KR20220002527A - 복합 기판, 탄성파 소자 및 복합 기판의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전성 재료 기판을, 수정으로 이루어진 지지 기판에 대하여 접합함에 있어서, 접합 강도를 향상시켜, 압전성 재료 기판을 얇게 하더라도 박리되지 않도록 하는 것을 과제로 한다.
복합 기판(7, 7A)은, 수정으로 이루어진 지지 기판(4), 압전성 재료 기판(1, 1A), 지지 기판(4)과 압전성 재료 기판(1, 1A) 사이에 존재하는 제1 비정질층(5), 및 지지 기판(4)과 제1 비정질층(5) 사이에 존재하는 제2 비정질층(11)을 갖는다. 제1 비정질층(5)은 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하고, 제2 비정질층(11)은 불소 원자를 1∼10 atom% 함유한다.
복합 기판(7, 7A)은, 수정으로 이루어진 지지 기판(4), 압전성 재료 기판(1, 1A), 지지 기판(4)과 압전성 재료 기판(1, 1A) 사이에 존재하는 제1 비정질층(5), 및 지지 기판(4)과 제1 비정질층(5) 사이에 존재하는 제2 비정질층(11)을 갖는다. 제1 비정질층(5)은 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하고, 제2 비정질층(11)은 불소 원자를 1∼10 atom% 함유한다.
Description
본 발명은, 압전성 재료 기판과 지지 기판의 복합 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고성능의 반도체 소자를 실현할 목적으로, 고저항 Si/SiO2 박막/Si 박막으로 이루어진 SOI 기판이 널리 이용되고 있다. SOI 기판을 실현함에 있어서 플라즈마 활성화가 이용된다. 이것은 비교적 저온(400℃)에서 접합할 수 있기 때문이다. 압전 디바이스의 특성을 향상시키기 위해, 유사한 Si/SiO2 박막/압전 박막으로 이루어진 복합 기판이 제안되어 있다.
또한, SAW 필터의 온도 특성의 개선 및 Q값의 향상을 목적으로, 지지 기판에 압전성 재료 기판을 접합한 구조를 갖는 SAW 필터가 보고되어 있다. 특히, 수정 기판과 탄탈산리튬 기판을 접합한 복합 기판을 사용한 탄성파 소자는, 매우 우수한 특성을 나타내는 것이 보고되어 있다(비특허문헌 1, 2, 특허문헌 1, 2).
비특허문헌 1 : Shogo Inoue et. al. 'Spurious Free SAW Resonators on Layered Substrate with Ultra-High Q, High Coupling and Small TCF' IEEE International Ultrasonic Symposium 2018 Proceedings
비특허문헌 2 : Michio Kadota et.al. 'Suprious-Free, Near-Zero-TCF Hetero Acoustic Layer (HAL) SAW Resonators Using LiTaO3 Thin Plate on Quartz' IEEE International Ultrasonic Symposium 2018 Proceedings
비특허문헌 3 : SEMICONDUCTOR WAFER BONDING, Q.-Y.Tong, U. Gosele, Wiley-Inter Science. P.27
이러한 복합 기판에서는, 압전성 재료 기판을 얇게 하는 것이 설계 요건으로 되어 있다. 그러나, 일반적으로 압전성 재료 기판이 얇아지면 얇아질수록 견고한 접합 강도가 필요해진다. 예컨대 특허문헌 2에서는 수정과 압전층의 접합체가 제안되어 있지만, 압전성 재료 기판을 얇게 한 경우에는 지지 기판으로부터의 박리가 생긴다고 하는 문제가 있어, 한층 더 접합 강도를 향상시키는 것이 요구되고 있다.
본 발명의 과제는, 압전성 재료 기판을, 수정으로 이루어진 지지 기판에 대하여 접합함에 있어서, 접합 강도를 향상시켜, 압전성 재료 기판을 얇게 하더라도 박리되지 않도록 하는 것이다.
