KR20180132613A - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판, 압전성 단결정 기판, 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하는 접합체에 있어서, 접합층에 있어서의 절연성을 높게 하고, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 한다.
접합체(5)는, 지지 기판(1), 압전성 단결정 기판(4), 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층(2A)을 구비한다. 접합층(2A)이 Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는다.
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Description
본 발명은 압전성 단결정 기판과, 지지 기판의 접합체, 및 이것을 이용하는 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 접합시키고, 압전 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진 가능한 빗형 전극을 설치한 것이 알려져 있다. 이와 같이 압전 기판보다 작은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판을 압전 기판에 부착함으로써, 온도가 변화했을 때의 압전 기판의 크기의 변화를 억제하여, 탄성 표면파 디바이스로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
예컨대, 특허문헌 1에는, 압전 기판과 실리콘 기판을 에폭시 접착제로 이루어지는 접착층에 의해 접합시킨 구조의 탄성 표면파 디바이스가 제안되어 있다.
여기서, 압전 기판과 실리콘 기판을 접합할 때에, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2). 이 접합 시에는, 산화규소막 표면과 실리콘 기판 표면에 플라즈마 빔을 조사해서 표면을 활성화하여, 직접 접합을 행한다.
또한, 압전 기판의 표면을 조면(粗面)으로 하고, 그 조면 상에 충전층을 형성하여 평탄화하며, 이 충전층을 접착층을 통해 실리콘 기판에 접착하는 것이 알려져 있다(특허문헌 3). 이 방법에서는, 충전층, 접착층에는 에폭시계, 아크릴계의 수지를 사용하고 있고, 압전 기판의 접합면을 조면으로 함으로써, 벌크파의 반사를 억제하여, 스퓨리어스를 저감하고 있다.
또한, 이른바 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다(특허문헌 4). 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사해서 활성화하여, 직접 접합한다.
한편, 특허문헌 5에서는, 압전성 단결정 기판을, 실리콘 기판이 아니라, 세라믹스(알루미나, 질화알루미늄, 질화규소)로 이루어지는 지지 기판에 대해, 중간층을 통해 직접 접합하는 것이 기재되어 있다. 이 중간층의 재질은, 규소, 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄으로 되어 있다.
한편, 특허문헌 6에 기재된 복합 기판에서는, 압전 기판과 지지 기판을 유기 접착층으로 접착할 때에, 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.
또한, 특허문헌 7에서는, 압전 기판과 지지 기판을 접착층을 통해 접합시킨 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 기판의 접합면에 요철을 형성하고, 이 접합면에 충전제를 도포하여 충전층을 형성하며, 이 충전층과 지지 기판을 접착하는 것을 개시하고 있다. 이 경우, 압전 기판의 접합면에 미소한 요철을 형성함으로써, 그 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.1 ㎛로 함으로써, 벌크파의 반사에 의한 스퓨리어스를 억제하고 있다. 또한, 지지 기판의 접합면의 Ra를 10 ㎚로 함으로써, 지지 기판과 충전층의 접합 강도를 높게 하고 있다.
그러나, 접합체의 용도에 따라서는, 접합층에 있어서의 전기 저항을 높게 함으로써 절연성을 높이는 것이 요망되고 있다. 예컨대, 탄성파 소자의 경우에는, 접합층의 절연성을 높게 함으로써, 노이즈나 손실을 저감할 수 있다. 그러나, 고저항의 접합층에 의해 지지 기판을 압전성 단결정 기판에 대해 높은 강도로 접합하는 것은 곤란하고, 이후의 가공 공정에서 압전성 단결정 기판과 지지 기판 사이에서 박리가 발생한다.
본 발명의 과제는, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판, 압전성 단결정 기판, 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하는 접합체에 있어서, 접합층에 있어서의 절연성을 높게 하고, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 하는 것이다.
본 발명에 따른 접합체는,
다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판,
압전성 단결정 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하고, 상기 접합층이 Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 소자는,
상기 접합체, 및
상기 압전성 단결정 기판 상에 설치된 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다
본 발명에 의하면, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판, 압전성 단결정 기판, 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하는 접합체에 있어서, 접합층에 있어서의 절연성을 높게 하고, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 할 수 있다.
