KR102066960B1 - 박막 벌크 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층인 박막 벌크 음향 공진기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 박막 벌크 음향 공진기 및 이를 포함하는 필터에 관한 것이다.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요가 증가하고 있다.
이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)가 알려져 있다.
FBAR은 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수 (Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, FBAR은 기판상에 제1 전극, 압전체 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다.
FBAR의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2전극에 전기에너지를 인가하여 압전층 내에 전계를 유기시키면, 이 전계는 압전층의 압전 현상을 유발시켜 공진부가 소정 방향으로 진동하도록 한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다
즉, FBAR은 체적 탄성파(Bulk Acoustic Wave: BAW)를 이용하는 소자로, 압전체의 전기 기계 결합 상수(Effective electromechanical coupling coefficient, Kt2)가 커짐으로써 탄성파 소자의 주파수 특성이 개선되고, 또 광대역화도 가능하게 된다.
본 발명의 일 목적 중 하나는 압전체의 전기 기계 결합 상수를 향상시키면서, 동시에 압전체를 구성하는 압전층에 포함되는 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄의 이상성장을 방지할 수 있는 박막 벌크 음향 공진기를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 박막 벌크 음향 공진기의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층이다.
또한, 본 발명은 다른 실시 형태를 통하여 상술한 구조를 갖는 박막 벌크 음향 공진기를 포함하는 필터를 제안하고자 하며, 구체적으로, 복수의 박막 벌크 음향 공진기를 포함하는 필터에 있어서, 상기 복수의 박막 벌크 음향 공진기는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체; 상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고, 상기 압전층 중 적어도 하나는 압축 응력 하에서 형성되는 압축층이다.
본 발명의 일 예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 경우, 압전체가 복수의 압전층을 포함하고, 압전층 중 적어도 한 층은 압축 응력 하에서 성장된 압축층이므로 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄의 이상성장을 방지하고, 동시에 높은 전기 기계 결합 상수를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A의 확대도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 압전체의 잔류 응력에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 전기 기계 결합 상수(Kt2) 값의 변화를 나타낸 것이다.
도 4은 스칸듐이 도핑된 질화알루미늄의 이상성장이 발생한 것을 SEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 5는 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브(Rocking Curve)를 측정한 것이다.
도 6은 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)과 이상성장의 단위 면적당 발생 개수를 측정한 것이다.
도 7은 압전층의 성장시에 인가된 응력에 따른 밀도 및 굴절률을 측정한 것이다.
도 8은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 9은 제1 전극의 성장 조건에 따른 제1 전극의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 10은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 이상성장의 단위 면적당 개수를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 제1 전극 및 압전체를 인장 응력하에 성장시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 12a 내지 도 12c는 제1 전극을 인장 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 13a 내지 도 13c는 제1 전극을 압축 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 14은 제1 전극과 압전체의 격자구조가 서로 매칭되는 모식도를 도시한 것이다.
도 15는 제1 전극의 형성 조건 및 압전체의 형성 조건에 따라, XRD theta-2theta 스캔을 통해 압전체의 c축의 격자 상수와 제1 전극의 a축의 격자 상수를 측정한 것이다.
도 16은 압전체의 잔류 응력에 따른 c 격자 상수를 XRD theta-2theta 스캔을 통해 측정한 것이다.
도 17은 제1 전극와 인접한 압전층을 HR-TEM을 이용하여 관찰한 사진이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
도 20은 압전체 및 전극을 성장시키는 장치의 스퍼터 공정의 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A의 확대도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 압전체의 잔류 응력에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 전기 기계 결합 상수(Kt2) 값의 변화를 나타낸 것이다.
도 4은 스칸듐이 도핑된 질화알루미늄의 이상성장이 발생한 것을 SEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 5는 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브(Rocking Curve)를 측정한 것이다.
도 6은 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)과 이상성장의 단위 면적당 발생 개수를 측정한 것이다.
