KR20170073063A - 음향 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음향 공진기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 음향 공진기는 제1 전극, 제2 전극 및 압전층을 포함하는 공진부; 및 이 공진부의 일측에 배치되는 복수의 시드층을 포함하여서, 압전층의 고결정성 확보가 가능함에 따라 음향파의 손실을 최소화하고 음향 공진기의 kt2값 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

음향 공진기 및 그 제조 방법 {ACOUSTIC RESONATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 음향 공진기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 박막 벌크 음향 공진기(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)가 알려져 있다.
박막 벌크 음향 공진기란 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키도록 된 박막형태의 소자로 구현한 것이다.
이용분야로는 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 소형 경량의 필터, 오실레이터, 공진소자, 음향 공진 질량센서 등이 있다.
한편, 박막 벌크 음향 공진기의 특성과 성능을 높이기 위한 여러 가지 구조적 형상 및 기능에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 특히 다양한 주파수와 대역을 확보하기 위한 구조와 재료 또는 제조 방법에 대한 연구가 요구되고 있다.
(특허문헌 1) 미국 특허공보 제6,239,536호
이에 본 발명은 압전체의 결정성을 높여 전체적인 성능을 높일 수 있는 음향 공진기를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.
본 발명에 따른 음향 공진기는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압전층을 포함하는 공진부; 및 상기 공진부의 일측에 배치되는 복수의 시드층을 포함한 것을 특징으로 하여, 압전층의 결정성을 확보할 수 있으며, 이로써 음향 공진기의 kt2(electro-mechanical coupling coefficient)값을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음향 공진기의 제조 방법은, 기판의 상부에 희생층을 형성하는 단계; 상기 기판 또는 상기 희생층의 상부에 복수의 시드층을 형성하는 단계; 상기 복수의 시드층 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극의 상부에 압전층을 형성하는 단계; 및 상기 압전층의 상부에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여, 단순한 공정으로 높은 kt2값을 가진 음향 공진기를 제공할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 압전층의 고결정성 확보가 가능함에 따라 음향파의 손실을 최소화하고 음향 공진기의 kt2값 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 공진기의 단면도이다.
도 2은 도 1의 요부를 도시한 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기의 단면도이다.
도 4는 도 3의 요부를 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기의 변형예를 도시한 확대 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시적인 도면들을 통해 상세하게 설명된다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
데이터 전송량과 데이터 전송속도를 증가시키기 위해, 예컨대 박막 벌크 음향 공진기(FBAR)와 같은 음향 공진기의 대역폭은 넓을 필요가 있다.
이와 같이 넓은 대역폭을 확보하기 위해서는, 음향 공진기의 kt2값이 증가되어야 한다.
하지만, 통상적으로 음향 공진기의 kt2값은 품질 계수(QF: Quality Factor)와 서로 상충관계에 있을 수 있어서, 품질 계수의 희생 없이 음향 공진기의 kt2값을 높일 수 있는 기술이 요구된다.
kt2값을 향상시키기 위한 한 방편으로, 압전층 자체의 결정성을 높이기 위한 방법이 연구되고 있다.
본 발명에서는 압전층의 결정성 확보를 통한 kt2값을 향상시키기 위해 전극 아래에 복수의 시드층을 추가하는 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 공진기의 단면도이고, 도 2은 도 1의 요부를 도시한 확대 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 공진기(100)는, 제1전극(121), 제2전극(122) 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 압전층(123)을 포함하는 공진부(120); 및 이 공진부의 일측에 배치되는 복수의 시드층(140)을 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 공진기(100)는 복수의 시드층(140)에서 공진부(120)의 반대쪽에 배치된 기판(110)을 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판으로 형성될 수 있다.
이러한 기판(110)과 복수의 시드층(140) 사이에는 에어 갭(130)이 형성될 수 있으며, 이 에어 갭을 통해 복수의 시드층은 기판과 적어도 일부가 이격되게 배치된다.
복수의 시드층(140)과 기판(110) 사이에 에어 갭(130)이 형성됨으로써, 압전층(123)에서 발생하는 음향파(Acoustic Wave)가 기판의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 에어 갭(130)을 통하여 공진부(120)에서 발생하는 음향파의 반사특성이 향상될 수 있다.
에어 갭(130)은 비어 있는 공간으로서 임피던스가 무한대에 가깝기 때문에, 에어 갭으로 인해 음향파는 손실되지 않고서 공진부(120) 내에 잔존할 수 있다.
