KR20200028478A - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
멀라이트를 포함하는 지지 기판 상에, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층을 강고하게 접합할 수 있는 미세 구조를 제공한다.
지지 기판(3) 및 압전성 재료층(2)을 구비하고 있는 접합체(1)를 제공한다. 지지 기판(3)이 멀라이트를 포함하고, 압전성 재료층(2)의 재질이 LiAO3이다(A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소임). 지지 기판(3)과 압전성 재료층(2)의 계면을 따라 존재하는 계면층(4) 및 계면층(4)과 지지 기판(3) 사이에 존재하는 지지 기판측 중간층(5)을 구비한다. 계면층(4) 및 지지 기판측 중간층(5)이, 각각, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소, 산소, 알루미늄 및 규소를 주성분으로 하고 있다.
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Description
본 발명은 특정한 압전성 재료층과 멀라이트를 포함하는 지지 기판의 접합체에 관한 것이다.
휴대전화 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 접착제를 포함하는 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(플라즈마 활성화법).
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)를 포함하는 지지 기판에 대해, 중간층을 통해 직접 접합하는 것이 기재되어 있다. 이 중간층의 재질은, 규소, 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄으로 되어 있다.
본 발명자는 특히 멀라이트를 포함하는 지지 기판을, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층에 대해 강고하게 안정적으로 접합하는 것을 검토하고 있었다. 왜냐하면, 지지 기판 상에 압전성 재료층을 접합한 후에, 압전성 재료층을 얇게 연마 가공하는 것이 특성상 바람직하지만, 접합 강도가 낮으면, 이 연마 가공 시에 미세한 박리가 발생하기 때문이다.
그러나, 멀라이트를 포함하는 지지 기판 상에, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층을 강고하게 안정적으로 접합하는 것은 곤란하였다.
본 발명의 과제는, 멀라이트를 포함하는 지지 기판 상에, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층을 강고하게 접합할 수 있는 미세 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 지지 기판 및 압전성 재료층을 구비하고 있는 접합체로서,
상기 지지 기판이 멀라이트를 포함하고,
상기 압전성 재료층의 재질이 LiAO3이며(A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소임),
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료층의 계면을 따라 존재하는 계면층 및 상기 계면층과 상기 지지 기판 사이에 존재하는 지지 기판측 중간층을 구비하고 있고, 상기 계면층 및 상기 지지 기판측 중간층이, 각각, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소, 산소, 알루미늄 및 규소를 주성분으로 하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 멀라이트를 포함하는 지지 기판 상에, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층을 강고하게 안정적으로 접합할 수 있는 미세 구조를 제공하는 것에 성공하였다.
도 1의 (a)는 본 발명의 실시형태에 따른 접합체(1)를 도시한 모식도이고, 도 1의 (b)는 접합체(1)의 주요부를 도시한 확대도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 접합체의 주요부를 도시한 사진이다.
도 3은 도 2의 사진의 설명도이다.
도 4의 (a)는 압전성 재료층(2)의 표면(2c)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하고, 도 4의 (b)는 지지 기판(3)의 표면(3c)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시한다.
도 5의 (a)는 압전성 재료층(2)과 지지 기판(3)을 접합한 상태를 도시하고, 도 5의 (b)는 압전성 재료층(2A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 5의 (c)는 압전성 재료층(2A) 상에 전극(9)을 설치한 상태를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 접합체의 주요부를 도시한 사진이다.
도 3은 도 2의 사진의 설명도이다.
도 4의 (a)는 압전성 재료층(2)의 표면(2c)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하고, 도 4의 (b)는 지지 기판(3)의 표면(3c)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시한다.
도 5의 (a)는 압전성 재료층(2)과 지지 기판(3)을 접합한 상태를 도시하고, 도 5의 (b)는 압전성 재료층(2A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 5의 (c)는 압전성 재료층(2A) 상에 전극(9)을 설치한 상태를 도시한다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 접합체는, 지지 기판 및 압전성 재료층을 구비하고 있는 접합체로서, 지지 기판이 멀라이트를 포함하고, 압전성 재료층의 재질이 LiAO3이다(A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소임). 예컨대, 도 1의 (a)에 도시된 접합체(1)에 있어서는, 지지 기판(3)의 활성화면(3a)에 대해 압전성 재료층(2)의 활성화면(2a)이 직접 접합되어 있다. 한편, 부호 2b는, 압전성 재료층(2)의 주면(主面)이고, 부호 3b는 지지 기판(3)의 주면이다.
여기서, 도 1의 (a)의 접합체의 접합 계면을 확대하여 도 1의 (b)에 모식도로서 도시한다.
