KR102276515B1 - 체적 음향 공진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 적층되고, 중앙부와 상기 중앙부의 둘레를 따라 배치되는 확장부로 구성되는 공진부, 및 상기 확장부에서 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에 배치되는 삽입층을 포함하며, 상기 삽입층은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금으로 구성된다.

Description

체적 음향 공진기{Bulk-acoustic wave resonator}
본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.
무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave) 형태의 필터를 들 수 있다.
체적 음향 공진기(BAW)란 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키는 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.
최근 5G 통신에 기술 관심도가 증가하고 있으며, 후보 대역대에서의 구현 가능한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
선행기술문헌에서 개시된 종래의 음향 공진기는 4G향 2~3GHz 주파수 대역에서 원활하게 동작하나, 6GHz 이하(Sub-6GHz, 4~6GHz) 주파수 대역을 이용하는 5G 통신에서 동작하기 위해서는 종래보다 하이 파워 (high power)를 전송할 필요가 있다
따라서 5G 통신에서 음향 공진기를 사용하기 위해서는 하이 파워에 견딜 수 있는 구조가 필요하다. 또한 파워가 커짐에 따라 공진기에서 발열이 증가하게 되므로, 열을 효과적으로 방출할 수 있는 체적 음향 공진기가 요구되고 있다.
한국공개특허 제2018-0101129호 (2018.09.12 공개)
본 발명의 목적은 성능을 향상시킬 수 있는 체적 음향 공진기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공진부에서 발생한 열을 효과적으로 방출할 수 있는 체적 음향 공진기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되고, 중앙부와 상기 중앙부의 둘레를 따라 배치되는 확장부로 구성되는 공진부, 및 상기 확장부에서 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에 배치되는 삽입층을 포함하며, 상기 삽입층은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금으로 구성된다.
본 발명에 따른 체적 음향 공진기는 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 삽입층을 구성함에 따라 삽입층 위에 증착되는 압전층의 결정 배향성이 향상된다. 이에 공진기의 횡방향 열방출이 원활하게 이루어지므로 방열 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제2 전극 구조에 따른 음향 공진기의 공진 성능을 측정하여 도시한 그래프.
도 4는 도 3에 도시된 그래프의 값을 정리한 표.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도.
도 7은 순수 알루미늄(Pure Al)으로 삽입층을 구성하는 경우와, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성하는 경우를 비교한 도면.
도 8은 유전체인 산화규소(SiO2)로 삽입층을 구성한 음향 공진기와, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성한 음향 공진기의 동작 시 온도 분포를 비교한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave Resonator) 일 수 있으며, 기판(110), 희생층(140), 공진부(120), 및 삽입층(170)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)으로는 실리콘 웨이퍼가 이용되거나, SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판이 이용될 수 있다.
기판(110)의 상면에는 절연층(115)이 마련되어 기판(110)과 공진부(120)를 전기적으로 격리시킬 수 있다. 또한 절연층(115)은 음향 공진기 제조 과정에서 캐비티(C)를 형성할 때, 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지한다.
이 경우, 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O3), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 어느 하나의 공정을 통해 형성될 수 있다.
희생층(140)은 절연층(115) 상에 형성되며, 희생층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)가 배치된다.
캐비티(C)는 빈 공간으로 형성되며, 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
캐비티(C)가 희생층(140)에 내에 형성됨에 따라, 희생층(140)의 상부에 형성되는 공진부(120)는 전체적으로 편평하게 형성될 수 있다.
식각 방지부(145)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치된다. 식각 방지부(145)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지하기 위해 구비된다.
멤브레인층(150)은 희생층(140) 상에 형성되며 캐비티(C)의 상부면을 형성한다. 따라서 멤브레인층(150)도 캐비티(C)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다.
