(57)【要約】【課題】表面弾性波素子の高周波数化が図れ、周波数特性が温度変化により変動する課題が改善され、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制され、更に良好な膜質の圧電体層を具備する表面弾性波素子用複合基板とその製造方法を提供すること。【解決手段】この表面弾性波素子用複合基板は、圧電基板１と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３を具備し、この多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とする。【選択図】図１
2019097145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。
【請求項２】
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする表面弾性波素子用複合基板。
【請求項３】
上記金属薄膜がチタン膜またはクロム膜であることを特徴とする請求項２に記載の表面弾性波素子用複合基板。
【請求項４】
上記音響インピーダンス層がＳｉＯ2膜で構成されることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。
【請求項５】
上記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される１種で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。
【請求項６】
上記圧電基板が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される１種以上のバルク結晶で構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板。
【請求項７】
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とする表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項８】
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項９】
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により成膜することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項１０】
上記支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を研磨することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項１１】
上記音響インピーダンス層と直接接合された上記圧電基板の非接合面を研磨する工程において、
上記圧電基板の厚さが０．３〜２５μｍになるまで研磨することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項１２】
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項７に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項１３】
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とする請求項８に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【請求項１４】
上記金属薄膜が、膜厚５〜１０ｎｍのチタン膜またはクロム膜であることを特徴とする請求項１３に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯域フィルタや共振子等に適用される表面弾性波素子に係り、特に、表面弾性波素子に好適に用いられる表面弾性波素子用複合基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の通信機器では高周波化や小型化が進展しつつあるため、ＲＦ回路部の高性能化や小型化が要求されるようになってきている。この中で、通信機器の送受信部に用いられる高周波フィルタ、および、発振器に用いられる共振子等の電子素子として、表面弾性波素子［Surface Acoustic Wave Device］（以下、ＳＡＷデバイスと略記する場合がある）が用いられている。ＳＡＷデバイスとは、圧電材料を利用し、高周波信号を表面弾性波に変換し、再度高周波信号に変換する過程で特定の周波数が選び出される現象を利用した素子である。そして、従来、高周波帯域で使用されてきた誘電体フィルタやセラミックフィルタ等に較べて周波数特性の急峻さや波形設計が可能なこと、表面実装が容易なこと、小型・軽量という特性を活かし、携帯電話、スマートフォンに代表される移動体通信機器や、その他、各種センサ、タッチパネル等の通信機器に急速に採用されてきている。特に、近年携帯電話等の小型・高周波機器の爆発的進展に伴って、その需要が大幅に拡大しつつある。
【０００３】
この表面弾性波素子としては、基板上に、表面弾性波の伝搬媒体としての圧電体層と、一対の櫛歯状電極［ＩＤＴ：Interdigital Transducer］（以下、ＩＤＴ、ＩＤＴ電極、若しくは電極と呼ぶ場合がある）を順次積層して構成されたものが知られている。通常、上記ＩＤＴ電極は、圧電体層上に金属材料層を形成した後、該金属材料層に対しエッチングを施すことにより形成される。
【０００４】
この表面弾性波素子においては、入力用のＩＤＴに電気信号（交流電力）が供給されると、これによる電場により圧電体層に歪が生じる。そして、上記電極が櫛歯型形状であるため、圧電体層に密度の差が生じて表面弾性波が発生する。この表面弾性波は出力用ＩＤＴに伝搬され、この表面弾性波のエネルギーは出力用ＩＤＴによって電気的エネルギーに変換されて出力される。
【０００５】
上記表面弾性波素子が有する透過帯域の中心周波数ｆ０は、櫛歯状電極の間隔λ０ と圧電体層表面上の弾性波の伝搬速度Ｖとから、
ｆ０ ＝ Ｖ／λ０                          （式１）
で与えられる。
【０００６】
しかし、２．５ＧＨｚ以上で良好に動作する表面弾性波素子を作製することは困難である。透過帯域の中心周波数ｆ０を上昇させるためには、上記（式１）から明らかなように櫛歯状電極の間隔λ０を小さくするか、表面弾性波の伝搬速度Ｖを増加させるかのいずれかを行えばよいが、λ０はフォトリソグラフィ等の加工技術により著しく制限を受ける。現在の量産レベルでは、櫛歯状電極の幅は０．４μｍ程度で、櫛歯状電極の間隔λ０は１．６μｍ程度となり、最近、表面弾性波素子によく使用されるタンタル酸リチウム基板（以下、ＬＴ基板と略記する場合がある）の伝搬速度３８００ｍ／ｓでは、透過帯域の中心周波数ｆ０は２４００ＭＨｚが限度である。このため、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るには、伝搬速度Ｖを大きくすることが必要となる。
【０００７】
一方、表面弾性波素子を上記共振子として使用する場合は、図３に示すように、圧電基板２０上にＩＤＴ電極２１と、該ＩＤＴ電極２１の両側部に一対のストリップ状電極２２から成る反射器を配置する構成が採られている。該反射器は、金属若しくは誘電体で構成された格子状薄膜を周期的に形成することにより、圧電基板２０表面の音響インピーダンスを周期的に変動せしめて実現される。音響インピ─ダンスの値は、上記格子状薄膜が存在する部分と格子状薄膜が存在しない部分でそれぞれ異なるため、圧電基板２０表面を伝搬する表面弾性波は、音響インピ─ダンスを異にする上記薄膜が存在する部分で反射し反射波を生じることになる。上記ストリップ状電極２２をλ０/２の周期で並べておくと、反射された表面弾性波は同相で強め合い、殆どのＳＡＷエネルギーがＩＤＴ電極２１へ戻される。その結果、周波数ｆ０では左右に進行する表面弾性波が同期して定在波となり、Ｑの高い共振現象を生ずる。この周波数を共振周波数と呼ぶが、既に示した上記（式１）と同じ関係を満たす。ＳＡＷ共振子の動作として、インピーダンスが最小値となる共振周波数ｆrとインピーダンスが最大値となる反共振周波数ｆaの２つの共振周波数が存在することが知られている。ＳＡＷ共振子の特性としては、上記インピーダンスの最小値と最大値との差が大きいほど良いとされている。そして、この共振子においても高周波数帯域で動作する表面弾性波素子が望まれている。
【０００８】
尚、高周波用のデバイスとして、圧電材料に、例えばＡｌＮを用いた圧電薄膜共振子ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）が検討されている。しかし、圧電薄膜共振子ＦＢＡＲは製造工程が複雑で高価なため、一部の機器にしか利用されていない。
【０００９】
そこで、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子の検討が重ねられている。例えば、ダイヤモンド結晶が１８０００ｍ／ｓと非常に大きい音速を有しているため、この高音速特性を利用した表面弾性波素子の研究開発（特許文献１〜２参照）が進められている。そして、非特許文献１においては、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド結晶を形成した後、櫛歯状電極および酸化亜鉛層を形成した表面弾性波素子の製造が紹介されている。非特許文献１においては、製造された表面弾性波素子が１００００ｍ／ｓ以上の音速と十分に高い励振効率を有していると開示している。
【００１０】
そして、ダイヤモンド結晶層上に圧電体層（酸化亜鉛層）を形成した表面弾性波素子においては、非特許文献１に記載されているように高周波化が容易になるという利点が存在する。しかし、圧電体層の音響インピーダンスは一般に低い反面、ダイヤモンド結晶層の音響インピーダンスは高いため、圧電体層とダイヤモンド結晶層との間に音響インピーダンスの不整合が生じ、圧電体層とダイヤモンド結晶層界面で音響波が反射することにより、圧電体層の内部に弾性波が閉じ込められ、これによって振動変位が圧電体層の表面に極端に集中する場合がある。音響インピーダンスは、それぞれの基板における音速と基板密度に関係している。そして、表面波の変位が表層部に集中すると、圧電体表層部の破壊（変位が増大することによるストレスマイグレーションによる破断）が発生するおそれがあるため、表面弾性波素子（デバイス）の耐電力性が悪化するという問題がある。また、表面波が電極に入射したときに電極端部で一部がバルク波に変換されることによるバルク波変換損が増大し、表面弾性波素子（デバイス）の性能が悪化するという問題もある。更に、表面波が圧電体表層部に集中することにより電極の反射係数が増大するため、表面弾性波素子（デバイス）の設計自由度が低下するという問題もある。
【００１１】
そこで、基体層（ダイヤモンド若しくはダイヤモンド状炭素で構成されている基体層）と、該基体層上に配置された圧電体層と、該圧電体層の表裏いずれかの面上に形成された電極を有する表面弾性波デバイスの課題（音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化等）に対して、特許文献３は、基体層と圧電体層との間に音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい素材、例えば、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3等で構成された音響緩和層）が介在されたデバイスを提案している。そして、基体層と圧電体層の間に音響緩和層を介在させることにより、弾性波の位相速度が高い基体層（ダイヤモンド等）を用いて高周波化を図る場合でも、圧電体層の内部を伝搬する弾性表面波が基体層と圧電体層の境界で反射されて圧電体層に閉じ込められるといった状況が発生し難くなるため、圧電体層の表裏いずれかの面に対する変位の集中が抑制され、その結果、デバイスの耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層の表裏いずれかの面上に構成された電極構造におけるバルク波変換損が低減されると共に、当該電極構造の反射係数が低減されるためにデバイスの設計自由度が向上するとしている。更に、圧電体層から基体層までに存在する各層の音響インピーダンスが順次に増加するように構成された場合、基体層と圧電体層との中間の音響インピーダンスを持つ音響緩和層およびその他の層が、いずれも表面弾性波の変位成分の基体層への浸透を阻害しないので、基体層による弾性表面波の位相速度の向上効果を確保することができ、デバイスの高周波化を妨げないとしている。
【００１２】
一方、高周波数帯域で動作することが求められる表面弾性波素子においては、温度変化により圧電基板（圧電体層）が伸縮するため周波数特性がシフト（変動）するという別な課題も存在している。そこで、この温度特性を改善するため、ＩＤＴ電極が形成された圧電基板と、該圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ圧電基板よりも厚みが大きい補助基板を直接接合させた複合基板が提案されている（例えば特許文献４参照）。圧電基板に補助基板が直接接合されることで、圧電基板よりも熱膨張係数が小さくかつ厚みが大きい補助基板により圧電基板の伸縮が抑制されるため温度特性を改善できる。そして、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差を大きくする程、温度特性の改善効果は大きい。しかし、熱膨張係数が異なる圧電基板と補助基板を直接接合させた複合基板（ウェハ）は、表面弾性波素子製造工程中の熱処理等温度変化により反ってしまったり、直接接合された基板同士が剥がれたりすることがあるため、プロセス温度を経る表面弾性波素子の製造過程でパターニングの精度が悪化し、自動ハンドリングが困難となる問題があった。この事態は、圧電基板と補助基板の熱膨張係数の差が大きい程、また、複合基板（ウェハ）サイズが大きい程、ウェハの反りが大きくなり、直接接合させた基板同士が剥がれ易い。そして、複合基板（ウェハ）の反りが許容値を超えたり、直接接合させた基板同士が剥がれたりした場合、複合基板（ウェハ）を製造工程に流すことができなくなるという問題を有していた。
