KR20200094995A - 체적 음향 공진기 - Google Patents

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이태경
이성준
이화선
경제홍
김성선
손진숙
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삼성전기주식회사
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Abstract

기판과, 상기 기판의 상부에 배치되는 시드층과, 상기 시드층의 상부에 배치되며 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금층을 포함하는 제1 전극와, 상기 제1 전극 상에 형성되며 양이온 극성[Cation(Al) polarity])을 가지는 층을 포함하는 압전층 및 상기 압전층의 상부에 배치되는 제2 전극을 포함하는 체적 음향 공진기가 개시된다.

Description

체적 음향 공진기{Bulk-acoustic wave resonator}
본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.
최근 5G 통신에 기술 관심도가 증가하고 있으며, 후보 대역대에서의 구현 가능한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
한편, 체적 음향 공진기를 통해 고주파를 구현하는 다양한 방식이 채용되고 있다. 따라서, 압전층과 전극의 두께는 막질이 충분이 확보될 수 있도록 두껍게 하면서도 고주파를 구현할 수 있는 구조의 개발이 필요한 실정이다.
이와 더불어, 체적 음향 공진기의 다른 성능의 열화 없이 Kt2 성능만을 조절할 수 있는 구조의 개발이 필요한 실정이다.
미국 등록특허공보 9679765호
압전층의 극성과 극성에 따른 두께 비율을 조절하여 기타 물성열화 없이 Kt2 조절이 가능하고, 압전층과 전극의 물성 열화가 발생되지 않을 충분한 두께로 고주파를 구현할 수 있는 체적 음향 공진기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 기판과, 상기 기판의 상부에 배치되는 시드층과, 상기 시드층의 상부에 배치되며 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금층을 포함하는 제1 전극와, 상기 제1 전극 상에 형성되며 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 층을 포함하는 압전층 및 상기 압전층의 상부에 배치되는 제2 전극을 포함한다.
압전층을 양이온 극성(Cation(Al)-polarity)와 음이온 극성(Anion(N)-polarity)을 혼합하여 적층하는 경우 두께 비율을 조절하여 기타 물성 열화 없이 Kt2 조절이 가능하고(감소시키는 방향으로), 압전층과 전극의 물성 열화가 발생되지 않을 충분한 두께로 고주파를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따른 단면도이다.
도 5는 순수 알루미늄과 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금의 면저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 순수 알루미늄의 표면 결함을 설명하기 위한 사진이다.
도 7은 스칸듐 함유 알루미늄 합금(0.625at%)의 표면 결함을 설명하기 위한 사진이다.
도 8은 스칸듐 함유 알루미늄 합금(6.25at%)의 표면 결함을 설명하기 위한 사진이다.
도 9는 압전층의 양이온 극성(Cation(Al)-polarity)과 음이온 극성(Anion(N)-polarity)을 나타내는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12 및 도 13은 극성(polarity) 두께 비율에 따라 Kt2를 조절한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제7 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제8 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제9 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제10 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따른 단면도이고, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따른 단면도이고, 도 4는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(160), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 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(112)이 형성될 수 있으며, 상부에 배치되는 구성과 기판(110)을 전기적으로 격리시킬 수 있다. 또한, 절연층(112)은 제조과정에서 캐비티(C)를 형성하는 경우 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
이 경우, 절연층(112)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 형성될 수 있다.
희생층(120)은 절연층(112) 상에 형성되며, 희생층(120)의 내측에는 캐비티(C)와 식각 방지부(130)가 배치될 수 있다. 캐비티(C)는 제조 시 희생층(120)의 일부분을 제거함으로써 형성된다. 이와 같이, 캐비티(C)가 희생층(120)의 내측에 형성됨에 따라 희생층(120)의 상부에 배치되는 제1 전극(150) 등은 편평하게 형성될 수 있다.
식각방지부(130)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치된다. 식각방지부(130)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지한다.
멤브레인층(140)은 기판(110)과 함께 캐비티(C)를 형성한다. 또한, 멤브레인층(140)은 희생층(120)의 제거 시 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 한편, 식각방지부(130)는 멤브레인층(140)에 의해 형성된 홈부(141)에 삽입 배치된다. 한편, 멤브레인층(140)은 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
한편, 멤브레인층(140) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어지는 시드층(142)이 형성될 수 있다. 즉, 시드층은 멤브레인층(140)과 제1 전극(150) 사이에 배치될 수 있다. 시드층(142)은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 결정 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 일예로서, 시드층(142)이 금속일 경우 시드층(142)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
제1 전극(150)은 멤브레인층(140) 상에 형성되며, 일부분이 캐비티(C)의 상부에 배치된다. 또한, 제1 전극(150)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
한편, 제1 전극(150)은 일예로서, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(150)이 이루어짐으로써 기계적 강도(mechanical strength)가 증가됨에 따라, high power reactive sputtering이 가능할 수 있다. 이러한 증착 조건에서 제1 전극(150)의 표면 거칠기(roughness) 증가를 막을 수 있으며 압전층(160)의 고배향 성장도 유도할 수 있다.
또한, 스칸듐(Sc)이 함유됨으로써, 제1 전극(150)의 화학적 저항(chemical resistance)이 증가되어 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 발생되는 단점을 보완할 수 있다. 나아가, 제조시 건식식각(dry etch) 또는 습식공정(wet process) 등의 공정 안정성을 확보할 수 있다. 나아가, 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 쉽게 산화가 발생되나, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(150)이 이루어짐으로써 산화에 대한 내화학성이 향상될 수 있다.
이에 대하여 보다 자세하게 살펴보면, 먼저 1500Å 두께를 가지도록 몰리브덴(Mo) 재질과 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc) 재질로 전극을 형성하여 면저항을 측정해 보면, 몰리브덴(Mo) 재질로 전극이 이루어지는 경우 면저항은 0.9685이나, 스칸듐을 0.625at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc) 재질로 전극이 이루어지는 경우 면저항이 0.316으로 나타난다. 이와 같이, 알루미늄 합금(AlSc) 재질로 전극이 이루어지는 경우 몰리브덴(Mo) 재질로 전극이 이루어지는 경우와 비교하여 면저항이 낮아지는 것을 알 수 있다.
한편, 스칸듐(Sc)의 함량은 0.1at% ~ 5at%일 수 있다. 즉, 스칸듐(Sc)의 함량이 0.1at% 미만인 경우 알루미늄(Al)에 의해 나타나는 기계적 물성 저하 및 힐럭(hillock) 등이 발생할 수 있으며, 스칸듐(Sc)의 함량이 5at% 이상일 경우 면저항을 나타내는 전기적 손실(electrical loss)를 개선하기 어렵다. 또한, 스칸듐(Sc) 함량이 증가할 경우 표면 거칠기가 증가하여 오히려 결정 배향성에 악영향을 줄 수 있다.
