CN108702141B - 复合基板及复合基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在压电材料层和支承基板的贴合中能够得到充分的接合强度的复合基板及复合基板的制造方法。本发明提供一种复合基板，其具备：单晶支承基板，其以第一元素为主成分；氧化物单晶层，其设于单晶支承基板上，以除氧以外的第二元素为主成分；非晶质层，其设于单晶支承基板和氧化物单晶层之间，含有第一元素、第二元素及Ar，所述复合基板的特征在于，非晶质层具有：第一元素的比例比第二元素的比例高的第一非晶质区域和第二元素的比例比第一元素的比例高的第二非晶质区域，第一非晶质区域中所含的Ar的浓度比第二非晶质区域中所含的Ar的浓度高，且为3原子％以上。

Description

复合基板及复合基板的制造方法
技术领域
本发明涉及用于表面声波(SAW)器件等的复合基板及复合基板的制造方法。
背景技术
近年来，在以智能手机为代表的移动体通信的市场中，通信量急剧增大。为了应对该状况，增加必要的波段数，并且各种零件的小型化、高性能化必然重要。
一般的压电材料即钽酸锂(Lithium Tantalate：有时也简称为LT)或铌酸锂(Lithium Niobate：有时简称为LN)被作为表面声波(SAW)器件的材料广泛使用。这些材料具有如下问题点，即，虽然具有大的机电耦合系数，可以宽带化，但温度稳定性低，因温度变化而能够应对的频率会发生偏移。这是因为钽酸锂或铌酸锂具有非常高的热膨胀系数。
为了减少该问题，提出有一种方法，在钽酸锂或铌酸锂上贴合具有更小的热膨胀系数的材料、具体而言为蓝宝石，对钽酸锂或铌酸锂的晶片进行磨削等，将其薄化至几μm～几十μm，从而抑制热膨胀，改善温度特性(例如参照非专利文献1)。另外，还提出有与热膨胀系数小的硅进行贴合(例如参照专利文献1)的方法。
但是，已知这些材料在贴合后实施热处理想要提高结合强度时，因两基板的膨胀系数的差而发生基板的翘曲或剥离、破裂等。为了避免该问题，提出有在贴合之后得到高的结合强度的常温接合的方法(例如参照非专利文献2)。在该方法中，是在高真空下对贴合的基板照射氩(Ar)射束，使表面活性化并直接进行贴合的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005－347295号公报
非专利文献
非专利文献1：电波新闻高科技，2012年11月8日，“用于智能手机的RF前端的SAW－Duplexer的温度补偿技术“
非专利文献2：Applied Physics Letters Vol.74,Number16,pp.2387-2389,19APRIL 1999
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在上述那种基于常温的接合方法中，虽然具有在室温下得到高的接合强度的特征，但即使是这样得到的复合基板，多数情况下也不能得到充分的接合强度。因此，存在在器件制作的中途等引起剥离的可能性。另外，从长期可靠性的观点来看，也要求更完全的接合性。
本发明的目的在于，提供一种在压电材料层和支承基板的贴合中能够得到充分的接合强度的复合基板及复合基板的制造方法。
用于解决问题的技术方案
为了解决上述问题，本发明提供一种复合基板，其具备：单晶支承基板，其以第一元素为主成分；氧化物单晶层，其设于单晶支承基板上，以除氧以外的第二元素为主成分；非晶质层，其设于单晶支承基板和氧化物单晶层之间，含有第一元素、第二元素及Ar，所述复合基板的特征在于，非晶质层具有第一元素的比例比第二元素的比例高的第一非晶质区域和第二元素的比例比第一元素的比例高的第二非晶质区域，第一非晶质区域中所含的Ar的浓度比第二非晶质区域中所含的Ar的浓度高，且为3原子％以上。
