KR20120017089A

KR20120017089A - 압전체 박막의 제조 방법 및 당해 제조 방법에 의해 제조되는 압전체 박막

Info

Publication number: KR20120017089A
Application number: KR20127000602A
Authority: KR
Inventors: 모리토 아키야마; 카즈히코 카노; 아키히코 테시가하라
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠; 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-02-27
Also published as: DE112010002790T5; WO2011002028A1; US9246461B2; KR101511349B1; US20120107557A1; JP2011015148A; KR20140099919A; DE112010002790B4; CN102474234A; JP5598948B2; CN102474234B

Abstract

본 발명에 따른 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 제조 방법은, 적어도 질소 가스를 포함하는 분위기하에서, 알루미늄과 스칸듐으로 스퍼터링하는 스퍼터링 공정을 포함한다. 본 발명에 따른 제조 방법의 스퍼터링 공정에서는, 기판 온도 5~450℃의 범위에서 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위가 되도록 스퍼터링한다.

Description

압전체 박막의 제조 방법 및 당해 제조 방법에 의해 제조되는 압전체 박막{MANUFACTURING METHOD OF PIEZOELECTRIC-BODY FILM, AND PIEZOELECTRIC-BODY FILM MANUFACTURED BY THE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 압전체 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판상에 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 제조 방법에 관한 것이다.

압전 현상을 이용하는 디바이스는 폭넓은 분야에서 이용되고 있으며, 소형화 및 전력 절감이 강하게 요구되고 있는 휴대전화기 등의 휴대용 기기에서 그 사용이 확대되고 있다. 그 일례로서, IF(Intermediate Frequency) 및 RF(Radio Frequency)용 필터 등을 들 수 있다. IF 및 RF용 필터의 구체예로서는, 탄성 표면파 공진자(Surface Acoustic Wave Resonator; SAWR)를 이용한 필터인 SAW 필터 등이 있다.

SAW 필터는 고체 표면에 전달되는 음향파를 이용하는 공진자를 이용한 필터로서, 설계 및 생산 기술의 향상에 의해 사용자의 엄격한 요구에 대응하고 있다. 그러나, SAW 필터는 이용 주파수의 고주파수화와 함께, 특성 향상의 한계에 가까워지고 있다.

그래서, SAW 필터를 대신할 새로운 필터로서, RF-MEMS(Radio Frequency-Micro Electro Mechanical System) 디바이스의 하나인, 박막 벌크 음향파 공진자(Film Bulk Acoustic Resonator; FBAR)를 이용한 FBAR 필터의 개발이 진행되고 있다.

RF-MEMS는 최근 주목을 모으고 있는 기술로서, 기계적인 미소(微小) 구조를 주로 반도체 기판상에 만들고, 극소의 액츄에이터 및 센서, 공진기 등의 디바이스를 제작하는 기술인 MEMS를 RF 분야에 적용한 것이다.

RF-MEMS 디바이스의 하나인 FBAR 필터는 압전 응답성을 나타내는 박막의 두께 종진동(縱振動) 모드를 이용한 공진자에 의한 필터이다. 즉, 입력되는 고주파 전기 신호에 대하여, 압전체 박막이 두께 종진동을 일으키고, 그 진동이 박막의 두께 방향에서 공진을 일으키는 현상을 이용한 공진자에 의한 필터로서, 기가헤르츠대의 공진이 가능하다. 이러한 특성을 가지는 FBAR 필터는 저손실이고, 또한 광대역에서의 동작을 가능하게 하면서도, 휴대용 기기의 한층 더한 소형화 및 전력 절감을 실현하고 있다.

또한, FBAR 필터 이외의 RF-MEMS 디바이스인 RF-MEMS 캐패시터 및 RF-MEMS 스위치 등에서도 압전 현상을 이용함으로써, 고주파수대에 있어서의 저손실, 높은 아이솔레이션 및 저왜곡을 실현하고 있다.

특허문헌 1에는, 제3 성분으로서 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막에서, 양호한 압전 응답성이 얻어지는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 2009-010926호 공보(공개일: 2009년 1월 15일)

그러나, 특허문헌 1에 기재된 압전체 박막에서는, 스칸듐의 원자수와 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때, 스칸듐의 원자수가 35~40원자% 범위인 경우에는, 스칸듐을 함유시키지 않는 경우와 비교하여 압전 응답성이 저하되어 있다(도 1의 (b) 참조). 즉, 특허문헌 1에 기재된 압전체 박막에는 아직 개량의 여지가 남아 있다.

