WO2023182246A1 - 接合基板 - Google Patents
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Classifications
-
- 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 invention relates to a bonded substrate.
- a bonded substrate As a substrate for a surface acoustic wave device (SAW device), a bonded substrate is used in which a piezoelectric substrate such as lithium tantalate (LT) or lithium niobate (LN) is bonded to a supporting substrate such as silicon.
- LT lithium tantalate
- LN lithium niobate
- LT lithium tantalate
- LN lithium niobate
- room-temperature bonding using activation treatment is performed.
- it is known to provide an intermediate layer between a support substrate and a piezoelectric film to improve device characteristics Patent Documents 1 and 2).
- a bonded substrate includes a piezoelectric substrate made of a piezoelectric material, a support substrate made of single crystal silicon, an intermediate layer made of an oxide located between the piezoelectric substrate and the support substrate, and the intermediate layer and the support substrate. and an amorphous layer bonding the.
- the amorphous layer contains oxygen, argon, silicon, and an intermediate layer element other than oxygen that constitutes the intermediate layer.
- oxygen is contained at a rate of 3 atm% or more
- the intermediate layer is made of an oxide other than silicon oxide , oxygen and an intermediate layer element in a total proportion of 3 atm % or more.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a bonded substrate according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a high-speed atomic beam irradiation device.
- the bonded substrate according to the present disclosure has the above configuration, so that the piezoelectric substrate and the support substrate are firmly bonded.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a bonded substrate according to an embodiment of the present disclosure.
- a bonded substrate 1 according to one embodiment has a structure in which a support substrate 2 and a piezoelectric substrate 3 are bonded via an intermediate layer 4 located between the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3. has.
- the support substrate 2 is made of single crystal silicon and is used to support the piezoelectric substrate 3 in the bonding substrate 1.
- the thermal expansion coefficient of the support substrate 2 is smaller than that of the piezoelectric substrate 3.
- the thickness of the support substrate 2 is not limited, and is, for example, 50 ⁇ m or more and 1 mm or less.
- the support substrate 2 may be processed to the above thickness by grinding and polishing after bonding.
- the piezoelectric substrate 3 is made of a piezoelectric material, and is provided on the surface of the support substrate 2 via an intermediate layer 4, which will be described later.
- the piezoelectric material forming the piezoelectric substrate 3 is not limited, and includes, for example, a single crystal of lithium tantalate (LT), a single crystal of lithium niobate (LN), and the like.
- the piezoelectric substrate 3 has a thin film shape processed by, for example, grinding and polishing to a thickness of approximately 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
- the piezoelectric substrate 3 may have a single polarization.
- the intermediate layer 4 is located between the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3, and is made of oxide.
- the oxide include silicon oxide, hafnium oxide), zirconium oxide, titanium oxide, and magnesium oxide.
- the oxide constituting the intermediate layer 4 may be crystalline or amorphous with a stoichiometric composition.
- the thickness of the intermediate layer 4 is not limited, and is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
- An amorphous layer 41 is located between the support substrate 2 and the intermediate layer 4, and joins the support substrate 2 and the intermediate layer 4.
- Amorphous layer 41 contains oxygen, argon, silicon, and an intermediate layer element other than oxygen that constitutes intermediate layer 4 .
- intermediate layer element means an element other than oxygen among the elements constituting the oxide. Specifically, when the intermediate layer 4 is formed of silicon oxide, the intermediate layer element is silicon (Si), and when the intermediate layer 4 is formed of hafnium oxide, the intermediate layer element is hafnium (Hf). It is.
- the intermediate layer 4 When the intermediate layer 4 is formed of silicon oxide, oxygen is contained at the interface between the support substrate 2 and the amorphous layer 41 at a rate of 3 atm % or more.
- the interface between the supporting substrate 2 and the amorphous layer 41 contains oxygen and the intermediate layer element in a total ratio of 3 atm % or more. If the interface between the support substrate 2 and the amorphous layer 41 is in such a state, it can be said that the elements constituting the intermediate layer 4 have sufficiently diffused toward the support substrate 2 side.
- the piezoelectric substrate 3 and the support substrate 2 are firmly bonded.
- the thickness of the amorphous layer 41 is not limited, and is, for example, 2.5 nm or more and 50 nm or less.
- the thickness of the amorphous layer 41 may be, for example, 3.5 nm or more and 50 nm or less.