도 1의 (a)는 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판(1) 상에 접합층(2)을 형성한 상태를 도시하고, 도 1의 (b)는 접합층(2)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하며, 도 1의 (c)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시한다.
도 2의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 도시하고, 도 2의 (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 2의 (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 형성한 상태를 도시하고, 도 3의 (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하며, 도 3의 (c)는 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시한다.
도 2의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 도시하고, 도 2의 (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 2의 (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 형성한 상태를 도시하고, 도 3의 (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하며, 도 3의 (c)는 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시한다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1, 도 2는, 지지 기판 상에 접합층을 형성하고, 이것을 압전성 단결정 기판의 표면에 직접 접합하는 실시형태에 관한 것이다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판(1)의 표면(1a)에 접합층(2)을 형성한다. 도면 부호 1b는 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 도시된 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 대해 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사해서, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(4a)으로 한다. 그리고, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 활성화면(4a)과 접합층(2A)의 활성화면(2b)을 직접 접합함으로써, 접합체(5)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더욱 연마 가공해서, 도 2의 (b)에 도시된 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.
도 3의 예에서는, 압전성 단결정 기판(4) 상에 접합층(2)을 형성하고, 이것을 지지 기판(1)의 표면(1a)에 직접 접합한다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 형성한다. 이 시점에서는, 접합층(2)의 표면(2a)에는 요철이 있어도 좋다.
계속해서, 적합한 실시형태에 있어서는, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 접합층(2)에 평탄면(2b)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통, 접합층(2)의 두께는 작아져, 보다 얇은 접합층(2A)이 된다[도 3의 (b) 참조].
단, 평탄화 가공은 반드시 필요한 것은 아니다. 계속해서, 접합층(2A)의 표면(2b)에 대해 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사해서, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(1a)으로 한다. 그리고, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1)의 활성화면(1a)과 접합층(2A)의 활성화면을 직접 접합함으로써, 접합체(5)를 얻는다[도 2의 (a)를 참조]. 그 후, 도 2의 (b) 및 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더욱 연마 가공하여, 압전성 단결정 기판(4A)의 연마면(4c) 상에 소정의 전극(6)을 형성함으로써, 탄성파 소자(7)를 제작한다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 대해 더 설명한다.
본 발명에서는, 지지 기판(1)은 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어진다. 지지 기판(1)을 구성하는 단결정 재료로서는, 실리콘 및 사파이어가 바람직하다. 또한 다결정 세라믹스 재료로서는, 멀라이트, 코디어라이트, 투광성 알루미나, 및 사이알론으로 이루어지는 군에서 선택된 재질이 바람직하다.
압전성 단결정 기판(4)의 재질은, 구체적으로는, 탄탈산리튬(LT) 단결정, 니오브산리튬(LN) 단결정, 니오브산리튬-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)의 주면(主面)의 법선 방향은, 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 압전성 단결정 기판(4)이 LT로 이루어질 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 36°~47°(예컨대 42°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 압전성 단결정 기판(4)이 LN으로 이루어질 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 60°~68°(예컨대 64°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4)의 크기는, 특별히 한정되지 않으나, 예컨대, 직경 50 ㎜~150 ㎜, 두께가 0.2 ㎛~60 ㎛이다.
본 발명에 있어서는, 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 형성된 접합층(2, 2A)을 구비하고, 접합층(2, 2A)이 Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는다. 이 조성은, SiO2(x=0.667에 대응함)에 비해 산소 비율이 상당히 낮게 되어 있는 조성이다. 이러한 조성의 규소 산화물 Si(1-x)Ox로 이루어지는 접합층(2, 2A)에 의해 지지 기판(1)에 대해 압전성 단결정 기판(4, 4A)을 접합하면, 접합 강도를 높게 할 수 있고, 또한 접합층(2, 2A)에 있어서의 절연성도 높게 할 수 있다.
