KR102395407B1

KR102395407B1 - 사이알론 소결체, 그 제조법, 복합 기판 및 전자 디바이스

Info

Publication number: KR102395407B1
Application number: KR1020170119462A
Authority: KR
Inventors: 유키 노모토; 가츠히로 이노우에; 게이 다나카; 유지 가츠다
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2022-05-10
Also published as: CN107840664A; KR20180031588A; US10399906B2; US20180079690A1; DE102017008649A1; CN107840664B; DE102017008649B4

Abstract

본 발명의 사이알론 소결체는, Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z(0＜z≤4.2)로 나타내고, 개기공률이 0.1％ 이하, 상대 밀도가 99.9％ 이상, 또한, X선 회절도에 있어서, 사이알론의 최대 피크의 강도에 대한, 사이알론 이외의 각 성분의 최대 피크의 강도의 총합의 비가 0.005 이하인 것이다.

Description

사이알론 소결체, 그 제조법, 복합 기판 및 전자 디바이스{SIALON SINTERED BODY, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, COMPOSITE SUBSTRATE, AND ELECTRONIC DEVICE}

본 발명은 사이알론 소결체, 그 제조법, 복합 기판 및 전자 디바이스에 관한 것이다.

사이알론은 일반식: Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z(0＜z≤4.2)로 나타내는 물질의 총칭이며, 세라믹 재료 중에서도, 고강도, 고영률(high Youung's modulus), 저열팽창, 고절연성을 겸비한 재료이다. 이러한 세라믹 재료를, 탄성파 소자의 복합 기판의 지지 기판으로서 이용하는 경우에는, 접합시키기 위해 기공이 없고, 표면 평탄성이 높고, 전면에 균일한 조성인 것이 요구된다. 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 사이알론을 제조하기 위해서는 소결 조제를 이용하여 소성하는 것이 일반적이다. 한편, 사이알론을 제조할 때에 소결 조제를 이용하지 않고 소성하는 방법도 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 2에는, β-사이알론을 질화규소와 BN의 분말로 덮어 N₂ 가스 분위기로 소성하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 질화규소 분말에 알루미늄알콕시드를 부가하여, 가수 분해 후, 여과하여 얻은 분말을 600∼900℃에서 하소하고, 1700∼1900℃에서 가압 소결을 하여 β-사이알론 소결체를 얻는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성1-264973호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 소화61-141671호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 소화60-108371호 공보

그러나, 특허문헌 1과 같이 사이알론의 제조 시에 소결 조제를 이용하면, 조성이 균일해지지 않고 이상 성분이 많아지거나, 기공이 많아지거나 한다고 하는 문제가 있었다. 이상 성분이 많아지면, 사이알론과 이상 성분 사이에서 연마의 용이함이 상이하기 때문에, 표면 평탄성이 충분히 높아지지 않는다고 하는 문제가 있었다. 예컨대, 이상 성분이 사이알론에 비해서 딱딱한 경우에는 이상 성분이 연마되기 어렵기 때문에 볼록형으로 남기 쉽고, 이상 성분이 부드러운 경우에는 이상 성분이 연마되기 쉬워 구멍이 되기 쉬운 것을 들 수 있다. 또한, 재료 내에 기공이 많으면, 연마하여도 기공 유래의 오목 부분이 남기 때문에, 표면 평탄성이 충분히 높아지지 않는다고 하는 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 2, 3과 같이 사이알론의 제조 시에 소결 조제를 이용하지 않고 상압 소성한 경우, 사이알론은 난소결성의 재료이기 때문에, 기공이 외부에 완전히 배출되지 않고 내부에 잔류하기 쉬워, 상대 밀도를 충분히 높게 하는 것이 어려웠다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 표면을 경면형으로 연마하였을 때의 표면 평탄성이 높은 사이알론 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 사이알론 소결체는, Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z(0＜z≤4.2)로 나타내고, 개기공률이 0.1％ 이하, 상대 밀도가 99.9％ 이상, 또한, X선 회절도에 있어서, 사이알론의 최대 피크의 강도에 대한, 사이알론 이외의 각 성분의 최대 피크의 강도의 총합의 비가 0.005 이하인 것이다. 이 사이알론 소결체는, 개기공률이 낮고, 상대 밀도가 높고, 이상이 적기 때문에, 표면을 경면형으로 연마하였을 때의 표면 평탄성이 높아진다.

