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WO2022054372A1 - 弾性波デバイス用複合基板 - Google Patents

弾性波デバイス用複合基板 Download PDF

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WO2022054372A1
WO2022054372A1 PCT/JP2021/023918 JP2021023918W WO2022054372A1 WO 2022054372 A1 WO2022054372 A1 WO 2022054372A1 JP 2021023918 W JP2021023918 W JP 2021023918W WO 2022054372 A1 WO2022054372 A1 WO 2022054372A1
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WO
WIPO (PCT)
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piezoelectric material
layer
material layer
support substrate
intermediate layer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2021/023918
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕二 堀
喬紘 山寺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to EP21866333.4A priority patent/EP4047819A4/en
Priority to JP2021561007A priority patent/JP7625535B2/ja
Priority to KR1020227007275A priority patent/KR102768795B1/ko
Priority to US17/686,804 priority patent/US12395146B2/en
Publication of WO2022054372A1 publication Critical patent/WO2022054372A1/ja
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    • H03H9/02559—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of lithium niobate or lithium-tantalate substrates

Definitions

  • the present invention relates to a composite substrate for elastic wave devices.
  • Patent Documents 1 and 2 It is known that a surface acoustic wave filter in which lithium tantalate and sapphire are bonded via a silicon oxide layer generates bulk waves at the junction interface and an unnecessary response appears in the passing region and the high frequency region. For the purpose of preventing this, a method has been proposed in which a rough surface is introduced at the junction interface to scatter bulk waves and suppress unnecessary responses (Patent Documents 1 and 2).
  • Patent Document 1 when the joint surface is roughened, the geometrical specifications of the rough surface are the average length RSm of the elements in the cross-sectional curve of the uneven structure constituting the rough surface and the wavelength ⁇ of the surface elastic wave.
  • the ratio is 0.2 or more and 7.0 or less, and the arithmetic mean roughness Ra in the cross-sectional curve of the uneven structure is 100 nm or more.
  • Patent Document 2 defines the height difference of the rough surface.
  • An object of the present invention is to improve the bonding strength between a piezoelectric material substrate and a supporting substrate and to efficiently reflect bulk waves in a composite substrate for an elastic wave device composed of a bonding body of a piezoelectric material substrate and a supporting substrate. It is to reduce sprias to suppress sprias.
  • the present invention comprises a piezoelectric material layer, a support substrate, and an intermediate layer of an x layer (x is an integer of 3 or more) between the piezoelectric material layer and the support substrate.
  • x is an integer of 3 or more
  • the material layer, the support substrate and the intermediate layer satisfy the following formula (1), the following formula (2) is satisfied when x is an even number, and the following formula (2) is satisfied when x is an odd number. It is applied to a composite substrate for an elastic wave device, which is characterized by satisfying 3).
  • Equation (1) n represents all integers from 1 to x
  • Rn is the arithmetic mean roughness of the surface of the intermediate layer of the nth layer on the piezoelectric material layer side when viewed from the piezoelectric material layer.
  • R x + 1 is the arithmetic mean roughness of the surface of the support substrate on the piezoelectric material layer side.
  • V n-1 ⁇ V n ...
  • Equation (2) n indicates all even numbers greater than or equal to 2 and less than or equal to x.
  • V n is the speed of sound of the intermediate layer of the nth layer when viewed from the piezoelectric material layer.
  • Equation (3) (In equation (3) n indicates all odd numbers greater than or equal to 1 and less than or equal to x.
  • V n is the speed of sound of the intermediate layer of the nth layer when viewed from the piezoelectric material layer.
  • V 0 is the speed of sound of the piezoelectric material layer.
  • the arithmetic mean roughness of the intermediate layer is gradually lowered from the support substrate to the piezoelectric material layer.
  • the bonding strength to the piezoelectric material substrate is improved.
  • by sequentially providing an intermediate layer having a high sound velocity and an intermediate layer having a slow sound velocity adjacent to each other from the piezoelectric material layer to the support substrate the reflection of bulk waves is efficiently reduced and spurious waves are remarkable. It was found that it was suppressed in the present invention, and the present invention was reached.
  • (A) is a schematic cross-sectional view showing a state in which an intermediate layer X2 and a bonding layer M are provided on a support substrate, and (b) is a state in which a bonding layer Y is provided on a piezoelectric material substrate. It is sectional drawing which shows, (c) is the sectional view which shows the junction 7A of a support substrate and a piezoelectric material substrate.
  • (A) is a schematic cross-sectional view showing a state in which intermediate layers X, 3, 2 and a bonding layer M are provided on a support substrate, and (b) is a state in which a bonding layer Y is provided on a piezoelectric material substrate.
  • (c) is sectional drawing which shows the junction 7B of a support substrate and a piezoelectric material substrate.
  • A shows a state in which the piezoelectric material substrate of the bonded body is thinned by processing
  • (b) shows an elastic wave element 8.
  • It is a graph which illustrates the speed of sound of the intermediate layer on a support substrate. It is a graph which illustrates the speed of sound of the intermediate layer on a support substrate.
  • the intermediate layer X2 and the bonding layer M are sequentially formed on the surface Sa of the support substrate S.
  • the surface Ma of the bonding layer M is subjected to precision polishing, for example, chemical mechanical polishing.
  • the surface Ma of the intermediate layer M is surface-activated.
  • the bonding layer Y is provided on the main surface PZa of the piezoelectric material layer PZ.
  • the surface Ya of the bonding layer Y is surface-activated.
  • the surface Ma of the bonding layer M and the surface Ya of the bonding layer Y are brought into contact with each other and directly bonded to obtain the bonded body 7A shown in FIG. 1 (c).
  • the bonding layer Y and the bonding layer M are made of the same material, they are substantially integrated to form the intermediate layer 1.
  • FIG. 2 is an example in which four intermediate layers are provided between the piezoelectric material layer and the support substrate.
  • intermediate layers X, 3, 2 and a bonding layer M are sequentially formed on the surface Sa of the support substrate S.
  • the surface Ma of the uppermost bonding layer M is subjected to precision polishing, for example, chemical mechanical polishing.
  • the surface Ma of the bonding layer M is surface-activated.
  • the surface PZa of the piezoelectric material substrate PZ is roughened.
  • a bonding layer Y is provided on the main surface PZa of the piezoelectric material substrate PZ.
  • the surface Ya of the bonding layer Y is surface-activated.
  • the surface Ma of the bonding layer M and the surface Ya of the bonding layer Y are brought into contact with each other and directly bonded to obtain the bonded body 7B shown in FIG. 2 (c).
  • the piezoelectric material substrate PZ is thinned by processing to form the piezoelectric material substrate PZC, whereby the bonded body 7C is obtained.
  • an electrode may be provided on the piezoelectric material substrate PZC.
  • a predetermined electrode 9 can be formed on the machined surface of the piezoelectric material substrate PZC to obtain an elastic wave element 8.
  • the bonding strength between the support substrate and the piezoelectric material substrate can be increased by adjusting each arithmetic average roughness Ra and each sound velocity of the intermediate layers of the plurality of layers between the piezoelectric material layer and the support substrate. At the same time, spurious waves can be suppressed. Such a configuration will be further described.
  • an intermediate layer of x layers (x is 3 or more) is provided between the piezoelectric material layer PZ (PZC) and the surface Sa of the support substrate S.
  • PZC piezoelectric material layer
  • the number of layers of the intermediate layer is 4 or more.
  • the manufacturing cost increases as the number of layers of the intermediate layer increases. Therefore, from this viewpoint, the number of layers of the intermediate layer is preferably 10 or less.
  • equation (1) defines the arithmetic mean roughness of each surface of the support substrate and each intermediate layer.
  • R n R n + 1 ...
  • n represents all integers from 1 to x
  • R n is the arithmetic mean roughness of the surface of the intermediate layer of the nth layer on the piezoelectric material layer side when viewed from the piezoelectric material layer.
  • R x + 1 is the arithmetic mean roughness of the surface of the support substrate on the piezoelectric material layer side.
  • the arithmetic average roughness R1 of the piezoelectric material layer side surface 1a of the first intermediate layer 1 as viewed from the piezoelectric material layer PZ is the arithmetic of the piezoelectric material layer side surface 2a of the second intermediate layer 2.
  • the arithmetic average roughness R 2 of the piezoelectric material layer side surface 2a of the second intermediate layer 2 seen from the piezoelectric material layer PZ, which is lower than the average roughness R 2 is the piezoelectric of the third intermediate layer 3.
  • the arithmetic average roughness of the surface 3a on the side of the material layer is lower than that of R3 , and the average roughness of the surface of the surface of the piezoelectric material layer side of the intermediate layer is gradually increased toward the support substrate. Then, the arithmetic average roughness R x + 1 of the piezoelectric material layer side surface Sa of the support substrate S is higher than the arithmetic average roughness Rx of the piezoelectric material layer side surface Xa of the intermediate layer X closest to the support substrate S. There is. That is, the arithmetic average roughness of each surface on the piezoelectric material layer side of each intermediate layer is sequentially lowered from the support substrate to the piezoelectric material layer.
