JPH11163668A - Laminated piezo-electric single crystal substrate and piezo-electric device using it - Google Patents
Laminated piezo-electric single crystal substrate and piezo-electric device using itInfo
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Landscapes
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、発振子やフィル
タ、アクチュエータなどの圧電素子に用いられるニオブ
酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶の接合方法に関
d、特に、接合後の接合体の裏表の識別が容易で、取り
扱いの際の間違いが起こりにくく、加工精度の向上にも
寄与する単結晶接合体及びそれを用いた圧電デバイス及
びその製造方法に関する。The present invention relates to a method for bonding a single crystal of lithium niobate or lithium tantalate used for a piezoelectric element such as an oscillator, a filter or an actuator, and more particularly to a method for bonding a bonded body after bonding. The present invention relates to a single-crystal joined body that is easy to identify, hardly causes an error in handling, and contributes to improvement in processing accuracy, a piezoelectric device using the same, and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、タンタル酸リチウム単結晶を接
合した接合体としては、特開平7−206600号に示
されるような、互いの分極方向を任意に傾けて直接に接
合した接合体が知られている。このような接合体は、直
接接合法とよばれる方法を用いて得られる。直接接合可
能な材料としては、タンタル酸リチウムの他にニオブ酸
リチウム、水晶などが知られている。直接接合法により
接合された接合体は、その接合界面に全く接着層を持た
ず、その接合が原子レベルで行われているため、接合強
度も強く、高温においても接合状態が劣化せず、経時変
化も小さい。2. Description of the Related Art For example, as a joined body in which lithium tantalate single crystals are joined, there is known a joined body directly joined by arbitrarily inclining the polarization directions of each other as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-206600. ing. Such a joined body is obtained by using a method called a direct joining method. As materials that can be directly bonded, lithium niobate, quartz, and the like are known in addition to lithium tantalate. The joined body joined by the direct joining method has no adhesive layer at the joining interface and the joining is performed at the atomic level, so the joining strength is strong, the joining state does not deteriorate even at high temperatures, and The change is small.
【0003】また、研削、研磨、切断、エッチングなど
の様々な加工法に耐える接合体となる。この接合体は、
特開平1−71207号に示されるような、分極反転領
域を有するニオブ酸リチウム基板を利用したデバイスを
作製する際に問題となる種々の問題を解決することがで
きる。例えば、反転層を作製する上で不可欠であった高
温加熱などを不要とするため、作製条件の制御の煩雑さ
がなくなる。また、反転層境界のうねりが生じることや
その深さの制御が難しいといった問題を解決できる。さ
らに、適用できるカット角、材料の限定といった問題を
解決する方法として有効である。さらに、単結晶におい
て、2層以上の積層が可能になり、その応用範囲は広
い。[0003] Further, the bonded body can endure various processing methods such as grinding, polishing, cutting, and etching. This conjugate is
It is possible to solve various problems as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-71207, which are problems when manufacturing a device using a lithium niobate substrate having a domain-inverted region. For example, since high-temperature heating or the like, which is indispensable for manufacturing an inversion layer, is not required, complicated control of manufacturing conditions is eliminated. In addition, it is possible to solve the problem that the swell of the inversion layer boundary occurs and it is difficult to control the depth. Further, it is effective as a method for solving problems such as the applicable cut angle and limitation of the material. Further, in a single crystal, two or more layers can be stacked, and the application range is wide.
【0004】これらの分極反転領域を利用したデバイス
としては、厚み振動子、屈曲あるいは縦振動アクチュエ
ータなどがある。特に、直接接合法により得られる接合
体からなる上記デバイスは、反転層の境界にうねりがな
く、それぞれの厚みが正確に制御できるため、接着層の
ない分極反転構造とあいまって、高性能の素子を形成で
きる。Devices using these domain-inverted regions include a thickness vibrator, a bending or longitudinal vibration actuator, and the like. In particular, the above device comprising a bonded body obtained by the direct bonding method has no undulation at the boundary of the inversion layer, and can accurately control the thickness of each device. Can be formed.
【0005】前述のように、これらの接合型デバイスの
特性は、主に張り合わせたそれぞれの基板の境界の形状
と厚みによって決まる。接合体において、その接合界面
は鏡面研磨されてから接合されるので、自然とほぼ鏡面
となり、前者の問題に関しては、ほぼ理想的なものが得
られる。しかし、後者の各層の厚みの問題については、
接合する基板の厚みのみによって決定されるため、接合
前の基板の厚み管理がその精度を決定する。比較的厚い
200μm以上の基板に関しては、取り扱いも容易で、
厚み精度も十分なものがえられる。しかし、一層がそれ
以下の厚みになるデバイスにおいては、一般的には、厚
み精度のよい厚めの基板を張り合わせてから、どちらか
一方あるいは両方を所望の厚みに薄層化することが行わ
れる。この工程によって、特性に応じた厚みに相当する
接合体が得られる。As described above, the characteristics of these junction devices are mainly determined by the shape and thickness of the boundary between the substrates bonded together. In the joined body, the joining interface is joined after being mirror-polished, so that it naturally becomes almost mirror-like, and the former problem can be almost ideally obtained. However, regarding the latter problem of the thickness of each layer,
Since the thickness is determined only by the thickness of the substrate to be joined, the thickness management of the substrate before joining determines its accuracy. For relatively thick substrates of 200 μm or more, handling is easy,
Thickness accuracy is sufficient. However, in a device in which one layer has a thickness smaller than that, generally, a thicker substrate with good thickness accuracy is laminated, and then one or both of them are thinned to a desired thickness. By this step, a joined body having a thickness corresponding to the characteristics is obtained.
