KR100327495B1 - Bulk acoustic wave resonators and filters having a frequency trimming coil - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기장의 세기를 조절하여 중심 주파수를 정밀하게 조정할 수 있도록 하는 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터(Bulk acoustic wave resonators and filters having a frequency trimming coil)를 기재한다. 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터는, 반도체 기판; 반도체 기판 상에 형성된 하부 전극판; 하부 전극판 상에 형성된 압전체 박막; 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극판; 및 두 전극판 중 적어도 어느 한 전극판의 가장자리에 압전체 박막에 자기장을 인가하기 위한 자기장 유도 코일;을 구비함으로써, 제조 공정시 형성된 압전체 박막에 두께 차이가 발생하더라도 자기장 유도 코일로서 압전체 박막에 자기장을 인가하여 원하는 주파수의 신호에 공진되거나 원하는 주파수의 신호를 필터링 할 수 있도록 그 사용 주파수를 정밀하게 트리밍하여 사용한다.The present invention describes a bulk acoustic wave resonators and filters having a frequency trimming coil having a frequency trimming coil which enables precise adjustment of the center frequency by adjusting the strength of the magnetic field. A bulk acoustic wave resonator and a filter having a frequency trimming coil according to the present invention include a semiconductor substrate; A lower electrode plate formed on the semiconductor substrate; A piezoelectric thin film formed on the lower electrode plate; An upper electrode plate formed on the piezoelectric thin film; And a magnetic field induction coil for applying a magnetic field to the piezoelectric thin film at the edge of at least one of the two electrode plates, so that a magnetic field is applied to the piezoelectric thin film as a magnetic field induction coil even if a thickness difference occurs in the piezoelectric thin film formed during the manufacturing process. It is applied to trim the frequency of use precisely so that it can be resonated to the signal of the desired frequency or filter the signal of the desired frequency.
Description
본 발명은 벌크 음파(bulk acoustic wave) 공진기 및 필터에 관한 것으로, 상세하게는 자기장의 세기를 조절하여 중심 주파수를 정밀하게 조정할 수 있도록 하는 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터(Bulk acoustic wave resonators and filters having a frequency trimming coil)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to bulk acoustic wave resonators and filters, and in particular bulk acoustic wave resonators having a frequency trimming coil for precisely adjusting the center frequency by adjusting the strength of the magnetic field. and filters having a frequency trimming coil).
도 1a 및 도 1b는 각각 Motorola 특허(US 5,166,646)에 기재된 집적 튜너블공진기(A integrated tunable resonator)의 개략적 구성을 나타내는 수직 단면도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 집적된 튜너블 공진기는 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기(106)에 전압 가변 캐패시터(104)를 집적하여 공진기의 중심주파수를 조절하게 된다. 이 집적 튜너블 공진기(A integrated tunable resonator)는 공통 반도체 캐리어(110)을 구비하고, 이 공통 반도체 캐리어(110) 상에 전압 가변 캐패시터(104)가 집적된다. 집적 튜너블 공진기(A integrated tunable resonator)(106)는 공통 반도체 캐리어(110) 상에 형성되어 전압 가변 캐패시터(104)와 결합된다. 도 1b는 도 1a의 집적 튜너블 공진기와 다른 형태의 공진기로서, 표면 음파 공진기(a surface acoustic wave resonator)(522)가 공통 반도체 캐리어(514) 상에 형성되어 공통 반도체 캐리어(514) 상에 함께 형성된 전압 가변 캐패시터(520)과 결합됨으로써 구성된 튜너블 공진기(a tunable resonator)(500)를 나타낸다.1A and 1B are vertical cross-sectional views illustrating a schematic configuration of an A tunable resonator described in Motorola patent US 5,166,646, respectively. The integrated tunable resonator as shown in FIG. 1A integrates the voltage variable capacitor 104 in the bulk acoustic wave resonator 106 to adjust the center frequency of the resonator. This integrated tunable resonator includes a common semiconductor carrier 110, and a voltage variable capacitor 104 is integrated on the common semiconductor carrier 110. An integrated tunable resonator 106 is formed on the common semiconductor carrier 110 and coupled with the voltage variable capacitor 104. FIG. 1B is a resonator of a different type from the integrated tunable resonator of FIG. 1A, in which a surface acoustic wave resonator 522 is formed on a common semiconductor carrier 514 and joined together on a common semiconductor carrier 514. A tunable resonator 500 constructed by coupling with the formed voltage variable capacitor 520 is shown.