예를 들어, 희생층(140)의 일부(예컨대, 캐비티 영역)을 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인층(150)은 상기한 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인층(150)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 멤브레인층(150)은 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
멤브레인층(150) 상에는 제1 전극(121)의 증착을 위해 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 하부 시드층(미도시)이 형성될 수 있다. 구체적으로 하부 시드층은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121) 사이에 배치될 수 있다. 하부 시드층은 AlN 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우, 예를 들어 하부 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)을 포함한다. 공진부(120)는 아래에서부터 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 순서대로 적층된다. 따라서 공진부(120)에서 압전층(123)은 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 배치된다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 압전층(123) 및 제2 전극(125)이 차례로 적층되어 공진부(120)를 형성한다.
공진부(120)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 대략 편평하게 적층된 중앙부(S), 그리고 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 삽입층(170)이 개재되는 확장부(E)로 구분될 수 있다.
중앙부(S)는 공진부(120)의 중심에 배치되는 영역이고 확장부(E)는 중앙부(S)의 둘레를 따라 배치되는 영역이다. 따라서 확장부(E)는 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 영역으로, 중앙부(S)의 둘레를 따라 연속적인 고리 형상으로 형성되는 영역을 의미한다. 그러나 필요에 따라 일부 영역이 단절된 불연속적인 고리 형상으로 구성될 수도 있다.
이에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 중앙부(S)의 양단에는 각각 확장부(E)가 배치된다.
삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비한다.
확장부(E)에서 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170) 상에 배치된다. 따라서 확장부(E)에 위치한 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170)의 형상을 따라 경사면을 구비한다.
한편, 본 실시예에서는 확장부(E)가 공진부(120)에 포함되는 것으로 정의하고 있으며, 이에 따라 확장부(E)에서도 공진이 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 확장부(E)의 구조에 따라 확장부(E)에서는 공진이 이루어지지 않고 중앙부(S)에서만 공진이 이루어질 수도 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(125)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
공진부(120)에서 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121) 상에는 제1 전극(121)의 외곽을 따라 제1 금속층(180)이 배치된다. 따라서 제1 금속층(180)은 제2 전극(125)과 일정 거리 이격 배치되며, 공진부(120)를 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다.
제1 전극(121)은 멤브레인층(150) 상에 배치되므로 전체적으로 편평하게 형성된다. 반면에 제2 전극(125)은 압전층(123) 상에 배치되므로, 압전층(123)의 형상에 대응하여 굴곡이 형성될 수 있다.
제1 전극(121)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
제2 전극(125)은 중앙부(S) 내에 전체적으로 배치되며, 확장부(E)에 부분적으로 배치된다. 이에, 제2 전극(125)은 후술되는 압전층(123)의 압전부(123a) 상에 배치되는 부분과, 압전층(123)의 굴곡부(123b) 상에 배치되는 부분으로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 제2 전극(125)은 압전부(123a) 전체와, 압전층(123)의 경사부(1231) 중 일부분을 덮는 형태로 배치된다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125a)은, 경사부(1231)의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 압전층(123)보다 작은 면적으로 형성된다.
이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 제2 전극(125)의 끝단은 확장부(E) 내에 배치된다. 또한, 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125)의 끝단은 적어도 일부가 삽입층(170)과 겹치도록 배치된다. 여기서 겹친다는 의미는 삽입층(170)이 배치된 평면에 제2 전극(125)을 투영했을 때, 상기 평면에 투영된 제2 전극(125)의 형상이 삽입층(170)과 겹치는 것을 의미한다.
제2 전극(125)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(121)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(125)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(121)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(125)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 후술되는 삽입층(170) 상에 형성된다.
압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 압전층(123)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부(123a), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(123b)를 포함한다.
압전부(123a)는 제1 전극(121)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(123a)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 개재되어 제1 전극(121), 제2 전극(125)과 함께 편평한 형태로 형성된다.
굴곡부(123b)는 압전부(123a)에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다.
굴곡부(123b)는 후술되는 삽입층(170) 상에 배치되며, 삽입층(170)의 형상을 따라 상부면이 융기되는 형태로 형성된다. 이에 압전층(123)은 압전부(123a)와 굴곡부(123b)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 두께와 형상에 대응하여 융기된다.
