KR20230013924A - 음향 공진기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판; 상기 기판 상에 제1 전극, 제1 압전층, 제2 압전층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부; 및 상기 중앙부에서 외측으로 연장되는 확장부;를 포함하며, 상기 제1 압전층의 평균 두께를 t1, 제2 압전층의 평균 두께를 t2라 할 때, t1/t2는 18.4% 이상, 40% 이하의 범위 내일 수 있다.
Description
본 발명은 음향 공진기에 관한 것이다.
무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술의 소형화가 적극적으로 요구되고 있으며, 일례로 반도체 박막 웨이퍼 제조기술을 이용하는 벌크 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave) 형태의 필터를 들 수 있다.
벌크 음향 공진기(BAW)란 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 압전 유전체 물질을 증착하여 그 압전특성을 이용함으로써 공진을 유발시키는 박막형태의 소자를 필터로 구현한 것이다. 이러한 벌크 음향 공진기(BAW)의 kt2값은 벌크 음향 공진기(BAW) 필터의 Band width, Insertion loss 및 Return loss 특성에 영향을 미치며, kt2 값을 조절하는 방법으로 종래에는 소정의 물질을 압전체에 도핑하는 방법을 사용하였다.
하지만 상기 방법을 사용하는 경우 고가의 비용이 요구되는 단점이 있으며, Q 값이 저하되어 성능이 열화되는 등의 문제점이 있다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 계면 손실을 저감시킬 수 있는 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 Q성능을 향상시킬 수 있는 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 다양한 kt2 영역 설계의 자유도를 구현할 수 있는 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 저비용/고효율의 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판; 상기 기판 상에 제1 전극, 제1 압전층, 제2 압전층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부; 및 상기 중앙부에서 외측으로 연장되는 확장부;를 포함하며, 상기 제1 압전층의 평균 두께를 t1, 제2 압전층의 평균 두께를 t2라 할 때, t1/t2는 18.4% 이상, 40% 이하의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 음향 공진기의 계면 손실을 저감시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 음향 공진기의 Q성능을 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 다양한 kt2 영역 설계의 자유도를 구현할 수 있는 음향 공진기를 제공할 수 있는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 저비용/고효율의 음향 공진기를 제공할 수 있는 것이다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I
에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 II-II
에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 A 영역에 대한 확대도이다.
도 5는 도 1의 III-III
에 따른 단면도이다.
도 6 내지 도 9는 도 5의 B 영역에 대한 확대도이다.
도 10(a)은 종래의 음향 공진기의 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 10(b)는 본 발명에 따른 제1 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 Qp값 및 KT2 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 Qp값을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 QO값을 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 I-I
도 3은 도 1의 II-II
도 4는 도 2의 A 영역에 대한 확대도이다.
도 5는 도 1의 III-III
도 6 내지 도 9는 도 5의 B 영역에 대한 확대도이다.
도 10(a)은 종래의 음향 공진기의 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 10(b)는 본 발명에 따른 제1 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 Qp값 및 KT2 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 Qp값을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 음향 공진기의 QO값을 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이는 본 명세서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경 (modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물 (alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용될 수 있다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명할 수 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, "A 및/또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 및/또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 및 B 중 하나 또는 그 이상"은, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I'에 따른 단면도이다. 또한 도 3은 도 1의 II-II'에 따른 단면도이고, 도 4 는 도 2의 A 영역의 확대도이며, 도 5는 도 1의 III-III'에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기(100)는 체적 음향 공진기(BAW, Bulk Acoustic Wave Resonator) 일 수 있으며, 기판(110), 상기 기판(110) 상에 제1 전극, 제1 압전층(131a), 제2 압전층(131b) 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부(S) 및 상기 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 확장부(E)를 구비하는 공진부; 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 압전층(131a)의 평균 두께를 t1, 제2 압전층(131b)의 평균 두께를 t2라 할 때, t1/t2는 18.4% 이상, 40% 이하의 범위 내일 수 있다. 본 발명에 따른 음향 공진기는 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)의 2개층의 압전층을 포함하며, 상기 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)의 평균 두께의 비율을 상기 범위로 조절하여 우수한 Q 성능을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기는 기판(110), 희생층(140), 멤브레인층(150) 및 공진부(120)를 포함할 수 있다.