根据这种构成，通过非晶质层中所含的Ar的偏析及浓度，能够提高单晶支承基板和氧化物单晶层的接合强度。
在本发明的复合基板中，也可以是，第二非晶质区域中所含的Ar的浓度低于3原子％。由此，能够实现单晶支承基板和氧化物单晶层的接合强度的进一步提高。
在本发明的复合基板中，也可以是，单晶支承基板包括选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种。另外，也可以是，氧化物单晶层含有选自钽酸锂及铌酸锂中的一种。另外，也可以是，氧化物单晶层的厚度为50μm以下。由此，能够与薄膜的压电器件对应。另外，氧化物单晶层可以为单一极化。由此，能够将复合基板适宜用作表面声波元件。
本发明提供一种复合基板的制造方法，其具备：通过Ar将含有第一元素作为主成分的单晶支承基板的表面及以除氧之外的第二元素为主成分的氧化物单晶基板各自的表面活性化的工序；将通过Ar而活性化了的单晶支承基板的表面和通过Ar而活性化了的氧化物单晶基板的表面贴合，在单晶支承基板和氧化物单晶基板之间形成含有第一元素、第二元素及Ar的非晶质层的工序；将氧化物单晶基板的厚度减薄，形成氧化物单晶层的工序；以及热处理工序，非晶质层具有第一元素的比例比第二元素的比例高的第一非晶质区域和第二元素的比例比第一元素的比例高的第二非晶质区域，热处理工序包括：使第一非晶质区域中所含的的Ar的浓度比第二非晶质区域中所含的Ar的浓度高，且为3原子％以上。
根据这种构成，能够制造通过非晶质层中所含的Ar的偏析及浓度，而提高了单晶支承基板和氧化物单晶层的接合强度的复合基板。
在本发明的复合基板的制造方法中，也可以是，热处理工序包括：使第二非晶质区域中所含的Ar的浓度低于3原子％。由此，能够制造进一步提高了单晶支承基板和氧化物单晶层的接合强度的复合基板。
在本发明的复合基板的制造方法中，也可以是，热处理工序包括：将非晶质层加热至150℃以上。由此，能够将非晶质层中所含的Ar设为能够提高单晶支承基板和氧化物单晶层的接合强度的偏析及浓度。
在本发明的复合基板的制造方法中，也可以是，单晶支承基板包括选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种。另外，也可以是，氧化物单晶层包含选自钽酸锂及铌酸锂中的一种。另外，也可以是，氧化物单晶层的厚度为50μm以下。由此，能够与薄膜的压电器件对应。
在本发明的复合基板的制造方法中，也可以是，还具备在将单晶支承基板和氧化物单晶层贴合之前，以氧化物单晶层的规定深度实施离子注入的工序，减薄氧化物单晶层的厚度的工序包括：在离子注入的位置将氧化物单晶基板的一部分剥离。由此，在离子注入的位置将氧化物单晶层的一部分剥离，能够制造含有薄膜的氧化物单晶层的复合基板。
在本发明的复合基板的制造方法中，氧化物单晶基板可以为单一极化。另外，也可以是，还具备将复合基板的所述氧化物单晶层单一极化的工序。通过这些方法，通过使氧化物单晶层为单一极化，从而能够将利用本发明的复合基板的制造方法制造的复合基板适宜用作表面声波元件。
附图说明
图1是示例本实施方式的复合基板的示意性剖视图。
图2是本实施方式的复合基板的剖面照片。
图3是示例本实施方式的复合基板的制造方法的流程图。
图4的(a)及(b)是通过剥离试验而产生了微少的膜剥离的复合基板的光学显微镜照片。
图5是进行热处理之后的复合基板的剖面TEM照片。
图6的(a)及(b)是表示热处理前后的非晶质层的状态的剖面TEM照片。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。此外，在以下的说明中，对于同一部件标注同一符号，关于已经说明过的部件适宜省略其说明。
〔复合基板的结构〕
图1是示例本实施方式的复合基板的示意性剖视图。另外，图2是本实施方式的复合基板的剖面照片。图2所示的剖面照片是TEM像。
