KR20040066631A - 박막형 체적 탄성 공진기의 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기는 상, 하측으로 지지층 및 절연층이 형성되는 웨이퍼와; 상기 지지층의 위쪽으로 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극과; 상기 상부 전극의 상측에, 상기 하부전극, 압전층 및 상부전극이 내삽되기 위하여 하측면이 함몰되는 함몰영역과, 상기 상부전극 및 하부전극에 닿는 전원선이 내삽되는 통과홀이 관통 형성되는 상부 글래스 웨이퍼와; 상기 절연층의 하측에 형성되어 상기 압전층을 보호하기 위한 하부 글래스 웨이퍼가 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기는 웨이퍼의 형성 단계에서 이동 통신 단말기에 실장되기 위한 패키지를 미리 형성함으로써, 이동 통신 단말기등의 정보통신 기기에 장착할 때, 보다 작은 크기로 장착할 수 있어 휴대용 정보통신 기기의 사이즈를 보다 줄일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 박막형 체적 탄성 공진기(Thin Film Bulk Acoustic Resonator, 이하에서는 'TFBAR'이라 한다.)의 구조에 관한 것으로서, 특히, 벌크 타입(Bulk-Type) 박막형 체적 탄성 공진기의 구성을 이루는 과정에서 특정의 패키지가 형성되도록 함으로써, 공진기의 장착 설치시에 별도의 큰 사이즈의 장착 패키지가 요구되지 않도록 하여, 전체 공진기 및 패키지의 사이즈를 줄일 수 있도록 하여, 이동 통신 단말기의 소형화에 보다 기여할 수 있는 박막형 체적 탄성 공진기의 구조를 제안한다.
근래 들어, 정보 통신 기술의 발전과 함께, 이동 통신 단말기는 현대인에게 필요 불가결한 기기가 되었으며, 이와 함께, 이동 통신 단말기는 휴대가 간편하도록 하기 위하여 소형화를 거듭하고 있다.
이러한 이동 통신 단말기의 소형화 추세에 따라, 고주파 송수신용 대역필터는 종래의 유전체 공진기(Dielectric Resonator : DR)가 아닌, 표면 탄성파 공진기(Surface Acoustic Wave Resonator) 또는 용적 탄성파 공진기(Bulk Acoustic Wave Resonator)방식이 적용되고 있다.
한편, 본 발명은 상기 용적 탄성파 공진기에 관한 것으로서, 상기 용적 탄성파 공진기는 중심 주파수가 좋고, 그 특성이 우수할 뿐만 아니라, 매우 작은 크기로 제작될 수 있기 때문에 각광을 받고 있다. 이러한 용적 탄성파 공진기를 구현하는 구체적인 방법은 Bulk Micro-machined(용적 정밀 가공) TFBAR, Surface Micro-machined(표면 정밀 가공) TFBAR, Over-moded TFBAR 및 Solidly Mounted Resonator(SMR) type TFBAR이 있으며, 특히 본 발명은 Bulk Micro-machined TFBAR에 관한 것으로서, 국문으로 표현 시에는 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기로 이해될 수 있으며, 영어의 원문을 활용하여 본 발명의 구성에 대해서 설명을 하도록 한다.
상기된 Bulk Micro-machined(용적 정밀 가공) TFBAR는 제작 공정상의 안정도가 높다는 장점은 있으나, 하측면을 에칭하는 공정에 의해서 소자의 크기가 커지는 단점이 있다. 또한, 상기 소자를 장착하는 공정에서 부피가 큰 패키지가 요구되기 때문에 소형화를 거듭하고 있는 이동 단말기에 장착하기가 어려운 문제점이 있다.
도 1은 종래 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machined TFBAR)를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 질화규소(SiNx)로 형성되는 지지층(4)과, 상기 지지층(4)의 상측으로 차례대로 형성되는 하부전극(3)과, 압전체층(Piezoelectric layer)(2)과, 상부전극(1)이 형성된다. 그리고, 지지층(4)의 하측으로는 식각영역(6)이 형성되는 실리콘 웨이퍼(5)와, 질화규소(SiNx)로 이루어지는 절연층(7)이 포함된다.