【００１３】
そこで、特許文献５は、圧電基板と該圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板（特許文献４の補助基板に対応する）を貼り合わせた複合基板であって、該支持基板は、同じ材料で作られた第１基板と第２基板とがブレードで剥離可能な強度で直接接合により接合され、第１基板のうち上記２基板との接合面とは反対側の面で上記圧電基板と貼り合わされた複合基板を開示している。この複合基板においては、プロセス温度変化に応じて発生する複合基板の反りが小さく抑えられると共に、表面弾性波素子を作製した後は、ブレードで第１基板から第２基板を剥がして除去すれば支持基板の厚さを簡単に薄くでき、デバイスの薄型化要請に対応できる利点を有している。
【００１４】
しかし、特許文献４〜５の方法により、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する問題には対応可能になったが、高周波数帯域で動作する表面弾性波素子を得るための信号伝搬速度を向上させる機能について特許文献４〜５には何ら考慮がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平９−０５１２４８号公報（段落００５３−００５５参照）
【特許文献２】特開平６−２６８４６３号公報（段落００３１−００３４参照）
【特許文献３】特開２００７−２２８２２５号公報（段落００１１、段落００１８−００２５参照）
【特許文献４】特開平１１−５５０７０号公報
【特許文献５】ＷＯ２０１４／１２９４３２号公報
【特許文献６】特開２００２−９４３５５号公報（段落００１７、００３１参照）
【特許文献７】特開２０１５−７３３３１号公報（段落０１３８−０１４２参照）
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】第６回ダイヤモンドシンポジウム（平成４年１１月２６〜２７日）講演予稿集の９０〜９１ページ：P21「ＺｎＯ／多結晶ダイヤモンド構造の表面弾性波と高周波フィルターヘの応用」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
通信機器の分野では、利用周波数帯資源の枯渇により、より一層の高周波数化が指向されてきており、表面弾性波素子においても更なる高周波数化の技術が求められている。表面弾性波素子を高周波数化するため、これまでは主に電極寸法を微小化する方法が行われてきたが、周波数を決定する電極間隔の微小化は、現在のリソグラフィ技術では上述したように限界に近づきつつある。また、電極寸法の微小化によって周波数を上昇できても、電極の細線化や電極間隔の微細化は素子構造自体を壊れ易くしパワー特性を得ることができないという問題を生じさせている。
【００１８】
そこで、表面弾性波を高速に伝達する素子として、特許文献１においては、シリコン基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を成膜し、該ダイヤモンド薄膜表面を研磨して平坦化し、かつ、平坦化されたダイヤモンド薄膜表面にスパッタリング法により圧電体（ＺｎＯ）膜を堆積させた後、該圧電体膜上に櫛歯状電極（金属アルミニウム）を形成した表面弾性波素子が開示され、また、特許文献２においては、シリコン基板上に酸素−アセチレン炎バーナーによる燃焼炎法によりダイヤモンド膜を形成し、該ダイヤモンド膜上に櫛歯状電極（金属アルミニウム）を形成した後、高周波マグネトロンスパッタリング法により圧電体（ＺｎＯ）層を成膜した表面弾性波素子が開示されている。
【００１９】
しかし、ＣＶＤ法やスパッタリング法等の成膜法によりダイヤモンド薄膜上に形成された圧電体（ＺｎＯ）層の膜質は良好でなく、十分な電気機械結合係数が得られないという問題が指摘されている（特許文献６の段落００１７参照）。また、音響インピーダンスの不整合に起因した表面弾性波デバイスの課題を改善する特許文献３においても、ＣＶＤ法やスパッタリング法等の成膜法により音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層）上に圧電体層が形成されており（特許文献３の段落００２５参照）、特許文献１〜２と同様、圧電体層の膜質が良好でない問題を有している。
【００２０】
これ等の問題を解決するため、特許文献６では、圧電体層（圧電体バルク単結晶）の第１の主面上に形成された電気−機械変換電極と、圧電体層の第２の主面上に形成されたダイヤモンド層と、該ダイヤモンド層と接着剤を介して接着された支持基板を具備する表面弾性波素子を提案している。
【００２１】
しかし、特許文献６の段落００３１に記載されているように、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて圧電体バルク単結晶基板（圧電体層）上に多結晶ダイヤモンド層を形成するときの基板（圧電体バルク単結晶基板）温度を８５０℃にして成膜がなされており、基板温度が急上昇や急降下すれば、圧電体バルク単結晶基板（圧電体層）の焦電性により圧電体バルク単結晶基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電体バルク単結晶基板が変質して圧電特性が低下してしまう別の問題を有していた。例えば、タンタル酸リチウム基板を用いた場合、キュリー温度が６５０℃であるため、タンタル酸リチウム基板上に多結晶ダイヤモンド層を成膜した後に圧電性がなくなり、ＳＡＷデバイスとしての機能を得られなくなってしまう問題が存在した。更に、特許文献６においては、上記ダイヤモンド層と支持基板（シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板等）とを接着剤（エポキシ型樹脂接着剤、半田合金等）を用いて接合（接着）させているため、接着剤が熱で軟化し、応力で動いたりし、冷熱サイクル試験では一部に剥離が見られる等信頼性に欠けるという問題も有していた。
【００２２】
また、特許文献７では、高音速膜（窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ダイヤモンド等から成る）と圧電膜（ＬｉＴａＯ3から成る）との間に、低音速膜（酸化ケイ素、ガラス、酸化タンタル等から成る）を配置することで、弾性波の音速は低下するが、弾性波エネルギーを低音速な媒質に集中させる弾性波装置を提案している。上記圧電膜内および弾性波が励振されているＩＤＴ電極内への弾性波エネルギーの閉じ込め効果を高めることができるため、低音速膜が設けられていない場合に較べて損失が低減し、Ｑ値を高めることができるとしている。また、上記高音速膜は、弾性波を圧電膜および低音速膜が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜より下の構造に漏れないように機能していると記載されている。しかし、特許文献７には、ＬｉＴａＯ3から成る圧電基板上に酸化ケイ素等から成る低音速膜と窒化アルミニウム等から成る高音速膜を順次形成し、高音速膜の露出している面を鏡面加工して支持基板（サファイア、シリコン、ガラス等から成る）と接合する製法手順が記載されているに過ぎず（段落０１３８−０１４２参照）、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜法を用いて圧電基板上に結晶質窒化アルミニウム膜が成膜された場合、特許文献６と同様、圧電基板の温度を高温にして成膜を行うことになるため、圧電基板の焦電性により圧電基板が破壊され、あるいは、マイクロ波パワーや基板加熱により圧電基板が変質して圧電特性が低下する問題を有している。また、成膜法によらず転写法を用いて上記低音速膜や高音速膜が形成された場合、特許文献６と同様、接着剤の熱軟化に起因した信頼性に欠ける諸問題が懸念される。
【００２３】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、表面弾性波の伝搬速度を大きくすることにより表面弾性波素子の高周波数化を実現し、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題を改善すると共に、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失の増加が抑制され、かつ、良好な膜質の圧電体層を具備する表面弾性波素子用複合基板とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
そこで、本発明者は、表面弾性波素子に求められている高周波数化と温度変化により周波数特性が変動する課題、および、圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が増加する課題を解決するため、表面弾性波の伝搬速度を大きくし、周波数温度特性を改善させると共に耐電力性の悪化や信号損失の増加を抑制させる方法について鋭意検討した。
【００２５】
検討の結果、上記課題を解決するには、バルク結晶で構成された圧電基板を圧電体層として適用し、上記圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持ちかつ一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層と音響インピーダンス層（圧電体層および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい素材で構成された音響インピーダンス層）が順次形成された支持基板を適用すると共に、上記圧電基板と音響インピーダンス層とを直接接合し、更に、直接接合された圧電基板の非接合面を研磨して薄膜化することで達成できることを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見により完成されている。
【００２６】
すなわち、本発明に係る第１の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴とし、
第２の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備する表面弾性波素子用複合基板において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が金属薄膜を介し直接接合されていることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る第３の発明は、
第２の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記金属薄膜がチタン膜またはクロム膜であることを特徴とし、
第４の発明は、
第１の発明〜第３の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記音響インピーダンス層がＳｉＯ2膜で構成されることを特徴とし、
第５の発明は、
第１の発明〜第４の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される１種で構成されることを特徴とし、
また、第６の発明は、
第１の発明〜第５の発明のいずれかに記載の表面弾性波素子用複合基板において、
上記圧電基板が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される１種以上のバルク結晶で構成されることを特徴とするものである。
【００２８】
次に、本発明に係る第７の発明は、
圧電基板と、
該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、
該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に形成されかつ多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を具備する表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、
該多結晶ダイヤモンド薄膜層上に多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電体層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層と直接接合された圧電基板の非接合面を研磨する工程、
を具備することを特徴とし、
第８の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合することを特徴とする。
【００２９】
また、第９の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記支持基板の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する工程において、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により成膜することを特徴とし、
第１０の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層表面を研磨することを特徴とし、
第１１の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と直接接合された上記圧電基板の非接合面を研磨する工程において、
上記圧電基板の厚さが０．３〜２５μｍになるまで研磨することを特徴とする。
【００３０】
また、第１２の発明は、
