KR20220110277A - 압전 진동 기판 및 압전 진동 소자 - Google Patents
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Abstract
[과제] 압전 진동 소자의 실장 시에 가해지는 가열, 초음파 진동 및 가중에 의한 크랙이나 치핑을 억제할 수 있게 한다.
[해결수단] [0012] 압전 진동 소자(11)는, 벌크형의 압전성 재료로 이루어지는 압전층(2A), 압전층(2A)의 제1 면(2a) 상의 하부 전극(3) 및 하부 전극(3)에 대하여 접합되어 있는 지지 기판(5)을 구비한다.
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Description
본 발명은 MEMS 미러 등에 적합하게 이용할 수 있는 압전 진동 기판 및 소자에 관한 것이다.
헤드업 디스플레이(HUD)란 「시선을 전방에 유지한 채로 필요한 정보를 시계에 오버랩하여 표시하는 장치」이다. 자동차 운전에 있어서는, 미터 패널이나 콘솔 패널 상의 정보를 보는 경우와 비교하여, 전방에 시선을 유지한 채로 정보를 시인할 수 있기 때문에, 곁눈질 운전 방지에 효과가 있고, 나아가서는 눈의 초점 이동이 적어지기 때문에 드라이버의 피로 경감과 안전성 향상을 도모할 수 있다.
HUD의 원리는, 형광관, CRT이나 액정 디스플레이의 화상을 차의 프론트 글라스나 투명한 스크린(컴바이너)에 비춘다. HUD는 광학적인 구조의 차이에 따라 이하의 두 방식이 있다.
(1) 프론트 글라스 등을 스크린으로 하여 직접 화상을 투영하는 Direct Projection 방식
(2) 프론트 글라스 등을 반사 미러로서 작용시켜 드라이버의 망막 상에 결상시키는 Virtual Imaging 방식
이들 방식의 큰 차이는 드라이버가 화상을 보았을 때의 거리감에 있다. Direct Projection 방식에서는 보통의 프로젝터와 마찬가지로 스크린(컴바이너) 상에 화상을 인식하지만, VirtualImaging 방식에서는 드라이버의 시선 수 미터 앞의 공간 상에 화상을 인식한다. 어느 방식에서나, HUD를 사용하지 않을 때와 비교하면, 드라이버의 전방 시계(視界)와 미터 패널이나 콘솔 패널과의 시선 이동은 현격히 적어진다. 그러나, Virtual Imaging 방식에서는 통상 운전 시의 시야로부터의 초점 이동도 적어지기 때문에 보다 운전에 주의를 집중할 수 있고 피로도 적다. Virtual Imaging 방식에서는 최근 레이저 빔을 주사하여 묘화하는 새로운 방식의 개발이 진행되고 있다.
레이저 주사형 디스플레이는, RGB 3색의 레이저 빔을 컴바이너라고 부르는 광학 소자로 합파(合波)하고, 이 한 줄기의 빔을 미소 미러로 반사하여 2차원으로 주사함으로써 묘화를 행한다. 이 방식은, CRT의 전자빔 주사와 비슷하지만, 형광체를 여기하는 대신에, 그 수평 주사선 상의 화소에 대응하는 위치에서 각 레이저의 펄스 폭과 출력을 제어하여 색과 휘도를 바꿔, 화소를 고속으로 점묘(點描) 구획한다. 실현 가능한 해상도는 미러의 진동 주파수와 레이저의 변조 주파수에 의해서 결정된다.
이 방식에 의한 주된 이점은 이하와 같다.
(1) 부품 점수가 적기 때문 소형화, 저비용화, 신뢰성 향상을 실현할 수 있다.
(2) 각 화소에 필요한 밝기로 레이저를 점등하기 때문에 저소비 전력을 실현할 수 있다.
(3) 콜리메이트(평행광)된 레이저광을 이용하기 때문에 포커스 조정이 불필요하다.
레이저 주사형 디스플레이의 코어 부품인 마이크로 미러는 Si를 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술로 가공하여 금속을 증착한다. MEMS 미러의 구동 방법은, 정전 인력으로 구동하는 정전 방식, 전자력으로 구동하는 전자 방식, 압전 소자로 구동하는 압전 방식 등이 있다. 이 중에서 압전 방식의 장점으로서 고속 구동, 저소비전력, 대구동력을 들 수 있고, 단점으로서 압전 소자의 성막이 어렵다는 점을 들 수 있다.
종래, MEMS 미러 등에 사용하는 압전 진동 소자를 제조하려면 실리콘 기판 상에 PZT 등의 압전막을 스퍼터링법 등에 의해서 성막하고 있다(특허문헌 1).
금후, HUD에는 대화면화·광화각화가 요구되고 있으며, 현재의 회각 7∼8도에 대하여 최대 20도까지 넓히라는 요구도 있다. 대화면화·광화각을 실현하기 위해서는, MEMS 미러의 압전 진동 소자의 주파수, 진폭 및 신뢰성을 향상시킬 필요가 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 것과 같이, 종래의 실리콘 기판 상에 성막법으로 압전층을 형성한 압전 진동 소자에서는, 이러한 고도의 주파수, 진폭 및 신뢰성을 갖춘 압전 진동 소자를 실현할 수 없다는 것이 판명되게 되었다.
