JP7247885B2 - 積層体およびｓａｗデバイス - Google Patents

Description

本発明は積層体およびＳＡＷデバイスに関するものである。
本出願は、２０１７年３月２７日出願の日本出願第２０１７－０６０７７４号に基づく優先権を主張し、上記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

携帯電話機などの通信機器の内部には、電気信号に含まれるノイズを除去する目的で、ＳＡＷデバイス（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；表面弾性波素子）が配置される。ＳＡＷデバイスは、入力された電気信号のうち、所望の周波数の電気信号のみを取り出す機能を有する。ＳＡＷデバイスは、圧電体基板上に電極が形成された構造を有する。そして、使用時の放熱を目的として、圧電体基板は放熱性の高い材料からなるベース基板上に配置される。

ベース基板としては、たとえば単結晶サファイアからなる基板を採用することができる。しかし、単結晶サファイアからなる基板をベース基板として採用すると、ＳＡＷデバイスの製造コストが上昇するという問題がある。これに対し、ベース基板として多結晶スピネルからなるセラミック基板を採用し、圧電体基板と表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を低減したセラミック基板とをファンデルワールス力により結合させた構造を有するＳＡＷデバイスが提案されている。これにより、ＳＡＷデバイスの製造コストを抑制することができる（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１１－６６８１８号公報

本開示の積層体は、多結晶セラミックから構成され、支持主面を有するセラミック基板と、支持主面に対して結合主面においてファンデルワールス力により結合され、圧電体からなる圧電体基板と、を備える。セラミック基板は、支持主面を含むように形成される支持主面アモルファス層を含む。圧電体基板は、結合主面を含むように形成される結合主面アモルファス層を含む。そして、支持主面アモルファス層の厚みは、結合主面アモルファス層の厚みよりも小さい。

セラミック基板および圧電体基板を含む積層体の構造を示す概略断面図である。 セラミック基板と圧電体基板との界面付近の構造を示す概略断面図である。 積層体およびＳＡＷデバイスの製造方法の概略を示すフローチャートである。 積層体およびＳＡＷデバイスの製造方法を説明するための概略断面図である。 積層体およびＳＡＷデバイスの製造方法を説明するための概略断面図である。 積層体およびＳＡＷデバイスの製造方法を説明するための概略断面図である。 積層体およびＳＡＷデバイスの製造方法を説明するための概略図である。 ＳＡＷデバイスの構造を示す概略図である。

［本開示が解決しようとする課題］
従来の積層体においては、圧電体基板とセラミック基板との結合力が不十分となる場合がある。そこで、本開示は、圧電体基板とセラミック基板とが十分な結合力で結合した積層体、および当該積層体を含むＳＡＷデバイスを提供することを目的の１つとする。

［本開示の効果］
本開示の積層体によれば、圧電体基板とセラミック基板とが十分な結合力で結合した積層体を提供することができる。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の積層体は、多結晶セラミックから構成され、支持主面を有するセラミック基板と、支持主面に対して結合主面においてファンデルワールス力により結合され、圧電体からなる圧電体基板と、を備える。セラミック基板は、支持主面を含むように形成される支持主面アモルファス層を含む。圧電体基板は、結合主面を含むように形成される結合主面アモルファス層を含む。そして、支持主面アモルファス層の厚みは、結合主面アモルファス層の厚みよりも小さい。

本願の積層体においては、圧電体基板側に比べて厚みの小さいアモルファス層がセラミック基板側に形成された状態で、セラミック基板の支持主面と圧電体基板の結合主面とがファンデルワールス力により結合されている。

本発明者らの検討によれば、単結晶である圧電体からなる圧電体基板側に比べて多結晶からなるセラミック基板側に形成されるアモルファス層の厚みを小さくすることにより、ファンデルワールス力による結合強度を大きくすることができる。これは、たとえば以下のような理由によるものと考えることができる。多結晶からなるセラミック基板の主面には、面方位の異なる多数の結晶面が露出している。結晶面の特性は、面方位によって異なる。そのため、セラミック基板の主面に圧電体基板側以上の厚みを有するアモルファス層を形成すると、セラミック基板の主面内における特性のばらつきが大きくなり、圧電体基板との結合強度が低下する。セラミック基板側のアモルファス層の厚みを圧電体基板側のアモルファス層に比べて小さくすることにより、ファンデルワールス力による結合強度を向上させることができる。このように、本願の積層体によれば、圧電体基板とセラミック基板とが十分な結合力で結合した積層体を提供することができる。

