KR20050037966A

KR20050037966A - 탄성 표면파 디바이스

Info

Publication number: KR20050037966A
Application number: KR1020040083520A
Authority: KR
Inventors: 니시하라도끼히로; 요꼬야마쯔요시; 사까시따다께시; 이와끼마사후미; 미야시따쯔또무
Original assignee: 후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤; 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2005-04-25
Also published as: DE102004050507A1; JP4024741B2; KR100740746B1; JP2005124107A; CN100474766C; US20050099094A1; CN1610254A; DE102004050507B4; US7211931B2; USRE41813E1

Abstract

본 발명은, 횡모드의 파(波)에 의한 악영향을 억제하면서, 충분한 멤브레인부의 강도와 양호한 공극의 제조성을 갖는 구조를 채용함으로써, 특성 변동이 적은 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 압전 박막 공진자에서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위의 형상이 타원형이며, 해당 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1<a/b<1.9를 만족하도록 구성하였다.

Description

탄성 표면파 디바이스{PIEZOELECTRIC THIN-FILM RESONATOR AND FILTER USING THE SAME}

본 발명은 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터에 관한 것이다.

휴대 전화로 대표되는 무선 기기의 급속한 보급에 따라, 소형이며 경량인 공진자 및 이것을 조합하여 구성한 필터의 수요가 증대되고 있다. 지금까지 주로 유전체와 SAW가 사용되어 왔지만, 최근 특히 고주파에서의 특성이 양호하며, 소형화 및 모노리식화가 가능한 소자로서, 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터가 주목받고 있다.

압전 박막 공진자 중에는, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입과 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입이 있다. 전자는 기판 위에, 주요 구성 요소로서, 상부 전극/압전막/하부 전극의 구조를 가지며, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부분의 하부 전극 아래에 공극이 형성되어 있다. 여기서, 공극은 Si 기판 표면에 형성한 희생층의 웨트 에칭, 혹은 Si 기판 이면으로부터의 웨트 에칭, 또는 드라이 에칭 등에 의해 형성된다. 또한, 그 이후, 공극 상에 형성된 상부 전극/압전막/하부 전극을 주요 구성 요소로 하는 박막 구조 부분을 멤브레인부라고 부른다. 또한, 후자는 상기의 공극 대신에, 음향 임피던스가 높은 막과 낮은 막을 교대로 λ/4(λ : 탄성파의 파장)의 막 두께로 적층하여 음향 반사막으로서 이용하는 구조인 것이다. 지금, 상부 전극과 하부 전극 사이에 고주파의 전기 신호를 인가하면, 상부 전극과 하부 전극 사이에 협지된 압전막 내부에, 역압전 효과에 의해, 탄성파가 여진된다. 반대로, 압전 효과에 의해, 탄성파에 의한 왜곡이 전기 신호로 변환된다. 이 탄성파는 상부 전극과 하부 전극이 각각 공기에 접해 있는 면에 의해 전반사되기 때문에, 두께 방향의 주변위를 갖는 두께 종진동파로 된다. 이 구조에서는, 멤브레인부의 합계 막 두께 H가, 탄성파의 1/2 파장의 정수배(n배)로 되는 주파수에서, 공진이 발생한다. 재료에 따라 결정되는 탄성파의 전파 속도를 V로 하면, 공진 주파수 F는 F=nV/2H로 된다. 이 공진 현상을 이용하여, 막 두께에 의해 공진 주파수를 제어함으로써, 원하는 주파수 특성을 갖는 공진자, 혹은 필터가 제작된다.

여기서, 전극으로서는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등을 이용할 수 있다. 압전막으로서는, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 티탄산지르콘산연(PZT), 티탄산연(PbTiO₃) 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판으로서는 실리콘, 유리 등을 이용할 수 있다.

그런데, 상술한 압전 박막 공진자에서는, 두께 종진동파 외에, 전극면에 평행하게 전파하여, 전극 또는 공극의 단부에서 반사되는 횡모드의 불필요한 파가 여기된다. 이 결과, 공진자의 임피던스 특성에 불필요한 스퓨리어스(spurious)가 발생하거나, 필터의 통과 대역에 리플이 발생하기도 하기 때문에, 응용 상 문제로 된다. 이러한 횡모드의 파에 의한 악영향을 억제하기 위해, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에는 어떠한 2변도 서로 평행하게 하지 않는 비방형의 불규칙한 다각형의 전극을 갖는 압전 박막 공진자가 개시되어 있다. 이 압전 박막 공진자에서는 임의의 점으로부터 반사한 횡모드의 파가 대향하는 점에서 반사될 때, 지금 통과해 온 방향과는 다른 방향으로 반사되어, 횡모드의 파가 공진하지 않기 때문에, 상기 문제를 효과적으로 극복할 수 있다. 또한, 동일한 과제를 극복하기 위해, 특허 문헌 3에는 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1.9<a/b<5.0인 타원형의 상부 전극을 갖는 압전 박막 공진자가 개시되어 있다.

