KR101910195B1 - 부양 막을 포함하는 음향파 공진기의 제조 프로세스 - Google Patents
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Abstract
부양 막을 포함하는 음향파 공진기의 제조 프로세스
본 발명은 압전 재료 층을 포함하는 부양 막을 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스에 관한 것으로서,
- 제 1 기판의 표면 상에 제 1 압전 재료 (CPiezo) 의 적어도 하나의 층을 포함하는 제 1 스택 (stack) 을 생성하는 단계;
- 적어도 하나의 제 2 기판을 포함하는 제 2 스택을 생성하는 단계;
- 다음 본딩하는 단계 전에, 돌출한 나노구조들이 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중의 하나의 표면에 국부적으로 부여되게 하는 제어된 크기의 입자들의 퇴적 또는 형성에 의해 적어도 하나의 비본딩 개시 구역 (non-bonding initiating zone) 을 생성하는 단계;
- 상기 비본딩 개시 구역의 존재에 기인하여, 상기 제 1 스택과 상기 제 2 스택 사이에 기포 (CAV) 를 형성하는 상기 제 1 스택과 상기 제 2 스택을 직접 본딩하는 단계;
- 적어도 상기 제 1 기판을 제거하기 위해 상기 제 1 스택을 박화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 압전 재료 층을 포함하는 부양 막을 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스에 관한 것으로서,
- 제 1 기판의 표면 상에 제 1 압전 재료 (CPiezo) 의 적어도 하나의 층을 포함하는 제 1 스택 (stack) 을 생성하는 단계;
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- 적어도 상기 제 1 기판을 제거하기 위해 상기 제 1 스택을 박화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 기술 분야는 음향파 공진기 필터의 기술분야이다.
약 지난 10년에 걸친 무선주파수 전기통신에서의 팽창은 인증된 주파수 대역의 밀집 (crowding) 을 초래하였다. 이용가능한 주파수 범위로부터 이익을 얻기 위해, 시스템들은 협 천이 대역 (narrow transition band) 을 갖는, 대역 필터링을 포함해야 한다. 재료의 압전 (piezoelectric) 특성을 이용하여, SAW (surface waves) 또는 BAW (bulk waves) 기술을 이용하는 공진기 (resonator) 들을 갖는 필터들만이 낮은 손실 및 감소된 밀집을 갖는 이들 사양 (specifications) 을 충족하는 것을 가능하게 한다. 오늘날, 이들 필터들에 사용되는 압전층들은 퇴적 (BAW "벌크 음향파 (Bulk Acoustic Wave)" 필터) 에 의해 또는 고체 기판 (SAW "표면 음향파 (Surface Acoustic Wave)" 필터) 에 기초하여 생산된다.
일반적으로, BAW 성분들의 동작 원리들은, 벌크 파 필터 구조를 도시하는 도 1에 예시되어 있다: 압전 기판 Spiezo ,v가 2개의 금속 피복 (metallization) M1 과 M2 사이에 삽입되어 벌크 파의 전파 (propagation) 를 허용한다.
다음의 논문들은 BAW 및 SAW의 공진기에 기초한 필터들의 완전한 개관을 상세히 설명한다: W. Steichen, S. Ballandras, "Composants acoustiques utilises pour le filtrage: revues de differentes technologies" [Acoustic components used for filtering: reviews of various technologies], Editions de Techniques de l’Ingenieur, E-2000, 31 pages, 2008; R. Aigner, Bringing BAW technology into volume production: the Ten Commandments and the seven deadly sins, Proceedings of the third international symposium on acoustic wave devices for future mobile communication systems (2007). J. Kaitila: Review of wave propagation in BAW thin film devices: progress and prospects, Proceedings of the 2007 IEEE Ultrasonics Symposium. P. Muralt 등의 : Is there a better material for thin film BAW applications than AlN, Proceedings of the 2005 IEEE Ultrasonics Symposium.
벌크 파 필터는, 협 대역 어플리케이션들에 대해 석영 (quartz) 상에서 횡방향 커플링 (lateral coupling) 을 갖는 임피던스 엘리먼트 또는 구조를 주로 사용하여, 수 ㎒ 내지 수십 ㎒의 주파수에서 수십년 동안 존재해왔지만, 그들의 무선주파수에서의 구현은, 그러한 목적을 위한 캐소드 스퍼터링 (cathodic sputtering) 에 의해 퇴적된 압전 층들의 사용에 관한 Lakin의 선구적인 업적이후, 단지 약 10년 전으로 거슬러 올라간다. Agilent 사는 그의 "FBAR 필터" (Film Bulk Acoustic Resonator) 지사 (branch) 가 스핀-오프 (spin-off) AVAGO 를 일으켰으며, 퇴적된 다결정질 재료인, 질화 알루미늄 (AlN) 의 박막 (thin film) 들을 이용한 임피던스 엘리먼트들에 기초하여 RF 필터를 최초로 개발하였다. 이들 기술적 진보들 이후에, 많은 수의 학술적 및 산업적인 연구자들이 이 진로를 열심히 추구하였으며, 현재까지 10년간 발명 활동을 지속하기에 이르렀다.
