KR100225815B1 - 박막압전소자 및 박막압전소자의 제조방법 - Google Patents

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찌사꼬 마에다
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다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

음파를 사용한 공진기, 필터 등의 압전소자 및 압전소자를 이용하는 전자 장치에 관한 것으로서, 양호한 박막압전소자의 특성을 저렴한 비용으로 조정하고 불필요한 공진점이나 손실을 저감하기 위해서, 반도체기판, 반도체기판상에 탑재되고 두께를 갖는 하지체제층, 하지도체층상에 탑재되고 두께를 갖는 압전세라믹스박막 및 압전세라믹스 박막상에 탑재된 도전성 전극패턴을 구비하고, 압전세라믹스박막의 두께가 하지도체층의 두께의 10배 이상으로 되도록 구성하였다.
이렇게 하는 것에 의해서, 특성이 양호한 박막압전소자를 얻을 수 있고, 반도체회로의 제조비용 저감, 콘덴서의 소형화와 제조비용 저감, 분극처리비용 억제 및 제조효율이 양호한 분극처리 실현 등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

박막압전소자 및 박막압전소자의 제조방법
제1도는 본 발명의 실시예 1의 벌크초음파공진기의 상면도.
제2도는 본 발명의 실시예 1의 벌크초음파공진기의 횡단면도.
제3도는 벌크초음파공진기의 등가회로도.
제4도는 반공진주파수 및 반공진주파수와 공진주파수 사이의 차의 계산결과를 도시한 도면.
제5도는 실시예 1의 분산특성 계산결과의 1예를 도시한 도면.
제6도는 실시예 1의 분산특성 계산결과의 다른 예를 도시한 도면.
제7도는 실시예 1의 벌크초음파공진기의 분극전의 임피던스에 대한 측정결과를 도시한 도면.
제8도는 실시예 1의 벌크초음파공진기의 분극후의 임피던스에 대한 측정결과를 도시한 도면.
제9도는 본 발명의 실시예 2의 박막압전소자의 상면도.
제10도는 본 발명의 실시예 2의 박막압전소자의 횡단면도.
제11도는 본 발명의 실시예 3의 박막압전발진기를 도시한 도면.
제12도는 본 발명의 실시예 4의 박막압전증폭기를 도시한 도면.
제13도는 본 발명의 실시예 4의 박막압전증폭기를 도시한 도면.
제14도는 본 발명의 실시예 5의 박막압전필터를 도시한 도면.
제15도는 본 발명의 실시예 6의 박막압전소자를 도시한 도면.
제16도는 본 발명의 실시예 7의 박막압전소자를 도시한 도면.
제17도는 본 발명의 실시예 7의 박막압전소자의 콘덴서의 상면도.
제18도는 본 발명의 실시예 7의 박막압전소자의 콘덴서의 횡단면도.
제19도는 본 발명의 실시예 7의 박막압전소자의 다른 콘덴서의 상면도.
제20도는 본 발명의 실시예 7의 박막압전소자의 다른 콘덴서의 횡단면도.
제21도는 본 발명의 실시예 8의 박막압전발진기를 도시한 도면.
제22도는 본 발명의 실시예 9의 박막압전발진기를 도시한 도면.
제23도는 본 발명의 실시예 10의 박막압전발진기를 도시한 도면.
제24도는 본 발명의 실시예 11의 박막압전발소자를 도시한 도면.
제25도는 본 발명의 실시예 12의 박막압전소자를 도시한 도면.
제26도는 본 발명의 실시예 13의 박막압전소자를 도시한 도면.
제27도는 본 발명의 실시예 14의 박막압전소자를 도시한 도면.
제28도는 본 발명의 실시예 15의 박막압전소자를 도시한 도면.
제29도는 본 발명의 실시예 16의 박막압전소자를 도시한 도면.
제30도는 본 발명의 실시예 17의 박막압전소자를 도시한 도면.
제31도는 본 발명의 실시예 18의 박막압전소자를 도시한 도면.
제32도는 본 발명의 실시예 19의 박막압전소자를 도시한 도면.
제33도는 본 발명의 실시예 20의 박막압전소자를 도시한 도면.
제34도는 본 발명의 실시예 21의 박막압전소자를 도시한 도면.
제35도는 본 발명의 실시예 22의 박막압전소자를 도시한 도면.
제36도는 본 발명의 실시예 23의 박막압전소자를 도시한 도면.
제37도는 본 발명의 실시예 24의 박막압전소자를 도시한 도면.
제38도는 본 발명의 실시예 25의 박막압전소자를 도시한 도면.
제39도는 본 발명의 실시예 26의 박막압전소자를 도시한 도면.
제40도는 본 발명의 실시예 27의 박막압전소자를 도시한 도면.
제41도는 본 발명의 실시예 28의 박막압전소자를 도시한 도면.
제42도는 본 발명의 실시예 29의 박막압전소자를 도시한 도면.
제43도는 본 발명의 실시예 30의 박막압전소자를 도시한 도면.
제44도는 본 발명의 실시예 31의 박막압전소자를 도시한 도면.
제45도는 본 발명의 실시예 32의 박막압전소자를 도시한 도면.
제46도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제47도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제48도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제49도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제50도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제51도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제52도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제53도는 본 발명의 벌크초음파공진기의 다른 예를 도시한 도면.
제54도는 박막압전소자의 종래형태를 도시한 도면.
제55도는 벌크초음파공진기의 종래형태의 상면도.
제56도는 벌크초음파공진기의 종래형태의 단면도.
제57도는 벌크초음파공진기의 간이구성도.
제58도는 벌크초음파공진기의 등가회로도.
제59도는 벌크초음파공진기의 임피던스특성을 도시한 도면.
제60도는 벌크초음파공진기의 임피던스특성을 도시한 도면.
제61도는 발진기 회로를 도시한 도면.
제62도는 사다리형 회로에 접속된 벌크초음파필터의 회로도.
제63도는 벌크초음파필터의 각 벌크초음파공진기의 임피던스 특성을 도시한 도면.
제64도는 벌크초음파필터의 통과특성을 도시한 도면.
제65도는 다중모드공진을 사용한 벌크초음파필터의 상면도.
제66도는 다중모드공진을 사용한 벌크초음파필터의 횡단면도.
제67도는 다중모드공진을 사용한 벌크초음파필터의 등가회로도.
제68도는 벌크초음파공진기의 종래형태의 주파수 조정법을 도시한 도면.
제69도는 벌크초음파공진기의 종래형태의 주파수 조정법을 도시한 도면.
제70도는 벌크초음파공진기의 종래형태의 주파수 조정법을 도시한 도면.
제71도는 제69도의 회로의 등가회로를 도시한 도면.
제72도는 제70도의 회로의 등가회로를 도시한 도면.
제73도는 패턴정밀도의 영향을 설명하기 위한 상면도.
제74도는 패턴정밀도의 영향을 설명하기 위한 횡단면도.
본 발명은 탄성파(acoustic wave)를 사용한 공진기, 필터 등의 압전소자 및 이 압전소자를 이용한 전자장치에 관한 것이다.
압전소자는 전기신호와 탄성파 사이의 변환작용을 실행하는 압전재료를 사용해서 공진기나 필터로서 동작하는 것이다.
제54도는 예를 들면 문헌 1983 IEEE Ultrasonics symposium, pp. 299-310(이하, 문헌1이라 함), 일본국 공개특허공보 특개소 63-187713(이하,문헌2라함)및 문헌 IEEE, 41st Annual Frequency Control Symposium, pp.371-381,1987(이하,문헌3이라 함)에 기재되어 있는 종래형태의 압전소자를 도시한 도면이다.
반도체기판(1)은 예를 들면 실리콘(Si) 또는 갈륨비소(GaAs)이다. 압전 박막(2)는 산화아연(ZnO) 또는 질화알루미늄(A ℓ N) 등이다. 그리고, 반도체회로(3)이 마련된다.
압전박막(2)를 사용한 소자에는 2가지 경우가 있다. 그중 하나는 문헌1에 기재된 탄성표면파소자를 사용하는 경우이고, 다른 하나는 문헌2와 문헌3에 기재된 박막압전소자를 사용하는 경우이다. 탄성표면파소자는 압전박막(2)의 표면 상에 미세한 발형상 전극(interdigital transducer)을 구성한다. 탄성표면파소자는 공진기, 필터, 지연선, 상관기 등을 실현할 수 있다. 한편 압전소자는 벌크초음파공진기 및 이 벌크초음파공진기로 이루어져 있는 벌크초음파필터를 실현할 수 있다. 탄성표면파공진기와 벌크초음파공진기는 서로 다른 구조를 갖지만, 전기적으로는 거의 동일한 기능을 갖는다. 이하, 압전소자의 하나의 경우에 대해서 설명한다.
제55도 및 제56도는 문헌2와 문헌3, 문헌1985 IEEE Ultrasonics Symposium, pp.311-318(이하, 문헌4라 함), 문헌 1990 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 529-536(이하, 문헌5라함) 및 일본국 공개특허공보 특개평6-350154(이하, 문헌6이라 함)등에 기재된 벌크초음파공진기의 종래형태를 도시한 것이다. 제55도는 이 종래형태의 벌크초음파공진기의 상면도를 도시한 것이다. 제56도는 제55도에 도시한 벌크 초음파 공진기의 A-A단면도를 도시한 것이다. 제56도에 있어서, 산화실리콘(SiO2)(4)가 마련된다. 하지도체(5)는 불순물을 고농도로 도포한 반도체로 이루어진다. 하지도체(5)는 임의의 금속으로 이루어질 수도 있다. 상측전극(6)은 금속으로 이루어져 있고, 관통구멍(7)이 마련되어 있다.
이하, 그 동작에 대해서 설명한다. 제56도에 있어서, 하지도체(5)와 상측전극(6) 사이에 전압이 인가되면, 압전박막(2)내부에는 전계가 발생한다. 상기 압전박막(2)는 전계가 발생되면 변형이나 왜곡이 일어난다는 특성을 갖고 있다. 따라서, 상기 인가전압이 변화하는 경우에는 상기 인가전압에 대응해서 압전박막(2)내에 탄성파가 발생된다. 발생되는 탄성파의 전파방향이나 탄성진동의 변위 방향 및 인가전압에 대한 탄성파의 여진효율은 사용하는 압전박막(2)의 재료나 하지도체(5)와 상측전극(6)의 형태등으로 결정된다. 이하의 설명에서는 탄성파의 전파방향은 압전박막(2)의 두께방향이고, 이 방향은 하지도체(5)에서 상측전극(6)으로의 방향에 대응한다. 또, 탄성진동의 전위방향은 압전박막(2)의 두께방향인 것으로 한다.
탄성파는 상측전극(6)과 하지도체(5) 사이에 전계가 존재하는 영역에서 여진된다. 따라서, 탄성파는 거의 상측전극(6)과 하지도체(5)사이의 영역내에서 여진된다. 여진된 탄성파는 압전박막의 두께의 방향으로 전파되기 때문에, 대기에 접하는 면, 예를 들면 상기 상측전극(6)의 표면(6a)와 상기 산화실리콘(4)의 바닥면(4a)의 대기와 접하는 면에서 반사된다. 그 이유는 상기 상측전극(6), 상기 압전박막(2), 상기 하지도체(5) 및 상기 산화실리콘(4)등이 고체매질의 음향 임피던스가 대기의 음향임피던스와 크게 다르기 때문이다. 표면(6a)와 바닥면(4a)의 대기와 접하는 면은 실질적으로 완전반사면으로 볼 수 있다. 이와 같은 표면에서의 경계조건에 대해서는 오노우에 감수(), 고체진동론의 기초, 1982년(소화57년)9월 발행, 옴사, 제5장, 무한평판에 있어서의 파동, pp. 77-116(이하, 문헌7이라 함)에 기재되어 있다. 이 때문에, 제56도에 도시한 바와 같은 구조를 갖는 벌크초음파공진기에 있어서는 상기 반도체기판(1)의 재료는 상기 탄성파의 여진특성에 직접적인 영향을 미치지 않는다.
상기 탄성파는 상기 상측전극(6)의 표면(6a)와 상기 산화실리콘(4)의 바닥면(4a) 사이에 포함되어 있다. 근사적으로 상기 상측전극(6)의 표면(6a)와 상기 산화실리콘(4)의 바닥면(4a) 사이의 길이가 상기 탄성파의 1/2파장의 정수배로 되는 주파수부근에서 공진을 발생한다. 즉, 제56도에 도시한 압전소자는 벌크초음파 공진기로 동작한다. 상기 산화실리콘(4)는 상기 상측전극(6), 상기 하지도체(5) 및 상기 압전박막(2)에 비해 통상 두께가 얇고 그 밀도도 낮다. 이 때문에, 상기 산화 실리콘(4)의 탄성적인 공진조건에 대한 기여도는 낮다고 볼 수 있다. 제57도는 벌크초음파공진기의 간이구성을 도시한 도면이다. 이 간이 구성은 상기 상측전극(6), 상기 압전박막(2) 및 상기 하지도체(5)로 이루어지는 3층구조를 갖는다. 이 간이구성은 상기 3층구조가 공진조건을 거의 결정하는 경우에 압전공진기를 나타내는데 사용된다. 도면에 있어서 공진소자(8)은 공진기로서 동작한다. 제57도에 있어서, 상측전극(6)과 하지도체(5)의 각각의 두께를 d로 하고, 압전박막(2)의 두께를 h로 한다. 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)의 부하효과를 무시하면, 공진주파수fr은 식 1에 의해 산출한다.
[식 1]
식 1에 있어서 n은 정수, Vp는 압전박막(2) 내부의 탄성파의 전파속도, Vm은 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)에서의 탄성파의 전파속도이다. 상기 전파속도 Vp및 Vm은 상기 전파방향, 진동방향 뿐만 아니라 상기 압전박막(2), 상기 상측전극(6) 및 상기 하지도체(5)에 사용되는 재료에 의해서 결정된다. 제57도에 도시한 공진소자의 실제 공진주파수는 식 1에서 무시한 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)의 부하효과에 의해서 식 1에 의해 산출되는 공진주파수 fr보다 낮아진다. 공진주파수와 부하효과 사이의 관계는 오노우에 감수(Supervise), 고체진동론의 기초, 1982년 9월 발행, 옴사, 제9장, 압전판의 파동, pp. 189-195(이하, 문헌8이라 함)에 기재되어 있다.
문헌 5에 기재되어 있는 바와 같이, 압전재료의 음속은 산화아연의 경우에는 6000m/sec정도이고, 질화알루미늄의 경우에는 10000m/sec정도이다. 이러한 압전재료를 사용해서 제57도에 도시한 바와 같은 박막압전공진기가 구성된다. 예를 들면, 기본파(n=1)의 공진주파수가 2GHz인 경우, 상측전극(6)과 하지도체(5)의 각각의 두께 d를 무시한 경우에도 상기 압전박막(2)의 두께 h는 1.5㎛~2.5㎛로 산출된다. 즉, 매우 얇은 막두께가 필요하게 된다. 또, 상기 상측전극(6)과 하지도체(5)의 각각의 두께 d를 고려하면, 필요로 되는 압전박막(2)의 막두께 h는 더욱더 얇아진다. 압전박막은 종래부터 널리 사용되고 있는 압전공진기나 압전필터로서, 중간주파수(이하, IF라 함)대의 압전공진기나 압전필터에 사용되고 있는 압전박막은 기판재를 평탄화하는 것에 의해 제조된다. 평탄화방법은 수 ㎛의 두께를 갖는 압전박막을 제공하는데는 사용할 수 없다.
제57도에 도시한 바와 같이 박막압전공진기의 특성은 종래부터 널리 사용되고 있는 수정진동자나 세라믹진동자로서, 판재를 사용한 IF대의 수정진동자나 세라믹진동자와 기본적으로는 동일하다. 예를 들면, 문헌 탄성파소자기술 핸드북, 일본학술진흥회 탄성파소자기술 제150위원회편, 옴사발행, 1991년 11월 30일 제1판 발행, II편, 벌크파 디바이스, 제3장, 압전벌크파 디바이스, pp. 90~143(이하,문헌9라 함)에는 상기 진동자와 상기 세라믹진동자에 대해서 상세하게 기재되어 있다.
