钽酸锂单晶体衬底、粘结衬底、粘结衬底的制造方法、和使用粘结衬底的表面声波器件
相关申请的交叉引用
本申请是2017年10月13日提交的美国序列号15/566,247的部分继续申请，所述美国申请是2016年4月6日提交的国际申请号PCT/JP2016/061226的371，所述国际申请基于2015年4月16日提交的日本申请号2015-083941并且要求所述日本申请的优先权权益。所有以上申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及钽酸锂单晶体衬底、其粘结衬底、粘结衬底的制造方法，和使用这种粘结衬底的表面声波器件。
背景技术
用于在压电衬底上激励表面声波的用梳状电极(IDT：叉指式换能器)形成的表面声波(SAW)器件被用作用于对移动电话等进行频率调整和选择的部件。
对于这种表面声波器件，使用诸如钽酸锂(LiTaO3或LT)和铌酸锂(LiNbO3或LN)的压电材料来制造基底衬底，因为压电材料满足尺寸小、插入损耗小，和能够阻止不必要的波的通过的要求。
现在，一方面，用于第四代移动电话的标准需要在发射与接收之间的窄的频带差异以及宽的带宽，但是另一方面，在这类通信标准下，除非由表面声波器件的材料的温度改变诱发的性质改变足够小，否则会发生频率选择范围的位移，这对器件的滤波器和双工器功能造成有问题的阻碍。因此，急切地需要用于表面声波器件的材料经历与温度改变有关的性质波动的趋势较小且具有宽的频带。
关于用于表面声波器件的这种材料，例如，IP文件1教导的是：由用作电极材料的铜构成并且通常通过气相方法获得的化学计量组成LT是优选的，因为在高功率输入到IDT电极那一刻突然破裂的故障模式难以发生。另外，IP文件2对通过气相方法获得的化学计量组成LT进行了详细描述；并且同样地，IP文件3描述了对形成于钽酸锂或铌酸锂的铁电晶体中的波导实施退火的详细方法。
此外，IP文件4描述了通过使钽酸锂或铌酸锂的单晶体衬底经受Li扩散处理所获得的用于表面声波器件的压电衬底，并且IP文件5和非IP文件1还报告了，当使用其中LT组成通过气相平衡方法从表面到一定深度一致地变换成富Li的LT来制造表面声波元件时，其对抗温度改变的频率稳定性得到改善，因此是优选的。
现有技术文件
IP公布
IP公布1：日本专利申请公布号2011-135245
IP公布2：美国专利号6,652,644(B1)
IP公布3：日本专利申请公布号2003-207671
IP公布4：日本专利申请公布号2013-66032
IP公布5：WO2013/135886(A1)
非IP公布
Bartasyte，A.et.al，“Reduction of temperature coefficient of frequencyin LiTaO3 single crystals for surface acoustic wave applications”Applicationsof Ferroelectrics held jointly with 2012 European Conference on theApplications of Polar Dielectrics and 2012 International Symp PiezoresponseForce Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials(ISAF/ECAPD/PFM)，2012 Intl Symp，2012，Pag e(s)：1-3
发明内容
本发明待解决的问题
然而，当本发明的发明人已检查在这些公布中描述的方法时，已发现这些方法未必提供有利的结果。具体地，根据IP文件5中所描述的方法，晶片是在汽相中在约1300℃的高温下加工，并且制造温度也必须高达约1300℃，因此随之发生的晶片的翘曲将较大，并且裂缝可能以高速率发生，因此生产率变差，并且还存在着产品作为用于表面声波器件的材料变得过于昂贵的问题。此外，在这种制造方法中，Li2O的蒸汽压力如此低以致于将要改性的样品的改性程度根据距Li源的距离而显著变化，并且由此引起的产品品质波动的问题使其工业化受阻。
此外，在IP文件5中所描述的制造方法中，在通过气相平衡方法进行改性之后没有对富锂LT进行单偏振处理，并且作为本发明人在这一点上的探索的结果，最近发现在被改性为富Li的、但未经受单偏振处理的LT的情况下，发生的问题是SAW器件的值Q最终较小。
已考虑到以上情况来做出本发明，并且本发明的目标是提供用于制造钽酸锂单晶体衬底的方法，所述钽酸锂单晶体衬底仅遭受小的翘曲，几乎不具有裂缝和刮痕，相比常规的旋转Y切向LiTaO3衬底经历更小的随温度的性质改变，并且呈现高的机电耦合系数和器件中的高Q值；本发明还设法提供通过粘结以上提到的钽酸锂单晶体衬底所获得的粘结衬底、用于制造以上提到的粘结衬底的方法，并且最终提供使用这种衬底的表面声波器件。
作为实现以上目标的广泛研究的结果，本发明人终于发现可能获得一种压电氧化物单晶体衬底，所述压电氧化物单晶体衬底在用作表面声波元件等时，将仅遭受小的翘曲，具有很少的裂缝和刮痕，并且经历减少的随温度的性质改变，而甚至不必对衬底进行改性以创造结晶结构，所述结晶结构在以下程序被实施的情况下在厚度方向上延伸靠近衬底的芯的范围内具有一致的Li浓度，即，向具有大致上同成分组成的衬底施加汽相Li扩散处理，从而在所述衬底中创造这样的改性区域，其中在厚度方向上取得的Li浓度分布展示出在更靠近衬底的表面的测量点处更高的Li浓度和在更靠近衬底的芯的测量点处更低的Li浓度。另外，发明人已发现，通过Li扩散进行的改性的范围以及是否实施单偏振处理易于影响器件的值Q，并且因此他们拥有本发明。
此外，本发明的目标是提供用于通过控制Li浓度来制造通过将由含Li化合物构成的衬底粘结到基底衬底所形成的粘结衬底的方法，并且提供使用所述制造方法获得的新粘结衬底。
此外，本发明的目标是提供用于通过控制Li浓度来制造由含Li化合物构成的衬底的方法，并且提供使用所述制造方法获得的由含Li化合物构成的新衬底。
用于解决问题的手段
因此，本发明的钽酸锂单晶体衬底是具有36°Y-49°Y切向的晶体取向的旋转Y切向LiTaO3单晶体衬底，其特征在于：所述衬底接受从其表面到其一定深度中的Li扩散，结果是Li浓度分布展示出在衬底的表面与衬底的内部分之间的Li浓度差异；并且所述衬底接受单偏振处理，结果是Li浓度从衬底的表面到为在LiTaO3衬底表面中传播的表面声波或泄漏表面声波的波长的5-15倍的深度是大致一致的。
在本发明中，优选的是Li浓度分布展示出Li浓度在更靠近旋转Y切向LiTaO3衬底的表面的点处更高并且Li浓度在更靠近衬底的芯的点处更低，并且在衬底的表面处的Li与Ta的比使得：Li∶Ta＝50-α∶50+α，其中α在-0.5＜α＜0.5范围内。还优选的是将浓度为25ppm到150ppm的Fe掺杂在衬底中。
另外，本发明的钽酸锂单晶体衬底可被粘结到基底衬底以形成粘结衬底。在所述情况下，优选的是以使得其中Li浓度大致上一致的部分的至少一部分保留的方式从与粘结表面相反的表面移除LiTaO3表面层，以形成粘结衬底；另外，基底衬底优选地由Si、SiC或尖晶石制成。
此外，根据本发明的制造粘结衬底的方法的特征在于：将具有大致上一致的Li浓度的LiTaO3单晶体衬底粘结到基底衬底，从而留下其中Li浓度大致上一致的部分的至少一部分，或者从与粘结表面相反的表面移除LiTaO3表面层，以便仅留下其中Li浓度大致上一致的那个部分，并且所述方法的特征还在于，其中Li浓度大致上一致的所述部分具有伪化学计量组成。
本发明的钽酸锂单晶体衬底和粘结衬底适合作为用于表面声波器件的材料。
在用于制造粘结衬底的本发明的方法中，将由含Li化合物构成的衬底粘结到基底衬底，所述由含Li化合物构成的衬底具有展示出在衬底的表面与衬底的内部分之间的Li浓度差异的浓度分布，并且移除由含Li化合物构成的衬底的在粘结表面的相反侧上的表面层，使得由含Li化合物构成的衬底的一部分保留。
本发明的粘结衬底包括：由含Li化合物构成的衬底；以及基底衬底。在粘结衬底中，在由含Li化合物构成的衬底的一侧上的表面的Li浓度超过50.0摩尔％。
此外，粘结衬底包括：由含Li化合物构成的衬底；以及基底衬底。在粘结衬底中，在由含Li化合物构成的衬底的一侧上的表面的Li浓度超过49.9摩尔％，由含Li化合物构成的衬底具有1.0μm或更少的厚度，并且在由含Li化合物构成的衬底的所述侧上的表面粗糙度的最大高度(Rz)值为由含Li化合物构成的衬底的厚度的10％或更少。
在本发明的由含Li化合物构成的衬底中，衬底的一个表面和衬底的另一表面具有不同的Li浓度。
