(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電体が設けられた圧電体装置の製造方法において、前記圧電体との接合面を有する前記基板表面上にメタライズ層を形成する工程と、前記基板との接合面を有する前記圧電体表面上にメタライズ層を形成する工程と、ろう付け接合層を介して前記圧電体と前記基板を接合するとともに、前記基板と前記ろう付接合層の界面においてレーザー光を全反射させる工程と、前記全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる工程と、前記気化させた残留物質を真空引きすることで接合層より除去する工程と、からなることを特徴とした圧電体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板側面上には平滑面が形成され、該平滑面より近赤外レーザー光を入射することを特徴とする請求項１記載の圧電体装置の製造方法。
【請求項３】
前記基板表面は、前記ろう付接合層と前記基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体装置の製造方法。
【請求項４】
前記基板がレーザー光を透過する材質であることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の圧電体装置の製造方法。
【請求項５】
圧電体を伝搬基板とし、前記伝搬基板と補助基板を接合した圧電体装置に、前記伝搬基板上に弾性表面波を励振する櫛型電極を備え、前記伝搬基板に信号を印加することによって弾性表面波を発振させる弾性表面波素子において、
前記伝搬基板と前記補助基板との接合がろう付接合であり、前記伝搬基板との接合面にメタライズ層を形成した前記補助基板を有し、前記補助基板は、前記補助基板との接合面にメタライズ層を形成した前記伝搬基板をろう付接合する時に、ろう付接合層の界面においてレーザー光を全反射させて、全反射現象により界面近傍に漏れたエバネッセント光を利用してろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させ、真空引きして接合層より除去するべく、前記レーザー光が前記ろう付接合層の界面において全反射する角度で前記補助基板に照射される入射角を形成する平滑面を有することを特徴とする弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスなどの透明な基板上に形成される圧電デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電圧を印加することによって機械的振動を得たり、逆に、機械振動を与えることによって電圧を発生させるという圧電体の特徴を活かした圧電体装置は、近年、圧電アクチュエータや圧電センサ、周波数フィルタ、音響機器、超音波機器として広く利用されている。圧電体装置の特徴として、駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けないことがあげられる。この様な特徴を持つゆえに圧電体装置はアクチュエータやセンサ、フィルタ等の振動部分に用いられており、上記機器の微小化の要求に伴い、圧電体装置自身の微小化も要求されている。先ず、従来の圧電体装置の構成を説明する。
【０００３】
図９に従来の圧電体装置の構造を示す。アルミニウム、真鍮、ステンレススチールなどの金属、あるいはシリコン、ガラス、セラミックスなどの基板２と圧電体１より構成されており、この基板２と圧電体１は従来の接合方法による接合層１０を介して接合されている。従来の接合方法による接合層１０とは、有機高分子材料からなる接着剤やろう材を言う。有機高分子材料からなる接着剤には主にエポキシ系樹脂が使用されている。はじめに、基板の接合面に接着剤を塗布し、塗布した面と圧電体を加圧密着させて所望の温度にて接着剤を硬化させて接合をおこなう。
【０００４】
一方、接着剤による接合の他に、基板と圧電体をはんだ付けにより接合する方法が、特開昭５２-１０９０４号公報、特開昭５８−９９１００号公報に提示されている。そのほか、銀ろう付けなどの硬ろう接合法、金、クロム、インジウムなどの多層メタライズ、または、低膨張合金を用いた金属薄膜をろう材としたろう接合法がある。いずれの手法においても、圧電体１には電極が設けられており、電極を通じて交流電圧が印加されるような構成になっている。
【０００５】
上記の説明のように、圧電体装置の基本的構成は圧電体と基板を接着剤で貼り合わせた構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構造、製造方法では、以下のような問題点があった。
【０００７】
