KR102135522B1 - 압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기를 제공하고, 그중 제조방법은 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하는 단계; 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진의 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기
본 발명은 압전 소자 분야에 관한 것이며, 예를 들어 압전 공진기(piezoelectric resonator)의 제조방법 및 압전 공진기에 관한 것이다.
박막 체적 탄성파 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)는 압전 벌크 음향파 공진기라고도 불리우며, 그 원리는 압전 박막의 역압전 효과를 이용하여, 입력된 고주파수 전기 신호를 일정한 주파수의 소리 신호로 전환하여 공진을 생성하는 것이며, 그중 공진 주파수에서의 음향 손실이 제일 작다. 압전 공진 기술을 통해 더욱 선진적인 전자 부품을 제조할 수 있고, 통신 기술을 위해 더욱 광범위한 응용 범위를 제공할 수 있다.
일반적으로, 압전 공진기는 대향되게 설치된 두 개의 전극 및 두 개의 전극 사이에 위치하는 압전 박막을 포함한다. 관련 기술에서는 일반적으로 단결정 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 압전 재료 또는 다결정 질화알루미늄(AlN) 압전 재료를 사용하여 압전 박막을 제조하지만, 단결정 AlN 압전 재료는 성장 속도 또는 증착 속도가 느리고, 내부 응력을 제어하기 어려워 비교적 많은 공정 문제를 증가하며, 생산 비용을 비교적 높아지게 하고, 두께가 비교적 큰 압전 박막을 얻기 어려우며, 저주파수 대역에서 더욱 높은 성능을 구비하는 필터(filter)를 제조하기 어렵다. 하지만, 다결정 AlN 압전 재료를 성장시켜 형성한 압전 박막의 두께는 비교적 두꺼운 정도에 도달할 수 있고, 저주파수 대역의 공진기를 실현할 수 있지만, 다결정 AlN 결정의 품질은 비교적 낮기에, 큐 인자(Q factor)(Q) 및 압전 결합 계수(kt 2)를 비교적 낮게 하므로, 제조된 공진기의 성능은 떨어진다.
본 발명은 두께가 비교적 두꺼운 압전 박막을 비교적 쉽게 제조하고, 저주파수 대역의 압전 공진기를 쉽게 실현하며, 생산 비용 및 공정 난이도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 압전 공진기의 성능을 향상하고, 다결정 압전 재료에 비해 결정도가 비교적 높은 압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기를 제공하기 위한 것이다.
첫 번째로, 본 발명에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은,
제1기판(first substrate) 상에 단결정 압전 재료층(monocrystalline piezoelectric material layer)을 형성하는 단계;
상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층(polycrystalline piezoelectric material layer)을 형성하는 단계; 를 포함한다.
두 번째로, 본 발명에서 제공하는 압전 공진기는,
단결정 압전 재료층;
상기 단결정 압전 재료층의 일측 표면에 형성된 다결정 압전 재료층;
상기 다결정 압전 재료층 중 상기 단결정 압전 재료층 측으로부터 떨어진 표면에 형성된 제1전극; 및
상기 단결정 압전 재료층 중 상기 다결정 압전 재료층 측으로부터 떨어진 표면에 형성된 제2전극; 을 포함한다.
본 발명에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기는 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하고, 단결정 압전 재료층에 다결정 압전 재료층 형성함으로써, 단결정 압전 재료층과 다결정 압전 재료층으로 조성된 압전 박막을 형성하므로, 단결정 압전 재료층과 다결정 압전 재료층의 두께를 조절하여 압전 공진기의 종합적 가성비를 최적화하고, 압전 박막의 전체 두께를 조절하여 저주파수 대역의 압전 공진기를 실현할 수 있다. 저주파수 대역의 압전 공진기를 실현함에 있어서, 비교적 얇은 단결정 압전 재료층 및 비교적 두꺼운 다결정 압전 재료층을 형성하여 생산비용 및 공정 난이도를 낮출 수 있으며, 아울러 단결정 압전 재료의 결정도가 높기에, 단결정 압전 재료층에 증착된 다결정 압전 재료의 결정 격자 시작점(starting points of crystal lattice) 배열은 더욱 가지런하여, 다결정 압전 재료층에서 다결정 압전 재료의 결정도를 향상하고, 압전 공진기의 성능을 향상할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 실시예 1에서 제공하는 제조 흐름에서 각 단계에 대응되는 압전 공진기의 단면 구조 개략도이다.
