KR100847528B1 - 박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 박막 벌크 음향 공진기 제조방법에 있어서, 기판 상에 지지층 및 버퍼층을 수소화된 비정질 탄소 박막으로 형성하는 단계를 포함하는 제조방법 및 공진기를 제공함으로써, 기판 상부의 지지층 및 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막(a-C:H)을 사용하여 기판과 전극, 그리고 전극과 압전층 간의 접착력을 증가시켜 지지층의 강도 및 공진주파수 특성을 향상시키는 효과가 있다.
박막 벌크 음향 공진기(FBAR), 수소화된 비정질 탄소 박막

Description

박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조방법{Film bulk acoustic resonator and method for fabricating the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 구조를 간략하게 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 구조를 간략하게 보인 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 제조과정을 보인 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 마그네트론 스퍼터링 시 인가되는 음의 DC 바이어스 전압에 의한 박막의 경도값을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 마그네트론 스퍼터링 시 인가되는 음의 DC 바이어스 전압에 의한 표면 거칠기값을 나타내는 그래프.
**도면에 사용된 주요부호에 대한 설명**
100 : 실리콘 기판 200 : 지지층
300 : 하부 알루미늄 전극 400 : 버퍼층
500 : 산화아연(ZnO) 압전층 600 : 상부 알루미늄 전극
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소화된 비정질 탄소 박막(a-C:H)을 버퍼층으로 활용하여 공진주파수 특성을 향상시키도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 멀티미디어, 바이오, 지피에스(GPS) 등 다기능 휴대용 단말기에 대한 수요는 점점 증가 추세이다. 다기능을 가진 휴대용 단말기는 휴대가 용이한 작은 사이즈에 여러 기능적 요소를 첨부하기 위해서는 통신부품이 차지하는 면적을 최소화 시켜야 한다. 그 중 1 GHz 아래의 주파수 대역에서 사용되는 표면탄성파(Surface Adcoustic Wave, SAW) 공진기가 널리 사용되고 있는데, 상용 주파수 대역이 1 GHz 이상으로 올라감에 따라 SAW 소자는 성능이 좋지 못할 뿐만 아니라 공정이 복잡하고 하나의 칩으로 제작이 불가능하다는 문제점이 야기되고 있다.
따라서 박막형 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)는 고주파대역에서 좋은 특성을 갖기 때문에 널리 연구되고 있다.
일반적으로 FBAR 소자는 구조적 특징에 따라 에어 겝, 브래그 리플렉터 및 멤브레인형에 대한 3가지 형태로 제작이 가능하다. 이중 에어 겝형은 인용예1(한국등록특허 2006-550858호)에서와 같이 압전 박막을 중심으로 상하부 전극을 형성하는 샌드위치 구조와 하부전극 밑에 에어 갭과 절연층을 형성하여 희생층을 최종적 으로 제거하는 방법을 이용하는 것으로, 에어 갭을 형성한 후 공진을 유발시키면 에어 갭 부분의 붕괴와 접착이 발생하여 소자 특성의 저하를 유발시키는 문제점이 있었다.
또한, 브래그 리플렉터형은 다층의 반사층을 적층하여 이들의 음향 임피던스 차이가 많이 나는 물질을 적절한 두께()로 적층하여 하부전극의 아래층 임피던스가 공기처럼 0이나 무한대로 최대한 수렴되도록 하여 정재파를 일으키도록 하는 구조로 에칭 및 식각 시 피해가 없고 견고한 소자를 제공하는 것으로, 인용예2(한국공개특허 제2001-00084호)에서와 같이 다층의 반사층 형성 시 텅스텐, 크롬, 니켈 및 열산화막(SiO2)의 정확한 두께제어를 통하여 격층으로 증착해야 하는 어려움과 하부전극 위에 스퍼터링 방법에 의한 압전 층 성장 시 그 특성이 하부전극에 의존하여 균일한 특성을 갖는 압전 박막을 얻기가 어려운 문제점이 있었다.
