KR102287003B1 - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
[과제] 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판을 압전성 단결정 기판에 대하여 접합한 접합체에 있어서, 고저항 접합층을 이용하면서, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 향상시킨다.
[해결수단] 접합체(5, 5A)는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과, 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판(1)과, 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층(2A)과, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 마련되고, 규소 원자, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층(8)을 구비한다. 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자의 농도가, 접합층(2A) 내에 있어서의 산소 원자의 평균 농도보다 높다.
[해결수단] 접합체(5, 5A)는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과, 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판(1)과, 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층(2A)과, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 마련되고, 규소 원자, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층(8)을 구비한다. 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자의 농도가, 접합층(2A) 내에 있어서의 산소 원자의 평균 농도보다 높다.
Description
본 발명은 접합체 및 탄성파 소자에 관한 것이다.
휴대 전화 등에 사용되는 필터 소자나 발진자로서 기능시킬 수 있는 탄성 표면파 디바이스나, 압전 박막을 이용한 램파 소자나 박막 공진자(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator) 등의 탄성파 디바이스가 알려져 있다. 이러한 탄성파 디바이스로서는, 지지 기판과 탄성 표면파를 전파시키는 압전 기판을 접합하고, 압전 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진 가능한 빗형 전극을 마련한 것이 알려져 있다. 이와 같이 압전 기판보다 작은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판을 압전 기판에 첩부함으로써, 온도가 변화하였을 때의 압전 기판의 크기의 변화를 억제하여, 탄성 표면파 디바이스로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
특허문헌 1에는, 압전성 단결정 기판과 실리콘 기판을, 에폭시 접착제를 포함하는 접착층에 의해 접합한 구조의 탄성 표면파 디바이스가 제안되어 있다.
압전 기판과 실리콘 기판을 접합하는 데 있어서, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다. 이 접합 시에는, 산화규소막 표면과 실리콘 기판 표면에 플라즈마 빔을 조사하여 표면을 활성화하여, 직접 접합을 행한다(특허문헌 2).
또한, 소위 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사하여 활성화하여, 직접 접합한다(특허문헌 3).
압전성 단결정 기판을, 실리콘 기판이 아니라, 세라믹스(알루미나, 질화알루미늄, 질화규소)를 포함하는 지지 기판에 대하여, 중간층을 통해 직접 접합하는 것이 기재되어 있다(특허문헌 4). 이 중간층의 재질은, 규소, 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄으로 되어 있다.
또한, 압전 기판과 지지 기판을 유기 접착층으로 접착하는 데 있어서, 지지 기판의 압전 기판에 대한 접착면의 Rt(거칠기 곡선의 최대 단면 높이)를 5 ㎚ 이상, 50 ㎚ 이하로 함으로써, 응력 완화에 의한 깨짐 방지 효과를 얻는 것이 기재되어 있다(특허문헌 5).
그러나, 접합체의 용도에 따라서는, 접합층에 있어서의 전기 저항을 높게 함으로써 절연성을 높이는 것이 요구되고 있다. 예컨대, 탄성파 소자의 경우에는, 접합층의 절연성을 높게 함으로써, 노이즈나 손실을 저감할 수 있다. 그러나, 고저항의 접합층에 의해 지지 기판을 압전성 단결정 기판에 대하여 높은 강도로 접합하는 것은 곤란하고, 이후의 가공 공정에서 압전성 단결정 기판과 지지 기판 사이에서 박리가 생기기 쉽다.
본 발명의 과제는, 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판을 압전성 단결정 기판에 대하여 접합한 접합체에 있어서, 고저항 접합층을 이용하면서, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 향상시킬 수 있는 것 같은 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 접합체는, 압전성 단결정 기판과,
단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판과,
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층과,
상기 지지 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, 규소 원자, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층을 구비한 접합체로서,
상기 비정질층의 상기 접합층측 단부(端部)에 있어서의 산소 원자의 농도가, 상기 접합층 내에 있어서의 산소 원자의 평균 농도보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 소자는,
상기 접합체 및
상기 압전성 단결정 기판 상에 마련된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 특정 조성의 접합층을 마련함으로써, 접합층에 있어서의 절연성을 높게 하면서, 접합 강도를 담보할 수 있다.
