KR20200115653A - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 하고, 또한 Q치를 향상시키는 것을 과제로 한다.
접합체(5, 5A)는, 지지 기판(1), 압전성 단결정 기판(4, 4A), 및 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 형성된 접합층(2A)을 구비한다. 접합층(2A)이 Si(1-x)Ox(x는 산소 비율이다)의 조성을 갖는다. 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 x가, 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4, 4A)측의 단부에서의 산소 비율 x 및 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 x보다 높다. 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 x가 0.013 이상, 0.666 이하이다.
접합체(5, 5A)는, 지지 기판(1), 압전성 단결정 기판(4, 4A), 및 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 형성된 접합층(2A)을 구비한다. 접합층(2A)이 Si(1-x)Ox(x는 산소 비율이다)의 조성을 갖는다. 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 x가, 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4, 4A)측의 단부에서의 산소 비율 x 및 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 x보다 높다. 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 x가 0.013 이상, 0.666 이하이다.
Description
본 발명은, 압전성 단결정 기판과 지지 기판의 접합체 및 이것을 이용하는 탄성파 소자에 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 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 접착함으로써, 온도가 변화했을 때의 압전 기판의 크기의 변화를 억제하고, 탄성 표면파 디바이스로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
특허문헌 1에는, 압전성 단결정 기판과 실리콘 기판을, 에폭시 접착제로 이루어진 접착층에 의해 접합한 구조의 탄성 표면파 디바이스가 제안되어 있다.
압전 기판과 실리콘 기판을 접합함에 있어서, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다. 이 접합시에는, 산화규소막 표면과 실리콘 기판 표면에 플라즈마 빔을 조사하여 표면을 활성화하여 직접 접합을 행한다(특허문헌 2).
또한, 소위 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사하여 활성화하여 직접 접합한다(특허문헌 3).
압전성 단결정 기판을, 실리콘 기판이 아니라, 세라믹스(알루미나, 질화알루미늄, 질화규소)로 이루어진 지지 기판에 대하여, 중간층을 통해 직접 접합하는 것이 기재되어 있다(특허문헌 4). 이 중간층의 재질은, 규소, 산화규소, 질화규소, 질화알루미늄으로 생각되고 있다.
또한, 압전 기판과 지지 기판을 유기 접착층으로 접착함에 있어서, 지지 기판의 압전 기판에 대한 접착면의 Rt(거칠기 곡선의 최대 단면 높이)를 5 nm 이상, 50 nm 이하로 함으로써, 응력 완화에 의한 크랙 방지 효과를 얻는 것이 기재되어 있다(특허문헌 5).
그러나, 접합체의 용도에 따라서는, 접합층에서의 전기 저항을 높게 함으로서 절연성을 높이는 것이 요구되고 있다. 예컨대, 탄성파 소자의 경우에는, 접합층의 절연성을 높게 함으로서 노이즈나 손실을 저감할 수 있다. 그러나, 고저항의 접합층에 의해 지지 기판을 압전성 단결정 기판에 대하여 높은 강도로 접합하는 것은 어렵고, 이후의 가공 공정에서 압전성 단결정 기판과 지지 기판 사이에서 박리가 생기기 쉬울 뿐만 아니라, 탄성파 소자의 Q치가 저하하는 경향이 있다.
본 발명의 과제는, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판, 압전성 단결정 기판, 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하는 접합체에 있어서, 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 하고, 또한 Q치를 향상시키는 것이다.
본 발명에 관한 접합체는,
다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판,
압전성 단결정 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하고 있고, 상기 접합층이 Si(1-x)Ox(x는 산소 비율이다)의 조성을 갖고 있고, 상기 접합층의 두께 방향의 중앙부에서의 상기 산소 비율 x가, 상기 접합층의 상기 압전성 단결정 기판측의 단부에서의 상기 산소 비율 x 및 상기 접합층의 상기 지지 기판측의 단부에서의 상기 산소 비율 x보다 높고, 상기 접합층의 두께 방향의 중앙부에서의 상기 산소 비율 x가 0.013 이상, 0.666 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 탄성파 소자는,
상기 접합체, 및
상기 압전성 단결정 기판 상에 설치된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판, 압전성 단결정 기판, 및 지지 기판과 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하는 접합체에 있어서, 접합층에서의 절연성을 높게 하고, 또한 지지 기판과 압전성 단결정 기판의 접합 강도를 높게 할 수 있다. 이것에 의해 접합 강도가 높고, 또한 손실이 낮은 (Q치가 높은) 탄성파 소자를 제공하는 것이 가능하다.
