CN117280609A

CN117280609A - 接合体

Info

Publication number: CN117280609A
Application number: CN202180013623.0A
Authority: CN
Inventors: 山寺乔纮; 中山纱希
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-12-22
Also published as: EP4117180A1; EP4117180A4; KR20220127927A; US11936363B2; JP7183481B1; WO2022190465A1; KR102539925B1; JPWO2022190465A1; US20220385265A1

Abstract

本发明的课题在于，借助包含金属氧化物的接合层而将压电性材料基板牢固地接合在包含硅的支撑基板上，抑制压电性材料基板在加工时自支撑基板发生剥离。接合体5A具有：包含硅的支撑基板1、压电性材料基板4A、以及设置在支撑基板1的接合面1a上的接合层2，该接合层2包含金属氧化物。支撑基板1的接合面1a处的铝元素量为1.0×10¹¹～1.0×10¹⁵atoms/cm²。

Description

接合体

技术领域

本发明涉及压电性材料基板与包含硅的支撑基板的接合体。

背景技术

已知移动电话等中所使用的能够作为滤波元件、振荡器发挥功能的弹性表面波器件、使用了压电薄膜的兰姆波元件、薄膜谐振器(FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator)等弹性波器件。作为这样的弹性波器件，已知将支撑基板与传播弹性表面波的压电性材料基板贴合、在压电性材料基板的表面设置了可激发弹性表面波的梳形电极的弹性波器件。

在将压电性材料基板与硅基板接合时，已知在压电性材料基板表面形成硅氧化物膜，借助硅氧化物膜而将压电性材料基板与硅基板直接键合(专利文献1、2)。该接合时，对硅氧化物膜表面和硅基板表面照射等离子束，使表面活化，进行直接键合(等离子体活化法)。等离子体活化法中，能够于比较低的温度(400℃)进行接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-225537

专利文献2：美国专利第7213314B2

发明内容

借助包含金属氧化物的接合层而将压电性材料基板接合在包含硅的支撑基板上之后，为了提高压电特性，需要对压电性材料基板进行研磨加工而使其薄膜化。但是，在通过压电性材料基板的加工来实现薄膜化时，有时因加工负荷而从包含硅的支撑基板与包含金属氧化物的接合层之间的界面发生剥离。这是因为：金属氧化物在硅基板表面的密接强度不够充分。

本发明的课题在于，借助包含金属氧化物的接合层而将压电性材料基板牢固地接合在包含硅的支撑基板上，抑制压电性材料基板在加工时自支撑基板发生剥离。

本发明涉及一种接合体，其特征在于，具有：

支撑基板，该支撑基板包含硅；

压电性材料基板；以及

接合层，该接合层包含金属氧化物，且设置在所述支撑基板的接合面上，

所述支撑基板的所述接合面处的铝元素量为1.0×10¹¹～1.0×10¹⁵atoms/cm²。

本发明涉及一种弹性波元件，其特征在于，具备：

所述接合体；以及

电极，该电极设置在所述压电性材料基板上。

发明效果

根据本发明，借助包含金属氧化物的接合层而将压电性材料基板牢固地接合在包含硅的支撑基板上，能够抑制压电性材料基板在加工时自支撑基板发生剥离。

附图说明

图1中，(a)表示将压电性材料基板4的接合面4a利用等离子体A进行活化后的状态，(b)表示对支撑基板1的接合面1a实施加工B的状态，(c)表示将支撑基板1上的接合层2的接合面2a利用等离子体C进行活化后的状态。

图2中，(a)表示将压电性材料基板4和支撑基板1接合后的状态，(b)表示通过加工使压电性材料基板4A变薄后的状态，(c)表示在压电性材料基板4A上设置有电极6的状态。

图3是表示比较例中对压电性材料基板进行研磨加工时的支撑基板与接合层的界面状态的图。

图4是表示实施例中对压电性材料基板进行研磨加工时的支撑基板与接合层的界面状态的图。

具体实施方式

以下，适当参照附图，对本发明详细地进行说明。

图1、图2是用于说明将支撑基板与压电性材料基板直接键合的制造例的示意图。

如图1(a)所示，压电性材料基板4具有主面4a、4b。像箭头A那样，对压电性材料基板4的主面4a照射等离子体，使主面4a活化，制成活化面。另一方面，如图1(b)所示，对支撑基板1的接合面1a实施加工B，调节铝元素量。1b为与接合面1a相反一侧的主面。接下来，如图1(c)所示，在支撑基板1的接合面1a上设置接合层2。接下来，对接合层2的接合面2a照射等离子体C，进行活化，制成活化面。

