WO2021124955A1 - 振動板接合体 - Google Patents

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WO2021124955A1
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joint
ceramic plate
rigidity
rigidity ceramic
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雄大 鵜野
知義 多井
浅井　圭一郎
真人 丹羽
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a bonded body formed by bonding a high-rigidity ceramic diaphragm that can be used for a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror or the like to a support substrate.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • a head-up display is a "device that displays necessary information overlapping the field of view while keeping the line of sight forward.”
  • the information can be visually recognized while keeping the line of sight forward, which is effective in preventing sideways driving and also reduces the focus movement of the eyes. This can reduce driver fatigue and improve safety.
  • HUD The principle of HUD will be described. Images from fluorescent tubes, CRTs and LCDs are projected on the windshield of a car or a transparent screen (combiner).
  • the HUD has the following two methods depending on the difference in optical structure. (1) Direct Projection method that directly projects an image using the windshield as a screen (2) Virtual Imaging method that acts as a reflection mirror on the windshield and forms an image on the driver's retina.
  • the big difference between these methods is the sense of distance when the driver sees the image.
  • the Direct Projection method recognizes the image on the screen (combiner) like a normal projector, but the Virtual Imaging method recognizes the image in the space several meters away from the driver's line of sight.
  • the driver's front view and the line-of-sight movement between the instrument panel and console panel are significantly reduced.
  • the focus shift from the field of view during normal driving is small, so that the driver can concentrate more attention on driving and less fatigue.
  • the Virtual Imaging method the development of a new method for scanning and drawing a laser beam has been progressing in recent years.
  • a laser beam of three RGB colors is combined by an optical element called a combiner, and this one beam is reflected by a minute mirror and scanned in two dimensions to perform drawing. Similar to CRT electron beam scanning, but instead of exciting the phosphor, it controls the pulse width and output of each laser at the position corresponding to the pixel on its horizontal scanning line to change the color and brightness, and points the pixel at high speed. draw.
  • the achievable resolution depends on the vibration frequency of the mirror and the modulation frequency of the laser.
  • the main advantages of this method are as follows. (1) Since the number of parts is small, miniaturization, cost reduction, and reliability improvement can be realized. (2) Since the laser is turned on with the brightness required for each pixel, low power consumption can be realized. (3) Since the collimated (parallel light) laser light is used, focus adjustment becomes unnecessary.
  • the micro mirror which is the core component of the laser scanning display, processes Si with MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology and deposits metal.
  • Mirror driving methods include an electrostatic method driven by an electrostatic attraction, an electromagnetic method driven by an electromagnetic force, and a piezoelectric method driven by a piezoelectric element.
  • the advantages of the piezoelectric method include high-speed driving, low power consumption, and large driving force, and the disadvantages are that it is difficult to form a piezoelectric element.
  • Patent Document 1 a MEMS mirror using an SOI substrate has been proposed.
  • JP 2012-037578 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-086400
  • the HUD will be required to have a larger screen and a wider angle of view, and there is also a request to increase the angle of view up to 20 degrees from the current angle of view of 7 to 8 degrees.
  • it is necessary to improve the frequency, amplitude and reliability of the piezoelectric element of the MEMS mirror. In particular, improvements in scan width and speed are required. However, this cannot be realized by the piezoelectric element formed by film formation on the conventional Si substrate.
  • a high-rigidity ceramic plate as the diaphragm used under the piezoelectric layer.
  • the thickness of the high-rigidity ceramic plate is 100 ⁇ m or less, the mechanical strength is insufficient. Therefore, after joining the high-rigidity ceramic plate to the support substrate to obtain a bonded body, it was examined to polish the high-rigidity ceramic plate to a thickness of 100 ⁇ m or less.
  • An object of the present invention is a joint body of a diaphragm made of high-rigidity ceramics having a thickness of 100 ⁇ m or less and a support substrate, which has a structure capable of preventing the diaphragm from peeling or cracking while maintaining the strength of the diaphragm. Is to provide.
  • the diaphragm joint according to the present invention is Support substrate made of silicon, It is provided with a diaphragm made of high-rigidity ceramics having a thickness of 100 ⁇ m or less, and a joint layer made of ⁇ -Si, which is located between the support substrate and the diaphragm and is in contact with the joint surface of the diaphragm.
  • the arithmetic average roughness Ra of the joint surface of the diaphragm is 0.01 nm or more and 10.0 nm or less, and the pit density of the joint surface of the diaphragm is 10 or more per 100 ⁇ m 2. ..
  • the present invention is a step of providing a bonding layer made of ⁇ -Si on the surface of a high-rigidity ceramic plate made of high-rigidity ceramics.
  • the diaphragm comprises a step of joining the joining surface of the joining layer and the joining surface of the support substrate made of silicon, and then a step of obtaining a diaphragm having a thickness of 100 ⁇ m or less by processing the high-rigidity ceramic plate.
  • the surface of the high-rigidity ceramic plate has an arithmetic mean roughness Ra of 0.01 nm or more and 10.0 nm or less, and the surface of the high-rigidity ceramic plate has a pit density of 10 or more per 100 ⁇ m 2. And.
  • a bulk-shaped high-rigidity ceramic plate is directly bonded to a support substrate made of silicon, it cannot withstand the polishing process when polishing the high-rigidity ceramic plate to a thickness of 100 ⁇ m or less, and the high-rigidity ceramic plate is peeled or cracked. Occurs. Therefore, the present inventor has attempted to provide an ⁇ -Si bonding layer on a bulk-shaped high-rigidity ceramic plate and bond the bonding layer to a support substrate made of silicon.
  • the reason why the ⁇ -Si bonding layer is provided is that, for example, the cost can be suppressed in the etching process for making the diaphragm a hollow structure.
  • the bonding strength between the bonding layer made of ⁇ -Si and the supporting substrate made of silicon is high, and it should be able to withstand the process of polishing the thickness of the high-rigidity ceramic plate to 100 ⁇ m or less.