접합층(2, 2A)을 구성하는 Si(1-x)Ox의 조성에 있어서, x가 0.008 미만이면, 접합층(2, 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 바람직하며, 0.024 이상이 특히 바람직하다. 또한, x가 0.408보다 크면, 접합 강도가 떨어져, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, x를 0.408 이하로 하지만, 0.225 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
접합층(2, 2A)의 전기 저항률은 4.8×103 Ω·㎝ 이상인 것이 바람직하고, 5.8×103 Ω·㎝ 이상인 것이 더욱 바람직하며, 6.2×103 Ω·㎝ 이상이 특히 바람직하다. 한편, 접합층(2, 2A)의 전기 저항률은, 일반적으로 1.0×108 Ω·㎝ 이하가 된다.
접합층(2, 2A)의 두께는, 특별히 한정되지 않으나, 제조 비용의 관점에서는 0.01 ㎛~10 ㎛가 바람직하고, 0.05 ㎛~0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
접합층(2, 2A)의 성막 방법은 한정되지 않으나, 스퍼터링법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다. 여기서, 특히 바람직하게는, 스퍼터 타겟을 Si로 한 반응성 스퍼터링 시에, 챔버 내에 흘리는 산소 가스량을 조정함으로써, 접합층(2, 2A)의 산소 비율(x)을 컨트롤하는 것이 가능하다.
구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따르기 때문에 적절히 선택하지만, 적합예에서는, 전체 압력을 0.28 ㎩~0.34 ㎩로 하고, 산소 분압을 1.2×10-3 ㎩~5.7×10-2 ㎩로 하며, 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(2, 2A)에 있어서의 절연성을 보다 확실하게 담보할 수 있다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합층(2, 2A)의 표면(2b)과 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)이 직접 접합되어 있고, 또는 접합층(2, 2A)의 표면(2b)과 지지 기판(1)의 표면(1a)이 직접 접합되어 있다. 이 경우에는, 접합층(2, 2A)의 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4)의 상기 표면(4a), 지지 기판(1)의 표면(1a)의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해 압전성 단결정 기판(4) 또는 지지 기판(1)과 접합층(2, 2A)의 접합 강도가 한층 향상된다.
접합층(2, 2A)의 표면(2b), 압전성 단결정 기판(4), 지지 기판(1)의 표면(4a, 1a)을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다.
적합한 실시형태에 있어서는, 중성화 빔에 의해, 접합층(2, 2A)의 표면(2b), 압전성 단결정 기판(4), 지지 기판(1)의 표면(4a, 1a)을 활성화할 수 있다. 특히, 접합층(2, 2A)의 표면(2b), 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a), 지지 기판(1)의 표면(1a)이 평탄면인 경우에는, 직접 접합하기 쉽다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 특허문헌 4에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들 필드형(saddle field type)의 고속 원자 빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 불활성 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 의해, 전극(정극)과 케이스(부극) 사이에 발생하는 새들 필드형의 전계에 의해, 전자(e)가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 도달한 빔 중, 이온 빔은 그리드에서 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자 빔원으로부터 출사된다. 빔을 구성하는 원자종은, 불활성 가스(아르곤, 질소 등)가 바람직하다.
빔 조사에 의한 활성화 시의 전압은 0.5 ㎸~2.0 ㎸로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50 ㎃~200 ㎃로 하는 것이 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 N~20000 N이 바람직하다.
본 발명의 접합체(5, 5A)의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자(7)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 설치한 것이다. 입력측의 IDT 전극에 고주파 신호를 인가하면, 전극 사이에 전계가 발생하고, 탄성 표면파가 여진되어 압전 기판 상을 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 단결정 기판(4)의 바닥면에 금속막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 수행한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b, 4c)에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판(1)에 형성된 캐비티에 의해 압전성 단결정 기판(4)의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 한편, 램파 소자를 제조하는 경우, 바닥면에 금속막을 갖지 않는 압전성 단결정 기판(4)을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 단결정 기판(4)의 바닥면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때에, 전극의 역할을 수행한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 단결정 기판(4)의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전성 단결정 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로서는, 예컨대 이산화규소, 인 실리카 글라스, 붕소 인 실리카 글라스 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로서는, 광 스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광 변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 단결정 기판(4) 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, 본 발명의 접합층(2, 2A)의 재료는, 고절연 재료이기도 하기 때문에, 접합 전의 중성화 빔에 의한 처리 시에, 분극 반전의 발생이 억제되고, 또한 압전성 단결정 기판(4)에 형성된 주기 분극 반전 구조의 형상을 흩뜨리는 일이 거의 없다.
