KR100787788B1 - 고출력 표면 탄성파 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고출력 SAW 소자(10)는 압전 기판(11) 상에 배치된 전극(16, 19)을 포함한다. 전극은 기판 상에 증착되어 접합되는 재료의 접합층(30)과, 접합층에 중첩되며 상기 접합층에 의해 기판에 단단히 접합되는 재료의 적어도 하나의 층의 도전성 구조체(35)를 포함한다. 도전성 구조체는 알루미늄 및 합금을 포함하며, 상기 합금은 약 1 중량 % 내지 기계적 특성 및 고유 저항의 적당한 타협점을 제공하는 소정의 %의 범위이다. 합금은 예를 들면, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 및 텅스텐과 같은, 주기율표의 4족 및 6족 중 하나의 원소로부터 선택된다.
SAW 소자, 압전 기판, 전극, 접합층, 도전성 구조체
Description
본 발명은 고출력 표면 탄성파 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재의 통신 시대에는, 무선 통신, 특히 양방향 무전기(two-way radio), 휴대폰 등과 같은 소형의 휴대형 통신 기기에 대한 요구가 더욱 강조되고 있다. 이러한 휴대형 기기의 소형화에 대한 필요성, 또는 요구에 기인하여, 기기 내의 다양한 소자들을 더욱 소형화해야 하는 것은 필수적이다. 통상적으로, 종래에는, 필터와 같은 소자들은 소형화하기가 곤란했으며, 다수의 시도는 충분히 긴 수명을 갖지 못하거나 소요 출력을 견디지 못하는 열등한 소자(inferior component)를 발생시켰다.
표면 탄성파(SAW) 소자는 오랫동안 공지되어 있으며, 비교적 최근에야 휴대형 통신 기기의 전방 단부에 필터로서 일체화되었다. 상기 SAW 소자는 우수한 필터를 형성하도록 높은 주파수 감응성(frequency sensitive)으로 제조될 수 있다는 것은 당 기술 분야에 공지되어 있다. 그러나, 상기 SAW 소자의 크기는 작동 주파수에 좌우되며, 즉 주파수가 높을수록 SAW 소자는 작아진다. 발생하는 주요 문제점은, 다양한 통신 시스템에 사용되는 매우 높은 무선 주파수에 기인하여 SAW 필터가 매우 소형으로 제조되어야 한다는 것이다. 크기 요구에 부가하여서, 현재의 휴대형 기기는 비교적 높은 출력(예를 들면, 1W 이상)을 전송한다. 따라서, SAW 필터는 소형화되지만 출력 취급 요구는 높게 유지된다. 따라서, SAW 제조 재료 및 기술은 계속 개선되어야 한다.
따라서, 개선된 재료로 SAW 소자를 제공하고, 비교적 큰 출력 취급 용량 및 긴 수명을 갖는 소형의 SAW 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이 매우 필요하다.
도 1은 본 발명에 따른 고출력 표면 탄성파 소자의 상부 평면도.
도 2는 도 1의 선 2-2로부터 본 단면도.
도 3은 다른 실시예의 도 2와 유사한 단면도.
