KR100236975B1 - 질화알루미늄/수소화된 질화알루미늄/질화알루미늄 3층 박막을 이용한 탄성표면파 필터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화알루미늄(AlN) 박막을 이용한 탄성표면파(surface acoustic wave) 필터의 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄성표면파 필터에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막을 증착할 때 이를 수증기로부터 보호하여 블리스터링(blistering)을 방지하기 위해 양단에 질화알루미늄(AlN)을 증착한 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막(tri-layered films)을 이용하여 탄성표면파 필터를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 탄성표면파 필터에 관한 것이다. 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)의 3층 박막을 압전재료로 이용한 탄성표면파 필터의 제조방법은 용이하면서도 경제적으로, 탄성표면파 전파속도가 빠르고 전기기계 결합계수가 큰 탄성표면파 필터를 제조한다.
Description
본 발명은 질화알루미늄(AlN) 박막을 이용한 탄성표면파(surface acoustic wave)필터의 제조방법 및 그에 의해 제조된 탄성표면파 필터에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막을 증착할 때 이를 수증기로부터 보호하여 블리스터링(blistering)을 방지하기 위해 그의 양단에 질화알루미늄(AlN)을 증착한 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막(tri-layered films)을 이용하여, 탄성표면파 전파속도 및 전기기계 결합계수(electromechanical coupling coefficient, k2)가 큰 탄성표면파 필터를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 탄성표면파 필터에 관한 것이다.
일반적으로, 압전재료를 이용한 탄성표면파 필터가 100MHz 이상의 고주파대역에서 사용되기 위해서는 압전재료의 탄성표면파 전파속도 및 전기기계 결합계수가 크고, 압전재료의 제조단가가 저렴하여야 한다. 그럼에도 불구하고, 종래의 탄성표면파 소자의 압전재료는 LiNbO3등의 비싸고 부피가 큰 단결정이었다. 그후 개발되어 압전재료로 현재 사용되고 있는 질화알루미늄 박막은 스퍼터링(sputtering)법 등으로 용이하면서도 낮은 단가로 제조될 수 있고, 5000m/s 이상의 탄성표면파 전파속도를 가지는 것으로 알려져 있으나(참조 : H. Okano et al., Jpn, J. Appl. Phys., 33 : 2957(1994)), 0.8% 이하의 적은 전기기계 결합계수 값을 나타내는 것으로 보고되고 있다(참조 : K. Tsubouchi and N. Mikoshiba, IEEE Trans. Sonics Ultrason., SU-32 : 634(1985)). 따라서, 높은 전기기계 결합계수 값을 나타내는 질화알루미늄 박막의 압전재료가 요구되었다.
한편, 왕(Wang) 등은 질화알루미늄을 증착할 때 질소의 25%를 수소기체로 치환하면, 박막 표면의 거칠기가 0.3nm로 매우 평탄해지고, 박막내 응력이 감소해서 접착력이 향상된다고 보고하였다(참조 : X.-D. Wang et al., Thin Solid Films, 251 : 121(1994); X.-D. Wang et al., Langmuir, 8 : 1347(1992)). 이와 같이 수소가 함유된 질화알루미늄(AlN : H) 박막은 질화알루미늄(AlN) 박막의 표면 거칠기 및 접착력을 향상시켰으나, 대기 중의 수증기에 의해 화학조성이 변화하여 박리하는 블리스터링(blistering)현상을 야기시킨다는 문제점을 노출시켰다(참조 : X.-D. Wang et al., langmuir, 8 : 1347(1992)).
이에, 본 발명자들은 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막의 상기한 장점은 이용하면서도 단점으로 지적되고 있는 블리스터링 현상을 방지한 압전재료를 제조하고자 예의 연구노력한 결과, 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막의 양단에 질화알루미늄(AlN)을 증착시킨 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)의 3층 박막이 수소기체 첨가량이 증가할수록 매끄러운(평탄한) 표면과 감소된 압축응력을 나타내며, 블리스터링 현상을 야기시키지 않고, 또한 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 압전재료로 이용하여 탄성표면파 필터를 제조하면, 그 필터는 큰 탄성표면파 전파속도 및 전기기계 결합계수를 나타냄을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 목적은 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용하여, 탄성표면파 전파속도가 빠르고 전기기계 결합계수가 큰 탄성표면파 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 방법에 의해 제조된 탄성표면파 필터를 제공하는 것이다.