  • the arithmetic mean roughness R1 of the piezoelectric material layer side surface 1a of the intermediate layer 1 of the first layer when viewed from the piezoelectric material layer PZ is the surface of the second intermediate layer 2 on the piezoelectric material layer side.
  • the arithmetic mean roughness R2 of the surface 2a of the intermediate layer 2 of the second layer is lower than the arithmetic mean roughness R2 of the second layer
  • the arithmetic mean roughness R2 of the surface Xa of the intermediate layer X of the third layer (xth layer) is the arithmetic mean roughness.
  • the arithmetic mean roughness R x of the surface Xa of the third intermediate layer X is lower than the arithmetic mean roughness R x + 1 of the surface Sa of the support substrate S. That is, the arithmetic average roughness of the surface of the intermediate layer gradually increases as the distance from the piezoelectric material layer increases.
  • the arithmetic mean roughness R1 of the piezoelectric material layer side surface 1a of the intermediate layer 1 of the first layer when viewed from the piezoelectric material layer PZ is the surface of the second intermediate layer 2 on the piezoelectric material layer side.
  • the arithmetic mean roughness R2 of the surface 2a of the intermediate layer 2 of the second layer is lower than the arithmetic mean roughness R2 of the second layer
  • the arithmetic average roughness R2 of the surface 3a of the intermediate layer 3 of the third layer (xth layer) is the arithmetic mean roughness.
  • the arithmetic mean roughness R 3 of the surface 3a of the intermediate layer 3 of the third layer is lower than the arithmetic mean roughness R x of the surface Xa of the intermediate layer X of the fourth layer (xth layer).
  • the arithmetic mean roughness R x of the surface Xa of the fourth intermediate layer X is lower than the arithmetic mean roughness R x + 1 of the surface Sa of the support substrate S. That is, the arithmetic average roughness of the surface of the intermediate layer gradually increases as the distance from the piezoelectric material layer increases.
  • the bonding strength with the piezoelectric material substrate can be increased.
  • the difference between R x + 1 and R x is preferably 0.2 nm or more, and more preferably 0.5 nm or more. From a practical point of view, the difference between R x + 1 and R x is often 1 nm or less. Further, from the viewpoint of the present invention, the difference between R n-1 and R n is preferably 0.2 nm or more, and more preferably 0.5 nm or more. Further, from a practical point of view, the difference between R n-1 and R n is often 1 nm or less.
  • the arithmetic average roughness R x + 1 of the surface Sa of the support substrate S is preferably 0.5 to 5 nm, and more preferably 1.5 to 4.0 nm.
  • the arithmetic average roughness R1 of the surface 1a of the intermediate layer 1 closest to the piezoelectric material layer (first layer) is preferably 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less. Is even more preferable.
  • the bonded body of the present invention needs to satisfy a predetermined relationship with respect to the speed of sound of each layer. That is, when x is an even number, the following equation (2) is satisfied, and when x is an odd number, the following equation (3) is satisfied.
  • V n-1 ⁇ V n ... (2) (In equation (2) n indicates all even numbers greater than or equal to 2 and less than or equal to x.
  • V n is the speed of sound of the intermediate layer of the nth layer when viewed from the piezoelectric material layer. )
  • In equation (3) n indicates all odd numbers greater than or equal to 1 and less than or equal to x.
  • V n is the speed of sound of the intermediate layer of the nth layer when viewed from the piezoelectric material layer.
  • V 0 indicates the speed of sound of the piezoelectric material layer
  • V x-1 > V x : V x-3 > V x-2 ...
  • V 2 > V 3 : V 0 > V 1
  • the magnitude relationship between V n-1 and V n-2 is not limited, but V n-2 ⁇ V n-1 It is particularly preferable to satisfy the relationship.
  • V x-1 ⁇ V x V x-3 ⁇ V x-2 ...
  • V 3 ⁇ V 4 V 1 ⁇ V 2
  • the difference between V n-1 and V n is preferably 200 m / sec or more, and 500 m / sec or more, respectively. More preferred. Further, from a practical point of view, in the equations (2) and (3), the difference between V n-1 and V n is often 3000 m / sec or less, respectively. From the viewpoint of the present invention, the difference between V 0 and V 1 is preferably 200 m / sec or more, and more preferably 500 m / sec or more. Further, there is no particular upper limit of the difference between V 0 and V 1 , but from a practical point of view, it may be 3000 m / sec or less.
  • V n-2 and V n-1 are different, the difference between V n-2 and V n-1 is preferably 1000 m / sec or more, and 3000 m / sec or more. More preferred. From a practical point of view, the difference between V n-2 and V n-1 is often 10,000 m / sec or less.
  • the material of the support substrate is not particularly limited, but is preferably a material selected from the group consisting of silicon, quartz, and sapphire. Thereby, the temperature characteristic of the frequency of the elastic wave element can be further improved. Further, the surface of the support substrate on the piezoelectric material layer side may be roughened by processing with a grinding wheel or blasting.
  • the blasting process is a process of spraying an abrasive on the surface with compressor air.
  • each intermediate layer and each intermediate layer on the piezoelectric material substrate is not limited, but sputtering, chemical vapor deposition (CVD), and vapor deposition can be exemplified.
  • each intermediate layer is not particularly limited as long as it can be surface-activated, but a metal oxide film is preferable, and it is selected from the group consisting of silicon, silicon oxide, alumina, tantalum pentoxide, niobium pentoxide and titanium oxide.
  • the material is particularly preferable.
  • the surface activation treatment method an appropriate one can be selected according to the material of the bonding layer to be used. Examples of such a surface activation method include plasma activation and FAB (Ar atom beam).
  • each intermediate layer is preferably 0.02 ⁇ m or more, more preferably 0.05 ⁇ m or more, and particularly preferably 0.1 ⁇ m or more.
  • the thickness of each intermediate layer is preferably 3 ⁇ m or less, preferably 2 ⁇ m or less, and even more preferably 1 ⁇ m or less.
  • the total thickness of the plurality of intermediate layers is preferably 0.1 to 5 ⁇ m, more preferably 0.2 to 2 ⁇ m from the viewpoint of the present invention.
  • the piezoelectric material substrate used in the present invention is preferably a lithium tantalate (LT) single crystal, a lithium niobate (LN) single crystal, or a lithium niobate-lithium tantalate solid solution. Since these have a high propagation velocity of surface acoustic waves and a large electromechanical coupling coefficient, they are suitable as elastic surface wave devices for high frequencies and wideband frequencies.
  • the normal direction of the main surface of the piezoelectric material substrate is not particularly limited, but for example, when the piezoelectric material substrate is made of LT, the Y-axis to Z are centered on the X-axis which is the propagation direction of the surface acoustic wave. It is preferable to use the one rotated by 32 to 55 ° on the axis and the Euler angle display (180 °, 58 to 35 °, 180 °) because the propagation loss is small.
  • the piezoelectric material substrate is made of LN
  • (a) the direction rotated by 37.8 ° from the Z axis to the -Y axis around the X axis, which is the propagation direction of elastic surface waves, in Euler angles display (0 °, 37.8 °, 0 °) is preferable because it has a large piezoelectric coupling coefficient, or (a) 40 to 65 ° from the Y axis to the Z axis centered on the X axis, which is the propagation direction of elastic surface waves. It is preferable to use (180 °, 50 to 25 °, 180 °) for the rotation direction and Euler angle display because high sound velocity can be obtained.
  • the size of the piezoelectric material substrate is not particularly limited, but is, for example, 100 to 200 mm in diameter and 0.15 to 1 ⁇ m in thickness.
  • the surface of the outermost bonding layer M on the support substrate and the surface PZa on the support substrate side of the piezoelectric material substrate PZ or the surface Ya of the bonding layer Y on the piezoelectric material substrate are surface-activated and directly bonded.
  • each surface is irradiated with plasma at 150 ° C. or lower to activate the joint surface. From the viewpoint of the present invention, it is preferable to irradiate with nitrogen plasma, but it is possible to obtain the conjugate of the present invention even when irradiated with oxygen plasma.
  • the pressure at the time of surface activation is preferably 100 Pa or less, more preferably 80 Pa or less.
  • the atmosphere may be nitrogen only or oxygen only, but may be a mixture of nitrogen and oxygen.
  • the temperature at the time of plasma irradiation is preferably 150 ° C. or lower. As a result, a bonded body having high bonding strength and no deterioration in crystallinity can be obtained. From this point of view, the temperature at the time of plasma irradiation is set to 150 ° C or lower, but more preferably 100 ° C or lower. Further, the energy at the time of plasma irradiation is preferably 30 to 150 W. The product of the energy at the time of plasma irradiation and the irradiation time is preferably 0.12 to 1.0 Wh.
  • the bonding surface of the plasma-treated piezoelectric material substrate and the bonding surface of the bonding layer are brought into contact with each other at room temperature.
  • the treatment may be performed in vacuum, but more preferably, the treatment is carried out in the atmosphere.
  • argon atom beam When surface activation is performed with an argon atom beam, it is preferable to generate and irradiate the argon atom beam using a device as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-086400. That is, a saddle field type high-speed atomic beam source is used as the beam source. Then, the inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied to the electrodes from the DC power source. As a result, the electron e moves due to the saddle field type electric field generated between the electrode (positive electrode) and the housing (negative electrode), and a beam of argon atoms and ions is generated.
