KR100398365B1

KR100398365B1 - 폭방향 파동이 억제되는 박막 공진기

Info

Publication number: KR100398365B1
Application number: KR10-2001-0036162A
Authority: KR
Inventors: 양두열; 김홍욱
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-09-19
Also published as: US6693500B2; US20020196103A1; KR20030000401A; JP2003017974A

Abstract

본 발명은 박막 공진기(film bulk acoustic resonator; FBAR)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박막 공진기(40)는 기판(a substrate)(41)와, 상기 기판 상에 형성되어 일정한 공간(air gap)(47)을 형성한 지지층(membrane)(46), 상기 지지층 상에 형성된 압전층(42) 및 일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 상기 압전층의 양면에 형성된 한쌍의 전극들(43)(44)을 포함한다. 본 발명에서 상기 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선으로 구성된다. 이러한 박막 공진기(40)은 횡방향 진동(lateral mode)의 영향을 감소시킨 개선된 FBAR을 제공함에 있다.

Description

폭방향 파동이 억제되는 박막 공진기{Film Bulk Acoustic Resonator with Improved Lateral Mode Suppression}

본 발명은 박막 공진기(film bulk acoustic resonator; 이하, 단지 `FBAR')에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 횡방향 진동의 영향을 감소시킨 개선된 FBAR에 관한 것이다.

최근들어 캐리어 주파수 대역범위가 900㎒∼3㎓인 휴대용 통신시스템에 내장되는 RF(radio frequency) 필터 수요가 급속히 증가하고 있다. RF 필터는 유전체 필터와 SAW(surface acoustic wave) 필터가 있지만, 최근 단일 칩 실현을 위해 반도체 박막기술을 이용한 FBAR 필터 기술이 개발되고 있다.

도1은 이러한 박막기술로 제조된 FBAR의 일반적인 구조를 보이고 있다. 도1a는 그 정단면도이고, 도1b는 평면도이다. FBAR(10)은 도1에 도시된 바와 같이, ZnO나 AlN 등과 같은 압전재료로 만든 압전층(12)이 기판(11) 위에 마련되고, 상기 압전층(12)의 윗면과 아래면에 금속전극(13)(14)이 부착되어 하나의 공진기를 구성한다. 이러한 FBAR은 전극(13)(14)을 통해 압전층(12)에 입력 전달된 전기적 에너지의 일부를 기계적 에너지로 변환하고 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 압전층의 두께에 의해 조절되는 공진주파수 주변의 신호만을 통과시키는 역할을 한다.

FBAR은 압전층의 두께 방향 공진 특성을 이용한다. 이상적으로는 FBAR에서 압전층에 두께 방향 파동만 존재하는 것이 바람직하다. 폭방향 파동(tranversemode)이 발생하는 FBAR은, 도2와 같이, 공진주파수 주변에서 주파수에 대한 삽입손실(insertion loss) 곡선에 갑작스런 피크가 발생하거나 특성 곡선이 부드럽지 않고 노이즈 발생과 유사하게 요철이 발생하는 특성을 보인다. 보통 FBAR의 두께는 약 0.5~ 3.0㎛ 정도이고, 압전층의 폭은 약 30~ 300㎛ 정도이다. FBAR에서 두께에 대한 폭의 비는 대개 약 1/500~ 1/50 정도로, 압전층의 폭에 비해 두께가 매우 작다. 압전층의 두께에 대한 폭의 비율이 작으면 대체로 압전층의 폭방향 파동은 무시할만하다. 그러나, 공진기의 면적을 감소시키기 위해 폭을 줄여서 두께 대 폭의 비율이 커지면 압전층의 두께 방향 진동 특성에 영향을 미치게 된다. 특히, 도1b와 같이, FBAR(10)의 전극(13)의 마주보는 두변이 평행한 경우 한 변에서 발생한 폭방향 파동(15)이 대향한 변에서 반사되어 서로 중첩을 일으킨다. 이렇게 폭방향 파동이 중첩되어 증폭되면 아주 작은 진폭의 폭방향 파동도 압전층의 두께 방향 진동 특성에 영향을 미치게 된다.

