KR20040019373A - 공진기 장치 - Google Patents

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KR20040019373A
KR20040019373A KR10-2004-7001283A KR20047001283A KR20040019373A KR 20040019373 A KR20040019373 A KR 20040019373A KR 20047001283 A KR20047001283 A KR 20047001283A KR 20040019373 A KR20040019373 A KR 20040019373A
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acoustic impedance
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resonator
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노베르트 아이너
루에데르 엘브레흐트
스테판 마르크스테이너
한스-조에르그 티메
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인피네온 테크놀로지스 아게
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    • H03H9/02125—Means for compensation or elimination of undesirable effects of parasitic elements

Abstract

본 발명은 압전 공진기(10) 및 높은 음향 임피던스를 갖는 층(182, 184) 및 낮은 음향 임피던스를 갖는 층(181, 183, 185)으로 이루어지는 음향 반사기(18)를 포함하는 공진기 장치에 관한 것이다. 하나의 층을 생성에서의 기술적인 한계에 기인하여 작동 주파수에서 해당 층 내의 파장의 1/4만큼 벗어나도록 하나의 층의 두께를 설정하고, 앞서 언급된 층에 따라서 다른 층의 두께를 설정하는 방식으로 음향 반사기를 위한 사전 결정된 최소 품질을 달성하게 된다.

Description

공진기 장치{PIEZOELECTRIC RESONATOR DEVICE COMPRISING AN ACOUSTIC REFLECTOR}
도 1에서, 압전 공진기(10)를 포함하는 공진기 장치를 예로서 도시하였다. 압전 공진기(10)는 제 1 전극(14) 및 제 2 전극(16)뿐만 아니라 압전층(piezoelectric layer)(12)을 포함한다. 음향 브래그 반사기(acoustic Bragg reflector)(18)는 압전 공진기(10)에 인접하게 정렬된 복수의 층(181∼187)을 포함한다. 또한, 기판(20)을 제공한다. 반사기(18)를 기판(20)과 압전 공진기(10) 사이에 정렬한다. 음향 반사기의 층(181, 183, 185, 187)은 낮은 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖는 층이고, 층(182, 184, 186)은 높은 음향 임피던스를 갖는 층이다.
압전 박막 공진기(piezoelectric thin film resonators)(TFBAR =thinfilmbulkacoustic waveresonator, 또는 FBAR =filmbulkacoustic waveresonator, BAW =bulkacousticwave)에서는, 기능을 보장하기 위해서 압전층(피에조 층(piezo layer), 도 1 내의 참조 번호 12 참조) 내에서 여기되는(excited) 음파(sound wave)가, 기판-그 위에 장치가 형성됨-으로부터 음향적으로(acoustically) 절연되어야 한다.
종래 기술에서는 절연을 위한 2가지의 방법이 알려져 있다. 첫 번째 방법은 장치의 아래쪽에서 기판(20) 또는 적절한 희생층(sacrificial layer)을 제각기 제거하는 것이다. 이 경우에 공진기는 얇은 자체 지지형 구조물(self-supporting structure)(멤브래인(membrane) 또는 브리지(bridge))을 형성한다. 이 절차의 단점은, 결과적인 구조물이 매우 민감하고 추가적인 프로세싱에 있어서, 특히 이러한 구조물을 패키징(packaging)하는 데 있어서 곤란하다는 것이다.
장치를 기판(20)으로부터 음향적으로 절연하는 두 번째 방법을 도 1에 나타내고, 여기에서는 장치를 음향 브래그 반사기(18) 위에 형성하였다. 위에서 언급된 바와 같이, 후자는 교차적으로 높은 음향 임피던스 및 낮은 음향 임피던스를 갖는 층(181∼187)의 시퀀스를 포함한다. 도 1에 도시된 구조물에 대해서, K. Lakin에 의한 문헌(Appl. Phys. Lett. 38, 1981, pp.125-127)뿐만 아니라 미국 특허 출원 제 4,166,967 호를 참조한다. 또한, G. D. Mansfeld 및 S. G. Alekseev에 의한 문헌(Ultrasonics Symp. Proc., Vol.2, 1997, pp.891-894)을 참조한다.
도 1을 이용하여 설명한 바와 같은 압전 공진기 장치에서, 예를 들면, 주어진 작동 주파수(f0)에서 개별 층의 최적의 층 두께는, 제각기 해당 재료 또는 해당 층 내의 음향 파장(acoustic wavelength)(λac)의 대략 1/4이고, 다음의 조건(1)에 따르면 최적의 층 두께 결과는 아래와 같다.
