JP7183481B1

JP7183481B1 - 接合体

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Publication number: JP7183481B1
Application number: JP2022520070A
Authority: JP
Inventors: 喬紘山寺; 紗希中山
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-12-05
Anticipated expiration: 2041-11-19
Also published as: WO2022190465A1; CN117280609A; US11936363B2; KR20220127927A; JPWO2022190465A1; KR102539925B1; EP4117180A1; US20220385265A1

Abstract

【課題】シリコンからなる支持基板上に、金属酸化物からなる接合層を介して圧電性材料基板を強固に接合し、圧電性材料基板の加工時における支持基板からの剥離を抑制する。【解決手段】接合体５Ａは、シリコンからなる支持基板１、圧電性材料基板４Ａ、および支持基板１の接合面１ａ上に設けられた接合層２であって、金属酸化物からなる接合層２を有する。支持基板１の接合面１ａにおけるアルミニウム元素量が１．０×１０１１～１．０×１０１５atoms／cm２である。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電性材料基板と、シリコンからなる支持基板との接合体に関するものである。

携帯電話等に使用されるフィルタ素子や発振子として機能させることができる弾性表面波デバイスや、圧電薄膜を用いたラム波素子や薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）などの弾性波デバイスが知られている。こうした弾性波デバイスとしては、支持基板と弾性表面波を伝搬させる圧電性材料基板とを貼り合わせ、圧電性材料基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けたものが知られている。

圧電性材料基板とシリコン基板とを接合するのに際して、圧電性材料基板表面に珪素酸化物膜を形成し、珪素酸化物膜を介して圧電性材料基板とシリコン基板とを直接接合することが知られている（特許文献１、２）。この接合の際には、珪素酸化物膜表面とシリコン基板表面とにプラズマビームを照射して表面を活性化し、直接接合を行う（プラズマ活性化法）。プラズマ活性化法では、比較的低温(４００℃)で接合できる。

特開２０１６－２２５５３７米国特許第７２１３３１４Ｂ２

シリコンからなる支持基板上に、金属酸化物からなる接合層を介して圧電性材料基板を接合した後、圧電性材料基板を研磨加工に供することで薄膜化することが、圧電特性の向上のために必要である。しかし、圧電性材料基板の加工により薄膜化するときに、加工負荷により、シリコンからなる支持基板と金属酸化物からなる接合層との界面から剥離が生じてしまうことがあった。これは、シリコン基板表面への金属酸化物の密着強度が不十分であることが原因である。

本発明の課題は、シリコンからなる支持基板上に、金属酸化物からなる接合層を介して圧電性材料基板を強固に接合し、圧電性材料基板の加工時における支持基板からの剥離を抑制することである。

本発明は、シリコンからなる支持基板、
圧電性材料基板、および
前記支持基板の接合面上に設けられた接合層であって、珪素酸化物からなる接合層
を有しており、前記圧電性材料基板の材質が、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固溶体からなる群より選ばれ、前記支持基板の前記接合面におけるアルミニウム元素量が１．０×１０^１１～１．０×１０^１５atoms／cm^２であることを特徴とする、接合体に係るものである。

本発明は、前記接合体、および
前記圧電性材料基板上に設けられた電極
を備えていることを特徴とする、弾性波素子に係るものである。

本発明によれば、シリコンからなる支持基板上に、珪素酸化物からなる接合層を介して圧電性材料基板を強固に接合し、圧電性材料基板の加工時における支持基板からの剥離を抑制することができる。

（ａ）は、圧電性材料基板４の接合面４ａをプラズマＡによって活性化した状態を示し、（ｂ）は、支持基板１の接合面１ａに加工Ｂを施す状態を示し、（ｃ）は、支持基板１上の接合層２の接合面２ａをプラズマＣによって活性化した状態を示す。（ａ）は、圧電性材料基板４と支持基板１を接合した状態を示し、（ｂ）は、圧電性材料基板４Ａを加工によって薄くした状態を示し、（ｃ）は、圧電性材料基板４Ａ上に電極６を設けた状態を示す。比較例において、圧電性材料基板を研磨加工したときの支持基板と接合層との界面状態を示す図である。実施例において、圧電性材料基板を研磨加工したときの支持基板と接合層との界面状態を示す図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１、図２は、支持基板を圧電性材料基板に直接接合する製造例を説明するための模式図である。