도 7은 압전층의 성장시에 인가된 응력에 따른 밀도 및 굴절률을 측정한 것이다.
도 8은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 9은 제1 전극의 성장 조건에 따른 제1 전극의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이다.
도 10은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 이상성장의 단위 면적당 개수를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 제1 전극 및 압전체를 인장 응력하에 성장시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 12a 내지 도 12c는 제1 전극을 인장 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 13a 내지 도 13c는 제1 전극을 압축 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우, 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 14은 제1 전극과 압전체의 격자구조가 서로 매칭되는 모식도를 도시한 것이다.
도 15는 제1 전극의 형성 조건 및 압전체의 형성 조건에 따라, XRD theta-2theta 스캔을 통해 압전체의 c축의 격자 상수와 제1 전극의 a축의 격자 상수를 측정한 것이다.
도 16은 압전체의 잔류 응력에 따른 c 격자 상수를 XRD theta-2theta 스캔을 통해 측정한 것이다.
도 17은 제1 전극와 인접한 압전층을 HR-TEM을 이용하여 관찰한 사진이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
도 20은 압전체 및 전극을 성장시키는 장치의 스퍼터 공정의 모식도를 도시한 것이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 음향 공진기는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)일 수 있으며, 기판(110), 절연층(120), 에어 캐비티(112), 및 공진부(135)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 절연층(120)이 마련되어, 기판(110)과 공진부(135)를 전기적으로 격리시킬 수 있다.
절연층(120)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 하나의 공정을 이용하여 기판(110)에 형성하여 제작될 수 있다.
에어 캐비티(112)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 에어 캐비티(112)는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(135)의 하부에 위치한다. 에어 캐비티(112)는 절연층(120) 상에 에어 캐비티 희생층 패턴을 형성한 다음 에어 캐비티 희생층 패턴상에 멤브레인(130)을 형성한 후 에어 캐비티 희생층 패턴을 에칭하여 제거하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인(130)은 산화 보호막으로 기능하거나, 기판(110)을 보호하는 보호층으로 기능할 수 있다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, 멤브레인(130) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층이 형성될 수 있다. 구체적으로 시드층은 멤브레인(130)과 제1 전극(140) 사이에 배치될 수 있다.
도 1에 도시되어 있지 않으나, 절연층(120) 상에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 희생층 패턴을 제거하기 위한 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(120)을 보호하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.
공진부(135)는 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)은 순차적으로 적층될 수 있다.
제1 전극(140)은 절연층(120)의 일 영역의 상부로부터 에어 캐비티(112) 상부의 멤브레인(130)으로 연장되어 형성되고, 압전체(150)는 에어 캐비티(112) 상부의 제1 전극(140) 상에 형성되고, 제2 전극(160)은 절연층(120)의 타 영역의 상부로부터 에어 캐비티(112) 상부의 압전체(150) 상에 형성될 수 있다. 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(112)의 상부에 위치할 수 있다.
압전체(150)는 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로서, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 압전층을 포함한다. 도핑 원소는 희토류 금속(Rare earth metal)일 수 있으며, 예를 들어, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 도핑 원소는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf) 중 적어도 하나 일 수 있다. 압전층에 포함되는 도핑 물질의 함량은 1 내지 20at% 일 수 있다.
공진부(135)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(135)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전체(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(112) 상부에서 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(135)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.
공진부(135)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력하는데, 구체적으로 공진부(135)는 압전체(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.
보호층(170)은 공진부(135)의 제2 전극(160)상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되어 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패드(180)가 형성될 수 있다.
도 2은 도 1의 A의 확대도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 공진부(135)는 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)의 적층 구조를 가진다.
제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)는 도 20에 도시한 스퍼터링 장치를 이용하여 형성될 수 있다.
