KR20000029431A

KR20000029431A - 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판

Info

Publication number: KR20000029431A
Application number: KR1019990047690A
Authority: KR
Inventors: 사또시 후지이; 도모끼 우에무라; 유이찌로 세끼; 히데아끼 나가하따; 신이찌 시까따
Original assignee: 오카야마 노리오; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-30
Publication date: 2000-05-25
Also published as: DE69935390D1; CA2285125A1; EP1001048A3; US6416865B1; US6448688B2; CA2285125C; KR100358314B1; EP1001048B1; DE69935390T2; US20010030795A1; EP1001048A2

Abstract

본 발명은 SAW 장치에 사용하는 경우 전파 손실을 줄일 수 있고, 저비용으로 제조할 수 있는 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 흑연상 다이아몬드 (3a)와 탄소 클러스터 (3b)의 혼합막을 포함하며, 이 혼합막 중의 결정 구조가 연속적인 경질 탄소막을 형성한다.

Description

경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판{A Rigid Carbon Film and A Substrate for Surface Acoustic Wave Device Coated Therewith}

본 발명은 전자 부품·전자 재료 일반에(예를 들면 저가형 레이저 마운팅용 히트 싱크로서) 널리 사용되는 경질 탄소막 및 이것을 구비한 표면 탄성파 소자용 기판에 관한 것이다.

종래부터 SAW 기판용 재료로서 LNO(니오브산리튬), LTO(탄탈산리튬), 수정, 사파이어, ZnO 등이 사용되고 있다. 또한, 히트 싱크용 재료로서는 단결정 다이아몬드, C-BN, AlN, Cu, Al 등이 사용되고 있다.

그러나, 이들 재료를 사용하여 SAW 소자를 제작하면, 다음과 같은 문제가 있었다. 예를 들어, 결정성이 높은 다이아몬드는 (111)(l00)의 결정 파셋(facet)이 튀어나온 요철이 형성되기 쉽고, 연마 처리에 의해 표면을 평활하게 하는 것이 매우 곤란하였다. 특히, 다이아몬드는 물질 중 최고의 경도를 갖기 때문에, 막 표면을 평탄하게 하는 것은 매우 곤란하였다. 따라서, SAW 소자를 제작하기 위해서 다이아몬드상에 압전체층을 형성시키면, 이 압전체층 표면에 미세한 요철이 형성된다. 그 결과, 1.0 GHz 이상의 압전체층/다이아몬드의 적층 구조를 갖는 SAW 필터에 있어서, 동작 주파수는 만족할 만한 수준에 있기는 하지만 이러한 주파수에서는 파장이 짧아지기 때문에 전파 손실이 커져 필터의 손실이 커진다는 문제가 있었다.

또한, 현재의 기상 합성법으로는 단결정 다이아몬드를 얻기가 곤란하기 때문에 기상 합성법으로 얻어진 다이아몬드막은 다결정막이 될 수 밖에 없다. 따라서, 이러한 다이아몬드막 중에는 입계가 존재하게 된다. 그리고, 이 입계의 존재에 의해 표면 탄성파는 산란되어 버리기 때문에, 기상 합성법으로 얻어진 다이아몬드막을 SAW 필터에 사용하는 경우에는 전파 손실이 커져 SAW 필터의 특성이 저하되는 경향이 나타나기 쉬웠다.

또한, 다이아몬드와 동등한 음속을 갖는 다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon)를 사용하는 경우에는, 평활한 막을 얻는 것은 용이하지만, 압전체층을 형성할 때 탄소 부분이 진공 중에 증발하는 등의 현상이 나타나기 쉬웠다. 따라서, 이 탄소를 사용하여 장치를 형성시키기가 곤란하며, 탄소를 사용하여 SAW 소자를 제작했다고 할지라도 전파 손실이 크다는 문제가 있었다.

또한, 히트 싱크 용도로서는 초고압 단결정 다이아몬드 등은 높은 열전도율을 갖지만, 고비용이 소요되기 때문에 적절한 열전도율을 갖는 저가(내지 제조가 용이한 것)의 재료에 대한 수요가 높아져 왔다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, SAW 장치에 사용하는 경우 전파 손실을 낮출 수 있고, 저비용으로 제조할 수 있는 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 표면 탄성파 소자용 기판을 사용하여 제작한 SAW 소자를 나타내는 단면도이다.

도 2는 기재 및 경질 탄소막으로 이루어지는 경질 탄소 기판을 나타내는 도면이다.

도 3은 도 1에서 도시한 기재 및 경질 탄소막의 확대도이다.

도 4는 본 발명의 경질 탄소막을 X선 회절하여 얻어지는 스펙트럼의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 경질 탄소막을 라만 분석하여 얻어지는 스펙트럼의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 6은 실시예 1에서 사용한 필라멘트 CVD 장치를 나타내는 모식 단면도이다.

도 7은 실시예 1에서 제작한 SAW 소자의 제조 공정도이다.

도 8은 실시예 1에서 얻어진 본 발명의 경질 탄소막의 배향성, I(111) /I(220)를 나타내는 그래프이다.

도 9는 실시예 1에서 제작한 전극의 패턴을 나타내는 모식도이다.

도 10은 S12를 나타내는 그래프이다.

도 11은 S11를 나타내는 그래프이다.

도 12는 S22를 나타내는 그래프이다.

도 13은 실시예 1에서 얻어진 라만 스펙트럼의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 14는 다이아몬드·피크의 FWHM과 전파 손실과의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 15는 다이아몬드·피크의 피크 위치와 전파 손실과의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 16은 탄소 클러스터·피크의 FWHM과 전파 손실과의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 17은 적분 강도의 비 Ic/Id와 전파 손실과의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 18은 탄소 클러스터가 없는 다이아몬드 CVD막의 연마 후의 표면의 일례를 나타내는 SEM 사진이다(배율 1K=1000배).