[특허 문헌 1]

미국 특허 제6,150, 703호 공보

[특허 문헌 2]

미국 특허 제6,215,375호 공보

[특허 문헌 3]

일본 특개 제2003-133892호 공보

상기의 각 공지예의 구조는 상기 과제의 극복에 대해서는 확실히 유효하지만, 이러한 구조로 함으로써 반대로 멤브레인부의 강도, 혹은 공극의 제조성은 악화되는 것을 하기에 나타낸다. 멤브레인부의 소망 두께는 재료의 음속에 의존하지만, 900㎒∼5㎓의 무선 시스템에서는 대략 0.5∼3㎛로 매우 얇다. 따라서, 불의(不意)의 외력에 의해 용이하게 멤브레인이 파괴되기 때문에, 멤브레인의 강도를 높이기 위한 기술이 중요해진다.

하나의 수단으로서, 성막 시의 각 막의 내부 응력을 저감함으로써, 내부 응력에 의한 멤브레인의 파괴를 저감하는 것이 행해진다. 그러나, 본 발명자의 검토에 의해, 압전막에는 압축 응력이 가해지고 있는 쪽이 압전성이 향상되어, 전기 기계 결합 계수(k²)가 큰 공진 특성이 얻어짐을 알 수 있었다. 따라서, 이러한 압축 응력을 갖는 멤브레인에서도, 원하는 강도를 갖는 멤브레인을 제작하는 기술이 있으면 매우 유효하다. 그 유효한 수단 중 하나가, 가능하면 멤브레인에 균등하게 응력이 걸리게 하며, 또한 동일한 내부 응력에 의해서도 파괴되기 어려운 구조 설계를 행하는 것이다. 안타깝게도, 상기 공지예에서는 어느 것이나 대칭성이 무너진 구조로 되어 있기 때문에, 멤브레인에 가해지는 힘이 균등하지 않아, 멤브레인이 울퉁불퉁하게 왜곡되기 쉬워, 파괴되기 쉬운 구조로 되어 있다. 이 결과, 공진 특성 혹은 필터 특성의 변동이 크다는 심각한 사태를 초래한다.

또한, 공극 사이즈는, 여진부로 되는 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부위의 형상과 동일한 형상이며 또한 닮은 사이즈로 하는 것이 바람직하다. 공극 사이즈가, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부위에 대하여 지나치게 큰 경우에는, 멤브레인이 파괴되기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 그러나, 이러한 바람직한 형상의 공극을 형성하고자 하면, 상기 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에서는 각이 있는 것, 상기 특허 문헌 3에서는, 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1.9<a/b<5.0으로 왜곡이 큰 타원형이기 때문에, 공극의 제조성이 좋지 않다. 즉, 공극 내부의 뾰족한 부위의 에칭 속도가 상당히 늦어지게 되는 것이 원인으로 되어, 원하는 공극 형상이 얻어지지 않는다는 문제가 발생한다. 또한, 상기 특허 문헌 3에서는, 상부 전극에 대하여 하부 전극이 상당히 크기 때문에, 상부 전극의 인출부와 하부 전극 사이에 부유 용량이 발생함으로써 전기 기계 결합 계수(K²)가 열화되는 등의 문제도 발생한다.

본 발명의 목적은, 횡모드의 파(波)에 의한 악영향을 억제하면서, 충분한 멤브레인부의 강도와 양호한 공극의 제조성을 갖는 구조를 채용함으로써, 특성 변동이 적은 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 제공하는 것에 있다. 또한, 원하는 압축 응력을 갖는 막을 이용함으로써 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 본 발명의 제1 양태와 같이, 기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 압전 박막 공진자에서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위의 형상이 타원형이고, 해당 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1<a/b<1.9를 만족하고 있는 압전 박막 공진자이다.

또한, 본 발명의 제2 양태와 같이, 본 발명은 기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하며, 또한 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위의 해당 하부 전극의 하측에 공극을 갖는 압전 박막 공진자에서, 해당 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부위 및 상기 기판의 면에 평행한 방향의 상기 공극의 단면 형상이 타원형이고, 해당 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1<a/b<1.9를 만족하고 있는 압전 박막 공진자이다.

이들 구성에 따르면, 횡모드의 파에 기인하여 공진자의 임피던스 특성에 불필요한 스퓨리어스가 발생하거나, 필터의 통과 대역에 리플이 발생하는 문제를 실용 상 문제가 없는 레벨로 억제할 수 있다. 또한, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부위가 왜곡이 작은 타원형으로 구성되기 때문에, 공극 내부에서의 에칭의 속도 차에 기인하는 공극의 제조성의 악화를 방지할 수 있다.