굴곡부(123b)는 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
경사부(1231)는 후술되는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미한다. 그리고 연장부(1232)는 경사부(1231)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미한다.
경사부(1231)는 삽입층(170) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(1231)의 경사각은 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각과 동일하게 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 그리고 식각 방지부(145)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치된다.
삽입층(170)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 압전층(123)의 굴곡부(123b)를 지지한다. 따라서 압전층(123)의 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 형상을 따라 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(170)은 기판(110) 상에서 확장부(E) 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다. 또한 필요에 따라 확장부(E)의 외측으로 확장 배치될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(170)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 갖는 경사면(L)으로 형성된다.
삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 5°보다 작게 형성되면, 이를 제조하기 위해서는 삽입층(170)의 두께를 매우 얇게 형성하거나 경사면(L)의 면적을 과도하게 크게 형성해야 하므로, 실질적으로 구현이 어렵다.
또한 삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(170) 상에 적층되는 압전층(123)이나 제2 전극(125)의 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 경사면(L)에 적층되는 압전층(123)이나 제2 전극(125)이 과도하게 굴곡되므로, 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다.
한편, 본 실시예에서 압전층(123)의 경사부(1231)는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 형성되며 이에 삽입층(170)의 경사면(L)과 동일한 경사각으로 형성된다. 따라서 경사부(1231)의 경사각도 삽입층(170)의 경사면(L)과 마찬가지로 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다. 이러한 구성은 삽입층(170)의 경사면(L)에 적층되는 제2 전극(125)에도 동일하게 적용됨은 물론이다.
삽입층(170)은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
종래의 경우, 삽입층(170)의 재료로 산화규소(SiO2)를 이용하고 있으나, 이 경우 삽입층(170)의 열전도도가 낮아 5G 통신에서 이용하는 경우, 공진부(120)에서 발생되는 열이 원활하게 방출되기 어렵다.
스칸듐(Sc)을 함유하지 않은 순수 알루미늄(Al)이나, 구리(Cu) 또는 규소(Si)가 함유된 알루미늄 합금을 삽입층(170)의 재료로 이용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 그러나 순수 알루미늄(Al) 경우 융점(melting point)이 660℃이며 구리(Cu) 또는 규소(Si)가 알루미늄(Al)에 함유될수록 융점이 더 낮아지는 문제가 있다. 예를 들어, 구리(Cu) 의 함유량이 증가됨에 따라 알루미늄-구리(Al-Cu) 합금의 융점은 최대 540℃까지 낮아지는 것을 확인하였다.
이처럼 순수 알루미늄(Al)이나, 구리(Cu) 또는 규소(Si)가 함유된 알루미늄 합금을 삽입층(170)의 재료로 이용하는 경우, 산화규소(SiO2)를 이용하는 종래에 비해 열방출 효과는 증가하나, 온도가 상승함에 따라 융점(melting point)이 낮아진다는 문제가 있다.
반면에 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층(170)을 구성하는 경우, 스칸듐(Sc)의 함유량이 증가함에 따라 융점이 순수 알루미늄의 융점보다 높아지는 것을 확인하였다.
스칸듐(Sc)의 함유량이 1wt%일 경우 융점은 740℃까지 상승하고, 2wt%일 경우 830℃까지 상승하는 것을 확인하였다.
이처럼 스칸듐(Sc)을 알루미늄에 함유시키는 경우, 융점이 더욱 상승하게 되므로, 서멀 마이그레이션(thermal migration)이 현저히 감소된다. 또한, 삽입층(170)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, 스퍼터링 공정 시 보다 안정적인 압전층(123)의 증착이 가능하여 결정 배향성을 향상시킬 수 있으며, 화학적 저항이 향상되어 제조 안정성이 확보될 수 있다.
