KR20060046272A - 압전 박막 공진자, 필터 및 이들의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성을 갖는 압전 박막 공진자 및 필터 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것이다. 상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 대향하는 영역(멤브레인부(46))의 하부 전극(43)의 하측과 기판(41) 사이에는, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(42)이 형성되어 있다. 그리고, 이 공극(42)은 기판(41)면 상에의 투영 형상이 폐곡선으로 이루어지는 윤곽을 갖고 있다. 또한, 기판(41)에는 희생층을 에칭하여 공극(42)을 형성하기 위해 이용하는 희생층 에칭용의 에칭액 도입 구멍(47)이 형성되어 있다. 희생층(48)의 에칭은, 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)으로 이루어지는 적층체(복합막)의 응력이 압축 응력으로 되도록 실행되며, 복합막이 부풀어 올라 하부 전극(43)과 기판(41) 사이에 돔 형상의 공극(42)을 형성할 수 있다.
공극, 상부 전극, 희생층, 하부 전극, 압전막, 도입 구멍
Description
도 1은 비특허 문헌1에 기재되어 있는 종래의 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 2는 일본 특개소60-189307호에 개시되어 있는 캐비티 타입의 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 특허 문헌2에 개시되어 있는 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 제1실시예의 본 발명의 압전 박막 공진자의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 4에 도시한 압전 박막 공진자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면.
도 6은 희생층의 패터닝의 형상의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 기판으로서 Si를 이용한 본 발명의 압전 박막 공진자의 공진 특성을 도시하는 도면.
도 8은 기판으로서 석영을 이용한 본 발명의 압전 박막 공진자의 공진 특성을 도시하는 도면.
도 9는 제2 실시예의 대역 통과 필터의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 9에 도시한 필터를 구성하는 압전 박막 공진자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면.
도 11은 제2 실시예의 본 발명의 필터(5㎓대 필터)의 대역 특성을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31, 41 : 기판
12, 22, 32 : SiO2막
13, 23, 33, 43 : 하부 전극
14, 24, 34, 44 : 압전막
15, 25, 35, 45 : 상부 전극
16 : 비어홀
26, 36 : 캐비티
42 : 공극
46 : 멤브레인부
47 : 에칭액 도입 구멍
48 : 희생층
[특허 문헌1] 일본 특개소60-189307호 공보
[특허 문헌2] 일본 특개2000-69594호 공보
[비특허 문헌1] Electron. Lett., 1981년, 17권, 507-509페이지
본 발명은, 압전 박막 공진자 및 필터 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성을 갖는 압전 박막 공진자 및 필터 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
휴대 전화로 대표되는 무선 기기의 급속한 보급에 의해, 소형이며 경량인 공진자 및 이것을 조합하여 구성한 필터의 수요가 증대하고 있다. 지금까지는 주로 유전체와 표면 탄성파(SAW) 필터가 사용되어 왔지만, 최근에는, 특히 고주파에서의 특성이 양호하고, 또한 소형화와 모노리식화가 가능한 소자인 압전 박막 공진자 및 이것을 이용하여 구성된 필터가 주목받고 있다.
이러한 압전 박막 공진자 중 하나로서, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입의 공진자가 알려져 있다. 이것은, 기판 상에, 주요 구성 요소로서, 상부 전극막과 압전막과 하부 전극막의 적층 구조체를 갖고, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 부분의 하부 전극 아래에는 공극(비어홀 혹은 캐비티)이 형성되어 있다. 이러한 공극은, 소자 기판으로서 이용되는 Si 기판을 이면으로부터 에칭(웨트 에칭이나 드라이 에칭)함으로써 형성되거나, 혹은, Si 기판의 표면에 형성한 희생층을 웨트 에칭하거나 하여 형성된다.
