DE112014002593B4

DE112014002593B4 - Trägersubstrat für Verbundsubstrat und Verbundsubstrat

Info

Publication number: DE112014002593B4
Application number: DE112014002593.3T
Authority: DE
Inventors: Jun Yoshikawa; Mikiya Ichimura; Katsuhiro Imai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JPWO2014192597A1; JP6347553B2; WO2014192597A1; US20160049469A1; US10332958B2; DE112014002593T5

Abstract

Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat, wobei das Trägersubstrat eine Keramik umfasst und eine polierte Oberfläche aufweist, zur Verwendung beim Bonden:
wobei der Orientierungsgrad der Keramik an der polierten Oberfläche 50 % oder mehr beträgt;
wobei das Aspektverhältnis der das Trägersubstrat bildenden Kristallkörner 5,0 oder weniger beträgt; und
wobei der mikroskopische arithmetische Mittenrauwert Ra der polierten Oberfläche des Trägersubstrats 30 nm oder weniger beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat, das eine Funktionsschicht wie einen piezoelektrischen Körper oder einen Halbleiter bindet oder trägt.
Hintergrundtechnik
Akustische Oberflächenwellenelemente werden verbreitet als Bandpass-Filter in Kommunikationsvorrichtungen wie Mobiltelefonen verwendet. Mit der höheren Leistung von Mobiltelefonen und dergleichen müssen auch Filter, die die akustischen Oberflächenwellenelemente nutzen, höhere Leistungen erbringen.
Bei akustischen Oberflächenwellenelementen besteht jedoch das Problem der Verschiebung des Durchlassbereiches aufgrund von Temperaturänderungen. Genauer gesagt, verfügen beispielsweise Lithiumniobat und Lithiumtantalat, die derzeit in vielen Fällen verwendet werden, über einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor, was überaus vorteilhaft zum Erhalt einer Breitbandfilter-Charakteristik ist. Jedoch verfügen sowohl Lithiumniobat als auch Lithiumtantalat über eine schlechte Temperaturstabilität.
Beispielsweise beträgt der Temperaturkoeffizient der Frequenzänderung des akustischen Oberflächenwellenfilters, der Lithiumtantalat nutzt, -35 ppm/°C, was bedeutet, dass Frequenzschwankungen im angenommenen Betriebstemperaturbereich enorm sind. Daher muss der Temperaturkoeffizient der Frequenzänderung verringert werden.
Zur Herstellung eines Schallwellenelements mit einer hervorragenden Frequenz-TemperaturCharakteristik wird bekanntermaßen ein Verbundsubstrat genutzt, das durch Bonden eines Funktionssubstrats aus einem piezoelektrischen Material oder dergleichen an ein Trägersubstrat aus einem Material, das eine geringe Wärmeausdehnung zeigt (wie in Patentdokument 1 offenbart), erzeugt wird.
Andererseits wird bei der Herstellung eines lichtemittierenden Elements, das einen Nitrid-basierten Verbindungshalbleiter wie GaN nutzt, ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem das Ausmaß der Nutzung eines Substrats aus einem teuren GaN-basierten Halbleiter verringert werden kann. Bekanntermaßen umfasst das Verfahren das Bonden eines GaN-basierten Halbleitersubstrats an ein Trägersubstrat aus einem anderen Material (z. B. ZnO, β-Ga₂O₃) und dann das Abtrennen eines Großteils des Halbleitersubstrats von dem Trägersubstrat, wobei nur eine dünne Schicht des GaN-basierten Halbleiters an dem Trägersubstrat zurückbleibt (siehe Patentdokument 3).
Bei Antennenwahlschaltern zur Verwendung in Mobiltelefonen hat kürzlich die Silicium-Saphir-Technik (SOS-Technik) hinsichtlich des Multi-Mode und Multiband sowie der Verringerung der Größe und Kosten auf sich aufmerksam gemacht. Diese Technik umfasst das epitaxiale Züchten von Si auf einem Saphirsubstrat und Bilden eines CMOS-Schalters unter Verwendung der Si-Schicht. Ein Merkmal der Technik ist, dass die Verwendung des isolierenden Saphirs das Abfließen von Strom zu dem Substrat unterbindet und so sehr effektiv der Energieverbrauch reduziert werden kann. Diese Technik ähnelt der Si-Plattform-Technologie, welche die Integration einer Dekodierschaltung usw. auf einem Chip ermöglicht und daher sehr vorteilhaft in Bezug auf Downsizing und Kostensenkung ist. Andererseits führt die oben beschriebene Technik mitunter zu einer Verschlechterung der Qualität der Si-Schicht aufgrund der Verwendung eines Einkristall-Saphirsubstrats mit einer anderen Gitterkonstante als der von Si zum epitaxialen Züchten von Si auf dem Saphirsubstrat. Um dieses Phänomen abzuschaffen, ist ein Substrat untersucht worden, bei dem ein Einkristall-Si (Funktionssubstrat) an ein Saphirsubstrat (Trägersubstrat) gebondet ist (wie in Patentdokument 4 offenbart).
Das Funktionssubstrat und das Trägersubstrat werden direkt oder über eine Verbundlage oder eine Klebeschicht aneinander gebondet. In beiden Fällen muss zur Maximierung der Bindungsstärke die Oberfläche des Substrats durch chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) oder dergleichen eingeebnet werden.
Patentdokument 6 offenbart einen gesinterten Al₂O₃-Körper für eine Leiterplatte mit einem Orientierungsgrad von größer 60 % und einem Aspektverhältnis der Kristallkörner vor dem Brennen von kleiner 2.
Patentdokument 7 offenbart eine kristallorientierte Keramik mit einem Orietierungsgrad von größer als 50 % und einem Aspektverhältnis der Kristallkörner von mindestens 3.
Patentdokument 8 offenbart eine kristallorientierte Keramik mit einem Orientierungsgrad von größer 80 % und einem Aspektverhältnis der Kristallkörner von größer als 3.
Zitatenliste
Patentdokument

Patentdokument 1: JP 4 657 002 B2
Patentdokument 2: JP 2010 - 18510 A
Patentdokument 3: JP 2011 - 146652 A
Patentdokument 4: JP 2003 - 224042 A
Patentdokument 5: JP 3 556 886 B2
Patentdokument 6: JP 2002-121066 A
Patentdokument 7: US 6 093 338 A
Patentdokument 8: US 2001/0044371 A1

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der Regel wird ein Einkristall-Material für das Trägersubstrat verwendet, da es relativ leicht eine hohe Oberflächenglätte erreicht, jedoch besteht hier das Problem hoher Kosten. Ferner verfügt ein Einkristall nicht über ausreichend Festigkeit und wird daher wahrscheinlich das Problem von Rissen bei der Verarbeitung, einschließlich Polieren und Schneiden, verursachen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Trägersubstrats für ein Verbundsubstrat mit einer polierten Oberfläche zur Verwendung beim Bonden, das die Erzeugung von Rissen, die möglicherweise bei der Verarbeitung eines Einkristalls auftreten können, verhindern kann, während gleichzeitig die hohe Genauigkeit der bearbeiteten Oberfläche sichergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat, wobei das Trägersubstrat eine Keramik umfasst und eine polierte Oberfläche aufweist, zur Verwendung beim Bonden. Der Orientierungsgrad der Keramik an der polierten Oberfläche beträgt 50 % oder mehr, das Aspektverhältnis der das Trägersubstrat bildenden Kristallkörner beträgt 5,0 oder weniger, und der mikroskopische arithmetische Mittenrauwert Ra der polierten Oberfläche beträgt 30 nm oder weniger.
Die Erfinder haben untersucht, dass ein Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat unter Verwendung von Keramik gebildet wird, die hochfest ist und weniger wahrscheinlich Risse erzeugt. Herkömmliche Keramikmaterialien haben jedoch eine polykristalline Struktur, was es schwierig macht, die Ebenheit der polierten Oberfläche eines Einkristalls stark zu verbessern, oder die Ebenheit der bearbeiteten Oberfläche aufgrund des Herabfallens von Körnern bei der Bearbeitung verschlechtert.
Hier gelangten die Erfinder zur Verwendung einer orientierten Keramik in dem Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat. Bei der orientierten Keramik wird darauf geachtet, dass die Kristallkörner der Keramik in eine vorbestimmte Richtung ausgerichtet sind. Das heißt, die Erfinder haben festgestellt, dass durch das Orientieren der Verbindungsfläche (polierte Oberfläche) des Trägersubstrats die Oberflächengenauigkeit beim Polieren zu einem mit einem Einkristall vergleichbaren Grad verbessert werden kann, während das Auftreten von Rissen verhindert wird. Die vorliegende Erfindung ist basierend auf diesen Erkenntnissen gemacht worden. Daher kann die vorliegende Erfindung die Produktivität der Verbundsubstrate drastisch verbessern, was signifikante industrielle Anwendbarkeit findet.
Figurenliste