上記積層体において、支持主面アモルファス層の厚みは０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であってもよい。支持主面アモルファス層の厚みを０．３ｎｍ以上とすることにより、支持主面に均一にアモルファス層を形成することが容易となる。支持主面アモルファス層の厚みを３．０ｎｍ以下とすることにより、支持主面の平坦性を確保することが容易となる。より確実に均一なアモルファス層を形成する観点から、支持主面アモルファス層の厚みは０．５ｎｍ以上とすることがより好ましい。支持主面の平坦性をより確実に確保する観点から、支持主面アモルファス層の厚みは２．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

上記積層体において、結合主面アモルファス層の厚みは０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であってもよい。結合主面アモルファス層の厚みを０．５ｎｍ以上とすることにより、結合主面に均一にアモルファス層を形成することが容易となる。結合主面アモルファス層の厚みを５．０ｎｍ以下とすることにより、結合主面の平坦性を確保することが容易となる。より確実に均一なアモルファス層を形成する観点から、結合主面アモルファス層の厚みは１．２ｎｍ以上とすることがより好ましい。結合主面の平坦性をより確実に確保する観点から、結合主面アモルファス層の厚みは３．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

上記積層体において、セラミック基板は、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、チタニア（ＴｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から選択される１種以上の材料から構成されていてもよい。これらの材料は、本願のセラミック基板を構成する材料として好適である。

上記積層体において、圧電体基板は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなっていてもよい。これらの材料は、本願の圧電体基板を構成する材料として好適である。

本願のＳＡＷデバイスは、上記本願の積層体と、圧電体基板のセラミック基板とは反対側の主面上に形成される電極と、を備える。

本願のＳＡＷデバイスは、圧電体基板と多結晶セラミックからなるセラミック基板とが十分な結合力で結合した本願の積層体を含む。そのため、圧電体基板とセラミック基板とが十分な結合力で結合したＳＡＷデバイスを提供することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる積層体の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態における積層体１は、セラミック基板としてのベース基板１０と圧電体基板２０とを備える。圧電体基板２０は、たとえば単結晶タンタル酸リチウム、単結晶ニオブ酸リチウムなどの単結晶の圧電体からなる。ベース基板１０は、スピネル、アルミナ、マグネシア、シリカ、ムライト、コージェライト、カルシア、チタニア、窒化珪素、窒化アルミニウムおよび炭化珪素からなる群から選択される一種以上、好ましくはいずれか１つの材料から構成される多結晶セラミックからなる。

ベース基板１０は、支持主面１１を有する。圧電体基板２０は、一方の主面である露出主面２１と、露出主面２１とは反対側の主面である結合主面２２とを有する。圧電体基板２０は、ベース基板１０の支持主面１１に結合主面２２において接触するように配置される。ベース基板１０と圧電体基板２０とは、ファンデルワールス力により結合されている。

図２を参照して、ベース基板１０は、支持主面１１を含むように形成される支持主面アモルファス層１９を含む。圧電体基板２０は、結合主面２２を含むように形成される結合主面アモルファス層２９を含む。そして、支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１は、結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２よりも小さい。

積層体１においては、ベース基板１０側のアモルファス層である支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１が圧電体基板２０側のアモルファス層である結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２に比べて小さくなっている。その結果、積層体１においては、ベース基板１０と圧電体基板２０とのファンデルワールス力による結合強度が向上している。

支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１は０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが好ましい。支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１を０．３ｎｍ以上とすることにより、支持主面１１に均一にアモルファス層を形成することが容易となる。支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１を３．０ｎｍ以下とすることにより、支持主面１１の平坦性を確保することが容易となる。

結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２は０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であることが好ましい。結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２を０．５ｎｍ以上とすることにより、結合主面２２に均一にアモルファス層を形成することが容易となる。結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２の厚みを５．０ｎｍ以下とすることにより、結合主面２２の平坦性を確保することが容易となる。