지지 기판(3)과 압전성 재료층(2)의 계면을 따라 계면층(4)이 형성되어 있고, 계면층(4)과 지지 기판(3) 사이에 지지 기판측 중간층(5)이 존재하고 있다. 계면층(4) 및 지지 기판측 중간층(5)이, 각각, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소, 산소, 알루미늄 및 규소를 주성분으로 하는 재질을 포함한다.
압전성 재료층의 재질은 LiAO3로 한다. 여기서, A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다. 이 때문에, LiAO3는, 니오브산리튬이어도 좋고, 탄탈산리튬이어도 좋으며, 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체(固溶體)여도 좋다.
지지 기판은 멀라이트를 포함한다. 멀라이트는, 3Al2O3·2SiO2(Al6O13Si2)의 조성을 갖는 멀라이트 결정을 포함하는 세라믹스이다. 멀라이트는 소결체인 것이 바람직하지만, 제조법은 특별히 한정되지 않는다.
본 발명에서 이용하는 멀라이트의 상대 밀도는, 접합 강도의 관점에서는, 99.5% 이상이 바람직하고, 100%여도 좋다. 상대 밀도는 아르키메데스법에 의해 측정한다. 또한, 멀라이트의 순도는, 접합 강도의 관점에서는, 98% 이상이 바람직하고, 99% 이상이 더욱 바람직하다.
여기서, 도 1의 (b), 도 2에 있어서, 각 층의 조성은 이하와 같이 된다.
지지 기판(3)의 조성: Al6O13Si2
압전성 재료층(2)의 조성: LiAO3(A=Ta, Nb)
그리고, 지지 기판(3)과 압전성 재료층(2)을 직접 접합하는 단계에 있어서, 각 접합면의 활성화 조건을 제어함으로써, 양자의 계면에 있어서 적당한 원자 확산을 발생시킴으로써, 본 발명의 계면층(4) 및 지지 기판측 중간층(5)을 생성시킬 수 있다. 즉, 계면층 및 지지 기판측 중간층이, 각각, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A), 산소(O), 알루미늄(Al) 및 규소(Si)를 주성분으로 한다. 이것은, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A)가, 압전성 재료층(2)으로부터 지지 기판(3)측을 향해 확산된 것을 나타내고 있다. 또한, 알루미늄(Al) 및 규소(Si)가, 지지 기판(3)(Al6O13Si2)으로부터 압전성 재료층(LiAO3)을 향해 확산된 것을 나타내고 있다.
이러한 미세 구조에 의해, 멀라이트를 포함하는 지지 기판 상에, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 재료층을 강고하게 안정적으로 접합할 수 있는 것을 발견하였다.
한편, 「니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A), 산소(O), 알루미늄(Al) 및 규소(Si)를 주성분으로 한다」란, 전체 원자 비율을 100 원자%로 했을 때에, 이들 원자의 원자 비율의 합계가 95 원자% 이상인 것을 의미하고 있고, 97 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명자가 더욱 이들의 조성을 상세히 검토한 결과, 이하의 것이 판명되었다. 즉, 계면층(4)에 있어서의 규소 비율이 지지 기판측 중간층(5)에 있어서의 규소 비율보다 높게 되어 있는 경우에, 접합 강도가 특히 현저히 향상되어, 접합 계면 이외의 부분에서 벌크 파괴를 발생시키기 쉬운 것을 발견하였다.
그 이유는 명확하지 않다. 규소(Si) 원자는, 지지 기판으로부터 압전성 재료층(2)을 향해 확산되기 때문에, 통상이라면, 지지 기판측 중간층(5)에 있어서의 규소 비율이 계면층(4)에 있어서의 규소 비율보다 높아질 것이다. 그러나, 지지 기판측 중간층이나 계면층은 매우 얇고, 각 접합면의 활성화 상태에 따라서는 규소의 확산이 진행되기 쉬워지고 있으며, 이 때문에 지지 기판(3)으로부터 약간 떨어진 계면층(4)으로 규소의 확산이 보다 집중된 것으로 생각된다. 그리고, 이러한 확산이 발생하고 있는 경우에, 접합 강도가 특히 향상되고 있는 것을 발견한 것이다.
적합한 실시형태에 있어서는, 예컨대 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 계면층(4)이 밝고, 지지 기판측 중간층(5)이 어둡게 되어 있다. 단, 이 사진은, 투과형 전자 현미경의 명시야상(明視野像)이고, 이하의 조건으로 촬영하는 것으로 한다.
