JP4247281B2 - 圧電基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は圧電基板及びその製造方法に関し、特に、弾性表面波デバイスなどに使用する圧電基板及びその製造方法に関する。

弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）デバイスは、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）（ＬＴ）基板やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）（ＬＮ）基板などの圧電基板上にくし型電極を形成してなるデバイスである。このデバイスは、圧電体の電気機械的な性質を利用した超小型のバンドパスフィルタの機能を有する。ＳＡＷデバイスにおいては、くし型電極のミクロンオーダーのピッチが敏感にフィルタ特性に反映される。ＬＴやＬＮの熱膨張係数は、シリコンの６倍程度（シリコン約２.６×１０^-6／Ｋに対してＬＴ約１６×１０^-6／Ｋ、ＬＮ約１５×１０^-6／Ｋ）と大きいため、ＬＴ基板やＬＮ基板をＳＡＷデバイスに用いる場合には、温度変化によるフィルタ特性の変化が大きな問題となる。このため、このような圧電基板の大きな熱伸縮を抑え込む、又はその他の方法で温度補償を行うことが行われている。

例えば、ＳＡＷデバイスを製造する際に、圧電基板に熱膨張係数の小さい基板を貼り合わせて圧電基板の温度変化による伸縮を抑制することが行われている。特許文献１には、直接接合法を用いてＬＴ基板とサファイア基板とを貼り合わせることが開示されている。また、特許文献２には、固層反応による接合を用いて圧電基板と単結晶基板とを接合することが開示されている。また、特許文献３には、親水化処理及び熱処理による接合を用いてＬＴ（ＬＮ）基板とシリコン基板とを接合することが開示されている。
特開２００４−３４３３５９号公報 特開平９−２０８３９９号公報 特許第２６０７１９９号公報

近年、ＳＡＷデバイスが搭載される携帯電話などにおいては、多くのシステムが並存する状態になっており、それらのシステムにおいて使用する周波数帯域が互いに隣接することが想定される。このような場合においては、周波数シフトをできるだけ小さくする（数ＭＨｚオーダー）ことが要求される。したがって、圧電基板に対しては、温度変化によるフィルタ特性ができるだけ変化しないことが要求される。しかしながら、従来技術のように、熱膨張係数の小さい基板を貼り合わせる方法で得られた圧電基板では、上記のように周波数シフトをより小さくするという要求に対応することができない。したがって、周波数シフトをより小さくするという要求に対応できる圧電基板が存在していないのが現状である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、温度変化による伸縮が十分に抑えられる圧電基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の圧電基板は、１０×１０^-６／Ｋ〜２０×１０^-６／Ｋの線膨張係数を有し、粗面化された主面を有する基材と、前記主面上に設けられ、前記基材の線膨張係数よりも小さく、−１×１０ ^-６ ／Ｋ〜１０×１０ ^-６ ／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成され、５％〜４０％の気孔率を有する膜と、を具備することを特徴とする。この構成によれば、膜が温度補償膜として機能するので、温度変化による伸縮が十分に抑えられる圧電基板を得ることができる。また、この構成によれば、膜が比較的ポーラスな状態となり、このため成膜後の応力が小さくなる。このため、基材から剥離することなく、厚い膜（数百μｍ程度）を成膜することが可能となる。

本発明の圧電基板によれば、前記膜は、溶融又は未溶融の粒子の積層体で構成されていることが好ましい。この場合において、前記粒子のサイズが５μｍ〜３００μｍであることが好ましい。

本発明の圧電基板によれば、前記基材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料は、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｓｉ及びこれらの合金、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素及びこれらの化合物の固溶体、並びにこれら金属及び化合物の混合物からなる群より選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。

本発明の圧電基板によれば、前記膜は、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有することが好ましい。

本発明の圧電基板によれば、前記基材は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶（ＳｉＯ₂）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる群より選ばれたもので構成されていることが好ましい。