도 1의 (a)는, 압전성 단결정 기판(4) 상에 접합층(2)을 형성한 상태를 나타내고, (b)는, 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(C)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는, 지지 기판(1)의 표면(1a)을 중성화 빔(D)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 2의 (a)는, 지지 기판(1)을 접합층(2A)에 직접 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 나타낸다.
도 3은 접합층(2A)에서의 산소 비율을 나타내는 개념도이다.
도 4의 (a)는, 지지 기판(1) 상에 접합층(12)을 형성한 상태를 나타내고, (b)는, 접합층(12A)의 표면(12b)을 중성화 빔(C)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)을 중성화 빔(D)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 5의 (a)는, 압전성 단결정 기판(4)을 접합층(12A)에 직접 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 나타낸다.
도 6은 접합층(12A)에서의 산소 비율을 나타내는 개념도이다.
도 2의 (a)는, 지지 기판(1)을 접합층(2A)에 직접 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 나타낸다.
도 3은 접합층(2A)에서의 산소 비율을 나타내는 개념도이다.
도 4의 (a)는, 지지 기판(1) 상에 접합층(12)을 형성한 상태를 나타내고, (b)는, 접합층(12A)의 표면(12b)을 중성화 빔(C)에 의해 활성화한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)을 중성화 빔(D)에 의해 활성화한 상태를 나타낸다.
도 5의 (a)는, 압전성 단결정 기판(4)을 접합층(12A)에 직접 접합한 상태를 나타내고, (b)는, 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 나타내고, (c)는, 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 설치한 상태를 나타낸다.
도 6은 접합층(12A)에서의 산소 비율을 나타내는 개념도이다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1, 도 2는, 압전성 단결정 기판(4) 상에 접합층(2)을 형성하고, 이것을 지지 기판(1)의 표면(1a)에 직접 접합하는 실시형태에 관한 것이다.
도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 형성한다. 4b는 반대쪽의 표면이다. 이 시점에서는, 접합층(2)의 표면(2a)에는 요철이 있어도 좋다.
이어서, 적합한 실시형태에서는, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 접합층(2)에 평탄면(2b)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통상, 접합층(2)의 두께는 작아지고, 보다 얇은 접합층(2A)이 된다(도 1의 (b) 참조). 다만, 평탄화 가공은 반드시 필요한 것은 아니다. 이어서, 접합층(2A)의 표면(2b)에 대하여 화살표 C와 같이 중성화 빔을 조사하고, 접합층(2A)의 표면(2b)을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 화살표 D와 같이 중성화 빔을 조사함으로써 활성화한다. 그리고, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 지지 기판(1)의 활성화된 표면(1a)과 접합층(2A)의 활성화된 표면(2b)을 직접 접합함으로써, 접합체(5)를 얻는다.
적합한 실시형태에서는, 접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더 연마 가공하고, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 압전성 단결정 기판(4A)의 두께를 작게 하여, 접합체(5A)를 얻는다. 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.
본 발명에서는, 접합층(2A)이 Si(1-x)Ox(x는 산소 비율이다)의 조성을 갖고 있다. 그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 xO가, 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부(계면 B 근방)에서의 산소 비율 xB 및 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부(계면(A) 근방)에서의 산소 비율 xA보다 높아졌다. 그 상태에서, 접합층(2A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 xO를 0.013 이상, 0.666 이하로 한다. 이것에 의해 접합 강도가 높고, 또한 Q치가 높은 탄성파 소자(7)를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x의 최대치가 0.013 이상, 0.666 이하이다. 이것에 의해 Q치를 현저히 개선할 수 있고, 또한 압전성 단결정 기판(4(4A))의 지지 기판(1)에 대한 접합 강도를 높게 할 수 있다. 이러한 관점에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x의 최대치를 0.05 이상으로 하는 것이 바람직하다.
도 4∼도 6의 실시형태에서는, 지지 기판(1) 상에 접합층(12A)을 형성하고, 접합층(12A)을 압전성 단결정 기판(4)에 대하여 접합하고 있다.
즉, 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 접합층(12)을 형성한다. 이 시점에서는, 접합층(12)의 표면(12a)에는 요철이 있어도 좋다.
