WO2021215466A1 - 接合基板 - Google Patents

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WO2021215466A1
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substrate
amorphous layer
bonded
bonding
atoms
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French (fr)
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賢英 楢原
光広 梶原
雅紀 栗田
陽介 清水
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京セラ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/25—Constructional features of resonators using surface acoustic waves

Definitions

  • the present disclosure relates to a bonding substrate between a piezoelectric substrate and a support substrate, which is used for manufacturing a surface acoustic wave element.
  • the surface acoustic wave element is manufactured by using a bonded substrate in which a piezoelectric substrate such as lithium tantalate (LT) or lithium niobate (LN) is bonded to a support substrate such as silicon. Will be done.
  • a piezoelectric substrate such as lithium tantalate (LT) or lithium niobate (LN)
  • LT lithium tantalate
  • LN lithium niobate
  • room temperature bonding has been proposed in which high bond strength can be obtained immediately after bonding.
  • a high-speed argon (Ar) neutral atom beam is applied to the surface of the piezoelectric substrate and the surface of the support substrate to activate both surfaces, and then the surface of the piezoelectric substrate and the surface of the support substrate are attached. Join together. At that time, an amorphous layer containing Ar is formed near the bonding interface.
  • Patent Documents 1 to 3 describe that Ar is contained in the amorphous layer at the bonding interface, and a bonded substrate having high bonding strength can be produced by specifying the content.
  • a support substrate made of a silicon single crystal and a piezoelectric substrate made of a single crystal of lithium tantalate or lithium niobate are bonded via an amorphous layer.
  • the amorphous layer includes a first amorphous layer located on the support substrate side and a second amorphous layer located on the piezoelectric substrate side, and the second amorphous layer is a plurality of measurements in the layer.
  • the average value of points contains silicon atoms at least 1/3 of tantalum atoms or amorphous atoms.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the bonded substrate of the present disclosure.
  • a support substrate 2 made of a single crystal of silicon and a piezoelectric substrate 3 made of a single crystal of lithium tantalate (LT) or lithium niobate (LN) are supported substrates. It has a structure bonded via an amorphous layer 4 formed between the 2 and the piezoelectric substrate 3.
  • the support substrate 2 supports the piezoelectric substrate 3 which is a thin film in the bonding substrate 1.
  • the coefficient of thermal expansion of the support substrate 2 is smaller than the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric substrate 3.
  • a silicon single crystal substrate is used as the support substrate 2.
  • the piezoelectric substrate 3 is provided on the surface of the support substrate 2.
  • the piezoelectric substrate 3 is a thin-film piezoelectric material film supported by the support substrate 2.
  • the piezoelectric substrate 3 has a thickness of several ⁇ m to several tens of ⁇ m by grinding, polishing, or the like.
  • the piezoelectric substrate 3 is preferably unipolarized.
  • Lithium tantalate or lithium niobate is used for the piezoelectric substrate 3.
  • a case where lithium tantalate is used as the piezoelectric substrate 3 is taken as an example.
  • the amorphous layer 4 in this embodiment contains tantalum (Ta), lithium (Li), oxygen (O), silicon (Si) and argon (Ar).
  • the amorphous layer 4 is formed in the vicinity of the bonding interface when the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 are bonded to each other.
  • Ar is Ar used to activate the bonded surfaces of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 in the method for manufacturing a bonded substrate, which will be described later.
  • the existence of the amorphous layer 4 in the vicinity of the bonding interface 5 of the bonding substrate 1 can be confirmed from the appearance and shading of the crystal lattice in the cross-sectional TEM image.
  • the amorphous layer 4 is divided into a first amorphous region 21 located on the support substrate 2 side and a second amorphous region 31 located on the piezoelectric substrate 3 side.
  • the boundary between the first amorphous region 21 and the second amorphous region 31 is the bonding interface 5 for bonding. Since the contrast of the TEM image reflects the crystallinity and the type of element (difference in atomic weight), it is possible that the first amorphous region 21 and the second amorphous region 31 exist. , Can be confirmed from the cross-sectional TEM image.