此外，由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上包括：其中Li浓度从粘结表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从粘结表面侧朝向在粘结表面的相反侧上的表面变化的第二范围；以及其中Li浓度直到在粘结表面的相反侧上的表面为止大致上一致的第三范围。
本发明提供用于制造这些衬底的方法，所述衬底中的每一个由含Li化合物构成。在这种方法中，由含Li化合物构成的衬底具有展示出在衬底的表面与衬底的内部分之间的Li浓度差异的浓度分布，并且所述衬底的一部分被移除，使得所述衬底的内部分变成所述衬底在一侧上的表面，所述内部分具有不同于所述衬底的表面的Li浓度的Li浓度。
此外，本发明提供用于制造这些衬底的方法，所述衬底中的每一个由含Li化合物构成。在这种方法中，由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；其中Li浓度大致上一致的第三范围；其中Li浓度从衬底的内部分朝向衬底的另一表面变化的第四范围；以及其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第五范围，并且第三范围的Li浓度不同于第一范围和第五范围的Li浓度，并且由含Li化合物构成的衬底的一部分是以第三范围的内部分变成所述衬底在一侧上的表面这样一种方式移除的。
此外，本发明提供用于制造粘结衬底的方法，其中将这些衬底各自粘结到基底衬底，这些衬底中的每一个是由含Li化合物构成的。
本发明提供粘结衬底，所述粘结衬底包括由含Li化合物构成的衬底，和基底衬底，并且其中所述粘结衬底的在由含Li化合物构成的衬底的一侧上的表面的Li浓度不同于由含Li化合物构成的衬底的粘结表面的Li浓度。
此外，本发明提供粘结衬底，所述粘结衬底包括由含Li化合物构成的衬底，和基底衬底，并且其中由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上包括：其中Li浓度从粘结表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从粘结表面侧朝向在粘结表面的相反侧上的表面变化的第二范围；以及其中Li浓度直到在粘结表面的相反侧上的表面为止大致上一致的第三范围。
发明效果
根据本发明，有可能提供相比常规的旋转Y切向LiTaO3衬底具有更好的温度非相依特性、具有大的机电耦合系数并且具有器件的高值Q的钽酸锂单晶体衬底。另外，使用这个单晶体衬底的表面声波器件可以低价提供并且适合于智能电话所需要的宽带频带。
此外，根据本发明的目标，有可能提供通过将由含Li化合物构成并且其中Li浓度被控制到所需值的衬底粘结到基底衬底所获得的粘结衬底。因此，可能提供不能按照惯例获得的新粘结衬底。
此外，有可能提供由含Li化合物构成并且其中Li浓度被控制到所需值的衬底。因此，有可能提供由含Li化合物构成并且不能按照惯例获得的新衬底。
附图说明
[图1]示出实施例1的拉曼分布的图表。
[图2]示出实施例1的SAW滤波器的插入损耗波形的图表。
[图3]示出实施例1的SAW共振器波形的图表。
[图4]示出借助于实施例1的SAW共振器波形、输入阻抗(Zin)实部/虚部显示波形和BVD模型计算出的值的图表。
[图5]示出在实施例1以及对比实施例2和4的情况下借助于SAW共振器输入阻抗(Zin)的测量值计算出的值和在BVD模型的情况下的计算值的图表，其中实部呈现在水平轴线上并且虚部呈现在垂直轴线上。
[图6]在LiTaO3与Si之间的界面的区域上拍摄的实施例5的粘结衬底的透射电子显微照片。
[图7]例示在实施例7的LT衬底中在深度方向上的Li量的分布的曲线图。
[图8]例示在实施例7的LT衬底中在深度方向上的Li量的分布的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的实施方案，但是本发明不限于这些实施方案。
本发明的钽酸锂单晶体衬底具有其中Li浓度在衬底表面与衬底的内部分之间有所不同的浓度分布。从易于制造的角度来看，优选的是衬底具有其中浓度分布使得Li浓度在衬底的厚度方向上更靠近衬底表面的区域中更高并且Li浓度在更靠近衬底芯的区域中更低的区部。具有展示出上述Li浓度分布的区部的这种衬底可容易通过用任何已知方法使Li从衬底表面扩散来产生。在这里，“浓度分布”涉及浓度的连续(非阶梯式)改变。
本发明的钽酸锂单晶体衬底的特征在于，它在介于其表面与其深度之间的区部中具有大致上一致的Li浓度，所述深度为在LiTaO3衬底的表面中传播的表面声波或泄漏表面声波的波长的5-15倍。这是因为，具有范围是从衬底表面到相当于在LiTaO3衬底的表面中传播的表面声波或泄漏表面声波的波长的至少5倍的深度的其中Li浓度大致上一致的区部的LiTaO3衬底与未经受Li扩散处理的LiTaO3衬底相比将展示出大约相同或更大的Q值。如果具有大致上一致的Li浓度的区部被设置为具有超过所述波长的15倍的深度，则花费过长的时间来扩散Li，从而导致不良生产率，并且另外，Li扩散的时间越长，衬底遭受翘曲或裂缝的可能性越大。
钽酸锂单晶体的Li浓度可通过测量拉曼位移峰来评估。关于钽酸锂单晶体，已知的是可在拉曼位移峰的半值宽度与Li浓度之间获得大致线性的关系，即，Li/(Li+Ta)。[参考非IP公布：2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings，第1252-1255页，Applied Physics A 56，311-315(1993)]因此，通过使用表示这种关系的公式，可评估氧化物单晶体衬底的任意位置处的组成。
表示拉曼位移峰的半值宽度与Li浓度之间的关系的公式是通过测量用于具有已知组成和不同Li浓度的一些样品的拉曼半值宽度获得的；只要拉曼测量的条件是相同的，使用已在文献等中公开的公式就行了。例如，对于钽酸锂单晶体，可使用以下公式(1)。
<方程式1>
Li/(Li+Ta)＝(53.15-0.5FWHM1)/100 (1)
其中，“FWHM1”是大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度；关于测量条件的细节，请参考任何相关公布。
出于本发明的目的，“范围是从衬底表面开始的其中Li浓度大致上一致的区部”意味其中大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度是在衬底的表面处的这个半值宽度的±0.2cm-1左右的范围内的区部，或其中Li/(Li+Ta)的值是在衬底的表面处的这个值的±0.001(±0.1摩尔％)左右的范围内的区部。
本发明的钽酸锂单晶体衬底的特征在于，其已接受单偏振处理，因为这种处理致使衬底的值Q大于在没有偏振处理的衬底的情况下的值Q；优选的是，这种偏振处理是在Li扩散处理之后实施的。
此外，在本发明的钽酸锂单晶体衬底中，衬底表面处的Li与Ta的比优选地是Li∶Ta＝50-α∶50+α，其中α在-0.5＜α＜0.5的范围内。这是因为，如果衬底的表面处的Li与Ta的比在以上范围内，则衬底表面可被视为具有拟化学计量组成，并且展现尤其优良的温度非相依特性。
本发明的钽酸锂单晶体衬底可例如通过使具有大致上同成分组成的氧化物单晶体衬底经受汽相处理以便使Li从衬底的表面扩散到衬底的内侧来产生。具有大致上同成分组成的氧化物单晶体衬底可通过经由诸如丘克拉斯基(Czochralski)方法的已知方法产生单晶体铸锭、将铸锭分切成晶片和必要时对晶片进行研磨或抛光获得。
此外，本发明的钽酸锂单晶体衬底可用浓度为25ppm到150ppm的Fe掺杂。这是因为用浓度为25ppm到150ppm的Fe掺杂的钽酸锂单晶体衬底允许其自身以比未用Fe掺杂的钽酸锂单晶体衬底的情况下快约20％的速率用Li扩散，并且因此经过Li扩散的钽酸锂晶片的生产率大致上得到改善-因此是优选的。作为用于在钽酸锂单晶体衬底中实现Fe掺杂的程序，可能在通过丘克拉斯基方法培育单晶体铸锭时将适当量的Fe2O3添加到原材料。
此外，将要在本发明中执行的偏振处理可通过任何已知方法进行，并且关于汽相处理，尽管其在以下实施例中是在衬底掩埋在主要由Li3TaO4组成的粉末中的情况下实施的，但是应解释为本发明不限于在实施例中在汽相处理中使用的材料的种类或形式。此外，关于经受汽相处理的衬底，必要时可执行另外的加工和处理。
本发明的钽酸锂单晶体衬底可被粘结到各种基底衬底以形成粘结衬底。本发明的衬底所粘结到的基底衬底没有特别限制，并且可根据用途选择；但是所述基底衬底优选地是由Si、SiC或尖晶石制成的基底衬底。