지금, 상부 전극과 하부 전극 사이에 고주파의 전기 신호를 인가하면, 상부 전극과 하부 전극 사이에 끼워진 압전막 내부에, 역 압전 효과에 의해 여진되는 탄성파나 압전 효과에 기인하는 일그러짐에 의해 발생하는 탄성파가 발생한다. 그리고, 이들 탄성파가 전기 신호로 변환된다. 이러한 탄성파는, 상부 전극(막)과 하부 전극(막)이 각각 공기에 접하고 있는 면에서 전반사되기 때문에, 두께 방향으로 주변위를 갖는 두께 세로 진동파로 된다. 이 소자 구조에서는, 공극 상에 형성된 상부 전극막/압전막/하부 전극막을 주요 구성 요소로 하는 박막 구조 부분의 합계 막 두께 H가, 탄성파의 1/2 파장의 정수배(n배)로 되는 주파수에서 공진이 발생한다. 탄성파의 전파 속도 V는 재료에 의해 결정되며, 공진 주파수 F는 F=nV/2H로 제공된다. 이러한 공진 현상을 이용하면 막 두께를 파라미터로 하여 공진 주파수를 제어하는 것이 가능하기 때문에, 원하는 주파수 특성을 갖는 공진자나 필터를 제작할 수 있다.
여기서, 상하의 전극막으로서는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 티탄(Ti) 등의 금속 재료 혹은 이들 금속을 조합한 적층 재료를 이용할 수 있다. 또한, 압전막으로서는, 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 티탄산지르콘산연(PZT), 티탄산연(PbTiO3) 등을 이용할 수 있다. 특히, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)인 것이 바람직하다. 또한, 소자 기판으로서는, 실리콘, 글래스, GaAs 등을 이용할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 상기 구성의 압전 박막 공진자에서는, 하부 전극막(혹은 유전체막)의 바로 아래에, 비어홀 혹은 캐비티를 형성할 필요가 있다. 이하에서는, 기판의 이면으로부터 표면까지 관통하고 있는 구멍을 비어홀로 부르고, 기판의 표면 근방이나 하부 전극막(혹은 유전체막)의 바로 아래에 존재하는 공동을 캐비티로 부르기로 한다. 종래의 압전 박막 공진자는 비어홀 타입과 캐비티 타입으로 분류된다.
도 1은 비특허 문헌1에 기재되어 있는 종래의 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 이 구조에서는, 열산화막(SiO2)(12)을 갖는 (100) Si 기판(11) 상에, 하부 전극(13)으로서 Au-Cr막, 압전막(14)으로서 ZnO막, 상부 전극(15)으로서 Al막이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 하방에는 비어홀(16)이 형성되어 있다. 이 비어홀(16)은, (100) Si 기판(11)의 이면측으로부터, KOH 수용액 혹은 EDP 수용액(에틸렌디아민과 피로카테콜과 물의 혼합액)을 이용한 이방성 에칭을 실시하여 형성한 것이다.
그러나, 도 1에 도시한 비어홀 타입의 압전 박막 공진자에는, 이하와 같은 문제가 있다. 제1로, 애초에 상술한 이방성 에칭이라고 하는 것은, Si 기판의 (100)면의 에칭 레이트가 (111)면의 에칭 레이트에 비해 어느 정도의 높은 값을 갖는다고 하는 특성을 이용하고 있기 때문에, Si 기판의 컷트면이 (100)면인 경우에 한해 유효한 방법인 점이다. 제2로, 비어홀은, (100)면과 (111)면이 교차하는 각 도인 54.7°의 경사를 갖는 측벽 형상을 취해야만 하기 때문에, 소자 사이즈가 커지게 되는 것을 피할 수 없고, 또한 Si 기판 이면의 일부 영역을 크게 에칭하여 형성되는 비어홀에 의해 기계적 강도도 저하되게 되는 점이다. 제3으로, 이러한 압전 박막 공진자를 복수개 근접하여 배치시켜 필터를 구성하는 경우, 개개의 공진자의 소형화가 곤란하기 때문에 필터도 실용적인 사이즈로까지 소형화하는 것이 불가능한 점이다. 제4로, Si 기판에 비어홀을 형성하고 있기 때문에 인덕턴스나 캐패시턴스 등의 다른 소자를 동일 기판 상에 제조할 때의 방해로 되어, 집적화가 용이하지 않은 점이다. 제5로, Si 기판을 다이싱하여 개개의 칩으로 분할하는 공정이나 패키지에의 실장 공정에서, 강도가 약한 소자의 파손을 회피하기 위해 특별한 배려를 필요로 하는 점이다.
이에 대하여 캐비티 타입의 압전 박막 공진자는, 희생층 상에, 상부 전극막과 압전막과 하부 전극막(필요에 따라 다시 유전체막)의 적층 구조를 갖고, 이 희생층을 에칭에 의해 제거하여 형성된 캐비티를 구비한 압전 박막 공진자이다.
