KR19980025043A - 표면 탄성파 장치, 상기 장치에 사용되는 기판 및 상기 기판의 제조방법 - Google Patents

표면 탄성파 장치, 상기 장치에 사용되는 기판 및 상기 기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 탄성파 장치, 그의 기판 및 상기 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에서는 R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정 오프-각(off-angle)으로 회전시킴으로써 수득한 오프-각을 갖는 표면(off-angled surface) 및 2인치 이상의 직경을 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼(11)를 CVD 장치에 도입하고, 금속 유기 화학 증착(MOCVD)에 의해 사파이어 단결정 웨이퍼의 표면상에 제 1 및 제 2 알루미늄 단결정 층(12, 13)의 2층 구조물을 증착시킨다. 이렇게 증착된 알루미늄 단결정 층(13)은 (1-210) 표면을 갖는다. 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)은 완충 층으로서 작용하며 5 내지 50nm의 두께를 갖고, 제 2 질화알루미늄 층은 1μm 이상의 두께를 갖는다. 상기 오프-각은 바람직하게는 ±1°이상, 더욱 바람직하게는 ±2°이상, 더더욱 바람직하게는 -3°이상, 특히 바람직하게는 -2°내지 +10°의 값으로 설정된다. 이렇게 수득된 질화알루미늄 단결정 층(12, 13)은 크랙이 형성되지 않고 탁월한 압전특성을 가지며 높은 표면 탄성파 전파속도를 갖는다.

Description

표면 탄성파 장치, 상기 장치에 사용되는 기판 및 상기 기판의 제조방법
본 발명은 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판, 보다 상세하게는 α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 기판 및 이러한 사파이어 단결정 기판 표면상에 금속 유기 화학 증착(MOCVD)에 의해 형성된 질화알루미늄 단결정 층을 포함하는 기판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 표면 탄성파 장치에 사용되는 상기 기판의 제조방법 및 상기 기판을 포함하는 표면 탄성파 장치에 관한 것이다.
종래, 표면 탄성파 장치용 기판의 재료로는 수정, LiNbO3, LiTaO3, Li2B4O7등이 사용되었다. 이들 기판 재료는 표면 탄성파 장치의 중요한 전송 특성인 전기-기계 결합 계수 K2및 지연 시간 온도 계수 TCD가 특히 우수하다는 이유로 사용되었다. 한편, 표면 탄성파 장치의 용도는 점점 더 광범위해지고, 작동 주파수가 매우 높은 표면 탄성파 장치가 요구되어 왔다. 그러나, 상술한 기판 재료의 표면 탄성파의 전파속도는 약 3000 내지 5000m/sec이고, GHz 정도의 작동 주파수를 갖는 표면 탄성파 장치를 구현하기 위해서는 5000 내지 6000m/sec 이상의 표면 탄성파 전파속도를 갖는 기판이 요구된다.
상술한 바와 같이, 작동 주파수가 매우 높은 표면 탄성파 장치를 구현하기 위해서는, 전파속도가 높은 기판을 사용할 필요가 있다. 이를 위하여, 질화알루미늄(AlN)제 기판을 사용할 것이 제안되었다. 질화알루미늄 기판의 전기-기계 결합 계수 K2는 약 0.8%로서 수정의 약 5배 이상이며, 질화알루미늄 기판의 지연 시간 온도 계수 TCD는 20ppm/℃ 이하이다. 그러나, 질화알루미늄은 융점이 매우 높아 대량의 질화알루미늄 단결정을 수득하기가 어렵다. 이러한 이유로 인해, 질화알루미늄 단결정 층을 α-Al2O3제 사파이어 단결정 기판상에 형성시키는 것이 일반적이다. 이러한 사파이어 단결정 기판은 입수가 용이하고 격자 정수가 질화알루미늄의 격자 정수와 크게 다르지 않다는 이유로 사용되고 있다.