1(a) ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein akustisches Oberflächenwellenelement 6 zeigt, und 1(b) ist eine Draufsicht, die schematisch das in 1(a) veranschaulichte Element 6 zeigt. 1(a) entspricht einem Schnitt entlang der Linie Ia-Ia von 1(b).
2(a) ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein anderes akustisches Oberflächenwellenelement 10 zeigt, und 2(b) ist eine Draufsicht, die schematisch das in 2(a) veranschaulichte Element 10 zeigt. 2(a) entspricht einem Schnitt entlang der Linie IIa-IIa von 2(b).
Die 3(a) und 3(b) sind Querschnittsansichten, die schematisch noch andere akustisches Oberflächenwellenelemente 6A bzw. 10A zeigen.
4(a) zeigt ein blankes Substrat 12 aus Keramik, 4(b) zeigt ein Basissubstrat 1, erhalten durch Polieren des blanken Substrats 12, 4(c) zeigt ein Trägersubstrat 11, erhalten durch weiteres Polieren des Basissubstrats 1, 4(d) zeigt ein Verbundsubstrat 20A, erhalten durch Bonden eines Funktionssubstrats 17 an das Trägersubstrat 11 mittels einer Verbundlage 16, und 4(e) zeigt ein Verbundsubstrat 20B, erhalten durch Bonden des Funktionssubstrats 17 direkt an das Trägersubstrat 11.
5 zeigt ein Verbundsubstrat 20C, erhalten durch Abtrennen des Großteils des Funktionssubstrats von dem Trägersubstrat 11, wobei ein Teil (dünne Schicht) 21 des Funktionssubstrats (beispielsweise aus GaN) auf dem Trägersubstrat 11 zurückbleibt.
6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Struktur eines lichtemittierenden Elements zeigt, wenn das Trägersubstrat elektrisch leitfähig ist.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Struktur eines lichtemittierenden Elements zeigt, wenn das Trägersubstrat nicht elektrisch leitfähig ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Trägersubstrat)
In der Erfindung wird ein Keramikmaterial mit einer in eine bestimmte Richtung ausgerichteten Kristallfläche als das Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat verwendet. Diese Anordnung kann die hervorragende Genauigkeit einer bearbeiteten Oberfläche sicherstellen, die mit der eines Einkristalls vergleichbar ist, und ebenso das Auftreten von Rissen, die andernfalls beim Bearbeiten eines Einkristalls leicht erzeugt werden, verhindern.
Unter dem Ausdruck „Orientierungsgrad einer polierten Oberfläche des Trägersubstrats“, wie hierin verwendet, ist der mit dem Lotgering-Verfahren berechnete Orientierungsgrad zu verstehen, dass heißt, ein Index, der die Orientierung der in einer Keramik enthaltenen Kristallkörner anzeigt, wie in Patentdokument 2 beschrieben (japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2010-018510A). Dieser kann mit dem in den folgenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Der Orientierungsgrad der polierten Oberfläche des Trägersubstrats kann auf 50 % oder mehr eingestellt werden, wodurch die Oberflächenebenheit der bearbeiteten Oberfläche ausreichend verbessert wird. Aus diesem Gesichtspunkt beträgt der Orientierungsgrad der polierten Oberfläche der Trägerfläche bevorzugt 60 % oder mehr und stärker bevorzugt 70 % oder mehr. Diesbezüglich ist die Obergrenze für den Orientierungsgrad der polierten Oberfläche des Trägersubstrats nicht speziell eingeschränkt, beträgt hinsichtlich der einfachen Herstellung praktischerweise aber 98 % oder weniger.
In der Erfindung beträgt das Aspektverhältnis eines Kristallkorns (das Verhältnis seiner Länge in der Richtung parallel zur polierten Oberfläche / seiner Länge in der Richtung senkrecht zur polierten Oberfläche), das durch Beobachten des Abschnitts des Trägersubstrats bestimmt wird, 5,0 oder weniger. Dies kann das Herabfallen der Körner bei der Bearbeitung der Oberfläche verhindern, was den guten Zustand der bearbeiteten Oberfläche sicherstellt. Dies soll daran liegen, dass durch Senkung des Aspektverhältnisses, unter Berücksichtigung der an der Oberfläche existierenden Körner, das Verhältnis des Bereichs des Korns, der an der bearbeiteten Oberfläche des Substrats freiliegt, zum Gesamtvolumen des Korns geringer wird, wodurch sich die Körner während der Bearbeitung weniger wahrscheinlich ablösen und aus den Korngrenzen fallen. Aus dieser Sicht beträgt das oben erwähnte Aspektverhältnis bevorzugt 3,0 oder weniger und stärker bevorzugt 2,5 oder weniger. Dieses Aspektverhältnis kann mit dem in den folgenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Das oben erwähnte Aspektverhältnis beträgt bevorzugt 1,0 oder mehr, stärker bevorzugt 1,1 oder mehr und am stärksten bevorzugt 1,2 oder mehr.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik beträgt bevorzugt 100 µm oder weniger. Dies kann die Festigkeit des Substrats verbessern und effektiv die Risse bei der Bearbeitung verhindern. Diesbezüglich beträgt die durchschnittliche Kristallkorngröße der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik stärker bevorzugt 80 µm oder weniger.
Andererseits beträgt die durchschnittliche Kristallkorngröße der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik bevorzugt 2 µm oder mehr. Dies kann das Herausfallen der Körner beim Bearbeiten der Substratoberfläche verhindern. Der Grund hierfür ist nicht klar, scheint aber der zu sein, dass, wenn sich die Korngröße auf ein bestimmtes Level oder mehr erhöht, sich auch die Energie, die erforderlich ist, dass ein Korn ausfällt, erhöht. Aus diesem Gesichtspunkt beträgt die durchschnittliche Kristallkorngröße der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik stärker bevorzugt 4 µm oder mehr.
Geeignete in dem Trägersubstrat enthaltene Keramikmaterialien umfassen zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Cordierit, Galliumoxid und Zinkoxid. Genauer gesagt sind Aluminium, Cordierit oder Zinkoxid wegen ihres relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bevorzugt.
Im Falle eines Materials mit Polarität, wie Zinkoxid, ist eine unpolare Fläche, wie eine m-Ebene oder eine a-Ebene, im Vergleich zu einer polaren Fläche, wie einer c-Ebene, orientiert. Das liegt daran, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit von der Flächenpolarität abhängt und die unpolare Fläche ihre Oberflächenebenheit weiter verbessern kann.
Die relative Dichte der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik beträgt hinsichtlich der Oberflächenebenheit und der Verhinderung einer Kontamination bevorzugt 98 % oder mehr und stärker bevorzugt 99 % oder mehr.
Bei der Anwendung bei einem lichtemittierenden Element, das einen GaN-basierten Halbleiter nutzt, beträgt der spezifische Volumenwiderstand der in dem Trägersubstrat enthaltenen Keramik bevorzugt 1 × 10^-2 Ω ·cm oder weniger und stärker bevorzugt 2 × 10^-3 Ω·cm oder weniger. Diese Anordnung kann eine vertikale Struktur einsetzten, die ermöglicht, dass Strom durch das Substrat fließt, wodurch geringe Kosten erreicht werden und durch die Vereinfachung der Struktur die Lichtausbeute verbessert werden kann.
Bei der Anwendung bei dem lichtemittierenden Element verfügt die in dem Trägersubstrat enthaltene Keramik bevorzugt über Transluzenz. So kann das emittierte Licht effektiv nach draußen befördert werden. Um dem Trägersubstrat Transluzenz zu verleihen, ist nicht nur das Dünnermachen des Trägersubstrats, sondern auch die Verwendung eines Heißpressverfahrens, eines isostatischen Heißpressverfahrens (HIP) oder dergleichen als ein Herstellungsverfahren sehr effektiv zur Verdichtung der Keramik, während die Korngröße der Keramik durch das Kornwachstum erhöht wird.
(Verbundsubstrat)
Das Verbundsubstrat, das durch die Erfindung bereitgestellt werden kann, umfasst das Trägersubstrat und eine Funktionsschicht, die direkt oder mittels einer Verbundlage an die polierte Oberfläche des Trägersubstrats gebondet ist. Die Funktionsschicht umfasst einen Halbleiter, ein piezoelektrisches Material oder ein dielektrisches Material.
Die Funktionsschicht ist eine Schicht, bestehend aus dem Halbleiter, dem piezoelektrischen Material oder dem dielektrischen Material. Wie hierin verwendet, ist unter dem Ausdruck „Funktionsschicht“ eine an das Trägersubstrat der Erfindung gebondete Schicht zu verstehen. Die Funktionsschicht hat bevorzugt die folgenden Formen.