상기 압전 박막 공진자에서, 상기 공극의 부축의 길이를 b'로 하였을 때, 해당 공극과 해당 하부 전극의 사이즈 관계는 0.9<b'/b<1.5를 만족하고 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 공진 특성이 양호하며, 또한 변동이 작은 압전 박막 공진자가 얻어진다.

상기 압전 박막 공진자에서, 상기 타원형의 주축 또는 부축이 전류의 방향과 대략 평행하게 되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 대칭성이 좋게 되어, 멤브레인에 균등하게 응력이 걸리게 되기 때문에, 멤브레인부가 매끄럽게 왜곡되어, 나아가서는 공진 특성의 변동이 감소된다.

상기 압전 박막 공진자에서, 전류의 방향과 수직인 상기 타원형의 축으로부터 전류의 방향과 평행하게 양방향을 보았을 때, 적어도 부축의 길이 b의 절반의 범위 내에서, 상부 전극과 하부 전극이 대략 대칭인 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 대칭성이 좋게 되어, 멤브레인에 균등하게 응력이 걸리게 되기 때문에, 멤브레인부가 매끄럽게 왜곡되어, 나아가서는 공진 특성의 변동이 감소된다.

본 발명은, 또한 제6 양태와 같이, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 압전 박막 공진자에서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 타원 형상의 부위로부터 밖으로 신장되는 상부 전극 및/또는 하부 전극의 인출부는, 주축 또는 부축의 길이를 초과하는 폭을 갖는 압전 박막 공진자이다. 이 구성에 의해, 전극막을 통해 멤브레인에 가해지는 응력이 저감되기 때문에, 멤브레인부의 강도가 향상되어, 나아가서는 공진 특성의 변동이 감소된다. 이 압전 박막 공진자에서, 상기 인출부는 상기 타원 형상의 부위로부터 멀어짐에 따라 폭이 굵어지는 부분을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은, 또한 제8 양태와 같이, 기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 주요 구성 요소로서 구비하며, 또한 해당 상부 전극과 해당 하부 전극이 대향하는 부위의 해당 하부 전극의 하측에 공극을 갖는 압전 박막 공진자에서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 멤브레인부는 상기 공극과 반대측으로 팽창되어 있으며, 상기 멤브레인부의 기판 표면으로부터의 최대 높이는 해당 멤브레인부의 두께의 1.5배 이상인 압전 박막 공진자이다. 후술하는 바와 같이, 본 발명자의 검토에 의해, 압전막에는 압축 응력이 가해지고 있는 쪽이 압전성이 향상되어, 전기 기계 결합 계수(K²)가 큰 공진 특성이 얻어짐을 알 수 있었다. 성막 시에 압축 응력의 막을 제작한 경우, 공극 형성 후의 멤브레인부는 공극과 반대측으로 팽창된 형상으로 된다. 이 때, 압축 응력이 커짐에 따라, 멤브레인부의 팽창은 커진다. 따라서, 멤브레인부 두께의 1.5배 이상의 팽창이 얻어지는 압축 응력의 조건으로 함으로써, 전기 기계 결합 계수(K²)가 큰 공진 특성을 갖는 압전 박막 공진자를 얻을 수 있다.

본 발명은, 또한 제9 양태와 같이, 압전 박막 공진자를 복수 조합한 필터로서, 해당 압전 박막 공진자 중 적어도 하나는 상기의 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진자로 이루어져 있는 필터이다. 이 구성에 의해, 횡모드의 파에 의한 악영향을 억제한 구조에서도, 충분한 멤브레인부의 강도와 양호한 공극의 제조성을 갖는 압전 박막 공진자의 구조로 하고 있기 때문에, 특성 변동이 적은 필터를 얻을 수 있다.

〈실시예〉

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(제1 실시예)

도 1의 (a)는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 박막 공진자의 평면도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 Ⅰ_B-Ⅰ_B선 단면도이다. 도시하는 압전 박막 공진자는 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성된 하부 전극(11)과, 하부 전극(11) 위에 형성된 압전막(12)과, 압전막(12) 위에 형성된 상부 전극(13)을 포함한다. 기판(10)은, 예를 들면 실리콘(Si)으로 형성되어 있다. 하부 전극(11)은, 도전성 재료로 형성되어 있으며, 예를 들면 루테늄(Ru)과 크롬(Cr)의 2층 구조이다. 루테늄층이 기판(10)의 주면 위에 형성되어 있다. 압전막(12)은 압전 물질로 형성되어 있으며, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN)으로 형성되어 있다. 상부 전극(13)은 도전성 재료로 형성되어 있으며, 예를 들면 루테늄(Ru)의 단층이다. 각 층의 막 두께의 일례를 예로 들면, 5.2㎓의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진자의 경우, 하부 전극(11)이 Ru(100㎚)/Cr(50㎚), 압전막이 AlN(400㎚), 상부 전극(13)이 Ru(100㎚)이다. 압전막(12)에는 개구가 형성되어 있어서, 하부 전극(11)의 일부가 노출되어 있다. 이 노출 부분은 패드부(16)로서 이용된다. 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 압전막(12)을 개재하여 대향하는 부분의 아래에 위치하는 기판(10) 내에는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 공극(15)이 형성되어 있다. 본 실시예에서는, 기판(10)의 이면으로부터 실리콘을 불소계의 가스로 드라이 에칭함으로써, 대략 수직 형상의 측벽을 갖는 공극(15)이 형성되어 있다. 기판(10)의 주면(이 위에 하부 전극(11) 등이 적층됨)에 평행한 방향에서의 공극의 단면 형상은 타원형이다.

