KR100289780B1 - 표면탄성파필터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 표면 탄성파 필터는 전기적인 신호를 기계적인 표면 탄성파로 변환시키며 표면 탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 압전 단결정 기판과, 압전 단결정 기판의 일 부분에 형성되어 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기와, 압전 단결정 기판의 다른 부분에 형성되어 압전 단결정 기판에서 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하는 출력 변환기와, 압전 단결정 기판 위와 입력 및 출력 변환기의 일부를 노출하도록 입력 및 출력 변환기 위에 형성되어 표면 탄성파의 속도를 높이는 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막으로 이루어진다.

이와 같은 표면 탄성파 필터는 단결정 기판의 표면탄성파 속도를 향상시킬 수 있으므로 높은 주파수 대역에서 사용할 수 있으며, 패키지에 실장시키지 않고 바로 인쇄회로 기판상에 실장할 수 있어 이동 통신용 단말기의 소형화에 기여할 수 있다.

Description

표면탄성파 필터

본 발명은 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW) 필터에 관한 것으로서, 특히 넓은 대역의 주파수에서 사용가능하며 패키지에 실장하지 않고서도 사용할 수 있는 표면 탄성파 필터에 관한 것이다.

표면 탄성파 필터는 이동용 통신 단말기에서 고주파 신호를 필터링하기 위해 일반적으로 사용되는 필터로서, 압전 단결정 기판 위에 금속 박막으로 변환기를 패턴화하여 입출력 단자에 연결함으로써 원하는 주파수의 신호만을 선택적으로 통과시키는 수동소자이다.

도1은 일반적인 표면탄성파 필터를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도1에 도시한 바와 같이 표면 탄성파 필터는 단결정 기판(10), 입력 변환기(20)와 출력 변환기(30)로 이루어진다.

단결정 기판(10)은 일반적으로 쿼츠(Quartz), 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬 나이오베이트 (LiNbO3) 등의 압전 단결정 기판으로 형성되며, 입력 변환기(20)와 출력 변환기(30)는 금속 박막으로 형성된다.

도1에서, 입력 변환기(20)에 인가된 전기적 신호는 압전 단결정 기판(10)에 의해 기계적인 파동으로 변환되어, 매질인 단결정 기판(10)을 통해 출력 변환기(30)로 전파되어 나간다. 출력 변환기(30)에 도달된 파동은 압전(piezoelectric) 효과에 의해 다시 전기적인 신호로 변환되어 출력된다.

이 때, 입출력 변환기(20, 30)의 전극간의 간격 λ와 기판이 고유하게 가지고 있는 표면 탄성파의 속도(v)에 의해, 선택되는 주파수 대역(f)이 결정되며, 그 관계식은 다음의 수학식1과 같다.

이와 같은 표면 탄성파 필터는 반도체 제조 공정을 이용한 칩(chip) 제조 공정과, 칩을 절단하는 다이싱(dicing) 공정과 패키지 내에 실장시키는 실장 공정을 통하여 제작된다.

도2a 내지 도2f는 표면 탄성파 필터의 칩 제조 공정을 나타내는 도면이다.

표면탄성파 필터 칩의 공정은 먼저, 도2a에 나타낸 바와 같이 압전 단결정 기판(10)에 스퍼터링(sputtering) 또는 증착(evaporation) 방법 등에 의해 알루미늄 등의 금속박막(40)을 수천 Å의 두께로 증착시킨다.

그리고 나서, 도2b에 도시한 바와 같이 감광제(50)를 약 1μm 두께로 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 금속박막(40) 위에 도포한다.

그 후, 도2c 및 도2d에 나타낸 바와 같이 포토 마스크(60)를 이용하여 자외선(UV)이 특정 영역에만 통과하도록 한 후, 현상(development) 작업을 수행하여 포토 마스크와 동일한 감광제의 패턴(52)이 금속박막(10) 위에 형성되도록 한다.

그 후, 도2e 및 도2f에 도시한 바와 같이 식각 용액을 이용한 습식 식각 혹은 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 감광제가 없는 부분을 식각하여 금속박막의 패턴(20, 30)이 형성되도록 하며, 감광제 제거 용액을 이용하여 감광제를 제거하여 표면 탄성파 필터 칩을 제조하게 된다.