도 2a 및 도 2b는 각각 TRW 특허(US 5,446,306)에 기재된 박막 전압-조정 반도체 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기를 나타내는 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 튜너블 공진기(A integrated tunable resonator)의 두 전극(20, 22)들 사이에 가변 전압(26)을 인가하여 공진기의 중심주파수를 조절하게 된다.2A and 2B are vertical cross-sectional views illustrating thin film voltage-regulated semiconductor bulk acoustic wave resonators described in TRW patent (US 5,446,306), respectively. As shown, a variable voltage 26 is applied between two electrodes 20 and 22 of a tunable resonator to adjust the center frequency of the resonator.
도 3a 및 도 3b는 각각 휴렛패커드(HP)사의 특허(US 5,587,620)에 기재된 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기의 압전체(11)에 열선(13, 14)을 제작하여 압전체의 온도를 조절하여 공진기의 중심주파수를 조절하게 된다.3A and 3B illustrate a heating wire 13 and 14 of a piezoelectric body 11 of a bulk acoustic wave resonator described in Hewlett-Packard (HP) company patent (US 5,587,620) to adjust the temperature of the piezoelectric body. To adjust the center frequency.
본 발명은 상기와 다른 형태의 공진기로서 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크음파 공진기 및 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a bulk acoustic wave resonator and a filter having a frequency trimming coil as a resonator different from the above.
도 1a 및 도 1b는 각각 Motorola 특허(US 5,166,646)에 기재된 집적 튜너블 공진기(A integrated tunable resonator)의 개략적 구성을 나타내는 수직 단면도,1A and 1B are vertical cross-sectional views showing a schematic configuration of an integrated tunable resonator described in Motorola patent US 5,166,646, respectively;
도 2a 및 도 2b는 각각 TRW 특허(US 5,446,306)에 기재된 박막 전압-조정 반도체 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기를 나타내는 수직 단면도,2A and 2B are vertical cross-sectional views showing thin film voltage-regulated semiconductor bulk acoustic wave resonators described in TRW patent (US 5,446,306), respectively;
도 3a 및 도 3b는 각각 휴렛패커드(HP)사의 특허(US 5,587,620)에 기재된 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기의 개략적 구성을 나타내는 수직 단면도,3A and 3B are vertical cross-sectional views showing a schematic configuration of a bulk acoustic wave resonator described in Hewlett Packard (HP) company patent (US 5,587,620), respectively;
도 4는 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터의 평면도,4 is a plan view of a bulk acoustic wave resonator and filter having a frequency trimming coil according to the present invention;
도 5는 도 4의 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터의 단면도,5 is a cross-sectional view of a bulk acoustic wave resonator and filter with a frequency trimming coil of FIG. 4;
도 6은 도 4의 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터에 기판으로 채용된 Brag reflection층을 나타내는 단면도,6 is a cross-sectional view illustrating a Brag reflection layer employed as a substrate in a bulk acoustic wave resonator having a frequency trimming coil of FIG. 4 and a filter;
도 7은 도 4의 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터에 기판으로 채용된 air interface를 나타내는 단면도,7 is a cross-sectional view illustrating an air interface employed as a substrate in a bulk acoustic wave resonator having a frequency trimming coil of FIG. 4 and a filter;
그리고 도 8은 도 4의 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터에 기판으로 채용된 air gap을 나타내는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating an air gap employed as a substrate in a bulk acoustic wave resonator and a filter having the frequency trimming coil of FIG. 4.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1a. 상부 전극판 1b. 하부 전극판1a. Upper electrode plate 1b. Lower electrode plate
2. 압전체 박막 3. 자기장 유도 코일2. Piezoelectric Thin Film 3. Magnetic Field Induction Coil
4. 반도체 기판 11. 압전체4. Semiconductor Substrate 11. Piezoelectric
13, 14. 열선 20, 22. 전극13, 14. heating wire 20, 22. electrode
26. 가변 전압 소스 104. 전압 가변 캐패시터26. Variable voltage source 104. Voltage variable capacitor
106. 벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기106. Bulk acoustic wave resonators
110. 공통 반도체 캐리어110. Common Semiconductor Carrier
500. 튜너블 공진기(a tunable resonator)500. A tunable resonator
514. 공통 반도체 캐리어 520. 전압 가변 캐패시터514. Common semiconductor carrier. 520. Voltage variable capacitor.
