａのようにプラズマを照射し、表面活性化された接合面５を得る。
一方、図２（ａ）に示すように、支持基板３の表面３ａに酸化珪素膜４を形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、酸化珪素膜４の表面４ａに対して矢印Ｂのようにプラズマを照射することによって表面活性化し、活性化された接合面６を形成する。
次いで、圧電性材料基板１上の活性化された接合面５と、支持基板３上の酸化珪素膜４の活性化された接合面６とを接触させ、直接接合し、図３（ａ）に示す接合体８を得ることができる。ここで、支持基板３と圧電性材料基板１との間には、酸化珪素を材質とする接合層７が生成している。接合層７を、圧電性材料基板側接合部７ａと支持基板側接合部７ｂとに分けたとき、圧電性材料基板側接合部７ａにおける窒素濃度が、支持基板側接合部７ｂにおける窒素濃度よりも高くなっている。圧電性材料基板側接合部７ａは圧電性材料基板１に接しており、支持基板側接合部７ｂは支持基板３に接している。
この状態で、圧電性材料基板１上に電極を設けても良い。しかし、好ましくは、図３（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の主面１ｂを加工して基板１を薄くし、薄板化された圧電性材料基板１Ａを得る。９は加工面である。次いで、図３（ｃ）に示すように、接合体７Ａの圧電性材料基板１Ａの加工面９上に所定の電極１０を形成し、弾性波素子１１を得ることができる。
本態様の発明においては、接合層７の材質が酸化珪素であり、接合層７を圧電性材料基板側接合部７ａと支持基板側接合部７ｂとに分けたとき、圧電性材料基板側接合部７ａにおける窒素濃度Ｎ７ａが支持基板側接合部における窒素濃度Ｎ７ｂよりも高い。この本発明の観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおける窒素濃度Ｎ７ａの支持基板側接合部における窒素濃度Ｎ７ｂに対する比率（Ｎ７ａ／Ｎ７ｂ）は、１０以上が好ましく、１００以上が更に好ましい。ただし、実際上の観点からは、比率（Ｎ７ａ／Ｎ７ｂ）は、
１０００以下であることが好ましい。
本発明の観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおける窒素濃度Ｎ７ａは、１Ｅ１９atoms/cm3以上が好ましく、５Ｅ１９atoms/cm3以上が更に好ましい。また、窒素濃度Ｎ７ａは８Ｅ２０atoms/cm3以下であってよい。また、接合層の支持基板側接合部における窒素濃度Ｎ７ｂは、４Ｅ１７〜７Ｅ１８atoms/cm3が好ましい。なお、「１Ｅ１９」は、「１×１０１９」を示しており、他の数値も同様である。
ただし，接合層７を厚さ方向に向かって二分することで、圧電性材料基板側接合部７ａと支持基板側接合部７ｂとに分け、各接合部の厚さは同じにするものとする。また、圧電性材料基板側接合部７ａは圧電性材料基板１に対して接しており、支持基板側接合部７ｂは支持基板３に対して接している。
好適な実施形態においては、圧電性材料基板側接合部７ａにおける炭素濃度Ｃ７ａが支持基板側接合部７ｂにおける炭素濃度Ｃ７ｂよりも高い。この観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおける炭素濃度Ｃ７ａの支持基板側接合部における炭素濃度Ｃ７ｂに対する比率（Ｃ７ａ／Ｃ７ｂ）は、１０以上が好ましく、１００以上が更に好ましい。ただし、実際上の観点からは、比率（Ｃ７ａ／Ｃ７ｂ）は、１０００以下であることが好ましい。
本実施形態の観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおける炭素濃度Ｃ７ａは、１Ｅ１９atoms/cm3以上が好ましく、５Ｅ１９atoms/cm3以上が更に好ましい。また、炭素濃度Ｃ７ａは、１Ｅ２１atoms/cm3以下であってよい。また、接合層７の支持基板側接合部７ｂにおける炭素濃度Ｃ７ｂは、１Ｅ１７〜３Ｅ１８atoms/cm3が好ましい。
好適な実施形態においては、圧電性材料基板側接合部７ａにおけるフッ素濃度Ｆ７ａが支持基板側接合部７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ７ｂよりも高い。この観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおけるフッ素濃度Ｆ７ａの支持基板側接合部７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ７ｂに対する比率（Ｆ７ａ／Ｆ７ｂ）は、５以上が好ましく、５０以上が更に好ましい。ただし、実際上の観点からは、比率（Ｆ７ａ／Ｆ７ｂ）は、５００以下であることが好ましい。
