KR20210058873A - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
지지 기판(3) 상에, 산소 비율이 낮은 규소 산화물을 포함하는 접합층을 통해 압전성 재료 기판(1A)을 강고히 안정적으로 접합한다.
접합체(8A)는, 지지 기판(3), 압전성 재료 기판(1A), 지지 기판(3) 상에 형성된 제1 접합층(4A)이며, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 제1 접합층(4A), 압전성 재료 기판(1A) 상에 형성된 제2 접합층(2A)이며, Si(1-y)Oy(0.008≤y≤0.408)의 조성을 갖는 제2 접합층(2A), 및 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A) 사이에 형성된 비정질층(7)을 구비한다. 비정질층(7)에서의 산소 비율이, 제1 접합층(4A)에서의 산소 비율 및 제2 접합층(2A)에서의 산소 비율보다 높다.
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Description
본 발명은 압전성 재료 기판과 지지 기판의 접합체 및 탄성파 소자에 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 디바이스로서는, 지지 기판과 탄성 표면파를 전파시키는 압전 기판을 접합시키고, 압전 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진 가능한 빗형 전극을 형성한 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.
압전 기판과 실리콘 기판을 접합할 때에, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다(특허문헌 1). 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 2). 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 3). 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사해서 활성화하여, 직접 접합한다.
한편, 특허문헌 4에서는, 압전성 재료 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.
접합체의 용도에 따라서는, 접합층에서의 전기 저항을 높게 함으로써 절연성을 높이는 것이 요망되고 있다. 예컨대, 탄성파 소자의 경우에는, 접합층의 절연성을 높게 함으로써, 노이즈나 손실을 저감할 수 있다. 이 때문에, 본 출원인은, 접합층의 조성을 산소 비율이 낮은 규소 산화물로 함으로써, 절연성이 높은 접합층을 형성하는 것을 개시하였다(특허문헌 5).
그러나, 지지 기판 상에, 산소 비율이 낮은 규소 산화물을 포함하는 접합층을 통해 압전성 재료 기판을 강고히 안정적으로 접합하는 것은 곤란한 경우가 있고, 압전성 재료 기판을 연마 가공 등의 가공에 제공할 때에 박리가 발생하는 경우가 있었다.
본 발명의 과제는, 지지 기판 상에, 산소 비율이 낮은 규소 산화물을 포함하는 접합층을 통해 압전성 재료 기판을 강고히 안정적으로 접합하는 것이다.
본 발명은 지지 기판,
압전성 재료 기판,
상기 지지 기판 상에 형성된 제1 접합층이며, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 제1 접합층,
상기 압전성 재료 기판 상에 형성된 제2 접합층이며, Si(1-y)Oy(0.008≤y≤0.408)의 조성을 갖는 제2 접합층, 및
상기 제1 접합층과 상기 제2 접합층 사이에 형성된 비정질층을 구비하고 있고, 상기 비정질층에서의 산소 비율이, 상기 제1 접합층에서의 산소 비율 및 상기 제2 접합층에서의 산소 비율보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 접합체, 및 압전성 재료 기판 상에 형성된 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 탄성파 소자에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 지지 기판 상에, 산소 비율이 낮은 규소 산화물을 포함하는 접합층을 통해 압전성 재료 기판을 강고히 안정적으로 접합할 수 있다.
도 1의 (a)는 압전성 재료 기판(1)을 도시하고, (b)는 압전성 재료 기판(1) 상에 제2 접합층(2)을 형성한 상태를 도시하며, (c)는 제2 접합층(2)의 표면(2a)을 중성화 빔(A)에 의해 활성화하여 활성화면(5)으로 한 상태를 도시한다.
도 2의 (a)는 지지 기판(3) 상에 제1 접합층(4)을 형성한 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4)의 표면(4a)을 중성화 빔(B)에 의해 활성화하여 활성화면(6)으로 한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 제1 접합층(4)과 제2 접합층(2)을 접촉시킨 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)을 접합하여 접합체(8)를 제작한 상태를 도시한다.
도 4의 (a)는 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 형성한 상태를 도시한다.
도 5의 (a)는 제1 접합층(4)과 제2 접합층(2)을 접촉시킨 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)을 접합하여 접합체(18)를 제작한 상태를 도시한다.
