KR100950391B1 - 압전 박막 공진기 및 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는 공진 특성을 개선하는 것이 가능한 압전 박막 공진기 및 그것을 이용한 필터를 제공하는 것이다.
본 발명은 기판(10) 상에 설치된 하부 전극(12)과, 기판(10) 상 및 하부 전극(12) 상에 설치된 압전막(14)과, 압전막(14)을 사이에 두고 하부 전극(12)과 대향하는 부분을 갖도록 압전막(14) 상에 설치된 상부 전극(16)과, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분의 하부 전극(12) 중 적어도 일부의 외주의 기판(10) 상에, 하부 전극(12)을 따라서 설치된 부가막(22)을 구비하는 압전 박막 공진기 및 그것을 이용한 필터이다.
압전 박막 공진기, 기판, 필터, 압전막, 부가막
Description
본 발명은 압전 박막 공진기 및 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 박막에 의한 전기 신호와 벌크 탄성파의 변환 작용을 이용한 압전 박막 공진기 및 복수의 압전 박막 공진기를 이용한 필터에 관한 것이다.
휴대 전화로 대표되는 무선 기기의 급속한 보급에 의해, 소형이고 경량인 공진기 및 이를 조합하여 구성한 필터의 수요가 증대되고 있다. 지금까지는 주로 유전체 필터와 표면 탄성파(SAW) 필터가 사용되어 왔으나, 최근에는, 특히 고주파에서의 특성이 양호하고, 또한 소형화와 모노리식화가 가능한 소자인 압전 박막 공진기 및 이를 이용하여 구성된 필터가 주목되고 있다.
압전 박막 공진기 중에는, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입과 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입이 있다. FBAR 타입의 압전 박막 공진기는 기판 상에 하부 전극, 압전막 및 상부 전극으로 이루어지는 적층막 구조를 갖고 있다. 압전막을 사이에 두고 하부 전극과 상부 전극이 대향하는 부분(공진부)의 하부 전극 아래에 공극이 형성되어 있다. 여기서, FBAR에 있어서의 공극에는 기판 표면에 설치한 희생층의 웨트 에칭에 의해, 하부 전극과 기판 사이에 형성되는 공 극(캐비티)과, 웨트 에칭 또는 드라이 에칭 등에 의해 기판에 형성되는 공극(바이어 홀)이 있다. SMR은 공극 대신에 음향 다층막을 갖고 있다. 음향 다층막은 음향 임피던스가 높은 막과 낮은 막이 교대로 λ/4(λ : 탄성파의 파장)의 막 두께로 적층되어 있다.
비특허문헌 1에 바이어 홀을 갖는 FBAR이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에 캐비티를 갖는 FBAR이 개시되어 있다. 도1은 바이어 홀을 갖는 FBAR의 단면도이고, 도2는 캐비티를 갖는 FBAR의 단면도이다. 도1을 참조로, 표면에 SiO2막(11)을 갖는 실리콘으로 이루어지는 기판(10) 상에 하부 전극(12), 압전막(14) 및 상부 전극(16)이 차례로 설치되어 있다. 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분 아래의 기판(10)에 공극(18)(바이어 홀)이 형성되어 있다. 도2를 참조로, 실리콘으로 이루어지는 기판(10) 상에 공극(18)(캐비티)이 형성되도록 지지막으로서 기능하는 SiO2막(11)이 설치되어 있다. SiO2막(11) 상에 하부 전극(12), 압전막(14) 및 상부 전극(16)이 차례로 설치되어 있다. 하부 전극(12)과 상부 전극(16)은 압전막(14)을 사이에 두고 대향하는 부분을 갖고 있다.
여기서, 하부 전극(12) 및 상부 전극(16)으로서는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 티탄(Ti) 등, 혹은 이들을 조합한 적층 재료를 이용할 수 있다. 압전막(14)으로서는, 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 티탄산지르콘산납(PZT), 티탄산납(PbTiO3) 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판(10)으로서는, 실리콘, 글래스, GaAs 등을 이용할 수 있다.
