JPH0786106A

JPH0786106A - 複合基板材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0786106A
Application number: JP22765093A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sugimoto; 雅人杉本; Yoshihiro Tomita; 佳宏冨田; Akihiro Kanahoshi; 章大金星; Yutaka Taguchi; 豊田口; Kazuo Eda; 和生江田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-03-31
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: JP3194822B2

Abstract

(57)【要約】【目的】熱膨張率の異なるウエハよりなり、反りがな
く、実用にたえる複合基板材料の製造方法を提供する。【構成】両面が鏡面研磨された水晶板１１が、前記水
晶板１１と異なる熱膨張率を有し、少なくとも一方の面
が鏡面研磨されたガラス板１２によりサンドイッチされ
た形で、清浄にされた鏡面同士が向かい合うように密着
した後、加熱し、互いに強固に反りなく直接接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複合基板材料の製造方
法、特に反りのない複合基板材料の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に異なる性質をもった材料の積層構
造を有する基板は、現在様々な分野で利用されており、
このような基板を得る際には、化学的あるいは物理的方
法を利用した様々な薄膜形成法が用いられている。しか
し、それに代わる方法として、近年、ウエハボンディン
グと呼ばれる技術が注目を集めている。この技術は、単
結晶あるいは多結晶のウエハ表面を鏡面仕上げし、鏡面
同士をその界面にゴミや有機物などが存在しないように
清浄にした後、清浄な雰囲気中で接触させた状態で、か
つ加熱することで、先に述べた薄膜形成法と同等な接合
強度をもった接合ウエハをえられるというものである。
清浄な表面同士であれば、室温でも接着がみられるが、
加熱処理を経ることで様々な後処理に耐えうる、より強
力な接合がえられる。（以後、この方法を直接接合法と
呼ぶ。）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の技
術は、性質の異なる、特に熱膨張率の異なる基板同士を
直接接合する際、先に述べた加熱の過程を経ることによ
り、接合した基板間の熱膨張率差に起因した反りが生ず
るという問題を有していた。さらに、この反りのため
に、直接接合ウエハ上に電極パターン形成したり、微細
加工を行う際に、広範囲にわたって精度のよい加工を行
うことができず、フォトリソグラフィーに代表されるよ
うな微細パターン形成技術を用いる際の妨げになってい
た。

【０００４】さらに、一方の基板あるいは両方の基板を
機械的に研磨し単結晶の薄膜層を得る際には、この反り
のために均一な薄板化が困難となり、膜質は劣るが一様
な膜厚がえられる従来の薄膜形成技術に対しての優位性
を生かしきれないでいた。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
のであり、熱膨張率の異なる基板同士を直接接合した際
にも、反りのない接合ウエハをえるための製造方法を提
供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、両面が鏡面研磨された第１の基板の一方
の面に、前記第１の基板と異なる熱膨張率を有し、少な
くとも一方の面が鏡面研磨された第２の基板が鏡面同士
が向かい合うように密着され、前記第１の基板のもう一
方の面に、前記第２の基板とほぼ同じ熱膨張率を有する
材料からなり、少なくとも一方の面が鏡面研磨された第
３の基板が同じく鏡面同士が向かい合うように密着され
た後、加熱し、互いを強固に直接接合するものである。

【０００７】

【作用】上記手段のように、熱膨張率の異なる基板同士
を接合する際に、熱膨張率の違いにより生じる基板の反
りを、一つの基板をほぼ同じ熱膨張率を有する２枚の基
板でサンドイッチして密着し、熱処理をすることで相殺
し、中間にはさまれた基板がいかなる熱膨張率を有して
いても反りのない接合基板がえられることとなる。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）図１（ａ）〜（ｂ）は本実施例の工程を示
す側面図である。本実施例においては、接合する基板と
して図１（ａ）に示すように、１枚の１０ｍｍ角、３０
ＭＨｚ振動子用ＡＴｃｕｔ水晶板１１と、２枚の１０ｍ
ｍ角、０．２５ｍｍ厚の基板用ソーダ石灰ガラス板１２
を用いた。なお、これらの基板、すなわち水晶板１１、
ガラス板１２の密着されるべき面は鏡面研磨されてい
る。

【０００９】これらの基板の鏡面に研磨された接合面
を、半導体分野で用いられている精密洗浄技術を用い
て、粒子や有機物が存在しないように清浄化し、クリー
ンルーム内の清浄な雰囲気中で、接合面の間に塵や埃が
はいらないように接触させて密着することで図１（ｂ）
に示すように一体化する。