接下来，如图2(a)所示，将接合层2的已活化的接合面2a和压电性材料基板4的已活化的主面4a进行直接键合，由此得到接合体5。

接下来，对接合体1的压电性材料基板4的接合面4b进一步进行研磨加工，如图2(b)所示，使压电性材料基板4A的厚度变小，得到接合体5A。4c为研磨面。

图2(c)中，在压电性材料基板4A的研磨面4c上形成规定的电极6，由此制作弹性波元件7。

本发明中，支撑基板包含硅。从接合强度的观点出发，支撑基板的相对密度优选为95.5％以上，可以为100％。相对密度利用阿基米德法进行测定。另外，支撑基板的制法没有特别限定，优选为烧结体。

构成支撑基板的硅优选为高阻硅。高阻硅是指体积电阻率为1000Ω·cm以上的硅。从制造上的极限考虑，高阻硅的体积电阻率的上限通常为200kΩ·cm。

本发明中，使支撑基板的接合面处的铝元素量为1.0×10¹¹～1.0×10¹⁵atoms/cm²。即，通过使包含硅的支撑基板的接合面存在铝元素，能够抑制在使压电性材料基板变薄的加工时沿着支撑基板与包含金属氧化物的接合层的界面而发生剥离。从该观点出发，使支撑基板的接合面处的铝元素量为1.0×10¹¹atoms/cm²以上，优选为1.0×10¹²atoms/cm²以上。另外，从制造上的极限考虑，很难使支撑基板的接合面处的铝元素量为超过了1.0×10¹⁵atoms/cm²的量。

支撑基板的接合面处的铝元素量利用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)进行测定。具体而言，采用如下测定条件。

即，利用氢氟酸蒸气，对支撑基板的接合面进行处理，接下来，进行接合面上的微量污染成分的回收，将该回收溶液作为试样溶液。利用Perkinelmer制ICP质谱分析装置，对试样溶液中的金属元素进行分析。

为了使铝元素分布于支撑基板的接合面，例如，利用包含氧化铝的研磨材料，对支撑基板的接合面进行研磨加工。另外，通过采用包含氧化铝的磨粒对支撑基板的接合面进行喷砂加工，也能够使铝元素残留于接合面。认为：这样分布于支撑基板接合面的铝元素有助于与构成接合层的金属氧化物的结合，密接强度提高，据此，可以确保能够耐受压电薄膜制作时的加工负荷的密接强度。

与支撑基板的接合面接触的磨粒的粒径优选为1μm～7μm。如果磨粒的粒径小于1μm，则粒径过小，无法进行加工。特别是，如果使磨粒的粒径为1.2μm，则能够使支撑基板的接合面整面致密地含有Al。

构成接合层的金属氧化物优选选自由硅氧化物、硅铝氧氮陶瓷、堇青石、多铝红柱石及氧化铝构成的组，特别优选为硅氧化物。

硅铝氧氮陶瓷为将氮化硅和氧化铝的混合物烧结而得到的陶瓷，其具有如下组成。

Si_6-zAl_zO_zN_8-z

即，硅铝氧氮陶瓷具有在氮化硅中混合有氧化铝的组成，z表示氧化铝的混合比率。z优选为0.5以上。另外，z优选为4.0以下。

氧化铝为具有Al₂O₃的组成的多晶。堇青石为具有2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂的组成的陶瓷。多铝红柱石为具有3Al₂O₃·2SiO₂～2Al₂O₃·SiO₂的范围的组成的陶瓷。

压电性材料基板的材质只要具有必要的压电性就没有限定，优选为具有LiAO₃的组成的单晶。此处，A为选自由铌及钽构成的组中的一种以上的元素。因此，LiAO₃可以为铌酸锂，也可以为钽酸锂，还可以为铌酸锂-钽酸锂固溶体。

构成接合层的硅氧化物具有Si_(1-x)O_x(0.008≤x≤2/3)的组成。

一个实施方式中，该硅氧化物具有Si_(1-x)O_x(0.008≤x≤0.408)的组成。Si_(1-x)O_x(0.008≤x≤0.408)的组成为与SiO₂(相当于x＝0.667)相比、氧比率相当低的组成。如果利用包含该组成的硅氧化物Si_(1-x)O_x的接合层而将压电性材料基板与支撑基板接合，则能够使接合层的绝缘性提高。

接合层的厚度没有特别限定，从制造成本的观点出发，优选为0.01～10μm，更优选为0.01～0.5μm。

接合层的成膜方法没有限定，可例示：溅射(sputtering)法、化学气相生长法(CVD)、蒸镀。此处，特别优选为，在将溅射靶设为Si的反应性溅射时，对向腔室内流动的氧气量进行调整，由此能够控制接合层的氧比率(x)。

接合层的具体制造条件取决于腔室规格，因此，进行适当选择，优选例中，使总压为0.28～0.34Pa，使氧分压为1.2×10^-3～5.7×10^-2Pa，使成膜温度为常温。另外，作为Si靶，可例示B掺杂Si。