도 2는 이러한 캐비티 타입의 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도이다(특허 문헌1 참조). 이 구조에서는, 열산화막(SiO2)(22)을 갖는 기판(21) 상에, 하부 전극(23)과 압전막(24)과 상부 전극(25)이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 하방에는 캐비티(26)가 형성되어 있다. 이 캐비티(26)는, 사전에 아일런드(섬) 형상의 ZnO의 희생층을 패터닝해 놓고, 이 희생층 패턴 상에 상기의 적층 구조를 형성하며, 또한 적층 구조의 하방에 있는 희 생층을 산으로 제거함으로써 형성된다.
일반적으로, FBAR과 같은 두께 세로 진동을 이용한 압전 박막 공진자에서는, 양호한 공진 특성을 얻기 위해서는 압전막의 배향성이 양호한 것이 전제로 된다. 통상적으로, 캐비티 깊이는, 진동 변위와 멤브레인 부분의 굴곡을 고려하면, 수㎛∼수십㎛ 필요하다. 그러나, 이와 같이 두꺼운 희생층을 성막한 후의 표면은 거칠어, 그 희생층 상에 성장시키는 하부 전극막(23)과 압전막(24)의 배향성은 상당히저하되게 된다. 또한, 상부 전극막(25)/압전막(24)/하부 전극막(23)의 적층체는, SiO2막(22)에 의해 상측으로 융기하는 다리 형상의 기초 상에 설치되는 것으로 되기 때문에, 기계 진동에 대한 강도도 약하여 실용상의 신뢰성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
도 3은 이러한 배향성의 문제를 극복하는 방법으로서 특허 문헌2에 개시되어 있는 압전 박막 공진자의 개략 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 이 구조에서는, 열산화막(SiO2)(32)을 갖는 Si 기판(31) 상에, 하부 전극(33)과 압전막(34)과 상부 전극(35)이 형성되어 적층 구조를 형성하고 있다. 그리고, 이 적층 구조의 하방에 캐비티(36)가 형성되어 있다. 이 구성의 압전 박막 공진자는 다음과 같이 하여 제작된다.
우선, Si 기판(31)의 표면의 일부 영역에 에칭에 의해 오목부를 형성하고, 다음으로 희생층으로서 사용하는 PSG(인 석영 글래스) 내의 인이 Si 기판(31) 내로 확산되는 것을 방지하기 위해, Si 기판(31) 표면에 열산화막(SiO2)(32)을 형성한다. 희생층의 PSG를 퇴적한 후에 연마 및 클리닝을 행하여, 표면의 미러 마무리를 행한다. 계속해서, 하부 전극막(33), 압전막(34), 상부 전극막(35)의 순으로 퇴적하고, 마지막으로 PSG를 제거한다. 그러나, 이러한 압전 박막 공진자의 제작 방법에서는 제작 코스트가 높아지게 되며, 또한, 슬러리 잔사 등의 처리를 필요로 하는 성가신 연마 공정을 포함하고 있어, 제조 공정 수도 많아 생산성이 뒤떨어진다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 부분은, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성을 갖는 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위해, 제1항에 기재된 발명은, 압전 박막 공진자로서, 소자 기판의 평탄 주면 상에 하부 전극과 압전막과 상부 전극이 순차적으로 적층된 복합막을 구비하고, 상기 압전막을 사이에 두는 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 중첩 영역(멤브레인 영역)에 대응하는 상기 소자 기판의 영역에는 상기 하부 전극과의 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 공극은 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상이 폐곡선으로 이루어지는 윤곽을 갖고 있다.
제3항에 기재된 발명은, 제1항 또는 제2항에 기재된 압전 박막 공진자에서, 상기 공극의 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상은, 상기 멤브레인 영역의 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상과 상사 형상인 것을 특징으로 한다.
제4항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자에서, 상기 복합막의 응력은 압축 응력인 것을 특징으로 한다.
제5항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자에서, 상기 소자 기판에는, 상기 공극과 통하는 구멍부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
제6항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자에서, 상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)인 것을 특징으로 한다.
