KR100562544B1 - 에어 포켓 타입 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멤브레인 구조를 채용함이 없이 하부 전극과 기판간에 에어 갭을 형성함으로써, 공진 특성을 개선할 수 있고, 또한 리프트 오프 기법을 이용함으로써 전체 제조 공정을 간소화할 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 멤브레인 구조를 채용하며 복잡한 비등방성 식각 등의 번거로운 공정을 이용하여 공진기를 제조하는 종래 기술과는 달리, 멤브레인 구조를 채용함이 없이 하부 전극과 기판간에 에어갭을 형성하고, 비교적 간단한 리프트 오프 기법과 RF/DC 스퍼터링 기법을 이용하여 공진기를 제조함으로써, 공진기의 전체 제조 공정을 간소화할 수 있고, 이를 통해 제품의 생산 수율 증가 및 제조 원가 절감을 실현할 수 있으며, 종래 기술과는 달리, 멤브레인 구조를 채용하지 않기 때문에, 종래의 공진기에서 발생하는 멤브레인에 기인하는 음파 에너지의 손실로 인한 공진 특성의 열화를 원천적으로 차단할 수 있는 것이다.
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에어 포켓 타입 공진기의 입체도,
도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 에어 포켓 타입 공진기를 제조하는 주요 과정을 도시한 일부 평면도를 포함하는 공정 순서도,
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 에어 타입 공진기를 제조하는데 각각 사용되는 마스크 레이아웃,
도 4는 종래의 백 에치 타입 공진기(Back etched type FBAR)의 단면도,
도 5a 및 5b는 종래의 에어 갭 타입 공진기(Air-gap type FBAR)의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
102 : 기판 104 : 에어 갭
106 : 하부 전극 108 : 압전층
110 : 상부 전극
본 발명은 무선 통신을 위한 필터, 듀플렉스 등에 사용 가능한 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 공진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리프트 오프 및 스퍼터링 공정으로 제조 가능한 에어 포켓 타입을 갖는 공진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 통신 기술의 발달로 따라 사용 주파수가 점점 높아지고 있는데, 일반적으로 RF(radio frequency) 소자의 크기는 사용 주파수가 높아짐에 따라 점점 작아지면서 동시에 성능은 향상되는 방향으로 가고 있다. 그 변화를 가능하게 하는 주 요인은 개략적으로 아래의 두 가지를 들 수 있다.
첫째로는 무선 이동통신에서 소프트웨어적인 측면인 신호 처리기술의 발전인데, 이는 한정된 주파수 대역에서 효율적인 정보전달을 위한 것이다.
둘째로는 하드웨어적인 RF 부품 기술이라 말할 수 있는데, 특히 RF 무선 이동통신 부품 중 필터 부문이야말로 핵심적인 수동부품 가운데 하나이다. 이는 무수히 많은 공중파 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 걸러주는 기능을 한다. 따라서 고품위 무선 이동통신을 위해서는 이 필터 개발 기술이 우선돼야 한다. 현재 휴대용 단말기에 내장되는 대부분의 부품은 집적도가 증가하고 있지만, RF 필터는 아직까지 집적화되지 못하고 외장소자로 구현되고 있어서 휴대용 단말기 전체의 크기와 무게를 줄이는데 있어서 큰 장애요인이 되고 있다.
현재 상업용으로 많이 쓰이는 RF 필터로는 유전체 필터와 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터가 있지만, 이 두 가지는 기술적인 한계로 인해 모두 MMIC화가 불가능하다. 따라서, 단일 칩 단말기를 실현하려면 집적형 RF 필터 기술을 필연적으로 사용하여야만 하는데, RF one-chip/MMIC 화를 위한 가장 근접된 기술이라 할 수 있는 것이 반도체 박막기술을 이용한 FBAR 필터 기술이다.
이를 위한, FBAR 공진기의 개발은, 기존 SAW나 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉스 기술과는 다르게, FBAR 필터나 듀플렉스 기술의 바탕이 되므로, 최적 공진기의 개발은 곧 필터와 듀플렉스 기술로 연결된다고 볼 수 있다.