특히 압전 진동 소자를 패키지나 기판에 실장하여 전기적인 접속을 할 때는, 와이어 본딩이나 플립 칩 본딩을 행한다. 본딩 공정에서는, 압전 진동 소자에 가열, 초음파 진동 및 하중이라는 부하를 걸 필요가 있다. 이때, 압전 진동 소자의 주파수, 진폭, 신뢰성을 향상시키는 사양으로 하면, 가열, 초음파 진동 및 가중의 부하가 커져, 압전 진동 소자에 크랙이나 치핑이 발생하기 쉽게 된다는 것이 판명되게 되었다. 이에 따라, 압전 진동 소자의 수율이 저하한다.
본 발명의 과제는, 압전 진동 소자의 실장 시에 가해지는 가열, 초음파 진동 및 가중에 의한 크랙이나 치핑을 억제할 수 있게 하는 것이다.
제1 양태에 따른 발명은,
벌크형의 압전성 재료로 이루어지며, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측의 제2 면을 갖는 압전층,
상기 압전층의 제1 면 상의 하부 전극, 및
상기 하부 전극에 대하여 접합되어 있는 지지 기판
을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기 압전 진동 기판, 및
상기 압전층 상의 상부 전극
을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 소자에 관한 것이다.
제2 양태에 따른 발명은,
벌크형의 압전성 재료로 이루어지며, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측의 제2 면을 갖는 압전층,
상기 압전층의 제1 면 상의 하부 전극,
상기 하부 전극에 대하여 접합되어 있는 고강성 세라믹판, 및
상기 고강성 세라믹판에 대하여 접합되어 있는 지지 기판
을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기 압전 진동 기판, 및
상기 압전층의 제2 면 상의 상부 전극
을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 소자에 관한 것이다.
본 발명자는, 압전 진동 소자를 패키지나 기판에 실장하여 전기적인 접속을 할 때는 가열, 초음파 진동 및 가중에 의해서 압전 진동 소자에 크랙이나 치핑이 발생하는 이유를 검토했다. 이 결과, 스퍼터링 등의 각종 성막 방법에 의해서 PZT 등의 압전막을 성막한 경우, 압전막의 결정(結晶) 품질이 나빠, 이것이 크랙이나 치핑의 원인이 된다는 것을 알 수 있었다.
이 때문에, 본 발명자는, 벌크의 압전성 재료 기판을 박막화함으로써 압전 진동판을 제조하는 것도 검토했다. 그러나, 벌크의 압전성 재료 기판은, 가공에 의해서 두께를 예컨대 50 ㎛ 이하로 얇게 하면 강도 부족 때문에 깨지는 경향이 있어서 압전 진동 소자로서 이용하기가 곤란했다.
이들 지견에서, 본 발명자는, 벌크형의 압전성 재료 기판을 하부 전극 및 중간층을 통해 별체의 지지 기판에 직접 접합하고, 이 압전성 재료 기판을 고주파에서의 진동에 알맞은 원하는 두께까지 얇게 연마함으로써, 두께가 얇고 결정성이 좋은 압전 진동층을 형성하는 데에 성공하여, 이로써 가열, 초음파 진동 및 가중에 의한 압전 진동 소자의 크랙이나 치핑을 억제할 수 있다는 것을 알아냈다.
또한, 본 발명자는, 이러한 형태의 압전 진동 소자에 있어서, 압전층의 제1 면 상에 마련된 하부 전극과 지지 기판의 사이에 별체의 고강성 세라믹판을 설치함으로써, 가열, 초음파 진동 및 가중에 의한 압전 진동 소자의 크랙이나 치핑을 더한층 저감할 수 있다는 것을 알아냈다.
이 결과, 본 발명에 의해서, 압전 특성 및 내구성이 우수한 압전 액츄에이터 디바이스를 실현할 수 있게 된다.
도 1의 (a)는 압전체(2), 하부 전극(3) 및 중간층(4)의 적층체를 도시하고, (b)는 지지 기판(5)을 도시하고, (c)는 중간층(4)과 지지 기판(5)을 직접 접합한 접합체를 도시한다.
도 2의 (a)는 도 1의 (c)의 접합체에 있어서 압전체를 가공함으로써 얻어진 접합체를 도시하고, (b)는 압전층(2A), 상부 전극(1), 하부 전극(3), 중간층(4), 비정질층(6) 및 지지 기판(5)을 갖는 압전 진동 소자(11)를 도시한다.
도 3의 (a)는 고강성 세라믹체(7)의 제1 면 상에 중간층(8)을 설치한 상태를 도시하고, (b)는 지지 기판(5)을 도시하고, (c)는 지지 기판(5)에 고강성 세라믹판(7A)을 접합한 상태를 도시하고, (d)는 압전체(2) 상에 하부 전극(3) 및 중간층(4)을 형성한 상태를 도시한다.
