KR20210005738A - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
니오브산리튬 등을 포함하는 압전성 단결정 기판(4, 4A)과 지지 기판(1)의 접합체(5, 5A)에 있어서, 가열 시의 접합체의 휘어짐을 억제한다.
접합체(5, 5A)는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판(1)과, 압전성 단결정 기판(4, 4A) 상에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층(2A)과, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 마련되고, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층(8)을 구비한다. 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 원자의 농도가 비정질층(8)의 주연부(周緣部)에서의 산소 원자의 농도보다 높다.
접합체(5, 5A)는, 압전성 단결정 기판(4, 4A)과, 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판(1)과, 압전성 단결정 기판(4, 4A) 상에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층(2A)과, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 마련되고, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층(8)을 구비한다. 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 원자의 농도가 비정질층(8)의 주연부(周緣部)에서의 산소 원자의 농도보다 높다.
Description
본 발명은 접합체 및 탄성파 소자에 관한 것이다.
고성능의 반도체 소자를 실현할 목적으로, 고저항 Si/SiO2 박막/Si 박막을 포함하는 SOI 기판이 널리 이용되고 있다. SOI 기판을 실현할 때에 플라즈마 활성화가 이용된다. 이것은 비교적 저온(400℃)에서 접합할 수 있기 때문이다. 압전 디바이스의 특성 향상을 목표로 하여, 유사한 Si/SiO2 박막/압전 박막을 포함하는 복합 기판이 제안되어 있다(특허문헌 1). 특허문헌 1에서는, 니오브산리튬이나 탄탈산리튬을 포함하는 압전성 단결정 기판과, 산화규소층을 마련한 실리콘 기판을 이온 주입법에 의해 활성화한 후에 접합한다.
또한, 이른바 FAB(Fast Atom Beam) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사(照射)해서 활성화하여, 직접 접합한다(특허문헌 2).
특허문헌 3에서는, 규소 기판의 표면과 탄탈산리튬 기판의 표면을 중성화 원자 빔에 의해 표면 활성화한 후, 각 표면을 접합함으로써, 규소 기판과 탄탈산리튬 기판의 계면을 따라, 탄탈, 규소, 아르곤 및 산소를 포함하는 비정질층을 생성시키고 있다.
탄성파 필터에 이용되는 탄탈산리튬, 니오브산리튬 단결정 기판은 열전도율이 작다. 최근의 통신량의 증대에 따르는 송신 전력의 증가, 모듈화에 의한 주변 소자로부터의 발열에 의해, 탄성파 필터가 고온화되기 쉬운 환경에 있다. 이 결과, 압전 단결정 단판(單板)을 포함하는 탄성파 필터는, 고성능 통신 단말에는 이용할 수 없었다.
한편, FAB(Fast Atom Beam) 방식에 의해 중성화 원자 빔을 압전성 단결정 기판의 접합면 및 지지 기판의 접합면에 조사해서 활성화하여, 양자를 직접 접합하는 방법에서는, 지지 기판측으로 열을 방출할 수 있기 때문에, 압전 단결정 단판을 포함하는 탄성파 필터보다 배열성(排熱性)이 높다. 그러나, 압전성 단결정 기판과 지지 기판의 접합체에는 80℃ 정도의 고온이 가해지는데, 이때 휘어짐이 발생하는 경우가 있었다. 이것은, 압전성 단결정 기판과 지지 기판 사이의 열팽창차에 의해, 압전성 단결정 기판의 결정면에 큰 응력이 가해져 버리기 때문이라고 생각된다.
본 발명의 과제는, 압전성 단결정 기판과 지지 기판의 접합체에 있어서, 가열 시의 접합체의 휘어짐을 억제하는 것이다.
본 발명에 따른 접합체는,
압전성 단결정 기판과,
다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판과,
상기 압전성 단결정 기판 상에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층과,
상기 지지 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층을 구비하고 있으며, 비정질층의 중앙부에서의 산소 원자의 농도가 비정질층의 주연부(周緣部)에서의 산소 원자의 농도보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 소자는,
상기 접합체, 및
상기 압전성 단결정 기판 상에 마련된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 특정 조성의 접합층을 마련함으로써, 접합층에서의 절연성을 높게 할 수 있다.
