KR20030058061A - 용적 탄성파 공진기를 이용한 모노-다이 무선설비 밴드패스 필터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공정시간이 짧은 싱글-다이(single-die) 형태를 갖는 RF 대역용 BPF를 제공하기 위한 것으로서, 제 1 산화물, 질화물, 제 2 산화물이 순차적으로 증착된 기판 위에 하부 전극을 증착하고 패터닝하는 단계와, 상기 하부 전극 위에 제 1 기전 물질을 증착하고 패턴닝하는 단계와, 상기 제 1 기전 물질 위의 소정 영역에 리프트-오프 방법을 이용하여 제 2 기전 물질(piezoelectric material)을 증착하고 패터닝하는 단계와, 리프트-오프 방식을 이용하여 상기 제 1 기전물질 및 제 2 기전물질 위에 상부 전극을 형성하는 단계와, 상기 기판 하부의 제 1 산화막과 질화물을 식각하고 벌크 미세기계가공( bulk micro-machining)용 패턴을 형성하여 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 그에 따라 기전물질의 증착을 리프트-오프 방법을 이용하여 한번의 FBAR 제조 공정을 통해 Fc가 다른 두 종류의 공진기를 하나의 다이(die) 상에 제작하므로서, 매우 작은 크기의 BPF를 제작할 수 있으며, 아울러 생산성을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 무선 통신 및 고주파 통신용 부품에 관한 것으로, 특히 RF 신호의 수신과 발신 성능의 향상에 있어서 매우 중요한 역할을 하는 부품 중 하나인 RF BPF와 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 이동 통신 시장의 비약적인 확장과 더불어, 정보 통신 기술의 획기적인 발전이 이루어져 왔다.
특히 이동 통신 단말기의 소형화 추세와 함께 이동 통신용 정보통신 부품의 소형화와 고기능화가 요구되고 있다.
고주파 송수신용 RF BPF(Band Pass Filter)는 이러한 소형화 추세에 맞추어 기존의 유전체 공진기(Dielectric Resonator : DR)를 적용한 방식이나 표면 탄성파 공진기(surface acoustic wave resonator) 방식이 아닌, 용적 탄성파 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator : FBAR) 방식을 적용하고자 하는 노력이 있어 왔다.
용적 탄성파 공진기(FBAR)는 도 1에서 보는 바와 같이 가운데가 뚫려있는 기판(100) 위에 멤브레인 구조물(100a), 하부 전극(200), 기전 재료(piezoelectric Material)(300) 및 상부 전극(400)으로 이루어진다.
이때 하부 전극(200) 및 상부 전극(400)은 Au/Ti, Au/Cr, Al, Pt/Ti, Pt/Cr 등으로 이루어져 있고, 기전 재료(300)는 ZnO, AlN, PZT 석영(Quartz) 등으로 이루어져 있다.
평면에서 본 박막 FBAR BPF의 구체적인 레이-아웃은 도 3a와 도 3b에서 보는바와 같이 하부 전극(200)의 패턴 위에 기전 물질(300)을 증착한 후, 패턴을 만들고 그 위에 상부 전극(400)과 그라운드 전극(400a)을 구성하여 준다.
이와 같이 구성되는 상기 용적 탄성파 공진기는 그 중심 주파수가 수백 MHz에서 수 GHz에 이르기까지 매우 높은 Q(quality factor)값을 보여주며, Si를 기반으로 MEMS 공정을 이용하여 제작할 수 있고, 또한 레이-아웃(lay-out)상의 크기가 300 x 300 { mu m}^{2 } 이하로 제작할 수 있다는 장점이 있기 때문에 상대적으로 매우 작은 크기의 BPF를 제작할 수 있다.
이때 상기 박막 용적 탄성파 공진기(Thin Film Bulk Acoustic Resonators : FBAR)를 이용하여 BPF를 제작하기 위해서는 도 2에서 보는 바와 같이 직렬이나 병렬로 연결되는 FBAR 들이 필요하며, 사다리형 BPF를 제작하기 위해서는 Fc값이 상이한 두 가지 종류의 공진기를 필요로 한다.
그리고 이들 FBAR들은 그 중심 주파수(Fc)값이 직렬로 연결된 FBAR들 보다 △F 만큼 작아야 한다.
따라서 이렇게 Fc값이 작은 FBAR을 만들어 주는 한가지 방법으로 압전 막(film)의 두께를 다르게 해주는 방법이 있다.