도 1을 참조하면, 고출력 표면 탄성파(SAW) 소자(10)의 평면도가 도시되어 있다. SAW 소자(10)는, 석영(quartz), 리튬 니오베이트(lithium niobate), 리튬 탄탈레이트(lithium tantalate), 리튬 테트라보레이트(lithium tetraborate) 등과 같은 당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 공지된 재료 중 임의의 하나를 포함할 수 있는 압전 기판(11)을 포함한다. 본 특정 실시예에서, SAW 소자(10)는 일반적으로 도면 부호 15로 지시된 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 SAW 필터 또는 공진기(resonator)로서 도시되어 있다. 상기 트랜스듀서(15)는 외부 단자(18)를 갖는 공통 버스(17)에 의해 접속되는 제 1 세트의 평행 이격 전극(16)과, 외부 단자(21)를 갖는 공통 버스(20)에 의해 접속되는 제 2 세트의 평행 이격 전극(19)을 포함한다. 상기 전극들(16, 19)은 공지된 표면 탄성파 작용을 제공하도록 통상의 상호 맞물림형 관계(interdigitated relationship)로 배치된다. 복수의 평행 이격 소자로 형성된 제 1 리플렉터(reflector)(25)는 도 1에서 트랜스듀서(15)의 좌측에 배치되며, 유사한 제 2 리플렉터(26)는 도 1에서 트랜스듀서(15)의 우측에 배치된다. 보다 명백하게 이해되는 바와 같이, 상기 전극들(16, 19)의 크기 및 간격과 리플렉터들(25, 26)의 위치는 작동 주파수에 좌우된다.
작동 중에, 무선주파수(RF) 신호가 전극들(16, 19)을 통해 기판(11)에 결합되어, 작동 주파수에서 전극(16, 19)들을 실제로 이동시키거나 발진시키는(oscillate) 표면 탄성파를 발생시킨다. SAW 소자에 파괴를 발생시키는 주요 문제점은, 하나 이상의 전극 또는 하나 이상의 전극의 부분들이 작동 동안 완전히 파열(blows-up)되거나 분해(fragment)된다는 것이다. 본 발명의 SAW 소자가 작동되어야 하는 비교적 높은 출력(1Watt 이상) 및 매우 높은 무선 주파수(RF) 신호 및 표면 탄성파로부터의 운동에 기인하여, 큰 응력이 전극들(16, 19)에 발생한다. 이러한 극심한 기계적 파괴는, 비교적 높은 출력의 RF 신호에 의해 발생하는 높은 온도와, 매우 높은 RF 신호 비(signal rate)에서의 이동에 의해 발생하는 응력, 및 경도 또는 인성, 고유 저항, 입자 크기 및 접합 특성을 포함하는, 전극들(16, 19)을 형성하는 재료의 다양한 특성의 조합에 의해 발생되는 것으로 고려된다.
SAW 전극(16, 19)들중 하나(편의상 도면 부호 16으로 나타냄)의 단면도를 도시하는 도 2를 또한 참조하면, 상기 전극(16)은 기판(11)의 표면상에 재료의 접합층(30)을 증착하는 것에 의해 제조된다. 전극(16, 19)들로서 사용하는데 적합한 다수의 재료는 기판(11)과 적절하게 접합되지 않기 때문에, 먼저 기판 재료와 양호하게 접합되는 재료의 층을 증착하는 것이 바람직하다. 이러한 재료들은, 예를 들면 티타늄, 티타늄-텅스텐, 티타늄-텅스텐 질화물, 크롬, 몰리브덴, 및 이들의 화합물과 같은 일반적으로 주기율표의 4족 또는 6족 원소들이다. 층(30)은 기판으로부터 결합된 표면 탄성파를 견디기 위해서 기판(11)의 표면에 단단히 접합되어야 하는 것이 필수적이다. 기판(11)으로부터의 층(30)의 해제(release) 또는 박리는 소자(10)의 파괴한다.
적어도 하나의 도전 재료의 층을 포함하는 도전성 구조체(35)가 접합층(30) 상에 중첩 관계(overlying relationship)로 증착된다. 도전성 구조체(35)는 접합층(30)에 단단히 접합되는 재료로 형성되며, 따라서 기판(11)의 표면에 단단히 접합된다. 도전성 구조체(35)는 알루미늄 및 합금을 포함하며, 상기 알루미늄 및 합금 각각은 개별층으로서 증착되거나 단일층으로서 동시에 증착될 수 있다. 여기서, 개별층의 증착 중에 증착 공정의 열은 종종 개별 재료층을 합금하여 단일 복합 금속을 형성하기에 충분하다는 것을 이해해야 한다. 또한, 금속이 단일층으로 동시에 증착되는 경우, 증착 중에 합금이 발생하여 단일의 복합 금속이 증착된다.
