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JPH0927645A - Manufacture of composite substrate and piezoelectric element using that - Google Patents

Manufacture of composite substrate and piezoelectric element using that

Info

Publication number
JPH0927645A
JPH0927645A JP11331496A JP11331496A JPH0927645A JP H0927645 A JPH0927645 A JP H0927645A JP 11331496 A JP11331496 A JP 11331496A JP 11331496 A JP11331496 A JP 11331496A JP H0927645 A JPH0927645 A JP H0927645A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
piezoelectric
heat treatment
temperature
substrates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11331496A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Nanba
昭彦 南波
Tetsuyoshi Koriyou
哲義 小掠
Yoshihiro Tomita
佳宏 冨田
Kazuo Eda
和生 江田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP11331496A priority Critical patent/JPH0927645A/en
Publication of JPH0927645A publication Critical patent/JPH0927645A/en
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent substrates from being broken at the time of heating of the substrates due to the difference of the thermal expansion coefficients of the substrates by a method wherein a first heat treatment is conducted at a temperature lower than a temperature to cause fixing of the substrates and after a piezoelectric composite substrate consisting of the substrates is split into two or more small pieces in a state that the first substrate is superposed on the second substrate, a second heat treatment is conducted at a temperature to make the fixing generate. SOLUTION: The surfaces of a quartz 2 crystal substrate 1 and a silicon substrate 2 are mirror-polished and the surface layers of the substrates 1 and 2 are removed. Then, the surfaces of the substrates 1 and 2 are subjected to hydrophilic treatment and moreover are cleaned fully with pure water. Then, the two substrates are superposed and the substrate 1 is attracted to the substrate 2 with a van der Waals force. Then, a first heat treatment is conducted for removing excess water or the like which adheres to the substrates. After the first heat treatment, a piezoelectric composite substrate consisting of the substrates is split into small pieces and the junction area per one sheet of the substrate is made small, whereby small a mount of water constituent molecules and gas left on a junction interface 22 between the substrates 1 and 2 though the amount of the molecules and the gas are removed during a second heat treatment. Then, the second heat treatment is conducted so as to cause fixing of the substrates 1 and 2 using ionic bonds or covalent bonds.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体と他の基板
とを直接接合することにより構成される圧電複合基板の
製造方法、及び圧電複合基板の構造に関するものであ
る。圧電体は通信機器、情報機器などに用いられるデバ
イスの構成材料として、幅広く用いられている。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric composite substrate constituted by directly bonding a piezoelectric body and another substrate, and a structure of the piezoelectric composite substrate. Piezoelectric materials are widely used as constituent materials for devices used in communication equipment, information equipment and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、通信デバイス等の構成材料として
種々の圧電体が使われている。特に、水晶、ニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム等の単結晶圧電体は振動子
などのバルク波デバイスやフィルタ等の弾性表面波デバ
イスに幅広く用いられている。
2. Description of the Related Art In recent years, various piezoelectric materials have been used as constituent materials for communication devices and the like. In particular, single crystal piezoelectrics such as quartz, lithium niobate, and lithium tantalate are widely used in bulk wave devices such as vibrators and surface acoustic wave devices such as filters.

【0003】このような通信デバイスを小型で、量産性
よく製造する技術として、直接接合技術や陽極接合技術
がある。直接接合技術とは、同種、異種によらず、2つ
の基板どうしを接着剤等の中間接着層を介さずに、基板
表面を構成する原子どうしの共有結合、またはイオン結
合により、固着させる技術である。直接接合は、鏡面仕
上げされた2つの基板を重ね合わせ、熱処理することに
より接合を行う。陽極接合とは、鏡面仕上げされた2つ
の基板を重ね合わせ、基板界面に電圧を印可しながら加
熱することにより接合を行う。2つの基板がどれだけ強
固に固着したかの指標となる接合強度は、接合の際の熱
処理温度に依存する。一般に熱処理温度が高いほど、接
合強度は大きくなる。
Direct bonding technology and anodic bonding technology are available as technologies for manufacturing such a communication device in a small size and with good mass productivity. The direct bonding technology is a technology for fixing two substrates, regardless of the same type or different types, by covalent bond or ionic bond between atoms constituting the substrate surface, without interposing an intermediate adhesive layer such as an adhesive. is there. Direct bonding is performed by superposing two mirror-finished substrates and heat-treating them. Anodic bonding is performed by stacking two mirror-finished substrates and heating them while applying a voltage to the substrate interface. The bonding strength, which is an index of how firmly the two substrates are fixed to each other, depends on the heat treatment temperature at the time of bonding. Generally, the higher the heat treatment temperature, the higher the bonding strength.

【0004】しかしながら、熱処理温度を高くすると、
以下の弊害が生じる。すなわち、異なる熱膨張率を持つ
基板どうしを直接接合、陽極接合する場合には、基板の
熱膨張率の違いにより、加熱時に基板が破損する、重ね
合わせた基板が剥離する等の問題が生じる。これは、製
造後の圧電複合基板や、圧電デバイスについても同様で
ある。
However, if the heat treatment temperature is increased,
The following adverse effects occur. That is, when substrates having different coefficients of thermal expansion are directly bonded or anodically bonded, there arises a problem that the substrates are damaged during heating or the stacked substrates are separated due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the substrates. The same applies to the manufactured piezoelectric composite substrate and the piezoelectric device.

【0005】具体的には、25〜300℃での平均熱膨
張率は、シリコンの場合、3.4×10-6/℃であるの
に対して、水晶の場合、15.2×10-6/℃、ニオブ
酸リチウムの場合、18.3×10-6/℃、タンタル酸
リチウムの場合、19.9×10-6/℃となる。ここ
で、圧電体は結晶のX軸方向の平均熱膨張率を示してい
る。すなわち、例えば、水晶のX軸方向では、シリコン
に比べ、約5倍の熱膨張率でとなり、この熱膨張係数の
相違により基板が破損等する問題が生じることとなる。
Specifically, the average coefficient of thermal expansion at 25 to 300 ° C. is 3.4 × 10 −6 / ° C. in the case of silicon, whereas it is 15.2 × 10 − in the case of quartz. 6 / ° C., 18.3 × 10 −6 / ° C. for lithium niobate, and 19.9 × 10 −6 / ° C. for lithium tantalate. Here, the piezoelectric material indicates the average coefficient of thermal expansion of the crystal in the X-axis direction. That is, for example, the coefficient of thermal expansion of the crystal in the X-axis direction is about 5 times that of silicon, and the difference in the coefficient of thermal expansion causes a problem such as damage to the substrate.

【0006】特開平5−327383号公報には、水晶
基板と半導体基板を直接接合する際の水晶基板の厚さと
基板の破損が生じる温度の関係が述べられている。すな
わち、水晶基板が薄い程、接合部分にかかる応力が低減
されるため、基板の破損が生じる温度が高いという関係
が経験的に報告されている。例えば、ある大きさのシリ
コン基板においては、水晶基板の厚さが80ミクロンの
とき基板が破損する温度は350℃、水晶基板の厚さが
40ミクロンのとき基板が破損する温度は450℃であ
ること等が報告されている。なお、これらの値は、基板
の大きさ、形状等によって変化する温度である。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 5-327383 describes the relationship between the thickness of the crystal substrate and the temperature at which the substrate is damaged when the crystal substrate and the semiconductor substrate are directly bonded. That is, it has been empirically reported that the thinner the quartz substrate is, the less the stress applied to the bonding portion is, and the higher the temperature at which the substrate is broken. For example, in a silicon substrate of a certain size, when the thickness of the quartz substrate is 80 μm, the temperature at which the substrate breaks is 350 ° C., and when the thickness of the quartz substrate is 40 μm, the temperature at which the substrate breaks is 450 ° C. Things have been reported. Note that these values are temperatures that change depending on the size and shape of the substrate.

【0007】従って、直接接合の熱処理温度としては、
この破損が生じる温度よりも低いこと温度で処理するこ
とが必要となるが、単一の熱処理工程によるのみでは、
以下のような弊害が生じる。
Therefore, the heat treatment temperature for direct bonding is
It is necessary to treat at a temperature lower than the temperature at which this damage occurs, but with only a single heat treatment step,
The following adverse effects occur.

【0008】すなわち、初期の重ね合わせで基板界面に
水構成分子を介した直接接合の場合、低温での初期接着
において、接合界面に水構成分子が存在する。熱処理温
度の上昇とともに、この水構成分子の大部分は除去され
るが、接合により周囲がふさがれてしまい接合界面に取
り残されるものが一部存在する。この部分は、接合がさ
れていないボイドとなる。ボイド部分は接合されておら
ず、接合界面には強固に固着した接合部とボイド部が存
在し、熱応力の不均一分布が生じる。これにより、基板
が破損する、重ね合わせた基板が剥離する問題が生じ
る。その他の接合方法を用いた場合でも、初期の重ね合
わせの時から重ね合わせ界面に存在していたガスや熱処
理中に発生したガスによってボイドが発生し、上記の問
題が発生する。
That is, in the case of direct bonding at the interface between the substrates via the water constituent molecules in the initial superposition, the water constituent molecules are present at the bonding interface in the initial bonding at low temperature. As the heat treatment temperature rises, most of the water-constituting molecules are removed, but there are some that are left behind at the joint interface because the periphery is blocked by the joint. This portion becomes a void that is not joined. The void portion is not joined, and the strongly bonded joint portion and void portion are present at the joint interface, resulting in non-uniform distribution of thermal stress. As a result, there is a problem that the substrates are damaged and the stacked substrates are separated. Even when other joining methods are used, voids are generated due to the gas existing at the superposition interface from the initial superposition and the gas generated during the heat treatment, and the above problems occur.

【0009】以上は、基板の接合工程中に生じる問題で
あるが、接合工程後の熱工程においても同様の問題が発
生しうる。例えば、半田リフロー時の加熱による熱応力
により、ボイドが発生し基板が破損したり、剥離したり
する問題が生じる。
The above is the problem that occurs during the substrate bonding process, but the same problem may occur in the thermal process after the bonding process. For example, thermal stress due to heating during solder reflow causes voids, which may cause damage or peeling of the substrate.

【0010】このような問題を解決するために、従来の
技術では熱処理の温度を2段階に分け、かつ、基板を薄
くすることにより、直接接合を行う方法が行われてい
る。すなわち、基板を比較的低い第1の温度で仮接合し
た後に、基板を機械的方法または化学エッチングにより
薄くした後、比較的高い第2の温度で強固な直接接合を
実現する方法である(特開平5−327383号公報、
特開平4−286310号公報、特開平3−97215
号公報)。すなわち、基板の破損等の問題が生じない第
1の温度で熱処理することにより基板を仮接着した後
に、基板を研磨等により薄くして、さらに基板を接着強
度が十分に得られるような高温で熱処理するという方法
である。
In order to solve such a problem, in the prior art, a method of performing direct bonding by dividing the heat treatment temperature into two steps and thinning the substrate is used. That is, after the temporary bonding of the substrate at a relatively low first temperature, the substrate is thinned by a mechanical method or chemical etching, and then a strong direct bonding is realized at a relatively high second temperature. Kaihei 5-327383,
JP-A-4-286310 and JP-A-3-97215
Issue). That is, after the substrates are temporarily bonded by heat treatment at a first temperature that does not cause a problem such as breakage of the substrates, the substrates are thinned by polishing or the like, and the substrates are heated at a high temperature such that sufficient bonding strength is obtained. It is a method of heat treatment.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の方法に
おいても、前記破損、ボイド等の問題を完全に防止する
ことは困難であり、実際の製造工程においては、歩留ま
りの低下を招くという問題があった。すなわち、基板周
辺部よりも基板中央部の接合界面における水分等の除去
が不十分となるため、基板中央部に発生する応力による
破損等の問題を完全に除去することは困難であるからで
ある。この問題は、製造コストを下げるために基板サイ
ズを拡大する上で、大きな問題となる。
However, even in the above method, it is difficult to completely prevent the problems such as the damage and the void, and there is a problem that the yield is lowered in the actual manufacturing process. there were. That is, it is difficult to completely remove problems such as damage due to stress generated in the central part of the substrate, because the removal of water and the like at the bonding interface in the central part of the substrate becomes insufficient as compared with the peripheral part of the substrate. . This problem becomes a big problem in expanding the substrate size in order to reduce the manufacturing cost.

【0012】また、基板の破損、剥離等の問題を回避で
きた場合でも、接合が不十分なことにより基板に加わる
応力が、複合基板に形成された素子の特性に悪影響を与
える場合がある。具体的には、圧電振動子、圧電フィル
タ等の圧電素子において、周波数の温度特性に影響を与
えるおそれがある。すなわち、温度の変化により基板に
加わる熱応力がさらに誇張されるためである。
Even when problems such as breakage and peeling of the substrate can be avoided, the stress applied to the substrate due to insufficient bonding may adversely affect the characteristics of the element formed on the composite substrate. Specifically, in a piezoelectric element such as a piezoelectric vibrator or a piezoelectric filter, the temperature characteristics of frequency may be affected. That is, the thermal stress applied to the substrate due to the temperature change is further exaggerated.

【0013】また、熱膨張係数の相違による応力は、結
晶構造の変化をももたらす場合がある。すなわち、分子
構造が同じでも、種々の結晶構造が存在し得る場合に
は、圧力や温度を加えることにより、結晶構造が変化し
てしまうことがある。例えば、水晶を無加圧状態で57
3℃以上に加熱した場合には、水晶はα相からβ相への
転移を生じる。ここで、相転移は、α−β転移の他にも
種々の形態が考えられる。水晶に応力が加わった場合に
起こるドフィネ双晶型の相転移もその例であり、高温で
非可逆なドフィネ双晶型の相転移の発生が報告されてい
る(アニュアルシンポジウム フレキュエンシー コン
トロール(Annual Symposium FrequencyControl),vol.3
1,p171(1977))。これらの相転移がいったん生じた基板
に素子を形成した場合には、結果として、期待される素
子の特性が得られないことになる。具体的には、ATカ
ット水晶の場合には、相転移すると、周波数の温度に対
する依存性が大きくなり、安定な動作を有する水晶振動
子、水晶フィルタ等の圧電素子を得ることが困難とな
る。
Further, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient may cause a change in crystal structure. That is, when various crystal structures may exist even if they have the same molecular structure, the crystal structure may be changed by applying pressure or temperature. For example, 57
When heated above 3 ° C., the crystal undergoes a transition from the α phase to the β phase. Here, the phase transition may have various forms other than the α-β transition. An example of this is the Dauphine twin-type phase transition that occurs when stress is applied to the crystal. ), vol.3
1, p171 (1977)). When an element is formed on a substrate in which these phase transitions have once occurred, as a result, expected characteristics of the element cannot be obtained. Specifically, in the case of AT-cut quartz, phase transition causes a large dependence of frequency on temperature, making it difficult to obtain a piezoelectric element such as a quartz oscillator or a quartz filter having stable operation.