제58도는 문헌 9중에서도 개시하고 있는 바와 같이, 제57도에 도시한 벌크 초음파공진기의 등가회로를 도시한 도면이다. 도면에 있어서 용량 C0(9)는 상측전극(6)과 하지도체(5) 사이에 연결되어 있다. 등가인덕턴스 L1(10), 등가용량 C1(11) 및 등가저항R1(12)는 직렬로 연결된다. 제59도는 제58도에 도시한 등가회로의 대표적인 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
제58도의 등가회로는 주파수 Fr에서 공진한다. 이 주파수 Fr은 등가인덕턴스 L1(10)과 등가용량C1(11)이 직렬로 공진하는 주파수이다. 등가저항R1이 0인 경우에 임피던스는 0으로 된다. 등가회로는 주파수 Fa에서 반공진한다. 이 주파수 Fa는 용량C0(9) 및 등가인덕턴스L1(10)와 등가용량C1(11)과의 직렬회로가 병렬로 공진하는 주파수이다. 등가저항 R1이 0인 경우에는 임피던스가 무한대로 된다. 제59도의 임피던스 특성은 등가저항 R1이 0이 아닌 경우를 나타내고 있으므로, 주파수 Fa에 있어서의 임피던스가 유한의 값을 나타내고 있다.
용량C0(9), 등가인덕턴스 L1(10), 등가용량C1(11)과 공진주파수 Fr, 반공진주파수 Fa사이에는 일의적인 관계가 성립된다. 하기 식2 및 식3은 문헌 9에도 기재되어 있다.
[식 2]
[식 3]
또, 공진기의 성능지수의 1개인 Qm도 제58도에 도시한 등가회로의 회로정수와 관계가 있고, 이하의 Qm에 대한 식 4는 문헌 9에도 기재되어 있다.
[식 4]
식 1의 주파수fr은 상술한 공진주파수 Fr과 반공진주파수 Fa의 근사값이고, 엄밀하게는 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)의 재료 및 물리형상과 상기 압전박막(2)의 재료, 결정방향 및 물리형상에 의해서 결정된다. 또, 공진주파수 Fr과 반공진주파수 Fa사이의 차와 Qm은 주로 상기 압전박막(2)의 재료와 결정방향에 의해서 결정된다. 공진주파수 Fr과 반공진주파수 Fa의 차는 상기 벌크초음파 공진기를 사용해서 발진회로를 구성한 경우의 주파수 조정범위의 한계값이나 상기 벌크초음파공진기를 조합해서 필터를 구성한 경우의 통과대역폭의 한계값에 크게 영향을 미친다.
상기 공진주파수 Fr과 상기 반공진주파수 Fa를 사용해서 실효전기기계 결합계수 k2 eff는 하기의 식 5로 산출된다.
[식 5]
실효전기기계 결합계수 k2 eff는 상기 압전박막(2)의 재료와 결정방향 및 탄성파의 전파방향 및 진동방향에 의해서 결정된다. 이것은 문헌 초음파기술편람, 일간공업신문사 발행, 1991년 6월 25일 제8판 발행, pp. 363~371(이하, 문헌10이라 함)에 기재되어 있다. 전기기계 결합계수 k2를 실효 전기기계 결합계수 k2 eff의 한계값(최대값)이라 하면, 상기 공진주파수 Fr과 상기 반공진주파수 Fa사이의 주파수차F는 하기의 식 6으로 산출할 수 있다.
[식 6]
제60도는 벌크초음파공진기의 임피던스특성의 1예를 도시한 도면이다.
이 벌크 초음파공진기에 있어서는 주파수가 증가함에 따라 용량성 리액턴스영역에서 유도성 리액턴스영역으로 임피던스가 변화하고, 리액턴스성분이 0으로 되는 주파수를 Fr로 설정한다. 또, 유도성 리액턴스영역에서 용량성 리액턴스영역으로 임피던스가 변화하고 리액턴스 성분이 0으로 되는 주파수를 Fa로 설정한다. 상기 주파수 Fr은 식 2~식 5로 나타낸 공진주파수이고, 상기 주파수 Fa는 반공진주파수이다.
제61도는 종래부터 잘 알려져 있는 콜피츠형의 발진회로의 기본부이다. 도면에 있어서 트랜지스터(13), 콘덴서 CC, CB(14) 및 벌크초음파 공진기(15)가 마련되어 있다.
제61도에 도시한 바와 같은 발진회로가 발진하는 조건의 하나는 트랜지스터(13)의 영향이 작다고 가정하면, 근사적으로 하기의 식 7로 표시된다. 발진회로에 대해서는 문헌 고주파, 발진, 변조 및 복조, 도쿄(동경)전기대 출판국, 1986년(소화61년) 5월 10일 제1판 발행(이하, 문헌11이라함)의 pp. 49~91에 상세하게 기재되어 있다.
[식 7]
식 7에 있어서 ω는 각(角)주파수이고, Y는 상기 벌크초음파공진기(15)의 어드미턴스(admittance)이다. 이 어드미턴스 Y는 제58도의 등가회로에 따라서 하기의 식 8로 산출된다.
[식 8]
식 7을 만족시키기 위해서는 벌크초음파공진기(15)가 유도성 리액턴스특성을 가질 필요가 있다. 따라서, 발진기의 발진가능 주파수범위는 Fr과 Fa내의 범위로 한정디게 된다. 즉, 제60도에 도시한 특성을 갖는 벌크초음파공진기(15)를 사용하는 것에 의해서, 발진가능한 주파수 범위는 공진주파수 Fr과 반공진주파수Fa사이의 주파수차F이하로 된다.
특정의 주파수에서 안정된 발진이 요구되는 경우에는 공진주파수 Fr과 반공진주파수 Fa사이의 주파수차F가 작은 협대역폭의 공진기가 적합하다. 이와 같이, 특정 주파수에서 안정된 발진이 요구되는 경우에는 종래부터 문헌9에 기재되어 있는 바와 같이 수정공진기가 널리 사용되어 왔다. 수정은 전기기계 결합계수 k2가 매우 작으므로, 상기 공진주파수 Fr과 상기 반공진주파수 Fa사이의 주파수차F가 매우 작고 또한 온도특성도 안정되어 있다. 그 결과, 발진회로가 수정을 사용해서 구성되는 경우에는 발진주파수의 안정성이 매우 크다. 그러나, 수정으로는 압전박막(2)를 구성할 수 없으므로, 제56도에 도시한 바와 같은 압전박막(2)를 사용해서 벌크초음파공진기를 구성하는 것은 불가능하다. 또, 수정의 경우에는 상기 공진주파수 Fr과 상기 반공진주파수 Fa사이의 주파수차F가 매우 작기 때문에, 전압제어발진기(VCO)를 수정으로 구성한 경우의 주파수 가변영역은 매우 좁다.
수정과 같은 고안정성이 필요하지 않은 경우에는 예를 들면 문헌2 및 문헌3에 기재되어 있는 바와 같이, 산화아연(ZnO)난 질화알루미늄(A ℓ N)을 사용한 벌크초음파공진기가 사용되어 왔다. 상기 산화아연(ZnO)나 질화알루미늄(A ℓ N)을 사용한 벌크초음파공진기는 단독으로는 상기 수정발진기만큼 고안정적인 발진을 제공할 수는 없다. 따라서, 콘덴서CB(14) 또는 콘덴서 CC(14)중의 1개를 가변용량 다이오드 등으로 치환한다. 상기 다이오드로의 인가전압에 따라 상기 가변용량 다이오드의 정전용량을 가변시킨다. 따라서, 벌크초음파 공진기는 발진주파수를 변화시키는 VCO로서 사용하는 경우가 많다. 이 경우, 발진가능한 주파수범위의 한계는 전기기계적 결합계수 k2에 의존한다. 즉, 압전박막(2)의 재료에 따라서 실현가능한 발진주파수범위가 결정된다.
제62도는 종래부터 잘 알려져 있는 벌크초음파 공진기(15a)와 (15b)를 사다리형 회로로 접속해서 구성된 벌크초음파필터의 1섹션의 회로도의 1예를 도시한 도면이다. 도면에 있어서, 입력단자(16), 출력단자(17) 및 접지단자(18)이 마련되어 있다. 제63도는 제62도에 도시한 벌크초음파필터를 구성하는 벌크초음파공진기(15a) 및 (15b)의 각 임피던스특성을 도시한 도면이다. 도면에 있어서, 임피던스특성(19)는 제62도에서 병렬요소로 되어 있는 벌크초음파공진기(15a)와 임피던스특성이고, 임피던스특성(20)은 제62도에서 직렬요소로 되어 있는 벌크초음파공진기(15b)의 임피던스특성이다. 제64도는 제62도에 도시한 벌크초음파 필터의 주파수 응답성(통과특성)을 도시한 도면이다.
제62도에 도시한 바와 같이 사다리형 접속을 사용해서 필터를 구성하는 경우에는 문헌9에 개시되어 있는 바와 같이, 상기 병렬요소로 되어 있는 벌크초음파공진기(15a)의 반공진주파수 Fap와 상기 직렬요소로 되어 있는 벌크초음파공진기(15b)의 공진주파수 Frs를 거의 동일한 주파수로 설정한다. 이들 주파수 Fap, Frs부근에서는 상기 벌크초음파공진기(15a)(병렬요소)는 거의 무한대로 볼 수 있는 임피던스를 갖는다. 벌크 초음파공진기(15b)(직렬요소)는 거의 단락으로 볼 수 있는 임피던스를 갖는다. 따라서, 입력단자(16)과 출력단자(17) 사이의 전기적 특성은 거의 단락이라고 볼 수 있고, 제62도에 도시한 회로는 전송선로라고 볼 수 있다. 즉, 이 벌크초음파필터는 주파수 Fap, Frs부근에 통과대역을 갖는 필터의 역할을 한다. 한편, 공진주파수 Frp부근에 있어서 상기 벌크초음파공진기(15a)(병렬요소)는 거의 단락으로 볼 수 있는 임피던스를 갖는다. 반공진주파수 Fas부근에 있어서 상기 벌크초음파공진기(15b)(직렬요소)는 거의 무한대의 임피던스를 갖는다. 이 때문에, 입력단자(16)과 출력단자(17)사이의 전기적 특성은 개방되는 것으로 간주할 수 있다. 제62도에 도시한 회로에는 주파수 Frp및Fas부근에 감쇠극이 마련되어 있다. 따라서, 제63도에 도시한 바와 같이 임피던스특성을 갖는 벌크초음파공진기(15a)와 (15b)를 제62도에 도시한 바와 같이 접속해서 구성한 벌크초음파필터는 제64도에 도시한 바와 같은 통과특성을 나타낸다.
상기 병렬요소의 벌크초음파공진기(15a)의 공진주파수 Frp와 반공진주파수 Fap사이의 차와 상기 벌크초음파공진기(15b)의 공진주파수 Frs와 반공진주파수 Fas사이의 차가 거의 동일한 주파수차F인 것으로 하면, 제64도에 도시한 바와 같은 주파수응답성에 따른 통과대역폭은 2F를 초과할 수 없다. 주파수차 △는 식 6으로 나타낸 바와 같이, 상기 압전박막(2)의 전기기계 결합계수 K2에 크게 의존하기 때문에, 상기 벌크초음파필터의 통과대역폭의 한계값은 상기 압전박막(2)의 재료에 크게 의존한다.
상기 벌크초음파공진기(15a), (15b)를 제58도에 도시한 등가회로로 치환하는 것에 의해서, 상기 벌크초음파필터의 삽입손실 또는 감쇠극에 있어서의 감쇠량은 각 벌크초음파공진기(15a), (15b)의 등가저항에 의존한다. 따라서, 삽입 손실, 통과대역폭 및 감쇠극에 있어서의 감쇠량 등의 상기 벌크초음파필터의 주파수 응답성은 상기 전기기계 결합계수 k2나 Qm에 의존한다.
제65도 및 제66도는 종래부터 잘 알려져 있는 다중모드공진을 사용한 벌크초음파필터의 1예를 도시한 도면으로서, 제65도는 상면도이고 제66도는 B-B단면도이다. 제65도 및 제66도는 문헌 Applied Physics Letters, Vol.37, No.11, pp.993-995, Dec 1980(이하, 문헌 12라 함)에 기재되어 있는 이중모드필터를 도시한 도면이다. 이 도면에 있어서, 반도체기판(1)은 실리콘으로 이루어져 있다. 실리콘층(21)은 반도체기판(1)상에서 에피택셜성장시킨다. 하지도체(5)는 티타늄(Ti)층 사이에 금(Au)를 갖는다. 압전박막(2)는 산화아연(ZnO)으로 이루어져 있다. 상측전극(6)은 알루미늄(A ℓ로 이루어져 있다. 입력측 인출전극(22), 출력측 인출전극(23) 및 관통구멍(7)이 마련되어 있다.
제67도는 제66도에 도시한 벌크초음파필터의 등가회로의 1예를 도시한 도면이다. 도면에 있어서, 첨자 s로 나타낸 대칭모드공진에 있어서의 등가회로부분 Cs, Ls, Rs및 첨자 a로 나타낸 비대칭모드공진에 있어서의 등가회로부분 Ca, La, Ra는 변성기 T에 의해서 결합되어 있다. 상기 변성기 T의 결합량 또는 결합용량 C13은 상기 압전박막(2), 상측전극(6) 및 하지도체(5)의 재료나 두께와 상기 상측전극(6)의 형상 및 배치에 의해서 결정된다. 제66도의 벌크초음파필터에 대해서는 문헌 9에 있어서 제67도에 도시한 것과 동일한 등가회로가 도시되어 있다. 또, 문헌 9에 있어서 제65도 및 제66도에 도시한 벌크초음파필터의 특성은 제62도에 도시한 사다리형 접속구성의 벌크초음파필터의 1섹션에 상당하는 특성을 갖는다고 기재되어 있따. 즉, 제65도 및 제66도에 도시한 벌크초음파필터의 경우에도 삽입손실, 통과대역폭, 감쇠극에서의 감쇠량 등의 상기 벌크초음파필터의 주파수 응답성은 상기 압전박막(2)의 전기기계 결합계수 k2나 Qm에 의존한다.
이상과 같이, 벌크초음파공진기 및 벌크초음파필터의 특성은 상기 압전박막(2)의 재료특성인 전기기계 결합계수 k2나 Qm에 의해 크게 영향을 받는다.
하기의 표 1은 문헌 9에 기재된 주요 압전재료의 재료 정수의 대표값이다. 일반적으로, 단결정은, Qm이 매우 크고 전기기계 결합계수 k2도 크지만 웨이퍼로서 사용하고 있으며, 웨이퍼와 동등한 특성을 갖는 박막에 대한 보고는 없다. 세라믹스는 전기기게 결합계수 k2와 유전율이 크다는 특징을 갖는 반면, Qm은 작다.
상기 세라믹스는 구성성분의 배합비를 변화시키거나 미량의 첨가물을 첨가하는 것에 의해서, 전기기계 결합계수 k2, Qm 및 유전율이 다른 많은 종류의 것을 얻을 수 있다. 통상은 세라믹스를 소결한 판재가 IF대에서 동작하는 공진기 및 필터에 사용되고 있다. 문헌 6에는 지르콘산티탄산납(PZT)을 사용한 박막의 1예가 기재되어 있다. 박막으로서는 종래부터 표 1에는 산화아연만 표시되어 있지만, 산화아연(ZnO) 및 질화알루미늄(A ℓ N)이 널리 사용되고 있다. 이들 재료는 상기 단결정이나 상기 세라믹스에 비해 전기기계 결합계수 k2가 작다. 또, Qm은 상기 단결정과 상기 세라믹스의 중간적인 값을 갖는다.
[표 1]
상기와 같이, IF대에서 사용하는 벌크초음파공진기 및 벌크초음파필터에 대해서는 문헌 9에 기재된 바와 같이 각종 판재가 적용되고 있다. 그러나, 반도체기판(1) 상에 압전박막(2)를 구성한 벌크초음파공진기 및 벌크초음파필터는 사용하는 재료가 한정되어 있다. 즉, 실현예로서는 문헌1, 문헌2, 문헌3, 문헌5에 기재된 산화아연(ZnO)및 질화알루미늄(A ℓ N)이나 문헌6에 기재된 지르콘산티탄산납(PZT)가 있다. 표 1 및 문헌3, 문헌 5에 따르면, 산화아연의 전기기계 결합계수 k2은 0.02~0.1의 범위이다. 질화알루미늄(A ℓ N)의 전기기계 결합계수 k2은 0.03이다. 이들 값에서 식 6을 사용해서 공진주파수에 대한 공진주파수 Fr과 반공진주파수 Fa사이의 주파수차의 비율F/Fr을 계산하면, 이 비율F/Fr은 산화 아연(ZnO)이 1~5％이고, 질화알루미늄(A ℓ N)이 약 1％이다. 지르콘산티탄산납(PZT)의 전기기계 결합계수 k2을 0.5로 하면, 상기 비율F/Fr은 지르콘산티탄산납(PZT)가 22％정도이다.
