KR101636220B1 - 복합 기판, 압전 디바이스 및 복합 기판의 제법 - Google Patents

복합 기판, 압전 디바이스 및 복합 기판의 제법 Download PDF

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Abstract

복합 기판(10)은, 압전 기판(12)과, 압전 기판(12)에 접합되며, 접합면 내에서 결정 이방성이 없는 재료로 이루어지고, 두께가 압전 기판(12) 미만인 지지층(14)을 구비하고 있다. 또한, 압전 기판(12)과 지지층(14)은, 접착층(16)을 통해 접합되어 있다. 복합 기판(10)의 전체의 두께는 180 ㎛ 이하이다. 압전 기판(12)의 두께를 t1, 지지층(14)의 두께를 t2로 했을 때의 베이스 두께비 Tr=t2/(t1+t2)는 0.1 이상 0.4 이하이다. 두께 t1은 100 ㎛ 이하이다. 두께 t2는 50 ㎛ 이하이다. 지지층(14)은, 붕규산 유리나 석영 유리 등의 유리, Si, SiO2, 사파이어, 세라믹스, 구리 등의 금속 등으로 형성되어 있다.

Description

복합 기판, 압전 디바이스 및 복합 기판의 제법{COMPOSITE SUBSTRATE, PIEZOELECTRIC DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE SUBSTRATE}
본 발명은 복합 기판, 압전 디바이스 및 복합 기판의 제법에 관한 것이다.
종래, 압전 기판을 이용한 센서나 탄성 표면파 디바이스 등의 압전 디바이스가 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 1에는, 압전 기판 상에 빗살형의 여진 전극(oscillating electrode)(IDT 전극)을 제작한 탄성 표면파 소자가 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2006-128809호 공보
그런데, 압전 디바이스는, 휴대 전화에 이용되는 전자 부품으로서도 이용되어, 보다 소형화가 요구되고 있다. 그러나, 예컨대 탄성 표면파 디바이스의 일종인 SAW 필터는 동작 주파수에 의해 소자 사이즈가 결정되기 때문에, 실장 면적을 감소시키는 것은 어렵다. 그래서, 소형화(용적 저하)를 위해서 저배화(低背化)가 요구되고 있으며, 장래적으로는 소자의 두께를 100 ㎛ 이하로까지 하는 것이 요구되고 있다. 그러나 압전 기판의 두께가 얇아지면, LiTaO3나 LiNbO3와 같은 이방성을 갖는 단결정 재료는 크랙 등이 발생하기 쉬워 취급이 어려워진다. 이상의 점에서, LiTaO3나 LiNbO3 등의 압전 기판을, 얇고 또한 깨지기 어렵게 하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 얇고 또한 크랙의 발생을 억제할 수 있는 복합 기판을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 복합 기판은,
압전 기판과,
상기 압전 기판에 접합되며, 접합면 내에서 결정 이방성이 없는 재료로 이루어지고, 두께가 압전 기판 이하인 지지층을 구비한 것이다.
본 발명의 압전 디바이스는,
전술한 본 발명의 복합 기판과,
상기 압전 기판 상에 형성된 전극
을 구비한 것이다.
본 발명의 복합 기판의 제조 방법은,
(1) 압전 기판에, 상기 압전 기판과의 접합면 내에서 결정 이방성이 없는 재료로 이루어지는 지지층을 형성하는 공정과,
(2) 상기 압전 기판의 표면을 연마하는 공정
을 포함하고,
상기 지지층은, 상기 공정 (1)에 있어서 두께가 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 이하가 되도록 형성하거나, 상기 공정 (2) 또는 상기 공정 (2)의 전후에 있어서 그 지지층의 표면을 연마하여 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 이하로 하는 것이다.
본 발명의 복합 기판에 있어서, 접합면 내에서 이방성이 없는 재료로 이루어지는 지지층은, 예컨대 탄탈산리튬(LiTaO3, LT라고도 표기함), 니오브산리튬(LiNbO3, LN이라고도 표기함) 등의 압전체와 비교해서 깨지기 어렵다. 그 때문에, 압전 기판을 지지층으로 보강할 수 있다. 이것에 의해, 복합 기판을 얇게 할 수 있고, 또한 압전 기판이 지지층을 갖지 않는 경우와 비교하여 압전 기판에의 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 복합 기판은, 압전 기판이 지지층을 갖지 않는 경우에는 크랙이 발생해 버리는 것과 같은 두께까지, 크랙을 발생시키는 일 없이 압전 기판을 얇게 하는 것이 가능해진다. 본 발명의 압전 디바이스는, 복합 기판이 전술한 바와 같이 얇고 또한 깨지기 어려운 것이기 때문에, 종래보다 저배화한 압전 디바이스로 할 수 있다. 본 발명의 복합 기판의 제법에 의하면, 전술한 복합 기판을 비교적 간단하게 제조할 수 있다.
