弹性波器件用复合基板

技术领域

本发明涉及弹性波器件用复合基板。

背景技术

已知：借助氧化硅层使得钽酸锂和蓝宝石贴合而成的表面弹性波滤波器在其接合界面产生体波，并在通过区域及高频区域出现不需要的响应。出于防止如上问题的目的而提出了如下方法，即，对于接合界面引入粗糙面，使体波散射并抑制不需要的响应(专利文献1、专利文献2)。

专利文献1中，当使得接合面实现了粗糙化时，关于其粗糙面的几何规格，将构成粗糙面的凹凸结构的截面曲线的要素的平均长度RSm与表面弹性波的波长λ之比设为0.2以上7.0以下，另外，将凹凸结构的截面曲线的算术平均粗糙度Ra设为100nm以上。另一方面，专利文献2中对粗糙面的高低差进行了规定。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第6250856号公报

专利文献2：美国公开第2017-063333号公报

发明内容

然而，为了得到足够高的寄生信号抑制效果，需要使得压电性材料基板的背面大幅实现粗糙化的加工。但是，如果采用对背面进行了这种加工的压电性材料基板来制作接合体，则在减薄压电性材料时，容易在其表面出现加工变质层，从而容易发生特性的劣化。另外，在将压电性材料基板与支撑基板上的中间层接合时，如果压电性材料基板的背面的粗糙度较大，则难以提高接合强度。

本发明的课题在于：关于构成为包括压电性材料基板与支撑基板的接合体的弹性波器件用复合基板，提高压电性材料基板与支撑基板的接合强度，并且，有效地减少体波的反射而抑制寄生信号。

本发明涉及弹性波器件用复合基板，其特征在于，具备：压电性材料层；支撑基板；以及位于所述压电性材料层与所述支撑基板之间的x层(x为3以上的整数)的中间层，所述压电性材料层、所述支撑基板以及所述中间层满足下式(1)，并且，x为偶数时，满足下式(2)，x为奇数时，满足下式(3)。

R

(式(1)中，

n表示1至x的全部整数，

R

R

V

(式(2)中，

n表示2以上x以下的全部偶数，

V

V

(式(3)中，

n表示1以上x以下的全部奇数，

V

V

发明效果

根据本发明，在构成为包括压电性材料基板与支撑基板的接合体的弹性波器件用复合基板中，使中间层的算术平均粗糙度从支撑基板趋向压电性材料层阶梯式地降低，由此提高相对于压电性材料基板的接合强度。与此同时，发现通过从压电性材料层趋向支撑基板按顺序依次相邻设置声速快的中间层以及声速慢的中间层而使得体波的反射有效地减少并显著抑制了寄生信号波，由此实现了本发明。

附图说明

图1(a)是表示在支撑基板上设置有中间层X、2以及接合层M的状态的示意性的截面图，图1(b)是表示在压电性材料基板上设置有接合层Y的状态的截面图，图1(c)是表示支撑基板与压电性材料基板的接合体7A的截面图。

图2(a)是表示在支撑基板上设置有中间层X、3、2以及接合层M的状态的示意性的截面图，图2(b)是表示在压电性材料基板上设置有接合层Y的状态的截面图，图2(c)是表示支撑基板与压电性材料基板的接合体7B的截面图。

图3(a)表示通过加工而减薄了接合体的压电性材料基板的状态，图3(b)表示弹性波元件8。

图4是举例示出支撑基板上的中间层的声速的曲线图。

图5是举例示出支撑基板上的中间层的声速的曲线图。

图6是表示实施例的弹性波元件的S

图7是表示比较例的弹性波元件的S

具体实施方式

以下，适当参照附图对本发明更详细的说明。

首先，如图1(a)所示，在支撑基板S的表面Sa上按顺序依次形成中间层X、2以及接合层M。接下来，对接合层M的表面Ma进行精密研磨加工、例如化学机械研磨加工。接下来，对中间层M的表面Ma实施表面活化。

