JP2005104810A - 異種材料複合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一方が多結晶体で他方が単結晶体から成る２種の材料が互いの面を接して接合されて成る異種複合体を提供する
【解決手段】 多結晶体の接合面には金属膜が形成され、単結晶の接触面には予めイオン照射を行うことにより清浄な表面を形成してのち、真空中で常温または３００℃以下の加熱雰囲気中で２種の材料を５ＭＰａ未満の圧力を印加させることで加圧しながら接触させることで、２種の基板を接合し、単結晶体との界面には厚みが１５ｎｍ以下の非晶質層が形成されている異種材料複合体とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電材料や磁性材料など電気的または磁気的機能を有する多結晶体セラミックスを、導電性配線パターンなど形成が容易である薄型ウェハ形状の単結晶基板に接合することにより、異種材料複合体を作製し、これらセラッミクスの機能を活用した新規なデバイスや、デバイス作製のための複合基板を提供する。

近年、IC、トランジスタなどの半導体素子、積層チップコンデンサ、積層チップインダクタ、チップ抵抗などの受動部品の小型化に伴い、これらを表面実装した電子部品の小型化・薄型化が急速に進行している。半導体素子はＳｉウェハなどを基板として形成されるが、当該Ｓｉ基板上に前記受動部品を形成する試みも進んでいる。これら受動部品はセラミックスを構成部材とするが、Ｓｉ基板上に直接形成する手段としては薄膜化することが有効と考えられ、スパッタデポジションなどの気相法や、ゾル−ゲル法などの液相法、その他各種成膜法が成膜手段として提案されている。

しかしながら、これら成膜手段では、成膜速度が遅いため厚い膜を形成することが困難であり、また成膜されたままでは非結晶質形態のために本来期待できる特性を発現することができない。このため、高温の熱処理が不可避的に必要となるが、結晶化などに伴いセラミックス膜中に応力が発生し、基板から剥離するなどの問題がある。このため、多結晶体と同等の特性を有する機能性セラミックス膜をＳｉウェハなどの基板上に形成することは極めて困難となっている。

これに対し、予め熱処理し特性を発現したセラミックス多結晶体をＳｉウェハなどの基板と接合できれば、多結晶体と同等の特性を有する異種材料複合体が期待できる。そのための接合法としては、接着剤を使用する方法、ロウ付け、拡散接合法などが存在する。接着剤を使用する方法では接合される材料を加熱する必要はないが、２つの部材の間に接着剤の層が存在するため、機械的インピーダンスの整合や耐久性の面で問題がある。

一方、ロウ付けや拡散接合法では、２つの部材は直接または金属のロウ材を介して接合され、高い信頼性を有する。しかし、接合時に高温の加熱を必要とするため、機能性セラミックスの特性劣化やデバイスへのダメージ、セラミックスと接合相手の材料の熱膨張の違いに起因する熱応力の発生などによる変形や剥離の問題がある。

ところで、前記の問題を解決する可能性をもつ方法の一つに、加熱を必要としない直接接合法として、真空中でのイオンビームスパッタリングなどの表面処理を利用した表面活性化常温接合法が知られている。この方法により、Ｓｉ単結晶ウェハ同士の接合（特許文献１）や、Ｓｉ単結晶とニオブ酸リチウム（LiNbO₃）単結晶ウェハの接合（非特許文献１）が行われ、常温で且つ非常に小さな荷重により強固な接合が実現されている。

しかしながら、この方法では２つの部材の接合部での密着を常温で達成する必要があり、接合部材は非常に平滑な研磨面（中心線平均粗さＲａで１ｎｍ以下）が得られる単結晶材料に限られる。焼結セラミックスなどの多結晶体は、異なる結晶面方位を有する多数の結晶粒から構成され、研磨加工ではその面方位によって加工速度が異なる。このため多結晶体では目的とする平滑な表面粗さの実現は困難である。

また、同じく真空中での表面処理を用いた、金属と焼結セラミックスの常温での接合（非特許文献２）も報告されているが，金属材料を大きな荷重により塑性変形させて接合部を密着させるため、接合される部材の一方はＡｌやＣｕなどの軟質の金属に限定されるとともに、荷重による部材へのダメージが懸念されるなどの問題がある。
特許第２７９１４２９号公報（第１頁） アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters），Ｖｏｌ．７４（１９９９）ｐｐ．２３８７−２３８９ 日本金属学会誌，第５４巻，（１９９１），７１３−７１９頁

