DE112020001781T5

DE112020001781T5 - Vibrationsplatte-Verbundkörper

Info

Publication number: DE112020001781T5
Application number: DE112020001781.8T
Authority: DE
Inventors: Yudai Uno; Tomoyoshi Tai; Keiichiro Asai; Masato Niwa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-12-30
Also published as: TW202128429A; JPWO2021124955A1; CN115004394A; WO2021124955A1; KR20210131429A; US20220393094A9; US20220052251A1; TWI801785B; KR102383925B1; US11569434B2; JP7034384B2

Abstract

(Aufgabe) Bereitstellung eines Verbundkörpers einer Vibrationsplatte, der aus einer hochfesten Keramik und einem Trägersubstrat besteht, wobei der Verbundkörper die Struktur aufweist, die Festigkeit der Vibrationsplatte aufrechtzuerhalten und das Abschälen und die Rissbildung der Vibrationsplatte zu verhindern.(Lösung) Ein Vibrationsplatte-Verbundkörper 5 enthält ein Trägersubstrat 3, das aus Silizium besteht, eine Vibrationsplatte 1A, die aus einer hochfesten Keramik besteht und eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist, und eine Bondingschicht 2 zwischen dem Trägersubstrat 3 und der Vibrationsplatte 1A, die eine Bondingoberfläche 1a der Vibrationsplatte 1A berührt und aus α-Si besteht. Die arithmetische mittlere Rauheit Ra der Bondingoberfläche 1a der Vibrationsplatte 1A beträgt 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger, und die Pitdichte der Bondingoberfläche 1a der Vibrationsplatte 1A beträgt 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm2.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundkörper, der für einen MEMS-Spiegel (Micro Electro Mechanical System) oder dergleichen verwendet werden kann und durch Bonding einer Vibrationsplatte aus einer hochfesten Keramik mit einem Trägersubstrat hergestellt wird.
Technischer Hintergrund
Ein Head-up-Display (HUD) ist ein System zur Anzeige notwendiger Informationen, die sich in einem Blickfeld überlappen, während die Sichtlinie im nach vorne gerichteten Modus beibehalten wird. Da beim Autofahren die Informationen visualisiert werden können, während die Sichtlinie im nach vorne gerichteten Modus beibehalten wird, als wenn die Informationen auf einer Anzeigetafel oder einem Armaturenbrett beobachtet werden, ist es möglich, das Abdriften effektiv zu verhindern, und da eine geringere Fokusverschiebung der Augen erforderlich ist, ist es möglich, die Ermüdung des Fahrers zu verringern und die Sicherheit zu verbessern.
Es wird das Prinzip des HUD beschrieben. Ein Bild von einer Leuchtstoffröhre, einer Kathodenstrahlröhre oder einer Flüssigkristallanzeige wird auf einer Frontscheibe oder einem transparenten Bildschirm (Kombinator) des Fahrzeugs angezeigt. Hierbei beinhaltet das HUD aufgrund der unterschiedlichen optischen Strukturen die beiden folgenden Systeme.

(1) Direktes Projektionssystem, bei dem das Bild direkt auf die Frontscheibe oder dergleichen als ein Bildschirm projiziert wird.
(2) Virtuelles Abbildungssystem zur Abbildung des Bildes auf der Netzhaut des Fahrers durch die Frontscheibe oder dergleichen als reflektierender Spiegel.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Systemen ist das Gefühl der Entfernung, wenn der Fahrer das Bild betrachtet. Gemäß dem direkten Projektionssystem wird das Bild auf dem Bildschirm (Kombinator) wie bei einem herkömmlichen Projektor erkannt. Gemäß dem virtuellen Abbildungssystem wird das Bild in einem einige Meter entfernten Raum in der Sichtlinie des Fahrers erkannt. Gemäß beiden Systemen wird die Verschiebung der Sichtlinie zwischen dem vorderen Blickfeld des Fahrers und der Anzeigetafel oder Konsole im Vergleich zu dem Fall, dass das HUD nicht verwendet wird, erheblich verringert. Gemäß dem virtuellen Abbildungssystem wird die Fokusverschiebung des Blickfelds während der normalen Fahrt jedoch gering, so dass sich der Fahrer besser auf das Fahren konzentrieren kann, um weniger zu ermüden. Gemäß dem virtuellen Abbildungssystem wurde die Entwicklung eines neuen Systems des abscannenden Laserstrahls für die Bildgebung gefördert.
Gemäß der Anzeige vom Laserscantyp werden die Laserstrahlen der drei RGB-Farben durch eine optische Vorrichtung, die Kombinator genannt wird, kombiniert, um einen einzigen Strahl zu erzeugen, der von einem Mikrospiegel reflektiert wird, um das zweidimensionale Scannen und die Abbildung durchzuführen. Obwohl es dem Elektronenstrahlscannen der Kathodenstrahlröhre ähnelt, werden anstelle der Anregung eines Leuchtstoffs die Impulsbreite und die Leistung der jeweiligen Laserstrahlen an Positionen gesteuert, die den jeweiligen Pixeln auf den horizontalen Scanlinien entsprechen, um die Farbe und die Helligkeit zu ändern, so dass der Pointillismus der Pixel mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Die erreichbare Auflösung wird durch die Schwingungsfrequenz des Spiegels und die Modulationsfrequenz des Lasers bestimmt.
Zu den wichtigsten Vorteilen des Systems gehören die folgenden.