도 1은 복합 기판(10)의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 압전 기판(12)과 지지층(14)을 직접 접합에 의해 접합하여 얻은 복합 기판(110)의 단면의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 4는 복합 기판(10)을 탄성 표면파 디바이스인 1포트 SAW 공진자(30)의 집합체로 했을 때의 모습을 도시하는 설명도이다.
도 5는 실시예 1에서 베이스 두께비 Tr을 변경한 경우의 베이스 두께비 Tr과 최대 변위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 복합 기판은, 압전 기판과, 상기 압전 기판에 접합되며, 접합면 내에서 결정 이방성이 없는 재료로 이루어지고, 두께가 압전 기판 이하인 지지층을 구비한 것이다. 지지층은, 두께가 압전 기판 미만인 것이 바람직하다. 지지층이 얇을수록 복합 기판 전체를 얇게 할 수 있다. 지지층의 두께가 지나치게 얇으면 기계적으로 지나치게 취약해지기 때문에, 상기 압전 기판의 두께를 t1, 상기 지지층의 두께를 t2로 했을 때의 베이스 두께비 Tr=t2/(t1+t2)를 0.1 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 압전 기판과 지지층과의 열팽창 계수차에 의해 복합 기판을 가열했을 때의 휘어짐이 지나치게 커지기 때문에, 베이스 두께비 Tr을 0.4 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.3 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 베이스 두께비 Tr은 0.1 이상 0.4 이하인 것이 바람직하고, 0.1 이상 0.3 이하인 것이 보다 바람직하다. 압전 기판의 두께 t1은, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예컨대 100 ㎛ 이하이며, 50 ㎛∼70 ㎛로 해도 좋다. 지지층의 두께 t2는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예컨대 50 ㎛ 이하이며, 10 ㎛∼20 ㎛로 해도 좋다. 압전 기판의 크기는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예컨대, 직경이 50 ㎜∼150 ㎜이다. 지지층의 크기는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예컨대, 직경이 50 ㎜∼150 ㎜이다.
본 발명의 복합 기판은, 전체의 두께가 180 ㎛ 이하로 해도 좋고, 100 ㎛ 이하로 해도 좋다. 복합 기판의 전체의 두께가 얇을수록, 이것을 이용한 디바이스를 저배화할 수 있다. 한편, 압전 기판과 지지층이 접착층을 통해 접합된 복합 기판에 있어서는, 압전 기판과 지지층과 접착층의 두께의 합계가 복합 기판 전체의 두께가 된다. 또한, 압전 기판과 지지층이 직접 접합에 의해 접합된 복합 기판에 있어서는, 압전 기판과 지지층의 두께의 합계가 복합 기판 전체의 두께가 된다.
본 발명의 복합 기판에 있어서, 압전 기판으로서는, 탄탈산리튬(LiTaO3, LT라고도 표기함), 니오브산리튬(LiNbO3, LN이라고도 표기함), LN-LT 고용체 단결정, 붕산리튬, 랑가사이트(langasite), 수정 등을 들 수 있다. 복합 기판을 SAW 필터 등의 탄성 표면파 디바이스에 이용하는 경우에는, LT 또는 LN이 바람직하다. LT나 LN은, 탄성 표면파의 전파 속도가 빠르고, 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에, 고주파수 또한 광대역 주파수용의 탄성 표면파 디바이스로서 적합하기 때문이다.
본 발명의 복합 기판에 있어서, 지지층으로서는, 붕규산 유리나 석영 유리 등의 유리, Si, SiO2, 사파이어, 세라믹스 등을 들 수 있다. 세라믹스로서는, 질화알루미늄, 알루미나, ZnO나 SiC 등을 들 수 있다. 지지층의 재료를 압전 기판과 열팽창 계수가 가까운 것으로 하면, 복합 기판의 가열시의 휘어짐을 억제할 수 있다.