  • the present inventor has attempted to increase the smoothness of the surface of the high-rigidity ceramic plate (the joint surface to which the joint layer should be provided). In some cases, even if the joint surface is smooth. It was found that peeling and cracking are less likely to occur at the interface with the bonding layer during polishing.
  • the present inventor further examined a diaphragm joint that exhibited characteristics exceeding such expectations.
  • the joint surface of the high-rigidity ceramic plate is a smooth surface with an extremely small arithmetic mean roughness (Ra)
  • Ra arithmetic mean roughness
  • the arithmetic mean roughness Ra of the joint surface of the diaphragm exceeds 10.0 nm, the bending strength when vibrated as the diaphragm is weak and it cannot withstand high-amplitude, high-frequency vibration. Is an ultra-smooth surface of 10.0 nm or less. Even in this case, it was found that cracking or peeling of the diaphragm during polishing can be prevented by setting the pit density of the joint surface of the diaphragm to 10 or more per 100 ⁇ m 2.
  • (A) shows a state in which the bonding layer 2 is provided on the bonding surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1, and (b) shows a state in which the surface 2b of the bonding layer 2 is activated by a neutralized atomic beam.
  • (C) shows a state in which the joint surface 3a of the support substrate 3 is activated by the neutralized atomic beam.
  • (A) shows the joint body 4 of the high-rigidity ceramic plate 1 and the support substrate 3, and (b) shows the joint body 5 of the diaphragm 1A and the support substrate 3. It is an AFM measurement image which shows the state of the surface pit of the joint surface of a high-rigidity ceramic plate.
  • the high-rigidity ceramic plate 1 is prepared.
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate is 0.01 nm or more and 10.0 nm or less, and the pit density on the surface of the high-rigidity ceramic plate is 10 or more per 100 ⁇ m 2.
  • Reference numeral 1b is the back surface of the high-rigidity ceramic plate 1.
  • a bonding layer 2 made of ⁇ -Si is formed on the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1.
  • the bonding surface 2a of the bonding layer 2 is irradiated with a neutralized atomic beam as shown by arrow A to activate it.
  • the joint surface 3a of the support substrate 3 is activated by irradiating the neutralized atomic beam as shown by the arrow B.
  • the activated joint surface 2b of the joint layer 2 and the activated joint surface 3a of the support substrate 3 are brought into contact with each other and directly bonded to form the bonded body 4. obtain.
  • the thickness of the high-rigidity ceramic plate is reduced by processing the back surface 1b of the high-rigidity ceramic plate 1 of the joint body 4, and the diaphragm 1A having a thickness of 100 ⁇ m or less is formed. By forming, a diaphragm joint 5 is obtained.
  • 1c is a machined surface.
  • the thickness of the support substrate made of silicon is not particularly limited, but from the viewpoint of maintaining strength during processing, 200 ⁇ m or more is preferable, and 400 ⁇ m or more is more preferable. Further, the arithmetic mean thickness Ra of the joint surface of the support substrate is preferably 1 nm or less, more preferably 0.3 nm or less, from the viewpoint of promoting direct bonding.
  • High-rigidity ceramics are defined as ceramic materials with Young's modulus ⁇ 200 GPa and 3-point bending strength ⁇ 300 GPa.
  • Sialon, Cordellite, Mullite, translucent alumina, aluminum nitride, silicon nitride or silicon carbide are preferable.
  • the thickness of the high-rigidity ceramic plate is preferably 100 ⁇ m or more, and more preferably 200 ⁇ m or more, from the viewpoint of handleability of processes such as substrate cleaning and joining.
  • the upper limit of the high-rigidity ceramic plate is not particularly limited, but 300 ⁇ m or less is preferable from the viewpoint of shortening the processing time.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the diaphragm (the surface on which the bonding layer is provided) is 0.01 nm or more and 10.0 nm or less, and the pit density of the surface of the diaphragm is 10 per 100 ⁇ m 2. That is all.
  • the Ra and pit density on the surface of the diaphragm are the same as the Ra and pit density on the surface of the high-rigidity ceramic plate before processing. To do.
  • the surface is measured with an atomic force microscope (AFM) in a field of view of 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, and Ra is calculated according to JIS B 0601.
  • the number of pits is counted in the same measurement field of view (area 100 ⁇ m 2).
  • the criteria for determining the pit are as follows. That is, among the recesses observed on the surface, the following are defined as pits. (1) The recess is ⁇ 50 nm or more and ⁇ 2000 nm or less. (2) The depth of the recess is 1 nm or more.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the surfaces of the diaphragm and the high-rigidity ceramic plate is 0.01 nm or more and 10.0 nm or less, but from the viewpoint of bending strength, 7.0 nm or less is more preferable, and 5.0 nm or less is particularly preferable. Further, from the viewpoint of adhesion to the bonding layer, Ra is set to 0.01 nm or more, but more preferably 0.02 nm or more. Further, the pit density of the surface of the diaphragm is 10 or more per 100 ⁇ m 2, but more preferably 20 or more. Further, the pit density of the surface of the diaphragm can be usually 200 or less per 100 ⁇ m 2 , more preferably 96 or less, and particularly preferably 70 or less.
  • the pits existing on the surface facing the joint layer of the diaphragm and the high-rigidity ceramic plate are generated by the sintering aid added to precisely sinter the high-rigidity ceramic plate.
  • Most of the sintering aid that is left over during firing is agglomerated at the grain boundaries of the ceramic particles.
  • the part where the sintering aid is agglomerated has a faster polishing rate than the high-rigidity ceramic itself, so the sintering aid agglomerates.
  • the part that has been fired becomes a pit. From this, there is a correlation between the amount of the sintering aid added and the number of pits, and the number of pits can be adjusted by the amount of the sintering aid added.