(1) Da die Anzahl der Teile gering ist, können Miniaturisierung, Kostensenkung und Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht werden.
(2) Da der Laser mit der für jedes Pixel erforderlichen Helligkeit beleuchtet werden kann, lässt sich ein geringer Stromverbrauch erzielen.
(3) Da das kollimierte Laserlicht (paralleles Licht) verwendet wird, ist die Einstellung des Fokus nicht erforderlich.

Der Mikrospiegel ist ein Kernteil der Anzeige vom Laserscantyp und wird durch Verarbeitung von Si mittels MEMS-Technik (Micro Electro Mechanical System) und durch Aufdampfen eines Metalls hergestellt. Die Verfahren zum Antrieb des Spiegels können ein elektrostatisches System zum Antrieb durch elektrostatische Anziehung, ein elektromagnetisches System zum Antrieb durch elektromagnetische Kraft oder ein piezoelektrisches System zum Antrieb durch eine piezoelektrische Vorrichtung sein. Zu den Vorteilen des piezoelektrischen Systems gehören der Antrieb mit hoher Geschwindigkeit, ein geringerer Stromverbrauch und eine große Antriebskraft und zu den Nachteilen gehört die schwierige Filmbildung der piezoelektrischen Vorrichtung. Zum Beispiel wird ein MEMS-Spiegel vorgeschlagen, bei dem ein SOI-Substrat verwendet wird (Patentdokument 1).
(Bekannte technische Dokumente)
(Patentdokumente)

(Patentdokument 1) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2012-037578A
(Patentdokument 2) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2014-086400A

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben)
Für das HUD wird bisher eine Vergrößerung der Anzeigegröße und des Blickwinkels gefordert und ebenfalls soll der Blickwinkel von herkömmlichen 7 bis 8 Grad auf maximal 20 Grad vergrößert werden. Um die Vergrößerung der Anzeigegröße und des Blickwinkels zu realisieren, ist es notwendig, die Frequenz, die Amplitude und die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Elements des MEMS-Spiegels zu verbessern. Insbesondere wird die Erhöhung der Breite und der Geschwindigkeit des Scans gefordert. Solche Aufgaben können jedoch nicht mit bisherigen piezoelektrischen Elementen auf einem Si-Substrat gelöst werden.
So wurde versucht, eine hochfeste Keramikplatte als Vibrationsplatte unter einer piezoelektrischen Schicht zu verwenden. Um jedoch die hochfeste Keramikplatte als eine solche Vibrationsplatte zu verwenden, ist es notwendig, die Dicke der hochfesten Keramikplatte 100 µm oder weniger zu gestalten und somit die Vibrationsfrequenz zu erhöhen. Beträgt die Dicke der hochfesten Keramikplatte jedoch 100 µm oder weniger, ist die mechanische Festigkeit nicht ausreichend. Daher wird versucht, die hochfeste Keramikplatte auf eine Dicke von 100 µm oder weniger zu polieren, nachdem die hochfeste Keramikplatte mit einem Trägersubstrat gebondet wurde, um einen Verbundkörper zu erhalten.
Bei der tatsächlichen Herstellung wurde jedoch festgestellt, dass die hochfeste Keramik schwer zu verarbeiten ist und die Belastung während der Verarbeitung (Scherspannung) groß ist, was zu Problemen wie Abschälen, Rissen oder dergleichen führt. Des Weiteren wurde versucht, eine Bondingschicht zwischen der Vibrationsplatte und dem Trägersubstrat einzubringen, um die Haftfestigkeit der Vibrationsplatte und des Trägersubstrats zu verbessern und die Oberfläche der Vibrationsplatte aufzurauen, um die Haftkraft zwischen der Vibrationsplatte und der Bondingschicht zu verbessern. Wenn die Oberfläche der Vibrationsplatte jedoch aufgeraut ist, wird davon ausgegangen, dass die Biegefestigkeit der Vibrationsplatte verringert wird. Es ist daher schwierig, Abschälen und Risse im Verbundkörper der Vibrationsplatte zu verhindern, der aus der hochfesten Keramik und dem Trägersubstrat besteht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verbundkörpers einer Vibrationsplatte, der aus einer hochfesten Keramik besteht und eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist, und eines Trägersubstrats, wobei der Verbundkörper die Struktur aufweist, die Festigkeit der Vibrationsplatte aufrechtzuerhalten und das Abschälen und die Risse der Vibrationsplatte zu verhindern.
(Lösung der Aufgabe)
Die vorliegende Erfindung stellt einen Vibrationsplatte-Verbundkörper bereit, umfassend:

ein Silizium umfassendes Trägersubstrat;
eine Vibrationsplatte, die eine hochfeste Keramik umfasst und eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist; und
eine Bondingschicht zwischen dem Trägersubstrat und der Vibrationsplatte, die eine Bondingoberfläche der Vibrationsplatte berührt und α-Si umfasst,
wobei die Bondingoberfläche der Vibrationsplatte eine arithmetische mittlere Rauheit Ra von 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger aufweist, und
wobei die Bondingoberfläche der Vibrationsplatte eine Pitdichte von 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm² aufweist.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsplatte-Verbundkörpers bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Bereitstellen einer Bondingschicht auf einer Oberfläche einer hochfesten Keramikplatte, die eine hochfeste Keramik umfasst, wobei die Bondingschicht α-Si umfasst; anschließendes Bonden einer Bondingoberfläche der Bondingschicht und einer Bondingoberfläche eines Silizium umfassenden Trägersubstrats; und anschließende Bearbeitung der hochfesten Keramikplatte, um eine Vibrationsplatte mit einer Dicke von 100 µm oder weniger zu erhalten, wobei die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte eine arithmetische mittlere Rauheit Ra von 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger aufweist, und wobei die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte eine Pitdichte von 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm² aufweist.

