KR20020096374A

KR20020096374A - Ｔｆｂａｒ를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020096374A
Application number: KR1020010034782A
Authority: KR
Inventors: 김근호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2002-12-31
Also published as: KR100400745B1

Abstract

본 발명은 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 상기 대역통과 필터는 반도체 웨이퍼로 형성된 지지층; 상기 지지층 상에 소정형상으로 패터닝되어 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제1 압전층; 상기 제1 전극 및 제1 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제2 압전층; 상기 제1 전극, 제1 및 제2 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제3 압전층; 상기 제1 전극과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상부에 형성된 제2 전극을 포함하여 구성되며, 다른 크기를 갖는 마스크를 이용하여 연속적으로 다수의 압전층을 형성하여 상기 압전층이 두께에 따라 다른 중심 주파수를 갖는 공진기가 병렬로 형성되어 정합 회로가 필요치 않고, 튜닝을 간단히 하는 효과가 있다.

Description

ＴＦＢＡＲ를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법{Bandpass Filter using the Thin Film Bulk Acoustic Resonator and Fabrication Method the same}

본 발명은 대역통과 필터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)와 정합(matching)에 필요한 인턱터 한 개와 캐패시터 두 개만을 사용하여 대역통과 필터를 제작하는 방법에 관한 것이다.

급속도로 발전하고 있는 무선통신에서 사용되는 대역통과 필터로는 SAW(surface acoustic wave) 필터가 널리 사용되고 있고, 초고주파 통신에서는 에어 캐비티 공진기나 유전체 공진기가 사용되고 있다.

그 중 SAW필터는 특성이 우수하고 공정이 간단한 장점이 있으나, 사용 기판의 가격이 비싸고, 공정의 한계상 수십~수백 MHz대역의 IF(Intermediate Frequency)필터와 주파수가 낮은 RF(Radio Frequency) 통과대역이 필터로만 사용이 제한적이며, 단가가 비싼 단점을 내포하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 연구가 활발히 진행되고 있다.

도1a 내지 도1e는 종래 기술에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 제조 공정 단면도이다.

도1a에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(1) 위에 공진기 소자를 지탱해 주는 지지층(2)으로 저압 기상 증착법에 의한 저응력 질화막이나, ONO 구조(SiO₂, SiN_x, SiO₂)를 실리콘 웨이퍼(1)의 적어도 한면에 증착하는데, 실리콘 웨이퍼(1)의 상부면에 증착(evaporation)한 예를 도시하였다.

이어 도1b에 도시한 바와 같이 증착한 지지층(2) 위에 공진기의 하부전극(3)을 스퍼터링이나 증착방법에 의해 증착하고 패터닝한다.

이어 도1c에 도시한 바와 같이 하부전극(3)을 포함한 지지층(2)위에 ZnO₂나 AlN등의 압전층(4, piezo electric layer)을 원하는 두께만큼 스퍼터링(sputtering)이나 다른 증착 방법에 의하여 증착하고 패터닝한다.

이어 도1d에 도시한 바와 같이 공진기의 상부전극(5)을 스퍼터링이나 증발방법에 의해 증착하고 패터닝한다.

이어 도1e에 도시한 바와 같이 제작한 공진기를 기판에서 분리시키기 위하여 실리콘 웨이퍼(1)의 하부면을 KOH등의 실리콘 습식 식각 용액을 이용하여 지지층(2)까지 선택적으로 식각 및 제거하여 TFBAR(10)를 제작한다.

제작한 TFBAR(10)는 여러 개의 TFBAR(10)와 수동소자(인덕터, 캐패시터)를 레더타입(ladder type) 또는 파이타입(πtype)으로 결합하여 대역통과 필터를 형성한다.

도2는 상기 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 등가 회로도이다.

도2에 도시한 바와 같이 제작한 TFBAR(10)와 6개씩의 인덕터(L)와 캐패시터(C)를 결합하여 제작되고 있는 대역통과 필터는 다수의 TFBAR, 인덕터(L) 및 캐패시터(C)를 이용하여 제작함으로써 단가가 비싸고 튜닝이 어려운 단점을 안고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 대역통과 필터를 구현하는데 필요한 소자(TFBAR, 인덕터, 캐패시터)의 개수를 최소한으로 줄이고, 대역통과 필터 소자의 특성을 최적화하기 위한 튜닝을 간단하게 함으로써 수율을 높이고 단가가 낮으며, 대역통과 필터 외의 다른 소자의 집적에 유리한 TFBAR를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 중심 주파수가 다른 TFBAR를 마스크를 달리하여 연속적으로 병렬 제작함으로써 중심 주파수를 조절하기 위한 루프 인덕터(TFBAR와 병렬로 연결하는 인덕터) 및 TFBAR간의 정합 회로가 필요치 않고, 대역통과 필터 소자 특성을 맞추기 위한 튜닝을 간단화하는데 있다.

TFBAR를 병렬로 하나로 제작함으로써 기존의 3개 이상에서 1개로 줄이고, 정합 회로의 불필요에 따른 인덕터와 캐패시터 등 수동소자의 개수를 줄여 수율을 높이고 공정단가를 최소로 줄이는데 있다.