次に、本実施の形態における積層体１および積層体１を用いたＳＡＷデバイスの製造方法を説明する。図３を参照して、本実施の形態の積層体１およびＳＡＷデバイスの製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図４を参照してスピネル、アルミナ、マグネシア、シリカ、ムライト、コージェライト、カルシア、チタニア、窒化珪素、窒化アルミニウムおよび炭化珪素からなる群から選択される１種以上の材料から構成される多結晶セラミックからなるベース基板１０が準備される。たとえば、上記群から選択されるいずれか１つの材料から構成される多結晶セラミックからなるベース基板１０が準備される。具体的には、たとえば多結晶スピネルからなるベース基板１０を準備する場合、マグネシア粉末とアルミナ粉末とを混合して原料粉末を準備し、成形することにより成形体を作製する。成形体は、たとえばプレス成形により予備成形を実施した後、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）を実施することにより作製することができる。次に、成形体に対して焼結処理を実施する。焼結処理は、たとえば真空焼結法、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）などの方法により実施することができる。これにより、多結晶スピネルからなる焼結体が得られる。その後、焼結体に対してダイシング加工を実施することにより、所望の形状（厚み）を有するベース基板１０が得られる（図４参照）。

また、工程（Ｓ１０）では、図４を参照して単結晶タンタル酸リチウム、単結晶ニオブ酸リチウムなどの単結晶の圧電体からなる圧電体基板２０が準備される。圧電体基板２０は、たとえばタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶がスライスされることにより準備される（図４参照）。

次に、工程（Ｓ２０）として研磨工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図４を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたベース基板１０の支持主面１１および圧電体基板２０の結合主面２２に対して研磨処理が実施される。研磨処理は、たとえば粗研磨、通常研磨、仕上げ研磨を含む。

次に、工程（Ｓ３０）としてアモルファス層形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において研磨処理されたベース基板１０および圧電体基板２０に、それぞれ支持主面アモルファス層１９および結合主面アモルファス層２９が形成される。具体的には、図４を参照して、たとえばベース基板１０および圧電体基板２０が洗浄され、乾燥された後、チャンバ―内に挿入され、チャンバ―内が減圧される。チャンバ―内の圧力は、たとえば１０^－６Ｐａ程度とされる。そして、図４において矢印で示されるように、支持主面１１および結合主面２２に対して、たとえばＡｒ（アルゴン）ビームが照射される。これにより、支持主面１１の近傍および結合主面２２の近傍における原子配列が乱され、支持主面アモルファス層１９および結合主面アモルファス層２９が形成される。本実施の形態においては、支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１が結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２よりも小さくなるように、Ａｒビームが照射される。

次に、工程（Ｓ４０）として貼り合わせ工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において主面にアモルファス層が形成されたベース基板１０と圧電体基板２０とが貼り合わされる。具体的には、図４および図１を参照して、圧電体基板２０の結合主面２２とベース基板１０の支持主面１１とが接触するように、ベース基板１０と圧電体基板２０とが貼り合わされる。これにより、ベース基板１０と圧電体基板２０とは、ファンデルワールス力により結合する。その結果、本実施の形態の積層体１が得られる。

ここで、本実施の形態においては、支持主面アモルファス層１９の厚みｔ_１は、結合主面アモルファス層２９の厚みｔ_２よりも小さい。その結果、上記積層体１の製造方法によれば、圧電体基板２０とベース基板１０とが十分な結合力で結合した積層体１が製造される。

引き続き、積層体１を用いたＳＡＷデバイスの製造方法について説明する。図３を参照して、工程（Ｓ４０）に続いて、工程（Ｓ５０）として減厚工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１および図５を参照して、工程（Ｓ４０）において得られた積層体１の圧電体基板２０の厚みを小さくする加工が実施される。具体的には、たとえば圧電体基板２０の露出主面２１に対して研削処理が実施される。これにより、圧電体基板２０の厚みが、ＳＡＷデバイスに適した厚みにまで低減される。