(Wirkungen der Erfindung)
In dem Fall, dass eine hochfeste Keramikplatte des Bulk-Typs direkt auf ein Trägersubstrat aus Silizium gebondet wird, kann die hochfeste Keramikplatte das Polierverfahren zum Polieren der hochfesten Keramikplatte auf eine Dicke von 100 µm oder weniger nicht überstehen, was zum Abschälen oder zu Rissen der hochfesten Keramikplatte führt. Daher haben die Erfinder versucht, eine Bondingschicht aus α-Si auf der hochfesten Keramikplatte des Bulk-Typs bereitzustellen und die Bondingschicht mit dem Trägersubstrat aus Silizium zu bonden. Die α-Si-Bondingschicht dient dazu, die Kosten für das Ätzverfahren zu vermindern, um beispielsweise eine hohle Struktur in der Vibrationsplatte zu erzeugen. Da die Haftfestigkeit der α-Si-Bondingschicht und des Trägersubstrats aus Silizium hoch ist, sollte die hochfeste Keramikplatte die Verarbeitung des Polierens der hochfesten Keramikplatte auf eine Dicke von 100 µm oder weniger überstanden haben.
Beim Polieren wird jedoch davon ausgegangen, dass an der Grenzfläche zwischen der hochfesten Keramikplatte und der Bondingschicht Brüche oder Risse auftreten können. Das heißt, da eine Biegefestigkeit für die hochfeste Keramikplatte erforderlich ist, muss die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte geebnet werden. Ist die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte jedoch eben, so ist die Wahrscheinlichkeit des Abschälens oder der Risse an der ebenen Grenzfläche zwischen der hochfesten Keramikplatte und der Bondingschicht höher, da die Haftung der Oberfläche auf der Oberfläche der darauf befindlichen Bondingschicht (amorphes Silizium) beeinträchtigt wird.
In Anbetracht des Vorstehenden haben die Erfinder versucht, die Ebenheit der Oberfläche (Bondingoberfläche, auf der die Bondingschicht aufgebracht werden soll) der hochfesten Keramikplatte zu verbessern, wobei festgestellt wurde, dass das Abschälen oder die Risse an der Grenzfläche der Bondingschicht während des Polierens je nach Fall unterdrückt werden, selbst wenn die Bondingoberfläche eben ist.
Die Erfinder haben den Vibrationsplatte-Verbundkörper, der Eigenschaften aufweist, die über die Erwartungen hinausgehen, weiter untersucht. Als Ergebnis wird auch in einem solchen Fall, dass die arithmetische mittlere Rauheit (Ra) der ebenen Bondingoberfläche der hochfesten Keramikplatte extrem niedrig ist, festgestellt, dass auf der Bondingoberfläche aufgrund von feinen Hohlräumen abhängig von den physikalischen Eigenschaften der hochfesten Keramikplatte Pits verbleiben und dass das Abschälen durch die Wirkungen der Oberflächenpits unterdrückt wird. Die vorliegende Erfindung erfolgte somit.
Das heißt, wenn die arithmetische mittlere Rauheit Ra der Bondingoberfläche der Vibrationsplatte 10,0 nm übersteigt, ist die Biegefestigkeit der Vibrationsplatte bei der Vibration gering, so dass sie die Vibration mit hoher Amplitude und hoher Frequenz nicht aushalten kann. Ra wird daher auf 10,0 nm oder weniger eingestellt, um eine sehr ebene Oberfläche zu erhalten. Selbst in diesem Fall ist bewiesen, dass die Risse oder das Abschälen der Vibrationsplatte während des Poliervorgangs verhindert werden können, indem die Pitdichte der Bondingoberfläche der Vibrationsplatte auf 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm² eingestellt wird.
Figurenliste