本实施方式的复合基板1具备以第一元素为主成分的单晶支承基板10、以第二元素(除氧之外)为主成分的氧化物单晶层20、设于单晶支承基板10和氧化物单晶层20之间的例如非晶质层30。
单晶支承基板10是在复合基板1上支承作为薄膜的氧化物单晶层20的基板。单晶支承基板10的热膨胀系数比氧化物单晶层20的热膨胀系数小。单晶支承基板10中，使用选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种。在本实施方式中，以使用硅单晶基板作为单晶支承基板10的情况为例。在使用硅单晶基板的情况下，第一元素为硅(Si)。
氧化物单晶层20设于单晶支承基板10上。氧化物单晶层20是由单晶支承基板10支承的薄膜状的压电材料膜。氧化物单晶层20通过研磨或部分剥离等而成为几μm～几十μm的厚度。氧化物单晶层20可以为单一极化。
氧化物单晶层20中含有选自钽酸锂及铌酸锂中的一种。在本实施方式中，以使用钽酸锂作为氧化物单晶层20的情况为例。在使用钽酸锂的情况下，第二元素为钽(Ta)。
非晶质层30含有第一元素、第二元素及Ar。非晶质层30在进行单晶支承基板10和氧化物单晶层20的贴合时，形成于贴合的界面附近。在使用硅单晶基板作为单晶支承基板10、使用钽酸锂作为氧化物单晶层20的情况下，在贴合的界面附近形成Si和Ta的非晶质区域，在该非晶质区域内含有Ar。此外，Ar是在后述的复合基板的制造方法中，通过Ar在单晶支承基板10及氧化物单晶层20各自的贴合面进行活性化时的Ar。
设于贴合的界面附近的非晶质层30具有第一元素(例如Si)的比例高于第二元素(例如Ta)的比例的第一非晶质区域31和第二元素(例如Ta)的比例高于第一元素(例如Si)的比例的第二非晶质区域32。第一非晶质区域31和第二非晶质区域32的边界成为贴合的界面。
在图2的剖面TEM像所示的point(点)1～point5中，根据在取得剖面TEM像的同时实施极微电子衍射的结果可知，point2、point3及point4非晶质化。因此，含有point2、point3及point4的层的区域成为非晶质层30。
表1是通过EDX(能量分散型X射线分析)进行了图2的剖面TEM像所示的point1～point5各点的组成分析的结果。此外，对象元素是氧(O)、Si、Ar、Ta这四个元素。另外，表1所示的组成分析为将单晶支承基板10和氧化物单晶层20常温接合之后、热处理之前的状态(使Ar偏析之前)。
[表1]
Figure BDA0001726724520000071
如表1所示，在point 1不含Si，在point 5不含Ta。另外，在point 2，作为第二元素的Ta的比例比作为第一元素的Si的比例高。另一方面，在point 3，作为第一元素的Si的比例比作为第二元素的Ta的比例高。即，可知在point 2和point 3之间，Si的浓度急剧变化，此处可以认为是贴合的界面。
另外，作为非晶质层30的point 3的区域为第一元素(Si)的比例比第二元素(Ta)的比例高的第一非晶质区域31，point 2的区域为第二元素(Ta)的比例比第一元素(Si)的比例高的第二非晶质区域32。
另外，通过单晶支承基板10和氧化物单晶层20的贴合而形成非晶质层30的原因被认为是因为用于表面的活性化的Ar在残存于结晶中内的状态下被取入。如表1所示，可知在将单晶支承基板10和氧化物单晶层20贴合之后，Ar大幅较薄地分布在point1～point5。
另一方面，通过在贴合后实施热处理，Ar发生偏析。本申请发明者发现，通过非晶质层30中所含的Ar的偏析及浓度能够提高单晶支承基板10和氧化物单晶层20的接合强度。关于能够提高接合强度的Ar的偏析及浓度，将在下面进行叙述。
〔复合基板的制造方法〕
图3是示例本实施方式的复合基板的制造方法的流程图。