【0006】実際のデバイスにこの構造を適用する例と
しては2倍波を励振できる圧電共振子がある。例えば、
従来、MHz帯域で使用される圧電共振子のうち、厚み
振動モードで振動する圧電共振子は、圧電体の板厚を薄
くする必要があった。しかし、分極を反転して直接接合
した圧電体は、接合していない同じ厚みの単板の振動子
に比べて、共振周波数を2倍にできるので、加工限界に
より制限されていた周波数の上限を引き上げられる利点
がある。As an example of applying this structure to an actual device, there is a piezoelectric resonator capable of exciting a second harmonic. For example,
Conventionally, among the piezoelectric resonators used in the MHz band, the piezoelectric resonator that vibrates in the thickness vibration mode has to reduce the thickness of the piezoelectric body. However, a piezoelectric body that has been directly bonded by reversing the polarization can double the resonance frequency as compared with a single-plate vibrator of the same thickness that is not bonded, so the upper limit of the frequency, which was limited by the processing limit, was increased. There is an advantage that can be raised.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかし、この周波数帯
が、20数MHzを超えると、張り合わせてから、さら
に研磨して、研磨後の板厚を200μmを切る厚みとす
る必要が生じてくる。従来の手法では、200μmの板
を張り合わせた総厚400μmの板からスタートするた
め、張り合わせ後のさらなる薄板化が必要になる。However, when this frequency band exceeds 20 MHz, it is necessary to bond the substrates together and to further polish them so that the polished plate thickness is less than 200 μm. In the conventional method, starting from a plate having a total thickness of 400 μm in which a 200 μm plate is bonded, further thinning after bonding is necessary.
【0008】このような板厚の基板を得るためには、例
えば、総厚200μmの厚みの基板を得るためには、1
枚200μmの基板2枚を張り合わせ、片面を100μ
mずつ交互に研磨したり、あるいは両面研磨で両面を同
時に研磨することが行われる。In order to obtain a substrate having such a thickness, for example, in order to obtain a substrate having a total thickness of 200 μm, 1
Two 200 μm substrates are bonded together, and one side is 100 μm
Polishing is performed alternately by m, or both sides are simultaneously polished by double-side polishing.
【0009】しかし、これらの接合体は、全く同じ結晶
が、完全に一体となっているため、接合界面の位置を識
別することが困難であった。断面エッチングにより、そ
の板厚、裏表を判別することは可能であるが、この方法
は、端面の研磨加工を必要とし、基本的には破壊検査と
なってしまう。そのため、加工中に何度も基板を検査す
ることが必要な場合には、ほぼ不可能な方法である。そ
の上、デバイス化した後の製品検査、品質管理も特性の
みでしか判断できず、検査に多くの時間を要するという
問題があった。[0009] However, since these bonded bodies have completely identical crystals, it is difficult to identify the position of the bonded interface. Although it is possible to determine the plate thickness and the front and back sides by cross-sectional etching, this method requires polishing of the end face, and is basically a destructive inspection. Therefore, when it is necessary to inspect the substrate many times during processing, this is almost impossible. In addition, the product inspection and quality control after the device is made can be determined only by the characteristics, and there is a problem that much time is required for the inspection.
【0010】また、研磨などの加工の作業時に、裏表を
厳密に管理していても、その間違いを完全になくすこと
は困難であった。例えば、200μmの裏面が粗面化さ
れた板を張り合わせた400μmの板において、100
μmずつの片面研磨を行い、総厚200μm、一層10
0μmの板を得る場合にも、片面の研磨を終えた後に、
その裏面を研磨せずに、再度同じ面を研磨してしまい、
400μmの張り合わせ板ができあがりにおいて200
μmの単板になってしまうという問題が生じていた。Further, it is difficult to completely eliminate the mistake even if the front and back sides are strictly controlled during a work such as polishing. For example, in a 400 μm plate in which a 200 μm back surface roughened plate is bonded, 100
Polished single sided by μm, total thickness 200μm, layer 10
Even when obtaining a 0 μm plate, after polishing one side,
Without polishing the back surface, the same surface was polished again,
A 400 μm laminated plate is completed.
There has been a problem that it becomes a single plate of μm.
【0011】また、200μmの板を張り合わせた40
0μmの板において、両面研磨を行い、総厚200μ
m、一層100μmの板を得る場合にも、研磨時の上面
と下面の研磨量が、砥粒の回り込み量の差により異なる
ため、その研磨量を同一とするために、上面と下面を作
業中に入れ替えることが頻繁に行われるが、上下面の判
別が難しく、この作業中に間違いが生じやすく、できあ
がりの板の各層の厚みにアンバランスを生じるという問
題もあった。Further, a 40 μm plate of 40 μm is bonded.
On a 0 μm plate, both sides are polished to a total thickness of 200 μm.
m, even when obtaining a 100 μm thick plate, since the polishing amount of the upper surface and the lower surface during polishing differs due to the difference in the amount of wraparound of the abrasive grains, the upper surface and the lower surface are being worked to equalize the polishing amount. However, there is a problem that it is difficult to determine the upper and lower surfaces, errors are likely to occur during this operation, and the thickness of each layer of the finished plate is unbalanced.