  • the relative density of the high-rigidity ceramic plate is preferably 95% or more, more preferably 99% or more.
  • the type and amount of the sintering aid suitable for obtaining Ra and the pit density as described above are appropriately selected depending on the type of the high-rigidity ceramics to be sintered.
  • examples of the sintering aid include Y 2 O 3 , CaO, MgO, and ZrO 2 .
  • the arithmetic mean roughness Ra of the back surface of the diaphragm and the high-rigidity ceramic plate is 0.01 nm or more and 10.0 nm or less from the viewpoint of bending strength. Is preferable.
  • a method of polishing the surface of a high-rigidity ceramic plate for example, after grinding to a desired thickness with a # 3000 grindstone, lap polishing is performed with a diamond slurry having a particle size of 3 ⁇ m, and finishing is performed by chemical mechanical polishing (CMP). Mirrored.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the thickness of the bonding layer 2 formed on the high-rigidity ceramic plate is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 ⁇ m, more preferably 0.05 to 0.5 ⁇ m from the viewpoint of manufacturing cost.
  • the method for forming the bonding layer 2 is not limited, and examples thereof include a sputtering method, a chemical vapor deposition method (CVD), and thin film deposition.
  • Methods for flattening the joint surface of the joint layer 2 and the joint surface of the support substrate include lap polishing and chemical mechanical polishing (CMP).
  • the neutralized atomic beam can activate the surface 2b of the bonding layer 2 and the surface 3a of the supporting substrate 3.
  • the surface 2b of the bonding layer 2 and the surface 3a of the support substrate 3 are flat surfaces, direct bonding is easy.
  • the surface When the surface is activated by the neutralized atomic beam, it is preferable to generate and irradiate the neutralized beam by using an apparatus as described in Patent Document 2. That is, a saddle field type high-speed atomic beam source is used as the beam source. Then, an inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied to the electrodes from a DC power source. As a result, the saddle field type electric field generated between the electrode (positive electrode) and the housing (negative electrode) causes the electrons e to move, and a beam of atoms and ions due to the inert gas is generated.
  • a saddle field type high-speed atomic beam source is used as the beam source.
  • an inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied to the electrodes from a DC power source.
  • the saddle field type electric field generated between the electrode (positive electrode) and the housing (negative electrode) causes the electrons e to move, and a beam of atoms and ions due to the inert gas
  • the ion beam is neutralized by the grid, so that the beam of neutral atoms is emitted from the high-speed atomic beam source.
  • the atomic species constituting the beam is preferably an inert gas (argon, nitrogen, etc.).
  • the voltage at the time of activation by beam irradiation is preferably 0.5 to 2.0 kV, and the current is preferably 50 to 200 mA.
  • the temperature at this time is room temperature, but specifically, it is preferably 40 ° C. or lower, and more preferably 30 ° C. or lower. Further, the temperature at the time of joining is particularly preferably 20 ° C. or higher and 25 ° C. or lower.
  • the pressure at the time of joining is preferably 100 to 20000 N.
  • a diaphragm having a thickness of 100 ⁇ m or less is obtained. Since the thickness of the diaphragm is selected according to the target frequency, there is no particular lower limit to the thickness, but 1 ⁇ m or more is preferable from the viewpoint of ease of processing.
  • this processing method for example, after grinding to a desired thickness with a # 3000 grindstone, lap polishing is performed with a diamond slurry having a particle size of 3 ⁇ m, and the finish is mirrored by chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Examples 1 to 8 A diaphragm joint was prototyped as described with reference to FIGS. 1 and 2. Specifically, a wafer-shaped Sialon substrate having a diameter of 4 inches and a thickness of 250 ⁇ m was used as the high-rigidity ceramic plate 1. The surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 is ground to a desired thickness with a # 3000 grindstone so that the arithmetic mean roughness Ra becomes the respective values shown in Tables 1, 2 and 3, respectively, and then the table is shown.
  • the Ra on the surface 1a of the high-rigidity ceramic diaphragm 1 was measured with an atomic force microscope (AFM) in a field of view of 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m. At this time, the number of pits having a diameter of 50 nm or more was counted in a field of view of 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m by an atomic force microscope (AFM). However, when measuring the number of pits on the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1, the center point of the wafer-shaped plate 1, the point 10 mm inside the orientation flat of the plate 1, and the opposite of the orientation flat of the plate 1.
  • AFM atomic force microscope
  • each high-rigidity ceramic plate having the same material, thickness, Ra, and pit density as the high-rigidity ceramic substrate 1 of each example is prepared in advance, and each test piece is cut out from each high-rigidity ceramic plate.
  • the bending strength at three points was measured.
  • the bending strength was measured according to the 3-point bending strength test standard in JIS R 1601 (room temperature bending strength test method for fine ceramics).
  • the size of the test piece is a sample length of 40.0 mm, a width of 4.0 mm, and a thickness of 3.0 mm.
  • a bonding layer 2 was formed on the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 by a DC sputtering method. Boron-doped Si was used as the target. The thickness of the bonding layer 2 was 30 to 200 nm. The arithmetic mean roughness Ra of the surface 2a of the bonding layer 2 was 0.2 to 0.6 nm. Next, the bonding layer 2 was subjected to chemical mechanical polishing (CMP) to adjust the film thickness to 20 to 150 nm and Ra to 0.08 to 0.4 nm.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a support substrate 3 having an orientation flat (OF) portion and made of silicon having a diameter of 4 inches and a thickness of 500 ⁇ m was prepared.
  • the surface of the support substrate 3 is finished by chemical mechanical polishing (CMP), and the arithmetic average roughness Ra is 0.2 nm.
