KR102380843B1 - 체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터 - Google Patents
체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 기판, 및 상기 기판 상에 순차적으로 마련되는 제1 전극, 압전층, 및 제2 전극을 포함하는 공진부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)과 탄탈(Ta)의 합금을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터에 관한 것이다.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요도 증대하고 있다.
이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로는 박막 체적 음향 공진기(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)가 알려져 있다. 박막 체적 음향 공진기는 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수(Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, 박막 체적 음향 공진기는 기판상에 제1 전극, 압전층(Piezoelectric layer) 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다. 박막 체적 음향 공진기의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2 전극에 인가되는 전기에너지에 의해 압전층 내에 전계가 유기되고, 유기된 전계에 의해 압전층에서 압전 현상이 발생하여 공진부가 소정 방향으로 진동한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다.
본 발명의 과제는 전극의 산화를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있고, 전극 상에 형성되는 압전층의 결정 배향성을 향상시킬 수 있는 체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 기판, 및 상기 기판 상에 순차적으로 마련되는 제1 전극, 압전층, 및 제2 전극을 포함하는 공진부를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)과 탄탈(Ta)의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터는 전극의 산화를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있고, 전극 상에 형성되는 압전층의 결정 배향성을 향상시킬 수 있다. 또한, 체적 음향 공진기를 제조하는 공정에서 이용되는 식각 물질로부터 강건한 특성을 확보할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 몰리브덴(Mo)의 풀베이 다이어그램(pourbaix diagram)을 나타낸 도이다.
도 3은 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 상평형 다이어그램(phase diagram)을 나타낸다.
도 4는 몰리브덴(Mo)의 합금(alloy)의 종류별 라만 변이(Raman shift) 나타낸다.
도 5는 비교예에 따른 몰리브덴(Mo)과 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 8585 신뢰성 실험 후 면 저항 변화를 나타낸다.
도 6는 비교예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo) 간의 갈바닉 부식 실험 결과 및 본 발명의 일 실시예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 간의 갈바닉 부식 실험 결과를 나타낸다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 식각 홀을 설명하기 위하여 제공되는 도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 상에서의 질화 알루미늄(AlN)의 결정 배향성을 설명하기 위하여 제공되는 도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
도 2는 몰리브덴(Mo)의 풀베이 다이어그램(pourbaix diagram)을 나타낸 도이다.
도 3은 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 상평형 다이어그램(phase diagram)을 나타낸다.
도 4는 몰리브덴(Mo)의 합금(alloy)의 종류별 라만 변이(Raman shift) 나타낸다.
도 5는 비교예에 따른 몰리브덴(Mo)과 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 8585 신뢰성 실험 후 면 저항 변화를 나타낸다.
도 6는 비교예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo) 간의 갈바닉 부식 실험 결과 및 본 발명의 일 실시예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 간의 갈바닉 부식 실험 결과를 나타낸다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 식각 홀을 설명하기 위하여 제공되는 도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 상에서의 질화 알루미늄(AlN)의 결정 배향성을 설명하기 위하여 제공되는 도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 1a을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)는 박막 체적 음향파 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)일 수 있다. 체적 음향 공진기(100)는 기판(110), 절연층(120), 에어 캐비티(112), 및 공진부(135)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대해 공진부(135)를 전기적으로 격리시키는 절연층(120)이 마련될 수 있다. 절연층(120)은 이산화규소(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 질화 알루미늄(AlN), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 하나를 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 또는 에바포레이션(Evaporation)하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
절연층(120) 상에는 에어 캐비티(112)가 배치될 수 있다. 에어 캐비티(112)는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(135)의 하부에 위치할 수 있다. 에어 캐비티(112)는 절연층(120) 상에 희생층을 형성한 다음, 희생층 상에 멤브레인(130)을 형성한 후 희생층을 식각하여 제거하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인(130)은 산화 보호막으로 기능하거나, 기판(110)을 보호하는 보호층으로 기능할 수 있다. 멤브레인(130)은 이산화규소(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 질화 알루미늄(AlN), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
절연층(120)과 에어 캐비티(112) 사이에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(120)을 보호하는 역할을 하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.