도 6의 (a)는 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 형성한 상태를 도시한다.
도 2의 (a)는 지지 기판(3) 상에 제1 접합층(4)을 형성한 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4)의 표면(4a)을 중성화 빔(B)에 의해 활성화하여 활성화면(6)으로 한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 제1 접합층(4)과 제2 접합층(2)을 접촉시킨 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)을 접합하여 접합체(8)를 제작한 상태를 도시한다.
도 4의 (a)는 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 형성한 상태를 도시한다.
도 5의 (a)는 제1 접합층(4)과 제2 접합층(2)을 접촉시킨 상태를 도시하고, (b)는 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)을 접합하여 접합체(18)를 제작한 상태를 도시한다.
도 6의 (a)는 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(9)을 형성한 상태를 도시한다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)은 한 쌍의 주면(主面; 1a와 1b)을 갖는다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)의 주면(1a) 상에 제2 접합층(2)을 성막(成膜)한다. 계속해서, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 화살표 A와 같이 중성화 빔을 제2 접합층(2)의 표면(2a)에 조사해서, 접합층(2)의 표면(2a)을 활성화하여 활성화면(5)으로 한다.
한편, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(3)의 주면(3a) 상에 제1 접합층(4)을 성막한다. 계속해서, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 화살표 B와 같이 중성화 빔을 접합층(4)의 표면(4a)에 조사해서, 접합층(4)의 표면(4a)을 활성화하여 활성화면(6)으로 한다.
계속해서, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 접합층(4)의 활성화면(6)과 제2 접합층(2)의 활성화면(5)을 직접 접촉시키고, 압력을 가함으로써 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 접합체(8)를 얻는다. 여기서, 중성화 빔(A, B)의 출력이나 조사 시간 등을 제어함으로써, 제1 접합층(4)의 활성화면(6)과 제2 접합층(2)의 활성화면(5)의 접합 계면을 따라 비정질층(7)을 생성시킬 수 있다. 이에 의해, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)의 계면을 따라 비정질층(7)이 생성된다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(8)의 압전성 재료 기판(1)의 표면(1b)을 더욱 연마 가공하여, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 압전성 재료 기판(1A)의 두께를 작게 하여, 접합체(8A)를 얻는다. 부호 1c는 연마면이다.
도 4의 (b)에서는, 압전성 재료 기판(1A)의 연마면(1c) 상에 소정의 전극(9)을 형성함으로써, 탄성파 소자(10)를 제작하고 있다.
도 5, 도 6의 실시형태에서는, 압전성 재료 기판(1)과 제2 접합층(2) 사이에 중간층(12A)을 형성하고, 지지 기판(3)과 제1 접합층(4) 사이에 중간층(12B)을 형성하고 있다.
즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)의 주면(1a) 상에 중간층(12A), 제2 접합층(2)을 순서대로 성막한다. 계속해서, 중성화 빔을 접합층(2)의 표면에 조사해서, 접합층(2A)의 표면을 활성화하여 활성화면(5)으로 한다. 지지 기판(3)의 주면(3a) 상에 중간층(12B), 제1 접합층(4)을 순서대로 성막한다. 계속해서, 중성화 빔을 접합층(2, 4)의 각 표면에 조사해서, 각 접합층의 각 표면을 활성화하여 활성화면(6, 5)으로 한다.
계속해서, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 접합층(4)의 활성화면(6)과 제2 접합층(2)의 활성화면(5)을 직접 접촉시키고, 압력을 가함으로써 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 접합체(18)를 얻는다. 여기서, 중성화 빔(A, B)의 출력이나 조사 시간 등을 제어함으로써, 제1 접합층(4)의 활성화면(6)과 제2 접합층(2)의 활성화면(5)의 접합 계면을 따라 비정질층(7)을 생성시킬 수 있다. 이에 의해, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 접합층(4A)과 제2 접합층(2A)의 계면을 따라 비정질층(7)이 생성된다.
적합한 실시형태에 있어서는, 접합체(18)의 압전성 재료 기판(1)의 표면(1b)을 더욱 연마 가공하여, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 압전성 재료 기판(1A)의 두께를 작게 하여, 접합체(18A)를 얻는다. 부호 1c는 연마면이다.
