JPH09221392A - 複合圧電基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的、機械的に安定で、高精度加工の可能
な、圧電基板であるランガサイト基板とシリコン基板を
一体に集積化した複合圧電基板の構造とその製造方法を
提供することを目的とする。 【解決手段】 ランガサイト基板１およびシリコン基板
２の接合予定部を極めて清浄にし、さらに親水化処理
し、重ね合わせて熱処理することにより、前記ランガサ
イト基板１に前記シリコン基板２を、界面の水酸基の水
素結合または酸素の共有結合により接合するようにした
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ランガサイトを用
いた複合圧電基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リ
チウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウムなどを用いた圧
電振動子、表面弾性波素子などの圧電デバイスは、各種
発振器の発振子やフィルタとして、無線通信機器に広く
利用されている。これらの素子は機械的に振動するた
め、その固定をどう行うかがその性能と密接に関連して
いる。バネやねじで機械的に固定する方法は、簡便であ
るが、熱的変化や機械的振動に対して長期間安定なもの
を得ることが困難である。各種有機系接着剤を用いて固
定する方法も知られているが、これらの接着剤は、やは
り耐熱性が十分でなく半田リフローなどを行うと、振動
の周波数が変化することがあり、使用上も生産上でも好
ましくない。

【０００３】また、電気音響素子を用いた電子回路、例
えば圧電共振子を用いた発振器などの発振回路や、圧電
フィルタを共に用いた増幅回路では、発振を起こしたり
増幅するための電子素子であるトランジスタ、および希
望の周波数で発振させるための共振子や、希望の周波数
のみを取り出すためのフィルタと、若干のコンデンサや
抵抗などの電気部品より構成される。ここに用いられる
共振子やフィルタは、その振動周波数あるいは選択周波
数として所定の値を持ち、その性能が十分長期間安定で
あるように、金属管などの容器に気密封止されている。
そのため共振子やフィルタの形状寸法が共振子やフィル
タそのものの大きさの数倍にもなってしまい、携帯電話
など小型であることが極めて重要な装置においては、そ
の小型化が極めて重要な課題となっている。

【０００４】一方、Ｓｉなどの半導体基板上にスパッタ
リングなどの薄膜技術により、ＺｎＯやＡｌＮなどの圧
電体薄膜を形成し、この圧電薄膜で共振子などを形成し
て、Ｓｉ電子素子と電気音響素子を一体に集積化する例
が知られている。

【０００５】これらの問題点を解決する一つの方法とし
て、特開平４−２８３９５７号公報、特開平４−１６４
４５２号公報、 特開平６−１２０４１６号公報、特開
平６−１２５０３６号公報などに、圧電デバイスである
水晶、ほう酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウムをシリコン基板に直接接合する方法が知られて
いる。これらの構造は、熱的および機械的変化に対して
極めて安定であり、半導体基板に一体に形成できるとい
った優れた特徴を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】圧電基板を他の基板に
積層するのに、各種接着剤を用いて固定する方法がある
が、従来の接着剤を用いた接着方法では、接着界面の厚
み精度が十分でないとか、耐熱性、信頼性が十分でない
などの課題がある。

【０００７】また薄膜形成技術により、半導体基板など
の基板上に形成する方法では、形成できる膜がＺｎＯや
ＡｌＮなどの一部の材料に限られており、またその特性
はバルクの特性よりも劣るものであり、また水晶のよう
に優れた温度依存性を示すものは得られていない。また
結晶方位の任意のものが得られない。

【０００８】各種エピタキシャル成長法による複合圧電
基板を形成する方法では、基板の格子定数に合った膜し
か形成できないため、材料の組合せが限られている。ま
た形成できる膜の結晶方位についても、基板の結晶方位
に依存するため、好ましい結晶方位の膜を得ようとして
も制約があり自由に形成することはできない。また液相
エピタキシャル成長、化学気相エピタキシャル成長、分
子線エピタキシャル成長など各種のエピタキシャル成長
技術があるが、いずれを用いてもバルク単結晶の特性よ
りも優れたものは得にくい。