(1)
여기에서,
νac= 관찰되는 층 내의 음속(speed of sound),
Zac= 관찰되는 층 내의 음향 임피던스,
ρ = 관찰되는 층의 재료 밀도.
음향 브래그 반사기를 이용하는 것의 이점은, 이 반사기를 이용하여 제조되는 공진기가 높은 기계적 안정성을 갖는다는 것이다. 또한 본 발명은 이 타입의 음향 디커플링(acoustic decoupling)에 관련된다.
높은 음향 임피던스를 갖는 전형적인 재료는 텅스텐(W), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo) 또는 금(Au) 등과 같은 금속이다. 낮은 음향 임피던스를 갖는 재료는 예를 들면, 실리콘 이산화물(Si02) 또는 알루미늄(Al) 등이다.
도 1에 도시된 브래그 반사기(18)를 실현할 때, 여러 측면에서 아래에 언급된 문제점이 발생될 수 있다.
먼저, 위에서 언급된 층 두께(dopt)의 실현은 기술적인 이유에 의해서 문제를발생시킬 수 있다. 이에 대한 일례는, 이들 층에 대한 각각의 증착 또는 생성 도중에 발생되는 층의 응력(stresses)에 기인하여 층 두께가 최대 두께를 초과할 수 없게 되는 것에 의한 실현가능한 층 두께의 제한이다. 이러한 문제점은 텅스텐, 백금 또는 몰리브덴 등과 같은 금속에서 발생된다. 900MHz 박막 공진기(thin film resonator)(작동 주파수 = 900MHz)에 있어서 텅스텐을 위한 최적 두께는 대략 dw= 1.4㎛이고, 백금에 대해서는 대략 dPt= 0.85㎛이며, 몰리브덴에 대해서는 대략 dMo= 1.6㎛이다. 이러한 두께를 갖는 금속층을 어려움없이 기술적으로 실현하는 것은 불가능하다.
다른 문제점은 기판을 향한 장치 내의 기생 캐패시턴스(parasitic capacitances)이다. 이 때문에, 전기적인 이유(기판을 향하는 기생 캐패시턴스의 최소화)로, 실리콘 이산화물 등과 같은 브래그 반사기 내의 유전층(dielectric layer)에 있어서 층 두께의 최대화가 요망된다. 그러나, 이 경우에 층 두께는 최적 층 두께를 초과하므로 대응되는 두께를 갖는 유전층은 위의 조건(1)과 모순된다.
다른 문제점은 층(181∼187)의 서로 다른 온도 계수(temperature coefficients)이다. 이용되는 층의 온도 계수는 박막 공진기(thin film resonator)의 온도 성향(temperature behavior)에 영향을 준다. 높은 음향 임피던스를 갖는 층 및 낮은 음향 임피던스를 갖는 층의 재료가 서로 다른 부호의 온도 계수를 가지고 있는 경우에, 박막 공진기의 최소 온도 계수를 갖는 층 두께 조합을일반적으로 발견할 수 있지만, 그렇게 되면 이 층이 최적 층 두께에 대응되지 않는 두께를 갖게 되는 것에 의해서, 층 두께 조합은 일반적으로 위의 조건(1)과 모순된다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에 의한 박막 공진기의 실현에서는, 층 두께에 대한 위의 조건(1)과 부합되는 층에 의해서 음향 반사기를 형성하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이는 이용 가능한 재료 및 획득 가능한 주파수 범위의 선택에 있어서 바람직하지 않은 제한을 초래한다. 만약, 예를 들면, 높은 음향 임피던스를 갖는 재료로서 알루미늄 질화물(AlN)을 이용하고 낮은 음향 임피던스를 갖는 재료로서 Si02를 이용하면, R. S. Naik 등에 의한 문헌(IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Freq. Control, 47(1), 2000, pp.292-296)에서 개시된 바와 같이, 기생 캐패시턴스와 연관하여 위에서 언급된 문제점을 회피할 수 있다. 언급된 2개의 재료가 유전체이므로, 이 문제점이 발생되지 않는다. 그러나, 이 재료 조합을 가지면, 위에서 언급된 금속층 중의 하나를 높은 음향 임피던스를 갖는 재료로서 이용하는 브래그 반사기에 비해서 음향 임피던스들간의 차이가 비교적 작아서 브래그 반사기의 품질에 악영향을 주고, 동일한 개수의 층을 가진다면 상당히 더 낮아진다.
