TW201820665A - 接合體 - Google Patents
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Abstract
提供一種微結構，其可牢固地接合由鈮酸鋰和鉭酸鋰構成之壓電性單結晶基板與支撐基板。 壓電性單結晶基板6的材質為LiAO3(A為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素)，接合層3A的材質為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素的氧化物，沿著壓電性單結晶基板6與接合層3A間的邊界，設有具有ExO(1-x)(E為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，0.29
x
Description
本發明係關於特定的壓電性單結晶基板與支撐基板之間的接合體。
已知可運作為攜帶式電話等當中所使用之濾波器元件與振盪器的彈性表面波裝置(surface acoustic wave device)以及使用壓電薄膜之蘭姆波(Lamb wave)元件與薄膜共振器(FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator)等的彈性波裝置(acoustic wave device)。作為這樣的彈性波裝置，已知有貼合支撐基板與傳播彈性表面波之壓電基板、在壓電基板表面設置可激發彈性表面波之梳狀電極的彈性波裝置。如此一來，藉由將熱膨脹係數比壓電基板小的支撐基板黏貼至壓電基板，抑制溫度變化時壓電基板的尺寸變化，並抑制彈性表面波裝置之頻率特性的變化。
例如，專利文獻1提出一種彈性表面波裝置，其具有經環氧樹脂黏著劑所構成之黏著層貼合壓電基板與矽基板的構造。
在此，當接合壓電基板與矽基板時，已知在壓電基板表面形成氧化矽膜並透過氧化矽膜直接接合壓電基板與矽基板(專利文獻2)。在此接合之際，照射電漿束至氧化矽膜 表面與矽基板表面以活化表面並進行直接接合(電漿活化法)。
此外，已知粗糙化壓電基板之表面、設置填充層於此粗糙面上以平坦化、並透過黏著層將此填充層黏著至矽基板(專利文獻3)。在此方法中，填充層、黏著層係使用環氧樹脂系、丙烯酸系的樹脂，藉由粗糙化壓電基板之接合面，抑制體波(bulk wave)的反射，並減低混附發射(spurious emission)。
另外，已知被稱為FAB(Fast Atom Beam)方式的直接接合法(專利文獻4)。此方法中，在常溫下照射中性原子束至各接合面以活化並直接接合。
另一方面，專利文獻5記載透過中間層將壓電性單結晶基板直接接合至陶瓷(氧化鋁、氮化鋁、氮化矽)所構成之支撐基板，而非矽基板。此中間層之材質為矽、氧化矽、氮化矽、氮化鋁。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
專利文獻1：日本特開2010-187373號公報
專利文獻2：美國專利第7213314B2號公報
專利文獻3：日本特許第5814727號公報
專利文獻4：日本特開2014-086400號公報
專利文獻5：日本特許第3774782號公報
但是，將壓電性單結晶基板牢固穩定地接合至支 撐基板，特別是由鈮酸鋰(lithium niobate)、鉭酸鋰(lithium tantalate)等構成之壓電性單結晶基板，是有困難的。
本發明的問題為提供一種微結構，其可牢固地接合由鈮酸鋰、鉭酸鋰等構成之壓電性單結晶基板與支撐基板。
本發明提供一種接合體，包括一支撐基板、一壓電性單結晶基板以及設置於該支撐基板與該壓電性單結晶基板之間的一接合層，其中，該壓電性單結晶基板的材質為LiAO3(A為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素)，該接合層的材質為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素的氧化物，沿著該壓電性單結晶基板與該接合層間的邊界，設有具有ExO(1-x)(E為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，0.29x0.89)之組成的一界面層。