本発明の圧電基板によれば、前記基材と前記膜との間にアンダーコートが設けられていることが好ましい。

本発明の圧電素子は、上記圧電基板と、前記圧電基板の前記粗面化された主面と反対側の主面上に設けられた素子と、を具備することを特徴とする。

本発明の圧電基板の製造方法は、１０×１０^-６／Ｋ〜２０×１０^-６／Ｋの線膨張係数を有し、粗面化された主面を有する基材を準備する工程と、前記基材の線膨張係数よりも小さく、−１×１０ ^-６ ／Ｋ〜１０×１０ ^-６ ／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成され、５％〜４０％の気孔率を有する膜を前記主面上に形成する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の圧電基板の製造方法においては、スラリーを用いたコーティング法又は溶射法により、前記膜を前記基材に形成することが好ましい。

本発明の圧電基板によれば、１０×１０^-６／Ｋ〜２０×１０^-６／Ｋの線膨張係数を有し、粗面化された主面を有する基材と、前記主面上に設けられ、前記基材の線膨張係数よりも小さく、−１×１０ ^-６ ／Ｋ〜１０×１０ ^-６ ／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成され、５％〜４０％の気孔率を有する膜と、を具備するので、温度変化による伸縮が十分に抑えられる圧電基板を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電基板を示す断面図である。図１に示す圧電基板１は、基材１１と、基材１１の一方の主面上に形成された膜１２とから主に構成されている。基材１１において、膜１２を形成する主面は、粗面化された主面１１ａである。

基材１１の一方の主面（裏面：膜１２との界面）は粗面化された表面である。圧電基板を例えばＳＡＷデバイスに用いた場合、バルク波の反射による表面での定在波が表面波と干渉を起こす。このため、バルク波を乱反射させるために、膜１２との界面を粗面化しておく。これにより、定在波と表面波が干渉することを抑制することができる。また、基材１１と後述する膜１２との密着性を向上させるためにも、基材１１の一方の主面は粗面化された表面であることが好ましい。なお、主面１１ａの粗さとしては、定在波と表面波の干渉の抑制効果や基材１１に対する膜１２の密着性を考慮すると、Ｒａ＝０．１μｍ〜３μｍであることが好ましい。

基材１１としては、線膨張係数が１０×１０^-6／Ｋ〜２０×１０^-6／Ｋのものを選択する。基材１１を構成する材料としては、ニオブ酸リチウム、水晶、四ホウ酸リチウム、酸化亜鉛などを挙げることができる。また、圧電基板１をＳＡＷデバイスに用いる場合には、ＳＡＷデバイスとしての特性を発揮させるために、基材１１を薄くする必要がある。基材１１の厚さｔ₂は、１０μｍ〜１００μｍ程度、特に、２０μｍ〜６０μｍであることが好ましい。

膜１２は、基材１１の粗面化された主面１１ａ上に直接形成されており、基材１１の線膨張係数よりも小さく、−１×１０^-6／Ｋ〜１０×１０^-6／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成されている。このような基材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｓｉ及びこれらの合金などの金属；酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素及びこれらの化合物の固溶体などのセラミックスなどが挙げられ、これら金属及び化合物の混合物でも良い。また、酸化による経時変化がなく、電気絶縁性が良く、線膨張係数が小さいことなどを考慮すると、アルミナ系の材料（例えば、アルミナ及びアルミナ−シリカ系）が好ましい。

本発明の圧電基板１においては、膜１２は、溶融又は未溶融の粒子の積層体で構成されていることが好ましい。膜１２がこのような構造を有することにより、後述する気孔率を実現することが容易となる。この場合において、粒子のサイズは５μｍ〜３００μｍであることが好ましい。特に、粒子のサイズは１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。

本発明の圧電基板１においては、基材１１の厚さｔ₂が非常に薄いので、膜１２が圧電基板１の剛性を保つ働きをする。したがって、基材１１に対する剛性などを考慮して、膜１２の厚さｔ₁を相対的に厚くする、例えば、基材１１及び膜１２の全体の厚さとして０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、特に、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍにすることが好ましい。このため、膜１２は、基材１１の熱膨張を抑えると共に、圧電基板１の土台、すなわち基材１１の支持部材としての役割を果たす。

圧電基板１において膜１２は、基材１１の熱膨張を抑える温度補償効果を発揮すると共に、割れや反りのない状態で厚膜で形成される必要がある。例えば、ＣＶＤ法やＰＶＤ法で形成された膜は、温度補償効果は発揮するが、成膜温度が比較的高いために、反りや割れを生じて不良率が大きくなってしまう。また、これらの方法による膜は、成膜時の応力が大きいので基板の土台としての役目を果たすほど厚く形成することはできない。このように、温度補償効果と膜の応力との間にはトレードオフの関係があり、この関係は基材の厚さに影響される。