(1) Ein sich selbst tragendes Funktionssubstrat wird an das Trägersubstrat gebondet, und dann wird das Funktionssubstrat verwendet, ohne dass es danach bearbeitet wird.
(2) Ein sich selbst tragendes Funktionssubstrat wird an das Trägersubstrat gebondet, und dann wird das Funktionssubstrat dünner gemacht. Derartige Prozesse des Dünnermachens können beispielsweise Polieren, Schleifen, Teilablösen usw. umfassen.
(3) In dem Verfahren (2) wird, nachdem das sich selbst tragende Funktionssubstrat an das Trägersubstrat gebondet worden ist, das Funktionssubstrat zu einer dünnen Schicht mit einer Dicke (z. B. 1 µm oder weniger), mit der es nicht sich selbst tragend sein kann, dünner gemacht. Derartige Prozesse des Dünnermachens können beispielsweise Polieren, Schleifen, Teilablösen usw. umfassen.

Beispiele für Vorrichtungen mit den Funktionen, die durch das Verbundsubstrat bereitgestellt werden können, können die folgenden umfassen:
verschiedene Sensoren, wie einen Beschleunigungssensor, einen pyroelektrischen Sensor, einen Ultraschallsensor, einen E-Feld-Sensor, einen Temperatursensor, einen Gassensor, einen Klopfsensor, einen Gierratensensor, einen Airbag-Sensor und einen piezoelektrischen Gyrosensor; Energieumwandlungselemente, wie einen piezoelektrischen Transformer; und
verlustarme Aktuatoren oder verlustarme Resonatoren, wie einen piezoelektrischen Aktuator, einen Ultraschallmotor und einen Resonator. Beispiele umfassen ebenso einen Kondensator, ein bimorphes piezoelektrisches Element, einen Schwingungsaufnehmer, ein piezoelektrisches Mikrofon, ein piezoelektrisches Zündelement, ein Sonar, einen piezoelektrischen Summer, einen piezoelektrischen Lautsprecher, einen Oszillator, einen Filter, ein dielektrisches Element, ein dielektrisches Mikrowellenelement, ein thermoelektrisches Umwandlungselement, ein pyroelektrisches Element, einen Projektor, eine Hochfrequenzvorrichtung, einen Hochleistungslaser, ein Leistungsbauelement, ein lichtemittierendes Element, einen Laser, ein Lichtempfangselement, eine Solarzelle und einen Antennenwahlschalter.
In einem Beispiel für bevorzugte Ausführungsformen besteht die Funktionsschicht aus einem piezoelektrischen Einkristall und ist ein Ausbreitungssubstrat, welches die Ausbreitung von Schallwellen ermöglicht. Die 1 bis 3 entsprechen dieser Ausführungsform.
Bei dem in den 1(a) und 1(b) gezeigten akustischen Oberflächenwellenelement 6 ist die Verbindungsfläche 3b des Ausbreitungssubstrats 3 über eine Klebeschicht 2 an die Verbindungsfläche 1b des Trägersubstrats 1 gebondet. Das Trägersubstrat 1 weist eine untere Fläche 1a auf. Eine Eingangselektrode 4 und eine Ausgangselektrode 5 sind auf der Oberfläche 3a des Ausbreitungssubstrats ausgebildet, wodurch ein transversales akustisches Oberflächenwellenelement 6 erzeugt wird. Eine akustische Oberflächenwelle breitet sich von der Eingangselektrode 4 in Richtung der Ausgangselektrode 5 wie durch den Pfeil 7 gezeigt aus, was einen akustischen Oberflächenwellenfilter darstellt.
Die meisten akustischen Oberflächenwellenfilter für Mobiltelefone nutzen ein akustisches Oberflächenwellenelement vom Resonanztyp. Die 2(a) und 2(b) entsprechen diesem Beispiel. 2(b) veranschaulicht ein Beispiel für ein Elektrodenmuster in dem akustischen Oberflächenwellenelement vom Resonanztyp.
Bezogen auf die 2(a) und 2(b) ist bei dem akustischen Oberflächenwellenelement 10 die Verbindungsfläche 3b des Ausbreitungssubstrats 3 über die Klebeschicht 2 an die Verbindungsfläche 1b des Trägersubstrats 1 gebondet. Das Trägersubstrat 1 weist die untere Fläche 1a auf. Elektroden 16, 17 und 18 sind auf der Oberfläche 3a des Ausbreitungssubstrats ausgebildet, wodurch das akustische Oberflächenwellenelement vom Resonanztyp erzeugt wird.
Bei dem in 3(a) gezeigten akustischen Oberflächenwellenelement 6A ist die Verbindungsfläche 3b des Ausbreitungssubstrats 3 direkt an die Verbindungsfläche 1b des Trägersubstrats 1 gebondet. Die Eingangselektrode 4 und die Ausgangselektrode 5 sind an der Oberfläche 3a des Ausbreitungssubstrats ausgebildet, was ein transversales akustisches Oberflächenwellenelement 6A darstellt. Eine akustische Oberflächenwelle breitet sich von der Eingangselektrode 4 in Richtung Ausgangselektrode 5 wie durch den Pfeil 7 angezeigt aus, was einen akustischen Oberflächenwellenfilter darstellt.
Bei dem in 3(b) gezeigten akustischen Oberflächenwellenelement 10A ist die Verbindungsfläche 3b des Ausbreitungssubstrats 3 direkt an die Verbindungsfläche 1b des Trägersubstrats 1 gebondet. Das Trägersubstrat 1 weist die unter Fläche 1a auf. Elektroden 16, 17 und 18 sind auf der Oberfläche 3a des Ausbreitungssubstrats ausgebildet, wodurch das akustische Oberflächenwellenelement vom Resonanztyp erzeugt wird.
Das Schallwellenelement kann ein Element sein, das neben der akustischen Oberflächenwelle eine Lamb-Welle nutzt, die sich durch das Ausbreitungssubstrat ausbreitet. Genauer gesagt, ist das Schallwellenelement bevorzugt ein akustischer Oberflächenwellenfilter oder ein Resonator. Der akustische Oberflächenwellenfilter ist bevorzugt ein Bandpassfilter. Der Resonator ist ein akustisches Oberflächenwellenoszillationselement, das sowohl den Eintor-Typ als auch den Zweitor-Typ umfasst.
Das Schallwellenelement kann ein Lamb-Wellenresonator sein, der eine IDT-Elektrode umfasst, die aus mehreren Elektrodenfingern, die an der Oberfläche des Ausbreitungssubstrats vorgesehen sind, wobei die Elektrodenfinger ineinander greifen, und zwei Reflektoren, die auf beiden Seiten der IDT-Elektrode in der Ausbreitungsrichtung der Lamb-Welle angeordnet sind, besteht. Die Lamb-Welle ist eine Plattenwelle, die erzeugt wird, indem sich eine Festkörperwelle durch die Innenseite des Substrats so ausbreiten kann, dass sie wiederholt von der Ober- und der Unterseite des Substrats reflektiert wird, was durch Dünnermachen des Substrats auf eine Dicke von mehreren Wellenlängen der fortschreitenden Welle oder weniger erreicht wird. Die Lamb-Welle ist die derart durch die Innenseite des Substrats fortschreitende Festkörperwelle, dass ihre Energie über das gesamte Substrat verteilt wird, anders als bei einer Oberflächenwelle wie der Rayleigh-Welle, bei der 90 % der Energie in einer Tiefe von einer Wellenlänge von der Substratoberfläche liegen, einer akustischen Oberflächenstreuwelle und einer akustischen Oberflächenstreuwelle vom Typ einer Pseudolongitudinalwelle.
Die Dicke T1 des Trägersubstrats beträgt hinsichtlich der Verbesserung der Temperaturcharakteristik bevorzugt 100 µm oder mehr, stärker bevorzugt 150 µm oder mehr und am stärksten bevorzugt 200 µm oder mehr. Die Dicke T1 beträgt hinsichtlich des Downsizings der Produkte bevorzugt 500 µm oder weniger. Die Bearbeitung des Substrats auf die gewünschte Dicke kann erreicht werden, indem das Funktions- (Ausbreitungs-) -Substrat an das Trägersubstrat gebondet und dann das grobe Polieren mit einer Schleifmaschine oder dergleichen sowie das Präzisionspolieren mit kolloidalem Siliciumdioxid, einem Urethankissen usw. durchgeführt wird.
Bevorzugte Materialien für das Ausbreitungssubstrat können ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumniobat-, Lithiumtantalat- und Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Festlösungs-Einkristall, umfassen, da diese Elemente hohe elektromechanische Kopplungsfaktoren aufweisen. Bevorzugt besteht der piezoelektrische Einkristall aus Lithiumtantalat.
Ferner ist die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle in dem Ausbreitungssubstrat die X-Richtung, und das Ausbreitungssubstrat weist einen Schnittwinkel der rotierten Y-Schnitt-Platte auf. Genauer gesagt, besteht das Lithiumniobat bevorzugt aus einer rotierten Y-Schnitt-Platte mit einem Schnittwinkel von 35 bis 130°. Das Lithiumtantalat besteht aus einer rotierten Y-Schnitt-Platte mit einem Schnittwinkel von 36 bis 47°.
Die Dicke T2 des Ausbreitungssubstrats liegt hinsichtlich der Verbesserung der Temperaturcharakteristik für die Frequenz bei der Verwendung der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 50 µm, stärker bevorzugt 10 bis 40 µm und am stärksten bevorzugt 10 bis 30 µm. Bei der Schallwellenvorrichtung, die die Lamb-Welle oder eine akustische Festkörperwelle nutzt, liegt die Dicke T2 des Ausbreitungssubstrats bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 10 µm und stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 1 µm.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke t der organischen Klebeschicht auf nicht weniger als 0,1 µm und nicht mehr als 1,0 µm festgelegt. Die Dicke der organischen Klebeschicht beträgt hinsichtlich der weiteren Verbesserung der Temperaturcharakteristik des Schallwellenelements für die Frequenz bevorzugt 0,1 µm oder mehr und 0,8 µm oder weniger.
Das Material für das Elektrodenmuster ist bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder Gold, und stärker bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Die zur Verwendung geeignete Aluminiumlegierung umfasst bevorzugt ein Gemisch aus A1 und 0,3 bis 5 Gew.-% Cu. In diesem Fall können an Stelle von Cu Ti, Mg, Ni, Mo oder Ta verwendet werden.
Das Verhältnis (t/λ) der Dicke des Elektrodenmusters zur Wellenlänge λ der Schallwelle liegt bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 15 % und beträgt stärker bevorzugt 5 % oder mehr und 15 % oder weniger.
(Herstellung des Trägersubstrats)
Nachstehend werden exemplarisch bevorzugte Herstellungsverfahren für das Trägersubstrat und das Verbundsubstrat in der Erfindung beschrieben.
Zunächst wird, wie in 4(a) gezeigt, ein blankes Substrat 12, bestehend aus der orientierten Keramik, hergestellt. Sowohl die Oberseite 12a als auch die Unterseite 12b des blanken Substrats 12 können polierte Flächen oder gesinterte Flächen (unbearbeitete Flächen) sein.
