KR20230162414A

KR20230162414A - 압전 박막을 제조하는 방법 및 이 박막을 이용하는 소자

Info

Publication number: KR20230162414A
Application number: KR1020220062268A
Authority: KR
Inventors: 송준오
Original assignee: 웨이브로드 주식회사
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-11-28

Abstract

본 개시는 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판을 준비하는 단계; 성막 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 희생층 위에 분해 증발층을 형성하는 단계; 분해 증발층 위에 증발 방지층을 형성하는 단계; 증발 방지층을 마스크로 하여 분해 증발층에 다수의 에어 공극을 형성하는 단계; 다수의 에어 공극이 형성된 분해 증발층 및 증발 방지층 위에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

압전 박막을 제조하는 방법 및 이 박막을 이용하는 소자{METHOD OF MANUFACTRURING PIEZOELECTRIC THIN FILM AND DEVICE USING THE SAME}

본 개시(Disclosure)는 전체적으로 압전 박막 및 이 박막을 이용하는 소자에 관한 것으로, 특히 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 또는 Sc_xAl_1-xN 압전 박막을 제조하는 방법 및 이 박막을 이용하는 소자에 관한 것이다. 압전 박막은 고품질의 고주파 필터(high-frequency filters), 에너지 회수장치(energy harvesters), 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducers), 바이오 및 사물인터넷 용도의 센서(sensors for bio & IoT) 등을 포함한 다양한 공진기(resonators) 응용 제품 등에 이용된다. 최근에, 이들 박막은 스마트 폰과 같은 포터블 전자 장치(portable electronic devices)에 사용되는 필터에서 음향 공진기(acoustic resonators; 예: SAW 공진기(surface acoustic wave resonator), BAW 공진기(bulk acoustic wave resonator))로서 역할과 바이오 및 사물인터넷 용도의 고감도 센서에서 주목받고 있다. 이상에 압전 박막의 용도를 예시하였지만, 이 박막의 용도가 여기에 제한되는 것은 아니다.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

문헌 Nano Energy 51 (2018) 146-161, “AlN piezoelectric thin films for energy harvesting and acoustic devices”에 따르면, AlN 압전 박막은 높은 종적 음향파 속도(high longitudinal acoustic wave velocity; 대략 11,000m/s), 높은 열적 안정성(high thermal satbility, 녹는점; 2100℃, 압전 특성 유지 온도; 1150℃), 큰 에너지 밴드갭(wide energy bandgap, 6.2eV), 그리고 우수한 압전능과 유전율(excellent piezoelectric and dielectric properties) 등의 유일무이한 물성을 갖고 있어, 고품질의 고주파 필터(high-frequency filters), 에너지 회수장치(energy harvesters), 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducers), 바이오 및 사물인터넷 용도의 센서(sensors for bio & IoT) 등을 포함한 다양한 공진기(resonaters) 응용 제품으로 현재 폭발적으로 사용되고 있는 동시에, 향후 고품질의 기능성과 다양성(functionality and versatility) 강화를 통한 초소형화 고효율성 제품이 절대 필요한 분야에서는 가장 각광받고 있는 물질이다. 일반적으로 AlN 압전 박막 물질을 성막(thin film synthesis)하는 방법으로는 400℃ 전후의 온도에서 다결정 증착(poly-crystal deposition)하는 PVD(physical vapor deposition; 대표적으로 sputtering)와 1000℃ 전후의 온도에서 단결정 성장(epitaxial single crystal growth)하는 CVD(chemical vapor deposition; 대표적으로 MOCVD, HVPE)으로 알려져 있다. 현재는 AlN 압전 박막의 성막(증착,성장) 공정과 이러한 성막 공정을 감안한 소자 설계로 인해서 고저항성 Si 성막 기판 위에 순차적으로 절연층(대표적으로 SiO₂) 및/또는 전극 기능을 포함한 금속층의 단층 또는 다층 박막(대표적으로 Mo, Ti, Pt, W, Al)을 형성시킨 다음, 400℃ 전후의 온도에서 다결정 AlN 증착 성막을 통한 소자 설계 제작, 또는 필요시에 후속 열처리 공정을 추가하여 설계된 소자를 제작하고 있는 실정이다. 하지만 물리적인 공정 한계로 인해 400℃ 전후의 온도에서 절연층 및/또는 금속 박막 위에 최적화시킨 공정으로 증착된 AlN 압전 박막은 집합조직화된 다결정(textured poly-crystal) 미세조직(microstucture)으로 1000℃ 전후의 고온에서 증착 성막된 고순도 단결정(epitaxial single crystal) 미세조직의 AlN 압전 박막에 비해서 압전능 관련 물성을 포함한 물리적 특성이 우수하지 않고, 이로 인해서 설계 제작된 각종 AlN 압전 박막 소자들은 성능과 응용 확장 관점에서 한계를 갖고 있다. 다시 말해서, 종래 기술에서 AlN 압전 박막과 이를 이용한 장치에 있어서의 결정 품질(결정성과 극성)은 AlN 성막 전에 형성된 절연층 및/또는 금속층의 단층 또는 다층 박막 위에 성막 가능한 것으로 증착 성막 온도 및 표면 물질 상태 등의 물리적 인자들에 제한되기 때문에, AlN 압전 박막을 고순도 단결정의 재료로 구성하는 것은 곤란하였다. 이러한 한계을 극복하고 고순도 단결정의 AlN 압전 박막을 얻고 장치를 제작하기 위한 여러 방법들이 제시되고 있는데, 일 예로 MOCVD 장치로 1000℃ 전후의 고온에서 AlN 물질과 동일/유사한 결정 구조(crystal structure)를 갖는 단결정 성막 기판(epitaxial synthesis substrate, Sapphire, SiC)에 직접 성장(growth) 성막하거나 또는 실리콘(Si) 단결정 성막 기판 위에 스퍼터링(sputtering) 장치로 가능한 최대 고온에서 직접 증착(deposition) 성막시킨 후, 웨이퍼 본딩(wafer-bonding)과 성막 기판 분리(lift off)를 통해서 소자 기판(device substrate)으로의 AlN 압전 박막 전사(transfer) 기술을 통해 소자를 완성시키는 방법들이 제시되고 있다.

