KR102186692B1 - 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 - Google Patents

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 Download PDF

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Abstract

질화규소층을 고음속막으로서 가지는 탄성파 장치에 있어서, IMD특성의 열화가 생기기 어렵고, 질화규소층의 자괴가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공한다.
반도체로 이루어지는 지지기판(2) 상에 SiNx층(3)이 직접 또는 간접적으로 적층되어 있고, SiNx층(3) 상에 직접 또는 간접적으로 압전막(5)이 적층되어 있으며, 압전막(5)의 적어도 한쪽의 주면 상에 직접 또는 간접적으로 적층되어 있는 IDT전극(6)을 포함하고, SiNx층(3)에서 x가 1.34 이상, 1.66 이하의 범위에 있는 탄성파 장치.

Description

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치{ELASTIC WAVE DEVICE, HIGH-FREQUENCY FRONT-END CIRCUIT, AND COMMUNICATION APPARATUS}
본 발명은 고음속막으로서의 SiNx층 상에 저음속막 및 압전막이 적층되어 있는 구조를 가지는 탄성파 장치, 그리고 상기 탄성파 장치를 이용한 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 관한 것이다.
종래, 고음속막 상에 저음속막 및 압전막이 적층되어 있는 탄성파 장치가 알려져 있다. 하기의 특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에서는, 지지기판 상에 고음속막, 저음속막 및 압전막이 이 순서로 적층된 적층체가 이용되고 있다. 압전막 상에 IDT전극이 마련되어 있다.
특허문헌 1에서는, 지지기판은 각종 절연성 세라믹스 혹은 유리 등의 유전체, 실리콘 혹은 질화갈륨 등의 반도체, 또는 수지기판 등에 의해 구성할 수 있는 취지가 기재되어 있다. 또한, 고음속막에 대해서는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화규소, 산질화규소 등에 의해 구성할 수 있는 취지가 나타나 있다. 저음속막의 재료로는, 산화규소, 유리, 산질화규소 등이 열거되어 있다.
국제공개공보 WO2012/086639
그러나 본원 발명자는 특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에 있어서 지지기판이 반도체로 이루어지며, 또한 고음속막으로서 질화규소를 이용한 경우, 그 조성에 의해 IMD특성(혼변조(混變調))이 악화되는 것을 발견하였다. 또한 질화규소의 조성에 따라서는, 질화규소막이 자괴(自壞)되는 경우가 있는 것을 발견하였다. 본 발명의 목적은 본원 발명자에 의해 발견된, 이러한 신규한 과제를 해결하는 것에 있다. 즉, 본 발명의 목적은 IMD특성의 열화(劣化)가 생기기 어렵고, 질화규소막의 자괴가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 탄성파 장치를 이용한 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치는 반도체로 이루어지는 지지기판과, 상기 지지기판 상에 직접 또는 간접적으로 적층된 SiNx층과, 상기 SiNx층 상에 직접 또는 간접적으로 적층되어 있고, 서로 대향하는 한 쌍의 주면(主面)을 가지는 압전막과, 상기 압전막의 적어도 한쪽의 주면 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 IDT전극을 포함하며, 상기 SiNx층에서 x가 1.34 이상, 1.66 이하의 범위에 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정한 국면에서는 상기 SiNx층과 상기 압전막 사이에 적층되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전막을 전파하는 탄성파의 음속보다도 낮은 저음속 재료로 이루어지는 저음속막이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정한 국면에서는 상기 반도체가 실리콘이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는 상기 압전막과 상기 IDT전극 사이에 적층된 절연막이 더 포함되어 있다. 바람직하게는, 상기 절연막이 산화규소로 이루어진다. 그 경우에는 주파수 온도계수 TCF의 절대값을 작게 할 수 있으며, 온도특성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 더 특정한 국면에서는 상기 IDT전극의 탄성파 전파방향 양측에 배치된 반사기가 더 포함되어 있고, 탄성파 공진자가 제공된다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는 대역통과형 필터인 탄성파 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로는 본 발명에 따라 구성된 탄성파 장치와, 파워 앰프를 포함한다.
본 발명에 따른 통신 장치는 본 발명에 따라 구성된 고주파 프론트 엔드 회로와, RF신호 처리 회로를 포함한다.
본 발명에 따르면 IMD특성의 열화가 생기기 어렵고, SiNx층에서 나타나는 고음속막의 자괴가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면단면도이다.
