KR100865652B1 - 압전 박막 공진자 - Google Patents
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Abstract
실리콘 단결정으로 이루어지는 기판 (12), 그 위에 형성되는 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막으로 이루어지는 하지막 (13) 및 그 위에 형성되는 압전 적층 구조체 (14) 를 갖는다. 하지막 (13) 의 일부와 압전 적층 구조체 (14) 의 일부를 포함하여 진동부 (21) 가 구성된다. 압전 적층 구조체 (14) 는 하부 전극 (15), 압전체막 (16) 및 상부 전극 (17) 을 이 순서대로 적층시켜 이루어진다. 기판 (12) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역에서 진동부 (21) 의 진동을 허용하는 공극을 형성하는 비아홀 (20) 을 갖는다. 압전체막 (16) 은 알칼리 토류 금속 및/또는 희토류 금속을 0.2 ∼ 3.0 at% 함유하는 질화알루미늄 박막이다. 이로써, 전기 기계 결합계수가 크고 음향적 품질계수 (Q 값) 및 주파수 온도 특성이 우수하고 고특성이며 고성능인 압전 박막 공진자가 제공된다.
압전 박막 공진자
Description
본 발명은 이동체 통신기 등에 이용되는 박막 공진기, 박막 VCO (전압 제어 발신기), 박막 필터, 송수신 전환기나 각종 센서 등 광범위한 분야에서 이용되는 압전체 박막을 이용한 소자인 압전 박막 공진자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이와 같은 압전 박막 공진자의 압전체 박막으로서 유용한 질화 알루미늄 박막을 이용한 적층체에 관한 것이다.
압전 현상을 응용한 소자는 광범위한 분야에서 이용된다. 휴대전화기 등의 휴대기기에 있어서, 소형화와 저소비 전력화가 진행되는 가운데, RF용 및 IF용 필터로서 탄성 표면파 (Surface Acoustic Wave: SAW) 소자의 사용이 확대되고 있다. SAW 필터는 설계 및 생산 기술 향상에 따라 사용자의 엄격한 요구 사양에 대응되어 왔으나, 이용 주파수의 고주파수화와 함께 특성 향상의 한계에 이르러 전극 형성의 미세화와 안정된 출력 확보의 양면에서 큰 기술 혁신이 필요하게 되었다.
한편, 압전체 박막의 두께 진동을 이용한 박막 벌크파 공진자 (Thin Film Bulk Acoustic Resonator: 이하 FBAR), 적층형 박막 벌크파 공진기 및 필터 (Stacked Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters: 이하 SBAR) 는, 기판에 형성된 얇은 지지막 상에 주로 압전체로 이루어진 박막과 이것을 구동시키는 전극을 형성한 것으로, GHz 대에서의 기본 공진이 가능하다. FBAR 또는 SBAR로 필터를 구성하면, 현저히 소형화시킬 수 있으며 저손실ㆍ광대역 동작이 가능함과 동시에 반도체 집적회로와 일체화시킬 수 있으므로, 향후의 초소형 휴대기기로의 응용이 기대된다.
탄성 표면파를 이용한 공진기, 필터 등에 응용되는 SAW 필터는 니오브산리튬, 탄탈산리튬 등의 압전체 단결정으로 이루어진 웨이퍼 표면에, 탄성 표면파를 여진시키기 위한 빗살형 전극이나 반사기를 형성한 다음 1 소자 단위로 분리함으로써 제조된다. 또한, 최근에는 다음과 같은 SAW 필터의 제조방법도 검토되고 있다. 실리콘 등의 반도체 단결정 기판이나 실리콘 웨이퍼 상에 다결정 다이아몬드를 형성하여 이루어진 경질 기판 등의 상에, 각종 박막 형성방법으로 압전체 박막을 형성한다. 다음으로, 미세 가공, 패터닝에 의해 이 압전체 박막의 표면에 탄성 표면파를 여진시키기 위한 빗살형 전극이나 반사기를 형성한다. 마지막에 1 소자 단위로 분리함으로써 SAW 필터를 획득한다.
또한, 탄성파를 이용한 공진기, 필터 등에 응용되는 FBAR, SBAR 등의 박막 압전 소자 (이는 압전 박막 소자라고도 함) 는 다음과 같이 제조된다. 실리콘 등의 반도체 단결정 기판이나 실리콘 웨이퍼 상에 다결정 다이아몬드를 형성하여 이루어진 기판 또는 엘린바 등의 항탄성 금속으로 이루어진 기판 상에, 각종 박막 형성방법으로 유전체 박막, 도전체 박막 또는 이들의 적층막으로 이루어진 하지막 (base film) 을 형성한다. 이 하지막 상에 압전체 박막을 형성하고, 또한 필요에 따른 구성을 갖는 상부 구조를 형성한다. 각 층을 형성한 다음에 또는 전체층을 형성한 다음에, 각각의 막에 물리적 처리 또는 화학적 처리를 실시함으로써 미세 가공, 패터닝을 행한다. 이방성 에칭에 의해 기판으로부터의 압전체 박막의 진동부 아래에 위치하는 부분을 제거한 플로팅 구조를 제조한 다음, 마지막에 1 소자 단위로 분리함으로써 압전 박막 공진자 (이는 박막 압전 공진자라고도 함) 를 획득한다.
예컨대, 일본 공개특허공보 소58-153412호 또는 일본 공개특허공보 소60-142607호에 기재된 박막 압전 소자는, 기판 상에 하지막, 하부 전극, 압전체 박막, 상부 전극을 형성한 다음에, 기판 이면으로부터 진동부가 되는 부분 아래에 위치되는 기판 부분을 제거하여 비아홀을 형성함으로써 제조되었다.
박막 압전 소자용 압전 재료로는, 질화알루미늄 (AlN), 산화아연 (ZnO), 황화카드뮴 (CdS), 티타늄산납 [PT](PbTiO3), 티타늄산지르콘산납[PZT](Pb(Zr,Ti)O3) 등이 사용된다. 특히, AlN은 탄성파의 전파 속도가 빠르므로, 고주파 대역에서 동작하는 박막 공진기나 박막 필터용 압전 재료로서 적합하다.
지금까지 AlN 박막을 FBAR 또는 SBAR에 적용시키기 위해서 여러 검토가 이루어져 왔다. 그러나, 아직 GHz 대역에서 충분한 성능을 발휘하는 박막 공진기 및 박막 필터를 획득하지 못하였으므로, AlN 박막의 음향적 품질계수 (Q 값), 주파수 온도 계수 및 삽입 손실의 개선이 요망된다. 음향적 품질계수 (Q 값), 광대역 동작, 주파수 온도 특성 모두가 우수하며 고성능 공진 특성을 나타내는 박막 압전 소자는 제안되어 있지 않다. 전기 기계 결합계수는 공진기나 필터를 구성할 때 상기와 같은 성능을 좌우하는 중요한 파라미터로서, 사용하는 압전체 박막의 막 품질에 크게 의존한다.
따라서, 본 발명은 탄성파의 전파 속도가 빠르다는 AlN 박막의 장점을 살리면서 전기 기계 결합계수가 크고, 음향적 품질계수 (Q 값), 주파수 온도 특성이 우수하며, 또는 대역폭, 삽입 손실, 이득 등의 특성면에서 우수하고, 종래의 것에 비해 현저하게 고특성이며 고성능인 압전 박막 공진자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 AlN 박막의 장점을 살리면서 전기 기계 결합계수가 크고, 따라서 음향적 품질계수 (Q 값), 대역폭, 주파수 온도 특성이 우수하므로, 종래에 비해 현저히 고특성이며 고성능인 FBAR 또는 SBAR을 실현시킬 수 있는 박막 압전 공진자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이와 같은 박막 압전 공진자를 실현시키기 위해 적합한 질화알루미늄 박막을 포함하여 이루어진 적층체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명자들은 AlN 박막을 압전체 박막 (압전체막) 으로서 Si 등의 기판 상에 구비한 FBAR의 공진 특성이 AlN 박막에 알칼리 토류 금속이나 희토류 금속 등의 제 3 성분을 첨가함으로써 현저히 개선됨을 발견하였다. 그리고, 제 3 성분을 첨가한 고품질 AlN 박막을 FBAR에 사용함으로써, 전기 기계 결합계수가 크고 Q 값, 대역폭 및 주파수 온도 특성이 우수한 고성능 FBAR을 실현시킬 수 있음을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서,
기판과 이 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시켜 이루어지는 것으로, 상기 기판에는 상기 진동부에 대응하는 영역에서 이 진동부의 진동을 허용하는 공극이 형성되어 있는 압전 박막 공진자로서,
상기 압전체막이 알칼리 토류 금속 및/또는 희토류 금속을 함유하는 질화알루미늄 박막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자가 제공된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 압전체막에서의 상기 알칼리 토류 금속 및 상기 희토류 금속의 함유량은 0.2 ∼ 3.0 at% 이다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 (rocking curve) 반치폭이 3.0°이하이다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 압전체막의 c 축 길이가 0.4978 ∼ 0.4993 ㎚ 이다. 본 발명의 일 양태에서 상기 압전체막은 (0002) 면의 X 선 회절 피크의 2θ 회전각의 반치폭이 0.6°이하이다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 하지막이 형성되고, 상기 진동부는 상기 하지막의 일부도 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 하지막은 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막, 질화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막 또는 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막과 질화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막의 적층막이다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어진다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 상부 전극은 서로 이격되어 형성된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어진다.
본 발명의 일 양태에서는 2.0 ∼ 3.0 GHz 범위에서 공진 주파수 및 반공진 주파수의 측정값으로부터 구한 전기 기계 결합계수가 4.5 % 이상이다.
본 발명에서는 AlN 박막 형성시에, 박막 원료로서 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 첨가함으로써 이들 제 3 성분을 함유하는 AlN 박막을 형성하고, 이를 FBAR의 압전체막으로 한다. 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 첨가함으로써, AlN의 결정 격자에 고용 (固溶) 되는 산소의 농도를 저감시킬 수 있을 뿐 아니라 c 축 배향 AlN 입자의 입계의 결합 강도를 높일 수 있고, 공진자 및 필터로서의 성능이 대폭 향상되는 것으로 생각된다.
또한, 본 발명자들은 AlN 박막을 압전체 박막으로서 Si 등의 기판 상에 구비한 FBAR 또는 SBAR의 공진 특성이, 전극이 되는 금속 박막과 AlN 박막의 계면에서의 격자 정합의 상태에 크게 의존하고, AlN에 대하여 동일한 우르츠광 (wurtzite) 형 결정 구조를 갖는 질화갈륨 (GaN) 또는 질화인듐 (InN) 을 첨가하여 결정 격자의 a 축 길이를 제어함으로써, 그 공진 특성이 현저히 개선되는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
즉, GaN 결정의 a 축 길이는 0.319 ㎚ 전후 값이고 InN 결정의 a 축 길이는 0.353 ㎚ 전후 값으로, 이들은 AlN 결정의 a 축 길이 (0.311 ㎚ 전후 값) 보다 크고, 이 때문에, AlN의 결정 격자에 GaN 또는 InN을 고용시킴으로써, a 축 길이를 크게 하고 하부 전극을 구성하는 금속 결정의 특정 방위의 격자 길이와의 일치도를 개선하여 양호한 격자 정합 관계를 실현시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서,
압전체막과 그 양면에 각각 형성된 전극을 포함하는 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되는 압전 박막 공진자로서,
상기 압전체막은 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어진 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자가 제공된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 압전 적층 구조체는 복수개의 압전체막과 이 복수개의 압전체막의 각 양면에 각각 형성된 전극을 포함한다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 압전 적층 구조체는 그 주변부가 기판에 지지되고 중앙부가 상기 진동부를 구성한다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서,
기판과 이 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시킨 구조를 포함하여 이루어지는 것으로, 상기 기판은 상기 진동부에 대응하는 영역에서 이 진동부의 진동을 허용하는 공극을 형성하는 압전 박막 공진자로서,
상기 압전체막은 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알 루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어진 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자가 제공된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 상부 전극은 서로 이격되어 형성된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어진다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서,
기판과 이 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 제 1 압전체막, 내부 전극, 제 2 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시켜 이루어지는 것으로, 상기 기판은 상기 진동부에 대응하는 영역에서 이 진동부의 진동을 허용하는 공극을 형성하는 압전 박막 공진자로서,
상기 제 1 압전체막 및 상기 제 2 압전체막은 모두 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어진 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자가 제공된다.
이상과 같은 본 발명의 일 양태에서는 상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 절연체층이 형성되고, 상기 진동부는 상기 절연체층의 일부도 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 절연체층은 산화실리콘 (SiO2) 을 주성분으로 하는 유전체막, 질화실리콘 (SiNx) 을 주성분으로 하는 유전체막, 또는 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막과 질화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막의 적층막이다. 이로써, AlN계 압전 박막 공진자의 높은 전기 기계 결합계수를 유지한 상태로 주파수 온도 특성을 개선하고 특성ㆍ성능의 안정화를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 기판은 반도체 또는 절연체로 이루어진다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어진다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 압전체막 또는 상기 제 1 압전체막 및 상기 제 2 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 3.0°이하이다.