상부 전극과 하부 전극 사이에 고주파의 전기 신호를 인가하면, 상부 전극과 하부 전극에 끼워져 있던 압전막 내부에 역압전 효과에 의해 여진되는 탄성파나 압전 효과에 기인하는 왜곡에 의해 발생하는 탄성파가 발생한다. 그리고, 이들 탄성파가 전기 신호로 변환된다. 이와 같은 탄성파는 상부 전극과 하부 전극이 각각 공기에 접하고 있는 면에서 전반사되므로, 두께 방향으로 주변위를 갖는 종진동파가 된다. 하부 전극, 압전막 및 상부 전극(상부 전극 상에 부가되는 막을 포함함)으로 이루어지는 적층막의 총 막 두께(H)가, 탄성파의 파장(λ)의 1/2(1/2 파장)인 정수배(n배)가 되는 주파수(즉 H ＝ nλ/2가 되는 주파수)에 있어서 공진 현상이 발생한다. 여기서, 압전막의 재료에 의해 결정되는 탄성파의 전파 속도를 V로 하면, 공진 주파수(F)는 F ＝ nV/(2H)가 된다. 이것으로부터 적층막의 총 막 두께(H)에 의해 공진 주파수(F)를 제어할 수 있어, 원하는 주파수 특성을 갖는 압전 박막 공진기를 얻을 수 있다.
특허문헌 2에는 하부 전극의 단차부에 기인한 압전막의 결정성의 저하를 억제할 목적으로, 하부 전극과 동일한 높이의 절연막을 기판 상에 설치하여 하부 전극의 단차를 제거하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 3에는 하부 전극의 단차부에 기인한 압전막의 결정성의 저하를 억제할 목적으로, 하부 전극의 단차부를 기판 상에 직접 배치하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는 하부 전극의 단차부에 기인한 압전막에 발생하는 크랙을 억제할 목적으로, 하부 전극의 형성에 이용하는 레지스트 패턴의 코너부를 라운딩하는 기술이 개시되어 있다.
[비특허문헌 1] 나카무라(K. NAKAMURA), 사사키(H. SASAKI), 시미즈(H. SHIMIZU), 「ZnO와 SiO2로 이루어지는 복합 다이어그램 구조의 공진자(ZnO/SiO2-DAIAPHRAGM COMPOSITE RESONATOR ON A SILICON WAFER)」, 일렉트로닉스 레터(ELECTR0NICS LETTERS), 1981년 7월, 17권, 14호, p. 507-509
[특허문헌 1] 일본 특허 출원 공개 소60-189307호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허 출원 공표 2005-536908호 공보
[특허문헌 3] 일본 특허 출원 공개 제2002-140075호 공보
[특허문헌 4] 일본 특허 출원 공개 제2006-254295호 공보
압전막은 음속, 온도 특성 및 공진 첨예도(Q값)의 관점으로부터 AlN이 이용되는 경우가 많다. 특히, c축{하부 전극 표면에 대해 수직 방향[(002) 방향]} 배향한 결정성이 높은 AlN막을 형성하는 것이 공진 특성을 결정하는 중요한 요인 중 하나이다. 한편, c축 배향한 결정성이 높은 AlN막을 성막하기 위해서는 높은 에너지를 필요로 한다. 예를 들어, MOCVD(Metal 0rganic chemical Vapor Deposition)법을 이용한 성막에서는 기판을 1000 ℃ 이상으로 가열할 필요가 있고, PECVD(Plasma Enhanced chemical Vapor Deposition)법을 이용한 성막에서는 플라즈마의 전력에 부가하여 400 ℃ 이상의 기판 가열이 필요하다. 또한, 스퍼터 기술을 이용한 성막에서도 절연막의 스퍼터에 의한 기판 온도 상승이 있다. 이로 인해, AlN막은 강한 막 응력을 갖는다.
또한, 하부 전극은 단차부를 갖고 있고, 또한 단차부의 측벽은 테이퍼 형상을 이루고 있다. 그리고, 압전막은 하부 전극의 단차부를 덮도록 형성된다. 이들로 인해, 하부 전극의 단차부에 있어서의 압전막의 결정성이 저하되고, 압전 박막 공진기의 공진 특성이 열화된다는 과제가 발생한다.