본 발명의 복합 기판은, 대략 원반 형상의 웨이퍼여도 좋고, 오리엔테이션 플랫(OF)을 갖고 있어도 좋다. 또한, 본 발명의 복합 기판은, 웨이퍼로부터 잘라내어진 상태여도 좋다.
본 발명의 복합 기판의 제법은, (1) 압전 기판에, 상기 압전 기판과의 접합면 내에서 결정 이방성이 없는 재료로 이루어지는 지지층을 형성하는 공정과, (2) 상기 압전 기판의 표면을 연마하는 공정을 포함하고, 상기 지지층은, 상기 공정 (1)에 있어서 두께가 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 이하가 되도록 형성하거나, 상기 공정 (2) 또는 상기 공정 (2)의 전후에 있어서 그 지지층의 표면을 연마하여 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 이하로 하는 것이다. 한편, 상기 지지층은, 상기 공정 (1)에 있어서 두께가 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 미만이 되도록 형성하거나, 상기 공정 (2) 또는 상기 공정 (2)의 전후에 있어서 그 지지층의 표면을 연마하여 상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께 미만으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 복합 기판의 제법에 있어서, 상기 공정 (1)에서는, 압전 기판과 지지층을 접착층을 통해 간접 접합함으로써 압전 기판에 지지층을 형성해도 좋고, 이른바 직접 접합에 의해 접합함으로써 압전 기판에 지지층을 형성해도 좋다. 직접 접합 기술에는, 예컨대 표면을 플라즈마 처리에 의해 활성화함으로써 상온에서의 접합을 실현하는 표면 활성화 접합과 같은 기술을 이용할 수 있다.
압전 기판에 지지층을 형성한 후에, 상기 공정 (2)에 있어서, 지지층의 두께가 연마 후의 압전 기판의 두께 이하(바람직하게는 미만)가 되도록 압전 기판 및 지지층의 표면을 각각 연마함으로써, 본 발명의 복합 기판을 얻을 수 있다. 또한, 상기 공정 (1)에 있어서, 연마 후의 압전 기판의 두께 이하(바람직하게는 미만)가 되도록 지지층을 형성 가능할 때에는, 지지층의 연마를 생략해도 좋다.
도 1은, 압전 기판(12)과 지지층(14)을 접착층(16)을 통해 접합하여 얻은 복합 기판(10)의 일례를 도시하는 설명도이다. 한편, 도 1의 복합 기판(10)은, 대략 원반 형상의 웨이퍼이며, 오리엔테이션 플랫(OF)을 갖고 있다. 도 2는, 도 1의 A-A 단면도이다. 도 3은, 압전 기판(12)과 지지층(14)을 직접 접합에 의해 접합하여 얻은 복합 기판(110)의 단면의 일례를 도시하는 설명도이다.
본 발명의 압전 디바이스는, 전술한 것 중 어느 하나의 양태의 본 발명의 복합 기판과, 상기 압전 기판 상에 형성된 전극을 구비한 것이다.
본 발명의 압전 디바이스에 있어서, 전극은, 압전 기판을 여진시킬 수 있는 것으로 해도 좋다. 압전 디바이스로서는, 예컨대, 자이로 센서나 가속도 센서 등의 센서, 액적 토출 장치 등에 적용되는 압전 액추에이터, 수정 진동자, 공진자나 필터, 콘벌버(convolver) 등의 탄성 표면파 디바이스 등을 들 수 있다. 본 발명의 압전 디바이스는, 예컨대, 본 발명의 복합 기판에 일반적인 포토리소그래피 기술을 이용하여 전극을 형성하고, 다수의 압전 디바이스의 집합체로 한 후, 다이싱에 의해 하나하나의 압전 디바이스를 잘라냄으로써 얻을 수 있다. 복합 기판(10)을 탄성 표면파 디바이스인 1포트 SAW 공진자(30)의 집합체로 했을 때의 모습을 도 4에 도시한다. 1포트 SAW 공진자(30)는, 포토리소그래피 기술에 의해, 압전 기판(12)의 표면에 한 쌍의 IDT(Interdigital Transducer) 전극(빗형 전극, 발형 전극(interdigital electrode)이라고도 함)(32, 34)과 반사 전극(36)이 형성된 것이다.