본 발명에서는 압전체막으로서 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 박막 또는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체 박막을 사용하여 압전체막과 전극층의 금속 결정의 격자 정합을 도모함으로써, 압전체막의 배향성 및 결정성이 개선되고 전기 기계 결합계수가 크고 Q 값이 높은 압전체막을 획득할 수 있다. 이와 같은 고배향성ㆍ고결정성 압전체 박막을 사용하여 FBAR 또는 SBAR을 제조함으로써, 저손실, 고이득으로 대역폭, 주파수 온도 특성 등이 우수한 (예컨대, 2.0 ∼ 3.0 GHz 범위에서의 공진 주파수와 반공진 주파수의 측정값으로부터 구한 전기 기계 결합계수 (kt 2) 가 4.5 % 이상임) 고성능 FBAR 또는 SBAR을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 AlN 박막의 배향성과 결정성이 하지막을 구성하는 금속 전극막의 배향성 및 결정성에 현저히 의존하는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 AlN 박막을 압전체막으로서 Si 기판 상에 구성한 FBAR 또는 SBAR의 공진 특성이 하부 전극이 되는 금속 박막의 재질, 탄성률, 배향성, 결정성 등의 성상과 AlN 박막 자체의 배향성, 결정성, 압전성 등의 성상의 쌍방에 크게 의존하는 것을 발견하였다. 즉, 고탄성ㆍ고배향성 금속 박막으로 이루어진 하부 전극과 고배향성ㆍ고결정성 c 축 배향 질화알루미늄 박막의 조합을 최적화시켜 양자의 막 질을 제어, 향상시킴으로써, 박막 압전 공진자의 전기 기계 결합계수 및 음향적 품질계수 (Q 값) 가 커져 박막 압전 공진자나 박막 압전 필터로서의 성능이 현저히 향상됨을 발견하였다. 즉, 하부 전극을, 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함한 2층 이상의 금속층으로 구성하고, 그 위에 AlN으로 이루어진 압전체막을 형성함으로써 이 AlN 박막의 배향성 및 결정성이 개선되고, 이와 같이 하여 획득한 적층체를 사용하여 FBAR 또는 SBAR을 구성함으로써 전기 기계 결합계수가 크고 Q 값, 대역폭, 주파수 온도 특성이 우수한 고성능 FBAR 또는 SBAR을 실현시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명에 의하면 이상과 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서,
금속 전극과 이 금속 전극 상에 적어도 일부가 형성된 c 축 배향을 나타내는 질화알루미늄 박막의 적층체로서, 상기 금속 전극이 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함한 2층 이상의 금속층으로 구성되고, 상기 제 1 금속층의 두께가 상기 금속 전극 두께의 0.5 배 이상인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체가 제공된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 제 1 금속층은 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 및 텅스텐을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택되는 금속으로 구성된다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 제 2 금속층은 이리듐, 백금, 금, 알루미늄, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 및 은을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택되는 금속으로 구성된다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 질화알루미늄 박막은 상기 제 1 금속층과 접하여 형성된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 질화알루미늄 박막과 상기 제 1 금속층 사이에 상기 금속 전극 두께의 0.1 배 이하의 두께를 갖는 금속층 또는 화합물층으로 이루어진 계면층이 형성된다. 본 발명의 일 양태에서 상기 계면층은 알루미늄, 실리콘, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물, 및 실리콘을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물에서 선택되는 금속 또는 화합물로 구성된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 제 2 금속층의 상기 제 1 금속층에 면하는 측과는 반대측 면에 밀착 금속층이 형성된다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 밀착 금속층은 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금, 및 니켈을 주성분으로 하는 합금에서 선택되는 금속으로 구성된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 질화알루미늄 박막의 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°미만이다. 본 발명의 일 양태에서는 상기 제 1 금속층의 (110) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 4.5°미만이다.
또한, 본 발명에 의하면 이상과 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서,
압전체 박막이 복수개의 전극 사이에 삽입되고, 상기 압전체 박막이 그 주위의 지지에 의해 중심부에서 가교 결합 (cross-link) 되어 이루어진 구조를 갖는 박막 압전 공진자에 있어서, 상기 압전체 박막과 상기 전극 중 하나가 이상과 같은 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 이상과 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서,
진동 공간을 갖는 반도체 또는 절연체로 이루어진 기판과 이 기판의 상기 진동 공간에 면하는 위치에서 하부 전극, 압전체 박막 (압전체막) 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체를 구비하는 박막 압전 공진자에 있어서, 상기 압전체 박막과 상기 하부 전극이 이상과 같은 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자가 제공된다. 한편, 본 명세서에서 용어 「박막 압전 공진자」는 용어 「압전 박막 공진자」와 동일하다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 상부 전극은 서로 이격되어 배치된 2개의 전극부로 이루어진다.
또한, 본 발명에 의하면 이상과 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서,
진동 공간을 갖는 반도체 또는 절연체로 이루어진 기판과 이 기판의 상기 진동 공간에 면하는 위치에서 하부 전극, 제 1 압전체 박막, 내부 전극, 제 2 압전체 박막 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체를 구비하는 박막 압전 공진자에 있어서, 상기 제 1 압전체 박막과 상기 하부 전극이 이상과 같은 질화알루미 늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자가 제공된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 진동 공간에 면하는 위치에서 상기 적층 구조체에는 1 층 이상의 산화실리콘 및/또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층이 형성된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 상부 전극이나 상기 내부 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 알루미늄, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택되는 금속을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 양태에서는 상기 상부 전극이나 상기 내부 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 이리듐, 백금, 금, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 은을 주성분으로 하는 합금, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금, 및 니켈을 주성분으로 하는 합금에서 선택되는 금속으로 이루어진 금속층의 2 종류 이상의 적층을 포함하여 구성된다.
본 발명에서는 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함한 2 층 이상의 금속 박막으로 구성된 금속 전극 상에 AlN 박막을 형성함으로써 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체를 제조한다. 전형적으로는 금속 전극에는 소정 형상으로 패터닝되므로, AlN 박막의 일부는 실리콘 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성된 산화실리콘 및/또는 질화실리콘을 주성분으로 하는 절연층 상에 형성된다. 금속 전극의 탄성률을 향상시키기 위해서는, 체심 입방 구조의 고탄성률의 제 1 금속층 두께가 금속 전극을 구성하는 2 층 이상의 금속 박막 전체 두께의 0.5 배 이상으로 할 필요가 있다.
면심 입방 구조의 금속에서 (111) 면의 원자 밀도는 (100) 면, (110) 면 등의 다른 방위의 결정면의 원자 밀도보다 높으므로, (111) 면이 표면 에너지가 작은 열 역학적으로 안정된 결정면으로서 존재한다. 이 때문에, 면심 입방 구조의 금속에서는 (111) 배향의 고결정성 박막을 획득할 수 있으므로, 결정의 배향성 평가의 지표가 되는 (111) 회절 피크의 로킹 커브는 급준한 피크가 되고, 그 반치폭 (FWHM) 은 작은 값이 된다. 이와 같은 고배향성ㆍ고결정성 금속 박막과 접하여 형성된 질화알루미늄은 또한 고배향성ㆍ고결정성 박막으로서 성장하기 쉬우므로, 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 작은 양질의 질화알루미늄 박막을 획득할 수 있다. 그러나, 면심 입방 구조의 금속은 이리듐 및 이리듐을 주성분으로 하는 합금을 제외하면, 탄성률이 작은 문제점이 있다. 또한, 이리듐 및 이리듐을 주성분으로 하는 합금은 고가이면서 미세 가공이 어렵다는 문제를 갖는다.
반면에, 체심 입방 구조의 금속에서는 (110) 면의 원자 밀도가 (100) 면, (111) 면 등의 다른 방위의 결정면의 원자 밀도보다 약간 높은 정도이고, 반드시 (110) 면이 안정적으로 성장할 수 있는 것은 아니다. 이 때문에, 통상 박막 형성수단에서는 (110) 배향의 고결정성 박막을 획득하는 것은 어렵고, 결정의 배향성 평가의 지표가 되는 (110) 회절 피크의 로킹 커브가 넓어지고, 그 반치폭 (FWHM) 은 큰 값이 된다.
본 발명에서는 고배향성ㆍ고결정성 박막을 쉽게 획득할 수 있는 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속 박막 상에 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속 박막을 형성함으로써, (110) 배향에서 고배향성ㆍ고결정성 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속 박막을 쉽게 획득할 수 있다. 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속으로는 이리듐, 백금, 금, 알루미늄, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 및 은을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택되는 금속을 채택하는 것이 바람직하다. 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속으로는 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금 등의 탄성률이 2×1011 N/㎡ 이상인 고탄성 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 고탄성 금속은 박막 압전 공진자용의 전극 재질로서 바람직한 특성을 갖는다. 예컨대, 몰리브덴의 열 탄성 손실은 알루미늄의 약 1/56 보다 작고, 이런 점에서 몰리브덴은 특히 바람직한 전극 재료이다. 이상과 같이 하여 제조된 상기 제 1 금속층의 (110) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 은 4.5°미만, 바람직하게는 3.5°이하이다. 이와 같은 (110) 배향에서 고배향성ㆍ고결정성 체심 입방 구조의 금속 박막과 접하여 질화알루미늄 박막을 형성함으로써, (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°미만, 바람직하게는 2.5°이하가 되는 고배향성ㆍ고결정성 질화알루미늄 박막을 쉽게 성장시킬 수 있고, FBAR, SBAR 등의 용도에 적합한 고특성 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 질화알루미늄 박막과 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층 사이에 금속 전극을 구성하는 2 층 이상의 금속 박막 전체 두께의 0.1 배 이하의 두께를 갖는 다른 금속층 또는 화합물층으로 이루어진 계면층을 형성시켜도, 상기와 동일한 고배향성ㆍ고결정성 질화알루미늄 박막을 쉽게 성장시킬 수 있고, FBAR, SBAR 등의 용도에 적합한 고특성 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체를 획득할 수 있다. 질화알루미늄 박막과 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층의 사이에 형성된 계면층이 되는 금속층 또는 화합물층은 알루미늄, 실리콘, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물 및 실리콘을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물에서 선택되는 금속 또는 화합물로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체는 전형적으로는 반도체 또는 절연체로 이루어진 기판 상에 형성된다. 이 때문에, 기판과 금속 전극의 밀착성이 중요해진다. 양자의 밀착도를 개선하기 위해서, 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층과 기판 사이에 밀착 금속층을 개재시키는 것이 바람직하다. 밀착 금속층에 사용되는 금속으로는, 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금 및 니켈을 주성분으로 하는 합금에서 선택되는 금속을 채택하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제안한 체심 입방 구조의 금속층과 면심 입방 구조의 금속층의 적층과 같은 결정 구조가 다른 2 종류 이상의 금속층을 적층시킨 다층 금속 박막 전극 상에 질화알루미늄을 성장시킴으로써, 질화알루미늄 박막의 배향성, 결정성 등의 막질을 개선하고자 하는 시도는 지금까지 전혀 이루어지지 않았다. 또한, 이와 같은 다층 금속 박막과 질화알루미늄 박막의 조합에 의해 압전체 박막의 품질을 향상시켜 공진기, 필터 등의 박막 압전 소자로서의 성능을 개선하고자 하는 시도도 지금까지 전혀 이루어지지 않았다.
본 발명에 의하면, 2.0 ∼ 3.0 GHz 범위에서 공진 주파수와 반공진 주파수의 측정값으로부터 구한 전기 기계 결합계수 (kt 2) 가 4.5 % 이상, 예컨대 4.5 ∼ 6.5 % 인 고성능 박막 압전 공진자를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 압전 공진자에서는, 하부 전극이 체심 입방 구조에서 (110) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 4.5°미만이 되는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함한 2층 이상의 금속층으로 구성되는 동시에, 질화 알루미늄 (AlN) 박막이 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°미만인 경우에 박막 압전 공진자의 성능이 한층 더 향상된다.
