KR20030038976A - 중간주파수대역의 탄성파 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 삽입손실과 주파수 선택도(Q)에 대한 단점을 해결하고, 다른 송수신 모듈의 호환성을 높여 송수신부 전체의 MMIC화가 가능한 탄성파 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명의 탄성파 소자의 제조 방법은 웨이퍼를 관통하는 에어갭패턴을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼의 일측면상에 압전체 박막을 (002)방향으로 결정성장시키는 단계, 및 상기 압전체 박막상에 소정 거리를 두고 수평으로 이격된 입출력 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지고, 에어갭패턴이 입력신호에 대한 반사층의 역할을 하고 공진효과에 사용하고자 하는 트랜스파를 제외한 탄성파에 대해서는 차단시키며, 공진주파수는 압전체 박막의 두께및 입출력 전극의 간격에 의해 결정된다.
Description
본 발명은 탄성파 소자에 관한 것으로, 특히 중간주파수(IF) 대역의 탄성파 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보처리 장치와 통신기기의 동작속도의 고속화가 요구됨에 따라 신호의 주파수가 고주파(RadioFrequency; RF)대역으로 높아졌다. 이러한 주파수의 변화에 대응하여, 고주파대역에서 동작할 수 있는 필터가 요구되고 있다. 이러한 목적으로 탄성파 소자(Acoustic Wave Device)가 사용된다. 정보시대의 총아라고 할 수 있는 장래의 무선이동통신의 유망성 관점에서 탄성파 소자의 개발은 무한한 가능성을 가지고 있다.
상기한 탄성파 소자 중에서 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 박막형 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 또는 유리(Glass) 기판상에 압전체(Piezoelectric)인 아연산화막(ZnO) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN) 박막을 증착하여 압전특성에 의한 공진을 유발시켜 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다. 즉, FBAR은 양 전극 사이에 압전박막을 증착하여 벌크 탄성파(Bulk Acoustic Wave)를 유발시켜 공진을 일으키는 원리를 사용한다.
그러나, FBAR 탄성파 소자의 개발 공정를 이용하여 중간주파수대역의 공진기를 개발할 경우 낮은 주파수 대역의 필터 구현시 탄성파 소자의 두께가 증가하여 압전체의 결정 성장에 문제점이 발생하며 두꺼운 박막의 성장을 유도하기 때문에 공정 시간이 장시간 소요되는 단점이 있다. 그리고, 반도체 장치의 특성상 장시간의 결정 성장에 따른 그레인 크기(Gran Size)의 증가로 인해 에너지 변환 효율의 감소를 유발하여 필터 회로 구현 과정 중 삽입 손실이 증가하게 된다.
또한, FBAR 소자의 조합에 의한 FBAR 필터는 낮은 주파수 대역의 필터 구현시 탄성파 소자의 두께가 증가하여 압전체의 결정 성장에 문제점이 발생하며, 두꺼운 박막의 성장을 유도하기 때문에 공정 시간이 장시간 소요되는 단점이 있다.
그리고, 탄성파 소자로 표면 탄성파 필터(Surface Acoustic Wave Filter; 이하 'SAW필터'라 약칭함)가 있는데, SAW필터는 압전체내에 존재하는 표면 탄성파(Surface Wave)를 이용한 압전체 소자이다.
이러한 SAW 필터는 압전체를 반도체 장치를 이용하여 결정성장시키는 방법이 아닌 기판 자체를 압전체로 사용하고 입출력 전극, 즉 IDT(Inter-Digital transducer) 사이의 간격 조절에 의해 필터 회로를 구현한다.
그러나, SAW 필터는 식각기술의 한계로 인해 최대 3GHz 대역 이상의 높은 주파수 대역의 필터 구현에 한계가 있으며, 압전체 기판상에 구현되기 때문에 MMIC화가 되지 못하고, 주파수 선택도(Q) 값을 높이기 위해 IDT 간격 및 수를 증가시킴에 따라 삽입 손실이 증가하는 문제점이 있다.
그리고 필터 회로의 구현 방법으로 필터회로의 RLC 값에 대해 각각의 값은 박막으로 증착하는 기술(Hybrid Microwave Integrated Circuits; HMIC)이 일본을 중심으로 개발되고 있으나 각 층마다 작용되는 스트레스(온도 변화에 따른 팽창 계수 및 커플링 상수에 의한 각 층별 기계적 친화력의 차이)에 의해 양산되지 못하고 있으며 필터 이외의 부품에서만 부분적으로 양산되고 있는 실정이다.
