KR20050037536A - 압전 박막형 필터 및 공진기 제작에 있어서 압전효과를높이기 위한 압전막 증착 방법. - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동통신 단말기의 RF단에 장착되는 압전 박막형 필터를 저손실 및 high Q한 필터로 만들기 위한 압전막 증착기술로서 압전막의 압전효과를 극대화하는 신기술에 관한 것이다.
압전 박막형 필터는 압전 박막을 회로(Circuit)화하여 구현하는데, 보통 L,C의 영향으로 회로를 구성하는 각 압전 박막의 공진특성에 따라 압전 박막형 필터의 특성이 정해진다. 압전 박막의 공진특성은 압전층(ZnO 또는 AlN)을 이루는 결정의 우선배향성(Preferred Orientaion)즉 C-축 배향성에 가장 큰 영향을 받는다. 본 발명에서는 압전층을 이루는 결정의 압전 효과를 높이고 재현성을 확보하기 위하여 보조층(Assistant Layer) ZnO나 AlN을 이용하여 압전 박막을 증착하고 이 보조층의 실리콘 뒷면을 습식이방성에칭이나, 또는 건식에칭 방식인 딥실리콘에처(Deep Silicon Etcher)를 이용하여 등방성에칭으로 보조층 제거한다.
따라서 압전 박막 공진기 및 압전 박막형 필터를 제작하는데 있어서 종전의 CMP 공정이 필요치 않고, 압전 박막의 재현성을 향상시키고, 압전 박막형 필터 및 공진기 제작이 용이하고 소자 제조 단가를 낮출 수 있는 획기적인 기술이다.

Description

압전 박막형 필터 및 공진기 제작에 있어서 압전효과를 높이기 위한 압전막 증착 방법. {PIEZO FILM DEPOSITION FABRICATION WITH THE PIEZO THIN FILM FILTER OR RESONATOR FOR PROMOTION PIEZO EFFECT.}
본 발명은, 이동통신 부품 소자에 관한 것으로, 상세하게는 RF(Radio Frequency) 대역의 통신 신호를 걸러주는 역할을 담당하는 것으로 종래에 SAW필터나 유전체 필터를 대처할 수 있는 압전 박막형(Film Bulk Acoustic Resonator)필터(Band Pass Filter)에 관한 것이다.
최근에 이동통신 시스템의 발달로 인하여 반송주파수 대역범위가 900MHz∼3GHz인 고주파대로 높아졌고, 통신단말기에 내장되는 RF밴드패스필터의 수요가 급속히 증가하고 있다. 유전체 필터와 SAW(Surface Acoustic Wave)필터가 RF밴드패스필터로 사용되고 있지만, 최근 단일 칩 실현이 가능하고 반도체 박막기술을 이용한 압전 박막형 필터 기술이 개발되어 일부 상용화 되고 있다.
압전 박막형 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)는 도 1에 도시한 바와 같이 두전극(1)(2) 사이에 ZnO 또는 AlN 같은 압전물질(3)을 증착시켜 만든다. 두 전극 사이에 외부에서 신호가 인가되면, 두 전극(1)(2) 사이에 입력 전달된 전기적 에너지가 압전효과에 따른 기계적 에너지로 변환되고, 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 압전 박막은 두께에 따른 고유진동의 주파수(f0=)에 대하여 공진을 하게 된다. 여기서 f0는 공진주파수, 는 압전막의Bulk 음파속도, d는 압전막(16)의 두께이다.
상기 압전 박막 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)를 도 2와 같이 직렬 압전 박막 공진기(4)와 병렬 압전 박막 공진기(5)를 사다리형(Ladder Type)으로 회로화하여 압전 박막형 필터를 실현한다. 따라서 회로를 구성하는 각각 압전 박막 공진기(4)(5)의 공진특성에 의해 압전 박막형 필터의 특성이 정해진다.