本発明では、単結晶ウェハに比べて表面粗さの大きい機能性セラミックス多結晶体を、高温の熱処理や大きな荷重を負荷することなく、且つ常温で最小限の接触荷重により、Ｓｉなどの単結晶材料と接合する方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｐｔなどの金属とＳｉなどの半導体を汚れなどのない状態で接触させると、常温付近でも活発に反応することを利用する。接合される各々の接合面を、このような常温付近でも活性に反応する材料の組み合わせとし、さらにこれらの表面を活性化処理して接合することで、接合界面に非晶質層が形成され、接合界面での接合の形成を促進する。

（１） 本発明の異種材料複合体は、一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が互いの面を接して接合されて成る複合体であって、前記多結晶体の接合面には金属の薄膜層が形成されており、前記単結晶体との界面には単結晶体を構成する元素若しくは前記金属膜を構成する元素を含む非晶質層が形成されて成ることを特徴とする。前記多結晶体の接合面には金属の薄膜層が連続的に形成されていることがより好ましい。

具体的には、セラミックス多結晶体の研磨した表面に金属薄膜層を形成する。その金属薄膜層の表面や、接合相手であるＳｉなどの単結晶体の表面について、不活性ガスのイオンビーム照射などにより活性化する。それら表面を真空中または不活性ガス雰囲気中で接触させ、単結晶体との界面に単結晶体を構成する元素又は金属薄膜を構成する元素を含む非晶質層を形成することにより、接合が達成され、異種材料複合体を得ることを特徴とする。

このとき、前記多結晶体に形成した金属膜と、清浄で表面性状が平滑な単結晶材料はともに常温付近で活発に反応するために、原子拡散や原子間結合形成が促進され、接合が進行する。同時に、化学反応による化合物形成などの際に体積が変化することにより、表面粗さに起因する接合界面の隙間を埋ると共に歪みを緩和する。これらの効果により、大きな荷重を負荷したり高温での熱処理を行うことなく、接合を行うことが可能となる。

（２） 上記（１）の異種材料複合体において、単結晶材料は清浄な金属膜表面と活発に反応する、Ｓｉ，ＳｉＧｅ，ＧａＡｓのいずれかであることが望ましい。

（３） また、本発明の異種材料複合体のもう一つの形態としては、一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が互いの面を接して接合されて成る複合体であって、前記多結晶体又は単結晶体の一方の接合面には金属の薄膜層が形成されており、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層が形成されており、前記金属膜と前記Ｓｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層の界面に、前記金属膜を構成する元素又はＳｉ若しくはＧｅを含む非晶質層が形成されて成ることを特徴とする。前記多結晶体又は単結晶体の一方の接合面には金属の薄膜層が連続的に形成されており、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層が連続的に形成されていることがより好ましい。

（４） 上記（１）又は（２）又は（３）の異種材料複合体において、金属膜は貴金属であるＰｔ若しくはＡｕであり、また多結晶材料とＰｔ膜若しくはＡｕ膜の間に、Ｐｔ膜若しくはＡｕ膜の付着力を向上させるＴｉの膜を有することが望ましい。

（５） 上記（１）又は（２）又は（３）又は（４）の異種材料複合体において、前記多結晶体および前記単結晶体の接合界面は、前記の多結晶体の接合面の表面の平均面粗さが１ｎｍを越える場合でも、５ｎｍ以下であることが望ましい。また、前記単結晶体の接合面の表面の平均面粗さは小さい程良く、具体的には０．０１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが望ましい。すなわち、多結晶体および単結晶体の接合界面の表面の平均面粗さは、それぞれ１ｎｍ以上且つ５ｎｍ以下および０．０１ｎｍ以上且つ２ｎｍ以下であることが望ましい。

（６） 上記（１）又は（２）又は（３）又は（４）の異種材料複合体において、前記多結晶体と前記単結晶体との界面に形成された前記非晶質層は厚みが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが望ましい。

（７） 上記（４）の異種材料複合体において、前記多結晶体と前記単結晶体との界面あるいは多結晶体の接合面に形成されたＴｉの層は、厚みが１ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが望ましい。