522. 표면 음파 공진기(a surface acoustic wave resonator)522. A surface acoustic wave resonator
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부 전극판; 상기 하부 전극판 상에 형성된 압전체 박막; 상기 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극판; 및 상기 두 전극판 중 적어도 어느 한 전극판의 가장자리에 상기 압전체 박막에 자기장을 인가하기 위한 자기장 유도 코일;을 구비한 것을 특징으로 한다.Bulk acoustic wave resonator having a frequency trimming coil according to the present invention for achieving the above object, a semiconductor substrate; A lower electrode plate formed on the semiconductor substrate; A piezoelectric thin film formed on the lower electrode plate; An upper electrode plate formed on the piezoelectric thin film; And a magnetic field induction coil for applying a magnetic field to the piezoelectric thin film at an edge of at least one of the two electrode plates.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판은 브래그 반사층을 이용하거나, 에어 인터페이스를 사용하거나 혹은 에어 갭을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 자기장 유도 코일은 상기 하부 전극판의 둘레에 원형으로 형성되거나, 상기 상부 전극판의 둘레에 원형으로 형성되거나 혹은 단면적으로는 상기 압전체 박막의 가운데이고 평면적으로는 상기 두 전극판의 둘레에 원형으로 형성되기도 하며, 상기 자기장 유도 코일 및 상기 상부 전극과 하부 전극은 각각 Au, Al, Cu 및 Pt 중 어느 한 물질로 형성되며, 상기 압전체 박막은 AlN, ZnO, PZT, LiNbO3, BaMnF4, MgAlO4, Al2O3중 어느 한 압전물질로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate uses a Bragg reflective layer, an air interface, or an air gap, and the magnetic field induction coil is formed in a circular shape around the lower electrode plate, or the upper electrode. It may be formed in a circular shape around the plate or in a cross-section in the center of the piezoelectric thin film and in a planar shape around the two electrode plates in a circular shape. The magnetic field induction coil, the upper electrode and the lower electrode may be Au, Al, respectively. , Cu and Pt, and the piezoelectric thin film is preferably formed of any one of piezoelectric materials of AlN, ZnO, PZT, LiNbO 3 , BaMnF 4 , MgAlO 4 , and Al 2 O 3 .
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 필터는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부 전극판; 상기 하부 전극판 상에 형성된 압전체 박막; 상기 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극판; 및 상기 두 전극판 중 적어도 어느 한 전극판의 가장자리에 상기압전체 박막에 자기장을 인가하기 위한 자기장 유도 코일;을 구비한 것을 특징으로 한다.In addition, a bulk acoustic wave filter having a frequency trimming coil according to the present invention in order to achieve the above object, a semiconductor substrate; A lower electrode plate formed on the semiconductor substrate; A piezoelectric thin film formed on the lower electrode plate; An upper electrode plate formed on the piezoelectric thin film; And a magnetic field induction coil for applying a magnetic field to the piezoelectric thin film at an edge of at least one of the two electrode plates.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판은 브래그 반사층을 이용하거나, 에어 인터페이스를 사용하거나 혹은 에어 갭을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 자기장 유도 코일은 상기 하부 전극판의 둘레에 원형으로 형성되거나, 상기 상부 전극판의 둘레에 원형으로 형성되거나 혹은 단면적으로는 상기 압전체 박막의 가운데이고 평면적으로는 상기 두 전극판의 둘레에 원형으로 형성되기도 하며, 상기 자기장 유도 코일 및 상기 상부 전극과 하부 전극은 Au, Al, Cu 및 Pt 중 어느 한 물질로 형성되며, 상기 압전체 박막은 AlN, ZnO, PZT, LiNbO3, BaMnF4, MgAlO4, Al2O3중 어느 한 압전물질로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate uses a Bragg reflective layer, an air interface, or an air gap, and the magnetic field induction coil is formed in a circular shape around the lower electrode plate, or the upper electrode. It may be formed in a circular shape around the plate or in a cross-section in the middle of the piezoelectric thin film and in a planar shape around the two electrode plates in a circular shape. The magnetic field induction coil, the upper electrode and the lower electrode may be formed of Au, Al, The piezoelectric thin film may be formed of any one of Cu and Pt, and the piezoelectric thin film may be formed of one of piezoelectric materials of AlN, ZnO, PZT, LiNbO 3 , BaMnF 4 , MgAlO 4 , and Al 2 O 3 .