이와 같은 표면탄성파 필터는 표면 탄성파를 생성시키고 전파시키는 압전 단결정 기판의 성질에 크게 영향을 받는다.

즉, 표면탄성파의 속도는 매질인 압전 단결정의 종류와 방향에 따라 결정되며, 일반적으로 사용되는 ST-X 쿼츠의 경우 3157 m/sec, 64 °X-Y LiNbO₃의 경우 4742 m/sec, 36°X-Y LiTaO₃는 4178 m/sec 등으로 알려져 있다.

이러한 일반적인 기판을 이용한 표면탄성파 필터의 경우, 수학식1로부터 알 수 있듯이 변환기의 전극간의 간격을 조절함으로써 원하는 주파수 대역의 필터 특성을 얻게 된다.

이 경우, 일반적으로 1GHz 이상의 고주파 대역에서는 표면 탄성파 필터를 제작하는데 있어 다음과 같은 문제점이 있게 된다.

즉, 변환기의 전극 사이의 간격을 줄여 사용 가능한 주파수 대역을 향상시키기 위해서는 레티클 마스크(reticle mask)로 축소 투영할 수 있는 고가의 스테퍼(stepper) 장비를 이용하고, 노광에 사용되는 자외선의 파장을 줄일 필요가 있다. 또한 미세한 패턴을 만들 수 있는 감광제를 사용하고, 건식 식각을 통해 이방성(anisotropy)을 증가시켜야 한다.

그러나, 이러한 공정상의 변화는 제작비용을 기하 급수적으로 증가시키며, 또한 기술적인 한계를 가지고 있어 적용에 어려움을 가지고 있다는 문제점이 있다.

따라서, 고주파에서 사용할 수 있는 표면 탄성파 필터를 제작하기 위해서는 패턴의 미세화를 통한 필터의 사용 주파수 대역을 상승시키는 것 보다 현재의 패턴 제작 기술로도 고주파에서 동작이 가능하도록 매질로 사용되는 기판의 표면탄성파 속도를 향상시키는 방법 또는 새로운 기판 재료의 개발이 필수적이다.

한편, 표면탄성파 필터는 칩의 표면에 형성된 패턴과 표면에서 발생하는 탄성파에 의해 동작하므로, 표면이 긁힘이나 오염에 의해 손상되는 경우 치명적인 성능의 저하를 가져온다. 따라서, 종래에는 표면 탄성파 필터의 칩을 세라믹, 금속 또는 플라스틱으로 제작된 패키지에 실장하여 사용하였다. 따라서, 종래의 표면 탄성파 필터는 부피가 증가하며 패키지 비용이 증대한다는 문제점이 있었다.

그리고 이러한 문제점은 특히 부품의 경박 단소화가 요구되는 이동 통신용 단말기에 사용되는 고주파용 표면탄성파 필터에 있어 더욱 문제로 되었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단결정 기판의 표면탄성파 속도를 향상시켜 높은 주파수 대역에서 사용이 가능하고, 패키지에 실장시키지 않고 바로 인쇄회로 기판 상에 실장할 수 있는 표면탄성파 필터를 제작하기 위한 것이다.

도1은 일반적인 표면탄성파 필터를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도2a 내지 도2f는 표면탄성파 필터의 칩 제조 공정을 나타내는 도면이다.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면탄성파 필터의 구조를 나타내는 도면이다.

도4는 도3에 도시한 표면탄성파 필터의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

도5는 다이아몬드성 탄소박막의 두께에 따른 표면탄성파 속도의 변화를 나타내는 도면이다.

도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 탄성파 필터를 나타내는 도면이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 표면 탄성파 필터는

전기적인 신호를 기계적인 표면 탄성파로 변환시키며, 표면 탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 압전 단결정 기판과, 상기 압전 단결정 기판의 일 부분에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기와, 상기 압전 단결정 기판의 다른 부분에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에서 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하는 출력 변환기와, 상기 압전 단결정 기판 위와, 상기 입력 및 출력 변환기의 일부를 노출하도록 상기 입력 및 출력 변환기 위에 형성되어 상기 표면 탄성파의 속도를 높이는 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막을 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 특징에 따른 표면 탄성파 필터는

전기적인 신호를 기계적인 표면 탄성파로 변환시키며 표면 탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 압전 단결정 기판과, 상기 압전 단결정 기판 위에 형성되어 상기 표면 탄성파의 속도를 높이는 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막과, 상기 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막 위의 일측에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기와, 상기 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막 위의 타측에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에서 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하는 출력 변환기를 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 탄성파 필터의 구조를 나타내는 도면이다.