  • the amorphous layer 4 has a thickness of 1 nm or more and 50 nm or less as a whole. It is particularly preferable that the thickness is 5 nm or more.
  • the amorphous layer 4 (first amorphous layer 21 and second amorphous layer 31) contains tantalum (Ta) and silicon (Si), respectively. Normally, in the first amorphous region 21 located on the support substrate side, the proportion of Si is higher than the proportion of Ta. On the other hand, in the second amorphous region 31 located on the piezoelectric substrate 3 side, the proportion of Ta is higher than the proportion of Si, but Si derived from the support substrate 2 is also contained in the second amorphous layer 31.
  • the first amorphous 21 also contains Ta derived from the piezoelectric substrate 3.
  • the first amorphous layer 21 and the second amorphous layer 31 are formed by irradiating the surfaces of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 with Ar neutral atoms.
  • the Si substrate which is the support substrate 2 and the LT substrate which is the piezoelectric substrate 3 are arranged so as to face each other.
  • the main element Si released from the support substrate 2 facing the second amorphous layer 31 is taken into the second amorphous layer 31 and diffused.
  • the thickness of the second amorphous layer 31 is expected to increase, and the bonding strength is expected to be stabilized.
  • the present inventor has verified that the Si composition ratio in the second amorphous layer 31 reflects the bonded state.
  • the Si content in the second amorphous layer 31 is preferably 1/3 or more of Ta, and particularly preferably 1/2 or more. Further, the Si content in the second amorphous layer 31 is preferably 1 or less. As a result, the bonding strength of the bonding substrate 1 can be stably increased.
  • the content of each element is measured at a plurality of locations in the layer at predetermined intervals (for example, intervals of 0.4 nm or more and 0.8 nm or less) in the direction from the support substrate 2 to the piezoelectric substrate 3. It is the average value of the measurement points.
  • the Si of the second amorphous layer 31 is derived from Si released from the support substrate 2 during Fab (Fast atom beam) irradiation and Si diffused from the first amorphous layer 21 after lamination. ..
  • Fab Fast atom beam
  • the oxygen content in the first amorphous layer 21 is preferably 3 or less, particularly 1.5 or less of Ta.
  • the oxygen of the first amorphous layer 21 is from the natural oxide film existing on the surface of the support substrate 2 before the Fab irradiation, the oxygen released from the piezoelectric substrate 3 during the Fab irradiation, and the second amorphous layer 31 after the lamination. Derived from diffused oxygen.
  • the oxygen content in the first amorphous layer 21 is at least O of the piezoelectric substrate 3. / Ta ratio (3) or less is preferable.
  • the thickness of the second amorphous layer 31 is preferably 33% or more, and particularly preferably 45% or more of the thickness of the entire amorphous layer 4. As a result, the bonding strength of the bonding substrate 1 can be stably increased in combination with the Si content in the second amorphous layer 31 described above.
  • a silicon single crystal substrate to be the support substrate 2 is prepared. Further, as the piezoelectric substrate 3, a single crystal substrate of lithium tantalate or lithium niobate is used. In this embodiment, a lithium tantalate single crystal substrate is prepared.
  • the surfaces of the silicon single crystal substrate and the lithium tantalate single crystal substrate should be flattened.
  • the surface roughness of both substrates is preferably 1.0 nm or less in arithmetic average roughness Ra.
  • the bonding surface between the silicon single crystal substrate and the lithium tantalate single crystal substrate is activated by Ar.
  • a Fab (Fast atom beam) gun may be used to irradiate Ar neutral atoms.
  • a Fab gun can be used to obtain an electrically high-concentration, neutral, high-speed Ar atom beam.
  • Fab etching is performed under high pressure, and the inert film such as adsorbed molecules and oxide film on the substrate surface is removed with an inert gas beam, that is, an Ar neutral atom beam, which is unstable.
