KR101677415B1

KR101677415B1 - 멀라이트 소결체, 그 제법 및 복합 기판

Info

Publication number: KR101677415B1
Application number: KR1020167006367A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 이소다; 요스케 사토; 유지 가츠다
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-11-17
Also published as: DE112015000148B4; CN105636920B; US20160185668A1; JP5861016B1; KR20160032270A; TWI570091B; WO2015186560A1; JPWO2015186560A1; US9776924B2; TW201609600A; DE112015000148T5; CN105636920A

Abstract

본 발명의 멀라이트 소결체는, 불순물 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 멀라이트 소결체로서, 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경이 8 ㎛ 이하이고, 연마 마무리한 표면에 존재하는 기공의 최대부 길이의 평균이 0.4 ㎛ 이하인 것이다. 상기 표면의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 3 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 상기 표면의 최대 높이(Rp)는 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 상기 표면에 존재하는 기공수는, 4 ㎛×4 ㎛의 면적당, 10개 이하인 것이 바람직하다.

Description

멀라이트 소결체, 그 제법 및 복합 기판{MULLITE SINTERED BODY, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND COMPOSITE SUBSTRATE}

본 발명은 멀라이트 소결체, 그 제법 및 복합 기판에 관한 것이다.

멀라이트 소결체는, 일반적으로, 산화알루미늄(Al₂O₃)과 산화규소(SiO₂)를 3 대 2의 비율로 소결한 내열충격성이 우수한 재료이며, 3Al₂O₃·2SiO₂로 표시된다. 이러한 멀라이트 소결체로서는, 예컨대 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 멀라이트 분말에 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말을 30 질량% 혼합한 분말을 성형하고, 그 성형체를 소결시킨 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에서는, 멀라이트 소결체로부터 멀라이트 기판을 잘라내고, 그 멀라이트 기판의 주표면을 연마함으로써, GaN 기판과 접합하는 데 이용되는 하지(下地) 기판으로 하고 있다. GaN의 열팽창 계수는 실온으로부터 1000℃의 범위에서 6.0 ppm/K로 되고, 멀라이트의 열팽창 계수는 5.2 ppm/K로 되어 있다. 그 때문에, 양자를 접합하여 사용하는 것을 고려하면, 멀라이트의 열팽창 계수를 높여 GaN 기판의 열팽창 계수에 근접시키는 것이 바람직하며, 그 때문에 멀라이트 분말에 YSZ 분말을 혼합하여 소결시키고 있다.

일본 특허 제5585570호 공보

그러나, 멀라이트에 상당량의 다른 성분을 첨가하여 열팽창 계수를 높인 멀라이트 소결체에 대해서는 특허문헌 1에 기재되어 있으나, 멀라이트의 순도가 높은 멀라이트 소결체(고순도 멀라이트 소결체)에 대해서는 언급되어 있지 않으며, 더구나 이러한 고순도 멀라이트 소결체이며 연마 마무리한 면의 표면 평탄성이 높은 것은 알려져 있지 않다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 고순도의 멀라이트 소결체이며 연마 마무리했을 때의 표면 평탄성이 높은 것을 제공하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 불순물 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 멀라이트 소결체로서, 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경이 8 ㎛ 이하이고, 연마 마무리한 표면에 존재하는 기공의 최대부 길이의 평균이 0.4 ㎛ 이하인 것이다. 이 멀라이트 소결체에 의하면, 연마 마무리한 면의 표면 평탄성이 높아진다.

본 발명의 멀라이트 소결체의 제법은, 순도가 99.0 질량% 이상(단, 가열에 의해 비산하는 성분은 불순물로 간주하지 않음)인 멀라이트 원료 분말을 소정 형상으로 성형한 후, 프레스 압력을 20~300 kgf/㎠, 소성 온도를 1525~1700℃로 설정하여 핫프레스 소성을 행함으로써 멀라이트 소결체를 얻는 것이다. 이 제법에 의하면, 전술한 멀라이트 소결체를 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명의 복합 기판은, 전술한 멀라이트 소결체로 이루어지는 멀라이트 기판을 지지 기판으로 하고, 탄탈산리튬, 니오브산리튬, 질화갈륨 및 실리콘으로 이루어지는 군에서 선택된 1종을 기능성 기판으로 하며, 상기 지지 기판과 상기 기능성 기판이 접합된 것이다. 이 복합 기판에 의하면, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)이 크기 때문에, 양호한 접합성을 나타낸다.