本実施形態の観点からは、圧電性材料基板側接合部７ａにおけるフッ素濃度Ｆ７ａは、３Ｅ１８atoms/cm3以上が好ましく、６Ｅ１８atoms/cm3以上が更に好ましい。また、フッ素濃度Ｃ７ａは ２Ｅ２０atoms/cm3以下であってよい。また、接合層７の支持基板側接合部７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ７ｂは、１Ｅ１７〜２Ｅ１８atoms/cm3が好ましい。
図２、図４、図５は、本発明の第二の態様に係るものである。
まず、図４（ａ）に示すように、一対の主面１ａ、１ｂを有する圧電性材料基板１を準備する。次いで、図４（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の一方の主面１ａ上に酸化珪素膜１２を成膜する。次いで、図４（ｃ）に示すように、酸化珪素膜１２の接合面１２ａに対して矢印Ａのようにプラズマを照射し、表面活性化された接合面１３を得る。
一方、図２（ａ）に示すように、支持基板３の表面３ａに酸化珪素膜４を形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、酸化珪素膜４の表面４ａに対して矢印Ｂのようにプラズマを照射することによって表面活性化し、活性化された接合面６を形成する。
次いで、圧電性材料基板上の酸化珪素膜１２の活性化された接合面１３と、支持基板上の酸化珪素膜４の活性化された接合面６とを接触させ、直接接合することによって、図５（ａ）に示す接合体１８を得る。ここで、酸化珪素膜１２と酸化珪素膜４とが直接接合によって一体化し、酸化珪素層１７が生成する。
接合層１７を、圧電性材料基板側接合部１７ａと支持基板側接合部１７ｃと中間部１７ｂとに分けたとき、中間部１７ｂにおける窒素濃度が、圧電性材料基板側接合部１７ａにおける窒素濃度および支持基板側接合部１７ｃにおける窒素濃度よりも高くなっている。圧電性材料基板側接合部１７ａは圧電性材料基板１に接しており、支持基板側接合部１７ｃは支持基板３に接している。
この状態で、圧電性材料基板１上に電極を設けても良い。しかし、好ましくは、図５（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の主面１ｂを加工して基板１を薄くし、薄板化された圧電性材料基板１Ａを得る。９は加工面である。次いで、図５（ｃ）に示すように、接合体１８Ａの圧電性材料基板１Ａの加工面９上に所定の電極１０を形成し、弾性波素子２１を得ることができる。
本態様の発明においては、接合層１７の材質が酸化珪素であり、接合層１７を圧電性材料基板側接合部１７ａ、中間部１７ｂ、支持基板側接合部１７ｃに分けたとき、中間部１７ｂにおける窒素濃度Ｎ１７ｂが、圧電性材料基板側接合部１７ａにおける窒素濃度Ｎ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおける窒素濃度Ｎ１７ｃよりも高い。この本発明の観点からは、中間部１７ｂにおける窒素濃度Ｎ１７ｂの、圧電性材料基板側接合部１７ａにおける窒素濃度Ｎ１７ａに対する比率（Ｎ１７ｂ／Ｎ１７ａ）および支持基板側接合部１７ｃにおける窒素濃度Ｎ１７ｃに対する比率（Ｎ１７ｂ／Ｎ１７ｃ）は、１０以上が好ましく、１００以上が更に好ましい。また、比率（Ｎ１７ｂ／Ｎ１７ａ）および比率（Ｎ１７ｂ／Ｎ１７ｃ）は、
実際上の観点からは、１０００以下であることが更に好ましい。
ただし、接合層１７を厚さ方向に向かって三分することで、圧電性材料基板側接合部１７ａ、中間部１７ｂ、支持基板側接合部１７ｃに分け、各接合部１７ａ、１７ｂ、１７ｃの厚さは同じにするものとする。また、圧電性材料基板側接合部１７ａは圧電性材料基板１Ａに対して接しており、支持基板側接合部１７ｃは支持基板３に対して接している。