도 4의 (a)는 지지 기판(5), 하부 전극(3), 고강성 세라믹판(7A) 및 압전체(2)의 접합체를 도시하고, (b)는 도 4의 (a)의 접합체에 있어서 압전체(2)를 가공하여 압전층(2A)으로 한 상태를 도시하고, (c)는 압전 진동 소자(12)를 도시한다.
도 5는 본 발명 실시예에 있어서의 지지 기판과 중간층의 계면 부근의 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 본 발명 실시예에 있어서의 하부 전극의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 7은 지지 기판의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 제1 면과의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 압전 진동 소자의 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2의 (a)는 도 1의 (c)의 접합체에 있어서 압전체를 가공함으로써 얻어진 접합체를 도시하고, (b)는 압전층(2A), 상부 전극(1), 하부 전극(3), 중간층(4), 비정질층(6) 및 지지 기판(5)을 갖는 압전 진동 소자(11)를 도시한다.
도 3의 (a)는 고강성 세라믹체(7)의 제1 면 상에 중간층(8)을 설치한 상태를 도시하고, (b)는 지지 기판(5)을 도시하고, (c)는 지지 기판(5)에 고강성 세라믹판(7A)을 접합한 상태를 도시하고, (d)는 압전체(2) 상에 하부 전극(3) 및 중간층(4)을 형성한 상태를 도시한다.
도 4의 (a)는 지지 기판(5), 하부 전극(3), 고강성 세라믹판(7A) 및 압전체(2)의 접합체를 도시하고, (b)는 도 4의 (a)의 접합체에 있어서 압전체(2)를 가공하여 압전층(2A)으로 한 상태를 도시하고, (c)는 압전 진동 소자(12)를 도시한다.
도 5는 본 발명 실시예에 있어서의 지지 기판과 중간층의 계면 부근의 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 본 발명 실시예에 있어서의 하부 전극의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 7은 지지 기판의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 제1 면과의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 압전 진동 소자의 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 더욱 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 제1 양태의 발명에 관한 것이다.
적합한 실시형태에서는, 도 1의 (a)에 도시하는 것과 같이, 압전체(2)는 제1 면(2a)과 제2 면(2b)을 갖는다. 압전체(2)의 제1 면(2a) 상에 하부 전극(3), 중간층(4)을 형성한다. 이어서, 중간층(4)의 접합면(4a)에 대하여 화살표 A와 같이 중성화 원자 빔을 조사함으로써 중간층(4a)을 활성화한다.
한편, 도 1의 (b)에 도시하는 것과 같이, 지지 기판(5)의 접합면(5a)에 대하여 화살표 B와 같이 중성화 원자 빔을 조사함으로써 접합면(5a)을 활성화한다. 이어서, 도 1의 (c)에 도시하는 것과 같이, 중간층(4)의 접합면(4a)과 지지 기판(5)의 접합면(5a)을 접촉시켜 직접 접합함으로써 접합체가 얻어진다. 전형적으로는 지지 기판(5)과 중간층(4)의 경계를 따라서 비정질층(6)이 생성된다.
이어서, 도 2의 (a)에 도시하는 것과 같이, 접합체의 압전체를 가공하여 얇게 함으로써 원하는 두께를 갖는 압전층(2A)을 형성한다. 압전층(2A)의 두께는 목적으로 하는 진동 주파수에 따라서 적절하게 변경한다. 2c는 압전층(2A)의 가공면(제2 면)이다. 이어서, 도 2의 (b)에 도시하는 것과 같이, 압전층(2A)의 제2 면(2c) 상에 상부 전극(1)을 형성함으로써 압전 진동 소자(11)를 얻는다.
도 3 및 도 4는 제2 양태의 발명에 관한 것이다.
도 3의 (a)에 도시하는 것과 같이, 고강성 세라믹체(7)는 제1 면(7a) 및 제2 면(7b)을 갖는다. 고강성 세라믹체(7)의 제1 면(7a) 상에 중간층(8)을 형성한다. 이어서, 중간층(8)의 접합면(8a)에 대하여 화살표 C와 같이 중성화 원자 빔을 조사함으로써 접합면(8a)을 활성화한다. 한편, 도 3의 (b)에 도시하는 것과 같이, 지지 기판(5)의 접합면(5a)에 대하여 화살표 B와 같이 중성화 원자 빔을 조사함으로써 접합면(5a)을 활성화한다.
이어서, 도 3의 (c)에 도시하는 것과 같이, 중간층(8)의 접합면(8a)과 지지 기판(5)의 접합면(5a)을 접촉시켜 직접 접합함으로써 접합체를 얻는다. 이때, 전형적으로는 접합면(8a)과 접합면(5a)의 계면을 따라서 비정질층(10)이 생성된다.
이어서, 고강성 세라믹체(7)를 가공하여 얇게 함으로써 원하는 두께의 고강성 세라믹판(7A)을 형성한다. 이어서, 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c) 상에 중간층(16)을 형성하고, 중간층의 접합면(16a)에 대하여 화살표 D와 같이 중성화 원자 빔을 조사하여 표면 활성화한다.