이해할 수 있는 바와 같이, 전극(16, 19)들은 전기 신호의 삽입을 허용하도록 전기 도전성을 가져야 하는데, 즉 예를 들면 낮은 고유 저항을 가져야 한다. 전극들(16, 19)은 또한 기판(11)의 표면 탄성파를 방해하지 않는 질량 로딩(mass loading) 특성을 가져야 하지만, 기계적 특성은 작동 응력을 견디기에 충분해야 한다. 대략 0.3×106 Ohms/cm의 전도도를 갖는 알루미늄이 도전성 구조체(35)의 전기 도전성 소자로서 사용된다. 또한, 알루미늄은 열이 트랜스듀서(15) 전체에 걸쳐 분포되며 핫 스팟(hot spot)이 제거되도록 열을 양호하게 전도한다. 양호한 실시예에서, 합금은 예를 들면 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 텅스텐, 또는 이들의 화합물과 같은 주기율표(periodic table)의 4족 및 6족 원소들 중 하나 이상으로부터 선택된다. 이러한 합금은 전극들(16, 19)을 강화하고, 경화하거나, 높은 인성을 갖게 하도록 도전성 구조체(35)에 첨가된다.
합금의 첨가는 도전성 구조체의 고유 저항을 증가시키는 문제점이 있다. 예를 들면, 티타늄은 0.02×106 Ohms/cm의 전도도를 갖거나, 또한 대략 알루미늄의 전도도의 1/10의 전도도를 갖는다. 따라서, 매우 다량의 합금은 매우 경질의 또는 인성의(tough) 전극을 발생시킬 수 있지만, 매우 열악한 고유 저항을 갖게 하여 실질적으로 사용할 수 없게 한다. 또한, 매우 다량의 알루미늄은 낮은 고유 저항을 갖지만, 고주파수 및 고출력에 의해 급속히 파괴될 수 있는 매우 연성의 전극을 발생시킬 수 있다. 광범위한 연구 끝에, 도전성 구조체(35)에 포함되는 합금은, 대략 1중량% 내지 전극들(16, 19)의 고유 저항과 음향 및 기계적 특성의 적당한 타협점(tradeoff)을 제공하는 소정의 중량%의 범위이어야 한다는 것을 결정하였다. 대략 1중량% 미만의 합금은 낮은 고유 저항을 발생시키지만, 인성, 경도, 접합 강도와 같은 기계적 특성이 너무 낮아서, SAW 소자의 비교적 이른 사용 기간 중에 극심한 파괴가 발생한다.
알루미늄에 대한 합금의 정확한 비율은 어느 정도는, 사용되는 특정 합금의 종류, 전극들의 크기, 및 작동 주파수 및 소요 출력과 같은 다른 특성에 좌우된다. 전형적인 예에서, 전극들(16, 19)은 티타늄이 대략 1 내지 25 중량%의 범위로 존재하는 알루미늄-티타늄 합금으로 형성된다. 티타늄은 알루미늄의 전도도의 대략 1/10 정도의 전도도를 가지며, 최대 25중량%까지는 전극들이 충분히 전도성을 갖지 않는 지점까지 전도도를 감소시키지 않고 알루미늄과 합금될 수 있다. 더 높은 비율의 티타늄은, 인성, 경도, 접합 강도와 같은 기계적 특성을 실질적으로 증가시키므로, 극심한 파괴의 발생 기회는 매우 감소되거나 제거된다.
