KR20190133794A - 접합 방법 - Google Patents

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게이이치로 아사이
다카시 요시노
마사시 고토
마사히코 나메리카와
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Abstract

본 발명은 압전성 단결정 기판과, 세라믹스로 이루어진 지지 기판을 직접 접합하는 데에 있어서, 상온에서의 접합을 가능하게 하고, 또한 접합 강도를 향상시키는 것을 과제로 한다.
세라믹스로 이루어진 지지 기판 상에, 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 접합층을 형성한다. 접합층의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 접합층(3A)의 표면(4)을 활성화한다. 접합층의 표면(4)과 압전성 단결정 기판(6)을 직접 접합한다.

Description

접합 방법{BONDING METHOD}
본 발명은, 압전성 단결정 기판과, 세라믹스로 이루어진 지지 기판을 접합하는 방법에 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 디바이스로는, 지지 기판과 탄성 표면파를 전파시키는 압전 기판을 접합하고, 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 접착하는 것에 의해, 온도가 변화했을 때의 압전 기판의 크기의 변화를 억제하고, 탄성 표면파 디바이스로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
예컨대, 특허문헌 1에는, 압전 기판과 실리콘 기판을 에폭시 접착제로 이루어진 접착층에 의해 접합한 구조의 탄성 표면파 디바이스가 제안되어 있다.
여기서, 압전 기판과 실리콘 기판을 접합하는 데에 있어서, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2). 이 접합시에는, 산화규소막 표면과 실리콘 기판 표면과 플라즈마 빔을 조사하여 표면을 활성화하고, 직접 접합을 행한다(플라즈마 활성화법).
또한, 압전 기판의 표면을 조면(粗面)으로 하고, 그 조면 상에 충전층을 형성하여 평탄화하고, 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 억제하고, 스퓨리어스를 저감하고 있다.
또한, 소위 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다(특허문헌 4). 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사하여 활성화하고, 직접 접합한다.
한편, 특허문헌 5에서는, 압전성 단결정 기판을, 실리콘 기판이 아니라 세라믹스(알루미나, 질화알루미늄, 질화규소)로 이루어진 지지 기판에 대하여, 중간층을 통해 직접 접합하는 것이 기재되어 있다. 이 중간층의 재질은, 규소, 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄이라고 한다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2010-187373 특허문헌 2 : 미국 특허 제7213314B2 특허문헌 3 : 일본 특허 제5814727 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 제2014-086400 특허문헌 5 : 일본 특허 제3774782
그러나, 압전성 단결정 기판을 세라믹스로 이루어진 지지 기판과 직접 접합할 때, 플라즈마 활성화법으로 접합하면, 접합후의 가열시에 압전성 단결정 기판과 세라믹스의 열팽창차에 의해 깨어진다. 또한, 접합후에 가열을 하지 않으면 접합 강도가 낮아, 가공 공정 도중에 박리되어 버린다.
한편, 특허문헌 5에 기재된 바와 같이, 세라믹스로 이루어진 지지 기판의 표면에 소정의 중간층을 형성하고, 이온화 빔을 중간층에 조사하여 활성화하고, 압전성 단결정 기판에 직접 접합하는 방법도 있다. 그러나, 본 발명자가 실제로 접합체를 시험 제작해 보면, 접합 강도가 역시 불충분하여, 이후의 가공 공정에서 박리가 생겼다.
본 발명의 과제는, 압전성 단결정 기판과, 세라믹스로 이루어진 지지 기판을 직접 접합하는 데에 있어서, 상온에서의 접합을 가능하게 하고, 또한 접합 강도를 향상시키는 것이다.