한편, 도 3의 (d)에 도시하는 것과 같이, 압전체(2)의 제1 면(2a) 상에 하부 전극(3) 및 중간층(4)을 순차 형성하여, 중간층(4)의 접합면(4a)을 중성화 원자 빔(E)에 의해서 활성화한다. 이어서, 도 4의 (a)에 도시하는 것과 같이, 중간층(4)의 접합면(4a)과 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c) 상의 중간층(16)을 접촉시켜 직접 접합함으로써 접합체를 얻는다. 이때, 전형적으로는 직접 접합된 중간층(4)과 중간층(16)의 계면을 따라서 비정질층이 생성된다.
이어서, 도 4의 (b)에 도시하는 것과 같이, 접합체의 압전체(2)를 가공하여 얇게 함으로써 원하는 두께를 갖는 압전층(2A)을 형성한다. 압전층(2A)의 두께는 목적으로 하는 진동 주파수를 따라서 적절하게 변경한다. 2c는 압전층(2A)의 가공면(제2 면)이다. 이어서, 도 4의 (c)에 도시하는 것과 같이, 압전층(2A)의 제2 면(2c) 상에 상부 전극(1)을 형성함으로써 압전 진동 소자(12)를 얻는다.
본 발명의 소자는, 벌크형의 압전성 재료로 이루어지며, 제1 면 및 제2 면을 갖는 압전층을 갖는다.
벌크형의 압전성 재료란, 기판 상에 성막된 상태의 압전성 재료가 아니라, 결정 성장법이나 소결법에 의해서 벌크형으로 형성된 압전성 재료를 의미한다. 이러한 압전성 재료는 통상 결정성이 좋고, 강도가 높다.
특히 벌크형의 압전성 재료는 결정성이 높기 때문에, 디바이스에 필요한 압전 특성의 하나인 d31(전극면으로 휜 방향의 신축)이 성막품에 비해서 크다고 하는 특징을 갖는다. 압전 상수(d31:pc/N=pm/V)는, 벌크품의 경우에 예컨대 150 이상(200을 넘는 경우도 있다)이라도, 성막품은 150 이하로, 평균적으로 100 전후인 경우가 많다.
압전성 재료는, 특별히 한정되지는 않지만, 납계 페로브스카이트 산화물(예컨대 티탄산지르콘산납(PZT)이나 니오븀산연마그네슘-티탄산납(PMN-PT)을 예시할 수 있다. 또한, 납계 페로브스카이트 산화물(예컨대 PZT)에는, La(란탄), Nb(니오븀) 및/또는 Sr(스트론튬)을 첨가할 수 있고, Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Ni,Nb)O3, PbTiO3 등의 산화물 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
가공 전의 압전체의 두께는, 핸들링 시의 기계적 강도의 관점에서는 200 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 가공 후의 압전층(진동체)의 두께는, 목적으로 하는 진동 주파수에 따라서 결정하지만, 예컨대 0.5 ㎛m∼50 ㎛로 할 수 있다.
상부 전극, 하부 전극의 재질은 특별히 한정되지 않고, 압전층의 진동을 제어하는 전압을 인가할 수 있으면 문제는 없지만, 예컨대 백금, 금, Au-Cu, Al, Al-Cu 합금을 예시할 수 있다. 또한, 압전층과 상부 전극의 사이, 고강성 세라믹스판과 하부 전극의 사이에는, 각 전극의 밀착성을 향상시키기 위한 Cr이나 Ti 등의 버퍼층을 마련할 수도 있다.
PZT 등의 압전체를 지지 기판 상에 성막법으로 형성하는 경우, 지지 기판 상에 압전체를 성장시키기 위한 시드층이 필수가 된다. 압전체 육성의 관점에서, 시드층의 재질은 Pt가 일반적이고, 성막 방법에서는 Pt 이외에 하부 전극의 선택지가 사실상 없었다.
한편, 본 발명에서는, 벌크형의 압전성 재료를 지지 기판에 대하여 접합하여 진동체를 제작하기 때문에, 하부 전극의 재료나 막 두께 등의 영향을 받지 않고서 하부 전극을 압전체에 대하여 접합할 수 있다. 이 때문에, 디바이스나 프로세스에 최적인 전극 재료를 선택할 수 있다. 예컨대 Pt와 비교하여 Au는 에칭이 용이하게 할 수 있기 때문에, 하부 전극의 미세화가 가능하게 된다. 일반적으로는 하부 전극을 미세화하면, 배선 저항이 상승하여 디바이스 특성의 열화나 발열에 의한 신뢰성 열화의 문제가 생기지만, Au는 Pt과 비교하여 저항율이 낮기 때문에, 미세화하더라도 배선 저항의 상승에 의한 문제는 피할 수 있다. 이 때문에, 디바이스의 소형화와 고성능화의 양립이 가능하게 된다.
이러한 관점에서는, 하부 전극의 재질은 Au가 특히 바람직하지만, Ag, Cu, Al, W, Mo도 적합하게 이용할 수 있고, 또한 Au, Ag, Cu, Al, W, Mo의 합금도 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 하부 전극과 압전체의 사이에는, 상술한 버퍼층을 설치함으로써 밀착성을 향상시키는 것이 바람직하다.
