DE112019001985T5

DE112019001985T5 - Verbundener Körper aus einem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und einem Trägersubstrat

Info

Publication number: DE112019001985T5
Application number: DE112019001985.6T
Authority: DE
Inventors: Tomoyoshi Tai; Ryosuke Hattori
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: CN112088149B; KR102326982B1; JPWO2019220713A1; JP6698954B2; US11107973B2; CN112088149A; WO2019220713A1; KR20200142591A; TWI787486B; TW202012343A; US20210066577A1; DE112019001985B4

Abstract

(Aufgabe) Es ist die Aufgabe, in einem verbundenen Körper 8 (8A) aus einem piezoelektrischen Einkristallsubstrat 1 (1A), das aus Lithiumniobat oder dergleichen zusammengesetzt ist, und einem Trägersubstrat 3 ein Verziehen des verbundenen Körpers beim Erwärmen zu unterdrücken.(Lösung) Ein verbundener Körper 8 (8A) umfasst ein Trägersubstrat 3; ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1 (1A), das aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, zusammengesetzt ist; und eine amorphe Schicht 7, die zwischen dem Trägersubstrat 3 und dem Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 (1A) vorliegt, und wobei die amorphe Schicht 7 ein oder mehrere Metallatom(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, und ein Argonatom enthält. Eine Konzentration des Argonatoms in einem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 ist höher als eine Konzentration des Argonatoms in einem Randteil der amorphen Schicht 7.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbundenen Körper aus einem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und einem Trägersubstrat.
STAND DER TECHNIK
Zur Herstellung einer Hochleistungs-Halbleitervorrichtung wurde verbreitet ein SOI-Substrat verwendet, das aus einem Si/SiO₂-Dünnfilm/Si-Dünnfilm mit hohem Widerstand zusammengesetzt ist. Zur Herstellung 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 vorgeschlagen, das aus einem ähnlichen Si/SiO₂-Dünnfilm/piezoelektrischer Dünnfilm zur Verbesserung des Leistungsvermögens einer piezoelektrischen Vorrichtung zusammengesetzt ist (Patentdokument 1). Gemäß dem Patentdokument 1 werden das piezoelektrische Einkristallsubstrat, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat zusammengesetzt ist, und das Siliziumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten Siliziumoxidschicht durch ein lonenaktivierungsverfahren aktiviert, worauf das Verbinden durchgeführt wird.
Ferner ist ein Direktverbindungsverfahren eines sogenannten FAB („Fast Atom Beam“)-Systems bekannt. Gemäß dem Verfahren wird ein neutralisierter Atomstrahl auf die jeweiligen Verbindungsoberflächen bei Umgebungstemperatur eingestrahlt, so dass diese aktiviert werden, und die dann einem direkten Verbinden unterzogen werden (Patentdokument 2).
Gemäß dem Patentdokument 3 werden die Oberfläche eines Siliziumsubstrats und die Oberfläche eines Lithiumtantalat-Substrats einer Oberflächenaktivierung durch einen neutralisierten Atomstrahl unterzogen und miteinander verbunden, so dass eine amorphe Schicht, die Tantal, Silizium, Argon und Sauerstoff enthält, entlang einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Lithiumtantalat-Substrat erzeugt wird.
(Dokumente des Standes der Technik)

(Patentdokument 1) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2016-225537 A
(Patentdokument 2) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2014-086400 A
(Patentdokument 3) WO 2017/134980 A1