스퍼터링 장치는 챔버(11), 지지부재(12) 및 타겟(13)을 포함한다. 지지 부재(12)의 상부에는 성장시키고자 하는 물질의 기초가 되는 기초 부재(14)가 배치되고, 스퍼터링 공정이 진행됨에 따라 기초 부재(14)의 상부에 성장시키고자 하는 물질이 증착되어 형성층(15)이 성장된다. 챔버(11)로 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 주입하여, 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 성장시키는 과정에서 챔버(11) 내의 분위기를 조절할 수 있다.
지지부재(12)는 RF 바이어스 파워부와 연결되어, 제1 전극(140), 압전체(150) 및 제2 전극(160)을 성장시키는 과정에서 성장되는 물질의 응력을 압축 응력 또는 인장 응력으로 조절할 수 있다.
제1 전극(140)을 성장시키는 단계는 몰리브덴(Mo)을 타겟(13)으로 사용하여 수행될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 이 때, 성장되는 제1 전극(140)의 응력을 압축 응력으로 하여 결정 배향성을 향상시킬 수 있다.
제1 전극(140)을 형성한 후, 제1 전극(140)의 상부에 압전체(150)를 형성하는 단계가 수행된다.
도 3는 압전체(150)의 잔류 응력에 따른 박막 벌크 음향 공진기의 전기 기계 결합 상수(Kt2) 값의 변화를 나타낸 것이다. 압전체(150)의 전기 기계 결합 상수(Kt2)가 커짐으로써 탄성파 소자의 주파수 특성이 개선되고, 또한 광대역화도 가능하게 된다.
도 3을 참조하면, 압전체(150)의 잔류 응력이 인장 응력으로 점점 커질수록 이에 비례하여 압전체(150)의 전기 기계 결합 상수(Kt2)가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 압전체(150)로 질화 알루미늄(AlN)을 이용하는 경우에 비해, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 이용하는 경우의 전기 기계 결합 상수가 높은 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 도핑 물질은 스칸듐 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하지만, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 압전체는 잔류 응력을 인장 응력이 되도록 형성하는 경우, 압전체(150)에서 도 4과 같이 이상 성장(155)이 발생하는 개수가 증가하는 문제가 있다.
이러한 이상 성장은 결장 성장(Crystal growth) 시에 표면 에너지(Surface energy)를 낮출 수 있는 위치에서 주로 발생하게 되며, 압전체(150)에 이상 성장(155) 개수가 증가할수록 박막 벌크 음향 공진기에서 종 방향 및 횡 방향의 파동의 손실이 증가하는 문제가 있다.
따라서, 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하여, 압전체(150)의 전체적인 잔류 응력을 인장 응력으로 유지하면서 이상 성장을 방지할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 도핑 물질이 첨가된 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하는 과정에서 압전체(150)를 구성하는 복수의 압전층(151, 152) 중 적어도 하나를 압축 응력 하에서 형성시킴으로써, 이상 성장이 발생하는 것을 방지하고, 동시에 높은 전기 기계 결합 상수를 가질 수 있다.
이와 같이, 압전체를 형성하는 과정에서 압전체(150)를 구성하는 복수의 압전층 중 적어도 하나를 압축 응력 하에서 형성된 압전층을 압축층이라 할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 압축층은 압축 응력이 인가되지 않은 상태에서 형성된 압전층보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비가 커지게 되며, 압축층의 밀도는 3.4681g/cm3을 초과하게 되고, 압축층의 굴절률은 2.1135를 초과한다. 또한, 압축층은 다른 압전층 보다 큰 c 격자 상수를 가진다.
또한, 압축층은 압전체(150)의 하부에 제1 전극(140)과 접하도록 배치되어 도핑 물질을 첨가한 질화 알루미늄으로 압전체(150)를 형성하는 과정에서 이상 성장이 발생하는 것을 최소화하거나, 이상 성장이 발생하지 않도록 할 수 있다.
압전체(150)를 형성한 후, 압전체(150)의 상부에 제2 전극(160)이 형성된다.
제2 전극(160)은 압전체(150)를 사이에 두고 제1 전극(140)과 서로 대향하도록 배치된다.