상기 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, 에칭 가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지한다. 이 경우, 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(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 증착(Evaporation) 중 어느 하나의 공정을 통해 기판(110)에 형성될 수 있다.
상기 희생층(140)은 절연층(115) 상에 형성되며, 희생층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)가 배치될 수 있다. 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. 상기 식각 방지부(145)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치될 수 있다. 상기 식각 방지부(145)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 캐비티(C)의 수평 면적은 식각 방지부(145)에 의해 규정되고, 수직 면적은 희생층(140)의 두께에 의해 규정될 수 있다.
상기 멤브레인층(150)은 희생층(140) 상에 형성되어 기판(110)과 함께 캐비티(C)의 두께(또는 높이)를 규정할 수 있다. 따라서 멤브레인층(150)도 캐비티(C)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성될 수 있다. 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), 티탄산지르코늄납(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.
상기 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), 제1 압전층(131a), 제2 압전층(131b) 및 제2 전극(125)을 포함하는 중앙부(S) 및 상기 중앙부(S)에서 외측으로 연장되며 삽입층(170)을 포함하는 확장부(E)를 포함할 수 있다. 공진부(120)는 아래에서부터 제1 전극(121), 제1 압전층(131a), 제2 압전층(131b) 및 제2 전극(125)이 순서대로 적층될 수 있다. 따라서 공진부(120)에서 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)은 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 배치될 수 있다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 제1 전극(121), 제1 압전층(131a), 제2 압전층(131b) 및 제2 전극(125)이 차례로 적층되어 공진부(120)를 형성할 수 있다. 공진부(120)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다. 후술되는 삽입층(170)이 형성될 경우, 공진부(120)는 제1 전극(121), 제1 압전층(131a), 제2 압전층(131b) 및 제2 전극(125)이 대략 편평하게 적층된 중앙부(S), 그리고 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 영역을 의미할 수 있다. 따라서 확장부(E)는 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 영역을 의미할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 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 제2 압전층(131b) 상에 배치되므로, 제2 압전층(131b)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 제2 압전층(131b)의 압전부 상에 배치되는 부분과, 제2 압전층(131b)의 굴곡부(123b) 상에 배치되는 부분으로 구분될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 실시 예에서 제2 전극(125)은 제2 압전층(131b)의 압전부 전체와, 제2 압전층(131b)의 경사부(132a) 중 일부분을 덮는 형태로 배치될 수 있다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125a)은, 경사부의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 제2 압전층(131b)보다 작은 면적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 공진부는 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 압전층(131a)은 제1 전극(121) 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 압전층(131b)은 상기 제1 압전층(131a) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 압전층(131b)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 티탄산지르코늄납(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.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 제1 압전층(131a)의 압전 계수와 제2 압전층(131b)의 압전 계수는 서로 상이할 수 있다. 종래의 음향 공진기는 목적하는 kt2(electromechanical coupling coefficient) 값을 구현하기 위해 압전층의 두께를 조절하는 방법을 사용하였으나, 단일 구조의 압전층으로는 재료에 따라 도출할 수 있는 kt2 구현 영역이 한정될 수 밖에 없다. 또한, 단일 구조의 압전층에 압전 계수를 조절할 수 있는 물질을 도핑하더라도 kt2 구현 영역을 제한적으로 조절할 수 있을 뿐이며, 고비용이 요구되는 단점이 있다. 본 발명에 따른 음향 공진기는 서로 압전 계수가 상이한 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)을 사용하여, 다양한 영역의 kt2를 구현할 수 있다.