【００１０】このままでもこれらの基板間の接合強度
は、引っ張り強度にして２０〜３０kg/cm²程度の接着強
度を示すが、この段階での接着力は、接着界面に存在す
るＯＨ基同士の水素結合によるものであり、水分がその
界面に浸透すると簡単に剥がれてしまう。しかし、この
基板に熱処理を加えることにより、接着界面に脱水反応
が生じ、水素結合が酸素を介した共有結合に置き変わ
り、化学的、物理的に安定で強固な直接接合が接着剤を
用いることなく達成される。この段階での接着強度は、
引っ張り強度にして１００kg/cm²以上の値を示し、水分
や酸に浸しても剥がれることのない安定な接合となる。

【００１１】そこで、上に述べたような安定な接合をえ
るために、図１（ｂ）に示したような基板に電気炉中で
４００℃、１時間の熱処理を加えることで、図１（ｃ）
に示すような水晶板１１をガラス板１２ではさみこんだ
サンドイッチ構造をもち、強固で安定な接合をもつ反り
のない複合基板材料がえられる。両接合界面の接合強度
は、どちらも１００kg／cm²以上で強度上の問題はな
く、また、基板の反りを表面粗さ計で測定した結果、反
りの量は基板の加工精度による基板そのものの反りの範
囲内で、熱処理による新たな反りは観察されなかった。

【００１２】ところで水晶は、二軸性の結晶であり、そ
の結晶軸によりその熱膨張係数が異なる。たとえば、こ
の組合せにおいて典型的な熱処理温度である４００℃に
おいて、ａ軸と呼ばれる軸に平行な方向には、１８５×
１０^-7／℃、ｃ軸と呼ばれる軸に平行な方向には、１０
７×１０^-7／℃という値をもつ。なお、ａ軸とｃ軸は互
いに直行している。ＡＴｃｕｔとは、水晶単結晶のｃ軸
に対してある角度をもってカットされている水晶板であ
り、本実施例で用いた１０ｍｍ角の水晶板１１において
その熱膨張率は、４００℃において、水晶板１１の互い
に平行な辺に水平の方向にそれぞれ１８６×１０^-7／
℃、１３２×１０^-7／℃の値をもつ。

【００１３】一方、本実施例で用いたソーダ石灰ガラス
板１２は、等方的な熱膨張率を持ち、その値は、８７×
１０^-7／℃である。この熱膨張率の違いから、サンドイ
ッチ構造を用いることなく前記水晶板１１と前記ガラス
板１２のみを直接接合したものでは、熱処理後の接合基
板平面上で互いに垂直方向に異なる反りを生じてしま
う。これは、ガラスと水晶の熱膨張率が異なるためであ
り、特に水晶のような二軸性の結晶の場合、両基板の熱
膨張率をあわせるのは難しく、本方法を用いない限り、
反りのない基板をえることは困難である。

【００１４】上記の水晶板がガラス板によってサンドイ
ッチされた構造をもつ直接接合基板をもちいて水晶振動
子を作製する際の、一実施例を図面を参照して説明す
る。図２（ａ）〜（ｅ）は水晶振動子の製造工程の断面
図を示している。

【００１５】図２（ａ）に示すように、水晶板２１がガ
ラス板２２によってサンドイッチされた構造をもつ反り
のない直接接合基板に、図２（ｂ）に示すように、開口
部を設けるための部分を除いてマスク２３で覆う。その
後、両面から弗酸を含むエッチング液でエッチングし、
図２（ｃ）に示すように、水晶板２１の両側に開口部２
４を形成する。この工程で残るガラス部分は水晶板２１
の保持の役割を果たす。なお、エッチング液に対する水
晶のエッチング速度は、ガラスに比べて遅いため、水晶
部分がエッチストップとして働き、有機溶剤を用いてマ
スク２３を取り去り図２（ｄ）に示すような構造がえら
れる。そして最後に、水晶板２１をはさんで一対の励振
電極２５を形成することで図２（ｅ）に示すような水晶
振動子の基本的構造がえられる。

【００１６】また、この基板には反りがないため、マス
ク２３の形成が半導体分野で用いられているような微細
パターン形成技術を用いて行えるので、超小型の水晶振
動子が精密に作製できる。

【００１７】なお、本実施例では、効果をわかりやすく
するために、水晶と熱膨張率の異なるガラス板を用いた
が、熱膨張率が水晶と近いガラスを選択することで、接
合面に生ずる歪が非常に少ない上、反りの無い水晶−ガ
ラス接合基板がえられることは当然である。

