KR20040060052A - 박막 필터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 TFBAR를 제조할 때 에어갭(air gap)을 노광 공정에 의하여 제조함으로써 제조 공정을 단순화할 수 있는 박막 필터 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 감광성 성질을 갖는 글라스를 제공하는 단계; 상기 글라스 상에 에어 갭이 형성될 영역을 노광하는 단계; 상기 글라스의 노광 영역 상에 소자를 형성하기 위한 절연막을 증착하는 단계; 상기 절연막 상에 하부 전극 금속을 도포하고 식각하여 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극이 형성된 글라스 상에 압전 물질을 도포하고 식각하여 압전층을 형성하는 단계; 상기 압전층이 형성된 글라스 상에 상부 전극 금속을 도포하고 식각하여 상부 전극을 형성하는 단계; 상기 상부 전극이 형성된 글라스 상에 보호막을 도포하고 식각하여 상기 글라스의 노광 영역을 오픈하는 단계; 상기 보호막이 도포된 글라스의 노광 영역을 식각하여 에어 갭을 형성하는 단계; 및 상기 에어 갭이 형성된 글라스 상에 도포된 보호막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 박막 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에어 갭을 노광에 의하여 형성함으로써, 에어 갭(air gap)의 유니포머티(uniformity)를 높이고 공정을 단순화할 수 있는 박막 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대와 같은 정보화 사회의 총아라 할 수 있는 무선 이동 통신은 오늘날 하루가 다르게 변모하고 있다. 그 변화를 가능하게 하는 주 요인은 개략적으로 두 가지를 들 수 있다. 하나는 무선 이동 통신에서 소프트웨어적 측면인 변조 또는 복조와 같은 신호 처리 기술의 발전이다. 이는 한정된 주파수 대역에서 효율적인 정보전달을 위한 것이다. 또 다른 하나는 하드웨어적인 고주파(radio frequency; RF) 부품 기술이라 할 수 있다.
특히 고주파(RF) 무선 이동 통신 부품 중 필터 부문이야말로 핵심 수동 부품 가운데 하나이다. 필터는 무수히 많은 공중파 중에서 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 걸러주는 기능을 한다. 따라서 고품위 무선 이동 통신을 위해서는 이러한 필터 개발 기술이 우선되어야 한다.
특히 무선 이동 통신의 휴대성을 고려한 단말기의 경박 단소 및 저 전력화 추세에도 기여되는 필터 기술을 절실히 필요로 하고 있다.
일반적으로 주파수 필터란 각종 전자 기기 및 무선 전화기, PCS( personal communication service) 또는 셀룰러 폰(cellular phone)과 차세대 이동 통신인 IMT-2000(international mobile telecommunications-2000)용 단말기 등의 통신 기기에서 일정 대역의 주파수만 통과시키고 나머지 주파수는 걸러주는 역할을 하는 밴드 패스(band pass) 필터로 이용되는 부품이다.
현재 무선통신용 고주파(RF) 필터로 가장 많이 사용되고 있는 것이 유전체 필터와 SAW 필터라 할 수 있다. 이들 필터는 각각의 장단점을 지니고 있고 현재 무선 통신 단말기의 기술적 발전 추이에 따라 꾸준히 발전하고 있다.
상기 유전체 필터는 특히 높은 유전율, 저삽입 손실, 높은 온도에서의 안정성, 내진동 및 내충격 등의 장점을 가지고 있는 반면 기술적 발전 동향인 소형화 및 MMIC화에는 한계성을 나타내고 있다. 물론 이런 기술적인 한계를 극복하기 위해서 모노블록(monoblock)화 및 적층(multi-layer)화 SMD(surface mounted device) 필터가 개발돼 부피의 한계성이 어느 정도 극복되고있지만 궁극적인 목표에는 도달되지 못하고 있는 상태다.