另一方面，如图1(b)所示，在压电性材料层PZ的主面PZa上设置接合层Y。对接合层Y的表面Ya实施表面活化。接下来，使接合层M的表面Ma和接合层Y的表面Ya接触而进行直接接合，由此能够获得图1(c)所示的接合体7A。接合层Y和接合层M为相同材质的情况下，二者实质上实现一体化而构成中间层1。

另外，图2是在压电性材料层与支撑基板之间设置有四层中间层的实施例。

首先，如图2(a)所示，在支撑基板S的表面Sa上按顺序依次形成中间层X、3、2以及接合层M。接下来，对最上层的接合层M的表面Ma进行精密研磨加工、例如化学机械研磨加工。接下来，对接合层M的表面Ma实施表面活化。

另一方面，如图2(b)所示，对压电性材料基板PZ的表面PZa实施粗糙化加工。在压电性材料基板PZ的主面PZa上设置接合层Y。对接合层Y的表面Ya实施表面活化。接下来，使接合层M的表面Ma和接合层Y的表面Ya接触而进行直接接合，由此能够获得图2(c)所示的接合体7B。

接下来，如图3(a)所示，通过加工而减薄压电性材料基板PZ并形成压电性材料基板PZC，由此获得接合体7C。可以以该状态在压电性材料基板PZC上设置电极。但是，优选地，如图3(b)所示，可以在压电性材料基板PZC的加工面上形成规定的电极9而获得弹性波元件8。

此处，对压电性材料层与支撑基板之间的多层中间层的各算术平均粗糙度Ra及各声速进行调节，由此能够提高支撑基板与压电性材料基板的接合强度，并且能够抑制寄生信号波。对该结构进一步进行说明。

首先，在压电性材料层PZ(PZC)与支撑基板S的表面Sa之间设置x层(x为3以上)的中间层。需要3层以上的中间层是为了使中间层的算术平均粗糙度阶梯式地降低、且有效地减少体波的反射而抑制寄生信号。根据这种观点，中间层的层数更优选设为4层以上。另外，中间层的层数的上限并未特别限定，如果中间层的层数增加，则制造成本增加，因此，根据该观点，中间层的层数优选为10层以下。

接合体满足式(1)，并且，x为偶数时满足下式(2)，x为奇数时满足下式(3)。

首先，式(1)对支撑基板及各中间层的各表面的算术平均粗糙度进行规定。

R

(式(1)中，

n表示1至x的全部整数，

R

R

即，从压电性材料层PZ观察，第一层的中间层1的压电性材料层侧表面1a的算术平均粗糙度R

即，从支撑基板趋向压电性材料层而使得各中间层的压电性材料层侧的各表面的算术平均粗糙度按顺序依次降低。

例如，图1(c)的例子中，在压电性材料层PZ与支撑基板S之间存在3层中间层1、2、X(x＝3)。这种情况下，从压电性材料层PZ观察，第一层的中间层1的压电性材料层侧表面1a的算术平均粗糙度R

另外，图2(c)的例子中，在压电性材料层PZ与支撑基板S之间存在4层中间层1、2、3、X(x＝4)。这种情况下，从压电性材料层PZ观察，第一层的中间层1的压电性材料层侧表面1a的算术平均粗糙度R