또한, 본 발명의 박막 압전 공진자에서는, 하부 전극, 압전체 박막 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체 또는 하부 전극, 제 1 압전체막, 내부 전극, 제 2 압전체막 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체에, 진동 공간에 면하는 위치에서 1 층 이상의 산화실리콘 (SiO2) 및/또는 질화실리콘 (SiNx) 을 주성분으로 하는 절연층을 형성함으로써, 박막 압전 공진자의 주파수 온도 계수 등의 특성을 더 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 압전 박막 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 2는 도 1의 X-X 선을 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 압전 박막 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 4는 도 3의 X-X 선을 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 박막 압전 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 6은 도 5의 X-X 선을 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 박막 압전 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 8은 도 7의 X-X 선을 따른 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 박막 압전 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 10은 도 9의 X-X 선을 따른 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
다음으로, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 압전 박막 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 2는 도 1의 X-X 선을 따른 단면도이다. 이들 도면에서 압전 박막 공진자 (11) 는 기판 (12), 이 기판 (12) 의 상면 상에 형성된 절연체층으로 이루어진 하지막 (13) 및 이 하지막 (13) 의 상면 상에 형성된 압전 적층 구조체 (14) 를 갖는다. 압전 적층 구조체 (14) 는 하지막 (13) 의 상면 상에 형성된 하부 전극 (15), 이 하부 전극 (15) 의 일부를 덮도록 하여 하지막 (13) 의 상면 상에 형성된 압전체막 (16) 및 이 압전체막 (16) 의 상면 상에 형성된 상부 전극 (17) 으로 이루어진다. 기판 (12) 에는 공극을 형성하는 비아홀 (20) 이 형성된다. 하지막 (13) 의 일부는 비아홀 (20) 을 향하여 노출된다. 이 하지막 (13) 의 노출 부분 및 이에 대응하는 압전 적층 구조체 (14) 의 부분이 진동부 (진동 다이어프램: 21) 를 구성한다. 또한, 하부 전극 (15) 및 상부 전극 (17) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역 내에 형성된 주체부 (15a, 17a) 및 이 주체부 (15a, 17a) 와 외부 회로의 접속을 위한 단자부 (15b, 17b) 를 갖는다. 단자부 (15b, 17b) 는 진동부 (21) 에 대응하는 영역 밖에 위치한다.
기판 (12) 으로는 Si (100) 단결정 등의 단결정 또는 Si 단결정 등의 기초재 (其材) 표면에 실리콘, 다이아몬드, 그 이외의 다결정막을 형성한 것을 사용할 수 있다. 기판 (12) 으로는 그 이외의 반도체 그리고 절연체를 사용할 수도 있다. 기판 (12) 의 비아홀 (20) 의 형성방법으로는 기판 하면측으로부터의 이방성 에칭법이 예시된다. 또한, 기판 (12) 에 형성되는 공극은 비아홀 (20) 에 의한 것으로 한정되지 않고, 진동부 (21) 의 진동을 허용하는 것이면 되며, 이 진동부 (21) 에 대응하는 기판 상면 영역에 형성한 오목부여도 된다.
하지막 (13) 으로는 예컨대 산화실리콘 (SiO2) 을 주성분으로 하는 유전체막, 질화실리콘 (SiNx) 을 주성분으로 하는 유전체막, 및 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막과 질화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막의 적층막을 사용할 수 있다. 이 하지막 (13) 의 재질에 대해서 주성분이란 유전체막 중의 함유량이 50당량% 이상인 성분을 가리킨다. 유전체막은 단층으로 이루어지는 것이거나, 밀착성을 향상시키기 위한 층 등을 부가한 복수개 층으로 이루어지는 것일 수도 있다. 하지막 (13) 의 두께는 예컨대 0.2 ∼ 2.0 ㎛ 이다. 하지막 (13) 의 형성방법으로는 실리콘으로 이루어진 기판 (12) 표면의 열 산화법이나 CVD 법이 예시된다.
하부 전극 (15) 및 상부 전극 (17) 으로는, 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 백금 (Pt) 과 티타늄 (Ti) 의 적층막 (Pt/Ti), 알루미늄 (Al), 금 (Au) 과 크롬 (Cr) 의 적층막 (Au/Cr), 금 (Au) 과 티타늄 (Ti) 의 적층막 (Au/Ti) 등을 사용할 수 있다. 열 탄성 손실이 낮다는 점에서 Mo가 바람직하다. 예컨대, Mo의 열 탄성 손실은 Al의 약 1/56이다. Mo 단독뿐 아니라 Mo 합금 또는 적당한 밀착층 상에 Mo 전극을 형성하여 사용할 수도 있다. 하부 전극 (15) 및 상부 전극 (17) 의 두께는 예컨대 50 ∼ 200 ㎚ 이다. 하부 전극 (15) 및 상부 전극 (17) 의 형성방법으로는 스퍼터법 또는 증착법이 예시되고, 또한 필요에 따라 필요한 형상으로의 패터닝을 위해서 포토리소그래피 기술이 이용된다.
하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 를 기판 (12) 상면의 비아홀 (20) 의 직사각형 형상 개구의 2 변을 통과하여 이 개구 내로 연장시킨 경우에는, 하부 전극 (15) 에 의한 진동부 (21) 의 지지가 가능해지므로 하지막 (13) 을 생략할 수도 있다.
압전체막 (16) 은 AlN 박막으로 이루어지며 그 두께는 예컨대 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 이다. 압전체막 (16) 의 AlN 막은 칼슘, 스트론튬 및 바륨 등과 같은 알칼리 토류 금속 또는 이트륨, 유로퓸, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀, 이테르븀 등과 같은 희토류 금속을 제 3 성분으로서 함유한다. 압전체막 (16) 의 형성방법으로는 반응성 스퍼터법이 예시되고, 또한 필요에 따라 필요한 형상으로의 패터닝을 위해서 포토리소그래피 기술이 이용된다.
일반적으로 압전 재료의 압전 특성은 결정의 분극 크기나 분극축의 배열 등에 의존한다. 본 발명의 압전 박막 공진자의 압전체막에서도 그 압전성은 박막을 구성하는 결정의 도메인 구조, 배향성 및 결정성 등의 결정 성상에 의존하는 것으로 생각된다. 본 명세서에서 단일 배향막이란 기판 표면과 평행하게 목적으로 하는 결정면이 정렬되는 결정화막을 의미한다. 예컨대, (0001) 단일 배향막 은 막면과 평행하게 (0001) 면이 성장하는 막을 의미한다. 구체적으로는 디프랙토미터법에 의한 X 선 회절 측정을 행한 경우에, AlN 결정에서 기인된 목적으로 하는 회절면 이외의 반사 피크를 거의 검출할 수 없음을 의미한다. 예컨대, (000L) 단일 배향막, 즉 c 축 단일 배향막은 θ-2θ회전의 X 선 회절 측정에서 (000L) 면 이외의 반사 강도가 (000L) 면 반사의 최대 피크 강도의 5 % 미만, 바람직하게는 2 % 미만, 더욱 바람직하게는 검출 한계 이하인 것이다. 또한, (000L) 면은 (0001) 계열의 면, 즉 (0001) 면, (0002) 면 및 (0004) 면 등의 등가의 면을 총칭하는 표시이다.
본 발명자들은 도 1 및 도 2에 나타낸 구성을 갖는 FBAR에 있어서, 그 공진 특성이 AlN 박막의 조성이나 결정성에 어떻게 의존하는지에 대해서 검토하였다. 그 결과, AlN 박막으로 이루어진 압전체막을 갖는 FBAR의 공진 특성이 AlN 박막의 조성이나 결정성에 크게 의존하는 것을 발견하였다. 즉, 양호한 공진 특성을 획득하기 위해서는, AlN 박막에 칼슘, 스트론튬, 바륨 등과 같은 알칼리 토류 금속 또는 이트륨, 유로퓸, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀, 이테르븀 등과 같은 희토류 금속의 첨가가 효과적이다. 그 함유량은 바람직하게는 0.2 ∼ 3.0 at% 이다. 0.2 at% 미만인 경우에는 제 3 성분이 첨가되어 공진 특성 개선의 효과가 저하되고, 한편 3.0 at% 를 초과하는 경우에는 결정 입계에 편석되는 제 3 성분의 양이 많아져 음향파를 산란시키고 공진 특성이 열화되는 경향이 있다.
알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 함유하는 AlN 박막은 c 축 배향을 나타내고, X 선 회절법에 의해 측정된 (0002) 면의 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 은 3.0°이하이다. 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.0°를 초과하면, 전기 기계 결합계수 (kt
2) 가 저하되어 공진 특성이 열화되는 경향이 있다. 또한, 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 과도하게 커지면, 하부 전극 단자부 (15b) 와 상부 전극 단자부 (17b) 사이에 전류 리크가 잘 발생되는 경향이 있다.
알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 함유하는 AlN 박막의 c 축 길이는 0.4978 ∼ 0.4993 ㎚ 인 것이 바람직하다. c 축 길이가 0.4978 ㎚ 보다 작거나 0.4993 ㎚ 보다 크면 전기 기계 결합계수 (kt
2) 및 음향적 품질계수 (Q 값) 가 저하되어 공진 특성이 악화되는 경향이 있다. 또한, 디프랙토미터법에 의해 측정된 (0002) 면의 X 선 회절 피크의 2θ 회전각의 반치폭 (FWHM) 은 0.6°이하인 것이 바람직하다. 2θ 회전각의 반치폭 (FWHM) 이 0.6°를 초과하면, 전기 기계 결합계수 (kt
2) 및 음향적 품질계수 (Q 값) 가 저하되어 공진 특성이 악화되는 경향이 있다.
도 3은 본 발명에 의한 압전 박막 공진자의 또 다른 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 4는 도 3의 X-X 선을 따른 단면도이다. 이들 도면에서 상기 도 1 및 도 2와 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 매겨져 있다.
본 실시 형태에서는, 하부 전극 (15) 은 직사각형 또는 그것에 가까운 형상을 이루고 있고, 상부 전극 (17) 은 제 1 전극부 (17A) 와 제 2 전극부 (17B) 로 이루어진다. 이들 전극부 (17A, 17B) 는 각각 주체부 (17Aa, 17Ba) 와 단자부 (17Ab, 17Bb) 를 갖는다. 주체부 (17Aa, 17Ba) 는 진동부 (21) 에 대응하는 영역 내에 위치하고, 단자부 (17Ab, 17Bb) 는 진동부 (21) 에 대응하는 영역 이외의 영역에 위치한다.
본 실시 형태에서는, 상부 전극 (17) 중 일측 (예컨대, 제 2 전극부 (17B)) 과 하부 전극 (15) 사이에 입력 전압을 인가하고, 상부 전극 (17) 중 타측 (예컨대, 제 1 전극부 (17A)) 과 하부 전극 (15) 간의 전압을 출력 전압으로서 취출할 수 있으므로, 스프리어스를 충분히 저감시킬 수 있고, 또한 그 자체를 필터로서 사용할 수 있다. 이와 같은 구성을 갖는 필터를 통과 대역 필터의 구성 요소로서 사용함으로써 소자 내 배선이 불필요하게 되므로, 이 배선에서 기인되는 손실이 없고 저지 대역의 감쇠 특성이 양호해져 필터로서의 주파수 응답성이 향상된다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태에서는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 구성을 가지고, 단 압전체막 (16) 은 AlN과 GaN의 고용체 또는 AlN과 InN의 고용체로 이루어지며 그 두께는 예컨대 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 이다. 다른 구성 요소는 도 1 및 도 2에 대해서 설명한 바와 동일하다. 이와 같은 압전체막 (16) 의 형성방법으로는 반응성 스퍼터법이 예시되고, 또한 필요에 따라 필요한 형상으로의 패터닝을 위해서 포토리소그래피 기술이 이용된다.
일반적으로 압전 재료의 압전 특성은 결정의 분극 크기나 분극축의 배열 등에 의존한다. 본 발명의 압전 박막 공진자의 압전체막에서도 그 압전성은 박막을 구성하는 결정의 도메인 구조, 배향성 및 결정성 등의 결정 성상에 의존하는 것으로 생각된다. 본 명세서에서 단일 배향막이란 기판 표면과 평행하게 목적으 로 하는 결정면이 정렬되는 결정화막을 의미한다. 예컨대, (0001) 단일 배향막은 막면과 평행하게 (0001) 면이 성장하는 막을 의미한다. 구체적으로는 디프랙토미터법에 의한 X 선 회절 측정을 행한 경우에, 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 AlN과 GaN의 고용체 결정 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 AlN과 InN의 고용체 결정에서 기인된 목적으로 하는 회절면 이외의 반사 피크를 거의 검출할 수 없음을 의미한다. 예컨대, (000L) 단일 배향막, 즉 c 축 단일 배향막은 θ-2θ 회전의 X 선 회절 측정에서 (000L) 면 이외의 반사 강도가 (000L) 면 반사의 최대 피크 강도의 5 % 미만, 바람직하게는 2 % 미만, 더욱 바람직하게는 검출 한계 이하인 것이다. 또한, (000L) 면은 (0001) 계열의 면, 즉 (0001) 면, (0002) 면 및 (0004) 면 등의 등가의 면을 총칭하는 표시이다.
본 발명자들은 도 1 및 도 2에 나타낸 구성을 갖는 FBAR에 있어서, 그 공진 특성이 AlN계 박막의 조성이나 결정성에 어떻게 의존하는지에 대해서 검토하였다. 그 결과, AlN계 박막으로 이루어진 압전체막을 갖는 FBAR의 공진 특성이 AlN계 박막의 조성이나 결정성에 크게 의존하는 것을 발견하였다. 즉, 압전체막으로서 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체를 사용하여 전극층의 금속 결정과의 격자 정합성을 향상시키는 것이 압전 박막 공진자나 그것을 사용한 압전 박막 필터의 성능을 향상시키기 때문에 유효하다. 이 성능 향상을 위해서는, 0＜x＜0.5, 0＜y＜0.3인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게 는 0.03＜x＜0.35, 0.01＜y＜0.15이다.
