CN111684717B - 压电性材料基板与支撑基板的接合体 - Google Patents
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Abstract
本发明在支撑基板与由选自由铌酸锂等构成的组中的材质形成的压电性材料基板的接合体中，使接合体的接合强度提高。接合体7、7A具备：支撑基板4；压电性材料基板1、1A，它们由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及非晶质层5，其存在于支撑基板4与压电性材料基板1、1A之间。非晶质层5包含选自由铌和钽构成的组中的一种以上金属原子、构成支撑基板的原子以及氧原子。非晶质层5中的所述金属原子的浓度高于氧原子的浓度，且为20～65原子％。
Description
技术领域
本发明涉及压电性材料基板与支撑基板的接合体。
背景技术
出于实现高性能的半导体元件的目的，广泛使用包含高电阻Si/SiO2薄膜/Si薄膜的SOI基板。在实现SOI基板时，使用等离子体活化。这是因为能够于比较低的温度(400℃)进行接合。为了提高压电器件的特性，提出了类似的包含Si/SiO2薄膜/压电薄膜的复合基板(专利文献1)。在专利文献1中，将包含铌酸锂或钽酸锂的压电性材料基板和设置有氧化硅层的硅基板利用离子注入法活化后进行接合。
还提出了在接合界面形成单一或多个介电膜的多层结构的过滤器(专利文献2)。
在专利文献3中记载有如下内容，即，借助氧化硅层并利用等离子体活化法将钽酸锂和蓝宝石或陶瓷接合。
在非专利文献1中记载有如下内容，即，通过连续不断地照射O2的RIE(13.56MHz)等离子体和N2的微波(2.45GHz)等离子体，从而将钽酸锂基板和设置有氧化硅层的硅基板接合。
在Si与SiO2/Si的等离子体活化接合中，在其接合界面形成Si-O-Si键，由此得到足够的接合强度。另外，与此同时Si被氧化为SiO2，由此平滑度提高，在最外表面促进上述接合(非专利文献2)。
在专利文献4中，将硅基板的表面和钽酸锂基板的表面利用氩气束进行表面活化后，将各表面接合，由此，沿着硅基板与钽酸锂基板的界面而生成包含钽、硅、氩以及氧的非晶质层。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：ECS Transactions,3(6)91-98(2006)
非专利文献2：J.Applied Physics 113,094905(2013)
专利文献
专利文献1：日本特开2016-225537
专利文献2：日本特许-5910763
专利文献3：日本特许第3774782号
专利文献4：WO2017－134980A1
发明内容
但是，发现如果像专利文献4中记载那样尝试对硅基板和钽酸锂基板进行表面活化并直接接合，则接合强度较低，在利用研磨加工等对接合体施加应力时会发生剥离。认为是由于钽原子在非晶质层中大幅扩散，所以接合强度升高，但是，尚不清楚没有提高到某种程度以上的原因。
本发明的课题在于，在支撑基板与由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成的压电性材料基板的接合体中，使接合体的接合强度提高。
本发明所涉及的接合体具备：
支撑基板；
压电性材料基板，该压电性材料基板由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及
非晶质层，该非晶质层包含选自由铌和钽构成的组中的一种以上金属原子、构成所述支撑基板的原子以及氧原子，且存在于所述支撑基板与所述压电性材料基板之间，
所述接合体的特征在于，
所述非晶质层中的所述金属原子的浓度高于所述氧原子的浓度，且为20～65原子％。
发明效果
本发明的发明人对在将支撑基板和由铌酸锂等形成的压电性材料基板直接接合时接合体的接合强度降低、在压电性材料基板加工时容易发生剥离的原因进行了研究。
即，发现了如果像专利文献4中记载那样尝试对硅基板和钽酸锂基板进行表面活化并直接接合，则接合强度较低，在利用研磨加工等对接合体施加应力时会发生剥离。在该接合体中，由于钽原子在非晶质层中大幅扩散，所以接合强度理应升高。
