技術 複合基板および複合基板の製造方法

0001

本発明は、弾性表面波デバイス用の複合基板、及びその製造方法に関する。

0002

昨今、スマートフォンに代表される移動体通信において、通信量が増大している。通信量の増大に対応すべく必要なバンド数を増やす中、フィルタとして用いられる弾性表面波（Surface Acoustic Wave:ＳＡＷ）デバイスの高性能化が求められている。

0003

弾性表面波デバイスの材料として、タンタル酸リチウム（Lithium Tantalate: ＬｉＴａＯ３、以下「ＬＴ」と略記する）やニオブ酸リチウム（Lithium Niobate: ＬｉＮｂＯ３、以下「ＬＮ」と略記する）などの圧電性の材料が広く用いられている。そして、このような圧電性材料の基板の一方の面をサファイア等の支持基板に貼り合せ、貼り合されたＬＴ基板（またはＬＮ基板）の他方の面を研削して数〜数十μｍに薄化することにより、弾性表面波デバイスの温度特性が向上する技術がある（例えば、非特許文献１を参照）。

0004

また、このような貼り合わせによる弾性表面波デバイスにおいて、薄化されたＬＴ層（またはＬＮ層）と支持基板との間に介在層（adhesive layer）を設ける事によりリップル（ripple）と呼ばれるノイズ成分を低減する技術がある（例えば、非特許文献２を参照）。介在層の材質には絶縁性が高く、高周波損失が少なく（低誘電損失）、加工（例えば平坦化）が容易な材料が好ましい。このような特性を持つ物質として、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２などの金属酸化物が介在層に用いられる事が多い。

0005

また、圧電材料の焦電性を抑えるためにＬＴ（またはＬＮ）を還元性雰囲気で処理して、材料にわずかな導電性を付与する技術がある（例えば、非特許文献３を参照）。しかしながら、このようにして導電性を高めたＬＴ（またはＬＮ）を支持基板に貼り合わせた複合基板ウェーハを用いて弾性表面波デバイスを作製する際、ウェーハプロセスやデバイスプロセスの熱処理を経るうちに、ＬＴ層（またはＬＮ層）の抵抗率が上がり、焦電性が高まってしまうことがある。焦電性が高まったウェーハは、急激な温度差を与えると、ＬＴ層（またはＬＮ層）が分極・帯電しやすいという問題がある。また、プロセス中の温度変化によって電荷が複合基板表面に蓄積し、スパークが発生すると、基板表面に形成されたパターンが破壊され、デバイス製造プロセスでの歩留まりが低下するという問題もある。

0006

スマートフォンのＲＦフロントエンドに用いられるＳＡＷＤｕｐｌｅｘｅｒの温度補償技術，電波新聞ハイテクノロジー２０１２年１１月８日
Kobayashi、"A Study on Temperature-Compensated Hybrid Substrates for Surface Acoustic Wave Filters"，2010IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings， 2010年10月，pp.637-640
Yan、"Formation mechanism of black LiTaO3 single crystals through chemical reduction," Journal of Applied Crystallography (2011) 44 (1)，2011年2月，pp. 158-162

0007

上記の課題に鑑み、本発明は、熱処理プロセスによる焦電性上昇を抑制した複合基板を提供することを目的とする。

0008

複合基板のＬＴ層（またはＬＮ層）と支持基板との間に、酸素の拡散を防止する拡散防止層を設けることにより、焦電性上昇を抑制する。発明者は、熱処理によって介在層または支持基板に含まれていた酸素がＬＴ層（またはＬＮ層）に拡散することにより、ＬＴ層（またはＬＮ層）の抵抗率が上がり、焦電性が高くなることを突き止めた。本発明は、複合基板のＬＴ層（またはＬＮ層）と介在層との間に拡散防止層を設けることにより、もしくは介在層を拡散防止効果のある材料で形成することにより、ＬＴ層（またはＬＮ層）への過剰な酸素拡散を防止する。これにより、複合基板のＬＴ層（またはＬＮ層）の焦電性上昇を抑制することができる。