또한, 멤브레인형은 인용예3(한국공개특허 2003-73842호)에서와 같이 압전층을 중심으로 상하부 전극을 형성하고, 지지층으로 실리콘 나이트리드를 형성한 후, 후면 에칭을 수행하여 소자를 제작하는 것으로, 지지층의 붕괴 결함을 방지할 수 없다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안한 것으로서, 기판 상부의 지지층 및 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막(a-C:H)을 사 용하여 기판과 전극, 그리고 전극과 압전층 간의 접착력을 증가시켜 지지층의 강도 및 공진주파수 특성을 향상시키도록 하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상부에 형성되는 지지층, 상기 지지층 위에 형성되는 하부 알루미늄 전극의 상부에 형성되는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성되는 압전층 상부에 다시 형성되는 상부 알루미늄 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기 제조방법은, 박막 벌크 음향 공진기 제조방법에 있어서, 기판 상에 지지층 및 버퍼층을 수소화된 비정질 탄소 박막으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기 제조방법은, 박막 벌크 음향 공진기 제조방법에 있어서, 기판 상에 수소화된 비정질 탄소 박막을 지지층으로 형성하는 단계, 상기 지지층 상에 하부 알루미늄 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 알루미늄 전극 상에 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 압전층을 형성하는 단계 및 상기 압전층 상에 상부 알루미늄 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 구조를 간략하게 보인 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 구조를 간략하게 보인 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 박막 벌크 음향 공진기는 기판(100), 상기 기판(100) 상부에 형성되는 지지층(200), 상기 지지층(200) 위에 형성되는 하부 알루미늄 전극(300), 상기 하부 알루미늄 전극(300)의 상부에 형성되는 버퍼층(400), 상기 버퍼층(400) 위에 형성되는 산화아연(ZnO) 압전층(500), 상기 산화아연(ZnO) 압전층(500) 상부에 다시 형성되는 상부 알루미늄 전극(600)으로 구성한다.
또한, 상기 지지층(200) 및 버퍼층(400)은 수소화된 비정질 탄소 박막(a-C:H)으로 이루어진다.
이와 같이 구성한 본 발명의 실시예에 따른 제조과정을 첨부한 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 제조과정을 보인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 마그네트론 스퍼터링 시 인가되는 음의 DC 바이어스 전압에 의한 박막의 경도값을 나타내는 그래프이다.
도 3에 도시한 바와 같이 먼저 기판(100) 상에 수소화된 비정질 탄소 박막으로 지지층(200)을 형성하는데(Step 1), 이때 비대칭 마그네트론 스퍼터링법으로 증 착한다.
또한, 상기 스퍼터링 시 인가되는 음의 직류(DC) 바이어스 전압은 0 ~ 200V의 범위에서 인가하는데, 도 4에 도시한 바와 같이 음의 DC 바이어스 전압을 0 ~ 200V까지 순차적으로 인가한 결과 200V일 때 최적의 경도인 26 GPa를 나타내는 것을 알 수 있다.
그리고 스퍼터링 가스로는 아르곤 가스(Ar)를 사용하며, 증착가스는 아세틸렌 가스(C2H2)를 사용한다.
이때, 상기 아르곤 가스(Ar) 및 아세틸렌 가스(C2H2)는 각각 7 : 3의 비율로 설정되어 20 sccm 및 4.2 sccm이 주입되며, 증착온도 100℃에서 400nm의 두께로 형성한다.
이후, 상기 단계(Step 1)에서 형성된 지지층(200) 상에 하부 알루미늄 전극(300)을 형성하는데(Step 2), 상기 하부 알루미늄 전극(300)은 알에프(RF) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 20nm ~ 300nm의 두께로 형성한다.
상기 단계(Step 2)가 완료되면 상기 하부 알루미늄 전극(300) 상에 버퍼층(400)으로 수소화된 비정질 탄소 박막을 형성한다(Step 3).
