DE112018003634T5

DE112018003634T5 - Verbundener Körper und elastische Welle-Element

Info

Publication number: DE112018003634T5
Application number: DE112018003634.0T
Authority: DE
Inventors: Masashi Goto; Tomoyoshi Tai; Mai Minoura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: US20200195217A1; TW201920049A; JP6708773B2; TWI692463B; KR102413290B1; JP6563616B2; KR20200028478A; JP2019140697A; CN110945787A; DE112018003634B4; US11637541B2; JPWO2019039474A1; WO2019039474A1; CN110945787B

Abstract

(Aufgabe) Die Bereitstellung einer Mikrostruktur, die eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, fest und stabil mit einem Trägersubstrat aus Mullit verbinden kann.(Lösung) Es wird ein verbundener Körper 1 mit einem Trägersubstrat 3 und einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 vorgeschlagen. Das Trägersubstrat 3 ist aus Mullit zusammengesetzt und das Material der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 ist LiAO(A stellt ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, dar). Es sind eine Grenzflächenschicht 4, die entlang einer Grenzfläche zwischen dem Trägerkörper 3 und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 vorliegt, und eine Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht 5, die zwischen der Grenzflächenschicht 4 und dem Trägersubstrat 3 vorliegt, einbezogen. Jede der Grenzflächenschicht 4 und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht 5 enthält Sauerstoff, Aluminium, Silizium und ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, als Hauptbestandteile.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbundenen Körper aus einer Schicht aus einem spezifischen piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat aus Mullit.
STAND DER TECHNIK
Eine Oberflächenakustikwellenvorrichtung, die als Filtervorrichtung oder Oszillator wirkt, die oder der in Mobiltelefonen oder dergleichen verwendet wird, und eine Akustikwellenvorrichtung, wie z.B. eine Lambwellenvorrichtung oder ein Filmmassenakustikresonator (FBAR), bei der ein piezoelektrischer Dünnfilm verwendet wird, sind bekannt. Als eine solche Akustikwellenvorrichtung ist eine Vorrichtung bekannt, die durch Anbringen eines Trägersubstrats und eines piezoelektrischen Substrats, das eine Oberflächenakustikwelle ausbreitet, und durch Bereitstellen von ineinandergreifenden Elektroden hergestellt wird, welche die Oberflächenakustikwelle auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats oszillieren lassen können. Durch Anbringen des Trägersubstrats, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als derjenige des piezoelektrischen Substrats, auf dem piezoelektrischen Substrat wird die Änderung der Größe des piezoelektrischen Substrats als Reaktion auf eine Temperaturänderung vermindert, so dass die Änderung der Frequenzeigenschaften als Oberflächenakustikwellenvorrichtung vermindert wird.
Beispielsweise wird im Patentdokument 1 eine Oberflächenakustikwellenvorrichtung mit einer Struktur vorgeschlagen, die durch Verkleben eines piezoelektrischen Substrats und eines Siliziumsubstrats mit einer Haftmittelschicht erhalten wird, die aus einem Epoxyhaftmittel zusammengesetzt ist.
Dabei ist bekannt, dass beim Verbinden eines piezoelektrischen Substrats und eines Siliziumsubstrats ein Siliziumoxidfilm auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats gebildet wird und dass das Siliziumsubstrat und das piezoelektrische Substrat durch den Siliziumoxidfilm verbunden werden (Patentdokument 2). Beim Verbinden wird ein Plasmastrahl auf die Oberflächen des Siliziumoxidfilms und des Siliziumsubstrats eingestrahlt, um die Oberflächen zu aktivieren, worauf ein direktes Verbinden erfolgt (Plasmaaktivierungsverfahren).
Ferner ist bekannt, dass eine Oberfläche des piezoelektrischen Substrats zu einer aufgerauten Oberfläche ausgebildet wird, eine Füllstoffschicht auf der aufgerauten Oberfläche bereitgestellt wird, so dass eine eingeebnete Oberfläche bereitgestellt wird, und die Füllstoffschicht mittels einer Haftschicht auf einem Siliziumsubstrat angebracht wird (Patentdokument 3). Gemäß diesem Verfahren wird ein Harz auf Epoxybasis oder Acrylbasis als Füllstoffschicht und Haftschicht verwendet und als die Verbindungsoberfläche des piezoelektrischen Substrats wird die aufgeraute Oberfläche verwendet, um die Reflexion einer Volumenwelle zu vermindern und eine Störwelle zu vermindern.
Ferner ist ein Direktverbindungsverfahren eines sogenannten FAB („Fast Atom Beam“)-Systems bekannt (Patentdokument 4). Gemäß diesem Verfahren wird ein neutralisierter Atomstrahl auf die jeweiligen Verbindungsoberflächen bei Umgebungstemperatur eingestrahlt, um diese zu aktivieren, worauf das direkte Verbinden erfolgt.
Andererseits ist gemäß dem Patentdokument 5 beschrieben, dass eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material direkt mit einem Trägersubstrat, das aus einem Keramikmaterial (Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid) hergestellt ist, und nicht durch eine Zwischenschicht mit einem Siliziumsubstrat verbunden ist. Das Material der Zwischenschicht ist Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid.
(Dokumente des Standes der Technik)
(Patentdokumente)