본 발명의 사이알론 소결체의 제조법은, 모두 순도가 99.8 질량％ 이상의 질화규소, 질화알루미늄, 알루미나 및 실리카의 성분 중에서, Si:Al:O:N=(6-z):z:z:(8-z)(단 0＜z≤4.2)가 되도록 조성을 선택하며 질량 비율을 결정하여 각 성분을 혼합하여 원료 분말을 제작하고, 그 원료 분말을 미리 정해진 형상으로 성형한 후, 소성 온도 1725∼1900℃, 프레스 압력 100∼300 ㎏f/㎠로 핫 프레스 소성을 행함으로써 사이알론 소결체를 얻는 것이다. 이 제조법은, 압력에 의해 기공을 배출하면서 치밀화가 진행되기 때문에, 전술한 본 발명의 사이알론 소결체를 제조하는 데 적합하다.

본 발명의 복합 기판은, 지지 기판과 기능성 기판이 접합된 복합 기판으로서, 상기 지지 기판은, 전술한 본 발명의 사이알론 소결체인 것이다. 이 복합 기판은, 지지 기판이 전술한 본 발명의 사이알론 소결체이기 때문에, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율이 커져, 양호한 접합성을 나타낸다.

본 발명의 전자 디바이스는, 전술한 본 발명의 복합 기판을 이용한 것이다. 이 전자 디바이스에서는, 지지 기판인 사이알론 소결체의 열 팽창 계수가 3.0 ppm/K(40-400℃) 이하이기 때문에, 탄성 표면파 디바이스로 한 경우의 주파수 온도 의존성이나 필터 성능이 크게 개선된다. 또한, 램파 소자, 박막 공진자(FBAR), LED 디바이스, 광 도파로 디바이스, 스위치 디바이스, 반도체 디바이스 등에 있어서도, 지지 기판의 열 팽창 계수가 매우 작음으로써, 성능이 향상한다. 또한, 사이알론의 조성(전술한 z값)을 조정함으로써, 열 팽창 계수가 3.0 ppm/K 이하인 채로, 영률을 조정할 수 있고, 이에 의해 복합 기판으로 한 경우의 기능성 기판의 성능의 미조정이나 최대화가 가능해진다.

도 1은 복합 기판(10)의 사시도이다.
도 2는 복합 기판(10)을 이용하여 제작한 전자 디바이스(30)의 사시도이다.

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

본 실시형태의 사이알론 소결체는, Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z(0＜z≤4.2)로 나타내고, 개기공률이 0.1％ 이하, 상대 밀도가 99.9％ 이상(바람직하게는 99.95％ 이상), 또한, X선 회절도에 있어서, 사이알론의 최대 피크의 강도에 대한, 사이알론 이외의 각 성분(이상 성분)의 최대 피크의 강도의 총합의 비가 0.005 이하인 것이다. 또한, X선 회절도의 측정 조건은 CuKα, 40 ㎸, 40 ㎃, 2θ=10-70°이다. 이 사이알론 소결체는, 개기공률이 낮고, 상대 밀도가 높고, 이상이 적기 때문에, 표면을 경면형으로 연마하였을 때의 표면 평탄성이 높아진다. 개기공률이 높거나 상대 밀도가 낮거나 하면, 연마하여도 기공 유래의 오목 부분이 남기 때문에, 표면 평탄성이 충분히 높아지지 않는다. 또한, 이상 성분이 많으면, 사이알론과 이상 성분 사이에서 연마의 용이함이 상이하여, 표면 평탄성이 충분히 높아지지 않는다. 특히 이상 성분이 연마되기 어려운 경우는 이상부가 볼록부로서 남기 쉬워, 기능성 기판과의 접합이 어려워진다. 이상 성분으로서는, 예컨대 Al₂O₃, Si₂ON₂, Si₃Al₆O₁₂N₂, 멀라이트 등을 들 수 있다.

본 실시형태의 사이알론 소결체에 따르면, 연마 마무리한 표면에 존재하는 기공수를 적게 할 수 있다. 연마 마무리한 표면의 100 ㎛×100 ㎛의 면적당에 존재하는 최대 길이 0.5 ㎛ 이상, 또한, 깊이 0.08 ㎛ 이상의 기공수는 10개 이하가 바람직하고, 5개 이하가 보다 바람직하고, 3개 이하가 더욱 바람직하다.