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a bulk acoustic wave resonator and a filter having a frequency trimming coil according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
벌크 음파(Bulk acoustic wave) 공진기 및 필터는 그 중심주파수가 압전체 박막의 두께에 의존한다. 이상적인 벌크 음파(bulk acoustic wave) 공진기 구조를 가정하면, ZnO 압전체 박막은 음파 속도(acoustic wave velocity)가 6000 m/sec이다. 이 때 2 GHz 공진기를 만들려면 1500 nm의 박막 두께를 요구하는데, 1 %의 박막 두께의 오차가 발생할 경우에도 주파수는 20 MHz의 오차가 발생하게 된다. 이러한 중심주파수의 빗나감을 보정해 주기 위한 본 발명에서는 압전체 박막에 자기장을 유도시켜 공진 주파수를 트리밍(trimming)하는 구조를 갖는 것이 특징이다. 이러한 특징은 도 4 및 도 5에 잘 나타나 있다.Bulk acoustic wave resonators and filters have a center frequency whose thickness depends on the thickness of the piezoelectric thin film. Assuming an ideal bulk acoustic wave resonator structure, the ZnO piezoelectric thin film has an acoustic wave velocity of 6000 m / sec. In this case, to make a 2 GHz resonator, a thin film thickness of 1500 nm is required. Even when an error of 1% thin film thickness occurs, an error of 20 MHz occurs. The present invention for correcting the deviation of the center frequency is characterized by having a structure for trimming the resonance frequency by inducing a magnetic field in the piezoelectric thin film. This feature is well illustrated in FIGS. 4 and 5.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터의 구조를 보여주는 평면도 및 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기는, 기본적으로 상부 전극판(1a) 및 하부 전극판(1b) 사이에 압전체 박막(2)이 삽입되고, 이 두 전극판 사이의 압전체 박막(2)에 자기장을 형성할 수 있도록 하는 자기장 유도 코일(3)을 배치한 것이 특징이다.4 and 5 are a plan view and a vertical sectional view showing the structure of a bulk acoustic wave resonator and a filter having a frequency trimming coil according to the present invention, respectively. As shown, a bulk acoustic wave resonator having a frequency trimming coil according to the present invention basically has a piezoelectric thin film 2 inserted between an upper electrode plate 1a and a lower electrode plate 1b, and between these two electrode plates. The magnetic field induction coil (3) is arranged so as to form a magnetic field in the piezoelectric thin film (2).
이러한 구조의 일실시예로서의 공진기 구조는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스로서 반도체 기판(4)이 사용된다. 이 반도체 기판(4) 상에 하부 전극판(1b) 및 하부 전극판(1b)의 외곽에 원형의 자기장 유도 코일(3)이 형성된다. 이 하부 전극판(1b) 및 자기장 유도 코일(3) 상에 압전체 박막(2)이 형성되고, 이 압전체 박막(2) 상에 상부 전극판(1a)이 하부 전극판(1b)과 마주보도록 형성된다. 여기서, 자기장 유도 코일(3)은 하부 전극판(1b)의 둘레에 원형으로 형성되기도 하지만, 상부 전극판(1a)의 둘레에 원형으로 형성되어도 무방하며, 더욱이 평면적으로 보아 두 전극판(1a, 1b)의 외곽이면서 단면적으로 보아 압전체 박막(2)의 중간에 형성되어도 무방하다.In the resonator structure as one embodiment of this structure, as shown in Figs. 4 and 5, the semiconductor substrate 4 is used as a base. On the semiconductor substrate 4, a circular magnetic field induction coil 3 is formed outside the lower electrode plate 1b and the lower electrode plate 1b. The piezoelectric thin film 2 is formed on the lower electrode plate 1b and the magnetic field induction coil 3, and the upper electrode plate 1a is formed on the piezoelectric thin film 2 so as to face the lower electrode plate 1b. do. Here, the magnetic field induction coil 3 may be formed in a circular shape around the lower electrode plate 1b, but may be formed in a circular shape around the upper electrode plate 1a. In addition, the two electrode plates 1a, It may be formed in the middle of the piezoelectric thin film 2 in the cross-sectional view of 1b).