図１（ａ）に示すように、圧電性材料基板４は主面４ａと４ｂとを有する。矢印Ａのようにプラズマを圧電性材料基板４の主面４ａに照射し、主面４ａを活性化して活性化面とする。一方、図１（ｂ）に示すように、支持基板１の接合面１ａに加工Ｂを施し、アルミニウム元素量を調節する。１ｂは接合面１ａとは反対側の主面である。次いで、図１（ｃ）に示すように、支持基板１の接合面１ａ上に接合層２を設ける。次いで、接合層２の接合面２ａにプラズマＣを照射することによって活性化し、活性化面とする。

次いで、図２（ａ）に示すように、接合層２の活性化された接合面２ａと圧電性材料基板４の活性化された主面４ａとを直接接合することによって、接合体５を得る。
次いで、接合体１の圧電性材料基板４の接合面４ｂを更に研磨加工し、図２（ｂ）に示すように圧電性材料基板４Ａの厚さを小さくし、接合体５Ａを得る。４ｃは研磨面である。

図２（ｃ）では、圧電性材料基板４Ａの研磨面４ｃ上に所定の電極６を形成することによって、弾性波素子７を作製している。

本発明では、支持基板はシリコンからなる。支持基板の相対密度は、接合強度の観点からは、９５．５％以上が好ましく、１００％であってもよい。相対密度はアルキメデス法によって測定する。また、支持基板の製法は特に限定されないが、焼結体であることが好ましい。

支持基板を構成するシリコンは、高抵抗シリコンであることが好ましい。高抵抗シリコンとは、体積抵抗率が1000Ω・cm以上であるシリコンを意味する。高抵抗シリコンの体積抵抗率の上限は製造上の限界から通常は200kΩ・cmである。

本発明においては、支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量を１．０×１０^１１～１．０×１０^１５atoms／cm^２とする。すなわち、シリコンからなる支持基板の接合面にアルミニウム元素を存在させることで、圧電性材料基板を薄くする加工の時に支持基板と金属酸化物からなる接合層との界面に沿った剥離を抑制できる。この観点から、支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量を１．０×１０^１１atoms／cm^２以上とするが、１．０×１０^１２atoms／cm^２以上とすることが更に好ましい。また、支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量を１．０×１０^１５atoms／cm^２を超えた量とすることは製造上の限界から難しい。

支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量は、ＩＣＰ－ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析計）によって測定する。具体的には以下のような測定条件とする。
すなわち、フッ化水素酸蒸気にて支持基板の接合面を処理し、次いで接合面上の微量汚染成分の回収を行い、この回収溶液を試料溶液とした。試料溶液中の金属元素を、パーキンエルマー製ICP質量分析装置で分析した。

支持基板の接合面に対してアルミニウム元素を分布させるためには、例えば支持基板の接合面を、アルミナからなる研磨材で研磨加工する。また、アルミナからなる砥粒を用いて支持基板の接合面をブラスト加工することで、アルミニウム元素を接合面に残留させることもできる。こうした支持基板接合面に分布するアルミニウム元素が、接合層を構成する金属酸化物との結合に寄与し、密着強度が向上し、これにより圧電薄膜作製時の加工負荷に耐えうる密着強度を担保することができるものと考えられる。

支持基板の接合面に対して接触させる砥粒の粒径は、1um～7umが好ましい。砥粒の粒径が1um未満となると粒径が小さすぎて加工が進まない。特に砥粒の粒径を1.2umとすると、支持基板の接合面の全面に緻密にAlを含有させることができる。

接合層を構成する金属酸化物は、珪素酸化物である。

サイアロンは、窒化珪素とアルミナとの混合物を焼結して得られる
セラミックスであり、以下のような組成を有する。
Ｓｉ_６－ｚＡｌ_ｚＯ_zＮ_８－ｚ
すなわち、サイアロンは、窒化珪素中にアルミナが混合された組成を有しており、ｚがアルミナの混合比率を示している。ｚは、０．５以上が更に好ましい。また、ｚは、４．０以下が更に好ましい。

アルミナはＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する多結晶である。コージェライトは、2MgO・2Al₂O₃・5SiO₂の組成を有するセラミックスである。ムライトは、3Al₂O₃・2SiO₂～2Al₂O₃・SiO₂の範囲の組成を有するセラミックスである。

圧電性材料基板の材質は、ニオブ酸リチウムであってよく、タンタル酸リチウムであってよく、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体であってよい。

接合層を構成する珪素酸化物は、Ｓｉ_{（１－ｘ）}Ｏ_ｘ（０．００８≦ｘ≦２／３）の組成を有する。
一実施形態においては、この珪素酸化物は、Ｓｉ_{（１－ｘ）}Ｏ_ｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）の組成を有する。Ｓｉ_{（１－ｘ）}Ｏ_ｘ（０．００８≦ｘ≦０．４０８）この組成は、ＳｉＯ_２（ｘ＝０．６６７に対応する）に比べて酸素比率がかなり低くされている組成である。このような組成の珪素酸化物Ｓｉ_{（１－ｘ）}Ｏ_ｘからなる接合層によって支持基板に対して圧電性材料基板を接合すると、接合層における絶縁性を高くすることができる。