第７の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第１３の発明は、
第８の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法であって、
金属薄膜を介し上記音響インピーダンス層と上記圧電基板を直接接合する工程において、
接合前の上記音響インピーダンス層と上記圧電基板の各接合面を洗浄し、各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電基板の少なくとも一方の接合面上に金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴とし、
第１４の発明は、
第１３の発明に記載の表面弾性波素子用複合基板の製造方法において、
上記金属薄膜が、膜厚５〜１０ｎｍのチタン膜またはクロム膜であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板と、該支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および上記圧電基板よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層が形成され、かつ、該音響インピーダンス層と上記圧電基板が直接接合されていることを特徴としている。
【００３２】
そして、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト（変動）することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。
【００３４】
更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。
【００３５】
そして、バルク結晶で構成された圧電基板（圧電体層）は、ダイヤモンド薄膜上若しくは音響緩和層（基体層よりも音響インピーダンスが小さく、圧電体層よりも音響インピーダンスが大きい音響緩和層）上にＣＶＤやスパッタリング等で成膜した特許文献１〜３の圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献６〜７に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。
【００３６】
更に、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層（圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層）が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子の構成断面図。
【図２】本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子の構成断面図。
【図３】表面弾性波素子を共振子として使用する場合の構成例を示しており、圧電基板と該圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側部に配置されたストリップ状電極から成る反射器とで構成される共振子の概略平面図。
【図４】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板とその製造方法について詳細に説明する。
【００３９】
１．表面弾性波素子用複合基板
（Ａ）本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図１に示すように、圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合されていることを特徴とし、また、第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板１の非接合面に櫛歯状電極６が形成されて成るものである。
【００４０】
（Ｂ）本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、図２に示すように、圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３を具備し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されていることを特徴とし、また、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて構成される表面弾性波素子は、上記圧電基板１の非接合面に櫛歯状電極６が形成されて成るものである。
【００４１】
以下、（１）圧電基板、（２）支持基板、（３）多結晶ダイヤモンド薄膜層、（４）音響インピーダンス層、（５）金属薄膜、（６）表面弾性波素子用複合基板、および、（７）表面弾性波素子の順に説明する。
【００４２】
（１）圧電基板
圧電基板１は弾性波が伝搬可能な圧電性を有する基板であり、本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる圧電基板として、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト、ランガテイトから選択される１種以上のバルク結晶であることが好ましく、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムがより好ましい。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムは表面弾性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かつ広帯域周波数の表面弾性波デバイス用として適しているからである。
【００４３】
上記圧電基板１は、支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と直接接合されて本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を構成する。尚、圧電基板１表面に凹凸が存在していると、音響インピーダンス層４と原子レベルで完全に接合させることができず浮きが発生する可能性があるため、圧電基板１表面は表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下に平滑にしておくことが好ましい。
【００４４】
圧電基板１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、直径が５０〜２００ｍｍ、厚さが０．３〜２５μｍのものが好適に用いられる。
【００４５】
（２）支持基板
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板に用いられる支持基板２としては、圧電基板１よりも熱膨張係数が小さい材料で構成されることが必要である。支持基板２として圧電基板１よりも熱膨張係数が小さい材料を用い、支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と、圧電基板１を備えた複合基板とすることで、上記支持基板２と圧電基板１の間に多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が介在していても、温度変化したときの圧電基板１の伸縮が上記支持基板２の作用で抑制されるため、当該複合基板をＳＡＷデバイスとして用いた場合、周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題を解消することが可能となる。
【００４６】
支持基板２の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、および、石英ガラスから選択される１種であることが好ましい。硬度で見ると、安価で汎用的なソーダガラス基板は、ビッカース硬度が５００〜６００、シリコン基板は１０４０程度、サファイア基板は２３００であり、サファイア基板の方が好ましい。しかし、ガラス基板やシリコン基板は安価で大量に生産されており、コスト的にも安価であるため、総合的に見ると、支持基板２としてシリコン基板が好ましい。
【００４７】
そこで、安価なシリコン基板を使用し、この支持基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３を成膜することで支持基板２の硬度を高め、また、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と圧電基板１とを直接接合することで、得られる複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。更に、シリコン基板は、熱膨張係数が３．９×１０-6／Ｋとタンタル酸リチウム等の圧電基板１に較べて大変小さく、ＳＡＷデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。
【００４８】
支持基板２の大きさは、例えば、直径が５０〜２００ｍｍ、厚さが２００〜１２００μｍのものが好適に用いられる。
【００４９】
（３）多結晶ダイヤモンド薄膜層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成される。更に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に設けられた音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合された構成とすることにより、例えば、圧電基板１に一対の櫛歯状電極６を形成して電圧を印加することで表面弾性波が励起される。そして、圧電基板１と多結晶ダイヤモンド薄膜層３間には、これ等圧電基板１および多結晶ダイヤモンド薄膜層３よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が介在するため、励起された表面弾性波は音響インピーダンスの小さい音響インピーダンス層４に広がり、この表面弾性波は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３を伝搬され、別の一対の櫛歯状電極で再び圧電基板１によって電気信号に変換される。これにより、圧電基板１と多結晶ダイヤモンド薄膜層３が直接接合された場合における両層の音響インピーダンスの不整合に伴う諸問題（ＳＡＷデバイスにおける耐電力性の悪化や信号損失が増加する問題等）を改善することが可能となる。
【００５０】
ダイヤモンド層は物質中最高の音の伝搬速度を有する材料であり、圧電体薄膜を積層しても伝搬速度１００００ｍ／ｓ以上を実現させることが可能なため、本発明に係る複合基板を高周波表面弾性波素子に使用することができる。
【００５１】
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の形成には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて支持基板２上に成膜することが好ましい。多結晶ダイヤモンド薄膜層３は、炭化水素等を原料ガスとする気相合成法、例えば、電子放射材を加熱して原料ガスを活性化する方法、プラズマにより原料ガスを励起する方法、光によりガスを分解励起する方法、イオン衝撃により原料ガスから多結晶ダイヤモンドを成長させる方法等により形成できるが、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層３は、上記成膜方法の中でもマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、マイクロ波（通常は２．４５ＧＨｚの周波数が使用される）を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、１．３〜８．０ｋＰａ程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱ＣＶＤ法等と比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のＣＶＤ法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。
【００５２】
尚、マイクロ波プラズマＣＶＤ法の１種である有磁場マイクロ波ＣＶＤ法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法よりも更に低圧力（１．３〜１３３Ｐａ）領域で電子のサイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。
【００５３】
多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚は、支持基板２上に約５μｍ程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面には凹凸が存在するため、この多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面に成膜される音響インピーダンス層４の表面にも上記凹凸が転写されてしまう。そして、圧電基板１と直接接合される音響インピーダンス層４の表面に凹凸が存在していると、上記（１）圧電基板欄で述べたように原子レベルで完全に接合されずに浮きを生ずる可能性があり、これを回避するためである。すなわち、音響インピーダンス層４が成膜される前に多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面の凹凸面を研磨して平滑化する必要があるからである。例えば、上記膜厚（約５μｍ程度）であれば、約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さＲａになるまでは研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