상기 전극(3)(1)으로 부터 공급되는 전원에 의해서 압전체층(2)이 진동하게 되어, 공진기로 동작될 수 있게 된다.
도 2는 종래 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machinedTFBAR)가 장착되어 패키지가 형성되는 것을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1에 이미 설명된 바와 같은 공진기와, 상기 공진기가 안정되게 장착되고 외부의 영향으로부터 안정되게 유지되도록 하기 위하여 일정의 패키지 구조가 필연적으로 필요하게 된다. 상세히는, 상기 전극(1)(3)에 전원이 공급되도록 하기 위한 와이어(16)와, 상기 와이어(16)의 일단이 접하기 위한 접점 패드(12)와, 상기 접점 패드(12)가 내측에 놓이고, 접점 패드(12)의 하측으로 와이어가 삽입되는 통과홀(11a)이 형성되는 케이스(11) 및 상기 케이스(11)의 내부 하측면에 형성되는 스템(Stem)(14)과, 상기 케이스(11)의 상측을 덮어 공진 소자가 안정되게 보호되도록 하기 위한 캡(15)과, 상기 케이스(11)의 하측에서 회로기판과 연결되어 전원이 인가되도록 하기 위한 풋 패드(foot pad)(10)와, 공진 소자가 상기 케이스(11)의 내부에 놓이도록 하기 위하여 공진 소자의 하측에 형성되고 은을 재질로 하는 페이스트(13)가 포함된다.
이와 같이, 종래의 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machined TFBAR)는 이미 형성된 공진소자가 회로기판의 내에 실장되도록 하기 위하여 큰 사이즈의 장착 패키지가 필요로 하게 되고, 이러한 큰 사이즈의 패키지는 소형의 이동 단말기 내부에 설치하는데 있어서 큰 문제를 일으키게 된다.
또한, 상기 실리콘 웨이퍼(5)는 에칭에 의해서 비등방성 식각되어 식각영역(도 1의 6참조)을 형성하게 되는데, 이러한 식각공정에 의해서 다른 타입의 공진기에 비해서 그 사이즈가 더욱 커지게 되어, 결국 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machined TFBAR)는 다른 타입의 공진기에 비해서 그 크기가 더욱 커지게 된다.
또한, 비등방성 에칭을 행하는 도중에 공진기의 상측면을 보호하고, 에칭이 이루어진 뒤에 이를 제거하는 등, 작업의 공정이 복잡하게 되는 문제점이 또한 있다.
본 발명은 상기된 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 공진 소자를 형성하는 중에 회로기판에 실장되는 패키지가 일체로 형성되도록 함으로써, 패키지가 포함되는 전체 소자의 크기를 줄일 수 있는 박막형 체적 탄성 공진기의 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 박막형 체적 탄성 공진기가 설치되는 과정을 단순화하여 작업의 효율을 높일 수 있는 박막형 체적 탄성 공진기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machined TFBAR)의 단면도.
도 2는 종래 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기(Bulk Micro-machined TFBAR)가 장착되어 패키지가 형성되는 것을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 단면도.
