KR20210015612A - 체적 음향 공진기 - Google Patents

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KR20210015612A
KR20210015612A KR1020200031588A KR20200031588A KR20210015612A KR 20210015612 A KR20210015612 A KR 20210015612A KR 1020200031588 A KR1020200031588 A KR 1020200031588A KR 20200031588 A KR20200031588 A KR 20200031588A KR 20210015612 A KR20210015612 A KR 20210015612A
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active region
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KR1020200031588A
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한원
김성욱
정대훈
손상욱
한상헌
류정훈
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삼성전기주식회사
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Abstract

기판과, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부전극과, 상기 하부전극의 적어도 일부를 덮는 압전층 및 상기 압전층의 적어도 일부를 덮는 상부전극을 포함하며, 상기 하부전극, 상기 압전층 및 상기 상부전극이 모두 겹쳐지게 배치되는 활성영역을 상부에서 바라볼 때 상기 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심이 일치하고, 상기 활성영역은 상기 종횡비를 정의하는 상기 직사각형의 중심을 통과하는 적어도 하나의 축에 대하여 대칭인 다각형 형상을 가지며, 상기 활성영역의 종횡비는 2 이상 10 이하인 체적 음향 공진기가 개시된다.

Description

체적 음향 공진기{Bulk-acoustic wave resonator}
본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.
BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터는 스마트폰 및 Tablet 등의 Front End Module에서 RF 신호 중 원하는 주파수 대역은 통과시키고, 원치 않는 주파수 대역은 차단하는 핵심 소자이며, Mobile 시장이 커지며 그 수요가 증가하고 있는 상황이다.
한편, 시장이 커지고 있는 5G 대역에 대응하기 위하여 BAW 필터의 주파수가 높아져야 한다. 이러한 경우, 공진기의 전체 두께가 수직 파장(Vertical Wave)의 절반이 되어야 하므로, 주파수가 높아지면 공진기의 전체 두께가 얇아져야 한다. 따라서, 공진기에 구비되는 하부전극과 상부전극의 두께가 얇아지므로 높은 전원(High Power) 인가 시 방열 특성이 문제가 되거나 공진점에서의 Q 성능이 저하되어 공진기의 삽입 손실(Insertion Loss, IL) 성능이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 공진기의 종횡비를 늘리고, 공진기의 단축 방향으로 전류가 흐르도록 한다. 즉, 공진기 형상의 종횡비를 늘리고, 공진기의 단축 방향으로 전류가 흐르도록 하여 공진점에서의 저항 손실을 줄일 수 있다.
하지만, 공진기의 종횡비를 늘리게 되면 Q 성능이 저하되는 문제가 있다.
일본 특허등록공보 제5229945호
고종횡비를 가지더라도 공진점에서 저항 손실과 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능을 개선하고, Q 성능도 향상시킬 수 있는 체적 음향 공진기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 기판과, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부전극과, 상기 하부전극의 적어도 일부를 덮는 압전층 및 상기 압전층의 적어도 일부를 덮는 상부전극을 포함하며,
상기 하부전극, 상기 압전층 및 상기 상부전극이 모두 겹쳐지게 배치되는 활성영역을 상부에서 바라볼 때 상기 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심이 일치하고, 상기 활성영역은 상기 종횡비를 정의하는 상기 직사각형의 중심을 통과하는 적어도 하나의 축에 대하여 대칭인 다각형 형상을 가지며, 상기 활성영역의 종횡비는 2 이상 10 이하일 수 있다.
고종횡비를 가지더라도 공진점에서 저항 손실과 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능을 개선하고, Q 성능도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면도이다.
도 4는 비대칭 다각형의 종횡비와 도심을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 비대칭 다각형의 종횡비를 정의하기 위한 직사각형을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 종횡비에 따른 체적 음향 공진기의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 8은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 9는 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 10은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 11은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 3.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 12는 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 13 내지 도 15는 공진기의 활성영역이 축대칭 마름모 형상을 가지는 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 16은 도 13 내지 도 15의 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 보여주는 주파수에 따른 S21 그래프이다
도 17은 축대칭 마름모의 사이각에 따른 각 변의 법선 벡터의 겹쳐지는 면적 비율을 나타내는 그래프이다.