특허문헌 2에 따르면, 하부 전극의 단차부를 덮도록 절연막을 형성한 후, 표면 연마 등에 의해 하부 전극과 절연막의 표면을 평탄화시킴으로써 하부 전극의 단차부를 제거하고 있다. 하부 전극의 막 두께는 공진 주파수에 영향을 미친다. 이로 인해, 표면 연마에 의한 하부 전극의 막 두께 제어는 매우 중요해지나, 웨이퍼 면내 및 웨이퍼 사이에서 막 두께 편차 없이 표면 연마를 하는 것은 어렵다. 또한, 절연막의 퇴적이나 표면 연마 등, 제조 공정도 증가한다. 이로 인해, 생산성의 저하나 생산 코드의 증가 등의 과제가 발생한다.
또한, 특허문헌 3에 따르면, 막 응력이 큰 압전막에도 대응할 수 있어, 기계적 강도나 Q값을 향상시킬 수 있다. 그러나, 전기 기계 결합 계수(k2)가 저하된다는 과제가 발생한다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 공진 특성을 개선하는 것이 가능한 압전 박막 공진기 및 이를 이용한 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기판 상에 설치된 하부 전극과, 상기 기판 상 및 상기 하부 전극 상에 설치된 압전막과, 상기 압전막을 사이에 두고 상기 하부 전극과 대향하는 부분을 갖도록 상기 압전막 상에 설치된 상부 전극과, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분의 상기 하부 전극 중 적어도 일부의 외주의 상기 기판 상에, 상기 하부 전극을 따라서 설치된 부가막을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기이다. 본 발명에 따르면, 하부 전극의 단차부에 있어서의 압전막의 결정성의 저하에 의해 발생하는 크랙을 억제할 수 있어, 공진 특성을 개선하는 것이 가능해진다.
상기 구성에 있어서, 상기 압전막은 상기 부가막을 덮도록 설치되어 있는 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 공진 특성을 개선할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 부가막은 상기 하부 전극과 동일한 재료의 막인 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 부가막과 하부 전극은 동시에 형성할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분 아래의 상기 기판과 상기 하부 전극 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극이 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 생산성의 향상, 기판의 기계적 강도의 열화 방지 및 집적화를 도모할 수 있다. 또한, 압전막의 양호한 배향성을 얻을 수도 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극에는 상기 공극에 통하는 구멍부가 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극을 형성할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분 아래의 상기 기판에 공극이 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 상기 공극을 상기 기판에 투영한 영역에 포함되는 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 공진 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분의 응력은 압축 응력인 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극이 찌부러지는 것을 억제할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 타원형인 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 구성에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 비평행으로 이루어지는 다각형인 구성으로 할 수 있다. 이들 구성에 따르면, 압전막의 외주에서 반사된 탄성파가 공진부 내에서 횡방향의 정상파로서 존재하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 공진 특성에 리플이 발생하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 압전막은 (002) 방향을 메인축으로 하는 배향성을 나타내는 질화알루미늄 또는 산화아연인 구성으로 할 수 있다.
본 발명은 상기 압전 박막 공진기를 구비하는 필터인 구성으로 할 수 있다. 본 구성에 따르면, 통과 대역에서의 리플의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하부 전극의 단차부에 있어서의 압전막의 결정성의 저하 에 의해 발생하는 크랙을 억제할 수 있어, 공진 특성이 개선된 압전 박막 공진기 및 그것을 이용한 필터를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
(제1 실시예)
도3의 (a)는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도3의 (b)는 도3의 (a)의 A-A 사이의 단면도이고, 도3의 (c)는 도3의 (a)의 B-B 사이의 단면도이다. 도4의 (a)는 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도4의 (b)는 도4의 (a)의 A-A 사이의 단면도이고, 도4의 (c)는 도4의 (a)의 B-B 사이의 단면도이다.
