DE112018006860T5 - Verbundener Körper aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat - Google Patents

Verbundener Körper aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat Download PDF

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Abstract

(Aufgabe) In einem verbundenen Körper aus einem Trägersubstrat und einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat und dergleichen, zusammengesetzt ist, ist die Aufgabe die Verbesserung der Verbindungsfestigkeit des verbundenen Körpers.
(Lösung) Ein verbundener Körper 7 oder 7A umfasst ein Trägersubstrat 4, ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 oder 1A, das aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, zusammengesetzt ist, und eine amorphe Schicht 5, die zwischen dem Trägersubstrat 4 und dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 oder 1A vorliegt. Die amorphe Schicht 5 enthält ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Element, welches das Trägersubstrat bildet, und das Element Sauerstoff. Die Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht 5 ist höher als die Konzentration des Elements Sauerstoff und beträgt 20 bis 65 Atom-%.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbundenen Körper aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein SOI-Substrat, das aus Si mit hohem Widerstand/SiO2-Dünnfilm/Si-Dünnfilm zusammengesetzt ist, wurde zum Erzeugen einer Hochleistungshalbleitervorrichtung verbreitet verwendet. Zum Erzeugen des SOI-Substrats wird eine Plasmaaktivierung verwendet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Verbinden bei einer relativ niedrigen Temperatur (400 °C) durchgeführt werden kann. Es wird ein Verbundsubstrat, das aus einem ähnlichen Si/SiO2-Dünnfilm/piezoelektrischer Dünnfilm zusammengesetzt ist, zum Verbessern der Eigenschaften einer piezoelektrischen Vorrichtung vorgeschlagen (Patentdokument 1). Gemäß dem Patentdokument 1 werden das Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, und ein Siliziumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten Siliziumoxidschicht durch ein lonenaktivierungsverfahren aktiviert, worauf das Verbinden durchgeführt wird.
  • Es wird ferner ein Filter mit einer Mehrschichtstruktur durch Bilden eines einzelnen dielektrischen Films oder einer Mehrzahl von dielektrischen Filmen an der Verbindungsgrenzfläche vorgeschlagen (Patentdokument 2).
  • Das Patentdokument 3 offenbart, dass Lithiumtantalat und Saphir oder eine Keramik durch eine Siliziumoxidschicht mittels eines Plasmaaktivierungsverfahrens verbunden werden.
  • Gemäß dem Nicht-Patentdokument 1 ist beschrieben, dass ein Lithiumtantalatsubstrat und ein Siliziumsubstrat mit einer darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht durch aufeinander folgendes Einstrahlen eines RIE-O2-Plasmas (13,56 MHz) und einer Mikrowelle (2,45 GHz) von N2 miteinander verbunden werden.
  • Wenn Si und SiO2/Si durch eine Plasmaaktivierung miteinander verbunden werden, wird durch die Bildung von Si-O-Si-Bindungen an der Grenzfläche eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit erhalten. Ferner wird gleichzeitig Si zu SiO2 oxidiert, so dass die Ebenheit verbessert wird und das vorstehend beschriebene Verbinden an der obersten Oberfläche erleichtert wird (Nicht-Patentdokument 2).
  • Gemäß dem Patentdokument 4 werden Oberflächen eines Siliziumsubstrats und eines Lithiumtantalatsubstrats einer Oberflächenaktivierung durch einen Argonstrahl unterzogen, worauf das Verbinden der jeweiligen Oberflächen erfolgt. Dadurch wird eine amorphe Schicht, die Tantal, Silizium, Argon und Sauerstoff enthält, entlang einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Lithiumtantalatsubstrat erzeugt.