Die orientierte Keramik kann beispielsweise durch das in Patentdokument 2 beschriebene Verfahren hergestellt werden.
Im Speziellen wird zunächst ein Rohmaterialpulver, bestehend aus plattenförmigen Körnern mit einer spezifischen freiliegenden Kristallfläche, hergestellt. Beispielsweise kann das Rohmaterialpulver ein kommerziell erhältliches Pulver sein (z. B. SERATH (TM) (Al₂O₃), hergestellt von Kinsei Matec Co., Ltd.) oder kann mit anderen bekannten Verfahren hergestellt werden.
Es wird die Beschreibung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren für das Rohmaterialpulver, bestehend aus den plattenförmigen Körnern, geliefert. Zunächst wird eine dünne Keramikfolie hergestellt. Diese Folie wird erhalten, indem Rohmaterialkörner zu einer Folie, beispielsweise mit einer Dicke von 15 µm oder weniger, geformt werden und das geformte Material gesintert wird, wodurch grobe Kristallkörner entlang der Folienoberfläche gezüchtet werden. So wird das Wachstum der Kristallkörner in Richtung der Folienoberfläche stärker gefördert, so dass die Kristallkörner als flache plattenförmige Kristallkörner mit einem größeren Aspektverhältnis wachsen können, wobei die spezifische Kristallfläche nach der Folienoberfläche ausgerichtet ist (im orientierten Zustand). Diese Kristallkörner werden durch Zerkleinern in der Kugelmühle oder dergleichen auf eine angemessene Korngröße pulverisiert, wobei das Pulver, bestehend aus den plattenförmigen Körnern mit der spezifischen freiliegenden Kristallfläche, hergestellt werden kann. Rohmaterialien, die zur Verwendung in der Keramikfolie geeignet sind, können ein Oxid, ein Hydroxid, ein Carbonat, ein Sulfat, ein Nitrat einer Zielkomponente und dergleichen umfassen. Das Hauptrohmaterial zur Verwendung in der Keramikfolie ist bevorzugt jedoch das Oxid oder das Carbonat. Beim Pulverisieren der Folie wird die Korngröße bevorzugt entsprechend der Dicke der Folie festgelegt. Im Speziellen wird der mittlere Durchmesser (D50) des Rohmaterials bevorzugt mit nicht weniger als 2 % und nicht mehr als 60 % der Dicke der Folie festgelegt. Beträgt der mittlere Durchmesser 2 % oder mehr der Foliendicke, kann das Pulverisierungsverfahren leicht durchgeführt werden. Beträgt der mittlere Durchmesser 60 % oder weniger, kann die Foliendicke leicht eingestellt werden. Die Korngröße ist ein Wert, gemessen durch Dispergieren von Körnern in einem Dispersionsmedium (z. B. einem organischen Lösungsmittel, Wasser usw.) unter Verwendung einer Vorrichtung zum Messen der Teilchengrößenverteilung mittels Laserdiffraktionsstreuung. Das Pulverisieren von Rohmaterialien ist bevorzugt Nasspulverisieren, und es kann beispielsweise eine Kugelmühle, eine Perlmühle, eine Trommel, ein Attritor usw. verwendet werden.
Das aus den plattenförmigen Körnern bestehende und durch das oben beschriebene Verfahren erhaltene Rohmaterialpulver wird so geformt, dass eine vorgeformte Folie erhalten wird. Die Formgebungsverfahren können beispielsweise ein Rakelmesserverfahren unter Verwendung einer plattenförmige Körner enthaltenden Aufschlämmung und ein Extrusionsverfahren unter Verwendung eines plattenförmige Körner enthaltenden Grünkörpers sein. Bei der Anwendung des Rakelmesserverfahrens kann eine Keramikfolie durch Aufbringen einer Aufschlämmung auf eine flexible Platte (zum Beispiel eine organische Polymerplatte, wie eine PET-Folie), Trocknen und Verfestigen der aufgebrachten Aufschlämmung unter Bildung einer Vorform und dann Ablösen der Vorform von der Platte hergestellt werden. Bei der Herstellung der Aufschlämmung oder des Grünkörpers vor dem Formungsprozess können die flachen plattenförmigen Körner in einem geeigneten Dispersionsmedium dispergiert werden, und nach Bedarf können dem Medium ein Bindemittel, ein Weichmacher usw. zugegeben werden. Die Aufschlämmung wird bevorzugt mit einer Viskosität von 5000 bis 50000 cP hergestellt und bevorzugt unter vermindertem Druck entschäumt.
Die Dicke der vorgeformten Folie beträgt bevorzugt 300 µm oder weniger, stärker bevorzugt 200 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 100 µm oder weniger und am stärksten bevorzugt 50 µm oder weniger. Die Dicke der vorgeformten Folie wird bevorzugt mit 10 µm oder mehr festgelegt.
Dann wird die vorgeformte Folie gesintert. Nun können mehrere vorgeformte Folien geschichtet werden. Während des Schichtprozesses wird bevorzugt isostatisches Pressen (CIP) durchgeführt. Um die Haftung zwischen den Folien zu verbessern, kann das isostatische Pressen in warmem Wasser von 100 °C oder weniger (WIP) durchgeführt werden. Die Sintertemperatur im Sinterprozess kann derart sein, dass entlastete Kristalle erzeugt werden, oder kann auf eine höhere als diese Temperatur festgelegt werden. Enthält die Vorform ein Bindemittel usw., kann hauptsächlich zum Zwecke der Entfettung vor dem Sinterprozess eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Hier wird die Temperatur für das Entfetten auf eine Temperatur (z. B. 400 bis 600 °C) festgelegt, die ausreicht, um organische Materialien, einschließlich zumindest eines Bindemittels, thermisch zu zersetzen.
Die orientierte Keramik kann beispielsweise auch durch das in Patentdokument 5 beschriebene Verfahren unter Nutzung eines Magnetfeldes hergestellt werden.
(Polieren)
Die Oberfläche 12a des in 4(a) gezeigten blanken Substrats 12 kann unter Erhalt des in 4(b) gezeigten Basissubstrats 1 beispielsweise poliert werden. Das Basissubstrat weist eine polierte Oberfläche 5 und die nicht polierte untere Fläche 1b auf. Dann wird die polierte Oberfläche 5 dem Präzisionspolieren unterzogen, wodurch jedes Kristallkorn entlang der Ebene geschliffen wird und im Ergebnis die polierten Kristallkörner mit ihren flachen Oberflächen an der Oberfläche freigelegt werden. Die polierten Kristallkörner haben glatte Oberflächen. So wird das Trägersubstrat 11 erhalten. Das Trägersubstrat hat eine polierte Oberfläche 15, die zum Bonden mit dem Funktionssubstrat verwendet wird. Das Trägersubstrat 11 hat eine untere Fläche 11b.
Nach Erhalt des Trägersubstrats 11 kann das Funktionssubstrat 17 an die Oberfläche 15 des Trägersubstrats 11 gebondet werden. Bei dem in 4(d) gezeigten Verbundsubstrat 20A wird das Funktionssubstrat 17 über eine Verbundlage 16 an die Oberfläche 15 des Trägersubstrats 11 gebondet. Bei dem in 4(e) gezeigten Verbundsubstrat 20B wird das Funktionssubstrat 17 direkt ohne die Verbundlage 16 an die Oberfläche 15 des Trägersubstrats 11 gebondet. Bei beiden Verbundsubstraten ist die Oberfläche des Trägersubstrats 11 mikroskopisch betrachtet glatt, und so kann die Bindungsfestigkeit mit dem Funktionssubstrat verstärkt werden.
Erfindungsgemäß beträgt der mikroskopische arithmetische Mittenrauwert Ra der Oberfläche des Trägersubstrats 30 nm oder weniger. Ist der arithmetische Mittenrauwert groß, verringert sich die Bindungsfestigkeit mit der Funktionsschicht. Aus der Sicht der Erfindung beträgt er stärker bevorzugt 25 nm oder weniger. Dies ist ein Wert, erhalten durch Aufnehmen eines Bildes von der freiliegenden Oberfläche jedes Kristallkorns, das an der Oberfläche eines Probenkörpers erscheint, mittels eines Rasterkraftmikroskops und Durchführen einer Berechnung, wie später beschrieben wird.
Für das Polierstadium können exemplarisch die folgenden Schritte angegeben werden.
Das heißt, eine Diamantaufschlämmung (mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,5 bis 3 µm) wird auf eine Platte mit Metalloberfläche (Sn, Cu) getropft, und die Platte mit Metalloberfläche wird rotiert. Das Substrat wird auf die Platte mit Metalloberfläche gelegt, wobei seine Oberfläche mit der Platte mit Metalloberfläche in Kontakt ist, und poliert, während Druck auf das Substrat ausgeübt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Aufschlämmung aus kolloidalem Siliciumdioxid (mit einer durchschnittlichen Korngröße von 20 bis 80 nm) auf ein Polierkissen getropft, und dann wird das Kissen rotiert. Das Substrat wird auf das Kissen gelegt, wobei die Oberfläche des Substratmaterials mit dem Kissen in Kontakt ist, und poliert, während Druck auf das Substrat ausgeübt wird.
Ein hartes Kissen ist bevorzugt ein Kissen aus verschäumtem Polyurethan oder ein imprägniertes Urethan-Faservlieskissen. Das verschäumte Urethan umfasst ein Präpolymer von Urethan, einen Vernetzer und einen Schaumbildner. Zur Verwendung geeignetes Urethanharz ist Ether-basiertes Urethan, und der Vernetzer ist hinsichtlich der Beständigkeit gegen Wasser und Chemikalien Diamin. Die Schaumbildungsrate des verwendeten verschäumten Urethans beträgt je nach Anwendung 0,4 bis 1,0 g/cm³. Neben dem Kissen aus Urethanharz wurde auch ein Kissen aus Epoxidharz zur Verwendung entwickelt.
Die wichtigsten Fasersorten von Faservliesen in dem Faservlieskissen sind Rayon, Nylon, Polyester, Acryl, Polypropylen und dergleichen. Ein derartiges Faservlies wird mit Urethanharz imprägniert, um so ein Gemisch aus dem Faservlies und dem Polyurethanharz zu erzeugen.
Im Stadium des Aufbringens einer Hochglanzpolitur unter Verwendung des harten Kissens kann die Aufschlämmung aus kolloidalem Siliciumdioxid zum Polieren des Substrats verwendet werden.
(Gebondete Form)
Techniken, die zur Verwendung beim Bonden zwischen dem Trägersubstrat und dem Funktionssubstrat geeignet sind, umfassen beispielsweise, sind aber nicht beschränkt auf direktes Bonden mittels Oberflächenaktivierung und eine Substrat-Bondmethode unter Verwendung einer Klebeschicht.
