エレクトロニクス

多結晶スピネルの接合による R F - S A W
デバイスの温度特性の改善
下司慶一郎・寺＊岡寛二・辻藤井明人・今川善浩・中山茂橋本研也・田中秀治・戸津健太郎

高木秀樹裕Wafer Bonding of Polycrystalline Spinel with LiNbO3/LiTaO3 for Temperature Compensation of RF Surface Acoustic
Wave Devices ─ by Keiichiro Geshi, Kanji Teraoka, Yutaka Tsuji, Akihito Fujii, Yoshihiro Imagawa, Shigeru
Nakayama, Ken-ya Hashimoto, Shuji Tanaka, Kentaro Totsu and Hideki Takagi ─ This paper proposes use ofpolycrystalline spinel for the temperature compensation of radio frequency (RF) surface acoustic wave (SAW)
devices. It shows that spinel can be bonded with LiTaO3 (LT) and LiNbO3 (LN) wafers using the adhesive and directbonding techniques. Series of RF SAW resonators were fabricated on the LT (LN)/spinel structure, and theirperformance, including the temperature coefficient of frequency (TCF), was measured. For comparison, SAW
resonators employing Si and sapphire in place of spinel were also fabricated. The result indicated that thepolycrystalline spinel offers TCF improvement better than the other materials.
Keywords: spinel, wafer bonding, SAW resonator, temperature compensation, temperature coefficient of frequency

1.

緒

言

タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム（LT/LN）は、と小さい CTE を有していることがわかる。さらに、スピネ

RF-SAW デバイスの圧電材料として幅広く使用されている。

ルはサファイアよりも硬度が低く、また焼結製法により製

LT/LN の特長は、電気機械結合係数が高いことである。一造される多結晶体であることから切断・研磨等の加工性に方で、温度特性が悪いことが欠点となっている。温度特性の優れているという特徴がある。

評価指標としては、一般に周波数温度特性（TCF）※ 1 が使

本論文では、RF-SAW デバイスの温度特性改善のための用される。温度特性の改善手法のひとつに LT/LN に熱膨張支持基板として当社のスピネルの適用について検討した結係数（CTE）の小さな支持基板を接合する方法が報告され果を報告する。はじめに、スピネルと LT/LN のウエハ接合ており（1）〜（5）、既に量産化されているものもある（3）。支持を中心とした SAW デバイスの製造プロセスに関して述べ基板としてシリコン、ガラスおよびサファイアを使用したる。その後、RF-SAW デバイスとしての特性について議論例が報告されている。その中では高い剛性と小さな CTE をする。

有すサファイアが最も優れた TCF の改善を示している。しかし、サファイアは価格が高いため、幅広く使用されるには至っていない。表 1 に当社の多結晶スピネル（MgAl2O4）の特性を示す。スピネルはサファイアに次ぐ高いヤング率

2.

RF-SAW デバイスの製造プロセス
スピネルを接合した RF-SAW デバイスの製造プロセスは次の 3 ステップより構成される：
表1特性

1. スピネルと LT/LN のウエハ接合

支持基板材料の主要特性

スピネル

ガラス

シリコン サファイア

化学式

MgAl2O4SiO2SiAl2O3結晶系

多結晶

非晶質

単結晶

単結晶

密度（g/cm3）

3.582.202.333.98

ヤング率（GPa）

28070120470

ヌープ硬度（kgf/mm2）

1400

600

1150

2000

熱膨張係数（ppm/℃）

7.3

0.6

3.4

7.7

熱伝導率（W/mK）

16.9

1.4

163

33.0

2. ダイシングと LT/LN 面の研削・研磨加工
3. 電極の形成
なお、本研究では 4 インチウエハでの接合を行ったあとにダイシングし、研削・研磨加工および電極形成を行った。
これは、同じ接合条件で異なる膜厚の試料を得るためである。実用の際には 4 インチウエハで SAW デバイスの作製まで行い、最後にダイシングを行う。
2－1

スピネルと LT/LN のウエハ接合

ウエハ接合には接着接合法および直接接合法を検討した。接着接合法−（ 108 ）− 多結晶スピネルの接合による RF-SAW デバイスの温度度特性の改善

には一般に低コストという長所があるが、デバイス製造過エハの研磨条件の最適化を行った。また、表面洗浄度が必程での接着層の安定性に懸念がある。一方、直接接合はそ要であるのでウエハの洗浄法についても検討した。さらに、のような問題はないが、ウエハの接合面には高い平坦性と接合装置の条件の最適化も実施した。

表面洗浄度が要求される。

以上の取り組みにより、4 インチウエハ形状でスピネル（1）接着接合はじめに、接着剤の硬化方法について検討を行った。硬と LT/LN を写真 2 に示すようにボイドなく貼りあわせることに成功した。