【００５４】
（４）音響インピーダンス層
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板においては、上記支持基板２の一方の主面上に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４が形成され、該音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合されている。
【００５５】
上記音響インピーダンス層４は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。
【００５６】
そして、音響インピーダンスは「媒質中の音速」と「媒質の密度」との積で表されるため、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の音響インピーダンスＺは、Ｚ＝密度ρ・音速ＶＬ＝６１．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］である。このため、音響インピーダンス層４は、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の音響インピーダンスＺ＝６１．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］よりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。
【００５７】
他方、上記圧電基板１の音響インピーダンスＺは、例えば、酸化亜鉛で圧電基板が構成された場合はＺｎＯ（Ｚ＝３４．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、タンタル酸リチウムで圧電基板が構成された場合はＬｉＴａＯ3（一例として、Ｚ＝３１．２［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、窒化アルミニウムで圧電基板が構成された場合はＡｌＮ（Ｚ＝３８．４［Ｐａ・ｓ／ｍ］）である。このため、音響インピーダンス層４は、これ等圧電基板の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを備えたものを用いることを要する。
【００５８】
そして、これ等の条件を満たす音響インピーダンス層４としては、ＳｉＯ2（Ｚ＝１５．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｌ（Ｚ＝１７．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、および、Ｓｉ（Ｚ＝１９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）等が挙げられ、その中でもＳｉＯ2膜が好ましい。
【００５９】
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成され、かつ、音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合された表面弾性波素子の構成とすることで、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と圧電体層が直接接合された構造に較べて、圧電体層１の界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることができ、また、圧電体層１表面を伝搬する信号が音響インピーダンス層４内部に拡散したとき、音響インピーダンス層４と多結晶ダイヤモンド薄膜層３との界面で信号が反射され圧電体層１に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することが可能となる。
【００６０】
そして、音響インピーダンス層４としてＳｉＯ2膜を用いる場合、ＳｉＯ2膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Ｓｉ若しくはＳｉＯをターゲットとして酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。尚、ＳｉＯ2をターゲットとして用いることも可能であるが、成膜速度が遅くなるためＳｉ若しくはＳｉＯをターゲットとして用いることが好ましい。
【００６１】
また、上述したように、音響インピーダンス層４の膜厚は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。音響インピーダンス層４の膜厚が大きくなると応力が発生して複合基板に反りを生じ、取り扱いが困難になる等の不具合があるからである。
【００６２】
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３については、その成膜時における膜厚が約５μｍ程度であれば約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。上記表面粗さＲａを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層４の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層４の表面粗さを、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層４の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
【００６３】
本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されている。
【００６４】
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、適度な荷重を加えて接合させることにより接合界面は原子拡散が進み、アモルファス化し、原子レベルで直接接合させることができる。尚、上記直接接合は、常温・無電圧で行うことが好ましい。
【００６５】
（５）金属薄膜
本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板においては、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されている。
【００６６】
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されるには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、その後、スパッタリング等の成膜法で音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に金属薄膜５を成膜し、該金属薄膜５の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で直接接合させることが可能となる。上記音響インピーダンス層４と圧電基板１の界面に金属薄膜５が存在し、金属薄膜５の原子拡散により接合させることができる。
【００６７】
上記金属薄膜５としては、クロムやチタン等酸素と結合する力が強くかつ拡散係数が高い薄膜が好ましい。また、金属薄膜５の膜厚は５〜１０ｎｍが好ましい。膜厚が５ｎｍ未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり拡散が不連続となる。一方、膜厚が１０ｎｍを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成され多結晶ダイヤモンド薄膜層３と圧電基板１との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。上記金属薄膜５が存在することで、両接合面における表面粗さは、金属薄膜５が介在しないときよりも粗くてよく、研磨コストを低下させるメリットがある。
【００６８】
（６）表面弾性波素子用複合基板
支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３が形成され、かつ、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４が形成されると共に、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板については、当該複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨して圧電基板１の厚さが薄くなるように調整する。
【００６９】
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２と圧電基板１の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするため、圧電基板１の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板１の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板は平行を保てると共に、複合基板として、音響インピーダンス層４を介して圧電基板１に接合した多結晶ダイヤモンド薄膜層３の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。
【００７０】
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）と圧電基板１の厚さについては、圧電基板１の厚さが薄くなるようにし、その比率は、（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）に対し１／１０以下であることが好ましく、更に好ましくは１／２０がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が１２０℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。
【００７１】
複合基板における上記圧電基板１の非接合面を研磨した後における圧電基板厚さは、０．３〜２５μｍとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は１〜２５μｍとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は０．３〜５μｍとすることが望ましい。研磨後における圧電基板の厚さが０．３μｍ未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、音響インピーダンス層４／多結晶ダイヤモンド薄膜層３／支持基板２における接合表面平滑度の影響から圧電基板１としての厚さが保持できなくなり、圧電基板１の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後における圧電基板の厚さが２５μｍを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板１の厚さが大きくなると圧電基板（例えばタンタル酸リチウム）の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。
【００７２】
（７）表面弾性波素子
本発明に係る表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、図１〜２に示すように複合基板における圧電基板１側の表面に表面弾性波素子用電極（櫛歯状電極）６が形成されて成るものである。上記圧電基板１の表面は、多数の表面弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各表面弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の一対の櫛歯状電極（ＩＤＴ電極）および反射器（ＳＡＷ共振子用）がフォトリソグラフィ技術を利用して形成される。
【００７３】
最後に、区画に沿ってダイシングすることにより、多数のＳＡＷデバイスを得ることができる。得られたＳＡＷデバイスは、入力側のＩＤＴ電極に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、表面弾性波が励振されて圧電基板上を伝搬していく。
【００７４】
共振子の場合、ＩＤＴ電極の両側に同じ電極膜で形成されたストリップ状電極から成る反射器が配置されており、ストリップ状電極の端部で表面弾性波はわずかに反射するためその反射波がＩＤＴ電極に戻る。ストリップ状電極がλ／２の周期で並んでいると反射された表面弾性波は同相で強め合い、ほとんどの表面弾性波エネルギーがＩＤＴ電極に戻される。そして、他方の出力側ＩＤＴ電極から、伝搬された表面弾性波を電気信号として取り出すことができる。
【００７５】
２．表面弾性波素子用複合基板の製造方法
（１）本発明の第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を具備し、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されている第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する工程と、
上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層４と直接接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程、を具備することを特徴としている。
【００７６】
以下、各工程について説明する。
＜ａ＞支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程