이를 위해 기존의 FBAR 제조방법은 FBAR BPF를 만들어주기 위해서 두 장의 웨이퍼를 각각 압전 막의 두께만 다르고 나머지 공정은 동일한 과정을 거쳐 FBAR들을 만들어 준 후 이들을 디싱(dicing)하고 칩 마운팅 할 때 패키지 상에서 Fc값이 다른 두 개의 다이들을 마운팅하여 제작한다.
여기서 각각의 FBAR을 제작하기 위해서 이루어지는 일반적인 구체적 공정과정은 도 4a 내지 도 4f에서 보는 바와 같이, 크게 도 4a 내지 도 4d에서 나타내고 있는 커패시터 제작 과정과, 도 4e 내지 도 4f에서 나타내고 있는 이 커패시터가 ONO 멤브레인(membrane) 위에서 공기 중에 떠있는 구조가 되도록 만들어 주는 Si 벌크 마이크로-머시닝(Bulk micro-machining) 공정으로 이루어지게 된다.
그러나 도 4a 내지 도 4f와 같이 기존의 FBAR 제작 방법을 이용해서 기전물질의 두께가 다른 두 종류의 FBAR을 만들어 주기 위해서는 두 번에 걸쳐 기전물질을 증착하고 상(pattern)을 형성하는 공정을 거쳐야 한다.
보통 기전물질의 증착은 반응 스퍼터링(reactive sputtering) 방법으로 증착하게 되는데, 이러한 반응 스퍼터링 증착법은 그 증착속도가 매우 느린 공정이다.
AlN 박막의 경우 Al 타겟을 이용하여 반응 스퍼터링 방법으로 증착할 경우 보통 분당 수 nm 정도의 증착 속도를 보여준다.
따라서 도 3b와 같이, Fc가 다른 두 종류의 공진기를 하나의 다이(die) 상에 제작하는 것은 하나의 BPF를 만들기 위해서 공정시간이 매우 긴 비효율적인 공정이 된다.
따라서 이러한 공정상의 문제를 피하기 위해서는 도 3a와 같이, 모노-다이 상에서 제작하지 않고, 압전(piezoelectric) 물질 두께만 다르게 제작된 두 개의 다이를 하나의 패키지에 마운팅(mounting)하여 와이어(wire) 배선함으로써 생산성을 높일 수 있게 할 수 있다.
그러나 두 개의 다이를 이용하여 FBAR BPF를 제작하는 것은 Fc가 상이한 각각의 FBAR를 제작하기 위해 압전 물질의 두께 조건만 다르고 기타의 공정 조건은 동일한 두 번의 FBAR 제조공정을 거쳐야 한다는 단점이 있다.
또한 두 개의 다이를 패키지 내에 마운팅하여야 하기 때문에 패키지의 크기가 상대적으로 커져야 한다는 단점과 두 번의 다이 마운팅 시 와이어 본딩(bonding)을 하면서 와이어에 의하여 발생하는 기생 인덕턴스(inductance)와 저항(resistance) 성분이 발생한다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 공정시간이 짧은 싱글-다이(single-die) 형태를 갖는 RF 대역용 BPF를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 한번의 FBAR 제조 공정을 통해 Fc가 다른 두 종류의 공진기를 하나의 다이(die) 상에 제작하여 하나의 BPF를 만드는데 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)의 구성도
도 2 는 종래 기술에 따른 BPF를 위한 FBAR 레이아웃을 나타낸 도면
도 3a 내지 도 3b 는 종래 기술에 따른 RF-BPF를 위한 FBAR 레이아웃의 평면도
도 4a 내지 도 4f 는 종래 기술에 따른 더블 다이 RF-BPF를 위한 FBAR의 제조공정
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 싱글 다이 RF-BPF를 위한 FBAR의 제조공정
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 질화물 기판 100a, 100b : 산화물
200 : 하부 전극 300, 600 : 기전 물질
400 : 상부 전극 400a : 그라운드 전극
500 : 와이어 본딩
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조방법의 특징은 제 1 산화물, 질화물, 제 2 산화물이 순차적으로 증착된 기판 위에 하부 전극을 증착하고 패터닝하는 단계와, 상기 하부 전극 위에 제 1 기전 물질을 증착하고 패턴닝하는 단계와, 상기 제 1 기전 물질 위의 소정 영역에 리프트-오프 방법을 이용하여 제 2 기전 물질(piezoelectric material)을 증착하고패터닝하는 단계와, 리프트-오프 방식을 이용하여 상기 제 1 기전물질 및 제 2 기전물질 위에 상부 전극을 형성하는 단계와, 상기 기판 하부의 제 1 산화막과 질화물을 식각하고 벌크 미세기계가공( bulk micro-machining)용 패턴을 형성하여 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
상기 제 1, 2 기전 물질은 AlN, ZnO 중 어느 하나인데 다른 특징이 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 FBAR를 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5g 는 본 발명에 따른 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5g를 보면, 멤브레인막을 위한 ONO 기판 위에 상/하부 전극(200)(400)을 형성하는 과정과, 상기 하부 전극(200)과 상부 전극(400)사이에 두께가 다른 압전 물질(300)(600)을 증착하는 과정과, 그리고 멤브레인 형성을 위한 벌크 마이크로-머시닝(bulk micro-machining) 과정으로 나누어 볼 수 있다.