【００１８】（実施例２）本実施例では、実施例１と同
様に１０ｍｍ角の３０ＭＨｚ振動子用ＡＴｃｕｔ水晶板
と１０ｍｍ角、０．２５ｍｍ厚の基板用ソーダ石灰ガラ
ス板を用いた。図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の工程
を示す側面図である。なお、洗浄方法、接合条件も実施
例１と同じである。異なるのは図１（ａ）に示すよう
に、ガラス板３１を水晶板３２と、少なくともガラス板
３１に接合される側の面にシリコン膜３４を形成した水
晶板３３ではさみこむ構造を有する点である。なお、こ
れらの基板の接合面は鏡面研磨されている。

【００１９】これらの基板３枚の接合面を、精密洗浄し
た後、鏡面同士が向かい合うようにして密着し、さらに
接合を強固にするために、電気炉で４００℃、１時間の
熱処理を行った。その結果、図３（ｂ）に示すような、
反りのない直接接合複合基板材料がえられた。この場
合、シリコン膜３４は数千Ａと、非常に薄く、単結晶の
ものほど緻密でないため、熱膨張率が異なってもバッフ
ァ層的な役割を果たし、基板に反りを生じさせるような
ことはない。

【００２０】この基板を、図３（ｃ）に示すように両面
研磨し、水晶板３２が所期の厚さになるように研磨す
る。このとき研磨中に接合面から分離してしまうような
ことはなく、充分研磨工程に耐え得るだけの接着強度が
えられている。また、この基板には、反りがないため水
晶部分は一様に研磨され、５μｍ以下まで薄くできる。
その後、図３（ｄ）に示すように、シリコン膜３４の部
分を選択的にエッチングするようなエッチャント、たと
えばヒドラジンを用いて、一方の水晶板３３をリフトオ
フする。

【００２１】このようにして５μｍ以下の水晶板３２が
ガラス板３１に強固に直接接合された複合基板材料がえ
られる。また、この基板には反りがなく、半導体技術で
用いられる微細パターン形成技術を用いて、精密に加工
することができる。

【００２２】上記の構造をもつ直接接合基板をもちいて
水晶振動子を作製する際の、一実施例を図面を参照して
説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は水晶振動子の製造工程
の断面図を示している。

【００２３】図４（ａ）に示すような、５μｍ以下と非
常に薄い水晶板４１がガラス板４２に強固に直接接合さ
れた複合基板材表面に、図４（ｂ）に示すようなガラス
板４２の一部分に開口部を設けるためのマスク４３を形
成する。この基板をガラス側から弗酸を含むエッチング
液でエッチングすることで図４（ｃ）に示すような開口
部４４を形成する。この工程で残るガラス部分は水晶板
４１の保持の役割を果たす。なお、エッチング液に対す
る水晶のエッチング速度は、ガラスに比べて遅いため、
水晶部分がエッチストップとして働き、有機溶剤でマス
ク４３を取り去ることで図４（ｄ）に示すような構造が
容易にえられる。そして最後に、水晶板４１をはさんで
一対の励振電極４５を形成することで図４（ｅ）に示す
ような水晶振動子の基本的構成が完成する。

【００２４】このような水晶振動子は、水晶板４１の厚
さが本実施例の工程を経ることで非常に薄くできるので
水晶振動子の超高周波化が可能になる。さらに、水晶板
４１の保持が直接接合で実現され、接着剤を用いる必要
がないので特性が安定する。

【００２５】なお、本実施例では、このような基板をえ
るための方法として水晶板３３の接合面にシリコン膜３
４を形成したが、ガラス板側の接合面あるいは両方にシ
リコン膜を形成しても同様の効果がえられることは言う
までもない。（実施例３）実施例２で述べたように、接合面に薄膜層
を形成することで、基板材料のリフトオフが可能にな
り、さらに直接接合できないもの同士の接合が可能にな
る。

【００２６】また、直接接合では、接合される面の平坦
度が非常に重要であるが、この平坦度を得るためにも前
記薄膜層を利用することができる。次に、その実施例を
示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、本実施例の工程を示す側
面図である。

【００２７】図５（ａ）に示すように、シリコン基板５
１を２枚の砒化ガリウム基板５２ではさみこむ構造を形
成する。なお、はさみこまれるシリコン基板５１の両面
は鏡面研磨されているが、砒化ガリウム基板５２の両面
は必ずしも研磨されている必要はない。

【００２８】次に、図５（ｂ）に示すように砒化ガリウ
ム基板５２の接合面側に酸化珪素膜５３を形成する。そ
の後、酸化珪素膜５３表面を鏡面研磨し、表面粗さが５
００ｎｍ以下になるように平坦化する。