실시예
[실시예 1∼5]
실시예 1로서, 도 1, 2에 도시한 복합 기판(10)을 이하와 같이 제작하였다. 먼저, 전술한 제법의 공정 (1)에 있어서, 직경 4 인치, 두께 230 ㎛의 LiTaO3 기판[압전 기판(12)]과, 동일한 직경 및 동일한 두께의 붕규산 유리 기판[지지층(14)]을 자외선 경화 수지를 통해 접합하였다. 한편, 붕규산 유리 기판은, 코닝사 제조의 이글 XG(무알칼리 유리)를 이용하였다. 자외선으로 수지를 경화시켜 접착층(16)으로 한 후, 공정 (2)에 있어서, LiTaO3측을 그라인더로 두께 100 ㎛ 정도까지 연삭하였다. 또한 표면을 CMP 연마하여 두께 80 ㎛의 경면으로 하였다. 이어서, 붕규산 유리면을 마찬가지로 연삭, 연마해서 최종적으로 붕규산 유리면의 두께를 10 ㎛까지 얇게 하여, 실시예 1의 초박(超薄) 웨이퍼[복합 기판(10)]를 얻었다. 지지층(14)의 재료를 ZnO로 이루어지는 세라믹스, Si, 하이세람(HICERAM)(닛폰 가이시 가부시키가이샤의 등록 상표, 알루미나로 이루어지는 세라믹스), SiC로 이루어지는 세라믹스로 변경해서 마찬가지로 복합 기판을 제작하여 각각 실시예 2∼5를 얻었다. 한편, 접착층(16)의 두께는 0.3 ㎛로 하였다.
[압전 디바이스의 제작]
실시예 1∼5의 복합 기판에 대해서, 통상의 전극 작성 프로세스를 적용하여, IDT 전극을 갖는 SAW 필터 소자를 제작하였다. 구체적으로는, 복합 기판 중 LiTaO3 기판의 표면에 일반적인 포토리소그래피 기술(레지스트를 도포, 패터닝하고, 에칭 공정에 의해 전극 패턴을 형성함)에 의해 IDT 전극을 형성하고, 다이싱에 의해 하나하나의 소자를 잘라내어, 복수의 압전 디바이스를 제작하였다. 실시예 1∼4의 복합 기판은, 압전 디바이스의 제조 공정에 있어서, 모두 레지스트 도포 후의 가열(150℃)시에 웨이퍼(복합 기판)가 LiTaO3측을 위로 하여 볼록 형상으로 3 ㎜∼10 ㎜ 변형하였으나(이 변형의 휘어짐량을, 최대 변위라고 칭함), 파손되는 일 없이 소자를 형성할 수 있었다.
[베이스 두께비 Tr에 관한 시험]
다음으로 실시예 1과 동일한 구조의 복합 기판을 제작하였다. 즉, 압전 기판(12)의 두께가 80 ㎛이고, 붕규산 유리[지지층(14)]의 두께가 10 ㎛인 복합 기판(베이스 두께비 Tr=0.11)을 제작하였다. 다음으로, 보다 얇게 할 목적으로 붕규산 유리 표면을 또한 5 ㎛ 정도 연마를 한 결과, 압전 기판의 단부(端部)로부터 박리가 발생하고, 연마 중에 붕규산 유리 기판이 분쇄되어, 연마면이 상처투성이가 되었다. 이것은 유리를 지나치게 얇게 한 탓으로 연마 부하에 견딜만한 기계적 강도를 잃은 것이 원인이다. 이 점에서, 베이스 두께비 Tr은 0.1 이상으로 하는 것이 바람직하고, 지지층의 두께를 10 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 이번에는 반대로 붕규산 유리[지지층(14)]의 두께를 두껍게 할 목적으로, LiTaO3의 두께를 40 ㎛, 유리의 두께를 60 ㎛로 한(베이스 두께비 Tr=0.6으로 함) 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 복합 기판을 작성하였다. 실시예 1과 마찬가지로 SAW 필터의 전극 제작 프로세스를 적용한 결과, 레지스트의 프리베이크(150℃로 가열) 중에 웨이퍼(복합 기판) 형상이 볼록 형상으로 크게 휘어져 파손되었다.
[베이스 두께비 Tr과 최대 변위와의 관계]
LiTaO3 기판[압전 기판(12)]의 두께 t1을 100 ㎛로 일정하게 하면서, 붕규산 유리 기판[지지층(14)]의 두께 t2를 여러 가지로 변경하여 베이스 두께비 Tr을 변경한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 제법으로, 복합 기판을 복수 제작하였다. 그리고, 이 복수의 복합 기판에 대해서, 마찬가지로 레지스트의 프리베이크(150℃로 가열) 후의 휘어짐량(최대 변위)을 측정하였다. 도 5는, 이와 같이 실시예 1에서 베이스 두께비 Tr을 변경한 경우의 베이스 두께비 Tr과 최대 변위와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5로부터, 베이스 두께비 Tr이 커지면, 최대 변위가 커지는 것을 알 수 있었다.
