JP6524369B1

JP6524369B1 - 圧電性材料基板と支持基板との接合体

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Publication number: JP6524369B1
Application number: JP2019509561A
Authority: JP
Inventors: 裕二堀; 喬紘山寺
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: JPWO2019181087A1

Abstract

【課題】タンタル酸リチウム等からなる圧電性材料基板と支持基板とを酸化珪素層を介して接合するのに際して、接合層を構成する酸化珪素と支持基板との界面における剥離を抑制する。【解決手段】接合体は、支持基板３、支持基板３の表面３ｂ上に設けられた接合層４であって、酸化珪素からなる接合層４、および、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板を備える。支持基板３の表面３ｂに凹部１２が設けられており、接合層４が、凹部１２上に延びる構造欠陥部１３を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電性材料基板と支持基板との接合体に関するものである。

高性能な半導体素子を実現する目的で、高抵抗Si/SiO₂薄膜/Si薄膜からなるＳＯＩ基板が広く用いられている。ＳＯＩ基板を実現するにあたりプラズマ活性化が用いられる。これは比較的低温(４００℃)で接合できるためである。圧電デバイスの特性向上を狙い、類似のSi/SiO₂薄膜/圧電薄膜からなる複合基板が提案されている(特許文献１)。特許文献１では、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムからなる圧電性材料基板と、酸化珪素層を設けたシリコン基板とをイオン注入法によって活性化した後に接合する。

しかし、タンタル酸リチウム／酸化珪素／珪素の構造を実現するための接合技術に関する公知情報はほとんどない。

特許文献２には、タンタル酸リチウムとサファイアやセラミックスとを、酸化珪素層を介してプラズマ活性化法により接合することが記載されている。

非特許文献１には、タンタル酸リチウム基板と、酸化珪素層を設けたシリコン基板とを、O₂のRIE(13.56MHz)プラズマとN₂のmicrowave(2.45GHz)プラズマを続けざまに照射することで接合することが記載されている。

SiとSiO₂/Siのプラズマ活性化接合においては、その接合界面でSi-O-Si結合が形成されることで十分な接合強度が得られる。また同時にSiがSiO₂に酸化されることで平滑度が向上し、最表面で上記接合が促進される(非特許文献２)。

ECS Transactions, 3 (6) 91-98頁 (2006) J. Applied Physics 113, 094905 (2013)

特開2016-225537 特許第3774782号

しかし、先行文献の通り、イオン注入により、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を薄くすることで圧電素子を作製した場合には、特性が低いという問題があった。これは、イオン注入時のダメージにより結晶性が劣化することに起因すると考えられる。

一方、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの圧電性材料基板をシリコン基板上の酸化珪素膜に接合した後に、圧電性材料基板を研磨することで薄くする場合には、加工変質層をＣＭＰにより取り除くことができるので、素子特性は劣化しない。しかし、研磨加工によって圧電性材料基板の厚さを小さくしていくと、接合層を構成する酸化珪素と支持基板との界面で剥離が生じ易いため、歩留り低下の原因となっていた。

本発明の課題は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板と支持基板とを、酸化珪素からなる接合層を介して接合するのに際して、接合層を構成する酸化珪素と支持基板との界面における剥離を抑制することである。

本発明は、
支持基板、
前記支持基板の表面上に設けられた接合層であって、酸化珪素からなる接合層、および、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板
を備えている接合体であって、
前記支持基板の前記表面に凹部が設けられており、前記接合層が、前記凹部上に延びる構造欠陥部を備えていることを特徴とする。

本発明者は、接合層を構成する酸化珪素と支持基板との界面に微細な剥離が生ずるのを抑制するために、支持基板と接合層との密着性を上げることを試みた。このため，支持基板の表面を粗面化加工してみたが、それだけでは接合体の界面における剥離を抑制できなかった。

このため、本発明者は、支持基板の表面の加工法を工夫し、表面に、平滑部分と、平滑部から凹んだ凹部とを設け、その上に酸化珪素からなる接合層を形成することを試みた。この結果、凹部上に、接合層の他の部分よりも密度の低い構造欠陥部が生ずることを確認した。この構造欠陥部の両側には、酸化珪素マトリックスが存在しており，構造欠陥部によって酸化珪素が分画されている。こうした構造欠陥部とその両側の酸化珪素マトリックスとは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって確認することができる。