第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、上記圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持ち、前１．(２)に記載した支持基板２の一方の主面上に、前１．(３)に記載した多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成する。
【００７７】
支持基板２としては、選択された圧電基板１と比較し、当該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を有していることが必要である。具体的には、支持基板２の材質として、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスから選択される１種であることが好ましい。更に、硬度や材料コストからシリコン基板がより好ましい。シリコン基板は、熱膨張係数が３．９×１０-6／Ｋとタンタル酸リチウム等の圧電基板１に較べて大変小さく、ＳＡＷデバイスの周波数特性の温度変化を抑制することが可能となる。シリコン基板を使用し、該シリコン基板上に高い硬度を有する多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜することで、支持基板としての硬度が高められ、圧電基板に直接接合された音響インピーダンス層を介し多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電基板が積層されることで、得られる表面弾性波素子用複合基板は圧電基板単独よりも速い伝搬速度が得られる。
【００７８】
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、マイクロ波（通常は２．４５ＧＨｚの周波数が使用される）を使用した無電極放電による合成法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、１．３〜８．０ｋＰａ程度の圧力範囲でマイクロ波だけによるプラズマを使用した成膜方法である。マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、プラズマにより原料ガスを励起する方法で、熱ＣＶＤ法等に比較して低い温度でより緻密な薄膜を形成することができ、他のＣＶＤ法より成膜速度が速く、熱によるダメージを抑制でき、積層膜間での相互拡散を抑制できる等の利点を有している。
【００７９】
尚、マイクロ波プラズマＣＶＤ法の１種である有磁場マイクロ波ＣＶＤ法は、プラズマと磁場の相互作用を利用して圧力が低くても安定した高密度プラズマを作ることを可能とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法よりも更に低圧力（１．３〜１３３Ｐａ）領域で電子のサイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）による強いプラズマ状態を用いたものである。そして、低圧力プラズマであることから、均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を大面積で成膜することができ、本発明に係る多結晶ダイヤモンド薄膜層を成膜するのに好適である。
【００８０】
図４に、上記マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す。
【００８１】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、マグネトロン１０、矩形導波管７、整合器８、プランジャー９、反応管１４、サセプタ（基板ホルダー）１１、排気用ポンプ１２、パワーモニタ１３等から構成されている。尚、図４中、符号１５は反応ガスを示す。
【００８２】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応管１４内のサセプタ（基板ホルダー）１１に本発明で用いる支持基板２を配置し、所定の反応ガスを導入して圧力を調整する。マグネトロン１０で発生させたマイクロ波は矩形導波管７内を伝わりプランジャー９に達する。上記プランジャー９は矩形導波管７の長さを変える働きをし、この調整により反応管１４に強い電界が設定されるように所定波を発生させ、反応管１４内にプラズマＰを発生させる。基板加熱は、一般に基板ホルダー１１のマイクロ波による誘電加熱を利用する。反応管１４には、マイクロ波の吸収が少なく、耐熱性が高い透明石英が用いられる。整合器８は反射波をゼロにして効率よくマイクロ波を反応管に送るためのものである。
【００８３】
成膜条件としては、反応圧力が１．３〜８．０ｋＰａ、反応ガスとしてはメタンガス（ＣＨ4）を用い、キャリアガスとしては水素ガス（Ｈ2）を用いるのが一般的であるが、ＣＯ／Ｈ2等他の種類のガスも使用することができる。Ｈ2ガスの割合は８０％以上が好適であり、Ｈ2ガスの割合が低くなると、得られる多結晶ダイヤモンド薄膜層の非ダイヤモンド成分が増大して膜質が低下してしまう。
【００８４】
マイクロ波プラズマはエネルギーが高いので、他のＣＶＤ法に較べて成膜速度が速い。また、マイクロ波プラズマＰが支持基板２付近に存在して高温になるため、基板ホルダー１１の直接加熱等は必要としない。成膜時の基板温度は７００〜８００℃に調整することが好ましい。基板温度が低温であると、成膜される薄膜においてｓｐ3Ｃ−Ｃ結合の比率が低下してしまい、ダイヤモンド構造が低下し硬度が低下してしまう。基板温度が高くなり過ぎると、基板への影響が大きくなり基板が変形する等の虞がある。
【００８５】
上記した成膜条件を調整して多結晶ダイヤモンド薄膜層３を支持基板２上に成膜する。上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚は、支持基板２上に約５μｍ程度とすることが好ましい。この理由は、成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面には凹凸が存在しており、音響インピーダンス層４を成膜する前に、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の凹凸面を研磨することが好ましいからである。凹凸が存在していると、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成される音響インピーダンス層４に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面の凹凸が転写され、圧電基板１と上記音響インピーダンス層４が直接接合するときに原子レベルで完全に接合されず浮きを生ずる可能性がある。
【００８６】
例えば、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の膜厚が約５μｍ程度であれば、約３μｍ程度まで研磨して、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、研磨コストも考慮した場合は、上記表面粗さＲａになるまで研磨せず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
【００８７】
多結晶ダイヤモンド薄膜層３表面を研磨する方法としては、例えば、ダイヤモンド電着ホイール若しくはダイヤモンド砥粒による直接研磨、または、高温で加熱した鉄若しくはニッケル等の金属による研磨（熱化学反応を用いた研磨）等が利用できる。
【００８８】
次工程で、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成した後、音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合するため、上記圧電基板１の接合面も凹凸が存在していないことが好ましく、表面粗さはＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００８９】
＜ｂ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成する工程
次に、上記支持基板２上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する。
【００９０】
音響インピーダンス層４は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３および上記圧電体層１よりも音響インピーダンスが小さい材料で構成される。上記条件を満たす音響インピーダンス層４としては、ＳｉＯ2（Ｚ＝１５．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｌ（Ｚ＝１７．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、および、Ｓｉ（Ｚ＝１９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）等が挙げられ、その中でもＳｉＯ2膜が好ましい。
【００９１】
音響インピーダンス層４として上記ＳｉＯ2膜を成膜する場合、ＳｉＯ2膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜方法で得ることができる。スパッタリング法で成膜する場合は、Ｓｉ若しくはＳｉＯをターゲットとし、酸素を導入しながらスパッタリング成膜することにより得ることができる。
【００９２】
音響インピーダンス層４としてＳｉＯ2膜を上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に積層することで、圧電基板１から伝搬する表面弾性波を多結晶ダイヤモンド薄膜層とＳｉＯ2膜の界面により圧電基板１側へ反射して戻す効果がある。
【００９３】
また、音響インピーダンス層４の膜厚は、上述したように多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲が望ましい。具体的には５０ｎｍ以上２μｍ以下の膜厚とすることが好ましい。５０ｎｍ未満では、音響インピーダンス層として効果が現れ難くなり、本発明の目的とする特性が得られなくなるおそれがあり、また、薄いことから膜厚に均一性がなくなり連続膜とならない可能性がある。また、２μｍを超える膜厚であると、表面弾性波の伝搬速度を向上させる効果が抑制されてしまうと共に、かえって安定した結晶性が得られなくなるおそれがあり、成膜時間が延びてコストが上昇する一因となる。
【００９４】
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３については、その成膜時における膜厚が約５μｍ程度であれば約３μｍ程度まで研磨し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。上記表面粗さＲａを有する多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜することにより、音響インピーダンス層４の表面には上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さが転写され、音響インピーダンス層４の表面粗さを、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下程度にすることもできる。上記音響インピーダンス層４の表面粗さが上記範囲よりも大きい場合は、研磨を行うことにより、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることが好ましい。但し、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の研磨コストも考慮した場合は、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａを上記範囲まで研磨せず、上述したように該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に、音響インピーダンス層４を、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３と同等若しくは半分程度の範囲の膜厚となるよう成膜し、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面粗さＲａが転写された表面粗さＲａを有する当該音響インピーダンス層４表面の凹凸面を研磨して平滑化し、表面粗さＲａ０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下にすることも好ましい。
【００９５】
＜ｃ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
次に、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する。
【００９６】
通常、音響インピーダンス層４と圧電基板１とを接合するには、有機接着剤や無機接着剤、ＵＶ接着剤、熱拡散接合等が用いられる。しかし、各種接着剤は温度上昇に伴い軟化するため、複合基板をＳＡＷデバイスに用いたときに圧電基板１上に形成されている櫛歯状電極４も圧電基板１と同時に動き、共振周波数が変化する可能性が高い。また、熱拡散で音響インピーダンス層４と圧電基板１の接合を行うには１０００℃以上の加熱が必要で、圧電基板のキュリー温度を超えるため圧電性が低下する問題がある。
【００９７】
この問題点を回避するには、常温で接合でき、原子レベルで接合する直接常温接合（以下、常温接合と略称する場合がある）が望ましい。常温接合するには、多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４の接合面と圧電基板１の接合面を十分に洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオン（アルゴン）ビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化し、常温・無加圧・無電圧で接合する。音響インピーダンス層４の接合面と圧電基板１の接合面の洗浄後、更に、当該各接合面にＵＶ照射を行うことも好ましい。