另外，在制造本发明的粘结衬底的情况下，可能以使得其中Li浓度大致上一致的区部的至少一部分留下的方式从与粘结表面相反的表面移除LiTaO3表面层，以便获得具有用于表面声波器件的优良特性的粘结衬底。
使用本发明的钽酸锂单晶体衬底或粘结衬底制造的表面声波器件将具有优良的温度非相依特性，并且尤其适合作为用于第四代移动电话等的部件。
本发明提供用于制造粘结衬底的方法，其中将由含Li化合物构成的衬底粘结到基底衬底，所述衬底具有展示出在衬底的表面与衬底的内部分之间的Li浓度差异的浓度分布，并且移除由含Li化合物构成的衬底的在粘结表面的相反侧上的表面层，使得由含Li化合物构成的衬底的一部分留下。
这里，含Li化合物优选地是可用于表面声波器件的压电化合物。含Li化合物的实例包括钽酸锂、铌酸锂、焦硼酸锂等，并且可使用这些化合物的单晶体。当含Li化合物是钽酸锂单晶体时，单晶体优选地具有旋转36°Y-49°Y切向的晶体取向。
此外，基底衬底可选自硅、蓝宝石、碳化硅、尖晶石等的衬底，并且可为含有这些物质的层压衬底。
用于将由含Li化合物构成的衬底粘结到基底衬底的方法没有特别限制。粘结可使用粘合剂等进行，并且也可以使用直接粘结方法，诸如扩散粘结方法、室温粘结方法、等离子体激活粘结方法、表面激活室温粘结方法等。在这种情况下，介入层可设置在压电衬底与支撑衬底之间。
对于压电衬底(诸如钽酸锂单晶体衬底或铌酸锂单晶体体衬底)和支撑衬底(诸如硅衬底或蓝宝石衬底)，热膨胀系数的差异较大。为了抑制剥离、缺陷等，优选的是使用室温粘结方法。然而，室温粘结方法也有这样一个方面：粘结系统是有限制的。此外，为了恢复压电层的结晶度，热处理在一些情况下可为必需的。
表面激活粘结方法中的表面激活处理方法没有特别限制。然而，可以使用臭氧水处理、UV臭氧处理、离子束处理、等离子体处理等。
此外，介入层可设置在复合衬底的压电层与支撑衬底之间。尽管介入层的材料没有特别限制，但是其优选地是无机材料，并且可包括例如SiO2、SiO2±0.5、用Ti掺杂的SiO2、a-Si、p-Si、a-SiC、Al2O3等作为主要成分。此外，作为介入层，由多种材料构成的层可被层压。
作为用于移除由含Li化合物构成的衬底的在粘结表面的相反侧上的表面层的方法，可通过抛光和磨削以机械方式移除表面层。此外，通过将离子植入由含Li化合物构成的衬底中，可使将要作为粘结衬底保留的一部分和将要从粘结衬底移除的一部分彼此分离。
在这种情况下，分离方法没有特别限制。例如，分离可通过加热到200℃或更低的温度和使用楔子等将机械应力施加到离子植入部分的一个末端来进行。
在将离子植入到由含Li化合物构成的衬底的过程中，将离子植入到压电衬底的任意深度。在压电衬底的稍后分离过程中，在离子植入部分处进行分离。因此，这个过程中的离子植入的深度决定了在压电衬底的分离之后的压电层的厚度。因此，离子植入的深度优选地等于复合衬底的压电层的目标厚度，或稍微大一些(考虑到抛光成本等)。离子植入的深度根据材料、离子种类等而不同，但是可通过离子加速电压加以调整。
此外，在离子植入过程中使用的离子种类没有特别限制，只要离子种类可干扰压电衬底的材料的结晶度即可。然而，离子种类优选地是轻元素，诸如氢离子、氢分子离子，或氦离子。当使用这些离子种类时，有以下优点，诸如离子植入可利用小加速电压进行、对器件的限制很少、对压电衬底的损害较少，和深度方向上的分布良好。
这里，当在离子植入过程中使用的离子种类是氢离子时，氢离子的剂量量优选地是1×1016-1×1018atm/cm2。当离子种类是氢分子离子时，氢分子离子的剂量量优选地是1×1016-2×1018atm/cm2。此外，当离子种类是氦离子时，氦离子的剂量量优选地是2×1016-2×1018atm/cm2。
优选的是由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；和其中Li浓度大致上一致的第三范围，并且第一范围和第三范围具有不同的Li浓度。
此外，优选的是由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；其中Li浓度大致上一致的第三范围；其中Li浓度从衬底的内部分朝向衬底的另一表面变化的第四范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第五范围，并且第三范围的Li浓度不同于第一范围和第五范围的Li浓度。
由含Li化合物构成的这种衬底是通过使Li从衬底的表面扩散到衬底的内侧获得的。例如，对于由同成分组成的含Li化合物构成的衬底，通过使Li从衬底的表面扩散到衬底的内侧并且调整反应时间和反应温度，可以获得其中表面具有伪化学计量组成并且内侧具有同成分组成的衬底。
当从衬底的两侧扩散Li时，获得衬底，所述衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；其中Li浓度大致上一致的第三范围；其中Li浓度从衬底的内部分朝向衬底的另一表面变化的第四范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第五范围，并且其中第三范围的Li浓度不同于第一范围和第五范围的Li浓度。
在这种情况下，第一范围和第五范围的Li浓度高于第三范围的Li浓度。也就是说，衬底的表面相比衬底的内部分具有更高的Li浓度，并且第二范围和第四范围中的每一个中的Li浓度在衬底表面侧上更高。
此外，当从衬底的一侧扩散Li时，获得由含Li化合物构成的衬底，其中衬底的一个表面的Li浓度不同于衬底的另一表面的Li浓度。更具体地说，获得衬底，所述衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第三范围，并且其中第一范围和第三范围具有不同的Li浓度。
这种衬底也可以通过移除衬底的一部分获得，所述衬底在衬底的厚度方向上具有：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；其中Li浓度大致上一致的第三范围；其中Li浓度从衬底的内部分朝向衬底的另一方面变化的第四范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第五范围，并且其中第三范围的Li浓度不同于第一范围和第五范围的Li浓度，所述部分是以第三范围的内部分变成衬底在一侧上的表面这样一种方式移除的。
在如以上所描述的衬底中，第一范围或第五范围优选地为伪化学计量组成，并且第三范围优选地为同成分组成。此外，第一范围或第五范围优选地具有超过50.0摩尔％的Li浓度。
以这种方式，可以形成具有优良特性的含有伪化学计量组成的含Li化合物的粘结衬底。此外，制造其中由含Li化合物构成的衬底的一侧上的表面或整个衬底具有超过50.0摩尔％的Li浓度的粘结衬底成为可能，这在仅仅粘结由含Li化合物构成的衬底，诸如具有化学计量(伪化学计量)组成(Li/Li+Ta＝49.95-50.0摩尔％)的LiTaO3衬底的情况下是不可能的。
因此，将要作为粘结衬底保留的含Li化合物优选地是为化学计量组成。
此外，将要作为粘结衬底保留的含Li化合物优选地包括第一范围或第五范围，并且优选地是第一范围或第五范围。此外，第一范围或第五范围优选地具有伪化学计量组成。
在这里，第一范围或第五范围是其中Li浓度从衬底的表面连续地±0.1％的范围。当Li浓度从衬底的表面降低时，从衬底的表面到Li浓度变为-0.1％的点的范围可为第一范围或第五范围。
“伪化学计量组成”根据材料基于技术常识加以判断。然而，在钽酸锂的情况下，术语“伪化学计量组成”是指Li与Ta的比为Li∶Ta＝50-α∶50+α的组成，其中α在-0.5＜α＜0.5的范围内。在铌酸锂的情况下，Li与Nb的比是Li∶Nb＝50-α∶50+α，其中α在-0.5＜α＜0.5的范围内。
“同成分组成”根据材料基于技术常识加以判断。然而，在钽酸锂的情况下，术语“同成分组成”是指Li与Ta的比是Li∶Ta＝48.5-α∶48.5+α的组成，其中α在-0.5＜α＜0.5的范围内。
根据本发明，可制造粘结衬底，所述粘结衬底包括由含Li化合物构成的衬底，和基底衬底，并且其中粘结衬底的在由含Li化合物构成的衬底的一侧上的表面的Li浓度不同于由含Li化合物构成的衬底的粘结表面的Li浓度。更具体地说，可制造粘结衬底，所述粘结衬底包括由含Li化合物构成的衬底，和基底衬底，并且其中由含Li化合物构成的衬底在衬底的厚度方向上包括：其中Li浓度从粘结表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从粘结表面侧朝向在粘结表面的相反侧上的表面变化的第二范围；和其中Li浓度直到在粘结表面的相反侧上的表面为止大致上一致的第三范围。
