DE112018006912B4

DE112018006912B4 - Anordnung aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112018006912B4
Application number: DE112018006912.5T
Authority: DE
Inventors: Yuji Hori; Takahiro Yamadera; Tatsuro Takagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: KR20200100133A; US20210265558A9; US20200350485A1; WO2019142483A1; US20240074316A1; DE112018006912T5; TW201941532A; KR102434081B1; CN111819792A; JPWO2019142483A1; JP6599589B1; US11871671B2; TWI778204B

Abstract

Verbundener Körper (7), umfassend:ein Trägersubstrat (4);eine Siliziumoxidschicht (5), die auf dem Trägersubstrat (4) bereitgestellt ist; undein Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1), das auf der Siliziumoxidschicht (5) bereitgestellt ist und ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst,wobei das Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1) einen spezifischen Oberflächenwiderstand auf einer Seite der Siliziumoxidschicht (5) von 1,7 × 1015Ω/□ oder höher aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbundenen Körper aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und einem Trägersubstrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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 ein 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.
Gemäß dem Patentdokument 2 ist beschrieben, dass Lithiumtantalat und Saphir oder ein Keramikmaterial, das als Hauptkomponente Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid enthält, durch eine Siliziumoxidschicht durch ein Plasmaaktivierungsverfahren verbunden werden.
Gemäß dem Nicht-Patentdokument 1 ist beschrieben, dass ein Lithiumtantalat-Substrat und ein Siliziumsubstrat mit einer darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht durch aufeinanderfolgendes 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 einer Si-O-Si-Bindung an der Verbindungsgrenzfläche 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).
(Dokumente des Standes der Technik)
(Nicht-Patentdokumente)

(Nicht-Patentdokument 1) Y. Zikuhara, et al., „Sequential activation process of oxygen RIE and nitrogen radical for LiTaO3 and Si wafer bonding" ECS Transactions, 3 (6) 91-98 (2006)
(Nicht-Patentdokument 2) T. Plach, et al., „Mechanisms for room temperature direct wafer bonding" J. Applied Physics 113, 094905 (2013)

(Patentdokumente)

(Patentdokument 1) Japanische Patentveröffentlichung JP 2016 - 225 537 A
(Patentdokument 2) Japanisches Patent JP 3 774 782 B2

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe)
Wie es in den Dokumenten des Standes der Technik beschrieben ist, ist in dem Fall, bei dem eine piezoelektrische Vorrichtung durch Dünnermachen eines Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Substrats durch eine loneninjektion hergestellt wird, das Leistungsvermögen schlecht, was problematisch ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kristallinität aufgrund der Schädigung während der loneninjektion verschlechtert wird.
Andererseits kann in dem Fall, bei dem ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, wie z.B. Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, mit einer Siliziumoxidschicht auf einem Siliziumsubstrat verbunden wird und dann das Substrat aus einem piezoelektrischen Material poliert wird, so dass das Substrat dünner gemacht wird, eine durch die Verarbeitung denaturierte Schicht durch ein CMP entfernt werden, so dass das Leistungsvermögen der Vorrichtung nicht verschlechtert wird. Während des Polierens wird jedoch eine große Scherbelastung auf das Substrat aus einem piezoelektrischen Material ausgeübt. Folglich wird dann, wenn versucht wird, das Substrat aus einem piezoelektrischen Material durch Polieren dünner zu machen, das Substrat aus einem piezoelektrischen Material während des Polierens von dem Siliziumsubstrat getrennt, was problematisch ist. Ferner bestand, wenn die Dicke des Substrats aus einem piezoelektrischen Material durch Polieren vermindert wird, das Problem, dass das Leistungsvermögen des so erhaltenen verbundenen Körpers verschlechtert wurde. Insbesondere kann in dem Fall, bei dem der verbundene Körper für eine Akustikwellenvorrichtung verwendet wird, das Leistungsvermögen als Akustikwellenvorrichtung (beispielsweise der elektromechanische Kopplungsfaktor k2) verschlechtert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim Verbinden eines Substrats aus einem piezoelektrischen Material, das aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, zusammengesetzt ist, und eines Trägersubstrats mit einer darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht die Verschlechterung des Leistungsvermögens eines verbundenen Körpers zu verhindern, während die Verbindungsfestigkeit beibehalten wird.
(Lösung zum Lösen der Aufgabe)
Die vorliegende Erfindung stellt einen verbundenen Körper bereit, umfassend:

ein Trägersubstrat;
eine Siliziumoxidschicht, die auf dem Trägersubstrat bereitgestellt ist; und
ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das auf der Siliziumoxidschicht bereitgestellt ist und ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst,
wobei das Substrat aus einem piezoelektrischen Material auf einer Seite der Siliziumoxidschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher aufweist.

Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren des Verbindens eines Substrats aus einem piezoelektrischen Material und eines Trägersubstrats mit einer darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht bereit, wobei das Substrat aus einem piezoelektrischen Material ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Einstrahlen eines Sauerstoffplasmas auf eine Verbindungsoberfläche des Substrats aus einem piezoelektrischen Material bei einer Temperatur von 150 °C oder niedriger zum Erzeugen eines spezifischen Oberflächenwiderstands an der Verbindungsoberfläche von 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher; und
dann Verbinden der Verbindungsoberfläche des Substrats aus einem piezoelektrischen Material mit einer Verbindungsoberfläche der Siliziumoxidschicht.

(Effekte der Erfindung)
Da das Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder dergleichen zusammengesetzt ist, und das Trägersubstrat mit der darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht direkt miteinander verbunden werden, haben die Erfinder detailliert den Grund dafür untersucht, dass es schwierig ist, die Verschlechterung des Leistungsvermögens (beispielsweise des elektromechanischen Kopplungsfaktors k2) des verbundenen Körpers zu verhindern, während die Verbindungsfestigkeit in einem gewissen Grad aufrechterhalten wird, und haben die folgenden Erkenntnisse erlangt.
D.h., in dem Fall, dass Si und SiO₂/Si beispielsweise durch eine Plasmaaktivierung verbunden werden, wird eine Si-O-Si-Bindung entlang der Verbindungsgrenzfläche gebildet, was zu einer ausreichend hohen Verbindungsfestigkeit führt. Ferner wird Si gleichzeitig zu SiO₂ oxidiert, so dass die Ebenheit verbessert wird und das vorstehend beschriebene Verbinden an der obersten Oberfläche erleichtert wird (Nicht-Patentdokument 2: J. Applied Physics 113, 094905 (2013)).
Im Gegensatz dazu wird in dem Fall, bei dem Lithiumniobat oder Lithiumtantalat direkt mit dem Trägersubstrat mit einer darauf ausgebildeteten Siliziumoxidschicht verbunden wird, eine Ta-(Nb)-O-Si-Bindung entlang der Verbindungsgrenzfläche gebildet, so dass das Verbinden durchgeführt wird. Die Dichte von Si-Atomen an der obersten Oberfläche von SiO₂/Si beträgt jedoch 6,8 Zählsignale/Å². Andererseits ist die Dichte von Ta(Nb)-Atomen an der obersten Oberfläche des Substrats aus einem piezoelektrischen Material beispielsweise 4,3 Zählsignale/Å² oder niedriger, was zeigt, dass die Atomdichte an der obersten Oberfläche niedrig ist, obwohl die Dichte von dem Schnittwinkel abhängt, da der Kristall ein anisotroper Kristall ist. Ferner wird davon ausgegangen, dass Lithiumniobat oder Lithiumtantalat anders als Silizium nicht den Mechanismus des Glättens durch eine Oxidation aufweist und dass folglich eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit nicht erhalten wird.
Als Ergebnis wird in dem Fall, bei dem ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, verarbeitet wird, nachdem das Substrat aus einem piezoelektrischen Material direkt mit SiO₂/Si verbunden worden ist, wenn das Substrat aus einem piezoelektrischen Material dünner wird, eine Scherkraft auf das Substrat aus einem piezoelektrischen Material ausgeübt, was zur Verschlechterung des Substrats aus einem piezoelektrischen Material führt.
Auf der Basis einer solchen Annahme haben die Erfinder versucht, ein Sauerstoffplasma auf die Verbindungsoberflächen des Substrats aus einem piezoelektrischen Material und der Siliziumoxidschicht bei einer Temperatur von 150 °C oder niedriger für 30 Minuten oder länger einzustrahlen, um die Verbindungsoberflächen zu aktivieren, und dann die aktivierten Oberflächen des Substrats aus einem piezoelektrischen Material und der Siliziumoxidschicht direkt zu verbinden. Der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material auf der Seite der Siliziumoxidschicht wird dadurch auf 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher eingestellt. Als Ergebnis wird gefunden, dass die Verschlechterung des Leistungsvermögens (elektromechanischer Kopplungsfaktor k2) des verbundenen Körpers verhindert werden kann, während die Verbindungsfestigkeit des Substrats aus einem piezoelektrischen Material und des Trägersubstrats aufrechterhalten wird. Auf diese Weise wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1(a) zeigt ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 und 1(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 aktiviert wird, so dass eine aktivierte Oberfläche 1c erzeugt wird.
2(a) zeigt den Zustand, bei dem eine Siliziumoxidschicht 5 auf einer Oberfläche eines Trägersubstrats 4 ausgebildet ist, und 2(b) zeigt den Zustand, bei dem eine Siliziumoxidschicht 5 einer Oberflächenaktivierung unterzogen wird.
3(a) zeigt einen verbundenen Körper 7, der durch direktes Verbinden des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und der Siliziumoxidschicht 5 auf dem Trägersubstrat 4 erhalten wird, 3(b) zeigt den Zustand, bei dem ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1A des verbundenen Körpers 7 poliert und dünngemacht wird, und 3(c) zeigt eine Akustikwellenvorrichtung 10.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird unter geeigneter Bezugnahme auf Zeichnungen detailliert beschrieben.
Zuerst wird, wie es in der 1(a) gezeigt ist, ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 mit einem Paar von Hauptoberflächen 1a und 1b hergestellt. 1a wird gemäß dem vorliegenden Beispiel zu einer Verbindungsoberfläche ausgebildet. Dann wird, wie es in der 1(b) gezeigt ist, ein Plasma auf eine Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 gemäß einem Pfeil A eingestrahlt, so dass eine oberflächenaktivierte Verbindungsoberfläche 1c erhalten wird.