【0012】研磨時の各層の板厚のアンバランスは、板
の総研磨量が少ない場合には、接合境界は中心からほと
んどずれず、問題にはならないが、板厚がさらに薄くな
り、総削り量が多くなると、裏表の間違いにより、その
アンバランスが大きくなりがちで、特性に影響を及ぼ
す。特に、薄い基板になるほど、全体の板厚に対する割
合が大きくなるため、その影響が大きくなる。例えば、
厚み共振子においては、各層のバランスが崩れると、抑
制されるべき基本波が出現し、スプリアスとなる。[0012] The unbalance of the thickness of each layer at the time of polishing is not a problem because the bonding boundary hardly deviates from the center when the total polishing amount of the plate is small, but the thickness of the plate is further reduced, and When the amount is large, the imbalance tends to be large due to a wrong front and rear, which affects the characteristics. In particular, the thinner the substrate, the larger the ratio to the total plate thickness. For example,
In the thickness resonator, when the balance of each layer is lost, a fundamental wave to be suppressed appears and becomes spurious.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は、意図的に色の異なるウエハを接合するこ
とにより、その識別を容易とするものである。すなわ
ち、本発明は、接合したウエハの両面あるいは片面から
交互の薄板化を伴うデバイスの加工に際して、それに先
立つ表裏の判別法について種々検討した結果によるもの
で、着色している以外は圧電特性的にも遜色のないウエ
ハと通常の概ね透明なウエハなどを接合することで、接
合後のウエハの品質低下がなく、その色の差から容易に
ウエハの表裏を判別できる接合ウエハがえられるという
ことを見い出したことによるものである。これによれ
ば、時間も経費もかけることなく簡単にウエハの表裏を
識別することができるし、これにより、表裏の品質管理
もできるので、これを用いてデバイス加工すれば、ウエ
ハおよびそれを用いてなる素子の品質管理も容易に行う
ことができる。さらに、従来よりも薄層の積層構造圧電
デバイスを精度良く作製できる。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention makes it easy to discriminate wafers by intentionally joining wafers of different colors. That is, the present invention is based on the results of various studies on a method of discriminating front and back sides prior to the processing of a device involving thinning alternately from both sides or one side of a bonded wafer. By bonding a comparable wafer to a normal, generally transparent wafer, there is no degradation in the quality of the bonded wafer, and it is possible to obtain a bonded wafer that can easily distinguish the front and back of the wafer from the difference in color. It is due to the finding. According to this, it is possible to easily identify the front and back of a wafer without spending time and money, and it is also possible to control the quality of the front and back. The quality control of the element can be easily performed. Further, a laminated piezoelectric device having a thinner layer than the conventional one can be manufactured with high accuracy.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】(実施の形態1)次に、本発明の
実施例を挙げる。まず、直径77mmのタンタル酸リチウム
単結晶インゴットから、直径が76.2mmφでxcutのウエ
ハをスライスして2000枚のウエハを作製した。このイン
ゴットにはz軸に垂直なオリエンテーションフラットと
ともに、サブオリエンテーションフラットが形成されて
おり、結晶の裏表が判別可能なようにしてある。なお、
このインゴットは、一般的なチョクラルスキー法によっ
て引き上げられたものであるが、るつぼとして、白金ーロ
シ゛ウム合金を用いているため、薄く茶褐色に着色してい
る。この着色は、結晶内へのロジウムの微量の混入によ
り生ずるものであると考えられる。この着色は、タンタ
ル酸リチウムを光学用、例えば、第2高調波発生材料と
するときには、400〜500nmのレーザ光に対して吸
収性を持つため問題となるが、圧電材料として用いると
きには、特性的に遜色がない。(Embodiment 1) Next, an embodiment of the present invention will be described. First, a 2000 mm wafer was prepared by slicing a 76.2 mm diameter xcut wafer from a 77 mm diameter lithium tantalate single crystal ingot. The ingot has an orientation flat perpendicular to the z-axis and a sub-orientation flat so that the front and back of the crystal can be distinguished. In addition,
This ingot is pulled up by a general Czochralski method, but is colored pale brown because it uses a platinum-rosium alloy as a crucible. This coloring is considered to be caused by a small amount of rhodium mixed into the crystal. This coloring is problematic when lithium tantalate is used for optical purposes, for example, as a second harmonic generation material because it has absorptivity to laser light of 400 to 500 nm. There is no inferiority.
【0015】次に、このウエハを面取りし、ラップ、エ
ッチング、ポリッシュしてから洗浄し、両面が鏡面化さ
れた表面を持つウエハを得た。次に、このウエハと同じ
形状を持つウエハを、先に述べたのと同じ工程、同じ設
備を用いて作製した。ただし、使用したインゴットは、
るつぼとして、イリジウムを用いて、雰囲気管理された
状態で作製されているため、着色がなく、ほぼ透明であ
る。ここまでの工程で、同じ厚み、同じ直径を持つウエ
ハが2000枚ずつ得られる。Next, the wafer was chamfered, wrapped, etched and polished, and then washed to obtain a wafer having both surfaces mirror-finished. Next, a wafer having the same shape as this wafer was manufactured using the same steps and the same equipment as described above. However, the ingot used
Since the crucible is made of iridium in an atmosphere-controlled state, it is almost transparent without coloring. By the above steps, 2,000 wafers having the same thickness and the same diameter can be obtained.
【0016】次に、このウエハを、図1に示すように、
無着色ウエハ(透明ウエハ)1と着色ウエハ2を一対ず
つ直接接合する。この際には、ウエハの裏あるいは表を
同方向に向けて、z軸のみが逆向きになるように接合す
る。z軸は、タンタル酸リチウムにおいては分極軸であ
るので、このように接合することにより、ウエハの厚み
方向の中心に分極反転境界を持つ、分極反転構造接合ウ
エハ(単結晶直接接合体)3が得られる。次に、この工
程で用いられる直接接合の工程を述べる。直接接合は、
接合するための対面する2面を鏡面研磨した後に清浄に
し、表面に親水化処理を施したものを接触させ、その
後、加熱処理を行うことにより行われるが、その加熱温
度は従来行われている分極反転形成処理温度に比べて十
分低く、200度から500度である。そのため、煩雑
な温度管理や雰囲気管理が必要ないため、生産設備が簡
略化できる。また、高温中で結晶を変質させることもな
くなる。本実施の形態1で用いたタンタル酸リチウムウ
エハに関しても直接接合による基板の反り、破損、材料
の変質などは見られなかった。Next, as shown in FIG.
