DE112021001587T5

DE112021001587T5 - Verbundsubstrat und akustisches oberflächenwellenelement

Info

Publication number: DE112021001587T5
Application number: DE112021001587.7T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Yamamoto; Yudai Uno; Hiroyoshi Ina; Keiichiro Asai; Tomoyoshi Tai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2022-12-29
Also published as: CN116491070A; WO2022137646A1; JP6935573B1; US20230006634A1; JP2022099722A; TW202226907A; KR20220149737A

Abstract

Es wird ein Verbundsubstrat bereitgestellt, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist, während es gleichzeitig die Energie einer elastischen Welle in seiner piezoelektrischen Schicht abgrenzt. Ein Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine piezoelektrische Schicht und eine Reflexionsschicht, die auf einer Rückoberflächenseite der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die Reflexionsschicht eine Hochimpedanzschicht und eine Niedrigimpedanzschicht, die Siliziumoxid enthält, enthält, und wobei ein Verhältnis einer Region von ersten Strukturen in der Hochimpedanzschicht mehr als 70 % beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsubstrat und ein akustisches Oberflächenwellenelement.
Technischer Hintergrund
Ein Filter, der eine akustische Oberflächenwelle (SAW-Filter) verwendet, wurde beispielsweise in einer Kommunikationseinrichtung wie einem Mobiltelefon zur Extraktion eines elektrischen Signals mit einer beliebigen Frequenz verwendet. Der SAW-Filter weist eine Struktur auf, bei der eine Elektrode oder dergleichen auf einem Verbundsubstrat mit einer piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist (siehe z.B. Patentliteratur 1).
In den letzten Jahren wurde auf dem Gebiet der Informationskommunikation gefordert, dass die Einrichtung die Kommunikation in einem Hochfrequenzband unterstützt. In dem SAW-Filter kann es zu einem Leck einer elastischen Welle aus der piezoelektrischen Schicht kommen. Gleichzeitig muss das Verbundsubstrat zum Zeitpunkt seiner Verarbeitung (z.B. in einem Schritt, in dem Wärme mit einer Temperatur von 200°C oder mehr angewendet wird) hitzebeständig sein.
Zitatenliste
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2020-150488 A
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundsubstrat bereitzustellen, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist und gleichzeitig die Energie einer elastischen Welle in seiner piezoelektrischen Schicht einschließt.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundsubstrat bereitgestellt, enthaltend: eine piezoelektrische Schicht und eine Reflexionsschicht, die auf einer Rückoberflächenseite der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die Reflexionsschicht eine Hochimpedanzschicht und eine Niedrigimpedanzschicht beinhaltet, die Siliziumoxid enthält, und wobei ein Verhältnis einer Region erster Strukturen in der Hochimpedanzschicht mehr als 70 % beträgt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den ersten Strukturen um säulenartige Strukturen oder körnige Strukturen.
In einer Ausführungsform enthält die Hochimpedanzschicht mindestens eines, ausgewählt aus: Hafniumoxid, Tantaloxid, Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid.
In einer Ausführungsform sind die ersten Strukturen ungleichmäßig von einer Grenzfläche zu einer benachbarten Schicht oder einer Luftschicht zu einer anderen Grenzfläche in Richtung der Dicke der Hochimpedanzschicht verteilt.
In einer Ausführungsform weist die Hochimpedanzschicht zweite Strukturen auf und eine Grenze zwischen den ersten Strukturen und den zweiten Strukturen ist in der Hochimpedanzschicht vorhanden.
In einer Ausführungsform weisen die Hochimpedanzschicht und die Niedrigimpedanzschicht jeweils eine Dicke von 0,01 µm bis 1 µm auf.
In einer Ausführungsform sind die Hochimpedanzschicht und die Niedrigimpedanzschicht abwechselnd in die Reflexionsschicht laminiert.
In einer Ausführungsform enthält das Verbundsubstrat außerdem ein Trägersubstrat, das auf einer Rückoberflächenseite der Reflexionsschicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform enthält das Verbundsubstrat außerdem eine Verbindungsschicht, die zwischen der Reflexionsschicht und dem Trägersubstrat angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein akustisches Oberflächenwellenelement bereitgestellt, das das vorstehend erwähnte Verbundsubstrat enthält.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verbundsubstrat bereitgestellt werden, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist, während die Energie einer elastischen Welle in der piezoelektrischen Schicht durch die Kombination der piezoelektrischen Schicht und der Impedanzschichten, die jeweils einen vorbestimmten Strukturzustand aufweisen, abgegrenzt wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine REM-Schnittaufnahme, die ein Beispiel für eine Hochimpedanzschicht zeigt.
3A ist eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren für das Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform.
3B ist eine Ansicht im Anschluss an 3A.
3C ist eine Ansicht im Anschluss an 3B.
3D ist eine Ansicht im Anschluss an 3C.
4 ist eine REM-Schnittaufnahme eines Verbundsubstrats (Reflexionsschicht) des Beispiels 1-1.
5 ist eine REM-Schnittaufnahme eines Verbundsubstrats (Reflexionsschicht) des Vergleichsbeispiels 1-1.
6 ist eine REM-Schnittaufnahme des Verbundsubstrats (Reflexionsschicht) des Vergleichsbeispiels 1-1 nach dessen Erhitzung.
