KR20190040246A - 탄성파 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판 상에 압전성 재료 기판을 직접 접합한 타입의 탄성파 소자에 있어서, 탄성파 소자의 Q값을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
탄성파 소자(10)는, 압전성 재료 기판(1A), 압전성 재료 기판(1A) 상에 설치된 중간층(2)으로서, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 중간층(2), 중간층(2) 상에 설치된 접합층(3)으로서, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 접합층(3), 다결정 세라믹스로 이루어지고, 접합층(3)에 대하여 직접 접합된 지지 기판(5), 및 압전성 재료 기판(1A) 상에 설치된 전극(9)을 구비한다.
탄성파 소자(10)는, 압전성 재료 기판(1A), 압전성 재료 기판(1A) 상에 설치된 중간층(2)으로서, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 중간층(2), 중간층(2) 상에 설치된 접합층(3)으로서, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 접합층(3), 다결정 세라믹스로 이루어지고, 접합층(3)에 대하여 직접 접합된 지지 기판(5), 및 압전성 재료 기판(1A) 상에 설치된 전극(9)을 구비한다.
Description
본 발명은, 압전성 재료 기판과, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판과의 접합체를 갖는 탄성파 소자에 관한 것이다.
휴대전화 등에 사용되는 필터 소자나 발진자로서 기능시킬 수 있는 표면 탄성파 소자나, 압전 박막을 이용한 램파 소자나 박막 공진자(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator) 등의 탄성파 소자가 알려져 있다. 이러한 표면 탄성파 소자로서는, 지지 기판과, 탄성 표면파를 전파시키는 압전 기판을 접합하여, 압전 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진시킬 수 있는 빗형 전극을 설치한 것이 알려져 있다. 이와 같이 압전 기판보다도 작은 열팽창계수를 갖는 지지 기판을 압전 기판에 첩부함으로써, 온도가 변화하였을 때의 압전 기판의 크기의 변화를 억제하고, 탄성 표면파 소자로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
특허문헌 1에서는, 2개의 압전 단결정 기판을 겹쳐 직접 접합하여 접합체를 얻고, 접합체 상에 전극을 설치함으로써, 표면 탄성파 소자를 제조하고 있다. 이 직접 접합은 열처리에 의해 이루어진다.
실리콘 기판을 압전 단결정 기판에 직접 접합하는 경우, 일반적으로는 플라즈마 활성화법을 이용한다. 그러나, 플라즈마 활성화법에서는, 접합 후에 강도를 높이기 위해 가열이 필요하고, 접합 온도가 낮으면 접합 강도가 저하되는 경향이 있다. 그러나, 접합 온도를 높게 하면, 실리콘 기판과 압전 기판과의 열팽창계수의 차이 때문에 균열이 발생하기 쉽다.
한편, 소위 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다(특허문헌 2). 이 방법에서는, 중성화 원자빔을 상온에서 각 접합면에 조사하여 활성화하고, 직접 접합한다.
본 발명자들은, 특허문헌 1, 2를 참고로 하여, 다결정 세라믹스 기판 상에 압전성 재료 기판을 접합하고, 그 위에 전극을 설치하여 표면 탄성파 소자를 제조하는 것을 시도하였다. 그러나, 실제로 소자를 제작해 보면, Q값이 저하하고, 온도 특성이 열화하는 경향을 보였다.
본 발명의 과제는, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판 상에 압전성 재료 기판을 직접 접합한 타입의 탄성파 소자에 있어서, 탄성파 소자의 Q값을 향상시키는 것이다.
본 발명에 따른 탄성파 소자는,
압전성 재료 기판,
상기 압전성 재료 기판 상에 설치된 중간층으로서, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 중간층,
상기 중간층 상에 설치된 접합층으로서, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 접합층,
다결정 세라믹스로 이루어지고, 상기 접합층에 대하여 직접 접합된 지지 기판, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 설치된 전극
을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은,
압전성 재료 기판 상에 중간층을 설치하고, 상기 중간층이, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 공정,
상기 중간층 상에 접합층을 설치하고, 상기 접합층이, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 공정,
상기 접합층의 표면에 중성화빔을 조사함으로써 활성화면으로 하는 공정,
다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판의 표면에 중성화빔을 조사함으로써 활성화면으로 하는 공정,
상기 접합층의 상기 활성화면과 상기 지지 기판의 상기 활성화면을 직접 접합하는 공정, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 전극을 설치하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명자들은, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판 상에 압전성 재료 기판을 직접 접합한 타입의 탄성파 소자에 있어서, 탄성파 소자의 Q값의 저하가 보인 원인에 대해서 검토하였다. 이 결과, 이하의 지견을 얻었다.