이러한 HMIC 기술의 경우 수동소자인 마이크로스트립라인, 캐패시터, 인덕터등은 테프론 같은 유전체 기판위에 구현되고 능동소자인 트랜지스터는 반도체 상에제작되어 표면실장(surface mount)이나 외이어 본딩 등의 방법을 통하여 수동소자와 연결하므로 공정이 매우 복잡하다.
현재 반도체 기술에 따른 정보 통신 기기의 발달은 대부분의 송수신 모듈이 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화되고 있으나, 필터 모듈만이 개발되지 못하고 있는 실정이다.
그리고, 압전체필터 개발의 경우, FBAR 탄성파 소자를 이용한 고주파(RF) 대역의 압전체필터에만 한정되고 있으며, 트랜스파(Trans Wave)를 이용한 중간주파수(Intermediate Frequency; IF) 대역의 압전체필터에 대한 개발은 아직 이루어지고 있지 않다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 삽입손실과 주파수 선택도(Q)에 대한 단점을 해결하고, 다른 송수신 모듈의 호환성을 높여 송수신부 전체의 MMIC화가 가능한 중간주파수대역 탄성파 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중간주파수대역 탄성파 소자의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 중간주파수대역 탄성파소자의 평면도,
도 3은 압전체 박막내에 존재하는 탄성파를 도시한 도면,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 중간주파수대역 탄성파소자의 제조 공정 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 웨이퍼 12a,12b : 실리콘산화막
15 : 에어갭패턴 16 : 압전체 박막
17a,17b : 입출력 전극
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중간주파수대역 탄성파 소자는 웨이퍼, 상기 웨이퍼의 상면으로부터 바닥면을 관통하는 에어갭패턴, 상기 에어갭패턴의 일측을 덮고 상기 웨이퍼의 일측면상에 형성된 압전체 박막, 및 상기 압전체 박막상에 소정 거리를 두고 형성된 입출력 전극을 포함하며, 상기 에어갭패턴은 상기 압전체 박막내에 존재하는 탄성파 중 트랜스파만을 통과시키며, 상기 입출력전극간 간격 및 상기 압전체의 두께에 따라 공진주파수가 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 중간주파수대역 탄성파 소자의 제조 방법은 웨이퍼를 관통하는 에어갭패턴을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼의 일측면상에 압전체 박막을 (002)방향으로 결정성장시키는 단계, 및 상기 압전체 박막상에 소정 거리를 두고 수평으로 이격된 입출력 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은, 압전체로서 ZnO , AlN를 이용하고, 이러한 압전체 내에 존재하는 트랜스파(Trans Wave)를 이용하여 IF 대역의 탄성파 소자를 구현하기 위한 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중간주파수대역 탄성파 소자를 도시한 소자 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 탄성파 소자의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 웨이퍼(11), 웨이퍼(11)의 상면으로부터 바닥면을 관통하는 에어갭패턴(15), 에어갭패턴(15)의 일측을 덮고 웨이퍼(11)의 일측면상에 형성된 압전체 박막(16), 압전체 박막(16)상에 소정 거리를 두고 형성된 입출력 전극(17a,17b)을 포함하며, 웨이퍼(11)의 상면 및 바닥면에는 실리콘산화막(12a,12b)이 형성된다.
상기한 구성과 같은 중간주파수대역 탄성파 소자에서 에어갭패턴(16)은 입력신호(trans wave;tw)에 대한 반사층의 역할을 함과 동시에, 공진 효과에 사용하고자 하는 트랜스파를 제외한 탄성파에 대해서는 차단시킨다(도 3 참조).
도 3은 압전체 박막내에 존재하는 탄성파를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 압전체 박막내에는 여러 종류의 탄성파가 존재하는데, 최근에 주로 적용되고 있는 탄성파는 표면파(Surface wave)와 벌크파(Bulk wave)이다.
먼저, 벌크파(BW)는 압전체 박막에 수직으로 진행하는 탄성파로 고주파(RF) 대역의 공진기 구현이 가능하며, 최대 공진 주파수는 15GHz, 진행 속도는 6330m/s으로 알려져 있다.