이어서, 적합한 실시형태에서는, 접합층(12)의 표면(12a)을 평탄화 가공함으로써, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 접합층(12A)에 평탄면(12b)을 형성한다. 이 평탄화 가공에 의해, 통상, 접합층(12)의 두께는 작아지고, 보다 얇은 접합층(12A)이 된다(도 4의 (b) 참조). 다만, 평탄화 가공은 반드시 필요한 것은 아니다. 이어서, 접합층(12A)의 표면(12b)에 대하여 화살표 C와 같이 중성화 빔을 조사하고, 접합층(12A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면에 중성화 빔(D)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(4a)으로 한다. 그리고, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 접합층(12A)의 활성화된 표면(12b)과 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)을 직접 접합함으로써, 접합체(15)를 얻는다(도 5의 (a)를 참조). 그 후, 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 접합체(15)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 더 연마 가공하여 접합체(15A)를 얻고, 압전성 단결정 기판(4A)의 연마면(4c) 상에 소정의 전극(6)을 형성함으로써, 탄성파 소자(17)를 제작한다.
본 실시형태에서는, 도 6의 모식도에 나타낸 바와 같이, 접합층(12A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 xO가, 접합층(12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부에서의 산소 비율 xB 및 접합층(12A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA보다 높아졌다. 그 상태에서, 접합층(12A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 xO를 0.013 이상, 0.666 이하로 한다. 이것에 의해 접합 강도가 높고, 또한 Q치가 높은 탄성파 소자(17)를 제공하는 것이 가능하다.
적합한 실시형태에서는, 지지 기판(1)과 접합층(2A)의 계면(A)이 직접 접합된 계면이다. 도 1∼3은 이 실시형태에 관한 것이다. 그리고, 본 실시형태에서는, 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA가 0.001 이상, 0.408 이하이다. 이것에 의해 접합 강도를 한층 더 향상시킬 수 있고, 또한 Q치도 높게 유지할 수 있다. 이 관점에서는, 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA를 0.005 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 또한, 0.3 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 적합한 실시형태에서는, 압전성 단결정 기판(4(4A))과 접합층(12A)의 계면(B)이 직접 접합된 계면이다. 도 4∼6은 이 실시형태에 관한 것이다. 그리고, 본 실시형태에서는, 접합층(12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부(계면 B의 근방)에서의 산소 비율 xB가 0.001 이상, 0.408 이하이다. 이것에 의해 접합 강도를 한층 더 향상시킬 수 있고, 또한 Q치도 높게 유지할 수 있다. 이 관점에서는, 접합층(12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부에서의 산소 비율 xB를 0.005 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 또한, 0.3 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 적합한 실시형태에서는, 접합층(2A, 12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부에서의 산소 비율 xB, 접합층(2A, 12A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA가, 모두 0.001 이상, 0.408 이하이다. 이것에 의해 접합 강도를 한층 더 향상시킬 수 있고, 또한 Q치도 높게 유지할 수 있다. 이 관점에서는, 접합층(2A, 12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부에서의 산소 비율 xB, 접합층(2A, 12A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA를, 모두 0.005 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 또한, 0.3 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
접합층(2A, 12A)의 압전성 단결정 기판(4(4A))측의 단부에서의 산소 비율 xB, 접합층(2A, 12A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA, 및, 접합층(2A, 12A)의 두께 방향의 중앙부에서의 산소 비율 xO는, 실시예의 기재와 같이 측정하는 것으로 한다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 관해 더 설명한다.
본 발명에서는, 지지 기판(1)은 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료로 이루어진다. 지지 기판(1)을 구성하는 단결정 재료로는, 실리콘 및 사파이어가 바람직하다. 또한 다결정 세라믹스 재료로는, 멀라이트, 코디에라이트, 투광성 알루미나 및 사이알론으로 이루어진 군에서 선택된 재질이 바람직하다.
압전성 단결정 기판(4, 4A)의 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, 고주파수이자 광대역 주파수용의 탄성 표면파 디바이스로서 적합하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 주면의 법선 방향은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 압전성 단결정 기판(4, 4A)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, 4A)의 크기는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 직경 50∼150 mm, 두께가 0.2∼60 μm이다.
