KR102457270B1 - Method of manufactruring piezoelectric thin film and device using the same - Google Patents
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Abstract
본 개시는 ScxAl1 - xN로 된 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판 위에 성막 기판 제거를 위한 희생층을 형성하는 단계; 그리고, 희생층 위에 wurzite 구조의 ScxAl1 - xN 압전 박막을 성막하는 단계;를 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present disclosure provides a method for manufacturing a piezoelectric thin film made of Sc x Al 1 - x N, the method comprising: forming a sacrificial layer for removing the deposition substrate on the deposition substrate; And, it relates to a method of manufacturing a piezoelectric thin film comprising; forming a Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film of a wurzite structure on the sacrificial layer.
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 압전 박막 및 이 박막을 이용하는 소자에 관한 것으로, 특히 ScxAl1 - 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.The present disclosure generally relates to a piezoelectric thin film and a device using the thin film, and more particularly, to a method for manufacturing a Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film and a device using the thin film. Piezoelectric thin films are used in a variety of resonators, including high-quality high-frequency filters, energy harvesters, ultrasonic transducers, and sensors for bio & IoT. resonators) applications, etc. Recently, these thin films have been used as acoustic resonators (eg, surface acoustic wave resonators, BAW resonators) in filters used in portable electronic devices such as smart phones. It is attracting attention as a high-sensitivity sensor for its role and bio and IoT applications. Although the use of the piezoelectric thin film has been exemplified above, the use of the thin film is not limited thereto.
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).Herein, background information related to the present disclosure is provided, and they do not necessarily mean prior art (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 도 15에서 상세히 후술하겠지만 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.According to the document Nano Energy 51 (2018) 146-161, “AlN piezoelectric thin films for energy harvesting and acoustic devices”, AlN piezoelectric thin films have high longitudinal acoustic wave velocity (approximately 11,000 m/s), high high thermal stability (melting point; 2100°C, piezoelectric property retention temperature; 1150°C), wide energy bandgap (6.2eV), and excellent piezoelectric and dielectric properties Because of its unique properties, it is used in high-quality high-frequency filters, energy harvesters, ultrasonic transducers, and sensors for bio & IoT applications. It is currently being used explosively as a variety of resonator application products including In general, as a method of forming an AlN piezoelectric thin film material (thin film synthesis), PVD (physical vapor deposition; typically sputtering), which is poly-crystal deposition at a temperature of about 400 ° C., and single crystal at a temperature of about 1000 ° C. CVD (chemical vapor deposition; typically MOCVD, HVPE) is known as epitaxial single crystal growth. At present, due to the film formation (deposition, growth) process of AlN piezoelectric thin film and the device design in consideration of this film formation process, the insulating layer (typically SiO 2 ) and/or the metal layer including the electrode function are sequentially on the high-resistance Si film-forming substrate, or After forming a multi-layered thin film (typically Mo, Ti, Pt, W, Al), design a device through polycrystalline AlN deposition at a temperature around 400°C, or add a subsequent heat treatment process if necessary to fabricate a designed device is currently doing. However, as will be described in detail later in FIG. 15, due to physical process limitations, the AlN piezoelectric thin film deposited with an optimized process on the insulating layer and/or the metal thin film at a temperature around 400° C. has a textured poly-crystal microstructure ( Compared to AlN piezoelectric thin films of high purity epitaxial single crystal microstructure deposited at a high temperature around 1000°C with microstructure), physical properties including piezoelectricity-related properties are not excellent. As a result, various AlN piezoelectric thin film devices designed They have limitations in terms of performance and application expansion. In other words, in the prior art, the crystal quality (crystallinity and polarity) in the AlN piezoelectric thin film and the device using the same can be deposited on the single or multi-layer thin film of the insulating layer and/or the metal layer formed before the AlN film formation, and the deposition film formation temperature and surface material state It has been difficult to construct an AlN piezoelectric thin film from a material of high purity single crystal because it is limited by physical factors such as. Several methods have been proposed to overcome this limitation and to obtain a high-purity single-crystal AlN piezoelectric thin film and fabricate a device. Direct growth film formation on an epitaxial synthesis substrate (Sapphire, SiC) or deposition on a silicon (Si) single crystal film formation substrate at the highest possible temperature with a sputtering device, followed by wafer bonding ( Methods for completing a device through an AlN piezoelectric thin film transfer technology to a device substrate through wafer-bonding and film-forming substrate lift-off have been proposed.
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.1 is a view showing devices using a piezoelectric thin film disclosed in US Patent Publication No. US2015-0033520, and in FIG. 1 (a), an example of an FBAR (20; Film Bulk Acoustic Resonator) is presented, and FIG. SMR (20'; Solidly Mounted Resonator) is presented. FBAR and SMR belong to BAW resonators. The FBAR 20 includes a pair of
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)). 2 to 4 are views showing an AlN piezoelectric thin film and a method of manufacturing a device using the same as presented in US Patent Publication No. US2015-0033520, first, a single crystal AlN piezoelectric thin film is grown on a sapphire (Al 2 O 3 ) film-forming substrate. (Fig. 2(a)). At this time, unlike the conventional formation of a SiO 2 film and an electrode made of Mo on a Si film substrate and then forming an AlN piezoelectric thin film through sputtering, which is PVD (Physical Vapor Deposition), HVPE or CVD (Chemical Vapor Deposition) MOVCD is used. to form a high-quality, high-purity, single-crystal AlN piezoelectric thin film. Next, a contact electrode is formed (Fig. 2(b). In the case of manufacturing SMR, a Bragg reflector (SiO 2 /W) reflector is first formed on a separately provided semiconductor device substrate (Fig. 3(c)). The AlN piezoelectric
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.Compared to a polycrystalline AlN piezoelectric thin film deposited through a sputtering device on a silicon oxide (SiO 2 ) and/or metal (electrode) material on a conventional Si deposition substrate, MOCVD growth deposition on a sapphire deposition substrate The single-crystalline AlN piezoelectric thin film greatly improves the performance and quality of the resonator. However, an AlN piezoelectric thin film having optical properties of a short wavelength of 200 nm when converted to a wavelength of 6.2 eV energy bandgap is directly grown on a sapphire film-forming substrate, and then it is directly grown on the currently commercially available ArF (193 nm) & KrF (248 nm), etc. It is by no means easy to isolate using the excimer laser light energy source of For this reason, in order to separate the two material layers using a laser light energy source, strong absorption of the laser light energy source at the interface and a thermo-chemical decomposition reaction through conversion into thermal energy are performed. The process of separating a specific deposited thin film having a function from the deposition substrate through this mechanism is called “laser lift off (LLO)”. The starting point of the laser lift-off (LLO) mechanism is that a sacrificial ayer composed of a suitable material that can absorb the laser light energy source and convert it into a thermal energy source must be present between the optically transparent deposition substrate and the specific deposited thin film. . A suitable condition for this sacrificial ayer material is an optically transparent semiconductor having an energy bandgap of a wavelength sufficiently larger than the wavelength of the laser irradiated and incident through the back surface of the optically transparent sapphire film formation substrate, and at the same time, an optical energy source. An amorphous, polycrystalline (amorphous or polycrystalline), or a material region having a multi-layer microstructure that can absorb as much as possible is absolutely required. The method overlooked and described this point.
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.5 is a view showing an example of a method for manufacturing an AlN piezoelectric thin film presented in US Patent Publication No. US2006-0145785, a
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.6 is a view showing an example of a method for manufacturing an AlN piezoelectric thin film presented in Solid-State Electronics 54 (2010) 1041-1046, the manufacturing method is as shown in FIG. 6(a), (001) silicon film formation Forming a sputter-deposited AlN piezoelectric
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.In addition, there is a method of growing a high-purity AlN piezoelectric thin film on a SiC film-forming substrate, but the SiC film-forming substrate is expensive, and after growing a high-purity AlN thin film on a SiC film-forming substrate, SiC film formation through chemical wet etching in the known AlN piezoelectric thin film resonator manufacturing process Since the substrate is removed, it cannot be reused, so it is not considered because it cannot solve the problem of high cost and cost of the AlN piezoelectric thin film resonator.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described at the end of 'Specific Contents for Implementation of the Invention'.
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). Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure (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), ScxAl1 - xN로 된 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판 위에 성막 기판 제거를 위한 희생층을 형성하는 단계; 그리고, 희생층 위에 wurzite 구조의 ScxAl1 - xN 압전 박막을 성막하는 단계;를 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법이 제공된다.According to one aspect according to the present disclosure (According to one aspect of the present disclosure), in the method of manufacturing a piezoelectric thin film of Sc x Al 1 - x N, forming a sacrificial layer for removing the deposition substrate on the deposition substrate step; And, forming a Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film of a wurzite structure on the sacrificial layer; a method of manufacturing a piezoelectric thin film comprising a.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described at the end of 'Specific Contents for Implementation of the Invention'.