또한, 이러한 접합층을 마련한 경우에는, 압전성 단결정 기판 상의 접합층과 지지 기판의 계면을 따라, 얇은 비정질층이 생긴다. 그러나, 이렇게 해서 얻어진 접합체를 가열하면, 접합체에 휘어짐이 발생하는 경우가 있었다.
이 때문에, 본 발명자는, 휘어짐의 원인에 대해 검토하여, 압전성 단결정 기판과 지지 기판의 열팽창차에 의해 휘어짐이 발생할 가능성에 상도(想到)하였다. 이러한 열팽창차에 의해 발생하는 휘어짐은, 접합층 및 비정질층에 있어서 흡수하는 것이 구조적으로 곤란하다고 생각되었다.
그래서, 본 발명자는, 압전성 단결정 기판 상의 접합층과 지지 기판의 접합 계면을 따라 비정질층을 생성시킬 때에, 예컨대 아르곤 원자 빔의 사출구 구조를 변경함으로써, 접합 계면의 중앙부에서의 아르곤 원자 빔의 에너지 강도를 높게 함으로써, 접합층 상의 비정질층의 중앙부에서의 산소 농도를 주연부에서의 산소 농도보다 높게 하여, 가열 시의 접합체의 휘어짐에 대한 영향을 검토하였다. 이 결과, 접합체를 가열했을 때의 휘어짐이 현저히 저감되는 것을 확인하였다.
그 이유는 명확하지 않으나, 비정질층의 중앙부에서의 산소 농도가 상대적으로 높은 것과 같은 농도의 면내 분포를 마련함으로써, 비정질층의 두께의 면내 분포가, 중앙부가 한층 두꺼워지도록 조정된다. 이 결과, 가열 시에 압전성 단결정에 가해지는 응력이 완화되어, 가열 시에서의 접합체의 휘어짐이 억제된 것으로 생각된다.
도 1의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 마련한 상태를 도시하고, 도 1의 (b)는 접합층(2A)의 표면(2b)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화한 상태를 도시하며, 도 1의 (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 마련한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9) 및 접합층(2)을 마련한 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 4의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 도시하고, 도 4의 (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 4의 (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 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 마련한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9) 및 접합층(2)을 마련한 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 4의 (a)는 압전성 단결정 기판(4)과 지지 기판(1)을 접합한 상태를 도시하고, 도 4의 (b)는 압전성 단결정 기판(4A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하며, 도 4의 (c)는 압전성 단결정 기판(4A) 상에 전극(6)을 마련한 상태를 도시한다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2에 도시된 실시형태에서는, 먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 접합층(2)을 마련한다. 부호 4b는 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(A)와 같이 중성화 빔을 조사해서, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 중성화 빔(A)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(1a)으로 한다. 부호 1b는 반대측의 표면이다. 그리고, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4) 상의 접합층(2A)의 활성화면(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 직접 접합함으로써, 접합체(5)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(5)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 또한 연마 가공하여, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 압전성 단결정 기판(4A)의 두께를 작게 하여, 접합체(5A)를 얻는다. 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.
여기서, 각 활성화면에의 조사 에너지량을 적절히 조절함으로써, 도 2의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 계면을 따라 비정질층(8)을 생성시킨다.
도 3 내지 도 4에 도시된 실시형태에서는, 먼저, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4a)에 중간층(9)을 마련하고, 중간층(9) 상에 접합층(2)을 마련한다. 계속해서, 접합층(2)의 표면(2a)을 평탄화 가공함으로써, 도 3의 (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. 계속해서, 접합층(2A)의 표면(2b)에 대해 화살표(A)와 같이 중성화 빔을 조사해서, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면으로 한다.
한편, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1)의 표면(1a)에 중성화 빔(A)을 조사함으로써 활성화하여, 활성화면(1a)으로 한다. 그리고, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 단결정 기판(4) 상의 접합층(2A)의 활성화면(2b)과 지지 기판(1)의 활성화면(1a)을 직접 접합함으로써, 접합체(15)를 얻는다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(15)의 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 또한 연마 가공하여, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 압전성 단결정 기판(4A)의 두께를 작게 하여, 접합체(15A)를 얻는다. 도 4의 (c)에서는, 압전성 단결정 기판(4A)의 연마면(4c) 상에 소정의 전극(6)을 형성함으로써, 탄성파 소자(17)를 제작하고 있다.
여기서, 각 활성화면에의 조사 에너지량을 적절히 조절함으로써, 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 계면을 따라 비정질층(8)을 생성시킨다.