도 6의 (b)에서는, 압전성 재료 기판(1A)의 연마면(1c) 상에 소정의 전극(9)을 형성함으로써, 탄성파 소자(20)를 제작하고 있다.
본 발명에서는, 지지 기판은, 단결정을 포함하고 있어도 좋고, 다결정을 포함하고 있어도 좋다. 지지 기판의 재질은, 바람직하게는, 실리콘, 사이알론, 사파이어, 코디어라이트, 멀라이트 및 알루미나로 이루어지는 군에서 선택된다. 알루미나는 바람직하게는 투광성 알루미나이다.
지지 기판의 상대 밀도는, 접합 강도의 관점에서는, 99.5% 이상이 바람직하고, 100%여도 좋다. 상대 밀도는 아르키메데스법에 의해 측정한다. 또한, 지지 기판의 제법은 특별히 한정되지 않으나, 소결체인 것이 바람직하다.
실리콘은, 단결정 실리콘이어도 다결정 실리콘이어도 좋고, 또한 고저항 실리콘이어도 좋다.
사이알론은, 질화규소와 알루미나의 혼합물을 소결하여 얻어지는 세라믹스이고, 이하와 같은 조성을 갖는다.
Si6-zAlzOzN8-z
즉, 사이알론은, 질화규소 중에 알루미나가 혼합된 조성을 갖고 있고, z가 알루미나의 혼합 비율을 나타내고 있다. z는, 0.5 이상이 더욱 바람직하다. 또한, z는, 4.0 이하가 더욱 바람직하다.
사파이어는 Al2O3의 조성을 갖는 단결정이고, 알루미나는 Al2O3의 조성을 갖는 다결정이다. 코디어라이트는, 2MgO·2Al2O3·5SiO2의 조성을 갖는 세라믹스이다. 멀라이트는, 3Al2O3·2SiO2∼2Al2O3·SiO2의 범위의 조성을 갖는 세라믹스이다.
압전성 재료 기판의 재질은, 필요한 압전성을 갖는 한 한정되지 않으나, LiAO3의 조성을 갖는 단결정이 바람직하다. 여기서, A는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다. 이 때문에, LiAO3는, 니오브산리튬이어도 좋고, 탄탈산리튬이어도 좋으며, 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체여도 좋다.
본 발명에서는, 지지 기판 상에 제1 접합층이 형성되고, 압전성 재료 기판 상에 제2 접합층이 형성되어 있다. 제1 접합층은, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는다. 제2 접합층은, Si(1-y)Oy(0.008≤y≤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 제1 접합층 및 Si(1-y)Oy(0.008≤y≤0.408)를 포함하는 제2 접합층을 통해 지지 기판에 대해 압전성 재료 기판을 접합하면, 이들 접합층에서의 절연성을 높게 할 수 있다.
각 접합층을 구성하는 Si(1-x)Ox, Si(1-y)Oy의 조성에 있어서, x, y가 0.008 미만이면, 접합층에서의 전기 저항이 낮아져, 원하는 절연성이 얻어지지 않는다. 이 때문에, x, y를 0.008 이상으로 하지만, 0.010 이상이 바람직하고, 0.020 이상이 더욱 바람직하며, 0.024 이상이 특히 바람직하다. 또한 x, y가 0.408보다 크면, 접합 강도가 낮아져, 압전성 재료 기판의 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, x, y를 0.408 이하로 하지만, 0.225 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
각 접합층의 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, 접합층의 전기 저항률은, 일반적으로 1.0×108 Ω·㎝ 이하가 된다.
각 접합층의 두께는, 특별히 한정되지 않으나, 제조 비용의 관점에서는 0.01 ㎛∼10 ㎛가 바람직하고, 0.01 ㎛∼0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
각 접합층의 성막 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, 각 접합층의 산소 비율(x, y)을 컨트롤하는 것이 가능하다.
