KR20080029862A - Ｈｂａｒ 발진기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HBAR(high tone bulk acoustic resonator) 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터를 포함하는 발진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

ＨＢＡＲ 발진기 및 그 제조 방법{HBAR OSCILLATOR AND METHOD OF MANUFACTURE}
본 발명은 HBAR(high tone bulk acoustic resonator) 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터를 포함하는 발진기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
여러 전자 응용 분야에서, 전기적 공진기가 필요하다. 예를 들면, 많은 무선 통신 장치에서, 무선 주파수(RF) 및 마이크로파 주파수 공진기는 전압 제어형 발진기(voltage controlled oscillators : VCO)로서 사용된다. 알려진 바와 같이, VCO는 이동 전화기 등과 같은 무선 송수신기에서 사용되는 위상 고정 루프(phase locked loops : PLL) 및 주파수 합성기의 부품이다.
한 가지 타입의 공진기로는 HBAR(high tone bulk acoustic resonator)가 있다. HBAR은 지지 기판 위에 배치된 압전 변환기를 포함한다. 일반적으로, 압전 변환기는 금속 전극층 사이에 배치된 압전층을 포함한다. HBAR의 기판은 변환기의 압전층의 두께보다 상당히 큰 두께를 갖는다. 결과적으로, HBAR은 기판의 두께에 의해 결정되는 간격을 가지고 동일하게 분리된 다수의 공진을 나타낸다.
HBAR 내에서 공진의 품질(Q) 인자는 사이클 당 손실된 에너지에 대한 저장된 에너지(종파형 정상파(longitudinal standing wave))의 비율에 비례한다. HBAR의 지지 기판의 두께가 변환기의 압전층 및 금속층의 두께보다 더 크기 때문에, HBAR의 대부분의 음향 에너지는 기판 내에 저장된다. 따라서, HBAR의 Q-인자는 기판 내의 음향 손실(예를 들면, 감쇄 등)에 지배된다.
상기 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, HBAR의 기판으로서 비교적 낮은 음향 손실을 갖는 재료를 포함하는 것이 유리할 것이다. 불행하게도, 낮은 음향 손실을 나타내는 대부분의 재료는 때때로 대규모 부품 또는 회로 제조에서 처리하기가 어려울 수 있다. 더욱이, 기판용으로 선택된 재료에 무관하게, 소정의 공정 단계는 제조 동안에 HBAR 장치 및 그 부품에 해로운 영향을 줄 수 있다. 추가하여, 기판 내의 음향 감쇄 이외의 다른 인자도 HBAR의 Q-인자에 악영향을 줄 수 있다.
그러므로, 적어도 상술된 단점을 해결하는 발진기 및 그 제조 방법이 필요하다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 발진기의 제조 방법은 기판을 제공하는 단계와, 기판의 일부분을 포함하는 HBAR(high tone bulk acoustic resonator)을 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 기판 위에 FBAR(film bulk acoustic resonator)을 제조하는 단계와, 기판의 일부분을 제거하여 원하는 기판 두께를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 발진기는 기판과, 기판의 일부분을 포함하는 HBAR(high tone bulk acoustic resonator)과, 기판 위에 배치되고 복수의 FBAR 장치를 포함하는 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터를 포함한다. 대표적인 실시예에서, 발진기는 또한 기판 내에 배치된 복수의 음향 차단기를 포함하고, 여기에서 차단기 중 하나는 각각의 FBAR 장치 아래에 배치된다.
예시적인 실시예는 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 판독할 때 가장 잘 이해될 것이다. 여러 특징부는 반드시 실제 축적대로 도시되지는 않았다는 것을 알리고자 한다. 사실상, 설명의 명확성을 위해서 그 크기를 임의적으로 확대 또는 축소할 수 있다. 적용 가능한 경우라면, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요 소를 지칭한다.
본 발명에 따르면, 음향 손실을 낮춰서 HBAR의 Q-인자를 향상시키는 발진기 및 그 제조 방법이 제공되어 있다.