덧붙여서, 본 발명의 효과를 얻는 데 있어서, 기판(10), 전극막(11, 13), 압전막(12)의 각 재료는 상기에 한정되지 않고, 상기 종래예에서 나타낸 바와 같은 다른 재료를 사용해도 된다. 또한, 도 1의 (b)에 도시하는 공극(15)은 기판(10)을 관통하는 구성이지만, 공극(15)은 기판(10)의 표면에만 형성된 형태이어도 되며, 그 형성 방법도 희생층을 이용한 방법이어도 된다. 또한, 상기의 막 구성은 압전 박막 공진자의 주요 구성 요소만을 기록하고 있으며, 예를 들면, 하부 전극(11)의 아래에 보강 혹은 에칭의 스톱층으로서 유전체층을 설치하거나, 표면에 패시베이션막으로서 유전체층을 마련하거나, 전극의 패드 부분에 범프나 와이어 접속을 위한 도전성의 기초층을 설치하고 있어도 상관없다.

도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부위(14)의 형상은 타원형이다. 이 부위(14)는 멤브레인부를 구성한다. 본 실시예에 따르면, 멤브레인부(14)의 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 멤브레인부(14)의 타원형은 1<a/b<1.9를 만족하고 있다. 이 조건은 이하에 설명하는 본 발명자의 고찰에 의해 도출된 것이다.

주축과 부축의 길이의 비 a/b가 커서 왜곡이 큰 타원인 경우, 공극을 제작할 때, 다음의 문제가 발생함을 알 수 있었다. 도 2의 (a) 및 (B)에 각각, a/b가 1.2(a=75.9㎛, b=63.3㎛)와, 4.0(a=138.7㎛, b=34.7㎛)인 경우에서의 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부분의 타원형만을 나타낸다. a/b=4.0과 같은 왜곡이 큰 타원에서는, 실리콘을 드라이 에칭할 때 아무리 하여도 ★으로 나타내는 뾰족한 부분에서 에칭 속도가 상당히 떨어진다. 이 결과, 이 부분에서 에칭 잔여물이 발생하여 원하는 공극 형상이 얻어지지 않거, 이 부분을 에칭하고자 하여 오버 에칭을 행하면, 먼저 에칭된 부분이나 공극의 측벽에 부착되는 잔사량이 증가되기도 한다. 이들은 특성의 악화 및 변동의 증가로 이어진다. 이러한 현상은 상술한 특허 문헌 1이나 2에 기재되어 있는 비방형의 다각형에서의 정점 부근에서도 마찬가지로 일어난다. 이 문제점에 대해서는, 가능하면 왜곡이 작은 타원형, 구체적으로는 1<a/b<1.9를 만족하는 타원형을 사용함으로써 공극(15)을 형성할 때, 문제가 없는 레벨로 할 수 있다.

단, 이 1<a/b<1.9의 조건 범위에서, 횡모드에 기인하는 리플이 실용 상 문제가 없는 레벨로 억제되고 있는 것이 필요 불가결하다. 따라서, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분인 멤브레인부(14)의 타원형의 a/b가 1.0(원을 의미함), 1.2, 1.9, 4.0인 압전 박막 공진자로 이루어지는 4 종류의 필터를 제작하여, 대역 내의 리플을 평가하였다. 표 1에 각 필터의 직렬·병렬 공진자의 타원형의 사이즈를 나타낸다.

