KR100819669B1 - 압전 박막 공진기 및 필터 - Google Patents

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쯔요시 요꼬야마
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다께시 사까시따
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마사후미 이와끼
도끼히로 니시하라
마사노리 우에다
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후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤
후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 압전 박막 공진기 및 필터를 제공한다. 본 발명은, 기판(41) 상에 설치된 하부 전극(43)과, 하부 전극(43) 상에 설치된 압전막(44)과, 압전막(44) 상에 설치된 상부 전극(45)과, 압전막(44)을 사이에 두는 하부 전극(43)과 상부 전극(45)과의 중첩 영역인 멤브레인 영역과, 기판(41)과 하부 전극(43) 사이에 설치된 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)을 갖고, 공극(46)의 기판면 상에의 투영 영역은 멤브레인 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기 및 필터이다.
압전막, 멤브레인 영역, 이온 밀링 기술, 에칭액, 스퍼터링법, 석영 기판, 실리콘 기판, 압전 박막 공진기

Description

압전 박막 공진기 및 필터{PIEZOELECTRIC THIN-FILM RESONATOR AND FILTER}
도 1은 종래예 1에 따른 압전 박막 공진기의 단면도.
도 2는 종래예 2에 따른 압전 박막 공진기의 단면도.
도 3은 종래예 3에 따른 압전 박막 공진기의 단면도.
도 4의 (a)는 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 평면도, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 A-A 단면도, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)의 B-B 단면도.
도 5의 (a) 내지 도 5의 (h)는 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)는 멤브레인 영역과 희생층 또는 공극과의 관계를 도시한 도면．
도 7은 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 전기 기계 결합 계수를 도시한 도면.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 실시예 1의 변형예를 도시한 도면．
도 9의 (a)는 실시예 2에 따른 필터의 평면도이며, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)의 A'-A' 단면도.
도 10은 실시예 2에 따른 필터의 통과 특성을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31, 41 : 기판
13, 23, 33, 43 : 하부 전극
14, 24, 34, 44 : 압전 박막
15, 25, 35, 45 : 하부 전극
16, 26, 36, 46 : 공극
47 : 구멍부
48 : 희생층
49 : 도입로
50 : 멤브레인 영역
[특허 문헌 1] 일본 특개소 60-189307호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특개 2000-69594호 공보
[비특허 문헌 1] Electron.Lett., 1981년, 17권, 507-509페이지
본 발명은, 압전 박막 공진기 및 필터에 관한 것으로, 특히, 돔 형상의 공극을 갖는 압전 박막 공진기 및 필터에 관한 것이다.
휴대 전화에 대표되는 무선 기기의 급속한 보급에 의해, 소형이며 경량인 공진기 및 이것을 조합하여 구성한 필터의 수요가 증대하고 있다. 지금까지는 주로 유전체와 표면 탄성파(SAW) 필터가 사용되어 왔지만, 최근에서는, 특히 고주파에서의 특성이 양호하며, 또한 소형화와 모놀리식화가 가능한 소자인 압전 박막 공진기 및 이것을 이용하여 구성된 필터가 주목받고 있다.
이러한 압전 박막 공진기의 하나로서, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입의 공진기가 알려져 있다. 이것은, 기판 상에, 주요 구성 요소로서, 상부 전극막과 압전막과 하부 전극막의 적층 구조체(복합막)를 갖고, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부분의 하부 전극 아래에는 공극(비어 홀 혹은 캐비티)이 형성되어 있다. 이러한 공극은, 소자 기판으로서 이용되는 Si 기판을 이면으로부터 에칭(웨트 에칭이나 드라이 에칭)함으로써 형성되거나, 혹은, Si 기판의 표면에 설치한 희생층을 웨트 에칭하거나 하여 형성된다.