제2 전극(160)은 제1 전극(140)과 마찬가지로 몰리브덴으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 전극(160)은 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
하기의 표 1과 같이, 압전체를 형성하는 단계를 4층의 압전층을 형성하는 단계로 나누었다. 다만, 압전층의 층수는 이에 제한되는 것이 아니다.
각 압전층을 형성하는 단계는 도 20의 스퍼터링 장치의 지지 부재에 RF 바이어스 파워를 조절하여 압축 응력 또는 인장 응력을 인가한 상태에서 압전층을 성장시키는 방법으로 수행되었다.
표 1에서 각 샘플의 압전체는 실리콘 웨이퍼의 상부에서 성장되었다.
| #1-1 | #1-2 | #1-3 | #1-4 | #1-5 | #1-6 | |
| 제4층 | ◇ | ■ | ■ | ■ | ◆ | □ |
| 제3층 | ◇ | ■ | ■ | ◆ | ■ | □ |
| 제2층 | ◇ | ■ | ◆ | ■ | ■ | □ |
| 제1층 | ◇ | ◆ | ■ | ■ | ■ | □ |
| 압전체의 목표 잔류 응력(MPa) | -300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
표 1의 제1층 내지 제4층은 압전체를 구성하는 복수의 압전층 중 제1 전극으로부터 적층 방향으로 순서대로 정의한 것이다.
압전체의 목표 잔류 응력은 압전체를 형성한 후, 압전체가 가지는 전체적인 잔류 응력을 의미한다.
또한, 표 1의 ◇, ◆, □, ■는 하기 표 2와 같은 조건을 의미한다.
| RF 바이어스 (W) | Stress (MPa) | |
| ■ | 68.75 | 600 |
| □ | 82.25 | 300 |
| ○ | 95.75 | 0 |
| ◇ | 109.25 | - 300 |
| ◆ | 122.75 | - 600 |
표 2에서 RF 바이어스는 도 15의 스퍼터링 장치에서 지지 부재에 인가되는 바이어스를 의미하는 것이며, 스트레스는 RF 바이어스에 따라 성장하는 압전층에 인가되는 스트레스를 의미하는 것이다.
도 5는 표 1의 각 샘플의 XRD 락킹 커브(Rocking Curve)를 측정한 것으로, 락킹 커프의 측정 결과는 다음 표 3과 같다.
| 샘플 | FWHM | 중심값 | (FWHM / Intentsity) × 105 |
| #1-1 | 1.50950 | 18.07454 | 0.447 |
| #1-2 | 1.41530 | 18.00245 | 0.380 |
| #1-3 | 1.48765 | 17.93866 | 0.437 |
| #1-4 | 1.50853 | 18.03569 | 0.498 |
| #1-5 | 1.52965 | 18.01024 | 0.430 |
| #1-6 | 1.50006 | 17.97971 | 0.430 |
표 3을 참조하면, 모든 샘플에서 반치폭이 1.41 ~ 1.5 정도로 우수한 값을 보여, 높은 결정 배향성을 가짐을 알 수 있다.
특히, 샘플 #1-2의 경우, 반치폭이 가장 낮아 가장 높은 결정 배향성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 샘플 #1-2의 경우에는 반치폭은 가장 낮고, 가장 높은 인텐시티를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
압전체를 구성하는 압전층 중 제1층, 즉 제1 전극과 접하도록 배치되는 압전층을 압축층으로 형성하는 경우, 반치폭이 가장 낮아 가장 높은 결정 배향성을 가지는 효과를 얻을 수 있다.