일반적으로, 압전 박막 공진기의 공진특성에 영향을 주는 요소는 전극의 재질, 압전층의 재질 및 결정성, 전극모양 등이 있지만, 가장 중요한 요소는 압전층의 결정성에 있다. 상기 압전층의 결정성이란 ZnO 또는 AlN의 우선배향성(Preferred Orientation) 즉 C-축 배향특성을 말하며, 상기 우선배향특성은 XRD(X-ray Diffractometer)로 분석된 결정의 FWHM(Full Width Half Maximum) 값과 XRC(Rocking Curve, 이하 σ라 함.)값으로 수치화 하고 있다. 적어도 압전층으로 이용하기 위한 σ값은 6°이하로 알려져 있다.
종래의 압전 박막 공진기 제작은, 도 3에 나타낸 바와 같이 실리콘 기판(8)표면을 이방성 에칭하여 희생층(6)을 구현하고 CMP로 표면연마를 한 후, 하부전극(2)과 압전층(3) 상부전극(1)을 순서대로 증착하고, 마지막 공정으로 공극(7)을 통하여 희생층(6)을 제거하여 에어갭(Air Gap)을 구성하여 압전 박막을 실현하고 있다. 상기 에어갭은 희생층(6)이 제거된 공간을 말한다.
그런데, 상기와 같은 종래의 압전 박막 공진기 제작은, 압전층의 우선배향성에 대한 재현성을 담보할 수 없으며, CMP공정이 필요함으로 공정상 번거로움과 단가 상승의 요인이었다.
본 발명은 압전 박막형 필터 제작에 있어서 압전효과를 증진함에 있어, 압전 박막의 우선 배향과 재현성을 확보하기 위하여 보조층(Assistant Layer)(9)을 이용하고, 실리콘 뒷면을 에칭하여 보조층(Assistant Layer)을 제거함으로써 압전 박막 공진기의 공진 특성을 향상시키고, 종래보다 향상되어 재현성 있는 압전 박막형 필터의 특성을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 방법으로써, 본 발명의 압전 박막 공진기 제작은
실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계,
실리콘기판(8) 표면에 보조층(9)을 증착하는 단계,
하부전극(2)을 구성하는 단계,
압전 박막(3)을 증착하는 단계,
상부전극(1)을 구성하는 단계,
에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계,
보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 압전 박막 공진기 제작에 대하여 상세하게 설명한다.
실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계는, 도 4a와 같이 프라임(Prime)급 실리콘기판(8) 표면을 열산화막(SiO2)(21) 1000Å 이상의 보호막을 증착한 후, 압전 박막(16)이 위치할 뒷면에 창(12)을 내어 실리콘기판(8)표면으로부터 75㎛ 정도에서 에칭스톱(Stop)이 되도록 이방성에칭을 한다. 상기 압전 박막(16)은, 도 4i의 완성된 압전 박막의 에어홀(11)의 상부영역을 말하며, 실제로 압전 박막이 동작하는 영역 즉, 두께진등에 의한 공진기로 동작하는 영역을 말한다. 이때 에천트(Etchant)는, 습식에칭(Wet Etching)을 할 경우 TMAH, KOH 등을 사용하면 되고, 건식에칭(Dry Etching)을 할 경우에는 XeF2 를 사용하면 된다. 실리콘기판을 건식에칭 하면 등방성에칭이 되는데, 본 발명의 실시 예는 습식에칭으로 이방성에칭인 경우의 예를 든다. 열산화막(21)증착은 전기로를 이용하면 된다.
실리콘기판(8) 표면에 보조층(Assistant Layer)(9)을 증착하는 단계는, 먼저 뒷면을 이방성 에칭한 실리콘기판(8)을 B.O.E용액으로 열산화막(21)을 제거한 다음, 실리콘 표면에 보조층(Assistant Layer) ZnO나 AlN은 1000Å∼3000 Å 정도 증착한다. 그러면, 프라임급 실리콘기판(8) 표면에서 ZnO나 AlN은 (002)면으로 σ값 0.5° 이하에서 우선배향 된다. 하부전극(2) 구성의 후속단계로 압전 박막을 증착하게 되는데, 압전 박막의 결정성은 상기 보조층의 영향을 받게 된다. 즉, 보조층의 결정성이 우수하면 압전 박막의 결정도 우수하게 성장한다. 따라서 보조층은 (002)면으로 σ값 0.5° 이하의 우수한 결정을 실현해야 한다. 한편 ZnO나 AlN은 표면 거칠기(Roughness)가 낮은 기판, 즉 RMS(Root Mean Square) 60Å 이하에서 우선배향성이 강하다. 프라임급 실리콘기판은 표면 거칠기(Roughness)가 RMS 50Å 이하임으로 보조층이 갖추어야 할 상기한 목적을 용이하게 달성할 수가 있다.
