KR101148587B1 - 복합 압전 기판의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

압전체 재료를 효율적으로 이용해서 균질한 두께의 극박 압전막을 형성할 수 있는 복합 압전 기판의 제조 방법을 제공한다.
a)압전체 기판(2)과 지지 기판(10)을 준비하고, b)압전체 기판(2)의 표면(2a)으로부터 이온을 주입해서 압전체 기판(2) 내에 있어서 표면(2a)으로부터 소정 깊이의 영역에 결함층(4)을 형성하고, c)결함층(4)이 형성된 압전체 기판(2)의 표면(2a)과 지지 기판(10)의 표면(10a) 중 적어도 한쪽에 대해서, 표면(2a, 10a)에 부착된 불순물을 제거해서 표면(2a, 10a)을 구성하는 원자를 직접 노출시켜, 활성화시키고, d)압전체 기판(2)의 표면(2a)에 지지 기판(10)을 접합해서 기판 접합체(40)를 형성하고, e)기판 접합체(40)를 압전체 기판(2) 내에 형성된 결함층(4)에서 분리해서 압전체 기판(2)의 표면(2a)과 결함층(4)의 사이의 박리층(3)이 압전체 기판(2)에서 박리되어서 지지 기판(10)에 접합된 복합 압전 기판(30)을 형성하고, f)복합 압전 기판(30)의 박리층(3)의 표면(3a)을 평활화한다.
압전체 재료, 극박 압전막, 복합 압전 기판

Description

복합 압전 기판의 제조 방법{COMPOSITE PIEZOELECTRIC SUBSTRATE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 복합 압전 기판의 제조 방법에 관한 것이며, 자세하게는 압전막을 가지는 복합 압전 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 극히 얇은 압전체(극박(極薄) 압전막)를 이용한 필터 등의 개발이 활발하게 행해지고 있다. 이들의 필터 등의 극박 압전막에는 일반적으로는 스퍼터법이나 CVD법 등의 퇴적법으로 형성된 AlN 박막이나 ZnO 박막이 사용되고 있으나, 모두 C축이 기판의 상하로 정렬된 C축 배향막이다.
한편, 압전체의 단결정 기판을 지지 기판에 맞붙인 후에, 연마에 의해 압전체의 단결정 기판을 박화(薄化)함으로써 압전막을 가지는 복합 압전 기판을 제조하는 것도 제안되어 있다.
예를 들면, 도 6의 단면도에 나타내는 탄성 표면파 장치(100)에서는, 여진 전극(105)이 형성되어 있는 단결정으로 이루어지는 압전 기판(101)은 미리 유리층(108)을 통해서 보호 기판(103)에 접합된 상태로 연마되어 박판화된 것이다(예를 들면, 특허문헌 1 및 비특허문헌 1 참조).
또한, 압전 기판에 수소 이온을 주입해서 압전 기판과 지지 기판을 습윤 분 위기하에 두고 각각의 기판 표면에 친수기를 형성한 뒤에, 압전 기판과 지지 기판을 맞붙이고, 그 후 고속 가열해서 이온 주입한 깊이에서 압전 기판을 쪼개 압전 박막을 얻는 수법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 2002-16468호
특허문헌 2: 일본국 공표특허공보 2002-534885호
비특허문헌 1: Y. Osugi et al, "Single crystal FBAR with LiNbO3 and LiTaO3 piezoelectric substance layers", 2007 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, p.873-876
그러나 퇴적법으로 형성한 압전막은 배향막을 얻기 위한 성막 온도나 성막 조건 등에서 재료 제약이 엄격해서, 주로 AlN이 이용된다. 또한 결정축의 배향 방향을 제어할 수도 없어, C축 배향막이 주로 채용되기 때문에 압전축을 경사시킴에 의한 진동 모드의 고안이 어렵다.
한편, 압전체의 단결정 기판을 연마해 형성한 압전막은 대부분의 압전 단결정을 연마 폐기물로서 폐기하기 때문에 재료의 이용 효율이 나쁘다. 또한 압전막의 두께는 연마 속도의 불균일, 연마 전의 기판의 굴곡에 의해 좌우되기 때문에 균질한 두께를 얻기 위한 제어가 어려워 생산성이 나쁘다.
특허문헌 2에서는 친수기에 의한 접합이 사용된다. 이 접합 방법에서는 압전 기판 표면과 지지 기판 표면에 친수기를 형성해서 그 친수기를 통해서 접합된다. 이 친수기에 의한 접합은 극히 약하기 때문에 강고한 접합을 얻기 위해서 친수기를 분해할 수 있는 온도(예를 들면, 400℃)에서 가열해서 친수기(OH)에서 수소(H)를 탈리(脫離)시키고, 압전 기판 표면과 지지 기판 표면의 본드를 강고하게 하는 공정을 거칠 필요가 있다.
그러나 접합 후에 수소 가스를 탈리시키기 때문에, 접합 계면에 가스가 차서 마이크로캐비티(microcavity)를 형성하거나 수소 가스를 충분히 제거하지 못해 압전 결정 중에 잔류해서 결정 구조를 파손하고 압전성을 열화시키는 등의 문제점이 있었다. 마이크로캐비티나 결정 파괴에 의한 접합 계면의 불균일은 표면파 필터나 벌크파 필터에 응용할 때에 탄성산란이나 흡음으로 인한 발열을 일으켜, 필터의 삽입 손실의 열화나 발열에 의한 내(耐)전력 성능의 열화를 일으키는 요인이 되고 있었다.
특히, Li계 압전 재료인 LiTaO3이나 LiNbO3을 사용할 경우, 수소가 잔류하면 Li 이온사이트의 Li와 수소가 치환하여 압전성의 열화가 생기기 쉽다.