잘 알려진 바와 같이, FBAR 공진기는 상부 전극 - 압전체 - 하부 전극의 샌드위치 구조를 이용한 반도체 공정으로 만들어지며, 압전 현상을 발생시켜 일정한 주파수 대역에서 공진을 발생, 필터화 한 것이다. 상부 또는 하부 전극에 입력이 주어지면 압전체 현상에 의해 공진이 발생하고, 이 공진에서 BAW(Bulk Acoustic Wave)를 이용하여, BAW 주파수와 입력된 전기 신호의 주파수가 같아지면 공진 현상이 일어난다. 이 공진 현상을 이용한 공진기를 전기적 커플링을 현상화하여 FBAR 필터를 구현하고, 더 나아가 FBAR 필터를 이용한 듀플렉스(Duplexer)가 가능하다.
한편, FBAR 공진기 구조는 지금까지 다양한 형태로 연구되어져 왔다. 하부전극의 일부를 공기 중에 노출시키는 구조를 통해, 하부 전극 아래로 바라보이는 임피던스를 공기처럼 0이나 ∞로 만들어 줌으로써 음파(Acoustic wave)의 완전한 반사가 이루어져 최대한 압전층에 모여 효율적인 공진이 일어나도록 한다.
도 4는 종래의 백 에치 타입 공진기(Back etched type FBAR)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 백 에치 타입 공진기는 기판(402)상의 멤브레인(404) 위에 하부 전극(406), 압전층(408) 및 상부 전극(410)이 순차 형성 되는 구조를 가지며, 특히 하부 전극(406)은 공기와 원활하게 접할 수 있도록 상부 일부가 공기 중에 노출되는 구조, 즉 압전층(408)이 하부 전극(406)의 상부 일부를 제외한 나머지 부분만을 매립하는 형태의 구조를 갖는다.
이러한 구조의 백 에치 타입 공진기는 비등방성 에칭을 이용하여 제조하는데, 그 공정이 번거로울 뿐만 아니라 제조를 위한 공정 시간이 과다하게 소요된다는 문제를 가지며, 이러한 문제는 결국 공진기 소자의 생산 수율 저하 및 제조 원가를 상승시키는 요인으로 작용한다.
또한, 멤브레인 구조를 채용하는 종래의 백 에치 타입 공진기는 멤브레인 구조의 소자 자체가 약하기 때문에 그로 인해 제조시에 많은 불량을 야기(생산 수율의 저하)시키는 원인이 되고 있으며, 멤브레인에 기인하는 음파(Acoustic wave) 에너지의 손실로 인해 공진 특성이 저하되는 문제점을 갖는다.
도 5a 및 5b는 종래의 에어 갭 타입 공진기(Air-gap type FBAR)의 단면도로서, 도 4에 도시된 백 에치 타입 공진기와 비교해 볼 때, 에어 갭을 갖는 박막층을 추가로 구비한다는 점만 다를 뿐 나머지 구성부재들의 구성은 실질적으로 거의 동일 내지 유사하다. 여기에서, 도 5a와 도 5b의 구조에 채용되는 에어 갭은 각각 기판(502) 표면에서 벌크쪽으로 에칭시키는 방법과 기판 표면에 희생(sacrificial)층을 형성하는 방법을 이용하여 만들어졌다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 종래의 에어 갭 타입 공진기는 기판(502)상에 박막층(504)(예를 들면, SiO2 박막층)과 멤브레인(508)이 순차 적층되고, 기판(502)과 멤브레인(508) 사이에 있는 박막층(504)의 대략 중앙 부분에 에어 갭(506)이 형성되는 형상을 가지며, 멤브레인(508)의 상부에는 하부 전극(510), 압전층(512) 및 상부 전극(514)이 순차 형성되는 구조를 갖는다.
여기에서, 하부 전극(510)은, 도 4에 도시된 백 에치 타입 공진기와 마찬가지로, 공기와 원활하게 접할 수 있도록 상부 일부가 공기 중에 노출되는 구조, 즉 압전층(512)이 하부 전극(510)의 상부 일부를 제외한 나머지 부분만을 매립하는 형태의 구조를 갖는다.
