特許第5833239号(P5833239)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許5833239複合基板、圧電デバイス及び複合基板の製法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5833239
(24)【登録日】2015年11月6日
(45)【発行日】2015年12月16日
(54)【発明の名称】複合基板、圧電デバイス及び複合基板の製法
(51)【国際特許分類】
   H03H 9/25 20060101AFI20151126BHJP
   H03H 3/08 20060101ALI20151126BHJP
   H01L 41/312 20130101ALI20151126BHJP
   H01L 41/337 20130101ALI20151126BHJP
【FI】
   H03H9/25 C
   H03H3/08
   H01L41/312
   H01L41/337
【請求項の数】7
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2014-524879(P2014-524879)
(86)(22)【出願日】2013年7月11日
(86)【国際出願番号】JP2013069031
(87)【国際公開番号】WO2014010696
(87)【国際公開日】20140116
【審査請求日】2014年12月26日
(31)【優先権主張番号】61/670,732
(32)【優先日】2012年7月12日
(33)【優先権主張国】US
【早期審査対象出願】
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】堀 裕二
(72)【発明者】
【氏名】多井 知義
(72)【発明者】
【氏名】浜島 章
(72)【発明者】
【氏名】仲原 利直
【審査官】 畑中 博幸
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−259011(JP,A)
【文献】 特表2010−536217(JP,A)
【文献】 特開2006−245990(JP,A)
【文献】 特開2005−094254(JP,A)
【文献】 特開2004−297693(JP,A)
【文献】 特開2005−252550(JP,A)
【文献】 特開平07−038361(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03H 9/25
H03H 3/08
H01L 41/312
H01L 41/337
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
LiTaO3からなる厚み100μm以下の圧電基板と、
前記圧電基板に接合され、接合面内で結晶異方性がなく該圧電基板よりも熱膨張係数の小さい材料からなる支持層と、を備え、
前記支持層は、ホウ珪酸ガラス,ZnOからなるセラミックス,アルミナからなるセラミックスのいずれかであり、
前記圧電基板の厚みをt1,前記支持層の厚みをt2としたときのベース厚み比Tr=t2/(t1+t2)が0.1〜0.3である、
複合基板。
【請求項2】
全体の厚みが100μm以下である、
請求項1に記載の複合基板。
【請求項3】
前記支持層の厚みが10μm〜20μmである、
請求項1又は2に記載の複合基板。
【請求項4】
前記圧電基板の厚みが80μm以下である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合基板。
【請求項5】
前記圧電基板の厚みが50μm〜70μmである、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合基板。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合基板と、
前記圧電基板上に形成された電極と、
を備えた圧電デバイス。
【請求項7】
(1)LiTaO3からなる圧電基板に、該圧電基板との接合面内で結晶異方性がなく該
圧電基板よりも熱膨張係数の小さい材料からなる支持層を形成する工程と、
(2)前記圧電基板の表面を厚み100μm以下まで研磨する工程と、
を含み、
前記支持層は、ホウ珪酸ガラス,ZnOからなるセラミックス,アルミナからなるセラミックスのいずれかであり、
前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚みをt1,前記支持層の厚みをt2とし、Tr=t2/(t1+t2)をベース厚み比としたときに、前記支持層は、前記工程(1)において前記ベース厚み比Trが0.1〜0.3となるように形成するか、前記工程(2)又は前記工程(2)の前後において該支持層の表面を研磨して前記ベース厚み比Trが0.1〜0.3となるようにする、