The uncolored wafer (transparent wafer) 1 and the colored wafer 2 are directly bonded one by one. At this time, the wafers are joined such that the back or front of the wafer is oriented in the same direction and only the z-axis is in the opposite direction. Since the z-axis is the polarization axis in lithium tantalate, by bonding in this way, a domain-inverted structure bonded wafer (single-crystal direct bonded body) 3 having a domain-inverted boundary at the center in the thickness direction of the wafer is obtained. can get. Next, the step of direct bonding used in this step will be described. Direct bonding is
The two surfaces facing each other for joining are mirror-polished and then cleaned, and the surfaces that have been subjected to a hydrophilic treatment are brought into contact with each other, and then subjected to a heat treatment. The heating temperature is conventionally performed. The temperature is sufficiently lower than the polarization inversion forming processing temperature, that is, 200 to 500 degrees. Therefore, complicated temperature management and atmosphere management are not required, and the production equipment can be simplified. In addition, the quality of the crystal does not change at high temperatures. With respect to the lithium tantalate wafer used in the first embodiment, no warping, breakage, or deterioration of the material due to direct bonding was observed.
【0017】以上の工程で、原子レベルで一体化した分
極反転構造接合ウエハが得られる。この接合ウエハは、
片面から見ると透明であり、もう一方の面から見ると薄
い茶褐色を持った外観を呈する。このため、ウエハの上
面下面の判別はもちろん、光学的手法を用いて、境界面
も判別が可能である。次にその例を示す。Through the above steps, a domain-inverted structure bonded wafer integrated at the atomic level is obtained. This bonded wafer is
It is transparent when viewed from one side and has a pale brown appearance when viewed from the other side. Therefore, it is possible to determine not only the upper surface and the lower surface of the wafer but also the boundary surface using an optical method. The following is an example.
【0018】(実施の形態2)図2に示すように、実施
の形態1で示した接合ウエハ3の所定の部分に板厚測定
用レーザビーム4を照射し、その反射光のうち、表面で
反射するレーザビーム5と接合界面で反射して戻ったビ
ーム6の光路差を読みとることにより、その厚みを計測
することができる。同様に、表面もしくは接合界面から
の反射光5、6と基板裏面からの反射光7との光路差を
読みとることにより、もう一層の厚みも光学的に検出す
ることができる。(Embodiment 2) As shown in FIG. 2, a predetermined portion of the bonded wafer 3 shown in Embodiment 1 is irradiated with a thickness-measuring laser beam 4, and of the reflected light, The thickness can be measured by reading the optical path difference between the reflected laser beam 5 and the beam 6 reflected at the bonding interface and returned. Similarly, by reading the optical path difference between the reflected lights 5 and 6 from the front surface or the bonding interface and the reflected light 7 from the back surface of the substrate, the thickness can be further optically detected.
【0019】通常の透明ウエハを接合した場合には、接
合界面に屈折率差が生じないため、入射したレーザビー
ムが接合界面で光学的な反射を生じず、従って、表面と
裏面の反射光しか生じないので、その光路差により測定
できるのは、板の総厚のみであるが、本発明の接合ウエ
ハでは、各層の厚みが判別できるので、より正確な板厚
制御が可能になる。そのため、デバイスに用いる際にも
より加工精度を向上しさせ、特性の向上が期待できる。
次に本発明の接合ウエハを用いたデバイスの製造方法の
うち、厚み共振子の例について詳述する。When a normal transparent wafer is bonded, there is no difference in the refractive index at the bonding interface, so that the incident laser beam does not cause optical reflection at the bonding interface. Since this does not occur, only the total thickness of the plate can be measured by the optical path difference. However, in the bonded wafer of the present invention, the thickness of each layer can be determined, so that more accurate plate thickness control can be performed. Therefore, when used for a device, it is possible to further improve the processing accuracy and expect improvement in characteristics.
Next, in the method of manufacturing a device using the bonded wafer of the present invention, an example of a thickness resonator will be described in detail.
【0020】(実施の形態3)図3は、本発明の実施の
形態3における圧電振動子の製造方法の流れを示す側面
図である。図3(a)は等しい厚みを有する2枚の圧電
単結晶の側面図である。本実施の形態3では、圧電性単
結晶として、厚みt=200μmのZcutニオブ酸リチ
ウム基板1と、それと同じ大きさ、厚み、カット角を持
ち、着色した基板2を用いている。Embodiment 3 FIG. 3 is a side view showing a flow of a method of manufacturing a piezoelectric vibrator according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 3A is a side view of two piezoelectric single crystals having the same thickness. In the third embodiment, a Zcut lithium niobate substrate 1 having a thickness t = 200 μm and a colored substrate 2 having the same size, thickness and cut angle as the piezoelectric single crystal are used.
【0021】zcutのウエハでは、分極軸が板厚方向を
向いているため、図に示すように、断面方向からみて分
極軸が上下方向を向き、分極軸が反転した構造になる。
なお、本実施の形態では、着色したウエハを得るため
に、ニオブ酸リチウム基板を窒素雰囲気中で数時間アニ
ールした。ニオブ酸リチウムは、酸素の欠損により、薄
い黒褐色に着色するため、本方法で着色することが可能
である。本方法により着色したウエハは、光学的特性は
劣化するが、圧電的特性の劣化は小さい。そのため、接
合したウエハの圧電特性の劣化も最小限とすることがで
きる。Since the polarization axis of the zcut wafer is oriented in the plate thickness direction, as shown in the drawing, the polarization axis is oriented vertically when viewed from the cross-sectional direction, and the polarization axis is inverted.