본 발명은 공진기 장치(resonator apparatus)에 관한 것으로, 특히 압전 공진기(piezoelectric resonator) 및 연관된 음향 반사기(acoustic reflector)를 갖는 공진기 장치에 관한 것이다.
도 1은 최적 두께의 층을 갖는 음향 반사기를 포함하는 종래 기술의 공진기 장치를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공진기 장치를 도시하는 도면,
도 3은 높은 음향 임피던스를 갖는 층의 두께 및 낮은 음향 임피던스를 갖는 층의 두께의 함수로 도 2에 도시된 공진기의 품질에 대한 등고선을 나타내는 도면.
이 종래 기술로부터 시작하여, 본 발명의 목적은 두꺼운 층을 제조하는 것과연관된 문제점, 기생 캐패시턴스와 연관된 문제점 및 상이한 온도 계수를 갖는 것과 연관된 위에서 언급된 문제점을 최소화하거나 회피할 수 있는 향상된 공진기 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 공진기 장치에 의해 달성된다.
본 발명은 압전 공진기 및 교차적으로 낮은 음향 임피던스 및 높은 음향 임피던스를 갖는 적층된 층의 시퀀스로 이루어지는 음향 반사기를 포함하는 공진기 장치를 제공하고, 여기에서 하나의 층의 두께를 이 층을 제조하는 도중의 기술적인 한계에 기인하여 작동 주파수에서 이 층 내의 음향 파장의 1/4과는 상이하도록 설정하며, 또한 다른 층의 두께를 하나의 층에 따라서 설정하는 것에 의해서 사전 결정된 최소 품질의 음향 반사기를 달성할 수 있게 된다.
본 발명은 최적 층 두께에 관한 위의 조건에 부합되지 않음에도 불구하고 높은 반사율(reflectivity)을 갖는 브래그 반사기를 실현할 수 있는 연구 결과에 기반한다. dopt와 같지 않은 층 두께(d)를 선택하였다면, 다른 층 재료에 대해서도 브래그 반사기의 반사율, 즉 그 품질이 최대가 되는 층 두께를 발견할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, d<dopt의 두께를 갖는 금속층 및 d>dopt의 두께를 갖는 SiO2층으로 이루어지는 브래그 반사기를 특히 제조할 수 있다. 동시에, 그것에 의해서 층의 제조 시에 발생되는 문제점 및 기생 캐패시턴스에 기인하는 문제점을 감소시키거나 제거할 수 있다. 또한, 전체 공진기의 최소 온도 계수를 달성하도록 반사기를 실현할 수 있고, 특히 최적 층 두께에 대응되는 두께를갖는 층을 이용하는 공진기에 비해서 이 기준을 보다 더 충족시키는 공진기를 실현할 수 있다.
종래 기술에서 알려진 방법과 비교하면, 본 발명은 최적 층 두께에 관련된 조건을 신중하게 위배하는 것에 대해 개시하는 것에 의해, 다른 재료의 주어진 층 두께를 가지고, 한 재료의 층 두께에 대한 동시적 적합화(simultaneous adaptation)로 브래그 반사기의 반사율이 최대가 되게 한다. 본 발명의 절차에 의한 이점은, 그에 따라 획득되는 반사기의 층 스택(layer stacks)의 기술적 실현이 용이하게 되고, 그에 따라 프로세스 안정성 및 프로세스 비용과 연관된 추가적인 이점을 갖는다는 것이다. 다른 이점은 대응되는 층 두께의 적합화에 의해서 박막 공진기의 안정한 온도 성향뿐만 아니라 기생 캐패시턴스의 감소 등과 같은 특정한 전기적 특성을 동시에 획득할 수 있다는 것이다.
바람직한 실시예에 따르면, 하나의 층의 두께는 최적값에 비해서 감소되고, 다른 층의 두께는 최적값에 비해서 증가된다. 이 점에 있어서, 다른 실시예에 따르면 하나의 층은 낮은 음향 임피던스를 갖는 층 또는 높은 음향 임피던스를 갖는 층의 어느 한 쪽일 수 있고, 다른 층은 제각기 낮은 음향 임피던스를 갖는 층이거나 높은 음향 임피던스를 갖는 층일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
바람직하게는, 높은 음향 임피던스를 갖는 층들이 동일한 재료로 이루어지고, 낮은 음향 임피던스를 갖는 층들이 또한 동일한 재료로 이루어지는 것에 의해서, 이러한 경우에 브래그 반사기가 2개의 서로 다른 재료로 이루어지게 된다. 그러나, 본 발명은 이 설계에 한정되지 않으며 그 대신에 브래그 반사기에 2개 이상의 재료를 또한 이용할 수 있는 것에 의해서, 예를 들면, 높은 음향 임피던스를 갖는 층 및/또는 낮은 음향 임피던스를 갖는 층을 서로 다른 재료로 형성할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명할 것이다.