그리고, 표면파(SW)는 압전체 박막의 표면을 따라 진행하는 탄성파로 진행 속도가 매우 낮아 낮은 주파수 대역의 공진기 및 필터 개발에 사용되며, 최대 공진 주파수는 3GHz이고, 진행 속도는 2330m/s으로 알려져 있다.
그리고, 전단파(Shear Wave; ShW) 및 러브파(Love Wave; LW)는 압전체박막의 결정 성장이 다르거나 오염 물질에 의한 탄성파의 난반사로 인해 생성되는 탄성파로 일종의 기생 탄성파이나, 탄성파 소자의 손실을 야기시키며, 공진을 방해하는 문제점이 있다.
마지막으로, 트랜스파(Trans Wave; TW)는 압전체박막의 대각선 방향으로 진행하는 파형으로 진행 속도는 벌크파와 표면파의 중간 정도의 속도를 가지며 표면파필터가 단일 칩화가 되지 않는 단점을 극복하며 사용 주파수 대역을 MHz 대역까지 구현가능하다.
상술한 바와 같이 에어갭패턴(16)이 트랜스파만을 통과시키므로, 압전체 박막(16)내에 존재하는 트랜스파(tw)만이 공진 현상에 영향을 미치며, 이러한 공진 주파수는 입출력전극(17a,17b)간 간격(x) 및 압전체 박막(d1)의 두께에 따라 결정된다.
그리고, 입출력전극(17a,17b)으로 이용되는 금속(Au, Ag, Al, W, Mo, NiCr)의 종류 및 전극의 크기(y1,y2)에 의해 외부회로와의 매칭 및 전극 두께를 결정하고, 입출력전극(17a,17b)의 두께(d2)는 "0"인 것이 가장 이상적이나 신호의 입출력을 위해 소정 두께가 필요하며, 너무 얇을 경우 고주파에서 표피효과에 의한 손실의 증가를 초래하므로 800Å∼2000Å의 두께를 유지한다.
그리고, 압전체 박막(16)은 AlN 및 ZnO 중에서 선택되고, 실리콘산화막(12a,12b)은 탄성파 소자의 구현 과정 중 탄성파 소자를 유지하기 위한 교각의 상판 역할 및 에어갭(Air Gap) 구현을 위한 용도 이외에 온도 변화에 따른 탄성파 소자의 주파수 천이 및 손실의 발생을 방지하기 위한 온도 보상용 박막으로 사용된다. 이러한 온도보상용 박막으로는 실리콘산화막외에 실리콘나이트라이드(SiN), 자성체 박막중에서 선택되는 적어도 하나를 이용할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 중간주파수대역 탄성파소자의제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 양면 폴리싱된 웨이퍼(11)의 양면에 실리콘산화막(SiO2)(12a, 12b)을 20㎛∼30㎛의 두께로 증착하는데, 웨이퍼(11)의 상면에 형성된 실리콘산화막을 제1실리콘산화막(12a)이라 하고 웨이퍼(11)의 하면에 형성된 실리콘산화막을 제2실리콘산화막(12b)이라 약칭한다.
이때, 제1 및 제2실리콘산화막(12a, 12b)의 경우 탄성파 소자의 구현 과정 중 탄성파 소자를 유지하기 위한 교각의 상판 역할 및 에어갭(Air Gap) 구현을 위한 용도 이외에 온도 변화에 따른 탄성파 소자의 주파수 천이 및 손실의 발생을 방지하기 위한 온도 보상용 박막으로 사용된다. 이러한 온도보상용 박막으로는 실리콘산화막외에 실리콘나이트라이드(SiN), 자성체 박막중에서 선택되는 적어도 하나를 이용할 수 있다.
다음으로, 웨이퍼(11)의 양면 즉, 제1 및 제2실리콘산화막(12a, 12b)상에 동일한 두께로 감광막(Photoresist)(13)을 도포한 다음, 제2실리콘산화막(12b)상의 감광막만 선택적으로 패터닝하여 감광막패턴(14)을 형성한다.
여기서, 감광막패턴(14)은 웨이퍼(11)를 식각하기 위한 식각마스크로서, 양면 폴리싱된 웨이퍼(11)의 (111) 방향으로 결정성장시킨 면을 노출시킨다. 이와 같이 웨이퍼(11)의 (111)방향을 노출시키는 이유는 웨이퍼(11)의 식각 공정 중 웨이퍼(11)의 결정 성장 방향에 따라 식각되는 각도가 다르기 때문이다.