이들 재료를 압전박막(2)로서 반도체기판(1)상에 구성한 경우, 박막은 웨이퍼 등의 판형상 재료를 평탄화시키는 것에 의해서 제조되지는 않는다. 상기 박막은 증착이나 스퍼터링 등의 판제조 프로세스에 의해 제조된다. 따라서, 두께가 수 미크론인 박막을 작성하는 것이 가능하다. 또, 종래의 IF대에서 동작하는 벌크초음파공진기나 벌크초음파필터보다 높은 주파수에서 박막을 동작시킬 수 있다. 벌크초음파공진기나 벌크초음파필터를 반도체회로와 동일한 기판상에 작성할 수 있으므로, 회로 전체의 소형화 및 경량화를 도모할 수가 있다.
그러나, 실제로 상기 벌크초음파공진기나 상기 벌크초음파필터를 작성할 때에는 제조상의 오차가 반드시 발생한다. 특히, 상기 압전박막(2), 상기 상측전극(6) 및 상기 하지도체(5)의 두께를 엄밀하게 제어하는 것은 곤란한다.
종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기에 대해서는 문헌 압전재료의 제조와 응용, CMC 발행, 1985년 8월 5일 제2판 발행(이하, 문헌 13이라 한다)에 공진주파수 및 반공진주파수의 조정을 실행하는 방법이 기재되어 있다. 이러한 종래방법에 있어서는 벌크초음파공진기를 구성한 후에 예를 들면 상측전극(6)에 대해 금속을 증착해서 부가하는 방법이나 레이저를 사용해서 상측전극(6)을 트리밍하는 방법이 사용되어 왔다. 제68도는 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기의 주파수 조정법을 도시한 도면이다. 도면에 있어서, (24)는 레이저를 사용해서 상측전극(6)에 대해 트리밍을 실행한 부분이다.
상술한 바와 같이, 벌크초음파공진기에 있어서는 근사적으로 식 1로 나타낸 바와 같이, 상측전극(6)의 두께가 압전박막(2)의 두께와 하지도체(5)의 두께의 합이 반파장으로 되는 주파수에 탄성파는 공진을 나타낸다. 그러나, 상측전극(6)의 질량부하와 하지도체(5)의 질량부하에 의해서, 공진주파수는 식 1을 사용해서 구한 주파수보다 낮아진다. 제68도에 도시한 바와 같이, 상측전극(6)의 일부를 트리밍하면, 상측전극(6)에 따른 질량부하가 약간 경감된다. 따라서, 상기 공진주파수는 높아지게 된다. 한편, 상측전극(6)에 금속을 증착 등에 의해 부가한 경우, 상기 공진주파수는 낮아지게 된다. 또, 상기 공진주파수가 변화하면, 반공진주파수도 상기 공진주파수와 연동해서 변화한다.
그러한 주파수 조정법은 각각의 벌크초음파공진기를 독립적으로 조정하기 위해 사용된다. 따라서, 부가하거나 또는 트리밍하는 질량을 정확하게 파악할 필요가 있다. 그 결과, 조정을 위한 비용이 상승하게 된다. 벌크초음파공진기만 또는 이 벌크초음파공진기로 이루어지는 벌크초음파필터만 제조하는 경우라면 박막압전소자의 제조프로세스로 벌크초음파공진기와 벌크초음파필터를 제조하는 것이 가능하기 때문에, 상기 조정법을 사용할 수도 있다. 한편, 상기 벌크 초음파공진기나 상기 벌크초음파필터가 반도체회로와 동일한 반도체기판 상에 구성된 경우는 상기 벌크초음파공진기나 상기 벌크초음파필터가 반도체회로의 제조프로세스중에서 제조되게 된다. 상기 반도체회로의 제조프로세스는 여러개의 소자를 포함하는 웨이퍼를 1개의 제조단위로서 취급하므로, 개개의 소자의 조정을 실행하기 위해서는 상기 반도체회로의 제조프로세스와는 다른 프로세스가 필요하게 된다. 이 부가공정은 제조비용을 상승시킨다
부가 또는 트리밍에 의한 조정량이 충분하지 않을 때는 다시 재조정을 실행한다. 한편, 조정량이 원하는 양을 초과한 경우에는 동일한 조정법으로 재조정하는 것은 불가능하다. 즉, 금속을 증착해서 부가하는 조정법에 있어서, 부가금속을 필요질량 보다 많이 부가한 경우에는 상기 금속의 증착부가에 의한 조정법으로는 과조정의 수정을 실행할 수가 없다. 마찬가지로, 트리밍에 의한 조정법에 있어서, 트리밍량이 필요질량 보다 많게 트리밍된 경우에는 상기 트리밍에 의한 조정으로는 과조정의 수정을 실행할 수가 없다.
제69도 및 제70도는 종래의 박막압전소자의 다른 주파수 조정법의 1예를 도시한 도면이다. 제69도는 벌크초음파공진기에 가변용량콘덴서Cv(25)를 직렬로 접속한 1예를 도시한 도면이다. 제70도는 벌크초음파공진기에 가변용량 콘덴서Cv(25)를 병렬로 접속한 1예를 도시한 도면이다. 제71도는 제69도에 도시한 회로의 등가회로도이다. 제72도는 제70도에 도시한 회로의 등가회로도이다.
제71도에 있어서 등가저항 R1(12)가 0인 경우, 단자 A와 B사이의 임피던스가 0으로 되는 주파수는 가변용량콘덴서 Cv(25)에 의해 벌크초음파공진기(15)의 공진주파수 Fr과는 다른 주파수로 된다. 이것은 벌크초음파공진기(15)의 공진주파수는 가변용량콘덴서 Cv(25)를 변화시킨 분만큼 변화시킬 수 있는 것이다.
단, 공진주파수와 반공진주파수와의 주파수차의 한계값은 압전박막(2)의 전기기계 결합계수 k2에 의해 제한되기 때문에, 가변용량콘덴서 Cv(25)에 의해 조정할 수 있는 주파수범위는 한정된다. 즉, 공진주파수와 반공진주파수와의 주파수차F를 초과한 공진주파수 조정은 실행할 수 없다. 또, 가변용량콘덴서 Cv(25)에 손실이 있으면 벌크초음파공진기(15)의 Qm이 감소한다.
이 때문에, 예를 들면 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기(15)에 산화아연(ZnO)을 사용한 경우, 조정기능 주파수범위의 한계값은 1~5％정도이다.
질화알루미늄(A ℓ N)을 사용한 경우, 조정가능 주파수범위의 한계값은 1％정도이다. 상기 벌크초음파공진기(15)의 반공진주파수 또는 공진주파수의 변동은 주로 상기 압전박막(2)의 두께나 조성, 상기 상측전극(6)의 두께, 상기 하지도체(5)의 두께 등의 제조상의 변동(편차)에 의해 발생한다. 상기 압전박막(2)의 두께를 정확하게 조정한 경우에도 수 퍼센트(％)정도의 제조상의 오차가 발생한다.
압전박막(2)의 두께를 정확하게 조정하지 않으면, 제조오차는 10％정도로 된다.
전기적 조정에 의한 주파수 조정에서의 조정가능 주파수범위는 1~5％정도이고, 종래의 재료로 10％의 주파수오차를 수정하는 것은 사실상 불가능하다. 지르콘산티산산납(PZT)를 사용한 경우에 대해서는 문헌6에 박막으로서의 전기기계 결합계수 k2가 기재되어 있지않다. 지르콘산티산산납(PZT)의 전기기계 결합체수 k2가 표 1에 도시한 벌크재의 세라믹스 중의 1개와 동일하다고 가정하면, 조정 가능 주파수범위의 한계값은 약 22％이다. 이러한 조정가능 주파수범위는 상기 공진주파수 또는 반공진주파수의 제조상의 오차에 의해 상정되는 변동범위내에 있다.
상기 공진주파수 및 상기 반공진주파수의 변동을 일으키는 다른 요인으로서는 상기 상측전극(6)이나 상기 하지도체(5)의 패턴정밀도 또는 상대적 위치 및 상기 상측전극이나 상기 하지도체(5)의 치수 허용범위(한계값)이다. 제73도와 제74도는 패턴정밀도가 상기 공진주파수 및 상기 반공진주파수의 변동에 영향을 미치는 것을 설명하기 위한 도면으로서, 제73도는 상면도이고 제74도는 C-C단면도이다. 도면에 있어서, 인출전극(26)은 상측전극(6)에 전기적으로 접속되어 있다. 산화 실리콘(SiO2)등의 유전체(4)는 상기 공진주파수 및 상기 반공진주파수에 대해 상대적으로 거의 영향을 미치지 않으므로, 제73도 및 제74도에서는 생략하고 있다.
벌크초음파공진기의 전극간 용량 C0은 통상의 유전체를 도체 사이에 배치한 경우와 마찬가지로 식 9에 의해 산출할 수 있다.
[식 9]
여기서, εr은 압전박막(2)의 상대적 유전율, ε0은 진공중의 유전율, A는 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)가 교차하는 교차점의 면적, h는 상기 압전박막(2)의 두께이다. 제73도에 도시한 바와 같이, 상기 상측전극(6)이 상기 하지도체(5)의 내측에 위치하는 경우, 상기 면적 A는 상기 상측전극(6)의 면적으로 된다. 상기 면적 A는 필요에 따라서 변경할 수 있다. 상기 전극간 용량 C0에 의한 임피던스가 사용하는 회로의 임피던스특성으로 되도록 면적 A를 선택할 수 있다. 통상, 동작주파수가 약 2GHz인 회로는 50Ω의 임피던스특성을 갖는다.
2GHz에서 임피던스가 50Ω로 되는 용량 C0은 약 1.6pF로 된다. 문헌 6에 기재되어 있는 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기에 대해서 상기 전극간 용량이 1.6pF로 되는 상측전극(6)의 치수를 산출하면, 상기 압전박막(2)의 두께가 2㎛이고, 상기 압전박막(2)의 비유전율이 1000인 경우에는 식 9에 의해 약 19×19μm2로 된다. 상기 압전박막(2)의 비유전율이 커지면, 상기 상측전극(6)의 치수는 더욱 작아진다. 예를 들면, 비유전율이 2000인 경우에는 치수가 약 13×13μm2로 된다.
한편, 상기 상측전극(6)의 치수는 거의 상기 상측전극(6)의 두께에 상당하는 허용한계값을 갖는다. 문헌 6에 기재된 종래의 이러한 종류의 벌크초음파 공진기에 있어서는 상기 상측전극(6)의 두께가 0.2㎛이다. 상기 상측전극(6)의 각 변의 치수의 허용범위(변화율)를 ±0.2㎛로 하면, 상기 전극간 용량 C0의 허용범위는 상기 상측전극의 면적의 허용범위와 동일하다. 따라서, 19×19μm2의 전극을 사용하는 경우, 용량의 허용범위는 (19.4/19)2≒4％로 된다. 13×13μm2전극인 경우, 용량 허용범위는 (13.4/13)2=6％이다. 즉, 상기 상측전극(6)의 치수정밀도에 의해 결정되는 상기 전극간 용량 C0은 4~6％이상의 오차를 포함한다. 이 값은 상기 상측전극(6)의 치수를 크게 하는 것에 의해 감소시킬 수 있다. 그러나, 상기 상측전극(6)의 치수를 크게 하는 것에 의해 상기 전극간 용량 C0은 증가한다. 상기 벌크초음파공진기에 접속되는 주변 전기회로와의 관계를 고려하면, 실제로 실현 가능한 전극간 용량 C0의 값에는 제한이 있다. 따라서, 상기 상측전극(6)의 치수를 무제한으로 크게 하는 것은 불가능하다.
또, 전극간 용량 C0은 인출전극(26)에 의해서도 영향을 받는다. 압전박막(2)가 산화아연(ZnO) 또는 질화알루미늄(A ℓ N)인 경우에는 결정축의 1개인 c축의 방향을 상기 압전박막(2)의 두께방향으로 방향을 향하게 하므로, 이들 압전박막(2)는 성막하는 것만으로 압전성을 나타낸다. 문헌 6에 기재된 지르콘산티탄납도 배향도 70％이상으로 성막된 압전박막이다. 따라서, 이것도 마찬가지로 성막하는 것만으로 압전성을 나타낸다. 즉, 종래의 이러한 종류의 압전박박(2)는 성막직후압전성을 나타내는 자발분극막이다. 따라서, 성막된 상기 압전박막(2)는 모든 장소에서 압전성을 나타낸다.
제73도 및 제74도에 도시한 바와 같은 인출전극(26)과 하지도체(5)가 교차하는 부분(26a)는 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)가 교차하는 부분과 전기적으로 매우 동일한 방식에 의해 작용한다. 즉, 상기 인출전극(26)과 상기 하지도체(5)가 교차하는 교차부분(26a)는 상기 압전박막(2)를 유전체로서 갖는 콘덴서이다. 또, 교차하는 부분에서는 탄성파도 여진한다. 상기 인출전극(26)의 부분(26b)은 상기 하지도체(5)와 교차하지 않는다. 상기 압전박막(2)의 유전율은 반도체기판(1)에 비해 매우 크다. 상기 부분(26b)와 상기 하지도체(5) 사이에는 집중적으로 전계가 발생한다. 따라서, 상기 인출전극(26)의 부분(26b)도 상기 하지도체(5)와 교차하지 않아도 정전용량을 갖게 된다. 또, 상기 부분(26b)내에 발생하는 전계에 의해서 탄성파가 여진된다. 상기 인출전극(26)은 상기 상측전극(6)과 주변의 전기회로를 접속시키므로, 인출전극(26)이 관통구멍(7)을 제외한 다른 장소에도 인출될 필요가 있다. 이러한 장소에서 여진된 탄성파는 반도체기판(1)의 내부로 전파된다. 따라서, 불필요한 공진점이나 손실의 원인으로 된다. 상기 인출전극(26)에 의한 불필요한 공진점이나 손실은 상기 인출전극(26)의 면적에 대한 상기 상측전극(6)의 면적의 비에 의존한다. 상기 인출전극(26)의 선폭은 요구되는 도체저항값이나 선로 임피던스에 의해서 제한받는다. 따라서, 상기 상측전극(6)의 면적이 크지 않은 경우에는 상대적으로 상기 인출전극(26)에 의한 불필요한 공진점이나 손실에 의한 영향이 비교적 커진다.
박막압전소자는 반도체회로와 일체화되어 있다. 또, 상기 박막압전소자는 상기 벌크초음파공진기와 상기 벌크초음파필터를 포함한다. 상기 박막압전소자는 전기장치에 필요한 각종 전자회로와 함께 일체화에 의해 제조할 수 있다. 상기 벌크초음파공진지나 상기 벌크초음파필터가 제조비용이 높고 제조상의 오차에 의한 주파수 변동, 불필요한 공진, 손실 증가 등의 문제를 해결할 수 없으면, 상기 각종 다른 전자회로와 일체화해서 제조하는 것은 아무런 이점이 없다. 그 결과, 동일한 반도체기판상에 많은 다른 전자회로를 일체화한 소형이고 경량인 압전소자를 제공하는 것은 어렵다.
상술한 바와 같이, 산화아연(ZnO) 또는 질화알루미늄(A ℓ N)을 사용한 종래의 압전소자는 제조상의 허용범위(tolerance)에 의한 공진주파수 및 반공진주파수의 편차를 전기적인 조정에 의해서 조정할 수가 없다. 따라서, 각 소자마다 상측전극(6)을 스퍼터링하는 방법 또는 상측전극을 트리밍하는 방법을 사용한 물리적인 조정을 사용할 필요가 있다. 이 때문에, 제조비용이 높아지는 문제가 발생한다. 지르콘산티탄산납(PZT)를 사용한 종래의 이러한 종류의 압전소자는 매우 큰 유전율을 갖고 있으므로, 전극간 용량의 제한때문에 상측전극의 치수를 크게 할 수 없다. 따라서, 상측전극의 치수 허용범위가 공진주파수 및 반공진주파수 변동 요인으로 된다.
또, 종래 이러한 종류의 압전소자는 자발분극하는 막이기 때문에, 인출전극에서도 탄성파가 여진되어 관통구멍 이외의 반도체기판상으로도 탄성파가 전파되어, 불필요한 공진과 손실증가의 원인으로 된다. 종래의 이러한 종류의 박막압전소자로서는 이들 문제점을 해결할 수 없으므로, 다른 전자회로를 동일한 반도체기판상에 일체화해서 제조할 수 없었다.
