(57)【要約】【課題】ＳＡＷ装置を形成する圧電ウエハの温度特性並びに電気特性を改善する。特にこれらの良好な特性と共に静電破壊等を防ぐことが出来る信頼性に優れた圧電ウエハを簡便な方法で製造する。【解決手段】共に圧電性材料からなる第一ウエハと第二ウエハとを備え、第一ウエハと第二ウエハとを同極面同士が接合されるように貼り合せて一体化した複合圧電ウエハである。第一ウエハの厚さは０.１λ〜１．５λである。両ウエハを一体化するには直接接合又は表面活性化接合による。第一ウエハには、焦電特性の改善処理、添加物の添加および体積抵抗率を３．６×１０10 〜１．５×１０14Ω・ｃｍとすることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性材料からなる第一の圧電ウエハと、
圧電性材料からなる第二の圧電ウエハと、
を備え、
前記第一の圧電ウエハと前記第二の圧電ウエハとを、同極面同士が接合されるように貼り合せて一体化した
ことを特徴とする複合圧電ウエハ。
【請求項２】
前記第一の圧電ウエハは、厚さが０.１λ〜１．５λである
ことを特徴とする請求項１に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項３】
前記第一の圧電ウエハと前記第二の圧電ウエハとを直接接合により一体化した
ことを特徴とする請求項１または２に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項４】
前記第一の圧電ウエハと前記第二の圧電ウエハとを表面活性化接合により一体化した
ことを特徴とする請求項１または２に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項５】
前記第一の圧電ウエハが、焦電特性の改善処理を行った圧電ウエハである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項６】
前記第一の圧電ウエハに添加物を添加しウエハを着色した
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項７】
前記第一の圧電ウエハは、体積抵抗率が３．６×１０10 Ω・ｃｍ以上でかつ１．５×１０14Ω・ｃｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の複合圧電ウエハ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の複合圧電ウエハにより形成した圧電基板と、
当該圧電基板上に設けられた交差指状電極と、
を備えた弾性表面波装置であって、
前記交差指状電極は、前記第一の圧電ウエハの表面に配置されるように前記圧電基板上に設けられている
ことを特徴とする弾性表面波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合圧電ウエハ及び弾性表面波装置に係り、特に複数枚の圧電ウエハを接合して一体化した複合ウエハ、並びにこのウエハを使用して作製した弾性表面波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果によって発生する弾性表面波（Surface Acoustic Wave／ＳＡＷ）を利用した弾性表面波装置（以下、ＳＡＷ装置という）は、小型軽量で信頼性に優れることから、携帯電話機等の通信端末における送受信フィルタやアンテナ分波器などに近年広く使用されている。かかるＳＡＷ装置は、圧電基板上に交差指状の電極（インターデジタルトランスデューサ：Interdigital Transducer／以下、ＩＤＴという）を設け、このＩＤＴに高周波信号を印加して弾性表面波を励振し、伝搬された信号を再び高周波信号に変換して特定の周波数を抽出する。
【０００３】
ところで、このような圧電基板を利用したＳＡＷ装置は、圧電基板自体が温度特性を持つため、例えばフィルタを構成した場合に温度変化によってフィルタの中心周波数がずれるなどデバイスの特性が変動する問題が生じることがある。特に、通信端末の高周波・高性能化に伴い、実装デバイスのより一層の特性向上が求められており、ＳＡＷ装置の電極構造や接続構造、あるいは圧電基板自体の温度特性を改善する各種の方法が提案されている。
【０００４】
例えば、圧電ウエハの温度特性を改善する方法としては、（１）ＬｉＴａＯ3等の圧電基板上にこれと反対の温度係数を持つＳｉＯ2薄膜を成膜する方法や、（２）圧電基板に低膨張率の材料を貼り付け、圧電基板の温度変化による伸縮を抑える方法、あるいは（３）弾性表面波が伝搬される圧電基板の表層にプロトン交換処理によって分極反転層を形成し、電界短絡効果を得る方法などがある。
【０００５】
また、かかる特性改善を提案する文献として下記文献がある。
【特許文献１】特開２００４−３４３３５９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９７６９３号公報
