KR102062088B1 - 탄성파 장치 - Google Patents

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Abstract

판파의 S0모드를 이용하고 있는 탄성파 장치에 있어서, 전극 막 두께가 변화되었다고 해도 음속이나 주파수 특성의 편차가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공한다.
압전 박막(5)의 제1 주면(5a) 상에 복수 개의 전극지를 가지는 IDT 전극(6)이 마련되어 있다. 압전 박막(5)의 제2 주면(5b) 상에 도전층(8)이 마련되어 있다. 압전 박막(5)을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며, 상기 IDT 전극(6)의 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막(5) 부분이, 전극지, 및 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막(5) 부분보다도 크게 변화되는 탄성파 장치(1).

Description

탄성파 장치
본 발명은 판파(plate waves)의 S0모드를 이용한 탄성파 장치에 관한 것이다.
압전 박막을 이용하여 판파를 이용한 탄성파 장치가 다앙하게 제안되고 있다. 예를 들면, 하기의 특허문헌 1에는 고음속 판파로서 판파의 A1모드나 S0모드를 이용한 탄성파 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에서는 지지 기판 상에 음향 반사층이 마련되어 있다. 음향 반사층 상에 압전 박막이 적층되어 있다. 압전 박막의 상부면에 IDT 전극이 마련되어 있다.
WO2012/086441 A1
특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에서는 판파를 이용함으로써 탄성 표면파와 비교하여 고음속화, 광대역화 그리고 임피던스비의 증대 등을 이룰 수 있다.
그러나, 본원 발명자들은 판파의 S0모드를 이용하고 있는 탄성파 장치에 있어서는 IDT 전극의 막 두께에 따라 음속이나 주파수 특성의 편차가 커진다는 새로운 과제를 발견했다.
본 발명의 목적은 판파의 S0모드를 이용하고 있는 탄성파 장치에 있어서, 전극 막 두께가 변화해도 음속이나 주파수 특성의 편차가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공하는 것에 있다.
본원의 제1 발명에 따른 탄성파 장치는, 제1 주면(主面)과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지는 압전 박막과, 상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지(電極指)를 가지는 IDT 전극과, 상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고, 상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며, 상기 IDT 전극의 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분이, 상기 전극지 및 상기 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분보다도 크게 변위된다.
본원의 제1 발명에 따른 탄성파 장치에서는, 바람직하게는 상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우의 음속의 변화가 9300m/초 이하이다.
본원의 제1 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우, 상기 음속의 변화가 1000m/초 이하이다.
본원의 제1 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)이, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, ψ가 0°±10°의 범위 내에 있다.
본원의 제2 발명에 따른 탄성파 장치는, 제1 주면과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지는 압전 박막과, 상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지를 가지는 IDT 전극과, 상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고, 상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며, 상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우의 음속의 변화가 9300m/초 이하이다.
제2 발명에 따른 탄성파 장치에서는, 바람직하게는 상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우, 상기 음속의 변화가 1000m/초 이하이다.
본원의 제2 발명에 따른 탄성파 장치에 따른 어느 특정한 국면에서는, 상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)에 있어서, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, 및 ψ가 0°±10°의 범위 내에 있다.
본원의 제3 발명에 따른 탄성파 장치는, 제1 주면과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지는 LiNbO3으로 이루어지는 압전 박막과, 상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지를 가지는 IDT 전극과, 상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고, 상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며, 상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)이, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, ψ가 0°±10°의 범위 내에 있다.
이하, 제1~제3 발명을 총칭하여 본 발명으로 한다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정한 국면에서는, 상기 탄성파 장치는 또한 지지 기판을 포함하고, 상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 상기 도전층이 적층되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 탄성파 장치는 또한 음향 반사층을 포함하고, 상기 음향 반사층은 상기 도전층과 상기 지지 기판 사이에 마련되어 있으며, 또한 상대적으로 높은 음향 임피던스를 가지는 고음향 임피던스층과, 상대적으로 음향 임피던스가 낮은 저음향 임피던스층을 가진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 고음향 임피던스층이 질화 규소, Pt, W 또는 산화 탄탈로 이루어지고, 상기 저음향 임피던스층이 산화 규소로 이루어진다. 이 경우에는 판파를 한층 더 효과적으로 압전 박막 내에 가둘 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 탄성파 장치는 또한 지지층을 포함하고, 상기 지지층은 상기 지지 기판과 상기 도전층을 지지하고 있으며, 상기 지지 기판과 상기 도전층과 상기 지지층에 의해 둘러싸인 중공부가 상기 탄성파 장치 내에 형성되어 있다.
