KR20230007356A - 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법 - Google Patents

압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

막두께 균일성이 좋고, 이온 주입에 의해 특성 열화의 영향이 없는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 압전성 단결정막(11)을 구비한 복합 기판(10)의 제조 방법은, 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 이루어지는 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입 처리하여 이온 주입층(11)을 형성하는 공정 (a)와, 압전성 단결정 기판(1)의 이온 주입층(11)이 형성된 면과 가접합 기판(2)을 접합하는 공정 (c)와, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 분리하여, 가접합 기판(2) 상에 압전성 단결정막(11)을 형성하는 공정 (d)와, 압전성 단결정막(11)의 가접합 기판의 접합면과 대향하는 면에 지지 기판(3)을 접합하는 공정 (f)와, 가접합 기판을 압전성 단결정막(11)으로부터 분리하는 공정 (g)를 포함한다.

Description

압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법
본 발명은 탄성 표면파 디바이스용의 탄탈산리튬 단결정 등의 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
휴대전화 등의 주파수 조정·선택용의 부품으로서, 압전 기판 상에 탄성 표면파를 여기하기 위한 빗형 전극(IDT； Interdigital Transducer)이 형성된 탄성 표면파(SAW； Surface Acoustic Wave) 디바이스가 사용되고 있다.
탄성 표면파 디바이스에는 소형으로 삽입 손실이 작고 불요파를 통과시키지 않는 성능이 요구되기 때문에, 그 재료로서 탄탈산리튬(LiTaO3； 약호 「LT」)이나 니오브산리튬(LiNbO3； 약호 「LN」) 등의 압전 재료가 사용된다.
한편, 제4세대 이후의 휴대전화의 통신규격은 송수신에 있어서의 주파수 밴드 간격은 좁고, 밴드폭은 넓어지고 있다. 이러한 통신규격하에서는 탄성 표면파 디바이스에 사용되는 압전 재료는 그 온도에 의한 특성 변동을 충분히 작게 할 필요가 있다.
또, SAW 디바이스 제작 시 압전 재료의 두께 불균일은 SAW 속도의 불균일로 연결되기 때문에 고정밀의 막두께의 제어가 필요하게 된다.
비특허문헌 1이나 비특허문헌 2에는 LT 기판을 보다 선팽창계수가 작은 사파이어 기판이나 실리콘 기판과 접합하고, LT 기판을 연삭에 의해 박막화함으로써, 산화물 단결정의 열팽창의 영향을 억제하여 온도 특성이 개선되는 것이 보고되어 있다.
또, 특허문헌 1에는 탄성파 장치의 제조 방법으로서, 압전 기판의 일방면으로부터 이온 주입한 후, 압전 기판을 가열하면서, 압전 기판의 주입 이온 농도가 가장 높은 고농도 이온 주입 부분에 있어서, 압전막과 나머지 압전 기판 부분을 분리하여 압전막을 지지 기판 측에 잔존시키는 것이 기재되어 있다.
국제공개 제2012/086639호
전자정보통신학회 논문지 A Vol. J98－A, No. 9, pp. 537－544 타이요유덴주식회사, "스마트폰의 RF 프론트엔드에 사용되는 SAW－Duplexer의 온도 보상 기술",［online］, 2012년 11월 8일, 전파신문하이테크놀로지,［2015년 3월 20일 검색］, 인터넷〈URL：http://www.yuden.co.jp./jp/product/tech/column/20121108.html〉
비특허문헌 1이나 비특허문헌 2에 기재되어 있는 LT 기판의 연삭을 수반하는 복합 기판의 제조 방법에서는, 압전성 기판의 박막화와 함께 막두께 균일성이 악화된다고 하는 문제점이 있다.
또, 특허문헌 1에 기재되어 있는 이온 주입에 의해 압전막을 얻는 방법에서는, 막두께 균일성이 뛰어난 압전막이 얻어지는 한편, 이에 의해 얻은 압전막은 특성이 열화하고 있다고 하는 문제점이 있다. 본 발명자들이 그 원인을 조사한 바, 이온 주입에 의해 LT 기판 내를 H＋ 이온이 통과함으로써, 이온 주입층 내부에서 Li＋ 이온이 이동하여, 이온 주입층 내의 압전성이 불균일하게 되어 있는 것을 알 수 있었다. 또, 이온 주입층의 이온 주입면까지 일부 Li＋ 이온이 이동·석출하기 때문에, 이온 주입층 내의 특히 수소 이온 농도가 높은 분리 계면(압전막의 노출면)에서 Li량이 감소되어 있는 것을 알 수 있었다.
본 발명자들은 특성 열화하고 있는 압전막의 노출면의 연마 제거를 검토했는데, Li량의 감소는 압전막의 노출면에만 머물지 않고, 압전막의 총두께에 대해 노출면으로부터 3할 이상의 두께 부분에까지 미치고 있었다. 그 때문에 이 부분을 연마에 의해 제거할 필요가 있고, 그렇다면 연마량에 따라 막두께 균일성이 악화됨과 아울러, 압전성의 회복도 불충분하게 된다고 하는 문제가 있다.