1(a) zeigt den Zustand, dass eine Bondingschicht 2 auf einer Bondingoberfläche 1a einer hochfesten Keramikplatte 1 vorgesehen ist, 1(b) zeigt den Zustand, dass eine Oberfläche 2b der Bondingschicht 2 durch neutralisierten Atomstrahl aktiviert wird, und 1(c) zeigt den Zustand, dass eine Bondingoberfläche 3a eines Trägersubstrats 3 durch neutralisierten Atomstrahl aktiviert wird.
2(a) zeigt einen Verbundkörper 4 aus der hochfesten Keramikplatte 1 und dem Trägersubstrat 3 und 2(b) zeigt einen Verbundkörper 5 aus einer Vibrationsplatte 1A und dem Trägersubstrat 3.
3 ist ein mit einem AFM gemessenes Bild und zeigt den Zustand der Oberflächenpits auf einer Bondingoberfläche der hochfesten Keramikplatte.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Wie in 1(a) gezeigt, wird eine hochfeste Keramikplatte 1 hergestellt. Die arithmetische mittlere Rauheit Ra einer Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte beträgt 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger und die Pitdichte der Oberfläche der hochfesten Keramikplatte beträgt 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm². 1b stellt eine Rückseitenoberfläche der hochfesten Keramikplatte 1 dar.
Auf der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 wird dann eine Bondingschicht 2 aus α-Si aufgebracht. Dann wird, wie in 1(b) gezeigt, zur Aktivierung ein neutralisierter Atomstrahl auf eine Bondingoberfläche 2a der Bondingschicht 2 gestrahlt (Pfeile A). Weiterhin wird ein neutralisierter Atomstrahl auf eine Bondingoberfläche 3a des Trägersubstrats 3 Pfeile B zur Aktivierung eingestrahlt.
Dann werden, wie in 2(a) gezeigt, die aktivierte Bondingoberfläche 2b der Bondingschicht 2 und die aktivierte Bondingoberfläche 3a des Trägersubstrats 3 kontaktiert und direkt miteinander gebondet, um einen Verbundkörper 4 zu erhalten. Die Rückseitenoberfläche 1b der hochfesten Keramikplatte 1 des Verbundkörpers 4 wird dann bearbeitet, um die Dicke der hochfesten Keramikplatte zu verringern, um eine Vibrationsplatte 1A mit einer Dicke von 100 µm oder weniger zu bilden, wie in 2(b) gezeigt, um einen Vibrationsplatte-Verbundkörper 5 zu erhalten. 1c stellt eine bearbeitete Oberfläche dar.
Obwohl die Dicke des Trägersubstrats, das aus Silizium besteht, nicht besonders begrenzt ist, kann die Dicke vorzugsweise 200 µm oder größer und bevorzugter 400 µm oder größer sein, um die Festigkeit während der Verarbeitung beizubehalten. Weiterhin kann die arithmetische mittlere Dicke Ra der Bondingoberfläche des Trägersubstrats vorzugsweise 1 nm oder weniger und bevorzugter 0,3 nm oder weniger betragen, um das direkte Bonding zu erleichtern.
Die hochfeste Keramik ist definiert als ein keramisches Material mit einem Y-oungschen Modul von 200 GPa oder größer und einer 3-Punkt-Biegefestigkeit von 300 GPa oder größer.
Bei der hochfesten Keramik kann es sich vorzugsweise um Sialon, Cordierit, Mullit, transluzentes Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid handeln.
Darüber hinaus kann die Dicke der hochfesten Keramikplatte vorzugsweise 100 µm oder größer und bevorzugter 200 µm oder größer sein, um die Handhabbarkeit während der Verfahren wie Reinigung oder Bonding des Substrats zu gewährleisten. Auch wenn die Obergrenze der hochfesten Keramikplatte nicht besonders begrenzt ist, kann sie vorzugsweise 300 µm oder weniger betragen, um die für die Verarbeitung erforderliche Zeit zu verkürzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die arithmetische mittlere Rauheit Ra der Oberfläche (Oberfläche, auf der die Bondingschicht vorgesehen ist) der Vibrationsplatte 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger, und die Pitdichte auf der Oberfläche der Vibrationsplatte beträgt 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm². Da die Bondingschicht jedoch auf der Vibrationsplatte des Vibrationsplatte-Verbundkörpers gebildet wird, müssen Ra und die Pitdichte der Oberfläche der Vibrationsplatte die gleichen sein wie Ra und die Pitdichte der Oberfläche der hochfesten Keramikplatte vor der Verarbeitung.
Die arithmetische mittlere Rauheit Ra jeder der Oberflächen der hochfesten Keramikplatte und der Vibrationsplatte wird wie folgt gemessen. Zunächst wird die Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) in einem Blickfeld von 10 µm × 10 µm gemessen, und Ra wird gemäß JIS B 0601 berechnet. Weiterhin wird die Anzahl der Pits im gleichen gemessenen Blickfeld (Fläche von 100 µm²) gezählt. Dabei wird der Maßstab für die Beurteilung der Pits wie folgt festgelegt. Das heißt, unter den auf der Oberfläche beobachteten Vertiefungen wird der Pit wie folgt definiert.

