KR20220162589A - 표면탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 표면탄성파 소자는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 적층된 중간층; 상기 중간층 상에 적층된 압전층; 및 상기 압전층 상에 형성된 IDT 전극을 포함하고, 상기 지지기판의 오일러각은 (-45°±10°, -54°±10°, 0°±30°)이고, 상기 압전층의 오일러각은 (0°±5°, 112.5°±22.5°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -67.5°±22.5°, 180°±5°)인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 표면탄성파 소자에 관한 것이다.
통신산업이 발달되면서, 무선통신 제품은 점차 소형화, 고품질화 및 다기능화되어 가고 있다. 이러한 경향에 맞추어 무선통신 제품에 사용되는 부품, 예를 들어, 필터, 듀플렉서등에 대해서도 소형화 및 다기능화가 요구되고 있다.
이러한 부품의 일예로서, 표면탄성파 소자는 압전 단결정 베어칩인 압전기판과, 그 상부면에 빗살형태로 서로 마주하도록 형성되는 한쌍의 IDT(Inter digital transducer) 전극과, 이에 연결된 입력 전극 및 출력 전극 등으로 구성될 수 있다.
표면탄성파 소자는 입력 전극을 통해 전기적인 신호를 인가하면, 서로 마주하는 IDT 전극간의 겹쳐지는 전극길이만큼 압전효과에 의한 압전왜곡이 발생되고, 상기 압전왜곡에 의하여 압전기판에 전달되는 표면탄성파가 발생되고, 이를 출력 전극을 통해 전기신호로 변환하여 출력한다.
이러한, 표면탄성파 소자는 소형이면서 신호처리가 용이하고 회로가 단순하며, 반도체 공정을 이용함으로써 대량생산이 가능한 이점을 가지고 있다. 또한, 표면탄성파 소자는 통과 대역 내의 사이드 리젝션(Side Rejection)이 높아 고품위의 정보를 주고받을 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 메인 모드(main mode)의 손실 없이 고주파 스퓨리어스(spurious) 성분을 억제할 수 있는 표면탄성파 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 표면탄성파 소자는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 적층된 중간층; 상기 중간층 상에 적층된 압전층; 및 상기 압전층 상에 형성된 IDT 전극을 포함하고, 상기 지지기판의 오일러각은 (-45°±10°, -54°±10°, 0°±30°)이고, 상기 압전층의 오일러각은 (0°±5°, 112.5°±22.5°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -67.5°±22.5°, 180°±5°)인 것을 특징으로 한다.
상기 지지기판은 실리콘을 포함하고, 상기 압전층은 리튬탄탈레이트를 포함할 수 있다.
상기 중간층은, 상기 지지기판 상에 적층된 고음속층; 및 상기 고음속층 상에 적층된 저음속층을 포함하고, 상기 고음속층을 전파하는 벌크파의 음속은 상기 압전층을 전파하는 탄성파의 음속보다 높고, 상기 저음속층을 전파하는 벌크파의 음속은 상기 압전층을 전파하는 탄성파의 음속보다 낮을 수 있다.
상기 지지기판은 면방위 <111>의 실리콘 기판으로 형성될 수 있다.
상기 압전층은 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시킨 기판으로 으로 형성될 수 있다.
상기 압전층의 오일러각은 (0°±5°, 132.7° 내지 135°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -47.3° 내지 -45°, 180°±5°)일 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 메인 모드(main mode)의 손실 없이 고주파 스퓨리어스(spurious) 성분을 억제할 수 있는 표면탄성파 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면탄성파 소자의 단면 구조를 나타낸다.
도 2는 종래예에 따른 지지기판과 압전층의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다.
도 3은 종래예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지기판과 압전층의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 6은 도 3의 주파수 특성과 도 5의 주파수 특성을 중첩하여 표시한 그래프를 나타낸다.
도 7은 박막화된 압전층의 웨이브 모드(wave mode)들을 나타낸다.