도 4는 실시예 2에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다.
도 5는 실시예 3에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다.
도 6은 실시예 4에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다.
도 7은 실시예 5에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다.
도8 내지 도11은 실시예 5에서 제공하는 전극 제조 흐름에서 각 단계에 대응되는 압전 공진기의 단면 구조 개략도이다.
도 12는 실시예 6에서 제공하는 압전 공진기의 구조 개략도이다.
이하, 도면 및 실시예를 결합하여 본 발명을 설명한다. 여기서 서술하는 구체적인 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하지 않는다.
실시예 1
도 1은 실시예 1에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이고, 도 2 및 도 3은 실시예 1에서 제공하는 제조 흐름에서 각 단계에 대응되는 압전 공진기의 단면 구조 개략도이다. 본 실시예는 압전 공진기의 성능의 향상에 적용된다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
단계(110): 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성한다.
도 2를 참조하면, 제1기판(10)에 단결정 압전 재료층(11)을 형성하며, 그중, 단결정 압전 재료층(11)은 재료가 단결정 AlN일 수 있고, 에피택셜(epitaxial) 방법으로 형성될 수 있다. 예시적으로, 에피택셜 방법은 유기금속 기상 성장법(metal-organic vapourphase epitaxy, MOVPE)이라고도 하는 유기금속 화학 기상 증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 포함하고, 알루미늄 유기물(일반적으로 트리메틸알루미늄일 수 있음)을 알루미늄원으로 하며, 암모니아(ammonia) 가스를 반응의 질소원으로 하며, 캐리어(carrier) 가스인 수소 가스의 수송하에, 유기 알루미늄원과 과량의 암모니아 가스를 진공 반응 챔버 내로 투입하면, 고온 작용하에서, 유기 알루미늄원과 암모니아 가스는 반응하여 고품질 단결정 압전 재료층(11)을 생성한다. 이외, 선택적으로, 단결정 압전 재료는 산화아연(ZnO), 리튬탄탈레이트(Lithium tantalate)(LiTaO3) 또는 리튬 니오베이트(Lithium Niobate)(LiNbO3) 등 일 수 있고, 상기 재료를 사용하여 제1기판 상에 단결정 압전 재료층(11)을 형성한다.
단계(120): 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성한다.
도 3을 참조하면, 증착방법을 통해 단결정 압전 재료층(11) 중 제1기판(10) 측으로부터 떨어진 표면에는 다결정 압전 재료층(12)이 형성된다. 그중, 다결정 압전 재료층(12)과 단결정 압전 재료층(11)의 재료는 동일하거나 부동할 수 있다. 선택적으로, 다결정 압전 재료층(12)의 재료는 다결정 AlN일 수 있고, 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 증착 기술일 수 있으며, 고순도 알루미늄 Al 타겟(Target)(99.99%)을 이용하고, 고순도 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스를 각각 스퍼터링 가스 및 반응 가스로 하여, 고품질 단결정 AlN 재료층을 제조한 기초에서, 실험 파라미터(예를 들어 작업 기압, 기판 온도, N2 유량 및 타겟-기판간 거리 등)를 조절하여 다결정 AlN 박막 재료를 제조한다. 제1기판(10) 상에 단결정 압전 재료층(11)을 형성하면, 단결정 압전 재료층(11)의 결정도가 높아 단결정 압전 재료층(11)의 표면에 증착(depositing)되는 다결정 압전 재료(12)는 배열이 더욱 가지런한 결정 격자 시작점을 가지므로, 제1기판(10)에 증착되는 다결정 AlN 압전 재료의 결정도는 더욱 높아지고, 성능은 더욱 좋아진다. 또한, 선택적으로, 다결정 압전 재료는 산화아연(ZnO), 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹(PZT), 리튬탄탈레이트(LiTaO3) 또는 리튬 니오베이트(LiNbO3) 등 일 수도 있고, 상기 재료를 사용하여, 제조된 단결정 압전 재료층(11)에 다결정 압전 재료층(12)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하고, 단결정 압전 재료층에 다결정 압전 재료층을 형성함으로써, 단결정 압전 재료층과 다결정 압전 재료층으로 조성된 압전 박막을 형성하며, 단결정 압전 재료층 및 다결정 압전 재료층의 두께를 조절하여 압전 공진기의 종합적 가성비를 최적화할 수 있고, 압전 박막의 전체 두께를 조절하여 저주파수 대역의 압전 공진기를 실현할 수 있으며, 저주파수 대역의 압전 공진기를 실현함에 있어서, 비교적 얇은 단결정 압전 재료층 및 비교적 두꺼운 다결정 압전 재료층을 형성하여 생산 비용과 공정 난이도를 낮출 수 있고, 아울러, 단결정 압전 재료의 결정도가 높으므로, 단결정 압전 재료층에 증착된 다결정 압전 재료의 결정 격자 시작점 배열은 더욱 가지런하기에, 다결정 압전 재료층에서 다결정 압전 재료의 결정도를 향상하고, 압전 공진기의 성능을 향상하였다.
