KR102642898B1 - 음향 공진기 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목적은 제조가 용이한 음향 공진기 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 모듈은, 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 음향 공진기 및 상기 음향 공진기와 전기적으로 연결되며 적어도 일부가 상기 기판으로부터 이격 배치되는 인덕터를 포함할 수 있다.

Description

음향 공진기 모듈 및 그 제조 방법{ACOUSTIC RESONATOR MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 음향 공진기와 인덕터를 구비하는 음향 공진기 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 벌크 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave) 형태의 필터를 들 수 있다.
벌크 음향 공진기(BAW)란 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.
한편, BAW 필터는 통과대역 내 삽입손실(Insertion loss, IL) 및 반사손실(Return loss, RL)을 개선하기 위해 일반적으로 인덕터가 연결된다. 그러나, 음향 공진기와 인덕터를 각각 개별적으로 제조한 후, 이들을 기판 상에 실장해야 하므로, 제조가 복잡하다는 단점이 있다.
미국등록특허 제8525620호
본 발명의 목적은 제조가 용이한 음향 공진기 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 음향 공진기와 인덕터를 함께 제조할 수 있는 음향 공진기 모듈의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 모듈은, 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 음향 공진기 및 상기 음향 공진기와 전기적으로 연결되며 적어도 일부가 상기 기판으로부터 이격 배치되는 인덕터를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 모듈 제조 방법은, 기판에 하부 희생층을 형성하는 단계, 상기 하부 희생층 상에 제1 도체층, 압전층, 제2 도체층을 순차적으로 적층하여 공진부와 인덕터를 형성하는 단계; 및 상기 하부 희생층을 제거하여 상기 공진부 및 상기 인덕터와 상기 기판 사이에 각각 에어 갭을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 모듈은, 공진기와 인덕터가 하나의 모듈로 제조되므로, 이를 구비하는 전자 기기의 제조가 용이하며 설계의 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 모듈을 개략적으로 도시한 평면도.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기 모듈을 개략적으로 도시한 평면도.
도 4 내지 도 10은 도 1에 도시된 음향 공진기 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
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 공진기 모듈을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈(10)은 기판(110), 기판(110) 상에 배치되는 공진기(120)와 적어도 하나의 인덕터(150)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 공진부(120)는 제1 공진부(120a)와 제2 공진부(120b)를 포함한다. 또한 인덕터(150)는 제1 공진부(120a)와 제2 공진부(120b) 사이에 배치된다.
기판(110)과 공진부(120) 사이에는 에어 갭(S1, S2))이 형성되며, 공진부(120)는 에어 갭(S1, S2)을 통해 기판(110)과 이격되도록 형성된다.
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 하부 전극(121), 압전층(123), 및 상부 전극(125)을 포함한다. 공진부(120)는 아래에서부터 하부 전극(121), 압전층(123) 및 상부 전극(125)이 순서대로 적층되어 형성될 수 있다. 따라서 하부 전극(121)과 상부 전극(125) 사이에 압전층(123)이 배치된다.
공진부(120)는 하부 전극(121)과 상부 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에서, 하부 전극(121)은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성되고, 상부 전극(125)은 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 하부 전극(121) 및 상부 전극(125)은 금, 몰리브덴, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등과 같은 금속들 중 어느 하나의 재질을 주요 재질로 하여 형성될 수 있다.
공진부(120)는 압전층(123)의 음향파를 이용한다. 예를 들어, 하부 전극(121)과 상부 전극(125)에 신호가 인가되면, 압전층(123)의 두께 방향으로 기계적 진동이 발생되어 음향파가 생성된다.
여기서, 압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 쿼츠(Quartz) 등이 이용될 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 일 실시예에 따른 음향 공진기는 주파수를 선택할 수 있는 필터로 사용될 수 있다.
공진부(120)는 보호층(127)을 더 포함할 수 있다. 보호층(127)은 절연성 재질로 형성되며, 상부 전극(125)의 상부에 형성되어 상부 전극(125)이 외부 환경에 노출되는 것을 방지한다.