【特許文献３】特開平１０−５１２６２号公報
【特許文献４】特開２００４−２５４１１４号公報
【特許文献５】特開２００４−３５３９６号公報
【特許文献６】特開２００４−３３６６００号公報
【非特許文献１】信学技報ＵＳ９３−４９（１９９３−０９／第１〜５頁）「分極反転層を有するＬｉＴａＯ3３６°回転Ｙ板におけるＳＨタイプ弾性表面波の温度特性の測定」東北大学／艾莉、中村  僖良  著
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記（１）ＳｉＯ2薄膜を成膜する方法では、成膜時にＳｉＯ2の膜厚の制御が難しく、また弾性表面波の伝播損失が大きくなる問題がある。また上記（２）圧電基板に低膨張率の材料を貼り付ける方法にあっては、接着界面での制御が難しく、ＩＤＴの形成工程など数百度の温度がかかることとなる後のＳＡＷ装置の製造プロセスにおいて、貼り合せた材料間の熱膨張率の差からクラックや割れが生じて歩留りが低下する難がある。さらに上記（３）プロトン交換による方法では、均一な厚さの分極反転層を形成することは容易ではなく、製造プロセスが複雑にならざるを得ない。
【０００７】
一方、圧電基板は、圧電性とともに焦電性を一般に有するから、温度変化（上昇）に伴い基板表面に不均一な電荷分布が生じ、デバイスの電気特性を劣化させ、あるいは蓄積された電荷によって微細なＩＤＴ部の電極間で放電し電極指がダメージを受けるなどの問題が引き起こされることがありその解決が望まれる。また、これらの問題は上記文献に記載の方法によっても解決することは出来ない。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、ＳＡＷ装置を形成する圧電ウエハの温度特性並びに電気特性を改善する点にあり、特にこれらの良好な特性とともに静電破壊等を防ぐことが出来る信頼性に優れた圧電ウエハをより簡便な方法で製造することを可能とする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る複合圧電ウエハは、圧電性材料からなる第一の圧電ウエハと、圧電性材料からなる第二の圧電ウエハとを備え、前記第一の圧電ウエハと前記第二の圧電ウエハとを、同極面同士が接合されるように貼り合せて一体化したものである。
【００１０】
圧電基板（圧電ウエハ）表面の分極を反転させると、電界短絡効果と基板表面の位相速度が低下することによって温度特性（ＴＣＤ等）並びにＱ値等の電気特性が向上する。本発明はこの性質を利用するもので、共に圧電性材料からなる第一の圧電ウエハ（以下、第一ウエハという）と、第二の圧電ウエハ（以下、第二ウエハという）とを同極面同士（プラス面同士又はマイナス面同士）が接合されるように貼り合せて一体化する。これにより、両ウエハの境面部に電界短絡層が形成され、温度特性（ＴＣＤ等）とＱ値等の電気特性とを向上させることが出来る。
【００１１】
第一ウエハおよび第二ウエハを形成する圧電性材料の種類は、特に限定されない。例えば、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ3／以下、ＬＴと称することがある）やリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3／以下、ＬＮと称することがある）、水晶等の圧電単結晶であっても良いし、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスのような圧電セラミックスにより形成されていても構わない。
【００１２】
尚、両ウエハを同一の材料により（例えば共にＬＴで或いは共にＬＮで）構成することが、接合したウエハ（第一ウエハと第二ウエハ）間の熱膨張率差を無くし、デバイス製造時や各種電子機器への実装後の実使用時におけるクラックや割れの発生を防ぐ点からは好ましい。ただし、本発明は、第一・第二両ウエハを同一材料で構成したものに限定されるものではなく、各ウエハをそれぞれ異なる材料により形成したものも（例えば両ウエハのうち一方をＬＴにより他方をＬＮにより形成する等）本発明に含まれる。
【００１３】
第一ウエハと第二ウエハの接合には、例えば直接接合や表面活性化接合によることが出来る。直接接合によれば、接着剤等を用いることなく、キュリー点以下の加熱を加えることにより強固な結合を行うことが可能である。また、表面活性化接合によれば、接合の妨げとなる表面層を除去し、ウエハ表面の原子の結合手同士を直接結合させることで両ウエハが強固に接合された複合ウエハを形成することが出来る。
【００１４】
上記第一ウエハは、０.１λ〜１．５λの厚さを有するものとする。
【００１５】
圧電基板で励振される弾性表面波は、例えば、レーリー波では約９０％以上が当該基板表面から深さ１λ以内の表層で伝播される。また、ＳＨタイプなどのリーキー波でも、基板表面の電気的境界条件を適切に選ぶことにより基板表面に波のエネルギーを集中させることが出来る。このため、第一ウエハの厚さを０.１λ〜１．５λとすることによって上記電界短絡効果による温度特性並びに電気特性の改善効果を良好に得ることが出来る。
