KR100446724B1 - Thinfilm bulk acoustic resonator and bandpass filter/duplexer using the thinfilm bulk acoustic resonator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 벌크 어쿠스틱 공진기 및 이를 이용한 대역통과필터와 듀플렉서 구조에 관한 것으로, 종래에는 그 TFBAR의 공진주파수를 변경하기 위해서는 압전층의 두께를 변경해야 하며, 일단 제조된 TFBAR은 그 공진주파수를 변경하는 것이 불가능하여 수율이 저하되는 문제점과 아울러 그 TFBAR을 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서는 공진주파수가 각기 다른 복수의 TFBAR을 사용해야 함으로써, 하나의 기판상에 제조할 수 없어 그 크기가 증가하며, 제조비용이 증가함과 아울러 각 TFBAR의 튜닝이 용이하지 않은 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 지지층과; 상기 지지층의 하측 주변부에 위치하는 기판과; 상기 지지층 상에 순차적층되어 위치하는 하부전극, 압전층, 상부전극과; 상기 하부전극에 대향하는 지지층 저면에 위치하는 전극으로 TFBAR을 구성하여 그 전극의 두께를 이용하여 TFBAR의 공진주파수를 조절하며, 그 TFBAR을 이용하여 동일한 기판상에 대역통과필터와 듀플렉서를 구성하여, TFBAR의 공진주파수를 용이하게 설정 및 튜닝할 수 있으며, 이를 이용한 대역통과필터 및 듀플렉서를 동일 기판상에 실장함으로써, 다른 회로와의 집적이 가능해져 제조비용을 절감하고, 전체 크기를 줄일 수 있는 효과와 아울러 그 회로의 튜닝을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a thin film bulk acoustic resonator, and a band pass filter and a duplexer structure using the same. Conventionally, in order to change the resonance frequency of the TFBAR, the thickness of the piezoelectric layer must be changed, and the manufactured TFBAR changes its resonance frequency. In addition to the problem that yield is lowered due to impossibility, the bandpass filter and duplexer using the TFBAR requires the use of a plurality of TFBARs having different resonance frequencies, which cannot be manufactured on a single substrate, thereby increasing the size and manufacturing cost. In addition to this increase, there was a problem in that tuning of each TFBAR was not easy. The present invention in view of the above problems and the support layer; A substrate located at a lower periphery of the support layer; A lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode sequentially disposed on the support layer; The TFBAR is formed of an electrode located on the bottom of the support layer facing the lower electrode, and the resonant frequency of the TFBAR is controlled by using the thickness of the electrode, and the bandpass filter and duplexer are configured on the same substrate by using the TFBAR. The resonance frequency of TFBAR can be easily set and tuned, and by using the band pass filter and duplexer mounted on the same board, integration with other circuits is possible, which reduces manufacturing cost and reduces the overall size. In addition, there is an effect that can easily tune the circuit.
Description
본 발명은 박막 벌크 어쿠스틱 공진기와 이를 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서 구조에 관한 것으로, 특히 동일 기판 상에 밴드패스필터 및 듀플렉서를 형성함과 아울러 각 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 튜닝을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 박막 벌크 어쿠스틱 공진기 및 이를 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film bulk acoustic resonator, a band pass filter and a duplexer structure using the same, and in particular, to form a band pass filter and a duplexer on the same substrate and to easily tune each thin film bulk acoustic resonator. A thin film bulk acoustic resonator and a bandpass filter and a duplexer structure using the same are provided.
RF 무선이동통신 부품 중 필터는 핵심 수동부품 가운데 하나로 무수히 많은 공중파중 이용자가 필요로하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 걸러주는 기능을 한다. 박막 벌크 어쿠스틱공진기를 이용한 필터는 반도체 기판인 실리콘 이나 갈륨비소 기판에 제작이 가능하며, 유전체 필터 및 집중 정수(LC) 필터 보다 수백분의 1이하 크기로 소형화가 가능하고 탄성파 소자보다 삽입손실이 매우작은 장점이 있다. 특히 MMIC(MONOLITHIC MICROWAVE INTERGRATED CIRCUIT)와 집적이 가능하여 소형의 장치에 적용이 용이한 장점이 있다.Among RF wireless mobile communication components, the filter is one of the key passive components, and it functions to filter the signal to be transmitted or to select a signal that is required by a myriad of air users. Filters using thin film bulk acoustic resonators can be fabricated on silicon or gallium arsenide substrates, which can be downsized to less than a hundredth of the size of dielectric filters and concentrated constant (LC) filters. There is a small advantage. In particular, it is possible to integrate with MMIC (MONOLITHIC MICROWAVE INTERGRATED CIRCUIT), which makes it easy to apply to small devices.
도1은 종래 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 금속인 하부전극(3)과, 압전물질층인 압전층(4), 금속인 상부전극(5)이 순차적으로 적층된 형태를 보인다.1 is a cross-sectional view of a conventional thin film bulk acoustic resonator, in which a lower electrode 3 made of metal, a piezoelectric layer 4 made of a piezoelectric material layer, and an upper electrode 5 made of metal are sequentially stacked. see.