【０００９】また水晶とシリコン、あるいはニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウムと各種シ
リコン基板を直接接合する方法では、いずれの圧電基板
も、直接接合可能な温度および基板厚みに制約があり、
基板厚みの厚いものを直接接合しようとすると、熱処理
を高温でできないため、接合強度が弱い、あるいは製造
の歩留まりが悪いなどの難点がある。とくに温度特性に
優れた水晶は５７３℃で結晶相の相転移を起こすことな
どから、高温での熱処理ができない。そのため接合強度
の十分強いものが製造しにくいこと、また直接接合でき
る形状、寸法に大きな制約があるなどの課題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ランガサイト基板とシリコン基板が、界面の水酸基
の水素結合または酸素との共有結合により直接接合され
ているようにしたものである。

【００１１】またランガサイト基板およびシリコン基板
から成り、前記基板の少なくとも一方の基板表面に、無
機薄膜層を有し、前記基板同士が、前記無機薄膜層と他
方の基板との界面の水酸基の水素結合または酸素との共
有結合により直接接合されているようにしたものであ
る。

【００１２】また直接接合部の厚みが２０ｎｍ以下であ
るようにしたものである。無機薄膜層には、珪素または
珪素化合物を用いることができる。

【００１３】またランガサイト基板に少なくとも一対の
櫛形電極を有することにより、前記ランガサイト基板に
表面弾性波を励振させるようにしたものであってもよ
い。

【００１４】またランガサイト基板の両面に少なくとも
一対の対向電極を有することにより、前記ランガサイト
基板にバルク波を励振させるようにしたものであっても
よい。

【００１５】またシリコン基板にに電子素子または電子
回路を有するようにしたものであってもよい。

【００１６】またランガサイト基板およびシリコン基板
の、接合予定部表面を極めて清浄にし、さらに水酸基を
付着させ、重ね合わせて加熱することにより、前記ラン
ガサイト基板を前記シリコン基板に直接接合するように
したものである。

【００１７】またランガサイト基板およびシリコン基板
の、少なくとも一方の接合予定部表面に、無機薄膜層を
形成し、その表面ならびに他方の基板表面の接合予定部
を極めて清浄にし、さらに水酸基を付着させ、重ね合わ
せて加熱することにより、前記ランガサイト基板を前記
シリコン基板に、前記無機薄膜層を介して直接接合する
ようにしたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
る複合圧電基板について、図面を参照しながら説明す
る。

【００１９】（実施の形態１）本発明の複合圧電基板の
構造の実施の形態１における断面構造を図１（ａ）に示
す。図１（ａ）において、１は圧電基板であるランガサ
イト基板、２はシリコン基板で、この両者の基板は、界
面の水酸基による水素結合または酸素による共有結合に
より直接接合されている。単結晶ランガサイトは、化学
式としてLa3Ga5SiO14で表わされる。水晶と同じ結晶対
称性を有し、水晶と同様温度依存性がほぼ０になる結晶
方位が存在する。また、その電気機械結合係数などの特
性は水晶よりも良好な値が得られる。具体的には、バル
ク波に対して、２．２％という水晶の３−５倍の電気機
械結合係数が得られる。また、その結晶相転移温度は、
融点１４７０℃まで存在せず、水晶の５７３℃、また燐
酸ガリウムの９３３℃よりもはるかに高い。

【００２０】このような実施の形態１における他の構成
を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）において、１、２は図
１（ａ）と同じである。３は、ランガサイト基板１とシ
リコン基板２の間に形成された無機薄膜層で、たとえば
酸化珪素や窒化珪素などの珪素化合物ないしは珪素層で
ある。無機薄膜層３は、ランガサイト基板１またはシリ
コン基板２に、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成
長法（ＣＶＤ）などにより形成、付着されている。ラン
ガサイト基板１とシリコン基板２とは、無機薄膜層３と
シリコン基板２との界面またはランガサイトとの界面
で、図１（ａ）の場合と同様、直接接合により接合され
ている。