  • (Dokumente des Standes der Technik)
  • (Nicht-Patentdokumente)
    • (Nicht-Patentdokument 1) ECS Transactions, 3 (6) 91-98 (2006)
    • (Nicht-Patentdokument 2) J. Applied Physics 113, 094905 (2013)
  • (Patentdokumente)
    • (Patentdokument 1) Japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2016-225537 A
    • (Patentdokument 2) Japanisches Patent Nr. 5910763 B
    • (Patentdokument 3) Japanisches Patent Nr. 3774782 B
    • (Patentdokument 4) WO 2017/134980 A1
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • (Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe)
  • Wie es im Patentdokument 4 gezeigt ist, wurde in dem Fall, bei dem ein Siliziumsubstrat und ein Lithiumtantalatsubstrat einer Oberflächenaktivierung und einem direkten Verbinden unterzogen werden, jedoch gezeigt, dass die Verbindungsfestigkeit gering war und ein Ablösen stattfand, wenn auf den verbundenen Körper während des Polierens oder dergleichen eine Belastung ausgeübt wird. Da das Element Tantal beträchtlich in die amorphe Schicht diffundiert, so dass davon ausgegangen wird, dass die Verbindungsfestigkeit hoch ist, ist der Grund dafür nicht klar, dass die Verbindungsfestigkeit über einen bestimmten Grad hinaus nicht hoch ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einem verbundenen Körper aus einem Trägersubstrat und einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, zusammengesetzt ist, die Verbindungsfestigkeit des verbundenen Körpers zu verbessern.
  • (Lösung der Aufgabe)
  • Der verbundene Körper der vorliegenden Erfindung umfasst:
    • ein Trägersubstrat;
    • ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst; und
    • eine amorphe Schicht, die zwischen dem Trägersubstrat und dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material vorliegt und ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Element, welches das Trägersubstrat bildet, und das Element Sauerstoff, umfasst;
    • wobei die Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht höher ist als die Konzentration des Elements Sauerstoff und 20 bis 65 Atom-% beträgt.
  • (Effekt der Erfindung)
  • Beim direkten Verbinden eines Trägersubstrats und eines Substrats aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder dergleichen zusammengesetzt ist, haben die Erfinder den Grund dafür untersucht, dass die Verbindungsfestigkeit eines verbundenen Körpers vermindert wird und das Ablösen während der Verarbeitung des Substrats aus einem piezoelektrischen Material erleichtert wird.
  • D.h., wie es im Patentdokument 4 gezeigt ist, wurde in dem Fall, bei dem das Siliziumsubstrat und das Lithiumtantalatsubstrat einer Oberflächenaktivierung und einem direkten Verbinden unterzogen werden, gezeigt, dass die Verbindungsfestigkeit niedrig war und das Substrat bei einer Belastung, die auf den verbundenen Körper durch Polieren oder dergleichen ausgeübt wird, abgelöst wird. Es wird vermutet, dass das Element Tantal beträchtlich in die amorphe Schicht in dem verbundenen Körper diffundiert und die Verbindungsfestigkeit hoch gewesen sein sollte.
  • Folglich wurden die Bedingungen und die Energie während der Oberflächenaktivierung von Oberflächen des Trägersubstrats und des Substrats aus einem piezoelektrischen Material verschiedenartig verändert und der Zustand der amorphen Schicht und die Verbindungsfestigkeit wurden verschiedenartig untersucht. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Verbindungsfestigkeit durch Diffundieren von einem oder mehreren Metallelement(en), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal und Niob, in die amorphe Schicht und zusätzlich dazu Höhermachen der Konzentration des Metallelements als die Konzentration des Elements Sauerstoff beträchtlich verbessert wurde.
  • Figurenliste
    • 1(a) zeigt ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 und die 1(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 zum Erzeugen einer aktivierten Verbindungsoberfläche 1c aktiviert wird.
    • 2(a) zeigt ein Trägersubstrat 4 und die 2(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Verbindungsoberfläche 4a des Trägersubstrats 4 zum Erzeugen einer aktivierten Verbindungsoberfläche 4c aktiviert wird.