도1a 내지 도1e는 종래 기술에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 제조 공정 단면도.

도2는 상기 도1의 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 등가 회로도.

도3은 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 평면도.

도4a 내지 도4g는 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 상기 도3의 Ⅰ-Ⅰ'방향의 제조 공정 단면도.

도5는 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 등가 회로도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

200 : 대역통과 필터 100 : 실리콘 웨이퍼

110 : 지지층 120 : 하부전극

130 : 제1 압전층 140 : 제2 압전층

150 : 제3 압전층 160 : 상부전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 특징은 반도체 웨이퍼로 형성된 지지층; 상기 지지층 상에 소정형상으로 패터닝되어 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제1 압전층; 상기 제1 전극 및 제1 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제2 압전층; 상기 제1 전극, 제1 및 제2 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제3 압전층; 상기 제1 전극과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층상부에 형성된 제2 전극을 포함하여 구성되는데 있다.

상기 제2 압전층은 상기 제1 압전층 전면을 포함한 제1 압전층 상부에 형성되고, 상기 제3 압전층은 상기 제2 압전층 전면을 포함한 제2 압전층 상부에 형성되며, 상기 제1 , 제2 및 제 3 압전층은 동일한 두께로 형성된다.

상기 제2 전극과 직렬로 연결되는 하나의 인덕터와 캐패시터를 더 포함하여 외부로부터 입력되는 입력신호의 반사를 방지하고 상기 TFBAR에 대부분의 신호를 반사없이 통과시킨다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터 제조방법의 특징은 반도체 웨이퍼의 상부에 지지층을 형성하는 단계; 상기 지지층 상에 제1 전극을 소정형상으로 패터닝하여 형성하는 단계; 상기 제1 전극과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제1 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계; 상기 제1 전극 및 제1 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제2 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계; 상기 제1 전극, 제1 및 제2 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제3 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계; 상기 제1 전극과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 지지층이 노출되도록 상기 반도체 웨이퍼의 하부면을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 상기 제1, 제2, 제3 압전층을 중첩영역이 존재하도록 형성하고, 상기 압전층 상하부에 제1 및 제2 전극을 각각 한번에 형성하여 압전층이 각각 두께가 다른 3개의 층으로 분류됨에 따라, 상기 각 압전층의 두께에 따라 각 압전층은 다른 공진 주파수 통과대역을 가지게 되고, 이 공진 주파수 대역들이 중첩되어 소정 대역의 대역통과 필터를 이루게 된다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다

도3은 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 평면도이며, 도4a 내지 도4g는 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 제조 공정 단면도로, 상기 도3의 Ⅰ-Ⅰ'방향의 제조 공정을 도시한 것이다.

도3에 도시한 바와 같이 TFBAR를 이용한 대역통과 필터(200)는 웨이퍼로 형성된 지지층(110), 지지층(110) 상에 소정형상으로 패터닝되어 형성된 하부전극(120), 상기 하부전극(120)과 중첩영역을 갖고, 상기 하부전극(120)과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층(110) 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제1 압전층(130), 상기 하부전극(120) 및 제1 압전층(130, piezo electric layer)과 중첩영역을 갖고, 상기 하부전극(120)과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층(110) 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제2 압전층(140), 상기 하부전극(120), 제1 및 제2 압전층(130, 140)과 중첩영역을 갖고, 상기 하부전극(120)과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층(110) 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제3 압전층(150) 및 상기 하부전극(120)과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층(130, 140, 150)과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층(110) 상부에 형성된 상부전극(160)으로 구성된다.

제1, 제2, 제3 압전층(130, 140, 150)은 서로 중첩영역을 가지도록 형성되거나, 도3 에서와 같이 상기 제2 압전층(140)은 상기 제1 압전층(130) 전면을 포함한 제1 압전층(130) 상부에 형성되고, 상기 제3 압전층(150)은 상기 제2 압전층(140) 전면을 포함한 제2 압전층(140) 상부에 형성되고, 각 압전층의 두께는 통과 대역의 주파수에 따라 적당히 형성한다.

압전층은 두께를 적당히 조절하여 특정 파장의 반 파장 또는 반 파장의 홀수배에 해당하는 파장을 갖는 신호가 전극을 통해 입력되면 상기 파장에 해당하는 주파수 대역을 통과시킨다.

따라서 압전층(130, 140, 150)이 중첩되어 형성되어 3개의 두께를 가진 압전층이 형성되므로, 두께에 따라 상기 압전층은 각각 다른 주파수 대역을 통과시키고 이를 중첩하게 되면 소정 대역의 주파수 대역을 통과시키는 대역통과 필터가 형성되며, 상기 압전층은 3층 정도로 형성하고 어느 정도의 마진을 가진다.

상기와 같은 TFBAR를 이용한 대역통과 필터의 제조 공정은 다음과 같다.