따라서, 에어 갭(130)을 통해 종방향으로의 음향파 손실을 최소화시킬 수 있게 되며, 이로써 공진부(120)의 품질 계수(QF)를 향상시킬 수 있다.
공진부(120)는 전술한 바와 같이 제1전극(121)과 제2전극(122) 및 압전층(123)을 포함하는데, 공진부는 아래에서부터 제1전극과 압전층 및 제2전극이 순서대로 적층되어 형성될 수 있다.
이에 따라 제1전극(121)과 제2전극(122) 사이에 압전층(123)이 배치될 수 있다.
이러한 공진부(120)는 제1전극(121)과 제2전극(122)에 인가되는 전기 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
제1전극(121) 및 제2전극(122)은 금, 몰리브덴, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 압전층(123)의 음향파를 이용하는데, 예를 들어 제1전극(121)과 제2전극(122)에 신호가 인가되면, 압전층의 두께방향으로 기계적 진동이 발생하여 음향파가 생성된다.
여기서, 압전층(123)은 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 이산화 실리콘(SiO2), 도핑된 산화 아연(예컨대 W-ZnO), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN) 등과 같은 압전체 재질로 형성될 수 있다.
압전층(123)의 공진 현상은 인가된 신호 파장의 1/2이 압전층의 두께와 일치할 때 발생한다.
이러한 공진 현상이 발생할 때, 전기적 임피던스가 급격하게 변하므로 본 발명의 음향 공진기는 주파수를 선택할 수 있는 필터로 사용될 수 있다.
공진 주파수는 압전층(123)의 두께, 그리고 압전층을 감싸고 있는 제1전극(121)과 제2전극(122) 및 압전층(123)의 고유 탄성파 속도 등에 의해 결정된다.
일 예로 압전층(123)의 두께가 얇으면 얇을수록 공진 주파수는 커지게 된다.
또한, 압전층(123)이 공진부(120) 내에만 배치되므로, 압전층에 의해 형성된 음향파가 공진부의 외부로 누설되는 것을 최소화할 수 있다.
공진부(120)는 보호층(147)을 더 포함할 수 있다.
이 보호층(124)은 제2전극(122)을 덮어씌워 제2전극이 외부 환경에 노출되는 것을 방지한다.
제1전극(121)과 제2전극(122)은 압전층(123)의 외측으로 연장 형성되고, 연장된 부분에 각각 제1접속부(180)와 제2접속부(190)가 연결된다.
이들 제1접속부(180)와 제2접속부(190)는 공진기와 필터의 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행하기 위해 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 시드층(140)이 공진부(120)의 일측, 즉 제1전극(121)의 아래에 배치되게 된다.
복수의 시드층(140)은 제1시드층(141)과 제2시드층(142)을 포함할 수 있는데, 제1시드층과 제2시드층은 평면화된 기판(110) 또는 희생층(미도시) 상에 스퍼터링 됨으로써 형성될 수 있다.
제1시드층(141)은 질화 알루미늄(AlN), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN) 또는 기타 동일한 결정성 물질, 예를 들면 알루미늄 옥시나이트라이드(ALON), 이산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(Si3N4), 탄화 실리콘(SiC) 등을 이용하여 제조할 수 있다.
제2시드층(142)은 제1시드층(141)과 동일한 결정성 물질, 예를 들어 제1시드층이 질화 알루미늄(AlN)으로 형성된 경우에, 마그네슘, 티타늄, 아연 등과 같이 동일한 기하형태의 단위격자(Unit Cell)를 가진 육방정계의 금속으로 형성될 수 있다.
도 1 또는 도 2에서는 제2시드층(142) 위에 제1시드층(141)이 적층된 예를 도시하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 반대로 제1시드층 위에 제2시드층이 적층되도록 형성되어도 무방하다.
이들 시드층 중 적어도 하나가 압전체 재료로 형성됨으로써, 전극으로 작용하지 않고 오히려 압전층으로서 그 기능을 발휘하여, 압전층(123)의 압전 특성에 영향을 주는 것과 같게 된다.