도 7은 순수 알루미늄(Pure Al)으로 삽입층을 구성하는 경우와, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성하는 경우를 비교한 도면이다.
도 7의 (a)는 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금을 1500Å 두께를 가지도록 증착한 후 표면 결함을 관찰한 것으로, 순수 알루미늄(Al)의 경우 힐락(hillock) 및 결정입계 요홈(grain boundary groove)에 의한 결함이 다수 관찰되지만 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 힐락(hillock) 및 결정입계 요홈(grain boundary groove)로 인한 결함이 현저하게 감소된 것을 알 수 있다. 한편 스칸듐(Sc) 함량이 과도할 경우 표면 거칠기가 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.
도 7의 (b)는 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)을 1500Å 두께를 가지도록 증착한 후 압전층(123)인 질화 알루미늄(AlN)을 5000Å 두께를 가지도록 증착하여 박막의 결정 배향성을 비교한 결과이고, (c)는 압전층(123)인 질화 알루미늄(AlN)의 표면 결함을 관찰한 것이다.
이를 참조하면, 순수 알루미늄(Al) 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우 순수 알루미늄(Al)의 표면 결함으로 인해 결정 배향성이 1.73°로 나타낸다.
반면에 스칸듐(Sc)을 0.625at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우, 질화 알루미늄(AlN)의 증착 시 결정 배향성이 0.78°로 매우 우수한 결정 배향성을 보인다.
한편, 스칸듐(Sc)을 6.25at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 표면 거칠기 증가로 인해 질화 알루미늄(AlN) 증착 시 결정 배향성이 2.19°로 측정되었다. 따라서 스칸듐(Sc)을 과도하게 함유하는 경우, 오히려 결정 배향성이 나빠질 수 있음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 본 실시예에 따른 음향 공진기의 경우, 확장부(E)에서 삽입층(170) 위에 적층되는 압전층(123)의 결정 배향성이 좋을수록 중앙부(S)에서 발생한 열이 보다 효과적으로 방출될 수 있다.
스칸듐(Sc)의 함량이 0.1at% 미만인 경우 알루미늄(Al)에 의해 나타나는 기계적 물성 저하 및 힐럭(hillock) 등이 발생할 수 있으며, 스칸듐(Sc)의 함량이 5at% 이상일 경우 면저항을 나타내는 전기적 손실(electrical loss)를 개선하기 어렵다. 또한, 스칸듐(Sc) 함량이 증가할 경우 표면 거칠기가 증가하여 오히려 결정 배향성에 악영향을 줄 수 있다.
이에, 본 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 스칸듐(Sc)을 0.1at% ~ 5at%의 범위로 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 삽입층(170)을 구성한다. 이로 인해 스퍼터링 공정 시 보다 안정적인 압전층(123)의 증착이 가능하여 압전층(123)의 결정 배향성을 향상시킬 수 있으며, 화학적 저항이 향상되어 제조 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 금속 박막에 있어서 열전도도는 포논(phonon)에 의한 진동(vibration)이 열전달의 지배적인 역할을 한다. 이에 금속이 아닌 유전체(dielectric material)의 경우, 포논의 진동이 얼마나 잘 전달되는가에 따라 열전도도가 달라질 수 있다.
포논의 이동을 억제하는 요인 중 하나로 박막의 막질(membranous)을 들 수 있다. 막질이 나쁜 경우 보이드(void)나 결함(defect) 등에 의해서 포논의 이동이 억제되므로 열전도도가 저하된다. 반면에 결정 배향성이 좋을수록 박막의 밀도(density)가 높아 포논의 이동을 방해하는 인자들이 줄어 들게 된다.
순수 알루미늄(Al)이나, 구리(Cu) 또는 규소(Si)가 함유된 알루미늄 합금의 경우, 융점이 낮으므로 공진부 온도가 높아짐에 따라 박막 내 결함이 쉽게 발생될 수 있다.
