KR20220050596A

KR20220050596A - 체적 음향 공진기

Info

Publication number: KR20220050596A
Application number: KR1020200134449A
Authority: KR
Inventors: 정대훈; 류정훈; 김종운
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-25
Also published as: CN114374370A; US20220123714A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 공진부, 상기 기판과 상기 공진부 사이에 형성되는 캐비티, 및 상기 캐비티 내에 배치되어 상기 공진부를 지지하는 방열부를 포함하며, 상기 제2 전극은 제1 영역 및 제1 영역보다 두꺼운 두께를 갖는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 방열부의 상부에 배치될 수 있다.

Description

체적 음향 공진기{Bulk-acoustic wave resonator}

본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.

무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave) 형태의 필터를 들 수 있다.

체적 음향 공진기(BAW)란 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키는 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.

최근 5G 통신에 기술 관심도가 증가하고 있으며, 후보 대역대에서의 구현 가능한 체적 음향 공진기 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

그런데 Sub 6GHz (4~6GHz) 주파수 대역을 이용하는 5G 통신의 경우, 대역폭(band width)이 증가하며 통신 거리는 짧아지므로, 체적 음향 공진기의 신호 세기나 파워(power)가 증가될 수 있다.

체적 음향 공진기의 파워가 증가하는 경우 공진부의 온도도 선형적으로 증가하는 경향이 있다. 이처럼 공진부의 온도가 증가하는 경우, 열에 의해 주파수가 변동되거나 공진기가 파손되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 열에 의해 공진부가 파손되는 것을 방지할 수 있는 체적 음향 공진기를 제공하는 데에 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판 상에 제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 공진부, 상기 기판과 상기 공진부 사이에 형성되는 캐비티, 및 상기 캐비티 내에 배치되어 상기 공진부를 지지하는 방열부를 포함하며, 상기 제2 전극은, 전극층 및 상기 전극층 중 상기 방열부와 대응하는 영역에 부분적으로 형성되어 상기 제2 전극의 두께를 증가시키는 프레임층을 포함하고, 상기 프레임층은 상기 방열부가 상기 공진부와 접합되는 접합면보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 체적 음향 공진기는 방열성능을 확보하면서도 에너지의 누출 및 손실을 최소화하여 체적 음향 공진기의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도.
도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도.
도 4 는 도 1의 III-III′에 따른 단면도.
도 5 및 도 6은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 7 내지 도 11은 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도.

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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도이며, 도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도이고, 도 4 는 도 1의 III-III′에 따른 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave Resonator) 일 수 있으며, 기판(110), 지지층(140), 공진부(120), 삽입층(170), 및 방열부(130)를 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), 질화규소(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O3), 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.

지지층(140)은 절연층(115) 상에 형성되며, 지지층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)를 둘러싸는 형태로 캐비티(C)와 식각 방지부(145)의 주변에 배치될 수 있다.

캐비티(C)는 빈 공간으로 형성되며, 지지층(140)을 마련하는 과정에서 형성한 희생층의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있으며, 지지층(140)은 희생층의 남겨진 부분으로 형성될 수 있다.

지지층(140)은 식각에 용이한 폴리실리콘(Poly-Si) 또는 폴리머 등의 재질이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

캐비티(C)가 지지층(140)에 내에 형성됨에 따라, 지지층(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.

멤브레인층(150)은 지지층(140) 상에 형성되며 캐비티(C)의 상부면을 형성한다. 따라서 멤브레인층(150)도 캐비티(C)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다.

예를 들어, 지지층(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 산화마그네슘(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.

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 순차적으로 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.

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 영역으로, 중앙부(S)의 둘레를 따라 연속적인 고리 형상으로 형성되는 영역을 의미한다. 그러나 필요에 따라 일부 영역이 단절된 불연속적인 고리 형상으로 구성될 수도 있다.