本発明者らは、上記の点に着目し、膜の気孔率を調整することにより温度補償効果と膜の応力抑制（割れ不良率）とを両立させることができることを見出し本発明をするに至った。図２は、膜の気孔率に対する基板の温度補償効果と割れ不良率との関係を示す特性図である（ここではアルミナ−シリカ系を例とする）。図２においては、実線が温度補償効果を示し、破線が割れ不良率を示す。図２から分かるように、Ａの範囲の気孔率では、割れ不良率が小さく、温度補償効果が大きい（後述するＴＣＦが小さい）温度補償効果と割れ不良率低減効果とが両立できている。このような結果から、膜１２は、５％〜４０％の気孔率を有することが好ましい。特に、膜１２は、成膜性を考慮すると、気孔率１０％〜２０％であることが好ましい。なお、温度補償効果は、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）を調べることにより求めた。また、膜の応力は、基板の反り量測定値から計算にて算出した。

膜１２がポーラスである場合においては、その剛性（ヤング率）が相対的に小さいので、膜１２に充填材料を充填させて、その剛性を高めるようにしても良い。例えば、膜１２を基材１１上に成膜した後に、ＳＯＧ（感光性塗布ガラス材料）や樹脂などを膜１２に含浸させて硬化する。これにより、膜１２の剛性を高めることができると共に、膜１２に洗浄液などの不要物が侵入することも防止できる。

図１において、膜１２は１層で構成されているが、複数層で構成しても良い。このように複数層で膜１２を構成することにより、種々の材料を組み合わせることができるので、膜１２の線膨張係数を容易に調整することが可能となる。

図１に示す圧電基板１においては、基材１１上に直接膜１２を形成した態様を示しているが、本発明においては、基材１１に対してアンダーコート（中間膜）を、基材１１と膜１２との間に設けて、膜１２の密着力を向上させても良い。また、基材１１の粗さを調整して膜１２の密着力を向上させても良い。なお、この場合におけるアンダーコートを構成する材料としては、膜１２の密着力を向上させる効果を発揮するものであれば、特に制限されない。

本発明の圧電基板の製造方法においては、粗面化された主面を有する基材を準備し、基材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された膜を前記主面上に直接形成する。すなわち、図３（ａ）に示すように、まず、粗面化された主面１１ａを有する基材１１を準備する。基材１１の主面を粗面化する方法としては、ブラスト、ラッピングなどを挙げることができる。

次いで、図３（ｂ）に示すように、粗面化された主面１１ａ上に上記膜１２、すなわち基材１１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された膜１２を形成する。膜１２を基材１１の主面１１ａ上に形成する方法としては、スクリーン印刷法のようなスラリーを用いたコーティング法、溶射法などを挙げることができる。また、必要に応じて、膜１２にＳＯＧや樹脂を含浸して硬化させて、膜１２の剛性を向上させる。

膜１２を基材１１の主面１１ａ上に形成する方法においては、基材温度を比較的低温（例えば１００℃以下）にすることができるので、溶射法が好ましい。溶射法は、電気エネルギー（アーク、プラズマ）や燃焼エネルギーを熱源とし、この中に被着材料の粉末又は棒状材料を投入して、溶融又は半溶融状態の微粒子として基材の表面に吹き付け、皮膜を形成する方法である。溶射法を採用することにより、成膜中の基材１１への熱影響を極力抑えることが可能となる。

溶射法による成膜では、溶融又は半溶融状態の微粒子が基材に到達すると、基材上で急冷凝固され、微粒子に微細な割れが生じる。そして、このような微細な割れを有する微粒子が積層されて膜を構成する。したがって、溶射法により成膜された膜は、比較的ポーラスな状態であり、このため成膜後の応力が小さい。このため、基材から剥離することなく、厚い膜（数百μｍ程度）を成膜することが可能となる。その結果、基材上に、反りのない、厚い膜を形成することができる。