도 1은 멀라이트 기판의 제조 플로우이다.
도 2는 복합 기판(10)의 사시도이다.
도 3은 복합 기판(10)을 이용하여 제작한 전자 디바이스(30)의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 기초하여, 적절히 변경, 개량 등이 가해지는 것이 이해되어야 한다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 불순물 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 멀라이트 소결체로서, 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경이 8 ㎛ 이하(바람직하게는 5 ㎛ 이하)이고, 연마 마무리한 표면에 존재하는 기공의 최대부 길이의 평균이 0.4 ㎛ 이하(바람직하게는 0.3 ㎛ 이하)인 것이다. 본 발명에 있어서, 불순물 원소란, Al, Si, O 이외의 원소이며, 그 함유율은, 고주파 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법에 의해 구하였다. 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경은, 연마에 의해 경면 형상으로 마무리한 면을 인산으로 케미컬 에칭하고, SEM으로 200개 이상의 멀라이트 소결 입자의 입자 직경을 측정하며, 그 평균을 선분법을 이용함으로써 산출하였다. 또한, 기공의 최대부 길이의 평균은, 동일하게 해서 마무리한 면을 AFM 관찰하여, 기공의 최대부의 길이의 평균을 산출하고, 그것을 단위 면적(1 ㎛ 사방의 면적)당으로 환산하여 구하였다. 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경이 8 ㎛를 초과하면, 소결 입자마다의 연마되기 쉽거나 어려운 것의 차이에 의해 입자 단위에서의 단차가 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 기공의 최대부 길이의 평균이 0.4 ㎛를 초과하면, 그 기공부를 중심으로 하여 접합 불량이 되는 부분이 지나치게 커지기 때문에 바람직하지 않다. 본 발명의 멀라이트 소결체는, 멀라이트 성분 이외의 이상(異相)이 매우 적기 때문에, 표면을 경면 형상으로 연마했을 때의 표면 평탄성이 높다. 표면 평탄성은, 예컨대, 경면 형상으로 연마 마무리한 표면의 중심선 평균 거칠기 Ra나 최대 산 높이 Rp, 그 표면에 존재하는 기공수에 의해 평가할 수 있다. 덧붙여서 말하면, 이상 성분이 많으면, 멀라이트와 이상 성분 사이에서 연마되기 쉬운 정도가 상이하고, 특히 이상 성분이 연마되기 어려워 볼록 형상으로 남기 쉽기 때문에, 표면 평탄성이 충분히 높아지지 않는다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 중심선 평균 거칠기 Ra가 3 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 2.5 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 최대 산 높이 Rp는 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 25 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 표면에 존재하는 기공수는, 4 ㎛×4 ㎛의 면적당, 10개 이하인 것이 바람직하고, 7개 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 본 발명에 있어서, 중심선 평균 거칠기 Ra나 최대 산 높이 Rp는, 연마에 의해 경면 형상으로 마무리한 면을 3차원 광학 프로파일러를 이용하여 측정한 값이며, 측정 범위는 100 ㎛×140 ㎛로 하였다. 한편, 본 명세서 중의 중심선 평균 거칠기 Ra 및 최대 산 높이 Rp는, JIS B 0601:2013에서 규정되는, 산술 평균 거칠기 Ra, 거칠기 곡선의 최대 산 높이 Rp에 각각 대응한다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 4점 굽힘 강도가 280 ㎫ 이상인 것이 바람직하고, 300 ㎫ 이상인 것이 보다 바람직하다. 이러한 멀라이트 소결체는, 강도가 충분히 높기 때문에, 이용하는 장면에 있어서 용이하게 변형하는 일이 없다. 한편, 본 발명에 있어서, 4점 굽힘 강도는, JISR1601에 준하여 측정한 값으로 하였다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 불순물 원소의 함유량이 0.5 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.1 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 이러한 멀라이트 소결체는, 연마되기 어려워 볼록 형상으로 남기 쉬운 이상 성분의 함유량이 더욱 적기 때문에, 표면 평탄성이 더욱 향상된다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 멀라이트 소결체를 두께 0.1 ㎜의 판형체로 했을 때의 파장 550 ㎚의 광에 대한 전체 투광률이 20% 이상인 것이 바람직하다. 전체 투광률은, 소정 두께의 멀라이트 소결체의 시험편에 대해, 파장 200~3000 ㎚의 광에 대한 전체 투광률을 측정하고, 550 ㎚의 파장에 대한 전체 투광률을 구하며, 그것을 두께 0.1 ㎜로 환산한 값으로 하였다. 이러한 멀라이트 소결체는, 예컨대, 멀라이트 기판으로 가공한 후 Si 등 광투과성이 없는 기판과 접합한 경우에 있어서, 멀라이트 기판측으로부터의 육안 관찰이나 현미경 관찰에 의해, 접합 상태를 용이하게 검사할 수 있다.