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 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 11 내지 도 13은 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 14 및 도 15는 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 16은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 17은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 18은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 19는 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 20은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 21은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 22 및 도 23은 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 24는 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 25는 ScxAl1 - xN 및 ScxGa1 - xN의 물성을 나타내는 그래프,
도 26은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 27은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 28은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 29는 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 30은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면.1 is a view showing devices using a piezoelectric thin film presented in US Patent Publication No. US2015-0033520,
2 to 4 are views showing an AlN piezoelectric thin film presented in US Patent Publication No. US2015-0033520 and a method of manufacturing a device using the same;
5 is a view showing an example of a method for manufacturing an AlN piezoelectric thin film presented in US Patent Publication No. US2006-0145785;
6 is a view showing an example of a method for manufacturing an AlN piezoelectric thin film presented in Solid-State Electronics 54 (2010) 1041-1046;
7 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure; A drawing showing an example,
8 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure; A drawing showing another example,
9 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
10 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
11 to 13 are views showing an example of a method of manufacturing a resonator using the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure;
14 and 15 are views showing another example of a method of manufacturing a resonator using the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure;
16 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
17 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
18 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
19 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
20 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure. A drawing showing another example,
21 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; A drawing showing another example,
22 and 23 are views showing another example of a method of manufacturing a resonator using the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure;
24 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure;
25 is a graph showing the physical properties of Sc x Al 1 - x N and Sc x Ga 1 - x N;
26 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure;
27 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure;
28 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure;
29 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure;
30 is a view illustrating a method for manufacturing a piezoelectric thin film according to the present disclosure and another example of a piezoelectric thin film structure;
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)).Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings (The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 7은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 일 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 제1 반도체층(2), 희생층(3) 그리고 AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다.7 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure; As a view showing an example, the structure includes a sapphire film-forming
도 8은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 제1 반도체층(2), 희생층(3) 그리고 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함하며, 추가적으로 희생층(3)과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 사이에 제2 반도체층(5)을 포함한다.8 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure; As another example, the structure includes a sapphire film-forming
도 9는 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 제1 반도체층(2), 희생층(3) 그리고 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함하지만, 제1 반도체층(2)과 희생층(3)의 형성 순서가 도 7에 제시된 구조물과 바뀌어 있다.9 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As another example, the structure includes a sapphire film-forming
도 10은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 제1 반도체층(2), 희생층(3), AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 그리고 제2 반도체층(5)을 포함하지만, 제1 반도체층(2)과 희생층(3)의 형성 순서가 도 8에 제시된 구조물과 바뀌어 있다.10 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As a view showing another example, the structure is a sapphire film-forming
예를 들어 C면 사파이어 성막 기판을 사용할 수 있으며, 그 위에 형성되는 3족 질화물이 성장 전처리 조건에 따라 극성(polarity; 메탈릭 또는 개스) 표면(face) 또는 반극성(semi-polarity; 메탈릭 극성과 질소 개스 극성이 혼합된) 표면을 가질 수 있다면, C면을 벗어나거나 C면이 아닌 사파이어 성막 기판의 사용을 고려할 수 있다. 평탄한 성막 기판 이외에도 나노 사이즈의 PSS(Patterned Sapphire Substrate)의 사용을 고려할 수 있다.For example, a C-plane sapphire deposition substrate may be used, and the Group III nitride formed thereon may have a polarity (metallic or gas) surface or semi-polarity (metallic polarity and nitrogen) depending on the growth pretreatment conditions. If it is possible to have a surface with mixed gas polarities), it is possible to consider the use of a sapphire deposition substrate that is not on the C-plane or is not the C-plane. In addition to the flat deposition substrate, the use of a nano-sized patterned sapphire substrate (PSS) may be considered.
도 7 및 도 8에 제시된 예에서, 제1 반도체층(2)은 저온이 아닌 고온(1000℃ 이상) 성장 성막된 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 이루어지며, 후속하여 성장되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정 품질(결정성과 극성)을 보장하는 역할을 한다. 따라서 적정 성장온도보다 낮은 온도에서 성장 성막되는 종래의 버퍼층이라 일컫어지는 층과 구분된다. 제1 반도체층(2)은 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD)로 성장 성막될 수 있다. AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 된 제1 반도체층(2) 두께의 상한과 하한은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 두께 균일도(thickness uniformity)를 유지하기 위한 스트레스 조절(stress control) 기능을 하는데 유리하도록 100nm-20㎛로 한다. 예를 들어, 1000-1400℃의 온도와, 100-200torr의 압력에서 성장 성막될 수 있으며, 다량의 수소(H2)를 포함한 암모니아(NH3)와 질소(N2)로 구성된 분위기(상대적으로 N2보다는 NH3 함량이 더 크다) 또는 암모니아(NH3)와 질소(N2)로 구성된 분위기에서, AlN의 경우, 100% Al 구성, Al-rich AlGaN의 경우, Al/(Al+Ga) 값이 50% 이상으로 하여 성장 성막할 수 있다. 바람직하게는 전처리로서, 상기 적정 성장온도에서 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 된 제1 반도체층(2) 성장 전에, 900-1000℃에서 10sec 동안 Al MOCVD 소스 개스(예: TMAl)로 챔버(chamber) 내부 전처리와 20nm 이하 두께로 AlN 버퍼층을 형성한 다음, 이어서 적정 성장조건 1000-1400℃ 및 100-200torr에서 성장 성막하는데, 고품질 결정성 확보, 전위밀도 저감(reduction in dislocation density), 크랙 생성 및 전파 억제(suppression of generation & propagation)를 위해서 의도적으로 사파이어 성막 기판(1)의 인접 영역과 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 된 제1 반도체층(2) 내부에 다수의 에어 공극(air-voids)을 형성하는 것이 유리하다.7 and 8, the