Andererseits wird, wie es in der 2(a) gezeigt ist, eine Siliziumoxidschicht 5 auf einer Oberfläche 4a eines Trägersubstrats 4 ausgebildet. Dann wird, wie es in der 2(b) gezeigt ist, ein Plasma auf eine Oberfläche 5a der Siliziumoxidschicht 5 gemäß einem Pfeil A eingestrahlt, so dass die Oberflächenaktivierung durchgeführt wird, wobei eine aktivierte Verbindungsoberfläche 6 gebildet wird.
Dann wird, wie es in der 3(a) gezeigt ist, die aktivierte Verbindungsoberfläche 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 mit der aktivierten Verbindungsoberfläche 6 der Siliziumoxidschicht 5 auf dem Trägersubstrat 4 in Kontakt gebracht und direkt mit dieser verbunden, so dass ein verbundener Körper 7 erhalten wird. Auf dieser Stufe kann eine Elektrode 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 1 so verarbeitet, dass das Substrat 1 dünnergemacht wird, so dass ein dünnergemachtes Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1A erhalten wird. 1d stellt eine verarbeitete Oberfläche dar. Dann werden, wie es in der 3(c) gezeigt ist, vorgegebene Elektroden 8 auf der verarbeiteten Oberfläche 1d des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 des verbundenen Körpers 7A gebildet, so dass eine Akustikwellenvorrichtung 10 erhalten wird.
Die jeweiligen Bestandteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter beschrieben.
Obwohl das Material des Trägersubstrats 4 nicht speziell beschränkt ist, ist das Material vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Quarz, Sialon, Mullit, Saphir und lichtdurchlässigem Aluminiumoxid, ausgewählt. Es ist folglich möglich, die Frequenzeigenschaften der Akustikwellenvorrichtung 10 weiter zu verbessern.
Die Siliziumoxidschicht 5 ist auf dem Trägersubstrat 4 ausgebildet. Obwohl das Verfahren des Filmbildens der Siliziumoxidschicht 5 nicht speziell beschränkt ist, können ein Sputtern, eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und eine Gasphasenabscheidung genannt werden. Vorzugsweise ist das Trägersubstrat 4 ein Siliziumsubstrat und in diesem Fall kann die Siliziumoxidschicht 5 durch Sputtern oder eine Ioneninjektion von Sauerstoff auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats oder durch Erwärmen unter einer oxidierenden Atmosphäre gebildet werden.
Die Dicke der Siliziumoxidschicht 5 kann im Hinblick auf die vorliegende Erfindung vorzugsweise 0,05 µm oder größer sein, mehr bevorzugt 0,1 µm oder größer sein und besonders bevorzugt 0,2 µm oder größer sein. Ferner kann die Dicke der Siliziumoxidschicht 5 vorzugsweise 3 µm oder weniger sein, vorzugsweise 2,5 µm oder weniger sein und mehr bevorzugt 2,0 µm oder weniger sein.
Das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist aus Einkristallen von 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 piezoelektrischen Oberflächenwellenvorrichtung für Hochfrequenz- und Breibandfrequenzanwendungen bevorzugt.
Ferner ist die senkrechte Richtung der Hauptoberflächen 1a und 1b des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 nicht 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 55° (180°, 58° bis 35°, 180° auf einer Euler'schen 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 piezoelektrische Einkristallsubstrat 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 1 µm betragen.
Dann wird ein Sauerstoffplasma auf die Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 bei einer Temperatur von 150 °C oder niedriger eingestrahlt, um die Verbindungsoberfläche 1a zu aktivieren.
Der Druck während der Oberflächenaktivierung kann vorzugsweise 100 Pa oder niedriger und mehr bevorzugt 80 Pa oder niedriger sein. Ferner kann die Atmosphäre nur aus Sauerstoff zusammengesetzt sein oder sie kann zusätzlich zu Sauerstoff Stickstoff enthalten.
Die Temperatur während des Einstrahlens des Sauerstoffplasmas wird auf 150 °C oder niedriger eingestellt. Es ist dadurch möglich, den verbundenen Körper 7 mit einer hohen Verbindungsfestigkeit und ohne Verschlechterung des Substrats aus einem piezoelektrischen Material zu erhalten. Im Hinblick darauf wird die Temperatur während des Einstrahlens des Sauerstoffplasmas auf 150 °C oder niedriger eingestellt und kann mehr bevorzugt 100 °C oder niedriger sein.
Ferner kann die Energie des eingestrahlten Sauerstoffplasmas vorzugsweise 100 bis 150 W betragen. Ferner kann ein Produkt aus der Energie des eingestrahlten Sauerstoffplasmas und der Bestrahlungszeitdauer vorzugsweise 20 bis 50 Wh betragen. Ferner kann die Zeitdauer des Einstrahlens des Sauerstoffplasmas vorzugsweise 30 Minuten oder länger sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Verbindungsoberfläche 5a der Siliziumoxidschicht 5 vor der Plasmabehandlung einem Einebnungsverfahren unterzogen. Das Verfahren des Einebnens der jeweiligen Verbindungsoberflächen 1a und 5a umfasst ein Läppen, ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und dergleichen. Ferner kann die eingeebnete Oberfläche vorzugsweise eine Ra von 1 nm oder niedriger aufweisen und mehr bevorzugt eine Ra von 0,3 nm oder niedriger aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 nach der Behandlung mit einem Sauerstoffplasma auf 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher eingestellt und vorzugsweise auf 2,8 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher eingestellt. Da Sauerstoff in das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 einbezogen wird, wird der spezifische Oberflächenwiderstand, der an der Verbindungsoberfläche 1a gemessen wird, höher. Der spezifische Oberflächenwiderstand kann folglich als Angabe für das Einbeziehen von Sauerstoff verwendet werden. Ferner wird der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 nach der Behandlung mit einem Sauerstoffplasma auf 2,0 × 10¹⁶ Ω/□ oder niedriger eingestellt, so dass die Verbindungsfestigkeit des verbundenen Körpers aufrechterhalten werden kann. In dieser Hinsicht kann der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 mehr bevorzugt 1,6 × 10¹⁶ Ω/□ oder niedriger sein. Dadurch kann das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 einfach poliert werden.
