JP2006298694A - 圧電複合基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より電気機械結合係数が大きく、音速が小さい圧電単結晶とシリコン基板とを直接接合した複合圧電基板とその製造方法を提供すること。
【解決手段】 化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同格子構造を有する材料である圧電基板１の格子定数を８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にすることで、圧電基板１に音速を小さくした上でより大きな電気機械結合係数をもたせ、これらの圧電基板１にシリコン基板２を接合した構造の圧電複合基板６を熱処理で直接接合することで、より簡単な製造プロセスで作製できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電単結晶に関し、特に、アクチュエーター、フィルター、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等に用いられる圧電デバイス用振動子及びフィルター、センサー等に用いられる弾性表面波デバイス用基板の材料に好適な圧電複合基板及びその製造方法に関する。

圧電単結晶は、アクチュエーター、フィルター、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等に用いられる圧電振動子及びフィルター、センサー等に用いられる弾性表面波デバイス用基板等の圧電デバイス用として広く用いられる。

デバイス製造の際に、これらの素子の支持方法が重要である。圧電素子は、機械的振動を伴うので、圧電特性は、その支持方法に大きく影響を受ける。通常、圧電素子は支持体を別に設け、機械的に固定するもしくは接着剤で固定する。しかし、この方法では、デバイスの小型化に伴い、支持部も繊細になり、製造の管理精度を向上させないと歩留まりが悪化するという問題があった。また、このような支持方法では、熱や振動等の外的要因の影響を受けやすく、信頼性が十分でないという問題があった。

上述の支持方法以外に支持基板上に圧電単結晶薄膜を生成する方法があり、酸化亜鉛等の材料の作製に採用されている。しかし、この方法で成膜できる材料は限定され、成膜した膜の特性がバルクの単結晶より劣るという問題があった。また、結晶方位が基板方位に依存するので、任意の結晶方位の結晶が得にくいという問題があった。

また、バルク単結晶と支持基板とを直接接合する方法がある。水晶、ニオブ酸リチウム、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄等の圧電単結晶とシリコン基板を直接接合する方法が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄基板とシリコン基板の基板表面を水酸化処理し、その面を重ね合わせ、熱処理を施すことで直接接合している。この方法は、水酸化処理工程が複雑なプロセスになるという問題があった。

特開平９−２２１３９２号公報

体積弾性波および表面弾性波は、音速と電気機械結合係数の圧電特性が重要である。まず、音速について説明する。体積弾性波の場合、音速ｖと振動子長さＬは次式（１）の関係にある。
ｖ＝２・ｆｒ・Ｌ・・・・・・・・・・（１）
ここで、ｆｒは共振周波数である。ｆｒはデバイスの所望の値に設定されるので、音速が小さいほど振動子を小型にできる。弾性表面波デバイスは、通常ＩＤＴと呼ばれるすだれ状交差電極を有する構造で、そのサイズは音速（ＳＡＷ速度）ｖと数１の関係がある。

ここで、λは弾性表面波の波長、ａ、ｈはそれぞれ電極問および電極の幅である。λは設計の所望の値に設定するので、音速が小さいほど電極の大きさを小さくでき、基板を小型にできる。圧電デバイスおよび弾性表面波デバイスでは、音速は小さいことが望まれる。

次に、電気機械結合係数について説明する。電気機械結合係数は電気−機械間の変換効率を表す。体積弾性波デバイス、表面弾性波デバイス共に電気エネルギーから機械エネルギーへの変換が必要で、電気機械結合係数は感度に大きく寄与する。そのために、電気機械結合係数は大きいことが望まれる。

直接接合された圧電材料を比較すると、水晶は音速が３０００ｍ／ｓ程度と小さいが、電気機械結合係数が１０％以下と小さいという問題があった。ニオブ酸リチウムはそれとは逆に電気機械結合係数は５０％程度大きいが、音速が約４０００ｍ／ｓと大きいという問題があった。それに対して、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄は音速が２７００ｍ／ｓと小さいが、電気機械結合係数が１６％と水晶より大きいのでの音速と電気機械結合係数のバランスの取れた材料である。しかしながら、さらに大きな電気機械結合係数を持つ圧電複合基板が望まれ、より簡単な工程で圧電複合基板を製造する方法が求められていた。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、より電気機械結合係数が大きく、音速が小さい圧電単結晶とシリコン基板とを直接接合した複合圧電基板とその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同じ結晶構造を有する材料からなる圧電複合基板において、圧電基板の格子定数が８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成る圧電複合基板である。

上記目的を達成するための第２の発明は、圧電基板がＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄又はＬａ₃Ｎｂ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄又はＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄であり、前記圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成る圧電複合基板である。