상기 기술방안에서, 선택적으로, 단결정 압전 재료층(11) 및 다결정 압전 재료층(12)의 전체 두께(즉 압전 박막의 두께)는 1.5μm보다 크거나 같고, 압전 공진기의 공진 주파수의 100MHz∼3GHz(저주파수 대역) 요구를 만족한다.
실시예 2
도 4는 실시예 2에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다. 본 실시예는 실시예 1의 기초에서 최적화한 것이며, 그중, 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하는 단계(110)는 다음과 같은 단계를 포함한다:
단결정 기판을 제공하는 단계; 상기 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장(epitaxial growth)시켜 단결정 AlN 압전층을 형성하는 단계; 를 포함한다. 그중, 단결정 AlN 압전층은 즉 상기 단결정 압전 재료층이다.
상기 실시예의 기초에서, 선택적으로, 다결정 압전 재료층과 단결정 압전 재료층의 재료는 동일하다. 상기 실시예의 기초에서, 선택적으로, 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계는 단결정 AlN 압전층에서 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 AlN 이 증착되어 다결정 AlN 압전층을 형성하는 단계를 포함한다. 도 4에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 아래와 같은 방법을 포함한다.
단계(210): 단결정 기판을 제공하며;
그중, 제조된 단결정 압전 재료층(11)의 재료가 단결정 AlN이면, 제공되는 단결정 기판은 탄화규소(SiC), 사파이어(sapphire) 및 질화 갈륨(GaN) 등 단결정 기판이 될 수 있다. AlN은 중요한 III-Ⅴ족 질화물이고, 안정한 우루츠광형 구조(wurtzite structure)를 구비하기에, 상기 기판 상에 제조된 AlN 박막의 결정 격자 불일치(mismatch) 및 열적 불일치는 비교적 작아, 박막 제조의 흠결을 감소하고, 결정 격자 불일치의 박막 품질에 대한 영향을 감소한다.
그중, AlN 재료는 고온에서 압전성을 여전히 유지하므로, AlN 압전 박막 소자는 고온 작업 환경에 적응할 수 있다. 양호한 화학 안정성으로 인해 AlN 압전 박막은 부식성 작업 환경에 적응할 수도 있다. AlN 재료는 양호한 열전도 특성을 구비하므로, AlN으로 제조된 음향파 소자는 작업으로 인해 발생한 열에 의해 소자의 사용 수명이 감소되지 않는다. 따라서, AlN은 단결정 압전 재료층(11)의 재료로 될 수 있다.
단계(220): 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장시켜 단결정 AlN 압전층을 형성한다.
그중, 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장시킴에 있어서, 단결정 AlN의 에피택셜 성장 방법은 유기금속 화학 기상 증착법(MOCVD), 분자선 에피택셜법(molecular beam epitaxy, MBE), 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 또는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법일 수 있다. 본 실시예에서는 유기금속 화학 기상 증착법(MOCVD)으로 단결정 AlN을 성장할 수 있다. 그중, 단결정 AlN의 성장 과정에서, 알루미늄 유기물(트리메틸알루미늄일 수 있음)을 알루미늄원으로 하고, 암모니아 가스를 질소원으로 하며, 캐리어 가스인 수소 가스의 수송하에, 유기 알루미늄원과 과량의 암모니아 가스를 진공 반응 챔버 내로 투입하면, 고온 작용하에서, 유기 알루미늄원과 암모니아 가스는 반응하여 단결정 AlN 박막이 생성되어 기판의 표면에 증착된다. MOCVD 방법을 이용하여 단결정 AlN 박막의 조성, 성장 두께 및 그 균일성을 엄격히 제어하여, 고품질 단결정 AlN 박막 재료를 제조할 수 있고, 단결정 AlN 박막의 대량 생산에 적용된다.