Beim direkten Bonden wird geeigneterweise eine Tieftemperatur-Bondmethode durch Oberflächenaktivierung genutzt. Nachdem die Oberflächenaktivierung unter Verwendung von ArGas in Vakuum von etwa 10^-6 Pa durchgeführt worden ist, kann ein einkristallines Material, wie Si, über eine Klebeschicht wie SiO₂ bei normaler Temperatur an ein polykristallines Material gebondet werden.
5 zeigt ein Verbundsubstrat 20C, erhalten durch Abtrennen des Trägersubstrats 11, wobei ein Teil (dünne Schicht) 21 des Funktionssubstrats (beispielsweise aus GaN) auf dem Trägersubstrat 11 zurückbleibt. 6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Struktur eines lichtemittierenden Elements zeigt, wenn das Trägersubstrat elektrisch leitfähig ist.
Bei dem in 5 gezeigten Verbundsubstrat 20C ist eine dünne Funktionsschicht 21 an die Verbindungsfläche 15 des Trägersubstrats 11 gebondet.
Das in 6 gezeigte lichtemittierende Element 40 umfasst ein Verbundsubstrat 41, erhalten durch Schneiden des in 5 gezeigten Verbundsubstrats 20C zu Plättchen. Das Verbundsubstrat 41 umfasst ein Trägersubstrat 14 und die dünne GaN-Schicht 21, die an der Verbindungsfläche 14a des Trägersubstrats 14 vorgesehen ist.
Das lichtemittierende Element 40 umfasst Nitrid-basierte Verbindungshalbleiterschichten, nämlich eine n-GaN-Schicht 42 und eine n-AlGaN-Schicht 43, die in dieser Reihenfolge über die Fläche 21a der dünnen GaN-Schicht 21 geschichtet sind. Die n-GaN-Schicht 42 ist eine Schicht, die bei einer hohen Wachstumstemperatur von nicht weniger als 900 °C und nicht mehr als 1.150 °C direkt auf der dünnen GaN-Schicht 21 entsteht. Das lichtemittierende Element umfasst eine Lichtemissionsschicht 44, die über der n-AlGaN-Schicht 43 vorgesehen ist. Die Nitrid-basierten Verbindungshalbleiterschichten, nämlich die p-AlGaN-Schicht 45 und die p-GaN-Schicht 46, sind über der Lichtemissionsschicht 44 angeordnet.
Die Lichtemissionsschicht 44 kann aus einer In umfassenden Einzelschicht bestehen oder kann eine Quantenmuldenstruktur aufweisen. Nach Bedarf kann die Quantenmuldenstruktur abwechselnd angeordnete Muldenschichten und Sperrschichten umfassen. Die Muldenschicht kann aus einem In enthaltenden Halbleiter aus einer Nitrid-basierten Verbindung, z. B. InGaN usw., bestehen, und die Sperrschicht kann aus InGaN, GaN usw. bestehen und eine größere Bandlückenenergie aufweisen als die Muldenschicht. Die Lichtemissions-Wellenlänge der Lichtemissionsschicht 44 wird von der Bandlücke oder einer In-Zusammensetzung der Muldenschicht, der Dicke der Muldenschicht und dergleichen geregelt. Wird die Oberfläche 21a der dünnen GaN-Schicht 21 als eine unpolare Oberfläche oder semipolare Oberfläche ausgebildet, kann die Lichtemissionsschicht 44 eine In-Zusammensetzung aufweisen, die grünes Licht mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich von nicht weniger als 500 nm und nicht mehr als 550 nm emittiert.
Das lichtemittierende Element ist mit einer Anodenelektrode 47 und einer Kathodenelektrode 48 versehen. Die Anodenelektrode 47 ist über der p-GaN-Schicht 46 vorgesehen. Die Anodenelektrode besteht aus Metallen, wie zum Beispiel Ni/Au/Al/Au, die in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Es wird ein ohmscher Kontakt zwischen der Anodenelektrode 47 und der p-GaN-Schicht 46 erreicht. Die Kathodenelektrode 48 ist auf der Rückseite 14b des elektrisch leitfähigen Trägersubstrats 14 vorgesehen. Die Kathodenelektrode 48 besteht aus Metallen, wie zum Beispiel Ti/Al/Au, die in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Es wird ein ohmscher Kontakt zwischen der Kathodenelektrode 48 und dem Trägersubstrat 14 erreicht.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Struktur eines lichtemittierenden Elements 50 zeigt, wenn das Trägersubstrat 43 nicht elektrisch leitfähig ist. In 7 sind dieselben Teile wie in 6 mit derselben Bezugsziffer gekennzeichnet, und sie werden daher nicht beschrieben. Es ist ein Verbundsubstrat 42 veranschaulicht.
Da in diesem Beispiel das Trägersubstrat 43 nicht elektrisch leitfähig ist, sind die Anodenelektrode 47 und die Kathodenelektrode 48 bezogen auf das Trägersubstrat auf derselben Seite angeordnet. Das heißt, die Anodenelektrode 47 ist über der p-GaN-Schicht 46 vorgesehen, und die Kathodenelektrode 48 ist über der dünnen Schicht 21 vorgesehen.
Das folgende Verfahren kann als ein Verfahren zum Abtrennen eines Großteils des Funktionssubstrats von dem Trägersubstrat unter Zurücklassung eines Teils (einer dünnen Schicht) des Funktionssubstrats auf dem Trägersubstrat genutzt werden. Zunächst wird Ionenimplantation auf der Oberfläche des Funktionssubstrats durchgeführt, um so die Oberfläche des Funktionssubstrats an die Hauptfläche des Trägersubstrats zu bonden. Als die Bondmethode können verschiedene Verfahren vorgeschlagen werden. Beispielsweise können beide Substrate zum Bonden miteinander unter Ultrahochvakuum gegeneinander gepresst oder in einer Plasmaatmosphäre unter Grobvakuum bei etwa 200 °C erhitzt werden. Nachdem sie auf diese Weise miteinander verbunden worden sind, werden die Substrate bei einer höheren Temperatur (beispielsweise 300 °C bis 500 °C) erhitzt, um so das Ablösen eines Bereiches nahe einer durch die Ionenimplantation beschädigten Schicht des Funktionssubstrats zu beginnen. So kann nur ein Teil (dünne Schicht) des Funktionssubstrats über dem Trägersubstrat zurückbleiben, und der andere Teil des Funktionssubstrats kann von dem Trägersubstrat abgetrennt werden. Der abgetrennte andere Teil des Funktionssubstrats kann erneut als ein Substrat zur Bildung einer dünnen Schicht durch die Oberflächenbehandlung verwendet werden.
(Klebeschicht)
Beispiele für geeignete Materialien für die Klebeschicht können neben Harz für die Haftung SiO₂, Al₂O₃ und Si₃N₄ umfassen.
Materialien für die organische Klebeschicht, die zum Bonden zwischen dem Trägersubstrat und der Funktionsschicht ausgelegt ist, sind nicht beschränkt, umfassen bevorzugt aber Acryl-basiertes Harz und Epoxid-basiertes Harz.
Verfahren zur Bildung der Klebeschicht sind nicht beschränkt, können aber zum Beispiel Drucken und Schleuderbeschichtung umfassen.
BEISPIELE
(Beispiel 1 (ZnO, m-Ebenenorientierung))
Plattenförmige Primärteilchen aus ZnO wurden folgendermaßen hergestellt.
Eine Zn(NO₃)₂-Lösung mit einer Molarität von 0,1 M wurde unter Verwendung von Zinknitrathexahydrat, hergestellt von Kanto Chemical Co., Inc, hergestellt. Ferner wurde eine NaOH-Lösung mit einer Molarität von 0,1 M unter Verwendung von Natriumhydroxid, hergestellt von Sigma-Aldrich Co. LLC, hergestellt. Die Zn(NO₃)₂-Lösung wurde mit der NaOH-Lösung in einem Volumenverhältnis von 1 : 1 vermischt und für sechs Stunden unter Rühren bei 80 °C gehalten, wodurch ein Niederschlag erzeugt wurde. Der Niederschlag wurde drei Mal mit Ionenaustauschwasser gewaschen und dann getrocknet, wodurch sphärische Sekundärteilchen erzeugt wurden, die jeweils durch Agglomeration der plattenförmigen ZnO-Primärteilchen gebildet wurden.
Die Sekundärteilchen wurden dann drei Stunden mit einer Kugelmühle mittels ZrO₂-Kügelchen mit einem Durchmesser von 2 mm unter Verwendung von Ethanol als Lösungsmittel zerkleinert, wobei die ZnO-Sekundärteilchen zu plattenförmigen Primärteilchen mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,6 µm pulverisiert wurden.
100 Gewichtsteilen der so erhaltenen plattenförmigen ZnO-Primärteilchen wurden 9 Gewichtsteile eines Bindemittels (Polyvinylbutyral: Produktnummer BM-2, hergestellt von Sekisui Chemical Co., Ltd.), 4,5 Gewichtsteile eines Weichmachers (DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalat, hergestellt von Kurogane Kasei Co., Ltd.), 3 Gewichtsteile eines Dispergiermittels (Produktname Rheodol SP-030, hergestellt von Kao Corporation) und ein Dispersionsmedium (2-Ethylhexanol) zugegeben und dies vermischt. Die Menge des Dispersionsmediums wurde so eingestellt, dass die Viskosität der Aufschlämmung 12.000 cP betrug. Die wie oben beschrieben hergestellte Aufschlämmung wurde über einem PET-Film durch das Rakelmesserverfahren zu einer Folie geformt, so dass der getrocknete Film eine Dicke von 20 µm hatte. Der so erhaltene Streifen wurde in Stücke mit einer runden Form und einem Durchesser von 140 mm geschnitten. Dann wurden 50 Stücke übereinander geschichtet und auf eine Al-Platte mit einer Dicke von 10 mm gelegt, gefolgt vom Verpacken unter Vakuum. Das Vakuumverpacken wurde mit isostatischem Druck in heißem Wasser bei 85 °C unter einem Druck von 100 kgf/cm² durchgeführt, wodurch eine scheibenförmige Vorform erzeugt wurde.
Die so erhaltene Vorform wurde in einen Entfettungsofen gegeben und unter Bedingungen von 600 °C × 20 Stunden entfettet. Dann wurde der auf die obige Weise erhaltenen entfettete Körper in der Atmosphäre bei normalem Druck unter Bedingungen von 1300 °C × 5 Stunden gesintert, wodurch ein scheibenförmiger ZnO-Sinterkörper erzeugt wurde (blankes Substrat 12: siehe 4(a)).
Das erhaltene blanke Substrat 12 wurde mit einem festen Wetzstein geschliffen und so präpariert, dass es eine Dicke von 0,5 mm hatte. Dann wurde die Verbindungsfläche des Substrats unter Verwendung von Diamantschleifkörnern mit einer Größe von etwa 0,5 µm und einer Platte mit Zinnoberfläche poliert. Ferner wurde die Verbindungsfläche unter Verwendung der Aufschlämmung aus kolloidalem Siliciumdioxid und eines harten Urethankissens poliert.
Zur Bestimmung der Höhendifferenz zwischen Kristallkörnern an der Verbindungsfläche 15 des erhaltenen Trägersubstrats 11 wurde die arithmetische Mittenrauheit Ra in einem Sichtbereich von 300 µm × 300 µm unter Verwendung eines dreidimensionalen Lichtinterferenz-Rauhigkeitsmessgerätes beurteilt.
