TW202209416A

TW202209416A - 接合基板

Info

Publication number: TW202209416A
Application number: TW110114372A
Authority: TW
Inventors: 楢原賢英; 梶原光広; 栗田雅紀; 清水陽介
Original assignee: 日商京瓷股份有限公司
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-03-01
Also published as: WO2021215466A1

Abstract

本揭示之接合基板係由支持基板以及壓電基板隔著非晶質層接合而成者，其中該支持基板係由單晶矽所構成，該壓電基板係由鉭酸鋰或鈮酸鋰的單晶所構成。非晶質層係包含位於支持基板側之第一非晶質層以及位於壓電基板側之第二非晶質層，第二非晶質層係含有矽原子，該矽原子以層內之複數個測定點的平均值計為鉭原子或鈮原子的1/3以上。

Description

接合基板

本發明係關於應用在表面聲波元件的製作之壓電基板與支持基板之接合基板。

表面聲波(Surface Acoustic Wave；SAW)元件係利用接合了壓電基板與支持基板之接合基板而製作，該壓電基板係例如鉭酸鋰(LT：Lithium Tantalate)、鈮酸鋰(LN：Lithium Niobate)等之壓電基板，該支持基板係例如矽之支持基板。接合此等基板時，已知若欲施以熱處理，會由於兩基板之膨脹係數的差而產生基板的翹曲、剝離、破裂等。為了避免此問題，曾提案一種可於剛貼合之後得到高結合強度之常溫接合。

亦即，常溫接合中，對於壓電基板的表面與支持基板的表面照射高速氬(Ar)中性原子束，使兩表面活性化之後，將壓電基板的表面與支持基板的表面貼合而接合。此時，會於接合界面附近形成含有Ar之非晶質層。

專利文獻1至3係記載了接合界面的非晶質層含有Ar，且藉由規定其含量而可製作接合強度高之接合基板之技術。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利公報特許第6549054號

[專利文獻2]日本專利公報特許第5583875號

[專利文獻3]日本專利公報特許第5583876號

本發明之接合基板係由支持基板以及壓電基板隔著非晶質層接合而成者，其中該支持基板係由單晶矽所構成，該壓電基板係由鉭酸鋰或鈮酸鋰的單晶所構成。非晶質層係包含位於支持基板側之第一非晶質層以及位於壓電基板側之第二非晶質層，第二非晶質層係含有矽原子，該矽原子以層內之複數個測定點的平均值計為鉭原子或鈮原子的1/3以上。

1:接合基板

2:支持基板

3:壓電基板

4:非晶質層

21:第一非晶質層

31:第二非晶質層

5:接合界面

圖1係示意顯示本發明之接合基板之剖面圖。

圖2係從高速原子束(Fast atom beam；Fab)槍以照射能量60KJ照射高速Ar中性原子束所製作之本發明的一實施型態之接合基板之穿透型電子顯微鏡(以下稱為TEM(Transmitting Electron Microscope))照片。

圖3係顯示圖2所示之接合基板之能量分散型X射線光譜分析(以下稱為EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy))的分析結果之圖表。

圖4係從Fab槍以照射能量30KJ照射高速Ar中性原子束所製作之本發明的一實施型態之接合基板之TEM照片。

圖5係顯示圖4所示之接合基板之EDS的分析結果之圖表。

圖6係從Fab槍以照射能量15KJ照射高速Ar中性原子束所製作之本發明的比較例1之接合基板之TEM照片。

圖7係顯示圖6所示之接合基板之EDS的分析結果之圖表。

以下參照圖式來說明本發明之接合基板。圖1係示意顯示本發明之接合基板之剖面圖。

圖1所示之本實施型態之接合基板1係具有由支持基板2與壓電基板3隔著形成於支持基板2與壓電基板3之間之非晶質層4接合而成之構造，其中，支持基板2係由矽的單晶所構成者，壓電基板3係由鉭酸鋰(LT)或鈮酸鋰(LN)的單晶所構成者。

支持基板2係於接合基板1中支持薄膜的壓電基板3。支持基板2的熱膨脹係數係小於壓電基板3的熱膨脹係數。支持基板2係使用單晶矽基板。

壓電基板3係設於支持基板2的表面上。壓電基板3係受到支持基板2支持之薄膜狀的壓電材料膜。壓電基板3係藉由切削、研磨等而成為數μm至數十μm的厚度。壓電基板3亦可成為單極化。

壓電基板3係使用鉭酸鋰或鈮酸鋰。本實施型態中係以使用鉭酸鋰作為壓電基板3為例來進行說明。

本實施型態之非晶質層4係含有鉭(Ta)、鋰(Li)、氧(O)、矽(Si)及氬(Ar)。非晶質層4係於支持基板2與壓電基板3貼合之際，形成於貼合的界面附近。Ar係於後述接合基板的製造方法中，使用於將支持基板2及壓電基板3的各貼合面活性化者。接合基板1的接合界面5附近是否存在非晶質層4，可從剖面TEM影像的晶格的呈現方式與濃淡來確認。