(Patentdokument 1) Japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2010-187373 A
(Patentdokument 2) US-Patent Nr. 7,213,314 B2
(Patentdokument 3) Japanisches Patent Nr. 5,814,727 B
(Patentdokument 4) Japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2014-086400 A
(Patentdokument 5) Patent Nr. 3,774,782 B

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben)
Die Erfinder haben Forschungen bezüglich des festen und stabilen Verbindens eines Trägersubstrats, das insbesondere aus Mullit zusammengesetzt ist, mit einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, durchgeführt. Der Grund dafür besteht darin, dass es bevorzugt ist, die Schicht aus einem piezoelektrischen Material durch Polieren dünner zu machen, nachdem das Trägersubstrat mit der Schicht aus einem piezoelektrischen Material verbunden worden ist, und zwar im Hinblick auf das Leistungsvermögen und dahingehend, dass während des Polierens eine feine Trennung auftritt, wenn die Verbindungsfestigkeit niedrig ist.
Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die Schicht aus einem piezoelektrischen Material, die aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, fest und stabil mit dem Trägersubstrat zu verbinden, das aus Mullit zusammengesetzt ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Mikrostruktur, welche die Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, fest und stabil mit dem Trägersubstrat, das aus Mullit zusammengesetzt ist, verbinden kann.
(Lösung der Aufgabe)
Die vorliegende Erfindung stellt einen verbundenen Körper bereit, der ein Trägersubstrat und eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material umfasst, wobei das Trägersubstrat Mullit umfasst und die Schicht aus einem piezoelektrischen Material ein Material umfasst, das LiAO₃ umfasst (A stellt ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, dar):

wobei der verbundene Körper eine Grenzflächenschicht, die entlang einer Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material vorliegt, und eine Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht umfasst, die zwischen der Grenzflächenschicht und dem Trägersubstrat vorliegt; und
wobei jede der Grenzflächenschicht und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht Sauerstoff, Aluminium, Silizium und ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, als Hauptbestandteile umfasst.

(Effekte der Erfindung)
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird erfolgreich eine Mikrostruktur bereitgestellt, bei der die Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, fest und stabil mit dem Trägersubstrat, das aus Mullit zusammengesetzt ist, verbunden werden kann.
Figurenliste