그래서 본 발명의 목적은 상기의 문제점을 감안하여, 막두께 균일성이 좋고, 이온 주입에 의해 특성 열화의 영향이 없는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법으로서, 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 이루어지는 압전성 단결정 기판의 일방의 면에 대해 이온 주입 처리를 행하여, 상기 압전성 단결정 기판의 내부에 이온 주입층을 형성하는 공정으로서, 상기 이온 주입 처리의 이온종이 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 적어도 일방을 포함하고, 이온 주입량이 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 3.0×1017atoms/cm2 이하인 공정과, 상기 압전성 단결정 기판의 상기 이온 주입층이 형성된 면과 가접합 기판을 접합하는 공정과, 상기 압전성 단결정 기판을 상기 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하여, 상기 가접합 기판 상에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 압전성 단결정막을 형성하는 공정과, 상기 압전성 단결정막의 상기 가접합 기판의 접합면과 대향하는 면에 지지 기판을 접합하는 공정과, 상기 가접합 기판의 일부 또는 전부를 상기 압전성 단결정막으로부터 분리하는 공정을 포함한다.
상기 가접합 기판은 단결정 실리콘 기판이라도 좋다. 이 경우 본 발명에 관한 복합 기판의 제조 방법은, 상기 가접합 기판의 상기 압전성 단결정 기판의 접합면에 대해 이온 주입 처리를 행하여, 상기 가접합 기판의 내부에 이온 주입층을 형성하는 공정을 더 포함해도 좋고, 상기 가접합 기판의 일부를 상기 압전성 단결정막으로부터 분리하는 것은, 상기 가접합 기판을 상기 가접합 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리함으로써 행하여, 상기 압전성 단결정막 상에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 단결정 실리콘막을 형성해도 좋다.
상기 가접합 기판에 이온 주입 처리를 행하는 경우, 이온종은 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 적어도 일방을 포함하고, 이온 주입량은 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 2.0×1017atoms/cm2 이하이고, 상기 가접합 기판에의 이온 주입량은 상기 압전성 단결정 기판에의 이온 주입량보다 적게 해도 좋다.
상기 가접합 기판을 상기 가접합 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하는 것은, 열처리, 기계적 충격, 제트(jet) 분사, 초음파 진동 및 광조사로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해도 좋다.
상기 지지 기판의 재질은 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 스피넬, 탄화규소, 질화규소 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되어도 좋다.
상기 압전성 단결정 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하는 것은, 열처리, 기계적 충격, 제트 분사, 초음파 진동 및 광조사로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해져도 좋다.
상기 가접합 기판의 전부를 압전성 단결정막으로부터 분리하는 경우는, 기계 가공, 제트 분사, 초음파 진동, 광조사 및 약액 침지로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해져도 좋다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 압전성 단결정 기판의 이온 주입층이 형성된 면과 가접합 기판을 접합한 후, 압전성 단결정 기판을 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하여, 가접합 기판 상에 소정의 두께를 가지는 이온 주입층(압전성 단결정막)을 형성하고, 그리고, 이 압전성 단결정막의 노출면에 지지 기판을 접합하고, 가접합 기판의 일부 또는 전부를 압전성 단결정막으로부터 분리함으로써, 압전성 단결정 기판을 다량으로 연마하지 않고, 지지 기판 상에 압전성 단결정막을 형성할 수 있고, 따라서, 막두께 균일성이 좋고, 또 Li량의 감소가 현저한 이온 주입층의 분리 계면이 지지 기판에 접합하고, Li량의 감소가 없는 이온 주입층의 이온 주입면이 지지 기판과는 반대 측의 면에 위치하기 때문에, 특성 열화의 영향이 없는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법의 일실시의 형태를 설명하는 모식적인 흐름도이다.
도 2는 비교예의 복합 기판의 단면을 나타내는 TEM 화상이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법의 일실시형태에 대해 설명하지만, 본 발명의 범위는 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태의 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법은, 도 1에 나타내듯이, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입 처리하여, 압전성 단결정 기판(1) 중에 이온 주입층(11)을 형성하는 공정(도 1 중의 (a))과, 가접합 기판(2)을 준비하는 공정(도 1 중의 (b))과, 압전성 단결정 기판(1)의 이온 주입층(11) 측의 면에 가접합 기판(2)을 접합하는 공정(도 1 중의 (c))과, 가접합 기판(2)에 이온 주입층(11)을 남기고 압전성 단결정 기판(1)의 나머지 부분을 분리하는 공정(도 1 중의 (d))과, 지지 기판(3)을 준비하는 공정(도 1 중의 (e))과, 이온 주입층(11)의 노출면에 지지 기판(3)을 접합하는 공정(도 1 중의 (f))과, 가접합 기판(2)을 이온 주입층(11)으로부터 분리하여, 지지 기판(3) 상에 압전성 단결정막으로서 이온 주입층(11)을 구비한 복합 기판(10)을 얻는 공정(도 1 중의 (g))을 포함한다. 이하, 각 공정에 대해 상세히 설명한다.
공정 (a)에 있어서 준비하는 압전성 단결정 기판(1)은 탄탈산리튬(LiTaO3； 약호 「LT」) 또는 니오브산리튬(LiNbO3； 약호 「LN」)으로 이루어진다. 압전성 단결정 기판(1)은 웨이퍼의 형상으로 사용되어도 좋다. 웨이퍼의 사이즈는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 직경 2~12인치로 해도 좋고, 판두께 100~1000㎛로 해도 좋다. 압전성 단결정 기판(1)은 웨이퍼 형상으로 시판되고 있는 것을 사용해도 좋고, 압전성 단결정 잉곳(ingot)을 슬라이스(slice)하는 등 하여 웨이퍼 형상으로 가공해도 좋다.