首先，如步骤S101所示，准备单晶支承基板10和氧化物单晶基板。单晶支承基板10使用选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种。在本实施方式中，以使用硅单晶基板(例如硅单晶晶片)作为单晶支承基板的情况为例。另外，在氧化物单晶基板中含有选自钽酸锂及铌酸锂中的一种。这里使用的氧化物单晶层可以为单一极化。在本实施方式中，以使用钽酸锂基板(例如钽酸锂晶片)的情况为例。
优选将硅单晶晶片及钽酸锂晶片各自的表面平坦化。例如，将两晶片的表面粗糙度以RMS计设为1.0nm以下。
接着，如步骤S102所示，进行基于Ar的活性化。即，通过Ar将进行硅单晶晶片及钽酸锂晶片各自的贴合的表面活性化。例如，在高真空下的Ar气氛中对两晶片的表面进行活性化处理。
接着，如步骤S103所示，进行贴合。使在之前的步骤S102中通过Ar进行了活性化的硅单晶晶片及钽酸锂晶片彼此的面贴合。表面因为被活性化，所以可以进行常温下的接合。通过该贴合，在硅单晶晶片和钽酸锂晶片的贴合面的附近形成非晶质层30(第一非晶质区域31及第二非晶质区域32)。
接着，如步骤S104所示，进行形成氧化物单晶层20的处理。即，对钽酸锂晶片进行磨削及研磨，设为所希望的厚度(例如50μm以下)，形成经薄膜化的氧化物单晶层(钽酸锂层)20。
接着，如步骤S105所示，进行热处理。通过该热处理，进行Ar的偏析。具体而言，使第一非晶质区域31中包含的Ar的浓度比第二非晶质区域32中包含的Ar的浓度高，且设为3原子％以上。通过这样的处理，制成复合基板1。
本申请发明者在这种复合基板1及其制造方法中进行了各种试验，结果得到如下新的见解，即，通过利用热处理使成为非晶质层30中的杂质的Ar向单晶支承基板10侧偏析，得到牢固的结合强度。
此时，判明了贴合界面附近的硅单晶晶片侧的Ar浓度为3原子％以上且在其以外的部位低于3原子％是用于得到更牢固的结合的最佳条件。
作为通过使Ar这样偏析而得到牢固的结合的理由之一，认为如下。即，如Ar这种不具有结合键的元素在界面局部存在，则可能引起界面的膜剥离。认为通过使Ar向较容易含有杂质的Si侧偏析，能够增大界面的结合强度。此时的热处理温度或时间等难以定义，但作为一例，也可以在较高温下(例如250℃以上550℃以下左右)短时间内进行，也可以在较低温下(例如150℃以上250℃以下左右)非常长的时间(例如24小时左右)进行。
该方法不仅对于磨削·研磨实现的薄化可以应用，而且对于通过离子注入剥离法得到的薄膜的结合力强化同样可以应用。这是因为，因为该现象是结合界面的现象，所以为了剥离而打入的离子与贴合界面分离几百nm～几μm左右，因此，对接合界面上的现象带来的影响少。
在此，离子注入剥离法是在将两晶片贴合之前，以氧化物单晶基板(钽酸锂晶片)的规定深度进行离子注入，在贴合后，在该离子注入的位置将钽酸锂晶片的一部分剥离，形成氧化物单晶层(钽酸锂层)20的方法。
具体而言，作为在钽酸锂或铌酸锂的晶片中预先注入了离子的晶片(施主晶片)、支承晶片，准备石英(玻璃)、Si、蓝宝石等具有低热膨胀系数(与钽酸锂及铌酸锂相比为低热膨胀系数)的材料。将该双方的晶片的表面粗糙度以RMS计设为1.0nm以下，对一方或两方的晶片实施表面活性化处理。在将该两晶片贴合之后，在进行了离子注入的位置将施主晶片的一部分剥离，形成钽酸锂或铌酸锂的薄膜。由此，制成在支承晶片上支承有钽酸锂或铌酸锂的薄膜的复合基板1。此时，作为剥离方法，可举出SiGen法这样的机械剥离法作为简便的方法，但没有特别限定。
通过这样的制造方法，能够获得通过非晶质层30中所含的Ar的偏析及浓度而提高了单晶支承基板10和氧化物单晶层20的接合强度的复合基板1。此外，在上述的制造方法中使用单一极化的基板作为氧化物单晶基板时，能够适宜使用通过该制造方法制造的复合基板作为表面声波元件。另外，在上述制造方法中还具备将氧化物单晶基板进行单一极化的工序的情况下，同样能够将利用该制造方法制造的复合基板适宜用作表面声波元件。