根據本發明，成功提供一種微結構，其可牢固地接合由鈮酸鋰和鉭酸鋰構成之壓電性單結晶基板與支撐基板。
1‧‧‧支撐基板
1a、1b、2a、6b、6c‧‧‧表面
2、3、3A‧‧‧接合層
3a‧‧‧平坦面
4、6a‧‧‧活化面
6、6A‧‧‧壓電性單結晶基板
7、8‧‧‧接合體
9‧‧‧彈性表面波元件
10‧‧‧電極
12‧‧‧界面層
13‧‧‧接合層側中間層
14‧‧‧基板側中間層
A‧‧‧中性射束
第1(a)圖係表示根據本發明實施型態之接合體7的示意圖，第1(b)圖係表示接合體7之主要部分的放大圖，第1(c)圖係表示其他接合體之主要部分的放大圖。
第2圖係表示根據本發明實施型態之接合體的主要部分的照片。
第3(a)圖係表示在支撐基板1上設置接合層2的狀態，第 3(b)圖係表示對接合層3之表面3a進行平坦化加工的狀態，第3(c)圖係表示藉由中性射束A活化平坦面4的狀態。
第4(a)圖係表示藉由中性射束A活化壓電性單結晶基板6A之表面6c的狀態，第4(b)圖係表示壓電性單結晶基板6之表面6a被活化的狀態。
第5(a)圖係表示接合壓電性單結晶基板6與支撐基板1的狀態，第5(b)圖係表示藉由加工薄化壓電性單結晶基板6A的狀態，第5(c)圖係表示在壓電性單結晶基板6A上設置電極10的狀態。
以下參照適當圖式並詳細說明本發明。本發明之接合體包括支撐基板、壓電性單結晶基板以及設置於該支撐基板與該壓電性單結晶基板之間的接合層。例如，第1(a)圖所示的接合體7中，壓電性單結晶基板6的活化面6a係透過接合層3A接合至支撐基板1的表面1a上。
壓電性單結晶基板的材質為LiAO3。在此，A為從鈮(niobium)及鉭(tantalum)所構成之群組中選擇的一種以上的元素。因此，LiAO3可為鈮酸鋰，可為鉭酸鋰，亦可為鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體。
另外，接合層之材料為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素的氧化物。此氧化物可為鉭的氧化物，可為鈮的氧化物，亦可為鉭與鈮的複合氧化物。
在本發明中，沿著壓電性單結晶基板與接合層間的邊界，設有具有ExO(1-x)(E為從鈮及鉭所構成之群組中選擇 的一種以上的元素，0.29x0.89)之組成的界面層。在此，ExO(1-x)的元素E可單獨為鈮，可單獨為鉭，亦佳為包括鈮與鉭兩者。
意即，第1(b)圖所示的例子中，壓電性單結晶基板6的活化面6a與接合層3A的活化面4之間設有具有ExO(1-x)(E為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，0.29x0.89)之組成的界面層12。
再者，在優選實施型態中，界面層與壓電性單結晶基板之間設有具有GyO(1-y)(G為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，xy0.89)之組成的基板側中間層。另外，在優選實施型態中，界面層與接合層之間設有具有JzO(1-z)(J為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，xz0.89)之組成的接合層側中間層。
意即，第1(c)圖的例子中，界面層12與壓電性單結晶基板6之間設有具有GyO(1-y)之組成的基板側中間層14，界面層12與接合層3A之間設有具有JzO(1-z)之組成的接合層側中間層13。
在此，設置於壓電性單結晶基板與接合層之間的界面層的組成為ExO(1-x)，此意謂生成其組成之Ta、Nb比率比壓電性單結晶基板、接合層等之Ta、Nb比率高的界面層。在設置此種界面層的情況下，發現壓電性單結晶基板與接合層之間的界面層的強度變為極高，而得到高裂縫開口(crack opening)強度。