0009

本発明の一実施形態に係る複合基板は、圧電材料の単結晶薄膜である酸化物単結晶薄膜と、支持基板と、酸化物単結晶薄膜と支持基板の間に設けられ、酸素の拡散を防止する拡散防止層とを備える。

0010

本発明では、支持基板が酸素を含有するとよい。また、本発明では、支持基板と拡散防止層との間に酸素を含有する介在層を備えるとよい。介在層は、二酸化ケイ素、二酸化チタン、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、二酸化ジルコニウムの何れかを有するとよい。

0011

本発明では、拡散防止層は、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、窒化タングステン、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化タングステンホウ素、窒化チタンケイ素、窒化タングステンケイ素のいずれかを有するとよい。

0012

本発明では、圧電材料が、タンタル酸リチウムもしくはニオブ酸リチウムであるとよい。

0013

本発明では、支持基板が、シリコンウェーハ、サファイアウェーハ、アルミナウェーハ、ガラスウェーハ、炭化ケイ素ウェーハ、窒化アルミニウムウェーハ、窒化ケイ素ウェーハの何れかとするとよい。

0014

また、本発明の一実施形態に係る複合基板の製造方法は、圧電材料の基板の一面に拡散防止層を成膜する工程と、拡散防止層の上に支持基板を貼り合せる工程と、圧電材料の基板の他方の面を研削研磨して薄化する工程とを備えることを特徴とする。

0015

本発明では、拡散防止層をＰＶＤ法またはＣＶＤ法で成膜するとよい。

0016

本発明では、貼り合せる工程よりも前に、拡散防止層の貼り合せ面および／または支持基板の貼り合せ面に介在層を成膜する工程をさらに備え、貼り合せる工程において、介在層が成膜された貼り合わせ面を貼り合わせるとよい。

0017

本発明では、拡散防止層の貼り合せ面および／または支持基板の貼り合せ面に表面活性化処理を施した後に両者を貼り合せるとよい。表面活性化処理は、プラズマ活性化法、イオンビーム活性化法、オゾン水活性化法の何れかを含むとよい。

0018

本発明の複合基板の断面構造の第１態様を示す断面図である。
本発明の複合基板の断面構造の第２態様を示す断面図である。
本発明の複合基板の製造方法の手順を示す図である。

0019

本発明の複合基板の断面構造の第１態様を図１に示す（複合基板１）。
図１に示した複合基板１は、支持基板１０上に酸化物単結晶薄膜１１を備えており、酸化物単結晶薄膜１１は介在層１２を介して支持基板１０と貼り合されている。そして、酸化物単結晶薄膜１１と介在層１２との間に、酸素の拡散を防止する拡散防止層１３が設けられている。

0020

酸化物単結晶薄膜１１は、ＬＴやＬＮなどの圧電材料で形成された単結晶の薄膜である。酸化物単結晶薄膜１１は、還元性雰囲気処理などにより導電性が高められている。これらの圧電材料としては、バルク導電率で１×１０−１１／Ωｃｍ以上のものが好適に用いられる（一般的な導電率の低い材料の場合は、導電率は２×１０−１５／Ωｃｍ以下である）。

0021

支持基板１０としては、シリコンウェーハ、サファイアウェーハ、アルミナウェーハ、ガラスウェーハ、炭化ケイ素ウェーハ、窒化アルミニウムウェーハ、窒化ケイ素ウェーハなどを用いることができる。

0022

介在層１２は、酸化物単結晶薄膜１１と支持基板１０とを貼り合わせる際に、両者の間に設けられる層である。介在層１２の素材としては、酸化シリコン（例えば二酸化ケイ素）、酸化チタン（例えば二酸化チタン）、酸化タンタル（例えば五酸化タンタル）、酸化ニオブ（例えば五酸化ニオブ）、酸化ジルコニウム（例えば二酸化ジルコニウム）を用いることができる。介在層１２は、物理気相成長法（Physical vapor deposition:ＰＶＤ）や化学気相成長法（Chemical vapor deposition:ＣＶＤ）など一般的な方法を用いて形成することができる。また、これらは必ずしもそれぞれＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２などの量論組成でなくても構わない。