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben)
Ein Lithiumtantalat- oder Lithiumniobat-Einkristallsubstrat, das für einen Akustikwellenfilter verwendet wird, weist eine geringe Wärmeleitung auf. Aufgrund einer Zunahme der übertragenen elektrischen Leistung, die durch die Zunahme des Kommunikationsausmaßes in letzter Zeit erforderlich ist, und einer Wärmeerzeugung von umgebenden Vorrichtungen, die aus einer Herstellung zu einem Modul resultieren, wird ein Akustikwellenfilter bei der Bedingung einer hohen Temperatur verwendet. Als Ergebnis konnte der Akustikwellenfilter, der aus dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat zusammengesetzt ist, nicht für eine Hochleistungskommunikationsvorrichtung verwendet werden.
Ferner kann gemäß eines Verfahrens zum Einstrahlen eines neutralisierten Atomstrahls auf die Verbindungsoberflächen eines piezoelektrischen Einkristallsubstrats und eines Trägersubstrats zum Aktivieren derselben mittels eines FAB („Fast Atom Beam“)-Systems und direkten Verbinden der Oberflächen miteinander die Wärme zu der Seite des Trägersubstrats abgeleitet werden, so dass er bessere Wärmeableitungseigenschaften aufweist als der Akustikwellenfilter, der aus einer einzelnen Platte eines piezoelektrischen Einkristalls zusammengesetzt ist. Da jedoch eine hohe Temperatur von etwa 80 °C auf den verbundenen Körper des piezoelektrischen Einkristallsubstrats und des Trägersubstrats angewandt wird, kann ein Verziehen auftreten. Es wird davon ausgegangen, dass eine große Belastung auf eine Kristallfläche des piezoelektrischen Einkristallsubstrats aufgrund einer Differenz bei der Wärmeausdehnung zwischen dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und dem Trägersubstrat ausgeübt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einem verbundenen Körper aus einem piezoelektrischen Einkristallsubstrat, das aus Lithiumniobat oder dergleichen zusammengesetzt ist, und einem Trägersubstrat das Verziehen des verbundenen Körpers beim Erwärmen zu unterdrücken.
(Lösung der Aufgabe)
Die vorliegende Erfindung stellt einen verbundenen Körper bereit, umfassend:

ein Trägersubstrat;
ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat, 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 piezoelektrischen Einkristallsubstrat vorliegt, wobei die amorphe Schicht ein oder mehrere Metallatom(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Atom, welches das Trägersubstrat bildet, und ein Argonatom umfasst,
wobei eine Konzentration des Argonatoms in einem zentralen Teil der amorphen Schicht höher ist als eine Konzentration des Argonatoms in einem Randteil der amorphen Schicht.

(Effekte der Erfindung)
Die Erfinder haben versucht, einen Argonatomstrahl auf Verbindungsoberflächen des piezoelektrischen Einkristallsubstrats und des Trägersubstrats einzustrahlen, um die jeweiligen Oberflächen zu aktivieren und die aktivierten Oberflächen miteinander zu verbinden. In diesem Fall wird eine dünne amorphe Schicht entlang der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und dem Trägersubstrat gebildet. Wenn der so erhaltene verbundene Körper erwärmt wird, kann jedoch ein Verziehen des verbundenen Körpers auftreten.
Daraufhin haben die Erfinder die Ursache des Verziehens untersucht und die Möglichkeit der Erzeugung des Verziehens aufgrund einer Differenz bei der Wärmeausdehnung zwischen dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und dem Trägersubstrat in Betracht gezogen. Es wird davon ausgegangen, dass es strukturell schwierig ist, das Verziehen aufgrund einer Differenz bei der Wärmeausdehnung an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und dem Trägersubstrat zu absorbieren.
Bei der Erzeugung der amorphen Schicht entlang der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat und dem Trägersubstrat haben die Erfinder dann versucht, die Struktur einer Abgabeöffnung des Argonatomstrahls zu verändern, so dass die Energieintensität des Argonatomstrahls an dem zentralen Teil der Verbindungsgrenzfläche erhöht wird, so dass eine Argonkonzentration an dem zentralen Teil höher gemacht wird als eine Argonkonzentration an dem Randteil der amorphen Schicht. Dann wurden die Einflüsse des Verziehens des verbundenen Körpers beim Erwärmen untersucht. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass das Verziehen des verbundenen Körpers beim Erwärmen beträchtlich vermindert wird.
Obwohl der Grund nicht klar ist, kann durch Bereitstellen einer Verteilung der Konzentrationen, wobei die Argonkonzentration in dem zentralen Teil der amorphen Schicht höher ist, die Verteilung der Dicke der amorphen Schicht in der Ebene so eingestellt werden, dass die Dicke an dem zentralen Teil am größten ist. Als Ergebnis wird davon ausgegangen, dass die Belastung, die auf den piezoelektrischen Einkristall beim Erwärmen ausgeübt wird, abgebaut werden kann, so dass das Verziehen des verbundenen Körpers beim Erwärmen unterdrückt werden kann.
Figurenliste