도 9 및 도 10에 제시된 예에서, 제1 반도체층(2)은 100nm 이하의 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 이루어지는 것이 바람직하며, 후속하여 성장 성막되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정성과 극성을 보장하는 역할을 한다. 제1 반도체층(2)은 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 증착 성막될 수 있고, 이때 일정량(예: O2/(N2+O2) 값이 3% 이하)의 산소 공급이 중요하며, 나노 스케일의 AlN 또는 Al-rich AlGaN 씨앗(seed)으로 역할한다. 소량의 O2를 포함한 분위기에서 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)의 스퍼터링 증착 성막은 상대적으로 작은 아일랜드(smaller islands) 형상의 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1) 결정체를 형성하여 상기 적정 성장온도에서 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD) 성장 성막된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 표면 평탄도 개선과 박막 내부의 전위밀도 저감를 통해 고품질의 결정성과 극성을 확보하는데 중대한 씨드(seed) 역할을 담당한다. 제1 반도체층(2) 두께는 100nm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 크랙 생성 및 전파 억제를 하는데 한층 유리한 1nm-30nm로 한다. 예를 들어, 300-500℃의 온도와 압력은 5*10-3mbar의 압력에서 증착 성막될 수 있으며, 다량의 아르곤(Ar)을 포함한 질소(N2)와 산소(O2)로 구성된 분위기(상대적으로 O2보다는 N2 함량이 휠씬 더 크다; Ar 40sccm, N2 110sccm, O2 4sccm)가 사용될 수 있다. 성장 성막된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 품질을, 품질을 나타내는 측정 지표 중의 하나인 X-ray (0002) rocking curve를 통해 살펴 보았으며, 0.04-0.06°의 값을 보였다. 이는 현재 상용 구조(Si 성막 기판/SiO2/금속 전극/AlN)의 값인 1.2-2.5°와 비교할 때, 엄청나게 박막의 질이 향상되었음을 보여준다.In the examples shown in FIGS. 9 and 10 , the
도 7 및 도 8에 제시된 제1 반도체층(2)과 도 9 및 도 10에 제시된 제1 반도체층(2)은 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1)로 이루어져서, 후속하여 성장 성막되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정성과 극성을 보장하는 역할을 한다는 점에서 공통된다.The
희생층(3)은 레이저 리프트 오프(LLO) 시에 사파이어 성막 기판(1)의 분리가 용이하도록 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 형성하기에 앞서 사파이어 성막 기판(1) 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 바람직하며, 예를 들어, 다층의 Alx1Ga1 - x1N/Alx2Ga1 - x2N (x2<x1≤1, 0≤x2<0.5), 단층의 Ga-rich AlGaN (Ga/(Ga+Al) 값이 50% 이상) 및 GaN으로 이루어질 수 있다. 희생층(3)은 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD)로 성장 성막될 수 있으며, 레이저 리프트 오프 시에 레이저의 에너지를 흡수하여 사파이어 성막 기판(1) 측과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 측을 분리하는 역할을 한다. 일반적으로 이론과 실험으로부터 도출 확인된 AlzGa1 - zN 에너지 밴드갭, E(z)=3.43+1.44z+1.33z2 (eV), 만일 50% Al 조성을 갖는 Al0 . 5Ga0 .5N 경우는 4.48eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 반도체(절연체 포함)의 에너지 밴드갭(eV) 값을 광학적 특성인 파장으로 변환하는 식, λ(nm) = 1240/E(z)로서, 이 식을 통해 파장 변환하면 277nm 값을 얻을 수 있다. 따라서 상대적으로 범용화되어 있는 고출력 단파장 레이저 광원(248nm 이상)을 통해서 50% 미만의 Al 조성을 갖는 AlzGa1-zN 및 GaN 물질 단층, 또는 이들로 구성된 다층 미세구조로 된 희생층(3)을 제거하는데 용이하다. 희생층(3) 두께는 예를 들어 100nm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 크랙 생성 및 전파 억제를 하는데 한층 유리한 1nm-30nm로 한다. 50% 미만의 Al 조성을 갖는 AlzGa1 - zN 경우 900-1200℃ 및 100-200torr 조건에서 성장하는 것이 가능하고, GaN 경우 600-1100℃ 및 100-200torr 조건에서 성장하는 것이 가능하다. 사파이어 성막 기판(1)에 희생층(3) 성장 성막 후에 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 성장 성막하기에 앞서 씨앗(seed) 역할을 하는 스퍼터링 AlN 박막을 증착 성막해야 하는데, 스퍼터링 전처리로서 챔버내에서 소량의 Ar(표면 에칭을 통한 평탄화 및 클리닝), 미량의 산소(O2) 포함한 질소(N2) 개스 다량을 통해서 희생층(3) 표면을 안정화시키는 단계를 포함한다. AlxGa1 - 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. AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 Ga을 포함하는 경우를 고려할 수 있으며, 이에 맞추어 제1 반도체층(2), 희생층(3) 및 제2 반도체층(5)의 Ga 조성이 달라질 수 있다.The
도 8에 제시된 제2 반도체층(5)은 예를 들어, CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD)로 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 형성하기 전 단계 공정으로 성장 성막될 수 있으며, AlaGa1 - aN(0.5<a≤1)로 된 단층 또는 Alb1Ga1 - b1N/Alb2Ga1 - b2N (b1≠b2)로 다층 구조(다층 구조 전체로서 Al이 함량이 50% 이상이 바람직함)로 이루어지되, 전체적으로 희생층(3)보다 Al의 함량이 높아서 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 Ga의 함량이 높은 희생층(3) 사이의 응력(stress) 차를 해소하는 역할을 한다. 제2 반도체층(5)은 희생층(3)으로부터 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 향해 Al 함량이 증가하는 상향 그라데이션(gradation)되는 구조를 가질 수 있음은 물론이다. 도 10에 제시된 예의 경우에 제2 반도체층(5)과 희생층(3) 사이에 제1 반도체층(2)이 위치하지만, 제1 반도체층(2)의 두께가 두껍지 않으므로, 도 8에 제시된 예에서와 마찬가지로 제2 반도체층(5)을 구비함으로써, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 Ga의 함량이 높은 희생층(3) 사이의 응력(stress) 차를 해소하는 역할을 한다. 또한 제2 반도체층(5)은 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 성장 성막할 때 웨이퍼 전체 두께 균일도(thickness uniformity)를 결정짓는 중요한 역할을 수행하기 때문에 Si 또는/및 Mg 도판트를 첨가시키는 공정을 추가하여 웨이퍼 변형(Strain)을 조절하는데 사용할 수 있다. 제2 반도체층(5) 두께는 예를 들어, 100nm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 크랙 생성 및 전파 억제를 하는데 한층 유리한 1nm-30nm로 한다.The
도 11 내지 도 13은 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 일예를 나타내는 도면이다. 여기서 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막이 공진기(resonator)에 적용되었지만, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막으로부터 사파이어 성막 기판을 제거한 후 이 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용할 수 있는 소자 또는 장치라면 제한없이 확장, 적용될 수 있음은 물론이다. 도 3 및 도 4에 제시된 방법이 사용될 수 있음은 물론이며, BAW 공진기 이외에 SAW 공진기에도 적용될 수 있음도 물론이다. 이하에서, 도 7에 제시된 구조물을 가지고 설명한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 먼저, 메탈릭 극성(Al-polarity 또는 Al-polarity & Ga-polarity mixed) 표면(face)을 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 위에 제1 전극(6; 예: Mo, W, Ta, Pt, Ir, Ru, Rh, Re, Au, Cu, Al, Invar, 또는 이들의 합금)을 형성한다. 다음으로, 제1 전극(6) 위에 제1 보호막(7; 예: Mo, W, Ta, Pt, Ti, TiW, TaN, TiN, SiO2, Al2O3, SiC, SiCN, SiNx, AlN, Polyimide, BCB, SU-8, SOG 등)을 형성한다. 다음으로, 제1 보호막(7) 위에 제1 본딩 레이어(8; 예: SnIn, AuSn, AgIn, PdIn, NiSn, CuSn, Cu to Cu, Au to Au, Epoxy, SU-8, BCB)를 형성한다. 제1 본딩 레이어(8)에 임시 기판(9; 예: 사파이어, AlN, Glass)을 웨이퍼 본딩한다. 다음으로, 레이저 리프트 오프(LLO)를 통해 사파이어 성막 기판(1)을 분리한다. 이 과정에서 메탈 드랍릿(metallic droplet) 제거 공정, 정확한 두께 조정을 위한 트리밍(trimming) 공정 등이 수반될 수 있다. 사파이어 성막 기판(1) 분리, 메탈 드랍릿 제거, 트리밍 공정 등을 마친 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 표면은 질소 개스 극성(N-polarity)을 갖는 표면(face)이다. 이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)에 제2 전극(14; 예: Mo, W, Ta, Pt, Ir, Ru, Rh, Re, Au, Cu, Al, Invar, 이들 합금)과 다층 구조의 브래그 리플렉터(10; 예: SiO2/W) 반사기를 형성한다. 바람직하게는 제2 전극(14)과 브래그 리플렉터(10) 반사기 증착 공정 후, 이어서 브래그 리플렉터(10) 반사기 위에 제2 보호막(11; 예: Mo, W, Ta, Pt, Ti, TiW, TaN, TiN, SiO2, Al2O3, SiC, SiCN, SiNx, AlN, Polyimide, BCB, SU-8, SOG 등)을 형성한다. 다음으로 제2 보호막(11) 위에 제2 본딩 레이어(12; 예: SnIn, AuSn, AgIn, PdIn, NiSn, CuSn, Cu to Cu, Au to Au, Epoxy, SU-8, BCB 등)를 형성한다. 이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 소자 기판(13; 예: Si, GaAs, AlN, Mo, Cu, W, MoCu, CuW, Invar, Laminate)을 제2 본딩 레이어(12)와 유테틱 본딩, 브레이징 등의 방법으로 웨이퍼 본딩한다. 도시 생략되었지만, 웨이퍼 본딩에 앞서 소자 기판(13)에 순차적으로 전기 절연체 물질층(보호층)과 웨이퍼 본딩층을 형성한다. 마지막으로, 열 가공, 레이저 조사, 화학적 및 물리적 에너지원 공급을 통해 임시 기판(9)을 분리 제거하고, 이어서 제1 본딩 레이어(8)와 제1 보호막(7)을 제거한다. 도 8 내지 도 10에 제시된 예에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 이때, 제2 반도체층(5) 또한 제거된다. 두 번의 웨이퍼 본딩 공정을 이용함으로써, AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 메탈릭 극성(Al-polarity 또는 Al-polarity & Ga-polarity mixed) 표면(face)을 소자의 상면으로 이용할 수 있으며, 이를 통해 내부식성 등의 표면 화학적 및 구조적 안정한 표면을 가짐으로써 후공정 및 최종 소자의 품질관점에서 이점을 가진다.11 to 13 are diagrams illustrating an example of a method of manufacturing a resonator using the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure. Here, the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure was applied to the resonator, but the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film was formed from the sapphire film substrate After removing Al x Ga 1-x N (0.5≤x≤1), any device or device that can use the piezoelectric thin film can be expanded and applied without limitation. Of course, the method shown in FIGS. 3 and 4 can be used, and of course, it can also be applied to a SAW resonator in addition to the BAW resonator. Hereinafter, the structure shown in FIG. 7 will be described. 11, first, Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
도 14 및 도 15는 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 11 내지 도 13에 제시된 방법과 달리, 임시 기판(9)을 이용하지 않는다. 먼저, 도 14에 도시된 바와 같이, 제2 전극(14; 예: Mo, W, Ta, Pt, Ir, Ru, Rh, Re, Au, Cu, Al, Invar, 또는 이들의 합금)과 다층 구조의 브래그 리플렉터(10) 반사기, 제2 보호막(11), 제2 본딩 레이어(12)를 형성한 다음, 소자 기판(13)을 웨이퍼 본딩하고, 이어서 사파이어 성막 기판(1)을 제거한다. 마지막으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 전극(6)을 형성한다.14 and 15 are views showing another example of a method of manufacturing a resonator using the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure, and FIGS. Unlike the method presented in 13, a temporary substrate 9 is not used. First, as shown in FIG. 14 , a second electrode 14 (eg, Mo, W, Ta, Pt, Ir, Ru, Rh, Re, Au, Cu, Al, Invar, or an alloy thereof) and a multilayer structure After forming the