예를 들면, 압전 기판으로서 탄탈산 리튬이나 니오브산 리튬 기판, 지지 기판으로서도 탄탈산 리튬이나 니오브산 리튬 기판을 사용하고 압전 기판과 지지 기판의 표면을 CMP(화학기계연마)에 의해 평활화해서, 그 후 습윤 분위기하에 압전 기판과 지지 기판을 두고 친수기를 형성하고, 기판 표면끼리를 접해서 맞붙여 친수기에 의한 약한 접합을 하고, 500℃에서 1시간 가열해서 친수기를 분해해 강고한 접합을 행했다. 이러한 방법으로 접합한 복합 압전 기판은 친수기에 의한 약한 접합을 한 뒤, 500℃에서 가열하기 전에는 외력을 가함으로써 접합 계면에서 용이하게 박리할 수 있었다. 한편, 500℃에서 가열한 후에는 접합이 강화되었으나, 접합 계면에는 눈으로 볼 수 있을 정도의 캐비티가 곳곳에 형성되어 있었다. 또한 접합 계면의 결정 배열을 TEM(투과형 전자현미경)으로 관찰하면, 수십nm의 캐비티나 결정 배열의 흐트러짐이 관찰되었다.
또한, 비선형(非線形) 유전율 현미경을 사용해서 H 이온을 주입하고 400℃에서 가열해서 LiTaO3의 분극 상태를 조사한 바, 당초 정렬해 있었던 분극극성이 도메인 단위로 국소적으로 반전해서 압전성이 열화되어 있는 것을 알 수 있었다. 보다 고온인 500℃에서 가열하면 더욱 압전성 열화가 현저해진다.
본 발명은 이러한 실정을 감안해서, 압전체 재료를 효율적으로 이용해서 균질한 두께의 극박 압전막을 형성할 수 있는 복합 압전 기판의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 이하와 같이 구성한 복합 압전 기판의 제조 방법을 제공한다.
복합 압전 기판의 제조방법은 (a)압전체 기판과 지지 기판을 준비하는 제1의 공정과, (b)상기 압전체 기판의 표면으로부터 이온을 주입해서 상기 압전체 기판 내에 있어서 상기 표면에서 소정의 깊이의 영역에 결함층을 형성하는 제2의 공정과, (c)상기 압전체 기판의 상기 표면에 상기 지지 기판을 접합해서 기판 접합체를 형성하는 제3의 공정과, (d)상기 기판 접합체를 상기 압전체 기판 내에 형성된 상기 결함층에서 분리해서, 상기 압전체 기판의 상기 표면과 상기 결함층의 사이의 박리층이 상기 압전체 기판에서 박리돼서 상기 지지 기판에 접합된 복합 압전 기판을 형성하는 제4의 공정과, (e)상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 표면을 평활화하는 제5의 공정을 포함한다.
상기 방법에 의해 압전체 기판의 박리층이 접합된 복합 압전 기판을 제조하면, 복합 압전 기판의 표면에 극히 얇은 압전체(극박 압전막)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 단결정의 압전체 기판을 사용해서 압전체의 극박 단결정막을 가지는 복합 압전 기판을 제조할 수 있다.
상기 방법에 의하면, 박리층이 박리된 후의 압전체 기판은 복합 압전 기판의 제조에 다시 이용할 수 있다. 1장의 압전체 기판에서 다량의 복합 압전 기판을 제조할 수 있으며, 압전 기판을 연마해서 압전막을 형성하는 경우에 비해서 압전체 재료를 폐기하는 양이 감소하므로 고가의 압전체의 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 박리층의 두께는 이온 주입할 때의 에너지로 결정하고, 연마와 같이 기판의 휨에 압전체의 두께가 촤우될 일이 없기 때문에, 극박이라도 균일하게 할 수 있다. 따라서 표면에 균일한 두께의 극박 압전막을 구비하는 복합 압전 기판이 얻어진다.
바람직하게는, 결함층이 형성된 압전체 기판의 표면과 지지 기판의 표면의 적어도 한편에 대해서 당해 표면에 부착한 불순물을 제거해서, 당해 표면을 구성하는 원자를 직접 노출시켜서 활성화시키는 청정 활성화 공정을 더 포함한다.
바람직하게는 상기 제2의 공정 후이자 상기 청정 활성화 공정 전 또는 그 이후에, 보다 바람직하게는 상기 제5의 공정 후에 상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 분극 처리를 행하는 분극 처리 공정을 더 포함한다.
이 경우, 분극 처리 공정에 있어서의 압전체 기판의 표면에 여기되는 초전하(焦電荷)에 의한 이온 주입 가공(도즈량, 주입 깊이)의 불균일, 기판의 파손을 피할 수 있다.
바람직하게는 상기 제2의 공정에 있어서, 이온 주입할 때에 자발분극(自發分極)하고 있는 상기 압전체 기판의 구성 원자가 시프트(shift)하고 있는 방향과 동일 방향으로 이온을 주입한다.
이 경우, 압전체 기판에 대해서 이온 주입에 따른 압전성의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 친수화 처리에 의한 OH기를 사용한 접합이 아니라 청정 활성화 공정에 의한 OH기를 사용하지 않는 접합이므로, 접합 계면에 잔류하는 수소의 탈리가 필요없다. 이 때문에, 친수기를 분해하기 위한 고온 장시간의 가열이 불필요하고, 또한 접합 계면의 가스 발생이나 마이크로캐비티 형성이 없으며, 압전 결정 중에의 수소 가스 잔류가 없다. 이 때문에 결정 구조의 파손이나 압전성의 열화가 억제된다. 특히, Li계 압전 재료인 LiTaO3이나 LiNbO3을 사용할 경우, 수소 잔류에 의한 Li 이온 사이트의 Li와 수소의 교환을 발생시키지 않으므로 압전성이 유지된다.
