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WO2019167918A1 - 複合基板、および圧電素子 - Google Patents

複合基板、および圧電素子 Download PDF

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WO2019167918A1
WO2019167918A1 PCT/JP2019/007206 JP2019007206W WO2019167918A1 WO 2019167918 A1 WO2019167918 A1 WO 2019167918A1 JP 2019007206 W JP2019007206 W JP 2019007206W WO 2019167918 A1 WO2019167918 A1 WO 2019167918A1
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substrate
hole
piezoelectric
composite substrate
support substrate
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French (fr)
Inventor
賢英 楢原
幹裕 梅原
光広 梶原
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京セラ株式会社
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    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins

Definitions

  • the present disclosure relates to a composite substrate having a structure in which a piezoelectric substrate and a support substrate are bonded together, and a piezoelectric element including the composite substrate.
  • Patent Document 1 proposes a composite substrate in which a through hole is formed in a composite substrate obtained by bonding both substrates together.
  • Patent Documents 2 and 3 propose a composite substrate in which holes are formed in both substrates and bonded together.
  • a composite substrate according to the present disclosure includes a piezoelectric substrate having a first surface and a second surface facing the first surface, a third surface in contact with the second surface, and a fourth substrate facing the third surface. And a through hole penetrating from the first surface to the fourth surface.
  • the through hole has a tapered shape with a diameter decreasing from the first surface toward the fourth surface, and has a stepped surface with a diameter decreasing in the support substrate.
  • the piezoelectric element of the present disclosure includes the composite substrate and a conductor located in the through hole.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the composite substrate 1 of the present disclosure.
  • the composite substrate 1 of the present disclosure includes a piezoelectric substrate 2 having a first surface 2a and a second surface 2b facing the first surface 2a, and a third surface 3a and a third surface 3a that are in contact with the second surface 2b.
  • a support substrate 3 having four surfaces 3b and a through hole 1c penetrating from the first surface 2a to the fourth surface 3b are provided.
  • the through hole 1c has a tapered shape with a diameter decreasing from the first surface 2a toward the fourth surface 3b.
  • the through hole 1 c has a step surface 3 d in the support substrate 3 where the diameter of the through hole 1 c decreases.
  • the cross-sectional shape perpendicular to the penetration direction of the through hole 1c is not particularly limited.
  • the cross-sectional shape perpendicular to the penetration direction of the through hole 1c is, for example, a circle.
  • the composite substrate 1 has a diameter of 4 to 8 inches, a thickness of the support substrate 3 of 0.08 to 1.5 mm, and a thickness of the piezoelectric substrate 2 of 0.1 to 50 ⁇ m.
  • the composite substrate 1 of the present disclosure is used as a composite substrate 1 for piezoelectric elements such as surface acoustic wave elements.
  • a plurality of piezoelectric elements are formed on one composite substrate 1.
  • Element electrodes are formed on the first surface 2 a of the piezoelectric substrate 2.
  • External electrodes are formed on the fourth surface 3 b of the support substrate 3.
  • a conductor made of a conductive material such as copper is formed inside the through hole 1c. This conductor is connected to the element electrode on the first surface 2a and the external electrode on the fourth surface 3b.
  • the conductor is formed inside the through hole 1c by a method such as vapor deposition or sputtering.
  • the composite substrate 1 and the piezoelectric element of the present disclosure have a through hole 1c.
  • the through hole 1 c has a tapered shape with a diameter decreasing from the first surface 2 a toward the fourth surface 3 b, and has a step surface 3 d with a diameter decreasing in the support substrate 3.
  • the composite substrate 1 and the piezoelectric element of the present disclosure have high adhesion between the inner surface of the through hole 1c and the conductor.
  • the conductor positioned on the step surface 3d has a bent portion (bent portion), but is not positioned on the bonding surface of the second surface 2b and the third surface 3a. Therefore, peeling of the bonding surface between the second surface 2b and the third surface 3a hardly occurs.
  • the composite substrate 1 and the piezoelectric element of the present disclosure are excellent in reliability and can be used for a long time.
  • the arithmetic average roughness Ra of the step surface 3d and the region on the first surface 2a side of the step surface 3d is smaller than the arithmetic average roughness Ra of the region on the fourth surface 3b side of the step surface 3d. Also good.
  • the piezoelectric substrate 2 is less likely to be damaged, stress concentration applied to the bent portion is suppressed, and the adhesion force in the region on the fourth surface 3b side is higher than the stepped surface 3d. Therefore, the reliability of the composite substrate 1 and the piezoelectric element is increased.
  • the step surface 3d and the region closer to the first surface 2a than the step surface 3d have a surface property that the arithmetic mean roughness Ra is small and stress is not easily concentrated. Therefore, there is little possibility that the piezoelectric substrate 2 is damaged, and stress concentration applied to the bent portion is suppressed.
  • the adhesion force in the region closer to the fourth surface 3b than the step surface 3d is due to the anchor effect.