Note that in this embodiment, the lithium niobate substrate was annealed for several hours in a nitrogen atmosphere in order to obtain a colored wafer. Lithium niobate can be colored by this method because it is colored light blackish brown due to oxygen deficiency. Although the optical characteristics of the wafer colored by this method deteriorate, the deterioration of the piezoelectric characteristics is small. Therefore, deterioration of the piezoelectric characteristics of the bonded wafer can be minimized.
【0022】これらを次いで図3(b)に示すように直
接接合して一体化する。その後、図3(c)に示すよう
に、上面の無着色ウエハ1を50μmに薄板化する。こ
のとき、研磨用定盤8の一部に穴9をあけて、研磨面の
一部に、一方の面から測定用レーザビーム4をあてて、
実施の形態2に示した原理により、その研磨量を監視し
ながら研磨できる。このようにすることで、研磨量の管
理が容易となり、50μmの薄層化が高い精度で達成さ
れる。These are then directly bonded and integrated as shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 3C, the uncolored wafer 1 on the upper surface is thinned to 50 μm. At this time, a hole 9 is made in a part of the polishing table 8 and a measuring laser beam 4 is applied to one part of the polished surface from one surface.
According to the principle shown in the second embodiment, polishing can be performed while monitoring the polishing amount. By doing so, the polishing amount can be easily controlled, and the thickness can be reduced to 50 μm with high accuracy.
【0023】そして、次に図3(d)に示すように、着
色ウエハ2側を、同じく片面研磨によって、厚み50μ
mに研磨する。この際もレーザビームによる板厚の監視
が可能である。また、一方が着色したウエハであるた
め、それぞれのサイズが小さく、数が多い場合にも基板
の研磨すべき面をセットする際に間違いが生じず、歩留
まりを向上させることができる。両面研磨で、頻繁に上
下を入れ替える際にも同様の効果が得られる。Then, as shown in FIG. 3D, the colored wafer 2 side is also polished on one side to a thickness of 50 μm.
Polish to m. At this time, the thickness of the sheet can be monitored by a laser beam. Further, since one of the wafers is a colored wafer, even when the size of each wafer is small and the number of wafers is large, there is no error in setting the surface to be polished of the substrate, and the yield can be improved. The same effect can be obtained when the upper and lower sides are frequently switched by double-side polishing.
【0024】最後に、分極反転構造ウエハ3の上面と下
面に駆動電極(励振電極)10を形成し、図3(e)と
同様の圧電振動子が完成する。本振動子は、上下面が精
度良く研磨され、分極反転の境界がほとんど中心にある
ため、基本波が効果的に抑制され、2倍波の奇数倍、つ
まり、2次、6次、10次・・・の厚み共振を示す偶数
次モード振動子となる。Finally, drive electrodes (excitation electrodes) 10 are formed on the upper and lower surfaces of the domain-inverted structure wafer 3, and a piezoelectric vibrator similar to that shown in FIG. 3E is completed. In this oscillator, the upper and lower surfaces are polished with high precision, and the boundary of polarization reversal is almost at the center. Therefore, the fundamental wave is effectively suppressed, and the second harmonic is an odd multiple, that is, the second, sixth, or tenth harmonic. Are the even-order mode vibrators showing thickness resonance of.
【0025】なお、基板のカット角についての制限は一
切なく、分極軸の向きを反対にして接合すれば、所望の
モードにおいて、一波長共振が得られるので、モードに
よらず本発明の接合体を利用できる。自発分極を持たな
い水晶などにも電気軸と呼ばれる基準軸があり、それを
反転して接合することで同様な効果が得られる。また、
製品に求められる温度係数、結合係数などを適宜選ぶこ
とができる。There is no restriction on the cut angle of the substrate, and if the bonding is performed with the direction of the polarization axis reversed, one-wavelength resonance can be obtained in a desired mode. Can be used. A crystal having no spontaneous polarization also has a reference axis called an electric axis, and a similar effect can be obtained by inverting and joining the reference axis. Also,
A temperature coefficient, a coupling coefficient, and the like required for a product can be appropriately selected.
【0026】また、分極軸の向きは、軸の正方向同士を
接合しても、負方向同士を接合しても、どちらでも特性
的に差はないが、エッチング加工を行う際には、エッチ
ングレートの大きい方向を基板表面として、エッチング
加工を容易にしたり、エッチングレートの遅い方向を基
板表面として、最終の厚みの微調整を行うことも可能で
ある。There is no characteristic difference in the direction of the polarization axis between the positive and negative directions of the axes. It is also possible to make the etching process easy by using the direction with the higher rate as the substrate surface, or to finely adjust the final thickness with the direction with the lower etching rate as the substrate surface.
【0027】どちらの構成を用いても、基板表面の極性
が同じになり、上下のエッチレートが同じとなるため、
先に述べた、光学的手法により、片面から、一層分のエ
ッチング量を監視して、板の層厚を正確に制御すること
ができる。この場合は、研磨加工と異なり、基板が静止
した状態での板厚監視が可能であるため、より厳密な板
厚制御が可能になる。また、図3の実施例では、1つの
圧電振動子を作製する工程が示されているが、大面積の
ウエハを直接接合した後に、複数個の駆動電極を形成し
て、切断することにより、1度に多くの圧電振動子を製
造することも同様に可能である。In either case, the polarity of the substrate surface is the same, and the upper and lower etch rates are the same.
By the optical method described above, the etching amount of one layer can be monitored from one side to accurately control the layer thickness of the plate. In this case, unlike the polishing process, the thickness of the substrate can be monitored while the substrate is stationary, so that more precise thickness control can be performed. Further, in the embodiment of FIG. 3, the process of manufacturing one piezoelectric vibrator is shown. However, after directly bonding a large-area wafer, a plurality of drive electrodes are formed and cut. It is likewise possible to produce many piezoelectric vibrators at once.