본 발명은,
수정으로 이루어진 지지 기판,
압전성 재료 기판,
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료 기판 사이에 존재하는 제1 비정질층, 및
상기 지지 기판과 상기 제1 비정질층 사이에 존재하는 제2 비정질층을 갖고 있고,
상기 제1 비정질층은 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하고, 상기 제2 비정질층은 불소 원자를 1∼10 atom% 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 복합 기판, 및 상기 압전성 단결정 기판 상의 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은,
수정으로 이루어진 지지 기판과, 압전성 재료 기판을 갖는 복합 기판을 제조하는 방법으로서,
상기 지지 기판의 표면에 대하여 산소 가스와 질소 가스의 적어도 한쪽을 함유하는 플라즈마를 조사함으로써 활성화면을 생성시키는 공정,
상기 압전성 재료 기판의 표면에 대하여 산소 가스와 질소 가스의 적어도 한쪽을 함유하는 플라즈마를 조사함으로써 활성화면을 생성시키는 공정,
상기 지지 기판의 상기 활성화면과 상기 압전성 재료 기판의 상기 활성화면을 접촉시킴으로써 접합체를 얻는 공정, 및
상기 접합체를 250℃ 이상, 350℃ 이하의 온도에서 열처리하는 공정
을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명자는, 압전성 재료 기판과, 수정으로 이루어진 지지 기판을 직접 접합함에 있어서, 압전성 재료 기판의 표면과 지지 기판의 표면을 각각 플라즈마 조사에 의해 표면 활성화하고, 각 활성화면을 접촉시켜 접합을 행하고, 이어서 열처리를 행하는 방법을 검토했다. 이 과정에서, 열처리를 250℃ 이상의 온도에서 행함으로써 접합 강도가 현저하게 향상되어, 압전성 재료 기판을 얇게 가공하더라도 압전성 재료 기판이 지지 기판으로부터 박리되기 어려워지는 것을 발견했다.
본 발명자는, 접합 강도가 향상된 이유에 관해 더 검토한 바, 이하의 지견을 얻었다. 즉, 접합 강도가 향상된 복합 기판에 있어서는, 지지 기판과 압전성 재료 기판 사이에 복수의 비정질층이 존재했다. 이들 비정질층을 분석하면, 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하는 비정질층과, 불소 원자를 1∼10 atom% 함유하는 비정질층을 갖는 경우에, 특히 접합 강도가 높아져, 압전성 재료 기판을 얇게 가공하더라도 압전성 재료 기판이 지지 기판으로부터 박리되기 어려워지는 것을 발견하여, 본 발명에 도달했다.
이러한 작용 효과가 얻어진 이유는 명확하지 않지만, 수정으로 이루어진 지지 기판측으로부터의 규소 원자가 압전성 재료 기판측으로 확산됨으로써, 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하는 비정질층이 생성되고, 또한 플라즈마 활성화에 의해 발생하는 불소 원자가 압전성 재료 기판측에 흡착하여 불소 원자를 1∼10 atom% 함유하는 비정질층이 생성됨으로써, 특히 접합 강도가 높아지는 것이다. 열처리 온도가 낮으면, 규소 원자의 확산이나 분위기 중의 불소의 확산이 생기기 어려워, 접합 강도가 향상되기 어려웠을 것으로 생각된다.
또, 비정질층의 조성 중의 불소 원자는, 플라즈마 처리용 챔버의 O링을 구성하는 불소계 고무(퍼플루오로카본 중합체)에 유래하는 것으로 생각된다.