상부 전극과 하부 전극 사이에 고주파의 전기 신호를 인가하면, 상부 전극과 하부 전극 사이에 끼워진 압전막 내부에, 역압전 효과에 의해 여진되는 탄성파나 압전 효과에 기인하는 왜곡에 의해 발생하는 탄성파가 발생한다. 그리고, 이들 탄성파가 전기 신호로 변환된다. 이러한 탄성파는, 상부 전극(막)과 하부 전극(막)이 각각 공기에 접하고 있는 면에서 전반사되기 때문에, 두께 방향으로 주변위를 갖는 두께 세로 진동파로 된다. 이 소자 구조에서는, 공극 상에 형성된 상부 전극막/압전막/하부 전극막을 주요 구성 요소로 하는 박막 구조 부분의 합계 막 두께 H가, 탄성파의 1/2 파장의 정수배(n배)로 되는 주파수에서 공진이 발생한다. 탄성파의 전파 속도 V는 재료에 의해 결정되며, 공진 주파수 F는 F=nV/2H로 주어진다. 이러한 공진 현상을 이용하면 막 두께를 파라미터로 하여 공진 주파수를 제어하는 것이 가능하기 때문에, 원하는 주파수 특성을 갖는 공진기나 필터를 제작할 수 있다.
여기서, 상하의 전극막으로서는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 티탄(Ti) 등의 금속 재료 혹은 이들 금속을 조합한 적층 재료를 이용할 수 있다. 또한, 압전막으로서는, 질화 알루미늄(AlN), 산화 아연(ZnO), 티탄산 지르콘산납(PZT), 티탄산납(PbTiO3) 등을 이용할 수 있다. 특히, (002)방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화 아연(ZnO)인 것이 바람직하다. 또한, 소자 기판으로서는, 실리콘, 글래스, GaAs 등을 이용할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 상기 구성의 압전 박막 공진기에서는, 하부 전극막(혹은 유전 체막)의 바로 아래에, 비어 홀 혹은 캐비티를 형성할 필요가 있다. 이하에서는, 기판의 이면으로부터 표면까지 관통하고 있는 구멍을 비어 홀이라고 하며, 기판의 표면 근방이나 하부 전극막(혹은 유전 체막)의 바로 아래에 존재하는 공동을 캐비티라고 한다. 종래의 압전 박막 공진기는 비어 홀 타입과 캐비티 타입으로 분류된다.
도 1은, 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 종래의 압전 박막 공진기(종래예 1)의 개략적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 이 구조에서는, 열산화막(SiO2)(12)을 갖는 (100) Si 기판(11) 상에, 하부 전극(13)으로서 Au-Cr막, 압전막(14)으로서 ZnO막, 상부 전극(15)으로서 Al막이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 아래쪽에는 비어 홀(16)이 형성되어 있다. 이 비어 홀(16)은, (100) Si 기판(11)의 이면측으로부터, KOH 수용액 혹은 EDP 수용액(에틸렌디아민과 피로카테콜과 물의 혼합액)을 이용한 이방성 에칭을 실시하여 형성한 것이다.
그러나, 도 1에 도시한 비어 홀 타입의 압전 박막 공진기에는, 이하와 같은 문제가 있다. 첫째로, 원래 상술한 이방성 에칭이라고 하는 것은, Si 기판의 (100)면의 에칭 레이트가 (111)면의 에칭 레이트와 비교하여 어느 정도의 높은 값을 갖는다고 하는 특성을 이용하고 있기 때문에, Si 기판의 컷트면이 (100)면인 경우에 한하여 유효한 방법이라는 점이다. 둘째로, 비어 홀은, (100)면과 (111)면이 교차하는 각도인 54.7°의 경사를 갖는 측벽 형상을 취하지 않을 수 없기 때문에, 소자 사이즈가 커지는 것을 피할 수 없으며, 또한 Si 기판 이면의 일부 영역을 크게 에칭하여 형성되는 비어 홀에 의해 기계적 강도도 저하하게 된다는 점이다. 셋째로, 이러한 압전 박막 공진기를 복수개 근접하여 배치시켜 필터를 구성하는 경우, 개개의 공진기의 소형화가 곤란하기 때문에 필터도 실용적인 사이즈로까지 소형화하는 것이 불가능하다는 점이다. 넷째로, Si 기판에 비어 홀을 형성하고 있기 때문에 인덕턴스나 캐패시턴스 등과 같은 다른 소자를 동일 기판 상에 제조할 때의 방해로 되어, 집적화가 용이하지 않다는 점이다. 다섯째로, Si 기판을 다이싱하여 개개의 칩으로 분할하는 공정이나 패키지에의 실장 공정에서, 강도가 약한 소자의 파손을 회피하기 위해 특별한 배려를 필요로 하는 점이다.
이에 대하여 캐비티 타입의 압전 박막 공진기는, 희생층 상에, 상부 전극막 과 압전막과 하부 전극막(필요에 따라 추가로 유전체막)의 적층 구조를 갖고, 이 희생층을 에칭에 의해 제거하여 형성된 캐비티를 구비한 압전 박막 공진기이다.