(1) Die Vertiefung hat einen Φ von 50 nm oder mehr und 2000 nm oder weniger.
(2) Die Tiefe der Vertiefung beträgt 1 nm oder mehr.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die arithmetischen mittleren Rauheiten Ra der Oberfläche der Vibrationsplatte und der Oberfläche (Oberfläche, auf der die Bondingschicht gebildet wird) der hochfesten Keramikplatte auf 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger abgestellt und können vorzugsweise auf 7,0 nm oder weniger und bevorzugter auf 5,0 nm oder weniger, im Hinblick auf die Biegefestigkeit eingestellt werden. Darüber hinaus beträgt Ra 0,01 nm oder mehr und bevorzugter 0,02 nm oder mehr, wenn es um die Haftung auf der Bindungsschicht geht.
Weiterhin beträgt die Pitdichte der Oberfläche der Vibrationsplatte 10 oder mehr, vorzugsweise 20 Zählungen oder mehr, pro 100 µm². Weiterhin beträgt die Pitdichte der Oberfläche der Vibrationsplatte in der Regel 200 Zählungen oder weniger, vorzugsweise 96 Zählungen oder weniger und besonders bevorzugt 70 Zählungen oder weniger pro 100 µm².
Es wird davon ausgegangen, dass die Pits auf den der Bondingschicht zugewandten Oberflächen der Vibrationsplatte und der hochfesten Keramikplatte durch das Sinterhilfsmittel entstehen, das zum dichten Sintern der hochfesten Keramikplatte zugegeben wird. Ein wesentlicher Abschnitt des überschüssigen Sinterhilfsmittels liegt nach dem Sintern in Form von Aggregation in den intergranularen Grenzen zwischen den Keramikkörnern vor. Wird die hochfeste Keramik mit dem restlichen Sinterhilfsmittel zu einem Wafer geformt und dann zu einer Spiegeloberfläche poliert, ist die Polierrate in den Teilen, in denen das Sinterhilfsmittel aggregiert ist, höher als in den Teilen, die aus der hochfesten Keramik selbst bestehen. Die Pits entstehen in den Teilen, in denen das Sinterhilfsmittel aggregiert ist. Es besteht also ein Zusammenhang zwischen der Menge des zugegebenen Sinterhilfsmittels und der Anzahl der Pits, so dass es möglich ist, die Anzahl der Pits durch Anpassung der Menge des zugegebenen Sinterhilfsmittels zu regulieren.
Unter dem Gesichtspunkt der Erzielung der Haftfestigkeit und des niedrigen Ra der hochfesten Keramikplatte kann die relative Dichte der hochfesten Keramikplatte vorzugsweise 95 % oder höher und bevorzugter 99 % oder höher sein. Die Art und Menge des Sinterhilfsmittels, die zur Erzielung der vorstehend beschriebenen Ra- und Pitdichte geeignet sind, werden in Abhängigkeit von der Art der hochfesten Keramik, die gesintert werden soll, entsprechend ausgewählt. Das Sinterhilfsmittel kann zum Beispiel Y₂O₃, CaO, MgO oder ZrO₂ sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die arithmetischen mittleren Oberflächenrauheiten Ra der Rückseitenoberflächen (Oberflächen, auf denen die Bondingschicht nicht ausgebildet ist) der Vibrationsplatte und der hochfesten Keramikplatte vorzugsweise 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger betragen und zwar unter dem Gesichtspunkt der Haftfestigkeit.
Was das Verfahren zum Polieren der Oberfläche der hochfesten Keramikplatte betrifft, so wird sie beispielsweise nach dem Schleifen auf die gewünschte Dicke mit einem Schleifstein von #3000 mit einer Diamantsuspension mit einer Korngröße von 3 µm geläppt und durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) zu einer Spiegeloberfläche veredelt.
Obwohl die Dicke der auf der hochfesten Keramikplatte Film-gebildeten Bondingschicht 2 nicht besonders begrenzt ist, kann die Dicke unter dem Gesichtspunkt der Produktionskosten vorzugsweise 0,01 bis 10 µm und bevorzugter 0,05 bis 0,5 µm betragen.
Obwohl das Verfahren zur Film-Bildung der Bondingschicht 2 nicht beschränkt ist, werden beispielhaft das Sputtering-Verfahren, das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und das Verfahren der Gasphasenabscheidung genannt.
Das Verfahren zum Ebnen der Bondingoberfläche der Bondingschicht 2 und der Bondingoberfläche des Trägersubstrats kann Läppen, chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder dergleichen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Oberfläche 2b der Bondingschicht 2 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 durch neutralisierte Atomstrahlen aktiviert werden. Insbesondere in dem Fall, dass die Oberfläche 2b der Bondingschicht 2 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 ebene Oberflächen sind, kann das direkte Bonding leicht hergestellt werden.
Wenn die Aktivierung der Oberflächen unter Verwendung des neutralisierten Strahls erfolgt, wird vorzugsweise ein im Patentdokument 2 beschriebenes System zur Erzeugung des neutralisierten Strahls verwendet, das bestrahlt wird. Das heißt, es wird eine Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle vom Sattelfeldtyp als Strahlquelle verwendet. Dann wird ein Inertgas in die Kammer eingeleitet und eine Hochspannung von einer Gleichstromquelle an die Elektroden angelegt. Dadurch wird zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und einem Gehäuse (negative Elektrode) ein elektrisches Feld vom Sattelfeldtyp erzeugt, das eine Bewegung der Elektronen, e, bewirkt, so dass aus dem Inertgas Atom- und Ionenstrahlen erzeugt werden. Von den Strahlen, die ein Gitter erreichen, wird der Ionenstrahl am Gitter neutralisiert, und der Strahl aus neutralen Atomen wird von der Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle emittiert. Die Atomspezies, die den Strahl liefert, kann vorzugsweise ein Inertgas sein (Argon, Stickstoff oder dergleichen).
Bei dem Aktivierungsschritt durch Strahlenbestrahlung kann die Spannung vorzugsweise 0,5 bis 2,0 kV und der Strom vorzugsweise 50 bis 200 mA betragen.