현재 유전체 필터의 모노블록화 형태로는 가정에서 사용하는 9백㎒ 대역 무선전화기용 필터와 PCS용으로 1.8∼1.9㎓ 대역 듀플렉서 필터로 일본 무라타 및 미국 모토롤러가 생산하여 공급하고 있다. 상기 적층형 필터 등은 일부 생산돼 사용 중이며 적층형 듀플렉서 필터는 개발중인 상태다. SAW 필터의경우 유전체 필터에 비해 소형이면서 신호처리가 용이하고 회로의 간략화, 무조정화 및 반도체 공정을 이용함으로써 대량생산이 가능한 이점을 가지고 있다.
이와 달리 FBAR 필터는 모든 면에서 차세대 무선이동통신 필터에 가장 이상적이라고 말할 수 있다. 이는 고주파(RF) 능동소자들과의 자유로운 결합이 가능하고 초경량 및 초경박이며 반도체 공정을 이용한 대량 생산으로 단가가 저렴하다. 특히, 안정성이 높으며 필터 특성을 나타내는 중요한 단서 가운데 하나인 삽입 손실률이 약 1∼1.5㏈로 유전체 필터와 동일하거나 약간 우수한 특성을 나타내고 있다. 사이드 리젝션의 경우도 SAW 필터 특성보다 약 10∼20㏈ 높아 뛰어난 신호대 잡음비를 보이고 있어 고품위의 무선통화 품질을 보장할 수 있다.
현재 HBT(heterojunction bipolar transistor) 내지MESFET(metal semiconduct field effect transistor)로 구성되는 이동 통신 무선 주파수대 능동회로들은 MMIC기술로 점차 소형화, 단일화되고 있으나 칩 외부의 고주파(RF) 수동 부품들인 필터, 듀플렉서 필터 및 안테나 등은 아직도 부피가 크고 구조가 복잡해 회로의 단일칩화에 큰 장애가 되고 있다. 상기 FBAR 필터는 기존 반도체기판을 사용함으로써 타 능동소자들과의 통합이 가능해 주파수 제어 회로를 완전히 MMIC화할 수 있다.
이에 따라 고주파(RF) 무선 통신의 전단부(RFfront end)를 단일칩화할 수 있는 방향으로 FBAR 필터의 기술 발전이 전개돼 개인 단말기의 초소형화 및 저가격화 조기실현에 한 몫을 담당할 것으로 기대된다.
이러한 주파수 필터 가운데 하나인 FBAR(film bulk acoustic resonator) 내지 SBAR(stacked thin film bulk waveacoustic resonator)와 같은 박막형 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전 유전체 물질인 산화아연(ZnO) 내지 질화 알루미늄(AlN)을 고주파(RF) 스퍼터링 방법으로 직접 증착함으로써, 압전체 물질의 압전 특성으로 인한 공진을 유발하는 박막 형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 TFBAR의 구조를 도시한 도면이다.
박막(thin film) 필터 소자는 낮은 가격으로 제조할 수 있으면서도 고품질(high Quality) 계수의 특성이 가능하므로 약 9백㎒∼10㎓ 범위의 각종 주파수 대역을 사용하는 무선 통신 기기 또는 군용 레이더 등에 사용 가능하다.
또한, 유전체 필터 및 집중 정수(LC) 필터에 비하여 수백 분의 1 이하 크기로 초소형화가 가능하고 탄성파(surface acoustic wave) 소자보다 삽입 손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다.
따라서, 안정성이 높고 고품질 계수를 요구하는 MMIC(monolithic microwave integrated circuit)에 사용 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, TFBAR 필터는 보통 압전층(Piezoelectric layer: 3)을 사이에 두고 두 개의 상부 전극(Top electrode: 1)과 하부 전극(Bottom electrode: 5)이 합착된 구조를 하고 있다.
상기 상부 전극(1)과 하부 전극(5)에 전압을 인가함으로써 필터링 역할을 할 수 있도록 하는데, 이와 같은 박막 필터는 경박 단소화로 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 TFBAR의 기본 구조로부터 다양한 형태의 구조가 개발되어 있는데, 그것이 Surface Micro-machined TFBAR, Bulk Micro-machined TFBAR, Over-moded TFBAR와 SMR(Solidly Mounted Resonator type TFBAR 등의 필터이다.