도 2는, 이러한 캐비티 타입의 압전 박막 공진기(종래예 2)의 개략적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다(특허 문헌1 참조). 이 구조에서는, 열 산화막(SiO2)(22)을 갖는 기판(21) 상에, 하부 전극(23)과 압전막(24)과 상부 전극(25)이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 아래쪽에는 캐비티(26)가 형성되어 있다. 이 캐비티(26)는, 미리 아일런드(섬) 형상의 ZnO의 희생층을 패터닝해 두고, 이 희생층 패턴 상에 상기한 적층 구조를 형성하며, 또한 적층 구조의 아래쪽에 있는 희생층을 산으로 제거함으로써 형성된다.
일반적으로, FBAR과 같은 두께 세로 진동을 이용한 압전 박막 공진기에서는, 양호한 공진 특성을 얻기 위해서는 압전막의 배향성이 양호하다는 것이 전제로 된다. 통상적으로, 캐비티 깊이는, 진동 변위와 멤브레인 부분의 휨을 고려하면, 수㎛~수십㎛ 필요하다. 그러나, 이와 같이 두꺼운 희생층을 성막한 후의 표면은 거칠어, 그 희생층 상에 성장시키는 하부 전극막(23)과 압전막(24)의 배향성은 상당히 저하하게 된다. 또한, 상부 전극막(25)/압전막(24)/하부 전극막(23)의 적층체는, SiO2막(22)에 의해 상측으로 융기하는 다리 형상의 기초 상에 설치되는 것으로 되기 때문에, 기계 진동에 대한 강도도 약하여 실용상의 신뢰성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
도 3은, 이러한 배향성의 문제를 극복하는 방법으로서 특허 문헌 2에 개시되 어 있는 압전 박막 공진기(종래예 3)의 개략적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 이 구조에서는, 열산화막(SiO2)(32)을 갖는 Si 기판(31) 상에, 하부 전극(33)과 압전막(34)과 상부 전극(35)이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 아래쪽에 캐비티(36)가 형성되어 있다. 이 구성의 압전 박막 공진기는 다음과 같이 하여 제작된다.
우선, Si 기판(31)의 표면의 일부 영역에 에칭에 의해 오목부를 형성하고, 다음에 희생층으로서 사용하는 PSG(인석영 글래스) 안의 인이 Si 기판(31) 안에 확산하는 것을 방지하기 위해서, Si 기판(31) 표면에 열 산화막(SiO2)(32)을 형성한다. 희생층의 PSG를 퇴적한 후에 연마 및 크리닝을 행하여, 표면의 미러 마무리를 행한다. 계속해서, 하부 전극막(33), 압전막(34), 상부 전극막(35)의 순으로 퇴적하고, 마지막으로 PSG를 제거한다. 그러나, 이러한 압전 박막 공진기의 제작 방법에서는 제작 코스트가 높아지고, 또한, 슬러리 잔사 등의 처리를 필요로 하는 번거로운 연마 공정을 포함하고 있어, 제조 공정수도 많아 생산성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제를 고려하여 이루어진 것으로, 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 압전 박막 공진기 및 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 기판 상에, 상기 기판과의 사이에 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극이 형성되도록 설치된 하부 전극과, 이 하부 전극 상에 설치된 압전막과, 이 압전막 상에 설치된 상부 전극과, 상기 압전막을 사이에 두는 상기 하부 전극과 상기 상부 전극과의 중첩 영역인 멤브레인 영역을 구비하며, 상기 공극의 상기 기판면 상에의 투영 영역은 상기 멤브레인 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기이다. 본 발명에 따르면, 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 압전 박막 공진기를 제공할 수 있다.
상기 구성에서, 상기 투영 영역의 윤곽은 곡선을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 투영 영역의 윤곽은 비평행으로 이루어지는 다각형인 것을 특징으로 할 수 있다. 이들 구성에 따르면, 복합막의 강도의 확보와 공진 특성의 변동의 저감을 양립시킬 수 있다.
상기 구성에서, 상기 멤브레인 영역의 윤곽은 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 멤브레인 영역의 윤곽은 비평행으로 이루어지는 다각형인 것을 특징으로 할 수 있다. 이들 구성에 따르면, 가로 방향 진동의 영향을 저감할 수 있다.