從本發明的觀點，x為0.29以上，較佳為0.34以 上。另外，再從本發明的觀點，x為0.89以下，較佳為0.64以下。
再者，具有GyO(1-y)之組成的基板側中間層以及具有JzO(1-z)之組成的接合層側中間層當中，從本發明的觀點，y、z為比x大，其差值較佳為0.01以上，更佳為0.02以上。另外，再從本發明的觀點，y、z較佳為0.89以下。
第2圖表示根據本發明實施型態之接合體的主要部分。本例係對應至如第1(c)圖所示的狀態。意即，下側有接合層3A，上側有壓電性單結晶基板6。然後，從接合層3A(下側)向壓電性單結晶基板6(上側)其間依序設有接合層側中間層13、界面層12、基板側中間層14。
在此，優選實施形態中，例如如第2圖所示，界面層12為明亮，接合層側中間層13與基板側中間層14為暗。不過，此照片為穿透式電子顯微鏡的明視野像(bright field image)，其以下列條件拍攝。
量測裝置：使用穿透式電子顯微鏡(日本電子製，JEM-ARM200F)進行微結構觀察。
量測條件：對於經FIB(聚焦離子束)法薄片化之樣本，用加速電壓200kV進行觀察。
在此，ExO(1-x)、GyO(1-y)、JzO(1-z)各自的鉭及鈮的合計比率x、y、z經下列所述決定。
量測裝置：使用元素分析儀(日本電子製，JED-2300T)進行元素分析。
量測條件：對於經FIB(聚焦離子束)法薄片化之樣本，用 加速電壓200kV進行觀察。
量測值的處理：在壓電性單結晶基板、基板側中間層、界面層、接合層側中間層之各部分量測氧以及鉭(鈮)的量。在此，將壓電性單結晶基板中氧量與鉭及鈮之合計量的比率，根據化學式LiAO3標準化為3：1。意即，藉由將壓電性單結晶基板中鈮及鉭A的合計量乘以相關計數α，將A的比率調整成0.25(25atom%)。然後，藉由分別將基板側中間層、界面層、接合層側中間層之各部分中A的量測量乘以相關計數α，分別算出x、y、z。
以下敘述本發明之接合體的優選製造例。第3~5圖係用於說明在支撐基板上設置接合層、將其直接接合至壓電性單結晶基板之表面的製造例的示意圖。
如第3(a)圖所示，在支撐基板1的表面1a設置接合層2。在此時間點，接合層2的表面2a可以有凹凸不平。接著，藉由對接合層2的表面2a進行平坦化加工，形成平坦面3a。藉由此平坦化加工，通常接合層2的厚度會變小，形成較薄的接合層3(參照第3(b)圖)。
接著，如第3(c)圖所示，對平坦面3a照射如箭頭A所示的中性射束，活化接合層3A的表面以形成活化面4。
另一方面，如第4(a)圖所示，藉由照射中性射束A至壓電性單結晶基板6A的表面6c以活化，得到形成有活化面6a的壓電性單結晶基板6(第4(b)圖)。接著，如第5(a)圖所示，藉由直接接合壓電性單結晶基板6的活化面6a與接合層3A的活化面4，得到接合體7。
在優選實施型態中，進一步對接合體7的壓電性單結晶基板的表面6b進行研磨加工，而如第5(b)圖所示壓電性單結晶基板6A的厚度變小，得到接合體8。6c為研磨面。
第5(c)圖中，藉由在壓電性單結晶基板6A的研磨面6c上形成預定的電極10，製作彈性表面波元件9。
以下，進一步說明本發明的各構成要件。本發明之接合體的用途並不特別限定，舉例而言，可優選適用於彈性波元件與光學元件。
作為彈性波元件，已知有彈性表面波裝置、蘭姆波元件、薄膜共振器(FBAR)等。例如，彈性表面波裝置係在壓電性材料基板的表面上設置激發彈性表面波的輸入側IDT(Interdigital Transducer)電極(亦稱為梳狀電極、簾狀電極)與接收彈性表面波的輸出側IDT電極。當施加高頻率訊號於輸入側IDT電極時，電極間產生電場，激發彈性表面波以傳播於壓電基板上。然後，從設置於傳播方向上的輸出側IDT電極，可將所傳播的彈性表面波作為電氣訊號取出。