본 실시형태의 사이알론 소결체의 표면 평탄성에 대해서는, 예컨대, 경면형으로 연마 마무리한 표면의 100 ㎛×140 ㎛의 측정 범위에 있어서의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 1.0 ㎚ 이하인 것 및 동측정 범위에 있어서의 최대 산 높이와 최대 곡 깊이의 높이의 차(Pt)가 30 ㎚ 이하인 것 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다. Ra는 0.8 ㎚ 이하가 보다 바람직하다. Pt는 25 ㎚ 이하가 보다 바람직하다.

본 실시형태의 사이알론 소결체의 영률은, 180 ㎬ 이상이 바람직하고, 200 ㎬ 이상이 보다 바람직하고, 220 ㎬ 이상이 더욱 바람직하다.

본 실시형태의 사이알론 소결체에 있어서, z의 값은 0.5≤z≤4.0이 바람직하다. 이 범위이면, 전술한 기공수를 보다 적게 할 수 있다. z의 값은 0.5≤z≤3.2가 보다 바람직하다. 이 범위이면, 전술한 기공수를 더욱 적게 할 수 있다.

다음에, 사이알론 소결체의 제조 방법의 실시형태에 대해서 설명한다. 사이알론 소결체의 제조 플로우은, 사이알론 원료 분말을 제작하는 공정과, 사이알론 소결체를 제작하는 공정을 포함한다.

(사이알론 원료 분말의 제작)

원료 분말에는, 불순물 금속 원소 함유량이 0.2 질량％ 이하, 평균 입경이 2 ㎛ 이하인 시판의 질화규소, 질화알루미늄, 알루미나 및 실리카 분말을 이용하였다. 이들 원료를 이용하여, Si:Al:O:N=(6-z):z:z:(8-z)(단 0＜z≤4.2)가 되도록 조성을 선택하며 질량 비율을 결정하여 각 성분을 혼합하여 원료 분말을 제작한다. z의 값은 0.5≤z≤4.0이 바람직하고, 0.5≤z≤3.2가 보다 바람직하다. 각 분말은, 치밀하게 소결하기 위해서는 미세한 것이 바람직하고, 평균 입경이 0.5∼1.5 ㎛인 것이 바람직하다. 또한, 가열에 의해 이들 성분을 생성하는 전구체 물질을 각 성분의 원료로 이용하여도 좋다. 각 분말은, 혼합하여 용매에 분산시켜 사이알론 조성의 슬러리를 제작한다. 혼합 방법에 특별히 제한은 없고, 예컨대 볼 밀, 아트리토, 비드 밀, 제트 밀 등을 이용할 수 있다. 단, 이때, 미디어로부터 혼입하는 성분과 그 양에는 충분한 주의가 필요하다. 즉, 혼입하여도 불순물이 되지 않는 알루미나나 질화규소제의 옥석이나 포트를 미디어에 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 수지제의 포트나 옥석도, 소성 공정 등에서 제거할 수 있기 때문에 사용 가능하다. 금속제의 미디어는 불순물량이 많아지기 때문에 바람직하지 못하다. 얻어진 슬러리를 건조하여, 건조물을 체를 통과시켜 사이알론 원료 분말로 한다. 또한, 분쇄 시에 미디어 성분 등의 혼입에 의해 조성이 어긋난 경우는, 적절하게 조성 조정하는 등에 의해 원료 분말로 하면 좋다. 혹은, 분쇄물에 포함되는 각 성분의 질량이 원하는 사이알론 조성이 되도록, 미리 혼합 분말의 각 성분의 질량을 조정해 둠으로써, 분쇄물을 그대로 사이알론 원료 분말로 하여도 좋다.

(사이알론 소결체의 제작)

얻어진 사이알론 원료 분말을 미리 정해진 형상으로 성형한다. 성형의 방법에 특별히 제한은 없고, 일반적인 성형법을 이용할 수 있다. 예컨대, 상기와 같은 사이알론 원료 분말을 그대로 금형에 의해 프레스 성형하여도 좋다. 프레스 성형의 경우는, 사이알론 원료 분말을 스프레이 드라이에 의해 과립형으로 해 두면, 성형성이 양호해진다. 그 외에, 유기 바인더를 부가하여 배토를 제작하여 압출 성형하거나, 슬러리를 제작하여 시트 성형할 수 있다. 이들 프로세스에서는 소성 공정 전 혹은 소성 공정 중에 유기 바인더 성분을 제거하는 것이 필요해진다. 또한, CIP(냉간 정수압 프레스)로 고압 성형을 하여도 좋다.