또, 특허문헌 2에서는, 수정으로 이루어진 지지 기판과 탄탈산리튬으로 이루어진 압전성 재료 기판을 접합하고 있지만, 접합전에 지지 기판의 표면 또는 압전성 재료 기판의 표면에 비정질 산화규소층 또는 비정질 알루미나층을 성막하고, 그 후에 150∼200℃에서 열처리하는 것이 바람직하다고 기재되어 있다. 한편, 본 발명의 제법에서는, 수정으로 이루어진 지지 기판과 탄탈산리튬 등으로 이루어진 압전성 재료 기판의 각 표면을 산소 가스와 질소 가스의 적어도 한쪽을 함유하는 플라즈마로 표면 활성화하고, 직접 접합한 후 250℃ 이상에서 열처리했고, 이 때 접합 계면을 따라 특정 조성의 복수의 비정질층이 생성되는 것이다.
도 1의 (a)는, 압전성 재료 기판(1)을 도시하고, (b)는, 압전성 재료 기판표면 탄성의 접합면(1a)을 활성화하여 활성화면(1c)을 생기게 한 상태를 도시한다.
도 2의 (a)는, 지지 기판(4)을 도시하고, (b)는, 지지 기판(4)의 표면을 활성화한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는, 압전성 재료 기판(1)과 지지 기판(4)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(7)를 도시하고, (b)는, 접합체의 압전성 재료 기판(1A)을 연마하여 얇게 한 상태를 도시하고, (c)는, 탄성파 소자(10)를 도시한다.
도 4는 직접 접합후의 가열 온도와 접합 강도의 관계예를 도시하는 그래프이다.
도 5는 복합 기판의 계면 부근을 도시하는 고분해능 투과형 전자 현미경 사진이다(800만배).
도 2의 (a)는, 지지 기판(4)을 도시하고, (b)는, 지지 기판(4)의 표면을 활성화한 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는, 압전성 재료 기판(1)과 지지 기판(4)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(7)를 도시하고, (b)는, 접합체의 압전성 재료 기판(1A)을 연마하여 얇게 한 상태를 도시하고, (c)는, 탄성파 소자(10)를 도시한다.
도 4는 직접 접합후의 가열 온도와 접합 강도의 관계예를 도시하는 그래프이다.
도 5는 복합 기판의 계면 부근을 도시하는 고분해능 투과형 전자 현미경 사진이다(800만배).
이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명한다.
우선, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 한쌍의 주면(1a, 1b)을 갖는 압전성 재료 기판(1)을 준비한다. 본 예에서는 1a를 접합면으로 한다. 이어서, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)의 접합면(1a)에 대하여 화살표 A와 같이 플라즈마를 조사하여, 표면 활성화된 접합면(1c)을 얻는다.
한편, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 지지 기판(4)을 준비한다. 이어서, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 지지 기판(4)의 표면(4a)에 대하여 화살표 B와 같이 플라즈마를 조사함으로써 표면 활성화하고, 활성화된 접합면(6)을 형성한다.
이어서, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 압전성 재료 기판(1) 상의 활성화된 접합면(1c)과, 지지 기판(4)의 활성화된 접합면(6)을 접촉시키고, 직접 접합하여 접합체를 얻는다. 얻어진 접합체를 예컨대 1000℃에서 가열함으로써, 연삭 가공에 견딜 수 있을 만큼의 접합 강도를 얻는다. 이어서, 접합체의 압전 기판을 연삭기에 의해 얇게 가공한다. 이 접합체를 250℃ 이상, 350℃ 이하의 온도에서 열처리함으로써 접합체(7)를 얻을 수 있다. 여기서, 지지 기판(4)과 압전성 재료 기판(1) 사이에는, 제2 비정질층(11)과 제1 비정질층(5)이 생성되어 있다. 이 상태로, 압전성 재료 기판(1) 상에 전극을 설치해도 좋다. 그러나, 바람직하게는, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 압전성 재료 기판(1)의 주면(1b)을 가공하여 기판(1)을 얇게 하여, 박판화된 압전성 재료 기판(1A)을 얻는다. 1d는 가공면이다. 이어서, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 접합체(7A)의 압전성 재료 기판(1A)의 가공면(1d) 상에 소정의 전극(8)을 형성하여, 탄성파 소자(10)를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 관해 순차적으로 설명한다.
