JP2018093496A - 複合基板及び弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性が高く、任意の結晶軸を持つ、均一な厚みの圧電単結晶薄膜を有する複合基板、その製法及び弾性波デバイスを提供する。【解決手段】本発明の複合基板の製法は、（ａ）圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の貼り合わせ基板の圧電基板側を、厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨する工程と、（ｂ）鏡面研磨した圧電基板の厚み分布のデータを作成する工程と、（ｃ）厚み分布のデータに基づいてイオンビーム加工機で加工を行うことにより、圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差が全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す複合基板を得る工程と、を含む。【選択図】なし

Description

本発明は、複合基板、その製法及び弾性波デバイスに関する。

非常に薄い圧電薄膜を用いることで、従来にない高周波での動作が可能な弾性波デバイスを実現することが期待される。このような薄膜を得る手法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）とスマートカットとの二つが挙げられる。この二つの手法はいずれも周知技術である。例えば、スマートカットについては、特許文献１に記載されている。

特開２０１０−１０９９４９（段落０００４）

ＣＶＤ、スマートカットの両者とも非常に均一な厚みを持つ薄膜を得られるが、それぞれ次のような問題点がある。
１）ＣＶＤ
・結晶性が非常に悪い。
・結晶軸の方向が限定される。
２）スマートカット
・イオン注入によるダメージが十分に回復できず、結晶欠陥が残る。

上記二つの手法のほかに、圧電膜を薄く削る方法も試してみたが、研磨途中で割れが生じたり、膜厚が均一にならないなどの問題点があった。

本発明はこのような問題を鑑みてなされたもので、結晶性が高く、任意の結晶軸を持つ、均一な厚みの圧電単結晶薄膜を得ることを目的とする。

本発明の複合基板の製法は、
（ａ）圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の貼り合わせ基板の圧電基板側を、前記圧電基板の厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨する工程と、
（ｂ）前記鏡面研磨した圧電基板の厚み分布のデータを作成する工程と、
（ｃ）前記厚み分布のデータに基づいてイオンビーム加工機で加工を行うことにより、前記圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差が全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す複合基板を得る工程と、
を含むものである。

この製法によれば、ＣＶＤやスマートカットの問題点が解消され、結晶性が高く、任意の結晶軸を持つ、均一な厚みの圧電単結晶薄膜を得ることができる。

本発明の複合基板は、
圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の複合基板であって、
前記圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差は前記圧電基板の全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す
ものである。

この複合基板は、上述した製法により容易に得ることができる。また、この複合基板は、弾性波デバイスに利用可能である。

実施例１の圧電基板の断面写真。 実施例２の圧電基板の断面写真。

本発明の好適な一実施形態の複合基板について、以下に説明する。本実施形態の複合基板は、圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上のものである。圧電基板は、厚みが３μｍ以下であり、その厚みの最大値と最小値の差は圧電基板の全平面で６０ｎｍ以下である。また、圧電基板は、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す。

圧電基板の材質としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、硼酸リチウム、ランガサイト、水晶などが挙げられる。

支持基板の材質としては、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、無アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム、ランガサイト、水晶などが挙げられる。支持基板の大きさは、直径が圧電基板と同じであり、厚さが１００〜１０００μｍ、好ましくは１５０〜５００μｍである。

本実施形態の複合基板は、圧電基板の表面に電極パターンを形成して弾性波デバイスとして利用可能である。

次に、本実施形態の複合基板を製造するプロセスについて、以下に説明する。

・工程（ａ）
厚みが１００〜１０００μｍの圧電基板と厚みが１００〜１０００μｍの支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の貼り合わせ基板（研磨前の複合基板）の圧電基板側を、圧電基板の厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨する。この貼り合わせ基板は、圧電基板と支持基板とを有機接着層を介して貼り合わせたものであるか、直接接合により一体化したものである。有機接着層の材質としては、例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂などが挙げられる。直接接合は、圧電基板と支持基板のそれぞれの接合面を活性化した後、両接合面を向かい合わせにした状態で両基板を押圧することにより行う。接合面を活性化する方法は、例えば、接合面への不活性ガス（アルゴンなど）のイオンビームの照射のほか、プラズマや中性原子ビームの照射などが挙げられる。

工程（ａ）では、例えば、貼り合わせ基板の圧電基板側を、まずクラインダー加工機で研磨し、次いでラップ加工機で研磨し、更にＣＭＰ研磨機で前記圧電基板の厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨してもよい。こうすれば、圧電基板の厚みを効率よく３μｍ以下にすることができる。なお、ＣＭＰは、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing）の略である。