도 8은 적층 구조에 의해 일부 웨이브 모드들이 소멸된 결과의 웨이브 모드들을 나타낸다.
도 2는 종래예에 따른 지지기판과 압전층의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다.
도 3은 종래예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지기판과 압전층의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 6은 도 3의 주파수 특성과 도 5의 주파수 특성을 중첩하여 표시한 그래프를 나타낸다.
도 7은 박막화된 압전층의 웨이브 모드(wave mode)들을 나타낸다.
도 8은 적층 구조에 의해 일부 웨이브 모드들이 소멸된 결과의 웨이브 모드들을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면탄성파 소자의 단면 구조를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 표면탄성파 소자는, 지지기판(110), 지지기판 상에 적층된 중간층(120), 중간층(120) 상에 적층된 압전층(130), 및 압전층(130) 상에 형성된 IDT 전극(140)을 포함한다.
지지기판(110)은 실리콘(Si) 재질, 사파이어 재질 또는 다이아몬드 재질 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 지지기판(110)의 면방위는 예를 들면 <111>, <100>, <110> 등이거나, 이들 면방위가 혼재될 수도 있다. 지지기판(110)의 두께는 표면탄성파의 진동을 고려하여 5㎛ 이상 또는 표면탄성파 파장의 2배 이상일 수 있다.
중간층(120)은 지지기판(110) 상에 적층된 고음속층(121) 및 고음속층(121) 상에 적층된 저음속층(122)을 포함할 수 있다. 고음속층(121)을 전파하는 벌크파의 음속은 압전층(130)을 전파하는 탄성파의 음속보다 높다. 고음속층(121)은 산화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 산질화규소, 실리콘, 폴리실리콘, 사파이어, 다이아몬드 등의 재질로 구성될 수 있다. 저음속층(122)을 전파하는 벌크파의 음속은 압전층(130)을 전파하는 탄성파의 음속보다 낮다. 저음속층(122)은 산화규소, 질화알루미늄, 유리, 산질화규소, 산화탄탈, 또한 산화규소에 불소나 탄소나 붕소를 첨가한 화합물 등의 재질로 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 중간층(120)은 고음속층과 저음속층 중 어느 하나만으로 구성될 수도 있다.
압전층(130)은 리튬탄탈레이트(LiTaO3, LT), 니오브산리튬(LiNbO3, LN) 등의 재질로 구성될 수 있고, 단결정일 수 있다. 압전층(130)의 두께는 특별히 한정되지 않고, 표면탄성파 소자의 용도에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
IDT(Interdigital Transducer) 전극(140)은 압전층(130)의 상면에 형성되어 표면탄성파를 생성하는 전극이다. IDT 전극(140)은 싱글 빗형 전극 또는 더블 빗형 전극일 수 있다. IDT 전극(140)을 형성하는 재료는 특별히 한정되지 않지만, 가공성 및 비용 상의 관점에서는 Al, Al-Cu, Al-Si-Cu 등으로 구성될 수 있다. IDT 전극(140)은 표면 탄성파를 진동시키는 기능을 발휘할 수 있는 범위이면 어떠한 두께로 해도 무방하지만, 10∼500[㎚] 정도로 하는 것이 바람직하다. 두께를 이러한 범위로 하는 것은 IDT 전극(140)이 10[㎚] 미만인 경우에는 저항율이 높아져 손실이 증가하는 한편, 500[㎚]를 초과하는 경우에는 전극의 두께에 따른 SAW의 반사를 야기하는 질량 부가 효과가 현저히 되어, 목적으로 하는 표면탄성파 특성을 저해할 가능성이 있기 때문이다.
도 2는 종래예에 따른 지지기판(110)과 압전층(130)의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다. 도 2(후술할 도 4도 마찬가지)에서는 편의상 중간층(120)은 생략하고 도시하였다. 도 2를 참조하면, 지지기판(110)은 면방위 <111>의 실리콘 기판(110_1)으로 형성되고, 압전층(130)은 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판(130_1)으로 형성된다.