すなわち、従来のように接着剤を使用した場合、圧電体より発生した力が伝播する際に接着層で乱反射したり吸収されてしまい、その結果として、振動部の電気的および機械的な性能や信頼性を低下させてしまうだけでなく、圧電体との接着界面における剥離現象も生じさせてしまうという不具合があった。
【０００８】
上述のように、合成樹脂系の接着剤を用いて接合した圧電体装置では、振動波の減衰が著しく、適用が困難であった。そこで、接着剤の他に、はんだ付による接合方法が提案されており、その例を１７０６５７３号公報、３０３９９７１号公報に見ることができる。中でも３０３９９７１号公報では、はんだと馴染み難く、使用中に接合部が剥離しやすい圧電セラミックス材を用いた接合において、接合面にメタライズ層を形成することにより接合強度を高め、かつ圧電素子の接着を短時間で行なうことを目的としている。
【０００９】
しかしながら、はんだ層に存在する空孔が、振動の吸収や乱反射の原因となり、圧電体の振動特性を低減させるだけでなく、長期信頼性を低下させるという問題がある。はんだ接合プロセスでは、接合時にはんだやフラックスから発生したガスが、接合層に閉じ込められ（ボイドの発生）接合強度や熱伝導性の低下を引き起こす大きな要因となっており、デバイスの小型化大電流化の流れを阻止している。
また、接着性を高めるために、金属を用いた焼結接合やろう付などの接合方法も行われているが、いずれの場合も３５０℃以上の高温化での接合が必須となるため、圧電体と基板の熱膨張の差より接着後に圧電体装置の基板に反りが発生してしまうという問題がある。
【００１０】
上述したような不具合は、微小構造の駆動源として上記圧電体装置の振動部分を実現しようとした場合、その大きさがサブミリメートルクラスとなるために、相対的に接着層の影響が大きくなる。
【００１１】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決して製造工程を簡略化できしかも特性の向上、安定した圧電体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上にレーザー光を入射させる平滑面を形成する第１の工程と、基板の接合面にメタライズ層を形成する第２の工程と、圧電体の接合面にメタライズ層を形成する第３の工程と、ろう付け接合層を介して圧電体と基板を接合するとともに、レーザー光を入射し、基板とろう付け接合層の界面においてレーザー光を全反射させる第４の工程と、全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる第５の工程と、真空引きすることにより、気化させた残留物質を接合層から除去する第６の工程を備えることとした。
【００１３】
また、ろう付接合層には、ろう付接合層と基板との界面で全反射が起こる角度でレーザー光を入射することとした。
【００１４】
また、レーザー光として近赤外レーザー光を用いることとした。
【００１５】
また、基板上にレーザー光を照射する工程において、ろう付け接合層と基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することとした。
【００１６】
また、基板がレーザー光を透過する材質であることとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上にレーザー光を入射させる平滑面を形成する第１の工程と、基板の接合面にメタライズ層を形成する第２の工程と、圧電体の接合面にメタライズ層を形成する第３の工程と、ろう付け接合層を介して圧電体と基板を接合するとともに、レーザー光を入射し、基板とろう付け接合層の界面においてレーザー光を全反射させる第４の工程と、全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる第５の工程と、真空引きすることにより、気化させた残留物質を接合層から除去する第６の工程とを備えることとした。
【００１８】
また、ろう付接合層には、ろう付接合層と基板との界面で全反射が起こる角度でレーザー光を入射することとした。
【００１９】
また、入射させるレーザーとして、近赤外レーザーを用いることとした。
これは、照射したレーザー光が基板とろう付け層との界面において全反射現象を起こした場合に接合界面にしみるエバネッセント光を利用すると、接合層に残留した水分やガスを選択的に除去するため、はんだ溶融時に発生したガスを除去して接合層に生じる空孔や間隙をなくし、緻密な接合層を構成することができるからである。特に、近赤外の波長１０６４ｎｍは、水分中の水酸基（-ＯＨ基）の振動モードに相当する。このため、ろう付接合層中に存在する水分がガス化されて外部へ押しやられる。よって、接合層中の空隙が減少し、接合不良を改善することができる。
【００２０】
従来のはんだ付けを用いた接合に比べて、ボイドが接合層に閉じ込められることがないため、装置の信頼性向上に繋がる。
【００２１】
