DE112019002458T5 - Verbundener Körper aus piezoelektrischem Materialsubstrat und Trägersubstrat - Google Patents

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Abstract

(Aufgabe) Es ist eine Aufgabe, beim Bonden eines piezoelektrischen Materialsubstrats 1(1A) mit einem Trägersubstrat 3 durch eine Bindungsschicht 2 die Abtrennung des piezoelektrischen Materialsubstrats 1(1A) zu verhindern, wenn der so erhaltene gebondete Körper einer Wärmebehandlung unterzogen wird.(Lösung) Ein gebondeter Körper enthält ein Trägersubstrat 3; ein piezoelektrisches Materialsubstrat 1(1A), das ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst; und eine Bindungsschicht 2, die das Trägersubstrat 3 und das piezoelektrische Materialsubstrat 1(1A) verbindet und eine Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats berührt. Die Bindungsschicht 2 enthält einen Hohlraum, der sich von dem piezoelektrischen Materialsubstrat zu dem Trägersubstrat erstreckt.

Description

  • (Technisches Gebiet)
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen gebondeten Körper aus einem piezoelektrischen Materialsubstrat und einem Trägersubstrat.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es wurde häufig ein SOI-Substrat verwendet, das aus einem hochohmigen Si/SiO2-Dünnfilm/Si-Dünnfilm aufgebaut ist, um eine Hochleistungshalbleitervorrichtung zu realisieren. Plasmaaktivierung wird zur Realisierung des SOI-Substrats angewandt. Dies liegt daran, dass das Bonden bei einer relativ niedrigen Temperatur (400°C) realisiert werden kann. Es wird ein Verbundsubstrat vorgeschlagen, das aus einem ähnlichen Si/SiO2-Dünnfilm/piezoelektrischen Dünnfilm besteht, um die Leistung einer piezoelektrischen Vorrichtung zu verbessern (Patentdokument 1). Gemäß Patentdokument 1 wird das piezoelektrische Materialsubstrat, das aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat und Siliciumsubstrat mit einer darauf gebildeten Siliciumoxidschicht aufgebaut ist, durch ein lonenaktivierungsverfahren aktiviert, gefolgt durch das Bonden.
  • Es wird ein Filter mit einer mehrschichtigen Struktur vorgeschlagen, die einen einzelnen oder mehrere dielektrische Filme an der Verbindungsgrenzfläche enthält (Patentdokument 2). Es sind jedoch kaum Informationen über die Verbindungstechnik zur Realisierung der Struktur von Lithiumtantalat/Siliciumoxid/Silicium bekannt.
  • In Patentdokument 3 wird beschrieben, dass Lithiumtantalat und Saphir oder ein Keramikmaterial durch eine Siliciumoxidschicht durch ein Plasmaaktivierungsverfahren gebondet werden.
  • Ferner ist gemäß einem Oberflächenwellenfilter durch Anhaften von Lithiumtantalat und Saphir durch eine Siliciumoxidschicht bekannt, dass eine Volumenwelle an der Verbindungsgrenzfläche erzeugt wird und eine unnötige Reaktion in Übertragungs- und Hochfrequenzbändern beobachtet wird. Um dies zu verhindern, wird die Technik vorgeschlagen, eine aufgeraute Oberfläche an der Verbindungsgrenzfläche einzubringen, um die Volumenwelle zu streuen und die unnötige Reaktion zu unterbinden. Zu diesem Zeitpunkt wird veröffentlicht, dass die aufgeraute Oberfläche mit einem anorganischen Material gefüllt und dann poliert wird, um eine abgeflachte Oberfläche bereitzustellen (Patentdokument 4).
  • (Vorherige technische Dokumente)
  • (Nichtpatentdokumente)
    • (Nichtpatentdokument 1) ECS Transactions, 3 (6) 91-98 (2006)
    • (Nichtpatentdokument 2) J. Applied Physics 113, 094905 (2013)
  • (Patentdokumente)
    • (Patentdokument 1) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2016-225537A
    • (Patentdokument 2) Japanisches Patent Nr. 5910763B
    • (Patentdokument 3) Japanisches Patent Nr. 3774782B
    • (Patentdokument 4) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2012-085286A (japanisches Patent Nr. 5814727B )
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • (Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben)
  • Es werden jedoch unterschiedliche Arten von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in die Verbindungsgrenzfläche eingebracht, was bedeutet, dass während eines Erwärmungsschritts, der Teil der Waferverarbeitung ist, eine Beanspruchung erzeugt wird. Nachdem der gebondete Körper einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, besteht somit das Problem, dass aufgrund der Beanspruchung häufig ein Bruch des gebondeten Körpers oder eine Abtrennung des piezoelektrischen Materialsubstrats auftritt. Da die verschiedenen Arten von Materialien dicht in die Rauheit auf der Bindungsfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats gefüllt sind, resultiert dies ferner in einer neuen Reflexionsursache, so dass die unnötige Welle möglicherweise nicht ausreichend unterbunden wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Bonden eines piezoelektrischen Materialsubstrats mit einem Trägersubstrat durch eine Bindungsschicht die Abtrennung des piezoelektrischen Materialsubstrats zu verhindern, wenn der so erhaltene gebondete Körper einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
  • (Lösung der Aufgabe)
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen gebondeten Körper bereit, umfassend:
    • ein Trägersubstrat;
    • ein piezoelektrisches Materialsubstrat, das ein Material ausgewählt aus der Gruppe,
    • bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat,
    • umfasst; und
    • eine Bindungsschicht, die das Trägersubstrat und das piezoelektrische Materialsubstrat verbindet und eine Bindungsfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats berührt;
    • wobei die Bindungsschicht einen Hohlraum umfasst, der sich von dem piezoelektrischen Materialsubstrat zu dem Trägersubstrat erstreckt.