도 2는 SiNx에서의 x와, IMD특성으로서의 3차 왜곡 특성의 열화량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 구성도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 분명히 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태 사이에서 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해 둔다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면단면도이다. 탄성파 장치(1)는 반도체로 이루어지는 지지기판(2)을 가진다. 지지기판(2)의 상면(2a) 상에 SiNx층(3)이 직접 적층되어 있다. 단, SiNx층(3)은 지지기판(2) 상에 간접적으로 적층되어 있어도 된다. 즉, 지지기판(2)과 SiNx층(3) 사이에 절연막 등의 다른 재료층이 개재되어 있어도 된다.
SiNx층(3) 상에 저음속막(4)이 직접 적층되어 있다. 저음속막(4)은 SiNx층(3) 상에 간접적으로, 즉 다른 재료층을 개재하여 적층되어 있어도 된다. 이러한 다른 재료층에 대해서도, 절연성 재료로 이루어지는 재료층 등을 이용할 수 있다. 또한, 저음속막(4)은 본 발명에서 필수적이지 않다.
압전막(5)은 저음속막(4) 상에 적층되어 있다. 압전막(5)은 저음속막(4) 상에 직접 적층되어 있지만, 간접적으로 적층되어 있어도 된다. 즉, 저음속막(4)과 압전막(5) 사이에 절연막 등의 다른 재료층이 개재되어 있어도 된다.
압전막(5)은 서로 대향하는 제1 주면(5a) 및 제2 주면(5b)을 가진다. 제1 주면(5a) 상에 IDT전극(6)이 마련되어 있다. IDT전극(6)의 탄성파 전파방향 양측에 반사기(7, 8)가 마련되어 있다.
IDT전극(6) 및 반사기(7, 8)는 제2 주면(5b) 상에 마련되어 있어도 되고, 제1 주면(5a) 상 및 제2 주면(5b) 상의 양쪽에 마련되어 있어도 된다.
저음속막(4)은 전파하는 벌크파의 음속이 압전막(5)을 전파하는 탄성파의 음속보다도 낮은 저음속 재료로 이루어진다. 이러한 저음속 재료로는, 산화규소, 유리, 산질화규소, 산화탄탈, 또한 산화규소에 불소나 탄소나 붕소를 첨가한 화합물 등, 상기 재료를 주성분으로 한 매질(媒質)을 이용할 수 있다.
또한, SiNx층(3)은 고음속 재료이다. 여기서 고음속 재료란, 전파하는 벌크파의 음속이 압전막(5)을 전파하는 탄성파의 음속보다도 높은 재료를 말한다.
탄성파 장치(1)에서는 압전막(5)의 하방에 저음속막(4) 및 고음속막으로서의 SiNx층(3)이 적층되어 있기 때문에, 탄성파의 에너지를 압전막(5) 내에 가둘 수 있다. 이 경우, 압전막(5)의 두께는 3.5λ 이하이고, 바람직하게는 0.5λ 이하이다. 압전막(5) 내에 탄성파의 에너지를 효과적으로 가둘 수 있다.
그런데, 지지기판(2)은 반도체로 이루어진다. 이러한 반도체로는 특별히 한정되지 않고, 실리콘, 질화갈륨, 갈륨비소 또는 산화물 반도체 등을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, 지지기판(2)은 실리콘으로 이루어진다. 본원 발명자는 상기 탄성파 장치(1)에 있어서 지지기판(2)이 반도체로 이루어지는 경우, SiNx층(3)의 조성에 따라서는 IMD특성이 열화(劣化)되거나, SiNx층(3)이 자괴되거나 하는 것을 처음으로 발견하였다.
또한, IDT전극(6) 및 반사기(7, 8)를 구성하는 금속 재료는 특별히 한정되지 않고, Al, Cu, Pt, Au, Ag, Ti, Ni, Cr, Mo, W 등의 금속 혹은 이들 금속을 주재료로 하는 합금을 이용할 수 있다. 또한, 복수의 금속막을 적층해서 이루어지는 적층금속막이 이용되어도 된다.
탄성파 장치(1)에서는 상기 구조에서 SiNx층(3)의 x가 1.34 이상, 1.66 이하의 특정한 범위에 있기 때문에, 상기 IMD특성의 열화를 억제할 수 있으며, 또한 SiNx층(3)의 자괴도 생기기 어렵다. 이를 이하의 구체적인 실험예에 기초하여 설명한다.
