KR20040037906A - 압전체를 이용한 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 삽입손실과 주파수 선택도(Q)에 대한 단점을 해결하고, 다른 송수신 모듈의 호환성을 높여 송수신부 전체의 MMIC화가 가능한 압전체를 이용한 공진기 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 공진기는 에어갭을 갖는 웨이퍼, 상기 웨이퍼상의 절연막, 상기 절연막상에서 상기 에어갭에 대응하는 제1 전극, 상기 제1 전극상의 압전체, 및 상기 압전체내의 트랜스파만을 받아들이도록 상기 압전체상에서 상기 제1 전극과 엇갈려 배치된 제2 전극을 포함하고, 제1 전극과 제2 전극의 엇갈린 배열을 통해 트랜스파이외의 탄성파를 차단하며 FBAR 필터의 구현 공정과 동시에 각각 다른 주파수대역(중간주파수대역)의 필터를 동시에 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 탄성파 소자(Acoustic wave device)에 관한 것으로, 특히 트랜스파(Trans wave)를 이용한 공진기(Resonator)에 관한 것이다.
최근 정보처리 장치와 통신기기의 동작속도의 고속화가 요구됨에 따라 신호의 주파수가 고주파(RadioFrequency; RF)대역으로 높아졌다. 이러한 주파수의 변화에 대응하여, 고주파대역에서 동작할 수 있는 필터가 요구되고 있다. 이러한 목적으로 탄성파 소자(Acoustic Wave Device)가 사용된다. 정보시대의 총아라고 할 수 있는 장래의 무선이동통신의 유망성 관점에서 탄성파 소자의 개발은 무한한 가능성을 가지고 있다.
일반적인 탄성파 소자인 필터(filter)로는 유전체 필터, SAW 필터, FBAR 필터가 있다.
FBAR 필터는 전극 사이에 압전체를 증착하여 벌크 탄성파(Bulk Acoustic Wave)를 유발시켜 공진을 일으키는 원리를 사용한다. 그러나, FBAR 필터의 개발 공정를 이용하여 중간주파수대역의 공진기를 개발할 경우 낮은 주파수 대역의 필터 구현시 탄성파 소자의 두께가 증가하여 압전체의 결정 성장에 문제점이 발생하며 두꺼운 박막의 성장을 유도하기 때문에 공정 시간이 장시간 소요되는 단점이 있다. 그리고, 반도체 장치의 특성상 장시간의 결정 성장에 따른 그레인 크기(Gran Size)의 증가로 인해 에너지 변환 효율의 감소를 유발하여 필터 회로 구현 과정 중 삽입손실이 증가하게 된다.
그리고, SAW 필터는 압전체내에 존재하는 표면 탄성파(Surface Wave)를 이용한 압전체 소자이다. 이러한 SAW 필터는 압전체를 반도체 장치를 이용하여 결정성장시키는 방법이 아닌 기판 자체를 압전체로 사용하고 입출력 전극, 즉 IDT(Inter-Digital transducer) 사이의 간격 조절에 의해 필터 회로를 구현한다.
그러나, SAW 필터는 식각기술의 한계로 인해 최대 3GHz 대역 이상의 높은 주파수 대역의 필터 구현에 한계가 있으며, 압전체 기판상에 구현되기 때문에 MMIC화가 되지 못하고, 주파수 선택도(Q) 값을 높이기 위해 IDT 간격 및 수를 증가시킴에 따라 삽입 손실이 증가하는 문제점이 있다.
현재 반도체 기술에 따른 정보 통신 기기의 발달은 대부분의 송수신 모듈이 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화되고 있으나, 필터 모듈만이 개발되지 못하고 있는 실정이다.