（８） 上記（１）又は（２）又は（３）又は（４）又は（５）又は（６）の異種材料複合体において、前記多結晶体は主として酸化物から成ることが望ましい。

（９） 上記（１）又は（２）又は（３）又は（４）又は（５）又は（６）の異種材料複合体において、前記多結晶体は、電界が印加されることによって双極子の分極を誘発してそのために結晶の歪が発生する酸化物、磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する典型元素を構成元素の一つとする化合物のいずれかであることが望ましい。

（１０） 上記（１）又は（３）又は（４）又は（５）又は（６）の異種材料複合体において、前記単結晶体は、電界が印加されると結晶の歪が誘発される元素の酸化物、加熱によって電気的な分極が誘発される元素の酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物のいずれかであることが望ましい。

（１１） 上記（９）の異種材料複合体において、前記多結晶体の非接合面には電気的良導体の層または膜が形成されており、
前記電気的良導体の層または膜が接合面の層と幾何学的空間を有する配置を形成することにより、電気容量を保持する受動素子が構成されていることが望ましい。

（１２） 上記（１１）の異種材料複合体において、前記電気的良導体の層または膜は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ若しくはＰｔ以外の貴金属元素から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが望ましい。さらに望ましくは主成分として前記電気的良導体を構成するのがよい。

上記（１）から（１２）の異種材料複合体において、多結晶体の接合面には金属の薄膜層を形成し、常温または３００℃以下の加熱雰囲気の真空中で２種の材料に圧力を印加させることで加圧しながら接触させ、異種材料複合体を製造することが望ましい。

（１３） 本発明の異種材料複合体の製造方法は、一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が接合されて成る複合体の製造方法であって、
多結晶体の接合面に金属の薄膜層を形成し、
常温または３００℃以下の加熱雰囲気の真空中で２種の材料に圧力を印加させることで加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする。

（１４） 上記（１３）の異種材料複合体の製造方法において、前記単結晶又は金属膜の少なくともいずれか一方の接触面に、予めイオン照射を行うことにより活性化された清浄な表面を形成し、それらを大気にさらすことなく真空中で接合することが望ましい。すなわち、真空中で多結晶体と単結晶体を接触させる前に、イオン照射を行う。

（１５） 上記（１３）又は（１４）の異種材料複合体の製造方法において、前記多結晶体の接合面に真空中で金属の薄膜層を形成し、その後、大気にさらすことなく真空中で接合することが望ましい。真空中で成膜した金属膜の表面を大気にさらすことなく清浄な状態で接合することにより、表面へのイオン照射を行わなくても良好な接合が得られる。

（１６） また、本発明の異種材料接合体の製造方法は、一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が接合されて成る複合体の製造方法であって、
前記多結晶体又は単結晶体の一方の接合面には金属の薄膜層を形成し、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層を形成し、
常温または３００℃以下の加熱雰囲気の真空中で、２種の材料に圧力を印加させることで加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする。

（１７） 上記（１６）の異種材料複合体の製造方法において、金属膜又はＳｉ若しくはＧｅを主成分とする膜の少なくともいずれか一方の接触面に、真空中で予めイオン照射を行うことにより清浄な表面を形成し、
その後、大気にさらすことなく真空中で接合することが望ましい。すなわち、真空中で多結晶体と単結晶体を金属膜及びＳｉ若しくはＧｅを主成分とする膜を介して接合する前にイオン照射を行う。

（１８） 上記（１６）又は（１７）の異種材料複合体の製造方法において、前記多結晶体又は単結晶体のいずれか一方の接合面に真空中で金属の薄膜層を形成し、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層を形成し、
その後、大気に曝すことなく真空中で２種の材料を接合することが望ましい。真空中で成膜した膜の表面を大気にさらすことなく清浄な状態で接合することにより、表面へのイオン照射を行わなくとも良好な接合が可能となる。

（１９） 上記（１３）から（１８）の異種材料複合体の製造方法において、２つの材料を確実に接触させかつ材料のダメージを与えないため、前記の加圧力は１０ＭＰａ未満、より好ましくは前記の加圧力は０．１ＭＰａ以上５ＭＰａ未満であることが望ましい。

（２０） 上記（１３）又は（１４）又は（１５）または（１９）の異種材料複合体の製造方法において、前記単結晶体は、清浄な金属膜と活性に反応するＳｉ，ＳｉＧｅ，ＧａＡｓのいずれかであることが望ましい。