지지 기판(4)의 재질은 수정으로 한다. 수정은 이방성을 갖는 결정이며, 그 결정 방위에 의해 압전 소자의 특성이 좌우된다. 비특허문헌 1에 의하면, 그 음속에 착안함으로써 스퓨리어스를 억제하는 것이 나타나 있다. 따라서 원하는 특성이 얻어지도록 그 방위를 적절하게 선택할 수 있다.
본 발명에서 이용하는 압전성 재료 기판(1)은, 탄탈산리튬(LT), 니오븀산리튬(LN), 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체인 것이 바람직하다. 이들은 탄성파의 전파 속도가 빠르고, 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에, 고주파수 및 광대역 주파수용의 탄성 표면파 디바이스로서 적합하다.
또한, 압전성 재료 기판(1)의 주면(1a, 1b)의 법선 방향은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 압전성 재료 기판(1)이 LT로 이루어질 때에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 32∼55° 회전한 방향의 것, 오일러각 표시로 (180°, 58∼35°, 180°)를 이용하는 것이 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 압전성 재료 기판(1)이 LN으로 이루어질 때에는, (가) 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Z축으로부터 -Y축으로 37.8° 회전한 방향의 것, 오일러각 표시로 (0°, 37.8°, 0°)를 이용하는 것이 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에 바람직하거나, 또는, (나) 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로, Y축으로부터 Z축으로 40∼65° 회전한 방향의 것, 오일러각 표시로 (180°, 50∼25°, 180°)를 이용하는 것이 고음속이 얻어지기 때문에 바람직하다. 또한, 압전성 재료 기판의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 직경 100∼200 mm, 두께가 0.15∼1 μm이다.
이어서, 압전성 재료 기판의 표면, 지지 기판의 표면에 플라즈마를 조사하여 각 표면을 활성화시킨다.
표면 활성화시의 분위기는, 산소를 함유하는 분위기로 한다. 이 분위기는, 산소만일 수 있고, 질소만일 수 있고, 혹은 산소와, 질소, 수소 및 아르곤과의 혼합 가스일 수 있다. 혼합 가스의 경우에는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 접합 강도와의 관계에 따라 그 비율을 적절하게 조정해도 좋다.
표면 활성화시의 분위기 압력은, 100 Pa 이하가 바람직하고, 80 Pa 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 분위기 압력은, 30 Pa 이상이 바람직하고, 50 Pa 이상이 더욱 바람직하다.
플라즈마 조사시의 온도는 150℃ 이하로 한다. 이것에 의해, 접합 강도가 높고, 또한 압전성 재료의 열화가 없는 접합체(7)가 얻어진다. 이 관점에서, 플라즈마 조사시의 온도를 150℃ 이하로 하지만, 100℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 플라즈마 조사시의 에너지는 30∼150 W가 바람직하다. 또한, 플라즈마 조사시의 에너지와 조사 시간의 곱은 0.1∼1.0 Wh가 바람직하다.
적합한 실시형태에서는, 플라즈마 처리전에, 압전성 재료 기판의 표면(1a) 및 지지 기판의 표면(4a)을 평탄화 가공한다. 각 표면(1a, 4a)을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면의 산술 평균 거칠기 Ra는, 1 nm 이하가 바람직하고, 0.3 nm 이하가 더욱 바람직하다.
이어서, 압전성 재료 기판의 활성화면과 지지 기판의 활성화면을 접촉시켜 접합한다. 그 후, 바람직하게는, 접합체를 열처리함으로써, 압전성 재료 기판의 연마 가공에 견디는 강도를 부여할 수 있다. 이러한 열처리 온도는, 100∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 이 실시형태에서는, 그 열처리의 후에 압전성 재료 기판을 연마 가공함으로써 두께를 작게 할 수 있다.
