TW202012343A - 壓電性單晶基板與支持基板的接合體 - Google Patents
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Abstract
本發明之目的係在由鈮酸鋰等形成之壓電性單晶基板1(1A)與支持基板3的接合體中，抑制加熱時之接合體的翹曲。
為達上述目的，接合體8(8A)具有：支持基板3；壓電性單晶基板1(1A)，其由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質形成；及非晶質層7，其存在於支持基板3與壓電性單晶基板1(1A)之間，且包含選自於由鈮及鉭構成之群組中之一種以上的金屬原子、構成支持基板3的原子及氬原子。非晶質層7之中央部的氬原子濃度比非晶質層7之周緣部的氬原子濃度高。
Description
本發明係關於壓電性單晶基板與支持基板的接合體。
為實現高性能之半導體元件，廣泛地使用由高電阻Si/SiO2
薄膜/Si薄膜形成之SOI基板。實現SOI基板時使用電漿活性化。這是因為可在比較低溫(400℃)接合。為提高壓電裝置之特性，有人提出由類似之Si/SiO2
薄膜/壓電薄膜形成的複合基板(專利文獻1)。在專利文獻1中，使由鈮酸鋰及鉭酸鋰等形成之壓電性單晶基板及設有氧化矽層之矽基板藉由離子植入法活性化後接合。
此外，所謂FAB(快速原子束(Fast Atom Beam))方式之直接接合法亦是習知的。在該方法中，在常溫下將中性化原子束照射在各接合面上使其活性化，接著直接接合(專利文獻2)。
在專利文獻3中，藉由中性化原子束使矽基板之表面及鉭酸鋰基板之表面表面活性化後，藉由接合各表面，沿著矽基板與鉭酸鋰基板之界面產生包含鉭、矽、氬及氧之非晶質層。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2016-225537號公報
[專利文獻2]日本特開2014-086400號公報
[專利文獻3]WO 2017/134980A1
彈性波濾波器使用之鉭酸鋰、鈮酸鋰單晶基板的導熱率小。因為最近發送功率隨著通訊量增大而增加，由模組化之周邊元件發熱，所以彈性波濾波器位於容易高溫化之環境中。結果，由壓電單晶單板形成之彈性波濾波器無法使用在高性能通訊終端中。
另一方面，在藉由FAB(快速原子束(Fast Atom Beam))方式將中性化原子束照射在壓電性單晶基板之接合面及支持基板之接合面並直接接合兩者的方法中，因為熱可散逸至支持基板側，所以散熱性比由壓電性單晶單板形成之彈性波濾波器高。但是，施加大約80℃之高溫至壓電性單晶基板與支持基板之接合體時產生翹曲。這考慮是由於壓電性單晶基板與支持基板間之熱膨脹差而對壓電性單晶基板之結晶面施加大應力的緣故。
本發明之目的係在由鈮酸鋰等形成之壓電性單晶基板與支持基板的接合體中，抑制加熱時之接合體的翹曲。
本發明之接合體具有：
支持基板；
壓電性單晶基板，其由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質形成；及
非晶質層，其存在於前述支持基板與前述壓電性單晶基板之間，且包含選自於由鈮及鉭構成之群組中之一種以上的金屬原子、構成前述支持基板的原子及氬原子，
其特徵為：前述非晶質層之中央部的前述氬原子濃度比前述非晶質層之周緣部的前述氬原子濃度高。
本發明人嘗試對壓電性單晶基板之接合面及支持基板之接合面照射氬原子束，使各接合面活性化，接著接合活性化之接合面。此時，沿著壓電性單晶基板與支持基板之界面產生薄非晶質層。但是，加熱如此製得之接合體時，接合體產生翹曲。
因此，本發明人檢討翹曲之原因，想到可能因為壓電性單晶基板與支持基板之熱膨脹差產生翹曲。在壓電性單晶基板與支持基板之接合界面吸收因如此熱膨脹差產生之翹曲在構造上是困難的。