제1 양태의 발명에서는, 하부 전극 상에 중간층을 설치할 수 있고, 또한 지지 기판 상에 중간층을 설치할 수 있다. 이 직접 접합에는 이하의 실시형태가 있다.
(1) 하부 전극 상의 중간층과 지지 기판을 직접 접합한다.
(2) 지지 기판 상의 중간층과 하부 전극을 직접 접합한다.
(3) 하부 전극 상의 중간층과 지지 기판 상의 중간층을 직접 접합한다.
또한, 제2 양태의 발명에서는, 하부 전극의 접합면 상에 중간층을 설치할 수 있고, 고강성 세라믹스판의 제1 면 상에 중간층을 설치할 수 있다. 이 직접 접합에는 이하의 실시형태가 있다.
(1) 하부 전극의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹스판의 제2 면을 직접 접합한다.
(2) 고강성 세라믹스판의 제2 면 상의 중간층과 하부 전극의 접합면을 직접 접합한다.
(3) 하부 전극의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹스판의 제2 면 상의 중간층을 직접 접합한다.
또한, 제2 양태의 발명에서는, 지지 기판의 접합면 상에 중간층을 설치할 수 있고, 고강성 세라믹스체의 제1 면 상에 중간층을 설치할 수 있다. 이 직접 접합에는 이하의 실시형태가 있다.
(1) 지지 기판의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹스체의 제1 면을 직접 접합한다.
(2) 고강성 세라믹스판의 제1 면 상의 중간층과 지지 기판의 접합면을 직접 접합한다.
(3) 고강성 세라믹스판의 제1 면 상의 중간층과 지지 기판의 접합면 상의 중간층을 직접 접합한다.
어느 형태에서나 직접 접합의 계면을 따라서 비정질층이 생성되는 경우가 있다.
이러한 중간층은, 하부 전극과 고강성 세라믹스판, 고강성 세라믹판과 지지 기판 사이의 접합 강도를 높임에 있어서 바람직하다.
중간층의 재질은 한정되지 않지만, 산화규소, 오산화탄탈, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 산화니오븀, 산화비스무트, 알루미나, 산화마그네슘, 질화알루미늄, 질화규소, 규소를 예시할 수 있다.
중간층의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 제조 비용의 관점에서는 0.01∼1 ㎛가 바람직하고, 0.01∼0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
중간층의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다.
지지 기판의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 금속 산화물, 질화알루미늄, 탄화규소, 규소, 유리, 금속, SOI(Silicon on Insulator)인 것이 바람직하다. 이 금속 산화물은, 단일 금속의 산화물이라도 좋고, 혹은 복수 종류 금속의 복합 산화물이라도 좋다. 이 금속 산화물은, 바람직하게는 사이알론, 사파이어, 코디에라이트, 멀라이트 및 알루미나로 이루어지는 군에서 선택된다. 알루미나는 바람직하게는 투광성 알루미나이다. 금속은 SUS, 구리, 알루미늄 등을 예시할 수 있다.
지지 기판의 상대 밀도는, 접합 강도의 관점에서는 95.5% 이상이 바람직하고, 100%라도 좋다. 상대 밀도는 아르키메데스법에 의해서 측정한다. 또한, 지지 기판의 제법은 특별히 한정되지 않지만, 소결체, 결정 육성인 것이 바람직하다.
고강성 세라믹판을 구성하는 고강성 세라믹스란 영율(JIS R1602): 200 GPa 이상, 굽힘 강도(JIS R1601): 310 MPa 이상, 파괴 인성(JIS R1607): 1.5 MPa√m 이상의 재료이다.
고강성 세라믹스의 종류로서는 사이알론, 투광성 알루미나, 사파이어 등을 예시할 수 있다.
사이알론은 질화규소와 알루미나의 혼합물을 소결하여 얻어지는 세라믹스이며, 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 단결정이며, 알루미나는 Al2O3의 조성을 갖는 다결정이다.
중간층과 지지 기판, 중간층과 하부 전극, 중간층과 고강성 세라믹체, 중간층과 지지 기판 및 중간층끼리를 직접 접합할 때는 이하의 방법이 바람직하다.
우선, 각 중간층의 접합면, 지지 기판의 접합면, 고강성 세라믹체의 접합면, 하부 전극의 접합면을 평탄화하여 각 평탄면을 얻는다. 여기서, 각 접합면을 평탄화하는 방법은 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면의 산술 평균 거칠기(Ra)는 1 nm 이하가 바람직하고, 0.3 nm 이하가 더욱 바람직하다.
이어서, 연마제의 잔사나 가공 변질층의 제거를 위해서 각 접합면을 세정한다. 각 접합면을 세정하는 방법은, 웨트 세정, 드라이 세정, 스크럽 세정 등이 있지만, 간편하면서 또한 효율적으로 청정 표면을 얻기 위해서는 스크럽 세정이 바람직하다. 이때는, 세정액으로서 선워시 LH540을 이용한 후에, 아세톤과 IPA(이소프로필알코올)의 혼합 용액을 이용하여 스크럽 세정기로 세정하는 것이 특히 바람직하다.