【0014】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、異なる熱膨張率を持つ基板どうしを直接接合、陽極
接合する場合、基板の熱膨張率の違いにより、加熱時に
基板が破損することを防止し、重ね合わせた基板が剥離
することを防止し、熱応力により基板の結晶構造が変化
することを防止し、残留応力により圧電複合基板が歪み
を受けることを防止する複合基板の製造方法とそれを用
いた圧電素子を提供することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention prevents the substrates from being damaged during heating due to the difference in the thermal expansion coefficient of the substrates when directly bonding or anodic bonding the substrates having different thermal expansion coefficients. And a method for manufacturing a composite substrate, which prevents the stacked substrates from peeling off, prevents the crystal structure of the substrates from changing due to thermal stress, and prevents the piezoelectric composite substrate from being distorted due to residual stress. It is an object to provide a piezoelectric element using the same.

【0015】また、本発明は異なる熱膨張率を持つ基板
から構成される圧電複合基板を用いた圧電デバイスに発
生する基板の破損、剥離、結晶構造の変化、残留応力に
よる特性劣化、周辺の温度変化によって発生する応力に
よる特性劣化等のない複合基板の製造方法とそれを用い
た圧電素子を提供することを目的とする。
Further, according to the present invention, a piezoelectric device using a piezoelectric composite substrate composed of substrates having different coefficients of thermal expansion has a substrate damage, peeling, a change in crystal structure, characteristic deterioration due to residual stress, and ambient temperature. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite substrate that does not cause characteristic deterioration due to stress generated by changes and a piezoelectric element using the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の複合基板の第1番目の製造方法は、下記A
〜Fの工程を含む複合基板の製造方法である。 A.第1の基板の少なくとも一方の主面を鏡面仕上げ
し、 B.前記第1の基板とは熱膨張率の異なる第2の基板の
少なくとも一方の主面を鏡面仕上げし、 C.前記第1の基板の主面と前記第2の基板の主面を互
いに重ね合わせ、 D.その後、前記第1の基板と前記第2の基板が固着を
起こす温度よりも低い温度で第1の熱処理を行い、 E.その後、前記第1の基板および前記第2の基板を重
ね合わせた状態で少なくとも2つ以上の小片に分割し、 F.前記第1の基板と前記第2の基板が固着を生じる温
度で前記小片に第2の熱処理を行う。
In order to achieve the above object, the first method for producing a composite substrate of the present invention is
It is a manufacturing method of a composite substrate including steps F to F. A. B. mirror finishing at least one main surface of the first substrate; At least one main surface of the second substrate having a different coefficient of thermal expansion from the first substrate is mirror-finished; Superimposing the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate on each other, D. Then, a first heat treatment is performed at a temperature lower than a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other, and E. After that, the first substrate and the second substrate are overlapped and divided into at least two pieces, and F. The small piece is subjected to a second heat treatment at a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other.

【0017】前記第1番目の方法のA工程における「一
方の主面」とは、C工程において第2の基板と重ね合わ
せる面のことである。また「鏡面仕上げ」とは、基板の
中心線平均粗さRaが10nm以下に仕上げることをい
う。
The "one main surface" in the step A of the first method is a surface to be superposed on the second substrate in the step C. Further, "mirror finish" means that the center line average roughness Ra of the substrate is finished to 10 nm or less.

【0018】また前記B工程における「熱膨張率」は、
例えばシリコンは3.4×10-6 /℃程度、水晶はx軸方向
で15.2×10-6/℃程度、ニオブ酸リチウムはx軸方向で
18.3×10-6/℃程度、タンタル酸リチウムはx軸方向で
19.9×10-6/℃程度、ガラス基板は材料組成を変えるこ
とで種々の熱膨張率を実現できるが、主なもので3×10
-6/℃〜15×10-6/℃程度の熱膨張率を持つ。これらの
材料の組み合わせでは、最大で約6倍程度の熱膨張率の
差が出る。また、圧電基板は異方性材料で、熱膨張率も
異方性を持つ。例えばATカット水晶では、x軸の熱膨
張率は15.2×10 -6/℃程度であるが、x軸に垂直なz´
軸方向(z軸より35°22´傾いた軸)では熱膨張率
は11×10-6/℃程度となり、ガラス、半導体等の等方性
の熱膨張率を持つ材料と完全に熱膨張率を合わせること
はできない。したがって、本発明における「熱膨張率の
異なる」とは、10%程度以上の熱膨張率差があれば好
ましく、より好ましくは、ATカット水晶の例のよう
に、x軸の熱膨張率:15.2×10-6/℃程度と、z´軸方
向の熱膨張率:11×10-6/℃程度以上の熱膨張率差であ
る。
The "coefficient of thermal expansion" in the step B is
For example, silicon is 3.4 × 10-6 / ° C, crystal is x-axis direction
At 15.2 × 10-6/ ° C, lithium niobate in the x-axis direction
18.3 x 10-6/ ° C, lithium tantalate in the x-axis direction
19.9 x 10-6/ ° C, change the material composition of the glass substrate.
Although various thermal expansion coefficients can be achieved with and, the main ones are 3 x 10
-6/ ° C ~ 15 x 10-6It has a coefficient of thermal expansion of about / ° C. these
With the combination of materials, the maximum coefficient of thermal expansion is about 6 times.
There is a difference. In addition, the piezoelectric substrate is an anisotropic material and has a coefficient of thermal expansion.
Has anisotropy. For example, in AT-cut crystal, x-axis thermal expansion
The stretch rate is 15.2 × 10 -6/ ° C, but z'perpendicular to the x-axis
Coefficient of thermal expansion in the axial direction (axis tilted by 35 ° 22 'from the z-axis)
Is 11 × 10-6/ ° C, isotropic for glass, semiconductors, etc.
Matching the coefficient of thermal expansion perfectly with the material with the coefficient of thermal expansion of
Can not. Therefore, in the present invention,
“Different” means that there is a difference in coefficient of thermal expansion of 10% or more.
Much more preferably, like the example of AT-cut quartz
And the coefficient of thermal expansion on the x-axis: 15.2 × 10-6/ ° C and z'axis
Thermal expansion coefficient: 11 × 10-6/ The difference in coefficient of thermal expansion is about ℃ or more
You.

【0019】また前記D工程における「第1の熱処理の
温度」とは、ファンデルワールス力による吸着を維持
し、イオン結合や共有結合をまだ十分に生じない温度で
あって、水分等の除去が行える温度をいう。具体的にい
うと、第1の熱処理後の基板の接合の状態は、2つの基
板をまだ機械的方法によって剥離することが可能な状態
である。
The "first heat treatment temperature" in the step D is a temperature at which adsorption by Van der Waals force is maintained and ionic bonds or covalent bonds are not yet sufficiently generated, and the removal of water and the like. The temperature that can be achieved. Specifically, the bonded state of the substrates after the first heat treatment is a state in which the two substrates can still be separated by a mechanical method.

【0020】前記第1番目の方法においては、第1の基
板が圧電体からなることが好ましい。圧電体は、通信機
器、に用いられるフィルタ、発振子等の素子の構成材料
として幅広く用いられている。第1の基板として、圧電
基板を用いることで、これら素子を製造するために用い
られる複合基板を圧電体本来の特性を損なうことなく、
かつ歩留まりよく製造することができる。
In the first method, it is preferable that the first substrate is made of a piezoelectric material. Piezoelectric bodies are widely used as constituent materials for elements such as filters and oscillators used in communication equipment. By using the piezoelectric substrate as the first substrate, the composite substrate used for manufacturing these elements can be used without impairing the original characteristics of the piezoelectric body.
In addition, it can be manufactured with high yield.

【0021】また前記第1番目の方法においては、前記
第2の基板が半導体およびガラスから選ばれる少なくと
も一つの物質からなることが好ましい。(なぜ半導体ま
たはガラスが好ましいのかその理由を記載下さい。第2
の基板として半導体を用いれば、回路と圧電素子を一体
化した発振機などの製造に用いられる複合基板を圧電体
本来の特性を損なうことなく、かつ歩留まりよく製造す
ることができる。
In the first method, it is preferable that the second substrate is made of at least one substance selected from semiconductor and glass. (Please explain why semiconductor or glass is preferable.
If a semiconductor is used as the substrate of (1), a composite substrate used for manufacturing an oscillator or the like in which a circuit and a piezoelectric element are integrated can be manufactured with high yield without impairing the original characteristics of the piezoelectric body.

【0022】また前記第1番目の方法においては、前記
第2の基板が圧電体からなることが好ましい。複数の圧
電素子を一体化した発振機などの製造に用いられる複合
基板を圧電体本来の特性を損なうことなく、かつ歩留ま
りよく製造することができる。
In the first method, it is preferable that the second substrate is made of a piezoelectric material. A composite substrate used for manufacturing an oscillator or the like in which a plurality of piezoelectric elements are integrated can be manufactured with high yield without impairing the original characteristics of the piezoelectric body.

【0023】また前記第1番目の方法においては、前記
第1の基板が水晶基板であって、前記第2の熱処理の温
度が、前記水晶基板が相転移する温度よりも低いことが
好ましい。ここでいう「相転移」とは、高温、高圧下で
結晶構造が変化してしまうことである。熱膨張率の異な
る基板を接合し、熱処理すると、熱膨張率の違いから、
基板は加圧されることになる。例えば8×10-6/℃程度
のガラス基板とATカット水晶基板を接合し、熱処理す
ると、熱処理温度が300℃以下の低温においてもAT
カット水晶基板が相転移し、周波数の温度に対する安定
度が低下する。したがって、前記水晶基板が相転移する
温度よりも低い温度で第2の熱処理を行うことが好まし
い。
In the first method, it is preferable that the first substrate is a quartz substrate and the temperature of the second heat treatment is lower than the temperature at which the quartz substrate undergoes a phase transition. The “phase transition” here means that the crystal structure changes at high temperature and high pressure. When substrates with different thermal expansion coefficients are joined and heat treated, due to the difference in thermal expansion coefficient,
The substrate will be pressurized. For example, if a glass substrate of about 8 × 10 -6 / ° C and an AT-cut quartz crystal substrate are joined and heat-treated, the AT heat-treatment temperature is 300 ° C or less even at a low temperature.
The cut quartz substrate undergoes a phase transition, and the stability of frequency with respect to temperature decreases. Therefore, it is preferable to perform the second heat treatment at a temperature lower than the temperature at which the crystal substrate undergoes a phase transition.

【0024】次に本発明の複合基板の第2番目の製造方
法は、下記a〜fの工程を含む複合基板の製造方法であ
る。 a.第1の基板の少なくとも一方の主面を鏡面仕上げ
し、 b.前記第1の基板とは熱膨張率の異なる第2の基板の
少なくとも一方の主面を鏡面仕上げし、 c.前記第1の基板の主面と前記第2の基板の主面を互
いに重ね合わせ、 d.その後、前記第1の基板と前記第2の基板が固着を
起こす温度よりも低い温度で第1の熱処理を行い、 e.その後、前記第2の基板の一部を前記第1の基板に
達するまで除去し、 f.前記第1の基板と前記第2の基板が固着を生じる温
度で第2の熱処理を行う。
Next, the second method for manufacturing a composite substrate of the present invention is a method for manufacturing a composite substrate including the following steps a to f. a. Mirror finishing at least one main surface of the first substrate; b. At least one main surface of the second substrate having a different coefficient of thermal expansion from the first substrate is mirror-finished; c. Superimposing the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate on each other, d. Then, a first heat treatment is performed at a temperature lower than a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other, and e. Then, a portion of the second substrate is removed until it reaches the first substrate, f. The second heat treatment is performed at a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other.

【0025】前記において、e工程の「基板の一部を前
記第1の基板に達するまで除去し」とは、第2の基板の
一部を前記第1の基板に達するまで除去することであ
る、すなわち、圧電素子が形成しているか、または圧電
素子を形成する予定の第1の基板部分と重ね合わされて
いる第2の基板部分を除去することである。第2の基板
は、少なくとも第1の基板との重ね合わせ部分が除去さ
れていれば良く、第2の基板を貫通させなくても良い。
In the above description, "removing part of the substrate until reaching the first substrate" in the step e means removing part of the second substrate until reaching the first substrate. That is, removing the second substrate portion on which the piezoelectric element is formed or which is to be formed with the first substrate portion on which the piezoelectric element is to be formed. It is sufficient that the second substrate has at least a portion overlapping with the first substrate removed, and the second substrate may not be penetrated.

【0026】前記第2番目の方法においては、前記第1
の基板が圧電体からなることが好ましい。また前記第2
番目の方法においては、前記第2の基板が半導体および
ガラスから選ばれるいずれかの物質であることが好まし
い。
In the second method, the first method is used.
It is preferable that the substrate is made of a piezoelectric material. The second
In the second method, it is preferable that the second substrate is any material selected from semiconductors and glass.

【0027】また前記第2番目の方法においては、前記
第2の基板が圧電体からなることが好ましい。また前記
第2番目の方法においては、前記第1の基板が相転移す
る基板であって、前記第2の熱処理の温度が前記第1の
基板と前記第2の基板との接合部以外における前記第1
の基板が相転移する温度よりも低いことが好ましい。
In the second method, it is preferable that the second substrate is made of a piezoelectric material. In the second method, the first substrate is a substrate that undergoes a phase transition, and the temperature of the second heat treatment is a temperature other than a bonding portion between the first substrate and the second substrate. First
It is preferable that the temperature is lower than the temperature at which the substrate of (1) undergoes phase transition.

【0028】また前記第2番目の方法においては、前記
第1の基板が水晶からなることが好ましい。また前記第
2番目の方法においては、前記第2の基板が集積回路の
形成されたシリコン基板であることが好ましい。
In the second method, it is preferable that the first substrate is made of quartz. Further, in the second method, it is preferable that the second substrate is a silicon substrate on which an integrated circuit is formed.

【0029】また前記第2番目の方法においては、前記
第1の基板と前記第2の基板の重ね合わされた部分が実
質的な長方形であり、前記第1の基板の前記長方形の長
辺方向における熱膨張率が前記第1の基板の前記長方形
の短辺方向における熱膨張率と相違し、前記第1の基板
の前記長辺方向における熱膨張率と前記第2の基板の熱
膨張率の差が前記第1の基板の前記短辺方向における熱
膨張率と前記第2の基板の熱膨張率の差よりも小さいこ
とが好ましい。
In the second method, the overlapped portion of the first substrate and the second substrate is a substantially rectangular shape, and the first substrate in the long side direction of the rectangle. The coefficient of thermal expansion differs from the coefficient of thermal expansion in the short side direction of the rectangle of the first substrate, and the difference between the coefficient of thermal expansion in the long side direction of the first substrate and the coefficient of thermal expansion of the second substrate. Is preferably smaller than the difference between the coefficient of thermal expansion of the first substrate in the short side direction and the coefficient of thermal expansion of the second substrate.