단계(230): 단결정 AlN 압전층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 AlN을 증착하여 다결정 AlN 압전층을 형성한다.
그중, 단결정 AlN 압전층에서 제1기판(10) 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 AlN을 증착하여 다결정 AlN 압전층을 형성함에 있어서, 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링 증착방법일 수 있으며, 고순도 알루미늄 Al 타겟(99.99%)을 이용하여, 고순도 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스를 각각 스퍼터링 가스 및 반응 가스로 하여, 고품질 단결정 AlN 재료층을 제조한 기초에서, 실험 파라미터(예를 들어 작업 기압, 기판 온도, N2 유량 및 타겟-기판간 거리 등)를 조절하여 다결정 AlN 박막 재료를 제조한다. 제1기판(10) 상에 단결정 압전 재료층(11)을 형성하면, 단결정 압전 재료층(11)의 결정도가 높아 단결정 압전 재료층(11)의 표면에 증착되는 다결정 압전 재료(12)는 배열이 더욱 가지런한 결정 격자 시작점을 가지므로, 제1기판(10)에 증착되는 다결정 AlN 압전 재료의 결정도는 더욱 높아지고, 성능은 더욱 좋아진다.
본 실시예에서, 선택적으로, 단결정 AlN 압전층의 두께는 0.6μm보다 작다. 단결정 AlN 압전층이 0.6μm이상으로 성장하면, 성장 공정 시간이 비교적 길고, 공정 문제가 비교적 많으며, 공정 및 생산 요구의 제한을 받으며, 또한, 더욱 두껍게 성장된 단결정 AlN 압전층은 생산 비용을 대폭 증가하며, 생산 수율을 낮추므로, 단지 단결정 AlN 압전층만으로 고성능의 저주파수 대역(예를 들어 1GHz 이하) 압전 공진기를 제조하기 어렵다. 본 실시예에서 단결정 AlN 압전층의 두께는 0.6μm보다 작고, 다결정 AlN 압전층을 증착하여 압전 박막의 두께를 증가하며, 예를 들어 압전 공진기의 공진 주파수는 2GHz를 만족할 것을 요구할 경우, 만일 대응되는 압전 박막의 두께가 1.5μm이면, 그중 단결정 AlN 압전층의 두께는 0.5μm 또는 그보다 더 작을 수 있고, 다결정 AlN 압전층의 두께는 1μm일 수 있으므로, 단결정 AlN 압전층의 제조 시간을 절약하여, 전체 제조 시간을 단축하고, 공정 문제을 감소하며, 저주파수 대역 및 고성능의 압전 공진기를 실현할 수 있다.
본 실시예에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장시켜, AlN 결정 격자 불일치 및 열적 불일치를 감소하고, 단결정 AlN의 결정화(crystallization)에 유리하며, 결정 격자 불일치가 압전 박막의 품질에 주는 영향을 감소하며; 단결정 AlN 압전층에 다결정 AlN 압전층을 증착함으로써, 단순히 다결정 AlN으로 실현한 공진기 및 필터(본 분야에서 주로 대규모 생산하는 제품)에 비해 손실을 낮추고, 높은 큐 인자(Q factor) 및 낮은 삽입 손실(insertion loss)을 실현할 수 있다.
실시예 3
도 5는 실시예 3에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다. 본 실시예와 상기 실시예 2의 상이한 부분은 아래와 같다: 다결정 압전 재료층과 단결정 압전 재료층의 재료가 상이하고; 상응하게, 선택적으로, 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계는, 증착방법을 사용하여 단결정 AlN 압전층에서 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 산화아연을 증착하여 ZnO 압전층을 형성하는 단계를 포함한다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 아래와 같은 방법을 포함한다.
단계(310): 단결정 기판을 제공하며;
단계(320): 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장시켜 단결정 AlN 압전층을 형성한다.
단계(330): 증착방법을 이용하여 단결정 AlN 압전층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 산화아연을 증착하여 ZnO 압전층을 형성한다.
