KR20030033690A - 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 섭스트레이트의 하면 식각이 필요없으며 제조 시간이 단축될 수 있도록, 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면과 제2면을 갖는 섭스트레이트와, 상기 섭스트레이트의 제1면에 일정 크기의 공간부를 가지며 형성된 절연층과, 상기 절연층 상면에 형성된 제1도전층과, 상기 제1도전층 상면에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상면에 형성된 제2도전층과, 상기 제2도전층, 압전층 및 제1도전층을 관통하여 상기 공간부와 연통된 비아홀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 함.

Description

벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법{Bulk acoustic wave resonator and its manufacturing method}
본 발명은 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면 섭스트레이트의 하면 식각이 필요없으며, 제조 시간을 단축시킬 수 있는 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이동 통신의 발전은 비록 고전력에서 견딜수 있고, 매우 좁은 영역의 밴드패드 에지(Band Pass Edge), 저손실의 소자 개발 외에도 주로 소형의 래디오 프리퀀시(RF; Radio Frequency) 레조네이터의 개발을 가속화시키고 있다.
종래 휴대폰 등에서 사용되는 RF 레조네이터는 주로 표면탄성파(SAW; Surface Acoustic Wave)를 이용하였다. 상기 표면탄성파 레조네이터는 주지된 바와 같이 표면을 따라 전달되는 음향파를 이용한다. 이러한 표면탄성파 레조네이터는 압전층 표면에 다수의 도전층이 형성된 형태를 하며, 매우 다양한 종류가 개발되고 있다. 이러한 표면탄성파 레조네이터는 매우 작은 크기를 가지는 장점이 있으나, 고전력에서 장시간 사용할 수 없는 단점이 있다. 또한, 상기 표면 탄성파 레조네이터는 주지된 바와 같이 1GHz 이하의 대역에서 사용하기에는 적합하지만, 그 이상의 주파수 범위에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
따라서 최근에는 실리콘(Si)이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 섭스트레이트 상에서 구현되는 박막 벌크 탄성파(Bulk Acoustic Wave) 레조네이터가 개발되고 있다. 이러한 벌크 탄성파 레조네이터는 주지된 바와 같이 2GHz 이상의 대역 즉, 보다 높은 고주파 대역에서 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이러한 벌크 탄성파 레조네이터는 주지된 바와 같이 섭스트레이트상에 박막이 형성되고, 그 표면에는 도전층 및 압전층이 차례로 형성된 구조를 한다.
도1에는 이러한 종래의 벌크 탄성파 레조네이터(100')의 한예가 도시되어 있으며, 이를 참조하여 종래 구조를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이 하면에는 식각에 의해 일정한 크기의 공간부(6')가 형성된 섭스트레이트(2')가 구비되어 있다. 상기 섭스트레이트(2')의 상면에는 일정두께의 절연성 박막(4')이 형성되어 있으며, 상기 절연성 박막(4')의 표면에는 제1도전층(10')이 형성되어 있다. 또한, 상기 제1도전층(10')의 표면에는 압전층(12')이 형성되어 있으며, 상기 압전층(12')의 표면에는 제2도전층(14')이 형성되어 있다. 여기서, 상기 박막(4')은 상기 섭스트레이트(2')의 공간부(6')를 통하여 하부로 노출되어 있으며, 상기 공간부(6')는 상기 섭스트레이트(2')로부터 진동하는 레조네이터(100')를 독립시키는 음향적 아이솔레이터(Isolator) 역할을 한다.
이러한 벌크 탄성파 레조네이터(100')는 부분적으로, 다른 회로와 결합시킬 적절한 수단이 존재하지 않음으로써 아직 널리 사용되지는 않는다. 그러나, 상기 벌크 탄성파 레조네이터(100')는 종래의 표면탄성파 레조네이터(100')에 비하여 여러 가지 장점을 갖는다. 예를 들면, 상기 벌크탄성파 레조네이터(100')는 고전력에서 장시간 사용할 수 있는 장점이 있다.
이러한 벌크 탄성파 레조네이터(100')의 제조 방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
제1단계로서, 대략 판상의 섭스트레이트(2') 상면에 절연성 박막(4')을 형성한다.