이에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 중앙부(S)의 양단에는 각각 확장부(E)가 배치된다. 그리고, 중앙부(S)의 양단에 배치되는 확장부(E) 양쪽에 모두 삽입층(170)이 배치된다.

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)과 일정 거리 이격 배치되며, 공진부(120)를 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다.

제1 전극(121)은 멤브레인층(150) 상에 배치되므로 전체적으로 편평하게 형성된다. 반면에 제2 전극(125)은 압전층(123) 상에 배치되므로, 압전층(123)의 형상에 대응하여 굴곡이 형성될 수 있다.

제1 전극(121)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 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(도 4의 125a)은, 경사부(1231)의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 압전층(123)보다 작은 면적으로 형성된다.

이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 제2 전극(125)의 끝단은 확장부(E) 내에 배치된다. 또한, 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125)의 끝단은 적어도 일부가 삽입층(170)과 겹치도록 배치된다. 여기서 겹친다는 의미는 삽입층(170)이 배치된 평면에 제2 전극(125)을 투영했을 때, 상기 평면에 투영된 제2 전극(125)의 형상이 삽입층(170)과 겹치는 것을 의미한다. 이 경우, 제2 전극(125)의 끝단은 압전층(123)의 경사부(1231) 상에 배치될 수 있다.

제2 전극(125)은 RF(Radio Frequency) 신호 등의 전기적 신호를 입출력하는 입력 전극 및 출력 전극 중 어느 하나로 이용될 수 있다. 즉, 제1 전극(121)이 입력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(125)은 출력 전극으로 이용되며, 제1 전극(121)이 출력 전극으로 이용되는 경우 제2 전극(125)은 입력 전극으로 이용될 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 전극(125)의 끝단이 후술되는 압전층(123)의 경사부(1231) 상에 위치할 경우 공진부(120)의 음향 임피던스(acoustic impedance)은 국부적인 구조가 중앙부(S)로부터 소/밀/소/밀 구조로 형성되므로 수평파를 공진부(120) 안쪽으로 반사시키는 반사 계면이 증가된다. 따라서 대부분의 수평파(lateral wave)가 공진부(120)의 외부로 빠져나가지 못하고 공진부(120) 내부로 반사되어 들어오므로, 음향 공진기의 성능이 향상될 수 있다.

압전층(123)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 제1 전극(121)과 후술되는 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) 경우 희토류 금속(Rare earth metal), 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 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.

압전 특성을 향상시키기 위해 질화 알루미늄(AlN)에 도핑되는 원소들의 함량이 0.1at%보다 적을 경우 질화 알루미늄(AlN) 보다 높은 압전 특성을 구현할 수 없으며, 원소들의 함량이 30at%를 넘을 경우 증착을 위한 제작 및 조성 조절(control)이 어려워 불균일 상이 형성될 수 있다.

따라서 본 실시예에서 질화알루미늄(AlN)에 도핑되는 원소들의 함량은 0.1 ~ 30at%의 범위로 구성될 수 있다.

본 실시예에서 압전층은 질화 알루미늄(AlN)에 스칸듐(Sc)을 도핑하여 이용한다. 이 경우, 압전 상수가 증가되어 음향 공진기의 Kt2를 증가시킬 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 상부면이 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 배치된다. 따라서 삽입층(170)은 공진부(120) 내에 부분적으로 배치되며, 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 배치된다.

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.

본 실시예에서 삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(170)은 기판(110) 상에서 중앙부(S)를 제외한 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다.

삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(170)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 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)이나 제2 전극(125)의 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 경사면(L)에 적층되는 압전층(123)이나 제2 전극(125)이 과도하게 굴곡되므로, 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다.

한편, 본 실시예에서 압전층(123)의 경사부(1231)는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 형성되며 이에 삽입층(170)의 경사면(L)과 동일한 경사각으로 형성된다. 따라서 경사부(1231)의 경사각도 삽입층(170)의 경사면(L)과 마찬가지로 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다. 이러한 구성은 삽입층(170)의 경사면(L)에 적층되는 제2 전극(125)에도 동일하게 적용됨은 물론이다.