这种粘结衬底可例如通过将如以上所描述在衬底的厚度方向上具有以下范围的衬底粘结到基底衬底，并且通过移除范围是从衬底的在粘结表面的相反侧上的表面直到第三范围为止的部分获得：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；其中Li浓度大致上一致的第三范围；其中Li浓度从衬底的内部分朝向衬底的另一表面变化的第四范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第五范围，并且其中第三范围的Li浓度不同于第一范围和第五范围的Li浓度。
或者，这种粘结衬底也可以通过将其中衬底的一个表面的Li浓度不同于衬底的另一表面的Li浓度的如以上所制造的由含Li化合物构成的衬底，或者在衬底的厚度方向上具有以下范围的衬底粘结到基底衬底获得：其中Li浓度从衬底的一个表面开始大致上一致的第一范围；其中Li浓度从衬底表面侧朝向衬底的内部分变化的第二范围；和其中Li浓度直到衬底的另一表面为止大致上一致的第三范围，并且其中第一范围和第三范围具有不同的Li浓度。
以这种方式，粘结衬底的在由含Li化合物构成的衬底那一侧上的表面和由含Li化合物构成的衬底的粘结表面中的任一个的Li浓度可根据预期用途任意地增加。
然而，在涉及离子植入的用于制造粘结衬底的方法中，可能将由含Li化合物构成的衬底的厚度控制到1.0μm或更少并且将用最大高度(Rz)值来表达的表面粗糙度控制到厚度的10％或更少。优选的是将厚度控制到0.8μm或更少并且将用最大高度(Rz)值来表达的表面粗糙度控制到厚度的5％或更少。在这个水平下对膜厚度和一致性的控制在抛光和磨削由含Li化合物构成的粘结衬底的方法中是困难的。
然而，例如，当LiTaO3衬底经受离子植入并且然后被分离时，LiTaO3衬底中的Li离子中的一些被植入的离子(诸如H+离子)推出去。因此，已发现，存在形成粘结衬底的LiTaO3衬底的Li量降低的问题。
在这种情况下，因为LiTaO3衬底的Li量降低，所以作为压电材料的LiTaO3的性能退化。例如，当使用具有同成分组成(Li/Li+Ta＝48.5摩尔％)的LiTaO3衬底作为压电衬底在涉及离子植入的情况下制造复合衬底时，Li量降低到48.5摩尔％或更少。
此外，即使在将使用双坩埚法等制造的具有化学计量(伪化学计量)组成(Li/Li+Ta＝49.95-50.0摩尔％)的LiTaO3衬底用作压电衬底时，Li量也降低了至少约0.1摩尔％，降低到49.9摩尔％或更少。
因此，按照惯例，不可能获得包括具有Li浓度超过49.9摩尔％的组成的LiTaO3衬底并且具有使用基于抛光和磨削的制造方法所无法获得的小厚度和优良膜厚度一致性的复合衬底。
在本发明中，当通过将离子植入到由含Li化合物构成的衬底中来使将要作为粘结衬底保留的一部分和将要从粘结衬底移除的一部分彼此分离时，在离子被植入到由含Li化合物构成的衬底中所在的位置处的Li浓度优选地超过50.0摩尔％，并且从由含Li化合物构成的衬底的在由含Li化合物构成的衬底被粘结到基底衬底所在的一侧上的表面到离子被植入到由含Li化合物构成的衬底中所在位置的Li浓度优选地超过50.0摩尔％。
此外，Li浓度更优选地为50.05摩尔％或更多，并且甚至更优选地为50.1摩尔％或更多。以这种方式，即使在Li浓度由于离子植入而降低时，由含Li化合物构成的衬底的Li浓度也可超过49.9摩尔％，并且可获得优良特性。
在离子被植入到由含Li化合物构成的衬底中所在的位置处的Li浓度优选地为52.5摩尔％或更少，更优选地为51.0摩尔％或更少，并且甚至更优选地为50.5摩尔％或更少。
通过将离子植入到压电衬底中，离子所穿过的一部分的压电性可能受损。然而，以这种方式，压电性不可能受损，并且甚至在不进行压电性恢复过程的情况下可实现压电性。
此外，本发明人已发现，由含Li化合物构成的衬底的Li浓度与由于离子植入所引起的Li浓度的降低相关。也就是说，离子被植入到由伪化学计量组成的含Li化合物构成的衬底中时Li浓度的降低量小于离子被植入到由同成分组成的含Li化合物构成的衬底中时Li浓度的降低量。也就是说，在由同成分组成的含Li化合物构成的衬底的情况下，观察到约0.4摩尔％的降低。然而，在由伪化学计量组成的含Li化合物构成的衬底的情况下，观察到约0.1摩尔％的降低，并且变化也较小。
根据本发明，可以制造按照惯例为不可能的粘结衬底，在所述粘结衬底中，含Li化合物的表面的Li浓度超过49.9摩尔％，由含Li化合物构成的衬底具有1.0μm或更少的厚度，并且由含Li化合物构成的衬底的表面粗糙度的最大高度(Rz)值为由含Li化合物构成的衬底的厚度的10％或更少。
由含Li化合物构成的衬底的表面的Li浓度优选地为49.95摩尔％或更多和52.0摩尔％或更少。此外，由含Li化合物构成的整个衬底的Li浓度优选地超过49.9％。
此外，由含Li化合物构成的衬底的厚度优选地为0.8μm或更少，并且更优选地为0.6μm或更少。由含Li化合物构成的衬底的表面粗糙度的最大高度(Rz)值优选地为由含Li化合物构成的衬底的厚度的5％或更少，并且更优选地为1％或更少。
最大高度(Rz)是在JIS B 0601：2013(ISO 4287：1997)中定义的参数并且可基于这些标准加以测量。
实施例
在下文中，将更具体地描述本发明的实施例和对比实施例。
<实施例1>
在实施例1中，首先，分切具有大致上同成分组成并具有48.5∶51.5的Li∶Ta比的经过单偏振的4英寸直径钽酸锂单晶体铸锭以获得若干370μm厚的42°旋转Y切向钽酸锂衬底。此后，考虑到协议，通过研磨步骤将每个分切晶片的表面粗糙度调整到用算术平均粗糙度值Ra来表达是0.15μm，并且将完成厚度设置为350μm(微米)。
随后，通过平面抛光将衬底(晶片)的两个侧表面精整成具有0.01μm的Ra值的准镜面光洁度，并且将衬底埋入由Li、Ta和O构成的粉末中，所述粉末主要以Li3TaO4的形式组成。在这个实施例中使用的主要以Li3TaO4的形式组成的粉末是通过将Li2CO3和Ta2O5粉末以这个顺序按7∶3的摩尔比混合并且使因而获得的混合物在1300℃下经受焙烧12小时来制备的。将主要以Li3TaO4的形式组成的粉末铺在小容器中，并且将多个切片晶片埋入Li3TaO4粉末中。
然后，将这个小容器设置在电炉中，并且在将炉通电以在975℃下加热100小时之前用N2气氛取代炉的内侧，由此Li从分切晶片的表面朝向所述分切晶片的中间部分扩散。此后，当允许晶片的温度下降时，向晶片施加800℃下的12小时退火处理；然后，当温度从770℃下降到500℃时，在大致上+Z方向上施加大约4000V/m的电场；并且此后让温度下降到室温。在这个处理之后，使晶片的一侧经受由喷砂组成的精整工作，借此，这一侧的Ra值变为约0.15μm；另一方面，使另一准镜面光洁度表面经受3μm抛光并且以这种方式制作多个钽酸锂单晶体衬底。
关于这些钽酸锂单晶体衬底中的一个，使用激光拉曼光谱仪(由HORIBAScientific Inc.制造的LabRam HR系列，Ar离子激光，光斑尺寸1μm，室温)来关于在距圆形衬底的外圆周1cm或更远的任意选取部位处距表面的深度方向距离测量大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度，这是Li扩散量的指标；并且作为结果，获得如图1中所示的拉曼分布。
根据图1中所示的分布的结果，当在这个钽酸锂单晶体衬底的表面处的拉曼半值宽度的值不同于在衬底的深入部分中的这个值时，拉曼半值宽度的值在厚度方向上深度为从0μm到约18μm的区域中或多或少是恒定的，即介于5.9cm-1与6.0cm-1之间。在更深的区域中，已经确认，随着测量点移动得更靠近衬底的中间，拉曼半值宽度的值倾向于增加。
在钽酸锂单晶体衬底的厚度方向上80μm的深度处的拉曼半值宽度是9.3cm-1，并且尽管在图中未示出，但是在衬底的厚度方向中间位置处的拉曼半值宽度也是9.3cm-1。
根据图1的以上结果，确认了在实施例1中，在衬底表面附近的Li浓度和在衬底内侧的Li浓度是不同的，并且衬底具有展现浓度分布以使得Li浓度在更靠近衬底表面的区域中更高、并且Li浓度在厚度方向上随着衬底的深度降低的区部。还确认了Li浓度从LiTaO3衬底表面直到18μm的深度为止是大致一致的。