在此，本發明人在沿著壓電性單晶基板與支持基板之接合界面產生非晶質層時，藉由變更例如氬原子束之射出口構造，並藉由提高接合界面之中央部的氬原子束能量強度，使非晶質層之中央部的氬濃度比周緣部的氬濃度高，接著檢討對加熱時之接合體翹曲的影響。結果，確認加熱接合體時之翹曲顯著地減少。
雖然其理由不明確，但藉由設置非晶質層之中央部的氬濃度為相對高濃度的面內分布，非晶質層之厚度的面內分布調整成中央部更厚。結果，考慮緩和加熱時施加至壓電性單晶之應力，藉此抑制加熱時之接合體的翹曲。
以下，參照適當圖式詳細地說明本發明。
首先，如圖1(a)所示地，準備具有一對主面1a、1b之壓電性單晶基板1。接著，如圖1(b)所示地，對壓電性單晶基板1之接合面1a如箭號A所示地照射氬原子束，藉此製得表面活性化之接合面5。
另一方面，如圖2(a)所示地，準備具有表面3a之支持基板3。接著，如圖2(b)所示地，對支持基板之表面3a如箭號B所示地照射氬原子束而表面活性化，藉此形成活性化之接合面6。
接著，使壓電性單晶基板1上之活性化的接合面5與支持基板3之活性化的接合面6接觸並直接接合，藉此可製得圖3(a)所示之接合體8。在此，支持基板3之接合面6與壓電性單晶基板1之接合面5之間生成非晶質層7。
在該狀態下，可在壓電性單晶基板1上設置電極。但是，較佳地，如圖3(b)所示地，加工壓電性單晶基板1之主面1b而使基板1薄化，藉此製得薄板化之壓電性單晶基板1A。9係加工面。接著，如圖3(c)所示地，在接合體8A之壓電性單晶基板1A的加工面9上形成預定之電極10，藉此可製得彈性波元件11。
(非晶質層)
在本發明中，在支持基板3與壓電性單晶基板1、1A之間設置非晶質層7。該非晶質層7包含選自於由鈮及鉭構成之群組中之一種以上的金屬原子、構成支持基板3的原子及氬原子。
選自於由鈮及鉭構成之群組中之一種以上的金屬原子可為單獨鈮或單獨鉭，亦可為鈮及鉭兩者。非晶質層7包含鈮及鉭兩者時，前述金屬原子之濃度係鈮濃度及鉭濃度之合計值。
此外，構成支持基板3之原子為單一種時，構成非晶質層7之前述原子亦為單一種。存在多數構成支持基板3之原子時，構成支持基板3之原子係其中一種或多數種。但是，構成支持基板3之原子係除了鈮、鉭、氧以外之原子。
在本發明中，使非晶質層7之中央部的氬原子濃度比非晶質層之周緣部的氬原子濃度高。在此，在本說明書中，非晶質層7之中央部意味用平面圖觀察非晶質層7時之非晶質層7的中心。此外，非晶質層7之周緣部係測量由非晶質層7之端部(邊緣)朝中心方向為5至10mm之距離環狀區域內3個地方且採用其平均值。
由接合強度之觀點來看，非晶質層7之中央部的氬原子濃度宜為2.0原子%以上，且2.4原子%以上更佳。此外，非晶質層7之中央部的氬原子濃度通常係5.0原子%以下，且宜為4.8原子%以下。
由接合強度之觀點來看，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度宜為2.0原子%以上，且2.7原子%以上更佳。此外，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度通常係5.0原子%以下，且宜為4.7原子%以下。
由減少加熱時之接合體8、8A翹曲的觀點來看，非晶質層7之中央部的氬原子濃度與周緣部的氬原子濃度的差宜為1.0原子%以上，且1.5原子%以上更佳。
在較佳實施形態中，非晶質層7之前述金屬原子的濃度係40至50原子%，且更佳的是41.8至46.7原子%。
在非晶質層7中，構成支持基板3之原子係鉭、鈮、氧原子以外的原子。該原子宜為矽。構成支持基板3之原子的濃度宜為25至40原子%，且28.3至38.1原子%更佳。
在較佳實施形態中，非晶質層7含有氧原子。此時，氧原子之濃度宜為15至21原子%，且17.1至20.2原子%更佳。
在較佳實施形態中，非晶質層7之中央部的厚度比非晶質層7之周緣部的厚度大。因此，進一步減少加熱接合體時之翹曲。由如此之觀點來看，非晶質層7之中央部的厚度與非晶質層7之周緣部的厚度的差宜為1.0nm以上，且1.5nm以上更佳。