・工程（ｂ）
鏡面研磨した圧電基板の厚み分布のデータを作成する。例えば、鏡面研磨した圧電基板の厚みをレーザーの干渉を用いた光学式膜厚測定器で測定して厚み分布のデータを作成してもよい。こうすれば、厚み分布のデータを精度よく作成することができる。

・工程（ｃ）
厚み分布のデータに基づいてイオンビーム加工機で圧電基板に加工を行う。こうすることにより、圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差が全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す複合基板が得られる。

工程（ｃ）では、厚み分布のデータをイオンビーム加工機に入力して圧電基板の表面の各点におけるビーム照射時間を決定し、該ビーム照射時間を用いて加工を行ってもよい。こうすれば、加工を精度よく行うことができる。この場合、ビームの出力値は一定とし、厚いところほどビーム照射時間を長くすればよい。あるいは、工程（ｃ）では、厚み分布のデータをイオンビーム加工機に入力して圧電基板の表面の各点におけるビームの出力値を決定し、該ビームの出力値を用いて加工を行ってもよい。こうしても、加工を精度よく行うことができる。この場合、ビーム照射時間は一定とし、厚いところほどビームの出力値を大きくすればよい。

また、工程（ｃ）では、加工を、ＤＣ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機を用いて行うことが好ましい。イオンビーム加工機としては、プラズマ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機を用いてもよいが、ＤＣ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機を用いた方が圧電基板の表面に与えるダメージが一層少なくなるため好ましい。

以上詳述した本実施形態の複合基板の製法によれば、ＣＶＤやスマートカットの問題点が解消され、結晶性が高く、任意の結晶軸を持つ、均一な厚みの圧電単結晶薄膜を得ることができる。また、この製法によって製造された複合基板は、弾性波デバイスに利用可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

［実施例１］
両面研磨された厚みが２３０μｍ、直径が４インチのシリコン基板（支持基板）、ＬｉＴａＯ₃基板（圧電基板）をそれぞれ用意した。これら基板を１０^-6Ｐａ台の真空度を保つ真空チャンバーに導入し、接合面を対向させ保持した。両基板の接合面にＡｒビームを８０ｓｅｃ間照射し、表面の不活性層を除去し活性化した。ついで互いの基板を接触させ、１２００ｋｇｆの荷重をかけて接合した。このようにして得られた貼り合わせ基板を取り出した後、グラインダー加工機により圧電基板側をその厚みが１０μｍになるまで研削した。ついで、その貼り合わせ基板をラップ加工機にセットし、ダイヤモンドスラリーを用いて圧電基板の厚みが３μｍになるまで研磨した。更に、その圧電基板の表面をＣＭＰ研磨機で厚みが０．８μｍになるまで鏡面研磨した。この時、研磨剤としてコロイダルシリカを用いた。レーザーの干渉を用いた光学式膜厚測定器で圧電基板の厚みを測定したところ、その厚みは０．８μｍを中心として圧電基板の全面で±０．１μｍの範囲に収まっていた。測定点は、圧電基板の面取りがされた端部を除く全平面で合計８０点とした。

このようにして得られた貼り合わせ基板を、プラズマ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機にセットした。次いで、前述した光学式膜厚測定器で測定した圧電基板の厚みデータをイオンビーム加工機にインポートして、圧電基板の各測定点における加工量、ここではＡｒビームの照射時間を決定した。ビームの照射時間は、貼り合わせ基板の送り速度によって調整した。そして、貼り合わせ基板の送り速度を変化させながら、圧電基板の全面に出力一定のＡｒビームを照射した。ビームスポットは直径６ｍｍとした。また、イオン加速電圧を１３００ｅＶ、イオン電流を３０ｍＡ一定の条件とし、ＲＦプラズマを励起した。実加工時間はおおよそ５分であった。

加工後の貼り合わせ基板（本実施例の複合基板）の圧電基板の厚みを再度測定したところ、中心膜厚が０．７６μｍで厚みの最大値と最小値の差は全面で２４ｎｍであった。Ｘ線回折装置によりロッキングカーブを測定したところ、その半値幅（ＦＷＨＭ）は８０ａｒｃｓｅｃとバルクの単結晶と全く同等の値が得られ、結晶性の劣化が生じていないことが確認された。