이와 같은 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 공진주파수를 변경하기 위해서는 상기 압전물질층인 압전층(4)의 두께를 조절한다.In order to change the resonant frequency of the thin film bulk acoustic resonator, the thickness of the piezoelectric layer 4, which is the piezoelectric material layer, is adjusted.
도2는 상기 도1에 도시한 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 등가회로도서, 이에 도시한 바와 같이 인덕터(Lm), 저항(Rm) 및 커패시터(Cm)가 직렬접속되고, 상호 직렬접속되어, 상기 인덕터(Lm), 저항(Rm) 및 커패시터(Cm)와는 병렬접속되는 저항(Rp) 및 커패시터(Cp)로 구성된다.FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the thin film bulk acoustic resonator shown in FIG. 1, in which an inductor Lm, a resistor Rm, and a capacitor Cm are connected in series and connected in series to each other. Lm), resistor Rm and capacitor Cm are composed of resistor Rp and capacitor Cp connected in parallel.
이와 같은 회로성분에서 특성이 우수한 공진기를 획득하기 위해서는 인덕터(Lm)와 커패시터(Cm)의 값을 크게 하고, 저항(Rm, Rp)과 커패시터(Cp)의 값을 최대한 줄여야 한다.In order to obtain a resonator having excellent characteristics in such a circuit component, the values of the inductor Lm and the capacitor Cm must be increased, and the values of the resistors Rm, Rp and capacitor Cp should be reduced as much as possible.
상기의 등가회로에서 나타난 회로성분의 특성을 만족시키기 위해서 상기 도1의 기본적인 구조에서 그 구조를 변형하였으며, 이를 도3과 도4에 도시하였다.In order to satisfy the characteristics of the circuit components shown in the equivalent circuit, the structure was modified from the basic structure of FIG. 1, which is illustrated in FIGS.
도3은 박막 벌크 어쿠스틱 공진기(이하, TFBAR)의 일실시 단면도인 멤브레인형 TFBAR의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부전면에 절연막(2)이 위치하고, 그 절연막(2) 상에 하부전극(3), 압전층(4) 및 상부전극(5)이 적층된 TFBAR이 위치하며, 상기 TFBAR의 하측 기판(1)을 선택적으로 제거한 구조로서, 상기 TFBAR의 탄성파가 기판(1)을 통해 손실되는 것을 방지하는 구조를 나타낸다.FIG. 3 is a cross-sectional view of a membrane-type TFBAR, which is an embodiment of a thin film bulk acoustic resonator (hereinafter referred to as TFBAR), in which an insulating film 2 is positioned on the upper surface of the substrate 1, and the upper surface of the insulating film 2 is shown. A TFBAR having a lower electrode 3, a piezoelectric layer 4, and an upper electrode 5 stacked thereon is disposed, and the lower substrate 1 of the TFBAR is selectively removed, and the elastic wave of the TFBAR is disposed on the substrate 1 Represents a structure that prevents the loss through.
이러한 멤브레인형 TFBAR은 소자를 제작하는 방법이 간단하지만 소자를 절단하는 과정에서 멤브레인으로 인한 소자 자체의 강도가 약해 불량이 발생하는 점과 멤브레인에 의한 음파 에너지의 손실로 공진특성이 저하되며, 기판을 식각하는 시간이 길다는 단점이 있으나, 제작이 용이하여 현재 가장 많이 사용하는 구조이다.The membrane-type TFBAR has a simple method of fabricating a device, but in the process of cutting the device, the strength of the device itself is weak due to the membrane, which causes defects, and the resonance characteristic is degraded due to loss of sound energy by the membrane. There is a disadvantage that the etching time is long, but it is easy to manufacture, which is the most used structure at present.
또한, 도4는 에어갭형의 TFBAR의 단면도로서, 기판(1) 상에 일부가 접하고, 그 중앙부는 이격된 절연막(2)과, 상기 기판(1)과 이격된 절연막(2) 영역의 상부에 하부전극(3), 압전층(4) 및 상부전극(5)이 적층된 TFBAR로 구성된다.FIG. 4 is a cross-sectional view of the air gap type TFBAR, in which a portion is in contact with the substrate 1 and the center portion thereof is spaced apart from the insulating film 2 spaced apart from the substrate 1. The lower electrode 3, the piezoelectric layer 4, and the upper electrode 5 are composed of a stacked TFBAR.
이는 기판(1)으로의 탄성파 손실을 방지하기 위해 절연막 등의 희생층을 사용하여 절연막(2)에 에어갭을 형성한 구조를 가진다. 이러한 구조는 마이크로머시닝 기술을 이용, 기판(1)의 표면에 희생층을 형성하고, 에어갭을 만든 것이며, 이는 멤브레인법에서 기판의 식각시간에 비해 공정 시간이 짧고 소자의 면적을 줄일 수 있으나, 희생층 상에 소자를 제작하므로 공정 조건인 온도와 식각의 선택도 등이 제한적이어서 수율이 감소할 수 있다.This has a structure in which an air gap is formed in the insulating film 2 by using a sacrificial layer such as an insulating film in order to prevent the loss of the acoustic wave to the substrate 1. This structure uses a micromachining technique to form a sacrificial layer on the surface of the substrate 1 and to form an air gap, which is shorter in process time and smaller in area than the etching time of the substrate in the membrane method. Since the device is fabricated on the sacrificial layer, the yield may be reduced because the process conditions such as temperature and etching selectivity are limited.