공진부(135)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)은 순차적으로 적층될 수 있다.
제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(112)의 상부에 위치할 수 있다.
압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 압전층(150)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 압전층(150)은 스칸듐(Sc)이 0.1~30 원자%, 바람직하게는 0.1~15 원자%로 도핑된 ScAlN을 포함할 수 있다. 또한, 압전층(150)은 전이 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(140) 하부에는 압전층(150)의 결정 배향성을 향상시키기 위한 시드(Seed)층이 추가적으로 배치될 수 있다. 시드층은 압전층(150)과 동일한 결정성을 갖는 질화 알루미늄(AlN), 도핑 질화 알루미늄(Doped AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 육방밀집구조(HCP: Hexagonal Close-Packed) 구조를 가지는 유전 물질 또는 금속을 포함할 수 있다. 육방밀집 구조를 가지는 금속은 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금(Ti alloy)을 포함할 수 있다.
공진부(135)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(135)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(112) 상부에서 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(135)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.
공진부(135)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다. 구체적으로 공진부(135)는 압전층(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.
보호층(170)은 공진부(135)의 제2 전극(160)상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되어 산화되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다. 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패드(180)가 형성될 수 있다. 전극 패드(180)는 금(Au), 금 합금(Au alloy), 구리(Cu), 및 구리 합금(Cu alloy) 중 하나를 포함할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 1b를 참조하면, 도 1b의 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 전술한 도 1a의 실시예에 따른 체적 음향 공진기와 유사하므로, 동일하거나 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 1b을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)는 기판(110), 에어 캐비티(112), 절연층(120), 멤브레인(127), 지지부(133), 보조 지지부(134) 및 공진부(135)를 포함할 수 있고, 추가적으로 보호층(170) 및 전극 패드(180)를 포함할 수 있다.
기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대하여 공진부(135)를 전기적으로 격리시키는 절연층(120)이 마련될 수 있다. 절연층(120) 상에는 에어 캐비티(112), 지지부(133) 및 보조 지지부(134)가 형성될 수 있다.
도 1b의 체적 음향 공진기(100)의 제조 공정에 대해 설명하면, 절연층(120) 상에 희생층을 형성하고, 희생층에 지지부(133)가 마련되는 패턴을 형성한다. 희생층에 형성되는 패턴의 상면의 폭은 하면의 폭 보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 패턴의 측면은 경사질 수 있다. 희생층에 패턴을 형성한 후에, 희생층 및 패턴에 의해 외부로 노출된 절연층(120) 상에 멤브레인(127)을 형성한다. 멤브레인(127)을 형성한 후에, 멤브레인(127)을 덮도록 지지부(133) 형성의 기초가 되는 식각 저지 물질을 형성한다.
식각 저지 물질을 형성한 후에, 희생층 상면에 형성된 멤브레인(127)이 외부로 노출되도록 식각 저지 물질의 일면은 평탄화 된다. 식각 저지 물질의 일면이 평탄화되는 공정에서 식각 저지 물질의 일부는 제거되고, 일부가 제거된 후에 패턴 내부에서 잔존하는 식각 저지 물질에 의해 지지부(133)가 형성될 수 있다. 식각 저지 물질(120)의 평탄화 과정의 결과 높이가 동일하게 형성되는 지지부(133) 및 희생층에 의해 지지부(133) 및 희생층의 일면은 대략 평탄할 수 있다. 여기서, 멤브레인(127)은 식각 저지 물질의 평탄화 공정의 정지층(Stop layer)으로 기능할 수 있다.
이후, 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 등을 적층한 후에 희생층을 식각하여 제거하는 식각 공정에 의해 에어 캐비티(112)가 형성될 수 있다. 일 예로, 희생층은 다결정 실리콘(Poly-Si)을 포함할 수 있다. 에어 캐비티(112)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)으로 구성되는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부의 하부에 위치할 수 있다.