상술한 바와 같이, 도전성 구조체(35)는 알루미늄 및 합금을 포함하며, 상기 알루미늄 및 합금 각각은 개별층으로 증착되거나 단일층으로 동시에 증착될 수 있다. 또한, 소자(10)의 다양한 부품은 다수의 상이한 방법으로 형성될 수 있다. 하나의 통상적인 방법에서, 다양한 부품들{예를 들면, 접합층(30) 및 구조체(35)}은 블랭킷(blanket)에 증착되며, 그 후 소자(10)를 형성하기 위해 마스킹되며 에칭된다. 제 2 방법에서, 기판(11)은 소자(10)를 형성하도록 마스킹되며, 소자(10)를 형성하기 위해 통상의 금속 리프트 오프 공정이 수행된 후 다양한 부품들이 증착된다. 또한, 이러한 공정들의 다수의 변형 및 조합이 사용될 수 있다. 상기 공정들 중 임의의 하나에서, 알루미늄 및 합금은 각각 개별층으로 또는 단일층으로 동시에 증착될 수 있다. 도전성 구조체 및 접착층 또는 접착층들은, 전자 빔(E-beam) 증착, 또는 열 증착, 또는 스퍼터링을 포함하는 공지된 방법 중 하나에 의해 증착된다.
일반적으로, 알루미늄 및 합금의 개별층이 증착되는 경우에, 알루미늄 층의 증착이 수행된 후 합금 층의 증착이 수행되고, 그 후 알루미늄 층의 증착이 수행될 수 있다. 알루미늄은 소정의 알루미늄 합금을 생성하기 위해 증착될 때에, 합금과 혼합될 수 있다. 통상 100Å 이하의 얇은 층에서, 알루미늄은 일반적으로 접합층(30)의 금속과 혼합될 수 있으며, 접합층(30)이 증착되어 기판(11)의 표면에 접합되면, 접합층(30)과 알루미늄의 후속의 혼합은 접합 특성에 영향을 미치지 않는다. 이후 증착되는 얇은 층의 합금은 또한 알루미늄과 혼합되며, 이후 증착되는 얇은 층의 알루미늄은 얇은 합금과 혼합되어 일반적으로 균일한 도전성 구조체(35)를 형성한다. 다른 방법에서는 이미 합금의 형태이며 다음 단일층으로 증착되는 개시 물질(starting material)을 사용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 1의 SAW 소자(10)와 유사한 SAW 소자(10')의 다른 실시예의 하나의 SAW 전극(16')을 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 도 2의 소자(10)의 부품들과 유사한 소자(10')의 다양한 부품들은 상이한 실시예를 나타내기 위해 프라임(')이 첨가된 유사한 도면 부호로 나타낸다. 전극(16')은 기판(11')의 표면 상에 접합 재료의 접합층(30')을 증착함으로써 제조된다. 도전성 재료의 하나 이상의 층을 포함하는 도전성 구조체(35')는, 접합층(30') 상에 중첩 관계로 증착된다. 도전성 구조체(35')는 접합층(30')에 단단히 접합되는 재료로 형성되며, 따라서 기판(11')의 표면에 단단히 접합된다. 상술한 바와 같이, 도전성 구조체(35')는 알루미늄 및 합금을 포함하며, 알루미늄 및 합금 각각은 개별층으로 증착되거나 단일층으로 동시에 증착될 수 있다.
도 3에 도시한 실시예에서, 제 2 접합층(40')은 도전성 구조체(35')상에 중첩 관계로 증착된다. 본 특정 실시예에서, 층(40')은 구조체(35')와 함께 접합되거나 유지하는 기능을 한다. 제 2 접합층(40')은, 전극들(16, 19)과 적절하게 접합될 수 있으며 소자(10')에 과도한 부하를 가하지 않는 임의의 물질을 포함한다. 이러한 물질은 일반적으로, 예를 들면 티타늄, 티타늄-텅스텐, 티타늄-텅스텐 질화물, 크롬, 몰리브덴, 및 이들의 화합물과 같은, 주기율표의 4족 또는 6족 원소이다. 포함되는 경우, 층(40')은 도전성 구조체(35')의 표면에 단단히 접합되는 것이 필수적이다. 도전성 구조체(35')로부터의 층(40')의 임의의 해제 또는 박리는 소자(10')의 파괴를 초래한다.