1(a) zeigt ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1 und 1(b) zeigt den Zustand, bei dem ein Argonatomstrahl A auf eine Oberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 eingestrahlt wird, um eine aktivierte Oberfläche 5 zu erzeugen.
2(a) zeigt ein Trägersubstrat 3 und 2(b) zeigt den Zustand, bei dem ein Argonatomstrahl B auf eine Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 eingestrahlt wird.
3(a) zeigt einen verbundenen Körper 8 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und des Trägersubstrats 3, 3(b) zeigt den Zustand, bei dem ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1 eines verbundenen Körpers 8A durch Bearbeiten dünner gemacht worden ist, und 3(c) zeigt eine Akustikwellenvorrichtung 11.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter beschrieben, wobei zweckmäßig auf die Zeichnungen verwiesen wird.
Zuerst wird, wie es in der 1(a) gezeigt ist, ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1 mit einem Paar von Hauptoberflächen 1a und 1b hergestellt. Dann wird, wie es in der 1(b) gezeigt ist, ein Argonatomstrahl auf eine Verbindungsoberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 gemäß den Pfeilen A eingestrahlt, so dass eine oberflächenaktivierte Verbindungsoberfläche 5 erhalten wird.
Ferner wird, wie es in der 2(a) gezeigt ist, ein Trägersubstrat 3 mit einer Oberfläche 3a hergestellt. Dann wird, wie es in der 2(b) gezeigt ist, ein Argonatomstrahl auf eine Oberfläche 3a des Trägersubstrats gemäß den Pfeilen B eingestrahlt, so dass eine Oberflächenaktivierung zur Bildung einer aktivierten Verbindungsoberfläche 6 durchgeführt wird.
Dann werden die aktivierte Verbindungsoberfläche 5 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und die aktivierte Verbindungsoberfläche 6 des Trägersubstrats 3 in Kontakt gebracht und direkt miteinander verbunden, so dass ein verbundener Körper 8 erhalten wird, der in der 3(a) gezeigt ist. Dabei wird eine amorphe Schicht 7 zwischen der Verbindungsoberfläche 6 des Trägersubstrats 3 und der Verbindungsoberfläche 5 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 erzeugt.
In diesem Zustand können Elektroden auf dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat 1 bereitgestellt werden. Vorzugsweise wird jedoch, wie es in der 3(b) gezeigt ist, eine Hauptoberfläche 1b des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 so bearbeitet, dass das Substrat 1 dünner gemacht wird, wodurch ein dünner gemachtes piezoelektrisches Einkristallsubstrat 1A erhalten wird. 9 stellt eine bearbeitete Oberfläche dar. Dann werden, wie es in der 3(c) gezeigt ist, vorgegebene Elektroden 10 auf der bearbeiteten Oberfläche 9 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1A des verbundenen Körpers 8A gebildet, so dass eine Akustikwellenvorrichtung 11 erhalten wird.
(Amorphe Schicht)
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine amorphe Schicht 7 zwischen dem Trägersubstrat 3 und dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat 1 oder 1A bereitgestellt. Die amorphe Schicht 7 enthält ein oder mehrere Metallatom(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, und ein Argonatom.
Ein oder mehrere Metallatom(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, kann oder können Niob allein, Tantal allein oder Niob und Tantal sein. In dem Fall, bei dem Niob und Tantal in der amorphen Schicht 7 enthalten sind, ist die Konzentration des Metallatoms die Summe der Konzentrationen von Niob und Tantal.
Ferner ist in dem Fall, bei dem das Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, von einer einzelnen Art ist, das Atom, das die amorphe Schicht 7 bildet, ebenfalls von einer einzelnen Art. In dem Fall, bei dem eine Mehrzahl von Arten von Atomen das Trägersubstrat 3 bildet, ist das Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, eine oder mehrere Art(en) davon. Es ist ferner vorgesehen, dass Niob, Tantal und Sauerstoff als Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, ausgeschlossen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 höher eingestellt als die Konzentration des Argonatoms in einem Randteil der amorphen Schicht. Dabei steht in der Beschreibung der zentrale Teil der amorphen Schicht 7 für ein Zentrum der amorphen Schicht 7 in dem Fall, bei dem die amorphe Schicht 7 in einer Draufsicht betrachtet wird. Ferner wird die Konzentration in dem Randteil der amorphen Schicht 7 durch Messen der Konzentrationen an drei Positionen in einem ringförmigen Bereich, der sich von dem Endteil (Kante) der amorphen Schicht 7 in der Richtung zum Zentrum in einer Breite von 5 bis 10 mm erstreckt, und durch Erhalten des Durchschnittswerts erhalten.