실시예
(실험 A)
도 2 및 도 3을 참조하면서 설명한 방법에 따라, 표 1, 표 2에 나타내는 각 예의 접합체(5, 5A)를 제작하였다.
구체적으로는, OF부를 갖고, 직경이 4인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 단결정 기판(4)으로서 사용하였다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 절단각이 회전 Y 커트판인 46° Y 커트 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 의해 접합층(2)을 성막하였다. 타겟에는 붕소 도핑의 Si를 사용하였다. 또한, 산소원으로서 산소 가스를 도입하였다. 이때, 산소 가스 도입량을, 표 1, 표 2에 나타내는 바와 같이 변화시킴으로써, 챔버 내의 분위기의 전체 압력과 산소 분압을 변화시키고, 이에 의해 접합층(2)의 산소 비율(x)을 변화시켰다. 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 갖고, 직경이 4인치, 두께가 500 ㎛인 Si로 이루어지는 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, 오물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 ㎩대까지 진공화한 후, 각각의 기판의 접합면(1a, 2b)에 고속 원자 빔(가속 전압 1 ㎸, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하였다. 이어서, 접합층(2A)의 빔 조사면(활성화면))(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 양 기판(1, 4)을 접합하였다[도 2의 (a) 참조]. 계속해서, 얻어진 각 예의 접합체(5)를 100℃에서 20시간 가열하였다.
계속해서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다[도 2의 (b) 참조].
얻어진 각 예의 접합체(5, 5A)에 대해, 이하의 특성을 평가하였다.
(접합층(2A) 중의 산소 비율(x))
압전성 단결정 기판(4) 상에 성막한 접합층(2A)을, 러더포드 후방 산란법에 의해 이하의 조건으로 평가하였다. 장치: National Electrostatics Corporation 제조 Pelletron 3SDH
조건: 입사 이온: 4 He++
입사 에너지: 2300 keV
입사각: 0 deg~4 deg
산란각: 110 deg
시료 전류: 10 ㎁
빔 직경: 2 ㎜φ
면내 회전: 없음
조사량: 70 μC
또한, 상기한 조건으로, 접합층(2A)뿐만이 아니라, 지지 기판(1)과 접합층(2A)의 계면, 및 지지 기판(1)에 대해서도, 함유되는 산소 비율을 평가하였다.
(전기 저항률)
압전성 단결정 기판(4) 상에 성막한 접합층(2A)의 전기 저항률(Ω·㎝)을, 이하의 조건으로 측정하였다.
장치: 하이레스타 UX MCP-HT800 고저항 저항률계(미쯔비시 가가쿠 애널리텍 가부시키가이샤 제조)
조건: 프로브 J 박스 X 타입
인가 전압 1000 V
측정 시간 10초
후술하는 표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 6 및 실시예 7에서, 압전성 단결정 기판(4) 상에 성막한 접합층(2A)의 불순물량을, 4중극형 이차 이온 질량 분석 장치(D-SIMS)로, 이하의 조건으로 측정하였다.
장치: PHI ADEPT1010
조건:
일차 이온종: O2+
일차 가속 전압: 3.0 ㎸
그 결과, 불순물로서 B(붕소)가 검출되었다. B량은, 실시예 6이 7×1018 atoms/㎤, 실시예 7이 8×1018 atoms/㎤였다.
(접합 강도)
각 예의 접합체(5, 5A)에 대해, 크랙 오프닝법에 의해 접합 강도를 측정하였다. 단, 접합 강도가 1.75 J/㎡를 초과하면, 접합층(2A) 부근에서의 박리가 발생하지 않고, 접합체(5, 5A)가 벌크 파괴를 일으킨다.
(폴리시 후의 박리의 유무)
접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)을 폴리시 가공한 후, 압전성 단결정 기판(4A)의 박리의 유무를 육안으로 관찰하였다.
이들의 측정 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다.
이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1~9에 나타내는 바와 같이, 접합층(2A)의 조성이 본 발명의 범위 내일(x가, 0.008 이상 0.408 이하일) 때에는, 접합 강도가 높고, 폴리시 후에 박리가 보여지지 않으며, 또한 전기 저항률이 높다(전기 저항률은, 4.9×103 Ω·㎝ 이상, 9.8×106 Ω·㎝ 이하임).