因此，尝试对支撑基板的表面及压电性材料基板的表面活化时的条件及能量进行各种变更，对非晶质层的状态及接合强度进行了各种研究。结果发现，不仅选自由钽和铌构成的组中的一种以上金属原子在非晶质层中扩散，并且使该金属原子的浓度高于氧原子的浓度，从而使得接合强度明显改善。
附图说明
图1中，(a)表示压电性材料基板1，(b)表示将压电性材料基板1的接合面1a活化而产生活化后的接合面1c的状态。
图2中，(a)表示支撑基板4，(b)表示将支撑基板4的接合面4a活化而产生活化后的接合面4c的状态。
图3中，(a)表示将压电性材料基板1和支撑基板4直接接合得到的接合体7，(b)表示对接合体7的压电性材料基板1A进行研磨而使其变薄的状态，(c)表示弹性波元件10。
具体实施方式
以下，适当参照附图，对本发明详细地进行说明。
首先，如图1(a)所示，准备出具有一对表面1a、1b的压电性材料基板1。本例中，将1a设为接合面。接下来，如图1(b)所示，像箭头A那样，向压电性材料基板1的接合面1a照射Ar束，得到表面活化后的接合面1c。
另一方面，如图2(a)所示，准备具有一对表面4a、4b的支撑基板4。本例中，将4a设为接合面。接下来，如图2(b)所示，像箭头B那样，对支撑基板4的表面4a照射Ar束而进行表面活化，形成活化后的接合面4c。
接下来，如图3(a)所示，使压电性材料基板1上的活化后的接合面1c和支撑基板4的活化后的接合面4c接触，进行直接接合，得到接合体7。在接合体7生成非晶质层5。在该状态下，可以在压电性材料基板1上设置电极。但是，优选为，如图3(b)所示，对压电性材料基板1的主面1b进行加工，使基板1变薄，得到薄板化后的压电性材料基板1A。1d为加工面。接下来，如图3(c)所示，在接合体7A的压电性材料基板1A的加工面1d上形成规定的电极8，能够得到弹性波元件10。
以下，对本发明的各构成要素依次进行说明。
(非晶质层)
本发明中，支撑基板4与压电性材料基板1之间所存在的非晶质层5包含选自由铌和钽构成的组中的一种以上金属原子、构成支撑基板的原子以及氧原子，非晶质层中的所述金属原子的浓度高于氧原子的浓度，且为20～65原子％。通过设置上述非晶质层5，能够使支撑基板4与压电性材料基板1的接合强度提高。
选自由铌和钽构成的组中的一种以上金属原子可以仅为铌，也可以仅为钽，还可以为铌和钽这两者。在非晶质层5同时包含铌和钽的情况下，所述金属原子的浓度为铌的浓度和钽的浓度的合计值。另外，在构成支撑基板4的原子为单一种类的情况下，构成非晶质层5的所述原子也为单一种类。在构成支撑基板4的原子存在多种的情况下，构成支撑基板4的原子为这些原子中的一种或多种。不过，从构成支撑基板4的原子中排除铌、钽、氧。
根据本发明，非晶质层5中的所述金属原子的浓度高于氧原子的浓度，且为20～65原子％。从本发明的观点考虑，非晶质层5中的所述金属原子的浓度更优选为20.3原子％以上，进一步优选为63.2原子％以下。
优选的实施方式中，将非晶质层中的所述金属原子的浓度设为1.0时，氧原子的浓度为0.30～0.65，氧原子的浓度更优选为0.32～0.62，由此接合强度进一步提高。
另外，非晶质层5中的氧原子的浓度优选为12～26原子％。
非晶质层5中，构成支撑基板4的原子为除了钽、铌、氧原子以外的原子。该原子优选为硅。从本发明的观点考虑，非晶质层5中的构成支撑基板4的所述原子的浓度优选为13～64原子％。
另外，在非晶质层5中可以含有氩、氮。氩、氮的浓度优选为1.0～5.0原子％。
非晶质层5的厚度优选为4～12nm。
另外，非晶质层5的存在如下确认。
测定装置：
使用透射型电子显微镜(日立高新技术制H-9500)进行微结构观察。
测定条件：
以加速电压200kV，对利用FIB(聚焦离子束)法进行薄片化后的样品进行观察。
非晶质层5中的各原子的浓度如下测定。
测定装置：
使用元素分析装置(日本电子JEM-ARM200F)进行元素分析。
测定条件：
以加速电压200kV对利用FIB(聚焦离子束)法进行薄片化后的样品进行观察。
(支撑基板)
支撑基板4的材质没有特别限定，可例示以下材质。
支撑基板4的材质优选包含选自由硅、水晶、硅铝氧氮陶瓷、多铝红柱石、蓝宝石以及透光性氧化铝构成的组中的材质。由此，能够进一步改善弹性波元件的频率的温度特性。