7 ist eine REM-Schnittaufnahme des Beispiels 2-3.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
A. Verbundsubstrat
1 ist eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verbundsubstrat 100 enthält eine piezoelektrische Schicht 10, eine Reflexionsschicht 20 und ein Trägersubstrat 30 in der angegebenen Reihenfolge. Die Reflexionsschicht 20 enthält eine Hochimpedanzschicht mit einer relativ hohen akustischen Impedanz und eine Niedrigimpedanzschicht mit einer relativ niedrigen akustischen Impedanz. Die Reflexionsschicht 20 ist ein Laminat aus mehreren Impedanzschichten, wobei beispielsweise die Hochimpedanzschicht und die Niedrigimpedanzschicht abwechselnd laminiert sind. Im gezeigten Beispiel enthält die Reflexionsschicht 20 eine Niedrigimpedanzschicht 21, eine Hochimpedanzschicht 22, eine Niedrigimpedanzschicht 23, eine Hochimpedanzschicht 24, eine Niedrigimpedanzschicht 25, eine Hochimpedanzschicht 26, eine Niedrigimpedanzschicht 27 und eine Hochimpedanzschicht 28 in der angegebenen Reihenfolge von der Seite der piezoelektrischen Schicht 10 aus. Im dargestellten Beispiel ist von den jeweiligen Schichten der Reflexionsschicht 20 die Niedrigimpedanzschicht 21 auf der Seite angeordnet, die der piezoelektrischen Schicht 10 am nächsten liegt. Die Anordnung der Reflexionsschicht 20 mit einer solchen laminierten Struktur kann die Energie einer elastischen Welle wirksam auf die Seite der piezoelektrischen Schicht 10 abgrenzen.
Im gezeigten Beispiel ist die Reflexionsschicht 20 ein Laminat aus insgesamt 8 Schichten, d.h. den 4 Hochimpedanzschichten und den 4 Niedrigimpedanzschichten. Die Anzahl der Impedanzschichten in der Reflexionsschicht ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere muss die Reflexionsschicht nur mindestens eine Hochimpedanzschicht und mindestens eine Niedrigimpedanzschicht enthalten, wobei sich die Schichten in ihrer akustischen Impedanz voneinander unterscheiden. Die Reflexionsschicht weist vorzugsweise eine Mehrschichtstruktur mit 4 oder mehr Schichten auf.
Das Verbundsubstrat 100 kann weiterhin eine beliebige geeignete Schicht (nicht dargestellt) enthalten. Die Art, die Funktionen, die Anzahl, die Kombination, die Anordnung und dergleichen solcher Schichten können in Übereinstimmung mit den Zwecken angemessen festgelegt werden. Zum Beispiel kann das Verbundsubstrat 100 eine Verbindungsschicht enthalten, die zwischen der Reflexionsschicht 20 und dem Trägersubstrat 30 angeordnet ist.
Das Verbundsubstrat 100 kann in jeder geeigneten Form hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann das Substrat in Form eines sogenannten Wafers hergestellt werden. Die Größe des Verbundsubstrats 100 kann je nach Zweck entsprechend festgelegt werden. Der Durchmesser des Wafers liegt beispielsweise zwischen 50 mm und 150 mm.
A-1. Piezoelektrische Schicht
Als Material zur Bildung der piezoelektrischen Schicht kann jedes geeignete piezoelektrische Material verwendet werden. Ein Einkristall mit der Zusammensetzung LiAO₃ wird vorzugsweise als piezoelektrisches Material verwendet. Dabei steht A für eine oder mehrere Arten von Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Niob und Tantal. Insbesondere kann LiAO₃ Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃) oder eine feste Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Lösung sein.
Wenn das piezoelektrische Material Lithiumtantalat ist, wird eine Schicht, deren Normalenrichtung um die X-Achse des piezoelektrischen Materials, die die Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle ist, von dessen Y-Achse zur Z-Achse um 123° bis 133° (z.B. 128°) gedreht ist, vorzugsweise als piezoelektrische Schicht unter dem Gesichtspunkt der Verringerung eines Ausbreitungsverlustes verwendet. Wenn das piezoelektrische Material Lithiumniobat ist, wird als piezoelektrische Schicht unter dem Gesichtspunkt der Verringerung eines Ausbreitungsverlustes vorzugsweise eine Schicht verwendet, deren Normalenrichtung um die X-Achse des piezoelektrischen Materials, die die Richtung ist, in der sich eine akustische Oberflächenwelle ausbreitet, von dessen Y-Achse zur Z-Achse um 86° bis 94° (z.B. 90°) gedreht ist.
Die Dicke der piezoelektrischen Schicht beträgt z.B. 0,2 µm oder mehr und 30 µm oder weniger.
A-2. Reflexionsschicht
Wie vorstehend beschrieben, enthält die Reflexionsschicht eine Hochimpedanzschicht und eine Niedrigimpedanzschicht, die sich in ihrer akustischen Impedanz unterscheiden. Die akustische Impedanz der Hochimpedanzschicht ist relativ höher als die akustische Impedanz der Niedrigimpedanzschicht. Insbesondere ist die akustische Impedanz eines Materials zur Bildung der Hochimpedanzschicht höher als die akustische Impedanz eines Materials zur Bildung der Niedrigimpedanzschicht.
