KR20010023174A - 동조를 위한 희생층을 사용한 압전 공진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 희생 질량 부하층(16)을 구비한 압전 공진기(10)에 관한 것이다. 질량 부하층(16)으로부터 재료가 제거되어 공진 주파수를 원하는 목표치로 상승시킨다. 희생층(16)은 금 또는 은과 같은 조밀한 재료로 이루어지지만, 반대의 의사 주파수 문제점을 증가시키지 않으면서 공진기(10)의 고주파 알루미늄 전극(14) 상에 사용될 수 있는 비교적 박층으로 이루어진다. 질량 부하층(16)이 도전성일 필요는 없다. 또한, 금 또는 은 희생층(16)은 알루미늄 또는 알루미늄 산화물과 같이 실용적이고 경제적인 속도에서 이온 밀링함으로써 제거될 수 있다. 양호하게 확산 배리어(18)가 전극(14)과 질량 부하층(16) 사이에 삽입된다.

Description

동조를 위한 희생층을 사용한 압전 공진기{PIEZOELECTRIC RESONATOR USING SACRIFICIAL LAYER FOR TUNING}

압전 결정은 동작 동안에 그 안정한 공진 주파수 신호 생성으로 인해 무선 통신 장치에서 주파수 제어 소자로서 다수가 사용되어 왔다. 일반적으로, 특정한 압전 결정의 공진 주파수는 결정의 질량 부하(mass loading)를 변화시킴으로써 소망의 주파수로 동조된다. 전형적으로, 이는 결정의 전극부로부터의 질량을 추가 또는 제거함으로써 이루어져 왔다. 공진 주파수는 질량 부하의 변화에 매우 민감하기 때문에, 질량의 작은 변화에도 주파수가 급격하게 변화할 수 있다. 질량은 압전 재료로부터 직접 추가 또는 제거될 수도 있다. 그러나, 전극 재료, 전형적으로 금속을 추가 또는 제거하는 것보다 압전 재료, 전형적으로 유전체를 추가 또는 제거하는 것이 훨씬 더 어렵다.

결정에 질량을 추가하는 종래 기술의 방법은 결정의 전극에 금속을 진공 증착하는 것이다. 전형적으로, 이는 매우 고속으로 행해질 수 있다. 또한, 결정의 전극에 재료를 추가하는 것은 전극을 심하게 변형, 변화, 또는 손상시키지 않는다. 그 결과, 결정의 성능에 대한 손실은 거의 없다. 그러나, 전기적인 단락이 다수의 공진기들 사이에서 발생할 가능성이 있다.

예를 들어, 레이저 또는 이온 밀링(ion milling)과 같은 결정으로부터 질량을 제거하는 종래 기술의 방법은 특히 높은 작업량이 요구되는 경우에 성공적으로 행하기가 보다 어렵다는 것이 입증되어 왔다. 전극 또는 압전 재료로부터 재료를 제거하는 것은 손상을 야기하여, 결정의 성능에 악영향을 주게 된다. 이는 고저항 소자, 상호 변조 왜곡, 및 열악한 노화 특성을 야기한다. 또한, 알루미늄과 같은 몇몇의 금속은 전형적인 생산 진공 레벨하에서도 산화층을 형성한다. 산화층은 고전력이 사용되지 않는다면 적당한 속도로 제거하기가 훨씬 어렵다. 그러나, 고전력은 결정에 가해진 임의의 손상을 가속시키며 결정을 가열하여 결정을 처리하는 동안 주파수를 정확하게 측정하는 것을 어렵게 한다. 더욱이, 질량 제거는 산화층이 관통되면 질량 제거 속도가 현저하게 변화된다는 면에서 비선형적이다.

이에 대해, 산화물이 거의 존재하지 않는 금 및 은과 같은 귀금속이 있다. 그러나, 이들 금속은 전형적으로 매우 무거우며 극단적인 질량 부하 문제점으로 인해 고주파 공진기에 사용될 수 없다. 또한, 금과 은 같은 금속은 훨씬 큰 금속 두께를 필요로 하여 알루미늄과 같은 경금속보다 도전성면에서 유용하지 않다. 종래 기술에서 인식되는 바로서, 고주파 소자, 특히 기초 소자는 반대의 의사 주파수 모드가 발생하는 것을 방지하는 경량 금속의 사용을 필요로 하고 있다.