본 발명에 의하면, 판파의 S0모드를 이용하고 있으며, IDT 전극의 막 두께가 변화되어도 음속이나 주파수 특성의 변화가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1(a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이며, 도 1(b)는 판파의 S0모드를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 판파의 S0모드를 여진(勵振)한 경우의 변위 분포를 나타내는 모식도이다.
도 3은 비교예 1의 판파의 S0모드를 여진한 경우의 변위 분포를 나타내는 모식도이다.
도 4는 비교예 1의 탄성파 장치에서의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 1의 탄성파 장치에서의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 비교예 2의 탄성파 장치에서의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 2에 따른 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예 3, 4에 따른 탄성파 장치 그리고 비교예 3, 4에 따른 탄성파 장치에서의 전극 두께(λ)와 음속의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 3, 4에 따른 탄성파 장치 그리고 비교예 3, 4에 따른 탄성파 장치에서의 전극 두께(λ)와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10(a)~도 10(c)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 각 정면 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 12는 실시예 5의 탄성파 장치에서의 IDT 전극의 전극 두께와 음속의 관계를 나타낸다.
도 13은 실시예 5의 탄성파 장치에서의 IDT 전극의 전극 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타낸다.
도 14는 실시예 5의 탄성파 장치에서의 IDT 전극의 전극 두께와 비대역(BW)(%)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예 6의 탄성파 장치에서의 오일러 각의 θ를 변화시킨 경우의 임피던스비(Za/Zr)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시예 6의 탄성파 장치에서의 오일러 각의 θ를 변화시킨 경우의 비대역(BW)(%)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 실시예 7에서의 오일러 각의 ψ와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은 실시예 7에서의 오일러 각의 ψ와 비대역(BW)(%)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19는 불요파(unwanted wave)를 설명하기 위한 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 19에 나타낸 임피던스 특성의 탄성파 장치의 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 21은 오일러 각의 ψ와 불요파의 위상각의 관계를 나타내는 도면이다.
도 22는 실시예 8에서의 오일러 각의 φ와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23은 실시예 8에서의 오일러 각의 φ와 비대역(BW)(%)의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 명백히 한다.
한편, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태 간에 있어서 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해 둔다.
도 1(a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이며, 도 1(b)는 판파의 S0모드를 설명하기 위한 모식도이다.
탄성파 장치(1)는 지지 기판(2)을 가진다. 지지 기판(2)은 Si로 이루어진다. 단, 지지 기판(2)을 구성하는 재료는 특별히 한정되는 것이 아니다.
지지 기판(2) 상에 음향 반사층(3)이 마련되어 있다. 음향 반사층(3)은 상대적으로 높은 음향 임피던스를 가지는 고음향 임피던스층(3a, 3c, 3e)과, 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 가지는 저음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)을 가진다. 고음향 임피던스층(3a, 3c, 3e)과 저음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)이 교대로 적층되어 있다. 지지 기판(2)과 고음향 임피던스층(3a) 사이에는 접착층 등의 다른 층이 존재해도 된다. 후술하는 도전층(8) 아래에는 저음향 임피던스층(3f)이 적층되게 된다.
상기 고음향 임피던스층(3a, 3c, 3e) 및 저음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)을 구성하는 재료는 상기 음향 임피던스 관계를 만족하는 한 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 산화 규소, 질화 규소, 알루미나 등의 절연성 세라믹스, ZnO 등의 압전 세라믹스, Si 등의 반도체, 혹은 Au, Pt, Cu, Al 등의 금속 혹은 합금을 이용할 수 있다.
본 실시형태에서 고음향 임피던스층(3a, 3c, 3e)은 질화 규소인 SiN으로 이루어진다. 또는 고음향 임피던스층(3a, 3c, 3e)은 Pt여도 된다. 저음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 산화 규소인 SiO2로 이루어진다.
