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JP7107591B2 - bonded substrate - Google Patents
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JP7107591B2 - bonded substrate - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bonded substrate in which a copper material is bonded to the surface of a ceramic substrate.

セラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板では、銀を含む活性金属ろう材により接合されることが一般的である(特許文献1参照)。 A bonded substrate in which a copper material is bonded to the surface of a ceramic substrate is generally bonded with an active metal brazing material containing silver (see Patent Document 1).

特許第3211856号公報Japanese Patent No. 3211856

ただ、銀を含む活性金属ろう材は、充分な強度で接合できる一方、銀を含むためにろう材としてのコストが高くなり、また、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションを起こしやすいという課題がある。そのため、セラミック基板への銅材の接合にあたって、銀を用いることなく、充分な強度を実現できる別の接合方法が求められていた。 However, while active metal brazing filler metals containing silver can be joined with sufficient strength, they are expensive as brazing filler metals because they contain silver. There is a problem that it is easy for migration to occur. Therefore, in joining a copper material to a ceramic substrate, there has been a demand for another joining method capable of achieving sufficient strength without using silver.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セラミック基板への銅材の接合にあたって、銀を用いることなく充分な強度を実現するための技術を提供することである。 The present invention was made to solve the above problems, and its object is to provide a technique for realizing sufficient strength without using silver when bonding a copper material to a ceramic substrate. be.

上記課題を解決するため第1局面は、窒素(N)を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板であって、チタン(Ti)を主成分とする第1層、前記銅材に含まれる銅(Cu)を主成分とする第2層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン(Ti)との化合物からなる第3層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第1層~前記第3層の順に積層されている、接合基板である。 In order to solve the above problems, the first aspect is a bonded substrate in which a copper material is bonded to the surface of a ceramic substrate made of a material containing nitrogen (N), the first layer containing titanium (Ti) as a main component. , a second layer mainly composed of copper (Cu) contained in the copper material, and a third layer composed of a compound of a part of the components contained in the ceramic substrate and titanium (Ti), the ceramic substrate , the first layer to the third layer are laminated in this order toward the copper material.

また、上記局面は、以下に示す第2局面のようにしてもよい。 Further, the above aspect may be changed to a second aspect described below.

第2局面において、前記第2層は、最大厚さが0.1μm以上で形成されている。 In the second aspect, the second layer has a maximum thickness of 0.1 μm or more.

また、上記各局面は、以下に示す第3局面のようにしてもよい。 Further, each of the above aspects may be changed to the third aspect shown below.

第3局面において、前記接合層は、前記第1層の厚さをt1、前記第2層の最大厚さをt2、前記第3層の厚さをt3とした場合に、前記第3層およびそれ以外の層との比(t3/(t1+t2))が7未満となるように形成されている。 In the third aspect, when the thickness of the first layer is t1, the maximum thickness of the second layer is t2, and the thickness of the third layer is t3, the bonding layer has the thickness of the third layer and It is formed such that the ratio (t3/(t1+t2)) to the other layers is less than 7.

また、上記各局面は、以下に示す第4局面のようにしてもよい。 Further, each of the above aspects may be changed to a fourth aspect shown below.

第4局面において、前記接合層は、5N/mm以上で前記セラミック基板に接合されている。 In the fourth aspect, the bonding layer is bonded to the ceramic substrate at 5 N/mm or more.

また、上記各局面は、以下に示す第5局面のようにしてもよい。 Further, each of the above aspects may be changed to the fifth aspect shown below.

第5局面において、前記セラミック基板は、窒化珪素(Si)からなる基板である。 In the fifth aspect, the ceramic substrate is a substrate made of silicon nitride ( Si3N4 ).

この局面は、以下に示す第6局面のようにしてもよい。 This aspect may be like the sixth aspect shown below.

第6局面において、前記第3層は、珪素(Si)からなる成分とチタン(Ti)からなる成分との化合物が全体の50重量%以上を占めている。 In the sixth aspect, in the third layer, a compound of silicon (Si) and titanium (Ti) accounts for 50% by weight or more of the whole.