소자 성능의 저하가 거의 없으면서, 비교적 고속의 질량 제거에 의해 동조될 수 있는 압전 공진기에 대한 필요성이 존재하고 있다. 또한, 실질적으로 선형의 속도에서의 질량 제거에 의해 동조되어 저비용 및 고수율로 간단하고 손쉬운 제조 형태로 실형될 수 있는 압전 공진기에 대한 필요성이 존재하고 있다.

본 발명은 일반적으로 압전 소자에 관한 것으로, 특히 압전 공진기를 위한 전극 소자에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 압전 공진기의 제1 실시예의 측면도.

도 2는 본 발명에 따른 압전 공전기의 양호한 실시예의 측면도.

도 3은 본 발명의 압전 공진기를 사용한 통신 장치의 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 압전 공진기를 제공하는 방법의 플로우 다이어그램.

도 5는 본 발명에 따른 동조된 압전 공진기를 제공하는 방법의 제1 단계의 측면도.

도 6은 본 발명에 따른 동조된 압전 공진기를 제공하는 방법의 제2 단계의 측면도.

도 7은 본 발명에 따른 동조된 압전 공진기를 제공하는 방법의 제3 단계의 측면도.

본 발명은 전극화된 압전 공진기 상에 배치된 희생적인 질량 부하층을 사용하고 있다. 이 층은 공진기를 소망의 주파수로 동조시키도록 제거된다. 양호하게, 희생적인 질량 부하층은 전극보다 얇은층으로 이루어지지만 보다 고밀도이나 만일 유전 재료가 사용된다면 저밀도로 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 상면도이다. 상면(20) 및 하면(22)을 구비한 압전판(12)을 포함하는 압전 공진기(10)가 도시되어 있다. 전극(14)이 압전판(12)의 상면(20) 및 하면(22) 상에 배치된다. 전극(14)은 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이 포획 에너지 공진기(trapped-energy resonator)에 대향 형성된다. 희생 질량 부하층(16)은 전극(14)의 한 부분상에 배치된다. 이 층(16)은 전극(14) 중 하나 또는 양자 모두 상에 그리고 그 임의의 부분 상에 형성될 수 있다. 또한, 이 층(16)은 압전판(12)의 비전극화된 영역의 한 부분에 배치될 수 있다. 처음에, 희생 질량 부하층(16)은 압전 공진기(10)가 최종적인 소망의 주파수보다 낮은 예비 주파수로 공진하도록 한다. 희생 질량 부하층(16)으로부터 재료를 제거함으로써 압전 공진기(10)를 최종적인 소망의 주파수로 동조시킨다.

본 발명은 다양한 형태의 압전 공진기에 모두 유용하지만 고주파수 모드로 동작하는 경우에 응용하는 것이 특히 유용하다. 이러한 경우에, 공진기의 상당한 질량 부하가 의사 주파수 모드를 야기하게 된다. 저주파 압전 공진기 응용에 사용되는 금 및 은과 같은 전형적인 귀금속들은 그들이 유용할 정도로 충분한 도전성을 갖기 이전에 고밀도와 비교적 두꺼운 층을 필요로 한다. 이러한 고밀도, 두꺼운 층은 공진기의 상당한 질량 부하를 제공하여 의사 주파수 모드를 야기한다. 이는 수용될 수 없다. 그러므로, 알루미늄과 같은 경금속이 상기와 같은 응용에서 선택된다. 일루미늄은 비교적 낮은 밀도이며 매우 얇은 두께에서 도전성을 갖는다.

양호하게, 이온 밀링 디스퍼터링이 희생 질량 부하층의 부분을 제거하는데 사용된다. 이온 밀링은 표면 오염으로 인한 결정 노화를 향상시키는 원자적으로 세정된 면을 남긴다. 결정 상의 알루미늄막을 직접적으로 이온 밀링하는 것은 알루미늄이 경제적인 속도로 제거될 수 없기 때문에 비실용적이다. 또한, 모든 최상의 진공 시스템에서도 존재하는 잔여 산소로 인해 산화물이 실용적인 진공 레벨하에서도 표면에 연속적으로 형성된다. 반대로, 금 및 은과 같은 귀금속은 이온 밀링에서 손쉽게 디스퍼터링된다.