此外，根据图1的结果，拉曼半值宽度从钽酸锂单晶体衬底的表面直到在厚度方向上的18μm的深度为约5.9-6.0cm-1，因此，使用方程式(1)，在所述范围内的组成大致是Li/(Li+Ta)＝0.515至0.52，因此确认组成是伪化学计量的。
此外，因为在钽酸锂单晶体的衬底的厚度方向上的中间部分处的拉曼半值宽度为约9.3cm-1，所以当与以上类似地采用公式(1)时，Li/(Li+Ta)的值变成0.485，因此确认衬底的中间部分具有大致上同成分组成。
如以上所描述，在实施例1的旋转Y切向LiTaO3衬底的情况下，介于衬底的表面与Li浓度开始降低的位置之间的区部以及介于Li浓度停止增加的位置与衬底的另一侧表面之间的区部具有伪化学计量组成，并且在厚度方向上的中间部分具有大致上同成分组成。Li浓度开始降低的位置或Li浓度开始增加的位置分别在厚度方向上距衬底表面20μm的位置处。
接下来，使用激光、通过干涉测量方法测量经受了Li扩散的这个4英寸钽酸锂单晶体衬底的翘曲，并且这个值为小到60μm，并且没有观察到碎屑和裂缝。
接下来，从经过Li扩散的4英寸42°旋转Y切向钽酸锂单晶体衬底上切下小片，并且在由The Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences制造的压电d33/d15计(型号ZJ-3BN)中，分别针对主面并且还针对背面给予小片在厚度方向上的垂直振动，以观察由此诱发的电压波形，并且在遍及晶片的每个位置处观察到波形，所述波形指示压电响应的存在。因此，确认实施例1的钽酸锂单晶体衬底在衬底表面上的每个部位处具有压电性，并且因而可用作经过单偏振的表面声波器件。
接下来，将已经受Li扩散处理的实施例1的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底暴露于溅射处理以在其表面上接收具有0.2μm的厚度的A1膜，并且将抗蚀剂材料施加到如此处理过的衬底；然后，在步进器中对一级梯型滤波器和用于共振器的电极图案进行曝光和显影，并且借助于RIE(反应性离子刻蚀)产生用于SAW器件的电极。
现在，将这个图案化的一级梯型滤波器电极的一个波长在串联共振器的情况下设置为2.33μm，并且将并联共振器的一个波长设置为2.47μm。此外，评估用途的单个共振器被配置成具有2.50μm的波长。
关于这个一级梯型滤波器，借助于RF探测器探测SAW波形特性，并且获得图2中所示的结果。在图2中，为了对比，在没有经受Li扩散处理并且形成为具有与以上所描述的电极类似的电极的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的情况下的SAW波形的测量结果也在图2中示出。
根据图2中所示的结果，在由经受了Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底制成的SAW滤波器中，确认插入损耗为3dB或更少的频率跨度将为93MHz，并且中心频率将为1745MHz。另一方面，在由没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底制成的SAW滤波器中，插入损耗为3dB或更少的频率跨度为80MHz，并且中心频率为1710MHz。
另外，当使级段的温度从约16℃变为70℃时，检查对应于在图2中的低谷右侧的频率的反共振频率和对应于在低谷的左侧的频率的共振频率的温度系数，并且，作为结果，因为共振频率的温度系数为-21ppm/℃，并且反共振频率的温度系数为-42ppm/℃，所以确认平均频率温度系数为-31.5ppm/℃。为了对比，还检查没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的温度系数，并且，作为结果，因为共振频率的温度系数为-33ppm/℃并且反共振频率的温度系数为-43ppm/℃，所以确认平均频率温度系数将为-38ppm/℃。
因此，根据以上结果，确认在实施例1的钽酸锂单晶体衬底中，与没有经受Li扩散处理的衬底相比，其中滤波器的插入损耗为3dB或更少的频带为1.2倍宽。同样关于温度相依特性，平均频率温度系数比没有经受Li扩散处理的衬底的平均频率温度系数低了约6.5ppm/℃，使得性质随温度的波动较小，并且因而确认对抗温度改变的稳定性是良好的。
接下来，由实施例1的经受了Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底制造具有2.5μm的波长的1端口SAW共振器，并且获得图3中所示的SAW波形。在图3中，为了对比，还由没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底制造类似的1端口SAW共振器，并且在如此获得的SAW波形的情况下的结果也在图中示出。
根据图3的SAW波形的结果，获得反共振频率和共振频率的值，并且基于以下方程式2计算出机电耦合系数k2；如表1中所示，在实施例1的经受了Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的情况下，机电耦合系数k2为7.7％，并且这是在没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的情况下的机电耦合系数的大约1.2倍大。
<方程式2>
用来获得K2的方程式：
K2＝(πfr/2fa)/tan(πfr/2fa)
其中fr是共振频率并且fa是反共振频率。
图4关于实施例1的SAW共振器示出输入阻抗(Zin)的实部/虚部与频率之间的关系，并且图4还示出根据BVD模型(参考John D.等人，″Modified Butterworth-Van DykeCircuit for FBAR Resonators and Automated Measurement System″，IEEEULTRASONICS SYMPOSIUM，2000，第863-868页)通过使用以下方程式(3)获得的输入阻抗的计算值。
根据图4中的曲线图曲线A和B的结果，确认在实施例1中测量的输入阻抗值与根据BVD模型的计算值非常一致。
此外，表1示出使用以下公式(3)计算出的值Q的结果，并且图5示出SAW共振器的Q圆的测量值以及根据BVD模型的计算值。
现在，在Q圆中，相对于水平轴线标绘输入阻抗(Zin)的实部并且相对于垂直轴线标绘输入阻抗(Zin)的虚部。
根据图5中的Q圆曲线C的结果，确认在实施例1中测量的输入阻抗的值和根据BVD模型计算出的值非常一致，因此根据BVD模型、借助于以下所示的方程式(3)获得的Q值可以说是合理值。此外，在Q圆中，可以判断，如果半径大致为大的，则Q值也是大的。
另外，在表1和图5中，为了对比，还示出了在没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的情况下的结果(参见图5中的曲线D的Q圆)，并且确认实施例1的Q展示出的值等于或甚至高于没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底的Q。
<方程式3>
其中：
其中：
<实施例2>
在实施例2中，首先，借助于与实施例1中相同的方法，制备在从衬底的表面到18μm的深度的区部中具有大致一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将衬底的表面研磨到2μm的深度，借此获得在从衬底的表面到16μm的深度的区部中具有大致一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
然后，以与实施例1中相同的方式评估如此获得的钽酸锂单晶体衬底，并且结果在表1中示出。当以在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到相当于所述波长的6.4倍的深度。
与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，实施例2的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2、更好的温度非相依特性，和类似于或平均来说大于前者值Q的值Q。
<实施例3>
另外，在实施例3中，首先，以与实施例1中相同的方式制备具有从衬底表面到18μm的深度的其中Li浓度大致上一致的区部的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将衬底的表面研磨到4μm的深度，借此获得在从衬底的表面到14μm的深度的区部中具有大致一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