본 발명은, 상기 과제에 착안하여 이루어진 것으로, 그 주된 목적은, 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막에 있어서, 스칸듐의 원자수가 35~40원자%의 범위라도, 스칸듐을 함유시키지 않는 경우와 비교하여 압전 응답성이 저하되지 않는 압전체 박막을 제작할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 발명자들은 스칸듐의 원자수가 35~40원자%의 범위라도 압전 응답성이 저하되지 않는 압전체 박막의 제조 방법에 대하여 연구를 거듭한 결과, 스칸듐 및 알루미늄을 스퍼터링할 때의 기판 온도를 어느 온도 범위로 함으로써, 압전체 박막에 있어서의 압전 응답성의 저하가 발생하지 않는 것을 발견하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다. 본 발명은 이러한 신규한 지견에 근거하여 완성된 것이며, 이하의 발명을 포함한다.

본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여, 기판상에 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 제조 방법으로서, 적어도 질소 가스를 포함하는 분위기하에서, 스칸듐의 원자수와 상기 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때의 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위가 되도록, 알루미늄과 스칸듐으로 스퍼터링하는 스퍼터링 공정을 포함하고, 상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 5~450℃의 범위인 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 따르면, 스칸듐의 원자수와 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때, 스칸듐 함유율이 35원자%~40원자%인 경우라도, 압전체 박막에 있어서의 압전 응답성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 스칸듐 함유율이 35원자%~40원자%인 경우라도, 스칸듐을 함유시키지 않은 질화 알루미늄 박막과 비교하여 향상시킬 수 있다.

이에 의해, 압전체 박막의 제조시 스칸듐 함유율의 치밀한 설정을 불필요하게 할 수 있으므로, 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막을 용이하게 제조할 수 있는 효과를 발휘한다. 즉, 제조되는 압전체 박막에 있어서의 불량품 발생률을 저감할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 적어도 질소 가스를 포함하는 분위기하에서, 알루미늄과 스칸듐으로, 스칸듐의 원자수와 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때의 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위가 되도록, 스퍼터링한다. 그리고, 스퍼터링시의 기판 온도를 5~450℃의 범위로 한다.

이에 의해, 스칸듐 함유율이 35~40원자%인 경우라도, 스칸듐을 함유시키지 않은 경우와 비교하여 압전 응답성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 우수한 점은 이하에 나타내는 기재에 의해 충분히 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 장점은 첨부한 도면을 참조한 이하의 설명에 의해 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 압전체 박막에 있어서의 스칸듐 함유율과 압전 응답성의 관계를 나타내는 그래프로서, (a)는 스퍼터링 공정 시의 기판 온도가 400℃인 경우이고, (b)는 스퍼터링 공정 시의 기판 온도가 580℃인 경우이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전체 박막의 X선 회절 강도를 나타내는 그래프로서, (a)는 스퍼터링 공정 시의 기판 온도를 변화시킨 경우이고, (b)는 스칸듐 함유율을 변화시킨 경우이다.
도 3은 실시예 1에서 제작한 압전체 박막 및 비교예 1에서 제작한 압전체 박막의 X선 회절 패턴에 근거하여 산출한 파라미터를 나타내는 그래프로서, (a)는 Sc 함유 질화 알루미늄의 결정 격자에 있어서의 c축의 길이를 나타내는 그래프이고, (b)는 Sc 함유 질화 알루미늄의 X선 록킹 커브(X-ray rocking curve)의 FWHM(full width at half maximum)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2에 있어서의 표면 거칠기 및 결정의 입경을 원자간력 현미경을 이용하여 측정한 사진 및 그래프로서, (a)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 0원자%인 경우이고, (b)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 36원자%인 경우이고, (c)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 43원자%인 경우이고, (d)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 0원자%인 경우이고, (e)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 36원자%인 경우이고, (f)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 43원자%인 경우이고, (g)는 스퍼터링시의 기판 온도를 400℃ 또는 580℃로 했을 때의 Sc 함유율과 Sc 함유 질화 알루미늄의 입경의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 기판 온도를 상온(20℃), 200℃, 400℃, 450℃, 500℃ 및 580℃로 했을 때의 스칸듐 함유율 42%인 스칸듐 함유 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성을 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 압전체 박막에 대하여, 도 1의 (a) 및 (b) 내지 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면서 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 압전체 박막에 대해 설명하기에 앞서 본 명세서 등에서 사용하는 용어 등에 대하여 이하에 설명한다.