  • (Effekte der Erfindung)
  • Wenn eine aufgeraute Oberfläche auf einer Hauptoberfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats gebildet wird und eine Bindungsschicht, die aus Siliciumoxid, Tantalpentoxid oder dergleichen aufgebaut ist, auf der aufgerauten Oberfläche gebildet wird, untersuchten die Erfinder die filmbildenden Bedingungen der Bindungsschicht. Bisher wurde davon ausgegangen, dass eine dichte Bindungsschicht notwendigerweise filmgebildet ist, um die Bindungsstärke sicherzustellen, und es wurden die Bedingungen angewandt, um den dichten Film mit einer relativ geringen Geschwindigkeit bzw. Rate zu erzeugen. Da in diesem Fall jedoch das piezoelektrische Materialsubstrat durch Verarbeitung dünner gemacht wird und dann der Wärmebehandlung unterzogen wird, neigt das dünn gemachte piezoelektrische Materialsubstrat dazu, von dem Trägersubstrat abgetrennt zu werden.
  • Da die Erfinder die Mikrostruktur der dichten Bindungsschicht zur Lösung des Problems untersucht haben, wurden Hohlräume oder Risse in der Bindungsschicht nicht spezifisch beobachtet. Daher änderten sie die Idee und versuchten, die Filmbildungsrate der Bindungsschicht zu erhöhen. Es zeigt sich somit, dass Hohlräume hauptsächlich aus den Aussparungen als Ausgangspunkte des piezoelektrischen Materialsubstrats erzeugt werden. In dem Fall, dass solche Hohlräume in der Bindungsschicht erzeugt werden, wurde dann herausgefunden, dass die Abtrennung des piezoelektrischen Materialsubstrats selbst dann unterbunden wird, wenn das piezoelektrische Materialsubstrat durch Verarbeitung und anschließende Wärmebehandlung dünner gemacht wird. Somit ist die vorliegende Erfindung geschaffen.
  • Obwohl der Grund nicht klar ist, warum solche beträchtlichen Effekte erzielt werden, wird davon ausgegangen, dass die durch die Verarbeitung ausgeübte mechanische Beanspruchung und die durch die Erwärmung ausgeübte thermische Beanspruchung durch die Hohlräume angemessen verteilt werden, die sich von der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats zu der Seite des Trägersubstrats erstrecken.
  • Figurenliste
    • 1(a) zeigt den Zustand, in dem eine Hauptoberfläche 1a eines piezoelektrischen Materialsubstrats 1 verarbeitet wird, 1(b) zeigt den Zustand, in dem eine Bindungsschicht 2 auf der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 bereitgestellt ist, und 1(c) zeigt den Zustand, in dem Plasma B auf eine Bindungsfläche der Bindungsschicht 2 gestrahlt wird, um die Bindungsfläche zu aktivieren.
    • 2(a) zeigt ein Trägersubstrat 3 und 2(b) zeigt den Zustand, in dem eine Bindungsfläche 3b des Trägersubstrats 3 aktiviert ist.
    • 3(a) zeigt einen gebondeten Körper 5 aus dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1 und dem Trägersubstrat 3, 3(b) zeigt den Zustand, in dem ein piezoelektrisches Materialsubstrat 1A eines gebondeten Körpers 5A durch Verarbeitung dünner gemacht wird, und 3(c) zeigt eine Akustikwellenvorrichtung 6.
    • 4(a) zeigt das Trägersubstrat 3 und 4(b) zeigt den Zustand, in dem eine Bindungsfläche 12a einer Zwischenschicht 12 auf dem Trägersubstrat 3 aktiviert ist.
    • 5(a) zeigt einen gebondeten Körper 15 aus dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1 und dem Trägersubstrat 3, 5(b) zeigt den Zustand, in dem ein piezoelektrisches Materialsubstrat 1A des gebondeten Körpers 15A durch Verarbeitung dünner gemacht wird, und 5(c) zeigt eine Akustikwellenvorrichtung 16.
    • 6 zeigt eine Fotografie, die eine vergrößerte Ansicht einer Bindungsschicht gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt.
    • 7 ist ein Diagramm, das die Fotografie von 6 darstellt und dieser entspricht.
