KR20070088398A - 압전 박막 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 박막 디바이스의 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
4개의 압전 박막 공진자(R11∼R14)를 포함하는 압전 박막 필터(1)는, 단독으로 자중(自重)에 견딜 수 없는 압전체 박막(111)을 포함하는 필터부(11)와, 필터부(11)를 기계적으로 지지하는 평탄한 베이스 기판(13)을 접착층(12)을 통해 접착한 구조를 갖고 있다. 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료로서는 수정, 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 사붕산리튬, 산화아연, 니오브산칼륨 및 랑가사이트로부터 선택된, 입계(粒界)를 포함하지 않는 단결정 재료가 바람직하다.
Description
도 1은 압전 박막 필터(1)를 위쪽에서 본 평면 모식도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ의 절단면을 앞쪽에서 본 단면 모식도.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ의 절단면을 오른쪽에서 본 단면 모식도.
도 4는 압전 박막 필터(1)에 포함되는 4개의 압전 박막 공진자(R11∼R14)의 전기적인 접속 상태를 도시한 회로도.
도 5는 압전 박막 필터(2)에 포함되는 압전 박막 공진자(R21)의 단면 모식도.
도 6은 압전 박막 필터(2)에 포함되는 압전 박막 공진자(R21)의 단면 모식도.
도 7은 다수의 압전 박막 필터(1)를 일체화한 집합체(U11)를 각각의 압전 박막 필터(1)로 분리하는 모습을 도시한 단면 모식도.
도 8은 실시예 1에 따른 압전 박막 필터(1)의 제조 흐름을 도시한 도면.
도 9는 실시예 1에 따른 압전 박막 필터(1)의 제조 흐름을 도시한 도면.
도 10은 함몰부 형성 공정에 대해서 설명한 단면 모식도.
도 11은 함몰부 형성 공정에 대해서 설명한 단면 모식도.
도 12는 종래의 압전 박막 디바이스(9)의 구성을 도시한 단면도.
도 13은 종래의 압전 박막 디바이스(9)의 구성을 도시한 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 2, 3 : 압전 박막 필터
11 : 필터부
12, 22, 32 : 접착층
13, 23, 33 : 베이스 기판
14 : 압전체 기판
1121∼1124, 2121, 3121 : 상부 전극
1131∼1132, 2131, 2135, 3131 : 하부 전극
111, 211, 311 : 압전체 박막
114 : 캐비티 형성막
C11∼C12, C21, C31 : 캐비티
E11∼E14, E21, E31 : 여진 영역
R11∼R14, R21, R31 : 압전 박막 공진자
S21, S31 : 함몰부
본 발명은 단수 또는 복수의 압전 박막 공진자를 포함하는 압전 박막 디바이스에 관한 것이다.
종래, 단수 또는 복수의 압전 박막 공진자(FBAR; Film Bulk Acoustic Resonator)를 포함하는 압전 박막 디바이스, 예컨대 발진자, 트랩, 필터, 듀플렉서 및 트리플렉서 등의 압전 박막 디바이스는, 도 12 및 도 13의 단면 모식도에 도시된 바와 같이 베이스 기판(91) 위에 형성된 지지층(92) 위에 스퍼터링 등에 의해 하부 전극(93), 압전체 박막(94) 및 상부 전극(95)을 순차적으로 성막하고, 압전체 박막(94)의 여진 영역(E91)의 아래쪽에 에칭 등에 의해 캐비티(공동)(C91)를 형성함으로써 제조되어 왔다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-94735호 공보
그러나, 종래 기술에서는, 금속막인 하부 전극(93) 위에 압전체 박막(94)을 성막하기 때문에, 압전체 박막(94)을 단결정의 압전 재료로 구성하는 것은 곤란하며, 결정성 저하에 기인하는 압전체 박막의 품질 저하에 의해 압전 박막 디바이스의 특성이 열화한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 압전 박막 디바이스의 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 청구항 1의 발명은, 단수 또는 복수의 압전 박막 공진자를 포함하는 압전 박막 디바이스로서, 단결정의 압전체 박막과, 상기 압전체 박막을 포함하는 소정의 부재를 지지하는 지지체를 구비한다.
청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재한 압전 박막 디바이스에 있어서, 상기 압전체 박막은 입계(粒界)를 포함하지 않는다.
청구항 3의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재한 압전 박막 디바이스에 있어서, 상기 압전체 박막을 구성하는 단결정은 수정, 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 사붕산리튬, 산화아연, 니오브산칼륨 및 랑가사이트로부터 선택된다.