    • 3(a) zeigt einen verbundenen Körper 7, der durch direktes Verbinden des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und des Trägersubstrats 4 erhalten wird, 3(b) zeigt den Zustand, bei dem ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1A des verbundenen Körpers 7 poliert und dünner gemacht wird und 3(c) zeigt eine Akustikwellenvorrichtung 10.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter geeigneter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
  • Zuerst wird, wie es in der 1(a) gezeigt ist, ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 mit einem Paar von Oberflächen 1a und 1b hergestellt. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird 1a als Verbindungsoberfläche ausgebildet. Dann wird, wie es in der 1(b) gezeigt ist, ein Ar-Strahl auf eine Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 gemäß dem Pfeil A eingestrahlt, so dass eine oberflächenaktivierte Verbindungsoberfläche 1c erhalten wird.
  • Andererseits wird, wie es in der 2(a) gezeigt ist, ein Trägersubstrat 4 mit einem Paar von Oberflächen 4a und 4b hergestellt. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird 4a als Verbindungsoberfläche ausgebildet. Dann wird, wie es in der 2(b) gezeigt ist, ein Ar-Strahl auf die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 gemäß dem Pfeil B eingestrahlt, so dass die Oberflächenaktivierung zur Bildung einer aktivierten Verbindungsoberfläche 4c durchgeführt wird.
  • Dann werden, wie es in der 3(a) gezeigt ist, die aktivierte Verbindungsoberfläche 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Verbindungsoberfläche 4c des Trägersubstrats 4 in Kontakt gebracht und direkt miteinander verbunden, so dass ein verbundener Körper 7 erhalten wird. Eine amorphe Schicht 5 wird in dem verbundenen Körper 7 erzeugt. Auf dieser Stufe können Elektroden auf dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 bereitgestellt werden. Vorzugsweise wird jedoch, wie es in der 3(b) gezeigt ist, die Hauptoberfläche 1b des Substrats aus einem piezoelektrischen Material so bearbeitet, dass das Substrat 1 dünnergemacht wird, so dass ein dünnergemachtes Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1A erhalten wird. 1d stellt eine bearbeitete Oberfläche dar. Dann können, wie es in der 3(c) gezeigt ist, vorgegebene Elektroden 8 auf der bearbeiteten Oberfläche 1d des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A des verbundenen Körpers 7A gebildet werden, so dass eine Akustikwellenvorrichtung 10 erhalten wird.
  • Die jeweiligen Komponenten der vorliegenden Erfindung werden nachstehend nacheinander beschrieben.
  • (Amorphe Schicht)
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die amorphe Schicht 5, die zwischen dem Trägersubstrat 4 und dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material 5 vorliegt, ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Element, welches das Trägersubstrat bildet, und das Element Sauerstoff. Die Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht ist höher als die Konzentration des Elements Sauerstoff und beträgt 20 bis 65 Atom-%. Durch Bereitstellen einer solchen amorphen Schicht 5 kann die Verbindungsfestigkeit des Trägerkörpers 4 und des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 verbessert werden.
  • Ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, kann oder können Niob allein, Tantal allein oder sowohl Niob als auch Tantal sein. In dem Fall, dass sowohl Niob als auch Tantal in der amorphen Schicht 5 enthalten sind, ist die Konzentration des Metallelements ein Gesamtwert der Konzentrationen von Niob und Tantal. Ferner ist in dem Fall, bei dem das Element, welches das Trägersubstrat 4 bildet, von einer einzelnen Art ist, das Element, das die amorphe Schicht 5 bildet, ebenfalls von einer einzelnen Art. In dem Fall, bei dem mehrere Arten von Elementen das Trägersubstrat 4 bilden, handelt es sich bei dem Element, welches das Trägersubstrat 4 bildet, um eine oder mehrere Art(en) davon. Es wird ferner dafür gesorgt, dass Niob, Tantal und Sauerstoff als Element, welches das Trägersubstrat 4 bildet, ausgeschlossen sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration des Metallelements höher als die Konzentration des Elements Sauerstoff in der amorphen Schicht 5 und beträgt 20 bis 65 Atom-%. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung kann die Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht 5 mehr bevorzugt 20,3 Atom-% oder höher und mehr bevorzugt 63,2 Atom-% oder niedriger sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist, mit der Maßgabe, dass 1,0 der Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht zugeordnet ist, die Konzentration des Elements Sauerstoff 0,30 bis 0,65, und mehr bevorzugt ist die Konzentration des Elements Sauerstoff 0,32 bis 0,62, so dass die Verbindungsfestigkeit weiter verbessert werden kann.