接合層の厚さは、特に限定されないが、製造コストの観点からは０．０１～１０μｍが好ましく、０．０1～０．５μｍが更に好ましい。
接合層の成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。ここで、特に好ましくは、スパッタターゲットをＳｉとした反応性スパッタリングの際に、チャンバー内に流す酸素ガス量を調整することによって、接合層の酸素比率（ｘ）をコントロールすることが可能である。

接合層の具体的な製造条件はチャンバー仕様によるので適宜選択するが、好適例では、全圧を０．２８～０．３４Ｐａとし、酸素分圧を１．２×１０^―３～５．７×１０^－２Ｐａとし、成膜温度を常温とする。また、ＳｉターゲットとしてはＢドープＳｉを例示できる。

好適な実施形態においては、接合層の活性化された接合面と圧電性材料基板の活性化された接合面とが直接接合されている。言い換えると、接合層と圧電性材料基板との界面に沿って接合界面がある。この場合には、接合層の活性化された接合面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。また、圧電性材料基板の活性化された接合面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが更に好ましい。これによって圧電性材料基板と接合層との接合強度が一層向上する。

以下、本発明の各構成要素について更に説明する。
本発明の接合体の用途は特に限定されず、例えば、弾性波素子や光学素子に好適に適用できる。

弾性波素子としては、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。

圧電性材料基板の底面に金属膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとしてラム波素子を製造した際に、圧電性材料基板の裏面近傍の電気機械結合係数を大きくする役割を果たす。この場合、ラム波素子は、圧電性材料基板の表面に櫛歯電極が形成され、支持基板に設けられたキャビティによって圧電性材料基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、金などが挙げられる。なお、ラム波素子を製造する場合、底面に金属膜を有さない圧電性性材料層を備えた複合基板を用いてもよい。

また、圧電性材料基板の底面に金属膜と絶縁膜を有していてもよい。金属膜は、弾性波デバイスとして薄膜共振子を製造した際に、電極の役割を果たす。この場合、薄膜共振子は、圧電性材料基板の表裏面に電極が形成され、絶縁膜をキャビティにすることによって圧電性材料基板の金属膜が露出した構造となる。こうした金属膜の材質としては、例えば、モリブデン、ルテニウム、タングステン、クロム、アルミニウムなどが挙げられる。また、絶縁膜の材質としては、例えば、二酸化ケイ素、リンシリカガラス、ボロンリンシリカガラスなどが挙げられる。

また、光学素子としては、光スイッチング素子、波長変換素子、光変調素子を例示できる。また、圧電性材料基板中に周期分極反転構造を形成することができる。

本発明の対象が弾性波素子であり、圧電性材料基板の材質がタンタル酸リチウムである場合には、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３６～４７°（例えば４２°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。また圧電性材料基板がニオブ酸リチウムからなる場合には、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６０～６８°（例えば６４°）回転した方向のものを用いるのが伝搬損失が小さいため好ましい。更に、圧電性材料基板の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径５０～１５０ｍｍ，厚さが０．２～６０μｍである。

本発明の接合体を得るためには、以下の方法が好ましい。
まず接合層の接合面および圧電性材料基板の接合面にプラズマを照射することで、各接合面を活性化する。
表面活性化時の雰囲気は、窒素や酸素を含有する雰囲気とする。この雰囲気は、酸素のみであってよく、窒素のみであってよく、あるいは酸素と、窒素、水素、およびアルゴンとの混合ガスであってよい。混合ガスの場合には、特に限定されるものではないが、接合強度との関係によりその比率を適宜調整してもよい。

表面活性化時の雰囲気圧力は、１００Ｐａ以下が好ましく、８０Ｐａ以下が更に好ましい。また、雰囲気圧力は、３０Ｐａ以上が好ましく、５０Ｐａ以上が更に好ましい。
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、かつ圧電性材料の劣化のない接合体７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、０．１～１．０Ｗｈが好ましい。

好適な実施形態においては、プラズマ処理前に、圧電性材料基板の接合面４ａおよび接合層の接合面２ａを平坦化加工する。各接合面２ａ、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、平坦面の算術平均粗さＲａは、１ｎｍ以下が好ましく、０．３ｎｍ以下が更に好ましい。