삽입층(170)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(123)과는 다른 재질로 형성된다.

또한 삽입층(170)은 금속 재료로 구현 가능하다. 본 실시예의 체적 음향 공진기가 5G 통신에 이용되는 경우, 공진부에서 열이 많이 발생하므로 공진부(120)에서 발생되는 열이 원활하게 방출할 필요가 있다. 이를 위해 본 실시예의 삽입층(170)은 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.

공진부(120)는 빈 공간으로 형성되는 캐비티(C)를 통해 기판(110)과 이격 배치된다. 또한 후술되는 방열부(130)에 의해 공진부(120)의 일부가 기판(110)에 고정될 수 있다.

캐비티(C)는 음향 공진기 제조 과정에서 에칭 가스(또는 에칭 용액)을 유입 홀(도 1의 H)로 공급하여 지지층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.

보호층(160)은 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호한다. 보호층(160)은 제2 전극(125), 압전층(123)의 굴곡부(123b)가 형성하는 표면을 따라 배치될 수 있다.

본 실시예에서 보호층(160)은 제2 전극(125)의 표면을 보호할 수만 있다면 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 보호층(160)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 어느 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다. 또한 열전도도가 우수한 다이아몬드(diamond) 재질로 보호층(160)을 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 구성되는 보호층(160)은 하나의 층으로 형성될 수 있으나, 필요에 따라 재료가 다른 2개의 층을 적층하여 형성하는 것도 가능하다. 또한 보호층(160)은 최종 공정에서 주파수 조절을 위해 부분적으로 제거될 수 있다. 예컨대, 보호층(160)은 제조 과정에서 두께가 조절될 수 있다.

한편, 제1 전극(121)과 제2 전극(125)은 공진부(120)의 외측으로 연장될 수 있다. 그리고 연장 형성된 부분의 상부면에는 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 배치될 수 있다.

제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금, 및 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 알루미늄 합금은 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 또는 알루미늄-스칸듐(Al-Sc) 합금일 수 있다.

제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 기판(110) 상에서 본 실시예에 따른 음향 공진기의 전극(121, 125)과, 인접하게 배치된 다른 음향 공진기의 전극을 전기적으로 연결하는 연결 배선으로 기능을 할 수 있다.

제1 금속층(180)은 제1 전극(121)에 접합될 수 있다.

또한 공진부(120)에서 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성될 수 있으며, 제1 전극(121)의 둘레 부분에는 제1 금속층(180)이 형성될 수 있다.

따라서, 제1 금속층(180)은 공진부(120)의 둘레를 따라 배치되며, 이에 제2 전극(125)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

공진부(120)에 인가되는 전계와 진동에 의해 공진부(120)에는 열이 발생될 수 있다. 공진부(120)와 기판(110) 사이에는 캐비티(C)가 구비되므로, 공진부(120)에서 발생된 열은 캐비티(C)로 인해 기판(110)에 직접 전달되지 않고 대부분 수평방향으로 전달된다. 수평방향으로 전달된 열은 지지층(140) 및/또는 식각 방지부(145)를 통해 기판(110)으로 전달될 수 있다.

본 실시예에 따른 체적 음향 공진기는, 방열부(130)를 포함함으로써, 공진부(120)에서 발생된 열의 추가적인 발산경로를 제공할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 음향 공진기(100)는, 캐비티(C)에 따른 향상된 품질 계수를 가지면서도 발열 효율을 향상시켜서 더욱 향상된 강건성을 가질 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 도면으로, 도 6은 도 5에 도시된 방열부의 변형 예를 도시하고 있다.

먼저 도 5를 함께 참조하면, 방열부(130)는 캐비티(C) 내에 위치하고 공진부(120)와 기판(110) 사이에 배치되어 공진부(120)의 일부를 지지하는 형태로 배치될 수 있다. 효율적인 열 방출을 위해, 방열부(130)는 식각 방지부(145)로부터 가장 거리가 먼 위치인 공진부(120)의 중심부에 배치될 수 있다.