この複合基板は、弾性波フィルタに活用することにより、周波数ばらつきが小さく、フィルタ特性が優れたデバイスを得ることができる。

［実施例２］
実施例１と同じようにして貼り合わせ基板を作製した。レーザーの干渉を用いた光学式膜厚測定器で圧電基板の厚みを測定したところ、その厚みは１．０μｍを中心として圧電基板の全面で±０．１２μｍの範囲に収まっていた。測定点は、実施例１と同じく合計８０点とした。

このようにして得られた貼り合わせ基板を、ＤＣ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機にセットした。次いで、前述した光学式膜厚測定器で測定した圧電基板の厚みデータをイオンビーム加工機にインポートして、圧電基板の各測定点における加工量、ここではＡｒビームの出力値を決定した。そして、貼り合わせ基板を送り速度０．５ｍｍ／ｓｅｃ（一定）で送りながら、Ａｒビームの出力を２０〜１００Ｗの間で変化させ、圧電基板の全面にＡｒビームを照射した。ビームスポットは直径６ｍｍとした。送り速度を一定としたため、ビーム照射時間は圧電基板の全面で同じになる。

加工後の貼り合わせ基板（本実施例の複合基板）の圧電基板の厚みを再度測定したところ、中心膜厚が０．９２μｍで厚みの最大値と最小値の差は全面で５０ｎｍであった。Ｘ線回折装置によりロッキングカーブを測定したところ、その半値幅（ＦＷＨＭ）は６５ａｒｃｓｅｃとバルクの単結晶と全く同等の値が得られ、結晶性の劣化が生じていないことが確認された。

実施例１と実施例２の圧電基板の表面付近の断面をＴＥＭで観察したところ、それぞれの表面にダメージ層が見受けられた。図１は実施例１の断面写真、図２は実施例２の断面写真である。実施例１のダメージ層（表面の黒い層）の厚みは１０ｎｍ、実施例２のダメージ層の厚みは３ｎｍであった。このことから、ＤＣ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機の方が、プラズマ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機に比べて、表面へのダメージが少ないことが分かった。

ダメージ層の素子特性への影響を推し量るため、実施例１，２の複合基板の圧電基板上にＳＡＷ共振器の電極を作成した。電極ピッチは４μｍとした。約９３０ＭＨｚの中心周波数を持つ共振器特性は、通常の圧電基板上に作成された共振器との間で差異は見られなかった。すなわち、厚み１０ｎｍ程度のダメージ層は特性に影響を与えないことが分かった。

本出願は、２０１２年１２月２６日に出願された米国仮出願第６１／７４５８９８号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、ＳＡＷフィルタなどの弾性波デバイスに利用可能である。

Claims (8)

1. （ａ）圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の貼り合わせ基板の圧電基板側を、前記圧電基板の厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨する工程と、
   （ｂ）前記鏡面研磨した圧電基板の厚み分布のデータを作成する工程と、
   （ｃ）前記厚み分布のデータに基づいてイオンビーム加工機で加工を行うことにより、前記圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差が全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す複合基板を得る工程と、
   を含む複合基板の製法。
2. 前記工程（ａ）では、前記貼り合わせ基板の圧電基板側を、まずクラインダー加工機で研磨し、次いでラップ加工機で研磨し、更にＣＭＰ研磨機で前記圧電基板の厚みが３μｍ以下になるまで鏡面研磨する、
   請求項１に記載の複合基板の製法。
3. 前記工程（ｂ）では、前記鏡面研磨した圧電基板の厚みをレーザーの干渉を用いて光学式膜厚測定器で測定して厚み分布のデータを作成する、
   請求項１又は２に記載の複合基板の製法。
4. 前記工程（ｃ）では、前記厚み分布のデータを前記イオンビーム加工機に入力して前記圧電基板の表面の各点におけるビーム照射時間を決定し、該ビーム照射時間を用いて加工を行う、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
5. 前記工程（ｃ）では、前記厚み分布のデータを前記イオンビーム加工機に入力して前記圧電基板の表面の各点におけるビームの出力値を決定し、該ビームの出力値を用いて加工を行う、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
6. 前記工程（ｃ）では、前記イオンビーム加工機として、ＤＣ励起型Ａｒビーム源を備えたイオンビーム加工機を用いる、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基板の製法。
7. 圧電基板と支持基板とを接合してなる直径４インチ以上の複合基板であって、
   前記圧電基板の厚みが３μｍ以下、その厚みの最大値と最小値の差は前記圧電基板の全平面で６０ｎｍ以下、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下の結晶性を示す、複合基板。
8. 請求項７に記載の複合基板を用いた弾性波デバイス。