그리고, 압전체필터 개발의 경우, FBAR 공정을 이용한 고주파(RF) 대역의 압전체필터에만 한정되고 있으며, 트랜스파(Trans Wave)를 이용한 중간주파수(Intermediate Frequency; IF) 대역의 압전체필터에 대한 개발은 아직 이루어지고 있지 않다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 삽입손실과 주파수 선택도(Q)에 대한 단점을 해결하고, 다른 송수신 모듈의 호환성을 높여 송수신부 전체의 MMIC화가 가능한 압전체를 이용한 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전체를 이용한 공진기의 수직 단면도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법을 도시한 공정 단면도,
도 3은 압전체내에 존재하는 탄성파를 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 웨이퍼 12a : 제1 실리콘산화막
12b : 제2 실리콘산화막 14 : 에어갭
15a : 제1 전극 15b : 제2 전극
15c : 보조전극 16 : 압전체
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전체를 이용한 공진기는 에어갭을 갖는 웨이퍼, 상기 웨이퍼상의 절연막, 상기 절연막상에서 상기 에어갭에 대응하는 제1 전극, 상기 제1 전극상의 압전체, 및 상기 압전체내의 트랜스파만을 받아들이도록 상기 압전체상에서 상기 제1 전극과 엇갈려 배치된 제2 전극을 포함함을 특징으로 한다.
그리고, 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법은 웨이퍼의 양면에 절연막을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼의 하면 및 상기 웨이퍼 하면의 절연막을 식각하여 에어갭을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼 상면의 상기 절연막상에 상기 에어갭에 대응하는 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극상에 압전체를 형성하는 단계, 및 상기 압전체상에 상기 압전체내의 트랜스파만을 받아들이도록 상기 제1 전극과 엇갈리면서 배치되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은, 압전체 내에 존재하는 트랜스파(Trans Wave)를 이용하여 IF 대역의 공진기를 구현하기 위한 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전체를 이용한 공진기의 수직 단면도이다.
도 1을 참조하면, 홀형태의 에어갭(14)을 갖는 웨이퍼(11), 웨이퍼(11)상에 제1 실리콘산화막(12a)이 형성되고, 제1 실리콘산화막(12a)상에서 에어갭(14)에 대응하는 제1 전극(15a), 제1 전극상(15a)의 압전체(16), 압전체(16)내의 트랜스파(TW)만을 받아들이도록 압전체(16)상에서 제1 전극(15a)과 엇갈려 배치된 제2 전극(15b)으로 구성되고, 압전체(16)내에 존재하는 트랜스파를 제외한 다른 탄성파의 공진 현상을 차단하기 위한 보조전극(15c)이 제1 전극(15a)의 양측에 구비된다.
여기서, 제1 전극(15a)과 보조전극(15c)은 Au/Ti, Au/Cr, Pt/Ti, Pt/Cr, Ir/Ti, Ir/Cr, Ru/RuO2및 Ru/Ti로 이루어진 그룹중에서 선택된 전극이며, 압전체(16)는 ZnO, AlN, SiO2, PZT 및 PLT로 이루어진 그룹중에서 선택된 것이고, 제2 전극(15b)은 Au, Au/Cr, Pt, Pt/Cr, Ir, Ir/Cr, Ru 및 RuO2로 이루어진 그룹중에서 선택된 전극이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 공진기의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 양면 폴리싱된 웨이퍼(11)의 양면(T, B)에 실리콘산화막(SiO2)(12a, 12b)을 20㎛∼30㎛의 두께로 증착하는데, 웨이퍼(11)의 상면(Top; T)에 형성된 실리콘산화막을 제1 실리콘산화막(12a)이라 하고웨이퍼(11)의 하면(Bottom; B)에 형성된 실리콘산화막을 제2 실리콘산화막(12b)이라 약칭한다.
이때, 제1 및 제2실리콘산화막(12a, 12b)의 경우 탄성파 소자의 구현 과정 중 탄성파 소자를 유지하기 위한 교각의 상판 역할 및 에어갭(Air Gap) 구현을 위한 용도 이외에 온도 변화에 따른 탄성파 소자의 주파수 천이 및 손실의 발생을 방지하기 위한 온도 보상용 박막으로 사용된다. 이러한 온도보상용 박막으로는 실리콘산화막외에 실리콘나이트라이드(SiN) 또는 자성체 박막을 이용할 수 있다.