일반적으로, BAW 공진기는, 막 (membrane) (AVAGO Technologies에 의해 사용되는 FBAR 기술) 또는 브라그 격자 (Infineon에 의해 사용되는 SMR 기술) 중 어느 하나에 의해서 기판으로부터 음향적으로 격리된 박형 압전 층의 두께-방향 공진을 이용한다. 현재, BAW 기술에 가장 널리 이용되는 재료는 질화 알루미늄 (AlN) 이고, 이는 6.5% 정도의 압전 커플링 계수 (piezoelectric coupling coefficient) 를 가지며 또한 낮은 음향적 및 유전 손실을 갖는 장점을 나타내고, 그에 의해 2 내지 4 ㎓의 국부화된 대부분의 전기 통신 표준들에 의해 규정되는 사양과 양립될 수 있는 통과대역 (passband) 을 나타내는 필터들의 합성을 허용한다.
그럼에도 불구하고, 몇몇 문제점들이 DCS 표준과 같은 수개의 주파수 대역들에 의해 나타내어지는 극도로 제한적인 사양에 계속 직면하고 있다.
먼저, AlN에 의해 허용되는 압전 커플링 계수는 6%보다 더 큰 상대 통과대역 (relative passband) 들을 인가하지 않는다. 이미 그러한 대역폭들은 압전 층에 탄성 에너지를 한정시키도록 매우 큰 음향적 임피던스를 나타내고 공진기들의 압전 커플링 계수에 대한 영향을 최대화시키도록 면밀히 결정된 두께를 갖는 (몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어진) 전극들의 사용을 요구하는데, 이에 대해서는 다음의 논문들에 설명되어 있다: R. Aigner, Bringing BAW technology into volume production: the Ten Commandments and the seven deadly sins, Proceedings of the third international symposium on acoustic wave devices for future mobile communication systems (2007); J. Kaitila, Review of wave propagation in BAW thin film devices: progress and prospects, Proceedings of the 2007 IEEE Ultrasonics Symposium. 현재, 이러한 상대 대역을 일정한 손실로 확장시키기 위한 신뢰할만한 해결책이 존재하지 않는다.
더 높은 압전 커플링 계수를 나타내는 다른 재료들을 찾기 위한 연구가 수행되고 있지만, 낮은 음향적 손실을 제공하고 현재 재현가능하고 균일하게 퇴적될 수 있는 다른 재료가 존재하지 않음에 유의해야 하는데, 이에 대해서는 다음의 논문에 설명되어 있다: P. Muralt 등의 Is there a better material for thin film BAW applications than AlN, Proceedings of the 2005 IEEE Ultrasonics Symposium.
반대로, 니오브산 리튬 또는 탄탈산 리튬과 같은 단결정질 재료는 매우 낮은 전기기계적 커플링 계수를 제공하며, 50% 정도의 상대 대역폭들을 나타내는 필터들의 생산을 허용한다.
그 후에, DCS와 같은 표준들은 또한 광 통과대역 (wide passband), 및 인접 표준들의 강한 거절 (strong rejection) 양쪽 모두를 요구한다. 이들 2가지 제약들을 동시에 충족시키는 것은 매우 큰 품질 계수를 프로세싱하는 공진기들의 사용을 요구한다. 지난 10년간 공진기들의 음향파 한정 (acoustic wave confinement) 특성들을 향상시키기 위하여 많은 작업이 수행되어 왔다 (J. Kaitila, Review of wave propagation in BAW thin film devices: progress and prospects, Proceedings of the 2007 IEEE Ultrasonics Symposium). 그러므로, 구조에 의해서 보다는 재료 자체에 의해 부과된 한계들이 나타나기 시작하고 있고, 특히 10 ㎓을 향한 표준들의 주파수의 상승에 당면하여 다결정질 재료는 궁극적으로 품질 계수의 상승에 더 이상 대처할 수 없을 가능성이 높다. 1 ㎓ 보다 높은 주파수에서 몇만 정도의 고유 품질 계수에 대해: D. Gachon 등의, Filters using high overtone bulk acoustic resonators on thinned single-crystal piezoelectric layer 이, 2008 European Frequency and Time Forum 에서 제시되었고, 여기서 다시 단결정질 재료가 흥미로운 해결책으로서 제시된다.
FBAR 타입의 공진기 관련하여, Campanella 등은 백금/티타늄 금속 전극 상에 퇴적된 질화 알루미늄 (AlN) 의 막에 기초하여, FBAR 공진기를 생산하였다. 사용된 기판은, 그 기판 상에 이들 층들이 놓이며, 실리콘으로 이루어지는데, 이는 캐비티 (cavity) 를 형성하도록 반응성 플라즈마 (RIE) 에 의해 에칭되었다 (H. Campanella, J. Esteve, E. Martincic, P. Nouet, A. Uranga, N. Barniol, IEEE SENSORS 2008).