こうした微構造を有する接合体によれば、圧電性材料基板に対して研磨等によって圧力を加えても、接合層と支持基板との界面に沿った剥離が生じにくいことを発見した。この理由は明確ではないが、凹部上の構造欠陥部は、その両側の酸化珪素マトリックスに比べて密度が若干低く、接合体を研磨加工する際に構造欠陥部が弾性変形し加工負荷を吸収することで、界面に沿った剥離が発生しにくくなるものと思われる。

（ａ）は、圧電性材料基板１を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板１の接合面にプラズマＡを照射して活性化面５を生成させた状態を示す。（ａ）は、支持基板３の表面に加工Ｂを行った状態を示し、（ｂ）は、支持基板３の加工された表面３ｂ上に接合層４を設けた状態を示し、（ｃ）は、接合層４の接合面に対してプラズマＣを照射して活性化面６を生じさせた状態を示す。（ａ）は、圧電性材料基板１と支持基板３との接合体８を示し、（ｂ）は、接合体８Ａの圧電性材料基板１を加工によって薄くした状態を示し、（ｃ）は弾性波素子１１を示す。（ａ）は、支持基板３の表面３ａを示す拡大図であり、（ｂ）は、表面加工後の支持基板３の表面３ｂを示す拡大図であり、（ｃ）は、凹部１２上に構造欠陥部１３が設けられた状態を示す。本発明の一実施形態の接合体において、支持基板の表面と接合層との界面付近を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図５の写真に対応する模式図である。図５の写真の部分拡大図である。図７の写真に対応する模式図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、一対の主面１ａ、１ｂを有する圧電性材料基板１を準備する。次いで、図１（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の接合面１ａに対して矢印Ａのようにプラズマを照射し、表面活性化された接合面５を得る。

一方、図２（ａ）に示すように、支持基板３の表面３ａに対して矢印Ｂのように表面加工を施し、図２（ｂ）に示すような加工された表面３ｂを形成する。次いで、支持基板３の表面３ｂ上に、酸化珪素からなる接合層４を形成する。次いで、図２（ｃ）に示すように、接合層４の表面４ａに対して矢印Ｃのようにプラズマを照射することによって表面活性化し、活性化された接合面６を形成する。

次いで、圧電性材料基板１上の活性化された接合面５と、支持基板３上の接合層４の活性化された接合面６とを接触させ、直接接合し、図３（ａ）に示す接合体８を得ることができる。

この状態で、圧電性材料基板１上に電極を設けても良い。しかし、好ましくは、図３（ｂ）に示すように、圧電性材料基板１の主面１ｂを加工して基板１を薄くし、薄板化された圧電性材料基板１Ａを備えた接合体８Ａを得る。９は加工面である。次いで、図３（ｃ）に示すように、接合体８Ａの圧電性材料基板１Ａの加工面９上に所定の電極１０を形成し、弾性波素子１１を得ることができる。

本発明においては、支持基板の表面に平滑面と凹部が設けられており、接合層が、凹部上に延びる構造欠陥部を備えている。例えば、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の例では、支持基板３の表面３ａを加工することによって、加工された表面３ｂを形成する。ここで、表面３ｂは、微視的に見ると、平滑面１４と、平滑面１４から支持基板３の内部へと向かって凹んだ凹部１２とを有する。ここで、凹部１２の深さを制御し、表面３ｂ上に酸化珪素を成膜することによって、図４（ｃ）に示すように、接合層４中に、構造欠陥部１３を設けることができる。各構造欠陥部１３は、それぞれ凹部１２上に形成される。

ここで、表面３ｂに存在する凹部１２は、表面の平滑面１４から支持基板３の内部へと向かって凹んだ部分のことを意味している。こうした凹部１２の平面的形状は限定されず、円形、楕円形、多角形や不定形であってもよい。

また、凹部１２の深さｄは、８０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下とすることが、酸化珪素４に構造欠陥部１３を生じさせるという観点から好ましい。この観点からは、凹部１２の深さｄを１００ｎｍ以上とすることが更に好ましく、また、２３０ｎｍ以下とすることが更に好ましい。