（２１） 上記（１３）から（２０）の異種材料複合体の製造方法において、金属膜は貴金属であるＰｔ若しくはＡｕであり、また多結晶材料とＰｔ膜若しくはＡｕ膜の間に、Ｐｔ膜若しくはＡｕ膜の付着力を向上させるＴｉの膜を有することが望ましい。

（２２） 上記（１３）から（２１）の異種材料複合体の製造方法において、前記多結晶体および前記単結晶体の接合界面は、前記の多結晶体の接合面の表面の平均面粗さが１ｎｍを越える場合でも、５ｎｍ以下であることが望ましい。また、前記単結晶体の接合面の表面の平均面粗さは小さい程良く、具体的には０．０１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが望ましい。すなわち、多結晶体および単結晶体の接合界面の表面の平均面粗さは、それぞれ１ｎｍ以上且つ５ｎｍ以下および０．０１ｎｍ以上且つ２ｎｍ以下であることが望ましい。

（２３） 上記（１３）から（２２）の異種材料複合体の製造方法において、前記多結晶体は、電界が印加されることによって双極子の分極を誘発してそのために結晶の歪が発生する酸化物、磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する典型元素を構成元素の一つとする化合物のいずれかであることが望ましい。

（２４） 上記（１３）から（１９）および（２１）、（２２）の異種材料複合体の製造方法において、前記単結晶体は、電界が印加されると結晶の歪が誘発される元素の酸化物、加熱によって電気的な分極が誘発される元素の酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物のいずれかであることが望ましい。

本発明の、一方が多結晶体で他方が単結晶体から成る２種の材料を接合するに際して、多結晶体の接合面には金属の薄膜層が形成されて成り、単結晶体との界面に非晶質層が形成されて成る接合方法を用いれば、電気的または磁気的特性を発現する機能性セラミックス多結晶体を、高温の熱処理や大きな荷重を負荷することなく、好ましくは常温で最小限の接触荷重により接合を提供することが可能となる。したがって、本発明によって、前記セラミック多結晶体を例えばＣＭＯＳと一体化させることで機能発現のための駆動回路を一体化した素子を実現することができ、従来個々にプリント基板などの電気的配線で接続することで素子機能を発現したものを革新的に小型薄型構造とすることもできる。

機能性セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体、酸化亜鉛やアルミナなど誘電体、フェライトやガーネットなど酸化物磁性体などのように半導体単結晶との接合により動作回路が一体化した機能素子が実現するセラミック材料が好適である。しかしながら、窒化珪素や窒化アルミなど高熱伝導率材料、ストロンチウム酸化ルテニウムなど放熱および電気伝導に優れた材料であっても機能素子を実現できる。接合に供する表面は平均面粗さＲａで５ｎｍ以下であることが望まれる。Ｒａが５ｎｍを超える場合には局部的な接合が得られることもあるが、全界面に渡って均一な強度を有する接合とはならない。ここに、表面粗さＲａは先端径が２．５μｍ径の触針式装置を用いて、５００μｍの距離に渡り針を走査させ測定して求めた値として定義される。一方、平均面粗さが１ｎｍ以下の良好な研磨面では、本手法を用いることなく直接接合も可能であるが、これらの多結晶材料は単結晶材料に比べ研磨加工が難しく、平均面粗さ１ｎｍ以下を実現することは極めて困難である。

セラミック多結晶体材料と単結晶材料との接合界面に供される金属薄膜はＰｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｕの金属およびこれらの元素を主成分として含む合金が有効であるが、特にＰｔやＡｕやＰｄ等の貴金属元素が好ましい。さらに、成膜後に大気に晒すことなく１０^−６Ｐａ以下の高真空下において接合が行われる場合には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉも効果を発現する。また、単結晶と多結晶体との双方に成膜することでも接合が可能となり，その場合には一方の表面に金属に代わりＳｉやＧｅなどの半導体膜を形成することも有効である。

金属膜はセラミック多結晶体への成膜に先立ち下地層を付与した構造とすることで前記金属膜の密着強度をさらに高めることができる。下地層としてはＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａおよびそれら金属の合金から成る金属が好適であり、好ましくは下地層と金属膜は順次連続して形成されることが望ましい。

