DE69615959T2

DE69615959T2 - Piezoelektrische Anordnung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69615959T2
Application number: DE69615959T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Eda; Akihiko Namba; Tetsuyosi Ogura; Yosihiro Tomita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: DE69615959D1; US5759753A; EP0755085B1; EP0755085A1; US5982010A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Anordnung, die durch ein Verbundsubstrat gebildet wird, das durch Wafer- oder anodisches Bonden gebondet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundsubstrats.
Für die Herstellung von piezoelektrischen Anordnungen, die beispielsweise in Quarzoszillatoren verwendet werden, ist vor kurzem ein Verfahren zum Bonden eines piezoelektrischen Substrats auf ein Halbleitersubstrat durch Wafer- oder anodisches Bonden ohne Verwendung einer Haft-Zwischenschicht untersucht worden. Waferbonden ist als eine Technik definiert, bei der zwei hochglanzpolierte Substrate zusammengefügt und wärmebehandelt werden, sodass die beiden Substrate auf Atomniveau gebondet werden. Anodisches Bonden ist als eine Technik definiert, bei der zwei hochglanzpolierte Substrate zusammengefügt und wärmebehandelt werden, wobei eine Spannung an die Grenzfläche zwischen den beiden Substraten angelegt wird, sodass sie auf Atomniveau gebondet werden.
Das Waferbonden von Halbleitersubstraten auf piezoelektrische Anordnungen ist beispielsweise auf Seite 1045 der IEEE Ultrasonic Symposium Proceedings 1994 (Berichte des IEEE-Ultraschall-Symposiums 1994) beschrieben. So werden beispielsweise Silicium und Quarz auf Atomniveau mittels einer Zwischenschicht aus Siliciumdioxid gebondet. Das Siliciumdioxid ist keine Haft-Zwischenschicht, sondern ein Produkt von Atomen, die ein Silicium- oder Quarzsubstrat bilden. Ein weiteres Beispiel ist in Applied Physics Letters, Jg. 66, S. 1484 (1995), zu finden. In dieser Quelle werden zwei Substrate aus dem gleichen Material, z. B. Lithiumniobat, durch Waferbonden auf Atomniveau gebondet.
Waferbonden erfordert beispielsweise folgende Schritte:
(a) Hochglanzpolieren der Bondflächen der Substrate,
(b) Waschen der Substrate,
(c) Gegebenenfalls Hydrophilierung der Substrate,
(d) Zusammenfügen der beiden Substrate und
(e) Wärmebehandlung und Bonden der beiden Substrate.
Wenn jedoch zwei Substrate, die durch Wafer- oder anodisches Bonden gebondet werden, unterschiedliche Wärmedehnungsgeschwindigkeiten haben, z. B. Quarz und Silicium bei der Herstellung eines Quarzoszillators, können die Substrate aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten im Schritt (e) bei der Wärmeanwendung brechen oder delaminiert werden. Die japanische Patentanmeldung (Offenlegungsschrift) hei 5-327383 (1993) beschreibt, dass ein enger Zusammenhang zwischen der Dicke eines Substrats und seiner. Beschädigung oder Delamination besteht, wenn zwei Substrate mit unterschiedlichen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten durch Wafer- oder anodisches Bonden gebondet werden.
Außerdem hängt die Beschädigung von Substraten von der Gesamt-Bondfläche ab. Die maximale Wärmebehandlungstemperatur (MWBT), bei der keine Delamination auftritt, ist als die Temperatur definiert, bei der ein Verbundsubstrat, das gebondet wird, einer Beschädigung durch Wärmespannungen widersteht. Fig. 11 zeigt, dass die MWBT von der Gesamt-Bondfläche abhängt. Die horizontale Achse stellt die Bondfläche auf dem Substrat und die vertikale Achse die normalisierte MWBT des Verbundsubstrats dar, bei der ein Temperaturwert durch die MWBT für 1600 mm² Bondfläche normalisiert wird.
Fig. 11 zeigt eine aus Versuchswerten gezeichnete Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Bondfläche und der MWBT für ein Quarzsubstrat zeigt, das durch Waferbonden auf ein Siliciumsubstrat mittels Hydrophilierung, Zusammenfügen und Wärmebehandlung gebondet wurde. In dem Versuch hatte das Quarzsubstrat eine Dicke von 100 um und das Siliciumsubstrat eine Dicke von 600 um. Beide Substrate waren rechteckig. Das Bonden lief wie folgt ab: Zunächst wurden die beiden Substrate mit einem Lösungsgemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und vollentsalztem Wasser hydrophiliert. Danach wurden die beiden Substrate zusammengefügt und die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 100ºC/h erhöht. Schließlich wurden die beiden Substrate zwei Stunden auf der maximalen Temperatur gehalten.
Da sich die MWBT in Abhängigkeit von der Dicke der Substrate und der Gesamt- Bondfläche ändert, ist es schwierig, zwei Substrate aus unterschiedlichen Materialien durch Waferbonden zu bonden. Es war daher bisher nicht einfach, das Waferbonden bei der Herstellung piezoelektrischer Anordnungen einzusetzen.
Die MWBT wird von der ungleichmäßigen Verteilung der Wärmespannungen beeinflusst, die beim Erwärmen in die Bondflächen eingetragenen werden. Daran können folgende Faktoren beteiligt sein.
Beim Erwärmen wird die Bondfestigkeit nicht gleichmäßig über die Bondfläche verteilt. Beim Wafer- oder anodischen Bonden ist die Bondgeschwindigkeit an der Grenzfläche nicht konstant, das heißt, der eine Bereich kann stärker als ein anderer gebondet werden. Daher wird die Bondspannung ungleichmäßig im Substrat verteilt.
Möglicherweise werden auch einige Bereiche überhaupt nicht gebondet. Das heißt, ein Bereich kann innerhalb des Substrats gebondet sein, ein anderer nicht. Ebenso wird in diesem Fall die Bondspannung ungleichmäßig im Substrat verteilt. Dafür, dass einige Bereiche ungebondet bleiben, kommen folgende Ursachen in Frage:
(a) Raue Oberflächen, Schwellung, Verzug und/oder Deformation des Substrats,
(b) Teilchen auf der Bond-Grenzfläche,
(c) In der Bond-Grenzfläche eingeschlossene Gase,
(d) Wassermoleküle und daran angelagerte Atome, die an der Bond-Grenzfläche eingeschlossen werden, wenn Wassermoleküle und daran angelagerte Atome zum Anfangsbonden verwendet werden.
Nachstehend wird ein ungebondeter Bereich als Hohlraum bezeichnet.
Gelegentlich werden piezoelektrische Substrate leicht elektrisch aufgeladen, was dazu führt, dass Teilchen leicht an die Substrate angelagert werden. Ein solches Substrat ist aus dem vorgenannten Grund (b) anfällig für Beschädigungen und Delamination. Genauer gesagt, Teilchen im Mikrometerbereich können sich an die Bond-Grenzfläche anlagern, sodass Hohlräume entstehen. Die Hohlräume führen zu übermäßiger Substrat-Delamination, sodass das Substrat nicht verwendet werden kann. Es ist schwierig, alle Mikrometer-großen Teilchen von dem isolierten und geladenen Substrat zu entfernen, und wenn ein zusätzliches Entfernungsmittel zugegeben wird, kann sich der Waschvorgang kompliziert gestalten. Wenn isolierte Substrate mit anisotropen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten verwendet werden, sollten die Orientierungen dieser Substrate exakt aufeinander abgestimmt werden. Andernfalls kann es zu Beschädigungen und Delamination durch Spannungen kommen.
Vorstehend sind die mit den herkömmlichen Wärmebehandlungen beim Bonden verbundenen Probleme beschrieben worden. Genau diese Probleme sind bei der Herstellung piezoelektrischer Anordnungen zu finden. Das heißt, wenn eine piezoelektrische Anordnung einer Wärmebehandlung wie z. B. Lötmetallrückfluss unterzogen wird, damit die piezoelektrische Anordnung mit einer Außenelektrode in Kontakt kommt, wird die gleiche Erscheinung beobachtet und die piezoelektrischen Verbundsubstrate werden delaminiert. Auch wenn Hohlräume in der Bond-Grenzfläche die Substrate nicht beschädigen, tragen sie dennoch Spannungen in die auf den piezoelektrischen Verbundsubstraten ausgebildeten piezoelektrischen Anordnungen ein und ändern dadurch deren Eigenschaften. Außerdem können die Hohlräume zu einer verminderten Zuverlässigkeit der piezoelektrischen Anordnungen führen.