【００２１】無機薄膜層を界面に介在させることによ
り、この内部に電極を埋め込むことができるなど応用範
囲が広がるものである。具体的には、基板の一方の表面
に電極配線を形成し、その上からスパッタリングなどの
薄膜形成技術で、酸化珪素や窒化珪素などの高抵抗無機
薄膜層を、電極配線厚みよりも十分厚く堆積し、研磨な
どによって電極配線部の段差を平坦化したのち直接接合
することができる。

【００２２】また無機薄膜層が珪素を含有する場合、直
接接合において、酸素が関与した共有結合を形成しやす
く、接合強度が上がる、より低い熱処理温度で直接接合
が可能であるなどの効果がある。

【００２３】ここで本発明で述べる直接接合について説
明する。基板表面を極めて清浄にし、表面を親水化処理
して純水に浸すと、基板表面には多数の水酸基が吸着さ
れる。この様子を図２（ａ）に示す。図では非常に代表
的な場合を模式的に表わしたものである。水酸基は酸素
と水素からなる。この状態で基板同士を重ね合わせる
と、水酸基をを介して、主として水素結合により、基板
同士の初期の接合が行われる。この様子を図２（ｂ）に
示す。これも代表例を模式的に表わしたものである。

【００２４】この状態で加熱していくと、次第に接合界
面から水分子の離脱または水素の離脱がおこり、接合は
強化される。この接合強化は水酸基による水素結合から
酸素を中心とする共有結合の割合が増すことにより行わ
れる。この状態は熱処理温度として、２００−５００℃
に多く見られる。

【００２５】さらに温度を上げていくと、水素がさらに
離脱し、酸素を介しての結合が主となる。この様子を図
２（ｃ）に示す。この結合は共有結合的なものとなり接
合強度はさらに強化される。界面に珪素がある場合は、
珪素も共有結合強化を促進する。

【００２６】図２は、いずれの図においても代表的な場
合を模式的に表わしたものであり、詳細は、基板の構成
元素や表面状態の影響を受ける。

【００２７】接合強度は２００℃、１時間程度の熱処理
でも、容易に数１０Ｋｇ／cm²の接合強度の値が得ら
れ、十分実用に耐えるものである。

【００２８】接合界面は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観
察によれば、原子オーダーで接合されており、その直接
接合部の厚みは、通常１０ｎｍ以下で、２０ｎｍ以下に
抑えることは容易である。

【００２９】有機物他の接着剤を用いて接着した場合
と、本実施例で説明した直接接合の違いと効果について
述べる。まず接着剤を用いて接着した場合は、必ず接着
界面に接着剤の層が残る。これは通常数μｍから数１０
μｍになる。本実施例では水酸基数分子層の厚みで接合
が可能となっている。そのため接合後の基板の上下面の
平行度は極めて良好なものとなる。接着剤を用いた場合
は、接着剤の厚みを原子オーダーで制御することは実質
的に不可能である。

【００３０】このことから本実施例で述べた複合圧電基
板の場合、複合圧電基板表面の微細加工が可能になる。
例えば表面弾性波デバイスを作る場合、ランガサイト基
板表面に微細な櫛形電極を形成する必要がある。櫛形電
極の幅はサブミクロンの精度が要求される。櫛形電極の
形成は電極を真空蒸着などにより形成し、ホトリソグラ
フィーを用いてマスクを形成し、エッチング加工により
形成するのが通常の方法である。サブミクロンのホトリ
ソグラフィーを行う場合、基板の上下面の平行度が十分
でないと露光の精度が十分とれず、良好な加工が得られ
ない。

【００３１】また湿式エッチングやドライエッチングな
どの微細加工においては、エッチング剤としての酸や各
種ガスにさらされたり、高温にさらされる場合があり、
各種接着剤を用いた場合には、その化学的および熱的安
定性が重要な問題であるが、本実施例の場合には、そう
いった問題がなく、高精度微細加工が可能となる。