도 1은 미국 공개특허공보 US2015-0033520호에 제시된 압전 박막을 이용한 소자들을 나타내는 도면으로서, 도 1(a)에는 FBAR(20; Film Bulk Acoustic Resonator)의 일 예가 제시되어 있으며, 도 1(b)에는 SMR(20'; Solidly Mounted Resonator)가 제시되어 있다. FBAR과 SMR은 BAW 공진기에 속한다. FBAR(20)은 한 쌍의 전극(22,24), 한 쌍의 전극(22,24) 사이에 놓이는 압전 박막(26) 그리고 소자 기판(30)을 포함한다. 한 쌍의 전극(22,24)과 압전 박막(26)은 소자 기판(30)에 형성된 캐비티(28) 위에 놓인다(suspended). SMR(20')은 한 쌍의 전극(22',24'), 한 쌍의 전극(22',24') 사이에 놓이는 압전 박막(26') 그리고 소자 기판(30')을 포함한다. FBAR(20)과 달리 캐비티(28) 반사기(reflectror)를 대신하여 다층 구조의 브래그 리플렉터(27'; Bragg Reflector) 반사기가 구비된다.

도 2 내지 도 4는 미국 공개특허공보 US2015-0033520호에 제시된 AlN 압전 박막 및 이를 이용한 소자를 제조하는 방법을 나타내는 도면으로서, 먼저 사파이어(Al₂O₃) 성막 기판에 단결정 AlN 압전 박막을 성장한다(도 2(a)). 이때 종래 Si 성막 기판 위에 SiO₂ 막과 Mo로 된 전극을 형성한 다음, PVD(Phisical Vapor Deposition)인 스퍼터링을 통해 AlN 압전 박막을 형성하는 것과 달리, HVPE 또는 CVD(Chemical Vapor Depostion)인 MOVCD를 이용하여 양질의 고순도 단결정 AlN 압전 박막을 형성한다. 다음으로, 컨택 전극을 형성한다(도 2(b). SMR을 제조하는 경우에, 먼저 별도로 마련된 반도체 소자 기판에 브래그 리플렉터(SiO₂/W) 반사기를 형성한다(도 3(c)). 다음으로 AlN 압전 박막 구조물(40)과 브래그 리플렉터 반사기 구조물(42)을 웨이퍼 본딩한다(도 3(d). 다음으로 본딩된 구조물(44)로부터 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO)를 통해 사파이어 성막 기판을 분리한다(도 3(e)). 마지막으로 사파이어 성막 기판이 분리된 구조물(46)에 상부 전극을 형성한다(도 3(f)). FBAR을 제조하는 경우에, 먼저 별도로 마련된 반도체 소자 기판에 에어 캐비티를 형성한다(도 4(c)). 다음으로 AlN 압전 박막 구조물(40)과 캐비티 구조물(52)을 결합한다(도 4(d). 다음으로 본딩된 구조물(54)로부터 레이저 리프트 오프(LLO)를 통해 사파이어 성막 기판을 분리한다(도 4(e)). 마지막으로 사파이어 성막 기판이 분리된 구조물(56)에 상부 전극을 형성한다(도 4(f)).

