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문제 정의
- 본 논문에서는 반응성 마그네트론 스퍼터를 이용하여 A12O3 기판 위에 제작한 A1N 박막의 구조적 특성을 분석하여 SAW 소자용 기판으로 이용하기 위한 최적의 증착 조건을 규명하고, 소자를 제작한 후 그 특성을 측정하여 SAW 소자용 압전기판으로서의 A1N 박막의 사용 가능성을 분석하였다.
제안 방법
- 5[dB], 삽입손실은 16[dB]의 특성을 가지는 그림 1과 같은 2-port SAW 공진기를 설계하였다. 5[㎛]의 배선 폭 을 가지는 IDTs를 배열하여 파장이 2인 SAW 소자용 금속 마스크를 제작하였다. 칩 크기를 실제 상용 제품의 크기와 비슷한 약 로 제한하여 A1N 박막의 표면 구배에 의해 발생하는 우선배향성의 분산으로 인한 SAW 특성 저하를 최소화하였다.
- RF 스퍼터링의 동작 조건을 표 1에 요약하였다. COM(Coupling-of-Mode) 이론을 사용한 시뮬 레이션 프로그램을 작성한 후 대역폭은 3.5[fflz], 밴드저지율 은 25.5[dB], 삽입손실은 16[dB]의 특성을 가지는 그림 1과 같은 2-port SAW 공진기를 설계하였다. 5[㎛]의 배선 폭 을 가지는 IDTs를 배열하여 파장이 2인 SAW 소자용 금속 마스크를 제작하였다.
- 그림 3은 작업압력에 따른 A1N 박막의 XRD 측정결과를 보이고 있다. RF 전원을 150[W], 질소분압비를 50[%], 타겟 과 기판거리를 8cm로 고정하고 기판의 온도는 상온으로 하였다. A1N 박막의 (002) 우선배향성은 작업압력이 2[mtorr] 일 때 가장 높았으며, 작업압력이 증가함에 따라 우선배향성 이 감소하였다.
- 높은 삽입손실 및 낮은 밴드저지율의 원인이라고 생각되는 실리콘 기판에 의한 전파손실을 확인하기 위해 IDTs/A1N/A12O3 구조의 2-단자 SAW 공진기를 제작하였으며 그림 8에 측정결과를 나타내었다. 측정된 결과에서 중심 주파수는 296.
- 진공조를 로타리 펌프와 cryo 펌프를 이용하여 2.0]까지 압력을 낮춘 다음, 기판과 타겟의 거리를 8[cm]로 고정하고 RF 전원, 질소분압비, 증착압력, 기판온도 등을 가변하여 박막을 제작하였다. 박막을 제조하기 전에 알루미늄 타겟표면의 불순물과 산화막을 제거하기 위해 150[W] 의 RF 전원을 가하여 타겟을 약 10분간 pre -sputtering을 시켰다.
- 5[㎛]의 배선 폭 을 가지는 IDTs를 배열하여 파장이 2인 SAW 소자용 금속 마스크를 제작하였다. 칩 크기를 실제 상용 제품의 크기와 비슷한 약 로 제한하여 A1N 박막의 표면 구배에 의해 발생하는 우선배향성의 분산으로 인한 SAW 특성 저하를 최소화하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템 (Korea Vacuum, KOREA)의 진공조는 재질이 SUS304이고 내부직경이 300[mni], 높이는 260[mn]인 원통형 구조로 이루어져 있다. 타겟으로는 지름이 4[inch], 순도가 99.
- 본 연구에서 사용된 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템 (Korea Vacuum, KOREA)의 진공조는 재질이 SUS304이고 내부직경이 300[mni], 높이는 260[mn]인 원통형 구조로 이루어져 있다. 타겟으로는 지름이 4[inch], 순도가 99.999[%]인 AKCERAC, USA)을 사용하였다.
성능/효과
- AIN 박막의 표면거칠기가 나빠지면 SAW의 전파 손실이 커지게 되어 SAW 소자의 삽입손살도 증가하게 된다.% AFM 측정 결과 질소분압비가 3아:%]일 때 표면거칠기의 rms 값은 3.68[nm]로 가장 낮았으며, 이후 질소분압비가 증가할수록 박막거칠기의 rms 값이 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 SAW필터에 사용하기 위한 A1N 박막은 낮은 질소 분압비하에서 제작하는 것이 적당하다고 생각된다.