- the thickness of the amorphous layer 41 may be, for example, 2.7 nm or more and 50 nm or less.
- the intermediate layer 4 may have a single layer structure as shown in FIG. 1, or may have a multilayer structure in which a plurality of layers are laminated.
- the intermediate layer 4 has a multilayer structure, at least one layer among the plurality of layers may be formed of a different material from the remaining layers. With such a configuration, the characteristics of a plurality of layers such as a high sound velocity layer and a low sound velocity layer can be improved.
- the intermediate layer 4 may contain a tetravalent element as an intermediate layer element. If the silicon contained in the support substrate 2 has a valence of 4 and the intermediate layer 4 contains an element having the same valence as silicon, changes in film characteristics and crystallinity can be reduced. Examples of the tetravalent element include hafnium (Hf), zirconium (Zr), and titanium (Ti).
- the surface portion of the intermediate layer 4 that is in contact with the amorphous layer 41 may contain an oxide having a higher density than silicon oxide, such as hafnium oxide or zirconium oxide.
- silicon oxide such as hafnium oxide or zirconium oxide.
- the oxide having a density higher than that of silicon oxide may be an oxide of an element having a mass higher than that of silicon. In that case, an element with a mass greater than silicon is difficult to diffuse, and therefore defects are less likely to occur. As a result, the diffusion of silicon and argon toward the piezoelectric substrate 3 side is further reduced.
- the surface portion means the layer closest to the piezoelectric substrate 3 among the layers constituting the intermediate layer 4.
- the intermediate layer 4 is composed of a single layer film, it refers to the single layer film, and when it is composed of a multilayer film, it refers to the layer closest to the piezoelectric substrate 3 among the layers constituting the multilayer film. If there is a distribution in density and composition within the surface area, the average value is taken as the density and composition of the surface area.
- oxides having a higher density than silicon oxide examples include hafnium oxide, zirconium oxide, and titanium oxide.
- the density of the stoichiometric crystals is 2.2 g/cm 3 for silicon oxide, 9.68 g/cm 3 for hafnium oxide, 5.68 g/cm 3 for zirconium oxide, and 4.23 g/cm 3 for titanium oxide.
- hafnium oxide has the highest density and is suitable.
- Acoustic impedance which is determined by the product of the density of a layer and the speed of sound in the layer, represents the ease of propagation of elastic waves, and the larger the difference in acoustic impedance between the two layers, the easier it is for elastic waves to be reflected. Therefore, it is preferable to use a layer having a large difference in acoustic impedance from the piezoelectric substrate 3 as the intermediate layer 4.
- the intermediate layer may be a multilayer acoustic reflection film in which a silicon oxide layer and an oxide layer having a higher acoustic impedance than the silicon oxide are laminated. With such a configuration, it is possible to improve device characteristics by utilizing reflection and confinement of elastic waves at the interface between layers.
- the intermediate layer 4 includes a metal oxide layer other than silicon oxide, even if the interface between the supporting substrate 2 and the amorphous layer 41 contains a metal derived from the metal oxide at a ratio of 1 atm% or more. good. With such a configuration, the bonding strength between the piezoelectric substrate and the support substrate can be further improved.
- the method for manufacturing the bonded substrate 1 according to an embodiment of the present disclosure is not limited.
- the bonded substrate 1 according to one embodiment can be obtained, for example, by the following method.
- Support substrate 2 is made of single crystal silicon.
- the piezoelectric substrate 3 is formed of a piezoelectric material such as a single crystal of lithium tantalate or a single crystal of lithium niobate.
- One surface of the piezoelectric substrate 3 is formed of an oxide that becomes the intermediate layer 4.
- the activation treatment method is not limited, and includes, for example, a method of irradiating a fast atom beam using a fast atom beam (hereinafter sometimes referred to as "Fab") gun. If a Fab gun is used, for example, a highly concentrated electrically neutralized Ar atomic beam can be obtained.
- Fab fast atom beam
- the Fab gun is configured as follows. A plate-shaped anode electrode and two cathode electrodes are arranged in parallel. An inert gas (Ar in this embodiment) is injected under highly reduced pressure, and a high voltage is applied to the central anode electrode to cause glow discharge. The electric field distribution in the plasma is configured such that the direction of acceleration of ions is perpendicular to the cathode electrode on the exit side. The accelerated ions combine with electrons near the cathode electrode and are emitted as a high-speed atomic beam.