본 발명에 따른 압전체 박막은, 압전 현상을 이용한 압전 소자에 이용하는 경우, 그 구체적인 용도는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, SAW 디바이스 또는 RF-MEMS 디바이스에 이용할 수 있다. 여기서, 본 명세서 등에 있어서의 ‘압전체’란, 역학적인 힘이 인가됨으로써 전위차를 일으키는 성질, 즉 압전성(이하, 압전 응답성이라고도 칭한다)을 가지는 물질을 의미한다. 또한, ‘압전체 박막’이란, 상기 성질을 가지는 박막을 의미한다.

또한, 본 명세서 등에 있어서의 ‘원자%’란, 원자 백분율을 가리키고 있으며, 본 명세서 등에서는 특별히 언급이 없는 한, 스칸듐 원자수와 알루미늄 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때의 스칸듐 원자의 수 또는 알루미늄 원자의 수를 나타낸다. 즉, 스칸듐을 함유한 질화 알루미늄에 있어서의 스칸듐 원자 및 알루미늄 원자의 농도라고 환언할 수도 있다. 또한, 본 명세서에서는 스칸듐의 원자%를, 질화 알루미늄에 대한 스칸듐의 함유율로서 이하에 설명한다.

스칸듐을 함유한 질화 알루미늄 박막(이하, Sc 함유 질화 알루미늄 박막이라고도 칭한다)은 일반식을 이용하여 Sc_xAl₁ _- _xN(식 중, x는 스칸듐의 함유율을 나타내고 0.005~0.5의 범위이다)으로 나타내는 경우도 있다. 예를 들어, 스칸듐 함유율이 10원자%인 질화 알루미늄 박막은 ‘Sc₀ _.10Al₀ _.90N’으로 나타낸다.

(압전체 박막의 구성)

이하, 본 발명에 따른 압전체 박막의 구성에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 압전체 박막은 기판상에 Sc 함유 질화 알루미늄 박막이 형성되어 있다. Sc 함유 질화 알루미늄 박막은 스칸듐의 원자수와 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때, 0.5~50원자% 범위의 스칸듐 원자를 함유하고 있다.

기판은 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 변형 없이 유지할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 기판의 재질로서는 예를 들어, 실리콘(Si) 단결정, 또는 Si 단결정 등의 기재 표면에 실리콘, 다이아몬드 및 그 밖의 다결정막을 형성한 것을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압전체 박막은 X선 록킹 커브의 FWHM이 3.2도 이하인 것이 바람직하다. X선 록킹 커브의 FWHM이 3.2도 이하가 되는 스칸듐 함유율은 0.5원자%~45원자%이다. 따라서, 본 발명에 따른 압전체 박막은 스칸듐 함유율이 0.5원자%~45원자%인 것이 바람직하다고 환언할 수도 있다. 한편, 압전체 박막에 있어서의 X선 록킹 커브의 측정 조건 등의 상세에 대해서는 후술하므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.

또한, 본 발명에 따른 압전체 박막은 표면 거칠기 Ra가 1.2㎚보다 작은 값인 것이 바람직하다.

X선 록킹 커브의 FWHM이 3.2도 이하이고, 압전체 박막의 표면 거칠기 Ra가 1.2㎚보다 작은 값이라는 것은, 결정 배향도가 큼을 의미하고 있다. 즉, X선 록킹 커브의 FWHM 및 압전체 박막의 표면 거칠기를 상기 범위 내로 함으로써, 결정이 동일한 방향을 향하고 있는 정도가 커지므로, 압전체 박막의 압전성을 높일 수 있다.

(압전체 박막의 제조 방법)

이어서, 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에 대하여 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법은, 질소 가스(N₂)를 포함하는 분위기하(예를 들어, 질소 가스(N₂) 분위기하, 또는 질소 가스(N₂) 및 아르곤 가스(Ar)의 혼합 분위기하)에서, 기판(예를 들어, 실리콘(Si) 기판)에, 알루미늄과 스칸듐으로, 스칸듐의 원자수와 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때의 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위 내가 되도록, 스퍼터링하는 스퍼터링 공정을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도를 5~450℃로 한다. 이 온도 범위 내에서도 스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도는 200~400℃인 것이 바람직하고, 400℃인 것이 가장 바람직하다.