  • the ion beam is neutralized by the grid, so that the beam of argon atoms is emitted from the high-speed atomic beam source.
  • the voltage at the time of activation by beam irradiation is preferably 0.5 to 2.0 kV, and the current is preferably 50 to 200 mA.
  • the surface Ma of the outermost bonding layer M on the support substrate is brought into contact with the surface PZa of the piezoelectric material substrate PZ or the surface Ya of the bonding layer Y on the piezoelectric material substrate to be bonded. After that, it is preferable to improve the bonding strength by performing an annealing treatment.
  • the temperature during the annealing treatment is preferably 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
  • the bonded body of the present invention can be suitably used for elastic wave elements. That is, it is an elastic wave element including the bonded body of the present invention and an electrode provided on a piezoelectric material substrate.
  • an elastic wave element an elastic surface wave device, a lamb wave element, a thin film resonator (FBAR), and the like are known.
  • FBAR thin film resonator
  • a surface acoustic wave device has an IDT (Interdigital Transducer) electrode (also called a comb-shaped electrode or a surface acoustic wave) on the input side that excites a surface acoustic wave and an output side that receives a surface acoustic wave on the surface of a surface acoustic wave.
  • IDT electrode of the above is provided.
  • the material constituting the electrode on the piezoelectric material substrate is preferably aluminum, an aluminum alloy, copper, or gold, and more preferably aluminum or an aluminum alloy.
  • the aluminum alloy it is preferable to use a mixture of Al and 0.3 to 5% by weight of Cu.
  • Ti, Mg, Ni, Mo, and Ta may be used instead of Cu.
  • the elastic wave element 8 shown in FIG. 3B was manufactured according to the method described with reference to FIGS. 1 and 3. Specifically, a 42Y-cut X-propagation LiTaO3 substrate (piezoelectric material substrate) PZ having both sides mirror-processed to a thickness of 350 ⁇ m was prepared. Further, a high resistance (> 2 k ⁇ ⁇ cm) Si (100) substrate (support substrate) S having a thickness of 675 ⁇ m was prepared. The substrate size is 150 mm in each case.
  • the surface Sa of the support substrate S was ground with a grinding wheel equivalent to GC # 6000.
  • the processing allowance was set to 5 ⁇ m so that the entire surface could be processed uniformly.
  • the arithmetic average roughness R x + 1 was 3.2 nm.
  • an intermediate layer X made of Ta2O5 was formed by a sputtering apparatus.
  • the thickness of the intermediate layer X at this time was 1200 nm.
  • R x of the surface Xa was measured, it was significantly reduced to 1.9 nm.
  • An intermediate layer 2 made of silicon was continuously formed on the intermediate layer X at 800 nm.
  • the arithmetic mean roughness R2 of the surface 2a of the intermediate layer 2 was 1.3 nm.
  • a bonding layer M made of silicon oxide was formed into a film having a thickness of 400 nm, and finally a three-layer laminated structure was provided.
  • the arithmetic average roughness of the surface Ma of the bonded layer M was 1.0 nm, and a significantly smoother surface than the initial 3.2 nm was obtained.
  • the surface of the outermost bonding layer was CMP-processed to remove about 30 nm. As a result, the arithmetic average roughness of the surface could be set to 0.6 nm.
  • a bonding layer Y made of silicon oxide was formed on the surface PZa of the piezoelectric material substrate PZ by a thickness of 100 nm.
  • the arithmetic average roughness of the surface Ya of the bonding layer Y at this time was 1.2 nm.
  • the arithmetic mean roughness was 0.3 nm.
  • the surface of the bonded layer on the piezoelectric material substrate thus obtained and the surface of the outermost bonded layer on the support substrate were cleaned and surface activated, respectively. Specifically, ultrasonic cleaning using pure water was carried out, and the surface of the substrate was dried by spin drying. Next, the supported substrate after cleaning was introduced into the plasma activation chamber, and the joint surface was activated at 30 ° C. with nitrogen gas plasma. Further, the piezoelectric material substrate was similarly introduced into the plasma activation chamber, and the surface of the joint surface was activated at 30 ° C. with nitrogen gas plasma. The surface activation time was 40 seconds and the energy was 100 W. For the purpose of removing the particles adhering during the surface activation, the same ultrasonic cleaning and spin drying as described above were performed again.
  • the alignment of each substrate was performed, and the activated joint surfaces of both substrates were brought into contact with each other at room temperature. Piezoelectric material The substrate side was facing up for contact. As a result, it was observed that the adhesion between the substrates spreads (so-called bonding wave), and it was confirmed that the preliminary bonding was performed well. Then, for the purpose of increasing the bonding strength, the bonded body was put into an oven having a nitrogen atmosphere and kept at 150 ° C. for 10 hours. When the bonding strength of the bonded body taken out from the oven was measured by the crack opening method, it was found that a sufficient bonding strength of 2.3 J / m 2 was obtained.
  • the surface of the piezoelectric material substrate of the bonded body after heating was subjected to grinding, lapping, and CMP processing so that the thickness of the piezoelectric material substrate was 20 ⁇ m.
  • a comb tooth electrode made of metallic aluminum was formed on the piezoelectric material substrate of the bonded body, and a resonator of a surface acoustic wave element was produced.
  • the specifications are shown below. IDT cycle 6 ⁇ m IDT opening length 300um Number of IDTs 80 Number of reflectors 40
  • the speed of sound of each part is defined as follows. That is, when the elastic modulus of the substance is E and the density is ⁇ , the speed of sound V is calculated using the following formula.
  • E elastic modulus
  • ⁇ density
  • V speed of sound
  • various reports have been made on these parameters (for example, details are given in the 150th Committee of Elastic Wave Device Technology, Japan Society for the Promotion of Science), but it is necessary to measure each of the dielectric thin films. ..
  • Each substance is formed on a Si substrate by a sputtering method. The thickness at this time was about 1 ⁇ m. The densities of these films were first measured by the X-ray reflection method.
  • the elastic modulus is measured by a nanoindentation test, and the speed of sound of each film is calculated based on the above formula.
  • the arithmetic mean roughness of each surface was calculated from the surface unevenness data by observing a range of 10 ⁇ 10 ⁇ m with an atomic force microscope (AFM) manufactured by Hitachi High-Tech.
  • Example 2 A bonded body 7B as shown in FIG. 2C was produced in the same manner as in Example 1, and further subjected to a treatment as shown in FIG. 3 to obtain a SAW device.
  • the intermediate layers X, 3, 2 and the bonding layer M are provided on the support substrate.
  • an intermediate layer X made of aluminum oxide was formed by a sputtering apparatus. The thickness of the intermediate layer X at this time was 600 nm.
  • the wafer after film formation was taken out once and the arithmetic average roughness R x of the surface Xa of the intermediate layer X was measured, it was reduced to 2.7 nm.
  • An intermediate layer 3 made of silicon oxide was continuously formed on the same wafer at 1000 nm. The arithmetic mean roughness at this time was 1.6 nm. Further, after the intermediate layer 2 made of silicon was formed into a film having a thickness of 300 nm, the bonding layer M made of silicon oxide was continuously formed into a film having a thickness of 350 nm to finally obtain a support substrate having a four-layer film structure.
  • the arithmetic average roughness of the intermediate layer 2 and the bonding layer M was 1.3 nm and 1.2 nm, respectively, which were significantly smoother than the initial 3.2 nm.
  • the surface Ma of the outermost bonding layer M was CMP-processed to remove about 30 nm.
  • the arithmetic average roughness of the surface Ma of the bonded layer M could be set to 0.55 nm.
  • the surface roughness and sound velocity of each layer are as follows. The speed of sound of each part is shown in FIG. Arithmetic mean roughness of surface (nm) Speed of sound (m / sec) Piezoelectric material layer PZC ⁇ 5,574 Middle layer of the first layer 1 1.2 5,235 Second intermediate layer 2 1.3 6,872 Third intermediate layer 3 1.6 5,235 Fourth intermediate layer X 2.7 7,458 Support board S 3.2 ⁇
  • the arithmetic average roughness of each of the intermediate layer 2 and the bonding layer M was 1.2 nm, 1.0 nm, and 0.9 nm, respectively.
  • the outermost bonding layer was CMP polished to a mirror surface by about 20 nm. Next, the surface of the bonding layer on the piezoelectric material substrate and the surface of the outermost intermediate layer on the support substrate were irradiated with Ar neutral atoms and then directly bonded.
  • the surface roughness and sound velocity of each layer are as follows. Arithmetic mean roughness of surface (nm) Speed of sound (m / sec) Piezoelectric material layer PZC ⁇ 5,574 First layer middle layer 1 0.9 6,872 Second intermediate layer 2 1.0 5,235 Third layer middle layer X 1.2 7,458 Support board S 2.8 ⁇
  • the arithmetic average roughness of each of the intermediate layer 2 and the bonding layer M at the time of film formation was 2.2 nm, 1.7 nm, and 1.6 nm, respectively.
  • the outermost bonding layer was CMP-polished at about 80 nm to obtain a mirror surface.
  • the surface of the piezoelectric material substrate and the surface of the outermost bonding layer on the support substrate were irradiated with Ar neutral atoms and then directly bonded.
  • the surface roughness and sound velocity of each layer are as follows. Arithmetic mean roughness of surface (nm) Speed of sound (m / sec) Piezoelectric material layer PZC ⁇ 5,574 First layer middle layer 1 1.6 6,872 Second intermediate layer 2 1.7 7,458 Third intermediate layer X 2.2 6,872 Support board S 2.9 ⁇