- An inert gas Ar in this embodiment
- the electric field distribution in the plasma is configured such that the direction of acceleration of ions is perpendicular to the cathode electrode on the exit side.
- the accelerated ions combine with electrons near the cathode electrode and are emitted as a high-speed atomic beam.
- the Fab discharged from the Fab discharge hole at the exit becomes a beam with excellent straightness. Therefore, by using a Fab gun, Fab irradiation is performed under high vacuum. As a result, inert films such as adsorbed molecules and oxide films on the substrate surface are removed by the inert gas beam (ie, Ar neutral atomic beam), and the active surface can be exposed.
- the inert gas beam ie, Ar neutral atomic beam
- FIG. 2 shows a schematic diagram of the fast atomic beam (Fab) irradiation device.
- the Fab irradiation device (bonding device) used in this embodiment includes two Fab guns 5, one for the support substrate 2 and one for the piezoelectric substrate 3.
- a plate having an opening (aperture plate) 6 is arranged at each irradiation port on the front surface of the Fab gun 5 .
- the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 are arranged to face each other, and each is activated by Fab irradiation. Due to the configuration of the device, Fab is irradiated obliquely to the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3.
- the activated surfaces of the support substrate 2 and the piezoelectric substrate 3 are bonded together to obtain a bonded substrate.
- an amorphous layer is formed at the interface between the support substrate 2 and the oxide formed on the surface of the piezoelectric substrate 3.
- the piezoelectric substrate 3 is thinned by grinding the surface of the piezoelectric substrate 3 opposite to the supporting substrate 2 (hereinafter, the process of thinning the piezoelectric substrate 3 may be referred to as a "thinning process").
- the bonded substrate is heat treated at, for example, 180° C. to 300° C. By this heat treatment, oxygen in the oxide (intermediate layer 4) formed on the surface of the piezoelectric substrate 3 is diffused into the support substrate 2.
- the oxide is an oxide other than silicon oxide, constituent elements other than oxygen also diffuse.
- the heat treatment is performed at least either during or after thinning. If the heat treatment is performed without performing the thinning process, the piezoelectric substrate 3 or the support substrate 2 will easily break due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric substrate 3 and the support substrate 2. By thinning the piezoelectric substrate 3 in the thinning process, thermal expansion and contraction of the piezoelectric substrate 3 can be reduced. As a result, oxygen and the like can be diffused by heat treatment while reducing cracks in the piezoelectric substrate 3 or the support substrate 2.
- Such a thinning step and a heating step may be repeated multiple times. Thereby, the diffusion of oxygen and the like toward the supporting substrate 2 side can be further enhanced.
- the (n+1)th heat treatment is preferably performed at a higher temperature or for a longer time than the nth heat treatment.
- the heat treatment is preferably performed such that t/exp (1/T) of the (n+1)th heat treatment is larger than t/exp (1/T) of the n-th heat treatment.
- the piezoelectric substrate 3 becomes even thinner than in the nth heat treatment due to the thinning step after the nth heat treatment. Therefore, the conditions for the (n+1)th heat treatment can be set to a higher temperature or for a longer time while reducing cracks in the support substrate 2 or the piezoelectric substrate 3. As a result, the diffusion of oxygen and the like toward the support substrate 2 can be further enhanced.
- a bonded substrate in which a support substrate 2 with a thickness of 200 ⁇ m and a piezoelectric substrate 3 with a thickness of 200 ⁇ m are bonded under various bonding conditions will be specifically described.
- an LT substrate was used as the piezoelectric substrate 3.
- an LT substrate was used in which one surface was made of silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 0.3 ⁇ m.
- an LT substrate was used in which one surface was formed of hafnium oxide (HfO 2 ) having a thickness of 0.3 ⁇ m.
- a first thinning step is performed to reduce the thickness of the LT substrate by grinding the surface of the bonded LT substrate on the side opposite to the support substrate using a vertical axis rotary table surface grinder, and then the bonded LT substrate is removed.
- a first heating step was performed to heat the substrate.
- a second thinning step was performed to obtain a bonded substrate with a final LT substrate thickness of 2 ⁇ m. No. In Nos. 4 and 7, a second heating step was further performed after the second thinning step.
- the oxygen (O) of silicon oxide formed on the surface of the LT substrate, or the oxygen (O) and hafnium (Hf) of hafnium oxide formed on the surface of the LT substrate can be The degree of diffusion was varied. In this way, sample No. 1 with different diffusion states as shown in Table 1 was prepared. I got 1-8.