게다가, 이러한 접합층을 마련한 경우에는, 압전성 단결정 기판 상의 접합층과 지지 기판의 계면을 따라, 얇은 비정질층이 생긴다. 그러나, 이렇게 해서 얻어진 접합체에 대해서, 압전성 단결정 기판을 연마 가공 등에 의해 얇게 해 가면, 지지 기판으로부터의 박리가 생기는 경우가 있었다. 이것은 압전성 단결정 기판의 지지 기판에 대한 접합 강도가 충분히는 높지 않은 것을 나타내고 있다.
이 때문에, 본 발명자는, 접합 강도의 저하의 원인에 대해서 검토하였다. 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판에 대하여, Si(1-x)Ox를 포함하는 고저항의 접합층을 접합한 경우에는, 양자의 계면을 따라, 규소 원자, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층이 생성된다. 이 경우, 단결정 실리콘을 포함하는 지지 기판은, 함유되는 산소 원자의 농도가 매우 낮기 때문에, 접합층으로부터 지지 기판을 향하여 산소 농도의 구배가 생길 것이다.
이 점에 주목하여, 접합층으로부터 지지 기판에의 산소 농도 구배를 실제로 측정해 본 바, 접합층으로부터 지지 기판을 향하여 산소 농도가 완만하게, 또는 연속적으로 감소하고 있는 것이 판명되었다. 바꾸어 말하면, 비정질층 중에 산소 농도의 피크가 존재하지 않았다. 이 현상을 검토한 바, 접합층으로부터 지지 기판을 향하는 산소의 확산이 충분하지 않았을 가능성이 있다.
이러한 관점에서, 접합층으로부터 지지 기판에의 산소 원자의 확산을 촉진하도록 여러 가지 검토해 본 바, 비정질층에 산소 농도의 피크가 생긴 경우에는, 압전성 단결정 기판의 지지 기판에 대한 접합 강도가 향상하여, 압전성 단결정 기판의 박리가 생기기 어려워지는 것을 발견하여, 본 발명에 도달하였다.
도 1의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 마련한 상태를 나타내고, (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 2의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 상태를 나타낸다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9) 및 접합층(2)을 마련한 상태를 나타내고, (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 4의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 상태를 나타낸다.
도 2의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 상태를 나타낸다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9) 및 접합층(2)을 마련한 상태를 나타내고, (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 4의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 상태를 나타낸다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1∼도 2에 나타내는 실시형태에서는, 먼저, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 마련한다. 도면 부호 4b는 반대측의 표면이다. 이 시점에서는, 접합층(2)의 표면(2a)에는 요철이 있어도 좋다.
계속해서, 적합한 실시형태에 있어서는, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합층에 평탄면(2b)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통상, 접합층(2)의 두께는 작아져, 보다 얇은 접합층(2A)이 된다[도 1의 (b) 참조]. 단, 평탄화 가공은 반드시 필요한 것은 아니다. 계속해서, 접합층(2A)의 표면(2b)에 대하여 화살표(A)와 같이 중성화 빔을 조사하여, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 1의 (c)에 나타내는 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 중성화 빔(A)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(1a)으로 한다. 도면 부호 1b는 반대측의 표면이다. 그리고, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4) 상의 접합층(2A)의 활성화면(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 직접 접합함으로써, 접합체(5)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더욱 연마 가공하여, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 압전성 단결정 기판(4A)의 두께를 작게 하여, 접합체(5A)를 얻는다. 도면 부호 4c는 연마면이다.