도 4내지 도 10은 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 형성 과정을 순서대로 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 26 : 상부전극 2, 25 : 압전체층 3, 24 : 하부전극
4, 22 : 지지층 5, 21 : 실리콘 웨이퍼 6, 30 : 식각영역
7, 23 : 절연층 16 : 와이어 10 : 풋 패드
11 : 케이스 11a, 28 : 통과홀 12 : 접점 패드
13 : 페이스트 14 : 스템 15 : 캡
27 : 함몰영역 29 : 상부 글래스 웨이퍼
31 : 하부 글래스 웨이퍼
상기된 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 구조는 상, 하측으로 지지층 및 절연층이 형성되는 웨이퍼와; 상기 지지층의 위쪽으로 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극과; 상기 상부 전극의 상측에, 상기 하부전극, 압전층 및 상부전극이 내삽되기 위하여 하측면이 함몰되는 함몰영역과, 상기 상부전극 및 하부전극에 닿는 전원선이 내삽되는 통과홀이 관통 형성되는 상부 글래스 웨이퍼와; 상기 절연층의 하측에 형성되어 상기 공진기를 보호하기 위한 하부 글래스 웨이퍼가 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 형성 방법은 실리콘 웨이퍼의 하측 및 상측에 각각 절연층과 지지층을 형성하는 단계; 상기 지지층의 상측에 하부전극, 압전층 및 상부전극을 증착하는 단계; 상기 상부전극의 상측에, 하측에 함몰 영역이 형성되는 상부 글래스 웨이퍼를 본딩하는 단계; 상기 상부 글래스 웨이퍼를 관통하여 상기 상부 전극 및 하부 전극으로 전원선이 인입되기 위한 통과홀을 형성하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼의 하측을 식각하여 식각영역을 형성하는 단계; 및 상기 식각영역의 하측에 하부 글래스 웨이퍼를 본딩하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기된 바와 같은 구성에 의해서, 공진기의 형성단계에서 소정의 패키지를 형성하여 소자의 전체 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다. 이로써, 이동 단말기등의 내부에 설치될 때, 장착 패키지가 포함되는 전체적인 크기로 볼 때, 그 크기가 줄어들게 됨으로써, 이동 단말기의 크기 또한 줄어들 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 실시예를 제시한다. 다만, 본 발명의 사상에 따른 보호범위가 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수는 없다.
도 3은 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 구조의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상부전극(26), 압전체층(25), 하부전극(24), 지지층(22), 식각영역(30)이 형성되는 실리콘 웨이퍼(21) 및 절연층(23)이 형성된다.
특히, 상기 상부 전극(26)의 상측으로는 소자가 내장되기 위한 함몰영역(Recess 영역)(27) 및 전극(24)(26)으로 전원이 공급되기 위한 와이어가 내삽되는 통과홀(28)이 각각 형성되는 상부 글래스 웨이퍼(29)가 형성된다.
또한, 상기 절연층(23)의 하측에는 공진 소자의 하부가 보호되기 위한 하부패키지의 용도로 하부 글래스 웨이퍼(31)가 형성된다.
상기된 바와 같은 구성, 특히 상부 글래스 웨이퍼(29)에 의해서, 상기 식각영역(30)을 형성하기 위한 비등방성 에칭의 공정 중에, 에칭액이 상기 전극 및 압전체층(25)이 닿는 것을 방지하여, 공정상의 안정성을 더할 수 있다. 그리고, 상기 상부 글래스 웨이퍼(29)의 통과홀(28)을 통해서 와이어가 삽입 형성되기 때문에, 전원의 인가도 편리하게 이루어질 수 있다.
또한, 공진기의 상하로 상부 글래스 웨이퍼(29) 및 하부 글래스 웨이퍼(31)가 형성되어, 공진기가 보호되어 실장될 수 있기 때문에, 공진기가 회로기판에 놓일 때 별도의 장착을 위한 패키지가 필요하지 않게 된다.
결국, 장착 패키지가 없는 상태에서도 이동 단말기등의 회로기판에 실장될 수 있기 때문에, 전자 기기의 내부에 장착될 때 전체 크기가 작아져 전자 제품의 소형화에 더욱 기여를 할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 구조가 형성되는 과정을 별도의 도면을 이용하여 차례대로 설명한다.
도 4내지 도 10은 본 발명에 따른 박막형 체적 탄성 공진기의 형성 과정을 순서대로 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 실리콘 웨이퍼(21)의 상하에 지지층(22) 및 절연층(23)이 형성된다. 상기 지지층(22) 및/또는 절연층(23)은 산화규소(SiO2), 저응력 질화규소(SiNx)또는 인장응력질화규소(SiNx)가 화학 기상 증착법과 같은 소정의 증착법에 의해서 증착된다.
