KR930007797B1

KR930007797B1 - 탄성 표면파 장치

Info

Publication number: KR930007797B1
Application number: KR1019900010128A
Authority: KR
Inventors: 히데하루 이에끼; 아쯔시 사꾸라이; 고오지 기무라
Original assignee: 가부시끼가이샤 무라따 세이사꾸쇼; 무라따 아끼라
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1993-08-19
Also published as: KR910003921A; EP0407163B1; EP0407163A3; CN1048636A; US5061870A; CA2020411A1; JPH0340510A; EP0407163A2; DE69023707D1; CA2020411C; DE69023707T2; CN1015041B

Abstract

내용 없음.

Description

탄성 표면파 장치

제1도는 본 발명의 한 실시예에 의한 탄성 표면파 장치의 단면도.

제2a도는 본 발명의 실시예에 의한 알미늄 막의 반사고속전자 선회에 의해 얻어진 사진, 제2b도는 제2a도의 설명도.

제3도는 제2a도의 사진을 얻기 위한 방법을 설명하는 도면.

제4도는 종래의 탄성 표면파 장치의 단면도.

제5도는 본 발명에 있어서 흥미있는 비교예에 의한 탄성 표면파 장치의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 탄성 표면파 장치 2 : 단결정 유전체

3 : 압전 박막 4 : 기판

5 : 알루미늄 전극 12 : ZnO 막

21 : 전자비임 23 : 감광 필름

25 : RHEED 상

본 발명은 탄성 표면파 장치에 관한 것으로, 특별히는 압전 기판을 구성하기 위해 압전 박막을 사용한 탄성 표면파 장치에 관한 것이다. 근래에는 탄성 표면파(이하, SAW로 칭하는 경우도 있음.)를 사용한 필터, 공진자, 발진자와 같은 탄성 표면파 장치가 널리 사용되어지고 있다.

탄성 표면파 장치는 벌크(bulk)파 장치보다 고주파화에 더 적합하다. 탄성 표면파 장치에서 발진되는 표면파의 기본 주파수는 인터디지탈(interdigital)전극의 피치 및 표면파 전파 속도(음속)에 의해 결정된다. 따라서, 이와같은 탄성 표면파 장치에 있어서 고주파화를 보다 더 도모하기 위해서는 인터디지탈 전극의 피치를 작게하거나, 높은 표면파 전파 속도를 가진 기판(고음속 기판)을 사용할 필요가 있다.

그러나, 인터디지탈 전극의 피치를 미세화하는 것은 한계가 있으므로, 이 한계를 넘어서 또다시 고주파화를 시키려면, 고음속 기판을 사용해야만 한다.

고음속 기판으로서는 실리콘, 사파이어, 다이아몬드와 같은 단결정 유전체 위에, 산화아연, 질화알루미늄과 같은 압전 박막(piezoelectric thin film)을 형성한 기판이 개발되어 있다. 이와같은 압전 박막은 고주파에서 전파 손실을 적게하기 위해 에피택셜(epitazially) 성장된 것이 아니면 안된다.

다르게는, 인터디지탈 전극을 형성하기 위한 금속으로서는 알루미늄이 주로 사용되고 있다. 이와같이 알루미늄이 사용되는 것은 포토리소그래피(photolithograph)가 용이할 것, 그 비중이 적고 전극 부하질량 효과가 적을 것, 및 그 도전율이 높을 것 등의 이유에 의해서 이다. 종래는, 데이터 디지탈 전극이 될 알루미늄 막은, 전자비임 증착 또는 스퍼터(sputter)등에 의해 형성이 되어 있으나, 이와같은 알루미늄막은, 결정학적으로 보았을 때 랜덤 배향된 다결정 막이다.

이와같은 랜덤 향배된 다결정 막으로서의 알루미늄 막위에는, 압전 박막을 에피택셜 성장시킬 수가 없다. 그 때문에, 종래의 고음속 기판을 사용한 탄성 표면파 장치(10)에 있어서는, 제4도에 도시하는 바와같이 단결정 유전체(11)위에 스퍼터 또는 CVD와 같은 방법에 의해 압전 박막(12)을 먼저 형성하여, 고음속 기판(13)을 얻고서부터 압전 박막(12)의 표면에 알루미늄 전극(14)이 형성되어진다. 즉, 알루미늄 전극(14)은 탄성표면파 장치(10)의 표면에 있으며 대기로 노출되어 있다.