이하, 본 발명의 각 구성요소에 대해 더 설명한다.
(지지 기판)
본 발명에서는, 지지 기판(1)은 다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함한다. 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)
압전성 단결정 기판(4, 4A)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, 4A)의 주면(主面)의 법선 방향은, 특별히 한정되지 않으나, 예컨대, 압전성 단결정 기판(4, 4A)이 LT를 포함할 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, 4A)이 LN을 포함할 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 않으나, 예컨대 직경 50 ㎜~150 ㎜, 두께가 0.2 ㎛~60 ㎛이다.
(접합층)
본 발명에 있어서는, 지지 기판(1)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 마련된 접합층(2A)을 구비하고 있고, 접합층(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)Ox를 포함하는 접합층(2A)에 의해 지지 기판(1)에 대해 압전성 단결정 기판(4, 4A)을 접합하면, 접합 강도를 높게 할 수 있고, 또한 접합층(2A)에서의 절연성도 높게 할 수 있다.
접합층(2A)을 구성하는 Si(1-x)Ox의 조성에 있어서, x가 0.008 미만이면, 접합층(2A)에서의 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 내려가, 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, x를 0.408 이하로 하지만, 0.225 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
접합층(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(2A)의 전기 저항률은, 일반적으로 1.0×108 Ω·㎝ 이하가 된다.
접합층(2A)의 두께는, 특별히 한정되지 않으나, 제조 비용의 관점에서는 0.01 ㎛~10 ㎛가 바람직하고, 0.01 ㎛~0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
접합층(2A)의 성막(成膜) 방법은 한정되지 않으나, 스퍼터링(sputtering)법, 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(2A)의 산소 비율(x)을 컨트롤하는 것이 가능하다.
구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따르기 때문에 적절히 선택하지만, 적합예에서는, 전압력을 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 도핑 Si를 예시할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 계면에는, 불순물로서의 B(붕소)량이, 5×1018 atoms/㎤~5×1019 atoms/㎤ 정도가 되도록 제어하고 있다. 이에 의해, 접합층(2A)에서의 절연성을 보다 확실히 담보할 수 있다.
(중간층)
접합층(2A)과 압전성 단결정 기판(4, 4A) 사이에 중간층(9)을 더 마련할 수 있다. 이러한 중간층(9)은, 접합층(2A)과 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 밀착성을 더욱 향상시키는 것이 바람직하고, 구체적으로는, SiO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Bi2O3, Al2O3, MgO, AlN, Si3N4를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 중간층이 SiO2를 포함한다.
(비정질층)
본 발명에서는, 지지 기판(1)과 접합층(2A) 사이에 비정질층(8)을 마련한다. 이 비정질층(8)은, 적어도 산소 원자 및 아르곤 원소를 함유하고 있다. 바람직하게는, 비정질층(8)은, 지지 기판(1)을 구성하는 1종 이상의 원자(산소 원자를 제외함)를 함유하고 있다. 지지 기판(1)을 구성하는 원자가 단일종인 경우에는, 비정질층(8)을 구성하는 상기 원자도 단일종이다. 지지 기판(3)을 구성하는 원자가 복수 존재하는 경우에는, 비정질층(8)을 구성하는 원자는, 이들 중 1종 또는 복수 종이다.
본 발명에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 원자의 농도를 비정질층의 주연부에서의 산소 원자의 농도보다 높게 한다. 여기서, 본 명세서에서는, 비정질층(8)의 중앙부란, 비정질층(8)을 평면에서 본 경우의 비정질층(8)의 중심을 의미한다. 또한, 비정질층(8)의 주연부란, 비정질층(8)의 단부(에지)로부터 중심 방향으로 5 ㎜~10 ㎜의 거리가 되는 링형 영역 내 3개소를 측정하고, 그 평균값을 취한다.
비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도는, 전기 저항률의 관점에서 1.08 원자% 이상인 것이 바람직하고, 1.1 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도는, 40.8 원자% 이하인 것이 바람직하다.
비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도는, 전기 저항률의 관점에서 0.8 원자% 이상인 것이 바람직하고, 1.0 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도는, 39.8 원자% 이하인 것이 바람직하다.