1(a) ist ein Diagramm, das schematisch einen verbundenen Körper 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1(b) ist eine vergrößerte Ansicht eines essentiellen Teils des verbundenen Körpers 1.
2 ist eine Fotografie, die einen essentiellen Teil eines verbundenen Körpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Diagramm, das die Fotografie von 2 zeigt.
4 (a) zeigt den Zustand, bei dem eine Oberfläche 2c einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 durch einen neutralisierten Strahl A aktiviert wird, und 4(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Oberfläche 3c eines Trägersubstrats 3 durch den neutralisierten Strahl A aktiviert wird.
5(a) zeigt den Zustand, bei dem die Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 und das Trägersubstrat 3 miteinander verbunden sind, 5(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2A durch eine Bearbeitung dünner gemacht wird, und 5(c) zeigt den Zustand, bei dem eine Elektrode 9 auf der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2A bereitgestellt ist.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter geeigneter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Der verbundene Körper der vorliegenden Erfindung umfasst ein Trägersubstrat und eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, wobei das Trägersubstrat aus Mullit zusammengesetzt ist und die Schicht aus einem piezoeletrischen Material aus einem LiAO₃-Material hergestellt ist (A stellt ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, dar). Beispielsweise wird gemäß einem verbundenen Körper 1, der in der 1(a) gezeigt ist, eine aktivierte Oberfläche 3a eines Trägersubstrats 3 mit einer aktivierten Oberfläche 2a einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 durch direktes Verbinden verbunden. Ferner stellt 2b eine Hauptoberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 dar und 3b stellt eine Hauptoberfläche des Trägersubstrats 3 dar.
Hier ist eine Verbindungsgrenzfläche des verbundenen Körpers von 1(a) vergrößert und als schematisches Diagramm in der 1(b) gezeigt.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist eine Grenzflächenschicht 4 entlang einer Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat 3 und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 bereitgestellt und eine Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht 5 liegt zwischen der Grenzflächenschicht 4 und dem Trägersubstrat 3 vor. Jede der Grenzflächenschicht 4 und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht 5 ist aus einem Material zusammengesetzt, das ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, Sauerstoff, Aluminium und Silizium, als Hauptbestandteile enthält.
Das Material der Schicht aus einem piezoelektrischen Material ist aus LiAO₃ hergestellt. Hier stellt A ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, dar. Folglich kann LiAO₃ Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder eine feste Lösung aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat sein.
Das Trägersubstrat ist aus Mullit zusammengesetzt. Mullit ist eine Keramik, die aus Mullitkristallen zusammengesetzt ist, die jeweils eine Zusammensetzung von 3Al₂O₃. 2SiO₂(Al₆O₁₃Si₂) aufweisen. Mullit kann vorzugsweise ein Sinterkörper sein und dessen Herstellungsverfahren ist nicht speziell beschränkt.
Die relative Dichte von Mullit, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann im Hinblick auf die Verbindungsfestigkeit vorzugsweise 99,5 Prozent oder höher sein und kann 100 Prozent betragen. Die relative Dichte wird durch das Archimedes-Verfahren gemessen. Ferner kann die Reinheit von Mullit im Hinblick auf die Verbindungsfestigkeit vorzugsweise 98 Prozent oder höher und mehr bevorzugt 99 % oder höher sein.
Die Zusammensetzungen der jeweiligen Schichten, die in den 1 (b) und 2 gezeigt sind, sind wie folgt.
Zusammensetzung des Trägersubstrats: Al₆O₁₃Si₂
Zusammensetzung der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2: LiAO₃ (A = Ta, Nb)
Dann werden auf der Stufe eines direkten Verbindens des Trägersubstrats 3 und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 die Aktivierungsbedingungen der jeweiligen Verbindungsoberflächen so eingestellt, dass eine geeignete Atomdiffusion entlang der Grenzfläche der beiden erzeugt wird, so dass die Grenzflächenschicht 4 und die Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht 5 erzeugt werden können. D.h., jede der Grenzflächenschicht und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht enthält ein oder mehrere Element(e) (A) ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und Silizium (Si) als Hauptbestandteile. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere Element(e) (A), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, von der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 zu der Seite des Trägersubstrats 3 diffundiert oder diffundieren. Dies bedeutet ferner, dass Aluminium (Al) und Silizium (Si) von dem Trägersubstrat 3 (Al₆O₁₃Si₂) zu der Schicht aus einem piezoelektrischen Material (LiAO₃) diffundieren.
Es wird gefunden, dass die Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, durch Anwenden einer solchen Mikrostruktur fest und stabil mit dem Trägersubstrat, das aus Mullit zusammengesetzt ist, verbunden werden kann.
Ferner bedeutet „das Material enthält ein oder mehrere Element(e) (A), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und Silizium (Si), als Hauptbestandteile“, dass die Gesamtmenge dieser Elemente 95 Atomprozent oder höher ist und vorzugsweise 97 Atomprozent oder höher sein kann, mit der Maßgabe, dass 100 der Gesamtmenge aller Elemente zugeordnet ist.
Beim detaillierten Untersuchen dieser Zusammensetzungen durch die Erfinder hat sich das Folgende gezeigt. D.h., in dem Fall, bei dem der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht 4 höher als der Siliziumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht 5 ist, zeigt sich, dass insbesondere die Verbindungsfestigkeit beträchtlich verbessert ist und dass eine Tendenz dahingehend besteht, dass ein Massebruch in Teilen auftritt, die von der Verbindungsgrenzfläche verschieden sind.
Die Gründe sind nicht klar. Da Silizium (Si)-Atome von dem Trägersubstrat zu der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 diffundieren, wird herkömmlich davon ausgegangen, dass der Siliziumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht 5 höher als der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht 4 sein sollte. Die Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht und die Grenzflächenschicht sind jedoch sehr dünn, so dass die Diffusion von Silizium abhängig von dem Aktivierungszustand jeder Verbindungsoberfläche erleichtert wird. Es wird folglich davon ausgegangen, dass die Diffusion von Silizium in die Grenzflächenschicht 4 geringfügig entfernt von dem Trägersubstrat 3 konzentriert ist. Ferner wird gefunden, dass die Verbindungsfestigkeit in dem Fall, bei dem eine solche Diffusion stattfindet, beträchtlich verbessert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie z.B. in den 2 und 3 gezeigt ist, ist die Grenzflächenschicht 4 hell und die Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht 5 ist dunkel. Diese Fotografie ist jedoch ein Hellfeldbild, das durch ein Transmissionselektronenmikroskop bei den folgenden Bedingungen aufgenommen worden ist.
Messsystem:

Die Mikrostruktur wird mit einem Transmissionselektronenmikroskop (erhältlich von JEOL Ltd., „JEM-ARM200F“) untersucht.

Messbedingungen:

Eine Probe wird durch das FIB (fokussierter lonenstrahl)-Verfahren dünner gemacht und bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV untersucht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jeder der Atomanteile des Trägersubstrats, der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht, der Grenzflächenschicht und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie folgt bestimmt.
Messsystem:

Elementaranalysesystem (erhältlich von JEOL Ltd., „JED-2300T“)

Messbedingungen:

Eine Probe wird durch das FIB (fokussierter lonenstrahl)-Verfahren dünner gemacht und bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV, einem Röntgenstrahlabgabewinkel von 21,9°, einem Raumwinkel von 0,98 sr und einer Erfassungszeit von 30 Sekunden untersucht.