본 발명의 실시예는 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 박막압전소자의 특성을 저렴한 비용으로 조정할 수 있는 박막압전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불필요한 공진점이나 손실을 저감시킬 수 있는 양호한 특성의 박막압전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다른 전기회로를 동일한 반도체기판상에 일체화해서 제조한 소형, 경량이며 무조정으로 사용할 수 있는 전자장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판, 상기 반도체기판상에 탑재되고 두깨를 갖는 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재되고 두께를 갖는 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스 박막상에 탑재된 도전성전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막의 두께는 상기 하지도체층의 두께의 10배 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판, 상기 반도체기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재되고 두께를 갖는 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막은 상기 압전세라믹스박막의 표면과 평행한 방향으로 전파되는 탄성파를 발생하고, 그 탄성파의 파수는 2/압전세라믹스박막의 두께 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판 상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스 박막상에 탑재된 도전성전극패턴 및 상기 반도체기판상에 탑재된 반도체회로를 구비하고, 상기 반도체회로는 상기 압전세라믹스박막의 일부를 이용해서 구성된것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판, 상기 반도체 기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막은 분극조작을 실행한 압전체부와 분극조작을 실행하지 않은 유전체부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판, 상기 반도체기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성전극패턴, 상기 반도체기판상에 탑재된 반도체회로, 상기 압전세라믹스박막의 분극조작에 사용하는 분극회로 및 상기 분극회로에 의한 분극조작에서 상기 반도체회로를 보호하는 보호회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체기판, 상기 반도체 기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성전극패턴, 상기 반도체기판상에 탑재된 여러개의 리액턴스소자 및 상기 여러개의 리액턴스소자의 각각의 전기적 접속을 변경하는 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자는 반도체소자, 상기 반도체기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성전극패턴 및 상기 반도체기판 상에 탑재되고 가변용량성 리액턴스가 마련된 능동소자회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 박막압전소자의 제조방법은 (a) 반도체 기판상에 하지도체층을 형성하는 공정, (b) 상기 하지도체층상에 티탄산납과 지르콘산티탄산납(PZT) 중의 어느 1개를 사용해서 압전세라믹스박막을 형성하는 공정 및 (c) 상기 압전세라믹스박막 상에 도전성 전극패턴을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
제1도 및 제2도는 본 발명의 실시예 1에 따른 벌크초음파공진기를 도시한 도면으로서, 제1도는 상면도이고, 제2도는 D-D단면도이다. 도면에 있어서 반도체기판(1)은 실리콘(Si)나 갈륨비소(GaAs) 또는 산화탄탈(Ta2O5)을 주성분으로 한다. 유전체(4)는 산화실리콘(SiO2)나 질화실리콘(SiN) 또는 산화탄탈(Ta2O5)을 주성분으로 한다. 하지도체(5)는 백금(Pt) 또는 금(Au)등이다. 상측전극(6)은 백금(Pt), 금(Au), 동(Cu), 알루미늄(Aℓ), 티타늄(Ti), 텅스텐(W)등의 금속중의 적어도 1개이어도 좋다. 또, 상측전극(6)은 불순물농도가 높은 고도전성의 반도체층이어도 좋다. 상측전극(6)은 폴리실리콘 등의 고도전성 재료 중의 1개이어도 좋다. (7)은 관통구멍이다. 압전세라믹스박막 또는 압전박막(27)은 주로 티탄산납(PbTiO3)으로 이루어져 있다. 이하, 벌크초음파공진기는 탄성파를 사용해서 공진을 일으키는 소자를 나타내고, 벌크초음파필터는 상기 벌크초음파공진기를 여러개 조합해서 이루어진 필터로서 동작하는 소자를 나타낸다. 박막압전소자는 상기 벌크초음파공진기 또는 상기 벌크초음파필터를 나타내고, 동일한 반도체기판(1)상의 그밖의 회로 성분을 포함한다.
종래의 벌크초음파공진기에 있어서는 반도체기판(1)상에 유전체(4)가 있고, 이 유전체(4)상에 하지도체(5)가 있고, 이 하지도체(5)상에 압전박막(27)가 있고, 이 압전박막(27)상에 상측전극(6)이 있고, 이 상측전극(6)이 배치된 위치에 대응해서 상기 반도체기판(1)에 형성된 관통구멍(7)이 있다. 상기 관통구멍(7)의 면적은 상기 상측전극(6)의 면적보다 크다.
본 발명의 실시예에 따른 벌크초음파공진기에 있어서는 압전재료가 상기 압전박막(27)에 사용되는 티탄산납(PbTiO3)을 주성분으로 한다. 상기 하지도체(5)의 두께를 d로 하고 상기 압전박막(27)의 두께를 h로 하고 상기 압전박막(27)의 표면과 평행한 방향으로 전파되는 탄성파의 파수를 k로 하면, k×h가 2이하이거나 또는 d/h가 0.1이하이다. 상기 상측전극(6)의 두께는 d 또는 그 이외의 것이어도 좋다.
본 발명에 따른 벌크초음파공진기는 상기 압전박막(27)에 티탄산납(PbTiO3)을 사용하고 있다. 상기 티탄산납(PbTiO3)의 전기기계 결합계수 k2은 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기에서 사용되고 있던 산화아연(ZnO)나 질화알루미늄(A ℓ N)의 2배이상이다. 상기 티탄산납(PbTiO3)의 비상대적 유전율도 수백정도로서, 상기 지르콘산티탄산납(PZT)의 1000을 초과하는 비유전율에 비해 매우 작은 것이다. 상기 티탄산납의 구성원소수가 상기 지르콘산티탄산납(PZT) 보다 적으므로, 성막시의 특성의 변화(편차)도 거의 없다.
상기 티탄산납(PbTiO3)는 양질의 막을 얻기 위해서는 성막시에 상기 반도체기판(1)을 수백도 이상의 고온으로 가열할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 반도체기판(1) 내의 특정 원소가 석출되어 상기 막의 질저하 또는 성막불량을 일으키는 경우도 있다. 특히, 상기 반도체기판(1)에 갈륨비소(GaAs)를 사용한 경우에는 비소(As)가 석출될 위험성이 있다. 이것을 방지하기 위해, 상기 반도체 기판(1)의 표면을 산회실리콘(SiO2) 이나 질화실리콘(SiN) 또는 산화탄탈(Ta2O5)의 유전체(4)로 피복하는 것이 중요하다.
특히, 질화실리콘(SiN)은 비소(As)등의 석출을 방지한다. 상기 질화실리콘(SiN)상에 직접 성막된 티탄산납(PbTiO3)이 압전성을 나타내지 않게 되므로, 상기 하지도체(5)의 성막영역을 이용해서 공진하는 영역을 한정하기 위해 이 질화실리콘(SiN)을 이용하면 매우 효과적이다.
한편, 티탄산납(PbTiO3)이 산화실리콘(SiO2)상에 직접 성막되는 경우에도 상기 티탄산납(PbTiO3)의 막질이 상기 산화실리콘(SiO2)을 경계로 해서 변화하지 않는다. 따라서, 상기 산화실리콘(SiO2)은 필터와 같은 벌크초음파공진기를 여러개의 근접해서 배치하는 경우에 특히 적합하다.
산화탄탈(Ta2O5)은 기계적으로 질화실리콘(SiN)이나 산화실리콘(SiO2)보다 강하므로, 상기 유전체(4)의 바닥면(이면)에 관통구멍과 같은 에어갭(air-gap)을 형성하고 상기 유전체(4)가 압전박막(27)을 지지하는 구조로 되었을 때, 상기 질화실리콘(SiN)이나 산화실리콘(SiO2)에서는 기계적 강도가 충분하지 않은(부족한) 경우에 적합하다.
상기 유전체(4)는 전기적 절연성에 있어서도 우수하다. 상기 반도체기판(1)의 표면에 비교적 높은 도전성을 갖는 경우에도 상기 유전체(4)에 의해서 상기 하지도체(5)의 전위를 분리할 수가 있다.
상기 압전박막(27)이 산소를 포함하고 있으므로, 고온이고 또한 화학적 반응성이 높은 산소분위기중에서 상기 압전박막(27)을 성막할 필요가 있다. 따라서, 상기 하지도체(5)의 재료가 융점이 낮거나 고온에 있어서의 확산성이 높거나 또는 고온의 산소분위기중에서 간단하게 산화하는 경향이 있으면, 상기 압전박막(27)의 성막중에 상기 하지도체(5)의 질이 저하된다. 부분적으로는 상기 하지도체(5)나 상기 유전체(4)상에 보호막을 형성하는 방법도 있다. 그러나, 통상의 보호막에서도 상기 압전박막(27)을 성막하기 위해 사용하는 조건하에서는 질이 저하된다. 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기에서 사용되어 온 산화아연(ZnO)이나 질화알루미늄(A ℓ N)은 상기 하지도체(5)의 질을 저하시키는 고온에서 생성할 필요가 없으므로, 상기한 바와 같은 문제점을 발생하지 않았다.
그러나, 본 발명에 따른 벌크초음파공진기의 압전박막(27)에서는 처리온도가 높다는 문제점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해, 화학적 안전성이 높은 백금(Pt) 또는 금(Au)를 상기 하지도체(5)로서 사용할 필요가 있다. 특히, 백금(Pt)은 고온하에서의 내산소반응성이 우수하다. 평활한 상기 유전체(4)의 면상에 적층된 백금은 111쪽으로 배향된다. 티탄산납(PbTiO3)은 정방정계의 다결정질이다. 성막직후에는 각결정질의 분극방향이 난잡하기 때문에 압전성이 약하다. 필요온도 이상에서 적절한 직류전압을 상기 티탄산납(PbTiO3)에 인가하는 것에 의해, 상기 난잡한 분극방향이 일치(arrange)되어 압전성이 높아지게 된다.
백금(Pt) 및 금(Au)과 같이 비중이 무거운 금속은 그의 질량부하때문에 상기 압전박막(27)의 공진주파수에 크게 영향을 미친다. 제3도는 상기 하지도체(5), 상기 압전박막(27) 및 상기 상측전극(6)으로 이루어지는 3층 구조에 있어서의 등가회로를 도시한 도면이다. 여기서는 설명을 간단히 하기 위해, 상기 하지도체(5)와 상기 상측전극(6)은 모두 백금(Pt)인 것으로 하고, 그들의 두께도 동일한 것으로 한다. 도면에 있어서 등가회로(28)은 상기 상측전극(6)에 상당하고, 등가회로(29)는 상기 압전박박(27)에 상당하고, 등가회로(30)은 상기 하지도체(5)에 상당하고, 전기단자(31a)는 상기 상측전극(6)에 상당하고, 전기단자(31b)는 상기 하지도체(5)에 상당하는 것이다. 각 등가회로에 있어서, 전기길이 θm은 상기 상측전극(6) 또는 상기 하지도체(5)의 두께에 상당하고, 전기길이 θp는 압전박막(27)의 두께에 상당하는 것이다. 상기 상측전극(6)의 표면의 경계조건 Zs1및 상기 하지도체(5)의 바닥면(이면)의 경계조건Zs2는 단락으로서 취급한다. 제3도에 도시한 바와 같은 등가회로에 대해서는 문헌 오노우에 감수, 고체진동론의 기초, 1982년 9월 발행, 옴사, 제6장, 압전방정식과 그 응용, pp.115-157(이하, 문헌14라 함)에 있어서 상세하게 설명되어 있다.
제4도는 전기단자(31a)와 (31b)에서 예상한 어드미턴스가 0으로되는 주파수 Fa와 전기단자(31a)와 (31b)에서 예상한 임피던스가 0으로 되는 주파수 Fr을 계산한 1예를 도시한 도면이다. 상기 주파수 Fa는 반공진주파수에 상당한다. 상기 주파수 Fr는 공진주파수에 상당한다. 도면에 있어서, 횡축은 상기 압전 박막(27)에 두께 h에 대한 상기 하지도체(5)의 두께 d의 비인 규격화 막두께이고, 좌측의 종축은 상기 압전박막(27)의 두께 h가 탄성파의 반파장과 동일한 주파수 f0에 대한 상기 주파수 Fa의 비인 규격화 반공진주파수이다. 우측의 종축은 상기 압전박막(27)의 두께 h가 탄성파의 반파장과 동일한 주파수 f0에 대한 상기 주파수 Fa와 주파수 Fr와의 차의 비인 규격화 공진주파수이다. 또한, 계산에 사용한 재료정수는 다음과 같다 : 상기 티탄산납(PbTiO3)에 대해서는 밀도 ρ가 7700(kg/m3), 탄성정수C33이 13.2×1010(N/m2), 압전정수 e33이 6.52(C/m2), 비유전율 ε33은 190이다. 상기 백급(Pt)에 대해서는 밀도 ρ가 21300(kg/m3), 탄성정수C33이 30.9×1010(N/m2)이다. 상술한 재료정수는 박막에서의 값이 아니라 벌크재에 있어서 측정된 값이다. 따라서, 박막을 구성한 경우에는 상기한 값과 재료정수가 다를 수도 있다. 그 값은 상기 티탄산납(PbTiO3)나 백금(Pt)에 의한 성막방법이나 성막조건에 따라 변화되고, 상기 티탄산납(PbTiO3)에 첨가하는 불순물의 종류 및 첨가비율에 따라서 변화된다.
상기 규격화 막두께가 커지면, 상기 규격화 반공진주파수 및 상기 규격화 공진주파수차는 모두 작아진다. 그 이유는 상기 상측전극(6)이나 상기 하지도체(5)의 질량부하는 상기 규격화 막두께가 커지면 증가하기 때문이다. 백금(Pt) 및 금(Au)는 밀도가 다른 금속재료에 비해 비교적 크다. 그 때문에, 상기 규격화 공진주파수에 대한 상기 규격화 반공진주파수의 차의 저하량이 상기 규격화 막두께에 비해 크다. 상기 규격화 공진주파수의 차는 상기 벌크초음파공진기를 사용한 발진기의 발진주파수의 조정범위의 한계값을 결정하는 값이다. 또한, 상기 규격화 공진주파수차는 제조상의 오차에 의한 상기 벌크초음파공진기 또는 상기 벌크초음파필터의 공진주파수 및 반공진주파수의 변동(편차)의 조정범위의 한계값을 결정하는 값이다. 상기 규격화 막두께가 0이고 또한 상기 상측전극(6)이나 상기 하지도체(5)의 질량부하의 영향을 무시한 경우에는 상기 규격화 공진주파수차가 약 8％이다. 한편, 상기 규격화 막두께가 0.2일 때는 상기 규격화 공진주파수차는 약 4％로 된다. 이 값은 종래의 이러한 종류의 압전소자에서 사용되고 있던 산화아연(ZnO)와 동일하다. 따라서, 티탄산납(PbTiO3)의 큰 전기기계 결합계수를 적절히 이용할 수가 없다. 즉, 규격화 막두께(d/h)를 0.1이하로 설정하는 것에 의해, 전기기계 결합계수의 값을 5％ 이상으로 할 수 있고, 종래의 이러한 종류의 압전소자 보다 큰 전기기계 결합계수값을 얻을 수 있다.
제5도 및 제6도는 본 발명의 실시예 1에 따른 티탄산납(PbTiO3) 박막내로 전파되는 탄성파의 분산특성 계산결과의 1예를 도시한 도면이다. 제5도 및 제6도에는 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 표면과 평행하게 전파되고 또 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 표면에 대해 수직인 진폭성분 및 두께방향과 평행한 진폭성분을 갖는 탄성파에 대한 계산결과를 도시하고 있다. 상기 탄성파의 파수를 k로 하고, 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께를 h로 하며, 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께 h가 반파장과 동일하게 되는 주파수를 f0으로 한다. 횡축은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 규격화 막두께(kh/2)이고, 종축은 규격화 주파수(f/f0)이다. 종축의 우측은 상기 규격화 막두께의 값이 실수인 영역이고, 종축의 좌측은 상기 규격화 막두께의 값이 허수인 영역이다. 상기 규격화 막두께의 값이 실수인 경우에는 상기 탄성파를 전파할 수 있는 반면, 상기 규격화 막두께의 값이 허수인 경우에는 상기 탄성파를 전파할 수가 없다. 제5도에 있어서 실선은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막이 1층뿐인 경우의 분산특성을 나타내고, 점선은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 양면에 상기 규격화두께(d/h)가 0.08인 백금(Pt)층이 배치되어 있는 3층인 경우의 분산특성을 나타낸 것이다. 제6도에 있어서, 실선은 규격화 두께(d/h)가 0.08인 백금(Pt)층이 제5도에 점선으로 도시한 바와 같이 티탄산납(PbTiO3) 박막의 양면에 배치되어 있는 3층인 경우와 동일한 분산 특성을 나타내는 것이다. 또, 제6도에 있어서 점선은 규격화 두께(d/h)가 0.02인 백금(Pt)층이 티탄산납(PbTiO3) 박막의 양면에 배치되어 있는 3층인 경우의 분산특성을 나타낸다. 계산은 문헌8에 기재되어 있는 방법에 준거한다.