다음에, 얻어진 성형체를 소성하여 사이알론 소결체를 제작한다. 이때, 소결 입자를 미세하게 유지하며, 소결 중에 기공을 배출하는 것이 사이알론 소결체의 표면 평탄성을 높이기 위해 중요하다. 그 방법으로서, 핫 프레스법이 매우 유효하다. 핫 프레스법을 이용함으로써 상압 소결에 비해서 저온에서 미세 입자의 상태로 치밀화가 진행되어, 상압 소결에서 자주 보이는 조대한 기공의 잔류를 억제할 수 있다. 핫 프레스 시의 소성 온도는 1725∼1900℃로 하는 것이 바람직하고, 이상을 극력 적게 하기 위해서는 1750∼1900℃로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 핫 프레스 시의 프레스 압력은 100∼300 ㎏f/㎠로 하는 것이 바람직하고, 150∼250 ㎏f/㎠가 보다 바람직하다. 소성 온도(최고 온도)에서의 유지 시간은, 성형체의 형상이나 크기, 가열로의 특성 등을 고려하여, 적절하며, 적당한 시간을 선택할 수 있다. 구체적인 바람직한 유지 시간은, 예컨대 1∼12시간, 더욱 바람직하게는 2∼8시간이다. 핫 프레스 시의 소성 분위기는, 사이알론의 분해를 피하기 위해, 질소 분위기가 바람직하다.

다음에, 복합 기판의 실시형태에 대해서 설명한다. 복합 기판은, 기능성 기판과, 전술한 사이알론 소결체제의 지지 기판이 접합된 것이다. 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)이 80％ 이상인 것이 바람직하고, 90％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 접합 면적 비율이 크면, 기능성 기판과 지지 기판은 양호한 접합성을 나타낸다. 기능성 기판으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 탄탈산리튬, 니오븀산리튬, 질화갈륨, 실리콘 등을 들 수 있다. 접합 방법은, 직접 접합이어도 좋고, 접착층을 통해 접합하여도 좋지만, 직접 접합이 바람직하다. 직접 접합의 경우에는, 기능성 기판과 지지 기판의 각각의 접합면을 활성화한 후, 양접합면을 마주 대한 상태로 양기판을 압박한다. 접합면의 활성화는, 예컨대, 접합면에의 불활성 가스(아르곤 등)의 중성 원자 빔의 조사 외에, 플라즈마나 이온 빔의 조사 등으로 행한다. 한편, 접착층을 통해 접합하는 경우에는, 접착층으로서, 예컨대 에폭시 수지나 아크릴 수지 등을 이용한다. 기능성 기판과 지지 기판의 두께의 비(기능성 기판의 두께/지지 기판의 두께)는 0.1 이하인 것이 바람직하다. 도 1에 복합 기판의 일례를 나타낸다. 복합 기판(10)은, 기능성 기판인 압전 기판(12)과 지지 기판(14)이 직접 접합에 의해 접합된 것이다.

다음에, 전자 디바이스의 실시형태에 대해서 설명한다. 전자 디바이스는, 전술한 복합 기판을 이용한 것이다. 이러한 전자 디바이스로서는, 탄성파 디바이스[탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등] 외에, LED 디바이스, 광 도파로 디바이스, 스위치 디바이스 등을 들 수 있다. 탄성파 디바이스에 전술한 복합 기판을 이용하는 경우에는, 지지 기판인 사이알론 소결체의 열 팽창 계수가 3.0 ppm/K(40-400℃) 이하로 매우 작고, 또한, 영률이 높기 때문에, 기능성 기판의 구속력이 높아진다. 그 결과, 디바이스의 주파수 온도 의존성이 크게 개선된다. 도 2에 복합 기판(10)을 이용하여 제작한 전자 디바이스(30)의 일례를 나타낸다. 전자 디바이스(30)는, 1 포트 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 절취한다. 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.