도 2의 (c)에서는, 압전성 단결정 기판(4A)의 연마면(4c) 상에 소정의 전극(6)을 형성함으로써, 탄성파 소자(7)를 제작하고 있다.
여기서, 각 활성화면에의 조사 에너지량을 적절하게 조절함으로써, 도 2의 (a), (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 계면을 따라 비정질층(8)을 생성시킨다.
도 3∼도 4에 나타내는 실시형태에서는, 먼저, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9)을 마련하고, 중간층(9) 상에 접합층(2)을 마련한다. 계속해서, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합층에 평탄면(2b)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통상, 접합층(2)의 두께는 작아져, 보다 얇은 접합층(2A)이 된다. 계속해서, 접합층(2A)의 표면(2b)에 대하여 화살표(A)와 같이 중성화 빔을 조사하여, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 중성화 빔(A)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(1a)으로 한다. 그리고, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4) 상의 접합층(2A)의 활성화면(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 직접 접합함으로써, 접합체(15)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(15)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더욱 연마 가공하여, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이 압전성 단결정 기판(4A)의 두께를 작게 하여, 접합체(15A)를 얻는다. 도 4의 (c)에서는, 압전성 단결정 기판(4A)의 연마면(4c) 상에 소정의 전극(6)을 형성함으로써, 탄성파 소자(17)를 제작하고 있다.
여기서, 각 활성화면에의 조사 에너지량을 적절하게 조절함으로써, 도 4의 (a), (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 계면을 따라 비정질층(8)을 생성시킨다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 대해서 더욱 설명한다.
(지지 기판)
본 발명에서는, 지지 기판(1)은 단결정 실리콘을 포함한다. 단결정 실리콘 중에는 천이 금속 원소나 희토류 원소가 도프되어 있어도 좋다.
(압전성 단결정 기판)
압전성 단결정 기판(4, 4A)의 재질은, 구체적으로는, 탄탈산리튬(LT) 단결정, 니오븀산리튬(LN) 단결정, 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체 단결정, 수정, 붕산리튬을 예시할 수 있다. 이 중, LT 또는 LN인 것이 보다 바람직하다. LT나 LN은, 탄성 표면파의 전파 속도가 빠르고, 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에, 고주파수 또한 광대역 주파수용의 탄성 표면파 디바이스로서 적합하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 주면의 법선 방향은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 압전성 단결정 기판(4, 4A)이 LT를 포함할 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축에서 Z축으로 36∼47°(예컨대 42°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 압전성 단결정 기판(4, 4A)이 LN을 포함할 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축에서 Z축으로 60∼68°(예컨대 64°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 크기는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 직경 50∼150 ㎜, 두께가 0.2∼60 ㎛이다.
(접합층)
본 발명에 있어서는, 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 마련된 접합층(2A)을 구비하고 있고, 접합층(2A)이 Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는다. 이 조성은, SiO2(x=0.667에 대응함)에 비해서 산소 비율이 꽤 낮게 되어 있는 조성이다. 이러한 조성의 규소 산화물[Si(1-x)Ox]을 포함하는 접합층(2A)에 의해 지지 기판(1)에 대하여 압전성 단결정 기판(4, 4A)을 접합하면, 접합 강도를 높게 할 수 있고, 또한 접합층(2A)에 있어서의 절연성도 높게 할 수 있다.
접합층(2A)을 구성하는 Si(1-x)Ox의 조성에 있어서, x가 0.008 미만이면, 접합층(2A)에 있어서의 전기 저항이 낮아져, 원하는 절연성이 얻어지지 않는다. 이 때문에, x를 0.008 이상으로 하지만, 0.010 이상이 바람직하고, 0.020 이상이 더욱 바람직하고, 0.024 이상이 특히 바람직하다. 또한 x가 0.408보다 크면, 접합 강도가 낮아져, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 박리가 생기기 쉬워지기 때문에, x를 0.408 이하로 하지만, 0.225 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
접합층(2A)의 전기 저항률은 4.8×103 Ω·㎝ 이상인 것이 바람직하고, 5.8×103 Ω·㎝ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 6.2×103 Ω·㎝ 이상이 특히 바람직하다. 한편, 접합층(2A)의 전기 저항률은, 일반적으로 1.0×108 Ω·㎝ 이하가 된다.