이하의 상세한 설명에서, 한정하기 위한 것이 아닌 예시를 목적으로 본 발명에 따른 예시적인 실시예에 대한 온전한 이해를 제공하기 위해 특정한 세부 사항이 제시되어 있다. 그러나, 당업자라면 본 명세서에 개시된 특정 세부 사항과는 별개의 본 발명에 따른 다른 실시예도 첨부된 청구항의 범주 내에 속한다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 당업자들에게 알려진 장비, 장치, 재료 및 방법에 관한 설명은 예시적인 실시예의 설명을 불명확하게 하지 않도록 생략할 수 있다. 이러한 장비, 장치, 방법 및 재료는 본 발명의 범주 내에 명확히 속한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 발진기(100)를 도시하는 단순화된 블록도이다. 발진기(100)는 다양한 적용 분야 중 한 분야에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 발진기(100)는 위상 고정 루프(phase-locked loops : PLL) 및 주파수 합성기 등과 같은 통신 장치의 여러 부품에서 널리 사용되는 전압 제어형 발진기(VCO)에서 사용될 수 있다. 물론, 이것은 예시에 불과하고 당업자의 관점 내에서 다른 분야도 고려할 수 있을 것이다. 추가하여, 대표적인 실시예에 따른 발진기는 무선 통 신용의 특정 주파수(예를 들면, GHz의 작동 주파수)에서 작동할 수 있는 한편, 이 특정 주파수는 본 발명의 범주를 어떠한 방식으로도 한정하지 않는다.
발진기(100)는 FBAR 필터(102)에 대한 출력을 갖는 HBAR(101)을 포함한다. 본 명세서에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, HBAR(101)은 지지 기판 및 그 위에 배치된 압전 변환기를 포함한다. HBAR(101)의 출력은 복수의 고조파(harmonics)를 포함한다. 필터(102)는 원하는 발진기 작동 주파수에서 고조파를 통과시키거나 골라낼 수 있다.
FBAR 필터(102)는 복수의 FBAR을 포함한다. 도시된 대표적인 실시예에서, FBAR 필터(102)는 일련의 FBAR(103, 104), 션트(shunt) FBAR(105) 및 동조(tuning) FBAR(106)을 구비한 사다리형(ladder) 필터이다. 특정 실시예에서, FBAR 필터(102)는 단일 스테이지의 FBAR 필터일 수 있으나, 다른 실시예에서 FBAR 필터(102)는 다중 스테이지의 FBAR 필터일 수 있다. FBAR 기반의 필터 형상은 당업자들에게 알려져 있으므로, 대표적인 실시예의 설명을 불명확하게 하지 않도록 전반적으로 그 세부 사항을 생략하였다. 예를 들면, 발진기(100)에 대한 추가적인 세부 사항은 Wei Pang 등에 의한 "High-Tone Bulk Acoustic Resonator Integrated with Surface Micromachined FBAR Filter on a Single Substrate"라는 제목의 논문(Transducers '05, IEEE International Conference on Solid-State Sensors and Actuators(Seoul, Korea), June 5-9, 2005, vol.2, pp.2057-2060)에서 확인할 수 있다. 이 논문에 대한 내용은 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되어 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 발진기(200)를 도시하는 단면도이다. 발진 기(200)는 상술된 발진기(100)와 같이 사용될 수 있다. 발진기(200)는 기판(201) 및 캡 기판(202)을 포함한다. 본 명세서에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 기판(201)은 허용 가능한 음향 감쇄(attenuation)를 제공하고, 처리에 적합한 것으로 선택된다.
캡 기판(202)은 가스켓(gasket)(203)에 의해 기판(201)에 부착된다. 통칭적으로, 캡 기판(202) 및 가스켓(203)은 마이크로캡 구조물(microcap structure), 또는 단순히 마이크로캡으로 지칭될 수 있다. 마이크로캡 구조물에 대한 추가적인 세부 사항은 Ruby 등에 의한 미국 특허 번호 제 6,265,246 호, 제 6,376,280 호, 제 6,777,267 호와, Gan 등에 의한 미국 특허 번호 제 6,777,263 호에서 확인될 수 있다. 참조된 특허는 본 양수인에게 허가되었고, 본 명세서에 명시적으로 참조 문서로 인용되었다. 이하의 본 명세서로부터 더 명확해지는 바와 같이, 마이크로캡 구조물의 캡 기판(202) 및 가스켓(203)은 결합하여 발진기(200)의 부품에 대해 기밀성(hermeticity) 및 기계적 견고성을 제공한다.