본 실시예의 방열부(130)는 공진부(120)와 기판(110) 사이에 기둥 형태로 배치되는 열전도부(132)와, 열전도부(132)의 측면을 둘러싸는 식각 저지층(134)을 포함할 수 있다.

열전도부(132)는 일단이 공진부(120) 측에 접합되고 타단이 기판(110) 측에 접합되는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 열전도부(132)는 지지층(140)과 동일한 재료로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열전도부(132)는 식각 저지층(134)보다 더 높은 열전도도를 가지는 재료로 형성할 수 있다. 이 경우 공진부(120)에서 발생된 열을 보다 효율적으로 기판(110)으로 전달할 수 있다.

예컨대, 지지층(140)이 폴리실리콘(Poly-Si)으로 구현될 경우, 식각 저지층(134)은 질화 알루미늄(AlN) 계열 및 희토류가 도핑된 질화 알루미늄(AlN)과 같이 열전도도가 높은 재료로 구성될 수 있다.

식각 저지층(134)은 캐비티(C)의 형성 과정에서 열전도부(132)가 희생층과 함께 제거되는 것을 방지하기 위해 구비될 수 있다. 따라서 식각 저지층(134)은 열전도부(132)의 측면을 둘러싸는 형태로 열전도부(132)의 표면에 배치될 수 있다.

식각 저지층(134)은 식각 방지부(145)와 동일한 재료로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 방열부(130)는 식각 저지층(134) 없이 열전도부(132)만으로 구성될 수도 있다. 이 경우 열전도부(132)는 열전도도가 높은 금속으로 형성될 수 있다. 예컨대 본 실시예에서 열전도부(132)는 금(Au)이나 구리(Cu)로 형성될 수 있다. 이에 공진부(120)에서 발생된 열은 더욱 효율적으로 기판(110)으로 전달될 수 있다.

본 실시예의 공진부(120)는 방열부(130) 상에서 제1 전극(121), 압전층(123), 제2 전극(125)이 순차적으로 적층 배치된다. 또한 도 5를 참조하면, 본 실시예에서 제2 전극(125)은 두께에 따라 구분되는 제1 영역(125-1)과, 제2 영역(125-2)을 포함할 수 있다.

제2 영역(125-2)은 방열부(130)의 상부에 배치되는 영역으로, 제1 영역(125-1)보다 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 따라서 제1 영역(125-1)은 전체적으로 균일한 두께를 가지며, 제2 영역(125-2)보다 얇은 두께를 갖는 영역으로 정의될 수 있다.

제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 두께 차이로 인하여 형성되는 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계는 경사면(도 5의 N)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 후술되는 실시예들과 같이 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.

경사면(N)은 제1 영역(125-1) 측으로 갈수록 제2 전극(125)의 두께가 감소되는 형태로 형성될 수 있다.

제2 영역(125-2)은 제1 영역(125-1)의 내부에 위치될 수 있다. 따라서 제2 영역(125-2)의 주변에는 제1 영역(125-1)이 배치될 수 있다.

제2 영역(125-2)은 제2 전극(125)의 전체 영역 중 방열부(130)와 대응하는 영역에 부분적으로 배치될 수 있으며, 방열부(130)가 공진부(120)와 접합되는 접합면(예컨대, 방열부와 멤브레인층의 접합면)보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다. 따라서 방열부(130)는 접합면 전체가 제2 영역(125-2)과 대면하도록 배치될 수 있다. 여기서 전체가 대면한다는 의미는 방열부(130)의 접합면을 제2 전극(125)에 투영하였을 때, 방열부(130)의 접합면 전체가 제2 영역(125-2)과 겹치도록 배치되는 것을 의미한다.