【００９８】
＜ｄ＞音響インピーダンス層４と接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程
次に、得られた複合基板を研磨機に装着し、複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨して圧電基板１の厚さが薄くなるように調整する。多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２と圧電基板１の熱膨張係数の違いから、温度変化により複合基板が反らないようにするためには、圧電基板１の厚さを、多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）よりも十分に薄くする必要がある。上記圧電基板１の厚さを薄くすることで、複合基板の反る力が減少して複合基板の反りは抑制される。また、圧電基板１を薄くすることで直接接合した音響インピーダンス層４を介して多結晶ダイヤモンド薄膜層３の影響を受け、複合基板として、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の硬度に限りなく近づいた状態が得られる。
【００９９】
多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４が形成された支持基板２の合計厚（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）と圧電基板１の厚さについては、上述したように圧電基板１の厚さが薄くなるようにし、その比率は、（音響インピーダンス層４厚さ＋多結晶ダイヤモンド薄膜層３厚さ＋支持基板２厚さ）に対し１／１０以下であることが好ましく、更に好ましくは１／２０がよい。上記膜厚の違いがあれば、周囲温度が１２０℃程度になっても熱膨張の違いに起因する複合基板の反りは抑制される。
【０１００】
複合基板における圧電基板１の非接合面を研磨した後における厚さは、０．３〜２５μｍとすることが望ましい。研磨コストも考慮した場合は１〜２５μｍとすることが望ましい。また、複合基板の反りの抑制等性能面を考慮した場合は０．３〜５μｍとすることが望ましい。研磨後の厚さが０．３μｍ未満の場合、研磨コストが上昇してしまうこともあるが、多結晶ダイヤモンド薄膜層３の表面平滑度が音響インピーダンス層４に影響しており、当該音響インピーダンス層４と直接接合している圧電基板１は表面研磨途中で厚さが保持できなくなり、圧電基板１の厚さを不連続にしてしまう可能性があるため好ましくない。他方、研磨後の厚さが２５μｍを超えた場合、複合基板の反りが増大し、周波数温度特性と伝搬速度が低下してしまう。すなわち、圧電基板１の厚さが大きいと圧電基板１（例えばタンタル酸リチウム）の特性が出てしまい、圧電基板の熱膨張が優勢になって表面弾性波素子用電極の伸縮が大きくなり、周波数温度特性が低下すると共に複合基板としての硬度が低下して伝搬速度も低下するからである。
【０１０１】
上記＜ａ＞〜＜ｄ＞工程により、高周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。
【０１０２】
（２）本発明の第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法
圧電基板１と、該圧電基板１よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板２と、該支持基板２の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層３と、該多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成されかつ結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を具備し、上記音響インピーダンス層４と圧電基板１が金属薄膜５を介し直接接合されている第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法は、
上記支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する工程と、
上記多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３および圧電基板１よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層４を形成する工程と、
金属薄膜５を介し上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程と、
上記音響インピーダンス層４と直接接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程、を具備し、かつ、
金属薄膜５を介し上記音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程において、接合前の上記音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、各接合面へイオン（アルゴン）ビームを照射して残留不純物を除去し、かつ、音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面上に上記金属薄膜を成膜した後、真空中、常温で直接接合することを特徴としている。
【０１０３】
上記製造工程の内、
＜ａ＞支持基板２の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３を形成する（研磨も含める）工程
＜ｂ＞多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に音響インピーダンス層４を形成する工程
＜ｄ＞複合基板における圧電基板の非接合面を研磨する工程
の各工程については、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ａ＞工程、＜ｂ＞工程、＜ｄ＞工程と同様で、
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｃ＞工程、すなわち、金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程が相違している。
【０１０４】
このため、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｃ＞工程について、以下、説明する。
【０１０５】
＜ｃ＞金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１を表面活性化常温接合法により直接接合する工程
第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ａ＞工程と＜ｂ＞工程により、支持基板２上の一方の主面上に多結晶ダイヤモンド薄膜層３と音響インピーダンス層４を有する支持基板２が得られる。
【０１０６】
次に、多結晶ダイヤモンド薄膜層３上に形成された音響インピーダンス層４と上記圧電基板１を表面活性化常温接合法により金属薄膜５を介して直接接合する。
【０１０７】
金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と上記圧電基板１を直接接合するには、接合前の音響インピーダンス層４と圧電基板１の各接合面を洗浄し、洗浄した音響インピーダンス層４と圧電基板１を真空容器内に配置し、超高真空中で各接合面へイオンビームを照射して残留不純物を除去すると共に各接合面を活性化させる。
【０１０８】
次に、スパッタリング法により音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に金属薄膜５を成膜する。金属薄膜５としてはクロム膜、チタン膜等酸素と結合する力が強く拡散係数が高い膜が好ましく、特にチタン膜が好ましい。音響インピーダンス層４と圧電基板１の少なくとも一方の接合面に成膜される金属薄膜５の膜厚は５〜１０ｎｍであることが好ましい。膜厚が５ｎｍ未満と薄過ぎる場合、不連続な膜となり、成膜された接合面への拡散が不連続となる。一方、膜厚が１０ｎｍを超えて厚過ぎる場合、拡散する前に連続膜が形成された音響インピーダンス層４と圧電基板１との間に膜として介在し、拡散層として機能しなくなる可能性がある。
【０１０９】
上記金属薄膜５を成膜した後、金属薄膜５の大きな原子拡散を利用して、常温・無加圧・無電圧で音響インピーダンス層４と圧電基板１を接合する。これ等接合面には金属薄膜５が存在し、金属薄膜５の原子拡散により接合することができる。これにより金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と圧電基板１が直接接合されて第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。上記金属薄膜５が介在することで、音響インピーダンス層４と圧電基板１の両接合面における表面粗さは、金属薄膜５がないときに較べ粗くてもよくなり、接合前における研磨コストを低下させるメリットがある。
【０１１０】
その後、上記第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板の製造方法における＜ｄ＞工程、すなわち、音響インピーダンス層４と接合された圧電基板１の非接合面を研磨する工程に従い、得られた表面弾性波素子用複合基板を研磨機に装着し、該複合基板の圧電基板１面を研磨することで、金属薄膜５を介し音響インピーダンス層４と上記圧電基板１が直接接合された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板が得られる。すなわち、周波数化と周波数温度特性が改善されかつ圧電体層とダイヤモンド結晶との間の音響インピーダンスの不整合に起因した耐電力性の悪化や信号損失が抑制された第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を得ることができる。
【０１１１】
３．表面弾性波素子の製造方法
上述した方法で製造された第一実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板、および、第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板における圧電基板１の非接合面上に上述した機能を有する表面弾性波素子用電極（ＩＤＴ電極）６を形成して表面弾性波素子が作製される。尚、表面弾性波素子を共振子として使用する場合は、圧電基板上にＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側部に一対のストリップ状電極から成る反射器を配置する。
【０１１２】
以下、表面弾性波素子の製造方法について具体的に説明する。
【０１１３】
まず、上記表面弾性波素子用複合基板における圧電基板１の非接合面に電極用導電性材料層を形成した後、この導電性材料層上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極および反射器に対応した形状のレジスト層を形成する。
【０１１４】
そして、レジスト層をマスクとして使用し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング法により上記レジスト層が形成されていない部分の導電性材料層を除去することで、所定パターンのＩＤＴ電極と反射器が形成される。
【０１１５】
ＩＤＴ電極を形成する場合、上記エッチング法によらず、リフトオフ法によりパターニングしてもよい。また、上記反射器の本数は、必要とする挿入損失、チップサイズ等を勘案して適宜調節する。
【０１１６】
上記電極用導電性材料としては、質量が小さく、電気抵抗値が低くかつ耐電力性が要請されることから、アルミニウム若しくはアルミニウムに微量の異種金属（例えば、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｔｉ、ＨｆＢ2等が挙げられる）が添加されたアルミニウム系合金（必ずしも固溶体でなくてもよい）が好ましい。例えば、表面弾性波素子の寿命に影響を及ぼすＩＤＴ電極の耐電力性の観点から、半導体装置の分野でマイグレーションに強いことで定評のあるスパッタリング成膜による微量の銅が添加されたアルミニウム系合金を用いることが好ましい。但し、上記アルミニウム系合金に限定されず、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇおよびこれ等金属の内の１つを主成分とする合金から選ばれる１種を用いることもできる。
【０１１７】
そして、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板を用いて製造された表面弾性波素子は、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板の一方の主面上に形成された多結晶ダイヤモンド薄膜層を表面弾性波が伝搬することになるため、極めて高い伝搬速度を実現することが可能となり、また、圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板が適用されているため、温度変化により周波数特性がシフト（変動）することがなく、良好な周波数温度特性を具備させることが可能となる。
【０１１８】