도 2를 이용하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 이하에서 보다 더 세부적으로 설명하였다. 도 2에서의 공진기 장치에 대한 표현은 도 1과 유사하지만, 이 실시예에 따르면 반사기(18)는 오직 5개의 층(181∼185)만을 갖고, 이는 도 1에서의 두께가 위에서 언급된 조건(1)에 따른 최적 층 두께에 대해서 결정되므로 층의 최적 두께로부터 벗어난다는 점에서 도 1에 도시된 실시예와는 더욱 차이가 있다.
도 2에, 브래그 반사기(18)가 Si02층(181), Mo층(182), Si02층(183),Mo층(184) 및 Si02층(185)으로 이루어지는 연속적인 층을 포함하는 실시예가 도시되어 있다. 공진기 장치의 공진 주파수(resonance frequency)는 900MHz이다. 일반적인 특징을 제한하지 않으면서, 추가적으로 고려하자면, 실리콘이 기판 재료이고 Zn0가 압전 재료일 수 있다.
최적 층 두께에 대한 위의 조건을 기초로 이용하면, Si02층의 최적 층 두께는 브래그 반사기(18)가 Mo층의 최적 밀도와 대략 동일한 값이 되고, 대략가 된다. 예를 들면, K. M. Lakin, G. R. Kline 및 K. T. McCarron에 의한 IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, Vol.41, No.12, 1993 또는 V. M. Ristic에 의한 "Principles of acoustic devices", Wiley(1983)에 설명된 메이슨 모델(Mason model)을 이용하여, 반사기 내의 여러 산화물 또는 몰리브덴의 두께에 대해서 전기적 성향(electric behavior)을 제각기 계산하였다. 이렇게 함으로써, 재료 감쇠(material attenuation)가 이용되지 않았고 기판의 아래 부분은 완전히 흡수하는 것으로 설계하였다. 그러므로 기판 내부로의 에너지 손실은 오직 브래그 반사기를 통해서만 발생될 수 있다. 그러므로, 공진기의 품질로 브래그 반사기의 품질을 직접 측정할 수 있다. 위상 커브(phase curve)의 기울기를 이용하여 임피던스의 특징적 커브로부터 공진기의 품질을 매우 용이하게 계산할 수 있다(K. M. Lakin, G. R. Kline 및 K. T. McCarron에 의한, IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, Vol.41, No.12, 1993 참조).
도 3에서 브래그 반사기 위의 BAW 공진기의 품질에 대한 등고선을 도시하며,브래그 반사기는 2개의 몰리브덴층 및 3개의 Si02층으로 이루어진다. 산화물 또는 몰리브덴의 두께의 함수로서 품질을 나타낸다. 도 2에 도시된 파선은, 층의 두께, 예를 들면, 몰리브덴의 두께가 사전 결정되었을 때, 최적 층 두께의 조합을 나타낸다.
도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 위에서 언급된 1600㎚의 λ/4 층 두께에 대해서 대략 6200의 최대 품질이 획득된다. 원격 통신(telecommunication) 분야에서, 공통 필터 애플리케이션(common filter applications)을 위해서는 일반적으로 1000 내지 2000의 품질이면 충분하다. 또한, 공진기 내에서의 전기적 손실, 전기 기생체(electric parasities)에 의한 전기적 손실뿐만 아니라 비수직적 발진 모드(nonvertical oscillation modes)에 의한 음향 손실(acoustic losses) 등과 같은 다른 손실 채널(loss channels)에 의해서 전체 장치의 품질이 지배되기 때문에 실제적으로 원칙상 더 높은 품질을 구현할 수 없다.