  • Ferner kann die Konzentration des Elements Sauerstoff in der amorphen Schicht 5 vorzugsweise auf 12 bis 26 Atom-% eingestellt werden.
  • In der amorphen Schicht 5 ist dafür gesorgt, dass das Element, welches das Trägersubstrat 4 bildet, ein Element ist, das von Tantal, Niob und dem Element Sauerstoff verschieden ist. Das Element ist vorzugsweise Silizium. Die Konzentration des Elements, welches das Trägersubstrat 4 bildet, in der amorphen Schicht 5 ist im Hinblick auf die vorliegende Erfindung vorzugsweise 13 bis 64 Atom-%.
  • Ferner kann Argon oder Stickstoff in der amorphen Schicht 5 enthalten sein. Die Konzentration von Argon oder Stickstoff kann 1,0 bis 5,0 Atom-% betragen.
  • Die Dicke der amorphen Schicht 5 kann vorzugsweise 4 bis 12 nm betragen.
  • Ferner wird das Vorliegen der amorphen Schicht 5 wie folgt bestätigt.
  • Messsystem:
    • Die Mikrostruktur wird unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops „H-9500“ von Hitachi High-Tech Corporation untersucht.
  • Messbedingungen:
    • Eine Probe eines dünnergemachten Stücks wird mittels FIB (fokussierter lonenstrahl-Verfahren) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV untersucht.
  • Die Konzentrationen der jeweiligen Elemente in der amorphen Schicht 5 werden in der folgende Weise gemessen.
  • Messsystem:
    • Die Elementaranalyse wird unter Verwendung eines Elementaranalysesystems („JEM-ARM200F“ von JEOL Ltd.) durchgeführt.
  • Messbedingungen:
    • Eine Probe eines dünnergemachten Stücks wird mittels FIB (fokussierter lonenstrahl-Verfahren) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV untersucht.
  • (Trägersubstrat)
  • Das Material des Trägersubstrats 4 ist nicht speziell beschränkt und die folgenden Beispiele werden genannt.
  • Das Material des Trägersubstrats 4 ist vorzugsweise ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Quarz, Sialon, Mullit, Saphir und lichtdurchlässigem Aluminiumoxid. Dadurch ist es möglich, die Temperatureigenschaften der Frequenz der Akustikwellenvorrichtung weiter zu verbessern.
  • (Substrat aus einem piezoelektrischen Material)
  • Das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist aus Lithiumtantalat (LT), Lithiumniobat (LN) oder einer festen Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat hergestellt. Da die Materialien hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten einer Oberflächenakustikwelle und große elektromechanische Kopplungsfaktoren aufweisen, sind sie zur Verwendung in einer Oberflächenakustikwellenvorrichtung für Hochfrequenz- und Breitband-Frequenzanwendungen bevorzugt.
