TW201947070A - 壓電性材料基板與支持基板的接合體 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的係為了於將壓電性材料基板1(1A)隔著接合層2接合於支持基板3之際，在對製得之接合體進行加熱處理時亦可不發生壓電性材料基板1(1A)之剝離。
本發明之接合體具有：支持基板3；壓電性材料基板1(1A)，係由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質所形成；及接合層2，其將支持基板3與壓電性材料基板1(1A)接合，且接觸於壓電性材料基板1(1A)之接合面1a。由前述壓電性材料基板向前述支持基板延伸之空孔設置在接合層2中。

Description

壓電性材料基板與支持基板的接合體
本發明係關於壓電性材料基板與支持基板的接合體。
為實現高性能之半導體元件，廣泛地使用由高電阻Si/SiO2 薄膜/Si薄膜形成之SOI基板。實現SOI基板時使用電漿活性化。這是因為可在比較低溫(400℃)接合。為提高壓電裝置之特性，有人提出由類似之Si/SiO2 薄膜/壓電薄膜形成的複合基板(專利文獻1)。在專利文獻1中，使由鈮酸鋰及鉭酸鋰等形成之壓電性材料基板及設有氧化矽層之矽基板藉由離子植入法活性化後接合。
亦有人提出在接合界面形成單一或多數介電膜之多層構造的濾波器(專利文獻2)。但是，幾乎沒有關於用以實現鉭酸鋰/氧化矽/矽構造之接合技術的習知資訊。
專利文獻3記載透過氧化矽層藉由電漿活性化法接合鉭酸鋰及藍寶石或陶瓷等。
另一方面，透過氧化矽層黏合鉭酸鋰及藍寶石之表面彈性波濾波器在其接合界面產生體波並在通過區域及高頻區域出現不需要響應是習知的。為防止這情形，有人提出在接合界面導入粗面，使體波散射並抑制不需要響應的方法。此時，用無機材料填充粗面後，接著拋光形成平滑面是習知的(專利文獻4)。
[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號公報
[專利文獻2] 日本專利5910763
[專利文獻3] 日本專利第3774782號
[專利文獻4] 日本特開2012－85286號公報(專利581427)
[發明所欲解決之問題]
但是，將熱膨脹係數不同之不同種材料導入接合界面意味在晶圓加工中之加熱步驟中產生應力。因此，對接合體進行加熱處理後，有頻仍發生起因於應力之接合體破損及壓電性材料基板剝離等的問題。此外，因為在壓電性材料基板接合面之凹凸中緻密地填充不同種材料，所以成為新的反射要因，因此無法充分地抑制不需要波。
本發明之目的係為了透過接合層對支持基板接合壓電性材料基板時，在對製得之接合體進行加熱處理時亦可不產生壓電性材料基板之剝離。
[解決問題之技術手段]
本發明係一種接合體，其具有：
支持基板；
壓電性材料基板，其由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質所形成；及
接合層，其將前述支持基板與前述壓電性材料基板接合且接觸於前述壓電性材料基板之接合面，
該接合體之特徵為：由前述壓電性材料基板向前述支持基板延伸之空孔設置在前述接合層中。
本發明人在為了在壓電性材料基板之主面形成粗面並在粗面上形成氧化矽及五氧化鉭等之接合層時，檢討接合層之形成條件。迄今，為確保接合強度，考慮必須形成緻密質之接合層，因此採用以比較低之速度產生緻密之膜的條件。但是，此時，使壓電性材料基板薄化加工後進行加熱處理時，發現薄壓電性材料基板由支持基板剝離的傾向。
為解決該問題，本發明人檢討緻密質接合層之微構造，但在接合層中未特別發現空孔及裂縫等。因此，轉換想法並嘗試提高接合層之形成速度，結果發現主要以壓電性材料基板之接合面凹部為起點產生空孔。此外，在接合層中產生如此空孔時，發現不易產生壓電性材料基板之剝離而達成本發明。
雖然獲得如此顯著作用效果之原因不明確，但考慮是由壓電性材料基板側向支持基板側延伸之空孔適度地分散因加工施加之機械應力及因加熱施加之熱應力。
以下，參照適當圖式詳細地說明本發明。