즉, 목적으로 하는 탄성파는, 원래, 압전성 재료 기판 내에서만 전파되어야 하는 것이다. 그러나, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판 상에 압전성 재료 기판을 직접 접합한 타입의 탄성파 소자에 있어서는, 접합 계면을 따라 미세한 비정질층이 생성되고, 탄성파의 일부가 이 비정질층 내에서 전파되며, 또한 비정질층을 넘어 지지 기판 내에서도 전파 탄성파가 전파되는 경향을 보였다. 이 결과, 탄성파 소자의 Q값이 열화하는 경향을 보였다.
이 때문에, 본 발명자들은, 압전성 재료 기판 상에, 상기한 특정 종류의 이종(異種) 재질로 이루어진 중간층과 접합층을 별개로 형성하고, 이 접합층을, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판에 대하여 직접 접합하는 것을 시도하였다. 이 결과, 탄성파 소자의 Q값이 현저히 증가하는 것을 발견하였다.
이 이유는 분명하지 않지만, 이렇게 해서 얻어진 탄성파 소자에 있어서는, 압전성 재료 기판으로부터 누설된 탄성파는, 중간층 내에서는 비교적 고효율로 전파되고, 중간층과는 이질의 재질로 이루어진 접합층과의 계면에서 차단을 받아, 접합층 내에서의 전파량이 적어진다. 이것에 의해, 접합층과 지지 기판과의 계면(특히 비정질층)에서의 전파나, 지지 기판 내에서의 전파가 억제되기 때문에, Q값이 증가하는 것이라고 생각할 수 있다.
도 1의 (a)는 압전성 재료 기판(1)을 나타낸 모식도이고, (b)는 압전성 재료 기판(1) 상에 중간층(2) 및 접합층(3)을 설치한 상태를 나타낸 모식도이며, (c)는 접합층(3)의 표면(3a)을 활성화 처리한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 2의 (a)는 지지 기판(5)을 나타낸 모식도이고, (b)는 지지 기판(5)의 표면(5a)을 활성화 처리한 상태를 나타낸 모식도이며, (c)는 접합층(3)과 지지 기판(5)을 직접 접합한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 3의 (a)는 접합체(8)의 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타낸 모식도이고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 설치한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 2의 (a)는 지지 기판(5)을 나타낸 모식도이고, (b)는 지지 기판(5)의 표면(5a)을 활성화 처리한 상태를 나타낸 모식도이며, (c)는 접합층(3)과 지지 기판(5)을 직접 접합한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 3의 (a)는 접합체(8)의 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타낸 모식도이고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 설치한 상태를 나타낸 모식도이다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)은 표면(1a, 1b)을 갖는다. 계속해서, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a)에 중간층(2)을 설치하고, 중간층(2)의 표면(2a) 상에 접합층(3)을 설치한다. 계속해서, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 접합층(3)의 표면(3a)에 대하여, 화살표 A와 같이 중성화빔을 조사하고, 접합층(3)의 표면을 활성화하여 활성화면(4)으로 한다.
한편, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판(5)을 준비한다. 지지 기판(5)은, 한 쌍의 표면(5a, 5b)을 갖는다. 계속해서, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(5)의 한쪽 표면(5a)에 중성화빔을 화살표 B와 같이 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(6)으로 한다. 그리고, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(5)의 활성화면(6)과 접합층(3)의 활성화면(4)을 직접 접합함으로써, 접합체(7)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(7)의 압전성 재료 기판(1)의 표면(1b)을 더 연마 가공하여, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 압전성 재료 기판(1A)의 두께를 작게 한다. 도면 부호 1c는 연마면이다. 이것에 의해, 접합체(8)를 얻는다.
도 3의 (b)에서는, 압전성 재료 기판(1A)의 연마면(1c) 상에 소정의 전극(9)을 형성함으로써, 탄성파 소자(10)를 제작하고 있다.
