接合体和弹性波元件的制作方法

本发明涉及压电性单晶基板与支撑基板的接合体、以及利用该接合体的弹性波元件。

背景技术：

已知移动电话等中所使用的能够作为滤波元件、振荡器发挥功能的弹性表面波器件、使用了压电薄膜的兰姆波元件、薄膜谐振器(fbar：filmbulkacousticresonator)等弹性波器件。作为这样的弹性波器件，已知将支撑基板与传播弹性表面波的压电基板贴合、在压电基板的表面设置了可激发弹性表面波的梳形电极的弹性波器件。通过像这样地将热膨胀系数比压电基板小的支撑基板粘贴于压电基板，抑制温度变化时压电基板的大小变化，抑制作为弹性表面波器件的频率特性的变化。

在专利文献1中提出了具备用包含环氧粘接剂的粘接层将压电性单晶基板与硅基板贴合而成的结构的弹性表面波器件。

在将压电基板与硅基板接合时，已知在压电基板表面形成氧化硅膜，经由氧化硅膜将压电基板与硅基板直接接合。该接合时，对氧化硅膜表面和硅基板表面照射等离子束，使表面活化，进行直接接合(专利文献2)。

另外，已知所谓的fab(快原子束，fastatombeam)方式的直接接合法。在该方法中，在常温下对各接合面照射中性化原子束来进行活化，实施直接接合(专利文献3)。

记载了将压电性单晶基板经由中间层直接接合于由陶瓷(氧化铝、氮化铝、氮化硅)形成的支撑基板，而不是直接接合于硅基板(专利文献4)。该中间层的材质为硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝。

另外，还记载了在将压电基板与支撑基板用有机粘接层粘接时，通过使支撑基板对压电基板的粘接面的rt(粗糙度曲线的最大截面高度)为5nm以上50nm以下，从而获得应力缓和所产生的防开裂效果(专利文献5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-187373

专利文献2：美国专利第7213314b2

专利文献3：日本特开2014-086400

专利文献4：日本专利第3774782

专利文献5：实用新型注册第3184763

技术实现要素：

但是，根据接合体的用途，希望通过提高接合层处的电阻来提高绝缘性。例如，在弹性波元件的情况下，通过提高接合层的绝缘性，能够减少噪声、损失。但是，利用高电阻的接合层很难以高强度将支撑基板接合于压电性单晶基板，在后面的加工工序中在压电性单晶基板与支撑基板之间容易发生剥离，并且存在弹性波元件的q值下降的倾向。

本发明的课题在于：对于包括由多晶陶瓷材料或单晶材料形成的支撑基板、压电性单晶基板、和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层的接合体，提高支撑基板与压电性单晶基板的接合强度、并且提高q值。

本发明的接合体的特征在于，具备：

支撑基板，所述支撑基板由多晶陶瓷材料或单晶材料形成；

压电性单晶基板；以及

接合层，所述接合层设置在所述支撑基板与所述压电性单晶基板之间，

所述接合层具有si(1-x)ox的组成(x为氧比率)，所述接合层的厚度方向的中央部处的所述氧比率x高于：所述接合层的所述压电性单晶基板侧的端部处的氧比率x以及所述接合层的所述支撑基板侧的端部处的所述氧比率x，所述接合层的厚度方向的中央部处的所述氧比率x为0.013以上0.666以下。

另外，本发明涉及的弹性波元件的特征在于，具备：

所述接合体；以及

电极，所述电极设置在所述压电性单晶基板上。

发明效果

根据本发明，对于包括：由多晶陶瓷材料或单晶材料形成的支撑基板、压电性单晶基板和在支撑基板与压电性单晶基板之间设置的接合层的接合体，能够提高接合层处的绝缘性，并且提高支撑基板与压电性单晶基板的接合强度。由此，能够提供接合强度高且损失低(q值高)的弹性波元件。