首先，如圖1(a)所示地，準備具有一對主面1a、1b之壓電性材料基板1。接著，對主面1a實施加工A，藉此粗面化。接著，如圖1(b)所示地，在壓電性材料基板1之主面1a上形成接合層2。為了獲得鏡面，對該接合層2之表面進行CMP拋光。接著，如圖1(c)所示地，對接合層2之接合面如箭號B所示地照射電漿，製得表面活性化之接合面2b。
另一方面，如圖2(a)所示地，準備具有主面3a之支持基板3。接著，對支持基板3之主面如箭號C所示地照射電漿來進行表面活性化，藉此形成活性化之接合面3b。
接著，使壓電性材料基板上之接合層2的活性化接合面2b及支持基板3之活性化接合面3b接觸並直接接合，藉此製得如圖3(a)所示之接合體5。
在該狀態下，可在壓電性材料基板1上設置電極。但是，較佳的情況是，如圖3(b)所示地，加工壓電性材料基板1之主面1b使基板1薄化，藉此形成薄板化之壓電性材料基板1A並形成接合體5A。9係加工面。接著，如圖3(c)所示地，在接合體5A之壓電性材料基板1A的加工面9上形成預定之電極10，藉此可製得彈性波元件6。
此外，可在接合層2與支持基板3之間設置中間層。圖4、圖5係有關於該實施形態者。
在本例中，如圖1(a)所示地，準備具有一對主面1a、1b之壓電性材料基板1。接著，對主面1a實施加工A，藉此粗面化。接著，如圖1(b)所示地，在壓電性材料基板1之主面1a上形成接合層2。為了獲得鏡面，對該接合層2之表面進行CMP拋光。接著，如圖1(c)所示地，對接合層2之接合面如箭號B所示地照射電漿，製得表面活性化之接合面2b。
另一方面，如圖4(a)所示地，準備具有主面3a之支持基板3。接著，如圖4(b)所示地，在支持基板3之主面3a上形成中間層12，接著對中間層12之表面如箭號C所示地照射電漿來進行表面活性化，藉此形成活性化之接合面12a。
接著，使壓電性材料基板上之接合層2的活性化接合面2b及支持基板3之中間層12的活性化接合面12a接觸並直接接合，藉此製得如圖5(a)所示之接合體15。
在該狀態下，可在壓電性材料基板1上設置電極。但是，較佳的情況是，如圖5(b)所示地，加工壓電性材料基板1之主面1b使基板1薄化，藉此形成薄板化之壓電性材料基板1A並形成接合體15A。9係加工面。接著，如圖5(c)所示地，在接合體15A之壓電性材料基板1A的加工面9上形成預定之電極10，藉此可製得彈性波元件16。
或者，可在形成接合層2後，接著在接合層2上形成中間層12。此時，對中間層12之表面實施CMP加工，製得接合面(鏡面)。對製得之接合面照射電漿，進行活性化。接著使支持基板之表面電漿活性化後，與中間層之接合面直接接合。
在本發明中，由壓電性材料基板1(1A)向支持基板3延伸之細長空孔設置在接合層2中。例如，如圖6之橫截面照片及圖7之示意說明圖所示地，由壓電性材料基板1(1A)向支持基板3延伸之空孔16、17形成在壓電性材料基板1(1A)與支持基板間之接合層2中。
在本實施形態中，可了解的是各空孔16、17由壓電性材料基板1(1A)之主面1a延伸且承繼主面1a之凹凸(特別是凹部)的形態。16a、17a係空孔16、17之壓電性材料基板側的端部。另一方面，雖然一部分之空孔16到達接合層2之支持基板側的接合面2b，但一部分之空孔17未到達接合層2之接合面2b，而是終止在接合層2中。此外，16b、17b係各空孔16、17之接合面2b側的末端。
空孔意味未填充構成接合層之材質的空隙。此外，空孔之存在及形狀切斷接合體(晶圓)，且可用SEM(掃描式電子顯微鏡)觀察、測量切斷面。以下顯示測量條件。
SEM裝置：CarlZeiss公司製 Ultra 55
加速電壓：2kV
倍率：4000倍
在較佳實施形態中，凹部20設置在壓電性材料基板1(1A)之主面1a中，且空孔16、17連通至凹部20。在壓電性材料基板上形成接合層時，承繼壓電性材料基板之主面的形狀而成膜，因此容易產生如此之形態。但是，結晶成長時結晶填充在空孔與凹部之邊界部分，因此空孔之末端16a、17a亦與凹部20分離。
在較佳實施形態中，空孔朝厚度方向L貫穿接合層。此時，空孔16之各末端16a到達壓電性材料基板之主面1a，且空孔16之相反方向的末端16b到達接合層2之接合面2b。由防止壓電性材料基板剝離之觀點來看，存在如此形態之空孔16特別理想。
接合層之厚度方向L意味與壓電性材料基板之主面1a垂直的方向。但是，主面1a之形狀近似於平面且忽略微細之凹凸。