도 18은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 19는 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 20은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 21은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 22는 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 3.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 23은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 24는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 25는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 26은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 27은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 28은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 3인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 29는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 30은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 2.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 31은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3.8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 32는 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 33은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 12.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 34는 도 30 내지 도 33에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 35는 도 30 내지 도 33에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 보여주는 주파수에 따른 S21 그래프이다.
도 36은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 2.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 37은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3,8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 38은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 39는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 12.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 40은 도 36 내지 도 39에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 41은 도 36 내지 도 39에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 보여주는 주파수에 따른 S21 그래프이다.
도 42는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3.8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 43은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 4,8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 44는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 45는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.6인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 46는 도 42 내지 도 45에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 47은 도 42 내지 도 45에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 보여주는 주파수에 따른 S21 그래프이다.
도 48은 공진기의 활성 영역이 X축 대칭 다각형 형상을 가지며, 활성영역의 도심과 종횡비를 정의하는 사각형의 중심이 Y축 방향으로 이격되는 공진기를 설명하기 위한 설명도이다.
도 49는 활성영역의 도심의 이격비에 따른 감쇠 성능을 나타내는 그래프이다.
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 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도이고, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 일예로서, 기판(110), 희생층(120), 식각방지부(130), 하부전극(150), 압전층(160), 상부전극(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 하부전극(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 방지하는 역할을 수행한다.
하부전극(150)은 멤브레인층(140) 상에 형성되며, 일부분이 캐비티(C)의 상부에 배치된다. 또한, 하부전극(150)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다.
하부전극(150)은 일예로서, 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 하부전극(150)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.
압전층(160)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 하부전극(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(160)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.
한편, 압전층(160)은 평탄부(S)에 배치되는 압전부(162), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(164)를 포함한다.
압전부(162)는 하부전극(150)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(162)는 하부전극(150)과 상부전극(170) 사이에 개재되어 하부전극(150), 상부전극(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(θ)과 동일하게 형성될 수 있다.
상부전극(170)은 적어도 캐비티(C)의 상부에 배치되는 압전층(160)을 덮도록 형성된다. 상부전극(170)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 하부전극(150)이 입력 전극으로 이용되는 경우 상부전극(170)은 출력 전극으로 이용되며, 하부전극(150)이 출력 전극으로 이용되는 경우 상부전극(170)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.
상부전극(170)은 일예로서, 몰리브덴(molybdenum : Mo)과 같은 전도성 재질 또는 이의 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 하부전극(150)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, 활성영역이라 함은 하부전극(150), 압전층(160), 상부전극(170)이 모두 겹쳐져서 배치되는 영역을 말한다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 활성영역은 상부에서 바라볼 때 활성영역의 도심과 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심이 일치하고, 활성영역은 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심을 통과하는 적어도 하나의 축에 대하여 대칭인 다각형 형상을 가질 수 있다.
여기서, 종횡비 및 종횡비를 정의하는 직사각형의 정의에 대하여 보다 자세하게 살펴보기로 한다.
도 4는 비대칭 다각형의 종횡비와 도심을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4를 참조하면, 다각형에서의 종횡비는 다각형의 3개 이상의 꼭지점에 접하는 직사각형의 단축과 장축의 비로 정의한다.
즉, 종횡비(Aspect Ratio, AR) = h/b 라 한다.
다시 말해, 비대칭 다각형의 경우 도 4에 도시된 바와 같이 3개의 꼭지점에 접하는 직사각형을 그릴 수 있다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 종횡비가 1에 근접할 경우 다각형에 접하는 직사각형의 중심(x, y)과, 다각형 형상의 도심(x',y')은 거의 일치하지만, 종횡비가 커질수록 다각형에 접하는 직사각형의 중심(x, y)과 다각형 형상의 도심(x',y')은 불일치하게 된다.
도 5는 비대칭 다각형의 종횡비를 정의하기 위한 직사각형을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 비대칭 다각형의 3개 이상의 꼭지점에 접하는 직사각형은 동일한 다각형의 회전각에 따라서 다양한 종류의 직사각형으로 도시할 수 있다. 한편, 종횡비를 정의하기 위한 직사각형은 도 5에 도시된 여러 종류의 직사각형 중 직사각형의 종횡비가 가장 큰 값을 가지는 직사각형으로 정의하기로 한다. 즉, 회전각이 0°에서 다각형에 접하는 직사각형을 종횡비를 정의하기 위한 직사각형으로 정의하기로 한다
한편, 종횡비는 2 이상 10 미만일 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 종횡비(Aspect Ratio, AR)이 증가할수록 피크 삽입 손실(Peak_IL)이 개선되는 것을 알 수 있으며, 나아가 종횡비(Aspect Ratio, AR)이 증가할수록 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 개선되는 것을 알 수 있다.
