TWI778204B - 壓電性材料基板與支持基板的接合體及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題係在將由鉭酸鋰等構成的壓電性材料基板與設置有氧化矽層之支持基板進行接合時，使接合強度改善。該課題之解決方法係一種接合體，具備：支持基板4；氧化矽層5，係設置於支持基板4上；及壓電性材料基板1，係設置於氧化矽層5上，由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成。氧化矽層5側之壓電性材料基板1之表面電阻率為1.7×1015
Ω/□以上。
Description
本發明關於壓電性材料基板與支持基板的接合體及其製造方法。
為了實現高性能的半導體元件而廣泛使用由高電阻Si/SiO2
薄膜/Si薄膜構成的SOI基板。在實現SOI基板時會使用電漿活化。此乃為了能在較低溫(400℃)進行接合。針對壓電器件的特性改善，有人提出類似的由Si/SiO2
薄膜/壓電薄膜構成的複合基板(專利文獻1)。
專利文獻1係利用離子佈植法將由鈮酸鋰、鉭酸鋰構成的壓電性材料基板與設置有氧化矽層之矽基板予以活化後進行接合。
專利文獻2記載利用電漿活化法藉由氧化矽層將鉭酸鋰與藍寶石或以氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽中之任一者作為主成分之陶瓷進行接合。
非專利文獻1記載對鉭酸鋰基板與設置有氧化矽層之矽基板連續照射O2
的RIE(13.56MHz)電漿與N2
的微波(2.45GHz)電漿藉此進行接合。
就Si與SiO2
/Si之電漿活化接合而言，由於在其接合界面會形成Si-O-Si鍵結，故可獲得充分的接合強度。且於此同時，由於Si會氧化成SiO2
，故平滑度會改善並於最表面促進上述接合(非專利文獻2)。
[先前技術文獻]
[非專利文獻]
[非專利文獻1] ECS Transactions, 3 (6) 91-98 (2006)
[非專利文獻2] J. Applied Physics 113, 094905 (2013)
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2016-225537
[專利文獻2]日本專利第3774782號
[發明所欲解決之課題]
但是，如先行文獻所述，藉由利用離子佈植並將鈮酸鋰、鉭酸鋰基板予以薄化來製得壓電元件時，會有特性低的問題。據認為此係肇因於離子佈植時的損壞導致結晶性劣化所致。
另一方面，在將鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電性材料基板接合於矽基板上的氧化矽層後對壓電性材料基板進行研磨而予以薄化之情況下，加工變質層可利用CMP予以去除，故元件特性並不會劣化。但是，研磨加工時會對壓電性材料基板施加較大的剪切應力。因此，欲利用研磨對壓電性材料基板進行薄化加工的話，會有在研磨時壓電性材料基板從矽基板剝離的問題。又，利用研磨加工將壓電性材料基板的厚度縮小的話，也有得到的接合體之特性會劣化的問題。尤其使用接合體來製成彈性波元件時，有時會有作為彈性波元件之特性(例如機電耦合係數k2)降低的情況。
本發明之課題在於：將由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成之壓電性材料基板與設置有氧化矽層之支持基板進行接合時，維持接合強度同時抑制接合體的特性劣化。
[解決課題之手段]
本發明係一種接合體，具備：
支持基板；
氧化矽層，係設置於前述支持基板上；及
壓電性材料基板，係設置於前述氧化矽層上，由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成；
其特徵為：前述氧化矽層側之前述壓電性材料基板的表面電阻率為1.7×1015