상술한 바와 같이, 사파이어 기판상에 질화알루미늄 층이 증착된 기판을 사용할 것이 제안되었다. 본 발명자들은 사파이어 기판의 R(1-102) 표면을 암모니아 분위기에 노출시켜 매우 얇은 질화알루미늄 단결정 막을 형성하는 초기 질화 처리를 수행한 후 금속 유기 화학 증착(MOCVD)에 의해 질화알루미늄 단결정 막상에 질화알루미늄 단결정 층을 증착시키는 각종 실험을 수행하였다. 예를 들면, 사파이어 단결정 기판을 CVD 장치에 넣은 후, 트리메틸알루미늄(TMA) 및 암모니아(NH3)를 CVD 장치에 도입하여 사파이어 기판상에 질화알루미늄 단결정 층을 증착시켰다. 이렇게 MOCVD 법에 의해 형성된 질화알루미늄 단결정 층은 양호한 전기-기계 결합 계수 K2를 갖는다는 것을 확인하였다.
이 실험에서는 5mm의 변을 갖는 정사각형의 매우 작은 사파이어 기판을 사용하였다. 표면 탄성파 장치의 실용적인 대규모 생산을 위해서는 2인치(50.8mm) 이상의 사파이어 웨이퍼를 사용하여야 한다. 즉, 2인치 사파이어 단결정 웨이퍼 표면상에 질화알루미늄 단결정 층을 형성한 후, 질화알루미늄 층상에 원하는 전극 패턴을 형성하고, 최종적으로 사파이어 단결정 웨이퍼를 슬라이스 기법에 의해 분할하여 칩으로 만들어야 한다. 이 방법은 반도체 장치를 대규모로 생산하는 방법과 유사하다.
본 발명자들에 의해 수행된 한 실험에서는, 두께 300 내지 500㎛의 2인치 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하였고, 상기한 초기 질화 처리에 의해 사파이어 웨이퍼상에 제 1 질화알루미늄 단결정 층을 형성하였고, 상기한 MOCVD 방법에 의해 두께 1㎛ 이상의 제 1 질화알루미늄 단결정 층상에 제 2 질화알루미늄 단결정 층을 형성하였고, 최종적으로 사파이어 단결정 웨이퍼를 다수의 표면 탄성파 장치로 분할하였다. 최종 장치에서, 상기 제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층은 함께 결합하여 하나의 질화알루미늄 단결정 층을 형성하였다. 질화알루미늄 단결정 층에 약 1mm의 간격으로 다수의 크랙이 발생한 것이 실험적으로 확인되었다. 이렇게 수득된 기판을 사용하여 표면 탄성파 장치를 제조하였다. 이렇게 수득된 표면 탄성파 장치의 전파 손실이 매우 크고 그 특성이 열화됨이 실험적으로 확인되었다. 이런 방식으로, 상기한 사파이어 단결정 기판을 사용하여서는 실용적인 표면 탄성파 장치를 제조할 수 없음이 실험적으로 확인되었다.
발광 반도체 장치 제조분야에 있어서는, 사파이어 단결정 기판 및 이러한 사파이어 단결정 기판상에 형성된 GaN 및 AlN 단결정 층과 같은 III-V 화합물 단결정 층을 포함하는 기판의 사용이 알려져 있다. III-V 화합물 단결정 층에서의 크랙의 발생을 방지하기 위해서, III-V 화합물 단결정 층을 형성시키기 전에 사파이어 단결정 층상에 얇은 완충(buffer) 층을 형성할 것이 제안되었다. 본 발명자들은 이 방법을 표면 탄성파 장치용 기판의 형성에 도입하였다. 즉, 두께 약 5 내지 50nm의 질화알루미늄 단결정 막으로 구성된 매우 얇은 완충 층을 사파이어 단결정 층상에 먼저 형성시킨 다음, 두꺼운 질화알루미늄 층을 완충 층상에 형성시켰다. 이 경우에, 비교적 얇은 제 1 질화알루미늄 단결정 층을 형성하는 과정중에는 사파이어 기판의 표면 온도를 300 내지 450℃ 정도의 저온으로 유지한 다음, 비교적 두꺼운 제 2 질화알루미늄 단결정 층을 형성하는 과정중에는 기판을 900 내지 1100℃로 가열하였다. 이렇게 형성된 질화알루미늄 층에는 크랙이 발생되지 않았다. 그러나, 질화알루미늄 단결정 층의 전기-기계 결합 계수 K2는 거의 0이었고 압전 특성은 상실되었다. 이러한 기판이 표면 탄성파 장치용 기판으로 결코 사용될 수 없음은 명백하다. 발광 반도체 장치에 있어서는 압전 특성 상실이 전혀 문제되지 않으나, 표면 탄성파 장치에 있어서는 압전 특성이 불가결하다. 완충 층에 의한 압전 특성의 상실 이유는 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 질화알루미늄 단결정 층 표면의 미세구조를 관찰해보면 다수의 쌍정이 형성되어 있는 것이 확인되었다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판의 제조방법의 제 1 단계를 나타내는 단면도이다.
