KR100625718B1 - 탄성 표면파 소자, 필터 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고, 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며, 또한 온도 안정성이 우수한 탄성 표면파 소자, 필터 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 이를 위해, 탄탈산 리튬(LT) 또는 니오븀산 리튬(LN)으로 형성한 압전 기판(2)과, 압전 기판(2)보다도 열팽창율이 낮은 재료인 실리콘(Si)으로 형성한 기판(1)을 직접 접합에 의해 결합한다. 또한, 기판(1)에서, 압전 기판(2) 상에 형성된 빗형 전극(12)(및 반사 전극(13)) 바로 아래에 위치하는 영역을 RIE 장치 등을 이용하여 에칭함으로써, 캐비티(1a)를 형성한다. 또한, 캐비티(1a)에 의해 노출된 압전 기판(2)의 이면에 조면(粗面)(2a) 또는 흡음층(吸音層)(7)을 형성한다.
압전 기판, 공진기, 전극 패드, 탄성 표면파 소자, 빗형(IDT) 전극

Description

탄성 표면파 소자, 필터 장치 및 그 제조 방법{SURFACE ACOUSTIC WAVE DEVICE, FILTER DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SURFACE ACOUSTIC WAVE DEVICE}
도 1은 종래 기술에 의한 탄성 표면파 소자의 구성을 나타내는 단면도로, 도 1의 (a)는 종래 기술 1에 의한 탄성 표면파 소자(100)의 구성을 나타내며, 도 1의 (b)는 종래 기술 2에 의한 탄성 표면파 소자(200)의 구성을 나타내며, 도 1의 (c)는 종래 기술 3에 의한 탄성 표면파 소자(300)의 구성을 나타내며, 도 1의 (d)는 종래 기술 4에 의한 탄성 표면파 소자(400)의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)의 개략적인 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 도시하는 탄성 표면파 소자(10)의 구성을 나타내는 상면도.
도 4는 기판 두께 tsi 및 tp과 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향에서의 탄성 표면파 소자(10)의 말단에서부터의 거리 d와의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)의 제조 프로세스를 나타내는 단면도.
도 6은 탄성 표면파 소자(10)를 패키지화한 구성을 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)에서 2가지 전극 패드(4)의 사이즈(150㎛×150㎛, 250㎛×250㎛)에 관한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(20)의 구성을 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(30)의 구성을 나타내는 상면도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(40)의 구성을 나타내는 상면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 기판
1a : 캐비티
2 : 압전 기판
2a : 조면
3 : 공진기
3a : 직렬 공진기
3b : 병렬 공진기
4 : IDT
5 : 반사기
6 : 전극 패드
7 : 흡음재
10, 20, 30, 40 : 탄성 표면파 소자
10A : 패키지
12 : 빗형(IDT) 전극
13 : 반사 전극
본 발명은 압전 기판과 저팽창 재료를 사용한 탄성 표면파 소자, 필터 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 탄성 표면파 소자는 휴대 전화기의 대역 통과 필터 등으로서 폭넓게 활용되고 있다. 이 탄성 표면파 소자를 이용한 필터나 공진기는 소형이며, 또한 염가라고 하는 특징이 있다. 그 때문에, 휴대 전화기 등의 통신 기기의 소형화에는 탄성 표면파 소자는 불가결한 것으로 되어 있다.
최근에는 휴대 전화기 등의 고성능화에 수반하여, 탄성 표면파 소자를 사용한 필터에도 한층 더 고성능화가 요구되고 있다. 그러나, 탄성 표면파 소자는 온도 변화에 따라 주파수 변동하기 때문에, 온도 안정성의 개선이 필요하게 되고 있다.
종래 기술에서, 탄성 표면파 소자용의 기판 재료로서 다용되고 있는 탄탈산 리튬(이하, LT라 함)은 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 재료이다.
압전 재료의 일반적인 경향으로서, 전기 기계 결합 계수가 큰 재료는 온도 안정성이 뒤떨어지며, 반대로, 온도 안정성이 우수한 수정 등의 재료는 전기 기계 결합 계수가 작다는 결점을 갖는다. 이 때문에, LT 기판을 이용한 탄성 표면파 소자는 광대역 필터 특성을 실현하는 데 유리하지만, 수정 기판 등에 비해 온도 안정성이 뒤떨어진다는 결점을 가지고 있다.
이러한 결점을 보완하여, 큰 전기 기계 결합 계수와 우수한 온도 안정성을 갖는 재료를 실현하기 위해, 종래에서는 여러가지 방법이 제안되어 있다. 도 1에 종래의 온도 특성 개선 기술 중 몇개를 나타내었다.