  • the active surface can be exposed.
  • the Si released from the support substrate 2 is taken into the second amorphous layer 31, and the piezoelectric substrate 3 is incorporated into the first amorphous layer 21.
  • Ta and the like released from the above are taken in.
  • the joining device includes two Fab guns, the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 can be activated at the same time, which is preferable in terms of productivity and the like.
  • Fab irradiation of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 may be started and ended at the same time, or the start time and the end time may be staggered. By shifting the irradiation start time and end time of both substrates, it is possible to adjust how the atoms emitted from the other substrate are taken in during Fab irradiation.
  • the silicon single crystal substrate and the lithium tantalate single crystal substrate are bonded together. That is, the bonded surfaces of the silicon single crystal substrate activated by Ar and the lithium tantalate single crystal substrate are overlapped and bonded. Since the surface is activated, it is possible to join at room temperature. By this bonding, amorphous layers 4 (first amorphous region 21 and second amorphous region 31) are formed on both sides of the bonding interface 5.
  • the lithium tantalate single crystal substrate is ground and / or polished to a desired thickness (for example, 50 ⁇ m or less) to form a thin-film piezoelectric substrate 3.
  • heat treatment is performed as necessary to obtain a bonded substrate 1.
  • the thickness of the amorphous layer 4 of the bonded substrate 1 obtained by adjusting the irradiation energy of the Fab gun and the thickness of the first amorphous layer 21 and the second amorphous layer 21 are obtained.
  • the thickness ratio with the quality layer 31 and the ratio of the constituent components of the first amorphous layer 21 and the second amorphous layer 31 can be adjusted. For example, it is preferable to adjust the current value among the current value, the acceleration voltage value, and the irradiation time, which are the Fab gun irradiation conditions.
  • the thickness of the second amorphous layer 31 on the piezoelectric substrate 3 side tends to increase.
  • the thickness of the second amorphous layer 31 can be 33% or more of the thickness of the entire amorphous layer 4.
  • the number of silicon atoms contained in the second amorphous layer 31 tends to increase. Specifically, by setting the irradiation energy of the Fab gun to 30 KJ or more, a region in which the silicon atom can be contained in 1/3 or more of the tantalum atom can be generated in the second amorphous layer 31. can.
  • the bonding substrate 1 of the present disclosure will be described with reference to examples, but the present disclosure is not limited to the following examples.
  • a lithium tantalate single crystal substrate (hereinafter, may be referred to as LT substrate) and a silicon single crystal substrate (hereinafter, may be referred to as Si substrate) having a diameter of 100 mm and a thickness of 0.20 mm are prepared.
  • the surfaces of these substrates were irradiated with an Ar beam with a Fab gun at an irradiation energy of 60 KJ under a high decompression atmosphere to activate the surfaces, and then the activated surfaces were bonded to each other at room temperature.
  • the LT substrate was thinned to 15 ⁇ m to obtain a bonded substrate having a thickness of 245 ⁇ m.
  • a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section of the bonded substrate is shown in FIG.
  • EDS energy dispersive X-ray analysis
  • a bonded substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the bonded surface of the LT substrate and the Si substrate was activated by irradiating an Ar beam with a Fab gun having an irradiation energy of 30 KJ.
  • a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section of the bonded substrate is shown in FIG.
  • EDS analysis was performed on the cross section of the bonded substrate obtained in the same manner as in Example 1. The result is shown in FIG. In addition, in FIG. 5, Ar concentration is not shown.
  • Example 1 A bonded substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the bonded surface of the LT substrate and the Si substrate was activated by irradiating an Ar beam with a Fab gun having an irradiation energy of 15 KJ.
  • a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section of the bonded substrate is shown in FIG.
  • EDS analysis was performed on the cross section of the bonded substrate obtained in the same manner as in Example 1. The result is shown in FIG. In addition, in FIG. 7, Ar concentration is not shown.