그러나, 스퍼터, CVD와 같은 방법에 의해 형성된 압전 박막은, 그 표면에 먼지등의 부착에 의한 돌기를 일으키기 쉽다. 그 때문에, 압전 박막위에 매끄러운 알루니뮴 전극을 형성할 수 없을 때가 있다. 또한 알루미늄 막에 포토리소그래피를 적용하여 알루미늄 전극을 형성할 때, 포토레지스트에도 돌기가 형성되고, 이와같은 돌기에 방해되어서, 포토마스크를 알루미늄 막 위의 포토레지스트의 표면에 밀착시키는 것이 곤란한 경우도 있다. 또한, 압전 박막에 생긴 돌기 때문에 알루미늄 막에 대응하는 돌기가 형성되면, 알루미늄 막위에 포토레지스트를 균일하게 칠하는 일이 돌기에 의해 방해되는 일도 있다. 이들의 사실이 원인으로되어 얻어진 알루미늄 전극간에서 단락을 유발시키는 등의 불합리함이 발생한다.

또한, SAW 필터나 SAW 공진자와 같은 탄성 표면 장치에 고전압 레벨의 신호를 부가하면, 탄성 표면파에 의해 알루미늄 전극이 강한 응력을 받아 마이그레이션(migration)을 일으키는 것을 알았다. 이 마이그레이션은 응력에 의한 것이므로, 전기 마이그레이션과 구별하여 스트레스 마이그레이션이라 불리고 있다. 이 스트레스 마이그레이션이 발생하면, 전기적인 단락을 일으키거나, 삽입손실의 증가, 공진자의 Q값(quality factor)의 저하 등의 특성 예화를 일으킨다. 또한, 스트레스 마이그레이션은 고주파로 될 수록 발생하기 쉬우므로, 특히 고주파에 있어서 사용되는 탄성 표면파 장치에 있어서는 큰 문제로 되어 있었다.

이와같은 스트레스 마이그레이션의 방지 대책으로서, 전극 재료의 알루미늄에 미량의 Cu, Ti, Ni, Mg, Pd 등을 첨가하는 일이 있으나 충분한 효과를 발휘하고 있지 않다.

여기에서, 본원의 발명자는 상술한 스트레스 마이그레이션의 원인을 더욱 추구하였다. 상술한 바와같이, 전자비임 증착 또는 스퍼터 등에 의해 형성되어 있는 전극으로 될 알루미늄은 결정학적으로 일정한 방향으로 향배되어 있지 않고 아몰파스(amorphous)적인 다결정의 상태이다. 이같은 사실이, 이와같은 알루미늄전극에 있어서 입계 확산에 의한 스트레스 마이그레이션을 발생하기 쉽게하는 원인이라 생각된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 스트레스 마이그레이션이 생기기 어렵고, 또한 포토리소그래피를 문제없이 적용하여 형성할 수 있는 그와같은 알루미늄 전극을 구비하는 탄성 표면파 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 단결정, 유전체 및 그 위에 에피택셜 성장된 압전 박막을 갖춘 기판, 및 예를들자면 변환기를 구성하는 전극을 갖춘 탄성 표면파 장치로 향해지는 것으로서, 전극이 유전체와 압전 박막과의 계면에 따라 형성됨과 동시에, 결정 방위적(crystallographically)으로 일정방향으로 향배된 알루미늄 막을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 알루미늄 전극이 결정 방위적으로 일정방향으로 향배되어 있다. 즉 에피택셜 성장이 있으므로, 이와같은 알루미늄 전극이 단결정 유전체 위에 형성되어 있어도 단결정 유전체상 및 알루미늄 전극위에 또 다시 압전 박막을 에피택셜 성장시킬 수가 있다.

이와같이, 알루미늄 전극은 단결정 유전체의 표면위에 직접 형성이 되므로, 단결정 유전체의 상기 표면을 스팩트러 연마하므로서, 알루미늄 전극으로 될 알루미늄 막을 매끄러운 것으로 할 수가 있다. 따라서, 압전 박막 위에 알루미늄 막을 형성하는 경우에 발생하는 상술한 포토리소그래피의 문제가 해결되어 얻어진 전극간에서 단락이 생기는 등의 불합리함을 피할 수가 있다.

또한, 일정한 방향으로 결정축을 향배시킨 알루미늄 막은 단결정막에 가까운 성질을 도시하는 것으로, 생각된다. 따라서, 이와같은 알루미늄 막은, 스트레스 마이그레이션을 유발하기 어렵다. 따라서, 본 발명에 의하면 스트레스 마이그레이션에 의한 전기 단락 및 삽입 손실의 증대를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명이 공진자에 적용된 경우, 그 Q값이 스트레스 마이그레이션에 의해 저하하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 일반적으로 스트레스 마이그레이션은 고주파로 될수록 현저하게 생기는 것 이었다. 그러나, 본 발명에 의하면 이와같은 스트레스 마이그레이션의 발생을 억제할 수 있으므로 탄성 표면파 장치의 고주파 특성을 양호하게 유지할 수가 있음과 동시에, 고음속 기판의 특징을 충분히 살릴 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고전압 레벨의 신호를 부가한 경우에도, 스트레스 마이그레이션의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 신호 레벨의 높은 회로(예를들면 송신용 필터)라도, 본 발명에 의한 탄성 표면파 장치는 실용적으로 사용이 가능해진다.