하부전극(2)을 구성하는 단계는, 보조층(Assistant Layer)(9) 위에 하부전극(2)으로 Mo를 (100)면으로 우선배향 되게 1200Å 증착하면, (002)면으로 우선배향된 보조층 ZnO나 AlN의 표면위에 Mo는 안정한 최소군집체를 형성하기 위하여 최밀충진면을 유지하며 성장한다. 이때 하부전극(2)의 재료로는 Al, W, Pt등을 이용할 수 있다.
압전 박막(3)을 증착하는 단계는, 상기 하부전극(2)위에 압전 물질을 증착 한다. 그러면 압전 물질은 하부전극(2) Mo의 표면위에서 보조층(9) ZnO나 AlN의 결정성과 동일한 양태로 우선배향 된다. 도 6a 와 도 6b에 보조층(9)을 이용한 압전 박막의 결정과 보조층(Assistant Layer)을 사용하지 않은 압전 박막의 결정의 단면을 SEM 사진으로 실어 놓았다. 아래 표 1은 보조층을 사용한 도 6a 의 압전 박막 결정과 도 6b 의 보조층을 사용하지 않은 압전 박막 결정을 XRD로 분석한 자료이다. 보조층을 사용한 도 6a의 압전 박막 결정이 보조층을 사용하지 않은 도 6b의 압전 박막 결정 보다 σ값이 4.86° 낮음을 알 수가 있다. 이것은 보조층을 사용한 압전 박막의 결정이 보조층을 사용하지 않은 압전 박막의 결정보다 매우 우수함을 나타내는 것이다.
[표 1]
상부전극(1)을 구성하는 단계는, 상부전극(1)으로 Mo를 1200Å 증착 한다. 이때 상부전극의 재료로는 Al, W, Pt 등을 이용할 수 있다.
에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계는, 도 4i의 압전 박막(16) 하부에 실리콘이 등방성으로 에칭된 빈 공간을 에어홀(Air Hole)(11)이라 하는데, 압전 박막의 압전층(16) 중앙에 도 4h 와 같이 홀(13)을 구성한 다음, 건식에칭으로 XeF2를 이용하여 압전층(16) 하부에 있는 실리콘기판(8)을 등방성 에칭하면 에어홀(Air Hole)(11)이 형성되는데, 그 결과 도 4i의 단면도와 같이 실리콘기판(8) 뒷면과 에어홀(11)이 관통이 된다.
보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계는, 에어홀(11)을 형성하는 단계가 완성된 실리콘기판(8)을 ZnO나 AlN 에천트를 이용하여 보조층(9)을 제거한다. 에어홀(11)이, 이방성 에칭된 영역(10)을 통하여 실리콘기판(8) 뒷면으로 관통되어 있으므로 상기 관통된 구몽을 통하여 ZnO나 AlN의 에천트가 용이하게 침투되어 보조층(Assistant Layer)(9)을 용이하게 제거할 수가 있다.
한편 본 발명의 압전 박막형 필터의 제작은, 압전 박막 공진기를 제작하는 것과 거의 동일하지만, 압전 박막형 필터는 도 2와 같이 직렬 압전 박막 공진기(4)와 병렬 압전 박막 공진기(5)를 사다리형으로 회로화하여 실현되는 점이 압전 박막 공진기를 제작하는 것과 다르다. 압전 박막형 필터의 제작 방법은 다음과 같다.
실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계,
실리콘기판(8) 표면에 보조층(9)을 증착하는 단계,
하부전극(2)을 구성하는 단계,
압전 박막(3)을 증착하는 단계,
상부전극(1)을 구성하는 단계,
병렬 압전 박막 공진기(5) 두께를 보강하는 단계,
에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계,
보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 압전 박막형 필터제작에 대하여 상세하게 설명한다.