상기 방법으로 제조된 복합 압전 기판에 형성된 압전체 기판의 박리층의 극히 얇은 압전체를 이용해서 탄성 표면파 소자, 탄성 경계파 소자, 벌크파 소자, 판파 소자 등의 탄성파 소자를 형성할 수 있다. 이들의 탄성파 소자를 가지는 전자부품의 제조에, 상기 방법으로 제조된 복합 압전 기판을 사용하면, 고가의 압전체 기판의 사용량을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명은 이하와 같이 구성한 복합 압전 기판의 제조 방법을 제공한다.
복합 압전 기판의 제조 방법은 (1)압전체 기판과 지지 기판을 준비하는 제1의 공정과, (2)상기 압전체 기판의 표면으로부터 이온을 주입해서 상기 압전체 기판 내에 있어서 상기 표면으로부터 소정 깊이의 영역에 결함층을 형성하는 제2의 공정과, (3)상기 압전체 기판의 상기 표면에 상기 지지 기판을 접합해서 기판 접합체를 형성하는 제3의 공정과, (4)상기 기판 접합체를 상기 압전체 기판 내에 형성된 상기 결함층에서 분리해서, 상기 압전체 기판의 상기 표면과 상기 결함층의 사이의 박리층이 상기 압전체 기판에서 박리되어서 상기 지지 기판에 접합된 복합 압전 기판을 형성하는 제4의 공정과, (5)상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 표면을 평활화하는 제5의 공정과, (6)상기 제2의 공정 후이자 상기 제3의 공정 전 또는 그 이후에, 상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 분극 처리를 행하는 제6의 공정을 포함한다.
상기 방법에 의하면, 이온 주입으로 인해 분극이 반전해도 복원할 수 있다.
<발명의 효과>
본 발명의 복합 압전 기판의 제조 방법에 의하면 압전체 재료를 효율적으로 이용해서 균질한 두께의 극박 압전막을 형성할 수 있다.
도 1은 복합 압전 기판의 제조 공정을 나타내는 단면도이다(실시예 1).
도 2는 BAW 디바이스의 제조 공정을 나타내는 단면도이다(실시예 2).
도 3은 BAW 디바이스의 제조 공정을 나타내는 단면도이다(실시예 3).
도 4는 BAW 디바이스의 단면도이다(실시예 3).
도 5는 SAW 디바이스의 제조 공정을 나타내는 단면도이다(실시예 1).
도 6은 탄성 표면파 장치의 단면도이다(종래예).
<부호의 설명>
2 압전체 기판
3 박리층
4 결함층
10, 10x 지지 기판
30, 30a 복합 압전 기판
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도 1~도 5를 참조하면서 설명한다.
<실시예 1>
실시예 1의 SAW(surface acoustic wave; 탄성 표면파) 디바이스의 제조 방법에 대해서 도 1, 도 5를 참조하면서 설명한다.
우선, SAW 디바이스에 사용하는 복합 압전 기판(30)의 제조 공정에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 복합 압전 기판(30)의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
(공정 1)
도 1(a-1 및 a-2)에 나타내는 것과 같이 압전체 기판(2)과 지지 기판(10)을 준비한다. 예를 들면 압전체 기판(2)으로서 42°Y컷 LiTaO3 기판, 지지 기판(10)으로서 Si 기판을 준비한다. 각각의 기판(2, 10)의 표면(2a, 10a)은 미리 경면 연마(polishing)해 둔다.
(공정 2)
이어서, 도 1(b)에 나타내는 것과 같이 압전체 기판(2)의 표면(2a)에 화살표(8)로 나타내듯이 이온을 주입해서 압전체 기판(2) 내에 있어서 표면(2a)으로부터 소정 깊이의 영역에, 파선으로 모식적으로 나타내는 결함층(4)을 형성한다. 예를 들면, LiTaO3 압전체 기판(2)에 H＋ 이온을 주입한다. 주입 에너지는 150KeV, 도즈량은 9×1016cm－1이다. 이때, H＋ 이온이 압전체 기판(2)의 표면(2a)으로부터 1μm 정도의 깊이에 분포하는 결함층(4)이 형성된다.
(세정 활성화 공정)
압전체 기판(2)과 지지 기판(20)을 감압 챔버에 넣고 각각의 표면(2a, 10a)에 Ar 이온을 빔(beam) 조사해서 표면(2a, 10a)에 부착된 친수기, 수소, 산화 피막 등의 불순물을 제거한다. 불순물이 제거된 표면(2a, 10a)은 기판(2, 10)을 구성하는 원자가 직접 노출되어서 활성화된다. 이렇게 청정 활성화한 표면(2a, 10a)끼리를 진공 중에서 접촉시키면, 원소끼리 직접 본드를 맺어 강고한 접합이 얻어진다. 접합 계면에 불순물이 존재하지 않기 때문에 접합 후에 불순물을 제거할 필요가 없 어, 접합 계면 부근의 결정의 파손도 억제된다.
(공정 3)
이어서, 도 1(c)에 나타내는 것과 같이 압전체 기판(2)의 표면(2a)과 지지 기판(10)의 표면(10a)을 접합해서 기판 접합체(40)를 형성한다.
LiTaO3 압전체 기판(2)과 Si 지지 기판(10)의 경우에는, 선열 팽창 계수가 다르므로 상온에 있어서 기판 표면(2a, 10a)을 플라즈마에 의해 활성화해서, 진공 중에서 접합하는 상온 직접 접합을 행하는 것이 바람직하다.
LiTaO3 압전체 기판(2)과 Si 지지 기판(10)을 접합한 후 500℃에서 가열한다. 이에 의해, H＋ 이온을 주입한 LiTaO3 압전체 기판(2)의 표면(2a)으로부터 1μm의 깊이의 결함층(4)에는 표면(2a)을 따라서 마이크로캐비티가 발생하고 가열에 의해 이 캐비티가 성장한다.