Verarbeitung der Messwerte:

Atomanteile von einem oder mehreren Element(en) (A), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, Sauerstoff (O), Aluminium (Al), Silizium (Si) und Argon (Ar), werden an den jeweiligen Teilen der Schicht aus einem piezoelektrischen Material, der Grenzflächenschicht, der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht und des Trägersubstrats gemessen. Das Atomanteil des Elements (A) ist die Gesamtheit der Anteile von Ta und Nb. Dabei werden an den jeweiligen Teilen die jeweiligen Atomanteile (Atom-%) der jeweiligen Atome so berechnet, dass 100 % der Gesamtheit der Atomanteile der jeweiligen Elemente zugeordnet ist.

Dann werden die Atomanteile von Aluminium (Al) und Silizium (Si) des Trägersubstrats auf 100 umgerechnet und entsprechend werden die Atomanteile von Aluminium (Al) und Silizium (Si) der anderen Schichten berechnet. Diese sind Hinweise auf die Diffusion von Aluminium und Silizium von dem Trägersubstrat zu den jeweiligen Schichten. In der Schicht aus einem piezoelektrischen Material betragen die Atomanteile von Aluminium (Al) und Silizium (Si) 0.
Ferner wird der Atomanteil von einem oder mehreren Element(en) (A), ausgewählt aus der Gruppe von Niob und Tantal, der Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf 100 umgerechnet, und entsprechend werden die Atomanteile des Elements (A) der jeweiligen Schichten berechnet. Diese sind Hinweise auf die Diffusion des Elements (A) von der Schicht aus einem piezoelektrischen Material zu den jeweiligen Schichten. Der Atomanteil des Elements (A) des Trägersubstrats beträgt 0.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht 41 oder höher, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist. Durch Erhöhen des Anteils auf 41 oder höher wird die Verbindungsfestigkeit weiter verbessert. Diesbezüglich kann der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht vorzugsweise 51 oder höher und mehr bevorzugt 61 oder höher sein.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht 98 oder niedriger, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist. Der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht kann vorzugsweise 89 oder niedriger und mehr bevorzugt 79 oder niedriger sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht niedriger sein als der Siliziumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht. In diesem Fall kann jedoch eine Differenz zwischen den Siliziumanteilen der Grenzflächenschicht und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht vorzugsweise 21 oder weniger und mehr bevorzugt 12 oder weniger betragen, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist. Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Siliziumanteil der Grenzflächenschicht höher gemacht als der Siliziumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht. In diesem Fall kann eine Differenz zwischen den Siliziumanteilen der Grenzflächenschicht und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht vorzugsweise 19 oder größer und mehr bevorzugt 38 oder größer sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aluminiumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht höher als der Aluminiumanteil des Trägersubstrats. Dies bedeutet, dass in der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht Aluminium (Al), das von dem Trägersubstrat diffundiert ist, lokal konzentriert ist. Die Verbindungsfestigkeit neigt in diesem Fall dazu, besonders hoch zu sein.
Diesbezüglich kann der Aluminiumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht vorzugsweise 105 oder höher und mehr bevorzugt 112 oder höher sein, mit der Maßgabe, dass 100 dem Aluminiumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist. Ferner ist der Aluminiumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht in vielen Fällen tatsächlich 116 oder niedriger.
Der Aluminiumanteil der Zwischenschicht kann im Hinblick auf die Verbindungsfestigkeit vorzugsweise 31 oder höher sein und ist üblicherweise 45 oder niedriger, mit der Maßgabe, dass 100 dem Aluminiumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist. Ferner kann der Aluminiumanteil der Zwischenschicht vorzugsweise niedriger sein als der Aluminiumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht.
Ein oder mehrere Elemente) (A), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, diffundiert oder diffundieren von der Schicht aus einem piezoelektrischen Material zu dem Trägersubstrat. Folglich kann der Atomanteil des Elements (A) der Grenzflächenschicht vorzugsweise 50 bis 90 und mehr bevorzugt 60 bis 88 sein, mit der Maßgabe, dass 100 dem Atomanteil des Elements (A) der Schicht aus einem piezoelektrischen Material zugeordnet ist. Ferner kann der Atomanteil des Elements (A) der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht vorzugsweise 6 bis 30 und mehr bevorzugt 16 bis 23 sein.
Ferner ist der Atomanteil des Elements (A) der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht üblicherweise niedriger als der Atomanteil des Elements (A) der Grenzflächenschicht.
Beispielsweise kann der Atomanteil eines Trägergases, wie z.B. Argon (Ar), der Grenzflächenschicht vorzugsweise 1,8 bis 2,5 Atom-% betragen. Ferner kann der Atomanteil eines Trägergases, wie z.B. Argon (Ar), der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht vorzugsweise 0,1 bis 0,5 Atom-% betragen.
Nachstehend werden bevorzugte Herstellungsbeispiele des verbundenen Körpers der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 4 und 5 sind Diagramme zur Veranschaulichung eines Herstellungsbeispiels des direkten Verbindens eines Trägersubstrats mit einer Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material.
Wie es in der 4(a) gezeigt ist, wird ein neutralisierter Strahl auf eine Oberfläche 2c einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 gemäß den Pfeilen A eingestrahlt, um die Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 zu aktivieren, so dass eine aktivierte Oberfläche bereitgestellt wird.