複合基板の製法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複合基板、圧電デバイス及び複合基板の製法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、圧電基板を用いたセンサや弾性表面波デバイスなどの圧電デバイスが知られている。例えば、特許文献1には、圧電基板上に櫛歯状の励振電極(IDT電極)を作製した弾性表面波素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2006−128809号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、圧電デバイスは、携帯電話に用いられる電子部品としても利用され、より小型化が求められている。しかしながら、例えば弾性表面波デバイスの一種であるSAWフィルターは動作周波数により素子サイズが決定されるため、実装面積を減少させることは難しい。そこで、小型化(容積低下)のために低背化が求められており、将来的には素子の厚みを100μm以下にまですることが求められている。しかしながら圧電基板の厚みが薄くなるとLiTaO3やLiNbO3といった異方性を有する単結晶材料はクラック等が発生しやすく扱いが難しくなる。以上のことから、LiTaO3やLiNbO3などの圧電基板を、薄く且つ割れにくくすることが求められている。
【0005】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、薄く且つクラックの発生を抑制できる複合基板を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の複合基板は、
圧電基板と、
前記圧電基板に接合され、接合面内で結晶異方性がない材料からなり、厚みが圧電基板以下である支持層と、を備えたものである。
【0007】
本発明の圧電デバイスは、
上述した本発明の複合基板と、
前記圧電基板上に形成された電極と、
を備えたものである。
【0008】
本発明の複合基板の製造方法は、
(1)圧電基板に、該圧電体との接合面内で結晶異方性がない材料からなる支持層を形成する工程と、
(2)前記圧電基板の表面を研磨する工程と、
を含み、
前記支持層は、前記工程(1)において厚みが前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み以下となるように形成するか、前記工程(2)又は前記工程(2)の前後において該支持層の表面を研磨して前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み以下とする、
ものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明の複合基板において、接合面内で異方性のない材料からなる支持層は、例えばタンタル酸リチウム(LiTaO3、LTとも表記する),ニオブ酸リチウム(LiNbO3、LNとも表記する)などの圧電体と比べて割れにくい。そのため、圧電基板を支持層で補強することができる。これにより、複合基板を薄くでき、且つ圧電基板が支持層を有さない場合と比較して圧電基板へのクラックの発生を抑制できる。また、本発明の複合基板は、圧電基板が支持層を有さない場合にはクラックが生じてしまうような厚みまで、クラックを生じることなく圧電基板を薄くすることが可能となる。本発明の圧電デバイスは、複合基板が上述したように薄く且つ割れにくいものであるため、従来より低背化した圧電デバイスとすることができる。本発明の複合基板の製法によれば、上述した複合基板を比較的簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】複合基板10の一例を示す説明図である。
図2図1のA−A断面図である。
図3】圧電基板12と支持層14とを直接接合により接合して得た複合基板110の断面の一例を示す説明図である。
図4】複合基板10を弾性表面波デバイスである1ポートSAW共振子30の集合体としたときの様子を示す説明図である。
図5】実施例1でベース厚み比Trを変えた場合のベース厚み比Trと最大変位との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の複合基板は、圧電基板と、前記圧電基板に接合され、接合面内で結晶異方性がない材料からなり、厚みが圧電基板以下である支持層と、を備えたものである。支持層は、厚みが圧電基板未満であることが好ましい。支持層が薄いほど複合基板全体を薄くすることができる。支持層の厚みが薄すぎると機械的に脆くなりすぎるため、前記圧電基板の厚みをt1,該支持層の厚みをt2としたときのベース厚み比Tr=t2/(t1+t2)を0.1以上とすることが好ましい。さらに、圧電基板と支持層との熱膨張係数差により複合基板を加熱したときの反りが大きくなりすぎるため、ベース厚み比Trを0.4以下とすることが好ましく、0.3以下とすることがより好ましい。ベース厚み比Trは0.1以上0.4以下であることが好ましく、0.1以上0.3以下であることがより好ましい。圧電基板の厚みt1は、特に限定するものではないが、例えば100μm以下であり、50〜70μmとしてもよい。支持層の厚みt2は、特に限定するものではないが、例えば50μm以下であり、10〜20μmとしてもよい。圧電基板の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が50〜150mmである。支持層の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が50〜150mmである。