상기 전극 재료 중 Mo 또는 W의 결정은 공간군 Im-3m으로 표시되는 체심 입방 격자에 속하고, Pt 또는 Au의 결정은 공간군 Fm-3m으로 표시되는 면심 입방 격자에 속한다. 스퍼터법 또는 증착법에 의해 형성된 체심 입방 격자의 Mo나 W의 결정은 (110) 배향을 나타내고, 막면과 평행하게 (110) 면이 성장한다. 한편, 스퍼터법 또는 증착법에 의해 형성된 면심 입방 격자의 Pt나 Au의 결정은 (111) 배향을 나타내고, 막면과 평행하게 (111) 면이 성장한다. Mo 결정의 격자 정수 (a 축 길이) 는 0.3147 ㎚ 전후, (110) 면 간격은 0.2225 ㎚ 전후 값이고, W 결정의 격자 정수 (a 축 길이) 는 0.3165 ㎚ 전후, (110) 면 간격은 0.2238 ㎚ 전후 값이다. Pt 결정의 격자 정수 (a 축 길이) 는 0.3923 ㎚ 전후, (111) 면 위의 (110) 면 간격은 0.2774 ㎚ 전후 값이고, Au 결정의 격자 정수 (a 축 길이) 는 0.4079 ㎚ 전후, (111) 면 위의 (110) 면 간격은 0.2884 ㎚ 전후 값이다.
본 발명에서는 전극층에 사용되는 금속이 체심 입방 격자의 Mo 결정 또는 W 결정 등인 경우에는, 이들 결정의 격자 정수 (즉, (100) 면 간격) 에 주목하고, 전극 금속 결정의 격자 정수 (a 축 길이) LM100과 상기 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 a 축 길이 LPZa의 격자 길이의 미스 매치를 100* (LM100-LPZa)/LM100[%] 의 파라미터로 표시한다. 한편, 전극층에 사용되는 금속이 면심 입방 격자의 Pt 결정 또는 Au 결정 등인 경우에는, 이들 결정의 (111) 면 위의 (110) 면 간격에 주목하고, 전극 금속 결정의 (111) 면 위의 (110) 면 간격 LM110과 상기 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 (10-10) 면 간격 LPZl의 면 간격의 미스 매치를 100* (LM110-LPZl)/LM110[%] 의 파라미터로 표시한다. 체심 입방 격자의 Mo 결정 또는 W 결정 등의 (110) 면의 원자 배열과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 (0001) 면의 원자 배열의 정합성은 그다지 양호하지 않으므로, Mo 결정 또는 W 결정 등과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 격자 길이의 미스 매치 100* (LM100-LPZa)/LM100[%] 는 1.0 % 이하인 것이 바람직하다. 반면에, 면심 입방 격자의 Pt 결정 또는 Au 결정 등의 (111) 면의 원자 배열과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 (0001) 면의 원자 배열의 정합성은 비교적 양호하기 때문에, Pt 결정 또는 Au 결정 등과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 결정 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 결정의 격자 길이의 미스 매치 100* (LM110-LPZl)/LM110[%] 는 2.6 % 이하인 것이 바람직하다. Mo 결정 또는 W 결정 등의 체심 입방 격자에 관한 격자 길이의 미스 매치 100* (LM100-LPZa)/LM100[%] 가 1.0 % 를 초과하면, 이들 금속 결정과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체의 격자 정합성이 저하되므로, 이들 AlN-GaN계 또는 AlN-InN계의 압전체 박막의 배향성 및 결정성이 저하되고, 그 결과 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q 값) 가 작아져 압전 박막 공진자나 박막 필터로서의 성능이 악화되는 경향이 있다. 마찬가지로 Pt 결정이나 Au 결정 등의 면심 입방 격자에 관한 격자 길이의 미스 매치 100* (LM110-LPZl)/LM110[%] 가 2.6 % 를 초과하면, 이들 금속 결정과 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체의 격자 정합성이 저하되므로, 이들 AlN-GaN계 또는 AlN-InN계의 압전체 박막의 배향성 및 결정성이 저하되고, 그 결과 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q 값) 가 작아져 압전 박막 공진자나 박막 필터로서의 성능이 악화되는 경향이 있다.
Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 계 고용체 박막 또는 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 계 고용체 박막은 c 축 배향을 나타내고, X 선 회절법에 의해 측정된 (0002) 면의 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 은 3.0°이하인 것이 바람직하다. 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.0°를 초과하면, 전기 기계 결합계수 (kt
2) 가 저하되어 공진 특성이 악화되는 경향이 있다. 또한, 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 과도하게 커지면, 하부 전극 단자부 (15b) 와 상부 전극 단자부 (17b) 사이에 전류 리크가 잘 발생하는 경향이 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태에서는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같은 구성을 가지고, 단 압전체막 (16) 은 상기와 같은 AlN과 GaN의 고용체 또는 AlN과 InN의 고용체로 이루어지며 그 두께는 예컨대 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 이다. 다른 구성 요소는 도 3 및 도 4에 대해서 설명한 바와 동일하다.
도 5는 본 발명에 의한 압전 박막 공진자의 또다른 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 6은 도 5의 X-X 선을 따른 단면도이다. 이들 도면에서 상기 도 1 ∼ 도 4 와 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 매겨져 있다.
본 실시 형태는 상기 실시 형태의 압전 적층 구조체를 2개 적층시킨 것에 상당하는 압전 적층 구조체를 갖는 적층 박막 벌크 음향 공진자 및 필터 (Stacked Thin Film Bulk Acoustic Resonators and Filters 또는 Stacked Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters) 이다. 즉, 절연체층 (13) 상에 하부 전극 (15), 제 1 압전체막 (16-1), 내부 전극 (17'), 제 2 압전체막 (16-2) 및 상부 전극 (18) 이 이 순서대로 적층 형성된다. 내부 전극 (17') 은 제 1 압전체막 (16-1) 에 대한 상부 전극으로서의 기능과 제 2 압전체막 (16-2) 에 대한 하부 전극으로서의 기능을 갖는다. 제 1 압전체막 (16-1) 과 제 2 압전체막 (16-2) 은 상기와 같은 AlN과 GaN의 고용체 또는 AlN과 InN의 고용체로 이루어지며 그 두께는 예컨대 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 이다.
본 실시 형태에서는 하부 전극 (15) 과 내부 전극 (17') 사이에 입력 전압을 인가하고, 이 내부 전극 (17') 과 상부 전극 (18) 간의 전압을 출력 전압으로서 취 출할 수 있으므로, 그 자체를 다극형 필터로서 사용할 수 있다. 이 다극형 필터를 통과 대역 필터의 구성 요소로서 사용함으로써, 저지 대역의 감쇠 특성이 양호해져 필터로서의 주파수 응답성이 향상된다.
다음으로, 본 발명의 또다른 실시 형태를 설명한다. 도 7은 본 발명에 의한 박막 압전 공진자의 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 8은 도 7의 X-X 선을 따른 단면도이다. 이들 도면에서 압전 박막 공진자 (11) 는 기판 (12), 이 기판 (12) 의 상면 상에 형성된 절연체층 (13) 및 이 절연체층 (13) 의 상면 상에 형성된 압전 적층 구조체 (14) 를 갖는다. 압전 적층 구조체 (14) 는 절연체층 (13) 의 상면 상에 형성된 하부 전극 (15), 이 하부 전극 (15) 의 일부를 덮도록 하여 절연체층 (13) 의 상면 상에 형성된 압전체 박막 (16) 및 이 압전체 박막 (16) 의 상면 상에 형성된 상부 전극 (17) 으로 이루어진다. 기판 (12) 에는 공극을 형성한 비아홀 (20) 이 형성된다. 절연체층 (13) 의 일부는 비아홀 (20) 을 향하여 노출된다. 이 절연체층 (13) 의 노출 부분 및 그것에 대응하는 압전 적층 구조체 (14) 의 부분이 진동부 (진동 다이어프램: 21) 를 구성한다. 또한, 하부 전극 (15) 및 상부 전극 (17) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역 내에 형성된 주체부 (15a, 17a) 및 이 주체부 (15a, 17a) 와 외부 회로의 접속을 위한 단자부 (15b, 17b) 를 갖는다. 단자부 (15b, 17b) 는 진동부 (21) 에 대응하는 영역 밖에 위치한다.
기판 (12) 으로는 Si (100) 단결정 등의 단결정 또는 Si 단결정 등의 기초재 표면에 실리콘, 다이아몬드 그 밖의 다결정막을 형성한 것을 사용할 수 있다. 기판 (12) 으로는 그 밖의 반도체 그리고 절연체를 사용할 수도 있다. 기판 (12) 의 비아홀 (20) 의 형성방법으로는 기판 하면측으로부터의 이방성 에칭법이 예시된다. 또한, 기판 (12) 에 형성되는 공극은 비아홀 (20) 에 의한 것으로 한정되지 않고, 진동부 (21) 의 진동을 허용하는 것이면 무방하며, 이 진동부 (21) 에 대응하는 기판 상면 영역에 형성된 오목부이어도 무방하다.
절연체층 (13) 으로는 예컨대 산화실리콘 (SiO2) 을 주성분으로 하는 유전체막, 질화실리콘 (SiNx) 을 주성분으로 하는 유전체막, 및 산화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막과 질화실리콘을 주성분으로 하는 유전체막의 적층막을 사용할 수 있다. 이 절연체층 (13) 의 재질에 대해서 주성분이란 층 중의 함유량이 50당량% 이상인 성분을 가리킨다 (다른 층의 재질에 대해서도 동일함). 유전체막은 단층으로 이루어지는 것이거나, 밀착성을 향상시키기 위한 층 등을 부가한 복수개 층으로 이루어질 수도 있다. 절연체층 (13) 의 두께는 예컨대 2.0 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하이다. 절연체층 (13) 의 형성방법으로는 실리콘으로 이루어진 기판 (12) 표면의 열 산화법이나 CVD 법이 예시된다. 또한, 본 발명에서는 에칭에 의해 진동부 (21) 에 대응하는 영역의 절연체층 (13) 을 모두 제거하여 하부 전극 (15) 이 비아홀 (20) 을 향하여 노출된 구조를 채택할 수도 있다. 이와 같이 진동부 (21) 에 대응하는 영역의 절연체층 (13) 을 모두 제거함으로써, 공진 주파수의 온도 특성은 약간 악화되지만, 음향적 품질계수 (Q 값) 가 향상된다는 이점이 있다.
하부 전극 (15) 은 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층, 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층, 또한 필요에 따라 제 2 금속층과 기판 (12) 사이에 형성된 밀착 금속층을 적층시킴으로써 구성되며 그 두께는 예컨대 50 ∼ 300 ㎚ 이다. 압전체 박막 (16) 은 AlN으로 이루어지며 그 두께는 예컨대 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 이다. 상부 전극 (17) 은 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 알루미늄, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택되는 금속을 포함하여 구성된다. 또는, 상부 전극 (17) 은 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 이리듐, 백금, 금, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 은을 주성분으로 하는 합금, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금, 및 니켈을 주성분으로 하는 합금에서 선택되는 금속으로 이루어진 금속층의 2 종류 이상의 적층을 포함하여 구성된다. 상부 전극 (17) 의 두께는 예컨대 50 ∼ 300 ㎚ 이다.
일반적으로 압전 재료의 압전 특성은 결정의 분극 크기나 분극축의 배열 등에 의존한다. 본 발명에서 사용되는 압전 박막에서도 그 압전성은 박막을 구성 하는 결정의 도메인 구조, 배향성 및 결정성 등의 결정 성상에 의존하는 것으로 생각된다. 본 명세서에서 단일 배향막이란 기판 표면과 평행하게 목적으로 하는 결정면이 정렬되는 결정화막을 의미한다. 예컨대, (0001) 단일 배향막은 막면과 평행하게 (0001) 면이 성장하는 막을 의미한다. 구체적으로는 디프랙토미터법에 의한 X 선 회절 측정을 행한 경우에, AlN 결정에서 기인된 목적으로 하는 회절면 이외의 반사 피크를 거의 검출할 수 없음을 의미한다. 예컨대, (000L) 단일 배향막, 즉 c 축 단일 배향막은 θ-2θ 회전의 X 선 회절 측정에서 (000L) 면 이외의 반사 강도가 (000L) 면 반사의 최대 피크 강도의 5 % 미만, 바람직하게는 2 % 미만, 더욱 바람직하게는 검출 한계 이하인 것이다. 또한, (000L) 면은 (0001) 계열의 면, 즉 (0001) 면, (0002) 면 및 (0004) 면 등의 등가의 면을 총칭하는 표시이다.