접합층(2A)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 제조 비용의 관점에서는 0.01∼10 ㎛가 바람직하고, 0.01∼0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
접합층(2, 2A)의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다. 여기서, 특히 바람직하게는, 스퍼터 타겟을 Si로 한 반응성 스퍼터링 시에, 챔버 내에 흐르는 산소 가스량을 조정함으로써, 접합층(2A)의 산소 비율(x)을 컨트롤하는 것이 가능하다.
구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따르기 때문에 적절하게 선택하지만, 적합예에서는, 전압을 0.28∼0.34 ㎩로 하고, 산소 분압을 1.2×10-3∼5.7×10-2 ㎩로 하고, 성막 온도를 상온으로 한다. 또한, Si 타겟으로서는 B 도프 Si를 예시할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 접합층(2, 2A)과 지지 기판(1)의 계면에는, 불순물로서의 B(붕소)량이, 5×1018 atoms/㎤∼5×1019 atoms/㎤ 정도가 되도록 제어하고 있다. 이에 의해, 접합층(2A)에 있어서의 절연성을 보다 확실하게 담보할 수 있다.
(중간층)
접합층(2, 2A)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 중간층(9)을 더욱 마련할 수 있다. 이러한 중간층(9)은, 접합층(2, 2A)과 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 밀착성을 더욱 향상시키는 것이 바람직하고, 구체적으로는, SiO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Bi2O3, Al2O3, MgO, AlN, Si3N4를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 중간층이 SiO2를 포함한다.
(비정질층)
본 발명에서는, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 비정질층(8)을 마련한다. 이 비정질층(8)은, 적어도 규소 원자, 산소 원자 및 아르곤 원소를 함유하고 있다.
본 발명에서는, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 농도를, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 농도보다 높게 한다. 단, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자의 농도를 측정할 때에는, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 계면으로부터 1 ㎚ 이하의 거리에서 측정하는 것으로 한다. 또한, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 농도는, 접합층(2A) 중의 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4A)측 계면으로부터 4 ㎚의 거리 1점, 접합층(2A)의 막 두께의 중심 1점, 접합층(2A)의 비정질층측 계면으로부터 4 ㎚의 거리 1점의 계 3점의 측정값의 평균으로 한다.
비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 농도는, 전기 저항률의 관점에서 1.08 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 1.1 원자％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자의 농도는, 41.8 원자％ 이하인 것이 바람직하다.
접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 농도는, 전기 저항률의 관점에서 0.8 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 1.0 원자％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자의 농도는, 40.8 원자％ 이하인 것이 바람직하다.
접합 강도 향상이라는 관점에서는, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도와 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도의 차는, 1.0 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 1.5 원자％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 바꾸어 말하면, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도가, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도보다 1.0 원자％ 이상 높은 것이 바람직하고, 1.5 원자％ 이상 높은 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 후술하는 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과 지지 기판(1)의 접합 강도를 더욱 높게 할 수 있다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 아르곤 원자의 농도를 접합층(2A)에 있어서의 아르곤 원자의 평균 농도보다 높게 한다. 여기서, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 아르곤 원자의 농도를 측정할 때에는, 비정질층의 접합층(2A)측 계면으로부터 1 ㎚ 이하의 거리에서 측정하는 것으로 한다. 또한, 접합층(2A)에 있어서의 평균 아르곤 농도는, 접합층(2A) 중의 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4A)측 계면으로부터 4 ㎚의 거리 1점, 접합층(2A)의 막 두께의 중심 1점, 접합층(2A)의 비정질층(8)측 계면으로부터 4 ㎚의 거리 1점의 계 3점의 측정값의 평균값으로 한다.
