KR102632356B1 - 음향 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 일면에 공진부가 형성된 기판, 상기 공진부를 수용하며 상기 기판에 접합되는 캡, 및 상기 기판과 상기 캡을 상호 접합하는 접합부을 포함하며, 상기 접합부는 상기 기판의 일면에 형성된 캐비티 내에 배치될 수 있다.
Description
본 발명은 음향 공진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
대역 통과 필터(Band Pass Filter)는 여러 주파수 중 필요한 주파수 대역의 신호만 선별하여 송수신하는 통신용 기기의 핵심부품이다.
이러한, 대역 통과 필터의 대표 적인예로 표면 음향파(Surface Acoustic Wave, SAW) 필터 및 벌크 음향파(Bulk Acoustic Wave, BAW) 필터 등이 있다.
이 중 벌크 음향파 필터는 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키는 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.
이용분야로는 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등이 있다.
본 발명의 목적은 캡과 기판을 견고하게 접합할 수 있는 음향 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 일면에 공진부가 형성된 기판, 상기 공진부를 수용하며 상기 기판에 접합되는 캡, 및 상기 기판과 상기 캡을 상호 접합하는 접합부을 포함하며, 상기 접합부는 상기 기판의 일면에 형성된 캐비티 내에 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 제조 방법은, 기판의 일면에 공진부를 형성하는 단계, 상기 기판의 일면에 캐비티를 형성하는 단계, 및 상기 캐비티에 접합부를 배치하고 상기 접합부를 매개로 상기 기판에 캡을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 음향 공진기는 캡과 기판을 상호 접합시키는 접합부가 기판의 캐비티 내부에 배치되므로 접합부에 크랙이나 보이드(void)가 형성되더라도 이를 통해 수분이 캡의 내부 공간으로 유입되기 어렵다. 따라서 음향 공진기의 불량을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 기판(110), 공진부(120), 및 캡(140)을 포함한다.
기판(110)과 공진부(120) 사이에는 에어 갭(130)이 형성되며, 공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되어 에어 갭(130)을 통해 기판(110)과 이격되도록 형성된다
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 적층되어 형성될 수 있다. 따라서 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 압전층(123)이 배치될 수 있다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 순서대로 적층 배치된다.
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.
제1 전극(121) 및 제2 전극(125)은 금, 몰리브덴, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 압전층(123)의 음향파를 이용한다. 예를 들어, 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 신호가 인가되면, 압전층(123)의 두께 방향으로 기계적 진동이 발생되어 음향파가 생성된다.
여기서, 압전층(123)에는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN) 및 쿼츠(Quartz) 등이 포함될 수 있다.
압전층(123)의 공진 현상은 인가된 신호 파장의 1/2이 압전층(123)의 두께와 일치할 때 발생한다. 공진 현상이 발생할 때, 전기적 임피던스가 급격하게 변하므로 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는 주파수를 선택할 수 있는 필터로 사용될 수 있다.
공진 주파수는 압전층(123)의 두께, 압전층(123)을 감싸고 있는 제1 전극(121)과 제2 전극(125), 및 압전층(123)의 고유 탄성파 속도 등에 의해 결정된다.
일 예로 압전층(123)의 두께가 얇으면 얇을수록 공진 주파수는 커지게 된다.
공진부(120)는 보호층(127)을 더 포함할 수 있다. 보호층(127)은 제2 전극(125)의 상부에 형성되어 제2 전극(125)이 외부 환경에 노출되는 것을 방지한다.
제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 압전층(123)의 외측에 형성되고, 각각 제1 접속 전극(180)와 제2 접속 전극(190)이 연결된다.
제1 접속 전극(180)와 제2 접속 전극(190)는 공진기와 필터 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행하기 위해 구비될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
공진부(120)는 품질 계수(Quality Factor)를 향상시키기 위하여 에어 갭(130)을 통해 기판(110)과 이격 배치될 수 있다.
예를 들어, 공진부(120)와 기판(110) 사이에는 에어 갭(130)이 형성되어 압전층(123)에서 발생되는 음향파(Acoustic Wave)가 기판(110)의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 에어 갭(130)을 통하여 공진부(120)에서 발생하는 음향파의 반사특성이 향상될 수 있다. 에어 갭(130)은 빈 공간으로서 임피던스가 무한대에 가까우므로, 음향파는 에어 갭(130)으로 손실되지 않고, 공진부(120) 내에 잔존할 수 있다.