본 발명에 있어서, 바람직하게는, 단결정 유전체에 실리콘, 사파이어, 다이아몬드, 또는 수정이 사용된다. 또한, 압전 박막의 재료로서 바람직하게는, 산화아연 또는 질화 알루미늄이 사용된다.

본 발명에 의한 일반적인 실시예에서는, 단결정 유전체로서 사파이어가 사용되어 압전 박막의 재료로서 산화아연이 사용되고, 알루미늄막이(311)면향 배막으로 된다.

알루미늄 막에 Cu, Ti, Ni, Mg, Pd, 등의 첨가물의 미량 첨가는 마이그레이션의 새로운 억제에 효과적이다. 이와같은 첨가물의 첨가량으로 바람직하게는 0.1중량% 내지 10중량%의 범위가 선택된다.

제1도를 참조하여, 탄성 표면파 장치(1)는, 단결정 유전체(2) 및 그 표면위에 에피택셜 성장된 압전 박막(3)을 갖인 기판(4)을 구비한다. 단결정 유전체(2)에는 예를들면 R면 사파이어가 사용된다. 압전 박막(3)은 예를들면, (1120)향배 ZnO 박막으로 된다.

단결정 유전체(2)와 압전 박막(3)과의 계면에 따라서, 인터디지탈 전극으로 형성되는 알루미늄 전극(5)이 형성된다. 이들 알루미늄 전극(5)은, 예를들면 변환기를 구성하는 것이다.

제1도에 도시한 탄성 표면파 장치(1)의 상세한 것을 그 제조순에 따라서 구체적으로 설명한다.

먼저, 단결정 유전체(2)로 될 표면을 스팩트러 연마한 R면 사파이어판을 준비하여, 그 표면위에, 알루미늄 전극(5)으로 될 엷은 알루미늄 막을 증착에 의해 형성하였다. 이때, 증착 조건을 제어하므로서, R면 사파이어 판위에 알루미늄 막을 에피택셜 성장시킬 수가 있었다. 얻어진 알루미늄 막의 두께는, 500Å였었다.

이와같이 하여 얻어진 R면 사파이어 판위의 알루미늄 막에 대해서, RHEED(반사 고속 전자선 회절)법에 의해 해석을 하였다.

RHEED 법이란, 제3도에 도시하는 바와같이 고속의 전자비임(21)을 층정시료의 표면(22)에 대해서 아주 작은 입사각으로 입사시켜, 그 반사 상황으로서 시료의 표면 및 그 근처의 결정구조를 해석하는 방법이다. 기록용의 감과 필름(23)에는 전자비임(21)의 다이렉트 스포트(24)와 함께, 전자비임(21)이 시료의 표면(22)에서 반사하여 얻어진 RHEED상(반사 회전 패턴)(25)이 나타난다.

RHEED 법에 있어서, 측정 시료의 표면(22)의 결정 구조에 주기성이 있는 경우에는, RHEED 상(25)이 스포트 형상으로 된다. 이것에 대해서, 측정 시료의 표면(22)이 다결정 구조인 경우에는 RHEED 상(25)에는 링이 나타나, 아몰파스 구조의 경우에는, RHEED 상(25)이 할로(halo) 형상으로 된다.

제2a도는, 상술하는 바와같이 하여 얻어진 R면 사파이어 판위의 알루미늄 막의 RHEED에 의한 사진이며, 제2b도는 제2a도의 사진의 설명도이다. 또한, 전자비임(21)의 파장은 0.0251Å으로 하였다.

제2b도에 있어서, 측정 시료(즉 알루미늄 막)의 표면(22)의 하방으로 전자 비임(21)의 다이렉트 스포트(24)가 도시되고, 측정 시료의 표면(22)의 위편에 RHEED 상(25)이 도시되어 있다. 제2a도 및 제2b도에 도시하는 바와같이 RHEED 상(25)에는 몇개의 스포트가 나타나 있으므로, 얻어진 알루미늄 막이 에피택셜 성장되어 있는 것이 확인된다.

또한, R면 사파이어 판(α-Al₂O₃)의 표면이 (0112)면으로서, 이(0112)면에 있어서 표면파의 전파 방향이 [0111]방향인데 대해서, RHEED 해석에 의하면, 알루미늄 막은 (311)면에서 에피택셜 성장하고 있으며, 이(311) 향배면에 있어서 표면파의 전파 방향이[1011]인 것을 알았다.