공정 (a)에서는 압전성 단결정 기판(1)의 붙임면에 대해 이온 주입 처리 Y를 행한다. 이에 의해 압전성 단결정 기판(1)의 붙임면에 이온 주입층(11)이 형성된다. 이온 주입 처리 Y의 이온종은 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 어느 쪽이든 일방을 사용해도, 양방을 사용해도 좋다. 이온 주입량은 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 3.0×1017atoms/cm2 이하이다. 1.0×1016atom/cm2 미만이면, 후의 공정에서 이온 주입층의 취화(脆化)가 일어나기 어렵다. 3.0×1017atom/cm2를 초과하면, 이온 주입 시에 이온 주입한 면에 있어서 마이크로캐비티(microcavity)가 생기고, 웨이퍼 표면에 요철이 형성되어 소망의 표면거칠기가 얻어지기 어려워진다. 이온 주입량은 2.5×1016atoms/cm2 이상 1.5×1017atoms/cm2 이하가 보다 바람직하다.
또, 이온의 가속 전압은 50KeV 이상 200KeV 이하가 바람직하다. 가속 전압을 조정함으로써 이온 주입의 깊이를 변경할 수 있다. 이 이온 주입층(11)의 두께가, 얻어지는 복합 기판(10)의 압전성 단결정막의 두께에 실질적으로 상당한다.
이러한 이온 주입 처리에 의해 압전성 단결정 기판(1)의 붙임면에는 이온 주입층(11)이 형성되는데, 이온 주입에 의해 압전성 단결정 기판(1) 내를 H＋ 이온이 통과함으로써, 이온 주입층(11) 내부에서 Li＋ 이온이 이동하여, 이온 주입면 측의 표층부(11a)에서는 Li량의 감소는 거의 발생하지 않지만, 이온 농도가 높은 심층부(11b)에서는 Li량이 감소되어 있다.
또한, LT나 LN으로 이루어지는 압전성 단결정 기판(1)의 Li 농도에 대해서는 공지의 방법에 의해 측정할 수 있고, 예를 들면 라만 분광법에 의해 평가할 수 있다. LT 기판에 대해서는 라만 쉬프트(shift) 피크의 반값폭과 Li 농도(Li/(Li＋Ta)의 값) 사이에 대체로 선형인 관계가 있는 것이 알려져 있다. 따라서, 이러한 관계를 나타내는 식을 사용하면, 압전성 단결정 기판의 임의의 위치에 있어서의 조성을 평가하는 것이 가능하다.
라만 쉬프트 피크의 반값폭과 Li 농도의 관계식은, 그 조성이 기지이고 Li 농도가 다른 몇 개 시료의 라만 반값폭을 측정함으로써 얻어지지만, 라만 측정의 조건이 동일하면, 문헌 등에서 이미 밝혀져 있는 관계식을 사용해도 좋다. 예를 들면, 탄탈산리튬 단결정에 대해서는 이하의 수식 1을 사용해도 좋다(2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Page(s): 1252-1255 참조).
Li/(Li＋Ta)=(53.15－0.5FWHM1)/100 (수식 1)
여기서, 「FWHM1」은 600cm－1 부근의 라만 쉬프트 피크의 반값폭이다. 측정 조건의 상세한 것에 대해서는 상기 문헌을 참조하시기 바란다.
공정 (b)에서 준비하는 가접합 기판(2)으로서는 예를 들면, 단결정 실리콘 기판이나, 석영 기판, 사파이어 기판 등을 사용해도 좋다. 이들 중 이하의 이유 때문에 단결정 실리콘 기판이 보다 바람직하다. 가접합 기판(2)은 최종적으로 제거되는 것이기 때문에 가공성이 좋은 재질이 적합하고, 단결정 실리콘 기판은 이온 주입에 의한 박막화나, 연마 또는 에칭 등의 화학 물리적인 제거가 용이하다. 또, 일반적으로 LT 기판의 저항률은 1010Ω·cm 이상인 데 반해, 단결정 실리콘 기판은 고저항품이라도 2×105Ω·cm 미만으로 비교적 저항률이 낮다. 이 때문에 LT 기판과 단결정 실리콘 기판의 접합체에 있어서는 전압 인가에 의해 압전성을 회복시키는 것(재분극 처리)이 가능하다. 가접합 기판(2)은 웨이퍼의 형상으로 사용되어도 좋다. 웨이퍼의 사이즈는 직경 2~12인치이고, 판두께 100~2000㎛가 바람직하다.
압전성 단결정 기판(1)의 붙임면, 가접합 기판(2)의 붙임면, 및 상세하게는 후술하는 지지 기판(3)의 붙임면은 랩(lap) 연마하는 등의 가공을 하여 모두 경면으로 하는 것이 바람직하다. 붙임면의 표면거칠기는 RMS로 1.0nm 이하가 바람직하다. RMS를 1.0nm 이하로 함으로써 이들 기판을 붙임에 의해 접합할 수 있다. 또한, RMS는 JIS B 0601：2013에 규정되는 제곱평균평방근 거칠기 Rq라고도 한다.