优选的实施方式中，接合层的已活化的接合面和压电性材料基板的已活化的接合面进行直接键合。换言之，沿着接合层与压电性材料基板的界面而存在接合界面。这种情况下，接合层的已活化的接合面的算术平均粗糙度Ra优选为1nm以下，更优选为0.3nm以下。另外，压电性材料基板的已活化的接合面的算术平均粗糙度Ra优选为1nm以下，更优选为0.3nm以下。据此，压电性材料基板与接合层的接合强度进一步提高。

以下，对本发明的各构成要素进一步进行说明。

本发明的接合体的用途没有特别限定，例如能够很好地应用于弹性波元件、光学元件。

作为弹性波元件，已知弹性表面波器件、兰姆波元件、薄膜谐振器(FBAR)等。例如，弹性表面波器件在压电性材料基板的表面设置了激发弹性表面波的输入侧的IDT(Interdigital Transducer)电极(也称为梳形电极、帘状电极)和接收弹性表面波的输出侧的IDT电极。如果对输入侧的IDT电极施加高频信号，则在电极间产生电场，激发弹性表面波，并在压电性材料基板上传播。而且，从在传播方向上设置的输出侧的IDT电极，能够将传播的弹性表面波作为电信号输出。

可以在压电性材料基板的底面具有金属膜。在制造兰姆波元件作为弹性波器件时，金属膜发挥增大压电性材料基板的背面附近的机电耦合系数的作用。这种情况下，兰姆波元件成为如下结构：在压电性材料基板的表面形成梳齿电极，利用在支撑基板设置的空腔，压电性材料基板的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可以举出：铝、铝合金、铜、金等。应予说明，制造兰姆波元件的情况下，可以使用包括在底面不具有金属膜的压电性材料层的复合基板。

另外，可以在压电性材料基板的底面具有金属膜和绝缘膜。在制造薄膜谐振器作为弹性波器件时，金属膜发挥电极的作用。这种情况下，薄膜谐振器成为如下结构：在压电性材料基板的表面和背面形成电极，通过使绝缘膜成为空腔，从而压电性材料基板的金属膜露出。作为这样的金属膜的材质，例如可以举出：钼、钌、钨、铬、铝等。另外，作为绝缘膜的材质，例如可以举出：二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。

另外，作为光学元件，可例示：光开关元件、波长变换元件、光调制元件。另外，在压电性材料基板中能够形成周期极化反转结构。

本发明的对象为弹性波元件，在压电性材料基板的材质为钽酸锂的情况下，使用以弹性表面波的传播方向即X轴为中心、从Y轴向Z轴旋转了36～47°(例如42°)的方向的压电性材料基板由于传播损失小，因此优选。另外，在压电性材料基板包含铌酸锂的情况下，使用以弹性表面波的传播方向即X轴为中心、从Y轴向Z轴旋转了60～68°(例如64°)的方向的压电性材料基板由于传播损失小，因此优选。进而，压电性材料基板的大小没有特别限定，例如直径为50～150mm，厚度为0.2～60μm。

为了得到本发明的接合体，优选以下的方法。

首先，对接合层的接合面及压电性材料基板的接合面照射等离子体，由此将各接合面活化。

表面活化时的气氛采用含有氮、氧的气氛。该气氛可以仅为氧，也可以仅为氮，或者可以为氧和氮、氢及氩的混合气体。混合气体的情况下，没有特别限定，可以根据与接合强度之间的关系来适当调整其比率。

表面活化时的气氛压力优选为100Pa以下，更优选为80Pa以下。另外，气氛压力优选为30Pa以上，更优选为50Pa以上。

等离子体照射时的温度设为150℃以下。据此，得到接合强度高且压电性材料没有劣化的接合体7。从该观点出发，使等离子体照射时的温度为150℃以下，优选为100℃以下。

另外，等离子体照射时的能量优选为30～150W。另外，等离子体照射时的能量与照射时间之积优选为0.1～1.0Wh。

优选的实施方式中，在等离子体处理前，对压电性材料基板的接合面4a及接合层的接合面2a进行平坦化加工。各接合面2a、4a的平坦化方法有精研(lap)研磨、化学机械研磨加工(CMP)等。另外，平坦面的算术平均粗糙度Ra优选为1nm以下，更优选为0.3nm以下。

接下来，使压电性材料基板的已活化的接合面和接合层的已活化的接合面接触，进行接合。然后，优选为，对接合体进行热处理，由此可以赋予能够耐受压电性材料基板的研磨加工的强度。该热处理温度优选为100～150℃。该实施方式中，通过在该热处理之后对压电性材料基板进行加工，能够使厚度变小。