Die mehreren Hochimpedanzschichten in der Reflexionsschicht können in ihrer Konfiguration (z.B. Material, Strukturzustand oder Dicke) identisch sein oder sich in ihrer Konfiguration voneinander unterscheiden. In ähnlicher Weise kann die Vielzahl der Niedrigimpedanzschichten in der Reflexionsschicht in ihrer Konfiguration (z.B. Material, Strukturzustand oder Dicke) identisch sein oder sich in ihrer Konfiguration voneinander unterscheiden.
Beispiele für das Material zur Bildung der Hochimpedanzschicht sind Hafniumoxid, Tantaloxid, Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid. Von diesen wird vorzugsweise Hafniumoxid verwendet. Die Verwendung von Hafniumoxid kann die Energie einer elastischen Welle effektiver auf die piezoelektrische Schichtseite beschränken. In einer Ausführungsform beträgt der Gehalt an Hafniumoxid in der Hochimpedanzschicht zum Beispiel 97 Gew.-% oder mehr.
Die Dicke der Hochimpedanzschicht beträgt vorzugsweise 1 µm oder weniger, bevorzugter 500 nm oder weniger, noch bevorzugter 300 nm oder weniger. Eine solche Dicke kann zu einem Verbundsubstrat führen, das eine bessere Wärmebeständigkeit aufweist. Indes beträgt die Dicke der Hochimpedanzschicht beispielsweise 0,01 µm oder mehr, vorzugsweise 20 nm oder mehr, bevorzugter 100 nm oder mehr.
Die Hochimpedanzschicht weist die Region der ersten Strukturen auf. Die ersten Strukturen sind z.B. säulenartige Strukturen oder körnige Strukturen. Dabei sind die säulenartigen Strukturen jeweils aus einem Strukturkörper (säulenartiger Körper) gebildet, der sich in einer Richtung erstreckt, die einen Winkel in Bezug auf die Substratoberfläche (Richtung in der Ebene) des Verbundsubstrats aufweist, und ihre Säulendurchmesser betragen beispielsweise 5 nm oder mehr. Die körnigen Strukturen sind jeweils aus einem im Wesentlichen kugelförmigen Strukturkörper gebildet. Solche Strukturen können beispielsweise mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) beobachtet werden. Der Säulendurchmesser ist möglicherweise nicht an allen Positionen des säulenartigen Körpers, die in Richtung seiner Dicke zu beobachten sind, ausreichend.
Die ersten Strukturen können eingestreut oder ungleichmäßig in Dickenrichtung der Hochimpedanzschicht verteilt sein. In einer Ausführungsform sind die ersten Strukturen von einer Grenzfläche zu einer benachbarten Schicht oder einer Luftschicht in Richtung der anderen Grenzfläche in der Dickenrichtung der Hochimpedanzschicht ungleichmäßig verteilt. In dem in 2 dargestellten Beispiel weist die Hochimpedanzschicht: eine Region 71 auf einer Seite der Grenzfläche 51 auf, die die ersten Strukturen enthält, und eine Region 72 auf der anderen Seite der Grenzfläche 52, wobei die Region die zweiten Strukturen enthält. Die Region 71 und die Region 72 sind kontinuierlich ausgebildet und eine Grenze (Grenzfläche) zwischen der Region 71 und der Region 72 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die zweiten Strukturen weisen Strukturen auf, die sich von denen der ersten Strukturen unterscheiden, z.B. körnige Strukturen oder säulenartige Strukturen. Die Hochimpedanzschicht kann jede andere Struktur enthalten. In dem in 2 dargestellten Beispiel sind die säulenartigen Strukturen hauptsächlich in der Region 71 und die körnigen Strukturen hauptsächlich in der Region 72 zu finden. Insbesondere kann man sagen, dass die Region 71 eine säulenartige Konstruktion mit einer Vielzahl von säulenartigen Strukturkörpern ist, und dass die Region 72 eine körnige Konstruktion mit einer Vielzahl von körnigen Strukturkörpern ist. In einer solchen Form können die später zu beschreibenden Probleme des Abblätterns und der Rissbildung eher auftreten.
Das Verhältnis der Region der ersten Strukturen in der Hochimpedanzschicht beträgt mehr als 70 %, vorzugsweise 75 % oder mehr, bevorzugter 80 % oder mehr, noch bevorzugter 90 % oder mehr. Wenn das Verhältnis innerhalb dieser Bereiche liegt, kann ein Verbundsubstrat mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit erhalten werden. Insbesondere unterscheiden sich die ersten Strukturen und die zweiten Strukturen hinsichtlich der durch Erwärmung oder dergleichen verursachten Spannung voneinander (z.B. kann eine Zugspannung in einer säulenartigen Struktur und eine Druckspannung in einer körnigen Struktur auftreten), und an einer Grenzfläche zwischen den ersten Strukturen und den zweiten Strukturen können sich ihre jeweiligen Spannungen konzentrieren. Abblättern und Rissbildung können durch eine thermische Vorgeschichte an einer solchen Grenzfläche verursacht werden. Wenn jedoch das Verhältnis der Region der ersten Strukturen innerhalb der vorstehend erwähnten Bereiche eingestellt wird, werden die Einflüsse der jeweiligen Spannungen vermindert und somit kann das Auftreten von Abblättern und Rissbildung durch die thermische Vorgeschichte unterdrückt werden. Wie vorstehend beschrieben, liegt ein Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, dass auf das Auftreten von Abblättern und Rissbildung und einen Strukturzustand in der Schicht geachtet wird. Es ist bevorzugt, dass in jede der Hochimpedanzschichten in der Reflexionsschicht das Verhältnis der Region der ersten Strukturen mehr als 70 % beträgt. Dies liegt daran, dass das Abblättern und die Rissbildung in der Schicht unabhängig von der Position der Schicht in dem Verbundsubstrat (Reflexionsschicht) auftreten können.