(压电性材料基板)
本发明中使用的压电性材料基板1采用钽酸锂(LT)单晶、铌酸锂(LN)单晶、铌酸锂－钽酸锂固溶体。这些材料的弹性波传播速度快，机电耦合系数大，因此，适合作为高频率且宽频带用的弹性表面波器件。
另外，压电性材料基板1的主面的法线方向没有特别限定，例如，在压电性材料基板1由LT形成时，使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Y轴向Z轴旋转32～50°的方向、以欧拉角表示为(180°、58～40°、180°)的压电性材料基板，由于传播损失较小，所以较为理想。在压电性材料基板由LN形成时，(a)使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Z轴向-Y轴旋转37.8°的方向、以欧拉角表示为(0°、37.8°、0°)的压电性材料基板，由于机电耦合系数较大，所以理想；或者(b)使用以作为弹性表面波的传播方向的X轴为中心从Y轴向Z轴旋转40～65°的方向、以欧拉角表示为(180°、50～25°、180°)的压电性材料基板，由于可得到高音速，所以较为理想。此外，压电性材料基板的大小没有特别限定，例如直径为100～200mm，厚度为0.15～50μm。
(表面活化处理)
对压电性材料基板1的表面1a及支撑基板4的表面4a进行活化处理。此时，通过对压电性材料基板1的表面1a及支撑基板4的表面4a照射中性束，能够使压电性材料基板1的表面1a及支撑基板4的表面4a活化。此时，通过控制用于照射中性束的电压、电流、束原子气体流量、以及束的照射时间，能够控制接合界面的原子浓度。
在利用中性束进行表面活化时，优选使用像日本特开2014－086400中记载的那样的装置产生中性束进行照射。即，作为束源，使用鞍场型的高速原子束源。并且，向腔室内导入不活泼性气体，从直流电源向电极施加高电压。由此，通过在电极(正极)与壳体(负极)之间产生的鞍场型电场，使得电子e运动，生成由不活泼性气体产生的原子束和离子束。到达栅极的束中，离子束在栅极被中和，所以，中性原子束从高速原子束源射出。构成束的原子种类优选为不活泼性气体(氩、氮等)。
利用束照射进行活化时的电压优选为0.2～2.0kV，电流优选为20～200mA，不活泼性气体的流量优选为20sccm～80sccm，束照射时间优选为15～300sec。
接下来，在真空气氛中，使活化面彼此接触，进行接合。此时的温度为常温，具体而言，优选为40℃以下，更优选为30℃以下。另外，接合时的温度特别优选为20℃以上25℃以下。接合时的压力优选为100～20000N。
接下来，使压电性材料基板1的活化后的接合面1c和支撑基板4的活化后的接合面4c接触，进行接合。然后，优选进行退火处理来提高接合强度。退火处理时的温度优选为100℃以上300℃以下。
(弹性波元件)
本发明的接合体7、7A可以特别优选用于弹性波元件10。
作为弹性波元件10，已知有弹性表面波器件、拉姆波元件、薄膜谐振器(FBAR)等。例如，弹性表面波器件是在压电性材料基板的表面设置激发弹性表面波的输入侧的IDT(Interdigital Transducer)电极(也称为梳形电极、叉指状电极)和接收弹性表面波的输出侧的IDT电极得到的。如果向输入侧的IDT电极施加高频信号，则在电极间产生电场，激发弹性表面波并使其在压电性材料基板上传播。并且，能够从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极以电信号的形式获取传播来的弹性表面波。
构成压电性材料基板1A上的电极8的材质优选为铝、铝合金、铜、金，更优选为铝或铝合金。铝合金优选使用在Al中混有0.3～5重量％的Cu的铝合金。在这种情况下，可以使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta来代替Cu。
实施例
按照参照图1～图3所说明的方法，制作接合体7A。