다음으로, 웨이퍼(11)의 양면 즉, 제1 및 제2 실리콘산화막(12a, 12b)상에 동일한 두께로 감광막(Photoresist)(13)을 도포한 다음, 웨이퍼(11) 하면(B)의 제2 실리콘산화막(12b)상의 감광막만 선택적으로 패터닝하여 감광막패턴(13a)을 형성한다.
여기서, 감광막패턴(13a)은 웨이퍼(11)를 식각하기 위한 식각마스크로서, 양면 폴리싱된 웨이퍼(11)의 (111) 방향으로 결정성장시킨 면을 노출시킨다. 이와 같이 웨이퍼(11)의 (111)방향을 노출시키는 이유는 웨이퍼(11)의 식각 공정 중 웨이퍼(11)의 결정 성장 방향에 따라 식각되는 각도가 다르기 때문이다.
한편, 감광막패턴(13a)을 형성하기 위한 감광막(13)의 도포는 웨이퍼(11)의 양면이 아닌 웨이퍼(11)의 하면(B)에만 형성할 수 있다.
다음에, 감광막패턴(13a)을 식각마스크로 하고 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 사용하여 감광막패턴(13a)에 의해 노출된 제2 실리콘산화막(12b)의 일부분을 식각한 다음, 연속해서 제2 실리콘산화막(12b)의 부분 식각으로 노출된웨이퍼(11)의 하면을 식각하되 제1 실리콘산화막(12a)의 표면이 노출될때까지 식각하여 에어갭(air gap, 14)을 형성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 감광막패턴(13a) 및 감광막(13)을 제거한 후, 제1 실리콘산화막(12a)상에 전극막을 증착하고 패터닝하여 입력 또는 출력을 위한 제1 전극(15a)과 제1 전극(15a)의 양측에 보조전극(15c)을 형성한다. 이때, 제1 전극(15a)은 에어갭(14) 상부에 위치하며, 보조전극(15c)은 제1 전극(15a) 양측의 제1 실리콘산화막(12a)상에 위치하고, 두 전극은 Au/Ti, Au/Cr, Pt/Ti, Pt/Cr, Ir/Ti, Ir/Cr, Ru/RuO2및 Ru/Ti로 이루어진 그룹중에서 선택된 전극막을 증착하고 패터닝하여 형성된다.
여기서, 전극막의 증착 공정은 디씨 스퍼터링(DC sputtering), 이베포레이션(evaporation), 화학기상증착(chemical vapordeposition ; CVD) 등을 사용할 수 있고, 전극막의 패터닝 공정은 습식식각, 건식식각, 리프트-오프(lift-off) 방법 등을 사용할 수 있다.
제1 전극(15a) 및 보조전극(15c)을 형성하기 위한 금속막을 900Å∼1000Å의 두께로 증착하는데, 금속막의 두께는 얇을수록 좋으나, 사용 주파수에 따라 표피 효과에 따른 손실의 증가로 보통의 경우 800Å 이상의 두께를 증착한다.
한편, 보조전극(15c)은 후술할 압전체(16)내에 존재하는 트랜스파를 제외한 다른 탄성파, 즉 표면파, 러브파, 벌크파, 전단파의 공진 현상을 차단하기 위한 것이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 전극(15a)을 포함한 제1 실리콘산화막(12a)상에 압전체(16)를 형성한다. 이때, 압전체(16)는 ZnO, AlN, SiO2, GaAs, PZT, PLT 등을 이용하는데, 압전체(16)의 증착 방법은 알에프 스퍼터링(RF sputtering), 화학기상증착(CVD), 졸-겔(sol-gel), 금속유기증착(metalorganic deposition) 방법 등을 사용할 수 있다.