또한, 반도체 기판(4)은 도 6에 도시된 바와 같이, 브래그 반사층(Brag reflection)을 이용하거나, 도 7에 도시된 바와 같이, 에어 인터페이스(air interface)를 사용하기도 하며, 도 8에 도시된 바와 같이, 에어 갭(air gap)을 사용할 수도 있다.In addition, the semiconductor substrate 4 may use a Bragg reflection layer, as shown in FIG. 6, or may use an air interface, as shown in FIG. 7. As such, an air gap may be used.
에어 갭을 반사층으로 사용했을 경우에는 반사계수가 크기 때문에 에너지가압전체에 집중되나 압전체 박막을 지지하는 층이 없어서 물리적으로 매우 약한 상태, 즉 충격에 약한 상태가 된다. 그러나 이상적인 브래그 반사층을 사용하면 에어갭과 같은 반사계수를 가지며 외부 충격에 강한 안정한 상태가 되기 때문에 선호되는 구조이다.When the air gap is used as a reflective layer, the reflection coefficient is large, so that the energy gap is concentrated on the energized piezoelectric body, but there is no layer supporting the piezoelectric thin film, so that the air gap is physically very weak, that is, it is weak to impact. However, the ideal Bragg reflective layer is the preferred structure because it has the same reflection coefficient as the air gap and is stable to external shocks.
또한, 상부 및 하부 전극판(1a, 1b)은 압전체 박막(2)에서 음파(acoustic wave)가 발생할 수 있도록 전기적인 신호가 가해지는 전극판으로 압전체 박막의 양단에 Au, Al, Cu 및 Pt 등과 같은 전도도가 높은 물질로 형성된다.In addition, the upper and lower electrode plates 1a and 1b are electrode plates to which electrical signals are applied to generate acoustic waves in the piezoelectric thin film 2, and Au, Al, Cu, Pt, etc., are formed at both ends of the piezoelectric thin film. It is formed of the same high conductivity material.
또한, 자기장 유도 코일(3)은 Au, Al, Cu 및 Pt 등과 같은 전도도가 높은 물질로 원형에 가깝게 형성되어 그 내부에 트리밍이 가능할 만큼의 고밀도 자기장이 균일하게 형성될 수 있도록 한다.In addition, the magnetic field induction coil 3 is formed of a material having high conductivity, such as Au, Al, Cu, and Pt, so that a high density magnetic field capable of trimming can be uniformly formed therein.
그리고, 압전체 박막(2)은 음파(acoustic wave)가 발생할 수 있도록 AlN, ZnO, PZT, LiNbO3, BaMnF4, MgAlO4, Al2O3등과 같은 압전물질로 형성된다.In addition, the piezoelectric thin film 2 is formed of a piezoelectric material such as AlN, ZnO, PZT, LiNbO 3 , BaMnF 4 , MgAlO 4 , Al 2 O 3, or the like to generate an acoustic wave.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 트리밍 코일을 갖는 벌크 음파 공진기 및 필터는, 반도체 기판; 반도체 기판 상에 형성된 하부 전극판; 하부 전극판 상에 형성된 압전체 박막; 압전체 박막 상에 형성된 상부 전극판; 및 두 전극판 중 적어도 어느 한 전극판의 가장자리에 압전체 박막에 자기장을 인가하기 위한 자기장 유도 코일;을 구비함으로써, 제조 공정시 형성된 압전체 박막에 두께 차이가 발생하더라도 자기장 유도 코일로서 압전체 박막에 자기장을 인가하여 원하는 주파수의 신호에 공진되거나 원하는 주파수의 신호를 필터링 할 수 있도록 그 사용주파수를 정밀하게 트리밍하여 사용할 수 있는 장점이 있다.As described above, the bulk acoustic wave resonator and the filter having the frequency trimming coil according to the present invention include a semiconductor substrate; A lower electrode plate formed on the semiconductor substrate; A piezoelectric thin film formed on the lower electrode plate; An upper electrode plate formed on the piezoelectric thin film; And a magnetic field induction coil for applying a magnetic field to the piezoelectric thin film at the edge of at least one of the two electrode plates, so that a magnetic field is applied to the piezoelectric thin film as a magnetic field induction coil even if a thickness difference occurs in the piezoelectric thin film formed during the manufacturing process. There is an advantage that can be used by precisely trimming the frequency used so that it can be resonated to the signal of the desired frequency by applying or to filter the signal of the desired frequency.
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