また、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板は、バルク結晶で構成された圧電基板と、該圧電基板よりも小さい熱膨張係数を持つ支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層とを直接接合し、かつ、接合された圧電基板の非接合面を研磨により薄膜化して得られている。そして、バルク結晶で構成された圧電基板（圧電体層）は、ダイヤモンド薄膜上若しくは特許文献３の音響緩和層上にＣＶＤやスパッタリング等で成膜した圧電体層に較べ膜質が良好で、かつ、上記支持基板に設けられた多結晶ダイヤモンド薄膜層上の音響インピーダンス層と圧電基板とは直接接合されることから特許文献６に記載された圧電基板の破壊や圧電体特性が劣化する問題もなく、また、接着剤による接合法が採られていないため接着剤の熱軟化に起因する諸問題も解消される。
【０１１９】
更に、第一実施形態および第二実施形態に係る表面弾性波素子用複合基板には、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間に音響インピーダンス層（圧電基板および多結晶ダイヤモンド薄膜層よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層）が介在することから、上記表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子においては、圧電基板（圧電体層）と多結晶ダイヤモンド薄膜層間における音響インピーダンスの不整合に伴う圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため、圧電体層表面における破壊が防止されて表面弾性波素子の耐電力性を向上させることが可能となり、かつ、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるため、表面弾性波素子における伝搬信号の損失を低減することも可能となる。
【実施例】
【０１２０】
以下、本発明の実施例について比較例も挙げて具体的に説明する。
【０１２１】
［実施例１］
（１）支持基板（シリコン基板）上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成
支持基板として２インチ径単結晶シリコン基板（直径２インチ×厚さ２００μｍ）を準備し、該シリコン基板を、アセトンを用いて超音波洗浄した。
【０１２２】
次に、洗浄後のシリコン基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、下記成膜条件により多結晶ダイヤモンド薄膜層を５．０μｍ成膜した。
【０１２３】
＜多結晶ダイヤモンド薄膜層の成膜条件＞
・前処理：Ａｒボンバード（１０分）
・使用反応ガス／キャリアガス：メタン（ＣＨ4）／水素、（メタン濃度３％）
・ガス流量：１００ｓｃｃｍ
・電源マイクロ波周波数；２．４５ＧＨｚ
・マイクロ波出力：６００Ｗ
・成膜時圧力：１．３ｋＰａ
・成膜時の基板温度：７００℃
・成膜時間：１８０分
【０１２４】
得られた薄膜のラマンスペクトルを、ラマン分光光度計を用いて測定した結果、１３３３ｃｍ-1に高いピークが確認された。この測定結果から、ダイヤモンド膜であることが確認された。
【０１２５】
（２）多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器［（株）アビコ技研研究所製］を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。
【０１２６】
（３）上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成
次に、上記（２）の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして３インチ径のＳｉＯターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は６．５×１０-3Ｐａであった。
【０１２７】
そして、基板温度を１２０℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス（アルゴンガス流量：１５ｓｃｃｍ、酸素流量：１０ｓｃｃｍ）を供給しながら、スパッタリング出力：２００Ｗ、成膜時間３５分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚０．５μｍの酸化シリコン膜を成膜した。
【０１２８】
得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）により調べたところ、（００２）面ピーク（半値幅は１２．４°）が確認され、（００２）配向のＳｉＯ2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。
【０１２９】
（４）圧電基板（タンタル酸リチウム基板）の研磨
次に、直径２インチ、厚さ３５０μｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとした。
【０１３０】
（５）ＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）と圧電基板との常温接合
次に、上記（３）で得られたＳｉＯ2膜／表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板と、上記（４）で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＵＶ照射を６０秒行った。
【０１３１】
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、両基板の活性化された表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例１に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
【０１３２】
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２２μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
【０１３３】
上記製造条件について表１に示す。
【０１３４】
（７）表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製
研磨処理がなされた実施例１に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ５ｎｍのＣｒを成膜し、次いで厚さ０．１５μｍのＣｕ膜を成膜した。
【０１３５】
次に、上記Ｃｕ膜上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のＣｕ膜およびＣｒ膜を除去した。これにより、所定パターンのＩＤＴ電極を形成し、実施例１に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１３６】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４２０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１２．２ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は９．５％であった。また、信号の損失を示すＱ値は１８００であった。
【０１３７】
これ等の評価結果から、実施例１に係るＳＡＷデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイス（比較例１、比較例２参照）を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびＱ値が得られていることが確認された。
【０１３８】
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることにより、共振周波数４６３７ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。
【０１３９】
得られたＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。
【０１４０】
［実施例２］
実施例１の（１）〜（５）工程については同様に行い、（６）工程で、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ４０μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
【０１４１】
そして、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って実施例２に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１４２】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は６０８０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１３．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．２％、および、Ｑ値は１７５０であった。
【０１４３】
これ等の評価結果から、実施例２に係るＳＡＷデバイスは、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイス（比較例１、比較例２参照）を上回る伝搬速度と周波数温度特性およびＱ値が得られていることが確認された。
【０１４４】
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数３８００ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。
【０１４５】
複合基板の製造条件を表１に示し、ＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。
【０１４６】
［比較例１］
ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板を接合させずに、直径２インチ、厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ３ｎｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］単体を用い、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例１に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１４７】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は３８５０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−３８．０ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．０％、および、Ｑ値は１５２０であった（表２参照）。
【０１４８】
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数２４０６ＭＨｚのＳＡＷデバイスが得られた。
【０１４９】
比較例１においては、ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板を接合させた複合基板の構造が採られておらず、タンタル酸リチウム基板の熱膨張が１５．７×１０-6／Ｋ（シリコン基板は３×１０-6／Ｋ）であるため、温度上昇に伴いタンタル酸リチウム基板が伸びて電極間隔も広がり、共振周波数は低下していき他バンドの混線の危険性があった。
【０１５０】
［比較例２］
支持基板として２インチ径単結晶シリコン基板（直径２インチ×厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ０．３ｎｍ）を準備した。
【０１５１】
また、圧電基板として、直径２インチ、厚さ３５０μｍ、表面粗さＲａ０．３ｎｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］を準備した。
【０１５２】
そして、両基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、両基板の表面にＵＶ照射を６０秒行った。
【０１５３】
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、両基板の表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、両基板の表面を活性化した後、両基板の表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層を具備していない、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／シリコン基板の構成を有する比較例２に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
【０１５４】
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ４０μｍまで研磨した。更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
【０１５５】
上記製造条件について表１に示す。
【０１５６】