도 19는 도 18와 동일한 표면을 나타내는 SEM 사진이다(배율 3K=3000배).

도 20은 도 18와 동일한 표면을 나타내는 SEM 사진이다(배율 10K=10000배).

도 21은 탄소 클러스터가 입계에 있는 경질막(본 발명의 경질막)의 일례를 나타내는 SEM 사진이다(배율 3K=3000배).

도 22는 도 21과 동일한 표면을 나타내는 SEM 사진이다(배율 10K=10000배).

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1: 경질 탄소기판, 2: 기재

3: 경질 탄소막, 3a: 다이아몬드 입자

3b: 탄소 클러스터, 4: 압전체층

5: 전극, 6: 표면 탄성파 소자용 기판,

7: SAW 소자, 10: 필라멘트 CVD 장치.

본 발명자들은 예의 연구 결과, 특정한 성질을 갖는 흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터의 혼합막이 상기 목적 달성에 매우 효과적인 것을 발견하였다.

본 발명의 경질 탄소막은 상기 사실에 근거한 것으로, 구체적으로는 흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터(미소 흑연)의 혼합막으로 이루어지고, 또한 이러한 혼합막 중의 결정 구조가 연속적인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명자들의 지견에 따르면, 상기 구성을 갖는 본 발명의 경질 탄소막은 통상 경질 탄소막의 대부분(바람직하게는, 90 %이상)을 차지하는 흑연상 다이아몬드와 인접하는 다이아몬드 입자 사이를 메우는 탄소 클러스터로 이루어져 있다고 추정된다.

종래의 SAW 필터에 있어서는 다이아몬드 입계에서 표면파가 필연적으로 산란되고, 이에 따라 전파 손실이 발생하였다. 이에 대하여, 본 발명의 경질 탄소막에서는 다이아몬드 결정 입자가 흑연에 가깝고, 인접하는 다이아몬드 입자 사이가 탄소 클러스터로 메워져 있는 것으로부터 결정의 연속성이 단결정에 필적하는 수준으로 유지되어 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 단결정 다이아몬드를 사용하는 경우에 필적할 정도로 전파 손실을 저하시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 경질 탄소막은 본질적으로는 (예를 들면, 물성이나 경도의 관점에서) 다이아몬드와 동등한 수준에 있기 때문에, SAW에 대하여 고품질 다이아몬드와 동등한 음속도를 갖는다. 아울러, 본 발명의 경질 탄소막은 모재에 평행한 면은 다이아몬드의 (111)면이 적고, 또한 결정이 완전한 다이아몬드가 아니라는 점에서 간편한 다이아몬드 지석을 사용한 연마에 의해 표면 조도(Ra) l nm 이하의 매우 평탄한 면을 용이하게 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 경질 탄소막을 사용하여 SAW 필터를 제작하는 경우, 경질 탄소막상에 압전체층을 용이하게 평탄히 성장시킬 수 있다.

＜발명의 실시 형태＞

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관한 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판의 적합한 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하의 설명에 서, 양 비를 나타내는 "%"는 특별히 언급하지 않는 한 "몰" 기준(즉, 몰비, 몰 %)으로 한다.

도 1은 본 실시 형태의 표면 탄성파 소자용 기판을 사용한 SAW 소자 (7)를 나타내는 도면이다. SAW 소자 (7)은 실리콘 등으로 이루어지는 기재 (2)와 이 기재 (2)상에 형성된 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3) 및 이 경질 탄소막 (3)상에 형성된 공지된 압전체층 (4) 및 이 압전체층 (4)상에 형성된 전극 (5)로 구성되어 있다. 또한, 기재 (2), 경질 탄소막 (3) 및 압전체층 (4)에 의해 표면 탄성파 소자용 기판 (6)이 형성되어 있다.

경질 탄소막 (3)의 성장 방법은 특히 제한되지 않지만, 예를 들면, CVD(화학적 기상 성장)법, 마이크로파 플라즈마 CVD법, 플라즈마 제트법, 화염법 및 열 필라멘트법 등의 여러 가지 방법을 사용할 수 있다.

압전체층 (4)는 ZnO, LiNbO₃, LiTaO₃, 수정 등의 공지된 재료에 의해 형성할 수 있다. 또한, 압전체층 (4)의 두께는 층을 구성하는 압전체의 종류 및 SAW 소자 (7)이 목적으로 하는 특성(중심 주파수, 비대역 폭 및 온도 특성 등)에 따라서 설정한다. 압전체층 (4)의 막 형성 방법은 특히 제한되지 않고, 예를 들면 CVD(화학적 기상 성장)법, 마이크로파 플라즈마 CVD법, PVD(물리적 기상 성장)법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 공지된 방법을 이용할 수 있다. 또한, 균일성, 양산성 내지 압전 특성의 점에서는 스퍼터링법(특히, RF 마그네트론·스퍼터링법)을 이용하는 것이 바람직하다.

기재 (2)는 그 위에 경질 탄소막 (3)을 적층할 수 있는 한, 재질(금속, 반도체 등), 두께, 표면 상태(조도 등)에는 특히 제한되지 않는다. 또, 전자 장치를 용이하게 제작하기 위해서는 Si, SiC, GaAs, AlN 등의 반도체 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 몰리브덴 및 스테인레스 등의 금속도 사용 가능하다. Si를 사용하여 기재 (2)를 형성하는 경우, 이 Si 기재의 면 방위는 (100), (110) 또는 (111)인 것이 바람직하다. 특히, 개열면을 용이하게 얻을 수 있는 점에서는 면 방위가 (100)인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 압전체층을 구비하고 있지 않고, 기재 (2) 및 경질 탄소막 (3)만으로 이루어진 기판 (1)을 경질 탄소 기판이라고 칭하기로 한다.