【0030】次に本発明の第1番目の圧電素子は、励振
用電極が形成されている圧電体からなる圧電基板と、前
記圧電基板の一部に設けられた接合部に共有結合または
イオン結合により接合されている保持基板とを備えた圧
電素子において、前記励振用電極が形成されている部分
における圧電基板の結晶構造と前記接合部の圧電基板の
結晶構造が異なることを特徴とする。前記において、
「圧電基板の結晶構造と前記接合部の圧電基板の結晶構
造が異なる」とは、保持基板との接合部は相転移してお
り、励振用電極が形成されている部分における圧電基板
は相転移しておらず、水晶本来の特性を有していること
をいう。接合部は相転移しており、強固に保持されてお
り、また、接合による残留応力を緩和する働きを持つ場
合もある。
Next, the first piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric substrate made of a piezoelectric material on which electrodes for excitation are formed, and a covalent bond or an ionic bond to a joint provided on a part of the piezoelectric substrate. In the piezoelectric element provided with the holding substrate bonded by, the crystal structure of the piezoelectric substrate at the portion where the excitation electrode is formed is different from the crystal structure of the piezoelectric substrate at the bonding portion. In the above,
"The crystal structure of the piezoelectric substrate is different from the crystal structure of the piezoelectric substrate at the joint portion" means that the joint portion with the holding substrate undergoes phase transition and the piezoelectric substrate at the portion where the excitation electrode is formed undergoes phase transition. It does not mean that it has the original characteristics of quartz. The joint has undergone a phase transition, is firmly held, and may have a function of relieving residual stress due to the joint.

【0031】前記圧電素子においては、前記圧電基板が
水晶基板であることが好ましい。また前記圧電素子にお
いては、前記接合部の周辺における前記圧電基板の前記
長方形の長辺方向における幅が前記長方形の長辺の長さ
よりも小さいことが好ましい。熱膨張率が2倍以上異な
る場合には、長さの比が2倍以上あることが好ましい。
In the piezoelectric element, the piezoelectric substrate is preferably a quartz substrate. Further, in the piezoelectric element, it is preferable that a width of the piezoelectric substrate in the long side direction of the rectangle around the bonding portion is smaller than a length of the long side of the rectangle. When the coefficient of thermal expansion differs by 2 times or more, the length ratio is preferably 2 times or more.

【0032】また前記圧電素子においては、前記保持基
板が集積回路の形成されたシリコン基板からなることが
好ましい。また前記圧電素子においては、前記保持基板
が半導体またはガラスのいずれかからなることが好まし
い。
Further, in the piezoelectric element, it is preferable that the holding substrate is a silicon substrate on which an integrated circuit is formed. Further, in the piezoelectric element, it is preferable that the holding substrate is made of either semiconductor or glass.

【0033】次に本発明の第2番目の圧電素子は、電極
が形成されている圧電体からなる圧電基板と、前記圧電
基板の一部に設けられた接合部に共有結合またはイオン
結合により接合されている保持基板とを備えた圧電素子
において、前記接合部が実質的な長方形であり、前記第
1の基板の前記長方形の長辺方向における熱膨張率が前
記第1の基板の前記長方形の短辺方向における熱膨張率
と相違し、前記第1の基板の前記長辺方向における熱膨
張率と前記第2の基板の熱膨張率の差が前記第1の基板
の前記短辺方向における熱膨張率と前記第2の基板の熱
膨張率の差よりも小さいことを特徴とする。
Next, a second piezoelectric element of the present invention is bonded to a piezoelectric substrate made of a piezoelectric material on which an electrode is formed and a bonding portion provided on a part of the piezoelectric substrate by a covalent bond or an ionic bond. In the piezoelectric element having a holding substrate, the joint portion is substantially rectangular, and the coefficient of thermal expansion in the long side direction of the rectangle of the first substrate is the rectangle of the rectangle of the first substrate. Unlike the coefficient of thermal expansion in the direction of the short side, the difference between the coefficient of thermal expansion in the direction of the long side of the first substrate and the coefficient of thermal expansion of the second substrate is the heat in the direction of the short side of the first substrate. It is smaller than the difference between the coefficient of expansion and the coefficient of thermal expansion of the second substrate.

【0034】前記圧電素子においては、前記圧電基板が
水晶基板であることが好ましい。また前記圧電素子にお
いては、前記接合部の周辺における前記圧電基板の前記
長方形の長辺方向における幅が前記長方形の長辺の長さ
よりも小さいことが好ましい。
In the piezoelectric element, the piezoelectric substrate is preferably a quartz substrate. Further, in the piezoelectric element, it is preferable that a width of the piezoelectric substrate in the long side direction of the rectangle around the bonding portion is smaller than a length of the long side of the rectangle.

【0035】また前記圧電素子においては、前記基板が
集積回路の形成されたシリコン基板からなることが好ま
しい。また前記圧電素子においては、前記保持基板が半
導体およびガラスから選ばれる少なくとも一つの物質か
らなることが好ましい。
Further, in the piezoelectric element, it is preferable that the substrate is a silicon substrate on which an integrated circuit is formed. Further, in the piezoelectric element, the holding substrate is preferably made of at least one substance selected from semiconductor and glass.

【0036】本発明は以上の構成により、熱膨張係数の
異なる基板を直接接合する際においても、接合部の応力
を大幅に低減でき、基板の破損等の問題を解決でき、複
合基板の量産性を高めることができる。また、基板への
応力が低減されることにより、基板に形成される素子の
応力による特性の悪化等の問題を解消できる。さらに、
水晶基板においては、応力により助長される相転移の問
題を解消することもできる。
With the above-described structure, the present invention can significantly reduce the stress in the joint portion even when the substrates having different thermal expansion coefficients are directly joined, solve the problems such as the damage of the substrate, and mass-produce the composite substrate. Can be increased. Further, since the stress on the substrate is reduced, problems such as deterioration of characteristics due to stress of elements formed on the substrate can be solved. further,
In the quartz substrate, the problem of stress-induced phase transition can be solved.

【0037】[0037]

【実施例】以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。 (実施例1)本発明の製造方法の第1の実施例について
図1を用いて説明する。図1Aは使用する基板の断面図
で、1は水晶基板で2はシリコン基板である。シリコン
基板2の大きさは、例えば、縦:12m×横:12mm
で、厚みは450μm、水晶基板1の大きさは、例え
ば、縦:12mm×横:12mmで、厚みは80μmと
した。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. (Embodiment 1) A first embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a sectional view of a substrate to be used, where 1 is a quartz substrate and 2 is a silicon substrate. The size of the silicon substrate 2 is, for example, length: 12 m × width: 12 mm.
The thickness was 450 μm, and the size of the crystal substrate 1 was, for example, vertical: 12 mm × horizontal: 12 mm, and the thickness was 80 μm.

【0038】まず、水晶基板1とシリコン基板2の表面
を鏡面研磨し、フッ酸系のエッチング液により、表面層
を除去した。次に、水晶基板1とシリコン基板2をアン
モニア、過酸化水素、純水の混合液に浸漬し、表面を親
水化処理し、更に、純水で十分洗浄した。親水化処理に
より、各基板表面は水酸基により終端された。次に、2
枚の基板の鏡面研磨した面を重ね合わせた。2枚の基板
はファンデルワールス力により吸着した。
First, the surfaces of the quartz substrate 1 and the silicon substrate 2 were mirror-polished, and the surface layer was removed with a hydrofluoric acid-based etching solution. Next, the quartz substrate 1 and the silicon substrate 2 were immersed in a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide and pure water to make the surface hydrophilic, and then sufficiently washed with pure water. The surface of each substrate was terminated with hydroxyl groups by the hydrophilic treatment. Next, 2
The mirror-polished surfaces of the substrates were superposed. The two substrates were adsorbed by Van der Waals force.

【0039】次に、第1の熱処理を150℃で5時間行
った。かかる熱処理は、基板に付着する余分な水分等を
除去するために行った。第1の熱処理は通常、100〜
300℃の範囲で数分から数十時間、好ましくは基板の
固着が生じない100〜200℃の温度範囲で1時間か
ら数十時間行うのが良い。すなわち、余分な水分を除去
するためにはある程度の加熱が必要であるが、イオン結
合や共有結合による固着を基板の全体に生じてしまう
と、結合界面に応力が発生し、基板の破損等の問題を生
じるおそれがあるからである。すなわち、第1の熱処理
の温度とは、ファンデルワールス力による吸着を維持
し、イオン結合や共有結合をまだ十分に生じない温度で
あって、水分等の除去が行える温度をいう。具体的にい
うと、第1の熱処理後の基板の接合の状態は、2つの基
板をまだ機械的方法によって接合界面から剥離すること
が可能な状態である。
Next, the first heat treatment was performed at 150 ° C. for 5 hours. This heat treatment was performed to remove excess water and the like attached to the substrate. The first heat treatment is usually 100-
It may be carried out at a temperature of 300 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature range of 100 to 200 ° C. at which the substrate does not stick, for 1 hour to several tens of hours. That is, although some heating is required to remove excess water, if ionic bonding or covalent bonding is caused on the entire substrate, stress is generated at the bonding interface, which may cause damage to the substrate. This is because it may cause a problem. That is, the temperature of the first heat treatment is a temperature at which adsorption by Van der Waals forces is maintained and ionic bonds or covalent bonds are not sufficiently generated, and at which water and the like can be removed. Specifically, the bonding state of the substrates after the first heat treatment is a state in which the two substrates can still be separated from the bonding interface by a mechanical method.

【0040】次に、第2の熱処理を300℃で3時間行
った。かかる熱処理は、接合部分における水分等を除去
してイオン結合または共有結合による固着を起こさせる
ために行うものである。水晶基板とシリコン基板の場
合、第2の熱処理は第1の温度よりも高い温度で、水晶
の相転移温度である573℃未満の温度で数分から数十
時間行なうが、好ましくは、200から500℃の温度
がよい。図1Bは第1の熱処理後の圧電複合基板で、2
つの基板は接合界面21において、前記したように、主
に水酸基、または水構成分子による結合により吸着して
いる。ここで、水構成分子とは、水分子を基礎とした分
子をいい、水分子に種々の界面に存在する原子または分
子が付加した分子のことをいう。
Next, the second heat treatment was performed at 300 ° C. for 3 hours. Such heat treatment is performed to remove moisture and the like in the bonded portion and cause fixation by ionic bond or covalent bond. In the case of a quartz substrate and a silicon substrate, the second heat treatment is performed at a temperature higher than the first temperature and at a temperature lower than the crystal phase transition temperature of 573 ° C. for several minutes to several tens hours, preferably 200 to 500. A temperature of ℃ is good. FIG. 1B shows the piezoelectric composite substrate after the first heat treatment.
As described above, the two substrates are adsorbed at the bonding interface 21 mainly by the bond of the hydroxyl group or the water constituent molecule. Here, the water constituent molecule is a molecule based on water molecules, and is a molecule obtained by adding atoms or molecules existing at various interfaces to water molecules.

【0041】これらの結合は比較的弱い結合で、2つの
基板の接合界面からの水やその他の気体の除去は円滑に
行われた。従って、基板の接着界面にボイドはほとんど
形成されなかった。図1Cは第2の熱処理後の圧電複合
基板で、接合界面22において2つの基板は共有結合
(シロキサン結合)を主とした結合によって、原子レベ
ルで非常に強固に固着した。
These bonds were relatively weak, and removal of water and other gases from the bonding interface between the two substrates was performed smoothly. Therefore, almost no void was formed at the bonding interface of the substrate. FIG. 1C shows the piezoelectric composite substrate after the second heat treatment. At the bonding interface 22, the two substrates were bonded very strongly at the atomic level by a bond mainly consisting of a covalent bond (siloxane bond).

【0042】以上説明した製造方法により、基板を薄く
する工程を必要としないで、熱処理の工程のみで、熱処
理中に発生するボイドを抑え、応力を軽減した直接接合
を得ることができた。この結果、圧電複合基板の製造歩
留まりを向上させることが可能となった。
According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain a direct bond in which stress is reduced by suppressing voids generated during the heat treatment only by the heat treatment step without requiring the step of thinning the substrate. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate.

【0043】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0044】また、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板に
も実施可能である。
Further, in the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or other piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, the present invention can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material bonded to the piezoelectric substrate.

【0045】また、同種の圧電基板同士の直接接合にお
いても、熱膨張率が異方性を有する基板を結晶方位をず
らして接合する場合には、異種基板の接合の場合と同様
の応力の問題が発生する。この場合においても、本発明
を実施することにより応力の問題を解決することができ
る。
Also in the direct bonding between piezoelectric substrates of the same type, when the substrates having the anisotropy of thermal expansion are bonded by shifting the crystal orientation, the same stress problem as in the case of bonding different substrates is encountered. Occurs. Even in this case, the problem of stress can be solved by implementing the present invention.

【0046】(実施例2)本発明の製造方法の第2の実
施例を図2を用いて説明する。図2Aに示すように、基
板材料、形状は実施例1と同じである。実施例1と同様
に、重ね合わせまでの工程を行った。次に、第1の熱処
理を250℃で5時間行った。図2Bでは、実施例1に
比べ、次工程のダイシングによる剥離を防止するために
熱処理温度をやや高くし、接合強度を増加させた。
(Embodiment 2) A second embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2A, the substrate material and shape are the same as those in the first embodiment. Similar to Example 1, steps up to superposition were performed. Next, the first heat treatment was performed at 250 ° C. for 5 hours. In FIG. 2B, as compared with Example 1, the heat treatment temperature was slightly increased to prevent peeling due to dicing in the next step, and the bonding strength was increased.

【0047】次に、圧電複合基板を縦:3mm×横:3
mmの大きさにダイシング・ソーにより切断した。図2
Cは第1の熱処理後切断された圧電複合基板である。第
2の熱処理を350℃で3時間行なった。図2Dは第2
の熱処理後の圧電複合基板である。
Next, the piezoelectric composite substrate is vertically 3 mm and horizontally 3
It was cut with a dicing saw into a size of mm. FIG.
C is a piezoelectric composite substrate cut after the first heat treatment. The second heat treatment was performed at 350 ° C. for 3 hours. Figure 2D is second
It is the piezoelectric composite substrate after the heat treatment of.