비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 아르곤 원자의 농도는, 접합 강도의 관점에서는, 2.1 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 2.4 원자％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층(8)에 있어서의 아르곤 원자의 평균 농도는, 통상, 5.0 원자％ 이하이고, 4.7 원자％ 이하인 것이 바람직하다.
접합층(2A)에 있어서의 평균 아르곤 원자의 농도는, 1.0 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 접합 강도의 향상에 대해서는 아르곤 원자의 접합층(2A) 중에의 확산의 기여가 상대적으로 적은 것을 의미한다.
비정질층(8)에 있어서의 규소 원자 농도는, 77.6∼93.6 원자％인 것이 바람직하고, 88.8∼93.0 원자％인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 비정질층(8)의 존재는, 이하와 같이 하여 확인하는 것으로 한다.
측정 장치:
투과형 전자 현미경(히타치하이테크놀로지즈 제조 H-9500)을 이용하여 미구조 관찰한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대하여, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
접합층(2A) 및 비정질층(8)에 있어서의 각 원자의 농도는, 이하와 같이 하여 측정하는 것으로 한다.
측정 장치:
원소 분석 장치(니혼덴시 JEM-ARM200F)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대하여, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
(적합한 제조 조건)
접합층(2A)의 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 지지 기판(1)의 표면(1a)의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해 지지 기판(1)과 접합층(2A)의 접합 강도가 한층 더 향상한다.
접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다.
적합한 실시형태에 있어서는, 중성화 빔에 의해, 접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)을 활성화할 수 있다. 특히, 접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)이 평탄면인 경우에는, 직접 접합하기 쉽다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 일본 특허 공개 제2014-086400호에 기재된 것과 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들 필드형의 고속 원자 빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 아르곤 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 의해, 전극(정극)과 케이스(부극) 사이에 생기는 새들 필드형의 전계에 의해, 전자(e)가 운동하여, 아르곤 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 달한 빔 중, 이온 빔은 그리드로 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자 빔원으로부터 출사된다.
빔 조사에 의한 활성화 시의 전압은 0.5∼2.0 ㎸로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50∼200 ㎃로 하는 것이 바람직하다.
빔 조사에 의한 활성화 시의 FAB 조사량은 50 KJ∼200 KJ로 하는 것이 바람직하고, 70 KJ∼180 KJ로 하는 것이 더욱 바람직하다.
계속해서, 진공 분위기에서, 활성화면끼리를 접촉시켜, 접합한다. 이때의 온도는 상온이지만, 구체적으로는 40℃ 이하가 바람직하고, 30℃ 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 접합 시의 온도는 20℃ 이상, 25℃ 이하가 특히 바람직하다. 접합 시의 압력은, 100∼20000 N이 바람직하다.
본 발명의 접합체(5, 5A, 15, 15A)의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자(7, 17)로서는, 탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등이 알려져 있다. 예컨대, 탄성 표면파 디바이스는, 압전성 단결정 기판의 표면에, 탄성 표면파를 여진하는 입력측의 IDT(Interdigital Transducer) 전극(빗형 전극, 발형 전극이라고도 함)과 탄성 표면파를 수신하는 출력측의 IDT 전극을 마련한 것이다. 입력측의 IDT 전극에 고주파 신호를 인가하면, 전극 간에 전계가 발생하고, 탄성 표면파가 여진되어 압전 기판 상을 전파해 간다. 그리고, 전파 방향에 마련된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 단결정 기판(4, 4A)의 바닥면에 금속막을 가지고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조하였을 때에, 압전 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 달성한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 표면(4b, 4c)에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판(1)에 마련된 캐비티에 의해 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 금속막이 노출한 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 또한, 램파 소자를 제조하는 경우, 바닥면에 금속막을 갖지 않는 압전성 단결정 기판(4, 4A)을 구비한 복합 기판을 이용하여도 좋다.