도 3은 기재 (2) 및 경질 탄소막 (3), 즉 경질 탄소 기판 (1)를 나타내는 확대도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 경질 탄소막 (3)에 있어서는, 흑연에 가까운 다이아몬드 입자 (3a)와 다이아몬드 입자 (3a) 사이에 탄소 클러스터(미소 흑연) (3b)가 존재하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 흑연상 다이아몬드 (3a)와 탄소 클러스터 (3b)의 혼합막으로 이루어지고, 동시에 이 혼합막 중의 결정 구조는 연속적으로 되어 있다.

＜흑연상 다이아몬드의 존재 확인＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)에서, 흑연상 다이아몬드(3a)의 존재는 라만 분광에 있어서 1333 cm^-1부근의 다이아몬드 피크의 반값 폭(FWHM)이 6 cm^-1이상인 것에 의해 확인할 수 있다.

통상, 다이아몬드의 결합(sp³, 이른바 다이아몬드 결합)이 강할수록 라만 분광에 의해 관측되는 1333 cm^-1부근의 다이아몬드 피크의 FWHM은 작아지는 경향이있고, 그 FWHM은 통상 3 내지 4 cm^-1이다. 또한, FWHM이 증가하는 것은 sp³의 결합에서 라만 산란이 작아져 결합 중 하나 또는 두 개가 끊어지고, sp 또는 sp²의 결합이 증가하는 것을 의미한다. 그리고, sp²나 sp의 결합은 흑연에 상당하는 결합이기 때문에, 본 실시 형태에서는 "라만 분광에서 1333 cm^-1부근의 다이아몬드 피크의 반값 폭(FWHM)이 6 cm^-1이상인 것"을 흑연의 성질을 갖는 다이아몬드, 즉, 흑연상 다이아몬드 (3a)가 존재하는 것의 확인 수단으로 하고 있다. 또한, 다이아몬드의 피크는 반드시 1333 cm^-1에 있을 필요는 없고, 1332 cm^-1내지 1335 cm^-1의 범위에 있으면 된다.

＜탄소 클러스터의 존재 확인＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)에서, 탄소 클러스터 (3b)의 존재는 "흑연의 라만 피크 위치가 1510 cm^-1이 되는 것"에 의해 확인하는 것이 가능하다.

요시까와 등(M.Yoshikawa, et al., Physical Review, 46(11) p7169(1992))에 의하면, 유리상(glassy) 탄소에 붕소를 이온 주입한 경우, 관측된 유리상 탄소의 라만 스펙트럼의 두 개의 피크(1355 cm^-1와 1590 cm^-1)가 1550 cm^-1에서 하나가 된다고 하였다. 이와 같이 피크가 하나가 되는 것은 흑연의 결정 구조가 적어지기 때문이다.

즉, 이 연구는 탄소 클러스터의 크기는 라만 스펙트럼에서의 피크 수 및 피크 위치에서 결정할 수 있는 것을 나타낸다.

상기한 문헌을 참고로, 본 실시 형태에서는 1510 cm^-1부근에 단 하나의 피크가 존재하고, 151O cm^-1부근의 피크의 FWHM이 두 개의 피크가 겹쳐진 결과 170 cm^-1이하가 되는 것을 근거로 하여, sp 또는 sp²의 결합을 가진 탄소 원자가 2 내지 5 개 모인 것, 즉 다수의 탄소 클러스터 (3b)가 경질 탄소막 (3)내에 존재하고 있다고 추측하였다. 또한, 피크는 반드시 1510 cm^-1일 필요는 없고, 1500 cm^-1내지 1520 cm^-1의 범위이면 된다.

상술한 "1510 cm^-1부근에 단 하나의 피크가 존재하고, 이 피크의 FWHM이 170 cm^-1이하인 것"은 요시까와 등의 문헌에서 보고된 구조보다도 작은 흑연 구조가 많이 포함되어 있는 것을 나타낸다. 또한, "탄소 클러스터"의 양은 흑연 성분의 라만 스펙트럼 강도가 다이아몬드의 라만 스펙트럼 강도의 60 배인 것에 기초하여, (흑연의 라만 강도/60)와 다이아몬드의 라만 스펙트럼 강도에 의해 구할 수 있다.

또한, 경질 탄소막 (3)은 흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터의 존재량의 균형이라는 점에서는, 그 라만 분광에 의한 분석에서 1333 cm^-1부근의 피크 적분 강도(Id)에 대한 기타 sp²구조에 의한 피크의 적분 강도(Ic)의 강도비(Ic/Id)가 4 이상인 것이 바람직하다.

＜결정 구조가 연속적인가의 확인＞

"혼합막 중의 결정 구조가 연속적이다"라는 것은 본 실시 형태에서 "1510 cm^-1에 존재하는 피크의 FWHM이 170 cm^-1이하인 것"에 의해 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 라만 스펙트럼에서의 1510 cm^-1에 존재하는 피크의 FWHM은 두 개의 피크(원래는, 1355 cm^-1와 1590 cm^-1)가 겹치는 정도, 즉, 흑연 구조가 차지하는 비율을 나타내는 지표가 된다.