본 발명자들은 도 7 및 도 8에 나타낸 구성을 갖는 FBAR에 있어서, 그 공진 특성이 전극을 구성하는 다층 금속 박막의 재질, 탄성률, 배향성, 결정성 등의 성상과 AlN 박막의 배향성, 결정성 등의 성상의 쌍방에 어떻게 의존하는지에 대해서 검토하였다. 도시된 FBAR에서는 하부 전극 (15) 은 필요에 따라 기판 (12) 과 접하여 형성되는 밀착 금속층, 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층 및 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층을 이 순서대로 적층시킴으로써 구성된 것이다.
하부 전극 (15) 으로서 스퍼터법 또는 증착법에 의해 밀착 금속층, 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층 및 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층을 순서대로 형성한 다음, 드라이 에칭에 의해 이들 금속층을 소정 형상으로 패턴화시켰다. AlN 박막 (16) 은 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 의 상면에 반응성 스퍼터법으로 막을 형성한 다음, 포토리소그래피 기술을 이용하여 비아홀 (20) 위의 부분을 제거한 영역의 일부분을 에칭 제거함으로써 소정 형상으로 가공하였다. 이 때, AlN 박막 (16) 과 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층 사이에, 하부 전극 (15) 을 구성하는 2층 이상의 금속층 전체 두께의 0.1 배 이하의 두께의 다른 금속층 또는 화합물층을 형성해도 본 발명의 목적은 달성된다. 상부 전극 (17) 은 비아홀 (20) 상에 남은 AlN 박막 (16) 상에 형성하였다. 상부 전극 (17) 은 직사각형에 가까운 형상으로 하였다.
본 발명자들은 고배향성 박막을 쉽게 획득할 수 있는 면심 입방 구조의 금속 박막과 탄성률이 2×1011N/㎡ 이상인 고탄성 금속 박막을 적층시킴으로써, 고탄성 금속에서 유래되는 특정한 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 은 4.5°미만인 고배향성ㆍ고탄성 적층 금속 박막을 형성하고, 이 적층 금속 박막 상에 질화알루미늄 박막을 성장시킴으로써, (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°미만인 고배향성ㆍ고결정성 c 축 배향 질화알루미늄 박막을 제조할 수 있음을 발견하였다.
하부 전극 (15) 에 사용되는 체심 입방 구조 (공간군 Im-3m) 를 갖는 제 1 금속층으로서 적합한 재료는 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금 및 텅스텐을 주성분으로 하는 합금 등이고, 이들 재료는 (110) 배향을 나타내고, 막면과 평행하게 (110) 면이 성장한다. 이들 재료는 열 탄성 손실이 낮다는 특성을 갖는다. 몰리브덴 (Mo) 을 주성분으로 하는 합금으로는 99.38 % Mo-0.5 % Ti-0.07 % Zr-0.05 % C의 조성을 갖는 TZM 합금, 95 % Mo-5 % Re 합금, 90 % Mo-10 % W 합금 등이 있다. 텅스텐 (W) 을 주성분으로 하는 합금으로는 95 % W-5 % Re 합금, 90 % W-10 % Mo 합금, W-Cu-Ni 합금 등이 있다.
하부 전극 (15) 에 사용되는 면심 입방 구조 (공간군 Fm-3m) 를 갖는 제 2 금속층으로서 적합한 재료는 이리듐, 백금, 금, 알루미늄, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 및 은을 주성분으로 하는 합금 등이고, 이들 재료는 (111) 배향을 나타내고, 막면과 평행하게 (111) 면이 성장한다. 이리듐 (Ir) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Ir-Pt 합금 등이 있다. 백금 (Pt) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Pt와 Rh, Ir, Ru, Pd, Au, Ni, W에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다. 금 (Au) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Au와 Pd, Pt, Fe, Ni, Cu, Ag에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다. 알루미늄 (Al) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Al에 소량의 Si, Cu를 첨가 또는 고용시킨 Al-Si-Cu계 합금, Al-Si계 합금, Al에 소량의 Mo, W를 고용시킨 합금, Al-Cu-Mg-Mn계 합금, Al-Cu-Mg-Ni계 합금, Al-Mg계 합금, Al-Zn-Mg계 합금 등이 있다. 은 (Ag) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Ag와 Zn, Al, Au, Sn, Cu에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다.
AlN 박막 (16) 과 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층 사이에 형성되는 다른 금속 또는 화합물의 층 (계면층) 으로서 사용되는 바람직한 재료는 알루미늄, 실리 콘, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물, 및 실리콘을 주성분으로 하는 합금 또는 화합물 등이다. 알루미늄 (Al) 을 주성분으로 하는 합금으로는 상기 Al-Si-Cu계 합금, Al-Si계 합금, Al-Mo-W계 합금, Al-Cu-Mg-Mn계 합금, Al-Cu-Mg-Ni계 합금, Al-Mg계 합금, Al-Zn-Mg계 합금 등이 있다. 알루미늄 (Al) 을 주성분으로 하는 화합물로는 AlOxNy 등이 있다. 실리콘 (Si) 을 주성분으로 하는 화합물로는 Si3N4, SiNx, SiOxNy, SiO2 등이 있다.
기판 (12) 과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층 사이에 형성되는 밀착 금속층으로서 사용되는 바람직한 재료는 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금, 및 니켈을 주성분으로 하는 합금 등이다. 마그네슘 (Mg) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Mg-Al-Zn-Mn 합금, Mg-Zn-Zr 합금, Mg-희토류 원소계 합금 등이 있다. 티타늄 (Ti) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Ti와 Al, Mo, V, Cr, Mn, Fe에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다. 니오븀 (Nb) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Nb-Si-Ti-Fe 합금 등이 있다. 탄탈륨 (Ta) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Ta와 Cr, Fe, Co, Ni, W, Pt에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다. 크롬 (Cr) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Cr과 Fe, Co, Ni, Mo에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다. 니켈 (Ni) 을 주성분으로 하는 합금으로는 Ni와 Al, Si, Cr, Mn, Fe, Cu, Mo에서 선택되는 금속의 합금 등이 있다.
상부 전극 (17) 에 사용되는 금속으로서 바람직한 재료는 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 알루미늄, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 등이 있다. 또한, 상부 전극 (17) 으로서 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금, 텅스텐을 주성분으로 하는 합금, 니오븀을 주성분으로 하는 합금, 이리듐, 백금, 금, 은, 이리듐을 주성분으로 하는 합금, 백금을 주성분으로 하는 합금, 금을 주성분으로 하는 합금, 은을 주성분으로 하는 합금, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 티타늄을 주성분으로 하는 합금, 바나듐을 주성분으로 하는 합금, 지르코늄을 주성분으로 하는 합금, 하프늄을 주성분으로 하는 합금, 탄탈륨을 주성분으로 하는 합금, 크롬을 주성분으로 하는 합금, 및 니켈을 주성분으로 하는 합금에서 선택되는 금속으로 이루어진 층을 2 층 이상 적층시켜 이루어진 적층 금속 박막으로 구성된 것을 사용함으로써 특성을 안정화시킬 수 있다.
체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함한 2 층 이상의 적층 금속 박막 상에 형성된 c 축 배향 질화알루미늄 박막의 X 선 회절에 의해 측정된 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 은 3.3°미만이다. 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°이상이면, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 와 음향적 품질계수 (Q 값) 가 저하되어 공진 특성이 악화되므로 바람직하지 않다. 또한, 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 과도하게 커지면, 하부 전극 단자부 (15b) 와 하부 전극 단자부 (17b) 사이에 전류 리크가 잘 발생되는 경향이 있다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타낸 구성을 갖는 박막 압전 공진자에서는 압전체 박막의 상하부 전극에 전계를 인가하여 두께 방향으로 분극 처리함으로써 벌크파를 여진시킨다. 이를 위해 하부 전극을 단자 전극으로 하기 위해서 하부 전극의 일부를 노출시킬 필요가 있다. 이 구성은 공진기로서밖에 이용할 수 없고, 필터로 하기 위해서는 2개 이상의 소자를 조합할 필요가 있다.
본 발명의 다른 실시 형태는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같은 구성을 갖고 있다. 단, 기판 (12), 절연체층 (13), 및 압전 적층 구조체 (14) 를 구성하는 하부 전극 (15), 압전체 박막 (16) 및 상부 전극 (17: 17A, 17B) 은 상기 도 7 및 도 8에 대해서 설명한 바와 동일하다.
도 9는 본 발명에 의한 박막 압전 공진자의 또다른 실시 형태를 나타내는 모식적 평면도이고, 도 10은 도 9의 X-X 선을 따른 단면도이다. 이들 도면에서 상기 도 7 및 도 8과 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 매겨져 있다.
본 실시 형태는, 도 7 및 도 8에 기재된 실시 형태의 압전 적층 구조체를 2개 적층시킨 것에 상당하는 압전 적층 구조체를 갖는 적층 박막 벌크 음향 공진자이다. 즉, 절연체층 (13) 상에 하부 전극 (15), 제 1 압전체 박막 (16-1), 내부 전극 (17'), 제 2 압전체 박막 (16-2) 및 상부 전극 (18) 이 이 순서대로 적층 형성된다. 내부 전극 (17') 은 제 1 압전체 박막 (16-1) 에 대한 상부 전극으로서의 기능과 제 2 압전체 박막 (16-2) 에 대한 하부 전극으로서의 기능을 갖는다.
본 실시 형태에서는, 하부 전극 (15) 과 내부 전극 (17') 사이에 입력 전압을 인가하고, 이 내부 전극 (17') 과 상부 전극 (18) 간의 전압을 출력 전압으로서 취출할 수 있으므로, 그 자체를 다극형 필터로서 사용할 수 있다. 이와 같은 구성을 갖는 다극형 필터를 통과 대역 필터의 구성 요소로서 사용함으로써 소자 내 배선이 불필요해지므로, 이 배선에서 기인되는 손실이 없고 저지 대역의 감퇴 특성이 양호해져 필터로서의 주파수 응답성이 향상된다.
이상과 같은 박막 압전 공진자 (압전 박막 공진자) 에 있어서, 마이크로파 프로버를 사용하여 측정한 임피던스 특성에서 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 와 전기 기계 결합계수 (kt
2) 사이에는, 다음 관계
kt
2=φr/Tan (φr)
φr= (π/2) (fr/fa)
가 있다.
간단히 하기 위해서 전기 기계 결합계수 (kt
2) 로서 다음 식
kt
2=4.8 (fa-fr)/ (fa+fr)
에서 산출된 것을 사용할 수 있고, 본 명세서에서는 전기 기계 결합계수 (kt
2) 의 수치는 이 식을 이용하여 산출한 것을 채택한다.
도 1 및 도 2, 도 3 및 도 4, 도 5 및 도 6, 도 7 및 도 8, 그리고 도 9 및 도 10의 각각에 나타낸 구성을 갖는 FBAR 또는 SBAR에 있어서, 2.0 ∼ 3.0 GHz 범위에서의 공진 주파수와 반공진 주파수의 측정값으로부터 구한 전기 기계 결합계수 (kt 2) 는 4.5 % 이상, 예컨대 4.5 ∼ 6.5 % 인 것이 바람직하다. 전기 기계 결합계수 (kt 2) 가 4.5 % 미만이 되면, 제조된 FBAR 또는 SBAR의 대역폭이 작아져 고주파역에서 사용하는 박막 압전 공진자로서 실용화하기 어려워지는 경향이 있다.
다음으로, 실시예 및 비교예를 나타내며 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 두께가 250 ㎛ 인 (100) Si 기판 (12) 의 상면 및 하면에, 저압 CVD 법으로 두께가 0.55 ㎛ 인 질화실리콘 (SiNx) 층을 형성하였다. 상면측 SiNx층을 하지막 (13) 으로 하였다. 또한, 하면측 SiNx층은 기판 (12) 에 대한 후술하는 비아홀 형성을 위한 마스크 패턴으로 형성하였다.
하지막 (13) 표면에, DC 마그네트론 스퍼터법으로 두께가 200 ㎚ 인 Mo층을 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. 하부 전극 (15) 이 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo 하부 전극 (15) 상에 조성 중에 [표 1] 에 나타낸 제 3 성분을 함유한 두께가 1.55 ㎛ 인 AlN 박막을 형성하였다. AlN 박막 형성은 적절한 조성을 갖는 Al 합금 또는 금속 Al의 일부에 희토류 금속괴를 매립한 것을 타겟으로 사용한 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 열 인산을 사용한 습식 에칭에 의해 AlN 박막을 소정 형상으로 패턴화시켜 압전체막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법 및 리프트오프법을 사용하여 두께가 200 ㎚ 인 Mo로 이루어진 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하고, 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다.
다음으로, 이상과 같이 하여 획득한 구조체를 갖는 상하부 전극 (15, 17) 및 압전체막 (16) 이 형성되는 측을 PMMA 수지로 피복하고, Si 기판 (12) 하면에 형성된 패턴 형상 SiNx층을 마스크로 하며, 진동부 (21) 에 대응하는 Si 기판 (12) 의 부분을 KOH 수용액으로 에칭 제거하여 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다. Si 기판 (12) 의 상면에 형성된 비아홀 개구의 치수 (진동부 (21) 의 평면 치수) 는 200×200 ㎛ 였다.