제7항에 기재된 발명은, 필터로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자를 복수 조합하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
제8항에 기재된 발명은, 압전 박막 공진자의 제조 방법으로서, 소자 기판의 평탄 주면 상에 희생층을 패턴 형성하는 제1 스텝과, 상기 희생층 상에 상기 소자 기판의 주면에 접하는 하부 전극을 패턴 형성하는 제2 스텝과, 상기 하부 전극 상에 압전막을 형성하는 제3 스텝과, 상기 압전막 상에 일부 영역이 상기 하부 전극과 중첩되는 상부 전극을 패턴 형성하는 제4 스텝과, 상기 희생층의 표면의 일부가 노출되도록 상기 하부 전극의 일부에 개구부를 형성하는 제5 스텝과, 상기 개구부로부터 에칭액을 도입하여 상기 하부 전극 하방의 희생층을 제거하여 공극을 형성하는 제6 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제9항에 기재된 발명은, 압전 박막 공진자의 제조 방법으로서, 소자 기판의 평탄 주면 상에 희생층을 패턴 형성하는 제1 스텝과, 상기 희생층 상에 상기 소자 기판의 주면에 접하는 하부 전극을 패턴 형성하는 제2 스텝과, 상기 희생층의 표면의 일부가 노출되도록 상기 하부 전극의 일부에 개구부를 형성하는 제3 스텝과, 상기 하부 전극 상에 압전막을 형성하는 제4 스텝과, 상기 압전막 상에 일부 영역이 상기 하부 전극과 중첩되는 상부 전극을 패턴 형성하는 제5 스텝과, 상기 개구부에서 에칭액을 도입하여 상기 하부 전극 하방의 희생층을 제거하여 공극을 형성하는 제6 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제10항에 기재된 발명은, 제8항 또는 제9항에 기재된 압전 박막 공진자의 제조 방법에서, 상기 제1 스텝에 의해 형성되는 상기 희생층의 패턴은, 상기 공극과 상기 개구부를 연결하는 유로부를 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
제11항에 기재된 발명은, 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자의 제조 방법에서, 상기 희생층은 상기 하부 전극보다 얇게 형성되고, 막 두께비(희생층 막 두께/하부 전극 막 두께)가 0.5 이하인 것을 특징으로 한다.
제12항에 기재된 발명은, 압전 박막 공진자를 복수 조합하여 구성된 필터의 제조 방법으로서, 그 압전 박막 공진자 중 적어도 1개는 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 것인 것을 특징으로 한다.
이하에 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 압전 박막 공진자는 세라믹 등의 패키지에 탑재되며, 소자(공진자)와 패키지는 와이어나 범프 등으로 접속된다. 상기 패키지는 세라믹 이외의 것이어도 되고, 소자 표면에 공간을 확보하여 수지 밀봉되어도 된다. 또한, 이러한 소자는, 단체로 패키징되는 것 이외에, 모듈 기판에 다른 디스크리트 부품과 함께 탑재되어 실장되도록 해도 된다.
[제1 실시예]
도 4는 본 실시예의 압전 박막 공진자의 구성을 설명하기 위한 도면으로, 도 4의 (a)는 평면도, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 A-A에 따르는 단면도, 그리고 도 4의 (c)는 도 4의 (a)의 B-B에 따르는 단면도이다. 여기서는, 기판(41)에는 (100) 컷트의 Si 기판을 사용하고 있으며, 하부 전극(43)은 Ru층과 Cr층의 2층을 적층시킨 Ru/Cr의 2층 구조로 되어 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, Si 기판 대신에 석영 기판을 이용하는 것으로 해도 된다. 또한, 압전막(44)에는 AlN막을 이용하고, 상부 전극(45)에는 Ru막을 사용하고 있다. 예를 들면, 5㎓대의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진자로 하는 경우의 각 막 두께는, 하부 전극(43)은 Ru(100㎚)/Cr(50㎚)로 하고, 압전막(44)은 AlN(400㎚)으로 하며, 상부 전극(45)은 Ru(100㎚) 정도로 한다.