Kurze Darstellung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem der Delamination in Verbundsubstraten dadurch zu vermeiden, dass auf mindestens einem der durch Waferbonden zu bondenden Substrate Nuten ausgebildet werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die in die piezoelektrischen Anordnungen eingetragenen Spannungen zu reduzieren, sodass hochzuverlässige piezoelektrische Anordnungen hergestellt werden können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden wird in den Ansprüchen 1 und 7 beansprucht. Eine erfindungsgemäße piezoelektrische Anordnung wird in Anspruch 16 beansprucht. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Anordnung kann die in eine Bond-Grenzfläche eingetragene Wärmespannung durch mehrere auf dem Substrat ausgebildete Nuten verringert werden. Die Wärmespannung der Bond- Grenzfläche wird an den Nuten konzentriert, wodurch die Eintragung einer zu hohen Wärmespannung in die Bond-Grenzfläche eingeschränkt wird. Bei der Herstellung einer piezoelektrischen Anordnung durch Waferbonden werden so die Substrate nicht delaminiert und die Anordnung kann ohne Schwierigkeiten hergestellt werden.
Wenn eine Spannung in einen bestimmten Bereich auf dem Substrat eingetragen wird, wird die Delamination von den auf dem Substrat ausgebildeten Nuten auf einen begrenzten Bereich beschränkt und das Substrat wird außerhalb dieses Bereichs nicht delaminiert. Die vorliegende Erfindung kann somit ein hochproduktives Herstellungsverfahren mit einem hohen Ausbeuteverhältnis für piezoelektrische Anordnungen realisieren.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene piezoelektrische Anordnung hat außerdem (zusätzlich zu den Nuten) mindestens eine Öffnung auf dem Substrat, wo ein piezoelektrisches Element ausgebildet werden kann, sodass eine Elektrode auf dem Substrat ausgebildet werden kann.
Die nach der vorliegenden Erfindung hergestellten piezoelektrischen Anordnungen haben Eigenschaften, die somit weitgehend nicht durch Wärmespannungen beeinflusst werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1A bis 1G' zeigen das Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Nutabstand und der maximalen Wärmebehandlungstemperatur des zusammengefügten Verbundsubstrats im Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 3A bis 3G' zeigen das Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 4A bis 4B zeigen Teile des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 5 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt Teile des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 6 der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 6A bis 6B zeigen Teile des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 7 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt Teile des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 8 der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 8A bis 8B zeigen Teile des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 9 der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 9A bis 9D zeigen die erfindungsgemäße piezoelektrische Anordnung.
Die Fig. 10A bis 10D zeigen eine weitere erfindungsgemäße piezoelektrische Anordnung.
Fig. 11 zeigt den Zusammenhang zwischen der Bondfläche und der maximalen Wärmebehandlungstemperatur beim herkömmlichen Verbundsubstrat.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ausführungsbeispiel 1