반면에 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금으로 삽입층(170)을 구성하는 경우 삽입층(170) 위에 증착되는 압전층(123)의 결정 배향성이 좋아지므로, 공진기의 횡방향 열방출이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다. 따라서 5G 통신에서도 안정적으로 동작할 수 있다.
도 8은 유전체인 산화규소(SiO2)로 삽입층을 구성한 음향 공진기와, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성한 음향 공진기의 동작 시 온도 분포를 비교한 도면이다. 도면에 표기된 온도는 캘빈 온도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 산화규소(SiO2)로 삽입층을 구성한 음향 공진기에서 측정된 온도(T0)를 기준으로, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성한 음향 공진기의 온도(T)는 0.68T0 인 것으로 측정되었다.
또한 산화규소(SiO2)로 삽입층을 구성한 음향 공진기의 최대 온도는 827.8111K(약 554℃)로 측정되었으나, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 삽입층을 구성한 음향 공진기의 최대 온도는 714.620K(약 441℃)로 측정되었다.
이처럼 본 실시예의 음향 공진기는 산화규소(SiO2)로 삽입층을 구성하는 종래의 음향 공진기에 비해 현저한 열방출 효과를 제공하는 것을 알 수 있다.
한편 본 실시예의 음향 공진기는 삽입층(170)의 하부에 시드층(160)이 배치될 수 있다.
시드층(160)은 삽입층(170)의 하부면에 배치되며 이에 따라 제1 전극(121) 이나 멤브레인층(150) 상에 배치되어 삽입층(170) 형성을 위한 시드(seed)로 기능할 수 있다. 본 실시예에서 시드층(160)은 육방 정계(HCP)의 결정 구조를 가진다. 이 경우 삽입층(170)의 격자 미스매치가 줄어들고 삽입층(170)의 면저항이 향상될 수 있다. 이러한 효과를 보일 수 있는 예로서, 시드층(160)은 티타늄(Ti) 성분을 포함할 수 있고 예컨대, 티타늄(Ti)층으로 구현될 수 있다. 또한, 시드층(160)은 루테늄(Ru) 성분을 포함할 수 있고 예컨대, 루테늄(Ru)층으로 구현될 수 있다.
여기서 시드층(160)은 HCP 결정 구조를, 삽입층(170)은 FCC 결정 구조를 가질 수 있다.
시드층(160)을 육방정계 결정 구조의 티타늄(Ti)으로 구성하는 경우 AlSc 재질의 삽입층(170)과의 격자 미스매치는 8.8% 에서 3.01%로 개선되는 것을 확인하였다. 이로 인해 삽입층(170)의 결정 배향성 향상되고, 최종적으로 질화 알루미늄(AlN )으로 구성되는 압전층(123)의 결정 배향성도 급격히 향상되는 것으로 나타났다.
또한 루테늄(Ru)으로 시드층(160)을 구성하는 경우, 결정 배향성 개선 폭은 티타늄(Ti)의 경우보다 낮지만, AlSc 삽입층(170)의 면저항이 크게 개선되는 것을 확인하였다. 티타늄(Ti)으로 시드층(160)을 구성하는 경우, 삽입층(170)의 면저항은 0.275ohm/sq으로 측정되었으나, 루테늄(Ru)으로 시드층(160)을 구성하는 경우, 면저항은 매우 낮은 0.220ohm/sq으로 측정되었다.
이와 같이 6GHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는 음향 공진기를 제조하는 경우, Ti, Ru 재질의 시드층(160)을 부가하면 압전층(123)의 결정 배향성 향상과 함께 삽입층(170)의 전기적인 저항 또한 개선시킬 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(170)의 두께는 압전층(123)보다 얇게 형성될 수 있다. 압전층(123) 보다 두꺼울 경우 삽입층(170)을 타고 넘어갈 수 있는 굴곡부 형성이 어렵다. 그리고 삽입층(170)은 두께가 100Å 이상인 경우에 굴곡부(123b) 형성이 용이하다.