상기 음향 반사층(3) 상에 판파를 여진하기 위한 탄성파 소자부(4)가 적층되어 있다. 탄성파 소자부(4)는 압전 박막(5)을 가진다. 압전 박막(5)은, 제1 주면(5a)과, 제1 주면(5a)과 대향하고 있는 제2 주면(5b)을 가진다. 제1 주면(5a) 상에 IDT 전극(6)이 마련되어 있다. 또한, IDT 전극(6)과 전기적으로 접속되어 있는 접속 배선(7)이 제1 주면(5a) 상에 마련되어 있다. 제2 주면(5b)을 덮도록 도전층(8)이 마련되어 있다.
상기 IDT 전극(6), 접속 배선(7)은 적절한 금속 혹은 합금으로 이루어진다. 본 실시형태에서는 IDT 전극(6) 및 접속 배선(7)이 Al로 이루어진다. 또한, 도전층(8)은 Ti여도 되고, Al여도 된다. 또한, 도전층(8)은 적절한 금속 혹은 합금으로 이루어져 있어도 된다.
상기 압전 박막(5)은 LiNbO3으로 이루어진다. 단, 압전 박막은 LiTaO3 등의 다른 압전 단결정으로 이루어지는 것이어도 된다. 압전 박막(5)의 두께는 IDT 전극의 전극지 주기로 정해지는 파장의 값을 λ로 했을 때, 0.01λ 이상, 2.0λ 이하의 범위 내로 되는 것이 바람직하다. 이 범위 내이면, 판파의 S0모드를 보다 효과적으로 여진할 수 있다. 단, 압전 박막(5)의 두께는 상기 범위 밖이어도 된다.
탄성파 장치(1)의 특징은 본원의 발명자들에 의해 새롭게 발견된 판파의 S0모드를 이용하고 있는 것에 있다. 그리고, 상기 S0모드를 이용하기 위해서는 판파의 S0모드를 이용하면서, 압전 박막(5) 아래에 도전층(8)을 형성할 필요가 있다.
도 1(b)에 도시하는 바와 같이, 판파의 S0모드에서는 압전 박막(5)의 제1 주면(5a)의 면 방향과 평행한 방향으로 압전 박막(5)이 변위된다.
제1 실시형태의 실시예로서의 실시예 1의 탄성파 장치 및 비교예 1의 탄성파 장치를 제작했다. IDT 전극으로부터 지지 기판을 향하여 순서대로 이하와 같이 각 층이 적층되어 있는 탄성파 장치를 제작했다.
(실시예 1)
IDT 전극: Al, 두께 0.07λ/압전 박막: 오일러 각(0°, 120°, 0°)의 LiNbO3막, 두께 0.12λ/도전층: Al막, 두께 0.035λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.2λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.2λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.265λ/지지 기판: Si기판.
(비교예 1)
IDT 전극: Al, 두께 0.07λ/압전 박막: 오일러 각(90°, 90°, 40°)의 LiNbO3막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.09λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.09λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.4λ/지지 기판: Si기판.
한편, 실시예 1 및 비교예 1에 있어서 LiNbO3의 Q는 1000이라고 가정하고, IDT 전극의 듀티는 0.5로 했다. 후술하는 실시예 2 이후에 있어서도 IDT 전극의 듀티는 모두 0.5로 했다.
도 2는 실시예 1의 탄성파 장치(1)에 있어서 판파의 S0모드로 압전 박막(5)을 여진시킨 경우의 변위 분포를 나타내는 모식도이다. 이 변위 분포는 유한 요소법에 의한 해석(시뮬레이션)에 의해 구한 결과이다. 도 2에 있어서 해칭되어 있지 않은 영역 및 사선 등에 의해 해칭된 각 영역에서의 변위량의 스케일을 도 2에 있어서 오른쪽에 나타내는 것으로 한다.
도 2로부터 명백하듯이, 실시예 1에서는 IDT 전극(6)의 전극지 및 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분보다도, 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분이 크게 변위되고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 탄성파 장치(1)에 있어서는 압전 박막(5)의 제2 주면(5b) 상에 도전층(8)이 마련되어 있음으로써 이러한 변위 분포가 실현되고 있는 것이라고 생각된다.
도 3에, 비교예 1의 탄성파 장치의 판파의 S0모드를 여진한 경우의 변위 분포를 나타낸다. 도 3으로부터 명백하듯이, 비교예 1의 탄성파 장치(101)에서 가장 크게 변위되고 있는 부분은 IDT 전극의 전극지 및 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분이다. 한편, 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분은 그다지 크게 변위되고 있지 않은 것을 알 수 있다.