Ferner wird, wie es in der 4(b) gezeigt ist, ein neutralisierter Strahl A auf die Oberfläche 3c des Trägersubstrats 3 eingestrahlt, um sie zu aktivieren, so dass das Trägersubstrat mit einer darauf ausgebildeten aktivierten Oberfläche bereitgestellt wird. Dann werden, wie es in der 5(a) gezeigt ist, die aktivierte Oberfläche 2a der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 und die aktivierte Oberfläche 3a des Trägerkörpers 3 durch direktes Verbinden verbunden, so dass ein verbundener Körper 1 erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche 2b der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 des verbundenen Körpers 1 ferner einem Poliervorgang zum Verringern der Dicke der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2A unterzogen, wie es in der 5(b) gezeigt ist, so dass ein verbundener Körper 7 erhalten wird. 2d stellt eine polierte Oberfläche dar.
Gemäß der 5(c) werden Elektroden 9 auf der polierten Oberfläche 2d der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2A ausgebildet, so dass eine Oberflächenakustikwellenvorrichtung 8 hergestellt wird.
Nachstehend werden die jeweiligen Bestandteile der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben.
Anwendungen des verbundenen Körpers der vorliegenden Erfindung sind nicht speziell beschränkt und der verbundene Körper kann z.B. in einer geeigneten Weise auf eine Akustikwellenvorrichtung und eine optische Vorrichtung angewandt werden.
Als Akustikwellenvorrichtung ist eine Oberflächenakustikwellenvorrichtung, eine Vorrichtung des Lambwellentyps, ein Dünnfilmresonator (FBAR) oder dergleichen bekannt. Beispielsweise wird die Oberflächenakustikwellenvorrichtung durch Bereitstellen von eingangsseitigen IDT- (Interdigitalwandler-) Elektroden (auch als Kammelektroden oder ineinandergreifende Elektroden bezeichnet) zum Oszillieren einer Oberflächenakustikwelle und einer IDT-Elektrode auf der Ausgangsseite zum Empfangen der Oberflächenakustikwelle auf der Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Durch Anlegen eines Hochfrequenzsignals an die IDT-Elektrode auf der Eingangsseite wird ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt, so dass die Oberflächenakustikwelle auf der Schicht aus einem piezoelektrischen Material oszilliert wird und sich ausbreitet. Dann kann die ausgebreitete Oberflächenakustikwelle als elektrisches Signal von den IDT-Elektroden auf der Ausgangsseite entnommen werden, die in der Ausbreitungsrichtung bereitgestellt ist.
Ein Metallfilm kann auf einer unteren Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material bereitgestellt werden. Nachdem die Vorrichtung des Lamb-Typs als Akustikwellenvorrichtung hergestellt worden ist, spielt der Metallfilm die Rolle des Verbesserns des elektromechanischen Kopplungsfaktors in der Nähe der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats. In diesem Fall weist die Vorrichtung des Lamb-Typs die Struktur auf, bei der ineinandergreifende Elektroden auf den Oberflächen der Schicht aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet sind und der Metallfilm auf der Schicht aus einem piezoelektrischen Material durch einen Hohlraum freiliegt, der in dem Trägersubstrat bereitgestellt ist. Das Material eines solchen Metallfilms umfasst z.B. Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer, Gold oder dergleichen. Ferner kann in dem Fall, bei dem die Lambwellenvorrichtung hergestellt wird, ein Verbundsubstrat verwendet werden, das die Schicht aus einem piezoelektrischen Material ohne den Metallfilm auf der unteren Oberfläche aufweist.
Ferner können ein Metallfilm und ein Isolierfilm auf der unteren Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material bereitgestellt werden. Der Metallfilm spielt die Rolle von Elektroden in dem Fall, bei dem der Dünnfilmresonator als die Akustikwellenvorrichtung hergestellt wird. In diesem Fall weist der Dünnfilmresonator die Struktur auf, bei der Elektroden auf der oberen und unteren Oberfläche der Schicht aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet sind und der Isolierfilm als Hohlraum ausgebildet ist, so dass der Metallfilm auf der Schicht aus einem piezoelektrischen Material freiliegt. Das Material eines solchen Metallfilms umfasst z.B. Molybdän, Ruthenium, Wolfram, Chrom, Aluminium oder dergleichen. Ferner umfasst das Material des Isolierfilms Siliziumdioxid, Phosphorsilikatglas, Borphosphorsilikatglas oder dergleichen.
Ferner können als optische Vorrichtung eine optische Schaltvorrichtung, eine Wellenlängenumwandlungsvorrichtung und eine optische Moduliervorrichtung genannt werden. Ferner kann in der Schicht aus einem piezoelektrischen Material eine periodische Domäneninversionsstruktur ausgebildet sein.
In dem Fall, bei dem der Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenakustikwellenvorrichtung ist und das Material der Schicht aus einem piezoelektrischen Material Lithiumtantalat ist, kann vorzugsweise die Schicht verwendet werden, bei der die Richtung der Ausbreitung einer Oberflächenakustikwelle aufgrund des niedrigen Ausbreitungsverlusts in einem Winkel von 36 bis 47° (beispielsweise 42°) von der Y-Achse zu der Z-Achse um die X-Achse gedreht ist.
Ferner kann in dem Fall, bei dem die Schicht aus einem piezoelektrischen Material aus Lithiumniobat zusammengesetzt ist, vorzugsweise die Schicht verwendet werden, bei der die Richtung der Ausbreitung einer Oberflächenakustikwelle aufgrund des niedrigen Ausbreitungsverlusts in einem Winkel von 60 bis 68° (beispielsweise 64°) von der Y-Achse zu der Z-Achse um die X-Achse gedreht ist. Ferner betragen, obwohl die Größe der Schicht aus einem piezoelektrischen Material nicht speziell beschränkt ist, beispielsweise der Durchmesser 50 bis 150 mm und die Dicke 0,2 bis 60 µm.