측정 장치:
투과형 전자 현미경(니혼 덴시 제조 JEM-ARM200F)을 이용하여 미세 구조를 관찰한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸로 관찰한다.
본 발명에 있어서는, 지지 기판, 지지 기판측 중간층, 계면층, 압전성 재료층의 각 원자 비율은, 이하와 같이 하여 결정한다.
측정 장치:
원소 분석 장치(니혼 덴시 제조 JED-2300T)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸, X선 취출각 21.9°, 입체각 0.98 sr, 도입 시간 30초로 분석한다.
측정값의 처리:
니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A), 산소(O), 알루미늄(Al), 규소(Si) 및 아르곤(Ar)의 원자 비율을, 압전성 재료층, 계면층, 지지 기판측 중간층 및 지지 기판의 각 부분에서 측정한다. 원소(A)의 원자 비율은, Ta와 Nb의 합계량으로 한다. 이때, 각 부분에 있어서, 상기 원소 비율의 합계가 100 원자%가 되도록 조정하고, 각 원자의 원자 비율(원자%)을 산출한다.
계속해서, 지지 기판에 있어서의 알루미늄(Al), 규소(Si)의 원자 비율을 100으로 환산하고, 이에 따라 다른 각 층에 있어서의 알루미늄(Al), 규소(Si)의 원자 비율을 산출한다. 이것은, 지지 기판으로부터 알루미늄과 규소가 각 층을 향해 확산되어 있는 정도를 나타내는 지표가 된다. 압전성 재료층에 있어서는, 알루미늄(Al), 규소(Si)의 원자 비율이 0이 된다.
한편, 압전성 재료층에 있어서의 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A)의 원자 비율을 100으로 환산하고, 이에 따라 각 층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율을 산출한다. 이것은, 압전성 재료층으로부터 원소(A)가 각 층을 향해 확산되어 있는 정도를 나타내는 지표가 된다. 지지 기판에 있어서는, 원소(A)의 원자 비율이 0이 된다.
적합한 실시형태에 있어서는, 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때의 계면층에 있어서의 규소 비율이 41 이상이다. 이것을 41 이상으로 함으로써, 접합 강도가 한층 높아진다. 이 관점에서는, 계면층에 있어서의 규소 비율을 51 이상으로 하는 것이 바람직하고, 61 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다.
또한, 적합한 실시형태에 있어서는, 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때의 계면층에 있어서의 규소 비율이 98 이하이다. 계면층에 있어서의 규소 비율은, 89 이하가 바람직하고, 79 이하가 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 계면층에 있어서의 규소 비율이 지지 기판측 중간층에 있어서의 규소 비율보다 낮아도 좋다. 단, 이 경우에는, 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때, 계면층에 있어서의 규소 비율과 지지 기판측 중간층에 있어서의 규소 비율의 차는, 21 이하인 것이 바람직하고, 12 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 적합한 실시형태에 있어서는, 계면층에 있어서의 규소 비율을 지지 기판측 중간층에 있어서의 규소 비율보다 높게 한다. 이 경우에는, 계면층에 있어서의 규소 비율과 지지 기판측 중간층에 있어서의 규소 비율의 차는, 19 이상인 것이 바람직하고, 38 이상인 것이 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율이 지지 기판에 있어서의 알루미늄 비율보다 높아진다. 이것은, 지지 기판측 중간층에 있어서, 지지 기판으로부터의 알루미늄(Al)이 확산될 때에 국소적으로 집중되는 것을 의미하고 있다. 이 경우에는, 특히 접합 강도가 높아지는 경향이 있다.
이러한 관점에서는, 지지 기판에 있어서의 알루미늄 비율을 100으로 했을 때, 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율을 105 이상으로 하는 것이 바람직하고, 112 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 현실적으로는, 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율은 116 이하인 경우가 많다.
지지 기판에 있어서의 알루미늄 비율을 100으로 했을 때, 계면층에 있어서의 알루미늄 비율은, 접합 강도의 관점에서는, 31 이상인 것이 바람직하고, 또한 통상은 45 이하인 경우가 많다. 또한, 계면층에 있어서의 알루미늄 비율은, 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율보다 낮은 것이 바람직하다.
니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소(A)는, 압전성 재료층으로부터 지지 기판을 향해 확산된다. 이 때문에, 압전성 재료층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율을 100으로 했을 때, 계면층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율은, 50∼90인 것이 바람직하고, 60∼88인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 지지 기판측 중간층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율은, 6∼30인 것이 바람직하고, 16∼23인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 지지 기판측 중간층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율은, 계면층에 있어서의 원소(A)의 원자 비율보다 낮은 것이 통상이다.