도 2와 도 3의 대비로부터 명백하듯이, 실시예 1의 탄성파 장치(1)에서의 판파의 S0모드와, 비교예 1의 탄성파 장치(101)에서의 판파의 S0모드에서는 크게 변위되는 부분이 전혀 다르고, 본 발명의 판파 S0모드에서는 전극지, 및 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분에 큰 변위를 가지지 않는 것을 알 수 있다.
도 4는 상기 비교예 1의 탄성파 장치에서의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다. 5는 실시예 1의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다. 도 5 및 도 4에 있어서, 각각 화살표 A1, A2로 나타내는 6㎓ 부근의 응답이 판파 S0모드의 응답이다. 4㎓ 부근의 화살표 B1, B2로 나타내는 응답은 SH0모드의 응답이다.
도 4와 도 5를 대비하면 명백하듯이, 실시예 1에 의하면 비교예 1과 비교하여 S0모드의 응답을 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, S0모드에서의 반공진 주파수의 임피던스(Za)의 공진 주파수에서의 임피던스(Zr)에 대한 비인 임피던스비(Za/Zr)를 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 비대역이 큰 공진자를 용이하게 얻을 수 있다.
다음으로, 이하의 실시예 2 및 비교예 2의 탄성파 장치를 제작했다. IDT 전극 측으로부터 순서대로 이하의 각 층이 적층되어 있다.
(실시예 2)
IDT 전극: Al, 두께 0.07λ, 압전 박막: 오일러 각(0°, 120°, 0°)의 LiNbO3막, 두께 0.1λ, 도전층: Ti막, 두께 0.01λ로 하고, 도전층 아래로부터 지지 기판에 걸친 구조는 실시예 1과 동일하게 했다.
(비교예 2)
LiNbO3막의 제2 주면 측에 도전층을 마련하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 했다.
도 6은 상기 비교예 2의 탄성파 장치에서의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다. 도 7은 실시예 2의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7에 있어서, 각각 화살표 A3, A4로 나타내는 6㎓ 부근의 응답이 판파 S0모드의 응답이다. 한편, 화살표 B3, B4로 나타내는 3㎓ 부근의 응답은 SH0모드의 응답이다.
도 6과 도 7을 대비하면 명백하듯이, 실시예 2에 의하면 비교예 2의 탄성파 장치와 비교하여 S0모드의 응답을 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, S0모드에서의 반공진 주파수의 임피던스(Za)의 공진 주파수에서의 임피던스(Zr)에 대한 비인 임피던스비(Za/Zr)를 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 비대역이 큰 공진자를 용이하게 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치(1)에서는 판파의 S0모드를 이용하면서, 압전 박막(5)의 제2 주면(5b)에 도전층(8)이 마련되어 있기 때문에 본원 발명자들에 의해 새롭게 발견된 변위 분포를 가진다. 또한, 탄성파 장치(1)에서는 IDT 전극의 두께가 변동되었다고 해도 음속이나 주파수 특성은 변동되기 어렵다. 이것을 도 8~도 10을 참조하여 설명한다.
이하의 실시예 3 및 4의 탄성파 장치와, 비교예 3 및 4의 탄성파 장치를 제작했다. IDT 전극으로부터 지지 기판을 향하여 순서대로 이하와 같이 각 층이 적층되어 있다.
(실시예 3의 탄성파 장치)
IDT 전극: Al, 두께 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위에서 변화시켰다. 압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.1λ/도전층: Ti막, 두께 0.03λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.26λ/고음향 임피던스막: SiN막, 두께 0.26λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.26λ/고음향 임피던스막: SiN막, 두께 0.26λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/지지 기판: Si기판.
(실시예 4의 탄성파 장치)
IDT 전극: Al, 두께 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위에서 변화시켰다. 압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.1λ/도전층: Ti막, 두께 0.03λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.2λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.2λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.4λ/지지 기판: Si기판.
(비교예 3의 탄성파 장치)
IDT 전극: Al, 두께 0.02λ 이상, 0.1λ 이하의 범위에서 변화시켰다. 압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.1λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.1λ/고음향 임피던스막: SiN막, 두께 0.11λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.1λ/고음향 임피던스막: SiN막, 두께 0.11λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/지지 기판: Si기판.