- the irradiation energy was changed in the relative ratio shown in Table 1 by changing the irradiation time among the irradiation conditions, which were the current value, accelerating voltage value, and irradiation time.
- the heat treatment temperature was selected at a temperature that would not cause damage such as cracking or peeling to the bonded substrate, and the second heat treatment temperature (T2) was set higher than the first heat treatment temperature (T1).
- the obtained sample No. The bonding strengths of bonded substrates Nos. 1 to 9 were measured. The bonding strength was evaluated by cutting the bonded substrate using a dicing device and determining whether or not the bonded portion peeled off. The results are shown in Table 1. Furthermore, the proportion of elements constituting the interface on the support substrate side (the interface between the support substrate and the amorphous layer) was measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM/EDS) using a transmission electron microscope. The results are shown in Table 1.
- TEM/EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
- sample No. corresponding to the bonded substrate of the present disclosure As shown in Table 1, sample No. corresponding to the bonded substrate of the present disclosure. It can be seen that for Nos. 1 to 4, the intermediate layer is formed of silicon oxide, and the interface on the supporting substrate side contains oxygen (O) at a ratio of 3 atm % or more. Furthermore, sample No. It can be seen that for No. 7 and No. 8, the intermediate layer is formed of hafnium oxide, and the interface on the support substrate side contains oxygen (O) and hafnium (Hf) in a total ratio of 3 atm % or more. Therefore, sample no. It can be seen that in Nos. 1 to 4, 7, and 8, the support substrate and the LT substrate are firmly bonded.
- sample No. Regarding No. 5 and No. 6 the intermediate layer is formed of silicon oxide, and the interface on the supporting substrate side contains oxygen (O) at a rate of only 2.9 atm % and 2.8 atm %. Furthermore, sample No. Regarding No. 9, the intermediate layer is formed of hafnium oxide, and the interface on the support substrate side contains only 2.5 atm % of oxygen (O) and hafnium (Hf) in total. Therefore, sample no. It can be seen that samples Nos. 5, 6, and 9 have poor connection strength between the supporting substrate and the LT substrate.