제1(a),(b),(c)도 및 (d)도는 반응기체에 포함된 수소기체의 양이 각각 0%(v/v), 5%(v/v), 10%(v/v) 및 20%(v/v)인 조건에서 증착된 질화알루미늄 박막의 표면 거칠기를 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
제2도는 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막의 (0002)면의 면간 거리를 수소기체 첨가량에 따라 측정한 그래프이다.
제3도는 본 발명에서 사용한 탄성표면파 필터의 설계도면이다.
제4도는 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용한 탄성표면파 필터의 주파수 응답특성을 나타내는 그래프이다.
제5도는 질화알루미늄(AlN)박막, 수소화된 질화알루미늄(AlN : H)박막, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용한 각 탄성표면파 필터의 전기기계 결합계수(k2)를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
우선, 본 발명자들은 상온 증착이 가능한 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링(sputtering)법으로 질화알루미늄 박막을 증착할 때, 반응기체에 수소기체를 첨가하여, 바람직하게는 5%(v/v) 내지 30%(v/v)의 수소기체를 첨가하여 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막을 제조하고, 그 박막의 표면 거칠기 및 면간 거리를 측정한 결과, 수소기체 첨가량이 증가할수록 매끄러운(평탄한) 표면과 감소된 압축응력을 나타내어 접착력이 증진됨을 확인하였다. 그러나, 상기에서 제조된 수소화 질화알루미늄(AlN : H)은 대기 중의 수증기에 의해 화학조성이 변화되어, 박막과 기판과의 계면에서 예상된 블리스터링 현상을 발생시켰다.
상술한 블리스터링 현상을 해결하기 위하여, 상기 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막의 양단에 질화알루미늄(AlN) 박막을 증착시켜, 바람직하게는 100Å 내지 10,000Å의 두께로 증착시켜, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)으로 구성된 3층 박막을 제조하였다. 그 결과, 이 질화알루미늄 3층 박막은 블리스터링 현상을 나타내지 않았고, 동일 함량의 수소기체를 포함한 반응기체하에서 증착된 질화알루미늄 1층 박막보다 더 감소된 압축응력을 나타내어 접착력이 우수함을 확인하였다.
전기 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 압전재료로 사용하여 탄성표면파 필터를 제조하였으며, 그 필터의 탄성표면파 전파속도 및 전기기계 결합계수를 결정한 결과, 질화알루미늄(AlN) 1층 박막 또는 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 1층 박막보다 큰 값의 전파속도 및 전기기계 결합계수를 나타내었다.
따라서, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)의 3층 박막을 압전재료로 이용한 탄성표면파 필터의 제조방법은 용이하면서도 경제적으로, 탄성표면파 전파속도가 빠르고 전기기계 결합계수가 큰 탄성표면파 필터를 제조한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막은 반응성 스퍼터링(sputtering)법으로 제조하였다(참조 : H.C. Lee et al., Thin Solid Films, 271 : 50-55(1995)). 이때, 질화알루미늄(AlN) 박막의 증착에 사용된 스퍼터링 장비는 반응성 RF마그네트로 스프터링 시스템으로서, 진공시스템, 스퍼터링 타겟, RF전원공급장치, 기판지지대, 기체 주입장치로 구성된다. 기판은 p형(100) 실리콘이고, 불산을 이용하여 세척하였으며, 순도 99.999% 이상의 알루미늄, 99.9999% 이상의 아르곤, 질소 및 수소기체를 알루미늄의 증착에 사용하였으며, 초기진공도는 5×10-7Torr 이하이었다. 또한, 증착은 250W의 RF전원, 상온의 증착온도, 8mTorr의 증착압력, 각각 6sccm의 아르곤과 질소유량, 수소기체를 부피비로 5 내지 20%까지 포함한 반응기체의 조건에서 수행하였다.
제1(a),(b),(c)도 및 (d)도는 반응기체에 포함된 수소기체의 양이 각각 0%(v/v), 5%(v/v), 10%(v/v) 및 20%(v/v)인 조건에서 증착된 질화알루미늄 박막의 표면 거칠기를 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 제1(a)도 내지 제1(d)도에서 보듯이, 수소기체의 첨가량이 증가함에 따라, 질화알루미늄 박막의 표면이 매끄러워짐을 알 수 있었다.
제2도는 질화알루미늄 박막의 응력을 측정하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffractometer)를 이용하여, 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막의 (0002)면의 면간 거리를 수소기체 첨가량에 따라 측정한 그래프이다. 본 실험조건에서 질화알루미늄 박막의 (0002)면은 기판 표면과 평행하므로, 면간 거리가 표준분말시편의 면간 거리보다 큰 것은 압축응력의 증가를 의미한다. 제2도에서 보듯이, 수소기체 첨가량이 증가할수록 면간 거리는 좁아지고 압축응력이 감소함을 알 수 있었다. 이는 접착력의 증가를 의미한다. 제2도에서, (□)는 후술하는 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막의 면간 거리를 나타낸다.
아울러, 이미 예상한 바와 같이, 상기에서 제조된 수소화 질화알루미늄(AlN : H)은 대기 중에 노출되면 박막과 기판과의 계면에서 블리스터링 현상을 야기시켰다. 이를 해결하기 위하여, 반응기체에 10%의 수소기체를 첨가해서 증착한 질화알루미늄 박막의 양단(박막 표면과 박막/기판 계면)에 질화알루미늄(AlN) 박막을 1000Å만큼 증착시켜, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)으로 구성된 3층 구조 형태의 박막을 제조한 결과, 블리스터링 현상을 방지할 수 있었고, 또한 10%의 수소기체를 포함한 반응기체하에서 증착된 질화알루미늄 박막의 면간 거리보다 좁아, 전기 3층 박막의 압축응력이 더욱 감소함을 알 수 있었다(참조 : 제2도).
제3도는 본 발명에 사용한 탄성표면파 필터의 설계도면이며, 탄성표면파의 파장은 60㎛이고, 전극 폭과 전극간 거리는 모두 15㎛이다. 101개의 전극으로 이루어진 진폭변조형 단일전극으로 서프레션(supression)을 크게 하기 위해 아포다이즈드 웨이팅(apodized weighting)을 하였다. 전극 구경은 1440㎛, 변환기간 거리는 180㎛, 박막 표면을 제외한 다른 곳에서의 파의 전달을 막기 위한 차폐용 전극의 폭은 60㎛이다. 압전재료로 사용되는 박막의 두께는 4.77㎛이다(kH=0.5, k=2π/λ). 또한 전극으로 사용되는 알루미늄 박막의 두께는 200nm이다.
탄성표면파 필터의 압전재료는 질화알루미늄 박막, 수소를 10% 첨가한 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막, 블리스터링을 막기 위해 그의 양단에 1000Å 두께의 질화알루미늄을 증착한 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 사용하였다. 제4도는 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용한 탄성표면파 필터의 주파수 응답특성을 나타내는 그래프이다. 제4도에서 보듯이, 중심주파수는 88MHz이고, 삽입손실은 20.08dB임을 알 수 있는 바, 탄성표면파의 파장이 60㎛인 점을 고려하면, 상기 3층 박막을 이용한 탄성표면파의 전파속도는 88MHz×60㎛=5280m/s임을 알 수 있었으며, 이는 매우 신속한 전파속도에 해당한다.
아울러, 제5도는 질화알루미늄(AlN) 박막, 수소를 10%만큼 첨가한 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막, 그의 양단에 1000Å두께의 질화알루미늄을 증착한 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용한 탄성표면파 필터의 전기기계 결합계수(k2)를 나타내는 그래프이다. 이때, 필터의 전기기계 결합계수는 델타(delta) 함수 표현에 의한 교차장모델에 의해 계산하였다(참조 : A.A. Oliner, “Acoustic Surface Waves”, Springe-Verlag(1978)). 제5도에서 보듯이, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN) 3층 박막을 이용한 탄성표면파 필터의 전기기계 결합계수는 1.35%로서 가장 큰 값을 나타내었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)의 3층 박막을 압전재료로 이용한 탄성표면파 필터의 제조방법은 용이하면서도 경제적으로, 탄성표면파 전파속도가 빠르고 전기기계 결합계수가 큰 탄성표면파 필터를 제조한다.
Claims (1)
- 반응성 스퍼터링(sputtering)법에 의한 탄성표면파 필터의 제조방법에 있어서, 5%(v/v) 내지 30%(v/v)의 수소기체가 포함된 반응기체하에서 수소화된 질화알루미늄(AlN : H) 박막을 증착시키고, 전기 수소화된 질화알루미늄(AlN : H)박막의 양단에 질화알루미늄(AlN) 박막을 100Å 내지 10,000Å의 두께로 증착시켜 질화알루미늄(AlN)/수소화된 질화알루미늄(AlN : H)/질화알루미늄(AlN)의 3층 박막을 수득하여 압전재료로 사용하는 탄성표면파 필터의 제조방법.
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