Dann werden die aktivierten Oberflächen unter Vakuumatmosphäre miteinander in Kontakt gebracht und gebondet. Die Temperatur zu diesem Zeitpunkt kann Umgebungstemperatur sein, insbesondere 40°C oder weniger und bevorzugter 30°C oder weniger. Weiterhin kann die Temperatur während des Bondens vorzugsweise 20°C oder höher und 25°C oder niedriger sein. Der Druck bei dem Bonding beträgt vorzugsweise 100 bis 20000 N.
Dann wird die hochfeste Keramikplatte so bearbeitet, dass die Vibrationsplatte eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist. Da die Dicke der Vibrationsplatte in Abhängigkeit von der Zielfrequenz gewählt wird, ist die untere Grenze der Dicke nicht besonders begrenzt, und die Dicke kann vorzugsweise 1 µm oder größer sein, um die Verarbeitung zu erleichtern. Bezüglich des Verarbeitungsverfahrens wird sie, beispielsweise nach dem Schleifen mit einer Diamantsuspension mit einer Korngröße von 3 µm mit einem Schleifstein von #3000 auf die gewünschte Dicke geläppt und anschließend durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) zu einer Spiegeloberfläche verarbeitet.
BEISPIELE
(Erfindungsgemäße Beispiele 1 bis 8)
Der Vibrationsplatte-Verbundkörper wurde, wie in den 1 und 2 beschrieben, hergestellt.
Insbesondere wurde als hochfestes Keramiksubstrat 1 ein Sialonsubstrat in Waferform mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 250 µm verwendet. Jede Oberfläche 1a jeder hochfesten Keramikplatte 1 wurde mit einem Schleifstein #3000 auf die gewünschte Dicke geschliffen und im Fall der Oberfläche der in Tabelle 1 dargestellten Vibrationsplatte (Ra≦1 nm) wurde die Oberfläche mit einer Diamantsuspension mit einer Korngröße von 3 µm geläppt, anschließend durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) zu einer Spiegeloberfläche veredelt, so dass die arithmetische mittlere Rauheit Ra bei jedem in den Tabellen 1, 2 und 3 angegebenen Zahlenwert eingestellt wurde. Zur Einstellung der Zahlenwerte von Ra wurden der Druck und die Zeit der Bearbeitung während des CMP-Polierens angepasst. Im Falle der in Tabelle 2 dargestellten Oberfläche (Ra>1nm) der Vibrationsplatte wurde die Oberfläche mit Diamantsuspension zu einer Spiegeloberfläche geläppt. Zur Einstellung des Zahlenwerts von Ra wurde die Korngröße der für die Endbearbeitung verwendeten Diamantsuspension in einem Bereich von 0,5 µm bis 6 µm gewählt.
Weiterhin wurde Ra der Oberfläche 1a der hochfesten keramischen Vibrationsplatte 1 in einem Blickfeld von 10 µm × 10 µm mittels eines Rasterkraftmikroskops (AFM) gemessen. Weiterhin wurde zu diesem Zeitpunkt die Anzahl der Pits von Φ 50 nm oder größer mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) in einem Blickfeld von 10 µm × 10 µm gezählt. Wurde jedoch die Anzahl der Pits auf der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 gemessen, so wurde die Anzahl der Pits an den drei Positionen des zentralen Punktes der Wafer-förmigen Platte 1, des Punktes innerhalb einer Ausrichtungsebene von 10 mm der Platte 1 und des Punktes innerhalb von 10 mm des Endes, das der Ausrichtungsebene der Platte 1 gegenüberliegt, gemessen. Der Mittelwert der an den drei Punkten gemessenen Werte wurde als Pitdichte definiert, die in Tabelle 1, 2 oder 3 angegeben ist.
Weiterhin zeigt 3 den Zustand der Oberfläche der im erfindungsgemäßen Beispiel 4 verwendeten hochfesten Keramikplatte (Ra=0,07 nm, Pitdichte im Blickfeld von 10 µm × 10 µm = 58 Zählungen).
Darüber hinaus kann die Biegefestigkeit jedes der Beispiele der hochfesten Keramikplatten nicht im Substrat nach dem Bonding gemessen werden. Es wurde daher jede hochfeste Keramikplatte 1 mit dem gleichen Material, Dicke, Pitdichte und Ra wie jedes der Beispiele der hochfesten Keramikplatten 1 hergestellt, und jedes Teststück wurde aus jeder der hochfesten Keramikplatten ausgeschnitten und der Messung der Dreipunkt-Biegefestigkeit unterzogen. Die Biegefestigkeit wurde gemäß dem in JISR 1601 (Verfahren zur Prüfung der Biegefestigkeit von Feinkeramik bei Raumtemperatur) beschriebenen Standard für die Dreipunkt-Biegefestigkeit gemessen. Bezüglich der Größe des Teststücks betrug die Länge, Breite und Dicke des Stücks 40,0 mm, 4,0 mm bzw. 3,0 mm.
Anschließend wurde die Bondingschicht 2 auf der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 durch Gleichstromsputtern aufgebracht. Als Target wurde mit Bor dotiertes Si verwendet. Die Dicke der Bondingschicht 2 wurde auf 30 bis 200 nm eingestellt. Die arithmetische mittlere Rauheit Ra der Oberfläche 2a der Bondingschicht 2 betrug 0,2 bis 0,6 nm. Die Bondingschicht 2 wurde dann einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) unterzogen, um die Filmdicke auf 20 bis 150 nm und Ra auf 0,08 bis 0,4 nm zu erhöhen.
Als Trägersubstrat 3 wurde das Trägersubstrat 3 mit einem Ausrichtungsebenenteil (OF), einem Durchmesser von 4 Inch, einer Dicke von 500 µm und aus Silizium hergestellt. Die Oberfläche des Trägersubstrats 3 wurde durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) bearbeitet und die arithmetische mittlere Rauheit Ra betrug 0,2 nm.
Nachdem die Oberfläche 2b der Bondingschicht 2 und die Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 von Verunreinigungen gereinigt worden waren, wurde das Substrat in eine Vakuumkammer gebracht. Nach dem Evakuieren in der Größenordnung von 10^-6 Pa wurden die jeweiligen Oberflächen 120 Sekunden lang mit einem Hochgeschwindigkeits-Atomstrahl bestrahlt (Beschleunigungsspannung von 1 kV und Ar-Flussrate von 27 sccm). Nachdem die aktivierte Oberfläche 2b der Bondingschicht 2 und die aktivierte Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 miteinander in Kontakt gebracht worden waren, wurden die Substrate bei einer Druckbeaufschlagung von 10000 N für 2 Minuten miteinander verbunden (2(a)). Die so gebondeten Körper der jeweiligen Beispiele wurden 20 Stunden lang bei 100°C erhitzt.