- a bonded substrate using an LN substrate instead of the LT substrate as the piezoelectric substrate 3 exhibited similar behavior, although not specifically shown.
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Abstract
本開示に係る接合基板は、圧電材料からなる圧電基板と、単結晶シリコンからなる支持基板と、圧電基板と支持基板との間に位置する酸化物からなる中間層と、中間層と支持基板とを接合する非晶質層とを含む。非晶質層は、酸素、アルゴン、シリコンおよび中間層を構成する酸素以外の中間層元素を含む。支持基板と非晶質層との界面において、中間層が酸化シリコンで形成されている場合、酸素が３ａｔｍ％以上の割合で含まれ、中間層が酸化シリコン以外の酸化物で形成されている場合、酸素と中間層元素とが合計で３ａｔｍ％以上の割合で含まれる。
Description
本発明は、接合基板に関する。
表面弾性波素子（ＳＡＷ素子）用基板として、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの圧電基板と、シリコンなどの支持基板とを接合した接合基板が使用される。このような接合基板は熱処置を施すと、両基板の膨張係数の差によって反り、剥離、割れなどが生じやすい。そのため、活性化処理を利用した常温接合が行われている。さらに、表面弾性波素子において、支持基板と圧電膜との間に中間層を設けて、素子特性を向上させることが知られている（特許文献１および２）。
圧電基板に中間層を成膜して支持基板と接合する場合、中間層を含まない場合と比較して、接合強度を高めることが難しい。そのため、接合後の加工工程（圧電基板の薄化工程など）において、加工歪みや応力によって剥離することがある。
本開示に係る接合基板は、圧電材料からなる圧電基板と、単結晶シリコンからなる支持基板と、圧電基板と支持基板との間に位置する酸化物からなる中間層と、中間層と支持基板とを接合する非晶質層とを含む。非晶質層は、酸素、アルゴン、シリコンおよび中間層を構成する酸素以外の中間層元素を含む。支持基板と非晶質層との界面において、中間層が酸化シリコンで形成されている場合、酸素が３ａｔｍ％以上の割合で含まれ、中間層が酸化シリコン以外の酸化物で形成されている場合、酸素と中間層元素とが合計で３ａｔｍ％以上の割合で含まれる。
上記のように、圧電基板に中間層を成膜して支持基板と接合する場合、中間層を含まない場合と比較して、接合強度を高めることが難しい。そのため、接合後の加工工程（圧電基板の薄化工程など）において、加工歪みや応力によって剥離することがある。
本開示に係る接合基板は、上記のような構成を有することによって、圧電基板と支持基板とが強固に接合されている。
以下、本開示に係る接合基板を、図面に基づいて説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る接合基板を模式的に示す断面図である。図１に示すように、一実施形態に係る接合基板１は、支持基板２と圧電基板３とが、支持基板２と圧電基板３との間に位置する中間層４を介して接合された構造を有する。
支持基板２は単結晶シリコンで形成されており、接合基板１において圧電基板３を支持するために使用される。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の厚みは限定されず、例えば５０μｍ以上１ｍｍ以下である。支持基板２は、接合後に研削および研磨によって上記の厚みに加工してもよい。
圧電基板３は、圧電材料で形成されており、後述する中間層４を介して支持基板２の表面に設けられている。圧電基板３を形成している圧電材料は限定されず、例えば、タンタル酸リチウム（ＬＴ）の単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶などが挙げられる。圧電基板３は、例えば、研削および研磨によって０．１μｍ以上１００μｍ以下程度の厚みに加工された薄膜状を有する。圧電基板３は、単一分極となっていてもよい。
中間層４は、支持基板２と圧電基板３との間に位置しており、酸化物で形成されている。酸化物としては、例えば、酸化シリコン、酸化ハフニウム）、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化マグネシウムなどが挙げられる。中間層４を構成する酸化物は、化学量論組成からずれた結晶や非晶質であってもよい。中間層４の厚みは限定されず、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