이어서, 접합체의 열처리(어닐 처리)를 행함으로써 접합 강도를 향상시킨다. 본 발명의 관점에서는, 열처리시의 온도는 250℃ 이상으로 하지만, 270℃ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 이 열처리시의 온도는, 접합체의 파손을 방지하기 위해 350℃ 이하로 하지만, 300℃ 이하가 더욱 바람직하다.
본 발명에서는, 제1 비정질층은 규소 원자를 10∼30 atom% 함유한다. 제1 비정질층의 규소 원자 함유량은, 15 atom% 이상이 더욱 바람직하고, 25 atom% 이하가 더욱 바람직하다.
또한, 제2 비정질층은 불소 원자를 1∼10 atom% 함유한다. 제2 비정질층의 불소 원자 함유량은 3 atom% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한, 제2 비정질층의 불소 원자 함유량은 8 atom% 이하로 하는 것이 바람직하다.
적합한 실시형태에서는, 압전성 재료 기판이, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬 및 니오븀산리튬-탄탈산리튬으로 이루어진 군에서 선택된 재질로 이루어지고, 제1 비정질층이 규소 원자 및 상기 재질을 구성하는 원자를 주성분으로서 포함한다. 이 경우에는, 압전성 재료 기판의 재질을 구성하는 원자는, 니오븀 및 탄탈로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 원자, 리튬 및 산소이다. 다만, 본원 명세서에 기재된 방법에서는, 리튬 원자의 비율은 직접 측정할 수 없기 때문에, 상기 재질을 구성하는 각 원자의 각 비율로부터는 리튬 비율을 제외한다.
본 실시형태에서는, 제1 비정질층에서의 니오븀 및 탄탈로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 원자, 및 산소 원자의 합계 비율은, 70 atom% 이상이 바람직하고, 또한 90 atom% 이하가 바람직하다. 또한, 제1 비정질층에서의 니오븀 및 탄탈로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 원자의 합계 비율은 75 atom% 이상이 더욱 바람직하고, 또한 85 atom% 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 제2 비정질층의 산소 원자의 비율은, 60 atom% 이상이 더욱 바람직하고, 또한 50 atom% 이하가 더욱 바람직하다.
또한, 적합한 실시형태에서는, 제2 비정질층이, 불소 원자, 규소 원자 및 산소 원자를 주성분으로서 포함한다. 이 실시형태에서 바람직하게는, 제2 비정질층에서의 규소 원자의 비율은, 35 atom% 이상이 더욱 바람직하고, 또한 50 atom% 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 제2 비정질층에서의 산소 원자의 비율은, 45 atom% 이상이 더욱 바람직하고, 또한 60 atom% 이하가 더욱 바람직하다.
각 원자의 농도는, EDX법(에너지 분산형 X선 분석법)을 이용하여 측정한다. EDX 측정 장치로는, 니혼덴시 제조 JEM-ARM200F를 이용했다.
가속 전압 : 200 kV, 빔 직경 : 약 0.1 nmφ로 했다.
제1 비정질층의 두께는, 본 발명의 관점에서는 1.0 nm∼3.0 nm이 바람직하다. 또한, 제2 비정질층의 두께는, 본 발명의 관점에서는 4∼10 nm이 바람직하고, 6∼8 nm이 더욱 바람직하다. 또, 제1 비정질층, 제2 비정질층의 존재 및 두께는, 복합 기판의 단면을 고분해능 투과형 전자 현미경 이미지(배율 800만배)로 확인할 수 있다.