本発明の観点からは、中間部１７ｂにおける窒素濃度Ｎ１７ｂは、１Ｅ１９atoms/cm3以上であることが好ましく、５Ｅ１９atoms/cm3以上であることが更に好ましい。また、窒素濃度Ｎ１７ｂは、 ５Ｅ２０atoms/cm3以下であることが好ましい。圧電性材料基板側接合部１７ａにおける窒素濃度Ｎ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおける窒素濃度Ｎ１７ｃは、９Ｅ１８atoms/cm3以下であることが好ましい。また、窒素濃度Ｎ１７ａ、Ｎ１７ｃは、４Ｅ１７atoms/cm3以上であってよい。
本実施形態においては、中間部１７ｂにおける炭素濃度Ｃ１７ｂが、圧電性材料基板側接合部１７ａにおける炭素濃度Ｃ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおける炭素濃度Ｃ１７ｃよりも高い。本発明の観点からは、中間部１７ｂにおける炭素濃度Ｃ１７ｂの、圧電性材料基板側接合部１７ａにおける炭素濃度Ｃ１７ａに対する比率（Ｃ１７ｂ／Ｃ１７ａ）および支持基板側接合部１７ｃにおける炭素濃度Ｃ１７ｃに対する比率（Ｃ１７ｂ／Ｃ１７ｃ）は、１０以上が好ましく、１００以上が更に好ましい。また、比率（Ｃ１７ｂ／Ｃ１７ａ）および比率（Ｃ１７ｂ／Ｃ１７ｃ）は、実際上の観点からは、１０００以下であることが更に好ましい。
本発明の観点からは、中間部１７ｂにおける炭素濃度Ｃ１７ｂは、１Ｅ１９atoms/cm3以上が好ましく、５Ｅ１９atoms/cm3以上が更に好ましい。また、炭素濃度Ｃ１７ｂは、５Ｅ２０atoms/cm3以下であることが好ましい。圧電性材料基板側接合部１７ａにおける炭素濃度Ｃ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおける炭素濃度Ｃ１７ｃは、３Ｅ１８atoms/cm3以下であることが好ましい。また、炭素濃度Ｃ１７ａ、Ｃ１７ｃは、１Ｅ１７ atoms/cm3以上であってよい。
本発明においては、中間部１７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｂが、圧電性材料基板側接合部１７ａにおけるフッ素濃度Ｆ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｃよりも高い。本発明の観点からは、中間部１７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｂの、圧電性材料基板側接合部１７ａにおけるフッ素濃度Ｆ１７ａに対する比率（Ｆ１７ｂ／Ｆ１７ａ）および支持基板側接合部１７ｃにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｃに対する比率（Ｆ１７ｂ／Ｆ１７ｃ）は、５以上であることが好ましく、５０以上であることが更に好ましい。また、比率（Ｆ１７ｂ／Ｆ１７ａ）および比率（Ｆ１７ｂ／Ｆ１７ｃ）は、実際上の観点からは、５００以下であることが更に好ましい。
本発明の観点からは、中間部１７ｂにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｂは、３Ｅ１８atoms/cm3以上が好ましく、６Ｅ１８atoms/cm3以上が更に好ましい。また、フッ素濃度Ｆ１７ｂは、８Ｅ１９atoms/cm3以下であることが好ましい。圧電性材料基板側接合部１７ａにおけるフッ素濃度Ｆ１７ａおよび支持基板側接合部１７ｃにおけるフッ素濃度Ｆ１７ｃは、２Ｅ１８atoms/cm3以下であることが好ましい。また、フッ素濃度Ｆ１７ａ、Ｆ１７ｃは、１Ｅ１７atoms/cm3以上であってよい。
以下、本発明の各構成要素について順次述べる。
支持基板３の材質は特に限定されないが、好ましくは、シリコン、水晶、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１１、２１の周波数の温度特性を一層改善することができる。
支持基板３上、および必要に応じて圧電性材料基板１上に酸化珪素膜４、１２を形成する。各酸化珪素膜４、１２の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。好ましくは支持基板３がシリコン基板であり、この場合にはシリコン基板表面への酸素のスパッタリングやイオン注入、酸化雰囲気下での加熱によって酸化珪素膜４を形成できる。