附图说明

图1中，(a)示出在压电性单晶基板4上设置有接合层2的状态，(b)示出利用中性束c将接合层2a的表面2b活化的状态，(c)示出利用中性束d将支撑基板1的表面1a活化的状态。

图2中，(a)示出将支撑基板1直接接合于接合层2a的状态，(b)示出通过加工使压电性单晶基板4a变薄的状态，(c)示出在压电性单晶基板4a上设置有电极6的状态。

图3是示出接合层2a中的氧比率的概念图。

图4中，(a)示出在支撑基板1上设置有接合层12的状态，(b)示出利用中性束c将接合层12a的表面12b活化的状态，(c)示出利用中性束d将压电性单晶基板4的表面4a活化的状态。

图5中，(a)示出将压电性单晶基板4直接接合于接合层12a的状态，(b)示出通过加工使压电性单晶基板4a变薄的状态，(c)示出在压电性单晶基板4a上设置有电极6的状态。

图6是示出接合层12a中的氧比率的概念图。

具体实施方式

以下，适当地参照附图对本发明进行详细说明。

图1、图2涉及在压电性单晶基板4上设置接合层2、并将其直接接合于支撑基板1的表面1a的实施方式。

如图1中的(a)所示，在压电性单晶基板4的表面4a设置接合层2。4b为相反侧的表面。此刻，在接合层2的表面2a可以具有凹凸。

接着，在优选的实施方式中，通过对接合层2的表面2a进行平坦化加工，从而如图1中的(b)所示，在接合层2形成平坦面2b。通过该平坦化加工，通常接合层2的厚度变小，成为更薄的接合层2a(参照图1中的(b))。但是，并非必须进行平坦化加工。接着，如箭头c那样对接合层2a的表面2b照射中性束，使接合层2a的表面2b活化而成为活化面。

另一方面，如图1中的(c)所示，通过如箭头d那样对支撑基板1的表面1a照射中性束而使其活化。然后，如图2中的(a)所示，通过将支撑基板1的被活化的表面1a和接合层2a的被活化的表面2b直接接合，从而得到接合体5。

在优选的实施方式中，对接合体5的压电性单晶基板4的表面4b进一步进行研磨加工，如图2中的(b)所示，使压电性单晶基板4a的厚度变小，得到接合体5a。4c为研磨面。

在图2中的(c)中，通过在压电性单晶基板4a的研磨面4c上形成规定的电极6，从而制作弹性波元件7。

在本发明中，接合层2a具有si(1-x)ox(x为氧比率)的组成。并且，如图3所示，接合层2a的厚度方向的中央部的氧比率xo高于：接合层2a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部(界面b附近)处的氧比率xb以及接合层2a的支撑基板1侧的端部(界面a附近)的氧比率xa。而且，使接合层2a的厚度方向的中央部处的氧比率xo为0.013以上0.666以下。由此，能够提供接合强度高且q值高的弹性波元件7。

在本发明中，接合层2a中的氧比率x的最大值为0.013以上0.666以下。由此，能够显著改善q值，并且能够提高压电性单晶基板4(4a)对支撑基板1的接合强度。从这样的观点出发，优选使接合层2a中的氧比率x的最大值为0.05以上。

在图4～图6的实施方式中，在支撑基板1上形成接合层12a，将接合层12a与压电性单晶基板4接合。

即，如图4中的(a)所示，在支撑基板1的表面1a上设置接合层12。此刻，接合层12的表面12a可以具有凹凸。

接着，在优选的实施方式中，通过对接合层12的表面12a进行平坦化加工，如图4中的(b)所示，在接合层12a形成平坦面12b。通过该平坦化加工，通常接合层12的厚度变小，成为更薄的接合层12a(参照图4中的(b))。但是，并非必须进行平坦化加工。接着，如箭头c那样对接合层12a的表面12b照射中性束，使接合层12a的表面活化而成为活化面。