또한, 접합 계면에 원소끼리의 본드를 강화하기 위해서 미량(수nm)의 Fe 등의 금속 원소를 배치해도 된다. 금속 원소는 대기 중에서의 산화 반응 등에 의해 오염되기 쉽다. 그래서, 금속 이온의 퇴적은 접합을 행하는 진공으로 감압한 챔버 내에서 접합의 직전에 실시하는 것이 바람직하다.
(공정 4)
이어서, 도 1(d)에 나타내는 것과 같이 기판 접합체(40)의 압전체 기판(2)과 지지 기판(10)을 압전체 기판(2) 내에 형성된 결함층(4)에서 분리하고, 압전체 기판(2)의 표면(2a)과 결함층(4)의 사이의 박리층(3)이 압전체 기판(2)에서 박리되어 서 지지 기판(10)에 접합된 복합 압전 기판(30)을 형성한다.
예를 들면, LiTaO3 압전체 기판(2)의 표면(2a)으로부터 1μm의 깊이의 결함층(4)에 형성된 마이크로캐비티를 따라서 분리하기 때문에, 1μm의 두께의 LiTaO3 박막의 박리층(3)이 지지 기판(10)의 표면(10a)에 접합된 복합 압전 기판(30)과, 표면(2a)측에서 LiTaO3 박막의 박리층(3)이 박리된 LiTaO3 압전체 기판(2)으로 분리한다.
(공정 5)
이어서, 도 1(e-1 및 e-2)에 모식적으로 나타내는 것과 같이 요철이 형성된 파단면인 압전체 기판(2)과 복합 압전 기판(30)의 표면(2a, 3a)을 연마해서 도 1(f-1 및 f-2)에 나타내는 것과 같이 압전체 기판(2)과 복합 압전 기판(30)의 표면(2k, 3k)을 평활화한다.
예를 들면, LiTaO3 박막의 박리층(3)의 파단면이 나타나는 복합 압전 기판(30)의 표면(3a)과 LiTaO3 박막의 박리층(3)이 박리된 LiTaO3 압전체 기판(2)의 표면(2a)은 RMS(root mean square)로 1nm 정도의 거친 면으로 되어 있기 때문에, CMP(chemical-mechanical polishing; 화학기계연마)에 의해 표면(2a, 3a)으로부터 두께 100nm 정도 연마하여 제거해서 평활화한다.
(공정 6)
표면(3k)이 평활화된 복합 압전 기판(30)에 대해서 박리층(3)의 압전체(3)의 분극 반전을 수정하기 위해 분극 처리를 행한다. 예를 들면, 표면(3a)을 평활화한 LiTaO3 박막의 박리층(3)에 대해서 400℃에서 5ms, 22kV의 펄스 전압을 인가하는 분극 처리를 행한다.
압전체 결정을 구성하는 원자의 일부는 양 또는 음으로 하전(荷電)해서 이온화되어 있다. 이 이온화한 원자에, 예를 들어 전계를 인가하면 양으로 하전한 이온은 음극측으로, 음으로 하전한 이온은 양극측으로 결정 내를 약간 시프트해서 전기 쌍극자를 발생시킨다. 이 현상은 전기 분극이라고 불린다. 전계의 인가를 멈추어도 분극의 상태를 유지할 수 있는 결정도 존재하고, 이 상태는 상술한 자발분극이라고 불린다. 자발분극하는 압전체 결정에 고(高)에너지로 다량의 이온을 주입하면, 이 이온의 시프트한 상태가 변화해서 분극의 극성이 반전하거나 한다. 부분적인 분극의 반전은 압전성의 열화를 일으키기 때문에 바람직하지 않다.
그래서, 이온 주입한 뒤에 분극 처리를 행함으로써 분극의 반전을 복원할 수 있다. 예를 들면, LiNbO3의 경우 700℃의 가열 분위기에서 22kV/mm의 전계를 인가한다. 분극 처리는 박리 공정 후에 행하는 것이 바람직하고, 온도는 지지 기판이나 전극의 융점이나 열 팽창 계수 차를 고려해서 200~1200℃에서 행한다. 고온일수록 항전계가 낮아지므로 인가할 전계를 낮게 억제할 수 있다. 또한, 전계는 1μs~1분의 범위에서 단속적으로 인가하면, 직류 전계에 의한 결정에의 손상을 억제할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 200℃ 이상에서의 가열은 이온 주입에 의해 생긴 결정의 변형을 완화하기 때문에 바람직하다. 결정의 변형을 제거하기 위한 가열 온도는 분극의 해소를 피하기 위해서 큐리온도보다 100℃ 이상 낮춘다.
또한, 분극 반전 등의 압전성의 열화는 공정 6의 분극 처리에 의해 회복할 수 있으나, 결정에 부담이 가기 때문에, 공정 6에 이르기 전의 분극 반전 등의 압전성 열화는 극력 억제해 두는 것이 바람직하다. 또한, 결정 재료나 결정 방위에 따라서는 분극 처리가 어려운 압전체도 존재하기 때문에 공정 6에 이르기 전의 압전성 열화의 억제책은 중요하다.
분극은 이온화한 압전 결정의 구성 원소가 약간 시프트함으로써 생긴다. 일반적으로 약간 시프트시키기 위한 에너지 양은 구성 원소가 결정 단위에서 벗어나는 에너지 양에 비해서 작다. 그래서 자발분극을 나타내는 이온이 시프트하고 있는 방향과 동일 방향으로부터 이온을 주입함으로써 자발분극의 극성 반전이 생기는 것을 억제할 수 있다.