이에 대해, 접합층(2A)의 조성에 있어서, 비교예 1에 나타내는 바와 같이, 산소 비율(x)이 낮은(x가, 0.0001 이하인) 경우에는, 접합층(2A)의 전기 저항률이 낮아진다(전기 저항률은, 2.3×102 Ω·㎝). 한편, 비교예 2, 3에 나타내는 바와 같이, 접합층(2A)의 산소 비율(x)이 높은(x가, 0.418 이상인) 경우에는, 접합 강도가 낮아지기 때문에 벌크 파괴가 일어나지 않고, 또한 폴리시 후의 박리도 발생한다.
(실험 B)
본 실험 B에서는, 실험 A와 달리, 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 접합층(2)을, 압전성 단결정 기판(4) 상이 아니라, 지지 기판(1) 상에 성막하였다.
구체적으로는, 오리엔테이션 플랫(OF)부를 갖고, 직경이 4인치, 두께가 500 ㎛인 지지 기판(1)을 준비하였다. 단, 지지 기판(1)의 재질은, 실시예 10에서는 Si, 실시예 11에서는 멀라이트, 실시예 12에서는 사이알론, 실시예 13에서는 투광성 알루미나 소결체, 실시예 14에서는 사파이어로 하였다. 지지 기판(1)의 표면(1a, 1b)은, 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해 마무리 가공되어 있고, 각 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.3 ㎚~1.0 ㎚이다.
압전성 단결정 기판(4)은 실험 A와 동일하게 하였다.
계속해서, 지지 기판(1)의 표면(1a)에, 실험 1A와 동일하게 하여 접합층(2A)을 형성하였다. 계속해서, 접합층(2A)의 평탄면(2b)과 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)을 세정하여, 오물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 ㎩대까지 진공화한 후, 각각의 기판의 접합면에 고속 원자 빔(가속 전압 1 ㎸, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하였다. 이어서, 접합층(2A)의 빔 조사면(활성화면)(2b)과 압전성 단결정 기판(4)의 활성화면(4a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 양 기판을 접합하였다[도 2의 (a) 참조]. 계속해서, 얻어진 각 예의 접합체를 100℃에서 20시간 가열하였다.
계속해서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다[도 2의 (b) 참조].
얻어진 각 예의 접합체(5A)에 대해, 접합층(2A) 중의 산소 비율(x), 전기 저항률, 접합 강도, 및 폴리시 후의 박리의 유무를 평가하였다. 이들의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3(실시예 10~실시예 14), 및 실시예 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 접합층(2A)을 지지 기판(1)측에 성막한 경우, 또한 지지 기판(1)으로서 각종 세라믹 기판을 이용한 경우에 있어서도 접합층(2A)에 있어서의 절연성을 높게 하고, 또한 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 접합 강도를 높게 할 수 있다.
상기한 설명에서는, 접합층(2A)은, 지지 기판(1)의 표면(1a)에, 또는, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 형성되어 있었다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 접합층(2A)은, 미리 다른 접합층(예컨대, SiO2)이 미리 형성된 지지 기판(1) 상에 형성해도 좋다[바꿔 말하면, 접합층(2A)과 지지 기판(1) 사이에 다른 접합층을 형성해도 좋음]. 또한, 접합층(2A)은, 미리 다른 접합층(예컨대, SiO2)이 미리 형성된 압전성 단결정 기판(4) 상에 형성해도 좋다[바꿔 말하면, 접합층(2A)과 압전성 단결정 기판(4) 사이에 다른 접합층을 형성해도 좋음].
Claims (7)
- 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어지는 지지 기판,
압전성 단결정 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층
을 구비하고, 상기 접합층이 Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서, 상기 접합층의 전기 저항률이 4.9×103 Ω·㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합층의 표면과 상기 압전성 단결정 기판의 표면이 직접 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기판의 표면과 상기 접합층이 직접 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판이, 실리콘, 사파이어, 멀라이트, 코디어라이트, 투광성 알루미나 및 사이알론으로 이루어지는 군에서 선택된 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판이, 니오브산리튬, 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 접합체, 및 상기 압전성 단결정 기판 상에 설치된 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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