상기와 같은 구조의 TFBAR 중에서 Surface Micro-machined TFBAR에 대하여 제조 과정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 다른 TFBAR의 구조를 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)을 비등방성 실리콘 에천트인 KOH, TMAH, EDP 등의 물질을 사용하여 상기 실리콘 기판(10)의 에어 갭(air gap: 13)을 형성할 영역을 식각한다.
상기와 같이 실리콘 기판(10) 상에 일정한 단차를 갖는 홈이 형성되면 SiNx, SiO2계열의 물질을 사용하여 상기 실리콘 표면 상에 제 1 절연막(11)을 형성한다.
그런 다음, 상기 에어 갭(13)을 형성하기 위한 홈 상에 아몰포스 실리콘(a-Si:h) 또는 LTO 물질을 채워넣어 평탄화 작업을 실시한다.
상기와 같은 작업을 폴리싱(Polishing) 작업이라 하는데, 상기 홈 과 실리콘 가장자리 부분과의 단차를 제거하기 위하여 평탄화 시키는 작업을 말한다.
상기와 같이 상기 실리콘 기판(10) 상에 아몰포스 실리콘(a-Si:h) 또는 LTO 물질을 채워넣은 후에는 TFBAR를 형성하기 위하여 SiNx, SiO2계열의 물질을 사용하여 상기 실리콘 기판(10) 표면 상에 제 2 절연막(15)을 도포한다.
상기 제 2 절연막(15)이 도포된 후에는 하부 전극을 형성하기 위하여 금속 막을 증착한 다음 식각하여 하부 전극(Bottom Electrode: 19)을 완성한다.
상기 하부 전극(19)이 완성되면 압전층(17)을 형성하기 위하여 압전 물질인 AlN 또는 ZnO 계열의 물질을 도포하고 식각하여 압전층(17)을 형성하고, 이후 상기 압전층(17) 상에 금속 막을 증착하고 식각하여 상부 전극(Top electrode: 16)을 완성한다.
그런 다음, TFBAR의 상기 상부 전극(16)이 완성되면 불산(HF)을 사용하여 상기 실리콘 기판(10) 상의 희생층(13)이 형성될 영역에 채워 넣었던 아몰포스 실리콘(a-Si:h) 또는 LTO 물질을 제거하여 에어 갭을 형성함으로써 TFBAR를 완성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 다른 형태의 Surface Micro-machined TFBAR의제조 공정은 상기 도 2a에서 설명한 TFBAR의 제조 공정과 전체적으로 동일하지만, 에어 갭(air gap: 23)을 실리콘 기판(10) 상부에 형성함으로써 평탄화 작업을 제거하였다.
즉, 상기 실리콘 기판(10) 상에 SiNx, SiO2계열의 물질을 사용하여 상기 실리콘 표면 상에 제 1 절연막(11)을 도포한 다음, 상기 에어 갭(23)을 형성하기 위하여 아몰포스 실리콘(a-Si:h) 또는 LTO 물질을 도포하여 식각하여 메사(mesa) 형태로 패터닝(pattering)을 한다.
그런 다음, 제 2 절연막(15)을 도포하고, 계속해서 하부 전극(19)과 압전층(17) 및 상부 전극(16)을 완성하며 상기 메사(mesa) 형태로 패터닝된 에어 갭 영역의 물질을 제거함으로써 TFBAR 필터를 완성하게 된다.
그러나, 상기의 도 2a에서 설명한 박막 필터 제조 방법은 실리콘을 식각한 후 에어 갭을 형성하기 위한 평탄화 물질을 채워 넣는 작업이 매우 까다롭고, 복잡한 단점이 있다.