결정 구조가 연속적인 것은 (1) 다이아몬드의 라만 피크의 FWHM이 6 cm^-1이상인 것, (2) 포함되어 있는 흑연 구조가 차지하는 비율이 작고 SEM 관찰로부터 인접하는 다이아몬드의 입자 사이에 흑연 구조가 존재하는 점으로부터, 다이아몬드 결정 입자가 붕괴된 것(즉, 흑연)이 입계 사이에 존재한다는 것이 도출된 것, (3) 라만 스펙트럼에서 다이아몬드 자체도 다이아몬드 결합만이 아니라, 어느 정도 sp²의 결합을 포함하고 있는 것이 판명된 것에 의해 증명된다.

예를 들면, 유리(이것은 무정형)는 빛을 잘 투과하지만, 이것은 유리에 공극 및 단결정인 것이 없고, 결정 구조가 연속적이기 때문이다. 이러한 빛과 결정 구조의 관계는 SAW와 결정 구조의 관계에서도 마찬가지이다.

또한, 결정 구조가 연속적인 것은 SEM(주사형 전자 현미경) 관찰에 의해서 직접 이미지로 확인하는 것도 가능하다. 이 때의 SEM 조건 및 관찰 결과는 이하와 같다.

히따찌 제조 S-800의 SEM를 사용하여 전자빔:5 kV, 10 μA의 조건으로 관찰한다.

도 18 내지 20에 탄소 클러스터가 존재하지 않는 다이아몬드 CVD막을 연마한 후의 표면의 SEM 사진을 도시한다. 이들 사진에서는 인접하는 다이아몬드 입자 사이에 탄소 클러스터가 존재하지 않기 때문에 입계가 하얗게 떠 있는 상태이다. 다이아몬드의 경우에는 대전시켜 입계가 관찰된다.

도 21 내지 22에 탄소 클러스터가 다이아몬드 입자 사이에 존재하는 경질 탄소막(본 실시 형태의 경질 탄소막)과 동일한 SEM 사진을 도시한다. 이들 사진에서는 탄소 클러스터가 다이아몬드 입자 사이에 존재하고, 탄소 클러스터와 다이아몬드 입자 자체의 결정 구조가 가깝기 때문에 입계의 농담이 관찰되지 않는다.

＜결정질 다이아몬드·피크＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 X선 회절에서 결정질 다이아몬드에 대응하는 피크를 나타낸다. 이러한 X선 회절 스펙트럼의 일례를 도 4의 그래프에 도시한다.

이 X선 회절은 하기의 조건(기재에 평행한 면, 즉 표면에 지배적인 면을 2θ-θ법에 의해 조사한다)하에서 행하는 것이 적합하다.

＜X선 회절 조건＞

X 선관: 회전 쌍음극 X선관

X 선 회절 장치: 리가꾸사 제조, 상품명: RINT-1500

표적: Cu 표적

관전압: 50 kv

관전류: 32 mA

이러한 조건하에서 2θ-θ법으로 25°에서 145°까지 측정하고, 다이아몬드 의 (111), (220), (311), (400) 및 (331)에 대응하는 피크의 유무 및 강도를 체크한다.

＜다이아몬드·피크의 유무＞

상술한 각 다이아몬드·피크에 대해서는 상기 분석에서 얻어진 X선 회절 스펙트럼에서의 백 그라운드를 기준(강도=10)으로 한 상대치로 각 다이아몬드·피크 강도를 표시했을 때, 어느 하나의 피크 강도가 10000 이상이었을 경우 "다이아몬드·피크가 있다"고 판정한다.

각각의 피크 강도를 조사하기 위해서, 피크 값이 43 내지 46°에 존재하는 (111)면의 강도는 적분 구간을 피크 값이 존재하는 각도±1°로 하여 X선 회절에서 얻어진 결과를 적분하고, 이 적분에 의해 얻어진 값을 I(111)로 한다.

한편, 피크 값이 73 내지 76°에 존재하는 (220)면의 강도는 마찬가지로 적분 구간을 피크 값이 존재하는 각도±1°로 하여 X선 회절에서 얻어진 결과를 적분하고, 이 적분에 의해 얻어진 값을 I(220)로 한다. 본 실시 형태에서는 흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터의 존재량 균형의 점에서 상기에서 얻어진 적분 강도의 비, I(111)/I(220)의 값이 0.3 이하인 것이 바람직하다. 또한, I(111)/I(220)의 값은 0.05 내지 0.2의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 범위로 하면 (111)면의 비율이 적고, 용이하게 평탄한 면을 얻을 수 있다.

＜라만 분광＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 그 라만 분광에서 1333 cm^-1부근의 다이아몬드 피크의 FWHM을 로렌츠 곡선으로 피팅하면 6 cm^-1이상의 FWHM을 나타낸다. 또한, 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 그 라만 분광에서 1515 cm^-1부근에 미소한 탄소 클러스터의 피크를 갖는다. 여기에서, "로렌츠 곡선으로 피팅한다"라는 것은 로렌츠 이론에 따라서 피팅한다는 것을 말한다. 이것은, 고체 중의 원자 또는 분자에 의한 격자 진동(포논)에 의해서 산란되는 라만 분광 스펙트럼은 일반적으로 로렌츠 형식으로 표현되는 것에 따른 것이다.

다이아몬드 피크의 FWHM가 6 cm^-1이상인(통상, 단결정의 다이아몬드의 FWHM은 3 cm^-1이하임)점으로부터, 본 실시 형태의 다이아몬드는 흑연에 가까운 다이아몬드라고 추정된다.

또한, SAW 필터를 제작했을 때의 전파 손실이 경감된다는 관점에서는, 다이아몬드에 대한 피크의 적분 강도(Id) 대 탄소 클러스터에 대한 피크의 적분 강도(Ic)의 비(Ic/Id)는 4 이상인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서 사용한 라만 분광 스펙트럼의 적분 정의를 도 5의 그래프에 나타낸다.