【００３２】接着剤、とくに有機系のものは、高温まで
安定な状態で保つことが困難である。製造の途中で行わ
れる半田付け、半田リフロー（２３０℃程度）などの加
熱工程で特性が変化したり、またガスが発生して、基板
表面の特性を利用する表面弾性波デバイスなどには悪影
響を与える。本実施例では接合のための熱処理温以下で
はきわめて強固で安定である。また界面には酸素、水素
しかないため、デバイス化した時に悪影響を与えるよう
なガスの発生がない。

【００３３】また本実施例の直接接合では、エピタキシ
ャル成長のようにシリコン基板とランガサイト基板の格
子定数のあった角度を選ぶ必要がないので、材料組合せ
の自由度がきわめて大きくなる。

【００３４】接合界面が原子レベルで接合されているこ
と、および水素、酸素、基板構成元素以外の特別な元素
を介在させないことから、以下このような方法で行われ
た接合を、直接接合と呼ぶことにする。

【００３５】このような直接接合の例として、水晶、ニ
オブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウ
ム、などと、半導体基板やガラス基板などの基板に直接
接合する方法が知られている。しかしランガサイト基板
を用いることにより、従来のこれらの基板では直接接合
が困難であった条件での直接接合が可能となる。

【００３６】図３は、水晶、燐酸ガリウムとＳｉ基板と
の直接接合可能な条件を、ランガサイト基板の場合と比
較したものである。

【００３７】直接接合は、シリコン基板の厚みを一定と
した時、圧電基板の厚みが厚いほど、また熱処理温度が
高いほど、界面での熱応力が生じ、直接接合が困難とな
る。図３でわかるように、水晶とＳｉの直接接合の場
合、例えば、水晶の厚みが５０μｍの場合では、約３０
０℃以下での熱処理しかできない。一方、ランガサイト
の場合には、厚み５０μｍの場合、珪素の融点１４１０
℃近傍の温度約１４００℃まで熱処理が可能となる。処
理できる温度が高いほど、接合強度が強固で安定となる
ことから、信頼性の面で好ましい。

【００３８】また製造上からみた場合、製造において容
易にハンドリングできる基板厚みは、直径２インチのウ
ェーハで考えた場合、５０μｍ以上であり、そのため接
合可能な基板厚みは、少なくとも５０μｍ以上が好まし
い。この点からみてもランガサイトは好ましい。

【００３９】またバルク波振動子の場合、圧電基板の厚
みは、共振周波数に反比例するので、取り扱える基板厚
みの範囲が広いほど、製造可能な周波数範囲が広がる。
この観点からもランガサイトは好ましい。

【００４０】この状況は、その他の圧電基板、例えば、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウ
ムと比較しても同様である。この状況を図４に示す。図
４は、シリコン基板にニオブ酸リチウム、タンタル酸リ
チウム、ほう酸リチウムを接合した場合の接合可能な範
囲をランガサイトの場合と比較して示したものである。

【００４１】この場合もやはり、ランガサイトの場合の
方が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸
リチウムよりも、より高温で直接接合可能、または同一
温度であれば、より厚い基板まで直接接合可能であり、
やはり、好ましい結果が得られている。

【００４２】これらのことは、ランガサイト基板の結晶
相の相変化の温度が１４７０℃であり、水晶の相変化温
度５７３℃やタンタル酸リチウムのキューリー温度６０
７℃、また燐酸ガリウムの相変化温度９３３℃に比べて
はるかに高いことにより得られる効果である。

【００４３】また、直接接合という手法において、特に
ランガサイト基板が、シリコン基板との接合で非常に高
温まで、あるいは厚みの厚い場合まで可能であること
を、実験的に調べることにより得られた効果である。

【００４４】図１（ｂ）の構成においても、真空蒸着、
スパッタリング、化学気相成長法などにより無機薄膜層
を形成することにより、その膜厚を精度よく制御するこ
とが可能なので、ホトリソグラフィーにおいて、基板上
下両面の平行度が重要な表面弾性波デバイスについて
も、適用することができる。