저자 Pijolat 등은 직접 본딩 (direct bonding) 및 기계적 박화 (mechanical thinning) 에 기초한 프로세스에 의해 실리콘 기판 상에 LiNbO3의 박막을 전사하는 것에 의한 그러한 공진기들의 생산을 보였다 (M. Pijolat, S. Loubriat, S. Queste, D. Mercier, A. Reinhardt, E. Defay, C. Deguet, L. Clavelier, H. Moriceau, M. Aid, and S. Ballandras, Appl. Phys. Lett 95 (2009) 182106).
다른 저자들은 LiNbO3의 서스팬드 층을 갖고 200㎒에서의 전기적 특성화 (electrical characterization) 가 수행되는 FBAR 구조를 제조하는 것을 제안한 바 있다: Y. Osugi, T. Yoshino, K. Suzuki and T. Hirai, IEEE 2007. 웨이퍼에 걸친 두께의 불균일성은 품질 팩터 Q에 대해 부정적인 효과를 갖지만, LiNbO3의 전사된 층은 고체 기판에 가까운 커플링 팩터 Kt2를 갖는다.
(SAW 공진기들을 포함하는) 다른 타입의 공진기들은 유리하게는 부양 막 (suspended membrane) 상에서 생산된다.
현재, 박층들을 전사하기 위한 2개의 주된 기법들: 경 이온들 (통상적으로 수소) 의 주입에 기초한 기법과 본딩 및 기계적 박화에 기초한 이전에 언급된 기법이 이미 제안된 바 있다. 이들 기법들은 단결정질 층을 호스트 기판 (host substrate) 상에 전사하는 것을 가능하게 한다. 이들 기법들은 특히 SOI (Silicon On Insulator) 다이의 산업적 제조를 허용하는 실리콘 상에서 완벽하게 숙달된다.
주입 (implantation) /파쇄 (fracture) 에 의한 전사 (transfer) 의 프로세스는 특히 다음의 M. Bruel에 의한 논문에 설명되어 있다: “Silicon on insulator material technology”, Electronic letters, 31 (14), p1201-1202 (1995), 이는 SOI "Silicon On Insulator" 기판의 제조를 허용한다.
이러한 프로세스는 도 2에 예시된 다음의 4개의 단계들에 의해 개략적으로 요약될 수도 있다:
단계 1: 예를 들면 실리콘의 도너 기판 (donor substrate) A에는, 이 기판에서 전사될 박막의 범위를 정하는 매입 취성 구역 (buried fragile zone) 을 형성하기 위하여 가스 상태의 종 (예를 들면 수소 및/또는 희가스) 이 주입된다.
단계 2: 그 후에 도너 기판은 이전에 정의된 박막의 레벨에서, 예를 들면 (분자 본딩으로도 불리는) 직접 본딩에 의해, 수용 기판 B와 접합된다.
단계 3: 그 후에 파쇄 단계는 기계적 응력을 가하는 것에 의해 선택적으로 보조되는 열처리에 의해 매입 취성 구역의 레벨에서 얻어진다. 따라서 한편으로 수용 기판에 고정된 박막을 얻고, 다른 한편으로는 전사된 박막이 박리된, 초기 도너 기판 A에 대응하는 도너 기판의 나머지를 얻는다. 그 다음 후자는 다른 전사를 수행하기 위해 재활용될 수 있다.
단계 4: 선택적으로, 최종 처리, 예를 들면, 고온 어닐링 (annealing) 이 수행되어 전사된 박막과 수용 기판 사이의 본딩 계면 (bonding interfac) 을 고결화 (consolidate) 할 수도 있다.
전사된 박막의 두께는 이온 빔 주입 에너지에 직접 관련된다. 예로서, 전사된 실리콘 두께는 (주입 에너지가 통상적으로 250keV 미만인) 종래 주입기를 사용함으로써 수십 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위일 수 있다.
전사된 층들은 기계적 박화가 아니라 주입 깊이에 의해 정의되므로 두께 방향으로 균일하고 균질하다.
문헌 EP0741910는 캐비티가 구비된 기판 상에 박막 전사를 수행하는 것을 제안한다. 캐비티는 본딩 단계 전에 포토리소그래피 및 에칭에 의해 생산되고, 따라서 이전에 설명된 프로세스에 값비싼 단계를 추가하게 된다. 더욱이, 캐비티에 대해 달성가능한 치수는 그 프로세스 때문에 제한된다.
문헌 EP0851465는 본딩 계면의 레벨에서 주입에 의한 서포트 (support) 로부터 막을 국부적으로 디본딩 (debonding) 하는 것을 제안한다. 이 경우에, (본딩 계면 주위의) 강한 주입의 구역은 재료의 특성의 국부적인 변경을 야기할 수도 있는 현저한 손상을 받는다.
오늘날, MEMS "Micro-Electro-Mechanical Systems"에 대한 대부분의 성분들에서, 압전 재료의 층들은 PVD "Plasma Vapor Deposition" 타입의 퇴적 기술에 의해 생산되고 이들 성분들에 대해 제조될 층들은 수백 나노미터 내지 1 마이크로 미터의 두께 범위의 두께를 나타내지만, 이러한 두께 범위에 대한 단결정질 압전 및 전기왜곡 (electrostrictive) 층들의 제조의 숙달은 현저한 기술적 장애를 구성한다.