그중, ZnO 박막은 비교적 높은 압전성(압전 상수(d33)
Figure 112018123507461-pct00001
12pm/V)을 구비하고, 그 구조도 우루츠광형 구조이며, 단결정 AlN 박막의 기초에서 양호한 결정 격자 일치를 이루고, 결정 격자 불일치가 ZnO 박막의 품질에 주는 영향을 감소할 수 있다.
선택적으로, 단결정 AlN 압전층에서 제1기판(10) 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 산화아연을 증착하여 다결정 ZnO 압전층을 형성함에 있어서, 증착 방법은 RF 마그네트론 스퍼터링 증착 방법일 수 있으며, 순도가 높은 ZnO 세라믹 타겟(99.9%)을 이용하여, 고순도 O2, 아르곤(Ar)을 각각 반응 가스 및 보호 가스로 하여, 고품질 단결정 AlN 재료층을 제조한 기초에서, 실험 파라미터(예를 들어 작업 기압, 가스 유량, 기판 온도, 증착 시간 및 타겟-기판간 거리 등)를 조절하여 다결정 ZnO 압전층을 제조한다. 제1기판(10)에 단결정 압전 재료층(11)을 형성하면, 단결정 압전 재료층(11)의 결정도가 높아 단결정 압전 재료층(11)의 표면에 증착되는 다결정 압전 재료는 배열이 더욱 가지런한 결정 격자 시작점을 가지므로, 제1기판 상에 증착되는 다결정 ZnO 압전 재료의 결정도는 더욱 높아지고, 성능은 더욱 좋아진다.
본 실시예에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은 단결정 AlN 압전층에 다결정 ZnO을 증착함으로써, 다결정 AlN 압전층에 비해 압전 공진기의 압전 결합 계수(kt 2)를 향상하여, 압전 공진기의 성능을 향상할 수 있다.
실시예 4
도 6은 실시예 4에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이다. 본 실시예와 상기 실시예 2의 상이한 부분은 아래와 같다: 다결정 압전 재료층과 단결정 압전 재료층의 재료가 상이하고; 상응하게, 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계는, 증착방법을 사용하여 단결정 AlN 압전층에서 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹(Lead Zirconate Titanate (PZT) piezoelectric ceramics)를 증착하여 PZT 압전층을 형성하는 단계를 포함한다. 도 6에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 아래와 같은 방법을 포함한다.
단계(410): 단결정 기판을 제공하며;
단계(420): 단결정 기판 상에 단결정 AlN을 에피택셜 성장시켜 단결정 AlN 압전층을 형성한다.
단계(430): 증착방법을 이용하여 단결정 AlN 압전층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹를 증착하여 PZT 압전층을 형성한다.
그중, PZT 박막은 전기-기계 결합 성능(electromechanical coupling performance)을 구비하고, 압전 결합 계수(kt 2)는 비교적 높으므로, 광대역필터 (broadband filter)를 제조하는 비교적 우수한 재료이다. 선택적으로, 단결정 AlN 압전층에서 제1기판(10) 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹를 증착하여, 다결정 PZT 압전층을 형성함에 있어서, 증착방법은 펄스레이저 증착법일 수 있고, 예를 들어 지르코늄-티나늄 비가 Zr/Ti=52/48인 PZT 압전 세라믹을 타겟 재료로 하며, 제조된 단결정 AlN 압전층 상에 펄스레이저 증착법을 사용하여 PZT 박막을 제조한다. 그중, 불화크립톤(KrF) 펄스레이저를 사용하며, 실험 시 우선 진공으로 만들고, 다음 산소를 넣어 일정한 압력 세기에 도달한다. 제조된 고품질 단결정 AlN 압전층의 기판을 일정한 온도까지 가열하고, KrF 펄스 레이저를 45℃ 각으로 PZT 타겟 재료에 입사하여, PZT의 원자를 타겟 재료에서 발사시켜 기판에 증착되도록 한다. 다음 천천히 실온까지 냉각시켜 박막 결정화되도록 하여, PZT 박막을 제조한다. 실험 파라미터(예를 들어 작업 기압, 기판 온도, 증착 시간 및 타겟-기판간 거리 등)를 조절함으로써, PZT 압전층을 제조한다.