도3에 도시한 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 탄성파 필터는 압전 단결정 기판(100), 변환기(200)와 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막(300)으로 이루어진다.

압전 단결정 기판(100)은 압전 성질에 의해 전기적인 신호를 기계적인 표면탄성파로 바꾸며, 다시 표면탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 역할을 하는 것으로서, 쿼츠, 리튬 탄탈레이트(LiTa03), 리튬 나이오베이트(LiNbO3) 등이 사용된다.

변환기(200)는 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기(도시하지 않음)와 압전 단결정 기판으로부터 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하기 위한 출력 변환기(도시하지 않음)로 이루어진다. 변환기(200)는 알루미늄 등의 금속 패턴으로 형성되는 데 종래와 마찬가지로 압전 단결정 기판(100)위에 반도체 공정을 통해 패턴화되어 형성된다.

다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)(300)은 압전 단결정 기판과 변환기 위에 형성되며, 표면 탄성파의 전파 속도를 높이고 압전 단결정 기판의 표면을 보호하는 역할을 한다.

도4a 내지 도4g는 도3에 도시한 표면 탄성파 필터의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

먼저, 도4a에 도시한 바와 같이 압전 단결정 기판(100) 위에 입력 및 출력 변환기(200)를 형성한다. 도4a에 도시한 패턴 형성 공정은 도2a 내지 도2f를 통해 이미 설명하였으므로, 자세한 설명은 생략한다.

그리고 나서, 도4b 및 도4c에 도시한 바와 같이 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)(300)을 단결정 기판(100)과 패턴화되어 있는 변환기(200) 위에 증착시킨 후, 그 위에 감광제(400)를 도포한다.

이 때, 다이아몬드성 탄소박막은 스퍼터링(sputtering), 펄스레이저 증착법(PLD), 화학기상 증착법(CVD), 진공 아크 증착법 등으로 증착이 가능하며, 다이아몬드 박막은 화학기상 증착법 등에 의해 증착이 가능하다.

그리고 나서, 도4d 및 도4e에 도시한 바와 같이 포토 마스크(500)를 이용하여 자외선(UV)이 특정 영역에만 통과하도록 한 후, 현상 작업을 수행하여 포토 마스크와 동일한 감광제(400)의 패턴을 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)위에 형성한다.

그리고 나서, 도4f 및 도4g에 도시한 바와 같이 습식 식각 혹은 건식 식각으로 감광제가 없는 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)을 식각하여 외부와의 전기적인 연결을 위한 패드를 노출한 후, 감광제 제거 용액을 이용하여 감광제를 제거하여 표면 탄성파 필터 칩을 제조하게 된다.

이와 같이 형성된 표면 탄성파 필터의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도3에서, 변환기(200)(입력 변환기)에 인가된 전기적 신호는 압전 단결정 기판(100)에 의해 기계적인 파동으로 변환되어, 매질인 단결정 기판(100)을 통해 출력 변환기(200)로 전파되어 나간다. 출력 변환기(200)에 도달된 파동은 압전 효과에 의해 다시 전기적인 신호로 변환되어 출력된다.

즉, 압전 단결정 기판(100)은 압전 성질에 의해 전기적인 신호를 기계적인 표면탄성파로 바꾸며, 다시 표면탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 역할을 한다.

도3에서 압전 단결정 기판(100) 위에 증착되는 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)(300)은 압전 단결정 기판(100)에 비해 파의 전파속도가 우수한 특징을 가지고 있다. 즉, 압전 단결정 기판(100)의 표면에서 발생한 표면 탄성파는 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막)에 의해 전파속도가 향상되게 된다. 따라서, 도3의 표면 탄성파 필터에 의하면 표면탄성파의 속도가 빨라지면서 고주파 대역에서의 신호처리가 가능하게 된다.

도5는 다이아몬드성 탄소박막의 두께에 따르는 표면탄성파 속도의 변화를 나타낸 것이다.

도5에서 KH는 박막의 두께를 표면 탄성파의 파장에 대한 상대적인 값으로 나타낸 것으로 박막으로 된 다층구조의 표면탄성파 필터에서 박막의 두께를 표시하는 파라미터로 사용된다. 이 KH는 다음의 수학식 2로 나타내어진다.