도3의 (a)로부터 도3의 (c)를 참조로, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기는 (100) 커트의 실리콘 기판으로 이루어지는 기판(10) 상에 Ru로 이루어지는 두께 260 ㎚인 하부 전극(12)이 설치되어 있다. 기판(10) 상 및 하부 전극(12) 상에 (002) 방향을 메인축으로 하는 AlN막으로 이루어지는 두께 1220 ㎚인 압전막(14)이 설치되어 있다. 압전막(14)을 사이에 두고 하부 전극(12)과 대향하는 부분을 갖도록 압전막(14) 상에 Ru로 이루어지는 두께 260 ㎚인 상부 전극(16)이 설치되어 있다. 이에 의해, 하부 전극(12), 압전막(14) 및 상부 전극(16)으로 이루어지는 적층막이 형성되어 있다. 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분[공진부(21)]의 하부 전극(12) 중 적어도 일부의 외주를 따라서 하부 전극(12)과 동일한 재료(Ru)로 이루어지는 부가막(22)이 기판(10) 상에 설치되어 있다. 하부 전 극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분의 하부 전극(12)과 부가막(22)의 거리(d)는 2.0 ㎛이고, 부가막(22)의 두께는 260 ㎚이고, 폭은 4 ㎛이다. 또한, 공진부(21)는 타원형이고, 장축의 길이는 250 ㎛, 단축의 길이는 180 ㎛이다.
공진부(21) 아래의 기판(10)과 하부 전극(12) 사이에는 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)이 형성되어 있다. 돔 형상의 팽창부는 공극(18) 주변의 공극(18)의 높이보다 공극(18)의 내부일수록 높이가 높아지는 형상의 팽창부이다. 공진부(21)는 공극(18)을 기판(10)에 투영한 영역에 포함된다. 하부 전극(12)에는 후술하는 희생층을 에칭하기 위한 도입로(24)가 형성되어 있다. 도입로(24)의 선단부 부근은 압전막(14)으로 덮여 있지 않고, 하부 전극(12)은 도입로(24)의 선단부에 구멍부(26)를 갖고 있다. 압전막(14)에는 하부 전극(12)에 전기적으로 접속하기 위한 개구부(28)가 형성되어 있다.
도4의 (a)로부터 도4의 (c)를 참조로, 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기는 기판(10) 상에 부가막(22)이 설치되어 있지 않다. 그 밖의 구성에 대해서는, 제1 실시예와 동일하고, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 나타내고 있으므로 설명을 생략한다.
다음에, 도5의 (a)로부터 도5의 (h)를 이용하여 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 제조 방법을 설명한다. 도5의 (a)로부터 도5의 (d)는 도3의 (a)의 A-A 사이에 상당하는 단면도이고, 도5의 (e)로부터 도5의 (h)는 도3의 (a)의 B-B 사이에 상당하는 단면도이다. 도5의 (a) 및 도5의 (e)를 참조로, 기판(10) 상에 MgO(산화마그네슘)로 이루어지는 두께 약 20 ㎚인 희생층(30)을, 예를 들어 스퍼터 링법 또는 증착법을 이용하여 형성한다. 그 후, 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여 희생층(30)을 소정의 형상으로 한다.
도5의 (b) 및 도5의 (f)를 참조로, 0.6 내지 1.2 ㎩의 압력 하의 Ar 가스 분위기 중에서 Ru를 스퍼터함으로써 하부 전극(12)을 형성한다. 그 후, 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여 하부 전극(12)을 소정의 형상으로 한다. 이때, 부가막(22)을 동시에 형성한다.
도5의 (c) 및 도5의 (g)를 참조로, 하부 전극(12) 및 기판(10) 상에 약 0.3 ㎩의 압력 하의 Ar/N2 혼합 가스 분위기 중에서 Al을 스퍼터함으로써 압전막(14)을 형성한다. 압전막(14) 상에 0.6 내지 1.2 ㎩의 압력 하의 Ar 가스 분위기 중에서 Ru를 스퍼터함으로써 상부 전극(16)을 형성한다. 그 후, 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여 압전막(14) 및 상부 전극(16)을 소정의 형상으로 한다. 또한, 노광 기술과 에칭 기술을 이용하여 도입로(24)의 선단부의 구멍부(26)를 형성한다. 또한, 구멍부(26)는 하부 전극(12)의 형성과 동시에 행할 수도 있다.