較佳的情況是，空孔大致向接合層之厚度方向L延伸。空孔不需要橫跨全長地與厚度方向L平行地延伸，空孔可彎曲、變形且多數列之空孔連通。此外，空孔宜為細長空孔。另外，具體之形狀沒有特別限制，可為條狀、線狀、圓柱收分線(entasis)形狀，且亦可為該等形狀彎曲或折曲之形狀。
此外，(空孔之壓電性材料基板側末端的寬度t)/(空孔之全長l)宜為0.02以上，且0.03以上更佳。但是，(空孔之壓電性材料基板側末端的寬度t)/(空孔之全長l)宜為0.08以下，且0.05以下更佳。
但是，空孔之全長l意味空孔之壓電性單晶基板側末端到支持基板側末端的全路徑長度(路程)。此外，空孔之壓電性單晶基板側末端的寬度t係與壓電性單晶基板及接合層之界面平行地看到的空孔寬度。
在較佳實施形態中，接合層2接觸於支持基板3之主面3b。圖1至圖3係有關於該實施形態者。
此外，在較佳實施形態中，接合層2與支持基板3之間具有中間層12。圖4、圖5係有關於該實施形態者。如此之中間層可為一層或多數層。
以下，依序說明本發明之各構成元件。
支持基板3之材質沒有特別限制，但宜由選自於由矽、水晶、矽鋁氮氧化物(Sialon)、富鋁紅柱石、藍寶石及透光性氧化鋁構成之群組的材質所形成。藉此，可進一步改善彈性波元件6、16之頻率的溫度特性。
接合層、中間層之成膜方法沒有限制，可舉濺鍍、化學蒸氣沈積法(CVD)、蒸鍍為例。
接合層2之材質沒有特別限制，只要可表面活性化即可，但宜為金屬氧化膜，且選自於由氧化矽及五氧化鉭構成之群組的材質特佳。此外，可依據使用之接合層材質選擇適當的表面活性化處理方法。如此之表面活性化方法可舉電漿活性化及FAB(Ar原子束)為例。
中間層12之材質沒有特別限制，只要可表面活性化即可，但宜為金屬氧化膜，且選自於由氧化矽及五氧化鉭構成之群組的材質特佳。但是，中間層之材質宜選擇與接合層不同者。
由本發明之觀點來看，接合層2之厚度宜為0.5μm以上，1.0μm以上更佳且2.5μm以上特佳。此外，接合層2之厚度宜為10μm以下，7μm以下較佳且5μm以下更佳。
本發明使用之壓電性材料基板1係鉭酸鋰(LT)單晶、鈮酸鋰(LN)單晶、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體。因為這些壓電性材料基板之彈性波的傳播速度快且電氣機械結合係數大，所以適合作為高頻且寬頻頻率用之彈性表面波裝置。
此外，壓電性材料基板1之主面1a的法線方向沒有特別限制，但例如壓電性材料基板1由LT形成時，最好因傳播損失小而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Y軸朝Z軸旋轉32至55°之方向，即用歐拉角(Eulerian angle)表示為(180°、58至35°、180°)者。壓電性材料基板1由LN形成時，(i)最好因電氣機械結合係數大而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Z軸朝-Y軸旋轉37.8°之方向，即用歐拉角表示為(0°、37.8°、0°)者，或(ii)最好因可獲得高音速而使用以彈性表面波之傳播方向的X軸為中心，由Y軸朝Z軸旋轉40至65°之方向，即用歐拉角表示為(180°、50至25°、180°)者。另外，壓電性材料基板1之大小沒有特別限制，但例如直徑可為100至200mm且厚度可為0.15至1μm。
此外，壓電性材料基板1之主面1a進行粗面化加工時，宜為研磨具(lap)加工。使用GC#1000或GC#2500之粗研磨粒進行研磨具加工更佳。用Zygo公司製New View 7300測量如此加工之粗面，結果顯示Ra為100至300nm且Rmax值為1.4至4.0μm之值。或者，亦可使用噴擊加工獲得同樣之粗面。
接著，在150℃以下將電漿照射在壓電性材料基板1上之接合層2的接合面、支持基板3之接合面、支持基板3上之中間層12的接合面，使接合面活性化。由本發明之觀點來看，宜照射氮電漿，但照射氧電漿時亦可製得本發明之接合體。
表面活性化時之壓力宜為100Pa以下且80Pa以下更佳。此外，環境可只有氮或只有氧，但亦可為氮、氧之混合物。
電漿照射時之溫度為150℃以下。藉此，可製得接合強度高且結晶性未劣化之接合體。由該觀點來看，電漿照射時之溫度為150℃以下，但100℃以下更佳。