Die Verbindungsoberfläche 5a der Siliziumoxidschicht 5 wird ebenfalls einer Plasmabehandlung unterzogen. Dabei kann ein Plasma von Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen verwendet werden. Ferner kann die Temperatur während der Plasmabehandlung vorzugsweise 150 °C oder niedriger sein und mehr bevorzugt 100 °C oder niedriger sein.
Ferner kann der Druck während der Plasmaeinstrahlung auf die Verbindungsoberfläche 5a der Siliziumoxidschicht 5 vorzugsweise 100 Pa oder niedriger sein und mehr bevorzugt 80 Pa oder niedriger sein. Die Energie während der Einstrahlung kann vorzugsweise 30 bis 120 W betragen. Ferner kann das Produkt aus der Energie während der Plasmaeinstrahlung und der Zeitdauer der Einstrahlung vorzugsweise 1 Wh oder weniger betragen.
Die Verbindungsoberfläche 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Verbindungsoberfläche 6 der Siliziumoxidschicht 5 werden in Kontakt gebracht und miteinander verbunden. Danach kann zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Die Temperatur während der Wärmebehandlung kann vorzugsweise 100 °C oder höher und 300 °C oder niedriger sein.
Die verbundenen Körper 7 und 7A der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise auf eine 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 Elektroden (Elektrodenstruktur) 8 des Substrats aus einem piezoelektrischen Material bildet, kann vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder Gold und mehr bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein. Die Aluminiumlegierung kann vorzugsweise AI 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
(Experiment A)
Gemäß dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben ist, wurde ein verbundener Körper 7A hergestellt, der in der 3(b) gezeigt ist.
Insbesondere wurden ein 42Y-geschnittenes LiTaO₃-Substrat (Substrat aus einem piezoelektrischen Material) 1 mit einer Dicke von 0,2 mm und bei dem beide Hauptoberflächen zu Spiegelglanzoberflächen poliert worden sind, und ein Si-Substrat (Trägersubstrat) 4 mit hohem Widerstand mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellt. Eine Siliziumoxidschicht 5 wurde durch Sputtern in einer Dicke von 0,5 µm auf dem Trägersubstrat 4 als Film gebildet.
Die Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die Verbindungsoberfläche 5a der Siliziumoxidschicht 5 auf dem Trägersubstrat 4 wurden einem Reinigen bzw. einer Oberflächenaktivierung unterzogen. Insbesondere wurde ein Ultraschallreinigen unter Verwendung von reinem Wasser durchgeführt und die Substratoberflächen wurden durch Schleudertrocknen getrocknet. Das Trägersubstrat 4 wurde dann nach dem Reinigen in eine Plasmaaktivierungskammer eingebracht und die Verbindungsoberfläche 5a wurde durch ein Sauerstoffgasplasma bei 30 °C aktiviert. Ferner wurde das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 entsprechend in die Plasmaaktivierungskammer eingebracht und die Verbindungsoberfläche 1a wurde einer Oberflächenaktivierung durch ein Sauerstoffgasplasma bei 30 °C unterzogen. Das Ultraschallreinigen und das Schleudertrocknen, die vorstehend beschrieben worden sind, wurden erneut zum Entfernen von Teilchen durchgeführt, die während der Oberflächenaktivierung anhafteten.
Ferner wurde die Zeitdauer der Aktivierung geändert, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist. Die Energie der Plasmaeinstrahlung während der Aktivierungsbehandlung wurde auf 150 W eingestellt. Ferner wurde der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 nach der Aktivierung gemessen und die Messergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Dann wurde der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 auf der Seite der Siliziumoxidschicht 5 unter Verwendung eines „Hiresta UX MCP-HT800“, das von NittoSeiko Analytic Co. Ltd. erhältlich ist, und einer Sonde, die mit einer abgeschirmten Elektrode versehen war, und durch Anlegen einer Spannung von 1000 V gemessen.
Dann wurde das Positionieren der jeweiligen Substrate 1 und 4 durchgeführt und die aktivierte Verbindungsoberfläche 1c des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 und die aktivierte Verbindungsoberfläche 6 der Siliziumoxidschicht 5 wurden bei Raumtemperatur miteinander in Kontakt gebracht. Die Substrate wurden mit dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 in Kontakt gebracht, das auf der Oberseite positioniert war. Als Ergebnis wurde der Zustand (eine sogenannte Verbindungswelle) festgestellt, dass sich die Haftung der Substrate 1 und 4 ausbreitete, was zeigt, das ein gutes vorläufiges Verbinden abgeschlossen war. Dann wurde der verbundene Körper zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit in einen Ofen eingebracht, der mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt war, und für 10 Stunden bei 120 °C gehalten. Ferner wurden, bevor die Substrate in einen Ofen bei einer hohen Temperatur eingebracht wurden, die Substrate in acht gleiche Teile entlang Strahlungslinien aufgeteilt, die von der Mitte ausgingen, um das Brechen der Substrate aufgrund einer thermischen Belastung zu verhindern. Die Wärmebehandlungstemperatur in dem Ofen betrug 250 °C. Die Verbindungsfestigkeit wurde durch einen Klingentest („Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology“, Q.-Y. Tong und U. Gösele, John Wiley & Sons, (1998), Seite 25) für acht verbundene Körper, die aus dem Erwärmungsofen entnommen worden sind, bewertet.