化方法として、UV 硬化型、加熱硬化型、常温硬化型の 3種類を検討した。スピネルと LT/LN との CTE の差が大きい（＞ 10ppm/℃）ことから、加熱硬化型では大きく反ることが予想されるので適応は難しいと判断した。次に、常温硬化型接着剤を検討したところ反りなく接着することはできたが、接着力が弱いため、SAW デバイス製造過程で接着剤の剥離が見られた。一方、UV 硬化型は UV 照射方法に注意を払えば、硬化時に発熱を抑えられ反りなく接合でき、またスピネルは UV 波長帯域の透光性に優れており効率的かつ高強度に接合できる。このことを実験により確認したことから硬化方法を UV 硬化型に決定した。
次に UV 硬化型の中で使用する接着剤を選定した。選定
条件はウエハ接合後、反りが無視できる程度になるように、

写真 2直接接合 4 インチウエハ（LT ／スピネル）硬化収縮率の小さいこととした。また、SAW デバイス作製のためのプロセスに耐えられるために、耐熱性や接着強度を備えていることも必要である。文献（6）に基づき、デ2－2

ダイシングと LT/LN 面の研削・研磨加工

ダイ

バイス製造工程で十分に耐性のある接着剤を見出すことがシングと LT/LN 面の研削・研磨加工接合したウエハをできた。

10 × 20mm2 サイズのチップにダイシングしたあと LT/LN

以上により選定した接着剤を用いて接合されたウエハの面を研削し、最後に表面を研磨した。また、ここで膜厚比断面図を写真 1 に示す。接着層の厚みはウエハ全面で均一

を LT/LN 層に対する支持基板の厚みと定義する（図 1）。に 3µm であることを確認した。

LT/ L Nt2
膜厚比＝（t 1 / t 2）
t1

支持基板

圧電基板
接着層
支持基板

図12－3

ダイシング・研磨後の接合チップと膜厚比電極の形成

圧電基板上にレジスト膜を形成し、電子ビームで SAW 共振子を直接描画し、リフトオフすることで接合基板上に 1 ポート SAW 共振子を作製した。
写真 1

接着接合 4 インチウエハの断面図（LT ／スピネル）

表 2 に共振子の設計を示す。

3.

（2）直接接合

RF-SAW デバイスとしての特性接合方法は接着接合と同様の理由で常温接合型に限定

はじめに、支持基板の選択が TCF に与える影響を調査すし、その中で表面活性化接合法（SAB 法）とプラズマ接合るためにスピネル、サファイア、シリコンをそれぞれ支持法について検討した結果、加熱せずに十分な強度を達成す基板として接合した SAW デバイスを作製し、TCF を観測るには SAB 法が最適であると判断した

。

（7）、
（8）

SAB 法には接合面に高い平坦性が要求されることからウした。圧電基板としては、64 ° YX-LN を選択し、測定温度範囲は＋10 ℃から＋80 ℃とした。また、膜厚比を 6 とした。

2 0 1 2 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 1 号 −（ 109 ）−表2

15 の場合には TCF は− 42 から− 18ppm/℃まで改善していSAW 共振子の設計パラメータ

設計パラメータ

ることがわかった。これは過去に報告されているシリコン設計値

電極材料

Cu

電極膜厚（nm）

200

電極周期 p I（µm）

3.6やサファイアを支持基板として使用したものよりも明らかに良い値である。膜厚比 20 の時に TCF が少し悪くなっているが、この現象は本質的なものではなく、LT を非常に薄く研磨する際に生じた加工歪みによるものと考える。

54（15λ）

開口長（µm）
IDT 対数60

反射器本数40（=f r p I）
この時の圧電特性を検討するため位相速度（Vr ）と電気機械結合定数（K 2）を表 4 に示す。なお、K 2 は次のように定義する。

表 3 に測定した TCF の結果を示す。スピネル接合により/ 2 fa））/tan（πf r（/ 2 fa））・・・・・・・・（1）K 2=（πfr（接合した SAW デバイスはサファイアを含む他材料よりもここで、 f r は共振周波数、 fa は反共振周波数であり、p I20ppm/℃以上も TCF が改善した。また、スピネルを直接は電極周期である。

優れた TCF を示した。

この結果から、Vr は膜厚比を変えてもほとんど変化してい表3

各種支持基板を接合した SAW デバイスの TCF（膜厚比 6 に補正）

直接

接

着

スピネル-61-68

サファイア-63-70

シリコン-68-71

接合せず増加している。この現象は文献（4）でも報告されている。
これは接合に伴う内部応力の発生に基づくと考えられる。

TCF（ppm/℃）

支持基板ないことがわかる。一方、K 2 はスピネル接合により明らかに

表 4 スピネル直接接合 SAW デバイスの各膜厚比におけるデバイス特性-82

膜厚比TCF
ppm/℃

K2%

Vrm/s

接合せず

-427.13658

2.5-348.13690

5-278.43654

10-228.83640

15-188.83643

20-218.13672

接着接合の場合、直接接合に比べて TCF の改善は小さく、支持基板による差も小さかった。この原因としては、接着層により応力緩和が発生し、支持基板による TCF の改善効果を弱めたことが考えられる。この問題を解決するには接着層をより薄くする必要があると考える。
スピネルを直接接合した SAW デバイスに関して詳細な検討を行うため、膜厚比と TCF の相関を調査した。圧電