【0012】
本発明の複合基板は、全体の厚みが180μm以下としてもよいし、100μm以下としてもよい。複合基板の全体の厚みが薄いほど、これを用いたデバイスを低背化することができる。なお、圧電基板と支持層とが接着層を介して接合された複合基板においては、圧電基板と支持層と接着層との厚みの合計が複合基板全体の厚みとなる。また、圧電基板と支持層とが直接接合により接合された複合基板においては、圧電基板と支持層との厚みの合計が複合基板全体の厚みとなる。
【0013】
本発明の複合基板において、圧電基板としては、タンタル酸リチウム(LiTaO3、LTとも表記する)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3、LNとも表記する)、LN−LT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。複合基板をSAWフィルターなどの弾性表面波デバイスに用いる場合には、LT又はLNが好ましい。LTやLNは、弾性表面波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性表面波デバイスとして適しているからである。
【0014】
本発明の複合基板において、支持層としては、ホウ珪酸ガラスや石英ガラスなどのガラス、Si、SiO2、サファイア、セラミックスなどが挙げられる。セラミックスとしては、窒化アルミニウム,アルミナ,ZnOやSiCなどが挙げられる。支持層の材料を圧電基板と熱膨張係数が近いものとすると、複合基板の加熱時の反りを抑制することができる。
【0015】
本発明の複合基板は、略円盤状のウエハーであってもよく、オリエンテーションフラット(OF)を有していてもよい。また、本発明の複合基板は、ウエハーから切り出された状態であってもよい。
【0016】
本発明の複合基板の製法は、(1)圧電基板に、該圧電体との接合面内で結晶異方性がない材料からなる支持層を形成する工程と、(2)前記圧電基板の表面を研磨する工程と、を含み、前記支持層は、前記工程(1)において厚みが前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み以下となるように形成するか、前記工程(2)又は前記工程(2)の前後において該支持層の表面を研磨して前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み以下とするものである。なお、前記支持層は、前記工程(1)において厚みが前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み未満となるように形成するか、前記工程(2)又は前記工程(2)の前後において該支持層の表面を研磨して前記工程(2)の研磨後の圧電基板の厚み未満とすることが好ましい。
【0017】
本発明の複合基板の製法において、上記工程(1)では、圧電基板と支持層とを接着層を介して間接接合することにより圧電基板に支持層を形成してもよいし、いわゆる直接接合により接合することにより圧電基板に支持層を形成してもよい。直接接合技術には、例えば表面をプラズマ処理により活性化することで常温での接合を実現する表面活性化接合といった技術を用いることができる。
【0018】
圧電基板に支持層を形成した後に、上記工程(2)において、支持層の厚みが研磨後の圧電基板の厚み以下(好ましくは未満)となるように圧電基板及び支持層の表面をそれぞれ研磨することで、本発明の複合基板を得ることができる。また、上記工程(1)において、研磨後の圧電基板の厚み以下(好ましくは未満)となるように支持層を形成可能なときには、支持層の研磨を省略してもよい。
【0019】
図1は、圧電基板12と支持層14とを接着層16を介して接合して得た複合基板10の一例を示す説明図である。なお、図1の複合基板10は、略円盤状のウエハーであり、オリエンテーションフラット(OF)を有している。図2は、図1のA−A断面図である。図3は、圧電基板12と支持層14とを直接接合により接合して得た複合基板110の断面の一例を示す説明図である。
【0020】
本発明の圧電デバイスは、上述したいずれかの態様の本発明の複合基板と、前記圧電基板上に形成された電極と、を備えたものである。
【0021】
本発明の圧電デバイスにおいて、電極は、圧電基板を励振可能なものとしてもよい。圧電デバイスとしては、例えば、ジャイロセンサや加速度センサなどのセンサ、液滴吐出装置などに適用される圧電アクチュエータ、水晶振動子、共振子やフィルター,コンボルバーなどの弾性表面波デバイス、などが挙げられる。本発明の圧電デバイスは、例えば、本発明の複合基板に一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて電極を形成し、多数の圧電デバイスの集合体としたあと、ダイシングにより1つ1つの圧電デバイスを切り出すことで得ることができる。複合基板10を弾性表面波デバイスである1ポートSAW共振子30の集合体としたときの様子を図4に示す。1ポートSAW共振子30は、フォトリソグラフィ技術により、圧電基板12の表面に一対のIDT(Interdigital Transducer)電極(櫛形電極、すだれ状電極ともいう)32,34と反射電極36とが形成されたものである。