상기 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)이 서로 상이한 압전 계수를 가지도록 하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)을 서로 상이한 성분으로 형성하거나, 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)에 도핑되는 성분의 함량을 조절하거나, 또는 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)의 두께를 조절하는 방법 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b) 사이 계면의 제곱 평균 거칠기(root mean square, RMS)는 2 nm 이하일 수 있다. 상기 제곱 평균 거칠기는 도 2에 도시된 바와 같이 음향 공진기의 중심을 지나는 절단면에서 측정한 값일 수 있으며, 구체적으로 절단면의 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)의 중앙부(S)의 계면에 대하여 등간격으로 10곳에서 측정한 값의 산술 평균을 의미할 수 있다. 일반적으로 어느 두 면이 접하는 계면의 접촉 면적을 증가시키기 위해 상기 계면의 거칠기를 높이는 방법을 사용할 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 음향 공진기의 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b) 사이 계면의 거칠기가 작아지면 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b)이 접하는 표면적이 감소하지만, 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b) 사이의 계면 손실은 오히려 줄어들게 된다. 본 실시예에 따른 음향 공진기의 제1 압전층(131a)과 제2 압전층(131b) 사이 계면의 제곱 평균 거칠기가 2 nm 이하인 경우 단일층의 압전층을 사용하는 경우에 비해 Q 성능이 저하되지 않으면서도 kt2 구현 영역을 용이하게 제어할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부, 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부를 포함할 수 있다. 상기 압전부는 제1 전극(121)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부는 제1 전극(121)과 제2 전극(125) 사이에 개재되어 제1 전극(121), 제2 전극(125)과 함께 편평한 형태로 형성될 수 있다.
상기 굴곡부는 압전부에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다. 상기 굴곡부는 후술되는 삽입층(170) 상에 배치되며, 삽입층(170)의 형상을 따라 융기되는 형태로 형성된다. 이에 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)은 압전부와 굴곡부의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부는 삽입층(170)의 두께와 형상에 대응하여 융기될 수 있다. 본 예시에서는 삽입층(170)이 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)의 하부에 배치되는 구조를 기준으로 설명하나, 삽입층(170)이 제2 전극 상에 배치되는 경우 상기 굴곡부는 배치되지 않을 수 있다.
상기 굴곡부는 경사부(132a)와 연장부(132b)로 구분될 수 있다. 상기 경사부(132a)는 후술되는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미할 수 있다. 그리고 연장부(132b)는 경사부(132a)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미할 수 있다. 상기 경사부(132a)는 후술하는 삽입층(170) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(132a)의 경사각은 후술하는 삽입층(170) 경사면(L)의 경사각(도 4의 *?*)과 동일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 확장부(E)는 삽입층(170)을 포함할 수 있다. 상기 삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비할 수 있다. 확장부(E)에서 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)과 제2 전극(125)은 삽입층(170) 상에 배치될 수 있다. 따라서 확장부(E)에 위치한 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)과 제2 전극(125)은 삽입층(170)의 형상을 따라 경사면을 구비할 수 있다.
상기 삽입층(170)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)의 굴곡부를 지지한다. 따라서 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)의 굴곡부는 삽입층(170)의 형상을 따라 경사부(132a)와 연장부(132b)로 구분될 수 있다. 상기 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 경사각(
)을 갖는 경사면(L)으로 형성될 수 있다.
상기 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 어려울 수 있다. 또한 삽입층(170) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(170) 상에 적층되는 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)의 경사부(132a) 경사각도 70°보다 크게 형성된다. 이 경우 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)이 과도하게 굴곡되므로, 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)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.
본 발명의 일 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)과 다른 재질로 형성될 수 있다. 상기 삽입층(170)이 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)과 다른 재질로 형성된다는 것은, 상기 삽입층(170)이 상기 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)과 상이한 성분을 포함하거나, 상기 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)의 구성 성분의 함량비와 상이한 함량비를 가지는 조성을 포함하는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 납티탄산지르코늄(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유전체를 포함할 수 있다. 상기 유전체는, 예를 들어 전술한 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)과 다른 성분일 수 있다. 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 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)과 유사하거나 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b) 보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어 삽입층(170)은 100Å이상의 두께로 형성되되 제1 압전층(131a) 및/또는 제2 압전층(131b)의 두께보다는 얇게 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 멤브레인층(150)과 제1 전극(121), 그리고 식각 방지부(145)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치될 수 있다. 이 때, 상기 삽입층(170)은 제1 전극과 제1 압전층(131a)의 사이에 배치될 수 있으며, 상기 삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치될 수 있다. 도 6은 본 예시에 따른 음향 공진기의 B 영역의 확대도이다. 도 6을 참조하면, 상기 삽입층(170)은 제1 전극의 상부에 배치되고, 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)은 상기 삽입층(170)의 두께와 형상에 따라 융기되어 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제1 및 제2 압전층(131b)의 경사면은 삽입층(170)의 경사면을 따라 동일한 형상으로 형성되므로, 제1 및 제2 압전층(131b)의 경사면의 길이는 삽입층(170)의 경사면(L) 길이(ls)와 동일한 것으로 간주될 수 있다.