각 접합층의 구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따르기 때문에 적절히 선택하지만, 적합예에서는, 전체 압력을 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, 제1 접합층과의 계면, 제2 접합층과의 계면에는, 불순물로서의 B(붕소)량이, 5×1018 atoms/㎤∼5×1019 atoms/㎤ 정도가 되도록 제어하고 있다. 이에 의해, 접합층에서의 절연성을 보다 확실히 담보할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 제1 접합층의 활성화면과 제2 접합층의 활성화면이 직접 접합되어 있다. 바꿔 말하면, 제1 접합층과 제2 접합층의 계면을 따라 접합 계면이 있다. 이 때문에, 각 접합층의 각 활성화면의 산술 평균 거칠기 Ra가 1 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 0.3 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해 접합 강도가 한층 향상된다.
본 발명의 접합체는, 제1 접합층과 제2 접합층 사이에 생성되는 비정질층을 구비하고 있고, 비정질층에서의 산소 비율이, 제1 접합층에서의 산소 비율 및 제2 접합층에서의 산소 비율보다 높다. 즉, 지지 기판의 활성화면을 따라 비정질층이 생기고 있으나, 이 비정질층에서의 산소 확산이 진전됨으로써, 제1 접합층에서의 산소 비율, 제2 접합층에서의 산소 비율보다, 이들 사이에 생성되는 비정질층에서의 산소 비율 쪽이 높아지는 경우가 있는 것을 발견하였다. 게다가, 이와 같이 산소의 확산이 진행된 경우에, 압전성 재료 기판의 지지 기판에의 접합 강도가 높아져, 예컨대 압전성 재료 기판을 가공에 의해 얇게 한 것과 같은 경우에도 압전성 재료 기판의 박리가 발생하기 어려운 것을 발견하였다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층에서의 산소 비율과 제1 접합층에서의 산소 비율의 차 및 비정질층에서의 산소 비율과 제2 접합층에서의 산소 비율의 차가 각각 0.5 원자% 이상이다. 이 차는 1.0 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 비정질층에서의 산소 비율과 제1 접합층에서의 산소 비율의 차 및 비정질층에서의 산소 비율과 제2 접합층에서의 산소 비율의 차의 상한값은 특별히 없으나, 현실적으로는 5.0 원자% 이하인 것이 바람직하고, 4.5 원자% 이하인 것이 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층에서의 아르곤 비율이, 제1 접합층에서의 아르곤 비율 및 제2 접합층에서의 아르곤 비율보다 높다. 이와 같이 각 접합층으로부터 중간의 비정질층을 향해 아르곤의 확산이 촉진되고 있는 것과 같은 미세 구조이면, 접합 강도가 한층 향상된다.
이러한 관점에서는, 비정질층에서의 아르곤 비율과 제1 접합층에서의 아르곤 비율의 차 및 비정질층에서의 아르곤 비율과 제2 접합층에서의 아르곤 비율의 차는 1.0 원자% 이상인 것이 바람직하고, 1.5 원자% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 비정질층에서의 아르곤 비율과 제1 접합층에서의 아르곤 비율의 차 및 비정질층에서의 아르곤 비율과 제2 접합층에서의 아르곤 비율의 차의 상한값은 특별히 없으나, 현실적으로는 5.0 원자% 이하인 것이 바람직하고, 4.5 원자% 이하인 것이 더욱 바람직하다.
적합한 실시형태에 있어서는, 비정질층의 조성은, 규소(Si), 산소(O) 및 아르곤(Ar)을 주성분으로 한다. 단, 「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. 특히 바람직하게는, 비정질층의 조성은, Si(1-t)Ot(0.013≤t≤0.408)이고, 또한 산소 비율이 제1 접합층, 제2 접합층보다 높으며, 또한 아르곤을 함유하고 있다.
지지 기판과 제1 접합층 사이의 중간층, 압전성 재료 기판과 제2 접합층 사이의 중간층의 재질은, 양자와 접합하는 재질이면 특별히 한정되지 않으나, SiO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O3, Bi2O3, Al2O3, MgO, AlN, Si3N4가 바람직하다.