즉, 종횡비(Aspect Ratio, AR)가 증가할수록 공진점에서 저항 손실이 줄어든다. 일예로, 종횡비가 2보다 커지면 피크 삽입 손실(Peak_IL)이 -0.06 dB 정도로 개선이 되며 종횡비가 3보다 커지면 피크 삽입 손실(Peak_IL)이 -0.05 dB 정도로 개선됨을 알 수 있다.
그리고, 종횡비(Aspect Ratio, AR)가 증가할수록 각 변에서 반사되는 공진 모드에 의한 하모닉(Harmonics) 모드의 중첩이 줄어들어 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 개선되는 것이다. 일예로, 종횡비가 2보다 커지면 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 0.08 dB 이하로 작아지며 종횡비가 3보다 커지면 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 0.07 dB 이하로 작아짐을 알 수 있다.
한편, 일예로서 활성영역이 마름모 형상을 가지며 종횡비(Aspect Ratio, AR)가 10 이상에서는 마름모의 사이각이 매우 좁아지게 되어 이 사이에서 하모닉(Harmonics) 모드의 중첩이 증가하거나 공진 구동 자체가 원활하지 않을 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 삽입층(180)은 하부전극(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, 삽입층(180)은 적어도 일부가 압전층(160)과 하부전극(150) 사이에 배치된다. 일예로서, 삽입층(180)은 고리 형상을 가질 수 있다.
페시베이션층(190)은 하부전극(150)과 상부전극(170)의 일부분을 제외한 영역에 형성된다. 한편, 페시베이션층(190)은 공정 중 상부전극(170) 및 하부전극(150)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
한편, 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 하부전극(150)과 상부전극(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, 활성영역이 축대칭 마름모 형상을 가지므로, 공진 구동 시 Q 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 활성영역이 축대칭 마름로 형상을 가지므로, 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 줄일 수 있다.
도 7은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 8은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 9는 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 10은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 11은 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 3.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 12는 공진기의 활성 영역이 축대칭 마름모 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 7 내지 12에 도시된 바와 같이, 상부에서 바라볼 때 공진기의 활성영역이 마름모 형상을 가지는 경우 마름모의 도심이 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심과 일치하는 것을 알 수 있다.
도 13 내지 도 15는 공진기의 활성영역이 축대칭 마름모 형상을 가지는 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
한편, 도 13에 도시된 공진기(AR 1.0)는 마름모의 사이각(θ)이 90°인 경우이며 종횡비가 1인 경우이다. 이때, 각변의 법선 벡터끼리 겹치는 면적(OA, Overlapping Area of Normal Vector on Each Side)는 마름모 전체 면적과 동일한 100%가 된다.
그리고, 도 14에 도시된 공진기(AR 1.7)는 마름모 사이각(θ)이 60°인 경우이며 종횡비가 1.7인 경우이다. 이때, 각변의 법선 벡터끼리 겹치는 면적(OA, Overlapping Area of Normal Vector on Each Side)는 마름모 전체 면적의 50%가 된다.
또한, 도 15에 도시된 공진기(AR 3.8)는 마름모 사이각(θ)이 26°인 경우이며 종횡비가 3.8인 경우이다. 이때, 각변의 법선 벡터끼리 겹치는 면적(OA, Overlapping Area of Normal Vector on Each Side)는 마름모 전체 면적의 12%가 된다.
이와 같은, 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)는 도 16에 도시된 바와 같이, AR 1.0인 경우 가장 크고 AR 1.7인 경우 AR 1.0보다 줄어들며, AR 3.8인 경우 가장 작아진다.
종횡비에 따른 마름모 형상에서 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 변화하는 이유는 종횡비가 1.0에 근접한 마름모는 마주보는 변이 평행하게 된 상태에서 각 변에서 반사되는 공진 모드에 의한 조화 모드(Harmonics mode)의 중첩이 100% 발생하게 되고, 이로 인해 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 커진다.