另一方面，如图4中的(c)所示，通过对压电性单晶基板4的表面照射中性束d而使其活化，成为活化面4a。然后，如图5中的(a)所示，将接合层12a的被活化的表面12b与压电性单晶基板4的表面4a直接接合，由此得到接合体15(参照图5中的(a))。然后，如图5中的(b)及图5中的(c)所示，对接合体15的压电性单晶基板4的表面4b进一步进行研磨加工而得到接合体15a，在压电性单晶基板4a的研磨面4c上形成规定的电极6，由此制作弹性波元件17。

在本实施方式中，如图6的示意图所示，接合层12a的厚度方向的中央部的氧比率xo高于：接合层12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部处的氧比率xb以及接合层12a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa。而且，使接合层12a的厚度方向的中央部处的氧比率xo为0.013以上0.666以下。由此，能够提供接合强度高且q值高的弹性波元件17。

在优选的实施方式中，支撑基板1与接合层2a的界面a是直接接合的界面。图1～3为该实施方式。而且，在本实施方式中，接合层2a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa为0.001以上0.408以下。由此，能够进一步提高接合强度，并且，q值也保持得较高。从该观点出发，进一步优选使接合层2a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa为0.005以上，另外，进一步优选设为0.3以下。

另外，在优选的实施方式中，压电性单晶基板4(4a)和接合层12a的界面b是直接接合的界面。图4～6为该实施方式。而且，在本实施方式中，接合层12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部(界面b的附近)处的氧比率xb为0.001以上0.408以下。由此，能够进一步提高接合强度，并且，q值也保持得较高。从该观点出发，进一步优选使接合层12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部处的氧比率xb为0.005以上，另外，进一步优选设为0.3以下。

进一步，在优选的实施方式中，接合层2a、12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部处的氧比率xb、接合层2a、12a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa均为0.001以上0.408以下。由此，能够进一步提高接合强度，并且，q值也保持得较高。从该观点出发，进一步优选使接合层2a、12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部处的氧比率xb、接合层2a、12a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa均为0.005以上，另外，进一步优选设为0.3以下。

需要说明的是，接合层2a、12a的压电性单晶基板4(4a)侧的端部处的氧比率xb、接合层2a、12a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa、以及接合层2a、12a的厚度方向的中央部处的氧比率xo如实施例记载那样进行测定。

以下，进一步对本发明的各构成要素进行说明。

在本发明中，支撑基板1由多晶陶瓷材料或单晶材料形成。作为构成支撑基板1的单晶材料，优选硅和蓝宝石。另外，作为多晶陶瓷材料，优选选自由多铝红柱石、堇青石、透光性氧化铝和硅铝氧氮陶瓷构成的组中的材质。

对于压电性单晶基板4、4a的材质而言，具体而言，能够例示钽酸锂(lt)单晶、铌酸锂(ln)单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶、水晶、硼酸锂。其中，更优选为lt或ln。lt、ln由于弹性表面波的传播速度快，机电耦合系数大，因此适合用作高频率且宽带频率用的弹性表面波器件。另外，对压电性单晶基板4、4a的主面的法线方向并无特别限定，例如，在压电性单晶基板4、4a包含lt时，使用以弹性表面波的传播方向即x轴为中心、从y轴向z轴旋转了36～47°(例如42°)的方向的压电性单晶基板由于传播损失小，因此优选。在压电性单晶基板4包含ln时，使用以弹性表面波的传播方向即x轴为中心、从y轴向z轴旋转了60～68°(例如64°)的方向的压电性单晶基板由于传播损失小，因此优选。进而，对压电性单晶基板4、4a的大小并无特别限定，例如为直径50～150mm、厚度0.2～60μm。

接合层2、2a、12、12a的电阻率优选为4.8×10³ω·cm以上，进一步优选为5.8×10³ω·cm以上，特别优选为6.2×10³ω·cm以上。另一方面，接合层2、2a、12、12a的电阻率一般为1.0×10⁸ω·cm以下。