특히, 고주파수용(3.5 ㎓∼6 ㎓의 5 G 통신의 주파수대용 등)에서는, 탄성파의 주파수를 향상시킬 필요가 있고, 이 경우에는, 지지 기판과 제1 접합층 사이의 중간층, 압전성 재료 기판과 제2 접합층 사이의 중간층의 각 재질은 고음속 재료인 것이 바람직하다. 이러한 고음속 재료의 음속은, 6000 m/s 이상인 것이 바람직하고, 10000 m/s 이상인 것이 더욱 바람직하다. 각 중간층의 각 재질의 음속의 상한은 특별히 없으나, 실제상은 30000 m/s를 초과하는 것은 어렵기 때문에, 30000 m/s 이하, 나아가서는 25000 m/s 이하인 경우가 많다. 이러한 고음속 재료로서는, AlN, Si3N4를 예시할 수 있다. 또한, 재질의 음속은 JIS법으로 측정한 밀도(JIS C2141), 영률(JIS R1602), 푸아송비(JIS R1602)로부터 산출한다.
또한, 고주파수용(3.5 ㎓∼6 ㎓의 5 G 통신의 주파수대용 등)에서는, 하이 파워의 신호가 입력되기 때문에, 방열성을 향상시킬 필요가 있다. 이 경우에는, 지지 기판과 제1 접합층 사이의 중간층, 압전성 재료 기판과 제2 접합층 사이의 중간층의 각 재질을 고열전도 재료로 하는 것이 바람직하다. 이러한 고열전도 재료의 열전도율은, 100 W/(m·K) 이상인 것이 바람직하고, 900 W/(m·K) 이상인 것이 더욱 바람직하며, 1000 W/(m·K)인 것이 특히 바람직하다. 각 중간층의 각 재질의 열전도율의 상한은 특별히 없으나, 실제상은 5000 W/(m·K)를 초과하는 것은 어렵기 때문에, 5000 W/(m·K) 이하, 나아가서는 3000 W/(m·K) 이하인 경우가 많다. 이러한 고열전도 재료로서는, AlN, Si3N4를 예시할 수 있다. 또한, 재질의 열전도율은 JIS R1611에 따라 측정하는 것으로 한다.
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 재료 기판의 표면에, 탄성 표면파를 여진하는 입력측의 IDT(Interdigital Transducer) 전극(빗형 전극, 발형 전극이라고도 함)과 탄성 표면파를 수신하는 출력측의 IDT 전극을 형성한 것이다. 입력측의 IDT 전극에 고주파 신호를 인가하면, 전극 사이에 전계가 발생하고, 탄성 표면파가 여진되어 압전성 재료 기판 상을 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 형성된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 재료 기판의 바닥면에 금속막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전성 재료 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 수행한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 재료 기판의 표면에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판에 형성된 캐비티에 의해 압전성 재료 기판의 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 재료층을 구비한 복합 기판을 이용해도 좋다.
또한, 압전성 재료 기판의 바닥면에 금속막과 절연막을 갖고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때에, 전극의 역할을 수행한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 재료 기판의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전성 재료 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, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 재료 기판 중에 주기 분극 반전 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 대상이 탄성파 소자이고, 압전성 재료 기판의 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 재료 기판이 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 재료 기판의 크기는, 특별히 한정되지 않으나, 예컨대, 직경 50 ㎜∼150 ㎜, 두께가 0.2 ㎛∼60 ㎛이다.
본 발명의 접합체를 얻기 위해서는, 이하의 방법이 바람직하다.
먼저, 각 접합층의 각 표면을 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 잔사나 가공 변질층의 제거를 위해서, 각 접합층의 각 표면을 세정한다. 표면을 세정하는 방법은, 웨트 세정, 드라이 세정, 스크럽 세정 등이 있으나, 간편하게 또한 효율적으로 청정 표면을 얻기 위해서는, 스크럽 세정이 바람직하다. 이때에는, 세정액으로서 선워시 LH540을 이용한 후에, 아세톤과 IPA의 혼합 용액을 이용하여 스크럽 세정기로 세정하는 것이 특히 바람직하다.
계속해서, 각 접합층의 각 표면에 중성화 빔을 조사함으로써, 각 표면을 활성화한다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때에는, 특허문헌 3에 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 e가 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
(실시예 1, 2, 3, 3-2, 비교예 1, 2)
도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한 방법에 따라, 표 1, 표 2에 나타내는 각 예의 접합체(8, 8A)를 제작하였다.