此外，電漿照射時之能量宜為30至150W。此外，電漿照射時之能量與照射時間的積宜為0.12至1.0Wh。
使電漿處理後之基板的接合面在室溫下互相接觸。此時可在真空中進行處理，但在大氣中接觸更佳。
藉由氬原子束進行表面活性化時，宜使用如日本特開2014－086400記載之裝置產生氬原子束並進行照射。即，使用鞍形場型之高速原子束源作為束源。接著，將惰性氣體導入腔室中並由直流電源施加高電壓至電極。藉此，藉由電極(正極)與框體(負極)間產生之鞍形場型電場，電子e運動而產生氬原子及離子束。到達柵極之束中，離子束被柵極中和，因此由高速氬原子束源射出氬原子束。藉由束照射活性化時之電壓宜為0.5至2.0kV且電流宜為50至200mA。
在較佳實施形態中，在表面活性化處理前，對壓電性材料基板上之接合層的接合面、支持基板之接合面、支持基板上之中間層的接合面進行平坦化加工。使各接合面平坦化之方法包括研磨具(lap)拋光、化學機械拋光加工(CMP)等。此外，平坦面之Ra宜≦1nm且為0.3nm以下更佳。
接著，使壓電性材料基板上之接合層的接合面與支持基板3之接合面或中間層之接合面接觸並接合。然後，宜藉由進行退火處理，使接合強度提高。退火處理時之溫度宜為100℃以上、300℃以下。
本發明之接合體5、5A、15、15A可理想地使用於彈性波元件6、16。即，具有本發明之接合體及設置在壓電性材料基板上之電極的彈性波元件。
具體而言，彈性表面波裝置、藍姆(lamb)波元件及薄膜體聲波共振器(FBAR)等作為彈性波元件6、16是習知的。例如，彈性表面波裝置在壓電性材料基板之表面上設置激發彈性表面波之輸入側的IDT(交指狀轉換器(Interdigital Transducer))電極(亦稱為梳形電極、指叉電極)及接收彈性表面波之輸出側的IDT電極。將高頻信號施加至輸入側之IDT電極時，在電極間產生電場，接著彈性表面波被激發並在壓電性材料基板上傳播。接著，可由設在傳播方向之輸出側的IDT電極取出傳播之彈性表面波作為電信號。
構成壓電性材料基板1A上之電極10的材質宜為鋁、鋁合金、銅、金，且鋁或鋁合金更佳。鋁合金宜使用在Al中混合0.3至5重量%之Cu者。此時，可使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta來取代Cu。
[實施例]
(實施例A)
依據參照圖1至圖3說明之方法，製成圖3(c)所示之彈性波元件6。
具體而言，將厚度250μm之42Y切割X傳播LiTaO3 基板(壓電性材料基板)1的其中一主面1b拋光成鏡面，並用GC#1000對另一主面1a進行研磨具加工。此外，準備厚度為0.23mm之高電阻(>2kΩ．cm)Si(100)基板(支持基板)3。基板大小均為150mm。
藉由濺鍍裝置(SHINCRON公司製RAS-1100C)在壓電性材料基板1之主面(粗面)1a上形成由厚度6μm之氧化矽膜形成的接合層2。成膜條件如下。
偏壓功率：6000W
Ar氣體流量：100sccm
微波功率：1500W
O2 氣體流量：200sccm
速度：0.3nm/秒
成膜時之腔室內壓力：0.1Pa
對成膜之氧化矽進行CMP加工以便獲得接合所需的平滑度。
用AFM(原子力顯微鏡)測量拋光後之接合層的表面粗度，結果確認製得Ra為0.4nm之充分接合的鏡面。
接著，分別地清洗壓電性材料基板1上之接合層2的接合面2a及支持基板3之接合面3a並使其表面活性化。具體而言，實施使用純水之超音波清洗，接著藉由旋轉乾燥使基板表面乾燥。接著，將清洗後之支持基板3導入電漿活性化腔室並用氮氣電漿在30℃使支持基板之接合面3a活性化。此外，將壓電性材料基板1同樣地導入電漿活性化腔室並用氮氣電漿在30℃使接合層2之接合面2a表面活性化。表面活性化時間為40秒且能量為100W。為去除在表面活性化中附著之粒子，再實施與上述相同之超音波清洗、旋轉乾燥。
接著，進行各基板之對位，並在室溫下使兩基板之活性化接合面接觸。使壓電性材料基板1側朝上來進行接觸。結果，觀測到基板密接廣大之情形(所謂結合波)，因此確認良好地進行預備接合。接著，為增加接合強度，將接合體投入氮環境之烘箱並在120℃下保持10小時。