【0048】本実施例では、第1の熱処理後、圧電複合
基板を小片に分割し、基板一枚あたりの接合面積を小さ
くすることで、第2の熱処理中に接合界面22にわずかな
がら残っている水構成分子、気体の除去は円滑に進ん
だ。この結果、第2の熱処理中に不均一に加わる熱応力
が実施例1の製造方法よりも更に軽減された。
In the present embodiment, after the first heat treatment, the piezoelectric composite substrate is divided into small pieces to reduce the bonding area per substrate, so that a small amount remains at the bonding interface 22 during the second heat treatment. Removal of water constituent molecules and gas was progressed smoothly. As a result, the thermal stress applied non-uniformly during the second heat treatment was further reduced as compared with the manufacturing method of Example 1.

【0049】この方法は、基板の大きさが大きいときに
は、非常に有効である。すなわち、基板の中央部に残留
している水分等も完全に除去することが可能となるから
である。
This method is very effective when the size of the substrate is large. That is, it is possible to completely remove water and the like remaining in the central portion of the substrate.

【0050】以上に説明した製造方法により、基板を薄
くする工程を必要としないで、熱処理の工程のみで、熱
処理中に発生するボイドを抑え、応力を軽減した直接接
合を得ることができた。この結果、圧電複合基板の製造
歩留まりを向上させることが可能となった。特に、基板
のサイズが大きいときに、圧電複合基板の製造歩留まり
は大幅に向上した。
According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain a direct bond with reduced stress by suppressing voids generated during the heat treatment only by the heat treatment step without requiring the step of thinning the substrate. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate. Especially, when the size of the substrate is large, the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate is significantly improved.

【0051】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0052】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および、圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板
にも実施可能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or other piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, it can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material to be bonded to the piezoelectric substrate.

【0053】また、同種の圧電基板同士の直接接合にお
いても、熱膨張率が異方性を有する基板を結晶方位をず
らして接合する場合には異種基板の接合の場合と同様の
応力の問題が発生する。この場合においても、本発明を
実施することにより応力の問題を解決することができ
る。
Also in the direct bonding of piezoelectric substrates of the same kind, when the substrates having the anisotropy of the thermal expansion coefficient are bonded by shifting the crystal orientation, the same problem of stress as in the bonding of different substrates is caused. appear. Even in this case, the problem of stress can be solved by implementing the present invention.

【0054】(実施例3)本発明の製造方法の第3の実
施例を図3を用いて説明する。図3Aに示すように、基
板材料、形状は実施例1と同じである。実施例2と同様
に、重ね合わせまでの工程を行った(図3B)。21は
接合界面である。次に、第1の熱処理を250℃で5時
間行った。
(Embodiment 3) A third embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, the substrate material and shape are the same as those in the first embodiment. Similar to Example 2, steps up to superposition were performed (FIG. 3B). Reference numeral 21 is a bonding interface. Next, the first heat treatment was performed at 250 ° C. for 5 hours.

【0055】次に、図3Cに示すように、フッ酸系のエ
ッチング液により、接合面21と対向する面からシリコ
ン基板2の一部を除去した。次に、第2の熱処理を35
0℃で3時間行った。
Next, as shown in FIG. 3C, a part of the silicon substrate 2 was removed from the surface facing the bonding surface 21 with a hydrofluoric acid-based etching solution. Next, a second heat treatment is performed 35
It was carried out at 0 ° C. for 3 hours.

【0056】本実施例での第1の熱処理では、2つの基
板の接合界面からの水やその他の気体を円滑に除去し、
シリコン基板2のエッチング加工を行うための圧電複合
基板の仮接合を行った。第2の熱処理では、圧電複合基
板の接合面積が減少したため、接合界面の水構成分子、
ガスなどの除去が円滑に行われた。
In the first heat treatment of this embodiment, water and other gases from the bonding interface between the two substrates are smoothly removed,
The piezoelectric composite substrate for the etching process of the silicon substrate 2 was temporarily joined. In the second heat treatment, since the bonding area of the piezoelectric composite substrate was reduced, water constituent molecules at the bonding interface,
Gas etc. were removed smoothly.

【0057】以上の製造方法により、熱処理中に発生す
るボイドを抑え、応力を軽減した直接接合を得ることが
できた。この結果、圧電複合基板の製造歩留まりを向上
させることが可能となった。特に、基板のサイズが大き
いときに、圧電複合基板の製造歩留まりは大幅に向上し
た。
By the above-mentioned manufacturing method, it is possible to obtain the direct bonding in which the voids generated during the heat treatment are suppressed and the stress is reduced. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate. Especially, when the size of the substrate is large, the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate is significantly improved.

【0058】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0059】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および、圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板
にも実施可能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or other piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, it can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material to be bonded to the piezoelectric substrate.

【0060】また、同種の圧電基板同士の直接接合にお
いても、熱膨張率が異方性を有する基板を結晶方位をず
らして接合する場合には異種基板の接合の場合と同様の
応力の問題が発生する。この場合においても、本発明を
実施することにより応力の問題を解決することができ
る。
Also in the direct bonding of piezoelectric substrates of the same kind, when the substrates having the anisotropy of thermal expansion are bonded by shifting the crystal orientation, the same problem of stress as in the bonding of different substrates is caused. appear. Even in this case, the problem of stress can be solved by implementing the present invention.

【0061】(実施例4)本発明の製造方法の第4の実
施例について説明する。本実施例では、シリコン基板の
代わりにガラス基板を用いた場合を示す。なお、説明を
簡単にするために実施例1の場合にガラス基板を用いた
場合についてのみ説明するが、実施例2または実施例3
の態様で実施すれば各実施例において示した基板中央部
における応力の低減が図れる効果が同様に得られるもの
である。
(Embodiment 4) A fourth embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described. In this embodiment, a glass substrate is used instead of the silicon substrate. It should be noted that, in order to simplify the description, only the case of using a glass substrate in the case of Example 1 will be described, but Example 2 or Example 3
If it is carried out in this mode, the effect of reducing the stress in the central portion of the substrate shown in each of the embodiments can be similarly obtained.

【0062】本実施例の場合、ガラス基板を用いること
により、以下の利点がある。ガラス基板は、水酸化ナト
リウムなどのアルカリ成分等を混入することにより熱膨
張率を変えることができた。ガラス基板の熱膨張率を水
晶基板に近づけることにより、第2の熱処理温度を高く
でき、強固に固着した圧電複合基板を歩留まり良く製造
することができた。また、ガラスは基板材料としては安
価で、コストを削減することも可能であった。
In the case of this embodiment, the use of the glass substrate has the following advantages. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate could be changed by mixing an alkaline component such as sodium hydroxide. By bringing the coefficient of thermal expansion of the glass substrate close to that of the quartz substrate, the temperature of the second heat treatment could be increased, and the firmly fixed piezoelectric composite substrate could be manufactured with high yield. Further, glass is inexpensive as a substrate material, and the cost can be reduced.

【0063】水晶基板1の大きさは、縦:12mm×
横:12mmで、厚みは80μm、ガラス基板は縦:1
2mm×横:12mmで、厚みは400μmとした。ガ
ラス基板の熱膨張率は14×10-6/℃とした。
The size of the crystal substrate 1 is vertical: 12 mm ×
Width: 12 mm, thickness 80 μm, glass substrate length: 1
2 mm × width: 12 mm, and the thickness was 400 μm. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate was 14 × 10 -6 / ° C.

【0064】製造方法は、まず、ガラス基板と水晶基板
の表面を鏡面研磨し、フッ酸系のエッチング液により、
表面層を除去した。次に、ガラス基板と水晶基板をアン
モニア、過酸化水素、純水の混合液にしたし、表面を親
水化処理し、更に、純水で十分洗浄した。親水化処理に
より、各基板表面は水酸基により終端された。次に、2
枚の基板の鏡面研磨した面を重ね合わせた。2枚の基板
はファンデルワールス力により吸着した。
The manufacturing method is as follows. First, the surfaces of the glass substrate and the quartz substrate are mirror-polished, and a hydrofluoric acid-based etching solution is used.
The surface layer was removed. Next, the glass substrate and the quartz substrate were made into a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide, and pure water, the surface was hydrophilized, and further thoroughly washed with pure water. The surface of each substrate was terminated with hydroxyl groups by the hydrophilic treatment. Next, 2
The mirror-polished surfaces of the substrates were superposed. The two substrates were adsorbed by Van der Waals force.

【0065】次に、第1の熱処理を150℃で5時間行
った。かかる熱処理は、基板に付着する余分な水分等を
除去するために行った。第1の熱処理は通常、100〜
300℃の範囲で数分から数十時間行うが、好ましくは
基板の固着を生じない100〜200℃の温度で、1時
間から数十時間行うのが良い。すなわち、余分な水分を
除去するためにはある程度の加熱が必要であるが、イオ
ン結合や共有結合による固着を基板の全体に生じてしま
うと、結合界面に応力が発生し、基板の破損等の問題を
生じるおそれがあるからである。すなわち、第1の熱処
理の温度とは、ファンデルワールス力による吸着を維持
し、イオン結合や共有結合をまだ十分に生じない温度で
あって、水分等の除去が行える温度をいう。具体的にい
うと、第1の熱処理後の基板の接合の状態は、2つの基
板をまだ機械的方法によって剥離することが可能な状態
である。
Next, the first heat treatment was performed at 150 ° C. for 5 hours. This heat treatment was performed to remove excess water and the like attached to the substrate. The first heat treatment is usually 100-
The heating is carried out at a temperature of 300 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of 100 to 200 ° C. at which the substrate is not fixed, and for one hour to several tens of hours. That is, although some heating is required to remove excess water, if ionic bonding or covalent bonding is caused on the entire substrate, stress is generated at the bonding interface, which may cause damage to the substrate. This is because it may cause a problem. That is, the temperature of the first heat treatment is a temperature at which adsorption by Van der Waals forces is maintained and ionic bonds or covalent bonds are not sufficiently generated, and at which water and the like can be removed. Specifically, the bonded state of the substrates after the first heat treatment is a state in which the two substrates can still be separated by a mechanical method.

【0066】次に、第2の熱処理を300℃で3時間行
った。かかる熱処理は、接合部分における水分等を除去
してイオン結合または共有結合による固着を起こさせる
ために行うものである。第2の熱処理は第1の温度より
も高い温度で行なった。
Next, the second heat treatment was performed at 300 ° C. for 3 hours. Such heat treatment is performed to remove moisture and the like in the bonded portion and cause fixation by ionic bond or covalent bond. The second heat treatment was performed at a temperature higher than the first temperature.

【0067】第1の熱処理後の圧電複合基板は、接合界
面において、前述したように、主に、水酸基、あるい
は、水構成分子による結合により吸着している。これら
の結合は比較的弱い結合で、2つの基板の接合界面から
の水やその他の気体の除去は円滑に行われる。従って、
基板の接着界面にボイドはほとんど形成されない。結果
として、第2の熱処理後、接合界面において2つの基板
は共有結合(シロキサン結合)を主とした結合によっ
て、原子レベルで非常に強固に固着している。
As described above, the piezoelectric composite substrate after the first heat treatment is adsorbed at the bonding interface mainly by the bond of the hydroxyl group or the water constituent molecule. These bonds are relatively weak bonds, and removal of water and other gas from the bonding interface between the two substrates is facilitated. Therefore,
Almost no void is formed at the bonding interface of the substrate. As a result, after the second heat treatment, the two substrates are very firmly fixed at the atomic level at the bonding interface by a bond mainly including a covalent bond (siloxane bond).

【0068】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0069】以上に説明した製造方法により、熱膨張係
数を調整できる、コストダウンが図れる等の利点を有す
るガラス基板との直接結合においても、基板を薄くする
工程を必要としないで、熱処理の工程のみで、熱処理中
に発生するボイドを抑え、応力を軽減した直接接合を得
ることができる。すなわち、熱膨張係数を接合する基板
に応じて調整できるので、応力がよりいっそう低減でき
る。これらの結果、圧電複合基板の製造歩留まりを向上
させることが可能となる。
According to the manufacturing method described above, even in the direct bonding with the glass substrate, which has the advantages that the coefficient of thermal expansion can be adjusted and the cost can be reduced, the step of heat treatment does not require the step of thinning the substrate. Only by doing so, it is possible to suppress the voids generated during the heat treatment and obtain a direct bond with reduced stress. That is, since the coefficient of thermal expansion can be adjusted according to the substrates to be bonded, the stress can be further reduced. As a result, the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate can be improved.

【0070】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or another piezoelectric material capable of mirror polishing.

【0071】(実施例5)本発明の製造方法の第5の実
施例について説明する。使用する基板は、ニオブ酸リチ
ウム基板とシリコン基板である。なお、説明を簡単にす
るために実施例1の場合にニオブ酸リチウム基板を用い
た場合についてのみ説明するが、実施例2または実施例
3の態様で実施すれば各実施例において示した基板中央
部における応力の低減が図れる効果が同様に得られるも
のである。
(Embodiment 5) A fifth embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described. The substrates used are a lithium niobate substrate and a silicon substrate. It should be noted that, in order to simplify the description, only the case of using the lithium niobate substrate in the case of Example 1 will be described, but if it is carried out in the mode of Example 2 or Example 3, the substrate center shown in each Example will be described. The effect of reducing the stress in the portion is similarly obtained.

【0072】本実施例で、シリコン基板の大きさは、例
えば、縦:12mm×横:12mmで、厚みは450μ
m、ニオブ酸リチウム基板4の大きさは、例えば、縦:
12mm×横:12mmで、厚みは80μmとした。
In this embodiment, the size of the silicon substrate is, for example, length: 12 mm × width: 12 mm, and the thickness is 450 μm.
m, the size of the lithium niobate substrate 4 is, for example, vertical:
12 mm × width: 12 mm, and the thickness was 80 μm.

【0073】まず、実施例1と同様の工程で2つの基板
の重ね合わせまでの処理を行った。次に、第1の熱処理
を250℃で5時間行った。第1の熱処理は通常、10
0〜300℃の範囲で数分から数十時間行ったが、好ま
しくは基板の固着を生じない100〜240℃の温度範
囲で、1時間から数十時間行うのが良い。
First, the processes up to the superposition of two substrates were performed in the same process as in the first embodiment. Next, the first heat treatment was performed at 250 ° C. for 5 hours. The first heat treatment is usually 10
It is carried out at a temperature of 0 to 300 ° C. for several minutes to several tens of hours, but it is preferably carried out at a temperature range of 100 to 240 ° C. at which the adhesion of the substrate does not occur, for one hour to several tens of hours.

【0074】第2の熱処理を350℃で3時間行った。
ニオブ酸リチウム基板とシリコン基板の場合、第2の熱
処理は通常、200〜1000℃の温度で数分から数十
時間行なった、好ましくは、250から400℃の温度
がよい。なぜなら、250℃は、シリコンとニオブ酸リ
チウムが固着を開始する温度であり、400℃以上では
基板が破損するおそれがあるからである。
The second heat treatment was performed at 350 ° C. for 3 hours.
In the case of a lithium niobate substrate and a silicon substrate, the second heat treatment is usually performed at a temperature of 200 to 1000 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably 250 to 400 ° C. This is because 250 ° C. is a temperature at which silicon and lithium niobate start to adhere to each other, and the substrate may be damaged at 400 ° C. or higher.