본 발명은, 세라믹스로 이루어진 지지 기판과 압전성 단결정 기판을 접합하는 방법으로서,
지지 기판 상에 접합층을 형성하고, 접합층이 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 공정,
접합층의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 접합층의 표면을 활성화하는 공정, 및
접합층의 표면과 압전성 단결정 기판을 직접 접합하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 압전성 단결정 기판과, 세라믹스로 이루어진 지지 기판을 직접 접합하는 데에 있어서, 상온에서의 접합이 가능해지고, 또한 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1의 (a)는, 세라믹스로 이루어진 지지 기판(1) 상에 접합층(2)을 형성한 상태를 나타내고, (b)는, 접합층(3)의 표면(3a)을 평탄화 가공한 상태를 나타내고, (c)는, 평탄면(4)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 2의 (a)는, 압전성 단결정 기판(6)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(6A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(6A) 상에 전극(10)을 설치한 상태를 나타낸다.
도 3의 (a)는, 압전성 단결정 기판(11)의 표면(11a)을 조면으로 한 상태를 나타내고, (b)는, 조면(11a) 상에 중간층(12)을 형성한 상태를 나타내고, (c)는, 중간층(13)의 표면(13a)을 평탄화 가공한 상태를 나타내고, (d)는, 평탄면(14)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 4의 (a)는, 압전성 단결정 기판(11)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(11A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(11A) 상에 전극(10)을 설치한 상태를 나타낸다.
이하, 적절하게 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 나타낸 바와 같이, 세라믹스로 이루어진 지지 기판(1)의 표면(1a)에 접합층(2)을 형성한다. 1b는 반대측의 표면이다. 이 시점에서는, 접합층(2)의 표면(2a)에는 요철이 있어도 좋다.
이어서, 적합한 실시형태에 있어서는, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써 평탄면(3a)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통상, 접합층(2)의 두께는 작아져 보다 얇은 접합층(3)이 된다(도 1의 (b) 참조). 단, 평탄화 가공은 꼭 필요한 것은 아니다.
이어서, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 평탄면(3a)에 대하여 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사하고, 접합층(3A)의 표면을 활성화하여 활성화면(4)으로 한다.
한편, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 압전성 단결정 기판(6)의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 활성화하여 활성화면(6a)으로 한다. 그리고, 압전성 단결정 기판(6)의 활성화면(6a)과 접합층(3A)의 활성화면(4)을 직접 접합함으로써 접합체(7)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(7)의 압전성 단결정 기판의 표면(6b)을 더욱 연마 가공하고, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 압전성 단결정 기판(6A)의 두께를 작게 하여 접합체(8)를 얻는다. 6c는 연마면이다.
도 2의 (c)에서는, 압전성 단결정 기판(6A)의 연마면(6c) 상에 소정의 전극(10)을 형성함으로써 탄성 표면파 소자(9)를 제작하고 있다.
도 3, 도 4는, 압전성 단결정 기판의 표면을 조면으로 한 실시형태에 관한 것이다.
도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 압전성 단결정 기판(11)의 표면(11a)에 가공을 하여 조면(11a)을 형성한다. 11b는 반대측의 표면이다. 이어서, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 조면(11a) 상에 중간층(12)을 형성한다. 이 시점에서는, 중간층(12)의 표면(12a)에도 조면이 전사되어 있고, 요철이 형성되어 있다.
이어서, 적합한 실시형태에 있어서는, 중간층(12)의 표면(12a)을 평탄화 가공함으로써, 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이 평탄면(13a)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해서, 통상, 중간층(12)의 두께는 작아져 보다 얇은 중간층(13)이 된다. 이어서, 도 3의 (d)에 나타낸 바와 같이, 평탄면(13a)에 대하여 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사하고, 중간층(13A)의 표면을 활성화하여 활성화면(14)으로 한다.
한편, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 지지 기판(1) 상의 접합층(3A)의 평탄면에 중성화 빔을 조사함으로써 활성화하여 활성화면(4)으로 한다. 그리고, 접합층(3A)의 활성화면(4)과 중간층(13A)의 활성화면(14)을 직접 접합함으로써 접합체(17)를 얻는다(도 4의 (a)).
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(17)의 압전성 단결정 기판의 표면(11b)을 더욱 연마 가공하고, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 압전성 재료 기판(11A)의 두께를 작게 하여 접합체(18)를 얻는다. 11c는 연마면이다.