	직렬 아암 공진자		병렬 아암 공진자
a/b	a	b	a	b
1.0	69.4	69.4	49.1	49.1
1.2	75.9	63.3	53.7	44.8
1.9	95.6	50.3	67.6	35.6
4.0	138.7	34.7	98.1	24.5

단위: ㎛

상기 4 종류의 필터의 구성을 도 3의 (a) 및 (b)와 도 4에 도시한다. 도 3의 (a)는 필터의 평면도이며, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 Ⅲ_B-Ⅲ_B선 단면도이고, 도 4는 도 3의 (a) 및 (b)에 도시하는 필터의 회로도이다. 도 3의 (a) 및 (b) 중, 도 1의 (a) 및 (b)와 동일성이 있는 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고 있다. 기판(10) 위에 직렬 아암 공진기 S1, S2, S3 및 S4와 병렬 아암 공진기 P1, P2 및 P3이 도 4와 같이 접속된 래더형 필터이다. 이 필터는 직렬 아암에 4개의 압전 박막 공진자 S1∼S4, 병렬 아암에 3개의 압전 박막 공진자 P1∼P3을 배치하고 있다. 기본 구조는 상기 압전 박막 공진자와 동일하지만, 필터인 경우, 도시하지 않지만, 병렬 공진자의 공진 주파수를 저하시켜 대역 통과 필터 특성을 얻기 위해, 병렬 공진자 P1∼P3의 상부 전극막 위에, 예를 들면 SiO₂막(예를 들면, 90㎚ 정도)을 더 형성하고 있다. 각 공진기 S1∼S4, P1∼P3은 도 1의 (a) 및 (b)에 도시하는 구성과 마찬가지의 구성을 갖는다. 기판(10)은, 공진기 S1∼S4, P1∼P3에 공통으로 제공되어 있다. 마찬가지로, 압전막(12)도 공진기 S1∼S4, P1∼P3에 공통으로 형성되어 있다. 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)은, 각각 인접하는 공진기 사이에서 공통으로 이용되고 있는 것이 있다. 예를 들면, 직렬 아암 공진기 S1과 S2는 하부 전극(11)을 공통으로 하고 있다. 또한, 직렬 아암 공진기 S2와 S3은 상부 전극(13)을 공통으로 하고 있다. 각 공진기 S1∼S4, P1∼P3에서, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 중첩하는(대향하는) 부위의 하부 전극(11)의 하측에는, 기판(10)에 형성된 공극(15)이 형성되어 있다. 상기 표 1에 있는 직렬 아암 공진기는 직렬 아암 공진기 S1∼S4이며, 병렬 아암 공진기는 P1∼P3이다. 또한, 압전막(12)에 형성된 개구를 통해 노출되는 하부 전극(11)은 패드부(17)로서 기능한다.

도 5에는 각 필터의 대역 특성(파라미터 S21)을 나타낸다. 도 5의 횡축은 주파수(㎓)를 나타내며, 종축은 감쇠(㏈)를 나타낸다. 곡선 C1은 a/b=1.0, 곡선 C2는 a/b=1.2, 곡선 C3은 a/b=1.9, 곡선 C4는 a/b=4.0의 필터의 대역 특성을 나타낸다. 어떤 무선 기기용 필터의 사양에서는 대역 내의 리플을 0.3㏈ 이하로 억제할 필요가 있다. 이 점으로부터 보면, a/b=1 이외에는 사양을 클리어하고 있어서, 리플의 a/b의 축비에 대한 의존성은 그다지 크지 않다고 말할 수 있다. 또한, a/b=4.0인 경우에는, 병렬 아암 공진자의 공극이 깔끔하게 형성되어 있지 않기 때문에, 저주파측의 손실이 악화되어 있다. 따라서, 1<a/b<1.9를 만족하는 타원형을 사용함으로써, 횡모드에 기인하는 리플을 실용 상 문제가 없는 레벨로 억제하면서, 공극의 제조성도 우수한 압전 박막 공진자 및 필터를 얻을 수 있다.

(제2 실시예)

본 발명의 제2 실시예는, 제1 실시예에서, 멤브레인부(14)의 타원형과 공극(15) 간의 사이즈 관계에 특징이 있다. 본 발명자는, 도 1의 (a) 및 (b)에 도시한 압전 박막 공진자의 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분인 멤브레인부(14)의 타원형의 부축 길이 b와, 공극(15)의 부축 길이 b'의 비 b'/b를 변화시켰을 때의 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 본 실시예에서는, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 사이즈는 고정으로 하고, 공극(15)의 사이즈만 변화시켰다. 여기서, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형은 a=60.0㎛, b=50.2㎛, a/b=1.2, 공극(15)의 타원형에 대해서도 a/b=1.2로 일정하게 하였다. 도 6에 공진 저항의 b'/b 의존성을 나타낸다. b'/b가 너무 작으면 공진의 진동 에너지가 기판(10)측으로 누설되기 때문에 공진 특성이 악화되고, b'/b가 너무 크면 전극(11이나 13)에 크랙이 생겨서 역시 공진 특성이 악화된다. 어떤 사양으로부터 허용되는 공진 저항의 허용 범위는 4Ω 이하이며, 이것을 만족하는 것은 0.9<b'/b<1.5의 범위인 것을 알 수 있다.