具体而言，将具有定向平面部(OF部)、直径为4英寸、厚度为250μm的钽酸锂基板(LT基板)用作压电性材料基板1。另外，作为支撑基板4，准备出具有OF部、直径为4英寸、厚度为230μm的硅基板。LT基板使用将弹性表面波(SAW)的传播方向设为X、切出角为旋转Y切割板的46°Y切割X传播LT基板。对压电性材料基板1的表面1a和支撑基板4的表面4a进行镜面研磨，以使算术平均粗糙度Ra为1nm。关于算术平均粗糙度，利用原子力显微镜(AFM)，对纵10μm×横10μm的正方形的视野进行了评价。
接下来，对压电性材料基板1的表面1a和支撑基板4的表面4a进行清洗，去除污渍后，导入至真空腔室。抽真空至10－6Pa以上且低于10－5Pa后，向各基板的接合面1a、4a照射135KJ的高速原子束。接下来，使压电性材料基板1的束照射面(活化后的接合面)1c和支撑基板4的活化后的接合面4c接触后，以10000N加压2分钟，将两个基板接合。
此处，像表1、表2所示那样，变更束的照射能量(FAB照射量)。并且，对沿着得到的各接合体7的接合界面存在非晶质层5进行确认，并测定非晶质层5中的各原子的浓度，将结果示于表1、表2。另外，将非晶质层5中的钽原子的浓度设为1.00时的各原子的浓度的相对比率也示于表1、表2。
此外，利用裂纹张开法，评价各例的接合体7的接合强度，并示于表1、表2。
[表1]
[表2]
比较例1、2中，非晶质层5中的钽的浓度较低(比较例1中为16.6原子％、比较例2中为9.2原子％)，钽的扩散不充分，因此，接合强度降低(比较例1中的接合强度为0.8J/m2、比较例2中的接合强度为0.2J/m2)。
比较例3中，非晶质层5中的钽浓度较高(比较例3中为75.3原子％)，接合强度降低(比较例3中的接合强度为0.5J/m2)。
比较例4中，虽然非晶质层5中的钽原子适度地扩散(比较例4中为38.5原子％)，但是，钽原子的浓度低于氧原子的浓度(将钽原子的浓度设为1.0时，比较例4中，氧原子的浓度为1.26)，结果，接合强度降低(比较例4中的接合强度为1.0J/m2)。
另一方面，本发明的实施例1～3中，得到高接合强度。具体而言，实施例1～3中，非晶质层5中的钽浓度适度地扩散(实施例1中为41.5原子％、实施例2中为20.3原子％、比较例3中为63.2原子％)、且钽原子的浓度高于氧原子的浓度(将钽原子的浓度设为1.0时，氧原子的浓度在实施例1中为0.42、在实施例2中为0.62、在实施例3中为0.32)。结果，能够提高压电性材料基板1与支撑基板4的接合强度(实施例1中为2.2J/m2、实施例2中为1.8J/m2、实施例3中为1.9J/m2)。
另外，作为压电性材料基板1，使用铌酸锂基板(LN基板)代替钽酸锂基板(LT基板)的情况也得到同样的结果。
具体而言，如表3的实施例4所示，非晶质层5中的铌原子适度地扩散(实施例4中为59.6原子％)，且铌原子的浓度高于氧原子的浓度(将铌原子的浓度设为1.0时，实施例4中，氧原子的浓度为0.43)。结果，能够提高压电性材料基板1与支撑基板4的接合强度(实施例4中为2.0J/m2)。
[表3]
Claims (5)
1.一种接合体，其具备：
支撑基板；
压电性材料基板，该压电性材料基板由选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成；以及
非晶质层，该非晶质层包含选自由铌和钽构成的组中的一种以上金属原子、构成所述支撑基板的原子以及氧原子，且存在于所述支撑基板与所述压电性材料基板之间，
所述接合体的特征在于，
所述非晶质层中的所述金属原子的浓度高于所述氧原子的浓度，且为20～65原子％，
将所述非晶质层中的所述金属原子的浓度设为1.0时，所述氧原子的浓度为0.30～0.65。
2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，
所述非晶质层还包含氩原子。
3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，
所述支撑基板包含硅。
4.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，
所述压电性材料基板的厚度为50μm以下。
5.根据权利要求3所述的接合体，其特征在于，
所述压电性材料基板的厚度为50μm以下。
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