이러한 맥락에서, 본 발명의 주제는 압전 재료의 가느다란 층 (slender layer) 을 포함하는 막을 포함하는 벌크 음향파 공진기를 제조하는 혁신적인 프로세스이다.
더 엄밀하게는, 본 발명은 압전 재료 층을 포함하는 부양 막을 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스에 관한 것으로서, 다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:
- 제 1 기판의 표면 상에 제 1 압전 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 제 1 스택 (stack) 을 생성하는 단계;
- 적어도 하나의 제 2 기판을 포함하는 제 2 스택을 생성하는 단계;
- 다음 본딩하는 단계 전에 돌출한 나노구조들이 상기 스택들 중 하나의 표면에 국부적으로 부여되게 하는 제어된 크기의 입자들의 퇴적 또는 형성에 의한 적어도 하나의 비본딩 개시 구역 (non-bonding initiating zone) 을 생성하는 단계;
- 비본딩 개시 구역의 존재에 기인하여, 스택들 사이에 기포 (blister) 를 형성하는 그 2개의 스택들을 직접 본딩하는 단계;
- 적어도 제 1 기판을 제거하기 위해 제 1 스택을 박화하는 단계.
용어 "직접 본딩 (direct bonding)" 은 접착 물질의 존재를 요하지 않는 임의의 타입의 본딩을 의미하는 것으로 이해된다. 그것은 유리하게는 직접 접촉에 의한 본딩을 수반하지만, 또한 열압착 또는 애노드 본딩 (anodic bonding) 또는 그렇지 않으면 퓨전 본딩 (fusion bonding) 에 의한 본딩을 수반할 수도 있다.
따라서 비본딩 개시 구역의 목적은 그 위치 또는 그 부근에서 2개 스택들 사이의 본딩을 국부적으로 방지하여, 제 1 압전 재료의 층과 제 2 스택 사이의 기포를 발생시켜, 이들 2개 엘리먼트들의 국부적인 음향적 디커플링 (acoustic decoupling) 을 허용하는 것이다.
나노구조들은 1미크론 미만의 그리고 유리하게는 10 내지 100㎚의 (기판의 평면에서의) 측방향 치수를 갖는다.
따라서, 본 발명은 100 미크론 내지 1 밀리미터 사이의 측방향 치수를 갖는 웨이퍼 상에 집합적으로 부양 막들을 생성하는 것을 가능하게 한다.
유리하게는, 열처리 단계는 기포의 형성 및/또는 성장을 촉진시키도록 직접 본딩 단계 동안 또는 그 후에 수행될 수도 있다. 통상적으로, 이 열처리 단계는 100℃ 내지 500℃의 온도에서 일어날 수 있다. 이 단계는 또한 2개 이상의 인접하는 기포들이 합쳐져서 더 큰 치수의 기포를 형성하는 것을 허용할 수 있다.
비본딩 개시 구역은 돌출한 나노구조, 즉 서브미크론 치수 (submicron dimension) 의 표면에 대한 국부적인 돌기 (local protuberance) 일 수도 있다. 그 다음 발생된 기포는 이 나노구조의 어느 한쪽의 측 상에 확장된다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 이 돌출한 나노구조를 생성하는 단계는 리소그래피 및 에칭에 의해 수행된다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 이 돌출한 나노구조를 생성하는 단계는 국부화된 방식으로 제어된 크기의 입자들의 퇴적에 의해 수행된다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 돌출한 나노구조는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터 정도의 높이를 나타내며, 기포는 천 마이크로미터 정도의 직경 범위를 나타낸다.
본딩 단계 동안 또는 그 후에 수행된 열처리는 또한 돌출한 나노구조의 표면을 그에 대면하는 스택의 표면으로부터 국부적으로 디폰딩 (debonding) 하는 것을 가능하게 할 수 있음에 유의해야 한다.
마찬가지로, 돌출한 나노 구조를 둘러싸거나 돌출한 나노 구조에 대면하는 표면은 예를 들면 열처리 동안 기포의 확장을 용이하게 하거나 조정하도록 본딩 전에 준비될 수도 있다.
이 준비는 기포의 횡방향 확장을 촉진시키는 것이 요망되면, 특히 표면의 친수성 (hydrophily) 을 감소시키는 것 및/또는 표면의 거칠기를 증가시키는 것으로 이루어질 수 있고 그 역도 성립한다.
친수성을 변경하기 위하여, 예를 들면, 플라즈마 또는 UV/오존 처리에 의지할 수도 있다. 그 거칠기를 변경하기 위하여, 예를 들면, 화학, 습식 또는 건식 에칭에 의지할 수도 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 비본딩 개시 구역은 예를 들면, 원자간 힘 현미경 (atomic force microscope, AFM) 팁의 도움으로, 가스 상태 부산물을 발생시킬 수도 있는 액체 또는 고체 산물의 또는 탄화수소의 국부화된 퇴적에 의해 얻어진다. 이 구역은 비본딩 구역 또는 기포를 형성하는데 이는 열처리 다음의 비본딩된 구역에서의 압력 효과를 통해 치수가 커지도록 만들어질 수도 있다.