한편, 압전체(16)를 패터닝하는 경우는, 인산, 초산, 그리고 증류수(D.I water)를 혼합하여 만든 용액의 에천트(etchant)를 이용한 습식식각이나 리프트-오프 방식을 사용한다.
제1 전극(15a)위에 형성되는 압전체(16)는 압전 현상 및 공진 현상을 가지고 있는데, 압전 현상이란 압전체(16) 외부에서 기계적 압력이 가해질 경우 압전체(16) 내에서 전자가 발생되어 전압을 발생시키는 현상을 말한다. 또한 공진 현상이란 압전체(16)의 두께 및 전극간 거리, 압전체(16)의 종류에 의해 일정 주파수 대역에 대해서는 공진이 발생하며 다른 주파수 대역의 주파수에 대해서는 차단시키는 현상을 말한다.
아울러, 공진 주파수를 결정하는 변수로 압전체(16) 내에 존재하는 탄성파 중 어떤 탄성파를 사용하는 가에 따라 공진 주파수 및 공정 과정이 다르게 구현되어지기도 한다. 본 발명에서는 압전체(16)내에 존재하는 탄성파 중 트랜스파(Trans Wave; TW)를 이용한다.
한편, 공진 현상을 극대화하기 위해 압전체(16)의 성장 방향을 주상구조 즉, (002) 방향으로 유도한다. 다시 말하면, 압전체(16)는 탄성파 소자 내에서 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하며, 에어갭(14)의 반사 특성에 의해 반사되어 오는 기계적 진동을 다시 전기적인 신호로 변환 출력으로 전달하는 기능을 한다. 따라서, 압전체(16)는 공진 현상을 최대로 하기 위해서 (002) 방향으로 결정 성장시키는 것이다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 압전체(16) 상에 제2 전극(15b)을 형성한다. 여기서, 제2 전극(15b)은 압전체(16)내의 트랜스파(TW)만을 받아들이도록 압전체(16)상에서 제1 전극(15a)과 엇갈려 배치된다.
제1 전극(15a), 보조전극(15c)과 동일하게 제2 전극(15b)은 Au/Ti, Au/Cr, Pt/Ti, Pt/Cr, Ir/Ti, Ir/Cr, Ru/RuO2및 Ru/Ti로 이루어진 그룹중에서 선택된 전극막을 증착하고 패터닝하여 형성된다. 여기서, 전극막의 증착 공정은 디씨 스퍼터링(DC sputtering), 이베포레이션(evaporation), 화학기상증착(CVD) 등을 사용할 수 있고, 전극막의 패터닝 공정은 습식식각, 건식식각, 리프트-오프 방법 등을 사용할 수 있다.
한편, 외부신호를 입출력하기 위한 제1,2 전극(15a, 15b) 형성 공정시, 금속막을 사용하는 경우 압전체(16) 및 제1 실리콘산화막(12a)의 표면에 증착이 잘 되지 않는 경우가 있다. 이를 해결하기 위해 제1 전극(15a)과 압전체(16), 제1 실리콘산화막(12a)과 제1 전극(15a) 사이에 증착도움막으로서 니켈(Ni) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 물질을 얇게 증착하므로써 극복 가능하다. 이러한 공정으로 구현된 FTAR 소자의 경우 도 2d에 도시된 바와 같이, 트랜스파(TW)가 화살표 방향으로 전달된다.
도 3은 압전체내에 존재하는 탄성파를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 압전체내에는 여러 종류의 탄성파가 존재하는데, 표면파(Surface wave; SW), 벌크파(Bulk wave; BW), 전단파(Shear wave; ShW), 러브파(Love wave; LW), 트랜스파(TW)이다.
먼저, 벌크파(BW)는 압전체에 수직으로 진행하는 탄성파로 고주파(RF) 대역의 공진기 구현이 가능하며, 최대 공진 주파수는 15GHz, 진행 속도는 6330m/s으로 알려져 있다.