이하에서는, 4개의 압전 박막 공진자(FBAR; Film Bulk Acoustic Resonator)를 조합한 사다리꼴 필터(이하, 「압전 박막 필터」)를 예로 하여 본 발명의 압전 박막 디바이스의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명한다. 그러나, 이하에 설명하는 실시 형태는 본 발명의 압전 박막 디바이스가 압전 박막 필터에만 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 있어서의 압전 박막 디바이스란 일반적으로 말하면, 단수 또는 복수의 압전 박막 공진자를 포함하는 압전 박막 디바이스 전반을 의미하고 있고, 단일 압전 박막 공진자를 포함하는 발진자, 트랩 등 및 복수의 압전 박막 공진자를 포함하는 필터, 듀플렉서, 트리플렉서 및 트랩 등을 포함한다. 여기서, 압전 박막 공진자란 지지체 없이는 자중에 견딜 수 없는 박막에 여진되는 벌크 탄성파에 의한 전기적인 응답을 이용한 공진자이다.
<1 제1 실시 형태>
<1.1 압전 박막 필터의 구성>
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 필터(1)의 구성을 도시한 도면이다. 여기서, 도 1은 압전 박막 필터(1)를 위쪽에서 본 평면 모식도, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ의 절단면을 앞쪽(－Y 방향)에서 본 단면 모식도, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ의 절단면을 오른쪽(＋X 방향)에서 본 단면 모식도로 되어 있다. 또한, 도 4는 압전 박막 필터(1)에 포함되는 4개의 압전 박막 공진자(R11∼R14)의 전기적인 접속 상태를 도시한 회로도로 되어 있다. 또한, 도 1 내지 도 3에는 편의상, 좌우 방향을 ±X축 방향, 전후 방향을 ±Y축 방향, 상하 방향을 ±Z축 방향으로 하는 XYZ 직교 좌표계가 정의되어 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 박막 필터(1)는 압전 박막 필터(1)의 필터 기능을 제공하는 필터부(11)와, 필터부(11)를 기계적으로 지지하는 평탄한 베이스 기판(13)을 접착층(12)을 매개로 하여 접착한 구조를 갖고 있다. 압전 박막 필터(1)의 제조에 있어서는, 단독으로 자중에 견딜 수 있는 압전체 기판을 제거 가공함으로써 압전체 박막(111)을 얻고 있지만, 제거 가공에 의해 얻어지는 압전체 박막(111)은 단독으로 자중에 견딜 수 없다. 이 때문에, 압전 박막 필터(1)의 제조에 있어서는, 제거 가공에 앞서 압전체 기판을 포함하는 소정의 부재를, 지지체가 되는 베이스 기판(13)에 미리 접착하고 있다.
<1.1.1 필터부>
필터부(11)는 압전체 박막(111)과, 압전체 박막(111)의 상면에 형성된 상부 전극(1121∼1124)과, 압전체 박막(111)의 하면에 형성된 하부 전극(1131∼1132)과, 상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)이 압전체 박막(111)을 사이에 두고 대향하는 여진 영역(E11∼E14)의 아래쪽에 캐비티(공동)(C11∼C14)를 형성하는 캐비티 형성막(114)을 구비한다.
○ 압전체 박막;
압전체 박막(111)은 압전체 기판을 제거 가공함으로써 얻어진다. 보다 구체 적으로, 압전체 박막(111)은 단독으로 자중에 견딜 수 있는 두께(예컨대, 50 ㎛ 이상)를 갖는 압전체 기판을 단독으로 자중에 견딜 수 없는 막 두께(예컨대, 10 ㎛ 이하)까지 제거 가공에 의해 박육화함으로써 얻어진다. 또한, 여진 영역은 원형의 경우는 직경 30∼300 ㎛의 범위이고, 다각형의 경우는 최장의 대각선 길이가 30∼300 ㎛의 범위이다.
압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료로서는 원하는 압전 특성을 갖는 압전 재료를 선택할 수 있지만, 수정(Si02), 니오브산리튬(LiNb03), 탄탈산리튬(LiTaO3), 사붕산리튬(Li2B4O7), 산화아연(ZnO), 니오브산칼륨(KNb03) 및 랑가사이트(La3Ga3SiO14) 등의 입계를 포함하지 않는 단결정 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료로서 단결정 재료를 이용함으로써, 압전체 박막(111)의 단분역화(單分域化)가 가능해지며, 압전체 박막(111)의 기계적 품질 계수가 향상되고, 손실이 적으면서 스커트 특성이 양호한 압전 박막 필터(1)를 실현할 수 있게 되는 동시에, 압전체 박막(111)의 전기 기계 결합 계수가 향상되어 광대역의 압전 박막 필터(1)를 실현할 수 있게 되기 때문이다.