이어서, 각 접합면에 중성화 원자 빔을 조사함으로써 각 접합면을 활성화한다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때는, 특허문헌 2에 기재된 것과 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서 새들필드형의 고속 원자 빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 불활성 가스를 도입하여, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 따라, 전극(정극)과 하우징(부극)의 사이에 생기는 새들필드형 전계에 의해, 전자 e가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 달한 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 활성화 시의 전압은 0.5∼2.0 kV로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50∼200 mA로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 진공 분위기에서 활성화된 접합면끼리를 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∼20000 N이 바람직하다.
지지 기판과 중간층의 사이에는 비정질층이 생성되는 경우가 있다. 이러한 비정질층의 조성은, 중간층을 구성하는 금속 원자, 지지 기판을 구성하는 금속 원자, 지지 기판을 구성하는 산소 원자 또는 질소 원자, 그리고 경우에 따라서는 아르곤을 함유한다.
또한, 하부 전극과 중간층의 사이에는 비정질층이 생성되는 경우가 있다. 이러한 비정질층의 조성은, 중간층을 구성하는 금속 원자, 하부 전극을 구성하는 금속 원자, 그리고 경우에 따라서는 아르곤을 함유한다.
또한, 고강성 세라믹판과 중간층의 사이에는 비정질층이 생성되는 경우가 있다. 이러한 비정질층의 조성은, 중간층을 구성하는 금속 원자, 고강성 세라믹판을 구성하는 금속 원자, 고강성 세라믹스판을 구성하는 산소 원자 또는 질소 원자, 그리고 경우에 따라서는 아르곤을 함유한다.
또한, 압전체와 중간층의 사이에는 비정질층이 생성되는 경우가 있다. 이러한 비정질층의 조성은, 중간층을 구성하는 금속 원자, 압전체를 구성하는 금속 원자, 그리고 경우에 따라서는 아르곤을 함유한다.
적합한 실시형태에서는, 제1 양태의 기판을 제조하기 위해서는, 압전체 상에 하부 전극 및 중간층을 설치하고, 이어서, 중간층의 접합면과 지지 기판의 접합면을 직접 접합함으로써 접합체를 얻는다. 이 경우, 전형적으로는 지지 기판과 중간층의 경계를 따라서 비정질층이 생성된다.
이어서, 접합체의 압전체를 가공하여 얇게 함으로써, 원하는 두께를 갖는 압전층을 형성하여, 압전 진동 기판을 얻는다. 이어서, 도 2의 (b)에 도시하는 것과 같이, 압전층의 제2 면 상에 상부 전극을 형성함으로써 압전 진동 소자를 얻는다.
또한, 제2 양태의 기판을 제작하기 위해서는, 고강성 세라믹체의 제1 면 상에 중간층을 설치한다. 이어서, 이 중간층과 지지 기판의 접합면을 직접 접합하여 접합체를 얻는다. 이때, 전형적으로는 중간층과 지지 기판의 접합면의 계면을 따라 비정질층이 생성된다. 이어서, 고강성 세라믹체를 가공하여 얇게 함으로써 원하는 두께의 고강성 세라믹판을 형성한다.
한편, 압전체의 제1 면에 하부 전극을 설치하고, 하부 전극의 접합면 상에 중간층을 설치한다.
그리고, 고강성 세라믹스판의 제2 면 상에 중간층을 설치하여, 이 중간층을 하부 전극의 접합면 상의 중간층에 직접 접합한다. 이어서, 압전체를 가공함으로써 압전층을 얻는다.
본 발명의 압전 진동 소자는 MEMS 소자의 액츄에이터 등에 적합하게 이용할 수 있다.
실시예
(실시예 A1)
도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한 방법에 따라서 도 2의 (b)에 도시하는 압전 진동 소자(11)를 시작(試作)했다.
단, 압전체(2)는 두께 250 ㎛의 PZT의 벌크체로 하고, 상부 전극(1), 하부 전극(3)의 재질을 Pt로 했다. 하부 전극(3) 상에 스퍼터링법에 의해서 아모르퍼스 실리콘으로 이루어지는 중간층(4)을 설치했다. 또한, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(5)을 준비했다. 이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a) 및 중간층(4)의 접합면(4a)을 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해서 마무리 가공하고, 각 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.2 nm로 했다.
이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a) 및 중간층(4)의 접합면(4a)을 세정하여, 오염물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa 대까지 진공 상태로 한 후, 각 접합면(4a, 5a)에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec 동안 조사했다. 이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a)과 중간층(4)의 접합면(4a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합했다.
이어서, 압전체(2)의 한쪽의 주면(主面)(2b)을 연삭 및 연마 가공함으로써, 두께 1 ㎛의 압전층(2A)을 형성했다. 이어서, 압전층(2A)의 제2 면(2c) 상에 상부 전극(1)을 스퍼터링법으로 성막하여, 압전 진동 소자(11)를 얻었다.