이하, 본 발명의 효과에 대해서 도 3을 참조하면서 더 보충한다.
탄성파는, 원래, 압전성 재료 기판(1A) 내에서만 전파되어야 하는 것이다. 그러나, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판(5) 상에 압전성 재료 기판(1A)을 직접 접합한 타입의 탄성파 소자에 있어서는, 접합 계면을 따라 미세한 비정질층이 생성되고, 탄성파의 일부가 이 비정질층 내에서 전파되며, 또한 비정질층을 넘어 지지 기판(5) 내에서도 전파 탄성파가 전파되는 경향을 보였다. 이 결과, 탄성파 소자의 Q값이 열화하는 경향을 보였다.
한편, 본 발명의 탄성파 소자(10)에 따르면, 압전성 재료 기판(1A) 상에, 상기한 특정 종류의 이종 재질로 이루어진 중간층(2)과 접합층(3)이 별개로 형성되어 있고, 이 접합층(3)이, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판(5)에 대하여 직접 접합되어 있다. 이 결과, 탄성파 소자의 Q값이 현저히 증가하는 것을 발견하였다.
이 이유는 분명하지 않지만, 이렇게 해서 얻어진 탄성파 소자에 있어서는, 압전성 재료 기판(1A)으로부터 누설된 탄성파는, 중간층(2) 내에서는 비교적 고효율로 전파되고, 중간층(2)과는 이질의 재질로 이루어진 접합층(3)과의 계면에서 차단을 받아, 접합층(3) 내에서의 전파량이 적어진다. 이것에 의해, 접합층(3)과 지지 기판(5)과의 계면(특히 비정질층)에서의 전파나, 지지 기판(5) 내에서의 전파가 억제되기 때문에, Q값이 증가하는 것이라고 생각할 수 있다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 대해서 더 설명한다.
탄성파 소자로서는, 탄성 표면파 소자나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등이 알려져 있다. 예컨대, 탄성 표면파 소자는, 압전성 재료 기판의 표면에, 탄성 표면파를 여진시키는 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 상에서 전파되어 나간다. 그리고, 전파 방향에 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 재료 기판(1A)의 바닥면에 금속막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 소자로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 수행한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전 기판의 표면에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판에 형성된 캐비티에 의해 압전 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 또한, 램파 소자를 제조하는 경우, 바닥면에 금속막을 갖지 않는 압전 기판을 구비한 복합 기판을 이용하여도 좋다.
또한, 압전성 재료 기판(1A)의 바닥면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 소자로서 박막 공진자를 제조했을 때에, 전극의 역할을 수행한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전 기판의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로는, 예컨대, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로는, 예컨대, 이산화규소, 인 실리카 유리, 붕소 인 실리카 유리 등을 들 수 있다.
압전성 재료 기판(1A)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 주파수용 탄성 표면파 소자로서 적합하다. 또한, 압전성 재료 기판(1A)의 주면의 법선 방향은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 압전성 재료 기판(1A)이 LT로 이루어질 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축에서 Z축으로 36∼47°(예컨대 42°) 회전한 방향을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 압전성 재료 기판(1A)이 LN으로 이루어질 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축에서 Z축으로 60∼68°(예컨대 64°) 회전한 방향을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 또한, 압전성 재료 기판의 크기는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 직경이 50∼150 ㎜, 두께가 0.2∼60 ㎛이다.
지지 기판(5)은 다결정 세라믹스로 이루어진다. 이것은, 바람직하게는, 멀라이트, 질화알루미늄, 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 재질을 예시할 수 있다.
또한, 지지 기판(5)을 구성하는 세라믹스의 상대 밀도는 95% 이상이 바람직하고, 100%여도 좋다. 또한, 상대 밀도는, 아르키메데스법에 의해 측정한다.
중간층(2)은, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진다. 이들의 재질로 이루어진 중간층(2)을 개재시킴으로써, 탄성파의 전파 효율을 높일 수 있다.
중간층(2)의 두께는, 접합층(3) 및 지지 기판(5) 측으로의 탄성파의 누설을 억제한다고 하는 관점에서는, 0.25 ㎛ 이상이 바람직하고, 0.5 ㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 중간층(2)의 두께는, 성막 비용, 기판의 휨량이라는 관점에서는, 5.0 ㎛ 이하가 바람직하다.
