JP7210497B2 - 圧電性材料基板と支持基板との接合体 - Google Patents

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。

接合界面に単一または複数の誘電膜を形成する多層構造のフィルターも提案されている(特許文献２)。

特許文献３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)。

特許文献４では、珪素基板の表面とタンタル酸リチウム基板の表面とをアルゴンビームによって表面活性化した後、各表面を接合することで、珪素基板とタンタル酸リチウム基板との界面に沿って、タンタル、珪素、アルゴンおよび酸素を含む非晶質層を生成させている。

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

特開2016-225537 特許-5910763 特許第3774782号 ＷＯ2017－134980A1

しかし、特許文献４記載のように、シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを表面活性化して直接接合してみると、接合強度が低く、研磨加工等により接合体に応力が加わる際、剥離してしまうことがわかった。非晶質層中にはタンタル原子がかなり拡散しているので、接合強度は高くなるものと考えられるが、ある程度以上高くならない理由は不明である。

本発明の課題は、支持基板と、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の接合体において、接合体の接合強度を向上させることである。

本発明に係る接合体は、
水晶からなる支持基板、
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、および
前記支持基板と前記圧電性材料基板との間に存在する非晶質層であって、前記圧電性材料基板の前記材質を構成し、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の金属原子、珪素原子および酸素原子を含む非晶質層、
を備えている接合体であって、
前記非晶質層における前記金属原子の濃度は、前記酸素原子の濃度よりも高く、かつ、２０～６５原子％であり、前記非晶質層における前記金属原子の濃度を１．０としたとき、前記酸素原子の濃度が０．３０～０．６５であることを特徴とする。

本発明者は、支持基板と、ニオブ酸リチウム等からなる圧電性材料基板とを直接接合するのに際して、接合体の接合強度が低下し、圧電性材料基板の加工時に剥離が生じやすい原因について検討した。

すなわち、特許文献４記載のように、シリコン基板とタンタル酸リチウム基板とを表面活性化して直接接合してみると、接合強度が低く、研磨加工等により接合体に応力が加わる際、剥離してしまうことがわかった。この接合体においては、非晶質層中にはタンタル原子がかなり拡散しているので、接合強度は高くなるはずであった。

このため、支持基板の表面および圧電性材料基板の表面活性化時の条件やエネルギーを種々変更し、非晶質層の状態および接合強度を種々検討してみた。この結果、非晶質層中にタンタルおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の金属原子が拡散しているだけでなく、この金属原子の濃度を酸素原子の濃度よりも高くすることによって、接合強度が著しく改善することを見いだした。

（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１ａを活性化して活性化された接合面１ｃを生じさせている状態を示す。 （ａ）は、支持基板４を示し、（ｂ）は、支持基板４の接合面４ａを活性化して活性化された接合面４ｃを生じさせている状態を示す。 （ａ）は、圧電性材料基板１と支持基板４上とを直接接合して得られた接合体７を示し、（ｂ）は、接合体７の圧電性材料基板１Ａを研磨して薄くした状態を示し、（ｃ）は、弾性波素子１０を示す。

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、一対の表面１ａ、１ｂを有する圧電性材料基板１を準備する。本例では１ａを接合面とする。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Arビームを照射し、表面活性化された接合面１ｃを得る。

一方、図２（ａ）に示すように、一対の表面４ａ、４ｂを有する支持基板４を準備する。本例では４ａを接合面とする。次いで、図２（ｂ）に示すように、支持基板４の表面４ａに対して矢印ＢのようにArビーム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４ｃを形成する。

次いで、図３（ａ）に示すように、圧電性材料基板１上の活性化された接合面１ｃと、支持基板４の活性化された接合面４ｃとを接触させ、直接接合し、接合体７を得る。接合体７には非晶質層５が生成している。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を得る。１ｄは加工面である。次いで、図３（ｃ）に示すように、接合体７Ａの圧電性材料基板１Ａの加工面１ｄ上に所定の電極８を形成し、弾性波素子１０を得ることができる。

