用于制备复合晶圆的方法与流程

本发明涉及一种用于制备复合晶圆的方法，该复合晶圆用作表面声波器件等的材料。

背景技术

近年来，以智能手机为代表的移动通信市场中的通信流量显著增加。与增加解决该问题所需频带的数量相关联的是，最小化和改进的性能对于各种组件已变得必不可少。作为普通压电材料的钽酸锂(lt)和铌酸锂(ln)被广泛用作表面声波(saw)器件的材料。虽然这些材料具有大的机电耦合系数并且可以扩宽带宽，但它们的温度稳定性低，并且存在可接受的频率随温度变化而变化这一问题。这归因于钽酸锂和铌酸锂具有非常高的热膨胀系数这一事实。

所提出的一种减少该问题的方法包括将具有低的热膨胀系数的材料粘合到作为压电材料的钽酸锂(litao3：lt)或铌酸锂(linbo3：ln)上，并且将其中未粘合具有低的热膨胀系数的材料的压电材料表面通过研磨等方式减薄至数微米到数十微米(非专利文献1)。在该方法中，通过将具有低的热膨胀系数的材料(蓝宝石，硅等)粘合到lt或ln，抑制了lt或ln的热膨胀，并且改善了温度特性。图12中示出了不同材料的热膨胀系数图。

然而，由于在支撑衬底上堆叠lt薄膜或ln薄膜，该方法导致另一个问题：在反共振频带中出现称为杂散(spurious)或纹波(ripple)的噪声。这种噪声是由lt膜或ln膜与支撑衬底之间的界面反射产生的。图13中示出了形成在堆叠在硅衬底上的lt膜上的谐振器的反射衰减(s11)。图13表明，根据频率的变化，杂散的波形交替地描述峰值和谷值。杂散波形中峰值和谷值之间的差值称为杂散强度(幅度)。

为了解决这个问题，在参考文献2中已经提出了多种方法。例如，已经提出了一种方法，包括用磨石#1000粗化lt的粘合表面，以通过ra值给出300nm的粗糙度。然后，通过粘合剂将lt和支撑衬底粘合到一起。然而，从可靠性的观点来看，由于难以在实际器件中使用粘合剂，因此提出了通过沉积无机材料(例如sio2)来代替粘合剂然后进行研磨的方法。然而，难以处理不均匀性以具有对于粘合而言耐久的原子水平的平滑度(ra值为1nm或更小)，并且从成本方面来看这样的过程是存在问题的。现有技术参考文献

非专利文献

非专利文献1：taiyoyudenco.，ltd.“smartphonenorffrontendnimochiirarerusaw-duplexernoondohosyogijutsu”，dempashimbunhightechnology，2012年11月。

非专利文献2：h.kobayashi等人，“astudyontemperature-compensatedhybridsubstratesforsurfaceacousticwavefilters”，ieeeinternationalultrasonicssymposium，2010年，第1卷，第637-640页。

技术实现要素：

本发明要解决的问题

本发明的一个目的是提供一种用于制备复合晶圆的方法，其在包括具有低的热膨胀系数的支撑衬底和在支撑衬底上堆叠的具有高的热膨胀系数的lt膜或ln膜的复合晶圆中，能够减少由lt膜等和支撑衬底之间的接合界面上的入射信号的反射而引起的杂散。

解决问题的手段

(1)本发明的用于制备复合晶圆的方法是通过将钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆(以下称为“堆叠晶圆”)粘合到具有比钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆更小的热膨胀系数的支撑晶圆的用于制备复合晶圆的方法，其中，在粘合到一起之前，执行从所述堆叠晶圆和/或所述支撑晶圆的粘合表面注入离子以干扰各个所述粘合表面附近的结晶度的离子注入步骤。因此，从作为压电材料的堆叠晶圆入射的信号在粘合到一起的堆叠晶圆和支撑晶圆之间的界面附近被吸收或散射，并且抑制了反射，从而可以减少杂散。

