KR100622398B1 - 필름 벌크 음향 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 FBAR은 기판; 기판의 상면에 형성된 하부 전극; 하부 전극의 상면에 형성되며 음향파가 하부 전극으로 진행할 때 전반사가 일어나는 기울기로 형성된 결정축을 갖는 압전막; 및 압전막의 상면에 형성된 상부 전극;을 포함하며, 압전막은 밀한 매질로 형성되고, 하부 전극은 소한 매질로 형성된다.
Description
도 1은 종래의 필름 벌크 음향 공진기(FBAR)의 구성을 도시한 단면도로서, 브레그 반사형 FBAR의 구성을 도시한 단면도,
도 2a ~ 도 2c는 종래의 FBAR의 구성을 도시한 단면도로서, 에어 갭형 FBAR의 구성을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 필름 벌크 음향 공진기의 구성을 도시한 단면도,
도 4는 도 3의 Ⅳ표시부를 확대 도시한 확대도, 그리고,
도 5a ~ 도 5c는 본 발명에 적용되는 필름 벌크 음향 공진기 제조 과정을 나타내는 공정도들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
101 : 기판 110 : 하부 전극
113 : 압전막 115 : 상부 전극
117 : 차단막 C : 결정축
본 발명은 필름 벌크 음향 공진기 및 그것을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
초고주파대역에 사용되는 공진기로는 유전체 공진기, 금속 공동 공진기 및 압전박막 공진기(FBAR)가 있다. 이들 공진기는 삽입 손실이 작고 주파수 특성이나 온도 안정성은 우수하나 크기가 크고 반도체 기판위에 실장할 수 없기 때문에 소형화, 경량화 및 집적회로화가 어렵다. FBAR는 유전체 공진기나 금속 공동 공진에 비해 초소형으로 제작이 가능하며, 실리콘 또는 GaAs와 같은 기판상에 구현이 가능하며, 타 공진기에 비해 삽입 손실이 작다는 장점이 있다.
이러한 공진기를 이용한 필터는 현재 무선이동통신 부품 중 핵심 부품 중의 하나이며, 이런 필터 제작 기술은 무선 이동 통신의 휴대성을 고려한 단말기의 경박 단소 및 저전력화에 있어서 필수적이다.
현재 무선통신용 RF(Radio Frequency)필터로 가장 많이 사용되고 있는 것은 유전체 필터와 SAW(Surface Acoustic Wave)필터이다.
유전체 필터는 가정에서 사용하는 9백 ㎒ 대역 무선 전화기용 필터와, PCS용 1.8~1.9㎓ 대역의 듀플렉스 필터로 많이 사용되고 있으며, 높은 유전율, 저 삽입손실, 높은 온도에서의 안정성, 진동,충격에 강한 장점을 가지지만, 소형화 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화에는 한계가 있다.
SAW 필터는 유전체 필터보다 소형이며 신호 처리가 용이하고 회로의 간략화, 무조정화 및 대량 생산의 용이성 등의 장점을 가지나, 제조 공정상의 한계로 인해 초고주파(5㎓이상)의 대역에서 제작이 용이하지 않다는 단점이 있다.
이와 달리 FBAR 필터는 초경량 및 초경박이며 반도체 공정을 이용하여 대량 생산이 용이하며 RF 능동소자들과 자유로운 결합이 가능하다는 장점이 있다.
FBAR 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전물질인 ZnO 또는 AlN를 RF 스퍼터링 방법으로 직접 증착하여 압전 특성으로 인한 공진을 유발하는 박막 형태의 소자를 필터화 한 것이다.
FBAR를 제작하는 공정으로는 브래그 리플렉터(Brag Reflector))방식 및 에어 갭(Air Gap) 방식이 있다.
도 1a에 도시된 브레그 반사형 FBAR은 기판(10) 상에 탄성 임피던스 차가 큰 물질을 격층으로 증착하여 반사층(11)을 구성하고 하부전극(12), 압전막(13) 및 상부 전극(14)을 차례로 증착한 구조로서, 압전막(13)을 통과한 음향파가 기판 방향으로 전달되지 못하고 반사층에서 모두 반사되어 효율적인 공진을 발생시킬 수 있게 한 것이다. 이러한 브레그 반사형 FBAR은 구조적으로 견고하며, 휨에 의한 스트레스(stress)가 없지만 전반사를 위한 두께가 정확한 4층 이상의 반사층을 형성하기가 어려우며, 제작을 위한 시간과 비용이 많이 필요하다는 단점이 있다.