接合层2、2a、12、12a的厚度t没有特别限定，从制造成本的观点出发，优选为0.01～10μm，更优选为0.05～0.5μm。

对接合层2、2a、12、12a的成膜方法并无限定，能够例示溅射(sputtering)法、化学气相沉积法(cvd)、蒸镀。在此，特别优选的是，在以si为溅射靶进行反应性溅射时，可通过调整流入腔室内的氧气量来控制接合层2、2a、12、12a的氧比率(x)。即，在将一个接合层2、2a、12、12a成膜的期间，可通过增加氧气量来使氧比率x增加，可通过减少氧气量来使氧比率x下降。

接合层2、2a、12、12a的具体的制造条件取决于腔室规格，因此适当地选择，在优选例中，使总压为0.28～0.34pa，使氧分压为1.2×10^-3～5.7×10^-2pa，使成膜温度为常温。另外，作为si靶，能够例示掺杂b的si。

在优选的实施方式中，将接合层12、12a的表面12b与压电性单晶基板4的表面4a直接接合，或者将接合层2、2a的表面2b与支撑基板1的表面1a直接接合。这种情况下，优选接合层2、2a、12、12a的表面2b、12b的算术平均粗糙度ra为1nm以下，更优选为0.3nm以下。另外，优选压电性单晶基板4的上述表面4a、支撑基板1的表面1a的算术平均粗糙度ra为1nm以下，更优选为0.3nm以下。由此，压电性单晶基板4或支撑基板1与接合层2、2a、12、12a的接合强度进一步提高。

将接合层2、2a、12、12a的表面2b、12b以及压电性单晶基板4、支撑基板1的表面4a、1a平坦化的方法有精研(lap)研磨、化学机械研磨加工(cmp)等。

在优选的实施方式中，能够采用中性束使接合层2、2a的表面2b以及压电性单晶基板4、支撑基板1的表面4a、1a活化。特别是，在接合层2、2a、12、12a的表面2b、12b以及压电性单晶基板4的表面4a、支撑基板1的表面1a为平坦面的情况下，容易直接接合。

采用中性束进行表面活化时，优选使用专利文献3中记载的装置产生中性束，进行照射。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，电子e运动并生成由不活泼气体产生的原子和离子的射束。在到达了栅格的射束中，离子束在栅格被中和，因此从高速原子束源射出中性原子的射束。构成射束的原子种优选不活泼气体(氩气、氮气等)。

采用射束照射进行活化时的电压优选为0.5～2.0kv，电流优选为50～200ma。

接着，在真空气氛中，使活化面彼此接触，进行接合。此时的温度为常温，具体而言，优选40℃以下，更优选30℃以下。另外，接合时的温度特别优选20℃以上且25℃以下。接合时的压力优选100～20000n。

对本发明的接合体5、5a、15、15a的用途并无特别限定，例如能够适合应用于弹性波元件、光学元件。

作为弹性波元件7、17，已知弹性表面波器件、兰姆波元件、薄膜谐振器(fbar)等。例如，弹性表面波器件在压电性单晶基板的表面设置了激发弹性表面波的输入侧的idt(叉指式换能器，interdigitaltransducer)电极(也称为梳形电极、帘状电极)和接收弹性表面波的输出侧的idt电极。如果对输入侧的idt电极施加高频信号，则在电极间产生电场，激发弹性表面波，并在压电基板上传播。而且，能够从在传播方向上设置的输出侧的idt电极以电信号的形式获取传播来的弹性表面波。

在压电性单晶基板4、4a的底面可具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波器件时，金属膜发挥增大压电基板的背面附近的机电耦合系数的职能。这种情况下，兰姆波元件成为如下结构：在压电性单晶基板4、4a的表面4b、4c形成梳齿电极，利用在支撑基板1设置的空腔，压电性单晶基板4、4a的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可列举出铝、铝合金、铜、金等。需要说明的是，在制造兰姆波元件的情况下，可使用包括在底面不具有金属膜的压电性单晶基板4、4a的复合基板。