유리하게는, 제 1 스택 및/또는 제 2 스택은, 직접 본딩이 수행되는 레벨에서, 본딩 층을 그 표면에서 포함할 수도 있다.
유리하게는, 제 1 스택은 제 1 압전 재료의 층과 선택적인 본딩 층 (또는 표면) 사이에 전극으로서 기능하도록 의도된 금속층을 포함할 수 있다.
유리하게는, 제 1 압전 재료는 단결정질이다. 그러한 층은 적합한 기판 상에 에피택시 (epitaxy) 에 의해 얻어지거나 제 1 기판의 표면 부분 (superficial part) 을 구성할 수도 있다. 이 경우에, 제 1 기판은 제 1 압전 재료의 고체 기판일 수도 있다. 그 층은 또한 제 1 기판 상에 퇴적될 수 있다
본 발명의 일 변형예에 따르면, 프로세스는 상기 스택의 표면에 대해 제 1 압전 재료의 층을 적어도 부분적으로 포함하는 구역의 범위를 정하는 매입 취성 구역을 제 1 스택에 형성하도록 하는 이온 주입 단계를 더 포함한다.
본 발명의 이러한 변형예에 따르면, 그 다음 박화는 매입 취성 구역의 레벨에서의 파쇄에 의해 얻어진다.
본 발명의 다른 변형예에 따르면, 박화는 그라인딩 (grinding) 및 폴리싱 (polishing) 에 의해 수행된다.
유리하게는, 폴리싱 단계는 (두문자 CMP (chemical and mechanical polishing) 에 의해 더 잘 알려진) 기계-화학 폴리싱 단계 (mechano-chemical polishing step) 이다. 예를 들면, 이 폴리싱은 예를 들면 콜로이달 실리카 (colloidal silica) 에 기초한, ("슬러리" 로서 알려진) 연마재가 들어있는 용액의 도움으로 수행된다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 압전 재료는 LiNbO3 또는 LiTaO3 또는 더 일반적으로 Li(TaxNb1 -x)O3이다. 층이 퇴적되는 경우, 압전 재료는 특히 AlN 또는 PZT일 수도 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 제 2 기판은 실리콘 또는 석영 또는 다이아몬드 또는 그렇지 않으면 사파이어로 이루어진다. 그것은 단순형 (simple) 또는 복합형 (composite) 일 수도 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 적어도 하나의 본딩층은 SiO2일 수도 있는 유전체 재료로 이루어진다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 그 프로세스는 상기 금속 층에 전극을 정의하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 그 프로세스는 박화 후에, 제 1 및 제 2 스택들의 최종 스택의 표면 상에 상부 전극을 생성하는 단계를 더 포함한다.
이어지는 설명 및 첨부된 도면들을 읽을 때에 본 발명은 보다 잘 이해될 것이고 다른 장점들이 분명해질 것인데, 그 첨부된 도면들 중에서:
-도 1은 벌크 음향 파의 전파를 강조하는 BAW 성분들의 동작 원리를 예시한다;
-도 2는 공지 기술에 따른 주입/파쇄에 의해 기판을 전사하는 프로세스의 여러 단계들을 예시한다;
-도 3a 내지 도 3e은 본 발명에 따른 FBAR 타입의 공진기를 제조하는 예시적인 프로세스의 여러 단계들을 예시한다;
-도 4a 및 도 4b는 열처리 동작 전과 후의, 본 발명에 따른 제조 프로세스의 단계 동안 형성된 기포를 도식적으로 보여준다;
- 도 5는 본 발명의 프로세스에 따라 생산된 FBAR 타입의 공진기를 예시한다;
- 도 6은 기판으로부터 디본딩되지 않은 막의 전기 응답 (곡선 6a) 및 부양 막의 전기 응답 (곡선 6b) 를 예시한다.
-도 1은 벌크 음향 파의 전파를 강조하는 BAW 성분들의 동작 원리를 예시한다;
-도 2는 공지 기술에 따른 주입/파쇄에 의해 기판을 전사하는 프로세스의 여러 단계들을 예시한다;
-도 3a 내지 도 3e은 본 발명에 따른 FBAR 타입의 공진기를 제조하는 예시적인 프로세스의 여러 단계들을 예시한다;
-도 4a 및 도 4b는 열처리 동작 전과 후의, 본 발명에 따른 제조 프로세스의 단계 동안 형성된 기포를 도식적으로 보여준다;
- 도 5는 본 발명의 프로세스에 따라 생산된 FBAR 타입의 공진기를 예시한다;
- 도 6은 기판으로부터 디본딩되지 않은 막의 전기 응답 (곡선 6a) 및 부양 막의 전기 응답 (곡선 6b) 를 예시한다.