    • 8 ist eine Fotografie, die eine vergrößerte Ansicht einer Bindungsschicht gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
    • 9 ist ein Diagramm, das die in 8 gezeigte Fotografie darstellt und dieser entspricht.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird detailliert mit entsprechendem Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
    Zunächst wird, wie in 1(a) gezeigt, ein piezoelektrisches Materialsubstrat 1 mit einem Paar Hauptoberflächen 1a und 1b hergestellt. Die Verarbeitung A wird dann auf die bzw. der Hauptoberfläche 1a angewandt, um das Aufrauen durchzuführen. Dann wurde, wie in 1(b) gezeigt, eine Bindungsschicht 2 auf der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 filmgebildet. Die Oberfläche 2a der Bindungsschicht 2 wird zum Zwecke des Erhaltens einer Spiegelfläche einem CMP-Polieren unterzogen. Dann wird, wie in 1(c) gezeigt, Plasma auf die Oberfläche 2a der Bindungsschicht 2 als Pfeile B gestrahlt, um eine aktivierte Bindungsfläche 2b zu erhalten.
  • Ferner wird, wie in 2(a) gezeigt, ein Trägersubstrat 3 mit einer Hauptoberfläche 3a hergestellt. Dann wird Plasma auf die Hauptoberfläche des Trägersubstrats 3 als Pfeile C gestrahlt, um die Oberflächenaktivierung zur Bildung einer aktivierten Bindungsfläche 3b durchzuführen.
  • Dann werden die aktivierte Bindungsfläche 2b der Bindungsschicht 2 auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat und die aktivierte Bindungsfläche 3b des Trägersubstrats 3 in Kontakt gebracht und direkt miteinander gebondet, um einen in 3(a) gezeigten gebondeten Körper 5 zu erhalten.
  • In dem Zustand können Elektroden auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1 angeordnet werden. Vorzugsweise wird jedoch, wie in 3(b) gezeigt, eine Hauptoberfläche 1b des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 verarbeitet, um das Substrat 1 dünner zu machen, um ein dünn gemachtes piezoelektrisches Materialsubstrat 1A zu erhalten und somit einen gebondeten Körper 5A bereitzustellen. 9 stellt eine bearbeitete Oberfläche dar. Dann werden, wie in 3(c) gezeigt, vorbestimmte Elektroden 10 auf der verarbeiteten Oberfläche 9 des piezoelektrischen Materialsubstrats 1A des gebondeten Körpers 5A gebildet, um eine Akustikwellenvorrichtung 6 zu erhalten.
  • Ferner kann eine Zwischenschicht zwischen der Bindungsschicht 2 und dem Trägersubstrat 3 bereitgestellt sein. 4 und 5 betreffen diese Ausführungsform.
    Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird, wie in 1(a) gezeigt, ein piezoelektrisches Materialsubstrat 1 mit einem Paar Hauptoberflächen 1a und 1b hergestellt. Die Verarbeitung A wird dann auf der Hauptoberfläche 1a durchgeführt, um das Aufrauen durchzuführen. Dann wird, wie in 1(b) gezeigt, eine Bindungsschicht 2 auf der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 filmgebildet. Die Oberfläche der Bindungsschicht 2 wird einem CMP-Polieren unterzogen, um eine Spiegelfläche zu erhalten. Dann wird, wie in 1(c) gezeigt, Plasma auf die Bindungsfläche der Bindungsschicht 2 als Pfeile B gestrahlt, um eine oberflächenaktivierte Bindungsfläche 2b zu erhalten.
  • Ferner wird, wie in 4(a) gezeigt, ein Trägersubstrat 3 mit einer Hauptoberfläche 3a hergestellt. Dann wird, wie in 4(b) gezeigt, eine Zwischenschicht 12 auf der Hauptoberfläche 3a des Trägersubstrats 3 gebildet, und Plasma wird auf die Oberfläche der Zwischenschicht 12 als Pfeil C gestrahlt, um die Oberflächenaktivierung zur Bildung einer oberflächenaktivierten Bindungsfläche 12a durchzuführen.
  • Dann werden die aktivierte Bindungsfläche 2b der Bindungsschicht 2 auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat und die aktivierte Bindungsfläche 12a der Zwischenschicht 12 auf dem Trägersubstrat 3 in Kontakt gebracht und direkt miteinander gebondet, um einen in 5(a) gezeigten gebondeten Körper 15 zu erhalten.
  • In dem Zustand können Elektroden auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1 angeordnet werden. Vorzugsweise wird jedoch, wie in 5(b) gezeigt, eine Hauptoberfläche 1b des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 verarbeitet, um das Substrat 1 dünner zu machen, um ein dünn gemachtes piezoelektrisches Materialsubstrat 1A zu erhalten und somit einen gebondeten Körper 15A bereitzustellen. 9 stellt eine bearbeitete Oberfläche dar. Dann werden, wie in 5(c) gezeigt, vorbestimmte Elektroden 10 auf der verarbeiteten Oberfläche 9 des piezoelektrischen Materialsubstrats 1A des gebondeten Körpers 5A gebildet, um eine Akustikwellenvorrichtung 16 zu erhalten.