Ω/□以上。
又，本發明係將由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成的壓電性材料基板與設置有氧化矽層之支持基板予以接合之方法，其特徵為：
對前述壓電性材料基板之接合面於150℃以下照射氧電漿，前述接合面之表面電阻率成為1.7×1015
Ω/□以上後，將前述壓電性材料基板之前述接合面對於前述氧化矽層之接合面進行接合。
[發明之效果]
本案發明人針對將由鈮酸鋰等構成的壓電性材料基板與設置有氧化矽層之支持基板進行直接接合時，不易維持在一定程度以上之接合強度，且不易抑制接合體之特性劣化(例如機電耦合係數k2)的理由進行詳細地探討，獲得如下見解。
亦即，將Si與SiO2
/Si例如進行電漿活化接合的話，由於沿著接合界面會形成Si-O-Si鍵結，故可獲得足夠高的接合強度。且於此同時，由於Si會氧化成SiO2
，故平滑度會改善並於最表面促進上述接合(非專利文獻2：J. Applied Physics 113, 094905 (2013))。
相對於此，將鈮酸鋰、鉭酸鋰直接接合於設置有氧化矽層之支持基板時，係藉由沿著接合界面形成Ta(Nb)-O-Si鍵結來實施接合。但是，SiO2
/Si之最表面的Si原子之密度為6.8個/Å2
。相對於此，壓電性材料基板之最表面的Ta(Nb)原子的密度由於係各向異性結晶故會取決於裁切角度，但例如為4.3個/Å2
以下，其最表面的原子密度低。此外，據認為鈮酸鋰或鉭酸鋰和矽不同，也無因氧化而平滑化之機制，故無法獲得足夠高的接合強度。
據認為其結果如下：在將由鈮酸鋰、鉭酸鋰構成的壓電性材料基板與SiO2
/Si予以直接接合後對壓電性材料基板進行加工之情況下，若壓電性材料基板變薄則會有剪切力施加於壓電性材料基板，導致壓電性材料基板之結晶性劣化。
本案發明人基於如此之假設，嘗試對壓電性材料基板之接合面及氧化矽層之接合面於150℃以下照射氧電漿30分鐘以上使其活化，然後將壓電性材料基板之活化面與氧化矽層之活化面予以直接接合。藉此使氧化矽層側之壓電性材料基板之表面電阻率成為1.7×1015
Ω/□以上。結果發現實際上可維持壓電性材料基板與支持基板的接合強度並抑制接合體的特性劣化(機電耦合係數k2)，乃至完成本發明。
以下，適當地參照圖式並詳細地說明本發明。
首先，準備如圖1(a)所示般具有一對的主面1a、1b之壓電性材料基板1。本例係令1a為接合面。然後，如圖1(b)所示般對壓電性材料基板1之接合面1a如箭頭A般照射電漿，獲得經表面活化之接合面1c。
另一方面，如圖2(a)所示般於支持基板4之表面4a形成氧化矽層5。然後，藉由如圖2(b)所示般對氧化矽層5之表面5a如箭頭A所示般照射電漿來進行表面活化，形成經活化之接合面6。
然後，如圖3(a)所示般使壓電性材料基板1上之經活化之接合面1c與支持基板4上之氧化矽層5之經活化之接合面6接觸並予以直接接合，獲得接合體7。也可在此狀態下於壓電性材料基板1上設置電極。但是，宜為如圖3(b)所示般對壓電性材料基板1之主面1b進行加工使基板1薄化，獲得經薄板化之壓電性材料基板1A。1d為加工面。然後，如圖3(c)所示般於接合體7A之壓電性材料基板1A的加工面1d上形成預定的電極8，可獲得彈性波元件10。
以下，針對本發明之各構成要件按順序進行說明。
支持基板4之材質並無特別限制，宜為由選自於由矽、水晶、矽鋁氮氧化物(sialon)、莫來石(mullite)、藍寶石及透光性氧化鋁構成之群組中之材質構成。藉此可進一步改善彈性波元件10之頻率特性。
於支持基板4上形成氧化矽層5。該氧化矽層5的成膜方法並無限制，可例示濺鍍、化學氣相沉積法(CVD)、蒸鍍。支持基板4宜為矽基板，此時可藉由對矽基板表面實施氧的濺鍍、離子佈植、於氧化環境下的加熱以形成氧化矽層5。