따라서, 에어 갭(130)을 통해 종 방향의 음향파의 손실을 감소시킴으로써 공진부(120)의 품질 계수(High Quality Factor) 값을 개선시킬 수 있다.
기판(110)의 하부면에는 기판(110)을 관통하는 비아 홀(112)이 다수 개 형성된다. 그리고 각 비아 홀(112)의 내부에는 접속 도체(115a, 115b)가 형성된다.
접속 도체(115a, 115b)는 비아 홀(112)의 내부면 즉 내벽(112a, 112b) 전체에 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 접속 도체(115a, 115b)는 일단이 기판(110)의 하부면에 형성된 외부 전극(117)에 연결되고, 타단은 제1 전극(121) 또는 제2 전극(125)에 연결된다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 제1 접속 도체(115a)는 제1 전극(121)과 외부 전극(117)을 전기적으로 연결하고, 제2 접속 도체(115b)는 제2 전극(125)과 외부 전극(117)을 전기적으로 연결한다.
따라서, 제1 접속 도체(115a)는 기판(110)과 멤브레인층(150)을 관통하여 제1 전극(121)에 전기적으로 연결되고, 제2 접속 도체(115b)는 기판(110)과 멤브레인층(150), 그리고 압전층(123)을 관통하여 제2 전극(125)에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편 본 실시예에서는 2개의 비아 홀(112)과, 2개의 접속 도체(115a, 115b)만을 도시하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 더 많은 수의 비아 홀(112)과 접속 도체(115a, 115b)를 구비할 수 있다.
캡(140)은 공진부(120)를 외부 환경으로부터 보호하기 구비된다.
캡(140)은 공진부(120)가 수용되는 내부 공간을 구비하는 커버 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 캡은 측벽(141)이 공진부(120)의 주변을 둘러싸는 형태로 기판에 접합된다.
또한 측벽(141)의 하부면은 기판(110)과의 접합면(141a)으로 이용된다.
본 실시예에 따른 캡(140)은 SLID 본딩(Solid Liquid Inter - Diffusion bonding)에 의해 기판(110)에 접합되며, 이로 인한 접합부(175)가 캡의 접합면(141a)과 기판의 접합면(110a) 사이에 형성된다.
캡(140)과 기판(110)은 접합부(175)를 매개로 하여 상호 접합된다.
본 실시예에 따른 SLID 본딩은 Cu-Sn 본딩이 이용될 수 있다. 그러나 Au-Sn 본딩이 이용하는 것도 가능하다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 접합부(175)는 캡(140)에 형성되는 제1 금속층(171), 기판(110)에 형성되는 제2 금속층(172), 그리고 제1 금속층(171)과 제2 금속층(172) 사이에 개재되는 제3 금속층(173)을 포함할 수 있다.
여기서 제1 금속층(171)과 제2 금속층(172)은 Cu 재질로 형성될 수 있으며, 제3 금속층(173)은 Sn 재질로 형성될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 접합부(175)는 기판(110)에 형성된 캐비티(119) 내에 배치된다.
캐비티(119)는 캡(140)의 접합면과 대응하는 고리 형태의 홈으로 형성되며, 캡(140)의 접합면보다 좁은 폭의 홈으로 형성된다.
따라서, 제2 금속층(172)은 캐비티(119)의 바닥면에 배치되고, 제3 금속층(173)과 제1 금속층(171)은 캐비티(119) 내에서 제2 금속층(172) 상에 순차적으로 적층 배치된다.
접합부(175)가 기판(110)의 캐비티(119) 내부에 배치됨에 따라, 접합부(175)는 기판(110)의 외부로 노출되지 않는다.
SLID 본딩 과정에서 용융된 Sn이 경화되면서 제3 금속층에는 크랙(crack)이나 보이드(void)가 발생될 수 있다. 그리고 이러한 크랙이나 보이드는 수분이 캡의 내부 공간으로 침투하는 경로로 이용될 수 있다.
그러나 본 실시예에 따른 접합부(175)는 기판(110)의 캐비티(119) 내부에 배치되므로, 접합부(175)에 크랙이나 보이드(void)가 형성되더라도 이를 통해 수분이 캡의 내부 공간으로 유입되기 어렵다.
따라서 음향 공진기(100)의 불량을 최소화할 수 있다.