凹部１２の幅ｗは、酸化珪素４に構造欠陥部１３を生じさせるという観点からは、１４０ｎｍ以上が好ましく、また，５００ｎｍ以下が好ましい。

本発明の接合層４は酸化珪素からなる。ここで、構造欠陥部１３とは、酸化珪素からなり、かつ接合層４を構成する酸化珪素マトリックスよりも密度が低い部分のことを意味している。

構造欠陥部１３は以下のようにして同定する。すなわち、透過型電子顕微鏡を用い、加速電圧２００ｋV、倍率１０万倍、視野１．９×２．１umで観測する。そして、観察視野のコントラストを解析用ソフトウェア上で調整する。

構造欠陥部１３は、凹部１２上に設けられており、凹部１２と接合層４の活性化面６との間に伸びている。ただし、構造欠陥部１３の全体が凹部１２上に存在する必要はなく、構造欠陥部１３の一部が凹部１２上に存在すれば足りるものとする。

本発明においては、各凹部１２の深さや幅や形状が互いに一致している必要はなく、それぞれ異なっていても良い。また、すべての凹部１２上に構造欠陥部１３が存在する必要はなく、一部の凹部１２の上に構造欠陥部１３が存在すれば足りる。

例えば、図５、図６の例では、支持基板３の表面３ｂに凹部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが設けられており、各凹部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの寸法、特に深さｄが互いに異なっている。例えば、凹部１２Ａの深さｄは１１０ｎｍであり、凹部１２Ｂの深さｄは７０ｎｍであり、凹部１２Ｃの深さｄは１９０ｎｍである。そして、凹部１２Ａ、１２Ｃ上には構造欠陥部１３が生成しており、凹部１２Ｂ上には構造欠陥部１３が生成していなかった。

図７は、別の凹部１２とその上の構造欠陥部１３を拡大して示す写真であり、図８は、図７の模式図である。凹部１２の深さｄは本例では１２５ｎｍである。凹部１２上には構造欠陥部１３が設けられており、構造欠陥部１３によって酸化珪素マトリックス１５が分画されている。酸化珪素マトリックス１５の明度は相対的に低く、構造欠陥部１３は相対的に白っぽくなっている。

このように、凹部１２上に構造欠陥部１３を設けることで、接合体８を研磨加工する際に、構造欠陥部１３が弾性変形して、加工負荷を吸収することができ、その結果、圧電性材料基板１Ａの接合面５と接合層４の接合面６との界面に沿った剥離が発生しにくくなるものと思われる。

以下、本発明の各構成要素について順次述べる。
支持基板３の材質は特に限定されないが、好ましくは、シリコン、水晶、サイアロン、ムライト、サファイアおよび透光性アルミナからなる群より選ばれた材質からなる。これによって、弾性波素子１１の周波数の温度特性を一層改善することができる。

支持基板３上に酸化珪素からなる接合層４を形成する際には、接合層４の成膜方法は限定されないが、スパッタリング、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。

ここで、支持基板３の表面３ｂに凹部１２を設けることで、凹部１２上に構造欠陥部１３が生成され易いようにする。こうした凹部１２の形成法としては、以下が好ましい。

機械加工による表面の処理が凹部１２を最も簡単に実現できる。例えば、微小粒子を表面に高速で衝突させるブラスト加工法や、固定砥粒による研削加工が挙げられる。ブラスト加工は、加工に用いる粒子の種材質、粒径、加工時間等を選択することで、広範囲にわたる条件の中から適切な加工条件を選択することができ、本発明の実現法として最も好ましい。また、研削加工も、砥石の番手、スピンドル回転数、送り速度などの加工条件を選ぶことで、同様に条件調整が容易に実施できる。

酸化珪素からなる接合層４の厚さは、構造欠陥部１３の生成を促進するという観点からは、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることが更に好ましく、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。また、接合強度の観点からは、接合層４の厚さは、３μｍ以下であることが好ましく、２．５μｍ以下が好ましく、２．０μｍ以下が更に好ましい。