支持基板２と中間層４との間には非晶質層４１が位置しており、支持基板２と中間層４とを接合している。非晶質層４１は、酸素、アルゴン、シリコンおよび中間層４を構成する酸素以外の中間層元素を含む。本明細書において「中間層元素」とは、酸化物を構成している元素のうち酸素以外の元素を意味する。具体的には、中間層４が酸化シリコンで形成されている場合、中間層元素はシリコン（Ｓｉ）であり、中間層４が酸化ハフニウムで形成されている場合、中間層元素はハフニウム（Ｈｆ）である。
中間層４が酸化シリコンで形成されている場合、支持基板２と非晶質層４１との界面において酸素は３ａｔｍ％以上の割合で含まれる。一方、中間層４が酸化シリコン以外の酸化物で形成されている場合、支持基板２と非晶質層４１との界面において酸素と中間層元素とが合計で３ａｔｍ％以上の割合で含まれる。支持基板２と非晶質層４１との界面がこのような状態であれば、中間層４を構成している元素が支持基板２側に十分に拡散しているといえる。その結果、一実施形態に係る接合基板１は、圧電基板３と支持基板２とが強固に接合される。
非晶質層４１の厚みは限定されず、例えば２．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。中間層４が酸化シリコンで形成されている場合、非晶質層４１の厚みは、例えば３．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。中間層４が酸化ハフニウムで形成されている場合、非晶質層４１の厚みは、例えば２．７ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。
中間層４は、図１に示すように単層構造を有していてもよく、複数の層が積層された多層構造を有していてもよい。中間層４が多層構造を有する場合、複数の層のうち少なくとも１層は、残りの層と異なる材質で形成されていてもよい。このような構成によって、高音速層や低音速層などのように、複数の層による特性を向上させることができる。
中間層４は、中間層元素として４価の元素を含んでいてもよい。支持基板２に含まれるシリコンの価数が４価であり、中間層４がシリコンと同じ価数の元素を含んでいると、膜特性の変化や結晶性の変化を低減することができる。４価の元素としては、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）などが挙げられる。
中間層４は、非晶質層４１に接している側の表面部が、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムなどの、酸化シリコンよりも大きな密度を有する酸化物を含んでいてもよい。このような、酸化シリコンと中間層４の表面部を構成する酸化物の密度差が大きい構成では、圧電基板３側へのシリコンやアルゴンの拡散の低減が観察されることから、密度差または元素のサイズ差が元素の拡散に影響していると推測される。圧電基板３側へのシリコンやアルゴンの拡散が低減されると、圧電基板３の厚み方向において、物性値、例えば抵抗率や誘電率の値がより均一となる。その結果、素子特性のばらつきが小さく帯電しにくい（スパークなどによる破損が生じにくい）圧電基板３が得られる。さらに、上記酸化シリコンよりも大きな密度を有する酸化物は、シリコンよりも質量の大きい元素の酸化物であってもよい。その場合、シリコンよりも質量の大きい元素は拡散し難いため欠陥が生じにくくなる。その結果、圧電基板３側へのシリコンやアルゴンの拡散が、さらに低減される。
表面部とは、中間層４を構成する層のうち圧電基板３に最も近い層を意味する。中間層４が単層膜からなる場合は、その単層膜のことであり、多層膜からなる場合は、多層膜を構成する各層のうち、圧電基板３に最も近い層のことである。表面部内で密度および組成に分布がある場合は、その平均値を、表面部の密度および組成とする。
酸化シリコンよりも高い密度を有する酸化物としては、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウムなどが挙げられる。化学量論組成結晶の密度は、酸化シリコンが２．２ｇ／ｃｍ３、酸化ハフニウムが９．６８ｇ／ｃｍ３、酸化ジルコニウムが５．６８ｇ／ｃｍ３、酸化チタニウムが４．２３ｇ／ｃｍ３であり、この中では、酸化ハフニウムが最も密度が大きく、好適である。
層の密度と層中の音速の積で求められる音響インピーダンスは弾性波の伝搬のしやすさを表し、弾性波は二つの層の境界面の音響インピーダンスの差が大きいほど反射しやすい。そのため、中間層４として、圧電基板３との音響インピーダンスの差が大きい層を用いるとよい。中間層が多層構造を有する場合、酸化シリコン層と酸化シリコンよりも大きい音響インピーダンスを有する酸化物層とを積層した多層音響反射膜であってもよい。このような構成によって、層の境界面での弾性波の反射や閉じ込めを利用して、素子特性を向上させることができる。
中間層４は、酸化シリコン以外の金属酸化物層を含む場合、支持基板２と非晶質層４１との界面において、金属酸化物に由来する金属が１ａｔｍ％以上の割合で含まれていてもよい。このような構成によって、圧電基板と支持基板との接合強度をより向上させることができる。
本開示の一実施形態に係る接合基板１を製造する方法は限定されない。一実施形態に係る接合基板１は、例えば、下記のような方法によって得られる。