【0028】さらに、本実施の形態では、厚み振動子の
例について示したが、分極反転構造により得られるバイ
モルフ屈曲センサ素子やアクチュエータあるいは、積層
型弾性表面波素子を作製する際にも適用が可能である。
この際には、分極反転構造に限らず、異なった結晶を積
層して接合した積層構造を持ったデバイスにも同様に適
用できることはいうまでもない。次にその例を示す。Further, in this embodiment, the example of the thickness vibrator has been described. However, the present invention can also be applied to the production of a bimorph bending sensor element or an actuator or a laminated surface acoustic wave element obtained by a domain-inverted structure. It is.
In this case, it goes without saying that the present invention can be similarly applied to a device having a laminated structure in which different crystals are laminated and joined, as well as the domain-inverted structure. The following is an example.
【0029】(実施の形態4)図4は、本発明の接合ウ
エハからなるバイモルフ屈曲型センサ素子の側面図であ
る。図に示すように、2枚の色の異なる圧電体が、分極
軸を反転して接合されており、一端が固定部11に固定
されている。この素子に矢印方向の衝撃が加わると、分
極軸が反転されて接合されているため、基板の表面に極
性の異なる電荷が発生し、その衝撃量を電圧、または電
流で検知することができる。これらの信号は、導電性樹
脂12により外部に取り出される。(Embodiment 4) FIG. 4 is a side view of a bimorph bent sensor element formed of a bonded wafer according to the present invention. As shown in the figure, two piezoelectric bodies of different colors are joined with their polarization axes inverted, and one end is fixed to the fixing part 11. When a shock in the direction of the arrow is applied to the element, the polarization axis is inverted and the element is joined, so that charges having different polarities are generated on the surface of the substrate, and the amount of the shock can be detected by voltage or current. These signals are extracted outside by the conductive resin 12.
【0030】本発明による接合基板を用いると、基板の
裏表、境界位置が容易に判別されるため、層の厚みを精
度良く制御でき、素子部分の厚みを薄くできる。素子が
薄くなると、同じ衝撃が加わった際の撓み量が大きくな
るため、同じ衝撃量でより多くの電荷を表面に誘起し、
より高感度の素子が作製できる。本実施の形態では、屈
曲変位を利用した例について示したが、同様に縦変位、
滑り変位のセンサ、アクチュエータを同様の構造から作
製することもできる。When the bonding substrate according to the present invention is used, the front and back of the substrate and the boundary position can be easily determined, so that the thickness of the layer can be accurately controlled and the thickness of the element portion can be reduced. As the element becomes thinner, the amount of deflection when the same impact is applied increases, so more charge is induced on the surface with the same amount of impact,
A device with higher sensitivity can be manufactured. In the present embodiment, the example using the bending displacement has been described.
A sensor and an actuator for sliding displacement can be manufactured from the same structure.
【0031】(実施の形態5)この他にも、一層の厚み
が非常に薄い積層構造を持った圧電体を形成する際に
は、その層厚みの制御が重要となり、このために圧電体
薄膜に代表される薄層圧電体の形成技術が注目されてい
るが、薄膜技術では膜厚の制御が困難である。また薄膜
は、基板材料及び薄膜材料の選択範囲が狭く、着色した
材料を得ることも容易ではないので、本発明の構成を達
成することは困難である。そのため、層の厚みの制御さ
れた圧電体層を得ることは困難である。特に、弾性表面
波素子の場合は、圧電体の積層構造を利用して、励起さ
れる表面波振動の結合係数、温度係数を制御できるが、
その変位が櫛形電極13の形成された表面に集中するた
め、表面層の厚みを伝搬させる弾性表面波の波長に対し
て1波長以下の厚みにする必要がある(図5)。通常こ
の厚みはμmオーダで、精度もサブμmの精度を要求さ
れる。このような分野でも本発明の基板及び製造方法は
有用である。(Embodiment 5) In addition, when a piezoelectric body having a laminated structure with a very thin layer is formed, it is important to control the layer thickness. However, it is difficult to control the film thickness by the thin film technology. In addition, for the thin film, the selection range of the substrate material and the thin film material is narrow, and it is not easy to obtain a colored material. Therefore, it is difficult to achieve the configuration of the present invention. Therefore, it is difficult to obtain a piezoelectric layer having a controlled layer thickness. In particular, in the case of the surface acoustic wave element, the coupling coefficient and the temperature coefficient of the excited surface wave vibration can be controlled by using the laminated structure of the piezoelectric material.
Since the displacement is concentrated on the surface on which the comb-shaped electrode 13 is formed, it is necessary to make the thickness of the surface layer one wavelength or less with respect to the wavelength of the surface acoustic wave to be propagated (FIG. 5). Usually, the thickness is on the order of μm, and the accuracy is required to be sub-μm. The substrate and the manufacturing method of the present invention are useful in such a field.
【0032】なお、本発明の実施の形態では、圧電単結
晶として、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムを
用いているが、何らかの手段で着色した結晶を得て、ホ
ウ酸リチウム、ニオブ酸かカリ、ランガサイト、水晶、
リン酸ガリウムなどの単結晶圧電材料に適用することも
可能である。また、ウエハの組合せは着色ウエハと無着
色ウエハの例に限るものではなく、着色程度の異なるウ
エハの組合せであってもよい。In the embodiment of the present invention, lithium niobate and lithium tantalate are used as the piezoelectric single crystal. However, a colored crystal is obtained by any means, and lithium borate, niobate or potassium, Langasite, crystal,
It is also possible to apply to a single crystal piezoelectric material such as gallium phosphate. Further, the combination of wafers is not limited to the example of the colored wafer and the non-colored wafer, but may be a combination of wafers having different degrees of coloring.