考慮本發明之觀點，氧化矽層5的厚度宜為0.05μm以上，為0.1μm以上更佳，為0.2μm以上特佳。又，氧化矽層5的厚度宜為3μm以下，為2.5μm以下更佳，為2.0μm以下再更佳。
本發明所使用的壓電性材料基板1係設為鉭酸鋰(LT)單結晶、鈮酸鋰(LN)單結晶、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體。它們由於彈性波的傳遞速度快且機電耦合係數大，故適於製成高頻率數且寬頻帶頻率數用之彈性表面波器件。
又，壓電性材料基板1之主面1a、1b之法線方向並無特別限制，例如，壓電性材料基板1係由LT構成時，使用以彈性表面波之傳遞方向即X軸為中心，從Y軸往Z軸旋轉32~55°之方向者(以尤拉角(Euler angle)表示為180°,58~35°,180°)，由於傳遞損失小故較為理想。壓電性材料基板1係由LN構成時，使用(I)以彈性表面波之傳遞方向即X軸為中心，從Z軸往-Y軸旋轉37.8°之方向者(以尤拉角表示為0°,37.8°,0°)，由於機電耦合係數大故較為理想，或使用(II)以彈性表面波之傳遞方向即X軸為中心，從Y軸往Z軸旋轉40~65°之方向者(以尤拉角表示為180°,50~25°,180°)，由於可獲得高音速故較為理想。此外，壓電性材料基板之大小並無特別限制，例如，直徑為100~200mm、厚度為0.15~1μm。
然後，對壓電性材料基板1之接合面1a於150℃以下照射氧電漿，使接合面1a活化。
表面活化時的壓力宜為100Pa以下，為80Pa以下更佳。又，環境可僅為氧氣，但也可除了氧氣之外更含有氮氣。
氧電漿照射時的溫度設定為150℃以下。藉此可獲得接合強度高且壓電性材料無劣化之接合體7。考慮此觀點，氧電漿照射時的溫度設定在150℃以下，設定在100℃以下更佳。
又，氧電漿照射時的能量宜為100~150W。又，氧電漿照射時的能量與照射時間的積宜為20~50Wh。又，氧電漿的照射時間宜為30分鐘以上。
就理想的實施形態而言，在電漿處理前宜對壓電性材料基板1之接合面1a及氧化矽層5之接合面5a進行平坦化加工。使各接合面1a、5a平坦化之方法有平面(lap)研磨、化學機械研磨加工(CMP)等。又，平坦面宜為Ra≦1nm，設定為0.3nm以下的話更佳。
就理想的實施形態而言，係使氧電漿處理後之壓電性材料基板1之表面電阻率成為1.7×1015
Ω/□以上，使其成為2.8×1015
Ω/□以上更佳。由於壓電性材料基板1中導入了氧，而於接合面1a測得的表面電阻率會變大，故表面電阻率則成為氧導入量的指標。另外，藉由使氧電漿處理後之壓電性材料基板1之表面電阻率成為2.0×1016
Ω/□以下，可維持接合體的接合強度。考慮此觀點，壓電性材料基板1之表面電阻率設定為1.6×1016
Ω/□以下更佳。藉此更輕易對壓電性材料基板1進行研磨。
氧化矽層5之接合面5a亦進行電漿處理。此時，可利用氧、氮等之電漿。又，電漿處理時的溫度宜為150℃以下，為100℃以下更佳。
又，電漿照射時施加於氧化矽層5之接合面5a上的壓力宜為100Pa以下，為80Pa以下更佳。此時的能量宜為30~120W。又，電漿照射時的能量與照射時間的積宜為1Wh以下。
然後，使壓電性材料基板1之接合面1c與氧化矽層5之接合面6接觸並進行接合。然後，宜藉由實施退火處理來使接合強度改善。退火處理時的溫度宜為100℃以上且300℃以下。
本發明之接合體7、7A可理想地利用到彈性波元件10。
就彈性波元件10而言，已知有彈性表面波器件、藍姆波(Lamb waves)元件、薄膜共振器(FBAR)等。例如，彈性表面波器件係在壓電性材料基板之表面設有激發彈性表面波之輸入側之IDT(Interdigital Transducer)電極(梳形電極，也稱為簾狀電極)與接收彈性表面波之輸出側之IDT電極。對輸入側之IDT電極施加高頻訊號的話，電極間會產生電場，彈性表面波被激發並在壓電性材料基板上進行傳遞。然後，可從沿傳遞方向設置之輸出側之IDT電極將所傳遞之彈性表面波以電氣訊號的形式取得。