【００４５】（実施の形態２）実施の形態１で述べた構
造の複合圧電基板は、種々の用途に用いられる。

【００４６】実施の形態１で述べた構造を用いた応用デ
バイスの第１の例を、実施の形態２として図５（ａ）、
（ｂ）に示す。

【００４７】図５は、ランガサイト基板に表面弾性波デ
バイスを形成したものである。図５において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、４、４’はランガサイト基板表面に形成した櫛形
電極である。ここでは２組の櫛形電極構成を示したが、
これは代表的構成を示したものであり、通常表面弾性波
を用いたデバイスに用いられる電極構成は、同様に構成
可能である。

【００４８】図５（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種櫛形電極の構成が可能である。
さらにこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込む
ことができ、電極構成の自由度がさらに増すものであ
る。

【００４９】（実施の形態３）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第２の例を、実施の形態３とし
て、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６は、ランガサイト
基板にバルク波デバイスを形成したものである。図６に
おいて、１、２は実施の形態１と同様、ランガサイト基
板およびシリコン基板、５はシリコン基板の一部をエッ
チングなどにより除去した空洞部、６、６’はランガサ
イト基板に対向して形成した一対のバルク波励振用電極
である。ここでは１組の対向電極構成を示したが、これ
は代表的構成を示したものであり、通常バルク波を用い
たデバイスに用いられる電極構成は、同様に構成可能で
ある。

【００５０】このような構成をとることにより、バルク
波デバイスの特性を熱的、機械的に安定に保ちながら保
持することが可能となる。例えば、シリコン基板の場
合、単結晶の異方性エッチングを利用して、空洞部の微
細加工を高精度に加工することができる。

【００５１】また本実施の形態３においては、直接接合
部の厚みが２０ｎｍ以下であることから、直接接合後の
ランガサイト基板を、研磨などの機械的加工により、高
精度で薄板化することが可能となる。バルク波デバイス
の共振周波数は、一般に圧電基板の厚みに反比例するた
め、高周波化するためには、薄板化加工が必要である。
５００ＭＨｚ以上で動作させる場合３−５μｍ以下に薄
板化することが必要である。通常の接着剤を用いてシリ
コン基板に接合した場合、接着剤の厚みがμｍオーダー
であることから、通常の接着剤を用いて、３−５μｍ以
下の薄板に高精度（面内が均一）で加工することはでき
ない。この場合の精度は、大体３−５μｍ＋−１μｍ程
度である。しかし本実施例の直接接合を用いた場合、３
−５μｍ＋−２０ｎｍ程度の精度で薄板化が可能であ
る。

【００５２】図６（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種電極の構成が可能である。さら
にこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込むこと
ができ、さらに電極構成の自由度が増すものである。

【００５３】（実施の形態４）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第３の例を実施の形態４として、
図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７は、ランガサイト基板
とシリコン基板を直接接合した複合基板に、バルク波デ
バイスを形成したものである。図７において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、６、６’はランガサイト基板とシリコン基板の直
接接合界面に対向する面に、対向して形成した一対のバ
ルク波励振用電極である。ここでは１組の対向電極構成
を示したが、これは代表的構成を示したものであり、通
常バルク波を用いたデバイスに用いられる電極構成は、
同様に構成可能である。

【００５４】図７（ｂ）は、ランガサイト基板とシリコ
ン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合の構成で
ある。この場合にも各種電極の構成が可能である。さら
にこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め込むこと
ができ、さらに電極構成の自由度が増すものである。

【００５５】（実施の形態５）本実施の形態１の構造を
用いた応用デバイスの第４の例を実施の形態５として、
図８（ａ）、（ｂ）に、実施の形態５の他の例を図９
（ａ）、（ｂ）に示す。