〔第一实施例〕
以下示出第一实施例的条件。准备直径100mm、厚度0.35mm的钽酸锂晶片(以下也称作“LT晶片”。)和作为支承晶片的Si晶片。两晶片的表面粗糙度以RMS计为1.0nm以下。在高真空下对这些晶片照射Ar射束，进行表面活性化后，进行贴合。在贴合后，将LT晶片薄化至5μm，通过各条件实施热处理。对以各热处理条件制作的试样进行剥离试验。剥离试验是指贴合聚酰亚胺的带，在紧贴后进行剥离的方法。在贴合的结合强度不充分的情况下，当进行剥离试验时，产生图4的(a)及(b)的光学显微镜照片所示的微小的剥离。表2表示剥离试验的结果及以贴合晶片各层的Ar为对象元素的EDX检查的结果。
[表2]
Figure BDA0001726724520000101
图5是作为第一实施例中的热处理的条件，进行500℃、6小时的热处理之后的复合基板1的剖面TEM照片。图6的(a)及(b)是表示热处理前后的非晶质层的状态的剖面TEM照片。可知通过进行500℃、6小时的热处理，作为point3的非晶质层30的第一非晶质区域31的Ar的浓度变得非常高。
根据表1所示的结果可知，贴合的界面附近的Si侧(point3)的Ar浓度为3原子％以上、其以外的部位低于3原子％是用于具有高的结合力的条件。
〔第二实施例〕
在第二实施例中，在上述第一实施例的基础上，代替LT晶片而使用铌酸锂晶片(以下也称作“LN晶片”。)进行同样的检查。第二实施例的检查结果也与第一实施例相同。
〔第三实施例〕
在第三实施例中，在上述第一实施例的基础上，代替Si晶片而使用蓝宝石晶片进行同样的检查。第三实施例的检查结果也与第一实施例相同。
〔第四实施例〕
在第四实施例中，在上述第一实施例的基础上，作为LT晶片的薄化，应用离子注入剥离法。即，预先在LT晶片的规定位置打入氢离子，与Si晶片进行贴合之后，进行机械剥离。之后，通过各条件实施热处理，进行与第一实施例同样的检查。第四实施例的检查结果也与第一实施例相同。
〔第五实施例〕
在第五实施例中，在上述第四实施例的基础上，代替LT晶片而使用LN晶片进行同样的检查。第五实施例的检查结果也与第一实施例相同。
〔第六实施例〕
在第六实施例中，与上述第四实施例同样地，作为LT晶片的薄化，应用离子注入剥离法。即，预先在LT晶片的规定位置打入氢离子，作为支承基板与蓝宝石晶片进行贴合之后，进行机械剥离。
由这样得到的薄化LT晶片和蓝宝石晶片构成的接合基板的上述薄化LT的厚度为1μm。
接着，对这样得到的薄化LT晶片和蓝宝石晶片实施500℃、6小时的热处理，LT晶片和蓝宝石晶片的接合界面的EDX检查结果与实施例1的表2的500℃、6小时处理的情况相同，实施剥离试验的结果是得到没有剥离的结果。
接着，为了将上述薄化LT晶片单一极化，进行如下处理，即，将上述由薄化LT晶片和蓝宝石晶片构成的接合基板加热至LT的居里点温度以上即700℃，在将上述接合基板晶片进一步降温的过程的700℃～500℃之间，沿大致+Z軸方向施加4000V/m的电场，之后，将温度降低至室温。实施了上述加热和电场施加处理之后的上述由薄化LT晶片和蓝宝石晶片构成的接合基板接合界面的EDX检查结果与实施例1的表2的500℃、6小时处理的情况相同，实施剥离试验的结果是得到没有剥离的结果。
接着，对于上述接合基板晶片，使用中国科学院声乐研究所制的压电d33仪表(型号ZJ－3BN)，对上述接合基板晶片的主面和背面赋予厚度方向的垂直振动，观测由此诱发的电压波形，在晶片的所有部位得到显示压电响应的波形，d33值在面内一律为5pC/N。
第六实施例的由薄化LT和蓝宝石晶片构成的接合基板在基板面内全部具有压电性，因此，确认到可以被单一极化而作为表面声波元件使用。