에어 캐비티(112)의 외측에는 지지부(133) 및 보조 지지부(134)가 마련될 수 있다. 절연층(120) 상에 형성되는 에어 캐비티(112), 지지부(133) 및 보조 지지부(134)의 두께는 동일할 수 있다. 따라서, 에어 캐비티(112), 지지부(133) 및 보조 지지부(134)에 의해 제공되는 일면은 대략 평탄할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단차가 제거된 평탄한 면 상에 공진부(135)가 배치되어, 체적 음향 공진기의 삽입 손실 및 감쇄 특성을 개선할 수 있다.
지지부(133)의 단면은 대략 사다리꼴 형상일 수 있다. 구체적으로 지지부(133)의 상면의 폭은 하면의 폭보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 측면은 경사질 수 있다. 지지부(133)는 희생층을 제거하기 위한 식각 공정에서 식각되지 않는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 지지부(133)는 이산화규소(SiO2) 및 질화 실리콘(Si3N4) 중 하나로 형성될 수 있다.
지지부(133)의 외측 - 지지부(133)를 기준으로 에어 캐비티(112)의 반대 편 - 으로 보조 지지부(134)가 마련될 수 있다. 보조 지지부(134)는 지지부(133)와 동일한 물질로 형성될 수 있고, 또한, 지지부(133)와 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 보조 지지부(134)가 지지부(133)와 서로 다른 물질로 형성되는 경우, 보조 지지부(134)는 절연층(123) 상에 형성되는 희생층 중 식각 공정 이후에 잔존하는 일 부분에 대응할 수 있다.
도 2는 몰리브덴(Mo)의 풀베이 다이어그램(pourbaix diagram)을 나타낸 도이다.
제1 전극(140), 및 제2 전극(160)은 금(Au), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 이리디듐(Ir) 및 니켈(Ni) 중 하나로 구성될 수 있고, 특히, 제1 전극(140) 상에서 형성되는 압전층(150)의 결정 배향성을 높이기 위하여 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)은 몰리브덴(Mo)으로 구성될 수 있다.
다만, 도 2를 참조하면, 몰리브덴(Mo)은 pH 4 이상에서 MoOx- 형태로 음이온화이 되기 쉽고, pH 4 이하에서는 Mo+ 형태로 양이온화 되기 쉽다. 몰리브덴(Mo)은 음이온 또는 양이온 형태로 이온화되는 경우, 용액 내에서 용해(dissolution)될 수 있다. 또한, 몰리브덴(Mo)이 이온화 되지 않더라도 pH 전 영역에서 MoO2, MoO3 형태로 존재하는 경우, 산화(oxide)되기 쉬운 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서, 몰리브덴(Mo)을 이용하여 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 제조할 시, 몰리브덴(Mo)으루 구성되는 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 밀폐되도록 밀봉(hermetic sealing)하여, 패시베이션(passivation) 처리할 필요가 있다.
다만, 이와 같이 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 패시베이션 할 시에도, 습식 공정시에, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 구성하는 몰리브덴(Mo)이 수분에 노출되는 경우 산화될 우려가 있는데, 산화된 몰리브덴(Mo) 또한 용해도(Solubility)가 높아 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 특히, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 외부 회로와 연결하기 위하여, 트렌치(trench)로 특정 영역을 오픈(open)한 후, 도 1a 및 도 1b의 전극 패드(180)와 연결하는 경우에 상기와 같은 문제가 발생하여 접속 및 접촉 불량을 야기할 수 있다.
다만, 상기 문제를 해결하기 위하여, 몰리브덴(Mo) 외의 다른 금속 물질로 제1 전극(140), 및 제2 전극(160)을 제조하는 경우, 높은 비저항이 수반되고, 압전층(150)의 증착시 배향성이 낮아지는 또 다른 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금(alloy)으로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나를 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 제조하여, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)의 낮은 비저항성 특성을 구현할 수 있고, 식각 공정을 용이하게 수행할 수 있다. 나아가, 압전층(150)의 높은 결정 배향성을 달성할 수 있다.
이 때, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)에서 탄탈(Ta)의 함량은 0.1~30 원자%일 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)에서 탄탈(Ta)의 함량은 0.1~20 원자%일 수 있다.
몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)을 증착하기 위한 스퍼터(sputter)용 단일 표적(single target) 재료는 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta)의 원소 분말을 설계된 조성으로 혼합한 후 소결하여 제조될 수 있다(소결 방식). 또한, 스퍼터(sputter)용 단일 표적(single target) 재료는 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta)의 원소 분말을 설계된 조성으로 혼합한 후에 고온에서 균일한 조성을 가지는 액상으로 녹인 후 다시 냉각하여, 조성이 균일한 합금으로부터 제조될 수 있다(멜팅(melting) 방식).
도 3은 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 상평형 다이어그램(phase diagram)을 나타낸다.
도 3의 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 상평형도(Phase diagram)를 참조하면, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)은 탄탈(Ta)의 함량이 증가함에 따라 결정 구조가 변화하는 혼합 결정 구조를 가지지 않고, 하나의 결정 구조인 BCC(body-centered cubic) 구조를 가지는 전율 고용체임을 확인할 수 있다. 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)에서 탄탈(Ta)의 함량이 20 원자% 이하일 경우에는 녹는 온도가 대략 일정하나, 탄탈(Ta)의 함량이 20 원자%를 초과하는 경우에는 녹는 온도가 급격하게 높아져서 멜팅 방식으로의 단일 표적 재료의 제조가 어려울 수 있다.
또한, 탄탈(Ta)의 함량이 20 원자%를 초과하는 경우, 탄탈(Ta)의 함량이 증가함에 따라 합금(alloy) 조성의 불균일성이 커지게 되어, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)을 제조하기 위한 단일 표적(single target) 재료는 탄성이 저하되는 취성(brittleness) 특성을 가지게 된다. 따라서, 탄탈(Ta)의 함량이 20 원자%를 초과하는 경우, 소결 방식으로 단일 표적 재료를 제조시, 가공이 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 0.1~30 원자%의 탄탈(Ta)의 함량을 포함하는 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy), 바람직하게는 0.1~20 원자%의 탄탈(Ta)의 함량을 포함하는 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)을 이용하여, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 용이하게 제조할 수 있다.
도 4는 몰리브덴(Mo)의 합금(alloy)의 종류별 라만 변이(Raman shift) 나타낸다. 구체적으로, 몰리브덴(Mo)의 합금(alloy) 샘플에 대하여 8585 신뢰성 실험(85℃의 온도 및 85%의 습도 하에서의 실험)을 진행한 후의 라만 변이(Raman shift) 결과이다. 도 4에서 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)에서 탄탈(Ta)의 함량은 3.3~3.8 원자%일 수 있다.
도 4에서 산화 몰리브덴(MoO2, MoO3)의 라만 변위(Raman shift)는 기준 피크(Peak)로 참조될 수 있다. 8585 신뢰성 실험을 진행하지 않은 몰리브덴(Mo_1)의 라만 변위에서는 산화 몰리브덴(MoO2, MoO3)의 그래프의 피크(Peak)가 검출되지 않으나, 8585 신뢰성 실험을 진행한 몰리브덴(Mo_2)의 라만 변위에서는 산화 몰리브덴(MoO2, MoO3)의 그래프와 유사한 피크(Peak)가 검출되어 8585 신뢰성 실험을 진행한 몰리브덴(Mo_2)이 산화된 것을 확인할 수 있다.
다만, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 라만 변위를 살펴보면, 대략 평탄한 수치가 유지되는데, 이로써 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 경우 거의 산화되지 않는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1, 2 전극(140, 160) 중 적어도 하나의 전극을 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 제조하여, 순수한 몰리브덴(Mo)으로 전극을 제조할 경우 발생할 수 있는 산화(oxidation) 문제를 해결해 환경 신뢰성을 높일 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 몰리브덴(Mo)과 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 8585 신뢰성 실험 후 면 저항 변화를 나타낸다.
구체적으로, 순수한 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta)의 함량이 6 원자%인 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)을 2000Å 두께의 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer) 상에 마련하여, 8585 신뢰성 실험(85℃의 온도 및 85%의 습도 하에서의 실험)을 진행한 후의 면 저항 변화 결과이다.