먼저 도4a에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(100) 위에 지지층(110)으로 저압 기상 증착법에 의한 저응력 질화막이나, ONO 구조(SiO₂, SiN_x, SiO₂)를 실리콘 웨이퍼(100)의 적어도 어느 한면에 증착하는데, 실리콘 웨이퍼(100)의 상부면에증착(evaporation)한 예를 도시하였다.

이어, 도4b에 도시한 바와 같이 증착한 지지층(110) 위에 공진기의 하부전극(120)을 스퍼터링이나 증착 방법에 의해 증착하고 패터닝한다.

이어, 도4c에 도시한 바와 같이 하부전극(120)을 포함한 지지층(110)위에 ZnO₂나 AlN등의 제1 압전층(130)을 원하는 두께만큼 스퍼터링이나 다른 증착 방법에 의하여 증착하고 패터닝한다.

이어 도4d에 도시한 바와 같이 제1 압전층(130), 하부전극(120)을 포함한 지지층(110)위에 ZnO₂나 AlN등의 제2 압전층(140)을 원하는 두께만큼 스퍼터링이나 다른 증착 방법에 의하여 상기 제1 압전층(130)을 포함하도록 증착하고 패터닝한다.

이어 도4e에 도시한 바와 같이 제1 압전층(130), 제2 압전층(140), 하부전극(120)을 포함한 지지층(110)위에 ZnO₂나 AlN등의 제3 압전층(50)을 원하는 두께만큼 스퍼터링이나 다른 증착 방법에 의하여 상기 제1 압전층(130), 제2 압전층(140)을 포함하도록 증착하고 패터닝한다.

이어 도4f에 도시한 바와 같이 상부전극(160)을 스퍼터링이나 증착방법에 의해 증착하고 패터닝한다.

이어 도4g에 도시한 바와 같이 제작한 공진기를 기판에서 분리시키기 위하여 공진기가 형성된 실리콘 웨이퍼(100)의 하부면을 KOH등의 실리콘 습식 식각 용액을 이용하여 지지층(110)까지 선택적으로 식각하여 제거하여 TFBAR(200)을 제작한다.

제작한 TFBAR(200)에서, 두께가 다른 3가지 영역으로 구성되는데 도4g의 'A'영역은 압전층의 두께가 가장 두꺼우므로 대역통과 영역 주파수의 낮은 주파수 부분의 교류 신호를 통과하고, 'B'영역은 중간 주파수 부분의 교류 신호를 통과하고, 'C'영역은 압전층의 두께가 얇으므로 높은 주파수대의 교류 신호를 통과하게 된다.

도5는 본 발명에 따른 TFBAR(200)를 이용한 대역통과 필터의 등가 회로도로 TFBAR, 인덕터(L) 1개와 캐패시터(C) 2개로 구성하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 TFBAR를 이용한 대역통과 필터 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

다른 크기를 갖는 마스크를 이용하여 연속적으로 다수의 압전층을 형성하여 상기 압전층이 두께에 따라 다른 중심 주파수를 갖는 공진기가 병렬로 형성되어 정합 회로가 필요치 않고, 튜닝을 간단히 하는 효과가 있다.

TFBAR가 기존의 3개 이상에서 1개로 줄어들고, 정합 회로가 필요치 않으므로 인덕터와 캐패시터 등 수동소자의 개수를 줄여 수율이 향상되고 공정단가가 줄어들며 반도체 웨이퍼에 다른 소자와의 집적이 용이하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

반도체 웨이퍼로 형성된 지지층;

상기 지지층 상에 소정형상으로 패터닝되어 형성된 제1 전극;

상기 제1 전극과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제1 압전층;

상기 제1 전극 및 제1 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제2 압전층;

상기 제1 전극, 제1 및 제2 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 소정두께로 패터닝하여 형성된 제3 압전층;

상기 제1 전극과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상부에 형성된 제2 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 제2 압전층은 상기 제1 압전층 전면을 포함한 제1 압전층 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 제3 압전층은 상기 제2 압전층 전면을 포함한 제2 압전층 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin Film Bulk AcousticResonator)를 이용한 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 외부로부터 입력되는 신호의 반사파를 줄이기 위해 상기 제2 전극과 직렬로 연결되는 하나의 인덕터와 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터.
반도체 웨이퍼의 상부에 지지층을 형성하는 단계;

상기 지지층 상에 제1 전극을 소정형상으로 패터닝하여 형성하는 단계;

상기 제1 전극과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제1 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계;

상기 제1 전극 및 제1 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제2 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계;

상기 제1 전극, 제1 및 제2 압전층과 중첩영역을 갖고, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상에 제3 압전층을 소정두께로 패터닝하여 형성하는 단계;

상기 제1 전극과 절연되고, 상기 제1, 제2 및 제3 압전층과 전기적으로 연결되도록 상기 지지층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계;

상기 지지층이 노출되도록 상기 반도체 웨이퍼의 하부면을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin FilmBulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 제2 전극과 직렬로 연결되는 하나의 인덕터와 캐패시터를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TFBAR(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용한 대역통과 필터 제조방법.