圧電性材料基板１は、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体とする。これらは弾性波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性表面波デバイスとして適している。

また、圧電性材料基板１の主面の法線方向は、特に限定されないが、例えば、圧電性材料基板１がＬＴからなるときには、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に３２〜５５°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５８〜３５°，１８０°）、を用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。圧電性材料基板１がＬＮからなるときには、（ア）弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Z軸から-Y軸に37.8°回転した方向のもの、オイラー角表示で(０°，３７．８°，０°)を用いるのが電気機械結合係数が大きいため好ましい、または、（イ）弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸に４０〜６５°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５０〜２５°，１８０°）を用いるのが高音速が得られるため好ましい。更に、圧電性材料基板１の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径１００〜２００ｍｍ，厚さが０．１５〜１μｍである。

次いで、圧電性材料基板１の接合面１ａ、支持基板３上の接合層４の接合面４ａに１５０℃以下でプラズマを照射し、接合面１ａ、４ａを活性化させる。本発明の観点からは、窒素プラズマを照射することが好ましいが、酸素プラズマを照射した場合にも、本発明の接合体８、８Ａを得ることが可能である。
表面活性化時の圧力は、１００Ｐａ以下が好ましく、８０Ｐａ以下が更に好ましい。また、雰囲気は窒素のみであって良く、酸素のみであってよいが、窒素、酸素の混合物であってもよい。

プラズマ照射時の温度は１５０℃以下とする。これによって、接合強度が高く、かつ結晶性の劣化のない接合体８、８Ａが得られる。この観点から、プラズマ照射時の温度を１５０℃以下とするが、１００℃以下とすることが更に好ましい。

また、プラズマ照射時のエネルギーは、３０〜１５０Wが好ましい。また、プラズマ照射時のエネルギーと照射時間との積は、０．１２〜１．０Whが好ましい。
プラズマ処理した基板の接合面５と接合面６同士を室温で互いに接触させる。このとき真空中で処理してもよいが、より好ましくは大気中で接触させる。

好適な実施形態においては、プラズマ処理前に、圧電性材料基板１の接合面１ａおよび接合層４の接合面４ａを平坦化加工する。各接合面１ａ、４ａを平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面は、Ra≦1nmが好ましく、0.3nm以下にすると更に好ましい。

次いで、圧電性材料基板１の接合面５と支持基板３上の接合層４の接合面６とを接触させ、接合する。この後、アニール処理を行うことによって、接合強度を向上させることが好ましい。アニール処理時の温度は、１００℃以上、３００℃以下が好ましい。

本発明の接合体８、８Ａは、弾性波素子１１に対して好適に利用できる。
弾性波素子１１としては、弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）などが知られている。例えば、弾性表面波デバイスは、圧電性材料基板の表面に、弾性表面波を励振する入力側のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極（櫛形電極、すだれ状電極ともいう）と弾性表面波を受信する出力側のＩＤＴ電極とを設けたものである。入力側のＩＤＴ電極に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電性材料基板上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。

圧電性材料基板１Ａ上の電極１０を構成する材質は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、金が好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金がさらに好ましい。アルミニウム合金は、Ａｌに0.3から5重量％のＣｕを混ぜたものを使用するのが好ましい。この場合、ＣｕのかわりにＴｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔａを使用しても良い。

（実施例１）
図１〜図４を参照しつつ説明したようにして、接合体８Ａを作製した。
具体的には、厚さが２００μｍで両面が鏡面に研磨されている42YカットＸ伝搬LiTaO₃基板（圧電性材料基板）１と、厚みが６７５μｍの高抵抗(>2kΩ・cm)Ｓｉ（１００）基板（支持基板）３を用意した。基板サイズはいずれも150ｍｍである。