【0033】[0033]
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、着色したウエハと無着色のウエハ、あるいは着
色程度の異なるウエハを直接接合法により接着層なしに
接合することにより、接合境界の判別しやすい接合ウエ
ハを得ることができる。その結果、この接合ウエハを利
用して、加工時の間違いの少ない、製造歩留まりの高い
圧電素子用ウエハを作製することができる。例えば、薄
くても、精度の高い分極反転構造を持った接合ウエハが
作製できるので、高周波の圧電振動子を得ることができ
る。As is apparent from the above description, according to the present invention, a colored wafer and an uncolored wafer, or wafers having different degrees of coloring are joined by a direct joining method without an adhesive layer. It is possible to obtain a bonded wafer whose boundaries can be easily determined. As a result, it is possible to manufacture a piezoelectric element wafer having a small manufacturing error and a high production yield by using the bonded wafer. For example, even if it is thin, a bonded wafer having a highly accurate domain-inverted structure can be manufactured, so that a high-frequency piezoelectric vibrator can be obtained.
【0034】また、一層の厚みの薄い積層構造を持っ
た、センサ、アクチュエータ素子も容易に得ることがで
きる。さらに、一層の厚みがμmオーダーの積層構造弾
性表面波素子を作製することができる。さらに、レーザ
ビームを接合境界で反射させることが可能なため、板厚
を監視しながら研磨、エッチングなどの加工が可能とな
り、分極反転構造や積層構造領域の厚みばらつきを抑
え、上記構造を持った圧電デバイスの製造歩留まりを向
上させることができる。Further, a sensor and an actuator element having a laminated structure having a thinner layer can be easily obtained. Further, it is possible to manufacture a layered surface acoustic wave device having a thickness of the order of μm. Furthermore, since the laser beam can be reflected at the junction boundary, processing such as polishing and etching can be performed while monitoring the plate thickness. The production yield of the piezoelectric device can be improved.
【図1】 本発明に関わる接合体ウエハの製造方法の一
実施例を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a method for manufacturing a bonded wafer according to the present invention.
【図2】 レーザビームによる板厚の測定原理を説明す
るための断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the principle of measuring a plate thickness using a laser beam.
【図3】 本発明に係る接合体ウエハからなる圧電振動
子の製造方法の流れを示す側面図。FIG. 3 is a side view showing a flow of a method for manufacturing a piezoelectric vibrator made of a bonded wafer according to the present invention.
【図4】 本発明に係る接合体ウエハからなる圧電バイ
モルフ屈曲型センサ素子の側面図。FIG. 4 is a side view of a piezoelectric bimorph bending sensor element formed of a bonded wafer according to the present invention.
【図5】 本発明に係る接合体ウエハからなる積層構造
弾性表面波素子の側面図。FIG. 5 is a side view of a laminated surface acoustic wave device including a bonded wafer according to the present invention.
1・・・通常の圧電体基板 2・・・着色した圧電体基板 3・・・分極反転構造接合体ウエハ 4・・・測定用入射レーザビーム 5・・・表面で反射したレーザビーム 6・・・接合界面で反射したレーザビーム 7・・・裏面で反射したレーザビーム 8・・・研磨用定盤 9・・・貫通孔 10・・・励振電極 11・・・固定用部材 12・・・導電性樹脂 13・・・櫛形電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Normal piezoelectric substrate 2 ... Colored piezoelectric substrate 3 ... Polarized structure bonded wafer 4 ... Measurement incident laser beam 5 ... Laser beam reflected on the surface 6 ...・ Laser beam reflected at the joint interface 7 ・ ・ ・ Laser beam reflected at the back surface 8 ・ ・ ・ Surface plate for polishing 9 ・ ・ ・ Through hole 10 ・ ・ ・ Exciting electrode 11 ・ ・ ・ Fixing member 12 ・ ・ ・ Conductivity Resin 13 ... comb-shaped electrode
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 41/083 H01L 41/08 S (72)発明者 大土 哲郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内Continued on the front page. (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 41/083 H01L 41/08 S (72) Inventor Tetsuro Oto 1006 Odakadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Claims (11)
第1の基板と色調の異なる第2の単結晶圧電体基板を直
接接合し、単一の接合体内に任意の色彩を持った2層以
上の領域が存在することを特徴とする積層圧電単結晶基
板。1. A colored first single-crystal piezoelectric substrate and a second single-crystal piezoelectric substrate having a different color tone from the first substrate are directly bonded to each other to have a desired color in a single bonded body. A laminated piezoelectric single crystal substrate characterized by having two or more layers of regions.
が、白金−ロジウムるつぼ内で、チョクラルスキー法に
より引き上げられたタンタル酸リチウムであって、前記
第2の単結晶圧電体基板が、イリジウムるつぼ内で、チ
ョクラルスキー法により引き上げられたタンタル酸リチ
ウムであることを特徴とする請求項1記載の積層圧電単
結晶基板。2. The method according to claim 1, wherein the colored first single-crystal piezoelectric substrate is lithium tantalate pulled up by a Czochralski method in a platinum-rhodium crucible, and wherein the second single-crystal piezoelectric substrate is 2. The multilayer piezoelectric single crystal substrate according to claim 1, wherein the substrate is lithium tantalate pulled up in an iridium crucible by the Czochralski method.
が、窒素雰囲気内でアニール処理されたニオブ酸リチウ
ムであって、前記第2の単結晶圧電体基板が、アニール
処理されていないニオブ酸リチウムであることを特徴と
する請求項1記載の積層圧電単結晶基板。3. The method according to claim 1, wherein the colored first single-crystal piezoelectric substrate is lithium niobate annealed in a nitrogen atmosphere, and the second single-crystal piezoelectric substrate is an unannealed niobium. The laminated piezoelectric single crystal substrate according to claim 1, wherein the substrate is lithium oxide.