일반적으로, 본 발명의 프로세스는 벌크 음향파에 기초한 성분들, 예를 들면 벌크 음향파 성분들 및 특히 FBAR 공진기 타입의 성분들의 생산을 가능하게 하며, 그 FBAR 공진기 타입은 벌크 음향파의 전파를 발생시키도록 하부 전극 및 상부 전극을 갖는 압전 재료의 부양 막을 포함하며, 상기 막은 2개 서포트들의 본딩에 의한 접합에 기초하여 형성된 기포의 표면 상에 생성되며, 하나의 서포트는 그의 표면 상에 적어도 하나의 비본딩 개시 구역, 예를 들면, 돌출한 나노구조를 포함한다.
그 부양 재료 막은 가느다란 압전 재료 층을 포함한다. 그러한 막을 생성하는 프로세스는 알려지고 숙달된 프로세스에 기초할 수 있으며 그 알려지고 숙달된 프로세스는 압전 재료의 고체 기판의 주입으로서, 이 기판에 상기 가느다란 층의 범위를 정하는 매입 취성 구역을 이 기판에 형성하도록하는, 상기 고체 기판의 주입과 그 다음 이 취성 구역의 레벨에서의 파쇄에 의해, 예를 들면 기계력에 의해 선택적으로 보조된 열처리에 의해 전체적으로 압전 기판으로부터 상기 가느다란 압전 재료 층의 분리를 포함한다.
예시적인 실시형태
(예를 들면, LiNbO3, LiTaO3 타입 등의) 고체 압전 기판 SPiezo이 BAW 어플리케이션에 대해 (배향, 재료의 성질 등의 면에서) 선택된다. 변형예로서, 그것은 압전 재료의 표면 층 (superficial layer) 만을 나타내는 (예를 들면, 실리콘의) 서포트 기판일 수 있다. 그것은 유리하게는 최종 공진기를 위한 매입 전극이 되도록 의도된 적어도 하나의 금속 층 CM1의 스택을 포함한다. 이 금속 층은 Cu, AlCu, AlSi, W, Mo, Pt, Cr 등에 기초할 수도 있다.
전체적으로 그 스택은 그 이후에 선택적으로 본딩 층 CC1으로 덮혀진다: 도 3a에 예시된 바처럼, 예를 들면 이것은 예를 들면 다음 직접 본딩 동작을 용이하게 하도록 의도된 표면에서의 수백㎚ (예를 들면 200㎚) 의 SiO2의 유전체 층일 수도 있다.
이온 주입 동작은 압전 고체 기판에 전사될 압전 재료의 박층의 범위를 정하는 매입 취성 구역 Zfr을 형성하도록 이 기판에서 (금속 및 본딩 층의 퇴적 전 또는 후에) 수행된다. 이 주입은 예를 들면 1016 내지 1017 at/㎠의 도우즈 (dose) 로 수소 또는 헬륨 또는 이들 2개 종들의 혼합물에 기초하여 수행될 수도 있으며, 도 3b에 예시된 바처럼, 선택된 압전 층의 두께에 따라 50 keV 내지 250 keV의 에너지로 그렇게 행한다.
예를 들면, 본딩 동작을 위해 의도된 표면에서의 본딩 층, 예를 들면 SiO2의 유전체의 퇴적은 도 3c에 예시된 바처럼, 제 2 기판 S2 상에 평행하게 수행되는데, 이는 압전 또는 비압전 재료, 예를 들면, Si, 사파이어, 석영 등으로 이루어질 수도 있다. 이 층은 선택적이고 상기 제 2 기판의 성질에 의존할 수도 있음에 유의해야한다.
그 후에 기판들이, 예를 들면, 다음 직접 본딩 단계와 양립될 수 있도록, 기계-화학 폴리싱에 의해 준비된다. 이 준비는 다음 직접 본딩에 요망되는 평면성 (planarity) 및 거칠기 (roughness) 를 얻는 것을 가능하게 할 수 있다.
이 단계 동안/후에, 제어된 크기의 입자들이 2개 본딩 계면들 중 하나 상에 퇴적/형성된다. 이들 입자들 또는 마이크로 패드 (μ-pad) 들은, 예를 들면, 리소그래피 다음에 에칭에 의해 또는 그렇지 않으면 국부화된 방식으로 제어된 크기의 입자들의 퇴적에 의해 형성될 수 있다. 도 3d는 마이크로 패드, μP들이 층 CC1의 표면 상에 생성되는 구성 (configuration) 을 예시한다. 이들 입자들은 비본딩 개시 구역들이다: 국부적으로 이들은 이들 구역들의 레벨에서 및/또는 이들 구역들의 주위에서 2개 기판들의 본딩을 방지한다. 다른 타입들의 비본딩 개시 구역들은 다음에 설명된다.
도 3e는 본딩 상태 전에 접촉하는 2개 스택들의 배치를 예시한다.
그 후에 2개 기판들은 다음 논문에 예시된 바처럼 직접 본딩에 의해 본딩된다: Tong & Gosele 1999, Q.-Y. Tong, U. Gosele, Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology, Wiley, New York, 1999, 297 pp. 이 논문은 특히 본딩 계면에서의 입자의 거동을 설명한다:입자의 크기 (특히 그의 높이) 의 함수로서, 특정 반경 (specific radius), 및 입자의 높이와 동일한 높이의 기포가 형성된다.