본 실시예에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법은 단결정 AlN 압전층에 PZT 압전층을 증착함으로써, 다결정 AlN 압전층에 비해, 압전 공진기의 압전 결합 계수(kt 2)를 향상하여, 압전 공진기의 성능을 향상할 수 있다.
실시예 5
도 7은 실시예 5에서 제공하는 압전 공진기 제조방법의 흐름도이고, 도8 내지 도11은 실시예 5에서 제공하는 전극 제조 흐름에서 각 단계에 대응되는 압전 공진기의 단면 구조 개략도이다. 상기 실시예의 기초에서, 본 실시예는 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성한 후, 아래와 같은 단계를 더 포함할 수 있다: 다결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 제1전극을 형성하고; 제1전극을 통해 제1전극을 구비하는 압전 공진기를 제2기판에 압착 결합하고, 박막 전사 공정을 이용하여 제1기판을 박리하며; 단결정 압전 재료층 중 제2기판 측으로부터 떨어진 표면에 제2전극을 형성한다. 도 7에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 아래와 같은 방법을 포함한다.
단계(510): 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성한다.
단계(520): 단결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성한다.
단계(530): 다결정 압전 재료층 중 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 제1전극을 형성한다.
도 8을 참조하면, 다결정 압전 재료층(12) 중 제1기판(10) 측으로부터 떨어진 표면에는 제1전극(13)이 형성되고, 그 형성방법은 마그네트론 스퍼터링 방법일 수 있으며, 다결정 압전 재료층(12)에는 볼프람(W), 알루미늄(Al), 동(Cu), 백금(Pt), 은(Ag), 티나늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo) 중의 1종 또는 2종 이상의 조합이 한 층으로 증착될 수 있으며, 그중 제1전극(13)은 기판과 비슷한 모양을 가질 수 있다.
단계(540): 제1전극을 통해 제1전극을 구비하는 압전 공진기를 제2기판에 라미네이션하고, 박막 전사 공정을 이용하여 제1기판을 박리한다.
도 9를 참조하면, 예시적으로, 우선 제1기판(10), 단결정 압전 재료층(11), 다결정 압전 재료층(12) 및 제1전극(13)을 플립(flip)하여 제1전극(13)을 제2기판(14)에 기계적으로 압착 결합(pressing)하고, 제1전극(13)에서 단결정 압전 재료층(11)과 떨어진 표면을 제2기판(14)의 표면과 본딩(bonding)하여 견고한 구조를 형성한다. 다음, 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off, LLO) 기술 또는 플라즈마 스트리핑 (plasma stripping) 기술을 이용하여 단결정 압전 재료층(11)을 제1기판(100)에서 박리한다. 레이저 리프트 오프 기술 또는 플라즈마 스트리핑 기술의 박리율(peel ratio)은 비교적 높으며, 이와 동시에 박리 과정에서 박막 및 기판시트가 파열되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
단계(550): 단결정 압전 재료층 중 제2기판 측으로부터 떨어진 표면에 제2전극을 형성한다.
도 10을 참조하고, 상기 방안에 기반하면, 단결정 압전 재료층(11) 중 제1전극(13) 측으로부터 떨어진 표면에는 볼프람(W), 알루미늄(Al), 동(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 및 몰리브덴(Mo) 등 중에서 적어도 일종의 재료로 구성된 제2전극(15)인 전극 구조가 마그네트론 스퍼터링 방법에 의해 한 층으로 형성된다. 선택적으로, 제1전극(13) 및 제2전극(15)의 재료는 알루미늄(Al) 및 백금(Pt)일 수 있다. 그중, 제1전극(13) 및 제2전극(15)의 두께는 실제 생산 요구에 따라 결정되고; 아울러, 전극 모양은 기판 또는 압전 박막과 비슷하거나 비슷하지 않을 수 있으며, 구체적인 구조는 실제 상황에 따라 결정되어야 한다. 그중, 제2기판(14)은 실리콘웨이퍼일 수 있고, 임시적인 지지 구조로서 한 층의 희생 재료(sacrificial material)일 수 있으며, 마지막으로, 도 11을 참조하면, 에칭 기술을 이용하여 제2기판(14) 중의 일부 재료를 제거하여 캐비티를 형성할 수 있다.