상기 예시한 종래의 TFBAR의 구조는 모두 압전층(4)의 두께를 이용하여 TFBAR의 공진주파수를 조절하는 것이다.The structure of the conventional TFBAR exemplified above is to adjust the resonance frequency of the TFBAR using the thickness of the piezoelectric layer 4.
이러한 종래의 TFBAR을 이용하여 밴드패스필터를 구현하는 방법은 다수의 TFBAR을 직렬연결하고, 그 직렬연결된 TFBAR의 입력단측에 일측이 연결되며 타측은 공통전압을 인가받은 다수의 병렬접속된 TFBAR로 구성된다. 이때 밴드패스필터의 특징은 상기 직렬연결된 TFBAR의 공진주파수와 병렬연결된 TFBAR의 공진주파수가 다르다는 것이며, 이에 의해 종래에는 상기 직렬연결된 TFBAR과 병렬연결된 TFBAR을 서로다른 기판상에 구현하고, 이를 전기적으로 연결하여 사용하였다.The conventional method for implementing a bandpass filter using TFBAR consists of connecting a plurality of TFBARs in series, one side of which is connected to an input terminal side of the series-connected TFBARs, and the other side of the plurality of parallel connected TFBARs. do. At this time, the characteristic of the band pass filter is that the resonant frequency of the series-connected TFBAR and the resonant frequency of the TFBAR connected in parallel are different, whereby conventionally implementing the series-connected TFBAR and the TFBAR connected in parallel on different substrates, and electrically connecting them. Was used.
이에 따라 서로다른 기판을 사용함으로써, 다른 회로와의 집적이 불가능해져 그 크기가 커짐과 아울러 제조비용이 증가하고, 직렬연결된 TFBAR과 병렬연결된 TFBAR의 튜닝이 용이하지 않은 문제점이 발생한다.Accordingly, by using different substrates, integration with other circuits becomes impossible, the size thereof increases, manufacturing costs increase, and a problem in that tuning of a TFBAR connected in series and a TFBAR connected in parallel occurs.
이는 서로다른 중심 주파수를 가지는 두 밴드패스필터의 조합으로 구성되는 듀플렉서의 구성에서도 나타나는 현상이며, 그 듀플렉서의 제조를 위해서는 서로다른 공진주파수를 가지는 4 종류의 TFBAR을 사용해야 함으로써, 동일기판상에 제조할 수 없어 위의 문제점이 심화되어 나타나게 된다.This phenomenon is also shown in the configuration of a duplexer composed of a combination of two band pass filters having different center frequencies. In order to manufacture the duplexer, four types of TFBARs having different resonant frequencies must be used. The problem above can be exacerbated.
상기한 바와 같이 종래 TFBAR과 그 TFBAR을 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서는 그 TFBAR의 공진주파수를 변경하기 위해서는 압전층의 두께를 변경해야 하며, 일단 제조된 TFBAR은 그 공진주파수를 변경하는 것이 불가능하여 수율이 저하되는 문제점과 아울러 그 TFBAR을 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서는 공진주파수가 각기 다른 복수의 TFBAR을 사용해야 함으로써, 하나의 기판상에 제조할 수 없어 그 크기가 증가하며, 제조비용이 증가함과 아울러 각 TFBAR의 튜닝이 용이하지 않은 문제점이 있었다.As described above, the bandpass filter and duplexer using the TFBAR and the TFBAR have to change the thickness of the piezoelectric layer in order to change the resonance frequency of the TFBAR. In addition to this deterioration problem, the bandpass filter and the duplexer using the TFBAR have to use a plurality of TFBARs having different resonance frequencies, which cannot be manufactured on a single substrate, which increases the size and increases the manufacturing cost. There was a problem that tuning of each TFBAR was not easy.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 TFBAR의 공진주파수를 용이하게 설정 및 튜닝하며, 이를 이용하여 하나의 기판상에 밴드패스필터와 듀플렉서 각각을 제조할 수 있는 박막 벌크 어쿠스틱 공진기와 이를 이용한 밴드패스필터 및 듀플렉서 구조를 제공함에 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention easily sets and tunes a resonance frequency of a TFBAR, and a thin film bulk acoustic resonator capable of manufacturing a bandpass filter and a duplexer on a single substrate using the same, and a bandpass filter using the same, The purpose is to provide a duplexer structure.
도1은 종래 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional thin film bulk acoustic resonator.
도2는 종래 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 등가회로도.2 is an equivalent circuit diagram of a conventional thin film bulk acoustic resonator.
도3과 도4는 종래 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 다른 실시예도.3 and 4 show another embodiment of a conventional thin film bulk acoustic resonator.
도5a 내지 도5d는 각각 본 발명 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 일실시 단면도.5A to 5D are cross-sectional views of one embodiment of the present invention thin film bulk acoustic resonator.