도 1의 (a)는 종래 기술에 의한 탄성 표면파 소자(100)의 구성을 나타내는 단면도이다(예를 들면, 비 특허 문헌 1 참조). 이것을 이하, 종래 기술 1이라 한다. 종래 기술 1에 의한 탄성 표면파 소자(100)는 니오븀산 리튬(이하, LN이라 함) 혹은 LT로 형성된 압전 기판(11)의 표면(빗형 전극(12)이 형성된 면)에, LN 또는 LT와는 역의 온도 계수를 갖는 석영막(14)이 성막되어 있다. 즉, 종래 기술 1에서는 압전 기판(11)의 온도 특성과는 역의 온도 특성을 갖는 층(석영막(14))을 빗형 전극(12)이 형성된 면 상에 형성함으로써, 압전 기판(11)의 온도 특성을 상쇄하여, 탄성 표면파 소자(100)의 온도 안정성을 향상시킨다.
또한, 도 1의 (b)는 종래 기술에 의한 탄성 표면파 소자(200)의 구성을 나타내는 단면도이다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이것을 이하, 종래 기술 2라 한다. 종래 기술 2에 의한 탄성 표면파 소자(200)는 LT로 형성된 압전 기판(11)의 표면(빗형 전극(12)이 형성되는 측)에 층 두께가 탄성 표면파(이하, SAW라 함)의 파장 이하 정도의 분극 반전층(15)을 형성한 구성을 갖는다. 즉, 종래 기술 2에서 는 분극 반전층(15)의 전계 단락 효과를 이용하여 온도 안정성의 향상을 실현한다.
또한, 도 1의 (c)는 종래 기술에 의한 탄성 표면파 소자(300)의 구성을 나타내는 단면도이다(예를 들면, 특허 문헌 2 또는 비 특허 문헌 2 참조). 이것을 이하, 종래 기술 3이라 한다. 종래 기술 3에 의한 탄성 표면파 소자(300)는 상기한 종래 기술 1, 2에 비해 얇은 압전 기판(11a)과, 이 압전 기판(11a)보다도 두꺼운 저팽창 재료 기판(16)을 직접 접합에 의해 접합한 구성을 갖는다. 즉, 종래 기술 3에서는 저팽창 재료 기판(16)을 이용함으로써 압전 기판(11a)의 온도 변화에 따른 신축을 억제하여, 온도 안정성의 향상을 실현한다.
그러나, 상술한 종래 기술에서, 종래 기술 1에 의한 탄성 표면파 소자(100)에서는 석영막(14)의 막질을 일정하게 제어하는 것이 어렵다. 이 때문에, 온도 특성 개선을 목적으로 한 빗형 전극(12) 상에도 석영막을 성막하면, 탄성 표면파의 전파 손실이 커진다는 문제점이 발생한다.
또한, 종래 기술 2에 의한 탄성 표면파 소자(200)에서는 분극 반전층(15)의 깊이의 제어성에 어려움이 있기 때문에, 제조가 곤란하고, 수율이 저하한다는 문제를 갖는다. 또한, 종래 기술 3에 의한 탄성 표면파 소자(300)에서는, 보다 높은 효과를 얻기 위해서 접합면을 경면(mirror surface)으로 할 필요가 있지만, 그 결과, 접합 계면에서 벌크파의 반사가 야기되어, 필터 특성의 열화를 야기하는 등의 문제를 갖고 있다.
이 문제에 대하여, 도 1의 (d)에 도시하는 탄성 표면파 소자(400)와 같이, 압전 기판(11a)의 이면(빗형 전극(12)이 형성되는 면의 반대면)을 조면화(조면(18))하고, 이 압전 기판(11a)과 저팽창 재료 기판(16)을 접착층(17)에 의해 접합하는 기술이 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조). 이것을 이하, 종래 기술 4라 한다.
[특허 문헌 1] 특허 제2516817호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특개평11-55070호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특개2001-53579호 공보
[비 특허 문헌 1] 야마노우찌 등, IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics., vol. SU-31, pp. 51-57(1984)
[비 특허 문헌 2] 오오니시 등, Proc. of IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 335-338(1998)
그러나, 종래 기술 4에서는 필터 특성을 개선할 수 있지만, 압전 기판(11a)과 저팽창 재료 기판(16)과의 접합 계면에 접착층(17)을 갖고 있기 때문에, 온도 특성 효과를 얻기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 종래 기술 4에서는 계면의 접착력 저하에 수반하여, 온도 안정성 개선 효과도 저하된다는 문제점도 발생한다.