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Abstract

【課題】圧電性材料基板と支持基板との接合強度を向上させるとともに、バルク波の反射を効率的に減少させてスプリアスを抑制する。 【解決手段】弾性波デバイス用複合基板７Ａは、圧電性材料層ＰＺ、支持基板Ｓ、および圧電性材料層と支持基板との間にあるｘ層（ｘは３以上の整数である）の中間層１、２、Ｘを備える。圧電性材料層、支持基板および中間層が式（１）を満足し、ｘが偶数の場合には式（２）を満足し、ｘが奇数の場合には式（３）を満足する。 Ｒｎ＜Ｒｎ＋1　・・・　（１） （ｎは１からｘまでのすべての整数を表し、Ｒｎは圧電性材料層から見てｎ層目の中間層の圧電性材料層側の表面の算術平均粗さであり、Ｒｘ＋1は支持基板の圧電性材料層側の表面の算術平均粗さである。） Ｖｎ－１＜Ｖｎ　・・・　（２） （nは2以上、ｘ以下のすべての偶数を示し、Ｖｎは圧電性材料層から見てｎ層目の中間層の音速である。） Ｖｎ－１＞Ｖｎ　・・・　（３） （nは１以上、ｘ以下のすべての奇数を示し、Ｖｎは圧電性材料層から見てｎ層目の中間層の音速であり、Ｖ０は圧電性材料層の音速を示す）