순수한 몰리브덴(Mo)은 증착(deposition)한 후 8585 신뢰성 실험의 진행이 2일(2 day)이 경과하면, 면 저항이 약 300%로 급격히 증가하고, 이 후, 측정 범위를 벗어났으나, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 경우, 면 저항 변화율(%)이 8585 신뢰성 실험의 진행이 3일이 경과한 경우에도 50% 미만으로 고온다습한 환경하에서도 면저항이 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다.
체적 음향 공진기를 제조하는 공정 중 서로 다른 이종금속이 인접하게 노출된 상태에서 습식 공정(wet process)을 진행하는 경우, 습식 용액(wet chemical)이나 탈 이온수(DIW: deionized water)에 의해 전해질이 형성될 수 있다.
이종금속이 인접하게 배치되는 경우, 또는 인접하게 배치된 이종금속이 전해질에 의해 접촉하는 경우, 두 금속의 전위 차에 의해 전자가 이동하여 서로 다른 이종금속 중 적어도 하나의 금속의 표면이 부식되는 갈바닉 부식(Galvanic corrosion) 현상이 발생할 수 있다.
이러한, 갈바닉 부식은 전극 패드와 인접한 전극이 노출됨에 따라 발생할 수 있다. 구체적으로, 전극 패드(180)와 제2 전극(160)이 인접하는 도 1a의 A 영역에서 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 발생할 수 있다.
도 6는 비교예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo) 간의 갈바닉 부식 실험 결과 및 본 발명의 일 실시예에 따른 금(Au)과 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 간의 갈바닉 부식 실험 결과를 나타낸다.
갈바닉 부식 실험은, 순수한 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta)의 함량이 6 원자%인 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 각각을 2000Å 두께의 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)에 박막 형태로 각각 증착하고, 증착된 박막에 전극 패드의 물질로 이용되는 금(Au)을 2um로 증착하여 샘플을 제조한 후, 제조된 샘플을 탈 이온수에 20시간 담근 후, 부식 상태를 비교하여 진행되었다.
도 6를 참조하면, 금(Au)/몰리브덴(Mo)의 샘플에서는 몰리브덴(Mo)의 표면에서 과도한 갈바닉 부식 현상이 발생하였으나, 금(Au)/몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 샘플에서는 갈바닉 부식 현상이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 식각 홀을 설명하기 위하여 제공되는 도이다.
전술한 바와 같이, 에어 캐비티(112)는 희생층을 식각하여 형성될 수 있다. 희생층의 식각 공정은 전극 패드(180)와 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)의 접촉을 위하여 보호층(170)을 식각한 후, 전극 패드(180)을 형성한다. 이후 희생층이 노출되도록 보호층, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 식각해 식각 홀(Release hole)을 형성하고, 식각 홀(Release hole)에 식각 용액 및 식각 가스와 같은 식각 물질을 투입하여 진행될 수 있다. 일 예로, 식각 물질은 플루오르화크세논(XeF2)을 포함할 수 있다. 식각 홀(Release hole)은 체적 음향 공진기의 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나에 형성되어, 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나를 관통할 수 있다. 구체적으로, 도 7을 참조하면, 식각 홀(Release hole)은 제1 전극(140)에 형성되어, 제1 전극(140)을 관통할 수 있고, 이외에도, 제2 전극(160)에 형성되어, 제2 전극(160)을 관통할 수 있다.
제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 식각 홀이 형성되는 경우, 식각 홀로 투입되는 식각 물질에 의해 전극이 불필요하게 식각되거나 부식되어, 체적 음향 공진기의 신뢰성 있는 공진 특성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 전극을 제조하여 식각 물질에 대한 강건한 특성을 확보할 수 있다.