  • Alternativ kann nach dem Filmformen der Bindungsschicht 2 die Zwischenschicht 12 anschließend auf der Bindungsschicht 2 filmgebildet werden. In diesem Fall wird ein CMP-Polieren auf der Oberfläche der Zwischenschicht 12 durchgeführt, um eine Bindungsfläche (Spiegelfläche) zu erhalten. Plasma wird auf die so erhaltene Bindungsfläche gestrahlt, um sie zu aktivieren. Die Oberfläche des Trägersubstrats wird dann einer Plasmaaktivierung unterzogen, gefolgt von einem direkten Bonden mit der Bindungsfläche der Zwischenschicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Bindungsschicht 2 ein länglicher Hohlraum angeordnet, der sich von dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1(1A) zu dem Trägersubstrat 3 erstreckt. Wie in einer Fotografie des Querschnitts von 6 und einem schematischen Darstellungsdiagramm von 7 gezeigt, sind beispielsweise in der Bindungsschicht 2 zwischen dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1(1A) und dem Trägersubstrat Hohlräume 16 und 17 ausgebildet, die sich von dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1(1A) zu dem Trägersubstrat 3 erstrecken.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform versteht es sich, dass sich die jeweiligen Hohlräume 16 und 17 von der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1(1A) erstrecken und der Morphologie der Rauheit (insbesondere Aussparungen) auf der Hauptoberfläche 1a entsprechen. 16a und 17a stellen Endteile der Hohlräume 16 bzw. 17 auf der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats dar. Ferner erreichen einige Hohlräume 16 die Bindungsfläche 2b der Bindungsschicht 2 auf der Seite des Trägersubstrats, und einige Hohlräume 17 erreichen die Bindungsfläche 2b der Bindungsschicht 2 nicht und sind innerhalb der Bindungsschicht 2 abgeschlossen. Ferner sind 16b und 17b Enden der jeweiligen Hohlräume 16 bzw. 17 auf der Seite der Bindungsfläche 2b.
  • Der Hohlraum bedeutet einen Raum, der nicht mit dem Material gefüllt ist, das die Bindungsschicht bildet. Ferner werden das Vorhandensein und die Form des Hohlraums beobachtet und gemessen, indem der gebondete Körper (Wafer) geschnitten wird und indem der Querschnitt durch Schneiden mit einem REM (Rasterelektronenmikroskop) beobachtet wird. Die Messbedingungen sind unten gezeigt.
    • SEM-System: „Ultra55“ von Carl Zeiss AG
    • Beschleunigungsspannung: 2 kV
    • Vergrößerung: 4000-fach
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Aussparung 20 auf der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1(1A) angeordnet, und die Hohlräume 16 und 17 sind mit der Aussparung 20 in Verbindung. Wenn die Bindungsschicht auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat filmgebildet wird, wird die Schicht in Übereinstimmung mit der Morphologie der Hauptoberfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats filmgeformt, so dass eine solche Morphologie dazu neigt, erzeugt zu werden. Kristall kann jedoch während des Kristallwachstums in Begrenzungen der Hohlräume und Aussparungen gefüllt werden, so dass die Enden 16a und 17a der Hohlräume von den Aussparungen 20 entfernt sein können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durchdringen die Hohlräume die Bindungsschicht in der Dickenrichtung L. In diesem Fall erreichen die jeweiligen Enden 16a der Hohlräume 16 die Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats und die Enden 16b des Hohlraums 16 auf der gegenüberliegenden Seite erreichen die Bindungsfläche 2b der Bindungsschicht 2. Das Vorhandensein der Hohlräume mit einer solchen Morphologie ist unter dem Gesichtspunkt bevorzugt, die Abtrennung des piezoelektrischen Materialsubstrats zu verhindern.
  • Die Dickenrichtung L der Bindungsschicht bedeutet die Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats. Die Morphologie der Hauptoberfläche 1a ist jedoch einer flachen Ebene anzunähern und die feine Rauheit ist zu ignorieren.
  • Vorzugsweise ist der Hohlraum ungefähr in der Dickenrichtung L der Bindungsschicht verlängert. Es ist nicht erforderlich, dass der Hohlraum parallel zu der Dickenrichtung L über die gesamte Länge des Hohlraums erstreckt ist und der Hohlraum kann gekrümmt oder deformiert sein, oder eine Mehrzahl der Linien der Hohlräume können miteinander in Verbindung sein. Ferner kann der Hohlraum vorzugsweise ein länglicher Hohlraum sein. Ferner ist die spezifische Form nicht besonders begrenzt und kann eine Streifen-, Steak-, Entasisform oder dergleichen sein, und diese Formen können weiter gekrümmt oder gebogen sein.
  • Ferner kann (Breite „t“ am Ende des Hohlraums auf der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats)/(Gesamtlänge „I“ des Hohlraums) vorzugsweise 0,02 oder größer, und bevorzugter 0,03 oder größer sein. Ferner kann (Breite „t“ am Ende des Hohlraums an der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats)/(Gesamtlänge „I“ des Hohlraums) vorzugsweise 0,08 oder kleiner, und bevorzugter 0,05 oder kleiner sein.