스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도를 5~450℃로 함으로써, 스퍼터링에 의해 박막을 형성함으로써, 밀착성이 뛰어나고, 순도가 높은 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 형성할 수 있다. 스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도를 5~450℃로 함으로써, 스칸듐 함유율 35~40원자%의 범위 내의 압전 응답성을, 스칸듐 함유율이 0%인 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성과 비교하여 향상시킬 수 있다.

또한, 스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도를 200~400℃로 함으로써, 종래 압전 응답성에 저하가 발생하고 있던 스칸듐 함유율 35~40원자% 범위에 있어서의 압전 응답성의 저하를 방지할 수 있다. 이에 의해, 제조되는 압전체 박막에 있어서의 불량품 발생률을 한층 더 저감할 수 있으므로, 압전체 박막의 제조 품질을 향상시킬 수 있다.

한편, 스퍼터링 공정은 스칸듐과 알루미늄을 이용하는 것이 좋으며, 스칸듐과 알루미늄을 동시에 스퍼터링하는 것이 바람직하다. 스칸듐과 알루미늄을 동시에 스퍼터링함으로써, 스칸듐 및 알루미늄이 일부에 편재되지 않고 균일하게 분포된 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 형성할 수 있다.

(스퍼터링 공정의 상세: 기판 온도)

계속해서, 스퍼터링 공정에 있어서의 기판 온도의 범위에 대하여 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조에 있어서, 스퍼터링 공정 시에는 기판 온도를 상온~450℃의 온도 범위로 한다. 상술한 바와 같이, 이 온도 범위 중에서도 스퍼터링 공정 시의 기판 온도를 400℃로 하는 것이 가장 바람직하다.

이하, 기판 온도를 400℃로 하는 것이 가장 바람직함을 도출한 이유에 대하여 간단히 설명한다. 도 2의 (a)는 실리콘 기판상에 Sc₀ _.43Al₀ _.57N 박막을 형성할 때의 기판 온도를 27~580℃까지의 사이로 변화시켰을 때의 X선 회절 강도를 나타내는 그래프이다. 한편, X선 회절 강도는 맥 사이언스사 제품인 M03X-HF를 이용하여 측정하였다.

도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 기판 온도 27~400℃ 사이는 단일 피크가 37.00°에서 관측되고, 400℃일 때 최대가 된다. 기판 온도가 500℃를 넘으면, 피크는 36.06° 및 37.30°의 2개의 각도에서 관측되고, 피크의 크기는 감소한다. 그리고, 기판 온도 580℃에서는, 다시 단일 피크가 37.30°에서 관측되지만, 피크의 크기는 더 감소한다.

이와 같이, 도 2의 (a)에는, 기판 온도가 400℃일 때 피크가 최대가 되고, 500℃를 넘으면 피크 위치가 높은 각도로 시프트됨과 함께, 피크의 크기가 감소하는 것이 나타나 있다. 이는, 기판 온도가 400℃인 경우에 Sc 함유 질화 알루미늄의 결정성이 가장 높아지고, 기판 온도가 500℃를 넘으면 결정의 격자 상수 c가 짧아진다고 환언할 수도 있다.

한편, 본 명세서 등에 있어서의 ‘상온’이란, JIS 규격(JIS　Z　8703)에서 규정된 온도이며, 20℃±15℃(즉, 5~35℃) 범위의 온도를 의미한다.

(스퍼터링 공정의 상세: 스칸듐 함유율)

계속해서, Sc 함유 질화 알루미늄 박막에 있어서의 스칸듐 함유율에 대하여 이하에 설명한다.

Sc 함유 질화 알루미늄 박막에 있어서의 스칸듐의 함유율은 0.5~50원자%의 범위이면 되며, 35~43원자%의 범위인 것이 더 바람직하고, 43원자%인 것이 가장 바람직하다.

여기서, 스칸듐을 함유하지 않은(즉, Sc 함유율 0원자%) 질화 알루미늄이라도 어느 정도의 압전 응답성을 나타낸다(도 1의 (a)). 이 때문에, 본 발명에 따른 압전체 박막에 있어서의 Sc 함유 질화 알루미늄 박막은, 스칸듐 함유율 0원자%인 경우의 압전 응답성을 넘도록, 스칸듐 함유율을 0.5~50원자%로 한다.