  • the surface 2b of the bonding layer 2 and the surface 3a of the support substrate 3 were washed to remove stains, and then introduced into a vacuum chamber. After vacuuming to 10-6 Pa, each surface was irradiated with a high-speed atomic beam (acceleration voltage 1 kV, Ar flow rate 27 sccm) for 120 seconds. Then, the activated surface 2b of the bonding layer 2 and the activated surface 3a of the support substrate 3 were brought into contact with each other, and then pressed at 10000 N for 2 minutes for bonding (FIG. 2A). Then, the obtained conjugate 4 of each example was heated at 100 ° C. for 20 hours. Next, the back surface 1b of the high-rigidity ceramic plate 1 was ground and polished so that the thickness was changed from the initial 250 ⁇ m to 40 ⁇ m (see FIG. 2B).
  • a high-speed atomic beam acceleration voltage 1 kV, Ar flow rate 27 sccm
  • the pit density is 10 to 96, and the Ra is 0.02 to 9.97 nm, but even if the diaphragm 1A is polished to a thickness of 40 ⁇ m, no peeling occurs. It was.
  • the larger the Ra, the lower the bending strength of the ceramic tends to be, but even when Ra 9.97 nm, the result of the bending strength was as high as 500 MPa.
  • Comparative example 1 In Comparative Example 1, the bonding layer 2 made of ⁇ -Si was not formed on the high-rigidity ceramic plate 1. Instead, a high-speed atomic beam is applied to the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 to bring the activated surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 into contact with the activated surface 3a of the support substrate 3. They were joined to obtain a joined body. However, the number of pits on the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 of Comparative Example 1 was 51, and Ra was 0.03 nm. Further, it was produced under the same conditions as in Example 1 except that the ⁇ -Si bonding layer was not formed.
  • the back surface 1b of the high-rigidity ceramic plate 1 of the obtained joint was ground and polished, and an attempt was made to grind and polish the thickness from the initial 250 ⁇ m.
  • the thickness of the high-rigidity ceramic plate 1 became 110 ⁇ m, peeling occurred at the bonding interface between the high-rigidity ceramic plate and the support substrate. The peeling occurred because the bonding strength between the high-rigidity ceramic plate 1 and the support substrate 3 in the bonded body was lower than the bonding strength in Examples 1 to 8, and the processing stress when polishing the high-rigidity ceramic plate 1 caused the peeling. It is probable that it was unbearable.
  • Comparative Examples 2 and 3 Each of the joints of Comparative Examples 2 and 3 is prepared under the same conditions as in Examples 1 to 8. However, in Comparative Example 2, the number of pits on the surface 1a of the high-rigidity ceramic plate 1 was as small as 4, and the Ra on the surface 1a was 0.01 nm. In this case, when the back surface of the high-rigidity ceramic plate 1 was thinned by grinding and polishing until the thickness became 100 ⁇ m, peeling occurred at the interface between the surface of the high-rigidity ceramic plate 1 and the joint layer 2. It is considered that this is because the adhesion strength between the high-rigidity ceramic plate 1 and the joint layer 2 could not withstand the processing stress when polishing the high-rigidity ceramic plate 1.