공진부(120)는 빈 공간으로 형성되는 캐비티(C)를 통해 기판(110)과 이격 배치된다.
캐비티(C)는 음향 공진기 제조 과정에서 에칭 가스(또는 에칭 용액)을 유입 홀(도 1의 H)로 공급하여 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
보호층(127)은 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호한다. 보호층(127)은 제2 전극(125), 압전층(123)의 굴곡부(123b)가 형성하는 표면을 따라 배치될 수 있다.
보호층(127)은 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
보호층(127)은 하나의 층으로 형성될 수 있으나, 필요에 따라 재질이 다른 2개의 층을 적층하여 형성하는 것도 가능하다. 또한 보호층(127)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 부분적으로 제거될 수 있다. 예컨대, 보호층(127)은 이후의 공정에서 두께가 조절될 수 있다.
한편, 제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 공진부(120)의 외측으로 연장될 수 있다. 그리고 연장 형성된 부분의 상부면에는 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 배치될 수 있다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 또는 알루미늄-스칸듐(Al-Sc) 합금일 수 있다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 기판(110) 상에서 본 실시예에 따른 음향 공진기의 전극(121, 125)과, 인접하게 배치된 다른 음향 공진기의 전극을 전기적으로 연결하는 연결 배선으로 기능하거나, 외부 접속용 단자로 기능할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 금속층(180)은 보호층(127)을 관통하여 제1 전극(121)에 접합된다.
또한 공진부(120)에서 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121)의 둘레 부분에는 제1 금속층(180)이 형성된다.
따라서, 제1 금속층(180)은 공진부(120)의 둘레를 따라 배치되며, 이에 제2 전극(125)을 둘러싸는 형태로 배치된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 진기는 전술한 바와 같이 제2 전극(125)이 압전층(123)의 압전부(123a)와 경사부(1231) 상에 적층 배치된다. 그리고, 제2 전극(125) 중 압전층(123)의 경사부(1231) 상에 배치되는 부분은 경사부(1231)의 경사면의 전체가 아닌, 경사면 일부분에만 배치된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제2 전극 구조에 따른 음향 공진기의 공진 성능을 측정하여 도시한 그래프이고, 도 4는 도 3에 도시된 그래프의 값을 정리한 표이다.
측정에 이용된 음향 공진기는 도 1 내지 도 3에 도시된 음향 공진기로, 삽입층(170)의 두께가 3000Å이고, 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각(θ)이 20°이며, 경사면(L)의 길이(ls, 또는 폭)를 0.87㎛로 구성하였다.
한편, 본 실시예에서 압전층(123)의 경사면은 삽입층(170)의 경사면을 따라 동일한 형상으로 형성되므로, 압전층(123)의 경사면의 길이는 삽입층의 경사면(L) 길이(ls)와 동일한 것으로 간주될 수 있다.
도 3은 상기한 음향 공진기에서 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(125a)의 폭(We)을 변화시키며 음향 공진기의 감쇄(Attenuation)를 측정한 그래프이다.
도 3에서 Y축은 음향 공진기의 감쇄(Attenuation)를 나타낸다. 본 실시예에서 음향 공진기의 감쇄(Attenuation)가 크다는 의미는 수평파(lateral wave)가 공진부(120) 외곽으로 빠져나감에 따라 발생하는 손실(loss)이 적다는 것을 의미하며, 결론적으로 음향 공진기의 성능이 좋아짐을 의미한다.
또한 X축은 음향 공진기에서 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(125a) 끝단의 폭(We)을 나타낸다. 따라서, X축에서 양수로 표시되는 구간은 확장부(E) 내에서 제2 전극(125a)과 삽입층이 겹치는 거리를 의미하며, 음수로 표시되는 구간은 제2 전극(125a)이 삽입층(또는 확장부)과 이격되는 수평 거리를 의미한다. 그리고 0㎛는 제2 전극(125a)과 삽입층(170)이 겹치지 않고 중앙부(S)와 확장부(E)의 경계를 따라 제2 전극(125a)의 끝단이 배치된 상태를 의미한다.