이에 따라, 이들 시드층의 막두께가 너무 두꺼워지면 압전층의 압전 특성의 영향이 커져 버리기 때문에, 그 영향이 필요 이상으로 커지지 않도록 제1시드층(141)의 두께는 10 ~ 1,000 Å 정도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 티타늄 등과 같이 육방정계의 금속으로 된 제2시드층(142)은 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장해야 하는데, 그 두께가 1,000 Å 이상으로 되면, (001) 방향 이외에 (010) 방향으로도 성장하게 되어, 제1시드층(141)과의 격자 불일치(Lattice Mismatch)를 증가시킬 수 있다.
이는 결국 그 위에서 성장하는 제1전극(121)과 압전층(123)의 결정성 저하의 원인이 되므로, 제2시드층(142)의 두께도 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장하게 되는 1,000 Å 이하로 하는 것이 바람직하다.
압전층(123)의 결정성을 높이기 위해서는 그 아래에 놓인 제1전극(121)의 결정성이 확보되어야 하는데, 이를 위해 본 발명에서는 제1전극의 아래에 복수의 시드층(140)을 사용한다.
예를 들어, 압전층(123)이 질화 알루미늄(AlN)으로 형성되고, 제1전극(121)이 몰리브덴으로 형성되는 경우에, 질화 알루미늄으로 된 압전층의 박막은 초기에 다결정(Polycrystalline) 성장 특성을 보이다가 성장 속도가 가장 빠른 (001) 방향으로 정렬한다.
만약 시드층 없이 몰리브덴으로 된 제1전극(121)을 성장시키면 몰리브덴의 결정성 저하로 그 위에 증착하게 되는 질화 알루미늄의 압전층(123)도 결정성이 매우 좋지 않게 된다.
하지만, 예컨대 질화 알루미늄으로 된 제1시드층(141)을 사용하게 되면, (001) 방향, 즉 적층방향으로 성장하기 시작한 질화 알루미늄 시드가 몰리브덴으로 된 제1전극(121)의 결정성 확보를 가능하게 하고, 그 위에 올라간 질화 알루미늄의 압전층(123)도 고결정성을 가지게 된다.
이렇게 압전층(123)의 결정성이 우수하게 되면, 음향 공진기(100)의 kt2값이 커지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 질화 알루미늄과 몰리브덴은 격자 불일치가 12.45%로 매우 크기 때문에, 질화 알루미늄으로 된 압전층의 두께를 두껍게 하여 압전 특성을 높이는 방법을 적용할 수 있지만, 크기의 한계가 있어 이러한 방법으로만 접근하기에는 어려움이 있다.
그런데, 몰리브덴과 티타늄의 격자 불일치는 7.64%이므로 몰리브덴의 결정성을 확보하기가 유리하게 된다.
몰리브덴이 (110) 방향으로 정렬되면, 그 위에 질화 알루미늄의 결정성을 확보하는 것도 유리하다.
엑스레이 회절시험에 의하면, 티타늄은 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장하게 하고 그 위에 몰리브덴과 질화 알루미늄을 증착할 때, 질화 알루미늄 시드의 위에 올렸을 때와 마찬가지로, 질화 알루미늄은 (001) 방향으로만, 그리고 몰리브덴은 (110) 방향으로만 성장하게 되면서 질화 알루미늄 시드만 사용한 것보다 향상된 압전층의 결정성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 질화 알루미늄과 티타늄의 격자 불일치는 5.49%로서, 몰리브덴과 티타늄의 격자 불일치인 7.64%보다 낮은 것을 알 수 있다.
더구나, 질화 알루미늄과 티타늄은 동일한 육방정계(Hexagonal System)를 가지고 있어, 두 물질을 적층할 때 결정성 확보가 유리함을 알 수 있다.
따라서 본 발명에서는 압전층(123)의 결정성 확보를 통한 kt2값의 향상을 위하여 예컨대 질화 알루미늄 등으로 된 제1시드층(141)의 아래에 격자 불일치가 낮은 예컨대 티타늄 등으로 된 제2시드층(142)이, 즉 복수의 시드층이 마련된 것을 특징으로 하고 있다.
예를 들어, 질화 알루미늄으로 된 제1시드층(141)의 아래에 격자 불일치가 낮은 티타늄으로 된 제2시드층(142)을 채용하게 되면, 티타늄은 (001) 방향, 즉 적층방향으로 성장하고, 티타늄과 질화 알루미늄은 낮은 격자 불일치를 갖기 때문에, 질화 알루미늄으로 된 제1시드층은 초기의 다결정 성장 없이 바로 (001) 방향, 즉 적층방향으로 성장할 것이다.