상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 대향하는 영역(멤브레인부(46))의 하부 전극(43)의 하측과 기판(41) 사이에는, 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극(42)이 형성되어 있다. 그리고, 이 공극(42)은 기판(41)면 상에의 투영 형상이 폐곡선으로 이루어지는 윤곽을 갖고 있다. 본 실시예에서는, 상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 중첩된 부분의 형상을 타원으로 하고, 그 사이즈로서 장축의 길이를 54㎛, 단축의 길이를 45㎛로 하고 있다. 또한, 공극(42)의 윤곽 사이즈도 동등한 사이즈로 하고 있다. 이 때의 공극(42)의 높이는 1∼2㎛ 정도이다. 또한, 기판(41)에는 후술하는 방법에 의해 희생층을 에칭하여 공극(42)을 형성하기 위해 이용하는 희생층 에칭용의 에칭액 도입 구멍(47)이 형성되어 있다. 이 공극(42)의 기판(41)면 상에의 투영 형상을 폐곡선으로 이루어지는 윤곽으로 하면, 응력이 특정한 어느 하나의 변에 집중되는 것을 피할 수 있어, 제조 중 및 제조 후에 디바이스가 파괴되는 것을 방지하기 쉬워진다고 하는 이점이 있다.
도 5는 도 4에 도시한 압전 박막 공진자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면으로서, 이들 도면은 모두, 도 4의 (a)에서의 B-B를 따른 단면도로서 도시하고 있다. 우선, Si 기판(41)(혹은 석영 기판) 상에, 희생층막(48)으로 되는 MgO(20㎚)를 스퍼터링법이나 진공 증착법에 의해 성막한다(도 5의 (a)). 희생층(48)으로서는, MgO 외에도, ZnO, Ge, Ti 등, 에칭액에 의해 용이하게 용해할 수 있는 재료이면 특별히 제한은 없다. 여기서, 희생층(48)은 후술의 하부 전극(43)보다 얇게 형성되고, 막 두께비(희생층 막 두께/하부 전극 막 두께)가 0.5 이하인 것이 바람직하다. 다음으로, 포토리소그래피와 에칭에 의해, 희생층(48)을 원하는 형상으로 패터닝한다.
도 6은 희생층(48)의 패터닝의 형상의 일례를 도시하는 도면이다. 상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 중첩된 부분의 멤브레인부(46)의 형상을 갖는 멤브레인 대응 영역(46') 외에, 에칭액 도입 구멍(47)에 연결되는 유로(47')를 구비하고 있다. 유로(47')의 수는 도면에서는 2개만 도시하고 있지만, 유로 수와 설치 장소에 한정이 있는 것은 아니며 적절하게 변경이 가능하다. 또한, 상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 중첩된 부분의 멤브레인부(46)의 크기에 대하여, 희생층(48)의 패턴 사이즈가 일치할 필요는 없지만, 양호한 공진기 특성을 얻기 위해서는 상부 전극(45)과 하부 전극(43)이 중첩된 부분의 형상과 상사 형상인 것이 바람직하다.
다음으로, 하부 전극(43), 압전막(44), 및 상부 전극(45)을 순차적으로 형성한다(도 5의 (b)). 하부 전극(43)은 적층막 Ru(100㎚)/Cr(50㎚)로 하고, 0.6∼1.2㎩의 압력 하의 Ar 가스 분위기 속에서 스퍼터링 성막되며, 또한 포토리소그래피와 에칭에 의해 하부 전극(43)을 원하는 형상으로 패터닝한다. 이에 계속해서, 압전막(44)인 AlN(400㎚)를, 약 0.3㎩의 압력의 Ar/N2 혼합 가스 분위기 속에서 Al 타깃을 이용하여 스퍼터링 성막한다. 그리고, 상부 전극(45)의 Ru(100㎚)막을, 0.6∼1.2㎩의 압력의 Ar 가스 분위기 속에서 스퍼터링 성막한다. 이와 같이 하여 성막된 적층체에 포토리소그래피와 에칭(웨트 에칭 또는 드라이 에칭)을 실시하여, 상부 전극(45)과 압전막(44)을 원하는 형상으로 패터닝한다.