또한, 압전체 박막(111)에 있어서의 결정 방위도 원하는 압전 특성을 갖는 결정 방위를 선택할 수 있다. 여기서, 압전체 박막(111)에 있어서의 결정 방위를, 압전 박막 공진자(R11∼R14)의 공진 주파수나 반공진 주파수의 온도 특성이 양호해지는 결정 방위, 바람직하게는 주파수 온도 계수가 「0」이 되는 결정 방위로 하면, 통과 대역의 중심 주파수 등의 온도 특성이 양호한 압전 박막 필터(1)를 실현 할 수 있게 된다.
압전체 기판(15)의 제거 가공은 절삭, 연삭, 연마 등의 기계 가공 및 에칭 등의 화학 가공 등에 의해 행한다. 여기서, 복수의 제거 가공 방법을 조합하여 가공 속도가 빠른 제거 가공 방법으로부터, 가공 대상에 생기는 가공 변질이 작은 제거 가공 방법으로 제거 가공 방법을 단계적으로 전환하면서 압전체 기판을 제거 가공하면, 높은 생산성을 유지하면서 압전체 박막(111)의 품질을 향상시켜 압전 박막 필터(1)의 특성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 압전체 기판을 고정 지립(砥粒)에 접촉시켜 깎아내는 연삭 및 압전체 기판을 유리(遊離) 지립에 접촉시켜 깎아내는 연마를 순차적으로 행한 후에, 이 연마에 의해 압전체 기판에 생긴 가공 변질층을 마무리 연마에 의해 제거하도록 하면, 압전체 기판을 깎아내는 속도가 빨라져 압전 박막 필터(1)의 생산성을 향상시킬 수 있는 동시에, 압전체 박막(111)의 품질을 향상시킴으로써, 압전 박막 필터(1)의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 압전체 기판의 제거 가공의 보다 구체적인 방법에 대해서는 후술하는 실시예에서 설명한다.
압전 박막 필터(1)에서는, 압전체 박막(111)의 막 두께가 여진 영역(El1∼E14) 및 비여진 영역(E1X)에서 일정하게 되어 있다. 이 때문에, 압전 박막 필터(1)는 주파수 저하형의 에너지 트랩에 적합한 구조를 갖고 있다.
이러한 압전 박막 필터(1)에서는, 압전체 박막(111)을 스퍼티링 등에 의해 성막한 경우와 달리 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료나 압전체 박막(111)에 있어서의 결정 방위가 하지(下地)의 제약을 받지 않기 때문에, 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료나 압전체 박막(111)에 있어서의 결정 방위의 선택 자유도가 높 아지고 있다. 따라서, 압전 박막 필터(1)에서는, 원하는 특성을 실현하는 것이 용이해지고 있다.
○ 상부 전극 및 하부 전극;
상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)은 도전 재료를 성막함으로써 얻어진 도전체 박막이다.
상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)의 막 두께는 압전체 박막(111)으로의 밀착성, 전기 저항 및 내전력 등을 고려하여 결정된다. 또한, 압전체 박막(111)의 음속이나 막 두께의 변동에 기인하는 압전 박막 공진자(R11∼R14)의 공진 주파수나 반공진 주파수의 변동을 억제하기 위해서, 상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)의 막 두께를 적절하게 조정하도록 하여도 좋다. 또한, 에너지 트랩의 정도를 제어하기 위해서 여진 영역(E11∼E14)의 막 두께를 비여진 영역(E1X)과 다르게 하여도 좋다.
상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)을 구성하는 도전 재료는 특별히 제한되지 않지만, 알루미늄(Al), 은(Ag), 동(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속으로부터 선택하는 것이 바람직하며, 안정성이 우수한 알루미늄을 선택하는 것이 특히 바람직하다. 물론, 상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)을 구성하는 도전 재료로서 합금을 이용하여도 좋다. 또한, 복수 종류의 도전 재료를 중첩 성막함으로써, 상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)을 형성하여도 좋다.
압전 박막 필터(1)에서는, 직사각형 형상을 갖는 4개의 상부 전극(1121∼ 1124)이 압전체 박막(111)의 상면에 형성되고, 직사각형 형상을 갖는 2개의 하부 전극(1131∼1132)이 압전체 박막(111)의 하면에 형성되어 있다. 4개의 상부 전극(1121∼1124)은 압전체 박막(111)의 상면 내에서 상하 대칭이면서 좌우 대칭이 되도록 세로 2행×가로 2열로 배치되고, 2개의 하부 전극(1131∼1132)은 압전체 박막(111)의 하면 내에서 상하 대칭이면서 좌우 대칭이 되도록 세로 2행×가로 1열로 배치된다.