접합층(2, 2A, 12, 12A)의 전기 저항률은 4.8×103 Ω·cm 이상인 것이 바람직하고, 5.8Х103 Ω·cm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 6.2×103 Ω·cm 이상이 특히 바람직하다. 한편, 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 전기 저항률은, 일반적으로 1.0×108 Ω·cm 이하가 된다. 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 두께 T는, 특별히 한정되지 않지만, 제조 비용의 관점에서는 0.01∼10 μm이 바람직하고, 0.05∼0.5 μm이 더욱 바람직하다.
접합층(2, 2A, 12, 12A)의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다. 여기서, 특히 바람직하게는, 스퍼터 타겟을 Si로 한 반응성 스퍼터링시에, 챔버 내에 흘리는 산소 가스량을 조정함으로써, 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 산소 비율(x)을 컨트롤하는 것이 가능하다. 즉, 하나의 접합층(2, 2A, 12, 12A)을 성막하는 동안에, 산소 가스량을 증가시킴으로써 산소 비율 x를 증가시킬 수 있고, 산소 가스량을 감소시킴으로써 산소 비율 x를 저하시킬 수 있다.
접합층(2, 2A, 12, 12A)의 구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따르기 때문에 적절하게 선택하지만, 적합예에서는, 전압(全壓)을 0.28∼0.34 Pa로 하고, 산소 분압을 1.2×10-3∼5.7×10-2 Pa로 하고, 성막 온도를 상온으로 한다. 또한, Si 타겟으로는 B 도핑 Si를 예시할 수 있다.
적합한 실시형태에서는, 접합층(12, 12A)의 표면(12b)과 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)이 직접 접합되어 있거나, 또는 접합층(2, 2A)의 표면(2b)과 지지 기판(1)의 표면(1a)이 직접 접합되어 있다. 이 경우에는, 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 표면(2b, 12b)의 산술 평균 거칠기 Ra가 1 nm 이하인 것이 바람직하고, 0.3 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 압전성 단결정 기판(4)의 상기 표면(4a), 지지 기판(1)의 표면(1a)의 산술 평균 거칠기 Ra가 1 nm 이하인 것이 바람직하고, 0.3 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이것에 의해 압전성 단결정 기판(4) 또는 지지 기판(1)과 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 접합 강도가 한층 더 향상된다.
접합층(2, 2A, 12, 12A)의 표면(2b, 12b), 및, 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 실시형태에서는, 중성화 빔에 의해, 접합층(2, 2A)의 표면(2b), 및, 압전성 단결정 기판(4), 지지 기판(1)의 표면(4a, 1a)을 활성화할 수 있다. 특히, 접합층(2, 2A, 12, 12A)의 표면(2b, 12b), 및, 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 3에 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. 이것에 의해, 전극(정극)과 케이스(부극) 사이에 생기는 새들필드형의 전계에 의해 전자 e가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 도달한 빔 중, 이온 빔은 그리드로 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 활성화면끼리 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.
본 발명의 접합체(5, 5A, 15, 15A)의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자(7, 17)로는, 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 상에서 전파되어 간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 단결정 기판(4, 4A)의 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 기판(4, 4A)의 표면(4b, 4c)에 빗살형 전극이 형성되고, 지지 기판(1)에 설치된 캐비티에 의해 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 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 기판(4, 4A)을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 저면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때 전극이 역할을 한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 하는 것에 의해 압전성 단결정 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로는, 예컨대, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로는, 예컨대, 이산화규소, 인실리카 유리, 붕소 인실리카 유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로는, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A) 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, 12, 12A)의 재료는, 고절연 재료이기도 하므로, 접합전의 중성화 빔에 의한 처리시에, 분극 반전의 발생이 억제되고, 또한 압전성 단결정 기판(4, 4A)에 형성된 주기 분극 반전 구조의 형상을 어지럽히는 일이 거의 없다.
실시예
(실험 A)
도 1∼도 3을 참조하면서 설명한 방법에 따라서, 표 1에 나타내는 각 예의 접합체(5, 5A) 및 탄성파 소자(7)를 제작했다.
구체적으로는, OF부를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 250 μm인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 단결정 기판(4)으로서 사용했다. 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(4)의 표면(4a)은, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.3 nm이 되도록 경면 연마해 두었다. 다만, Ra는, 원자간력 현미경(AFM)에 의해 10 μm×10 μm의 시야로 측정한다.