  • Ferner ist die senkrechte Richtung der Hauptoberfläche des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 nicht speziell beschränkt. Beispielsweise ist es in dem Fall, bei dem das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 aus LT hergestellt ist, bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Y-Achse in die Richtung der Z-Achse um 32 bis 50° (180°, 58° bis 40°, 180° auf einer Euler sehen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht ist, wobei es sich um eine Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenakustikwelle handelt, und zwar aufgrund eines niedrigen Ausbreitungsverlusts. In dem Fall, bei dem das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 aus LN hergestellt ist, (i) ist es bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Z-Achse in die Richtung der -Y-Achse um 37,8° (0°, 37,8°, 0° auf einer Euler'schen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht ist, wobei es sich um eine Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenakustikwelle handelt, und zwar aufgrund eines großen elektromechanischen Kopplungsfaktors. Alternativ (ii) ist es bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Y-Achse in die Richtung der Z-Achse um 40 bis 65° (180°, 50 bis 25°, 180° auf einer Euler'schen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht ist, wobei es sich um eine Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenakustikwelle handelt, da eine hohe akustische Geschwindigkeit erhalten werden kann. Ferner kann, obwohl die Größe des Substrats aus einem piezoelektrischen Material nicht speziell beschränkt ist, beispielsweise der Durchmesser 100 bis 200 mm betragen und die Dicke kann 0,15 bis 50 µm betragen.
  • (Oberflächenaktivierungsbehandlung)
  • Die Oberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 werden einer Oberflächenaktivierungsbehandlung unterzogen. Dabei kann ein neutralisierter Strahl auf die Oberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 eingestrahlt werden, so dass die Oberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 aktiviert werden können. Auf dieser Stufe können die Spannung und der Strom zum Einstrahlen des neutralisierten Strahls, die Gasströmungsgeschwindigkeit von Atomen in dem Strahl und die Einstrahlungszeit des Strahls so eingestellt werden, dass die Konzentration der Elemente an der Verbindungsgrenzfläche eingestellt wird.
  • Wenn die Aktivierung der Oberflächen unter Verwendung des neutralisierten Strahls durchgeführt wird, ist es bevorzugt, zur Erzeugung des neutralisierten Strahls, der eingestrahlt wird, ein System zu verwenden, das in JP 2014-086400 A beschrieben ist. D.h., es wird eine Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle des Sattelfeldtyps als Strahlquelle verwendet. Dann wird ein Inertgas in die Kammer eingebracht und von einer elektrischen Gleichstromquelle wird eine Hochspannung an Elektroden angelegt. Dadurch bewirkt ein elektrisches Feld des Satteltyps, das zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und einem Gehäuse (negative Elektrode) erzeugt wird, eine Bewegung von Elektronen, e, so dass Atom- und lonenstrahlen, die von einem Inertgas stammen, erzeugt werden. Von den Strahlen, die ein Gitter erreichen, wird der lonenstrahl am Gitter neutralisiert und der Strahl von neutralen Atomen wird von der Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle emittiert. Bei der Atomspezies, die den Strahl bildet, kann es sich vorzugsweise um ein Inertgas (Argon, Stickstoff oder dergleichen) handeln.
  • In dem Aktivierungsschritt durch Bestrahlen mit einem Strahl kann die Spannung vorzugsweise auf 0,2 bis 2,0 kV eingestellt werden, der Strom kann vorzugsweise auf 20 bis 200 mA eingestellt werden, die Flussrate eines Inertgases kann vorzugsweise auf 20 sccm bis 80 sccm eingestellt werden und die Zeitdauer des Bestrahlens mit einem Strahl kann vorzugsweise auf 15 bis 300 s eingestellt werden.
  • Dann werden die aktivierten Oberflächen in einer Vakuumatmosphäre in Kontakt gebracht und miteinander verbunden. Die Temperatur kann dabei Umgebungstemperatur, insbesondere 40°C oder niedriger und mehr bevorzugt 30 °C oder niedriger sein. Ferner kann die Temperatur während des Verbindens mehr bevorzugt 20 °C oder höher und 25 °C oder niedriger sein. Der Druck beim Verbinden ist vorzugsweise 100 bis 20000 N.
  • Die aktivierte Verbindungsoberfläche 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die aktivierte Verbindungsoberfläche 4c des Trägersubstrats 4 werden dann in Kontakt gebracht und miteinander verbunden. Danach kann zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit vorzugsweise eine Erwärmungsbehandlung durchgeführt werden. Die Temperatur während der Erwärmungsbehandlung kann vorzugsweise 100 °C oder höher und 300 °C oder niedriger sein.