이에 따라 질화 알루미늄으로 된 제1시드층(141)의 고결정성이 확보되고, 그 위에 성장한 몰리브덴으로 된 제1전극(121)과 질화 알루미늄으로 된 압전층(123)의 결정성이 향상되게 되어, 음향파의 손실이 커지지 않으면서도 높은 kt2값을 얻을 수 있게 되는 것이다.
이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 기판(110)의 상부에 희생층(미도시)을 형성하는데, 이 희생층의 재질로는 이산화 실리콘, 폴리실리콘 또는 폴리머 등이 사용될 수 있다.
이러한 희생층은 추후의 식각 공정을 통해 제거되어 에어 갭(130)을 형성하게 된다.
이어서, 기판(110) 또는 희생층의 상부에 복수의 시드층(140)을 순차적으로 형성하는데, 시드층을 제조하는 기술 및 프로세스는 당해 기술 분야에서는 널리 알려져 있고, 예를 들면 스퍼터링 기술이 이를 위해 이용될 수 있다.
특히 스퍼터링의 공정 조건, 예를 들면 온도, 진공도, 전원의 세기, 주입되는 가스량 등을 적당하게 제어함으로써, 복수의 시드층(140)을 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장시킬 수 있다.
이와 같이 대부분이 원하는 배향, 즉 (001) 방향으로 배향하고 있으면, 후술하는 바와 같이 복수의 시드층(140) 위에 압전층(123)을 형성할 때, 압전층이 시드층(140)의 결정 구조를 계승해 동일한 결정 구조로 배향되게 된다.
본 제1실시예에 있어서 제1시드층(141)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(Si3N4), 탄화 실리콘(SiC), 알루미늄 옥시나이트라이드(ALON) 등 다양한 재질이 이용될 수 있다.
또, 본 제1실시예에 있어서 제2시드층(142)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 마그네슘이나 아연 등과 같은 금속이 이용될 수 있다.
예를 들어, 복수의 공진기를 포함한 필터인 경우에, 높은 kt2값이 필요한 공진기에만 선택적으로 제2시드층(142)을 형성해야 한다면, 스퍼터링에 의해 티타늄으로 제2시드층을 형성한 후 패터닝을 수행하여 필요한 부분에만 제2시드층을 남기고 후속 공정을 진행하여도 된다.
그 후에, 복수의 시드층(140)의 상부에 제1전극(121)과 압전층(123)을 순차적으로 형성한다.
제1전극(121)은 시드층(140)의 상부에 도전층을 증착함으로써 형성될 수 있으며, 마찬가지로 압전층(123)은 제1전극(121) 상에 압전 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
본 제1실시예에 있어서 제1전극(121)은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
또, 본 제1실시예에 있어서 압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 산화 아연(ZnO)이나 이산화 실리콘(SiO2), 도핑된 산화 아연(예컨대 W-ZnO), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN) 등 다양한 압전 재질이 이용될 수 있다.
여기서, 제1전극(121)과 압전층(123)은 각각 도전층 또는 압전층의 상부에 포토레지스트를 증착하며, 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝을 수행한 후, 패터닝 된 포토레지스트를 마스크로 하여 불필요한 부분을 제거함으로써 필요한 패턴으로 형성될 수 있다.
이를 통해, 압전층(123)은 제1전극(121)의 상부에만 남게 되며, 이에 제1전극은 압전층의 주변으로 더 돌출되는 형태로 남게 된다.
다음으로, 제2전극(122)을 형성한다.
제2전극(122)은 압전층(123)과 제1전극(121)의 위에 도전층을 형성한 다음, 도전층 상에 포토레지스트를 증착하고 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝을 수행한 후, 패터닝 된 포토레지스트를 마스크로 하여 필요한 패턴으로 형성될 수 있다.
본 제1실시예에 있어서 제2전극(122)은 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 몰리브덴, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
제2전극(122)과 압전층(123)의 상부에 보호층(124)을 형성할 수도 있다.
보호층(124)은 절연 물질로 형성될 수 있는데, 여기서 절연 물질로는 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열의 물질이 포함될 수 있다.
그 후에, 예컨대 주파수 트리밍에 이용될 수 있는 접속부(180, 190)들을 형성한다.