도5의 (d) 및 도5의 (h)를 참조로, 희생층(30)을 에칭하기 위한 에칭액을 구멍부(26), 도입로(24)를 경유하여 도입하여, 희생층(30)을 제거한다. 여기서, 하부 전극(12), 압전막(14) 및 상부 전극(16)으로 이루어지는 적층막의 응력은 스퍼터링 조건의 조정에 의해 압축 응력이 되도록 설정되어 있다. 이로 인해, 희생층(30)의 에칭이 완료된 시점에서 적층막은 부풀어 올라, 하부 전극(12)과 기판(10) 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)이 형성된다. 또한, 제1 실시예 의 스퍼터 조건에서는, 복합막의 압축 응력은 ―300 ㎫이다. 이에 의해, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기가 완성된다.
도6의 (a)는 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기의 공진 특성을 나타내고 있고, 도6의 (b)는 반사 특성의 스미스 차트(Smith Chart)이다. 도7의 (a)는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 공진 특성을 나타내고 있고, 도7의 (b)는 반사 특성의 스미스 차트이다. 도6의 (a)로부터 도7의 (b)에 있어서, 웨이퍼 내의 3개소의 압전 박막 공진기에 대한 공진 특성 및 반사 특성을 나타내고 있다. 또한, 도6의 (a) 및 도7의 (a)에 있어서, 횡축은 주파수[㎒], 종축은 감쇠량[dB]이다.
도6의 (a)를 참조로, 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기는 공진 주파수보다 약간 낮은 주파수(1880 ㎒ 부근)에서 리플이 발생하여 공진 특성이 열화되어 있다. 또한, 도6의 (b)의 스미스 차트로부터도 반사 특성이 열화[도6의 (b) 화살표 참조]되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 도7의 (a)로부터 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기는 공진 주파수보다 약간 낮은 주파수(1880 ㎒ 부근)에서의 리플이 억제되어, 공진 특성이 개선되어 있다. 또한, 도7의 (b)로부터도 반사 특성이 개선[도7의 (b) 화살표 참조]되어 있는 것을 알 수 있다.
도8은 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기의 공진 특성이 열화되는 원인을 설명하기 위한 단면도이다. 또한, 도8은 희생층(30)을 에칭하기 전[공극(18)이 형성되기 전]의 상태의 단면도이고, 하부 전극(12)의 단차 부분을 확대하여 도시하고 있다. 또한, 압전막(14) 중의 가는 선은 압전막(14)(AlN막)의 기둥 형상 결정 구조를 나타내고 있다. 도8을 참조로, 하부 전극(12)의 단차부는 테이퍼 형상을 이 루고 있다. 압전막(14)의 기둥 형상 결정 구조는 기판(10) 상 및 하부 전극(12) 상면 상에서는 수직이고, 하부 전극(12)의 테이퍼 형상의 단차부에서는 테이퍼에 대해 수직이다. 이로 인해, 영역(Y)에서의 압전막(14)의 결정성이 저하된다. 따라서, 도5의 (d) 및 도5의 (h)에 도시한 바와 같은 돔 형상의 공극(18)을 형성할 때에 가해지는 응력에 의해 영역(Y)에 크랙이 발생한다. 이에 의해, 공진 특성이 열화된다.
도9는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 하부 전극(12)의 단차 부분을 확대한 단면도[희생층(30)을 에칭하기 전]이다. 도9를 참조로, 하부 전극(12)으로부터 2.0 ㎛의 거리(d)를 이격하여 부가막(22)을 설치함으로써, 영역(Y)에서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해, 공진 특성을 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 거리(d)는 2.0 ㎛로 한정되는 것은 아니나, 거리(d)가 지나치게 길어지면, 하부 전극(12)의 단차부에 있어서의 압전막(14)의 결정성이 제1 비교예의 상태에 근접하므로 바람직하지 않다. 이로 인해, 거리(d)는 2.0 ㎛ 혹은 이것 이하인 경우가 바람직하다.