【００２９】さらに、鏡面に研磨された酸化珪素膜５３
とシリコン基板５１表面を上に述べてきた方法と同様の
方法で洗浄し、密着する。そして最後に電気炉中で３０
０℃、１時間の熱処理を加えることにより、図５（ｃ）
に示すような反りの無いシリコン砒化ガリウム複合基板
材料がえられる。酸化珪素膜５３は、数千Ａ以下と薄
く、単結晶のものほど緻密でないため、バッファ層とし
て働き、砒化ガリウム基板５２およびシリコン基板５１
に歪を生じないため、単結晶の特性に影響を与えること
が少ない。また、酸化珪素膜５３は、広い波長範囲にお
いて透明であるため、この基板を光素子用基板として用
いるときにも光の通過を妨げることが無い。そのため、
この基板は、光素子用複合基板として実用化することが
できる。

【００３０】さらに、酸化珪素膜５３を形成した後に、
酸化珪素膜５３のみを研磨することで研磨の際に生ずる
機械的な歪が基板の特性に影響を及ぼさないため、特性
のよい複合基板材料がえられる。

【００３１】（実施例４）実施例４は実施例３とほぼ同
様であり、異なるのは接合の際の一方の中間層として酸
化珪素膜でなく、窒化珪素膜を用いる点である。次に、
その実施例を示す。図６は、本実施例の工程を示す側面
図である。

【００３２】図６（ａ）に示すように、シリコン基板６
１を砒化ガリウム基板６２および６３ではさみこむ構造
を形成する。なお、はさみこまれるシリコン基板６１の
両面は鏡面研磨されているが、砒化ガリウム基板６２お
よび６３の両面は必ずしも研磨されている必要はない。
次に、図６（ｂ）に示すように砒化ガリウム基板６２
の接合面側に酸化珪素膜６４を形成し、もう一方の砒化
ガリウム基板６３の接合面側には窒化珪素膜６５を形成
する。

【００３３】その上で、酸化珪素膜６４および窒化珪素
膜６５の表面を鏡面に研磨し、接合面を清浄にして、鏡
面同士を接触させて密着する。そして最後に電気炉中で
３００℃、１時間の熱処理を加えることにより、図６
（ｃ）に示すような反りの無いシリコン砒化ガリウム複
合基板材料がえられる。酸化珪素膜６４および窒化珪素
膜６５は、数千Ａ以下と薄く、単結晶のものほど緻密で
ないためバッファ層として働き、砒化ガリウム基板６
２、６３およびシリコン基板６１に歪を生じないため、
単結晶の特性に影響を与えることが少ない。また、酸化
珪素膜６４は、広い波長範囲において透明であるため、
この基板を光素子用基板として用いるときにも光の通過
を妨げることが無い。そのため、この基板は、光素子用
複合基板として実用化することができる。

【００３４】さらに、酸化珪素膜６４および窒化珪素膜
６５を形成した後に、薄膜層のみを研磨することで研磨
の際に生ずる機械的な歪が基板の特性に影響を及ぼさな
いため、特性のよい複合基板材料がえられる。また、接
合のためのバッファ層に酸化珪素と窒化珪素という異な
る性質の材料を用いているため、エッチング液を適当に
選ぶことで、いずれかの基板を選択的にリフトオフでき
るため、２種の異種材料による反りのない複合基板材料
が容易にえられる。

【００３５】なお、接合できる材料は上記のものに限る
わけではなく、接合表面が鏡面であれば材料を問わな
い。また、接合できない材料同士であっても、薄膜状の
バッファ層を介することで接合が可能になる。そのた
め、自由な組合せの複合基板材料が本方法を用いてえら
れる。

【００３６】（実施例５）実施例４で、バッファ層を介
して接合することで、サンドイッチ構造をもった複合基
板材料から容易に異種材料からなる二層複合基板材料が
えられることを述べた。本実施例では、接合の際にバッ
ファ層を用いることなく実施例４と同様の二層複合基板
材料をえる方法について図を用いて説明する。図７は本
実施例の工程を示す側面図である。

【００３７】図７（ａ）に示すように、インジウムリン
基板７１をガラス基板７３とシリコン基板７２ではさみ
こむ構造を形成する。ガラス基板７３には、熱膨張率が
３２×１０^-7／℃のほう珪酸ガラスを用いた。シリコン
の熱膨張率は３５×１０^-7／℃であり、インジウムリン
の熱膨張率は、４５×１０^-7／℃である。シリコンとほ
う珪酸ガラスの熱膨張率差は、インジウムリンとの熱膨
張率差に比べて非常に小さい。なお、これらの基板の接
合面は鏡面研磨されている。