次に、工程（Ｓ６０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図５～図７を参照して、圧電体基板２０の露出主面２１に櫛歯型の電極が形成される。図６は、図７の線分ＶＩ－ＶＩに沿う断面図である。具体的には、図６および図７を参照して、工程（Ｓ５０）において適切な厚みに調整された圧電体基板２０の露出主面２１上に、Ａｌなどの導電体からなる導電体膜が形成される。導電体膜の形成は、たとえばスパッタリングにより実施することができる。その後、導電体膜上にレジストが塗布されてレジスト膜が形成された後、露光および現像が実施されることにより、所望の入力側電極３０および出力側電極４０の形状に対応する領域以外の領域に開口が形成される。そして、開口が形成されたレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングを実施することにより、図６および図７に示すように入力側電極３０と出力側電極４０とからなる対が複数形成される。なお、図６および図７は、一対の入力側電極３０および出力側電極４０に対応する領域を表している。入力側電極３０および出力側電極４０における櫛歯型電極の電極間隔は、出力すべき信号の周波数に応じて適宜決定することができる。

次に、工程（Ｓ７０）としてチップ化工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、入力側電極３０と出力側電極４０とからなる対が複数形成された積層体１が厚さ方向に切断されることにより、１対の入力側電極３０および出力側電極４０を含む複数のチップに分離される。

その後、図７および図８を参照して、工程（Ｓ７０）において作製されたチップに対して入力側配線５１および出力側配線６１が形成されることにより、実施の形態１におけるＳＡＷデバイス１００（ＳＡＷフィルタ）が完成する。

図８を参照して、本実施の形態におけるＳＡＷデバイス１００は、ファンデルワールス力により結合されたベース基板１０と圧電体基板２０とを含む積層体１と、圧電体基板２０の露出主面２１上に接触するように形成された１対の櫛歯形状を有する電極である入力側電極３０および出力側電極４０と、入力側電極３０に接続された入力側配線５１と、出力側電極４０に接続された出力側配線６１とを備えている。

入力側電極３０は、第１部分３１と第２部分３２とを含む。第１部分３１は、直線状のベース部３１Ａと、ベース部３１Ａの延在方向に垂直な方向にベース部３１Ａから突出する直線状の複数の突出部３１Ｂとを含む。第２部分３２は、ベース部３１Ａと平行に延在する直線状のベース部３２Ａと、ベース部３２Ａの延在方向に垂直な方向にベース部３２Ａから突出し、隣り合う突出部３１Ｂの間に進入する直線状の複数の突出部３２Ｂとを含む。突出部３１Ｂと突出部３２Ｂとは、予め定められた一定の間隔をおいて配置される。

出力側電極４０は、第１部分４１と第２部分４２とを含む。第１部分４１は、直線状のベース部４１Ａと、ベース部４１Ａの延在方向に垂直な方向にベース部４１Ａから突出する直線状の複数の突出部４１Ｂとを含む。第２部分４２は、ベース部４１Ａと平行に延在する直線状のベース部４２Ａと、ベース部４２Ａの延在方向に垂直な方向にベース部４２Ａから突出し、隣り合う突出部４１Ｂの間に進入する直線状の複数の突出部４２Ｂとを含む。突出部４１Ｂと突出部４２Ｂとは、予め定められた一定の間隔をおいて配置される。

入力側配線５１から入力側電極３０に入力信号である交流電圧が印加されると、圧電効果により圧電体基板２０の露出主面２１（表面）に弾性表面波が生じ、出力側電極４０側に伝達される。このとき、入力側電極３０および出力側電極４０は図１に示すように櫛歯形状を有しており、突出部３１Ｂと突出部３２Ｂとの間隔、および突出部４１Ｂと突出部４２Ｂとの間隔は一定である。したがって、入力側電極３０から出力側電極４０に向かう方向において、圧電体基板２０の露出主面２１のうち電極が形成された領域は所定の周期（電極周期）で存在する。そのため、入力信号により発生した弾性表面波は、その波長が電極周期に一致する場合に最も強く励振され、電極周期とのずれが大きいほど減衰する。その結果、電極周期に近い波長の信号のみが出力側電極４０および出力側配線６１を介して出力される。