単結晶材料とセラミック多結晶体との界面には前記金属薄膜が採用されるが、薄膜作製の方法としては、直流２極または高周波、さらにプラズマを閉じ込め成膜速度を向上したマグネトロン、およびスパッタ粒子のエネルギーを増長させる手段となる電子サイクロトロン共鳴を付加したＥＣＲ、またプラズマイオンをターゲットに照射し反跳粒子を成膜粒子とするイオンビーム、などのスパッタリング成膜手法が簡便に用いられる。加えて真空蒸着法、化学気相法（ＣＶＤ）、イオンプレーティング、レーザアブレーション成膜法（ＰＬＤ）、湿式メッキ法、などの成膜法も特性や効果を著しく阻害することなく実用に供される。

単結晶材料としては半導体基板として使用されるＳｉ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓの他にＧｅ、ＩｎＰが本発明に使用されるほかに、磁性酸化物単結晶材料であるＭｎ−ＺｎフェライトおよびＮｉ−Ｚｎフェライト、あるいはニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどが適する。これら単結晶は機械的または機械的化学的な研磨手段により表面が高度に平滑化処理されて成り、その表面性状は平均面粗さＲａで２ｎｍ以下であることが望まれる。２ｎｍを大きく超える面粗さでは十分な接合強度が得られない。

金属膜が設けられたセラミック多結晶体と単結晶材料との接合は、金属膜がもうけられたセラミックス多結晶体と単結晶材料の少なくとも一方にイオン照射を行うことで表面を活性化処理して接合する。セラミックス多結晶体表面への金属膜成膜と単結晶材料との接合が別々の真空装置で処理される場合には、接合処理の前には接合用の真空装置内で金属膜表面および接合相手の単結晶表面を活性化処理し、その後速やかに接合する。界面に供する金属薄膜の成膜を行った後に、同一装置内で大気に曝すことなく接合を行う場合には接合用真空装置中で形成した膜の表面はそのまま接合に用いても前記のような活性化処理を行って接合しても良い。

セラミック多結晶体の表面に金属膜を形成し、単結晶材料の表面には半導体薄膜を形成する場合、すなわち、接合する２種の基板に共に薄膜を形成する場合にも、両者の膜表面を活性化処理し、その後接合する。少なくとも一方を接合用真空装置内で形成した場合、その膜はそのまま接合に用いても、表面活性化処理を行って接合しても良い．

表面活性化処理の方法としては、イオン照射による方法を用いる。例えば、スパッタ法において逆スパッタと称されるプラズマ化したアルゴンガスなど不活性ガスの雰囲気中に基板を暴露する手法、プラズマ化した不活性ガスを高エネルギービームとして基板に照射するイオンビーム法、イオンを中性化した高速原子ビーム法、またはイオン化した粒子単体または数個の凝集体を生成させ照射する分子ビーム法、などを用いることができる。また、Ｋｒ−ＦやＹＡＧなどレーザを連続または断続的に発生させ照射するパルスレーザー法、などのエッチング法を用いることも可能である。

接合時には荷重を負荷するが、その大きさは、好ましくは接合の界面介在層として供する金属薄膜と同一構成体のバルク金属の降伏応力よりも小さな荷重とする。降伏応力より大きな力を印加した場合には接合後に塑性的な変形が発生し、電子材料部材など機能性材料として使用するにおいては特に好ましくない。

接合は２種の材料を特に加熱することなく温度は常温でも可能であるが、接合面での原子間反応より密着強度を確保する目的で加熱することは有効である。その上限は特に指定されるものではないが、異種材料とりわけセラミックと半導体単結晶材料など熱膨張に大きな相違を有する場合には塑性変形を誘発するため、好ましくは３００℃以下とする。

接合の雰囲気は真空が好適であり、真空度は１Ｐａ以下とする。当該真空を得る目的においては、大気から真空排気する過程において窒素などの嫌気性ガスまたは不活性ガスによってパージすることはその効果を高める。前記真空度においては、残留水分や酸素、および炭化水素や二酸化炭素ならびに一酸化炭素圧力はいずれも１×１０^−５Ｐａ以下に保持することが望ましい。