본 발명은 상기한 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고, 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며, 또한 온도 안정성이 뛰어난, 가공이 용이한 탄성 표면파 소자, 필터 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 해당 압전 기판보다 저팽창인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자에 있어서, 상기 실리콘 기판에서의 적어도 상기 공진기 아래 영역의 일부에 캐비티가 형성되어 있는 구성으로 한다. 이것에 의해, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고 또한 가공이 용이한 실리콘 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 직접 접합 기판에서, 빗형 전극과 압전 기판을 가지고 형성되는 공진기 아래 영역에 캐비티(공극)가 형성되기 때문에, 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며, 또한 온도 안정성이 우수한, 가공이 용이한 탄성 표면파 소자가 실현된다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 공진기가 빗형 전극과 인접하는 반사 전극을 포함하여, 캐비티가 실리콘 기판에서의 상기 반사 전극 아래 영역에도 형성되도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 반사 전극과 압전 기판으로 형성되는 반사기의 반사 특성이 열화되는 것을 피할 수 있기 때문에, 결과로서 탄성 표면파 소자의 필터 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 캐비티가 실리콘 기판에서의 빗형 전극 아래의 영역에만 형성되도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 공진기에서 필요한 최소한의 영역에만 캐비티가 형성되기 때문에, 실리콘 기판에 의해 온도 안정성을 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 압전 기판에서의 캐비티에 의해 노출된 영역이 조면화되어 있도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 압전 기판에서 의 빗형 전극이 형성된 면과 반대측의 면에서 벌크파가 반사되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 필터 특성의 열화를 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 다른 예로서, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 압전 기판에서의 캐비티에 의해 노출된 영역 상에 흡음막(acoustic absorption member)을 갖도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 압전 기판에서의 빗형 전극이 형성된 면과 반대측의 면에서 벌크파가 반사되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 필터 특성의 열화를 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 빗형 전극을 복수개 가지며, 캐비티가 실리콘 기판에서의 적어도 1개의 상기 빗형 전극 아래 영역의 일부에 형성되도록 구성할 수도 있다. 즉, 본 발명은 모든 공진기 아래에 캐비티를 제공하지 않고, 적어도 1개의 공진기 아래에 캐비티를 제공함으로써, 상기한 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는, 압전 기판이 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬으로 형성되도록 구성할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 압전 기판의 재료로서 일반적인 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬을 사용하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 해당 압전 기판보다 저팽창인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자에서, 상기 실리콘 기판이 저항률이 10Ω·㎝ 이상인 구성으로 한다. 이와 같이, 저항률이 10Ω·㎝ 이상이라는 비교적 고저항인 실리콘 기판을 이용함으로써, 에너지 손 실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 해당 압전 기판보다 저팽창인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자에서, 상기 공진기가 탄성 표면파가 전파하는 방향에서 소자단으로부터의 거리 d가 압전 기판의 두께를 tp로 한 이하의 수학식 1을 만족하는 위치에 형성되는 구성으로 한다. 이와 같이, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고 또한 가공이 용이한 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 직접 접합 기판에서, 압전 기판의 기판 두께에 따라 공진기의 탄성 표면파 전파 방향에서의 소자단으로부터의 거리를 확보함으로써, 온도 안정성이 충분히 얻어진다.
d≥tp×3
또한, 본 발명은, 상기한 어느 하나의 탄성 표면파 소자와, 상기 압전 기판 상에 형성되며, 상기 빗형 전극에 전기 신호를 도입하기 위한 전극 패드를 갖는 구성으로 한다. 이것에 의해, 상기한 효과를 얻을 수 있는 탄성 표면파 소자를 패키지화한 필터 장치로서 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 해당 압전 기판보다 저팽창인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자를 제조하는 제조 방법으로서, 상기 실리콘 기판에서의 적어도 상기 공진기 아래 영역의 일부에 캐비티를 형성하는 제1 공정을 갖는 구성으로 한다. 이것에 의해, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고 또한 가공이 용이한 실리콘 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 직접 접합 기판에서의 빗형 전극과 압전 기판을 가지고 형성되는 공진기 아래 영역에 캐비티(공극)를 형성할 수 있기 때문에, 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고, 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며 또한 온도 안정성이 우수한 탄성 표면파 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 공진기가 빗형 전극과 인접하는 반사 전극을 포함하고, 제1 공정이 실리콘 기판에서의 상기 반사 전극 아래 영역에도 상기 캐비티를 형성하도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 반사 전극과 압전 기판으로 형성되는 반사기의 반사 특성이 열화되는 것을 회피하는 구성을 실현할 수 있기 때문에, 결과로서 필터 특성의 열화가 방지된 탄성 표면파 소자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 압전 기판에서의 캐비티에 의해 노출된 영역을 조면화하는 제2 공정을 갖도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 압전 기판에서의 빗형 전극이 형성된 면과 반대측의 면에서 벌크파가 반사되는 것을 방지하는 구성이 실현되기 때문에, 결과로서 필터 특성의 열화가 방지된 탄성 표면파 소자를 제조할 수 있다.