상부 전극(1121∼1122)은 각각 여진 영역(E11∼E12)에 있어서, 압전체 박막(111)을 사이에 두고 하부 전극(1131)과 대향하고 있다. 또한, 상부 전극(1123∼1124)은 각각 여진 영역(E13∼E14)에 있어서, 압전체 박막(111)을 사이에 두고 하부 전극(1132)과 대향하고 있다. 이에 따라, 압전 박막 필터(1)에는 상부 전극(1121∼1122)을 일단으로 하고, 하부 전극(1131)을 공통의 타단으로 하는 2개의 압전 박막 공진자(R11∼R12)가 형성되며, 상부 전극(1123∼1124)을 일단으로 하고, 하부 전극(1132)을 공통의 타단으로 하는 2개의 압전 박막 공진자(R13∼R14)가 형성되어 있다. 이들 압전 박막 공진자(R11∼R14)에서 이용하는 진동 모드는 특별히 제한되지 않고, 벌크파의 두께 세로 진동(thickness extension vibration) 및 두께 미끄럼 진동(thickness shear vibration) 등으로부터 선택할 수 있다.
○ 캐비티 형성막;
캐비티 형성막(114)은 절연 재료를 성막함으로써 얻어진 절연체막이다. 캐비티 형성막(114)은 압전체 박막(111)의 비여진 영역(E1X)의 하면에 형성되고, 압전체 박막(111)의 여진 영역(E11∼E14)을 베이스 기판(13)으로부터 이격시키는 캐 비티(C11∼C14)를 형성하고 있다. 이러한 스페이서로서의 역할을 갖는 캐비티 형성막(114)에 의해 압전 박막 공진자(R11∼R14)의 진동이 베이스 기판(13)과 간섭하지 않게 되기 때문에, 압전 박막 필터(1)의 특성을 향상시킬 수 있다.
캐비티 형성막(114)을 구성하는 절연 재료는 특별히 제한되지 않지만, 이산화규소(SiO2) 등의 절연 재료로부터 선택하는 것이 바람직하다.
<1.1.2 접착층>
접착층(12)은 압전 박막 필터(1)의 제조 도중에 압전체 기판을 제거 가공할 때에, 하부 전극(1131∼1132) 및 캐비티 형성막(114)이 하면에 형성된 압전체 기판을 베이스 기판(13)에 접착 고정하는 역할을 갖고 있다. 이외에도, 접착층(12)은 압전 박막 필터(1)의 제조 후에, 하부 전극(1131∼1132) 및 캐비티 형성막(114)이 하면에 형성되고, 상부 전극(1121∼1124)이 상면에 형성된 압전체 박막(111)을 베이스 기판(13)에 접착 고정하는 역할도 갖고 있다. 따라서, 접착층(12)에는 압전체 기판을 제거 가공할 때에 가해지는 힘에 견딜 수 있는 것과, 압전 박막 필터(1)의 제조 후에도 접착력이 저하하지 않는 것이 요청된다.
이러한 요청을 만족시키는 접착층(12)의 바람직한 예로서는, 유기 접착제, 바람직하게는 충전 효과를 가지며, 접착 대상이 완전히 평탄하지는 않아도 충분한 접착력을 발휘하는 에폭시 접착제(열경화성 에폭시 수지) 및 아크릴 접착제(광경화와 열경화를 병용하는 아크릴 수지)에 의해 형성된 접착층(12)을 들 수 있다. 이러한 에폭시수지를 채용함으로써, 캐비티 형성막(114)과 베이스 기판(13) 사이에 기대하지 않는 공극이 생기는 것을 방지하고, 이 공극에 의해 압전체 기판의 제거 가공시에 크랙 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 단, 이것은 이 이외의 접착층(12)에 의해 필터부(11)와 베이스 기판(13)이 접착 고정되는 것을 방해하는 것은 아니다. 예컨대, 필터부(11)의 캐비티 형성막(114)과 베이스 기판(13)이 확산 접합층에 의해 접착 고정되도록 하여도 좋다.
<1.1.3 베이스 기판>
베이스 기판(13)은 압전 박막 필터(1)의 제조 도중에 압전체 기판을 제거 가공할 때에, 하부 전극(1131∼1132) 및 캐비티 형성막(114)이 하면에 형성된 압전체 기판을 접착층(12)을 매개로 하여 지지하는 지지체로서의 역할을 갖고 있다. 이외에도, 베이스 기판(13)은 하부 전극(1131∼1132) 및 캐비티 형성막(114)이 하면에 형성되고, 상부 전극(1121∼1124)이 상면에 형성된 압전체 박막(111)을 접착층(12)을 매개로 하여 지지하는 지지체로서의 역할도 갖고 있다. 따라서, 베이스 기판(13)에도 압전체 기판을 제거 가공할 때에 가해지는 힘에 견딜 수 있는 것과, 압전 박막 필터(1)의 제조 후에도 강도가 저하하지 않는 것이 요청된다.