특정 실시예에서, 캡 기판(202)은 하나 이상의 다양한 기능을 제공하는 전자 부품 또는 집적 회로를 포함하거나 둘 다를 포함할 수 있다. 예를 들면, 캡 기판(202)은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 회로를 구비한 반도체(예를 들면, 실리콘) 기판일 수 있다. 예시적으로, 언급된 회로 및 부품은 발진기(200)를 지지하거나, 발진기(200)와 결합되어 VCO 또는 PLL 등과 같은 부품을 제공할 수 있다.
HBAR(204)은 기판(201)의 일부분에 의해 제공되는 지지 기판과, 상부 전 극(205), 바닥 전극(206) 및 압전층(207)을 포함하는 3중층을 포함한다. 전극(205, 206)은 예시적으로 몰리브덴(Mo) 또는 다른 적합한 전극 재료일 수 있고, 압전층(207)은 예시적으로 AlN 또는 ZnO일 수 있다.
본 명세서에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 기판(201)은 적절한 Q-인자를 제공하고, 원하는 기본 음향 모드, 즉 고조파 모드 간격(harmonic mode spacing)을 제공하기 위해 선택된 두께 'Ds'를 갖는다. 기판(201)을 위한 대표적인 재료는 단결정 실리콘, 결정질 석영, 용융(fused) 실리카 및 사파이어를 포함한다. HBAR 장치에 관한 특정 세부 사항은 Wei Pang 등에 의한 "High-Tone Bulk Acoustic Resonators on Sapphire, Crystal Quartz, Fused Silica and Silicon Substrates"라는 제목의 논문(Journal of Applied Physics 99, 124911(June 2006))에서 확인할 수 있고, 그 내용은 명확히 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되어 있다.
HBAR(204)은 도시된 바와 같이 금속화물(208)에 의해 FBAR(209)에 접속되어 있다. 오로지 하나의 FBAR(209)만이 본 도면에 도시되어 있으나, 기판(201) 위에 배치되고, 서로 접속되어 도 1의 FBAR 필터(102) 등과 같은 FBAR 필터를 형성하는 복수의 FBAR이 존재할 수 있다. FBAR(209)은 상부 전극(210), 바닥 전극(211) 및 압전층(212)을 포함한다. 또한, 선택적 질량 하중층(mass loading layer)(213)이 상부 전극(210) 위에 제공된다. 상부 전극(210)의 질량 하중은 본 양수인에게 허가된 Ruby 등에 의한 미국 특허 번호 제 6,617,249 호에 개시되어 있다. 전극(210, 211)은 몰리브덴(Mo) 또는 다른 적합한 전극 재료일 수 있고, 압전층(212) 은 예시적으로 AlN 또는 ZnO일 수 있다.
바닥 전극(211)은 기판(201) 내에 형성된 캐비티(214) 위에 배치되고, 캐비티(214) 위에 부분적으로 또는 전체적으로 확장될 수 있다. 알려진 바와 같이, 캐비티(214)는 FBAR(209)에 대한 음향 차단을 제공하고, 그에 따라 음향 손실을 감소시켜 FBAR(209)의 Q-인자를 증가시킨다. 캐비티(214) 및 그 제조에 관한 추가 사항은 본 양수인에게 허가된 Ruby에 의한 "Cavity Spanning Bottom Electrode of Substrate Mounted Bulk Wave Acoustic Resonator"라는 제목의 미국 특허 번호 제 6,384,697 호에서 확인할 수 있다. 이 특허의 내용은 명시적으로 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되어 있다.
이와 다르게, 브래그 미러(Bragg mirrors)(도시하지 않음) 등과 같은 음향 미러를 기판(201) 내부 및 FBAR(209) 하단에 제공하여 음향 차단을 제공함으로써 SMR(solid-mounted resonator)가 되게 할 수 있다. 음향 미러 및 그 제조 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 예를 들면, Larson 등에 의한 공동 양도된 미국 특허 공개 번호 제 20050110597 호는 음향 미러에 관해 개시한다. 이 공개 특허의 내용은 명시적으로 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되어 있다.
HBAR(204)은 또한 Q-인자를 향상하기 위해 프레임 구조물(215)을 포함할 수 있다. 프레임 구조물(215)은 Q-인자에 악영향을 주는 의사(측방향) 모드를 감소하는 데 유용하다. 일반적으로, 프레임 구조물(215)은 상부 전극(205)과 바닥 전극(206)의 중첩 영역으로 정의되는 활성 영역의 주변에 대응하는 고리 형태이다. 도 2에 도시된 프레임 구조물(215)은 돌출형 프레임 구조물이지만, 대표적인 실시 예에서, 프레임 구조물은 돌출형 프레임 구조물 또는 오목형 프레임 구조물일 수 있다.