종래에 Si 성막 기판 상부에 실리콘 산화물(SiO₂) 및/ 또는 금속(전극) 물질 위에 스퍼터링(sputtering) 장치를 통해 증착 성막된 다결정(polycrystalline) AlN 압전 박막과 비교할 때 사파이어 성막 기판 위에 MOCVD 성장 성막된 단결정(single crytalline) AlN 압전 박막은 공진기(resonator)의 성능과 품질을 대폭 향상시킨다 하겠다. 그러나 사파이어 성막 기판 위에 6.2eV 에너지 밴드갭(energy bandgap), 즉 파장으로 변환시에 200nm 단파장의 광학 물성을 갖는 AlN 압전 박막을 직접 성장시킨 다음, 이를 현재 상용되는 ArF(193nm) & KrF(248nm) 등의 엑시머 레이저 광 에너지원를 이용하여 분리하는 것은 결코 쉽지 않은 일이다. 이러한 이유는 레이저 광 에너지원을 이용하여 두 물질층을 분리하기 위해서는 경계면(interface)에서 레이저 광 에너지원의 강한 흡수와 열에너지로의 변환을 거친 열화학분해 반응(thermo-chemical decomposition reaction) 과정을 통해 이루어지는데, 이러한 메카니즘(mechanism)을 통해 성막 기판으로부터 기능을 갖는 특정 성막된 박막을 분리하는 공정을 “레이저 리프트 오프(laser lift off; LLO)”라 일컫고 있다. 레이저 리프트 오프(LLO) 메카니즘의 시발점은 레이저 광 에너지원을 흡수하여 열에너지원으로 변환시킬 수 있는 적정한 물질로 구성된 희생층(sacrificial ayer)이 광학적으로 투명한 성막 기판과 특정 성막된 박막 사이에 존재되어야 한다. 이 희생층(sacrificial ayer) 물질의 적정 조건은 광학적으로 투명한 사파이어 성막 기판 후면을 통해 조사 입사된 레이저의 파장(wavalength)보다 충분히 큰 파장의 에너지 밴드갭을 갖는 광학적으로 투명한 반도체인 동시에, 광 에너지원을 최대한 많이 흡수할 수 있는 비정질, 다결정(amorphous or polycrystalline), 또는 다층(multi layer)의 미세구조(microstructure)를 갖는 물질 영역이 절대적으로 필요로 한데, 상기 미국 공개특허공보 US2015-0033520호에 제시된 방법에서는 이러한 점을 간과하고 기술한 것이다.

도 5는 미국 공개특허공보 US2006-0145785호에 제시된 AlN 압전 박막을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 사파이어 성막 기판(200), 사파이어 성막 기판(200)에 성장된 버퍼층(210; 예: GaN), 버퍼층(210) 위에 형성된 AlN 압전 박막(220) 그리고 AlN 압전 박막(220) 위에 형성된 접합용 금속(230; 예: Au)이 제시되어 있다. 버퍼층(210)을 구성하고 있는 갈륨 나이트라이드(GaN)은 3.4eV(파장 변환 시, 364nm) 에너지 밴드갭을 갖는 물질이고 동시에 저온 성장 성막된 비정질 미세구조(amorphous microstucture)를 갖고 있어, AlN에 비해 상기 GaN 버퍼층(210)은 희생층(sacrificial layer)으로 역할을 충분히 할 수 있어 광학적으로 투명한 사파이어 성막 기판(200)과 AlN 압전 박막(220)의 분리를 용이하게 하는 이점을 가지지만, GaN 버퍼층(210)과 AlN 압전 박막(220) 간에는 상당한 격자상수 및 열팽창계수의 물성 차이가 존재하므로, 공진기 등의 기능성 압전 박막으로 사용할 수 있는 일정한 임계 두께(critical thickness, 대략 100nm) 이상으로 MOCVD 성장된 고순도 단결정 AlN 압전 박막(220)을 확보하는데 현재까지 공지된 공정 및 기술로는 결코 쉽지 않다.