한편, 감광막패턴(14)을 형성하기 위한 감광막(13)의 도포는 웨이퍼(11)의 양면이 아닌 웨이퍼(11)의 하면에만 형성할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 감광막패턴(14)을 식각마스크로 하고 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 사용하여 제2실리콘산화막(12b)의 노출된 부분을 식각한 다음, 제2실리콘산화막(12b)의 부분 식각으로 노출된 웨이퍼(11)를 식각하되 제1실리콘산화막(12a)의 표면이 노출될때까지 식각하여 에어갭패턴(15))을 형성한다.
그리고, 제1감광막패턴(14) 및 감광막(13)을 제거한다.
전술한 공정들을 진행하면, 에어갭 구조의 웨이퍼(11) 가공이 이루어지게 되며, 에어갭 구조의 웨이퍼 가공 공정이 이루어지면 압전체의 결정 성장을 유도한다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제1실리콘산화막(12a)상에 압전체(16)를 결정 성장시키는데, 이러한 압전체(16)의 결정 성장은 탄성파 소자의 특성에 가장 큰 영향을 미치게 된다.
이러한 압전체(16)는 압전 현상 및 공진 현상을 가지고 있는데, 압전 현상이란 압전체(16) 외부에서 기계적 압력이 가해질 경우 압전체(16) 내에서 전자가 발생되어 전압을 발생시키는 현상을 말한다. 또한 공진 현상이란 압전체(16)의 두께 및 전극간 거리, 압전체(16)의 종류에 의해 일정 주파수 대역에 대해서는 공진이 발생하며 다른 주파수 대역의 주파수에 대해서는 차단시키는 현상을 말한다.
아울러, 공진 주파수를 결정하는 변수로 압전체(16) 내에 존재하는 탄성파 중 어떤 탄성파를 사용하는 가에 따라 공진 주파수 및 공정 과정이 다르게 구현되어지기도 한다. 본 발명에서는 압전체(16)로 ZnO, AlN를 이용하고, 이러한압전체(16) 내에 존재하는 탄성파 중 트랜스파(Trans Wave; TW)를 이용한다.
한편, 탄성파 소자의 특성을 향상시키기 위해서 압전체(16)의 결정 성장 방향을 (002) 방향으로 유도한다.
이러한 압전체(16)는 탄성파 소자 내에서 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하며, 에어갭패턴(15)의 반사 특성에 의해 반사되어 오는 기계적 진동을 다시 전기적인 신호로 변환 출력으로 전달하는 기능을 한다. 따라서, 압전체(16)는 공진 현상을 최대로 하기 위해서 (002) 방향으로 결정 성장시킨다.
한편, 결정 성장의 공정 상의 문제로 압전체의 결정 성장이 증가할수록 그레인 사이즈(Grain Size)가 증가하여 공진 효율이 감소되기 때문에 FBAR에 의해 IF 대역의 필터를 구현하기가 어렵다.
즉, FBAR를 이용한 IF 대역의 탄성파 소자를 구현할 경우 300MHz 대역의 탄성파 소자 구현을 위해 10㎛ 이상의 압전체가 필요 하지만 FTAR의 경우 RF 대역의 FBAR 탄성파(1.5∼2.2GHz) 소자와 IF 대역의 탄성파 소자를 동시에 구현 가능하다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 압전체(16) 상에 입출력 전극(17a,17b)을 형성한다. 여기서, 입출력 전극(17a,17b)으로는 Au, Ag, Al, W, Mo 및 NiCr로 이루어진 금속그룹중에서 선택되는 적어도 하나를 이용하고, 금속의 종류 및 전극의 크기에 의해 외부회로와의 매칭 및 전극 두께를 결정한다.
여기서, V는 탄성파 속도, F는 공진주파수, d는 탄성파 소자의 두께를 의미한다.
자세히 설명하면, 입출력 전극(17a,17b)간의 거리(x)는 탄성파 소자의 공진 주파수를 결정하고, 입출력전극(17a,17b)의 두께(d2)는 "0"인 것이 가장 이상적이나 신호의 입출력을 위해 소정 두께가 필요하며, 너무 얇을 경우 고주파에서 표피효과에 의한 손실의 증가를 초래하므로 800Å∼2000Å의 두께를 유지한다.