또, 도 4의 (c)의 표면 탄성파 소자(19)의 경우에는, 압전성 재료 기판(11A)의 연마면(11c) 상에 소정의 전극(10)이 형성되어 있다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 관해 더 설명한다.
본 발명의 접합체의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자로는, 탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등이 알려져 있다. 예컨대, 탄성 표면파 디바이스는, 압전성 재료 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 상에서 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 단결정 기판의 저면에 금속막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 단결정 기판의 표면에 빗치전극이 형성되고, 지지 기판에 설치된 캐비티에 의해 압전 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 또, 램파 소자를 제조하는 경우, 저면에 금속막을 갖지 않는 압전성 단결정 기판을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 단결정 기판의 저면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때에 전극의 역할을 한다. 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, 인실리카유리, 붕소인실리카유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로는, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 재료 기판 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 재료는, 고절연 재료이기도 하기 때문에, 접합전의 중성화 빔에 의한 처리시에, 분극 반전의 발생이 억제되고, 또한 압전성 단결정 기판에 형성된 주기 분극 반전 구조의 형상을 흩뜨리는 경우가 거의 없다.
본 발명에서는, 중성화 빔에 의해 압전성 단결정 기판의 표면을 활성화할 수 있다. 특히 압전성 재료 기판의 표면이 평탄면인 경우에는, 이 표면을 접합층에 대하여 직접 접합할 수 있다. 그러나, 압전성 단결정 기판 표면이 조면화되어 있는 경우에는, 중간층을 형성하여 그 표면을 평탄화하고, 중성화 빔에 의해 활성화하는 것이 바람직하다. 이 압전성 단결정 기판 상의 중간층의 활성화된 평탄면을, 지지 기판 상의 접합층에 직접 접합할 수 있다.
압전성 단결정 기판의 재질은, 구체적으로는, 탄탈산리튬(LT) 단결정, 니오븀산리튬(LN) 단결정, 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체 단결정, 수정, 붕산리튬을 예시할 수 있다. 그 중, LT 또는 LN인 것이 보다 바람직하다. LT나 LN은, 탄성 표면파의 전파 속도가 빠르고, 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에, 고주파수 및 광대역 주파수용의 탄성 표면파 디바이스로서 적합하다. 또한, 압전성 단결정 기판의 주면의 법선 방향은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 압전성 단결정 기판이 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 재료 기판이 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 기판의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 직경이 50∼150 mm, 두께가 0.2∼60 ㎛이다.
지지 기판의 재질은 세라믹스로 한다. 이것은, 바람직하게는 멀라이트, 코디어라이트 및 사이알론으로 이루어진 군에서 선택된 재질을 예시할 수 있다.
지지 기판 상에 접합층을 형성한다. 접합층은, 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진다. 접합층의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다.
이어서, 적합한 실시형태에 있어서는, 접합층의 표면을 평탄화하여 평탄면을 얻는다. 여기서, 접합층의 표면을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면은, 산술 평균 거칠기 Ra≤1 nm으로 하는 것이 바람직하고, 0.3 nm 이하로 하면 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 압전성 단결정 기판의 표면을 가공하여 조면을 형성한다. 이 조면이란, 면내 일정하게 주기적인 요철이 형성되어 있는 면에서, 산술 평균 거칠기는 0.05 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛, 최저 곡저로부터 최대 산정까지의 높이 Ry가 0.5 ㎛≤Ry≤5 ㎛의 범위이다. 적합한 거칠기는 탄성파의 파장에 의존하며, 벌크파의 반사를 억제할 수 있도록 적절하게 선택한다.
또한, 조면화 가공의 방법은, 연삭, 연마, 에칭, 샌드 블라스트 등이 있다.
이어서, 적합한 실시형태에 있어서는, 접합층의 평탄면에 중성화 빔을 조사함으로써 접합층의 평탄면을 활성화한다.