(제3 실시예)

본 발명의 제3 실시예는, 압전 박막 공진자를 흐르는 전류의 방향과, 멤브레인부(14)에 포함되는 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 축의 방향 간의 관계에 특징이 있다. 본 발명자는, 도 7의 (a) 내지 (c)의 3개의 압전 박막 공진자에 대하여, 이 관계를 조사하였다. 도 7의 (a)는 부축이 전류의 방향과 평행하며, 도 7의 (b)는 주축이 전류의 방향과 평행하고, 도 7의 (c)는 축이 전류의 방향에 대하여 45° 기울어진 관계로 되어 있다. 또한, 타원형의 전류의 방향과 수직인 축 P로부터 전류의 방향과 평행하게 양쪽 방향을 보았을 때, 적어도 부축의 길이의 절반(=b/2)의 범위 내에서, 도 7의 (a) 및 (b)에 나타내는 타입은 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대략 대칭인 형상으로 되어 있는 데 대하여, 도 7의 (c)에 나타내는 타입은 대칭으로 되어 있지 않다. 여기서, 본 실시예의 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 사이즈는 a=86.1㎛, b=61.5㎛, a/b=1.4이다. 또한, 각 압전 박막 공진자에서의 최소 삽입 손실 및 그 변동을 표 2에 나타낸다.

타입	최소 삽입 손실	변동(3σ)
(A)	0.18 dB	3.2%
(B)	0.22 dB	3.7%
(C)	0.35 dB	7.6%

도 7의 (a) 및 (b)에 나타내는 타입(타입 (A), (B))에 대하여, 도 7의 (c)에 나타내는 타입은 최소 삽입 손실, 변동 모두 크다. 또한, 멤브레인의 휘어짐을 관찰하였을 때, (A), (B) 타입의 멤브레인은 돔 형상으로 매끄럽게 왜곡되어 있는 데 대하여, (C) 타입은 포테이토칩과 같이 울퉁불퉁하게 왜곡되어 있는 것을 알 수 있었다. 이것은 멤브레인에 전극막을 통해 전류의 방향과 평행하게 압축 응력이 가해졌을 때, (A), (B) 타입의 멤브레인은 전류(응력)의 방향에 대하여 대칭성이 좋기 때문에 매끄럽게 왜곡되는 데 대하여, (C) 타입의 멤브레인은 전류(응력)의 방향에 대하여 대칭성이 나쁘기 때문에, 울퉁불퉁하게 왜곡된 것으로 생각된다. 이 결과, 상기한 바와 같이 특성으로의 영향이 나타난 것이라고 생각된다.

이상의 고찰로부터, 도 7의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 주축 또는 부축이, 전류의 방향과 대략 평행하게 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 전류의 방향과 수직인 상기 타원형의 축으로부터 전류의 방향과 평행하게 양쪽 방향을 보았을 때, 적어도 부축의 길이 b의 절반의 범위 내에서, 상부 전극과 하부 전극이 대략 대칭인 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다.

도 3의 (a)에 도시하는 래더형 필터에서는 압전 박막 공진자 S1∼S4, P1∼P3은 모두, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 부축이 전류의 방향과 대략 평행하게 되도록 배치되어 있다. 도 3의 (a)에 도시하는 구성에서, 압전 박막 공진자 S1∼S4, P1∼P3는 모두, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 주축이 전류의 방향과 대략 평행하게 되도록 배치되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 도 3의 (a)에 도시하는 래더형 필터에서, 도 7의 (a)의 배치와 도 7의 (b)의 배치가 혼재되도록 하여도 된다.

(제4 실시예)

본 발명의 제4 실시예는, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 타원 형상의 부위로부터 밖으로 신장되는 상부 전극(13) 및 하부 전극(11)의 인출부의 구성에 특징이 있다. 도 8의 (a)는, 제4 실시예에 따른 압전 박막 공진자의 평면도이다. 참조 번호 21은 상부 전극(13)의 인출부의 엣지를 나타내며, 참조 번호 22는 하부 전극(11)의 인출부를 나타내고 있다. 엣지 부분을 강조하기 위해, 도 7의 (a)에는 엣지 부분을 굵은 실선으로 나타내고 있다. 상부 전극(13)의 인출부(21)는 타원 형상의 중심으로부터 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 형상이다. 타원 형상의 주축의 길이는 a이기 때문에, 인출부(21)의 폭은 a보다도 크다. 인출부(21)는 패드부(23)와 일체로 형성되어 있다. 압전막(12)에 형성된 개구를 통해, 하부 전극(11)이 노출되어 있다. 이 노출 부분이 패드부(24)로서 이용된다. 상부 전극(13)과 마찬가지로, 하부 전극(11)의 인출부(22)는 타원 형상의 중심으로부터 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 형상이다. 타원 형상의 주축의 길이는 a이기 때문에, 인출부(22)의 폭은 a보다도 크다. 인출부(21 및 22)는 대략 대칭의 형상이다. 엣지부(21 및 22)는 직선형이어도 되며, 곡선형이어도 된다. 도 8의 (b)는 비교예이다. 비교예의 압전 박막 공진자의 인출부는 폭이 일정하다.