제1접속부와 제2접속부(180, 190)는 각각 보호층(124)을 관통하여 제1전극과 제2전극(121, 122)에 접합된다.
제1접속부(180)는 식각을 통해 보호층(124)을 부분적으로 제거하여 구멍을 형성함으로써 제1전극(121)을 외부로 노출시킨 후, 금(Au) 또는 구리(Cu) 등을 제1전극 상에 증착하여 형성할 수 있다.
마찬가지로, 제2접속부(190)도 식각을 통해 보호층(124)을 부분적으로 제거하여 구멍을 형성하고 제2전극(122)을 외부로 노출시킨 후, 금(Au) 또는 구리(Cu) 등을 제2전극 상에 증착하여 형성할 수 있다.
이들 접속부(180, 190)를 이용하여 공진부(120) 또는 필터의 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행한 후, 에어 갭(130)을 형성한다.
에어 갭(130)은 전술한 바와 같이 희생층을 제거함에 따라 형성되며, 이에 본 발명의 제1실시예에 따른 공진부(120)가 완성된다.
여기서 희생층은 건식 식각을 통해 제거될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어 희생층을 폴리실리콘으로 형성하는 경우, 이 희생층은 이불화 제논(XeF2) 등과 같은 건식 식각용 가스를 통해 제거될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 음향 공진기와 그 제조 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기의 단면도이고, 도 4는 도 3의 요부를 도시한 확대 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기(200)는, 제1전극(121), 제2전극(122) 및 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 압전층(123)을 포함하는 공진부(120); 이 공진부의 일측에 배치되는 복수의 시드층(140); 및 이들 시드층에서 공진부의 반대쪽에 배치되는 멤브레인(150)을 포함하고 있다.
본 발명의 제2실시예에서는 멤브레인(150)이 복수의 시드층(140) 아래에 배치되는 점만 제외하고, 나머지 구성요소들은 전술한 제1실시예의 구성요소들과 동일하다.
이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기(200)를 설명함에 있어, 제1실시예에 의한 음향 공진기(100)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기(200)도 복수의 시드층(140)에서 공진부(120)의 반대쪽에 배치된 기판(110)을 더 포함할 수 있으며, 멤브레인(150)이 복수의 시드층과 기판 사이에 개재되게 된다.
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판으로 형성될 수 있다.
이러한 기판(110)과 멤브레인(150) 사이에는 에어 갭(130)이 형성될 수 있으며, 이 에어 갭을 통해 멤브레인은 기판과 적어도 일부가 이격되게 배치된다.
또, 공진부(120)가 멤브레인(150) 상에 형성되므로, 공진부 역시 에어 갭(130)을 통해 기판(110)과 이격되게 된다.
기판(110)과 멤브레인(150) 사이에 에어 갭(130)이 형성됨으로써, 압전층(123)에서 발생하는 음향파(Acoustic Wave)가 기판의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 에어 갭(130)을 통하여 공진부(120)에서 발생하는 음향파의 반사특성이 향상될 수 있다.
에어 갭(130)은 비어 있는 공간으로서 임피던스가 무한대에 가깝기 때문에, 에어 갭(130)으로 인해 음향파는 손실되지 않고서 공진부(120) 내에 잔존할 수 있다.
따라서, 에어 갭(130)을 통해 종방향으로의 음향파 손실을 최소화시킬 수 있게 되며, 이로써 공진부(120)의 품질 계수(QF)를 향상시킬 수 있다.
멤브레인(150)은 에어 갭(130)의 상부에 위치하여 에어 갭의 형상을 유지시키고, 공진부(120)의 구조를 지지하는 역할을 한다.
이러한 멤브레인(150)은 이산화 실리콘(SiO2) 등으로 구성될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 희생층을 식각하여 에어 갭(130)을 형성할 때, 멤브레인(150)이 식각 스토퍼로서 기능할 수 있도록 멤브레인은 복수의 멤브레인층으로 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 멤브레인은 예컨대 이산화 실리콘(SiO2) 등으로 형성된 제1멤브레인층(151)과, 예컨대 질화 실리콘(SiNX) 등으로 형성되고서 제1멤브레인층 위에 형성된 제2멤브레인층(152)을 포함할 수 있다.
물론, 기판(110)을 보호하기 위해 기판상에도 식각 스토퍼로서 기능하는 저지층(160)이 형성될 수 있으며, 이 저지층에는 산화 실리콘(SiOX) 또는 질화 실리콘(SiNX) 등이 포함될 수 있다.