베이스 기판(13)의 재료 및 두께는 이러한 요청을 만족시키도록 적절하게 선택할 수 있다. 단, 베이스 기판(13)의 재료를 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료와 가까운 열팽창율, 보다 바람직하게는 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료와 동일한 열팽창율을 갖는 재료, 예컨대 압전체 박막(111)을 구성하는 압전 재료와 동일한 재료로 하면, 압전 박막 필터(1)의 제조 도중에 열팽창율 차에 기인하는 휘어짐이나 파손을 억제할 수 있다. 또한, 압전 박막 필터(1)의 제조 후에 있 어서, 열팽창율 차에 기인하는 특성 변동이나 파손을 억제할 수 있다. 또한, 열팽창율에 이방성이 있는 재료를 이용하는 경우, 각 방향의 열팽창율이 모두 같아지도록 배려하는 것이 바람직하다.
<2 제2 실시 형태>
<2.1 압전 박막 필터의 구성>
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 압전 박막 필터(2)는 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 필터(1)와 유사한 구성을 갖고 있지만, 캐비티의 형성 방법이 압전 박막 필터(1)와 서로 다르다.
즉, 압전 박막 필터(2)에 포함되는 1개의 압전 박막 공진자(R31)에 주목하여 설명하면, 도 5의 단면 모식도에 도시된 바와 같이, 압전 박막 필터(2)는 상부 전극(1121), 압전체 박막(111), 하부 전극(1131), 접착층(12) 및 베이스 기판(13)에 해당하는 상부 전극(2121), 압전체 박막(211), 하부 전극(2131), 접착층(22) 및 베이스 기판(23)을 구비하고 있다. 또한, 압전 박막 필터(2)에서는, 압전체 박막(211)이 베이스 기판(23)과 평행하게 대향한 상태가 되도록 하기 위해서, 더미 전극이 되는 하부 전극(2135)이 압전체 박막(211)의 하면에 성막되어 있다.
그러나, 압전 박막 필터(2)는 캐비티 형성막(114)에 해당하는 구성을 갖고 있지 않으며, 그 대신에 압전 박막 필터(2)에서는, 압전체 박막(211)의 여진 영역(E21)에 대향하는 베이스 기판(23)의 소정 영역에 캐비티(C21)를 형성하는 함몰부(오목부)(S21)를 형성하고, 압전 박막 공진자(R21)의 진동이 베이스 기판(23)과 간섭하지 않도록 하고 있다.
압전 박막 필터(2)에서도, 압전체 박막(211)의 막 두께가 여진 영역(E21) 및 비여진 영역(E2X)에서 일정하게 되어 있다. 이 때문에, 압전 박막 필터(2)는 주파수 저하형의 에너지 트랩에 적합한 구조를 갖고 있다.
<3 제3 실시 형태>
<3.1 압전 박막 필터의 구성>
본 발명의 제3 실시 형태에 따른 압전 박막 필터(3)는 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 필터(1)와 유사한 구성을 갖고 있지만, 캐비티의 형성 방법이 압전 박막 필터(1)와 서로 다르다.
즉, 압전 박막 필터(3)에 포함되는 1개의 압전 박막 공진자(R31)에 주목하여 설명하면, 도 6의 단면 모식도에 도시된 바와 같이, 압전 박막 필터(3)는 상부 전극(1121), 압전체 박막(111), 하부 전극(1131), 접착층(12) 및 베이스 기판(13)에 해당하는 상부 전극(3121), 압전체 박막(311), 하부 전극(3131), 접착층(32) 및 베이스 기판(33)을 구비하고 있다.
그러나, 압전 박막 필터(3)는 캐비티 형성막(114)에 해당하는 구성을 갖고 있지 않으며, 그 대신에 압전 박막 필터(3)에서는, 압전체 박막(311)의 여진 영역(E31)의 하면에 캐비티(C31)를 형성하는 함몰부(오목부)(S31)를 형성하고, 압전 박막 공진자(R31)의 진동이 베이스 기판(33)과 간섭하지 않도록 하고 있다.