また、基板上にレーザー光を照射する工程において、ろう付け接合層と基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することとした。
【００２２】
これは、基板とろう付け接合層との界面において、接合層にしみるエバネッセント光の強度、位置、照射面積を接合層の深さ方向に制御するためである。さらに、入射面でのレーザー光の乱反射を避けることで接合面でのレーザーの集光位置、集光面積を高精度で制御するためである。
【００２３】
また、基板がレーザー光を透過する材質であることとした。
【００２４】
これは、接合面まで高効率でレーザー光を入射させることを目的として、基板自身に対するレーザー光の反射、吸収を回避できる材質を選択する必要があるからである。接合面でレーザー光を全反射させるため、ガラスやアクリル樹脂などの透過率の高い基板が有効である。
【００２５】
（実施例１）
以下に本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明による圧電体装置の斜視図であり、図１を矢印Ａの方向から見たものを図２に示す。圧電体１の接合面にはメタライズ層４が形成されている。基板２にはレーザー光５が入射するための平滑面６が構成されている。基板２の接合面にはメタライズ層４が形成されており、平滑面６よりレーザー光を入射する。
【００２７】
図９に示した従来の圧電体装置と比較して、全反射角でレーザー光を照射し、ろう付接合層にエバネッセント光を発生させることにより、有機接着剤やはんだ溶融時に発生するガスが接合層に閉じ込められることを阻止できる。よって、接合部の空隙をなくし、緻密な接合層を形成することができる。接合不良部分を減少させ、接合強度を向上させる効果がある。また、接合層に生じた空隙が原因となる振動の吸収、乱反射を低減させることが可能である。よって、構成された装置の振動特性の劣化を阻止できる。
【００２８】
次いで、本発明の実施例１における圧電体装置の製造方法を図３、図４を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図３に、製造工程のフローチャートを図４に示す。
【００２９】
はじめに、レーザー光を照射し接合界面において全反射現象を起こすための平滑面を基板上に形成する（工程Ａ）。形成方法は機械研磨、エッチング処理、化学電解研磨などいずれの手法を用いても構わない。本実施例では、基板に低熱膨張ガラスを用い、機械研磨で照射面積１．５×８ｍｍ、表面粗さＲａ=０．１３にメタライズ層を形成する（工程Ｂ）。メタライズ層の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、めっき法などいずれの手法を用いても構わない。形成するメタライズ層は圧電体と補助基板との密着性を高めるため中間層にＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗなどを一層、もしくは多層メタライズすることが望ましい。
ろう付接合層にはんだを用いる場合メタライズ層は、はんだと共晶反応するＡｕが望ましい。本実施例では、圧電体にＰＺＴを用いた。ＰＺＴの接合面には、第１層目にＣｒ、第２層目にＮｉ、第３層目にＡｕをスパッタ法によりメタライズした。
【００３０】
次いで、工程Ｃによりろう付層を形成し、圧電体と基板とをろう接合する。本実施例でははんだを用いた。具体的には、はんだで接合しようとする圧電体の表面ならびに補助基板の接合表面を清浄化する。清浄化した圧電体と基板のメタライズ層表面にはんだペーストを塗布する。ペーストを塗布した接合面を重ね合わせて治具を用いて仮固定する。仮固定した試料を加圧加熱してはんだを溶融させ圧電体と基板を接合する。次に仮固定した試料を真空チャンバー内に設置し真空引きする。チャンバー内の真空度が５×１０-5ｔｏｒｒに到達したら、バルブを開放して試料をレーザー照射室に移動する。レーザー照射室のレーザーは色素レーザーから倍波を取り、波長１０６４ｎｍのパルス波を集光して照射できる状態にある。移動した試料にレーザー光を全反射条件の入射角度で照射する。
【００３１】
入射角度と接合層にしみるエバネッセント光の深さの相関は次のようにして評価した。
【００３２】
ろう付接合層部分に予め蛍光色素を塗布した標準試料を準備し、基板の平滑面より照射したパルスレーザーにより蛍光色素が励起光を発生する状態を作成した。ここで色素から発する励起光強度を単一光子係数法により測定し、入射角度を変化させた時の蛍光強度の経時変化を調べた。照射するレーザー光が全反射条件に達した際に、入射角度に対する蛍光強度から接合界面に染み出したエバネッセント光の深さを決定した。
【００３３】