여기서, H_DLC 는 다이아몬드성 탄소박막의 두께를 표시하며, λ는 표면탄성파의 파장으로서 도1의 λ와 동일한 값이다.

도5에 도시한 바와 같이, 다이아몬드성 탄소 박막의 KH가 증가함에 따라 표면 탄성파 속도는 박막의 스티프닝(stiffening) 효과에 의해 종래의 기존 압전 단결정 기판의 표면탄성파 속도 보다 커지면서 압전단결정 기판의 벌크(bulk)파 속도에 접근하게 된다. 이 때 벌크 파의 속도에 근접하는 KH는 약 0.7 이상이다.

한편, 다이아몬드는 현존하는 물질 중 가장 단단한 물질로 알려져 있다. 따라서, 다이아몬드 박막을 금속 변환기 위에 증착하면 속도를 증진시키는 효과와 함께 변환기와 압전 단결정 기판의 표면을 보호하는 효과를 가져온다. 또한, 다이아몬드성 탄소박막도 비록 다이아몬드 박막에 비해 기계적 성질은 미흡하지만, 다이아몬드 박막에 근접하는 성질을 가지고 있으므로 표면탄성파 필터의 보호에 충분한 효과를 가지고 있다. 그리고, 다이아몬드성 탄소박막은 표면이 평활하기 때문에, 표면탄성파의 진행 중 산란을 일으키지 않아 별도의 폴리싱(polishing) 과정이 필요하지 않다는 장점이 있다.

이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄성 표면파 필터에서는 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막으로 표면탄성파 필터의 표면을 보호하는 효과가 발생하므로, 패키지에 실장시키지 않고 바로 인쇄회로기판상에 실장할 수 있는 표면탄성파 필터를 제작할 수 있게 된다. 따라서, 표면탄성파 필터의 부피를 줄여 이동 통신용 단말기의 소형화에 기여할 수 있다.

다음에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 탄성파 필터를 도6을 참조하여 설명한다.

도6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 탄성파 필터는 압전 단결정 기판(100)과, 압전 단결정 기판 위에 증착된 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막(300)과, 다이아몬드성 탄소박막(또는 다이아몬드 박막) 위에 형성된 변환기(200)로 이루어진다.

도6에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 탄성파 필터는 그 제조 공정이 도3에 도시한 표면 탄성파 필터의 제조 공정보다 간단하다는 장점이 있다.

한편, 도6에 도시한 표면 탄성파 필터의 제조 방법은 이전의 설명으로부터 당업자가 쉽게 알 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 탄성파 필터에 따르면 단결정 기판 위에 전파 속도가 높고 단단한 다이아몬드성 탄소박막 또는 다이아몬드 박막을 형성시킴으로써, 단결정 기판의 표면탄성파 속도를 향상시켜 높은 주파수 대역에서 사용이 가능하고, 패키지에 실장시키지 않고 바로 인쇄회로 기판상에 실장할 수 있으므로 이동 통신용 단말기의 소형화에 기여할 수 있다.

Claims (2)

1. 전기적인 신호를 기계적인 표면 탄성파로 변환시키며, 표면 탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 압전 단결정 기판과;

   상기 압전 단결정 기판의 일측에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기와;

   상기 압전 단결정 기판의 타측에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에서 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하는 출력 변환기와;

   상기 압전 단결정 기판 위와, 상기 입력 및 출력 변환기의 일부를 노출하도록 상기 입력 및 출력 변환기 위에 형성되어 상기 표면 탄성파의 속도를 높이는 다이아몬드성 탄소박막을 포함하는 표면 탄성파 필터.
2. 전기적인 신호를 기계적인 표면 탄성파로 변환시키며, 표면 탄성파를 전기적인 신호로 변환시키는 압전 단결정 기판과;

   상기 압전 단결정 기판 위에 형성되어 상기 표면 탄성파의 속도를 높이는 다이아몬드성 탄소박막과;

   상기 다이아몬드성 탄소박막 위의 일측에 형성되어, 상기 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기 전극과;

   상기 다이아몬드성 탄소박막 위의 타측에 형성되어 상기 압전 단결정 기판에서 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하는 출력 변환기 전극을 포함하는 표면 탄성파 필터.