증착 중의 다양한 금속의 계면에서의 자연적인 혼합에 기인하여서, 접합층(30 또는 30'), 도전성 구조체(35 또는 35'), 및 만일 존재한다면 상부 접합층(40')의 총 합금 함량을 결정하는 것이 바람직하다. 접합층으로부터 합금의 적어도 일부가 증착 중에 도전성 구조체와 혼합될 수 있기 때문에, 일반적으로 도전성 구조체에 포함되는 합금의 양을 결정할 때 이러한 사항을 고려하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 3의 접합층(30', 40')이 티타늄이면, 도전성 구조체(35')에 포함되는 티타늄의 양을 결정할 때 상기 층들의 티타늄 양을 고려하는 것이 바람직할 수 있다. 본 예에서, 소자(10')의 총 티타늄 양은 1중량% 이상 및 일반적으로 약 25% 미만, 또는 표면 탄성파 전극(surface acoustic wave electrode)의 기계적 특성과 고유 저항의 적당한 타협점(tradeoff)을 제공하는 소정 중량% 정도인 것이 바람직하다.
따라서, 신규하며 개선된 고출력 표면 탄성파 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 신규하며 개선된 고출력 표면 탄성파 소자는 작동 중의 파열(blow-out) 또는 분해(fragmentation)와 같은 극심한 파괴를 매우 감소시킨다. 또한, 신규하며 개선된 고출력 표면 탄성파 소자는, 현존하는 SAW 소자가 작동되어야 하는 비교적 고출력(1W 이상) 및 매우 높은 무선 주파수(RF) 신호를 수용하면서, SAW 소자에 제공되는 큰 응력을 견디도록 특별히 제조된다. 극심한 기계적 파괴는 본 발명에 의해 실질적으로 또는 완전히 제거되는 것으로 고려된다.
본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였지만, 당 기술 분야의 숙련자들에게는 부가의 변형 및 개량이 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 도시한 특정 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 모든 변형은 첨부된 청구범위에 의해 커버되는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다.
Claims (11)
- 고출력 표면 탄성파 소자(a high power surface acoustic wave device)로서,표면을 갖는 압전 기판과,상기 압전 기판의 표면상에 배치된 표면 탄성파 전극을 포함하며,상기 표면 탄성파 전극은, 상기 압전 기판의 표면상에 증착되어 표면과 접합되는, 주기율표의 4족 또는 6족 원소로부터만 선택되는 금속으로 이루어지는 접합층과, 상기 접합층에 중첩되며 상기 접합층에 의해 상기 표면에 단단히 접합되는 재료의 하나 이상의 층의 도전성 구조체를 포함하며;상기 도전성 구조체는 알루미늄과 합금을 포함하며, 상기 합금은 1중량% 이상인 고출력 표면 탄성파 소자.
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- 고출력 표면 탄성파 소자로서,표면을 갖는 압전 기판과,상기 압전 기판의 표면상에 배치되는 표면 탄성파 전극을 포함하며,상기 표면 탄성파 전극은, 상기 압전 기판의 표면상에 증착되어 상기 표면과 접합되며, 티타늄, 티타늄-텅스텐, 티타늄-텅스텐 질화물, 크롬, 또는 이들의 화합물 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는 접합층과, 상기 접합층에 중첩되며 상기 접합층에 의해 상기 표면에 단단히 접합되는 하나 이상의 층을 갖는 도전성 구조체를 포함하며,상기 도전성 구조체는 알루미늄과; 티타늄, 몰리브덴, 크롬 및 텅스텐 중 하나를 포함하는 합금을 포함하며, 상기 합금은 1중량% 내지 25 중량%의 범위인 고출력 표면 탄성파 소자.
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