  • the thickness of the amorphous layer 4 and the thickness of the second amorphous layer 31 were determined from the TEM photographs (FIGS. 2, 4, and 6) obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, respectively. .. The results are shown in Table 1.
  • the ratio of Si to Ta (Si / Ta) in the second amorphous layer 31 was determined from FIGS. 3, 5, and 7 showing the results of EDS analysis.
  • the Si / Ta (%) of each measurement point in the second amorphous layer 31 is 75, 58, 42, 25 (average 50%) in Example 1 and Example 2 from the side closer to the bonding interface. , 126, 70, 43, 22 (average 65%), and in Comparative Example 1, 29, 7 (average 18%).
  • the average value of Si / Ta of the second amorphous layer 31 is 1/3 or more, and above all, 1/2 or more.
  • Comparative Example 1 the average value was less than 1/3.
  • the ratio of O and Ta in the first amorphous layer 21 was determined.
  • the average value of Si / Ta (%) at each measurement point in the first amorphous layer 21 was 100% in Example 1, 139% in Example 2, and 377% in Comparative Example 1.
  • the average value of O / Ta of the first amorphous layer 21 is 3 or less.
  • Comparative Example 1 the average value was higher than 3.
  • each of the bonded substrates obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was subjected to a peeling test.
  • the bonded substrates obtained in Examples 1 and 2 no peeling or the like was observed between the support substrate and the piezoelectric substrate.
  • the bonding substrate obtained in Comparative Example 1 some peeling was observed at the bonding interface between the support substrate and the piezoelectric substrate.
  • the peeling test was carried out by cutting the bonded substrate using the outer peripheral tooth blade and confirming the peeling of the bonded portion due to the cutting load by microscopic observation at 50 times. Therefore, according to the present disclosure, a bonded substrate having high bonding strength can be stably produced.