[실시예]

이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 실시예는 본 발명을 조금도 한정하는 것이 아니다.

1. 원료 분말의 제작

원료 분말에는, 시판의 질화규소 분말(산소 함유량 1.3 질량％, 불순물 금속 원소 함유량 0.2 질량％ 이하, 평균 입경 0.6 ㎛), 질화알루미늄(산소 함유량 0.8 질량％, 불순물 금속 원소 함유량 0.1 질량％ 이하, 평균 입경 1.1 ㎛), 알루미나(순도 99.9 질량％, 평균 입경 0.5 ㎛), 실리카(순도 99.9 질량％, 평균 입경 0.5 ㎛)의 분말을 이용하였다.

사이알론 원료 분말 A∼G 및 J는, 이하와 같이 하여 제작하였다. 즉, 먼저, 질화규소, 질화알루미늄, 알루미나, 실리카의 각 분말을, 표 1에 나타내는 z의 값을 갖는 사이알론 조성(Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z)이 되도록 칭량하고, 알루미나를 옥석(φ5 ㎜)으로 하고, 용매에 이소프로필알코올을 이용하여 볼 밀로 4시간 혼합하여, 혼합 분말의 슬러리를 제작하였다. 얻어진 슬러리를 질소 가스 플로우 하, 110℃에서 건조하고, 건조물을 체에 통과시켜 사이알론 원료 분말 A∼G 및 J로 하였다. 또한, 이상 성분을 억제하기 위해 사이알론 원료 분말은 과잉 산소량이 적은 것이 바람직하여, 사이알론 원료 분말 A∼G는 과잉 산소량을 1.0 질량％ 이하로 하였다. 한편, 사이알론 원료 분말 J는 과잉 산소량을 2.7 질량％로 하였다.

질화규소 원료 분말 H는, 전술한 질화규소 분말을 단독으로 이용하였다. 질화규소 원료 분말 I는, 질화규소, 산화이트륨(순도 99.9 질량％ 이상, 평균 입경 1.1 ㎛), 마그네시아(순도 99.9 질량％, 평균 입경 1.8 ㎛)의 각 분말을 표 1에 나타내는 조성이 되도록 칭량하고, 사이알론 원료 분말 A∼G 및 J와 동일하게 하여 건조물을 제작하여 그것을 체에 통과시킨 것으로 하였다.

2. 소결체의 제작 및 평가

(1) 실험예 1

실험예 1의 사이알론 소결체는, 사이알론 원료 분말 A를 금형을 이용하여 φ25 ㎜, 두께 약 20 ㎜로 성형한 후, 흑연형으로, 프레스 압력 200 ㎏f/㎠ 하, 최고 온도 1800℃에서 4시간, 핫 프레스 소성한 것이다. 소성 분위기는, 질소 분위기로 하였다. 얻어진 소결체는 직경 125 ㎜이며 두께 약 8 ㎜였다. 이 소결체로부터 4 ㎜×3 ㎜×40 ㎜ 사이즈의 항절봉 등을 절취하여, 각종 특성을 평가하였다. 각종 특성의 평가 방법을 이하에 나타낸다. 또한, 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 소결체 표면의 성형은, 4 ㎜×3 ㎜×10 ㎜ 정도의 시험편의 일면을 연마에 의해 경면형으로 마무리하여 평가하였다. 연마는 3 ㎛의 다이아몬드 지립, 최종적으로 0.5 ㎛의 다이아몬드 지립의 랩 연마를 행하였다.

·부피 밀도, 개기공률

증류수를 이용한 아르키메데스법에 따라 측정하였다.

·상대 밀도

상대 밀도는 부피 밀도÷겉보기 밀도로서 산출하였다.

·결정상 및 피크 강도비(Ix)

사이알론 소결체를 분쇄하여, X선 회절 장치에 의해, 사이알론, 이상의 동정과 각 상의 최대 피크의 강도의 산출을 행하였다. 또한, 이상의 특정에 있어서는, 소결체 분쇄 시의 유발이나 막자 등의 미디어로부터의 혼입상 및 그 양에는 충분히 주의가 필요하다. XRD 장치에는, 전자동 다목적 X선 해석 장치(D8 ADVANCE)를 이용하여, CuKα, 40 ㎸, 40 ㎃, 2θ=10-70℃를 측정 조건으로 하였다. X선 회절도로부터, 사이알론의 최대 피크(2θ=32.8∼33.5°)의 강도(Ic)에 대한, 검출된 각 이상(P, Q, R, ···)의 최대 피크의 강도(Ip, Iq, Ir, ···)의 총합의 비[피크 강도비(Ix)]를 하기 식으로부터 구하였다. 또한, 최대 피크가 다른 피크와 겹치는 경우는, 최대 피크 대신에 2번째로 피크 강도가 큰 피크를 채용하였다.