도 11 내지 도 13에 제시된 방법과 도 14 및 도 15에 제시된 방법으로 제작된 공진기 소자의 차이는 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 형성되어 놓이는 위치와 웨이퍼 본딩 횟수에 따라 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 표면 극성이 결정된다는 것이다. 도 11 내지 도 13에 제시된 방법은 두 번의 웨이퍼 본딩 공정을 통해 제작되는 것으로서, 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 질소 개스 극성 표면(N-polarity face)에 놓인 반면, 한 번의 웨이퍼 본딩 공정을 거치는 도 14 내지 도 15에 제시된 방법 경우는 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 메탈릭 극성 표면(Al-polarity 또는 Al-polarity & Ga-polarity mixed face)에 위치한다. 참고로 종래의 Si 성막 기판 위에 스퍼터링을 통해 형성된 다결정(polycrystalline) AlN 압전 박막으로 제작된 공진기 소자의 경우는 표면 극성과 극성 비율(ratio)을 조절하는데 한계가 있기에 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)의 극성 위치를 정의할 수 없다.The difference between the method shown in FIGS. 11 to 13 and the resonator element manufactured by the method shown in FIGS. 14 and 15 depends on the position where the
도 16은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 희생층(23a), 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 희생층(23a)은 CVD(MOCVD, ALD, MBE 등)로 성장 성막시킨 단층의 AlcGa1 - cN (0≤c≤0.5) 또는 다층의 Alc1Ga1 - c1N/Alc2Ga1 - c2N (c2<c1≤1, 0≤c2<0.5)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있다. AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 희생층(23a) 위에 PVD(예: sputtering, PLD)로 0.3Tm(압전 박막 물질의 녹는점) 이상의 온도에서 증착 성막되어 고품질이 확보된다.16 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As another example, the structure includes a
도 17은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1) 위에 순차적으로 희생층(23a), 제2 반도체층(5), 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 제2 반도체층(5)이 추가된다는 점에서 도 17에 제시된 구조물과 구분되며, 제2 반도체층(5)은 도 8에 제시된 제2 반도체층(5)과 마찬가지로 기능을 하며, 희생층(23a)과 마찬가지로 CVD로 성장 성막되나 다른 조성(AlaGa1 - aN (0.5<a≤1))을 갖는 3족 질화물로 이루어져서, 스트레스를 조절하여 균일한 두께를 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 확보할 수 있도록 촉진하는 역할을 한다.17 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As another example, the structure is sequentially on the
도 18는 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), 희생층(23b), 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 희생층(23b)이 PVD(예: L sputtering, PLD)로 증착 성막시킨 단층의 ZnO, ITO, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함한 다층의 산화물 구조(ZnO/ITO, ZnO/SiO2, ITO/SiO2)로 된 산화물로 이루진다는 점에서 도 16에 제시된 구조물과 구분된다. AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 희생층(23b) 위에 PVD(예: sputtering, PLD등)로 0.3Tm(압전 박막 물질의 녹는점) 이상의 온도에서 증착 성막되어 고품질이 확보된다.18 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure. As another example, the structure includes a
도 19는 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1) 위에 순차적으로 희생층(23b), 산소(O2) 유입 방지층(O), 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 산소(O2) 유입 방지층(O)이 추가된다는 점에서 도 18에 제시된 구조물과 구분되며, 산소(O2) 유입 방지층(O)은 AlN 또는 미소 산소량을 포함한 AlNO 물질로 희생층(23b) 위에 증착 성막되어, 후속하여 증착 성막하는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일한 PVD(예L sputtering, PLD)로 형성하여 희생층(23b)으로부터 산소 유입을 방지하여 고순도 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 확보할 수 있도록 촉진하는 역할을 한다.19 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As a view showing another example, the structure is sequentially on the
도 16 및 도 17에 제시된 예에서, 희생층(23a)은 저온이 아닌 고온(900℃ 이상)에서 CVD(MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 단결정 성장 성막시킨 단층의 AlcGa1 - cN (0≤c≤0.5) 또는 다층의 Alc1Ga1 - c1N/Alc2Ga1 - c2N (c2<c1≤1, 0≤c2<0.5)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있으며, 후속하여 0.3Tm(660℃) 온도 이상에서 PVD(예: sputtering, PLD)로 증착 성막되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정 품질(결정성과 극성)을 보장하는 역할을 한다. 따라서 희생층(23a)은 적정 성장온도보다 낮은 온도에서 성장되는 종래의 버퍼층이라 일컫어지는 층과 구분되며, 도 7 내지 도 10에 제시된 제1 반도체층(2)과 희생층(3)의 역할을 동시에 수행한다는 점에서 차이를 가진다. 희생층(23a) 두께의 상한과 하한은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 두께 균일도(thickness uniformity)를 유지하기 위한 스트레스 조절(stress control) 기능을 하는데 유리하도록 50nm-3㎛로 한다. 예를 들어, 900-1100℃의 온도와, 100-600torr의 압력에서 성장될 수 있다. 더 바람직하게는 도 17에 제시된 예에서처럼, 희생층(23a)과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 사이에 위치하며, 후속하여 증착 성막되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정성과 두께 균일도를 개선하기 위해 제2 반도체층(5)을 구비한다. 제2 반도체층(5)은 희생층(23a)과 동일한 CVD(MOCVD, HVPE, ALD, MBE 등)로 단결정 성장 성막되며, 이때 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일 또는 유사한 조성을 갖는 3족 질화물로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 희생층(23a)과 제2 반도체층(5)은 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1) 압전 박막(4)을 증착 성막 시에 고품질(결정성과 극성)과 균일한 두께를 갖도록 성막 기판 휨(curvature)을 가능한 제로(zero, 평평함) 상태를 유지토록 제어하는 것이 바람직하다.In the examples shown in FIGS. 16 and 17 , the
도 18 및 도 19에 제시된 예에서, 희생층(23b)은 저온이 아닌 고온(400℃ 이상)에서 PVD(예:sputtering, PLD)로 결정성(다결정 또는 단결정)을 갖는 증착 성막시킨 단층의 ZnO와 ITO, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함한 다층의 산화물 구조(ZnO/ITO, ZnO/SiO2, ITO/SiO2)로 이루어질 수 있다. 단층의 희생층(23b) 두께의 상한과 하한은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 두께 균일도(thickness uniformity)를 유지하기 위한 스트레스 조절(stress control) 기능을 하는데 유리하도록 50nm-3㎛로 한다. 희생층(23b)은 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 증착될 수 있고, 성막 시에 성막 기판 온도는 750℃, 아르곤(Ar)과 산소(O2) 개스로 구성된 공정 압력은 10-20mTorr 이고, 아르곤 대비 산소량이 상대적으로 적고 최소 50% 이내로 구성하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 도 18에 제시된 예에서처럼, 희생층(23b)과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 사이에 위치하며, 후속하여 증착 성막되는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 결정성과 두께 균일도를 개선하기 위해 산소(O2) 유입 방지층(O)을 구비한다. 산소(O2) 유입 방지층(O)은 AlN 또는 미소 산소량을 포함한 AlNO 물질로 희생층(23b) 위에 증착 성막되어, 후속하여 증착 성막하는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일한 PVD(예: sputtering, PLD)로 증착 성막하여 희생층(23b)으로부터 산소 유입을 방지하여 고순도 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 확보할 수 있도록 촉진하는 역할을 한다. 특히 산소(O2) 유입 방지층(O)으로 AlNO(소량의 O2를 포함한 분위기에서 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1) 스퍼터링 증착) 적용할 경우, 일정량(예: O2/(N2+O2) 값이 3% 이하)의 산소 공급이 중요하며, 고순도 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 확보하는데 씨앗(seed)으로 역할한다. 소량의 O2를 포함한 분위기에서 AlyGa1-yN (0.5≤y≤1)의 스퍼터링 증착은 상대적으로 작은 아일랜드(smaller islands) 형상의 AlyGa1 - yN (0.5≤y≤1) 결정체를 형성하여 상기 적정 증착 성막 온도에서 PVD(예: sputtering, PLD)로 증착 성막된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 표면 평탄도 개선과 박막 내부의 전위밀도 저감를 통해 고품질의 결정성과 극성을 확보하는데 중대한 씨드(seed) 역할을 담당한다. AlN 또는 AlNO 구성된 산소 유입 방지층(O)의 두께는 100nm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 크랙 생성 및 전파 억제를 하는데 한층 유리한 1nm-30nm로 한다. 예를 들어, 300-500℃의 온도와 압력은 5*10- 3mbar의 압력에서 증착될 수 있다.In the examples shown in FIGS. 18 and 19 , the
도 16 내지 도 19에서 제시된 방법에 따라 제조된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 구조물의 결정성 품질(crystalline quality)은 공통적으로 X-ray rocking curve의 반치폭이 작은 값을 갖는 것을 목표로 하며(목표값: 0.1° 이하), 극성 품질(polar quality)과 관련해서는 도 16과 도 17의 경우에서는 희생층(23a)과 제2 반도체층(5), 도 18와 도 19 경우에서는 희생층(23b)과 산소 유입 방지층(O)의 표면 상태에 따라서 자유롭게 조절할 수 있는 이점이 있다.The crystalline quality of the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
도 11 내지 도 15에 제시된 공진기를 제조하는 방법이 도 16 내지 도 19에 제시된 구조물에 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.It goes without saying that the method of manufacturing the resonator shown in FIGS. 11 to 15 can be directly applied to the structure shown in FIGS. 16 to 19 .