非晶質層4係區分為位於支持基板2側之第一非晶質層21以及位於壓電基板3側之第二非晶質層31。第一非晶質層21與第二非晶質層31之交界係成為貼合的接合界面5。由於TEM影像的濃淡(對比)反映出結晶性與元素的種類(原子量的相異)，所以可從剖面TEM影像確認第一非晶質層21與第二非晶質層31之存在。非晶質層4整體係具有1nm以上50nm以下的厚度。特別是厚度以5nm以上為佳。

非晶質層4(第一非晶質層21及第二非晶質層31)中分別含有鉭(Ta)與矽(Si)。通常，位於支持基板側之第一非晶質層21之Si的比率高於Ta的比率。另一方面，位於壓電基板3側之第二非晶質層31之Ta的比率高於Si的比率，惟第二非晶質層31中亦含有來自支持基板2之Si，第一非晶質層21中亦含有來自壓電基板3之Ta。

第一非晶質層21及第二非晶質層31係藉由對於支持基板2及壓電基板3的表面照射Ar中性原子而形成。於照射之際，係使作為支持基板2的Si基板與作為壓電基板3的LT基板相向配置。此時，從相向之支持基板2釋出之主元素的Si係由第二非晶質層31接納而擴散至第二非晶質層31。第二非晶質層31的厚度係因Si的納入量的增加而增大，且可預期接合強度的穩定化。本案發明人認為第二非晶質層31中的Si構成比係反映出接合狀態而進行了驗證。

本發明中，第二非晶質層31中之Si的含量可為Ta的1/3以上，特別是可為1/2以上。此外，第二非晶質層31中之Si的含量可為Ta的1倍以下。藉此可穩定地提高接合基板1的接合強度。在此，各元素的含量係在支持基板2朝向壓電基板3之方向上，以預定間隔(例如0.4nm以上0.8nm以下的間隔)對層內測定複數處時之各測定點的平均值。第二非晶質層31的Si係來自於Fab照射中從支持基板2釋出之Si以及積層後從第一非晶質層21擴散而來之Si。要增大第二非晶質層31中的Si/Ta比時，特別是可增大Fab照射中從支持基板2釋出之Si的納入量。

此外，第一非晶質層21中之氧的含量可為Ta的3倍以下，特別是可為1.5倍以下。藉此可配合前述第二非晶質層31中之Si的含量，穩定地提高接合基板1的接合強度。第一非晶質層21的氧係來自於Fab照射前存在於支持基板2的表面之自然氧化膜、Fab照射中從壓電基板3釋出之氧、以及積層後從第二非晶質層31擴散而來之氧。特別是Fab照射前存在於支持基板2的表面之自然氧化膜以藉由Fab照射而去除為較佳，所以第一非晶質層21中之O/Ta比以至少為壓電基板3的O/Ta比(3)以下為較佳。

此外，第二非晶質層31的厚度可為非晶質層4整體厚度的33%以上，特別是可為45%以上。藉此可配合前述第二非晶質層31中之Si的含量，穩定地提高接合基板1的接合強度。

接著說明接合基板1的製造方法。

首先準備成為支持基板2之單晶矽基板。並且，使用鉭酸鋰或鈮酸鋰的單晶基板作為壓電基板3。本實施型態中係準備鉭酸鋰單晶基板。

單晶矽基板及鉭酸鋰單晶基板的各表面以形成平坦化為佳。例如，可使兩基板的表面粗糙度成為算術平均粗糙度Ra之1.0nm以下。

接著藉由Ar使單晶矽基板與鉭酸鋰單晶基板之貼合面活性化。在此例如可使用Fab槍來照射Ar中性原子。若使用Fab槍，則可得到電性高濃度之經中性化的高速Ar原子束。藉由使用Fab槍，可於高減壓下進行Fab蝕刻，藉由非活性氣體束亦即Ar中性原子束來去除基板表面的吸附分子、氧化膜等非活性膜，而使不穩定且呈活性之面露出。藉由使支持基板2與壓電基板3相向配置，使從支持基板2釋出之Si由第二非晶質層31接納，並且使從壓電基板3釋出之Ta等由第一非晶質層21接納。若接合裝置具備二台Fab槍，則可對支持基板2與壓電基板3同時進行活性化處理，就生產性等之觀點而言為佳。支持基板2與壓電基板3的Fab照射可同時開始、結束，亦可錯開開始時間、結束時間。藉由錯開兩基板之照射的開始時間、結束時間，亦可於Fab照射時調節從另一方的基板釋出之原子的接納方式。

經Ar活性化後，進行單晶矽基板及鉭酸鋰單晶基板之貼合。亦即，經藉由Ar活性化後之單晶矽基板及鉭酸鋰單晶基板的貼合面重疊並接合。由於表面經活性化，所以可在常溫下接合。藉由此貼合，可於接合界面5的兩側形成非晶質層4(第一非晶質層21及第二非晶質層31)。