Zur Bestimmung des Orientierungsgrades des erhaltenen Trägersubstrats 11 wurde der Orientierungsgrad der Verbindungsfläche 15 durch Röntgenbeugung (XRD) gemessen. Ein XRD-Profil, das beim Bestrahlen der Verbindungsfläche des Substrats mit Röntgenstrahlen erhalten wurde, wurde unter Verwendung der XRD-Vorrichtung (hergestellt von Rigaku Corporation, Produktname „RINT-TTRIII“) gemessen. Der Orientierungsgrad wurde mit dem Lotgering-Verfahren unter Verwendung aller Beugungspeaks, die in einem Bereich von Beugungswinkeln 2θ von 30 bis 45° bei der Verwendung eines CuKa-Strahls (mit einer Wellenlänge von 1,5418 Å) als Röntgenstrahl erschienen, berechnet. Zu beachten ist, dass, wenn ein Beugungspeak einer zu messenden Kristallfläche nicht in dem oben genannten Winkelbereich erscheint, alle anderen Beugungspeaks, die in dem obigen Winkelbereich erscheinen, und ein Beugungspeak der zu messenden Kristallfläche zur Berechnung des Orientierungsgrades durch das Lotgering-Verfahren verwendet wurden. Die in diesem experimentellen Beispiel zu messende Kristallfläche war die (100)-Ebene, und ihr Orientierungsgrad wurde durch die folgende Formel berechnet. Im Ergebnis betrug der Orientierungsgrad der (100)-Ebene in diesem experimentellen Beispiel 0,71. $\begin{matrix} p_{0} = \frac{I_{0} (100)}{I_{0} (100) + I_{0} (002) + I_{0} (101)} \\ p = \frac{I_{s} (100)}{I_{s} (100) + I_{s} (002) + I_{s} (101)} \end{matrix}$
(I₀(hkl) und I_s(hkl) sind Beugungsintensitäten (Integralwerte) von (hkl)-Flächen von ICDD Nr. 361451 bzw. einer Probe)
Die durchschnittliche Kristallkorngröße der Verbindungsfläche 15 des Trägersubstrats 11 wurde mit dem nachstehenden Verfahren gemessen.
Die Verbindungsfläche 15 wurde 10 Sekunden unter Verwendung von Salpetersäure mit einer Molarität von 0,3 M zur Betonung der Korngrenzen geätzt, und dann wurde ein Bild mit dem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Ein Sichtbereich wurde derart eingestellt, dass, wenn drei gerade Linien parallel in dem Sichtbereich gezogen wurden, alle Linien 10 bis 30 Körner schnitten. Unter Betrachtung aller Körner, die die drei geraden Linien schnitten, wurden die Längen von Liniensegmenten in den einzelnen Körnern zur Bestimmung eines Durchschnittswerts gemittelt, der dann unter Erhalt der durchschnittlichen Korngröße der Verbindungsfläche mit 1,5 multipliziert wurde.
Das Aspektverhältnis des Kristallkorns in einem Abschnitt des Trägersubstrats wurde mit dem folgenden Verfahren gemessen.
Es wurde ein quadratischer Prüfkörper von etwa 10 mm aus dem Trägersubstrat geschnitten, und seine Fläche senkrecht zur Verbindungsfläche wurde poliert und dann 10 Sekunden mit Salpetersäure mit einer Molarität von 0,3 M geätzt. Dann wurde in Bild von der polierten Oberfläche mit dem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Hierbei wurde der Sichtbereich so festgelegt, dass, wenn drei gerade Linien parallel zur Verbindungsfläche in dem Sichtbereich gezogen wurden, diese drei Linien 10 bis 30 Körner schnitten. Unter Betrachtung aller Teilchen, die die drei parallel zur Verbindungsfläche gezogenen geraden Linien schnitten, wurden die Längen von Liniensegmenten in den einzelnen Körnern zur Bestimmung eines Durchschnittswerts gemittelt, der als a₁ definiert wurde. Ähnlich wurden unter Betrachtung aller Körner, die die drei senkrecht zur Verbindungsfläche gezogenen geraden Linien schnitten, die Längen von Liniensegmenten innerhalb der einzelnen Körner zur Bestimmung eines Durchschnittswerts gemittelt, der als a₂ definiert wurde. Das Verhältnis von a₁ zu a₂ (a₁/a₂) wurde als das Aspektverhältnis festgelegt.
(Beispiel 2 (ZnO, m-Ebenenorientierung))
Im Vergleich zu Beispiel 1 wurde die Menge an Dispersionsmedium so verringert, dass die Viskosität der Aufschlämmung 24.000 cP betrug. Ferner wurde die Sintertemperatur mit 1.400 °C festgelegt. Was die anderen Punkte betrifft, so wurden diese wie in Beispiel 1 festgelegt. Im Ergebnis erhöhte sich der (100)-Orientierungsgrad des Trägersubstrats auf 0,83. Es ist anzumerken, dass die anderen Indizes in Tabelle 1 gezeigt sind.
(Beispiel 3 (ZnO, m-Ebenenorientierung))
Im Vergleich zu Beispiel 1 wurde die Menge an Dispersionsmedium so verringert, dass die Viskosität der Aufschlämmung 42.000 cP betrug. Ferner wurde die Sintertemperatur mit 1.450 °C festgelegt. Was die anderen Punkte betrifft, so wurden diese wie in Beispiel 1 festgelegt. Im Ergebnis erhöhte sich der (100)-Orientierungsgrad auf 0,90. Es ist anzumerken, dass die anderen Indizes in Tabelle 1 gezeigt sind.
(Beispiel 4 (ZnO, c-Ebenenorientierung))
1730 g Zinksulfatheptahydrat (hergestellt von Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) und 4,5 g Natriumgluconat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) wurden in 3000 g Ionenaustauschwasser gelöst. Diese Lösung wurde in ein Becherglas gegossen und dann unter Rühren mit einem Magnetrührer auf 90 °C erhitzt. Der Lösung wurden 490 g wässeriges Ammoniak in einer Konzentration von 25 % mittels einer Mikroröhrenpumpe zugetropft, während die Lösung gerührt wurde, wobei ihre Temperatur bei 90 °C gehalten wurde. Nach dem Zutropfen wurde die Lösung vier Stunden gerührt, wobei ihre Temperatur bei 90 °C gehalten wurde, und wurde dann stehengelassen. Der Niederschlag wurde durch Filtrieren von der Lösung abgetrennt, dreimal mit Ionenaustauschwasser gewaschen und unter Erzeugung eines weißen pulverigen Zinkoxid-Präkursors getrocknet. 100 g des erhaltenen Zinkoxid-Präkursors wurden auf einem Zirkoniumdioxid-Einsatzbehälter platziert und in einem Elektroofen in der Atmosphäre kalziniert, wobei 65 g eines plattenförmigen porösen Zinkoxidpulvers erhalten wurden. Der Temperaturplan für die Kalzinierung umfasste das Erhöhen der Temperatur des Pulvers von Raumtemperatur bis auf 900 °C in einer Geschwindigkeit der Temperatursteigerung von 100 °C/h, dann Halten des Pulvers bei 900 °C für 30 Minuten und anschließend natürliches Abkühlen. Das so erhaltene plattenförmige Zinkoxidpulver wurde durch Zerkleinern in einer Kugelmühle unter Verwendung von ZrO₂-Kügelchen auf eine durchschnittliche Korngröße von 1,0 µm pulverisiert.
100 Gewichtsteilen der wie oben beschrieben erhaltenen plattenförmigen Zinkoxidkörner wurden 15 Gewichtsteile eines Bindemittels (Polyvinylbutyral: Produktnummer BM-2, hergestellt von Sekisui Chemical Co., Ltd.), 6,2 Gewichtsteile eines Weichmachers (DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalat, hergestellt von Kurogane Kasei Co., Ltd.), 3 Gewichtsteile eines Dispergiermittels (Produktname: Rheodol SP-030, hergestellt von Kao Corporation) und ein Dispersionsmedium (2-Ethylhexanol) zugegeben und dies vermischt. Die Menge des Dispersionsmediums wurde so eingestellt, dass die Viskosität der Aufschlämmung 10.000 cP betrug. Die so hergestellte Aufschlämmung wurde über einem PET-Film durch das Rakelmesserverfahren zu einer Folie geformt, so dass der getrocknete Film eine Dicke von 20 µm hatte.
Die folgenden Schritte sind dieselben wie in Beispiel 1.
Zur Bestimmung des Orientierungsgrades des erhaltenen Trägersubstrats wurde der Orientierungsgrad der (002)-Ebene an der polierten Oberfläche, welche in diesem experimentellen Beispiel eine zu messende Kristallfläche ist, durch XRD gemessen. Ein XRD-Profil, erhalten durch Anwenden von Röntgenstrahlen auf die scheibenförmige ZnO-Verbindungsfläche, wurde unter Verwendung der XRD-Vorrichtung (hergestellt von Rigaku Corporation, Produktname „RINT-TTRIII“) gemessen. Der (002)-Orientierungsgrad wurde mit der folgenden Formel berechnet. $\begin{array}{l} (002) - Orientierungsgrad (%) = \frac{P - P_{0}}{1 - P_{0}} \times 100 \\ p_{0} = \frac{I_{0} (002)}{I_{0} (100) + I_{0} (002) + I_{0} (101)} \\ p = \frac{I_{s} (002)}{I_{s} (100) + I_{s} (002) + I_{s} (101)} \end{array}$
(I₀(hkl) und I_s(hkl) sind Beugungsintensitäten (Integralwerte) von (hkl)-Flächen von ICDD Nr. 361451 bzw. einer Probe)
(Beispiel 5 (Al₂O₃, c-Ebenenorientierung))
Ein Streifenlaminat wurde durch Schichten von 50 Streifen, jeweils mit einer Dicke von 20 µm, unter Verwendung von plattenförmigem Al₂O₃ als Rohmaterial, hergestellt von Kinsei Matec Co., Ltd. (Sorte 00610), auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Das Entfetten wurde auf dieselbe Weise durchgeführt, wie in Beispiel 1, und das Heißpressen wurde unter Verwendung einer Graphitform in Stickstoffgas unter Bedingungen von 1.700 °C × 4 Stunden durchgeführt, wodurch ein Sinterkörper erzeugt wurde. Anschließend wurde die Verbindungsfläche auf dieselbe Weise bearbeitet, wie in Beispiel 1, wodurch ein Trägersubstrat erzeugt wurde.
Zur Bestimmung des Orientierungsgrades des erhaltenen Trägersubstrats wurde der Orientierungsgrad der (006)-Ebene an der polierten Oberfläche, welche in diesem experimentellen Beispiel eine zu messende Kristallfläche ist, durch XRD gemessen. Ein XRD-Profil, erhalten durch Anwenden von Röntgenstrahlen auf die scheibenförmige Al₂O₃-Verbindungsfläche, wurde unter Verwendung der XRD-Vorrichtung (hergestellt von Rigaku Corporation, Produktname „RINT-TTRIII“) gemessen. Der (006)-Orientierungsgrad wurde mit der folgenden Formel berechnet. $\begin{array}{l} (006) - Orientierungsgrad (%) = \frac{P - P_{0}}{1 - P_{0}} \times 100 \\ p_{0} = \frac{I_{0} (006)}{I_{0} (104) + I_{0} (110) + I_{0} (006) + I_{0} (113)} \\ p = \frac{I_{s} (006)}{I_{s} (104) + I_{s} (110) + I_{s} (006) + I_{s} (113)} \end{array}$
(I₀(hkl) und I_s(hkl) sind Beugungsintensitäten (Integralwerte) von (hkl)-Flächen von ICDD Nr. 461212 bzw. einer Probe)
(Vergleichsbeispiel 1 (ZnO, nicht orientiert))
Ein Trägersubstrat wurde unter Verwendung von kommerziell erhältlichem ZnO-Pulver (Zinkoxid I mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,6 µm, hergestellt von Seido Chemical Industry Co., Ltd.), in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
(Vergleichsbeispiel 2 (ZnO, c-Ebenenorientierung, hohes Aspektverhältnis))