제2단계로서, 상기 섭스트레이트(2')의 하면 중앙이 노출되도록 상기 섭스트레이트(2')의 하면에 감광막을 형성하고, 이를 마스크로 이용하여 섭스트레이트(2')를 소정 두께로 식각한다. 즉, 상기 박막(4')의 하면이 외부로 노출되도록 한다.
제3단계로서, 상기 감광막을 제거하고, 상기 박막(4')의 표면에 도전층을 형성한 후, 상기 제2단계에서와 같이 감광막을 이용하여 소정 패턴 모양의 제1도전층(10')을 형성한다.
제4단계로서, 상기 제1도전층(10') 상면중 일정영역에만 감광막을 형성하고, 스퍼터링 또는 화학적 기상 증착 등의 방법으로 압전층(12')을 형성한다.
제5단계로서, 상기 압전층(12')의 표면에 도전층을 형성한 후, 상기 제3단계에서와 같이 감광막을 이용하여 소정 패턴 모양의 제2도전층(14')을 형성함으로서, 도1에서와 같은 벌크 탄성파 레조네이터(100')를 완성한다.
그러나, 이러한 종래의 벌크 탄성파 레조네이터(100')는 그 제조 방법에 있어서, 다음과 같은 몇가지 문제가 있다.
첫째, 섭스트레이트(2')의 하면에 공간부(6')를 형성하기 위해 식각 공정을 수행시, 상기 식각의 종료점을 정확하게 검출하기 어려운 관계로 인하여 과식각이나 식각 부족 현상이 빈번하게 발생된다. 이와 같은 과식각이나 식각 부족 현상이 발생될 경우, 벌크 탄성파 레조네이터(100')의 재현성 있는 설계가 어려울 뿐만 아니라, 레조네이터(100') 자체의 정확도가 저하되는 현상이 초래된다.
둘째, 수백㎛ 두께의 섭스트레이트(2')를 식각하는데 소요되는 시간이 긴 관계로 인해, 전체적인 공정 진행 시간이 길어지는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 섭스트레이트의 하면 식각 공정을 필요로 하지 않으며, 또한 제조 시간을 단축할 수 있는 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
도1은 종래의 벌크 탄성파 레조네이터를 도시한 단면도이다.
도2는 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터를 도시한 단면도이다.
도3a 내지 도3g는 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터의 제조 방법을 도시한 설명도이다.
- 도면중 주요 부호에 대한 설명 -
100; 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터
2; 섭스트레이트(Substrate)2a; 제1면
2b; 제2면4; 절연층
6; 공간부8; 비아홀(Via Hole)
10; 제1도전층12; 압전층(Piezoelectric Layer)
14; 제2도전층16; 희생층
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터는 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면과 제2면을 갖는 섭스트레이트와, 상기 섭스트레이트의 제1면에 일정 크기의 공간부를 가지며 형성된 절연층과, 상기 절연층 상면에 형성된 제1도전층과, 상기 제1도전층 상면에 형성된 압전층과, 상기 압전층 상면에 형성된 제2도전층과, 상기 제2도전층, 압전층 및 제1도전층을 관통하여 상기 공간부와 연통된 비아홀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공간부의 깊이는 대략 20~40㎛가 되도록 함이 바람직하며, 상기 절연층은 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터의 제조 방법은 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면과 제2면을 갖는 섭스트레이트를 제공하는 단계와, 상기 섭스트레이트의 제1면에 일정크기의 공간부를 갖도록 절연층을 형성하는 단계와, 상기 공간부 및 절연층에 일정두께의 희생층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 상면의 희생층을 제거하여, 상기 공간부에만 희생층이 존재하도록 하는 단계와, 상기 희생층 및 절연층의 상면에 제1도전층, 압전층 및 제2도전층을 차례로 형성하는 단계와, 상기 제2도전층, 압전층 및 제1도전층에 비아홀을 형성하여, 상기 비아홀이 상기 희생층과 연통되도록 하는 단계와, 상기 비아홀에 식각 용액을 투입하여 상기 희생층을 제거하여 소정의 공간부가 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 희생층은 PSG(Phospho-Silicate Glass), BPSG(Borophosphorsilicate Glass), UDO(Undoped Oxide), Spin-On-Glass 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법에 의하면, 종래와 같이 섭스트레이트의 일면에 공간부를 형성하기 위한 식각 공정을 수행하지 않아도 된다. 따라서, 벌크 탄성파 레조네이터의 재현성 있는 설계가 용이할 뿐만 아니라, 레조네이터 자체의 정확도도 향상되는 장점이 있다.