酸化珪素膜４、１２の厚さは、本発明の観点からは、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、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。また、酸化珪素膜の厚さは、３μｍ以下であることが好ましく、２．５μｍ以下が好ましく、２．０μｍ以下が更に好ましい。
本発明で用いる圧電性材料基板１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とする。これらは弾性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１の主面の法線方向は、特に限定されないが、例えば、圧電性材料基板１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３２〜５５°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５８〜３５°，１８０°）、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１がＬＮからなるときには、（ア）弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Z軸から-Y軸に37.8°回転した方向のもの、オイラー角表示で(０°，３７．８°，０°)を用いるのが電気機械結合係数が大きいため好ましい、または、（イ）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４０〜６５°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５０〜２５°，１８０°）を用いるのが高音速がえられるため好ましい。更に、圧電性材料基板１の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径１００〜２００ｍｍ，厚さが０．１５〜１μｍである。
次いで、圧電性材料基板１の接合面１ａ、圧電性材料基板１上の酸化珪素膜１２の接合面１２ａ、支持基板３上の酸化珪素膜４の接合面４ａに１５０℃以下でプラズマを照射し、接合面１ａ、４ａ、１２ａを活性化させる。本発明の観点からは、窒素プラズマを照射することが好ましいが、酸素プラズマを照射した場合にも、本発明の接合体８Ａ、１８Ａを得ることが可能である。
表面活性化時の圧力は、１００Ｐａ以下が好ましく、８０Ｐａ以下が更に好ましい。また、雰囲気は窒素のみであって良く、酸素のみであってよいが、窒素、酸素の混合物であってもよい。
プラズマ照射時の温度は１５０℃以下とする。これによって、接合強度が高く、かつ結晶性の劣化のない接合体８Ａ、１８Ａが得られる。この観点から、プラズマ照射時の温度を１５０℃以下とするが、１００℃以下とすることが更に好ましい。
また、プラズマ照射時のエネルギーは、３０〜１５０Wが好ましい。また、プラズマ照射時のエネルギーと照射時間との積は、０．１２〜１．０Whが好ましい。
プラズマ処理した基板の接合面５と接合面６同士、又は、接合面１３と接合面６同士を室温で互いに接触させる。このとき真空中で処理してもよいが、より好ましくは大気中で接触させる。こうすることで、プラズマ処理で酸化珪素中に取り込まれた窒素、炭素、フッ素の分布を保ったままの接合基板を実現することができる。
好適な実施形態においては、プラズマ処理前に、圧電性材料基板１の接合面１ａおよび酸化珪素層４、１２の接合面４ａ、１２ａを平坦化加工する。各接合面１ａ、４ａ、１２ａ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、圧電性材料基板１の接合面５と支持基板３上の酸化珪素膜４の接合面６、あるいは圧電性材料基板１上の酸化珪素膜１２の接合面１３と支持基板３上の酸化珪素膜４の接合面６とを接触させ、接合する。この後、アニール処理を行うことによって、接合強度を向上させることが好ましい。アニール処理時の温度は、１００℃以上、３００℃以下が好ましい。
本発明の接合体８Ａ、１８Ａは、弾性波素子１１、２１に対して好適に利用できる。
弾性波素子１１、２１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１Ａ上の電極１０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。
（実施例Ａ１）
図１〜図３を参照しつつ説明した方法に従い、図３（ｃ）に示す弾性波素子１１を作製した。