(비교예 4의 탄성파 장치)
IDT 전극: Al, 두께 0.02λ 이상, 0.14λ 이하의 범위에서 변화시켰다. 압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.2λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.09λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.14λ/고음향 임피던스막: Pt막, 두께 0.09λ/저음향 임피던스막: SiO2막, 두께 0.4λ/지지 기판: Si기판.
상기 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4에서의 IDT 전극의 전극 두께와 음속의 관계를 유한 요소법에 의한 해석(시뮬레이션)으로 구했다.
상기 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4에서의 IDT 전극의 전극 두께와 음속의 관계를 도 8에 나타낸다. 도 8로부터 명백하듯이, 비교예 3, 4에서는 IDT 전극의 전극 두께가 0.02λ로부터 증가함에 따라서 음속이 낮아지는 것을 알 수 있다.
이에 비해, 실시예 3, 4에서는 IDT 전극의 전극 두께가 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위 내에 있어서 전극 두께를 변화시켰다고 해도 음속은 거의 변화되고 있지 않은 것을 알 수 있다. 즉, IDT 전극의 두께를 1파장 변화시킨 경우의 S0모드의 음속의 변화는 매우 작은 것을 알 수 있다. 따라서, IDT 전극의 두께가 변화되었다고 해도 음속 변화나 탄성파 장치의 주파수 특성의 변화가 생기기 어려운 것을 알 수 있다.
본원의 제2 발명에서는 상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우, 음속의 변화가 9300m/초 이하로 되어 있으며, 따라서 상기 전극 두께의 변화에 의한 주파수 특성의 변화를 효과적으로 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우의 S0모드의 음속의 변화는 1000m/초 이하이며, 그 경우에는 주파수 특성의 변화를 한층 더 억제할 수 있다.
도 9는 상기 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4의 탄성파 장치의 IDT 전극의 전극 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9로부터 명백하듯이, 비교예 3, 4에서는 전극 두께가 변화되면 임피던스비(Za/Zr)가 크게 변화되고 있다.
이에 비하여, 실시예 3, 4에서는 IDT 전극의 전극 두께가 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위 내에 있어서 변화되었다고 해도 임피던스비(Za/Zr)의 변화가 매우 작은 것을 알 수 있다. 바람직하게는 IDT 전극의 두께가 Al인 경우에 환산하여 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위 내에 있어서 임피던스비(Za/Zr)는 5㏈ 이하인 것이 바람직하다. 그로 인해, 주파수 특성의 변화가 적은 탄성파 장치를 제공할 수 있다.
특히, 고음향 임피던스막으로서 Pt막, 저음향 임피던스막으로서 SiO2막을 이용한 구조의 실시예 4에서는, 전극 두께가 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위 내에 있어서 임피던스비(Za/Zr)의 최대치와 최소치의 차이는 3.2㏈로 매우 작은 것을 알 수 있다. 또한, 고음향 임피던스막으로서 SiN막을 이용한 실시예 3에 있어서도 상기 최대치와 최소치의 차이는 4.5㏈로 작다. 따라서, 바람직하게는 고음향 임피던스막으로서 Pt막이나 SiN막을 이용하고, 저음향 임피던스막으로서 SiO2막을 이용함으로써 주파수 특성의 변화를 효과적으로 작게 할 수 있다. 보다 바람직하게는 고음향 임피던스막으로서 Pt막을, 저음향 임피던스막으로서 SiO2막을 이용하는 것이 바람직하다.
도 10(a)~도 10(c)을 참조하여 탄성파 장치(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 탄성파 장치(1)의 제조 시에는 도 10(a)에 도시하는 바와 같이 압전 기판(5A)의 한쪽 면에 도전층(8) 및 음향 반사층(3)을 형성한다.
다음으로, 도 10(b)에 도시하는 바와 같이 지지 기판(2) 상에 상기 음향 반사층(3) 측으로부터 도 10(a)에 도시한 적층체를 접합한다. 그 후, 도 10(c)에 도시하는 바와 같이 압전 기판(5A)을 CMP 연마 등에 의해 연마하여 얇게 한다. 압전 기판(5A)을 박판화(薄板化)하는 방법은 사전에 기판에 있는 깊이까지 이온을 주입해 두고, 이온 주입에 의해 대미지를 받은 층의 계면에서 박리하여 박판화하는 수법을 이용해도 된다. 그리고, 상기 어느 수법에 의해 압전 박막(5)을 형성한다. 이 압전 박막(5) 상에 도 1(a)에서 도시한 IDT 전극(6) 및 접속 배선(7)을 형성한다.