도 3은 종래예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 약 2550MHz 근처의 주파수 영역에서 고주파 스퓨리어스(spurious) 성분이 발생한다. 고주파 스퓨리어스는 압전층(130) 아래의 층들과 압전층(130)에서 발현되는 고속의 탄성파가 결합(coupling)되어 발생하는 것으로, 듀플렉서 필터 제작시에 상대 대역의 성능을 열화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지기판(110)과 압전층(130)의 적층 구조를 평면상으로 표시한 것을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 지지기판(110)은 면방위 <111>의 실리콘 기판(110_1)으로 형성되고, 압전층(130)은 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시킨 기판(130_2)으로 형성된다.
리튬탄탈레이트 기판을 회전시키는 대신에, 실리콘 기판을 회전시킬 수도 있으나, 본 발명의 실시예와 같이 리튬탄탈레이트 기판을 회전시키고 종래예와 동일하게 지지기판(110)을 면방위 <111>의 실리콘 기판(110_1)을 사용하는 경우 제조상의 이점이 있다. 표면탄성파 제작 과정에서 노광 공정의 수월함을 위해서는 지지기판의 플랫 존(flat zone)이 바뀌지 않는 것이 바람직한데, 실리콘 기판을 회전시킨다면 플랫 존의 위치가 바뀌기 때문에 노광 공정이 어려워질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 실리콘 기판(110_1)의 플랫 존은 그대로(도 2, 4 참조)이고 리튬탄탈레이트 기판의 플랫 존만 바뀌므로 노광 공정이 수월한 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 소자의 주파수 특성 그래프를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 도 3에서 나타났던 약 2550MHz 근처의 고주파 스퓨리어스가 거의 제거된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 도 3의 주파수 특성과 도 5의 주파수 특성을 중첩하여 표시한 그래프를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 종래예와 비교할 때 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 180° 회전만으로 메인 모드(main mode)의 손실 없이 고주파 스퓨리어스만 억제할 수 있음을 알 수 있다.
지지기판(110)과 압전층(130)의 결정 배향(crystal orientation)은 오일러 각(Euler angle) (λ, μ, θ)로도 표현될 수 있다.
본 발명의 실시예와 같이 지지기판(110)을 면방위 <111>의 실리콘 기판(110_1)으로 형성하는 경우, 지지기판(110)의 오일러각은 (-45°±10°, -54°±10°, 0°±30°)의 범위를 가질 수 있고, 일 예로 (-45°, -54°, 0°)가 될 수 있다.
본 발명의 실시예와 같이 압전층(130)을 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시킨 기판(130_2)으로 형성하는 경우, 압전층(130)의 오일러각은 (0°±5°, 112.5°±22.5°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -67.5°±22.5°, 180°±5°)의 범위를 가질 수 있고, 일 예로 (0°, 132°, 180°) 또는 (0°, -48°, 180°)가 될 수 있다.