以下、具体例にしたがい本発明をさらに詳述する。ただし、これら実施例に本発明が必ずしも限定されるものではない。
（実施例１）
機能性セラミックスの多結晶体として、表面粗さＲａが５ｎｍ以下のＰＺＴ多結晶体の表面を研磨したものを用い、この表面に真空槽内で不活性ガスとしてＡｒガスを使用しマグネトロンスパッタリング法により、厚さ３０−８０ｎｍのＴｉ下地層膜、そして厚さ５０−１５０ｎｍのＰｔ膜を順次形成した。表面粗さは先端径が２．５μｍ径の触針式装置を用いて、５００μｍ針を走査させ測定した。真空槽は、残留気体圧力が１×１０^−６Ｐａ以下になるまで排気した。その後、半導体素子形成基板と同程度に表面が研磨されて成る市場で入手したＳｉ単結晶ウェハと共に当該ＰＺＴ多結晶体を真空装置に入れた。次にＰＺＴ多結晶体表面に形成されたＰｔ膜およびＳｉウェハの表面に、真空槽内に設置されたイオンビーム発生機を用いて、Ａｒをイオン励起しビームエネルギー１ｋｅＶとなるよう電界を印加し、イオンビームを照射し表面を処理した。その後、そのまま真空槽内で両者を重ね合せることにより常温で接合した。

接合時には、約３ＭＰａの荷重を負荷したが、これはＰｔの塑性変形に必要な降伏応力よりはるかに小さな荷重であった。当該表面処理および接合は０．２Ｐａの超高純度アルゴンガス雰囲気中で行った。イオンビーム照射の時間は３０秒から１２０秒まで変化させた。形成した接合体は、焦点型イオンビーム加工機（ＦＩＢ）で加工を行ったのちに透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって断面形態を観察し、実質的なＴｉ下地膜およびＰｔ膜さらにはＰｔ及びＳｉを含有する非晶質層のそれぞれの膜厚を測定した。一方、接合体の接合強度を引張試験により評価した。前記各膜厚とイオンビームの照射時間に対する接合強度の測定結果を表１に示す。ここに、接合強度は、それぞれの基板を接合面に対し垂直に力が印加されるよう引っ張り、破断が発生した力を意味する。１０ＭＰａを超える力では全ての基板で破断や破壊が発生しＰＺＴおよびＳｉの内部からの破壊が見られ、これら異種材料が目的とする接合強度を達成していると考えられるが、強度値としてそれ以上は測定不可能であった。図１は、実施例１に関連する異種材料複合体の１サンプルについて、断面を観察した透過電子顕微鏡写真である。図２は図１の断面の様子を説明する模式図（同じ縮尺の図）である。ＰＺＴ基板１にＴｉ層２およびＰｔ層３を積層したものをＳｉ基板に重ね合わせ、加圧しつつ接合させたものである。Ｐｔ層３とＳｉ基板５の間には非晶質層４が形成された。

（比較例１）
表面にＰｔ膜を形成していない研磨したＰＺＴ多結晶体を使用した以外は実施例１と同じ手段でＳｉ単結晶ウェハと接合を試みたが、両者はすぐに分離し接合できなかった。

（比較例２）
研磨後の表面粗さが７ｎｍ以上のＰＺＴ基板を使用した以外は、実施例１と同じ条件にて試料を作製し接合強度を測定した。結果を表１に示す。

（比較例３）
イオンビームによるＳｉウェハ、およびＴｉとＰｔ膜が形成されて成るＰＺＴ焼結基板へのイオンビームの照射時間を、１８０秒を超える時間とした以外は実施例１と全く同じ条件にて接合基板を作製し接合強度の測定を行った。結果を表１に示す。

本発明にしたがえば、従来接合が困難であった単結晶材料と多結晶体セラミック材料を低温で大きな加圧力を印加することなく強い接合強度で接合することが可能となる。これによって、デバイス構造を作製したＳｉなど単結晶基板に、当該セラミック基板を接合することで、新たな機能を持つデバイスを実現することが可能となる。また、これら２種の基板を接合した後にセラミック基板を研削や研磨することで、機能性複合基板を提供することもできる。

本発明の実施例に係る異種材料複合体を示す顕微鏡写真である。 図１の断面の様子を説明するための模式図である。

符号の説明

１ ＰＺＴ基板、 ２ Ｔｉ層、 ３ Ｐｔ層、 ４ 非晶質層、
５ Ｓｉ基板

Claims (19)