다른 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 제2 전극의 상부에 배치될 수 있다. 도 7은 본 예시에 따른 음향 공진기의 B 영역의 확대도이다. 도 7을 참조하면, 삽입층(170)은 제2 전극의 상부에 배치될 수 있으며, 상기 제2 전극과 보호층의 사이에 배치될 수 있다. 이 경우 상기 삽입층(170)으로 인한 경사면은 보호층에만 형성되고, 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)에는 경사부(132a)가 배치되지 않을 수 있다.
다른 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 제2 압전층(131b)의 상부에 배치될 수 있다. 본 예시의 경우, 상기 삽입층(170)은 제2 압전층(131b)과 제2 전극(125)의 사이에 배치될 수 있다. 이 때, 상기 삽입층(170)으로 인한 경사면은 제2 전극 및 보호층에만 형성되고, 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)에는 경사부(132a)가 배치되지 않을 수 있다. 도 8은 본 예시에 따른 음향 공진기의 B 영역의 확대도이다. 도 8을 참조하면, 상기 삽입층(170)은 제2 압전층(131b)과 제2 전극의 사이에 배치되고, 상기 삽입층(170)의 두께와 형상에 따라 제2 전극 및 보호층은 융기되어 배치될 수 있다.
또 다른 예시에서, 본 발명에 따른 음향 공진기의 삽입층(170)은 제1 전극의 하부에 배치될 수 있다. 도 9는 본 예시에 따른 음향 공진기의 B 영역의 확대도이다. 도 9를 참조하면, 삽입층(170)은 제1 전극의 하부에 배치될 수 있으며, 상기 제1 전극과 멤브레인층의 사이에 배치될 수 있다. 이 경우 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)이 상기 삽입층(170)으로 인한 경사부(132a)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 압전층(131a) 및 제2 압전층(131b)은 상기 삽입층(170)의 두께와 형상에 따라 융기되어 배치될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시 예에 따른 공진부(120)는 빈 공간으로 형성되는 캐비티(C)를 통해 기판(110)과 이격 배치될 수 있다. 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 보호할 수 있다. 보호층(127)은 제2 전극(125), 압전층(13)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 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 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, 알루미늄(Al), 알루미늄-게르마늄(Al-Ge) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 본 실시 예에 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.
제1 금속층(180)은 삽입층(170)과 보호층(127)을 관통하여 제1 전극(121)에 접합될 수 있다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 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 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 제2 전극(125)은 제2 압전층(131b)의 압전부와 경사부(132a) 상에 적층 배치될 수 있다. 그리고, 제2 전극(125) 중 제2 압전층(131b)의 경사부(132a) 상에 배치되는 부분, 즉 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(125)은 경사부(132a)의 경사면의 전체가 아닌, 경사면 일부분에만 배치될 수 있다.