본 발명의 멀라이트 소결체의 제법은, 순도가 99.0 질량% 이상(단, 가열에 의해 비산하는 성분은 불순물로 간주하지 않음)인 멀라이트 원료 분말을 소정 형상으로 성형한 후, 프레스 압력을 20~300 kgf/㎠, 소성 온도(소성시의 최고 온도)를 1525~1700℃로 설정하여 핫프레스 소성을 행함으로써 멀라이트 소결체를 얻는 것이다.

멀라이트 기판의 제조 순서의 일례를 도 1의 제조 플로우에 따라 이하에 설명한다.

(멀라이트 원료 분말의 준비)

멀라이트 원료 분말에는, 시판의 것을 사용할 수 있으나, 순도가 높고, 평균 입자 직경이 작은 것이 바람직하다. 예컨대, 순도는 99.0% 이상이 바람직하고, 99.5% 이상이 보다 바람직하며, 99.8% 이상이 더욱 바람직하다. 순도의 단위는, 질량%이다. 또한, 평균 입자 직경(D50)은 3 ㎛ 이하가 바람직하고, 2 ㎛ 이하가 보다 바람직하며, 1 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 평균 입자 직경(D50)의 측정 방법은, 레이저 회절법이다. 이러한 고순도이며 미립인 원료를 사용함으로써, 핫프레스 소성에 의해 저온에서 멀라이트를 치밀화할 수 있고, 불순물에 의한 이상이나 이상 성장한 입자의 생성을 억제할 수 있으며, 멀라이트 소결 입자가 미세하고 균질한 소결체를 제작할 수 있다.

또한, 고순도의 Al₂O₃ 성분이나 SiO₂ 성분을 소정 비율로 배합한 혼합 분말을 소성하여 멀라이트 조립물(粗粒物)을 일단 제작하고, 그 조립물을 분쇄하여 멀라이트 원료 분말로 해도 좋다. 이 경우도 불순물 함유량을 적게 하기 위해서, Al₂O₃ 성분이나 SiO₂ 성분에는 순도가 높은 것이 바람직하고, 또한, 조립물을 미분화하는 경우에는 알루미나제의 각종 미디어(볼이나 용기 등)를 사용하는 것이 바람직하다. 내마모성이 높은 지르코니아제의 미디어를 사용할 수도 있으나, 이 경우에는 분쇄 시간을 짧게 하여 오염물(contamination)이 되는 지르코니아 성분의 혼입량을 적게 하는 것에 유의가 필요해진다. 한편, 금속제 미디어는 마모에 의해 혼입되는 불순물량이 많아지기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 가열에 의해 비산하는 성분, 예컨대 CO₂, H₂O 등이 되는 성분은 원료 분말의 불순물에 포함시킬 필요는 없다. 또한, 멀라이트 조성물을 제작하기 위한 혼합 분말에는, 가열에 의해 Al₂O₃ 성분이나 SiO₂ 성분을 생성하는 이른바 전구체 물질을 이용해도 좋다.

(멀라이트 소결체의 제작)

다음으로, 상기와 같은 멀라이트 원료 분말을 소정 형상으로 성형한 후, 핫프레스에 의해 치밀한 멀라이트 소결체를 제작한다. 성형에는, 금형을 사용한 프레스 성형이나 냉간 정수압 프레스(CIP), 혹은 배토를 제작하여 압출 성형하거나, 슬러리의 캐스팅 성형이나 테이프 성형 등, 기존의 기술을 이용하면 된다. 이때, 성형의 보조 성분으로서 원료 분말, 배토나 슬러리 등에 첨가한 바인더 등의 유기 성분은, 소성 전에 가열 제거해 두는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 멀라이트 기판에 함유되는 불순물 탄소 성분의 함유량을 적게 할 수 있다.

이와 같이 하여 제작한 멀라이트 원료 분말 성형체는, 가열 소성되어 치밀한 멀라이트 소결체로 할 수 있다. 이때, 소결 입자를 미세하게 유지하면서 소결 중에 기공을 배출하는 것이, 높은 표면 평탄성을 갖는 멀라이트 기판을 제작하기 위해서 중요하며, 특히 핫프레스에 의해 소성하는 방법이 유효하다. 이 핫프레스에서는, 흑연제의 틀에 성형체를 수납한 후, 상하의 펀치봉과 다이스에 의해 성형체를 가압하면서 소성하기 때문에, 일반적인 상압 소결에 비해 저온에서 멀라이트 입자가 미세한 그대로 치밀화가 진행된다. 이 방법에 의해, 상압 소결에서 잘 보여지는 조대한 기공의 잔류나 멀라이트 입자의 성장에 의한 조대화를 억제할 수 있다. 이 핫프레스의 소성 온도는 1525~1700℃인 것이 바람직하고, 1550~1650℃인 것이 보다 바람직하다. 또한, 핫프레스시의 프레스 압력은 20~300 kgf/㎠로 하는 것이 바람직하다. 소성 온도(최고 온도)에서의 유지 시간은, 성형체 형상이나 크기, 가열로(加熱爐)의 특징 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있으나, 바람직한 유지 시간은, 예컨대 1~12시간, 보다 바람직하게는 2~8시간이다. 핫프레스 소성시의 분위기는, 질소, 아르곤 등의 불활성 분위기, 또는 진공 분위기를 이용하면 된다.