(재료에 대응하는 변형 계수 및 표면 에너지에 관하여) 니오브산 리튬의 경우에 적용되면, 이론적인 계산에 의해 구해진 기포들의 반경의 자릿수 (orders of magnitude) 및 실험적으로 구해진 기포들의 반경의 자릿수와 조화를 이룬다.
본 발명의 경우에서, 본 출원인은 가스 방울의 높이는 입자들의 높이 보다 두드러지게 크다는 것을 관찰했다: 기포의 직경 및 높이는 가해진 열 처리량 (thermal budget) 에 의해 제어된다.
본 발명의 프로세스에 따르면, 열처리는 매입 취성 구역의 레벨에서 파쇄에 의해 압전 재료의 박막의 전사를 개시하도록 (100℃ 내지 500℃, 바람직하게는 250℃) 열 처리가 가해진다. 이 열처리는 또한 돌출한 나노구조 주위에 초기에 형성된 기포를 성장시키는 것을 가능하게 한다. 무입자 구역 (particle-free zone) 상과 유발된 기포 구역의 외부에서, 그 면들의 직접 본딩이 수행된다.
예를 들면 100 내지 500℃ (바람직하게는 약 250℃) 의 추가적인 열 처리량을 가하는 것은 요망되는 기포들의 횡방향 치수를 제어하는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 (도 4b에 도시된 바처럼) 돌출한 나노구조로부터 막을 디본딩하는 것을 가능하게 할 수 있다.
이 열 처리량은 또한 2개 이상의 인접하는 기포들이 합쳐져서 큰 치수의 기포를 형성하는 것을 허용할 수 있다.
추가적인 캡슐화 층 (encapsulation layer) 이 그 구조를 고정시키기 위해 퇴적될 수도 있다. 도 4a 및 도 4b는 따라서 상기 기포의 확장에 이르는, 열처리 전과 후의 나노구조 μP 보다 위의 기포 CAV의 형성을 도식적으로 나타낸다 (압전 재료 층만이 표현되어 있다).
통상적으로, 높이 100㎚ 정도인 입자들에 대해, 달성되는 최대 기포는 직경 1000㎛ 정도이다.
(귀납적으로 성분들의 생성과 양립될 수 있는 거칠기를 얻기 위한 폴리싱 및/또는 열처리와 같은) 마무리 프로세스가 수행될 수도 있다.
따라서, 호스트 기판 상에 추가의 층들과 함께, 압전 재료 CPiezo의 가느다른 층이 얻어진다. 최종 FBAR 공진기는, 벌크 음향파의 전파의 구역 ZBAW을 더욱 강조하는 도 5에 예시된 바처럼, 형성된 기포 CAV의 레벨에서 상부 금속 전극 CM2의 퇴적에 의해 생성된다.
부양 막의 공진 압전 특성을 나타내는 그러한 구조 상에 전기 테스트들이 수행되었다. 도 6의 곡선들은 본 발명의 프로세스에 따라 얻어진 부양 막의 전기 응답을 예시한다. 곡선 6a는 기판으로부터 디본딩되지 않은 압전 층의 응답에 대응하며, 곡선 6b는 상기 디본딩된 막에 관련되고 따라서 FBAR 공진기의 최종 구조에 관련된다.
이전에 언급한 바처럼, 다른 타입들의 비본딩 개시 구역들은 이들 2개 기판들의 직접 본딩을 국부적으로 방해하도록 접합되는 한쪽 또는 양쪽 모두의 기판들의 표면 상에 생성될 수도 있다. 이것은 특히 표면에 존재하는 탄화수소 종 또는 액체 또는 고체 종을 수반할 수도 있다. 이들 종들은 가스상태의 부산물을 발생시킬 수도 있다. 적합한 열처리로, 이 구역은 (측 방향으로 유지된) 부양 막 구역을 발생시키도록, 비본딩 구역에서 압력의 효과를 통해 치수가 커지도록 이루어진다. 치수 효과에 대해서는, Tong 및 Goesele (book 1999 p.42) 에 의한 논문들을 참조할 수도 있다.
탈가스 (degassing) 의 경우에, F. Rieutord (ECS2010) 에 의한 논문은 예를 들면 주어진 온도에서 (이용가능한 수 N의 분자 또는 원자를 전달하는) 압력의 함수로서 (비본딩 구역) 기포들의 임계 반경 (critical radius) 치수 Rc를 제공한다. Rc는, 주어진 온도 T에서 기포가 안정한 값이다.
열처리 동안, 압력은 PV= NRT와 같이 증가한다. 본딩 에너지는 이 열처리 동안 증가할 수도 있다 하더라도 구역의 개방을 방지할 만큼 충분하지 않아서, 비본딩된 구역의 횡 방향 치수 r 및 그의 높이 h이 증가된다.
더욱이, r이 F. Rieutord (ECS 2010) 또는 Tong 및 Goesele (book 1999 p.42) 에 의한 논문에 정의된 바와 같은 임계 반경보다 크면, 비본딩 구역은 다시 흡수되지 않는다.