도6은 박막 벌크 어쿠스틱 공진기를 이용한 듀플랙서의 회로도.6 is a circuit diagram of a duplexer using a thin film bulk acoustic resonator.
도7a 및 도7b는 각각 본 발명 박막 벌크 어쿠스틱 공진기를 이용한 대역통과필터의 일실시 단면도.7A and 7B are cross-sectional views of one embodiment of a bandpass filter using the present invention thin film bulk acoustic resonator.
도8은 본 발명 박막 벌크 어쿠스틱 공진기를 이용한 대역통과필터의 일실시 단면도.8 is a cross-sectional view of an embodiment of a bandpass filter using a thin film bulk acoustic resonator of the present invention.
도9는 도8의 상세 구성도.9 is a detailed block diagram of FIG. 8;
도10은 본 발명 박막 벌크 어쿠스틱 공진기를 이용한 듀플렉서의 일실시 단면도.10 is a cross-sectional view of one embodiment of a duplexer using the present invention thin film bulk acoustic resonator.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1:기판 2:지지층1: Substrate 2: Support layer
3:하부전극 4:압전층3: lower electrode 4: piezoelectric layer
5:상부전극 6:전극5: upper electrode 6: electrode
상기와 같은 목적은 지지층과; 상기 지지층의 하측 주변부에 위치하는 기판과; 상기 지지층 상에 순차적층되어 위치하는 하부전극, 압전층 및 상부전극과; 상기 하부전극에 대향하는 지지층 저면에 위치하는 전극으로 박막 벌크 어쿠스틱 공진기를 구현하고, 이를 이용하여 대역통과필터와 듀플랙서를 구현함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The above object is a support layer; A substrate located at a lower periphery of the support layer; A lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode which are sequentially layered on the support layer; This is achieved by implementing a thin film bulk acoustic resonator as an electrode positioned on a bottom surface of the support layer opposite to the lower electrode, and implementing a band pass filter and a duplexer using the same, which will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Is as follows.
도5a 내지 도5d는 각각 본 발명 TFBAR의 일실시예도로서, 이에 도시한 바와 같이 압전층(4)의 두께는 고정시키고, 하부전극(3) 또는 상부전극(5)의 두께를 변경하거나(도5a), 상기 압전층(4)의 두께는 고정시키고, 하부전극(3) 또는 상부전극(5)의 물성을 변화시키거나(도5b), 압전층(4)과 하부전극(3) 및 상부전극(5)의 두께 및 물성은 고정시키고, 하부전극(3)의 하부측에 위치하는 절연층인 지지층(2)의 두께를 변경하여 그 공진주파수를 변경시키거나(도5c), 상기 지지층(2)으로 부터 상부전극(5) 까지의 적층구조를 변화시키지 않고, 상기 지지층(2)의 하측에 전극(6)을 더 포함시킴으로써, TFBAR의 공진주파수를 변경할 수 있게 된다.5A to 5D are diagrams illustrating one embodiment of the present invention TFBAR, and the thickness of the piezoelectric layer 4 is fixed, and the thickness of the lower electrode 3 or the upper electrode 5 is changed as shown in FIG. 5a), the thickness of the piezoelectric layer 4 is fixed, and the physical properties of the lower electrode 3 or the upper electrode 5 are changed (FIG. 5B), or the piezoelectric layer 4 and the lower electrode 3 and the upper part are changed. The thickness and physical properties of the electrode 5 are fixed, and the resonant frequency thereof is changed by changing the thickness of the supporting layer 2, which is an insulating layer located on the lower side of the lower electrode 3 (FIG. 5C), or the supporting layer ( It is possible to change the resonance frequency of the TFBAR by further including the electrode 6 under the support layer 2 without changing the lamination structure from 2) to the upper electrode 5.
상기 도5a 내지 도5d에 나타낸 바와 같이 전극의 두께 및 물성의 변화, 지지층(2)의 두께변화, 지지층(2) 하부에 전극(6)의 추가 등을 실시하는 경우에는 상기 도2의 등가회로도에서 나타난 소자의 값이 변경되며, 이에 따라 TFBAR의 공진주파수가 변경된다.As shown in Figs. 5A to 5D, the equivalent circuit diagram of Fig. 2 is used to change the thickness and physical properties of the electrode, change the thickness of the support layer 2, and add the electrode 6 to the lower part of the support layer 2. The value of the device shown in is changed, and thus the resonance frequency of TFBAR is changed.