此外，非晶質層7之中央部的厚度宜為5至8nm，且5.9至6.8nm更佳。此外，非晶質層7之周緣部的厚度宜為4至5nm，且4.4至4.9nm更佳。
此外，非晶質層7之存在可如下地確認。
測量裝置：
使用穿透式電子顯微鏡(Hitachi High-Technologies公司製 H-9500)觀察微構造。
測量條件：
藉由FIB(聚焦離子束)法對薄片化之樣本用加速電壓200kV觀察。
非晶質層7之各原子的濃度可如下地確認。
測量裝置：
使用元素分析裝置(日本電子 JEM-ARM200F)進行元素分析。
測量條件：
藉由FIB(聚焦離子束)法對薄片化之樣本用加速電壓200kV觀察。
支持基板3之材質沒有特別限制，但可使用Si、SiC、GaN等之高導熱性的半導體、及AlN及SiC等之陶瓷等。
本發明使用之壓電性單晶基板1(1A)係鉭酸鋰(LT)單晶、鈮酸鋰(LN)單晶、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體。因為這些壓電性單晶基板之彈性波的傳播速度快且電氣機械結合係數大，所以適合作為高頻且寬頻頻率用之彈性表面波裝置。
此外，壓電性單晶基板1(1A)之主面的法線方向沒有特別限制，但例如壓電性單晶基板1(1A)由LT形成時，最好因傳播損失小而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Y軸朝Z軸旋轉32至55°之方向，即用歐拉角(Eulerian angle)表示為(180°、58至35°、180°)者。壓電性單晶基板1(1A)由LN形成時，(i)最好因電氣機械結合係數大而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Z軸朝-Y軸旋轉37.8°之方向，即用歐拉角表示為(0°、37.8°、0°)者，或(ii)最好因可獲得高音速而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Y軸朝Z軸旋轉40至65°之方向，即用歐拉角表示為(180°、50至25°、180°)者。另外，壓電性單晶基板1(1A)之大小沒有特別限制，但例如直徑可為100至200mm且厚度可為0.15至1mm。
由彈性波元件11之性能的觀點來看，壓電性單晶基板1A之厚度宜為20μm以下。另一方面，由接合體8(8A)容易處理之觀點來看，支持基板3之厚度宜為150μm以上，且230μm以上更佳。另一方面，支持基板3厚時，接合體8(8A)整體之熱阻高，因此宜為750μm以下，且675μm以下更佳。
較佳地，將氬原子束A、B照射在壓電性單晶基板1之表面1a及支持基板3之表面3a上，使各表面1a、3a活性化。
藉由氬原子束進行表面活性化時，宜使用如日本特開2014-086400記載之裝置產生氬原子束並進行照射。即，使用鞍形場型之高速原子束源作為束源。接著，將惰性氣體導入腔室中，由直流電源施加高電壓至電極。藉此，藉由電極(正極)與框體(負極)間產生之鞍形場型電場，電子e運動而產生氬原子及離子束。到達柵極之束中，離子束被柵極中和，因此由高速原子束源射出氬原子束。藉由束照射活性化時之電壓宜為0.5至2.0kV，且電流宜為50至200mA。
將高速原子束照射至壓電性單晶基板1及支持基板3時，使用前述柵極具有孔之直徑、方向、斜度分布使得較多之束照射在中央部者。具體而言，柵極中央部30mm見方之部分使用將束照射在柵極孔之射入側中心與射出側中間的延長線上且到達基板的中央部者，且柵極中央部30mm見方之部分的柵極孔大小比其他部分的柵極孔大15至30%。或者，藉由只在柵極中央部30mm之區域中使Ar氣體之流量多40%，亦可設置束照射量之分布。但是，本發明不限於上述方法，只要結果束照射在中央部比周緣部多之方法即可。