【実施例】
【0022】
[実施例1〜5]
実施例1として、図1,2に示した複合基板10を以下のように作製した。まず、上述した製法の工程(1)において、直径4インチ、厚み230μmのLiTaO3基板(圧電基板12)と、同じ直径及び同じ厚みのホウ珪酸ガラス基板(支持層14)と、を紫外線硬化樹脂を介して貼りあわせた。なお、ホウ珪酸ガラス基板は、コーニング社製のイーグルXG(無アルカリガラス)を用いた。紫外線で樹脂を硬化させて接着層16とした後、工程(2)において、LiTaO3側をグラインダーで厚み100μm程度まで研削した。更に表面をCMP研磨して厚み80μmの鏡面とした。次いで、ホウ珪酸ガラス面を同様に研削、研磨し最終的にホウ珪酸ガラス面の厚みを10μmまで薄くして、実施例1の超薄ウエハー(複合基板10)を得た。支持層14の材料をZnOからなるセラミックス、Si、ハイセラム(日本碍子株式会社の登録商標,アルミナからなるセラミックス)、SiCからなるセラミックスと変えて同様に複合基板を作製しそれぞれ実施例2〜5を得た。なお、接着層16の厚みは0.3μmとした。
【0023】
[圧電デバイスの作製]
実施例1〜5の複合基板について、通常の電極作成プロセスを適用して、IDT電極を有するSAWフィルター素子を作製した。具体的には、複合基板のうちLiTaO3基板の表面に一般的なフォトリソグラフィ技術(レジストを塗布、パターンニングし、エッチング工程により電極パターンを形成する)によりIDT電極を形成し、ダイシングにより1つ1つの素子を切り出して、複数の圧電デバイスを作製した。実施例1〜4の複合基板は、圧電デバイスの製造工程において、いずれもレジスト塗布後の加熱(150℃)時にウェハー(複合基板)がLiTaO3側を上にして凸状に3〜10mm変形した(この変形の反り量を、最大変位と称する)が、破損すること無く素子を形成することができた。
【0024】
[ベース厚み比Trに関する試験]
次に実施例1と同じ構造の複合基板を作製した。すなわち、圧電基板12の厚みが80μmでホウ珪酸ガラス(支持層14)の厚みが10μmの複合基板(ベース厚み比Tr=0.11)を作製した。次に、より薄くする目的でホウ珪酸ガラス表面をさらに5μm程度研磨をしたところ、圧電基板の端部から剥離が生じ、研磨中にホウ珪酸ガラス基板が粉砕され、研磨面が傷だらけとなった。これはガラスを薄くしすぎたせいで研磨負荷に耐えられるだけの機械的強度を損なったことが原因である。このことから、ベース厚み比Trは0.1以上とすることが好ましく、支持層の厚みを10μm以上とすることが好ましいことがわかった。今度は逆にホウ珪酸ガラス(支持層14)の厚みを厚くする目的で、LiTaO3の厚みを40μm、ガラスの厚みを60μmとした(ベース厚み比Tr=0.6とした)点以外は実施例1と同様にして複合基板を作成した。実施例1と同様にSAWフィルターの電極作製プロセスを適用したところ、レジストのプリベーク(150℃に加熱)中にウェハー(複合基板)形状が凸状に大きく反り破損した。
【0025】
[ベース厚み比Trと最大変位との関係]
LiTaO3基板(圧電基板12)の厚みt1を100μmで一定としつつ、ホウ珪酸ガラス基板(支持層14)の厚みt2を種々変更してベース厚み比Trを変更した点以外は実施例1と同様の製法で、複合基板を複数作製した。そして、この複数の複合基板について、同様にレジストのプリベーク(150℃に加熱)後の反り量(最大変位)を測定した。図5は、このように実施例1でベース厚み比Trを変えた場合のベース厚み比Trと最大変位との関係を示すグラフである。図5から、ベース厚み比Trが大きくなると、最大変位が大きくなることがわかった。
【0026】
以上のことから支持層の厚みは薄すぎても厚すぎても良くないことが分かった。図5に示すベース厚み比Trが値0.5(50%)以下の範囲では複合基板の破損は生じず、上記のようにベース厚み比Trが値0.6のときには複合基板が破損したことから、ベース厚み比Trは値0.5以下とすることが好ましいことがわかった。すなわち、支持層は、厚みが圧電基板以下であることが好ましいことがわかった。複合基板を加熱したときの反りを抑制する観点からは、ベース厚み比Trを0.5未満とすることが好ましく、ベース厚み比Trを値0.3以下とすることがより好ましい。ベース厚み比Trは値0.1〜値0.3(10%以上30%以下)が最適である。
【0027】
本出願は、2012年7月12日に出願された米国特許仮出願第61/670732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。
【産業上の利用可能性】
【0028】
本発明は、ジャイロセンサや加速度センサなどのセンサ、液滴吐出装置などに適用される圧電アクチュエータ、共振子やフィルター,コンボルバーなどの弾性表面波デバイス、水晶振動子、などの圧電デバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【0029】
10,110 複合基板、12 圧電基板、14 支持層、16 接着層、30 1ポートSAW共振子、32,34 IDT電極、36 反射電極。
図1
図2
図3
図4
図5