표 1은 플루오르화크세논(XeF2)에 대한 순수한 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 식각 특성을 나타낸 표이다. 표 1의 실험을 위하여, 순수한 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)을 증착한 후, 증착층의 일부를 일정한 증착 두께를 가지는 지름 30um의 원으로 제거하고, 플루오르화크세논(XeF2)으로 원의 내부를 식각하였다.
| 증착 두께 | 원의 지름 | 식각양 | |
| 몰리브덴(Mo) | 224nm | 68.99um | 38.99um |
| 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) | 136nm | 51.13um | 21.13um |
표 1에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 순수한 몰리브덴(Mo)의 원의 사이즈는 30um에서 68.99um로 증가하여, 38.99um가 식각된 반면, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)의 원의 사이즈는 30um에서 51.13um로 증가하여, 21.13um가 식각된 것을 알 수 있다. 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)이 몰리브덴(Mo)에 비하여 약 50%이상 덜 식각되는 것을 알 수 있으며, 증착 두께를 고려하면, 약 25% 정도 식각이 덜 되는 것을 알 수 있다.
즉, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)이 희생층의 식각 환경하에서 불가피하게 외부로 노출된 경우에도, 플루오르화크세논(XeF2)에 대한 강건한 특성으로 인하여 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 상에서의 질화 알루미늄(AlN)의 결정 배향성을 설명하기 위하여 제공되는 도이다. 도 8a 및 도 8b에서, 탄탈(Ta)의 함량이 6 원자%인 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)이 이용되었다.
도 8a는 몰리브덴(Mo) 및 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우의 요동 곡선(rocking curve)을 나타내고, 도 8b는 몰리브덴(Mo) 및 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우의 반가폭(FWHM)을 나타낸다. 몰리브덴(Mo) 및 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착시, 몰리브덴(Mo) 및 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 각각은 0.23㎛의 두께로 제조되었고, 질화 알루미늄(AlN)은 0.9㎛의 두께로 제조되었다.
도 8a를 참조하면, 질화 알루미늄(AlN)은 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy) 및 순수한 몰리브덴(Mo) 상에서 모두 c축 배향 ([0002] 방향)으로 성장하는 것을 알 수 있다. 다만, 도 8b의 를 참조하면, 질화 알루미늄(AlN)의 반가폭(FWHM)은 순수한 몰리브덴(Mo)에서 1.6308°인 반면에, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)에서 1.5986°로써, 순수한 몰리브덴(Mo) 상에서 보다 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 상에서 더 적은 값을 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 순수한 몰리브덴(Mo) 상에 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 압전층을 형성하는 경우보다, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금 상에 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 압전층(150)을 형성하는 경우에 높은 결정 배향성을 달성할 수 있다.
하기의 표 2는 본 발명의 실시예에 해당하는 전극이 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)이 제조된 체적 음향 공진기와 비교예에 해당하는 전극이 몰리브덴(Mo)으로 제조된 체적 음향 공진기의 공진부를 설명하기 위하여 제공되는 표이다.
| 비교예 | 실시예 | |||
| 제2 전극 | Mo | 264nm | Mo-Ta | 260nm |
| 압전층 | ScAlN | 1100nm | ScAlN | 1100nm |
| 제1 전극 | Mo | 275nm | Mo-Ta | 280nm |
표 2를 참조하면, 실시예는 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 각각이 280nm 및 260nm의 두께를 가지고, 탄탈(Ta)의 함량이 6 원자%인 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 제조되었으며, 비교예는 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 각각이 275nm 및 264nm의 두께를 가지는 몰리브덴(Mo)으로 제조되었다. 실시예 및 비교예에서, 체적 음향 공진기의 사이즈는 100*100㎛에 해당하고, 압전층(150)은 두께 1.1㎛를 가지고, 질화 알루미늄(AlN)에 스칸듐(Sc)이 6.25 원자%로 도핑된 ScAlN을 증착하여 제조되었다.
표 3은 실시예와 비교예의 누설 전류 및 누설 밀도를 나타내는 표이다.
| 누설 전류(nA) | 누설 밀도(uA/cm2) | |
| 실시예 | 9.1 | 0.813 |
| 비교예 | 16.2 | 1.446 |
상기 표 3에서 누설 전류(Leakage current)는 체적 음향 공진기에 100V의 전압을 인가하여 측정되었다. 실시예의 경우 누설전류가 9.1nA, 비교예의 경우 누설 전류가 16.2nA 검출되었으며, 체적 음향 공진기의 면적당 검출되는 누설 전류에 해당하는 누설 밀도는 실시예의 경우 0.183uA/cm2, 비교예의 경우, 1.446uA/cm2으로 산출되었다. 이는, 전극이 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 변경됨에 따라 MoOx의 형성이 억제되어 ScAlN으로 구성되는 압전층의 증착시 높은 결정 배향성을 달성할 수 있는 것에 기인한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 전극을 제조하여 공진기의 누설 전류를 감소시킬 수 있다.