Ix=(Ip+Iq+Ir···)/Ic

·사이알론 소결 입자의 평균 입경

파단면에 있어서의 사이알론 소결립을 SEM으로 127 ㎛×88 ㎛의 시야로 관찰하여, 시야 내의 10개 이상의 사이알론 소결 입자의 입경을 구하고, 그 평균값을 사이알론 소결 입자의 평균 입경으로 하였다. 또한, 하나의 사이알론 소결 입자의 입경은, 그 소결 입자의 장직경과 단직경의 평균값으로 하였다.

·기공수

상기한 바와 같이 경면형으로 마무리한 면을 3D 측정 레이저 현미경으로 관찰하여, 최대 길이가 0.5 ㎛ 이상, 깊이가 0.08 ㎛ 이상인 기공의 단위 면적당의 계수값을 4부분에서 계측하고, 그 평균값을 기공수로 하였다. 단위 면적은 100 ㎛ 사방의 면적으로 하였다.

·표면 평탄성

상기한 바와 같이 경면형으로 마무리한 면에 대하여, 3차원 광학 프로파일러(Zygo)를 이용하여 중심선 평균 거칠기(Ra)와, 최대 산 높이와 최대 곡 깊이의 높이의 차 Pt를 측정하였다. 본 명세서 중의 Ra와 Pt는, JIS B 0601:2013에서 규정된, 단면 곡선의 산술 평균 거칠기(Ra)와 단면 곡선의 최대 단면 높이(Pt)에 대응한다. 상기 Ra, Pt를 표면 평탄성으로 하였다. 측정 범위는, 100 ㎛×140 ㎛로 하였다.

·영률

JIS R1602에 준한, 정적 비틀림법으로 측정하였다. 시험편 형상은 3 ㎜×4 ㎜×40 ㎜ 항절봉으로 하였다.

·열 팽창 계수(40∼400℃)

JIS R1618에 준하여, 누름봉 시차식으로 측정하였다. 시험편 형상은 3 ㎜×4 ㎜×20 ㎜로 하였다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 실험예 1의 사이알론 소결체는 우수한 특성을 구비하고 있었다. 구체적으로는, 실험예 1의 사이알론 소결체의 부피 밀도는 3.16 g/㎤, 개기공률은 0.00％, 상대 밀도는 100％였다. 결정상은, 사이알론 이외에 약간 알루미나나 산질화규소가 검출되었다. 사이알론의 최대 피크의 강도에 대한, 사이알론 이외의 각 성분의 최대 피크의 강도의 총합의 비(피크 강도비)(Ix)는 0.0012이며, 매우 작았다. 연마면의 100 ㎛×100 ㎛ 범위에 있어서, 최대 길이가 0.5 ㎛ 이상인 기공수는 1개로 매우 적었다. 연마면의 표면 평탄성은, 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.4 ㎚로 작고, 최대 산 높이와 최대 곡 깊이의 높이의 차(Pt)가 15 ㎚로 작은 것을 알 수 있었다.

(2) 실험예 2∼6

실험예 2∼6의 사이알론 소결체는, 사이알론 원료 분말 A 대신에 표 1에 나타내는 사이알론 원료 분말 B, D∼G를 이용하여, 실험예 1과 동일하게 하여 핫 프레스 소성한 것이다. 각 사이알론 소결체의 특성을 표 2에 나타낸다. 어느 사이알론 소결체도, 개기공률이 0.1％ 이하, 상대 밀도가 99.9％ 이상, 기공수는 10개 이하, 피크 강도비(Ix)는 0.005 이하이며, 우수한 특성을 구비하고 있었다.