이는, 압전체를 형성하기 시작할 때, 가장 기초가 되는 최하층인 제1층을 조밀하게 형성한 경우, 제1층의 위로 성장되는 나머지 압전층의 배열도 개선되기 때문인 것으로 판단된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 압축층을 압전체의 하부에 제1 전극과 접하도록 배치 또는 형성함으로써, 결정 배향성을 높여 박막 벌크 음향 공진기의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6은 표 1의 샘플들의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)과 이상성장의 단위 면적당 발생 개수를 측정한 것으로, 그 결과는 표 4와 같다.
| #1-1 | #1-2 | #1-3 | #1-4 | #1-5 | #1-6 | |
| FWHM | 1.5095 | 1.4153 | 1.48765 | 1.50853 | 1.52965 | 1.50006 |
| 이상 성장 개수 | 0 | 0 | 3.6 | 3.6 | 4.3 | 2.1 |
이상 성장 개수는 14㎛ × 12㎛의 면적에서 이상 성장된 개수를 측정한 것이다.
도 6 및 표 4를 참조하면, 제1층을 압축층으로 형성한 샘플 #1-2가 반치폭이 가장 낮아 가장 우수한 결정 배향성을 보였으며, 동시에 이상 성장도 발견되지 않았음을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 압전체를 형성하기 시작할 때, 가장 기초가 되는 최하층인 제1층을 조밀하게 형성한 경우, 제1층의 위로 성장되는 나머지 압전층의 배열도 개선되어 이상 성장이 최소화 되는 것으로 판단된다.
도 6 및 표 4의 결과에 따르면, 압전체의 형성시에 초기에 증착되는 압전층의 증착 조건을 RF 바이어스의 출력을 향상시켜 이온 봄바딩 에너지(ion bombarding energy)를 높인 압축 응력 조건인 경우, 압전체의 전체적인 잔류 응력이 인장 응력임에도 불구하고 우수한 결정 배향성 및 이상 성장을 억제할 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄을 압전체로 사용하면서, 잔류 응력이 인장 응력이기 때문에 매우 높은 전기 기계 결합 상수를 가진다. 동시에, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기는 압전체를 구성하는 복수의 압전층 중 적어도 한층, 바람직하게는 제1 전극과 접하는 압전층을 압축층으로 형성하여 우수한 결정 배향성 및 이상 성장을 방지하는 효과를 가질 수 있다.
도 7은 압전층의 성장시에 인가된 응력에 따른 밀도 및 굴절률을 측정한 것이며, 표 5는 도 7의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7 및 표 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 벌크 음향 공진기에 포함되는 압축층에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
| #2-1 | #2-2 | #2-3 | |
| Density (g/cm3) | 3.4925 | 3.4681 | 3.408 |
| 굴절률(Refractive index) | 2.115 | 2.1135 | 2.1106 |
표 5의 샘플 #2-1, #2-2 및 #2-3은 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄을 각각 -600MPa (압축 응력), 0MPa 및 600MPa (인장 응력) 하에서 형성한 것이다.
밀도(Density)는 XRR(X-ray Reflectometry)을 이용하여 측정한 것이며, 굴절률은 Ellipsometer를 이용하여 측정하였다.
도 7을 참조하면, 형성시 인가된 압력에 따른 밀도의 변화와 굴절률의 변화의 경향성이 서로 같은 것을 알 수 있다.
압축 응력 하에서 형성된 압축층의 격자 상수의 변화의 경향성을 파악하기 위하여 질화 알루미늄을 압축 응력하에서 형성시킨 경우를 살펴보면 다음과 같다.
질화 알루미늄은 HCP 구조를 가지며, c축의 격자 상수가 4.986Å이며, a축의 격자 상수가 3.116Å이다. 즉, 질화 알루미늄의 c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)는 1.6이 된다.
질화 알루미늄을 압축 응력 하에서 형성하는 경우, c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)가 1.6보다 커지게 된다. 이와 반대로, 질화 알루미늄을 인장 응력 하에서 형성하는 경우, c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)가 1.6보다 작아지게 된다.
스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄은 결정 구조에서 알루미늄의 일부가 스칸튬으로 치환하게되어 질화 알루미늄가 격자 상수가 달라지게 된다. 하지만, 스칸듐을 도핑한 질화 알루미늄의 결정 구조도 HCP이며 형성시 인가되는 압력에 대해 질화 알루미늄의 c축의 격자 상수에 대한 a축의 격자 상수의 비(c/a)의 변화가 유사한 경향성을 보이게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축층은 응력이 인가되지 않은 상태에서 형성된 압전층보다 a축 방향의 격자 상수와 c 축 방향의 격자 상수의 비가 크게 된다.