압전 박막 필터(3)에서는, 여진 영역(E31)의 막 두께가 비여진 영역(E3X)보다도 얇다. 이 때문에, 압전 박막 필터(3)는 주파수 상승형의 에너지 트랩에 적합한 구조를 갖고 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에 따른 실시예 1 내지 실시예 3과 본 발명의 범위 밖의 비교예 1에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 실시예 1에서는, 압전체 박막(111) 및 베이스 기판(13)을 구성하는 압전 재료로서 니오브산리튬의 단결정, 상부 전극(1121∼1124) 및 하부 전극(1131∼1132)을 구성하는 도전 재료로서 알루미늄, 캐비티 형성막(114)을 구성하는 절연 재료로서 이산화규소 및 접착층(12)을 구성하는 재료로서 에폭시 접착제를 이용하여 압전 박막 필터(1)를 제작하였다.
실시예 1의 압전 박막 필터(1)는 도 7의 단면 모식도에 도시된 바와 같이 제조 원가의 절감을 위해 다수의 압전 박막 필터(1)를 일체화한 집합체(U11)를 제작한 후에, 집합체(U11)를 다이싱 쏘(dicing saw)로 절단하여 각각의 압전 박막 필터(1)로 분리함으로써 얻어지고 있다. 또한, 도 7에는 3개의 압전 박막 필터(1)가 집합체(U11)에 포함되는 예가 도시되어 있는데, 집합체(U11)에 포함되는 압전 박막 필터(1)의 수는 4개 이상이어도 좋고, 전형적으로 말하면 집합체(U11)에는 수백 개∼수천 개의 압전 박막 필터(1)가 포함된다.
계속해서, 도 8 및 도 9를 참조하면서, 실시예 1의 압전 박막 필터(1)의 제조 방법을 설명한다. 이하에서는, 편의상 집합체(U11)에 포함되는 2개의 압전 박막 공진자(R11∼R12)에 주목하여 설명을 진행하지만, 집합체(U11)에 포함되는 다른 압전 박막 공진자도 압전 박막 공진자(R11∼R12)와 동시에 제조되고 있다.
도 8을 참조하면, 먼저 두께 0.5 ㎜, 직경 3인치의 니오브산리튬의 단결정의 원형 웨이퍼(36° 커트 Y판)를 압전체 기판(15) 및 베이스 기판(13)으로서 준비하였다.
그리고, 압전체 기판(15)의 한쪽 주요면의 전면(全面)에 두께 1000 Å의 알루미늄막을 스퍼터링에 의해 성막하고, 일반적인 포토리소그래피 프로세스를 이용하여 에칭에 의해 하부 전극(1131)의 패터닝을 행하였다[하부 전극 제작 공정].
계속해서, 압전체 기판(15)의, 하부 전극(1131)이 형성된 주요면의 전면에 두께 1 ㎛의 이산화규소막(114a)을 스퍼터링에 의해 성막하고[SiO2 성막 공정], 플르오르화수소산을 이용한 습식 에칭에 의해 압전체 박막(111)에 있어서 여진 영역(E11∼E12)이 되는 압전체 기판(15)의 소정 영역에 성막된 이산화규소막을 제거하였다. 이에 따라, 압전체 박막(111)에 있어서 비여진 영역(E1X)이 되는 압전체 기판(15)의 소정 영역에 캐비티(C11∼C12)를 형성하는 캐비티 형성막(114)이 형성되게 된다[캐비티 형성 공정].
하부 전극 제작 공정, SiO2 성막 공정 및 캐비티 형성 공정에서 제작된 부재(P11)를 뒤집어 도시한 도 9를 참조하면, 베이스 기판(13)의 한쪽 주요면의 전면에 접착층(12)이 되는 에폭시 접착제를 도포하고, 베이스 기판(13)의 에폭시 접착제가 도포된 주요면과, 부재(P11)의 캐비티막(114)을 접합시켰다. 그리고, 베이스 기판(13) 및 압전체 기판(15)에 압력을 인가하여 프레스 압착(壓着)을 행하고, 접착층(12)의 두께를 0.5 ㎛로 하였다. 그런 후에, 접합시킨 베이스 기판(13) 및 부재(P11)를 200℃의 환경 하에서 1시간 방치하여 에폭시 접착제를 경화시키고, 베이 스 기판(13)과 부재(P11)의 캐비티 형성막(114)을 접착하였다[접착 공정]. 이에 따라, 부재(P11)는 베이스 기판(13)에 접착되고, 압전체 박막(111)에 있어서 여진 영역(E11∼E12)이 되는 압전체 기판(15)의 소정 영역의 아래쪽에는 가로 50 ㎛×세로 100 ㎛의 직사각형 형상을 가지며, 깊이가 약 1 ㎛인 캐비티(C11∼C12)가 형성되었다.