본 발명에 의하면, 압전성 재료 기판을 얇게 가공하더라도, 압전성 재료 기판의 지지 기판으로부터의 박리를 억제하는 것이 가능하다. 이 때문에, 복합 기판, 특히 탄성파 소자의 성능의 관점에서, 압전성 재료 기판의 두께는, 2.0 μm 이하가 바람직하고, 1.0 μm 이하가 더욱 바람직하다. 압전성 재료 기판의 두께의 하한은 특별히 없지만, 실제 가공상의 관점에서는, 0.05 μm 이상으로 할 수 있다. 또, 압전성 재료 기판의 두께는, 광간섭을 이용한 광학식 측정기(Filmetrix사 제조 F20)에 의해 측정한다.
본 발명의 복합 기판(7, 7A)은, 탄성파 소자(10)에 대하여 적합하게 이용할 수 있다.
탄성파 소자(10)로는, 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 압전성 재료 기판 상에서 전파해 간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 취출할 수 있다.
압전성 재료 기판(1A) 상의 전극(전극 패턴)(8)을 구성하는 재질은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금이 바람직하고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 더욱 바람직하다. 알루미늄 합금은, Al에 0.3 내지 5 중량%의 Cu를 섞은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, Cu 대신에 Ti, Mg, Ni, Mo, Ta를 사용해도 좋다.
실시예
(실시예 1)
도 1∼도 3을 참조하면서 설명했도록 하여, 표면 탄성파 소자를 제작했다.
구체적으로는, 두께가 250 μm이고 양면이 경면으로 연마되어 있는 42Y 컷트 X 전파 LiTaO3 기판(압전성 재료 기판)(1)과, 두께가 350 μm인 AT 컷트 수정 기판(지지 기판)(4)을 준비했다. 기판 사이즈는 모두 100 mm이다. 이어서, 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a) 및 지지 기판(4)의 표면(4a)을 각각 세정 및 표면 활성화했다.
구체적으로는, 순수를 이용한 초음파 세정을 실시하고, 스핀 드라이에 의해 기판 표면을 건조시켰다. 이어서, 세정후의 지지 기판을 플라즈마 활성화 챔버에 도입하고, 산소 가스 플라즈마로 30℃에서 접합면을 활성화했다. 또한, 압전성 재료 기판을 동일하게 플라즈마 활성화 챔버에 도입하고, 산소 가스 플라즈마로 30℃에서 접합면을 표면 활성화했다. 표면 활성화 시간은 40초로 하고, 에너지는 100 W로 했다. 표면 활성화 중에 부착된 파티클을 제거할 목적으로, 전술한 바와 동일한 초음파 세정, 스핀 드라이를 다시 실시했다.
이어서, 각 기판의 위치 맞춤을 행하여, 실온에서 양 기판의 활성화한 접합면끼리 접촉시켰다. 중합한 기판의 중심을 가압한 결과, 기판끼리의 밀착이 넓어지는 양상(소위 본딩 웨이브)이 관측되고, 양호하게 예비 접합이 행해진 것을 확인할 수 있었다. 이어서, 접합체를 질소 분위기의 오븐에 10시간 투입했다. 가열 온도와 접합 강도의 관계를 조사한 바, 도 4에 도시한 바와 같은 데이터를 얻었다. 압전 재료와 수정을 접합한 구조로 고성능의 SAW 필터를 실현하기 위해서는 압전 재료의 두께를 매우 얇게 할 필요가 있다. 이러한 구조를 CMP에로 실현하고자 하면 매우 견고한 접합이 필요해진다. 구체적으로는 3 J/㎡ 이상의 접합 강도가 필요해진다. 본 예에서는 250℃ 이상의 가열 온도가 필요하다는 것을 알았다. 접합 강도는 비특허문헌 3에 나타내는 블레이드법에 의해 평가했다.
100℃에서 10시간 가열한 후의 접합체의 압전성 재료 기판을 연삭기에 의해 두께가 10 μm이 될 때까지 가공했다. 가공한 기판을 250℃에서 10시간 더 가열했다. 이어서, 랩 가공기에 기판을 셋팅하고, 다이아몬드 슬러리를 공급하면서, 두께를 5 μm까지 더 얇게 했다. 마지막으로 가공 변질층의 제거, 두께의 최종 조정을 실시하기 위해 CMP 가공기로 연마했다. 연마시의 슬러리는 콜로이달 실리카를 사용했다. 연마후에 기판을 취출한 바, 압전성 재료 기판의 박리는 전혀 관찰되지 않고, 매우 견고한 접합이 실현된 것을 확인할 수 있었다.