다음에, 도 1의 공정 (c)에 나타내듯이, 압전성 단결정 기판(1)의 붙임면과 가접합 기판(2)의 붙임면을 접합한다. 이 공정 (c)에 있어서의 접합 방법으로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 상온 접합법, 확산 접합법, 플라즈마 접합법, 표면 활성화 접합법 등의 직접 접합법을 사용해도 좋고, 접착제 등을 개재하여 접합해도 좋다. 이들 접합 방법 중, LT 기판이나 LN 기판의 압전성 단결정 기판(1)과, 단결정 실리콘 기판 등의 가접합 기판(2)에서는 열팽창계수의 차가 크기 때문에, 벗겨짐이나 결함 등이 발생하는 것을 억제하기 위해 상온 접합법을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 접착제를 사용하여 접합하는 경우, 예를 들면, UV 경화 아크릴계 접착제나 열경화성 변성 실리콘을 주성분으로 하는 접착제를 사용한다.
상온 접합법에서는 접합하기 전에, 압전성 단결정 기판(1)과 가접합 기판(2)의 일방 또는 양방의 붙임면에 표면 활성화 처리를 행한다. 표면 활성화 처리로서는 붙임면을 상온에서 접합할 수 있는 것이면 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 빔(beam) 조사 처리, 오존수 처리, UV 오존 처리 등을 들 수 있다. 빔 조사 처리의 경우, 빔원으로서는 예를 들면, 아르곤 등의 불활성 가스를 이온화하여 빔 상태로 한 이온빔이나, 아르곤 원자로서 빔화하는 고속 원자 빔 등을 들 수 있다. 빔 조사 처리의 분위기는 예를 들면, 진공 상태, 특히 고진공 상태로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 1의 공정 (d)에 나타내듯이, 가접합 기판(2)에 이온 주입층(11)을 남기고 압전성 단결정 기판(1)의 나머지 부분을 분리한다. 이에 의해 가접합 기판(2) 상에 이온 주입층(압전성 단결정막)(11)이 형성된 제1의 복합체(4)를 얻을 수 있다. 이 제1의 복합체(4)에서는 이온 주입층(11) 중 Li량의 감소가 없는 표층부(11a)가 가접합 기판(2)에 접합하고, Li량의 감소가 일어나고 있는 심층부(11b)가 노출된 상태로 되어 있다.
압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 분리하는 방법으로서는 예를 들면, 열처리, 기계적 충격, 제트 분사, 초음파 진동, 광조사의 어느 쪽이든 하나 또는 복수를 병용해도 좋다.
열처리에 의한 분리의 경우, 이온 주입층 내부에 있어서 주입한 수소 이온으로부터 미소한 기포를 형성시키기 때문에, 100℃ 이상 200℃ 이하에서 제1의 복합체(4)를 가열하는 것이 바람직하다. 가열 시간으로서는 50분 이상 100시간 이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 열처리에 의해 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 분리시킬 수 있다.
기계적 충격에 의한 분리의 경우, 예를 들면 쐐기 모양의 칼날 등의 기구(도시 생략)를 사용한다. 이러한 기구의 재질로서는 예를 들면, 플라스틱(예를 들면 폴리에테르에테르케톤)이나 금속, 산화지르코늄, 실리콘, 다이아몬드 등을 들 수 있다. 또, 기구의 형상으로서는 예각인 형상을 가지고 있으면 좋다. 기계적 충격에 의한 분리는 예를 들면, 제1의 복합체(4)의 측면으로부터 이온 주입층(11)의 단부에 기구를 접촉시켜 충격을 줌으로써, 그 반대 측의 단부를 향해 쪼개짐이 진행하여, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 박리시킬 수 있다.
제트 분사에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 기체 또는 액체의 유체의 제트를 사용한다. 기체 또는 액체의 유체의 제트는 예를 들면, 유속 10~1000L/min 정도의 고압 에어 또는 고압수의 제트를 사용하는 것이 바람직하다. 제트 분사에 의한 분리는 예를 들면, 제1의 복합체(4)의 측면으로부터 이온 주입층(11)의 단부에 연속적 또는 단속적으로 뿜어냄으로써, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 박리시킬 수 있다.
초음파 진동에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 초음파 커터 등의 초음파 진동하는 기구나, 초음파 세정기 등의 초음파 진동자를 구비한 수조를 사용한다. 초음파 진동하는 기구는 진동자에 의해 초음파를 인가할 수 있는 쐐기 형상의 칼날을 가지고 있고, 이 칼날을 제1의 복합체(4)의 측면으로부터 이온 주입층(11)의 단부에 접촉시킴으로써, 이온 주입층(11)을 취화시켜, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 박리시킬 수 있다. 이 경우의 초음파의 주파수로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 20~40kHz가 바람직하다. 초음파 진동자를 구비한 수조에서는 수조 중에 제1의 복합체(4)를 침지시켜 액체를 개재하여 초음파 진동을 이온 주입층(11)에 줌으로써, 이온 주입층(11)을 취화시켜, 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(11)과 그 나머지 부분으로 박리시킬 수 있다. 이 경우의 초음파의 주파수로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 26kHz~1.6MHz가 바람직하다. 수조에의 침지 시간은 예를 들면 1~60분간이 바람직하다.