【００１６】
尚、第一ウエハの厚さを上記値にするには、例えば第一ウエハを第二ウエハと接合させた後に切削・研磨等の方法により第一ウエハを上記値を有するよう加工するが、第二ウエハとの接合前に第一ウエハを予め上記厚さ寸法に加工しておき、その後、第二ウエハと接合を行っても良い。第二ウエハの厚さは特に問わない。
【００１７】
また、本発明の複合圧電ウエハでは、第一ウエハに対し焦電特性の改善処理を行うことが好ましい。
【００１８】
圧電基板は一般に焦電性を有するから、温度変化に伴い基板表面に不均一な電荷分布が生じ、この電荷が蓄積されるとＳＡＷ装置の製造時や各種電子機器に実装された後における実使用時に特性劣化やＩＤＴ部の放電による電極へのダメージを引き起こすことが危惧される。第一ウエハに対し上記焦電特性の改善処理を行えば、かかる問題を回避し、温度特性並びに信頼性に優れたＳＡＷ装置を製造することが出来る。
【００１９】
焦電特性を改善する具体的な方法は特に限定されないが、一例を挙げれば、チョクラルスキー法において第一ウエハを構成する圧電材料の単結晶を生成する場合に、溶融圧電材料に添加物（例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉのうちの少なくとも１種類以上）を添加し、ウエハ体積抵抗を低減することにより行うことが出来る。また、圧電単結晶を引き上げ、スライスした後に結晶中の酸素を除去する還元処理を行うなどの方法によりウエハ体積抵抗を低減しても良い。
【００２０】
また上記複合圧電ウエハでは、別の観点からも第一ウエハに添加物を添加することが望ましい。
【００２１】
すなわち、添加物を添加すると添加物に応じた色彩がウエハ自体に付く。一方、添加物を添加しない第二ウエハ（例えばＬＴウエハの場合）は、一般に透明か又は白色の色彩を有する。したがって、第一ウエハと第二ウエハとを接合した後、例えばＩＤＴ（ＳＡＷ素子）が形成されることとなる第一ウエハを切削研磨して所定の厚さまで薄く加工する場合に、加工中、第一ウエハの厚さを容易に目視することが可能となり、正確かつ容易に第一ウエハの加工を行うことが出来る。
【００２２】
この場合、添加する添加物としては、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＴｉが挙げられ、これらの１種類以上を第一ウエハを形成する圧電材料中に混入すれば良い。
【００２３】
さらに上記複合圧電ウエハでは、第一ウエハが３．６×１０10 Ω・ｃｍ以上でかつ１．５×１０14Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を有するものとすることが望ましい。体積抵抗率をかかる値に低下させるには、上記Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ又はＴｉの１種類以上の添加物を第一ウエハに添加すれば良い。
【００２４】
ＳＡＷ装置の製造に使用されている従来の圧電ウェハは、一般に体積抵抗率が高く、このため不均一な電荷分布が生じやすく、ＩＤＴの電極指間で放電が生じることがあった。これに対し本発明では好ましくは、ＳＡＷ装置を形成する側のウエハである第一ウエハの体積抵抗率を１．５×１０14Ω・ｃｍ以下にする。これにより、電荷分布を均一にしてＳＡＷ装置の特性を向上させるとともに、放電破壊等の発生を防ぐことが可能となる。
【００２５】
一方、かかる第一ウエハの体積抵抗率は、３．６×１０10 Ω・ｃｍ以上とする。これにより、ＩＤＴの電極指同士が短絡することを防ぐことが出来る。
【００２６】
本発明に係るＳＡＷ装置は、上記いずれかの複合圧電ウエハを使用して作製したもので、上記複合圧電ウエハにより形成した圧電基板と、当該圧電基板上に設けられた交差指状電極とを備え、当該交差指状電極は、前記第一ウエハの表面に配置されるように前記圧電基板上に設ける。
【００２７】
上記ＳＡＷ装置には、例えばＩＤＴ又はこれと反射器を含むＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、及びＳＡＷデュプレクサ等の圧電性基板上に発生される弾性表面波を利用する各種のデバイスが含まれる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＳＡＷ装置を形成する圧電ウエハの温度特性並びに電気特性を改善することができ、特にこれらの良好な特性とともに静電破壊等を防ぐことが出来る信頼性に優れた圧電ウエハをより簡便な方法で製造することが可能となる。
【００２９】
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係る複合圧電ウエハを示すものである。同図に示すようにこの複合圧電ウエハ１１は、圧電性材料からなる第一ウエハ１２と、同じく圧電性材料からなる第二ウエハ１３とを一体化したものであり、これら第一及び第二ウエハ１２，１３はこの例では共に３９°ＹカットＸ伝搬ＬＴ（ＬｉＴａＯ3）単結晶ウエハにより形成し、第一ウエハ１２には添加物として鉄（Ｆｅ）を添加してある。