【００３８】次に、図７（ｂ）に示すように、インジウ
ムリン基板７１とガラス基板７３およびシリコン基板７
２の接合面を清浄にし、サンドイッチ構造を形成して一
体化した後、電気炉中で３００℃、１時間の熱処理を加
えることにより、図７（ｃ）に示すような反りの無い複
合基板材料がえられる。このとき、はさみこむ側の両基
板間に大きな熱膨張率差が存在すると、接合基板は全体
として反りを生じてしまう。しかし、本実施例では、シ
リコン基板７２とほう珪酸ガラス基板７３の熱膨張率が
近いために、基板に反りは生じなかった。

【００３９】さらに、図７（ｃ）に示すように、ガラス
部分をエッチングで取り去ることにより、シリコンとイ
ンジウムリンからなる反りのない複合基板材料が容易に
えられる。

【００４０】また、本実施例では、インジウムリン基板
７１をはさみこむのにシリコン基板７２とシリコンに熱
膨張率の近いガラス基板７３を用いたが、これに限るも
のではなく、その他の材料においても、熱膨張率が近い
材料間に特定の材料をはさむことにより、様々な複合基
板材料がえられることは容易に考えられる。しかし、ガ
ラスはその組成により、その熱膨張率を自由に変えうる
ため熱膨張率をあわせやすく、加工も容易であるためこ
のような構造をえるためには都合がよい。

【００４１】また、各実施例においての熱処理の温度
は、本実施例に挙げたものに限るわけではなく、各々の
材料特性を変化させない温度であればよいことはいうま
でもない。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、熱
膨張率の異なるウエハを密着し、加熱して直接接合する
際の基板の反りを防止でき、接合ウエハの加工精度を大
幅に向上させることができる。また、接着に接着剤を用
いていないため様々な後工程にも充分耐え得る基板がえ
られる。さらに、接合する材料は単結晶材料であるた
め、個々の材料の結晶性がよい複合基板材料となる。

【００４３】したがって、本発明の方法を製品に応用す
ることで、小型化が可能になり、特性が向上し、大幅な
コストダウンが図れ、実用化に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の工程を示す側面図

【図２】同実施例１でえられる接合基板より水晶振動子
を作製する際の製造工程を示す断面図

【図３】本発明の実施例２の工程を示す側面図

【図４】同実施例２でえられる接合基板より水晶振動子
を作製する際の製造工程を示す断面図

【図５】本発明の実施例３の工程を示す側面図

【図６】本発明の実施例４の工程を示す側面図

【図７】本発明の実施例５の工程を示す側面図

【符号の説明】

１１水晶板１２ガラス板２１水晶基板２２ガラス基板２３マスク２４開口部２５励振電極３１ガラス基板３２水晶基板３３シリコン膜を形成した水晶基板３４シリコン膜４１水晶基板４２ガラス基板４３マスク４４開口部４５励振電極５１シリコン基板５２砒化ガリウム基板５３酸化珪素膜６１シリコン基板６２砒化ガリウム基板１６３砒化ガリウム基板２６４酸化珪素膜６５窒化珪素膜７１インジウムリン基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田口豊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者江田和生大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両面が鏡面研磨された第１の基板の一方
の面に、前記第１の基板と異なる熱膨張率を有し、少な
くとも一方の面が鏡面研磨された第２の基板を鏡面同士
が向かい合うように密着し、前記第１の基板のもう一方
の面に、前記第２の基板とほぼ同じ熱膨張率を有する材
料からなり、少なくとも一方の面が鏡面研磨された第３
の基板を同じく鏡面同士が向かい合うように密着した
後、加熱し、互いに強固に直接接合することを特徴とす
る複合基板材料の製造方法。
【請求項２】第３の基板が、第２の基板と同一材料か
らなる基板であることを特徴とする請求項１記載の複合
基板材料の製造方法。
【請求項３】第３の基板が、ガラス基板であることを
特徴とする請求項１または２記載の複合基板材料の製造
方法。
【請求項４】第２の基板あるいは第３の基板のうち少
なくとも一方が、第１の基板材料に、珪素もしくは珪素
化合物を介して直接接合されることを特徴とする請求項
１または２記載の複合基板材料の製造方法。
【請求項５】珪素化合物が酸化珪素であることを特徴
とする請求項４記載の複合基板材料の製造方法。
【請求項６】珪素化合物が窒化珪素であることを特徴
とする請求項４記載の複合基板材料の製造方法。