반면, 종횡비가 커질수록 마름모의 마주보는 변이 평행하긴 하지만, 각 변에서의 법선 벡터가 겹치는 면적(OA)이 상대적으로 줄어들고, 이로 인해 각 변에서 반사되는 공진 모드에 의한 조화 모드(Harmonics mode)의 중첩이 줄어진다. 결국, 종횡비가 큰 축대칭 다각형 구조에서는 이러한 원리에 의해 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 줄일 수 있다.
특히, 축대칭 마름모 형상에서는 각 변의 길이가 동일하므로, 도 17에 도시된 바와 같이, 각 변의 법선 벡터의 겹쳐지는 면적 비율은 마름모 사이각(θ)의 값에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 그리고, 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)를 줄이기 위한 마름모 사이각(θ)은 30°이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 마름모의 사이각(θ)이 30°인 경우 각 변의 법선벡터의 겹쳐지는 면적 비율은 13.4% 이고, 이때의 축대칭 마름모의 종횡비는 3.7이다.
종횡비 사이각(°) fs(GHz) fp(GHz) kt2[%] IL[dB] Attn.[dB]
1.0 90 4.8630 5.1320 12.28 -0.073 -31.9
1.7 60 4.8630 5.1320 12.28 -0.062 -31.9
3.8 26 4.8620 5.1270 12.12 -0.049 -29.7
한편, 도 13 내지 도 15에 도시된 공진기 중 종횡비가 3.8인 도 13에 도시된 공진기의 경우 상기한 표 1에서와 같이 공진점에서의 삽입 손실(Insertion Loss) 성능이 월등히 좋아짐을 알 수 있다. 이는 공진점에서 저항 손실이 작아졌음을 보여주는 것이다. 여기서, IL은 공진점에서의 S21 크기(Magnitude)의 최대갑이고, Attn.은 반공진점에서의 S21 크기(Magnitude)의 최소값을 의미한다.
도 18은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 19는 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 20은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 21은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 22는 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 3.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 23은 공진기의 활성 영역이 축대칭 육각형 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 18 내지 23에 도시된 바와 같이, 상부에서 바라볼 때 공진기의 활성영역이 육각형 형상을 가지는 경우 육각형의 도심이 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심과 일치하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 축대칭 육각형 형상에서는 고종횡비를 사용하더라도 대칭성이 유지되어 공진 구동 시 Q 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 고종횡비 육각형 형상에서는 육각형 구성의 상/하 변 추가로 인한 설계 변수가 추가되기 때문에 설계 자유도를 높일 수 있으므로 공진점 저항을 더 줄일 수 있다. 이러한 경우 육각형 상/하 변은 서로 평행하긴 하지만, 고종횡비 육각형이 되면 육각형 상/하 변은 거리가 멀어지게 되어 서로 간의 영향력은 줄어들게 되어 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능 열화를 억제할 수 있다.
도 24는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 1인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 25는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 1.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 26은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 2.0인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 27은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 2.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 28은 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 3인 경우를 나타내는 개략 평면도이고, 도 29는 공진기의 활성 영역이 축대칭 팔각형 형상을 가지며 종횡비가 3.5인 경우를 나타내는 개략 평면도이다.
도 24 내지 29에 도시된 바와 같이, 상부에서 바라볼 때 공진기의 활성영역이 팔각형 형상을 가지는 경우 팔각형의 도심이 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심과 일치하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 축대칭 팔각형 형상에서는 고종횡비를 사용하더라도 대칭성이 유지되어 공진 구동 시 Q 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 고종횡비 팔각형 형상에서는 육각형의 상/하 변과 같이 각 변에서의 법선 벡터가 겹쳐지는 영역을 더욱 줄일 수 있으므로 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능 개선에 유리하다.
도 30은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 2.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 31은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3.8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 32는 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 33은 공진기의 활성 영역이 비대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 12.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 30 내지 도 33에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값은 도 34에 도시된 그래프에서 알 수 있다. 한편, 도 30 내지 도 33에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)는 도 35에 도시된 그래프에서 알 수 있다. 도 35에 도시된 바와 같이, 종횡비가 10 이상인 도 33에 도시된 공진기에서 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 많이 열화되는 것을 알 수 있다.