Das folgende Verfahren ist zum Erhalten des verbundenen Körpers der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Zuerst werden die Oberflächen (Verbindungsoberflächen) der Schicht aus einem piezoelektrischen Material und des Trägersubstrats eingeebnet, so dass flache Oberflächen erhalten werden. Dabei umfasst das Verfahren des Einebnens von jeder der Oberflächen ein Läppen, ein chemisch-mechanisches Polieren oder dergleichen. Ferner kann die flache Oberfläche vorzugsweise einen Ra von 1 nm oder weniger aufweisen und mehr bevorzugt einen Ra von 0,3 nm oder weniger aufweisen.
Dann werden zum Entfernen eines Rückstands des Schleifmittels die Oberflächen der Schicht aus einem piezoelektrischen Material und des Trägersubstrats gereinigt. Das Verfahren zum Reinigen der Oberflächen umfasst ein Nassreinigen, ein Trockenreinigen, ein Scheuerreinigen oder dergleichen und ein Scheuerreinigen ist zum einfachen und effizienten Erhalten von gereinigten Oberflächen bevorzugt. Dabei ist es besonders bevorzugt, „Semi Clean M-LO“ als Reinigungsflüssigkeit zu verwenden, worauf ein Reinigen mittels eines Scheuerreinigungssystems unter Verwendung eines Mischlösungsmittels aus Aceton und IPA durchgeführt wird.
Dann wird ein neutralisierter Strahl auf die Oberflächen der Schicht aus einem piezoelektrischen Material und des Trägersubstrats zum Aktivieren der jeweiligen flachen Oberflächen eingestrahlt.
Wenn der neutralisierte Strahl zur Durchführung der Oberflächenaktivierung verwendet wird, ist es bevorzugt, ein System, das im Patentdokument 4 beschrieben ist, zum Erzeugen des neutralisierten Strahls zu verwenden, der dann eingestrahlt wird. D.h., es wird eine Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle des Sattelfeldtyps als Strahlquelle verwendet. Dann wird ein Inertgas in eine Kammer eingeführt und eine Hochspannung wird an Elektroden von einer elektrischen Gleichstromquelle angelegt. Dadurch wird ein elektrisches Feld des Sattelfeldtyps zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und einem Gehäuse (negative Elektrode) erzeugt, so dass Elektronen e zum Erzeugen von Strahlen aus Atomen und Ionen aus dem Inertgas erzeugt werden. Von den Strahlen, die ein Gitter erreichen, wird der lonenstrahl an dem Gitter neutralisiert, so dass der Strahl der neutralen Atome von der Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle emittiert wird. Die Atomspezies, die den Strahl bildet, kann vorzugsweise diejenige von einem Inertgas (Argon, Stickstoff oder dergleichen) sein.
Die Spannung und der Strom zum Zeitpunkt der Aktivierung durch Einstrahlen des Strahls können vorzugsweise auf 0,5 bis 2,0 kV bzw. 50 bis 200 mA eingestellt werden.
Dann werden die aktivierten Oberflächen in einer Vakuumatmosphäre miteinander kontaktiert und verbunden. Dieses Verfahren wird bei Umgebungstemperatur durchgeführt, die vorzugsweise 40 °C oder niedriger und mehr bevorzugt 30 °C oder niedriger ist. Die Temperatur während des Verbindungsschritts kann vorzugsweise 20°C oder höher und mehr bevorzugt 25 °C oder niedriger sein. Der Druck während des Verbindungsschritts kann vorzugsweise 100 bis 20000 N betragen.
BEISPIELE
(Vergleichsbeispiel 1)
Der verbundene Körper wurde gemäß dem Verfahren erhalten, das unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben wird.
Insbesondere wurde die Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 aus Lithiumtantalat (LT) mit einem Teil mit flacher Orientierung (OF), einem Durchmesser von 4 Zoll und einer Dicke von 250 µm hergestellt. Als Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 wurde ein 46° Y-geschnittenes, X-Ausbreitung-LT-Substrat verwendet, in dem die Richtung der Ausbreitung der Oberflächenakustikwelle (SAW) X ist und die Y-geschnittene Platte in einem Schneidwinkel gedreht ist. Die Oberfläche 2c der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 wurde zu einem arithmetischen Mittenrauwert Ra von 1 nm spiegelglanzpoliert.
Ferner wurde als Trägersubstrat 3 ein Mullit-Substrat mit einem OF-Teil, einem Durchmesser von 4 Zoll und einer Dicke von 230 µm hergestellt. Die Oberflächen 3c des Trägersubstrats 3 aus Mullit wiesen einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 0,3 nm auf. Der arithmetische Mittenrauwert wurde mittels eines Rasterkraftmikroskops (AFM) in einem quadratischen Sichtfeld mit einer Länge von 10 µm und einer Breite von 10 µm bewertet.
Das Trägersubstrat 3 wurde dann durch eine Scheuerreinigungseinrichtung gereinigt. „Semi-clean M-LO“ wurde als Reinigungsflüssigkeit verwendet und eine Mischlösung aus Aceton und IPA wurde dann als Reinigungsflüssigkeit verwendet. Das Trägersubstrat 3 und die Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 wurden mit einem Scheuerreinigungsgerät gereinigt und dann in eine Vakuumkammer eingebracht. Das Innere wurde zu einem Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa evakuiert und ein Hochgeschwindigkeitsatomstrahl (bei einer Beschleunigungsspannung von 0,5 kV und einer Flussrate von Ar von 27 sccm) wurde auf jede der Verbindungsoberflächen der Substrate während 120 Sekunden eingestrahlt. Die mit dem Strahl bestrahlte Oberfläche (aktivierte Oberfläche) 2a der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 und die aktivierte Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 wurden dann miteinander kontaktiert, worauf während 2 Minuten ein Beaufschlagen mit Druck bei 10000 N durchgeführt wurde, um die Substrate zu verbinden (5(a)).
Der so erhaltene verbundene Körper wurde dann der Messung der jeweiligen Atomanteile von Sauerstoff (O), Aluminium (Al), Silizium (Si), Tantal (Ta) und Argon (Ar) der Schicht aus einem piezoelektrischen Material, der Grenzflächenschicht, der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht bzw. des Trägersubstrats unterzogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
Ferner liegt das Vergleichsbeispiel 1 außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, da Silizium nicht in der Grenzflächenschicht enthalten ist.