도 6은 Solid-State Electronics 54 (2010) 1041-1046에 제시된 AlN 압전 박막을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 제조 방법은 도 6(a)에 도시된 바와 같이, (001) 실리콘 성막 기판(61)에 직접적으로 스퍼터링 증착된 AlN 압전 박막(62)을 성막하는 단계, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, AlN 압전 박막(62) 위에 하부 전극(63)을 형성하는 단계, 또 6(c)에 도시된 바와 같이, 하부 전극(63) 위에 형성된 음향파 미러(64; acoustic mirror)를 형성하는 단계, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 음향파 미러(64) 위에 웨이퍼 본딩 결합된 캐리어 웨이퍼(65; carrier wafer)를 형성하는 단계, 도 6(e)에 도시된 바와 같이, (100) 실리콘 성막 기판(61)을 습식에칭으로 제거하는 단계, 그리고 도 6(f)에 도시된 바와 같이, 최종적으로 (100) 실리콘 성막 기판(61)이 제거된 AlN 압전 박막(62)에 상부 전극(66)을 형성하는 단계를 포함하며, 이를 통해 SMR BAW 구조 공진기가 제조된다. 이러한 방법에 의하면, 실리콘 성막 기판에 SiO₂ 및/또는 금속(전극)을 형성한 다음 AlN 압전 박막을 형성한 구조(예: 문헌(“Optimization of sputter deposition Process for piezoelectric AlN ultra-thin Films”, Semester Project, Advanced NEMS group, Autumn Semester 2017, Roman Welz, January 23, 2018, SECTION MICROTECHNIQUE)와 비교할 때, 품질 개선을 위한 별도의 추가 공정(CMP; chemical-mechanical polishing)이 불필요한 장점과 균일한 두께를 갖는 압전 박막 획득이 가능하고 동시에 압전 박막 품질에 지대한 영향을 미치는 전극(금속) 표면에 형성된 자연 산화물(native oxide)을 배제할 수 있는 이점이 있어 종래 제조 공정에 비해 품질과 비용관점에서 우위를 확보할 수 있다고 지적되어 있다.

이외에도 SiC 성막 기판 위에 고순도 AlN 압전 박막을 성장하는 방법이 있으나, SiC 성막 기판이 고비용인데다가, SiC 성막 기판 위에 고순도 AlN 박막 성장 후에 이미 공지된 AlN 압전 박막 공진기 제조공정에서 화학적 습식에칭을 통해 SiC 성막 기판이 제거되기 때문에 재사용이 가능하지 않으므로 원천적으로 AlN 압전 박막 공진기 고비용 원가문제를 해결할 수 없어 고려하지 않는다.

도 7은 미국 등록특허공보 제10,530,327호에 제시된 압전 박막을 이용하는 소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 1에 제시된 BAW 공진기와 달리, SAW 공진기가 제시되어 있으며, SAW 공진기(320)는 기판(321), 압전 박막(324) 그리고 전극(325,326)를 포함한다. 전극(325,326)이 모두 압전 박막(324)의 일측에 구비된다는 점에서 BAW 공진기와 차이점을 가진다. 기판(321) 없이 압전 박막(324)이 웨이퍼 형태로 구성될 수도 있지만, 기판(321)에 압전 박막(324)을 박막(thin film)으로 구성하는 형태가 효과적이다. 압전 박막(324)은 기판(321)에 직접 성막될 수도 있지만, 도시의 경우에, 별도의 성막 기판(도시 생략)을 이용하여 성막된 다음, 지지 기판(322)에 본딩층(323)을 통해 결합된 형태를 가진다. 지지 기판(322)과 본딩층(323)을 합하여 기판(321)이라 칭하였다. 전극(325,326)을 절연물질(도시 생략)로 덮는 경우에, 절연물질을 SiO₂, FO_x 등으로 구성할 수 있다. 한편 BAW 공진기와 SAW 공진기가 결합된 형태의 하이브리드 공진기도 제시(Hybrid BAW/SAW AlN and AlScN thin film resonator; 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS))되고 있으며, 이러한 공진기에 본 개시에 제시된 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.