【００５６】図８（ａ）、（ｂ）は、ランガサイト基板
を、トランジスタなどの電子素子または、それらからな
る電子回路を有する半導体基板に直接接合し、ランガサ
イト基板に圧電デバイスを形成し、電子素子あるいは電
子回路と接続したものである。図８において、１、２は
実施の形態１と同様、ランガサイト基板およびシリコン
基板、４は、表面弾性波を励振する場合の櫛形電極（図
では櫛形電極形状は省略して表示している）、６’はバ
ルク波を励振する場合の、対向電極（この場合、上下両
面に対向して設けられているが、図では上面の電極のみ
を表示している）、５はバルク波を励振する場合の空洞
部、７は半導体シリコン基板２の上に形成されたトラン
ジスタなどの電子素子ないしはそれらからなる電子回路
部、８、８’は、圧電デバイスの電極と、電子素子また
は電子回路を接続する配線部である。電子素子として
は、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、インダクタなど
であり、電子回路の場合、表面弾性波ないしはバルク波
を用いた発振回路、フィルタを有する増幅回路、各種セ
ンサ回路などが構成可能である。

【００５７】ここでは代表的構成を示したものであり、
圧電デバイスと電子回路からなる構成であれば、種々の
ものが構成可能である。

【００５８】このような構成をとることにより、圧電デ
バイスと半導体デバイスを一体に集積化でき、大幅な小
型化が可能となる。またランガサイト基板と半導体シリ
コン基板との接合を直接接合で行っていることから、熱
的、機械的に極めて信頼性の高いものが得られる。また
このままパッケージに気密封止した場合、接合部からの
ガスの発生などがないことから安定であり、また半田リ
フローなどの製造上の一次的加熱に対しても、直接接合
熱処理温度を、半田リフロー温度よりも高温で行ってお
けば極めて安定な特性が得られる。

【００５９】図９（ａ）、（ｂ）は、ランガサイト基板
とシリコン基板の間に、無機薄膜層３を介在させた場合
の構成である。この場合にも各種電極の構成が可能であ
る。さらにこの場合には、無機薄膜層の中に電極を埋め
込むことができ、さらに電極構成の自由度が増すもので
ある。

【００６０】（実施の形態６）実施の形態１の図１
（ａ）に示す構造の複合圧電基板の製造方法の例を説明
する。

【００６１】シリコン基板及びランガサイト基板表面を
研磨により平坦化し、さらに表面が鏡面状態になるまで
研磨する。次に接合予定部表面を、洗剤、各種溶剤によ
り極めて清浄にする。その後、それぞれの表面を親水化
処理する。例えば紫外線照射でもよい。その後その表面
を純水で十分洗浄するとともに、表面に水酸基を付着さ
せる。その後、両基板を一様に重ね合わせることによ
り、容易に接合が得られる。この状態で熱処理を行うこ
とにより接合強度が強化される。１００℃から１４００
℃の温度で熱処理を行うと、その接合は更に強化され
る。