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Abstract

本開示の接合基板は、シリコン単結晶からなる支持基板と、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶からなる圧電基板とが、非晶質層を介して接合されている。非晶質層は、支持基板側に位置する第１非晶質層と、圧電基板側に位置する第２非晶質層とを含み、第２非晶質層は、層内の複数の測定点の平均値でシリコン原子をタンタル原子またはニオブ原子の１／３以上含有する。

Description

接合基板
　本開示は、表面弾性波素子の作製に利用される、圧電基板と支持基板との接合基板に関する。
　表面弾性波素子（ＳＡＷ素子）は、例えば、タンタル酸リチウ ム（ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬＮ）のような圧電基板と、シリコンのような支持基板とを接合した接合基板を利用して作製される。これらの基板を接合する場合、熱処理を加えようとすると 両基板の膨張係数の差により基板の反りや剥がれ、割れなどが生じてしまうことが知られている。この問題を回避するために、貼り合わせた直後に高い結合強度が得られる常温接合が提案されている。
　すなわち、常温接合では、高速アルゴン（Ａｒ）中性原子ビームを圧電基板の表面と支持基板の表面に照射して両表面を活性化させた後、圧電基板の表面と支持基板の表面とを貼り合わせて接合する。その際、接合界面付近には、Ａｒを含有する非晶質層が形成されている。
　特許文献１～３は、接合界面の非晶質層にＡｒが含有されており、その含有量の規定をすることで接合強度が高い接合基板を作製することが出来ることが記載されている。
特許第６５４９０５４号公報 特許第５５８３８７５号公報 特許第５５８３８７６号公報
　本開示の接合基板は、シリコン単結晶からなる支持基板と、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶からなる圧電基板とが、非晶質層を介して接合されている。非晶質層は、支持基板側に位置する第１非晶質層と、圧電基板側に位置する第２非晶質層とを含み、第２非晶質層は、層内の複数の測定点の平均値で、シリコン原子をタンタル原子またはニオブ原子の１／３以上含有する。
本開示の接合基板を模式的に示す断面図である。 照射エネルギー６０ＫＪでＦａｂガンから高速Ａｒ中性原子ビームを照射して作製した、本開示の一実施形態に係る接合基板の透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ）写真である。 図２に示した接合基板のエネルギー分散型X線分析（以下、ＥＤＳ）による分析結果を示すグラフである。 照射エネルギー３０ＫＪでＦａｂガンから高速Ａｒ中性原子ビームを照射して作製した、本開示の一実施形態の接合基板のＴＥＭ写真である。 図４に示した接合基板のＥＤＳによる分析結果を示すグラフである。 照射エネルギー１５ＫＪでＦａｂガンから高速Ａｒ中性原子ビームを照射して作製した、本開示の比較例１の接合基板のＴＥＭ写真である。 図６に示した接合基板のＥＤＳによる分析結果を示すグラフである。
　以下、本開示の接合基板について、図面を参照して説明する。図１は、本開示の接合基板を模式的に示す断面図である。
　図１に示す本実施形態の接合基板１は、シリコンの単結晶からなる支持基板２と、タンタル酸リチウム（ＬＴ）またはニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶からなる圧電基板３とが、支持基板２と圧電基板３との間に形成された非晶質層４を介して接合された構造を有する。
　支持基板２は、接合基板１において薄膜である圧電基板３を支持する。支持基板２の熱膨張係数は、圧電基板３の熱膨張係数よりも小さい。支持基板２には、シリコン単結晶基板が用いられる。
　圧電基板３は、支持基板２の表面上に設けられる。圧電基板３は 、支持基板２によって支持される薄膜状の圧電材料膜である。圧電基板３は、研削や研磨等によって数μｍ～数十μｍの厚さになっている。圧電基板３は、単一分極となっているとよい。
　圧電基板３には、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムが用いられる。本実施形態では、圧電基板３としてタンタル酸リチウムを用いる場合を例とする。