(멀라이트 기판의 제작)

상기와 같이 제작한 멀라이트 소결체로부터, 멀라이트 기판을 제작한다. 이때, 먼저 소결체의 외주를 소정의 형상으로 가공하고, 그 후에 얇은 원판 형상으로 슬라이스하여 멀라이트 기판을 잘라낸다. 다음으로, 잘라낸 멀라이트 기판의 양 표면을 다이아 랩 연마 및 CMP 연마 등에 의해 평탄하게 한다. 그 후, 일반적으로 이용되는 아민 용액이나 SPM(황산과수) 용액, RCA 세정액 등을 이용해서 멀라이트 기판을 세정하여, 기판 표면의 금속, 유기물 등의 오염물이나 파티클 등의 제거를 행하여, 복합 기판의 제작에 필요한 청정한 표면을 가진 멀라이트 기판을 얻는다.

본 발명의 복합 기판은, 지지 기판과 기능성 기판이 접합된 복합 기판으로서, 상기 지지 기판은, 전술한 어느 하나의 멀라이트 소결체로 이루어지는 멀라이트 기판인 것이다. 기능성 기판으로서는, 예컨대 탄탈산리튬(LT) 기판, 니오브산리튬(LN) 기판 등의 압전 기판이나 질화갈륨(GaN) 기판, 실리콘(Si) 기판 등의 반도체 기판 등을 들 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 접합 방법은, 직접 접합이어도 좋고, 접착층을 통한 접합이어도 좋으나, 직접 접합이 바람직하다. 직접 접합의 경우에는, 기능성 기판과 멀라이트 지지 기판의 각각의 접합면을 활성화한 후, 양 접합면을 마주보게 한 상태에서 양 기판을 압박한다. 접합면의 활성화는, 예컨대, 접합면에의 불활성 가스(아르곤 등)의 이온빔의 조사 외에, 플라즈마나 중성 원자빔의 조사 등으로 행한다. 한편, 접착층을 통해 접합하는 경우에는, 접착층으로서, 예컨대 에폭시 수지나 아크릴 수지 등을 이용할 수 있다. 도 2에 복합 기판의 일례를 도시한다. 복합 기판(10)은, 기능성 기판인 압전 기판(12)과 지지 기판(14)이 직접 접합에 의해 접합된 것이다.

본 발명의 복합 기판은, 지지 기판이 전술한 멀라이트 기판에 의해 제작되어 있기 때문에, 지지 기판의 표면 평탄성이 높고, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)을 높게 할 수 있다(예컨대 80% 이상). 이와 같이 하여 제작한 복합 기판은 양호한 접합성을 나타내기 때문에, 필요에 따라, 기능성 기판면이나 멀라이트 지지 기판면을 연마 가공하여, 얇게 할 수 있다.

본 발명의 복합 기판은, 이와 같이 기계적 특성이 우수한 멀라이트 기판을 지지 기판에 이용하고 있기 때문에, 전자 디바이스의 소형·저배화(低背化) 요구에 부응하는 것이 된다. 이러한 전자 디바이스로서는, 탄성파 디바이스(탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등) 외에, LED 디바이스, 광도파로 디바이스, 스위치 디바이스, 반도체 디바이스 등을 들 수 있다. 탄성파 디바이스에 전술한 복합 기판을 이용하는 경우에는, 지지 기판인 멀라이트 기판의 열팽창 계수가 4.4 ppm/K(40-400℃) 정도로 작고, 영률이 220 ㎬ 이상으로 크기 때문에, 탄성파 디바이스 자체의 온도 변화에 의한 팽창이나 수축을 작게 할 수 있고, 이에 의해 주파수의 온도 의존성이 크게 개선된다. 또한, 멀라이트 기판 자체가 미세 입자이고 기공 등의 결함이 적으며 치밀화되어 있기 때문에, 280 ㎫ 이상의 높은 강도가 얻어지고, 지지 기판으로서의 신뢰성이 높은 것이 된다. 도 3에 복합 기판(10)을 이용하여 제작한 전자 디바이스(30)의 일례를 도시한다. 전자 디바이스(30)는, 1포트 SAW 공진자, 즉 탄성 표면파 디바이스이다. 먼저, 복합 기판(10)의 압전 기판(12)에 일반적인 포토리소그래피 기술을 이용하여 다수의 전자 디바이스(30)의 패턴을 형성하고, 그 후, 다이싱에 의해 하나하나의 전자 디바이스(30)로 잘라낸다. 전자 디바이스(30)는, 포토리소그래피 기술에 의해, 압전 기판(12)의 표면에 IDT(Interdigital Transducer) 전극(32, 34)과 반사 전극(36)이 형성된 것이다.