예를 들면, LiTaO3이나 LiNbO의 경우, Li 이온이나 Ta 이온, Nb 이온은 ＋C축 방향으로 약간 시프트하고 있으므로, －C축측에서 ＋C축측으로 향해서 이온을 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 이온의 주입 방향에 대해서 C축이 이루는 각도 θ를 －90°＜θ＜＋90°의 범위로 하면 효과가 얻어진다.
또한, 공정 4에 있어서, 박리는 압전체의 큐리온도 이하에서 행하는 것이 바람직하다. 큐리온도를 넘으면 분극이 일단 개방되기 때문에 압전성이 열화된다.
본원 발명자의 지견에 따르면, 공정 4에 있어서 결함층에서 박리하기 위해서 필요한 가열 온도는 500~600℃이다. 일반적으로 전자 부품용으로 공급되고 있는 LiTaO3 웨이퍼는 큐리온도가 600℃ 전후로 낮아, 박리에 필요한 가열온도와 큐리온도가 근접해 있다. 이 때문에 압전성이 열화하기 쉽다. LiTaO3이나 LiNbO3에 있어서, Li의 Ta나 Nb에 대한 조성비 x가 48.0％≤x＜49.5％일 경우, 콘그루언트(congruent) 조성이라고 불리고, 상술한 전자 부품용 압전 기판으로서 대량으로 공급되고 있는 웨이퍼에 사용되고 있다. 한편, 조성비가 49.5％≤x≤50.5％는 화학량론 조성이라고 불리고 있다. LiTaO3의 경우, 콘그루언트 조성의 경우는 큐리온도가 590~650℃로 낮고, 화학량론 조성의 경우는 660~700℃가 된다. 그래서, LiTaO3을 사용할 경우, Li의 Ta에 대한 조성비를 49.5％≤x≤50.5％로 한 화학량론 조성으로 하는 것이 공정 4에 있어서의 가열시의 압전성 열화를 억제할 수 있으므로 바람직하다.
또한, LiNbO3의 경우, 콘그루언트 조성의 경우는 1100~1180℃, 화학량론 조성의 경우는 1180~1200℃가 된다.
또한, 공정 4에 있어서 압전체가 LiTaO3이나 LiNbO3과 같이 초전성(焦電性)을 가질 경우, 승온이나 강온에 의해 기판 표면에 전하가 축적된다. 표면에 축적된 전하에 의한 전계가 분극 방향과 역방향으로부터 압전체의 항전계를 넘어서 가해지면 분극이 반전해서 압전성이 열화된다. 공정 4에서는 승온과 강온의 어느 쪽에 있어서, 분극과 역방향으로부터 전계가 가해지기 때문에 압전성의 열화가 발생하기 쉽다.
본원 발명자는 압전체의 도전율을 높이며, 온도 변화의 페이스를 초전하에 의한 전계가 압전체의 항전계 이하가 되도록 함으로써 압전성의 열화를 억제할 수 있는 것을 발견했다.
실시예 1에 있어서, LiTaO3의 도전율을 높여서 4×1010S/cm가 되도록 처리한 웨이퍼를 사용해서, 공정 4에 있어서 표면의 전위가 200V 이하가 되도록 승온 및 강온의 페이스를 저하시킴으로써 압전성의 열화를 억제할 수 있었다. LiTaO3이나 LiNbO3의 도전율을 높이는 처리는, 일본국 공개특허 2004-328712호와 같이 저산소 분위기 중에서 고온 아닐링하거나 일본국 공개특허 2005-119906호나 일본국 공개특허 2005-179117호와 같이 금속분말 중에서 가열하는 수단이 알려져 있다.
이상에 설명한 제조 공정에 의해 제조된 복합 압전 기판의 제작예에 대해서 관찰했다. 즉, 압전체 기판으로서 LiTaO3 기판, 지지 기판으로서도 LiTaO3 기판을 사용해서 압전체 기판과 지지 기판의 표면을 CMP에 의해 평활화하고, 진공 중에서 압전체 기판과 지지 기판의 표면에 Ar 이온 빔을 조사해서 기판 표면을 청정 활성화해서 기판 표면끼리 접해서 맞붙이고, 기판의 원소끼리 직접 본드하는 강고한 접합을 행한 뒤의 복합 압전 기판의 외형 사진을 촬영했다. 촬영한 사진에는 접합 계면에 육안으로 볼 수 있는 캐비티는 없었다. 또한 접합 계면의 결정 배열을 TEM(투과형 전자현미경)으로 관찰하면 정렬된 결정 배열이 관찰되었다.
이상에 설명한 제조 공정에 의해 제조된 복합 압전 기판(30)은 표면에 압전 체의 박리층(3)을 가지고 있으므로, 탄성파 소자를 제작하기 위해서 사용할 수 있다. 남은 압전체 기판(2)은 다음의 복합 압전 기판(30)을 제작하기 위한 소재로서 다시 이용한다.
다음으로 SAW 디바이스의 제조 공정에 대해서 도 5의 단면도를 참조하면서 설명한다.
도 5(a)에 나타내는 것과 같이 상술한 공정 1~6에서 제조된 복합 압전 기판(30)을 준비하고, 도 5(b)에 나타내는 것과 같이 복합 압전 기판(30)의 표면(3k)에 IDT 전극(15) 등을 형성한다.
예를 들면, 지지 기판(10)의 표면(10a)에 LiTaO3 박막의 박리층(3)이 접합된 복합 압전 기판(30)의 표면(3k)에 노출되는 LiTaO3 박막의 박리층(3)의 평활화된 표면에 포토리소그래피 기술을 사용해서 알루미늄막을 패터닝하고, IDT 전극(15), 패드 전극(도시하지 않음), IDT 전극(15)과 패드 전극의 사이를 접속하는 배선(도시하지 않음) 등의 도체 패턴을 형성해서 SAW 필터 등의 SAW 디바이스를 제작한다.