본 발명의 신규한 특징은 알루미늄과 같은 경량의 전극 지지층과, 금 또는 은과 같은 손쉽게 디스퍼터링되는 질량 부하층을 제공한다는 것이다. 이 층은 단지 질량 부하를 제공하도록 존재하기 때문에 도전성일 필요는 없다. 또한, 이 층을 디스퍼터링하는 것은 원자적으로 세정된 표면을 남기는 동안 전극의 질량 부하를 보다 감소시킨다. 본 발명은 단일층 알루미늄 전극을 갖는 경우와 거의 동일하게 공진기가 동작하도록 질량 부하층의 대부분이 제거되도록 한다.

알루미늄과 금의 결합은 이들 2개의 재료가 그들의 접합부에서 재료의 저하를 야기하는 확산을 일으킨다는 사실은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 그러므로, 양호한 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 압전 공진기(10)가 전극(14)과 희생 질량 부하층(16) 사이에 삽입된 확산 배리어(18)를 더 포함한다. 보다 양호하게, 확산 배리어(18)는 전극(14)에 희생층(16)의 부착성을 향상시키는 산화층이다. 운좋게, 자연적인 알루미늄 산화층은 이미 논의한 바와 같이 알루미늄 상에서 용이하게 형성된다. 이 산화물은 이전에는 바람직하지 않은 것이었으나 지금은 바람직하다. 희생 질량 부하층과 전극 사이에서 상호 확산량을 감소시키는데 효과적으로 사용될 수 있는 다른 확산 배리어가 존재한다는 것도 본 기술 분야에 공지되어 있다.

본 발명의 특징은 희생 질량 부하층의 재료보다 낮은 밀도를 갖는 금속의 전극을 구비한다는 것으로 설명될 수 있다. 특히, 희생 질량 부하층은 전극보다 작은 총 질량을 갖는다. 또한, 희생 질량 부하층은 이온 빔에 노출될 때 알루미늄 산화물보다 더 빠르게 제거되는 재료를 포함한다. 양호하게, 희생 질량 부하층의 재료는 금 및 은을 포함하는 귀금속 중 적어도 하나로부터 선택된다. 금 또는 은과 같은 귀금속은 이들 재료가 손쉽게 산화되어 공진기 주파수를 시프트시키는 문제점을 야기하지 않기 때문에 선호된다. 또한, 희생 질량 부하층은 공진기의 의사 주파수 문제점을 최소화하도록 박층으로 이루어진다. 특히, 희생 질량 부하층은 300Å 미만의 두께를 갖는다.

예를 들어, 본 발명에 따른 70 MHz 필터 결정이 제공된 각각의 층을 석영판 상에서 증발시킴으로써 후속하는 금속화 기법을 사용하여 제작되었다.

제1 측면

알루미늄 전극 : 1500 옹스트롬

크롬 확산 배리어 : 40 옹스트롬

제2 측면

알루미늄 전극 : 1000 옹스트롬

크롬 확산 배리어 : 40 옹스트롬

은 희생층 : 150 옹스트롬

그런 다음, 이온 디스퍼터링 공정을 사용하여 은층을 120 옹스트롬까지 얇게함으로써 원하는 최종 주파수를 달성한다. 디스퍼터링되는 총 두께는 유닛을 원하는 주파수로 만드는데 필요한 동조의 양 및 희생층과 전극 사이의 상호확산의 양에 따라 달라진다.

은(또는 금)층은 알루미늄 또는 알루미늄 산화물보다 스퍼터링 속도가 높기 때문에 필수적이다. 예를 들어, 1mA/sq. cm.에서 500 eV 이온 빔에 대한 스퍼터 속도는, (은과 비교하여) 다음과 같다:

재료 스퍼터링 속도 비율

은 (Ag) 1800 옹스트롬/분 100%

금 (Au) 1000 옹스트롬/분 55.6%

알루미늄 (Al) 600 옹스트롬/분 33.3%

알루미늄 산화물 80 옹스트롬/분 4.4%

알루미늄 산화물에 대한 디스퍼터링 속도는 은에 비해 4.4%에 불과하다는 것을 알 수 있다. 이러한 속도는 경제적 실용적인 생산 요건으로는 너무 느린 것이다. 금이나 은 희생층을 사용하면 알루미늄 산화물에서 가능한 속도의 10배, 알루미늄 속도의 2배로 동조를 이룰 수 있다.

동조 후에, 희생층은 대단히 얇게 만들어진다. 예를 들어, 제2 측면의 상부측에는 60 옹스트롬의 층이 남겨지고, 해당 전극의 질량 부하는 순수한 알루미늄 전극보다 단지 8.4% 크다. 이는 희생층을 사용하고, 동조시 상기 층의 상당 부분을 제거함으로써, 순수 알루미늄 전극의 성능에 근접하는 성능이 달성되어, 종래의 증발 동조로 만들어진 유닛에 비해 상당히 개선된 의사 주파수 성능이 달성된다는 것을 의미한다.