본 실시예에서 제2 영역(125-2)은 제1 영역(125-1)과 동일한 재질로 형성될 수 있다. 따라서 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)은 제2 전극(125)을 제조하는 과정에서 함께 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 전극(125)은 제2 영역(125-2)의 두께로 박막을 형성한 후, 식각 등의 방법으로 제1 영역(125-1)의 두께를 줄여 형성할 수 있다.

그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 영역(125-1)의 두께로 박막층을 형성한 후, 도금이나 증착, 스퍼터링 등의 방법을 통해 일부분의 두께를 증가시켜 제2 영역(125-2)을 추가적으로 형성하는 다양한 방법이 이용될 수 있다.

본 실시예에서 제2 영역(125-2)은 제1 영역(125-1)과 동일한 두께로 형성되는 전극층(P1)과, 전극층(P1) 상에 형성되는 프레임층(P2)으로 구분될 수 있다. 따라서 제1 영역(125-1)은 전체가 전극층(P1)으로 형성되고 제2 영역(125-2)은 전극층(P1) 상부에 프레임층(P2)이 형성된 영역으로 구분될 수 있다.

전극층(P1)과 프레임층(P2)은 동일한 재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극층(P1)과 프레임층(P2)을 서로 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 제2 전극(125)에서 전기 저항을 최소화하기 위해, 프레임층(P2)은 전극층(P1)과 유사한 전기 전도성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계를 따라 배치되는 프레임층(P2)의 측면은 경사면(N)으로 형성될 수 있다. 또한 프레임층(P2)은 전극층(P1) 측으로 갈수록 프레임층(P2)의 면적(예컨대, 수평 단면적)이 증가되는 형태로 형성될 수 있다. 이에 본 실시예의 프레임층(P2)은 상부면보다 하부면의 면적이 더 넓게 형성될 수 있다.

이에 따라 프레임층(P2)의 수평 면적은 방열부(130)의 접합면 면적보다 크게 형성될 수 있으며, 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계 전체는 방열부(130)의 상부가 아닌, 캐비티(C)의 상부에 배치될 수 있다.

프레임층(P2)의 경사면(N)은 경사부(1231) 상에 배치되는 제2 전극(125a)의 경사면(도 2의 M)과 마주보는 형태로 배치될 수 있다. 또한 프레임층(P2)의 경사면(N)은 경사부(1231) 상에 배치되는 제2 전극(125)의 경사면(M)과 동일하거나 유사한 경사각을 갖도록 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계인 프레임층(P2)의 경사면(N)은 방열부(130)의 측면으로부터 공진부(120)의 면 방향을 따라 일정 거리(도 5의 D) 이격된 위치에 배치될 수 있다.

그리고 프레임층(P2) 중 방열부(130)의 외측에 배치되는 부분, 다시 말해 프레임층(P2)에서 방열부(130)의 접합면과 대면하지 않는 부분은 공진부(120) 내에서 방열부(130) 측으로 전파되는 수평파를 반사하는 프레임으로 기능할 수 있다.

따라서 본 실시예의 프레임층(P2)은, 도 5에 도시된 바와 같이 방열부(130)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서 도 5의 D 범위에 포함되는 영역이 프레임으로 기능할 수 있다. 이를 위해 방열부(130)의 외측에 배치되는 프레임층(P2)의 폭(도 5의 D)은 상기한 수평파의 파장을 λ라고 할 때, λ/4 또는 λ/4의 정수배로 형성될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 본 실시예의 체적 음향 공진기는 공진부(120)의 진동 에너지가 방열부(130)를 통해 공진부(120)의 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있다.

이상에서 설명한 본 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)는, 방열부(130)를 통해 공진부(120)의 열을 기판(110) 측으로 방출할 수 있으므로 방열 성능을 높일 수 있다. 이에 공진부(120)에 높은 파워가 인가되더라도 동작 신뢰성을 확보할 수 있어, 5G 통신에 적합한 체적 음향 공진기로 활용될 수 있다.