제5도 및 제6도에 있어서, 탄성파의 종축의 값이 탄성파의 횡축의 값에 비례하면, 탄성파의 전파속도는 일정하다. 상기 비례직선의 경사는 상기 탄성파의 전파속도와 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께 h에 의해 결정된다. 제5도 및 제6도의 분산특성의 각 계산값은 직선을 나타내지 않는다. 즉, 이것은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께 h와 상기 주파수 f에 따라서 상기 탄성파의 전파속도가 변화하는 것을 의미한다.
예를 들면, 제2도에 도시한 벌크초음파공진기에 있어서 유전체(4)가 탄성진동에 대해서 실질적으로 무시할 수 있다고 가정한다. 상층전극(6), 압전박막(27) 및 하지도체(5)의 3층구조인 경우, 제5도에 점선으로 도시한 분산특성은 상기 3층구조에 있어서 존재가능한 탄성파의 모드로 된다. 탄성파가 두께방향으로만 전파되는 두께공진인 경우에는 상기 탄성파의 각 모드와 종축의 교차점은 상기 두께공진에 상당한다. 제5도의 실선, 점선과 종축과의 교차점 및 제6도의 실선, 점선과 종축과의 교차점에 있어서의 값은 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)의 두께d가 커지면 커질수록 작아진다. 이것은 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)의 두께가 증가함에 따라서 공진주파수가 낮아진다는 것을 의미한다. 제5도에서 실선은 상기 압전박막(27) 표면상에 다른 성분이 존재하지 않는 경우의 특성을 나타낸다. 점선이 종축과 교차하는 규격화 주파수(f/f0) 부근에 실선으로 표시되는 모드가 종축의 좌측에 위치하는 경우, 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)가 없는 영역에 있어서 상기 탄성파는 상기 압전박막(27)과 평행한 방향으로 전파될 수 있다. 이것은 제2도에 도시한 벌크초음파공진기에 있어서는 불필요한 탄성파의 여진에 상당하고, 공진기로서의 성능지수 Q가 저하되게 된다. 점선으로 표시되는 모드에 있어서도 이 점선이 종축과 교차하는 상기 규격화 주파수(f/f0) 근방에 상기 압전박막(27)의 표면과 평행한 방향으로 전파되는 탄성파의 모드가 존재하면, 압전박막(27)의 표면과 평행하게 전파되는 탄성파는 상기 상측전극(6)과 상기 하지도체(5)가 위치한 영역내에 존재할 수 있게 된다. 그 결과, 공진기로서 불필요한 스프리어스가 발생한다.
벌크초음파필터를 구성한 경우에도 동일한 상황을 예측할 수 있다. 상기 벌크초음파공진기를 전기적으로 접속한 벌크초음파필터는 상기 벌크초음파공진기의 스프리어스에 의해 영향을 받는다. 상기 벌크초음파공진기를 근접시켜 배치하고 여러개의 상측전극(6) 사이에서는 대칭모드와 비대칭모드의 에너지 감금(trapping)공진을 이용한 벌크초음파공진기에서는 상기 규격화 주파수 근방에 다른 전파모드의 탄성파가 존재하면 스프리어스가 발생되게 된다. 그 결과, 벌크초음파필터로서의 특징이 저하하게 된다. 제5도 및 제6도에 있어서, 규격화 막두께(kh)가 2이상이면, 동일한 규격화 주파수(f/f0)에 각종 모드가 존재하고 스프리어스가 발생하는 원인이 된다. 이 때문에, 양호한 특성이 벌크초음파공진기 및 벌크초음파필터를 실현하기 위해서는 규격화 막두께(kh)를 2이하로 할 필요가 있다.
제7도 및 제8도는 제1도 및 제2도에 도시한 구조의 시험제작(試作)벌크초음파공진기의 임피던스 측정결과를 도시한 도면이다. 제7도는 분극전의 측정결과이고, 제8도는 분극후의 측정 결과이다. 압전박막(27)은 티탄산납(PbTiO3)을 사용하고, 두께h는 약 1㎛이다. 상측전극(6)과 하지도체(5)는 두께가 약 0.03㎛인 티탄을 하지로 한 두께 약 0.07㎛의 백금(Pt)을 사용하고, 상기 상측전극(6)과 본딩패드의 인출에는 에어브리지(air-bridge)를 사용했다. 상기 상측전극(6)과 하지도체(5)의 본딩패드에는 두께가 약 3㎛인 금(Au)층이 또 구성되어 있다. 유전체(4)는 두께가 약 0.1㎛인 산화실리콘(SiO2)이다. 분극처리시에는 상기 벌크초음파공진기를 200℃로 가열한 조건하에서 직류전압 15V를 약 1시간 동안 인가시켰다.
제7도는 분극전의 압전성을 도시한 도면이다. 압전세라믹스의 입자크기에 비해 판두께의 값이 상대적으로 두꺼운 경우, 분극전에는 상기 각 입자의 분극방향이 난잡하기 때문에 압전성은 거의 나타나지 않는다. 제7도에 도시한 상기 벌크초음파공진기의 경우는 상기 압전세라믹스가 박막이기 때문에, 분극전이라도 각 입자의 분극방향을 일치시킬 수 있다. 제8도에 도시한 분극후의 특성과 제7도에 도시한 분극전의 특성을 비교하면, 분극후에 공진원이 더욱 크게 되어 있고 분극성에 의해 압전성도 증가한다. 공진은 2개의 주파수대역에서 발생하고 있고, 마크 1(1로 표시)로 표시된 주파수는 약 1.4GHz이고, 마크 2(△2)로 표시된 주파수는 약 700 MHz이다.
상기 실험제작 벌크초음파공진기의 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께는 약 1㎛이고, 이 두께가 탄성파의 반파장과 동일하게 되는 주파수 f0은 약 2GHz이다. 마크 1의 규격화 주파수는 약 0.7(=1.4 GHz/2 GHz)이고, 마크 2의 규격화 주파수는 약 0.4(=700MHz/2GHz)이다. 한편, 제5도에 도시한 계산결과에 따르면, 점 P1에서 규격화주파수 0.8 보다 약간 작은 규격화주파수로 종축과 교차하는 점선으로 표시되는 분산곡선은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께방향으로 전파되는 종파(縱波)이다. 이것은 제7도 및 제8도에서 마크 1로 표시되는 규격화주파수 약 0.7 부근의 공진에 상당하고 있다. 계산결과와 측정된 규격화 주파수 사이의 차는 계산에 사용한 재료정수나 막두께가 상기 시험제작 벌크초음파공진기와 약간 다르기 때문에 발생한다. 제5도의 점 P2에서 규격화 주파수 약 0.5에서 종축과 교차하는 점선으로 표시된 분산곡선은 마크 2로 표시된 규격화 주파수 약 0.4 부근의 공진에 상당하고 있다. 이것은 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막 표면과 평행한 방향으로 전파되는 탄성파를 나타낸다. 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 표면에 금속이 없는 경우에 있어서의 실선으로 표시되는 동일모드의 탄성파의 주파수는 동일한 규격화막두께(kh/2)에서는 차단주파수로 되므로, 상기 상측전극(6)의 양끝면 사이에서 공진하는 에너지감금공진에 상당한다. 상기 시험제작 벌크초음파공진기의 상기 상측전극(6)은 100×100μm2이므로, 파장은 200㎛이다. 따라서, 상기 티탄산납(PbTiO3) 박막의 두께를 1㎛로 하면, 규격화 막두께(kh/2)는 다음과 같다.
[식 10]
이 식은 제5도에 도시한 종축보다 약간 우측의 규격화막두께(kh/2)에서 공진이 발생한다는 것을 나타낸다. 규격화 막두께의 주파수 근방에는 불필요한 스프리어스가 없고 양호한 공진특성을 나타내고 있다는 것이 상기 시험제작 벌크초음파공진기의 측정에 의해서도 확인되었다. 또, 시험제작 벌크초음파공진기의 측정에 따르면 비유전율은 약 200정도였다.
본 발명에 따른 압전소자에서 사용되는 티탄산납(PbTiO3)은 분극처리를 실행하지 않으면 압전성이 약하다. 종래형태의 벌크초음파공진기에 있어서는 인출전극(26)과 하지도체가 교차하지 않는 압전박막(2) 부분에서도 상측전극(6)과 하지도체(5)가 교차하는 압전박막(2) 부분과 거의 동일한 압전성을 갖는다. 그결과, 불필요한 스프리어스가 발생한다는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 압전소자의 압전박막(27)에 있어서는 분극처리를 실행할 때에 소요값 이상의 직류전계를 인가할 수 없으면, 인출 전극(26)과 하지도체(5)가 교차하지 않는 부분은 상측전극(6)과 하지도체(5)의 교차부분만큼 강한 압전성을 갖지 못한다. 따라서, 상기 인출전극(26)과 상기 하지도체(5)가 교차하지 않는 상기 압전박막(27) 부분은 압전성이 약하고, 종래의 이러한 종류의 벌크초음파공진기와 같은 큰 스프리어스를 발생시킬 수가 없다.
본 발명의 압전소자에서 사용하는 티탄산납(PbTiO3)은 비유전율의 값이 수백정도이다. 이와 같이, 비유전율이 200일 때 2GHz의 주파수부근에서 전극간용량 C0이 50Ω으로 되는 상측전극(6)의 치수는 약 30×30μm2이다. 상기 상측전극(6)의 치수오차에 따른 상기 전극간 용량의 오차는 종래의 압전소자에서 사용되어 오던 지르콘산티탄산납(PZT)의 약 13×13μm2~19×19μm2의 경우의 등가오차보다 30％ 이상 작게 할 수 있다.
이상 기술한 바와 같이, 규격화 막두께(kh)를 2이하로 하거나 또는 규격화 막두께(dh)를 0.1 이하로 설정하는 것에 의해서, 본 발명의 실시예 1에 따른 압전 소자는 5％이상의 스프리어스가 없는 전기기계 결합계수 k2를 갖게 된다. 상기 압전박막(27)에 분극처리를 실행하는 것에 의해서, 압전성을 갖는 상기 압전박막(27)의 부분을 한정할 수가 있다. 따라서, 인출전극(26)에 상당하는부분과 같은 탄성적인 공진과 과계없는 부분에서 발생하는 스프리어스를 저감하는 것이 가능하다. 이 때문에, 각 박막을 수 ％정도의 성막에 의한 특성변동의 관리범위내로 설정하는 것에 의해서, 박막을 갖는 소자제조후에 5％이상의 전기기계 결합계수 k2의 전기적 조정을 실행할 수 있다. 이것은 반도체제조프로세스중에 소자를 개별적으로 조정할 필요가 없어진다. 따라서, 양산성이 우수한 압전소자를 제조할 수 있게 된다. 또, 반도체제조프로세스에 부적당한 공정을 회피할 수 있게 되므로, 대규모 반도체집적회로와 일체화해서 소자를 제조하는 것도 가능하다. 또, 종래 분할해서 제조하지 않으면 안되었던 각 반도체소자를 1개의 칩내에 집적화할 수 있으므로, 전자장치 전체의 소형화가 가능하게 된다.
[실시예 2]
제9도 및 제10도는 본 발명의 실시예 2에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 제9도는 상면도이고, 제10도는 E-E단면도이다. 도면에 있어서, 지르콘산티탄산납(PZT)(32), 관통구멍(33), 하지도체(5)로부터의 인출전극(34) 및 벌크초음파공진기(35)가 마련되어 있다.
제9도 및 제10도에 도시한 벌크초음파공진기(35)의 구조는 제2도에 도시한 실시예 1에 따른 벌크초음파공진기와 다르다. 관통구멍(33)은 반도체기판(1) 상의 지르콘산티탄산납(PZT)의 임의의 측면부터 이방성 에칭을 이용해서 형성하고 있다. 그러나, 벌크초음파공진기(35)로서의 탄성적인 공진을 발생시키는 구조는 제2도에 도시한 것과 기본적으로 동일하다. 하지도체(5)는 유전체(4)상에 있다. 이 하지도체(5)상에는 압전체인 지르콘산티탄산납(PZT)(32)는 있다.
이 지르콘산티탄산납(PZT)(32)상에는 상측 전극(6)이 있다. 상기 하지도체(5)는 인출전극(34)를 통해 반도체 회로(3)에 전기적으로 접속되고, 상기 상측전극(6)은 인출전극(26)을 통해 반도체회로(3)에 전기적으로 접속되어 있다. 제10도에 도시한 바와 같은 구조에 있어서, 상기 유전체(4)는 상기 벌크초음파공진기(35)를 지지한다. 상기 유전체의 기계적 강도가 부족하면, 상기 지르콘산티탄산납이 휘어져 벌크초음파공진기의 공진성이 저하한다. 이러한 경우에는 산화탈탄(Ta2O5)을 주성분으로 하는 유전체가 가장 적합한다.
상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)는 실시예 1의 벌크초음파공진기의 티탄산납(PbTiO3)과 마찬가지로 다결정체이다. 성막직후에는 각 결정질의 분극화 방향이 난잡하게 되어 강한 압전성을 나타내지 않는다. 필요온도 이상에서 적절한 직류전압을 상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)에 부여하는 것에 의해서, 상기 난잡한 분극방향이 일치된다. 그 결과, 더욱 강한 압전성을 얻을 수 있게 된다. 상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)는 지르콘산납(PbZrO3)와 티탄산납(PbTiO3)의 조성비에 따라서 전기기계 결합계수 k2, 유전율 및 Q가 변화한다. 이것은 문헌 탄성파소자기술 핸드북, 일본학술진흥회 탄성파소자기술 제150위원회편, 옴사발행, 1991년(평성3년) 11월 30일 제1판 발행, IV편, 탄성파재료, 제2장 '재료의 제조법과 정수', pp.280~329(이하, 문헌 15라 함)에 기술되어 있다. 상기 지르콘산티탄산납(PZT)은 문헌15에 기재되어 있는 바와 같이, 통상의 벌크재의 경우 상기 지프콘산납(PbZrO3)와 상기 티탄산납(PbTiO3)와의 조성비가 약 52 : 48일 때 상(相)전이가 나타난다. 상기 티탄산납(PbTiO3)의 조성비가 작은 경우에는 지르콘산 티탄산납(PZT)이 삼방정계(trigonal system)로 된다. 상기 티탄산납(PbTiO3)의 조성비가 큰 경우에는 정방정계로 되고, 상기 상전이가 나타나는 조성비 근방에서 큰 전기기계 결합계수 k2를 나타낸다.
상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)의 경우에도 성막시에 사용하는 처리온도가 높고 산소분위기에서 성막을 실행한다. 상기 하지도체(5)로서는 화학적으로 안정한 백금(Pt) 또는 금(Au)이 불가결하다. 특히, 백금(Pt)는 고온에서의 화학적 안정성이 우수하다. 한편, 백금(Pt)이나 금(Au)은 밀도가 높다. 제4도의 계산예에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 하지도체(5)의 두께d를 크게 하면, 반공진주파수 Fa와 공진주파수 Fr사이의 차는 작아진다. 따라서, 상기 지르콘산 티탄산납(PZT)(32)의 큰 전기기계 결합계수 k2를 효과적으로 이용할 수 없다.
제5도 및 제6도에 도시한 바와 같이, 상기 지르콘산티탄산납(PZT)의 두께 h와 탄성파의 파수 k의 곱kh의 값을 크게 하면, 불필요한 스프리어스가 발생게 된다.
즉, 상기 지르콘산 티탄산납(PZT)(31)를 사용해서 필요한 특성을 갖는 벌크초음파공진기(35)를 얻기 위해서는 규격화 막두께(kh)를 2이하로 하거나 또는 규격화 막두께(d/h)를 0.1이하로 할 필요가 있다.
[실시예 3]
제11도는 본 발명의 실시예 3에 따른 박막압전발진기를 도시한 도면이다.
티탄산납(PbTiO3)을 사용한 벌크초음파공진기(35)는 제9도에 도시한 벌크초음파공진기(35)를 간략화된 형태로 도시되어 있다. 트랜지스터(13)은 능동소자이고, 제11도에서는 이 트랜지스터(13)을 바이폴라트랜지스터 형태로 도시하고 있지만, 전계효과트랜지스터이어도 좋다. 저항(36)은 반도체회로(3)내에 구성되고, 콘덴서(14)도 반도체회로(3)내에 구성된다. 출력단자(37), 전원(전력공급)단자(38) 및 접지단자(39)가 마련되어 있다.