돌출형 또는 오목형 프레임 구조물의 선택은 다양한 인자 및 원하는 결과에 의존한다. 대표적인 실시예에서, 일반적으로 HBAR(204)의 Q-인자를 향상하도록 돌출형 또는 오목형 프레임 구조물을 선택할 수 있다. 더욱이, 원하는 Q-원형(circle)의 선택된 부분 내의 Q-인자의 측면을 향상하도록 돌출형 또는 오목형 프레임 구조물을 선택할 수 있다. 프레임 구조물의 추가 세부 사항, 그 제조 및 그 사용 방법은 Kaitila 등에 의한 미국 특허 번호 제 6,812,619 호 및 Feng 등에 의한 공동 양도된 미국 특허 출원 번호 제 10/990,201 호 및 제 10/867,540 호에서 확인할 수 있다. 이 특허 및 특허 출원의 내용은 본 명세서에 명시적으로 참조 문헌으로 인용되어 있다.
또한, HBAR(204)은 하나 이상의 온도 보정 소자(216)를 포함할 수 있다. 이 소자는 온도 범위에 걸쳐 HBAR(204)의 주파수 응답을 실질적으로 유지하는 데 유용하다. 예시적인 실시예에서, 온도 보정 소자(216)는 붕소로 도핑된 실리콘 산화물층을 포함할 수 있다. 이 재료는 대략 +400.0ppm/℃의 주파수의 온도 계수(temperature coefficient of frequency : TCF)를 갖고, 각각 -30.0ppm/℃ 및 -30.0ppm/℃의 TCF를 갖는 AlN 압전층 및 실리콘 기판에 대한 온도의 영향을 보정하는 데 유용하다. 붕소 도핑형 산화물의 사용은 단지 예시에 불과하고 다른 온도 보정 재료의 사용도 고려할 수 있다는 것을 강조하고자 한다. 온도 보정층에 대한 추가 세부 사항은 John D.Larson, III에 의한 공동 양도된 미국 특허 출원 번호 제 10/977,398 호에 개시되어 있다. 이 출원의 내용은 명시적으로 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되어 있다.
발진기(200)는 기판(201)의 하단 및 적어도 HBAR(204)의 하단에 배치된 보호 구조물(217)을 포함할 수 있다. 대표적인 실시예에서, 보호 구조물(217)은 미국 메사츄세츠주의 뉴톤에 소재한 마이크로켐 코포레이션(MicroChem Corporation)에서 상업적으로 입수 가능하고 상품명 SU8로 판매되는 재료, BCB(benzocyclobutene), 폴리이미드 또는 다른 적합한 재료 등과 같이 상업적으로 입수 가능한 재료로 이루어진다. 재료 SU-8은 미국 특허 번호 제 4,882,245 호에 개시되어 있고, 그 내용은 명시적으로 본 명세서에 인용되어 있다.
보호 구조물(217)은 공기 또는 HBAR(204)의 음향 특성에 영향을 주지 않는 다른 재료를 포함하는 오목부(218)(또는 공극)를 포함한다. 유리하게는, 보호 구조물(217)은 부스러기, 습기 및 다른 물질이 기판(201)의 하부 표면 상에 집중되는 것을 방지한다. 기판 상에 이러한 물질이 집중되는 것은 HBAR(204)의 주파수 응답에서 시프트(shift) 및 다른 해로운 효과를 유발할 수 있기 때문이라는 것을 이해할 것이다.
발진기(200)의 부품에 대한 전기적 접속부는 기판(201) 내의 도금형 비아(219)를 통해 이루어질 수 있다. 비아(219)는 도금되거나 금 등과 같은 도전체로 충분히 충진될 수 있다. 이러한 비아(219)는 배선 접합(도시하지 않음) 및 유사한 접속부를 위해 적절한 표면을 제공하므로 유용하다.