接著，在真空環境中，使活性化面5、6接觸並接合。此時之溫度係常溫，但具體而言宜為40℃以下，且30℃以下更佳。此外，接合時之溫度以20℃以上、25℃以下為特佳。接合時之壓力宜為100至20000N。
在較佳實施形態中，在照射氬原子束前，對壓電性單晶基板1之表面1a及支持基板3之表面3a進行平坦化加工。使各表面1a、3a平坦化之方法包括研磨具(lap)拋光、化學機械拋光加工(CMP)等。此外，平坦面之Ra宜≦1nm且為0.3nm以下更佳。
然後，宜藉由進行退火處理，使接合強度提高。退火處理時之溫度宜為100℃以上、300℃以下。
本發明之接合體8、8A可合適地使用於彈性波元件11。
彈性表面波裝置、藍姆(lamb)波元件及薄膜體聲波共振器(FBAR)等作為彈性波元件11是習知的。例如，彈性表面波裝置在壓電性單晶基板之表面上設置激發彈性表面波之輸入側的IDT(交指狀轉換器(Interdigital Transducer))電極(亦稱為梳形電極、指叉電極)及接收彈性表面波之輸出側的IDT電極。將高頻信號施加至輸入側之IDT電極時，在電極間產生電場，接著彈性表面波被激發並在壓電性單晶基板上傳播。接著，可由設在傳播方向之輸出側的IDT電極取出傳播之彈性表面波作為電信號。
構成壓電性單晶基板1A上之電極10的材質宜為鋁、鋁合金、銅、金，且鋁或鋁合金更佳。鋁合金宜使用在Al中混合0.3至5重量%之Cu者。此時，可使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta來取代Cu。
[實施例]
(實施例1)
依據參照圖1至圖3說明之方法，製成圖3(b)所示之接合體8A。
具體而言，準備厚度為0.25mm且兩面拋光成鏡面之42Y切割的黑色LiTaO3
(LT)基板(壓電性單晶基板)1及厚度為0.23mm之高電阻(≧2kΩ．cm)Si基板(支持基板)3。基板大小均為100mm。接著，分別清洗壓電性單晶基板1之表面1a及支持基板3之表面3a，由該表面去除粒子。
接著，使壓電性單晶基板1之表面1a及支持基板3之表面3a分別地表面活性化。具體而言，將兩基板導入超高真空腔室中，接著藉由氬原子束使各表面表面活性化50秒鐘。此時，使用柵極孔徑只在中央部30mm見方區域大20%使得氬原子束大多數照射在各表面1a、3a之中央部的柵極。
接著在室溫下使兩基板之活性化接合面5、6接觸。使壓電性單晶基板1側朝上並接觸且施加200kgf之負載。接著，由腔室取出接合體8，為增加接合強度，投入氮環境之烘箱並在120℃下保持10小時，製得接合體8。
接著，研磨、拋光加工製得之接合體8的壓電性單晶基板1，最終製得壓電性單晶基板1A之厚度為20μm的接合體8A。
在此，如前所述地測量壓電性單晶基板1A與支持基板3之接合界面的非晶質層7中的各原子濃度及非晶質層7的厚度。測量結果顯示於表1及下述說明中。此外，在80℃下加熱製得之接合體，接著測量SORI之大小。在此，SORI之測量使用KEYENCE製雷射位移計LK-G5000，測量裝載在可動平台上之晶圓的高度資訊，接著在直線上進行掃描測量。測量係在與基板之定向平面水平之方向及垂直之方向的2直線上進行，且SORI值大之一方為晶圓之SORI。
鉭：46.7原子%(中央部)、42.1原子%(周緣部)
矽：28.3原子%(中央部)、38.0原子%(周緣部)
氧：20.2原子%(中央部)、17.2原子%(周緣部)
氬：4.8原子%(中央部)、2.7原子%(周緣部)
【表1】 
(實施例2)
與實施例1同樣地製成接合體8A並進行評價。但是，壓電性單晶基板1、1A之材質為鈮酸鋰(LN)單晶。結果顯示於表1及以下說明中。
鈮：45.7原子%(中央部)、41.8原子%(周緣部)
矽：33.0原子%(中央部)、38.1原子%(周緣部)
氧：17.1原子%(中央部)、17.4原子%(周緣部)
氬：4.2原子%(中央部)、2.7原子%(周緣部)
(比較例1)