Das Verhältnis der Region der zweiten Strukturen in der Hochimpedanzschicht beträgt vorzugsweise weniger als 30 %, bevorzugter 25 % oder weniger, noch bevorzugter 20 % oder weniger, besonders bevorzugt 10 % oder weniger.
Das Verhältnis der Region der ersten Strukturen in der Hochimpedanzschicht kann z.B. durch REM-Beobachtung ermittelt werden. In einer Ausführungsform kann das Verhältnis bestimmt werden durch: Messen des Maximums und des Minimums der Abstände (Dicken) von der einen Grenzfläche 51 zu der Region 72, die die zweiten Strukturen enthält; Mitteln der gemessenen Werte, um die Dicke der Region der ersten Strukturen zu bestimmen; und Berechnen des Verhältnisses der Dicke zur Dicke der Hochimpedanzschicht.
Ein typisches Beispiel für das Material zur Bildung der Niedrigimpedanzschicht ist Siliziumoxid. Die Niedrigimpedanzschicht weist typischerweise die Region der körnigen Strukturen auf.
Die Dicke der Niedrigimpedanzschicht beträgt z.B. 0,01 µm bis 1 µm, vorzugsweise 20 nm bis 500 nm, bevorzugter 100 nm bis 300 nm.
Die Impedanzschichten können durch jedes geeignete Verfahren gebildet werden. Die Schichten können beispielsweise durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase, wie Sputtern oder ionenstrahlunterstützte Abscheidung (IAD), durch chemische Abscheidung aus der Gasphase oder durch Atomlagenabscheidung (ALD) gebildet werden.
Die Impedanzschichten können z.B. durch Sputtern eines das Oxid enthaltenden Targets gebildet werden. Der Strukturzustand jeder der Impedanzschichten kann z.B. durch Einstellen eines Drucks in einem Raum zur Bildung der Impedanzschicht gesteuert werden. In einer Ausführungsform wird der Druck in dem Raum zur Bildung der Schicht auf 0,15 Pa oder mehr und weniger als 0,30 Pa eingestellt. In einer anderen Ausführungsform wird der Druck in dem schichtbildenden Raum auf mehr als 0,50 Pa und 0,80 Pa oder weniger eingestellt. Die Temperatur für die Schichtbildung liegt beispielsweise zwischen Normaltemperatur bis 200°C.
A-3. Trägersubstrat
Als Trägersubstrat 30 kann jedes geeignete Substrat verwendet werden. Das Trägersubstrat kann aus einer einkristallinen Substanz oder aus einer polykristallinen Substanz bestehen. Ein Material zur Bildung des Trägersubstrats wird vorzugsweise ausgewählt aus: Silizium; Sialon; Saphir; Cordierit; Mullit; Glas; Quarz; Kristall und Aluminiumoxid.
Das Silizium kann einkristallines Silizium, polykristallines Silizium oder hochresistentes Silizium sein.
Typischerweise ist das Sialon eine Keramik, die durch Sintern eines Gemisches aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid erhalten wird und eine Zusammensetzung aufweist, die beispielsweise durch Si_6-wAl_wO_wN_8-w dargestellt wird. Insbesondere weist das Sialon eine solche Zusammensetzung auf, dass Aluminiumoxid in Siliziumnitrid eingemischt ist, und „w“ in der Formel steht für das Mischungsverhältnis von Aluminiumoxid. „w“ steht vorzugsweise für 0,5 oder mehr und 4,0 oder weniger.
Typischerweise ist der Saphir eine einkristalline Substanz mit der Zusammensetzung Al₂O₃ und das Aluminiumoxid ist eine polykristalline Substanz mit der Zusammensetzung Al₂O₃. Bei dem Aluminiumoxid handelt es sich vorzugsweise um transluzentes Aluminiumoxid.
Typischerweise ist der Cordierit eine Keramik mit der Zusammensetzung 2MgO·2Al₂O₃ ·5SiO₂ und der Mullit ist eine Keramik mit einer Zusammensetzung im Bereich von 3Al₂O₃ ·2SiO₂ bis 2Al₂O₃ ·SiO₂.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung des Trägersubstrats ist vorzugsweise kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung der piezoelektrischen Schicht. Ein solches Trägersubstrat kann Form- und Größenänderungen der piezoelektrischen Schicht zum Zeitpunkt einer Temperaturänderung unterdrücken und somit beispielsweise eine Änderung der Frequenzcharakteristik eines zu erhaltenden akustischen Oberflächenwellenelements unterdrücken.
Als Dicke des Trägersubstrats kann jede geeignete Dicke gewählt werden. Die Dicke des Trägersubstrats liegt beispielsweise zwischen 100 µm bis 1000 µm.