Ferner wurde der so erhaltene verbundene Körper einer Bewertung der Verbindungsfestigkeit durch ein Rissöffnungsverfahren unterzogen, wobei ein Wert von 0,5 J/m² erhalten wurde. Ferner wurde die Oberfläche 2b der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 geschliffen und poliert, so dass die Dicke von den ursprünglichen 250 µm auf 30 µm geändert wurde. Das Ablösen des verbundenen Teils trat während der Schleif- und Polierschritte auf. Tabelle 1

Vergleichsbeispiel 1
	O	Al	Si	Ta	Ar
Einheit	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Atom-%
Schicht aus einem piezoelektrischen Material	111	0	0	100	0
Grenzflächenschicht	96	30	0	91	2,6
Trägersubstrat -seitige Zwischenschicht	99	90	22	31	0,6
Träqersubstrat	100	100	100	0	0

(Erfindungsgemäßes Beispiel 1)
Der verbundene Körper wurde gemäß dem gleichen Verfahren wie das Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Beschleunigungsspannung für das Einstrahlen auf die Verbindungsoberflächen der Substrate während des Verbindens wurde jedoch zu 0,6 kV verändert.

Der so erhaltene verbundene Körper wurde dann der Messung der jeweiligen Atomanteile von Sauerstoff (O), Aluminium (Al), Silizium (Si), Tantal (Ta) und Argon (Ar) der Schicht aus einem piezoelektrischen Material, der Grenzflächenschicht, der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht bzw. des Trägersubstrats unterzogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Erfindungsgemäßes Beispiel 1
	O	Al	Si	Ta	Ar
Einheit	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Atom-%
Schicht aus einem piezoelektrischen Material	104	0	0	100	0
Grenzflächenschicht	92	45	18	72	2,0
Trägersubstrat -seitige Zwischenschicht	98	95	30	23	0,2
Trägersubstrat	100	100	100	0	0