압전 진동 소자(11)를 패키지에 실장하여 와이어 본딩을 행했다. 본딩 공정에서는, 압전 진동 소자(11)에 가열(150℃), 초음파 진동(80 kHz) 및 하중(500 gf)을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자(11)에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 5%였다.
도 5는 압전 진동 소자(11)의 중간층과 지지 기판의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다(배율 200만배). 도 5에서, 상측의 밝은 영역은 중간층(아모르퍼스 실리콘)이고, 하측은 지지 기판(실리콘)이며, 중앙 부분의 띠 형상 영역은 접합 시에 생긴 비정질층이다. 지지 기판, 비정질층 및 중간층에 있어서의 각 원자의 비율은 이하와 같다.
(비교예 A1)
기상 성막법에 의해서 압전층을 성막하여 압전 진동 소자를 시작했다.
즉, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판 상에, Pt로 이루어지는 하부 전극(3), 두께 1 ㎛의 PZT로 이루어지는 압전층 및 Pt로 이루어지는 상부 전극을 스퍼터링법으로 성막하여, 압전 진동 소자를 얻었다.
이어서, 압전 진동 소자를 패키지에 실장하여, 실시예 A1과 같은 식으로 열, 초음파 진동 및 하중을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 20%였다.
(실시예 B1)
실시예 A1과 같은 식으로 압전 진동 소자(11)를 시작했다. 단, 실시예 A1과는 달리, 압전체(2) 및 압전층(2A)의 재질을 PMN-PT로 했다. 그 밖에는 실시예 A1과 같게 했다. 얻어진 압전 진동 소자(11)를 패키지에 실장하여, 실시예 A1과 같은 식으로 열, 초음파 진동 및 하중을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 6%였다.
(비교예 B1)
비교예 A1과 같은 식으로 압전 진동 소자(11)를 시작했다. 단, 비교예 A1과는 달리, 압전층의 재질을 PMN-PT로 했다. 그 밖에는 비교예 A1과 같게 했다. 얻어진 압전 진동 소자를 패키지에 실장하여, 실시예 A1과 같은 식으로 열, 초음파 진동 및 하중을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 22%였다.
(실시예 C1)
도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한 방법에 따라서 도 4의 (c)에 도시하는 압전 진동 소자(12)를 시작했다.
단, 도 3의 (a)에 도시하는 것과 같이, 두께 250 ㎛의 사이알론으로 이루어지는 고강성 세라믹체(7)의 제1 면(7a)에 아모르퍼스 실리콘으로 이루어지는 중간층(8)을 설치했다. 또한, 도 3의 (b)에 도시하는 것과 같이, 실리콘으로 이루어지는 두께 500 ㎛의 지지 기판(5)의 표면에 아모르퍼스 실리콘으로 이루어지는 중간층을 준비했다. 이어서, 지지 기판(5)의 중간층 접합면(5a) 및 중간층(8)의 접합면(8a)을 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해서 마무리 가공하고, 각 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.2 nm로 했다.
이어서, 지지 기판(5)의 중간층 접합면(5a) 및 중간층(8)의 접합면(8a)을 세정하여, 오물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa 대까지 진공 상태로 한 후, 각 접합면(5a, 8a)에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec 동안 조사했다. 이어서, 지지 기판(5)의 중간층 접합면(5a)과 중간층(8)의 접합면(8a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합했다. 이어서, 얻어진 접합체를 100℃에서 20시간 가열했다.
이어서, 고강성 세라믹체(7)의 제2 면(7b)을 연삭 및 연마 가공함으로써, 도 3의 (c)에 도시하는 것과 같이, 두께 50 ㎛의 고강성 세라믹판(7A)을 형성했다. 단, 본 실시예에서는, 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c) 상에 중간층(16)을 형성하지 않았다.
한편, 도 3의 (d)에 도시하는 것과 같이, 압전체(2)는 두께 250 ㎛의 PZT의 벌크체로 하여, 압전체(2)의 제1 면(2a) 상에, 하부 전극(3)으로서 Ti(15 nm)/Pt(200 nm)를 성막하고, 또한 스퍼터링법에 의해서 아모르퍼스 실리콘으로 이루어지는 중간층(4)을 설치했다.
이어서, 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c) 및 중간층(4)(도 1의 (a) 참조)의 접합면(4a)을 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해서 마무리 가공하고, 각 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.2 nm로 했다.
이어서, 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c) 및 중간층(4)의 접합면(4a)을 세정하여, 오염물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa 대까지 진공 상태로 한 후, 제2 면(7c), 접합면(4a)에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec 동안 조사했다. 이어서, 고강성 세라믹판(7A)의 제2 면(7c)과 중간층(4)의 접합면(4a)을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합했다. 이어서, 얻어진 접합체를 100℃에서 20시간 가열했다.
이어서, 압전체(2)의 제2 면(2b)을 연삭 및 연마 가공함으로써, 도 4의 (b)에 도시하는 것과 같이, 두께 1 ㎛의 압전층(2A)을 형성했다. 이어서, 상부 전극(1)(Ti(15 nm)/Pt(200 nm))을 스퍼터링법으로 성막하여, 압전 진동 소자(12)를 얻었다.