이러한 폭방향 파동을 억제하기 위하여 미국 특허 제6,150,703호에는 도3에 도시된 바와 같이, FBAR의 전극(23) 또는 압전층(22)의 외곽선의 어느 두변도 서로 평행하지 않은 직선으로 구성한 FBAR(20)이 개시되어 있다.

또한, 미국 특허 제6,215,375호에는 도4와 같이, 전극(33)을 어느 두변도 서로 평행하지 않은 불규칙한 다각형(irregular polygon)으로 구성한 FBAR(30)이 개시되어 있다. 이 FBAR은 어느 임의의 한점에서 출발한 폭방향 파동(35)이 서로 중첩되지 않도록 하여 폭방향 파동을 크게 억제하는데 매우 효과적이다.

그러나, 상기 종래의 FBAR들은 전극의 모든 변들이 직선으로 구성되어 있기때문에 여전히 인접한 파동간의 중첩이 발생될 수 있다. 폭방향 파동이 중첩되어 증폭되면 아주 작은 진폭의 폭방향 파동도 압전층의 두께 방향 진동 특성에 영향을 미치게 된다.

본 발명의 목적은 폭방향 진동이 억제되어 요철이 없는 곡선이 부드러운 특성을 보이는 개선된 박막 공진기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 그러한 박막 공진기를 다수개 연결한 통과 대역 필터를 제공함에 있다.

도1은 일반적인 박막공진기(FBAR)의 구조로서, 도1a는 정단면도이고, 도1b는 평면도이다.

도2는 전형적인 FBAR의 주파수 특성 그래프이다.

도3은 종래의 FBAR에 대한 전극 형상이다.

도4는 종래의 FBAR에 대한 다른 전극 형상이다.

도5는 본 발명에 따른 FBAR의 구조도로서, 도5a는 FBAR의 정단면도이고, 도5b는 부분 평면도이다.

도6은 본 발명에 따른 FBAR의 다른 전극 형상이다.

도7은 본 발명에 따른 FBAR의 또 다른 전극 형상이다.

도8은 본 발명에 따른 FBAR의 또 다른 전극 형상이다.

도9는 본 발명에 따른 FBAR의 또 다른 전극 형상이다.

도10은 일반적인 SBAR의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

40 ..... FBAR 41 ..... 기판 42 ..... 압전층

43, 44 ..... 전극 46 ..... 지지층

본 발명에 따른 박막 공진기는

기판(a substrate);

상기 기판 상에 형성되어 일정한 공간(air gap)을 형성한 지지층;

상기 지지층 상에 형성된 압전층 및

일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 상기 압전층의 양면에 형성된 한쌍의 전극들을 포함하고, 그리고

상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선으로 구성된다.

또한, 본 발명의 박막 공진기는

기판;

상기 기판 상에 형성되어 일정한 공간을 형성한 지지층;

상기 지지층 상에 형성된 적어도 2개 이상의 압전층들 및

일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 상기 각 압전층들의 양면에 형성된 한쌍의 전극들을 포함하고, 그리고

또한, 본 발명의 필터는 상기한 박막공진기들이 직렬 또는 병렬로 연결하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 FBAR은 FBAR의 폭방향 파동이 서로 평행한 변으로 인해 중첩되어 증폭되는 것을 억제함은 물론 인접한 파동이 서로 증폭되는 것을 억제하기 위해 FBAR의 한쌍의 전극들 또는 압전층의 변들이 모두 곡선으로 구성된다.

도5는 본 발명에 따른 FBAR의 일례로서, 도5a는 FBAR의 정단면도이고, 도5b는 편의상 도5a의 FBAR의 상부전극 및 압전층 일부를 보이는 평면도이다.

본 발명에 따른 FBAR은, 도5a에 도시된 바와 같이, 크게 기판(41)와, 그 기판 상에 형성된 지지층(46), 압전층(42) 및 한쌍의 전극들(43)(44)을 포함하여 구성된다.