도 8은 한국 공개특허공보 제10-2022-0031413호 제시된 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 희생층(3), 제1 반도체층(2), 그리고 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 성막 기판(1)은 C면 사파이어로 이루어질 수 있고, 희생층(3)은 레이저 리프트 오프(LLO) 시에 사파이어 성막 기판(1)의 분리가 용이한 물질로 이루어질 수 있고, 제1 반도체층(2)은 고온(1000℃ 이상) 성장 성막된 Al_yGa_1-yN (0.5≤x≤1)로 이루어져 후속하여 성장되는 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정 품질(결정성과 극성)을 보장하는 역할을 하며, 그 내부에 다수의 에어 공극(air-voids)이 형성되어 있다. 다수의 에어 공극은 성막 기판(1)과 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차로 인해 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)에 크랙이 발생하는 것을 억제하는 역할을 한다. Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD)로 성장 성막될 수 있으며, 단결정 박막으로 성장 성막된다. 그 두께는 최종 소자에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 도 1(b)에 제시된 FBAR에 이용되는 경우에, 양 측에 형성되는 전극(22'24')의 두께와 함께 공진 주파수에 의해 그 두께가 결정된다.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.

여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).

본 개시에 따른 일 측면에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판을 준비하는 단계; 성막 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 희생층 위에 분해 증발층을 형성하는 단계; 분해 증발층 위에 증발 방지층을 형성하는 단계; 증발 방지층을 마스크로 하여 분해 증발층에 다수의 에어 공극을 형성하는 단계; 다수의 에어 공극이 형성된 분해 증발층 및 증발 방지층 위에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법이 제공된다.

도 1은 미국 공개특허공보 US2015-0033520호에 제시된 압전 박막을 이용한 소자들을 나타내는 도면,
도 2 내지 도 4는 미국 공개특허공보 US2015-0033520호에 제시된 AlN 압전 박막 및 이를 이용한 소자를 제조하는 방법을 나타내는 도면,
도 5는 미국 공개특허공보 US2006-0145785호에 제시된 AlN 압전 박막을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 Solid-State Electronics 54 (2010) 1041-1046에 제시된 AlN 압전 박막을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 7은 미국 등록특허공보 제10,530,327호에 제시된 압전 박막을 이용하는 소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 한국 공개특허공보 제10-2022-0031413호 제시된 Al_xGa₁ _- _xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면,
도 10 내지 도 14는 도 9에 제시된 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면.

이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).

도 9는 본 개시에 따른 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 성막 기판(1), 희생층(3), 분해 증발층(15), 증발 방지층(16), 그리고 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다.

성막 기판(1)은 사파이어 기판(예: C면 사파이어 기판)으로 이루어질 수 있으며, LLO 공정이 가능한 투광성 기판이라면 특별한 제약은 없다.

희생층(3)은 도 8과 관련하여 기술된 바와 같이 LLO 공정에서 사용되는 레이저 빛을 흡수하여 성막 기판(1)이 분리될 수 있도록 하는 물질이라면 특별한 제약은 없지만, 그 위에 양질의 3족 질화물 반도체층이 성막될 수 있는 물질이 바람직하다. 예를 들어, GaN이나 Al 및/또는 In을 50%가 넘지 않는 범위로 포함하는 (Al)(In)GaN으로 이루어질 수 있으며, CVD법(예: MOCVD법)을 통해 성막될 수 있다. 또한 희생층(3)은 Ga 및/또는 In을 50%가 넘지 않은 범위로 포함하는 (In)(Ga)AlN으로 이루어질 수 있으며, CVD법(예: MOCVD법)을 통해 성막될 수 있다.