まず、支持基板２および圧電基板３を準備する。支持基板２は、単結晶シリコンで形成されている。圧電基板３は、タンタル酸リチウムの単結晶、ニオブ酸リチウムの単結晶などの圧電材料で形成されている。圧電基板３の一方の表面は、中間層４となる酸化物で形成されている。
次いで、接合面となる支持基板２の表面と圧電基板３の酸化物が形成されている表面とを、中性粒子（原子または分子）または荷電粒子（イオン、プラズマまたは電子）によって活性化処理を施す。活性化処理方法は限定されず、例えば、高速原子線照射（Fast atom beam、以下、「Ｆａｂ」と記載する場合がある）ガンを使用して、高速原子線を照射する方法が挙げられる。Ｆａｂガンを使用すれば、例えば、高濃度の電気的に中性化されたＡｒ原子線を得ることができる。
Ｆａｂガンは、例えば、次のように構成されている。板状のアノード電極と２枚のカソード電極とが平行に配置されている。高減圧下で不活性ガス（本実施形態ではＡｒ）を注入し、中央のアノード電極に高電圧を印加してグロー放電させる。プラズマ中の電界分布は、イオンの加速方向が出口側のカソード電極に垂直となるように構成されている。加速されたイオンはカソード電極付近の電子と結合して高速原子線として放出される。
そのため、出口のＦａｂ放出孔から放出されるＦａｂは直進性に優れたビームとなる。したがって、Ｆａｂガンを使用することによって、高減圧下でＦａｂ照射が行われる。その結果、基板表面の吸着分子や酸化膜などの不活性な膜が、不活性ガス線（すなわち、Ａｒ中性原子線）で除去され、活性な面を露出させることができる。
図２に高速原子線（Ｆａｂ）照射装置の概略図を示す。本実施形態で使用したＦａｂ照射装置（接合装置）は、支持基板２用および圧電基板３用の２台のＦａｂガン５を備える。Ｆａｂガン５前面の照射口には、開口部を有する板（開口板）６がそれぞれ配置されている。支持基板２と圧電基板３とは対向して配置され、それぞれがＦａｂ照射によって活性化処理される。装置の構成上、Ｆａｂは支持基板２および圧電基板３に対して斜めから照射される。
次いで、支持基板２と圧電基板３との活性化された表面同士を接合させて接合基板を得る。この接合の際、支持基板２と、圧電基板３の表面に形成された酸化物との界面に非晶質層が形成される。次いで、圧電基板３の支持基板２とは反対側の表面を研削加工などによって圧電基板３を薄くする（以下、圧電基板３を薄くする工程を「薄化工程」と記載する場合がある）。この薄化工程の後、接合基板を、例えば１８０℃～３００℃で熱処理する。この熱処理によって、圧電基板３の表面に形成された酸化物（中間層４）の酸素が支持基板２に拡散する。酸化物が酸化シリコン以外の酸化物の場合には、酸素以外の構成元素も拡散する。
熱処理は、薄化途中または薄化後の少なくともいずれかに実施する。薄化工程を行わずに熱処理をすると、圧電基板３と支持基板２との熱膨張係数差によって、圧電基板３あるいは支持基板２が割れやすくなる。薄化工程で圧電基板３を薄くすることによって、圧電基板３の熱膨張および収縮を低減することができる。その結果、圧電基板３あるいは支持基板２の割れを低減しながら熱処理によって酸素などの拡散を行うことができる。
このような薄化工程および加熱工程を複数回繰り返してもよい。それによって、酸素などの支持基板２側への拡散をより高めることができる。
薄化工程および加熱工程を複数回繰り返す場合、第ｎ＋１の熱処理は、第ｎの熱処理よりも高温でまたは長時間行うとよい。例えば、フィックの法則（拡散方程式）、および拡散係数の温度依存性から、温度Ｔ（Ｋ）、時間ｔの熱処理による拡散量（濃度変化）は、ほぼｔ／ｅｘｐ（１／Ｔ）に比例する。したがって、第ｎの熱処理のｔ／ｅｘｐ（１／Ｔ）に対し、第ｎ＋１の熱処理のｔ／ｅｘｐ（１／Ｔ）の方が大きくなるように熱処理するとよい。第ｎの熱処理時に比べて、第ｎ＋１の熱処理では、第ｎの熱処理後の薄化工程によって、圧電基板３はさらに薄くなっている。そのため、支持基板２または圧電基板３の割れを低減しながら、第ｎ＋１の熱処理の条件をより高温またはより長時間とすることができる。その結果、酸素などの支持基板２側への拡散をさらに高めることができる。
下記の表１に示すように、厚みが２００μｍの支持基板２と厚みが２００μｍの圧電基板３とを種々の接合条件で接合させた接合基板について、具体的に説明する。圧電基板３としてはＬＴ基板を使用した。表１に示す試料Ｎｏ．１～６については、一方の表面が０．３μｍの厚みを有する酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成されているＬＴ基板を使用した。表１に示す試料Ｎｏ．７～９については、一方の表面が０．３μｍの厚みを有する酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）で形成されているＬＴ基板を使用した。
表１に示す試料Ｎｏ．１～４および６～８について、Ｆａｂガンによってアルゴン（Ａｒ）を照射した後、支持基板とＬＴ基板とを接合し接合基板を作製した。次いで、この接合されたＬＴ基板の支持基板とは反対側の表面を縦軸円テーブル型平面研削盤で研削してＬＴ基板の厚みを薄くする第１の薄化工程を行なった後、この接合基板を加熱する第１の加熱工程を行った。さらに、第２の薄化工程を実施して、最終のＬＴ基板の厚みが２μｍの接合基板を得た。Ｎｏ．４、７は、第２の薄化工程後、さらに第２の加熱工程を行った。