제1 실시예에 따르면, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분의 하부 전극(12) 중 적어도 일부의 외주에 하부 전극(12)을 따라서 부가막(22)이 기판(10) 상에 설치되어 있고, 압전막(14)은 부가막(22)을 덮도록 기판(10) 상 및 하부 전극(12) 상에 설치되어 있다. 이로 인해, 도9를 이용하여 설명한 바와 같이, 하부 전극(12)의 단차부에서의 압전막(14)의 결정성의 저하로부터 발생하는 크랙을 억제할 수 있다. 이에 의해, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기는 제1 비교예에 비해 리플의 발생이 억제되어 공진 특성을 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 제1 실시예에 있어서, 전기 기계 결합 계수(k2)나 공진 첨예도(Q값)에 대해서는 제1 비교예와 동등한 값을 얻을 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 부가막(22)은 동일한 재료(Ru)의 막인 경우가 바람직하다. 이 경우에는 도5의 (b) 및 도5의 (f)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 부가막(22)을 동시에 형성할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분 아래의 기판(10)과 하부 전극(12) 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)이 형성되어 있다. 따라서, 기판(10)을 에칭할 필요가 없어, 생산성의 향상 및 기판(10)의 기계적 강도의 열화 방지를 도모할 수 있다. 또한, 공극(18)을 형성하는 영역이 작아지므로 집적화를 도모할 수 있다. 또한, 공극(18)을 형성하기 위한 희생층(30)의 두께를 얇게 할 수 있으므로, 양호한 압전막(14)의 배향성을 확보할 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12), 압전막(14) 및 상부 전극(16)의 적층막의 응력, 즉 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분의 응력을 압축 응력으로 함으로써, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)을 찌부러지지 않게 형성할 수 있다. 또한, 하부 전극(12)에, 공극(18)으로 통하는 구멍부(26)가 형성되어 있다. 따라서, 도5의 (d) 및 도5의 (h)에 도시한 바와 같이, 구멍부(26)로부터 에칭액을 도입하여 희생층(30)을 에칭함으로써, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)을 형성할 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분은 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(18)을 기판(10)에 투영한 영역에 포함된다. 이에 의해, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분[공진부(21)]을 진동시킬 수 있다. 또한, 공극(18)은 돔 형상을 이루고 있지 않은 경우라도 좋고, 적어도 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분이 공극(18)을 기판(10)에 투영한 영역에 포함되어 있으면, 공진부(21)를 진동시킬 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분을 타원형으로 함으로써, 평행한 변이 존재하지 않으므로, 압전막(14)의 외주에서 반사된 탄성파가 공진부(21) 내에서 횡방향의 정상파로서 존재하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 공진 특성에 리플이 발생하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
또한, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 도시한 바와 같이, 압전막(14)으로서, (002) 방향을 메인축으로 하는 배향성을 나타내는 질화알루미늄을 이용함으로써 양호한 공진 특성을 갖는 압전 박막 공진기를 얻을 수 있다. 또한, (002) 방향을 메인축으로 하는 배향성을 나타내는 산화아연을 이용해도, 양호한 공진 특성을 얻을 수 있다.
또한, 제1 실시예에 있어서, 기판(10)은 실리콘 기판인 경우를 나타냈으나, 석영 기판, 글래스 기판 및 GaAs 기판 등을 이용할 수도 있다. 하부 전극(12) 및 상부 전극(16)은 Ru인 경우를 나타냈으나, 배경 기술에서 설명한 재료를 이용할 수도 있다. 희생층(30)은 MgO인 경우를 나타냈으나, ZnO, Ge, Ti 및 SiO2 등 에칭액에 더욱 용이하게 용해할 수 있는 재료를 이용할 수 있다.
(제2 실시예)
도10은 제2 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이다. 도10을 참조로, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분[공진부(21)]은 비평행으로 이루어지는 다각형을 이루고 있다. 그 밖의 구성은 제1 실시예와 동일하고, 도3의 (a)로부터 도3의 (c)에 나타내고 있으므로 설명을 생략한다.