이어서 본 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명한다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 먼저 기판(110) 상에 공진부(120)를 형성한다. 공진부(120)는 기판(110) 상에 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 압전층(123), 제2 전극(125), 및 보호층(127)을 순서대로 적층하여 형성할 수 있다. 또한 맴브레인층(150)을 형성하기 전에 희생층(미도시)을 형성한 후, 추후에 제거하여 에어 갭(130)을 형성한다.
제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 도전층을 형성한 다음, 도전층의 상부에 포토레지스트를 증착하며, 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝을 수행한 후, 패터닝 된 포토레지스트를 마스크로 하여 필요한 패턴으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 제1 전극(121)은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성되고, 제2 전극(125)은 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등 필요에 따라 다양한 금속이 제1, 제2 전극(121, 125)으로 이용될 수 있다.
또한 압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 산화 아연(ZnO)이나 쿼츠(Quartz) 등 다양한 압전 재질이 이용될 수 있다.
보호층(127)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 여기서 절연 물질로는 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열의 물질이 포함될 수 있다.
이어서, 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 주파수 트리밍을 위한 접속 전극(180, 190)을 형성한다. 접속 전극(180, 190)은 제1, 제2 전극(121, 125)의 상부에 형성되며, 보호층(127)이나 압전층(123)을 관통하여 전극에 접합된다.
제1 접속 전극(190)은 식각을 통해 보호층(127)과 압전층(123)을 부분적으로 제거하여 제1 전극(121)을 외부로 노출시킨 후, 금(Au) 또는 구리(Cu) 등을 제1 전극(121) 상에 증착하여 형성할 수 있다.
마찬가지로, 제2 접속 전극(190)은 식각을 통해 보호층(127)을 부분적으로 제거하여 제2 전극(125)을 외부로 노출시킨 후, 금(Au) 또는 구리(Cu) 등을 제2 전극(125) 상에 증착하여 형성할 수 있다.
이후, 접속 전극들(180, 190)을 이용하여 공진부(120)와 필터 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행한 후, 에어 갭(130)을 형성한다.
에어 갭(130)은 희생층을 제거함에 따라 형성되며, 이에 본 실시예에 따른 공진부(도 3의 120)가 완성된다.
이어서, 공진부(120)를 외부 환경으로부터 보호하기 위해 캡(도 1의 140)을 형성한다. 캡(140)은 웨이퍼 레벨에서 웨이퍼 본딩을 통해 형성할 수 있다. 즉, 단위 기판(110)이 다수개 배치된 기판 웨이퍼와 캡(140)이 다수개 배치된 캡 웨이퍼를 상호 접합함으로써 일체로 형성할 수 있다.
이 경우, 상호 접합된 기판 웨이퍼와 캡 웨이퍼는 추후에 절단 공정을 통해 절단되어 다수의 개별 음향 공진기로 분리될 수 있다.
캡(140)을 기판(110)에 접합하는 공정은 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(110)에 캐비티(119)를 형성하는 단계가 수행된다. 캐비티(119)는 습식 식각 또는 건식 식각 등의 방식으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 캡(140)의 접합면(141a)에 제1 금속층(171)을 형성하고, 기판(110)의 캐비티(119) 바닥면에 제2 금속층(172)을 형성하는 단계가 수행된다.
제1, 제2 금속층(171, 172)은 증착 등의 방식으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 제1, 제2 금속층(171, 172)은 동일한 Cu 재질로 형성된다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 금속층(171)의 표면과 제2 금속층(172)의 표면에 각각 접합층(173a, 173b)을 형성한다. 여기서 접합층(173a, 173b)은 최종적으로 제3 금속층(173)으로 형성된다. 따라서, 본 실시예의 접합층(173a, 173b)은 Sn으로 형성되며 증착 등의 방식을 통해 제1 금속층(171)의 표면과 제2 금속층(172)의 표면에 각각 형성될 수 있다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 캡(140)을 안착시킨다. 이때, 캡에 형성된 제1 금속층(171)과 접합층(173a)은 캐비티(119)의 내부에 삽입된다.
또한 제1 금속층(171)의 표면과 제2 금속층(172)의 표면에 형성된 접합층들(173a, 173b)은 서로 접촉하도록 배치된다.