이상과 같은 공정에 의해 획득한 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 압전체막 (16) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 박막 X 선 회절 측정 (θ-2θ 회전에 의한 격자 정수 측정과 Kα1 회절 피크의 반치폭 (FWHM) 측정) 과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 압전체막 (16) 의 산소 함유량은 0.5 at% 미만이었다. AlN 압전체막 (16) 의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 1] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버 및 네트워크 분석기 (network analyzer) 를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q 값) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다.
[실시예 2 ∼ 4]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 두께가 300 ㎛ 인 Si 기판 (12) 의 상면 및 하면에 열 산화법으로 두께가 0.2 ∼ 0.7 ㎛ 범위 내인 산화실리콘 (SiO2) 층을 형성하였다. 상면측 SiO2 층을 하지막 (13) 으로 하였다. 또한, 하면측 SiO2 층은 기판 (12) 에 대한 후술하는 비아홀 형성을 위한 마스크 패턴으로 형성하였다.
하지막 (13) 표면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 두께가 15 ㎚ 인 Ti층과 그 위의 두께가 100 ㎚ 인 Pt층의 적층막을 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. 하부 전극 (15) 이 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 즉, θ-2θ 회전 디프랙토미터법에서, (111) 계열의 면 이외의 회절 피크 강도는 검출 한계 이하, 즉 (111) 면의 최대 피크 강도의 0.5 % 이하였다. 이 Pt/Ti 하부 전극 (15) 상에 조성 중에 [표 1] 에 나타낸 제 3 성분을 함유한 AlN 박막을 형성하였다. AlN 박막의 두께는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다. AlN 박막의 형성은 적절한 조성을 갖는 AlN 합금 또는 금속 Al의 일부에 희토류 금속괴를 매립한 것을 타겟으로 사용한 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 행하였다. 열 인산을 사용한 습식 에칭으로 AlN 박막을 소정 형상으로 패턴화시켜 압전체막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법 및 리프트오프법을 사용하여 두께가 100 ㎚ 인 Al로 이루어진 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하고, 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다.
다음으로, 이상과 같이 하여 획득한 구조체를 갖는 상하부 전극 (15, 17) 및 압전체막 (16) 이 형성되는 측을 PMMA 수지로 피복하고, Si 기판 (12) 하면에 형성된 패턴 형상 SiO2 층을 마스크로 하며 진동부 (21) 에 대응하는 Si 기판 (12) 의 부분을 KOH 수용액으로 에칭하여, 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다. Si 기판 (12) 의 상면에 형성된 비아홀 개구의 치수 (진동부 (21) 의 평면 치수) 는 200×200 ㎛ 였다.
이상과 같은 공정에 의해 획득한 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 압전체막 (16) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 박막 X 선 회절 측정 (θ-2θ 회전에 의한 격자 정수 측정과 Kα1 회절 피크의 반치폭 (FWHM) 측정) 과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 압전체막 (16) 의 산소 함유량은 0.5 at% 미만이었다. AlN 압전체막 (16) 의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 1] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버 및 네트워크 분석기를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다.
[실시예 5]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
상하부 전극 (15, 17) 의 형상 및 치수를 제외하고 실시예 1과 동일한 공정을 실시하였다. 하부 전극 (15) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역을 포함하도록 연장되는 평면 치수가 120×280 ㎛ 인 직사각형 형상의 것으로 하고, 상부 전극 (17) 은 각각 평면 치수가 65×85 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 주체부 (17Aa, 17Ba) 가 간격 20 ㎛ 를 두고 배치된 것으로 하였다.
이상과 같은 공정에 의해 획득한 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 압전체막 (16) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 박막 X 선 회절 측정 (θ-2θ 회전에 의한 격자 정수 측정과 Kα1 회절 피크의 반치폭 (FWHM) 측정) 과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 압전체막 (16) 의 산소 함유량은 0.5 at% 미만이었다. AlN 압전체막 (16) 의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 1] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 하부 전극 (15) 의 단자부 (도 3, 4에서 좌측의 노출 부분) 를 접지 전극에 접속시켜 상부 전극 (17A) 의 단자부 (17Ab) 로부터 신호를 입력하고, 상부 전극 (17B) 의 단자부 (17Bb) 로부터 출력 신호를 취출하여 네트워크 분석기로 신호 강도 및 파형 등을 해석하였다. 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다.
[실시예 6 ∼ 8]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
상하부 전극 (15, 17) 의 형상 및 치수를 제외하고 실시예 2 ∼ 4와 동일한 공정을 실시하였다. 하부 전극 (15) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역을 포함하도록 연장되는 평면 치수가 150×300 ㎛ 인 직사각형 형상의 것으로 하고, 상부 전극 (17) 은 각각 평면 치수가 70×90 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 주체부 (17Aa, 17Ba) 가 간격 20 ㎛ 를 두고 배치된 것으로 하였다.
이상과 같은 공정에 의해 획득한 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 압전체막 (16) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 박막 X 선 회절 측정 (θ-2θ 회 전에 의한 격자 정수 측정과 Kα1 회절 피크의 반치폭 (FWHM) 측정) 과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 압전체막 (16) 의 산소 함유량은 0.5 at% 미만이었다. AlN 압전체막 (16) 의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 1] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 하부 전극 (15) 의 단자부 (도 3, 4에서 좌측의 노출 부분) 를 접지 전극에 접속시켜 상부 전극 (17A) 의 단자부 (17Ab) 로부터 신호를 입력하고, 상부 전극 (17B) 의 단자부 (17Bb) 로부터 출력 신호를 취출하여 네트워크 분석기로 신호 강도 및 파형 등을 해석하였다. 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다.
[비교예 1, 2]
AlN 박막 형성시에 제 3 성분인 알칼리 토류 금속이나 희토류 금속을 첨가하지 않은 것 이외에는, 각각 실시예 1, 5와 동일한 공정을 실행하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자 또는 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
이상과 같은 공정에 의해 획득한 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 압전체막 (16) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 박막 X 선 회절 측정 (θ-2θ 회전에 의한 격자 정수 측정과 Kα1 회절 피크의 반치폭 (FWHM) 측정) 과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 박막의 산소 함유량은 비교예 1, 2 모두 약 2.5 at% 였다. 실시예 1 ∼ 8과 동일한 조작으로 분석 평가했는데, AlN 박막의 품질이 불량하기 때문에 XPS 분석까지 막이 산화되어 산소 함유량이 증가했을 가능성도 있다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 1] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버 및 네트워크 분석기를 사용하여 각각 실시예 1, 5와 동일한 방법으로 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 2] 에 나타낸 바와 같다.
한편, [표 1] 에는 각 실시예에서 각각의 조성을 갖는 (0001) 배향 AlN 결정의 c 축 격자 정수의 측정 결과를 기재한다. 박막에서는 냉각 과정에서의 Si 기판과의 열팽창계수 차이, 하부 전극과의 격자의 미스 매치에 의한 잔류 응력, AlN 결정 내부의 격자 결함의 존재 등에 따라 벌크의 AlN 결정과는 다른 격자 정수를 나타낸다.
이상과 같은 결과에서 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 함유한 질화알루미늄 박막을 사용한 FBAR은 종래에 없던 고특성을 나타냄을 알 수 있게 되었다. 그것은 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 첨가함으로써, 압전체막인 질화알루미늄의 결정 격자에 고용된 산소 농도를 저감할 수 있고, 배향성, 결정성 및 입계 강도가 개선되는 것에 기초한 것으로 생각된다. 이 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 함유한 질화알루미늄 박막을 공진자나 필터 등에 적용시킨 경우에는, 음향적 품질계수 (Q 값) 나 주파수 온도 특성 등의 성능이 향상된다.
[실시예 9]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 열 산화법으로 두께가 350 ㎛ 인 (100) Si 기판 (12) 의 상하 양면에 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 형성한 후, 상면측 SiO2 층만을 에칭하고 상면의 SiO2 층의 두께를 0.28 ㎛ 로 조정하여 SiO2로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 두께가 110 ㎚ 인 Pt 전극층 (Ti 밀착층 포함) 을 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Pt/Ti 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. 하부 전극 (15) 이 (111) 배향막 즉 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Pt/Ti 하부 전극 (15) 상에 적절한 조성을 갖는 Al-In 합금을 타겟으로 하여 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 [표 1] 에 기재된 조건에서 이 표에 나타낸 조성을 갖는 Al1-yInyN계 고용체 박막 (압전체막) 을 형성하였다. 열 인산을 사용한 습식 에칭으로 Al1-yInyN계 고용체 박막을 소정 형상으로 패턴화시켜 압전체막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법 및 리프트오프법을 사용하여 두께 110 ㎚ 로 주체부 (17a) 의 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 Pt/Ti 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 다음으로, 이상과 같이 하여 획득한 구조체를 갖는 하부 전극 (15) 과 상부 전극 (17) 과 압전체막 (16) 이 형성되는 측을 프로텍트 왁스로 피복하고, Si 기판 (12) 하면에 형성된 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 패터닝하여 형성한 마스크를 사용하여 진동부 (21) 에 대응하는 Si 기판 (12) 의 부분을 KOH 수용액으로 에칭 제거하여 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 Al1-yInyN계 고용체 박막의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. Al1-yInyN계 고용체 박막의 조 성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버 및 네트워크 분석기를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 10]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 열 산화법으로 두께가 350 ㎛ 인 (100) Si 기판 (12) 의 상하 양면에 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 형성한 후, 상면측 SiO2 층만을 에칭하고 상면의 SiO2 층의 두께를 [표 4] 에 기재된 값으로 조정하여 SiO2로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 [표 3] 에 기재된 두께를 갖는 Pt 전극층 (Ti 밀착층 포함) 을 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Pt/Ti 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. 하부 전극 (15) 이 (111) 배향막 즉 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Pt/Ti 하부 전극 (15) 상에 적절한 조성을 갖는 Al-Ga 합금을 타겟으로 하여 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 [표 3] 에 기재된 조건에서 이 표에 나타낸 조성을 갖는 Al1-xGaxN계 고용체 박막 (압전체막) 을 형성하였다. 열 인산을 사용한 습식 에칭으로 Al1-xGaxN계 고용체 박막을 소정 형상으로 패턴화시켜 압전체막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법 및 리프트오프법을 사용하여 [표 3] 에 기재된 두께로 주체부 (17a) 의 평면 치수가 140×160 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 Pt/Ti 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 이상과 같이 하여 획득한 구조체를 갖는 하부 전극 (15), 상부 전극 (17), 및 압전체막 (16) 이 형성되는 측을 프로텍트 왁스로 피복하고, Si 기판 (12) 하면에 형성된 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 패터닝하여 형성한 마스크를 사용하며 진동부 (21) 에 대응하는 Si 기판 (12) 의 부분을 KOH 수용액으로 에칭 제거하여 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 Al1-xGaxN계 고용체 박막 (압전체막) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. Al1-xGaxN계 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버와 네트워크 분석기를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 11]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 하부 전극 (15) 은 진동부 (21) 에 대응하는 영역을 포함하도록 연장되는 평면 치수가 120×280 ㎛ 인 직사각형 형상의 것으로 하고, 상부 전극 (17) 은 각각 평면 치수가 65×85 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 주체부 (17Aa, 17Ba) 가 간격 20 ㎛ 를 두고 배치된 것으로 하고, 또한 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 10과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 10과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 하부 전극 (15) 의 단자부 (도 3, 4에서 좌측의 노출 부분) 를 접지 전극에 접속시켜 상부 전극 (17A) 의 단자부 (17Ab) 로부터 신호를 입력하고, 상부 전극 (17B) 의 단자부 (17Bb) 로부터 출력 신호를 취출하여 네트워크 분석기로 신호 강도ㆍ파형 등을 해석하였다. 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 12]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 10과 동일한 공정을 실행하였다. 여기서, 절연체층 (13) 을 위한 SiNx층의 형성은 저압 CVD 법으로 행하였다.
실시예 10과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석 과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 10과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 13]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 12와 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 12와 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 12와 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 14]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 10과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 10과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 10과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 15]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 11과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 11과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 11과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 16]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 11과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 11과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 11과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 17]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 12와 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 12와 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석 과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 12와 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[실시예 18]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 16과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 16과 동일한 방법으로 획득한 고용체 박막 (압전체막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. 고용체 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 16과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
[비교예 3, 4]
본 비교예에서는 다음과 같이 하여 도 1, 2 또는 도 3, 4에 나타낸 구조를 갖는 압전 박막 공진자를 제조하였다.
즉, Al1-xGaxN계 고용체 박막 또는 Al1-yInyN계 고용체 박막 대신에 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 AlN 박막을 형성하고, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체막 (16) 의 형상, 두께 및 재질이나 조성이 [표 3] 및 [표 4] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 9 또는 실시예 16과 동일한 공정을 실행하였다.