그리고, 하기의 표 2에 나타난 바와 같이, 종횡비가 커짐에 따라 공진점에서의 저항 손실이 작아지게 되어 삽입 손실(Insertion Loss)이 개선되는 것을 알 수 있으며, 반대로 kt2 성능 및 감쇠(Attenuation) 성능은 열화되는 것을 알 수 있다.
종횡비 사이각(°) fs(GHz) fp(GHz) kt2[%] IL[dB] Attn.[dB]
2.4 13 4.8630 5.1310 12.24 -0.057 -30.6
3.8 13 4.8620 5.1250 12.04 -0.052 -28.8
5.1 9.5 4.8620 5.1210 11.87 -0.045 -27.2
12.4 2.7 4.8590 5.1100 11.55 -0.037 -24.4
도 36은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 2.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 37은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3,8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 38은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 39는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 12.4인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
도 36 내지 도 39에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값은 도 40에 도시된 그래프에서 알 수 있다. 한편, 도 36 내지 도 39에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)는 도 41에 도시된 그래프에서 알 수 있다. 도 41에 도시된 바와 같이, 종횡비가 10 이상인 도 39에 도시된 공진기에서 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)가 많이 열화되는 것을 알 수 있다.
종횡비 사이각(°) fs(GHz) fp(GHz) kt2[%] IL[dB] Attn.[dB]
2.4 26 4.8630 5.1320 12.28 -0.057 -33.8
3.8 26 4.8620 5.1270 12.12 -0.049 -29.7
5.1 19 4.8620 5.1230 11.96 -0.045 -28.5
12.4 5.5 4.8590 5.1110 11.59 -0.036 -24.7
한편, 표 3에 나타낸 바와 같이, 표 2의 비대칭 다각형 공진기의 성능과 대비하여 축대칭 다각형 공진기의 삽입 손실(IL), kt2 성능, 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능을 동등 이상 수준임을 알 수 있다. 특히, 표 3에 나타낸 바와 같이, 표 2의 비대칭 다각형 공진기의 성능과 대비하여 축대칭 다각형 공진기의 감쇠(Attenuation) 성능은 향상됨을 알 수 있다.
이는 고종횡비 구조에서 비대칭 다각형 공진기 대비, 축대칭 다각형 공진기에서 공진 구동이 원활하게 되어 Q 성능 개선으로 인해 기인한 것이다. 또한, 축대칭 다각형 공진기의 종횡비가 12,4이 경우 비대칭 다각형 공진기와 대비하여 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise) 성능이 개선되었음을 알 수 있다.
도 42는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 3.8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 43은 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 4,8인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 44는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.1인 공진기를 나타내는 개략 평면도이고, 도 45는 공진기의 활성 영역이 축대칭 다각형 형상을 가지며 종횡비가 5.6인 공진기를 나타내는 개략 평면도이다.
한편, 도 42에 도시된 공진기는 사이각(θ)이 26°이며 한 변의 길이가 130㎛인 경우이며, 도 43에 도시된 공진기는 사이각(θ)이 13°이며 한 변의 길이가 130㎛인 경우이다.
또한, 도 44에 도시된 공진기는 사이각(θ)이 19°이며 한 변의 길이가 150㎛인 경우이며, 도 45에 도시된 공진기는 사이각(θ)이 15°이며 한 변의 길이가 150㎛인 경우이다.
도 42 내지 도 45에 도시된 공진기의 주파수에 따른 임피던스 값은 도 46에 도시된 그래프에서 알 수 있다. 한편, 도 42 내지 도 45에 도시된 공진기의 스퓨리어스 노이즈(Spurious Noise)는 도 47에 도시된 그래프에서 알 수 있다.
종횡비 사이각(°) fs(GHz) fp(GHz) kt2[%] IL[dB] Attn.[dB]
3.8 26 4.8620 5.1270 12.12 -0.049 -29.7
4.8 13 4.8620 5.1260 12.08 -0.042 -30.5
5.1 19 4.8620 5.1230 11.96 -0.045 -28.5
5.6 15 4.8610 5.1230 12.00 -0.043 -30.5
도 42에 도시된 공진기와 도 43에 도시된 공진기의 성능을 대비해 보면, 도 43에 도시된 공진기가 삽입 손실(IL) 성능과 감쇠(Attenuation) 성능이 개선됨을 알 수 있다. 또한, 도 44에 도시된 공진기와 도 45에 도시된 공진기의 성능을 대비해 보면 도 45에 도시된 공진기가 삽입 손실(IL) 성능과 감쇠(Attenuation) 성능이 개선됨을 알 수 있다.