도 16 내지 도 19에 있어서, 희생층(23a,23b)은 ① Laser Lift-Off(LLO) 공정을 통해 광학적으로 투명한 성막 기판(1) 위에 형성된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 분리할 수 있도록 성막 기판(1)과 고순도 압전 박막(4) 사이에 위치하며, ② 레이저에 대해 희생층으로 기능하도록 에너지 밴드갭(일반적으로 200nm 이상)을 가지고, ③ CVD로 형성된 3족 질화물, PVD로 형성된 2족 또는 3족 산화물(예: ZnO, In2O3, Ga2O3, ITO)로 구성될 수 있으며, ④ AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막의 고온 성막이 가능할 수 있게끔, 0.3Tm(660℃) 이상에서 열적 안정성을 보유한 물질이어야 하고, ⑤ 육방정계(HCP) 결정구조를 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일 또는 유사한 결정구조를 갖는 물질이며, ⑥ AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성막이 가능토록 표면 거칠기(surface roughness)가 10nm 이하가 가능한 세라믹(질화물, 산화물) 물질이고, ⑦ AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성막이 가능토록 다양한 오염원(contaminants)이 제거된 표면 상태의 물질인 것이 바람직하다.16 to 19 , the
희생층(23a)은 종래의 저온에서 성장 성막된 버퍼층을 포함한 구조의 고온 단결정 층(단층 또는 다층 구조)로 성장될 수 있다.The
필요시, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압접 박막(4) 성막 전에 경사진 c축(tilted c-axis) 결정면을 갖는 단결정 압전 박막 확보하기 위해 희생층(23a,23b)의 표면에 광 리쏘그래픽 & 식각 패터닝(photo-lithographic etch patterning) 가공을 하는 것도 가능하다.If necessary, Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1)
AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막 후에, 추가적인 온 후속 열처리 공정인 포스트 어닐링(Post-annealing)을 통해 결정성 및 극성을 개선할 수도 있다.After deposition of the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
전술한 바와 같이, 균일한 두께를 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 특히 요구되는 경우에, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 아래에 놓이는 도 16에 제시된 구조물(사파이어 성막 기판(1)-희생층(23a)), 도 17에 제시된 구조물(사파이어 성막 기판(1)-희생층(23a)-제2 반도체층(5)), 도 18에 제시된 구조물(사파이어 성막 기판(1)-희생층(23b)) 및 도 19에 제시된 구조물(사파이어 성막 기판(1)-희생층(23b)-산소(O2) 유입 방지층(O))이 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막 온도에서 가능한 평탄함(flatness)을 유지하도록 하는 것이 중요하며, 본 개시는 이러한 평탄함을 유지할 수 있는 기반을 제공하는 것이다. 예를 들어, CVD로 성장 성막된 희생층(23a)을 구비하는 사파이어 성막 기판(1)은 상온에서 위로 볼록한(Convex) 형태를 가지나, 이를 다시 PVD 증착 성막을 위해 승온시키면, 온도 상승과 함께 평탄한 상태를 거쳐 아래로 볼록한(concave) 형태를 가지게 된다. 이러한 거동은 사파이어 성막 기판(1)과 희생층(23a)의 열팽창계수의 차이에 영향을 받게 되며, 따라서 적절한 희생층(23a)의 설계를 통해 균일한 두께를 갖는 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막이 가능해진다. 이러한 원리는 제2 반도체층(5)의 설계, 희생층(23b)의 설계 및 산소(O2) 유입 방지층(O))의 설계에도 그대로 적용될 수 있다.As described above, when an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
도 20은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 실리콘 성막 기판(1), 스트레스 제어층(23c), 그리고 AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다.20 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film according to the present disclosure, and an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure. As another example, the structure includes a
도 16에 제시된 구조물과 비교할 때, 스트레스 제어층(23c)이 희생층(23a)과 마찬가지로 CVD로 성장 성막되고, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 PVD로 증착 성막된다는 점에서 동일하지만, 성막 기판(1)으로 사파이어가 아니라 실리콘이 사용된다는 점, 스트레스 제어층(23c)이 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO)에 의해서가 아니라 실리콘 성막 기판(1)이 에칭을 통해 제거되는 공정에서 함께 제거된다는 점에서 차이를 가진다. 실리콘 성막 기판(1)은 사파이어 성막 기판(1)과 다른 격자 상수 및 열팽창계수를 가지므로, 그 위에 형성되는 스트레스 제어층(23c)과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 성막 조건을, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)에 크랙이 발생하지 않도록 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 균일한 두께로 형성되도록 조절하는 것이 중요하다 하겠다. 실리콘 성막 기판(1)으로 예를 들어 8 inch Si(111) 기판이 사용될 수 있다. 따라서 스트레스 제어층(23c)은 희생층(23a)이 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO)되기 위해서 가져야 하는 제약을 가지지 않고, 양질의 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 형성에만 집중할 수 있다.Compared with the structure shown in Fig. 16, the
스트레스 제어층(23c)은 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 성장 성막시킨 단층의 AlgGa1 - gN (0≤g≤1) 또는 다층의 Alh1Ga1 - h1N/Alh2Ga1 - h2N (h2<h1≤1, 0≤h2≤1)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있다. 스트레스 제어층(23c)은 실리콘 성막 기판(1)과의 성장 온도에서의 물리적 물성(격자상수 및 열팽창계수) 차이로 인해서 발생되는 웨이퍼 휨(curvature)과 크랙(crack) 등을 방지 및 완화하는 등의 스트레스 조절(stress control) 기능이 주된 역할이다. 무엇보다도 스트레스 제어층(23c)을 성막하는 초기 단계에서 실리콘 성막 기판(1)의 실리콘(Si) 물질 표면에서 실리콘(Si)과 3족(Al, Ga), 5족(N) 원소들과 화학적 반응을 통한 금속간 화합물(intermetallic compound; Si-Al-(Ga)) 및/또는 실리콘 질화물(Si(Al,Ga)Nx) 형성을 최소로 억제하는 것이 중요하다. AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 희생층(23c) 위에 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 0.3Tm(압전 박막 물질의 녹는점) 이상의 온도에서 증착 성막되어 고품질을 확보할 수 있다.The
스트레스 제어층(23c)은 500℃ 이상의 온도에서 형성될 수 있으며, 두께의 상한과 하한은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 두께 균일도(thickness uniformity)를 유지하기 위한 스트레스 조절(stress control) 기능을 하는데 유리하도록 50nm-3㎛로 한다. 예를 들어, 500-1100℃의 온도와, 100-600torr의 압력에서 성장 성막될 수 있다.The
도 21은 본 개시에 따른 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 제조하는 방법 및, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 실리콘 성막 기판(1) 위에 순차적으로 스트레스 제어층(23c), 표면극성 제어층(C), 그리고 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 포함한다. 표면극성 제어층(C)이 추가된다는 점에서 도 20에 제시된 구조물과 구분되며, 표면극성 제어층(C)은 스트레스 제어층(23c)과 마찬가지로 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 성장 성막되나 동일 또는 다른 조성(AlkGa1 - kN (0≤k≤1))을 갖는 단층 또는 다층의 Alm1Ga1 - m1N/Alm2Ga1 - m2N (m2<m1≤1, 0≤m2≤1)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있으며, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 표면이 단일 극성(메탈릭 극성 또는 질소 개스 극성)을 갖도록 하는 주된 기능 이외에 결정 결함 최소화 및 스트레스를 조절하여 균일한 두께를 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 확보할 수 있도록 촉진하는 역할을 한다. AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)은 스트레스 제어층(23c) 위에 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 0.3Tm(압전 박막 물질의 녹는점) 이상의 온도에서 증착 성막되어 고품질을 확보할 수 있다. 표면극성 제어층(C)을 통해 메탈릭 극성 표면을 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 제작 방법은 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 증착 성막하기에 앞서 표면극성 제어층(C)을 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 성장 성막한 다음에 소정의 산소량(비율)으로 표면극성 제어층(C) 표면을 플라즈마 처리(plasma treatment)하여 얻을 수 있다. 반면에 표면극성 제어층(C)을 통해 질소 개스 극성 표면을 갖는 AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막 제작 방법으로는 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 압전 박막(4)을 증착 성막하기에 앞서 표면극성 제어층(C)을 CVD(MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 성장 성막시에 마크네슘(Mg)을 과다하게 첨가(도핑)해서 질소 개스 극성 표면을 갖는 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 얻을 수 있다(SCIENTIFIC REPORT, Intentional polarity conversion of AlN epitaxial layers by oxygen, published online: 20 September 2018). 스트레스 제어층(23c) 표면을 플라즈마 처리(plasma treatment)하거나 성장 성막의 과정에서 마크네슘(Mg)을 과다하게 첨가(도핑)해서 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 극성을 조절하는 것도 가능하다.21 is a method for manufacturing an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film and Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film structure according to the present disclosure; As another example, the structure is sequentially on the
표면극성 제어층(C)은 스트레스 제어층(23c)과 동일한 일정 온도(500℃ 이상)에서 성장 성막될 수 있으며, 0.5㎛ 이하의 두께로, 100-600torr의 압력에서 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일 또는 유사한 조성을 갖는 3족 질화물로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 스트레스 제어층(23c)과 표면극성 제어층(C)은 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 증착 성막시에 고품질(결정성과 극성)과 균일한 두께를 갖도록 성막 기판 휨(curvature)을 가능한 제로(zero, 평평함) 상태를 유지토록 제어하는 것이 바람직하다.The surface polarity control layer (C) may be grown and formed at the same constant temperature (500° C. or higher) as the