이하, 43원자%가 바람직함을 도출한 이유에 대하여 간단히 설명한다. 도 2의 (b)는 스칸듐 함유율을 0~55원자% 사이로 변화시켰을 때의 X선 회절 강도의 변화를 나타내는 그래프이다. 한편, X선 회절 강도는 마찬가지로 맥 사이언스사 제품인 M03X-HF를 이용하여 측정하였다.

도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 스칸듐 함유율 41원자%까지는 스칸듐 함유율의 증가와 함께 X선 회절 강도도 증가하고 있다. 그러나, 스칸듐 함유율이 45원자% 이상이 되면 X선 회절 강도는 급격히 저하된다. 이와 같이, 도 2의 (b)에는 스칸듐 함유율이 43원자%일 때 피크가 최대가 되는 것이 나타나 있다.

한편, 피크 위치는 스칸듐 함유율의 증가와 함께, 각도 2θ가 작아지도록 시프트한 후, 스칸듐 함유율이 37% 이상이 되면 각도 2θ가 커지도록 시프트한다. 이는, Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 결정이 우르차이트 구조(wurtzite structure)이고, c축 배향을 가지고 있음을 나타내고 있다.

이어서, 스퍼터링 공정 시의 기판 온도를 400℃로 하고, 스칸듐 함유율을 0~55원자% 사이로 변화시켰을 때의 압전 응답성에 대하여 도 1의 (a)를 참조하면서 이하에 설명한다. 도 1의 (a)에 나타내는 데이터의 측정 방법에 대해서는 하기 실시예 1에서 상술하므로, 여기에서는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1의 (a)에는, 스칸듐 함유율이 0~43원자%까지 증가하면, 이에 수반하여 압전 응답성이 증가함이 나타나 있다. 그리고, 스칸듐 함유율이 43원자%일 때, 압전체 박막의 압전 응답성이 최대치(약 28pC/N)가 된다. 이는, 종래의 기판 온도 580℃인 경우의 압전 응답성(약 25pC/N)보다 크다.

또한, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따른 압전체 박막에서는, 종래의 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막과 달리, 스칸듐 함유율 35~40원자% 사이에서 압전 응답성의 저하가 발생하지 않았다.

계속해서, 스칸듐 함유율을 0.5~50원자%의 범위로 하기 위한 방법에 대하여 이하에 설명한다. 스칸듐 함유율을 0.5~50원자%의 범위로 하기 위해서는, 스퍼터링 공정에 있어서, 알루미늄의 타겟 전력 밀도를 7.9W/㎠의 범위 내로 고정한 경우, 스칸듐의 타겟 전력 밀도를 0.05~10W/㎠의 범위 내로 하도록 하면 된다.

한편, 본 명세서 등에 있어서의 ‘전력 밀도’란, 스퍼터링 전력을 타겟 면적으로 나눈 값이다. 또한, 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 스칸듐과 알루미늄을 동시에 스퍼터링하기 때문에, 스칸듐의 타겟 전력 밀도와 알루미늄의 타겟 전력 밀도의 2종류의 타겟 전력 밀도가 있다. 본 명세서 등에서, 단지 ‘타겟 전력 밀도’라고 칭하는 경우에는, 특별히 언급이 없는 한 스칸듐의 타겟 전력 밀도를 가리키는 것으로 한다.

타겟 전력 밀도가 0.05~10W/㎠의 범위 내인 경우에는, 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위 내인 경우에 대응한다.

스칸듐 함유율을 35~40원자%로 하는 경우에는, 타겟 전력 밀도를 6.5~8.5W/㎠의 범위로 하면 좋다.

한편, 스퍼터링 공정에 있어서, 기판 온도가 상온~450℃의 범위이고, 타겟 전력 밀도가 상기 범위 내이면, 그 밖의 조건은 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 스퍼터링 압력 및 스퍼터링 시간은 제작하는 압전체 박막에 따라 적절히 설정할 수 있다.