Das Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1G' beschrieben. Ein piezoelektrisches Substrat 1 besteht aus AT-geschnittenem Quarz von 40 mm · 40 mm mit einer Dicke von 100 um, und ein Halbleitersubstrat 2 besteht aus Silicium von 40 mm · 40 mm mit einer Dicke von 600 um.
Die Herstellung erfolgt in folgenden Schritten:
(A) Die Oberflächen des AT-geschnittenen Quarzsubstrats 1 und des Siliciumsubstrats 2 werden hochglanzpoliert und gewaschen. Die Oberflächenschicht wird mit einer Ätzlösung in einem Fluorwasserstoffsäure-System entfernt. Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 wird dann in eine dünne Platte mit einer vorgegebenen Dicke, z. B. 100 um, geschnitten (siehe Fig. 1A).
(B) Auf der hochglanzpolierten Oberfläche des Siliciumsubstrats 2 werden durch Ätzen Nuten 3 ausgebildet (siehe Fig. 1B). Bevorzugte Abmessungen der Nuten sind eine Breite von 100 um, eine Tiefe von 30 um und ein Abstand von 2 mm. Die Nuten können entweder auf dem AT-geschnittenen Quarzsubstrat 1, dem Siliciumsubstrat 2 oder auf beiden Substraten 1 und 2 ausgebildet werden.
Unter Berücksichtigung der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Materialien sollte die Breite der Nuten vorzugsweise kleiner als ihr Abstand sein. Um jedoch die gewünschte Bondfestigkeit zu erhalten, sollte die Breite nicht mehr als 90% des Nutabstands betragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite 5% des Nutabstands. Die Nuttiefe sollte so begrenzt werden, dass die Festigkeit des Substrats mit den darauf befindlichen Nuten nicht herabgesetzt wird. Im Allgemeinen wird eine Tiefe empfohlen, die dem Substrat eine Dicke von mindestens 50 um lässt. Wenn das Siliciumsubstrat also eine Dicke von 600 um hat, sollte die Nuttiefe nicht mehr als 550 um betragen. Unter Berücksichtigung der Festigkeit des piezoelektrischen Verbundsubstrats wird eine Nuttiefe von maximal 500 um empfohlen. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Substrat mit einer Dicke von 600 um und einer Nuttiefe von 30 um verwendet, sodass eine Dicke von 570 um verbleibt.
(C) Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 und das Siliciumsubstrat 2 werden in einem Lösungsgemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und vollentsalztem Wässer eingeweicht, um die Oberflächen hydrophil zu machen. Dann werden die beiden Substrate vollständig mit vollentsalztem Wasser gewaschen. Durch diesen Prozess wird jede Oberfläche hydrophil und Wassermoleküle und daran angelagerte Atome haften an den Oberflächen. Dann werden die hochglanzpolierten Oberflächen der beiden Substrate zusammengefügt, sodass sie durch die auf den Wassermolekülen und daran angelagerten Atomen beruhenden Van-der-Waalssche Kräfte aneinander haften (siehe Fig. 1C). Wenn die beiden Substrate 1, 2 nach der Hydrophilierung getrocknet werden, kann der gleiche Effekt erzielt werden.
(D) Die beiden Substrate 1, 2 werden wärmebehandelt (Fig. 1D). Die Wärmebehandlungstemperatur liegt im Allgemeinen zwischen der Raumtemperatur und 573º C, vorzugsweise zwischen 100 und 500ºC. In diesem Ausführungsbeispiel wird 5 Stunden eine Wärmebehandlungstemperatur von 240ºC verwendet. Dadurch werden die beiden Substrate mittels einer durch Atom- oder Molekülbindung bewirkte Haftung gebondet.
Adhäsion aufgrund von Atombindung heißt, dass die die Substratoberflächen bildenden Atome sich direkt, ohne eine Haft-Zwischenschicht wie Leim, miteinander verbinden. Beispielsweise kann die Atombindung mit der Siloxanbindung (Si-O-Si) beim Bonden von Silicium- und Quarzsubstraten oder beim Bonden zweier Siliciumsubstrate verwendet werden.
Adhäsion aufgrund von Molekülbindung heißt, dass Moleküle oder funktionelle Gruppen, die gezielt an die Substrat-Oberflächen angelagert wurden, die Substrate verbinden. Das heißt, die Moleküle oder funktionellen Gruppen schließen nicht die Atome ein, die die Substrat-Oberfläche bilden. Eine Wasserstoffbindung durch Hydroxylgruppen, die sich auf hydrophilen Oberflächen miteinander verbinden, und eine Wasserstoffbindung durch Restwassermoleküle und die an diese angelagerten Atome an der Bond-Grenzfläche sind Beispiele für die Molekülbindung. Diese Substratbindungsarten hängen von der Bondtemperatur ab. Der Zusammenhang zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Bindungsart ändert sich mit der Art der Substrate und dem Bindungszustand. Im Allgemeinen verwandelt sich jedoch die Bindungsart mit steigender Bondtemperatur von der Molekülbindung in einen Zwischenbindungstyp, bei dem sowohl die Molekül- als auch die Atombindung vorliegt, und schließlich in eine Atombindung. Die vorliegende Erfindung verwendet Wafer- oder anodisches Bonden, das alle drei vorgenannten Arten einschließt.
Der Herstellungsprozess geht wie folgt weiter:
(E) Das Siliciumsubstrat wird bis auf das Quarzsubstrat heruntergeätzt, sodass Öffnungen 20 entstehen. Fig. 1E(a) ist eine Seitenansicht des Substrats 2 und Fig. 1E(b) ist eine Seitenansicht des Substrats 1.
(F) Auf dem AT-geschnittenen Quarzsubstrat 1 werden Elektroden 4 ausgebildet. Bei einem Quarzoszillator werden die Elektroden auf beiden Flächen des Quarzsubstrats 1 ausgebildet, um Zündelektroden zu erhalten (siehe Fig. 1F(a) und 1F(b)).
(G) Das Verbundsubstrat wird entlang der Nuten 3 in Plättchen zerteilt. Wenn die Größe und Form der Nuten entsprechend gewählt sind, kann das Substrat in kleine Stücke geteilt werden, ohne es in Plättchen zu zerlegen. So kann eine äußere mechanische Kraft bewirken, dass sich das Substrat verzieht, wodurch es entlang der Nuten geteilt wird (siehe Fig. 1G(a) bis 1G(c), die ein einzelnes zerlegtes Stück von unten, von der Seite und in perspektivischer Darstellung zeigen). Es ist nicht erforderlich, das Verbundsubstrat entlang aller Nuten in Plättchen zu zerlegen, da, wie Fig. 1G' zeigt, das Substrat in ein Stück zerteilt werden kann, das mehrere Nuten 3 zwischen den Substraten 1, 2 aufweist. Die Fig. 1G'(a) bis 1G'(c) zeigen die gleichen Ansichten wie die Fig. 1G(a) bis 1G(c). Die nach dem vorstehenden Verfahren hergestellte piezoelektrische Anordnung wird zum Schluss durch Drahtbonden mit einer äußeren Treiber-IC, z. B. einer Schwing-IC, verbunden und in ein elektrisches Gerät eingebaut.
Das vorstehende Herstellungsverfahren hat folgende Wirkungen:
(1) bei der Wärmebehandlung verringern die Nuten die Konzentration von örtlich begrenzten Wärmespannungen,
(2) die Anzahl von Hohlräumen, die bei der Wärmebehandlung entstehen, wird verringert, und
(3) die Delamination der Substrate während oder nach dem Bonden wird verringert.
Was Punkt (1) anbelangt, so werden beim Bonden von Substraten ohne Nuten Wärmespannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungsgeschwindigkeiten ungleichmäßig in eine Bond-Grenzfläche eingetragen. Eine zu hohe Wärmespannung an einer begrenzten Stelle führt zur Beschädigung und folglich zur Delamination des Substrats. Wenn das Herstellungsverfahren dieses Ausführungsbeispiels angewendet wird, wird die Wärmespannung um die Nuten herum konzentriert. Da aber die Nuten in regelmäßigen Abständen vorgesehen sind, ist eine zu hohe Wärmespannung nicht zu beobachten.
Was Punkt (2) anbelangt, so werden die Gase, Wassermoleküle und die an die Wassermoleküle angelagerten Atome an der Bond-Grenzfläche beim Bonden über die Nuten freigesetzt, sodass sich die Anzahl der entstehenden Hohlräume verringert. Die Hohlräume, die durch das Anschwellen und den Verzug des Substrats entstehen, werden von den Nuten absorbiert, und die an der Bondfläche vorhandenen Hohlräume werden reduziert. Substrate, die auf wenige hundert Mikrometer hochglanzpoliert sind, sind besonders anfällig gegen Schwellung und Verzug. Wenn eine große Menge von Wassermolekülen und daran angelagerten Atomen als Bondmaterialen beim Anfangsbonden verwendet werden, können die Bondmaterialien und -teilchen an der Bond-Grenzfläche mit dem Herstellungsverfahren beseitigt werden. Daher ist weder für das Waferbonden noch für das anodische Bonden eine Reinraum-Umgebung notwendig.
Was Punkt (3) anbelangt, so beginnt die Delamination der Substrate, wenn Hohlräume an der Bond-Grenzfläche vorhanden sind, normalerweise hier, und zwar insbesondere bei der Wärmebehandlung. Das Fortschreiten der Delamination wird jedoch an den Nuten zum Stillstand gebracht, sodass sich die Delamination drastisch verringert. Außerdem kann die nach dem Bonden auftretende Delamination ebenfalls verringert werden.
Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren kann die Beschädigung und Delamination von Substraten mit unterschiedlichen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten reduzieren, wenn die Substrate durch Waferbonden miteinander verbunden werden. Das Herstellungsverfahren verbessert auch die Produktivität und das Ausbeuteverhältnis der piezoelektrischen Anordnungen, die auf Verbundsubstraten ausgebildet werden, die mehr als zwei Arten von Substraten umfassen. Außerdem macht die Struktur mit Nuten möglicherweise die Zerlegung in Plättchen entbehrlich.
In diesem Ausführungsbeispiel werden Verbundsubstrate mit verschiedenen Nutabständen von 0,3 bis 20 mm hergestellt. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Nutabstand und der MWBT. Die x-Achse stellt den Nutabstand und die y-Achse die normalisierte MWBT (die maximale Wärmebehandlungstemperatur, bei der keine Delamination auftritt, normalisiert mit einer anderen MWBT, die beim herkömmlichen Bonden ohne Verwendung von Nuten verwendet wird) dar. Fig. 2 zeigt, dass die MWBT in diesem Ausführungsbeispiel höher als die beim herkömmlichen Verfahren ist und dass die Verbindung stabiler ist.
Fig. 2 zeigt auch, dass die MWBT umso höher ist, je kleiner der Nutabstand ist und dass dadurch auch die Bondfestigkeit je Flächeneinheit zunimmt. Der Nutabstand kann entsprechend der geforderten Bondfestigkeit der Substrate und der geforderten Größe des Verbundsubstrats festgelegt werden.
Die Nuten auf dem Verbundsubstrat brauchen nicht immer gerade Linien zu sein, auch müssen sie weder rechtwinklig zum Substrat mit vertikalen und horizontalen Linien verlaufen noch gleiche Abstände haben. Die Nuten können schräg oder kreisförmig auf dem Substrat gezogen werden, was jeweils den gleichen Effekt hat.
Wenn zuvor ein Schwingkreis in das Siliciumsubstrat eingebaut wird, kann eine Außen- IC in die piezoelektrische Anordnung integriert werden und es kann ein Gerät mit einer geringeren Größe bei niedrigeren Kosten erhalten werden.
In diesem Ausführungsbeispiel stellt ein Siliciumsubstrat das Halbleitersubstrat dar. Es können aber auch Galliumarsenid- oder Indiumphosphat-Substrate verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Diese Verbindungshalbleiter-Substrate können in Hochfrequenzgeräten, optischen Geräten oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden.
Als piezoelektrische Elemente erzeugen folgende Materialien nachweislich die gleichen Wirkungen: Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz). Diese piezoelektrischen Elemente können mit Halbleitern kombiniert werden, um in piezoelektrischen Oszillatoren, Oberflächenwellen-Umformern oder ähnlichen Geräten eingesetzt zu werden.