상기 기판은 일반적으로 반도체 기판으로 사용되는 Si나 GaAs 등을 사용할 수 있다.

상기 지지층은 기판(41) 위에 형성되며, FBAR(40)의 하부전극(44) 아래에는 일정한 공간(air gap)을 유지하고 있다. 결국, 그 공간 위에 FBAR의 압전층(42)이 매달려 있게 되어 압전층의 진동이 자유롭게 된다. 지지층으로는 보통 SiO₂와 같은 세라믹 재료를 사용할 수 있다.

상기 압전층(42)은 ZnO나 AlN과 같은 압전물질을 스퍼터링과 같은 증착방법을 통해 형성된다. 본 발명에서 압전층의 모든 변들은 곡선으로 구성될 수 있다.

상기 압전층의 양면에 형성되는 한쌍의 전극들(43)(44)은 적어도 일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 형성된다. 중요한 것은 상기 한쌍의 전극들의 변들은 모두 곡선으로 구성된다.

이러한 구조를 갖는 FBAR은 전극(43)(44)을 통해 압전층(42)에 입력 전달된 전기적 에너지의 일부를 기계적 에너지로 변환하고 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 도5b와 같이, 각 변의 어느 한점에서 폭방향 파동(45)이 발생되더라도 파동이 전파되는 과정에서 주변의 다른 파동과 간섭을 일으켜 상쇄된다. 이에 따라 압전층의 두께에 의해 조절되는 공진주파수 주변의 신호만을 통과시킨다.

도6은 본 발명에 따른 다른 FBAR의 구조를 보이고 있다. 이후부터 본 발명에 따른 FBAR을 설명함에 있어 편의상 도면에서 FBAR의 상부전극과 압전층에 대한 부분적인 평면도만을 제시하였다. 도6에 제시된 FBAR(50)은 도5의 FBAR(40)을 보다 개선한 실시태양이다. 즉, 도5에서와 같은 FBAR(40)에서는 압전층(42) 또는 전극(43)의 곡선중 임의의 한점에서 발생하는 폭방향 파동(45a)이 대향하는 곡선에 대하여 서로 법선이 평행한 경우 상호간 발생한 폭방향 파동이 서로 중첩될 수 있다. 도6에서와 같은 FBAR(50)은 이러한 현상을 방지할 수 있도록 압전층(52) 또는 상부전극(53)의 변들을 모두 곡선으로 하면서 곡선 내에서 이점쇄선으로 이루어진 가상적인 다각형(reference polygon)(58)의 형상을 평행사변형이 되도록 압전층 또는 전극의 형상을 변경한 것이다.

도7은 도6의 FBAR의 구조를 보다 개선한 FBAR에 대한 또 다른 실시태양을 보이고 있다. 도6의 FBAR 구조는 곡선 내의 가상적인 평행사변형의 대각선에 대하여 공진기의 형상이 선대칭이므로 이로 인해 곡선중 일부분에서 폭방향 파동이 반사 중첩을 일으킬 가능성이 있다. 도7에 제시된 FBAR(60)은 도6의 FBAR(50)의 구조와는 달리, 가상적인 다각형(68)이 어느 변도 서로 평행하지 않도록 하여 압전층(62) 또는 전극(63)의 변들이 모두 곡선이다. 구체적으로 본 발명에 의한 FBAR(60)은 압전층 또는 전극들의 모든 변들이 곡선이며, 그 곡선들로 이루어지는 내부의 가상적인 다각형(68)은 불규칙한 형상을 갖도록 함이 바람직하다. 다시말하면, 본 발명의 박막 공진기는, 상 하부전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선이고 그 곡선 위의 임의의 점에서의 폭방향 파동(65)인 법선을 연장하여 대향하는 곡선과 만나는 점에서의 반사되는 파동(65a)인 법선과 이루는 각도(θ)가 0이 안 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 각도는 0보다 크고 180도보다 적을 것이다.