또한, 도 7 및 표 5와 같이, 압축층의 밀도는 3.4681g/cm3을 초과하게 되고, 압축층의 굴절률은 2.1135를 초과하게 된다.
하기의 표 6은 제1 전극의 형성 조건에 따른 샘플들을 표시한 것이다. 표 6의 제1 전극의 형성 조건에 따라 몰리브덴을 이용하여 제1 전극을 형성하였으며, 제1 전극의 상부에 스칸듐을 포함하는 질화 알루미늄을 이용하여 4층의 압전층을 가지는 압전체를 형성하였다.
압전체는 표 1과 달리 실리콘 웨이퍼가 아닌 제1 전극의 상부에 형성되었다.
표 6에서 사용된 ◇, ◆, □, ■는 전술한 표 2와 같은 조건을 의미한다.
|
|
그룹 1 | 그룹 2 | ||||||
| #3-0 | #3-1 | #3-2 | #3-3 | #3-4 | #3-5 | #3-6 | ||
| 압전체 | 제4층 | ◇ | □ | □ | □ | ■ | ■ | ■ |
| 제3층 | ◇ | □ | □ | □ | ■ | ■ | ■ | |
| 제2층 | ◇ | □ | □ | □ | ■ | ■ | ■ | |
| 제1층 | ◇ | □ | □ | □ | ◆ | ◆ | ◆ | |
| 제1 전극 | □ | □ | ◇ | ◆ | □ | ◇ | ◆ | |
하기의 표 7은 표 6의 샘플들의 압전체의 반치폭과 제1 전극의 반치폭을 각각 측정한 것이다.
| #3-0 | #3-1 | #3-2 | #3-3 | #3-4 | #3-5 | #3-6 | |
| 압전체의 FWHM | 1.543 | 1.513 | 1.489 | 1.469 | 1.491 | 1.446 | 1.434 |
| 제1 전극의 FWHM | 1.968 | 2.052 | 1.965 | 1.869 | 2.039 | 1.898 | 1.873 |
도 8은 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이며, 도 9은 제1 전극의 성장 조건에 따른 제1 전극의 XRD 락킹 커브의 반치폭(FWHM)을 측정한 것이고, 도 10는 제1 전극의 성장 조건에 따른 압전체의 이상성장의 단위 면적당 개수를 나타낸 것이다.
도 8, 9 및 표 7을 참조하면, 제1 전극이 높은 압축 응력 하에서 형성될수록, 압전체와 제1 전극의 반치폭이 감소하여 결정 배향성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 제1 전극이 몰리브덴(Mo)인 경우에 몰리브덴의 결정 구조에서 110 면의 결정 배향성이 향상되며, 압전체가 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄인 경우에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 결정구조에서 0002 면의 결정 배향성이 향상되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 그룹 1 및 2는 모두 제1 전극이 높은 압축 응력 하에서 형성될수록, 이상 성장 개수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 압전체가 형성되기 전에 기초가 되는 제1 전극이 조밀하게 형성되어, 제1 전극에 위로 성장하는 압전체도 높은 결정 배향성을 가지며 형성되고, 이에 따라 이상 성장 개수도 감소하게 되는 것을 알 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 제1 전극 및 압전체를 인장 응력하에 성장시킨 경우(샘플 #3-1), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이며, 도 12a 내지 도 12c는 제1 전극을 인장 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우(샘플 #3-4), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이며, 도 13a 내지 도 13c는 제1 전극을 압축 응력하에 성장시키고 압전체 중 압축층이 제1 전극과 접하는 위치에 배치시킨 경우(샘플 #3-6), 제1 전극 및 압전체의 경계를 배율에 따라 TEM에 의해 관찰된 사진이다.