Die durchschnittliche Korngröße nach der Pulverisierung mit der Kugelmühle betrug 3,0 µm. Ein Trägersubstrat wurde in derselben Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, bis auf den oben genannten Punkt. [Tabelle 1]

	Orientierungsfläche und -grad [%]	durchschnittliche Korngröße Verbindungsfläche	Korn-Aspektverhältnis	Ra Verbindungsfläche
		[µm]		[nm]
Beispiel 1	ZnO(100) 71	13	1,2	22
Beispiel 2	ZnO(100) 83	40	1,4	15
Beispiel 3	ZnO(100) 90	75	1,5	10
Beispiel 4	ZnO(002) 85	5	2,3	20
Beispiel 5	Al₂O₃(006) 93	18	2,0	19
Vgl.-Bsp. 1	(keine Orientierungsfläche beobachtet)	15	1,1	65
Vgl.-Bsp. 2	ZnO(002)	8	5,1	> 1000
Vgl.-Bsp. 2	90			(es trat oft Kornentfernung auf)

In jedem der Beispiele der Erfindung konnte der mikroskopische arithmetische Mittenrauwert der Verbindungsfläche so verringert werden, dass das erhaltene Trägersubstrat zur Verwendung beim Bonden geeignet war, da es nicht zum Abfallen von Körnern und dem Auftreten von Rissen führte.
In Vergleichsbeispiel 1 wurde die orientierte Keramik nicht verwendet. Der mikroskopische Rauwert Ra der Verbindungsfläche wurde groß. Es versteht sich, dass sie nicht zur Verwendung beim Bonden mit dem Funktionssubstrat geeignet war.
In Vergleichsbeispiel 2 erhöhte sich der Orientierungsgrad des Trägersubstrats, und die Fallgeschwindigkeit der Körner wurde sehr groß. Daher versteht sich, dass es nicht zum Bonden mit dem Funktionssubstrat verwendet werden konnte.