도 2 내의 Q=2000의 등고선의 관찰로 확인되는 바와 같이, 이 품질은 800㎚의 몰리브덴 두께 및 1800㎚의 산화물 두께로 이미 달성될 수 있다. 그러므로 절반의 몰리브덴만이 필요하므로 기술적 실현을 상당히 용이하게 한다. 그와 동시에 Si02층 두께는 λ/4 층 두께에 비해서 10%이상 증가되고, 이는 기판을 향한 기생 캐패시턴스의 감소와 연관된다. 주어진 반사기 품질에서 본 발명을 구현하기 위한 다른 가능성은, 프로세스 제한에 대해서 층의 두께를 최적화하는 것뿐만 아니라 미러층(mirror layers)의 개수를 결정하는 것이다. 위에서 설명된 것과 동일하지만3개의 Mo층을 갖는 계산은, 예를 들면, 각각 550㎚의 두께를 갖는 3개의 Mo층으로 5000의 반사기 품질을 획득하는 결과를 가져온다. 2개의 층인 경우에(도 3 참조), 동일한 품질을 달성하기 위한 각 몰리브덴 층의 두께는 대략 1300㎚일 것이다. 그러므로, 동일한 품질을 갖는 반사기를 실현하기 위해서 첫 번째 경우에는 단지 1600㎚의 두께를 갖는 몰리브덴을 증착해야하는 반면, 두 번째 경우에는 2600㎚의 두께를 갖는 몰리브덴을 증착할 필요가 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따라서 높은 음향 임피던스를 층으로 나타낸 금속층의 두께를 감소시키는 반면, 유전층이 증가된 두께를 갖도록 시도하는 것에 의해서, 금속층의 기술적 실현과 연관된 문제점을 감소시키고, 동시에 기생 캐패시턴스와 연관된 문제점을 감소시킨다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 공진기12 : 압전층
14 : 제 1 전극16 : 제 2 전극
18 : 브래그 반사기
181: 낮은 음향 임피던스를 갖는 층
182: 높은 음향 임피던스를 갖는 층
183: 낮은 음향 임피던스를 갖는 층
184: 높은 음향 임피던스를 갖는 층
185: 낮은 음향 임피던스를 갖는 층
186: 높은 음향 임피던스를 갖는 층
187: 낮은 음향 임피던스를 갖는 층
20 : 기판

Claims (10)

  1. 압전 공진기(piezoelectric resonator)(10)와,
    낮은 음향 임피던스(acoustic impedance) 및 높은 음향 임피던스를 교번적으로 갖는 적층된 층(181∼185)의 시퀀스를 포함하는 음향 반사기(acoustic reflector)(18)
    를 포함하되,
    하나의 층의 두께는 그 층의 제조에서의 기술적인 한계에 기인하여 작동 주파수에서 그 층 내의 음향 파장(acoustic wavelength)의 1/4과는 상이하도록 설정되고,
    다른 층의 두께는 상기 하나의 층에 따라 설정되어, 상기 음향 반사기의 사전 결정된 최소 품질을 달성하는
    공진기 장치(resonator apparatus).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 층의 두께는 상기 파장의 1/4에 비례하여 감소되고, 상기 다른 층의 두께는 상기 파장의 1/4에 비례하여 증가되는 공진기 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나의 층은 높은 음향 임피던스를 갖는 층(182, 184)이고, 상기 다른 층은 낮은 음향 임피던스를 갖는 층(181, 183, 185)인 공진기 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나의 층은 낮은 음향 임피던스를 갖는 층이고 상기 다른 층은 높은 음향 임피던스를 갖는 층인 공진기 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 반사기(18)는 높은 음향 임피던스를 갖는 복수의 층(182, 184) 및 낮은 음향 임피던스를 갖는 복수의 층(181, 183, 185)을 포함하는 공진기 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    높은 음향 임피던스를 갖는 상기 층(182, 184)은 텅스텐, 백금, 몰리브덴 또는 금으로 이루어지고, 낮은 음향 임피던스를 갖는 상기 층(181, 183, 185)은 실리콘 이산화물 또는 알루미늄으로 이루어지는 공진기 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    높은 음향 임피던스를 갖는 상기 층(182, 184)의 두께는 상기 작동 주파수에서 그 층 내의 상기 파장의 대략 1/8이고, 낮은 음향 임피던스를 갖는 상기 층(181, 183, 185)의 두께는 상기 파장의 1/4에 비해서 대략 10% 증가되는 공진기 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기 장치는 기판(20)을 포함하고,
    상기 음향 반사기(18)는 상기 기판(20) 및 상기 압전 공진기(10) 사이에 배치되는 공진기 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 공진기(10)는 Zn0 또는 AlN으로 이루어지고, 상기 기판(20)은 실리콘으로 이루어지는 공진기 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 공진기는 BAW 공진기인 공진기 장치.
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