본래, 흑연의 라만 피크에서는 1580 cm^-1과 1355 cm^-1에 피크가 존재한다. 그러나, 그 결정이 매우 작아질 때, 즉 탄소 클러스터가 지배적이 될 때, 피크는 l510 cm^-1이 되는 것이 알려져 있다. 또한, 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)에서는 1510 cm^-1의 피크밖에 존재하지 않는다. 이것은 경질 탄소막 (3)에 포함되는 탄소 클러스터가 인접하는 다이아몬드 입자 사이에 들어갈 정도로 극히 작다는 것을 나타낸다.

또한, 탄소 클러스터의 피크는, 즉 1580 cm^-1과 1355 cm^-1의 피크 중복에 기인하는 FWHM를 로렌츠 피팅에 의해 구한 결과 170 cm^-1이하였다. 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)에서는 이러한 탄소 클러스터의 존재에 의해 다이아몬드 입자 사이를 메우는 것이 달성되어 있다. 이러한 특정의 구조에 근거하여, 본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 표면파의 전파 손실이 작다는 특성을 보인다.

도 5의 그래프에서 Ic/Id가 4 이상인 것은, 경질 탄소막 (3)에 탄소 클러스터가 어느 정도 포함되는 것을 의미한다. 상술한 적분 강도의 비 Ic/Id(탄소 클러스터/다이아몬드)가 상기 범위에서 벗어난 경우, 즉, Ic/Id＜4의 경우에는 표면 탄성파의 특성이 저하되고, 특히 전파 손실이 커지는 경향이 있다.

흑연 성분의 라만 스펙트럼에서 계산되는 라만선의 상대 강도는 다이아몬드 성분의 상대 강도의 약 60배이다. 따라서, 탄소 클러스터와 다이아몬드 라만의 상대 강도비가 4 이상인 경우에는 그 비율은 6.6 % 이상이다. 측정의 오차를 감안하면, 대략 5 % 이상의 탄소 클러스터가 포함되는 계산이 된다. 라만 분광 분석은 하기의 조건하에서 바람직하게 행해진다.

＜라만 분광 분석의 조건＞

분석 방법: 라만 분광 산란법

라만 분광 장치: 지파이본사 제조, 상품명: 디롤

광원: 파장 457.92 nm의 아르곤 레이저

출력: 250 mW×10배(현미 라만 분광법)

포커스: 경질 탄소막의 표면에 맞춘다.

＜면조도＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)에서는, 단선 수율의 관점에서 그 표면의 면조도(표면 요철)가 1O nm 이하인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서, "면조도"로서는 JIS B-0601에 규정된 Ra를 사용한다. 이 면조도 Ra는 이하의 방법으로 적합하게 측정 가능하다.

＜면조도의 측정 방법＞

중심선 평균 조도 측정기로 측정 길이 1O μm를 재어 단면 곡선을 중심선에서 접어 그 조도 곡선과 중심선에 의해 얻어진 면적을 측정 길이 10 μm로 나눈 값을 (μ m)로 표시한다.

＜입자 크기＞

본 실시 형태의 경질 탄소막 (3)은 SAW 소자 (7)의 전파 손실을 경감시킨다는 관점에서는, 사용하는 SAW의 파장과 동일 정도 이하의 입자 크기(평균 결정 입경)로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 사용하는 SAW의 파장을 λ로 했을 경우, 입자 크기는 1.0×λ이하 정도(또는 4/5×λ 이하 정도)인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서, 이 입자 크기는 하기의 방법에 의해 적합하게 측정 가능하다.

＜입자 크기의 측정 방법＞

10 mm×10 mm×0.3 mm의 크기를 갖는 경질 탄소막 (3)의 샘플을 제작하여 대기 중에서 700 ℃로 1시간의 어닐링 처리를 행한 후, SEM(배율 5000배)으로 경질 탄소막 (3)의 표면을 관찰하고, 입자 크기를 측정한다.

＜열전도율＞

SAW 소자를 형성한 후의 방열 특성의 점에서는 경질 탄소막 (3)의 열전도율은 2 W/cmK 이상 15 W/cmK 이하의 범위인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서, 이 열전도율은 예를 들면 공지된 레이저 플래쉬법에 의해 적합하게 측정 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 경질 탄소막 및 이것을 구비한 표면 탄성파 소자용 기판에서는 다이아몬드 결정 입자가 흑연에 가깝고, 인접하는 다이아몬드 입자 (3a)의 사이가 탄소 클러스터 (3b)로 메워져 있는 것으로부터, 결정의 연속성이 단결정에 필적하는 수준으로 유지되어 있다. 또한, 경질 탄소막의 결정이 완전한 다이아몬드가 아니기 때문에, 표면을 용이하게 평탄화할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 경질 탄소막을 구비한 SAW 소자에 따르면, 단결정 다이아몬드를 사용한 경우에 필적할 정도로 전파 손실을 저하시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 경질 탄소막은 흑연상의 다이아몬드에 의해 형성되어 있기 때문에 다이아몬드의 단결정을 사용하는 경우와 비교하여 저비용으로 제조할 수 있다.