또한, 압전성 단결정 기판의 표면 또는 그 위의 중간층의 표면을 평탄화하여 평탄면을 얻는다. 여기서, 압전성 단결정 기판 또는 중간층의 표면을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면은, 산술 평균 거칠기 Ra≤1 nm으로 하는 것이 바람직하고, 0.3 nm 이하로 하면 더욱 바람직하다.
압전성 재료 기판의 조면 상에 중간층을 형성하는 경우에는, 중간층의 표면을 평탄화 가공하는 것이 특히 바람직하다. 한편, 지지 기판의 표면, 압전성 재료 기판의 표면이 평탄한 경우에는, 접합층의 표면, 중간층의 표면을 반드시 평탄화 가공할 필요는 없지만, 평탄화 가공해도 좋다.
또한, 중간층의 재질은, 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진다. 중간층의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다.
이어서, 압전성 단결정 기판의 표면 또는 압전성 단결정 기판 상의 중간층의 평탄면에 중성화 빔을 조사함으로써 평탄면을 활성화한다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 특허문헌 4에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들필드형의 고속 원자 빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 불활성 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 따라, 전극(정극)과 하우징(부극) 사이에 생기는 새들필드형의 전계에 의해 전자 e가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 도달한 빔 중 이온 빔은 그리드에 의해 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자 빔원으로부터 출사된다. 빔을 구성하는 원자종은 불활성 가스(아르곤, 질소 등)가 바람직하다.
빔 조사에 의한 활성화시의 전압은 0.5∼2.0 kV로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50∼200 mA로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 진공 분위기에서 활성화면끼리를 접촉시켜 접합한다. 이 때의 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.
실시예
(실시예 A1)
도 1∼도 2를 참조하면서 설명한 방법에 따라서 접합체를 제작했다.
구체적으로는, 오리엔테이션 플랫부(OF부)를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 단결정 기판(6)으로서 사용했다. 또한, 지지 기판(1)으로서, OF부를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 230 ㎛인 멀라이트 기판을 준비했다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 절취각이 회전 Y 컷트판인 46° Y 컷트 X 전파 LT 기판을 이용했다. 압전성 단결정 기판(6)의 표면(6a)은, 산술 평균 거칠기 Ra가 1 nm가 되도록 경면 연마해 두었다. 멀라이트로 이루어진 지지 기판(6)의 표면(6a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 2 nm이다. 산술 평균 거칠기는 원자간력 현미경(AFM)으로 세로 10 ㎛×가로 10 ㎛의 정방형의 시야를 평가했다.
이어서, 지지 기판(1)의 표면(1a)에, 멀라이트로 이루어진 접합층(2)을 1.0 ㎛, CVD법으로 성막했다. 성막후의 Ra는 2.0 nm이었다. 다음으로, 접합층(2)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막두께를 0.5 ㎛로 하고, Ra를 0.3 nm으로 했다.
이어서, 접합층(3)의 평탄면(3a)과 압전성 단결정 기판(6)의 표면(6a)을 세정하여 오물을 제거한 후 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 각각의 기판의 접합면에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사했다. 이어서, 접합층(3A)의 빔 조사면(활성화면)(4)과 압전성 단결정 기판(6)의 활성화면(6a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 양 기판을 접합했다.
이어서, 압전성 단결정 기판(6)의 표면(6b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 20 ㎛이 되도록 연삭 및 연마했다(도 2의 (b) 참조). 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.4 J/㎡였다.
(실시예 A2)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 알루미나로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.3 J/㎡였다.
(실시예 A3)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 오산화탄탈로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.3 J/㎡였다.
(실시예 A4)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 산화티타늄으로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.6 J/㎡였다.
(실시예 A5)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 오산화니오븀으로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.6 J/㎡였다.
(비교예 A1)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 질화규소로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.6 J/㎡였다.
(비교예 A2)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 질화알루미늄으로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.5 J/㎡였다.
(비교예 A3)
실시예 A1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 산화규소로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 A1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.1 J/㎡였다.