본 발명자는, 도 8의 (a) 및 (b)에 도시하는 압전 박막 공진자를 이하의 조건으로 제작하여, 멤브레인부(15)의 강도를 조사하였다. 도 8의 (a) 및 (b)는 모두, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 사이즈는, a=86.1㎛, b=61.5㎛, a/b=1.4이다. 하부 전극(11)은 Ru(100㎚)/Cr(50㎚)의 2층 구성, 압전막(12)은 AlN(400㎚), 상부 전극(13)은 Ru(100㎚)이다. 이들을 적층하였을 때의 베타막(전극 형상으로 패터닝하기 전의 적층된 상태)의 내부 응력이 -1.56㎬로 되는 조건으로 압전 박막 공진자를 제작하였을 때, 상기 2개의 공진자에서 캐비티 형성 후의 멤브레인의 파괴 상태에 큰 차가 있음을 알 수 있었다. 도 8의 (b)에 나타내는 타입에서는, 27%의 멤브레인이 파괴되어 있는 데 대하여, 도 8의 (a)에서는 파괴는 전무하였다. 이것으로부터, 동일한 내부 응력을 갖는 막을 사용하여도 인출부의 형상에 따라 멤브레인의 강도가 크게 달라서, 도 8의 (a)의 타입의 구조는 도 8의 (b)에 나타내는 타입에 비해, 멤브레인이 매우 깨지기 어려운 구조임을 알 수 있다.

도 8의 (a)에서는, 타원 형상의 부축이 전류가 흐르는 방향에 대하여 대략 평행하지만, 타원 형상의 주축이 전류의 방향에 대하여 대략 평행하더라도, 상부 전극(13) 및 하부 전극(11)의 인출 전극이 타원 형상의 중심으로부터 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 형상으로 함으로써, 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다. 또한, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)의 양방의 인출부(21, 22)를 도 8의 (a)와 같이 형성하는 것이 바람직하지만, 어느 한쪽만을 타원 형상의 중심으로부터 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 형상으로 할 수 있다.

(제5 실시예)

본 발명의 제5 실시예는, 하부 전극(11), 압전막(12) 및 상부 전극(13)을 포함하는 적층막의 내부 응력과 공진 특성을 고려한 구성을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명자는 내부 응력이 공진 특성에 미치는 영향을 조사하는 실험을 행하였다. 압전 박막 공진자의 막 구조는, 하부 전극(13)이 Ru(100㎚)/Cr(50㎚)의 2층 구성이며, 압전막(12)이 AlN(400㎚)으로 형성되고, 상부 전극(13)이 Ru(100㎚)로 형성되어 있다. 또한, 상부 전극(13)과 하부 전극(11)이 대향하는 부분의 타원형의 사이즈는 a=60.2㎛, b=50.2㎛, a/b=1.2이고, 공극(15)의 타원형의 사이즈는 a=66.2㎛, b=55.2㎛, a/b=1.2이다. 도 9에, 내부 응력(㎬)과 전기 기계 결합 계수(K²) 간의 관계를 나타낸다. 여기서, 이 내부 응력은 상기 베타막의 적층 상태에서의 응력이다. 이 결과로부터, 압축 응력이 큰 쪽이 큰 전기 기계 결합 계수(K²)가 얻어지는 것을 알 수 있다. 덧붙여서, 본 실험에서는, 0.52㎬와 0.87㎬의 2 종류의 인장 응력의 막도 제작하였지만, 둘 다 공극(15)을 형성한 후 멤브레인이 파괴되었다. 어떤 사양으로부터 요구되는 전기 기계 결합 계수(K²)는 6% 이상이기 때문에, 이것을 만족하기 위해서는 -0.68㎬ 이상의 압축 응력을 갖는 막이 필요함을 알 수 있다.

그런데, 응력을 갖는 막을 사용한 경우, 공극 형성 후 멤브레인부가 휜 형상으로 된다. 특히, 압축 응력의 막을 사용한 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 공극(15)을 형성한 후의 멤브레인부(14)는 공극과 반대측으로 팽창된 형상으로 된다. 지금, 멤브레인부(14)의 두께를 M(본 실시예의 경우 650㎚), 멤브레인부(14)의 기판(11) 표면으로부터의 최대 높이를 U로 한 경우, 도 11에 U/M와 내부 응력의 관계를 나타낸다. 압축 응력이 커짐에 따라, 멤브레인부(14)의 팽창은 커짐을 알 수 있다. 이상의 결과로부터, U/M가 1.5 이상인 경우에, 6% 이상의 전기 기계 결합 계수(K²)를 갖는 원하는 압전 박막 공진자를 얻을 수 있다.