  • (Akustikwellenvorrichtung)
  • Die verbundenen Körper 7 und 7A der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise als Akustikwellenvorrichtung 10 angewandt werden.
  • Als Akustikwellenvorrichtung 10 sind 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 des Substrats aus einem piezoelektrischen Material erzeugt. Durch Anwenden eines Hochfrequenzsignals auf die IDT-Elektrode auf der Eingangsseite wird ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt, so dass die Oberflächenakustikwelle auf dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material oszilliert und ausgebreitet wird. Dann wird die ausgebreitete Oberflächenakustikwelle als elektrisches Signal von den IDT-Elektroden auf der Ausgangsseite, die in der Richtung der Ausbreitung bereitgestellt ist, als elektrisches Signal entnommen.
  • Ein Material, das die Elektrode 8 des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A bildet, kann vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder Gold und mehr bevorzugt Aluminium oder die Aluminiumlegierung sein. Die Aluminiumlegierung kann vorzugsweise Al mit 0,3 bis 5 Gew.-% zugemischtem Cu sein. In diesem Fall können anstelle von Cu Ti, Mg, Ni, Mo oder Ta verwendet werden.
  • BEISPIELE
  • Der verbundene Körper 7A wurde gemäß dem Verfahren hergestellt, das unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben ist.
  • Insbesondere wurde ein Tantalniobatsubstrat (LT-Substrat) mit einem Teil mit flacher Orientierung (OF-Teil), einem Durchmesser von 4 Zoll und einer Dicke von 250 um als das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 verwendet. Ferner wurde als das Trägersubstrat 4 ein Siliziumsubstrat mit einem OF-Teil, einem Durchmesser von 4 Zoll und einer Dicke von 230 µm hergestellt. Als LT-Substrat wurde ein 46°-Y-geschnittenes, X-Ausbreitung LT-Substrat verwendet, dessen Ausschnittwinkel von einer gedrehten Y-geschnittenen Platte stammt und bei dem die Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenakustikwelle (SAW) X ist. Die Oberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 wurden einem Oberflächenspiegelglanzpolieren unterzogen, so dass jeder arithmetische Mittenrauwert Ra auf 1 nm eingestellt wurde. Der arithmetische Mittenrauwert wurde durch Untersuchen eines quadratischen Sichtfelds mit einer Länge von 10 µm und einer Breite von 10 µm durch ein Rasterkraftmikroskop (AFM) bewertet.
  • Die Oberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Oberfläche 4a des Trägersubstrats 4 wurden zur Entfernung von Verunreinigungen gereinigt, worauf sie in eine Vakuumkammer eingebracht wurden. Das Innere wurde auf ein Vakuum in der Größenordnung von 10-6 Pa gebracht und ein Hochgeschwindigkeits-Atomstrahl von 135 kJ wurde auf die Verbindungsoberflächen 1a und 4a der jeweiligen Substrate eingestrahlt. Dann wurden die mit dem Strahl bestrahlte Oberfläche (aktivierte Verbindungsoberfläche) 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die aktivierte Verbindungsoberfläche 4c des Trägersubstrats 4 miteinander in Kontakt gebracht, worauf ein Beaufschlagen mit Druck bei 10000 N für 2 Minuten durchgeführt wurde, so dass die jeweiligen Substrate miteinander verbunden wurden.
