[논문]ZnO와 나노결정 다이아몬드 적층 박막의 SAW 필터 응용

정두영; 김우현; 강찬형

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정두영 (한국산업기술대학교, 신소재공학과) , 김우현 (한국산업기술대학교, 신소재공학과) , 강찬형 (한국산업기술대학교, 신소재공학과)

실리콘 웨이퍼 위에 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법으로 나노결정질 다이아몬드 박막을 형성하고 그 위에 RF 마그네트론 스퍼터로 ZnO 박막을 적층한 후 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터를 제작하여 평가하였다. 기판온도, 작업압력, Ar/$CH_4$ 비율을 변화시켜 최적공정 조건에서 30nm 수준의 결정립을 갖는 $4{\mu}m$ 두께의 다이아몬드 박막을 얻었고, RF 인가전력, 기판온도, Ar/$O_2$ 비율을 조정하여 결정성이 우수하고, 표면 거칠기가 좋으며, 높은 비저항을 갖는 $2.2{\mu}m$ 두께의 ZnO 박막을 얻었다. 박막의 특성은 FESEM과 XRD로 평가하였다. Lift-off 식각공정을 이용하여 일정한 선폭과 간격(Line/Space : 1.5/$1.5{\mu}m$)을 갖는 구리 전극 패턴을 형성하였다. Network Analyzer를 이용하여 측정한 SAW 필터의 중심주파수는 1.67GHz이었다.

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문제 정의

본 연구에서는 4㎛ 두께의 나노결정립 다이아몬드 박막과 2.2㎛ 두께의 ZnO 우선배향 박막의 적층형 구조를 갖는 표면탄성파 필터를 제작하였다. XRD 분석을 통하여 다이아몬드 박막은 44°(111), 75°(220)의 다이아몬드 피크를 통해서 확인할 수 있었고, ZnO 우선배향 박막은 34°(002)의 ZnO 피크로 확인할 수 있었다.

제안 방법

다이아몬드를 증착시킨 실리콘 웨이퍼위에 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 표 2와 같은 공정변수와 실험 조건으로 ZnO 박막을 증착하였다.
본 연구에서는 실리콘 웨이퍼 위에 최고의 음파(표면탄성파) 전달속도를 갖는 다이아몬드와 우수한 압전 특성을 보이는 ZnO의 적층 박막을 형성하고 그 위에 Lift-off 공정으로 IDT(Inter Digital Transducer) 구리 전극을 부여하여 표면탄성파 필터를 제작하였다. 그리고 제작한 필터의 특성을 Network Analyzer로 평가하였다.
실리콘 웨이퍼를 초음파 세척기 내에서 에탄올에 나노 다이아몬드 분말을 분산시킨 페이스트를 이용하여 전처리를 한 후 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착(MPECVD) 시스템을 이용하여 나노결정립을 갖는 다이아몬드 박막을 증착하였다. 증착을 위한 공정변수와 실험조건은 표 1에 나타내었다.

데이터처리

본 연구에서는 실리콘 웨이퍼 위에 최고의 음파(표면탄성파) 전달속도를 갖는 다이아몬드와 우수한 압전 특성을 보이는 ZnO의 적층 박막을 형성하고 그 위에 Lift-off 공정으로 IDT(Inter Digital Transducer) 구리 전극을 부여하여 표면탄성파 필터를 제작하였다. 그리고 제작한 필터의 특성을 Network Analyzer로 평가하였다.

이론/모형

전극의 선폭과 간격을 가능한 줄여 높은 중심주파수를 얻기 위하여 lift-Off 공정을 이용하였다. Lift-Off 공정순서와 실험조건은 표 3에 나타나 있다.

성능/효과

FESEM 관찰 결과 4㎛ 나노결정립의 다이아몬드 박막과 2.2㎛ ZnO 박막 위에 1.5/1.5μm의 선폭을 갖는 전극이 형성되었음을 알 수 있었다.
XRD 분석을 통하여 다이아몬드 박막은 44°(111), 75°(220)의 다이아몬드 피크를 통해서 확인할 수 있었고, ZnO 우선배향 박막은 34°(002)의 ZnO 피크로 확인할 수 있었다. Lift-off 공정으로 폭과 간격이 각각 1.5㎛인 IDT 전극을 형성한 후, 표면탄성파 필터의 성능을 평가한 결과, 1.67GHz의 중심주파수를 얻을 수 있었다.
XRD 분석 결과 34°(002)에서 ZnO 피크만 크게 관찰되어 c축 방향으로 결정립이 우선 배향되어 있음을 알 수 있었고.
XRD 분석 결과 44°(111), 75°(220)에서 다이아몬드 피크를 확인하였고, FESEM을 통하여 30~40 nm의 결정립을 갖는 다이아몬드 박막을 확인하였다.
XRD 분석을 통하여 다이아몬드 박막은 44°(111), 75°(220)의 다이아몬드 피크를 통해서 확인할 수 있었고, ZnO 우선배향 박막은 34°(002)의 ZnO 피크로 확인할 수 있었다.

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