이러한 구조의 에어 갭 타입 공진기는, 제조 공정 측면에서 볼 때, 도 4의 백 에치 타입 공진기보다 장점을 갖는다. 즉, 기판 표면에서 벌크 쪽으로 에칭과 기판 표면에 희생(sacrificial)층을 형성하여 에어 갭을 만드는 것으로, 도 4의 백 에치 타입 공진기의 제조에서 필요로 하는 기판 뒷면 에칭의 긴 공정 시간과 유해 가스로 인한 위험성을 절감할 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 종래의 에어 갭 타입 공진기는, 백 에치 타입 공진기과 마찬가지로, 멤브레인에 기인하는 음파의 에너지 손실 문제를 여전히 갖는다는 문제가 있다.
더욱이, 종래의 에어 갭 타입 공진기는, 그 제조를 위해, 적어도 6 -7 개의 마스크를 필요로 하기 때문에 그 제조 공정이 더욱 복잡하게 되고 또한 제조 원가가 더욱 상승하게 되는 또 다른 문제를 갖는다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멤브레인 구조를 채용함이 없이 하부 전극과 기판간에 에어 갭을 형성함으로써, 공진 특성을 개선할 수 있는 에어 포켓 타입 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 리프트 오프 기법을 이용함으로써 전체 제조 공정을 간소화할 수 있는 에어 포켓 타입 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 관점에 따른 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극을 매립하는 형태로 형성된 압전층; 및 상기 압전층 상에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 기판과 하부 전극 사이에, 상기 하부 전극의 하부 일부를 공기 중에 노출시키는 에어 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포켓 타입 공진기를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함하는 공진기를 제조하는 방법에 있어서, 기판 상에 임의의 패턴을 갖는 희생층을 형성하는 과정; 상기 희생층의 상부에 임의의 패턴을 갖는 하부 전극을 형성하는 과정; 상기 희생층을 제거함으로써, 상기 하부 전극의 하부에 에어 갭을 형성하는 과정; 상기 하부 전극이 형성된 기판의 전면에 압전층을 형성하는 과정; 및 상기 압전층의 상부에 임의의 패턴을 갖는 상부 전극을 형성하는 과정을 포함하는 에어 포켓 타입 공진기 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 멤브레인 구조를 채용하며 복잡한 비등방성 식각 등의 번거로운 공정을 이용하여 공진기(백 에치 타입 공진기 및 에어 갭 타입 공진기)를 제조하는 전술한 종래 기술과는 달리, 멤브레인 구조를 채용함이 없이 하부 전극과 기판간에 에어 갭을 형성하고, 비교적 간단한 리프트 오프 기법과 RF/DC 스퍼터링 기법을 이용함으로써 제조 공정을 간소화할 수 있도록 한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.
즉, 실질적으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에어 포켓 타입 공진기는 단지 세 번의 마스크 공정과 리프트 오프 공정 등과 같은 간소한 공정을 통해 제작이 가능하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에어 포켓 타입 공진기의 입체도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 공진기는 기판(102) 상에 하부 전극(106), 압전층(108) 및 상부 전극(110)이 수직하는 형태로 형성된 구조를 가지며, 기판(102) 측에 대면하는 하부 전극(106)의 하부에는 직사각형 형상의 에어 갭(104)이 형성되어 있다. 즉, 하부 전극(106)이 에어 갭(104)을 통해 공기와 접촉하는 구조를 통해, 임피던스를 공기처럼 0이나 ∞로 만들어 주어 음파(Acoustic wave)의 완전한 반사를 실현함으로써, 압전층에서의 공진 효율을 증진시킨다. 여기에서, 하부 전극(106)은 플로팅 그라운드(floating ground)로 작용한다.
또한, 상부 전극(110)은 대략 ㄷ자 형상의 접지선(G)과 ㄷ자 형상의 중앙 부분에 형성된 신호선(S)으로 구성된다. 여기에서, 압전층(108)의 물질로는 AlN, ZnO, PZT 등을 사용할 수 있으며, 상부 전극(110) 및 하부 전극(106)의 물질로는 Co, Al, Au, Cu, Mo, Pt 등을 사용할 수 있다.