공진부(120)는 전술한 바와 같이 제1전극(121)과 압전층(123) 및 제2전극(122)을 포함하는데, 공진부는 아래에서부터 제1전극과 압전층 및 제2전극이 순서대로 적층되어 형성될 수 있다.
이러한 공진부(120)는 제1전극(121)과 제2전극(122)에 인가되는 전기 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
제1전극(121) 및 제2전극(122)은 금, 몰리브덴, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 압전층(123)의 음향파를 이용하는데, 예를 들어 제1전극(121)과 제2전극(122)에 신호가 인가되면, 압전층의 두께방향으로 기계적 진동이 발생하여 음향파가 생성된다.
여기서, 압전층(123)은 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN) 및 이산화 실리콘(SiO2), 도핑된 산화 아연(예컨대 W-ZnO), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN) 등과 같은 압전체 재질로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 보호층(124)을 더 포함할 수 있다.
이 보호층(124)은 제2전극(122)을 덮어씌워 제2전극이 외부 환경에 노출되는 것을 방지한다.
제1전극(121)과 제2전극(122)은 압전층(123)의 외측으로 연장 형성되고, 연장된 부분에 각각 제1접속부(180)와 제2접속부(190)가 연결된다.
이들 제1접속부(180)와 제2접속부(190)는 공진기와 필터의 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행하기 위해 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 시드층(140)이 공진부(120)와 멤브레인(150)의 사이, 즉 제1전극(121)의 아래와 멤브레인(150)의 위에 배치되게 된다.
복수의 시드층(140)은 제1시드층(141)과 제2시드층(142)을 포함할 수 있는데, 제1시드층과 제2시드층은 평면화된 기판(110) 또는 희생층(미도시) 상에 스퍼터링됨으로써 형성될 수 있다.
제1시드층(141)은 질화 알루미늄(AlN), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN), 또는 기타 동일한 결정성 물질, 예를 들면 알루미늄 옥시나이트라이드(ALON), 이산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(Si3N4), 탄화 실리콘(SiC) 등을 이용하여 제조할 수 있다.
제2시드층(142)은 제1시드층(141)과 동일한 결정성 물질, 예를 들어 제1시드층이 질화 알루미늄(AlN)으로 형성된 경우에, 마그네슘, 티타늄, 아연 등과 같이 동일한 기하형태의 단위격자(Unit Cell)를 가진 육방정계의 금속으로 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 5에서는 제2시드층(142) 위에 제1시드층(141)이 적층된 예를 도시하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 반대로 제1시드층 위에 제2시드층이 적층되도록 형성되어도 무방하다.
이들 시드층(140) 중 적어도 하나가 압전체 재료로 형성됨으로써, 전극으로 작용하지 않고 오히려 압전층으로서 그 기능을 발휘하여, 압전층(123)의 압전 특성에 영향을 주는 것과 같게 된다.
이에 따라, 이들 시드층의 막두께가 너무 두꺼워지면 압전층(123)의 압전 특성의 영향이 커져 버리기 때문에, 그 영향이 필요 이상으로 커지지 않도록 제1시드층(141)의 두께는 10 ~ 1,000 Å 정도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 티타늄 등과 같이 육방정계의 금속으로 된 제2시드층(142)은 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장해야 하는데, 그 두께가 1,000 Å 이상으로 되면, (001) 방향 이외에 (010) 방향으로도 성장하게 되어, 제1시드층(141)과의 격자 불일치를 증가시킬 수 있다.
이는 결국 그 위에서 성장하는 제1전극(121)과 압전층(123)의 결정성 저하의 원인이 되므로, 제2시드층(142)의 두께도 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장하는 1,000 Å 이하로 하는 것이 바람직하다.
압전층(123)의 결정성을 높이기 위해서는 그 아래에 놓인 제1전극(121)의 결정성이 확보되어야 하는데, 이를 위해 본 발명에서는 제1전극의 아래에 복수의 시드층(140)을 사용한다.
특히, 본 발명에서는 압전층(123)의 결정성 확보를 통한 kt2값의 향상을 위하여 예컨대 질화 알루미늄 등으로 된 제1시드층(141)의 아래에 격자 불일치가 낮은 예컨대 티타늄 등으로 된 제2시드층(142)이, 즉 복수의 시드층이 마련된 것을 특징으로 하고 있다.