더불어, 종래와 같이 장시간에 걸친 식각 공정이 필요없음으로써, 전체적인 레조네이터의 제조 시간이 단축되는 장점도 있다.
이하 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도2는 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터(100)를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면(2a)과 제2면(2b)을 갖고, 두께는 대략 수백㎛인 섭스트레이트(2)가 구비되어 있다. 상기 섭스트레이트(2)는 통상적인 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs), 글래스(Galss), 세라믹(Ceramic) 또는 이의 등가물중 어느 하나가 될 수 있으며, 여기서 그 재질을한정하는 것은 아니다.
상기 섭스트레이트(2)의 제1면(2a)에는 일정 크기의 공간부(6)를 갖는 절연층(4)이 형성되어 있다. 상기 절연층(4)은 대략 20~40㎛ 이내의 두께로 형성되어 있으며, 이러한 절연층(4)은 통상적인 폴리실리콘(Polysilicon)으로 형성함이 바람직하다.
여기서, 상기 절연층(4)의 두께는 20~40㎛ 이내이므로, 상기 공간부(6)의 깊이 역시 대략 20~40㎛ 이내가 되며, 상기 공간부(6)의 폭은 대략 수백㎛ 이다. 이러한 공간부(6)는 주지된 바와 같이 음향적 아이솔레이터(Isolator) 역할을 수행한다.
상기 공간부(6) 및 절연층(4)의 상면에는 대략 1~3㎛ 두께의 제1도전층(10)이 형성되어 있으며, 이러한 도전층은 통상적인 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니비엄(Nb), 실버(Ag), 골드(Au), 탄탈륨(Ta) 또는 이의 등가물중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 이러한 제1도전층(10)의 두께 및 재질은 하기할 제2도전층(14)에도 그대로 적용된다.
한편, 상기 제1도전층(10)의 상면에는 대략 10~30㎛ 두께의 압전층(12)이 형성되어 있다. 상기 압전층(12) 역시 통상적인 피에조일렉트릭(Piezoelectric) 계열의 ZnO, AlN, ZnS 또는 페로일렉트릭(Ferroelectric) 계열의 PbTiO3, Pb(ZrxTil-x)O3또는 이의 등가물중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
더불어, 상기한 압전층(12)의 상면에는 제2도전층(14)이 형성되어 있다.
한편, 상기 제2도전층(14), 압전층(12) 및 제1도전층(10)을 관통하여서는 일정 직경의 비아홀(8)이 형성되어 있으며, 상기 비아홀(8)은 상기 공간부(6)에 연통되어 있다.
따라서, 상기와 같은 벌크 탄성파 레조네이터(100)는 상기 섭스트레이트(2) 상면에 형성된 공간부(6)가 음향적 아이솔레이터 역할을 하며, 상기 제1,2도전층(10,14) 및 압전층(12)은 종래와 같은 레조네이터(100) 역할을 수행하게 된다.
도3a 내지 도3g는 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터(100)의 제조 방법을 도시한 설명도로서, 이를 참조하여 본 발명에 의한 제조 방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
제1단계로서, 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면(2a)과 제2면(2b)을 갖고, 수백㎛ 정도의 두께를 갖는 섭스트레이트(2)를 제공한다.(도3a 참조)
상기 섭스트레이트(2)는 상술한 바와 같이 통상적인 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs), 글래스(Galss), 세라믹(Ceramic) 또는 이의 등가물중 어느 하나가 이용될 수 있다.
제2단계로서, 상기 섭스트레이트(2)의 제1면(2a)에 일정깊이 및 폭의 공간부(6)를 갖는 절연층(4)을 형성한다.(도3b 참조)
상기 절연층(4)은 상술한 바와 같이 폴리실리콘(Polysilicon) 또는 이의 등가물중 어느 하나를 이용하여 형성함이 바람직하다.