광조사에 의한 분리의 경우, 예를 들면 가시광을 조사하는 것이 바람직하다. 압전성 단결정 기판(1)의 내부에 형성된 이온 주입 계면 근방이 아모퍼스화하고 있음으로써, 가시광의 흡수를 받기 쉽고, 에너지를 선택적으로 수용하기 쉽다고 하는 기구에 의해 이온 주입층을 취화시켜 박리할 수 있다. 가시광의 광원은 예를 들면, Rapid Thermal Annealer(RTA), 그린 레이저광, 또는 플래시 램프광 등이 바람직하다.
이와 같이 하여 압전성 단결정 기판(1)을 이온 주입층(압전성 단결정막)(11)과 그 나머지 부분으로 분리한 후, 필요에 따라 가접합 기판(2) 상의 압전성 단결정막(11)의 재분극 처리를 행해도 좋다. 재분극 처리는 제1의 복합체(4)에 전압을 인가함으로써 행해도 좋다. 그 외 공지의 재분극 처리를 행해도 좋다.
공정 (e)에서 준비하는 지지 기판(3)은 최종적으로 얻어지는 복합 기판(10)의 지지 기판으로 되는 것이고, 예를 들면, 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 스피넬, 탄화규소, 질화규소 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 재질의 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 가접합 기판(2)은 웨이퍼의 형상으로 사용되어도 좋다. 웨이퍼의 사이즈는 직경 2~12인치가 바람직하다. 지지 기판(3)의 붙임면은 상술한 것처럼, 랩 연마하는 등의 가공을 하여 경면으로 하는 것이 바람직하다.
또, 제1의 복합체(4)의 이온 주입층(11)의 노출면에 대해서도, 랩 연마하는 등의 가공을 하여 그 표면거칠기를 RMS로 1.0nm 이하로 해 두는 것이 바람직하다. 또, 이 연마에 의해 이온 주입층(압전성 단결정막)(11)의 두께를 조정할 수도 있다.
그리고, 도 1의 공정 (f)에 나타내듯이, 제1의 복합체(4)의 압전성 단결정막(11)의 노출면에 지지 기판(3)을 붙여 접합함으로써, 가접합 기판(2)과 압전성 단결정막(11)과 지지 기판(3)이 차례로 적층된 제2의 복합체(5)를 얻을 수 있다.
제1의 복합체(4)와 지지 기판(3)의 접합 방법은 지지 기판(3)의 재질에 따라, 예를 들면, 상온 접합법, 확산 접합법, 플라즈마 접합법, 표면 활성화 접합법 등의 직접 접합법을 사용한다. LT나 LN의 압전성 단결정막(11)과 지지 기판(3)에서 팽창계수의 차가 큰 경우, 벗겨짐이나 결함 등이 발생하는 것을 억제하기 위해 상온 접합법을 사용하는 것이 바람직하다. 상온 접합법에서는 상기의 공정 (c)와 마찬가지로, 제1의 복합체(4)의 압전성 단결정막(11)의 노출면과 지지 기판(3)의 붙임면의 일방 또는 양방에 표면 활성화 처리를 행한다. 표면 활성화 처리로서는 상기의 공정 (c)와 마찬가지로, 예를 들면 빔 조사 처리 등을 행한다.
그리고, 도 1의 공정 (g)에 나타내듯이, 제2의 복합체(5)의 압전성 단결정막(11)으로부터 가접합 기판(2)을 분리함으로써, 압전성 단결정막(11)이 노출되어, 지지 기판(3) 상에 압전성 단결정막(11)을 구비하는 복합 기판(10)을 얻을 수 있다. 이 분리 방법으로서는 예를 들면, 기계 가공, 제트 분사, 초음파 진동, 광조사, 약액 침지의 어느 쪽이든 하나 또는 복수를 병용해도 좋다.
기계 가공에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 연삭, 연마의 일방 또는 양방을 행한다. 연삭으로서는 예를 들면, 각종 번수의 숫돌을 사용하여 가접합 기판(2)의 노출면을 연삭한다. 연마로서는 예를 들면, 산화세륨 입자나 콜로이달 실리카 등을 함유하는 슬러리를 사용하여 가접합 기판(2)의 노출면을 연마한다(랩 연마라고도 불린다). 이에 의해 가접합 기판(2)을 압전성 단결정막(11) 상으로부터 제거할 수 있다.
제트 분사에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 기체 또는 액체의 유체의 제트를 사용한다. 기체 또는 액체의 유체의 제트는 예를 들면, 유속 10~1000L/min 정도의 고압 에어 또는 고압수의 제트를 사용하는 것이 바람직하다. 제트 분사에 의한 분리는 예를 들면, 제2의 복합체(5)의 측면으로부터, 가접합 기판(2)의 단부에 연속적 또는 단속적으로 뿜어냄으로써, 가접합 기판(2)을 압전성 단결정막(11)으로부터 분리시킬 수 있다.