분해 증발층(15)은 도 8에 도시된 제1 반도체층(2)과 마찬가지로 다수의 에어 공극(Air-Void)이 형성되어 있는 층이며, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)에 크랙이 발생하는 것을 억제하도록(Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 스트레스를 해소하도록) Ga-rich (Al)(In)GaN 또는 Al-rich Al(In)(Ga)N(≠AlN)으로 이루어질 수 있다. Ga 또는 Al의 함량은 성막 기판(1), 희생층(3) 및 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 격자상수와 열팽창계수를 고려하여 조절될 수 있으며, 다수의 에어 공극의 존재로 인해 다수의 에어 공극(Air-Void)이 부존재할 때에 비해 Ga 또는 Al의 함량을 탄력적으로 조절할 수 있게 된다. 분해 증발층(15)은 희생층(3)과 마찬가지로 CVD법(예: MOCVD법)을 이용하여 CVD 장치 챔버 속에서 in-siitu 방식으로 성막될 수 있으며, 환원 분위기(예: H₂와 HN₃ 사용)에서 분해되어 Pit 또는 Void를 가지는 층이고, 환원 분위기의 조건(온도, H₂/NH₃ 양, NH₃의 공급방식 등)을 변경하여 분해되는 형상 및 깊이를 조절할 수 있다.

증발 방지층(16)은 분해 증발층(15)이 분해되고 증발되어 다수의 에어 공극이 형성되는 과정에서 분해 증발층(15)이 모두 분해되어 증발되는 것을 방지하고, 다수의 에어 공극의 분포 방식을 조절하는 마스크로 기능하며, SiN_x, AlN와 같은 물질로 in-situ 방식 또는 ex-situ 방식으로 형성될 수 있고, 이러한 기능을 충족한다면 특별히 제한되지 않는다. 분해 증발층(15)은 환원 분위기(예: H₂와 HN₃ 사용)에 의해 분해-증발되어 그 내부에 다수의 에어 공극을 구비하게 되며, 따라서 증발 방지층(16)은 분해 증발층(15)의 일부 증발을 가능하게 하는 한편, 분해 증발층(15)의 일부 증발을 억제하는 형태로 분해 증발층(15) 위에서 in-situ 방식 또는 ex-situ 방식으로 형성되어야 한다. 증발 방지층(16)으로 SiN_x가 사용되는 경우에, in-situ 방식(예: CVD법(MOCVD법)으로 형성되는 것이 바람직하며, 도 10에 도시된 바와 같이, 그 특성상 불연속적인 박막의 형태로 형성될 수 있다. 증발 방지층(16)으로 AlN가 사용되는 경우에, in-situ 방식 또는 ex-situ 방식으로 형성될 수 있으며, 성막 조건을 조절하여 단결정(Epitaxy) 박막이 아니라, 준 다결정(Pseudoepitaxy) 박막 또는 다결정(Polycrystal) 박막으로 형성함으로써, 주어진 역할을 행할 수 있게 된다. 참고로, in-situ 방식(예: CVD법(MOCVD법))으로 성막하는 경우에 결정립이 크고 불균일한 준 단결정 박막이 형성되고, ex-situ 방식(예: sputtering법)으로 성막하는 경우에 다결정립이 작고 균일한 다결정 박막이 형성된다. 또한 in-situ 방식으로 SiN_x 막을 형성한 다음, AlN 막을 형성하는 것도 가능하며, SiN_x 막에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 품질 및 조성이 균일하게 성장되지 않는다는 점과 AlN 막에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 성장될 수 있다는 점을 감안한 것이다. SiN_x 막만으로 증발 방지층(16)이 구성되는 경우에, 도 13에 도시된 바와 같이, 다수의 에어 공극을 통해 노츨되는 증발 분해층(15)의 에어 공극(17) 내 측면으로부터 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성막이 시작될 수 있다. 바람직하게는 in-situ 방식으로 SiN_x 막을 형성한 다음, ex-situ 방식으로 AlN 막을 형성함으로써, 즉 불연속적인 막위에 결정립이 작고 균일한 다결정막을 형성함으로써, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성막을 용이하게 하는 한편, 안정적인 다수의 에어 공극을 형성하는 것이 가능해진다. 예를 들어, SiN_x 막, AlN 막 및 SiN_x-AlN 복합 막은 10~100nm의 두께로 형성될 수 있다.

Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 도 1 내지 도 8에 걸쳐서 설명된 바 있으며, 분해 증발층(15)에 다수의 에어 공극이 형성된 이후의 증발 방지층(16) 위에서 성막되므로, 다수의 에어 공극의 존재로 인해 스트레스가 조절되는 한편, 수평 방향 성장 모드를 거쳐서 성막되므로(도 14 참조), 양질의 단결정 막을 형성할 있게 된다. Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 Sc_xAl_1-xN 압전 박막으로 대체할 수 있음은 물론이다.

도 10 내지 도 14는 도 9에 제시된 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 10에, 분해 증발층(15) 위에 증발 방지층(16; 예: SiN_x)을 형성한 상태를 도시하였으며, SiN_x로 된 증발 방지층(16)이 불연속적인 막의 형태로 형성되어 있다. 증발 방지층(16)은 이후 분해 증발층(15)에 대한 증발 방지 마스크로 기능하는 한편, 분해 증발층(15)에 존재하는 결정 결함이 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)으로 이어지는 것은 차단하는 기능도 한다.

도 11에 증발 방지층(16)을 마스크로 하여 환원 분위기에서 열처리 공정을 통해 분해 증발층(15)에 다수의 에어 공극(17)이 형성되어 있다. 환원 분위기에서 결정 결함에 해당하는 영역들을 중심으로 분해, 증발이 시작되므로, 다수의 에어 공극(17)의 형성 과정에서 분해 증발층(15)에 존재하는 결정 결함의 일부가 제거되는 효과를 가진다. 환원 분위기 조건에 따라 Pit(또는 Void) 형상이 결정되며, 식각 조건이 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 막질에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 100% 수소 분위기의 경우에 식각 반응만 일어나기 때문에 식각의 넓이와 깊이가 조절되지 않고 표면의 거칠기가 증가하지만, NH₃를 공급하는 경우에는 식각과 재성장이 동시에 일어나기 때문에 NH₃의 공급 방식에 따라 식각 속도를 조절해서 표면의 거칠기를 억제하고 식각된 형상을 조절할 수 있게 된다. 환원 분위기(NH₃ 단독, 또는 NH₃ 및 H₂ 함께(연속적(Continous), 불연속적(Pulsed)) 주입)에서 열처리 온도는 분해 증발층(15) 성장 온도보다 높은 온도가 바람직하지만, NH₃ 및 H₂ 가스 주입량에 따라 분해 증발층(15) 성장 온도보다 낮은 온도도 가능하다.

바람직하게는, 도 12에 도시된 바와 같이, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 형성하기에 앞서, 성장 촉진층(18)을 형성한다. 성장 촉진층(18)은 in-situ 방식 또는 ex-situ 방식으로 형성된 AlN로 이루어질 수 있다. Al-rich Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4; 예: AlN)은 Pre-reaction & Parasitic Growth로 인해 GaN 대비 성장 속도가 느리고 결정질이 저하될 수 있으므로, 성장 촉진층(18)을 구비하여, 증발 방지막(16; 예: SiN_x)의 표면에서도 성장이 가능하도록 하여 Al-rich Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성장 속도 및 품질을 개선할 수 있으며, 성장 온도 또한 낮출 수 있는 이점을 가진다. 설명의 편의를 위해, 성장 촉진층(18)은 일부만 표시하였다. 성장 촉진층(18) 두께는 임계 두께(Critical Thickness; 하부층 모체 물질에 AlN 박막을 성장할 때 격자상수 차이로 인해 발생되는 스트레스를 해소하기 위해 성막 중에 Misfit Dislocation이 도입되는데 이때의 두께)를 감안하면 10~50nm 정도가 바람직하다.

도 13에, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 초기 성장 모습을 나타내었다. 초기 성장에 있어서는 수평 방향의 성장보다 수직 방향으로 성장되도록 성장 조건이 조절된다. 이때 다수의 에어 공극(18)의 형태가 다양하므로, 증발 방지층(16)의 상면 내지 성장 촉진층(18)의 상면에서 중간 크기의 아일랜드(island; 섬모양) 압전 박막(4a-1)이 성막되며, 에어 공극(18)에 의해 노출된 증발 방지층(16)의 측면 내지 성장 촉진층(18)의 측면에서 작은 크기의 아일랜드 압전 박막(4a-2)이 성막되고, 중간 크기의 아일랜드들이 병합되어 큰 크기의 아일랜드 압전 박막(4a-3)이 성막될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 아일랜드 압전 박막(4a-1,4a-2,4a-3)은 일부만 표시하였다.