構成壓電性材料基板1A上之電極(電極圖案)8之材質宜為鋁、鋁合金、銅、金，為鋁或鋁合金更佳。鋁合金宜使用於Al中混有0.3至5重量%之Cu而成者。此時，也可使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta來替換Cu。
[實施例]
(實驗A)
參照圖1~圖3並遵循已說明之方法，製得如圖3(b)所示之接合體7A。
具體而言，準備厚度為0.2mm且雙面已研磨成鏡面之42Y-cut LiTaO3
基板(壓電性材料基板)1與厚度為0.5mm之高電阻Si基板(支持基板)4。於支持基板4上利用濺鍍法以0.5μm之厚度成膜成氧化矽層5。
然後，分別清洗壓電性材料基板1之接合面1a及支持基板4上之氧化矽層5之接合面5a並進行表面活化。具體而言，實施使用了純水之超音波清洗，並利用旋轉乾燥使基板表面乾燥。然後，將清洗後之支持基板4送入電漿活化腔室中，利用氧氣電漿於30℃對接合面5a進行活化。又，同樣地將壓電性材料基板1送入電漿活化腔室中，利用氧氣電漿於30℃對接合面1a進行表面活化。為了去除表面活化中所附著的微粒，再度實施和上述相同的超音波清洗、旋轉乾燥。
惟，活化處理時間係如表1所示般進行變更。活化處理時的電漿照射能量為150W。又，測定活化後的壓電性材料基板1之表面電阻率，測定結果如表1所示。另外，氧化矽層5側之壓電性材料基板1之表面電阻率係使用Mitsubishi Chemical Analytech製之Hiresta-UX MCP-HT800，並使用具備雙環電極之探頭設定施加電壓為1000V進行測定。
然後，實施各基板1、4之位置校準，並於室溫使兩基板1、4之經活化之接合面1c、6彼此接觸。使壓電性材料基板1側朝上來進行接觸。結果觀察到基板1、4彼此的黏合有擴展的狀態(即所謂結合波(bonding wave))，可確認已良好地實施了預接合。然後，為了增加接合強度，將接合體投入氮氣環境之烘箱內，於120℃保持10小時。在進一步投入高溫的烘箱之前，為了避免因熱應力導致基板的破損，將基板以沿起自中心之放射線的方式分成8等分。於烘箱之退火溫度為250℃。針對從加熱烘箱取出之8個接合體，評價經刀片(blade)測試(Semiconductor Wafer Bonding, Q.-Y. Tong & U. Gösele, p25)而得之接合強度。
其後，將加熱後之接合體7之壓電性材料基板1之表面1b供於研磨加工、平面研磨(lap)加工、及CMP加工，使壓電性材料基板1A的厚度薄化。於經研磨之壓電性材料基板1A之表面1d利用光微影製程設置由鋁金屬構成的電極8。為使振盪頻率成為約850MHz，電極周期λ設定為5μm。電極8的厚度設定為200nm，並於200對之電極8的兩側設置由80對電極8構成的反射器，製成一端口(port)之彈性波元件10(SAW共振器)。利用Agilent公司製Network Analyzer E5071C測定製成的彈性波元件10(SAW共振器)之阻抗特性。結果於820MHz附近(fs)觀測到共振峰部，並於850~860MHz附近(fr)觀測到反共振之峰部。測定共振頻率fs與反共振頻率fr之差Δf。一般已知差Δf會和壓電元件之機電耦合係數k2成比例。該結果如表1所示。
[表1] 
如表1所示般，活化處理時間短(0.1分鐘~15分鐘)時，氧化矽層5側之壓電性材料基板1A之表面電阻率約為1.2×1013
Ω/□~8.8×1014
Ω/□，Δf(MHz)僅31.8~34.3。結果Δf(%)=Δf(MHz)/850(MHz)為3.7%~4.0%。
另一方面，活化處理時間長(30分鐘~150分鐘)時，氧化矽層5側之壓電性材料基板1A之表面電阻率約為1.73×1015