然后，当以与实施例1中相同的方式评估获得的钽酸锂单晶体衬底时，结果如表1中所示。另外，当以在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到相当于所述波长的5.6倍的深度。
与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，实施例3的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2、更好的温度非相依特性，和类似于或平均来说大于前者的Q值的Q值。
<实施例4>
另外，在实施例4中，首先，以与实施例1中相同的方式制备具有从衬底表面到18μm的深度的其中Li浓度大致上一致的区部的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将衬底的表面研磨到5.5μm的深度，借此获得在从衬底的表面到12.5μm的深度的区部中具有大致一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
然后，当以与实施例1中相同的方式评估获得的钽酸锂单晶体衬底时，结果如表1中所示。另外，当以在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到相当于所述波长的5.0倍的深度。
与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，实施例4的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2、更好的温度非相依特性，和类似于或平均来说大于前者的值Q的值Q。
<实施例5>
在实施例5中，首先，以与实施例1中相同的方式制备具有范围是从衬底表面到18μm的深度的其中Li浓度大致上一致的区部的钽酸锂单晶体衬底。接下来，借助于非IP公布[Takagi H.等人，“Room-temperature wafer bonding using argon beam activation”From Proceedings-Electrochemical Society(2001)，99-35(Semiconductor WaferBonding：Science，Technology，and Applications V)，265-274]中所描述的常温粘结方法将这个衬底和200μm厚的Si衬底粘结在一起，并且制造出粘结衬底。具体来说，将清洁衬底设置在高真空腔室中并且通过辐照高速氩原子束对衬底进行激活处理，其中离子束在衬底表面上被中和；此后将钽酸锂单晶体衬底和Si衬底粘结在一起。
用透射电子显微镜检验这个粘结衬底的粘结界面，并且如图6中所示，观察到粘结界面处的伪化学计量组成LiTaO3和Si原子彼此混杂以形成牢固的粘结。
另外，以使得具有从粘结界面测量为18μm的厚度的LiTaO3层留下的方式在LiTaO3侧上研磨并抛光由用Li扩散的旋转Y切向LiTaO3衬底和硅衬底组成的这个粘结衬底，于是完成本发明的粘结衬底。
接下来，以与实施例1中相同的方式评估以这种方式获得的粘结衬底，并且结果如表2中所示。根据这些结果，还确认了实施例5的粘结衬底也展现出大的机电耦合系数值和大的值Q，以及优良的温度非相依特性。
<实施例6>
在实施例6中，首先，以与实施例1中相同的方式制备具有范围是从衬底表面到18μm的深度的其中Li浓度大致上一致的区部的钽酸锂单晶体衬底。接下来，通过以上提到的非IP公布中所描述的常温粘结方法接合这个衬底和具有200μm的厚度的Si衬底，并且因而获得粘结衬底。
用透射电子显微镜检验这个粘结衬底的粘结界面，并且如同在实施例5的情况下一样，观察到粘结界面处的伪化学计量组成LiTaO3和Si原子互相混杂以形成牢固的粘结。
另外，以使得具有从粘结界面测量为1.2μm的厚度的LiTaO3层留下的方式在LiTaO3侧上研磨并抛光由用Li扩散的旋转Y切向LiTaO3衬底和硅衬底组成的这个粘结衬底，于是完成本发明的粘结衬底。
接下来，以与实施例1中相同的方式评估以这种方式获得的粘结衬底，并且结果如表2中所示。根据这些结果，还确认了实施例6的粘结衬底也展现出大的机电耦合系数值和大的值Q，以及优良的温度非相依特性。
对比实施例
在以下所示的对比实施例中，除了没有向钽酸锂单晶体衬底施加单偏振处理之外，钽酸锂单晶体衬底是通过与实施例1中相同的方法制备的。
<对比实施例1>
在对比实施例1中，在Li扩散处理之后的从770℃到500℃的温度下降周期期间，在+Z的近似方向上不施加电场(因而不进行单偏振处理)，但是在其他方面，钽酸锂单晶体衬底是通过与实施例1中相同的方式制备的。
已经确认，对比实施例1的钽酸锂单晶体衬底展示出与实施例1中类似的拉曼分布，并且钽酸锂单晶体衬底从衬底表面到18μm的深度具有大致上一致的Li浓度。
接下来，从在对比实施例1中获得的经过Li扩散的4英寸42°Y切向钽酸锂单晶体衬底上切下小片，并且，在由The Institute of Acoustics of the Chinese Academy ofSciences制造的压电d33/d15计(型号ZJ-3BN)中，分别针对主面并且还针对背面给予小片在厚度方向上的垂直振动，以观察由此诱发的电压波形，并且所述观察指示了没有来自晶片的每个部分的压电响应。因此，已经确认，实施例1的钽酸锂单晶体衬底在衬底面的每个部分中都没有拥有厚度方向的压电性，并且所述钽酸锂单晶体衬底未经单偏振。
另一方面，当将这个小片设置在d15单元中并且在平行于衬底的水平方向上施加振动时，可在厚度方向上捡拾压电响应，因此发现对比实施例1的钽酸锂单晶体衬底已变成不同寻常的压电体，它在被给予平行于衬底表面的水平方向上的振动时展现出压电性，但是它并不响应于在厚度方向上接收到的振动而产生在厚度方向上的任何压电响应。
对对比实施例1的钽酸锂单晶体衬底进行与实施例1中相同的评估，并且结果如表1中所示。根据这些结果，已经确认，与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，对比实施例1的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2和优异的温度非相依特性，而它的Q值更小。
<对比实施例2>
在对比实施例2中，首先，通过与实施例1中相同的方法制备在范围是从衬底表面到18μm的深度的区部中具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将这个衬底的表面抛光掉8μm以制备从衬底表面到10μm的深度具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
以与实施例1中相同的方式评估对比实施例2的钽酸锂单晶体衬底，并且结果在表1中示出。此外，当通过在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到为所述波长的4.0倍的深度。
根据这些结果，已经确认，与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，对比实施例2的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2和优异的温度非相依特性，而它的Q值更小，如图5中的Q圆曲线所示。
<对比实施例3>
在对比实施例3中，首先，通过与实施例1中相同的方法制备在范围是从衬底表面到18μm的深度的区部中具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将这个衬底的表面抛光掉12μm以制备从衬底表面到8μm的深度具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
以与实施例1中相同的方式评估对比实施例3的钽酸锂单晶体衬底，并且结果在表1中示出。此外，当通过在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到为所述波长的3.2倍的深度。
根据这些结果，已经确认，与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，对比实施例3的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2和优异的温度非相依特性，而它的Q值更小。