(2)注入每个晶圆的离子可以是氢离子(h⁺)，氢分子离子(h2⁺)或氦离子(he⁺)，剂量可以是1.0×10¹⁶个原子/cm²或更大且为1.0×10¹⁷个原子/cm²或更小，5.0×10¹⁵个原子/cm²或更大且为5.0×10¹⁶个原子/cm²或更小，或1.0×10¹⁶个原子/cm²或更大且为1.0×10¹⁷个原子/cm²或更小。这些轻元素离子难以被离子注入机限制，因为它们可以以小的加速电压深深地注入到晶圆中。另外，通过如上所述控制剂量，可以改善反射抑制效果，并且可以防止衬底在粘合到一起之后进行的热处理中被损坏。

(3)在执行离子注入步骤之后并且在粘合到一起之前，可以执行通过在所述堆叠晶圆和/或支撑晶圆的粘合表面上进行臭氧水处理、uv臭氧处理、离子束处理或等离子体处理而进行表面活化处理的表面活化步骤。这使得每个晶圆的粘合表面上的原子容易形成化学键，即处于活性状态，因此可以获得更牢固的接合。

(4)作为支撑晶圆的材料，可以使用硅或蓝宝石。由于这些材料具有小的热膨胀系数，因此可以有效地抑制具有大的热膨胀系数的堆叠晶圆的热膨胀，并且可以改善器件的温度特性。

(5)在离子注入步骤之前，可以执行在所述堆叠晶圆和/或所述支撑晶圆的所述粘合表面上形成由sio2、sion或sin形成的绝缘膜的绝缘膜形成步骤。通过形成绝缘膜并通过绝缘膜注入离子，可以抑制所注入的离子的沟道效应。

(6)堆叠晶圆可以具有在厚度方向上朝向粘合表面增加的锂浓度。通过采用具有这种浓度分布的堆叠晶圆，例如，当在晶圆上形成谐振器时，可以减少出现在输入阻抗波形中的dip。

附图说明

图1示出了用于制备本发明的复合晶圆的方法的简图。

图2示出了本发明的复合晶圆的制备流程的一个实例。

图3示出了硅晶圆内部的氢原子在从粘合表面沿深度方向的浓度分布的一个实例。

图4示出了未将离子注入硅晶圆的情况与将离子注入硅晶圆的情况之间的杂散强度的比较。

图5示出了硅晶圆的离子剂量与杂散强度之间的关系。

图6示出了未将离子注入蓝宝石晶圆的情况与将离子注入蓝宝石晶圆的情况之间的杂散强度的比较。

图7示出了未将离子注入硅晶圆和lt晶圆的情况以及将离子注入硅晶圆和lt晶圆的情况之间的杂散强度的比较。

图8示出了lt晶圆的li浓度在厚度方向上的曲线的一个实例。

图9示出了在厚度方向上li浓度没有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器与在厚度方向上li浓度有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器之间的输入阻抗波形的比较。

图10示出了在厚度方向上li浓度没有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器与在厚度方向上li浓度有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器之间的输入阻抗波形的比较。

图11示出了在用在厚度方向上li浓度没有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器与在用在厚度方向上li浓度有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆上设置的谐振器之间的q值的比较。

图12显示了不同材料的热膨胀系数。

图13示出了形成在堆叠于硅衬底上的lt膜上的谐振器的反射衰减的一个实例。

具体实施方式

根据本发明，在通过将钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆(堆叠晶圆)粘合到具有比钽酸锂晶圆或铌酸锂晶圆的热膨胀系数更小的热膨胀系数的支撑晶圆来制备复合晶圆时，从堆叠晶圆和/或支撑晶圆的粘合表面注入离子，以干扰相应粘合表面附近的结晶度。也就是说，在将如图1(a)所示的堆叠晶圆10和支撑晶圆20在如图1(c)所示的粘合表面11,21处粘合到一起之前，从一个或两个粘合表面(图1(b)中的粘合表面21)中注入离子以形成离子注入区域22。