また、上記各局面は、以下に示す第7局面のようにしてもよい。 Further, each of the above aspects may be changed to a seventh aspect shown below.

第7局面において、前記接合層は、ヤング率200GPa以上の弾性率を有している。 In the seventh aspect, the joining layer has an elastic modulus of Young's modulus of 200 GPa or more.

これら局面の接合基板であれば、後述のように、銀を用いることなくセラミック基板の表面に銅材が充分な強度で接合されたものとすることができる。そのため、この接合基板では、銀に起因するコストの増加が抑えられ、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションが起こることはない。 With the bonded substrate of these aspects, as will be described later, the copper material can be bonded with sufficient strength to the surface of the ceramic substrate without using silver. Therefore, with this bonded substrate, an increase in cost due to silver is suppressed, and migration due to chemical reaction between silver and other substances present in the surroundings does not occur.

また、上記課題を解決するため第8局面は、窒素(N)を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材を接合する接合方法であって、前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に、シート状のチタン材を挟んで加圧した状態で、875℃以上の温度環境下において焼成することにより、前記セラミック基板と前記銅材との間に形成された接合層として、チタン(Ti)を主成分とする第1層、前記銅材に含まれる銅(Cu)を主成分とする第2層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン(Ti)との化合物からなる第3層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第1層~前記第3層の順に積層されたものとする、接合方法である。 In order to solve the above problems, an eighth aspect is a bonding method for bonding a copper material to a surface of a ceramic substrate made of a material containing nitrogen (N), wherein the ceramic substrate and the plate-shaped copper material are bonded together. The titanium ( a first layer mainly composed of Ti), a second layer mainly composed of copper (Cu) contained in the copper material, and a compound of some components contained in the ceramic substrate and titanium (Ti) is laminated in order from the first layer to the third layer from the ceramic substrate toward the copper material.

この局面は、以下に示す第9局面のようにしてもよい。 This aspect may be like the ninth aspect shown below.

第9局面において、前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に前記チタン材を挟んだ材料は、加圧した状態で、875℃以上の温度環境下において3時間以上焼成する。 In the ninth aspect, the material in which the titanium material is sandwiched between the ceramic substrate and the plate-shaped copper material is fired under pressure in a temperature environment of 875° C. or higher for 3 hours or longer.

また、第8、第9局面は、以下に示す第10局面のようにしてもよい。 Also, the eighth and ninth aspects may be changed to the tenth aspect shown below.

第10局面において、前記チタン材は、1μm以上の厚さを有するものが用いられる。 In the tenth aspect, the titanium material used has a thickness of 1 μm or more.

この局面は、以下に示す第11局面のようにしてもよい。 This aspect may be like the eleventh aspect shown below.

第11局面において、前記チタン材は、3μm以上の厚さを有するものが用いられる。 In the eleventh aspect, the titanium material used has a thickness of 3 μm or more.

これら第8~11局面であれば、第1~7局面の接合基板を製造するのに好適である。 These 8th to 11th aspects are suitable for manufacturing the bonded substrates of the 1st to 7th aspects.

本発明における接合基板を示す斜視図FIG. 2 is a perspective view showing a bonding substrate in the present invention; 本発明における接合基板を示す正面図1 is a front view showing a bonded substrate according to the present invention; FIG. 本発明の接合基板においてその拡がる方向と交差する断面を電子顕微鏡(SEM)により観察した断面図FIG. 2 is a cross-sectional view of a cross section of the bonded substrate of the present invention, which intersects the direction in which it spreads, observed with an electron microscope (SEM). セラミック基板と銅材との間にチタン材が挟まれた構造体を示す正面図Front view showing a structure in which a titanium material is sandwiched between a ceramic substrate and a copper material 接合基板の製造に係る治具および炉を示す正面図Front view showing a jig and a furnace for manufacturing a bonded substrate