예컨대, 계면층에 있어서의 아르곤(Ar) 등의 캐리어 가스의 원자 비율은, 1.8 원자%∼2.5 원자%인 것이 바람직하다. 또한, 지지 기판측 중간층에 있어서의 아르곤(Ar) 등의 캐리어 가스의 원자 비율은, 0.1 원자%∼0.5 원자%인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 접합체의 적합한 제조예에 대해 서술한다.
도 4 내지 도 5는 지지 기판을 압전성 재료층의 표면에 직접 접합하는 제조예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료층(2)의 표면(2c)에 대해, 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사해서, 압전성 재료층(2)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(3)의 표면(3c)에 중성화 빔(A)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면이 형성된 지지 기판을 얻는다. 계속해서, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료층(2)의 활성화면(2a)과 지지 기판(3)의 활성화면(3a)을 직접 접합함으로써, 접합체(1)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(1)의 압전성 재료층(2)의 표면(2b)을 더욱 연마 가공해서, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 압전성 재료층(2A)의 두께를 작게 하여, 접합체(7)를 얻는다. 부호 2d는 연마면이다.
도 5의 (c)에서는, 압전성 재료층(2A)의 연마면(2d) 상에 소정의 전극(9)을 형성함으로써, 탄성 표면파 소자(8)를 제작하고 있다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 대해 더 설명한다.
본 발명의 접합체의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자로서는, 탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등이 알려져 있다. 예컨대, 탄성 표면파 디바이스는, 압전성 재료층의 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 압전성 재료층 상을 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 재료층의 바닥면에 금속막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전성 재료층의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 수행한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 재료층의 표면에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판에 형성된 캐비티에 의해 압전성 재료층의 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 재료층을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 재료층의 바닥면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때에, 전극의 역할을 수행한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 재료층의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전성 재료층의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로서는, 예컨대, 이산화규소, 인 실리카 유리, 붕소 인 실리카 유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로서는, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광 변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 재료층 중에 주기 분극 반전 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 대상이 탄성파 소자이고, 압전성 재료층의 재질이 탄탈산리튬인 경우에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 36°∼47°(예컨대 42°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다.
또한 압전성 재료층이 니오브산리튬을 포함하는 경우에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 60°∼68°(예컨대 64°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 또한, 압전성 재료층의 크기는, 특별히 한정되지 않으나, 예컨대, 직경 50 ㎜∼150 ㎜, 두께가 0.2 ㎛∼60 ㎛이다.
본 발명의 접합체를 얻기 위해서는, 이하의 방법이 바람직하다.
먼저, 압전성 재료층, 지지 기판의 표면(접합면)을 평탄화하여 평탄면을 얻는다. 여기서, 각 표면을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면은, Ra≤1 ㎚가 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하로 하면 더욱 바람직하다.
계속해서, 연마제의 잔사의 제거를 위해서, 압전성 재료층, 지지 기판의 표면을 세정한다. 표면을 세정하는 방법은, 웨트 세정, 드라이 세정, 스크럽 세정 등이 있으나, 간편하고 또한 효율적으로 청정 표면을 얻기 위해서는, 스크럽 세정이 바람직하다. 이때에는, 세정액으로서 세미클린 M-LO를 이용한 후에, 아세톤과 IPA의 혼합 용액을 이용하여 스크럽 세정기로 세정하는 것이 특히 바람직하다.
계속해서, 압전성 재료층, 지지 기판의 표면에 중성화 빔을 조사함으로써, 평탄한 각 표면을 활성화한다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 특허문헌 4에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들 필드형의 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.
실시예
(비교예 1)
도 4 내지 도 5를 참조하면서 설명한 방법에 따라, 접합체를 얻었다.
구체적으로는, 오리엔테이션 플랫부(OF부)를 갖고, 직경이 4인치, 두께가 250 ㎛의 탄탈산리튬(LT)을 포함하는 압전성 재료층(2)을 준비하였다. 압전성 재료층(2)은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 절단각이 회전 Y 커트판인 46° Y 커트 X 전파 LT 기판을 이용하였다. 압전성 재료층(2)의 표면(2c)은, 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚가 되도록 경면 연마해 두었다.
또한, 지지 기판(3)으로서, OF부를 갖고, 직경이 4인치, 두께가 230 ㎛의 멀라이트 기판을 준비하였다. 멀라이트를 포함하는 지지 기판(3)의 표면(3c)의 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.3 ㎚이다. 산술 평균 거칠기는 원자간력 현미경(AFM)으로, 세로 10 ㎛×가로 10 ㎛의 정사각형의 시야를 평가하였다.