또한 프레임층(P2)을 통해 방열부(130) 측으로 전파되는 공진부(120)의 진동 에너지를 반사시킬 수 있으므로, 체적 음향 공진기의 효율을 높일 수 있다.

한편, 방열부(130) 상부에서 제2 전극(125)이 생략되는 경우, 방열부(130) 상부에서 제2 전극(125)의 전기 저항이 증가될 수 있다. 반면에 본 실시예의 체적 음향 공진기는 방열부(130) 상부에서 제2 전극(125)의 두께가 증가되므로, 방열부(130) 상에서 제2 전극(125)의 전기 저항이 증가하는 것을 억제할 수 있다.

따라서, 반면에 본 실시예의 체적 음향 공진기는 방열성능을 확보하면서도 에너지의 누출 및 손실을 최소화하여 체적 음향 공진기의 기본 성능(예컨대, 품질 계수(QF), 전기 기계 결합 상수(Kt2))을 향상시킬 수 있다.

한편 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다.

도 7 내지 도 11은 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도로, 도 7 내지 도 9는 도 5에 대응하는 단면을 도시하였으며, 도 10 내지 도 11은 도 2에 대응하는 단면을 도시하였다.

먼저 도 7을 참조하면, 본 실시예의 체적 음향 공진기는 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계를 형성하는 프레임층(P2)의 측면이 경사면이 아닌 수직면으로 형성될 수 있다. 이 경우 프레임층(P2)은 상부면의 면적과 하부면의 면적이 동일하게 형성될 수 있다.

또한 도 8을 참조하면, 본 실시예의 체적 음향 공진기는 제1 영역(125-1)과 제2 영역(125-2)의 경계를 형성하는 프레임층(P2)의 측면이 계단 형태로 형성될 수 있다. 더하여, 도시되어 있지 않지만 프레임층(P2)의 측면을 볼록하거나 오목한 곡면으로 형성하는 것도 가능하다.

이처럼 본 실시예의 체적 음향 공진기는 프레임층(P2)의 측면이 다양한 형태로 변형될 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 실시예의 체적 음향 공진기는 프레임층(P2)이 방열부(130)의 상부에는 배치되지 않고 방열부(130)의 주변에만 배치된다. 따라서 본 실시예에서 프레임층(P2)은 방열부(130)의 윤곽을 따라 환형의 고리(ring) 형태로 전극층(P1) 상에 배치될 수 있다.

본 실시예에서 프레임층(P2)은 전체가 방열부(130)의 외측에 배치될 수 있다. 따라서 프레임층(P2)은 전체가 방열부(130)의 접합면과 대면하지 않도록 배치된다.

그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 적어도 일부가 방열부(130)의 상부에 위치하도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.

도 10을 참조하면, 본 실시예에 도시된 체적 음향 공진기는 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)이 압전층(123)의 상면 전체에 배치되며, 이에 따라, 제2 전극(125)은 압전층(123)의 경사부(1231)뿐만 아니라 연장부(1232) 상에도 형성된다.

이 경우, 삽입층(170)이 배치된 위치에서 공진부(120)의 두께는 전술한 실시예에 비해 제2 전극(125)의 두께만큼 증가된다. 따라서 본 실시예의 체적 음향 공진기는 프레임층(P2)의 두께가 삽입층(170)과 동일하거나 유사하게 형성될 수 있으며, 이에 제2 영역(125-2)의 전체 두께는 삽입층(170)보다 두껍게 형성될 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기는 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 제2 전극(125)의 끝단 부분이 압전층(123)의 압전부(123a) 상면에만 형성되고, 굴곡부(123b) 상에는 형성되지 않는다. 이에 따라 제2 전극(125)의 끝단은 압전부(123a)와 경사부(1231)의 경계를 따라 배치될 수 있다.

이처럼 본 발명에 따른 체적 음향 공진기는 필요에 따라 다양한 형태로 변형될 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. 또한 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수 있다.