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
(1)全体構成
接合基板1は、図1、図2に示すように、窒素(N)を含む材料からなるセラミック基板100の表面に、銅材200が接合されたものであって、セラミック基板100と銅材200との間に両者を接合する接合層300が形成されている。本実施形態において、セラミック基板100は、窒化珪素(Si)を主成分としている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(1) Overall Configuration As shown in FIGS. 1 and 2, the bonded substrate 1 is formed by bonding a copper material 200 to the surface of a ceramic substrate 100 made of a material containing nitrogen (N). A bonding layer 300 is formed between 100 and copper material 200 to bond them together. In this embodiment, the ceramic substrate 100 is mainly composed of silicon nitride (Si 3 N 4 ).

この接合層300は、図3に示すように、第1層10、第2層20および第3層30の3つの層が、セラミック基板100から銅材200に向けて第1層10~第3層30の順に積層されたものである。 As shown in FIG. 3, this bonding layer 300 is composed of three layers, namely, a first layer 10, a second layer 20 and a third layer 30, which extend from the ceramic substrate 100 toward the copper material 200. Layers 30 are laminated in order.

これら接合層300のうち、第1層10は、チタン(Ti)を主成分とする層である。本実施形態において、第1層10は、チタン(Ti)またはセラミック基板100に含まれる窒素(N)とチタン(Ti)との化合物からなる層であり、0.5~1.0μmの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。 Among these bonding layers 300, the first layer 10 is a layer containing titanium (Ti) as a main component. In the present embodiment, the first layer 10 is a layer made of titanium (Ti) or a compound of nitrogen (N) and titanium (Ti) contained in the ceramic substrate 100, and has a thickness of 0.5 to 1.0 μm. It is formed with a thickness that averages a certain value.

また、第2層20は、銅材200に含まれる銅(Cu)を主成分とする層である。本実施形態において、第2層20は、0.1μm以上における特定の値を最大の厚さとする層として形成されている。 The second layer 20 is a layer containing copper (Cu) contained in the copper material 200 as a main component. In this embodiment, the second layer 20 is formed as a layer having a maximum thickness of a specific value of 0.1 μm or more.

また、第3層30は、セラミック基板100に含まれる一部の成分とチタン(Ti)との化合物からなる層である。 Also, the third layer 30 is a layer made of a compound of titanium (Ti) and some components contained in the ceramic substrate 100 .

また、本実施形態において、第3層30は、セラミック基板100における珪素(Si)とチタン(Ti)との化合物からなり、この化合物の成分が第3層30全体の成分のうちの50重量%以上を占めている。そして、この第3層30は、2~8μmの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。 Further, in the present embodiment, the third layer 30 is made of a compound of silicon (Si) and titanium (Ti) in the ceramic substrate 100, and the composition of this compound is 50% by weight of the total composition of the third layer 30. occupies more than The third layer 30 is formed with a thickness averaging a specific value in the range of 2 to 8 μm.

また、接合層300は、第1層10の平均厚さをt1、第2層20の最大厚さをt2、第3層30の平均厚さをt3とした場合に、第3層30およびそれ以外の層との比(t3/(t1+t2))が7未満となるように形成されている。 Further, the bonding layer 300 has a thickness of t1 for the average thickness of the first layer 10, t2 for the maximum thickness of the second layer 20, and t3 for the average thickness of the third layer 30. It is formed such that the ratio (t3/(t1+t2)) to the other layers is less than 7.

また、接合層300は、5N/mm以上でセラミック基板100に接合されている。 Also, the bonding layer 300 is bonded to the ceramic substrate 100 at 5 N/mm or more.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
(2)接合基板1の製造方法
上述した接合基板1は、窒素(N)を含む材料からなるセラミック基板100の表面に銅材200を接合することにより製造される。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is by no means limited to the above embodiments, and it goes without saying that various forms can be taken as long as they fall within the technical scope of the present invention. .
(2) Manufacturing Method of Bonded Substrate 1 The bonded substrate 1 described above is manufactured by bonding a copper material 200 to the surface of a ceramic substrate 100 made of a material containing nitrogen (N).