이상의 점에서 지지층의 두께는 지나치게 얇아도 지나치게 두꺼워도 좋지 않은 것을 알 수 있었다. 도 5에 나타내는 베이스 두께비 Tr이 값 0.5(50%) 이하의 범위에서는 복합 기판의 파손은 발생하지 않고, 상기와 같이 베이스 두께비 Tr이 값 0.6일 때에는 복합 기판이 파손된 것으로부터, 베이스 두께비 Tr은 값 0.5 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 즉, 지지층은, 두께가 압전 기판 이하인 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 복합 기판을 가열했을 때의 휘어짐을 억제하는 관점에서는, 베이스 두께비 Tr을 0.5 미만으로 하는 것이 바람직하고, 베이스 두께비 Tr을 값 0.3 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 베이스 두께비 Tr은 값 0.1∼값 0.3(10% 이상 30% 이하)이 최적이다.
본 출원은, 2012년 7월 12일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/670732호를 우선권 주장의 기초로 하고 있으며, 인용에 의해 그 내용 모두가 본 명세서에 포함된다.
[산업상의 이용가능성]
본 발명은, 자이로 센서나 가속도 센서 등의 센서, 액적 토출 장치 등에 적용되는 압전 액추에이터, 공진자나 필터, 콘벌버 등의 탄성 표면파 디바이스, 수정 진동자 등의 압전 디바이스에 이용 가능하다.
10, 110: 복합 기판 12: 압전 기판
14: 지지층 16: 접착층
30: 1포트 SAW 공진자 32, 34: IDT 전극
36: 반사 전극

Claims (9)

  1. LiTaO3로 이루어진 두께 100 ㎛ 이하의 압전 기판과,
    상기 압전 기판에 접합되며, 접합면 내에서 결정 이방성이 없고 상기 압전 기판보다 열 팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 지지층
    을 구비하고,
    상기 지지층은, 붕규산 유리, ZnO로 이루어진 세라믹스, 알루미나로 이루어진 세라믹스 중 어느 하나이고,
    상기 압전 기판의 두께를 t1, 상기 지지층의 두께를 t2로 했을 때의 베이스 두께비 Tr=t2/(t1+t2)는 0.1 ~ 0.3인 것인 복합 기판.
  2. 제1항에 있어서, 전체의 두께는 100 ㎛ 이하인 것인 복합 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지층의 두께는 10 ㎛ ~ 20 ㎛인 것인 복합 기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 기판의 두께는 80 ㎛ 이하인 것인 복합 기판.
  5. 제3항에 있어서, 상기 압전 기판의 두께는 80 ㎛ 이하인 것인 복합 기판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 기판의 두께는 50 ㎛ ~ 70 ㎛인 것인 복합 기판.
  7. 제3항에 있어서, 상기 압전 기판의 두께는 50 ㎛ ~ 70 ㎛인 것인 복합 기판.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 복합 기판과,
    상기 압전 기판 상에 형성된 전극
    을 구비한 압전 디바이스.
  9. (1) LiTaO3로 이루어진 압전 기판에, 상기 압전 기판과의 접합면 내에서 결정 이방성이 없고 상기 압전 기판보다 열 팽창 계수가 작은 재료로 이루어지는 지지층을 형성하는 공정과,
    (2) 상기 압전 기판의 표면을 두께 100 ㎛ 이하까지 연마하는 공정
    을 포함하고,
    상기 지지층은, 붕규산 유리, ZnO로 이루어진 세라믹스, 알루미나로 이루어진 세라믹스 중 어느 하나이고,
    상기 공정 (2)의 연마 후의 압전 기판의 두께를 t1, 상기 지지층의 두께를 t2로 하고, Tr=t2/(t1+t2)를 베이스 두께비로 했을 때, 상기 지지층은 상기 공정 (1)에 있어서 상기 베이스 두께비 Tr가 0.1 ~ 0.3으로 되도록 형성하거나, 상기 공정 (2) 또는 상기 공정 (2)의 전후에 있어서 그 지지층의 표면을 연마하여 상기 베이스 두께비 Tr이 0.1 ~ 0.3으로 되도록 하는 복합 기판의 제법.
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