대표적인 실시예에서, 기판 두께(Ds)는 실질적으로 압전층(207)의 두께보다 상당히 크다. 예를 들면, 기판(201)은 대략 10.0㎛ 내지 대략 50.0㎛ 범위의 두께를 가질 수 있고, 압전 재료는 대략 1.0㎛ 내지 2.0㎛의 두께를 가질 수 있다. 전자기 결합 계수(electromechanical coupling coefficient)(kt 2)가 특정 부피 내의 음향 에너지에 대한 특정 부피 내의 전기 에너지 밀도의 비율에 비례하기 때문에, HBAR(204)를 위해 비교적 두꺼운 지지 기판을 제공하는 것에 의해 결합 계수는 상당히 저하될 수 있다. 더욱이, kt 2Q의 곱이 거의 일정하다. 따라서, kt 2를 저하시킴으로써 Q를 향상시킬 수 있다.
언급된 근사치는 Q 인자를 저하시키는 복원되지 않은 음향 에너지에 기인하여 기판(201) 내의 에너지 손실에 의해 영향을 받을 수 있다는 것을 강조하고자 한다. 예를 들어, 기판 두께(Ds)가 너무 크면, 결합 계수인 kt 2는 허용될 수 없을 정도로 작아지고 기판(201) 내의 음향 손실도 허용될 수 없을 정도로 커진다. 따라서, 본 발명의 내용에 따르면 기판 두께(Ds)는 HBAR(204) 내에 향상된 Q-인자를 제공하기 위해서, 결합 계수인 kt 2를 적절히 저하시키고, 그 내부에 허용 가능한 음향 손실을 제공하도록 선택된다. 이를 위하여, 예시적인 실시예에서는, 상술된 범위 내의 두께(Ds)를 갖는 기판을 위해 단결정의 실리콘을 이용하면, HBAR(204)의 Q-인 자는 대략 5,000 내지 대략 10,000의 범위 내에 존재한다.
기판 두께(Ds)는 또한 원하는 기본 모드 및 그에 따른 모드 간격을 제공하도록 선택된다. HBAR(204)의 N차 모드의 공진 주파수는 다음 수식으로 주어진다고 할 수 있다.
Figure 112007069728250-PAT00001
여기에서 N은 모드 번호이고, Dp는 압전층(207)의 두께이고, Vp는 압전층(207) 내에서의 음속이고, Ds는 기판(201)의 두께이고, Vs는 기판(201) 내에서의 음속이다.
상술된 내용으로부터, 기판의 두께(Ds)가 커질수록 기본 음향 모드의 주파수가 더 낮아지고, HBAR(204)에 의해 지원되는 모드의 개수가 더 많아진다는 것을 이해할 것이다. 이는 곧 지원되는 모드의 개수가 많아질수록, 음향 손실이 더 높아진다는 것을 의미하고, 이것을 바람직하지 않다. 그러나, 기판이 얇아질수록, 기본 모드의 주파수가 더 높아지고 모드 사이의 간격이 더 작아진다. 이로 인해, 필터링을 통해 원하는 모드를 선택하는 것은 더 어려운 일이 된다. 따라서, 두께(Ds)는 HBAR 내에서 지원되는 모드의 개수를 감소시키고, 원하는 기본 주파수 및 모드간 간격을 제공하도록 선택된다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 HBAR의 입력 반사 계수(input reflection coefficient)(S11)를 주파수에 대해 도시하는 그래프이다. 선택된 주파수 범위는 여러 무선 통신 시스템 및 장치에서 관심 대상이 되고 있다. 대표적인 실시예에서, HBAR(204)은 대략 20㎛의 두께를 갖는 단결정 실리콘 기판과, 대략 1.0㎛의 두께를 갖는 AlN 압전층을 포함한다. 이것은 대략 250MHz의 주파수를 갖는 기본 음향 모드를 제공하고, 그에 따라 대략 250MHz의 모드간 간격을 제공한다.