【００６２】接合強化の熱処理効果は、例えば、２００
℃で、１時間程度保持するだけでも接合強度は数倍に上
がり、数１０Ｋｇ／平方ｃｍの強度が得られる。

【００６３】また熱処理温度は、シリコン基板とランガ
サイト基板が変質する温度以下であることが必要であ
る。

【００６４】直接接合に用いる基板は、基板表面の凹凸
が、直接接合の歩留まりに影響を与えるため、平坦で清
浄な表面の得易い単結晶基板が好ましい。

【００６５】本製造方法で得られた接合界面は、接着剤
を用いずに原子オーダーの接合が得られるため、熱的変
化や機械的振動にたいして安定な複合圧電基板が得られ
る。

【００６６】（実施の形態７）実施の形態１の図１
（ｂ）に示す構造の複合圧電基板の製造方法の例を説明
する。

【００６７】シリコン基板及びランガサイト基板表面を
研磨により平坦化し、さらに表面が鏡面状態になるまで
研磨する。次に接合予定部表面を、洗剤、各種溶剤によ
り極めて清浄にする。次に接合する基板の少なくとも一
方の面に、無機薄膜層を、スパッタリング、真空蒸着、
化学気相成長法などにより形成する。無機薄膜層として
は珪素もしくは珪素化合物が好ましく、珪素は多結晶で
も非晶質でもよい。珪素化合物としては、酸化珪素、窒
化珪素などが好ましい。形成した無機薄膜層表面をきわ
めて清浄にした後、それぞれの接合予定部表面を紫外線
照射などにより、親水化処理する。その後、その表面を
純水で十分洗浄して表面に水酸基を付着させる。その
後、両基板を一様に重ね合わせることにより、実施の形
態６と同様、容易に接合が得られる。この状態で熱処理
を行うことにより接合強度が強化される。１００℃から
１４００℃の温度で熱処理を行うと、その接合は更に強
化される。熱処理の効果は実施の形態６とほぼ同様であ
り、２００℃で、１時間程度保持するだけでも接合強度
は数倍に上がり、数１０Ｋｇ／平方ｃｍの強度が得られ
る。

【００６８】また熱処理温度は、シリコン基板とランガ
サイト基板と無機薄膜層が変質する温度以下であること
が必要である。

【００６９】無機薄膜層については、ランガサイト基板
側につけた例について説明したが、シリコン基板側につ
けても同様にして直接接合できる。また両基板の表面に
無機絶縁層を形成してもやはり同様にして直接接合でき
る。得られた複合圧電基板の機能、性能としては、いず
れの場合もほぼ同様のものが得られる。

【００７０】また直接接合は、高温の熱処理では、共有
結合が支配的となるため、無機絶縁層に珪素を含むもの
が、共有結合を形成しやすく、接合強度の高いものを得
易い。

【００７１】また実施例６の製造方法に比べて、無機薄
膜層が直接接合時のバッファーの役目を果たすため、ラ
ンガサイト基板とシリコン基板の熱膨張率の差が少し緩
和される効果がある。そのため接合熱処理をより高温で
行うことができ、接合強度の高いものが得られる。また
接合界面に多少のゴミがあっても、熱処理により直接接
合が強化される過程で、無機薄膜層に取り込まれるた
め、製造上歩留まりが上がるという効果がある。

【００７２】本製造方法で得られた接合界面は、実施の
形態６と同様、接着剤を用いずに原子オーダーの接合が
得られるため、熱的変化や機械的振動に対して安定な複
合圧電基板が得られる。

【００７３】本実施の形態では、親水化の一例を示した
が、この方法に限定されるものではない。他の親水化処
理や、水酸基を表面に付着させる方法を用いてもよい。

【００７４】

【発明の効果】本発明では、有機物などの接着剤を用い
ずに、２０ｎｍ以下の接合部の厚みで、複合圧電基板を
形成することができることから、基板上下の平行度が良
く、基板表面の高精度微細加工が可能であり、具体的に
は、３μｍ＋−２０ｎｍで膜厚を制御することができ
る。

【００７５】また熱的、機械的に安定であり、具体的に
は５７３℃以上の熱処理が容易なので、５７３℃以下の
温度に対して、極めて安定な圧電デバイスが容易に得ら
れる。

【００７６】また９３３℃以上の熱処理も容易なので、
９３３℃以下の温度に対して、極めて安定な圧電デバイ
スが容易に得られる。

【００７７】またシリコン基板とランガサイト基板の、
結晶方位組合せの自由度が大きいことから、材料選択の
自由度が大幅に増すものである。また半導体基板と複合
化したことから、半導体基板に各種電子素子、電子回路
を形成することにより、圧電デバイスと半導体デバイス
を集積化したデバイスが得られる。

【００７８】また水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウム、ほう酸リチウム、燐酸ガリウムなどの圧電基
板を用いた場合の直接接合に比べて、より高温で熱処理
可能であり、またより厚い基板での直接接合が可能であ
る。さらに具体的には、５０μｍ以上の基板厚みで、３
００℃以上で、また５７３℃以上でも、また９３３℃以
上でも、１４００℃までは直接接合時の熱処理温度が可
能となる。これにより直接接合部の接合強度が強化さ
れ、より熱的、機械的に安定なものが得られる。