在壓電性單結晶基板的底面可以有金屬膜。金屬膜在製造作為彈性波裝置之蘭姆波元件的時候，扮演增加壓電基板裏面附近之電氣機械耦合係數的角色。在此情況下，蘭姆波元件在壓電性單結晶基板的表面形成梳齒電極，藉由設置於支撐基板之孔洞成為露出壓電基板之金屬膜之構造。作為此種金屬膜的材質，舉例有鋁、鋁合金、銅、金等。另外，製造蘭姆波元件時，亦可使用包括底面沒有金屬膜之壓電性單結晶基板的複合基板。
另外，在壓電性單結晶基板的底面可以有金屬膜與絕緣膜。金屬膜在製造作為彈性波裝置之薄膜共振器的時候，扮演電極的角色。在此情況下，薄膜共振器在壓電基板的表裏面形成電極，藉由在絕緣膜形成孔洞成為露出壓電基板之金屬膜之構造。作為此種金屬膜的材質，舉例有鉬、釕、鎢、鉻、鋁等。另外，作為絕緣膜之材質，舉例有二氧化矽、磷矽玻璃、硼磷矽玻璃等。
另外，作為光學元件，例如為光學切換元件、波長轉換元件、光學調變元件。此外，在壓電性材料基板中可形成週期性極性反轉構造。
在優選製造例中，可藉由中性射束活化壓電性單結晶基板的表面。特別在壓電性單結晶基板的表面為平坦面的情況下，可將此表面直接接合至接合層。
在本發明之對象為彈性波元件、壓電性單結晶基板的材質為鉭酸鋰的情況下，由於傳播損失較小，較佳為使用以彈性表面波傳播方向之X軸為中心、從Y軸向Z軸旋轉36~47°(例如42°)的方向。另外，在壓電性單結晶基板由鈮酸鋰構成的情況下，由於傳播損失較小，較佳為使用以彈性表面波傳播方向之X軸為中心、從Y軸向Z軸旋轉60~68°(例如64°)的方向。除此之外，壓電性單結晶基板的尺寸並沒有特別限定，例如，直徑50~150mm，厚度0.2~60μm。
支撐基板的材質為單結晶或者陶瓷。其較佳為從矽、藍寶石、富鋁紅柱石、堇青石、半透明氧化鋁、SiAlON、AlN及Si3N4所構成之群組中選擇之材質。
在支撐基板上形成接合層時，接合層的沈積方法並沒有限定，可為例如濺鍍(sputtering)法、化學氣相沈積法(CVD)、蒸鍍，而從更有效率地沈積從鈮及鉭所構成之群組中選擇之一種以上之元素的氧化物的角度來看，較佳為濺鍍法、蒸鍍。
濺鍍法可為例如使用從鈮及鉭所構成之群組中選擇之一種以上之元素所構成的金屬靶材、在包括氧之空氣下沈積以形成氧化物薄膜的反應性濺鍍法，將從鈮及鉭所構成之群組中選擇之一種以上之元素的氧化物作為靶材以沈積的方法等。
接著，較佳為平坦化接合層之表面以得到平坦面。在此，平坦化接合層之表面的方法為拋光(lap)研磨、化學機械研磨加工(CMP)等。另外，平坦面較佳為Ra1nm，更佳為0.3nm以下。
此外，平坦化壓電性單結晶基板之表面以得到平坦面。在此，平坦化壓電性單結晶基板之表面的方法為拋光(lap)研磨、化學機械研磨加工(CMP)等。另外，平坦面較佳為Ra1nm，更佳為0.3nm以下。
接著，在優選實施型態中，藉由照射中性射束至接合層之平坦面，活化接合層之平坦面。另外，藉由照射中性射束至壓電性單結晶基板之表面，活化平坦面。
在由中性射束進行表面活化時，較佳為使用如專利文獻4所記載的裝置以產生中性射束並照射。意即，使用鞍形場(saddle-field)型高速原子束源作為射束源。然後，導入惰 性氣體至腔室內，並從直流電源施加高電壓至電極。因此，藉由在電極(正極)與殼體(負極)之間生成的鞍形場型電場，電子e運動，由惰性氣體生成原子與離子的射束。抵達格柵之射束當中，由於離子束在格柵處中和，中性原子的射束係從高速原子束源射出。構成射束的原子種類較佳為惰性氣體(氬氣、氮氣等)。
由射束照射活化時的電壓較佳為0.5~2.0kV，電流較佳為50~200mA。
接著，在真空氣氛中使配對的活化面接觸以接合。此時的溫度為常溫，具體而言，較佳為40℃以下，更佳為30℃以下。另外，接合時的溫度特佳為20℃以上、25℃以下。接合時的加壓之力較佳為100~20000N。
【實施例】
(實施例1)
根據參照第3~5圖說明的方法，得到第1(c)圖以及第2圖所示的接合體。具體而言，準備具有定向平面(Orientation Flat，OF)部、直徑4吋、厚度250μm的由鉭酸鋰(LT)構成的壓電性單結晶基板6。基板6，其彈性表面波(SAW)的傳播方向設為X，並使用截角為旋轉Y切割板的46°Y切割X傳播LT基板。壓電性單結晶基板6A的表面6c經鏡面研磨以使其算術平均粗糙度Ra成為1nm。