표 4은 실시예와 비교예의 감쇄(Attenuation) 특성, 유효 전기기계 결합 계수의 제곱 값(Kt2) 및 품질 계수(Q)를 나타내는 표이다.
| Attenuation(dB) | Kt2(%) | Q | |
| 실시예 | 26.48 | 7.80 | 2876.3 |
| 비교예 | 26.11 | 7.63 | 2780.1 |
상기 표 4에서, 압전층(150)을 스칸듐(Sc)이 6.25 원자%로 도핑된 ScAlN을 이용하여 제조함으로써, 실시예 및 비교예 모두, 유효 전기기계 결합 계수(effective electromechanical coupling coefficient)의 제곱 값(Kt2)이 7% 보다 높은 값이 측정되었다.
또한, 실시예의 경우 유효 전기기계 결합 계수의 제곱 값(Kt2)이 7.8%로 측정되었고, 비교예의 경우 유효 전기기계 결합 계수의 제곱 값(Kt2)이 7.63%로 측정되어, 실시예가 비교예 보다 더 높은 유효 전기기계 결합 계수의 제곱 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는, 전극이 몰리브덴(Mo)-탄탈(Ta)의 합금(alloy)으로 변경됨에 따라 MoOx의 형성이 억제되어 ScAlN으로 구성되는 압전층의 증착시 높은 결정 배향성을 달성할 수 있는 것에 기인한다. 또한, 높은 유효 전기기계 결합 계수의 제곱 값(Kt2)에 의해 실시예는 체적 음향 공진기의 감쇄(Attenuation) 특성과 품질 계수(Q)가 비교예에 비하여 개선될 수 있다.
표 5는 실시예와 비교예의 온도에 따른 주파수 변화 계수(TCF: temperature coefficient of frequency)를 나타내는 표이다.
| TCF Fs(MHz) | TCF Fp(MHz) | |
| 실시예 | -25.1 | -26.3 |
| 비교예 | -31.4 | -30.4 |
온도에 따른 주파수 변화 계수는 샘플을 온도 챔버(Temperature Chamber)에 투입하거나, 샘플을 웨이퍼 상태로 온도 공구(Temperature Chuck)에 투입 후, 관심 온도 구간, 예를 들면, 온도 챔버의 경우 -20~85 ℃, 온도 공구의 경우 25~85 ℃의 온도로 설정하여 측정될 수 있다.
온도에 따른 주파수 변화 계수는 하기의 수학식 1에 의해 정의될 수 있다. 여기서, FT1은 기준 온도(T1)에서의 공진 주파수, 일 예로, 상온 25℃에서의 공진 주파수, FT2는 측정 온도(T2)에서 공진 주파수에 해당한다. 온도에 따른 주파수 변화 계수는 온도의 변화에 따른 공진 주파수를 측정하여 산출할 수 있다. 온도에 따른 주파수 변화 계수는 보통 매우 작은 값을 가지므로 단위로써, 1,000,000이 곱해진 ppm/℃를 이용할 수 있다.
[수학식 1]
TCF(ppm/℃) = (1/FT1 )(FT2-FT1)/(T2-T1)ⅹ106
상기 표 5를 참조하여, 실시예와 비교예를 비교하면, 실시예의 온도에 따른 직렬 공진주파수의 변화 계수(TCF Fs) 및 온도에 따른 병렬 공진주파수의 변화 계수(TCF Fp)가 비교예에 비하여 더 작은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터는 온도가 변경되는 경우에도 안정적인 성능을 확보할 수 있다.