제11도에 도시한 발진회로는 벌크초음파공진기(35)의 어드미턴스Y와 콘덴서 CB(14)와 콘덴서 CC(14)가 식 7을 만족시키는 주파수 ω를 갖고 발진한다. 따라서, 상기 벌크초음파공진기(35)는 유도성 리액턴스를 나타내는 주파수범위내에서 발진가능하다. 상기 발진가능범위내에서의 한계값은 반공진주파수와 공진주파수 사이이다. 티탄산납(PbTiO3)을 사용하고 또한 규격화 막두께(d/h)를 0.1 이하로 설정하는 것에 의해, 상기 반공진주파수와 상기 공진주파수와의 차를 상기 티탄산납(PbTiO3)의 막두께h를 반파장으로 하는 주파수 f0의 5％이상으로 설정할 수가 있다. 또, 스프리어스가 없는 양호한 특성의 발진회로를 구성하는 것이 가능하다. 또, 상기 티탄산납(PbTiO3)이 화학적으로 안정되어 있으므로, 상기 반도체회로(3)의 제조프로세스를 거치더라도 반도체회로의 질이 저하하는 일이 없고, 상기 발진회로는 상기 반도체회로(3)과 일체화해서 제조하는 것에 의해 제조효율이 저하하는 일이 없다.
[실시예 4]
제12도 및 제13도는 본 발명의 실시예 4에 따른 박막압전증폭기를 도시한 도면이다. 제12도 및 제13도는 동일한 박막압전증폭기를 도시한 것으로서, 제12도에서는 구조를 도시하고 제13도에는 회로구성을 도시하고 있다. 도면에 있어서, 상측전극(40) 및 벌크초음파필터(41)이 마련되어 있다. 반도체증폭기(42)는 반도체회로(3)내에 구성되어 있고, 트랜지스터 등의 능동회로소자와 콘덴서, 저항, 인덕터, 전송선로 또는 스터브 등의 수동회로소자로 이루어져 있다. 또, 입력단자(43)이 마련되어 있다.
상측전극(6)은 인출전극(26)에 의해 상기 반도체증폭기(42)에 접속된다. 외부회로와 직접 접속되어 있지 않은 상측전극(40)과 상측전극(6) 사이에는 탄성적인 공진이 발생한다. 대칭모드와 비대칭모드의 각 공진주파수를 적절하게 설정하는 것에 의해 상기 벌크초음파필터(41)은 대역통과필터로서 동작한다.
실현가능한 대역폭의 한계값은 반공진주파수와 공진주파수 사이에 있다. 따라서, 지프콘산티탄산납(PZT)(32)를 사용한 상기 벌크초음파필터(41)은 상술한 종래의 필터에 비해 비(比)대역의 한계값 {(Fa-Fr)/f0}을 20％이상 확대시키는 것이 가능하게 된다. 본 발명에 따른 벌크초음파필터(41)은 하지도체로서 백금(Pt) 또는 금 (Au)를 사용하고 있다. 상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)의 성막중에도 상기 하지도체는 화학적으로 안정되어 있다. 또, 규격화 막두께(kh)를 2이하로 하거나 또는 규격화 막두께(d/h)를 0.1이하로 하고 있으므로, 스프리어스가 없는 양호한 특성의 박막압전증폭기를 얻을 수 있다. 상기 지르콘산티탄산납(PZT)(32)가 화학적으로 안정되어 있으므로 상기 반도체회로(3)의 제조프로세스에 의해서도 상기 벌크초음파필터(41)의 질이 저하되는 일이 없고, 상기 벌크초음파필터(41)을 상기 반도체기판(3)과 일체화해서 제조하는 것에 의해 제조율이 저하하는 일도 없다.
[실시예 5]
제14도는 본 발명의 실시예 5에 따른 박막압전필터를 도시한 도면이다.
도면에 있어서, 콘덴서(14) 및 인덕터(44)가 반도체기판(1)상의 반도체회로(3)의 부분으로서 구성되어 있다. 벌크초음파필터(41)은 제12도에 도시한 바와 같이 티탄산납(PbTiO3)(27)상에 구성되어 있다.
벌크초음파필터(41)은 접속되는 외부회로의 특성임피턴스와 정합을 취할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 그러나, 제조상의 상측전극(6)의 치수 오차를 고려하면, 상기 특성임피던스의 정합을 항상 달성할 수 있는 것은 아니다.
또한, 상기 티탄산납(PbTiO3)(27)상에 구성된 벌크초음파필터(41)은 디지탈 설계상의 한계로 인해 상기 특성임피던스과의 정합이 불충분한 경우가 있다. 이 경우, 외부회로와 특성임피던스의 정합을 취하기 위해, 인덕터(44), 콘덴서(14) 및 전송선로 또는 스티브 등의 수동회로소자를 사용한 정합회로를 상기 벌크초음파필터(41)의 전후단에 접속할 필요가 있다. 상기 벌크초음파필터(41)과 동일한 반도체기판(1)상에 상기 정상합회로를 구성하는 것에 의해, 소형이고 경량이며 또한 양산성이 우수한 필터를 구성할 수가 있다. 상기 벌크초음파필터(41)은 상기 티탄산납(PbTiO3)(27)을 사용한다. 규격화 막두께(hk)가 2이하이거나 또는 규격화 막두께(d/h)가 0.1이하이기 때문에, 스프리어스가 발생하지 않는 광대역의 특성을 갖는 필터를 얻을 수 있다.
[실시예 6]
제15도는 본 발명의 실시예 6에 따른 박막압전소자를 도시한 도면이다.
이 제15도에는 트랜지스터(13)을 사용하고 또한 출력단자(37)을 갖는 증폭회로의 1예를 도시하고 있다. 입력단자(43)측의 바이어스회로나 정합회로는 도면에서 생략하고 있다.
증폭회로에서는 일반적으로 트랜지스터(13)의 입출력 임피던스가 외부회로의 특성임피던스와 다르다. 이 때문에, 상기 트랜지스터(13)의 상기 입출력단자는 각각 정합회로를 필요로 한다. 통상 상기 트랜지스터는 용량성 어드미턴스를 갖는 경우가 많으므로, 상기 유도성 어드미턴스를 갖는 정합회로를 사용할 수 있다. 상기 정합회로에는 인덕터, 전송선로 또는 스터브를 사용하면 좋다.
상기 정접합회로에서 사용하는 전송선로나 스터브의 치수는 사용할 주파수에 있어서의 상기 반도체회로가 구성된 반도체기판에서의 전자파의 파장에 상당하는 치수가 필요하다. 상기 주파수가 비교적 낮은 경우에는 상기 전송선로 및 상기 스터브에 필요한 영역이 커지고, 상기 증폭기를 구성하는데 필요한 반도체칩의 면적도 커지게 된다. 그 결과, 상기 반도체칩의 제조비용이 상승하거나 현실적인 칩면적으로 상기 반도체를 구성할 수 없다는 문제가 있다. 대부분의 경우, 1~2GHz부근의 주파수보다 낮은 주파수대역에서는 상기 유도성 어드미턴스를 갖는 소자로서 인덕터를 사용한다. 그러나, 상기 인덕터에서도 상기 반도체회로내의 상기 트랜지스터(13) 및 콘덴서(14)에 비하면 큰 면적을 필요로 한다. 또, 상기 인덕터의 면적을 작게 하기 위해서 상기 인덕터의 선폭을 좁히고 상기 인덕터의 선밀도를 상승시키면, 저항성분이 커져 상기 인덕터에 있어서의 손실이 증대하게 된다. 이 때문에, 상기 인덕터의 소형화는 곤란하고, 그 결과 상기 반도체칩의 면적이 증대하고 상기 반도체칩의 제조비용이 상승하게 된다.
한편, 티탄산납(PbTiO3) 및 지르콘산티탄산납(PZT)등의 압전세라믹스를 사용한 벌크초음파공진기(35)는 트랜지스터(13), 콘덴서(14) 및 저항(36)등의 반도체회로 부분과 동일한 반도체기판 상에 구성할 수 있다. 또, 점유하는 면적은 수백 μm2이하로서 인덕터의 면적에 비해 훨씬 적은 면적이다. 또, 상기 티탄산납 및 지르콘산티탄산납(PZT)은 산화아연(ZnO) 및 질화알루미늄(A ℓ N)에 비해 비교적 큰 전기기계 결합계수를 갖고 있으므로, 넓은 주파수대역에 걸쳐 유도성 리액턴스를 나타내는 것이 가능하다. 따라서, 통상의 반도체회로에 요구되는 모든 대역에 걸쳐 인덕턴스로서 상기 티탄산납(PbTiO3) 및 지르콘산티탄산납(PZT)을 사용할 수가 있다. 그 결과, 상기 벌크초음파공진기(35)를 포함한 반도체회로 전체의 면적을 작게 할 수 있고 제조비용을 저감할 수가 있다.
[실시예 7]
제16도는 본 발명의 실시예 7에 따른 박막압전발진기를 도시한 도면이다.
제16도에 도시한 회로는 제11도에 도시한 회로와 동일하다. 제11도에 도시한 회로소자중에서 큰 정전용량을 필요로하는 콘덴서 C0및 CE에는 벌크초음파공진기(35)에서 사용하는 티탄산납(PbTiO3)(27)을 유전체로서 사용하고 있다.
제17도 및 제18도는 상기 벌크초음파공진기(35)에서 사용하는 티탄산납(PbTiO3)(27)을 유전체로서 사용하는 제16도의 콘덴서(45)의 구조의 1예를 도시한 도면이다. 제17도는 상면도이고, 제18도는 F-F단면도이다. 제19도 및 제20도는 상기 벌크초음파공진기(35)에서 사용하는 티탄산납(PbTiO3)(27)을 유전체로서 사용한 콘덴서(45)의 구조의 다른 예를 도시한 도면으로서 제19도는 상면도이고 제20도는 G-G단면도이다. 도면에 있어서는 에어브리지(46) 및 인출단자(47)이 마련되어 있다.
콘덴서의 정전용량은 사용하는 유전체의 유전율과, 두께 및 전극면적에 의해 결정된다. 반도체회로중에서 사용되는 콘덴서중에는 직류성분을 차단하는데 이용되는 콘덴서와 주파수대역에서 단락으로서 취급할 수 있는 콘덴서가 있다. 이와 같은 콘덴서(45)는 큰 정전용량이 필요로 된다. 그러나, 사용하는 유전체재료나 실현가능한 유전체 두께 및 실현가능한 유전체면적에 따라서 당연히 제한이 있다. 또, 반도체회로로서는 칩면적을 가능한 한 작게 하는 것이 제조비용의 면에서 우수하다. 이 때문에, 유전체로서는 유전율이 큰 것이 요구된다. 티탄산납(PbTiO3)(27)은 GHz대역에서도 약 200의 비유전율을 갖고 있고, 산화실리콘(SiO2)에 비해 수십배 이상의 유전율을 갖는다. 이것은 동일한 정전용량를 실현하기 위해 면적을 산화실리콘에 필요한 면적의 1/10로 할 수 있다는 것을 의미한다. 티탄산납(PbTiO3)등의 유전체를 사용하는 것에 의해, 반도체회로의 칩면적을 저감해서 제조비용을 저감할 수가 있다. 또, 새로운 유전체 재료를 필요로 하지 않고 상기 벌크초음파공진기(35)를 작성하는 과정에서 동시에 콘덴서(45)를 작성할 수 있으므로, 유전체재료가 다른 콘덴서(45)를 형성하는 것에 의한 제조프로세스의 증가가 발생하지 않는다는 이점이 있다.
콘덴서(45)의 구조로서는 제17도 및 제18도에 도시한 바와 같은 티탄산납(PbTiO3)(27)의 두께방향으로 하지도체(5)와 상측전극(6) 사이에 배치하는 구조로 하는 경우가 있다. 또, 제19도 및 제20도에 도시한 바와 같은 티탄산납(PbTiO3)(27)의 표면을 2개의 상측전극(6)의 전극을 서로 교차시키는 것에 의해 이터디지탈(interdigital) 구조로 하는 경우도 있다. 어떠한 경우라도 벌크초음파공진기(35)를 구성하는 경우와는 달리, 콘덴서에 대해 분극처리는 실행하지 않고 또한 바닥면의 관통구멍을 필요로 하지 않는다.
[실시예 8]
제21도는 본 발명의 실시예 8에 따른 벌크초음파공진기를 도시한 도면이다. 도면에 있어서 단자(48a) 및 (48b)는 분극용의 직류전압을 인가하기 위한 것이다.
콘덴서(49) 및 직류전원(50)이 마련되어 있다.
티탄산납(PbTiO3)등의 압전세라믹스를 사용한 경우, 상기 티탄산납(PbTiO3)(27)에 필요온도이상에서 적절한 직류전압을 일정시간이상 인가시키지 않으면, 큰 압전성을 얻을 수 없다. 이 분극처리는 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN)이나 자발분극성을 갖는 종래의 다른 압전세라믹스에서는 필요하지 않다.
분극처리에 있어서는 예를 들면 벌크초음파공진기(35)의 상측전극(6)과 하지도체(5)사이에 직류전압을 인가하게 된다. 벌크초음파공진기(35)가 반도체회로(3)과 일체화해서 제조되어 있는 경우에는 상기 벌크초음파공진기(35)에 접속되어 있는 반도체회로(3)에도 직류전압이 인가되고, 이 분극화를 위한 직류전압이 상기 반도체회로(3) 특히 트랜지스터(13)과 같은 능동소자를 손상시킨다는 문제가 있다. 이것을 방지하기 위해, 상기 벌크초음파공진기(35)의 직류전압이 인가되는 반도체회로(3)과 단자(48a) 사이에도 콘덴서(49)를 직렬로 삽입한다. 콘덴서(49)를 삽입하는 것에 의해, 분극시의 직류전압이 상기 반도체회로(3)측으로 인가되는 것을 방지할 수 있다. 삽입한 콘덴서(49)의 용량은 상기 벌크초음파공진기(35)의 동작 주파수에서는 실질적으로 상기 콘덴서(49)의 임피던스를 무시할 수 있는 큰 값을 가지면 좋다. 또는, 삽입콘덴서(49)의 용량은 벌크초음파공진기(35)의 외부 부가용량으로서 사용할 수 있는 값이면 좋다. 안전을 위해, 분극처리중에는 직류전압이 인가되는 단자(48a) 이외의 다른 모든 단자(37), (38) 및 (39)를 접지시켜 두는 것이 바람직하다. 이러한 방법에 따르면, 분극처리시의 반도체회로(3)의 손상을 방지할 수가 있다.
[실시예 9]
제22도는 본 발명의 실시예 9에 따른 벌크초음파발진기를 도시한 도면이다. 도면에 있어서는 벌크초음파공진기(35)측의 단자(51a) 및 반도체회로(3)측의 단자(51b)가 마련되어 있다.
분극처리를 실행할 때에는 단자(51a)와 단자(51b)를 전기적으로 분리시켜 둔다. 단자(48a)는 반도체회로(3)내의 트랜지스터(13)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 단자(48a)는 분극시의 직류전압을 인가할 때에는 접지시켜 둔다.
이러한 방법에 의해, 반도체회로(3)내에 분극처리를 위한 직류전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다. 분극처리가 종료하고 벌크초음파공진기로서 동작시키기 시작한 경우에는 단자(51a) 및 (51b)를 본딩하거나 또는 회로패턴에 따라서 접속 하면 좋다. 제22도중의 2개의 단자(48b) 및 (51a)는 결합시키거나 또는 동일한 단자로 할 수 있다.
[실시예 10]
제23도는 본 발명의 실시예 10에 따른 벌크초음파발진기를 도시한 도면이다. 도면에 있어서, 저항(52)는 직류전원(50)과의 접속단자(48)에서 접지전위에 이르는 직류경로에 존재하는 반도체회로(3)내의 저항(36)보다 큰 저항값을 갖는다.