接著將鉭酸鋰單晶基板切削及/或研磨為期望的厚度(例如50μm以下)，形成經薄膜化之壓電基板3。接著可視需要進行熱處理，製得接合基板1。

藉由Fab槍進行基板表面的活性化之際，可藉由調節Fab槍的照射能量來調整所得之接合基板1之非晶質層4的厚度、第一非晶質層21與第二非晶質層31之厚度比，甚至是第一非晶質層21及第二非晶質層31之構成成分的比率等。例如，可調節Fab槍的照射條件之電流值、加速電壓值、照射時間之中之電流值。

亦即，如後述之實施例的記載，Fab槍的照射能量愈高，則非晶質層4的厚度愈增大。特別是壓電基板3側之第二非晶質層31的厚度有增大之傾向。具體而言，藉由將Fab槍的照射能量設定為30KJ以上，可將第二非晶質層31的厚度形成為非晶質層4整體之厚度的33%以上。

此外，Fab槍的照射能量愈高，第二非晶質層31所含有之矽原子有愈增大之傾向。具體而言，藉由將Fab槍的照射能量設定為30KJ以上，可在第二非晶質層31中產生含有鉭原子的1/3以上之矽原子之區域。

以下列舉實施例來說明本發明之接合基板1，惟本發明不限於以下的實施例。

[實施例1]

準備直徑100mm、厚度0.20mm之鉭酸鋰單晶基板(以下亦會稱為LT基板)與單晶矽基板(以下亦會稱為Si基板)。於高減壓環境下，藉由Fab槍以照射能量60KJ對於此等基板的表面照射Ar束而進行表面活性化後，於常溫下貼合經活性化之表面彼此。貼合後，將LT基板薄化至15μm，製得厚度245μm的接合基板。

於圖2顯示接合基板之剖面的穿透型電子顯微鏡(TEM)照片。

此外，對所得之接合基板的剖面進行能量分散型X射線光譜分析(EDS)。亦即，對於接合基板的剖面，從支持基板的一端至壓電基板的另一端之間，以預定間隔對複數個測定點進行測定，對各個測定點測定Si、Ta、氧、Ar的濃度。結果如圖3所示。在此，圖3中未顯示Ar濃度。

[實施例2]

藉由照射能量為30KJ之Fab槍，對於LT基板與Si基板的貼合面照射Ar束而進行活性化，除此之外，與實施例1同樣地製得接合基板。

於圖4顯示接合基板之剖面的穿透型電子顯微鏡(TEM)照片。

此外，與實施例1同樣地，對所得之接合基板的剖面進行EDS分析。結果如圖5所示。在此，圖5中未顯示Ar濃度。

(比較例1)

藉由照射能量為15KJ之Fab槍，對於LT基板與Si基板的貼合面照射Ar束而進行活性化，除此之外，與實施例1同樣地製得接合基板。

於圖6顯示接合基板之剖面的穿透型電子顯微鏡(TEM)照片。

此外，與實施例1同樣地，對所得之接合基板的剖面進行EDS分析。結果如圖7所示。在此，圖7中未顯示Ar濃度。

從實施例1、2及比較例1分別獲得之TEM照片(圖2、圖4、圖6)求取非晶質層4的厚度及第二非晶質層31的厚度。結果如表1所示。

此外，從顯示EDS分析的結果之圖3、圖5、圖7求取第二非晶質層31中之Si與Ta的比率(Si/Ta)。從靠近接合界面處起之第二非晶質層31中之各測定點的Si/Ta(%)，於實施例1中為75、58、42、25(平均為50%)，於實施例2中為126、70、43、22(平均為65%)，於比較例1中為29、7(平均為18%)。實施例1、2中，第二非晶質層31之Si/Ta的平均值為1/3以上，且明確為1/2以上。相對於此，比較例1中平均值低於1/3。

同樣地求取第一非晶質層21中之O與Ta的比率(O/Ta)。第一非晶質層21中之各測定點的O/Ta(%)的平均值，於實施例1中為100%，於實施例2中為139%，於比較例1中為377%。實施例1、2中，第一非晶質層21之O/Ta的平均值為3以下。相對於此，比較例1中平均值高於3。

另一方面，對於實施例1、2及比較例1所得之各接合基板進行剝離試驗。結果，實施例1、2所得之接合基板並未觀察到於支持基板與壓電基板發生剝離等。相對於此，比較例1所得之接合基板於支持基板與壓電基板之接合界面觀察到部分剝離。剝離試驗係藉由下述方法來實施，亦即利用外周開刃刀具來進行接合基板的切斷，並以50倍的顯微鏡觀察來確認切斷負荷所造成之接合部的剝離。

因此，根據本發明，可穩定地製作接合強度高之接合基板。

又，使用鈮酸鋰來取代鉭酸鋰之情形時，亦可得到相同的效果。