도 2는 상기 제조방법의 제 2 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3은 상기 제조방법의 제 3 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 사파이어 단결정 기판의 R(1-102) 표면 및 질화알루미늄 단결정 층의 (1-210) 표면을 나타내는 개략도이다.
도 5는 사파이어 기판의 R(1-102) 표면을 a-축을 중심으로 회전시켜 오프-각(off-angle)을 이루는 방향을 나타내는 개략도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 R-표면을 a-축을 중심으로 회전시킬 때 R-표면과 c-축 사이의 관계를 나타내는 개략도이다.
도 7은 금속 유기 화학 증착(MOCVD) 과정중 사파이어 단결정 기판의 표면 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 오프-각과 전기-기계 결합 계수 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 표면 탄성파 장치의 양태를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 목적은 사파이어 단결정 기판상에 증착된 질화알루미늄 단결정 층 표면에 크랙이 발생하지 않고, 2인치 이상의 크기를 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하여도 매우 높은 전기-기계 결합 계수 K2를 얻을 수 있는, 신규하고 유용한 표면 탄성파 장치용 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 또하나의 목적은 상기 표면 탄성파 장치용 기판을 저렴하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또하나의 목적은 높은 작동 주파수 및 높은 전기-기계 결합 계수 K2와 같은 우수한 특성을 갖는 표면 탄성파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 기판 및 이러한 사파이어 단결정 기판 표면상에 형성된 질화알루미늄 단결정 층을 포함하는 표면 탄성파 장치용 기판이 제공되며, 이때 사파이어 단결정 기판의 표면은 R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각(off-angle)으로 회전시켜 얻은 오프-각을 갖는(off-angled) 표면에 의해 형성되고, 질화알루미늄 단결정 층은 금속 유기 화학 증착에 의해 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착된 (1-210) 표면을 갖는 질화알루미늄 단결정 층에 의해 형성된다.
또한, 본 발명에 따라, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시켜 얻은 오프-각을 갖는 표면을 갖는 α-Al2O3제 사파이어 단결정 기판을 제조하는 단계; 및 상기 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 금속 유기 화학 증착에 의해 (1-210) 표면을 갖는 질화알루미늄 단결정 층을 증착시키는 단계를 포함하는, 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시켜 얻은 오프-각을 갖는 표면을 갖는 α-Al2O3제 사파이어 단결정 기판; 상기 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 금속 유기 화학 증착에 의해 증착된 (1-210) 표면을 갖는 질화알루미늄 단결정 층; 및 상기 질화알루미늄 단결정 층의 (1-210) 표면상에 형성된 인터디지탈(interdigital)형 전극을 포함하는 표면 탄성파 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판의 바람직한 양태에 있어서, 상기 사파이어 단결정 기판 또는 웨이퍼의 오프-각을 갖는 표면은 R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±1°이상, 바람직하게는 ±2°이상, 보다 바람직하게는 -3°이상의 오프-각으로 회전시켜 얻는다. 특히 바람직한 것은 상기 오프-각을 -2°내지 -10°범위로 설정하는 것이다. 양 방향으로 오프-각을 증가시킴에 따라 전기-기계 결합 계수 K2가 더 커지고 압전 특성은 더 양호해진다는 것이 실험적으로 확인되었다. 그러나, 전기-기계 결합 계수 K2는 질화알루미늄 단결정 자체의 전기-기계 결합 계수보다는 더 커질 수 없고, 후술하는 바와 같이 오프-각을 +4° 내지 -10°범위내로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판의 또하나의 바람직한 양태에 있어서, 상기 질화알루미늄 단결정 층은 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착되며 완충 층으로 작용하는 제 1 질화알루미늄 단결정 층 및 상기 제 1 질화알루미늄 단결정 층상에 형성된 제 2 질화알루미늄 단결정 층으로 이루어진 2층 구조를 갖는다. 이 경우에, 완충 층으로 작용하는 제 1 질화알루미늄 단결정 층은 5 내지 50nm, 바람직하게는 10nm의 두께를 가지며, 제 2 질화알루미늄 단결정 층은 1㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 2층 구조는 사파이어 단결정 웨이퍼를 CVD 장치내에 유지시키면서 그의 표면 온도를 제어하는 것만으로 용이하게 수득될 수 있다. 따라서, 제조비용이 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 표면 탄성파 장치에 사용되는 기판은 2㎛ 이상의 직경을 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하여 제조하는 것이 바람직한데, 이는 본 발명의 이점이 이렇게 큰 웨이퍼를 사용하는 경우에 가장 효과적일 수 있기 때문임을 주지해야 한다.