Dann wurde die Rückseitenoberfläche 1b der hochfesten Keramikplatte 1 geschliffen und poliert, von ursprünglich 250 µm auf 40 µm (siehe 2(b)). Tabelle 1

		Erfindungsgemäßes Beispiel 1	Erfindungsgemäßes Beispiel 2	Erfindungsgemäßes Beispiel 3	Erfindungsgemäßes Beispiel 4
Materialien	Vibrationsplatte	Sialon	Sialon	Sialon	Sialon
	Bondingschicht	α-Si	α-Si	α-Si	α-Si
	Trägersubstrat	Si	Si	Si	Si
Anzahl der Pits auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (Zählungen)		10	45	96	58
Ra auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (nm)		0,02	0,03	0,04	0,07
Abschälen der Vibrationsplatte und des Trägersubstrats während der Bearbeitung der Vibrationsplatte		Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm der Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm der Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm der Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm der Vibrationsplatte
Biegefestigkeit der Vibrationsplatte (MPa)		705	700	695	690

Tabelle 2

		Erfindungsgemäßes Beispiel 5	Erfindungsgemäßes Beispiel 6	Erfindungsgemäßes Beispiel 7	Erfindungsgemäßes Beispiel 8
Materialien	Vibrationsplatte	Sialon	Sialon	Sialon	Sialon
	Bondingschicht	α-Si	α-Si	α-Si	α-Si
	Trägersubstrat	Si	Si	Si	Si
Anzahl der Pits auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (Zählungen)		53	12	55	94
Ra auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (nm)		4,98	9,97	9,96	9,94
Abschälen der Vibrationsplatte und des Trägersubstrats während der Bearbeitung der Vibrationsplatte		Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm Vibrationsplatte
Biegefestigkeit der Vibrationsplatte (MPa)		640	500	500	500

Tabelle 3

		Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3
Stru ktu r	Vibrationsplatte	Sialon	Sialon	Sialon
	Bondingschicht	-	α-Si	α-Si
	Trägersubstrat	Si	Si	Si
Anzahl der Pits auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (Zählungen)		51	4	55
Ra auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (nm)		0,03	0,01	10,85
Abschälen der Vibrationsplatte und des Trägersubstrats während der Bearbeitung der Vibrationsplatte		Abschälen bei einer Dicke von 110 µm der Vibrationsplatte	Abschälen bei einer Dicke von 100 µm der Vibrationsplatte	Kein Abschälen bei einer Dicke von 40 µm der Vibrationsplatte
Biegefestigkeit der Vibrationsplatte (MPa)		-	-	300