＜실시예＞

이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

＜실시예 1＞

도 6에 도시한 필라멘트 CVD(화학적 기상 성장) 장치 (10)를 사용하여, 도 7 (a) 내지 도 7(e) 공정을 거쳐 표면 탄성파 소자를 제작하였다. CVD 장치 (10)은 주로 기재 (20)를 지지하는 기재 지지대 (11)과, 기재 (20)를 가열하기 위한 텅스텐 필라멘트 (12)와, 기재 지지대 (11) 및 텅스텐 필라멘트 (12)를 수용하는 벨 자(bell jar)(13)으로 구성되어 있다. 또, 벨 자 (13)에는 메탄 가스 및 수소 가스를 도입하기 위한 가스 도입관 (14), 기재 (20)를 냉각하기 위한 냉각수를 도입하는 냉각수 도입관 (15), 이 냉각수를 배출하는 냉각수 배출관 (16) 및 벨 자 (13)의 내부를 진공으로 하기 위한 진공 펌프 (17)이 접속되어 있다.

우선, 이러한 CVD 장치 (10)에 의해서 도 7(a)에 도시한 바와 같이 두께 350μm의 Si제 기재 (20)의 (100)면상에 두께 30 μm의 경질 탄소막 (21)를 형성하여 경질 탄소 기판을 제작하였다. 이 때 사용한 CVD 조건은 이하와 같다.

필라멘트 W-Si 기재 사이의 거리: 50 mm

압력: 10 torr(벨 자 안은, 진공 펌프에 의해 약 10 내지 200 torr까지 감압하였다.)

CH₄: 50 SCCM

H₂: 1OOO SCCM

필라멘트 온도: 2100 ℃ 전후(이 온도를 얻을 수 있도록 필라멘트 전원을 조정)

기판 온도: 750 ℃ 전후(이 온도를 얻을 수 있도록 냉각수 온도를 조정)

상술한 바와 같이 형성한 경질 탄소막 (21)의 표면을 SEM(주사형 전자 현미경, 배율:3000배)으로 관찰했더니, 입자경은 수십 μm였다. 또한, 이 경질 탄소막 (21)를 X선 회절(Cu관구, θ-2θ법 스캔)한 결과, 43.8°다이아몬드 (111), 75.8°다이아몬드 (220), 90.8°다이아몬드(311), 119.7°다이아몬드(400) 및 140.8°다이아몬드 (331)의 각 피크가 확인되었다.

상술한 조건으로 경질 탄소막/Si 기재의 구조를 갖는 경질 탄소 기판을 8장 제작하고, 피크 값이 43 내지 46°에 존재하는 (111)면의 강도를, 적분 구간을 피크값이 존재하는 각도±1°로 하여 X선 회절에서 얻어진 결과를 적분하고, 적분 강도 I(111)를 얻었다. 한편, 피크 값이 73 내지 76°에 존재하는 (220)면의 강도를, 적분 구간을 피크 값이 존재하는 각도±1°로 하여 X선 회절에서 얻어진 결과를 마찬가지로 적분하여 적분 강도 I(220)를 얻었다. 그리고, 각각의 적분 강도의 비, I(111)/I(220)의 값을 구했더니, 도 8의 그래프 및 표 1에 도시한 바와 같이 모두 0.3 이하였다.

기판 No.	I(111)/I(220)
1	0.09
2	0.08
3	0.15
4	0.19
5	0.14
6	0.12
7	0.15
8	0.17

Ar 레이저를 사용한 라만 분광 스펙트럼에서는 1333 cm^-1에 다이아몬드에 대한 비교적 낮은 피크(강도:Id)가 확인되었지만, 1530 cm^-1내지 1650 cm^-1(Ic)에 광범위한 피크가 있어 적분 강도비는 (Ic/Id)=5였다.

이어서, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 상술한 바와 같이 형성한 경질 탄소막 (21)의 표면을 천연 다이아몬드 지립으로 이루어지는 지석(지립의 입도 #200(5 내지 20 μm))을 사용하여 연마하고, 표면을 20 nm(Ra)로 마무리하였다.

이어서, 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, 경질 탄소막 (21)상에 ZnO로 이루어지는 압전체층 (22)를 형성하고, 표면 탄성파 소자용 기판을 제작하였다. 상세하게는 시료 A, 시료 B(경질 탄소막/Si 기재)상에 하기의 조건으로 RF 스퍼터링에 의해 두께 1050 nm의 압전체층 (22)를 형성하였다.

기판: 다이아몬드/Si 웨이퍼 시료 A 시료 B

타겟: ZnO의 소결체

RF 파워: 500 W(주파수 13.56 MHz)

반응 가스: 종류 Ar+산소 Ar:0₂=1:1

유량 50 sccm

가스 압력: 20.0 Pa

막 형성 온도(기판 온도): 150 ℃

막 형성 속도: 5 nm/min

막 두께: 1050 nm(1.05 μm)

이어서, 도 7(d)에 니타낸 바와 같이 ZnO로 이루어지는 압전체층 (22)상에 전극으로 만들기 위한 두께 80 nm의 Al막 (23)를 DC 스퍼터링법에 의해 형성하였다. 이 때의 조건은 이하와 같다.

DC 스퍼터링 파워: 1.0 kW

반응 가스: 아르곤 가스 유량 50 sccm

가스 압력: 1.0 Pa(7.6 mTorr)

막 형성 온도(기판 온도): 실온

알루미늄막 두께: 80 nm

또한, 도 7(e)에 나타낸 바와 같이 Al막 (23)의 일부를 포토리쏘그래피에 의해 제거하여 하기의 파라미터를 갖는 빗모양 전극 (24)를 형성하고, 표면 탄성파(SAW)소자 (25)를 완성시켰다.