Ω/□~1.51×1016
Ω/□，Δf(MHz)則為38.8~39.6。結果Δf(%)=Δf(MHz)/850(MHz)約為4.6%~4.7%。
另外，氧化矽層5側之壓電性材料基板1A之表面電阻率超過2×1016
Ω/□的話，接合強度會顯著降低。因此，在將壓電性材料基板1A的厚度薄化時會發生剝離。
根據此結果，利用本發明將壓電性材料基板1之接合面1a以氧電漿進行表面活化使表面電阻率成為1.7×1015
Ω/□以上且1.6×1016
Ω/□以下時，由於維持了接合強度，故可將壓電性材料基板1的厚度薄化，且可抑制接合體之特性(例如機電耦合係數k2)劣化。
(實驗B)
於實驗A中，將壓電性材料基板1的材質變更為鈮酸鋰。結果得到和實驗A同樣的結果。
1、1A‧‧‧壓電性材料基板
1a‧‧‧主面(接合面)
1b‧‧‧主面
1c‧‧‧活化面(接合面)
1d‧‧‧加工面
4‧‧‧支持基板
4a‧‧‧表面
5‧‧‧氧化矽層
5a‧‧‧表面(接合面)
6‧‧‧接合面
7、7A‧‧‧接合體
8‧‧‧電極
10‧‧‧彈性波元件
A‧‧‧照射電漿
[圖1](a)例示壓電性材料基板1，(b)例示使壓電性材料基板1之接合面1a活化而產生活化面1c之狀態。
[圖2](a)例示於支持基板4之表面形成氧化矽層5之狀態，(b)例示對氧化矽層5進行表面活化之狀態。
[圖3](a)例示將壓電性材料基板1與支持基板4上的氧化矽層5予以直接接合而得的接合體7，(b)例示對接合體7之壓電性材料基板1A進行研磨並薄化之狀態，(c)例示彈性波元件10。
1、1A‧‧‧壓電性材料基板
1b‧‧‧主面
1c‧‧‧活化面(接合面)
1d‧‧‧加工面
4‧‧‧支持基板
4a‧‧‧表面
5‧‧‧氧化矽層
6‧‧‧接合面
7、7A‧‧‧接合體
8‧‧‧電極
10‧‧‧彈性波元件
Claims (7)
- 一種接合體，具備： 支持基板； 氧化矽層，係設置於該支持基板上；及 壓電性材料基板，係設置於該氧化矽層上，由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成； 其特徵為：該氧化矽層側之該壓電性材料基板的表面電阻率為1.7×1015 Ω/□以上。
- 如申請專利範圍第1項之接合體，其中，該支持基板係由選自於由矽、水晶、矽鋁氮氧化物(sialon)、莫來石(mullite)、藍寶石及透光性氧化鋁構成之群組中之材質構成。
- 一種壓電性材料基板與支持基板的接合體之製造方法，其係將由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組中之材質構成的壓電性材料基板與設置有氧化矽層之支持基板予以接合之方法， 其特徵為：對該壓電性材料基板之接合面於150℃以下照射氧電漿，該接合面的表面電阻率成為1.7×1015 Ω/□以上後，將該壓電性材料基板之該接合面對於該氧化矽層之該接合面進行接合。
- 如申請專利範圍第3項之壓電性材料基板與支持基板的接合體之製造方法，其中，對該氧化矽層之該接合面於150℃以下照射氧電漿並活化後，將該壓電性材料基板之該接合面對於該氧化矽層之該接合面進行接合。
- 如申請專利範圍第3或4項之壓電性材料基板與支持基板的接合體之製造方法，其中，將該壓電性材料基板之該接合面對於該氧化矽層之該接合面進行接合後，利用研磨將該壓電性材料基板的厚度縮小。
- 如申請專利範圍第5項之壓電性材料基板與支持基板的接合體之製造方法，其中，利用研磨將該壓電性材料基板的厚度縮小到2μm以下。
- 如申請專利範圍第3或4項之壓電性材料基板與支持基板的接合體之製造方法，其中，該支持基板係由選自於由矽、水晶、矽鋁氮氧化物、莫來石、藍寶石及透光性氧化鋁構成之群組中之材質構成。
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