次いで、圧電性材料基板の活性化された接合面と接合層の活性化された接合面とを接触させ、接合する。この後、好ましくは、接合体を熱処理することで、圧電性材料基板の研磨加工に耐える強度を与えることができる。こうした熱処理温度は、１００～１５０℃とすることが好ましい。この実施形態においては、この熱処理の後に圧電性材料基板を加工することで厚さを小さくすることができる。

次いで、接合体の熱処理（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。本発明の観点からは、熱処理時の温度は２５０℃以上とするが、２７０℃以上が更に好ましい。また、この熱処理時の温度は、接合体の破損を防止するために３５０℃以下とするが、３００℃以下が更に好ましい。

次いで、真空雰囲気で、活性化面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。

図１および図２を参照しつつ説明した方法に従って、表１に示す各例の接合体を作製した。
具体的には、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を、圧電性材料基板４として使用した。ＬＴ基板は、弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である４６°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。圧電性材料基板４の接合面４ａは、算術平均粗さＲａが０．３ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。ただし、Ｒａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定する。

一方、支持基板１として、オリエンテーションフラット（ＯＦ）部を有し、直径が４インチ，厚さが２３０μｍの高抵抗（≧２ｋΩ・cm）シリコンからなる支持基板１を用意した。支持基板１の表面１ａ、１ｂは、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工されており、各算術平均粗さＲａは０．２ｎｍとなっている。研磨加工の際には、支持基板の接合面を、平均粒径２μｍの微粉末研磨剤ホワイトアルミナを用いてブラスト加工した。研磨剤の組成は以下のとおりである。
酸化アルミニウム：96質量％以上
酸化ナトリウム、酸化鉄、二酸化ケイ素がそれぞれ１質量％未満
研磨加工後の算術平均荒さRaは1nm～10nmであった。また、各例の支持基板の接合面のアルミニウム元素含有量をICP-MSにて分析し、結果を表１に示す。

次いで、支持基板の接合面上に、ＳｉＯ_２からなる接合層２を1μm成膜し、その接合面２ａをCMPで約0.1um研磨し、平坦化した。
次いで、純水を用いた超音波洗浄を実施し、スピンドライにより圧電性材料基板および接合層の接合面を乾燥させた。次いで、洗浄後の支持基板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℃で接合面を活性化した。また、圧電性材料基板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℃で接合層の接合面を表面活性化した。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、圧電性材料基板の接合面と接合層の接合面の位置合わせを行い、室温で活性化した接合面同士を接触させた。重ね合わせた基板の中心を加圧した結果、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、接合体を窒素雰囲気のオーブンに投入し、１３０℃で4時間加熱した。

オーブンから取り出した接合体の圧電性材料基板の表面を研削加工、研磨加工により1μmまで薄化した。

ここで、各例の接合体において、各支持基板の各接合面におけるアルミニウム元素量は、加工時の強さ(加工圧力)及び加工時間で制御することによって変化させた。なお、加工圧力は0.1MPa～0.5MPaの範囲で調整し、加工時間は1分～5分の範囲で調整した。圧力を高くするほど、また加工時間を長くするほど、支持基板の接合面に存在するアルミニウム元素量を多くすることができる。

この結果、支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量が２．０×１０^９atoms／cm^２、７．０×１０^９atoms／cm^２、４．０×１０^１０atoms／cm^２の場合には、研磨時に剥離が発生していた。接合面の全面積を１００％としたときの剥離部分の面積比率は、それぞれ、５０％、３０％、５％であった。

ここで、アルミニウム元素量が７．０×１０^９atoms／cm^２の場合における接合界面をデジタルカメラによって撮影した光学写真を図３に示す。本例では、図３において左下側に剥離部分が生じており、剥離部分の面積比率は３０％であった。

一方、支持基板の接合面におけるアルミニウム元素量が１．０×１０^１１atoms／cm^２、２．０×１０^１３atoms／cm^２、１．０×１０^１５atoms／cm^２の場合には、研磨時に剥離が発生していなかった。接合面の全面積を１００％としたときの剥離部分の面積比率は、０％であった。

アルミニウム元素量が２．０×１０^１３atoms／cm^２の場合における接合界面をデジタルカメラによって撮影した光学写真を図４に示す。本例では、接合界面に剥離部分が生じていなかった。

Claims

シリコンからなる支持基板、
圧電性材料基板、および
前記支持基板の接合面上に設けられた接合層であって、珪素酸化物からなる接合層
を有しており、前記圧電性材料基板の材質が、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固溶体からなる群より選ばれ、前記支持基板の前記接合面におけるアルミニウム元素量が１．０×１０^１１～１．０×１０^１５atoms／cm^２であることを特徴とする、接合体。