以下、本発明の各構成要素について順次述べる。
（非晶質層）
本発明においては、支持基板４と圧電性材料基板１との間に存在する非晶質層５が、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の金属原子、珪素原子および酸素原子を含んでおり、非晶質層における前記金属原子の濃度が、酸素原子の濃度よりも高く、かつ、２０～６５原子％である。このような非晶質層５を設けることによって、支持基板４と圧電性材料基板１との接合強度を向上させることができる。

ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の金属原子は、ニオブ単独であってよく、タンタル単独であってよく、ニオブとタンタルとの両方であって良い。非晶質層５にニオブとタンタルとの両方が含まれている場合には、前記金属原子の濃度は、ニオブの濃度とタンタルの濃度との合計値である。また、支持基板４を構成する原子が単一種である場合には、非晶質層５を構成する前記原子も単一種である。支持基板４を構成する原子が複数存在する場合には、支持基板４を構成する原子は、これらのうち一種または複数種である。ただし、支持基板４を構成する原子からは、ニオブ、タンタル、酸素を除くものとする。

本発明によれば、非晶質層５における前記金属原子の濃度が、酸素原子の濃度よりも高く、かつ、２０～６５原子％である。本発明の観点からは、非晶質層５における前記金属原子の濃度は、２０．３原子％以上であることが更に好ましく、６３．２原子％以下であることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、非晶質層における前記金属原子の濃度を１．０としたとき、酸素原子の濃度が０．３０～０．６５であり、より好ましくは、酸素原子の濃度が０．３２～０．６２であり、これによって接合強度がいっそう向上する。
また、非晶質層５における酸素原子の濃度は、１２～２６原子％とすることが好ましい。

非晶質層５において、支持基板４を構成する原子は、タンタル、ニオブ、酸素原子以外のものとする。この原子は、好ましくは、珪素である。非晶質層５における支持基板４を構成する前記原子の濃度は、本発明の観点からは、１３～６４原子％であることが好ましい。

また、非晶質層５中には、アルゴンや窒素が含有されていてよい。アルゴンや窒素の濃度は、１．０～５．０原子％であることが好ましい。

非晶質層５の厚さは、４～１２nmであることが好ましい。
また、非晶質層５の存在は、以下のようにして確認するものとする。
測定装置：
透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製 H-9500）を用いて微構造観察する。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。

非晶質層５における各原子の濃度は、以下のようにして測定するものとする。
測定装置：
元素分析装置（日本電子 JEM-ARM200F）を用いて元素分析を行う。
測定条件：
ＦＩＢ（集束イオンビーム）法にて薄片化したサンプルに対して、加速電圧２００ｋＶにて観察する。

（支持基板）
支持基板４の材質は、水晶からなる。これによって、弾性波素子の周波数の温度特性を一層改善することができる。

（圧電性材料基板）
本発明で用いる圧電性材料基板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３２～５０°回転した方向のもの、オイラー角表示で(１８０°，５８～４０°，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０．１５～50μｍである。

（表面活性化処理）
圧電性材料基板１の表面１ａおよび支持基板４の表面４ａを活性化処理する。この際には、圧電性材料基板１の表面１ａおよび支持基板４の表面４ａに中性化ビームを照射することで、圧電性材料基板１の表面１ａおよび支持基板４の表面４ａを活性化することができる。この際、中性化ビームを照射するための電圧、電流、ビーム原子ガス流量、およびビームの照射時間を制御することで接合界面の原子濃度を制御することが可能である。

中性化ビームによる表面活性化を行う際には、特開２０１４－０８６４００に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.2～2.0kVとすることが好ましく、電流は20～200mAとすることが好ましく、不活性ガスの流量は20sccm～80sccmとすることが好ましく、ビーム照射時間は15～300secとすることが望ましい。

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。

次いで、圧電性材料基板１の活性化された接合面１ｃと支持基板４の活性化された接合面４ｃ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。

（弾性波素子）
本発明の接合体７、７Ａは、弾性波素子１０に対して特に好適に利用できる。
弾性波素子１０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８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。

図１～図３を参照しつつ説明した方法に従って、接合体７Ａを作製した。
具体的には、オリエンテーションフラット部（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１として使用した。また、支持基板４として、ＯＦ部を有し、直径が４インチ，厚さが２３０μｍのシリコン基板を用意した。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１の表面１ａと支持基板４の表面４ａは、算術平均粗さＲａが１ｎｍとなるように鏡面研磨しておいた。算術平均粗さは原子間力顕微鏡(AFM)で、縦10μm×横10μmの正方形の視野を評価した。