次いで、接合層へのレーザー光照射工程（工程Ｄ）では、上記の評価方法により決定した入射角のレーザー光を照射した。レーザー光を照射するとエバネッセント波が基板とろう付接合層との界面に発生し、この時発生したエバネッセント波が水酸基（-ＯＨ基）を振動させることによって、ろう付接合層中に残存する水分、および有機成分がガス化される。レーザー照射後、窒素ガスを導入して大気圧に回復した。圧力を回復するとともに、仮固定した治具を接合面に対して垂直に加圧した後、試料をレーザー室より引き上げた。バルブを閉鎖して真空チャンバー内で試料を５分間静置して溶融したはんだを固体化させた。
【００３４】
ここで、エバネッセント波を接合界面に発生させる効果について説明する。接着剤による接合においては接合面にパーティクル、ダストなどの異物がある場合、異物のある部分の接合が行なわれず空隙が生じる。同様に、はんだを用いた接合においては、接合面の異物だけでなく、はんだ溶融時に発生するガスによりボイドが生じる。生じた空隙、ボイドなどは、接合強度が著しく弱くなるといった接合不良の原因となる。
【００３５】
接合型の圧電体装置の場合、生じた空隙が小さく少ないほど接合不良の可能性は低くなるが、レーザー照射によって空隙をなくすと接合不良の可能性を低減することができる。また、接合層へエバネッセント波を染み込ませることによって、接合の良好な領域においては一様に応力がはたらき、良好な特性を持つ弾性表面波素子を得ることができる。
【００３６】
本実施例における弾性表面波素子の効果を確認するため、本実施例における弾性表面波素子と、接着剤によって貼り合わせた構造を有する接合型弾性表面波素子について、インピーダンス特性、ならびに挿入損失を測定して比較をおこなった。比較の対象とするＰＺＴとガラス基板を接着剤で貼り合わせた接合型弾性表面波素子は、本実施例における弾性表面波素子と同寸法のものである。
【００３７】
次に、図１と図２に示す圧電体装置を弾性表面波の発振部に用いた弾性表面波素子の構成、ならびに動作を説明する。図５は弾性表面波素子の一部切欠斜視図であり、図６は、図５のａ−ａ’部での断面図である。図５と図６に示す弾性表面波素子は、伝搬基板である圧電体１、補助基板８、櫛型電極９で構成されている。櫛型電極９は、圧電体１と補助基板８との接合面と反対側の面上に形成され、補助基板８には圧電体１との接合面と別にレーザー光を照射するための平滑面が形成されている。本実施例における弾性表面波素子においては、圧電体１と補助基板８とがはんだにより接合されている。なお、本実施例における弾性表面波素子においては、圧電体１として厚さ２３５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を用い、補助基板８として、厚さ７００μｍの低熱膨張ガラス基板を用いている。
【００３８】
次に、本実施例の動作を説明する。櫛型電極９に交番電界を印加することによって、弾性表面波が励振され、圧電体１表面に沿って弾性表面波が伝搬する。この弾性表面波は櫛形電極９で再び電気信号に変換される。以上によって、弾性表面波として機能するものである。なお、図５と図６には櫛型電極を用いた弾性表面波素子の基本構造を示しているが、フィルタや共振子にする場合には、櫛型電極の数や構成を必要に応じて変更する。
【００３９】
続いて本実施例における弾性表面波の素子の製造プロセスについて説明する。本実施例の弾性表面波素子における製造プロセスは、圧電体と補助基板との接合と補助基板へのレーザー光照射によるろう付接合層へのエバネッセント波発生との大きく２つのプロセスに分かれる。本実施例の製造プロセスは図３と図４に示した圧電体装置の製造工程と同様におこなう。
【００４０】
本実施例では、補助基板上にレーザー光を照射する平滑面を形成した後、圧電体と補助基板とのはんだによる接合をおこなった。
【００４１】
はじめにはんだによる接合について説明する。
【００４２】
まず、スパッタ法により接合面にＡｕ膜を形成する。形成するメタライズ層は圧電体と補助基板との密着性を高めるためＡｕ膜との中間層にＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗなどを一層、もしくは多層メタライズすることが望ましい。本実施例では、圧電体にＰＺＴを用い、補助基板にはガラスを用いた。中間層としてＣｒ層とＮｉ層を形成した。また、メタライズ層を形成する方法はスパッタ法に限定するものではなく、ＣＶＤ法、めっき法などいずれの方法でも構わない。
【００４３】
続いて、はんだで接合しようとする圧電体の表面ならびに補助基板の接合表面を清浄化する。清浄化した圧電体と補助基板のメタライズ層表面にはんだペーストを塗布する。ペーストを塗布した接合面を重ね合わせて治具を用いて仮固定する。仮固定した試料を加圧加熱してはんだを溶融させ圧電体と補助基板を接合する。本実施例でははんだペーストを用いたが、ろう付接合層はペーストに限定するものではなく、シートはんだ、めっきはんだなどいずれの材料でも構わない。
【００４４】