Die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 kann im Hinblick auf die Verbindungsfestigkeit vorzugsweise 2,0 Atom-% oder höher und mehr bevorzugt 2,4 Atom-% oder höher sein. Ferner ist die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 üblicherweise bevorzugt 5,0 Atom-% oder niedriger und mehr bevorzugt 4,8 Atom-% oder niedriger.
Die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht 7 kann im Hinblick auf die Verbindungsfestigkeit vorzugsweise 2,0 Atom-% oder höher und mehr bevorzugt 2,7 Atom-% oder höher sein. Ferner ist die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht üblicherweise bevorzugt 5,0 Atom-% oder niedriger und mehr bevorzugt 4,7 Atom-% oder niedriger.
Im Hinblick auf das Vermindern eines Verziehens des verbundenen Körpers 8 oder 8A beim Erwärmen kann eine Differenz zwischen den Konzentrationen des Argonatoms in dem zentralen Teil und in dem Randteil der amorphen Schicht 7 vorzugsweise 1,0 Atom-% oder größer und mehr bevorzugt 1,5 Atom-% oder größer sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konzentration des Metallatoms in der amorphen Schicht 7 40 bis 50 Atom-% und mehr bevorzugt 41,8 bis 46,7 Atom-%.
In der amorphen Schicht 7 muss das Atom, welches das Trägersubstrat 3 bildet, von Tantal-, Niob- und Sauerstoffatomen verschieden sein. Das Atom ist vorzugsweise Silizium. Die Konzentration des Atoms, welches das Trägersubstrat 3 in der amorphen Schicht 7 bildet, ist vorzugsweise 25 bis 40 Atom-% und mehr bevorzugt 28,3 bis 38,1 Atom-%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die amorphe Schicht 7 Sauerstoffatome, In diesem Fall ist die Konzentration der Sauerstoffatome vorzugsweise 15 bis 21 Atom-% und mehr bevorzugt 17,1 bis 20,2 Atom-%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke des zentralen Teils der amorphen Schicht 7 größer als die Dicke des Randteils der amorphen Schicht 7. Dadurch kann das Verziehen des verbundenen Körpers beim Erwärmen weiter vermindert werden. Im Hinblick darauf ist die Differenz zwischen der Dicke des zentralen Teils der amorphen Schicht 7 und der Dicke des Randteils der amorphen Schicht 7 vorzugsweise 1,0 nm oder größer und mehr bevorzugt 1,5 nm oder größer.
Ferner ist die Dicke des zentralen Teils der amorphen Schicht 7 vorzugsweise 5 bis 8 nm und mehr bevorzugt 5,9 bis 6,8 nm. Ferner ist die Dicke des Randteils der amorphen Schicht 7 vorzugsweise 4 bis 5 nm und mehr bevorzugt 4,4 bis 4,9 nm.
Ferner wird das Vorliegen der amorphen Schicht 7 wie folgt bestätigt.
Messsystem:
Die Mikrostruktur wird unter Verwendung des Transmissionselektronenmikroskops „H-9500“ untersucht, das von Hitachi High-Tech Corporation geliefert wird.
Messbedingungen:
Eine Probe eines dünner gemachten Stücks wird mittels FIB (fokussierter lonenstrahl-Verfahren) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV untersucht.
Die Konzentrationen der jeweiligen Atome in der amorphen Schicht 7 werden wie folgt gemessen.
Messsystem:
Die Elementaranalyse wird mittels eines Elementaranalysesystems („JEM-ARM200F“, von JEOL Ltd. geliefert) durchgeführt.
Messbedingungen:
Eine Probe eines dünner gemachten Stücks wird mittels FIB (fokussierter lonenstrahl-Verfahren) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV untersucht.
Obwohl das Material des Trägersubstrats 3 nicht speziell beschränkt ist, kann ein Halbleiter mit einer hohen Wärmeleitung, wie z.B. Si, SiC, GaN oder dergleichen, oder eine Keramik, wie z.B. AIN oder SiC, verwendet werden.
Das Substrat aus einem piezoelektrischen Material 1 (1A), 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 elektromechanischen Kopplungsfaktoren aufweisen, sind sie zur Verwendung in einer Oberflächenakustikwellenvorrichtung für Hochfrequenz- und Breitbandfrequenzanwendungen bevorzugt.