예컨대, 본 발명은 압전체 박막을 1.5㎛∼1.6㎛정도로 얇게 하고, 입출력전극간 간격을 5㎛로 하여 300MHz 대역의 탄성파 소자를 구현할 수 있는 바, 종래 FBAR를 이용한 중간주파수대역의 탄성파 소자 구현시 10㎛이상의 두꺼운 압전체 박막이 필요했던 것에 비해 압전체 박막을 최대한 얇게 할 수 있다. 따라서, 압전체 박막의 결정성장을 낮추어 공진효율을 증가시킬 수 있다.
결국, 양면 폴리싱된 웨이퍼(11)의 양면에 실리콘산화막(12a,12b)이 증착된 상태에서, 실리콘산화막중 일측 실리콘산화막(12a)상에 압전체(16)가 공진 조건에 맞는 두께로 증착되고 그 상단에 금속으로 이루어진 입출력전극(17a,17b)이 증착된 구조를 이룬다.
상술한 실시예는 반사층 구현 방법으로서 에어갭을 이용하였으나, 멤브레인법(membrane), 브래그반사기(bragg reflector)법을 이용할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 에어갭을 이용하므로 높은 전기적 반사계수를 가지며, 반3도체 공정을 이용하므로 소형화 및 경량화가 가능하고, 다른 수농/능동 소자와 호환성이 높아 송수신부의 온칩(onchip)화가 가능한 효과가 있다.
Claims (7)
- 웨이퍼;상기 웨이퍼의 상면으로부터 바닥면을 관통하는 에어갭패턴;상기 에어갭패턴의 일측을 덮고 상기 웨이퍼의 일측면상에 형성된 압전체 박막; 및상기 압전체 박막상에 소정 거리를 두고 형성된 입출력 전극을 포함하며,상기 에어갭패턴은 상기 압전체 박막내에 존재하는 탄성파 중 트랜스파만을 통과시키며, 상기 입출력전극간 간격 및 상기 압전체의 두께에 따라 공진주파수가 결정되는 것을 특징으로 하는 중간주파수대역의 탄성파 소자.
- 제1항에 있어서,상기 에어갭패턴이 관통된 상기 웨이퍼의 상면 및 바닥면에 온도보상막이 구비되되, 상기 온도보상막은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 자성체막중에서 선택되는 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 중간주파수대역의 탄성파 소자.
- 제1항에 있어서,상기 입출력 전극은 Al, Au, Mo 및 W 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을포함하되, 최종 외부 매칭을 위한 금속의 선택 및 추가 전극 증착을 통해 매칭값을 조절하는 것을 특징으로 하는 중간주파수대역의 탄성파 소자.
- 웨이퍼를 관통하는 에어갭패턴을 형성하는 단계;상기 웨이퍼의 일측면상에 압전체 박막을 (002)방향으로 결정성장시키는 단계;상기 압전체 박막상에 소정 거리를 두고 수평으로 이격된 입출력 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 중간주파수대역 탄성파 소자의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 에어갭패턴을 형성하는 단계는,상기 웨이퍼의 일측면과 타측면에 제1,2 온도보상막의 온도보상막을 형성하는 단계;상기 제1온도보상막상에 마스크층을 형성하는 단계;상기 마스크층을 식각마스크로 하여 상기 제1온도보상막을 식각하는 단계;상기 제2온도보상막이 노출될때까지 상기 웨이퍼의 일측면을 식각하여 상기에어갭패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 중간주파수대역 탄성파소자의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 압전체 박막은 그 내부에 존재하는 트랜스파에 의한 공진조건에 맞는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 중간주파수대역 탄성파 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,상기 입출력 전극을 형성하는 단계에서,상기 입출력 전극간 간격은 공진주파수가 결정되는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 중간주파수대역 탄성파 소자의 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100607607B1 (ko) * | 2003-03-28 | 2006-08-02 | 후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤 | 탄성 표면파 디바이스의 제조 방법 및 탄성 표면파 디바이스 |
-
2001
- 2001-11-09 KR KR1020010069768A patent/KR20030038976A/ko not_active Application Discontinuation
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