Ausführungsbeispiel 2

Anstelle des Halbleitersubstrats 2 wird ein Glassubstrat verwendet. Für das Ausführungsbeispiel 2 wird das gleiche Herstellungsverfahren wie im Ausführungsbeispiel 1 angewendet. Es werden ein AT-geschnittenes piezoelektrisches Quarzsubstrat von 40 mm · 40 mm mit einer Dicke von 100 um und ein Glassubstrat von 40 mm · 40 mm mit einer Dicke von 500 um verwendet. Das Glassubstrat hat eine Wärmedehnungsgeschwindigkeit von 3 · 10&supmin;&sup6;/ºC.
Das Herstellungsverfahren für dieses Ausführungsbeispiel läuft wie folgt ab:
(A) Die Oberfläche des AT-geschnittenen Quarzsubstrats 1 wird hochglanzpoliert und gewaschen. Die Oberflächenschicht wird mit einer Ätzlösung in einem Fluorwasserstoffsäure-System entfernt. Das AT-geschnittene Quarzsubstrat wird dann in eine dünne Platte mit einer vorgegebenen Dicke, z. B. 100 um, geschnitten. Das Glassubstrat wird ebenfalls hochglanzpoliert.
(B) Auf der hochglanzpolierten Oberfläche des Glassubstrats werden durch Ätzen Nuten ausgebildet. Bevorzugte Abmessungen der Nuten sind eine Breite von 100 um, eine Tiefe von 30 um und ein Abstand von 2 mm. Die Nuten können entweder auf dem AT- geschnittenen Quarzsubstrat 1, dem Glassubstrat 2 oder auf beiden Substraten ausgebildet werden.
Ein gebondetes Substrat in diesem Ausführungsbeispiel wird durch Zusammenfügen der hochglanzpolierten Oberflächen und anschließende Wärmebehandlung hergestellt. Die Wärmebehandlungstemperatur kann von Raumtemperatur bis maximal 573ºC reichen, wenn die zu behandelnden Materialien Quarz und Glas sind, und beträgt vorzugsweise 100 bis 500ºC. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Wärmebehandlungstemperatur 300 bzw. 180ºC. Die Wärmebehandlung dauert 5 Stunden.
(C) Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 und das Glassubstrat 2 werden in einem Lösungsgemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und vollentsalztem Wasser eingeweicht, um die Oberflächen hydrophil zu machen. Dann werden die beiden Substrate vollständig mit vollentsalztem Wasser gewaschen. Durch diesen Prozess wird jede Oberfläche hydrophil und Wassermoleküle und daran angelagerte Atome haften an den Oberflächen. Dann werden die hochglanzpolierten Oberflächen der beiden Substrate zusammengefügt, und durch die auf den Wassermolekülen und daran angelagerten Atomen beruhenden Van-der-Waalssche Kräfte haften sie aneinander. Wenn die beiden Substrate 1, 2 nach der Hydrophilierung getrocknet werden, kann der gleiche Effekt erzielt werden.
(D) Die beiden Substrate werden wärmebehandelt. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt im Allgemeinen zwischen Raumtemperatur und 573ºC, vorzugsweise zwischen 100 und 500ºC. In diesem Ausführungsbeispiel wird 5 Stunden eine Wärmebehandlungstemperatur von 260ºC verwendet.
(E) Das Glassubstrat wird bis auf das Quarzsubstrat 1 heruntergeätzt, sodass Öffnungen entstehen.
(F) Auf dem AT-geschnittenen Quarzsubstrat 1 werden Elektroden 4 ausgebildet. Bei einem Quarzoszillator können die Elektroden 4 auf beiden Flächen des Quarzsubstrats ausgebildet werden, um Zündelektroden zu erhalten.
(G) Das Verbundsubstrat wird entlang der Nuten in Plättchen zerlegt. Wenn die Größe und Form der Nuten entsprechend gewählt sind, kann das Substrat in kleine Stücke geteilt werden, ohne es in Plättchen zu zerlegen, wie bereits in Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel 1 erläutert.
Das vorstehende Herstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat folgende Wirkungen. Die Oberfläche des Glassubstrats neigt aufgrund des Herstellungsverfahrens normalerweise zur Schwellung, und wenn die Oberfläche geschliffen wird, um die Schwellung zu beseitigen, neigt die Oberfläche immer noch zur Bildung von 5 Hohlräumen, da Blasen im Substrat vorhanden sind. Dieses Problem wird jedoch durch die im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Vorteile behoben. Glas ist billig und es gibt viele Arten, sodass eine geeignete Glas-Art ausgewählt werden kann, um die Wärmedehnungsgeschwindigkeit an die eines anderen Substrats anzugleichen. Daher ist Glas ein geeignetes Material für gebondete Verbundsubstrate.
Mit der vorstehend erläuterten Struktur des Verbundsubstrats, das das Glassubstrat 2 und ein anderes Substrat mit einer anderen Wärmedehnungsgeschwindigkeit als der des Glassubstrats umfasst, kann die maximale Temperatur, bei der das Verbundsubstrat nicht beschädigt wird, erhöht werden. Außerdem lässt sich die Alterung besser kontrollieren, was eine verbesserte Zuverlässigkeit der Verbundsubstrate zur Folge hat.
Wenn andere Glassubstrate mit unterschiedlichen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten verwendet werden, kann die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen als denen für Verbundsubstrate ohne Nuten durchgeführt werden, indem ein geeigneter Nutabstand und eine geeignete Nuttiefe entsprechend der Wärmedehnungsgeschwindigkeit gewählt werden. So werden beispielsweise Glassubstrate, deren Wärmedehnungsgeschwindigkeit 3 · 10&supmin;&sup6;/ºC, 7 · 10&supmin;&sup6;/ºC, 14 · 10&supmin;&sup6;/ºC und 15 · 10&supmin;&sup6;/ºC betragen, zur Herstellung des gebondeten Verbundsubstrats gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet, um den vorstehend beschriebenen Effekt zu erzeugen.
Die Nuten auf dem Verbundsubstrat brauchen nicht immer gerade Linien zu sein, auch müssen sie weder rechtwinklig zum Substrat mit vertikalen und horizontalen Linien verlaufen noch gleiche Abstände haben. Die Nuten können schräg oder kreisförmig auf dem Substrat gezogen werden, was jeweils den gleichen Effekt hat.
Anstelle des Quarzsubstrats, das als piezoelektrisches Element verwendet wird, können folgende Materialien, die nachweislich die gleichen Wirkungen erzeugen, zum Einsatz kommen: Lithiumniobat, Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz). Auch kann anstelle des piezoelektrischen Elements ein Halbleitersubstrat aus Silicium, Galliumarsenid oder Indiumphosphat verwendet werden, die alle den gleichen Effekt erzeugen.
Wenn zuvor ein Schwingkreis beispielsweise mit einem Dünnschichttransistor in das Glassubstrat eingebaut wird, kann eine Außen-IC in die piezoelektrische Anordnung integriert werden und es kann ein Gerät mit einer geringeren Größe bei niedrigeren Kosten erhalten werden.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für piezoelektrische Anordnungen. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Substrat aus Lithiumniobat verwendet. In den Fig. 3A bis 3D ist jeweils Zeichnung (a) eine Draufsicht und Zeichnung (b) ein Querschnitt entlang der Linie b-b von Zeichnung (a). Ein piezoelektrisches Substrat 7 umfasst um 128º gedrehtes, y- geschnittenes Lithiumniobat beispielsweise mit einer Dicke von 100 um und einem Durchmesser von 51 mm. Ein piezoelektrisches Substrat 6 umfasst einen Wafer beispielsweise mit einem Durchmesser von 51 mm, der aus 500 um dickem, y-geschnittenen Lithiumniobat besteht. Nachstehend wird das Herstellungsverfahren erläutert.
(A) Die Oberfläche des Lithiumniobat-Substrats wird hochglanzpoliert und gewaschen. Die Oberflächenschicht wird mit einer Ätzlösung in einem Fluorwasserstoffsäure- System entfernt. Das y-geschnittene Lithiumniobat-Substrat wird dann in eine dünne Platte mit einer vorgegebenen Dicke, z. B. 50 um, geschnitten (siehe Fig. 3A).
(B) Auf der hochglanzpolierten Oberfläche des y-geschnittenen, 500 um dicken Lithiumniobat-Substrats werden durch Ätzen Nuten ausgebildet (siehe Fig. 3B). Bevorzugte Abmessungen der Nuten sind eine Breite von 500 um, eine Tiefe von 30 um und ein Abstand von 10 mm. Die Nuten können entweder nur auf dem 50 um dicken, y-geschnittenen Lithiumniobat-Substrat oder auf dem 500 um und dem 50 um dicken, y-geschnittenen Lithiumniobat-Substrat ausgebildet werden.
(C) Die y-geschnittenen Lithiumniobat-Substrate werden in einem Lösungsgemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und vollentsalztem Wasser eingeweicht, um die Oberflächen hydrophil zu machen. Dann werden die beiden Substrate vollständig mit vollentsalztem Wasser gewaschen. Durch diesen Prozess wird jede Oberfläche hydrophil und Wassermoleküle und daran angelagerte Atome haften an den Oberflächen. Dann werden die hochglanzpolierten Oberflächen der beiden Substrate zusammengefügt, und durch die auf den Wassermolekülen und daran angelagerten Atomen beruhenden Van-der-Waalssche Kräfte haften sie aneinander (siehe Fig. 3C). Wenn die beiden Substrate nach der Hydrophilierung getrocknet werden, kann der gleiche Effekt erzielt werden.