因此，在粘合到一起的堆叠晶圆10和支撑晶圆20之间的界面31附近，从作为压电材料的堆叠晶圆10入射的信号被吸收或散射，并且反射被抑制，从而可以降低杂散。

支撑晶圆20优选地由具有小的热膨胀系数的材料(例如硅或蓝宝石)形成，其有效地抑制具有大的热膨胀系数的堆叠晶圆10的热膨胀，并且有助于改善在堆叠晶圆10上所形成的saw器件的温度特性。另外，堆叠晶圆10可以具有在朝向粘合表面的厚度方向上增加的锂浓度。通过采用具有这种浓度分布的堆叠晶圆，例如当在晶圆上形成谐振器时，可以减少在输入阻抗波形中出现的下降(dip)。

图2示出了本发明的复合晶圆的具体制备流程的一个实例。

首先，在待注入离子的晶圆的粘合表面上形成绝缘膜(s1)。通过形成绝缘膜并通过绝缘膜注入离子，可以抑制注入的离子的沟道效应。绝缘膜优选由sio2、sion或sin形成。

然后从其上形成有绝缘膜的晶圆的粘合表面注入离子(s2)。虽然可以不受限制地注入任何干扰结晶度的离子，但是优选的是可以在较小的加速电压下并且不太可能受到注入器限制而深度注入的轻元素离子，例如氢离子(h⁺)、氢分子离子(h2⁺)和氦离子(he⁺)。虽然在一定量或更大的离子剂量下显著地出现反射抑制效果，但过量会导致由过量存在的元素产生的在粘合界面处的接合不稳定，并引起在粘合后的热处理步骤中衬底损坏的问题。从这个观点来看，在氢离子的情况下，所需剂量为1.0×10¹⁶个原子/cm²或更大且1.0×10¹⁷个原子/cm²或更小，在氢分子离子的情况下，所需剂量为5.0×10¹⁵个原子/cm²或更大且5.0×10¹⁶个原子/cm²或更小，在氦离子的情况下，所需剂量为1.0×10¹⁶个原子/cm²或更大且1.0×10¹⁷个原子/cm²或更小。

然后去除绝缘膜(s3)，并且在其中注入离子的晶圆的粘合表面上执行表面活化处理(s4)。表面活化处理使粘合表面上的原子容易地形成化学键，即处于活性状态，因此可以获得更牢固的接合。表面活化处理可以通过例如臭氧水处理、uv臭氧处理、离子束处理或等离子体处理来进行。

然后在粘合表面上将晶圆粘合到一起(s5)，并进行热处理以防止由接合界面的滑动所引起的晶体缺陷的引入(s6)。然后，在通过研磨和抛光将堆叠晶圆减薄到所需程度之后(s7)，形成saw器件(如谐振器)(s8)。

本发明不限于如上所述的实施例。以上实施例是说明性的，并且具有与本发明的权利要求中描述的技术构思基本相同并且具有相同的操作和效果的配置的任何实施方式都包含在本发明的技术范围内。

实施例

<实施例1>

制备直径为100mm、厚度为0.55mm的硅晶圆，并在1000℃的温度下使热氧化物膜生长至约480nm。已经证实，作为堆叠晶圆的钽酸锂晶圆(lt晶圆)和作为支撑晶圆的硅晶圆均具有由rms表示的1.0nm或更小的表面粗糙度。在硅晶圆的粘合表面上，以92kev的能量注入氢分子离子，使得剂量为2.0×10¹⁶个原子/cm²。在注入离子后，用10％氢氟酸溶液除去热氧化物膜。图3示出了硅晶圆内部的氢原子从粘合表面在深度方向上的浓度分布。图3表明在粘合表面附近，氢浓度高。