한편, 반사층 대신에 에어 갭을 이용하여 기판과 공진부를 격리시키는 에어갭 형 FBAR은 그 제조 방법에 따라 다시 몇 가지 종류로 구분되는데, 이러한 에어 갭형 FBAR의 종류에 대해서는 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다.
도 2a에 도시된 구조의 FBAR은 벌크 마이크로머시닝(Bulk micro-machining) 형 FBAR로서, 기판(20)상에 이산화규소(SiO2) 등의 물질로 멤브레인층(21)을 형성하고 상기 기판의 뒷면을 이방성 에칭하여 공동부(23)를 형성한 후 상기 멤브레인층 위에 음향공진기(22)를 구현하는 방식으로 제조된다. 상기 방식으로 제조된 FBAR은 구조적으로 매우 취약하여 수율이 낮기 때문에 실용화가 어렵다는 단점이 있다.
도 2b에 도시된 구조의 FBAR은 표면 마이크로머시닝(Surface micro-machinng)형 FBAR 로서, 기판(30) 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 및 기판상에 절연막(32)를 형성한 후 제 1 전극(33), 압전막(34) 및 제 2 전극(35)을 차례로 증착하고, 최종적으로 희생층을 제거함으로써 에어갭(31)을 형성하는 방식으로 제조된다. 즉, 소자 외부에서 소자 내부에 있는 희생층까지 연결되는 비아홀(미도시)을 형성하고, 상기 비아홀을 통해 에칭액을 투여함으로써 희생층을 제거하여 에어갭(31)을 형성하게 된다. 또한, 멤브레인 형성시 희생층의 구조를 경사지게 만들어야 하는데 이 경우 멤브레인 층의 큰 잔류응력 때문에 구조가 취약해지는 문제가 있다.
도 2c에 도시된 구조의 FBAR은 기판(40)을 포토 레지스트 막을 이용하여 식각하여 공동부(45)를 형성하고 상기 공동부(45)에 희생층(미도시)을 증착하고, 상기 희생층 및 기판(40) 상에 멤브레인층(41), 제 1 전극(42), 압전막(43) 및 제 2 전극(44)을 차례로 증착한 후, 상기 희생층을 에칭함으로써 에어갭(45)을 갖는 구조로 제작된다. 상기 제조방식에서는 에어갭(45) 형성시 습식에칭 방법 및 건식에칭 방법을 이용하는데, 습식에칭 방법을 사용할 경우, 에칭액의 제거가 어렵고, 만 일 에칭액이 모두 제거되지 못하면 에칭액의 계속적인 작용으로 소자가 취약해지고, 공진 주파수의 변화가 유발되는 문제점이 있다. 또한, 건식에칭 방법을 사용할 경우, 플라즈마 상태에서 기체의 작용으로 에칭을 하게 되는데, 이 경우에, 이온, 분자 등에 의한 물리적 충격이 가해질 수 있고, 고열로 인한 열화가 발생할 수도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 FBAR의 구조를 단순화하여 제조 공정 수를 줄임과 아울러서, 공진부를 기판상에 안정적으로 실장 시키는 FBAR을 제공하는 데 있다.
본 발명의 두 번째 목적은 상술한 FBAR을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시 예를 따르면, 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극의 상면에 형성되며 발생된 음향파가 상기 하부 전극으로 진행할 때 전반사가 일어나는 결정축을 갖는 압전막; 및 상기 압전막의 상면에 형성된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기가 제공된다.
상기 압전막은 밀한 매질로 형성되고, 상기 하부 전극은 소한 매질로 형성됨이 바람직하다.
상기 압전막의 둘레에는 차단막이 추가로 포함됨이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르면 기판의 상면에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극의 상면에 압전막을 형성하되 발생한 음향파가 상기 하부 전극으로 진행할 때 전반사가 일어나는 결정축을 갖는 압전막을 형성하는 단계; 및 상기 압전막의 상면에 상부 전극을 형성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기 제조 방법이 제공된다.
상기 차단막은 상기 상부 전극을 형성하기 위한 층과 동일층으로 증착되어 패터닝 될 수 있다.
상기 압전막은 스퍼터링법 또는 증발법에 의해 증착될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 필름 벌크 음향 공진기의 구성을 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ표시부를 확대 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판(101), 하부 전극(110), 압전막(113), 및 상부 전극(115)을 포함한다.