具体的には、厚さが２００μｍで両面が鏡面に研磨されている42YカットＸ伝搬LiTaO3基板（圧電性材料基板）１と、厚みが６７５μｍの高抵抗(>2kΩ・cm)Ｓｉ（１００）基板（支持基板）３を用意した。基板サイズはいずれも15ｍｍである。支持基板３上には、スパッタリング法により、酸化珪素膜４を５００ｎｍの厚さで成膜した。成膜後の酸化珪素膜４の表面粗さＲａが０．６ｎｍであったため、表面をＣＭＰ（化学機械的研磨）でわずかに研磨し、Ｒａを０．３ｎｍまで改善した。
次いで、圧電性材料基板１の接合面１ａおよび支持基板３上の酸化珪素膜４の接合面４ａをそれぞれ洗浄および表面活性化した。具体的には、純水を用いた超音波洗浄を実施し、スピンドライにより基板表面を乾燥させた。次いで、洗浄後の支持基板３をプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で接合面４ａを活性化した。また、圧電性材料基板１を同様にプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で接合面１ａを表面活性化した。表面活性化時間は４０秒とし、エネルギーは１００Wとした。表面活性化中に付着したパーティクルを除去する目的で、上述と同じ超音波洗浄、スピンドライを再度実施した。
次いで、各基板の位置合わせを行い、室温で両基板の活性化した接合面５、６同士を接触させた。圧電性材料基板１側を上にして接触させた。この結果、基板同士の密着が広がる様子（いわゆるボンディングウェーブ）が観測され、良好に予備接合が行われたことが確認できた。次いで、接合強度を増すことを目的に、接合体を窒素雰囲気のオーブンに投入し、１２０℃で１０時間保持した。
加熱後の接合体８の圧電性材料基板１の表面１ｂを研削加工、ラップ加工、およびＣＭＰ加工に供し、圧電性材料基板１Ａの厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるようにした。得られた接合体８Ａについて、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度をSIMS法（2次イオン質量分析法）を用いて測定した。SIMS測定装置として、CAMECA IMS-7fを用い、一次イオン種としてCs+で、一次加速電圧は15.0kVで行った。検出領域は、30μｍφとした。
圧電性材料基板１Ａの厚みは、光干渉を用いた光学式測定機（Filmetrix社製 F20）により測定した。研磨された圧電性材料基板１Ａの加工面９に、フォトリソグラフィープロセスでアルミニウム金属からなるIDT電極１０を設けた。発振周波数が1000MHｚ程度になるよう、電極１０の周期λは4μmとした。IDT電極１０の厚みは２００nmとし、２００対のIDT電極の両側に８０対からなる反射器を設け１ポートの弾性波素子（ＳＡＷ共振子）１１を作成した。作成された弾性波素子（ＳＡＷ共振子）１１のインピーダンス特性をAgilent社製ネットワークアナライザーE5071Cで測定した。図６に典型的な共振特性を示す。１０００MHｚ付近(ｆｓ）に共振ピーク、１０５０MHzあたり（ｆｒ）に反共振ピークが観測された。共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表３に示す。
（実施例Ａ２）
実施例Ａ１において、窒素プラズマの代わりに窒素ガス８０％、酸素ガス２０％とした混合ガスのプラズマを用いた。ガス組成を変更するにあたり、RFの反射電力が最小となるようにマッチングは適宜変更した。その他は実施例Ａ１と同様に実験を行った。
実施例Ａ１と同様にして、得られた接合体８について、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度を測定し、測定結果を表１に示す。また、実施例Ａ１と同様にして、圧電性材料基板の厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるように加工し、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表３に示す。
(比較例Ａ１)
実施例Ａ１と同様にして、各接合体およびＳＡＷ素子を作成し、実施例Ａ１と同様の測定を行った。ただし、酸化珪素膜は圧電性材料基板１上に成膜し、支持基板３側には成膜しなかった。また、酸化珪素膜の表面活性化と支持基板３の表面活性化を行い、酸化珪素膜と支持基板３の活性化面を窒素プラズマ照射によって直接接合した。