또한, 다른 예로서, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 압전 기판에서의 캐비티에 의해 노출된 영역 상에 흡음막을 형성하는 제2 공정을 갖도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 압전 기판에서의 빗형 전극이 형성된 면과 반대측의 면에서 벌크파가 반사되는 것을 방지하는 구성이 실현되기 때문에, 결과로서 필터 특성의 열 화가 방지된 탄성 표면파 소자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 압전 기판은 공진기가 복수개 형성되어 있으며, 제1 공정이 실리콘 기판에서의 적어도 1개의 상기 공진기 아래 영역의 일부에 상기 캐비티를 형성하도록 구성할 수도 있다. 즉, 본 발명은 모든 공진기 아래에 캐비티가 제공된 탄성 표면파 소자가 아니어도, 적어도 1개의 공진기 아래에 캐비티가 제공된 탄성 표면파 소자이면, 그 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 제1 공정이 실리콘 기판에서의 압전 기판이 접합된 면과 반대측의 면으로부터 해당 실리콘 기판을 에칭함으로써 캐비티를 형성하도록 구성할 수도 있다. 또한, 이 제조 방법에서, 예를 들면, 상기 제1 공정이 RIE 장치를 이용하여 상기 실리콘 기판을 에칭함으로써 상기 캐비티를 형성하도록 구성할 수도 있다. 이것에 의해, 캐비티를 기판면에 대하여 수직으로 형성하는 것이 가능해지고, 제조 공정에서의 필터 특성이나 온도 안정성의 열화를 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 있어서, 압전 기판이 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬으로 형성되도록 구성할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 압전 기판의 재료로서 일반적인 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬을 사용하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제조 방법은, 압전 기판과 해당 압전 기판보다 저팽창인 기판을 갖는 탄성 표면파 소자를 제조하는 제조 방법으로서, 상기 압전 기판에 빗형 전극 및 반사 전극을 포함하는 공진기를 형성하는 제1 공정을 가지고, 상기 제1 공정이 탄성 표면파가 전파하는 방향에서 소자단으로부터의 거리 d가 압전 기판의 두 께를 tp로 한 이하의 수학식 1을 만족하는 위치에 상기 공진기를 형성하는 구성으로 한다. 이와 같이, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고 또한 가공이 용이한 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 직접 접합 기판에서, 압전 기판의 기판 두께에 따라 공진기의 탄성 표면파 전파 방향에서의 소자단으로부터의 거리를 확보함으로써, 온도 안정성이 충분히 얻어진다.
<수학식 1>
d≥tp×3
이하, 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
<제1 실시예>
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 압전 기판과 열팽창 계수가 작은 저팽창 재료(실리콘 기판)를 직접 접합에 의해 일체화한 직접 접합 기판에 RIE(리액티브·이온·에칭) 장치를 이용하여 캐비티 형성하고, 그 저면을 조면화함으로써, 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고, 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며, 또한 온도 안정성이 우수한, 가공하기 쉬운 탄성 표면파 소자를 실현한다.
도 2에 본 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)의 구조를 나타낸다. 또한, 도 2는 도 3에서의 탄성 표면파 소자(10)의 A-A' 단면의 개략도이다. 단, 본 실시예에서는 복수의 직렬 공진기(3a) 및 복수의 병렬 공진기(3b)가 래더(사다리)형으로 접속된 구성을 갖는 대역 통과 필터인 탄성 표면파 소자(10)를 예시한다.
도 2에서, 탄성 표면파 소자(10)는 캐비티(공극이라고도 함)(1a)를 갖는 기판(1) 상에 압전 기판(2)이 성막되어 있으며, 또한 압전 기판(2) 상에 빗형 전극(인터디지털 트랜스듀서 전극이라고도 한다: 이하, IDT 전극이라 함)(12) 및 반사 전극(13)이 형성된 구성을 갖는다. 또한, 기판(1)과 압전 기판(2)은 직접 접합에 의해 접착된다.
이 구성에서, 압전 기판(2)은 예를 들면, 탄탈산 리튬(LT)이나 니오븀산 리튬(LN)으로 형성된다. 기판(1)은 압전 기판(2)보다 열팽창율이 낮은 재료(이하, 저팽창 재료라 함)인 실리콘(Si)으로 형성된다. 이와 같이, 저팽창 재료로서 Si를 채용함으로써, 본 실시예에서는 RIE 장치를 이용하여 기판(1)에 캐비티(1a)를 용이하게 형성하는 것이 가능하게 된다. 이것은 캐비티(1a)가 형성된 영역에 위치하는 압전 기판(2)의 이면에 용이하게 조면(2a)을 형성할 수 있는 것에도 관련된다.