- 또한 강도가 우수하고, 열전도도가 높으며, 열팽창계수가 낮고, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, SAW 진행 속도도 빠르다.(2) 이러한 특성을 가진 A1N이 SAW 소자로 응용될 때, 박막형 SAW 소자의 재료로 사용할 수 있는 ZnO에 비해 SAW 속도가 더 빠르고, 고주파 대역에서 전파손실이 더 작으며, 온도 안정성이 더 크다는 이점이 있다. 이런 이유에서 광학적 응용이나 집적회로에서의 응용, SAW 필터 등의 응용을 목적으로 A1N 박막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
- 1) A1N 박막의 (002)면의 우선배향성은 작업압력을 2[mTorrl으로 유지할 때가 가장 좋았다. 따라서 SAW 필터용 A1N 박막을 제작하기 위해서는 비교적 낮은 작업 압력에서 제작하는 것이 바람직하다.
- 2) A1N 박막의 표면거칠기는 질소분압비가 낮을수록 특성이 우수하게 나타났다. 표면의 거칠기는 SAW 소자 제작 시에 삽입손실과 밀접한 관계를 가지고 있으므로 본 연구에서 측정된 표면거칠기는 SAW 제작에 양호한 특성을 나타내었다.
- 3) IDTs/AlN/Si 형태의 SAW 소자의 중심주파수는 약 251.9였으며, 삽입손실은 35.6[dB] 정도로 나타났으며 SAW 속도는 5038P%]였다. 반면에 IDTs/AlN/AhQj인 경우 중심주파수는 약 296.
- 6[dB], SAW 속도는 5038[%]로 측정되었다. 그림에서 볼 수 있듯이 밴드저지율 (out of band rejection)이 너무 낮고 삽입손실이 너무 커서 실제 SAW 필터의 특성이 좋다고 볼 수는 없었지만 A1N 박막의 공진특성을 확인할 수 있었다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 표 2 에서 비교하였다.
- 2[eV])가 크다. 또한 강도가 우수하고, 열전도도가 높으며, 열팽창계수가 낮고, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, SAW 진행 속도도 빠르다.(2) 이러한 특성을 가진 A1N이 SAW 소자로 응용될 때, 박막형 SAW 소자의 재료로 사용할 수 있는 ZnO에 비해 SAW 속도가 더 빠르고, 고주파 대역에서 전파손실이 더 작으며, 온도 안정성이 더 크다는 이점이 있다.
- 시뮬레이션 결과에서 삽입손실은 16[dB]정도 설계되었는데 실제 측정값에서는 23[dB]정도로 여전히 설계값보다는 높게 나타났다. 이는 AI2O3기판을 사용함으로써 실리콘 기판에 대한 전파손실은 감소시켰으나 A1N 박막의 표면 거칠기로 인한 삽입손실이 여전히 존재하고 있기 때문이며 입출력단의 임피던스 정합 역시 정확하게 이루어지지 않았음을 보여준다.
- 앞의 두 실험결과를 통해 A1N 박막이 SAW 필터로 상용될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 그러나 실리콘 위에 one-안tip화하여 사용하기 위해서는 A1N 박막에 적합한 IDTs 패턴을 최적화하는 연구와 DLC(Diamond Like Carbon), 다이아몬드" 및 사파이어 박막과 같은 중간막을 개발하기 위한 연구가 필요하다.
- 질소분압비가 ~50[%]인 경우 입자들이 아주 조밀하게 배치되어 있다. 질소분압비가 70[%] 이상으로 높아지면 입자의 크기가 커지면서 둥근 모양의 입자를 형성하였으며 균일하지만 치밀하지 못한 형상을 보였고 그림 2 에서와 같이 이러한 구조를 가지는 박막은 c-축 우선 배향성이 감소하였다. SEM 표면사진으로는 질소분압비의 증가에 따른 표면 거칠기의 변화를 정확하게 확인할 수는 없었지만 둥근 입자의 크기로 대략 비교할 때 표면 거칠기는 질소분압비가 낮을수록 우수한 것으로 보인다.
- 구조의 2-단자 SAW 공진기를 제작하였으며 그림 8에 측정결과를 나타내었다. 측정된 결과에서 중심 주파수는 296.7IM, SAW 속도는 5960μ%]로 산출되었다.
- 2) A1N 박막의 표면거칠기는 질소분압비가 낮을수록 특성이 우수하게 나타났다. 표면의 거칠기는 SAW 소자 제작 시에 삽입손실과 밀접한 관계를 가지고 있으므로 본 연구에서 측정된 표면거칠기는 SAW 제작에 양호한 특성을 나타내었다.
후속연구
- 앞의 두 실험결과를 통해 A1N 박막이 SAW 필터로 상용될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 그러나 실리콘 위에 one-안tip화하여 사용하기 위해서는 A1N 박막에 적합한 IDTs 패턴을 최적화하는 연구와 DLC(Diamond Like Carbon), 다이아몬드" 및 사파이어 박막과 같은 중간막을 개발하기 위한 연구가 필요하다. 이러한 중간막들은 높은 경도를 가지므로 실리콘 기판으로의 전파손실을 차단해줄 것이며 높은 Young의 계수를 가지기 때문에 높은 SAW 속도를 가진다.
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