이에 계속해서, 하부 전극(43)에 대하여, 레지스트 패터닝에 의한 포토리소그래피 기술에 의해 에칭액 도입 구멍(47)을 형성하고(도 5의 (c)), 이 에칭액 도입 구멍(47)으로부터 에칭액을 도입하여 희생층(48)을 에칭 제거함으로써 공극(42)을 형성한다(도 5의 (d)). 여기서, 희생층(48)의 에칭은, 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)으로 이루어지는 적층체(복합막)의 응력이 압축 응력으로 되도록 실행된다. 이러한 응력 조건을 만족함으로써, 희생층(48)의 에칭 종료 시점에서, 복합막이 부풀어 올라 하부 전극(43)과 기판(41) 사이에 돔 형상의 공극(42) 을 형성할 수 있다. 또한, 상술한 스퍼터 성막 조건에서는, 복합막의 응력은 대략 (마이너스)1GPa의 압축 응력이었다. 공극(42)의 윤곽에는 직선 성분을 포함하지 않기 때문에, 일그러짐이 없는 돔 형상을 얻을 수 있어, 복합막의 강도와 공진 특성의 변동의 저감을 양립시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 이와 같이 하여 얻어진 압전 박막 공진자의 공진 특성을 설명하기 위한 도면으로, 도 7은 기판으로서 Si를 이용한 압전 박막 공진자, 도 8은 기판으로서 석영을 이용한 압전 박막 공진자의 공진 특성을 도시하고 있다. 또한, 비교를 위해, 비어홀 타입의 종래의 압전 박막 공진자의 공진 특성도 동시에 도시하였다. 이들 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 압전 박막 공진자에서, 비어홀 타입의 종래의 압전 박막 공진자와 동등한 공진 특성을 얻을 수 있었다. 이것은, 본 발명의 압전 박막 공진자가 구비하는 압전막(44)의 배향성은, 비어홀 타입의 종래의 압전 박막 공진자와 동등한 배향성으로 되어 있는 것을 의미하고 있다. 이 배향 특성은 얇은 희생층(48)을 이용함으로써 얻어지는 효과이다. 또한, 본 발명의 압전 박막 공진자는, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하다.
[제2 실시예]
제1 실시예에서는 단일의 압전 박막 공진자에 대해서만 설명하였지만, 이러한 공진자를 직렬 아암과 병렬 아암에 각각 래더형으로 배치함으로써 밴드 패스 필터를 구성하는 것이 가능하다.
도 9는 본 실시예의 밴드 패스 필터의 구성을 설명하기 위한 도면으로, 제1 실시예에서 설명한 압전 박막 공진자를 직렬 아암과 병렬 아암에 각각 래더형으로 배치하여 밴드 패스 필터가 구성되어 있다. 또한, 여기서는 압전막(44)에 하부 전극(43)이 피복되어 있는 양태로 되어 있지만, 후술하는 바와 같이, 하부 전극(43)에 에칭액 도입 구멍(47)을 형성하기 전에 미리 압전막(44)에 구멍이 형성되어 있다.
본 실시예에서는, 직렬 아암에 4개(S1∼S4), 병렬 아암에 3개(P1∼P3)의 압전 박막 공진자가 배치되어 있다. 압전 박막 공진자의 기본 구조는 제1 실시예에서 설명한 압전 박막 공진자와 동일하지만, 병렬 공진자의 공진 주파수를 저하시켜 밴드 패스 필터 특성을 얻기 위해, 병렬 공진자의 상부 전극막 상에 또한 도시하지 않은 SiO2막으로 이루어지는 부가막(막 두께 90㎚)이 형성되어 있다.
도 10은 도 9에 도시한 필터를 구성하는 압전 박막 공진자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 도면으로서, 이들 도면은 모두, 도 4의 (a)에서의 B-B를 따른 단면도로서 도시하고 있다. 우선, Si 기판(41)(혹은 석영 기판) 상에, 희생층(48)으로 되는 MgO(20㎚)를 스퍼터링법이나 진공 증착법에 의해 성막한다(도 10의 (a)). 희생층(48)으로서는, MgO 외에도, ZnO, Ge, Ti 등, 에칭액에 의해 용이하게 용해할 수 있는 재료이면 특별히 제한은 없다. 희생층(48)의 성막 후, 포토리소그래피와 에칭에 의해 희생층(48)을 원하는 형상으로 패터닝한다.