예를 들어, 질화 알루미늄으로 된 제1시드층(141)의 아래에 격자 불일치가 낮은 티타늄으로 된 제2시드층(142)을 채용하게 되면, 티타늄은 (001) 방향, 즉 적층방향으로 성장하고, 티타늄과 질화 알루미늄은 낮은 격자 불일치를 갖기 때문에, 질화 알루미늄으로 된 제1시드층은 초기의 다결정 성장 없이 바로 (001) 방향, 즉 적층방향으로 성장할 것이다.
이에 따라 질화 알루미늄으로 된 제1시드층(141)의 고결정성이 확보되고, 그 위에 성장한 몰리브덴으로 된 제1전극(121)과 질화 알루미늄으로 된 압전층(123)의 결정성이 향상되게 되어, 음향파의 손실이 커지지 않으면서도 높은 kt2값을 얻을 수 있게 되는 것이다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 기판(110)의 상부에 희생층(미도시)을 형성하는데, 희생층의 재질로는 이산화 실리콘, 폴리실리콘 또는 폴리머 등이 사용될 수 있다.
이러한 희생층은 추후의 식각 공정을 통해 제거되어 에어 갭(130)을 형성하게 된다.
이어서, 기판(110) 또는 희생층의 상부에 멤브레인(150)을 증착하여 형성한다.
이 멤브레인(150)에 대해서는, 화학기상증착(CVD), 스퍼터링 등과 같은 증착법 중에서 형성하는 재질에 따라 적절한 방법이 선택되어 이용될 수 있다.
또한, 멤브레인은 예컨대 이산화 실리콘(SiO2) 등으로 된 제1멤브레인층(151)이 형성되고, 이 제1멤브레인층 위에 예컨대 질화 실리콘(SiNX) 등으로 된 제2멤브레인층(152)이 형성될 수 있다.
그리고 멤브레인(150)의 상부에 복수의 시드층(140)을 순차적으로 형성하는데, 시드층을 제조하는 기술 및 프로세스는 당해 기술 분야에서는 널리 알려져 있고, 예를 들면 스퍼터링 기술이 이를 위해 이용될 수 있다.
특히 스퍼터링의 공정 조건, 예를 들면 온도, 진공도, 전원의 세기, 주입되는 가스량 등을 적당하게 제어함으로써, 시드층(140)을 (001) 방향, 즉 적층방향으로만 성장시킬 수 있다.
이와 같이 대부분이 원하는 배향, 즉 (001) 방향으로 배향하고 있으면, 후술하는 바와 같이 복수의 시드층 위에 압전층(123)을 형성할 때, 압전층이 시드층(140)의 결정 구조를 계승해 동일한 결정 구조로 배향되게 된다.
본 제2실시예에 있어서 제1시드층(141)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(Si3N4), 탄화 실리콘(SiC), 알루미늄 옥시나이트라이드(ALON) 등 다양한 재질이 이용될 수 있다.
또, 본 제2실시예에 있어서 제2시드층(142)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 마그네슘이나 아연 등과 같은 금속이 이용될 수 있다.
그 후에, 복수의 시드층(140)의 상부에 제1전극(121)과 압전층(123)을 순차적으로 형성한다.
제1전극(121)은 시드층(140)의 상부에 도전층을 증착함으로써 형성될 수 있으며, 마찬가지로 압전층(123)은 제1전극 상에 압전 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
본 제2실시예에 있어서 제1전극(121)은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
또, 본 제2실시예에 있어서 압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 산화 아연(ZnO)이나 이산화 실리콘(SiO2), 도핑된 산화 아연(예컨대 W-ZnO), 도핑된 질화 알루미늄(예컨대 Sc-AlN, MgZr-AlN, Cr-AlN, Er-AlN, Y-AlN) 등 다양한 압전 재질이 이용될 수 있다.
여기서, 제1전극(121)과 압전층(123)은 각각 도전층 또는 압전층의 상부에 포토레지스트를 증착하며, 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝을 수행한 후, 패터닝 된 포토레지스트를 마스크로 하여 불필요한 부분을 제거함으로써 필요한 패턴으로 형성될 수 있다.
이를 통해, 압전층(123)은 제1전극(121)의 상부에만 남게 되며, 이에 제1 전극은 압전층의 주변으로 더 돌출되는 형태로 남게 된다.