도 3은 기준 발진기(300)를 포함하는 통신 장치의 블록도이다. 기준 발진기(300)는 본 발명에 따른 압전 공진기를 사용한다. 한 실시예에서, 통신 장치(200)는 제어기(210)의 제어 하에 동작하는 공지된 주파수 합성식 2-웨이 송수신기이다. 통신 장치(200)는 안테나(240)를 통해 RF를 송신 및 수신하는 송신기(230) 및 수신기(220)를 포함한다. 안테나(240)는 수신기(220)와 송신기(230) 사이에서 듀플렉서 또는 스위치(250)에 의해 적절히 결합된다. 통신 장치(200)는 또한 공지된 위상 동기 루프 합성기(260)를 포함하며, 상기 합성기는 제어기(210)의 제어 하에 수신기 국부 발진기 신호(262) 및 송신기 국부 발진기 신호(264)를 제공한다. 기준 발진기(300)는 본 발명의 압전 공진기를 포함하며, 본 발명의 원리를 이용하는 합성기(260)를 위한 기준 신호(272)를 제공한다.

본 발명은 또한 동조식 압전 공진기를 제공하는 방법(100)을 제공한다. 본 발명 방법(100)의 제1 단계(102)는 사실상 대향하는 전극을 갖춘 압전판을 제공하는 것을 포함한다. 고주파수 응용예에서는, 의사 주파수 응답을 방지하기 위해 알루미늄과 같은 경량 재질로 전극을 만드는 것이 바람직하다.

양호한 실시예에서는, 전극의 일부분에 확산 배리어가 배치되어 전극을 추후 인가되는 질량 부하층으로부터 분리시키고, 질량 부하층과 공진기의 부착성을 개선시킨다. 확산 배리어는 확산을 방지하는데 필요한 정도로 얇게 만든다. 확산층에 추가적인 재료는 불필요하며, 질량이 추가되면 공진기의 주파수 응답의 질이 저하된다. 특히, 확산 배리어는 알루미늄 산화물과 같은 얇은 산화물층이다. 확산 배리어는 알루미늄상에 형성되는 알루미늄 산화물과 같이 자연적으로 형성되거나, 증발 증착, 스퍼터링, 양극 산화와 같은 공지된 다른 공정을 통해 형성될 수 있다. 알루미늄 질화물과 같은 다른 확산 배리어도 사용될 수 있다.

제2 단계(104)는 전극의 일부분에 희생 질량 부하층을 배치하는 것을 포함한다. 희생 질량 부하층은 제공 단계의 전극보다 높은 밀도를 갖는다. 특히, 희생 질량 부하층은 제공 단계의 전극보다 적은 질량을 갖는다. 또한, 희생 질량 부하층은 이온 빔에 노출될 때 알루미늄 산화물보다 더 빨리 제거되는 재료인 것이 바람직하다. 특히 귀금속이 상기한 조건을 모두 만족시키는 재료로서 적합하다. 희생 질량 부하층은 공진기에 양호한 내구력을 제공하는 금속인 은, 금을 포함하는 그룹 중 적어도 하나로부터 선택된다.

최종의 원하는 주파수보다는 낮은 예비 주파수를 압전 공진기에 대해 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 방식에서는 질량 부하층은 예컨대 이온 밀링 공정을 통해 추후에 디스퍼터링되어 질량 부하층의 일부분을 제거함으로써 공진기를 원하는 최종 주파수로 동조시킬 수 있다. 이온 밀링은 원자적으로 깨끗한 표면을 제공하며 공진기에 대해 양호한 내구력 특성을 제공한다.

질량 부하층은 높은 에너지 레벨의 최적의 진공 조건하에서 고품질 금도금 또는 은도금된 것이 바람직하다. 특히, 희생 질량 부하층은 고주파 공진기에서 의사 주파수 응답을 방지하기 위해 300 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다.

제3 단계(106)는 희생 질량 부하층의 일부분을 원하는 최종 주파수가 달성되도록 선택적으로 제거하는 것을 포함한다. 이는 질량 부하층의 일부분을 반응성 이온 에칭 또는 디스퍼터링하여 달성된다. 또한, 고속의 제거를 달성할 수 있는 이온 밀링으로 완성하는 것이 바람직하다. 최종 동조 후에는 전극만이 존재하는 것처럼 공진기가 동작하도록 매우 적은 양의 질량 부하층만이 남는 것이 바람직하다.