Ferner ist die senkrechte Richtung der Hauptoberfläche des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 (1A) nicht speziell beschränkt. Beispielsweise ist es in dem Fall, bei dem das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 (1A) aus LT hergestellt ist, aufgrund eines niedrigen Ausbreitungsverlusts bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Y-Achse zu 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. In dem Fall, bei dem das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 (1A) aus LN hergestellt ist, (i) ist es aufgrund eines großen elektromechanischen Kopplungsfaktors bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Z-Achse zu 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. Alternativ (ii) ist es bevorzugt, das Substrat so zu verwenden, dass es von der Y-Achse zu 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 Akustikgeschwindigkeit erhalten werden kann. Ferner kann, obwohl die Größe des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 (1A) nicht speziell beschränkt ist, der Durchmesser beispielsweise 100 bis 200 mm betragen und die Dicke kann 0,15 bis 1 mm betragen.
Die Dicke des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1A kann im Hinblick auf das Leistungsvermögen einer Akustikwellenvorrichtung 11 vorzugsweise 20 µm oder kleiner sein. Ferner kann die Dicke des Trägersubstrats 3 im Hinblick auf eine bequeme Handhabung des verbundenen Körpers 8 (8A) vorzugsweise 150 µm oder größer und mehr bevorzugt 230 µm oder größer sein. Andererseits wird, wenn das Trägersubstrat 3 dicker ist, die Wärmebeständigkeit des verbundenen Körpers 8 (8A) als Ganzes erhöht, so dass die Dicke vorzugsweise 750 µm oder kleiner und mehr bevorzugt 675 µm oder kleiner sein kann.
Vorzugsweise werden die Argonatomstrahlen A und B auf die Oberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 bzw. die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 eingestrahlt, so dass die jeweiligen Oberflächen 1a und 3a aktiviert werden.
In dem Fall, bei dem die Oberflächenaktivierung durch den Argonatomstrahl durchgeführt wird, ist es bevorzugt, zur Erzeugung des Argonatomstrahls, der eingestrahlt wird, ein System zu verwenden, das in JP 2014-086400 A beschrieben ist. D.h., als Strahlquelle wird eine Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle des Sattelfeldtyps verwendet. Dann wird ein Inertgas in eine Kammer eingebracht und eine Hochspannung wird an Elektroden von einer elektrischen Gleichstromquelle angelegt. Dadurch verursacht 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 erzeugt werden. Von den Strahlen, die ein Gitter erreicht haben, wird der lonenstrahl an dem Gitter neutralisiert und der Strahl von Argonatomen wird von der Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle abgegeben. In dem Aktivierungsschritt durch die Strahleinstrahlung kann die Spannung vorzugsweise auf 0,5 bis 2,0 kV eingestellt werden und der Strom kann vorzugsweise auf 50 bis 200 mA eingestellt werden.
Wenn ein Hochgeschwindigkeitsatomstrahl auf das piezoelektrische Einkristallsubstrat 1 und das Trägersubstrat 3 eingestrahlt wird, wird ein Gitter verwendet, in dem eine Verteilung bezüglich der Größen, der Richtungen der Löcher und der Neigung von Löchern bereitgestellt wird, so dass eine größere Menge des Strahls auf den zentralen Teil eingestrahlt wird. Insbesondere wird der zentrale Teil des Substrats, der durch den Strahl bestrahlt werden soll, auf einer verlängerten Linie angeordnet, welche die Mitte der Einfallsseite und die Mitte der Emissionsseite des Gitterlochs in einem zentralen Bereich des Gitters mit Größen von 30 mm und 30 mm verbindet, oder die Größen der Gitterlöcher in dem zentralen Bereich des Gitters mit Größen von 30 mm und 30 mm können um 15 bis 30 % größer gemacht werden als das Gitterloch in dem anderen Bereich des Gitters. Alternativ kann die Flussrate von Ar-Gas nur in dem zentralen Bereich des Gitters mit Größen von 30 mm und 30 mm um 40 Prozent erhöht werden, so dass eine Verteilung der Menge des eingestrahlten Strahls bereitgestellt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht jedoch keine Beschränkung auf die vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei ein Verfahren zulässig ist, solange der Strahl stärker auf den zentralen Teil als auf den Randteil eingestrahlt wird.
Dann werden die aktivierten Oberflächen 5 und 6 in einer Vakuumatmosphäre miteinander kontaktiert und verbunden. Die Temperatur kann dabei insbesondere Umgebungstemperatur und vorzugsweise 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 beträgt vorzugsweise 100 bis 20000 N.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 vor dem Einstrahlen des Atomstrahls einem Einebnungsvorgang unterzogen. Das Verfahren des Einebnens der jeweiligen Oberfläche 1a und 3a umfasst ein Läppen, ein chemischmechanisches Polieren (CMP) und dergleichen. Ferner kann die eingeebnete Oberfläche vorzugsweise eine Ra von 1 nm oder niedriger und mehr bevorzugt eine Ra von 0,3 nm oder niedriger aufweisen.