또한, 멀라이트 기판을 실리콘 기판과 비교한 경우에 있어서는, 멀라이트는 같은 정도의 열팽창 계수를 갖고, 또한, 고강도, 고영률이기 때문에, 휘어지기 어렵고 깨지기 어렵다고 하는 이점을 갖는다. 또한, 전기 절연성이 실리콘이나 고저항 실리콘보다 현격히 높기 때문에, 절연성을 구비한 지지 기판으로서 이용 가능해진다. GaN의 지지 기판으로 한 경우도 마찬가지로, 기계적 특성이 우수하기 때문에 신뢰성이 높고, 더 저렴하게 제작할 수 있다고도 말할 수 있다. 이들, 멀라이트를 지지 기판으로 한 복합 기판은, 실리콘이나 GaN과 열팽창률이 같은 정도가 되기 때문에, 기존의 실리콘이나 GaN에서의 제조 공정에 적용시키기 쉽다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해 더 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다.

1. 멀라이트 원료 분말의 제작

멀라이트 원료 분말 A로서, 시판의 순도 99.9% 이상, 평균 입자 직경 0.7 ㎛의 멀라이트 분말을 이용하였다. 멀라이트 원료 분말 B로서, 시판의 평균 입자 직경 1 ㎛ 이하, 순도 99.9% 이상의 고순도의 알루미나, 실리카 분말을 출발 원료로 하고, 이들을 알루미나 미디어를 이용하여 습식 혼합 후, 건조하여 얻은 혼합 원료를 가열함으로써 멀라이트를 합성하며, 또한 알루미나 미디어를 이용하여 습식 분쇄한 후에 건조한 것을 이용하였다. 한편, 멀라이트 원료 분말 B의 순도는 99.9% 이상, 평균 입자 직경은 D50=0.9 ㎛였다. 원료 분말 C로서, 순도 99.0%, 평균 입자 직경 2.2 ㎛의 것을 이용하였다. 원료 분말 D로서, 순도 98.5%, 평균 입자 직경 3.6 ㎛의 것을 이용하였다. 원료 분말 C 및 D에 포함되는 주요한 불순물은, Fe, Ti, Ca, Na 등이었다. 한편, 상기 순도는 멀라이트 구성 원소인 Si, Al, O 원소의 함유량을 질량%로 나타낸 것이며, 이들 3원소 이외의 원소를 불순물 원소로 하였다.

2. 멀라이트 소결체의 제작

상기한 멀라이트 원료 분말을, 직경 약 125 ㎜의 금형에 넣고, 두께 10~15 ㎜ 정도의 원반 형상으로 200 kgf/㎠의 압력으로 성형하여, 멀라이트 성형체를 얻었다. 계속해서, 내부 직경 약 125 ㎜의 핫프레스용의 흑연틀에 멀라이트 성형체를 수납하고, 핫프레스로(hot press furnace)에서 직경 약 125 ㎜이며 두께 5~8 ㎜ 정도의 멀라이트 소결체를 제작하였다. 한편, 소성시의 최고 온도(소성 온도)를 1500~1750℃, 소성 온도에서의 유지 시간을 5 hr로 하고, 승온 속도, 강온 속도 모두 200℃/hr로 하였다. 프레스 하중은 승온 중의 900℃ 이상에서 200 kgf/㎠로 하고, 노(爐) 내 분위기는 900℃까지는 진공으로 하고, 900℃ 도달 후에 Ar을 도입하여 Ar하에서 소결을 진행시켰다. 소성 온도에서 소정 시간 유지한 후에는 1200℃까지 강온하고, 프레스 하중과 노 내 분위기의 제어를 멈추며, 실온까지 자연 냉각하였다.