상기 공정에 의해 제조된 박막 압전 공진자 (FBAR) 에 대해서 XPS 분광법으로 AlN 박막의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 박막의 산소 함유량은 [표 3] 에 나타낸 바와 같다. 실시예 9 또는 실시예 16과 동일한 조작으로 분석 평가했는데, AlN 박막의 품질이 불량하기 때문에 XPS 분석까지 막이 산화되어 산소 함유량이 증가했을 가능성도 있다. AlN 박막의 결정성의 평가 결과를 [표 3] 에 나타낸다.
또한, 실시예 9 또는 실시예 16과 동일한 방법으로 획득한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 압전 박막 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2), 주파수 온도 특성 (τf) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 4] 에 나타낸다.
이상과 같은 결과에서 압전체막으로서 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체로 이루어진 박막 또는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어진 박막을 사용한 FBAR이나 SBAR은 종래에 없던 고특성을 나타냄을 알 수 있게 되었다. 그것은 이와 같은 압전체막을 사용함으로써, 전극에 사용되는 금속 결정에 대한 격자 정합성이 높아지는 것에 기초한 것으로 생각된다. 그 결과, 압전체막의 배향성 및 결정성이 개선되어 이 압전체막을 공진자나 필터 등에 적용시킨 경우에는, 음향적 품질계수 (Q 값) 나 주파수 온도 특성 등의 성능을 향상시킬 수 있다.
[실시예 19]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 열 산화법으로 두께가 350 ㎛ 인 (100) Si 기판 (12) 의 상하 양면에 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 형성한 후, 상면측 SiO2 층만을 에칭하고 상면의 SiO2 층의 두께를 조정하여 SiO2로 이루어지며 [표 7] 에 기재된 두께값을 갖는 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 두께가 60 ㎚ 인 Au 금속층 (제 2 금속층) 및 두께가 150 ㎚ 인 Mo 금속층 (제 1 금속층) 을 이 순서대로 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Mo/Au 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 150×170 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. Au 금속층이 (111) 배향막 즉 단일 배향막이고, Mo 금속층이 (110) 배향막 즉 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo/Au 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 상에, 순도 5N의 금속 Al을 타겟으로 하여 반응성 RF 마그네트론 스퍼터법으로 [표 6] 에 기재된 조건에서 AlN 박막을 형성하였다. 열 인산을 사용한 습식 에칭으로 AlN 박막을 소정 형상으로 패턴화시켜 AlN 압전체 박막 (16) 을 형성하였다.
그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법과 리프트오프법을 사용하여 두께 190 ㎚ 로 주체부 (17a) 의 평면 치수가 130×150 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 Al 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 이상과 같이 하여 획득한 구조체를 갖는 하부 전극 (15) 과 상부 전극 (17) 과 압전체막 (16) 이 형성되는 측을 프로텍트 왁스로 피복하고, Si 기판 (12) 하면에 형성된 두께가 1.1 ㎛ 인 SiO2 층을 패터닝하여 형성한 마스크를 사용하여 진동부 (21) 에 대응하는 Si 기판 (12) 의 부분을 가열한 KOH 수용액으로 에칭 제거하여 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 XPS 분광법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버와 네트워크 분석기를 사용하여 상기 박막 압전 공진자 (FBAR) 의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 20]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 실시예 19와 동일한 조작으로 SiO2로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 [표 5] 에 기재된 두께를 갖는 Ti 금속층 (밀착 금속층), Pt 금속층 (제 2 금속층) 및 Mo 금속층 (제 1 금속층) 을 이 순서대로 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Mo/Pt/Ti 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 150×170 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. Pt 금속층이 (111) 단일 배향막이고, Mo 금속층이 (110) 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo/Pt/Ti 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 상에 실시예 19와 동일한 조작으로 압전체 박막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법과 리프트오프법을 사용하여 주체부 (17a) 의 평면 치수가 130×150 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 Mo/Pt/Ti 상부 전극 (17) 을 형성하였다. Ti 금속층은 밀착 금속층으로 사용되고, Pt 금속층은 면심 입방 구조를 갖는 제 4 금속층으로 사용되며, Mo 금속층은 체심 입방 구조를 갖는 제 3 금속층으로 사용되고, 이들 두께는 [표 5] 에 기재된 바로 하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 실시예 19와 동일한 조작으로 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 XPS 분광법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성을 분석하는 동시에, 표면 구조 평가용 다기능 X 선 회절장치를 사용하여 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정과 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버와 네트워크 분석기를 사용하여 상기 박막 압전 공진자 (FBAR) 의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 21]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 실시예 19와 동일한 조작으로 SiO2로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 [표 5] 에 기재된 두께를 갖는 Ti 금속층 (밀착 금속층), Au 금속층 (제 2 금속층) 및 Mo 금속층 (제 1 금속층) 을 이 순서대로 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Mo/Au/Ti 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 150×170 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. Au 금속층이 (111) 단일 배향막이고, Mo 금속층이 (110) 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo/Au/Ti 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 상에 실시예 19와 동일한 조작으로 압전체 박막 (16) 을 형성하였다. 그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법과 리프트오프법을 사용하여 주체부 (17a) 의 평면 치수가 130×150 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 두께가 195 ㎚ 인 Mo 상부 전극 (17) 을 형성하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 실시예 19와 동일한 조작으로 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다. 또한, 드라이 에칭에 의해 진동부 (21) 에 대응하는 영역의 절연체층 (13) 도 에칭 제거하여 하부 전극 (15) 의 하면을 노출시켰다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 실시예 19와 동일한 방법으로 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석, 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정 및 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 19와 동일한 방법으로 상기 박막 압전 공진자 (FBAR) 의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 22, 23]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 저압 CVD 법으로 두께가 300 ㎛ 인 (100) Si 기판 (12) 의 상하 양면에 [표 7] 에 기재된 두께를 갖는 SiNx층을 형성하고, SiNx로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 [표 5] 에 기재된 두께를 갖는 Ti 금속층 (밀착 금속층), Au 금속층 (제 2 금속층) 및 Mo 금속층 (제 1 금속층) 을 이 순서대로 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Mo/Au/Ti 하부 전극 (15) 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 평면 치수가 150×170 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. Au 금속층이 (111) 단일 배향막이고, Mo 금속층이 (110) 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo/Au/Ti 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 상에 [표 5] 에 기재된 두께를 갖는 SiNx층 (계면층) 또는 Al층 (계면층) 을 형성한 후, 실시예 19와 동일한 조작으로 압전체 박막 (16) 을 형성하고, 하부 전극 (15) 과 AlN 박막 (압전체 박막: 16) 의 계면에 SiNx층 또는 Al층이 개재되는 구성으로 하였다.
그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법과 리프트오프법을 사용하여 주체부 (17a) 의 평면 치수가 130×150 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 Mo/Au/Ni 상부 전극 (17) [실시예 22] 또는 두께가 195 ㎚ 인 Mo 상부 전극 (17) [실시예 23] 을 형성하였다. 실시예 22에서 Ti 금속층은 밀착 금속층으로 사용되고, Pt 금속층은 제 4 금속층으로 사용되며, Mo 금속층은 제 3 금속층으로 사용되고, 이들 두께는 [표 5] 에 기재된 바로 하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17a) 는 하부 전극 주체부 (15a) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 실시예 19와 동일한 조작으로 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 실시예 19와 동일한 방법으로 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석, 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정 및 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 19와 동일한 방법으로 상기 박막 압전 공진자 (FBAR) 의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 24, 25]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3 및 도 4에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 실시예 22와 동일한 조작으로 SiNx로 이루어진 절연체층 (13) 을 형성하였다. 이 절연체층 (13) 상면에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 [표 5] 에 기재된 재질과 두께를 갖는 밀착 금속층, 제 2 금속층 및 제 1 금속층을 이 순서대로 형성하고, 포토리소그래피로 패턴화시켜 Mo (TZM 합금)/Au/V 하부 전극 (15) [실시예 24] 또는 Mo-Re 합금/Au/Cr로 이루어진 하부 전극 (15) [실시예 25] 을 형성하였다. 하부 전극 (15) 의 주체부 (15a) 는 진동부 (21) 에 대응하는 부분을 포함하도록 연장되는 평면 치수가 120×280 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상으로 하였다. Au 금속층이 (111) 단일 배향막이고, Mo (TZM 합금) 금속층 또는 Mo-Re 합금 금속층이 (110) 단일 배향막인 점은 X 선 회절 측정에 의해 확인되었다. 이 Mo (TZM 합금)/Au/V 하부 전극 (15) 또는 Mo-Re 합금/Au/Cr 하부 전극 (15) 을 형성한 기판 (12) 상에 실시예 19와 동일한 조작으로 압전체 박막 (16) 을 형성하였다.
그 다음, DC 마그네트론 스퍼터법과 리프트오프법을 사용하여 평면 치수가 65×85 ㎛ 인 직사각형에 가까운 형상의 주체부 (17Aa, 17Ba) 가 간격 20 ㎛ 를 두고 배치된 Mo (TZM 합금)/Au 상부 전극 (17) [실시예 24] 또는 Mo-Re 합금/Au/Ti 상부 전극 (17) [실시예 25] 을 형성하였다. 실시예 24에서 Au 금속층은 제 4 금속층으로 사용되고, Mo (TZM 합금) 금속층은 제 3 금속층으로 사용되며, 이들 두께는 [표 5] 에 기재된 바로 하였다. 또한, 실시예 25에서 Ti 금속층은 밀착 금속층으로 사용되고, Au 금속층은 제 4 금속층으로 사용되며, Mo-Re 합금 금속층은 제 3 금속층으로 사용되고, 이들 두께는 [표 5] 에 기재된 바로 하였다. 상부 전극 (17) 의 주체부 (17Aa, 17Ba) 는 각각 하부 전극 (15) 에 대응하는 위치에 배치하였다. 이어서, 실시예 19와 동일한 조작으로 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성하였다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 실시예 19와 동일한 방법으로 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석, 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정 및 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, Cascade Microtech Inc. 제조의 마이크로파 프로버를 사용하여 상기 박막 압전 공진자의 하부 전극 (15) 의 단자부 (도 3 및 도 4에서 좌측의 노출 부분) 를 접지 전극에 접속시켜 상부 전극 (17A) 의 단자부 (17Ab) 로부터 신호를 입력하고, 상부 전극 (17B) 의 단자부 (17Bb) 로부터 출력 신호를 취출하여 네트워크 분석기로 신호 강도ㆍ파형 등을 해석하였다. 각각의 공진자의 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 는 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 26]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3 및 도 4에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질 및 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 24와 동일한 공정을 실행하였다. 여기서, 절연체층 (13) 으로는 열 산화법에 의해 형성된 SiO2 층을 사용하였다.
실시예 24와 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 24와 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 27, 28]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질 및 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 20과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 20과 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 20과 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 29, 30]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 22와 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 22와 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 22와 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 31]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3 및 도 4에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지고, 공극이 되는 비아홀 (20) 을 형성한 후에, 드라이 에칭으로 진동부 (21) 에 대응하는 영역의 절연체층 (13) 도 에칭 제거하여 하부 전극 (15) 의 하면을 노출시킨 것 이외에는, 실시예 26과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 26과 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 26과 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[실시예 32]
본 실시예에서는 다음과 같이 하여 도 3 및 도 4에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 26과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 26과 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 26과 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[비교예 5, 6]
본 비교예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 공정을 실행하였다.
상기 공정에 의해 제조된 AlN 박막-금속 전극 적층체에 대해서 실시예 19와 동일한 방법으로 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석, 디프랙토미터법에 의한 격자 정수 측정 및 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다. XPS 분광법에 의해 측정된 AlN 박막의 산소 함유량은 [표 6] 에 나타낸 바와 같다. 실시예 19 ∼ 32와 동일한 조작으로 분석 평가했는데, AlN 박막의 품질이 불량하기 때문에 XPS 분석까지 막이 산화되어 산소 함유량이 증가했을 가능성도 있다.
또한, 실시예 19와 동일한 방법으로 상기 박막 압전 공진자 (FBAR) 의 전극 단자 (15b, 17b) 간의 임피던스 특성을 측정하는 동시에, 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[비교예 7]
본 비교예에서는 다음과 같이 하여 도 3 및 도 4에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 26과 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 26과 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 26과 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
[비교예 8]
본 비교예에서는 다음과 같이 하여 도 7 및 도 8에 나타낸 구조를 갖는 박막 압전 공진자를 제조하였다.
즉, 절연체층 (13), 하부 전극 (15), 상부 전극 (17) 및 압전체 박막 (16) 의 재질, 두께가 [표 5] ∼ [표 7] 에 나타낸 바와 같이 이루어지는 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 공정을 실행하였다.
실시예 19와 동일한 방법으로 획득한 AlN 박막 (압전체 박막) 의 조성 분석과 X 선 회절 측정을 행하였다. AlN 박막의 조성 및 결정성의 평가 결과를 [표 6] 에 나타낸다.