對加熱後之接合體的壓電性材料基板1表面1b進行研磨加工、研磨具加工及CMP加工，使壓電性材料基板1A之厚度成為20μm。為確認製得之接合體的耐熱性，將接合體投入300℃之烘箱中2小時，接著取出，結果確認沒有裂縫及壓電性材料基板1A之剝離等。
此外，藉由SEM在前述裝置及條件下拍攝製得之接合體橫截面之照片顯示在圖6中，且其說明圖顯示於圖7中(說明如前述)。另外，l/t係0.04至0.13。
(實施例B)
將在實施例A中之接合層的材質變更為五氧化鉭。但是，非使用電漿，而是使用Ar原子束來進行表面活性化。結果，獲得與實施例A同樣的結果。
(實施例C)
將在實施例A中之壓電性材料基板1的材質變更為鈮酸鋰。結果，獲得與實施例A同樣的結果。
(比較例A)
與實施例A同樣地製成接合體。但是，成膜時之偏壓功率由6000W下降至一半而為3000W，並將成膜速度設為大約1/2。
除此以外與實施例A同樣地製成接合體，將製得之接合體投入300℃之烘箱並在2小時後取出。結果，接合體粉碎地破損。
此外，觀察該接合體之橫截面，結果如圖8、圖9所示地，接合層13之組織非常緻密，未發現朝厚度方向L延伸之空孔。
(比較例B)
將在比較例A中之接合層13的材質變更為五氧化鉭。此外，如前所述地使用Ar原子束來進行表面活性化。結果，獲得與比較例A同樣的結果。
1、1A‧‧‧壓電性材料基板
1a、1b、2a‧‧‧主面
2、13‧‧‧接合層
2a、2b、3b、12a‧‧‧接合面
3‧‧‧支持基板
3a‧‧‧主面(接合面)
5、5A、15、15A‧‧‧接合體
6、16‧‧‧彈性波元件
9‧‧‧加工面
10‧‧‧電極
12‧‧‧中間層
16、17‧‧‧空孔
16a、17a‧‧‧端部(末端)
16b、17b‧‧‧末端
20‧‧‧凹部
A‧‧‧加工
B、C‧‧‧箭號
L‧‧‧厚度方向
l‧‧‧空孔之全長
T‧‧‧寬度
[圖1](a)顯示加工壓電性材料基板1之主面1a的狀態，(b)顯示在壓電性材料基板1之主面1a設置接合層2的狀態，且(c)顯示對接合層2之接合面照射電漿B而使其活性化的狀態。
[圖2](a)顯示支持基板3，且(b)顯示使支持基板3之接合面3b活性化的狀態。
[圖3](a)顯示壓電性材料基板1與支持基板3的接合體5，(b)顯示藉由加工使接合體5A之壓電性材料基板1A薄化的狀態，且(c)顯示彈性波元件6。
[圖4](a)顯示支持基板3，且(b)顯示使支持基板3上之中間層12的接合面12a活性化的狀態。
[圖5](a)顯示壓電性材料基板1與支持基板3的接合體15，(b)顯示藉由加工使接合體15A之壓電性材料基板1A薄化的狀態，且(c)顯示彈性波元件16。
[圖6]係放大顯示實施例之接合層的照片。
[圖7]係對應圖6之照片的說明圖。
[圖8]係放大顯示比較例之接合層的照片。
[圖9]係對應圖8之照片的說明圖。

Claims (7)

  1. 一種接合體，包含： 支持基板； 壓電性材料基板，係由選自於由鈮酸鋰、鉭酸鋰及鈮酸鋰-鉭酸鋰構成之群組的材質所形成；及 接合層，將該支持基板與該壓電性材料基板接合，且接觸於該壓電性材料基板之主面， 其特徵為：在該接合層中設有由該壓電性材料基板向該支持基板延伸之空孔。
  2. 如申請專利範圍第1項之接合體，其中在該壓電性材料基板之該主面設有凹部，且該空孔連通至該凹部。
  3. 如申請專利範圍第2項之接合體，其中該空孔朝厚度方向貫穿該接合層。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之接合體，其中該接合層係由選自於由氧化矽及五氧化鉭構成之群組的材質所形成。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之接合體，其中該接合層接觸於該支持基板之主面。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之接合體，其中該接合層與該支持基板之間具有中間層。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之接合體，其中該壓電性材料基板之厚度係20μm以下。
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