    Ferner bedeutet die Gesamtlänge „I“ des Hohlraums eine Länge (Entfernung) eines Gesamtweges des Hohlraums von dem Ende auf der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats zu dem Ende auf der Seite des Trägersubstrats. Ferner bedeutet die Breite „t“ an dem Ende des Hohlraums an der Seite des piezoelektrischen Materialsubstrats eine Breite des Hohlraums bei Betrachtung parallel zu der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Materialsubstrat und dem Trägersubstrat.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform berührt die Bindungsschicht 2 die Hauptoberfläche 2a des Trägersubstrats 3. 1 bis 3 betreffen diese Ausführungsform.
  • Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Zwischenschicht 12 zwischen der Bindungsschicht 2 und dem Trägersubstrat 3 vorhanden. 4 und 5 betreffen diese Ausführungsform. Eine solche Zwischenschicht kann aus einer einzelnen Schicht allein oder aus mehreren Schichtenaufgebaut sein.
  • Die jeweiligen Bestandteile der vorliegenden Erfindung werden in der Reihenfolge beschrieben.
    Obwohl das Material des Trägersubstrats 3 nicht besonders beschränkt ist, ist das Material vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silicium, Quarz, Sialon, Mullit, Saphir und durchscheinendem Aluminiumoxid. Es ist somit möglich, die Temperatureigenschaften der Frequenz der piezoelektrischen Wellenvorrichtung 6 oder 16 weiter zu verbessern.
  • Obwohl das Verfahren zur Filmbildung der Bindungsschicht und der Zwischenschicht nicht besonders beschränkt ist, können Sputtern, chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) und Aufdampfen aufgelistet werden.
  • Obwohl das Material der Bindungsschicht 2 nicht besonders beschränkt ist, ist, soweit die Oberflächenaktivierungsbehandlung möglich ist, ein Metalloxidfilm bevorzugt, und es ist besonders bevorzugt ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliciumoxid und Tantalpentoxid. Ferner kann als Verfahren zur Oberflächenaktivierungsbehandlung ein geeignetes Verfahren in Abhängigkeit von dem Material der aufgebrachten Bindungsschicht ausgewählt werden. Ein solches Oberflächenaktivierungsverfahren umfasst Plasmaaktivierung und FAB (Ar-Atomstrahl).
  • Obwohl das Material der Zwischenschicht 12 nicht besonders beschränkt ist, ist, soweit die Oberflächenaktivierungsbehandlung möglich ist, ein Metalloxidfilm bevorzugt, und es ist besonders bevorzugt ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliciumoxid und Tantalpentoxid. Es ist jedoch bevorzugt, das Material der Zwischenschicht dahingehend auszuwählen, anders zu sein als das Material der Bindungsschicht.
  • Die Dicke der Bindungsschicht 2 kann unter dem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise 0,5 µm oder größer, bevorzugter 1,0 µm oder größer, und am bevorzugtesten 2,5 µm oder größer sein. Ferner kann die Dicke der Bindungsschicht 2 vorzugsweise 10 µm oder kleiner, bevorzugter 7 µm oder kleiner, und am bevorzugtesten 5 µm oder kleiner sein.
  • Das in der vorliegenden Erfindung verwendete piezoelektrische Materialsubstrat 1 ist aus Lithiumtantalat(LT)-Einkristall, Lithiumniobat(LN)-Einkristall oder Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Feststofflösung bzw. -Mischkristall. Da die Materialien hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten einer akustischen Oberflächenwelle und große elektromechanische Kopplungsfaktoren aufweisen, werden sie zur Verwendung in einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung für Hochfrequenz- und Breitbandfrequenzanwendungen bevorzugt.
  • Obwohl die normale Richtung der Hauptoberfläche 1 a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 nicht besonders beschränkt ist, ist es zum Beispiel in dem Fall, dass das piezoelektrische Materialsubstrat 1 aus LT besteht, bevorzugt, das Substrat von der Y-Achse zu der Z-Achse um 32 bis 55° (180°, 58° bis 35°, 180° in der Eulerschen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht zu verwenden, was eine Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle ist, und zwar aufgrund von eines geringen Ausbreitungsverlusts. In dem Fall, dass das piezoelektrische Materialsubstrat 1 aus LN besteht, (i) ist es bevorzugt, das Substrat von der Z-Achse zu der Y-Achse um 37,8° (0°, 37,8°, 0° in der Eulerschen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht zu verwenden, was eine Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle ist, und zwar aufgrund eines großen elektromechanischen Kopplungsfaktors. Alternativ (ii) ist es bevorzugt, das Substrat zu verwenden, das von der Y-Achse zu der Z-Achse um 40 bis 65° (180°, 50 bis 25°, 180° in der Eulerschen Winkeldarstellung) um die X-Achse gedreht ist, was eine Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle ist, da eine hohe Schallgeschwindigkeit erhalten werden kann. Obwohl die Größe des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 nicht besonders begrenzt ist, kann der Durchmesser beispielsweise 100 bis 200 mm betragen und die Dicke kann 0,15 bis 1 µm betragen.