  • Dabei wurde die Energie der Bestrahlung mit dem Strahl (FAB-Bestrahlungsmenge) so verändert, wie es in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist. Dann wurde bestätigt, dass die amorphe Schicht 5 entlang der Verbindungsgrenzfläche von jedem der so erhaltenen verbundenen Körper 7 vorlag, die Konzentrationen der jeweiligen Elemente in der amorphen Schicht 5 wurden gemessen und die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Ferner sind die relativen Verhältnisse der Konzentrationen der jeweiligen Elemente, mit der Maßgabe, dass 1,00 der Konzentration des Elements Tantal in der amorphen Schicht 5 zugeordnet ist, in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
  • Ferner wurden die Verbindungsfestigkeiten der verbundenen Körper der jeweiligen Beispiele durch das Rissöffnungsverfahren bewertet und sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Tabelle 1
    Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2 Vergleichsbeispiel 3 Vergleichsbeispiel 4
    Substrat aus einem piezoelektrischen Material Lithiumtantalat Lithiumtantalat Lithiumtantalat Lithiumtantalat
    Trägersubstrat Si Si Si Si
    FAB-Bestrahlungsmenge (kJ) 45 22,5 270 225
    Verbindungsfestigkeit (J/m2) 0,8 0,2 0,5 1,0
    Konzentrationen von Elementen an der Verbindungsgrenzfläche (Atom-%) Ta 16,6 9,2 75,3 38,5
    O 23,1 7,8 14,8 48,6
    Si 53,6 79,5 7,0 10,4
    Ar 2,4 3,5 2,9 2,5
    Verhältnisse der Konzentrationen von Elementen in Bezug auf Ta Ta 1,00 1,00 1,00 1,00
    O 1,39 0,84 0,20 1,26
    Si 3,23 8,64 0,09 0,27
    Ar 0,14 0,38 0,04 0,06
    Tabelle 2
    Erfindungsgemäßes Beispiel 1 Erfindungsgemäßes Beispiel 2 Erfindungsgemäßes Beispiel 3
    Substrat aus einem piezoelektrischen Material Lithiumtantalat Lithiumtantalat Lithiumtantalat
    Trägersubstrat Si Si Si
    FAB-Bestrahlungsmenge (kJ) 135 90 180
    Verbindungsfestigkeit (J/m2) 2,2 1,8 1,9
    Konzentrationen von Elementen an der Verbindungsgrenzfläche (Atom-%) Ta 41,5 20,3 63,2
    O 17,4 12,6 20,2
    Si 38,1 63,4 13,6
    Ar 4,2 3,7 3,0
    Verhältnisse der Konzentrationen von Elementen in Bezug auf Ta Ta 1,00 1,00 1,00
    O 0,42 0,62 0,32
    Si 0,92 3,12 0,22
    Ar 0,08 0,18 0,05
  • Gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigte sich, dass dann, wenn die Konzentration von Tantal in der amorphen Schicht 5 niedrig ist (16,6 Atom-% im Vergleichsbeispiel 1 und 9,2 Atom-% im Vergleichsbeispiel 2) und die Diffusion von Tantal unzureichend ist, die Verbindungsfestigkeit niedrig war (die Verbindungsfestigkeiten sind 0,8 J/m2 im Vergleichsbeispiel 1 und 0,2 J/m2 im Vergleichsbeispiel 2).
  • Gemäß dem Vergleichsbeispiel 3 ist die Konzentration von Tantal in der amorphen Schicht 5 hoch (75,3 Atom-% im Vergleichsbeispiel 3) und es zeigte sich, dass die Verbindungsfestigkeit niedrig war (die Verbindungsfestigkeit im Vergleichsbeispiel 3 betrug 0,5 J/m2).
  • Gemäß dem Vergleichsbeispiel 4 ist, obwohl das Element Tantal in einer geeigneten Weise in die amorphe Schicht 5 diffundiert war (38,5 Atom-% im Vergleichsbeispiel 4), die Konzentration des Elements Tantal niedriger als die Konzentration des Elements Sauerstoff (die Konzentration des Elements Sauerstoff beträgt 1,26 im Vergleichsbeispiel 4, mit der Maßgabe, dass 1,0 der Konzentration des Elements Tantal zugeordnet ist). Als Ergebnis zeigte sich, dass die Verbindungsfestigkeit niedrig war (die Verbindungsfestigkeit betrug im Vergleichsbeispiel 4 1,0 J/m2).