이어서, 알루미늄산을 포토 에칭(photoetch)하여, 그에따라 R면 사파이어 판의 표면에 전극을 가리키는 폭 및 간격이 함께 1㎛의 인터디지탈 알루미늄 전극(5)을 형성하였다.

이어서, 플레너 마그네트론 스퍼터에 의해 제1도에 도시하는 바와같이 알루미늄 전극(5)위도 포함해서 R면 사파이어 판으로 형성되는 단결성 유전체(2)의 표면위에 압전 박막(3)으로 되는 ZnO 막을 에피택셜 성장시켰다.

이와 같이하여, 탄성 표면파 장치(1)가 얻어졌다. 이 탄성 표면파 장치(1)에 있어서, 알루미늄 전극(5)은 말하자면 스프리트(split)전극이며, 탄성 표면파의 파장은 8㎛ 였었다. 또한, 이 탄성 표시파 장치(1)에서는, ZnO/R-면 사파이어 판으로 형성되는 기판(4)위를 전파하는 세쟈와(Sezawa)파를 이용하기 위해, ZnO 막(12)의 두께를, 세쟈와파에 있어서 전기 기계 결합 계수가 비교적 큰 파장의 0.25배, 즉 2㎛로 하였다.

이와같은 탄성 표면파 장치(1)에 의하면 알루미늄 전극(5)이 될 알루미늄 막은 스팩트러 연마된 사파이어판으로 형성되는 단결정 유전체(2)의 표면에 형성되었으므로, 평활한 알루미늄 막을 얻을 수가 있고, 따라서, 포토리소그래피에 있어서 발생하는 결합이 원인으로되는 불량의 발생을 없앨 수가 있었다.

이에 대해서 제4도에 도시한 구조에서는 R면 사파이어 판(11)위에 ZnO막(12)을 에피택셜 성장을 시킨후, ZnO막(12)위에 알루미늄 전극(14)으로 될 알루미늄 막을 형성하여, 이 알루미늄 막에 대해서 포토리소그래피가 적용된다. 따라서, ZnO막(12)에 발생한 돌기가 알루미늄 막에 악영향을 미쳐, 포토 에칭에 의해 얻어진 알루미늄 전극(14)에 있어서 단락이 생긴 시료가, 약 30%나 달하였다.

제5도에는, 본 발명에 있어서 흥미있는 비교예가 도시되고 있다. R면 사파이어 판(6)위에 형성된 알루미늄 전극(7)이 랜덤 향배의 다결정 알루미늄 막인 경우에는, 이와같은 알루미늄 전극(7)위의 영역(8)에 있어서 ZnO막(9)은 에피택셜 성장이 되지 않고 다결정 상태로 되어 있다. 따라서, 이 비교예에 의하면, 상술한 본 발명의 실시예에 비해서 전파 손실이 10배 이상으로 커졌다.

또한, 상술한 실시예에 의하면 알루미늄 전극(5)이 에피택셜 성장된 알루미늄에 의해 구성이 되므로 입계 확산에 의한 마이그레이션의 발생을 억제할 수가 있다.

또한, 알루미늄 전극을 구성하는 알루미늄 막에 Cu, Ti, Ni, Mg, Pd와 같은 첨가물을 더하면 마이그레이션을 더욱 억제하는 효과가 있는 것이 확인되었다. 이와같은 첨가물의 첨가량은 지나치게 적으면 실질적인 효과가 없으므로 통상, 0.1중량% 이상 필요하며, 또한 지나치게 많으면 알루미늄 막의 저항율이 증대하므로 통상, 10중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상술한 본 발명의 실시예에 의하면, 알루미늄 전극(5)이 단결정 유전체(2)와 압전 박막(3)과의 계면에 따라 형성되어 있으므로 외부에 대해서 노출하지 않고 알루미늄 전극(5)이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

Claims

표면을 갖는 단결정 유전체와 유전체의 상기 표면위에 에피택셜 성장된 압전 박막을 구비하는 기판과, 상기 유전체와 상기 압전 박막과의 계면에 따라 형성되며, 결정 방위적으로 일정한 방향으로 향배된 알루미늄 막을 구비한 전극 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
제1항에 있어서, 상기 단결정 유전체는 실리콘, 사파이어, 다이아몬드, 및 수정으로 되는 군에서 선택된 임의의 것으로 형성되며, 또한 상기 압전 박막은 산화아연 및 질화알루미늄의 임의의 것으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
제2항에 있어서, 상기 단결정 유전체는 사파이어로 형성되며, 상기 압전 박막은 산화아연으로 형성되며, 상기 알루미늄 막은 (311)면 향배 막인 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄막은 Cu, Ti, Ni, Mg 및 Pd로 형성되는 군에서 선택된 최소한 1종으로 형성되는 첨가물을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
제4항에 있어서, 상기 첨가물은 상기 알루미늄막에 있어서 0.1중량% 내지 10중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.