도 11 내지 13은 고해상도의 TEM으로 제1 전극(Mo)과 압전체(ScAlN)의 계면을 촬영한 것이다.
도 11a, 12a 및 13a를 참조하면, 제1 전극이 어두운 색의 층으로 나타나며, 압전체가 비교적 밝은 색의 두꺼운 층으로 나타나게 된다.
도 11b를 참조하면 압전체 부분에 결함(defect)을 나타내는 검정색 반점들이 도 12b 및 13b보다 현저히 많이 나타나는 것을 알 수 있으며, 도 13b에서 검정색 반점들이 가장 적은 것을 알 수 있다.
또한, 도 12b 및 도 12c를 참조하면, 제1 전극과 압전체가 접하는 계면이 굴곡진 형상을 가지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 제1 전극과 압전체가 접하는 계면이 굴곡진 형상을 가지는 경우, 필름 벌크 음향 공진기의 성능이 감소하게 된다.
이와 달리, 도 13b 및 도 13c를 참조하면, 제1 전극 및 압전체가 접하는 계면이 평탄한 것을 확인할 수 있다.
도 14는 제1 전극과 압전체의 격자구조가 서로 매칭되는 모식도를 도시한 것이다. 도 14를 참조하여, 몰리브덴인 제1 전극에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄이 성장하는 것을 설명하도록 한다.
몰리브덴의 경우, 결정구조가 BCC이며, 110 면의 면밀도가 가장 높다.
이와 달리, 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄은 결정구조가 HCP이다.
제1 전극에 압전체를 형성하는 경우, 110면의 몰리브덴 원소 중에서 가운데 하나의 몰리브덴을 중심으로 주위의 몰리브덴 원소의 중심을 서로 연결하면 도 13과 같이 육각형이 나타나게 된다.
이러한 육각형에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 HCP의 0002 면이 배치된다.
도 15는 압전체의 잔류 응력에 따른 c 격자 상수를 XRD theta-2theta scan을 통해 얻었다. 도 15를 참조하면, 압축 응력일수록 c 격자 상수가 증가하며 인장 응력일수록 c 격자 상수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 제1 전극의 형성 조건 및 압전체의 형성 조건에 따라, 압전체의 c축의 격자 상수와 제1 전극의 a축의 격자 상수를 측정한 것이다.
도 16을 참조하면, 압전체의 전체 잔류 응력은 인장 응력 (300MPa)이기 때문에 스칸듐이 도핑된 질화 알루미늄의 c 격자 상수 값은 일정한 값을 내고 있음을 알 수 있다. 하지만 제1 전극의 경우, 잔류 응력이 압축 응력일수록 a 격자 상수가 크게 증가하는 것을 알 수 잇다.
즉, 잔류 응력이 압축 응력인 제1 전극의 격자 상수는 3.12 Å보다 큰 값을 가질 수 있다.
도 17은 제1 전극와 인접한 스칸듐 질화 알루미늄의 층(도 2의 ‘151’ 참조)의 HR-TEM image이다(그림 순서대로 #3-1, #3-4, #3-6). XRD theta-2theta 스캔으로는 스칸듐 질화 알루미늄의 a 격자 상수 측정이 어렵기 때문에 HR-TEM으로 a 격자 상수를 측정하였다.
하기 표 8은 a축에 따른 격자 상수를 측정하여 제1 전극과 압전체의 격자의 부정합도(Lattice mismatch)를 계산한 것이다.
| a축의 격자 상수 (Å) | |||
| #3-1 | #3-4 | #3-6 | |
| 압전체(제1층) | 2.64 | 2.64. | 2.842 |
| 제1 전극 | 3.139 | 3.117 | 3.125 |
| 1개 변의 격자의 부정합도(%) |
15.28 | 15.22 | 9.06 |
| 6개 변의 격자의 부정합도(%) |
39.283 | 38.825 | -1.902 |
도 15 내지 17 및 표 8을 참조하면, 제1 전극을 압축 응력 하에서 형성하고, 동시에 제1 전극과 접하는 압전층이 압축 응력하에서 형성된 압축층인 경우에 격자의 부정합도가 가장 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 제1 전극을 압축 응력 하에서 형성하고, 동시에 제1 전극과 접하는 압전층이 압축 응력하에서 형성된 압축층인 경우에 압전체의 결정 배향성이 향상되어 박막 벌크 음향 공진기의 성능이 향상될 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예들에 따른 필터의 개략적인 회로도이다.