アルゴン照射のエネルギーと、各加熱工程の加熱温度を変えることによって、ＬＴ基板の表面に形成された酸化シリコンの酸素（Ｏ）、または酸化ハフニウムの酸素（Ｏ）およびハフニウム（Ｈｆ）の支持基板までの拡散の程度を変化させた。このようにして、表１に示すような拡散状態の異なる試料Ｎｏ．１～８を得た。アルゴン照射は、照射条件である電流値、加速電圧値、照射時間のうち、照射時間を変化させることにより、表１に示すような相対比で照射エネルギーを変化させた。熱処理温度は、接合基板に割れや剥がれなどの破損が生じない温度を選択し、第１の熱処理温度（Ｔ１）に対し、第２の熱処理温度（Ｔ２）の方が大きくなるようにした。
表１に示す試料Ｎｏ．５および９については、Ｆａｂガンによってアルゴン（Ａｒ）を照射した後、支持基板とＬＴ基板とを接合して薄化処理を行った。その後、熱処理は行わずに、接合基板を得た。
得られた試料Ｎｏ．１～９の接合基板の接合強度を測定した。接合強度は、ダイシング装置を用いて接合基板を切断し、接合部の剥離の有無で評価した。結果を表１に示す。さらに、支持基板側の界面（支持基板と非晶質層との界面）を構成している元素の割合を、透過電子顕微鏡によるエネルギー分散型Ｘ線分光（ＴＥＭ／ＥＤＳ）により測定した。結果を表１に示す。
表１に示すように、本開示の接合基板に相当する試料Ｎｏ．１～４については、中間層が酸化シリコンで形成されており、支持基板側の界面に酸素（Ｏ）が３ａｔｍ％以上の割合で含まれていることがわかる。さらに、試料Ｎｏ．７および８については、中間層が酸化ハフニウムで形成されており、支持基板側の界面に酸素（Ｏ）およびハフニウム（Ｈｆ）が合計で３ａｔｍ％以上の割合で含まれていることがわかる。そのため、試料Ｎｏ．１～４、７および８は、支持基板とＬＴ基板とが強固に接合されていることがわかる。
一方、試料Ｎｏ．５および６については、中間層が酸化シリコンで形成されており、支持基板側の界面に酸素（Ｏ）が２．９ａｔｍ％および２．８ａｔｍ％の割合しか含まれていない。さらに、試料Ｎｏ．９については、中間層が酸化ハフニウムで形成されており、支持基板側の界面に酸素（Ｏ）およびハフニウム（Ｈｆ）が合計で２．５ａｔｍ％の割合しか含まれていない。そのため、試料Ｎｏ．５、６および９は、支持基板とＬＴ基板との接続強度に乏しいことがわかる。
圧電基板３として、ＬＴ基板の代わりに、ＬＮ基板を使用した接合基板においても、具体的には示していないが、同様の挙動を示した。
１ 接合基板
２ 支持基板
３ 圧電基板
４ 中間層
４１ 非晶質層
５ Ｆａｂガン
６ 開口部を有する板（開口板）
２ 支持基板
３ 圧電基板
４ 中間層
４１ 非晶質層
５ Ｆａｂガン
６ 開口部を有する板（開口板）
Claims (6)
- 圧電材料からなる圧電基板と、単結晶シリコンからなる支持基板と、前記圧電基板と前記支持基板との間に位置する酸化物からなる中間層と、該中間層と前記支持基板とを接合する非晶質層とを含み、
前記非晶質層は、酸素、アルゴン、シリコンおよび前記中間層を構成する酸素以外の中間層元素を含み、
前記支持基板と前記非晶質層との界面において、前記中間層が酸化シリコンで形成されている場合、前記酸素が３ａｔｍ％以上の割合で含まれ、前記中間層が酸化シリコン以外の酸化物で形成されている場合、前記酸素と前記中間層元素とが合計で３ａｔｍ％以上の割合で含まれる、
接合基板。 - 前記中間層は、前記非晶質層に接している側の表面部が、酸化シリコンよりも大きな密度を有する酸化物を含む、請求項１に記載の接合基板。
- 前記中間層は、複数の層が積層された多層構造を有し、前記複数の層のうち少なくとも１層は、残りの層と異なる材質で形成されている、請求項１または２に記載の接合基板。
- 前記中間層は、酸化シリコンよりも大きな密度を有する酸化物を含む層が、少なくとも１層積層されている、請求項３に記載の接合基板。
- 前記中間層元素が、４価の元素を含む、請求項１～４のいずれかに記載の接合基板。
- 前記中間層が、酸化シリコン以外の金属酸化物を含み、前記支持基板と前記非晶質層との界面において、前記金属酸化物に由来する金属が１ａｔｍ％以上の割合で含まれる、請求項１～５のいずれかに記載の接合基板。
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|---|---|---|---|
| JP2022-047291 | 2022-03-23 | ||
| JP2022047291 | 2022-03-23 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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Citations (4)
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-
2023
- 2023-03-20 WO PCT/JP2023/010789 patent/WO2023182246A1/ja unknown
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