0023

拡散防止層１３には酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いるとよい。これらの材料は酸素の拡散を防止する効果が高いことに加え、ＰＶＤやＣＶＤなどの一般的な方法で形成可能である。他の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステンチタン（ＷＴｉ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化タングステンホウ素（ＷＢＮ）、窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＮ）、窒化タングステンケイ素（ＷＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが挙げられる。これらはＰＶＤ法を用いて形成可能であり、スパッタのターゲット材料によっては量論組成でない場合もあり得る。

0024

本発明の複合基板の断面構造の第２態様を図２に示す（複合基板２）。図２に示した複合基板２は支持基板２０上に酸化物単結晶薄膜２１を備えており、酸化物単結晶薄膜２１は拡散防止層２３を介して支持基板２０と貼り合されている。ここで拡散防止層２３は、酸素の拡散を防止する機能に加え、介在層としての機能も持つ。

0025

図３は、第１態様の複合基板１の製造方法の手順を示している。当該製造方法では、はじめに圧電単結晶基板である酸化物単結晶ウェーハ１１Ａを用意し（図３（ａ））、その一面に拡散防止層１３を形成する（図３（ｂ））。次いで、この拡散防止層１３の上に介在層１２を形成し（図３（ｃ））、この介在層１２の表面を研磨する（図３（ｄ））。そして、介在層１２の研磨された面と支持基板１０とを貼り合せる（図３（ｅ））。その後、酸化物単結晶ウェーハ１１Ａにおける他方の面（すなわち、拡散防止層１３を形成した面とは反対の面）を研削研磨して所望の厚みに薄化することで酸化物単結晶薄膜１１とする（図３（ｆ））。

0026

このとき、貼り合せる面には、事前に表面活性化を施してもよい。こうすることで接合強度を高めることができる。表面活性化処理の方法は、プラズマ活性化法、イオンビーム活性化法、オゾン水活性化法を用いることができる。

0027

プラズマ活性化法は、ウェーハを載置した反応容器内にプラズマ用ガスを導入し、０．０１〜０．１Ｐａ程度の減圧下で１００Ｗ程度の高周波プラズマを形成して、ウェーハの貼り合せ表面をこれに５〜５０秒程度晒す。プラズマ用ガスとしては、酸素、水素、窒素、アルゴンまたはこれらの混合ガスを用いることができる。

0028

イオンビーム活性化法は、反応容器内を１×１０−５Ｐａ以下の高真空にし、アルゴンなどのイオンビームをウェーハの貼り合せ面に当てて走査する。

0029

オゾン水活性化法は、純水中にオゾンガスを導入してオゾン水とし、このオゾン水中にウェーハを浸漬させることで、活性なオゾンで貼り合せ表面を活性化することができる。

0030

［実施例１］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法でＳｉＮを約２５ｎｍ成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0031

上記のようにして製造した貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測したところ、３１Ｖであった。表面電位が高いほど焦電性が高い事を示し、表面電位が５０Ｖ以下であれば十分焦電性が抑えられていると考えられる。

0032

［比較例１］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＣＶＤでシリコン酸化膜を３μｍ程度成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。用いたＬＴウェーハの導電率は約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0033

上記のようにして製造した貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測したところ、２２５０Ｖであった。

0034

［実施例２］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法でＳｉＮを約２５ｎｍ成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。貼り合わせに先立ち、プラズマ活性化法によって貼り合わせ面を表面活性化した。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0035

上記のようにして製造した貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測したところ、３２Ｖであった。よって、プラズマ活性化法によって表面活性化をする貼り合せ法を用いても実施例１と同様の焦電性を抑制する効果が得られることが確認された。