次いで、支持基板３の表面３ａをサンドブラスト加工した。ブラスト加工剤は、＃６０００のアルミナ粒子を用いた。このアルミナ粒子の平均粒径は、２ｕｍであった。ウエハー全面が加工されるようブラストガンをウエハーに対して平行に移動させて自動機で加工した。加工後の支持基板３の表面のＲａは１．２ｎｍであった。
支持基板３の表面３ａを洗浄した後、スパッタ装置で酸化珪素からなる接合層４を成膜した。この時の接合層４の厚みは５４０ｎｍであった。成膜した酸化珪素の表面をＲａが０．３nmになるようＣＭＰ加工し接合面４ａとした。次いで、圧電性材料基板１の接合面１ａおよび支持基板３上の接合層４の接合面４ａをそれぞれ洗浄および表面活性化した。具体的には、純水を用いた超音波洗浄を実施し、スピンドライにより基板表面を乾燥させた。次いで、洗浄後の支持基板３をプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で接合面４ａを活性化した。また、圧電性材料基板１を同様にプラズマ活性化チャンバーに導入し、窒素ガスプラズマで３０℃で接合面１ａを表面活性化した。表面活性化時間は４０秒とし、エネルギーは１００Ｗとした。表面活性化中に付着したパーティクルを除去する目的で、上述と同じ超音波洗浄、スピンドライを再度実施した。

次いで、各基板１、３の位置合わせを行い、室温で両基板１、３の活性化した接合面５、６同士を接触させた。圧電性材料基板１側を上にして接触させた。この結果、基板同士の密着が広がる様子（いわゆるボンディングウェーブ）が観測され、良好に予備接合が行われたことが確認できた。次いで、接合強度を増すことを目的に、接合体を窒素雰囲気のオーブンに投入し、１５０℃で１０時間保持した。加熱後の接合体８の圧電性材料基板１の表面１ｂを研削加工、ラップ加工、およびＣＭＰ加工に供し、圧電性材料基板１Ａの厚さが１μｍとなるようにした。

次いで、研磨後の接合体チップをオーブン内に投入し、３２０℃の雰囲気で2時間放置した。オーブンから取り出したところ、破損、剥離が見られないことを確認した。

また、得られた接合体チップを切断し、切断面を透過型電子顕微鏡写真で以下の条件で撮影したところ、以下の結果を得た。

測定条件：加速電圧２００ｋＶ
装置：日立ハイテクノロジーズ製 H-9500
倍率：１０万倍

測定結果：
図７、図８に示すような形態の断面写真が得られた。具体的な形態は以下のとおりである。
凹部１２の深さｄ：１２５ｎｍ
凹部１２の幅ｗ：３４０ｎｍ
構造欠陥部１３の長さＴ：４３０ｎｍ

(実施例２)
実施例１において、サンドブラスト加工の代わりに、支持基板３の表面３ａを＃８０００の研削砥石で深さ2μmほど加工した。これ以外は実施例１と同様にして接合体チップを作製した。

また、得られた接合体チップを切断し、切断面を透過型電子顕微鏡写真で撮影したところ、以下の結果を得た。
測定結果：
図５、図６に示すような形態の断面写真が得られた。具体的な形態は以下のとおりである。
凹部１２の深さｄ：７０〜１９０ｎｍ
凹部１２の幅ｗ：９０〜３５０ｎｍ
構造欠陥部１３の長さＴ：１７０〜３８０ｎｍ
ただし、凹部１２の深さが７０nmの凹部１２上には構造欠陥部１３は見られなかった。

(比較例１)
実施例１において、支持基板３の表面３ａのサンドブラスト加工を行わなかった。支持基板３の表面３ａのＲａは、０．２ｎｍである。他は実施例１と同様にして接合体チップを作製した。

次いで、研磨後の接合体チップをオーブン内に投入し、２６０℃の雰囲気で2時間放置した。オーブンから取り出したところ、圧電性材料基板１Ａの接合面５と接合層４の接合面６との界面に沿って剥離しており、ボイドが生じていた。

また、得られた接合体チップを切断し、切断面を透過型電子顕微鏡写真で撮影したところ、構造欠陥部１３は観測されなかった。

Claims

支持基板、
前記支持基板の表面上に設けられた接合層であって、酸化珪素からなる接合層、および、
ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる圧電性材料基板
を備えている接合体であって、
前記支持基板の前記表面に凹部が設けられており、前記接合層が、前記凹部上に延びる構造欠陥部を備えていることを特徴とする、接合体。
前記凹部の深さが８０〜２５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１記載の接合体。
前記圧電性材料基板の厚さが４．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の接合体。