상기 구성에서, 상기 하부 전극, 상기 압전막 및 상기 상부 전극으로 이루어지는 복합막의 응력은 압축 응력인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 하부 전극에 구멍부가 설치되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 이들 구성에 따르면, 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극을 형성할 수 있다.
상기 구성에서, 상기 압전막은, (002)방향을 주축으로 하는 배향성을 나타내 는 질화 알루미늄 및 산화 아연 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다. 이 구성에 따르면, 양호한 공진 특성을 갖는 압전 박막 공진기를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 구성의 압전 박막 공진기를 복수 조합하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 필터이다. 본 발명에 따르면, 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 필터를 제공할 수 있다.
<실시예>
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
<실시예 1>
도 4의 (a)는 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 평면도, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 A-A 단면도, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)의 B-B 단면도이다. 도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)를 참조하여, Si 기판(41) 상에, 기판(41)과의 사이에 하부 전극(43) 측에 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)이 형성되도록 하부 전극(43)이 설치되어 있다. 돔 형상의 부푼 부분이란, 예를 들면 공극(46)의 주변에서는 공극의 높이가 작고, 공극의 내부일수록 공극의 높이가 높게 되는 형상의 부푼 부분이다. 하부 전극(43) 상에 압전막(44), 압전막(44) 상에 상부 전극(45)이 각각 설치되어 있다. 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)은 복합막을 구성하고 있다. 하부 전극(43) 및 상부 전극(45)은 Ru, 압전막(44)은 (002)방향을 주축으로 하는 AlN을 이용하고 있다. 압전막(44)을 사이에 두는 하부 전극(43)과 상부 전극(45)과의 중첩 영역이 멤브레인 영역이다. 도 4의 (a)로부터 하부 전극(43)에는 B-B의 방향으로 후술하는 희생층을 에칭하기 위한 도입로(49)가 형성되어 있다. 도입로(49)의 선단 부근은 압전막(44)으로 피복되어 있지 않고, 하부 전극(43)은 도입로(49)의 선단에 구멍부(47)를 갖는다. 압전막(44)에는 하부 전극(43)과 전기적으로 접속하기 위한 개구부가 설치되어 있다.
도 5의 (a) 내지 도 5의 (h)는, 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 제조 공정을 도시하는 단면도이다. 도 5의 (a) 내지 도 5의 (d)는 도 4의 (a)의 A-A 단면에 상당하는 단면이며, 도 5의 (e) 내지 도 5의 (h)는 도 4의 (b)의 B-B 단면에 상당하는 단면이다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (e)를 참조하여, 실리콘 기판(41) 상에, 예를 들면 MgO 등으로 이루어지는 막 두께가 약 20㎚인 희생층(48)을 예를 들면 스퍼터링법 또는 증착법을 이용하여 형성한다. 기판(41)은 상술한 바와 같이 실리콘 기판 이외에도 석영 기판, 글래스 기판, GaAs 기판 등을 이용할 수 있다. 특히, 공극(46)을 형성할 때, 종래예 1 및 3과 같이 기판(41)을 에칭하지 않기 때문에, 에칭이 어려운 기판도 이용할 수 있다. 희생층(48)으로서는, ZnO, Ge, Ti 등, 에칭액에 의해, 용이하게 용해할 수 있는 재료가 바람직하다. 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여, 희생층(48)을 소정의 형상으로 한다.
도 6의 (a)는 이 때의 희생층(48)을 형성한 영역과 멤브레인 영역(50)으로 될 영역(이하에서는 각각 희생층(48)과 멤브레인 영역(50)이라고도 함)의 관계를 도시한 평면도이다. 희생층(48)이 멤브레인 영역(50)을 포함하도록 형성되어 있다. 희생층(48)을 제거하기 위한 에칭액을 도입하기 위한 도입로(49)가 2개소 설치되어 있다. 도입로(49)는 1개소 또는 3개소 이상이어도 된다.