나아가, 압전층(130)의 오일러각 (λ, μ, θ)의 μ를 변화시키면서 주파수 특성을 시뮬레이션해본 결과, μ가 132.7° 내지 135°의 범위일 때 고주파 스퓨리어스가 보다 효과적으로 억제됨으로 확인할 수 있었다. 따라서 보다 바람직하게는, 압전층(130)의 오일러각은 (0°±5°, 132.7° 내지 135°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -47.3° 내지 -45°, 180°±5°)의 범위일 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 그래프들로서, 도 7은 박막화된 압전층의 웨이브 모드(wave mode)들을 나타내고, 도 8은 적층 구조에 의해 일부 웨이브 모드들이 소멸된 결과의 웨이브 모드들을 나타낸다. 각 웨이브 모드에 대한 설명은 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 박막화된 LT 압전층이 공중에 떠 있는 구조에서의 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션 결과 도시된 바와 같은 웨이브 모드들이 존재함이 확인된다. 도 8을 참조하면, 박막화된 LT 압전층의 아래에 중간층과 지지기판이 적층된 구조의 경우 적층된 층들과 압전층에 의해 발생한 웨이브 모드들 간에 결합이 일어나기도 하고 일부 웨이브 모드들은 소멸되기도 한다. 결합된 웨이브 모드는 각 층의 기계적 특성에 의해 기존(압전층 단독)과 다른 속도와 진폭을 가지게 된다. 따라서, 적층되는 물질의 기계적 특성을 조절하여 웨이브 모드의 위치 및 진폭을 조절할 수 있다. 특히 문제가 되는 L-wave의 경우 실리콘 기판 또는 압전층의 기계적 특성이 중요한 변수인데, 실리콘 기판 또는 압전층의 기계적 특성은 오일러각에 의해 결정된다.
통상적인 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 기계적 특성을 바꾸는 방법은 전파 방향(propagation direction)을 바꾸는 것으로, 이것은 오일러각 (λ, μ, θ)의 theta(θ)를 바꾸는 효과를 가져온다. 즉, 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 전파 방향을 180° 바꾸는 것은 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시키는 것과 같은 의미로서, 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 오일러각 (0°, 132°, 0°)에서 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시키면 오일러각은 (0°, 132°, 180°)가 된다.
압전층과 지지기판의 탄성파 간의 결합(coupling)에 의해 고주파 스퓨리어스가 발생하게 되는데, 이러한 고주파 스퓨리어스는 압전층과 지지기판의 스티프니스(stiffness)에 따라 이동 및 소멸된다. 압전층으로 사용되는 리튬탄탈레이트는 오일러각에 따라 다른 스티프니스를 가지며, 생성되는 L-wave가 면방위 <111> 실리콘 지지기판의 웨이브와 결합하여 소멸되는 조건의 오일러각이 존재한다. 그러나 통상적인 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 경우 고정된 오일러각을 가지고 있어 압전층의 L-wave를 억제하기 어렵다. 본 발명의 실시예에서는 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판의 회전(전파 방향 변경)을 통해 오일러각의 theta(θ)를 변화시켜 압전층의 L-wave를 억제할 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시예는 통상적인 실리콘 기판과 리튬탄탈레이트 기판의 조합으로 메인 모드의 손실 없이 고주파 스퓨리어스를 억제할 수 있는 장점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 지지기판;
상기 지지기판 상에 적층된 중간층;
상기 중간층 상에 적층된 압전층; 및
상기 압전층 상에 형성된 IDT 전극을 포함하고,
상기 지지기판의 오일러각은 (-45°±10°, -54°±10°, 0°±30°)이고,
상기 압전층의 오일러각은 (0°±5°, 112.5°±22.5°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -67.5°±22.5°, 180°±5°)인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자. - 제1항에 있어서,
상기 지지기판은 실리콘을 포함하고,
상기 압전층은 리튬탄탈레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은,
상기 지지기판 상에 적층된 고음속층; 및
상기 고음속층 상에 적층된 저음속층을 포함하고,
상기 고음속층을 전파하는 벌크파의 음속은 상기 압전층을 전파하는 탄성파의 음속보다 높고,
상기 저음속층을 전파하는 벌크파의 음속은 상기 압전층을 전파하는 탄성파의 음속보다 낮은 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지기판은 면방위 <111>의 실리콘 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전층은 42° YX-컷 리튬탄탈레이트 기판을 180° 회전시킨 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전층의 오일러각은 (0°±5°, 132.7° 내지 135°, 180°±5°) 또는 (0°±5°, -47.3° 내지 -45°, 180°±5°)인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 소자.
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-
2021
- 2021-09-23 KR KR1020210125932A patent/KR20220162589A/ko not_active IP Right Cessation
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