次いで、圧電性材料基板１の表面１ａと支持基板４の表面４ａとを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０^－６Ｐａ台まで真空引きした後、それぞれの基板の接合面１ａ、４ａに高速原子ビームを135KJ照射した。ついで、圧電性材料基板１のビーム照射面（活性化された接合面）１ｃと支持基板４の活性化された接合面４ｃとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して両基板を接合した。

ここで、ビームの照射エネルギー（ＦＡＢ照射量）を表１、表２に示すように変更した。そして、得られた各接合体７の接合界面に沿って非晶質層５が存在することを確認するとともに、非晶質層５における各原子の濃度を測定し、結果を表１、表２に示す。また、非晶質層５におけるタンタル原子の濃度を１．００としたときの各原子の濃度の相対比率も表１、表２に示す。
更に、クラックオープニング法で各例の接合体７の接合強度を評価し、表１、表２に示す。

比較例１、２では、非晶質層５におけるタンタルの濃度が低く（比較例１では、１６．６原子％、比較例２では、９．２原子％）、タンタルの拡散が不十分であるために、接合強度が低くなっている（比較例１での接合強度は、０．８J／ｍ^２で、比較例２での接合強度は、０．２J／ｍ^２であった）。
比較例３では、非晶質層５におけるタンタル濃度が高く（比較例３では、７５．３原子％）、接合強度が低くなっている（比較例３での接合強度は、０．５J／ｍ^２であった）。
比較例４では、非晶質層５におけるタンタル原子は適度に拡散されているものの（比較例４では、３８．５原子％）、タンタル原子の濃度が酸素原子の濃度よりも低く（タンタル原子の濃度を１．０としたとき、比較例４では、酸素原子の濃度が１．２６）、その結果、接合強度が低くなっている（比較例４での接合強度は、１．０J／ｍ^２であった）。

一方、本発明の実施例１～３では、高い接合強度が得られている。具体的には、実施例１～３では、非晶質層５におけるタンタル濃度は適度に拡散されており（実施例１では、４１．５原子％、実施例２では、２０．３原子％、比較例３では、６３．２原子％）、かつ、タンタル原子の濃度が酸素原子の濃度よりも高くなっていた（タンタル原子の濃度を１．０としたとき、酸素原子の濃度が、実施例１では０．４２、実施例２では０．６２、実施例３では０．３２）。その結果、圧電性材料基板１と支持基板４との接合強度を高くすることができた（実施例１では、２．２J／ｍ^２、実施例２では、１．８J／ｍ^２、実施例３では、１．９J／ｍ^２であった）。

また、圧電性材料基板１として、タンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）の代わりに、ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）を用いた場合も、同様の結果であった。

具体的には、表３の実施例４に示すように、非晶質層５におけるニオブ原子は適度に拡散されており（実施例４では、５９．６原子％）、かつ、ニオブ原子の濃度が酸素原子の濃度よりも高くなっていた（ニオブ原子の濃度を１．０としたとき、実施例４では、酸素原子の濃度が０．４３）。その結果、圧電性材料基板１と支持基板４との接合強度を高くすることができた（実施例４では、２．０J／ｍ^２であった）。

Claims (3)

1. 水晶からなる支持基板、
   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、および
   前記支持基板と前記圧電性材料基板との間に存在する非晶質層であって、前記圧電性材料基板の前記材質を構成し、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の金属原子、珪素原子および酸素原子を含む非晶質層、
   を備えている接合体であって、
   前記非晶質層における前記金属原子の濃度は、前記酸素原子の濃度よりも高く、かつ、２０～６５原子％であり、前記非晶質層における前記金属原子の濃度を１．０としたとき、前記酸素原子の濃度が０．３０～０．６５であることを特徴とする、接合体。
2. 前記非晶質層が更にアルゴン原子を含むことを特徴とする、請求項１記載の接合体。
3. 前記圧電性材料基板の厚さが５０μｍ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。
   

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