도 5의 (b) 및 도 5의 (f)를 참조하여, Ru로 이루어지며 막 두께가 약 100㎚인 하부 전극(43)을 0.6~1.2Pa의 Ar 가스 분위기 중의 스퍼터링으로 형성한다. 하부 전극(43)으로서는, 전술한 금속을 이용할 수 있다. 노광 기술과 이온밀링 기술을 이용하여, 하부 전극(43)을 소정의 형상으로 한다. 도 6의 (b)는 이 때의 희생층(48)과 멤브레인 영역(50)의 관계를 도시한 평면도이다. 그 위에 하부 전극(43)이 형성되어 있지 않은 희생층(48)은 하부 전극(43)의 에칭 시에 제거된다. 이 결과, 도 6의 (b)의 좌측의 희생층(48)의 윤곽은 하부 전극(43)의 형상의 윤곽(즉 멤브레인 영역(50)의 윤곽)과 일치한다. 한편, 도 6의 (b)의 우측은, 하부 전극(43)으로 되는 영역은, 멤브레인 영역(50)과 멤브레인 영역(50)의 근방으로 이루어지는 희생층(48)을 피복하고 있다. 이 때문에, 하부 전극(43)의 에칭 시, 멤브레인 영역(50) 근방의 희생층(48)이 제거되는 일은 없다. 이 결과, 멤브레인 영역(50)의 좌측은 희생층(48)과 멤브레인 영역(50)의 윤곽이 일치하고, 멤브레인 영역(50)의 우측은 희생층(48)이 멤브레인 영역(50)을 포함한다. 도입로(49)의 선단에는, 구멍부(47)가 형성된다. 또한, 구멍부(47)는 나중에 형성해도 된다.
도 5의 (c) 및 도 5의 (g)를 참조하여, 하부 전극(43) 및 기판(41) 상에, (002)방향을 주축으로 하는 AlN막으로 이루어지며 막 두께가 약 400㎚인 압전막(44)을, 약 0.3Pa의 압력의 Ar/N2 혼합 가스 분위기 중의 스퍼터링으로 형성한다. 압전막(44) 상에, Ru로 이루어지며 막 두께가 약 100㎚인 상부 전극(45)을 0.6~1.2Pa의 Ar가스 분위기 중의 스퍼터링으로 형성한다. 압전막(44)으로서는, 상술한 바와 같이 ZnO 등의 압전 재료를 이용할 수도 있다. 상부 전극(45)은 하부 전극(43)과 마찬가지의 금속을 이용할 수 있다. 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여 상부 전극(45) 및 압전막(44)을 소정의 형상으로 한다. 이 때, 도 5의 (c)와 같이, 하부 전극(43) 상에는, 하부 전극(43)을 외부와 전기적으로 접속하기 위한 압전막(44)의 개구부가 설치된다. 또한, 도 5의 (g)와 같이, 도입로(49)의 선단에는 압전막(44) 및 상부 전극(45)은 형성되어 있지 않다.
도 5의 (d) 및 도 5의 (h)를 참조하여, 희생층(48)을 에칭하기 위한 에칭액을 구멍부(47), 도입로(49)를 거쳐 도입하여, 희생층(48)을 제거한다. 여기에서, 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)으로 이루어지는 복합막의 응력은 압축 응력으로 되도록 설정되어 있다. 이 때문에, 희생층(48)의 에칭이 완료된 시점에서, 복합막은 부풀어 올라, 하부 전극(43)과 기판(41) 사이에 복합막 측에 돔 형상을 갖는 공극(46)이 형성된다. 또한, 실시예 1에서는 복합막의 압축 응력은 - 300MPa로 되도록 설정되어 있다.
도 6의 (c)는 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기의 멤브레인 영역(50)과 공극(46)의 기판(41)에의 투영 영역(이하, 간단히 공극(46)이라고도 함)을 도시한 도면이다. 멤브레인 영역은 타원형을 하고 있다. 도면의 좌측, 즉 상부 전극(45)과 연결되는 멤브레인 영역(50)의 윤곽은, 공극(46)의 윤곽과 일치하고 있다. 한편, 하부 전극(43)과 연결되는 멤브레인 영역(50)의 윤곽은 공극(46)의 윤곽에 포함되어 있다. 이와 같이, 공극(46)의 기판(41)면 상에의 투영 영역은 멤브레인 영역(50)을 포함하고 있다. 여기에서, 멤브레인 영역(50)의 세로 방향의 폭을 LE, 가로 방향의 폭을 WE, 공극의 세로 방향의 폭을 LS, 가로 방향의 폭을 WS로 한다. 실시예 1에서는, LE=150㎛ 및 WE=125㎛로 하였다. 또한, 도 5의 (b) 및 도 5의 (f)에서, 하부 전극(43)을 에칭할 때, 희생층(48)도 에칭되기 때문에, 도 6의 (c)의 공극(46)의 좌측에서 멤브레인 영역(50)과 공극(46)의 윤곽이 일치하고 있다. 하부 전극(43)을 에칭할 때, 희생층(48)이 에칭되지 않도록 함으로써, 공극(46)의 좌측에서도, 멤브레인 영역(50)의 윤곽이 공극(46)의 윤곽을 포함하도록 하는 것도 가능하다.