  • Wenn die Hauptoberfläche 1b des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 einem Aufrauungsprozess unterzogen wird, ist das Läppen bevorzugt. Es ist bevorzugter, dass das Läppen durch Aufbringen von rauen Schleifkörnern von GC#1000 oder GC#2500 durchgeführt wird. Da die so verarbeitete aufgeraute Oberfläche einer Messung durch „New View 7300“ von Zygo Co. Ltd. unterzogen wird, zeigen sich Ra von 100 bis 300 nm und ein Rmax-Wert von 1,4 bis 4,0 µm. Alternativ kann Abstrahlen angewandt werden, um die ähnliche aufgeraute Oberfläche zu erhalten.
  • Dann wird Plasma auf die Bindungsfläche der Bindungsschicht 2 auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1, die Bindungsfläche des Trägersubstrats 3 und die Bindungsfläche der Zwischenschicht 12 auf dem Trägersubstrat 3 bei einer Temperatur von 150°C oder niedriger gestrahlt, um die Bindungsflächen zu aktivieren. Obwohl es unter dem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, Stickstoffplasma zu bestrahlen, ist es möglich, den gebondeten Körper der Erfindung zu erhalten, selbst wenn Sauerstoffplasma bestrahlt wird.
  • Der Druck während der Oberflächenaktivierung kann vorzugsweise 100 Pa oder weniger, und bevorzugter 80 Pa oder weniger betragen. Ferner kann die Atmosphäre nur aus Stickstoff oder nur Sauerstoff oder einer Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff bestehen.
  • Die Temperatur während der Bestrahlung mit Plasma wird auf 150°C oder weniger eingestellt. Es ist somit möglich, den gebondeten Körper mit einer hohen Bindungsstärke und ohne Verschlechterung der Kristallinität zu erhalten. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Temperatur während der Plasmabestrahlung auf 150°C oder niedriger, und vorzugsweise auf 100°C oder niedriger eingestellt.
  • Ferner kann die Energie des abgestrahlten Plasmas vorzugsweise 30 bis 150 W betragen. Ferner kann ein Produkt aus der Energie des abgestrahlten Plasmas und einer Zeit für die Bestrahlung vorzugsweise 0,12 bis 1,0 Wh betragen.
    Die Bindungsflächen der Substrate nach der Plasmabehandlung wurden bei Raumtemperatur miteinander in Kontakt gebracht. Zu diesem Zeitpunkt können die Substrate, obwohl die Substrate unter Vakuum behandelt werden können, vorzugsweise in der Atmosphäre in Kontakt gebracht werden.
  • Für den Fall, dass die Oberflächenaktivierung durch den Argonatomstrahl durchgeführt wird, ist es bevorzugt, ein in JP 2014-086400A beschriebenes System zu verwenden, um den abgestrahlten Argonatomstrahl zu erzeugen. Das heißt, es wird eine Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle vom Sattelfeldtyp als Strahlquelle verwendet. Dann wird ein Inertgas in eine Kammer eingebracht und eine Hochspannung von einer elektrischen Gleichstromquelle an Elektroden angelegt. Dadurch bewirkt ein elektrisches Feld vom Sattelfeldtyp, das zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und einem Gehäuse (negative Elektrode) erzeugt wird, eine Bewegung von Elektronen, e, so dass Argonatom- und lonenstrahlen erzeugt werden. Unter den Strahlen, die an einem Gitter erreicht werden, wird der lonenstrahl am Gitter neutralisiert, und der Strahl von Argonatomen wird von der Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle emittiert. In dem Aktivierungsschritt durch Strahlabstrahlung 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.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bindungsflächen der Bindungsschicht auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat, des Trägersubstrats und der Zwischenschicht auf dem Trägersubstrat vor der Oberflächenaktivierungsbehandlung einem Abflachungsprozess unterzogen. Das Verfahren zum Abflachen der jeweiligen Bindungsflächen umfasst Läppen, chemischmechanisches Polieren (CMP) und dergleichen. Ferner können die abgeflachten Oberflächen vorzugsweise Ra von 1 nm oder weniger und bevorzugter Ra von 0,3 nm oder weniger aufweisen.
  • Dann werden die Bindungsfläche der Bindungsschicht auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat und die Bindungsschicht des Trägersubstrats 3 oder die Bindungsschicht der Zwischenschicht miteinander in Kontakt gebracht und miteinander gebondet. Danach kann vorzugsweise eine Glühbehandlung durchgeführt werden, um die Bindungsfestigkeit zu verbessern. Die Temperatur während der Glühbehandlung kann vorzugsweise 100°C oder höher und 300°C oder niedriger betragen.
  • Die gebondeten Körper 5, 5A, 15 und 15A der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise als Akustikwellenvorrichtungen 6 und 16 angewendet werden. Das heißt, es ist eine Akustikwellenvorrichtung, die den gebondeten Körper der vorliegenden Erfindung und auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat angeordnete Elektroden enthält.