본 발명에 있어서, 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면은 R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시켜 얻는다. 발광 반도체 장치에 있어서는, R(1-102) 표면을 [1-101] 축(이 축은 사파이어의 c-축을 R(1-102) 표면상으로 투사함으로써 얻어짐)을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시켜 얻은 표면을 갖는 사파이어 단결정 기판을 사용할 것이 제안되었다. 이러한 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면은 일본 특허 공개공보 제 92-323880 호에 기재되어 있다. 그러나, 이러한 공지의 기술에 있어서는, 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 질화알루미늄 단결정 층 대신에 질화 갈륨 단결정 층이 증착된다. 더욱이, 발광 반도체 장치에 있어서는, 오프-각이 압전 특성 상실을 야기할 수 있는 쌍정 형성을 방지하기 위해서가 아니라 사파이어 단결정 기판과 질화 갈륨 단결정 층 사이의 격자 정수의 불일치를 해소하기 위해 사용된다.
또한, 상기한 일본 특허 공개공보에 있어서는, 오프-각이 본 발명에 따른 오프-각의 바람직한 범위보다 훨씬 큰 9.2°로 설정되어 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 방법의 양태의 연속적인 단계를 도시한 단면도이다.
먼저, α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 웨이퍼(11)를 제조한다. 사파이어 단결정 웨이퍼(11)는 직경이 2인치이고 두께가 약 450μm이다. 본 발명에서는, 질화알루미늄 단결정 층을 사파이어 웨이퍼(11)의 오프-각을 갖는 표면상에 증착시키는데, 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면은 R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득된다. 도 4는 사파이어 웨이퍼(11)의 R(1-102) 표면 및 [11-20] 축을 도시하며, [11-20] 축은 a-축으로 표시되어 있다. 상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 따라, 사파이어 단결정 웨이퍼의 R(1-102) 표면을 a-축을 중심으로 회전시킨다. 이 경우, 회전은 두 방향, 즉 도 4의 화살표로 표시된 양의 방향 및 음의 방향으로 이루어질 수 있다.
도 5는 a-축을 중심으로 하는 R-표면의 회전 방향을 정의하는 개략도이다. 여기에서, 시계방향의 회전은 - 방향으로 표시되고, 시계반대방향의 회전은 + 방향으로 표시된다. 도 5에는, c-축도 도시되어 있다. 회전각에 따른 c-축과 R-표면 사이의 각도 변화가 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있다. 도 6b는 오프-각이 없거나 0인 경우를 도시하고, 도 6a는 R-표면이 + 방향으로 회전하는 경우를 나타내며, 도 6c는 R-표면이 - 방향으로 회전하는 경우를 도시한다. 본 발명에 따르면, R-표면은 + 및 - 방향중 어느 방향으로나 회전할 수 있다. 그러나, 후에 설명되는 바와 같이, R-표면을 - 방향으로 회전시키는 것이 바람직한데, 이 경우 넓은 오프-각 범위에 걸쳐 큰 전기-기계 결합 계수 K2가 수득될 수 있기 때문이다.
이어, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 유기 화학 증착(MOCVD)에 의해 사파이어 단결정 웨이퍼(11)의 표면상에 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)을 증착시키는데, 사파이어 기판의 이 표면은 R-표면을 a-축을 중심으로 회전시킴으로써 수득된다. 본 양태에서, 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)은 두께가 10nm이다. 본 발명에 따르면, 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)은 바람직하게는 두께가 5 내지 50nm이다. MOCVD에 의해 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)을 사파이어 단결정 웨이퍼(11)의 오프-각을 갖는 R-표면에 증착시킬 때, 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)은 (1-210) 표면을 갖는다. 도 4는 또한 질화알루미늄 단결정 층(12)의 (1-210) 표면도 도시하고 있다.