압전 기판(2)의 이면(IDT 전극(12)이 형성된 면의 반대면)에서의 캐비티(1a)와 대응하는 영역에는 조면(2a)이 형성된다. 이것에 의해, 압전 기판(2) 이면에서의 벌크파의 반사에 의한 필터 특성의 열화를 방지하는 것이 가능하게 된다. 단, 이 조면(2a)을 갖지 않고, 캐비티(1a)만의 구성이어도, 본 실시예에 의한 효과를 얻는 것은 가능하다.
또한, 캐비티(1a)는 예를 들면, IDT 전극(12)과 압전 기판(2)에서의 IDT 전극(12) 바로 아래 영역을 포함하여 형성되는 공진기(3)에 개별적으로 형성된다. 이것에 의해, 필요한 최저한의 면적으로 캐비티(1a)가 형성되기 때문에, 저팽창 재료로 형성된 기판(1)의 효과를 최대한으로 활용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 개개의 캐비티(1a)는 도 3에 도시한 바와 같이, IDT 전극(12) 및 이것의 바로 아래에 위치하는 압전 기판(2)으로 형성되는 IDT(4) 바로 아래 영역 뿐만 아니라, 반사 전극(13)과 압전 기판(2)에서의 반사 전극(13) 바로 아래 영역에서 형성되는 반사기(5) 바로 아래 영역에도 연장되도록 구성하여도 된다. 바꾸어 말하면, 캐비티(1a)는 1개의 IDT 전극(12)과 2개의 반사 전극(12)을 포함하여 형성되는 공진기(3)의 바로 아래 영역에 개별적으로 형성되어도 무방하다.
또한, 개개의 공진기(3)가 형성되는 탄성 표면파 소자(10) 상의 위치(또는, 칩 상의 위치라고도 함)는 직접 접합된 기판(1)의 기판 두께 tsi(도 3 참조)와 압전 기판(2)의 기판 두께 tp(도 3 참조)에 기초하여, 또는 압전 기판(2)의 기판 두께 tp에만 기초하여 결정된다. 여기서, 기판 두께 tsi 및 tp와, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향에서의 탄성 표면파 소자(10)의 단부로부터의 거리 d(도 3 참조)와의 관계를 도 4를 이용하여 설명한다.
도 4는 LT를 이용한 압전 기판(2)과 Si를 이용한 기판(1)을 직접 접합하여 형성한 탄성 표면파 소자(10)에 관하여, 유한 요소법을 이용하여 구조 해석 시뮬레이션을 행한 결과이다. 이 때, 압전 기판(2)의 기판 두께 tp와 기판(1)의 기판 두께 tsi와의 비율을 바꾸어, 탄성 표면파 소자(10)의 칩 배치마다의 주파수 온도 특성(Temperature Coefficient of Frequency: 이하, TCF라 함)을 계산하였다. 또한, 탄성 표면파 소자(10)의 칩 사이즈는 SAW 전파 방향을 1.8㎜로 하고, 이것과 수직인 수평 방향을 1.2㎜로 하였다. 또한, 각 기판(1, 2)의 기판 두께는 도 4에 도시한 바와 같다. 이러한 칩 사이즈에서, SAW 전파 방향에 관한 칩단으로부터 공진기(3)까지의 최단 거리 d를 파라미터로 하였다. 단, 거리 d는 탄성 표면파 소자(10)의 양단에 관하여 어느 하나는 가장 짧은 쪽으로 한다.
또한, 기판(1)을 제공하지 않는 압전 기판(2) 단체(單體)의 경우의 TCF는 약 -40ppm/℃이다. 또한, 본 실시예에서, TCF 값이 -25ppm/℃ 정도 이하의 영역에서는 TCF 값의 변동이 크기 때문에, -25ppm/℃ 이상의 영역을 유효 영역으로 한다.
도 4를 참조하면, 압전 기판(2)의 기판 두께 tp에 의존한 TCF의 값은 tp가 30㎛일 때, 칩단으로부터 100㎛에서 약 -25ppm/℃로 되고, tp가 50㎛일 때, 칩단으로부터 약 200㎛에서 약 -25ppm/℃로 되어 있다. 또한, tp가 100㎛일 때, 칩단으로부터 300㎛에서 약 -25ppm/℃로 되어 있다. 또한, TCF의 값은 기판(1)의 기판 두께 tsi에 약간 의존하지만, 이것을 무시하는 것도 가능하다.
따라서 도 4에 나타내는 그래프로부터, 양호한 TCF를 얻을 수 있는 칩단으로부터의 거리 d는 이하에 나타내는 (수학식 1)로 표시된다. 또한, 이 구성은 본 실시예와 같은 캐비티(1a)를 갖는 구성에 대해서 뿐만 아니라, 캐비티를 갖지 않는 탄성 표면파 소자에 대해서도 유효하다.