得られた接合体について、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度を測定し、測定結果を表２に示す。また、実施例Ａ１と同様にして、圧電性材料基板１の厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるように加工し、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表３に示す。
Figure 0006621561
Figure 0006621561
Figure 0006621561
表３に示すように、本発明の接合体８Ａを用いた弾性波素子（ＳＡＷ素子）１１では、圧電性材料基板１Ａの厚さを２．０〜１．０μｍと極めて薄く加工した場合にも、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率は劣化せず、良好であった。一方、比較例Ａ１の接合体では、圧電性材料基板の厚さが薄くなるのにつれて、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率が劣化した。特に、比較例Ａ１の接合体では、圧電性材料基板の厚さを４．０μｍ以下まで加工すると、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率がかなり劣化した。
（実施例Ｂ）
実施例Ａ１において、圧電性材料基板の材質を１２８YカットX伝搬ニオブ酸リチウムに変更した。この結果、実施例Ａ１と同様の結果が得られた。
（実施例Ｃ１）
図２、図４、図５を参照しつつ説明した方法に従い、図５（ｃ）に示す弾性波素子２１を作製した。
具体的には、厚さが２００μｍで両面が鏡面に研磨されている42YカットＸ伝搬LiTaO3基板（圧電性材料基板）１と、厚みが６７５μｍの高抵抗(>2kΩ・cm)Ｓｉ（１００）基板（支持基板）３を用意した。基板サイズはいずれも15ｍｍである。圧電性材料基板１上、支持基板３上には、スパッタリング法により、酸化珪素膜１２、４をそれぞれ２５０ｎｍの厚さで成膜した。成膜後の各酸化珪素膜１２、４の表面粗さをAFMで測定したところＲａが０．６ｎｍであったため、表面をＣＭＰ（化学機械的研磨）でわずかに研磨し、Ｒａを０．３ｎｍまで改善した。
次いで、圧電性材料基板１上の酸化珪素膜１２の接合面１２ａおよび支持基板３上の酸化珪素層４の接合面４ａをそれぞれ洗浄および表面活性化した。具体的には、純水を用いた超音波洗浄を実施し、スピンドライにより基板表面を乾燥させた。
次いで、洗浄後の支持基板３をプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で酸化珪素膜４の接合面４ａを活性化した。また、圧電性材料基板１を同様にプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で酸化珪素膜１２の接合面１２ａを表面活性化した。表面活性化時間は４０秒とし、エネルギーは１００Wとした。表面活性化中に付着したパーティクルを除去する目的で、上述と同じ超音波洗浄、スピンドライを再度実施した。
次いで、各基板の位置合わせを行い、室温で両基板の活性化した接合面１３、６同士を接触させた。圧電性材料基板１側を上にして接触させた。この結果、基板同士の密着が広がる様子（いわゆるボンディングウェーブ）が観測され、良好に予備接合が行われたことが確認できた。次いで、接合強度を増すことを目的に、接合体を窒素雰囲気のオーブンに投入し、１２０℃で１０時間保持した。
加熱後の接合体１８の圧電性材料基板１の表面を研削加工、ラップ加工、およびＣＭＰ加工に供し、圧電性材料基板１Ａの厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるようにした。得られた接合体１８Ａについて、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度をSIMS法（2次イオン質量分析法）を用いて測定した。SIMS測定装置として、CAMECA IMS-7fを用い、一次イオン種としてCs+で、一次加速電圧は15.0kVで行った。検出領域は、30μｍφとした。測定結果を表４に示す。