(본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제작된 압전체 박막의 장점)

상술한 바와 같이, Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막에 있어서의 스퍼터링 공정 시의 기판 온도를 상온~450℃의 범위로 함으로써, 스칸듐 함유율이 35~40원자%일 때 생기는 압전 응답성의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, Sc을 함유시키지 않은 질화 알루미늄 박막과 비교하여, 스칸듐 함유율이 35~40원자%인 압전체 박막에 있어서의 압전 응답성을 향상시킬 수 있다.

이에 의해, Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 제조시 Sc 함유율의 치밀한 설정을 불필요하게 할 수 있으므로, 한층 더 용이하게 압전 응답성이 향상된 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막을 제조할 수 있다.

또한, Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 공업적 생산시, 치밀한 스칸듐 함유율을 설정할 필요가 없으므로, 압전체 박막의 제조에 필요한 비용을 저감할 수 있다. 또한, 제조되는 압전체 박막에 있어서의 불량품 발생률을 저감할 수 있으므로, 압전체 박막의 제조 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 200~400℃의 범위인 것이 더 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 종래의 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막에서 발생하고 있던, 스칸듐 함유율 35원자%~40원자% 범위에 있어서의 압전 응답성의 저하를 방지할 수 있다.

이에 의해, 제조되는 압전체 박막에 있어서의 불량품 발생률을 더욱 저감할 수 있으므로, 압전체 박막의 제조 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 400℃인 것이 더 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막에 있어서의 압전 응답성의 최대치를 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

본 발명에 따른 압전체 박막의 제조 방법에서는, 또한 상기 스퍼터링 공정에서, 상기 스칸듐 함유율이 35~40원자%의 범위가 되도록 스퍼터링하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 압전체 박막에 대해서도 본 발명의 범주에 포함된다.

또한, 제조된 압전체 박막은 X선 록킹 커브의 반치전폭이 3.2도 이하인 것이 바람직하다.

또한, 제조된 압전체 박막은 표면의 산술 평균 거칠기가 1.2㎚보다 작은 값인 것이 바람직하다.

실시예

[실시예 1]

(스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄 박막의 제작 방법)

실리콘 기판에 대하여, 질소 분위기하에서 알루미늄 및 스칸듐을 스퍼터링 하여, 실리콘 기판상에 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 제작하였다.

스퍼터링에는 듀얼 RF 마그네트론 반응성 스퍼터링 장치(ULVAC사 제품, MPS 시리즈)를 이용하였다. 스퍼터링 조건은 기판 온도 400℃, 질소 가스 농도 40%, 입자 성장 압력 0.25Pa로 하였다. 이때, 알루미늄 및 스칸듐은 직경 50.8㎜의 타겟으로, 각각 160W의 타겟 전력으로 스퍼터링하였다.

또한, 스퍼터링 챔버는 1.2×10^-6Pa 이하로 감압하고, 99.999%의 아르곤 및 99.999%의 질소 가스를 도입하였다. 한편, 타겟은 증착 전에, 증착 조건과 동일한 조건에서 3분간 스퍼터링하였다.

한편, 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막 중의 스칸듐 함유율은 에너지 분산형 형광 X선 분석 장치(Horida사 제품, EX-320X)에 의해 분석한 결과에 근거하여 산출하였다.

(압전 응답성 측정 방법)

제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성은 피에조미터(Piezoptest사 제품　PM100)를 이용하여, 하중 0.25N, 주파수 110Hz로 측정하였다.

(X선에 의한 결정 구조 해석)

제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막에 있어서의 Sc 함유 질화 알루미늄의 결정 구조 및 배향은 X선원으로서 CuKα선을 사용한 전자동 X선 회절 장치(맥 사이언스사 제품, M03X-HF)에 의해 측정하였다.

측정된 X선 회절 패턴에 근거하여 결정 격자에 있어서의 c축의 길이를 산출하였다. 또한, X선 록킹 커브의 반치전폭(FWHM)을 측정하였다.

[비교예 1]

스퍼터링시의 실리콘 기판의 온도를 580℃로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 제조 방법에 의해 Sc 함유 질화 알루미늄 박막을 제작하였다.

또한, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성을 측정하였다. 또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 결정 격자에 있어서의 c축의 길이 및 X선 록킹 커브의 반치전폭(FWHM)에 대해서도 측정하였다.

[실시예 1 및 비교예 1의 측정 결과]

실시예 1에서 측정된 압전 응답성을 도 1의 (a)에 나타내고, 비교예 1에서 측정된 압전 응답성을 도 1의 (b)에 나타낸다.