분극처리시에 직류전압은 벌크초음파공진기를 거쳐서 인가하지만, 이 직류전류는 실질적으로 벌크초음파공진기(35)내를 흐르지 않는다. 따라서, 상기 벌크초음파공진기(35)와 직류전원(50) 사이에 저항(52)가 직렬로 삽입되어도 분극처리에는 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 직류전원(50)과의 접속단자(48a)에서 접지전위에 이르는 직류경로에 존재하는 반도체회로(3)내의 저항(36)보다 큰 저항값을 갖는 저항(52)를 배치하는 것에 의해서, 반도체회로(3) 또는 전자회로 내에 존재하는 트랜지스터(13)과 같은 능동소자가 부적절한 직류전류의 인가방법에 의해 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 직류전류의 인가방법이 적절하더라도, 직류전원(50)을 접속했을 때의 과도응답에 의해서 과전류가 흐르게 된다. 이 경우, 상기 저항(52)에 의해서 능동소자가 파괴되는 것을 방지할 수도 있다. 또, 실제로 상기 반도체회로(3) 또는 전자회로가 동작하는 경우에는 다른 저항(36)의 저항값보다 큰 값을 갖기 때문에, 실질적으로 상기 저항(52)를 무시할 수가 있다. 이 때문에, 전자회로가 동작하는 주파수대에 있어서는 상기 저항(52)가 상기 전기회로의 동작에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있다. 단, 단자(48a)에서 접지전위에 이르는 경로상에 상기 저항(52)와 직렬 접속되도록 저항(36)이 존재하는 경우, 상기 벌크초음파공진기(35)에 인가되는 직류전위는 상기 저항(52) 및 상기 저항(52)와 접지전위 사이에 존재하는 저항(36)과의 분압비에 의해서 결정된다.
이 때문에, 분극이 정확하게 실행되지 않는 경우가 있다. 이 실시예 10에 따른 분극처리법에는 적용가능한 반도체회로(3) 및 전자회로의 형태에 제한이 있다.
[실시예 11]
제24도는 본 발명의 실시예 11에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 제24도에 있어서는 제22도에 도시한 벌크초음파공진기(35)를 회로도가 아니라 제1도에 도시한 것과 동일한 구성도로 도시하고 있다. 도면중에는 벌크초음파발진기 칩(35)가 마련되어 있다. 반도체회로(54)는 분극시의 전압을 인가하기 위한 패턴을 형성하고, 벌크초음파 발진기칩(53)과 동일한 반도체(1)상에 구성되어 있다. 패턴(55)는 분극시의 전압을 인가하기 위한 것이다. 패턴의 일부가 교차하는 경우에는 다층배선을 사용한다.
여러개의 벌크초음파 발진기칩(53)은 통상 1개의 반도체웨이퍼상에 동시에 형성된다. 각각의 벌크초음파 발진기칩(53)으로 분할하기 전에 상기 분극처리를 실행하는 것이 분극에 소요되는 제조비용을 저감할 수 있다. 제24도에 도시한 바와 같이, 웨이퍼상의 적량의 상기 벌크초음파 발진기칩(53) 내의 벌크초음파공진기(35)를 일괄해서(한번에)분극용 패턴(55)에 의해 접속한다. 분극후에는 분극용 패턴(55)를 형성한 반도체기판을 벌크초음파 발진기칩(53)에서 제거한다. 이와 같이 하는 것에 의해 ,바람직하지 않은 발진기용 패턴(55)가 각각의 벌크초음파 발진기칩(53)에 남지 않게 된다. 따라서, 상기 벌크초음파 발진기칩(53)을 프린트 회로기판이나 패키지 또는 다른 별도의 칩상에 실장할 때의 칩의 실장 면적을 더욱 작게 할 수 있다.
분극처리를 실행하는 경우, 동일한 반도체웨이퍼상의 모든 벌크 초음파공진기(35)를 분극용 패턴(55)에 의해 접속하면, 상기 반도체웨이퍼상의 상기 벌크초음파공진기(35)에 불량이 1개라도 있어 상측전극(6)과 하지도체(5) 사이로 고직류전류가 누설되면, 상기 반도체웨이퍼상의 다른 정상의 벌크초음파공진기(35)의 분극처리를 정확하게 실행할 수 없게 된다. 이 때문에, 상기 반도체웨이퍼상의 상기 벌크초음파공진기(35)를 여러개의 그룹으로 분할하고 각 그룹을 분극용 패턴(55)에 의해 접속해서 분극처리를 실행하면, 전류가 지나치게 누설되는 벌크초음파공진기(35)에 의한 악영향을 저감할 수 있다.
[실시예 12]
제25도는 본 발명의 실시예 12에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서 패턴(56)은 여러개의 상측전극(6)을 직접 접속한다.
제25도는 여러개의 벌크초음파공진기를 서로 근접 배치해서 구성한 벌크초음파필터의 1예를 도시한 도면이다. 이러한 벌크초음파필터에 있어서 1개의 필터내에는 여러개의 벌크초음파공진기가 포함되어 있다. 따라서, 여러개의 벌크초음파공진기의 각각이 동일한 압전성을 갖도록 동일한 조건하에서 여러개의 벌크초음파공진기의 분극처리를 실행할 필요가 있다. 제25도에 도시한 바와 같이, 여러개의 벌크초음파공진기를 패턴(56)에 의해 접속하고 각각에 직류전압이 동일하게 인가되도록 하면, 동일한 조건하에서 여러개의 벌크초음파공진기에 대해 분극처리를 실행할 수 있다. 이것에 의해, 분극처리를 위한 처리비용을 저감하고, 벌크 초음파공진기의 압전성을 동일하게 하는 것이 가능하다. 따라서, 양호한 특성의 벌크초음파필터를 저가로 처리할 수 있다.
또, 패턴(56)을 특성임피던스가 50Ω보다 크도록 구성하는 것에 의해, 상기 벌크초음파필터의 동작주파수의 근방주파수에 있어서 상기 패턴(56)의 임피던스가 거의 개방된 것으로 간주된다. 따라서, 분극처리후에 상기 패턴(56)이 남아 있어도 상기 벌크초음파필터의 동작에 영향을 미치지 않게 할 수 있다. 이 때문에, 상기 패턴(56)을 분극처리후에 절단하는 공정을 생략할 수 있다.
또, 패턴(56)이 50Ω보다 큰 저항을 갖도록 해도, 분극처리에는 영향을 미치지 않는다. 상기 벌크초음파필터의 동작주파수의 근방주파수에 있어서 상기 패턴(56)이 거의 개방된 회로인 임피던스를 갖는다. 따라서, 분극처리 후에 상기 패턴(56)이 남아 있어도 상기 벌크초음파필터의 동작에는 영향을 미치지 않게 할 수 있다. 이 때문에, 상기 패턴(56)을 분극처리후에 절단하는 공정을 생략할 수 있다.
패턴(56)을 특성임피던스 50Ω보다 크고 또한 저항이 50Ω보다 큰 저항 선로로 구성해도, 분극처리에는 영향을 미치지 않는다. 상기 벌크초음파필터의 동작주파수의 근방주파수에 있어서 상기 패턴(56)은 거의 개방회로인 임피던스를 갖는다. 따라서, 분극처리후에 상기 패턴(56)이 남아 있어도 상기 벌크초음파필터의 동작에는 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 상기 패턴(56)을 분극처리후에 절단하는 공정을 생략할 수 있다.
[실시예 13]
제26도는 본 발명의 실시예 13에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서, 패턴(56)은 여러개의 하지도체(5)를 직접 접속하는 것이다.
제26도는 여러개의 벌크초음파공진기를 근접해서 배치하는 것에 의해 벌크초음파필터를 구성한 1예를 도시한 도면이다. 이러한 벌크초음파필터에 있어서, 1개의 필터내에는 여러개의 벌크초음파공진기가 존재한다. 따라서, 여러개의 벌크초음파공진기의 각각이 동일한 압전성을 갖도록 동일한 조건하에서 분극 처리를 실행할 필요가 있다. 제26도에 도시한 바와 같이, 여러개의 벌크초음파 공진기를 패턴(56)에 의해 접속하고 직류전압이 인가되도록 하면, 동일한 조건하에서 여러개의 벌크초음파공진기에 대해 분극처리를 실행할 수 있다. 이것에 의해, 분극처리를 위한 비용을 저감하고, 각 벌크초음파공진기의 압전성을 동일하게 하는 것이 가능하다. 그 결과, 양호한 특성의 벌크초음파필터를 저가로 처리할 수 있다.
또, 패턴(56)으로서 벌크초음파필터의 동작주파수의 근방주파수에서 특성임피던스가 50Ω보다 큰 선로를 사용하는 것에 의해, 상기 패턴(56)은 거의 개방된 것으로 간주되는 임피던스로 동작한다. 따라서, 분극처리후에 상기 패턴(56)이 남아 있어도 상기 벌크초음파필터의 동작에는 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 상기 패턴(56)을 분극처리후에 절단하는 공정은 생략할 수 있다.
패턴(56)을 특성임피던스가 50Ω 보다 크고 또한 저항이 50Ω보다 큰 저항선로로 구성해도, 분극처리에는 영향을 미치지 않는다. 상기 패턴(56)은 상기 벌크초음파필터의 동작주파수의 근방주파수에 있어서 거의 개방회로로 간주되는 임피던스로 동작한다. 따라서, 분극처리후에 상기 패턴(56)이 남아 있어도, 상기 벌크초음파필터의 동작에 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 상기 패턴(56)을 절단하는 공정을 생략할 수 있다.
[실시예 14]
제27도는 본 발명의 실시예 14에 다른 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서는 유전체(57), 하지전극(58), 상측전극(59) 및 와이어(60)이 마련된다.
하지전극(58)과 상측전극(59) 사이의 유전체(57)은 콘덴서로서 동작한다.
상기 유전체재료는 동일 반도체기판(1)상에 구성된 티탄산납(PbTiO3)(27) 등의 미분극 유전체라도 좋다. 또, 상기 유전체재료는 산화실리콘(SiO2) 등의 일반적인 절연체재료라도 좋다. 벌크초음파공진기의 상측전극(6)에 대해서 여러개의 콘덴서가 직렬로 접속되어 있다. 상기 여러개의 콘덴서중 일부는 와이어(60)에 의해서 인출전극(47)에 접속된다. 용량성 리액턴스가 벌크초음파공진기에 직접 접속되므로, 이 용량성 리액턴스의 총값을 변화시키는 것에 의해 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 와이어(60)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택해서 접속한다. 이 경우, 각 콘덴서는 와이어(60)에 의해 병렬로 접속되므로, 콘덴서를 접속하면 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다. 와이어(60)을 사용해서 콘덴서를 접속하면 경시변화가 거의 없다. 콘덴서의 정전용량도 필요한 경시변화에 따른 적정재료를 사용하면, 상기 접속에 의해 공진주파수가 조정된 벌크초음파공진기는 안정한 공진특성을 나타내게 된다. 또, 상기 접속방법은 공진기의 임피던스조정에도 적용가능하다.
[실시예 15]
제28도는 본 발명의 실시예 15에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 벌크 초음파공진기의 하지도체(5)는 각 콘덴서의 접지전극으로서 기능한다. 각 콘덴서는 벌크초음파공진기에 병렬로 접속되어 있고, 이들 콘덴서의 총 정전용량값을 변화시키는 것에 의해 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다.
각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 와이어(60)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택해서 접속한다. 이 경우, 와이어(60)에 의해 각 콘덴서가 병렬로 접속되므로, 콘덴서를 접속하면 상기 벌크초음파공진기에 병렬로 삽이된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 16]
제29도는 본 발명의 실시예 16에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서는 패드(61)이 마련되어 있다. 각 콘덴서는 서로 직렬로 접속되어 있고, 또 직렬로 접속된 벌크초음파공진기에 직렬로 접속되어 있다. 이들 콘덴서의 총 정전용량을 변화시키는 것에 의해, 상0기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수가 있다. 이 경우, 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 콘덴서를 적절히 선택한다. 선택된 콘덴서에 따라서 패드(61)을 단락을 이루는 와이어(60)에 의해 접속한다. 이 경우, 각각의 콘덴서는 와이어(60)에 의해 접속된다. 각 패드(61)을 단락을 형성해서 선택적으로 접속하면, 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 17]
제30도는 본 발명의 실시예 17에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 각 콘덴서는 서로 직렬로 접속되어 있고, 또 직렬로 접속된 각 콘덴서는 벌크 초음파 공진기에 병렬로 접속되어 있다. 이들 콘덴서의 총 정전용량값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 와이어(60)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택하고, 각 패드(61)을 단락을 이루도록 접속한다. 이 경우, 각 콘덴서가 단락을 이루어 선택적으로 접속되어 있으므로, 상기 벌크초음파공진기에 병렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 18]
제31도는 본 발명의 실시예 18에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 하지전극(58)과 상측전극(59) 사이의 유전체(57)은 콘덴서로서 동작한다. 상기 유전체재료는 동일한 반도체기판(1)상에 구성된 티탄산납(PbTiO3)등의 미분극의 압전체이거나 또는 산화실리콘(SiO2)등의 일반적인 절연체재료라도 좋다. 벌크초음파공진기의 상측전극(6)에 대해 여러개의 콘덴서가 직렬로 접속되어 있다. 상기 여러개의 콘덴서는 선로패턴(62)에 의해 인출전극(47)에 접속된다. 벌크초음파공진기에 용량성 리액턴스가 직렬로 접속되어 있으므로, 이 용량성 리액턴스의 총값을 변화시키는 것에 의해 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 이때, 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 선로패턴(62)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택해서 접속한다. 각 콘덴서가 선로패턴(62)에 의해서 병렬로 접속되므로, 콘덴서를 접속하면 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다. 콘덴서가 선로패턴(62)에 의해 접속되는 경우에는 경시변화가 거의 없다. 콘덴서의 정전용량도 경시변화에 따른 적절한 재료를 사용하면, 상기 접속방법에 의해 공진주파수가 조정된 상기 벌크초음파공진기는 안정된 공진특성을 나타낼 수 있다. 선로패턴(62)를 사용한 상기 접속방법은 각 벌크초음파공진기를 개별적으로 조정하는데 적합하지 않다. 그러나, 각 로트마다의 주파수 변화(편차)가 일정 범위내에 있으면, 로트마다 조정을 실행할 수 있다. 상기 접속 방법은 1개의 웨이퍼상의 벌크초음파공진기를 일괄해서 조정할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예 19]
제32도는 본 발명의 실시예 19에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 벌크 초음파공진기의 하지도체(5)는 각 콘덴서의 접지전극으로서 기능한다. 각 콘덴서는 벌크초음파공진기에 병렬로 접속되어 있다. 이들 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 이 경우, 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서, 선로패턴(62)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택해서 접속한다. 각 콘덴서가 선로패턴(62)를 사용해서 병렬로 접속되므로, 콘덴서를 접속하면서 상기 벌크초음파 공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 20]
제33도는 본 발명의 실시예 20에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 각 콘덴서는 벌크초음파공진기에 직렬로 접속되어 있다. 직렬로 접속된 콘덴서는 벌크초음파공진기에 직렬로 접속되어 있다. 이들 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남 량)에 따라서 선로패턴(62)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택하고, 각 패드(61)을 단락을 이루어 접속한다. 각 콘덴서가 선로패턴(62)를 사용해서 단락을 이루어 접속되므로, 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 21]
제34도는 본 발명의 실시예 21에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 각 콘덴서는 서로 직렬로 접속되어 있다. 직렬로 접속된 콘덴서는 벌크초음파공진기에 병렬로 접속되어 있다. 이 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 선로패턴(62)에 의해 접속할 콘덴서를 적절히 선택하고, 각 패드(61)을 단락을 이루어 접속한다. 각 콘덴서가 선로패턴(62)를 사용해서 단락을 이루어 접속되므로, 상기 벌크초음파공진기에 병렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 22]
제35도는 본 발명의 실시예 22에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 부분(63)은 선로패턴을 예를 들면 레이저를 사용해서 절단한 선로패턴(62)의 절단부분이다. 하지전극(58)과 상측전극(59)사이의 유전체(57)은 콘덴서로서 동작한다. 상기 유전체 재료는 동일 반도체기판(1)상에 구성된 티탄산납(PbTiO3) 등의 미분극의 유전체이거나 또는 산화실리콘(SiO2)등의 일반적인 절연체재료이어도 좋다. 벌크초음파공진기의 상측전극(6)에 대해 여러개의 콘덴서가 직렬로 접속되어 있고, 상기 여러개의 콘덴서는 선로패턴(62)에 의해서 인출전극(47)에 접속되어있다. 벌크초음파공진기에 용량성 리액턴스가 직렬로 접속되므로, 이 용량성 리액턴스의 총값을 변화시키는 것에 의해 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 이 때, 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서 선로패턴(62)를 레이저를 이용하여 절단하는 것에 의해, 콘덴서를 적절히선택해서 전기적으로부니한다. 각 콘덴서는 절단에 의해서 병렬 접속에서 분리되므로, 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스 성분이 작아진다. 선로패턴(62)에 의해 콘덴서가 접속되는 경우에는 경시변화가 거의 없다. 콘덴서의 정전용량도 경시변화에 따른 적절한 재료를 사용하면, 상기 접속방법에 의해 공진주파수가 조정된 벌크초음파공진기는 안정된 공진특성을 나타낸게 된다. 이 접속방법에 의해 각 로트마다 절단할 부분(63)을 결정할 수 있다. 또, 이 접속방법은 각 벌크초음파공진기에 따라 개별적으로 절단할 부분을 변화시킬 수 있다. 따라서, 이 접속방법은 비교적 조정범위가 넓은 경우 및 개개의 벌크초음파공진기를 1개씩 엄밀하게 조정하는 경우 등 여러가지 경우에 대응할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예 23]
제36도에 본 발명의 실시예 23에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 벌크 초음파공진기의 하지도체(5)는 각 콘덴서의 접지전극으로서 기능한다. 각 콘덴서는 벌크초음파공진기에 대해 병렬로 접속되어 있다. 이들 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다.