물질(Material) 항복 강도(Yield strength) 신장율(Elongation)
순수 알루미늄(Pure Al) 35 Mpa 45%
AlSc(Sc 0.625at%) 300 Mpa 15%
그리고, 상기한 표에서처럼 순수 알루미늄(Al) 재질과 비교하여 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%) 재질의 경우 항복 강도가 증가하며, 신장율이 감소함을 알 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 순수 알루미늄(Al) 재질과, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%) 재질을 1500Å 두께를 가지도록 증착하여 신뢰성 환경에서 면저항 변화를 측정한 결과, 96Hr 이후의 면저항 변화율을 비교해보면 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%) 재질의 경우 면저항 변화율이 순수 알루미늄(Al) 재질에 비해 50% 정도의 변화를 보이고 있어 내산화성 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
그리고, 제1 전극(150)이 금속패드(195)와의 갈바니 부식(galvanic corrosion) 특성 또한 우수하여 제조 공정상의 안정성을 얻을 수 있다. 즉, 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%) 재질을 1500Å 두께를 가지도록 증착한 후, 금속패드(195)의 재료로 주로 사용되는 금(Au)과 접촉시킨 후 전해질용액(electrolyte solution)에 65시간 침지시켜 갈바니 부식(galvanic corrosion) 특성을 비교한 결과, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%) 재질의 경우 표면의 변화가 관찰되지 않았으나, 순수 알루미늄 재질의 경우 금(Au)과의 부식(corrosion)이 관찰됨을 알 수 있다. 따라서, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 제1 전극(150)을 형성하는 경우 제조 공정 상 갈바니 부식(galvanic corrosion)에 대한 특성도 확보할 수 있다.한편, 제1 전극(150)은 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어진다. 즉, 스칸듐(Sc)을 제외한 추가 금속이 함유되지 않는다. 만약, 스칸듐(Sc)을 제외한 추가 금속이 함유되는 경우 이러한 알루미늄 합금은 상 다이어그램(phase diagram) 상 삼성분계를 이룬다. 이러한 경우 조성 조절(control)이 어려우며 복잡한 상 시스템(phase system)을 가짐으로써 조성 불균일 및 원하지 않는 결정상이 형성될 수 있다.
나아가, 제1 전극(150)이 삼성분계로 이루어진 알루미늄 합금일 경우 조성 불균일 및 원하지 않은 결정상 형성으로 표면의 거칠기가 증가하여 압전층(160) 형성 시 결정 배향성에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
따라서, 제1 전극(150)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제1 전극(150)의 상부에 배치되는 압전층(160)의 결정 배향성이 향상될 수 있다.
나아가, 제1 전극(150)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제1 전극(150)의 상부에 배치되는 압전층(160)의 극성(polarity)이 도 9에 도시된 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다.
정리하자면, 제1 전극(150)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금재질로 이루어지므로, 전기적 손실을 개선할 수 있다. 나아가, 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, 스퍼터링 공정 시 보다 안정적이고, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]의 압전층(160)의 증착이 가능하여 결정 배향성을 향상시킬 수 있으며, 화학적 저항이 향상되어 제조 안정성이 확보될 수 있는 것이다.
이에 대하여 보다 자세하게 살펴보면, 500Å 두께를 가지는 질화알루미늄(AlN) 재질의 시드층 상에 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)을 1500Å 두께를 가지도록 증착한 후 표면 결함을 관찰해보면, 순수 알루미늄(Al)의 경우 힐락(hillock) 및 결정입계 요홈(grain boundary groove)에 의한 결함이 다수 관찰되지만 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 힐락(hillock) 및 결정입계 요홈(grain boundary groove)로 인한 결함이 현저하게 감소된다.
즉, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 순수 알루미늄(Al)일 경우 요홈(groove) 표면 결함이 관찰되며 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc, 0.625at%)의 경우 표면 결함을 관찰되지 않는다. 또한, 스칸듐(Sc) 함량이 과도할 경우 표면 거칠기가 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.
보다 자세하게 살펴보면, 순수 알루미늄(Al)과, 스칸듐(Sc)을 0.625at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)과, 스칸듐(Sc)을 6.25at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)을 증착한 샘플을 원자력 현미경(AFM)으로 표면 거칠기(surface roughness)를 측정 결과 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 순수 알루미늄(Al)의 경우 스캔 크기(10um x 10um) 기준에서 표면거칠기(Ra)가 3.74nm를 보이며, 스칸듐(Sc)을 0.625at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 스캔 크기(10um x 10um) 기준에서 표면거칠기(Ra) 1.70nm를 보인다. 또한, 스칸듐(Sc)을 6.25at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 스캔 크기(10um x 10um) 기준에서 표면거칠기(Ra) 10.27nm로 증가한다.
한편, 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)은 FCC 결정 구조를 가지며 (111) 결정면으로 배향될 경우 압전층(160)인 질화 알루미늄(AlN) HCP 결정 구조 (0002) 결정면과 격자 불일치(lattice mismatch)가 8%로 하부전극(150)을 몰리브덴(Mo) 재질로 형성하는 경우의 격자 불일치(lattice mismatch) 14%보다 개선될 수 있다.
하지만, 순수 알루미늄(Al)의 경우 표면 결함 등으로 인해 표면 거칠기가 증가할 경우 압전층(160)의 결정 배향성이 나빠진다.
또한, 500Å 두께를 가지는 질화알루미늄(AlN) 재질의 시드층 상에 순수 알루미늄(Al)과 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc) 및 몰리브덴(Mo)을 1500Å 두께를 가지도록 증착한 후 압전층(160)인 질화 알루미늄(AlN)을 5000Å 두께를 가지도록 증착하여 박막의 결정 배향성을 비교하기 위하여 XRD 요동 곡선(rocking curve)을 측정해 보면 하기의 표와 같이 나타난다.
FWHM(degree) 몰리브덴(Mo) 순수 알루미늄(Al) 스칸듐 함유 알루미늄 합금(AlSc 6.25at%) 스칸듐 함유 알루미늄 합금(AlSc 0.625at%)
하부 전극 결정배향성(1500Å) 2.77°(110) 1.31°(111) 1.13°(111) 0.49°(111)
압전층 결정 배향성(5000Å) 1.95°(0002) 1.73°(0002) 2.19°(0002) 0.78°(0002)
즉, 몰리브덴(Mo) 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우 질화 알루미늄(AlN)의 결정 배향성은 1.95°를 나타내고 순수 알루미늄(Al) 상에 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우 순수 알루미늄(Al)의 표면 결함으로 인해 오히려 결정 배향성이 1.73°로 나타낸다. 다시 말해, 몰리브덴(Mo)을 적용한 경우보다 압전층의 결정 배향성이 개선되지만 순수 알루미늄(Al) 표면에서 관찰된 요홈(groove)의 표면 결함은 도 6에 도시된 바와 같이 질화 알루미늄(AlN)을 증착하는 경우에도 그대로 전사된다. 또한, 스칸듐(Sc)을 6.25at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 표면 거칠기 증가로 인해 도 7에 도시된 바와 같이 질화 알루미늄(AlN) 증착 시 순수 알루미늄(Al)보다 결정 배향성이 2.19°(표 2 참조)로 나빠진다. 하지만, 스칸듐(Sc)을 0.625at% 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)의 경우 도 8에 도시된 바와 같이 질화 알루미늄(AlN)의 증착 시 결정 배향성이 0.78°(표 2 참조)로 가장 우수한 결정 배향성을 보인다. 다시 말해, 스퍼터링 공정 시 보다 안정적인 압전층(160)의 증착이 가능하여 결정 배향성을 향상시킬 수 있으며, 화학적 저항이 향상되어 제조 안정성이 확보될 수 있는 것이다.압전층(160)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 제1 전극(150)을 덮도록 형성된다. 한편, 압전층(160)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(160)이 질화 알루미늄(AlN)로 구성되는 경우 압전층(150)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
또한, 압전층(160)은 도 9에 도시된 바와 같은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가진다. 즉, 제1 전극(150)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어짐으로써 제1 전극(150) 상에 적층되는 압전층(160)은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다. 이에 따라, 압전층(160)은 결정배향성이 충분히 확보되면서도 압전층(160)의 두께를 보다 두껍게 형성할 수 있다. 더불어, 압전층(160)의 두께를 보다 두껍게 형성하여 고주파를 구현할 수 있는 것이다.