另外，作為支撐基板1，準備具有OF部、直徑4吋、厚度230μm的富鋁紅柱石基板。由富鋁紅柱石構成之支撐基板1的表面1a的算術平均粗糙度Ra為2nm。算術平均粗糙 度由原子力顯微鏡(AFM)在縱10μm×橫10μm之正方形視野評估。
接著，以擦洗(scrub)洗淨機洗淨支撐基板1。洗淨液係使用丙酮與IPA的混合溶液。接著，在支撐基板1的表面1a，以磁控管(magnetron)式平行平板型濺鍍沈積裝置沈積0.2μm的由五氧化鉭構成的接合層2。靶材使用五氧化鉭，在氬氣與氧氣的混合氣氛下，以全壓0.5Pa進行沈積。沈積後的Ra為2.0nm。接著，對接合層2進行化學機械研磨加工(CMP)，使膜厚成為0.15μm，Ra成為0.3nm。
接著，洗淨接合層3的平坦面3a與壓電性單結晶基板6的表面6a，並在移除髒污後，導入至真空腔室。抽真空至10-6Pa程度之後，對各基板接合面照射高速原子束(加速電壓1kV、Ar流量27sccm)120秒。然後，使接合層3A之射束照射面(活化面)4與壓電性單結晶基板6之活化面6a接觸之後，在10000N下加壓2分鐘以接合兩基板(第5(a)圖)。
接著，研削及研磨壓電性單結晶基板6之表面6b，使厚度從當初的250μm變成20μm。在研削及研磨工程中無法確認接合部分的剝離。此外以裂縫開口法評估接合強度時，其為1.8J/m2。
接著，由FIB切出已接合之複合基板的剖面，並用TEM(日本電子製，JEM-ARM200F)觀察剖面，確認微結構與組成。此剖面照片係表示於第2圖。另外，各部分之元素O與Ta的比率(atom%)係表示於表1。
(實施例2~5)
以與實施例1同樣的方式製造接合體。但是，接合時照射至基板接合面的高速電子束的加速電壓係變更為表1所記載之值。所得之各接合體之各部分的元素比率以及由裂縫開口法評估之接合強度係表示於表1。
(比較例1)
以與實施例1同樣的方式製造接合體。但是，接合時照射至基板接合面的高速電子束的加速電壓係變更為表1所記載之值。所得之接合體中，在接合層與壓電性單結晶基板之間沒有觀察到本發明的界面層。此接合體之由裂縫開口法評估之接合強度係表示於表1。
Claims (5)
- 一種接合體，包括一支撐基板、一壓電性單結晶基板以及設置於該支撐基板與該壓電性單結晶基板之間的一接合層，其特徵為：該壓電性單結晶基板的材質為LiAO 3(A為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素)；該接合層的材質為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素的氧化物；以及沿著該壓電性單結晶基板與該接合層間的邊界，設有具有E xO (1-x)(E為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，0.29 x 0.89)之組成的一界面層。
- 如申請專利範圍第1項所述之接合體，其中該接合層的該材質為D 2O 5，D為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之接合體，其中該界面層與該壓電性單結晶基板之間設有具有G yO (1-y)(G為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，x y 0.89)之組成的一基板側中間層。
- 如申請專利範圍第1至3項其中任一項所述之接合體，其中該界面層與該接合層之間設有具有J zO (1-z)(J為從鈮及鉭所構成之群組中選擇的一種以上的元素，x z 0.89)之組成的一接合層側中間層。
- 如申請專利範圍第1至4項其中任一項所述之接合體，其中該壓電性單結晶基板的該材質為LiTaO 3，該接合層的材 質為Ta 2O 5，該界面層的組成為Ta xO (1-x)。
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