Description

弾性波デバイス用複合基板
　本発明は、弾性波デバイス用複合基板に関するものである。
　タンタル酸リチウムとサファイアとを酸化珪素層を介して貼り合わせた表面弾性波フィルターは、その接合界面でバルク波が発生し、通過域および高周波域に不要レスポンスが現れることが知られている。これを防ぐ目的で接合界面に粗面を導入し、バルク波を散乱させ不要レスポンスを抑制する手法が提案されている(特許文献１、特許文献２)。
　特許文献１では、接合面を粗面化したとき、その粗面の幾何学的仕様について、粗面を構成する凹凸構造の断面曲線における要素の平均長さＲＳｍと表面弾性波の波長λとの比を０．２以上、７．０以下とし、また凹凸構造の断面曲線における算術平均粗さＲａを１００ｎｍ以上としている。一方、特許文献２では、粗面の高低差について規定している。
特許第6250856号公報 米国公開第2017－063333号公報
　しかしながら、十分に高いスプリアス抑制効果を得るためには、圧電性材料基板の裏面を大幅に粗らす加工が必要になる。しかし、こうした加工を裏面に行った圧電性材料基板を用いて接合体を作成すると、圧電性材料を薄化したときに、その表面に加工変質層が現れ、特性の劣化が生じやすい。また、圧電性材料基板を支持基板上の中間層に対して接合するのに際して、圧電性材料基板の裏面の粗度が大きいと、接合強度を高くすることが難しい。
　本発明の課題は、圧電性材料基板と支持基板との接合体からなる弾性波デバイス用複合基板において、圧電性材料基板と支持基板との接合強度を向上させるとともに、バルク波の反射を効率的に減少させてスプリアスを抑制することである。
　本発明は、圧電性材料層、支持基板、および前記圧電性材料層と前記支持基板との間にあるｘ層（ｘは３以上の整数である）の中間層を備えており、前記圧電性材料層、前記支持基板および前記中間層が下記の式（１）を満足するとともに、ｘが偶数の場合には下記の式（２）を満足し、ｘが奇数の場合には下記の式（３）を満足することを特徴とする、弾性波デバイス用複合基板にかかるものである。
 
Ｒｎ＜Ｒｎ＋1　・・・　（１）
 
（式（１）において、
　ｎは１からｘまでのすべての整数を表し、
　Ｒｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さであり、
　Ｒｘ＋1は前記支持基板の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さである。）
 
Ｖｎ－１＜Ｖｎ　・・・　（２）
 
（式（２）において、
　nは2以上、ｘ以下のすべての偶数を示し、
　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速である。）　
 
Ｖｎ－１＞Ｖｎ　・・・　（３）
 
（式（３）において、
　nは１以上、ｘ以下のすべての奇数を示し、
　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速であり、
　Ｖ０は前記圧電性材料層の音速である。）
 
　本発明によれば、圧電性材料基板と支持基板との接合体からなる弾性波デバイス用複合基板において、支持基板から圧電性材料層へと向かって中間層の算術平均粗さを段階的に低くすることで、圧電性材料基板に対する接合強度が向上する。これとともに、圧電性材料層から支持基板へと向かって音速の早い中間層と音速の遅い中間層とを順次隣接して設けることで、バルク波の反射が効率的に減少し、スプリアス波が顕著に抑制されることを見いだし、本発明に到達した。
（ａ）は、支持基板上に中間層Ｘ、２および接合層Ｍを設けた状態を示す模式的断面図であり、（ｂ）は、圧電性材料基板上に接合層Ｙを設けた状態を示す断面図であり、（ｃ）は、支持基板と圧電性材料基板との接合体７Ａを示す断面図である。 （ａ）は、支持基板上に中間層Ｘ、３、２および接合層Ｍを設けた状態を示す模式的断面図であり、（ｂ）は、圧電性材料基板上に接合層Ｙを設けた状態を示す断面図であり、（ｃ）は、支持基板と圧電性材料基板との接合体７Ｂを示す断面図である。 （ａ）は、接合体の圧電性材料基板を加工により薄くした状態を示し、（ｂ）は、弾性波素子８を示す。 支持基板上の中間層の音速を例示するグラフである。 支持基板上の中間層の音速を例示するグラフである。 実施例の弾性波素子のＳ１１の周波数特性を示すグラフである。 比較例の弾性波素子のＳ１１の周波数特性を示すグラフである。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
　まず、図１（ａ）に示すように、支持基板Ｓの表面Ｓａ上に、中間層Ｘ、２および接合層Ｍを順次形成する。次いで、接合層Ｍの表面Ｍａを精密研磨加工、例えば化学機械研磨加工する。次いで、中間層Ｍの表面Ｍａを表面活性化する。
　一方、図１（ｂ）に示すように、圧電性材料層ＰＺの主面ＰＺａ上に接合層Ｙを設ける。接合層Ｙの表面Ｙａを表面活性化する。次いで、接合層Ｍの表面Ｍａと接合層Ｙの表面Ｙａとを接触させ、直接接合することによって、図１（ｃ）に示す接合体７Ａを得ることができる。接合層Ｙと接合層Ｍとは同じ材質である場合には両者が実質的に一体化し、中間層１となる。
　また、図２は、圧電性材料層と支持基板との間に四層の中間層を設けた実施例である。
　まず、図２（ａ）に示すように、支持基板Ｓの表面Ｓａ上に、中間層Ｘ、３、２および接合層Ｍを順次形成する。次いで、最も上層の接合層Ｍの表面Ｍａを精密研磨加工、例えば化学機械研磨加工する。次いで、接合層Ｍの表面Ｍａを表面活性化する。
　一方、図２（ｂ）に示すように、圧電性材料基板ＰＺの表面ＰＺａを粗面化加工する。圧電性材料基板ＰＺの主面ＰＺａ上に接合層Ｙを設ける。接合層Ｙの表面Ｙａを表面活性化する。次いで、接合層Ｍの表面Ｍａと接合層Ｙの表面Ｙａとを接触させ、直接接合することによって、図２（ｃ）に示す接合体７Ｂを得ることができる。
　次いで、図３（ａ）に示すように、圧電性材料基板ＰＺを加工によって薄くし、圧電性材料基板ＰＺＣを形成することで、接合体７Ｃを得る。この状態で、圧電性材料基板ＰＺＣ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ＰＺＣの加工面上に所定の電極９を形成し、弾性波素子８を得ることができる。
　ここで、圧電性材料層と支持基板との間の複数層の中間層の各算術平均粗さＲａおよび各音速を調節することによって、支持基板と圧電性材料基板との接合強度を高くできるととともに、スプリアス波を抑制することできる。こうした構成について更に説明する。
　まず、圧電性材料層ＰＺ（ＰＺＣ）と支持基板Ｓの表面Ｓａとの間にｘ層（ｘは３以上である）の中間層を設ける。３層以上の中間層が必要であるのは、中間層の算術平均粗さを段階的に低くするとともに、バルク波の反射を効率的に減少させてスプリアスを抑制するためである。こうした観点からは、中間層の層数は４層以上とすることが更に好ましい。また、中間層の層数の上限は特に無いが、中間層の層数が増えると製造コストが増加するので、この観点からは、中間層の層数は、１０層以下であることが好ましい。
　接合体は、式（１）を満足するとともに、ｘが偶数の場合には下記の式（２）を満足し、ｘが奇数の場合には下記の式（３）を満足する。
　まず、式（１）は、支持基板および各中間層の各表面の算術平均粗さについて規定するものである。
Ｒｎ＜Ｒｎ＋1　・・・　（１）
 