【0075】圧電基板は構成材料、カット角によって
は、非常に割れやすく、弱い結合の状態でも、熱応力が
不均一に加わることによって破損する。ただし、水晶基
板のように結晶の相転移の温度が破損温度よりもかなり
高いので、相転移の問題により第2の熱処理の上限値を
決定する必要はない。本実施例において、第1の熱処理
温度は低温であるため、比較的弱い結合で、2つの基板
は接合されている。接合界面からの水やその他の気体の
除去は円滑に行われる。従って、基板の接着界面にボイ
ドはほとんど形成されず、接合速度の面内ばらつきはほ
とんどない。この結果、応力集中により基板破損するこ
とはない。第2の熱処理後の圧電複合基板は、接合界面
22において原子レベルでの結合で、非常に強固に固着
している。
The piezoelectric substrate is very fragile depending on the constituent material and the cut angle, and even if it is in a weakly coupled state, it is damaged due to uneven thermal stress. However, since the temperature of the crystal phase transition is much higher than the failure temperature as in the quartz substrate, it is not necessary to determine the upper limit of the second heat treatment due to the problem of the phase transition. In the present embodiment, the first heat treatment temperature is low, and thus the two substrates are joined by a relatively weak bond. Removal of water and other gases from the joint interface is done smoothly. Therefore, voids are hardly formed at the bonding interface of the substrate, and there is almost no in-plane variation in the bonding speed. As a result, the substrate is not damaged due to stress concentration. The piezoelectric composite substrate after the second heat treatment is very firmly fixed at the bonding interface 22 by bonding at the atomic level.

【0076】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0077】以上に説明した製造方法により、ニオブ酸
リチウムとシリコン基板との直接接合においても、基板
を薄くする工程を必要としないで、熱処理の工程のみ
で、熱処理中に発生するボイドを抑え、応力を軽減した
直接接合を得ることができる。この結果、圧電複合基板
の製造歩留まりを向上させることが可能となる。
According to the manufacturing method described above, even in the direct bonding between the lithium niobate and the silicon substrate, the step of thinning the substrate is not required, and the voids generated during the heat treatment are suppressed only by the heat treatment step. A direct bond with reduced stress can be obtained. As a result, the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate can be improved.

【0078】(実施例6)本発明の第6の実施例におけ
る製造方法について説明する。使用する基板は、水晶基
板と、シリコン基板である。なお、説明を簡単にするた
めに実施例1の場合と同様の場合についてのみ説明する
が、実施例2または実施例3の態様で実施すれば各実施
例において示した基板中央部における応力の低減が図れ
る効果が同様に得られるものである。
(Embodiment 6) A manufacturing method in a sixth embodiment of the present invention will be described. The substrates used are a quartz substrate and a silicon substrate. It should be noted that, for simplification of explanation, only the same case as the case of the first embodiment will be described. However, if it is carried out in the mode of the second embodiment or the third embodiment, the stress in the central portion of the substrate shown in each embodiment is reduced. The same effect can be obtained.

【0079】本実施例で、水晶基板の大きさは、例え
ば、縦:10mm×横:10mmで、厚みは56μmと
した。シリコン基板の大きさは、例えば、縦:10mm
×横:10mmで、厚みは450μmとした。
In this example, the size of the quartz substrate was, for example, 10 mm in length × 10 mm in width, and the thickness was 56 μm. The size of the silicon substrate is, for example, vertical: 10 mm
× width: 10 mm, and the thickness was 450 μm.

【0080】まず、水晶基板とシリコン基板の表面を鏡
面研磨し、フッ酸系のエッチング液により、表面層を除
去した。次に、水晶基板とシリコン基板をアンモニア、
過酸化水素、純水の混合液に浸漬し、表面を親水化処理
し、更に、純水で十分洗浄した。親水化処理により、各
基板表面は水酸基により終端された。次に、2枚の基板
の鏡面研磨した面を重ね合わせた。2枚の基板はファン
デルワールス力により吸着した。
First, the surfaces of the quartz substrate and the silicon substrate were mirror-polished, and the surface layer was removed with a hydrofluoric acid-based etching solution. Next, the quartz substrate and the silicon substrate are ammonia,
It was immersed in a mixed solution of hydrogen peroxide and pure water to make the surface hydrophilic, and then thoroughly washed with pure water. The surface of each substrate was terminated with hydroxyl groups by the hydrophilic treatment. Next, the mirror-polished surfaces of the two substrates were overlapped. The two substrates were adsorbed by Van der Waals force.

【0081】次に、第1の熱処理を150℃で5時間行
った。かかる熱処理は、基板に付着する余分な水分等を
除去するために行った。第1の熱処理は通常、100〜
300℃の範囲で数分から数十時間行うが、好ましくは
100〜200℃の温度で、1時間から数十時間行うの
が良い。すなわち、余分な水分を除去するためにはある
程度の加熱が必要であるが、イオン結合や共有結合によ
る固着を基板の全体に生じてしまうと、結合界面に応力
が発生し、基板の破損等の問題を生じるおそれがあるか
らである。すなわち、第1の熱処理の温度とは、ファン
デルワールス力による吸着を維持し、イオン結合や共有
結合をまだ十分に生じない温度であって、水分等の除去
が行える温度をいう。具体的にいうと、第1の熱処理後
の基板の接合の状態は、2つの基板をまだ機械的方法に
よって剥離することが可能な状態である。
Next, the first heat treatment was performed at 150 ° C. for 5 hours. This heat treatment was performed to remove excess water and the like attached to the substrate. The first heat treatment is usually 100-
It is carried out at a temperature of 300 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of 100 to 200 ° C. for one hour to several tens of hours. That is, although some heating is required to remove excess water, if ionic bonding or covalent bonding is caused on the entire substrate, stress is generated at the bonding interface, which may cause damage to the substrate. This is because it may cause a problem. That is, the temperature of the first heat treatment is a temperature at which adsorption by Van der Waals forces is maintained and ionic bonds or covalent bonds are not sufficiently generated, and at which water and the like can be removed. Specifically, the bonded state of the substrates after the first heat treatment is a state in which the two substrates can still be separated by a mechanical method.

【0082】次に、第2の熱処理を250℃で3時間行
った。ここで、実施例1で説明したように、水晶基板の
場合、無加圧では第2の熱処理の温度は、水晶のα−β
相転移温度である573℃であればよいが、実際に基板
に接合による応力がかかった場合には、相転移は573
℃よりも低い温度で生じ得る。そこで、本実施例では、
相転移の問題を完全に防止すべく、実施例1の場合より
も50℃低い温度で行った。
Next, the second heat treatment was performed at 250 ° C. for 3 hours. Here, as described in Example 1, in the case of a quartz substrate, the temperature of the second heat treatment is α-β of quartz without pressure.
It may be 573 ° C. which is the phase transition temperature, but when stress is actually applied to the substrate due to bonding, the phase transition is 573 ° C.
It can occur at temperatures below ° C. Therefore, in this embodiment,
In order to completely prevent the problem of phase transition, the temperature was lower than that in Example 1 by 50 ° C.

【0083】本実施例では、第1の熱処理後2つの基板
は主に水素結合により吸着していた。水晶基板1は熱応
力による結晶構造の変化、つまり、相転移は全く発生し
ていなかった。
In this example, the two substrates were adsorbed mainly by hydrogen bonds after the first heat treatment. The crystal substrate 1 had no change in crystal structure due to thermal stress, that is, no phase transition occurred.

【0084】本実施例においては、低温での第1の熱処
理中は重ね合わせ界面からの水分子、ガスの除去は円滑
に行われ、水構成分子、ガスは重ね合わせ界面で一様に
広がっており、水晶基板に加わる不均一な熱応力が大幅
に軽減された。従って、水晶基板の面内での部分的な応
力集中はなく、水晶基板が相転移してしまうことはなか
った。また、第2の熱処理中も第1の熱処理を行ったこ
とにより、接合面内での熱応力はほぼ均一に加わり、水
晶基板1は相転移することはなかった。
In the present embodiment, during the first heat treatment at a low temperature, water molecules and gas are smoothly removed from the superposition interface, and the water constituent molecules and gas are uniformly spread at the superposition interface. The non-uniform thermal stress applied to the quartz substrate was greatly reduced. Therefore, there was no partial stress concentration in the plane of the crystal substrate, and the crystal substrate did not undergo phase transition. In addition, since the first heat treatment was performed during the second heat treatment as well, the thermal stress in the bonding surface was applied almost uniformly, and the crystal substrate 1 did not undergo phase transition.

【0085】以上に説明した製造方法により、基板を薄
くする工程を必要としないで、熱処理の工程のみで、熱
処理中に発生するボイドを抑え、応力を軽減した直接接
合を得ることができた。この結果、圧電複合基板の製造
歩留まりを向上させることが可能となった。また、圧電
基板の相転移を完全に防止でき、所望の特性の圧電複合
基板を製造することができた。
According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain a direct bond with reduced stress by suppressing voids generated during the heat treatment only by the heat treatment step without requiring the step of thinning the substrate. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate. Moreover, the phase transition of the piezoelectric substrate can be completely prevented, and the piezoelectric composite substrate having desired characteristics can be manufactured.

【0086】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると、接合界面の水、気体の除去効果は更に大き
くなった。すなわち、急激に加熱することによりも段階
的にまたは徐々に加熱することで水分等の除去がスムー
ズに行えることになった。例えば、第1の熱処理の低温
側は通常、100〜200℃で数分から数十時間、好ま
しくは、100〜180℃で1時間から数十時間行うの
がよかった。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上で
あって、300℃以下で数分から数十時間、好ましくは
低温側の熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間
から数十時間行うのがよかった。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, it is possible to smoothly remove moisture and the like by heating stepwise or gradually even by rapidly heating. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens hours. On the high temperature side, it is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side, and it is better to carry out at 300 ° C. or lower for a few minutes to tens of hours, preferably at a temperature higher than the low temperature side heat treatment temperature and lower than 200 ° C. for 1 to tens of hours. .

【0087】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および、圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板
にも実施可能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or another piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, it can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material to be bonded to the piezoelectric substrate.

【0088】また、同種の圧電基板同士の直接接合にお
いても、熱膨張率が異方性を有する基板を結晶方位をず
らして接合する場合には異種基板の接合の場合と同様の
応力の問題が発生する。この場合においても、本発明を
実施することにより応力の問題を解決することができ
る。
Also in the direct bonding of piezoelectric substrates of the same kind, when the substrates having the anisotropy of thermal expansion are bonded by shifting the crystal orientation, the same problem of stress as in the bonding of different substrates is caused. appear. Even in this case, the problem of stress can be solved by implementing the present invention.

【0089】(実施例7)本発明の製造方法の第7の実
施例を説明する。使用する基板は、水晶基板とガラス基
板である。なお、説明を簡単にするために実施例1の場
合と同様の場合についてのみ説明するが、実施例2また
は実施例3の態様で実施すれば各実施例において示した
基板中央部における応力の低減が図れる効果が同様に得
られるものである。
(Embodiment 7) A seventh embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described. The substrates used are a quartz substrate and a glass substrate. It should be noted that, for simplification of explanation, only the same case as the case of the first embodiment will be described. However, if it is carried out in the mode of the second embodiment or the third embodiment, the stress in the central portion of the substrate shown in each embodiment is reduced. The same effect can be obtained.

【0090】本実施例では、シリコン基板の代わりにガ
ラス基板を用いた。ガラス基板はそれを構成する材料を
変えることで熱膨張率を変化させることができた。接合
する圧電体に近い熱膨張率を選ぶことにより強固に固着
した圧電複合基板を歩留まり良く製造することができ
た。また、ガラスは基板材料としては安価で、保持基板
として用いる場合、コストを抑えることもできた。
In this example, a glass substrate was used instead of the silicon substrate. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate could be changed by changing the material forming it. By selecting a coefficient of thermal expansion close to that of the piezoelectric body to be bonded, it was possible to manufacture a firmly fixed piezoelectric composite substrate with high yield. Further, glass is an inexpensive substrate material, and when used as a holding substrate, the cost could be suppressed.

【0091】水晶基板の大きさは、縦:12mm×横:
12mmで、厚みは80μm、ガラス基板は縦:12m
m×横:12mmで、厚みは400μmとした。ガラス
基板の熱膨張率は10×10-6/℃とした。基板を鏡面
研磨、洗浄、親水化処理し、重ね合わせた。第1の熱処
理は150℃で5時間行った。
The size of the quartz substrate is vertical: 12 mm × horizontal:
12 mm, thickness 80 μm, glass substrate vertical: 12 m
m × width: 12 mm, and the thickness was 400 μm. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate was 10 × 10 −6 / ° C. The substrates were mirror-polished, washed, hydrophilized, and superposed. The first heat treatment was performed at 150 ° C. for 5 hours.

【0092】第1の熱処理は通常、90〜350℃の温
度範囲で行うが、好ましくは、150℃〜300℃の温
度範囲がよい。次に、第2の熱処理を250℃で3時間
行った。ここで、実施例1で説明したように、水晶基板
の場合、理論的には第2の熱処理の温度は、水晶の相転
移温度である573℃であればよいが、実際に基板に接
合による応力がかかった場合には、相転移は573℃よ
りも低い温度で部分的に生じ得る。そこで、本実施例で
は、相転移の問題を完全に防止すべく、実施例1の場合
よりも50℃低い温度で行った。
The first heat treatment is usually carried out in the temperature range of 90 to 350 ° C., preferably 150 to 300 ° C. Next, the second heat treatment was performed at 250 ° C. for 3 hours. Here, as described in Example 1, in the case of the quartz substrate, the temperature of the second heat treatment may theoretically be 573 ° C. which is the phase transition temperature of the quartz, but it is actually bonded to the substrate. When stressed, the phase transition can partially occur at temperatures below 573 ° C. Therefore, in this example, in order to completely prevent the problem of phase transition, the temperature was lower by 50 ° C. than in the case of Example 1.

【0093】本第2の熱処理は通常、100〜573℃
の温度範囲で行うが、好ましくは250〜573℃の温
度範囲がよい。以上に説明した製造方法により、熱膨張
率を調整できるという利点を有するガラス基板を用いた
場合において、基板を薄くする工程を必要としないで、
熱処理の工程のみで、熱処理中に発生するボイドを抑
え、応力を軽減した直接接合を得ることができた。この
結果、圧電複合基板の製造歩留まりを向上させることが
可能となった。また、圧電基板の相転移を完全に防止で
き、所望の特性の圧電複合基板を製造することができ
た。
The second heat treatment is usually 100 to 573 ° C.
The temperature range of 250 to 573 ° C. is preferable. By the manufacturing method described above, in the case of using a glass substrate having an advantage that the coefficient of thermal expansion can be adjusted, the step of thinning the substrate is not required,
Only by the heat treatment step, it was possible to obtain voids generated during the heat treatment and obtain a direct bond with reduced stress. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate. Moreover, the phase transition of the piezoelectric substrate can be completely prevented, and the piezoelectric composite substrate having desired characteristics can be manufactured.