가열 시에서의 접합체(5, 5A, 15, 15A)의 휘어짐을 저감한다고 하는 관점에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 원자의 농도와 주연부에서의 산소 원자의 농도의 차는, 1.0 원자% 이상인 것이 바람직하고, 2.0 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 바꿔 말하면, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 원자 농도가, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 원자 농도보다 1.0 원자% 이상 높은 것이 바람직하고, 2.0 원자% 이상 높은 것이 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 두께가 비정질층(8)의 주연부에서의 두께보다 크다. 이에 의해, 접합체(5, 5A, 15, 15A)를 가열했을 때의 휘어짐이 한층 저감된다. 이러한 관점에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 두께와 비정질층(8)의 주연부에서의 두께의 차는 0.5 ㎚ 이상인 것이 바람직하고, 1.0 ㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 비정질층(8)의 중앙부에서의 두께는, 2.8 ㎚~8 ㎚인 것이 바람직하고, 3.2 ㎚~8 ㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층(8)의 주연부에서의 두께는 1.0 ㎚~2.8 ㎚인 것이 바람직하고, 1.2 ㎚~2.6 ㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 아르곤 원자의 농도를 비정질층(8)의 주연부에서의 아르곤 원자의 농도보다 높게 한다. 여기서, 본 명세서에서는, 비정질층(8)의 중앙부란, 비정질층(8)을 평면도에서 본 경우의 비정질층(8)의 중심을 의미한다. 또한, 비정질층(8)의 주연부란, 비정질층(8)의 단부(에지)로부터 중심 방향으로 5 ㎜~10 ㎜의 거리가 되는 링형 영역 내 3개소를 측정하고, 그 평균값을 취한다.
비정질층(8)의 중앙부에서의 아르곤 원자의 농도는, 접합 강도의 관점에서는, 2.1 원자% 이상인 것이 바람직하고, 2.4 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층의 중앙부에서의 아르곤 원자의 농도는, 통상 5.0 원자% 이하이고, 4.8 원자% 이하인 것이 바람직하다.
비정질층(8)의 주연부에서의 아르곤 원자의 농도는, 접합 강도의 관점에서는, 1.1 원자% 이상인 것이 바람직하고, 1.8 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 비정질층의 주연부에서의 아르곤 원자의 농도는, 통상 3.0 원자% 이하이고, 2.5 원자% 이하인 것이 바람직하다.
가열 시에서의 접합체(5, 5A, 15, 15A)의 휘어짐을 저감한다고 하는 관점에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 아르곤 원자의 농도와 주연부에서의 아르곤 원자의 농도의 차는, 1.0 원자% 이상인 것이 바람직하고, 1.5 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 바꿔 말하면, 비정질층(8)의 중앙부에서의 아르곤 원자의 농도가, 비정질층(8)의 주연부에서의 아르곤 원자의 농도보다 1 원자% 이상 높은 것이 바람직하고, 1.5 원자% 이상 높은 것이 더욱 바람직하다.
또한, 비정질층(8)의 존재는, 이하와 같이 하여 확인하는 것으로 한다.
측정 장치:
투과형 전자 현미경(히타치 하이테크놀로지즈 제조 H-9500)을 이용하여 미세 구조 관찰한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
비정질층(8)에서의 각 원자의 농도는, 이하와 같이 하여 측정하는 것으로 한다.
측정 장치:
원소 분석 장치(니혼 덴시 JEM-ARM200F)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
(적합한 제조 조건)
접합층(2A)의 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 지지 기판(1)의 표면(1a)의 산술 평균 거칠기(Ra)가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해 지지 기판(1)과 접합층(2A)의 접합 강도가 한층 향상된다.
접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다.
적합한 실시형태에 있어서는, 중성화 빔에 의해, 접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)을 활성화할 수 있다. 특히, 접합층(2A)의 표면(2b), 지지 기판(1)의 표면(1a)이 평탄면인 경우에는, 직접 접합하기 쉽다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 일본 특허 공개 2014-086400에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜, 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들 필드형의 고속 원자 빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 아르곤 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 의해, 전극(정극)과 케이스(부극) 사이에 발생하는 새들 필드형의 전계에 의해, 전자(e)가 운동하여, 아르곤 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 도달한 빔 중, 이온 빔은 그리드에서 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자 빔원으로부터 출사된다.
빔 조사에 의한 활성화 시의 전압은 0.5 ㎸~2.0 ㎸로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50 ㎃~200 ㎃로 하는 것이 바람직하다.