이상에 설명한 공정에서 SAW 디바이스를 제작하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1)SAW 디바이스를 제조하는 데에 있어서 압전체의 재료 및 결정 방위는 전기기계 결합 계수나 주파수 온도 특성, 음속에 영향을 미치기 때문에 SAW 디바이스의 주파수나 대역폭, 삽입 손실 등에 중요한 영향을 미친다. 압전체의 재료나 결정 방위의 선택 자유도가 높은 편이 뛰어난 SAW 디바이스를 구성하기 쉽다.
즉, 스퍼터나 CVD 등의 성막법으로 압전체 박막을 형성하면 박막의 재료, 결정 방위가 제약된다. 박막 재료는 AlN이나 ZnO 등 성막법으로 형성할 수 있는 막의 종류는 적고, 압전체를 단결정화하는 것이 어려워, 통상은 C축 배향막이 얻어지는 것에 불과하다. 이 때문에 압전축이 상하로만 향하기 때문에 SH형의 SAW을 여진하는 것이 어려웠다.
한편, 압전체 단결정에서 박막을 박리하는 본 발명의 수법이라면 압전체의 결정 방위의 자유도가 높고, 뛰어난 SH형 SAW가 여진하는 36°~46°Y컷의 압전 기판을 얻을 수 있다.
(2)단결정의 육성 속도가 늦고 깨지기 쉽기 때문에 슬라이스하기 어렵고, Li이나 Ta 등의 원료가 희소하며 고가이기 때문에 기판이 고가인 LiTaO3 기판이나 LiNbO3 기판, 수정 기판 등의 압전체 기판에 비해서 Si 기판은 저렴하다.
즉, 종래는 1장의 SAW 디바이스용 웨이퍼에는 1장의 고가인 압전체 기판이 사용되고 있었다. 이에 반해서 본 발명의 복합 압전 기판은 1장의 SAW 디바이스용 웨이퍼를 제조하기 위해서 1장의 저렴한 Si 기판과 압전체 박막만을 재료로 하고, 이 압전 박막은 1장의 압전체 기판으로부터 수십장~수백장 얻을 수 있으므로, 재료의 사용량으로서는 무시할 수 있을 정도의 양으로 억제할 수 있다. 이 때문에 희소하며 고가인 Li나 Ta 등의 사용량을 억제할 수 있어, 환경부하가 작고 저렴한 압전 기판을 얻을 수 있다.
(3)휴대전화용의 RF 필터에는 1~2W의 큰 전력 인가에 견디는 것이 요구된다. SAW 필터의 내전력 성능은 전기 신호를 가했을 때의 IDT 영역의 온도에 의해 큰 영향을 받는다. 전력 인가에 의해 IDT 영역이 250℃ 등의 고온이 되면, SAW 필터가 파괴될 때까지의 시간이 현저하게 짧아진다. IDT 영역의 온도 상승은 전기적인 오믹손실(ohmic loss)에 기인하는 주울 열(Joule heat)이나 탄성적인 흡음으로 인한 발열이, 압전체 기판의 열 전도율이 낮음으로 인해 충분히 방열되지 않는 것이 요인이다. LiTaO3이나 LiNbO3 등의 압전체만으로 구성된 압전 기판은 열 전도율이 Si에 비해서 작아 방열성이 좋지 않다. 본 발명의 복합 압전 기판은 Si와 동등한 열 전도율을 얻을 수 있기 때문에 방열성이 좋다. 이 때문에 큰 전력인가에 견딜 수 있다.
(4)극박 압전체의 두께는 이온 주입할 때의 에너지로 정해진다. 따라서, 연마와 같이 기판의 굴곡에 두께가 좌우될 일이 없어, 극박 압전체라도 안정된 두께가 얻어진다. 압전체 박막의 두께는 SAW의 음속(주파수=음속/파장이므로 주파수가 결정된다)을 결정하므로 중요하다. 본 발명의 복합 압전 기판은 일정한 두께의 압전 박막을 형성할 수 있으므로, SAW 디바이스의 특성이 안정된다.
(5)42°Y컷의 LiTaO3 기판은 -Z축이 42°경사해서 표면측이 된다. LiTaO3을 구성하는 Li원자와 Ta원자는 약간 이면측(+Z축측)으로 시프트해서 자발분극하고 있다. 본 발명에서는 -Z축측으로부터 이온을 주입함으로써 분극 반전을 억제하고 있다.
(6)공정 1~6에서 제작한 복합 압전 기판은 SAW 필터에 한정되지 않고, 경계 파나 램파 등의 판파를 사용한 필터 등에도 사용할 수 있다. 경계파의 경우는 다음의 실시예 2와 같이 복합 압전 기판에 소자부를 구성하면 된다. 판파를 사용할 경우는 다음의 실시예 3과 같이 지지 기판을 이면에서 에칭해서 압전체의 박리층을 이면에서 노출시키면 된다.
(7)Si는 LiTaO3에 비해서 선 팽창 계수가 작기 때문에, Si 지지 기판에 LiTaO3 박리막이 접합된 복합 압전 기판은 주파수 온도 계수를 억제할 수 있다.
<실시예 2>
실시예 2의 BAW(bulk acoustic wave; 벌크 탄성파) 디바이스에 대해서 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2는 BAW 디바이스의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
실시예 2의 BAW 디바이스는 다음의 공정으로 제조한다.
우선, 도 2(a)에 나타내는 것과 같이 복합 압전 기판(30)을 준비한다. 예를 들면, 20°Y컷 LiTaO3 압전체 기판과 Si 지지 기판(10)을 사용해서 실시예 1의 공정 1~5와 동일한 공정으로 Si 지지 기판(10)의 표면(10a)에 20°Y컷의 LiTaO3 박리층(3)이 접합된 복합 압전 기판(30)을 제작한다.