성막 기판(1) 휨 상태는 그 위에 성막(증착, 성장)되는 박막(23c,C,4)의 성막 조건(온도, 압력) 및 실리콘 성막 기막(1)과 성막되는 막(23c,C,4)의 열팽창계수(열창팽계수는 온도의 함수)와 격자상수에 영향을 받으며, 바람직하게는 제로상태를 유지하되 적어도 위로 볼록한(convex) 상태가 되도록 하는 것이 좋으며, 성막의 완료 후에 아래로 볼록한(concave) 상태가 되지 않도록 하는 것이 중요하고, 실리콘 성막 기판(1)의 휨 정도는 성막되는 동안에 측정이 가능하므로, 성막 동안에 성막 조건(온도, 압력)과 성막되는 AlGaN의 조성을 실리콘 성막 기판(1)의 휨이 제로(zero) 또는 볼록한(convex) 상태 그리고 최종 성막 후에도 이러한 상태가 되도록 조절하는 것이 중요하다 하겠다. 실리콘 성막 기판(1)의 열팽창계수와 AlGaN의 열팽창계수를 고려할 때 CVD만으로 이러한 조절을 행하기가 쉽지 않으며, PVD만으로는 양질의 스트레스 제어층(23c)을 형성하고, 그 위에 고온(0.3Tm(660℃))에서 AlxGa1-xN (0.5≤y≤1) 압전 박막(4)을 형성하는 것이 쉽지 않다. 본 개시는 CVD로 스트레스 제어층(23c)과 표면극성 제어층(C)을 성장 성막하고, PVD로 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 증착 성막함으로써, 결정성과 극성이 모두 우수한 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)을 격자상수와 열팽창계수가 큰 차이를 가지는 실리콘으로 된 성막 기판(1)을 이용함에도 불구하고 제공할 수 있게 된다.The bending state of the film-forming
예를 들어, 1) AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 800℃의 온도에서 AlN로 증착 성막될 때, 스트레스 제어층(23c)은 CVD(예: MOCVD)로 500-900℃의 온도, 100-600Torr의 압력에서, 500nm 두께의 Al0 . 9Ga0 .1N으로 형성될 수 있다. 2) 또한 표면극성 제어층(C)이 CVD(예: MOCVD)로 500-1100℃의 온도, 100-600Torr의 압력에서, 100nm 두께의 Al0 . 9Ga0 .1N으로 형성될 때, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 800℃의 온도에서, AlN로 형성되고, 스트레스 제어층(23c)은 CVD(예: MOCVD)로 500-900℃의 온도, 100-600Torr의 압력에서, 500nm 두께의 Al0 . 8Ga0 .2N으로 형성될 수 있다. 이때, 실리콘 성막 기판(1) 위에 CVD(예: MOCVD)로 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C)을 성장 성막하는 공정 조건(온도,압력)에서 최소(제로)의 성막 기판(1) 휨을 유지하는 것이 무엇보다도 중요한 동시에, CVD(예: MOCVD)로 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C) 성장 성막 완료 후에 상온(25℃)에서의 실리콘 성막 기판(1) 휨이 제로 또는 볼록한(Convex) 상태를 유지토록 조절하는 것이 중요하다. 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C) 위에 후속하여 PVD(예: 스퍼터링)로 증착 성막되는 AlN 압전 박막(4)의 결정 품질과 균일한 두께를 갖도록 하기 위해서는 앞서 서술한 성막 조건들과 이에 따른 실리콘 성막 기판(1) 휨에 대한 거동(Behavior)을 인식한 상태에서 조절함으로써 가능할 수 있다.For example, 1) Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) When the piezoelectric
도 20 내지 도 21에서 제시된 방법에 따라 제조된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 구조물의 결정성 품질(crystalline quality)은 공통적으로 X-ray Rocking Curve(XRC)의 반치폭 값이 0.1° 이하를 갖고, 극성 품질(polar quality)은 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C) 표면 상태에 따라서 자유롭게 조절할 수 있는 이점을 갖는다.The crystalline quality of the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
스트레스 제어층(23c)과 표면극성 제어층(C)은 ① CVD(MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 형성된 3족 질화물로 구성되며, ② AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 고온 증착 성막이 가능할 수 있게끔, 0.3Tm(660℃) 이상에서 열적 안정성을 보유한 물질이어야 하고, ③ 육방정계(HCP) 결정구조를 갖는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)과 동일 또는 유사한 결정구조를 갖는 물질이며, ④ AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막이 가능토록 표면 거칠기(surface roughness)가 10nm 이하가 가능한 세라믹(질화물) 물질이고, ⑤ AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막이 가능토록 다양한 오염원(contaminants)이 제거된 표면 상태의 물질인 것이 바람직하다.The
필요시, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압접 박막(4) 증착 성막 전에 경사진 c축(tilted c-axis) 결정면을 갖는 단결정 압전 박막 확보하기 위해 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C)의 표면에 광 리쏘그래픽 & 식각 패터닝(photo-lithographic etch patterning) 가공을 하는 것도 가능하다.If necessary, a
실리콘 성막 기판(1) 위에 스트레스 제어층(23c) 및/또는 표면극성 제어층(C) 상부에 후속하여 증착 성막된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 경우는 종래의 저온(400℃ 전후))에서 PVD(예: 스퍼터링, PLD)로 증착 성막된 압전 박막과는 달리, 0.3Tm(660℃) 이상에서 증착 성막된 고온 단결정 결정구조로 한층 더 고품질을 갖는다.Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막 후에, 추가적인 고온 후속 열처리 공정인 포스트 어닐링(Post-annealing)을 통해 결정성 및 극성을 추가적으로 개선하는 것도 가능하다.After deposition of the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
스트레스 제어층(23c)을 500℃ 이상의 온도에서 저온/중온/고온으로 온도 조절과 함께 갈륨(Ga) 성분을 최소화시킨 AlGaN 박막을 우선적으로 성장 성막하는 것이 바람직하며, 이는 성막 기판(1) 물질인 실리콘(Si)과 비교적 용이하게 금속간 화합물을 형성하는 갈륨(Ga)과의 반응을 억제하여 멜트 백(melt-back) 현상을 방지하기 위함이다.It is preferable to preferentially grow and form an AlGaN thin film in which the gallium (Ga) component is minimized along with temperature control of the
스트레스 제어층(23c)과 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 사이에 초격자구조의 중간층을 도입할 수 있으며, 이는 결정 결함을 억제하기 위함이다.An intermediate layer having a superlattice structure may be introduced between the
AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 증착 성막 시에 Al의 함량을 높이면서, PVD의 증착 성막 온도도 높일 수 있으며, 이는 인장 스트레스(tensile stress)를 억제하여 압전 박막(4)의 미세 크랙을 방지하기 위함이다.Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) While increasing the Al content during deposition of the piezoelectric
실리콘 성막 기판(1)을 이용하는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 구조물의 제조방법은 도 11 내지 도 15에 제시된 방법이 그대로 사용할 수 있다. 다만, 실리콘(Si) 성막 기판(1), 스트레스 제어층(23c), 그리고 표면극성 제어층(C)이 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO)가 아니라, 공지된 습식 에칭(wet etch)과 건식 에칭(dry etch)의 병행을 통하여 제거된다는 점에서 차이를 가진다. 이 과정에서 정확한 두께 조정을 위한 트리밍(trimming) 공정 등이 수반될 수 있다.The method for manufacturing the Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric
도 22 및 도 23은 본 개시에 제시된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막을 이용하여 공진기(resonator)를 제조하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 실리콘 성막 기판(1), 스트레스 제어층(23c) 및 표면극성 제어층(3)을 구비하되, 표면극성 제어층(3)에 마크네슘(Mg)을 첨가(도핑)하여, AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)이 질소 개스 극성 표면을 갖도록 성막한 후, 제2 전극(14), 브래그 리플렉터(10) 반사기, 제2 보호막(11), 제2 본딩 레이어(12) 및 소자 기판(13)을 형성하고, 실리콘 성막 기판(1), 스트레스 제어층(23c) 및 표면극성 제어층(3)을 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)으로부터 제거한 후, 제1 전극(6)을 형성한 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 구조물이 제시되어 있다. 이를 통해, 도 11 내지 도 13에서와 같이 두 번의 웨이퍼 본딩 공정을 이용하지 않고도 즉, 한 번의 웨이퍼 본딩 공정을 통해 메탈릭 극성(Al-polarity 또는 Al-polarity & Ga-polarity mixed) 표면(face)을 소자의 상면으로 이용하는 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 구조물을 제공할 수 있게 된다.22 and 23 are views showing another example of a method of manufacturing a resonator using an Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) piezoelectric thin film presented in the present disclosure, a silicon film-forming substrate ( 1), a
본 개시에 따라 제작된 공진기 기반 소자(resonator-based device)는 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 형성되어 놓이는 위치를 실리콘(Si) 성막 기판(1) 위에 성막된 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막의 극성 제어(polarity control)와 후속한 소자 공정을 진행하는 과정에서 웨이퍼 본딩 횟수에 따라 AlxGa1 -xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 위에서 표면 극성을 자유롭게 선택할 수 있다. 도 11 내지 도 13에 제시된 방법은 두 번의 웨이퍼 본딩 공정을 통해 제작되는 것으로서, 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 질소 개스 극성 표면(N-polarity face)에 놓이게 되며, 또한 한 번의 웨이퍼 본딩 공정을 거치는 도 22 및 도 23에 제시된 방법 경우에도 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)이 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4)의 질소 개스 극성 표면(N-polarity face)에 동일하게 위치한다. 참고로 종래의 Si 성막 기판 위에 저온에서 직접적으로 PVD(예: 스퍼터링, PLD)를 통해 형성된 다결정(polycrystalline) AlN 압전 박막으로 제작된 공진기 소자의 경우는 표면 극성과 극성 비율(ratio)을 조절하는데 한계가 있기에 브래그 리플렉터(10) 반사기를 포함한 제2 전극(14)의 극성 위치를 정의할 수 없다. 이로 인해서 결정성 양/부와 무관하게 극성 혼재(mixed polarity) 및 극성 조절된 소자 제작에 어려움으로 인해서 AlxGa1-xN (0.5≤x≤1) 압전 박막(4) 공진기의 성능 개선에 한계점을 갖고 있다.In the resonator-based device manufactured according to the present disclosure, the position at which the