도 9 및 도 10는 본 발명의 일 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다. 도 9 및 도 10의 필터에 채용되는 복수의 체적 음향 공진기 각각은 도 1a 및 도 1b에 도시된 체적 음향 공진기에 대응할 수 있다.
도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(1000)는 래더 타입(ladder type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(1000)는 복수의 체적 음향 공진기(1100,1200)를 포함한다.
제1 체적 음향 공진기(1100)는 입력 신호(RFin)가 입력되는 신호 입력단과 출력 신호(RFout)가 출력되는 신호 출력단 사이에 직렬 연결될 수 있고, 제2 체적 음향 공진기(1200)는 상기 신호 출력단과 접지 사이에 연결된다.
도 10를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(2000)는 래티스 타입(lattice type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(2000)는 복수의 체적 음향 공진기(2100,2200,2300,2400)를 포함하여, 밸런스드(balanced) 입력 신호(RFin+,RFin-)를 필터링하여 밸런스드 출력 신호(RFout+,RFout-)를 출력할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 기판
112: 에어 캐비티
120: 절연층
123: 식각 저지층
130: 멤브레인
133: 지지부
134: 보조 지지부
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전층
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극 패드
1000, 2000: 필터
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: 체적 음향 공진기
112: 에어 캐비티
120: 절연층
123: 식각 저지층
130: 멤브레인
133: 지지부
134: 보조 지지부
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전층
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극 패드
1000, 2000: 필터
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: 체적 음향 공진기
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 순차적으로 마련되는 제1 전극, 압전층, 및 제2 전극을 포함하는 공진부;
상기 공진부의 제2 전극 일면에 배치되는 보호층; 및
적어도 일부가 상기 제1 전극과 접하며, 상기 제2 전극 및 보호층 각각과 이격되는 전극 패드;
를 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)과 탄탈(Ta)의 합금을 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제1 항에 있어서,
상기 탄탈(Ta)의 함량은 0.1~30 원자%로 구성되는 체적 음향 공진기.
- 제2항에 있어서,
상기 탄탈(Ta)의 함량은 0.1~20 원자%로 구성되는 체적 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 압전층은 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제 1항에 있어서,
상기 압전층은 도핑 질화 알루미늄을 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제5항에 있어서,
상기 도핑 질화 알루미늄(AlN)은 스칸듐(Sc)이 0.1~15원자%로 도핑된 체적 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 공진부의 하부에 배치되는 에어 캐비티; 를 더 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제7항에 있어서,
상기 에어 캐비티의 외측에 마련되는 지지부; 를 더 포함하고,
상기 에어 캐비티 및 상기 지지부에 의해 제공되는 일 면은 평탄한 체적 음향 공진기.
- 제7항에 있어서,
상기 기판과 상기 에어 캐비티 사이에 배치되는 절연층; 및
상기 에어 캐비티와 상기 공진부 사이에 배치되는 멤브레인; 을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제9항에 있어서,
상기 절연층 및 상기 멤브레인 각각은 이산화규소(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 질화 알루미늄(AlN), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 형성되는 식각 홀; 을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 전극 패드는 금(Au), 금 합금(Au alloy), 구리(Cu), 및 구리 합금(Cu alloy) 중 하나를 포함하는 체적 음향 공진기.
- 복수의 체적 음향 공진기를 포함하는 필터에 있어서,
상기 복수의 체적 음향 공진기 각각은, 순차적으로 적층되는 제1 전극, 압전층, 제2 전극을 포함하는 공진부;
상기 공진부의 제2 전극 일면에 배치되는 보호층; 및
상기 제1 전극에 배치되어 상기 제2 전극 및 보호층 각각과 이격되는 전극 패드;
를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 몰리브덴(Mo)과 탄탈(Ta)의 합금을 포함하는 필터.
- 제13항에 있어서,
상기 탄탈(Ta)의 함량은 0.1~20 원자%로 구성되는 필터.
- 제 13항에 있어서,
상기 압전층은 도핑 질화 알루미늄을 포함하는 필터.
- 제15항에 있어서,
상기 도핑 질화 알루미늄(AlN)은 스칸듐(Sc)이 0.1~15원자%로 도핑된 필터.
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