Danach wurde die Oberfläche 1b des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 des verbundenen Körpers 7 nach dem Erwärmen Schleif-, Läpp- und CMP-Vorgängen unterzogen, um das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1A dünner zu machen. Elektroden 8, die aus Aluminiummetall hergestellt waren, wurden auf der Oberfläche 1d des polierten Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A durch ein Photolithographieverfahren bereitgestellt. Die Periode λ der Elektroden wurde auf 5 µm eingestellt, so dass die Oszillationsfrequenz 850 MHz betrug. Die Dicke der Elektroden 8 wurde auf 200 nm eingestellt und 80 Paare von Reflektoren wurden auf beiden Seiten der 200 Paare der Elektroden 8 bereitgestellt, so dass eine Akustikwellenvorrichtung 10 (SAW-Resonator) mit 1 Anschluss erzeugt wurde. Die Impedanzeigenschaften der so erzeugten Akustikwellenvorrichtung 10 (SAW-Resonator) wurde durch ein Netzwerkanalysegerät „E5071C“ gemessen, das von Agilent Co. Ltd. erhältlich ist. Als Ergebnis wurde ein Resonanzpeak (fs) bei etwa 820 MHz und ein Anti-Resonanzpeak (fr) bei etwa 850 bis 860 MHz festgestellt. Es wurde eine Differenz Δf der Resonanzfrequenz fs und der Anti-Resonanzfrequenz fr gemessen. Es ist allgemein bekannt, dass die Differenz Δf proportional zu einem elektromechanischen Kopplungsfaktor k2 einer Akustikvorrichtung ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Zeitdauer für die Aktivierungsbehandlung (Minuten)	Spezifischer Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (Ω/□)	Δf (MHz)	Δf (%)	Verbindungsfestigkeit (J/m²)
0,1	1,24E+13	32,4	3,8 %	0,1
0,5	1,80E+13	31,8	3,7 %	2,4
1	3,10E+13	32,3	3,8 %	2,3
2	5,50E+13	32,8	3,9 %	2,7
5	1,40E+14	34,3	4,0 %	3,1
10	4,80E+14	33,5	3,9 %	2,9
15	8,80E+14	34,3	4,0 %	2,5
30	1,73E+15	38,8	4,6 %	2,6
60	6,80E+15	39,4	4,6 %	2,6
120	7,80E+15	39,2	4,6 %	2,5
150	1,51E+16	39,6	4,7 %	2,2

Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, zeigte sich, dass in dem Fall, bei dem die Zeitdauer der Aktivierung kurz ist (0,1 bis 15 Minuten), der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A auf der Seite des Siliziumoxids 5 etwa 1,2× 10¹³ Ω/□ bis 8,8 × 10¹⁴ Ω/□ betrug und Δf (MHz) einen niedrigen Wert von 31,8 bis 34,3 aufwies. Als Ergebnis zeigte sich, dass Δf (%) = Δf (MHz)/850 (MHz) 3,7 % bis 4,0 % betrug.
Andererseits zeigte sich in dem Fall, bei dem die Zeitdauer der Aktivierung lang ist (30 Minuten bis 150 Minuten), dass der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A auf der Seite der Siliziumoxidschicht 5 etwa 1,73 × 10¹⁵ Ω/□ bis 1,51 × 10¹⁶ Ω/□ betrug, und es zeigte sich, dass Δf (MHz) 38,8 bis 39,6 betrug. Als Ergebnis zeigte sich, dass Δf (%) = Δf (MHz)/850 (MHz) etwa 4,6 % bis 4,7 % betrug.
Ferner war in dem Fall, bei dem der spezifische Oberflächenwiderstand des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A auf der Seite der Siliziumoxidschicht 5 2 × 10¹⁶ Ω/□ übersteigt, die Verbindungsfestigkeit beträchtlich vermindert. Folglich führte die Verminderung der Dicke des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1A zur Trennung.
Als Ergebnis wurde in dem Fall, bei dem die Verbindungsoberfläche 1a des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 einer Oberflächenaktivierung mit einem Sauerstoffplasma unterzogen worden ist, so dass der spezifische Oberflächenwiderstand gemäß der vorliegenden Erfindung auf 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher und 1,6 × 10¹⁶ Ω/□ oder niedriger eingestellt wurde, die Verbindungsfestigkeit aufrechterhalten, so dass die Dicke des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 geringer gemacht werden kann und die Verschlechterung des Leistungsvermögens (beispielsweise des elektromechanischen Kopplungsfaktors k2) des verbundenen Körper verhindert werden kann.
(Experiment B)
In dem Experiment A wurde das Material des Substrats aus einem piezoelektrischen Material 1 zu Lithiumniobat geändert. Als Ergebnis wurden ähnliche Ergebnisse wie diejenigen des Experiments A erhalten.