【0094】なお、圧電基板として、タンタル酸リチウ
ム、ニオブ酸リチウムなどの単結晶圧電体、鏡面研磨可
能なその他の圧電体にも実施可能である。 (実施例8)本発明の製造方法の第8の実施例を図4に
示す。図4Aにおいて、1は水晶基板、2はシリコン基
板である。ここで、シリコン基板には、信号処理のため
の集積回路が形成されている場合もある。すなわち、直
接接合は低温での熱処理で十分なため、加熱により集積
回路の特性に悪影響を与えるという問題もないからであ
る。
The piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or another piezoelectric material capable of mirror polishing. (Embodiment 8) An eighth embodiment of the manufacturing method of the present invention is shown in FIG. In FIG. 4A, 1 is a quartz substrate and 2 is a silicon substrate. Here, an integrated circuit for signal processing may be formed on the silicon substrate. That is, since direct bonding is sufficient with a heat treatment at a low temperature, there is no problem that the characteristics of the integrated circuit are adversely affected by heating.

【0095】まず、実施例1と同様の工程で基板を鏡面
研磨、洗浄、親水化処理し、重ね合わせた。次に、第1
の熱処理を180℃で5時間行った(図5B)。第1の
熱処理は通常、100〜300℃の範囲で行うが、好ま
しくは、基板固着が生じない100〜200℃の温度が
よい。
First, in the same steps as in Example 1, the substrates were mirror-polished, washed, hydrophilized, and superposed. Next, the first
Was heat-treated at 180 ° C. for 5 hours (FIG. 5B). The first heat treatment is usually carried out in the range of 100 to 300 ° C., but preferably a temperature of 100 to 200 ° C. at which substrate adhesion does not occur.

【0096】次にフッ酸系のエッチング液により、接合
面と対向する面からシリコン基板2の一部を除去した
(図5C)。実際の圧電素子においては、このように圧
電素子の振動子を形成する部分において基板を除去する
必要がある。
Next, a part of the silicon substrate 2 was removed from the surface facing the bonding surface with a hydrofluoric acid-based etching solution (FIG. 5C). In an actual piezoelectric element, it is necessary to remove the substrate in the portion where the vibrator of the piezoelectric element is formed in this way.

【0097】次に、第2の熱処理を380℃で3時間行
った(図5D)。水晶基板とシリコン基板の場合、第2
の熱処理は通常、第1の熱処理温度よりも高い温度であ
って、573℃以下の温度で数分から数時間行うが、好
ましくは200〜500℃の温度がよい。
Next, the second heat treatment was performed at 380 ° C. for 3 hours (FIG. 5D). Second for crystal and silicon substrates
The heat treatment (1) is usually higher than the first heat treatment temperature and is performed at a temperature of 573 ° C. or lower for several minutes to several hours, preferably 200 to 500 ° C.

【0098】本実施例での第1の熱処理では、シリコン
基板2のエッチング加工を行うための圧電複合基板の仮
接合が行われている。また、第2の熱処理では、シリコ
ン基板2と水晶基板1を強固に固着するために行った。
図5Dでの水晶基板1の5の部分は原子レベルで強固に
固着していた。
In the first heat treatment in this embodiment, the piezoelectric composite substrate is temporarily joined to perform the etching process of the silicon substrate 2. In addition, the second heat treatment was performed to firmly bond the silicon substrate 2 and the crystal substrate 1.
The portion 5 of the quartz substrate 1 in FIG. 5D was firmly fixed at the atomic level.

【0099】ここで、シリコンとの接合部および接合部
周辺における水晶基板5は相転移しているが、シリコン
基板を除去した部分における水晶基板6は相転移してい
ない。すなわち、本実施例の製造方法によれば、第2の
熱処理において、たとえ、接合部が相転移したとして
も、圧電素子の振動子を形成する部分には相転移の影響
が及ばない基板を作成することができる。いいかえる
と、第2の熱処理は相転移温度の上限による制限を受け
ることなく行うことが可能となる。
Here, the crystal substrate 5 at the junction with silicon and the periphery of the junction undergoes phase transition, but the crystal substrate 6 at the portion where the silicon substrate is removed does not undergo phase transition. That is, according to the manufacturing method of the present example, in the second heat treatment, even if the bonding portion undergoes a phase transition, a substrate in which the portion of the piezoelectric element forming the vibrator is not affected by the phase transition is produced. can do. In other words, the second heat treatment can be performed without being limited by the upper limit of the phase transition temperature.

【0100】この結果、水晶の相転移していない部分を
用いて、所望の特性のデバイスを作製することができ、
圧電デバイスを歩留まり良く製造することができた。以
上に説明した製造方法により、熱処理中に発生するボイ
ドを抑え、応力を軽減した直接接合を得ることができ
る。この結果、圧電複合基板の製造歩留まりを向上させ
ることが可能となった。また、圧電素子の特性に影響を
与える部分における圧電基板の相転移を完全に防止で
き、所望の特性の圧電複合基板を製造することができ
た。
As a result, a device having desired characteristics can be manufactured by using the part of the crystal that does not undergo phase transition.
The piezoelectric device could be manufactured with high yield. By the manufacturing method described above, it is possible to obtain voids generated during heat treatment and to obtain direct bonding with reduced stress. As a result, it has become possible to improve the manufacturing yield of the piezoelectric composite substrate. Further, the phase transition of the piezoelectric substrate in the portion that affects the characteristics of the piezoelectric element can be completely prevented, and the piezoelectric composite substrate having desired characteristics can be manufactured.

【0101】なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分
割等すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きく
なる。すなわち、急激に加熱することによりも段階的に
または徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに
行えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0102】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および、圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板
にも実施可能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or another piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, it can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material to be bonded to the piezoelectric substrate.

【0103】(実施例9)本発明の圧電複合基板を用い
た場合の圧電素子の斜視図及び上面構造を図5に示す。
本実施例より以降の実施例では、実際の圧電素子に複合
基板を用いた場合について説明する。
(Embodiment 9) FIG. 5 shows a perspective view and a top structure of a piezoelectric element when the piezoelectric composite substrate of the present invention is used.
In the examples subsequent to this example, the case where a composite substrate is used for an actual piezoelectric element will be described.

【0104】図5において11は圧電基板、例えばAT
カット水晶基板で、大きさは、例えば、縦:4mm×
横:8mmで、厚みは50μmとした。12は半導体基
板で、例えばシリコン基板を用いた。大きさは、縦:8
mm×横:12mmで、厚みは450μmとした。13
は圧電基板と半導体基板の接合部で、大きさは縦:4m
m×横:1mmである。ここで、シリコン基板には、信
号処理のための集積回路が形成してもよい。すなわち、
直接接合は低温での熱処理で十分なため、加熱により集
積回路の特性に悪影響を与えるという問題もないからで
ある。
In FIG. 5, 11 is a piezoelectric substrate, for example, AT
It is a cut crystal substrate, and the size is, for example, vertical: 4 mm ×
The width: 8 mm, and the thickness was 50 μm. 12 is a semiconductor substrate, for example, a silicon substrate is used. The size is vertical: 8
mm × width: 12 mm, and the thickness was 450 μm. Thirteen
Is the joint between the piezoelectric substrate and the semiconductor substrate, and the size is vertical: 4 m
m × width: 1 mm. Here, an integrated circuit for signal processing may be formed on the silicon substrate. That is,
This is because heat treatment at a low temperature is sufficient for direct bonding, and there is no problem that the characteristics of the integrated circuit are adversely affected by heating.

【0105】本実施例では、接合部13の形状を長方形
とし、長方形の短辺方向をx軸方向、長辺方向をz´
軸方向、つまり、z軸方向より35゜22´ 傾いた方
向とした。本実施例では、更に、圧電基板2の上下面に
励振用電極14a、14bを設け、圧電振動子を形成し
た(図6)。
In this embodiment, the shape of the joint portion 13 is a rectangle, the short side direction of the rectangle is the x-axis direction, and the long side direction is z '.
The axial direction, that is, the direction tilted by 35 ° 22 'from the z-axis direction. In the present embodiment, excitation electrodes 14a and 14b were further provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric substrate 2 to form a piezoelectric vibrator (FIG. 6).

【0106】次に、本実施例の構造の圧電複合基板の応
用である水晶振動子の製造方法について説明する。 (A)ATカット水晶基板11とシリコン基板12の表
面を鏡面研磨、洗浄を行った。ATカット水晶基板11
はこの段階で所定の厚み、例えば50μmに薄板化され
た。 (B)シリコン基板12をフッ酸系のエッチング液によ
り、くり貫きエッチングし、図7の半導体基板12に対
応する形状に加工した。 (C)ATカット水晶基板11の上下面に、ホトリソグ
ラフィー及び真空蒸着などの手法を用いて、図6の14
a,14bに対応する励振用電極を形成した。裏面電極
14bはATカット水晶基板11の端面で基板上面に電
極を引き出した。 (D)アンモニア、過酸化水素、純水の混合液に浸漬
し、表面を親水化処理し、更に、純水で十分洗浄した。
以上の処理により、各基板表面に水構成分子が付着し
た。 (E)2枚の基板の鏡面研磨した面を重ね合わせた。水
構成分子によるファンデルワールス力により、2枚の基
板は吸着した。 (F)150℃5時間の第1の熱処理により基板を仮接
着した後、350℃で2時間熱処理を行った。ATカッ
ト水晶基板とシリコン基板の場合、第2の熱処理は通
常、100〜573℃程度の温度で数分から数十時間行
なったが、好ましくは、250から500℃程度の温度
がよい。
Next, a method of manufacturing a crystal resonator, which is an application of the piezoelectric composite substrate having the structure of this embodiment, will be described. (A) The surfaces of the AT-cut quartz crystal substrate 11 and the silicon substrate 12 were mirror-polished and washed. AT cut crystal substrate 11
Was thinned to a predetermined thickness, for example 50 μm, at this stage. (B) The silicon substrate 12 was subjected to hollow etching with a hydrofluoric acid-based etching solution to form a shape corresponding to the semiconductor substrate 12 shown in FIG. (C) On the upper and lower surfaces of the AT-cut crystal substrate 11, 14 shown in FIG. 6 is formed by using a technique such as photolithography and vacuum deposition.
Excitation electrodes corresponding to a and 14b were formed. The back surface electrode 14b is an end surface of the AT-cut quartz crystal substrate 11 and the electrode is drawn out to the upper surface of the substrate. (D) The surface was immersed in a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide and pure water to make the surface hydrophilic, and then thoroughly washed with pure water.
Through the above treatment, water constituent molecules were attached to the surface of each substrate. (E) The mirror-polished surfaces of the two substrates were superposed. The two substrates were adsorbed by the Van der Waals force due to the water constituent molecules. (F) After temporarily adhering the substrates by the first heat treatment at 150 ° C. for 5 hours, heat treatment was performed at 350 ° C. for 2 hours. In the case of the AT-cut quartz crystal substrate and the silicon substrate, the second heat treatment is usually performed at a temperature of about 100 to 573 ° C. for several minutes to several tens of hours, but a temperature of about 250 to 500 ° C. is preferable.

【0107】ここで、本実施例の圧電振動子の特徴のひ
とつは、直接接合による圧電基板の保持部の形状をを長
方形にし、長方形の長辺方向を熱膨張率が半導体基板に
近い方向としたことである。
Here, one of the characteristics of the piezoelectric vibrator of the present embodiment is that the holding portion of the piezoelectric substrate by direct bonding has a rectangular shape, and the long side direction of the rectangle is the direction in which the coefficient of thermal expansion is close to that of the semiconductor substrate. That is what I did.

【0108】ATカット水晶の熱膨張率はX軸方向で1
5.2×10-6、Z´ 方向で11×10-6であるか
ら、本実施例では、シリコンにより近いZ´ 軸方向を
長辺方向にした。
The thermal expansion coefficient of AT-cut quartz is 1 in the X-axis direction.
Since it is 5.2 × 10 −6 and 11 × 10 −6 in the Z ′ direction, in this example, the Z ′ axis direction closer to silicon was set to the long side direction.

【0109】以上の構造の水晶振動子は0から60℃の温
度範囲での共振周波数の変化が10ppm以下となっ
た。また、室温から260℃でのヒートショックを加えて
も基板が破損したり、剥離したりすることはなかった。
In the crystal resonator having the above structure, the change in resonance frequency in the temperature range of 0 to 60 ° C. was 10 ppm or less. Further, the substrate was not damaged or peeled off even when heat shock was applied from room temperature to 260 ° C.

【0110】また、水晶基板とシリコン基板との接合部
においては、相転移が見られたが実際に圧電素子を作成
する部分における水晶基板には相転移は見られなかっ
た。ここで、相転移の有無は、フッ酸系のエッチャント
を用いて、エッチング後の面の表面状態を観察すること
によって確認できた。また、X線回折を用いて、結晶格
子の面間隔を測定することによって確認できた。
Further, although phase transition was observed at the joint between the quartz substrate and the silicon substrate, no phase transition was observed at the portion where the piezoelectric element was actually produced. Here, the presence or absence of the phase transition could be confirmed by observing the surface state of the surface after etching using a hydrofluoric acid-based etchant. Moreover, it could be confirmed by measuring the plane spacing of the crystal lattice using X-ray diffraction.

【0111】以上のような構造にすることにより、水晶
基板11はシリコン基板12との熱膨張係数の差に起因
する熱応力の影響を受けにくくなり、圧電振動が熱応力
により阻害されることがない。また、圧電振動子を形成
する部分の水晶基板には相転移が生じないので共振周波
数の温度に対する安定性もATカット水晶本来のものと
同等のものが得られる。さらに、直接接合により確実に
基板が接合されているので、半田リフローなどのヒート
ショックが加わっても、基板は破損しない。
With the above structure, the quartz substrate 11 is less susceptible to the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient from the silicon substrate 12, and the piezoelectric vibration may be hindered by the thermal stress. Absent. In addition, since the phase transition does not occur in the crystal substrate where the piezoelectric vibrator is formed, the stability of the resonance frequency with respect to temperature can be the same as that of the original AT-cut crystal. Further, since the substrates are securely joined by the direct joining, the substrates are not damaged even if a heat shock such as solder reflow is applied.