上記目的を達成するための第３の発明は、前記圧電基板と前記シリコン基板の間にＳｉＯ₂層を有する圧電複合基板である。

上記目的を達成するための第４の発明は、化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同じ結晶構造を有する材料からなる圧電複合基板において、圧電基板の格子定数が８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成る圧電複合基板の製造方法において、前記圧電基板と前記シリコン基板を重ね合わせる工程、熱処理で直接接合する工程を備えた圧電複合基板の製造方法である。

上記目的を達成するための第５の発明は、前記圧電基板とシリコン基板の少なくとも一方の表面にＳｉＯ₂層を有し、前記ＳｉＯ₂層を介して重ね合わせる工程、熱処理で直接接合する工程を備えた圧電複合基板の製造方法である。

本発明によれば、化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同格子構造を有する材料である圧電基板の格子定数を８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にすることで、圧電単結晶基板に音速を小さくした上で、より大きな電気機械結合係数をもたせることを可能にする。さらに、これらの圧電基板にシリコン基板を接合した構造の圧電複合基板を熱処理で直接接合することで、より簡単な製造プロセスで作製することが可能となる。

その結果、より電気機械結合係数が大きく、音速が小さい圧電単結晶とシリコン基板とを直接接合した複合圧電基板とその製造方法の提供が可能となり、圧電振動子や弾性表面波素子などの圧電デバイスの高感度、小型化および製造のばらつきを抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板を以下に図面を参照して詳細に説明する。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板を示す斜視図を図１に示す。図１（ａ）は、本発明の圧電基板とシリコン基板を直接接合した圧電複合基板の斜視図を示す。図１（ｂ）は、本発明の圧電基板とシリコン基板の間にＳｉＯ₂層を設けた圧電複合基板の斜視図を示す。図２は、本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板を用いた圧電振動子の模式断面図である。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の構成元素を置換した同じ結晶構造を有する材料で構成される。圧電基板材料には、電気機械結合係数が大きいＳｒ，Ｇｅで置換したＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄やＮｂで置換したＬａ₃Ｎｂ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄又及びＴａで置換したＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄が好適である。いずれの材料も電気機械結合係数が、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄より大きな値を示す（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の電気機械結合係数の値がデバイス応用への目安である）。

また、本発明の圧電複合基板は、圧電基板の格子定数が８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成る圧電複合基板である。ここでは、圧電基板の格子定数と電気機械結合定数および結晶性の関係から、格子定数の範囲を決定している。アクチュエーター、フィルター、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等に用いられる圧電振動子、及びフィルター、センサ等に用いられる弾性表面波デバイス用基板等の圧電デバイス用素子を用いたデバイス応用には、格子定数が８．１７０Å以上であるＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の電気機械結合定数Ｋ₁₂＝１６％以上の値が必要になる。なお、格子定数が８．０９８ÅのＰｒ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄は、Ｋ₁₂＝１２％であり、８．０６４ÅのＮｄ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄は、Ｋ₁₂＝１０．９％である。格子定数が８．１７０Å以上のＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同じ結晶構造の材料は、電気機械結合定数Ｋ₁₂＝１６％以上の値になる。格子定数が大きいほど、ランガサイト構造の非対称性が増加し、圧電性が向上するためである。しかしながら、格子定数が８．５５０Åより大きくなると、相分離しやすくなり、単結晶育成が非常に困難になる。

次に、本発明の圧電基板１とシリコン基板２を直接接合した圧電複合基板６の製造方法について説明する（図１(a)参照）圧電基板材料は、Ｓｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄を用いる。圧電基板およびシリコン基板の厚さは５００μｍにする。この圧電基板１とシリコン基板２の接合面側は、極めて平坦に研磨加工する。

次に、それぞれの基板を洗浄し、それぞれの平坦な面同士を重ね合わせ、熱処理を行う。この製造方法では、複雑なプロセス工程となる水酸化処理などの特別な表面処理を必要としない。５００℃から１１００℃の温度範囲の圧電基板材料を考慮した任意の温度で、１時間保持することで熱処理（雰囲気条件：大気中）を行い、界面での介在層なしにシリコン基板と圧電基板が直接接合する。なお、ここで得られた複合基板の境界面は、均一な接合面で、ＴＥＭ観察により原子レベルで一様に接合していることを確認した。

また、本発明の圧電基板１とシリコン基板２の間にＳｉＯ₂膜３を設けた圧電複合基板６の製造方法について説明する（図１（ｂ）参照）。圧電基板材料は、Ｓｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄を用いる。圧電基板１およびシリコン基板２の厚さは５００μｍにする。圧電基板１とシリコン基板２の接合面側は、極めて平坦に研磨加工する。次に、圧電基板１とシリコン基板２の少なくとも一方の面にＳｉＯ₂膜３を形成する。ＳｉＯ₂膜３の形成は、熱処理もしくは通常の成膜法でおこない、圧電基板１とシリコン基板２をそれぞれ洗浄し、平坦面同士を重ね合わせ、熱処理を行う。この製造方法では、複雑なプロセス工程となる水酸化処理などの特別な表面処理を必要としない。７００℃から１１００℃の温度範囲の圧電基板材料を考慮した任意の温度で、１時間保持することで熱処理（雰囲気条件：大気中）をおこない、ＳｉＯ₂膜３とシリコン基板２及び圧電基板１は直接接合する。なお、ＴＥＭ観察で、ここで得られた複合基板の境界面が、原子レベルで一様に接合していることを確認した。