제2 실시예에 따르면, 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분은 비평행으로 이루어지는 다각형을 이루고 있다. 따라서, 평행한 변이 존재하지 않으므로, 압전막(14)의 외주에서 반사된 탄성파가 공진부 내에서 횡방향의 정상파로서 존재하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 공진 특성에 리플이 발생하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
(제3 실시예)
제3 실시예는 기판(10)에 공극(18)이 형성된 경우의 예이다. 도11의 (a)는 제3 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도11의 (b)는 도11의 (a)의 A-A 사이의 단면도이다. 도12의 (a)는 제3 실시예의 변형예에 관한 압전 박 막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도12의 (b)는 도12의 (a)의 A-A 사이의 단면도이다. 도11의 (a)로부터 도12의 (b)를 참조로, 제1 실시예 및 제2 실시예와 같이 기판(10)과 하부 전극(12) 사이에 공극(18)이 형성되어 있지 않아도, 제3 실시예와 같이 하부 전극(12)과 상부 전극(16)이 대향하는 부분[공진부(21)] 아래의 기판(10)에 공극(18)이 형성되어 있는 경우라도 좋다. 또한, 공극(18)은 Deep-RIE(반응성 이온 에칭)를 이용하여 기판(10)을 에칭함으로써 대략 수직으로 형성할 수 있다.
(제4 실시예)
제4 실시예는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 이용한 4단 구성의 래더형 필터의 예이다. 도13은 제4 실시예에 관한 래더형 필터의 회로도이다. 또한, 4단 구성을 이룬 래더형 필터는, 본래, 입력 단자(Tin)와 출력 단자(Tout) 사이의 직렬 공진기(S)와 병렬 공진기(P)는 S-P-P-S-S-P-P-S의 구성을 취하나, 제4 실시예에서는 정중앙의 2개의 직렬 공진기(S)를 일괄하여 S2로 하고, 양 단부의 2개의 병렬 공진기(P)를 각각 일괄하여 P1 및 P2로 한다. 도13을 참조로, 입력 단자(Tin)와 출력 단자(Tout) 사이에 직렬 공진기[(S1, S2 및 S3)]가 직렬로 접속되어 있다. 직렬 공진기(S1)와 S2 사이의 노드와 그랜드 사이에 병렬 공진기(P1)가 접속되고, 직렬 공진기(S2)와 S3 사이의 노드와 그랜드 사이에 병렬 공진기(P2)가 접속되어 있다.
래더형 필터에 있어서는, 대역 통과 필터 특성을 얻기 위해, 병렬 공진기의 공진 주파수를 직렬 공진기의 공진 주파수보다 작게 할 필요가 있다. 이로 인해, 직렬 공진기에는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 그대로 이용하고, 병렬 공진기에는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 상부 전극(16) 상에 Ti로 이루어지는 두께 130 ㎚인 질량 부하막을 설치한 압전 박막 공진기를 이용하고 있다.
도14는 제4 실시예에 관한 래더형 필터의 통과 특성을 나타내고 있다. 또한, 비교를 위해, 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기를 직렬 공진기 및 병렬 공진기(상부 전극 상에 질량 부하막을 구비)에 이용한 래더형 필터(제2 비교예)의 통과 특성도 나타내고 있다. 또한, 제2 비교예에 관한 래더형 필터의 회로도는 제4 실시예와 동일하다. 도14를 참조로, 횡축은 주파수[㎒]이고, 종축은 감쇠량[dB]이다. 도14에 따르면, 제2 비교예에 관한 래더형 필터의 통과 특성(파선)은 1960 ㎒ 부근의 통과 대역에서 리플이 발생하고 있다. 한편, 제4 실시예에 관한 래더형 필터의 통과 특성(실선)에서는, 리플의 발생은 억제되어 있다. 이와 같이, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 래더형 필터에 이용함으로써, 통과 특성을 개선할 수 있다.