<对比实施例4>
在对比实施例4中，首先，通过与实施例1中相同的方法制备在范围是从衬底表面到18μm的深度的区部中具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。接下来，将这个衬底的表面抛光掉14μm以制备从衬底表面到8μm的深度具有大致上一致的Li浓度的钽酸锂单晶体衬底。
以与实施例1中相同的方式评估对比实施例4的钽酸锂单晶体衬底，并且结果在表1中示出。此外，当通过在晶片的方向X上传播的泄漏表面声波的波长加以正规化时，其中Li浓度一致的区部的范围是从衬底表面到相当于所述波长的2.4倍的深度。
根据这些结果，已经确认，与没有经受Li扩散处理的42°Y切向钽酸锂单晶体衬底相比，对比实施例3的钽酸锂单晶体衬底具有更大的机电耦合系数k2和优异的温度非相依特性，而它的Q值更小，如图5中的Q圆曲线所示。
[表1]
<实施例7>
在实施例7中，首先，从具有同成分组成的经过单偏振的4英寸直径钽酸锂(Li∶Ta＝48.3∶51.7)单晶体铸锭上切下具有300μm的厚度的42°旋转Y切向的钽酸锂衬底。接下来，通过研磨过程，切下的LT衬底的表面粗糙度变成用算术平均粗糙度(Ra)值来表达是0.15μm，并且LT衬底的厚度变成250μm。
此外，将LT衬底的两侧抛光并精整成具有用Ra值来表达是0.01μm的表面粗糙度的准镜面表面。随后，将这个LT衬底埋入铺在小容器中的主要由Li3TaO4构成的粉末中。在这种情况下，使用通过在1300℃下锻烧其中Li2CO3和Ta2O5以Li2CO3∶Ta2O5＝7∶3的摩尔比混合的粉末12小时所获得的粉末来作为主要由Li3TaO4构成的粉末。
接下来，将这个小容器设置在电炉中，并且将炉的内侧设置为N2气氛并在990℃下加热50小时以允许Li扩散到LT衬底中。在这个处理之后，使LT衬底的一侧经受镜面抛光。
然后，关于已经受Li扩散处理的LT衬底，使用激光拉曼光谱仪测量在从表面的深度方向上的大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度(半极大处全宽度)(FWHM1)。使用以上数学公式1根据测量到的半值宽度计算Li量，并且获得图7和8中所例示的在深度方向上的Li量的分布。
还从其他表面进行测量，并且获得在深度方向上的Li量的大致上相同的分布。
由此可看出，获得在衬底的两侧上的表面附近的区部中具有伪化学计量组成并且在衬底的内部分中具有同成分组成的LT衬底。
接下来，制备具有500μm的厚度的经过单侧镜面精整的蓝宝石衬底来作为基底衬底。然后，确认已经受Li扩散处理的LT衬底和所述蓝宝石衬底的镜面表面中的每一个的表面粗糙度在RMS值上为1.0nm或更少。
随后，从LT衬底的镜面表面侧植入氢分子离子。然而，在这种情况下，剂量量为9×1016atm/cm2，并且加速电压为160KeV。在这种情况下，植入离子所在的位置为距表面900nm的深度处的位置，并且在这个位置处的Li量为50.1摩尔％。
使用在[Takagi H.等人，“Room-temperature wafer bonding using argon beamactivation”From Proceedings-Electrochemical Society (2001)，99-35(Semiconductor Wafer Bonding：Science，Technology，and Applications V)，265-274]中所描述的室温粘结方法将经过离子植入的LT衬底和蓝宝石衬底彼此粘结。
具体来说，将已被清洁的LT衬底和蓝宝石衬底设置在高真空腔室中，并且通过利用中和氩原子的快速原子束辐照使有待粘结的衬底的表面经受激活处理。此后，通过将LT衬底和蓝宝石衬底彼此层压来将LT衬底和蓝宝石衬底彼此粘结。
此后，将粘结衬底加热到110℃，并且将楔子驱动到LT衬底的离子植入部分的一个末端中以将LT衬底分离成粘结到基底衬底的LT衬底和保留的LT衬底。
在这种情况下，LT衬底具有900nm的厚度。然而，将LT衬底的表面抛光掉200nm并且将LT衬底的厚度设置为700nm。此外，使用原子力显微镜(AFM)测量表面粗糙度的最大高度(Rz)，并且值为1nm。
关于由LT衬底和蓝宝石基底衬底形成的粘结衬底，使用由Institute ofAcoustics of the Chinese Academy of Sciences制造的压电d33/d15计(型号ZJ-3BN)进行对通过向主表面和后表面施加在厚度方向上的垂直振动所诱发的电压波形的观察，在粘结衬底的所有部位处观察到压电响应并且确认压电性。
此外，对LT衬底侧表面上的若干部位进行激光拉曼光谱法，并且计算Li量。因此，Li量在所有测量部位中为50.0摩尔％，并且确认一致的伪化学计量组成。
在LT衬底中，离子植入最多使Li量降低了0.1摩尔％。
接下来，使粘结衬底的在LT衬底侧上的表面经受溅射处理，并且形成具有0.4μm的厚度的Al膜。随后，施加抗蚀剂，并且使用步进器对共振器的电极图案进行曝光和显影。此外，通过RIE(反应性离子刻蚀)形成SAW器件的电极。在这里，将共振器设置为具有5μm的波长。
作为测量以这种方式制造的共振器的各种特性的结果，共振频率为921.5MHz；反共振频率为948.0MHz；平均声速为4674m/s；机电耦合系数为7.5％；共振频率的温度系数为+5ppm/℃；反共振频率的温度系数为-6ppm/℃；共振Q值为4200；反共振Q值为3500；并且最大Q值为10000。
Q值是根据以下数学公式4获得的(参见IEEE International UltrasonicsSymposium Proceedings，第861-863页)。
[数学公式4]
Q(f)＝ω*τ(f)*|Γ|(1-|Γ|2)
这里，ω为角频率；τ(f)为群延迟时间；并且Γ为使用网络分析器测量的反射系数。
此外，机电耦合系数(K2)是根据以下数学公式5获得的。
[数学公式5]
K2＝(πfr/2fa)/tan(πfr/2fa)
fr：共振频率
fa：反共振频率
此外，共振负荷(Qso)和反共振负荷(Qpo)的值是基于MBVD模型根据以下数学公式6计算的(参见John D.等人，“Modified Butterworth-Van Dyke Circuit for FBARResonators and Automated Measurement System，”IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM，2000，第863-868页)。
[数学公式6]
这里
<实施例8>
在实施例8中，首先，从具有同成分组成的经过单偏振的4英寸直径钽酸锂(Li∶Ta＝48.3∶51.7)单晶体铸锭上切下具有300μm的厚度的42°旋转Y切向的钽酸锂衬底。接下来，通过研磨过程，切下的LT衬底的表面粗糙度变成用算术平均粗糙度(Ra)值来表达是0.15μm，并且LT衬底的厚度变成250μm。
此外，将LT衬底的两侧抛光并精整成具有用Ra值来表达是0.01μm的表面粗糙度的准镜面表面。随后，将这个LT衬底埋入铺在小容器中的主要由Li3TaO4构成的粉末中。在这种情况下，使用通过在1300℃下锻烧其中Li2CO3和Ta2O5以Li2CO3∶Ta2O5＝7∶3的摩尔比混合的粉末12小时所获得的粉末来作为主要由Li3TaO4构成的粉末。
接下来，将这个小容器设置在电炉中，并且将炉的内侧设置为N2气氛并在990℃下加热50小时以允许Li扩散到LT衬底中。
然后，关于已经受Li扩散处理的LT衬底，使用与实施例7中的激光拉曼光谱仪相同的激光拉曼光谱仪测量在从表面的深度方向上的大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度(FWHM1)。使用以上数学公式1根据测量到的半值宽度计算Li量，并且获得的在深度方向上的Li量的分布与图7和8中所例示的实施例7中的分布大致上相同。
随后，从LT衬底的镜面表面侧植入氢分子离子。然而，在这种情况下，剂量量为9×1016atm/cm2，并且加速电压为160KeV。在这种情况下，植入离子所在的位置为距表面900nm的深度处的位置，并且在这个位置处的Li量为50.1摩尔％。
使用等离子体CVD方法在LT衬底的离子植入侧上的表面上将SiO2在35℃下沉积到约10μm的厚度。此后，使沉积有SiO2的表面经受镜面抛光。
接下来，制备具有热氧化膜并且具有500μm的厚度的经过单侧镜面精整的Si(SiO2/Si)衬底来作为基底衬底。然后，确认SiO2/LT衬底和SiO2/Si衬底的镜面表面中的每一个的表面粗糙度在RMS值上为1.0nm或更少。