또한 도 3에는 확장부(E)에서 제2 전극의 폭(We)에 따른 음향 공진기의 Kt2(%)값을 함께 도시하였다. 여기에서 Kt2(%)는 공진부 구조별 압전 특성을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 전극(125) 끝단이 삽입층(170)과 동일한 경계를 따라 배치되는 구성(X축:0㎛)을 기준으로, X축 값이 증가할수록 감쇄(Attenuation) 특성이 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 반대로 X축 값이 감소하여 제2 전극(125)이 삽입층(170)과의 경계로부터 멀어지는 경우, 감쇄(Attenuation)가 낮아져 음향 공진기의 특성이 저하됨을 알 수 있다.
이는 확장부(E)에서 수평파(lateral wave)의 반사 성능이 증가됨에 따른 결과이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 전극(125)이 삽입층(170) 경사면 상에 위치할 경우 공진부(120)의 음향 임피던스(acoustic impedance)은 국부적인 구조가 소/밀/소/밀 구조로 형성되므로 수평파를 공진부(120) 안쪽으로 반사시키는 반사 계면이 증가된다. 따라서 대부분의 수평파(lateral wave)가 공진부(120)의 외부로 빠져나가지 못하고 공진부(120) 내부로 반사되어 들어와 감쇄(attenuation) 특성이 향상된다.
또한, 확장부(E)에서 압전층(123)의 경사면의 길이(ls)가 0.87㎛인 음향 공진기에 있어서, 압전층(123)의 경사면에 제2 전극(125a)의 폭(We)이 0.4~0.8㎛으로 이 적층되는 경우 감쇄(Attenuation)가 가장 크게 나타났으며, 이는 상기 구조에서 수평파가 공진부(120)의 외부로 유출됨에 따라 발생되는 손실을 최소화되었음을 의미한다. 그리고 확장부(E)에서 제2 전극(125a)의 폭(We)이 상기한 폭보다 커지거나 작아지는 경우, 감쇄가 감소하여 공진 성능이 저하되는 것으로 측정되었다.
한편, 확장부(E)에서 제2 전극(125)의 폭(We)과 경사면 길이(ls)의 비(We/ls)를 고려할 때, 도 3에 나타난 바와 같이 감쇄(Attenuation)는 상기 비(We/ls)가 0.46~ 0.92인 경우 38dB 이상으로 유지되고 있음을 알 수 있다.
따라서 공진 성능을 확보하기 위해, 본 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 확장부(E) 내에서 제2 전극(125a)의 최대 폭(We)과 경사면 길이(ls)의 비(We/ls)를 0.46 ~ 0.92의 범위로 한정할 수 있다. 그러나 본 발명의 전체 구성이 모두 상기 범위로 한정되는 것은 아니며, 상기 범위는 경사각(θ)의 크기나 삽입층(170)의 두께 변화에 따라 변경될 수 있다.
한편, 제2 전극이 압전층의 경사부(1231)를 넘어 확장부(E) 전체에 배치되면, 도 3, 도 4에 나타난 바와 같이 확장부(E)에서 제2 전극(125)의 폭(We)이 2.2㎛, 4.2㎛, 6㎛일 때, 각각 감쇄(attenuation)의 피크가 나타나는 것으로 측정되었다.
또한 도 3에 나타난 바와 같이 제2 전극(125)이 삽입층(170)과 겹치는 면적이 크면 클수록 음향 공진기의 Kt2(%) 값은 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 삽입층(170)에 의한 비효율 면적이 커짐에 따라 기인하는 것으로 볼 수 있다.