（式（１）において、
　ｎは１からｘまでのすべての整数を表し、
　Ｒｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さであり、
　Ｒｘ＋1は前記支持基板の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さである。）
 
　すなわち、圧電性材料層ＰＺから見て一層目の中間層１の圧電性材料層側表面１ａの算術平均粗さＲ１は、二層目の中間層２の圧電性材料層側表面２ａの算術平均粗さＲ２よりも低く、圧電性材料層ＰＺから見て二層目の中間層２の圧電性材料層側表面２ａの算術平均粗さＲ２は、三層目の中間層３の圧電性材料層側表面３ａの算術平均粗さＲ３よりも低くなっており、この後も支持基板へと向かって中間層の圧電性材料層側表面の算術平均粗さが順次高くなっている。そして、支持基板Ｓに最も近い中間層Ｘの圧電性材料層側表面Ｘａの算術平均粗さＲｘよりも支持基板Ｓの圧電性材料層側表面Ｓａの算術平均粗さＲｘ＋１のほうが高くなっている。
　つまり、支持基板から圧電性材料層へと向かって、各中間層の圧電性材料層側の各表面の算術平均粗さを順次低くしている。
　例えば、図１（ｃ）の例では、圧電性材料層ＰＺと支持基板Ｓとの間に３層の中間層１、２、Ｘが存在する（ｘ＝３）。この場合には、圧電性材料層ＰＺから見て一層目の中間層１の圧電性材料層側表面１ａの算術平均粗さＲ１が、二層目の中間層２の圧電性材料層側表面２ａの算術平均粗さＲ２よりも低く、二層目の中間層２の表面２ａの算術平均粗さＲ２が、三層目（ｘ層目）の中間層Ｘの表面Ｘａの算術平均粗さＲｘよりも低く、三層目の中間層Ｘの表面Ｘａの算術平均粗さＲｘが、支持基板Ｓの表面Ｓａの算術平均粗さＲｘ＋１よりも低い。すなわち、圧電性材料層から離れるに従って、中間層の表面の算術平均粗さが段階的に高くなっている。
　また、図２（ｃ）の例では、圧電性材料層ＰＺと支持基板Ｓとの間に４層の中間層１、２、３、Ｘが存在する（ｘ＝４）。この場合には、圧電性材料層ＰＺから見て一層目の中間層１の圧電性材料層側表面１ａの算術平均粗さＲ１が、二層目の中間層２の圧電性材料層側表面２ａの算術平均粗さＲ２よりも低く、二層目の中間層２の表面２ａの算術平均粗さＲ２が、三層目（ｘ層目）の中間層３の表面３ａの算術平均粗さＲ３よりも低く、三層目の中間層３の表面３ａの算術平均粗さＲ３が、四層目（ｘ層目）の中間層Ｘの表面Ｘａの算術平均粗さＲｘよりも低く、四層目の中間層Ｘの表面Ｘａの算術平均粗さＲｘが、支持基板Ｓの表面Ｓａの算術平均粗さＲｘ＋１よりも低い。すなわち、圧電性材料層から離れるに従って、中間層の表面の算術平均粗さが段階的に高くなっている。
　このように、圧電性材料層から離れるに従って中間層の表面が粗くなるようにすることで、圧電性材料基板との接合強度を高くすることができる。
　こうした観点からは、Ｒｘ＋１とＲｘとの差は、0.2nm以上であることが好ましく、0.5nm以上であることが更に好ましい。また、実際的な観点からは、Ｒｘ＋１とＲｘとの差は、1nm以下であることが多い。
　また、本発明の観点からは、Ｒｎ－１とＲｎとの差は、0.2nm以上であることが好ましく、0.5nm以上であることが更に好ましい。また、実際的な観点からは、Ｒｎ－１とＲｎとの差は、1nm以下であることが多い。
　また、支持基板Ｓの表面Ｓａの算術平均粗さＲｘ＋１は、０．５～５ｎｍであることが好ましく、１．５～４．０ｎｍであることが更に好ましい。また、接合強度の観点からは、圧電性材料層に最も近い（一層目の）中間層１の表面１ａの算術平均粗さＲ１は、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。
　更に、本発明の接合体は、各層の音速について、所定の関係を満足する必要がある。すなわち、ｘが偶数の場合には下記の式（２）を満足し、ｘが奇数の場合には下記の式（３）を満足する。
Ｖｎ－１＜Ｖｎ　・・・　（２）
（式（２）において、
　nは2以上、ｘ以下のすべての偶数を示し、
　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速である。）　
 
Ｖｎ－１＞Ｖｎ　・・・　（３）
（式（３）において、
　nは１以上、ｘ以下のすべての奇数を示し、
　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速であり、
　Ｖ０は前記圧電性材料層の音速を示す）
　例えば、図１（ｃ）の例では、圧電性材料層と支持基板との間に三層の中間層１、２、Ｘを形成している。ｘ＝３であるので、式（３）を満足する。
　ゆえに、式（３）は、例えば図４に示すようになる。なお、Ｖｘ＋１は、支持基板Ｓの音速である。
　一般に、ｘが奇数の場合には、ｎは１以上、ｘ以下の奇数である。ゆえに、支持基板から圧電性材料層へと向かって、以下のように配列される。
Ｖｘ－１＞Ｖｘ：Ｖｘ－３＞Ｖｘ－２・・・・・・Ｖ２＞Ｖ３：Ｖ０＞Ｖ１
　この場合、Ｖｎ－１とＶｎ－２との大小関係は限定はされないが、
Ｖｎ－２＜Ｖｎ－１
の関係を満足することが特に好ましい。
　ｘが偶数の場合には、
Ｖｎ－１＜Ｖｎ　・・・　（２）
を満足するので、圧電性材料層から支持基板へと向かって、各中間層の音速は、以下のようになる。
Ｖｘ－１＜Ｖｘ：Ｖｘ－３＜Ｖｘ－２・・・・・・Ｖ３＜Ｖ４：Ｖ１＜Ｖ２
 