본 발명의 요지에 따르면, 선택된 시스템/장치 내에서 작동을 위해 원하는 주파수를 갖는 원하는 모드는 비교적 큰 통과 대역(passband)을 갖는 필터(예를 들면, FBAR 필터(102))를 통해 통과할 수 있다. 유용한 점은, 필터 필요 조건은 다른 알려진 발진기에서 필요로 하는 것만큼 엄격하지는 않다는 것이다. 이 때문에, 특정 실시예에서 필터의 대역폭은 HBAR 기판의 두께에 의해 결정된 모드간 간격의 대략 1/2(또는 그 미만)일 수 있다. 본 발명의 대표적인 실시예에서, 기판은 대략 20㎛의 두께를 갖는데, 이것은 대략 250MHz의 모드간 간격을 제공하고, 필터의 대역폭은 대략 125MHz(또는 그 미만)이 되게 한다. 더욱이, 특정 실시예에 따른 필터는 대략 3dB 이하에 대한 삽입 손실(insertion loss) 및 대략 25dB 이상에 대한 거부를 제공할 수 있어 유용하다. 당업자라면 이해할 수 있듯이, 이러한 특징은 저전력 소모용 발진기 설계를 크게 활성화시킨다.
도 4a 내지 도 4f는 대표적인 실시예에 따른 HBAR 및 FBAR 필터를 포함한 발진기를 제조하는 방법을 도시하는 단면도이다. 일반적으로, 도 4a 내지 도 4f의 제조 순서에서 이용된 방법은 당업자에게 알려져 있다. 여러 이러한 방법은 참조된 특허, 특허 출원 및 논문에 개시되어 있다. 그 때문에 사용된 방법의 여러 세부 사항에 관해서는 생략한다.
도 4a에서, 기판(401)이 제공된다. 본 실시예에서, 기판(401)은 단결정 실리콘이지만, 상술된 재료 중 하나가 될 수 있다. 오목부(recess)(402)는 알려진 건식 또는 습식 에칭 기법을 이용하여 기판(401) 내부로 그 깊이가 대략 3.0㎛가 되도록 에칭된다. 예를 들면, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching : RIE) 단계를 이용하여 오목부(402)를 제공할 수 있다. 이것은 알려진 보쉬(Bosch) 공정에 의한 것 등과 같은 DRIE(deep RIE)일 수 있다. 다음에 희생층(403)을 오목부 내에 제공한다. 희생층(403)은 당업자에 알려진 다양한 재료 중 하나일 수 있다. 대표적인 실시예에서, 희생층(403)은 PSG(phosphor-silica-glass)이다. 희생층(403)은 증착된 후 폴리싱되어 후속 처리에 적합한 표면을 제공한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 바닥 전극(206, 211)은 알려진 기법에 의해 증착된다. 도 4c는 각각 HBAR(204) 및 FBAR(209)에 압전층(207, 212)의 증착을 도시한다. 이 단계에서, 선택적 온도 보정 소자(216)가 증착될 수 있다.
도 4d는 상부 전극(205, 210) 및 금속화물(208)의 증착을 도시한다. 도 4e는 선택적 질량 하중층(213) 및 선택적(돌출형) 프레임 구조물(215)의 형성을 도시한다. 예시적으로, 질량 하중층(213) 및 프레임 구조물은 참조된 특허 출원 번호 제 10/990,201 호 및 제 10/867,540 호와 특허 번호 제 6,617,249 호에 개시된 재료로 이루어지고 그러한 방법으로 제조될 수 있다. 더욱이, 오목형 프레임 구조물(215)의 형성은 Kaitila 등에 의한 참조된 특허에 개시된 방법에 의해 실행될 수 있다.
마지막으로, 도 4f는 오목부(402)로부터 희생층(403)을 제거하여 캐비 티(214)를 제공하는 것을 도시한다. 층(403)은 제거되어 릴리즈 홀(release hole)을 제공하고, 미국 특허 번호 제 6,384,697 호에 개시된 습식 에칭 용액으로 에칭될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예에 따른 발진기를 제조하는 방법을 도시하는 단면도이다. 이해할 수 있듯이, 개시된 방법은 도 4a에서 시작되는 발진기 구조물을 완성한다.
도 5a는 기판(201)과 캡 기판(202) 사이에 가스켓(gasket)(203)을 이용하여 기판(201) 위에 캡 기판(202)을 제공함으로써 마이크로캡 구조물을 형성하는 것을 도시한다. 캡 기판 및 가스켓을 포함하는 마이크로캡 구조물을 제조하는 방법에 관한 세부 사항은 상술된 Ruby 등에 의한 특허 번호 제 6,265,246 호, 제 6,376,280 호, 제 6,777,267 호와, Gan 등에 의한 미국 특허 번호 제 6,777,263 호에서 확인할 수 있다.