기판(101)은 예컨대, 실리콘 기판을 사용할 수 있다.
하부전극(110) 및 상부전극(115)은 압전막(113)에 전계를 인가하는 역할을 하는 것으로서, 예컨대, 도전재를 사용하며, 통상적으로 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru) 및 몰리브덴(Mo)등이 있다.
압전막(113)은 전계가 인가될 때 압전현상을 일으켜 음향파(Acoustic Wave) 를 발생시킨다. 본 발명에 의한 압전막(113)은 음향파가 하부전극(110)쪽으로 입사되어 경계면 즉, 하부전극(110)의 상면에서 전반사가 일어나는 결정축(C)을 갖도록 형성된다. 통상적으로 압전막(113)은 질화알루미늄(AlN), 지르콘티탄산납(Pb(ZrTi)O3) 또는 산화아연(ZnO)이 쓰여 진다.
여기서, 음향파의 전반사를 위해서는 압전막(113)은 밀한 매질로 형성되고, 하부전극(110)은 밀한 매질로 형성되어져야 하므로, 상술한 재질들 중 적절한 선별이 이루어져야 할 것이다.
도 4를 참조하면, 압전막(113)의 압전현상에 의해 일으켜진 음향파는 결정축(C)을 따라 하부 전극(101)측으로 입사되고, 하부 전극(110)과의 경계면에서 결정축(C)이 이루는 각도 즉, 입사각(α°)과 동일한 반사각(θ°)으로 전반사 한다.
상술한 구성에 더하여 압전막(113)의 둘레에는 차단막(117)이 추가로 형성됨이 바람직하다. 차단막(117)은 하부 전극(110)의 상면으로부터 전반사되는 음향파가 압전막(113)의 측부로 손실되는 것을 차단하기 위한 것으로서, 하부전극(110)과 연결된 상태로 형성될 수 있다.
다음은 상술한 바와 같이 구성된 FBAR의 제조 과정에 대해서 설명한다.
도 5a를 참조하면, 예컨대, 실리콘으로 형성된 기판(101)의 상면에 하부전극을 형성한다.
도 5b를 참조하면, 하부 전극(110)의 상면에 압전막(113)을 증착한 후 하부전극(101)의 면적보다 작은 면적을 갖도록 패터닝한다. 이때, 압전막(113)은 압전 현상에 의해 일어나는 음향파가 하부전극(110)의 상면으로 입사되어 전반사를 일으키는 결정축(C)을 갖도록 형성함이 바람직하다. 여기서, 압전막(113)은 스퍼터링(Sputtering)방법 또는 증발(Evaporation)법 등이 이용될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 압전막(113)의 상면에 도전층을 증착한 후 상부 전극(115)을 패터닝한다. 이때, 도전층은 압전막(113)의 외부로 돌출된 하부 전극(110)의 상면을 비롯하여 압전막(113)의 측벽에 동시에 증착되어 차단막(117)이 형성된다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 필름 벌크 음향 공진기는 그 구조가 단순하여 제조 공정 과정을 단순화하는 이점이 있다.
또한, 공진 구조물을 기판의 상면에 안정적으로 실장할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (7)
- 기판;상기 기판의 상면에 형성된 하부 전극;상기 하부 전극의 상면에 형성되며 음향파가 상기 하부 전극으로 진행할 때 전반사가 일어나는 기울기로 형성된 결정축을 갖는 압전막; 및상기 압전막의 상면에 형성된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 압전막은 밀한 매질로 형성되고, 상기 하부 전극은 소한 매질로 형성된 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 압전막의 둘레에는 차단막이 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기.
- 기판의 상면에 하부 전극을 형성하는 단계;상기 하부 전극의 상면에 압전막을 형성하되 발생한 음향파가 상기 하부 전극으로 진행할 때 전반사가 일어나는 결정축을 갖는 압전막을 형성하는 단계; 및상기 압전막의 상면에 상부 전극을 형성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기 제조 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 압전막의 둘레를 에워싸는 차단막(enveloping wall)을 형성시키는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 차단막은 상기 상부 전극을 형성하기 위한 층과 동일층으로 증착되어 패터닝 되는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기 제조 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 압전막은 스퍼터링법 또는 증발법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 필름 벌크형 어쿠스틱 공진기 제조 방법.
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