도 24는 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 사파이어 성막 기판(1), GaN 희생층(3) 그리고 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 포함한다. 도 5와 관련하여, 사파이어 성막 기판(200), 사파이어 성막 기판(200), GaN 버퍼층(210) 및 AlN 압전 박막(220)을 포함하는 압전 박막 구조물에 대해 언급한 바 있으며, 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 않다고 지적한 바 있다.24 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure, wherein the structure is a sapphire film-forming
도 25(a)에 제시된 바와 같이, 압전 박막(4)으로 AlxGa1 - xN (0.5≤x≤1) 대신에 ScxAl1 - xN를 이용함으로써, GaN 희생층(3)과의 격자상수 격차를 줄일 수 있게 된다(출처: ScGaN and ScAlN: emerging nitride materials; Journal of Materials Chemistry A, Issue 17, 2014). 또한, 동일한 격자상수 값에서 AlxGa1 - xN의 밴드갭 에너지보다 ScxAl1 - xN의 밴드갭 에너지가 큰 것을 알 수 있으며, 따라서 LLO 공정에서 GaN 희생층(3)의 분리를 확실히 할 수 있게 되며, GaN 희생층(3) 대신에 AlxGa1 - xN 희생층(3)을 사용할 수 있는 기반을 제공하고, AlxGa1 - xN 희생층(3)을 이용함으로써 희생층(3)과 압전 박막(4) 간의 격자상수 및 열팽창계수 차이를 줄일 수 있게 된다. 박막의 품질의 관점에서는 AlxGa1-xN 희생층(3) 보다 GaN 희생층(3)을 사용하는 것이 바람직하다. ScxAl1 - xN의 Sc의 x 값이 0.18 전후일 때, GaN과 동일한 격자상수 값을 가진다.As shown in Fig. 25 (a), by using Sc x Al 1 - x N instead of Al x Ga 1 - x N (0.5≤x≤1) as the piezoelectric
또한, 도 25(b)에 제시된 바와 같이, 스트레인 완화를 위한 임계 두께(Critical thicknesses for strain relaxation by dislocation glide)의 이론 값이 ScxAl1 - xN (x=0.18)/GaN의 경우에 제한이 없는 것을 알 수 있으며, 따라서, GaN 희생층(3) 위에서 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 공진기 등에 사용될 때 압전 박막(4)의 임계 두께인 100nm 이상의 두께로 형성할 수 있음을 알 수 있다(출처: ScGaN and ScAlN: emerging nitride materials; Journal of Materials Chemistry A, Issue 17, 2014).In addition, as shown in Fig. 25(b), the theoretical value of Critical thicknesses for strain relaxation by dislocation glide is limited in the case of Sc x Al 1 - x N (x=0.18)/GaN It can be seen that there is no, and therefore, the Sc x Al 1 - x N piezoelectric
한편, ScxAl1 - xN의 경우에 AlN에 비해 더 우수한 piezoelectric modulus d33 및 spontaneous polarization coefficient를 가지는 것으로 알려져 있으며, 예를 들어, Sc0 . 43Al0 . 57N의 경우에 5배의 piezoelectric modulus d33 및 spontaneous polarization coefficient에서 a factor of three enhancement를 가지는 것으로 알려져 있다(출처: Epitaxial ScAlN grown by molecular beam epitaxy on GaN and SiC substrates; APPLIED PHYSICS LETTERS 110, 162104 (2017)).On the other hand, in the case of Sc x Al 1 - x N, it is known to have a better piezoelectric modulus d33 and spontaneous polarization coefficient compared to AlN, for example, Sc 0 . 43 Al 0 . In the case of 57 N, it is known to have a factor of three enhancement in piezoelectric modulus d33 and
본 개시에 있어서, ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 x 값의 상한은 ScxAl1 - xN가 AlxG1 -xN와 마찬가지로 동일한 격자 구조(wurzite structure)를 가지는 값까지이며, 통상 x = 0.56로 알려져 있다.In the present disclosure, the upper limit of the x value of the Sc x Al 1 -x N piezoelectric
사파이어 성막 기판(1)을 대신하여, 실리콘 성막 기판(1)이 사용될 수 있으며, 이때 희생층(3)은 도 20과 관련하여 제시된 바와 같이, 스트레스 제어층(23c)의 역할도 수행한다.Instead of the
희생층(3)은 도 16에서와 같이, CVD(MOCVD, ALD, MBE 등)로 성장 성막시킨 단층의 AlcGa1 - cN (0≤c≤0.5) 또는 다층의 Alc1Ga1 - c1N/Alc2Ga1 - c2N (c2<c1≤1, 0≤c2<0.5)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 500-1100℃의 온도와, 100-600torr의 압력에서 성장 성막될 수 있다. 실리콘 성막 기판(1)이 이용될 때, 희생층(3)은 도 20에서와 마찬가지로 CVD(예: MOCVD, HVPE, ALD, MBE)로 성장 성막시킨 단층의 AlgGa1 - gN (0≤g≤1) 또는 다층의 Alh1Ga1 - h1N/Alh2Ga1 - h2N (h2<h1≤1, 0≤h2≤1)로 된 3족 질화물로 이루어질 수 있다. 희생층(3)은 실리콘 성막 기판(1)과의 성장 온도에서의 물리적 물성(격자상수 및 열팽창계수) 차이로 인해서 발생되는 웨이퍼 휨(curvature)과 크랙(crack) 등을 방지 및 완화하는 등의 스트레스 조절(stress control) 기능이 주된 역할이다. 무엇보다도 희생층(3)을 성막하는 초기 단계에서 실리콘 성막 기판(1)의 실리콘(Si) 물질 표면에서 실리콘(Si)과 3족(Al, Ga), 5족(N) 원소들과 화학적 반응을 통한 금속간 화합물(intermetallic compound; Si-Al-(Ga)) 및/또는 실리콘 질화물(Si(Al,Ga)Nx) 형성을 최소로 억제하는 것이 중요하다.As shown in FIG. 16 , the
희생층(3)에 MOCVD 성장 방법을 이용해서 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 성막하기 위해서는 MOCVD 챔버(Chamber) 내부로 스칸디움(Sc; Scandium) 소스(Source)를 충분히 주입함과 동시에 화학적 반응을 활발하게 해야 하는데, 이를 위해서는 높은 증기 압력(High Vapor Pressure)을 갖도록 하는 촉진 장치가 필요하다. 동시에 이를 위해서는 금속 유기(Metallic-organic Source) 보다는 주입효율이 좋은 고체 소스(Solid-state Source)를 사용하는 동시에 소스 주입 통로(Source Injection Path)를 100-200℃ 범위 내에서 고온 가열하는 것이 바람직하다. 특히 스칸디움 고체 소스는 Cp3Sc 또는 MeCp3Sc 프리커서(Precursor)를 사용한다. 예를 들어, MOCVD의 경우, 희생층(3) 상부에 MOCVD 성장 방법을 이용해서 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 성막하기 위해서는 성장 온도 900-1200℃, 성장 압력 10-100mbar, 5/3 족 원소 소스 주입 비율(V/III Ratio) 1000-5000, 그리고 수소(H2) 또는 질소(N2) 등의 캐리어 캐스(Carrier Gas)는 10-40slm 수준으로 유지해서 50-500nm 성장 속도(Growth Rate)도 수행하는 것이 바람직하다. MBE의 경우, 성장 온도 600-1000℃, 5/3 족 원소 주입 비율(V/III Ratio) 0.7-1.5 조건 하에서 150-300nm/h 성장 속도로 희생층(3) 위에 고품위 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 성장 성막하는 것이 바람직하다. 또 다른 예로서, Sputter의 경우, 성장 기판(1) 상부에 MOCVD 또는 MBE 성장 방법으로 성막된 희생층(3) 상부에 Pulsed DC 또는 RF Sputtering 통해서 고품위 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 성장 성막하는 것이 바람직하다. 특히, Pulsed DC Sputtering 경우에 99.99% 이상의 순도를 갖는 알루미늄(Al) 및 스칸디움(Sc) 금속 타킷(Target)을 준비하고, 아르곤(Ar)과 질소(N2) 혼합개스 및 60-90% 질소 분압(N2 Partial Pressure) 분위기에서 고품위 ScxAl1-xN 압전 박막(4)을 성장 성막한다. 고품위 ScxAl1-xN 압전 박막(4) 내의 스칸디움 조성(x) 조절은 Al & Sc 타킷에 인가한 DC 파워 비율(Power Ratio) 조절을 통해서 한다. 통상적으로 성막된 압전 박막 내부 잔류 응력(Internal Residual Stress), 결정성(Crystalline Quality), 결정학적 방향(Crystallographic Orientation) 및 미세조직(Microstructure), 표면 극성(Polarity) 등 품질에 영향을 미치는 인자(Factor)인 공정 챔버 압력(Processing Pressure), 타깃에서 성장 기판까지 거리(Target-to-substrate distance ), 질소분압(N2 Partial Pressure), 및 성장 기판 온도(Processing Temperature)을 적정하게 고려해서 고품위 ScxAl1-xN 압전 박막(4)을 성장 성막하는 것이 바람직하다.In order to form a Sc x Al 1 - x N piezoelectric
도 26은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 구조물은 도 24에 제시된 예와 달리, 도 17에 도시된 바와 같은 제2 반도체층(5)이 추가되어 있다. 제2 반도체층(5)은 도 17에 제시된 예와 달리, AlGaN으로 이루어지는 것이 아니라, ScyAl1 - yN로 이루어지며, GaN 희생층(3)과 ScxAl1 - xN 압전 박막(4) 사이의 스트레스를 완충하는 역할을 한다. 기본적으로 GaN 희생층(3)과 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 격자상수 값이 동일하거나 유사하게 설계되므로, ScyAl1 - yN로 된 제2 반도체층(5)의 y 값도 이를 감안하여 설정(예: 0.18±0.8)될 수 있다. 제2 반도체층(5)의 두께는 얇게(예: 100nm 이하) 형성되며, Sc 조성인 y 값에 따라서 격자상수(Lattice Constant)와 밴드갭 에너지(Bandgap Energy)가 결정되고, 이로 인해서 하부 층인 희생층(3), 상부 층인 ScxAl1-xN 압전 박막(4)과의 열적-기계적 변형과 밀접하게 연계된다.26 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure, wherein the structure is different from the example shown in FIG. 24 , the second semiconductor as shown in FIG. 17 . A layer (5) is added. Unlike the example shown in FIG. 17 , the
한편, 도 24 및 도 26에 제시된 예들에서, GaN 희생층(3)을 대신하여, 단층의 Alx3Ga1 - x3N 희생층(3)을 사용할 수 있으며, 도 25(a)에 제시된 바와 같이, 성막 기판(1)과 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 격자상수를 고려하면, 0.5 미만의 x3 값이 사용된다. 또한 다층의 Alx4Ga1 - x4N/Alx5Ga1 - x5N (x4<x5≤1, 0≤x4<0.5) 희생층(3)이 사용될 수 있으며, 다층의 Alx4Ga1 - x4N/Alx5Ga1 - x5N (x4<x5≤1, 0≤x4<0.5) 희생층(3) 전체의 Al 함유량은 0.5 미만으로 유지되어야 한다. 이를 통해, 희생층(3)의 격자상수를 GaN에 비해 큰 값으로 조정할 수 있으며, 따라서 이에 맞추어 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 격자상수 및 밴드갭 에너지를 변경할 수 있는 이점을 가진다. 제2 반도체층(5)의 조성도 이들에 맞추어 조정될 수 있다. 단층의 Alx3Ga1 - x3N 또는 다층의 Alx4Ga1 -x4N/Alx5Ga1-x5N (x4<x5≤1, 0≤x4<0.5) 희생층(3)을 이용함으로써, ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 Sc 조성을 늘릴 수 있어, 압전능을 향상시킬 수 있게 된다.On the other hand, in the examples shown in FIGS. 24 and 26 , instead of the GaN