    Insbesondere ist als Akustikwellenvorrichtung 6 oder 16 eine Oberflächenwellenwellenvorrichtung, eine Lambwellenvorrichtung, ein Dünnschichtresonator (FBAR) oder dergleichen bekannt. Beispielsweise wird die Oberflächenwellenwellenvorrichtung hergestellt, indem eingangsseitige IDT(Interdigitalwandler)-Elektroden (auch als Kammelektroden oder interdigitalisierte Elektroden bezeichnet) zum Schwingen der akustischen Oberflächenwellen und IDT-Elektroden auf der Ausgangsseite zum Empfangen der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats angeordnet werden. Durch Anlegen eines Hochfrequenzsignals an die IDT-Elektrode auf der Eingangsseite wird ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt, so dass die akustische Oberflächenwelle auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat zum Schwingen gebracht wird und sich ausbreitet. Dann wird die ausgebreitete akustische Oberflächenwelle als elektrisches Signal von den IDT-Elektroden auf der Ausgangsseite herausgenommen, die in Ausbreitungsrichtung bereitgestellt sind.
  • Ein Material, das die Elektrode 10 des piezoelektrischen Materialsubstrats 1A bildet, kann vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder Gold und bevorzugter Aluminium oder die Aluminiumlegierung sein. Die Aluminiumlegierung kann vorzugsweise AI mit 0,3 bis 5 Gew.-% Cu sein, das darin gemischt ist. In diesem Fall kann Ti, Mg, Ni, Mo oder Ta anstelle von Cu verwendet werden.
  • BEISPIELE
  • (Erfindungsgemäßes Beispiel A)
  • Es wurde die in 3(c) gezeigte Akustikwellenvorrichtung 6 gemäß dem mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen Verfahren hergestellt.
  • Insbesondere wurde eine Hauptoberfläche 1b des 42Y-Cut-X-Propagation-LiTaO3-Substrats (piezoelektrisches Materialsubstrat) 1 mit einer Dicke von 250 µm zu einer Spiegelfläche poliert und die andere Hauptoberfläche 1a wurde mit GC#1000 geläppt. Ferner wurde ein hochohmiges (>2kΩ • cm) Si(100)-Substrat (Trägersubstrat) 3 mit einer Dicke von 0,23 mm hergestellt. Die Größe der jeweiligen Substrate betrug 150 mm.
  • Die Bindungsschicht 2, die aus einem Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 6 µm aufgebaut ist, wurde auf der Hauptoberfläche (aufgeraute Oberfläche) 1a des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 unter Verwendung eines Sputtersystems „RAS-1100C“ filmgebildet (zur Verfügung gestellt von SHINCHRON CO., LTD.). Die Filmbildungsbedingungen waren wie folgt.
    • Elektrische Vorspannungsleistung: 6000W
    • Ar-Gasfluss: 100sccm
    • Elektrische Leistung der Mikrowelle: 1500W
    • O2-Gasflussrate: 200 sccm
    • Rate bzw. Geschwindigkeit: 0,3 nm/s
    • Druck in der Kammer während der Filmbildung: 0,1 Pa
  • Das so filmgebildete Siliciumoxid wurde einer CMP-Verarbeitung unterzogen, um eine für die Bindung erforderliche Flachheit zu erhalten.
  • Die Oberflächenrauheit der Bindungsschicht nach dem Polieren wurde durch AFM (Atomic Force Microscope) gemessen und Ra wurde mit 0,4 nm nachgewiesen, was darauf hinweist, dass eine für das Bonden ausreichende Spiegelfläche erhalten wurde.
  • Die Bindungsfläche 2a der Bindungsschicht 2 auf dem piezoelektrischen Materialsubstrat 1 und die Bindungsschicht 3a des Trägersubstrats 3 wurden dann einer Reinigung und Oberflächenaktivierung unterzogen. Insbesondere wurde eine Ultraschallreinigung mit reinem Wasser durchgeführt, gefolgt von einem Trocknen der Substratoberflächen durch Schleudertrocknen. Das Trägersubstrat 3 wurde nach dem Reinigen in eine Plasmaaktivierungskammer eingebracht, und die Bindungsfläche 3a des Trägersubstrats wurde unter Stickstoffgasplasma bei 30°C aktiviert. Ferner wurde das piezoelektrische Materialsubstrat 1 auf ähnliche Weise in die Plasmaaktivierungskammer eingebracht, und die Bindungsfläche 2a der Bindungsschicht 2 wurde einer Oberflächenaktivierung durch Stickstoffgasplasma bei 30°C unterzogen. Der Zeitraum für die Oberflächenaktivierung betrug 40 Sekunden und die Energie wurde auf 100 W eingestellt. Die gleiche Ultraschallreinigung und Schleudertrocknung wie oben beschrieben wurde erneut durchgeführt, um während der Oberflächenaktivierung angehaftete Partikel zu entfernen.
  • Dann wurde die Positionierung der jeweiligen Substrate durchgeführt und die aktivierten Bindungsflächen der jeweiligen Substrate wurden bei Raumtemperatur miteinander in Kontakt gebracht. Die Substrate wurden mit dem oben bzw. auf der Oberseite positionierten piezoelektrischen Materialsubstrat 1 in Kontakt gebracht. Als Ergebnis wurde der Zustand beobachtet, dass sich die Haftung der Substrate untereinander ausbreitete (sogenannte Bindungswelle), was darauf hinweist, dass eine gute vorläufige Bindung realisiert wurde. Der gebondete Körper wurde dann in einen mit Stickstoffatmosphäre gefüllten Ofen gegeben und 10 Stunden bei 120°C gehalten, um die Bindungsstärke zu verbessern.