또한, 실시예 19와 동일한 방법으로 측정한 공진 주파수 (fr) 및 반공진 주파수 (fa) 의 측정값으로부터 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 구하였다. 획득한 박막 압전 공진자의 두께 진동의 기본 주파수, 전기 기계 결합계수 (kt 2) 및 음향적 품질계수 (Q) 를 [표 7] 에 나타낸다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 압전 박막 공진자에 따르면, 압전체막으로서 알칼리 토류 금속 또는 희토류 금속을 함유하는 질화알루미늄 박막을 사용하고 있으므로, 전기 기계 결합계수, 음향적 품질계수 (Q 값) 및 주파수 온도 특성의 향상이 가능하게 된다.
또한, 이상 설명한 바와 같이 본 발명의 압전 박막 공진자에 의하면, 압전체막으로서 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체로 이루어진 박막 또는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어진 박막을 사용하므로, 전기 기계 결합계수, 음향적 품질계수 (Q 값) 및 주파수 온도 특성 등의 성능 향상이 가능하다.
또한, 이상 설명한 바와 같이 본 발명의 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체에서는, 고배향성 박막을 쉽게 획득할 수 있는 면심 입방 구조를 갖는 금속 박막과 고탄성 체심 입방 구조를 갖는 금속 박막을 적층시킴으로써, 고배향성이며 고탄성인 적층 금속 전극막을 형성하고, 이 적층 금속 전극막 상에 질화알루미늄 박막을 성장시키므로, (0002) 회절 피크의 로킹 커브가 급준한 피크이고 반치폭 (FWHM) 이 작고, 따라서 고배향성ㆍ고결정성의 c 축 배향 질화알루미늄 박막을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 압전 공진자는 이상과 같은 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체에 의해 고탄성이며 고배향성인 금속 박막으로 이루어진 일측 금속 전극과 고배향성ㆍ고결정성의 c 축 배향 질화알루미늄 압전 박막의 조합을 구성하고, 그 위에 타측 금속 전극을 형성함으로써, 전기 기계 결합계수, 음향적 품질계수 (Q 값) 등의 성능이 현저히 향상된다. 그 결과, 종래에 없던 고특성 FBAR 또는 SBAR을 제조할 수 있고, 이를 사용하여 고주파역에서 손실이 없고 이득, 대역 특성이 양호한 압전 박막 필터, 박막 VCO, 송수신 분파기 등의 박막 압전 소자를 제공할 수 있게 된다.
Claims (51)
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시켜 이루어지는 것으로, 상기 기판에는 상기 진동부에 대응하는 영역에 상기 진동부의 진동을 허용하는 공극이 형성되어 있는 압전 박막 공진자로서,상기 압전체막이 알칼리 토류 금속 및/또는 희토류 금속을 함유하는 질화알루미늄 박막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전체막에서의 상기 알칼리 토류 금속 및 상기 희토류 금속의 함유량은 0.2 ∼ 3.0 at% 인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 3.0°이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전체막은 c 축 길이가 0.4978 ∼ 0.4993 ㎚ 인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전체막은 (0002) 면의 X 선 회절 피크의 2θ 회전각의 반치폭이 0.6°이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 하지막이 형성되고, 상기 진동부는 상기 하지막의 일부도 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 6 항에 있어서,상기 하지막은 산화실리콘을 포함하는 유전체막, 질화실리콘을 포함하는 유전체막, 또는 산화실리콘을 포함하는 유전체막과 질화실리콘을 포함하는 유전체막의 적층막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 상부 전극은 서로 이격되어 형성되는 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 1 항에 있어서,2.0 ∼ 3.0 GHz 범위에서 공진 주파수 및 반공진 주파수의 측정값으로부터 구한 전기 기계 결합계수가 4.5 % 이상인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 압전체막, 및 그 양면에 각각 형성된 전극을 포함하는 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되는 압전 박막 공진자로서,상기 압전체막은 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어지는 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 11 항에 있어서,상기 압전 적층 구조체는 복수개의 압전체막과 상기 복수개의 압전체막의 각 양면에 각각 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 11 항에 있어서,상기 압전 적층 구조체는 그 주변부가 기판에 지지되고 중앙부가 상기 진동부를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 13 항에 있어서,상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 절연체층이 형성되어 있고, 상기 진동부는 상기 절연체층의 일부도 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 14 항에 있어서,상기 절연체층은 산화실리콘을 포함하는 유전체막, 질화실리콘을 포함하는 유전체막, 또는 산화실리콘을 포함하는 유전체막과 질화실리콘을 포함하는 유전체막의 적층막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 13 항에 있어서,상기 기판은 반도체 또는 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 16 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 11 항에 있어서,상기 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 3.0°이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시킨 구조를 포함하여 이루어지는 것으로, 상기 기판에는 상기 진동부에 대응하는 영역에 상기 진동부의 진동을 허용하는 공극이 형성되어 있는 압전 박막 공진자로서,상기 압전체막은 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어지는 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 19 항에 있어서,상기 상부 전극은 서로 이격되어 형성된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 19 항에 있어서,상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 절연체층이 형성되고, 상기 진동부는 상기 절연체층의 일부도 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 21 항에 있어서,상기 절연체층은 산화실리콘을 포함하는 유전체막, 질화실리콘을 포함하는 유전체막, 또는 산화실리콘을 포함하는 유전체막과 질화실리콘을 포함하는 유전체막의 적층막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 19 항에 있어서,상기 기판은 반도체 또는 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 23 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 19 항에 있어서,상기 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 3.0°이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 압전 적층 구조체를 가지며, 상기 압전 적층 구조체의 일부를 포함하여 진동부가 구성되어 있고, 상기 압전 적층 구조체는 하부 전극, 제 1 압전체막, 내부 전극, 제 2 압전체막 및 상부 전극을 상기 기판측에서부터 이 순서대로 적층시켜 이루어지는 것으로, 상기 기판에는 상기 진동부에 대응하는 영역에 상기 진동부의 진동을 허용하는 공극이 형성되어 있는 압전 박막 공진자로서,상기 제 1 압전체막 및 상기 제 2 압전체막은 모두 일반식 Al1-xGaxN (단, 0＜x＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화갈륨의 고용체 또는 일반식 Al1-yInyN (단, 0＜y＜1) 으로 표시되는 질화알루미늄과 질화인듐의 고용체로 이루어지는 배향성 결정막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 26 항에 있어서,상기 기판과 상기 압전 적층 구조체 사이에는 절연체층이 형성되고, 상기 진동부는 상기 절연체층의 일부도 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 27 항에 있어서,상기 절연체층은 산화실리콘을 포함하는 유전체막, 질화실리콘을 포함하는 유전체막, 또는 산화실리콘을 포함하는 유전체막과 질화실리콘을 포함하는 유전체막의 적층막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 26 항에 있어서,상기 기판은 반도체 또는 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 29 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제 26 항에 있어서,상기 제 1 압전체막 및 상기 제 2 압전체막은 c 축 배향을 나타내고, (0002) 면의 X 선 회절 피크의 로킹 커브 반치폭이 3.0°이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 금속 전극 및 상기 금속 전극 상에 적어도 일부가 형성된 c 축 배향을 나타내는 질화알루미늄 박막이 적층된 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로서, 상기 금속 전극이 체심 입방 구조를 갖는 제 1 금속층과 면심 입방 구조를 갖는 제 2 금속층의 적층을 포함하는 2층 이상의 금속층으로 구성되어 있고, 상기 제 1 금속층의 두께가 상기 금속 전극 두께의 0.5 배 이상인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 제 1 금속층은 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴을 포함하는 합금, 및 텅스텐을 포함하는 합금 중에서 선택되는 금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 제 2 금속층은 이리듐, 백금, 금, 알루미늄, 은, 이리듐을 포함하는 합금, 백금을 포함하는 합금, 금을 포함하는 합금, 알루미늄을 포함하는 합금, 및 은을 포함하는 합금 중에서 선택되는 금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 질화알루미늄 박막은 상기 제 1 금속층과 접하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 질화알루미늄 박막과 상기 제 1 금속층 사이에, 상기 금속 전극 두께의 0.1 배 이하의 두께를 갖는 금속층 또는 화합물층으로 이루어지는 계면층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 36 항에 있어서,상기 계면층은 알루미늄, 실리콘, 알루미늄을 포함하는 합금 또는 화합물, 및 실리콘을 포함하는 합금 또는 화합물에서 선택되는 금속 또는 화합물로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 제 2 금속층의 상기 제 1 금속층에 면하는 측과는 반대측 면에 밀착 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 38 항에 있어서,밀착 금속층은 마그네슘, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 포함하는 합금, 티타늄을 포함하는 합금, 바나듐을 포함하는 합금, 지르코늄을 포함하는 합금, 하프늄을 포함하는 합금, 니오븀을 포함하는 합금, 탄탈륨을 포함하는 합금, 크롬을 포함하는 합금, 및 니켈을 포함하는 합금에서 선택되는 금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 질화알루미늄 박막의 (0002) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 3.3°미만인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 제 32 항에 있어서,상기 제 1 금속층의 (110) 회절 피크의 로킹 커브 반치폭 (FWHM) 이 4.5°미만인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체.
- 압전체 박막이 복수개의 전극 사이에 끼워지고, 상기 압전체 박막이 그 주위의 지지에 의해 중심부에서 가교 결합되어 이루어지는 구조를 갖는 박막 압전 공진자로서,상기 압전체 박막과 상기 전극 중 하나가 제 32 항에 기재된 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 진동 공간을 갖는 반도체 또는 절연체로 이루어지는 기판 및 상기 기판의 상기 진동 공간에 면하는 위치에서 하부 전극, 압전체 박막 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체를 구비하는 박막 압전 공진자로서,상기 압전체 박막과 상기 하부 전극이 제 32 항에 기재된 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 43 항에 있어서,상기 상부 전극은 서로 이격되어 배치된 2 개의 전극부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 43 항에 있어서,상기 진동 공간에 면하는 위치에서 상기 적층 구조체에는 1 층 이상의 산화실리콘 및/또는 질화실리콘을 포함하는 절연층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 43 항에 있어서,상기 상부 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 알루미늄, 몰리브덴을 포함하는 합금, 텅스텐을 포함하는 합금, 니오븀을 포함하는 합금, 및 알루미늄을 포함하는 합금 중에서 선택되는 금속을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 43 항에 있어서,상기 상부 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴을 포함하는 합금, 텅스텐을 포함하는 합금, 니오븀을 포함하는 합금, 이리듐, 백금, 금, 은, 이리듐을 포함하는 합금, 백금을 포함하는 합금, 금을 포함하는 합금, 은을 포함하는 합금, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 포함하는 합금, 알루미늄을 포함하는 합금, 티타늄을 포함하는 합금, 바나듐을 포함하는 합금, 지르코늄을 포함하는 합금, 하프늄을 포함하는 합금, 탄탈륨을 포함하는 합금, 크롬을 포함하는 합금, 및 니켈을 포함하는 합금에서 선택되는 금속으로 이루어지는 금속층의 2 종류 이상의 적층을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 진동 공간을 갖는 반도체 또는 절연체로 이루어지는 기판과 상기 기판의 상기 진동 공간에 면하는 위치에서 하부 전극, 제 1 압전체 박막, 내부 전극, 제 2 압전체막 및 상부 전극이 이 순서대로 적층된 적층 구조체를 구비하고 있는 박막 압전 공진자로서,상기 제 1 압전체 박막과 상기 하부 전극이 제 32 항에 기재된 질화알루미늄 박막-금속 전극 적층체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 48 항에 있어서,상기 진동 공간에 면하는 위치에서 상기 적층 구조체에는, 1 층 이상의 산화실리콘 및/또는 질화실리콘을 포함하는 절연층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 48 항에 있어서,상기 상부 전극 및 상기 내부 전극의 각각은 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 알루미늄, 몰리브덴을 포함하는 합금, 텅스텐을 포함하는 합금, 니오븀을 포함하는 합금, 및 알루미늄을 포함하는 합금 중에서 선택되는 금속을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
- 제 48 항에 있어서,상기 상부 전극 및 상기 내부 전극의 각각은, 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴을 포함하는 합금, 텅스텐을 포함하는 합금, 니오븀을 포함하는 합금, 이리듐, 백금, 금, 은, 이리듐을 포함하는 합금, 백금을 포함하는 합금, 금을 포함하는 합금, 은을 포함하는 합금, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 크롬, 니켈, 마그네슘을 포함하는 합금, 알루미늄을 포함하는 합금, 티타늄을 포함하는 합금, 바나듐을 포함하는 합금, 지르코늄을 포함하는 합금, 하프늄을 포함하는 합금, 탄탈륨을 포함하는 합금, 크롬을 포함하는 합금, 및 니켈을 포함하는 합금에서 선택되는 금속으로 이루어지는 금속층의 2 종류 이상의 적층을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 압전 공진자.
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