<수학식 1>
d≥tp×3
이상, 설명한 바와 같이 본 실시예에서는, 열팽창 계수가 작은 Si 기판을 이용함으로써, 온도 변화에 의한 신축을 억제하여, 전기 기계 결합 계수를 저하시키지 않고, 탄성 표면파 소자의 온도 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판(1)에 실리콘을 이용함으로써, RIE 장치를 이용하여 용이하게 캐비티를 형성할 수 있고, 또한 캐비티 저면의 조면화를 행함으로써 벌크파를 분산시키는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 벌크파의 반사에 의해 일어나는 리플(ripple)이나 스퓨리어스(spurious)를 요인으로 하는 필터 특성의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 제작한 탄성 표면파 소자(10)의 공진기(3)의 배치를 압전 기판(2)의 기판 두께 tp(및 기판(1)의 기판 두께 tsi)에 기초하여, 칩단으로부터 탄성 표면파(SAW) 전파 방향에서 결정하기 위해, 기판의 강성에 의한 응력을 완화시키지 않고 온도 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 즉, 본 실시예에서는 압전 기판의 두께와 공진기 위치의 최적화를 행함으로써, 주파수 변동이 적은 탄성 표면파 소자를 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예에서, 압전 기판(2)은 LT 기판을 LN 기판으로 치환하였다고 하여도, 대략 동등한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에서 나타내는 구성을 갖는 탄성 표면파 소자(10)는 특히, 리크(leak) SAW(누설 탄성 표면파)를 사용한 디바이스에 유효하다.
다음으로, 본 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)의 제조 프로세스에 대하여, 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 단, 이하의 공정에서는, 300㎛의 Si 기판(기판(1))과 50㎛의 LT 기판(압전 기판(2))을 갖는 탄성 표면파 소자(10)를 제조하는 경우를 예로 든다.
도 5의 (a)∼(c)는 탄성 표면파 소자(10)의 제조 프로세스를 나타내는 단면도이다. 본 제조 프로세스에서는 먼저, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 300㎛의 Si 기판으로 이루어지는 기판(1) 상에 42° Y 컷트 X 전파 LT 기판으로 이루어지는 압전 기판(2)을 직접 접합에 의해 접착하고, LT 기판을 50㎛ 정도가 될 때까지 연 삭, 연마한다. 또한, 연삭, 연마한 압전 기판(2) 상에, 노광, 에칭 등을 행함으로써, 빗형의 IDT 전극(12) 및 격자형의 반사 전극(13)을 형성한다. 또한, 기판(1) 상에 압전 기판(2)을 형성하는 방법에는 이들을 직접 접합으로 하여 얻는 것이면 어떠한 방법도 적용하는 것이 가능하다. 또한, IDT 전극(12) 및 반사 전극(13)은 금(Au)이나 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)나 티탄(Ti) 등의 적어도 1개를 주성분으로 하여 형성된다. 또한, 본 실시예에서는 공진기(3)가 칩(10A)의 SAW 전파 보고에서의 말단에서부터 200㎛인 부분에 위치하도록 IDT 전극(12) 및 반사 전극(13)을 형성하였다.
다음으로, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 기판(1)에서의 IDT 전극(12) 및 반사 전극(13)이 위치하는 바로 아래 영역을 예를 들면, ICP(Inductively Coupled Plasma) 에칭법을 이용한 딥(deep) RIE법(보슈 프로세스; bosch process)에 의해 탄성 표면파 소자(10)의 이면으로부터 제거한다. 이하의 표 1에, 이 보슈 프로세스에서의 에칭 공정과 디포지션 공정의 파라미터를 나타낸다. 또한, 이 때, 캐비티(1a)는 IDT 전극(12)의 이면에 위치하는 영역인 만큼, 가능한 한 IDT 전극(12)보다도 면적이 커지지 않도록 형성하여도 된다.
보슈 프로세스
사용가스/ 유량 압력 RF 파워 프로세스 시간
에칭 공정 SF6/ 450sc㎝ 43mTorr 2200W 9.5sec
디포지션 공정 C4F8/ 200sc㎝ 22mTorr 1500W 3.0sec
도 5의 (b)에 나타내는 공정에서는, 상기한 파라미터에 의한 에칭 공정과 디포지션 공정을 예를 들면, 250 사이클 반복함으로써, 300㎛의 Si 기판(기판(1))을 관통할 때까지 에칭한다. 또한, 이 공정에서는 ICP 에칭법 이외에도, 드라이 에칭법이나 웨트 에칭법이나 샌드 블러스트(sandblast)법 등을 사용할 수 있다.