具体的には、図4、図5に示すように、セラミック基板100と板状の銅材200との間にシート状のチタン材400を挟んだ状態で、このように挟まれた構造体2を上下から治具500で加圧した状態で炉600内に設置して焼成する。こうして、セラミック基板100の表面に銅材200が接合された接合基板1が製造される。 Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, a sheet-like titanium material 400 is sandwiched between a ceramic substrate 100 and a plate-like copper material 200, and the structure 2 is thus sandwiched. is placed in a furnace 600 while being pressurized from above and below by a jig 500, and fired. In this way, the bonded substrate 1 in which the copper material 200 is bonded to the surface of the ceramic substrate 100 is manufactured.

ここで、セラミック基板100は、窒化珪素(Si)を主成分とし、0.2mm以上(本実施形態では0.25mmまたは0.32mm)の厚さを有する基板である。また、銅材200は、0.1mm以上(本実施形態では0.2mm)の厚さを有する基板である。また、チタン材400は、3~10μmの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。 Here, the ceramic substrate 100 is a substrate containing silicon nitride (Si 3 N 4 ) as a main component and having a thickness of 0.2 mm or more (0.25 mm or 0.32 mm in this embodiment). Moreover, the copper material 200 is a substrate having a thickness of 0.1 mm or more (0.2 mm in this embodiment). Also, the titanium material 400 is formed with a thickness that averages a specific value in the range of 3 to 10 μm.

また、上述した構造体2の焼成は、875℃以上(より具体的には900℃)の温度環境下で実施される。そして、焼成に要する時間は3時間以上(本実施形態では、3時間または6時間)である。 Moreover, the firing of the structure 2 described above is performed in a temperature environment of 875° C. or higher (more specifically, 900° C.). The time required for firing is 3 hours or more (3 hours or 6 hours in this embodiment).

こうして製造された接合基板1は、セラミック基板100と銅材200との間に形成された接合層300として、セラミック基板100から銅材200に向けて第1層10~第3層30が順に積層されたものとなる。
(3)接合基板1の評価
本願出願人は、同じ材料で接合条件を異ならせて製造した接合基板のサンプルを複数(本実施形態では7種類)作成し、そのうち、接合層300が形成されているものについて、セラミック基板100と銅材200との接合強度を測定した。
In the bonded substrate 1 manufactured in this manner, the first layer 10 to the third layer 30 are sequentially laminated from the ceramic substrate 100 toward the copper material 200 as the bonding layer 300 formed between the ceramic substrate 100 and the copper material 200. It becomes what was done.
(3) Evaluation of Bonded Substrate 1 The applicant of the present application prepared a plurality of samples (seven types in this embodiment) of bonded substrates manufactured using the same material under different bonding conditions. The bonding strength between the ceramic substrate 100 and the copper material 200 was measured.

まず、接合基板のサンプルとしては、焼成時間(3時間、6時間)、焼成温度(800℃、900℃)、チタン材400の厚さ(3μm、5μm、10μm)を異ならせた7種類を製造し、それぞれについてその断面(接合基板の拡がる方向と交差する断面)を電子顕微鏡(SEM)により観察するとともに、接合層300となる各層の厚さを計測したところ、所定の条件のもとで第1層10~第3層30の3層が形成されることが判明した。 First, seven types of bonded substrate samples were manufactured with different firing times (3 hours, 6 hours), firing temperatures (800°C, 900°C), and thicknesses of the titanium material 400 (3 μm, 5 μm, 10 μm). Then, the cross section of each (the cross section intersecting the direction in which the bonding substrate spreads) was observed with an electron microscope (SEM), and the thickness of each layer that became the bonding layer 300 was measured. It has been found that three layers, 1st layer 10 to 3rd layer 30, are formed.