실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계는, 도 5a와 같이 프라임급(Prime)급 실리콘기판(8) 표면을 열산화막(SiO2)(21) 1000Å 이상의 보호막을 증착한 후, 직렬 압전 박막 공진기와 병렬 압전 박막 공진기의 압전층(16)이 위치할 뒷면에 각각 창(12)을 내어 실리콘기판(8)표면으로부터 75㎛ 정도에서 에칭스톱(Stop)이 되도록 이방성에칭을 한다. 상기 압전층(16)은 압전 박막 공진기 제작 과정에서 설명한 바와 동일한 개념으로 도 5K의 완성된 압전 박막형 필터에서 에어홀(11)의 상부영역을 말한다. 이때, 에천트의 사용과 열산화막의 증착은 압전 박막 공진기 제작 과정과 동일하다.
실리콘기판(8) 표면에 보조층(9)을 증착하는 단계는, 상기 압전 박막 공진기를 제작하는 방법과 동일하다.
하부전극(2)을 구성하는 단계는, 상기 압전 박막 공진기를 제작하는 방법과 동일하다.
압전층(3)을 증착하는 단계는, 상기 압전 박막 공진기를 제작하는 방법과 동일하다.
상부전극(1)을 구성하는 단계는, 상기 압전 박막 공진기를 제작하는 방법과 동일하다.
병렬 압전 박막 공진기의(5) 두께를 보강하는 단계는, 압전 박막형 필터의 회로상에서 병렬 압전 박막 공진기(5)는 공진주파수가 직렬 압전 박막 공진기(4) 보다 3%정도 낮아야 한다. 압전 박막 공진기는 두께진동을 이용하여 공진을 유발하는 소자임으로, 압전 박막 공진기의 공진주파수는 압전층(16)의 두께에 의해서 식 f0= 으로 결정된다. 여기서 f0는 공진주파수, 는 압전층내에서의 음파속도, d는 압전층(16)의 두께이다. 상기 식 f0= 에 따르면, 압전층(16)의 두께가 증가 할수록 중심주파수는 낮아진다. f0가 2GHz인 경우, 병렬 압전 박막 공진기(5)의 상부에 500Å정도 두께를 보강(14)하면 병렬 압전 박막 공진기(5)의 공진주파수가 직렬 압전 박막 공진기(4)의 공진주파수 보다 3%정도 낮아진다.
에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계는, 압전 박막형 필터의 회로를 구성하는 직렬 압전 박막 공진기와 병렬 압전 박막 공진기 각각의 압전층(16) 중앙에 도 5i 와 같이 홀(13)을 구성한 다음, 건식에칭으로 XeF2를 이용하여 압전층(16) 하부에 있는 실리콘기판(8)을 등방성 에칭하면 도 5j의 단면도와 같이 실리콘기판(8) 뒷면과 에어홀(11)이 관통이 된다.
보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계는, 상기 압전 박막 공진기를 제작하는 방법과 동일하다.
상술한 바와 같은 방법으로 압전 박막을 증착하면, 우선배향된 σ값 1°이하의 압전 박막 공진기를 구현할 수 있고, 삽입손신 1dB 이하의 압전 박막 공진기를 실현할 수 있으며, 삽입손실 1.5dB 이하의 압전 박막형 필터를 실현할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르던, 실리콘 표면에 보조층(Assistant Layer)을 증착함으로써 우선배향된 압전 박막 공진기를 재현성 있게 구현할 수가 있고, CMP 공정이 필요하지 않으므로 단가 상승의 요인을 제거할 수 있으며, 실리콘기판 뒷면을 통하여 보조층을 용이하게 제거할 수 있으므로 종래와 같이 희생층을 제거해야하는 공정을 제외하는 장점이 있다.
도 1 은 압전 박막 공진기의 단면도.
도 2 는 압전 박막형 필터의 회로도.
도 3 은 종래의 압전 박막 공진기의 단면도.