(3) 실험예 7

실험예 7의 사이알론 소결체는, 사이알론 원료 분말 C를 이용하여 실험예 1과 동일하게 하여 핫 프레스 소결한 것이다. 사이알론 원료 분말 C는, 실험예 2에서 이용한 사이알론 원료 분말 B와 비교하여 z값이 1.0인 점에서 일치하지만, 출발 원료로서 Si₃N₄, AlN 및 Al₂O₃의 3가지를 이용하고 있는 점에서, Si₃N₄, AlN 및 SiO₂의 3가지를 이용하고 있는 사이알론 원료 분말 B와 상위한다. 실험예 7의 사이알론 소결체는, 실험예 2의 사이알론 소결체와 마찬가지로 우수한 특성을 구비하고 있었기 때문에, 출발 원료는 Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ 및 SiO₂ 중에서 원하는 사이알론이 되도록 적절하게 선택하면 좋은 것을 알 수 있었다.

(4) 실험예 8∼12

실험예 8∼11은 실험예 1, 2, 4, 5의 소성 시의 최고 온도를 1750℃로 변경한 예이며, 실험예 12는 실험예 3의 소성 시의 최고 온도를 1725℃로 변경한 예이다. 실험예 8∼12의 사이알론 소결체는, 표 2에 나타내는 바와 같이, 실험예 1∼5의 사이알론 소결체와 마찬가지로 우수한 특성을 구비하고 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 실험예 1∼12의 사이알론 소결체는 과잉 산소량이 1.0 질량％ 이하이다.

(5) 실험예 13∼16

실험예 13∼16은 실험예 1∼3, 5의 소성 시의 최고 온도를 1700℃로 변경한 예이다. 실험예 13∼15의 사이알론 소결체는, 소성 온도가 지나치게 낮기 때문에, 개기공률이 0.1을 넘어, 상대 밀도가 99.9％ 이하로 치밀화 불충분하고, 기공수가 많아, 33개 혹은 50개 이상이었다. 실험예 16의 사이알론 소결체는, 개기공률이 0.01％, 상대 밀도는 99.97％, 기공수는 2개이지만, 피크 강도비(Ix)가 0.0221로 높아, 중심선 평균 거칠기(Ra)나 최대 단면 높이(Pt)의 값이 악화하였다. 피크 강도비(Ix)가 높은 원인은, 소성 온도가 지나치게 낮기 때문에, 원료 성분의 반응(사이알론화)이 불충분해져, 중간 생성물의 하나인 알루미나가 이상으로서 보다 많이 석출되었기 때문이라고 생각된다. 또한, 중심선 평균 거칠기(Ra)나 최대 산 높이와 최대 곡 깊이의 높이의 차(Pt)의 값이 악화한 원인은 이상으로서 석출한 알루미나와 사이알론의 연마의 용이함이 상이함으로써 알루미나가 볼록부로서 남았기 때문이라고 생각된다.

(6) 실험예 17, 18

실험예 17에서는, 출발 원료로서 질화규소 원료 분말 H(z=0)을 이용한 것 이외에는, 실험예 1과 동일하게 핫 프레스 소성하였다. 얻어진 소성체는, 개기공률이 52.1％이며 상대 밀도가 47.95％이고, 소결하지 않았다. 실험예 18에서는, 출발 원료로서 질화규소 원료 분말 I(z=0, 소결 조제인 Y₂O₃과 MgO를 첨가)를 이용한 것 이외에는, 실험예 1과 동일하게 핫 프레스 소성하였다. 얻어진 소결체는, 질화규소 특유의 주상화한 결정이 발달한 조직으로 이루어지고, 입계에는 기공이 보였다. 그 때문에, 연마면의 100 ㎛ 사방의 범위에 있어서, 최대 길이가 0.5 ㎛ 이상인 기공수는 50개 이상이고, 기공수를 줄일 수 없었다.

(7) 실험예 19

실험예 19의 사이알론 소결체는, 사이알론 원료 분말 J를 이용하여 실험예 8과 동일하게 핫 프레스 소성하였다. 얻어진 소결체는, 상대 밀도 99.98％이며 기공수가 3개이고, 충분히 치밀화하고 있었다. 단, 피크 강도비(Ix)가 0.0492로 높고, 이상이 많이 석출하였기 때문에 중심선 평균 거칠기(Ra)나 최대 단면 높이(Pt)의 값이 나빠, 충분한 평탄성을 얻을 수 없었다. 이 실험예 19의 사이알론 소결체는 과잉 산소량이 2.7 질량％이며, 일본 특허 공개 소화62-212268호 공보의 실시예 1에 상당한다.