Claims

Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat, wobei das Trägersubstrat eine Keramik umfasst und eine polierte Oberfläche aufweist, zur Verwendung beim Bonden: wobei der Orientierungsgrad der Keramik an der polierten Oberfläche 50 % oder mehr beträgt; wobei das Aspektverhältnis der das Trägersubstrat bildenden Kristallkörner 5,0 oder weniger beträgt; und wobei der mikroskopische arithmetische Mittenrauwert Ra der polierten Oberfläche des Trägersubstrats 30 nm oder weniger beträgt.
Tägersubstrat für ein Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei das Aspektverhältnis der Kristallkörner 2,5 oder weniger beträgt.
Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die durchschnittliche Kristallkorngröße der Keramik 100 µm oder weniger beträgt.
Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die durchschnittliche Kristallkorngröße der Keramik 2 µm oder mehr beträgt.
Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Keramik Aluminiumoxid, Cordierit oder Zinkoxid als Hauptkomponente umfasst.
Trägersubstrat für ein Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die polierte Oberfläche des Trägersubstrats eine unpolare Fläche umfasst.
Verbundsubstrat, umfassend: das Trägersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Funktionsschicht, die direkt oder über eine Verbundlage an die polierte Oberfläche des Trägersubstrats gebondet ist, wobei die Funktionsschicht einen Halbleiter, ein piezoelektrisches Material oder ein dielektrisches Material umfasst.
Verbundsubstrat nach Anspruch 7, wobei die Funktionsschicht einen piezoelektrischen Einkristall und ein Ausbreitungssubstrat, das eine Schallwelle überträgt, umfasst.
Verbundsubstrat nach Anspruch 7, wobei die Funktionsschicht einen Siliciumeinkristall umfasst.
Verbundsubstrat nach Anspruch 7, wobei die Funktionsschicht einen GaN-basierten Halbleiter umfasst.
Verwendung eines Trägersubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Träger einer Funktionsschicht in einem Verbundsubstrat.
Verwendung nach Anspruch 11, wobei die Funktionsschicht einen Halbleiter, ein piezoelektrisches Material oder ein dielektrisches Material umfasst.