중간층(2) 상에 접합층(3)을 설치한다. 접합층(3)은, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진다. 이러한 접합층(3)을 설치함으로써, 탄성파의 중간층으로부터의 누설을 억제하기 쉽다. 이러한 관점에서는, 접합층의 두께는, 0.01 ㎛ 이상이 바람직하고, 또한, 1.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 또한, 고저항 실리콘은, 체적 저항률이 1000 Ω·cm 이상인 실리콘을 의미한다.
또한, Q값을 증대시킨다고 하는 관점에서는, 중간층의 두께/접합층의 두께는, 5∼25인 것이 바람직하고, 10∼20인 것이 더욱 바람직하다.
계속해서, 다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판(5)의 표면(5a) 및 접합층(3)의 표면(3a)에 중성화빔을 조사함으로써 지지 기판(5)의 표면(5a) 및 접합층(3)의 표면(3a)을 활성화한다. 이 경우, 바람직하게는, 접합층(3)의 표면(3a), 지지 기판(5)의 표면(5a)을 각각 평탄화하여 평탄면을 얻을 수 있다. 여기서, 각 표면을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면은, Ra≤1 ㎚일 필요가 있지만, 0.3 ㎚ 이하로 하면 더욱 바람직하다.
중성화빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 중성화빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들 필드형의 고속 원자빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 불활성 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이것에 의해, 전극(정극)과 케이스체(부극) 사이에 생기는 새들 필드형의 전계에 의해, 전자(e)가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 도달한 빔 중, 이온빔은 그리드로 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자빔원으로부터 출사된다. 빔을 구성하는 원자종은, 불활성 가스(아르곤, 질소 등)가 바람직하다.
빔조사에 의한 활성화시의 전압은 0.5∼2.0 kV로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50∼200 mA로 하는 것이 바람직하다.
계속해서, 진공 분위기에서, 활성화면들끼리 접촉시켜, 접합한다. 이때의 온도는 상온이지만, 구체적으로는 40℃ 이하가 바람직하고, 30℃ 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 접합시의 온도는 20℃ 이상, 25℃ 이하가 특히 바람직하다. 접합시의 압력은 100∼20000 N이 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 지지 기판(5)과 접합층(3)의 계면을 따라 비정질층이 생긴다. 이러한 비정질층은, 지지 기판(5)의 재질과 접합층(3)의 재질과의 혼합물이나 조성물로 되어 있는 경우가 많다. 또한, 표면 활성화시에 이용하는 중성화빔(아르곤, 질소 등)을 구성하는 원자종이 조성으로서 존재하는 경우가 많다. 그 때문에, 이 비정질층은, 지지 기판(5)을 구성하는 원자와 접합층(3)을 구성하는 원자와 중성화빔을 구성하는 원자가 혼재하여 형성되어 있다. 또한, 비정질층의 두께는 20 ㎚ 이하인 경우가 많다.
이러한 비정질층의 존재는 이하와 같이 하여 확인할 수 있다.
측정 장치로서, 투과형 전자 현미경(니혼덴시 제조 JEM-ARM200F)을 이용하여, 미세 구조를 관찰한다. 이때, 측정 조건은, FIB(집속 이온빔)법으로써 박편화된 샘플에 대하여, 가속 전압 200 kV로써 관찰한다.
실시예
(실시예 A1)
도 1∼도 3을 참조하면서 설명한 방법에 따라, 도 3의 (b)에 도시된 탄성파 소자(10)를 제작하였다.
구체적으로는, 오리엔테이션 플랫부(OF부)를 가지며, 직경이 4인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을 압전성 재료 기판(1)으로서 사용하였다. 또한, 지지 기판(5)으로서, OF부를 가지며, 직경이 4인치, 두께가 230 ㎛인 사이알론 기판을 준비하였다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 슬라이스각이 회전 Y컷 판인 46° Y컷 X 전파 LT 기판을 이용하였다. 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a)과 지지 기판(5)의 표면(5a)은, 산술 평균 조도(Ra)가 1 ㎚가 되 도록 경면 연마해 두었다. 산술 평균 조도는 원자간력 현미경(AFM)에 의해, 세로 10 ㎛×가로 10 ㎛의 정방형의 시야를 평가하였다.