이와 같이 기판(1)을 압전 기판(2)이 노출될 때까지 에칭하면, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 압전 기판(2)에서의 노출된 영역을 예를 들면, 샌드 블러스트법을 이용하여 조면화한다. 이것에 의해, 조면(2a)이 형성된다.
이상과 같은 공정을 거침으로써, 본 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(10)가 형성된다. 또한, 예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 패키지(10A)를 이용하여 탄성 표면파 소자(10)를 패키지화함으로써, 이것을 1개의 필터 장치로 하여 구성하는 것도 가능하다. 이 때, 패키징한 내부는 건조 질소가 충전되거나 또는 진공으로 되어 밀폐된다.
또한, 본 실시예에서, 기판(1)에는 예를 들면, 1Ω·㎝ 정도 이하의 비교적 낮은 저항률을 갖는 Si 기판을 사용한다. 단, 이 경우, 압전 기판(2) 상에 형성된 전극 패드(6)(도 3 참조)와 Si 기판(기판(1))과의 사이에서 기생 용량(단자 간 용량이라고도 함)이 발생할 가능성이 존재한다. 본 실시예에서는 이 단자 간 용량에 의한 공진 특성의 열화를 억제하기 위해, 전극 패드(4)의 면적을 가능한 한 작게 형성한다. 이것에 의해, 단자 간 용량의 저항 성분이 감소하고, 공진 특성의 열화가 억제되어, 비교적 저 손실의 탄성 표면파 필터, 즉 대역 통과 필터(또는, 탄성 표면파 필터)가 실현된다. 도 7에, 예로서 2가지의 전극 패드(4)의 사이즈(150㎛ ×150㎛, 250㎛×250㎛)에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 또한, 도 7에서는, 탄성 표면파 소자(10)에서의 압전 기판(2)의 기판 두께를 50㎛로 하고, 기판(1)의 기판 두께를 300㎛로 하였다.
도 7을 참조하면 분명해지는 바와 같이, 기판(1)에 비교적 저저항인 재료를 사용한 경우에서는 전극 패드(3)의 사이즈를 작게 한 쪽이 감쇠량(손실이라고도 함)이 감소하여, 필터 특성을 개선시키는 것을 알 수 있다.
<제2 실시예>
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 제1 실시예에서는 기판(1)에 비교적 저저항인 Si 기판을 사용하였지만, 본 실시예에서는 이것을 예를 들면, 10Ω·㎝ 정도 이상의 비교적 높은 저항률을 갖는 재료(예를 들면, 비도핑 Si)로 치환한다.
이와 같이, 기판(1)에 비교적 고저항인 Si 기판을 사용함으로써, 본 실시예에서는 단자 간 용량의 Q 값이 비교적 높은 값으로 구성되기 때문에, 공진기의 공진 저항을 낮게 구성하는 것이 가능해지고, 저 손실의 탄성 표면파 필터가 실현된다.
또한, 본 실시예와 같이 기판(1)에 비교적 고저항의 Si 기판을 사용하는 경우, 기판(1)에서의 공진기(3)(또는, IDT 전극(12)) 바로 아래 영역에 캐비티(1a)를 형성하지 않아도, 충분한 스퓨리어스 억제 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다른 구성은 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
<제3 실시예>
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 도 8은 본 실시예에 의한 탄성 표면파 소자(20)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면 분명해지는 바와 같이, 탄성 표면파 소자(20)는 압전 기판(2)에서의 캐비티(1a)가 형성된 영역에, 제1 실시예와 같은 조면(2a)이 형성되어 있지 않고, 그 대신 벌크파를 흡수하기 위한 흡음재(7)가 형성되어 있다. 이 흡음재(7)는 예를 들면, 에폭시 수지 등의 수지가 성막됨으로써 형성된다.
이러한 구성을 가짐으로써, 본 실시예에서는 제1 실시예와 마찬가지로, 벌크파의 반사에 의해 일어나는 리플이나 스퓨리어스를 요인으로 하는 필터 특성의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 다른 구성은 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
<제4 실시예>
다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 제1 실시예에서는, 캐비티(1a)를 모든 공진기(3)(또는, IDT 전극(12))의 이면에 형성하였지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, 도 9에 도시하는 탄성 표면파 소자(30)와 같이, 직렬 공진기(3a)에만 제공하여도, 또한, 도 10에 도시하는 탄성 표면파 소자(40)와 같이, 병렬 공진기(3b)에만 제공하여도 된다. 바꾸어 말하면, 본 실시예에서는 탄성 표면파 소자(10)에서의 적어도 1개의 공진기(3)(또는, IDT 전극(12))에 캐비티(1a)를 제공하고 있으면 된다. 또한, 다른 구성은 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
<다른 실시예>
이상, 설명한 실시예는 본 발명의 적합한 일 실시예에 지나지 않으며, 본 발명은 그 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지로 변형하여 실시 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고, 또한 가공이 용이한 실리콘 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 집적 접합 기판에서, 빗형 전극과 압전 기판을 가지고 형성되는 공진기 아래 영역에 캐비티(공극)가 형성되기 때문에, 필터 특성의 열화를 발생시키지 않고, 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 가지며, 또한 온도 안정성이 뛰어나며, 가공이 용이한 탄성 표면파 소자가 실현된다.