與實施例1同樣地製成接合體8A並進行評價。但是，在本例中，使中央部及周緣部之氬原子束射出口的柵極孔徑相同，藉此可將氬原子束大致均等地照射在接合體8A之各接合面整體上。結果顯示於表1及以下說明中。
鉭：41.5原子%(中央部)、42.2原子%(周緣部)
矽：38.4原子%(中央部)、37.6原子%(周緣部)
氧：17.7原子%(中央部)、17.6原子%(周緣部)
氬：2.4原子%(中央部)、2.6原子%(周緣部)
(比較例2)
與比較例1同樣地製成接合體8A並進行評價。但是，在本例中，使氬原子束之照射量增大至360kJ。結果顯示於表1及以下說明中。
鉭：46.0原子%(中央部)、46.7原子%(周緣部)
矽：31.9原子%(中央部)、30.4原子%(周緣部)
氧：17.4原子%(中央部)、18.2原子%(周緣部)
氬：4.7原子%(中央部)、4.7原子%(周緣部)
如表1所示地，在比較例1中，非晶質層7之中央部的氬原子濃度係2.4原子%，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度係2.6原子%，非晶質層7之中央部的厚度係4.5nm，且非晶質層7之周緣部的厚度係4.2nm，但80℃加熱時之SORI係650μm。
在比較例2中，非晶質層7之中央部的氬原子濃度係4.7原子%，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度係4.7原子%，非晶質層7之中央部的厚度係5.8nm，且非晶質層7之周緣部的厚度係5.5nm，但80℃加熱時之SORI係600μm，相對比較例改善不多。
在實施例1中，非晶質層7之中央部的氬原子濃度係4.8原子%，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度係2.7原子%，非晶質層7之中央部的厚度係5.9nm，且非晶質層7之周緣部的厚度係4.4nm，但80℃加熱時之SORI減少至320μm。
在實施例2中，非晶質層7之中央部的氬原子濃度係4.2原子%，非晶質層7之周緣部的氬原子濃度係2.7原子%，非晶質層7之中央部的厚度係6.8nm，且非晶質層7之周緣部的厚度係4.9nm，但80℃加熱時之SORI減少至300μm。
1、1A:壓電性單晶基板
1a:主面；接合面；表面
1b:主面
3:支持基板
3a:表面
5、6:接合面
7:非晶質層
8、8A:接合體
9:加工面
10:電極
11:彈性波元件
A、B:箭號(氬原子束)
[圖1](a)顯示壓電性單晶基板1，且(b)顯示將氬原子束A照射在壓電性單晶基板1之表面1a而產生活性化面5的狀態。
[圖2](a)顯示支持基板3，且(b)顯示對支持基板3之表面3a照射氬原子束B的狀態。
[圖3](a)顯示壓電性單晶基板1與支持基板3之接合體8，(b)顯示藉由加工使接合體8A之壓電性單晶基板1薄化的狀態，且(c)顯示彈性波元件11。
1、1A:壓電性單晶基板
1b:主面
3:支持基板
5、6:接合面
7:非晶質層
8、8A:接合體
9:加工面
10:電極
11:彈性波元件
Claims (4)
- 一種接合體，具有： 支持基板； 壓電性單晶基板，由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質形成；及 非晶質層，存在於該支持基板與該壓電性單晶基板之間，且包含選自於由鈮及鉭構成之群組中之一種以上的金屬原子、構成該支持基板的原子及氬原子； 其特徵為：該非晶質層之中央部的該氬原子之濃度比該非晶質層之周緣部的該氬原子之濃度高。
- 如申請專利範圍第1項之接合體，其中，該非晶質層之該中央部的厚度比該非晶質層之該周緣部的厚度大。
- 如申請專利範圍第1或2項之接合體，其中，該支持基板由矽形成。
- 如申請專利範圍第1或2項之接合體，其中，該壓電性單晶基板之厚度係50μm以下。
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