다시 말해, 제1 전극(150)이 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성되는 경우 압전층(160)의 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현하는 것이 매우 어렵다. 즉, 몰리브덴(Mo) 전극 표면을 수소(H2) 처리(termination)하거나, 몰리브덴(Mo) 전극 위에 알루미늄 시드층(Al seed layer)을 추가로 증착하여 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현하여야 한다.
하지만, 본 발명에서와 같이 제1 전극(150)이 알루미늄을 함유하는 경우 전극 표면 처리나 추가 시드층의 증착 없이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현할 수 있다. 나아가, 제1 전극(150)이 알루미늄을 함유하는 경우 제1 전극(150)이 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성되는 경우와 비교하여 비저항 감소로 인해 공진기의 IL 성능 개선이 가능하다. 다만, 순수 알루미늄으로 제1 전극(150)을 형성하는 경우 물질(입자)의 이동(migration) 등으로 인하여 압전층(160)의 결정 배향성이 나빠지는 것을 알 수 있다.
더하여, 제1 전극(150)이 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어지는 경우 압전층(160)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]만을 가지도록 형성할 수 있다. 이와 같이, 압전층(160)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]만을 가지도록 형성되므로, 압전층(160)이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지도록 형성되는 경우와 비교하여 압전체의 막질 손실이 적을 수 있다.
여기서, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]에 대하여 설명하기로 한다.
도 9에서와 같이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]은 제1 전극(150) 위에 질소(N) 이온이 먼저 증착되고, Al-N으로 이루어진 정사면체 가운데에 알루미늄(Al) 이온이 위치해 있어 극성 방향이 아래 방향인 경우를 말한다. 그리고, 음이온 극성[Anion(N)-polarity]은 제1 전극(150) 위에 알루미늄(Al) 이온이 먼저 증착되고, Al-N으로 이루어진 정사면체 가운데에 질소(N) 이온이 위치해 있어 극성 방향이 윗방향인 경우를 말한다.
그리고, 질화 알루미늄(AlN)에 압전 특성을 향상시키기 위해 포함되는 원소들의 함량은 0.1 ~ 30at%가 바람직하다. 만약, 압전 특성을 향상시키기 위해 포함되는 원소들의 함량이 0.1at%보다 적을 경우 질화 알루미늄(AlN) 보다 높은 압전 특성을 구현할 수 없으며, 압전 특성을 향상시키기 위해 포함되는 원소들의 함량이 30at%를 넘을 경우 증착을 위한 제작 및 조성 조절(control)이 어려워 불균일 상이 형성될 수 있다. 또한, 원소 함량이 30at%를 넘으면 이상성장(abnormal grain growth)이 생길 확률이 급격히 증가하기 때문에, 압전층(160)에 심각한 표면 결함이 발생될 수 있다.
한편, 압전층(160)은 평탄부(S)에 배치되는 압전부(162), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(164)를 포함한다.
압전부(162)는 제1 전극(150)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(162)는 제1 전극(150)과 제2 전극(170) 사이에 개재되어 제1 전극(150), 제2 전극(170)과 함께 편평한 형태로 형성된다.
굴곡부(164)는 압전부(162)에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다.
굴곡부(164)는 후술되는 삽입층(180) 상에 배치되며, 삽입층(180)의 형상을 따라 융기되는 형태로 형성된다. 이에 압전층(160)은 압전부(162)와 굴곡부(164)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(164)는 삽입층(180)의 두께와 형상에 대응하여 융기된다.
굴곡부(164)는 경사부(164a)와 연장부(164b)로 구분될 수 있다.
경사부(164a)는 후술되는 삽입층(180)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미한다. 그리고 연장부(164b)는 경사부(164a)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미한다.
경사부(164a)는 삽입층(180) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(164a)의 경사각은 삽입층(180) 경사면(L)의 경사각(도 3의 θ)과 동일하게 형성될 수 있다.
제2 전극(170)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(160)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(170)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(150)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(170)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(150)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(170)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 제2 전극(170)도 제1 전극과(150)과 같이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 제2 전극(170)은 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어진다. 즉, 스칸듐(Sc)을 제외한 추가 금속이 함유되지 않는다. 만약, 스칸듐(Sc)을 제외한 추가 금속이 함유되는 경우 이러한 알루미늄 합금은 상 다이어그램(phase diagram) 상 삼성분계를 이룬다. 이러한 경우 조성 조절(control)이 어려우며 복잡한 상 시스템(phase system)을 가짐으로써 조성 불균일 및 원하지 않는 결정상이 형성될 수 있다.
나아가, 제2 전극(170)이 삼성분계로 이루어진 알루미늄 합금일 경우 조성 불균일 및 원하지 않은 결정상 형성으로 표면의 거칠기가 증가하여 페시베이션층(190) 형성 시 결정 배향성에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
따라서, 제2 전극(170)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제2 전극(170)의 상부에 배치되는 페시베이션층(190)의 결정 배향성이 향상될 수 있다.
삽입층(180)은 제1 전극(150)과 압전층(160) 사이에 배치된다. 삽입층(180)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(160)과는 다른 재질로 형성된다. 또한, 필요에 따라 삽입층(180)이 구비되는 영역을 빈 공간(air)으로 형성하는 것도 가능하다. 이는 제조 과정에서 삽입층(180)을 제거함으로써 구현될 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(180)의 두께는 제1 전극(150)의 두께와 동일하거나, 유사하게 형성될 수 있다. 또한 압전층(160)과 유사하거나 압전층(160) 보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어 삽입층(180)은 100Å 이상의 두께로 형성되되 압전층(160)의 두께보다는 얇게 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 삽입층(180)은 멤브레인층(140)과 제1 전극(150), 그리고 식각 방지부(130)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치된다.
삽입층(180)은 평탄부(S)의 주변에 배치되어 압전층(160)의 굴곡부(164)를 지지한다. 따라서 압전층(160)의 굴곡부(164)는 삽입층(180)의 형상을 따라 경사부(164a)와 연장부(164b)로 구분될 수 있다.
삽입층(180)은 평탄부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(180)은 평탄부(S)를 제외한 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다.
또한 삽입층(180)은 적어도 일부가 압전층(160)과 제1 전극(160) 사이에 배치된다.
평탄부(S)의 경계를 따라 배치되는 삽입층(180)의 측면은 평탄부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(180)은 평탄부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 갖는 경사면(L)으로 형성된다.
삽입층(180) 측면의 경사각(θ)이 5°보다 작게 형성되면, 이를 제조하기 위해서는 삽입층(180)의 두께를 매우 얇게 형성하거나 경사면(L)의 면적을 과도하게 크게 형성해야 하므로, 실질적으로 구현이 어렵다.
또한 삽입층(180) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(180) 상에 적층되는 압전층(160)의 경사부(164a) 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 압전층(160)이 과도하게 굴곡되므로, 압전층(160)의 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다.
페시베이션층(190)은 제1 전극(150)과 제2 전극(170)의 일부분을 제외한 영역에 형성된다. 한편, 페시베이션층(190)은 공정 중 제2 전극(170) 및 제1 전극(150)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
나아가, 페시베이션층(190)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 식각에 의해 일부분이 제거될 수 있다. 즉, 페시베이션층(190)의 두께가 조절될 수 있다. 페시베이션층(190)은 일예로서, 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
금속패드(195)는 제1 전극(150)과 제2 전극(170)의 상기한 페시베이션층(190)이 형성되지 않은 일부분에 형성된다. 일예로서, 금속패드(195)는 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금일 수 있다.
상기한 바와 같이, 압전층(160)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어지는 제1 전극(150) 상에 형성되므로 압전층(160)은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다.
이에 따라, 압전층(160)은 결정배향성이 충분히 확보되면서도 압전층(160)의 두께를 보다 두껍게 형성할 수 있다. 더불어, 압전층(160)의 두께를 보다 두껍게 형성하여 고주파를 구현할 수 있다.
이에 대하여 보다 자세하게 살펴보면, 제1 전극(150)이 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성되는 경우 압전층(160)의 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현하는 것이 매우 어렵다. 즉, 몰리브덴(Mo) 전극 표면을 수소(H2) 처리(termination)하거나, 몰리브덴(Mo) 전극 위에 알루미늄 시드층(Al seed layer)을 추가로 증착하여 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현하여야 한다.
하지만, 본 발명에서와 같이 제1 전극(150)이 알루미늄을 함유하는 경우 전극 표면 처리나 추가 시드층의 증착 없이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 구현할 수 있다. 나아가, 제1 전극(150)이 알루미늄을 함유하는 경우 제1 전극(150)이 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성되는 경우와 비교하여 비저항 감소로 인해 공진기의 IL 성능 개선이 가능하다. 다만, 순수 알루미늄으로 제1 전극(150)을 형성하는 경우 물질(입자)의 이동(migration) 등으로 인하여 압전층(160)의 결정 배향성이 나빠지는 것을 알 수 있다.
더하여, 제1 전극(150)이 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어지는 경우 압전층(160)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]만을 가지도록 형성할 수 있다. 이와 같이, 압전층(160)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]만을 가지도록 형성되므로, 압전층(160)이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지도록 형성되는 경우와 비교하여 압전체의 막질 손실이 적을 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 체적 음향 공진기(200)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(160), 제2 전극(270), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(160), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 구성과 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
제2 전극(270)은 일예로서, 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제2 전극(270)은 루테늄(ruthenium : Ru), 텅스텐(tungsten : W), 이리듐 (Iridiym : Ir), 플래티늄 (Platinium : Pt), 구리(Copper : Cu), 티타늄 (Titanium : Ti), 탄탈 (Tantalum : Ta), 니켈 (Nickel : Ni) , 크롬 (Chromium : Cr) 등과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 전극(270)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(160)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(270)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(150)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(270)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(150)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(270)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 체적 음향 공진기(300)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(360), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 구성과 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
압전층(360)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 제1 전극(150)을 덮도록 형성된다. 한편, 압전층(360)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(360)이 질화 알루미늄(AlN)로 구성되는 경우 압전층(360)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
압전층(360)은 제1 전극(140) 상에 형성되며 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)를 가지는 제1 압전층(360a)과, 제1 압전층(360a) 상에 형성되며 음이온 극성([Anion(N) polarity], 도 9 참조)를 가지는 제2 압전층(360b)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 제1,2 압전층(360a,360b)의 극성을 서로 반대방향으로 적층하여 기본 공진의 두 배수에서 공진이 발생될 수 있다. 따라서, 압전층(360)의 두께는 막질이 충분히 확보될 만큼 두껍게 형성되면서도 고주파를 구현할 수 있다. 다시 말해, 막질은 열화시키지 않으면서 다른 성능의 열화 없이 Kt2 성능만을 조절할 수 있다.
한편, 제2 압전층(360b)은 적층 시 산소가 함유된 혼합 가스가 주입되어 증착됨으로써 음이온 극성[Anion(N) polarity]을 가질 수 있다. 즉, 제1 압전층(360a)과 제2 압전층(360b) 사이 계면에 산소 원소가 함유될 수 있다.
상기한 바와 같이, 압전층(360)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(360a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(360b)로 이루어지는 경우 제1,2 압전층(360a,360b)의 두께 비율(ratio)를 조절하여 Kt2 조절이 가능할 수 있다. 이와 같이, Kt2를 낮은 쪽으로 가변시켜 좁은 밴드 폭(narrow band width) 구현이 가능할 수 있다.
예를 들어, 압전층이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지는 경우 Kt2 변화 폭을 6~7%로 구현할 수 있지만, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(360a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(360b)의 두께 비율을 다양하게 변화시키면 한 가지 주파수에서 하기의 표 3에서와 같이 다양한 Kt2를 구현할 수 있다.
실시예 총 압전층 두께 대비 제1 압전층 두께 비율(%) 총 압전층 두께 대비 제2 압전층 두께 비율(%) 두께비
(제1 압전층의 두께/제2 압전층의 두께)		 Kt2변화 폭(%)
1 100 0 - 7.01
2 91 9 10.11 5.83
3 84 16 5.25 4.92
4 79 21 3.76 4.27
5 70 30 2.33 3.10
6 62 38 1.63 2.06
7 58 42 1.38 1.54
8 40 60 0.67 1.69
9 37 63 0.59 2.01
10 25 75 0.33 3.32
11 10 90 0.11 4.49
12 4 96 0.04 5.59
13 0 100 - 6.03
도 12 및 도 13은 상기한 표 3의 실시예 13 및 실시예 10을 나타낸 것으로 주파수 2.4GHz대에서 극성(polarity) 두께 비율에 따라 Kt2를 조절한 결과를 나타내는 그래프이다.
한편, 좁은 밴드 폭을 사용하는 B30(밴드 30, 국제 규격)의 경우 Kt2 2~5%대가 필요하다. 또한, Kt2 2% 이하이면 밴드 폭 구현이 어렵고 구현되더라도 밴드 폭(band width)가 상당히 좁아 삽입 손실(Insertion loss)가 커진다. 또한, Kt2 5% 이상은 밴드 폭(band width)가 너무 넓어 좁은 밴드 폭을 구현하기 어렵다. 따라서, Kt2 2~5%대의 밴드 폭(band width)이 필요한 좁은 밴드의 경우 제1 압전층(360a)/제2 압전층(360b)의 두께 비율이 1.63 ~ 5.25 혹은 0.11 ~ 0.59일 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 체적 음향 공진기(400)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(460), 제2 전극(470), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 구성과 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
압전층(460)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 제1 전극(150)을 덮도록 형성된다. 한편, 압전층(460)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(460)이 질화 알루미늄(AlN)로 구성되는 경우 압전층(460)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
압전층(460)은 제1 전극(140) 상에 형성되며 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제1 압전층(460a)과, 제1 압전층(460a) 상에 형성되며 음이온 극성([Anion(N) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제2 압전층(460b)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 제1,2 압전층(460a,460b)의 극성을 서로 반대방향으로 적층하여 기본 공진의 두 배수에서 공진이 발생될 수 있다. 따라서, 압전층(460)의 두께는 막질이 충분히 확보될 만큼 두껍게 형성되면서도 고주파를 구현할 수 있다. 다시 말해, 막질은 열화시키지 않으면서 다른 성능의 열화 없이 Kt2 성능만을 조절할 수 있다.
한편, 제2 압전층(460b)은 적층 시 산소가 함유된 혼합 가스가 주입되어 증착됨으로써 음이온 극성[Anion(N) polarity]를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 압전층(460)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(460a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(460b)로 이루어지는 경우 제1,2 압전층(460a,460b)의 두께 비율(ratio)를 조절하여 Kt2 조절이 가능할 수 있다. 이와 같이, Kt2를 낮은 쪽으로 가변시켜 좁은 밴드 폭(narrow band width) 구현이 가능할 수 있다.
예를 들어, 압전층이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지는 경우 Kt2 변화 폭을 6~7%로 구현할 수 있지만, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(460a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(460b)의 두께 비율을 다양하게 변화시키면 한 가지 주파수에서 상기의 표 3에서와 같이 다양한 Kt2를 구현할 수 있다.
한편, 좁은 밴드 폭을 사용하는 B30(밴드 30, 국제 규격)의 경우 Kt2 2~5%대가 필요하다. 또한, Kt2 2% 이하이면 밴드 폭 구현이 어렵고 구현되더라도 밴드 폭(band width)가 상당히 좁아 삽입 손실(Insertion loss)가 커진다. 또한, Kt2 5% 이상은 밴드 폭(band width)이 너무 넓어 좁은 밴드 폭을 구현하기 어렵다. 따라서, Kt2 2~5%대의 밴드 폭(band width)이 필요한 좁은 밴드의 경우 제1 압전층(460a)/제2 압전층(460b)의 두께 비율이 1.63 ~ 5.25 혹은 0.11 ~ 0.59일 수 있다.
제2 전극(470)은 일예로서, 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제2 전극(470)은 루테늄(ruthenium : Ru), 텅스텐(tungsten : W), 이리듐 (Iridiym : Ir), 플래티늄 (Platinium : Pt), 구리(Copper : Cu), 티타늄 (Titanium : Ti), 탄탈 (Tantalum : Ta), 니켈 (Nickel : Ni) , 크롬 (Chromium : Cr) 등과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 전극(470)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(460)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(470)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(150)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(470)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(150)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(470)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 체적 음향 공진기(500)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(560), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 구성과 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
압전층(560)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 제1 전극(150)을 덮도록 형성된다. 한편, 압전층(560)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(560)이 질화 알루미늄(AlN)로 구성되는 경우 압전층(560)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
압전층(560)은 제1 전극(140) 상에 형성되며 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제1 압전층(560a)과, 제1 압전층(560a) 상에 형성되는 산화물층(560b) 및 산화물층(560b) 상에 형성되며 음이온 극성([Anion(N) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제2 압전층(560c)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 제1,2 압전층(560a,560c)의 극성을 서로 반대방향으로 적층하여 기본 공진의 두 배수에서 공진이 발생될 수 있다. 따라서, 압전층(560)의 두께는 막질이 충분히 확보될 만큼 두껍게 형성되면서도 고주파를 구현할 수 있다. 다시 말해, 막질은 열화시키지 않으면서 다른 성능의 열화 없이 Kt2 성능만을 조절할 수 있다.
한편, 제2 압전층(560b)은 산화물층(560b) 상에 형성되므로 음이온 극성[Anion(N) polarity]을 가지도록 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 압전층(560)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(560a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(560b)로 이루어지는 경우 제1,2 압전층(560a,560b)의 두께 비율(ratio)를 조절하여 Kt2 조절이 가능할 수 있다. 이와 같이, Kt2를 낮은 쪽으로 가변시켜 좁은 밴드 폭(narrow band width) 구현이 가능할 수 있다.
예를 들어, 압전층이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지는 경우 Kt2 변화 폭을 6~7%로 구현할 수 있지만, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(560a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(560b)의 두께 비율을 다양하게 변화시키면 한 가지 주파수에서 다양한 Kt2를 구현할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 체적 음향 공진기(600)는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 압전층(660), 제2 전극(670), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 멤브레인층(140), 제1 전극(150), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 구성과 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
압전층(660)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 제1 전극(150)을 덮도록 형성된다. 한편, 압전층(660)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(660)이 질화 알루미늄(AlN)로 구성되는 경우 압전층(660)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
압전층(660)은 제1 전극(140) 상에 형성되며 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제1 압전층(660a)과, 제1 압전층(660a) 상에 형성되는 산화물층(660b) 및 산화물층(660b) 상에 형성되며 음이온 극성([Anion(N) polarity], 도 9 참조)을 가지는 제2 압전층(660c)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 제1,2 압전층(660a,660c)의 극성을 서로 반대방향으로 적층하여 기본 공진의 두 배수에서 공진이 발생될 수 있다. 따라서, 압전층(660)의 두께는 막질이 충분히 확보될 만큼 두껍게 형성되면서도 고주파를 구현할 수 있다. 다시 말해, 막질은 열화시키지 않으면서 다른 성능의 열화 없이 Kt2 성능만을 조절할 수 있다.
한편, 제2 압전층(660b)은 산화물층(660b) 상에 형성되므로 음이온 극성[Anion(N) polarity]을 가지도록 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 압전층(660)이 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(660a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(660c)로 이루어지는 경우 제1,2 압전층(660a,660c)의 두께 비율(ratio)를 조절하여 Kt2 조절이 가능할 수 있다. 이와 같이, Kt2를 낮은 쪽으로 가변시켜 좁은 밴드 폭(narrow band width) 구현이 가능할 수 있다.
예를 들어, 압전층이 음이온 극성[Anion(N)-polarity]만을 가지는 경우 Kt2 변화 폭을 6%로 구현할 수 있지만, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(660a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(660c)의 두께 비율이 1:1 인 경우 Kt2의 변화 폭을 0%로 구현할 수 있다. 또한, 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층(660a)과 음이온 극성[Anion(N)-polarity]을 가지는 제2 압전층(660c)의 두께 비율이 1:2 인 경우 Kt2의 변화 폭을 2%로 구현할 수 있다.
제2 전극(670)은 일예로서, 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제2 전극(670)은 루테늄(ruthenium : Ru), 텅스텐(tungsten : W), 이리듐 (Iridiym : Ir), 플래티늄 (Platinium : Pt), 구리(Copper : Cu), 티타늄 (Titanium : Ti), 탄탈 (Tantalum : Ta), 니켈 (Nickel : Ni) , 크롬 (Chromium : Cr) 등과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 전극(670)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(660)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(670)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(150)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(670)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(150)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(670)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 제7 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 체적 음향 공진기(700)는 일예로서, 기판(710), 멤브레인층(720), 제1 전극(730), 압전층(740), 제2 전극(750), 페시베이션층(760), 금속패드(770)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(710)은 실리콘이 적층된 기판일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)가 기판으로 이용될 수 있다. 한편, 기판(710)에는 캐비티(C)에 대향 배치되는 기판보호층(712)이 구비될 수 있다.
기판보호층(712)은 캐비티(C)의 형성 시 기판(1210)의 손상을 방지하는 역할을 수행한다.
일예로서, 기판보호층(712)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 형성될 수 있다.
멤브레인층(720)은 최종적으로 제거되는 희생층(미도시)의 상부에 형성되며, 희생층의 제거에 의해 멤브레인층(70)은 기판보호층(712)과 함께 캐비티(C)를 형성한다. 즉, 캐비티(C)의 형성을 위해 기판(710) 상에 희생층을 형성하고, 이후 희생층을 제거함으로써 캐비티(C)가 형성되는 것이다. 멤브레인층(720)은 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
한편, 멤브레인층(720) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어지는 시드층(722)이 형성될 수 있다. 즉, 시드층(722)은 멤브레인층(720)과 제1 전극(730) 사이에 배치될 수 있다. 시드층(722)은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 결정 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 일예로서, 시드층(722)이 금속일 경우 시드층(722)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
제1 전극(730)은 멤브레인층(720)의 시드층(722) 상에 형성된다. 또한, 제1 전극(730)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
한편, 제1 전극(730)은 일예로서, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(730)이 이루어짐으로써 기계적 강도(mechanical strength)가 증가됨에 따라, high power reactive sputtering이 가능할 수 있다. 이러한 증착 조건에서 제1 전극(730)의 표면 거칠기(roughness) 증가를 막을 수 있으며 압전층(740)의 고배향 성장도 유도할 수 있다.
또한, 스칸듐(Sc)이 함유됨으로써, 제1 전극(730)의 화학적 저항(chemical resistance)이 증가되어 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 발생되는 단점을 보완할 수 있다. 나아가, 제조시 건식식각(dry etch) 또는 습식공정(wet process) 등의 공정 안정성을 확보할 수 있다. 나아가, 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 쉽게 산화가 발생되나, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(730)이 이루어짐으로써 산화에 대한 내화학성이 향상될 수 있다.
나아가, 제1 전극(730)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제1 전극(730)의 상부에 배치되는 압전층(740)의 극성(polarity)이 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 10)을 가질 수 있다.
압전층(740)은 제1 전극(730)의 적어도 일부를 덮도록 형성된다. 그리고, 압전층(740)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(740)이 질화 알루미늄(AlN)으로 구성되는 경우 압전층(740)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
또한, 압전층(740)은 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가진다. 즉, 제1 전극(730)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어짐으로써 제1 전극(730) 상에 적층되는 압전층(740)은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다. 이에 따라, 압전층(740)은 결정배향성이 충분히 확보되면서도 압전층(740)의 두께를 보다 두껍게 형성할 수 있다. 더불어, 압전층(740)의 두께를 보다 두껍게 형성하여 고주파를 구현할 수 있는 것이다.
제2 전극(750)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(740)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(750)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(730)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(750)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(730)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(750)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 제2 전극(750)도 제1 전극과(730)과 같이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 전극(750)에는 활성영역, 즉 제1 전극(730), 압전층(740) 및 제2 전극(750)이 모두 겹쳐지게 배치되는 영역의 가장자리에 배치되는 프레임부(752)가 구비될 수 있다. 프레임부(752)는 제2 전극(750)의 나머지 부분보다 두꺼운 두께를 가진다. 일예로서, 프레임부(752)는 공진 시 발생되는 측면파(Lateral Wave)를 활성 영역 내부로 반사시켜 공진 에너지를 활성 영역에 가두어 두는 역할을 수행한다.
페시베이션층(760)은 제1 전극(730)과 제2 전극(750)의 일부분을 제외한 영역에 형성된다. 한편, 페시베이션층(760)은 공정 중 제2 전극(750) 및 제1 전극(730)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
나아가, 페시베이션층(760)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 식각에 의해 페시베이션층(760)의 두께가 조절될 수 있다. 패시베이션층(760)은 멤브레인층(720)에 사용되는 물질과 동일 물질을 사용할 수 있다. 일 예로, 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
그리고, 금속패드(770)는 제1 전극(730)과 제2 전극(750)의 상기한 페시베이션층(760)이 형성되지 않은 일부분에 형성된다. 일예로서, 금속패드(770)는 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금일 수 있다.
도 18은 본 발명의 제8 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 제8 실시예에 따른 탄성파 필터 장치(800)는 일예로서, 기판(810), 멤브레인층(820), 제1 전극(830), 압전층(840), 제2 전극(850), 페시베이션층(860), 금속패드(870)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(810)은 실리콘이 적층된 기판일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)가 기판으로 이용될 수 있다. 한편, 기판(810)에는 캐비티(C)를 형성하기 위한 홈(812)이 구비될 수 있다.
홈(812)은 기판(810)의 중앙부에 배치되도록 형성될 수 있으며, 활성 영역의 하부에 배치될 수 있다. 여기서, 활성 영역이라고 함은, 제1 전극(830), 압전층(840) 및 제2 전극(850)이 모두 겹쳐지게 배치되는 영역을 말한다.
멤브레인층(820)은 기판(810)과 함께 캐비티(C)를 형성한다. 즉, 멤브레인층(820)은 기판(810)의 홈(812)을 덮도록 형성될 수 있다. 멤브레인층(820)은 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
한편, 멤브레인층(820) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어지는 시드층(822)이 형성될 수 있다. 즉, 시드층(822)은 멤브레인층(820)과 제1 전극(830) 사이에 배치될 수 있다. 시드층(822)은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 결정 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 일예로서, 시드층(822)이 금속일 경우 시드층(822)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
제1 전극(830)은 멤브레인층(820) 상에 형성된다. 또한, 제1 전극(830)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
한편, 제1 전극(830)은 일예로서, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(830)이 이루어짐으로써 기계적 강도(mechanical strength)가 증가됨에 따라, high power reactive sputtering이 가능할 수 있다. 이러한 증착 조건에서 제1 전극(830)의 표면 거칠기(roughness) 증가를 막을 수 있으며 압전층(840)의 고배향 성장도 유도할 수 있다.
또한, 스칸듐(Sc)이 함유됨으로써, 제1 전극(830)의 화학적 저항(chemical resistance)이 증가되어 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 발생되는 단점을 보완할 수 있다. 나아가, 제조시 건식식각(dry etch) 또는 습식공정(wet process) 등의 공정 안정성을 확보할 수 있다. 나아가, 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 쉽게 산화가 발생되나, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(830)이 이루어짐으로써 산화에 대한 내화학성이 향상될 수 있다.
나아가, 제1 전극(830)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제1 전극(830)의 상부에 배치되는 압전층(840)의 극성(polarity)이 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가질 수 있다.
압전층(840)은 제1 전극(830)의 적어도 일부를 덮도록 형성된다. 그리고, 압전층(840)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 압전층(840)이 질화 알루미늄(AlN)으로 구성되는 경우 압전층(840)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
또한, 압전층(840)은 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가진다. 즉, 제1 전극(830)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어짐으로써 제1 전극(830) 상에 적층되는 압전층(840)은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다. 이에 따라, 압전층(840)은 결정배향성이 충분히 확보되면서도 압전층(840)의 두께를 보다 두껍게 형성할 수 있다. 더불어, 압전층(840)의 두께를 보다 두껍게 형성하여 고주파를 구현할 수 있는 것이다.
제2 전극(850)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(840)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(850)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(830)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(850)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(830)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(850)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 제2 전극(850)도 제1 전극과(830)과 같이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 전극(850)에는 활성영역의 가장자리에 배치되는 프레임부(852)이 구비될 수 있다. 프레임부(852)는 제2 전극(850)의 나머지 부분보다 두꺼운 두께를 가진다. 일예로서, 프레임부(852)는 공진 시 발생되는 측면파(Lateral Wave)를 활성 영역 내부로 반사시켜 공진 에너지를 활성 영역에 가두어 두는 역할을 수행한다.
페시베이션층(860)은 제1 전극(830)과 제2 전극(850)의 일부분을 제외한 영역에 형성된다. 한편, 페시베이션층(860)은 공정 중 제2 전극(850) 및 제1 전극(830)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
나아가, 페시베이션층(860)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 식각에 의해 페시베이션층(860)의 두께가 조절될 수 있다. 패시베이션층(860)은 멤브레인층(820)에 사용되는 물질과 동일 물질을 사용할 수 있다. 일 예로, 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
그리고, 금속패드(870)는 제1 전극(830)과 제2 전극(850)의 상기한 페시베이션층(860)이 형성되지 않은 일부분에 형성된다. 일예로서, 금속패드(870)는 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금일 수 있다.
도 19는 본 발명의 제9 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 제9 실시예에 따른 체적 음향 공진기(900)는 일예로서, 기판(910), 멤브레인층(920), 제1 전극(930), 압전층(940), 제2 전극(950), 페시베이션층(960), 금속패드(970)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(910)은 실리콘이 적층된 기판일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)가 기판으로 이용될 수 있다. 한편, 기판(910)에는 반사층(911)이 구비될 수 있다.
반사층(911)은 기판(910)의 중앙부에 배치되도록 형성될 수 있으며, 활성 영역의 하부에 배치될 수 있다. 여기서, 활성 영역이라고 함은, 제1 전극(930), 압전층(940) 및 제2 전극(950)이 모두 겹쳐지게 배치되는 영역을 말한다.
한편, 반사층(911)은 홈 내에 배치되는 제1,2 반사부재(912,914)를 구비할 수 있다. 제1,2 반사부재(912,914)는 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다.
제 1 반사부재(912)는 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 루테늄(ruthenium : Ru),텅스텐(tungsten : W), 이리듐 (Iridiym : Ir), 플래티늄 (Platinium : Pt), 구리 (Copper : Cu),알루미늄 (Al), 티타늄 (Titanium : Ti), 탄탈 (Tantalum : Ta), 니켈 (Nickel : Ni) , 크롬 (Chromium : Cr) 등이 사용 가능하다. 또한 제2 반사부재(914)는 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다. 또한 제1,2 반사부재(912,914)가 한 쌍으로만 이루어지거나 제1,2 반사부재(912,914)가 쌍으로 반복적으로 구성될 수 있다.
멤브레인층(920)은 기판(910)의 반사층(911)을 덮도록 형성될 수 있다. 멤브레인층(920)은 질화실리콘(Si3N4), 산화실리콘(SiO2), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
한편, 멤브레인층(920) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어지는 시드층(922)이 형성될 수 있다. 즉, 시드층(922)은 멤브레인층(920)과 제1 전극(930) 사이에 배치될 수 있다. 시드층(922)은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 결정 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 일예로서, 시드층(922)이 금속일 경우 시드층(922)은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
제1 전극(930)은 멤브레인층(920) 상에 형성된다. 또한, 제1 전극(930)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
한편, 제1 전극(930)은 일예로서, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(930)이 이루어짐으로써 기계적 강도(mechanical strength)가 증가됨에 따라, high power reactive sputtering이 가능할 수 있다. 이러한 증착 조건에서 제1 전극(930)의 표면 거칠기(roughness) 증가를 막을 수 있으며 압전층(940)의 고배향 성장도 유도할 수 있다.
또한, 스칸듐(Sc)이 함유됨으로써, 제1 전극(930)의 화학적 저항(chemical resistance)이 증가되어 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 발생되는 단점을 보완할 수 있다. 나아가, 제조시 건식식각(dry etch) 또는 습식공정(wet process) 등의 공정 안정성을 확보할 수 있다. 나아가, 순수 알루미늄으로 제1 전극이 이루어지는 경우 쉽게 산화가 발생되나, 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 제1 전극(930)이 이루어짐으로써 산화에 대한 내화학성이 향상될 수 있다.
나아가, 제1 전극(930)이 스칸듐(Sc)만을 함유하는 알루미늄 합금(AlSc)으로 이루어짐으로써, 제1 전극(930)의 상부에 배치되는 압전층(940)의 극성(polarity)이 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가질 수 있다.
압전층(940)은 제1 전극(930)의 적어도 일부를 덮도록 형성된다. 그리고, 압전층(940)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화 알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 특히, 압전층(940)이 질화 알루미늄(AlN)으로 구성되는 경우 압전층(940)은 희토류 금속(Rare earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 일 예로, 전이 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨 (Ta), 니오비윰 (Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 2가 금속인 마그네슘(Mg)도 포함될 수 있다.
또한, 압전층(940)은 양이온 극성([Cation(Al) polarity], 도 9 참조)을 가진다. 즉, 제1 전극(930)이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어짐으로써 제1 전극(930) 상에 적층되는 압전층(940)은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가질 수 있다. 이에 따라, 압전층(940)은 결정배향성이 충분히 확보되면서도 압전층(940)의 두께를 보다 두껍게 형성할 수 있다. 더불어, 압전층(940)의 두께를 보다 두껍게 형성하여 고주파를 구현할 수 있는 것이다.
제2 전극(950)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(940)을 덮도록 형성된다. 제2 전극(950)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(930)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(950)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(930)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(950)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 제2 전극(950)도 제1 전극과(930)과 같이 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 전극(950)에는 활성영역의 가장자리에 배치되는 프레임부(952)이 구비될 수 있다. 프레임부(952)는 제2 전극(950)의 나머지 부분보다 두꺼운 두께를 가진다. 일예로서, 프레임부(952)는 공진 시 발생되는 측면파(Lateral Wave)를 활성 영역 내부로 반사시켜 공진 에너지를 활성 영역에 가두어 두는 역할을 수행한다.
페시베이션층(960)은 제1 전극(930)과 제2 전극(950)의 일부분을 제외한 영역에 형성된다. 한편, 페시베이션층(960)은 공정 중 제2 전극(950) 및 제1 전극(930)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
나아가, 페시베이션층(960)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 식각에 의해 페시베이션층(960)의 두께가 조절될 수 있다. 패시베이션층(960)은 멤브레인층(920)에 사용되는 물질과 동일 물질을 사용할 수 있다. 일 예로, 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 리르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)이 사용될 수 있다.
그리고, 금속패드(970)는 제1 전극(930)과 제2 전극(950)의 상기한 페시베이션층(960)이 형성되지 않은 일부분에 형성된다. 일예로서, 금속패드(970)는 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금일 수 있다.
도 20은 본 발명의 제10 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 제10 실시예에 따른 체적 음향 공진기(1000)는 일예로서, 기판(1010), 멤브레인층(1020), 제1 전극(1050), 압전층(1060), 제2 전극(1070), 삽입층(1080), 페시베이션층(1090) 및 금속패드(1095)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제10 실시예에 따른 체적 음향 공진기(1000)에 구비되는 기판(1010), 멤브레인층(1020)은 상기한 본 발명의 제9 실시예에 따른 체적 음향 공진기(900)에 구비되는 구성과 동일한 구성요소로서 여기서는 자세한 설명을 생략하고 상기한 설명에 갈음하기로 한다.
또한, 본 발명의 제10 실시예에 따른 체적 음향 공진기(1000)에 구비되는 제1 전극(1050), 압전층(1060), 제2 전극(1070), 삽입층(1080), 페시베이션층(1090) 및 금속패드(1095)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 제1 전극(150), 압전층(160), 제2 전극(170), 삽입층(180), 페시베이션층(190) 및 금속패드(195)와 동일한 구성요소로서 여기서는 자세한 설명을 생략하고 상기한 설명에 갈음하기로 한다.
삽입층(1080)은 제1 전극(1050)과 압전층(1060) 사이에 배치된다. 삽입층(1080)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(1060)과는 다른 재질로 형성된다. 또한, 필요에 따라 삽입층(1080)이 구비되는 영역을 빈 공간(air)으로 형성하는 것도 가능하다. 이는 제조 과정에서 삽입층(1080)을 제거함으로써 구현될 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(1080)의 두께는 제1 전극(1050)의 두께와 동일하거나, 유사하게 형성될 수 있다. 또한 압전층(1060)과 유사하거나 압전층(1060) 보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어 삽입층(1080)은 100Å 이상의 두께로 형성되되 압전층(1060)의 두께보다는 얇게 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 삽입층(1080)의 나머지 구성은 상기한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)에 구비되는 삽입층(180)과 동일한 구성으로서 여기서는 자세한 설명을 생략하고 상기한 설명에 갈음하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 : 체적 음향 공진기
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010 : 기판
120 : 희생층
130 : 식각방지부
140, 720, 820, 920 : 멤브레인층
150, 730, 830, 930 : 제1 전극
160, 360, 460, 560, 660, 740, 840, 940 : 압전층
170, 270, 470, 670, 750, 850, 950 : 제2 전극
180 : 삽입층
190, 760, 860, 960 : 페시베이션층
195, 770, 870, 970 : 금속패드

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 배치되는 시드층;
    상기 시드층의 상부에 배치되며 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금층을 포함하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되며 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 층을 포함하는 압전층; 및
    상기 압전층의 상부에 배치되는 제2 전극;
    을 포함하는 체적 음향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 층으로만 이루어지는 체적 음향 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 함유되는 스칸듐(Sc)의 함유량은 0.1~5at%인 체적 음향 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전층의 도핑 물질은 스칸듐, 에르븀, 이트륨, 란탄, 티타늄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 체적 음향 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전층의 도핑 물질의 함유량은 0.1 ~ 30 at% 만큼 포함하는 체적 음향 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금층을 포함하는 체적 음향 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 몰리브덴(molybdenum : Mo), 루테늄(ruthenium : Ru), 텅스텐(tungsten : W), 이리듐 (Iridiym : Ir), 플래티늄 (Platinium : Pt), 구리(Copper : Cu), 티타늄 (Titanium : Ti), 탄탈 (Tantalum : Ta), 니켈 (Nickel : Ni) , 크롬 (Chromium : Cr) 중 어느 하나로 구성되거나 어느 하나를 포함하는 합금으로 구성되는 체적 음향 공진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 상기 제1 전극 상에 형성되며 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층과, 상기 제1 압전층 상에 형성되며 음이온 극성[Anion(N) polarity]을 가지는 제2 압전층을 구비하는 체적 음향 공진기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 압전층의 두께에 대한 상기 제1 압전층의 두께의 비율(제1 압전층의 두께/제2 압전층의 두께)은 1.63 ~ 5.25인 체적 음향 공진기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 압전층의 두께에 대한 상기 제1 압전층의 두께의 비율(제1 압전층의 두께/제2 압전층의 두께)은 0.11 ~ 0.59인 체적 음향 공진기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 압전층과 상기 제2 압전층 사이 계면에 산소 원소가 함유된 체적 음향 공진기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 상기 제1 전극 상에 형성되며 양이온 극성[Cation(Al) polarity]을 가지는 제1 압전층과, 상기 제1 압전층 상에 형성되는 산화물층 및 상기 산화물층 상에 형성되며 음이온 극성[Anion(N) polarity]을 가지는 제2 압전층을 구비하는 체적 음향 공진기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 상에 배치되는 페시베이션층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 배치되며 캐비티 주위에 배치되는 식각방지부를 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 압전층의 일부 영역의 하부에 배치되는 삽입층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상부 또는 기판에는 캐비티가 형성되는 체적 음향 공진기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기판에는 홈 내에 매립 배치되거나 기판 상에 적층되는 반사층이 구비되는 체적 음향 공진기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 시드층은 상기 기판과 함께 캐비티를 형성하는 멤브레인층에 구비되며, 상기 시드층은 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어지는 체적 음향 공진기.
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