Danach kann vorzugsweise eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit durchgeführt werden. Die Temperatur während der Wärmebehandlung kann vorzugsweise 100 °C oder höher und 300 °C oder niedriger sein.
Die verbundenen Körper 8 und 8A der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise als Akustikwellenvorrichtung 11 eingesetzt werden.
Als Akustikwellenvorrichtung 11 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 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 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 piezoelektrischen Einkristallsubstrat 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 10 des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1A bildet, kann vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder Gold und mehr bevorzugt Aluminium oder eine 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
(Erfindungsgemäßes Beispiel 1)
Der verbundene Körper 8A, der in der 3(b) gezeigt ist, wurde gemäß dem Verfahren hergestellt, das unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben worden ist.
Insbesondere wurden ein schwarzes LiTaO₃ (LT)-Substrat (piezoelektrisches Einkristallsubstrat) 1 mit einer Dicke von 0,25 mm und einem 42Y-Schnitt, dessen beide Oberflächen zu einer Spiegelglanzoberfläche poliert worden sind, und ein Si-Substrat (Trägersubstrat) 3 mit einer Dicke von 0,23mm und einem hohen Widerstand (≥2 kΩ ·cm) hergestellt. Die Größen der Substrate waren jeweils 100 mm. Die Oberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 wurden dann jeweils gereinigt, so dass Teilchen von den Oberflächen entfernt wurden.
Die Oberfläche 1a des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 wurden dann einer Oberflächenaktivierung unterzogen. Insbesondere wurden beide Substrate in eine Ultrahochvakuumkammer eingebracht und die jeweiligen Oberflächen wurden für 50 Sekunden einer Oberflächenaktivierung durch einen Argonatomstrahl unterzogen. Dabei wurde ein Gitter verwendet, dessen Gitterlochgrößen nur in einem Bereich von Größen von 30 mm und 30 mm in dem zentralen Teil um 20 Prozent größer gemacht waren, so dass eine größere Menge des Argonatomstrahls auf den zentralen Teil von jeder der Oberflächen 1a und 3a eingestrahlt wird.
Die Verbindungsoberflächen 5 und 6 der jeweiligen Substrate wurden dann bei Raumtemperatur miteinander in Kontakt gebracht. Sie wurden so mit dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat 1 kontaktiert, dass dessen Oberseite oben angeordnet war, und eine Belastung von 200 kgf wurde darauf ausgeübt. Der verbundene Körper 8 wurde dann aus der Kammer entnommen, in einen Ofen eingebracht, der mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt war und dann zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit 10 Stunden bei 120 °C gehalten, wobei der verbundene Körper 8 erhalten wurde.
Der so erhaltene verbundene Körper 8 wurde dann einem Schleifen und Polieren des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1 unterzogen, so dass schließlich der verbundene Körper 8A mit dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat 1A mit einer Dicke von 20 µm erhalten wurde.
Dabei wurden die Konzentrationen der jeweiligen Atome in der amorphen Schicht 7 an der Verbindungsgrenzfläche des piezoelektrischen Einkristallsubstrats 1A und des Trägersubstrats 3 und die Dicke der amorphen Schicht 7 in der vorstehend beschriebenen Weise gemessen. Ergebnisse der Messung sind in der Tabelle 1 und nachstehend gezeigt. Ferner wurde der so erhaltene verbundene Körper bei 80 °C erwärmt und der SORI-Wert wurde gemessen.
Dabei wurde SORI unter Verwendung des Laserverschiebungsmessgeräts „LK-G5000“, das von KEYENCE geliefert wird, gemessen, Informationen bezüglich der Höhe eines Wafers, der auf einem bewegbaren Tisch montiert war, wurden gemessen, und eine Abtastmessung wurde mit Linien durchgeführt. Die Messung wurde mit zwei Linien mit horizontaler und vertikaler Richtung, die durch einen flachen Ausrichtungsbereich des Wafers verliefen, durchgeführt und ein größerer SORI-Wert wurde als SORI des Wafers ausgewählt.