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Abstract

【課題】高剛性セラミックスからなる振動板と支持基板との接合体であって、振動板の強度を維持しつつ、振動板の剥がれや割れを防止できるような構造を提供する。 【解決手段】振動板接合体５は、シリコンからなる支持基板３、高剛性セラミックスからなる厚さ100μｍ以下の振動板１Ａ、および支持基板３と振動板１Ａとの間にあり、振動板１Ａの接合面１ａに接し、α－Ｓｉからなる接合層２を備える。振動板１Ａの接合面１ａの算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、振動板１Ａの接合面１ａのピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上である。

Description

振動板接合体
　本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーなどに利用できる高剛性セラミックス振動板を支持基板に接合してなる接合体に関するものである。
　ヘッドアップディスプレイ(HUD)は、「視線を前方に保ったまま必要な情報を視界にオーバーラップして表示する装置」である。自動車の運転においては、メーターパネルやコンソールパネル上の情報を見る場合に比べ、前方に視線を保ったまま情報を視認できるので、わき見運転防止に効果があり、更には目の焦点移動が少なくて済むためドライバーの疲労軽減と安全性向上が図れる。
　HUDの原理について述べる。蛍光管、CRTや液晶ディスプレイの画像を車のフロントガラスや透明なスクリーン(コンバイナ)に映す。ここでHUDには光学的な構造の違いにより、以下の２方式がある。
（１）　フロントガラスなどをスクリーンとして直接画像を投影するDirect　Projection方式
（２）　フロントガラスなどを反射ミラーとして作用させドライバーの網膜上に結像させるVirtual　Imaging方式
　これらの方式の大きな相違は、ドライバーが画像を目にしたときの距離感にある。Direct　Projection方式は普通のプロジェクタと同様にスクリーン(コンバイナ)上に画像を認識するが、Virtual　Imaging方式ではドライバーの視線数メートル先の空間上に画像を認識する。どちらの方式もHUDを使用しないときと比較すると、ドライバーの前方視界とメーターパネルやコンソールパネルとの視線移動は格段に少なくなる。しかし、Virtual　Imaging方式においては、通常運転時の視野からの焦点移動も少なくてすむため、より運転に注意を集中でき疲労も少ない。Virtual　Imaging方式では、近年レーザービームを走査して描画する新しい方式の開発が進んでいる。
　レーザー走査型ディスプレイは、RGB3色のレーザービームをコンバイナと呼ぶ光学素子で合波し、この1本のビームを微小ミラーで反射して2次元に走査することにより描画を行う。CRTの電子ビーム走査に似ているが、蛍光体を励起する代わりに、その水平走査線上の画素にあたる位置で各レーザーのパルス幅と出力を制御して色と輝度を変え、画素を高速に点描画する。実現可能な解像度はミラーの振動周波数とレーザーの変調周波数によって決まる。
　この方式による主な利点として、以下が挙げられる。
（１）　部品点数が少ないため小型化、低コスト化、信頼性向上を実現できる。
（２）　各画素に必要な明るさでレーザーを点灯するため、低消費電力を実現できる。
（３）　コリメート(平行光)されたレーザー光を用いるため、フォーカス調整が不要になる。
　レーザー走査型ディスプレイのコア部品であるマイクロミラーは、SiをMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術で加工し、金属を蒸着する。ミラーの駆動方法は、静電引力で駆動する静電方式、電磁力で駆動する電磁方式、圧電素子で駆動する圧電方式などがある。この中で圧電方式の長所として、高速駆動、低消費電力、大駆動力が挙げられ、短所としては圧電素子の成膜が難しいことが挙げられる。例えば、SOI基板を用いたMEMSミラーが提案されている（特許文献１）。
特開2012－037578 特開２０１４－０８６４００
　今後、HUDには大画面化・広画角化が要求されており、現状の画角7～8度に対し、最大20度まで広げる要求もある。大画面化・広画角を実現するためには、MEMSミラーの圧電素子の周波数、振幅および信頼性を向上させる必要がある。特にスキャンの幅やスピードの向上が要求される。しかし、これは、従来のSi基板上に成膜で形成した圧電素子では実現できなかった。
　このため、圧電層の下に用いられる振動板として、高剛性セラミック板を用いることを検討した。しかし、高剛性セラミック板をこうした振動板として用いるためには、高剛性セラミック板の厚さを１００μｍ以下の厚さに薄くする必要があり、これによって振動数を高くする必要がある。しかし、高剛性セラミック板の厚さが１００μｍ以下であると、機械的強度が不足する。このため、高剛性セラミック板を支持基板に接合して接合体を得た後に、高剛性セラミックス板を厚さ１００μｍ以下まで研磨加工することを検討した。
　しかし、実際に試作してみると、高剛性セラミックスは難加工性のため、加工時の負荷（せん断応力）が大きく、剥がれ、割れなどの問題が生じることがわかった。また、振動板と支持基板の接合強度を高めるために振動板と支持基板の間に接合層を導入し、振動板の表面を粗らすことによって、振動板と接合層との密着力を高くすることも検討したが、振動板の表面を粗らすと振動板の曲げ強度が低くなると考えられる。このため、高剛性セラミックスからなる振動板と支持基板との接合体において剥がれや割れを防止することは困難であった。
　本発明の課題は、厚さ１００μｍ以下の高剛性セラミックスからなる振動板と支持基板との接合体であって、振動板の強度を維持しつつ、振動板の剥がれや割れを防止できるような構造を提供することである。
　本発明に係る振動板接合体は、
　シリコンからなる支持基板、
　高剛性セラミックスからなる厚さ100μｍ以下の振動板、および
　前記支持基板と前記振動板との間にあり、前記振動板の接合面に接し、α－Ｓｉからなる接合層を備えており、
　前記振動板の前記接合面の算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、前記振動板の前記接合面のピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上であることを特徴とする。
　また、本発明は、高剛性セラミックスからなる高剛性セラミック板の表面に、α－Ｓｉからなる接合層を設ける工程、
　次いで前記接合層の接合面とシリコンからなる支持基板の接合面とを接合する工程、および
　次いで前記高剛性セラミック板を加工することによって、厚さ１００μｍ以下の振動板を得る工程を備える、振動板接合体の製法であって、
　前記高剛性セラミック板の前記表面の算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、前記高剛性セラミック板の前記表面のピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上であることを特徴とする。
　シリコンからなる支持基板上にバルク状の高剛性セラミックス板を直接接合すると、高剛性セラミックス板を100μm以下の厚みに研磨する際の研磨加工に耐えることができず、高剛性セラミックス板の剥離や割れが生ずる。このため、本発明者は、バルク状の高剛性セラミックス板上にα-Siの接合層を設け、この接合層をシリコンからなる支持基板に接合することを試みていた。α-Siの接合層を設けるのは、例えば、振動板を中空構造にするためのエッチングプロセスでコストを抑えることができるためである。α-Siからなる接合層とシリコンからなる支持基板との接合強度は高く、高剛性セラミックス板の厚さを１００μｍ以下まで研磨する加工に耐えることができるはずである。