도 14에 도시된 바와 같이, 성장 조건을 수평 방향 모드로 전환하면, 도 13에 제시된 아일랜드 압전 박막(4a-1,4a-2,4a-3)이 서로 병합(coalescence)되면서 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 평평한 형태로 완성된다. 병합의 속도에 따라 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 내부에도 다수의 보이드(19)가 형성될 수 있으며, 분해 증발층(15)에 존재하는 다수의 에어 공극(19)과 함께 Al-rich Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 스트레인을 조절하는 역할을 한다. 또한 수평 성장의 과정에서 결정 결함이 벤딩(bening)되어 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 상부 표면까지 이어지지 않아 막질의 향상을 가져올 수 있게 된다. 따라서 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 증발 방지층(16)에 의해 하부층에 존재하는 결정 결함이 일부 차단되고, 환원 분위기에서 식각을 통해 (다수의 에어 공극(17) 형성 과정을 통해) 결정 결함이 일부가 제거되고, 아일랜드 압전 박막(4a-1,4a-2,4a-3)으로부터 평평하게 성막되어 결정 결함의 일부가 벤딩되어 제거되는, 양질의 막질을 가질 수 있게 된다.

이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.

(1) Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판을 준비하는 단계; 성막 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 희생층 위에 분해 증발층을 형성하는 단계; 분해 증발층 위에 증발 방지층을 형성하는 단계; 증발 방지층을 마스크로 하여 분해 증발층에 다수의 에어 공극을 형성하는 단계; 다수의 에어 공극이 형성된 분해 증발층 및 증발 방지층 위에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(2) 증발 방지층은 SiN_x, AlN 중의 적어도 하나를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(3) 희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고, 증발 방지층은 제1 방법과 동일한 방법으로 in-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(4) 희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고, 증발 방지층은 제1 방법과 다른 제2 방법으로 ex-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(5) 희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고,

증발 방지층은 제1 방법과 동일한 방법으로 in-situ 형성된 후, 제1 방법과 다른 제2 방법으로 ex-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(6) 제1 방법은 CVD법이고, 제2 방법은 PVD법인, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(7) Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계에 앞서, AlN로 된 성장 촉진층을 증발 방지층을 덮도록 형성하는 단계;를 더 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

(8) Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막은 분해 증발층으로부터 이어진 다수의 보이드를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.

본 개시에 의하면, 고순도 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하고, 이를 이용하여 공진기를 제조하고, 이 공진기를 다양한 장치에 적용할 수 있게 된다.

본 개시에 의하면, 희생층과 압전 박막 간의 격자상수의 차를 줄인, 압전 박막을 제조하는 방법 및 이 박막을 막을 이용하는 소자를 제공한다.

성막 기판(1), 희생층(3), 압전 박막(4), 분해 증발층(15), 증발 방지층(16)

Claims

Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서,
성막 기판을 준비하는 단계;
성막 기판 위에 희생층을 형성하는 단계;
희생층 위에 분해 증발층을 형성하는 단계;
분해 증발층 위에 증발 방지층을 형성하는 단계;
증발 방지층을 마스크로 하여 분해 증발층에 다수의 에어 공극을 형성하는 단계;
다수의 에어 공극이 형성된 분해 증발층 및 증발 방지층 위에 Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
증발 방지층은 SiN_x, AlN 중의 적어도 하나를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고,
증발 방지층은 제1 방법과 동일한 방법으로 in-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고,
증발 방지층은 제1 방법과 다른 제2 방법으로 ex-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
희생층 및 분해 증발층은 제1 방법으로 형성되고,
증발 방지층은 제1 방법과 동일한 방법으로 in-situ 형성된 후, 제1 방법과 다른 제2 방법으로 ex-situ 형성되는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 3 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 있어서,
제1 방법은 CVD법이고, 제2 방법은 PVD법인, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 형성하는 단계에 앞서,
AlN로 된 성장 촉진층을 증발 방지층을 덮도록 형성하는 단계;를 더 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.
청구항 1에 있어서,
Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막은 분해 증발층으로부터 이어진 다수의 보이드를 포함하는, Al_xGa_1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법.