A-4. Verbindungsschicht
Wie vorstehend beschrieben, kann das Verbundsubstrat die Verbindungsschicht enthalten. Ein Material zur Bildung der Verbindungsschicht ist z.B. Siliziumoxid, Silizium, Tantaloxid, Nioboxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Hafniumoxid. Die Zusammensetzung der Verbindungsschicht unterscheidet sich zum Beispiel von der Zusammensetzung der einzelnen Impedanzschichten. Die Dicke der Verbindungsschicht beträgt beispielsweise 0,005 µm bis 1 µm.
Die Verbindungsschicht kann durch jedes geeignete Verfahren gebildet werden. Insbesondere kann die Schicht nach demselben Verfahren wie das vorstehend erwähnte Verfahren zur Bildung der Impedanzschichten gebildet werden.
A-5. Herstellungsverfahren
Das Verbundsubstrat kann z.B. dadurch erhalten werden, dass die Impedanzschichten zur Bildung der Reflexionsschicht nacheinander auf der piezoelektrischen Schicht oder einem piezoelektrischen Schichtvorläufer gebildet werden und die piezoelektrische Schicht oder der piezoelektrische Schichtvorläufer, auf dem die Reflexionsschicht gebildet wurde, und das Trägersubstrat direkt verbunden werden.
3A bis 3D sind Ansichten zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren für das Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform. 3A ist eine Darstellung eines Zustands, in dem die Bildung der Reflexionsschicht 20 (Impedanzschichten 21 bis 28) auf einem piezoelektrischen Schichtvorläufer 12 abgeschlossen ist. Der piezoelektrische Schichtvorläufer 12 weist eine erste Hauptoberfläche 12a und eine zweite Hauptoberfläche 12b auf und die Impedanzschichten 21 bis 28 werden nacheinander auf der ersten Hauptoberflächenseite 12a gebildet, um die Reflexionsschicht 20 zu bilden.
3B ist eine Darstellung eines Zustands, in dem eine Verbindungsschicht 40 auf der Reflexionsschicht 20 ausgebildet ist, und 3C ist eine Darstellung eines Schritts des direkten Verbindens des piezoelektrischen Schichtvorläufers 12, auf dem die Reflexionsschicht 20 und die Verbindungsschicht 40 ausgebildet sind, und des Trägersubstrats 30. Zum Zeitpunkt der direkten Verbindung werden die Verbindungsoberflächen vorzugsweise durch eine geeignete Aktivierungsbehandlung aktiviert. Das direkte Verbinden erfolgt beispielsweise durch Aktivieren einer Oberfläche 40a der Verbindungsschicht 40, Aktivieren einer Oberfläche 30a des Trägersubstrats 30, anschließendes In-Kontakt-Bringen der aktivierten Oberfläche der Verbindungsschicht 40 und der aktivierten Oberfläche des Trägersubstrats 30 und Druckbeaufschlagung des Ergebnisses. Auf diese Weise erhält man das in 3D dargestellte Verbundsubstrat 110. Die zweite Hauptoberfläche 12b des piezoelektrischen Schichtvorläufers 12 des resultierenden Verbundsubstrats 110 wird typischerweise einer Bearbeitung (nicht gezeigt) unterzogen, wie Schleifen oder Polieren, so dass eine piezoelektrische Schicht mit der vorstehend erwähnten gewünschten Dicke erhalten werden kann.
Die Oberfläche jeder Schicht (insbesondere die piezoelektrische Schicht oder der piezoelektrische Schichtvorläufer, die Reflexionsschicht, das Trägersubstrat oder die Verbindungsschicht) ist vorzugsweise eine ebene Oberfläche. Insbesondere beträgt die Oberflächenrauhigkeit Ra der Oberfläche jeder Schicht vorzugsweise 1 nm oder weniger, bevorzugter 0,3 nm oder weniger. Ein Verfahren zur Glättung der Oberfläche jeder Schicht ist z.B. das Hochglanzpolieren, Überlappungspolieren oder chemisch-mechanisches Polieren (CMP).
Zum Zeitpunkt der vorstehend beschriebenen Filmbildung und des Zusammenfügens wird die Oberfläche jeder Schicht vorzugsweise gewaschen, um z.B. die Rückstände eines Poliermittels, einer bearbeiteten Schicht oder dergleichen zu entfernen. Ein Verfahren für das Waschen ist zum Beispiel das Nasswaschen, das Trockenwaschen oder das Schrubbwaschen. Von diesen wird das Schrubbwaschen bevorzugt, da die Oberfläche einfach und effizient gewaschen werden kann. Ein spezielles Beispiel für das Schrubbwaschen ist ein Verfahren, bei dem die Oberfläche in einer Schrubbwaschmaschine mit einem Reinigungsmittel (z.B. einer SUNWASH-Serie, hergestellt von der Lion Corporation) und anschließend mit einem Lösungsmittel (z.B. einer gemischten Lösung aus Aceton und Isopropylalkohol (IPA)) gewaschen wird.