Gemäß den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 8 wurde bei einer Pitdichte von 10 bis 96 Zählungen und einem Ra von 0,02 bis 9,97 nm das Abschälen selbst dann vollständig verhindert, wenn die Vibrationsplatte 1A auf eine Dicke von 40 µm poliert wurde. Obwohl die Biegefestigkeit der Keramik tendenziell geringer ist, je größer Ra ist, konnte eine ausreichende Biegefestigkeit von 500 MPa nachgewiesen werden, selbst wenn Ra 9,97 nm betrug.
(Vergleichsbeispiel 1)
Gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 wurde die aus α-Si bestehende Bondingschicht 2 nicht als Film auf der hochfesten Keramikplatte 1 gebildet. Stattdessen wurde ein Hochgeschwindigkeits-Atomstrahl auf die Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 gestrahlt und die aktivierte Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 und die aktivierte Oberfläche 3a des Trägersubstrats 3 wurden miteinander in Kontakt gebracht und gebondet, um einen Verbundkörper zu erhalten. Die Anzahl der Pits und Ra der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 des Vergleichsbeispiels 1 betrug jedoch 51 Zählungen bzw. 0,03 nm. Außerdem wurde sie unter denselben Bedingungen wie das erfindungsgemäße Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die α-Si-Bondingschicht nicht Film-gebildet wurde.
Die Rückseitenoberfläche 1b der hochfesten Keramikplatte 1 des so erhaltenen Verbundkörpers wurde dann geschliffen und poliert, so dass die Dicke von ursprünglich 250 µm verringert wurde. Wenn die Dicke der hochfesten Keramikplatte 1 110 µm erreichte, wurde das Abschälen an der Bondinggrenzfläche zwischen der hochfesten Keramikplatte und dem Trägersubstrat beobachtet. Die Ursache für das Abschälen wird wie folgt beschrieben. Die Haftfestigkeit der hochfesten Keramikplatte 1 und des Trägersubstrats 3 des Verbundkörpers war geringer als die in den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 8 erzielten Haftfestigkeiten, so dass der Verbundkörper den Bearbeitungsbelastungen während des Polierens der hochfesten Keramikplatte 1 nicht standhalten konnte.
(Vergleichsbeispiele 2 und 3)
Die jeweiligen Verbundkörper der Vergleichsbeispiele 2 und 3 wurden unter den gleichen Bedingungen hergestellt wie die der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 8.
Im Vergleichsbeispiel 2 war die Anzahl der Pits auf der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 jedoch nur 4 Zählungen und Ra der Oberfläche 1a wurde mit 0,01 nm angegeben. In diesem Fall, in dem die Rückseitenoberfläche der hochfesten Keramikplatte 1 durch Schleifen und Polieren bis zu einer Dicke von 100 µm verdünnt wurde, wurde das Abschälen an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche der hochfesten Keramikplatte 1 und der Oberfläche der Bondingschicht 2 beobachtet. Es wird davon ausgegangen, dass die Haftfestigkeit der hochfesten Keramikplatte 1 und der Bondingschicht 2 den während des Polierens der hochfesten Keramikplatte 1 aufgebrachten Bearbeitungsbelastungen nicht standhalten konnte.
Weiterhin wurde gemäß den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 4 das Abschälen nicht beobachtet, selbst wenn der Ra der Oberfläche an der keramischen Grenzfläche weniger als 0,2 nm und ausreichend niedrig war. Es wird vermutet, dass die Pits auf der Oberfläche 1a der hochfesten Keramikplatte 1 vorhanden waren und die über den Pits Film-gebildete Bondingschicht 2 eine Ankerwirkung zur Verbesserung der Haftkraft aufweist.
Gemäß dem Vergleichsbeispiel 3 betrug die Anzahl der Pits auf der Oberfläche 1a der hochfesten keramischen Vibrationsplatte 1 zwar 55 Zählungen, aber Ra auf der Oberfläche 1a war 10,85 nm. In dem Fall, dass Ra 10,85 nm betrug, wurde die Biegefestigkeit der hochfesten Keramikplatte auf 300 MPa gesenkt. Es wird davon ausgegangen, dass sich eine Belastung auf die Rauheit der Oberfläche der hochfesten Keramikplatte konzentriert, wobei die Biegefestigkeit verringert wird.

Claims

Vibrationsplatte-Verbundkörper, umfassend: ein Silizium umfassendes Trägersubstrat; eine Vibrationsplatte, die eine hochfeste Keramik umfasst und eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist; und eine Bondingschicht zwischen dem Trägersubstrat und der Vibrationsplatte, die eine Oberfläche der Vibrationsplatte berührt und α-Si umfasst, wobei die Oberfläche der Vibrationsplatte eine arithmetische mittlere Rauheit Ra von 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger aufweist, und wobei die Oberfläche der Vibrationsplatte eine Pitdichte von 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm² aufweist.
Vibrationsplatte-Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei die Bondingschicht und das Trägersubstrat direkt miteinander gebondet sind.
Vibrationsplatte-Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die hochfeste Keramik aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Sialon, Cordierit, Mullit, transluzentem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid.
Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsplatte-Verbundkörpers, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellung einer α-Si umfassenden Bondingschicht auf einer Oberfläche einer hochfesten Keramikplatte aus einer hochfesten Keramik; anschließendes Bonding einer Bondingoberfläche der Bondingschicht und einer Bondingoberfläche eines Silizium umfassenden Trägersubstrats; und anschließende Bearbeitung der hochfesten Keramikplatte, um eine Vibrationsplatte mit einer Dicke von 100 µm oder weniger zu erhalten, wobei die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte eine arithmetische mittlere Rauheit Ra von 0,01 nm oder mehr und 10,0 nm oder weniger aufweist, und wobei die Oberfläche der hochfesten Keramikplatte eine Pitdichte von 10 Zählungen oder mehr pro 100 µm² aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsplatte-Verbundkörpers nach Anspruch 4, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des direkten Bondings der Bondingoberfläche der Bondingschicht und der Bondingoberfläche des Trägersubstrats umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsplatte-Verbundkörpers nach Anspruch 5, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt der Aktivierung der Bondingoberfläche der Bondingschicht und der Bondingoberfläche des Trägersubstrats durch einen neutralisierten Atomstrahl umfasst, wobei die Bondingoberflächen dann direkt miteinander gebondet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsplatte-Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die hochfeste Keramik aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Sialon, Cordierit, Mullit, transluzentem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid.