KR20190139395A - 음향 공진기 패키지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은 기판; 상기 기판에 배치되며 제1 소수성층을 포함하는 음향 공진기; 상기 음향공진기를 수용하는 캡; 상기 기판과 상기 캡을 접합하는 접합부; 및 상기 음향공진기와 상기 접합부 사이에 배치되는 제2 소수성층을 포함하는 음향 공진기 패키지를 제공한다.

Description

음향 공진기 패키지 및 그의 제조 방법 {ACOUSTIC RESONATOR PAKAGE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 음향 공진기 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요가 증가하고 있다.
이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)가 알려져 있다.
FBAR은 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수 (Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, FBAR은 기판상에 제1 전극, 압전체 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다.
FBAR의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2전극에 전기에너지를 인가하여 압전층 내에 전계를 유기시키면, 이 전계는 압전층의 압전 현상을 유발시켜 공진부가 소정 방향으로 진동하도록 한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다
즉, FBAR은 체적 탄성파(Bulk Acoustic Wave: BAW)를 이용하는 소자로, 압전체의 전기 기계 결합 상수(Effective electromechanical coupling coefficient, Kt2)가 커짐으로써 탄성파 소자의 주파수 특성이 개선되고, 또 광대역화도 가능하게 된다.
미국 공개특허공보 제2011-0304412호 미국 공개특허공보 제2003-0231851호
본 발명의 일 측면은 음향 공진기 패키지가 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되는 경우에 음향 공진기 패키지 내부에 히드록실기(hydroxy group, OH group)가 흡착되어 주파수 변동이 커지거나, 공진기 성능을 열화시키는 문제점을 해결하기 위함이다.
본 발명의 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지는 기판; 상기 기판에 배치되며 제1 소수성층을 포함하는 음향 공진기; 상기 음향 공진기를 수용하는 캡; 상기 기판과 상기 캡을 접합하는 접합부; 및 상기 음향공진기와 상기 접합부 사이의 기판 상에 배치되는 제2 소수성층을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지의 제조방법은 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계; 상기 기판에 제1 접합부를 형성하는 단계; 상기 음향 공진기 및 기판에 소수성층을 형성하는 단계; 및 캡의 일면에 형성된 제2 접합부를 상기 제1 접합부와 접합하여 상기 음향 공진기를 수용하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 음향 공진기 패키지 내부에 소수성층(hydrophobic layer)을 형성하여, 음향 공진기 패키지가 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되는 경우 또는 패키지의 접합부 등에 일부 결함이 발생하여 패키지의 기밀성이 유지되지 않는 경우에도 음향 공진기의 주파수 변동을 최소화 할 수 있으며 음향 공진기 성능을 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 소수성층을 선택적으로 증착하여 접합부에는 소수성층이 형성되지 않도록 함으로써, 소수성층에 의한 기판과 캡의 접합력 저하를 방지하여 음향 공진기 패키지의 기밀성(hermeticity)을 유지할 수 있다.
도 1은 캡 부분을 생략하고 도시한 본 발명의 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지의 평면도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 2에서 음향 공진기 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 소수성층이 형성되지 않은 보호층 상에 히드록실기가 흡착된 것을 도시한 것이다.
도 5는 보호층 상에 소수성층이 형성된 것을 도시한 것이다.
도 6은 음향 공진기의 보호층 상에 제1 소수성층이 형성되고, 음향 공진기와 접합부 사이의 기판 상에 제2 소수성층이 형성된 음향 공진기 패키지(실시예)와 음향 공진기의 보호층 및 음향 공진기와 접합부 사이의 기판 상에 소수성층이 형성되지 않은 음향 공진기 패키지(비교예)에 대한 습도 및 시간에 따른 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 소수성층의 접착층(adhesion layer)으로 사용되는 프리커서 (precursor)의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 소수성층의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 복수의 음향 공진기를 포함하는 음향 공진기 패키지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11 내지 도 14은 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제1 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제2 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제3 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 18는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 소수성층이 형성되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
음향 공진기 패키지
도 1은 캡 부분을 생략하고 도시한 본 발명의 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지의 평면도이다. 도 2는 도 1의 단면도이다. 도 3은 도 2에서 음향 공진기 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지(10)는 기판(110), 음향 공진기(100), 캡(220), 접합부(210) 및 소수성층(130)을 포함한다.
소수성층(130)은 음향 공진기(100)에 배치되는 제1 소수성층(131)과 음향 공진기(100)와 접합부(210) 사이의 기판 상에 배치되는 제2 소수성층(132)을 포함한다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따른 음향 공진기 패키지(10)는 기판(110), 기판(110)에 배치되며 제1 소수성층(131)을 포함하는 음향 공진기(100), 음향 공진기(100)를 수용하는 캡(220), 기판(110)과 캡(220)을 접합하는 접합부(210) 및 음향 공진기와 접합부(210) 사이에 배치되는 제2 소수성층(132)을 포함한다.
이에 제한되는 것은 아니나, 음향 공진기(100)는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR) 일 수 있으며, 이하 박막 벌크 음향 공진기를 예로 들어 설명한다.
음향 공진기(100)는 기판(110), 절연층(115), 멤브레인층(150), 캐비티(C), 공진부(120), 보호층(127) 및 소수성층(130)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)으로는 실리콘 웨이퍼가 이용되거나, SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판이 이용될 수 있다.
기판(110)의 상면에는 절연층(115)이 마련되어 기판(110)과 공진부(120)를 전기적으로 격리시킬 수 있다. 또한 절연층(115)은 음향 공진기 제조 과정에서 캐비티(C)를 형성할 때, 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지한다.
이 경우, 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 어느 하나의 공정을 통해 기판(110)에 형성될 수 있다.
희생층(140)은 절연층(115) 상에 형성되며, 희생층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)가 배치된다.
캐비티(C)는 빈 공간으로 형성되며, 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
캐비티(C)가 희생층(140)에 내에 형성됨에 따라, 희생층(140)의 상부에 형성되는 공진부(120)는 전체적으로 편평하게 형성될 수 있다.
식각 방지부(145)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치된다. 식각 방지부(145)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지하기 위해 구비된다. 따라서, 캐비티(C)의 수평 면적은 식각 방지부(145)에 의해 규정되고, 수직 면적은 희생층(140)의 두께에 의해 규정된다.
멤브레인층(150)은 희생층(140) 상에 형성되어 기판(110)과 함께 캐비티(C)의 두께(또는 높이)를 규정한다. 따라서 멤브레인층(150)도 캐비티(C)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다.
예를 들어, 희생층(140)의 일부(예컨대, 캐비티 영역)을 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인층(150)은 상기한 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인층(150)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 멤브레인층(150)은 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
멤브레인층(150) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층(미도시)이 형성될 수 있다. 구체적으로 시드층은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 AlN 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우 예를 들어, 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)을 포함한다. 공진부(120)는 아래에서부터 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 순서대로 적층된다. 따라서 공진부(120)에서 압전층(123)은 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 배치된다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 압전층(123) 및 제2 전극(125)이 차례로 적층되어 공진부(120)를 형성한다.
공진부(120)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
후술되는 삽입층(170)이 형성될 경우, 공진부(120)는 제1 전극(121), 압전층(123), 및 제2 전극(125)이 대략 편평하게 적층된 중앙부(S), 그리고 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 삽입층(170)이 개재되는 확장부(E)로 구분될 수 있다.
중앙부(S)는 공진부(120)의 중심에 배치되는 영역이고 확장부(E)는 중앙부(S)의 둘레를 따라 배치되는 영역이다. 따라서 확장부(E)는 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 영역을 의미한다.
삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비한다.
확장부(E)에서 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170) 상에 배치된다. 따라서 확장부(E)에 위치한 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170)의 형상을 따라 경사면을 구비한다.
한편, 본 실시예에서는 확장부(E)가 공진부(120)에 포함되는 것으로 정의하고 있으며, 이에 따라 확장부(E)에서도 공진이 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 확장부(E)의 구조에 따라 확장부(E)에서는 공진이 이루어지지 않고 중앙부(S)에서만 공진이 이루어질 수도 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(125)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
공진부(120)에서 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121) 상에는 제1 전극(121)의 외곽을 따라 제1 금속층(180)이 배치된다. 따라서 제1 금속층(180)은 제2 전극(125)을 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다.
제1 전극(121)은 멤프레인층(150) 상에 배치되므로 전체적으로 편평하게 형성된다. 반면에 제2 전극(125)은 압전층(123) 상에 배치되므로, 압전층(123)의 형상에 대응하여 굴곡이 형성될 수 있다.
제2 전극(125)은 중앙부(S) 내에 전체적으로 배치되며, 확장부(E)에 부분적으로 배치된다. 이에, 제2 전극(125)은 후술되는 압전층(123)의 압전부(123a) 상에 배치되는 부분과, 압전층(123)의 굴곡부(123b) 상에 배치되는 부분으로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 제2 전극(125)은 압전부(123a) 전체와, 압전층(123)의 경사부(1231) 중 일부분을 덮는 형태로 배치된다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125a)은, 경사부(1231)의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 압전층(123)보다 작은 면적으로 형성된다.
압전층(123)은 제1 전극(121) 상에 형성된다. 후술되는 삽입층(170)이 형성될 경우, 제1 전극(121)과 삽입층(170) 상에 형성된다.
압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride)의 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 희토류 금속의 함량은 1~20at%일 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 압전층(123)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부(123a), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(123b)를 포함한다.
압전부(123a)는 제1 전극(121)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(123a)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 개재되어 제1 전극(121), 제2 전극(125)과 함께 편평한 형태로 형성된다.
굴곡부(123b)는 압전부(123a)에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다.
굴곡부(123b)는 후술되는 삽입층(170) 상에 배치되며, 삽입층(170)의 형상을 따라 융기되는 형태로 형성된다. 이에 압전층(123)은 압전부(123a)와 굴곡부(123b)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 두께와 형상에 대응하여 융기된다.
굴곡부(123b)는 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
경사부(1231)는 후술되는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미한다. 그리고 연장부(1232)는 경사부(1231)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미한다.
경사부(1231)는 삽입층(170) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(1231)의 경사각은 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각과 동일하게 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 그리고 식각 방지부(145)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 압전층(123)의 굴곡부(123b)를 지지한다. 따라서 압전층(123)의 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 형상을 따라 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다.
또한 삽입층(170)은 적어도 일부가 압전층(123)과 제1 전극(121) 사이에 배치된다.
중앙부(S)의 경계를 따라 배치되는 삽입층(170)의 측면은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(170)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각을 갖는 경사면(L)으로 형성된다.
삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 5°보다 작게 형성되면, 이를 제조하기 위해서는 삽입층(170)의 두께를 매우 얇게 형성하거나 경사면(L)의 면적을 과도하게 크게 형성해야 하므로, 실질적으로 구현이 어렵다.
또한 삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(170) 상에 적층되는 압전층(123)의 경사부(1231) 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 압전층(123)이 과도하게 굴곡되므로, 압전층(123)의 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(123)과는 다른 재질로 형성된다. 또한, 필요에 따라 삽입층(170)이 구비되는 영역을 빈 공간(air)으로 형성하는 것도 가능하다. 이는 제조 과정에서 공진부(120)를 모두 형성한 후, 삽입층(170)을 제거함으로써 구현될 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(170)의 두께는 제1 전극(121)의 두께와 동일하거나, 유사하게 형성될 수 있다.
또한 삽입층(170)의 두께는 압전층(123) 보다 얇게 형성될 수 있다. 압전층(123)의 두께보다 얇아야 삽입층으로 인한 압전층(123)의 경사부가 형성이 되며 크랙(crack)등이 발생하지 않을 수 있어 공진기 성능 향상에 기여할 수 있다. 삽입층(170) 두께의 하한은 특별히 한정할 필요는 없으나, 증착 두께를 용이하게 조절하고 증착된 웨이퍼 내 두께 균일도를 확보하기 위하여 삽입층(170) 두께는 100Å 이상일 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 공진부(120)는 빈 공간으로 형성되는 캐비티(C)를 통해 기판(110)과 이격 배치된다.
캐비티(C)는 음향 공진기 제조 과정에서 에칭 가스(또는 에칭 용액)을 유입 홀(도 1, 도 3의 H)로 공급하여 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
보호층(127)은 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호한다. 보호층(127)은 제2 전극(125), 압전층(123)의 굴곡부(123b), 그리고 삽입층(170)이 형성하는 표면을 따라 배치될 수 있다.
보호층(127)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 어느 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다.
또한, 보호층(127)은 음향 공진기와 접합부 사이의 기판 상에 추가로 배치될 수 있으며, 그 위에 제2 소수성층(132)이 형성될 수 있다.
제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 공진부(120)의 외측으로 연장 형성되며, 연장 형성된 부분의 상부면에는 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 배치된다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 본 실시예에 따른 음향 공진기의 전극(121, 125)과 인접하게 배치된 다른 음향 공진기의 전극을 전기적으로 연결하는 연결 배선으로 기능하거나, 외부 접속 단자로 기능할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2에는 제 2 금속층(190)의 하부에 삽입층(170)이 제거된 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 구성은 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 제 2 금속층(190) 하부에 제2 금속층(190)이 배치된 구조로 구현하는 것도 가능하다.
제1 금속층(180)은 삽입층(170)과 보호층(127)을 관통하여 제1 전극(121)에 접합된다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(121)의 둘레 부분에는 제1 금속층(180)이 형성된다.
따라서, 제1 금속층(180)은 공진부(120)의 둘레를 따라 배치되며, 이에 제2 전극(125)을 둘러싸는 형태로 배치된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 제2 전극(125)은 압전층(123)의 압전부(123a)와 경사부(1231) 상에 적층 배치된다. 그리고, 제2 전극(125) 중 압전층(123)의 경사부(1231) 상에 배치되는 부분, 즉 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(125)은 경사부(1231)의 경사면의 전체가 아닌, 경사면 일부분에만 배치된다.
보호층(127) 상에는 소수성층(130)이 배치된다.
음향 공진기 패키지가 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되는 경우 또는 패키지의 접합부 등에 일부 결함이 발생하여 패키지의 기밀성이 유지되지 않는 경우에 음향 공진기 패키지 내부, 특히 음향 공진기의 보호층 및 음향공진기와 접합부 사이의 기판 상에 히드록실기(hydroxy group, OH group)가 흡착되어 질량 부하(mass loading)에 의해 주파수 변동이 커지거나, 공진기 성능을 열화시키는 문제점이 발생하였다.
도 4은 소수성층이 형성되지 않은 보호층 상에 히드록실기가 흡착된 것을 도시한 것이며, 도 5는 보호층 상에 소수성층이 형성된 것을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 소수성층이 형성되지 않은 경우에는 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되면 보호층에 히드록실기(hydroxy group, OH group)가 흡착되어 하이드로옥살레이트(hydroxylate)가 형성된다. 하이드로옥살레이트(hydroxylate)는 표면 에너지가 높고 불안정하기 때문에 물 등을 흡착하여 표면 에너지를 낮추려고 하기 때문에 질량 부하(mass loading)가 발생하게 된다.
반면에, 도 5를 참조하면, 보호층(127) 상에 소수성층(130)이 형성된 경우에는 표면 에너지가 낮고 안정하기 때문에 물 및 히드록실기(hydroxy group, OH group) 등을 흡착하여 표면 에너지를 낮출 필요가 없다. 따라서, 소수성층이 물 및 히드록실기(hydroxy group, OH group) 등이 흡착되는 것을 방지하는 역할을 함으로써 주파수 변동을 최소화 할 수 있으며 공진기 성능을 균일하게 유지할 수 있다.
도 6은 음향 공진기의 보호층 상에 제1 소수성층이 형성되고, 음향 공진기와 접합부 사이의 기판 상에 제2 소수성층이 형성된 음향 공진기 패키지(실시예)와 음향 공진기의 보호층 및 음향 공진기와 접합부 사이의 기판 상에 소수성층이 형성되지 않은 음향 공진기 패키지(비교예)에 대한 습도 및 시간에 따른 주파수 변화를 나타낸 그래프이다. 실험 방법은 상기 실시예 및 비교예를 흡습 챔버에 넣고 도 6에 도시한 바와 같이 습도를 변화해가며 주파수 변화를 측정하였다.
도 6을 참조하면, 실시예가 비교예에 비하여 습도 및 시간 변화에 따른 주파수 변화량이 훨씬 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예의 경우 실험 종료시 주파수 변화량이 실험 시작시 주파수 변화량보다 적은 것을 확인할 수 있다.
소수성층(130)과 보호층(127)의 접착력을 향상시키기 위하여, 프리커서(precursor)를 이용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 프리커서는 (a) 실리콘 헤드(head)를 가지는 하이드로 카본(hydrocarbon)이나, (b) 실리콘 헤드를 가지는 실리옥세인(Silioxane) 일 수 있다.
소수성층(130)은 도 8을 참조하면, 플로오르카본(fluorocarbon)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 증착 후 물에 의한 접촉각(contact angle)이 90˚ 이상이 되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 소수성층(130)은 플루오린(fluorine, F) 성분을 함유할 수 있으며, 플루오린(fluorine, F) 및 실리콘(silicon, Si)을 포함할 수 있다.
이때, 소수성층(130)은 폴리머(polymer)가 아니 모노 레이어(mono layer) 또는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)으로 형성될 수 있고 두께도 100 Å 이하로 형성 될 수 있다. 소수성층(130)이 폴리머로 형성되면 공진부(120)에 폴리머에 의한 질량이 영향을 미치게 된다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기 패키지는 소수성층(130)이 모노 레이어 또는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)으로 형성될 수 있고, 두께도 100Å 이하로 형성되기 때문에 음향 공진기의 주파수가 변화되는 것을 최소화 할 수 있다.
또한, 소수성층(130)을 폴리머로 형성할 경우에는 유입 홀(도 1, 도 3의 H)을 통해서 캐비티(C)에 소수성층이 형성될 때, 캐비티(C) 내의 소수성층 두께가 불균일해질 수 있으며, 캐비티(C) 내의 소수성층 중 유입 홀(H)에서 가까운 쪽의 두께가 두껍고, 유입 홀(H)에 먼 캐비티(C)의 중앙부에 형성된 소수성층의 두께가 얇을 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성층(130)은 모노 레이어 또는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)으로 형성되기 때문에 캐비티(C) 내의 위치에 따른 두께가 균일하다.
소수성층(130)은 후술하는 바와 같이, 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 형성된 후 형성되므로, 보호층(127) 상에 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 형성된 부분을 제외하고 형성될 수 있다.
또한, 제1 금속층과 제2 금속층의 재질에 따라 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190) 상에도 소수성층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 Cu 또는 Al과 같이 표면 산화가 잘 되는 금속일 경우에는 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190) 상에도 소수성층이 형성될 수 있다.
또한, 소수성층(130)은 보호층 외에, 캐비티(C)의 상면에도 소수성층이 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 보호층 상에 소수성층을 형성하는 단계에서 보호층 상의 소수성층과 동시에 형성될 수 있으며, 캐비티(C)의 상면뿐만 아니라, 캐비티(C)의 하면 및 측면 중 적어도 일부에 형성될 수 있다.
캐비티(C)의 상부에는 공진부(120)가 배치되므로, 캐비티(C)의 상면도 음향 공진기의 주파수 변화에 영향을 미친다. 따라서, 캐비티(C)의 상면에 소수성층이 형성되면 음향 공진기의 주파수가 변화되는 것을 최소화 할 수 있다.
기판(110)의 하부면에는 기판(110)을 관통하는 비아 홀(112)이 다수 개 형성된다. 그리고 각 비아 홀(112)의 내부에는 접속 도체(115a, 115b)가 형성된다. 접속 도체(115a, 115b)는 비아 홀(112)의 내부면 즉 내벽 전체에 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 접속 도체(115a, 115b)는 일단이 기판(110)의 하부면에 형성된 외부 전극(117a, 117b)에 연결되고, 타단은 제1 전극(121) 또는 제2 전극(125)과 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 제1 접속 도체(115a)는 제1 전극(121)과 외부 전극(117a)을 전기적으로 연결하고, 제2 접속 도체(115b)는 제2 전극(125)과 외부 전극(117b)을 전기적으로 연결한다.
한편, 도 2에서 2개의 비아 홀(112)과, 2개의 접속 도체(115a, 115b)만을 도시하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 더 많은 수의 비아 홀(112)과 접속 도체(115a, 115b)를 구비할 수 있다.
캡(220)은 음향 공진기(100)를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 구비된다.
캡(220)은 음향 공진기(100)가 수용되는 내부 공간을 구비하는 커버 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 캡(220)은 측벽(220a)이 소자(120)의 주변을 둘러싸는 형태로 기판에 접합된다. 또한, 측벽(220a)의 하부면은 접합부(210)에 의해 기판(100)과 접합된다.
캡(220)의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 일 수 있고, 열경화성 수지, 열가소성 수지 등과 같은 폴리머 물질 등을 포함할 수 있고, 또는 공지의 금속 물질이나 반도체 물질 등을 포함할 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
접합부(210)는 캡(220)과 기판(110)을 접합시켜 음향 공진기 패키지 내부의 기밀성(hermeticity)을 유지하는 역할을 한다.
접합부(210)는 통상 공정접합(eutectic bonding) 또는 금속확산(metal diffusion) 접합에서 사용되는 모 재료(Parent Material), 녹는 재료(Melting Material) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
예를 들어, 모 재료(Parent Material)은 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Pb 등을 포함할 수 있으며, 녹는 재료(Melting Material)는 Sn, In, Si, Zn, Ge 등을 포함할 수 있다. 또한, 이들의 합금으로서 Au3Sn, Cu3Sn, Al-Ge 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 캡(220)이 유기 절연 물질을 포함하는 재질일 경우에는 접합부(210)는 폴리머를 포함하여 접합 강도를 확보할 수 있다. 예를 들어, 캡(220)이 유기 절연 필름 또는 RCC(Resin Coated Copper)인 경우에 접합부(210)는 폴리머를 포함할 수 있다.
한편, 접합부(210)에 소수성층이 형성되는 경우에는 접합 강도(bonding strength)가 낮아져 음향 공진기 패키지 내부의 기밀성(hermeticity)이 유지되지 못할 우려가 있다.
금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금 등과 같이 소수성층이 증착되기 어려운 재료를 이용하여 접합부(210)를 형성하는 경우에는 소수성층에 의해 접합 강도가 저하될 우려가 없다. 예를 들어, 후술하는 제조방법을 참조하면 제1 접합부(211)가 금(Au)를 포함하는 경우에는 소수성층 형성시 제1 접합부(211)에 소수성층이 증착되기 어렵기 때문에 접합 강도가 저하될 우려가 없다.
그러나, 접합부(210`)가 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 등과 같이 소수성층이 증착되기 쉬운 재료를 포함하는 경우에는 후술하는 제조방법과 같이 제1 접합부(211`)에 소수성층 형성을 확실하게 방지하기 위한 방지막(B)을 형성한 후 소수성층을 형성하고, 그 후 방지막(B)을 제거하는 공정을 거치므로, 제2 소수성층(132)이 접합부와 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 접합부(211`)가 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 경우에는 제2 소수성층이 접합부와 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 접합부(210``)가 폴리머를 포함하는 경우에는 접합부가 형성될 부위에 방지막(B)을 형성한 후 소수성층을 형성하며, 그 후 방지막(B)을 제거하는 공정을 거치므로, 제2 소수성층(132)이 접합부와 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 폴리머로는 에폭시(Epoxy), 실록산(Siloxane), 폴리이미드(Polyimide), PBO(polybenzoxazole), 노볼락(Novolac), BCB(benzocyclobutene), 아크릴(Acrylic) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 접합 부위의 일정 면적에만 소수성층이 형성되지 않더라도 충분한 접합 강도를 확보 가능한 경우에는 제2 소수성층이 접합부와 이격되어 형성되지 않을 수 있으므로 반드시 접합부와 이격되어 형성될 필요는 없으며, 본 발명에서 제2 소수성층이 접합부와 이격되지 않은 형태를 배제하는 것은 아님에 유의할 필요가 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 복수의 음향 공진기를 포함하는 음향 공진기 패키지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 음향 공진기 패키지 내부에 복수의 음향 공진기가 배치되어 구성될 수 있다. 또한, 복수의 음향 공진기의 배치에 따라 래더 타입(ladder type)의 필터 구조, 래티스 타입(lattice type)의 필터 구조 또는 이들을 조합한 필터 구조를 구현할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 접합부 및 음향 공진기의 금속층을 제외한 영역에 소수성층이 형성된 형태일 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이 접합부를 제외한 영역에 소수성층이 모두 형성된 형태일 수도 있다. 예를 들어, 금속층이 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금 등과 같이 소수성층이 증착되기 어려운 재료를 포함하는 경우에는 도 9와 같은 형태일 수 있으며, 금속층이 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 등과 같이 소수성층이 증착되기 쉬운 재료를 포함하는 경우 도 10과 같은 형태일 수 있다.
음향 공진기 패키지의 제조 방법
이하, 본 실시예에 따른 음향 공진기 패키지의 제조 방법을 설명하되, 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략하고 그 차이점을 중심으로 설명한다.
우선, 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계에 대하여 상세히 설명한다.
도 11 내지 도 14은 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 11을 참조하면, 먼저 기판(110) 상에 절연층(115), 및 희생층(140)을 형성하고, 희생층(140)을 관통하는 패턴(P)을 형성한다. 따라서 절연층(115)은 패턴(P)을 통해 외부로 노출된다.
절연층(115)과 멤브레인층(150)은 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 질화실리콘(SiN) 또는 산화실리콘(SiO2) 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
희생층(140)에 형성되는 패턴(P)은 상면의 폭은 하면의 폭 보다 넓은 사다리꼴 형태의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
희생층(140)은 추후의 식각 공정을 통해 일부가 제거되어 캐비티(도 2의 C)을 형성한다. 따라서 희생층(140)은 식각에 용이한 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 희생층(140) 상에 멤브레인층(150)을 형성한다. 멤브레인층(150)은 희생층(140)이 표면을 따라 일정한 두께로 형성된다. 멤브레인층(150)의 두께는 희생층(140)의 두께 보다 얇을 수 있다.
멤브레인층(150)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer) 또는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 어느 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도시되어 있지 않지만, 멤브레인층(150) 상에 시드층이 형성될 수 있다.
시드층은 멤브레인층(150)과 후술되는 제1 전극(121) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 질화 알루미늄(AlN)으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어 금속으로 시드층을 형성하는 경우 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 12에 도시된 바와 같이 멤브레인층(150) 상에 식각 방지층(145a)을 형성한다. 식각 방지층(145a)은 패턴(P)의 내부에도 충진된다.
식각 방지층(145a)은 패턴(P)을 완전히 채우는 두께로 형성된다. 따라서 식각 방치층(145a)은 희생층(140)보다 두껍게 형성될 수 있다.
식각 방지층(145a)은 절연층(115)과 동일한 재료로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 멤브레인층(150)이 외부로 노출되도록 식각 방지층(145a)을 제거한다.
이때 패턴(P)의 내부에 충진된 부분은 남겨지며, 남겨진 식각 방지층(145a)은 식각 방지부(145)로 기능한다.
이어서, 도 13에 도시된 바와 같이 멤브레인층(150) 상면에 제1 전극(121)을 형성한다.
본 실시예에 있어서 제1 전극(121)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(121)은 캐비티(도 3의 C)가 형성될 영역의 상부에 형성된다.
제1 전극(121)은 멤브레인층(150) 전체를 덮는 형태로 도전체층을 형성한 후, 불필요한 부분을 제거함으로써 형성할 수 있다.
이어서, 필요에 따라 삽입층(170)을 형성할 수 있다. 삽입층(170)은 제1 전극(121) 상에 형성되며, 필요에 따라 멤브레인층(150)의 상부로 확장될 수 있다. 삽입층(170)을 형성하면 공진부(120)의 확장부(123b)가 중앙부(123a)보다 두꺼운 두께로 형성되므로, 중앙부(123a)에서 발생한 진동이 외곽으로 빠져 나가는 것을 억제하여 음향 공진기의 Q-factor를 증가시킬 수 있다.
삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 그리고 식각 방지부(145)가 형성하는 표면 전체를 덮도록 형성된 후, 중앙부(S)에 해당하는 영역에 배치된 부분을 제거함으로써 완성될 수 있다.
이에 따라 중앙부(S)를 구성하는 제1 전극(121)의 중심부는 삽입층(170)의 외부로 노출된다. 또한 삽입층(170)은 제1 전극(121)의 둘레를 따라 제1 전극(121)의 일부를 덮는 형태로 형성된다. 따라서 확장부(E)에 배치되는 제1 전극(121)의 테두리 부분은 삽입층(170)의 하부에 배치된다.
중앙부(S)와 인접하게 배치되는 삽입층(170)의 측면은 경사면(L)으로 형성된다. 삽입층(170)은 중앙부(S) 측으로 갈수록 두께가 얇아지는 형태로 형성되며, 이에 삽입층(170)의 하부면은 삽입층(170)의 상부면보다 중앙부(S) 측으로 더 확장된 형태로 형성된다. 이때, 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각은 전술한 바와 같이 5°~ 70°의 범위로 형성될 수 있다.
삽입층(170)은 예를 들어, 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(123)과는 다른 재질로 형성된다.
이어서, 제1 전극(121)과 삽입층(170) 상에 압전층(123)을 형성한다.
본 실시예에 있어서 압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal), 전이 금속 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 희토류 금속의 함량은 1~20 at%일 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta) 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
또한 압전층(123)은 삽입층(170)과 다른 재질로 형성된다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 삽입층(170)이 형성하는 표면 전체에 압전 물질을 형성한 후, 불필요한 부분을 부분적으로 제거함에 따라 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제2 전극(125)을 형성한 후, 압전 물질의 불필요한 부분을 제거하여 압전층(123)을 완성한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(125) 형성 전에 압전층(123)을 완성하는 것도 가능하다.
압전층(123)은 제1 전극(121)과 삽입층(170)의 일부를 덮는 형태로 형성되며, 이에 압전층(123)은 제1 전극(121)과 삽입층(170)이 이루는 표면의 형상을 따라 형성된다.
전술한 바와 같이 제1 전극(121)은 중앙부(S)에 해당하는 부분만 삽입층(170)의 외부로 노출된다. 따라서 제1 전극(121)상에 형성되는 압전층(123)은 중앙부(S) 내에 위치하게 된다. 그리고 삽입층(170) 상에 형성되는 굴곡부(123b)는 확장부(E)내에 위치하게 된다.
이어서, 압전층(123) 상부에 제2 전극(125)을 형성한다. 본 실시예에 있어서 제2 전극(125)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 전극(125)은 기본적으로 압전층(123)의 압전부(123a) 상에 형성된다. 전술한 바와 같이, 압전층(123)의 압전부(123a)는 중앙부(S) 내에 위치한다. 따라서 압전층(123) 상에 배치되는 제2 전극(125)도 중앙부(S) 내에 배치된다.
또한 본 실시예에서 제2 전극(125)은 압전층(123)의 경사부(1231) 상에도 형성된다. 이에 전술한 바와 같이, 제2 전극(125)은 중앙부(S) 전체와 확장부(E) 내에 부분적으로 배치된다. 제2 전극(125)을 확장부(123b)에 부분적으로 배치함으로써, 비약적으로 개선된 공진 성능을 제공할 수 있다.
이어서, 도 14에 도시된 바와 같이 보호층(127)을 형성한다.
보호층(127)은 제2 전극(125)과 압전층(123)이 형성하는 표면을 따라 형성된다. 또한 도시되어 있지 않지만, 보호층(127)은 외부로 노출된 삽입층(170) 상에도 형성될 수 있다.
보호층(127)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 나이트라이드 계열 및 알루미늄 옥사이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 보호층(127)과 압전층(123)을 부분적으로 제거하여 제1 전극(121)과 제2 전극(125)을 부분적으로 노출시키고, 노출된 부분에 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)을 형성한다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있고, 제1 전극(121) 또는 제2 전극(125) 상에 증착하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 캐비티(C)를 형성한다.
캐비티(C)는 희생층(140)에서 식각 방지부(145)의 내부에 위치한 부분을 제거함에 따라 형성되며, 이 과정에서 제거되는 희생층(140)은 식각(etching) 방식에 의해 제거될 수 있다.
희생층(140)이 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질로 형성되는 경우, 희생층(140)은 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계의 에칭가스(예컨대, XeF2)를 이용하는 건식 식각(dry etching) 방법을 통해 제거될 수 있다.
이어서, 목표하는 주파수 특성을 얻기 위하여 보호층 두께를 추가로 에칭하는 공정이 수행될 수 있다.
상술한 방법에 따라 기판 상에 음향 공진기를 형성한 후, 음향 공진기 및 기판에 소수성층을 형성한 후, 캡으로 음향 공진기를 수용하여 음향 공진기 패키지를 제조한다.
이하, 캡과 기판을 접합하는 과정에 대하여 우선 상세히 설명한 후, 소수성층이 형성되는 과정을 설명한다.
도 15는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제1 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 상술한 방법에 따라 기판 상에 음향 공진기를 형성한 후, 기판(110)에 제1 접합부(211)를 형성한다. 제1 접합부(211)는 통상 공정접합(eutectic bonding) 또는 금속확산(metal diffusion) 접합에서 사용되는 모 재료(Parent Material), 예를 들어 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Pb 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 제1 실시예에 따를 경우 별도의 방지막을 형성하는 공정을 수행하지 않으므로 제1 접합부(211)에 소수성층이 형성되어 접합 강도가 떨어질 수 있으며, 이에 따라 음향 공진기 패키지 내부의 기밀성(hermeticity)이 유지되지 못할 우려가 있다. 따라서, 제1 실시예에 따를 경우 제1 접합부(211)는 소수성층이 증착되기 어려운 Au를 포함하는 것이 바람직하다.
이어서, 후술하는 소수성층 형성 방법에 따라 음향 공진기 및 기판에 소수성층(130)을 형성한다.
이어서, 캡의 일면에 형성된 제2 접합부(212)를 상기 제1 접합부(211)와 접합함으로써 접합부(210)를 형성하여 음향 공진기를 수용한다.
이때, 상기 접합은 공정접합(eutectic bonding) 또는 금속확산(metal diffusion) 접합일 수 있으며, 상기 제2 접합부(212)는 통상 공정접합(eutectic bonding) 또는 금속확산(metal diffusion) 접합에서 사용되는 녹는 재료(Melting Material), 예를 들어 Sn, In, Si, Zn, Ge 등을 포함할 수 있다.
공정접합(eutectic bonding)은 이종간의 재질이 접촉하면 특정한 조성에서 두 재질의 녹는점보다 낮은 온도에서 녹는 현상이 발생하여 금속간 화합물이 형성되어 접합물질의 양면에서 접합이 이루어지는 것을 말한다. 이에 따라, 접합이 완료된 접합부(210)는 모 재료(Parent Material), 녹는 재료(Melting Material) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
한편, 접합부가 소수성층이 증착되기 쉬운 재질인 경우에는, 하술하는 제2 및 제3 실시예와 같이 별도의 방지막(B)을 형성하여 접합부에 소수성층이 형성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이하, 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 16은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제2 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 상술한 방법에 따라 기판 상에 음향 공진기를 형성한 후, 기판에 제1 접합부(211`)를 형성한다.
이어서, 제1 접합부(211`)의 외표면에 방지막(B)을 형성한다. 방지막(B)은 추후 제거되므로 제1 접합부(211`)에 소수성층이 증착되는 것을 방지할 수 있다면 어떠한 물질로도 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토 레지스트(photo resist), 필름 형태의 수지 등을 이용하여 방지막(B)을 형성할 수 있다.
이어서, 후술하는 소수성층 형성 방법에 따라 음향 공진기 및 기판에 소수성층(130)을 형성한다. 소수성층(130)을 형성한 후 방지막(B)을 제거하는 단계를 수행한다. 제1 접합부(211`)와 제2 소수성층(132) 사이에 형성되었던 방지막(B)이 제거됨에 따라, 제2 소수성층(132)이 제1 접합부(211`)와 이격된 형태를 가질 수 있다.
방지막(B)을 제거한 후, 캡(220)의 일면에 형성된 제2 접합부(212`)를 상기 제1 접합부(211`)와 접합함으로써 접합부(210)를 형성하여 음향 공진기를 수용한다.
제2 실시예의 경우 제1 접합부(211`)가 Cu 및 Al 중 1 이상을 포함하여 소수성층이 쉽게 증착될 우려가 있을 경우에 바람직하게 적용할 수 있으며, 제1 접합부(211`)가 소수성층이 증착되기 어려운 재질인 경우에도 물론 적용할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 캡과 기판을 접합하는 과정의 제3 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 상술한 방법에 따라 기판 상에 음향 공진기를 형성한 후, 기판(110) 중 접합부(210``)가 형성될 위치에 방지막(B)을 형성한다.
이어서, 후술하는 소수성층 형성 방법에 따라 음향 공진기 및 기판에 소수성층(130)을 형성한다.
이어서, 방지막(B)을 제거하고 기판에 접합부(210``)를 형성한다. 제조 오차를 감안하여 방지막(B)을 접합부(210``)보다 약간 크게 설정할 수 있으며, 이에 따라 제2 소수성층(132)이 접합부(211``)와 이격된 형태를 가질 수 있다.
이어서, 캡(220``)을 접합부(210``)에 접합하여 음향 공진기를 수용한다.
한편, 제3 실시예의 경우 접합부(210``)는 폴리머를 포함하고, 캡(220``)은 유기 절연 물질을 포함할 수 있다. 캡(220``)이 유기 절연 물질을 포함하는 경우 폴리머를 이용하여 캡(220``)과 기판(110)을 접합하는 것이 접착 강도 확보 측면에서 바람직하기 때문이다.
이하, 소수성층 형성 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 18은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 음향 공진기의 제조 방법에 있어서, 소수성층이 형성되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
소수성층(130)은 소수성 물질을 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증착하여 형성시킬 수 있다.
도 18의 SiO2로 구성되는 보호층(127)의 표면에 하이드로옥살레이트(hydroxylate)를 형성한다. 이와 같은 하이드로옥살레이트(hydroxylate)에 실리콘 헤드를 가지는 프리커서를 이용하여, 하이드로라이즈 실레인(hydrolyze silane) 반응을 진행시킴으로써 보호층(127)의 표면을 표면처리 할 수 있다.
그 후, 상기 표면처리된 보호층의 표면에 플루오르카본 작용기를 형성하면 도 19와 같이 보호층(127) 상에 소수성층(130)이 형성된다.
또한, 보호층의 재질에 따라 표면처리는 생략하고, 보호층(127) 상에 플루오르카본 작용기를 형성하여 소수성층(130)을 형성할 수 있다.
상술한 소수성층 형성 단계에서 접합부와 음향 공진기 사이의 기판 상에도 소수성층(132)이 형성된다.
또한, 유입 홀(도 1, 도 3의 H)을 통하여 캐비티(C)의 상면에도 소수성층(131)이 형성될 수 있으며, 캐비티(C)의 상면뿐만 아니라 캐비티(C)의 하면 및 측면 중 적어도 일부에도 소수성층(131)이 형성될 수 있고, 캐비티(C)의 상면, 하면 및 측면 전부에 소수성층(131)이 형성될 수도 있다.
또한, 소수성층(130)을 폴리머가 아닌 모노 레이어(Monolayer) 또는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 소수성층(130)의 두께를 100Å 이하로 형성할 수 있으며, 공진부(120)에 소수성층(130)로 인한 질량 부하가 인가되는 것을 방지할 수 있고, 소수성층(130)의 두께가 균일할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.
따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 음향 공진기 패키지
100: 음향 공진기
110: 기판
210: 접합부
220: 캡
120: 공진부
121: 제1 전극
123: 압전층
125: 제2 전극
127: 보호층
130: 소수성층
140: 희생층
150: 멤브레인층
170: 삽입층
180, 190: 금속층

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판에 배치되며 제1 소수성층을 포함하는 음향 공진기;
    상기 음향공진기를 수용하는 캡;
    상기 기판과 상기 캡을 접합하는 접합부; 및
    상기 음향공진기와 상기 접합부 사이의 기판 상에 배치되는 제2 소수성층을 포함하는 음향 공진기 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 Au 및 Au 합금 중 1 이상을 포함하는 음향 공진기 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 Cu, Cu 합금, Al 및 Al 합금 중 1 이상을 포함하고,
    상기 제2 소수성층은 상기 접합부와 이격되어 형성되어 있는 음향 공진기 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 폴리머를 포함하고,
    상기 제2 소수성층은 상기 접합부와 이격되어 형성되어 있는 음향 공진기 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음향공진기는,
    상기 기판의 상부에 배치되는 절연층;
    상기 절연층의 상부에 배치되는 멤브레인층;
    상기 절연층과 상기 멤브레인층에 의해 형성되는 캐비티;
    상기 캐비티 상부에 배치되며, 제1 전극, 압전층 및 제2 전극이 적층된 공진부; 및
    상기 공진부 상부에 배치되는 보호층;을 포함하고,
    상기 제1 소수성층은 상기 보호층 상에 형성되어 있는 음향 공진기 패키지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 공진부의 외측으로 연장 형성되며, 상기 연장 형성된 제1 및 제2 전극 상에 각각 배치되는 제1 및 제2 금속층을 포함하고,
    상기 제1 소수성층은 상기 제1 및 제2 금속층 상에 추가로 배치되는 음향 공진기 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속층은 Cu 및 Al 중 1 이상을 포함하는 음향 공진기 패키지.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 소수성층은 상기 캐비티의 상면에 추가로 배치되는 음향 공진기 패키지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 소수성층은 상기 캐비티의 하면 및 측면 중 적어도 일부에 추가로 배치되는 음향 공진기 패키지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 소수성층은 모노 레이어 또는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer)인 음향 공진기 패키지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 소수성층은 플루오린(F) 성분을 함유하는 음향 공진기 패키지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 소수성층은 실리콘(Si) 성분을 추가로 함유하는 음향 공진기 패키지.
  13. 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계;
    상기 기판에 제1 접합부를 형성하는 단계;
    상기 음향 공진기 및 기판에 소수성층을 형성하는 단계; 및
    캡의 일면에 형성된 제2 접합부를 상기 제1 접합부와 접합하여 상기 음향 공진기를 수용하는 단계;를 포함하는 음향 공진기 패키지의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음향 공진기를 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층을 관통하는 패턴을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계;
    상기 멤브레인층 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극을 순차적으로 적층하여 공진부를 형성하는 단계;
    상기 희생층의 일부를 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 및
    상기 공진부 상에 보호층을 형성하는 단계;를 포함하는 음향 공진기 패키지의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 접합부는 Au를 포함하는 음향 공진기 패키지의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 접합부를 형성한 후 상기 제1 접합부의 외표면에 방지막을 형성하는 단계;를 추가로 포함하며,
    상기 소수성층을 형성한 후 캡과 기판을 접합하기 전에 상기 방지막을 제거하는 단계;를 추가로 포함하는 음향 공진기 패키지의 제조방법.
  17. 기판의 일면에 음향 공진기를 형성하는 단계;
    상기 기판 중 접합부가 형성될 위치에 방지막을 형성하는 단계;
    상기 음향 공진기 및 기판에 소수성층을 형성하는 단계;
    상기 방지막을 제거하고 상기 가판에 접합부를 형성하는 단계; 및
    캡을 상기 접합부와 접합하여 상기 음향 공진기를 수용하는 단계;를 포함하는 음향 공진기 패키지의 제조방법.
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