另外，在压电性单晶基板4、4a的底面可具有金属膜和绝缘膜。在制造薄膜谐振器作为弹性波器件时，金属膜发挥电极的职能。这种情况下，薄膜谐振器成为如下结构：在压电性单晶基板4、4a的表面和背面形成电极，通过使绝缘膜成为空腔，从而压电性单晶基板的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可列举出钼、钌、钨、铬、铝等。另外，作为绝缘膜的材质，例如可列举出二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。

另外，作为光学元件，能够例示光开关元件、波长变换元件、光调制元件。另外，在压电性单晶基板4、4a中能够形成周期极化反转结构。

在将本发明应用于光学元件的情况下，可实现光学元件的小型化，另外，特别是在形成了周期极化反转结构的情况下，能够防止加热处理引起的周期极化反转结构的劣化。进而，由于本发明的接合层2、2a、12、12a的材料也是高绝缘材料，因此在接合前采用中性束进行处理时，抑制极化反转的发生，另外，几乎不会使在压电性单晶基板4、4a上形成的周期极化反转结构的形状紊乱。

实施例

(实验a)

按参照图1～图3说明的方法，制作表1中所示的各例的接合体5、5a以及弹性波元件7。

具体而言，作为压电性单晶基板4，使用具有of部、直径为4英寸、厚度为250μm的钽酸锂基板(lt基板)。lt基板使用了将弹性表面波(saw)的传播方向作为x、切出角为旋转y切割板的46°y切割x传播lt基板。对压电性单晶基板4的表面4a进行了镜面研磨以使算术平均粗糙度ra成为0.3nm。其中，对于ra，采用原子间力显微镜(afm)，在10μm×10μm的视野中测定。

接着，采用直流溅射法在压电性单晶基板4的表面4a将接合层2成膜。靶使用了掺杂硼的si。另外，导入了氧气作为氧源。此时，通过使氧气导入量变化，使腔室内的气氛的总压和氧分压变化，由此使接合层2的氧比率(x)变化。使接合层2的厚度为100～200nm。接合层2的表面2a的算术平均粗糙度ra为0.2～0.6nm。接着，对接合层2进行化学机械研磨加工(cmp)，使膜厚为80～190nm，使ra为0.08～0.4nm。

另一方面，作为支撑基板1，准备了具有定向平面(of)部、直径为4英寸、厚度为500μm的包含si的支撑基板1。通过化学机械研磨加工(cmp)对支撑基板1的表面1a、1b进行精加工，各算术平均粗糙度ra成为了0.2nm。

接着，对接合层2a的平坦面2b和支撑基板1的表面1a进行清洗，将污垢去除后，导入真空室。抽真空直至10^-6多帕后，对各个基板的接合面1a、2b照射120秒高速原子束(加速电压1kv、ar流量27sccm)。接着，使接合层2a的射束照射面(活化面)2b与支撑基板1的活化面1a接触后，以10000n加压2分钟，将两基板1、4接合(参照图2中的(a))。接着，在100℃下将得到的各例的接合体5加热了20小时。

接着，对压电性单晶基板4的表面4b进行了研削和研磨以使厚度从最初的250μm成为1μm，从而得到接合体5a(参照图2中的(b))。

对于得到的各例的接合体5a以及弹性波元件7，评价了以下特性。

(接合层2a中的氧比率(x))