도 5를 참조하면, 지지층(22)의 상측에 하부전극(24)이 형성된다. 상기 하부 전극(24)은 금/티탄 또는 금/크롬 또는 백금/티탄 또는 백금/크롬 또는 알루미늄 또는 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 몰리브덴/티탄이 스퍼터링, 고주파(RF) 스퍼터링, 화학 기상 증착법 등에 의해서 증착되고, 패터닝되어 형성된다.
도 6을 참조하면, 하부전극(24)의 상측에 압전물질이 증착되어 압전층(25)이 형성된다. 상기 압전층(25)은 그 재질로서 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 석영(Quartz)(SiO2), 갈륨비소(GaAs), PZT(Plumbum Zirconium Titanum, 납지르코늄티탄)등이 사용되고, 스퍼터링 또는 고주파 스퍼터링 또는 승화법 또는 화학기상증착법에 의해서 증착되고, 패터닝되어 형성된다.
도 7을 참조하면, 압전층(25)의 상측에 상부 전극(26)이 형성된다. 상기 상부전극(26)은 하부 전극(24)과 동일하게, 금/티탄 또는 금/크롬 또는 백금/티탄 또는 백금/크롬 또는 알루미늄 또는 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 몰리브덴/티탄이 스퍼터링, 고주파 스퍼터링, 화학 기상 증착법등에 의해서 증착되고, 패터닝되어 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 지지층(22)의 상측에 상부 글래스 웨이퍼(29)가 본딩된다. 상기 상부 글래스 웨이퍼(29)는 공진기가 내삽되어 놓이도록 하기 위한 함몰영역(27)이 포함되고, 상기 상부 글래스 웨이퍼(29)를 관통하여 삽입되는 와이어가 상기 전극(24)(26)에 닿도록 하기 위하여 통과홀(28)이 포함되어 형성된다.
상기 상부 글래스 웨이퍼(29)는 압전층(25)과 전극(24)(26)을 보호할 뿐만 아니라, 하측에 형성되는 실리콘 웨이퍼(21)가 비등방성 식각될 때, 압전층(25)과, 전극(24)(26)등이 보호되는 캡의 역할을 수행하게 된다. 즉, 웨이퍼를 형성하는 공정 중에 일정의 보호층으로 기능됨으로써, 공진기의 형성되는 과정을 줄이고, 작업의 효율을 높일 수 있는 것이다.
또한, 상기 전극(24)(26)에 접촉되는 와이어가 통과되기 위한 통과홀(28)은, 본딩되기 전에 형성될 수도 있고, 상부 글래스 웨이퍼(29)가 본딩된 뒤에, 불화수소(HF)를 사용하는 왯 에칭(Wet Etching) 또는 드라이 에칭(Dry Etching)방식이 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상부 글래스 웨이퍼(29)가 상측에 본딩된 뒤에는, 공진기의 하측에 있는 실리콘 웨이퍼(21)를 비등방성 식각(An-isotropic etching)함으로써, 자유 지지단(free standing)을 형성하기 위한 식각영역(30)을 만들게 된다.
상기 식각영역(30)은 인산등을 이용한 왯 에칭(Wet Etching) 또는 불화황(SF6)등을 이용한 드라이 에칭(Dry Etching)을 통해서 에칭 윈도우(etch window)를 형성하고, 수산화칼륨(KOH) 또는 EDP(Ethylene Diamine Pyrocatechole, 에틸렌 다이아민 파이로카테콜), 또는 TMAH(TetraMethylAmmonium Hydrooxide, 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드)등의 이방성식각액을 이용하여 실리콘 웨이퍼(21)의 주 성분인 실리콘(Si)을 식각할 수 있다.