부가하여, 하부 전극(106)은 대략 0.1 - 0.5㎛ 정도의 두께로 형성하고, 상부 전극(110)은 대략 0.10 - 0.15㎛ 정도의 두께(바람직하게는 0.13㎛의 두께)로 형성하지만, 필요에 따라 범위를 벗어나는 다른 두께로 형성할 수도 있다.
따라서, 이러한 구조의 공진기에서는 상부 전극(110) 또는 하부 전극(106)에 전기 신호를 인가함으로써 압전체 현상에 의해 공진을 발생하고, 이 공진에서 BAW(Bulk Acoustic Wave)를 이용하여, BAW 주파수와 인가된 전기 신호의 주파수가 같아지면 공진 현상을 발생시킨다. 그러므로, 이러한 공진 현상을 이용한 공진기를 전기적 커플링을 현상화함으로써 FBAR 필터를 구현하거나 혹은 FBAR 필터를 이용한 듀플렉스(Duplexer)를 구현할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 에어 포켓 타입 공진기를 제조하는 과정에 대하여 설명한다.
도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 에어 포켓 타입 공진기를 제조하는 주요 과정을 도시한 일부 평면도를 포함하는 공정 순서도이다.
도 2a를 참조하면, 일 예로서 도 3a에 도시된 바와 같은 레이아웃을 갖는 마스크를 이용하여 기판(102) 상에 포토레지스트(PR)를 도포한 후 패터닝함으로써, PR 패턴층을 형성하고, RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 PR 패턴층이 형성된 기판(102) 상에 SiO2 박막 물질, 즉 희생 물질을 대략 4000 - 8000Å(바람직하게는 6000Å) 정도의 두께로 형성한다. 도 3a의 마스크에 있어서, 리프트 오프 기술을 이용한 패터닝을 위해 참조부호 A1 부분에는 Cr이 함유되어 있지 않다.
다음에, 아세톤 등을 이용하여 PR 패턴층을 제거(용해)하면, PR 패턴층의 상부에 존재하는 희생층이 PR과 함께 리프트 오프되어 벗겨져 나감으로써, 일 예로서 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(102) 상에 SiO2 박막 물질로 된 희생층(103)이 형성된다. 도 2b는 기판(102) 상에 희생층(103)의 형성된 구조의 평면도이다.
이어서, 일 예로서 도 3b에 도시된 바와 같은 레이아웃을 갖는 마스크를 이용하여 기판(102)의 상부에 포토레지스트(PR)를 도포한 후 패터닝함으로써, PR 패턴층을 형성하고, DC 스퍼터링 기법을 이용하여 PR 패턴층이 형성된 기판(102) 상에 대략 0.1 - 0.5㎛ 정도의 두께 범위를 갖는 하부 전극 물질을 형성한다. 도 3b의 마스크에 있어서, 리프트 오프 기술을 이용한 패터닝을 위해 참조부호 A2 부분에는 Cr이 함유되어 있지 않다.
다음에, 아세톤 등을 이용하여 PR 패턴층을 제거(용해)하면, PR 패턴층의 상부에 존재하는 하부 전극 물질이 PR과 함께 리프트 오프되어 벗겨져 나감으로써, 일 예로서 도 2c에 도시된 바와 같이, 기판(102) 상에 하부 전극(106)을 형성한다. 이때, 하부 전극(106)은 희생층(103)과 직교하는 구조를 가지며, 하부 전극(106)으로는 Co, Al, Au, Cu, Mo, Pt 등을 사용할 수 있다.
이어서, SiO2 불산에칭 기술을 사용하여 기판(102) 상에 형성된 희생층(103)을 제거(용해)하면, 일 예로서 도 2d에 도시된 바와 같이, 하부 전극(106)의 하부에 에어 갭(104), 하부 전극(106)의 하부 일부를 공기 중에 노출시키는 에어 갭이 형성된다.
다시, RF 스퍼터링을 실시함으로써, 일 예로서 도 2e에 도시된 바와 같이, 에어 갭(104)과 하부 전극(106)이 형성된 기판(102)의 전면에 후막의 압전층(108)을 형성한다. 여기에서, 압전층(108)의 물질로는 AlN, ZnO, PZT 등을 사용할 수 있다.