这些晶圆通过等离子体活化处理而进行表面活化，然后粘合到一起。在粘合到一起之后，在120℃下进行6小时的热处理，然后通过研磨和抛光将lt晶圆减薄至20μm。在该晶圆上，制备由一组一个并联谐振器和一个串联谐振器组成的单级梯形滤波器。单级梯形滤波器具有5μm的波长。

为了比较，以与上述相同的方式制备单级梯形滤波器，不同之处在于，没有将离子注入到硅晶圆中。

图4示出了比较结果。纵轴表示单级梯形滤波器的s11特性中的杂散强度(db)，横轴表示通常用于评估单级梯形滤波器的特性的归一化的lt膜厚(lt膜厚/波长)。图4表明，与未注入离子的情况相比，在注入离子的硅晶圆用作支撑晶圆的情况下，杂散强度大幅降低。

<实施例2>

进行相同的测试，然而将实施例1中的表面活化处理分别改变为真空离子束活化、臭氧水处理活化或uv臭氧处理活化。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，并且证实通过任何处理方法获得了相同的效果。

<实施例3>

对于通过使用氢原子作为待注入的离子种类、46kev的注入能量(实施例1中的注入能量的一半)和4×10¹⁶原子/cm²的剂量而进行离子注入的情况进行测试。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，并且证实通过注入氢离子获得了相同的效果。

<实施例4>

当选择氢原子作为待注入的离子种类并且剂量在在实施例1中的0.8×10¹⁶个原子/cm²至1.0×10¹⁷个原子/cm²的范围内变化时，进行检查杂散强度的测试。结果如图5所示。对照是在不进行离子注入的情况下的结果。图5表明，从1.0×10¹⁶个原子/cm²的剂量，离子注入的效果变得显著。虽然对剂量为1.0×10¹⁷个原子/cm²或更大的情况进行了测试，但是在粘合后的热处理阶段，所粘合的衬底被破坏。这可归因于过量存在的氢使粘合界面中的接合不稳定这一事实。

<实施例5>

对于在实施例1中离子注入后未除去硅上的氧化物膜的情况进行了测试。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，证实不论是否存在氧化物膜，都获得了相同的效果。

<实施例6>

对于代替热氧化物膜而通过lpcvd法沉积形成的sin膜或通过pecvd法沉积形成的sion膜，并且在实施例1中在离子注入后留下膜的同时进行粘合的情况进行测试。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，并且证实不论是否存在氧化物膜，都获得了相同的效果。

<实施例7>

通过使用不存在氧化物膜等的蓝宝石晶圆代替实施例1中的硅晶圆，进行相同的测试。结果如图6所示。图6表明，在蓝宝石晶圆的情况下，尽管与硅晶圆的情况相比减少了杂散减少效应，但仍获得了效果。

<实施例8>

对代替硅晶圆的lt晶圆进行离子注入，并进行实施例1中的粘合(其余条件相同)。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，并且证实不论是否对硅晶圆或lt晶圆进行离子注入，都获得了相同的效果。

<实施例9>

对硅晶圆和lt晶圆都进行离子注入，并且进行实施例1中的粘合(其余条件相同)。结果如图7所示。图7表明，与其中一个晶圆进行离子注入的情况相比，获得了略大的杂散减少效果。换句话说，与对于其中一个晶圆进行离子注入的情况相比，证实通过对硅晶圆和lt晶圆两者进行离子注入可以获得相同或更高的效果。

<实施例10>

对于代替实施例1中的氢离子而注入氦离子的情况进行测试。剂量为4×10¹⁶个原子/cm²，加速电压为140kev。与实施例1相比的结果差异在误差范围内，并且证实通过注入氦离子而获得了相同的效果。

<实施例11>

制备直径为100mm、厚度为0.55mm的硅晶圆，并在1000℃的温度下使热氧化物膜生长至约480nm。已经证实，作为堆叠晶圆的钽酸锂晶圆(lt晶圆)和作为支撑晶圆的硅晶圆具有以rms表示的1.0nm或更小的表面粗糙度。在硅晶圆的粘合表面上，以92kev的能量注入氢分子离子，使得剂量为2.0×10¹⁶个原子/cm²。在注入离子后，用10％氢氟酸溶液除去氧化物膜。图3示出了在硅内部的氢原子从粘合表面沿深度方向的浓度分布。图3表明，在粘合表面附近，氢浓度高。