这样，随着远离压电性材料层，中间层的表面变得粗糙，由此能够提高与压电性材料基板之间的接合强度。

根据这种观点，R

另外，根据本发明的观点，R

另外，支撑基板S的表面Sa的算术平均粗糙度R

此外，关于本发明的接合体，各层的声速需要满足规定的关系。即，x为偶数时，满足下式(2)，x为奇数时，满足下式(3)。

V

(式(2)中，

n表示2以上x以下的全部偶数，

V

V

(式(3)中，

n表示1以上x以下的全部奇数，

V

V

例如，图1(c)的例子中，在压电性材料层与支撑基板之间形成三层中间层1、2、X。由于x＝3，因此满足式(3)。

因此，式(3)如图4所示。应予说明，V

通常，x为奇数时，n为1以上x以下的奇数。因此，从支撑基板趋向压电性材料层而以如下方式排列。

V

这种情况下，V

V

x为偶数时，满足：

V

因此，从压电性材料层趋向支撑基板而各中间层的声速如下。

V

例如，图2(c)的例子中，在压电性材料层与支撑基板之间形成有四层中间层1、2、3、X。由于x＝4，因此，式(2)如下。

V

因此，如图5所示。应予说明，V

这种情况下，V

V

根据本发明的观点，式(2)、式(3)中，V

根据本发明的观点，V

另外，V

支撑基板的材质并未特别限定，优选由选自硅、水晶、蓝宝石构成的组中的材质构成。据此，能够进一步改善弹性波元件的频率的温度特性。

另外，可以通过基于磨削磨石的加工或喷砂加工而使支撑基板的压电性材料层侧的表面变得粗糙。

另外，喷砂加工是指：利用压缩空气将研磨材料喷射至表面的加工。

各中间层、压电性材料基板上的各中间层的成膜方法并未限定，能够举例示出溅射、化学气相生长法(CVD)、蒸镀。

各中间层的材质只要能够实施表面活化处理即可，并未特别限定，优选为金属氧化膜，特别优选为选自硅、氧化硅、氧化铝、五氧化钽、五氧化铌以及氧化钛构成的组中的材质。另外，对于表面活化处理方法，可以根据使用的接合层的材质而选择适当的方法。作为该表面活化方法，能够举例示出等离子体活化以及FAB(Ar原子束)。

根据本发明的观点，各中间层的厚度优选为0.02μm以上，更优选为0.05μm以上，特别优选为0.1μm以上。另外，各中间层的厚度优选为3μm以下，更优选为2μm以下，进一步优选为1μm以下。

另外，根据本发明的观点，多个中间层的合计厚度优选为0.1～5μm，更优选为0.2～2μm。

本发明中采用的压电性材料基板优选为钽酸锂(LT)单晶、铌酸锂(LN)单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体。这些材料的弹性波传播速度快，机电耦合系数大，因此适合作为高频且宽频带用的弹性表面波器件。

另外，压电性材料基板的主面的法线方向并未特别限定，例如，在压电性材料基板由LT构成时，使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Y轴向Z轴旋转32～55°的方向、以欧拉角表示为(180°、58～35°、180°)的压电性材料基板，由于传播损失较小，因此该方式为优选方式。在压电性材料基板由LN构成时，(ア)使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Z轴向-Y轴旋转37.8°的方向、以欧拉角表示为(0°、37.8°、0°)的压电性材料基板，由于机电耦合系数较大，因此该方式为优选方式；或者(イ)使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Y轴向Z轴旋转40～65°的方向、以欧拉角表示为(180°、50～25°、180°)的压电性材料基板，由于能够实现高声速，因此该方式为优选方式。此外，压电性材料基板的大小并未特别限定，例如直径为100～200mm，厚度为0.15～1μm。

例如，对支撑基板上的最外侧表面的接合层M的表面、压电性材料基板PZ的支撑基板侧表面PZa或压电性材料基板上的接合层Y的表面Ya实施表面活化而进行直接接合。例如，以150℃以下的温度对各表面照射等离子体而使得接合面实现活化。根据本发明的观点，优选照射氮等离子体，但是，在照射氧等离子体的情况下，也能够获得本发明的接合体。

表面活化时的压力优选为100Pa以下，更优选为80Pa以下。另外，气氛可以仅为氮，也可以仅为氧，还可以为氮、氧的混合物。

等离子体照射时的温度优选为150℃以下。由此，能够获得接合强度高、且结晶性未劣化的接合体。根据该观点，将照射等离子体时的温度设为150℃以下，更优选设为100℃以下。