또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 바닥면에 금속막과 절연막을 가지고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조하였을 때에, 전극의 역할을 달성한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전성 단결정 기판의 금속막이 노출한 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로서는, 예컨대, 2산화규소, 인실리카 유리, 붕소인실리카 유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로서는, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A) 중에 주기 분극 반전 구조를 형성할 수 있다.
본 발명을 광학 소자에 적용한 경우에는, 광학 소자의 소형화가 가능하고, 또한 특히 주기 분극 반전 구조를 형성한 경우에는, 가열 처리에 의한 주기 분극 반전 구조의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 접합층(2A)의 재료는, 고절연 재료이기도 하기 때문에, 접합 전의 중성화 빔에 의한 처리 시에, 분극 반전의 발생이 억제되고, 또한 압전성 단결정 기판(4, 4A)에 형성된 주기 분극 반전 구조의 형상을 어지럽히는 일이 거의 없다.
실시예
(비교예 1)
도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한 방법에 따라, 표 1에 나타내는 비교예 1의 접합체(5A)를 제작하였다.
구체적으로는, OF(오리엔테이션 플랫)부를 가지고, 직경이 4 인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 단결정 기판(4)으로서 사용하였다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 절취각이 회전 Y 컷트판인 46° Y 컷트 X 전파 LT 기판을 이용하였다. 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)은, 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.3 ㎚가 되도록 경면 연마해 두었다. 단, Ra는, 원자간력 현미경(AFM)에 의해 10 ㎛×10 ㎛의 시야로 측정한다.
계속해서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에, 직류 스퍼터링법에 따라 접합층(2)을 성막하였다. 타겟에는 붕소 도프의 Si를 사용하였다. 또한, 산소원으로서 산소 가스를 도입하였다. 이때, 산소 가스 도입량을 변화시킴으로써, 챔버 내의 분위기의 전압(全壓)과 산소 분압을 변화시키고, 이에 따라 접합층(2)의 산소 비율(x)을 조정하였다. 접합층(2)의 두께는 100∼200 ㎚로 하였다. 접합층(2)의 표면(2a)의 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.2∼0.6 ㎚였다. 계속해서, 접합층(2)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막 두께를 80∼190 ㎚로 하고, Ra를 0.08∼0.4 ㎚로 하였다.
한편, 지지 기판(1)으로서, 오리엔테이션 플랫(OF)부를 가지고, 직경이 4 인치, 두께가 500 ㎛인 Si를 포함하는 지지 기판(1)을 준비하였다. 지지 기판(1)의 표면(1a, 1b)은, 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해 마무리 가공되어 있고, 각 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.2 ㎚로 되어 있다.
계속해서, 접합층(2A)의 평탄면(2b)과 지지 기판(1)의 표면(1a)을 세정하여, 더러움을 제거한 후, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 ㎩대까지 진공 상태로 한 후, 각각의 기판의 접합면(1a, 2b)에 고속 원자 빔을 45 kJ 조사하였다. 계속해서, 접합층(2A)의 빔 조사면(활성화면)(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 접촉시킨 후, 10000 N로 2분간 가압하여 양 기판(1, 4)을 접합하였다[도 2의 (a) 참조].
계속해서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 두께가 당초의 250 ㎛에서 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다[도 2의 (b) 참조].
얻어진 접합체(5A)에 대해서, 이하의 장치를 이용하여, EDS(에너지 분산형 X선 분광기)에 의한 원소 분석을 행하여, 산소 원자, 규소 원자, 아르곤 원자의 비율을 측정하였다.
측정 장치:
원소 분석 장치(니혼덴시 JEM-ARM200F)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대하여, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
(접합 강도)
얻어진 접합체(5A)에 대해서, 크랙 오프닝법에 따라 접합 강도를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에서는, 접합층(2A)에 있어서의 산소 농도가 6.4 원자％이고, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부의 산소 농도가 6.0 원자％이지만, 접합 강도는 0.8 J/㎡였다.