도6은 듀플렉서의 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이 안테나(ANT)를 통해 송수신 되는 송수신신호를 각각 필터링하는 두 밴드패스 필터인 수신 밴드패스필터(Rx)와 송신 밴드패스필터(Tx)로 구성되며, 상기 수신 밴드패스 필터는 수신포트(Rx PORT)와 안테나(ANT) 사이에 직렬연결된 복수의 TFBAR(TFBAR1~TFBAR3)와; 상기 TFBAR(TFBAR1~3)의 접속점과 안테나(ANT)와 수신포트(Rx PORT)와의 접속점에 각각의 일측이 순차적으로 접속되고, 타측에 공통전압을 인가받은 다수의 TFBAR(TFBAR4~TFBAR7)로 구성되며, 송신 밴드패스필터(Tx)는 안테나(ANT)와 송신포트(Tx PORT) 사이에 직렬접속된 TFBAR(TFBAR8~TFBAR11)와; 상기 안테나(ANT)와 TFBAR(TFBAR8)의 접속점, TFBAR(TFBAR8,6)의 접속점에 일측이 접속되며, 타측에 공통전압이 인가되는 TFBAR(TFBAR12,TFBAR13)으로 구성된다.FIG. 6 is a circuit diagram of a duplexer. As shown in FIG. 6, a band band filter (Rx) and a transmission band pass filter (Tx), which are two band pass filters for respectively filtering transmission and reception signals transmitted and received through an antenna ANT, are illustrated in FIG. The reception bandpass filter includes a plurality of TFBARs (TFBAR1 to TFBAR3) connected in series between a reception port (Rx PORT) and an antenna (ANT); One side of each of the TFBARs (TFBAR1 to 3) and the connection points between the antenna ANT and the receiving port (Rx PORT) are sequentially connected, and the other side is composed of a plurality of TFBARs (TFBAR4 to TFBAR7) to which a common voltage is applied. The transmission band pass filter Tx includes TFBARs (TFBAR8 to TFBAR11) serially connected between the antenna ANT and the transmission port Tx PORT; One side is connected to the connection point of the antenna ANT and TFBAR (TFBAR8) and the connection point of the TFBAR (TFBAR8, 6), and consists of TFBAR (TFBAR12, TFBAR13) to which a common voltage is applied to the other side.
상기 복수의 TFBAR(TFBAR1~TFBAR3, TFBAR4~TFBAR7, TFBAR8~TFBAR11, TFBAR12~TFBAR13) 각각은 서로 다른 공진주파수를 가지며, 이에 따라 상기 수신 밴드패스필터(Rx)와 송신 밴드패스필터(Tx)는 그 중심주파수가 다르게 되어 원하는 주파수의 신호를 필터링하여 송수신 할 수 있게 된다. 그리고 도6의 설명중 미설명 부호 L은 인덕터를 나타내고, C는 커패시터를 나타낸다.Each of the plurality of TFBARs (TFBAR1 to TFBAR3, TFBAR4 to TFBAR7, TFBAR8 to TFBAR11, TFBAR12 to TFBAR13) has a different resonance frequency, and thus, the reception bandpass filter Rx and the transmission bandpass filter Tx Since the center frequency is different, the signal of the desired frequency can be filtered and transmitted. In the description of FIG. 6, reference numeral L denotes an inductor, and C denotes a capacitor.
도7a와 도7b는 각각 본 발명의 TFBAR을 이용한 밴드패스 필터의 일실시 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하나의 기판(1)상에 지지층(2)을 형성하고, 그 지지층(2) 상에 독립적인 하부전극(3)을 형성한 후, 그 하부전극(3) 상에 압전층(4)을 형성한 후, 상기 밴드패스필터에서 직렬연결된 TFBAR(S-TFBAR)과 병렬연결된 TFBAR(P-TFBAR)의 상부전극(5,5')의 두께를 다르게 형성하고, 상기 기판(1)의 하부측의 일부를 식각하여 상기 TFBAR의 하부측 지지층(2)을 노출시킨다.7A and 7B are cross-sectional views of one embodiment of a bandpass filter using the TFBAR of the present invention. As shown therein, a support layer 2 is formed on one substrate 1 and the support layer 2 is formed on the support layer 2. After the independent lower electrode 3 is formed, the piezoelectric layer 4 is formed on the lower electrode 3, and then the TFBAR (P−) connected in parallel with the TFBAR (S-TFBAR) connected in series in the band pass filter. The upper electrodes 5 and 5 'of the TFBAR are formed to have different thicknesses, and a portion of the lower side of the substrate 1 is etched to expose the lower support layer 2 of the TFBAR.
이와 같이 상기 상부전극(5,5')의 두께를 다르게 증착 또는 증착후 식각공정을 통해 설정함으로써, 서로 공진주파수가 다른 직렬연결 TFBAR(S-TFBAR)과 병렬연결 TFBAR(P-TFBAR)을 동일한 기판(1) 상에 형성할 수 있게 된다.Thus, by setting the thickness of the upper electrode (5, 5 ') differently through the deposition or post-deposition etching process, the series connection TFBAR (S-TFBAR) and the parallel connection TFBAR (P-TFBAR) with different resonance frequencies are the same It is possible to form on the substrate 1.
또한, 도7b에 도시한 실시예는 상부전극(5) 또는 하부전극(3)의 물성을 직렬연결된 TFBAR(S-TFBAR)과 병렬연결된 TFBAR(P-TFBAR) 각각에 대하여 다른 물질을 증착하여 형성함으로써, 서로 다른 공진주파수의 두 종류의 TFBAR을 동일 기판상에 형성할 수 있게 된다.In addition, the embodiment shown in FIG. 7B is formed by depositing a different material for each of the TFBARs (S-TFBAR) connected in series and the TFBARs (P-TFBAR) connected in parallel with the physical properties of the upper electrode 5 or the lower electrode 3. Thus, two kinds of TFBARs having different resonance frequencies can be formed on the same substrate.