(비교예 A4)
실시예 A3과 동일하게 하여, 접합층(2)으로서 오산화탄탈층을 형성했다. 그리고, 접합층의 표면과 압전성 단결정 기판의 표면을 플라즈마 활성화법에 의해 표면 활성화했다. 그 밖에는 실시예 A3과 동일하게 하여 접합체를 제조했다. 챔버 내를 10-1 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 웨이퍼 표면에 N2 플라즈마(파워 200 W)를 60 s 조사하고, 그 후 대기에 꺼내어 순수로 세정한다. 또한 대기중에서 접합시켜, 하중 2000 N을 2분간 인가했다.
그 결과, 압전성 재료 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.3 J/㎡였다.
이상의 결과를 표 1에 간결하게 정리했다.
Figure pat00001
(실시예 B1)
도 1, 도 3, 도 4를 참조하면서 설명한 방법에 따라서 접합체를 제작했다.
구체적으로는, 오리엔테이션 플랫부(OF부)를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 단결정 기판으로서 사용했다. 또한, 지지 기판(1)으로서, OF부를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 230 ㎛인 멀라이트 기판을 준비했다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 절취각이 회전 Y 컷트판인 46° Y 컷트 X 전파 LT 기판을 이용했다. 압전성 단결정 기판의 표면은, 산술 평균 거칠기 Ra가 1 nm가 되도록 경면 연마해 두었다. 멀라이트로 이루어진 지지 기판(1)의 표면(1a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 2 nm이다. 산술 평균 거칠기는 원자간력 현미경(AFM)으로 세로 10 ㎛×가로 10 ㎛의 정방형의 시야를 평가했다.
이어서, 지지 기판(1)의 표면(1a)에, 멀라이트로 이루어진 접합층(2)을 1.0 ㎛, CVD법으로 성막했다. 성막후의 Ra는 2.0 nm이었다. 다음으로, 접합층(2)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막두께를 0.5 ㎛로 하고, Ra를 0.3 nm으로 했다.
한편, 압전성 단결정 기판(11)의 표면(11a)은, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.1 ㎛가 되도록 랩핑 머신으로 거칠게 하여, 조면으로 해 두었다.
이어서, 압전성 단결정 기판(11)의 조면(11a) 상에, 멀라이트로 이루어진 중간층(12)을 두께 2 ㎛ 성막하고, 이면의 미소한 요철을 메웠다. 또, 이 시점에서의 중간층의 표면(12a)은 산술 평균 거칠기 Ra가 0.1 ㎛였다. 다음으로, 중간층의 표면(12a)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막두께 0.5 ㎛, Ra 0.3 nm으로 했다.
이어서, 압전성 단결정 기판(11) 상의 중간층(13)의 평탄면(13a)과 지지 기판 상의 접합층(3)의 평탄면(3a)을 세정하여 표면의 오물을 제거한 후 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 각각의 기판의 접합면에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하여 표면 활성화했다. 이어서, 지지 기판 상의 접합층(3A)의 활성화된 평탄면(4)과 압전성 단결정 기판 상의 중간층(13A)의 활성화된 표면(14)을 접촉시킨 후, 1000 N으로 2분간 가압하여 양 기판을 접합했다.
이어서, 압전성 단결정 기판(11)의 표면(11c)을, 두께가 당초의 250 ㎛로부터 20 ㎛이 되도록 연삭 및 연마했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.6 J/㎡였다.
제작한 접합체를 이용하여 SAW(표면 탄성파) 필터를 제작하고, 300℃로 가열을 했지만, 접합 계면에서의 박리나, 주파수의 시프트는 확인할 수 없었다.
(실시예 B2)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 알루미나로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 또한, 중간층(13A)의 재질을 알루미나로 하고, 중간층의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.5 J/㎡였다.
제작한 접합체를 이용하여 SAW(표면 탄성파) 필터를 제작하고, 300℃로 가열을 했지만, 접합 계면에서의 박리나, 주파수의 시프트는 확인할 수 없었다.