다음으로, 하부 전극(43)과 이 하부 전극(43)에 형성되는 에칭액 도입 구멍(47)을 형성한다(도 10의 (b)). 하부 전극(43)은 적층막 Ru(100㎚)/Cr(50㎚)로 하 고, 0.6∼1.2㎩의 압력 하의 Ar 가스 분위기 속에서 스퍼터링 성막된다. 그리고, 성막된 하부 전극(43)에 포토리소그래피 기술에 의해 에칭액 도입 구멍(47)을 형성한다. 이 때, 원하는 하부 전극(43)의 전극 형상과 에칭액 도입 구멍(47)을 동시에 형성해도 된다. 이에 의해, 하부 전극(43)에의 패터닝 횟수를 삭감하는 것이 가능하게 된다.
이에 계속해서, 압전막(44)인 AlN(400㎚)를 Al 타깃을 이용하여 Ar/N2 혼합 가스 분위기 속에서 약 0.3㎩의 압력 하에서 스퍼터링 성막하고, 또한 상부 전극(45)의 Ru(100㎚)막을 Ar 가스 분위기 속에서 0.6∼1.2㎩의 압력 하에서 스퍼터링 성막한다. 이와 같이 하여 성막된 적층체에 포토리소그래피와 에칭(웨트 에칭 또는 드라이 에칭)을 실시하여, 상부 전극(45)과 압전막(44)을 원하는 형상으로 패터닝한다(도 10의 (c)).
이에 계속해서, 에칭액 도입 구멍(47)으로부터 에칭액을 도입하여 희생층(48)을 에칭 제거하여 공극(42)을 형성한다(도 10의 (d)). 여기서, 희생층(48)의 에칭은, 하부 전극(43), 압전막(44) 및 상부 전극(45)으로 이루어지는 적층체(복합막)의 응력이 압축 응력으로 되도록 실행된다. 이러한 응력 조건을 만족함으로써, 희생층(48)의 에칭 종료 시점에서, 복합막이 부풀어 올라 하부 전극(43)과 기판(41) 사이에 돔 형상의 공극(42)을 형성할 수 있다. 공극(42)의 윤곽에는 직선 성분을 포함하지 않기 때문에, 일그러짐이 없는 돔 형상을 얻을 수 있어, 복합막의 강도와 공진 특성의 변동의 저감을 양립시킬 수 있다.
도 11은 본 실시예의 필터(5㎓대 필터)의 대역 특성을 도시하는 도면으로, 여기서는, 기판으로서 (100) 컷트의 Si 기판을 이용하고 있다. 또한, 비교를 위해 나타낸 종래예의 비어홀 타입의 필터에는 (111) 컷트의 Si 기판을 이용하고 있다. 이들 필터에서, 각 층의 막 두께는, 희생층이 20㎚, 하부 전극이 Ru(100㎚)/Cr(50㎚), 압전막이 AlN(400㎚), 상부 전극이 Ru(100㎚) 정도이다. 도 11에 도시하고 있는 바와 같이, 양 필터의 대역 폭에는 약간의 차가 인정되지만, 손실이나 스커트 특성 등에 대해서는 본 실시예의 필터와 비어홀형의 종래 필터에서 동등한 특성이 얻어지고 있다. 이것은, 본 발명의 필터가 구비하는 압전막(44)의 배향성이, 비어홀 타입과 동등한 배향성인 것을 의미하고 있다.
또한, 기판(41), 희생층(48), 하부 전극(43), 압전막(44), 상부 전극(45), 부가막의 각 재료는 상기의 것에 한정되지 않고, 종래예에서 나타낸 바와 같은 다른 재료를 사용해도 된다. 또한, 희생층 에칭용 에칭액의 유로의 수와 형상 및 설치 위치에 한정은 없고, 필터 특성을 열화시키지 않는 범위에서 적절하게 변경이 가능하다. 또한, 상기의 막 구성은 압전 박막 공진자의 주요 구성 요소만을 나타내고 있으며, 예를 들면, 하부 전극(43) 아래에 보강 혹은 에칭의 스톱층으로서 유전체층을 형성하거나, 표면에 패시베이션막으로서 유전체층을 형성하거나, 혹은 하부 전극(43) 및 상부 전극(45) 양자 모두의 패드 부분에 범프나 와이어 접속을 위한 도전성의 기초층을 형성하거나 해도 된다.
종래 기술의 이방성 에칭을 사용한 공진자에서는 실용적인 사이즈의 소형의 필터를 얻는 것이 곤란하였던 것에 대하여, 상술한 공극(42)을 갖는 본 발명의 압 전 박막 공진자를 이용하여 필터를 제작하면, 각 공진자를 근접하여 배치할 수 있어 필터의 소형화가 가능하게 된다.