다결정 압전 공진기를 제조함에 있어서, 우선 기판에 하나의 몰리브덴 전극을 형성하고, 상기 몰리브덴 전극에 압전 박막을 형성하면, 이때, 공진기 중의 내부 응력은 비교적 쉽게 제어되므로, 다결정 AlN에 기반한 대규모 생산이 가능하게 된다. 만약 기타 금속 전극으로 대체하면, 공진기의 내부 응력은 쉽게 제어되지 않으므로, 생산 수율은 낮다.
본 실시예에서 제공한 압전 공진기의 제조방법에 있어서, 형성된 전극은 몰리브덴 전극에 제한되지 않으며, 다양한 도전성 재료를 선택할 수 있고, 압전 박막을 제조한 후 제1전극을 형성하고, 제1기판을 박리한 후, 압전 박막의 타면에 제2전극을 형성하여, 직접 제2전극에 압전 박막이 형성되는 것을 방지하므로, 상이한 공정 및 성능 수요에 따라 압전 재료 양면의 전극은 상이한 금속 재료를 선택하여 최적의 가성비에 도달할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄은 몰리브덴보다 더욱 작은 저항율을 구비하며, 공진기의 기생 저항을 낮추고, 공진기의 큐 인자를 향상할 수 있다.
실시예 6
도 12는 실시예 6에서 제공하는 압전 공진기의 구조 개략도이다. 상기 압전 공진기는 본 발명 실시예에서 제공하는 임의의 일종의 압전 공진기의 제조방법으로 제조될 수 있고, 도 12에서 나타낸 바와 같이, 상기 압전 공진기는 다음과 같은 구조를 포함한다:
단결정 압전 재료층(11)의 일측 표면에 형성된 다결정 압전 재료층(12); 다결정 압전 재료층(12) 중 단결정 압전 재료층(11) 측으로부터 떨어진 표면에 형성된 제1전극(13); 단결정 압전 재료층(11) 중 다결정 압전 재료층(12) 측으로부터 떨어진 표면에 형성된 제2전극(15); 을 포함한다.
그중, 단결정 압전 재료층(11)의 재료는 단결정 AlN일 수 있다. AlN의 음향파 속도가 비교적 빠르기에, AlN 박막 재료는 고주파 공진기(GHz)의 제조에 사용될 수 있고, AlN 재료의 손실이 비교적 낮으므로, 고품질 큐 인자를 실현할 수 있으며, 복잡한 작업 환경에 사용될 수 있다.
선택적으로, 다결정 압전 재료층(12)은 단결정 압전 재료층(11)의 재료와 동일하거나 상이할 수 있고, 예를 들어, 다결정 압전 재료층(12)의 재료는 다결정 AlN, 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹, 다결정 산화아연, 리튬탄탈레이트 또는 리튬 니오베이트 등 일 수 있다. 그중, LiNbO3의 압전 결합 계수(kt 2)는 비교적 높고, 압전 결합 계수(kt 2)는 압전 재료의 압전 성능의 세기를 판단하는 중요한 물리량이며, 필터가 실현할 수 있는 대역폭을 결정한다. LiNbO3 및 PZT의 압전 결합 계수(kt 2)가 비교적 높으면, 큰 대역폭을 실현할 수 있고; 산화아연(ZnO)의 kt 2는 7.5%이고, AlN의 kt 2는 6.5%이다. 이외, 큐 인자(Q)는 필터 소자를 가늠하는 하나의 중요한 지표이고, 압전 공진기의 큐 인자는 압전 박막 재료의 고유의 손실 및 체적 탄성파의 기판에서의 손실에 따라 결정된다. 이 방면에서, AlN 및 ZnO의 재료의 손실은 PZT의 재료의 손실보다 우수하다.
선택적으로, 상기 단결정 압전 재료층의 두께는 0.6μm보다 작다.
선택적으로, 단결정 압전 재료층 및 다결정 압전 재료층의 전체 두께는 1.5μm보다 크거나 같다.
선택적으로, 제1전극(13)과 제2전극(15)의 재료는 Al, Cu, Ag, Pt, W, Ti 및 Mo 중의 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있다. 그중 Al 및 Pt를 선택할 수 있는데, 주요 원인은 Al 재료의 저항율은 비교적 작고, Pt 및 W 전극의 AlN 공진기에서의 역학적 성질은 비교적 우수하기 때문이다.
본 실시예에서 상세하게 서술하지 않은 내용은 상기 방법 실시예를 참조하기 바라며, 여기에서는 재차 서술하지 않는다.