압전성 단결정 기판(4) 및 지지 기판(1)에 고속 원자 빔을 조사할 때, 중앙부에 보다 많은 빔이 조사되도록, 상기 그리드에 구멍의 직경, 방향, 경사에 분포를 갖는 것을 이용한다. 구체적으로는, 그리드 중앙부 가로 세로 30 ㎜의 부분에 관해서는 그리드 구멍의 입사측의 중심과 출사측의 중심의 연장선 상에 빔을 조사하는 기판의 중앙부가 오는 것과 같은 것을 이용하거나, 그리드 중앙부 가로 세로 30 ㎜의 부분의 그리드 구멍의 크기를 다른 것과 비교하여 15%~30% 크게 하거나 한다. 혹은, 그리드 중앙부 30 ㎜의 영역만 Ar 가스의 유량을 40% 많게 함으로써도, 빔 조사량에 분포를 마련할 수 있다. 단, 본 발명에서는, 전술한 방법에 한정되지 않고, 결과적으로, 중앙부에 주연부보다 많이 빔 조사되는 방법이면 된다.
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, 15, 15A)의 용도는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자(7, 17)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 마련한 것이다. 입력측의 IDT 전극에 고주파 신호를 인가하면, 전극 사이에 전계가 발생하고, 탄성 표면파가 여진되어 압전 기판 상을 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 마련된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 단결정 기판(4, 4A)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, 4A)의 표면(4b, 4c)에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판(1)에 마련된 캐비티에 의해 압전성 단결정 기판(4, 4A)의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 또한, 램파 소자를 제조하는 경우, 바닥면에 금속막을 갖지 않는 압전성 단결정 기판(4, 4A)을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A)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, 4A)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 유리, 붕소 인 실리카 유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로서는, 광 스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광 변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 단결정 기판(4, 4A) 중에 주기 분극 반전 구조를 마련할 수 있다.
본 발명을 광학 소자에 적용한 경우에는, 광학 소자의 소형화가 가능하고, 또한 특히 주기 분극 반전 구조를 마련한 경우에는, 가열 처리에 의한 주기 분극 반전 구조의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 접합층(2A)의 재료는, 고절연 재료이기도 하기 때문에, 접합 전의 중성화 빔에 의한 처리 시에, 분극 반전의 발생이 억제되고, 또한 압전성 단결정 기판(4, 4A)에 형성된 주기 분극 반전 구조의 형상을 흩뜨리는 일이 거의 없다.
실시예
(실시예 1)
도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한 방법에 따라, 표 1에 나타내는 실시예 1의 접합체(5A)를 제작하였다.
구체적으로는, OF(오리엔테이션 플랫)부를 갖고, 직경이 4 인치, 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 변화시킴으로써, 챔버 내의 분위기의 전압력과 산소 분압을 변화시키고, 이에 의해 접합층(2)의 산소 비율(x)을 조정하였다. 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 4 인치, 두께가 500 ㎛인 Si를 포함하는 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 빔을 180 kJ 조사하였다. 계속해서, 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].
이때, 아르곤 원자 빔이 각 표면의 중앙부에 많이 조사되도록, 그리드에는, 중앙부 가로 세로 30 ㎜ 영역만 그리드 구멍 직경을 20% 크게 한 것을 이용하였다.
계속해서, 압전성 단결정 기판(4)의 표면(4b)을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다[도 2의 (b) 참조].
얻어진 접합체(5A)에 대해, 접합층(2A) 중의 산소 비율(x)을 EDS에 의해 이하의 조건으로 측정하였다. 여기서는, 접합층(2A)은, Si(0.95)O0.05의 조성을 갖는다.
측정 장치:
원소 분석 장치(니혼 덴시 JEM-ARM200F)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
또한, 접합층(2A)과 지지 기판(1)의 접합 계면의 비정질층(8)에서의 각 원자의 농도를 측정하였다. 또한, 비정질층(8)의 두께를 이하와 같이 하여 측정하였다.
측정 장치:
투과형 전자 현미경(히타치 하이테크놀로지즈 제조 H-9500)을 이용하여 미세 구조 관찰한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화한 샘플에 대해, 가속 전압 200 ㎸에서 관찰한다.