ここでは、第1層10および第3層30は平均となる厚さを計測し、第2層20は最大の厚さを計測した。なお、第2層20については、上記断面に対して機械研磨およびイオンミリングを実施し、計測に適した領域を形成したうえで、厚さを計測している。 Here, the average thickness of the first layer 10 and the third layer 30 was measured, and the maximum thickness of the second layer 20 was measured. Regarding the second layer 20, the thickness is measured after mechanical polishing and ion milling are performed on the cross section to form a region suitable for measurement.

Figure 0007107591000001
Figure 0007107591000001

上記所定の条件とは、チタン(Ti)と銅(Cu)との共晶温度(875℃)以上の温度(今回の評価では900℃)により、チタン材400の厚さに応じた十分な時間だけ焼成を行う、というものである。つまり、チタン材400が薄ければ短時間の焼成時間で足りる一方(具体的には3μmまたは5μmの場合は3時間以上)、チタン材400が厚くなればその分だけ焼成時間を長くする必要がある(具体的には10μmの場合に6時間以上)。 The predetermined condition is a temperature (900° C. in this evaluation) equal to or higher than the eutectic temperature (875° C.) of titanium (Ti) and copper (Cu), and a sufficient time corresponding to the thickness of the titanium material 400. Only firing is performed. In other words, if the titanium material 400 is thin, a short firing time is sufficient (specifically, three hours or more in the case of 3 μm or 5 μm). (Specifically, 6 hours or more for 10 μm).

こうして、接合層300が形成された接合基板のサンプルにつき、それぞれのセラミック基板100と銅材200との接合強度を測定したところ、8.5N/mmのものを含めいずれも5N/mm以上となっており、パワー半導体用回路基板などで要求される接合強度5N/mmを満たしていることが確認された。 When the bonding strength between the ceramic substrate 100 and the copper material 200 was measured for each bonding substrate sample on which the bonding layer 300 was formed in this way, all of them, including the one having 8.5 N/mm, were 5 N/mm or more. It was confirmed that the bonding strength of 5 N/mm required for power semiconductor circuit boards and the like was satisfied.

ここで、本発明および従前それぞれにおけるサンプルの接合強度は、90度剥離試験(ピールテスト)によって測定している。なお、この試験では、いずれのサンプルについても、セラミック基板100から銅材200が剥離する前に、銅材200と接合層300との剥離が発生することはなく、銅材200と接合層300とがより強固に接合していることがわかる。 Here, the joint strength of the samples in the present invention and the conventional one is measured by a 90-degree peel test (peel test). In this test, the copper material 200 and the bonding layer 300 did not peel off before the copper material 200 peeled off from the ceramic substrate 100 for any of the samples. It can be seen that the is joined more strongly.

さらに、接合層300が形成された接合基板については、各層における厚さが特定の関係となっていることも判明した。それは、第1層10の厚さをt1、第2層20の最大厚さをt2、第3層30の厚さをt3とした場合に、第3層30およびそれ以外の層との比(t3/(t1+t2))が7未満となるというものである。つまり、このような関係で各層が形成されている場合に、接合層300が形成され、充分な接合強度が実現されるということがいえる。 Furthermore, it was found that the thickness of each layer of the bonded substrate on which the bonding layer 300 is formed has a specific relationship. When the thickness of the first layer 10 is t1, the maximum thickness of the second layer 20 is t2, and the thickness of the third layer 30 is t3, the ratio ( t3/(t1+t2)) is less than seven. In other words, it can be said that the bonding layer 300 is formed and a sufficient bonding strength is achieved when the respective layers are formed in such a relationship.