그리고 도 2b에서 설명한 박막 필터 제조 방법은 에어 갭을 형성하기 위하여 평탄화 작업등이 필요없어 제조 공정이 단순하지만, 에어 갭을 형성하기 위해 도포된 물질을 제거시 압력에 의하여 소자의 변형이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은, 박막 필터를 제조하는 과정에서 노광 및 식각이라는 제조 공정을 적용하여 평탄화 작업 없이 단순하게 에어 갭을 제조할 수 있는 박막 필터 및 그제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 TFBAR의 구조를 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 다른 TFBAR의 구조를 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 TFBAR의 제조 공정을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
30: 감광성 글라스 31: 절연막
33: 상부 전극 35: 압전층
37: 하부 전극 41: 그라운드 단자
43: 에어 갭(air gap)
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 박막 필터 제조방법은,
감광성 성질을 갖는 글라스를 제공하는 단계;
상기 글라스 상에 에어 갭이 형성될 영역을 노광하는 단계;
상기 글라스의 노광 영역 상에 소자를 형성하기 위한 절연막을 증착하는 단계;
상기 절연막 상에 하부 전극 금속을 도포하고 식각하여 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극이 형성된 글라스 상에 압전 물질을 도포하고 식각하여 압전층을 형성하는 단계;
상기 압전층이 형성된 글라스 상에 상부 전극 금속을 도포하고 식각하여 상부 전극을 형성하는 단계;
상기 상부 전극이 형성된 글라스 상에 보호막을 도포하고 식각하여 상기 글라스의 노광 영역을 오픈하는 단계;
상기 보호막이 도포된 글라스의 노광 영역을 식각하여 에어 갭을 형성하는 단계; 및
상기 에어 갭이 형성된 글라스 상에 도포된 보호막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 감광성 글라스 상에 노광을 할 때, 금속 마스크를 사용하는 하여 노광을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명이 다른 실시 예에 의한 하는 박막 필터는,
마스크 노광 공정에 의하여 식각되며, 필터 소자들을 배치할 감광성 글라스;
상기 감광성 글라스의 표면 상에 일정한 홈 형태로 형성 배치되어 있는 에어 갭;
상기 에어 갭 영역 상에 배치되어 있는 절연막;
상기 절연막 상에 적층 형태로 차례로 배치되어 있는 하부 전극, 압전층, 상부 전극; 및
상기 상부 전극 상에 배치되어 있는 보호막; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연막 상에는 신호 접지를 위하여 그라운드 단자가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판 상에 에어 갭(air gap)을 형성하는 과정을 감광막 글라스를 사용함으로써 단순하게 에어 갭(air gap)을 제조할 수 있도록 함으로써 실장되는 TFBAR 소자의 압력에 강하면서 제조 공정이 단순한 이점이 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 TFBAR의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 감광성 성질을 갖는 글라스(30)에 에어 갭(air gap)이 형성될 영역만을 노광시킨다. 이때, 금속 마스크(50)를 대고 상기 감광성글라스(30) 상에 빛을 쪼여 노광된 상태로 둔다.
그리고, 상기 빛의 세기에 따라 상기 감광성 글라스(30)의 표면으로부터 노광되어 제거될 깊이를 조절할 수 있다.
그런 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 감광성 글라스(30)의 노광된 영역 상에 SiO2,SiNx계열의 물질을 도포하고 식각하여 TFBAR 소자가 실장될 지지판 역할을 하면서 TFBAR 소자와 기판과의 절연을 위한 절연막(31)을 형성한다.
상기 절연막(31)은 상기 감광성 글라스(30)의 노광된 영역 상에 형성되지만, 상하로 일정부분 노광된 영역이 노출되어 이후 HF에 의한 식각시 노광 영역을 식각할 수 있도록 하였다.
그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 절연막(31)이 형성되면 상기 절연막(31) 상에 Au/Ti, Au/Cr, Pt/Ti, Al, Mo, W, Mo/Ti 계열의 금속 중에서 어느 하나를 선택하여 증착하고 이를 식각하여 하부 전극(37)을 완성한다.
그리고 상기 하부 전극(37) 상에 ZnO, AIN, SiO2, GaAs, PZT, PLT 계열의 물질 중에서 어느 하나를 선택하여 증착하고 식각하여 압전층(35)을 형성하고, 계속해서 상기 압전층(35) 상에 Au/Ti, Au/Cr, Pt/Ti, Pt/Cr. Al, Mo, W, Mo/Ti 계열의 금속 중에서 어느 하나를 선택하여 증착하고 이를 식각하여 상부 전극(33)을 완성한다.
이때, 상기 상부 전극(33)을 완성할 때 필터의 특성을 좋게 하기 위하여 그라운드 단자(41)를 형성한다.
상기와 같이 상기 상부 전극(33)이 완성되면 도 3d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트, 폴리 이미드, SiO2계열의 물질 중에서 어느 하나를 선택하여 보호막(39)을 도포한 다음, 이를 식각하여 상기 절연막(31)과 상기 감광성 글라스(30) 상의 노광 영역과 오버랩 되지 않는 부분 즉, 상기 노광 영역이 오픈된 영역만을 식각에 의하여 오픈시킨다.
그런 다음, 상기 도 3e에 도시된 바와 같이, HF를 사용하여 상기 감광성 글라스(30)의 노광 영역을 제거하여 에어 갭(air gap)을 형성하고, 상기 도3d에 도시된 바와 같이, 상기 에어 갭(air gap) 형성 후 상기 보호막(39)을 제거함으로써 TFBAR를 완성한다.
이와 같이, 본 발명에서는 종래의 실리콘 표면을 가공하여 , 에어 갭을 형성하여 희생층을 형성한 TFBAR 필터의 장점과, 상기 실리콘 상에 MESA 형태로 패터닝한 후에 에어 갭을 형성한 TFBAR 필터의 장점만을 살려 평탄화 작업 없이 에어 갭을 용이하게 제작할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 노광 공정에 의하여 감광성 글라스 상에 에어 갭(air gap)을 형성함으로써, TFBAR 소자의 압력에 의하여 변형을 방지할 수 있고, 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
Claims (4)
- 감광성 성질을 갖는 글라스를 제공하는 단계;상기 글라스 상에 에어 갭이 형성될 영역을 노광하는 단계;상기 글라스의 노광 영역 상에 소자를 형성하기 위한 절연막을 증착하는 단계;상기 절연막 상에 하부 전극 금속을 도포하고 식각하여 하부 전극을 형성하는 단계;상기 하부 전극이 형성된 글라스 상에 압전 물질을 도포하고 식각하여 압전층을 형성하는 단계;상기 압전층이 형성된 글라스 상에 상부 전극 금속을 도포하고 식각하여 상부 전극을 형성하는 단계;상기 상부 전극이 형성된 글라스 상에 보호막을 도포하고 식각하여 상기 글라스의 노광 영역을 오픈하는 단계;상기 보호막이 도포된 글라스의 노광 영역을 식각하여 에어 갭을 형성하는 단계; 및상기 에어 갭이 형성된 글라스 상에 도포된 보호막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 필터 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 감광성 글라스 상에 노광을 할 때, 금속 마스크를 사용하는 하여 노광을 하는 것을 특징으로 하는 박막 필터 제조방법.
- 마스크 노광 공정에 의하여 식각되며, 필터 소자들을 배치할 감광성 글라스;상기 감광성 글라스의 표면 상에 일정한 홈 형태로 형성 배치되어 있는 에어 갭;상기 에어 갭 영역 상에 배치되어 있는 절연막;상기 절연막 상에 적층 형태로 차례로 배치되어 있는 하부 전극, 압전층, 상부 전극; 및상기 상부 전극 상에 배치되어 있는 보호막; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 필터.
- 제 3 항에 있어서,상기 절연막 상에는 신호 접지를 위하여 그라운드 단자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 필터.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100691152B1 (ko) * | 2005-02-28 | 2007-03-09 | 삼성전기주식회사 | 박막 벌크 음향 공진기 |
-
2002
- 2002-12-30 KR KR1020020086570A patent/KR20040060052A/ko not_active Application Discontinuation
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