공진부(120)는 품질 계수(Quality Factor)를 향상시키기 위하여 에어 갭(S1, S2)을 통해 기판(110)과 이격 배치된다.
공진부(120)와 기판(110) 사이에는 에어 갭(S1, S2)이 형성되어 압전층(123)에서 발생되는 음향파(Acoustic Wave)가 기판(110)의 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 에어 갭(S1, S2)을 통하여 공진부(120)에서 발생하는 음향파의 반사특성이 향상될 수 있다. 에어 갭(S1, S2)은 빈 공간으로서 임피던스가 무한대에 가까우므로, 음향파는 에어 갭(S1, S2)으로 손실되지 않고, 공진부(120) 내에 잔존할 수 있다.
본 실시예에서는 에어 갭(S1, S2)이 캐비티(cavity) 형태로 기판(110)에 형성된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 공진부(120)와 기판(110)이 이격될 수만 있다면 다양한 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 에어 갭(S1, S2)은 제1 공진부(120a)의 하부에 형성되는 제1 에어 갭(S1)과 제2 공진부(120b)의 하부에 형성되는 제2 에어 갭(S2)을 포함한다. 또한 인덕터(150)의 하부는 제3 에어 갭(S3)이 형성된다.
인덕터(150)는 기판(110) 상에 형성되되, 제3 에어 갭(S3)을 통해 기판(110)의 표면과 일정거리 이격 배치된다. 따라서 본 실시예에 따른 인덕터(150)는 공중에 떠 있는 서스펜디드 코일 인덕터(Suspended coil inductor)의 형태로 구성된다.
이처럼 인덕터(150)가 공중에 떠 있도록 배치되는 경우, 인덕터(150)는 유전율이 1인 공기 내에 배치되므로, Q-factor를 최대화할 수 있으며, 이에 고효율의 리액턴스 소자로서 기능할 수 있다.
본 실시예에 따른 인덕터(150)는 전체적으로 나선 형상을 가지며, 일단은 제1 공진부(120a)와 연결되고 타단은 제2 공진부(120b)와 연결된다. 그러나 본 발명에 따른 인덕터(150)는 나선 형상으로 한정되지 않으며, 미앤더(meander) 형상이나 솔레노이드 형상 등 필요에 따라 다양한 형태가 적용될 수도 있다.
인덕터(150)는 나선 형상을 구성하는 나선부(152)와, 나선부(152)의 중심에서 인출되어 제2 공진부(120b)와 연결되는 인출부(154)로 구분될 수 있다.
여기서, 나선부(152)는 제1 공진부(120a)의 하부 전극(121)과 연결되며, 상기 하부 전극(121)과 동일한 재질로 형성된다. 또한 인출부(154)는 제2 공진부(120b)의 상부 전극(125)과 연결되며, 상기 상부 전극(125)과 동일한 재질로 형성된다.
따라서, 본 실시예에 따른 인덕터(150)는 나선부(152)가 몰리브덴(Mo) 재질로 형성되고, 인출부(154)가 루테늄(Ru) 재질로 형성될 수 있다.
인덕터(150)와 기판(110)을 이격시키는 제3 에어 갭(S3)은 캐비티(110a) 형태로 기판(110) 상에 형성된다. 따라서 제3 에어 갭(S3)은 인덕터(150)가 형성하는 전체 면적보다 넓은 면적으로 형성되며, 인덕터(150)가 흔들리더라도 바닥면에 접촉하지 않는 깊이로 형성된다.
본 실시예에 있어서, 인덕터(150)는 제1 공진부(120a)와 제2 공진부(120b) 사이에 배치되어 제1, 제2 공진부(120a, 120b)와 직렬로 연결된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈(10)은, 공진부들(120a, 120b) 사이에 일정한 인덕턴스를 갖는 인덕터(150)가 추가된다. 따라서 공진기의 공진주파수를 용이하게 조정할 수 있으며, 이에 전자기계결합상수(electro-mechanical coupling constant, kt2)를 가변시킬 수 있다. 또한 인덕터(150) 주변의 유전율이 1이므로, Q-factor를 최대화할 수 있다.