압전성 재료 기판의 두께를 광간섭을 이용한 광학식 측정기(Filmetrix사 제조 F20)에 의해 측정한 바, 2 μm로 매우 얇은 층이 얻어졌다.
압전성 재료 기판의 두께의 한계를 알기 위한 목적으로 CMP를 계속한 바, 두께가 0.3 μm이 되더라도 박리는 보이지 않았다.
실시예 1의 접합 계면 단면을 고분해능 TEM으로 해석한(장치 JEM-ARM200F, 가속 전압 200 kV, 배율 800만배) 바, 접합 계면에 비정질층이 관찰되었다(도 5). 비정질층을 더 자세히 보면, 2층으로 나뉘어져 있는 것이 명확해졌다.
즉, 도 5에서, 영역 1은 탄탈산리튬 단결정으로 이루어진 압전성 재료 기판의 단부이고, 영역 4는 산화규소로 이루어진 지지 기판이다. 영역 1이 영역 4보다 시커먼 것은, 원자량이 큰 탄탈 원자가 다량으로 존재하기 때문이다. 그리고, 영역 2는 제1 비정질층이고, 영역 3은 제2 비정질층이다.
이들 각 비정질층의 조성을 조사할 목적으로, 이하의 조건하에 EDX 분석을 행했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
투과 전자 현미경 : 히타치 하이테크놀로지스 제조 HD-2700
가속 전압 : 200 kV
빔 직경 : 약 0.2 nmφ
원소 분석 장치 : EDAX 제조 Genesis
X선 검출기 : Si/Li 반도체 검출기
에너지 분해능 : 약 140 eV
X선 취출각 : 25.7°
입체각 : 0.31 sr
취입 시간 : 30 sec
[표 1]
(실시예 2)
실시예 1에서, 산소 플라즈마 대신에 질소 가스 80%, 산소 가스 20%로 한 혼합 가스의 플라즈마를 이용했다. 가스 조성을 변경함에 있어서, RF의 반사 전력이 최소가 되도록 매칭은 적절하게 변경했다.
그 외에는 실시예 1과 동일하게 접합체의 가공을 행했다. 그 결과, 실시예 1과 마찬가지로 250℃에서의 가열후에 3.2 J/㎡로 큰 접합 강도가 측정되었다. 이 기판에서도 CMP 가공에 의해 압전층의 두께를 1 μm로 한 경우에도 박리가 발생하지는 않았다.
얻어진 접합체의 비정질층의 조성을 조사할 목적으로, 실시예 1과 동일하게 하여 EDX 분석을 행했다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[표 2]
(실시예 3)
실시예 1에서, 접합체의 가열 온도를 250℃로부터 270℃로 변경했다. 실시예 1과 동일하게 하여, 얻어진 접합체를 연마 가공했지만, 두께 0.3 μm까지 CMP 가공하더라도 박리는 보이지 않았다.
실시예 3의 접합 계면 단면을 실시예 1과 동일하게 하여 고분해능 TEM로 해석한 바, 접합 계면에 제1 비정질층과 제2 비정질층이 관찰되었다. 이들 각 비정질층의 조성을 조사할 목적으로, 실시예 1과 동일한 조건하에 EDX 분석을 행했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
[표 3]
이와 같이, 본 발명 실시예에서는, 특정 조성의 제1 비정질층 및 제2 비정질층이 생성된 것을 알 수 있다. 또, 조성중의 불소 원자는, 플라즈마 처리용 챔버의 O링을 구성하는 불소계 고무(퍼플루오로카본 중합체)에 유래하는 것으로 생각된다.