(D) Die beiden Substrate werden wärmebehandelt. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt im Allgemeinen zwischen Raumtemperatur und 1100ºC, vorzugsweise zwischen 100 und 1100ºC. In diesem Ausführungsbeispiel wird 5 Stunden eine Wärmebehandlungstemperatur von 800ºC verwendet.
(E) Das Lithiumniobat-Substrat 6 wird bis auf das piezoelektrische Substrat 7 heruntergeätzt, sodass Öffnungen entstehen (siehe Fig. 3E, in der (a) eine Ansicht vom Substrat 6 her und (b) eine Ansicht vom Substrat 7 her ist).
(F) Auf dem piezoelektrischen Substrat 1 werden Elektroden 4 ausgebildet. Bei einem Quarzoszillator können die Elektroden 4 auf beiden Flächen des Quarzsubstrats ausgebildet werden, um Zündelektroden zu erhalten. In Fig. 3F sind die Zeichnungen (a) und (b) die gleichen Ansichten wie die Zeichnungen (a) und (b) in Fig. 3E.
(G) Das Verbundsubstrat wird entlang der Nuten in Plättchen zerlegt (siehe Fig. 3G(a) bis 3G(c), die ein einzelnes zerlegtes Stück von unten, von der Seite und in perspektivischer Darstellung zeigen). Wenn die Größe und Form der Nuten entsprechend gewählt sind, kann das Substrat in kleine Stücke geteilt werden, ohne es in Plättchen zu zerlegen, wie bereits in Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die Anordnung in Fig. 3G' ähnelt hinsichtlich der Nuten zwischen den Substraten 6 und 7 der Anordnung von Fig. 1G'.
Die nach dem vorstehenden Verfahren hergestellte piezoelektrische Anordnung wird zum Schluss durch Drahtbonden mit einer äußeren Treiber-IC, z. B. einer Schwing-IC, verbunden und in ein elektrisches Gerät eingebaut.
Das Herstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat die gleichen Wirkungen wie die bei Ausführungsbeispiel 1 genannten, und zwar:
(1) Bei der Wärmebehandlung verringern die Nuten die Konzentration von örtlich begrenzten Wärmespannungen,
(2) die Anzahl von Hohlräumen, die bei der Wärmebehandlung entstehen, wird verringert, und
(3) die Delamination der Substrate während oder nach dem Bonden wird verringert.
Die Wirkungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel erzielt werden, sind die Gleichen wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen. Da ein isoliertes Substrat leicht aufgeladen wird, ist Wirkung (3) recht bemerkenswert. Außerdem wird auch bei gebondeten Verbundsubstraten mit anisotropen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten Wirkung (1) beobachtet, selbst wenn sich die Orientierungen der Substrate beim Bonden ändern.
Mit dem vorstehend erläuterten Herstellungsverfahren können die Produktivität und das Ausbeuteverhältnis von Verbundsubstraten aus isolierten Substraten, die die gleiche Wärmedehnungsgeschwindigkeit haben, verbessert werden.
Anstelle von Lithiumniobat können als piezoelektrisches Element auch andere Materialien, wie etwa Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz), verwendet werden.
Solange die Materialien hochglanzpoliert werden können, können auch andere Materialien mit anderen Schnittwinkeln als piezoelektrisches Substrat verwendet werden, um einen bestimmten Verwendungszweck zu erfüllen.
Da beim Stand der Technik Hohlräume in hochglanzpolierten piezoelektrischen Elementen oftmals bei der Herstellung auftreten, stellen die vorgenannten Wirkungen deutliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik dar.
Mit der vorstehend erläuterten Struktur des Verbundsubstrats, das ein piezoelektrisches Substrat und ein anderes piezoelektrisches Substrat mit einer anderen Wärmedehnungsgeschwindigkeit umfasst, kann die maximale Temperatur, bei der das Verbundsubstrat nicht beschädigt wird, erhöht werden. Außerdem lässt sich dadurch die Alterung besser unter Kontrolle bringen, was eine verbesserte Zuverlässigkeit der Verbundsubstrate zur Folge hat.
Die Nuten auf dem Verbundsubstrat in diesem Ausführungsbeispiel brauchen nicht immer gerade Linien zu sein, auch müssen sie weder vertikale und horizontale Linien sein noch gleiche Abstände haben, wie bereits in Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen dargelegt.
Schließlich hat ein Verbundsubstrat, das unterschiedliche Arten von miteinander verbundenen Substraten aufweist, andere Eigenschaften als die ursprünglichen Substrate selbst.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 3 zeigt auch ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Anordnung.
In diesem Ausführungsbeispiel werden Substrate mit der gleichen Kristallorientierung verwendet. Dieses Ausführungsbeispiel weicht vom Ausführungsbeispiel 3 ab.
Ein piezoelektrisches Substrat 7 ist beispielsweise ein Wafer mit einem Durchmesser von 51 mm, der aus 50 um dickem, y-geschnittenen Lithiumniobat besteht. Ein piezoelektrisches Substrat 6 ist beispielsweise ein Wafer mit einem Durchmesser von 51 mm, der aus 500 um dickem, y-geschnittenen Lithiumniobat besteht. Die Bond-Grenzfläche zwischen diesen beiden gebondeten Substraten hat Nuten 3. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Nuten 3 auf dem piezoelektrischen Substrat 6 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung vorgesehen. Die Nuten 3 haben eine Breite von 500 um, eine Tiefe von 30 um und einen Abstand von 5 mm (Abstand zwischen benachbarten Nutmitten). Unter Berücksichtigung der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Materialien kann die Breite der Nuten im Allgemeinen kleiner als ihr Abstand sein. Um jedoch die gewünschte Bondfestigkeit zu erhalten, sollte die Breite vorzugsweise weniger als 95% des Nutabstands betragen. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Nutbreite 10% des Nutabstands. Die Nuttiefe sollte nicht so groß sein, dass die Festigkeit des Substrats herabgesetzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Nuttiefe 30 um, sodass eine Substratdicke von 470 um von der Gesamtdicke von 500 um verbleibt.
Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen gebondeten Verbundsubstrate können durch Zusammenfügen der hochglanzpolierten Substrate und Wärmebehandlung hergestellt werden. Wenn beispielsweise für beide Substrate Lithiumniobat verwendet wird, kann die Wärmebehandlungstemperatur zwischen Raumtemperatur und 1100ºC, vorzugsweise zwischen 100 und 1000ºC, liegen. In diesem Ausführungsbeispiel wird 5 Stunden eine Wärmebehandlungstemperatur von 300 bis 500ºC verwendet.
Das Herstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat die gleichen Wirkungen wie die bereits genannten, und zwar:
(1) Bei der Wärmebehandlung verringern die Nuten die Konzentration von örtlich begrenzten Wärmespannungen,
(2) die Anzahl von Hohlräumen, die bei der Wärmebehandlung entstehen, wird verringert, und
(3) die Delamination der Substrate während oder nach dem Bonden wird verringert.
Die Wirkungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel erzielt werden, sind die Gleichen wie die im Ausführungsbeispiel 1. Da eine isoliertes Substrat leicht aufgeladen wird, scheint Wirkung (3) am bemerkenswertesten zu sein.
Außerdem kann bei gebondeten Verbundsubstraten mit anisotropen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten Wirkung (1) erreicht werden.
Mit dem vorstehend erläuterten Herstellungsverfahren für gebondete Verbundsubstrate mit den gleichen Wärmedehnungsgeschwindigkeiten kann die maximale Temperatur, bei der das Verbundsubstrat nicht beschädigt wird, erhöht werden. Außerdem lässt sich die Alterung besser unter Kontrolle bringen, was eine verbesserte Zuverlässigkeit der Substrate zur Folge hat.
Anstelle von Lithiumniobat können als piezoelektrisches Element auch andere Materialien, wie etwa Quarz, Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz), verwendet werden. Diese Materialien erzeugen die gleichen Wirkungen wie vorstehend dargelegt. Bei Verwendung anisotroper Materialien kann der Schnittwinkel entsprechend dem vorgegebenen Verwendungsweck gewählt werden.
Wie vorstehend in Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen dargelegt, brauchen die Nuten auf den Verbundsubstraten in keiner bestimmten geometrischen Form angeordnet zu sein.
Schließlich ist dieses Ausführungsbeispiel nicht auf piezoelektrische Substratmaterialien beschränkt. Das heißt, die gleichen Wirkungen können auch mit Glassubstraten erzielt werden. Auch andere Materialien können diese Wirkungen erzeugen, solange es sich um isolierte Substrate handelt, die durch Wafer- oder anodisches Bonden gebondet werden können.