제4 실시예에 있어서는, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 직렬 공진기 및 병렬 공진기의 양쪽에 설치한 경우를 예로 나타냈으나 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 직렬 공진기에 이용하고, 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기를 병렬 공진기에 이용한 경우라도 통과 대역에 있어서의 리플을 억제할 수 있다. 특히, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 직렬 공진기 및 병렬 공진기의 양쪽에 이용한 경우에는, 통과 대역에 있어서의 리플의 억제뿐만 아니라, 통과 대역보다 저주파수측의 감쇠 특성을 개선할 수도 있 다.
또한, 제4 실시예에 있어서는, 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 래더형 필터에 이용한 경우를 나타냈으나, 제2 실시예 및 제3 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 래더형 필터에 이용한 경우라도 좋다. 또한, 제1 실시예로부터 제3 실시예에 관한 압전 박막 공진기를 다중 모드형 필터나 래티스형 필터 등 래더형 필터 이외의 필터에 이용한 경우라도 좋다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 서술하였으나, 본 발명은 이러한 특정한 실시예로 한정되는 것이 아니라, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
도1은 바이어 홀 타입의 공극을 갖는 압전 박막 공진기의 단면도.
도2는 캐비티 타입의 공극을 갖는 압전 박막 공진기의 단면도.
도3의 (a)는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도3의 (b)는 도3의 (a)의 A-A 사이의 단면도이고, 도3의 (c)는 도3의 (a)의 B-B 사이의 단면도.
도4의 (a)는 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도4의 (b)는 도4의 (a)의 A-A 사이의 단면도이고, 도4의 (c)는 도4의 (a)의 B-B 사이의 단면도.
도5의 (a)로부터 도5의 (h)는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 제조 방법을 나타내는 단면도.
도6의 (a)는 제1 비교예에 관한 압전 박막 공진기의 공진 특성을 나타내는 도면이고, 도6의 (b)는 반사 특성을 나타내는 스미스 차트.
도7의 (a)는 제1 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 공진 특성을 나타내는 도면이고, 도7의 (b)는 반사 특성을 나타내는 스미스 차트.
도8은 제1 비교예에 대해 공진 특성이 열화되는 이유를 설명하기 위한 단면도.
도9는 제1 실시예에 대해 공진 특성이 개선되는 이유를 설명하기 위한 단면도.
도10은 제2 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면.
도11의 (a)는 제3 실시예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도11의 (b)는 도11의 (a)의 A-A 사이의 단면도.
도12의 (a)는 제3 실시예의 변형예에 관한 압전 박막 공진기의 위에서 본 도면이고, 도12의 (b)는 도12의 (a)의 A-A 사이의 단면도이다.
도13은 제4 실시예에 관한 래더형 필터의 등가 회로도.
도14는 제4 실시예에 관한 래더형 필터의 통과 특성을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판
11 : SiO2막
12 : 하부 전극
14 : 압전막
16 : 상부 전극
18 : 공극
21 : 공진부
22 : 부가막
24 : 도입로
26 : 구멍부
28 : 개구부
30 : 희생층
Claims (12)
- 기판 상에 설치된 하부 전극과,상기 기판상 및 상기 하부 전극 상에 설치된 압전막과,상기 압전막을 사이에 두고 상기 하부 전극과 대향하는 부분을 갖도록 상기 압전막 상에 설치된 상부 전극과,상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분의 상기 하부 전극 중 적어도 일부의 외주의 상기 기판 상에 상기 하부 전극을 따라서 설치된 부가막을 구비하고, 상기 압전막은 상기 부가막을 덮도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 부가막은 상기 하부 전극과 동일한 재료의 막인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분 아래의 상기 기판과 상기 하부 전극 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제4항에 있어서, 상기 하부 전극에는 상기 공극에 통하는 구멍부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분 아래의 상기 기판에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제4항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 상기 공극을 상기 기판에 투영한 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분의 응력은 압축 응력인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 타원형인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극이 대향하는 부분은 비평행으로 이루어지는 다각형인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 압전막은 (002) 방향을 메인축으로 하는 배향성을 나타내는 질화알루미늄 또는 산화아연인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진기.
- 제1항에 기재된 압전 박막 공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 필터.
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