상기 압전 박막(5)을 얻기 위한 연마 시에는 판파를 여진시키기 위해서 압전 박막(5)의 두께가 0.01λ 이상, 2.0λ 이하의 정도의 범위가 될 때까지 연마하는 것이 바람직하다. 그로 인해, 판파의 여진 효율을 효과적으로 높일 수 있다.
또한, IDT 전극 및 접속 배선의 구조에 대해서는, 제1 실시형태에서는 Al을 이용했지만 AlCu 등의 합금을 이용해도 된다. 또한, Au, Ag 등의 다른 금속 혹은 합금을 이용해도 된다. 더불어, Ti막과 AlCu막의 적층 구조와 같이 복수의 금속막을 적층함으로써 IDT 전극(6)을 형성해도 된다. 또한, IDT 전극(6)과 접속 배선(7)에서 두께나 재료는 달라도 된다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 제2 실시형태의 탄성파 장치(21)에서는 중공부(9)가 마련되어 있다. 이 중공부(9)를 덮도록 지지 기판(2) 상에 지지층(2A) 및 탄성파 소자부(4)가 적층되어 있다. 탄성파 소자부(4)는 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로 도전층(8), 압전 박막(5), IDT 전극(6) 및 접속 배선(7)을 가진다. 상기 중공부(9)가 마련되어 있는 영역의 바로 위에 있어서 압전 박막(5) 상에 IDT 전극(6)이 마련되어 있다. 이와 같이, 압전 박막(5) 중 IDT 전극(6)에 의해 여진되는 부분이 중공부(9)에 면하는 멤브레인(membrane) 구조를 가지고 있어도 된다. 이 경우, 지지 기판(2) 내에 중공부가 마련되어 있어도 되고, 중공부(9)를 대신하여 지지 기판(2)을 관통한 구조를 마련한 멤브레인 구조를 취하고 있어도 된다.
탄성파 장치(21)에 있어서도 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로 압전 박막(5)에 있어서, IDT 전극(6)의 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분이, 전극지 및 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분보다도 크게 변위되는 판파의 S0모드가 이용될 수 있다. 따라서, 상기 제1 실시형태 및 실시예 1~4에서 나타낸 바와 같이, 제2 실시형태에 있어서도 IDT 전극(6)의 두께가 변화된 경우에도 음속의 변화를 작게 할 수 있다. 따라서, IDT 전극의 두께의 변화에 의한 주파수 특성의 변화를 효과적으로 억제할 수 있다.
제2 실시형태에 있어서도 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우의 음속의 변화는 9300m/초 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1000m/초 이하인 것이 바람직하다.
제2 실시형태의 탄성파 장치(21)의 실시예로서 이하의 실시예 5의 탄성파 장치를 제작했다.
(실시예 5의 탄성파 장치)
IDT 전극 측으로부터 적층 구조는 이하와 같이 했다.
IDT 전극: Al, 두께 0.02λ 이상, 0.22λ 이하로 변화시켰다. 압전 박막LiNbO3막, 두께 0.1λ/도전층: Al막, 두께 0.035λ/지지 기판: Si기판. LiNbO3의 Q는 1000이라고 가정하고, IDT 전극의 듀티는 0.5로 했다.
도 12는 실시예 5의 탄성파 장치에서의 IDT 전극의 전극 두께와 음속의 관계를 나타내고, 도 13은 IDT 전극의 전극 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타낸다.
도 12로부터 명백하듯이, IDT 전극의 전극 두께가 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위에서 IDT 전극의 전극 두께가 변화되어도 음속의 변화가 매우 작은 것을 알 수 있다. 또한, 전극 두께의 변화에 의한 임피던스비(Za/Zr)의 변화도 적은 것을 알 수 있다. 즉, IDT 전극의 막 두께가 0.02λ 이상, 0.2λ 이하의 범위 내에 있어서 임피던스비(Za/Zr)의 최대치와 최소치의 차이는 3.8㏈로 매우 작은 것을 알 수 있다.