이때, 상기 버퍼층(400)은 상기 지지층(200)과 동일한 수소화된 비정질 탄소 박막으로 이루어지며, 도 5에 도시한 바와 같이 그 형성과정은 상기 지지층 형성과정과 동일하며, 음의 DC 바이어스가 200V일 때 최적의 0.2nm의 표면 거칠기값을 가지는 것을 알 수 있다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 압전층(500)을 형성하며(Step 4), 상기 압전층(500)은 펄스 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 형성하는데, 상기 압전층(500) 형성 시 아르곤 가스(Ar)와 산소(O2)의 비율이 24 : 6의 제1 조건 및 증착온도 50℃ ~ 500℃에서 100W ~ 150W의 제2 조건으로 형성한다.
상기 단계(Step 4)가 완료되면 상기 압전층(500) 상에 상부 알루미늄 전극(600)을 형성하는데(Step 5), 이때 상기 상부 알루미늄 전극(600)은 알에프(RF) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 20nm ~ 300nm의 두께로 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 박막 벌크 음향 공진기 및 그 제조방법은, 기판 상부의 지지층 및 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막(a-C:H)을 사용하여 기판과 전극, 그리고 전극과 압전층 간의 접착력을 증가시켜 지지층의 강도 및 공진주파수 특성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 박막 벌크 음향 공진기 제조방법에 있어서,
    기판 상에 지지층 및 버퍼층을 수소화된 비정질 탄소 박막으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지층 및 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 비대층 마그네트론 스퍼터링법으로 증착 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 음의 직류 바이어스 전압을 0 ~ 220V 범위에서 인가하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 스퍼터링 가스와 증착 가스로 아르곤(Ar) 및 아세틸렌(C2H2) 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 아르곤 가스(Ar)와 아세틸렌 가스(C2H2)는
    각각 7 : 3의 비율로 설정되고, 각각 20 sccm 및 4.2 sccm을 주입하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지층 상에 하부 알루미늄 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하부 알루미늄 전극은
    알에프(RF) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 20nm ~ 300nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  8. 박막 벌크 음향 공진기 제조방법에 있어서,
    기판 상에 수소화된 비정질 탄소 박막을 지지층으로 형성하는 단계,
    상기 지지층 상에 하부 알루미늄 전극을 형성하는 단계,
    상기 하부 알루미늄 전극 상에 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막을 형성하는 단계,
    상기 버퍼층 상에 압전층을 형성하는 단계 및
    상기 압전층 상에 상부 알루미늄 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지층 및 버퍼층으로 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 비대층 마그네트론 스퍼터링법으로 증착 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지층 및 버퍼층을 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시에 증착온도 100℃에서 400nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 음의 직류 바이어스 전압을 0 ~ 220V 범위에서 인가하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 수소화된 비정질 탄소 박막 형성 시 스퍼터링 가스와 증착 가스로 아르 곤(Ar) 및 아세틸렌(C2H2) 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 아르곤 가스(Ar)와 아세틸렌 가스(C2H2)는
    각각 7 : 3의 비율로 설정되고, 각각 20 sccm 및 4.2 sccm을 주입하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 하부 알루미늄 전극은
    알에프(RF) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 20nm ~ 300nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 압전층은 펄스 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 펄스 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 형성된 상기 압전층은
    아르곤 가스(Ar)와 산소(O2)의 비율이 24 : 6인 제1 조건 및 증착온도 50℃ ~ 500℃에서 아르곤 가스와 산소에 가해지는 펄스 직류 전력이 100W ~ 150W인 제2 조건으로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  17. 제8항에 있어서, 상기 상부 알루미늄 전극은
    알에프(RF) 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 20nm ~ 300nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기 제조방법.
  18. 기판,
    상기 기판 상부에 형성되는 지지층,
    상기 지지층 위에 형성되는 하부 알루미늄 전극의 상부에 형성되는 버퍼층,
    상기 버퍼층 위에 형성되는 압전층 상부에 다시 형성되는 상부 알루미늄 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 지지층 및 버퍼층은 수소화된 비정질 탄소 박막인 것을 특징으로 하는 박막 벌크 음향 공진기.
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