도 4a 는 실리콘기판에 열산화막을 증착한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4b 는 실리콘기판 뒷면을 이방성 에칭한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4c 는 실리콘기판의 열산화막을 제거한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4d 는 실리콘기판위에 보조층(Assistant Layer) 증착한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4e 는 보조층위에 하부전극을 증착한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4f 는 하부전극위에 압전 박막을 증착한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4g 는 압전층위에 상부전극을 증착한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4h 는 실리콘기판을 에칭하기위한 홀을 구현한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4h-1 는 실리콘기판을 에칭하기위한 홀을 구현한 압전 박막 공진기 제작과정 단면도.
도 4i 는 에어홀을 구현하고 보조층을 제거한 압전 박막 공진기 단면도.
도 4i-1 는 에어홀을 구현하고 보조층을 제거한 압전 박막 공진기 단면도.
도 5a 는 실리콘기판에 열산화막을 증착한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5b 는 실리콘기판 뒷면을 이방성 에칭한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5c 는 실리콘기관의 열산화막을 제거한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5d 는 실리콘기판위에 보조층을 증착한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5e 은 보조층위에 하부전극을 증착한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5f 는 하부전극위에 압전층을 증착한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5g 는 압전층위에 상부전극을 증착한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5h 는 병렬공진기 두께를 보강한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5i 는 실리콘기판을 에칭하기위한 홀을 구현한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5i-1 는 실리콘기판을 에칭하기위한 홀을 구현한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5j 는 에어홀을 구현한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5j-1 는 에어홀을 구현한 압전 박막형 필터 제작과정 단면도.
도 5k 는 보조층을 제거한 압전 박막형 필터 단면도.
도 5k-1 는 보조층을 제거한 압전 박막형 필터 단면도.
도 6a 는 보조층을 이용하여 압전층(ZnO)을 증착한 SEM 사진.
도 6b 는 보조층이 없는 종래의 압전층(ZnO)을 증착한 SEM 사진.
도 6c 는 보조층을 이용하여 압전층(ZnO)을 증착한 표면의 SEM 사진.
도 6d 는 보조층을 이용하여 압전층(AlN)을 증착한 SEM 사진.
도 6e 는 보조층을 이용하여 압전층(AlN)을 증착한 표면의 SEM 사진.
도 6f 는 보조층을 이용하여 압전층(AlN)을 증착한 표면의 SEM 사진.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 상부전극 2. 하부전극
3. 압전 박막 4. 직렬 압전 박막 공진기
5. 병렬 압전 박막 공진기 6. 희생층
7. 공극 8. 실리콘기판
9. 보조층 10. 이방성 에칭된 영역
11. 에어홀 12. 창
13. 홀 14. 병렬 압전 박막 공진기의 상부를 보강한 두께.
16. 압전층
21. 열산화막

Claims (2)

  1. 보조층을 사용하여 압전 박막 공진기를 제작하는데 있어서,
    실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계,
    실리콘기판(8) 표면에 보조충(9)을 증착하는 단계,
    하부전극(2)을 구성하는 단계,
    암전 박막(3)을 증착하는 단계,
    상부전극(1)을 구성하는 단계,
    에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계,
    보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기 제작방법.
  2. 보조층을 사용하여 압전 박막형 필터를 제작하는 방법에 있어서,
    실리콘기판(8) 뒷면을 에칭하는 단계,
    실리콘기판(8) 표면에 보조층(9)을 증착하는 단계,
    하부전극(2)을 구성하는 단계,
    압전 박막(3)을 증착하는 단계,
    상부전극(1)을 구성하는 단계,
    병렬 압전 박막 공진기(5) 두께를 보강하는 단계,
    에어홀(Air Hole)(11)을 형성하는 단계,
    보조층(Assistant Layer)(9)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막형 필터의 제작방법.
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KR1020050024773A KR20050037536A (ko) 2005-03-25 2005-03-25 압전 박막형 필터 및 공진기 제작에 있어서 압전효과를높이기 위한 압전막 증착 방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101010493B1 (ko) * 2008-08-08 2011-01-21 다이요 유덴 가부시키가이샤 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 혹은 분파기

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KR101010493B1 (ko) * 2008-08-08 2011-01-21 다이요 유덴 가부시키가이샤 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 혹은 분파기

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