Ausführungsbeispiel 5

Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet das gleiche Herstellungsverfahren wie die vorangehenden Ausführungsbeispiele, weicht jedoch insofern von ihnen ab, als die Substrate vor der Wärmebehandlung in dünne Platten geschnitten werden (siehe Fig. 4A).
Nach den Schritten (A) bis (C) von Ausführungsbeispiel 1 werden die Substrate bei niedrigen Temperaturen provisorisch gebondet. Dann wird das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 poliert und zu einer dünnen Platte mit einer Dicke von 10 bis 20 um geätzt, wie in Fig. 4B gezeigt. Das Verfahren nach diesem Polieren und Ätzen ist das Gleiche wie in den Prozessschritten (D) bis (G) von Ausführungsbeispiel 1.
Dieses Ausführungsbeispiel hat folgende Wirkungen. Je dünner die Platte ist, umso höher kann die MWBT (maximale Wärmebehandlungstemperatur) sein, wodurch die Delamination der Substrate vermieden und die Produktivität weiter verbessert wird. Da die vorliegende Erfindung das Auftreten von Hohlräumen vermeidet, wird auch die Substratdicke nach dem Schleifen annährend konstant, das heißt, es wird eine völlig ebene Oberfläche erzielt. Schließlich wird die Streubreite der Leistungskennwerte der piezoelektrischen Anordnungen geringer und es sind bessere Ausbeuteverhältnisse zu erwarten.
Dieses Ausführungsbeispiel wurde anhand von Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die gleichen Wirkungen können aber auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, die dieses Verfahren verwenden.

Ausführungsbeispiel 6

Nachstehend wird ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Nach den Schritten (A) bis (C) von Ausführungsbeispiel 1 werden die Substrate provisorisch bei niedrigen Temperaturen gebondet. Dann wird das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 mit einer Trennsäge zerlegt, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Trennsäge folgt vorzugsweise den Nuten auf dem Halbleitersubstrat 2. Das Verfahren nach dem Sägeschritt ist das Gleiche wie in den Schritten (D) bis (G) von Ausführungsbeispiel 1.
Durch das Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsbeispiel 6 wird das AT- geschnittene Quarzsubstrat 1 in Stücke geteilt, sodass Fehler wie Delamination an einem Teil eines abgetrennten Substratsstücks nicht in einen angrenzenden Bereich vordringen. Dadurch wird das Ausbeuteverhältnis der piezoelektrischen Anordnungen weiter verbessert.
Anstelle der Trennsäge kann auch ein Diamantschneider, Sandstrahlen, bei dem ein Gegenstand durch Aufblasen von feinen Strahlkieskörnern geschliffen wird, oder Ätzen verwendet werden, um das Quarzsubstrat 1 zu trennen.
Dieses Ausführungsbeispiel wurde anhand von Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die gleichen Wirkungen können aber auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, die dieses Verfahren verwenden.