Die Aktivierungsbehandlung wird typischerweise durch Bestrahlung der Fügeoberfläche mit einem neutralisierten Strahl durchgeführt. Die Aktivierungsbehandlung wird vorzugsweise durch Erzeugung des neutralisierten Strahls mit einer Einrichtung wie der in JP 2014-086400 A beschriebenen Einrichtung und Bestrahlung der Fügeoberfläche mit dem Strahl durchgeführt. Insbesondere wird eine schnelle Sattelfeld-Atomstrahlquelle als Strahlquelle verwendet und ein Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, wird in die Kammer der Einrichtung eingeführt, gefolgt vom Anlegen einer Hochspannung von der Gleichstromquelle an eine Elektrode davon. Auf diese Weise wird zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und dem Gehäuse (negative Elektrode) ein elektrisches Sattelfeld erzeugt, das eine Elektronenbewegung hervorruft, um dadurch die Strahlen eines Atoms und eines Ions durch das Inertgas zu erzeugen. Von den Strahlen, die das Gitter der schnellen Atomstrahlquelle erreicht haben, wird ein lonenstrahl durch das Gitter neutralisiert und somit wird der Strahl eines neutralen Atoms von der schnellen Atomstrahlquelle emittiert. Die Spannung zum Zeitpunkt der Aktivierungsbehandlung durch die Strahlenbestrahlung wird vorzugsweise auf 0,5 kV bis 2,0 kV eingestellt, und der Strom zum Zeitpunkt der Aktivierungsbehandlung durch die Strahlenbestrahlung wird vorzugsweise auf 50 mA bis 200 mA eingestellt.
Die Fügeoberflächen werden vorzugsweise miteinander in Kontakt gebracht und in einer Vakuumatmosphäre unter Druck gesetzt. Die Temperatur zu diesem Zeitpunkt ist typischerweise Normaltemperatur. Insbesondere beträgt die Temperatur vorzugsweise 20°C oder mehr und 40°C oder weniger, bevorzugter 25°C oder mehr und 30°C oder weniger. Der anzuwendende Druck liegt vorzugsweise zwischen 100 N und 20000 N.
B. Akustisches Oberflächenwellenelement
Ein akustisches Oberflächenwellenelement gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das vorstehend erwähnte Verbundsubstrat. Das Verbundsubstrat weist eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit auf und folglich verursacht das akustische Oberflächenwellenelement, das z.B. durch die Bildung einer Elektrode oder dergleichen und die Verarbeitung (einschließlich Wärmebehandlung), wie Schneiden, erhalten wird, kein Abblättern, keine Rissbildung und dergleichen. Ein solches akustisches Oberflächenwellenelement kann als SAW-Filter in einer Kommunikationseinrichtung, wie einem Mobiltelefon, verwendet werden.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht durch diese Beispiele beschränkt.
[Beispiel 1-1]
Ein Lithiumtantalat-Substrat (LT-Substrat) mit einem flachen Orientierungsabschnitt (OF) und einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 250 µm (ein solches LT-Substrat mit 128° Y-Schnitt und X-Ausbreitung, bei dem die Richtung, in der sich eine akustische Oberflächenwelle (SAW) ausbreitet, durch X dargestellt wird, wobei das Substrat eine gedrehte Y-Schnittplatte mit einem Ausschnittwinkel von 128° ist) wurde hergestellt. Die Oberfläche des LT-Substrats wurde einer Hochglanzpolitur unterzogen, um eine arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra von 0,3 nm zu erhalten. Die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra ist ein Wert, der mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) in einem Sichtfeld von 10 µm mal 10 µm gemessen wurde.
Anschließend wurden eine Siliziumoxidschicht (Dicke: 150 nm) und eine Hafniumoxidschicht (Dicke: 150 nm) in der angegebenen Reihenfolge auf der polierten Oberfläche des LT-Substrats gebildet. Konkret wurden die Schichten in einer Einzelwafer-Sputtereinrichtung (RF-Magnetron-Sputterverfahren) mit einem SiO₂-Target und einem HfO₂-Target mit einem Durchmesser von jeweils 10 Inch unter den Bedingungen einer elektrischen Leistung der Stromquelle von 2 kW, einem T-S-Abstand von 65 mm und einem Druck von 0,65 Pa gebildet. Danach wurde die Schichtbildung dreimal wiederholt, um eine solche Reflexionsschicht zu bilden, wie in 1 dargestellt.
Als Nächstes wurde eine Siliziumoxidschicht (Dicke: von 80 nm bis 190 nm, arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra: von 0,2 nm bis 0,6 nm) auf der Reflexionsschicht gebildet. Die Schicht wurde durch ein DC-Sputterverfahren mit einem bordotierten Si-Target hergestellt. Zusätzlich wurde ein Sauerstoffgas als Sauerstoff quelle zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurden der Gesamtdruck und der Sauerstoff partialdruck der Atmosphäre in der Kammer der Einrichtung durch Regulierung der Menge des eingeleiteten Sauerstoffgases geregelt. Danach wurde die Oberfläche der Siliziumoxidschicht einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) unterzogen. Auf diese Weise entstand eine Verbindungsschicht (Dicke: 50 nm, arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra: von 0,08 nm bis 0,4 nm).
Ein Trägersubstrat aus Silizium mit einem OF-Anteil und einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 500 µm wurde hergestellt. Die Oberfläche des Trägersubstrats wurde einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) unterzogen und wies eine arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra von 0,2 nm auf.