탄성파 장치(1)에 있어서 SiNx의 x를 다양하게 변화시킨 SiNx층(3)을 가지는 탄성파 장치(1)를 제작했다. 설계 파라미터는 아래와 같이 했다. 또한, IDT전극(6)에서의 전극핑거 피치로 정해지는 파장을 λ로 했다.
지지기판(2): 실리콘으로 이루어진다.
SiNx층(3): SiNx로 이루어지고, 두께는 0.5λ로 했다.
저음속막(4): 산화규소로 이루어지고, 두께는 0.35λ로 했다.
압전막(5): LT로 이루어지고, 두께는 0.3λ로 했다.
IDT전극(6) 및 반사기(7, 8): 재료로 알루미늄을 이용했다. 두께는 0.08λ로 했다. IDT전극(6)에 있어서의 전극핑거 피치로 정해지는 파장 λ는, 2㎛로 했다. IDT전극의 전극핑거의 대수(對數)는 94쌍, 반사기(7, 8)에 있어서의 전극핑거의 개수는 각 21개로 했다.
상기한 바와 같이 하여, SiNx의 x가 다른 다양한 탄성파 장치(1)를 제작하고, 이하의 방법으로 IMD특성을 측정했다.
IMD특성의 측정방법: 시그널 제네레이터를 이용해서 TX단으로부터 송신파를 ANT단으로부터 방해파를 입력하고, 시그널 애널라이저를 이용해서 왜곡파를 RX단으로부터, IMD의 3차 왜곡을 측정했다.
상기 IMD특성의 측정의 결과 얻어진 SiNx에서의 x와, IMD특성으로서의 3차 왜곡 특성의 열화량과의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2로부터 분명하듯이, x가 1.34 이상에서는 IMD특성이 열화되기 어렵고, 1.33 이하에서는 x가 작아짐에 따라, IMD특성 열화량이 급격하게 증대되는 것을 알 수 있다. 따라서, SiNx에서의 x는 1.34 이상인 것이 필요하고, 그에 따라서 IMD특성의 열화를 억제할 수 있다.
한편, SiNx에서는 x가 1.67 이상이 되면, 흡습(吸濕)에 의해 자괴될 우려가 있는 것이 알려져 있다. 따라서, SiNx의 x는 1.67 미만인 것이 필요하다. 그에 따라서, 탄성파 장치(1)에 있어서 IMD특성의 열화의 억제와, SiNx층(3)의 자괴의 억제를 도모할 수 있다.
또한, 상기 SiNx의 x가 1.34 이상이면 상기한 바와 같이 IMD특성의 열화가 생기기 어려운 것은, 이하의 이유에 따른다고 생각된다.
지지기판(2)이 반도체로 이루어지는 경우, 그 표면에 기생 용량 성분이 생성될 우려가 있다. 그런데, 탄성파 장치(1)에서는, SiNx의 조성이 상기 특정의 범위, 즉 x가 1.34이상이 되어 있기 때문에, 반도체인 실리콘으로 이루어지는 지지기판(2)과, 산화규소로 이루어지는 저음속막(4) 사이의 차단성을 높일 수 있어, 이 지지기판(2)의 표면에서의 기생 용량 성분의 생성이 억제되어 있다고 생각된다. 따라서 기생용량 성분이 작아져, IMD특성이 개선되고 있다.
즉, 본원 발명자는 지지기판, 고음속막, 저음속막 및 압전막이 적층되어 있는 구조를 가지는 탄성파 장치에 있어서 지지기판이 반도체로 이루어지는 경우에, 상기한 바와 같이 IMD특성의 열화가 생기는 것을 처음으로 발견하고, 이 문제를 SiNx층에 있어서의 조성비를 특정한 범위로 하면 해결할 수 있는 것을 처음으로 발견한 것이다.
제1 실시형태에서는, 압전막(5)의 제1 주면(5a) 상에 IDT전극(6)이 직접 적층되어 있었지만, 도 3에 나타내는 제2 실시형태의 탄성파 장치(11)와 마찬가지로, 압전막(5)의 제1 주면(5a) 상에, 절연막(9)을 개재하여 IDT전극(6)이 간접적으로 적층되어 있어도 된다. 또한, 이러한 절연막(9)의 재료로는, 산화규소, 산질화규소, 질화규소, 오산화탄탈, 알루미나, 유리, 산화탄탈, 또는 산화규소에 불소, 탄소 혹은 붕소를 첨가한 화합물 등을 이용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다. 또한, 도 4에 나타내는 제3 실시형태와 같이, 제2 실시형태의 구조로부터 저음속막(4)이 생략된 구조를 가지는 탄성파 장치(21)여도 된다.