도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5a와 같이 상기 멤브레인 구성을 위해 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)(100)를 증착한다.
상기 증착에서 사용되는 기판(100)은 Si 벌크 마이크로-머시닝(bulk micro-machining) 시 KOH에 의한 Si 습식 식각이 이방성(an isotropic)으로 이루어지도록하기 위하여 양면 폴리싱(polishing)(100a)(100b) 된 Si 기판(100)을 사용한다.
이때, 기판(100) 위에 형성된 ONO가 안정된 멤브레인 구조가 되도록 하기 위하여 ONO 각 층의 응력(stress)은 상호 보상에 의해 전체 ONO의 응력(stress)이 100MPa 정도가 되도록 하여야 한다.
그리고 ONO 각각의 증착 방법은 먼저 가장 하부의 산화물(Oxide)(100b)을 열 산화(thermal oxidation(SiO2))방법으로 증착하고, 그 위의 질화물(nitride(Si3N4))(100)이 LPCVD 방법으로 증착된다.
그리고 그 위의 산화물(oxide(SiO2))(100a)이 LPCVD 방법으로 증착된다.
이때 보통 만들어지는 ONO의 두께는 5000/3000/2000Å 정도의 두께로 증착한다.
다음으로 상기 증착된 ONO 위에 하부 전극(200)의 증착과 패턴을 형성한다.
이때 상기 하부 전극(200)의 증착은 DC 스퍼터링(sputtering), 증착(evaporation), RF 스퍼터링 등의 방법으로 증착할 수 있으며, 하부 전극(200) 물질로는 Au/Ti, Au/Cr, Al, Pt/Ti, Pt/Cr 등을 사용할 수 있다.
이때 Au나 Pt 하부에 Ti나 Cr을 증착하는 것은 산화물(Oxide)과의 접착성(adhesion)을 향상시키기 위한 것이다.
하부 전극(200) 패턴의 형성은 각 전극 물질에 따라 습식 식각제(etchant)에서 습식 식각하는 방법이나, 드라이 식각 방법, 또는 리프트-오프(lift-off) 방법으로 만들 수 있다.
그리고 상기 형성된 하부 전극(200) 위에 제 1 기전 물질(300)을 증착하고 패턴닝한다.
상기 제 1 기전 물질(300)의 증착은 RF 스퍼터닝 또는 반응성(reactive) DC 스퍼터닝 방법으로 증착할 수 있다.
그리고 많은 제 1 기전 물질(300) 중 AlN의 패턴 제작은 인산을 이용하는데, 이는 하부 전극 물질로 주로 사용되는 Pt와 선택적으로 습식(wet) 식각 할 수 있으며, ZnO의 패턴 제작은 인산, 초산, 그리고 Dl을 혼합하여 만든 용액의 습식 식각을 이용하여 하부 전극(200) 물질로 주로 사용되는 Au와 선택적으로 습식 식각 할 수 있다.
경우에 따라서는 리프트-오프(lift-off) 방식으로 패턴을 형성할 수도 있다.
이어 상기 제 1 기전 물질(300) 위에 리프트-오프 방법을 이용하여 제 2 기전 물질(piezoelectric material)(600)을 증착하고 패턴한다.
이때, 제 2 기전 물질(600)의 두께는 △F 만큼의 Fc변경효과를 낼 만한 두께로 증착하여야 한다.
이 두께는 주로 수백 Å 정도 두께로 비교적 얇으며, 리프트-오프시 측면 증착에 의한 리프트-오프의 어려움이 전혀 생길 수 없는 두께이다.
그리고 이 리프트-오프 방법은 박막의 증착이 저온 증착이 가능한 공정이거나 가열냉각(annealing)에 의한 결정효과가 있는 물질이어야 한다.
보통 FBAR용 기전물질들인 AlN이나 ZnO는 저온 증착이 가능하며, 아울러 가열냉각(annealing)에 의한 결정화가 가능한 것으로 알려져 있다.