　例えば、図２（ｃ）の例では、圧電性材料層と支持基板との間に四層の中間層１、２、３、Ｘを形成している。ｘ＝４であるので、式（２）は以下のようになる。
　Ｖ３＜Ｖｘ：Ｖ１＜Ｖ２
　ゆえに、例えば図５に示すようになる。なお、Ｖｘ＋１は、支持基板Ｓの音速である。
　　この場合、Ｖｎ－１とＶｎ－２との大小関係は限定はされないが、
Ｖｎ－２＞Ｖｎ－１
の関係を満足することが好ましい。
　本発明の観点からは、式（２）、式（３）において、それぞれ、Ｖｎ－１とＶｎとの差は、２００m/sec以上であることが好ましく、５００m/sec以上であることが更に好ましい。また、実際上の観点からは、式（２）、式（３）において、それぞれ、Ｖｎ－１とＶｎとの差は、３０００m/sec以下であることが多い。
　本発明の観点からは、Ｖ０とＶ１との差は２００m/sec以上であることが好ましく、５００m/sec以上であることが更に好ましい。また、Ｖ０とＶ１との差の上限は特にないが、実際上の観点からは、３０００m/sec以下であってよい。
　また、Ｖｎ－２とＶｎ－１とが異なる場合には、Ｖｎ－２とＶｎ－１との差は、1000m/sec以上であることが好ましく、3000m/sec以上であることが更に好ましい。また、実際上の観点からは、Ｖｎ－２とＶｎ－１との差は、10,000m/sec以下であることが多い。
　支持基板の材質は特に限定されないが、好ましくは、シリコン、水晶、サファイアからなる群より選ばれた材質からなる。これによって、弾性波素子の周波数の温度特性を一層改善することができる。
　また、支持基板の圧電性材料層側の表面が研削砥石による加工またはブラスト加工により粗されていてもよい。
　また、ブラスト加工とは、コンプレッサーエアーで研磨材を表面に吹き付ける加工である。
　各中間層、圧電性材料基板上の各中間層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。
　各中間層の材質は、表面活性化処理が可能であれば特に限定されないが、金属酸化膜が好ましく、ケイ素、酸化ケイ素、アルミナ、五酸化タンタル、五酸化ニオブおよび酸化チタンからなる群より選ばれた材質が特に好ましい。また、表面活性化処理方法は、用いる接合層の材質に応じて適切なものを選択することができる。こうした表面活性化方法としては、プラズマ活性化とＦＡＢ(Ａｒ原子ビーム)を例示できる。
　各中間層の厚さは、本発明の観点からは、０．０2μｍ以上であることが好ましく、０．05μｍ以上であることが更に好ましく、０．1μｍ以上であることが特に好ましい。また、各中間層の厚さは、３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下が好ましく、１μｍ以下が更に好ましい。
　また、複数の中間層の合計厚さは、本発明の観点からは、0.1～5μｍであることが好ましく、0.2～2μｍであることが更に好ましい。
　本発明で用いる圧電性材料基板は、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が好ましい。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得られるため好ましい。更に、圧電性材料基板の大きさは、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。
　例えば、支持基板上の最表面の接合層Ｍの表面と、圧電性材料基板ＰＺの支持基板側表面ＰＺａまたは圧電性材料基板上の接合層Ｙの表面Ｙａとを表面活性化し、直接接合する。例えば、各表面に１５０℃以下でプラズマを照射し、接合面を活性化させる。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℃以下とすることが好ましい。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。
　プラズマ処理した圧電性材料基板の接合面と接合層の接合面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。
　アルゴン原子ビームによる表面活性化を行う際には、特開２０１４－０８６４００に記載のような装置を使用してアルゴン原子ビームを発生させ、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、アルゴン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、アルゴン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、支持基板上の最表面の接合層Ｍの表面Ｍａと、圧電性材料基板ＰＺの表面ＰＺａあるいは圧電性材料基板上の接合層Ｙの表面Ｙａ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。
　本発明の接合体は、弾性波素子に対して好適に利用できる。すなわち、本発明の接合体、および圧電性材料基板上に設けられた電極を備えている、弾性波素子である。
　具体的には、弾性波素子としては、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。
　圧電性材料基板上の電極を構成する材質は、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１）
　図１、図３を参照しつつ説明した方法に従い、図３（ｂ）に示す弾性波素子８を作製した。
　具体的には、厚さ３５０μｍの両面が鏡面加工された４２ＹカットＸ伝搬LiTaO3基板（圧電性材料基板）ＰＺを用意した。また、厚みが６７５μｍの高抵抗(>2kΩ・cm)Ｓｉ（１００）基板（支持基板）Ｓを用意した。基板サイズはいずれも１５０ｍｍである。
　次いで、支持基板Ｓの表面ＳａをＧＣ＃６０００相当の研削砥石で研削加工を施した。全面が均一に加工されるように加工代を５μｍとした。加工後の支持基板表面Ｓａを光干渉式粗さ測定器で測定したところ、算術平均粗さＲｘ＋１は３．２nmであった。
　支持基板Ｓの表面Ｓａを洗浄した後、スパッタ装置でTa2O5からなる中間層Ｘを成膜した。この時の中間層Ｘの厚みは１２００ｎｍであった。成膜後のウエハーをいったん取り出し、表面Ｘａの算術平均粗さＲｘを測定したところ、１．９nmと大きく減少していた。中間層Ｘ上に連続してシリコンからなる中間層２を８００ｎｍ成膜した。中間層２の表面２ａの算術平均粗さＲ２は１．３nmであった。更に、酸化珪素からなる接合層Ｍを厚さ４００ｎｍ成膜し、最終的に3層の積層構造を設けた。接合層Ｍの表面Ｍａの算術平均粗さは１．０nmであり、当初の３．２nmより大幅に滑らかな表面が得られていた。最表面の接合層の表面をＣＭＰ加工し，約３０ｎmを除去した。その結果表面の算術平均粗さを０．６ｎｍとすることができた。
　また、圧電性材料基板ＰＺの表面ＰＺａ上に、酸化珪素からなる接合層Ｙを厚さ１００ｎｍだけ成膜した。この時の接合層Ｙの表面Ｙａの算術平均粗さは１．２ｎｍであった。この表面をＣＭＰにより約50nm加工したところ、算術平均粗さは０．３ｎｍであった。
　こうして得られた圧電性材料基板上の接合層の接合面および支持基板上の最表面の接合層の表面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℃で接合面を活性化した。また、圧電性材料基板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同士を接触させた。圧電性材料基板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、１５０℃で１０時間保持した。オーブンから取り出した接合体の接合強度をクラックオープニング方で測定したところ、２．３Ｊ／ｍ２と十分な接合強度が得られていることが分かった。
　加熱後の接合体の圧電性材料基板の表面を研削加工、ラップ加工、およびＣＭＰ加工に供し、圧電性材料基板の厚さが２０μｍとなるようにした。
　次いで、本発明の効果を確認するために、接合体の圧電性材料基板上に、金属アルミニウムからなる櫛歯電極を形成し、表面弾性波素子の共振子を作製した。その諸元を以下に示す。
　IDT周期　　　6μｍ
　IDT開口長　　300um
　IDT本数　　　80本
　反射器本数　　40本
　ネットワークアナライザでその反射特性を測定したところ、図６に示すように反共振周波数より高い領域での最大スプリアスの大きさは２．２ｄBであった。
　以下に、本実施例における支持基板、中間層、圧電性材料基板の各物性をまとめて示す。また、各部分の音速を図４に示す。
　　　　　　　　表面の算術平均粗さ（ｎｍ）　　音速（m/sec）
圧電性材料層ＰＺＣ　　―　　　　　　　　　　　5,574
一層目の中間層１　　１．０　　　　　　　　　　4,173
二層目の中間層２　　１．３　　　　　　　　　　7,458
三層目の中間層Ｘ　　１．９　　　　　　　　　　5,235
支持基板Ｓ　　　　　３．２　　　　　　　　　　━
　ただし、各部分の音速は、以下のように定義する。
 すなわち物質の弾性率をE、密度をρとした場合、音速Vを以下の式を用いて算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　圧電体結晶の場合はこれらパラメータについて種々報告がなされているが(例えば弾性波デバイス技術 日本学術振興会弾性波素子技術第150委員会編などが詳しい)、誘電薄膜についてはそれぞれ測定が必要である。Si基板の上にそれぞれの物質をスパッタリング法により製膜する。この時の厚みは約1μmとした。これら膜に対してまずはX線反射法により密度を測定した。更にナノインデンテーション試験により弾性率を測定し、それぞれの膜の音速を上記式に基づいて算出する。
　また、各表面の算術平均粗さは、日立ハイテック製の原子間力顕微鏡（AFM）で１０ｘ１０μｍの範囲を観察し、表面の凹凸データから算出した。
（実施例２）
　実施例１と同様にして、図２（ｃ）に示すような接合体７Ｂを作製し、更に図３に示すような処理を施してＳＡＷ素子を得た。
　ただし、支持基板上に中間層Ｘ、３、２、接合層Ｍを設けた。具体的には、算術平均粗さＲａが３．２ｎｍのシリコンからなる支持基板Ｓの表面Ｓａを洗浄した後、スパッタ装置で酸化アルミニウムからなる中間層Ｘを成膜した。この時の中間層Ｘの厚みは６００ｎｍであった。成膜後のウエハーをいったん取り出し、中間層Ｘの表面Ｘａの算術平均粗さＲｘを測定したところ、２．７ｎｍまで減少していた。再度同じウエハー上に連続して 酸化珪素からなる中間層３を１０００ｎｍ成膜した。この時の算術平均粗さは１．６ｎｍであった。更にケイ素からなる中間層２を厚さ３００ｎｍ成膜した後、酸化珪素からなる接合層Ｍを連続して３５０ｎｍ成膜し、最終的に４層の膜構造をもつ支持基板を得た。この時の中間層２、接合層Ｍの算術平均粗さはそれぞれ１．３ｎｍ，１．２ｎｍと初期の３．２ｎｍより大幅に滑らかな表面が得られていた。最表面の接合層Ｍの表面ＭａをＣＭＰ加工し、約３０ｎmを除去した。その結果接合層Ｍの表面Ｍａの算術平均粗さを0.55nmとすることができた。
　他は実施例１と同様にして図３（ｃ）のようなＳＡＷ素子を作製し、同様の測定を実施したところ、最大スプリアスの大きさは１．３ｄBであった。
　各層の表面粗さおよび音速は以下のようである。また、各部分の音速を図５に示す。
　　　　　　　　　表面の算術平均粗さ（ｎｍ）　　音速（m/sec）
圧電性材料層ＰＺＣ　　━　　　　　　　　　　　　5,574
一層目の中間層１　　１．２　　　　　　　　　　　5,235
二層目の中間層２　　１．３　　　　　　　　　　　6,872
三層目の中間層３　　１．６　　　　　　　　　　　5,235
四層目の中間層Ｘ　　２．７　　　　　　　　　　　7,458
支持基板Ｓ　　　　　３．２　　　　　　　　　　　━
（比較例１）
　実施例１と同様にして、図１に示すような接合体を作製し、更に図３に示すような処理を施してＳＡＷ素子を得た。
　ただし、本例では、実施例１とは各中間層の材質を変更した。具体的には、算術平均粗さＲａ＝２．８ｎｍのシリコンからなる支持基板Ｓの表面Ｓａに、酸化アルミニウムからなる中間層Ｘ（600nm)、酸化珪素からなる中間層２(1200nm)、シリコンからなる最表面の接合層Ｍ(400nm)を続けて成膜し、三層構造を得た。各中間層２、接合層Ｍの各算術平均粗さはそれぞれ１．２ｎｍ、１．０ｎｍ、０．９ｎｍであった。最表層の接合層を２０nm程度ＣＭＰ研磨し、鏡面とした。次いで圧電性材料基板上の接合層の表面と支持基板上の最表面の中間層の表面にArの中性原子を照射した後、直接接合した。
　実施例１と同様に圧電性材料基板厚みを20μmまで加工した後に周波数特性を測定したところ、図７に示すようなＳ１１の周波数変化のチャートが得られた。また最大スプリアスの大きさは１４．４ｄBであった。
　各層の表面粗さおよび音速は以下のようである。
　　　　　　　表面の算術平均粗さ（ｎｍ）　　音速（m/sec）
圧電性材料層ＰＺＣ　━　　　　　　　　　　　　5,574
一層目の中間層１　　０．９　　　　　　　　　　6,872
二層目の中間層２　　１．０　　　　　　　　　　5,235
三層目の中間層Ｘ　　１．２　　　　　　　　　　7,458
支持基板Ｓ　　　　　２．８　　　　　　　　　　━
（比較例２）
　実施例１と同様にして、図１に示すような接合体を作製し、更に図３に示すような処理を施してＳＡＷ素子を得た。
　ただし、本例では、実施例１とは各中間層の材質を変更した。具体的には、算術平均粗さＲａ＝２．９ｎｍのシリコンからなる支持基板Ｓの表面Ｓａに、ケイ素からなる中間層Ｘ(600nm)、酸化アルミニウムからなる中間層２(1200nm)、ケイ素からなる最表面の接合層Ｍ(400nm)を続けて成膜した。各中間層２、接合層Ｍの成膜時の各算術平均粗さはそれぞれ２．２ｎｍ、１．７ｎｍ、１．６ｎｍであった。最表層の接合層を８０nm程度ＣＭＰ研磨し、鏡面とした。次いで圧電性材料基板の表面と支持基板上の最表面の接合層の表面にArの中性原子を照射した後、直接接合した。
　実施例１と同様に圧電性材料基板厚みを20μmまで加工した後に周波数特性を測定したところ、最大スプリアスの大きさは１７．８ｄBであった。
　各層の表面粗さおよび音速は以下のようである。
　　　　　　　表面の算術平均粗さ（ｎｍ）　　音速（m/sec）
圧電性材料層ＰＺＣ　━　　　　　　　　　　　　5,574
一層目の中間層１　　１．６　　　　　　　　　　6,872
二層目の中間層２　　１．７　　　　　　　　　　7,458
三層目の中間層Ｘ　　２．２　　　　　　　　　　6,872
支持基板Ｓ　　　　　２．９　　　　　　　　　　━
 