계속해서, 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a)에 산화규소막으로 이루어진 두께 0.5 ㎛의 중간층(2)을 스퍼터링법으로 성막하였다. 성막 후의 산술 평균 조도(Ra)는 2 ㎚였다. 다음에, 중간층(2) 상에, 오산화탄탈로 이루어진 두께 0.01 ㎛의 접합층(3)을 CVD법으로 성막하였다. 성막 후의 Ra는 2.0 ㎚였다. 다음에, 접합층(3)의 표면을 화학 기계 연마 가공(CMP)하고, 평탄화하여, Ra를 0.2 ㎚로 하였다. 다음에, 지지 기판(5)인 사이알론 기판은, 화학 기계 연마 가공(CMP)을 행하지 않고, 0.5 ㎛ 이하의 초미세 지립을 이용하여 기계 연마 가공함으로써, 평탄화하여, Ra를 0.5 ㎚ 이하로 하였다.
계속해서, 접합층(3)의 표면(3a)과 지지 기판(5)의 표면(5a)을 세정하고, 오염을 제거한 후, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 각각의 기판의 접합면에 고속 원자빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하였다. 계속해서, 접합층(3)의 빔조사면(활성화면)(4)과 지지 기판(5)의 활성화면(6)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 양 기판을 접합하였다. 그 때문에, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가, 접합 계면이 된다(바꿔 말하면, 접합층(3)과 지지 기판(5)과의 계면을 따라 비정질층이 존재함).
계속해서, 압전성 재료 기판(1)의 표면(1b)을, 두께가 당초의 250 ㎛로부터 3 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다(도 3의 (a) 참조). 연삭 및 연마 공정 중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가하였더니, 2.0 J/㎡였다.
계속해서, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1A)의 연마면(1c) 상에 전극(9)을 설치하고, 탄성파 소자(10)를 제작하였다. 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 탄성파의 파장(λ)을 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 A2∼A5)
실시예 A1과 동일하게 하여 탄성파 소자(10)를 제작하였다. 단, 접합층(3)의 두께를, 표 1에 나타낸 바와 같이 변경하였다(구체적으로는, 접합층(3)의 두께가, 실시예 A2에서는 0.02 ㎛, 실시예 A3에서는 0.05 ㎛, 실시예 A4에서는 0.1 ㎛, 실시예 A5에서는 0.5 ㎛임). 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 실시예 A2∼A5에서는, 실시예 A1과 마찬가지로, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
(비교예 A1)
실시예 A1과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 접합층(3)을 설치하지 않고, 중간층(2)의 표면과 지지 기판(5)의 표면을 직접 접합하였다. 얻어진 소자에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 비교예 A1에서는, 중간층(2)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
(비교예 A2)
실시예 A3(접합층의 두께가 0.05 ㎛)과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 접합층(3)과 지지 기판(5)을 직접 접합하지 않았다. 그 대신에, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A)을 실시예 A3과 동일하게 하여 직접 접합하였다. 얻어진 소자에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 비교예 A2에서는, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A) 사이가 접합 계면이 된다.
(비교예 A3)
실시예 A1과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 접합층(3)을 설치하지 않았다. 또한, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A)을 실시예 A1과 동일하게 하여 직접 접합하였다. 얻어진 소자에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 비교예 A3에서는, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A) 사이가 접합 계면이 된다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 A1∼A5에서는, Q값이 상대적으로 높아지고 있다(Q값: 1100∼2500). 반면, 비교예 A1∼A3에서는, 실시예 A1에 비해 Q값이 현저히 낮다.
이러한 이유로, 비교예 A1(Q값: 500)에서는, 접합층(3)이 없기 때문에, 중간층(2)에서 전파되는 탄성파의 일부가 지지 기판(5) 내에서 또는 중간층(2)과 지지 기판(5)과의 계면인 비정질층에서 전파되어, 전파 효율이 저하되는 것으로 생각된다. 비교예 A2(Q값: 600)에서는, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A)이 직접 접합되어 있기 때문에, 압전성 재료 기판(1A)과 중간층(2)과의 계면에 존재하는 비정질층에 의해 전파 효율이 저하되고 있는 것으로 생각된다.