그리고, 표면파(SW)는 압전체의 표면을 따라 진행하는 탄성파로 진행 속도가 매우 낮아 낮은 주파수 대역의 공진기 및 필터 개발에 사용되며, 최대 공진 주파수는 3GHz이고, 진행 속도는 2330m/s으로 알려져 있다.
그리고, 전단파(Shear Wave; ShW) 및 러브파(Love Wave; LW)는 압전체의 결정 성장이 다르거나 오염 물질에 의한 탄성파의 난반사로 인해 생성되는 탄성파로 일종의 기생 탄성파이나, 탄성파 소자의 손실을 야기시키며, 공진을 방해하는 문제점이 있다.
마지막으로, 트랜스파(Trans Wave; TW)는 압전체의 대각선 방향으로 진행하는 파형으로 진행 속도는 벌크파와 표면파의 중간 정도의 속도를 가지며 표면파필터가 단일 칩화가 되지 않는 단점을 극복하며 사용 주파수 대역을 MHz 대역까지 구현가능하다.
결국 도 1에 도시된 바와 같이, 에어갭(14)이 트랜스파(TW)만을 통과시키므로, 압전체 박막(16)내에 존재하는 트랜스파(tw)만이 공진 현상에 영향을 미친다.
상술한 실시예는 반사층 구현 방법으로서 에어갭을 이용하였으나, 멤브레인법(membrane), 브래그반사기(bragg reflector)법을 이용할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 압전체 내에 존재하는 트랜스파를 이용한 공진기를 구현하므로써 FBAR 필터의 공정과 동시에 구현이 가능하여 공정시간을 1/5∼1/10까지 단축 가능한 효과가 있다.
또한 공진 주파수 대역도 중간주파수(IF) 대역의 공진기 구현을 가능하게 한다..
그리고, 소형화가 가능하며, 반도체 공정을 이용한 저가의 대량 생산이 가능하고, 선택도(Q)나 삽입손실이 5000, 1∼1.5dB의 필터 구현이 가능하며, 중간주파수대역의 송수신부의 MMIC 기능을 추가한 다기능 반도체 칩을 구현할 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- 에어갭을 갖는 웨이퍼;상기 웨이퍼상의 절연막;상기 절연막상에서 상기 에어갭에 대응하는 제1 전극;상기 제1 전극상의 압전체; 및상기 압전체내의 트랜스파만을 받아들이도록 상기 압전체상에서 상기 제1 전극과 엇갈려 배치된 제2 전극을 포함함을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 전극의 양측에 상기 제1 전극과 이격되면서 상기 압전체내에 존재하는 트랜스파를 제외한 탄성파의 공진 현상을 차단하는 보조전극을 더 포함함을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기.
- 제1항에 있어서,상기 절연막은 실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기.
- 웨이퍼의 양면에 절연막을 형성하는 단계;상기 웨이퍼의 하면 및 상기 웨이퍼 하면의 절연막을 식각하여 에어갭을 형성하는 단계;상기 웨이퍼 상면의 상기 절연막상에 상기 에어갭에 대응하는 제1 전극을 형성하는 단계;상기 제1 전극상에 압전체를 형성하는 단계; 및상기 압전체상에 상기 압전체내의 트랜스파만을 받아들이도록 상기 제1 전극과 엇갈리면서 배치되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,상기 제1 전극을 형성하는 단계는,상기 압전체내에 존재하는 트랜스파를 제외한 탄성파의 공진 현상을 차단하는 보조전극을 상기 제1 전극과 이격시키면서 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,상기 압전체를 형성하는 단계에서,상기 압전체는 (002) 방향으로 결정성장시키는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,상기 압전체는 ZnO, AlN, SiO2, GaAs, PZT 및 PLT로 이루어진 그룹중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,상기 제1 전극과 상기 압전체, 상기 절연막과 상기 제1 전극 사이에 증착도움막인 니켈 또는 니켈크롬을 얇게 증착하는 것을 특징으로 하는 압전체를 이용한 공진기의 제조 방법.
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2002
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