  • Andererseits wurde gemäß den Beispielen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung eine hohe Verbindungsfestigkeit erhalten. Insbesondere wurde gemäß den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 3 die Konzentration von Tantal in einer geeigneten Weise in die amorphe Schicht 5 diffundiert (41,5 Atom-% im erfindungsgemäßen Beispiel 1, 20,3 Atom-% im erfindungsgemäßen Beispiel 2 und 63,2 Atom-% im Vergleichsbeispiel 3), und es zeigte sich, dass die Konzentration des Elements Tantal höher war als die Konzentration des Elements Sauerstoff (mit der Maßgabe, dass 1,0 der Konzentration des Elements Tantal zugeordnet ist, betrugen die Konzentrationen des Elements Sauerstoff 0,42 im erfindungsgemäßen Beispiel 1, 0,62 im erfindungsgemäßen Beispiel 2 und 0,32 im erfindungsgemäßen Beispiel 3). Als Ergebnis kann die Verbindungsfestigkeit des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und des Trägersubstrats 4 hoch gemacht werden (2,2 J/m2 im erfindungsgemäßen Beispiel 1, 1,8 J/m2 im erfindungsgemäßen Beispiel 2 und 1,9 J/m2 im erfindungsgemäßen Beispiel 3).
  • Ferner wurden in dem Fall, bei dem ein Lithiumniobatsubstrat (LN-Substrat) anstelle eines Lithiumtantalatsubstrats (LT-Substrats) als Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 verwendet wurde, ähnliche Ergebnisse erhalten.
  • Insbesondere war, wie es in dem erfindungsgemäßen Beispiel 4 von Tabelle 3 gezeigt ist, das Element Niob in einer geeigneten Weise in die amorphe Schicht 5 (59,6 Atom-% im erfindungsgemäßen Beispiel 4) diffundiert und es zeigte sich, dass die Konzentration des Elements Niob höher ist als die Konzentration des Elements Sauerstoff (mit der Maßgabe, dass 1,0 der Konzentration des Elements Niob zugeordnet ist, betrug die Konzentration des Elements Sauerstoff im erfindungsgemäßen Beispiel 4 0,43). Als Ergebnis kann die Verbindungsfestigkeit des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und des Trägersubstrats 4 hoch gemacht werden (2,0 J/m2 im erfindungsgemäßen Beispiel 4). Tabelle 3
    Erfindungsgemäßes Beispiel 4
    Substrat aus einem piezoelektrischen Material Lithiumniobat
    Trägersubstrat Si
    FAB-Bestrahlungsmenge (kJ) 135
    Verbindungsfestigkeit (J/m2) 2.0
    Konzentration des Elements an der Verbindungsgrenzfläche (Atom-%) Nb 59,6
    O 25,5
    Si 13,4
    Ar 1,5
    Verhältnis der Konzentration des Elements in Bezug auf Ta Nb 1,00
    O 0,43
    Si 0,22
    Ar 0,03
  • 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.
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    • JP 2016225537 A [0007]
    • JP 5910763 B [0007]
    • JP 3774782 B [0007]
    • WO 2017/134980 A1 [0007]
    • JP 2014086400 A [0038]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • J. Applied Physics 113, 094905 (2013) [0007]

Claims (5)

  1. Verbundener Körper, umfassend: ein Trägersubstrat; ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst; und eine amorphe Schicht, die zwischen dem Trägersubstrat und dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material vorliegt und ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Element, welches das Trägersubstrat bildet, und das Element Sauerstoff umfasst; wobei die Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht höher ist als die Konzentration des Elements Sauerstoff und 20 bis 65 Atom-% beträgt.
  2. Verbundener Körper nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration des Elements Sauerstoff 0,30 bis 0,65 beträgt, mit der Maßgabe, dass 1,0 der Konzentration des Metallelements in der amorphen Schicht zugeordnet ist.
  3. Verbundener Körper nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die amorphe Schicht das Element Argon umfasst.
  4. Verbundener Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Trägersubstrat Silizium umfasst.
  5. Verbundener Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat aus einem piezoelektrischen Material eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweist.
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