물론, 통상적인 실리콘 열산화막(SiO2) 또는 질화막(Si3N4) 등을 절연층으로 형성할 수도 있지만, 이것은 대략 1㎛ 이상 형성시키기가 매우 어렵고, 또한 하기할 희생층의 식각에 사용되는 식각액과 반응하므로, 여기서는 바람직하지 않다.
반면, 상기 폴리실리콘은 대략 1㎛ 이상으로 성장시키기가 용이하고, 또한 희생층의 식각에 사용되는 식각액과 반응하지 않으므로 본 발명에서 가장 바람직한 재료이다.
상기 절연층(4)의 두께는 상술한 바와 같이 20~40㎛로 형성되고, 따라서 상기 공간부(6)의 깊이 역시 대략 20~40㎛가 되도록 한다. 또한, 상기 공간부(6)의 폭은 대략 수백㎛가 되도록 한다.
제3단계로서, 상기 공간부(6) 및 절연층(4)의 상면에 희생층(16)을 형성한다.(도3c 참조)
상기 희생층(16)은 상술한 바와 같이 PSG(Phospho-Silicate Glass), BPSG(Borophosphorsilicate Glass), UDO(Undoped Oxide), Spin-On-Glass 또는 이의 등가물중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
일례로, 상기 PSG를 이용하여 희생층(16)을 형성할 경우에는 상기 섭스트레이트(2)를 대략 400℃의 낮은 온도에서 APCVD(Atomospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)법으로 소량의 인(Phosphorus)이 함유된 글래스(Glass)층을 일정두께로 성장시킴으로써 희생층(16)을 형성한다.
여기서, 상기 희생층(16)은 상기 절연층(4)에 의해 형성된 공간부(6)에 완전채 채워질 정도의 두께로 형성한다.
제4단계로서, 상기 절연층(4) 상면의 희생층(16)만을 제거하여, 상기 공간부(6)에만 희생층(16)이 존재하도록 한다.(도3d 참조)
즉, 통상적인 사진/식각 및 폴리싱(Polishing) 공정을 통해 상기 공간부(6)에만 희생층(16)이 존재하도록 한다. 일례로, 상기 공간부(6)에 형성된 희생층(16) 상면에만 감광막이 남도록 한 상태에서 상기 섭스트레이트(2)를 HF와 같은 용액에 담궈 상기 절연층(4) 상면의 모든 희생층(16)이 제거되도록 한다. 그런후, 상기 감광막을 제거하고, 이어서 상기 공간부(6) 및 절연층(4)의 표면 상부로 돌출된 나머지 희생층(16)을 폴리싱 공정으로 제거한다. 즉, 상기 희생층(16)의 상면과 상기 절연층(4)의 상면이 동일한 평면이 되도록 한다.
제5단계로서, 상기 희생층(16) 및 절연층(4)의 상면에 통상적인 방법으로 제1도전층(10), 압전층(12) 및 제2도전층(14)을 차례로 형성한다.(도 3e 참조)
일례로, 상기 희생층(16) 및 절연층(4)의 상면에 제1도전층(10)을 통상의 전자선증착 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법 등으로 형성한다. 이러한 형성 방법은 제2도전층(14)에도 그대로 적용된다. 또한, 상기 제1도전층(10) 및 제2도전층(14)은 상술한 바와 같이 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니비엄(Nb), 실버(Ag), 골드(Au), 탄탈륨(Ta)중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있으며, 그 두께는 대략 1~3㎛ 정도가 되도록 한다.
더불어, 상기 제1도전층(10)의 상면에는 통상적인 APCVD, 스퍼터링 등의 방법으로 피에조일렉트릭 계열, 페로일렉트릭 계열 또는 이의 등가물중 어느 하나를이용하여 압전층(12)을 성장시키며, 이러한 압전층(12)은 대략 10~30㎛의 두께로 형성한다.
다음으로, 상술한 제1도전층(10)의 형성 방법과 같은 방법으로 상기 압전층(12)의 상면에 제2도전층(14)을 형성한다.