도8은 본 발명 TFBAR을 이용한 대역통과필터의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 중앙부가 식각된 기판(1)과; 상기 기판(1)의 상부와 그 기판(1)의 사이에 노출된 지지층(2)과; 상기 기판(1)의 사이에 위치하는 지지층(2) 상에 위치하는 직렬접속된 TFBAR(S-TFBAR) 및 병렬접속된 TFBAR(P-TFBAR)과; 상기 기판(1)의 사이에서 하부측이 노출된 지지층(2) 중 직렬연결된 TFBAR(S-TFBAR)의 하부에 위치하는 지지층(2)의 저면에 위치하는 전극(6)으로 구성된다.8 is a cross-sectional view of the bandpass filter using the TFBAR of the present invention, and a substrate 1 having a central portion etched as shown therein; A support layer (2) exposed between the upper portion of the substrate (1) and the substrate (1); A series-connected TFBAR (S-TFBAR) and a parallel-connected TFBAR (P-TFBAR) positioned on a support layer (2) positioned between the substrate (1); It is composed of an electrode 6 located on the bottom of the support layer 2 positioned below the TFBAR (S-TFBAR) connected in series among the support layers 2 exposed on the lower side between the substrate 1.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 TFBAR을 이용한 대역통과 필터의 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a bandpass filter using the present invention TFBAR configured as described above will be described in more detail.
먼저, 실리콘 또는 갈륨비소 기판(1)의 상부에 산화/질화/산화(ONO)막 또는 저응력 질화막을 증착하여 지지층(2)을 형성한다.First, an oxide / nitride / oxide (ONO) film or a low stress nitride film is deposited on the silicon or gallium arsenide substrate 1 to form the support layer 2.
그 다음, 상기 지지층(2)의 상부에 금속을 증착하고, 패터닝하여 하부전극(3)을 형성한다. 상기 도8에서는 직렬연결되는 TFBAR(S-TFBAR)과 병렬접속되는 TFBAR(P-TFBAR)을 각각 하나씩만 도시하였지만, 실제로는 상기 도6에 도시한 바와 같이 다수개의 TFBAR을 형성한다.Next, a metal is deposited on the support layer 2 and patterned to form a lower electrode 3. In FIG. 8, only one TFBAR (S-TFBAR) connected in series and one TFBAR (P-TFBAR) connected in parallel are shown, but in reality, a plurality of TFBARs are formed as shown in FIG.
그 다음, 상기 구조의 상부전면에 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 강유전체(PZT) 등을 증착하고, 패터닝하여 상기 하부전극의 상부측에 위치하는 압전층(4)을 형성한다.Next, zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), ferroelectric (PZT), or the like is deposited on the upper surface of the structure and patterned to form a piezoelectric layer 4 positioned on the upper side of the lower electrode.
그 다음, 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고 패터닝하여 상부전극(5)을 형성한다.Next, a metal is deposited and patterned on the upper surface of the structure to form the upper electrode 5.
그 다음, 상기 기판(1)의 하부일부를 식각하여 상기 TFBAR이 위치하는 영역의 하부측 지지층(2)의 저면을 노출시킨다.Next, a portion of the lower portion of the substrate 1 is etched to expose the bottom surface of the lower support layer 2 in the region where the TFBAR is located.
이와 같이 제조된 실제 대역통과필터의 구조를 도9에 도시하였다.The structure of the actual bandpass filter manufactured as described above is shown in FIG.
상기의 제조공정을 통해 제조된 대역통과필터는 직렬접속된 TFBAR과 병렬접속된 TFBAR의 공진주파수가 모두 동일하여 그 대역통과필터로서 사용하기는 적합하지 않다.The band pass filter manufactured through the above manufacturing process has the same resonant frequency of the TFBAR connected in series and the TFBAR connected in parallel, so it is not suitable for use as the band pass filter.
그 다음, 상기 기판(1)의 하부측으로 증착마스크를 장착하여, 상기 직렬접속된 TFBAR(S-TFBAR)측의 지지층(2) 하부만을 선택적으로 노출시킨다.Then, a deposition mask is mounted on the lower side of the substrate 1 to selectively expose only the lower portion of the supporting layer 2 on the side of the serially connected TFBAR (S-TFBAR).
그 다음, 상기 노출된 TFBAR(S-TFBAR)의 하부측 지지층(2)의 저면에 금속을 증착하여 전극(6)을 형성한다.Then, an electrode 6 is formed by depositing a metal on the bottom surface of the lower support layer 2 of the exposed TFBAR (S-TFBAR).
이와 같이 상기 전극(6)을 형성하면, 상기 직렬접속된 TFBAR(S-TFBAR)은 공진주파수가 달라지게 된다.When the electrode 6 is formed as described above, the resonance frequency of the series-connected TFBAR (S-TFBAR) is changed.