【0112】なお、長方形の角を曲線状にしても同様の
効果が期待できる。また、保持部の形状をそれ以外のも
のにしても、圧電基板の熱膨張率が半導体基板に近い方
向を保持部の形状に対して短くすることにより同様の効
果が期待できる。
The same effect can be expected if the corners of the rectangle are curved. Even if the shape of the holding portion is other than that, the same effect can be expected by shortening the direction in which the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric substrate is closer to the semiconductor substrate than the shape of the holding portion.

【0113】なお、接合部を圧電基板の両端にすること
により、落下などの衝撃に対する強度を強くすることが
できる。なお、第1の熱処理を低温側と高温側に分割等
すると接合界面の水、気体の除去効果は更に大きくな
る。すなわち、急激に加熱することによりも段階的にま
たは徐々に加熱することで水分等の除去がスムーズに行
えることになる。例えば、第1の熱処理の低温側は通
常、100〜200℃で数分から数十時間、好ましく
は、100〜180℃で1時間から数十時間行うのがよ
い。高温側は、通常低温側の熱処理温度以上であって、
300℃以下で数分から数十時間、好ましくは低温側の
熱処理温度以上で200℃以下の温度で1時間から数十
時間行うのがよい。
By forming the joints at both ends of the piezoelectric substrate, it is possible to increase the strength against a shock such as a drop. If the first heat treatment is divided into a low temperature side and a high temperature side, the effect of removing water and gas at the joint interface is further increased. That is, even if the heating is performed rapidly, the water or the like can be smoothly removed by heating stepwise or gradually. For example, the low temperature side of the first heat treatment is usually performed at 100 to 200 ° C. for several minutes to several tens of hours, preferably at 100 to 180 ° C. for one hour to several tens of hours. The high temperature side is usually higher than the heat treatment temperature on the low temperature side,
The heat treatment is performed at 300 ° C. or lower for several minutes to several tens of hours, preferably at a temperature of the low temperature side heat treatment temperature of 200 ° C. or lower for 1 hour to several tens hours.

【0114】なお、以上の実施例において、圧電基板と
して、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単
結晶圧電体、鏡面研磨可能なその他の圧電体にも実施可
能である。また、圧電基板と接合する基板材料としてガ
リウム砒素、インジウムリンなど半導体基板、ガラス基
板、および圧電基板と熱膨張率の異なる他の圧電基板に
も実施可能である。
In the above embodiments, the piezoelectric substrate may be a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate, or another piezoelectric material capable of mirror polishing. Further, the present invention can be applied to a semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide, a glass substrate, or another piezoelectric substrate having a thermal expansion coefficient different from that of the piezoelectric substrate as a substrate material bonded to the piezoelectric substrate.

【0115】(実施例10)本発明の第10の実施例の
上面構造及び断面構造を図7に示す。図7において11
は圧電基板で、例えばATカット水晶基板で、大きさ
は、例えば、縦:4mm×横:8mmで、厚みは50μ
mとした。12は半導体基板で、例えばシリコン基板
で、大きさは、縦:8mm×横:12mmで、厚みは4
50μmであった。ここで、シリコン基板には、信号処
理のための集積回路が形成してもよい。すなわち、直接
接合は低温での熱処理で十分なため、加熱により集積回
路の特性に悪影響を与えるという問題もないからであ
る。
(Embodiment 10) FIG. 7 shows a top structure and a sectional structure of a tenth embodiment of the present invention. 11 in FIG.
Is a piezoelectric substrate, for example, an AT-cut quartz substrate, and has a size of, for example, length: 4 mm × width: 8 mm, and a thickness of 50 μm.
m. Reference numeral 12 is a semiconductor substrate, for example, a silicon substrate, and the size is vertical: 8 mm × horizontal: 12 mm, and the thickness is 4
It was 50 μm. Here, an integrated circuit for signal processing may be formed on the silicon substrate. That is, since direct bonding is sufficient with a heat treatment at a low temperature, there is no problem that the characteristics of the integrated circuit are adversely affected by heating.

【0116】13は圧電基板と半導体基板の接合部で、
大きさは縦:4mm×横:1mmである。シリコ接合部
13の形状は角部分を曲線化した実質的な長方形で、短
辺方向をx軸方向、長辺方向をz´ 軸方向、つまり、
z軸方向より35゜22´ 傾いた方向とした。また、
水晶基板11上の接合部と非接合部の境界付近に応力を
軽減するためのくびれ構造を設けた。本実施例では、図
8に示すように、更に、水晶基板11の上下面に励振用
電極14a、14bを設け、水晶振動子を形成した。
Reference numeral 13 denotes a joint portion between the piezoelectric substrate and the semiconductor substrate,
The size is length: 4 mm x width: 1 mm. The shape of the silicon joint 13 is a substantially rectangular shape with curved corners, and the short side direction is the x-axis direction and the long side direction is the z'axis direction, that is,
The direction was inclined by 35 ° 22 'from the z-axis direction. Also,
A constricted structure for reducing stress is provided near the boundary between the bonded portion and the non-bonded portion on the crystal substrate 11. In this example, as shown in FIG. 8, excitation electrodes 14a and 14b were further provided on the upper and lower surfaces of the quartz substrate 11 to form a quartz oscillator.

【0117】本実施例の圧電複合基板を応用した水晶振
動子の特徴は、水晶基板11上の接合部と非接合部の境
界付近にくびれ構造を設けた点である。このようなくび
れ構造とすることにより、熱応力による水晶の破損や熱
応力、残留応力の振動部への影響を軽減した。
A feature of the crystal resonator to which the piezoelectric composite substrate of this embodiment is applied is that a constricted structure is provided near the boundary between the bonded portion and the non-bonded portion on the quartz substrate 11. With such a constricted structure, the influence of thermal stress on the vibrating part due to damage to the crystal, thermal stress, and residual stress was reduced.

【0118】以上のような構造にすることにより、水晶
基板11はシリコン基板12との熱膨張係数の差に起因
する熱応力の影響をさらに受けにくくなり、圧電振動が
熱応力により阻害されることがなかった。また、圧電振
動子を形成する部分の水晶基板には相転移が生じないの
で共振周波数の温度に対する安定性もATカット水晶本
来のものと同等のものが得られた。さらに、直接接合に
より確実に基板が接合されているので、半田リフローな
どのヒートショックが加わっても、基板は破損しなかっ
た。
With the above-described structure, the quartz substrate 11 becomes even less susceptible to the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient from the silicon substrate 12, and the piezoelectric vibration is hindered by the thermal stress. There was no In addition, since the phase transition does not occur in the crystal substrate where the piezoelectric vibrator is formed, the stability of the resonance frequency with respect to the temperature is the same as that of the original AT-cut crystal. Furthermore, since the substrates are securely joined by the direct joining, the substrates were not damaged even when a heat shock such as solder reflow was applied.

【0119】なお、本実施例では、圧電基板としてAT
カット水晶を用いたが、用途に応じて、その他のカット
角の水晶基板を用いてもよい。また、水晶と比べ、温度
変化に対する周波数安定性は劣るが、電気機械結合係数
が高いニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどを圧
電基板として用いても同様の効果が得られる。
In this embodiment, an AT is used as the piezoelectric substrate.
Although the cut quartz is used, a quartz substrate having another cut angle may be used depending on the application. Further, although the frequency stability with respect to temperature change is inferior to that of quartz, the same effect can be obtained by using lithium niobate or lithium tantalate having a high electromechanical coupling coefficient as the piezoelectric substrate.

【0120】(実施例11)本発明の圧電複合基板の応
用である圧電振動子の第11の実施例を説明する。構造
は、実施例9(図5、図6)のATカット水晶基板1の
代わりにXカットタンタル酸リチウム15を用いた構造
である。Xカットタンタル酸リチウム基板15は、大き
さは、例えば、縦:4mm×横:8mmで、厚みは50
μmとした。接合部では長方形の短辺方向をx軸方向、
長辺方向をz軸方向とした。
(Embodiment 11) An eleventh embodiment of a piezoelectric vibrator, which is an application of the piezoelectric composite substrate of the present invention, will be described. The structure is a structure using X-cut lithium tantalate 15 instead of the AT-cut crystal substrate 1 of Example 9 (FIGS. 5 and 6). The size of the X-cut lithium tantalate substrate 15 is, for example, length: 4 mm × width: 8 mm, and thickness is 50.
μm. At the joint, the short side direction of the rectangle is the x-axis direction,
The long-side direction was the z-axis direction.

【0121】本実施例が実施例9と異なるのは、圧電基
板としてタンタル酸リチウムを用いた点である。タンタ
ル酸リチウムは水晶と比べ、温度変化に対する周波数安
定性は劣るが、電気機械結合係数が高く、またQ値が低
いため、高効率で比較的広い帯域を必要とする電圧制御
発振器などに広く用いられる。同様の理由で、圧電基板
として、ニオブ酸リチウムを用いてもよい。
This example is different from Example 9 in that lithium tantalate is used as the piezoelectric substrate. Lithium tantalate is inferior to quartz in frequency stability against temperature changes, but has a high electromechanical coupling coefficient and a low Q value, so it is widely used in voltage controlled oscillators that require high efficiency and a relatively wide band. To be For the same reason, lithium niobate may be used as the piezoelectric substrate.

【0122】以上のような構造にすることにより、タン
タル酸リチウム基板15はシリコン基板12との熱膨張
係数の差に起因する熱応力の影響を受けにくくなり、圧
電振動が熱応力により阻害されることがない。また、圧
電振動子を形成する部分におけるタンタル酸リチウム基
板には相転移が生じないので共振周波数の温度に対する
安定性もATカット水晶本来のものと同等のものが得ら
れる。さらに、直接接合により確実に基板が接合されて
いるので、半田リフローなどのヒートショックが加わっ
ても、基板は破損しない。
With the above structure, the lithium tantalate substrate 15 is less susceptible to the thermal stress due to the difference in the thermal expansion coefficient from the silicon substrate 12, and the piezoelectric vibration is hindered by the thermal stress. Never. In addition, since the phase transition does not occur in the lithium tantalate substrate in the portion forming the piezoelectric vibrator, the stability of the resonance frequency with respect to temperature can be obtained which is the same as the original AT-cut quartz crystal. Further, since the substrates are securely joined by the direct joining, the substrates are not damaged even if a heat shock such as solder reflow is applied.

【0123】なお、長方形の角を曲線状にしても同様の
効果が期待できる。また、保持部の形状をそれ以外のも
のにしても、圧電基板の熱膨張率が半導体基板に近い方
向を保持部の形状に対して短くすることにより同様の効
果が期待できる。
The same effect can be expected when the corners of the rectangle are curved. Even if the shape of the holding portion is other than that, the same effect can be expected by shortening the direction in which the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric substrate is closer to the semiconductor substrate than the shape of the holding portion.

【0124】なお、接合部を圧電基板の両端にすること
により、落下などの衝撃に対する強度を強くすることが
できる。 (実施例12)本発明の圧電複合基板の応用である圧電
振動子の第12の実施例を説明する。構造は、実施例9
(図5、図6)のATカット水晶基板1の代わりにXカ
ットタンタル酸リチウム15をシリコン基板12の代わ
りに、ガラス基板16を用いた構造である。xカットタ
ンタル酸リチウム基板15は、大きさは、例えば、縦:
4mm×横:8mmで、厚みは50μmとした。ガラス
基板16は、大きさは、縦:8mm×横:12mmで、
厚みは400μm、熱膨張率は10×10-6/℃とし
た。接合部では長方形の短辺方向をx軸方向、長辺方向
をz軸方向とした。
By forming the joints at both ends of the piezoelectric substrate, it is possible to increase the strength against a shock such as a drop. (Embodiment 12) A twelfth embodiment of a piezoelectric vibrator, which is an application of the piezoelectric composite substrate of the present invention, will be described. The structure is shown in Example 9.
In this structure, the X-cut lithium tantalate 15 is used instead of the AT-cut quartz crystal substrate 1 of FIGS. 5 and 6 and the glass substrate 16 is used instead of the silicon substrate 12. The size of the x-cut lithium tantalate substrate 15 is, for example, vertical:
4 mm × width: 8 mm, and the thickness was 50 μm. The size of the glass substrate 16 is vertical: 8 mm x horizontal: 12 mm,
The thickness was 400 μm, and the coefficient of thermal expansion was 10 × 10 −6 / ° C. In the joint portion, the short side direction of the rectangle is the x-axis direction and the long side direction is the z-axis direction.

【0125】本実施例が実施例9と異なるのは、シリコ
ン基板の代わりにガラス基板を用いた点である。ガラス
基板は熱膨張率の変えることでき、接合する圧電体に合
わせて熱膨張率を選ぶことができた。また、ガラス基板
は安価で、保持基板に用いるにはコストの低減をはかる
ことができた。
The present embodiment differs from the ninth embodiment in that a glass substrate is used instead of the silicon substrate. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate can be changed, and the coefficient of thermal expansion can be selected according to the piezoelectric body to be bonded. Further, the glass substrate is inexpensive, and the cost can be reduced when used as the holding substrate.

【0126】以上のような構造にすることにより、タン
タル酸リチウム基板15はガラス基板16との熱膨張係
数の差に起因する熱応力の影響を受けにくくなり、圧電
振動が熱応力により阻害されることがなかった。また、
圧電振動子を形成する部分におけるタンタル酸リチウム
基板には相転移が生じないので共振周波数の温度に対す
る安定性もATカット水晶本来のものと同等のものが得
られた。さらに、直接接合により確実に基板が接合され
ているので、半田リフローなどのヒートショックが加わ
っても、基板は破損しなかった。
With the above structure, the lithium tantalate substrate 15 is less susceptible to the thermal stress due to the difference in the thermal expansion coefficient from the glass substrate 16, and the piezoelectric vibration is hindered by the thermal stress. Never happened. Also,
Since the phase transition does not occur in the lithium tantalate substrate in the portion where the piezoelectric vibrator is formed, the stability of the resonance frequency with respect to the temperature is the same as the original AT cut quartz crystal. Furthermore, since the substrates are securely joined by the direct joining, the substrates were not damaged even when a heat shock such as solder reflow was applied.

【0127】なお、長方形の角を曲線状にしても同様の
効果が期待できる。また、保持部の形状をそれ以外のも
のにしても、圧電基板の熱膨張率が半導体基板に近い方
向を保持部の形状に対して短くすることにより同様の効
果が期待できる。
The same effect can be expected when the corners of the rectangle are curved. Even if the shape of the holding portion is other than that, the same effect can be expected by shortening the direction in which the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric substrate is closer to the semiconductor substrate than the shape of the holding portion.

【0128】なお、接合部を圧電基板の両端にすること
により、落下などの衝撃に対する強度を強くすることが
できる。
By forming the joints at both ends of the piezoelectric substrate, it is possible to increase the strength against a shock such as a drop.