0036

［実施例３、４］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法でＳｉＮ拡散防止膜を約２５ｎｍ成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと表面活性化の後に貼り合せた。貼り合わせに先立ち、各種活性化法（イオンビーム活性化法、オゾン水活性化法）によって貼り合わせ面を表面活性化した。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0037

上記のようにして製造した各貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測したところ、それぞれ３１Ｖ、２９Ｖであった。よって、表面活性化法の種類によらず焦電性を抑制する効果が得られることが確認された。

0038

［実施例５〜１８］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法で、表１中に示す各種材料を約２５ｎｍ成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００−１００００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0039

上記のようにして製造した各貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測した結果を表１に示す。

0040

0041

［実施例１９〜２１］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤまたはＣＶＤでＳｉＮ膜を約２５ｎｍ程度成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＰＶＤまたはＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、抵抗率２０００−１００００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。なお、各実施例における拡散防止層及びシリコン酸化膜（介在層）の成膜方法は表２に示されたとおりである。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0042

上記のようにして製造した各貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測した結果を表２に示す。表２からわかるように、成膜方法にかかわらず焦電性を抑制する効果が得られることが確認された。

0043

0044

［実施例２２〜３６］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法で表３中に示す各種材料を約３μｍ成膜して拡散防止層とした。この拡散防止層を研磨し、抵抗率２０００−１００００Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハと貼り合せた。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で１００℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0045

上記のようにして製造した各貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測した結果を表３に示す。表３からわかるように、よって拡散防止膜そのものを介在層としても、介在層を別途設ける場合と同様に焦電性を抑制する効果が得られることが確認された。

0046

0047

［実施例３７〜４３］
直径１５０ｍｍのＬＴウェーハの一面にＰＶＤ法でＳｉＮを約２５ｎｍ成膜して拡散防止層とした。次いでこの拡散防止層の上にＣＶＤでシリコン酸化膜を約３μｍ成膜した。このシリコン酸化膜を研磨し、これを介在層として、熱酸化膜を成長したシリコンウェーハ、サファイアウェーハ、アルミナウェーハ、ガラスウェーハ、ＳｉＣウェーハ、ＡｌＮウェーハ、ＳｉＮウェーハとそれぞれ貼り合せた。貼り合わせに先立ち、プラズマ活性化法によって貼り合わせ面を表面活性化した。用いたＬＴウェーハは導電性の高いもので、導電率はバルク導電率で約４×１０−１１／Ωｃｍである。貼り合せ後に窒素雰囲気中で９０℃、４８時間の熱処理を施した。そしてＬＴ層を研削研磨して薄化して厚みを２０μｍとした。その後、貼り合せ強度を更に増すために窒素雰囲気中で２５０℃、２４時間の熱処理を行った。

0048

上記のようにして製造した各貼り合せ基板について、表面電位によって焦電性を評価した。貼り合せ基板を２５０℃のホットプレートに２０秒置き、その後表面電位を計測した結果を表４に示す。表４からわかるように、支持基板の材質を変えても焦電性を抑制する効果が認められた。

0049

0050

［実施例４４］
直径１００ｍｍのニオブ酸リチウム（ＬＮ）ウェーハを用い、実施例１から４３に相当する実験を行った。結果は直径１５０ｍｍのＬＴウェーハを用いたときと同等の結果となり、酸化物単結晶材料にＬＮを用いても本方法の効果が得られることを確認した。

0051

以上で説明したように、複合基板のＬＴ層（またはＬＮ層）と介在層との間に拡散防止層を設けることにより、もしくは介在層を拡散防止効果のある材料で形成することによりＬＴ層（またはＬＮ層）への過剰な酸素拡散を防止し、複合基板のＬＴ層（またはＬＮ層）の焦電性上昇を抑制することができる。

0052

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

0053

１、２複合基板（貼り合わせ基板）
１０、２０支持基板
１１、２１酸化物単結晶薄膜
１１Ａ 酸化物単結晶ウェーハ
１２介在層
１３、２３ 拡散防止層