次いで、成膜された膜に研削処理を施して膜の厚さを調整した後に、基材１１の表面（粗面化された主面と反対側の主面）側から研削処理及び／又は研磨処理を行って、圧電基板１の厚さや表面粗さを調整する。これにより、熱伸縮による圧電基板の反りなどを防止する。このようにして、図１に示すような本発明に係る圧電基板１を作製する。

このようにして得られた圧電基板１は、基材１１の粗面化された主面１１ａ上に、基材１１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された膜（温度補償膜）１２が形成されているので、膜１２が温度補償機能を発揮する。したがって、温度変化による圧電基板１の伸縮を十分に抑えることができる。その結果、圧電基板１を、例えばＳＡＷデバイスに使用したときでも、温度変化によるフィルタ特性の変化を極力小さくすることができ、周波数シフトをより小さくすることが可能となる。このような方法によれば、前記特性を有する圧電基板を安価にしかも簡易に製造することができる。

上記圧電基板１を用いてデバイスを作製する場合には、基材の裏面（粗面化された主面）に温度補償膜を成膜した後に、基材の表面にデバイス（素子）を形成しても良く、基材の表面（粗面化された主面と反対側の主面）上にデバイス（素子）形成した後に、粗面化された主面上に温度補償膜を形成しても良い。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
（実施例）
線膨張係数が１６．１×１０^-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．２５ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）２１の一方の主面（裏面）をラッピングにより粗面化した。なお、粗面化処理は、ＧＣ＃２５００の砥粒を用いて研磨機により行った。線膨張係数は、サーモプラス２（株式会社リガク社製）のシステムの熱機械分析装置（ＴＭＡ−８３１０）の示差膨張モードにおいて測定した（於工業技術センター）。

次いで、図４（ａ）に示すように、この粗面化処理した主面上に、ムライト（アルミナ−シリカ）の粉末を溶射法により吹き付けて、ＬＴ基板２１の裏面に厚さ０．５ｍｍの温度補償膜２２を形成した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、ＡｒとＨ₂のプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。この温度補償膜２２の気孔率を測定したところ、９％であった。なお、温度補償膜２２の気孔率は、一般的によく利用される皮膜の断面観察による手法により測定した。すなわち、温度補償膜２２の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、空隙（空孔）部分に対して画像処理を施して断面積に対する空隙（空孔）部分の占める割合を気孔率として算出した。また、気孔率は、数箇所にわたって測定して、得られた値の平均を温度補償膜２２の気孔率とした。

次いで、図４（ｂ）に示すように、ＬＴ基板２１の表面（粗面化された主面と反対側の主面）側から研削処理及び／又は研磨処理を行って、ＬＴ基板２１の厚さを２０μｍに調整し、また、表面粗さをＲａ＝０．２μｍに調整した。このとき、溶射法により成膜された温度補償膜２２は、割れもなく、ＬＴ基板２１からの剥離もなかった。

次いで、図４（ｃ）に示すように、ＬＴ基板２１の表面上にアルミニウム膜を成膜し、このアルミニウム膜にＳＡＷデバイス用のパターニング（素子形成）を行ってパターン２３を形成した。その後、図４（ｄ）に示すように、ＬＴ基板２１をダイシングして、くし型電極２４ａを有するＳＡＷデバイスチップ２４を作製した。

このようにして得られたＳＡＷデバイスチップ（実施例）について、上述した方法により温度補償効果を調べたところ、ＴＣＦは約３０ｐｐｍ／℃であり、ＬＴ単体のＴＣＦ（約４５ｐｐｍ／℃）に比べて大幅に改善された。また、このＳＡＷデバイスチップ（実施例）について、温度変化による周波数シフトを調べた。その結果を図４（ｅ）に示す。なお、温度変化による周波数シフトの評価は、ＳＡＷデバイスチップについて、−３０℃〜＋８５℃の温度範囲における周波数帯域（中心周波数２０００ＭＨｚ）の減衰プロファイルを調べることにより行った。図４（ｅ）から分かるように、本発明に係る圧電基板を用いたＳＡＷデバイスは、温度変化があっても周波数シフトがほとんどなかった。これは、圧電基板の線膨張係数が極力小さく抑えられて、圧電基板の伸縮が抑えられているからであると考えられる。