【0129】[0129]

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の第1〜2
番目の製造方法及び第1〜2番目の圧電素子によれば、
熱膨張係数の異なる基板を直接接合する際においても、
接合部の応力を大幅に低減でき、基板の破損等の問題を
解決でき、複合基板の量産性を高めることができる。ま
た、基板への応力が低減されることにより、基板に形成
される素子の応力による特性の悪化等の問題を解消でき
る。さらに、水晶基板においては、応力により助長され
る相転移の問題を解消することもできる。
As described above, the first and second aspects of the present invention
According to the second manufacturing method and the first to second piezoelectric elements,
Even when directly joining substrates with different thermal expansion coefficients,
It is possible to significantly reduce the stress at the joint portion, solve problems such as breakage of the substrate, and improve mass productivity of the composite substrate. Further, since the stress on the substrate is reduced, problems such as deterioration of characteristics due to stress of elements formed on the substrate can be solved. Further, in the quartz substrate, the problem of phase transition promoted by stress can be solved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 A〜Dは本発明の実施例1の圧電複合基板を
製造する工程説明図。
1A to 1D are process explanatory views for manufacturing a piezoelectric composite substrate according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 A〜Dは本発明の実施例2の圧電複合基板を
製造する工程説明図。
2A to 2D are process explanatory views for manufacturing a piezoelectric composite substrate according to a second embodiment of the present invention.

【図3】 A〜Dは本発明の実施例3の圧電複合基板を
製造する工程説明図。
3A to 3D are process explanatory views for manufacturing a piezoelectric composite substrate of Example 3 of the present invention.

【図4】 A〜Dは本発明の実施例8の圧電複合基板を
製造する工程説明図。
4A to 4D are process explanatory views for manufacturing the piezoelectric composite substrate of Example 8 of the present invention.

【図5】 A〜Bは本発明の実施例9の圧電複合基板を
用いて構成された圧電素子の構成図で、Aは斜視図、B
は平面図
5A and 5B are configuration diagrams of a piezoelectric element configured using the piezoelectric composite substrate of Example 9 of the present invention, where A is a perspective view and B.
Is a plan view

【図6】 A〜Bは本発明の実施例9の圧電複合基板を
用いて構成された圧電振動子の構成図で、Aは斜視図、
Bは平面図
6A and 6B are configuration diagrams of a piezoelectric vibrator configured by using a piezoelectric composite substrate of Example 9 of the present invention, where A is a perspective view,
B is a plan view

【図7】 本発明の実施例10の圧電複合基板を用いて
構成された圧電振動子の構成図で、Aは平面図、BはI
−I線の断面図
FIG. 7 is a configuration diagram of a piezoelectric vibrator configured by using a piezoelectric composite substrate of Example 10 of the present invention, in which A is a plan view and B is I.
-I line cross section

【図8】 本発明の実施例10の圧電複合基板を用いて
構成された圧電振動子の構成図で、Aは平面図、BはII
-II線の断面図
FIG. 8 is a configuration diagram of a piezoelectric vibrator configured using a piezoelectric composite substrate of Example 10 of the present invention, in which A is a plan view and B is II.
-II cross section

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:水晶基板(圧電基板) 2:シリコン基板(半導体基板) 3:相転移した基板 4:相転移していない基板 11:ATカット水晶基板 12:単結晶シリコン基板 13:直接接合による保持部 14a:励振用電極 14b:励振用電極 15:Xカットタンタル酸リチウム基板 16:ガラス基板 21:ファンデルワールス力により吸着している接合界
面 22:イオン結合または共有結合により固着している接
合界面
1: Crystal Substrate (Piezoelectric Substrate) 2: Silicon Substrate (Semiconductor Substrate) 3: Phase Transition Substrate 4: Non-Phase Transition Substrate 11: AT-Cut Quartz Substrate 12: Single Crystal Silicon Substrate 13: Holding Part by Direct Bonding 14a : Excitation electrode 14b: Excitation electrode 15: X-cut lithium tantalate substrate 16: Glass substrate 21: Bonding interface adsorbed by Van der Waals force 22: Bonding interface fixed by ionic bond or covalent bond

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C30B 33/02 7202−4G C30B 33/02 33/06 7202−4G 33/06 H01L 21/02 H01L 21/02 C 25/16 25/16 41/09 H03H 3/02 B H03H 3/02 9/02 K 9/02 9/05 9/05 H01L 41/08 C (72)発明者 江田 和生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication C30B 33/02 7202-4G C30B 33/02 33/06 7202-4G 33/06 H01L 21/02 H01L 21/02 C 25/16 25/16 41/09 H03H 3/02 B H03H 3/02 9/02 K 9/02 9/05 9/05 H01L 41/08 C (72) Inventor Kazuo Eda Kadoma City, Osaka 1006 Kadoma Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記A〜Fの工程を含む複合基板の製造
方法。 A.第1の基板の少なくとも一方の主面を鏡面仕上げ
し、 B.前記第1の基板とは熱膨張率の異なる第2の基板の
少なくとも一方の主面を鏡面仕上げし、 C.前記第1の基板の主面と前記第2の基板の主面を互
いに重ね合わせ、 D.その後、前記第1の基板と前記第2の基板が固着を
起こす温度よりも低い温度で第1の熱処理を行い、 E.その後、前記第1の基板および前記第2の基板を重
ね合わせた状態で少なくとも2つ以上の小片に分割し、 F.前記第1の基板と前記第2の基板が固着を生じる温
度で前記小片に第2の熱処理を行う。
1. A method for manufacturing a composite substrate, which includes the following steps A to F: A. B. mirror finishing at least one main surface of the first substrate; At least one main surface of the second substrate having a different coefficient of thermal expansion from the first substrate is mirror-finished; Superimposing the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate on each other, D. Then, a first heat treatment is performed at a temperature lower than a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other, and E. After that, the first substrate and the second substrate are overlapped and divided into at least two pieces, and F. The small piece is subjected to a second heat treatment at a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other.
【請求項2】 前記第1の基板が、圧電体からなる請求
項1に記載の複合基板の製造方法。
2. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 1, wherein the first substrate is made of a piezoelectric material.
【請求項3】 前記第2の基板が、半導体およびガラス
から選ばれる少なくとも一つの物質からなる請求項1に
記載の複合基板の製造方法。
3. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 1, wherein the second substrate is made of at least one substance selected from a semiconductor and glass.
【請求項4】 前記第2の基板が、圧電体からなる請求
項1に記載の複合基板の製造方法。
4. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 1, wherein the second substrate is made of a piezoelectric material.
【請求項5】 前記第1の基板が水晶基板であって、前
記第2の熱処理の温度が前記水晶基板が相転移する温度
よりも低い請求項1に記載の複合基板の製造方法。
5. The method of manufacturing a composite substrate according to claim 1, wherein the first substrate is a quartz substrate, and the temperature of the second heat treatment is lower than the temperature at which the quartz substrate undergoes a phase transition.
【請求項6】 下記a〜fの工程を含む複合基板の製造
方法。 a.第1の基板の少なくとも一方の主面を鏡面仕上げ
し、 b.前記第1の基板とは熱膨張率の異なる第2の基板の
少なくとも一方の主面を鏡面仕上げし、 c.前記第1の基板の主面と前記第2の基板の主面を互
いに重ね合わせ、 d.その後、前記第1の基板と前記第2の基板が固着を
起こす温度よりも低い温度で第1の熱処理を行い、 e.その後、前記第2の基板の一部を前記第1の基板に
達するまで除去し、 f.前記第1の基板と前記第2の基板が固着を生じる温
度で第2の熱処理を行う。
6. A method of manufacturing a composite substrate, which includes the following steps a to f. a. Mirror finishing at least one main surface of the first substrate; b. At least one main surface of the second substrate having a different coefficient of thermal expansion from the first substrate is mirror-finished; c. Superimposing the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate on each other, d. Then, a first heat treatment is performed at a temperature lower than a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other, and e. Then, a portion of the second substrate is removed until it reaches the first substrate, f. The second heat treatment is performed at a temperature at which the first substrate and the second substrate are fixed to each other.
【請求項7】 前記第1の基板が、圧電体からなる請求
項6に記載の複合基板の製造方法。
7. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 6, wherein the first substrate is made of a piezoelectric material.
【請求項8】 前記第2の基板が、半導体およびガラス
から選ばれるいずれかの物質である請求項6に記載の複
合基板の製造方法。
8. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 6, wherein the second substrate is any substance selected from a semiconductor and glass.
【請求項9】 前記第2の基板が圧電体からなる請求項
6に記載の複合基板の製造方法。
9. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 6, wherein the second substrate is made of a piezoelectric material.
【請求項10】 前記第1の基板が相転移する基板であ
って、前記第2の熱処理の温度が前記第1の基板と前記
第2の基板との接合部以外における前記第1の基板が相
転移する温度よりも低い請求項6に記載の複合基板の製
造方法。
10. The first substrate is a substrate that undergoes a phase transition, and the temperature of the second heat treatment is different from that of the first substrate except for a bonding portion between the first substrate and the second substrate. The method for producing a composite substrate according to claim 6, wherein the temperature is lower than the temperature at which the phase transition occurs.
【請求項11】 前記第1の基板が、水晶からなる請求
項10に記載の複合基板の製造方法。
11. The method of manufacturing a composite substrate according to claim 10, wherein the first substrate is made of quartz.
【請求項12】 前記第2の基板が、集積回路の形成さ
れたシリコン基板である請求項6に記載の複合基板の製
造方法。
12. The method of manufacturing a composite substrate according to claim 6, wherein the second substrate is a silicon substrate on which an integrated circuit is formed.
【請求項13】 前記第1の基板と前記第2の基板の重
ね合わされた部分が実質的な長方形であり、前記第1の
基板の前記長方形の長辺方向における熱膨張率が前記第
1の基板の前記長方形の短辺方向における熱膨張率と相
違し、前記第1の基板の前記長辺方向における熱膨張率
と前記第2の基板の熱膨張率の差が、前記第1の基板の
前記短辺方向における熱膨張率と前記第2の基板の熱膨
張率の差よりも小さい請求項6に記載の複合基板の製造
方法。
13. The overlapped portion of the first substrate and the second substrate is a substantially rectangular shape, and the coefficient of thermal expansion in the long side direction of the rectangle of the first substrate is the first rectangular shape. Different from the coefficient of thermal expansion of the substrate in the short side direction of the rectangle, the difference between the coefficient of thermal expansion of the first substrate in the direction of the long side and the coefficient of thermal expansion of the second substrate is equal to that of the first substrate. The method for manufacturing a composite substrate according to claim 6, wherein the difference between the coefficient of thermal expansion in the short side direction and the coefficient of thermal expansion of the second substrate is smaller than that of the second substrate.
【請求項14】 励振用電極が形成されている圧電体か
らなる圧電基板と、前記圧電基板の一部に設けられた接
合部に共有結合またはイオン結合により接合されている
保持基板とを備えた圧電素子において、前記励振用電極
が形成されている部分における圧電基板の結晶構造と前
記接合部の圧電基板の結晶構造が異なることを特徴とす
る圧電素子。
14. A piezoelectric substrate made of a piezoelectric material on which an excitation electrode is formed, and a holding substrate bonded to a bonding portion provided on a part of the piezoelectric substrate by covalent bonding or ionic bonding. In the piezoelectric element, the crystal structure of the piezoelectric substrate in a portion where the excitation electrode is formed is different from the crystal structure of the piezoelectric substrate in the bonding portion.
【請求項15】 前記圧電基板が、水晶基板である請求
項14に記載の圧電素子。
15. The piezoelectric element according to claim 14, wherein the piezoelectric substrate is a quartz substrate.
【請求項16】 前記接合部の周辺における前記圧電基
板の前記長方形の長辺方向における幅が、前記長方形の
長辺の長さよりも小さい請求項14に記載の圧電素子。
16. The piezoelectric element according to claim 14, wherein a width in the long side direction of the rectangle of the piezoelectric substrate around the joint is smaller than a length of the long side of the rectangle.
【請求項17】 前記保持基板が、集積回路の形成され
たシリコン基板からなる請求項14に記載の圧電素子。
17. The piezoelectric element according to claim 14, wherein the holding substrate is made of a silicon substrate on which an integrated circuit is formed.
【請求項18】 前記保持基板が、半導体またはガラス
のいずれかからなる請求項14に記載の圧電素子。
18. The piezoelectric element according to claim 14, wherein the holding substrate is made of either semiconductor or glass.
【請求項19】 電極が形成されている圧電体からなる
圧電基板と、前記圧電基板の一部に設けられた接合部に
共有結合またはイオン結合により接合されている保持基
板とを備えた圧電素子において、前記接合部が実質的な
長方形であり、前記第1の基板の前記長方形の長辺方向
における熱膨張率が前記第1の基板の前記長方形の短辺
方向における熱膨張率と相違し、前記第1の基板の前記
長辺方向における熱膨張率と前記第2の基板の熱膨張率
の差が前記第1の基板の前記短辺方向における熱膨張率
と前記第2の基板の熱膨張率の差よりも小さいことを特
徴とする圧電素子。
19. A piezoelectric element provided with a piezoelectric substrate made of a piezoelectric body on which electrodes are formed, and a holding substrate bonded to a bonding portion provided on a part of the piezoelectric substrate by covalent bond or ionic bond. In, the joint portion is substantially rectangular, the coefficient of thermal expansion in the long side direction of the rectangle of the first substrate is different from the coefficient of thermal expansion in the short side direction of the rectangle of the first substrate, The difference between the coefficient of thermal expansion in the long side direction of the first substrate and the coefficient of thermal expansion of the second substrate is the coefficient of thermal expansion in the direction of the short side of the first substrate and the coefficient of thermal expansion of the second substrate. A piezoelectric element characterized by being smaller than the difference in the ratio.
【請求項20】 前記圧電基板が、水晶基板である請求
項19に記載の圧電素子。
20. The piezoelectric element according to claim 19, wherein the piezoelectric substrate is a quartz substrate.
【請求項21】 前記接合部の周辺における前記圧電基
板の前記長方形の長辺方向における幅が、前記長方形の
長辺の長さよりも小さい請求項19に記載の圧電素子。
21. The piezoelectric element according to claim 19, wherein a width in a long side direction of the rectangle of the piezoelectric substrate around the joint is smaller than a length of a long side of the rectangle.
【請求項22】 前記基板が、集積回路の形成されたシ
リコン基板からなる請求項19に記載の圧電素子。
22. The piezoelectric element according to claim 19, wherein the substrate is a silicon substrate on which an integrated circuit is formed.
【請求項23】 前記保持基板が、半導体およびガラス
から選ばれる少なくとも一つの物質からなる請求項19
に記載の圧電素子。
23. The holding substrate is made of at least one substance selected from semiconductor and glass.
The piezoelectric element according to 1.
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