(실시예 B3)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 오산화탄탈로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 또한, 중간층(13A)의 재질을 오산화탄탈로 하고, 중간층의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.6 J/㎡였다.
제작한 접합체를 이용하여 SAW(표면 탄성파) 필터를 제작하고, 300℃로 가열을 했지만, 접합 계면에서의 박리나, 주파수의 시프트는 확인할 수 없었다.
(실시예 B4)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 산화티타늄으로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 또한, 중간층(13A)의 재질을 산화티타늄으로 하고, 중간층의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.8 J/㎡였다.
제작한 접합체를 이용하여 SAW(표면 탄성파) 필터를 제작하고, 300℃로 가열을 했지만, 접합 계면에서의 박리나, 주파수의 시프트는 확인할 수 없었다.
(실시예 B5)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2)의 재질을 오산화니오븀으로 하고, 접합층(2)의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 또한, 중간층(13A)의 재질을 오산화니오븀으로 하고, 중간층의 성막에는 스퍼터링법을 이용했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리는 확인할 수 없었다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 1.8 J/㎡였다.
제작한 접합체를 이용하여 SAW(표면 탄성파) 필터를 제작하고, 300℃로 가열을 했지만, 접합 계면에서의 박리나, 주파수의 시프트는 확인할 수 없었다.
(비교예 B1)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2) 및 중간층(13A)의 재질을 질화규소로 했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.7 J/㎡였다.
(비교예 B2)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2) 및 중간층(13A)의 재질을 질화알루미늄으로 했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.6 J/㎡였다.
(비교예 B3)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2) 및 중간층(13A)의 재질을 산화규소로 했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.1 J/㎡였다.
(비교예 B4)
실시예 B1에 있어서, 접합층(2) 및 중간층(13A)의 재질을 오산화탄탈로 했다. 단, 본 예에서는, 접합층의 표면과 중간층의 표면을 플라즈마 활성화법에 의해 표면 활성화했다. 그 밖에는 실시예 B1과 동일하게 하여 접합체를 제조했다. 챔버 내를 10-1 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 웨이퍼 표면에 N2 플라즈마(파워 200 W)를 60 s 조사하고, 그 후 대기에 꺼내어 순수로 세정한다. 또한 대기중에서 접합시켜, 하중 2000 N을 2분간 인가했다.
그 결과, 압전성 단결정 기판의 연삭 및 연마 공정중에 접합 부분의 박리가 발생했다. 또한 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 바, 0.3 J/㎡였다.
이상의 결과를 표 2에 간결하게 정리했다.
Figure pat00002

Claims (8)

  1. 세라믹스로 이루어진 지지 기판과 압전성 단결정 기판을 접합하는 방법으로서,
    상기 지지 기판 상에 접합층을 형성하고, 상기 접합층이 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 공정,
    상기 접합층의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 상기 접합층의 상기 표면을 활성화하는 공정, 및
    상기 접합층의 상기 표면과 상기 압전성 단결정 기판을 직접 접합하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합층의 상기 표면을 평탄화한 후에 상기 활성화를 행하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 상기 표면을 활성화하는 공정을 포함하고, 상기 접합층의 상기 표면과 상기 압전성 단결정 기판의 상기 표면을 직접 접합하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전성 단결정 기판 상에 중간층을 형성하고, 상기 중간층이 멀라이트, 알루미나, 오산화탄탈, 산화티타늄 및 오산화니오븀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 공정, 및
    상기 중간층의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 상기 중간층의 상기 표면을 활성화하는 공정
    을 포함하고, 상기 접합층의 상기 표면과 상기 중간층의 상기 표면을 직접 접합하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판을 가공하여 조면(粗面)을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 조면 상에 상기 중간층을 형성하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 중간층의 상기 표면을 평탄화한 후에 상기 활성화를 행하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판은, 멀라이트, 코디어라이트 및 사이알론으로 이루어진 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판은, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬 또는 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합 방법.
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