베이스 기판(13)과 부재(P11)와의 접착 고정이 완료된 후, 부재(P11)를 베이스 기판(13)에 접착 고정한 상태를 유지한 채로 베이스 기판(13)의 다른 쪽 주요면을 탄화규소(SiC)로 제작한 연마 지그에 접착 고정하고, 압전체 기판(15)의 다른 쪽 주요면을 고정 지립의 연삭기로 연삭 가공하여 압전체 기판(15)의 두께를 50 ㎛까지 박육화하였다. 압전체 기판(15)의 다른 쪽 주요면을 다이아몬드 지립으로 연마 가공하여 압전체 기판(15)의 두께를 2 ㎛까지 더 박육화하였다. 마지막으로, 다이아몬드 지립에 의한 연마 가공으로 압전체 기판(15)에 생긴 가공 변질층을 제거하기 위해서, 유리 지립 및 부직포계 연마 패드를 사용하여 압전체 기판(15)의 마무리 연마를 행하여 두께가 1.00 ㎛±0.01 ㎛인 압전체 박막(111)을 얻었다[제거 가공 공정].
압전체 박막(111)의 연마면을 유기 용제로 더 세정하고, 연마면의 전면에 두께 1000 Å의 알루미늄막을 스퍼터링에 의해 성막하며, 일반적인 포토리소그래피 프로세스를 이용하여 에칭에 의해 상부 전극(1121∼1122)의 패터닝을 행하였다[상부 전극 제작 공정].
이와 같이 하여 얻어진 압전 박막 필터(1)에 있어서, 압전 박막 공진자(R11) 의 주파수 임피던스 특성을 측정하여 두께 세로 진동의 진동 응답을 평가한 결과, 공진 주파수 1.95 GHz, 반공진 주파수 2.10 GHz 및 기계적 품질 계수 980을 얻을 수 있었다. 또한, 1.90 GHz∼2.20 GHz의 범위 내에 있어서, 부(副)공진에 기인하는 스퓨리어스가 관찰되었다. 또한, 공진 주파수의 -20℃∼80℃에 있어서의 온도 특성을 주파수 온도 계수로 평가한 결과, 70 ppm/℃였다.
[실시예 2]
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 실시예 2에서는, Si02 성막 공정 및 캐비티 형성 공정을 실행하는 대신에, 압전체 박막(211)의 여진 영역(E21)에 대향하는 베이스 기판(23)의 소정 영역에, 캐비티(C21)를 형성하는 함몰부(S21)를 접착 공정에 앞서 형성한 점이 실시예 1과 다르다.
함몰부(S21)의 형성을 행하는 함몰부 형성 공정에 대해서 도 10의 단면 모식도를 참조하면서 설명하면, 우선 베이스 기판(23)의 한쪽 주요면의 전면에 두께 2 ㎛의 몰리브덴막을 스퍼터링에 의해 성막하며, 포토리소그래피 및 습식 에칭에 의해 함몰부(S21)를 형성해야 할 부분만 베이스 기판(23)을 노출시키고 나머지 부분을 피복하는 마스크 패턴(M21)을 형성하였다[마스크 패턴 형성 공정].
그런 후에, 60℃로 가열한 플루오르화수소산을 이용하여 베이스 기판(23)의 에칭을 행하고, 가로 50 ㎛×세로 100 ㎛의 직사각형 형상을 가지며, 깊이가 약 1 ㎛인 함몰부(S21)를 베이스 기판(23)에 형성하였다[에칭 공정].
이와 같이 하여 얻어진 압전 박막 필터(2)에 있어서, 압전 박막 공진자(R21) 의 주파수 임피던스 특성을 측정하여 두께 세로 진동의 진동 응답을 평가한 결과, 공진 주파수 1.95 GHz, 반공진 주파수 2.10 GHz 및 기계적 품질 계수 980을 얻을 수 있었다. 또한, 1.90 GHz∼2.20 GHz의 범위 내에 있어서, 부공진에 기인하는 스퓨리어스가 관찰되었다. 또한, 공진 주파수의 -20℃∼80℃에 있어서의 온도 특성을 주파수 온도 계수로 평가한 결과, 70 ppm/℃를 얻을 수 있었다.
[실시예 3]
본 발명의 제3 실시 형태에 따른 실시예 3에서는, SiO2 성막 공정 및 캐비티 형성 공정을 실행하는 대신에, 압전체 박막(311)에 있어서 여진 영역(E31)이 되는 압전체 기판(35)의 소정 영역에, 캐비티(C31)를 형성하는 함몰부(오목부)(S31)를 하부 전극 작성 공정에 앞서 형성한 점이 실시예 1과 다르다.