3. 특성 평가

얻어진 소결체로부터 4×3×40 ㎜ 사이즈의 항절봉(抗折棒) 등을 잘라내어, 각종 특성을 평가하였다. 또한, 소결체 표면의 성상(性狀)은, 4×3×10 ㎜ 정도의 시험편의 일면을 연마에 의해 경면 형상으로 마무리하여 평가하였다. 연마는 3 ㎛의 다이아몬드 지립, 0.5 ㎛의 다이아몬드 지립의 순으로 진행시키고, 최종 마무리에는 콜로이달 실리카 슬러리(pH=11, 입자 직경 80 ㎚)와 부직포 패드를 이용한 버프 연마를 행하였다.

(1) 부피 밀도, 개기공률

증류수를 이용한 아르키메데스법에 의해 측정하였다.

(2) 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경

상기와 같이 경면 형상으로 마무리한 면을 인산으로 케미컬 에칭을 하고, SEM으로 멀라이트 소결 입자의 크기를 200개 이상 측정하며, 선분법을 이용하여 평균 입자 직경을 산출하였다. 선분법의 계수는 1.5로 하고, SEM으로 실측된 길이에 1.5를 곱한 것을 각 소결 입자의 입자 직경으로 하였다.

(3) 기공수, 기공 최대 길이 평균

상기와 같이 경면 형상으로 마무리한 면을 AFM 관찰하여, 최대 길이가 0.1 ㎛ 이상인 기공의 계수값과, 기공의 최대부의 길이의 평균값을, 각각 기공수, 기공 최대 길이 평균으로 하였다. 한편, 각각의 단위 면적을 □4 ㎛(4 ㎛ 사방의 면적)로서 표기하였다.

(4) 표면 평탄성

상기와 같이 경면 형상으로 마무리한 면에 대해, 3차원 광학 프로파일러 Zygo를 이용하여 중심선 평균 거칠기 Ra와, 최대 산 높이 Rp를 측정하고, 표면 평탄성으로 하였다. 측정 범위는, 100 ㎛×140 ㎛로 하였다.

(5) 굽힘 강도

실온에서 JIS R1601에 준한 방법에 의해, 4점 굽힘 강도를 측정하였다.

(6) 조성 분석(불순물량)

고주파 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법에 의해, 원료 분말, 소결체 분쇄물의 Al₂O₃, SiO₂, 불순물 성분량을 측정하였다.

(7) 광학 특성(전체 투광률)

두께 0.3~0.5 ㎜의 시험편에 대해, 파장 200~3000 ㎚의 광에 대한 전체 투광률을 측정하고, 550 ㎚의 파장에 대한 전체 투광률을 대표값으로 하며, 두께 0.1 ㎜로 환산한 값을 나타내었다. 측정에는 분광 광도계를 이용하고, 시료면의 법선 방향으로부터 평행에 가까운 광선속(光線束)을 입사시켜 시료의 투과광을 측정하였다. 표준 시료는, 광로 중에 시료를 삽입하지 않는 경우의 공기층으로 하고, 그 분광 투과율을 1로 하며, 시료의 투과광을 적분구로 받음으로써 전체 투광률을 산출하였다.

(8) 결정상

소결체의 분쇄물에 대해, XRD 장치를 이용하여 결정상을 동정(同定)하였다. XRD 장치에는, 리가쿠 덴키 제조 회전 대음극형 RINT를 이용하고, CuKα, 50 ㎸, 300 ㎃, 2θ=5-70°를 측정 조건으로 하였다.

4. 멀라이트 기판, 복합 기판의 제작

얻어진 멀라이트 소결체를 가공하여, 직경 100 ㎜, 두께 600 ㎛ 정도의 원반 형상 기판을 잘라내었다. 이 기판의 양면을 CMP 마무리한 후에, 세정을 해서 기판 표면의 파티클이나 오염 물질 등을 제거하여, 멀라이트 기판을 제작하였다. 다음으로, 이 멀라이트 기판을 지지 기판으로 하고, 기능성 기판이 되는 LT 기판, LN 기판, Si 기판과의 직접 접합을 실시하였다. 이 접합은, 먼저 기능성 기판과 멀라이트 지지 기판의 각각의 접합면을 아르곤의 이온빔에 의해 활성화를 하고, 그 후에 양 접합면을 마주보게 해서 10 tonf로 압박하여, 접합을 하였다.

(실험예 1~6)

실험예 1~6에서는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 원료 분말 A를 이용해서, 소성 온도를 1500~1750℃로 하여 멀라이트 소결체를 제작하고, 그 멀라이트 소결체로부터 기판을 제작하였다. 표 1에 멀라이트 소결체 및 기판의 특성을 나타낸다.