도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 스퍼터링 공정 시의 기판 온도를 400℃로 함으로써, 기판 온도를 580℃로 했을 때 관찰된 Sc 함유율 35~40원자%에 있어서의 압전 응답성의 저하를 방지할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 기판 온도를 400℃로 하여 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막에서는, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, Sc 함유율 35~40원자%에서의 압전 응답성의 저하를 방지할 뿐만 아니라, 스칸듐을 함유시키지 않았을 때와 비교하여 압전 응답성의 향상을 확인할 수 있었다.

이어서, 실시예 1에서 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막과 비교예 1에서 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 X선 회절 패턴에 근거하여 산출한 파라미터에 대하여 도 3의 (a) 및 (b)에 나타낸다. 도 3의 (a)는 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄의 결정 격자에 있어서의 c축의 길이를 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는 제작한 Sc 함유 질화 알루미늄의 X선 록킹 커브의 FWHM(반치전폭)을 나타내는 그래프이다.

도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1(기판 온도 400℃) 및 비교예 1(기판 온도 580℃)은 모두, Sc 함유율이 30원자%를 넘으면 격자 상수 c의 값은 급격히 저하되고 있다. 그러나, 실시예 1과 비교예 1 사이에는 Sc 함유율의 증가에 수반하는 격자 상수 c의 값의 증감에 거의 차이가 보이지 않았다.

그러나, X선 록킹 커브의 FWHM은 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1 사이에서 크게 차이가 났다. 실시예 1(기판 온도 400℃)에서는, Sc 함유율의 증가와 함께 FWHM이 서서히 저하되고, Sc 함유율 43원자%를 넘으면 급격히 FWHM의 값이 증가하였다. 한편, 비교예 1(기판 온도 580℃)에서는, FWHM의 값이, Sc 함유율 30원자%를 넘으면 급격히 증가하고, 35원자%를 넘으면 급격히 감소하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지로, Sc 함유율이 43원자%를 넘으면, 다시 급격히 증가하였다.

한편, 록킹 커브의 FWHM은 주식회사 맥 사이언스사 제품인 전자동 X선 회절 장치(MXP3VA-B형)를 사용하여 측정하였다. X선 회절 장치에 있어서, X선원으로서는 Cu-Kα를 사용하고, 슬릿은 D: 1°, S: 1°, R: 0.3°를 사용하였다.

[실시예 2]

스퍼터링시의 기판 온도를 400℃로 하고, 스칸듐 함유율이 0원자%, 36원자%, 43원자%인 Sc 함유 질화 알루미늄 박막에 있어서의 표면 거칠기를 측정하였다. 또한, Sc 함유 질화 알루미늄의 입자 사이즈(입경)에 대해서도 측정하였다.

표면 거칠기는 원자간력 현미경(AFM)을 이용하여 측정하였다. 한편, 본 명세서 등에 있어서의 ‘표면 거칠기’란, 산술 평균 거칠기(Ra)를 의미하고 있다.

한편, 표면 거칠기의 측정에는 주식회사 SII 제품인 SPI3800N을 사용하고, 캔틸레버로 올림푸스사의 SN-AF-01(길이 100미크론, 주파수 34kHz, Spring constant: 0.08N/m)을 사용하였다.

[비교예 2]

스퍼터링시의 기판 온도를 580℃로 한 것 이외에는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 표면 거칠기 및 입경을 측정하였다.

[실시예 2 및 비교예 2의 측정 결과]

실시예 2 및 비교예 2에서 측정한 표면 거칠기의 결과를 도 4의 (a) 내지 (g)에 나타낸다. 도 4의 (a) 내지 (g)는 실시예 2 및 비교예 2의 표면 거칠기 및 결정의 입경을 원자간력 현미경을 이용하여 측정한 사진 및 그래프로서, (a)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 0원자%인 경우이고, (b)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 36원자%인 경우이고, (c)는 기판 온도 580℃에서 Sc 함유율 43원자%인 경우이고, (d)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 0원자%인 경우이고, (e)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 36원자%인 경우이고, (f)는 기판 온도 400℃에서 Sc 함유율 43원자%인 경우이다. 또한, 도 4의 (g)는 스퍼터링시의 기판 온도를 400℃ 또는 580℃로 했을 때의 Sc 함유율과 Sc 함유 질화 알루미늄의 입경의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4의 (g)에 나타내는 바와 같이, 기판 온도가 높은 편이 입경도 커짐을 알 수 있다. 또한, 기판 온도에 관계없이, 스칸듐 함유율이 증가함에 따라 입경이 커짐을 알 수 있다.