次に仮固定した試料を真空チャンバー内に設置し真空引きする。チャンバー内の真空度が５×１０-5ｔｏｒｒに到達したら、バルブを開放して試料をレーザー照射室に移動する。レーザー照射室のはんだは１９０℃に加熱して溶融状態にある。移動した試料にレーザー光を全反射条件の入射角で照射する。レーザー光を照射するとエバネッセント波が補助基板とろう付接合層との界面に発生し、このときろう付接合層にしみ出したエバネッセント波が水酸基（−ＯＨ基）を振動させることによって、ろう付接合層中に残存する水分、および有機成分がガス化され接合層より除去される。レーザー照射後、窒素ガスを導入して大気圧に回復する。このとき仮固定した治具を接合面に対して垂直に加圧する。加圧後、試料をレーザー室より引き上げる。バルブを閉鎖して真空チャンバー内で試料を５分間静置して注入したはんだを固体化させた。
【００４５】
本実施例における弾性表面波素子の効果を確認するため、本実施例における弾性表面波素子と、接着剤によって貼り合わせた構造を有する接合型弾性表面波素子について、インピーダンス特性、ならびに挿入損失を測定して比較をおこなった。比較の対象とするＰＺＴとガラス基板を接着剤で貼り合わせた接合型弾性表面波素子は、本実施例における弾性表面波素子と同寸法のものである。
【００４６】
図７に従来の接合方法によって構成された弾性表面波素子の振動特性を示し、図８に本発明にかかる弾性表面波素子の振動特性を示す。
【００４７】
アドミタンス特性においては、周波数1〜１５ＭＨｚ付近に現われる各振動モードの波形を比較したところ、接着剤貼り合わせによる弾性表面波素子では、スプリアスが多く、反共振点のアドミタンス値のバラツキが目立つが、本実施例における弾性表面波素子では、スプリアスの少ない安定した波形が得られている。
【００４８】
一方、主共振周波数における振動モードの挿入損失の比較では、接着剤貼り合わせの弾性表面波素子では-２から-１４の４５％のバラツキが見られたのに対して、本実施例による弾性表面波素子では-１から-２と２．４％のバラツキにとどまった。従来の弾性表面波素子に比べ、接合の不良によるバラツキも低減され、安定した特性が得られていることも確認された。
【００４９】
以上のように、本実施例においては、圧電体としてＰＺＴを用いたが、これに限らず他の圧電体を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
この発明によれば、圧電体と基板をはんだのようなろう材を用いて接合する際に、基板側面からレーザー光を圧電体との接合面に向けて照射することによって接合界面で全反射現象を起こし、接合層にしみたエバネッセント光を利用して接合層中に残留する水分を選択的に除去することを特徴としている。レーザー光の入射角は基板とろう付接合層との界面で全反射が起きる範囲とし、また、基板には、全反射現象が起きるような平滑面を形成した構造を特徴としている。照射するレーザー光の波長を１０６４ｎｍと設定することで水分子、あるいは有機分子中の水酸基（-ＯＨ基）の振動を引き起こすことができる。よって、ろう付接合層中に残存する水分がガス化され真空引きすることによって接合層の外部へ押しやることができる。したがって、はんだ溶融時に発生するガスが接合層に閉じ込められることを回避することができる。
【００５１】
従来法で問題点となった接合層に閉じ込められたガスによって生じるボイドが原因とされる接合強度の劣化、ならびに振動特性の低下をなくすことが可能である。これにより、圧電体層より発生した力が接合不良部で乱反射したり、吸収されることなく伝播し、不要なスプリアス振動が発生せず、良好な振動特性を示す。さらに、本発明による接合型圧電装置をデバイスに利用したモータやアクチュエータ、センサなどの効率、および耐久性を向上させることができる。特に、マイクロマシンのような微小構造の駆動源として電気的および機械的性能を向上させ、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における圧電体装置の斜視図。
【図２】図１の視線Ａの位置から眺めた図。
【図３】本発明の圧電体装置の製造工程を表す模式図。
【図４】本発明の圧電体装置製造工程のフローチャート。
【図５】本発明の実施例１における弾性表面波素子の斜視図。
【図６】図５の視線Ａの方向から眺めたａ−ａ’部での断面図
【図７】従来の接合方法による弾性表面波素子の振動特性を表す図表。
【図８】本発明の実施例１における弾性表面波素子の振動特性を表す図表。
【図９】従来の接合方法による圧電体装置の構造を示す概略図。
【符号の説明】
１  圧電体
２  基板
３  ろう付接合層
４  メタライズ層
５  レーザー光
６  平滑面
７  電極
８  補助基板
９  櫛型電極
１０  従来の接着層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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