실험예 1은 소성 온도가 1500℃이고, 소결체의 부피 밀도는 2.84 g/㎤로 낮으며, 개기공률은 8.7%로 높고, 치밀화가 부족했다. 소결체의 파면(破面)에 의해 1~2 ㎛ 크기의 구멍이 다수 보이고, 지지 기판으로서 접합에 제공할 수 없는 상태였다(□100 ㎛에서 구멍이 100개 이상). 한편, 소결체의 결정상의 해석으로부터, 크리스토발라이트(cristobalite), 커런덤이라고 생각되는 이상이 극히 미량 보였다.

실험예 2는 소성 온도를 1550℃로 한 것이고, 소결체의 부피 밀도는 3.15 g/㎤, 개기공률은 0.1% 이하이며, 연마면은 경면 형상으로 마무리되었다. 연마면 관찰로부터 잔류 기공은 매우 작고, 수도 적으며, 충분히 치밀화할 수 있었던 것과, 멀라이트 소결 입자 직경도 2 ㎛로 매우 작은 것을 알 수 있었다. XRD로부터, 멀라이트 이외의 이상이라고 생각되는 결정상은 보이지 않았다. 연마면의 AFM 관찰에 의한 기공수는 7개/□4 ㎛로 적고, Ra는 1.5 ㎚, Rp는 19 ㎚로 모두 작으며, 평탄성이 높은 멀라이트 기판을 제작할 수 있었다. 이 기판과 LT 기판을 직접 접합한 결과, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)은 거의 100%이며, 매우 양호하게 접합하고 있었다.

실험예 3, 4, 5는 소성 온도를, 1600℃, 1650℃, 1700℃로 한 것이다. 모두 부피 밀도는 높고, 개기공률은 낮으며, 실험예 2와 마찬가지로 충분히 치밀화할 수 있었다. 연마면의 기공수, Ra, Rp는 모두 양호하였으나, 소성 온도가 높아짐에 따라, 기공수는 더 감소해 가는 한편, Ra, Rp는 증가 경향에 있었다. 이것은, 소성 온도가 높을수록 멀라이트의 입자 성장이 진행되어 가고, 입자 성장과 함께 기공의 배출이 진행되지만, 그 한편으로 멀라이트 소결 입자가 커짐으로써 기판 표면을 연마 마무리했을 때의 멀라이트 소결 입자의 입자마다의 요철이 발생하기 쉬워지기 때문이라고 생각된다. 이 관점에서, 소성 온도는 1700℃까지가 바람직하다. 한편, 결정상은 실험예 3, 4, 5 어느 소결체 모두 멀라이트 이외의 이상은 보이지 않았다. 실험예 3, 4, 5의 멀라이트 기판은, 실험예 2와 마찬가지로 LT 기판과 양호하게 직접 접합할 수 있고, 접합 면적 비율은 90%~100%였다.

실험예 6은 소성 온도를 1750℃로 한 것이다. 실험예 5까지보다도 소성 온도가 높기 때문에 멀라이트의 입자 성장이 더욱 진행되어, 소결 입자 직경은 10 ㎛가 되고, 기공도 큰 것이 증가하였다. 그 결과, 연마 마무리면의 Ra는 5.6 ㎚, Rp는 46 ㎚가 되어, 표면의 평탄성이 나빠졌다. 실험예 6의 멀라이트 기판을 이용하여 실험예 2와 마찬가지로 직접 접합을 시도하였으나, 접합 면적 비율은 40%에도 이르지 않아, 복합 기판으로 할 수 없었다.

이들 실험예 1~6의 멀라이트 소결체의 굽힘 강도는, 치밀화 부족인 실험예 1이 130 ㎫로 낮으나, 충분히 치밀화할 수 있었던 실험예 2~6에서는 250 ㎫ 이상의 강도가 얻어졌다. 그 중에서도, 실험예 2~5는 280 ㎫를 초과하는 높은 강도를 갖고 있고, 복합 기판의 지지 기판으로서 이용했을 때에 기계적으로 강하며, 열 등의 반복 부하에 대한 안정성도 높고, 신뢰성이 우수한 것이 된다. 이 관점에서, 300 ㎫ 이상의 강도를 갖는 실험예 2~4의 멀라이트 기판이 더욱 적합한 것이라고 할 수 있다.

(실험예 7~9)

원료 분말 B를 이용하여, 실험예 3과 동일한 방법으로 핫프레스 소성을 행함으로써 멀라이트 소결체를 제작하였다. 소결체의 부피 밀도는 3.15 g/㎤로 높고, 개기공률은 0.03% 미만으로 낮으며, 충분히 치밀화되어 있었다. 연마면에 의한 소결 입자 직경, 기공 길이, 기공수, Ra, Rp는 모두 실험예 3과 마찬가지로 작으며, 양호하였다. 결정상도 멀라이트 이외에는 검출되지 않았다. 이 멀라이트 소결체로부터 3장의 멀라이트 기판을 잘라내었다. 1개째의 멀라이트 기판은 LT 기판과 직접 접합하고(실험예 7), 2개째의 멀라이트 기판은 LN 기판과 직접 접합하며(실험예 8), 3개째의 멀라이트 기판은 Si 기판과 직접 접합하였다. 그러한 결과, 모두 접합 면적 비율이 거의 100%이며, 매우 양호하게 접합하고 있었다.