계속해서, 지지 기판(3)을 스크럽 세정하였다. 세정액에는 세미클린 M-LO를 이용한 후에, 아세톤과 IPA의 혼합 용액을 이용하였다.
스크럽 세정기로 세정 후에 지지 기판(3)과 압전성 재료층(2)을, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 ㎩대까지 진공화한 후, 각각의 기판의 접합면에 고속 원자 빔(가속 전압 0.5 ㎸, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하였다. 계속해서, 압전성 재료층(2)의 빔 조사면(활성화면)(2a)과 지지 기판(3)의 활성화면(3a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 양 기판을 접합하였다[도 5의 (a)].
얻어진 접합체에 대해, 압전성 재료층, 계면층, 지지 기판측 중간층, 지지 기판에 있어서의 산소(O), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 아르곤(Ar)의 각 원자 비율을 측정하고, 결과를 표 1에 나타낸다.
한편, 비교예 1에서는, 계면층이 규소를 함유하고 있지 않기 때문에 본 발명의 범위 밖이 된다.
또한, 얻어진 접합체에 대해, 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 결과, 0.5 J/㎡였다. 또한, 압전성 재료층(2)의 표면(2b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 30 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다. 연삭 및 연마 공정 중에 접합 부분의 박리가 발생하고 있었다.
(실시예 1)
비교예 1과 동일하게 하여 접합체를 제조하였다. 단, 접합 시에 기판의 접합면에 조사하는 고속 전자 빔의 가속 전압을 0.6 ㎸로 변경하였다.
얻어진 접합체에 대해, 압전성 재료층, 계면층, 지지 기판측 중간층, 지지 기판에 있어서의 산소(O), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 아르곤(Ar)의 각 원자 비율을 측정하고, 결과를 표 2에 나타낸다.
또한, 얻어진 접합체에 대해, 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 결과, 0.75 J/㎡였다. 또한, 압전성 재료층(2)의 표면(2b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 30 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다. 연삭 및 연마 공정 중에 접합 부분의 박리는 발생하지 않았다. 다음으로 20 ㎛가 되도록 연삭 및 연마한 결과, 연삭 및 연마 공정 중에 접합 부분의 박리가 발생하고 있었다.
(실시예 2∼4)
비교예 1과 동일하게 하여 접합체를 제조하였다. 단, 접합 시에 기판의 접합면에 조사하는 고속 전자 빔의 가속 전압을 실시예 2는 1.0 ㎸, 실시예 3은 1.2 ㎸, 실시예 4는 1.5 ㎸로 변경하였다.
얻어진 접합체에 대해, 압전성 재료층, 계면층, 지지 기판측 중간층, 지지 기판에 있어서의 산소(O), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 아르곤(Ar)의 각 원자 비율을 측정하고, 결과를 표 3, 표 4, 표 5에 나타낸다.
또한, 얻어진 접합체에 대해, 크랙 오프닝법으로 접합 강도를 평가한 결과, 모두 벌크 파괴를 발생시켰다. 또한, 압전성 재료층(2)의 표면(2b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 20 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다. 연삭 및 연마 공정 중에 접합 부분의 박리는 발생하지 않았다.
Claims (8)
- 지지 기판 및 압전성 재료층을 구비하고 있는 접합체로서,
상기 지지 기판이 멀라이트를 포함하고,
상기 압전성 재료층의 재질이 LiAO3이며(A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소임),
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료층의 계면을 따라 존재하는 계면층 및 상기 계면층과 상기 지지 기판 사이에 존재하는 지지 기판측 중간층을 구비하고 있고, 상기 계면층 및 상기 지지 기판측 중간층이, 각각, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소, 산소, 알루미늄 및 규소를 주성분으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서, 상기 계면층에 있어서의 규소 비율이 상기 지지 기판측 중간층에 있어서의 규소 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때의 상기 계면층에 있어서의 규소 비율이 41 이상, 98 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제3항에 있어서, 상기 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때의 상기 계면층에 있어서의 규소 비율이 51 이상, 89 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제4항에 있어서, 상기 지지 기판에 있어서의 규소 비율을 100으로 했을 때의 상기 계면층에 있어서의 규소 비율이 61 이상, 79 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율이 상기 지지 기판에 있어서의 알루미늄 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제6항에 있어서, 상기 지지 기판에 있어서의 알루미늄 비율을 100으로 했을 때, 상기 지지 기판측 중간층에 있어서의 알루미늄 비율이 112 이상, 116 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 접합체, 및 상기 압전성 재료층 상에 설치된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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