Anschließend wurden das LT-Substrat und das Trägersubstrat direkt miteinander verbunden. Insbesondere wurden die Oberfläche (Verbindungsschichtseite) des LT-Substrats und die Oberfläche des Trägersubstrats gewaschen und dann wurden beide Substrate in die Vakuumkammer der Einrichtung geladen, gefolgt von ihrer Evakuierung auf ein Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa. Danach wurden die Oberflächen beider Substrate 120 Sekunden lang mit schnellen Atomstrahlen (Beschleunigungsspannung: 1 kV, Ar-Durchflussrate: 27 sccm) bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden die mit Strahlen bestrahlten Oberflächen der beiden Substrate übereinandergelegt und die beiden Substrate 2 Minuten lang mit einem Druck von 10000 N zusammengefügt. Danach wurde der zusammengefügte Körper 20 Stunden lang bei 100°C erhitzt.
Als Nächstes wurde die Rückoberfläche des LT-Substrats des zusammengefügten Körpers geschliffen und poliert, so dass die Dicke des Substrats von seinem ursprünglichen Wert, d.h. 250 µm auf 1 µm, verringert wurde. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat erhalten.
Ein Schnitt des entstandenen Verbundsubstrats (Reflexionsschicht) wurde mit einem REM (bei einer Vergrößerung von 200000) untersucht. Eine Beobachtungsaufnahme ist in 4 dargestellt. Zum Zeitpunkt der REM-Schnittbeobachtung wurde aus dem entstandenen Verbundsubstrat durch ein Bruchverfahren eine Probe zur Beobachtung hergestellt.
Wie in 4 gezeigt, wurde in jeder der Hafniumoxidschichten in der Anfangsphase der Schichtbildung (auf der Seite des LT-Substrats) ein leicht körniges Wachstum beobachtet, aber nach der Anfangsphase der Schichtbildung wurde ein säulenartiges Wachstum beobachtet. Insbesondere wurde erkannt, dass sich die Struktur in einer Hafniumoxidschicht ändert.
[Vergleichsbeispiel 1-1]
Ein Verbundsubstrat wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1-1 erhalten, außer dass bei den Bedingungen für die Schichtbildung beim Sputtern der Druck auf 0,40 Pa geändert wurde. Ein Ausschnitt des entstandenen Verbundsubstrats (Reflexionsschicht) wurde mit einem REM auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1-1 untersucht. Eine Beobachtungsaufnahme ist in 5 dargestellt.
Wie in 5 gezeigt, wurde in jeder der Hafniumoxidschichten ein körniges Wachstum von der Anfangsphase der Schichtbildung bis zur mittleren Phase (auf der LT-Substratseite) und ein säulenartiges Wachstum nach der mittleren Phase der Schichtbildung beobachtet. Insbesondere wurde deutlich erkannt, dass sich die Struktur in einer Hafniumoxidschicht ändert.
<Bewertung 1 >
Die Verbundsubstrate aus Beispiel 1-1 und Vergleichsbeispiel 1-1 wurden auf ihre Wärmebeständigkeit geprüft. Konkret wurde jedes der entstandenen Verbundsubstrate 15 Minuten lang auf 200°C erhitzt und dann abgekühlt. Danach wurde ein Abschnitt des Verbundsubstrats mit einem REM untersucht.
Im Vergleichsbeispiel 1-1 wurde, wie in 6 gezeigt, ein Abblättern der Hafniumoxidschicht beobachtet. Aus 6 ist zu erkennen, dass das Abblättern an einer Grenzfläche zwischen der Region der körnigen Strukturen und der Region der säulenartigen Strukturen auftrat. Im Gegensatz dazu wurde in Beispiel 1-1 kein Abblättern beobachtet.
[Beispiel 2-1]
Eine Probe zur Identifizierung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1-1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass bei der Bildung der Reflexionsschicht nur eine Hafniumoxidschicht und keine Verbindungsschicht gebildet wurde.
[Beispiele 2-2, 2-3, 2-4 und 2-5]
Eine Probe zur Identifizierung wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2-1 gewonnen, mit der Ausnahme, dass die Schichtbildungsbedingung (Druck) beim Sputtern geändert wurde.
[Vergleichsbeispiel 2-1]
Eine Probe zur Identifizierung wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1-1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass bei der Bildung der Reflexionsschicht nur eine Hafniumoxidschicht und keine Verbindungsschicht gebildet wurde.
[Vergleichsbeispiele 2-2 und 2-3]
Eine Probe zur Identifizierung wurde auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 2-1 gewonnen, mit dem Unterschied, dass die Schichtbildungsbedingung (Druck) beim Sputtern geändert wurde.