측정 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 얻어진 접합체를 80℃에서 가열하여, SORI의 크기를 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
SORI의 측정에는 기엔스 제조 레이저 변위계 LK-G5000을 이용하여, 가동 스테이지 위에 실은 웨이퍼의 높이 정보를 측정하고, 라인 상에 스캔 측정하였다. 측정은 기판의 오리엔테이션 플랫과 수평 방향 및 수직 방향의 2 라인에서 행하고, SORI값이 큰 쪽을 웨이퍼의 SORI로 하였다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도, 아르곤 농도, 두께가, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도, 아르곤 농도, 두께보다 크지만, 80℃ 가열 시의 SORI가 330 ㎛로 낮았다.
(실시예 2)
도 3, 도 4에 도시된 방법에 의해, 접합체(15A)를 제작하였다. 단, 구체적 조건은 실시예 1과 동일하게 한 후에, 압전성 단결정 기판(4) 상에 산화규소를 포함하는 중간층(9)을 마련하고, 중간층(9) 상에 접합층(2, 2A)을 마련하였다.
얻어진 접합체(15A)에 대해, 접합층(2A) 중의 산소 비율(x)을 측정하였다. 또한, 비정질층(8)에서의 각 원자의 농도 및 비정질층(8)의 두께, 80℃ 가열 시의 SORI를 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 2에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도, 아르곤 농도, 두께가, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도, 아르곤 농도, 두께보다 크지만, 80℃ 가열 시의 SORI가 360 ㎛로 낮았다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하여, 평가하였다. 단, 본 예에서는, 아르곤 원자 빔의 사출구의 구조를 이하와 같이 하여, 접합면(2b, 1a) 전체에 아르곤 원자 빔이 대략 균등하게 조사되도록 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도, 두께가, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도, 두께와 동일하였으나, 80℃ 가열 시의 SORI가 660 ㎛로 컸다.
(비교예 2)
실시예 2와 동일하게 하여 접합체(15A)를 제작하여, 평가하였다. 단, 본 예에서는, 접합면(2b, 1a) 전체에 아르곤 원자 빔이 대략 균등하게 조사되도록 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 비교예 2에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도, 두께, 아르곤 농도가, 비정질층(8)의 주연부에서의 산소 농도, 두께, 아르곤 농도보다 작았으나, 80℃ 가열 시의 SORI가 670 ㎛로 컸다.
(비교예 3)
비교예 1과 동일하게 하여 접합체(5A)를 제작하여, 평가하였다. 단, 본 예에서는, 아르곤 원자 빔의 조사량을 360 kJ까지 증대시켰다. 결과를 표 2에 나타낸다.
비교예 3에서는, 비정질층(8)의 중앙부에서의 산소 농도가 주연부에서의 산소 농도와 동일하고, 비정질층(8)의 중앙부에서의 아르곤 농도, 두께가 주연부에서의 아르곤 농도, 두께보다 낮았으나, 80℃ 가열 시의 SORI가 610 ㎛로 컸다.
또한, 전술한 실시예 1, 2 및 비교예 1~3에서는, 접합층(2A)의 조성으로서, Si(1-x)Ox(x=0.05)로 하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 접합층(2A)이, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖고 있는 경우에는, 접합체(5, 5A, 15, 15A)의 절연성을 담보하면서, 휘어짐을 저감할 수 있다.
Claims (7)
- 압전성 단결정 기판과,
다결정 세라믹 재료 또는 단결정 재료를 포함하는 지지 기판과,
상기 압전성 단결정 기판 상에 마련되고, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 접합층과,
상기 지지 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, 산소 원자 및 아르곤 원자를 함유하는 비정질층을 구비한 접합체로서,
상기 비정질층의 중앙부에서의 상기 산소 원자의 농도가 상기 비정질층의 주연부(周緣部)에서의 상기 산소 원자의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서, 상기 비정질층의 중앙부에서의 상기 아르곤 원자의 농도가 상기 비정질층의 주연부에서의 상기 아르곤 원자의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비정질층의 중앙부에서의 두께가 상기 비정질층의 상기 주연부에서의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판과 상기 접합층 사이에 마련되고, SiO2의 조성을 갖는 중간층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판은, 실리콘, 사파이어, 멀라이트, 코디어라이트, 투광성 알루미나 및 사이알론으로 이루어지는 군에서 선택된 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 단결정 기판은, 니오브산리튬, 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 접합체, 및 상기 압전성 단결정 기판 상에 마련된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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