이어서, 도 2(b)에 나타내는 것과 같이 복합 압전 기판(30)의 표면(3k)에 상부 전극(16)을 형성한다. 예를 들면, LiTaO3 박리층(3)의 표면(3k)에 전자 빔 증착법과 포토리소그래피법에 의해 알루미늄으로 상부 전극(16)을 형성한다.
이어서, 도 2(c)에 나타내는 것과 같이 지지 기판(10)에 구멍(13)을 형성하고 박리층(3)의 이면(3s)을 노출시킨다. 예를 들면, Si 지지 기판(10)의 박리층(3)과 반대측의 이면(10b)에서 포토리소그래피법과 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)법으로 Si 지지 기판(10)을 에칭해서 구멍(13)을 형성해서 압전체의 박리층(3)의 이면(3c)을 노출시킨다.
이어서, 도 2(d)에 나타내는 것과 같이 박리층(3)의 이면(3s)에 하부 전극(14)을 형성한다. 예를 들면, LiTaO3 박리층(3)의 이면(3s)에 알루미늄으로 하부 전극(14)을 전자 빔 증착법과 포토리소그래피법으로 형성한다.
이어서, 도 2(e)에 나타내는 것과 같이 박리층(3)에 하부 전극(14)이 노출하는 구멍(20)을 형성한다. 예를 들면, LiTaO3 박리층(3)의 표면(3k)측에서 포토리소그래피법과 반응성 이온 에칭법으로 구멍(20)을 형성한다.
이어서, 도 2(f)에 나타내는 것과 같이, 구멍(20)을 통해서 하부 전극(14)에 전기적으로 접속된 배선(18)을 형성한다. 예를 들면, 포토리소그래피법과 증착법으로 알루미늄에 의해 배선(18)을 형성하고, LiTaO3 박리층(3)의 구멍(20)을 통해서 배선(18)과 하부 전극(14)을 접속한다. 도시하고 있지 않으나, 또한 배선(18)의 전기저항을 낮추기 위해서 벌크파 소자의 진동 영역(하부 전극(14)과 상부 전극(16)이 박리층(3)을 사이에 두고 대향하는 영역) 이외의 영역에 알루미늄을 두께 부여하고 배선(18)을 외부 단자에 접속해서 패키징한다.
이상의 공정으로 BAW 디바이스를 제작하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있 다.
(1)BAW 디바이스를 제조하는 데에 있어서 압전체의 재료, 결정 방위는 전기기계 결합 계수나 주파수 온도 특성, 음속에 영향을 미치기 때문에, BAW 디바이스의 주파수나 대역 폭, 삽입 손실 등에 중요한 영향을 준다. 압전체의 재료나 결정 방위의 선택 자유도가 높은 편이 우수한 BAW 디바이스를 구성하기 쉽다. 스퍼터나 CVD 등의 성막법으로 압전체 박막을 형성하면 박막의 재료, 결정 방위가 제약된다. 박막 재료는 AlN이나 ZnO 등 성막법으로 형성할 수 있는 막의 종류는 적고, 압전체를 단결정화하는 것이 어려워, 통상은 C축 배향막이 얻어지는 것에 불과하다. 이 때문에 압전축이 상하로만 향하기 때문에 두께 전단(thickness-shear)형의 BAW를 여진하는 것이 어려웠다.
한편, 압전체 단결정에서 박막을 박리하는 본 발명의 수법이라면, 압전체의 결정 방위의 자유도가 높아, 우수한 두께 전단형 BAW가 여진하는 기판을 얻을 수 있다.
또한, BAW 디바이스의 에너지 가둠 상태나 스퓨리어스(spurious) 응용은 여진되는 벌크파의 분산 관계에 의해 결정되나, 재료나 결정 방위를 조정함으로써 에너지 가둠과 스퓨리어스 억제를 양립한 고급 벌크파 소자를 작성할 수 있다.
(2)단결정의 육성 속도가 늦고 깨지기 쉽기 때문에 슬라이스하기 어렵고, Li나 Ta 등의 원료가 희소하며 고가이기 때문에, LiTaO3 기판이나 LiNbO3 기판, 수정 기판 등의 압전체 기판은 고가이다. 단결정 박막을 형성한 복합 압전 기판을 얻는 수단으로서 Si 기판과 압전 기판을 맞붙인 후에, CMP(chemical-mechanical polishing; 화학기계연마)로 압전체를 연마해서 박화하는 수단도 생각할 수 있으나, 이 경우, 1장의 복합 압전 기판을 얻기 위해서 1장의 Si 기판과 1장의 압전체 기판이 필요하기 때문에 고가인 압전체의 재료 효율이 나쁘다.
본 발명의 복합 압전 기판은 1장의 BAW 디바이스용 웨이퍼를 제조하기 위해서, 1장의 저렴한 Si 기판과 압전체 박막만을 재료로 하고, 이 압전 박막은 1장의 압전체 기판에서 수십장~수백장 얻을 수 있으므로, 재료의 사용량으로서는 무시할 수 있을 정도로 억제할 수 있다. 이 때문에 희소하며 고가인 Li나 Ta 등의 사용량을 억제할 수 있어, 환경부하가 작고 저렴한 압전 기판을 얻을 수 있다.
(3)극박 압전체의 두께는 이온 주입할 때의 에너지로 결정된다. 따라서, 연마와 같이 기판 굴곡에 두께가 좌우될 일이 없고, 극박 압전체라도 안정된 두께가 얻어진다. 압전체 박막의 두께는 BAW의 파장(주파수=음속/파장이므로 주파수가 정해진다)을 결정하므로 중요하다.