  • the piezoelectric substrate 2 is made of a piezoelectric material such as lithium tantalate (LT), lithium niobate (LN), zinc oxide, or quartz.
  • the support substrate 3 is made of a material having higher mechanical strength than the piezoelectric substrate 2.
  • the support substrate 3 is made of various ceramics such as sapphire, silicon, silicon carbide, LN, and alumina. Among these, sapphire is excellent in mechanical strength, insulation, and heat dissipation, and is suitable as a material for the support substrate 3.
  • a support substrate 3 having a piezoelectric substrate 2 having a first surface 2a, a second surface 2b facing the first surface 2a, a third surface 3a, and a fourth surface 3b facing the third surface 3a. And prepare.
  • the third surface 3a of the support substrate 3 provided with the first hole 3c and the second surface 2b of the piezoelectric substrate 2 are bonded together.
  • a process for forming a tapered second hole 2c penetrating from the first surface 2a side to the second surface 2b side of the piezoelectric substrate 2 is performed.
  • the second surface 2b is processed so that the hole diameter of the second hole 2c is larger than the hole diameter of the third surface 3a at the time of bonding, and the third surface 3a side (piezoelectric substrate of the first hole 3c) (2 side)
  • the hole diameter is processed so that the diameter becomes larger than that at the time of bonding.
  • the hole can be formed by laser processing, blasting, drilling, or the like.
  • sapphire is used as the support substrate 3 and the first hole 3c is formed by laser processing, a short pulse UV laser using harmonics such as a YAG laser is suitable.
  • harmonics such as a YAG laser.
  • the support substrate 3 is laser processed, debris scattered from the processing region during processing adheres to the surface and processing surface of the support substrate 3. Debris adversely affects subsequent manufacturing processes and product characteristics. Therefore, debris is removed by a method such as etching.
  • etching treatment with hydrochloric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, sodium tetraborate melt, KOH melt, NaOH melt heated to room temperature or below the boiling point May be used.
  • the bonding of the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3 is performed by direct bonding without using an adhesive material or by bonding using an adhesive material.
  • the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3 are bonded by heating and / or pressurization in vacuum, air, or a predetermined atmosphere. Due to the temperature at the time of bonding and the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3, stress is generated in the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3, which may cause damage and poor processing accuracy. In order to reduce such stress, the bonding temperature is preferably low.
  • the second surface 2b of the piezoelectric substrate 2 and the third surface 3a of the support substrate 3 are preferably subjected to an activation treatment by a method such as plasma treatment and then joined.
  • the second hole 2c is formed.
  • the first surface 2a of the piezoelectric substrate 2 may be ground using a lapping device or the like to reduce the thickness of the piezoelectric substrate 2, and then the second hole 2c may be formed.
  • the method of forming the second hole 2c in the piezoelectric substrate 2 is preferably processing by chemical treatment such as wet etching or dry etching. If the material of the piezoelectric substrate 2 is LT or LN, it may be formed by a combination of mask formation by photolithography technology and reactive ion etching using a halogen compound gas such as CF 4 .
  • the etched surface has a smaller surface roughness than the laser processed surface.
  • the surface roughness can be represented by, for example, arithmetic average roughness Ra.
  • the through holes 1c when the first hole 3c is formed by laser processing and the step surface 3d and the second hole 2c are formed by etching, the first through the through hole 1c is more than the step surface 3d and the step surface 3d.
  • the surface roughness of the area on the surface 2a side (piezoelectric substrate 2 side) can be smaller than the area on the fourth surface 3b side (support substrate 3 side) than the stepped surface 3d.
  • the composite substrate and the piezoelectric element of the present disclosure have a tapered through-hole whose diameter decreases from one surface (first surface of the piezoelectric substrate) of the substrate toward the other surface (fourth surface of the support substrate).
  • the support substrate has a stepped surface with a diameter decreasing. Therefore, the adhesive force between the inner surface of the through hole and the conductor is increased, and peeling of the bonded surface of the substrate and stress concentration on the piezoelectric substrate having no step surface hardly occur. Therefore, it is possible to provide a composite substrate and a piezoelectric element that are excellent in reliability.
  • Examples of the method for manufacturing the composite substrate 1 include the following methods. For example, first, after the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3 are bonded together, a through hole having a small diameter is formed. Then, the through-hole 3c is formed by expanding the diameter of the small through-hole on the piezoelectric substrate 2 side in the piezoelectric substrate 2 and the support substrate 3. Alternatively, first, the tapered second hole 2 c is formed in the piezoelectric substrate 2, and the first hole 3 c having a tapered shape as a whole and having a step portion 3 d is formed in the support substrate 3. Thereafter, the through hole 3c in which the second hole 2c and the first hole 3c are connected may be formed by bonding the piezoelectric substrate 2 and the support base 3 together.