도 27은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 24에 제시된 구조물에 더하여 희생층(3) 위에 씨앗층(3a; Seed layer)이 구비되어 있다.27 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure, and a seed layer (3a) on the
도 28은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 26에 제시된 구조물에 더하여 희생층(3) 위에 씨앗층(3a; Seed layer)이 구비되어 있다.28 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure, and a seed layer (3a) on the
씨앗층(3a)은 GaN계 질화물로 된 희생층(3) 위에서, ScxAl1 - xN 압전 박막(4) 및 ScyAl1 - yN로 된 제2 반도체층(5)의 성막을 돕는 역할을 한다. 씨앗층(3a)은 Alx6Ga1 - x6N (0.5≤x6)로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 5nm이하인 것이 바람직하다. 씨앗층(3a)이 도입되는 경우에, 희생층(3a)은 GaN, AlGaN 이외에도 (Al)GaInN이 이용될 수 있으며, 격자상수가 Alx3Ga1 - x3N (x3 = 0.5)일 때의 값보다 작게 유지되도록 형성된다. Alx6Ga1 - x6N (0.5≤x6) 씨앗층(3a)을 통해 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)을 고품위화하는 한편, 희생층(3)의 Al 조성 값을 0.5 이하로 함으로써 레이저 리프트 오프(LLO)를 용이하게 할 수 있다.The seed layer (3a) is on the sacrificial layer (3) made of a GaN-based nitride, the Sc x Al 1 - x N piezoelectric
도 29는 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 24에 제시된 GaN계 질화물 희생층(3) 대신에, SczAl1 - zN 희생층(3)이 도입되어 있다. SczAl1 - zN 희생층(3)의 Sc 조성(z)은 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 Sc 조성(x)을 고려하여 설계되되, 성막 기판(1)의 제거를 위해 조성(x) 보다 작은 값을 가지도록 설계될 수 있다. 희생층(3)에 Sc이 추가함으로써, 도 25(a)에 도시된 바와 같이, 희생층(3)의 격자상수를 GaN에 비해 큰 쪽으로 이동시킬 수 있어, 그 위에 격자상수가 큰 제2 반도체층(5) 또는 ScxAl1-xN 압전 박막(4)을 성막하는 기반을 제공할 수 있게 된다.29 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure, and instead of the GaN-based nitride
도 30은 본 개시에 따른 압전 박막을 제조하는 방법 및, 압전 박막 구조물(structure)의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 26에 제시된 GaN계 질화물 희생층(3) 대신에, SczAl1 - zN 희생층(3)이 도입되어 있으며, 제2 반도체층(5)은 스트레스 완화층 및/또는 씨앗층(도 28 참조)의 역할을 할 수 있고, 따라서 ScyAl1 - yN 또는 Alx6Ga1 - x6N (0.5≤x6)로 이루어질 수 있다. 다만, 도 28에 제시된 예에서와 달리 두께에 특별한 제한을 갖지 않는다.30 is a view showing another example of a method for manufacturing a piezoelectric thin film and a piezoelectric thin film structure according to the present disclosure. Instead of the GaN-based nitride
한편, SczAl1 - zN 희생층(3)을 이용하는 때에, ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 Sc 조성(x)이 0인 경우, 즉 AlN 압전 박막(4)을 성막할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 개시에 따른 ScxAl1 - xN 압전 박막(4)의 Sc 조성(x)은 x = 0인 경우부터 wurzite 구조를 가지는 값(이론적으로 x = 0.56)까지를 가질 수 있다.On the other hand, when the Sc z Al 1 -z N
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다. Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described.
(1) ScxAl1 - xN로 된 압전 박막을 제조하는 방법에 있어서, 성막 기판 위에 성막 기판 제거를 위한 희생층을 형성하는 단계; 그리고, 희생층 위에 wurzite 구조의 ScxAl1 - xN 압전 박막을 성막하는 단계;를 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법.(1) A method of manufacturing a piezoelectric thin film made of Sc x Al 1 - x N, the method comprising: forming a sacrificial layer for removing the deposition substrate on the deposition substrate; And, forming a Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film of a wurzite structure on the sacrificial layer; Method of manufacturing a piezoelectric thin film comprising a.
(2) 희생층과 ScxAl1 - xN 압전 박막 사이에 스트레스 완화층을 성막하는 단계;를 더 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법.(2) forming a stress relief layer between the sacrificial layer and the Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film; Method of manufacturing a piezoelectric thin film further comprising a.
(3) 희생층 위에 Alx6Ga1 - x6N (0.5≤x6)로 된 씨앗층을 성막하는 단계;를 더 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법.(3) forming a seed layer of Al x6 Ga 1 - x6 N (0.5≤x 6 ) on the sacrificial layer; Method of manufacturing a piezoelectric thin film further comprising a.
(4) 희생층은 Alx3Ga1 - x3N (0≤x3<0.5) 또는 SczAl1 - zN (z≤0.56)로 이루어진 압전 박막을 제조하는 방법.(4) The sacrificial layer is a method of manufacturing a piezoelectric thin film composed of Al x3 Ga 1 - x3 N (0≤x 3 <0.5) or Sc z Al 1 -z N ( z≤0.56 ).
(5) 희생층은 GaN로 이루어진 압전 박막을 제조하는 방법.(5) A method of manufacturing a piezoelectric thin film in which the sacrificial layer is made of GaN.
(6) 스트레스 완화층은 ScyAl1 - yN (y≤0.56)로 이루어진 압전 박막을 제조하는 방법.(6) The stress relief layer is Sc y Al 1 - y N (y≤0.56) method of manufacturing a piezoelectric thin film.
(7) ScxAl1 - xN 압전 박막으로부터 성막 기판을 분리하는 단계;를 더 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법.(7) separating the film-forming substrate from the Sc x Al 1 - x N piezoelectric thin film; Method of manufacturing a piezoelectric thin film further comprising.
본 개시에 의하면, 희생층과 압전 박막 간의 격자상수의 차를 줄인, 압전 박막을 제조하는 방법 및 이 박막을 막을 이용하는 소자를 제공한다.According to the present disclosure, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric thin film in which a difference in lattice constant between a sacrificial layer and a piezoelectric thin film is reduced, and a device using the thin film.
성막 기판(1), 희생층(3), 압전 박막(4), 제2 반도체층(5)Film formation substrate (1), sacrificial layer (3), piezoelectric thin film (4), second semiconductor layer (5)
Claims (8)
성막 기판 위에 성막 기판 제거를 위한 희생층을 형성하는 단계; 그리고,
희생층 위에 wurzite 구조의 ScxAl1-xN(0≤x≤0.56) 압전 박막을 성막하는 단계;를 포함하며,
희생층과 ScxAl1-xN(0≤x≤0.56) 압전 박막 사이에 스트레스 완화층을 성막하는 단계;를 더 포함하고,
ScxAl1-xN(0≤x≤0.56) 압전 박막으로부터 성막 기판을 LLO 공정을 통해 분리하는 단계;를 더 포함하며,
스트레스 완화층은 ScyAl1-yN으로 이루어지며, Sc의 y값은 0.56 이하의 값으로 희생층과 ScxAl1-xN(0≤x≤0.56) 압전 박막의 격자상수 값을 감안하되 희생층보다 큰 밴드갭 에너지를 가지도록 설정되는, 압전 박막을 제조하는 방법.In the method of manufacturing a piezoelectric thin film of Sc x Al 1-x N (0≤x≤0.56),
forming a sacrificial layer for removing the deposition substrate on the deposition substrate; and,
Including; forming a Sc x Al 1-x N (0≤x≤0.56) piezoelectric thin film of wurzite structure on the sacrificial layer;
Forming a stress relief layer between the sacrificial layer and the Sc x Al 1-x N (0≤x≤0.56) piezoelectric thin film; further comprising,
Separating the deposition substrate from the Sc x Al 1-x N (0≤x≤0.56) piezoelectric thin film through the LLO process; further comprising,
The stress relief layer is made of Sc y Al 1-y N, and the y value of Sc is 0.56 or less in consideration of the lattice constant value of the sacrificial layer and Sc x Al 1-x N (0≤x≤0.56) piezoelectric thin film. However, the method of manufacturing a piezoelectric thin film, which is set to have a bandgap energy greater than that of the sacrificial layer.
희생층 위에 Alx6Ga1-x6N (0.5≤x6)로 된 씨앗층을 성막하는 단계;를 더 포함하는 압전 박막을 제조하는 방법.The method according to claim 1,
Forming a seed layer of Al x6 Ga 1-x6 N (0.5≤x 6 ) on the sacrificial layer; Method of manufacturing a piezoelectric thin film further comprising a.
희생층은 Alx3Ga1-x3N (0≤x3<0.5) 또는 SczAl1-zN (z≤0.56)로 이루어진 압전 박막을 제조하는 방법.The method according to claim 1,
The sacrificial layer is a method of manufacturing a piezoelectric thin film made of Al x3 Ga 1-x3 N (0≤x 3 <0.5) or Sc z Al 1-z N (z≤0.56).
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