なお、ここでは、接合層300が形成された接合基板のサンプルにつき、それぞれにおける接合層300の弾性率も測定しており、いずれもヤング率200GPa以上となっていることが確認されている。この弾性率は、従前のような銀を含む活性金属ろう材で接合したサンプルの場合(100GPa前後)よりも十分に大きい。また、この弾性率は、接合基板においてその板状に拡がる方向と交差する方向に切断した断面に対し、微小押し込み硬さ試験機(ナノインデンテーション試験装置;株式会社エリオニクス製ENT-2100)の圧子を所定の荷重で接合層300に押し込んだことによる塑性変形の深さに基づいて測定した結果である。このようなヤング率の高さは、接合基板としての反り量を抑制するなどの効果を奏するものである。
(4)作用効果
上記実施形態の接合基板1であれば、上述したように、銀を用いることなくセラミック基板100の表面に銅材200が充分な強度で接合されたものとすることができる。そのため、この接合基板1では、銀に起因するコストの増加が抑えられ、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションが起こることはない。
Here, the elastic modulus of the bonding layer 300 was also measured for each bonding substrate sample on which the bonding layer 300 was formed, and it was confirmed that the Young's modulus was 200 GPa or more. This elastic modulus is sufficiently larger than that of the conventional sample bonded with an active metal brazing material containing silver (around 100 GPa). In addition, this modulus of elasticity is measured with an indenter of a microindentation hardness tester (nanoindentation tester; ENT-2100 manufactured by Elionix Co., Ltd.) with respect to a cross section cut in a direction intersecting the plate-like spreading direction of the bonding substrate. is the result of measurement based on the depth of plastic deformation caused by pushing into the bonding layer 300 with a predetermined load. Such a high Young's modulus has the effect of suppressing the amount of warp as a bonded substrate.
(4) Effects As described above, the bonded substrate 1 of the above-described embodiment allows the copper material 200 to be bonded with sufficient strength to the surface of the ceramic substrate 100 without using silver. Therefore, in this bonded substrate 1, an increase in cost due to silver is suppressed, and migration due to a chemical reaction between silver and other substances present in the surroundings does not occur.

1…接合基板、2…構造体、10…第1層、20…第2層、30…第3層、100…セラミック基板、200…銅材、300…接合層、400…チタン材、500…治具、600…炉。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Joining substrate 2... Structure 10... First layer 20... Second layer 30... Third layer 100... Ceramic substrate 200... Copper material 300... Joining layer 400... Titanium material 500... Jig, 600...Furnace.

Claims (2)

窒素(N)を含む材料からなるセラミック基板の表面に、銀を用いることなく銅材が接合されてなる接合基板であって、
前記セラミック基板と前記銅材との間に形成された接合層として、チタン(Ti)を主成分とする第1層、前記銅材に含まれる銅(Cu)を主成分とする第2層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン(Ti)との化合物が当該層としての全体の成分のうちの50重量%以上を占めている第3層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第1層~前記第3層の順に積層されており、
前記セラミック基板は、窒化珪素(Si)からなる基板であり、
前記第3層は、珪素(Si)からなる成分とチタン(Ti)からなる成分との化合物が全体の50重量%以上を占めており
前記接合層は、前記第1層の厚さをt1、前記第2層の最大厚さをt2、前記第3層の厚さをt3とした場合に、前記第3層およびそれ以外の層との比(t3/(t1+t2))が7未満となるように形成されている、
接合基板。
A bonded substrate in which a copper material is bonded without using silver to the surface of a ceramic substrate made of a material containing nitrogen (N),
As bonding layers formed between the ceramic substrate and the copper material, a first layer containing titanium (Ti) as a main component, a second layer containing copper (Cu) contained in the copper material as a main component, and a third layer, in which a compound of titanium (Ti) and some components contained in the ceramic substrate accounts for 50% by weight or more of the total components of the layer, is formed by removing the copper from the ceramic substrate. The first layer to the third layer are laminated in order toward the material,
The ceramic substrate is a substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ),
In the third layer, a compound of a component made of silicon (Si) and a component made of titanium (Ti) accounts for 50% by weight or more of the whole ,
When the thickness of the first layer is t1, the maximum thickness of the second layer is t2, and the thickness of the third layer is t3, the bonding layer is the third layer and other layers. is formed so that the ratio of (t3/(t1+t2)) is less than 7,
bonding substrate.
前記第2層は、最大厚さが0.1μm以上で形成されている、
請求項1に記載の接合基板。
The second layer is formed with a maximum thickness of 0.1 μm or more,
The bonded substrate according to claim 1.
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