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Abstract

本開示の複合基板は、第１面および第１面と対向する第２面を有する圧電基板と、前記第２面に接する第３面および該第３面に対向する第４面を有する支持基板と、前記第１面から前記第４面まで貫通する貫通孔と備える。前記貫通孔は、前記第１面から前記第４面に向かって径が減少するテーパー形状を有し、前記支持基板内に径が減少する段差面を有する。本開示の圧電素子は、前記複合基板と、前記貫通孔内に位置する導電体とを備える。

Description

複合基板、および圧電素子
　本開示は、圧電基板と支持基板とを貼り合せた構造の複合基板、およびこの複合基板を備えた圧電素子に関する。
　近年、携帯電話などの通信機器に使用される弾性表面波素子などの圧電素子の小型化、高性能化が要求されている。小型で高性能な圧電素子として、圧電基板と支持基板とを貼り合せて構成された複合基板を貫通する貫通孔内に形成した導電体を介して圧電基板上に形成された素子電極に電気信号を供給する構成の素子がある。
　このような圧電素子用複合基板として、特許文献１では、両基板を貼り合せた複合基板に貫通孔を形成した複合基板が提案されている。特許文献２、３では、両基板に孔を形成した後、貼り合せた複合基板が提案されている。
特開２０１１－１３０３８５号公報 特開２００３－３７４７１号公報 特開２０１０－５０５３９号公報
　本開示の複合基板は、第１面および第１面と対向する第２面を有する圧電基板と、前記第２面に接する第３面および該第３面に対向する第４面を有する支持基板と、前記第１面から前記第４面までを貫通する貫通孔と備える。前記貫通孔は、前記第１面から前記第４面に向かって径が減少するテーパー形状を有し、前記支持基板内に径が減少する段差面を有する。本開示の圧電素子は、前記複合基板と、前記貫通孔内に位置する導電体とを備える。
本開示の複合基板の一例を示す概略断面図である。
　本開示の複合基板および圧電素子について、図を参照しながら説明する。
＜複合基板＞
　図１に、本開示の複合基板１の概略断面図を示す。本開示の複合基板１は、第１面２ａおよび第１面２ａと対向する第２面２ｂを有する圧電基板２と、第２面２ｂに接する第３面３ａおよび第３面３ａに対向する第４面３ｂを有する支持基板３と、第１面２ａから第４面３ｂまでを貫通する貫通孔１ｃと備える。貫通孔１ｃは、第１面２ａから第４面３ｂに向かって径が減少するテーパー形状を有する。貫通孔１ｃは、支持基板３内に、貫通孔１ｃの径が減少する段差面３ｄを有する。図１においては、段差面３ｄが第３面３ａに略平行な例を示している。貫通孔１ｃの貫通方向に垂直な断面形状は、特に制限はされない。貫通孔１ｃの貫通方向に垂直な断面形状は、例えば円形である。複合基板１の寸法は例えば、直径が４インチ～８インチ、支持基板３の厚みが０．０８ｍｍ～１．５ｍｍ、圧電基板２の厚みが０．１μｍ～５０μｍである。
＜圧電素子＞
　本開示の複合基板１は、表面弾性波素子などの圧電素子用の複合基板１として用いられる。１枚の複合基板１には複数の圧電素子が形成される。圧電基板２の第１面２ａには素子電極が形成される。支持基板３の第４面３ｂには外部電極が形成される。貫通孔１ｃの内部には、銅などの導電性材料からなる導電体が形成される。この導電体は、第１面２ａの素子電極および第４面３ｂの外部電極と接続される。導電体は、蒸着、スパッタなどの方法で貫通孔１ｃの内部に形成する。
　本開示の複合基板１および圧電素子は、貫通孔１ｃを有する。貫通孔１ｃは、第１面２ａから第４面３ｂに向かって径が小さくなるテーパー形状であり、支持基板３内に径が減少する段差面３ｄを有する。本開示の複合基板１および圧電素子は、このような構成により、貫通孔１ｃの内面と導電体との密着力が高い。段差面３ｄに位置する導電体は、屈曲した部分（屈曲部）を有するが、第２面２ｂおよび第３面３ａの貼り合せ面に位置していない。そのため、第２面２ｂと第３面３ａとの貼り合せ面の剥離が生じにくい。段差面３ｄが支持基板３に位置していることから、圧電基板２の素子電極（圧電素子）が破損するおそれがない。そのため、本開示の複合基板１および圧電素子は、信頼性に優れ、長期間にわたる使用ができる。