接下来，以与实施例7中相同的方式使用表面激活室温粘结方法将SiO2/LT衬底和SiO2/Si衬底彼此粘结。此外，以与实施例7中相同的方式，在离子植入部分处分离LT衬底并且抛光在LT衬底侧上的表面，并且获得由LT衬底和Si基底衬底形成的粘结衬底。在粘结衬底中，作为介入层的SiO2层存在于压电衬底与基底衬底之间。
在这种情况下，LT衬底具有900nm的厚度。然而，将LT衬底的表面抛光掉200nm并且将LT衬底的厚度设置为700nm。此外，使用原子力显微镜(AFM)测量表面粗糙度的最大高度(Rz)，并且值为1nm。裂缝等没有发生在粘结衬底中。
关于如此制备的粘结衬底，以与实施例7中相同的方式，进行对通过向主表面和后表面施加在厚度方向上的垂直振动所诱发的电压波形的观察，并且在粘结衬底的所有部位处观察到压电响应并且确认压电性。
此外，以与实施例7中相同的方式，对LT衬底侧表面上的若干部位进行激光拉曼光谱法，并且计算Li量。因此，Li量在所有测量部位中为50.0摩尔％，并且确认一致的伪化学计量组成。
在LT衬底中，离子植入最多使Li量降低了0.1摩尔％。
此外，关于实施例8的复合衬底，以与实施例7中相同的方式来形成电极并制造共振器。以与实施例7中相同的方式评估这个SAW共振器，并且获得与实施例7中大致上相同的结果。
<对比实施例5>
在对比实施例5中，首先，制备具有伪化学计量组成(Li∶Ta＝49.95∶50.05)的经过单偏振的钽酸锂单晶体衬底(具有4英寸的直径和300μm的厚度，以及42°旋转Y切向)。LT衬底是由使用双坩埚法获得的单晶体形成，并且整个LT衬底具有伪化学计量组成。使LT衬底的一侧经受镜面抛光。
接下来，制备具有500μm的厚度的经过单侧镜面精整的蓝宝石衬底来作为基底衬底。然后，确认已经受Li扩散处理的LT衬底和蓝宝石衬底的镜面表面中的每一个的表面粗糙度在RMS值上为1.0nm或更少。
随后，从LT衬底的镜面表面侧植入氢分子离子。然而，在这种情况下，剂量量为9×1016atm/cm2，并且加速电压为160KeV。在这种情况下，植入离子所在的位置为距表面900nm的深度处的位置，并且在这个位置处的Li量为49.95摩尔％。
接下来，以与实施例7中相同的方式使用表面激活室温粘结方法将经过离子植入的LT衬底和蓝宝石衬底彼此粘结。此外，以与实施例7中相同的方式，在离子植入部分处分离LT衬底并且抛光在LT衬底侧上的表面，并且获得由LT衬底和基底衬底形成的粘结衬底。
在这种情况下，LT衬底具有900nm的厚度。然而，将LT衬底的表面抛光掉200nm并且将LT衬底的厚度设置为700nm。此外，使用原子力显微镜(AFM)测量表面粗糙度的最大高度(Rz)，并且值为1nm。裂缝等没有发生在粘结衬底中。
关于如此制备的粘结衬底，以与实施例7中相同的方式，进行对通过向主表面和后表面施加在厚度方向上的垂直振动所诱发的电压波形的观察，并且在粘结衬底的所有部位处观察到压电响应并且确认压电性。
此外，以与实施例7中相同的方式，对LT衬底侧表面上的若干部位进行激光拉曼光谱法，并且计算Li量。因此，Li量在所有测量部位中为49.8摩尔％，并且确认一致的伪化学计量组成。
在LT衬底中，离子植入最多使Li量降低了0.15摩尔％。
此外，关于对比实施例5的粘结衬底，以与实施例7中相同的方式来形成电极并制造共振器。以与实施例7中相同的方式评估这个SAW共振器，并且获得略次于实施例7和8的结果的结果。
<实施例9>
在实施例9中，首先，从具有同成分组成的经过单偏振的4英寸直径钽酸锂(Li∶Ta＝48.3∶51.7)单晶体铸锭上切下具有300μm的厚度的42°旋转Y切向的钽酸锂衬底。接下来，通过研磨过程，切下LT衬底的表面粗糙度变成用算术平均粗糙度(Ra)值来表达是0.15μm，并且LT衬底的厚度变成250μm。
此外，将LT衬底的两侧抛光并精整成具有用Ra值来表达是0.01μm的表面粗糙度的准镜面表面。随后，将这个LT衬底埋入铺在小容器中的主要由Li3TaO4构成的粉末中。在这种情况下，使用通过在1300℃下锻烧其中Li2CO3和Ta2O5以Li2CO3∶Ta2O5＝7∶3的摩尔比混合的粉末12小时所获得的粉末来作为主要由Li3TaO4构成的粉末。
接下来，将这个小容器设置在电炉中，并且将炉的内侧设置为N2气氛并在990℃下加热50小时以允许Li扩散到LT衬底中。
然后，关于已经受Li扩散处理的LT衬底，使用与实施例7中的激光拉曼光谱仪相同的激光拉曼光谱仪测量在从表面的深度方向上的大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度(FWHM1)。使用以上数学公式1根据测量到的半值宽度计算Li量，并且获得的在深度方向上的Li量的分布与图7和8中所例示的实施例7中的分布大致上相同。
将LT衬底从一个表面侧抛光掉100μm以便具有150μm的厚度。关于LT衬底，从抛光侧进行激光拉曼光谱法，并且计算在从表面的深度方向上的Li量。因此，在深度方向上从表面到100μm的深度的范围中，Li量为48.6摩尔％并且确认同成分组成。
由此可看出，获得其中衬底的一个表面具有伪化学计量组成并且衬底的另一表面具有同成分组成的LT衬底。
制备两个类似的衬底并且使用室温粘结方法将其分别粘结到Si基底衬底。在这种情况下，对于一个衬底，将具有伪化学计量组成的表面用作粘结表面，并且对于另一个衬底，将具有同成分组成的表面用作粘结表面。
关于如此制备的粘结衬底中的每一个，以与实施例7中相同的方式，进行对通过向主表面和后表面施加在厚度方向上的垂直振动所诱发的电压波形的观察，并且在两个粘结衬底的所有部位处观察到压电响应并且确认压电性。
<实施例10>
在实施例10中，首先，从具有同成分组成的经过单偏振的4英寸直径钽酸锂(Li∶Ta＝48.3∶51.7)单晶体铸锭上切下具有300μm的厚度的42°旋转Y切向的钽酸锂衬底。接下来，通过研磨过程，切下的LT衬底的表面粗糙度变成用算术平均粗糙度(Ra)值来表达是0.15μm，并且LT衬底的厚度变成250μm。
此外，将LT衬底的两侧抛光并精整成具有用Ra值来表达是0.01μm的表面粗糙度的准镜面表面。随后，将这个LT衬底埋入铺在小容器中的主要由Li3TaO4构成的粉末中。在这种情况下，使用通过在1300℃下锻烧其中Li2CO3和Ta2O5以Li2CO3∶Ta2O5＝7∶3的摩尔比混合的粉末12小时所获得的粉末来作为主要由Li3TaO4构成的粉末。
接下来，将这个小容器设置在电炉中，并且将炉的内侧设置为N2气氛并在990℃下加热50小时以允许Li扩散到LT衬底中。
然后，关于已经受Li扩散处理的LT衬底，使用与实施例7中的激光拉曼光谱仪相同的激光拉曼光谱仪测量在从表面的深度方向上的大约600cm-1的拉曼位移峰的半值宽度(FWHM1)。使用以上数学公式1根据测量到的半值宽度计算Li量，并且获得的在深度方向上的Li量的分布与图7和8中所例示的实施例7中的分布大致上相同。
使用室温粘结方法将这个衬底粘结到Si基底衬底。然后，从LT衬底侧上的表面进行抛光，使得LT衬底具有150μm的厚度。
关于粘结衬底，从LT衬底侧上的表面进行激光拉曼光谱法，并且计算在从表面的深度方向上的Li量。因此，在深度方向上从表面到100μm的深度的范围中，Li量为48.6摩尔％并且确认同成分组成。
由此可看出，获得其中LT衬底侧上的表面具有伪化学计量组成并且粘结表面具有同成分组成的粘结衬底。
关于如此制备的粘结衬底中的每一个，以与实施例7中相同的方式，进行对通过向主表面和后表面施加在厚度方向上的垂直振动所诱发的电压波形的观察，并且在两个粘结衬底的所有部位处观察到压电响应并且确认压电性。
标示的解释
A：图4中的表示Im(Zin)测量值和根据BVD模型的计算值的曲线图曲线(实线和虚线)
B：图4中的表示Re(Zin)测量值和根据BVD模型的计算值的曲线图曲线(实线和虚线)
C：图5中的表示实施例1的输入阻抗(Zin)的测量值(实线)和根据BVD模型的计算值(虚线)的Q圆曲线
D：图5中的表示在没有Li扩散处理的情况下的输入阻抗(Zin)的测量值(实线)和根据BVD模型的计算值(虚线)的Q圆曲线
E：图5中的表示对比实施例2的输入阻抗(Zin)的测量值(在一致Li浓度区部距衬底表面的深度为10μm的情况下)(实线)和根据BVD模型的计算值(虚线)的Q圆曲线
F：图5中的表示对比实施例4的输入阻抗(Zin)的测量值(在一致Li浓度区部距衬底表面的深度为6μm的情况下)(实线)和根据BVD模型的计算值(虚线)的Q圆曲线。