(실험예 10~11)

실험예 10, 11에서는, 각각 원료 분말 C, D를 이용해서, 실험예 3과 동일한 방법으로 핫프레스 소성을 하여, 멀라이트 소결체를 제작하였다. 어느 쪽의 멀라이트 소결체도, 부피 밀도는 높고 치밀화는 진행되어 있으나, 개기공률이 약간 높아져 있기 때문에 소결체 내부에 기공이 갇힌 상태인 것을 알 수 있다. 멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경도 실험예 3에 비해 커지고 있고, 원료에 함유된 불순물 원소가 소결 과정에서의 입자 성장을 촉진할 가능성이 생각된다. 연마 마무리면의 Ra, Rp는 모두 크고, 입자 성장이 진행된 것, 결정상 해석으로부터 멀라이트에 귀속할 수 없는 작은 피크가 보였기 때문에, 불순물 원소가 이상부(異相部)가 되어 연마면에서 볼록 형상으로 존재하고 있는 것이 생각된다. 이들은 복합 기판의 지지 기판에는 부적당하다고 판단하였다.

또한, 실험예 2~9의 멀라이트 소결체는, 고순도, 고밀도로 균질하게 치밀화되어 있기 때문에, 전체 투광률이 20%를 초과하는 높은 값으로 되어 있다. 이에 의해, Si 등 광투과성이 없는 기판과 접합을 한 경우에 있어서도, 멀라이트 기판측으로부터의 육안이나 현미경을 사용한 관찰에 의해, 기포부 등 접합 불량부를 파악할 수 있다.

한편, 전술한 실험예 1~11 중, 실험예 2~5, 7~9가 본 발명의 실시예, 실험예 1, 6, 10, 11이 비교예에 상당한다.

본 출원은, 2014년 6월 6일에 출원된 일본국 특허 출원 제2014-117926호 및 2015년 3월 17일에 출원된 일본국 특허 출원 제2015-53190호를 우선권 주장의 기초로 하고 있으며, 인용에 의해 그 내용 모두가 본 명세서에 포함된다.

한편, 전술한 실시예는 본 발명을 조금도 한정하는 것이 아님은 물론이다.

본 발명의 멀라이트 소결체는, 예컨대, 탄성 표면파 디바이스와 같은 전자 디바이스에 이용 가능하다.

10: 복합 기판 12: 압전 기판
14: 지지 기판 30: 전자 디바이스
32, 34: IDT 전극 36: 반사 전극

Claims

불순물 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 멀라이트 소결체로서,
멀라이트 소결 입자의 평균 입자 직경이 8 ㎛ 이하이고, 연마 마무리한 표면에 존재하는 기공의 최대부 길이의 평균이 0.4 ㎛ 이하이며, 상기 표면의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎚ 이하인 멀라이트 소결체.
삭제
제1항에 있어서, 상기 표면의 최대 높이(Rp)가 30 ㎚ 이하인 멀라이트 소결체.
제1항에 있어서, 상기 표면에 존재하는 기공수가, 4 ㎛×4 ㎛의 면적당, 10개 이하인 멀라이트 소결체.
제1항에 있어서, 4점 굽힘 강도가 280 ㎫ 이상인 멀라이트 소결체.
제1항에 있어서, 불순물 원소의 함유량이 0.5 질량% 이하인 멀라이트 소결체.
제1항에 있어서, 상기 멀라이트 소결체를 두께 0.1 ㎜의 판형체로 했을 때의 파장 550 ㎚의 광에 대한 전체 투광률이 20% 이상인 멀라이트 소결체.
순도가 99.0 질량% 이상(단, 가열에 의해 비산하는 성분은 불순물로 간주하지 않음)인 멀라이트 원료 분말을 소정 형상으로 성형한 후, 프레스 압력을 20~300 kgf/㎠, 소성 온도를 1525~1700℃로 설정하여 핫프레스 소성을 행함으로써 멀라이트 소결체를 얻는, 제1항에 따른 멀라이트 소결체의 제법.
지지 기판과 기능성 기판이 접합된 복합 기판으로서,
상기 지지 기판은, 제1항에 기재된 멀라이트 소결체로 이루어지는 멀라이트 기판인 복합 기판.