(제6 실시예)

이상 설명한 제1 실시예∼제5 실시예는 모두, 멤브레인부(14)의 아래에 공극(15)을 형성한 구성이다. 그러나, 본 발명은 공극(15) 대신에, 음향 임피던스가 높은 막과 낮은 막을 교대로 λ/4(λ : 탄성파의 파장)의 막 두께로 적층한 음향 반사막을 구비한 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 소자를 포함하는 것이다.

본 발명에 따르면, 횡모드의 파에 의한 악영향을 억제한 구조에서도, 충분한 멤브레인부의 강도와 양호한 공극의 제조성을 갖는 구조로 하고 있기 때문에, 특성 변동이 적은 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 얻을 수 있다. 또한, 원하는 압축 응력을 갖는 막을 이용함으로써 전기 기계 결합 계수(K²)가 큰 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 얻을 수 있다.

본 발명의 목적은, 횡모드의 파에 의한 악영향을 억제한 구조에서도, 충분한 멤브레인부의 강도와 양호한 공극의 제조성을 갖는 구조로 하고 있기 때문에, 특성 변동이 적은 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 제공할 수 있다. 또한, 원하는 압축 응력을 갖는 막을 이용함으로써 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터를 제공할 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 박막 공진자의 평면도 및 이 평면도의 Ⅰ_B-Ⅰ_B선 단면도.

도 2는 축비가 상이한 타원형을 나타내는 도면.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 박막 공진자를 이용한 필터 소자의 평면도, 및 이 평면도의 Ⅲ_B-Ⅲ_B선 단면도.

도 4는 도 3에 도시하는 필터 소자의 회로도.

도 5는 타원형의 축비를 바꾼 필터 소자의 대역 특성을 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 박막 공진자의 공진 저항의 b'/b 의존성을 나타내는 그래프.

도 7의 (a) 및 (b)와, 도 7의 (c)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 박막 공진자를 도시하는 평면도와, 비교예를 도시하는 평면도.

도 8의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 박막 공진자를 도시하는 평면도 및 비교예를 도시하는 평면도.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 관한 내부 응력과 전기 기계 결합 계수 간의 관계를 나타내는 그래프.

도 10은 공극 형성 후의 멤브레인의 형상을 모식적으로 도시하는 압전 박막 공진자의 단면도.

도 11은 내부 응력과 도 10에 나타내는 파라미터 U와 M의 비 U/M 간의 관계를 나타내는 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 기판

11 : 하부 전극

12 : 압전막

13 : 상부 전극

14 : 멤브레인부

15 : 공극

16, 17, 23, 24 : 패드부

21, 22 : 인출부

Claims

기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 압전 박막 공진자로서,

상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위의 형상이 타원형이고, 해당 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1<a/b<1.9를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하며, 또한 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위의 해당 하부 전극의 하측에 공극을 갖는 압전 박막 공진자로서,

상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 부위 및 상기 기판의 면에 평행한 방향에서의 상기 공극의 단면 형상이 타원형이고, 해당 타원형의 주축의 길이를 a, 부축의 길이를 b로 하였을 때, 1<a/b<1.9를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
제2항에 있어서,

상기 공극의 부축의 길이를 b'로 하였을 때, 해당 공극과 해당 하부 전극의 사이즈 관계는 0.9<b'/b<1.5를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 타원형의 주축 또는 부축이 전류의 방향과 대략 평행하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

전류의 방향과 수직인 상기 타원형의 축으로부터 전류의 방향과 평행하게 양방향을 보았을 때, 적어도 부축의 길이 b의 절반의 범위 내에서, 상부 전극과 하부 전극이 대략 대칭인 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 압전 박막 공진자로서,

상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 타원 형상의 부위로부터 밖으로 신장되는 상부 전극 및/또는 하부 전극의 인출부는, 주축 또는 부축의 길이를 초과하는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
제6항에 있어서,

상기 인출부는, 상기 타원 형상의 부위로부터 멀어짐에 따라 폭이 굵어지는 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
기판과, 해당 기판 위에 형성된 하부 전극과, 해당 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 해당 압전막 위에 형성된 상부 전극을 주요 구성 요소로서 구비하며, 또한 해당 상부 전극과 해당 하부 전극이 대향하는 부위의 해당 하부 전극의 하측에 공극을 갖는 압전 박막 공진자로서,

상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 멤브레인부는, 상기 공극과 반대측으로 팽창되어 있으며, 상기 멤브레인부의 기판 표면으로부터의 최대 높이는 해당 멤브레인부의 두께의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
압전 박막 공진자를 복수 조합한 필터로서, 해당 압전 박막 공진자 중 적어도 하나는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 압전 박막 공진자로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 필터.