另外，照射等离子体时的能量优选为30～150W。另外，照射等离子体时的能量与照射时间之积优选为0.12～1.0Wh。

使等离子体处理后的压电性材料基板的接合面和接合层的接合面在室温下彼此接触。此时，可以在真空中进行处理，更优选使其在大气中接触。

在利用氩原子束进行表面活化时，优选使用日本特开2014-086400中记载的装置，使其产生并照射氩原子束。即，作为束源，使用鞍域型的高速原子束源。然后，向腔室中导入不活泼气体，从直流电源向电极施加高电压。由此，利用在电极(正极)与壳体(负极)之间产生的鞍域型的电场，使得电子e运动而生成氩原子和离子的射束。在到达栅格的射束中，离子束在栅格被中和，因此从高速原子束源射出氩原子的射束。通过照射射束而实施活化时的电压优选为0.5～2.0kV，电流优选为50～200mA。

接下来，使支撑基板上的最外侧表面的接合层M的表面Ma和压电性材料基板PZ的表面PZa或者压电性材料基板上的接合层Y的表面Ya接触而进行接合。然后，优选进行退火处理而提高接合强度。退火处理时的温度优选为100℃以上300℃以下。

本发明的接合体可以优选用于弹性波元件。即，弹性波元件具备本发明的接合体、以及在压电性材料基板上所设置的电极。

具体而言，作为弹性波元件，已知弹性表面波器件、拉姆波元件、薄膜谐振器(FBAR)等。例如，弹性表面波器件在压电性材料基板的表面设置有激发弹性表面波的输入侧的IDT(Interdigital Transducer)电极(也称为梳形电极、叉指状电极)、以及接收弹性表面波的输出侧的IDT电极。如果向输入侧的IDT电极施加高频信号，则在电极间产生电场，由此激发出弹性表面波并使其在压电性材料基板上传播。并且，能够从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极取出传播的弹性表面波作为电信号。

构成压电性材料基板上的电极的材质优选为铝、铝合金、铜、金，更优选为铝或铝合金。铝合金优选使用Al中混有0.3～5重量％的Cu的铝合金。在这种情况下，可以使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta代替Cu。

实施例

(实施例1)

基于参照图1、图3说明的方法而制作图3(b)所示的弹性波元件8。

具体而言，准备厚度为350μm的对两面实施了镜面加工的42Y切割X传播LiTaO

接下来，利用与GC#6000相当的磨削磨石对支撑基板S的表面Sa实施磨削加工。加工量设为5μm，以便对整面均匀地进行加工。利用光干涉式粗糙度测定器对加工后的支撑基板表面Sa进行测定，其结果，算术平均粗糙度R

在对支撑基板S的表面Sa进行清洗之后，利用溅射装置形成含有Ta

另外，在压电性材料基板PZ的表面PZa上形成厚度为100nm的由氧化硅构成的接合层Y。此时的接合层Y的表面Ya的算术平均粗糙度为1.2nm。通过CMP对该表面实施加工而除去约50nm，其结果，算术平均粗糙度达到0.3nm。

对这样获得的压电性材料基板上的接合层的接合面及支撑基板上的最外侧表面的接合层的表面分别实施清洗及表面活化。具体而言，实施利用纯水的超声波清洗，通过旋干使基板表面干燥。接下来，将清洗后的支撑基板导入至等离子体活化腔室，利用氮气等离子体以30℃的温度对接合面实施活化。另外，将压电性材料基板同样地导入至等离子体活化腔室，利用氮气等离子体以30℃的温度对接合面实施表面活化。表面活化时间设为40秒，能量设为100W。出于除去表面活化中附着的颗粒的目的，再次实施同上所述的超声波清洗、旋干。

接下来，进行各基板的对位，在室温下使两个基板的活化后的接合面彼此接触。使压电性材料基板侧朝上进行接触。其结果，观测到基板彼此的密接扩展的样子(所谓的键合波)，能够确认到良好地进行了预接合。接下来，以增大接合强度为目的，将接合体放入氮气气氛的烘箱中，以150℃的温度保持10小时。通过裂缝开口法对从烘箱取出的接合体的接合强度进行测定，结果可知，能够获得2.3J/m