이상의 박막 공진기들은 상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선이면서 그 곡선들은 외측으로 볼록한 특징이 있다. 그러나, 본 발명에서는 FBAR의 압전층 또는 전극 형상을 이루는 곡선들의 모양을 다양하게 할 수도 있다. 도8은 그러한 FBAR의 일례를 보이고 있다. 즉, 도8에서 제시된 FBAR(70)은 압전층(72) 또는 전극(73)의 형상을 이루는 곡선의 곡률에 변화를 준 것이다. 도8의 FBAR에서는 상기 곡선은 외측으로 볼록하다가 오목한 형상으로 변화되는, 마치 정현파(sine wave) 형태를 이루고 있다. 이러한 구조를 갖는 FBAR은 어느 한 점에서 발생한 폭방향 파동의 반사각도를 변화시키고 결과적으로 폭방향 파동의 중첩을 막을 수 있다. 그러나, 가장 바람직하게는 도9에 제시된 FBAR(80)과 같이, 압전층(82) 또는 전극(83)의 형상을 이루는 곡선 내의 다각형이 불규칙한 모양을 갖도록 전극 또는 압전층의 형상을 찌그러 뜨리는 것이다. 이러한 FBAR(80)은 폭방향 파동이 중첩되지 않고 인접한 파동 간에도 중첩되지 않고 간섭을 통해 상쇄된다.

한편, FBAR은 하나의 압전층으로 구성되지만, 2개 또는 그 이상의 압전층을 두께 방향으로 접합하여 음향학적으로 연결되도록 하면 적층 공진기(stacked bulk acoustic resonator; SBAR)가 된다. 도10는 일반적인 SBAR의 기본적인 구조를 보이고 있다. 도10에 도시된 SBAR(90)은 압전층(92)의 공진주파수에서 전극(93)(93a)에 걸친 신호에 의해 압전층(92a)으로 음향 에너지를 전달하고, 압전층(92a)에서 기계적인 진동이 전극(93a)(94)에서 전기적 신호로 변환된다. 또한, 공진기의 공진주파수와 반공진주파수를 이용하여 몇개의 공진기를 직병렬로 연결하면 특정 주파수를 통과시키는 필터(pass band filter)가 된다. 따라서, 본 발명에서 모두 FBAR를 예로들어 설명했지만, 본 발명의 기술 사상은 상기 SBAR뿐만 아니라 FBAR이나 SBAR을 이용한 필터에도 동일하게 적용됨은 물론이다. 일례로, 도9와 같은 FBAR의 압전층 또는 전극의 형상을 동일하게 적용하여 SBAR의 압전층 또는 전극의 형상을 도9와 같이 구성할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 폭방향 진동이 억제되어 요철이 없는 곡선이 부드러운 특성을 보이는 개선된 박막 공진기를 제공한다.

Claims

기판(a substrate);

상기 기판 상에 형성되어 일정한 공간을 형성한 지지층;

상기 지지층 상에 형성된 압전층; 및

일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 상기 압전층의 양면에 형성된 한쌍의 전극들을 포함하고, 그리고

상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선이고 그 곡선 위의 임의의 점에서의 법선을 연장하여 대향하는 곡선과 만나는 점에서의 법선과 이루는 각도가 0이 아닌 것으로 구성된 박막 공진기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 각도는 0보다 크고 180도보다 적음을 특징으로 하는 박막 공진기.
제1항에 있어서, 상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선이고, 그 곡선은 외측으로 볼록함을 특징으로 하는 박막 공진기.
제1항에 있어서, 상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선이고, 그 곡선은 정현파(sine wave) 형태임을 특징으로 하는 박막 공진기.
기판(a substrate);

상기 기판 상에 형성되어 일정한 공간을 형성한 지지층;

상기 지지층 상에 형성된 적어도 2개 이상의 압전층들; 및

일부가 서로 대향하여 겹쳐지도록 상기 각 압전층들의 양면에 형성된 한쌍의 전극들을 포함하고, 그리고

상기 한쌍의 전극들 또는 압전층의 모든 변들은 곡선으로 구성된 박막 공진기.
삭제