비교예 A3(Q값: 300)에서는, 접합층(3)이 없고, 또한, 중간층(2)과 압전성 재료 기판(1A)이 직접 접합되어 있기 때문에, 압전성 재료 기판(1A)과 중간층(2)과의 계면에 존재하는 비정질층이나 중간층(2)에서 전파되는 탄성파의 일부가 지지 기판(5) 내로 누설되어, 전파 효율이 최고로 저하되고 있는 것으로 생각된다.
특히, 실시예 A2∼A4에 나타낸 바와 같이, 중간층(2)의 두께/접합층(3)의 두께가, 5∼25일 때, Q값을 현저히 증가시킬 수 있다(Q값: 2000∼2500).
(실시예 B1, B2)
실시예 A3과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 중간층(2)의 재질을 질화알루미늄 또는 사이알론으로 변경하였다. 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 B1, B2에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
(실시예 B3∼B6)
실시예 A3과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 접합층(3)의 재질을, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트 또는 알루미나로 변경하였다. 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 B3∼B6에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
(실시예 B7, B8)
실시예 A3과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 지지 기판(5)의 재질을, 멀라이트 또는 질화알루미늄으로 변경하였다. 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 B7, B8에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 B1∼B8에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 높은 Q값이 얻어졌다(Q값: 2400∼2460).
또한, 표 2에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 중간층(2)의 두께/접합층(3)의 두께를 10으로 하였지만, 실시예 A2, A4와 마찬가지로, 중간층(2)의 두께/접합층(3)의 두께를 5∼25로 함으로써, Q값을 현저히 증가시킬 수 있다.
(실시예 B9, B10)
실시예 A3과 동일하게 하여 탄성파 소자를 제작하였다. 단, 접합층(3)의 재질을, 고저항 실리콘(HR-Si) 또는 산화하프늄으로 변경하였다. 얻어진 소자(10)에 대해서, Q값과 표면 탄성파의 파장(λ)을 측정하고, 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 실시예 B9, B10에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 접합층(3)과 지지 기판(5) 사이가 접합 계면이 된다.
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 B9, B10에서는, 매우 높은 Q값이 얻어졌다(Q값: 2700 또는 2650).
또한, 표 3에서는, 실시예 A3과 마찬가지로, 중간층(2)의 두께/접합층(3)의 두께를 10으로 하였지만, 실시예 A2, A4와 마찬가지로, 중간층(2)의 두께/접합층(3)의 두께를 5∼25로 함으로써, Q값을 현저히 증가시킬 수 있다.
Claims (6)
- 압전성 재료 기판,
상기 압전성 재료 기판 상에 설치된 중간층으로서, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 중간층,
상기 중간층 상에 설치된 접합층으로서, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 접합층,
다결정 세라믹스로 이루어지고, 상기 접합층에 대하여 직접 접합된 지지 기판, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 설치된 전극
을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자. - 제1항에 있어서, 상기 중간층의 두께가 상기 접합층의 두께의 5배 이상, 25배 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합층과 상기 지지 기판과의 계면을 따라 비정질층이 존재하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
- 압전성 재료 기판 상에 중간층을 설치하고, 상기 중간층이, 산화규소, 질화알루미늄 및 사이알론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 공정,
상기 중간층 상에 접합층을 설치하고, 상기 접합층이, 오산화탄탈, 오산화니오븀, 산화티탄, 멀라이트, 알루미나, 고저항 실리콘 및 산화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 공정,
상기 접합층의 표면에 중성화빔을 조사함으로써 활성화면으로 하는 공정,
다결정 세라믹스로 이루어진 지지 기판의 표면에 중성화빔을 조사함으로써 활성화면으로 하는 공정,
상기 접합층의 상기 활성화면과 상기 지지 기판의 상기 활성화면을 직접 접합하는 공정, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 전극을 설치하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자의 제조 방법. - 제4항에 있어서, 상기 중간층의 두께가 상기 접합층의 두께의 5배 이상, 25배 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 소자의 제조 방법.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 접합층과 상기 지지 기판과의 계면을 따라 비정질층을 생성시키는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자의 제조 방법.
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