Tantal: 46,7 Atom-% (zentraler Teil), 42,1 Atom-% (Randteil)
Silizium: 28,3 Atom-% (zentraler Teil), 38,0 Atom-% (Randteil)
Sauerstoff: 20,2 Atom-% (zentraler Teil), 17,2 Atom-% (Randteil)
Argon: 4,8 Atom-% (zentraler Teil), 2,7 Atom-% (Randteil)

		Erfindungsgemäßes Beispiel 1		Erfindungsgemäßes Beispiel 2		Vergleichsbeispiel 1		Vergleichsbeispiel 2
Piezoelektrisches Einkristallsubstrat		Lithiumtantalat		Lithiumtantalat		Lithiumtantalat		Lithiumtantalat
Trägersubstrat		Si		Si		Si		Si
FAB-Bestrahlungsmenge (kJ)		180		180		180		360
Atomkonzentration an der Verbindungsgrenzfläche (Atom-%)		Zentraler Teil	Randteil	Zentraler Teil	Randteil	Zentraler Teil	Randteil	Zentraler Teil	Randteil
	Ta oder Nb	46,7	42,1	45,7	41,8	41,5	42,2	46,0	46,7
	O	20,2	17,2	17,1	17,4	17,7	17,6	17,4	18,2
	Si	28,3	38,0	33,0	38,1	38,4	37,6	31,9	30,4
	Ar	4,8	2,7	4,2	2,7	2,4	2,6	4,7	4,7
Dicke der amorphen Schicht (nm)		5,9	4,4	6,8	4,9	4,5	4,2	5,8	5,5
SORI nach dem Erwärmen bei 80 °C (µm)		320		300		650		600