도 7은, 공극 사이즈(LS)로부터 멤브레인 영역의 사이즈(LE)를 뺀 값에 대한 압전 박막 공진기의 전기 기계 결합 계수를 도시한 도면이다. 여기에서, LS-LE는 WS-WE의 약 2배로 하고 있다. LS-LE를 크게 함으로써 전기 기계 결합 상수가 커진다. 발명자의 실험에 따르면, LS-LE가 10㎛ 정도까지는 양호한 전기 기계 결합 상수를 얻을 수 있다는 것을 알았다. 이와 같이, 공극(46)은 멤브레인 영역(50)을 포함함으로써, 전기 기계 결합 상수를 향상시킬 수 있어, 공진 특성이 향상된다. 한편, 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)이 멤브레인 영역(50)보다 작은 경우, 공극(46)의 형상이 불량으로 되거나, 혹은 공극을 형성할 수 있어도 삽입 손실이 열화하여, 안정된 공진 특성을 얻을 수 없었다.
실시예 1에 따르면, 공극(46)을 복합막 측에 돔 형상으로 하고 있기 때문에, 종래예 1 및 2와 같이 기판(41)을 에칭할 필요가 없다. 따라서, 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 기판(41)의 기계적 강도도 도모할 수 있다. 또한, 공극(46)을 형성하는 영역은 작아도 되기 때문에 집적화를 도모할 수 있다. 종래예 2에 비하여, 공극(46)의 크기를 작게 할 수 있기 때문에, 복합막의 기계 진동에 의 한 신뢰성 열화를 억제할 수 있다. 또한 공극(46)을 형성하기 위한 희생층(48)의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 종래예 1 및 종래예 3과 마찬가지로 양호한 압전막(44)의 배향성을 확보할 수 있다. 또한, 도 7과 같이, 공극(46)의 기판(41)면 상에의 투영 영역은 멤브레인 영역(50)을 포함함으로서, 압전 박막 공진기의 공진 특성을 향상시켜 우수한 성능을 얻을 수 있다.
또한, 실시예 1과 같이, 공극(46)의 기판(41)면 상에의 투영 영역의 윤곽은 곡선을 포함하는 것이 바람직하다. 응력이 특정 변에 집중하는 것을 억제할 수 있기 때문이다. 따라서, 복합막의 강도의 확보와 공진 특성의 변동의 저감을 양립시킬 수 있다. 모든 윤곽이 곡선인 것이 보다 바람직하며, 타원형이나 원형인 것이, 응력을 집중시키지 않기 때문에 보다 바람직하다. 예를 들면, 도 8의 (a)는, 하부 전극(43a), 상부 전극(45a) 및 공극(46a)을 도시한 예이다. 도 8의 (a)와 같이, 사각의 변을 곡선으로 한 공극(46a)으로 해도 된다. 사각 이외의 다각형의 변을 곡선으로 한 형상이어도 된다. 또한, 도 8의 (b)는, 하부 전극(43b), 상부 전극(45b) 및 공극(46b)을 도시한 예이다. 공극(46b)의 기판(41)면 상에의 투영 영역의 윤곽은, 평행한 변을 갖지 않는 비평행한 변으로 이루어지는 다각형이다. 이 경우도, 응력이 특정 변에 집중하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시예 1과 같이, 멤브레인 영역의 윤곽은 곡선으로 이루어지는 것이 바람직하다. 가로 방향 진동의 영향을 저감할 수 있기 때문이다. 타원형이나 원형인 것이, 보다 가로 방향 진동의 영향을 저감하기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 도 8의 (a)와 같이, 멤브레인 영역(하부 전극(43a)과 상부 전극(45a)이 중첩되 는 영역)을 다각형의 변을 곡선으로 한 형상이어도 된다. 또한, 도 8의 (b)와 같이, 멤브레인 영역(하부 전극(43b)과 상부 전극(45b)이 중첩되는 영역)을 평행한 변을 갖지 않는 비평행한 변으로 이루어지는 다각형으로 할 수도 있다. 이 경우도, 가로 방향 진동의 영향을 저감할 수 있다.