이어, 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)의 (1-210) 표면상에 역시 MOCVD에 의해 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)을 증착시킨다. 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)이 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)의 (1-210) 표면상에 증착되기 때문에, 제 2 질화알루미늄 단결정 층 또한 (1-210) 표면을 갖는다. 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)은 바람직하게는 약 1μm 이상의 두께를 갖는다. 이 양태에서, 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)은 2μm의 두께를 갖는다. 제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층(12, 13)을 사파이어 단결정 웨이퍼(11)상에 연속적으로 증착시킨 후, 통상적인 방법을 이용하여 목적하는 인터디지탈형 전극 패턴을 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)의 (1-210) 표면상에 형성시킨다. 이어, 제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층(12, 13) 및 그위에 형성된 인더디지탈 전극 패턴을 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼를 통상적인 슬라이스 기법에 의해 분할하여 칩으로 만든다. 이렇게 수득된 칩을 패키지에 위치시키고, 소정의 도전 와이어를 전극에 고정시키고, 마지막으로 패키지를 기밀 방식으로 밀봉시킨다. 이러한 방식으로, 표면 탄성파 장치를 대량 생산 규모로 수득할 수 있다.
제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층(12, 13)을 증착시키는 예를 도 7을 참조하여 설명한다. 먼저, 사파이어 단결정 웨이퍼(11)를 CVD 장치에 도입한 후 약 1000℃로 가열하였다. 이어, 수소 기체를 CVD 장치에 도입하여 사파이어 웨이퍼(11)를 수소 어닐링시켰다. 다음으로, 사파이어 단결정 웨이퍼(11)의 온도를 300 내지 400℃, 특히 약 350℃로 감소시켰다. 이어, 수소 또는 질소를 담체 기체로 사용하면서, 트리메틸알루미늄(TMA) 및 암모니아(NH3)를 각각 100μ몰/분 및 1 내지 5ℓ/분의 유속으로 3분동안 CVD 장치에 도입하였다. 이 과정동안, 약 10nm의 두께를 갖는 제 1 질화알루미늄 단결정 층(12)을 사파이어 웨이퍼(11)상에 증착시켰다.
다음으로, 트리메틸알루미늄 및 암모니아의 공급을 일시 중단하고 사파이어 웨이퍼(11)를 다시 900 내지 1100℃, 특히 약 950℃로 가열하였다. 이어, 수소 또는 질소를 담체 기체로 사용하면서 트리메틸알루미늄(TMA) 및 암모니아(NH3)를 각각 100μ몰/분 및 1 내지 5ℓ/분의 동일한 유속으로 60분동안 다시 도입하여, 두께 약 2μm의 제 2 질화알루미늄 단결정 층(13)을 증착시켰다. 그 후, 사파이어 단결정 웨이퍼(11)를 점진적으로 상온까지 냉각시켰다.
상기 설명한 바와 같은 방식으로, 사파이어 웨이퍼(11)를 CVD 장치로부터 꺼내지 않고도 제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층(12, 13)을 연속적으로 형성시킬 수 있으며, 따라서 제 1 및 제 2 질화알루미늄 단결정 층은 서로 결합되어 경계를 찾아볼 수 없다. 그러므로, 본 발명에 따른 표면 탄성파 장치에 사용하기 위한 기판 및 표면 탄성파 장치에서는, 질화알루미늄 단결정 층 하나만이 MOCVD에 의해 사파이어 단결정 기판상에 증착되는 것으로 정의된다.