상기한 바와 같이 본 발명 TFBAR을 이용한 대역통과필터 제조방법은 동일기판상에 동일한 프로세스를 통해 동일한 공진주파수를 가지는 직렬 및 병렬 접속되는 TFBAR을 형성하고, 그 TFBAR 중 특정한 TFBAR의 하부 지지층(2)의 저면에 전극(6)을 형성하여 공진주파수를 변경함으로써, 동일 기판상에 대역통과필터를 용이하게 제조할 수 있게 된다.As described above, the bandpass filter manufacturing method using the TFBAR of the present invention forms a TFBAR connected in series and parallel with the same resonant frequency through the same process on the same substrate, and the lower support layer 2 of the specific TFBAR among the TFBARs. By forming the electrode 6 on the bottom surface and changing the resonant frequency, it is possible to easily manufacture a band pass filter on the same substrate.
도10은 본 발명 TFBAR을 이용한 듀플렉서의 일실시 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상호 소정거리 이격된 기판(1)과; 상기 기판(1)의 상부측과 상기 기판(1)의 이격된 부분에 위치하는 지지층(2)과; 상기 지지층(2) 상에 위치하는 송신측 직렬연결된 TFBAR(Tx-S-TFBAR), 송신측 병렬연결된 TFBAR(Tx-P-TFBAR), 수신측 직렬연결된 TFBAR(Rx-S-TFBAR), 수신측 병렬연결된 TFBAR(Rx-P-TFBAR)과; 상기 송신측 TFBAR(Tx-S-TFBAR),(Tx-P-TFBAR)이 위치하는 지지층(2)의 하부에 위치하는 전극(6)으로 구성된다.10 is a cross-sectional view of a duplexer using the TFBAR of the present invention. A support layer (2) positioned on an upper side of the substrate (1) and on a spaced portion of the substrate (1); Transmitter side-connected TFBAR (Tx-S-TFBAR) located on the support layer (2), transmit-side parallel-connected TFBAR (Tx-P-TFBAR), receiver side serially connected TFBAR (Rx-S-TFBAR), receiver side TFBAR (Rx-P-TFBAR) connected in parallel; It consists of the electrode 6 located under the support layer 2 in which the said transmission side TFBAR (Tx-S-TFBAR) and (Tx-P-TFBAR) are located.
이하, 상기와 같은 본 발명 TFBAR을 이용한 듀플렉서 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, the duplexer manufacturing method using the present invention TFBAR as described above in more detail.
먼저, 실리콘 또는 갈륨비소 기판(1)의 상부와 하부에 저응력 질화막 또는 산화/질화/산화(ONO)막을 증착하여 지지층(2)을 형성한다.First, the support layer 2 is formed by depositing a low stress nitride film or an oxide / nitride / oxidation (ONO) film on the upper and lower portions of the silicon or gallium arsenide substrate 1.
그 다음, 상기 기판(1)의 상부에 형성된 지지층(2) 상에 금속을 증착하고, 그 금속을 패터닝하여 복수의 하부전극(3)을 형성한다.Next, a metal is deposited on the support layer 2 formed on the substrate 1, and the metal is patterned to form a plurality of lower electrodes 3.
그 다음, 상기 구조의 상부전면에 압전층(4)을 증착하고, 사진식각공정을 통해 상기 증착된 압전층(4)을 패터닝하여 수신 대역통과필터(Rx)와 송신 대역통과필터(Tx) 형성영역 각각에 직렬연결과 병렬연결이 가능하도록 압전층(4) 패턴을 형성한다.Next, the piezoelectric layer 4 is deposited on the upper surface of the structure, and the piezoelectric layer 4 is patterned through a photolithography process to form a reception bandpass filter Rx and a transmission bandpass filter Tx. The piezoelectric layer 4 pattern is formed in each of the regions so as to enable series connection and parallel connection.
즉, 수신 대역통과필터(Rx)와 송신 대역통과필터(Tx) 영역 각각에 상기 도6에서 보여지는 박막 벌크 어쿠스틱 공진기의 연결구조를 실현하기 위하여, 병렬연결되는 TFBAR(Rx-P-TFBAR),(Tx-P-TFBAR)을 공통전압(Vcom)에 일측이 접속되는 TFBAR의 상부측에는 하부전극(3)과 그 하부전극(3)의 사이에 위치하는 지지층(2)의 상부에 위치하는 압전층(4) 패턴을 형성하고, 상호 직렬접속되는 TFBAR(Rx-S-TFBAR, Tx-S-TFBAR)은 상부전극과 하부전극 간의 연결이 가능하도록, 하부전극(3)의 좌측상부일부를 노출시키는 형태로 압전층(4) 패턴을 형성한다.That is, in order to realize the connection structure of the thin film bulk acoustic resonator shown in FIG. 6 in each of the reception bandpass filter Rx and the transmission bandpass filter Tx, TFBAR (Rx-P-TFBAR), On the upper side of the TFBAR where one side of the Tx-P-TFBAR is connected to the common voltage Vcom, the piezoelectric layer is positioned on the upper part of the support layer 2 positioned between the lower electrode 3 and the lower electrode 3. (4) A TFBAR (Rx-S-TFBAR, Tx-S-TFBAR), which forms a pattern and is connected in series, exposes a portion of the upper left portion of the lower electrode 3 to enable connection between the upper electrode and the lower electrode. The piezoelectric layer 4 pattern is formed in a form.