また、シリコン基板２の厚さ（シリコン基板の厚さ５００μｍ）に対し、圧電基板１の厚さ（圧電基板の厚さを２００μｍおよび１０００μｍ）を変化させて、同様に直接接合およびＳｉＯ₂膜３を介した接合を行った。その結果、どの基板も一様に接合していることを確認した。これにより、シリコン基板２の厚さおよび圧電基板１の厚さによる接合状態への影響は小さいと推定される。

更に、シリコン基板２に対し、圧電基板１のＸ，Ｙ，Ｚカット板を用意し、同様に接合実験を行ったところ、どの基板も一様に接合していることを確認した。これにより、接合面の方位は任意の方位を選択できることがわかる。

シリコンをエッチングで加工し、図２のような圧電素子を形成する場合は、一様な接合面を原子レベルで接合できる。その結果、接合面が支持部となるので、シリコン基板２への圧電基板１の支持状態におけるバランスの悪さ〔厚さばらつき〕を抑制できる。

また、高周波用振動子や弾性表面波素子等の薄い圧電基板が要求される場合に圧電基板１には、従来の製造方法では、ハンドリングおよび平行度の問題を考慮すると１００μｍ程度の厚さが限界であった。しかし、原子レベルの接合である本発明は、平行度が高く、シリコン基板２の厚さを厚くすると、研磨により圧電基板１を１０μｍ以下まで薄くできた。

更に、本発明の圧電基板材料は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄より優れた圧電特性を有するので、高感度な圧電素子を形成できる。伝播方向がＸ方向である圧電基板Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄及びＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄のＹカット板を用い、図２に示すような弾性表面波素子を作製する。なお、すだれ状交差電極は通常のフォトリソグラフィ技術を用いＡｌで形成する。電極のサイズは入力側出力側ともに、電極指幅１０μｍ、電極指間幅１０μｍ、電極指対数は２０にする。その伝播特性から等価回路を用いて電気機械結合係数を求めたところ、Ｓｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄はＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の１．８倍の大きな電気機械結合係数が得られた。また、音速もＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄より低かった。

なお、電気機械結合係数が大きいＮｂで置換したＬａ₃Ｎｂ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄およびＴａで置換したＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄を用いた場合も、同様な方法で電気機械結合係数を求めたところ、電気機械結合係数は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄より大きな値が得られた。

以上に示したように、本発明により、より電気機械結合係数が大きく、音速が小さい圧電単結晶とシリコン基板とを直接接合した複合圧電基板とその製造方法の提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板を示す斜視図。図１（ａ）は本発明の圧電基板とシリコン基板を直接接合した圧電複合基板の斜視図。図１（ｂ）は本発明の圧電基板とシリコン基板の間にＳｉＯ₂層を設けた圧電複合基板の斜視図。 本発明を実施するための最良の形態に係る圧電複合基板を用いた圧電振動子の模式断面図。

符号の説明

１ 圧電基板
２ シリコン基板
３ ＳｉＯ₂膜
４ 電極
５ 振動部
６ 圧電複合基板

Claims (5)

1. 化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同じ結晶構造を有する材料からなる圧電複合基板において、圧電基板の格子定数が８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成ること特徴とする圧電複合基板。
2. 前記圧電基板がＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄又はＬａ₃Ｎｂ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄又はＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄であり、前記圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成ること特徴とする請求項１記載の圧電複合基板。
3. 前記圧電基板と前記シリコン基板の間にＳｉＯ₂層を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電複合基板。
4. 化学式Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄で表される圧電材料の構成元素を置換した同じ結晶構造を有する材料からなる圧電複合基板において、圧電基板の格子定数が８．１７０Å以上で、８．５５０Å以下の範囲の圧電基板にシリコン基板を接合した構造から成る圧電複合基板の製造方法において、前記圧電基板と前記シリコン基板を重ね合わせる工程、熱処理で直接接合する工程を備えたことを特徴とする圧電複合基板の製造方法。
5. 前記圧電基板とシリコン基板の少なくとも一方の表面にＳｉＯ₂層を有し、前記ＳｉＯ₂層を介して重ね合わせる工程、熱処理で直接接合する工程を備えたことを特徴とする請求項４記載の圧電複合基板の製造方法。

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