이어서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에, 직류 스퍼터링법에 의해 접합층(2)을 성막했다. 타겟에는 붕소 도핑의 Si를 사용했다. 또한, 산소원으로서 산소 가스를 도입했다. 이 때, 산소 가스 도입량을 변화시키는 것에 의해, 챔버 내의 분위기의 전압과 산소 분압을 변화시키고, 이것에 의해 접합층(2)의 산소 비율(x)을 변화시켰다. 접합층(2)의 두께는 100∼200 nm으로 했다. 접합층(2)의 표면(2a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2∼0.6 nm였다. 이어서, 접합층(2)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막두께를 80∼190 nm으로 하고, Ra를 0.08∼0.4 nm으로 했다.
한편, 지지 기판(1)으로서, 오리엔테이션 플랫(OF)부를 가지며, 직경이 4인치, 두께가 500 μm인 Si로 이루어진 지지 기판(1)을 준비했다. 지지 기판(1)의 표면(1a, 1b)은, 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해 마무리 가공되어 있고, 각 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2 nm으로 되어 있다.
이어서, 접합층(2A)의 평탄면(2b)과 지지 기판(1)의 표면(1a)을 세정하여 오물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 각각의 기판의 접합면(1a, 2b)에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사했다. 이어서, 접합층(2A)의 빔 조사면(활성화면)(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 접촉시킨 후, 10000 N로 2분간 가압하여 양 기판(1, 4)을 접합했다(도 2의 (a) 참조). 이어서, 얻어진 각 예의 접합체(5)를 100℃에서 20시간 가열했다.
이어서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 두께가 당초의 250 μm로부터 1 μm이 되도록 연삭 및 연마하여 접합체(5A)를 얻었다(도 2의 (b) 참조).
얻어진 각 예의 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)에 관해, 이하의 특성을 평가했다.
(접합층(2A) 중의 산소 비율(x))
접합층(2A)을, 러더퍼드 후방 산란법에 의해 이하의 조건으로 평가했다.
장치 : National Electrostatics Corporation 제조 Pelletron 3SDH
조건 : 입사 이온 : 4He++
입사 에너지 : 2300 keV
입사각 : 0∼4 deg
산란각 : 110 deg
시료 전류 : 10 nA
빔 직경 : 2 mmφ
면내 회전 : 없음
조사량 : 70 μC
얻어진 결과를 해석하여, 접합층(2A)의 깊이 방향의 원소 분포를 얻었다. 해석에는 이하의 파라미터를 이용했다.
접합층(2A)의 막두께 : 광학식 비접촉 막두께 측정 장치(나노메트릭스사 나노스펙 막두께 측정기 모델 5000)로 측정한 값
탄탈산리튬의 원자수 밀도 : 9.52×1022 atoms/cm3
상기와 같이 하여 얻어진 접합층(2A)의 막두께의 측정치와, 접합층(2A)의 깊이(두께) 방향의 원소 분포(산소 비율 분포를 포함함)를 대조함으로써, 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4A)측의 단부에서의 산소 비율 xB, 접합층(2A)의 중앙부에서의 산소 비율 xO 및 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 산소 비율 xA을 판독했다.
이 때, 각 단부에서의 산소 비율 xB, xA의 측정치는, 각 계면으로부터 두께 5 nm의 범위 내에서의 측정치이다.
또한, 접합층(2A)의 중앙부란, 전술한 막두께 측정 장치로 측정한 접합층(2A)의 막두께 중, 중간(바꿔 말하면, 계면(A)으로부터 접합층(2A)의 중앙부까지의 거리와, 계면(B)으로부터 접합층(2A)의 중앙부까지의 거리가, 거의 같은 위치)을 의미한다.
(접합 강도)
각 예의 접합체(5A)에 관해, 크랙오프닝법에 의해 접합 강도를 측정했다.
(Q치)
이어서, 탄성파 소자(7)를 제작하고, Q치를 측정했다.
구체적으로는, 탄성 표면파를 발생시키는 IDT 전극(6)은, 포토리소그래피 공정을 거쳐 형성했다. 전극(6)을 형성후, 다이싱에 의해 소편화하여, 전파 방향 5 mm, 그 수직 방향4 mm의 탄성파 소자칩을 얻었다.