Ferner wurde der so erhaltene verbundene Körper einer Bewertung der Verbindungsfestigkeit durch ein Rissöffnungsverfahren unterzogen, wobei ein Wert von 0,75 J/m² erhalten wurde. Ferner wurde die Oberfläche 2b der Schicht aus einem piezoelektrischen Material 2 geschliffen und poliert, so dass die Dicke von den ursprünglichen 250 µm auf 30 µm geändert wurde. Das Ablösen des verbundenen Teils trat während der Schleif- und Polierschritte nicht auf. Bei einem weiteren Schleifen und Polieren bis zu einer Dicke von 20 µm trat das Ablösen des verbundenen Teils während der Schleif- und Polierschritte auf.
(Erfindungsgemäße Beispiele 2 bis 4)
Die verbundenen Körper wurden gemäß dem gleichen Verfahren wie das Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Beschleunigungsspannungen für das Einstrahlen auf die Verbindungsoberflächen der Substrate während des Verbindens wurden jedoch in den erfindungsgemäßen Beispielen 2, 3 und 4 zu 1,0 kV, 1,2 kV bzw. 1,5 kV verändert.
Die so erhaltenen verbundenen Körper wurden dann der Messung der jeweiligen Atomanteile von Sauerstoff (O), Aluminium (AI), Silizium (Si), Tantal (Ta) und Argon (Ar) der Schicht aus einem piezoelektrischen Material, der Grenzflächenschicht, der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht bzw. des Trägersubstrats unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3, 4 und 5 gezeigt.

Ferner wurden die so erhaltenen verbundenen Körper einer Bewertung der Verbindungsfestigkeit durch ein Rissöffnungsverfahren unterzogen und ein Massebruch trat in allen verbundenen Körpern auf. Ferner wurden die Oberflächen 2b der Schichten aus einem piezoelektrischen Material 2 geschliffen und poliert, so dass die Dicke von den ursprünglichen 250 µm auf 20 µm geändert wurde. Das Ablösen des verbundenen Teils trat während der Schleif- und Polierschritte nicht auf. [0065] Tabelle 3

Erfindungsgemäßes Beispiel 2
	O	Al	Si	Ta	Ar
Einheit	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Atom-%
Schicht aus einem piezoelektrischen Material	101	0	0	100	0
Grenzflächenschicht	91	45	70	60	1,8
Trägersubstrat -seitige Zwischen schicht	90	114	18	22	0,2
Trägersubstrat	100	100	100	0	0

[0066] Tabelle 4

Erfindungsgemäßes Beispiel 3
	O	Al	Si	Ta	Ar
Einheit	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Atom-%
Schicht aus einem piezoelektrischen Material	114	0	0	100	0
Grenzflächenschicht	87	31	61	88	2,5
Trägersubstrat -seitige Zwischenschicht	97	112	23	16	0,2
Träqersubstrat	100	100	100	0	0

[0067] Tabelle 5

Erfindungsgemäßes Beispiel 4
	O	AI	Si	Ta	Ar
Einheit	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Relativer Anteil	Atom-%
Schicht aus einem piezoelektrischen Material	107	0	0	100	0
Grenzflächenschicht	87	38	79	74	2,2
Trägersubstrat -seitige Zwischen schicht	91	116	21	19	0,2
Trägersubstrat	100	100	100	0	0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010187373 A [0007]
US 7213314 B2 [0007]
JP 5814727 B [0007]
JP 2014086400 A [0007]

Claims

Verbundener Körper, der ein Trägersubstrat und eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material umfasst, wobei das Trägersubstrat Mullit umfasst und die Schicht aus einem piezoelektrischen Material ein Material umfasst, das LiAO₃ umfasst (A stellt ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, dar): wobei der verbundene Körper eine Grenzflächenschicht, die entlang einer Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat und der Schicht aus einem piezoelektrischen Material vorliegt, und eine Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht umfasst, die zwischen der Grenzflächenschicht und dem Trägersubstrat vorliegt; und wobei jede der Grenzflächenschicht und der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht Sauerstoff, Aluminium, Silizium und ein oder mehrere Element(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, als Hauptbestandteile umfasst.
Verbundener Körper nach Anspruch 1, bei dem die Grenzflächenschicht einen Siliziumanteil aufweist, der höher ist als der Siliziumanteil der Trägersubstrat-seitigen Zwischenschicht.
Verbundener Körper nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Grenzflächenschicht einen Siliziumanteil von 41 oder höher und 98 oder niedriger aufweist, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist.
Verbundener Körper nach Anspruch 3, bei dem die Grenzflächenschicht einen Siliziumanteil von 51 oder höher und 89 oder niedriger aufweist, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist.
Verbundener Körper nach Anspruch 4, bei dem die Grenzflächenschicht einen Siliziumanteil von 61 oder höher und 79 oder niedriger aufweist, mit der Maßgabe, dass 100 dem Siliziumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist.
Verbundener Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht einen Aluminiumanteil aufweist, der höher ist als der Aluminiumanteil des Trägersubstrats.
Verbundener Körper nach Anspruch 6, bei dem die Trägersubstrat-seitige Zwischenschicht einen Aluminiumanteil von 112 oder höher und 116 oder niedriger aufweist, mit der Maßgabe, dass 100 dem Aluminiumanteil des Trägersubstrats zugeordnet ist.
Akustikwellenvorrichtung, umfassend: den verbundenen Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und eine Elektrode, die auf der Schicht aus einem piezoelektrischen Material bereitgestellt ist.