도 5는 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 구성도이다. 또한, 상기 도면에는 고주파 프론트 엔드 회로(230)와 접속되는 각 구성 요소, 예를 들면 안테나 소자(202)나 RF신호 처리 회로(RFIC)(203)도 함께 도시되어 있다. 고주파 프론트 엔드 회로(230) 및 RF신호 처리 회로(203)는, 통신 장치(240)를 구성하고 있다. 또한, 통신 장치(240)는 전원, CPU나 디스플레이를 포함하고 있어도 된다.
고주파 프론트 엔드 회로(230)는 스위치(225)와, 듀플렉서(201A, 201B)와, 필터(231, 232)와, 로우 노이즈 앰프 회로(214, 224)와, 파워 앰프 회로(234a, 234b, 244a, 244b)를 포함한다. 또한, 도 5의 고주파 프론트 엔드 회로(230) 및 통신 장치(240)는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치의 일례로서, 이 구성에 한정되는 것이 아니다.
듀플렉서(201A)는 필터(211, 212)를 가진다. 듀플렉서(201B)는 필터(221, 222)를 가진다. 듀플렉서(201A, 201B)는 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 접속된다. 또한, 상기 탄성파 장치는 듀플렉서(201A, 201B)여도 되고, 필터(211, 212, 221, 222)여도 된다.
또한, 상기 탄성파 장치는, 예를 들면 3개 필터가 공통 안테나 단자를 포함하는 트리플렉서나, 6개 필터가 공통 안테나 단자를 포함하는 헥사플렉서 등, 3개 이상의 필터를 포함하는 멀티플렉서에 대해서도 적용할 수 있다.
즉, 상기 탄성파 장치는, 탄성파 공진자, 필터, 듀플렉서, 3개 이상의 필터를 포함하는 멀티플렉서를 포함한다. 그리고, 상기 멀티플렉서는 송신 필터 및 수신 필터의 쌍방을 포함하는 구성에 한정하지 않고, 송신 필터만, 또는 수신 필터만을 포함하는 구성이어도 상관 없다.
스위치(225)는 제어부(도시하지 않음)로부터의 제어 신호에 따라 안테나 소자(202)와 소정의 밴드에 대응하는 신호 경로를 접속하고, 예를 들면 SPDT(Single Pole Double Throw)형의 스위치에 의해 구성된다. 또한, 안테나 소자(202)와 접속되는 신호 경로는 1개에 한정하지 않고, 복수여도 된다. 즉, 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 캐리어 어그리게이션에 대응하고 있어도 된다.
로우 노이즈 앰프 회로(214)는 안테나 소자(202), 스위치(225) 및 듀플렉서(201A)를 경유한 고주파 신호(여기서는 고주파 수신신호)를 증폭하고, RF신호 처리 회로(203)에 출력하는 수신 증폭 회로이다. 로우 노이즈 앰프 회로(224)는 안테나 소자(202), 스위치(225) 및 듀플렉서(201B)를 경유한 고주파 신호(여기서는 고주파 수신신호)를 증폭하고, RF신호 처리 회로(203)에 출력하는 수신 증폭 회로이다.
파워 앰프 회로(234a, 234b)는 RF신호 처리 회로(203)로부터 출력된 고주파 신호(여기서는 고주파 송신신호)를 증폭하고, 듀플렉서(201A) 및 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 출력하는 송신 증폭 회로이다. 파워 앰프 회로(244a, 244b)는 RF신호 처리 회로(203)로부터 출력된 고주파 신호(여기서는 고주파 송신신호)를 증폭하고, 듀플렉서(201B) 및 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 출력하는 송신 증폭회로이다.