또한, 전술한 실험예 1∼19 중, 실험예 1∼12가 본 발명의 실시예, 실험예 13∼19가 비교예에 상당한다.

3. 접합성

실험예 2, 4, 14의 소결체로부터 절취한 직경 100 ㎜, 두께 230 ㎛의 지지 기판에 대하여, 직경 100 ㎜, 두께 250 ㎛의 LT 기판의 접합을 시도하였다. 접합 전의 표면의 활성화 처리에서는, FAB 건을 이용하여 아르곤의 중성 원자 빔을 양기판에 조사하였다. 그 후, 양기판을 접합시킨 후, 접합 하중 0.1 ton으로 1분간 프레스하여, 지지 기판과 LT 기판을 실온에서 직접 접합하였다. 실험예 2, 4의 소결체로부터 얻어진 복합 기판은, 접합 계면에 기포는 거의 관찰되지 않고, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)이 90％ 이상이며, 양호하게 접합되어 있었다. 이에 대하여, 실험예 14의 소결체로부터 얻어진 복합 기판은, 접합 계면에 기포가 관찰되고, 접합 계면 중 실제로 접합하고 있는 면적의 비율(접합 면적 비율)이 80％ 이하였다. 여기서, 접합 면적은, 기포가 없는 부분의 면적이며, 접합 면적 비율은, 접합 계면 전체의 면적에 대한 접합 면적의 비율이다. 또한, 여기서는 FAB 건을 이용하였지만, 그 대신에 이온 건을 이용하여도 좋다.

본 출원은 2016년 9월 20일에 출원된 국제 출원 PCT/JP2016/77627 및 2017년 6월 30일에 출원된 일본국 특허 출원 제2017-129086호를 우선권 주장의 기초로 하고 있고, 인용에 의해 그 내용의 전부가 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 표면 탄성파 소자 외에 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등의 전자 디바이스에 이용 가능하다.

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

Claims

사이알론 소결체로서,
Si₆ _- _zAl_zO_zN₈ _-z(0＜z≤4.2)로 나타내고, 개기공률이 0.1％ 이하, 상대 밀도가 99.9％ 이상, 또한, X선 회절도에 있어서, 사이알론의 최대 피크의 강도에 대한, 사이알론 이외의 각 성분의 최대 피크의 강도의 총합의 비가 0.005 이하인 것인, 사이알론 소결체.
제1항에 있어서, 상기 사이알론 소결체의 표면은, 100 ㎛×140 ㎛의 측정 범위에 있어서의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 1.0 ㎚ 이하인 것인, 사이알론 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 사이알론 소결체의 표면은, 100 ㎛×140 ㎛의 측정 범위에 있어서의 최대 산 높이와 최대 곡 깊이의 높이의 차(Pt)가 30 ㎚ 이하인 것인, 사이알론 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 사이알론 소결체의 영률(Young's modulus)은, 180 ㎬ 이상인 것인, 사이알론 소결체.
제1항 또는 제2항에 기재된 사이알론 소결체를 제조하는 방법으로서,
모두 순도가 99.8 질량％ 이상인 질화규소, 질화알루미늄, 알루미나 및 실리카의 성분 중에서, Si:Al:O:N=(6-z):z:z:(8-z)(단, 0＜z≤4.2)가 되도록 성분을 선택하며 질량 비율을 결정하여 각 성분을 혼합하여 원료 분말을 제작하고, 상기 원료 분말을 미리 정해진 형상으로 성형한 후, 소성 온도 1725∼1900℃, 프레스 압력 100∼300 ㎏f/㎠으로 핫 프레스 소성을 행함으로써 사이알론 소결체를 얻는 것인, 사이알론 소결체의 제조 방법.
지지 기판과 기능성 기판이 접합된 복합 기판으로서,
상기 지지 기판은, 제1항 또는 제2항에 기재된 사이알론 소결체인 것인, 복합 기판.
제6항에 있어서, 상기 접합은 직접 접합인 것인, 복합 기판.
제6항에 기재된 복합 기판을 이용한 전자 디바이스.