이들 제어된 오염물들은 비본딩 구역들이 임계 크기보다 더 커지도록 유도하는 것을 가능하게 한다.
생산시, 예를 들면 AFM 팁에 의해 본딩 구역의 표면 상에 탈가스할 수도 있는 오염물을 퇴적하는 것이 가능하다.
Claims (24)
- 압전 재료 층을 포함하는 부양 막 (suspended membrane) 을 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스로서,
- 제 1 기판의 표면 상에 제 1 압전 재료 (CPiezo) 의 층을 적어도 하나 포함하는 제 1 스택 (stack) 을 준비하는 단계;
- 적어도 하나의 제 2 기판을 포함하는 제 2 스택을 준비하는 단계;
- 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중의 하나의 표면에, 제어된 크기의 입자들을 퇴적 또는 형성하는 단계;
- 후속하는 본딩을 수행하기 전에, 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중의 하나의 표면에 돌출한 나노구조를 형성하는 단계로서, 상기 돌출한 나노구조는 상기 제어된 크기의 입자들 중 적어도 하나의 입자를 포함하는 비본딩 개시 구역 (non-bonding initiating zone) 을 포함하는, 상기 돌출한 나노구조를 형성하는 단계;
- 상기 제 1 스택과 상기 제 2 스택을 직접 본딩하는 단계 동안 또는 후에, 상기 제 1 스택과 상기 제 2 스택 사이에 상기 비본딩 개시 구역의 주위로 기포를 형성하는 단계; 및
- 적어도 상기 제 1 기판을 제거하기 위해 상기 제 1 스택을 박화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스택과 상기 제 2 스택을, 직접 접촉하게 또는 열압착에 의해 또는 애노드 본딩 (anodic bonding) 에 의해 또는 퓨전 본딩 (fusion bonding) 에 의해, 배치하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항에 있어서,
상기 기포의 형성 및 성장 중 하나 이상을 촉진시키도록 상기 직접 본딩하는 단계 동안 또는 후에 열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 3 항에 있어서,
상기 비본딩 개시 구역은 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중의 상기 표면에 대한 국부적인 돌기에 대응하는 상기 돌출한 나노구조인 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 4 항에 있어서,
상기 돌출한 나노구조를 형성하기 위해 리소그래피 및 에칭을 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 4 항에 있어서,
상기 돌출한 나노구조를 형성하기 위해 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중의 하나의 상기 표면에 국부화된 방식으로 제어된 크기의 입자들을 퇴적하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출한 나노구조는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터 정도의 높이를 나타내며, 상기 기포는 천 마이크로미터 정도의 직경 범위를 나타내는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본딩 전에, 상기 열처리 동안 상기 기포의 확장을 용이하게 하거나 조정하도록, 상기 돌출한 나노구조를 둘러싸거나 상기 돌출한 나노구조에 대면하는 표면을 준비하는 단계를 더 포함하고,
상기 표면을 준비하는 단계는 상기 표면의 친수성을 감소시키는 것 및 상기 표면의 거칠기를 변경하는 것 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 8 항에 있어서,
상기 친수성을 감소시키기 위해 플라즈마 또는 UV/오존 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 8 항에 있어서,
상기 거칠기를 변경하기 위해 화학적 에칭, 습식 에칭 또는 건식 에칭을 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 상태 부산물을 발생시킬 수 있는 액체 또는 고체 산물의 또는 탄화수소의 국부화된 퇴적을 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 11 항에 있어서,
상기 탄화수소의 국부화된 퇴적은 원자간 힘 현미경 팁을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택 중 하나 이상은, 후속하는 본딩 단계가 수행되는 레벨에서, 본딩 층을 상기 표면에서 포함하는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 스택은 상기 제 1 압전 재료의 층과 선택적인 상기 본딩 층 사이에, 전극으로서 기능하도록 의도된 금속 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 압전 재료는 단결정질인 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스택의 상기 표면에 대해 상기 제 1 압전 재료의 층을 적어도 부분적으로 포함하는 구역의 범위를 정하는 매입 취성 구역 (buried fragile zone) 을 상기 제 1 스택에 형성하기 위해 이온 주입을 수행하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 16 항에 있어서,
상기 박화는 상기 매입 취성 구역의 레벨에서의 파쇄에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박화는 기계-화학 타입일 수도 있는 폴리싱에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 재료는 Li(TaxNb1-x)O3인 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
AlN 또는 PZT (lead zirconate titanate) 의 압전 재료 층을 퇴적하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 기판은 실리콘 또는 석영 또는 다이아몬드 또는 사파이어로 이루어지거나, 또는 상기 재료들 중 하나를 포함하는 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 13 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 본딩 층은 SiO2일 수도 있는 유전체 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속 층에 전극을 정의하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박화하는 단계에 후속하여, 상기 제 1 스택 및 상기 제 2 스택의 최종 스택의 표면 상에 상부 전극을 생성하는 단계를 더 포함하는 음향파 공진기를 제조하는 프로세스.
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