또한, 본 발명에 따르면, 열에 대하여 압전 기판보다도 안정되고 또한 가공이 용이한 실리콘 기판과 비교적 큰 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 기판이 직접 접합에 의해 접합된 직접 접합 기판에서, 압전 기판의 기판 두께에 따라 공진기의 탄성 표면파 전파 방향에서의 소자단으로부터의 거리를 확보함으로써, 온도 안정성을 충분히 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 효과를 얻을 수 있는 탄성 표면파 소자를 패키지화한 필터 장치로서 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 효과를 얻을 수 있는 탄성 표면파 소자의 제조 방법이 제공된다.

Claims (19)

  1. 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 상기 압전 기판보다 저팽창성인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자로서,
    상기 실리콘 기판에서의 적어도 상기 공진기 아래 영역의 일부에 캐비티가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 상기 빗형 전극과 인접하는 반사 전극을 포함하며,
    상기 캐비티는 상기 실리콘 기판에서의 상기 반사 전극 아래 영역에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 실리콘 기판에서의 상기 빗형 전극 아래 영역에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 기판에서의 상기 캐비티에 의해 노출된 영역이 조면화되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 기판에서의 상기 캐비티에 의해 노출된 영역 상에 흡음막(acoustic absorption member)을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빗형 전극을 복수개 갖고, 상기 캐비티가 상기 실리콘 기판에서의 적어도 1개의 상기 빗형 전극 아래 영역의 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 기판은 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  8. 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 상기 압전 기판보다 저팽창성인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 저항률이 10Ω·㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  9. 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과, 상기 압전 기판보다 저팽 창성인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자에 있어서,
    상기 공진기는 탄성 표면파가 전파하는 방향에서 소자단으로부터의 거리 d가 압전 기판의 두께를 tp로 한 이하의 수학식 1을 만족하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
    <수학식 1>
    d≥tp×3
  10. 제1항 내지 제3항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 기재된 상기 탄성 표면파 소자와, 상기 압전 기판 상에 형성되며, 상기 빗형 전극에 전기 신호를 도입하기 위한 전극 패드를 갖는 것을 특징으로 하는 필터 장치.
  11. 빗형 전극을 포함하는 공진기를 갖는 압전 기판과 상기 압전 기판보다 저팽창성인 실리콘 기판이 직접 접합된 탄성 표면파 소자를 제조하는 제조 방법으로서,
    상기 실리콘 기판에서의 적어도 상기 공진기 아래 영역의 일부에 캐비티를 형성하는 제1 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공진기는 상기 빗형 전극과 인접하는 반사 전극을 포함하며,
    상기 제1 공정은 상기 실리콘 기판에서의 상기 반사 전극 아래 영역에도 상 기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 압전 기판에서의 상기 캐비티에 의해 노출된 영역을 조면화하는 제2 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 압전 기판에서의 상기 캐비티에 의해 노출된 영역 상에 흡음막을 형성하는 제2 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 압전 기판은 상기 공진기가 복수 형성되어 있으며,
    상기 제1 공정은 상기 실리콘 기판에서의 적어도 1개의 상기 공진기 아래 영역의 일부에 상기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 공정은 상기 실리콘 기판에서의 상기 압전 기판이 접합된 면과 반대측의 면으로부터 상기 실리콘 기판을 에칭함으로써 상기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 공정은 RIE 장치를 이용하여 상기 실리콘 기판을 에칭함으로써 상기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 압전 기판은 탄탈산 리튬 또는 니오븀산 리튬으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
  19. 압전 기판과 상기 압전 기판보다 저팽창성인 기판을 갖는 탄성 표면파 소자를 제조하는 제조 방법에 있어서,
    상기 압전 기판에 빗형 전극 및 반사 전극을 포함하는 공진기를 형성하는 제1 공정을 포함하며,
    상기 제1 공정은 탄성 표면파가 전파하는 방향에서 소자단으로부터의 거리 d가 압전 기판의 두께를 tp로 한 이하의 수학식 1을 만족하는 위치에 상기 공진기를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자의 제조 방법.
    <수학식 1>
    d≥tp×3
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