図 3 に膜厚比 15 におけるインピーダンス特性を示す。

基板には 42 ° YX-LT を選定した。測定温度範囲は同様に1,011MHz に高い共振の Q 値が見られる。また、インピー＋10 ℃から＋80 ℃とした。

ダンス比は 60dB 以上を達成している。

図 2 に各膜厚比において測定した TCF を示す。膜厚比7060Impedance [dB]

TCF (ppm/ ºC)-10-20-30-40-504030201005101520095025

スピネル直接接合 SAW デバイスの各膜厚比における TCF

10001050

11001150

Frequency [MHz]Thickness ratio of spinel to LT

図250

図 3 スピネル直接接合 SAW デバイスのインピーダンス特性（膜厚比 15）−（ 110 ）− 多結晶スピネルの接合による RF-SAW デバイスの温度度特性の改善

一方、1,021MHz 付近にスプリアスを観測しているが、これは、LT から伝播したバルク波が接合部で反射することにより発生したと考えられる。この現象は実用段階では抑制することができる。

4.

結（6） K. Park, M. Esashi and S. Tanaka,“Preparation of Thin Lithium
Niobate Layer on Silicon Wafer for Wafer-level Integration ofAcoustic Devices and LSI,”IEEJ Transactions on Sensors andMicromachines, 130（6）, pp. 238-241（2010）（7） H. Takagi and R. Maeda,“Direct Bonding of Two Crystal Substrates
at Room Temperature by Ar-Beam Surface Activation,”Journal ofCrystal Growth, 292, pp. 429–432（2006）

言本研究では、RF-SAW デバイスの温度特性改善のための（8） T. Suni, K. Henttinenm, I. Suni and J. Makinen,“Effects on Plasma
Activation on Hydrophilic Bonding of Si,”Journal of The
Electromechanical Society, 149（6）,pp. 348–351（2002）

支持基板として当社のスピネルの適用を検討した。スピネ
ルは LT/LN と接着接合および直接接合において接合することが可能であり、他材料と比較して優れた TCF を有することを実証した。さらに、圧電特性の検討からスピネル接合に伴う特性の低下は見られず、逆に電気機械結合定数が 12 ％程度向上することを確認した。

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------下 司 慶 一 郎＊：ハイブリッド製品事業部 技術部
光学セラミックスの開発に従事

以上より、スピネルは優れた温度特性改善効果と低価格により有益な RF-SAW デバイスの支持基板となると結論付けた。

5.

謝

辞

実験に御協力頂いた千葉大学氏、東北大学大森達也博士、稲葉真央

邉見政浩氏、並びに産総研前田敦彦氏に感謝いたします。なお、本研究において、東北大学試作コインランドリを利用して一部の実験を行いました。

寺岡

寛 二 ：ハイブリッド製品事業部

技術部

主席

辻裕 ：ハイブリッド製品事業部

技術部

グループ長

藤井明 人 ：ハイブリッド製品事業部

製造部

グループ長

今川

善 浩 ：ネットワーク営業本部

中山

茂 ：ハイブリッド製品事業部

ハイブリッド営業部
技術部

主席

部長

橋本

研 也 ：千葉大学大学院

工学研究科

教授（工学博士）

田中秀 治 ：東北大学大学院工学研究科准教授（工学博士）

戸 津 健 太 郎 ：東北大学大学院 マイクロシステム融合研究開発センター
准教授（工学博士）
高木秀 樹 ：産業技術総合研究所 集積マイクロシステム研究センター
チーム長（工学博士）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

周波数温度特性（TCF）周囲温度の変化による周波数の変化。小さい方が良い。

参考文献（1） K. Eda, K. Onishi, H. Sato, Y. Taguchi and M. Tomita,“DirectBonding of Piezoelectric Materials and Applications,”Proc. IEEE
Ultrason. Symp., pp. 299-309（2000）（2） K. Yamanouchi, K. Kotani, H. Odagawa and Y. Cho,“TheoreticalAnalysis of SAW Propagation Characteristics Under the Strained
Medium and Applications for High Temperature Stable High
Coupling SAW Substrates,”IEEE Ultrason. Symp., pp. 239-242（1999）（3） M. Miura, T. Matsuda, Y. Satoh, M. Ueda, O. Ikata, Y. Ebata andH. Takagi,“Temperature Compensated LiTaO 3 /Sapphire SAW
Substrate for High Power Applications,”Proc. IEEE Ultrason.
Symp., pp. 573-576（2005）（4） B. P. Abbott, J. Chocola, K. Lin, N. Naumenk and J. Caron,“Characterization of Bonded Wafer for RF Filters with ReducedTCF,”Proc. IEEE Ultrason. Symp., pp. 926-929（2005）（5） H. Kobayashi, K. Tohyama, Y. Hori, Y. Iwasaki and K. Suzuki,“A Study on Temperature- Compensated Hybrid Substrates for
Surface Acoustic Wave Filters,” Proc. IEEE Ultrason. Symp.,
pp. 637-640（2010）

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