마이크로캡 구조물이 기판(401) 위에 배치된 후, 기판(401) 위에 배치된 구성 요소는 실질적으로 기밀하게 밀봉된다. 따라서, HBAR(204), FBAR(209) 및 다른 부품은 본 명세서에 개시된 후속 공정으로부터 보호된다. 더욱이, 마이크로캡 구조물은 후속 제조 공정 및 처리 동안에 발진기에 대한 기계적 지지대를 제공한다.
도 5b는 기판(401)을 연마(grinding)하고 폴리싱하는 것에 의해 형성된 두께(Ds)의 기판(201)을 도시한다. 기판(401)을 박형화(thinning)하는 첫 번째 단계는 다이아몬드 그라인더 또는 유사한 장치를 이용하는 조립 연마 단계(coarse grinding step)를 포함한다. 조립 연마 단계가 완료된 후, 폴리싱 단계를 실행하여 기판(201)에 허용 가능할 정도로 매끈한 하부 표면을 제공한다. 폴리싱 단계는 화학 기계적 폴리싱(CMP) 등과 같은 알려진 방법에 의해 실행될 수 있다. 이 단계는 조립 연마 단계에 의해 유발된 표면 결함을 감소시키는 데 유용하다. 따라서, 폴리싱 단계는 이러한 표면 결함으로부터 유발될 수 있는 기판 내의 음향파의 음향 에너지 손실을 감소한다. 유용한 점은, 이것이 이러한 손실에 기인한 HBAR의 Q-인자의 저하를 방지한다는 것이다.
상술된 바와 같이, 기판(201)은 실리콘일 수 있고, 대표적인 실시예에서 대략 10.0㎛ 내지 대략 50.0㎛의 두께(Ds)를 갖는다. 기판의 최종 두께가 대략 20.0㎛인 일실시예에서, 조립 연마 단계를 이용하여 대략 21㎛ 내지 대략 22㎛의 두께로 기판(401)을 제거할 수 있다. 그 후, CMP에 의한 미립 폴리싱 단계(fine polish step)를 이용하여 기판의 마지막 1㎛ 내지 2㎛를 제거하고, 기판(201)에 허용 가능하게 매끈한 하부 표면을 제공한다. 대표적인 실시예에 따르면, CMP는 대략 0.5㎚ 내지 대략 1.0㎚만큼 낮은 표면 거칠기를 제공한다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 기판(201)이 그 원하는 두께로 형성된 후, 비아(501)가 에칭된다. 이러한 비아(501)는 DRIE 등과 같은 건식 에칭 기법 또는 다른 알려진 미세 가공 기법을 이용하여 에칭될 수 있다. 비아(501)를 에칭한 후, 그 내부에 적절한 재료를 도금하여 도 5d에 도시된 바와 같은 도금된 비아(219)를 형성한다. 특히, 도금된 비아(219)는 발진기(200)를 다른 회로(도시하지 않음)에 접속하는 배선 접합부(도시하지 않음)에 접속할 수 있게 한다.
비아(219)를 제조한 후, 보호 구조물(217)을 기판(201)의 하부 표면 및 적어도 HBAR(204) 위에 제공한다. 보호 구조물을 형성하면, 발진기(200)는 실질적으로 완성된다.
보호 구조물(217)은 재료(예를 들면, SU-8)층을 희생 기판(도시하지 않음) 위에 제공하는 알려진 방법에 의해 형성될 수 있다. 다음에 희생 기판을 선택적으로 에칭하여 보호 구조물(217)을 제공한다. 다음에 보호 구조물(217)을 기판에 부착할 수 있다.
다른 실시예에서, 보호 구조물은 기판(201)의 하부 표면 위에 제공되어, 그곳에 부착된 전사 기판(도시하지 않음) 위에 제조될 수 있다. 전사 기판을 이용한 보호 구조물(217)의 형성은 "PROTECTIVE STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING PROTECTIVE STRUCTURES OVER WAFERS"라는 제목의 Frank Geefay에 의해 공동 허가된 미국 특허 출원 번호(아바고의 대리인 서류 제출 번호 제 10060034-01 호)의 요지에 따라 실행될 수 있다. 이 출원은 동시 출원으로 출원되었고, 이 출원의 개시 내용은 명시적으로 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되었다.