제6단계로서, 상기 제2도전층(14), 압전층(12) 및 제1도전층(10)에 비아홀(8)을 형성하여, 상기 비아홀(8)은 상기 희생층(16)과 연통되도록 한다.(도3f 참조)
일례로서, 상기 비아홀(8)은 통상적인 사진/식각 방법으로 형성하거나 또는 레이저 빔을 이용하여 형성한다. 물론, 상기 비아홀(8)은 상기 희생층(16)과 연결되도록 하며, 상기 비아홀(8)의 직경은 상기 희생층(16)의 폭보다 작게 형성한다.
제7단계로서, 상기 비아홀(8)에 식각 용액을 투입하여 상기 희생층(16)을 제거함으로써, 소정의 공간부(6)가 형성되도록 한다.(도3g 참조)
일례로, 상기 희생층(16)이 PSG로 이루어진 경우, 사진 공정을 통하여 상기 비아홀(8)이 개방되도록 한 후, 섭스트레이트(2)를 HF와 같은 용액에 담궈 상기 PSG로 이루어진 희생층(16)이 제거되도록 한다.
여기서, 상기 절연층(4)은 폴리실리콘으로 형성되어 있기 때문에, 상기 희생층(16)의 식각중 HF와 같은 식각 용액에 의해 식각되지는 않는다.
이러한 구조 및 방법에 의해 제조된 본 발명의 벌크 탄성파 레조네이터(100)는 웨이퍼의 제2면을 장시간 식각할 필요가 없게 됨으로써, 제조 시간이 단축되고 또한 재현성있는 레조네이터의 설계가 가능하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 여기에만 한정되지 않으며, 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지로 변형된 실시예도 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 의한 벌크 탄성파 레조네이터 및 그 제조 방법에 의하면, 종래와 같이 섭스트레이트의 일면에 공간부를 형성하기 위한 식각 공정을 수행하지 않아도 된다. 따라서, 벌크 탄성파 레조네이터의 재형성 있는 설계가 용이할 뿐만 아니라, 레조네이터 자체의 정확도도 향상되는효과가 있다.
더불어, 종래와 같이 장시간에 걸친 식각 공정이 필요없음으로써, 전체적인 레조네이터의 제조 시간이 단축되는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면과 제2면을 갖는 섭스트레이트와;
    상기 섭스트레이트의 제1면에 일정 크기의 공간부를 가지며 형성된 절연층과;
    상기 절연층 상면에 형성된 제1도전층과;
    상기 제1도전층 상면에 형성된 압전층과;
    상기 압전층 상면에 형성된 제2도전층과;
    상기 제2도전층, 압전층 및 제1도전층을 관통하여 상기 공간부와 연통된 비아홀을 포함하여 이루어진 벌크 탄성파 레조네이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간부의 깊이는 대략 20~40㎛인 것을 특징으로 하는 벌크 탄성파 레조네이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연층은 폴리실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 벌크 탄성파 레조네이터.
  4. 상호 반대면으로서 대략 평면인 제1면과 제2면을 갖는 섭스트레이트를 제공하는 단계와;
    상기 섭스트레이트의 제1면에 일정크기의 공간부를 갖도록 절연층을 형성하는 단계와;
    상기 공간부 및 절연층에 일정두께의 희생층을 형성하는 단계와;
    상기 절연층 상면의 희생층을 제거하여, 상기 공간부에만 희생층이 존재하도록 하는 단계와;
    상기 희생층 및 절연층의 상면에 제1도전층, 압전층 및 제2도전층을 차례로 형성하는 단계와;
    상기 제2도전층, 압전층 및 제1도전층에 비아홀을 형성하여, 상기 비아홀이 상기 희생층과 연통되도록 하는 단계와;
    상기 비아홀에 식각 용액을 투입하여 상기 희생층을 제거하여 소정의 공간부가 형성되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진 벌크 탄성파 레조네이터의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 절연층 형성 단계는 상기 공간부의 깊이가 대략 20~40㎛로 형성되도록 함을 특징으로 하는 벌크 탄성파 레조네이터의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 절연층 형성 단계는 폴리실리콘으로 형성함 특징으로 하는 벌크 탄성파 레조네이터 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 희생층은 PSG(Phospho-Silicate Glass), BPSG(Borophosphorsilicate Glass), UDO(Undoped Oxide), Spin-On-Glass 중 선택된어느 하나를 이용하여 형성함을 특징으로 하는 벌크 탄성파 레조네이터의 제조 방법.
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