더하여, 공진부(120)와 인덕터(150)가 하나의 모듈로 제조되므로, 이를 구비하는 전자 기기의 제조가 용이하며 설계의 자유도를 높일 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기 모듈을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈(10a)은 제2 공진부(120b)와 인덕터(150)가 병렬로 연결된다. 이처럼 본 실시예에 따른 인덕터(150)는 필요에 따라 다양한 위치에 배치되어 다양한 방식으로 공진부(120)에 연결될 수 있다.
또한 전술한 실시예와 본 실시예에서는 2개의 공진부(120)와 하나의 인덕터(150)만 구비하는 경우를 예로 들고 있으나, 공진부(120)와 인덕터(150)의 개수는 필요에 따라 더 부가될 수 있다.
이어서, 도 1에 도시된 음향 공진기 모듈의 제조 방법을 설명한다.
도 4 내지 도 10은 도 1에 도시된 음향 공진기 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 기판(110)의 상부에 에어 갭으로 이용될 캐비티(110a)를 형성한다. 기판(110)은 실리콘 기판(110) 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판(110)이 이용될 수 있다. 또한 캐비티(110a)는 에칭을 통해 형성될 수 있다.
이어서, 캐비티(110a) 내부에 제1 희생층(131)을 형성한다. 제1 희생층(131)은 추후에 제거되어 에어 갭(도 1의 130)을 형성한다. 제1 희생층(131)은 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질이 이용될 수 있다.
이어서 도 5에 도시된 바와 같이, 공진부의 하부 전극(121)과, 인덕터의 나선부(152)를 형성한다.
하부 전극(121)과 나선부(152)는 기판(110)과 제1 희생층(131)의 상부에 전체적으로 제1 도전층을 증착한 후, 불필요한 부분을 제거함(예컨대 패터닝)으로써 형성될 수 있다. 본 단계는 포토리소그래피 공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 제1 도전층은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 나선부(152)의 내부와 나선부(152)의 상부에 제2 희생층(132)을 형성한다.
제2 희생층(132)은 나선부(152)를 매립하며 나선부(152) 상에 형성된다. 또한 제2 희생층(132)에는 나선부(152)의 중심에 배치되는 나선부(152)의 일단을 외부로 노출시키는 관통 구멍(133)이 형성된다.
본 실시예에 따른 제2 희생층(132)은 제1 희생층(131)과 동일한 재질로 형성된다. 따라서 후술되는 희생층 제거 단계에서 제1, 제2 희생층(131, 132)은 함께 제거될 수 있다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 전극(121) 상에 압전 물질을 증착한 후 패터닝하여 압전층(123)을 형성한다.
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.
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 압전층(123) 상부에 상부 전극(도 2의 125)과 인덕터의 인출부(도 2의 154)를 형성하기 위한 제2 도전층(125a)을 형성한다. 도전층(125a)은 압전층(123) 상부면과 제2 희생층(132)의 상부, 그리고 관통 구멍(133) 내에 전체적으로 증착된다.
본 실시예에 있어서 제2 도전층(125a)은 루테늄(Ru)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 몰리브덴, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
이어서 제2 도전층(125a)을 패터닝하여 도 9에 도시된 바와 같이, 상부 전극(125)과 인덕터(150)의 인출부(154)를 완성한다. 상부 전극(125)과 인덕터(150)의 인출부(154)를 형성하는 단계는 포토리소그래피 공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서 도 10에 도시된 바와 같이 상부 전극(125)의 상부에 보호층(127)을 형성한다.