본 발명의 압전 박막 공진자는, 소자 기판 상에 하부 전극과 압전막과 상부전극이 순차적으로 적층된 복합막의 압전막을 사이에 두는 상부 전극과 하부 전극의 중첩 영역(멤브레인 영역)에 대응하는 소자 기판의 영역에 하부 전극과의 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극을 형성하고, 이 공극의 소자 기판면 상에의 투영 형상이 폐곡선으로 이루어지는 윤곽을 갖는 것으로 하였기 때문에, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하고, 또한 양호한 압전막 배향성을 갖는 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.
본 발명은, 기계적 강도, 실장성, 신뢰성, 및 생산성이 우수하며, 또한 양호한 압전막 배향성을 갖는 압전 박막 공진자 및 필터 및 이들의 제조 방법을 제공한다.
Claims (14)
- 소자 기판의 평탄 주면 상에 하부 전극과 압전막과 상부 전극이 순차적으로 적층된 복합막을 구비하고, 상기 압전막을 사이에 두는 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 중첩 영역인 멤브레인 영역에 대응하는 상기 소자 기판의 영역에는 상기 하부 전극과의 사이에 돔 형상의 팽창부를 갖는 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항에 있어서,상기 공극은 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상이 폐곡선으로 이루어지는 윤곽을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 공극의 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상은, 상기 멤브레인 영역의 상기 소자 기판면 상에의 투영 형상과 상사(相似) 형상인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 복합막의 응력은 압축 응력인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 소자 기판에는, 상기 공극과 통하는 구멍부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄(AlN) 또는 산화아연(ZnO)인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제1항 또는 제2항의 압전 박막 공진자를 복수 조합하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 필터.
- 소자 기판의 평탄 주면 상에 희생층을 패턴 형성하는 제1 스텝과,상기 희생층 상에 상기 소자 기판의 주면에 접하는 하부 전극을 패턴 형성하는 제2 스텝과,상기 하부 전극 상에 압전막을 형성하는 제3 스텝과,상기 압전막 상에 일부 영역이 상기 하부 전극과 중첩되는 상부 전극을 패턴 형성하는 제4 스텝과,상기 희생층의 표면의 일부가 노출되도록 상기 하부 전극의 일부에 개구부를 형성하는 제5 스텝과,상기 개구부로부터 에칭액을 도입하여 상기 하부 전극 하방의 희생층을 제거 하여 공극을 형성하는 제6 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자의 제조 방법.
- 소자 기판의 평탄 주면 상에 희생층을 패턴 형성하는 제1 스텝과,상기 희생층 상에 상기 소자 기판의 주면에 접하는 하부 전극을 패턴 형성하는 제2 스텝과,상기 희생층의 표면의 일부가 노출되도록 상기 하부 전극의 일부에 개구부를 형성하는 제3 스텝과,상기 하부 전극 상에 압전막을 형성하는 제4 스텝과,상기 압전막 상에 일부 영역이 상기 하부 전극과 중첩되는 상부 전극을 패턴 형성하는 제5 스텝과,상기 개구부로부터 에칭액을 도입하여 상기 하부 전극 하방의 희생층을 제거하여 공극을 형성하는 제6 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자의 제조 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 제1 스텝에 의해 형성되는 상기 희생층의 패턴은, 상기 공극과 상기 개구부를 연결하는 유로부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자의 제조 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 희생층은 상기 하부 전극보다 얇게 형성되고, 막 두께비(희생층 막 두께/하부 전극 막 두께)가 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자의 제조 방법.
- 압전 박막 공진자를 복수 조합하여 구성된 필터의 제조 방법으로서, 그 압전 박막 공진자 중 적어도 1개는 제8항 또는 제9항의 방법에 의해 제조된 것인 것을 특징으로 하는 필터의 제조 방법.
- 제12항에 있어서,희생층의 패턴은, 공극과 개구부를 연결하는 유로부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 필터의 제조 방법.
- 제12항에 있어서,희생층은 (희생층의 두께/하부 전극의 두께)의 두께비가 0.5 이하임을 만족하도록 상기 희생층이 상기 하부 전극보다 더 얇은 것을 특징으로 하는 필터의 제조 방법.
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