그리고 리프트-오프 방식을 이용하여 상기 형성된 제 1 기전물질(300) 및 제 2 기전물질(600) 위에 상부 전극(400)을 형성한다.
이때, 상기 리프트-오프 방법에서 사용한 포토레지스트는 AZ4620을 사용하였으며, 패턴은 일반적인 포토리소그라피 방법을 사용한다.
증착은 DC 스퍼터링 방법을 사용하였으며, 포토레지스트의 제거는 아세톤(acetone)에서 5 시간이상 담근 후 초음파 처리를 하여 제거한다.
이어 멤브레인(membrane) 제작을 의해 도 5f와 같이, 하부 산화물(Oxide)(100b)의 백-사이드(back-side)에 패턴을 형성한 후, 도 5g와 같이, 드라이 식각 방법으로 질화물(nitride)(100)을 식각함으로써, 벌크 미세기계가공( bulk micro-machining)용 패턴을 형성한다.
이때 질화물(100)은 KOH를 이용한 습식 식각시 마스크 물질로 사용된다.
그리고 마지막으로 Si 벌크 미세기계가공 공정으로, 전면을 글라스로 보호한 후, KOH 용액에 담가서 전면의 ONO가 나올 때까지 습식 식각해준 후 보호용 글라스를 제거함으로써, 싱글-다이(single-die) BPF용 FBAR을 완성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다
첫째, 기전물질의 증착을 리프트-오프 방법을 이용하여 한번의 FBAR 제조 공정을 통해 Fc가 다른 두 종류의 공진기를 하나의 다이(die) 상에 제작하므로서, 매우 작은 크기의 BPF를 제작할 수 있으며, 아울러 생산성을 높일 수 있다.
둘째, 두 개의 다이를 패키지내에 마운팅하여야 하기 때문에 발생되는 패키지의 크기가 커지는 단점과, 두 번의 다이 마운팅 시 와이어 본딩(bonding)을 하면서 와이어에 의하여 발생하는 기생 인덕턴스(inductance)와 저항(resistance) 성분이 발생하는 단점을 해결할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (6)
- 제 1 산화물, 질화물, 제 2 산화물이 순차적으로 증착된 기판 위에 하부 전극을 증착하고 패터닝하는 단계와,상기 하부 전극 위에 제 1 기전 물질을 증착하고 패턴닝하는 단계와,상기 제 1 기전 물질 위의 소정 영역에 리프트-오프 방법을 이용하여 제 2 기전 물질(piezoelectric material)을 증착하고 패터닝하는 단계와,리프트-오프 방식을 이용하여 상기 제 1 기전물질 및 제 2 기전물질 위에 상부 전극을 형성하는 단계와,상기 기판 하부의 제 1 산화막과 질화물을 식각하고 벌크 미세기계가공( bulk micro-machining)용 패턴을 형성하여 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 양면 폴리싱(polishing) 된 Si 기판인 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은하부에 제 1 산화물(Oxide(SiO2))을 열 산화(thermal oxidation)방법으로증착하는 단계와,상기 제 1 산화물 위에 질화물(nitride(Si3N4))을 LPCVD 방법으로 증착하는 단계와,상기 질화물 위에 제 2 산화물(oxide(SiO2))을 LPCVD 방법으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 전극 및 상부 전극은 Au/Ti, Au/Cr, Al, Pt/Ti, Pt/Cr 물질 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1, 2 기전 물질은 AlN, ZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 기전 물질의 두께는 수백 Å 인 것을 특징으로 하는 FBAR을 이용한 모노-다이 RF BPF 제조 방법.
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| KR1020010088444A KR20030058061A (ko) | 2001-12-29 | 2001-12-29 | 용적 탄성파 공진기를 이용한 모노-다이 무선설비 밴드패스 필터 제조 방법 |
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| KR1020010088444A KR20030058061A (ko) | 2001-12-29 | 2001-12-29 | 용적 탄성파 공진기를 이용한 모노-다이 무선설비 밴드패스 필터 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20030058061A true KR20030058061A (ko) | 2003-07-07 |
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ID=32215999
Family Applications (1)
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| KR1020010088444A KR20030058061A (ko) | 2001-12-29 | 2001-12-29 | 용적 탄성파 공진기를 이용한 모노-다이 무선설비 밴드패스 필터 제조 방법 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR20030058061A (ko) |
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2001
- 2001-12-29 KR KR1020010088444A patent/KR20030058061A/ko not_active Application Discontinuation
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