이들 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 1과 비교예 1, 2를 비교하면, 실시예 1에서는, 본 발명의 조건을 만족시키지만 접합 강도 및 Q치가 높다(Q치 : 1700). 한편, 비교예 1에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 일정하기 때문에, 접합층(2A) 전체에서의 산소 비율의 평균치는 실시예 1과 동일한 정도임에도 불구하고, Q치가 현저하게 저하되었다(Q치 : 1200). 비교예 2에서는, 접합층(2A)의 중앙부에서의 산소 비율 xO가, 접합층(2A)의 지지 기판(1)측의 단부에서의 산소 비율 xA 및 접합층(2A)의 압전성 단결정 기판(4A)측의 단부에서의 산소 비율 xB보다 높지만, 그러나 0.009로 낮기 때문에, 역시 Q치가 현저하게 저하되었다(Q치 : 1100).
(실험 B)
실험 A와 동일하게 하여 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)를 제작했다. 다만, 실험 A에서, 접합층(5A)에서의 산소 비율 x를, 표 2에 나타내는 바와 같이 변경했다. 얻어진 각 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)에 관해, 실시예 A와 동일하게 하여 접합 강도 및 Q치를 측정하고, 결과를 표 2에 나타낸다.
실시예 2, 3과 비교예 3∼5를 비교하면, 실시예 2, 3에서는, 높은 접합 강도와 Q치가 얻어졌다(모두 Q치 : 2000). 이것에 대하여, 비교예 3에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 일정하고, 또한 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 0.001로 낮기 때문에, Q치가 낮아졌다(Q치 : 1000). 또한, 비교예 5에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 일정하고, 또한 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 0.666으로 높기 때문에, 접합 강도가 낮아, 탄성파 소자를 제작할 수 없었다. 비교예 4에서는, 접합층(2A)에서의 산소 비율 x가 일정하고, 또한 0.333으로 했지만, 실시예 2, 3에 비교하여 Q치가 떨어졌다(Q치 : 1900).
(실험 C)
실험 A와 동일하게 하여 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)를 제작했다. 다만, 실험 B의 실시예 2에서, 지지 기판(1)의 재질을, 표 3에 나타내는 바와 같이 변경했다. 즉, 지지 기판(1)의 재질을, 실시예 4에서는 사파이어, 실시예 5에서는 멀라이트, 실시예 6에서는 코디에라이트, 실시예 7에서는 투광성 알루미나 소결체, 실시예 8에서는 사이알론으로 했다. 얻어진 각 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)에 관해, 실시예 A와 동일하게 하여 접합 강도 및 Q치를 측정하고, 결과를 표 3에 나타낸다.
실시예 4∼8에서는, 지지 기판(1)의 재질을 사파이어나 각종 세라믹스로 변경했지만, 역시 높은 접합 강도와 Q치가 얻어지는 것이 확인되었다(실시예 4에서는, Q치 : 2200, 실시예 5에서는, Q치 : 2500, 실시예 6에서는, Q치 : 2500, 실시예 7에서는, Q치 : 2300, 실시예 8에서는, Q치 : 2500).
또, 전술한 실시예 1∼8에서는, 접합체(5A) 및 탄성파 소자(7)에 관해 설명했지만, 접합체(15A) 및 탄성파 소자(17)에 관해서도 동일한 결과가 얻어졌다.
Claims (6)
- 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판,
압전성 단결정 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 단결정 기판 사이에 형성된 접합층을 구비하고 있고, 상기 접합층이 Si(1-x)Ox(x는 산소 비율이다)의 조성을 갖고 있고, 상기 접합층의 두께 방향의 중앙부에서의 상기 산소 비율 x가, 상기 접합층의 상기 압전성 단결정 기판측의 단부에서의 상기 산소 비율 x 및 상기 접합층의 상기 지지 기판측의 단부에서의 상기 산소 비율 x보다 높고, 상기 접합층의 두께 방향의 상기 중앙부에서의 상기 산소 비율 x가 0.013 이상, 0.666 이하인 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서, 상기 지지 기판과 상기 접합층의 계면이, 직접 접합된 계면이며, 상기 접합층의 상기 지지 기판측의 상기 단부에서의 상기 산소 비율 x가 0.001 이상, 0.408 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판과 상기 접합층의 계면이, 직접 접합된 계면이며, 상기 접합층의 상기 압전성 단결정 기판측의 상기 단부에서의 상기 산소 비율 x가 0.001 이상, 0.408 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판이, 실리콘, 사파이어, 멀라이트, 코디에라이트, 투광성 알루미나 및 사이알론으로 이루어진 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판이, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬 또는 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 접합체, 및
상기 압전성 단결정 기판 상에 설치된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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