도 48은 공진기의 활성 영역이 X축 대칭 다각형 형상을 가지며, 활성영역의 도심과 종횡비를 정의하는 사각형의 중심이 Y축 방향으로 이격되는 공진기를 설명하기 위한 설명도이고, 도 49는 활성영역의 도심의 이격비에 따른 감쇠 성능을 나타내는 그래프이다.
한편, 도 48에 도시된 바와 같이, 활성영역을 상부에서 바라볼 때 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심이 불일치한다. 다만, 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심의 X축의 좌표값은 값은 일치하고 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심의 Y축의 좌표값은 불일치하는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 활성영역의 도심과 상기 직삭각형의 중심과의 Y축 방향으로의 이격 거리 y'와 상기 활성영역의 Y축 방향 길이 h는 h/y' < 0.067 인 조건을 만족한다. 즉, 도 49에 도시된 바와 같이, h/y'의 값이 0.067보다 큰 경우 감쇠 성능이 급격하게 열화됨을 알 수 있다. 반대로, h/y'의 값이 0.067보다 작은 경우 활성영역의 대칭성이 조금 틀어진다고 하더라도 감쇠 성능의 열화가 크지 않음을 알 수 있다.
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 : 체적 음향 공진기
110 : 기판
120 : 희생층
130 : 식각방지부
150 : 하부전극
160 : 압전층
170 : 상부전극
180 : 삽입층
190 : 페시베이션층
195 : 금속패드

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 배치되는 하부전극;
    상기 하부전극의 적어도 일부를 덮는 압전층; 및
    상기 압전층의 적어도 일부를 덮는 상부전극;
    을 포함하며,
    상기 하부전극, 상기 압전층 및 상기 상부전극이 모두 겹쳐지게 배치되는 활성영역을 상부에서 바라볼 때 상기 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심이 일치하고,
    상기 활성영역은 상기 종횡비를 정의하는 상기 직사각형의 중심을 통과하는 적어도 하나의 축에 대하여 대칭인 다각형 형상을 가지며,
    상기 활성영역의 종횡비는 2 이상 10 이하인 체적 음향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 종횡비를 정의하는 직사각형은 종횡비가 가장 큰 값을 가지는 직사각형인 체적 음향 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다각형은 N각형(N≥4, N은 짝수)인 체적 음향 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 함께 캐비티를 형성하는 멤브레인층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐비티를 감싸도록 배치되는 식각방지부를 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 식각방지부의 외측에 배치되는 희생층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 하부전극과 상기 압전층의 사이에 배치되는 삽입층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부전극과 상기 상부전극의 일부분을 노출하도록 배치되는 페시베이션층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 페시베이션층으로부터 노출된 상기 하부전극과 상기 상부전극에 접촉되는 금속패드를 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  10. 기판;
    상기 기판의 상부에 배치되는 하부전극;
    상기 하부전극의 적어도 일부를 덮는 압전층; 및
    상기 압전층의 적어도 일부를 덮는 상부전극;
    을 포함하며,
    상기 하부전극, 상기 압전층 및 상기 상부전극이 모두 겹쳐지게 배치되는 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심의 X축의 좌표값은 값은 일치하고, 상기 활성영역의 도심과 상기 활성영역의 종횡비를 정의하는 직사각형의 중심의 Y축의 좌표값은 불일치하며,
    상기 활성영역의 도심과 상기 직삭각형의 중심과의 Y축 방향으로의 이격 거리 y'와 상기 활성영역의 Y축 방향 길이 h는 h/y' < 0.067 인 조건을 만족하는 체적 음향 공진기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 활성영역은 종횡비를 정의하는 직사각형의 X축에 대하여 대칭인 체적 음향 공진기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 종횡비를 정의하는 직사각형은 종횡비가 가장 큰 값을 가지는 직사각형인 체적 음향 공진기.
  13. 제10항에 있어서,
    일부분이 상기 하부전극과 상기 압전층 사이에 배치되는 삽입층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 삽입층은 고리 형상을 가지는 체적 음향 공진기.
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