구체적으로는, OF부를 갖고, 직경이 4 인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을, 압전성 재료 기판(1)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 재료 기판(1)의 표면(1a)은, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.3 ㎚가 되도록 경면 연마해 두었다. 단, Ra는, 원자간력 현미경(AFM)에 의해 10 ㎛×10 ㎛의 시야로 측정한다.
계속해서, 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a)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 전체 압력과 산소 분압을 변화시키고, 이에 의해 접합층(2)의 산소 비율을 변화시켰다. 접합층(2)의 두께는 100 ㎚∼200 ㎚로 하였다. 접합층(2)의 표면(2a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 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(3)으로서, 오리엔테이션 플랫(OF)부를 갖고, 직경이 4 인치, 두께가 500 ㎛인 실리콘을 포함하는 지지 기판(3)을 준비하였다. 지지 기판(3)의 표면은, 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해 마무리 가공되어 있고, 각 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2 ㎚로 되어 있다.
계속해서, 지지 기판(3)의 표면(3a)에, 직류 스퍼터링법에 의해 접합층(4)을 성막하였다. 타겟에는 붕소 도핑의 Si를 사용하였다. 또한, 산소원으로서 산소 가스를 도입하였다. 이때, 산소 가스 도입량을 변화시킴으로써, 챔버 내의 분위기의 전체 압력과 산소 분압을 변화시키고, 이에 의해 접합층(4)의 산소 비율을 변화시켰다. 접합층(4)의 두께는 100 ㎚∼200 ㎚로 하였다. 접합층(4)의 표면(4a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2 ㎚∼0.6 ㎚였다. 계속해서, 접합층(4)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막 두께를 80 ㎚∼190 ㎚로 하고, Ra를 0.08 ㎚∼0.4 ㎚로 하였다.
계속해서, 접합층(2)의 표면과 접합층(4)의 표면을 세정하여, 오물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입하였다. 10-6 ㎩대까지 진공화한 후, 각 표면에 고속 원자 빔(가속 전압 1㎸, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec간 조사하였다. 계속해서, 접합층(2)의 빔 조사면(활성화면)(5)과 접합층(4)의 활성화면(6)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합하였다[도 3의 (b) 참조]. 계속해서, 얻어진 각 예의 접합체(8)를 100℃에서 20시간 가열하였다.
계속해서, 압전성 재료 기판(1)의 표면을 두께가 당초의 250 ㎛로부터 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마하였다[도 4의 (a) 참조].
얻어진 각 예의 접합체(8, 8A)에 대해, 이하의 특성을 평가하였다.
(비정질층의 확인)
비정질층의 존재는 이하와 같이 하여 관찰하였다.
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.
(제1 접합층, 비정질층, 제2 접합층 중의 원자 비율)
이하의 장치를 이용하여, EDS(에너지 분산형 X선 분광기)에 의한 원소 분석을 행하여, 접합층, 비정질층 중의 산소 원자, 아르곤 원자의 비율을 측정하였다.
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.
(접합 강도)
각 예의 접합체(8, 8A)에 대해, 크랙 오프닝법에 의해 접합 강도를 측정하였다. 단, 접합 강도가 1.75 J/㎡를 초과하면, 접합층에서의 박리가 발생하지 않고, 접합체(8, 8A)가 벌크 파괴를 일으킨다.
비교예 1, 2에서는, 모두 접합 강도는 낮았다.
실시예 1, 2, 3, 3-2에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 모두 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다. 실시예 3-2에서는 비정질층에서의 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 아르곤 비율보다 높으나, 아르곤 비율의 차가 1 원자%보다 작고, 실시예 1, 2, 3과 비교하면 접합 강도는 약간 낮아졌다.
(실시예 4, 비교예 4)
실시예 1에 있어서, 지지 기판의 재질을 사파이어로 변경하고, 또한 FAB 조사량도 변경하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 접합체(8, 8A)를 제작하고, 각 부분의 산소 비율, 아르곤 비율, 규소 비율 및 접합 강도를 측정하였다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.
비교예 4에서는, 비정질층에서의 산소 비율이 제1 접합층에서의 산소 비율보다 약간 낮고, 제2 접합층에서의 산소 비율과 동일하였으나, 접합 강도는 낮았다.
실시예 4에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다.