研磨された圧電性材料基板１Ａの加工面９に、アルミニウム金属からなるIDT電極１０を設け、１ポートの弾性波素子（ＳＡＷ共振子）２１をフォトリソグラフィープロセスで作成した。発振周波数が1000MHｚ程度になるよう、電極の周期λは4μmとした。作成された弾性波素子（ＳＡＷ共振子）２１のインピーダンス特性をAgilent社製ネットワークアナライザーE5071Cで測定した。共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表６に示す。
（実施例Ｃ２）
実施例Ｃ１において、窒素プラズマの代わりに窒素ガス８０％、酸素ガス２０％とした混合ガスのプラズマを用いた。その他は実施例Ｃ１と同様に実験を行った。
実施例Ｃ１と同様にして、得られた接合体１８Ａについて、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度を測定し、測定結果を表４に示す。また、実施例Ｃ１と同様にして、圧電性材料基板１Ａの厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるように加工し、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表６に示す。
(比較例Ｃ１)
実施例Ｃ１と同様にして、各接合体および弾性波素子（ＳＡＷ素子）を作成し、実施例Ｃ１と同様の測定を行った。ただし、酸化珪素膜は圧電性材料基板上に成膜し、支持基板側には成膜しなかった。また、酸化珪素膜の表面活性化と支持基板の表面活性化を行い、酸化珪素膜と支持基板の活性化面を窒素プラズマ照射によって直接接合した。
得られた接合体について、各部分における窒素濃度、炭素濃度、フッ素濃度を測定し、測定結果を表５に示す。また、実施例Ａ１と同様にして、圧電性材料基板１Ａの厚さが１６、８、４、２、１μｍとなるように加工し、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率を測定した。この結果を表６に示す。
Figure 0006621561
Figure 0006621561
Figure 0006621561
表６に示すように、本発明の接合体１８Ａを用いた弾性波素子（ＳＡＷ素子）２１では、圧電性材料基板１Ａの厚さを２．０〜１．０μｍと極めて薄く加工した場合にも、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率は劣化せず、良好であった。一方、比較例Ｃ１の接合体では、圧電性材料基板の厚さが薄くなるのにつれて、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率が劣化した。特に、比較例Ｃ１の接合体では、圧電性材料基板の厚さを４．０μｍ以下まで加工すると、共振周波数ｆｓでのアドミタンス値の反共振周波数ｆｒでのアドミタンス値に対する比率がかなり劣化した。
（実施例Ｄ）
実施例Ｃ１において、圧電性材料基板１の材質をニオブ酸リチウムに変更した。この結果、実施例Ｃ１と同様の結果が得られた。

Claims (3)

  1. 支持基板、
    ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板、および
    前記支持基板と前記圧電性材料基板とを接合する接合層
    を備えている接合体であって、
    前記接合層の材質が酸化珪素であり、前記接合層を、圧電性材料基板側接合部、支持基板側接合部および前記圧電性材料基板側接合部と前記支持基板側接合部との間の中間部に分けたとき、前記中間部における窒素濃度が、前記圧電性材料基板側接合部における窒素濃度および前記支持基板側接合部における窒素濃度よりも高く、前記中間部におけるフッ素濃度が、前記圧電性材料基板側接合部におけるフッ素濃度および前記支持基板側接合部におけるフッ素濃度よりも高いことを特徴とする、接合体。
  2. 前記中間部における炭素濃度が、前記圧電性材料基板側接合部における炭素濃度および前記支持基板側接合部における炭素濃度よりも高いことを特徴とする、請求項１記載の接合体。
  3. 前記圧電性材料基板の厚さが４．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の接合体。

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