　本実施形態における非晶質層４は、タンタル（Ｔａ）、リチウム（Ｌｉ）、酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）およびアルゴン（Ａｒ）を含む。非晶質層４は、支持基板２と圧電基板３との貼り合わせの際に、貼り合わせの界面近傍に形成される。Ａｒは、後述する接合基板の製造方法において、支持基板２および圧電基板３のそれぞれ貼り合わせ面を活性化するのに用いたＡｒである。接合基板１の接合界面５付近に非晶質層４が存在していることは、断面ＴＥＭ像の結晶格子の見え方と濃淡から確認することができる。
　非晶質層４は、支持基板２側に位置する第１非晶質領域２１と、圧電基板３側に位置する第２非晶質領域３１とに分かれる。第１非晶質領域２１と第２非晶質領域３１との境界が貼り合わせの接合界面５となる。ＴＥＭ像の濃淡（コントラスト）は、結晶性と元素の種類（原子量の違い）を反映しているので、第１非晶質領域２１と第２非晶質領域３１とが存在していることは、断面ＴＥＭ像から確認することができる。非晶質層４は、全体として１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有する。厚さが５ｎｍ以上であると特に好適である。
　非晶質層４（第１非晶質層２１および第２非晶質層３１）にはそれぞれタンタル（Ｔａ）とシリコン（Ｓｉ）とが含まれる。通常、支持基板側に位置する第１非晶質領域２１は、Ｓｉの割合がＴａの割合よりも高くなっている。一方、圧電基板３側に位置する第２非晶質領域３１は、Ｔａの割合がＳｉの割合よりも高くなっているが、第２非晶質層３１中にも支持基板２由来のＳｉが含まれ、第１非晶質２１中にも圧電基板３由来のＴａが含まれる。
　第１非晶質層２１および第２非晶質層３１は支持基板２及び圧電基板３の表面にＡｒ中性原子を照射することで形成される。照射の際には支持基板２であるＳｉ基板と圧電基板３であるＬＴ基板とが対向して配置される。その際に第２非晶質層３１には対向する支持基板２から放出された主元素のＳｉが第２非晶質層３１に取り込まれて拡散する。Ｓｉの取り込み量が増加することで第２非晶質層３１の厚さが増大するとともに、接合強度の安定化が見込まれる。本発明者は、第２非晶質層３１中のＳｉ構成比が、接合状態を反映していると考え検証した。
　本開示では、第２非晶質層３１におけるＳｉの含有量が、Ｔａの１／３以上であるのがよく、特に１／２以上であるのがよい。また、第２非晶質層３１におけるＳｉの含有量は、１以下であるのがよい。これにより、接合基板１の接合強度を安定的に高めることができる。ここで、各元素の含有量は、支持基板２から圧電基板３へ向かう方向において層内を所定間隔（例えば、０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の間隔）で複数個所を測定したときの、各測定点の平均値である。第２非晶質層３１のＳｉは、Ｆａｂ（Fast atom beam，高速原子線）照射中に支持基板２から放出されたＳｉと、積層後に第１非晶質層２１から拡散したＳｉに由来する。第２非晶質層３１におけるＳｉ／Ｔａ比を大きくするには、特に、Ｆａｂ照射中に支持基板２から放出されたＳｉの取り込みを大きくするとよい。
　また、第１非晶質層２１における酸素の含有量が、Ｔａの３以下、特に１．５以下であるのがよい。これにより、前記した第２非晶質層３１におけるＳｉの含有量と相まって、接合基板１の接合強度を安定的に高めることができる。第１非晶質層２１の酸素は、Ｆａｂ照射前の支持基板２の表面に存在する自然酸化膜、Ｆａｂ照射中に圧電基板３から放出された酸素、積層後に第２非晶質層３１から拡散した酸素に由来する。特に、Ｆａｂ照射前の支持基板２の表面に存在する自然酸化膜は、Ｆａｂ照射で除去することが望ましいので、第１非晶質層２１における酸素の含有量は、少なくとも、圧電基板３のＯ／Ｔａ比（３）以下であることが好ましい。
　また、第２非晶質層３１の厚さは、非晶質層４全体の厚さの３３％以上であるのがよく、特に４５％以上であるのがよい。これにより、前記した第２非晶質層３１におけるＳｉの含有量と相まって、接合基板１の接合強度を安定的に高めることができる。
　次に、接合基板１の製造方法を説明する。
　先ず、支持基板２となるシリコン単結晶基板を用意する。また、圧電基板３には、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶基板が用いられる。本実施形態では、タンタル酸リチウム単結晶基板を用意する。
　シリコン単結晶基板およびタンタル酸リチウム単結晶基板のそれぞれの表面は平坦化されているのがよい。例えば、両基板の表面粗さは算術平均粗さＲａで１．０ｎｍ以下にしておくのがよい。