또한, 도 14는 상기 실시예 5의 탄성파 장치에서의 IDT 전극의 전극 두께와 비대역(BW)(%)의 관계를 나타내는 도면이다. 한편, 비대역(BW)은 탄성파 공진자에서의 {(반공진 주파수-공진 주파수)/공진 주파수}×100(%)로 나타낸다.
도 14로부터 명백하듯이, IDT 전극의 전극 두께가 두꺼워지면 비대역(BW)이 커지는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 특히, IDT 전극의 전극 두께가 0.15λ 이상, 0.22λ 이하인 경우, 0.13λ 이하인 경우와 비교하여 비대역(BW)을 효과적으로 넓힐 수 있는 것을 알 수 있다. 광대역화를 도모하기 위해서는, 전극 두께는 0.15λ 이상, 0.22λ 이하인 것이 바람직하다.
다음으로, LiNbO3 기판의 오일러 각을 변화시킨 경우의 임피던스비 및 비대역의 결과를 설명한다.
실시예 6으로서 이하의 탄성파 장치를 제작했다.
IDT 전극: Al, 두께 0.12λ/압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.1λ/도전층: Al막, 두께 0.035λ/지지 기판: Si기판. 실시예 5와 마찬가지로 멤브레인 구조의 탄성파 장치를 제작했다. IDT 전극의 듀티는 0.5로 했다.
이 구조에 있어서, LiNbO3 기판의 오일러 각(0°, θ, 0°)에 있어서 θ를 변화시켰다. 도 15 및 도 16은 오일러 각의 θ를 변화시킨 경우의 임피던스비(Za/Zr)의 변화 및 비대역(BW)의 변화를 각각 나타내는 도면이다.
이 경우, 음속은 6265m/초 이상, 6390m/초 이하의 범위였다. 임피던스비(Za/Zr)가 높은 것이 바람직하고, 60㏈을 초과하는 것은 필터 등의 디바이스를 제작하는데 있어서 바람직하다. 광대역 필터를 제작하는 경우는 비대역(BW)이 큰 것이 바람직하다. 도 15 및 도 16으로부터 명백하듯이, 오일러 각 θ은 75° 이상, 145° 이하인 것이 바람직하다.
또한, 실시예 7로서 이하의 탄성파 장치를 제작했다.
IDT 전극: Al, 두께 0.12λ/압전 박막: LiNbO3막, 두께 0.1λ/도전층: Al막, 두께 0.035λ/지지 기판: Si기판. 실시예 7에 있어서도 멤브레인 구조의 탄성파 장치를 제작했다. IDT 전극의 듀티는 0.5로 했다.
실시예 7에 있어서는 LiNbO3막의 오일러 각을 (0°, 120°, ψ)에 있어서 ψ를 변화시켰다. 도 17은 실시예 7에서의 오일러 각의 ψ와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 18은 오일러 각의 ψ와 비대역(BW)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 17 및 도 18로부터 명백하듯이, 오일러 각의 ψ를 변화시킨 경우, 임피던스비(Za/Zr) 및 비대역(BW)은 거의 변화되지 않는다.
이에 비하여, 오일러 각의 ψ를 변화시킨 경우, 판파의 S0모드의 근방에 불요파로서의 SH파의 응답이 나타난다. 도 19는 이 불요파를 설명하기 위한 임피던스 특성을 나타내는 도면이다. 실시예 7에 있어서, 경우에 따라서는 화살표C1로 나타내는 S0모드의 근방에 화살표 C2로 나타내는 불요파의 응답이 나타나 있다. 도 20은 도 19의 임피던스 특성에 대응하는 탄성파 장치의 위상 특성을 나타낸다. 도 20에 있어서, 화살표 D1로 나타내는 S0모드의 가까이에, 화살표 D2로 나타내는 불요파의 응답이 크게 나타나 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, S0모드의 응답의 가까이에 큰 불요파가 존재하면 탄성파 장치의 특성이 열화된다.
도 21은 오일러 각의 ψ와 상기 화살표 D2로 나타낸 불요파의 위상각의 관계를 나타내는 도면이다. 도 21로부터 명백하듯이, 오일러 각(0°, 120°, ψ)에 있어서 ψ는 -10° 이상, +10° 이하, 즉 0°±10°의 범위 내인 것이 바람직하다. 그로 인해, 상기 불요파의 응답을 억제할 수 있다.
한편, 이 경우, 음속은 6170m/초 이상, 6470m/초 이하였다.