본 발명에 따라, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정 오프-각으로 회전시킴으로써 수득한 오프-각을 갖는 표면을 갖는 사파이어 단결정 기판 또는 웨이퍼를 사용한다. 오프-각과 전기-기계 결합 계수 K2사이의 관계를 도 8에 도시된 그래프를 참조하여 설명한다. 이 그래프에서, 수평축은 -10°에서 +4°까지 변하는 오프-각을 나타내고, 수직축은 전기-기계 결합 계수 K2(%)를 나타낸다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 오프-각이 0일 때, 즉 R-표면이 회전하지 않을 때, 전기-기계 결합 계수 K2는 0이다. 다시 말하자면, 오프-각이 없으면 압전 특성이 상실된다. R-표면이 + 방향 및 - 방향으로 회전하면, 전기-기계 결합 계수 K2가 증가한다. 이 경우, - 방향으로의 오프-각을 선택할 때 더 높은 전기-기계 결합 계수 K2를 수득할 수 있다. - 방향에서, 오프-각이 2°보다 더 클 때, 특히 3°보다 더 클 때, 전기-기계 결합 계수 K2가 현저하게 더 커진다. 그러나, 오프-각이 10°보다 더 크면, 전기-기계 결합 계수 K2가 더 커질 가능성은 없는 것으로 보인다. 따라서, 본 발명에 따라, 실제적인 관점에서, 오프-각을 ±1°이상, 바람직하게는 ±2°이상으로 설정하는 것이 바람직하고, - 방향에서는 오프-각을 3°이상으로 설정한다. 더욱 구체적으로는, 오프-각을 바람직하게는 -2°내지 -10의 값으로 설정한다. 그러나, 목적하는 오프-각은 질화알루미늄 단결정 층을 증착시키는 조건에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 상기 언급한 오프-각 값 또는 범위는 단지 바람직한 예로서 표시한 것뿐이며, 본 발명에 따르면 사파이어 단결정 웨이퍼가 R-표면을 a-축을 중심으로 회전시킴으로써 수득한 오프-각을 갖는 것이 필수적이다.
도 9는 본 발명에 따른 표면 탄성파 장치의 양태를 도시한 평면도이다. 본 양태에서는, 표면 탄성파 장치가 사파이어 단결정 기판상에 증착된 질화알루미늄 단결정 층상에 형성된 인터디지탈형 전극을 포함하는 표면 탄성파 필터로서 제조된다. 본 양태에서는, 인접한 전극지(electrode finger)가 사이사이에 서로 교대하고 있는 정규형 인터디지탈 전극(21, 22)에 의해 입력측 변환기(23)가 형성되고, 역시 인접한 전극지가 인터디지탈 방식으로 서로 교대하는 정규형 인터디지탈 전극(24, 25)에 의해 형성된 출력측 변환기(26)가 소정 거리만큼 입력측 변환기(23)로부터 이격되어 배열된다. 기판의 질화알루미늄 단결정 층은 표면 탄성파에 대해 5000m/초의 매우 높은 전파속도를 가지며, 따라서 인접한 전극지 사이의 거리를 적절하게 설정함으로써 GHz 정도의 매우 높은 작동 주파수를 갖는 표면 탄성파 필터를 달성할 수 있다.
본 발명은 상기 설명된 양태로만 한정되지 않으며, 당해 분야의 숙련자는 본 발명의 영역내에서 다수의 변형 및 변화를 인식할 수 있다. 예를 들어, 상기 양태에서는 2인치 직경의 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하지만, 본 발명에 따라 2인치보다 더 작거나 더 큰 직경을 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용할 수도 있다. 상기 논의한 바와 같이, 큰 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용할 때 본 발명의 잇점을 효과적으로 획득할 수 있기 때문에, 2인치 이상의 직경을 갖는 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양태에서는, 본 발명의 표면 탄성파 장치를 정규형 인터디지탈 전극을 갖는 표면 탄성파 필터로서 실현하였으나, 표면 탄성파 필터가 임의의 다른 유형의 전극 또는 중량의 전극을 포함할 수도 있다. 또한, 표면 탄성파 장치를 표면 탄성파 공진기 또는 딜레이 라인(delay line)으로서 실현할 수도 있다.
상기에 상세히 설명한 바와 같이, 2인치 이상의 사파이어 단결정 웨이퍼를 사용하는 경우에도 본 발명에 따라 크랙을 갖지 않고 충분히 높은 전기-기계 결합 계수 K2및 높은 표면 탄성파 전파 속도를 갖는 질화알루미늄 단결정 층을 제공할 수 있다. 따라서, 탁월한 특성 및 매우 높은 작동 주파수를 갖는 표면 탄성파 장치를 저가로 실현할 수 있다.