RF신호 처리 회로(203)는 안테나 소자(202)로부터 수신신호 경로를 통하여 입력된 고주파 수신신호를 다운 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 상기 신호 처리해서 생성된 수신신호를 출력한다. 또한, RF신호 처리 회로(203)는 입력된 송신신호를 업 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 상기 신호 처리해서 생성된 고주파 송신신호를 파워 앰프 회로(234a, 234b, 244a, 244b)에 출력한다. RF신호 처리 회로(203)는, 예를 들면 RFIC이다. 또한, 통신 장치는 BB(baseband)IC를 포함하고 있어도 된다. 이 경우 BBIC는, RFIC에서 처리된 수신신호를 신호 처리한다. 또한, BBIC는 송신신호를 신호 처리하고, RFIC에 출력한다. BBIC에서 처리된 수신신호나, BBIC가 신호 처리하기 전의 송신신호는, 예를 들면 화상신호나 음성신호 등이다.
또한, 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 상기 듀플렉서(201A, 201B)를 대신하여, 듀플렉서(201A, 201B)의 변형예에 따른 듀플렉서를 포함하고 있어도 된다.
한편, 통신 장치(240)에 있어서의 필터(231, 232)는 로우 노이즈 앰프 회로(214, 224) 및 파워 앰프 회로(234a, 234b, 244a, 244b)를 경유하지 않고, RF신호 처리 회로(203)와 스위치(225) 사이에 접속되어 있다. 필터(231, 232)도 듀플렉서(201A, 201B)와 마찬가지로, 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 접속된다.
이상과 같이 구성된 고주파 프론트 엔드 회로(230) 및 통신 장치(240)에 따르면, 본 발명의 탄성파 장치인 탄성파 공진자, 필터, 듀플렉서, 3개 이상의 필터를 포함하는 멀티플렉서 등을 포함함으로써, IMD특성의 열화를 억제할 수 있으며, 또한 질화 실리콘층의 자괴도 생기기 어렵다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따른 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 대해 실시형태를 들어 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에서의 임의의 구성 요소를 조합하여 실현되는 다른 실시형태나, 상기 실시형태에 대하여 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 생각해 내는 각종 변형을 실시해서 얻어지는 변형예나, 본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 내장한 각종 기기도 본 발명에 포함된다.
본 발명은 탄성파 공진자, 필터, 듀플렉서, 멀티 밴드 시스템에 적용할 수 있는 멀티플렉서, 프론트 엔드 회로 및 통신 장치로서, 휴대전화기 등의 통신 기기에 널리 이용할 수 있다.
1: 탄성파 장치 2: 지지기판
2a: 상면 3: SiNx층
4: 저음속막 5: 압전막
5a: 제1 주면 5b: 제2 주면
6: IDT전극 7, 8: 반사기
9: 절연막 11: 탄성파 장치
21: 탄성파 장치 201A, 201B: 듀플렉서
202: 안테나 소자 203: RF신호 처리 회로
211, 212: 필터 214: 로우 노이즈 앰프 회로
221, 222: 필터 224: 로우 노이즈 앰프 회로
225: 스위치 230: 고주파 프론트 엔드 회로
231, 232: 필터 234a, 234b: 파워 앰프 회로
240: 통신 장치 244a, 244b: 파워 앰프 회로

Claims (9)

  1. 반도체로 이루어지는 지지기판과,
    상기 지지기판 상에 직접 또는 간접적으로 적층된 SiNx층과,
    상기 SiNx층 상에 직접 또는 간접적으로 적층되어 있고, 서로 대향하는 한 쌍의 주면(主面)을 가지는 압전막과,
    상기 압전막의 적어도 한쪽의 주면 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 IDT전극을 포함하며,
    상기 SiNx층에서 x가 1.34 이상, 1.66 이하의 범위에 있는 탄성파 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SiNx층과 상기 압전막 사이에 적층되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전막을 전파하는 탄성파의 음속보다도 낮은 저음속 재료로 이루어지는 저음속막을 더 포함하는 탄성파 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체가 실리콘인 탄성파 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압전막과 상기 IDT전극 사이에 적층된 절연막을 더 포함하는 탄성파 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연막이 산화규소로 이루어지는 탄성파 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄성파 장치는 상기 IDT전극의 탄성파 전파방향 양측에 배치된 반사기를 더 포함하며, 탄성파 공진자인 탄성파 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    대역통과형 필터인 탄성파 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 탄성파 장치와,
    파워 앰프를 포함하는 고주파 프론트 엔드 회로.
  9. 제8항에 기재된 고주파 프론트 엔드 회로와, RF신호 처리 회로를 포함하는 통신 장치.
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