<Bewertung 2>
Ein Schnitt jeder der resultierenden Proben zur Identifizierung wurde mit einem REM (bei einer Vergrößerung von 200000) betrachtet und eine Grenze zwischen ersten Strukturen (körnige Strukturen oder säulenartige Strukturen) und zweiten Strukturen (körnige Strukturen oder säulenartige Strukturen) wurde identifiziert, gefolgt von der Bestimmung der Region der ersten Strukturen. Beispielsweise ist in 7 eine REM-Schnittaufnahme von Beispiel 2-3 dargestellt. Der oberste Abschnitt des körnigen Wachstums und der unterste Abschnitt des körnigen Wachstums wurden in Bezug auf die Oberfläche des LT-Substrats identifiziert und eine Zwischenposition zwischen den beiden Abschnitten wurde bestimmt. Der Abstand von der Oberfläche bis zu dieser Position wurde als Dicke der Region der körnigen Strukturen angenommen. Das Verhältnis (%) der körnigen Strukturen wurde durch Berechnung des Verhältnisses (Dicke „d“ der Region der körnigen Strukturen/Dicke H der Hafniumoxidschicht) zwischen der Dicke „d“ der Region der körnigen Strukturen und der Dicke H der Hafniumoxidschicht ermittelt.
Wie in 7 gezeigt, wurde in jedem der Beispiele 2-1 bis 2-5 und den Vergleichsbeispielen 2-1 bis 2-3 die Grenze zwischen den körnigen Strukturen und den säulenartigen Strukturen beobachtet und wie aus der Berechnungsgleichung ersichtlich ist, ist das Verhältnis (%) der säulenartigen Strukturen ein Wert, der durch Subtraktion des Verhältnisses der körnigen Strukturen von 100 erhalten wird.
Die daraus resultierenden Proben zur Identifizierung wurden auf dieselbe Weise wie in Bewertung 1 auf ihre Wärmebeständigkeit hin bewertet. Die Ergebnisse der Bewertung der Wärmebeständigkeit (Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Auftretens von Abblättern) sind in Tabelle 1 zusammen mit dem Verhältnis der ersten Strukturen zusammengefasst.

Tabelle 1

	Bedingung für die Schichtbildung: Druck	Verhältnis der ersten Strukturen	Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Abblättern
Beispiel 2-1	0,65 Pa	95% (säulenartig)	Vorhanden
Beispiel 2-2	0,60 Pa	85% (säulenartig)	Vorhanden
Beispiel 2-3	0,55 Pa	75% (säulenartig)	Vorhanden
Beispiel 2-4	0,25 Pa	75% (körnia)	Vorhanden
Beispiel 2-5	0,20 Pa	80% (körnig)	Vorhanden
Vergleichsbeispiel 2-1	0,40 Pa	50% (körnig)	Nicht vorhanden
Vergleichsbeispiel 2-2	0,30 Pa	70% (körnig)	Nicht vorhanden
Vergleichsbeispiel 2-3	0,50 Pa	30% (körnig)	Nicht vorhanden

In jedem der Vergleichsbeispiele wurde das Abblättern in der Hafniumoxidschicht als Folge der Erhitzung beobachtet. Wie in Vergleichsbeispiel 1-1 (5) wurde erkannt, dass das Abblättern an der Grenze zwischen der Region der körnigen Strukturen und der Region der säulenartigen Strukturen auftrat. Im Gegensatz dazu wurde in keinem der Beispiele Abblättern beobachtet.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise in einem akustischen Oberflächenwellenelement verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: piezoelektrische Schicht
20: Reflexionsschicht
21: Niedrigimpedanzschicht
22: Hochimpedanzschicht
23: Niedrigimpedanzschicht
24: Hochimpedanzschicht
25: Niedrigimpedanzschicht
26: Hochimpedanzschicht
27: Niedrigimpedanzschicht
28: Hochimpedanzschicht
30: Trägersubstrat
40: Verbindungsschicht
71: Region mit ersten Strukturen
72: Region mit zweiten Strukturen
100: Verbundsubstrat
110: Verbundsubstrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020150488 A [0004]
JP 2014086400 A [0052]

Claims

Verbundsubstrat, umfassend: eine piezoelektrische Schicht; und eine Reflexionsschicht, die auf einer Rückoberflächenseite der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die Reflexionsschicht eine Hochimpedanzschicht und eine Niedrigimpedanzschicht beinhaltet, die Siliziumoxid enthält, und wobei das Verhältnis einer Region der ersten Strukturen in der Hochimpedanzschicht mehr als 70 % beträgt.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei die ersten Strukturen säulenartige Strukturen oder körnige Strukturen sind.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hochimpedanzschicht mindestens eines enthält, ausgewählt aus: Hafniumoxid; Tantaloxid; Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid.
Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Strukturen ungleichmäßig von einer Grenzfläche zu einer benachbarten Schicht oder einer Luftschicht zu einer anderen Grenzfläche in einer Dickenrichtung der Hochimpedanzschicht verteilt sind.
Verbundsubstrat nach Anspruch 4, wobei die Hochimpedanzschicht zweite Strukturen aufweist und eine Grenze zwischen den ersten Strukturen und den zweiten Strukturen in der Hochimpedanzschicht vorhanden ist.
Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hochimpedanzschicht und die Niedrigimpedanzschicht jeweils eine Dicke von 0,01 µm bis 1 µm aufweisen
Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hochimpedanzschicht und die Niedrigimpedanzschicht abwechselnd in der Reflexionsschicht laminiert sind.
Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend ein Trägersubstrat, das auf einer Rückoberflächenseite der Reflexionsschicht angeordnet ist.
Verbundsubstrat nach Anspruch 8, weiterhin umfassend eine Verbindungsschicht, die zwischen der Reflexionsschicht und dem Trägersubstrat angeordnet ist.
Akustisches Oberflächenwellenelement, umfassend das Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9.