또한, 도 4의 (a)와 도 4의 (d) 및 도 4의 (c)와 도 4의 (f)에 나타내는 바와 같이, 스칸듐 함유율이 0원자% 및 43원자%인 경우에는, 기판 온도가 400℃이든 580℃이든 표면 거칠기에 거의 차이가 보이지 않았다. 그러나, 도 4의 (b) 및 도 4의 (e)에 나타내는 바와 같이, 스칸듐 함유율이 36원자%인 경우에는, 기판 온도 400℃에서는 표면 거칠기가 0.5㎚인데 대해, 기판 온도 580℃에서는 표면 거칠기가 2.7㎚였다. 또한, 도 4의 (g)에 나타내는 바와 같이, 기판 온도가 580℃이고 스칸듐 함유율이 36원자%인 경우에는, 입자 사이즈가 불균일해졌다.

도 4의 (a) 내지 (g)로부터, 기판 온도를 580℃로 했을 때의 스칸듐 함유율 35~40원자%인 Sc 함유 질화 알루미늄 박막에 있어서의 압전 응답성의 저하가, 입자 성장의 불균일성에 기인하는 것임을 알 수 있다.

[실시예 3]

스퍼터링시의 기판 온도를, 상온(20℃), 200℃, 400℃, 450℃, 500℃ 및 580℃로 했을 때의 Sc 함유율이 37원자%인 Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성을 측정하였다. 한편, Sc 함유 질화 알루미늄 박막의 제조시, 기판 온도 이외의 조건 및 압전 응답성의 측정 조건은 실시예 1과 동일하다.

기판 온도를 상온(20℃), 200℃, 400℃, 450℃, 500℃ 및 580℃로 했을 때의 압전 응답성을 나타내는 그래프를 도 5에 나타낸다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 압전 응답성은 상온에서 400℃까지는 기판 온도의 증가와 함께 증가하고, 400℃에서 최대치를 나타내었다. 기판 온도가 400℃를 넘으면 압전 응답성은 급격히 감소하고, 500℃에서는 Sc 함유율이 0원자%인 질화 알루미늄 박막의 압전 응답성을 밑도는 값이 되었다. 도 5에 나타내는 결과로부터, Sc 함유율 35~40원자%에 있어서 Sc 함유율이 0원자%인 경우보다 압전 응답성이 저하되는 현상은, 스퍼터링시의 기판 온도를 상온(20℃)~450℃의 범위로 함으로써 방지할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 구체적인 실시 형태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확히 하는 것으로서, 그러한 구체예에만 한정하여 협의로 해석되어서는 안 되는 것이고, 본 발명의 정신과 이하에 기재하는 청구 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 것이다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 압전체 박막은, 예를 들어 RF-MEMS 디바이스 등의 압전 현상을 이용한 디바이스에서 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 압전체 박막을 구비한 RF-MEMS 디바이스는, 휴대전화 등의 소형이면서 고성능인 전자기기류에 바람직하게 이용할 수 있다.

Claims

기판상에 스칸듐을 함유하는 질화 알루미늄 박막을 구비한 압전체 박막의 제조 방법으로서,
적어도 질소 가스를 포함하는 분위기하에서, 스칸듐의 원자수와 상기 질화 알루미늄 박막에 있어서의 알루미늄의 원자수의 총량을 100원자%로 했을 때의 스칸듐 함유율이 0.5~50원자%의 범위가 되도록, 알루미늄과 스칸듐으로 스퍼터링하는 스퍼터링 공정을 포함하고,
상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 5~450℃의 범위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 200~400℃의 범위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스퍼터링 공정에 있어서의 상기 기판 온도가 400℃인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스퍼터링 공정에서, 상기 스칸듐 함유율이 35~40원자%의 범위가 되도록 스퍼터링하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는 압전체 박막.
제5항에 있어서,
X선 록킹 커브의 반치전폭이 3.2도 이하인 것을 특징으로 하는 압전체 박막.
제5항 또는 제6항에 있어서,
표면의 산술 평균 거칠기가 1.2㎚보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 압전체 박막.