본 실시예에서 제공하는 압전 공진기는 공진 주파수가 저주파수 대역인 통신 분야에 응용될 수 있고, 관련 기술에 비해, 본 실시예에서 제공하는 압전 공진기는 상기 단결정 압전 재료층의 일측 표면에 다결정 압전 재료층을 형성함으로써, 압전 재료층을 비교적 빠른 시간 내로 일정한 두께에 도달시켜, 공정 시간을 단축하고, 생산 비용을 낮추며, 저주파수 대역의 공진 주파수를 실현하는 동시에, 높은 큐 인자 및 높은 압전 결합 계수(kt 2)의 성능을 유지하고, 필터의 대역폭을 향상하였으며, 응용 범위를 증가하였다.
본 발명에서 제공하는 압전 공진기의 제조방법 및 압전 공진기는, 단결정 압전 재료의 결정도가 높으므로, 단결정 압전 재료층에 증착된 다결정 압전 재료의 결정 격자 시작점 배열은 더욱 가지런하여, 다결정 압전 재료층에서 다결정 압전 재료의 결정도를 향상하고, 압전 공진기의 성능을 향상한다.

Claims (16)

  1. 제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하는 단계;
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계; 를 포함하되,
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계 이후,
    상기 다결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극과 제2기판을 압착 결합하고, 박막 전사 공정을 이용하여 상기 제1기판을 박리하는 단계;
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제2기판으로부터 떨어진 일측의 표면에 제2전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 압전 공진기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1기판 상에 단결정 압전 재료층을 형성하는 단계는,
    단결정 기판을 제공하는 단계;
    상기 단결정 기판에 단결정 질화알루미늄(AlN)을 에피택셜 성장시켜, 단결정 AlN 압전층을 형성하는 단계; 를 포함하는 압전 공진기의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다결정 압전 재료층과 상기 단결정 압전 재료층의 재료는 동일한 압전 공진기의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계는,
    상기 단결정 AlN 압전층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 AlN을 증착하여 다결정 AlN 압전층을 형성하는 단계를 포함하는 압전 공진기의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 다결정 압전 재료층과 상기 단결정 압전 재료층의 재료는 상이한 압전 공진기의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 다결정 압전 재료층을 형성하는 단계는,
    증착방법을 이용하여 상기 단결정 AlN 압전층 중 상기 제1기판 측으로부터 떨어진 표면에 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹(PZT), 다결정 산화아연(ZnO), 리튬탄탈레이트(LiTaO3) 또는 리튬 니오베이트(LiNbO3)를 증착하여, PZT 압전층, ZnO 압전층, LiTaO3 압전층 또는 LiNbO3 압전층을 형성하는 단계를 포함하는 압전 공진기의 제조방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 AlN 압전층의 두께는 0.6μm보다 작고 0과 같지 않은 압전 공진기의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 적어도 일종의 전극의 재료는 알루미늄(Al), 동(Cu), 은(Ag), 볼프람(W), 백금(Pt), 티나늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo) 중의 1종 또는 2종 이상의 조합인 압전 공진기의 제조방법.
  9. 단결정 압전 재료층;
    상기 단결정 압전 재료층의 일측 표면에 형성된 다결정 압전 재료층;
    상기 다결정 압전 재료층 중 상기 단결정 압전 재료층으로부터 떨어진 일측의 표면에 형성된 제1전극; 및
    상기 단결정 압전 재료층 중 상기 다결정 압전 재료층으로부터 떨어진 일측의 표면에 형성된 제2전극; 을 포함하는 압전 공진기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단결정 압전 재료층의 재료는 단결정 AlN인 압전 공진기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 다결정 압전 재료층의 재료는 다결정 질화알루미늄(AlN), 지르콘 티탄산 연 압전 세라믹, 다결정 산화아연, 리튬탄탈레이트 또는 리튬 니오베이트인 압전 공진기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 단결정 압전 재료층의 두께가 0.6μm보다 작고 0과 같지 않은 압전 공진기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 적어도 일종의 전극의 재료가 알루미늄(Al), 동(Cu), 은(Ag), 볼프람(W), 백금(Pt), 티나늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo) 중의 1종 또는 2종 이상의 조합인 압전 공진기.
  14. 삭제
  15. 삭제
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