ここで、上記動作において、圧電体基板２０の温度が上昇する。本実施の形態のＳＡＷデバイス１００においては、圧電体基板２０に、放熱性の高い材料からなるベース基板１０が接触するように配置されている。そのため、ＳＡＷデバイス１００は高い信頼性を有している。さらに、本実施の形態のＳＡＷデバイス１００においては、圧電体基板２０とベース基板１０とが十分な結合力で結合している。そのため、ＳＡＷデバイス１００は高い信頼性を有するデバイスとなっている。

上記実施の形態の工程（Ｓ１０）～（Ｓ４０）を実施することにより積層体１を作製し、ベース基板１０（セラミック基板）と圧電体基板２０との結合強度を確認する実験を行った。具体的には、工程（Ｓ１０）において多結晶スピネルからなるベース基板１０と単結晶タンタル酸リチウムからなる圧電体基板２０とを準備し、（Ｓ２０）～（Ｓ４０）を実施することにより積層体１を作製した。積層体１は、工程（Ｓ３０）におけるＡｒビームの照射条件を変えて２種類作製した（サンプルＡおよびサンプルＢ）。

そして、サンプルＡおよびサンプルＢのそれぞれについて、ベース基板１０と圧電体基板２０との結合強度をクラックオープニング法により確認した。また、サンプルＡおよびサンプルＢのそれぞれについて、積層体１を基板の厚み方向に切断し、接合界面付近をＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察して支持主面アモルファス層１９および結合主面アモルファス層２９の厚みを測定した。支持主面アモルファス層１９および結合主面アモルファス層２９の厚みの測定は、サンプルＡおよびサンプルＢのそれぞれについて、５視野ずつ実施した。実験結果を表１および表２に示す。

表１および表２は、それぞれサンプルＡおよびサンプルＢについての実験結果である。表１および表２を参照して、サンプルＡおよびサンプルＢともに、支持主面アモルファス層１９の厚みは結合主面アモルファス層２９の厚みよりも小さくなっている。より具体的には、支持主面アモルファス層１９の厚みは、結合主面アモルファス層２９の厚みの１／２以下となっている。また、サンプルＡおよびサンプルＢともに、支持主面アモルファス層の厚みは０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下、結合主面アモルファス層の厚みは０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であった。そして、結合強度の調査の結果、サンプルＡおよびサンプルＢともに、十分な結合強度を有していることが確認された。一方、別途作製した支持主面アモルファス層１９の厚みが結合主面アモルファス層２９の厚みよりも大きいサンプルでは、十分な結合強度が得られなかった。以上の実験結果から、本願の積層体によれば、圧電体基板とセラミック基板（ベース基板）とが十分な結合力で結合した積層体を提供することができることが確認される。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 積層体、１０ ベース基板、１１ 支持主面
１９ 支持主面アモルファス層、２０ 圧電体基板
２１ 露出主面、２２ 結合主面、２９ 結合主面アモルファス層
３０ 入力側電極、３１ 第１部分、３１Ａ ベース部、３１Ｂ 突出部
３２ 第２部分、３２Ａ ベース部、３２Ｂ 突出部
４０ 出力側電極、４１ 第１部分、４１Ａ ベース部、４１Ｂ 突出部
４２ 第２部分、４２Ａ ベース部、４２Ｂ 突出部
５１ 入力側配線、６１ 出力側配線、１００ ＳＡＷデバイス

Claims (2)

1. 多結晶セラミックから構成され、支持主面を有するセラミック基板と、
   前記支持主面に対して結合主面においてファンデルワールス力により結合され、圧電体からなる圧電体基板と、を備え、
   前記セラミック基板は、前記支持主面を含むように形成される支持主面アモルファス層を含み、
   前記圧電体基板は、前記結合主面を含むように形成される結合主面アモルファス層を含み、
   前記支持主面アモルファス層の厚みは、前記結合主面アモルファス層の厚みよりも小さく、
   前記支持主面アモルファス層の厚みは０．３ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であり、
   前記結合主面アモルファス層の厚みは０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であり、
   前記セラミック基板は、多結晶スピネルから構成され、
   前記圧電体基板は、単結晶タンタル酸リチウムから構成される、積層体。
2. 請求項１に記載の積層体と、
   前記圧電体基板の前記セラミック基板とは反対側の主面上に形成される電極と、を備えるＳＡＷデバイス。

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