对于接合层2a，采用卢瑟福背散射法在以下的条件下进行评价。

装置：nationalelectrostaticscorporation制pelletron3sdh

条件：入射离子：4he++

入射能量：2300kev

入射角：0～4度

散射角：110度

试样电流：10na

射束直径：2mmφ

面内旋转：无

照射量：70μc

对得到的结果进行分析，得到了接合层2a的深度方向的元素分布。分析中使用了以下参数。

接合层2a的膜厚：通过光学式非接触膜厚测定装置(nanometrics社nanospec膜厚测定器模型5000)测定的值。

钽酸锂的原子数密度：9.52×10²²atoms/cm³

通过将如上得到的接合层2a的膜厚的测定值与接合层2a的深度(厚度)方向的元素分布(包括氧比率分布)进行对照，读取接合层2a的压电性单晶基板4a侧的端部的氧比率xb、接合层2a的中央部处的氧比率xo和接合层2a的支撑基板1侧的氧比率xa。

此时，各端部处的氧比率的测定值xb、xa为从各界面起至厚度5nm的范围内的测定值。

另外，接合层2a的中央部是指：由上述的膜厚测定装置测定的接合层2a的膜厚中的中间(换言之，从界面a到接合层2a的中央部的距离与从界面b到接合层2a的中央部的距离大致相等的位置)。

(接合强度)

对于各例的接合体5a，采用裂纹张开法测定了接合强度。

(q值)

接着，制作弹性波元件7，对q值进行测定。

具体而言，产生弹性表面波的idt电极6经由光刻工序而形成。形成电极6后，通过切割而使其小片化，得到传播方向5mm、其垂直方向4mm的弹性波元件芯片。

将这些测定结果示于表1。

[表1]

对实施例1和比较例1、2进行比较，在实施例1中，满足本发明的条件，接合强度和q值高(q值：1700)。另一方面，比较例1中，接合层2a中的氧比率x恒定，因此，尽管接合层2a整体的氧比率的平均值与实施例1为同等程度，但q值明显下降(q值：1200)。在比较例2中，接合层2a的中央部的氧比率xo高于接合层2a的支撑基板1侧的端部处的氧比率xa和接合层2a的压电性单晶基板4a侧的端部处的氧比率xb，但低至0.009，因此q值仍然明显下降(q值：1100)。

(实验b)

与实验a同样地制作了接合体5a以及弹性波元件7。但是，在实验a中，如表2所示那样变更了接合层5a中的氧比率x。对于得到的各接合体5a以及弹性波元件7，与实施例a同样地测定接合强度以及q值，将结果示于表2。

[表2]

对实施例2、3和比较例3～5进行比较，在实施例2、3中，得到了较高的接合强度和q值(q值均为2000)。与此相对，在比较例3中，接合层2a中的氧比率x恒定，且接合层2a中的氧比率x低至0.001，因此q值变低(q值：1000)。另外，在比较例5中，接合层2a中的氧比率x恒定，且接合层2a中的氧比率x高达0.666，因此接合强度低，无法制作弹性波元件。在比较例4中，接合层2a中的氧比率x恒定，且为0.333，但与实施例2、3相比，q值差(q值：1900)。

(实验c)

与实验a同样地制作接合体5a以及弹性波元件7。但是，在实验b的实施例2中，如表3所示那样变更了支撑基板1的材质。即，对于支撑基板1的材质，在实施例4中为蓝宝石，在实施例5中为多铝红柱石，在实施例6中为堇青石，在实施例7中为透光性氧化铝烧结体，在实施例8中为硅铝氧氮陶瓷。对于得到的各接合体5a以及弹性波元件7，与实施例a同样地测定接合强度以及q值，将结果示于表3。

[表3]

在实施例4～8中确认到：虽然将支撑基板1的材质变更为蓝宝石或各种陶瓷，但仍然可得到高接合强度和q值(实施例4中q值：2200、实施例5中q值：2500、实施例6中q值：2500、实施例7中q值：2300、实施例8中q值：2500)。

需要说明的是，在上述的实施例1～8中，对接合体5a以及弹性波元件7进行了说明，但关于接合体15a以及弹性波元件17，也得到了同样的结果。