전극 폭: 0.8 μm(중심 주파수 1.75 GHz)

전극수: 40쌍 더블 전극(정규형)

전극 교차폭: 50×파장(파장은 전극폭의 8배 λ=6.4 μm)

입출력 전극 중심간 거리: 50×파장

도 9에 빗모양 전극 (24)의 패턴을 도시하였다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 전극 세편(細片) (31)이 두 개씩 늘어서 세편 네개로 1 파장이 되고, 공백부 (32)도 전극 세편 (31)과 동일한 폭이기 때문에, 전극 세편 (31)의 폭의 8배가 파장이 된다. 또한, 소자의 좌우에 전극쌍이 설치되어 있다. 한쪽 전극쌍의 수가 40쌍이 되는 것이다.

또한, 벡터 망상 분석기(HP8753c)를 사용하여 본 실시예에서 제작한 표면 탄성파 소자 (25)의 전파 손실과 변환 손실 등을 측정하였다. 한쪽 전극 사이에 1 GHz 내지 2 GHz의 고주파 전력을 가하고, 그 전극에서의 파워와 반대측의 전극 사이에 나타나는 파워를 측정하여 S 파라미터를 구하였다. S(11)은 전극 (1)에 전력을 입력했을 때 전극 (1)에 나오는 반사 전력을 나타낸다. S(22)는 전극 (2)에 전력을 입력했을 때 동일한 전극 (2)에 나오는 반사 전력을 나타낸다. S21, S12는 전극 (2) 또는 전극 (1)에 고주파 전력을 넣었을 때, 반대측의 전극 (1) 또는 전극 (2)에서 나오는 전력을 나타낸다. 즉, 전달 전력을 나타내게 된다.

도 10은 S12를 나타낸다. 횡축은 주파수이다. 종축은 전극 (2)에 도달한 신호의 전력을 나타내고, dB로 표현된다. 상기 도면에서 나타낸 바와 같이, 1.78 GHz에서 전달 파워는 피크(-8.2 dB)를 나타낸다. 또한, 상술한 바와 같이 전극의 형상에 의해 파장 λ이 결정되고, 또한 다이아몬드이기 때문에 표면 탄성파의 속도 V가 결정되어 있기 때문에, 표면 탄성파 소자 (25)를 통과할 수 있는 주파수 f=V/λ는 처음부터 결정되어 있게 된다. 이 주파수가 1.78 GHz이다. 이 주파수의 전달 파워는 -8.2 dB가 된다. 그러나, 이 값에는 (1) 전극에서의 저항 손실, (2) 양방향에 신호가 퍼짐에 따른 손실, (3) 변환 손실 등의 모든 손실이 포함되어 있다. 전파 손실은 총 손실 8.2 dB에서 이들 손실을 뺀 값이다.

저항 손실은 Al이 두께 80 nm, 폭 0.8 μm인 것으로부터 산출할 수 있고, 그 값은 1.0 dB이다. 양방향에서 나와 전력이 반이 되는 양방향 손실은 6 dB이다. 도 11은 S11를, 도 12는 S22를 나타낸다. 변환 손실은 S11, S22의 1.78 GHz 이외의 평탄한 부분의 손실 (0.3 dB)로부터 알 수 있다. 이 손실은 양방의 전극에서 일어나기 때문에 변환 손실은 0.6 dB이다. 이들 전극에서의 손실 합계는 7.6 dB이기 때문에, 8.2 dB에서 이것을 차감하여 전파 손실은 실제로 0.6 dB에 불과하다는 것을 알았다.

이것은 양방의 전극 사이를 전파하는 도중에 일어나는 손실인데, 양측 전극의 중심 사이의 거리는 50 파장이다. 파장 당 손실은 0.6 dB를 50으로 나누어 0.012 dB가 된다. 이것은 1.8 GHz라는 높은 주파수에 비해서는 매우 작은 값이다. 본 실시예의 표면 탄성파 소자용 기판을 사용한 표면 탄성파 소자 (25)가 우수하다는 것을 잘 알 수 있다.

실시예 1에서 얻어진 경질 탄소막 중 하나에 대해서, 통상 사용되는 파장 514.5 nm와는 다른 발진 파장 457.92 nm의 아르곤 레이저를 사용하여 라만 분광 측정을 행하였다. 그 결과의 일례는 도 13에 도시한 바와 같이, 다이아몬드 피크 1333 cm^-1부근과 1515 cm^-1부근의 피크만 관측되고, 로렌츠 곡선에 의해 다이아몬드 라만 분광 피크(1333 cm^-l부근)를 피팅했더니, 이 피크의 FWHM은 7 cm^-1였다. 즉, 이 경질 탄소막은 흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터가 혼재한 상태를 나타내었다.

＜실시예 2＞

탄소 클러스터를 포함하는 비율 및 다이아몬드 막질을 변경하기 위해서, 필라멘트 CVD법에 의해 다이아몬드 합성 조건, 특히 메탄 농도의 수소에 대한 비율을 0.5 내지 3 %로 변화시킨 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여, 다섯장의 Si 기판과 경질 탄소막으로 이루어지는 경질 탄소 기판을 제작하였다. 얻어진 각 기판의 다이아막 두께는 20 μm 이상으로, 충분히 SAW 소자를 제작 가능한 기판이라는 것이 판명되었다.

여기에서 사용한 상세한 다이아몬드의 합성 조건을 하기 표 2에 니타내었다.

기판 No.	메탄 유량(sccm)	수소 유량(sccm)	기판 온도(℃)	합성 시간(시간)
9	5	1000	740	35
10	10	1000	750	33
11	15	1000	760	30
12	20	1000	765	25
13	30	1000	770	23

Si 기판과 경질 탄소막으로 이루어지는 경질 탄소 기판(5종류)을 라만 분광에 의해 측정하고, 다이아몬드의 라만 분광 피크(1333 cm^-1)를 로렌츠 곡선으로 피팅하여 이 피크의 FWHM을 구하였다.