상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서, 절단할 선로패턴(62)를 결정하고, 콘덴서를 적절히 선택해서 분리한다. 이경우, 콘덴서가 절단에 의해 병렬접속에서 분리되기 때문에, 상기 벌크초음파공진기에 병렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 작아진다.
[실시예 24]
제37도는 본 발명의 실시예 24에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 각 콘덴서는 서로 직렬로 접속되어 있다. 직렬로 접속된 콘덴서는 벌크초음파공진기에 직렬로 접속되어 있다. 또, 각 콘덴서는 미리 선로패턴(62)에 의해 단락되어 있다. 이들 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수슬 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남 량)에 따라서, 선로패턴(62)를 콘덴서를 선택한다. 이경우, 각 콘덴서가 절단에 의해서 직렬로 접속되므로, 상기 벌크초음파공진기에 직렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 작아진다.
[실시예 25]
제38도는 본 발명의 실시예 25에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 각 콘덴서는 서로 직렬로 접속되어 있다. 직렬로 접속된 콘덴서는 벌크초음파공진기에 병렬로 접속되어 있다. 또, 각 콘덴서는 미리 선로패턴(62)에 의해 단락 되어 있다. 이들 콘덴서의 정전용량의 총값을 변화시키는 것에 의해, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 조정할 수 있다. 각 콘덴서의 상측전극(59)의 면적은 서로 다르게 설정되어 있다. 상기 벌크초음파공진기의 목표 공진주파수와의 차(어긋남량)에 따라서, 선로패턴(62)를 절단하고 콘덴서를 선택한다. 이경우, 각 콘덴서가 절단에 의해서 직렬로 접속되므로, 상기 벌크초음파공진기에 병렬로 삽입된 용량성 리액턴스성분이 커진다.
[실시예 26]
제39도는 본 발명의 실시예 26에 따른 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서는 전원(64) 및 가변용량(65)가 마련되어 있다.
가변용량를 갖는 다이오드(65)는 상기 전원(64)에서 인가되는 전압에 따라 정전용량을 변화시킬 수 있다. 제39도에 도시한 바와 같이 상기 가변용량을 갖는 다이오드(65)와 상기 벌크초음파공진기(35)를 병렬로 접속하거나 또는 직렬로 접속하는 경우에는 상기 전원(64)로부터의 인가전 전압을 제어하여 상기 벌크초음파공진기(35)에 병렬접속 또는 직렬접속된 용량성 리액턴스의 값을 변화시킨다. 이러한 방법으로, 상기 벌크초음파공진기(35)의 공진주파수를 조정한다. 본 발명에 따른 벌크초음파공진기(35)는 반도체회로와 일체화할 수 있으므로, 상기 전원(64)는 상기 벌크초음파공진기(35)와 동일한 반도체기판(1)상에 트랜지스터 등을 사용해서 간단하게 제조할 수 있다.
[실시예 27]
제40도는 본 발명의 실시예 27의 압전소자를 도시한 도면이다. 도면에 있어서는 저항(66) 및 단자(67)이 마련되어 있다.
제40도에 도시한 박막압전소자에 있어서는 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 선택한다. 단자(67)을 갖는 각 저항(66)은 다른 저항(66)과는 다른 저항값을 갖는다. 적절한 조정량으로 되는 단자(67)은 예를 들면 와이어를 사용해서 선택한다. 따라서, 상기 가변용량을 갖는 다이오드로(65)로의 인가전압을 결정한다. 그 결과, 상기 벌크초음파공진기의 공진주파수를 간단하게 조정할 수 있다.
[실시예 28]
제41도는 본 발명의 실시예 28의 압전소자를 도시한 도면이다. 제41도에 도시한 압전소자에 있어서는 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 결정한다. 단자(67)을 갖는 각 저항(66)은 다른 저항(66)과는 다른 저항값을 갖는다. 예를 들면, 다른 전원(64)와의 접속 또는 상기 압전소자와 동일한 반도체기판(1)상에 있는 전원(64)와의 접속의 경우에 있어서, 적당한 조정량으로 되도록 하나의 저항(66)의 단자(67)과 인출전극(47)을 접속한다. 이러한 방법은 로트마다의 조정에 유리하다.
[실시예 29]
제42도는 본 발명의 실시예 29의 압전소자를 도시한 도면이다. 제42도에 도시한 압전소자는 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 결정한다. 각각 다른 저항값을 갖는 각 저항(66)의 단자(67)은 미리 선로패턴(62)를 사용해서 인출전극(47)에 접속되어 있다. 적절한 조정량으로 되도록 단자(67)과 인출전극(47)사이의 접속을 예를 들면 레이저를 사용해서 절단한다. 이러한 방법은 각 로트마다 조정하는 경우와 각 압전소자를 개별적으로 조정하는 경우에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예 30]
제43도는 본 발명의 실시예 30의 압전소자를 도시한 도면이다. 제43도에 도시한 압전소자는 가변용량 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 결정한다. 단자(67)을 갖는 각 저항(66)은 다른 저항(66)과는 다른 저항값을 갖는다. 와이어(60)등을 사용해서 적절한 조정량으로 되도록 단자(67)을 선택하여 저항(66)을 단락하는 것에 의해서, 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 결정한다. 그 결과, 상기 벌크초음파공진기를 간단하게 조정할 수 있다.
[실시예 31]
제44도는 본 발명의 실시예 31의 압전소자를 도시한 도면이다. 제44도에 도시한 압전소자는 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 결정한다. 단자(67)을 갖는 저항(66)은 다른 저항(66)과는 다른 저항값을 갖는다. 적당한 조정량으로 되도록 단자(67)을 선택하는 것에 의해, 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 결정한다. 그 결과, 상기 벌크 초음파공진기(35)의 공진주파수를 간단하게 조정할 수 있다. 이러한 방법은 로트마다의 조정에 유리하다.
[실시예 32]
제45도는 본 발명의 실시예 32의 압전소자를 도시한 도면이다. 제45도에 도시한 압전소자는 가변용량을 갖는 다이오드(65)로의 인가전압을 저항(66)의 전압비에 따라 결정한다. 각 저항(66)은 다른 저항(66)과는 다른 저항값을 갖는다. 각 저항(66)은 미리 선로패턴(62)를 사용해서 단락되어 있다. 적절한 조정량으로 되도록 단자(67)사이의 선로패턴(62)의 접속을 예를 들면 레이저를 사용해서 절단한다. 이러한 방법은 로트마다 조정을 실행하는 경우와 각 압전소자를 개별적으로 조정하는 경우에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 제1도 및 제2도에는 압전체로서 티탄산납(PbTiO3)을 사용한 예를 도시하였다. 본 발명에 있어서는 압전체로서 티탄산납(PbTiO3)대신에 지르콘산티탄산납(PZT)를 사용해도 좋다. 마찬가지로, 제9도 및 제10도에 있어서는 압전체로서 티탄산납(PbTiO3)을 사용해도 좋다. 또, 제1도, 제2도, 제9도 및 제10도에는 벌크초음파공진기만 도시하고 있다. 그러나, 도면에 있어서, 벌크초음파필터나 다른 반도체회로(3)이 동일 반도체기판(1)상에 있어도 좋다. 하지도체(5)의 바닥면 상의 관통구멍(7) 및 (33)의 구조는 제1도, 제2도, 제9도 및 제10도에 도시한 경우에 한정되지 않고, 제46도~제53도에 도시한 바와 같이 하지도체(5) 또는 유전체(4)의 바닥면 상(이면측)에 관통구멍(7), (33) 또는 에어갭(88)을 마련한 구조중의 하나이면 좋다.
상술한 바와 같이, 제11도, 제16도, 제21도, 제22도, 제23도 및 제24도에는 벌크초음파공진기를 사용한 벌크초음파공진기의 1예를 도시하였다. 본 발명에 있어서, 벌크초음파필터, 반도체 증폭기, 반도체믹서, 아날로그 디지탈 변환기, 디지탈 아날로그 변환기, 중앙처리장치(CPU), 디지탈 신호 프로세서(DSP), 메모리 등의 다른 일반적으로 사용되는 반도체회로와 함께 동일한 반도체기판(1) 상에 구성해도 효과는 동일하다. 이와 같이, 동일한 반도체 기판(1)상에 벌크초음파 공진기를 많은 종류의 반도체회로와 일체화 할 수 있으므로, 임의의 특정압전소자에 한정되지 않고 압전소자를 사용한 전체 전자회로에 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제15도에는 벌크초음파공진기가 트랜지스터(13)과 출력단자(37)사이에 인덕터로서 삽입된 1예를 도시하였다. 본 발명에 있어서, 벌크초음파공진기를 반도체회로내의 임의의 위치에 삽입해도 좋다.
상술한 바와 같이, 제16도에는 콘덴서 CE(45) 및 이 콘덴서CE(45)의 유전체에 벌크초음파공진기(35)에서 사용한 것과 동일한 압전체를 사용하는 1예를 도시하였다. 그러나, 본 발명은 반도체회로(3)내의 임의의 콘덴서(45)에 적용해도 좋다.
상술한 바와 같이, 제17도, 제18도, 제19도 및 제20도에는 콘덴서만을 도시하고 압전체에 티탄산납(PbTiO3)을 사용한 1예를 도시하였다. 본 발명에 있어서는 콘덴서이외에 벌크초음파공진기나 벌크초음파필터의 임의의 반도체회로(3)을 사용하는 것이 가능하다. 인출전극(47)과의 접속에는 에어브리지(46)이외의 다른 접속방법도 효과적이다.
상술한 바와 같이, 제21도, 제22도 및 제23도에는 분극화방법을 도시하였다. 이들 방법을 조합하면 더욱 효과적이다. 제24도에 있어서, 여러개의 칩(53)을 처리하는 1예로서 벌크초음파공진기를 도시하였다. 벌크초음파필터등의 다른 회로나 반도체회로에도 적용할 수 있다. 또, 분극용 패턴의 형상과 분극용 패턴을 형성한 반도체의 형상은 제24도에 도시한 형상과 반드시 동일할 필요는 없고, 임의의 형상인 것을 사용할 수도 있다. 제24도의 각 칩(53) 내의 구조는 제22도에 도시한 분극처리법을 사용한 경우를 도시한 것이다. 제24도에 대해 제21도 및 제23도에 도시한 구조를 사용해도 좋다.
상술한 바와 같이, 제25도 및 제26도에는 2개의 전극으로 이루어진 벌크초음파필터의 예를 도시하였다. 본 발명은 2개 이상의 전극을 가진 벌크초음파 필터의 접속에도 적용할 수 있다. 본 발명은 여러개의 칩에 형성된 벌크초음파공진기 및 벌크초음파필터의 접속에 적용할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 제27도 ~ 제38도에는 벌크초음파공진기의 경우를 도시하였다. 본 발명에 있어서는 벌크초음파필터를 사용해도 좋다. 또, 콘덴서의 형상은 제27도~제38도에 도시한 바와 같은 구조에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 제39도~제45도에는 가변용량을 갖는 다이오드(65)를 사용한 1예를 도시하였다. 트랜지스터도 가변용량을 갖는 다이오드(65)와 마찬가지로 사용할 수 있다. 또, 가변용량을 갖는 다이오드(65)를 벌크초음파공진기(35)에 대해 병렬로 접속한 경우를 도시하였지만, 다이오드(65)를 직렬로 접속해도 좋다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 압전체로서 티탄산납(PbTiO3) 또는 지르콘산티탄산납(PZT)을 주성분으로하는 압전성 세라믹스를 사용하였다. 상기 압전성 세라믹스의 두께를 h로하고, 하지도체로서의 백금(Pt) 또는 금(Au)의 두께를 d로 하며, 상기 압전성 세라믹스의 표면에 대해 평행한 방향으로 전파되는 탄성파의 파수를 k로 하면, kh가 2이하이거나 또는 d/h가 0.1이하이다. 따라서, 스프리어스가 발생하지 않고 또한 큰 전기기계 결합계수를 실행할 수 있다. 그 결과, 양호한 특성의 박막압전소자를 얻을 수 있다.
압전성 세라믹스는 큰 전기기계 결합계수를 갖고 있으므로, 전기적 조정방법을 사용한 공진주파수의 조정을 실행할 수 있다. 압전성 세라믹스가 반도체 회로와 일체화되는 경우에도, 반도체회로의 제조프로세스에 사용가능한 조정방법중의 하나를 선택할 수 있다. 따라서, 제조비용을 저감할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면, 압전성 세라믹스가 넓은 주파수 대역에서 유도성 리액턴스특성을 나타낼 수 있으므로, 반도체회로내의 인덕터로서 사용할 수 있다. 따라서, 반도체회로의 면적을 작게 할 수 있으므로, 반도체회로의 제조비용을 저감할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면, 분극처리에 의해서 압전성이 강화된 압전성 세라믹스를 사용하고 있다. 고유전체 재료로서 압전성 세라믹스의 일부를 사용하는 것에 의해, 콘덴서의 면적을 작게 할 수 있다. 분극처리의 유무에 따라서 압전성 세라믹스의 다른 부분을 압전소자로서 사용할 수 있다. 따라서, 압전소자의 제조프로세스를 제어하는 것에 의해, 콘덴서의 소형화 및 제조비용의 저감을 도모할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 분극처리에 의해 발생한 반도체회로내의 소자의 손상을 방지할 수 있다. 많은 벌크초음파공진기와 벌크초음파필터를 동시에 분극처리하는 것이 가능하다. 따라서, 분극처리의 처리비용을 억제할 수 있고 또한 제조효율이 양호한 분극처리를 실행할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면, 압전박막의 막두께의 제조오차에 의해 발생한 공진주파수의 변화(편차)를 전기적으로 조정할 수 있으므로, 특성이 양호한 박막압전소자를 얻을 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 몇가지 특정 실시예에 따라 구체적으로 설명했지만, 상기 실시예는 단지 1예에 불과한 것으로서 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변경 및 개량이 가능하다.

Claims (6)

  1. 반도체 기판, 상기 반도체기판상에 탑재되고 두께를 갖는 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재되고 두께를 갖는 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스 박막상에 탑재된 도전성 전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막의 두께는 상기 하지도체층의 두께의 10배 이상인 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
  2. 반도체 기판, 상기 반도체 기판상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재되고 두께를 갖는 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막은 상기 압전세라믹스박막의 표면과 평행한 방향으로 전파되는 탄성파를 발생하고, 그 탄성파의 파수는 2/압전세라믹스박막의 두께이하인 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
  3. 반도체기판, 상기 반도체기판 상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴 및 상기 반도체기판상에 탑재된 반도체회로를 구비하고, 상기 반도체회로는 상기 압전세라믹스박막의 일부를 이용해서 구성된 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
  4. 반도체기판, 상기 반도체기판 상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막 및 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴을 구비하고, 상기 압전세라믹스박막은 분극조작을 실행한 압전체부와 분극조작을 실행하지 않은 유전체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
  5. 반도체기판, 상기 반도체기판 상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴, 상기 반도체기판상에 탑재된 반도체회로, 상기 압전세라믹스박막의 분극조작에 사용하는 분극회로 및 상기 분극회로에 의한 분극조작으로부터 상기 반도체회로를 보호하는 보호회로를 구비한 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
  6. 반도체기판, 상기 반도체기판 상에 탑재된 하지도체층, 상기 하지도체층상에 탑재된 압전세라믹스박막, 상기 압전세라믹스박막상에 탑재된 도전성 전극패턴, 상기 반도체기판상에 탑재된 여러개의 리액턴스소자 및 상기 여러개의 리액턴스소자의 각각의 전기적 접속을 변경하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 박막압전소자.
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