【００７９】また５０μｍ以上の基板厚みで直接接合可
能であることから、２−３インチでのウエーハ処理が可
能となり、量産に適している。また直接接合歩留まりが
大幅に向上する。具体的には、圧電基板の厚みが５０μ
ｍ、熱処理温度３５０℃の場合、水晶−Ｓｉ直接接合で
は、歩留まり５％以下であるのに対して、ランガサイト
ーＳｉの場合は、９５％以上である。

【００８０】これにより、表面弾性波デバイス、バルク
波デバイス、圧電ー半導体集積化デバイスなどの各種応
用デバイスの設計自由度が大幅に増すなどの効果が得ら
れるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における構造図

【図２】本発明の実施の形態１における原理の説明図

【図３】本発明の実施の形態における、ランガサイト基
板をシリコン基板へ直接接合できる基板の厚みと熱処理
温度の関係を、水晶、燐酸ガリウムの場合と比較して示
す図

【図４】本発明の実施の形態における、ランガサイト基
板をシリコン基板へ直接接合できる基板厚みと熱処理温
度の関係を、他の圧電基板と比較して示す図

【図５】本発明の実施の形態２における構造図

【図６】本発明の実施の形態３における構造図

【図７】本発明の実施の形態４における構造図

【図８】本発明の実施の形態５における構造図

【図９】同実施の形態５において無機薄膜層を介在させ
た場合の構造図

【符号の説明】

１ ランガサイト基板 ２ シリコン基板 ３ 無機薄膜層 ４ 櫛形電極 ５ 空洞部 ６ 電極 ７ 電子素子または電子回路部 ８ 配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｈ 3/08 7259−5Ｊ Ｈ０３Ｈ 9/25 Ｃ 9/17 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ 9/25 41/22 Ｚ (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ランガサイト基板とシリコン基板が、界面
   の水酸基の水素結合または酸素との共有結合により直接
   接合されていることを特徴とする複合圧電基板。
2. 【請求項２】ランガサイト基板およびシリコン基板から
   成り、前記基板の少なくとも一方の基板表面に、無機薄
   膜層を有し、前記基板同士が、前記無機薄膜層と他方の
   基板との界面の水酸基の水素結合または酸素との共有結
   合により直接接合されていることを特徴とする複合圧電
   基板。
3. 【請求項３】直接接合部の厚みが２０ｎｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の複合圧電基板。
4. 【請求項４】無機薄膜層が珪素または珪素化合物である
   ことを特徴とする請求項２記載の複合圧電基板。
5. 【請求項５】ランガサイト基板に少なくとも一対の櫛形
   電極を有することにより、前記ランガサイト基板に表面
   弾性波を励振させるようにしたことを特徴とする請求項
   １または２記載の複合圧電基板。
6. 【請求項６】ランガサイト基板の両面に少なくとも一対
   の対向電極を有することにより、前記ランガサイト基板
   にバルク波を励振させるようにしたことを特徴とする請
   求項１または２記載の複合圧電基板。
7. 【請求項７】シリコン基板に電子素子または電子回路を
   有することを特徴とする請求項１または２記載の複合圧
   電基板。
8. 【請求項８】ランガサイト基板およびシリコン基板の、
   接合予定部表面を極めて清浄にし、さらに水酸基を付着
   させ、重ね合わせて加熱することにより、前記ランガサ
   イト基板を前記シリコン基板に直接接合することを特徴
   とする複合圧電基板の製造方法。
9. 【請求項９】ランガサイト基板およびシリコン基板の、
   少なくとも一方の接合予定部表面に、無機薄膜層を形成
   し、その表面ならびに他方の基板表面の接合予定部を極
   めて清浄にし、さらに水酸基を付着させ、重ね合わせて
   加熱することにより、前記ランガサイト基板を前記シリ
   コン基板に、前記無機薄膜層を介して直接接合すること
   を特徴とする複合圧電基板の製造方法。
10. 【請求項１０】無機薄膜層が、珪素または珪素化合物で
    あることを特徴とする請求項９記載の複合圧電基板の製
    造方法。