　貫通孔１ｃは、段差面３ｄおよび段差面３ｄよりも第１面２ａ側の領域の算術平均粗さＲａが、段差面３ｄよりも第４面３ｂ側の領域の算術平均粗さＲａより小さくてもよい。
　このような構成を満たしているときには、圧電基板２が破損するおそれが少なく、屈曲部に掛かる応力集中が抑制され、段差面３ｄよりも第４面３ｂ側の領域の密着力が高い。そのため、複合基板１および圧電素子の信頼性が高まる。
　貫通孔１ｃにおいて、段差面３ｄおよび段差面３ｄよりも第１面２ａ側の領域は、算術平均粗さＲａが小さく、応力が集中しにくい表面性状である。そのため、圧電基板２が破損するおそれが少なく、屈曲部に掛かる応力集中が抑制される。
　貫通孔１ｃにおいて、段差面３ｄよりも第４面３ｂ側の領域の密着力が高くなるのは、アンカー効果によるものである。
＜圧電基板と支持基板＞
　圧電基板２は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、酸化亜鉛、水晶などの圧電性を有する材料からなる。支持基板３は、圧電基板２よりも機械的強度の高い材質からなる。支持基板３は、例えば、サファイア、シリコン、炭化珪素、ＬＮ、アルミナなどの各種セラミックからなる。中でもサファイアは、機械的強度、絶縁性、放熱性に優れており、支持基板３の材質として好適である。
＜製造方法＞
　本開示の複合基板１の製造方法の一例を以下に示す。
　まず、第１面２ａと、第１面２ａと対向する第２面２ｂとを有する圧電基板２と、第３面３ａと、第３面３ａと対向する第４面３ｂとを有する支持基板３と、を準備する。
　次に、支持基板３の第３面３ａ側から第４面３ｂ側へ貫通するテーパー状の第１の孔３ｃを形成する加工を行う。
　次に、第１の孔３ｃを設けた支持基板３の第３面３ａと、圧電基板２の第２面２ｂとを貼り合せる。
　最後に、圧電基板２の第１面２ａ側から第２面２ｂ側へ貫通するテーパー状の第２の孔２ｃを形成する加工を行う。このとき、第２面２ｂにおける第２の孔２ｃの孔径が、貼り合せ時における第３面３ａにおける孔径よりも大きくなるように加工し、第３面３ａ側（第１の孔３ｃの圧電基板２側）の孔径を貼り合せ時より径が大きくなるように加工する。
　孔の形成は、レーザ加工、ブラスト加工、ドリル加工等によって行うことができる。支持基板３としてサファイアを用い、レーザ加工で第１の孔３ｃを形成する場合、ＹＡＧレーザ等の高調波を利用した短パルスＵＶレーザが好適である。支持基板３をレーザ加工すると、加工中に加工領域から飛散したデブリが支持基板３の表面および加工面に付着する。デブリは、以降の製造工程および、製品特性に悪影響を及ぼす。そのため、エッチング等の方法でデブリを除去する。サファイアからなる支持基板３のデブリ除去には、例えば、室温または沸点以下の温度に加熱した塩酸、硝酸、フッ酸、リン酸、４ホウ酸ナトリウム溶融液、ＫＯＨ溶融液、ＮａＯＨ溶融液によるエッチング処理を用いればよい。
　圧電基板２と支持基板３の貼り合せは、接着材料を用いない直接接合、または、接着材料を用いた接着によって行う。直接接合では、圧電基板２と支持基板３を真空中、大気中または所定の雰囲気中で、加熱および（または）加圧して接合する。貼り合せ時の温度および圧電基板２と支持基板３の熱膨張率差に起因して、圧電基板２と支持基板３に応力が発生し、破損、加工精度不良の原因となり得る。このような応力を小さくするには、貼り合せ温度が低いことが好ましい。そのため、圧電基板２の第２面２ｂと支持基板３の第３面３ａを、プラズマ処理などの方法で活性化処理を施した後、接合するとよい。
　圧電基板２と支持基板３を貼り合せた後、第２の孔２ｃを形成する。圧電基板２の第１面２ａを、ラッピング装置などを用いて研削し、圧電基板２の厚みを薄くした後、第２の孔２ｃを形成してもよい。