　しかし、研磨加工を行う際には、高剛性セラミック板と接合層との界面で割れや剥がれが生じてくる可能性が高いと考えられた。なぜなら、高剛性セラミック板には曲げ強度が必要なので、高剛性セラミック板の表面を平滑化することが必要である。しかし、高剛性セラミック板表面が平滑であると、その表面に設ける接合層（アモルファスシリコン）の表面への密着性が低下するために、高剛性セラミック板と接合層との平滑な界面で剥離や割れが生じやすくなるはずである。
　本発明者は、以上を考慮しつつ、高剛性セラミック板の表面（接合層を設けるべき接合面）の平滑性を高くすることを試みたところ、場合によっては、接合面が平滑であっても、研磨加工時に接合層との界面で剥がれや割れが生じにくくなることを見いだした。
　本発明者は、こうした予想を超えた特性を示した振動板接合体について更に検討してみた。この結果、高剛性セラミック板の接合面の算術平均粗さ（Ｒａ）がきわめて小さい平滑面であった場合にも、高剛性セラミック板の物性によっては接合面に微細なボイドに起因するピットが残留し、この表面ピットの作用によって剥離が抑制されることを発見し、本発明に到達した。
　すなわち、振動板の接合面の算術平均粗さＲａが１０．０ｎｍを超える場合には、振動板として振動させた際の曲げ強度が弱く、高振幅・高周波の振動に耐えることができないので、Ｒａを１０．０ｎｍ以下の超平滑面とする。この場合でも、振動板の接合面のピット密度を１００μｍ２あたり１０個以上とすることで、研磨加工時の振動板の割れや剥がれを防止できることがわかった。
（ａ）は、高剛性セラミック板１の接合面１ａに接合層２を設けた状態を示し、（ｂ）は、接合層２の表面２ｂを中性化原子ビームで活性化した状態を示し、（ｃ）は、支持基板３の接合面３ａを中性化原子ビームで活性化した状態を示す。 （ａ）は、高剛性セラミック板１と支持基板３との接合体４を示し、（ｂ）は、振動板１Ａと支持基板３との接合体５を示す。 高剛性セラミック板の接合面の表面ピットの状態を示すAFM測定画像である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
　図１（ａ）に示すように、高剛性セラミック板１を準備する。高剛性セラミック板の表面１ａの算術平均粗さＲａを０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下とし、高剛性セラミック板の表面のピット密度を１００μｍ２あたり１０個以上とする。１ｂは高剛性セラミック板１の背面である。
　次いで、高剛性セラミック板１の表面１ａ上に、α-Siからなる接合層２を成膜する。次いで、図１（ｂ）に示すように、接合層２の接合面２ａに対して矢印Ａのように中性化原子ビームを照射し、活性化する。一方、支持基板３の接合面３ａには、矢印Ｂのように中性化原子ビームを照射し、活性化する。
　次いで、図２（ａ）に示すように、接合層２の活性化された接合面２ｂと支持基板３の活性化された接合面３ａとを接触させ、直接接合することによって、接合体４を得る。次いで、接合体４の高剛性セラミック板１の背面１ｂを加工することによって、図２（ｂ）に示すように、高剛性セラミック板の厚さを小さくし、厚さ１００μｍ以下の振動板１Ａを形成することによって、振動板接合体５を得る。１ｃは加工面である。
　シリコンからなる支持基板の厚さは特に限定されないが、加工時の強度保持という観点からは、200μｍ以上が好ましく、400μｍ以上が更に好ましい。また、支持基板の接合面の算術平均厚さＲａは、直接接合を促進するという観点からは、1ｎｍ以下が好ましく、0.3ｎｍ以下が更に好ましい。
　高剛性セラミックスとは、ヤング率≧200GPa、かつ3点曲げ強度≧300GPaのセラミックス材料と定義した。
　高剛性セラミックスとしては、サイアロン、コージェライト、ムライト、透光性アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素または炭化珪素が好ましい。
　また、高剛性セラミック板の厚さは、基板の洗浄や接合などのプロセスのハンドリング性の観点からは、100μｍ以上が好ましく、200μｍ以上が更に好ましい。また、高剛性セラミック板の上限は特にはないが、加工にかかる時間を短縮するという観点からは、300μｍ以下が好ましい。
　本発明においては、振動板の表面（接合層が設けられる表面）の算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、振動板の前記表面のピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上である。ただし，振動板接合体においては振動板上に接合層が形成されているので、振動板の表面のＲａおよびピット密度は、加工前の高剛性セラミック板の表面のＲａおよびピット密度と同じものとする。
　高剛性セラミック板および振動板表面の算術平均粗さＲａを測定するには以下のようにする。まず原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって表面を１０μｍ×１０μｍの視野で測定し、ＪＩＳ　B　0601にしたがってＲａを算出する。また，これと同じ測定視野（面積１００μｍ２）において、ピット数をカウントする。ここで、ピットの判定基準は以下のとおりとする。すなわち、表面に観測される凹部のうち、以下のものをピットとする。
（１）　凹部のΦ50nm以上、Φ2000nm以下である。
（２）　凹部の深さが1nm以上である。
　本発明においては、振動板および高剛性セラミックス板の表面（接合層が形成される表面）の算術平均粗さＲａを０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下とするが、曲げ強度の観点からは、7.0ｎｍ以下が更に好ましく、5.0ｎｍ以下が特に好ましい。また、接合層との密着性の観点からは、Ｒａを０．０１ｎｍ以上とするが、０．０２ｎｍ以上とすることが更に好ましい。
　また、振動板の前記表面のピット密度は１００μｍ２あたり１０個以上とするが、20個以上とすることが更に好ましい。また、振動板の前記表面のピット密度は通常は１００μｍ２あたり200個以下とすることができ、更には９６個以下とすることが好ましく、70個以下であることが特に好ましい。
　振動板および高剛性セラミック板の接合層に面する前記表面に存在するピットは、高剛性セラミック板を緻密に焼結させるために添加している焼結助剤によって発生するものと考えられる。焼成時に余剰となった焼結助剤の大部分は、セラミック粒子の粒界に凝集して存在する。焼結助剤が残った高剛性セラミックスをウエハー化して鏡面に研磨する際、焼結助剤が凝集した部分の方が、高剛性セラミックス自体よりも研磨レートが早いため、焼結助剤が凝集した部分がピットになる。このことから、焼結助剤の添加量とピットの数には相関があり、焼結助剤の添加量によってピット数を調整することが可能である。
　高剛性セラミック板の曲げ強度と低いＲａとを得る上で、高剛性セラミック板の相対密度は、95％以上が好ましく、99％以上が更に好ましい。また、前記のようなＲａとピット密度を得るために適切な焼結助剤の種類および量は、焼結すべき高剛性セラミックスの種類によって適宜選択する。例えば、焼結助剤としては、Y2O3、CaO、MgO、ZrO2を例示できる。