이어서 접합층(173a, 173b)을 가열 가압하여 캡(140)에 형성된 접합층(173a)과 기판(110)에 형성된 접합층(173b)을 상호 접합한다. 이 과정에서 접합층들(173a, 173b)은 캐비티(119)의 내부에서 용융된 후 경화되어 상호 접합되어 제3 금속층(173)으로 형성되고, 이에 도 2에 도시된 접합부(175)가 완성된다.
이때, 접합부(175)의 제3 금속층(173)은 캐비티(119)의 내부에 배치되어 캐비티(119)의 내벽에도 접합된다. 따라서 제3 금속층(173)에 크랙이나 보이드가 형성되더라도 수분이 이를 통해 캡(140)의 내부 공간으로 유입될 수 없다.
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(110)에 비아 홀(112)을 형성한 후, 비아 홀(112)의 내부에 접속 도체(115a, 115b)를 형성한다.
접속 도체(115a, 115b)는 비아 홀(112)의 내부면에 도전층을 형성함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 접속 도체(115a, 115b)는 비아 홀(112)의 내벽(112a, 112b)을 따라 도전성 금속(예컨대 금이나 구리 등)을 증착하거나 도포, 또는 충전하여 형성할 수 있다.
이어서, 기판(110)의 하부면에서 외부 전극(117)을 형성하여 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 음향 공진기(100)를 완성한다.
외부 전극(117)은 기판(110)의 하부면으로 연장된 접속 도체(115a, 115b)에 형성된다. 외부 전극(117)으로는 Sn 재질의 솔더 볼이 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
예를 들어 전술한 실시예에서는 캡을 기판에 부착한 후, 접속 도체를 형성하는 경우를 예로 들었다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 먼저 접속 도체를 형성한 후, 캡을 기판에 부착하는 등 다양한 변형이 가능하다.
100: 음향 공진기
110: 기판
112: 비아 홀 115a, 115b: 접속 도체
117: 외부 전극 119: 캐비티
120: 공진부
121: 제1 전극 123: 압전층
125: 제2 전극 127: 보호층
130: 에어 갭 131: 희생층
140: 캡 150: 멤브레인층
171: 제1 금속층 172: 제2 금속층
173: 제3 금속층
175: 접합부
180: 제1 접속 전극 190: 제2 접속 전극
110: 기판
112: 비아 홀 115a, 115b: 접속 도체
117: 외부 전극 119: 캐비티
120: 공진부
121: 제1 전극 123: 압전층
125: 제2 전극 127: 보호층
130: 에어 갭 131: 희생층
140: 캡 150: 멤브레인층
171: 제1 금속층 172: 제2 금속층
173: 제3 금속층
175: 접합부
180: 제1 접속 전극 190: 제2 접속 전극
Claims (9)
- 일면에 공진부가 형성된 기판;
상기 공진부를 수용하며 상기 기판에 접합되는 캡; 및
상기 기판과 상기 캡을 상호 접합하는 접합부; 을 포함하며,
상기 접합부는 상기 기판의 일면의 내부에 형성된 캐비티 내에 배치되고,
상기 접합부는,
상기 캡의 접합면에 형성되는 제1 금속층;
상기 기판의 캐비티 바닥면에 형성되는 제2 금속층; 및
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 개재되는 제3 금속층; 을 포함하는
음향 공진기.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제3 금속층은 Sn 재질로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1, 제2 금속층은 Cu 또는 Au 재질로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 캐비티는
상기 캡의 접합면을 따라 고리 형태의 홈으로 형성되는 음향 공진기.
- 기판의 일면에 공진부를 형성하는 단계;
상기 기판의 일면의 내부에 캐비티를 형성하는 단계; 및
상기 캐비티에 접합부를 배치하고 상기 접합부를 매개로 상기 기판에 캡을 접합하는 단계; 를 포함하고,
상기 캡을 접합하는 단계는,
상기 캡의 접합면에 제1 금속층을 형성하고, 상기 기판의 상기 캐비티 바닥면에 제2 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 제3 금속층을 형성하며 상기 캡과 상기 기판을 접합하는 단계; 를 포함하는
음향 공진기 제조 방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서, 상기 제3 금속층을 형성하는 단계는,
상기 캐비티 내에서 상기 제3 금속층을 용융 및 경화시키는 단계를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 제3 금속층을 형성하는 단계는,
상기 제1 금속층을 상기 캐비티 내에 삽입하는 단계를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
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