<실시예 3>
실시예 3의 BAW 디바이스에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 3은 BAW 디바이스의 제조 공정을 나타내는 단면도이다. 도 4는 BAW 디바이스의 평면도이다.
실시예 3의 BAW 디바이스는 다음의 공정으로 제조한다.
우선, 실시예 1의 공정 1~5와 거의 동일한 공정으로 복합 압전 기판을 준비한다.
즉, 공정 1에서 20°Y컷 LiTaO3 압전체 기판과 도 3(a)에 나타내는 지지 기판(10x)을 준비한다. 지지 기판(10x)은 실시예 1과 달리, Si 지지 기판(11)에 반응성 이온 에칭으로 함몰부(13a)를 형성하고, 함몰부(13a)에 희생층(13x)을 형성하고, Si 지지 기판(11)의 표면(11a)을 CMP로 평활화해서 스퍼터법으로 W(텅스텐)로 하부 전극(14a)을 형성한 것이다. 공정 2에 있어서 실시예 2와 마찬가지로 압전체 기판에 이온 주입한다. 공정 3에 있어서 압전체 기판을 지지 기판(10x)의 하부 전극(14a)에 금속 접합으로 접합해서 기판 접합체를 형성하고, 실시예 1과 마찬가지로 공정 4에 있어서 기판 접합체를 압전체 기판의 결함층에서 박리하고, 공정 5에 있어서 압전체 기판 및 지지 기판의 표면을 평활화하고, 도 3(b)에 나타내는 것과 같이 20°Y컷 LiTaO3의 박리층(3a)을 가지는 복합 압전 기판(30a)을 준비한다.
이어서, 도 3(c)에 나타내는 것과 같이 LiTaO3의 박리층(3a)의 표면(3k)에 알루미늄으로 상부 전극(16a)을 전자 빔 증착법과 포토리소그래피법에 의해 형성한다.
이어서, 도 3(d)에 나타내는 것과 같이 박리층(3a)과 하부 전극(14a)에 포토리소그래피법과 반응성 이온 에칭법으로 희생층(13x)에 도달하는 구멍(22)과 하부 전극(14a)에 도달하는 구멍(24)을 형성한다.
이어서, 도 3(e)에 나타내는 것과 같이 희생층(13x)에 도달하는 구멍(22)을 통해서 드라이에칭에 의해 희생층(13x)을 제거한다.
이어서, 도 3(f) 및 도 4에 나타내는 것과 같이, 포토리소그래피법과 증착법 으로 알루미늄에 의해 배선(18a)을 형성하고, 하부 전극(14a)에 도달하는 구멍(24)을 통해서 하부 전극(14a)과 접속되는 배선(18a)을 형성한다. 도시하고 있지 않으나, 또한 배선(18a)의 전기 저항을 낮추기 위해서 벌크파 소자의 진동 영역(하부 전극(14a)과 상부 전극(16a)이 박리층(3a)을 사이에 두고 대향하는 영역) 이외의 영역에 알루미늄을 두께 부여하고 배선(18a)을 외부 단자에 접속해서 패키징한다.
실시예 2와 같이 지지 기판(10)의 이면(10b)에 구멍(13)이 뚫려 있으면, 이면(10b)측에 별도 기판을 맞붙이거나 해서 뚜껑을 씌울 필요가 있으나, 실시예(3)의 구조는 지지 기판(11)에 구멍이 뚫려 있지 않기 때문에 이면측의 밀폐는 불필요해진다. 그 이외의 효과는 실시예 2와 동일하다.
<정리>
이상에 설명한 방법으로 복합 압전 기판을 제조하면, 압전체 재료를 효율적으로 이용해서 균질한 두께의 극박 압전막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시의 형태에 한정되는 것이 아니라, 각종 변경을 가해서 실시하는 것이 가능하다.
예를 들면, 본 발명의 방법으로 제조된 복합 압전 기판은 SAW 소자, BAW 소자, 센서 소자, 굴곡 진동자, 기타 각종의 소자에 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 압전체 기판과 지지 기판을 준비하는 제1의 공정과,
    상기 압전체 기판의 표면으로부터 이온을 주입해서 상기 압전체 기판 내에 있어서 상기 표면에서 소정의 깊이의 영역에 결함층을 형성하는 제2의 공정과,
    상기 압전체 기판의 상기 표면에 상기 지지 기판을 접합해서 기판 접합체를 형성하는 제3의 공정과,
    상기 기판 접합체를 상기 압전체 기판 내에 형성된 상기 결함층에서 분리해서, 상기 압전체 기판의 상기 표면과 상기 결함층의 사이의 박리층이 상기 압전체 기판에서 박리되어서 상기 지지 기판에 접합된 복합 압전 기판을 형성하는 제4의 공정과,
    상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 표면을 평활화하는 제5의 공정을 포함하고,
    상기 제2의 공정에 있어서, 이온을 주입할 때에 자발분극하고 있는 상기 압전체 기판의 구성원자가 시프트하고 있는 방향과 동일한 방향으로 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 복합 압전 기판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2의 공정 후 및 상기 제3의 공정 전 또는 그 이후에, 상기 복합 압전 기판의 상기 박리층의 분극 처리를 실행하는 분극 처리 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 압전 기판의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결함층이 형성된 상기 압전체 기판의 표면과 상기 지지 기판의 표면의 적어도 한편에 대해서, 상기 표면에 부착된 불순물을 제거해서 상기 표면을 구성하는 원자를 직접 노출시키고, 활성화시키는 청정 활성화 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 압전 기판의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    접합 계면에 금속 원소를 배치한 것을 특징으로 하는 복합 압전 기판의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전체 기판에 리튬계 압전 재료를 사용한 것을 특징으로 하는 복합 압전 기판의 제조방법.
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