또한, 실시예 8로서 이하의 탄성파 장치를 제작했다.
실시예 8에서는 오일러 각의 φ를 변화시켰다. 또한, 그 이외에는 실시예 7과 동일한 구조의 멤브레인 구조의 탄성파 장치를 실시예 8에 있어서 제작했다. 단, LiNbO3막의 오일러 각을 (φ, 120°, 0°)로 하고, φ를 -30° 이상, +30° 이하의 범위에서 변화시켰다. 이 경우, 음속은 6290m/초 이상, 6350m/초 이하였다.
도 22 및 도 23은 상기 실시예 8에서의 오일러 각의 φ와 임피던스비(Za/Zr)의 관계 및 φ와 비대역(BW)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 22 및 도 23으로부터 명백하듯이, 오일러 각의 φ가 -20° 이상, +20° 이하, 즉 0°±20°의 범위 내인 것이 바람직하다. 그로 인해, 임피던스비(Za/Zr)를 60㏈ 보다 크게 할 수 있다.
따라서, 본원의 제3 발명에서는 LiNbO3으로 이루어지는 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)에 있어서, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, ψ가 0°±10°의 범위 내에 있다. 그로 인해, 제1 및 제2 실시형태의 경우와 마찬가지로, IDT 전극의 막 두께 변화에 의한 음속의 변화나 주파수 특성의 변화를 효과적으로 억제할 수 있다.
1: 탄성파 장치 2: 지지 기판
2A: 지지층 3: 음향 반사층
3a, 3c, 3e: 고음향 임피던스층 3b, 3d, 3f: 저음향 임피던스층
4: 탄성파 소자부 5: 압전 박막
5A: 압전 기판 5a: 제1 주면
5b: 제2 주면 6: IDT 전극
7: 접속 배선 8: 도전층
9: 중공부 21: 탄성파 장치
101: 탄성파 장치

Claims (12)

  1. 제1 주면(主面)과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지는 압전 박막과,
    상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지(電極指)를 가지는 IDT 전극과,
    상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고,
    상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파(plate waves)의 S0모드이며,
    상기 IDT 전극의 전극지 사이의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분이, 상기 전극지, 및 상기 전극지의 아래 영역에 있는 압전 박막 부분보다도 크게 변위되고,
    상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우, 음속의 변화가 1000m/초 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)이, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, ψ가 0°±10°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  5. 제1 주면과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지는 압전 박막과,
    상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지를 가지는 IDT 전극과,
    상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고,
    상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며,
    상기 IDT 전극의 두께가 1파장 변화된 경우의 음속의 변화가 1000m/초 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)에 있어서, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, 및 ψ가 0°±10°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  8. 제1 주면과, 상기 제1 주면과 대향하고 있는 제2 주면을 가지며, LiNbO3으로 이루어지는 압전 박막과,
    상기 압전 박막의 상기 제1 주면 상에 마련되어 있고, 복수 개의 전극지를 가지는 IDT 전극과,
    상기 압전 박막의 상기 제2 주면 상에 마련된 도전층을 포함하고,
    상기 압전 박막을 전파하는 탄성파는 판파의 S0모드이며,
    상기 압전 박막의 오일러 각(φ, θ, ψ)이, φ가 0°±20°의 범위 내, θ가 75° 이상, 145° 이하의 범위 내, ψ가 0°±10°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄성파 장치는 또한 지지 기판을 포함하고,
    상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 상기 도전층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄성파 장치는 또한 음향 반사층을 포함하고,
    상기 음향 반사층은 상기 도전층과 상기 지지 기판 사이에 마련되어 있고, 또한 고음향 임피던스층과, 상기 고음향 임피던스층의 음향 임피던스보다 낮은 음향 임피던스를 갖는 저음향 임피던스층을 가지는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고음향 임피던스층이 질화 규소, Pt, W 또는 산화 탄탈로 이루어지고, 상기 저음향 임피던스층이 산화 규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 탄성파 장치는 또한 지지층을 포함하고,
    상기 지지층은 상기 지지 기판과 상기 도전층을 지지하고 있으며,
    상기 지지 기판과 상기 도전층과 상기 지지층에 의해 둘러싸인 중공부가, 상기 탄성파 장치 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
KR1020187002751A 2015-09-09 2016-06-22 탄성파 장치 KR102062088B1 (ko)

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