초음파 진동에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 초음파 커터 등의 초음파 진동하는 기구나, 초음파 세정기 등의 초음파 진동자를 구비한 수조를 사용한다. 초음파 진동하는 기구는 진동자에 의해 초음파를 인가할 수 있는 쐐기 형상의 칼날을 가지고 있고, 이 칼날을 제2의 복합체(5)의 측면으로부터 가접합 기판(2)의 단부에 접촉시킴으로써, 가접합 기판(2)을 압전성 단결정막(11)으로부터 분리시킬 수 있다. 이 경우의 초음파의 주파수로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 20~40kHz가 바람직하다. 초음파 진동자를 구비한 수조에서는 수조 중에 제2의 복합체(5)를 침지시켜 액체를 개재하여 초음파 진동을 줌으로써, 가접합 기판(2)을 압전성 단결정막(11)으로부터 분리시킬 수 있다. 이 경우의 초음파의 주파수로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 26kHz~1.6MHz가 바람직하다. 수조에의 침지 시간은 예를 들면 1~60분간이 바람직하다.
광조사에 의한 분리의 경우, 예를 들면, 가시광을 조사하는 것이 바람직하다. 가접합 기판(2)과 압전성 단결정막(11)의 계면 근방이 아모퍼스화하고 있음으로써, 가시광의 흡수를 받기 쉽고, 에너지를 선택적으로 수용하기 쉽다고 하는 기구에 의해 분리할 수 있다. 가시광의 광원은 예를 들면, Rapid Thermal Annealer(RTA), 그린 레이저광, 또는 플래시 램프광 등이 바람직하다.
접착제를 사용하여 접합한 경우는 약액 침지에 의해 분리할 수 있다. 사용하는 약액으로서는 사용한 접착제의 경화의 태양에도 따르지만, 예를 들면 p－멘탄 등 탄화수소계 용매나, N－메틸피롤리돈, 디메틸폼아미드, 디메틸술폭시드 등의 극성 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 침지하는 시간은 1~10분이 바람직하고, 3~5분이 보다 바람직하다.
또, 분리 후 필요에 따라 압전성 단결정막(11)의 노출면을 SC－1 세정(암모니아수, 과산화수소수, 순수의 혼합액에 의한 세정)해도 좋고, 이에 의해 압전성 단결정막(11)의 노출면에 남은 실리콘 등의 가접합 기판(2)의 잔부를 산화, 에칭하여 제거할 수 있다.
이와 같이 하여 얻어진 지지 기판(3) 상에 압전성 단결정막(11)을 구비하는 복합 기판(10)은, 압전성 단결정막(11) 내 Li량의 감소가 일어나고 있는 심층부(11b)가 지지 기판(3)에 접합하고, Li량의 감소가 없는 표층부(11a)가 노출된 상태로 되어 있다. 이와 같이 압전성 단결정막(11)의 내부에서 Li량이 감소되어 있는 부분이 있어도, Li량의 감소가 없는 압전성 단결정막(11)의 표층부(11a)가 복합 기판(10)의 노출면 측에 위치하기 때문에, 압전체로서의 특성 열화를 억제할 수 있다. 또, 압전성 단결정 기판(1)의 이온 주입층(11)을 다량으로 연마하지 않고, 지지 기판(3) 상에 압전성 단결정막(11)을 형성하고 있으므로 막두께 균일성이 좋다.
도 1을 사용하여 본 실시의 형태의 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법에 대해 설명해 왔지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 상술한 공정 일부의 순서를 바꾸거나 다른 공정을 새로이 집어넣거나 하는 등의 많은 개변(改變)을 채용할 수 있다. 예를 들면, 가접합 기판(2)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용하는 경우, 가접합 기판(2)을 압전성 단결정 기판(1)에 접합하기 전에, 가접합 기판(2)의 붙임면에 이온 주입 처리를 하여 이온 주입층을 형성하는 공정을 행해도 좋다. 이와 같이 단결정 실리콘으로 이루어지는 가접합 기판(2)에 이온 주입층을 형성함으로써, 가접합 기판(2)을 분리하는 공정 (g)에 있어서, 공정 (d)와 마찬가지의 열처리, 기계적 충격, 제트 분사, 초음파 진동, 광조사의 어느 쪽이든 하나 또는 복수를 병용함으로써, 가접합 기판(2)의 이온 주입층을 제2의 복합체(5)의 압전성 단결정막(11)에 남기고 가접합 기판(2)의 나머지 부분을 제2의 복합체(5)로부터 분리시킬 수 있다.
가접합 기판(2)에의 이온 주입 처리는 이온종으로서 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 어느 쪽이든 일방 또는 양방을 사용해도 좋다. 이온 주입량은 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 2.0×1017atoms/cm2 이하가 바람직하다.
이러한 가접합 기판(2)의 분리를 행한 경우, 압전성 단결정막(11) 상에 가접합 기판(2)의 이온 주입층이 남는다. 이 가접합 기판(2)의 이온 주입층에 대해서는, 제거해도 좋고 남겨 두어도 좋다. 제거하는 경우, SC－1 세정을 행함으로써, 가접합 기판(2)의 이온 주입층을 산화, 에칭하여 제거할 수 있다. 한편, 복합 기판(10)의 용도에 따라서는 가접합 기판(2)의 이온 주입층을 단결정 실리콘막으로서 남겨 두어도 좋다. 이 경우, 얻어지는 복합 기판은 지지 기판과 압전성 단결정막과 단결정 실리콘막이 차례로 적층된 복합 기판을 얻어도 좋다.