본 발명은 여러가지 장점을 제공한다. 최소의 질량 부하 전극을 갖는 고품질의 공진기가 제공되어 의사 주파수 모드, 저항성, 노화, 상호 변조 왜곡을 감소시킨다. 원하는 주파수로 고속으로 이온 밀링될 수 있는 공진기가 제공된다. 동조된 공진기에는 원자적으로 깨끗한 표면이 제공되어, 노화 현상, 결정 구동 레벨 의존도, 불량한 개시 저항과 같은 공지된 결정상의 문제점을 감소시킨다.

또한, 압전 필터상의 증발 증착시 발생하는 공진기 전극간의 단락을 없앤 동조 방법이 제공된다. 증발 도금 동조 시스템보다 적은 금을 사용하는 동조 방법이 제공된다. 일정하게 금을 첨가하여 동작하는 증발 도금 동조 시스템보다 유지비가 적은 동조 방법이 제공된다. 증발 도금 동조 시스템보다 신속한 동조 방법이 제공된다. 이온 빔이 형성되어 방향 설정될 수 있으므로 증발 도금 동조 시스템의 복잡한 마스킹을 필요로 하지 않는 동조 방법이 제공된다. 또한, 이온 밀링은 압전판보다 질량 부하층으로부터 더욱 신속히 재료를 선택적으로 제거한다. 그러므로, 이온 빔이 오정렬되어도 해가 되지 않는데, 증발 도금 동조 시스템에서는 그렇지 않다.

공진기 설계에서의 주 경향은 더 작은 통신 장치의 필요성에 부합하도록 공진기 및 그 전극의 사이즈를 축소하려는 것이다. 이러한 사이즈 축소는 증발 도금 동조 시스템에서 정확한 마스킹 고정 및 공진기 위치설정을 위해 필요한 허용 공차 및 관련 비용을 증가시킨다. 본 발명은 공진기 판(플레이트)의 비도금 부분을 손상시키지 않는 이온 밀링 동조를 제공하며, 금속을 첨가하지 않기 때문에 전극의 외부 영역에 대량 부하를 가하지 않고, 재료를 정확치 않은 영역에 증착하여도 전기적 단락이 발생하지 않는다. 이러한 특성으로 인해 이온 동조법은 공진기 사이즈가 축소될수록 더욱 실시하기 용이하며 견고한 것이다. 극(전극)의 수가 증가하는 다극 모노리틱 필터에서 특히 그러하다. 증발 도금 동조 시스템은 전극이 추가되면 몇 배 더 복잡해진다. 이온 밀링 동조 시스템은 프로그래밍을 제외하면 거의 변경되지 않는다.

본 발명의 여러가지 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 기술에 숙련된 사람이면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고도 전술한 실시예의 각종 변형, 대체, 재편성 및 조합이 가능하다는 것을 알 것이다.

Claims (9)

1. 동조된 압전 공진기를 제공하는 방법에 있어서,

   사실상 대향하는 전극을 갖춘 압전판을 제공하는 단계;

   전극의 일부분에 희생 질량 부하층을 배치하는 단계 -압전 공진기의 주파수는 원하는 최종 주파수보다 낮음- ;

   원하는 최종 주파수가 달성되도록 희생 질량 부하층의 일부분을 선택적으로 제거하는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 제공 단계에서 전극상에 확산 배리어가 배치되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 배치 단계에서 희생 질량 부하층이 제공 단계의 전극보다 높은 밀도를 갖는 방법.
4. 제2항에 있어서, 제공 단계에서 확산 배리어가 산화물층인 방법.
5. 제1항에 있어서, 제공 단계에서 전극이 알루미늄제인 방법.
6. 제1항에 있어서, 배치 단계에서 희생 질량 부하층은 이온 빔에 노출될 때 알루미늄 산화물보다 더 빨리 제거되는 재질인 방법.
7. 제6항에 있어서, 배치 단계에서 희생 질량 부하층이 은과 금을 포함하는 그룹 중 적어도 하나로부터 선택되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 배치 단계에서 희생 질량 부하층이 300 옹스트롬 이하의 두께를 갖는 방법.
9. 제1항에 있어서, 배치 단계에서 희생 질량 부하층이 제공 단계의 전극의 질량보다 적은 전체 질량을 갖는 방법.