【００３１】
尚、第一及び第二の各ウエハ１２，１３（単結晶）を製造する方法は特に限定されず、例えばＬＴ原料を溶融してこの溶融液の中に種結晶を浸し、引き上げることにより単結晶を得るチョクラルスキー法等によることが出来る。ただし、第一ウエハ１２については、上記溶融液中に添加物（Ｆｅ）を添加する。
【００３２】
また、第一ウエハ１２に対しては、焦電特性の改善処理を行うとともに体積抵抗率を３．６×１０10 〜１．５×１０14Ω・ｃｍの範囲内の値としておく。焦電処理並びに体積抵抗率を１×１０13Ω・ｃｍ以下とすることによって温度変化に伴い蓄積された電荷により放電破壊が生じることを防ぐ一方、体積抵抗率を３．６×１０10 Ω・ｃｍ以上とすることにより、第一ウエハの表面に形成されるＩＤＴ電極間等に短絡が生じることを防ぐためである。
【００３３】
焦電特性を改善する具体的方法は、例えば上記ＬＴ原料の溶融液中に添加物（例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＴｉ等）を添加すれば良い。またＬＴ単結晶を引き上げ、スライスした後に結晶中の酸素を除去する還元処理を行っても良い。一方、体積抵抗率を上記値に設定する（低下させる）には、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＴｉのうちの１種類以上を添加物として第一ウエハ１２に添加すれば良い。
【００３４】
第一ウエハ１２と第二ウエハ１３とは、マイナス面同士（プラス面同士でも良い）が接するように貼り合わせて一体化する。これにより両ウエハ１２，１３の境界面に電界短絡層１５が形成される。第一ウエハ１２の厚さｔ1は、例えば２０μｍ程度とする。厚さは、基板表層を伝搬する弾性表面波に対し電界短絡効果を効果的に付与するため、弾性表面波の波長(λ)に依存し、数λ程度であることが要求される。第二ウエハ１３の厚さｔ2は、特に問わないが、例えば３００μｍ程度とする。
【００３５】
第一ウエハ１２と第二ウエハ１３の接合は、直接接合により行うことが出来る。図２Ａから図２Ｄ並びに図３は、この方法により上記複合圧電ウエハ１１を製造する工程を順に示すものである。図２Ａ及び図３に示すように、まず、第一ウエハ１２０（後に研削等により厚さを所定厚ｔ1となるように加工するが、加工前の状態を示すため符号１２０とした）及び第二ウエハ１３を処理液（酸などの薬品及び純水）１を用いて洗浄することにより、ウエハ１２０，１３の表面の不純物を除去し、各ウエハ１２０，１３の表面を親水化する（図３ステップＳ３０１）。
【００３６】
次に、図２Ｂに示すように、第一ウエハ１２０と第二ウエハ１３とを互いにマイナス面同士を合わせるように重ね合わせた後（図３ステップＳ３０２）、炉２に入れて加熱し（図３ステップＳ３０３）、両ウエハ１２０，１３を接合する（図３ステップＳ３０４）。そして、図２Ｄに示すように、第一ウエハ１２０についてその厚さをｔ1（＝例えば２０μｍ）となるまで研削する（図３ステップＳ３０５）。
【００３７】
このとき、第二ウエハ１３は透明ないし白色を呈しているが、第一ウエハ１２０は前記Ｆｅの添加によってオレンジ色の色彩を有する。したがって、両ウエハ１２０，１３が一体化された後においても、第一ウエハ１２０を視覚的に容易に識別することができ、正確に所定厚ｔ1に第一ウエハ１２０を研削加工することが出来る。尚、図２Ｄにおいて符号１２ａは、研削加工により削り取られる部分を示している。
【００３８】
このように本実施形態によれば、ＳＡＷ装置の形成面である第一ウエハ１２の表面から均一な深さｔ1（例えば２０μｍ／数λ）に電界短絡層１５を容易に形成することができ、電界短絡効果によって温度特性並びにＱ値等の電気特性が良好な複合圧電ウエハ１１を製造することが出来る。
【００３９】
第一ウエハ１２と第二ウエハ１３の接合は、表面活性化接合により行うことも可能である。図４Ａから図４Ｄ並びに図５は、表面活性化接合により上記複合圧電ウエハ１１を製造する工程を順に示すものである。
【００４０】
この方法では、まず図４Ａに示すように汚染物Ｓによって覆われた第一ウエハ１２０及び第二ウエハ１３の表面を、図４Ｂ並びに図５に示すように真空雰囲気５の中でＡｒ等の不活性ガス６を用いてスパッタエッチングすることによりクリーニングし表面を活性化する（図５ステップＳ５０１）。
【００４１】
次に、図４Ｃに示すように表面が活性化された第一ウエハ１２０と第二ウエハ１３とを、図４Ｄに示すように真空雰囲気中で重ね合わせ（図５ステップＳ５０２）、両ウエハ１２０，１３を接合する（同図ステップＳ５０３）。尚、このとき、前記直接接合による場合と同様に、両ウエハの同極面同士を重ね合わせる。そして、前記直接接合による方法と同様に第一ウエハ１２０を、厚さｔ1となるまで研削加工する。
【００４２】