(비교예 2)
비교예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하였다. 단, 비교예 1과는 다르게, FAB 시의 아르곤 원자 빔의 조사량을 22.5 kJ까지 저하시켰다. 결과를 표 1에 나타낸다.
이 결과, 접합층(2A)에 있어서의 산소 농도가 6.5 원자％이고, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부의 산소 농도가 2.0 원자％이지만, 접합 강도는 0.2 J/㎡였다.
(실시예 1)
비교예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하였다. 단, 본 예에서는, FAB 시의 아르곤 원자 빔의 조사량을 135 kJ로 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, 접합층(2A)에 있어서의 산소 원자 농도가 6.3 원자％이고, 비정질층(8)의 접합층(2A)측의 단부에 있어서의 산소 원자 농도가 9.0 원자％이고, 산소 원자 농도의 피크가 비정질층(8) 중에 있다. 그 때문에, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도가, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도보다 2.7 원자％ 이상 높다. 이 결과, 접합 강도는 2.4 J/㎡로 향상하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하였다. 단, 본 예에서는, FAB 시의 아르곤 원자 빔의 조사량을 90 kJ로 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 2에서는, 접합층(2A)에 있어서의 산소 원자 농도가 6.4 원자％이고, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도가 8.5 원자％이고, 산소 원자 농도의 피크가 비정질층(8) 중에 있다. 그 때문에, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도가, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도보다 2.1 원자％ 이상 높다. 이 결과, 접합 강도는 2.0 J/㎡로 향상하였다.
(실시예 3)
실시예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하였다. 단, 본 예에서는, FAB 시의 아르곤 원자 빔의 조사량을 75 kJ로 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 3에서는, 접합층(2A)에 있어서의 산소 원자 농도가 6.1 원자％이고, 비정질층(8)의 접합층(2A)측의 단부에 있어서의 산소 원자 농도가 7.4 원자％이고, 산소 원자 농도의 피크가 비정질층(8) 중에 있다. 그 때문에, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도가, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도보다 1.3 원자％ 이상 높다. 이 결과, 접합 강도는 1.6 J/㎡로 향상하였다.
이와 같이, 비정질층(8)의 접합층(2A)측의 단부에 있어서의 산소 원자 농도가, 접합층(2A) 내에 있어서의 산소 원자의 평균 농도보다 높아져 있기 때문에, 접합체(5A, 15A)는, 높은 절연성을 가지면서, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과 지지 기판(1)이 박리하기 어렵게 되어 있다. 특히, 비정질층(8)의 접합층(2A)측 단부에 있어서의 산소 원자 농도를, 접합층(2A)에 있어서의 평균 산소 원자 농도보다 1.5 원자％ 이상 높게 함으로써, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과 지지 기판(1)의 접합 강도를 더욱 높게 할 수 있다.
Claims (5)
- 접합체로서,
압전성 단결정 기판과,
단결정 실리콘으로 이루어진 지지 기판과,
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층과,
상기 지지 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, 규소 원자, 산소 원자, 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층
을 구비하고,
상기 비정질층의 상기 접합층측 단부(端部)에 있어서의 산소 원자의 농도는, 상기 접합층 내에 있어서의 산소 원자의 평균 농도보다 높은, 접합체. - 제1항에 있어서,
상기 압전성 단결정 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, SiO2의 조성을 갖는 중간층을 구비하고 있는, 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 압전성 단결정 기판은, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬, 또는 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체로 이루어지는 것인, 접합체. - 제1항 또는 제2항에 기재된 접합체 및 상기 압전성 단결정 기판 상에 마련된 전극을 구비하는, 탄성파 소자.
- 제3항에 기재된 접합체 및 상기 압전성 단결정 기판 상에 마련된 전극을 구비하는, 탄성파 소자.
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