得られた複合基板を用い、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例２に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１５７】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度４１８０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−２３．０ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は７．２、および、Ｑ値は１６８０であった（表２参照）。また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数２６１２ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。
【０１５８】
比較例２においては、シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させた複合基板の構造が採られており、シリコン基板の方がタンタル酸リチウム基板よりも熱膨張が小さいためタンタル酸リチウム基板の伸びが抑制され、電極間隔も広がらず共振周波数の変化もごくわずかであった。しかし、タンタル酸リチウム基板を用いた比較例１に係るＳＡＷデバイス（従来のＳＡＷデバイス）の伝搬速度を大きく上回る結果は得られなかった。
【０１５９】
［比較例３］
ＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成に係る実施例１の（３）工程を行わず、実施例１の（１）（２）工程と同様にして、多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さＲａが０．３ｎｍに表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の積層基板を作製し、かつ、実施例１の（４）工程と同様にして、表面粗さＲａが０．３ｎｍに表面研磨されたタンタル酸リチウム基板を作製した。
【０１６０】
次に、表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の積層基板と表面研磨されたタンタル酸リチウム基板の各研磨面をアセトン液中で超音波洗浄し、更に、洗浄された各研磨面にＵＶ照射を６０秒行った。
【０１６１】
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄とＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、両基板の研磨がなされた表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、両基板の研磨がなされた表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、比較例３に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
【０１６２】
次に、実施例１の（６）工程と同様にして、タンタル酸リチウム基板／（直接接合）／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２０μｍまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
【０１６３】
更に、実施例１の（７）「表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製」工程に従って比較例３に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１６４】
これ等の製造条件を表１に示す。
【０１６５】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４１０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１４．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は６．８％、および、Ｑ値は１６００であり（表２参照）、多結晶ダイヤモンド薄膜層を組み込んだ実施例１〜２に係るＳＡＷデバイスのＱ値に較べて低下している。また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、共振周波数４６３１ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。
【０１６６】
比較例３においては、多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを直接接合させ、かつ、タンタル酸リチウム基板の厚さを２０μｍまで研磨した複合基板の構造が採られているが、実施例１〜２と異なり、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上にＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）が形成されていない。そして、比較例３に係るＳＡＷデバイスにおいては、タンタル酸リチウム基板を伝搬する信号がタンタル酸リチウム基板内部と該タンタル酸リチウム基板に直接接合された多結晶ダイヤモンド薄膜層に拡散していくため信号の損失が起こり、実施例１〜２に係るＳＡＷデバイスに較べてＱ値が低下したものと考えられる。
【０１６７】
［実施例３］
実施例１（１）「支持基板（シリコン基板）上への多結晶ダイヤモンド薄膜層の形成」工程に従って、シリコン基板上に多結晶ダイヤモンド薄膜層を形成した。
【０１６８】
（２）多結晶ダイヤモンド薄膜層の研磨
次に、シリコン基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜層をダイヤモンドナノ研磨器［（株）アビコ技研研究所製］を用いて研磨した。研磨後の多結晶ダイヤモンド薄膜層の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．４ｎｍとなるまで研磨した。
【０１６９】
（３）上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上へのＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）の形成
次に、上記（２）の研磨処理された多結晶ダイヤモンド薄膜層を有するシリコン基板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットし、かつ、スパッタリングターゲットとして３インチ径のＳｉＯターゲットを装置に装着した。また、スパッタリング開始前の到達真空度は６．５×１０-3Ｐａであった。
【０１７０】
そして、基板温度を１２０℃に加熱しながら、反応性ガスとして、アルゴン−酸素の混合ガス（アルゴンガス流量：１５ｓｃｃｍ、酸素流量：１０ｓｃｃｍ）を供給しながら、スパッタリング出力：２００Ｗ、成膜時間３５分でスパッタリングを行い、音響インピーダンス層として膜厚０．５μｍの酸化シリコン膜を成膜した。
【０１７１】
得られた酸化シリコン薄膜の結晶性を、薄膜Ｘ線回折（ＸＲＤ）により調べたところ、（００２）面ピーク（半値幅は１２．４°）が確認され、（００２）配向のＳｉＯ2結晶膜であることが分かった。次いで、得られた酸化シリコン薄膜の表面粗さを３次元光学プロファイラーＮｅｘｖｉｅｗ装置（キャノン社製）で測定し、表面粗さＲａ０．３ｎｍとなるまで研磨した。
【０１７２】
（４）圧電基板（タンタル酸リチウム基板）の研磨
次に、直径２インチ、厚さ３５０μｍのタンタル酸リチウム基板［住友金属鉱山（株）社製］の表面を、上記ダイヤモンド薄膜層の場合と同様に研磨し、表面粗さＲａ０．４ｎｍとした。
【０１７３】
（５）金属薄膜を介したＳｉＯ2膜（音響インピーダンス層）と圧電基板との常温接合
次に、上記（３）で得られたＳｉＯ2膜／表面研磨された多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板と、上記（４）で得られた表面研磨されたタンタル酸リチウム基板をアセトン液中で超音波洗浄した後、更に、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＵＶ照射を６０秒行った。
【０１７４】
次に、表面活性化接合タイプ常温接合装置［（株）ムサシノエンジニアリング社製］に洗浄およびＵＶ照射を終えた両基板を配置し、超高真空２×１０-6Ｐａまで真空引きし、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面と研磨されたタンタル酸リチウム基板表面にＡｒビーム照射し（照射条件：加速電圧５０ｋＶ、ビーム径１．２ｍｍ、照射量２×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2）、これ等表面を活性化した後、同一チャンバー内で、シリコン基板上のＳｉＯ2膜表面にスパッタリング法を用いてチタン膜を７ｎｍ成膜した。
【０１７５】
次いで、上記タンタル酸リチウム基板と、チタン膜が成膜されたＳｉＯ2膜（音響イン
ピーダンス層）表面を対向させ、熱、圧力等を加えずに両表面を常温接合して、実施例３に係る表面弾性波素子用複合基板（複合基板）を作製した。
【０１７６】
（６）複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面の研磨
タンタル酸リチウム基板／（直接接合：Ｔｉ膜）／ＳｉＯ2膜／多結晶ダイヤモンド薄膜層／シリコン基板の構成を有する上記複合基板におけるタンタル酸リチウム基板の非接合面を、表面研磨器［（株）ディスコ社製ＤＧＰ８７６１］を用いて厚さ２０μｍまで研磨し、更に、上記タンタル酸リチウム基板の非接合面を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシュにより鏡面研磨し、上記非接合面の表面粗さＲａ４ｎｍとした。
【０１７７】
上記製造条件について表１に示す。
【０１７８】
（７）表面弾性波素子（ＳＡＷデバイス）の作製
研磨処理がなされた実施例３に係る表面弾性波素子用複合基板のタンタル酸リチウム基板の非接合面に、真空蒸着法により、先に厚さ５ｎｍのＣｒを成膜し、次いで厚さ０．１５μｍのＣｕ膜を成膜した。
【０１７９】
次に、上記Ｃｕ膜上に、フォトリソグラフィ法によりＩＤＴ電極に対応した形状のレジスト層を形成し、該レジスト層をマスクとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチング法によりレジスト層が形成されていない部分のＣｕ膜およびＣｒ膜を除去した。これにより、所定パターンのＩＤＴ電極を形成し、実施例３に係るＳＡＷデバイスを作製した。
【０１８０】
得られたＳＡＷデバイスの特性は、伝搬速度は７４４０ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１１．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は９．１％、および、Ｑ値は１７８０であった。
【０１８１】
これ等の評価結果から以下のことが確認される。
【０１８２】
まず、上記多結晶ダイヤモンド薄膜層上に該多結晶ダイヤモンド薄膜層および圧電体層（タンタル酸リチウム）よりも音響インピーダンスが小さい音響インピーダンス層を形成し、かつ、上記音響インピーダンス層と圧電体層（タンタル酸リチウム）がＴｉ膜を介し直接接合された構成とすることにより、多結晶ダイヤモンド薄膜層と圧電体層（タンタル酸リチウム）が直接接合された構造に較べて、圧電体層界面における弾性波の反射が低減され、これにより表面弾性波の振動変位が圧電体層の表面近傍に集中する現象を抑制できるため圧電体層表面における破壊が防止されてＳＡＷデバイスの耐電力性を向上させることが可能となり、圧電体層表面を伝搬する信号が上記音響インピーダンス層の内部に拡散したとき、音響インピーダンス層と多結晶ダイヤモンド薄膜層との界面で信号が反射されて圧電体層に戻されるためＳＡＷデバイスにおける伝搬信号の損失を低減することも可能となり、この結果、実施例３に係るＳＡＷデバイスのＱ値が高くなっているものと考えられ、更に、タンタル酸リチウム基板が適用された従来のＳＡＷデバイスを上回る伝搬速度と周波数温度特性が得られることも確認される。
【０１８３】
また、ＩＤＴ電極の幅を０．４μｍ（表面弾性波の波長λは０．４×４＝１．６μｍとなる）とすることより、４６５０ＭＨｚのＳＡＷデバイスを得ることができた。
【０１８４】
得られたＳＡＷデバイスの特性を表２に示す。
【０１８５】
更に、上記音響インピーダンス層と圧電体層（タンタル酸リチウム）がＴｉ膜を介し直接接合されており、Ｔｉ原子の拡散接合により、Ａｒビーム照射のみの接合に較べて大きな接合密着力が得られることも確認された。
【０１８６】
【表１】
2019097145.tif 000003
【０１８７】
【表２】
2019097145.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【０１８８】
本発明の表面弾性波素子用複合基板を用いた表面弾性波素子は、その高周波数化が図れると共に周波数特性が温度変化によりシフト（変動）する課題も改善できるため、表面弾性波素子用基板として使用される産業上の利用可能性を有している。
【符号の説明】
【０１８９】
Ｐ  プラズマ
１  圧電基板
２  支持基板
３  多結晶ダイヤモンド薄膜層
４  音響インピーダンス層
５  金属薄膜
６  櫛歯状電極（ＩＤＴ電極）
７  矩形導波管
８  整合器
９  プランジャー
１０  マグネトロン
１１  サセプタ（基板ホルダー）
１２  排気用ポンプ
１３  パワーモニタ
１４  反応管
１５  反応ガス
２０  圧電基板
２１  ＩＤＴ電極
２２  ストリップ状電極
【図１】
2019097145.tif 000005
【図２】
2019097145.tif 000006
【図３】
2019097145.tif 000007
【図４】
2019097145.tif 000008