这些晶圆通过等离子体活化处理而进行表面活化，然后粘合到一起。在粘合到一起之后，在120℃下进行6小时的热处理，然后lt晶圆通过研磨和抛光被减薄至45μm。

上面所使用的lt晶圆以下列方式制备。具有4英寸的直径以及li:ta＝48.3:51.7的大致相同组成的litao3单晶锭被切片，46.3°旋转y切割的litao3衬底被切成370μm的厚度。然后，根据需要，通过搭接步骤将每个切片晶圆的表面粗糙度调节至0.15μm的算术平均粗糙度ra，以具有350μm的成品厚度。

然后，将具有通过表面研磨而精加工成0.01μm的ra的准镜面的正面和背面的衬底嵌入由li、ta和o构成的li3tao4基粉末中。此时，采用通过将li3tao4粉末和ta2o5粉末以7:3的li3tao4:ta2o5摩尔比混合，并在1300℃下烘烤12小时所获得的粉末作为li3tao4基粉末。然后，将li3tao4基粉末遍布铺展在小容器中，并将多个切片晶圆嵌入li3tao4粉末中。

然后将小容器放入电炉中，在其内部使电炉处于n2气氛中，并在900℃下进行加热24小时以使li从切片晶圆的表面向中心部分扩散。然后，在该处理的降温过程中，在空气气氛中在800℃下进行退火处理12小时，在进一步降低晶圆温度期间的过程中，在770℃至500℃的温度下，在近似+z轴方向上施加4000v/m的电场，然后进行将温度降低到室温的处理。

在该处理之后，通过喷砂处理，粗糙表面侧被精加工成具有约0.15μm的ra值，并且通过3μm的抛光而精加工近似镜面侧，从而制备多层litao3单晶衬底。

图8示出了如上所述制备的lt晶圆的li浓度在厚度方向上的曲线。厚度表示从0μm开始的深度，即粘合表面。图8表明，lt晶圆的li浓度在粘合表面处最高，并且随着深度增加，浓度降低。

为了比较，对于未在li3tao4粉末中经过处理并且在厚度方向上li浓度没有变化的litao3单晶衬底，以相同的方式制备复合晶圆。

对于用li浓度在如上所述的厚度方向上具有变化的lt晶圆所制备的每个复合晶圆以及用li浓度在厚度方向上没有变化的lt晶圆所制备的复合晶圆，具有5μm的波长的谐振器形成在复合晶圆上。图9示出了每个谐振器的输入阻抗波形(主谐振放大波形)。可以看出，与li浓度在厚度方向上未分布的情况相比，如上所述li浓度在厚度方向上变化的情况是优选的，因为主谐振波形上的dip很小。

图10示出了对于加宽的频率范围，图9中所示的频率输入阻抗特性。图10表明，在高于主谐振频率的900至1200mhz频率下的杂散响应表明在li浓度在如上所述的lt晶圆的厚度方向上变化的情况与li浓度在厚度方向上没有变化的情况之间的幅度差异很小。

图11示出谐振器的q值。图11表明，与li浓度在厚度方向上没有分布的情况相比，在li浓度在如上所述的li晶圆的厚度方向上变化的情况下的q值更大。因此，当li浓度在lt晶圆的厚度方向上变化时，主谐振频率的杂散减小并且q值增加。关于在高于主谐振频率的频率下的杂散响应，在li浓度在lt晶圆的厚度方向上变化的情况下和在li浓度在lt晶圆的厚度方向上没有变化的情况下获得几乎相同的结果。

附图标记列表

10堆叠晶圆

11,21粘合表面

20支撑晶圆

22离子注入区域

31界面