100: 음향 공진기
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극
123: 압전층
125: 제2 전극
130: 방열부
140: 지지층
150: 멤브레인층
160: 보호층
170: 삽입층

Claims

기판;
제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 공진부;
상기 기판과 상기 공진부 사이에 형성되는 캐비티; 및
상기 캐비티 내에 배치되어 상기 공진부를 지지하는 방열부;
를 포함하며,
상기 제2 전극은 제1 영역 및 제1 영역보다 두꺼운 두께를 갖는 제2 영역을 포함하고,
상기 제2 영역은 상기 방열부의 상부에 배치되는 체적 음향 공진기.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극은,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 경사면으로 형성되는 체적 음향 공진기.
제1항에 있어서, 상기 제2 영역은,
상기 방열부가 상기 공진부와 접합되는 접합면보다 넓은 면적으로 형성되며,
상기 방열부의 상기 접합면은 전체가 상기 제2 영역과 대면하도록 배치되는 체적 음향 공진기
제1항에 있어서, 상기 방열부는,
일단이 공진부에 접합되고 타단이 기판에 접합되는 기둥 형태의 열전도부를 포함하는 체적 음향 공진기.
제4항에 있어서, 상기 방열부는,
상기 열전도부의 측면을 둘러싸는 식각 저지층을 더 포함하는 체적 음향 공진기.
제5항에 있어서, 상기 열전도부는,
상기 식각 저지층보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 형성되는 체적 음향 공진기.
제3항에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는,
상기 방열부의 측면으로부터 상기 공진부의 면 방향을 따라 일정 거리 이격된 위치에 배치되는 체적 음향 공진기.
제7항에 있어서, 상기 방열부의 측면으로부터 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계 사이의 수평 거리는,
λ/4 또는 λ/4의 정수배로 형성되는 체적 음향 공진기.
(여기서 λ는 상기 공진부에서 상기 방열부 측으로 전파되는 수평파의 파장)
제1항에 있어서, 상기 제2 전극은,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 수직면으로 형성되거나 계단 형태로 형성되는 체적 음향 공진기.
제1항에 있어서, 상기 제2 영역은,
상기 방열부의 윤곽을 따라 환형의 고리 형태로 형성되는 체적 음향 공진기.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에 배치되는 삽입층을 더 포함하며,
상기 압전층은 상기 삽입층에 의해 적어도 일부가 융기되는 체적 음향 공진기.
제11항에 있어서,
상기 삽입층은 경사면을 구비하고,
상기 압전층은 상기 제1 전극 상에 배치되는 압전부와, 상기 삽입층의 상기 경사면 상에 배치되는 경사부를 포함하며,
상기 공진부를 절단한 단면에서, 상기 제2 전극의 끝단은 상기 압전층의 상기 경사부 상에 배치되는 체적 음향 공진기.
제12항에 있어서,
상기 압전층은 상기 경사부의 외측에 배치되는 연장부를 포함하고,
상기 제2 전극은 적어도 일부가 상기 압전층의 상기 연장부 상에 배치되는 체적 음향 공진기.
제13항에 있어서,
상기 제2 영역의 두께는 상기 삽입층보다 두껍게 형성되는 체적 음향 공진기.
기판;
제1 전극, 압전층, 제2 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 공진부;
상기 기판과 상기 공진부 사이에 형성되는 캐비티; 및
상기 캐비티 내에 배치되어 상기 공진부를 지지하는 방열부;
를 포함하며,
상기 제2 전극은,
상기 압전층 상에 적층되는 전극층 및 상기 전극층 중 상기 방열부와 대응하는 영역에 부분적으로 형성되어 상기 제2 전극의 두께를 증가시키는 프레임층을 포함하고,
상기 프레임층은,
상기 방열부가 상기 공진부와 접합되는 접합면보다 넓은 면적으로 형성되는 체적 음향 공진기.
제15항에 있어서, 상기 프레임층은 측면 전체가 상기 캐비티의 상부에 배치되는 체적 음향 공진기.