다음으로, 제2전극(122)을 형성한다.
제2전극(122)은 압전층(123)과 제1전극(121)의 위에 도전층을 형성한 다음, 도전층 상에 포토레지스트를 증착하고 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝을 수행한 후, 패터닝 된 포토레지스트를 마스크로 하여 필요한 패턴으로 형성될 수 있다.
본 제2실시예에 있어서 제2전극(122)은 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 몰리브덴, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈, 이리듐 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
제2전극(122)과 압전층(123)의 상부에 보호층(124)을 형성할 수도 있다.
또, 제1접속부와 제2접속부(180, 190)는 각각 보호층(124)을 관통하여 제1전극과 제2전극(121, 122)에 접합된다.
이들 접속부(180, 190)를 이용하여 공진부(120) 또는 필터의 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행한 후, 에어 갭(130)을 형성한다.
에어 갭(130)은 전술한 바와 같이 희생층을 제거함에 따라 형성되며, 이에 본 발명의 제2실시예에 따른 공진부(120)가 완성된다.
여기서 희생층은 건식 식각을 통해 제거될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어 희생층을 폴리실리콘으로 형성하는 경우, 이 희생층은 이불화 제논(XeF2) 등과 같은 건식 식각용 가스를 통해 제거될 수 있다.
이와 같이, 희생층을 식각하여 에어 갭(130)을 형성할 때, 멤브레인(150)이 복수의 멤브레인층으로 형성되어 있으면, 제1멤브레인층(151) 위에 형성된 제2멤브레인층(152)이 식각 스토퍼로 기능하여 그 위에 형성된 복수의 시드층(140)을 식각으로부터 보호하게 된다.
제1멤브레인층(151)은 예컨대 이산화 실리콘(SiO2) 등으로 형성될 수 있으며, 제2멤브레인층(152)은 예컨대 질화 실리콘(SiNX) 등으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 음향 공진기와 그 제조 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
110: 기판 120: 공진부
121: 제1전극 122: 제2전극
123: 압전층 124: 보호층
130: 에어 갭 140: 시드층
141: 제1시드층 142: 제2시드층
150: 멤브레인 151: 제1멤브레인층
152: 제2멤브레인층 160: 저지층

Claims (15)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압전층을 포함하는 공진부; 및
    상기 공진부의 일측에 배치되는 복수의 시드층
    을 포함하는 음향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 시드층에서 상기 공진부의 반대쪽에 배치된 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판과 상기 복수의 시드층 사이에는 에어 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공진부는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 기판과 상기 복수의 시드층 사이에 멤브레인이 개재되고,
    상기 기판과 상기 멤브레인 사이에는 에어 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멤브레인은 복수의 멤브레인층으로 형성되고,
    상기 복수의 멤브레인층 중 적어도 하나의 멤브레인층은 식각 스토퍼인 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 시드층은 제1시드층과 제2시드층을 포함하고,
    상기 제1시드층은 상기 압전층의 재질과 동일한 결정성 물질로 형성되며,
    상기 제2시드층은 상기 제1시드층과 동일한 기하형태의 단위격자(Unit Cell)를 가진 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1시드층 또는 상기 제2시드층의 두께는 10 ~ 1,000 Å의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압전층과 상기 제1시드층 및 상기 제2시드층은 육방정계를 가진 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압전층은 질화 알루미늄 또는 도핑된 질화 알루미늄으로 형성되고,
    상기 제1전극은 몰리브덴으로 형성되며,
    상기 제1시드층은 질화 알루미늄으로 형성되고,
    상기 제2시드층은 티타늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 공진기.
  11. 기판의 상부에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 기판 또는 상기 희생층의 상부에 복수의 시드층을 형성하는 단계;
    상기 복수의 시드층 상에 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극의 상부에 압전층을 형성하는 단계; 및
    상기 압전층의 상부에 제2전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 음향 공진기의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 시드층을 형성하는 단계 이전에, 상기 기판 또는 상기 희생층의 상부에 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 공진기의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 시드층을 형성하는 단계에서, 상기 복수의 시드층 중 적어도 하나의 시드층은 적층방향으로만 성장시키는 것을 특징으로 하는 음향 공진기의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2전극과 상기 압전층의 상부에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 공진기의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하여 에어 갭을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 공진기의 제조 방법.

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