실시예
이하에, 실시예 및 비교예에 대해 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
［실시예 1］
압전성 단결정 기판으로서 400㎛의 두께를 가지는 일면 경면의 42о 회전 Y컷의 LiTaO3 기판(콩그루언트(congruent) 조성： Li량 48.5%)과, 가접합 기판으로서 400㎛의 두께를 가지는 일측 경면의 단결정 실리콘 기판과, 지지 기판으로서 400㎛의 두께를 가지는 일측 경면의 사파이어 기판을 준비하였다. 이들 3개의 기판의 경면 측의 표면거칠기가 RMS로 1.0nm 이하인 것을 확인하였다. 그 후 LT 기판의 경면 측에 수소 이온(H＋)을 도스량 1×1017atoms/cm2, 가속 전압 160KeV의 조건으로 이온 주입 처리를 하여 이온 주입층을 형성하였다.
다음에, LT 기판과 단결정 실리콘 기판을 비특허문헌의 「Takagi H. et al, “Room-temperature wafer bonding using argon beam activation” From Proceedings-Electrochemical Society (2001), 99-35 (Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications V), 265-274」에 기재된 상온 접합법에 의해 접합하여 접합 기판을 제작하였다. 구체적으로는 고진공의 챔버 내에 세정한 기판을 세트하고, 이온빔을 중성화한 아르곤의 고속 원자 빔을 기판 경면에 조사하여 활성화 처리를 행한 후, 활성화 처리한 LT 기판과 실리콘 기판의 경면끼리를 접합하였다. 이 접합 기판을 120℃로 가열하여, LT 기판의 이온 주입층을 실리콘 기판 측에 남기고 LT 기판의 나머지 부분을 접합 기판으로부터 박리하였다. 그 결과 실리콘 기판 상에 900nm 두께의 박화한 LT막(압전성 단결정막)이 남은 LT on 실리콘의 제1의 복합체를 제작하였다.
이어서, 이 제1의 복합체에 650℃, 300V의 조건으로 전압을 인가하여 재분극한 후, LT막의 노출면을 연마하여 표면으로부터 30nm의 두께를 제거하고, 표면거칠기를 RMS로 1.0nm 이하로 하였다. 그리고, 지지 기판으로서 준비한 사파이어 기판과 상온 접합법에 의해 접합하여, 사파이어/LT/단결정 실리콘의 제2의 복합체를 얻었다. 이 제2의 복합체의 단결정 실리콘 기판 부분을 연삭 연마와 SC－1 세정에 의해 제거함으로써 LT on 사파이어의 복합 기판을 제작하였다.
이와 같이 하여 얻어진 LT on 사파이어의 복합 기판에 대해, 레이저 라만 분광 측정 장치(HORIBA Scientific사제 LabRam HR 시리즈, He－Ne 이온 레이저, 스폿 사이즈 1㎛, 실온)를 사용하여, Li량의 지표로 되는 600cm－1 부근의 라만 쉬프트 피크의 반값폭(FWHM1)을 측정하고, 측정한 반값폭으로부터 상기의 수식 1을 사용하여 Li 농도를 산출하였다. 그 결과 LT막의 노출면(초기의 LT 기판의 이온 주입면)의 Li량은 48.5%였다. 초기의 LT 기판의 Li량으로부터 감소가 없는 것을 확인하였다.
［실시예 2］
단결정 실리콘 기판의 경면 측에도 수소 이온(H＋)을 도스량 1.25×1017atoms/cm2, 가속 전압 130KeV의 조건으로 이온 주입 처리를 한 것을 제외하고 실시예 1과 마찬가지로 하여, LT 기판과 단결정 실리콘 기판을 준비하고, 이온 주입 처리를 하고, LT 기판과 실리콘 기판을 상온 접합법에 의해 접합하여 접합 기판을 얻었다. 그리고, 이 접합 기판을 실시예 1과 마찬가지로 가열하여, LT 기판의 이온 주입층을 단결정 실리콘 기판 측에 남기고 LT 기판의 나머지 부분을 접합 기판으로부터 박리함으로써, 단결정 실리콘 기판 상에 900nm 두께의 박화한 LT막이 남은 LT on 실리콘의 제1의 복합체를 제작하였다.
이어서, 이 LT on 실리콘의 복합 기판에 200℃, 300V의 조건으로 전압을 인가하여 재분극한 후, LT막의 노출면을 연마하여 표면으로부터 30nm의 두께를 제거하고, 표면거칠기를 RMS로 1.0nm 이하로 하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지로 사파이어 기판과 상온 접합법에 의해 접합하여 사파이어/LT/실리콘의 제2의 복합체를 얻었다. 이 제2의 복합체를 300℃에서 가열하여, 단결정 실리콘 기판의 이온 주입층을 LT막 측에 남기고 단결정 실리콘 기판의 나머지 부분을 제2의 복합체로부터 박리하였다. 그리고, LT막 상에 남은 두께 300nm의 실리콘 잔막을 SC－1 세정에 의해 제거함으로써 LT on 사파이어의 복합 기판을 제작하였다.