接下来，进行接合体的热处理(退火处理)，由此使接合强度提高。从本发明的观点出发，热处理时的温度设为250℃以上，优选为270℃以上。另外，为了防止接合体破损，该热处理时的温度设为350℃以下，优选为300℃以下。

接下来，在真空气氛中，使活化面彼此接触，进行接合。此时的温度为常温，具体而言，优选为40℃以下，更优选为30℃以下。另外，接合时的温度特别优选为20℃以上且25℃以下。接合时的压力优选为100～20000N。

实施例

按参照图1及图2进行说明的方法，制作表1所示的各例的接合体。

具体而言，使用具有OF部、直径为4英寸、厚度为250μm的钽酸锂基板(LT基板)作为压电性材料基板4。LT基板使用了将弹性表面波(SAW)的传播方向作为X、切出角为旋转Y切割板的46°Y切割X传播LT基板。对压电性材料基板4的接合面4a进行了镜面研磨以使算术平均粗糙度Ra成为0.3nm。其中，Ra是利用原子力显微镜(AFM)在10μm×10μm的视野内测定的。

另一方面，作为支撑基板1，准备了具有定向平面(OF)部、直径为4英寸、厚度为230μm的包含高阻(≥2kΩ·cm)硅的支撑基板1。将支撑基板1的表面1a、1b利用化学机械研磨加工(CMP)进行精加工，使得各算术平均粗糙度Ra为0.2nm。研磨加工时，采用平均粒径2μm的微粉末研磨剂白氧化铝，对支撑基板的接合面进行喷砂加工。研磨剂的组成如下。

氧化铝：96质量％以上

氧化钠、氧化铁、二氧化硅分别小于1质量％

研磨加工后的算术平均粗糙度Ra为1nm～10nm。另外，利用ICP-MS，对各例的支撑基板的接合面的铝元素含量进行分析，将结果示于表1。

接下来，在支撑基板的接合面上，将包含SiO₂的接合层2成膜为1μm，并将其接合面2a利用CMP研磨约0.1μm，进行平坦化。

接下来，采用纯水，实施超声波清洗，通过旋转蒸发，使压电性材料基板及接合层的接合面干燥。接下来，将清洗后的支撑基板向等离子体活化腔室导入，利用氮气等离子体于30℃使接合面活化。另外，将压电性材料基板同样地向等离子体活化腔室导入，利用氮气等离子体于30℃使接合层的接合面进行表面活化。表面活化时间为40秒，能量为100W。出于除去表面活化中附着的颗粒的目的，再次实施与上述相同的超声波清洗、旋转蒸发。

接下来，进行压电性材料基板的接合面和接合层的接合面的对位，于室温使活化后的接合面彼此接触。对重合的基板的中心进行加压，结果观测到基板彼此的密接扩展的情况(所谓的键合波)，能够确认到良好地进行了预接合。接下来，将接合体放入氮气氛的烘箱中，于130℃进行4小时加热。

通过磨削加工、研磨加工，将从烘箱取出的接合体的压电性材料基板的表面减薄至1μm。

此处，各例的接合体中，通过对加工时的强度(加工压力)及加工时间进行控制，使各支撑基板的各接合面处的铝元素量发生变化。应予说明，加工压力在0.1MPa～0.5MPa的范围内进行调整，加工时间在1分钟～5分钟的范围内进行调整。使压力越高，另外，使加工时间越长，能够使支撑基板的接合面处存在的铝元素量越多。

表1

结果，支撑基板的接合面处的铝元素量为2.0×10⁹atoms/cm²、7.0×10⁹atoms/cm²、4.0×10¹⁰atoms/cm²的情况下，在研磨时发生剥离。使接合面的总面积为100％时的剥离部分的面积比率分别为50％、30％、5％。

此处，将利用数码相机拍摄铝元素量为7.0×10⁹atoms/cm²时的接合界面得到的光学照片示于图3。本例中，图3的左下侧产生剥离部分，剥离部分的面积比率为30％。

另一方面，支撑基板的接合面处的铝元素量为1.0×10¹¹atoms/cm²、2.0×10¹³atoms/cm²、1.0×10¹⁵atoms/cm²的情况下，在研磨时没有发生剥离。使接合面的总面积为100％时的剥离部分的面积比率为0％。

将利用数码相机拍摄铝元素量为2.0×10¹³atoms/cm²时的接合界面得到的光学照片示于图4。本例中，没有在接合界面产生剥离部分。

Claims

1.一种接合体，其特征在于，具有：

支撑基板，该支撑基板包含硅；

压电性材料基板；以及

2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，

所述金属氧化物选自由硅氧化物、硅铝氧氮陶瓷、堇青石、多铝红柱石以及氧化铝构成的组。

3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，

所述压电性材料基板的材质选自由铌酸锂、钽酸锂以及铌酸锂-钽酸锂固溶体构成的组。