 

Claims (3)

  1. 　圧電性材料層、支持基板、および前記圧電性材料層と前記支持基板との間にあるｘ層（ｘは３以上の整数である）の中間層を備えており、前記圧電性材料層、前記支持基板および前記中間層が下記の式（１）を満足するとともに、ｘが偶数の場合には下記の式（２）を満足し、ｘが奇数の場合には下記の式（３）を満足することを特徴とする、弾性波デバイス用複合基板。
     
    Ｒｎ＜Ｒｎ＋1　・・・　（１）
     
    （式（１）において、
    　ｎは１からｘまでのすべての整数を表し、
    　Ｒｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さであり、
    　Ｒｘ＋1は前記支持基板の前記圧電性材料層側の表面の算術平均粗さである。）
     
    Ｖｎ－１＜Ｖｎ　・・・　（２）
     
    （式（２）において、
    　nは2以上、ｘ以下のすべての偶数を示し、
    　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速である。）　
     
    Ｖｎ－１＞Ｖｎ　・・・　（３）
     
    （式（３）において、
    　nは１以上、ｘ以下のすべての奇数を示し、
    　Ｖｎは前記圧電性材料層から見てｎ層目の前記中間層の音速であり、
    　Ｖ０は前記圧電性材料層の音速である。）
     
  2. 　前記中間層が、ケイ素、酸化ケイ素、アルミナ、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化ハフニウムおよび酸化チタン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記載の弾性波デバイス用複合基板。
     
  3. 　前記支持基板の前記圧電性材料層側の前記表面が研削砥石による加工またはブラスト加工により粗されていることを特徴とする、請求項１または２記載の弾性波デバイス用複合基板。

     
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