(Erfindungsgemäßes Beispiel 2)
Der verbundene Körper 8A wurde gemäß dem gleichen Verfahren wie demjenigen des erfindungsgemäßen Beispiels 1 hergestellt und bewertet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel waren jedoch die Materialien der piezoelektrischen Einkristallsubstrate 1 und 1A ein Lithiumniobat (LN)-Einkristall. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 und nachstehend gezeigt.

Niob: 45,7 Atom-% (zentraler Teil), 41,8 Atom-% (Randteil)
Silizium: 33,0 Atom-% (zentraler Teil), 38,1 Atom-% (Randteil)
Sauerstoff: 17,1 Atom-% (zentraler Teil), 17,4 Atom-% (Randteil)
Argon: 4,2 Atom-% (zentraler Teil), 2,7 Atom-% (Randteil)

(Vergleichsbeispiel 1)
Der verbundene Körper 8A wurde gemäß dem gleichen Verfahren wie demjenigen des erfindungsgemäßen Beispiels 1 hergestellt und bewertet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurden jedoch die Größen der Gitterlöcher an der Abgabeöffnung des Argonatomstrahls in dem zentralen Teil und dem Randteil gleich eingestellt, so dass der Argonatomstrahl im Wesentlichen einheitlich auf die Gesamtheit der Verbindungsoberfläche 8A eingestrahlt wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 und nachstehend gezeigt.

Tantal: 41,5 Atom-% (zentraler Teil), 42,2 Atom-% (Randteil)
Silizium: 38,4 Atom-% (Randteil), 37,6 Atom-% (Randteil)
Sauerstoff: 17,7 Atom-% (zentraler Teil), 17,6 Atom-% (Randteil)
Argon: 2,4 Atom-% (zentraler Teil), 2,6 Atom-% (Randteil)

(Vergleichsbeispiel 2)
Der verbundene Körper 8A wurde gemäß dem gleichen Verfahren wie demjenigen des Vergleichsbeispiels 1 hergestellt und bewertet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurde jedoch die Bestrahlungsmenge des Argonatomstrahls auf 360 kJ erhöht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 und nachstehend gezeigt.

Tantal: 46,0 Atom-% (zentraler Teil), 46,7 Atom-% (Randteil)
Silizium: 31,9 Atom-% (zentraler Teil), 30,4 Atom-% (Randteil)
Sauerstoff: 17,4 Atom-% (zentraler Teil), 18,2 Atom-% (Randteil)
Argon: 4,7 Atom-% (zentraler Teil), 4,7 Atom-% (Randteil)

Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, betrug gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 2,4 Atom-%, die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht 7 betrug 2,6 Atom- %, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem zentralen Teil betrug 4,5 nm, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem Randteil betrug 4,2 nm und SORI nach dem Erwärmen bei 80 °C betrug 650 µm.
Gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 betrug die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 4,7 Atom-%, die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht 7 betrug 4,7 Atom-%, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem zentralen Teil betrug 5,8 nm, die Dicke der amorphen Schicht in dem Randteil betrug 5,5 nm und SORI nach dem Erwärmen bei 80 °C betrug 600 nm, was bedeutet, dass bezüglich des Vergleichsbeispiel 1 keine starke Verbesserung erhalten wurde.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 betrug die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 4,8 Atom-%, die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht 7 betrug 2,7 Atom-%, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem zentralen Teil betrug 5,9 nm, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem Randteil betrug 4,4 nm und SORI nach dem Erwärmen bei 80 °C war auf 320 µm vermindert.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 betrug die Konzentration des Argonatoms in dem zentralen Teil der amorphen Schicht 7 4,2 Atom-%, die Konzentration des Argonatoms in dem Randteil der amorphen Schicht 7 betrug 2,7 Atom-%, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem zentralen Teil betrug 6,8 nm, die Dicke der amorphen Schicht 7 in dem Randteil betrug 4,9 nm und SORI nach dem Erwärmen bei 80 °C war auf 300 µm vermindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/134980 A1 [0004]
JP 2014086400 A [0041]

Claims

Verbundener Körper, umfassend: ein Trägersubstrat; ein piezoelektrisches Einkristallsubstrat, 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 piezoelektrischen Einkristallsubstrat vorliegt, wobei die amorphe Schicht ein oder mehrere Metallatom(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal, ein Atom, welches das Trägersubstrat bildet, und ein Argonatom umfasst, wobei eine Konzentration des Argonatoms in einem zentralen Teil der amorphen Schicht höher ist als eine Konzentration des Argonatoms in einem Randteil der amorphen Schicht.
Verbundener Körper nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des zentralen Teils der amorphen Schicht größer ist als eine Dicke des Randteils der amorphen Schicht.
Verbundener Körper nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägersubstrat Silizium umfasst.
Verbundener Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezoelektrische Einkristallsubstrat eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweist.