KR100327060B1 - 유전체박막소자용전극및그제조방법과이를사용한초음파진동자 - Google Patents

유전체박막소자용전극및그제조방법과이를사용한초음파진동자 Download PDF

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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

주 도전층에 불요원소가 확산해서 이에 형성되는 유전체박막의 결정성이 저하해버려 전극을 적용한 소자의 특성저하를 초래했었다.
기판과의 밀착층과 이 밀착층이나 기판을 구성하는 금속원소의 화합물을 함유한 확산억제층과, 주도전층으로 구성되는 유전체 박막소자용 전극을 제공하고, 최표면층의 주도면층에 적용되는 유전체 박막에의 불요원소의 확산을 방지하도록 해서 그 결정성을 높였다.

Description

유전체 박막소자용 전극 및 그 제조방법과 이를 사용한 초음파 진동자
본 발명은, 결정성이 우수한 특성을 갖는 유전체박막(誘電體薄膜)을 실현 할 수 있는 유전체박막 소자용 전극 및 그의 제조방법과 이를 사용한 초음파진동자에 관한 것으로, 특히 유전체 박막의 특성열화를 초래하는 하지 전극의 최표면층으로의 불요원소의 확산을 억제할 수 있는 확산억제층을 구비한 유전체박막 소자용 전극 및 그 제조방법과 이를 사용한 초음파 진동자에 관한 것이다.
유전체라는 것은, 상유전성, 강유전성, 초(蕉)전성, 압전성 등 여러 가지의 특성을 갖는 재료이고, 이들의 박막을 용융한 소자는 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
유전체박막을 사용한 소자의 대부분은, 유전체 박막과 이를 구동하는 전극을 최저한 필요로 하고 있다.
유전체박막의 형성은, 스패터법, 화학기상증착법(CVD)등 여러 가지의 박막형성법에 의해 시행되나, 산화아연, 질화알루미늄등의 1부의 재료를 제외하고, 일반적으로 400℃~700℃ 라는 고온에서 시행되는 일이 많다.
이런 경향은, 단순화합물보다도 복산화물의 복잡한 화합물을 박막화할 때 흔히 볼 수 있다.
또 신규의 고기능재료를 제작하려고 할 때도 많이 볼 수 있다.
구동용 전극이 유전체박막 형성 후에 형성되는 경우에는, 그 재질을 주로 필요로 하는 전기특성에 의해 결정되고, 그 이외에 큰 한정은 없다.
그러나, 소자구성상, 구동용 전극을, 유전체 박막을 형성하는 전공정에서 형성해야할 경우에는, 많은 문제가 발생하게 된다.
가장 큰 문제는, 유전체 박막의 형성시에 그 환경에서 전극이 산화등의 열열화를 발생하는 경우가 있는 것과,
전극과 유전체박막이 반응해, 상호간에 특성 열화가 생기는 일이 있다는 것이다.
이 같은 현상을 회피하기 위해, 일반적으로는 전극재료로서 백금등의 귀금속을 많이 사용하게 된다.
또, 백금만으로는, 전극이 형성되는 하지(下地), 예를 들면 실리콘산화막으로의 밀착성이 반드시 충분하지 않고, 박리 등의 결함이 발생할 가능성이 있기 때문에 많은 경우 금속티탄, 금속크롬등을 밀착층으로 해서, 백금과 2산화실리콘과의 사이에 형성하는 경우가 많다.
Chian-ping Ye 등은 J.AppL. phys, 1991년, 70권 제 5538 페이지에 기재한 Experimental Studies on primary and secondary pyroelectric effects in Pb(Zr xTi(1-X)03, PbTiO3, and ZnO thin fiLms에서, 마이크로에칭기술을 사용한 표제의 유전체(초전체)를 사용한 인상구조의 공동을 갖는 고감도의 초전센서(蕉電센서)를 표시하고 있으나, 이 초전센서의 전극으로는 백금과 티탄으로 되는 구조의 전극을 사용하고 있다.
또, 일본국 특개평 6-350154 호 공보에서는, 기판상에 절연막, 하측박막전극, 압전막, 상측박막전극을 형성하고, 기판이면에서의 기판을 제거하고, 공진부가되는 부분의 아래기판을 제거하고, 부상(浮上)구조를 형성한 압전소자가 표시되어 있으나,
이 소자에서도 백금 pt와 티탄 Ti으로 된 전극이 사용되고 있다.
상기와 같이 많은 경우에서, 백금으로 대표되는 귀금속과 티탄으로 대표되는 밀착효과가 우수한 금속과의 조합에 의한 전극은 여러 가지 유전체 박막에 대해 응용하기 쉽고 널리 일반적으로 사용되고 있다.
종래의 유전체 박막소자용 전극은 이상과 같이 구성되어 있으므로, 유전체 박막의 대부분은 순백금 전극상에서는 양호한 결정성, 유전특성을 표시하나, 티탄, 크롬 등을 밀착층으로 사용한 구성인 경우에는 티탄 등이 유전체 박막형성시, 또는 소자화 프로세스시에 백금층으로의 확산, 산화가 생기기 쉽다.
이 결과, 대부분의 경우 이 확산현상에 의해 발생하는 백금층중으로의 이상 (相)생성, 백금결정성의 저하등에 의해 유전체 박막의 특성저하가 생겨버려, 또 전극 자체의 도전성의 저하를 초래하기 쉬운 등의 과제가 있었다.
이런 현상은 백금 Pt의 한하지 않고, 유전체 박막이 최량의 특성을 나타낼 수 있는 특정의 전극이 존재하고 다시 이 전극 단독으로는 기판에 대한 밀착성, 프로세스 내성이 충분치 않고, 이종재료를 기판과 전극사이에 개재시켜야 할 경우에는 공통의 것이다.
여기서 밀착층상의 도전층(예를 들어 Pt)이, 밀착층에서의 확산이 무시할 정도로 충분히 두꺼운 경우, 또는 밀착층이 충분히 얇은 경우에는 상기 과제는 현재화시키기 힘들다.
그러나, 이런 구성을 채택한 경우, 밀착층의 확산에 의한 밀착층의 상실, 또는 밀착효과의 상실을 초래할 염려가 있다.
또, 유전체의 압전성을 사용한 소자의 경우에는, 박막의 경우에는 압전체 박막에 부가되는 전극의 중량에 의해 압전박막의 진동이 억제되고 직접적으로 압전특성의 저하가 생기므로, 전극막 두께는 엷은(가벼운)것이 요구된다.
또, 유전체의 초전성을 사용한 초전형 적외선 센서 소자인 경우에는 입사적외선을 검지부의 온도상승으로 해서, 즉 열로서 검출하기 위해, 검출부는 열용량이 가능한 한 작은 것이 요구되고 이 경우에도 전극은 얇은 것이 필요하게된다.
따라서, 이 현상을 어떻게 억제하는가가 결정성이 우수한 유전체 박막, 이 유전체 박막을 응용한 소자를 실현하는데 중요한 것이다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 된 것으로, 유전체 박막의 특성열화를 초래하는, 하지전극의 촤표면층으로의 불요원소의 확산을 억제할 수 있는확산억제방지층을 구비한 유전체 박막소자용 전극 및 그 제조방법을 얻는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은, 상기 유전체 박막소자용 전극 또는 그 제조방법에 의해 얻어진 이 전극을 사용한 초음파 진동자를 얻는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 본 발명의 실시의 형태 1 에 의한 유전체 박막소자용 전극의 구성을 표시하는 단면도.
도 2a 는 본 발명의 실시의 형태 2, 실시예7 에 의한 초음파 진동자를 표시하는 평면도.
도 2b 는 도 2a 의 A-A에 따른 단면도.
도 3 은 비교예 1의 유전체 박막소자용 전극 및 유전체 박막의 구성을 표시하는 단면도.
도 4 는 본 발명의 실시예 1로부터 실시예 6에 의한 유전체 박막소자용 전극 및 유전체 박막의 구성을 표시하는 단면도.
도 5 는 본 발명의 실시예 1에 의한 유전체 소자용 전극의 분석결과를 표시하는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1,12 기판, 2,13 절연막,
5,5` 유전체 박막(誘電 薄膜), 6,14 제1의 금속박막,(밀착층)
7,15 제2의 금속박막(확산억제층),
8,16 제3의 금속박막, 하부전극(주도전층),
16` 상부전극용 파트(주도전층),
16" 하부전극용 파트(주도전층),
20 상부전극,
21 에어브리지,
본 발명에 관한 유전체 박막소자용 전극은, 양도체로 형성되어 당해 전극의 전기신호의 입출력을 주로 해서 담당하는 주도전층과, 이 주도전층과 기판과의 밀착성을 강화하는 밀착층과, 이 두 개의 층간에 개재함으로써, 기판이나 밀착층측에서 주도전층측으로의 원소확산을 억제하는 확산억제층에 의해 구성되는 것이다.
확산억제층은, 밀착층을 구성하는 금속원소의 화합물 또는 산화물인것이고, 바람직하기에는 주도전층의 구성성분을 함유하는 것이다.
이 원소의 확산억제층에는, 원소의 확산방지효과와는 별도로, 주도전층 및 밀착층의 충분한 밀착강도를 갖는 것에 더해 프로세스중에 폭로되는 여러 가지의 환경 등에 대해서도 안정한 것이 필요로 된다.
확산억제층의 형성에 의해 불필요한 막두께의 증가없이, 유전체특성의 열화를 방지할 수가 있다.
하지인 밀착층으로부터의 원소확산의 억제를 하기 위해서는, 확산억제층중에 확산이 예상되는 원소의 화합물을 함유시키는 것이 유효하다.
이 화합물의 형성은, 하지로부터의 확산을 어느 정도 진행한 후, 또는 동시에, 확산원소의 화합물화 처리를 하고, 확산중의 원소를 화합물로서 고정하는 것이유효하며, 이런 처리에 의해, 원소의 주된 확산경로를 폐쇄할 수가 있고, 이 이후 확산은 현저하게 억제된다.
화합물로서는 산화물이 가장 간단하게 얻어지고, 이어서, 질화물을 들 수가 있다.
산화물을 형성할 때는 산화성 가스를 포함한 산화분위기에서 가열처리를 하는 것이 간편하다.
산화성가스로는 산소가스, 오존가스 이산화 질소가스가 유효한 가스종류로 들 수 있다.
이들 가스에 알콘, 질소 등의 반응성이 낮은 가스를 혼합해서 사용해도 된다.
단독가스인 경우에는, 압력, 혼합가스의 가스비 및 압력, 그리고, 온도를 제어함으로써 산화의 정도를 변화시킬 수가 있다.
질화물의 형성은 질화성가스중에서의 프라즈마를 어시스트로 한 질화처리를 함으로써 가능하다.
질화성 가스로는 질소가스, 암모니아가스를 포함하고, 이에 알곤 등의 불활성 가스, 또 수소가스를 혼합해도 된다.
질화물 형성의 경우에는, 산화물 형성과 같이 가스비, 가스압, 온도, 플라즈마 출력을 제어함으로써 질화물 생성의 정도를 변경하는 것이 가능하다.
또 질소이온을 넣어 반응시킴으로써 질화물 형성도 가능하다.
밀착층으로서의 최적한 재료로는, 티탄, 크롬, 탄탈, 바나디움, 니오브, 질코니움 등을 들 수 있고, 이에 대해, 확산억제층중에는, 각각의 산화물 또는 질화물을 함유하고 있는 것이 확산억제효과를 얻기 위해 유효하고, 또 밀착층과 확산억제층의 밀착성, 접합성을 높이는데도 유효하다.
확산억제층중에서의 화합물의 구성비로서는 각층의 형성방법 제조조건에 의해 변화하고 일율적으로는 정할 수 없으나, 금속원소만의 함유량으로 표시한 경우에는, X 선 광전자 분광법으로 분석한 결과, 화합물 유래의 금속원자를 5~70 원자 % 함유하는 조성으로 확산효과가 유효하게 된다.
함유량이 5원자% 이하인 경우에는 확산경로가 충분히 폐쇄되어 있지 않고, 억제효과가 불충분하고, 또 70 원자 % 이하인 경우에는, 확산억제층과 주도전층과의 밀착성이 저하해서 바람직하지 않다.
밀착성에 대해 다이아몬드침을 사용한 스크래치테스터에 의한 시험결과로는 밀착력으로서 50mN를 밑돌면 정착후의 프로세스에서 박리 등의 트러블이 생기기 쉽고, 최저 50mN 바람직하기는 100mN 이상의 밀착력을 갖는 것이 프로세스에 대한 신뢰성을 향상시키는데 유효하다.
일반적인 밀착층으로 티탄, 도전층을 백금으로 한 전극구성전체의 두께가 200nm 정도의 비교적 얇은 전극상에 기판온도 600℃에서 상막시간 1.5시간을 거쳐 유전체박막을 형성한 경우, X 선 광전자 분광법에 의해 분석하면, 주도전층이 되는 백금층 중에는 5~10 원자% 의 티탄이 확산되어 있다.
이 타탄의 확산에 의해 유전체 박막의 결정성의 저하가 생긴다.
유전체 박막의 결정성을 향상시키기 위해서는, 티탄 확산량을 적어도 5원자%보다도 적게하는 것이 유효하다.
확산 억제층과 주도전층의 밀착성을 높이는데는 확산억제층중에 주도전층을 형성하는 금속원소를 함유시키는 것이 유효하다.
주도전층은, 프로세스환경에서 그 기능이 열화하지 않는 재료이면 특히 제한은 없으나, 우수한 재료로는, 백금, 금, 일리듐, 투테늄을 들 수가 있고, 일리듐 산화물도 환경에 의해 쉽게 환원되어 일리듐으로 변화하는 가능성은 있으나, 도전성이 유지된다는 점에서는 사용할 수 있다.
또 루테늄은 산화된 경우에도 도전성이 유지되기 위해 유효하다.
이들 중에서 특히 유효한 조합으로서는 주도전층을 형성하는 재료로서 가장 화학적으로 안정된 백금, 밀착층을 형성하는 재료로서 밀착성이 우수한 티탄, 확산억제층을 형성하는 재료로서 백금과 티탄산화물을 들 수가 있다.
티탄은 산화되기 쉬우므로, 확산억제층 형성공정에서, 신속히 산화되어 산화물이 되고, 확산중의 티탄의 고정화와 확산경로의 폐쇄를 할 수 있다.
본 발명에 관한 유전체 박막소자용 전극의 제조방법은, 제1의 금속박막인 밀착층상에 확산억제층을 구성하는 모재료를 제2의 금속박막으로서 형성하고, 그 후 열처리에 의해 모재료중에 밀착층을 구성하는 원소를 확산시켜, 계속해서 산화처리등의 화합물처리를 하는 제조방법이 유효하다.
이 공정을 채택함으로써 모재료중에 확산 침입한 원소를 화합물화해서 확산침입원소를 고정하는 동시에, 확산경로를 폐쇄하는 것이 가능해지고, 이 공정이후의 밀착층으로부터의 원소확산을 거의 억제할 수 있다.
상기 제조방법의 구체적인 프로세스로서는, 기판상에 최종적으로 밀착층을 형성하는 제1의 금속박막을 형성하고, 이 제1의 금속박막위에 최종적으로 확산억제층을 형성하는 제2의 금속박막을 형성한다.
그후, 제1의 금속박막 및 제2의 금속박막에 산화성 또는 질화성분위기에서의 열처리를 하고, 제2의 금속박막에 제1의 금속박막의 구성원소를 확산시키는 동시에 화합물의 형성을 한다.
그후, 주도전층이 되는 제3의 금속박막을 형성하는 공정을 취하는 것이 유효하다.
이때 제2의 금속박막이 제3의 금속박막의 금속성분을 주로 함유하고 있고, 열처리에 의한 확산, 화합물화를 하면 밀착성을 향상시키는데 유리하다.
또 확산열처리공정과 화합물화 공정을 나누는 것이 유효하고, 확산 열처리시의 분위기를 중성으로 하여, 확산만을 시킴으로써 제2의 금속박막중으로의 제1의 금속원소의 확산을 적극적으로 제어할 수가 있다.
또, 제3의 금속박막의 결정성은, 그 위에 형성되는 유전체박막의 결정성에 직접 영향하기 때문에 우수한 것이 요망된다.
결정성은 대개의 경우 형성온도가 높을수록 우수한 것이 얻어지나, 확산억제층을 갖지 않는 일반적인 전극의 경우, 유전체와 접하는 제3의 금속박막으로 되는 전극층(주도전층)을 고온으로 형성하면, 밀착층으로부터의 원소확산에 의해 결정성이 저하하거나 유전체층에 악영향을 주는 이상(異相)의 생성이 생길 가능성이 크다.
제1의 금속박막은, 티탄, 크롬, 탄탈, 바나듐, 및 니오브중의 한종류이상으로 구성되고, 제2, 제3의 금속박막은 백금, 금, 루테늄 및 일리듐 중 1종류이상으로 구성된 것이다.
본 전극 구성의 경우 확산억제층의 형성에 의해 상기한 확산은 방지되므로, 제3의 금속박막의 형성온도를 자유로이 선택하는 것이 가능하고, 특히 제2의 금속박막 형성후의 열처리온도이상의 고온에서의 제3의 금속박막의 형성이 가능해진다.
이로 인해, 제3의 금속박막의 결정성이 향상되고, 나아가서는 유전체 박막의 결정성, 특성이 개선되고 소자특성의 향상이 실현된다.
본 발명의 전극에 의해, 전극두께가 얇아도 우수한 특성의 유전체 박막을 형성하는 것이 가능해진다.
특히 전극두께가 50000A 이하의 얇은 전극에서, 그 효과는 우수한 것이 되고, 20000A 이하의 전극 막두께에서는 종래형의 확산 억제층을 갖지 않는 전극에 대해, 극히 우수한 효과를 나타낸다.
또, 상기 박막의 형성에 제한은 없고, 어떤형성 수법을 사용한 경우에도 같은 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 초음파진동자는 상기 유전체 박막소자용 전극을 사용해서 형성된 전극을 사용한 것이다.
이하, 본 발명의 실시의 한 형태를 설명한다.
실시의 형태 1
도 1 은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 유전체 박막소자용 전극을 표시하는 단면도이다.
도면에서, 1은 단결정 실리콘의 기판, 2는 2산화실리콘의 절연막, 6은 티탄, 크롬, 탄탈 바나듐, 니오브, 질코니움 등으로 된 밀착층으로서의 제1의 금속박막, 7은 이들 금속의 산화물 또는 질화물로 된 확산억제층으로서의 제2의 금속박막, 8은 백금, 금, 이리듐, 투테늄등으로 된 주도전층으로서의 제3의 금속박막이다.
절연막(2)는 기판(1)상에 실란과 산소를 포함하는 반응가스를 사용해서 플라즈마 CVD 법으로 대표되는 CVD 법에 의해 형성된다.
제1의 금속박막(6)과, 제2의 금속박막(7)은 고주파 마스네트론 스패터법으로 대표되는 PVD법에 의해 형성된다.
이 제1, 제2의 금속박막(6),(7)을 형성한 후, 제2의 금속박막(7)에 확산억제층을 형성하기 위해, 600℃ 정도의 열처리에 의해 제1의 금속박막(6)을 구성하는 티탄 등의 금속원소를 확산시켜, 계속하거나 동시에 산소/알곤계의 산화성 분위기나, 알곤/암모니아계의 질화성 분위기로 제1, 제2의 금속막(6),(7)의 2층 박막의 화합물화 처리를 하고 제2의 금속박막(7)중에 확산침입한 제1의 금속박막(6)의 원소를 산화물 내지 질화물로서 화합물화 해서 이를 제2의 금속박막중에 고정함으로써, 확산경로를 폐쇄한다.
그후, 제3의 금속박막(8)이 제2의 금속박막(7)상에 고주파 마그네트론 스패터법 등의 PVD 법에 의해 형성된다.
또 상기 산화물 내지 질화물 형성 프로세스는 병용해도 된다.
다음, 동작에 대해 설명한다.
상기한 유전체 박막소자용 전극에 의하면, 밀착층으로서의 제1의 금속박막 (6)은 확산억제층으로서의 백금 등의 제2의 금속박막(7)을 통해서, 주도전층인 제3의 금속박막(8)과 기판(1)과의 밀착성을 강화하기 위해 사용되나, 그 주성분인 티탄 등의 금속원소는, 마찬가지로 백금으로 되는 주도전층인 제3의 금속박막(8)에 확산되면, 이상생성, 결정성의 저하를 초래하게 되고, 그 위에 형성되어야할 유전체 박막의 특성이 저하해버린다.
그러나, 제1의 금속박막에서 백금 등의 제2의 금속박막에 확산한 티탄 등의 금속원소는, 그 후의 산화 내지 질화 등의 화합물화 처리에 의해 산화물 내지 질화물이 되어 확산억제층을 형성하고, 완성한 전극 위에 다시 형성되는 유전체 박막중으로의 불필요한 확산을 방지하는 스토퍼로서의 역할을 하는 것이다.
이 결과, 제3의 금속박막에 형성온도를 자유롭게 선택 가능하므로, 700℃ 이상의 고온에서의 형성이 가능해지고, 그 결정성이 향상된다.
따라서, 이러한 전극을 사용해서 완성한 유전체 박막소자의 특성이 실현된다.
또 전극의 두께가 얇아도 주도전층인 제3의 금속박막(8)은 불순물에 의한 성능열화는 볼 수 없고, 유전체 박막을 응용한 거의 대부분의 소자에 대해 적용가능하며, 특히 전극막두께에 제한을 갖는 압전진동자, 초음파 진동자, 초전형 적외선 센서 등에 사용함으로써 소자특성의 향상을 가져오게 할 수 있다.
이상과 같이, 이 실시의 형태 1에 의하면 이 유전체 박막소자용 전극을 사용함으로써, 유전체를 응용한 박막소자 일반에 대해, 이들의 소자의 특성을 결정하는 유전체 박막의 특성을 크게 향상시킬 수 있고, 동시에 소자특성의 고성능화를 실현하는 효과가 얻어진다.
실시의 형태 2
도 2(a)는 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 초음파 진동자를 표시하는 평면도, 도 2(b)는 도2(a)의 A-A 선에 따른 단면도이고, 도면에서, 12는 단결정 실리콘으로 된 기판, 13은 2산화 실리콘으로 되는 절연막, 14는 티탄, 크롬, 탄탈바나디움, 니오브 등으로 되는 밀착층으로서의 제1의 금속박막, 15는 이들의 제1의 금속박막의 산화물 내지 질화물로 된 확산억제층으로서의 제2의 금속박막, 16은 백금 등으로 되는 주도전층으로서의 제3의 금속박막이고 하부전극을 구성하며, 16'은 백금 등으로 되는 상부전극용 패드, 16" 는 하부전극(16)으로부터 인출된 하부전극용 패드, 17은 티탄산연으로 된 유전체박막, 18,19는 각각 티탄, 백금의 2층 구성으로 된 상부전극(20)을 구성하고, 21은 금도금에 의한 에어브리지로, 이것이 상부전극(20)과 접속한다.
이 초음파 진동자의 형성방법에 대해 설명한다.
기관(12)상에 실란과 산소를 포함하는 반응가스를 사용해서 플라즈마 CVD 법으로 대표되는 CVD 법으로 2산화 실리콘계의 절연막(13)을 형성한다.
이 절연막(13)상에 제1의 금속박막(14), 제2의 금속박막(15)으로 된 2층박막을 상기 실시의 형태 1과 같이 해서 고주파 마그네트론 스패터법으로 대표되는 PVD법에 의해 형성되고, 산소/알곤계 내지 알곤/암모니아계의 혼합가스중에서 열처리와 산화처리를 동시에 또는 연속적으로 한다.
이 공정에 의해 백금 등으로 되는 제2의 금속 박막에는 상기한 바와 같이 티탄확산과 그 산화 내지 질화가 진행되고, 밀착층과 확산억제층이 형성된다.
여기에, 제3의 금속박막(16)을 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 형성하고 유전체 박막소자용 전극이 얻어진다.
이 전극에 티탄산연 소결체 타겟을 사용한 고주파 마그네트론 스패터법 등의 PVD 법에 의해 성막해서 유전체 박막(17)이 얻어진다.
이 유전체 박막(17)을 포토리소그래피법을 거쳐 초산과 염산의 혼합액에 의해 에칭해서 100㎛ 각으로 패터닝한다.
그후 이온밀링에 의해 형성한 전극을 티탄산연 막으로 되는 유전체 박막(17)의 하부와, 하부전극용 패드부(16), 그 접속부 및 상부 전극용 패드부(16')를 남기고, 에칭 제거하였다.
이때, 티탄산연막상에 50㎛각의 배금/티탄의 2층 구성으로 되는 상부전극 (20)에서는, 상부전극(20)이 되는 금속막의 증착에는 전자빔 중착법을 사용하고 상부전극(20)의 형상 형성에는 미리 금속막 제거부에 레지스트를 형성해두고, 금속막 중착 후에 레지스트 제거에 의해 불필요한 금속막도 제거해서, 패터닝을 하는 리프트 오프법을 사용하였다.
상부전극(20)과 상부 전극용 패드(16')를 금도금에 의한 에어브리지의 형성에 의해 시행되고, 이들 일련의 공정에 의해, 초음파진동자의 상부구조가 만들어진다.
그후, 기판(12)의 이면에 금/티탄을 에칭 마스크로 해서, 에천트(etchant)로서 수산화 카륨을 사용해서, 기판(12)의 실리콘의 이방성 에칭에 의해 티탄산연 및 전극부하의 기판(12)의 일부를 제거하고, 이로써 초음파 진동자가 완성된다.
다음 동작에 대해 설명한다.
상부전극(20)과 하부전극(16)에 인가된 전압에 의해, 양전극간에서 규정되는 박막층의 두께에 따른 고유진동수로 공진하고, 이로써 일정한 초음파 주파수의 신호를 발생하거나 통과시키거나 하는 것이다.
이상과 같이, 이 실시의 형태 2에 의하면, 초음파 진동자는 이를 구성하는 전극의 유전체박막(17)에 특성열화를 초래하는 불요원소의 혼입이 없으므로, 손실을 감소시키는 효과가 있다.
이하, 비교예를 함고로 해서 실시예를 설명한다.
비교예 1
도 3 은 제작한 전극 및 유전체 박막의 구성도이고, 도면에서, 1은 단결정 실리콘으로 된 기판, 2는 2산화실리콘으로 된 절연막, 3은 티탄층, 4는 백금층, 5' 는 티탄 산연 유전체막으로 된 유전체 박막이다.
기판(1)으로서 단결정 실리콘을 사용하고, 이 기판(1)상에 절연막(2)으로서 반응가스로서 실란과 산소를 사용하고 성막온도 300℃ 로 한 플라즈마 CVD(Chemical Vapour Deposition)법에 의해 막두께 약 200nm 의 2산화 실리콘막을 형성하였다.
이 절연막(2)상에 막두께 30nm 의 티탄층(3)과 막두께 70nm 의 백금층으로되는 2층 박막을 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 제작하였다.
이 2층 박막으로 된 전극상에, 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 호합가스중, 압력 1Pa에서, 직경 3인치의 연 20mol% 과잉 티탄산연 소결체 타겟을 사용한 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 고주파 파워 100w, 기판온도 600℃ 약 1시간의 성막을 하였다.
이 결과 막두께 95000A 의 티탄산연으로 되는 유전체 박막 (5')가 얻어졌다.
얻어진 유전체 박막 (5')를 X선회절법에 의해 그 결정성과 배향 특성의 평가를 하였다.
배향특성의 평가에는 일반적으로 사용되고 있는 2θ 각도고정, θ각 구동에 의한 로킹 커브법을 사용하였다.
이 평가에 의하면, 상기 2층 박막 전극상에 얻어진 티탄산연의 유도체 박막 (5')는 (111)결정면이 기판 1 면에 평행하게 배향되어 있고, 로킹커브 측정에 의한 σ치는 2.90였다.
σ 치는 작을수록 특정면에 배향해 있는 정도가 강한 것을 표시한다.
또, 배향면인(111)면으로부터의 회절 X 선의 강도는 11000 counts 였다.
이 강도에 대해서는 강도가 클수록 높은 결정성을 갖는 것을 표시한다.
또 X선 광전자 분광법에 의해, 박막을 깎으면서, 전극부의 분석을 하였다.
원소량을 얻어진 각 원소의 피크면적으로 예측, 조성의 평가를 한바, 유전체 박막 (5')하의 주도전층인 백금층(4)중의 티탄량은 25원자% 였다.
이하 비교예를 참고로 해서 실시예를 설명한다.
실시예1
도 4 는 제작한 유전체 박막소자용 전극 및 유전체 박막을 표시하는 구성도이다.
6은 티탄으로 되는 밀착층으로서의 제1의 금속박막, 7 은 백금으로 되는 확산억제층으로서의 제2의 금속박막, 8은 백금으로 되는 주도전층으로서의 제3의 금속박막, 기타의 구성은 상기 비교예 1과 같으므로, 동일부분에는 동일부호를 붙여서 중복설명을 생략한다.
상기와 같이, 기판(1)상에 절연막(2)으로 실란과 산소를 사용하고, 성막온도 300℃ 로 한 플라즈마 CVD 법에 의해 막두께 약 200nm 의 2산화실리콘막을 형성하였다.
이 절연막(2)상에, 티탄 막두께 30nm 의 제1의 금속박막(6)과, 백금막 두께 35nm 의 제2의 금속박막(7)으로 되는 2층 박막을 100% 알곤분위기, 압력 0.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 티탄은 실온에서, 백금은 600℃에서 제작하였다.
이 2층 박막을 형성 후, 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm) 알곤가스 90% (유량 90ccm) 의 혼합가스중, 압력 1pa에서, 온도 550℃, 약 1시간의 열처리 및 산화처리를 하였다.
이 공정에 의해 백금층 즉 제2의 금속박막(7)중으로의 티탄확산과 이 확산티탄의 산화가 되어 밀착층과 확산 억제층이 형성되는다.
또, 주도전층이 되는 백금막두께 35nm 의 제3의 금속 박막(8)을 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 알곤가스 100%, 가스압 0.5Pa, 표 1 에 기재한 기판온도에서 형성하였다.
얻어진 전극상에 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 혼합가스중, 압력 1pa에서, 직경 3인치의 연 20mol % 과잉티탄산연 소결체 타겟을 사용한 마그네트론 스패터법에 의해 고주파 파워 100w 기판온도 600℃에서 약 1시간의 성막을 하였다.
이 결과, 막두께 95000A 의 티탄산연의 유전체박막(5)이 얻어졌다.
얻어진 유전체박막(5)을 비교예 1과 같이 평가한바, 결정배향은(111)결정면이 기판면에 평행으로 배향되어 있고, 로킹커브측정에 의한 σ치, 배향면인(111)면으로부터의 회절 X 선의 강도를 표1에 표시하였으나, 어느 것도 배향성, 결정성의 향상이 인정되었다.
또, X 선 광전자 분광법에 의해 분석한 유전체 박막(5)하의 주도전층인 제3의 금속박막(8)중의 티탄량을 표1에 표시하였으나 어느 시료에서도 확산 억제가 확인되었다.
[표 1]
또, X 선 광전자분광법(XPS)에 의해, 전극 깊이방향의 원소분포를 분석하였으나, 그 전형 예를 도 5 에 표시하였다.
제2의 금속박막을 600℃ 로 형성한 시료의 결과이다.
XPS 에서는 원소의 화학결합상태에 관한 분석결과가 얻어지는 것으로, 도 5 에는 티탄 Ti2P, 산소 01S, 및 백금 Pt4f 로부터의 신호를 기준으로 한 원소분포를 표시하였다.
이들의 분포에서 생각하면, 전극은 대략 백금만으로 된 주도전층, 백금과 티탄산화물으로 된 확산억제층, 티탄이 주체가 되고, 이와 제2의 금속박막(7)에서 확산한 백금으로 형성되는 밀착층으로 구성되어 있는 것을 알았다.
실시예 2
상기 실시예 1 과 같이해서, 기판(1)상에 절연막(2)을 형성하였다.
이 절연막(2)상에 표2에 기재한 재료에 대해서는 밀착층이 되는 제1의 금속박막(6)에 대해서는 막두께 30nm, 확산억제층이 되는 제2의 금속박막(7)에 대해서는 막두께 35nm를 100% 알곤분위기, 압력 0.59a에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 제작한 이 2층박막을 형성 후, 체적비로서 산소가스 10%, 알곤가스 90% 의 혼합가스중, 압력 1Pa에서 온도 600℃, 약 1시간의 열처리 및 산화처리를 하였다.
이 공정에 의해 밀착층과 확산 억제층이 형성되는다.
또, 주도전층이 되는 제3의 금속박막(8)을 표 2 에 기재한 재료에 의해 35nm 의 막두께로 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 형성하였다.
얻어진 전극상에 실시예 1과 같이 해서 티탄산연 유전체막을 형성하였다.
얻어진 유전체 박막을 비교예 1 과 같이 해서 평가한 결과를 표2에 맞추어 표시하였다. 어느 것이나, 결정성과 배향성의 향상이 인정되고, 밀착층 원소의 확산도 억제되어 있다.
[표 2]
실시예 3
실시예 1 과 같이해서, 기판(1)상에 절연막(2)을 형성하였다.
이 절연막(2)상에 밀착층이 되는 알곤 100%, 가스압 0.5Pa, 실온에서 고주파 마그네트론 스패터법으로 30nm의 티탄박막을 형성하였다.
마찬가지로 해서, 표 3 에 기재한 막두께의 백금을 100% 알곤분위기, 압력 6.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 제작하였다.
이 2층 박막을 형성 후, 체적비로 산소가스 10%, 알곤가스 90% 의 혼합가스중, 압력 1Pa에서, 표 3 에 기재한 조건으로 열처리를 하고 밀착성과 확산억제층을 형성하였다.
또, 주도전층이 되는 35nm 의 막두께의 백금을, 알곤 100%, 가스압 0.5Pa, 실온에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 형성하였다.
얼어진 전극상에, 실시예 1과 같게 하여 티탄산연의 유전체박막(5)을 형성하였다.
얻어진 유전체박막(5)의 배향특성결정성을 비교예 1과 같이 해서 평가한 결과 및 확산억제층의 조성을 XPS에 의해 구한 결과를 표 3 에 맞추어 표시하였다.
또, 밀착력에 대해서는 다이아몬드 침에 의한 스크래치 시험기에 의해 티탄산 연막이 부착하지 않은 부분에서 평가하였다.
그 결과도 아울러 표 3 에 표시하였다.
[표 3]
실시예 4
실시예 1과 같이해서 기판(1)상에 절연막(2)를 형성하였다.
이 절연막(2)상에 알곤가스 100% 가스압 0.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 성막을 하고, 티탄 막두께 30nm 의 제1의 금속박막(6)을 형성하였다.
그후 백금과 티탄의 복합타겟을 사용해서 알곤가스 60%, 암모니아 가스 40% 중, 가스압 1Pa로 한 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 기판온도 600℃에서 40nm 의 제2의 금속박막(7)형성을 하였다.
XPS에 의한 분석결과, 백금은 금속으로, 티탄은 질화물을 형성하고 있고 금속원소만의 조성에서는 백금 60 원자 %, 티탄 40원자 %였다.
또 이 혼합막 상에 마두께 35nm 의 백금을 100% 알곤분위기, 압력 0.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 실온에서 제작하여 전극을 얻었다.
얻어진 전극상에 실시예 1과 같이해서 티탄산연 유도체막을 형성하였다.
얻어진 유전체 박막은(111)면에 배향해 있고, 그 a 치는 2.10, (111)면의 X선 회절강도는 18000 counts/sec 였다.
실시예 5
실시예 1과 같이해서, 백금 박막의 제2의 금속박막(7)까지 형성하였다.
이 티탄과 백금으로 되는 2층 박막을 100% 알곤분위기, 압력 0.5Pa에서 1시간의 아닐을 하고, 제2의 금속박막(7)의 백금층중으로의 티탄 확산을 하였다.
이 2층박막을 형성 후, 체적비로서 산소가스 10% 알곤가스 90%의 혼합가스중, 압력 1Pa에서 온도 600℃, 약 1 시간의 산화처리를 하였다.
이 공정에 의해 백금층 중의 티탄의 산화가 되고, 밀착층과 확산억제층이 형성되는다.
또, 주도전층이 도는 백금막 두께 35nm 의 제3의 금속박막(8)을 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 형성하였다.
형성방법은 실시예의 제2의 금속박막(7)의 백금과 같다.
얻어진 전극상에, 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 혼합가스중, 압력 1Pa에서, 직경 3인치의 연 20mol% 과잉티탄산연의 유전체 박막(5)을 얻었다.
얻어진 유전체박막(5)를 비교예 1과 같이 해서 평가한바 결정배향은 (111)결정면이 기판면에 평행하게 배향해 있고, 로킹커브측정에 의한 치는 1.5°, 배향면인 (111)면으로부터의 회절 X 선의 강도는 75000Counts/sec, 이고, 배향성, 결정성의 향상이 인정되었다.
또, X선 광 전자분광 법에 의한 조성평가에서는 유전체 박막 근방의 백금층 중의 티탄량은 0.8 원자 %이고 티탄의 확산 억제가 확인되었다.
실시예 6
실시예 1과 같이 해서 백금 박막의 제2의 금속박막(7)까지 형성하였다.
이 티탄과 백금으로 되는 2층 박막을 100% 알곤분위기, 압력 0.5Pa에서 1시간 아닐을 해서 제2의 금속박막(7)의 백금층 중으로의 티탄 확산을 하였다.
이 2층 박막을 형성한 후, 체적비로서 산소가스 10% 알곤가스 90% 의 혼합가스중 압력 1Pa에서 온도 600℃ 약 1시간의 산화처리를 하였다.
이 공정에 의해, 백금층중의 티탄의 산화가 되고, 밀착층과 확산억제층이 형성된다.
또 주도전층이 되는 막두께 35nm 의 백금을 알곤가스 100%, 압력 0.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 기판온도 650℃로 형성하였다.
얻어진 전극상에 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 혼합가스중, 압력 1Pa에서, 직경 3인치의 연 20mol % 과잉티탄 산연 소결체 타겟을 사용한 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 고주파 파워 100w, 기판온도 600℃에서 약 1시간의 성막을 하고, 막두께 9500Å의 티탄산연의 유전체 박막(5)을얻었다.
얻어진 유전체 박막(5)을 비교예 1과 같이 해서 평가한 바, 결정배향은(111)결정면이 기판면에 평행으로 배향하고 있고, 로킹커브측정에 의한 치는 1.3°, 배향면인(111)면으로부터의 회절 X 선의 강도는 75000 Counts/sec이고, 배향성, 결정성의 향상이 인정되었다.
또 X선 광전자 분광법에 의한 조성평가에서는 유전체 박막근방의 백금층중의 티탄량은 1.2 원자% 이고, 티탄이 확산억제가 확인되었다.
실시예 7
실시예 1의 전극, 유전체 막에 의해 초음파 진동자를 제작하였다.
도 2(a),(b)를 참고로 해서 이하 설명한다.
기판(12)으로서 단결정 실리콘을 사용하고, 이 기판상에 절연막(13)으로서 반응가스로서 실단과 산소를 사용하고, 성막온도 300℃로 한 플라즈마 CVD (chemical Vapour Deposition)법에 의해 막두께 약 200nm 의 2산화 실리콘막을 형성하였다.
이 절연막(13)상에 티탄 막두께 30nm 의 제1의 금속박막(14), 백금막 두께 35nm 의 제2의 금속박막(15)의 2층 박막을 100% 알곤분위기, 압력 0.5Pa에서 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 티탄은 실온에서 백금은 600℃에서 제작하였다.
이 2층 박막을 형성한 후, 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 혼합가스중, 압력 1Pa에서 온도 600℃ 약 1시간의 열처리 및 산화처리를 하였다.
이 공정에 의해 제2의 금속박막(15)의 백금층 중으로의 티탄 확산과, 확산한 티탄의 산화가 되어, 밀착층과 확산억제층이 형성된다.
또 주도전층이 되는 백금막두께 35nm 의 제3의 금속박막(16)을 알곤가스 100% , 분위기중, 가스압 0.5Pa, 실온에서 고주파 마그네트론 스패터법으로 형성하였다.
얻어진 전극상에, 체적비로서 산소가스 10%(유량 10ccm), 알곤가스 90%(유량 90ccm)의 혼합가스중, 압력 1Pa에서 직경 3인치의 연 20mol% 과잉티탄산연 소결체 타겟을 사용한 고주파 마그네트론 스패터법에 의해 고주파 파워 100W, 기판온도 600℃로 약 1시간의 성막을 하였다.
이 결과, 막두께 9500Å의 티탄산연의 유전체 박막(17)이 얻어졌다.
얻어진 유전체 박막을 초산과 염산의 혼합액으로 100㎛ 각으로 패터닝하였다.
그후 이온 밀링으로 형성한 전극을 티탄산연의 유전체 박막(17)하부와 하부전극용 패드부(16")과, 그 접속부 및 상부전극용 패드부(16')를 남기고 에칭 제거하였다.
티탄산연의 유전체 박막(17)상에 50㎛ 각의 백금/티탄 구성으로 되는 상부전극(20)의 형상형성에는 미리 금속막 제거부에 레지스트를 형성해두고, 금속막 중착후에 레지스트 제거에 의해 불필요한 금속막도 제거해서, 패터닝을 하는 리프트 오프법으로 형성하였다.
상부전극(20)과, 상부전극용 패드(16')를 금도금에 의한 에어브리지(21)의형성에 의해 실행하고, 초음파 진동자의 상부구조를 형성한다.
그후이면 에칭은 금/티탄을 에칭 마스크로 해서 수산화 칼륨을 사용해서 하였다.
실리콘의 이방성 에칭에 의해 티탄산연 및 전극부하의 기판(12)을 부분적으로 제거하고, 공동(22)을 형성함으로써 초음파 진동자를 제작하였다.
얻어진 초음파 진동자는, 종래의 전극을 사용한 진동자에 비해, 결정성이 우수한 유전체 박막을 갖고, 그 손실을 표시하는 Q 치는 종래 70 이었으나, 약 2배의 개선이 되어, 150으로 개선되었다.
본 발명에 의하면, 기판 또는 밀착층으로부터 주도전층으로의 원소확산을 억제하는 확산억제층을 구비하도록 구성하였으므로, 주도전층 형성시에 결정성을 높이기 위해 고온 처리를 해도 확산 억제층이 주도전층으로의 원소확산을 저지하므로, 내부에 이상을 생성하는 일은 없다.
따라서, 주도전층의 결정성은 우수한 것이 되고, 그 위에 형성되어야할 유전체 박막에도 결정성의 저하는 일어나지 않는다.
따라서, 원성된 유전체 박막소자용 전극을 소자의 응용하면 소자특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 상기한 유전체 박막소자용 전극을 사용해서 형성된 초음파 진동자를 구성하였으므로, 주도전층상에 형성되는 유전체 박막의 결정성은 우수한 특성을 표시하였으므로, 손실을 억제한 고성능의 것이 되는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 제1, 제2의 금속박막을 산화처리 또는 질화처리하는 단계와, 제2의 금속 박막상에 제3의 금속박막을 형성하는 단계를 구비하도록, 구성하였으므로, 제1의 금속박막은 밀착층을 형성하고, 제2의 금속박막은 확산억제층을 형성하고, 제3의 금속박막은 기판 내지 밀착층으로부터의 원소확산이 없는 결정성이 높은 주도전층을 형성한다.
따라서, 제3의 금속박막상에 형성되는 유전체 박막의 결정성은 우수한 것이 되고 이를 응용한 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 유전체 박막으로의 주로 전기신호의 입출력을 하는 주도전층과, 기판과 주도전층을 밀착시키는 밀착층과, 상기 주도전층과 상기 밀착층 사이에 형성되어 있는 기판 또는 상기 밀착층에서 상기 주도전층으로의 원소확산을 억제하기 위하여 밀착층을 구성하는 금속원소의 산화물 또는 질화물과 주도전층을 구성하는 금속원소를 함유하는 확산억제층을 구비한 유전체 박막소자용 전극.
  2. 유전체 박막으로 주로 전기신호의 입출력을 하는 주도전층과, 기판과 주도전층을 밀착시키는 밀착층과 상기 주도전층과 상기 밀착층과의 사이에 형성되어있고, 기판 또는 상기 밀착층으로부터 상기 주도전층으로의 원소확산을 억제하기 위하여 밀착층을 구성하는 금속원소의 산화물 또는 질화물과 주도전층을 구성하는 금속원소를 함유하는 확산방지층을 구비한 유전체 박막소자용 전극을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 초음파진동자.
  3. 기판상에 제1의 금속박막을 형성하는 단계와, 이 제1의 금속 박막상에 제2의 금속박막을 형성하는 단계와 상기 기판상에 형성된 제1, 제2의 금속박막을 산화처리 또는 질화처리하는 단계와, 상기 제2의 금속박막상에 제3의 금속박막을 형성하는 단계를 구비한 유전체 박막 소자용 전극의 제조방법.
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