도 10(a)는 본 발명의 비교예에 따른 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 10(b)는 본 발명의 실시예에 따른 압전층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다. 도 10(a)의 경우 압전층의 표면 거칠기는 약 3 내지 5 nm의 범위에 속하는 것으로 측정되었으며, 도 10(b)의 경우 압전층의 표면 거칠기는 약 2nm로 측정되었다. 도 10(a) 및 도 10(b)의 SEM 이미지 및 표면 거칠기 측정 결과를 통해 압전층의 표면 처리를 통해 압전층 표면의 미세 표면 거칠기를 목적하는 범위로 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11(a)는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 압전 공진기의 Qp값을 보여주는 그래프이고, 도 11(b)는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 압전 공진기의 KT2값을 보여주는 그래프이다. 도 11에서 가로축의 A는 압전층을 단일층으로 형성한 종래 기술을 나타내는 비교예이고, B는 제2 압전층의 평균 두께(t2)에 대한 제1 압전층의 평균 두께(t1)의 비율(t1/t2)이 18.4%인 실시예를 나타내고, C는 상기 비율(t1/t2)이 28.3%인 경우를 나타내며, D는 상기 비율(t1/t2)이 40%인 경우를 각각 나타낸 것이다. 도 11(a)를 참조하면, 제2 압전층의 평균 두께(t2)에 대한 제1 압전층의 평균 두께(t1)의 비율(t1/t2)이 18.4%(B), 28.3%(C) 및 40%(D)인 본 발명의 실시예에 따른 압전 공진기의 Qp값과 단일층의 압전층을 사용한 비교예(A)의 Qp값에 차이가 없음을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 실시예의 압전 공진기에서 계면 손실이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 또한 도 11(b)를 참조하면, 제2 압전층의 평균 두께(t2)에 대한 제1 압전층의 평균 두께(t1)의 비율(t1/t2)이 18.4%(B), 28.3%(C) 및 40%(D)인 본 발명의 실시예에 따른 압전 공진기가 단일 압전층을 사용하는 비교예(A)의 Qp값과 차이가 없으면서도 다양한 값을 가지는 매우 넓은 범위의 KT2 영역을 구현할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 비교예 및 실시예에 따른 압전 공진기의 Qp값을 보여주는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 제2 압전층의 평균 두께(t2)에 대한 제1 압전층의 평균 두께(t1)의 비율(t1/t2)이 18.4%, 28.3% 및 40%인 경우, 비교예의 단일 압전층을 사용한 압전 공진기와 유사한 값의 Qp를 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 상기 비율(t1/t2)이 18.4% 미만인 경우 Qp 값이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 비율(t1/t2)이 18.4% 미만인 경우 제1 압전층의 결정성이 열화되어 발생하는 것으로, 상기 비율(t1/t2)이 18.4% 이상인 경우 목적하는 성능의 Qp 값을 가지는 압전 공진기를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 비교예 및 실시예에 따른 압전 공진기의 C0값을 보여주는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 제2 압전층의 평균 두께(t2)에 대한 제1 압전층의 평균 두께(t1)의 비율(t1/t2)이 18.4%, 28.3% 및 40%인 경우와 비교하여 상기 비율(t1/t2)이 40%를 초과하는 경우 C0 특성이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 설계한 특성을 가지는 부품을 구현할 수 없으며, 설계 자체를 다시 하여 전체적인 topology를 변경하여야 하는 문제점이 발생할 수 있다. 즉 상기 비율(t1/t2)이 40% 이하인 경우 본 발명에 따른 압전 공진기가 목적한 설계대로의 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 음향 공진기
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극
125: 제2 전극
127: 보호층
140: 희생층
150: 멤브레인층
170: 삽입층
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극
125: 제2 전극
127: 보호층
140: 희생층
150: 멤브레인층
170: 삽입층
Claims (12)
- 기판;
상기 기판 상에 제1 전극, 제1 압전층, 제2 압전층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 중앙부 및 상기 중앙부에서 외측으로 연장되며, 삽입층을 포함하는 확장부를 구비하는 공진부; 포함하며,
상기 제1 압전층의 평균 두께를 t1, 제2 압전층의 평균 두께를 t2라 할 때, t1/t2는 18.4% 이상, 40% 이하의 범위 내인 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전층의 압전 계수와 제2 압전층의 압전 계수가 서로 상이한 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 압전층과 제2 압전층 사이 계면의 제곱 평균 거칠기(root mean square, RMS)는 2 nm 이하인 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 중앙부에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면을 포함하는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 제1 압전층 및 제1 전극의 사이에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 제2 전극의 상부에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 제2 압전층 및 제2 전극의 사이에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 제1 전극의 하부에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 확장부 내에 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 확장부 내에 배치되고 상기 삽입층의 형상을 따라 상기 중앙부에서 경사지게 연장되는 굴곡부를 포함하고,
상기 굴곡부는 상기 삽입층의 경사면 상에 배치되는 경사부를 포함하는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 상기 제1 압전층 및 제2 압전층과 다른 재질로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 삽입층은 유전체를 포함하는 음향 공진기.
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