예시적인 실시예와 관련하여, 발진기 및 발진기 제조 방법이 개시되어 있다. 당업자라면 본 발명의 요지에 따라서 여러 변형이 이루어질 수 있고, 첨부된 청구항의 범주 내에 속한다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서의 상세한 설명, 도면 및 청구항을 검토한 후라면 당업자는 이러한 변형 및 다른 변형이 명확해질 것이다. 그러므로 본 발명은 첨부된 청구항의 정신 및 범주를 제외하고는 어떤 것으로도 한 정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 발진기를 도시하는 단순화된 블록도.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 HBAR 공진기 및 FBAR 장치를 포함하는 발진기를 도시하는 단면도.
도 3은 예시적인 실시예에 따라서 주파수에 대한 HBAR의 입력 반사 계수(S11)의 그래프를 도시하는 도면.
도 4a 내지 도 4f는 예시적인 실시예에 따른 발진기의 제조 방법을 도시하는 단면도.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예에 따른 발진기의 제조 방법을 도시하는 단면도.

Claims (20)

  1. 발진기를 제조하는 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판의 일부분을 포함하는 HBAR(high tone bulk acoustic resonator)를 제조하는 단계와,
    상기 기판 위에 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터를 제조하는 단계와,
    원하는 기판 두께를 제공하기 위해 상기 기판의 일부분을 제거하는 단계
    를 포함하는 발진기 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거 단계는
    상기 기판을 제 1 두께로 연마(grinding)하는 단계와,
    상기 기판을 원하는 두께로 폴리싱(polishing)하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 HBAR의 제조 단계는 상기 HBAR의 활성 영역 위에 돌출형 프레임 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 HBAR의 제조 단계는 상기 HBAR의 활성 영역 위에 오목형 프레임 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 FBAR 필터의 제조 단계는
    상기 기판 내에 복수의 캐비티(cavities)를 제조하는 단계와,
    각각의 상기 캐비티 위에 FBAR 구조물을 제조하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 FBAR 필터의 제조 단계는
    상기 기판 내에 복수의 음향 차단기(acoustic isolators)를 제조하는 단계와,
    각각의 상기 음향 차단기 위에 FBAR 구조물을 제조하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 음향 차단기는 브래그 미러(Bragg mirrors)인
    발진기 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 HBAR의 압전층 위에 온도 보정 소자를 제공하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 HBAR 및 상기 FBAR 필터 위에 마이크로캡 구조물(microcap structure)을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 마이크로캡 구조물은 상기 HBAR 및 상기 FBAR 필터에 기밀성(hermeticity)을 제공하는
    발진기 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 하부 및 적어도 상기 HBAR의 하부 영역 내에 보호 구조물을 제공하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 보호 구조물과 상기 기판 사이에 공극(air gap)을 형성하는 단계를 더 포함하는
    발진기 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘이고,
    상기 원하는 두께는 대략 10.0㎛ 내지 대략 50.0㎛의 범위를 갖는
    발진기 제조 방법.
  13. 기판과,
    상기 기판의 일부분을 포함하는 HBAR(high tone bulk acoustic resonator)과,
    상기 기판 위에 배치되고, 복수의 FBAR 장치를 포함하는 FBAR(film bulk acoustic resonator) 필터와,
    상기 기판 내에 배치된 복수의 음향 차단기를 포함하고,
    상기 차단기 중 하나는 각각의 상기 FBAR 장치 아래에 배치되는
    발진기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 HBAR의 상부 전극 위에 배치된 프레임 구조물을 더 포함하고,
    상기 프레임 구조물은 상기 HBAR 내의 의사 모드(spurious modes)를 억제할 수 있는
    발진기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 원하는 고조파 모드 주파수 간격을 제공하도록 선택된 두께를 갖는
    발진기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 필터는 복수의 고조파 모드(harmonic modes) 중 선택된 것을 통과시키는
    발진기.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 HBAR와 상기 FBAR 필터 위의 마이크로캡 구조물을 더 포함하고,
    상기 마이크로캡 구조물은 상기 HBAR 및 상기 FBAR 필터에 기밀성을 제공하 는
    발진기.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 HBAR은 온도 보정 소자를 더 포함하는
    발진기.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판의 하부 및 적어도 상기 HBAR의 하부 영역 내에 배치된 보호 구조물을 더 포함하는
    발진기.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 프레임 구조물은 돌출형 프레임 구조물 또는 오목형 프레임 구조물인
    발진기.
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