　次に、シリコン単結晶基板とタンタル酸リチウム単結晶基板との貼り合わせ面をＡｒにより活性化する。これには、例えば、Ｆａｂ（Fast atom beam，高速原子線）ガンを使用して、Ａｒ中性原子を照射するのがよい。Ｆａｂガンを使用すれば、電気的に高濃度の中性された高速Ａｒ原子ビームを得ることができる。Ｆａｂガンを使用することにより、高減圧下でＦａｂエッチングが行われ、基板表面の吸着分子や酸化膜等の不活性な膜を不活性ガスビーム、すなわちＡｒ中性原子ビームで除去し、不安定で活性な面を露出させることができる。支持基板２と圧電基板３とを対向して配置することにより、第２非晶質層３１には支持基板２から放出されたＳｉが取り込まれ、第１非晶質層２１には圧電基板３から放出されたＴａなどが取り込まれる。接合装置が２台のＦａｂガンを備えていれば、支持基板２と圧電基板３とを同時に活性化処理できるので、生産性などの点で好ましい。支持基板２と圧電基板３のＦａｂ照射は同時に開始、終了してもよいし、開始時間、終了時間をずらしてもよい。両基板の照射の開始時間、終了時間をずらすことで、Ｆａｂ照射時に他方の基板から放出された原子の取り込まれ方を調節することもできる。
　Ａｒで活性化した後、シリコン単結晶基板およびタンタル酸リチウム単結晶基板の貼り合わせを行う。すなわち、Ａｒにより活性化されたシリコン単結晶基板およびタンタル酸リチウム単結晶基板の貼り合わせ面を重ね合わせて接合する。表面は活性化されているため、常温での接合が可能となる。この貼り合わせによって、接合界面５の両側に非晶質層４（第１非晶質領域２１および第２非晶質領域３１）が形成される。
 　次に、タンタル酸リチウム単結晶基板を、所望の厚さ（例えば、５０μｍ以下）に研削および／または研磨して、薄膜化した圧電基板３を形成する。次に、必要に応じて熱処理を行って、接合基板１を得る。
　Ｆａｂガンによる基板表面の活性化の際、Ｆａｂガンの照射エネルギーを調節することにより、得られた接合基板１の非晶質層４の厚さや、第１非晶質層２１と第２非晶質層３１との厚さ比、さらに第１非晶質層２１および第２非晶質層３１の構成成分の比率等を調整可能である。例えば、Ｆａｂガン照射条件である電流値、加速電圧値、照射時間のうち、電流値を調節するとよい。
　すなわち、後述する実施例に記載のように、Ｆａｂガンの照射エネルギーが高くなるほど、非晶質層４の厚さが増大する。特に圧電基板３側の第２非晶質層３１の厚さが増大する傾向がある。具体的には、Ｆａｂガンの照射エネルギーを３０ＫＪ以上に設定することにより、第２非晶質層３１の厚さを非晶質層４全体の厚さの３３％以上にすることができる。
　また、Ｆａｂガンの照射エネルギーが高くなるほど、第２非晶質層３１に含有されるシリコン原子が増大する傾向にある。具体的には、Ｆａｂガンの照射エネルギーを３０ＫＪ以上に設定することにより、第２非晶質層３１中に、シリコン原子をタンタル原子の１／３以上含有させることができる領域を生じさせることができる。
　以下、実施例を挙げて、本開示の接合基板１を説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
　直径１００ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍのタンタル酸リチウム単結晶基板（以下、ＬＴ基板ということがある。）とシリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ基板ということがある。）を用意する。これらの基板の表面に高減圧雰囲気下において、照射エネルギー６０ＫＪでＦａｂガンによりＡｒビームを照射して、表面活性化を行った後、活性化した表面同士を常温下で貼り合わせた。貼り合せ後、ＬＴ基板を１５μｍまで薄化して、厚さ２４５μmの接合基板を得た。
　接合基板の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図２に示す。
　また、得られた接合基板の断面に対してエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を行った。すなわち、接合基板の断面について、支持基板の一端から圧電基板の他端までの間で、所定間隔で複数の測定点で測定を行い、測定点ごとにＳｉ、Ｔａ、酸素、Ａｒの濃度を測定した。その結果を図３に示す。なお、図３では、Ａｒ濃度は示していない。
　照射エネルギー３０ＫＪとしたＦａｂガンで、ＬＴ基板とＳｉ基板の貼り合わせ面にＡｒビームを照射して活性化した他は、実施例１と同様にして接合基板を得た。
　接合基板の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図４に示す。