　一般的に、圧電材料は機械的強度が低い。そのため、圧電基板２への第２の孔２ｃの形成方法は、ウェットエッチング、ドライエッチング等の化学的処理による加工が好ましい。圧電基板２の材質がＬＴまたはＬＮであれば、フォトリソグラフィ技術によるマスク形成と、ＣＦ4などのハロゲン化合物ガスを用いたリアクティブイオンエッチングの組合せにより形成するとよい。
　一般的に、エッチング加工面は、レーザ加工面よりも表面粗さが小さい。表面粗さは、例えば、算術平均粗さＲａで表すことができる。貫通孔１ｃのうち、第１の孔３ｃをレーザ加工で形成し、段差面３ｄと第２の孔２ｃをエッチング加工で形成すると、貫通孔１ｃにおいて、段差面３ｄおよび段差面３ｄよりも第１面２ａ側（圧電基板２側）の領域は、段差面３ｄよりも第４面３ｂ側（支持基板３側）の領域より表面粗さが小さくすることができる。
　本開示の複合基板および圧電素子は、基板の一方の面（圧電基板の第１面）から、他方の面（支持基板の第４面）に向かって径が減少するテーパー形状の貫通孔が、支持基板内に径が減少する段差面を有している。そのため、貫通孔の内面と導電体との密着力が高くなり、基板の貼り合せ面の剥離や、段差面が無い圧電基板への応力集中が起こりにくい。そのため、信頼性に優れる複合基板および圧電素子を提供することができる。
　複合基板１の製造方法には、以下の方法が挙げられる。例えば、まず、圧電基板２と支持基板３とを貼り合せた後に径の小さい貫通孔を形成する。その後、圧電基板２および支持基板３における圧電基板２側の小さい貫通孔の径を広げる加工を行って貫通孔３ｃを形成する。
　または、まず、圧電基板２にテーパー形状の第２の孔２ｃを形成し、支持基板３に、全体形状がテーパー形状で、段差部３ｄを有する第１の孔３ｃを形成する。その後、圧電基板２と支持基盤３とを貼り合せることによって、第２の孔２ｃと第１の孔３ｃとが繋がった貫通孔３ｃを形成してもよい。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、請求の範囲に記載の範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。
１　：複合基板
１ｃ：貫通孔
２　：圧電基板
２ａ：第１面
２ｂ：第２面
２ｃ：第２の孔
３　：支持基板
３ａ：第３面
３ｂ：第４面
３ｃ：第１の孔
３ｄ：段差面

Claims (7)

  1. 　第１面および第１面と対向する第２面を有する圧電基板と、
    　前記第２面に接する第３面および該第３面に対向する第４面を有する支持基板と、
    　前記第１面から前記第４面までを貫通する貫通孔と備える複合基板であって、
    　前記貫通孔は、前記第１面から前記第４面に向かって径が減少するテーパー形状を有し、前記支持基板内に径が減少する段差面を有する、複合基板。
  2. 　前記圧電基板が、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である、請求項１に記載の複合基板。
  3. 　前記支持基板がサファイア基板である、請求項１または２に記載の複合基板。
  4. 　前記貫通孔は、前記段差面および前記段差面よりも前記第１面側の領域の算術平均粗さＲａが、前記段差面よりも前記第４面側の領域の算術平均粗さＲａよりも小さい、請求項１から３のいずれかに記載の複合基板。
  5. 　前記段差面が前記第３面に略平行である、請求項１から４のいずれかに記載の複合基板。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の前記複合基板と、前記貫通孔内に位置する導電体とを備える、圧電素子。
  7. 　表面弾性波素子である、請求項６に記載の圧電素子。
PCT/JP2019/007206 2018-03-02 2019-02-26 複合基板、および圧電素子 WO2019167918A1 (ja)

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