그 다음, 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고 패터닝하여 수신 대역통과필터(Rx)와 송신 대역통과필터(Tx) 영역에 형성된 압전층(4) 상에 선택적으로 상부전극(5)을 형성한다.Next, the upper electrode 5 is selectively formed on the piezoelectric layer 4 formed in the reception bandpass filter Rx and the transmission bandpass filter Tx by depositing and patterning a metal on the upper surface of the structure. .
이때 상기 직렬연결된 TFBAR(Tx-S-TFBAR, Rx-S-TFBAR)과 병렬연결된 TFBAR(Tx-P-TFBAR, Rx-P-TFBAR)의 상부에 증착되는 상부전극(5)의 두께는 서로 다르게 하거나, 그 상부전극(5)의 물성에 차이를 두어서 상기 직렬연결된 TFBAR(Tx-S-TFBAR, Rx-S-TFBAR)과 병렬연결된 TFBAR(Tx-P-TFBAR, Rx-P-TFBAR)의 공진주파수를 다르게 형성한다.At this time, the thickness of the upper electrode 5 deposited on top of the series-connected TFBAR (Tx-S-TFBAR, Rx-S-TFBAR) and the parallel-connected TFBAR (Tx-P-TFBAR, Rx-P-TFBAR) are different from each other. Alternatively, the TFBARs (Tx-P-TFBAR, Rx-P-TFBAR) connected in parallel with the series-connected TFBARs (Tx-S-TFBAR, Rx-S-TFBAR) may be formed by varying the physical properties of the upper electrode 5. The resonance frequency is formed differently.
그 다음, 사진식각공정을 통해 상기 기판(1)의 일부를 식각하여, 상기 수신 대역통과필터(Rx) 영역과 송신 대역통과필터(Tx) 영역의 TFBAR이 형성된 영역의 지지층(2) 하부를 노출시킨다.Subsequently, a portion of the substrate 1 is etched through a photolithography process to expose a lower portion of the support layer 2 in the region where the TFBAR of the reception bandpass filter Rx region and the transmission bandpass filter Tx region are formed. Let's do it.
이와 같은 공정으로 수신 대역통과필터와 송신 대역통과필터가 제조되나, 상기 수신 대역통과필터와 송신 대역통과필터는 동일한 공정과정 및 조건으로 제조되어 그 중심주파수가 동일한 값이되며, 이를 바로 송수신장치에 적용할 수 없다.In such a process, a reception bandpass filter and a transmission bandpass filter are manufactured, but the reception bandpass filter and the transmission bandpass filter are manufactured under the same process and conditions, and the center frequencies thereof are the same. Not applicable
상기 중심주파수를 변경하기 위해서, 상기 기판(1)의 하부측에 상기 송신 대역통과필터 영역의 하부측 지지층(2) 하부를 선택적으로 노출시키는 마스크를 부착한다.In order to change the center frequency, a mask is attached to the lower side of the substrate 1 to selectively expose the lower side of the lower support layer 2 of the transmission bandpass filter region.
그 다음, 금속증착공정을 통해 상기 노출된 송신 대역통과필터 영역의 하부측에 노출된 지지층(2)의 하부에 전극(6)을 형성하여, 상기 수신 대역통과필터 영역(Rx)과 송신 대역통과필터 영역(Tx)의 중심주파수를 서로 다르게 설정한다.Next, an electrode 6 is formed under the exposed support layer 2 on the lower side of the exposed transmission bandpass filter region through a metal deposition process, so that the reception bandpass filter region Rx and the transmission bandpass are formed. The center frequency of the filter region Tx is set differently.
이와 같이 본 발명 TFBAR과 이를 이용한 대역통과필터 및 듀플렉서 구조는,지지층의 하부측에 선택적으로 전극을 형성함으로써, TFBAR의 공진주파수를 변경하여, TFBAR의 공진주파수 변경을 용이하게 할 수 있고, 이를 이용한 대역통과필터 및 듀플렉서의 구조에서 중심주파수의 변경이 용이하도록 하여 하나의 기판에 대역통과필터와 듀플렉서를 실장할 수 있게 된다.As described above, the TFBAR of the present invention and the bandpass filter and the duplexer structure using the same can selectively change the resonance frequency of the TFBAR by easily forming an electrode on the lower side of the support layer, thereby easily changing the resonance frequency of the TFBAR. In the structure of the band pass filter and the duplexer, it is possible to easily change the center frequency so that the band pass filter and the duplexer can be mounted on one substrate.
상기한 바와 같이 본 발명은 지지층의 하부측에 전극을 형성하여, TFBAR의 공진주파수를 용이하게 설정 및 튜닝할 수 있으며, 이를 이용한 대역통과필터 및 듀플렉서를 동일 기판상에 실장함으로써, 다른 회로와의 집적이 가능해져 제조비용을 절감하고, 전체 크기를 줄일 수 있는 효과와 아울러 그 회로의 튜닝을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention can easily set and tune the resonance frequency of the TFBAR by forming an electrode on the lower side of the support layer, and by mounting the band pass filter and the duplexer on the same substrate, Integration is possible to reduce manufacturing costs, reduce overall size, and facilitate tuning of the circuit.
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