보호층(127)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 여기서 절연 물질로는 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열의 물질이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 제1, 제2 희생층(131, 132)을 제거하여 도 1 및 도 2에 도시된 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈(10)을 완성한다. 제1, 제2 희생층(131, 132)은 에칭 방식을 통해 제거될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 공진기 모듈 제조 방법은, 공진기를 제조하는 과정에서 인덕터를 함께 제조할 수 있으므로 제조가 매우 용이하다.
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.
10, 10a: 음향 공진기 모듈
110: 기판
120: 공진부
120a: 제1 공진부
120b: 제2 공진부
121: 하부 전극
123: 압전층
125: 상부 전극
127: 보호층
131: 제1 희생층
132: 제2 희생층
133: 관통 구멍
150: 인덕터
152: 나선부
154: 인출부
S1, S2, S3: 에어 갭

Claims (13)

  1. 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 공진부; 및
    상기 공진부와 전기적으로 연결되며, 적어도 일부가 상기 기판으로부터 이격 배치되는 인덕터;
    를 포함하고,
    상기 인덕터의 일부분은, 상기 기판으로부터 이격 배치되어 인덕턴스를 형성하도록 구부러진 형태를 가지고,
    상기 인덕터의 다른 일부분은, 상기 인덕터의 일부분이 상기 기판으로부터 이격되는 방향으로 상기 인덕터의 일부분으로부터 연장되고,
    상기 기판은, 상기 인덕터와 상기 공진부 각각의 하부에 캐비티 형태로 형성되는 다수의 에어 갭을 구비하는 음향 공진기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진부는 상호 이격 배치되는 제1 공진부와 제2 공진부를 포함하는 음향 공진기 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 인덕터는,
    나선 형상으로 형성되며 일단이 상기 제1 공진부의 하부 전극과 연결되는 나선부; 및
    상기 나선부의 타단과 상기 제2 공진부의 상부 전극을 연결하는 인출부;
    를 포함하는 음향 공진기 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 나선부와 상기 하부 전극은 동일한 재질로 형성되고, 상기 인출부와 상기 상부 전극은 동일한 재질로 형성되는 음향 공진기 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인덕터는,
    상기 나선부가 몰리브덴(Mo) 재질로 형성되고, 상기 인출부가 루테늄(Ru) 재질로 형성되는 음향 공진기 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터의 하부에 배치되는 상기 에어 갭은 상기 인덕터보다 넓은 면적으로 형성되는 음향 공진기 모듈.
  8. 기판에 하부 희생층을 형성하는 단계;
    상기 하부 희생층 상에 제1 도체층, 압전층, 제2 도체층을 순차적으로 적층하여 공진부와 인덕터를 형성하는 단계; 및
    상기 하부 희생층을 제거하여 상기 공진부 및 상기 인덕터와 상기 기판 사이에 각각 에어 갭을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 공진부와 인덕터를 형성하는 단계는;
    상기 제1 도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도체층을 패터닝하여 적어도 하나의 하부 전극과 적어도 하나의 나선부를 형성하는 단계;
    상기 나선부를 매립하며 상부 희생층을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 상기 압전층을 적층하는 단계;
    상기 압전층과 상기 상부 희생층 상에 제2 도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도체층을 패터닝 하여 상부 전극과 인출부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 음향 공진기 모듈 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하부 희생층을 형성하는 단계는;
    상기 기판의 일면에 다수의 캐비티를 형성하는 단계; 및
    상기 캐비티 내부를 채우며 하부 희생층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 음향 공진기 모듈 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 상부 희생층을 형성하는 단계는,
    상기 나선부의 끝단이 노출되도록 상기 상부 희생층에 관통 구멍을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 도체층을 형성하는 단계에서 상기 제2 도체층은 상기 관통 구멍을 통해 상기 나선부와 전기적으로 연결되는 음향 공진기 모듈 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 상부 희생층은,
    상기 하부 희생층과 동일한 재질로 형성되며, 상기 하부 희생층을 제거하는 단계에서 함께 제거되는 음향 공진기 모듈 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 상부 전극 상에 절연 재질의 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 음향 공진기 모듈 제조 방법.
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