(비교예 1)
실시예 1에서, 산소 플라즈마 대신에 중성 아르곤빔을 이용하여 표면을 활성화시켰다. 활성화 시간은 수정, 압전성 재료 기판 모두 60초로 했다. 접합기의 진공 챔버 내에서 웨이퍼끼리 접촉시키고, 압력을 가하여 접합하여 접합체를 얻었다. 취출한 웨이퍼를 실시예 1과 마찬가지로 100℃의 오븐에 투입하고 10시간후 취출했다. 연삭기에 의해 압전성 재료 기판의 두께가 10 μm이 될 때까지 가공하려 했지만, 대략 20 μm 가공한 시점에서 연삭기가 에러가 생겼다. 웨이퍼를 취출한 바, 압전성 재료가 크게 박리되었다. 이 점에서 매우 약한 접합 강도밖에 얻을 수 없다는 것을 알았다.
(비교예 2)
최고 가열 온도를 150℃로 저온으로 한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 플라즈마 활성화를 행하여 접합체를 작성하고, CMP 가공한 바, 압전성 재료 기판의 두께가 5 um보다 작아지는 지점에서 박리되었다.
얻어진 접합체의 비정질층의 조성을 조사할 목적으로, 실시예 1과 동일하게 하여 TEM 분석, EDX 분석을 행했다. 측정 결과를 표 4에 나타낸다. 가열 온도가 낮기 때문인지, 조성이 실시예와는 크게 달랐다.
또한, 비정질층의 두께가 매우 얇아진 것을 알았다.
[표 4]
Claims (8)
- 수정으로 이루어진 지지 기판,
압전성 재료 기판,
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료 기판 사이에 존재하는 제1 비정질층, 및
상기 지지 기판과 상기 제1 비정질층 사이에 존재하는 제2 비정질층
을 포함하고,
상기 제1 비정질층은 규소 원자를 10∼30 atom% 함유하고, 상기 제2 비정질층은 불소 원자를 1∼10 atom% 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 기판. - 제1항에 있어서,
상기 압전성 재료 기판이, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬 및 니오븀산리튬-탄탈산리튬으로 이루어진 군에서 선택된 재질로 이루어지고, 상기 제1 비정질층이 상기 규소 원자 및 상기 재질을 구성하는 원자를 주성분으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기판. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 비정질층이, 상기 불소 원자, 규소 원자 및 산소 원자를 주성분으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기판. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 비정질층의 두께가 1 nm∼3 nm이고, 상기 제2 비정질층의 두께가 4∼10 nm인 것을 특징으로 하는 복합 기판. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 복합 기판, 및 상기 압전성 재료 기판 상의 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
- 수정으로 이루어진 지지 기판과, 압전성 재료 기판을 갖는 복합 기판을 제조하는 방법에 있어서,
상기 지지 기판의 표면에 대하여 산소 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 함유하는 플라즈마를 조사함으로써 활성화면을 생성시키는 공정,
상기 압전성 재료 기판의 표면에 대하여 산소 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 함유하는 플라즈마를 조사함으로써 활성화면을 생성시키는 공정,
상기 지지 기판의 상기 활성화면과 상기 압전성 재료 기판의 상기 활성화면을 접촉시킴으로써 접합체를 얻는 공정, 및
상기 접합체를 250℃∼350℃의 온도에서 열처리하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기판의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 압전성 재료 기판이, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬 및 니오븀산리튬-탄탈산리튬으로 이루어진 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 기판의 제조 방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 열처리 후에 상기 압전성 재료 기판의 두께를 연마에 의해 작게 하는 것을 특징으로 하는 복합 기판의 제조 방법.
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| 비특허문헌 3 : SEMICONDUCTOR WAFER BONDING, Q.-Y.Tong, U. Gosele, Wiley-Inter Science. P.27 |
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