如以上所说明，根据本实施方式的复合基板1及复合基板1的制造方法，在压电材料层和支承基板的贴合中能够得到充分的接合强度。
此外，上述对本实施方式进行了说明，但本发明不限于这些例子。例如，对于本领域技术人员对上述的实施方式适当进行了构成要素的追加、删除、设计变更而得到的方案、以及适当组合实施方式的特征而得到的方案，只要具备本发明的主旨，就也包含于本发明的范围内。
符号说明
1…复合基板
10…单晶支承基板
20…氧化物单晶层
30…非晶质层
31…第一非晶质区域
32…第二非晶质区域

Claims (11)

1.一种复合基板，其特征在于，具备：
单晶支承基板，其以第一元素为主成分；
氧化物单晶层，其设于所述单晶支承基板上，以除氧以外的第二元素为主成分；以及
非晶质层，其设于所述单晶支承基板和所述氧化物单晶层之间，含有所述第一元素、所述第二元素及Ar，
所述单晶支承基板包括选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种，
所述氧化物单晶层含有选自钽酸锂及铌酸锂中的一种，
所述非晶质层具有：
所述第一元素的比例比所述第二元素的比例高的第一非晶质区域；以及
所述第二元素的比例比所述第一元素的比例高的第二非晶质区域，
所述第一非晶质区域中所含的Ar的浓度比所述第二非晶质区域中所含的Ar的浓度高，且为3原子％以上。
2.根据权利要求1所述的复合基板，其中，
所述第二非晶质区域中所含的Ar的浓度低于3原子％。
3.根据权利要求1所述的复合基板，其中，
所述氧化物单晶层的厚度为50μm以下。
4.根据权利要求1所述的复合基板，其特征在于，
所述氧化物单晶层为单一极化。
5.一种复合基板的制造方法，其具备：
通过Ar将含有第一元素作为主成分的单晶支承基板的表面及以除氧之外的第二元素为主成分的氧化物单晶基板各自的表面活性化的工序；
将通过所述Ar而活性化了的所述单晶支承基板的表面和通过所述Ar而活性化了的所述氧化物单晶基板的表面贴合，在所述单晶支承基板和所述氧化物单晶基板之间形成含有所述第一元素、所述第二元素及Ar的非晶质层的工序；
将所述氧化物单晶基板的厚度减薄，形成氧化物单晶层的工序；以及
热处理工序，
所述单晶支承基板包括选自硅单晶基板及蓝宝石单晶基板中的一种，
所述氧化物单晶基板包含选自钽酸锂及铌酸锂中的一种，
所述非晶质层具有：
所述第一元素的比例比所述第二元素的比例高的第一非晶质区域；以及
所述第二元素的比例比所述第一元素的比例高的第二非晶质区域，
所述热处理工序包括：使所述第一非晶质区域中所含的的Ar的浓度比所述第二非晶质区域中所含的Ar的浓度高，且为3原子％以上。
6.根据权利要求5所述的复合基板的制造方法，其中，
所述热处理工序包括：使所述第二非晶质区域中所含的Ar的浓度低于3原子％。
7.根据权利要求5或6所述的复合基板的制造方法，其中，
所述热处理工序包括：将所述非晶质层加热至150℃以上。
8.根据权利要求5所述的复合基板的制造方法，其中，
形成所述氧化物单晶层的工序包括：将所述氧化物单晶基板的厚度设为50μm以下。
9.根据权利要求5所述的复合基板的制造方法，其中，
还具备在将所述单晶支承基板和所述氧化物单晶基板贴合之前，以所述氧化物单晶基板的规定深度实施离子注入的工序，
形成所述氧化物单晶层的工序包括：在所述离子注入的位置将所述氧化物单晶基板的一部分剥离。
10.根据权利要求5所述的复合基板的制造方法，其特征在于，
所述氧化物单晶基板为单一极化。
11.根据权利要求5所述的复合基板的制造方法，其特征在于，
还具备将所述复合基板的所述氧化物单晶层单一极化的工序。
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