  • Die Oberfläche 1b des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 des gebondeten Körpers wurde nach dem Erwärmen abgeschliffen, geläppt und CMPverarbeitet, so dass die Dicke des piezoelektrischen Materialsubstrats 1A 20 µm erreichte. Der so erhaltene gebondete Körper wurde 2 Stunden lang bei 300°C in einen Ofen gegeben und dann herausgenommen, um die Wärmebeständigkeit des gebondeten Körpers zu bestätigen, und es wurde bestätigt, dass keine Risse oder Abtrennungen des piezoelektrischen Materialsubstrats 1A beobachtet wurden.
  • Ferner zeigt 6 eine Fotografie des Querschnitts des so erhaltenen gebondeten Körpers, aufgenommen durch das SEM-System, und den oben beschriebenen Zustand, und 7 veranschaulicht die Erläuterung (die Erläuterung wurde oben beschrieben). Ferner betrug l/t 0,04 bis 0,13.
  • (Erfindungsgemäßes Beispiel B)
  • Das Material der Bindungsschicht wurde im erfindungsgemäßen Beispiel A in Tantalpentoxid geändert. Ferner wurde anstelle des Plasmas ein Ar-Atomstrahl für die Oberflächenaktivierung angewandt. Im Ergebnis wurden ähnliche Ergebnisse wie in dem erfindungsgemäßen Beispiel A erhalten.
  • (Erfindungsgemäßes Beispiel C)
  • Das Material des piezoelektrischen Materialsubstrats 1 wurde im erfindungsgemäßen Beispiel A in Lithiumniobat geändert. Im Ergebnis wurden ähnliche Ergebnisse wie in dem erfindungsgemäßen Beispiel A erhalten.
  • (Vergleichsbeispiel A)
  • Der gebondete Körper wurde nach dem gleichen Verfahren wie das des erfindungsgemäßen Beispiels A hergestellt. Die elektrische Vorspannungsleistung während der Filmbildung wurde jedoch auf die Hälfte, d.h. von 6000 W auf 3000 W gesenkt und die Geschwindigkeit bzw. Rate der Filmbildung wurde auf etwa 1/2 eingestellt.
  • Der gebondete Körper wurde nach dem gleichen Verfahren wie das des erfindungsgemäßen Beispiels 1 hergestellt, und der so erhaltene gebondete Körper wurde 2 Stunden lang bei 300°C in einen Ofen gegeben, und der gebondete Körper wurde dann herausgenommen. Infolgedessen wurde der gebondete Körper zu Pulver gebrochen.
  • Als der Querschnitt des gebondeten Körpers beobachtet wurde, wie in 8 und 9 gezeigt, war die Struktur der Bindungsschicht 13 sehr dicht und es wurden keine Hohlräume beobachtet, die sich in der Dickenrichtung L erstreckten.
  • (Vergleichsbeispiel B)
  • Das Material der Bindungsschicht 13 wurde im Vergleichsbeispiel A in Tantalpentoxid geändert. Ferner wurde ein Ar-Atomstrahl für die Oberflächenaktivierung wie oben beschrieben angewandt. Im Ergebnis wurden ähnliche Ergebnisse wie in dem Vergleichsbeispiel A erhalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 5910763 B [0005]
    • JP 3774782 B [0005]
    • JP 2012085286 A [0005]
    • JP 5814727 B [0005]
    • JP 2014086400 A [0043]

Claims (7)

  1. Gebondeter Körper, umfassend: ein Trägersubstrat; ein piezoelektrisches Materialsubstrat, das ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat, umfasst; und eine Bindungsschicht, die das Trägersubstrat und das piezoelektrische Materialsubstrat verbindet und eine Hauptoberfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats berührt; wobei die Bindungsschicht einen Hohlraum umfasst, der sich von dem piezoelektrischen Materialsubstrat zu dem Trägersubstrat erstreckt.
  2. Gebondeter Körper nach Anspruch 1, wobei eine Aussparung an der Hauptoberfläche des piezoelektrischen Materialsubstrats angeordnet ist und der Hohlraum mit der Aussparung in Verbindung ist.
  3. Gebondeter Körper nach Anspruch 2, wobei der Hohlraum die Bindungsschicht in einer Richtung der Dicke der Bindungsschicht durchdringt.
  4. Gebondeter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bindungsschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe, bestehend aus Siliciumoxid und Tantalpentoxid, ausgewählt ist.
  5. Gebondeter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bindungsschicht eine Hauptoberfläche des Trägersubstrats berührt.
  6. Gebondeter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Zwischenschicht zwischen der Bindungsschicht und dem Trägersubstrat.
  7. Gebondeter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das piezoelektrische Materialsubstrat eine Dicke von 20 µm oder weniger aufweist.
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