（比較例）
図５（ａ）に示すように、直径４インチ、厚さ約０．５ｍｍのＬＴ基板３１の一方の主面（裏面）に直径４インチ、厚さ０．４ｍｍのサファイア基板３２を常温接合した。なお、常温接合の際には、ＬＴ基板３１及びサファイア基板３２の接合面をアルゴンイオンビームにより活性化した。次いで、図５（ｂ）に示すように、ＬＴ基板３１の表面側から研削処理及び／又は研磨処理を行って、ＬＴ基板３１の厚さを２０μｍに調整し、また、表面粗さをＲａ＝０．２μｍに調整した。

次いで、図５（ｃ）に示すように、ＬＴ基板３１の表面上にアルミニウム膜を成膜し、このアルミニウム膜にＳＡＷデバイス用のパターニングを行ってパターン３３を形成した。その後、図５（ｄ）に示すように、ＬＴ基板３１をダイシングして、くし型電極３４ａを有するＳＡＷデバイスチップ３４を作製した。

このようにして得られたＳＡＷデバイスチップ（比較例）について、実施例と同様にして、温度補償効果を調べたところ、ＴＣＦは約４０ｐｐｍ／℃であり、あまり改善がなされていなかった。また、このＳＡＷデバイスチップ（比較例）について、温度変化による周波数シフトを調べた。その結果を図５（ｅ）に示す。図５（ｅ）から分かるように、従来の圧電基板を用いたＳＡＷデバイスは、温度変化があると、１０ＭＨｚ程度の周波数シフトΔＦが生じた。これは、圧電基板の線膨張係数が抑えられずに、圧電基板が伸縮したからであると考えられる。

本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態においては、成膜後の膜の応力を低く抑えることができる成膜方法として、溶射法を挙げているが、本発明においては、溶射法以外にスラリーを用いたコーティング法などを挙げることができる。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。

本発明の実施の形態に係る圧電基板を示す断面図である。 膜の気孔率に対する基板の温度補償効果及び割れ不良率の応力の関係を示す特性図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る圧電基板の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の圧電基板の製造方法を説明するための断面図であり、（ｅ）は、本発明の圧電基板の周波数特性を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の圧電基板の製造方法を説明するための断面図であり、（ｅ）は、従来の圧電基板の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１ 圧電基板
１１ 基材
１１ａ 主面
１２ 膜
２１ ＬＴ基板
２２ 温度補償膜
２３ パターン
２４ ＳＡＷデバイスチップ
２４ａ くし型電極

Claims (10)

1. １０×１０^-６／Ｋ〜２０×１０^-６／Ｋの線膨張係数を有し、粗面化された主面を有する基材と、前記主面上に設けられ、前記基材の線膨張係数よりも小さく、−１×１０ ^-６ ／Ｋ〜１０×１０ ^-６ ／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成され、５％〜４０％の気孔率を有する膜と、を具備することを特徴とする圧電基板。
2. 前記膜は、溶融又は未溶融の粒子の積層体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電基板。
3. 前記粒子のサイズが５μｍ〜３００μｍであることを特徴とする請求項２記載の圧電基板。
4. 前記基材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料は、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｓｉ及びこれらの合金、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及びこれらの化合物の固溶体、並びにこれら金属及び化合物の混合物からなる群より選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電基板。
5. 前記膜は、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電基板。
6. 前記基材は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、四ホウ酸リチウム及び酸化亜鉛からなる群より選ばれたもので構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電基板。
7. 前記基材と前記膜との間にアンダーコートが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の圧電基板。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧電基板と、前記圧電基板の前記粗面化された主面と反対側の主面上に設けられた素子と、を具備することを特徴とする圧電素子。
9. １０×１０^-６／Ｋ〜２０×１０^-６／Ｋの線膨張係数を有し、粗面化された主面を有する基材を準備する工程と、前記基材の線膨張係数よりも小さく、−１×１０ ^-６ ／Ｋ〜１０×１０ ^-６ ／Ｋの線膨張係数を有する材料で構成され、５％〜４０％の気孔率を有する膜を前記主面上に形成する工程と、を具備することを特徴とする圧電基板の製造方法。
10. スラリーを用いたコーティング法又は溶射法により、前記膜を前記基材に形成し、形成した膜を前記基材の支持部材とすることを特徴とする請求項９記載の圧電基板の製造方法。

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