도 10을 참조하면, 식각영역(30)이 형성된 실리콘 웨이퍼(21)의 하측에 하부글래스 웨이퍼(31)가 형성된다. 상세하게 상기 하부 글래스 웨이퍼(31)는 절연층(23)의 하측에 본딩되어 형성된다.
상술된 일련의 과정에 의해서, 공진기의 하측 및 상측에는 글래스 웨이퍼(29)(31)가 형성되어, 공진기의 상측 및 하측을 보호하게 된다. 그리고, 상부 글래스 웨이퍼(29)를 관통하여 형성되는 통과홀(28)에는, 전원의 인가를 위한 와이어가 통과되어 전극(24)(26)에 닿을 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 본 발명의 대상인 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기는, 회로 기판에 실장되기 위한 별도의 장착 패키지가 없더라도, 회로기판에 장착되어 사용될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기는 웨이퍼의 형성 단계에서, 공진기의 상측과 하측이 각각 보호될 수 있는 소정의 구성이 부가되어 형성되기 때문에, 공진 소자의 회로 기판 실장시에 별도의 보호 패키지를 구비할 필요가 없어, 전체적인 크기가 줄어드는 효과가 있다.
또한, 실리콘 웨이퍼의 비등방성 식각 공정 중에 공진기의 상측에 식각액이 닿지 않도록 함으로써 공진기를 충분히 보호할 수 있어, 공정 상의 신뢰성을 한층 더 높일 수 있는 것에 그 특징이 있다.
본 발명에 따른 용적 정밀 가공 박막형 체적 탄성 공진기는 웨이퍼의 형성 단계에서 이동 통신 단말기에 실장되기 위한 패키지를 미리 형성함으로써, 이동 통신 단말기등의 정보통신 기기에 장착할 때, 보다 작은 크기로 장착할 수 있어 휴대용 정보통신 기기의 사이즈를 보다 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 에칭 공정등과 같은 제조 공정상의 신뢰도를 한층 더 높여 보다 신뢰성 있게 공진기를 제조할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상하 측에 일정의 보호층으로서 글래스 웨이퍼가 형성되어 있기 때문에, 작업자에 의한 공진기의 핸들링(Handling)이 보다 용이하고 안정되게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 상, 하측으로 지지층 및 절연층이 형성되는 웨이퍼와;상기 지지층의 위쪽으로 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극과;상기 상부 전극의 상측에, 상기 하부전극, 압전층 및 상부전극이 내삽되기 위하여 하측면이 함몰되는 함몰영역과, 상기 상부전극 및 하부전극에 닿는 전원선이 내삽되는 통과홀이 관통 형성되는 상부 글래스 웨이퍼와;상기 절연층의 하측에 형성되어 상기 압전층을 보호하기 위한 하부 글래스 웨이퍼가 포함되는 것을 특징으로 하는 박막형 체적 탄성 공진기.
- 제 1 항에 있어서,상기 상부 글래스 웨이퍼 및/또는 하부 글래스 웨이퍼는 본딩 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 체적 탄성 공진기.
- 실리콘 웨이퍼의 하측 및 상측에 각각 절연층과 지지층을 형성하는 단계;상기 지지층의 상측에 하부전극, 압전층 및 상부전극을 증착하는 단계;상기 상부전극의 상측에, 하측에 함몰 영역이 형성되는 상부 글래스 웨이퍼를 본딩하는 단계;상기 상부 글래스 웨이퍼를 관통하여 상기 상부 전극 및 하부 전극으로 전원선이 인입되기 위한 통과홀을 형성하는 단계;상기 실리콘 웨이퍼의 하측을 식각하여 식각영역을 형성하는 단계; 및상기 식각영역의 하측에 하부 글래스 웨이퍼를 본딩하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 박막형 체적 탄성 공진기의 형성 방법.
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| KR1020030003755A KR20040066631A (ko) | 2003-01-20 | 2003-01-20 | 박막형 체적 탄성 공진기의 구조 |
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2003
- 2003-01-20 KR KR1020030003755A patent/KR20040066631A/ko not_active Application Discontinuation
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