1. 一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が互いの面を接して接合されて成る複合体であって、前記多結晶体の接合面には金属の薄膜層が形成されており、前記単結晶体との界面に単結晶体を構成する元素又は前記金属膜を構成する元素を含む非晶質層が形成されて成ることを特徴とする異種材料複合体。
2. 前記単結晶体は、Ｓｉ，ＳｉＧｅ，ＧａＡｓのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の異種材料複合体。
3. 一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が互いの面を接して接合されて成る複合体であって、前記多結晶体又は単結晶体の一方の接合面には金属の薄膜層が形成されており、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層が形成されており、前記金属膜と前記Ｓｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層の界面に、前記金属膜を構成する元素又はＳｉ若しくはＧｅを含む非晶質層が形成されて成ることを特徴とする異種材料複合体。
4. 前記金属膜はＰｔ若しくはＡｕであり、前記多結晶体と前記金属膜の間にＴｉの膜を有することを特徴とする、請求項１又は２又は３に記載の異種材料複合体。
5. 前記多結晶体および前記単結晶体の接合界面は、前記の多結晶体の接合面の表面の平均面粗さが１ｎｍ以上且つ５ｎｍ以下であり、前記単結晶体の接合面の表面の平均面粗さが０．０１ｎｍ以上且つ２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４に記載の異種材料複合体。
6. 前記多結晶体と前記単結晶体との界面に形成された前記非晶質層は、厚みが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４に記載の異種材料複合体。
7. 前記多結晶体と前記単結晶体との界面に形成されたＴｉの層は、厚みが１ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の異種材料複合体。
8. 前記多結晶体は主として酸化物から成ることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４又は５又は６に記載の異種材料複合体。
9. 前記多結晶体は、電界が印加されることによって双極子の分極を誘発しそのために結晶の歪が発生する酸化物、磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する典型元素を構成元素の一つとする化合物のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４又は５又は６に記載の異種材料複合体。
10. 前記単結晶体は、電界が印加されると結晶の歪が誘発される酸化物、加熱によって電気的な分極が誘発される酸化物、あるいは磁界が印加された場合に磁化を発生する酸化物のいずれであることを特徴とする請求項１又は３又は４又は５又は６に記載の異種材料複合体。
11. 前記多結晶体の非接合面には電気的良導体の層または膜が形成されており、
    前記電気的良導体の層または膜が接合面の層と幾何学的空間を有する配置を形成することにより、電気容量を保持する受動素子が構成されていることを特徴とする請求項９に記載の異種材料複合体。
12. 前記電気良導体の層または膜は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ若しくはＰｔ以外の貴金属元素から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする請求項１１に記載の異種材料複合体。
13. 一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が接合されて成る複合体の製造方法であって、
    多結晶体の接合面に金属の薄膜層を形成し、
    常温または３００℃以下の加熱雰囲気の真空中で２種の材料に圧力を印加させることで加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする異種材料複合体の製造方法。
14. 前記単結晶又は金属膜の少なくともいずれか一方の接触面に、予めイオン照射を行うことにより清浄な表面を形成し、
    その後、大気にさらすことなく真空中で接合することを特徴とする請求項１３に記載の異種材料複合体の製造方法。
15. 前記多結晶体の接合面に真空中で金属の薄膜層を形成し、
    その後、大気に曝すことなく真空中で２種の材料を加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の異種材料複合体の製造方法。
16. 一方が多結晶体で他方が単結晶体である２種の材料が接合されて成る複合体の製造方法であって、
    前記多結晶体又は単結晶体の一方の接合面には金属の薄膜層を形成し、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層を形成し、
    常温または３００℃以下の加熱雰囲気の真空中で、２種の材料に圧力を印加させることで加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする異種材料複合体の製造方法。
17. 金属膜又はＳｉ若しくはＧｅを主成分とする膜の少なくともいずれか一方の接触面に、真空中で予めイオン照射を行うことにより清浄な表面を形成し、
    その後、大気にさらすことなく真空中で接合することを特徴とする請求項１６に記載の異種材料複合体の製造方法。
18. 前記多結晶体又は単結晶体のいずれか一方の接合面に真空中で金属の薄膜層を形成し、他方の表面にはＳｉ又はＧｅを主成分とする薄膜層を形成し、
    その後、大気に曝すことなく真空中で２種の材料を加圧しながら接触させ、異種材料複合体を生成することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の異種材料複合体の製造方法。
19. 前記の加圧力は、０．１ＭＰａ以上５ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１３又は１４又は１５又は１６又は１７又は１８に記載の異種材料複合体の製造方法。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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