对加热后的接合体的压电性材料基板的表面进行磨削加工、精研加工、以及CMP加工，使得压电性材料基板的厚度达到20μm。

接下来，为了确认本发明的效果，在接合体的压电性材料基板上形成由金属铝构成的梳齿电极而制作表面弹性波元件的谐振器。以下示出其规格。

利用网络分析仪对其反射特性进行测定，其结果，如图6所示，高于反谐振频率的区域中的最大寄生信号的大小为2.2dB。

以下，汇总示出本实施例中的支撑基板、中间层、压电性材料基板的各物性。另外，图4中示出了各部分的声速。

其中，各部分的声速的定义如下。

即，在物质的弹性模量设为E、且密度设为ρ的情况下，利用下式计算出声速V。

【数学式1】

压电体结晶的情况下，针对这些参数进行了各种报告(例如弹性波器件技术日本学术振兴会弹性波元件技术第150委员会编等比较详细)，不过，需要分别对电薄膜进行测定。通过溅射法在Si基板上针对各物质分别进行制膜。此时的厚度设为约1μm。针对这些膜，首先，通过X射线反射法对密度进行测定。进而，通过纳米压痕试验对弹性模量进行测定，基于上式计算出各膜的声速。

另外，关于各表面的算术平均粗糙度，利用日立高科制的原子力显微镜(AFM)观察10x10μm的范围，根据表面的凹凸数据而计算出算术平均粗糙度。

(实施例2)

与实施例1同样地制作图2(c)所示的接合体7B，进而，实施图3所示的处理而获得SAW元件。

不过，在支撑基板上设置有中间层X、3、2、接合层M。具体而言，对算术平均粗糙度Ra为3.2nm的由硅构成的支撑基板S的表面Sa进行清洗之后，利用溅射装置形成由氧化铝构成的中间层X。此时的中间层X的厚度为600nm。暂时取出成膜后的晶片，对中间层X的表面Xa的算术平均粗糙度R

此外，与实施例1同样地制作图3(c)那样的SAW元件，并实施同样的测定，其结果，最大寄生信号的大小为1.3dB。

各层的表面粗糙度及声速如下。另外，图5中示出了各部分的声速。

(比较例1)

与实施例1同样地制作图1所示的接合体，进而，实施图3所示的处理而获得SAW元件。

不过，本例中，与实施例1相比，变更了各中间层的材质。具体而言，在算术平均粗糙度Ra＝2.8nm的由硅构成的支撑基板S的表面Sa连续地形成由氧化铝构成的中间层X(600nm)、由氧化硅构成的中间层2(1200nm)、以及由硅构成的最外侧表面的接合层M(400nm)，由此获得三层结构。各中间层2、接合层M的各算术平均粗糙度分别为1.2nm、1.0nm、0.9nm。以20nm左右对最表层的接合层进行CMP研磨而形成镜面。接下来，在对压电性材料基板上的接合层的表面和支撑基板上的最外侧表面的中间层的表面照射Ar的中性原子之后进行直接接合。

与实施例1同样地将压电性材料基板厚度加工至20μm，然后，对频率特性进行测定，结果获得图7所示的S

各层的表面粗糙度及声速如下。

(比较例2)

与实施例1同样地制作图1所示的接合体，进而，实施图3所示的处理而获得SAW元件。

不过，本例中，与实施例1相比，变更了各中间层的材质。具体而言，在算术平均粗糙度Ra＝2.9nm的由硅构成的支撑基板S的表面Sa连续地形成由硅构成的中间层X(600nm)、由氧化铝构成的中间层2(1200nm)、以及由硅构成的最外侧表面的接合层M(400nm)。各中间层2、接合层M形成时的各算术平均粗糙度分别为2.2nm、1.7nm、1.6nm。以80nm左右对最表层的接合层进行CMP研磨而形成镜面。接下来，对压电性材料基板的表面和支撑基板上的最外侧表面的接合层的表面照射Ar的中性原子，然后进行直接接合。

与实施例1同样地将压电性材料基板厚度加工至20μm，然后，对频率特性进行测定，其结果，最大寄生信号的大小为17.8dB。

各层的表面粗糙度及声速如下。

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