が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リ
チウム、水晶及びランガサイトの単結晶圧電材料より選
ばれることを特徴とする請求項1記載の積層圧電体単結
晶基板。4. The method according to claim 1, wherein the first and second single-crystal piezoelectric substrates are selected from a single-crystal piezoelectric material of lithium tantalate, lithium niobate, lithium borate, quartz and langasite. 2. The laminated piezoelectric single crystal substrate according to 1.
が、それぞれの分極軸、あるいは、電気軸がほぼ逆向き
となるように直接接合されたバイモルフ構造となってい
ることを特徴とする請求項1記載の積層圧電単結晶基
板。5. A bimorph structure in which the first and second single-crystal piezoelectric substrates are directly joined so that their polarization axes or electric axes are substantially in opposite directions. The multilayer piezoelectric single crystal substrate according to claim 1.
厚みと前記第2の単結晶圧電体基板の厚みを光学的手段
を用いて精度良く測定、加工し、それぞれの基板寸法、
構成に応じた縦変位、滑り変位、屈曲変位を生ぜしめる
ことを特徴とする請求項1に記載の積層圧電単結晶基板
を用いてなる圧電アクチュエータ。6. The thickness of the colored first single-crystal piezoelectric substrate and the thickness of the second single-crystal piezoelectric substrate are accurately measured and processed using optical means, and the respective substrate dimensions,
2. The piezoelectric actuator using the laminated piezoelectric single crystal substrate according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator generates a longitudinal displacement, a sliding displacement, and a bending displacement according to a configuration.
厚みと前記第2の単結晶圧電体基板の厚みを光学的手段
を用いて精度良く測定、加工し、それぞれの基板寸法、
構成に応じた縦変位、滑り変位、屈曲変位を生ぜしめる
ことを特徴とする請求項1に記載の積層圧電単結晶基板
を用いてなる圧電共振子。7. The thickness of the colored first single-crystal piezoelectric substrate and the thickness of the second single-crystal piezoelectric substrate are accurately measured and processed using optical means, and the respective substrate dimensions,
2. A piezoelectric resonator using the laminated piezoelectric single crystal substrate according to claim 1, wherein the piezoelectric resonator generates a longitudinal displacement, a sliding displacement, and a bending displacement according to a configuration.
厚みと前記第2の単結晶圧電体基板の厚みを光学的手段
を用いて精度良く測定、加工し、それぞれの基板寸法、
構成に応じた縦変位、滑り変位、屈曲変位を圧電性を利
用して電気信号に変換し検知することを特徴とする請求
項1に記載の積層圧電単結晶基板を用いてなる圧電セン
サ。8. The thickness of the colored first single-crystal piezoelectric substrate and the thickness of the second single-crystal piezoelectric substrate are accurately measured and processed using optical means, and the respective substrate dimensions,
2. The piezoelectric sensor using the laminated piezoelectric single crystal substrate according to claim 1, wherein the vertical displacement, the slip displacement, and the bending displacement according to the configuration are converted into electric signals using piezoelectricity and detected.
厚みと前記第2の単結晶圧電体基板の厚みを光学的手段
を用いて精度良く測定、加工し、それぞれの基板寸法、
構成に応じた波を伝搬させることを特徴とする請求項1
に記載の積層圧電単結晶基板を用いてなる弾性表面波デ
バイス。9. The thickness of the colored first single-crystal piezoelectric substrate and the thickness of the second single-crystal piezoelectric substrate are accurately measured and processed using optical means, and the respective substrate dimensions,
2. A wave according to a configuration is propagated.
A surface acoustic wave device using the laminated piezoelectric single crystal substrate described in 1 above.
一方の表面側より、板厚測定用レーザビームを照射し、
所定の位置の表面及び接合界面から反射した板厚測定用
レーザビームを検出して、その光路差により、積層圧電
体基板の少なくとも一層の厚みを検出する工程と、前記
検出した厚みに応じて前記一層の厚みが所望の厚みとな
るように研磨量を設定し、前記設定量だけ研磨する工程
と、前記薄層化した積層圧電体基板の表裏面に振動電極
を設ける工程とを備えたことを特徴とする圧電デバイス
の製造方法。10. A laser beam for thickness measurement is irradiated from one surface side of the laminated piezoelectric single crystal substrate according to claim 1,
Detecting a thickness-measuring laser beam reflected from the surface and the bonding interface at a predetermined position, and detecting the thickness of at least one layer of the laminated piezoelectric substrate by an optical path difference, and according to the detected thickness, Setting a polishing amount so that one layer has a desired thickness, polishing the set amount, and providing vibration electrodes on the front and back surfaces of the thinned laminated piezoelectric substrate. Characteristic method for manufacturing a piezoelectric device.
る工程を、研磨装置に設置したレーザ測長器により行
い、積層単結晶圧電体基板を研磨装置より取り出すこと
なく、研磨による板厚の調整を行うことを特徴とする請
求項10記載の圧電デバイスの製造方法。11. The step of detecting the thickness of one layer of the laminated piezoelectric body is performed by a laser length measuring machine installed in a polishing apparatus, and the thickness of the laminated single crystal piezoelectric substrate is removed by polishing without removing the substrate from the polishing apparatus. The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 10, wherein adjustment is performed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9327818A JPH11163668A (en) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | Laminated piezo-electric single crystal substrate and piezo-electric device using it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9327818A JPH11163668A (en) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | Laminated piezo-electric single crystal substrate and piezo-electric device using it |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11163668A true JPH11163668A (en) | 1999-06-18 |
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