따라서, 음향 공진기 별로 Kt2(%) 값을 다르게 구현하기 위해서 삽입층(170)과 제2 전극(125)이 겹치는 영역을 각 음향 공진기 별로 다르게 적용하는 것도 가능하며, 이에 필터 설계 측면에서 설계 자유도가 증가할 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시예에 따른 음향 공진기는, 삽입층(170)에 의해 공진부(120)의 확장부(E)가 중앙부(S)보다 두꺼운 두께로 형성되므로, 중앙부(S)에서 발생한 진동이 외곽으로 빠져 나가는 것을 억제하여 음향 공진기의 Q-factor를 증가시킬 수 있다.
또한 제2 전극(125)을 확장부(E)에 부분적으로 배치함으로써, 비약적으로 개선된 공진 성능을 제공할 수 있다.
또한 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 삽입층(170)을 구성함에 따라 삽입층(170) 위에 증착되는 압전층(123)의 결정 배향성이 좋아지므로, 공진기의 횡방향 열방출이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다.
한편 본 발명에 따른 음향 공진기는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도로, 도 1의 I-I′에 대응하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 공진부(120)에서 압전층(123)을 지지하는 일부분만 남겨지고 나머지 부분은 모두 제거된다. 이처럼 삽입층(170)은 필요에 따라 부분적으로 배치될 수 있다.
음향 공진기가 이와 같이 구성되는 경우, 삽입층(170)은 제1 금속층(180)이나 식각 방지부(145)와 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 또한 삽입층(170)은 공진부(120)의 외측에 배치되지 않으며, 캐비티(C)의 상부 영역 내에 배치된다. 그러나 삽입층(170)이 배치되는 영역이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도로, 도 1의 I-I′에 대응하는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 제1 전극(121)과 제1 금속층(180) 사이에도 배치되어 제1 전극(121)과 제1 금속층(180)을 전기적으로 연결한다.
삽입층(170)이 금속 재질로 형성되므로, 확장부(E) 부분에서 삽입층(170)에 의해 제1 전극(121)과 제1 금속층(180) 사이의 전기적인 경로가 확장된다. 이러한 구성은 확장부(E)나 그 주변에서 제1 전극(121)의 배선 저항을 낮출 수 있다. 따라서 음향 공진기의 삽입 손실(Insertion Loss)를 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 음향 공진기
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극
123: 압전층
125: 제2 전극
127: 보호층
140: 희생층
150: 멤브레인층
160: 시드층
170: 삽입층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되고, 중앙부와 상기 중앙부의 둘레를 따라 배치되는 확장부로 구성되는 공진부; 및
    상기 확장부에서 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에 배치되는 삽입층;
    을 포함하며,
    상기 삽입층은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금으로 형성되는 체적 음향 공진기
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 삽입층 사이에 배치되는 금속 재질의 시드층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시드층은,
    육방 정계(HCP)의 결정 구조를 갖는 금속으로 형성되는 체적 음향 공진기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 시드층은,
    티타늄(Ti) 또는 루테늄(Ru) 재질로 형성되는 체적 음향 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 질화알루미늄(AlN) 또는 희토류 금속을 함유하는 도핑 질화 알루미늄으로 형성되는 체적 음향 공진기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 희토류 금속은 스칸듐, 에르븀, 이트륨, 란탄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 금속으로 이루어지는 체적 음향 공진기.

  7. 제1항에 있어서,
    상기 스칸듐(Sc)의 함유량은 0.1 ~ 5at%인 체적 음향 공진기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 삽입층은,
    두께가 100Å 이상으로 형성되고 상기 압전층의 두께보다는 얇은 두께로 형성되는 체적 음향 공진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 삽입층은 상기 중앙부에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면을 구비하고,
    상기 압전층은 상기 경사면 상에 배치되는 경사부를 포함하는 체적 음향 공진기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 전극은,
    적어도 일부가 상기 경사부의 경사면 상에 배치되는 체적 음향 공진기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 상에 적층되는 보호층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 압전층은,
    상기 중앙부 내에 배치되는 압전부와, 상기 확장부 내에 배치되고 상기 삽입층의 형상을 따라 상기 압전부에서 경사지게 연장되는 굴곡부를 포함하는 체적 음향 공진기.
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