このような表面活性化接合によれば、接合の妨げになるウエハの表面層を除去し、真空雰囲気中で接合を行うことで、表面の原子の結合手同士を直接結合させ常温または１００℃以下程度の加熱を加えることにより強固な接合を形成することが出来る。
【００４３】
図６は、上記実施形態に基づいて作製した複合圧電ウエハにおける電界短絡層の深さ（第一ウエハの厚さｔ1）とＳＨタイプ弾性表面波の遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を示す線図である。同図において、菱形の各点は実験値を、実線は数値計算により求められた理論値をそれぞれ示しており、電界短絡層の深さについては、弾性表面波の波長λにより規格化した値ｔ1／λを用いている。
【００４４】
この図から分かるように、電界短絡層の深さ（第一ウエハの厚さ）ｔ1／λを０．１〜１．５とすることが温度特性を改善する点で好ましい。
【００４５】
さらに図７は、前記実施形態に係る複合圧電ウエハ１１を使用して構成したＳＡＷ素子の一例を示す斜視図である。同図に示すようにこのＳＡＷ素子２１は、圧電基板３１の表面にＩＤＴ（交差指状電極）２２や電極パッド２３、導体線路（図示せず）を含む導体パターンを形成したもので、圧電基板は前記複合圧電ウエハにより形成する。また、この圧電基板３１において、ＩＤＴ２２等が形成される表面層３２が前記第一ウエハ１２によって形成されており、第二ウエハ１３によって形成される下面層３３との境界面に前記電界短絡層１５を備える。
【００４６】
さらに図８は、図７に示したＳＡＷ素子２１を用いて形成したＳＡＷフィルタを示すもので、このフィルタ４１は、前記ＳＡＷ素子２１をベース基板４２上にバンプ４４を介してフリップチップ実装し、蓋体４３により気密封止したものである。ＳＡＷ素子２１は電界短絡層１５を備えており、これにより当該フィルタ４１は、温度特性並びに電気特性に優れたものとなっている。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合圧電ウエハを示す側面図である。
【図２Ａ】前記実施形態に係る複合圧電ウエハの作製方法（直接接合）における一工程を示す概念図である。
【図２Ｂ】前記図２Ａの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図２Ｃ】前記図２Ｂの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図２Ｄ】前記図２Ｃの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図３】前記実施形態に係る複合圧電ウエハの作製工程（直接接合）を示すフローチャートである。
【図４Ａ】前記実施形態に係る複合圧電ウエハの作製方法（表面活性化接合）における一工程を示す概念図である。
【図４Ｂ】前記図４Ａの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図４Ｃ】前記図４Ｂの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図４Ｄ】前記図４Ｃの工程に続く一工程を示す概念図である。
【図５】前記実施形態に係る複合圧電ウエハの別の作製工程（表面活性化接合）を示すフローチャートである。
【図６】前記実施形態に係る複合圧電ウエハにおける電界短絡層の深さ（第一ウエハの厚さ）とＳＨ弾性表面波の遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を示す線図である。
【図７】本発明に係る複合圧電ウエハを使用して作製したＳＡＷ素子の一例を示す斜視図である。
【図８】前記図７に示すＳＡＷ素子を使用して構成したＳＡＷフィルタの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１  複合圧電ウエハ
１２，１２０  第一ウエハ
１３  第二ウエハ
１５  電界短絡層
２１  ＳＡＷ素子
２２  ＩＤＴ（交差指状電極）
２３  電極パッド
３１  圧電基板
４１  ＳＡＷフィルタ
【図１】
2006246050.tif 000003
【図２Ａ】
2006246050.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2006246050.tif 000007
【図３】
2006246050.tif 000008
【図４Ａ】
2006246050.tif 000009
【図４Ｂ】
2006246050.tif 000010
【図４Ｃ】
2006246050.tif 000011
【図４Ｄ】
2006246050.tif 000012
【図５】
2006246050.tif 000013
【図６】
2006246050.tif 000014
【図７】
2006246050.tif 000015
【図８】
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