　本発明においては、振動板および高剛性セラミックス板の背面（接合層が形成されていない側の表面）の算術平均粗さＲａは、曲げ強度の観点からは、０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下が好ましい。
　高剛性セラミック板の表面の研磨方法としては、例えば＃3000の砥石で所望の厚みまで研削した後、粒度3μmのダイヤスラリーにてラップ(lap)研磨し、仕上げに化学機械研磨加工(CMP)により鏡面化した。
　高剛性セラミック板上に成膜する接合層２の厚さは、特に限定されないが、製造コストの観点からは０．０１～１０μｍが好ましく、０．０５～０．５μｍが更に好ましい。
　接合層２の成膜方法は限定されないが、スパッタリング(sputtering)法、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。
　接合層２の接合面、支持基板の接合面を平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。
　好適な実施形態においては、中性化原子ビームによって、接合層２の表面２ｂ、支持基板３の表面３ａを活性化できる。特に、接合層２の表面２ｂ、支持基板３の表面３ａが平坦面である場合には、直接接合しやすい。
　中性化原子ビームによる表面活性化を行う際には、特許文献２に記載のような装置を使用して中性化ビームを発生させ、照射することが好ましい。すなわち、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
　ビーム照射による活性化時の電圧は0.5～2.0kVとすることが好ましく、電流は50～200mAとすることが好ましい。
　次いで、真空雰囲気で、活性化面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。
　次いで、高剛性セラミック板を加工することによって、厚さ１００μｍ以下の振動板を得る。この振動板の厚さは、目的とする周波数に応じて選択するので、厚さの下限は特にないが、加工の容易さからは１μｍ以上が好ましい。この加工方法としては、例えば、＃3000の砥石で所望の厚みまで研削した後、粒度3μmのダイヤスラリーにてラップ(lap)研磨し、仕上げに化学機械研磨加工(CMP)により鏡面化した。
（実施例１～８）
　図１～図２を参照しつつ説明したようにして、振動板接合体を試作した。
　具体的には、直径が４インチ、厚さが２５０μｍのウエハー形状のサイアロン基板を、高剛性セラミック板1として使用した。高剛性セラミック板1の表面1ａは、算術平均粗さＲａが、表１、表２、表３に示す各数値となるように、それぞれ、＃3000の砥石で所望の厚みまで研削した後、表1に示す振動板表面（Ra≦1nm）の場合、粒度3μmのダイヤスラリーにてラップ(lap)研磨し、仕上げに化学機械研磨加工(CMP)により鏡面化した。Raの数値を調整するために、CMP研磨時の加工圧力、加工時間を調整した。表2に示す振動板表面（Ra>1nm）の場合、ダイヤスラリーにてラップ(lap)研磨し、鏡面化した。Raの数値を調整するために、仕上げに使用するダイヤスラリーは粒度0.5μmから6μmの中から選択して使用した。
　また、高剛性セラミックス振動板1の表面1ａのRaは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野で測定した。また、この際に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの視野において、Φ50nm以上のピット数をカウントした。ただし、高剛性セラミックス板1の表面1ａのピット数を測定する際には、ウエハー状の板１の中心点、板１のオリエンテーションフラットから1０mm内側にある点、および板１のオリエンテーションフラットと反対の端から１０mm内側の点の合計3か所においてそれぞれピット密度を測定し、３点の測定値の平均値をピット密度とし、表１、表２、表３に示した。
　なお、図３には、実施例4で用いた高剛性セラミック板の表面状態を示す（Ｒａ＝0.07ｎｍ、１０μｍ×１０μｍの視野におけるピット密度＝58個）
　また、各例の高剛性セラミック板の曲げ強度は、接合した後の基板では測定することができない。このため、予め、各例の高剛性セラミック基板1と同じ材質、厚さ、Ｒａおよびピット密度を有する各高剛性セラミック板を準備しておき、各高剛性セラミック板からそれぞれ各試験片を切り出し、３点曲げ強度を測定した。曲げ強度の測定方法は　JIS　R　1601　（ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法）における3点曲げ強度試験の規格に準じて測定した。試験片のサイズはサンプル長４０．０mm、幅４．０mm、厚み３．０mmである。
　次いで、高剛性セラミックス板1の表面１ａに、直流スパッタリング法によって接合層２を成膜した。ターゲットにはボロンドープのＳｉを使用した。接合層２の厚さは３０～２００ｎｍとした。接合層２の表面２ａの算術平均粗さＲａは０．２～０．６ｎｍであった。次いで、接合層２を化学機械研磨加工（CMP）し、膜厚を２０～１５０ｎｍとし、Ｒａを０．０８～０．４ｎｍとした。
　一方、支持基板３として、オリエンテーションフラット（ＯＦ）部を有し、直径が４インチ，厚さが５００μｍのシリコンからなる支持基板３を用意した。支持基板３の表面は、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）によって仕上げ加工されており、算術平均粗さＲａは０．２ｎｍとなっている。
　次いで、接合層２の表面２ｂと支持基板３の表面３ａとを洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０－６Ｐａ台まで真空引きした後、各表面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射した。ついで、接合層２の活性化された表面２ｂと支持基板３の活性化された表面３ａとを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した（図２（ａ））。次いで、得られた各例の接合体４を１００℃で２０時間加熱した。
　次いで、高剛性セラミックス板1の背面１ｂを厚みが当初の２５０μｍから４０μｍになるように研削及び研磨した（図２（ｂ）参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例１～８においては、ピット密度は１０～９６個であり、前記Ｒａは０．０２～９．９７ｎｍであるが、振動板１Ａを４０μmの薄さまで研磨しても、全く剥がれが生じなかった。前記Raが大きいほどセラミックの曲げ強度が落ちる傾向がみられるが、Ra＝９．９７nmの場合でも、曲げ強度の結果は５００MPaと十分高い結果であった。
（比較例1）
　比較例1では、α-Siからなる接合層２を高剛性セラミックス板1に成膜しなかった。その代わりに、高剛性セラミック板1の表面1ａに対して高速原子ビームを当てて、高剛性セラミックス板1の活性化された表面１ａと支持基板３の活性化された表面３ａとを接触させて接合し、接合体を得た。ただし、比較例１の高剛性セラミックス板1の表面1ａのピット数は51個であり、Raは０．０３nmであった。また、α-Siの接合層を成膜しなかったこと以外は、実施例1と同条件にて作製している。
　次いで、得られた接合体の高剛性セラミックス板1の背面１ｂを研削および研磨加工し、厚みが当初の２５０μｍから薄くなるように研削及び研磨を試みた。高剛性セラミックス板1の厚みが１１０μmとなった時に、高剛性セラミックス板と支持基板の接合界面において剥がれが生じた。剥がれが生じたのは、接合体における高剛性セラミックス板1と支持基板３との接合強度が、実施例１～８における接合強度よりも低く、高剛性セラミックス板１を研磨する際の加工応力に耐えられなかったためと考えられる。
（比較例２、３）
　比較例２、３の各接合体は、実施例１～８と同じ条件にて作成している。
　ただし、比較例２では、高剛性セラミックス板1の表面1ａのピット数は４個と少なく、表面１ａのRaは０．０１nmであった。この場合、高剛性セラミックス板1の背面を厚みが１００μmとなるまで研削及び研磨にて薄くした際に、高剛性セラミックス板1の表面と接合層２の界面にて剥がれが生じた。これは、高剛性セラミックス板1と接合層２の密着強度が、高剛性セラミックス板１を研磨する際の加工応力に耐えられなかったためと考えられる。
　一方、実施例１～４のセラミック界面の表面Raが０．２nm未満と十分小さい場合でも剥がれが生じなかったのは、高剛性セラミックス板1の表面1ａにピットが存在し、ピット上に成膜された接合層２はアンカー効果により密着力が向上したためと推測している。
　比較例３では、高剛性セラミックス振動板1の表面1ａのピット数は５５個であるが、表面１ａのRaは１０．８５nmであった。Raが１０．８５nmの場合、高剛性セラミックス板の曲げ強度は３００MPaに低下した。これは、高剛性セラミックス板の表面に存在する凹凸に応力が集中したために曲げ強度が弱くなったためと考えられる。

Claims (7)

  1. 　シリコンからなる支持基板、
    　高剛性セラミックスからなる厚さ100μｍ以下の振動板、および
    　前記支持基板と前記振動板との間にあり、前記振動板の表面に接し、α－Ｓｉからなる接合層を備えており、
    　前記振動板の前記表面の算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、前記振動板の前記表面のピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上であることを特徴とする、振動板接合体。
  2. 　前記接合層と前記支持基板とが直接接合されていることを特徴とする、請求項１記載の振動板接合体。
  3. 　前記高剛性セラミックスが、サイアロン、コージェライト、ムライト、透光性アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項１または２記載の振動板接合体。
  4. 　高剛性セラミックスからなる高剛性セラミック板の表面に、α－Ｓｉからなる接合層を設ける工程、
    　次いで前記接合層の接合面とシリコンからなる支持基板の接合面とを接合する工程、および
    　次いで前記高剛性セラミック板を加工することによって、厚さ１００μｍ以下の振動板を得る工程を備える、振動板接合体の製法であって、
    　前記高剛性セラミック板の前記表面の算術平均粗さＲａが０．０１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下であり、前記高剛性セラミック板の前記表面のピット密度が１００μｍ２あたり１０個以上であることを特徴とする、振動板接合体の製造方法。
  5. 　前記接合層の前記接合面と前記支持基板の前記接合面を直接接合することを特徴とする、請求項４記載の振動板接合体の製造方法。
  6. 　前記接合層の前記接合面と前記支持基板の前記接合面とをそれぞれ中性化原子ビームによって活性化し、次いで直接接合することを特徴とする、請求項５記載の振動板接合体の製造方法。
  7. 　前記高剛性セラミックスが、サイアロン、コージェライト、ムライト、透光性アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項４～６のいずれか一つの請求項に記載の振動板接合体の製造方法。

     
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240050493A (ko) * 2022-10-11 2024-04-19 (재)한국나노기술원 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004347769A (ja) * 2003-05-21 2004-12-09 Ricoh Co Ltd 振動ミラー、光書込装置及び画像形成装置
JP2014507363A (ja) * 2010-12-14 2014-03-27 ヘクサテック，インコーポレイテッド 多結晶質窒化アルミニウム焼結体の熱膨張処理、および半導体製造へのその応用
WO2016159393A1 (ja) * 2016-03-22 2016-10-06 住友電気工業株式会社 セラミック基板、積層体およびｓａｗデバイス
WO2019054238A1 (ja) * 2017-09-15 2019-03-21 日本碍子株式会社 弾性波素子およびその製造方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4417906A (en) * 1980-07-09 1983-11-29 General Electric Company Process for production of silicon carbide composite
US9010936B2 (en) * 2010-04-28 2015-04-21 Lemoptix Sa Optical MEMS scanning micro-mirror with anti-speckle cover
JP5471948B2 (ja) 2010-08-03 2014-04-16 株式会社リコー 光走査装置および画像形成装置
WO2012033125A1 (ja) 2010-09-07 2012-03-15 住友電気工業株式会社 基板、基板の製造方法およびｓａｗデバイス
JP5911508B2 (ja) * 2010-12-22 2016-04-27 レオ・ラボラトリーズ・リミテッドＬｅｏ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ ３−アシル−インゲノールｉｉ
JP2014086400A (ja) 2012-10-26 2014-05-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高速原子ビーム源およびそれを用いた常温接合装置
CN108781064B (zh) 2016-03-25 2019-10-11 日本碍子株式会社 接合方法
TWI737811B (zh) 2016-11-25 2021-09-01 日商日本碍子股份有限公司 接合體

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004347769A (ja) * 2003-05-21 2004-12-09 Ricoh Co Ltd 振動ミラー、光書込装置及び画像形成装置
JP2014507363A (ja) * 2010-12-14 2014-03-27 ヘクサテック，インコーポレイテッド 多結晶質窒化アルミニウム焼結体の熱膨張処理、および半導体製造へのその応用
WO2016159393A1 (ja) * 2016-03-22 2016-10-06 住友電気工業株式会社 セラミック基板、積層体およびｓａｗデバイス
WO2019054238A1 (ja) * 2017-09-15 2019-03-21 日本碍子株式会社 弾性波素子およびその製造方法

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