이어서, 일 예로서 도 3c에 도시된 바와 같은 레이아웃을 갖는 마스크를 이용하여 기판(102)의 상부에 포토레지스트(PR)를 도포한 후 패터닝함으로써, PR 패턴층을 형성하고, DC 스퍼터링 기법을 이용하여 PR 패턴층이 형성된 기판(102) 상에 대략 0.10 - 0.15㎛ 정도의 두께 범위를 갖는 상부 전극 물질을 형성한다. 도 3c의 마스크에 있어서, 리프트 오프 기술을 이용한 패터닝을 위해 참조부호 A3 부분에는 Cr이 함유되어 있지 않다.
다음에, 아세톤 등을 이용하여 PR 패턴층을 제거(용해)하면, PR 패턴층의 상부에 존재하는 상부 전극 물질이 PR과 함께 리프트 오프되어 벗겨져 나감으로써, 일 예로서 도 2f에 도시된 바와 같이, 기판(102) 상에 상부 전극(110)을 형성한다. 이때, 상부 전극(110)으로는, 하부 전극(106)과 마찬가지로, Co, Al, Au, Cu, Mo, Pt 등을 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 에어 포켓 타입 공진기는 상술한 바와 같은 일련의 과정들을 통해 완성할 수 있으며, 즉, 도 2g에는 본 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 N ×M 배열의 에어 포켓 타입 공진기들의 평면도가 도시되어 있으며, 이들을 절단함으로써, 낱개의 에어 포켓 타입 공진기를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 멤브레인 구조를 채용하며 복잡한 비등방성 식각 등의 번거로운 공정을 이용하여 공진기를 제조하는 전술한 종래 기술과는 달리, 멤브레인 구조를 채용함이 없이 하부 전극과 기판간에 에어갭을 형성하고, 비교적 간단한 리프트 오프 기법과 RF/DC 스퍼터링 기법을 이용하여 공진기를 제조함으로써, 공진기의 전체 제조 공정을 간소화할 수 있으며, 이를 통해 제품의 생산 수율 증가 및 제조 원가 절감을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명은 비교적 간단한 반도체 제조 공정을 이용하여 공진기를 제조할 수 있기 때문에 상대적으로 생산 수율이 높은 대량 생산 체제를 구축할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 에어 포켓 타입 공진기는, 전술한 종래 기술과는 달리, 멤브레인 구조를 채용하지 않기 때문에, 종래의 공진기에서 발생하는 멤브레인에 기인하는 음파(Acoustic wave) 에너지의 손실로 인한 공진 특성의 열화를 원천적으로 차단할 수 있다.
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- 기판;상기 기판상에 형성된 하부 전극과,상기 하부 전극을 매립하는 형태로 형성된 압전층과,상기 압전층 상에 형성되며, ㄷ자 형상의 접지선(G)과 ㄷ자 형상 내에 형성된 신호선(S)으로 구성된 상부 전극과,상기 기판과 하부 전극 사이에 형성되어, 상기 하부 전극의 하부 일부를 공기 중에 노출시키는 에어 갭을 포함하는 에어 포켓 타입 공진기.
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- 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함하는 공진기를 제조하는 방법에 있어서,기판상에 임의의 패턴을 갖는 희생층을 형성하는 과정과,상기 희생층의 상부에 임의의 패턴을 갖는 하부 전극을 형성하는 과정과,상기 희생층을 제거함으로써, 상기 하부 전극의 하부에 에어 갭을 형성하는 과정과,상기 하부 전극이 형성된 기판의 전면에 압전층을 형성하는 과정과,상기 압전층의 상부에 ㄷ자 형상의 접지선(G)과 ㄷ자 형상 내에 형성된 신호선(S)으로 구성된 상부 전극을 형성하는 과정을 포함하는 에어 포켓 타입 공진기 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020030031004A KR100562544B1 (ko) | 2003-05-15 | 2003-05-15 | 에어 포켓 타입 공진기 및 그 제조 방법 |
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