또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 SAW 소자를 제작하고, 이들 5종류의 SAW 소자에 대하여 전파 손실을 측정하고, FWHM과 전파 손실과의 관계를 구하였다. 얻어진 다이아몬드 FWHM과 전파 손실과의 관계를 도 14의 그래프에 나타내었다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, FWHM이 6 cm^-1이상인 경우, 전파 손실이 작아진다는 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

또한, 제작한 경질 탄소 기판(5종류)을 라만 분광에 의해 측정하고, 다이아몬드의 라만 분광 피크(1333 cm^-1)를 로렌츠 곡선으로 피팅하여 이 다이아몬드 피크의 정확한 위치(cm^-1)를 구하였다. 얻어진 다이아몬드의 피크 위치와 전파 손실의 관계를 도 15의 그래프에 나타내었다.

제작한 경질 탄소 기판(5종류)을 라만 분광에 의해 측정하고, 탄소 클러스터의 라만 분광 피크(1515 cm^-1부근)를 로렌츠 곡선으로 피팅하여 이 피크의 FWHM를 구하였다. 또한, 이들 5종류의 기판에 대해서 실시예 1과 동일한 방법으로 전파 손실을 측정하고, 탄소 클러스터의 FWHM과 전파 손실과의 관계를 구하였다. 얻어진 흑연 FWHM과 전파 손실과의 관계를 도 16에 나타내었다.

경질 탄소 기판(5종류)을 사용하여 1515 cm^-1부근의 피크 중심 위치±35 cm^-1의 적분 강도(Ic)와 1333 cm^-1부근의 피크 중심 위치±5 cm^-1의 적분 강도(Id)를 구하고, 상술한 탄소 클러스터와 다이아몬드의 라만광의 강도비(Ic/Id)를 산출하였다. 또한, 이들 5종류의 기판에 대하여 SAW 소자를 제작하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 전파 손실을 측정하여 Ic/Id와 전파 손실과의 관계를 구하였다.

상기에서 얻어진 Ic/Id와 전파 손실과의 관계를 도 17의 그래프에 나타내었다. 이 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 강도비 Ic/Id가 4이상인 경우 전파 손실이 작아진다는 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판에 있어서는, 다이아몬드 결정 입자가 흑연에 가깝고, 인접하는 다이아몬드 입자 사이가 탄소 클러스터로 메워져 있는 점으로부터, 결정의 연속성이 단결정에 필적하는 수준으로 유지되어 있다. 또한, 경질 탄소막의 결정이 완전한 다이아몬드가 아니기 때문에, 표면을 용이하게 평탄화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 경질 탄소막 및 표면 탄성파 소자용 기판을 사용하여 제작한 SAW 소자에 따르면, 단결정 다이아몬드를 사용한 경우에 필적할 정도로 전파 손실을 저하시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 경질 탄소막은 흑연상의 다이아몬드에 의해 형성되어 있기 때문에, 다이아몬드의 단결정을 사용하는 경우와 비교하여 저비용으로 제조할 수 있다.

Claims

흑연상 다이아몬드와 탄소 클러스터의 혼합막으로 이루어지고, 혼합막 중의 결정 구조가 연속적인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항에 있어서, 상기 탄소 클러스터를 5 몰 % 이상의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항에 있어서, 상기 흑연상 다이아몬드가 라만 분광 분석에 있어서 1332 내지 1335 cm^-1범위에 피크를 갖고, 피크의 반값 폭이 6 cm^-1이상인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항에 있어서, 상기 탄소 클러스터가 라만 분광 분석에 있어서 1400 내지 1700 cm^-1의 범위 내에서 1500 내지 1520 cm^-1의 범위에 단 하나의 피크를 갖고, 피크의 반값 폭이 170 cm^-1이하인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연상 다이아몬드의 라만 분광에 의한 피크(피크 값이 존재하는 위치 P1=1332 내지 1335 cm^-1)에 대하여 P1±5 cm^-1의 구간에서 적분한 적분 강도를 Id로 하고,

상기 탄소 클러스터의 라만 분광에 의한 피크(피크 값이 존재하는 위치 P2= 1500 내지 1520 cm^-1)에 대하여 P2±35 cm^-1의 구간에서 적분한 적분 강도를 Ic로 했을 경우,

Ic/Id의 값이 4 이상인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연상 다이아몬드의 X선 회절에서의 (111)면의 피크(피크 값이 존재하는 위치 P3=43 내지 46°)에 대하여 P3±1°의 구간에서 적분한 적분 강도를 I(111)로 하고,

상기 흑연상 다이아몬드의 X선 회절에서의 (220)면의 피크(피크 값이 존재하는 위치 P4=73 내지 76°)에 대하여 P4±1°의 구간에서 적분한 적분 강도를 I(220)로 했을 경우,

I(111)/I(220)의 값이 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제6항에 있어서, 상기 I(111)/I(220)의 값이 0.05 내지 0.2의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연상 다이아몬드의 평균 결정 입경이 표면 탄성파 필터에서 사용되는 파장 λ의 1.0배 이하인 것을 특징으로 하는 경질 탄소막.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질 탄소의 열전도율이 2 W/cmK 내지 15 W/cmK인 경질 탄소막.
기재, 기재상에 배치된 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 경질 탄소막 및 경질 탄소막상에 배치된 압전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 기판.
제10항에 있어서, 상기 압전체층이 ZnO, LiNbO₃, LiTaO₃또는 KNbO₃으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 기판.
제10항에 있어서, 상기 기재가 Si로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 기판.