함몰부(S31)의 형성을 행하는 함몰부 형성 공정에 대해서 도 11의 단면 모식도를 참조하면서 설명하면, 우선 압전체 기판(35)의 한쪽 주요면의 전면에 두께 1 ㎛의 금막을 스퍼터링에 의해 성막하며, 포토리소그래피 및 습식 에칭에 의해 함몰부(S31)를 형성해야 할 부분만 압전체 기판(35)을 노출시키고 나머지 부분을 피복하는 마스크 패턴(M31)을 형성하였다[마스크 패턴 형성 공정].
그런 후에, 60℃로 가열한 플루오르화수소산을 이용하여 압전체 기판(35)의 에칭을 행하고, 가로 50 ㎛×세로 100 ㎛의 직사각형 형상을 가지며, 깊이가 약 1 ㎛인 함몰부(S31)를 압전체 기판(35)에 형성하였다[에칭 공정].
이와 같이 하여 얻어진 압전 박막 필터(3)에 있어서, 압전 박막 공진자(R31) 의 주파수 임피던스 특성을 측정하여 두께 세로 진동의 진동 응답을 평가한 결과, 공진 주파수 1.95 GHz, 반공진 주파수 2.15 GHz 및 기계적 품질 계수 980을 얻을 수 있었다. 또한, 1.90 GHz∼2.20 GHz의 범위 내에 있어서, 부공진에 기인하는 스퓨리어스는 관찰되지 않았다.
[비교예 1]
비교예 1에서는, 도 12에 도시된 단면 구조를 갖는 압전 박막 필터를 제작하였다. 이 압전 박막 필터의 제작에 있어서는, 우선 두께 0.5 ㎜의 실리콘(Si) 단결정(111면)의 3인치 웨이퍼를 베이스 기판(91)으로 하여, 베이스 기판(91)의 한쪽 주요면의 전면에 두께 1 ㎛의 질화규소막을 스퍼터링에 의해 성막하였다. 다음에, 질화규소막 상에 두께 1000 Å의 알루미늄막을 스퍼터링에 의해 성막하고, 일반적인 포토리소그래피 프로세스를 이용하여 에칭에 의해 하부 전극(93)의 패터닝을 행하였다.
계속해서, 하부 전극(93) 위에 두께 1 ㎛의 니오브산리튬막을 스퍼터링에 의해 성막하고, c축 배향의 다결정 압전체 박막(94)을 얻었다.
계속해서, 압전체 박막(94) 위에 두께 1000 Å의 알루미늄막을 스퍼터링에 의해 더 성막하고, 일반적인 포토리소그래피 프로세스를 이용하여 에칭에 의해 하부 전극(95)의 패터닝을 행하였다.
한편, 베이스 기판(91)의 다른 쪽 주요면에 크롬막을 스퍼터링에 의해 성막하고, 포토리소그래피 및 습식 에칭에 의해 캐비티(C91)를 형성해야 할 부분만 베이스 기판(91)을 노출시키고 나머지 부분을 피복하는 마스크 패턴을 형성하였다.
그런 후에, 60℃로 가열한 플루오르화수소산을 이용하여 베이스 기판(91)의 에칭을 행하고, 가로 50 ㎛×세로 100 ㎛의 직사각형 형상을 갖는 캐비티(C91)를 베이스 기판(91)에 형성하였다.
이와 같이 하여 얻어진 압전 박막 필터에 있어서, 압전 박막 공진자의 주파수 임피던스 특성을 측정하여 두께 세로 진동의 진동 응답을 평가한 결과, 공진 주파수 1.95 GHz, 반공진 주파수 2.00 GHz 및 기계적 품질 계수 240을 얻을 수 있었다.
전술한 설명으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 공진 주파수와 반공진 주파수의 차가 비교예 1의 50 MHz에서 150 MHz∼200 MHz로 대폭 상승하고 있어, 전기 기계 결합 계수의 대폭적인 상승을 실현할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 기계적 품질 계수가 비교예 1의 240에서 980으로 대폭 상승하고 있다. 특히, 실시예 3에서는, 에너지 트랩에 의해 부공진에 기인하는 스퓨리어스를 억제하는 것에 성공하였다.
청구항 1 내지 청구항 3의 발명에 따르면, 압전체 박막의 품질을 향상시킬 수 있기 때문에, 압전 박막 디바이스의 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (3)
- 단수 또는 복수의 압전 박막 공진자를 포함하는 압전 박막 디바이스로서,단결정의 압전체 박막; 및상기 압전체 박막을 포함하는 소정의 부재를 지지하는 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 압전체 박막은 입계(粒界)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 압전 박막 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전체 박막을 구성하는 단결정은 수정, 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 사붕산리튬, 산화아연, 니오브산칼륨 및 랑가사이트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 압전 박막 디바이스.
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