도 18 및 도 19의 필터에 채용되는 복수의 체적 음향 공진기 각각은 도 1에 도시된 박막 벌크 음향 공진기에 대응한다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(1000)는 래더 타입(ladder type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(1000)는 복수의 박막 벌크 음향 공진기(1100, 1200)를 포함한다.
제1 박막 벌크 음향 공진기(1100)는 입력 신호(RFin)가 입력되는 신호 입력단과 출력 신호(RFout)가 출력되는 신호 출력단 사이에 직렬 연결될 수 있고, 제2 박막 벌크 음향 공진기(1200)는 상기 신호 출력단과 접지 사이에 연결된다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터(2000)는 래티스 타입(lattice type)의 필터 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터(2000)는 복수의 박막 벌크 음향 공진기(2100, 2200, 2300, 2400)를 포함하여, 밸런스드(balanced) 입력 신호(RFin+,RFin-)를 필터링하여 밸런스드 출력 신호(RFout+, RFout-)를 출력할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 기판
112: 에어 캐비티
120: 절연층
130: 멤브레인
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전체
151, 152: 압전층
155: 이상결정
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극 패드
1000, 2000: 필터
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: 박막 벌크 음향 공진기
112: 에어 캐비티
120: 절연층
130: 멤브레인
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전체
151, 152: 압전층
155: 이상결정
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극 패드
1000, 2000: 필터
1100, 1200, 2100, 2200, 2300, 2400: 박막 벌크 음향 공진기
Claims (13)
- 기판;
상기 기판의 상부에 배치되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치되며, 도핑 원소가 첨가된 질화 알루미늄을 포함하는 복수의 압전층을 포함하는 압전체;
상기 압전체 상에 배치되며, 상기 압전체를 사이에 두고 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극;을 포함하고,
상기 압전층 중 적어도 하나는 압축층이며, 상기 압축층은 상기 제1 전극에 접하도록 배치되고,
상기 압축층은 다른 압전층보다 a축 방향의 격자 상수와 c축 방향의 격자 상수의 비(c/a)가 큰 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 도핑 물질은 스칸듐, 에르븀, 이트륨, 란탄, 티타늄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 압전층은 상기 도핑 물질을 1 내지 20at% 만큼 포함하는 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 압전층 중 상기 압축층은 다른 압전층보다 큰 c축 방향의 격자 상수를 가지는 박막 벌크 음향 공진기.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 압축층의 밀도는 3.4681g/cm3을 초과하는 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 압축층의 굴절률은 2.1135를 초과하는 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 압전체의 잔류 응력은 인장 응력인 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 압축 응력 하에서 형성되어, 상기 제1 전극의 a축 방향의 격자 상수가 응력이 인가되지 않은 상태에서 형성된 것보다 큰 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 금(Au), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 및 이리듐(Ir) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성되는 박막 벌크 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 몰리브덴(Mo) 또는 이의 합금을 포함하고,
상기 제1 전극의 a축 방향의 격자 상수는 3.12Å 보다 큰 값을 가지는 박막 벌크 음향 공진기
- 복수의 박막 벌크 음향 공진기를 포함하는 필터에 있어서,
상기 복수의 박막 벌크 음향 공진기 중 하나 이상은 제1항 내지 제4항, 제7항 내지 제12항에서 선택된 어느 하나의 박막 벌크 음향 공진기인 필터.
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