또한, 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)으로 이루어지는 복합막의 응력을 압축 응력으로 함으로써, 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)을 찌부러지는 일없이 형성할 수 있다. 또한, 하부 전극(43)에는 구멍부(47)가 설치되어 있다. 이 구멍부(47)로부터 희생층(48)을 에칭함으로써, 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)을 형성할 수 있다.
또한, 압전막(44)으로서, (002)방향을 주축으로 하는 배향성을 나타내는 질화 알루미늄, 또는 산화 아연을 이용함으로써, 양호한 공진 특성을 갖는 압전 박막 공진기를 제공할 수 있다.
<실시예 2>
실시예 2는, 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기를 복수 조합하여 구성되어 있는 필터의 예이다. 도 9의 (a)는 실시예 2에 따른 필터의 상면도, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)의 A'-A' 단면도이다. 기본적인 구성은 실시예 1과 마찬가지이며, 실시예 1과 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 필터는, 직렬 암 공진기 4개와 병렬 암 공진기 3개로 구성되는 래더형 필터이다. S1 내지 S4는 직렬 암 공진기의 멤브레인 영역, P1 내지 P3은 병렬 암 공진기의 멤브레인 영역을 나타내고 있다. 압전막(44)에는 하부 전극(43)에 전기적으로 접속하기 위한 개구 부(52)가 설치되어 있다. 각 공진기 모두, 공극(46)은 돔 형상의 부푼 부분을 갖고 있으며 멤브레인 영역을 포함하고 있다. 도시하고 있지 않지만, 병렬 암 공진기 P1 내지 P3의 상부 전극(45) 상에는, Ti로 이루어지는 부가막이 형성되어 있다. 이것은, 병렬 공진기의 공진 주파수를 저하시켜 밴드 패스 필터의 특성을 얻기 위해서이다.
도 10은 실시예 2에 따른 필터의 통과 특성을 도시하는 도면으로서, 주파수에 대한 감쇠량을 도시하고 있다. 실시예는 실시예 2에 따른 필터의 특성이며, 비교예는 멤브레인 영역과 공극이 일치하는 형상인 것 이외는 실시예 2와 동일한 구조의 필터이다. 도 10으로부터, 실시예 2에서는, 통과 특성은 통과 대역에 걸쳐 개선되고 있다. 또한, 공진기의 전기 기계 결합 계수의 향상에 의해 통과 지역 내의 리플이 개선되고 있다. 한편, 발명자의 실험에 따르면, 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극(46)이 멤브레인 영역(50)보다 작고, 그밖에는 실시예 2와 마찬가지로 제작한 필터의 경우, 공극(46)의 형상이 불량으로 되거나, 혹은 공극을 형성할 수 있어도 삽입 손실이 열화하여, 안정된 특성을 얻을 수 없었다. 이와 같이, 실시예 2에 따르면, 특성이 양호한 필터를 얻을 수 있었다. 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기는, 래더형 필터 이외의 필터에 적용할 수도 있다. 이 경우도 필터 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 실시예 1에 따른 압전 박막 공진기를 복수 조합하여 필터를 구성함으로써, 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 필터를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에서, 여러 가지의 변형 및 변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 기계적 강도, 신뢰성, 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성 및 성능을 갖는 압전 박막 공진기 및 필터를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에, 상기 기판과의 사이에 돔 형상의 부푼 부분을 갖는 공극이 형성되도록 설치된 하부 전극과,
    상기 하부 전극 상에 설치된 압전막과,
    상기 압전막 상에 설치된 상부 전극
    을 구비하며,
    상기 압전막을 사이에 두는 상기 하부 전극과 상기 상부 전극과의 중첩 영역이 멤브레인 영역이고,
    상기 공극의 상기 기판면 상에의 투영 영역은 상기 멤브레인 영역을 포함하며,
    상기 하부 전극, 상기 압전막 및 상기 상부 전극으로 이루어지는 복합막의 응력은 압축 응력인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투영 영역의 윤곽은 곡선을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투영 영역의 윤곽은 비평행으로 이루어지는 다각형인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 영역의 윤곽은 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 영역의 윤곽은 비평행으로 이루어지는 다각형인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 구멍부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전막은, (002)방향을 주축으로 하는 배향성을 나타내는 질화 알루미늄 및 산화 아연 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재한 압전 박막 공진기를 복수 조합하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 필터.
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