Claims (24)

  1. α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 기판 및 상기 기판의 표면상에 형성된 질화알루미늄 단결정 층을 포함하며, 이때
    상기 사파이어 단결정 기판의 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정 오프-각(off-angle)으로 회전시킴으로써 수득되는 오프-각을 갖는(off-angled) 표면으로 이루어지고,
    상기 질화알루미늄 단결정 층이 금속 유기 화학 증착에 의해 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면상에 증착된 (1-210) 표면을 갖는 질화알루미늄 단결정 층으로 이루어지는
    표면 탄성파 장치용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±1°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±2°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 -3°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 -2°내지 -10°의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 기판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 단결정 층이, 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착되고 완충 층(buffer layer)으로서 작용하며 (1-210) 표면을 갖는 제 1 질화알루미늄 단결정 막 및 상기 제 1 질화알루미늄 단결정 막의 상기 (1-210) 표면상에 형성된 제 2 질화알루미늄 단결정 층으로 이루어진 2층 구조를 갖는 기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    완충 층으로서 작용하는 제 1 질화알루미늄 막이 5 내지 50nm의 두께를 갖고, 제 2 질화알루미늄 단결정 층이 1μm 이상의 두께를 갖는 기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 질화알루미늄 막의 두께가 10nm인 기판.
  9. R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득한 오프-각을 갖는 표면을 갖고 α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 기판을 제조하는 단계; 및
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면상에 질화알루미늄 단결정 층을 금속 유기 화학 증착에 의해 (1-210) 표면을 갖도록 증착시키는 단계를 포함하는,
    표면 탄성파 장치용 기판을 제조하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±1°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면을 수득하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±2°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면을 수득하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 -3°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면을 수득하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 -2°내지 -10°의 오프-각으로 회전시킴으로써 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면을 수득하는 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    사파이어 단결정 웨이퍼가 300 내지 400℃로 가열되는 동안, 완충 층으로서 작용하는 제 1 질화알루미늄 단결정 막이 금속 유기 화학 증착에 의해 (1-210) 표면을 갖도록 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착되고, 사파이어 단결정 웨이퍼가 900 내지 1100℃로 가열되는 동안, 금속 유기 화학 증착에 의해 제 2 질화알루미늄 단결정 층이 상기 제 1 질화알루미늄 단결정 막의 상기 (1-210) 표면상에 증착된 2층 구조물로서 상기 질화알루미늄 단결정 층을 형성시키며, 이때 사파이어 단결정 웨이퍼를 화학 증착 장치로부터 꺼내지 않고도 제 1 질화알루미늄 단결정 층과 제 2 질화알루미늄 단결정 층을 연속적으로 형성시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    사파이어 웨이퍼가 약 350℃로 가열되는 동안 제 1 질화알루미늄 단결정 막을 사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착시키고, 사파이어 단결정 웨이퍼가 약 950℃로 가열되는 동안 제 2 질화알루미늄 단결정 층을 상기 제 1 질화알루미늄 단결정 막의 (1-210) 표면상에 증착시키는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 사파이어 단결정 웨이퍼가 2인치(50.8mm) 이상의 직경을 갖고, 상기 제 1 질화알루미늄 단결정 층을 5 내지 50nm의 두께를 갖도록 증착시키고, 상기 제 2 질화알루미늄 단결정 층을 1μm 이상의 두께를 갖도록 증착시키는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 질화알루미늄 단결정 층을 약 10nm의 두께를 갖도록 증착시키는 방법.
  18. R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 소정의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득한 오프-각을 갖는 표면을 갖고 α-Al2O3로 이루어진 사파이어 단결정 기판;
    금속 유기 화학 증착에 의해 사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면상에 증착되고 (1-210) 표면을 갖는 질화알루미늄 단결정 층; 및
    질화알루미늄 단결정 층의 상기 (1-210) 표면상에 형성된 인터디지탈(interdigital)형 전극을 포함하는
    표면 탄성파 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±1°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 ±2°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 약 -3°이상의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 상기 오프-각을 갖는 표면이, R(1-102) 표면을 [11-20] 축을 중심으로 -2°내지 -10°의 오프-각으로 회전시킴으로써 수득되는 장치.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
    사파이어 단결정 기판의 오프-각을 갖는 표면상에 증착된 상기 질화알루미늄 단결정 층이 크랙을 갖지 않고, 약 0.8%보다 높은 전기-기계 결합 계수 K2및 5000m/초보다 높은 표면 탄성파 전파 속도를 갖는 장치.
  24. 제 18 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인터디지탈형 전극이, 표면 탄성파 장치가 1GHz 이상의 작동 주파수에서 작동하도록 형성된 장치.
KR1019970049126A 1996-09-27 1997-09-26 표면 탄성파 장치, 상기 장치에 사용되는 기판 및 상기 기판의제조방법 KR100285577B1 (ko)

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