　また、実施例１と同様にして得られた接合基板の断面に対してＥＤＳ分析を行った。その結果を図５に示す。なお、図５では、Ａｒ濃度は示していない。
（比較例１）
　照射エネルギー１５ＫＪとしたＦａｂガンで、ＬＴ基板とＳｉ基板の貼り合わせ面にＡｒビームを照射して活性化した他は、実施例１と同様にして接合基板を得た。
　接合基板の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図６に示す。
　また、実施例１と同様にして得られた接合基板の断面に対してＥＤＳ分析を行った。その結果を図７に示す。なお、図７では、Ａｒ濃度は示していない。
　実施例１，２および比較例１でそれぞれ得られたＴＥＭ写真（図２、図４、図６）から、非晶質層４の厚さおよび第２非晶質層３１の厚さを求めた。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　　　　
 
　また、ＥＤＳ分析の結果を示す図３、図５、図７から、第２非晶質層３１中のＳｉとＴａの比率（Ｓｉ/Ｔａ）を求めた。第２非晶質層３１中の各測定点のＳｉ/Ｔａ（％）は、接合界面に近い方から、実施例１では、７５、５８、４２、２５（平均は５０％）、実施例２では、１２６、７０、４３、２２（平均は６５％）、比較例１では、２９、７（平均は１８％）であった。実施例１、２では第２非晶質層３１のＳｉ/Ｔａの平均値は１／３以上、なかんずく１／２以上である。これに対して、比較例１では平均値は１／３を下回っていた。
　同様にして、第１非晶質層２１中のＯとＴａの比率（Ｏ/Ｔａ）を求めた。第１非晶質層２１中の各測定点のＳｉ/Ｔａ（％）の平均値は、実施例１では１００％、実施例２では１３９％、比較例１では３７７％であった。実施例１、２では第１非晶質層２１のＯ/Ｔａの平均値は３以下である。これに対して、比較例１では平均値は３を上回っていた。
　一方、実施例１，２および比較例１で得られた各接合基板について、剥離試験を行った。その結果、実施例１，２で得られた接合基板では、支持基板と圧電基板には剥離等が認められなかった。これに対して、比較例１で得られた接合基板は、支持基板と圧電基板の接合界面において、一部剥離が認められた。剥離試験は外周歯ブレードを用いた接合基板の切断を行い、切断負荷による接合部の剥離を５０倍での顕微鏡観察にて確認する方法で実施した。
　従って、本開示によれば、接合強度の高い接合基板を安定的に作製することができる。
　なお、タンタル酸リチウムに代えて、ニオブ酸リチウムを用いた場合も同様の効果を得ることができた。
　１　　接合基板
　２　　支持基板
　３　　圧電基板
　４　　非晶質層
　　２１　第１非晶質層
　　３１　第２非晶質層
　５　　接合界面

Claims (8)

  1. 　シリコン単結晶からなる支持基板と、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムの単結晶からなる圧電基板とが、非晶質層を介して接合された接合基板であって、
    　前記非晶質層は、前記支持基板側に位置する第１非晶質層と、前記圧電基板側に位置する第２非晶質層とを含み、
    　前記第２非晶質層は、層内の複数の測定点の平均値で、シリコン原子をタンタル原子またはニオブ原子の１／３以上含有する、接合基板。
  2. 　前記第１非晶質層は、層内の複数の測定点の平均値で、酸素原子をタンタル原子またはニオブ原子の３以下含有する、請求項１の接合基板。
  3. 　前記非晶質層の厚さが、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の接合基板。
  4. 　前記第２非晶質層の厚さが前記非晶質層全体の厚さの３３％以上である、請求項１乃至３のいずれかに記載の接合基板。
  5. 　前記第２非晶質層の厚さが前記非晶質層全体の厚さの４５％以上である、請求項４に記載の接合基板。
  6. 　前記支持基板と前記圧電基板とが、常温接合されてなる、請求項１乃至５のいずれかに記載の接合基板。
  7. 　前記常温接合が、高速原子線（Fast atom beam，Ｆａｂ）ガンを使用して　前記支持基板と圧電基板との貼り合わせ面をアルゴン（Ａｒ）により活性化した後、前記貼り合わせ面を重ね合わせることによって行われる、請求項６に記載の接合基板。
  8. 　前記支持基板と前記圧電基板は、さらにＡｒ原子を含有する、請求項６または７に記載の接合基板。
     
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