Ausführungsbeispiel 7

Nachstehend wird ein siebentes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Nach den Schritten (A) bis (C) von Ausführungsbeispiel 1 werden die Substrate provisorisch bei niedrigen Temperaturen gebondet. Daran schließen sich die folgenden Schritte an, die in den Fig. 6A und B gezeigt sind.
(a) Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 wird mit der Trennsäge getrennt. Die Trennsäge folgt vorzugsweise den Nuten auf dem Halbleitersubstrat 2 (siehe Fig. 6A).
(b) Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 wird auf eine Dicke von 20 um geschliffen und geätzt (siehe Fig. 6B).
Dann werden die Schritte (D) bis (G) von Ausführungsbeispiel 1 zur Herstellung der piezoelektrischen Anordnung angewendet.
Durch dieses Herstellungsverfahren werden die im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Wirkungen erzielt und außerdem werden die Wirkungen der Ausführungsbeispiele 5 und 6 realisiert. Beim Schleifen des AT-geschnittenen Quarzsubstrats 1 kommen die Strahlkieskörner vollständig und gleichmäßig mit dem Substrat in Kontakt, sodass die Schwankungen in der Substratdicke geringer und das Ausbeuteverhältnis und die Produktivität verbessert werden.
Dieses Ausführungsbeispiel wurde anhand von Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die gleichen Wirkungen können aber auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, die dieses Verfahren verwenden.

Ausführungsbeispiel 8

Nach den Schritten (A) bis (C) von Ausführungsbeispiel 1 werden die Substrate provisorisch bei niedrigen Temperaturen gebondet. Dann wird das gebondete Verbundsubstrat mit einer Trennsäge in kleine Stücke geschnitten, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Trennsäge folgt vorzugsweise den Nuten auf dem Halbleitersubstrat 2. Nach dem Sägen werden die Schritte (D) bis (G) von Ausführungsbeispiel 1 auf jedes kleine Stück angewendet, um die piezoelektrische Anordnung herzustellen.
Mit diesem Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsbeispiel 8 werden die im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Wirkungen erzielt, und die MWBT kann noch wesentlich erhöht werden, da aufgrund des Trennens der Substrate in kleine Stücke die Bondfläche kleiner ist.
Dieses Ausführungsbeispiel wurde anhand von Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die gleichen Wirkungen können aber auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, die dieses Verfahren verwenden.

Ausführungsbeispiel 9

In einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Nuten 8 mit einem Füllstoff wie etwa Elektronenwachs gefüllt. Nach den Schritten (A) bis (C) von Ausführungsbeispiel 1 werden die Substrate provisorisch bei niedrigen Temperaturen gebondet, wie in Fig. 8A gezeigt. Dann werden folgende Schritte ausgeführt:
(a) Die gebondeten Verbundsubstrate werden bei einer Temperatur von 70ºC wärmebehandelt, und in die Nuten wird Elektronenwachs gespritzt. Aufgrund der Kapillarwirkung dringt das Elektronenwachs in die Nuten ein.
(b) Das AT-geschnittene Quarzsubstrat 1 wird auf 20 um geschliffen und geätzt (siehe Fig. 8B).
An den Prozessschritt (b) schließen sich die Schritte (D) bis (G) von Ausführungsbeispiel 1 zur Herstellung der piezoelektrischen Anordnung an.
Das vorstehend erläuterte Herstellungsverfahren festigt die Verbindung und verbessert das Ausbeuteverhältnis in den letztgenannten Prozessen, obwohl die Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen die Bondfestigkeit mindert. Mit anderen Worten, das in die Nuten gespritzte Elektronenwachs vermeidet das Eindringen von Fremdstoffen in die Nuten von Seiten der Substrate insbesondere beim Schleifen und Ätzen.
Anstelle von Elektronenwachs können auch andere Materialien verwendet werden, solange sie in die Nuten eindringen und bei Raumtemperatur hart werden. Diese Materialien haben den gleichen Effekt. Anstelle der verwendeten Temperatur von 70ºC ist jede Temperatur geeignet, bei der das Elektronenwachs schmilzt.
Dieses Ausführungsbeispiel wurde anhand von. Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Die gleichen Wirkungen können aber auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, die dieses Verfahren verwenden.

Ausführungsbeispiel 10

Die Fig. 9A bis D zeigen eine erfindungsgemäße piezoelektrische Anordnung. Fig. 9A ist eine perspektivische Darstellung, Fig. 9B eine Draufsicht, Fig. 9C eine Schnittansicht und Fig. 9D eine Rückansicht. Es werden ein Quarzsubstrat 1 und ein Halbleitersubstrat 2 verwendet. Elektroden 4 umfassen bei einem Oszillator Zündelektroden. Um die untere Elektrode zur Herstellung der Verbindung zwischen der unteren Elektrode und der Außenseite durch Drahtbonden hochzuziehen, ist eine Durchgangsbohrung 11 ausgebildet. Diese piezoelektrische Anordnung kann zum Verbinden mit einer äußeren Treiberschaltung durch Drahtbonden verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist durch Nuten 3 gekennzeichnet, die auf dem Halbleitersubstrat 2 zur Reduzierung lokal begrenzter Spannungen ausgebildet sind, die in die Bond-Grenzfläche zwischen den Substraten eingetragen werden. In den Fig. 9A bis D ist die Bondfläche 5 mm · 5 mm, die Nutbreite 50 um, die Nuttiefe 10 um und der Nutabstand 1 mm.
Die Nuten verhindern die Delamination der Substrate bei der nachfolgenden Wärmebehandlung, wie etwa Lötmetallrückfluss, bei der Wärmespannungen in die Substrate eingetragen werden. Beim Ansteuern der Anordnungen können die Nuten die Spannungen in den Substraten verringern, sodass hochzuverlässige piezoelektrische Anordnungen hergestellt werden können.
Beim Ausbilden einer IC für eine Treiberschaltung auf dem Halbleitersubstrat 2 kann die Größe eines Geräts, das die piezoelektrische Anordnung enthält, reduziert werden und sein Preis kann gesenkt werden.
Geht man davon aus, dass die Reduzierung von Spannungen ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist, so können die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Nuten einfach Vertiefungen sein. Mit anderen Worten, streifenförmige Nuten erzielen zwar den gewünschten Effekt, aber gestreute Vertiefungen in den Substraten haben die gleiche Wirkung. Das Substrat und die piezoelektrische Anordnung können in den entstehenden Insel- Abschnitten gebondet werden. Kurz gesagt, solange der kontaktfreie Teil, der die Spannungen mindert, auf dem Substrat ausgebildet wird, können die Wirkungen der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel stellt ein Siliciumsubstrat das Halbleitersubstrat dar. Es können aber auch Galliumarsenid- oder Indiumphosphat-Substrate verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Diese Verbindungshalbleiter-Substrate können in Hochfrequenzgeräten, optischen Geräten oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden.
Als piezoelektrische Elemente kommen auch andere Materialien, die nachweislich die gleichen Wirkungen haben, wie z. B. Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz), in Frage. Diese piezoelektrischen Elemente können mit Halbleitern kombiniert werden, um in piezoelektrischen Oszillatoren, Oberflächenwellen-Umformern oder ähnlichen Geräten eingesetzt zu werden.