이와 같이 하여 얻어진 LT on 사파이어의 복합 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지로 레이저 라만 분광 측정 장치로 LT막의 Li량을 측정한 바, LT막의 노출면(초기의 LT 기판의 이온 주입면)의 Li량은 48.5%이고, 초기의 LT 기판의 Li량으로부터 감소가 없는 것을 확인하였다.
［비교예］
실시예 1과 마찬가지의 LT 기판과 실리콘 기판을 준비하고, LT 기판의 경면 측에 수소 이온(H＋)을 도스량 1×1017atoms/cm2, 가속 전압 160KeV의 조건으로 이온 주입 처리를 함과 아울러, LT 기판과 실리콘 기판을 상온 접합법에 의해 접합하고, 이 접합 기판을 120℃로 가열하여, LT 기판을 이온 주입층을 따라 분리함으로써 실리콘 기판 상에 900nm 두께의 박화한 LT막이 남은 LT on 실리콘의 복합 기판을 제작하였다.
이와 같이 하여 얻어진 LT on 실리콘의 복합 기판의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관찰하였다. 그 결과의 TEM 화상을 도 2에 나타낸다. 또, 이 LT on 실리콘의 복합 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지로 레이저 라만 분광 측정 장치로 LT막의 Li량을 측정하였다. 그 결과에 대해, 도 2에 나타내는 TEM 화상을 참조하여 설명하면, 지지 기판(23) 상의 LT막(21)의 노출면(22)(이온 주입층의 분리 계면)의 Li량은 48.0%이고, 실시예 1, 2와 달리 초기의 LT 기판보다 Li량이 감소되어 있는 것을 알 수 있었다. 비교예에서는 LT막(21)의 이온 주입면이 지지 기판(23)과 접합하고 있고, 이온 주입 측의 표층부(21a)가 지지 기판(23) 측에 위치하고, 심층부(21b)가 노출된 상태로 되어 있다. 실제, LT막(21)의 노출면(22)으로부터 약 300nm 깊이의 층에 있어서 Li량이 감소되어 있고(도 2의 심층부(21b)), 한편, 그곳으로부터 지지 기판(23)까지의 약 650nm 두께의 층에 있어서는 Li량의 감소가 없었다(도 2의 표층부(21a)).
1 압전성 단결정 기판
11 이온 주입층
11a 표층부
11b 심층부
2 가접합 기판
3 지지 기판
4 제1의 복합체
5 제2의 복합체
10 복합 기판
20 복합 기판(비교예)
21 LT막
21a 표층부
21b 심층부
22 분리 계면
23 지지 기판

Claims (8)

  1. 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법으로서,
    탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 이루어지는 압전성 단결정 기판의 일방 면에 대해 이온 주입 처리를 행하여, 상기 압전성 단결정 기판의 내부에 이온 주입층을 형성하는 공정으로서, 상기 이온 주입 처리의 이온종이 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 적어도 일방을 포함하고, 이온 주입량이 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 3.0×1017atoms/cm2 이하인 공정과,
    상기 압전성 단결정 기판의 상기 이온 주입층이 형성된 면과 가접합 기판을 접합하는 공정과,
    상기 압전성 단결정 기판을 상기 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하여, 상기 가접합 기판 상에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 압전성 단결정막을 형성하는 공정과,
    상기 압전성 단결정막의 상기 가접합 기판의 접합면과 대향하는 면에 지지 기판을 접합하는 공정과,
    상기 가접합 기판의 일부 또는 전부를 상기 압전성 단결정막으로부터 분리하는 공정을 포함하는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가접합 기판이 단결정 실리콘 기판인 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가접합 기판의 상기 압전성 단결정 기판의 접합면에 대해 이온 주입 처리를 행하여, 상기 가접합 기판의 내부에 이온 주입층을 형성하는 공정을 더 포함하고,
    상기 가접합 기판의 일부를 상기 압전성 단결정막으로부터 분리하는 것이, 상기 가접합 기판을 상기 가접합 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리함으로써 행해져, 상기 압전성 단결정막 상에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 단결정 실리콘막을 형성하는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가접합 기판에의 이온 주입 처리는, 이온종이 수소 원자 이온(H＋) 및 수소 분자 이온(H2 ＋)의 적어도 일방을 포함하고, 이온 주입량이 수소 원자 이온(H＋) 환산으로 1.0×1016atoms/cm2 이상 2.0×1017atoms/cm2 이하이고, 상기 가접합 기판에의 이온 주입량은 상기 압전성 단결정 기판에의 이온 주입량보다 적게 하는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가접합 기판을 상기 가접합 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하는 것이, 열처리, 기계적 충격, 제트 분사, 초음파 진동 및 광조사로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해지는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 기판의 재질이 유리, 실리콘, 석영, 사파이어, 스피넬, 탄화규소, 질화규소 및 질화알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 단결정 기판의 이온 주입층과 그 나머지 부분으로 분리하는 것이, 열처리, 기계적 충격, 제트 분사, 초음파 진동 및 광조사로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해지는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
  8. 제1항, 제2항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가접합 기판의 전부를 압전성 단결정막으로부터 분리하는 것이, 기계 가공, 제트 분사, 초음파 진동, 광조사 및 약액 침지로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나에 의해 행해지는 압전성 단결정막을 구비한 복합 기판의 제조 방법.
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