압전 진동 소자(12)를 패키지에 실장하여 와이어 본딩을 행했다. 본딩 공정에서는, 압전 진동 소자(12)에 가열(150℃), 초음파 진동(80 kHz) 및 하중(500 gf)을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자(11)에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 5%였다.
도 6은 하부 전극(3)의 접합면 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다(배율 200만배). 도 6에서, 상측의 밝은 영역은 중간층(아모르퍼스 실리콘)이고, 하측은 고강성 세라믹판(사이알론)이며, 중앙 부분의 띠 형상 영역은 접합 시에 생긴 비정질층이다. 고강성 세라믹판, 비정질층 및 중간층에서의 각 원자의 비율은 이하와 같다.
도 7은 지지 기판(5)의 접합면(5a) 상의 중간층과 고강성 세라믹판의 제1 면상의 중간층의 접합 계면과 그 주변을 보여주는 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다(배율 200만배). 도 7에서, 상측의 밝은 영역은 중간층(아모르퍼스 실리콘)이고, 하측의 어두운 영역은 지지 기판(실리콘)이다. 그리고, 2개의 중간층 사이의 띠 형상 영역은 접합 시에 생긴 비정질층이다. 고강성 세라믹스판 상의 중간층, 제1 면 상의 비정질층, 지지 기판 상의 중간층 및 지지 기판에 있어서의 각 원자의 비율은 이하와 같다.
(실시예 D1)
실시예 A1과 같은 식으로 압전 진동 소자를 제작했다.
단, 실시예 A1과 달리, 압전체 상의 버퍼층의 재질을 Cr로 하고, 하부 전극 및 상부 전극의 재질을 Au로 했다. 또한 하부 전극 상에는 중간층을 형성하지 않고, 지지 기판 상에도 중간층을 형성하지 않고서 하부 전극과 지지 기판을 직접 접합했다.
구체적으로는, 압전체(2)는 두께 250 ㎛의 PZT의 벌크체로 하여, 압전체(2) 상에 버퍼층 및 하부 전극을 스퍼터링법으로 성막했다. 버퍼층의 재질을 Cr로 하고, 하부 전극의 재질을 Au로 했다. 또한, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(5)을 준비했다. 이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a) 및 하부 전극의 접합면을 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해서 마무리 가공하고, 각 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.2 nm로 했다.
이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a) 및 하부 전극의 접합면을 세정하여, 오염물을 제거한 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa 대까지 진공 상태로 한 후, 각 접합면에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec 동안 조사했다. 이어서, 지지 기판(5)의 접합면(5a)와 하부 전극의 접합면을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합했다.
이어서, 압전체(2)의 한쪽의 주면(2b)을 연삭 및 연마 가공함으로써, 두께 1 ㎛의 압전층(2A)을 형성했다. 이어서, 압전층(2A)의 제2 면(2c) 상에, Cr로 이루어지는 버퍼층 및 Au로 이루어지는 상부 전극을 스퍼터링법으로 성막하여, 압전 진동 소자를 얻었다.
압전 진동 소자를 패키지에 실장하여 와이어 본딩을 행했다. 본딩 공정에서는, 압전 진동 소자에 가열(150℃), 초음파 진동(80 kHz) 및 하중(500 gf)을 가했다. 이 결과, 압전 진동 소자(11)에 크랙이나 치핑이 발생한 불량품의 발생율은 3%였다.
도 8은 압전 진동 소자의 단면 투과형 전자현미경(TEM) 사진이다(배율 200만배). 도 8에서, 상측의 밝은 영역은 압전층이며, 압전층의 제1 면에 Cr 층 및 Au 층이 각각 띠로 표시되어 있다. 그리고, 하측은 지지 기판(실리콘)이며, 지지 기판과 Au층 사이의 띠 형상 영역은 접합 시에 생긴 비정질층이다.
Claims (10)
- 벌크형의 압전성 재료로 이루어지며, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측의 제2 면을 갖는 압전층,
상기 압전층의 제1 면 상의 하부 전극, 및
상기 하부 전극에 대하여 접합되어 있는 지지 기판
을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판. - 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 지지 기판의 계면을 따라서 비정질층이 존재하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 지지 기판 사이에 중간층을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 압전 진동 기판, 및
상기 압전층의 상기 제2 면 상의 상부 전극
을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 소자. - 벌크형의 압전성 재료로 이루어지며, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대측의 제2 면을 갖는 압전층,
상기 압전층의 상기 제1 면 상의 하부 전극,
상기 하부 전극에 대하여 접합되어 있는 고강성 세라믹판, 및
상기 고강성 세라믹판에 대하여 접합되어 있는 지지 기판
을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판. - 제5항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 고강성 세라믹판의 계면을 따라서 비정질층이 존재하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 고강성 세라믹판과 상기 지지 기판의 계면을 따라서 비정질층이 존재하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 고강성 세라믹 사이에 중간층을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고강성 세라믹과 상기 지지 기판 사이에 중간층을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동 기판.
- 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전층의 상기 제2 면 상에 상부 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동 소자.
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