Claims

Verbundener Körper (7), umfassend: ein Trägersubstrat (4); eine Siliziumoxidschicht (5), die auf dem Trägersubstrat (4) bereitgestellt ist; und ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1), das auf der Siliziumoxidschicht (5) bereitgestellt ist und ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst, wobei das Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1) einen spezifischen Oberflächenwiderstand auf einer Seite der Siliziumoxidschicht (5) von 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher aufweist.
Verbundener Körper (7) nach Anspruch 1, bei dem das Trägersubstrat (4) ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Quarz, Sialon, Mullit, Saphir und lichtdurchlässigem Aluminiumoxid, umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines verbundenen Körpers (7) aus einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1) und einem Trägersubstrat (4) mit einer darauf bereitgestellten Siliziumoxidschicht (5), wobei das Substrat aus einem piezoelektrischen Material (1) ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Einstrahlen eines Sauerstoffplasmas auf eine Verbindungsoberfläche (1a) des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) bei einer Temperatur von 150 °C oder niedriger zum Erzeugen eines spezifischen Oberflächenwiderstands an der Verbindungsoberfläche (1c) von 1,7 × 10¹⁵ Ω/□ oder höher; und dann Verbinden der Verbindungsoberfläche (1c) des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) mit einer Verbindungsoberfläche (6) der Siliziumoxidschicht (5).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Sauerstoffplasma auf die Verbindungsoberfläche (5a) der Siliziumoxidschicht (5) bei einer Temperatur von 150 °C oder niedriger zum Aktivieren der Verbindungsoberfläche (6) der Siliziumoxidschicht (5) eingestrahlt wird und bei dem die Verbindungsoberfläche (1c) des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) dann mit der Verbindungsoberfläche (6) der Siliziumoxidschicht (5) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, das ferner den Schritt umfasst: Vermindern einer Dicke des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) durch Polieren, nachdem die Verbindungsoberfläche (1c) des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) mit der Verbindungsoberfläche (6) der Siliziumoxidschicht (5) verbunden worden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Dicke des Substrats aus einem piezoelektrischen Material (1) durch Polieren auf 2 um oder weniger vermindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das Trägersubstrat (4) ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Quarz, Sialon, Mullit, Saphir und lichtdurchlässigem Aluminiumoxid, umfasst.