(실시예 5, 비교예 5)
실시예 1에 있어서, 지지 기판의 재질을 코디어라이트로 변경하고, 또한 FAB 조사량도 변경하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 접합체(8, 8A)를 제작하고, 각 부분의 산소 비율, 아르곤 비율, 규소 비율 및 접합 강도를 측정하였다. 이 결과를 표 4에 나타낸다.
비교예 5에서는, 비정질층에서의 산소 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율과 동일하였으나, 접합 강도는 낮았다.
실시예 5에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다.
(실시예 6, 비교예 6)
실시예 1에 있어서, 지지 기판의 재질을 사이알론(z=2.5)으로 변경하고, 또한 FAB 조사량도 변경하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 접합체(8, 8A)를 제작하고, 각 부분의 산소 비율, 아르곤 비율, 규소 비율 및 접합 강도를 측정하였다. 이 결과를 표 5에 나타낸다.
비교예 6에서는, 비정질층에서의 산소 비율이, 제1 접합층에서의 산소 비율과 동일하고, 제2 접합층에서의 산소 비율보다 약간 낮았으나, 접합 강도는 낮았다.
실시예 6에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다.
(실시예 7, 비교예 7)
실시예 1에 있어서, 지지 기판의 재질을 멀라이트로 변경하고, 또한 FAB 조사량도 변경하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 접합체(8, 8A)를 제작하고, 각 부분의 산소 비율, 아르곤 비율, 규소 비율 및 접합 강도를 측정하였다. 이 결과를 표 6에 나타낸다.
비교예 7에서는, 비정질층에서의 산소 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율과 동일하였으나, 접합 강도는 낮았다.
실시예 7에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다.
(실시예 8, 비교예 8)
실시예 1에 있어서, 지지 기판의 재질을 투광성 알루미나로 변경하고, 또한 FAB 조사량도 변경하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 접합체(8, 8A)를 제작하고, 각 부분의 산소 비율, 아르곤 비율, 규소 비율 및 접합 강도를 측정하였다. 이 결과를 표 7에 나타낸다.
비교예 8에서는, 비정질층에서의 산소 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율보다 약간 낮았으나, 접합 강도는 낮았다.
실시예 8에서는, 비정질층에서의 산소 비율, 아르곤 비율이, 제1 접합층, 제2 접합층에서의 산소 비율, 아르곤 비율보다 높으나, 접합 강도가 현저히 향상되어 있어, 압전성 재료 기판의 연마 시에도 박리가 발생하지 않았다.
Claims (9)
- 지지 기판,
압전성 재료 기판,
상기 지지 기판 상에 형성된 제1 접합층으로서, Si(1-x)Ox(0.008≤x≤0.408)의 조성을 갖는 제1 접합층,
상기 압전성 재료 기판 상에 형성된 제2 접합층으로서, Si(1-y)Oy(0.008≤y≤0.408)의 조성을 갖는 제2 접합층, 및
상기 제1 접합층과 상기 제2 접합층 사이에 형성된 비정질층
을 구비하고 있고, 상기 비정질층에서의 산소 비율이, 상기 제1 접합층에서의 산소 비율 및 상기 제2 접합층에서의 산소 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서, 상기 비정질층에서의 산소 비율과 상기 제1 접합층에서의 산소 비율의 차 및 상기 비정질층에서의 산소 비율과 상기 제2 접합층에서의 산소 비율의 차가 0.5 원자% 이상인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비정질층에서의 아르곤 비율이, 상기 제1 접합층에서의 아르곤 비율 및 상기 제2 접합층에서의 아르곤 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제3항에 있어서, 상기 비정질층에서의 아르곤 비율과 상기 제1 접합층에서의 아르곤 비율의 차 및 상기 비정질층에서의 아르곤 비율과 상기 제2 접합층에서의 아르곤 비율의 차가 1 원자% 이상인 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기판의 재질이, 실리콘, 사이알론, 사파이어, 코디어라이트, 멀라이트 및 알루미나로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전성 재료 기판의 재질이, 니오브산리튬, 탄탈산리튬 및 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판과 상기 제1 접합층 사이에 형성된 중간층
을 갖는 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 재료 기판과 상기 제2 접합층 사이에 형성된 중간층
을 갖는 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 접합체, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 형성된 전극
을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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