Ausführungsbeispiel 11

Die Fig. 10A bis D zeigen eine erfindungsgemäße piezoelektrische Anordnung. Fig. 10A ist eine perspektivische Darstellung, Fig. 10B eine Draufsicht, Fig. 10C eine Schnittansicht und Fig. 10D eine Rückansicht. Es werden ein Quarzsubstrat 1 und ein Halbleitersubstrat 2 verwendet. Elektroden 4 umfassen bei einem Oszillator Zündelektroden. Um die untere Elektrode zur Herstellung der Verbindung zwischen der unteren Elektrode und der Außenseite durch Drahtbonden hochzuziehen, ist eine Durchgangsbohrung 11 ausgebildet. Diese piezoelektrische Anordnung kann zum Verbinden mit einer äußeren Treiberschaltung durch Drahtbonden verwendet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird auf dem Halbleitersubstrat 2 eine IC 12 für eine Treiberschaltung ausgebildet, sodass die Größe eines Geräts, das die piezoelektrischen Anordnungen enthält, reduziert und sein Preis gesenkt werden kann. Die IC 12 ist durch den einen Metalldraht 13 mit der auf dem Quarzsubstrat 1 ausgebildeten Elektrode 4 elektrisch verbunden.
Das Herstellungsverfahren für diese piezoelektrische Anordnung ähnelt den vorgenannten Ausführungsbeispielen mit Ausnahme des Prozesses, mit dem die IC 12 auf dem Substrat 2 ausgebildet wird und Durchgangsbohrungen 11 im Substrat 1 zum Drahtbonden für den Anschluss an die IC 12 ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung ist durch Nuten 3 gekennzeichnet, die auf dem Halbleitersubstrat 2 zur Reduzierung lokal begrenzter Spannungen ausgebildet sind, die in die Bond-Grenzfläche zwischen den Substraten 1, 2 eingetragen werden. In den Fig. 10A bis D ist die Bondfläche 5 mm · 5 mm, die Nutbreite 50 um, die Nuttiefe 10 um und der Nutabstand 1 mm.
Die Nuten 3 verhindern die Delamination der Substrate bei der Wärmebehandlung, wie etwa Lötmetallrückfluss, bei der Wärmespannungen in das Verbundsubstrat eingetragen werden. Beim Ansteuern der Anordnungen können die Nuten auch die Spannungen in den Substraten selbst verringern. Außerdem können wie in den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen hochzuverlässige piezoelektrische Anordnungen hergestellt werden, in denen gestreute Vertiefungen die streifenförmigen Nuten ersetzen.
In diesem Ausführungsbeispiel stellt ein Siliciumsubstrat das Halbleitersubstrat dar. Es können aber auch Galliumarsenid- oder Indiumphosphat-Substrate verwendet werden.
um die gleiche Wirkung zu erzielen. Diese Verbindungshalbleiter-Substrate können in Hochfrequenzgeräten, optischen Geräten oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden.
Als piezoelektrische Elemente kommen auch andere Materialien, die nachweislich die gleichen Wirkungen haben, wie z. B. Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und PLZT (ein Metalloxid aus PbZcO&sub3; und PbTiO&sub3; mit einem La-Zusatz), in Frage. Diese piezoelektrischen Elemente können mit Halbleitern kombiniert werden, um in piezoelektrischen Oszillatoren, Oberflächenwellen-Umformern oder ähnlichen Geräten eingesetzt zu werden.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden mit den Schritten

(1) Hochglanzpolieren der Hauptflächen eines ersten Substrats (2) und eines zweiten Substrats (1),

(2) Ausbilden mehrerer Nuten (3) auf mindestens einer der Hauptflächen des ersten und des zweiten Substrats (1, 2),

(3) Zusammenfügen der Hauptflächen des ersten und des zweiten Substrats und

(4) Wärmebehandeln und Bonden der zusammengefügten Substrate.

2. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird und das Verfahren außerdem nach dem Schritt (4) die Schritte

(5) Ausbilden einer Öffnung (20) im ersten Substrat (2), sodass eine Fläche des zweiten Substrats (1) durch die Öffnung freigelegt wird,

(6) Ausbilden mehrerer piezoelektrischer Anordnungen durch Ausbilden von Elektroden (4) auf der freigelegten Fläche des zweiten Substrats (1) durch die Öffnung (20) und auf der Rückseite des zweiten Substrats (1) auf einer der freigelegten Fläche entsprechenden Fläche und

(7) Teilen der gebondeten Substrate (1, 2, 3, 4) in Abschnitte, die jeweils eine der piezoelektrischen Anordnungen haben,

aufweist.

3. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem zwischen den Schritten (3) und (4) einen Schritt der Verringerung der Dicke des zweiten Substrats (1) aufweist.

4. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem zwischen den Schritten (3) und (4) einen Schritt des Teilens des zweiten Substrats in mehrere Abschnitte aufweist.

5. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem zwischen den Schritten (3) und (4) die Schritte Verringern der Dicke des zweiten Substrats (1) und Teilen des zweiten Substrats (1) in mehrere Bereiche aufweist.

6. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (3) im

(3i) Waschen des ersten und des zweiten Substrats,

(3ii) Zusammenfügen der Hauptflächen des ersten und des zweiten Substrats und

3iii) Füllen der Nuten über die Kanten des zusammengefügten Substrats mit einem Füllstoff besteht

und dass Schritt (7) im Teilen der gebondeten Substrate entlang mindestens eines Teils der Nuten besteht.

7. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden mit den Schritten

(3) Zusammenfügen der Hauptflächen des ersten und des zweiten Substrats,

(4) Teilen der zusammengefügten Substrate (1, 2) in mehrere Bereiche und

(5) Wärmebehandeln und Bonden der zusammengefügten Substrate.

8. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird und das Verfahren außerdem nach dem Schritt (5) die Schritte

(6) Ausbilden einer Öffnung (20) in jedem der geteilten Substrate, sodass ein Teil des zweiten Substrats durch die Öffnung freigelegt wird, und

(7) Ausbilden einer Elektrode auf mindestens einem der freigelegten Teile des zweiten Substrats durch die Öffnung und auf der Rückseite des zweiten Substrats auf einer der freigelegten Fläche entsprechenden Fläche aufweist.

9. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) einen Halbleiter, Glas oder ein piezoelektrisches Material umfasst.

10. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) Silicium, Galliumarsenid oder Indiumphosphat umfasst.

11. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) ein Siliciumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten integrierten Schaltung umfasst.

12. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) außerdem ein Glassubstrat mit einer darauf ausgebildeten integrierten Schaltung umfasst.

13. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (1) Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder PLZT umfasst.

14. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Nuten (3) so bemessen ist, das das Teilen durch Zerlegen der gebondeten Substrate in Abschnitte entlang der Nuten erfolgt.

15. Verfahren zur Ausbildung eines Verbundsubstrats durch Waferbonden nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Nuten (3) so bemessen ist, dass die Abschnitte oder Bereiche der geteilten gebondeten Substrate jeweils eine oder mehrere Nuten enthalten.

16. Piezoelektrische Anordnung mit einem ersten Substrat (2) und einem zweiten Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material, wobei das erste Substrat (2) auf einen Teil des zweiten Substrats gebondet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vertiefung (3, 8) an der Bondfläche zwischen den Substraten ausgebildet wird.

17. Piezoelektrische Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung eine erste Nut (3, 8) aufweist.

18. Piezoelektrische Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nut von einer zweiten Nut geschnitten wird.

19. Piezoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat einen Halbleiter, Glas oder ein piezoelektrisches Material umfasst.

20. Piezoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat Silicium, Galliumarsenid oder Indiumphosphat umfasst.

21. Piezoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat ein Siliciumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten integrierten Schaltung umfasst.

22. Piezoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat ein Glassubstrat mit einer darauf ausgebildeten integrierten Schaltung ist, wobei die integrierte Schaltung einen Dünnschichttransistor aufweist.

23. Piezoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (1) Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder PLZT umfasst.