KR20230100126A - 체적 음향 공진기 - Google Patents

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김광수
이진우
길재형
김용석
박동현
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판과, 두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 주파수 조절층과, 주파수 조절층과 기판의 사이에 배치된 압전층과, 압전층과 기판의 사이에 배치된 제1 전극과, 압전층과 주파수 조절층의 사이에 배치된 제2 전극과, 제1 전극 또는 제2 전극에 연결된 금속층과, 제2 전극과 주파수 조절층의 사이에 배치된 보호층을 포함하고, 주파수 조절층은 보호층보다 더 넓은 면적을 커버할 수 있다.

Description

체적 음향 공진기{Bulk acoustic resonator}
본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.
최근 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요가 증가하고 있다.
BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터와 같은 음향 공진기는 이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로 구성될 수 있으며, 유전체필터, Metal Cavity 필터, 도파관(Wave guide) 등과 비교하여 크기가 매우 작고 좋은 성능을 가지므로, 좋은 성능(예: 넓은 통과 대역폭)을 요구하는 현대의 모바일 기기의 통신모듈에 많이 이용되고 있다.
최근 5G 통신의 Sub 6GHz (4~6GHz)와 같이 더 높은 주파수 또는 더 넓은 대역폭을 가지는 통신에 기술 관심도가 증가하고 있으며, 후보 대역대에서의 구현 가능한 체적 음향 공진기 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
공개특허공보 제10-2018-0040477호
본 발명은 체적 음향 공진기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판; 의 두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 주파수 조절층; 상기 주파수 조절층과 상기 기판의 사이에 배치된 압전층; 상기 압전층과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극; 상기 압전층과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 연결된 금속층; 및 상기 제2 전극과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 보호층; 을 포함하고, 상기 주파수 조절층은 상기 보호층보다 더 넓은 면적을 커버할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판; 상기 기판을 향하여 커버하고 주파수 조절층의 두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 상기 주파수 조절층; 적어도 일부분이 상기 주파수 조절층에 의해 커버되고 제1 전극 또는 제2 전극에 연결된 금속층; 제2 전극, 상기 제2 전극과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극, 상기 제1 및 제2 전극의 사이에 배치된 압전층을 포함하는 공진부; 및 적어도 일부분이 상기 기판과 상기 주파수 조절층의 사이에서 상기 금속층과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 보호층; 을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는, 기판; 두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 주파수 조절층; 상기 주파수 조절층과 상기 기판의 사이에 배치된 압전층; 상기 압전층과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극; 상기 압전층과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 연결된 금속층; 및 상기 제2 전극과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 보호층; 을 포함하고, 상기 주파수 조절층과 상기 보호층 중 하나는 양의 TCF(Temperature coefficient of frequency)를 가지고 다른 하나는 음의 TCF를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는, 향상된 트림 균일성(Trim uniformity)에 따른 향상된 성능(예: 노치(notch) 감소)을 가질 수 있고, 향상된 전기적 격리도(galvanic isolation)에 따라 안정적으로 구현될 수 있다. 체적 음향 공진기의 향상된 성능에 따라, 상기 체적 음향 공진기를 포함하는 필터는 에너지 손실을 줄이거나, 발열을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I′에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 II-II′에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 III-III′에 따른 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 제조 과정을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기에 포함된 보호층/주파수 조절층의 두께를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 포함된 보호층/주파수 조절층의 효과를 나타낸 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 두께 편차를 예시한 그래프이다.
도 8b 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 두께 편차가 감소함에 따른 공진주파수 근처에서의 노치(notch) 제거를 예시한 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층/주파수 조절층의 변형적 두께 관계를 예시한 단면도이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층/주파수 조절층의 다양한 재료 관계 및 다양한 두께 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기에 소수성층이 더 배치된 구조를 예시한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 변형적 커버 범위를 예시한 단면도이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층의 변형적 커버 범위를 예시한 단면도이다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 공진부의 변형적 구조를 예시한 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 금속층의 변형적 구조를 예시한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기를 포함하는 필터를 나타낸 사시도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 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 단면도이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 제조 과정을 예시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100)는, 기판(110), 공진부(120), 보호층(160), 주파수 조절층(165), 제1 및 제2 금속층(180, 190)을 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 체적 음향 공진기 제조 과정에서 캐비티(C)를 형성할 때, 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지할 수 있다.
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.
예를 들어, 도 5a를 참조하면, 제1 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-1)는 기판(110), 절연층(115) 및 희생층(140)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 제2 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-2)는 식각 방지부(145)가 형성된 구조를 가질 수 있다.
희생층(140)은 절연층(115) 상에 형성될 수 있고, 희생층(140)의 내부에는 캐비티(C)와 식각 방지부(145)가 배치될 수 있다. 캐비티(C)는 빈 공간(예: air cavity)으로 형성될 수 있고, 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 캐비티(C)가 희생층(140) 내에 형성됨에 따라, 희생층(140)의 상부에 형성되는 공진부(120)는 전체적으로 편평하게 형성될 수 있다.
식각 방지부(145)는 캐비티(C)의 경계를 따라 배치될 수 있다. 식각 방지부(145)는 캐비티(C) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지하기 위해 구비될 수 있으므로, 절연층(115)에 함유될 수 있는 재료와 동일한 재료를 함유할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
멤브레인층(150)은 희생층(140) 상에 형성되며 캐비티(C)의 상부면을 형성할 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 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.
예를 들어, 도 5a를 참조하면, 제3 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-3)는 멤브레인층(150)과 제1 전극(121)이 순차적으로 더 적층된 구조를 가질 수 있다.
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 적층될 수 있다. 따라서, 공진부(120)에서 압전층(123)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), 압전층(123) 및 제2 전극(125)이 순차적으로 적층되어 공진부(120)를 형성할 수 있다.
공진부(120)는 제1 전극(121)과 제2 전극(125)에 인가되는 RF(Radio Frequency) 신호의 주파수에 따라 압전층(123)에 기반한 공진을 일으킬 수 있고, 공진주파수 및 반공진주파수 중 하나에서 RF 신호를 특히 잘 통과시킬 수 있고 다른 하나에서 RF 신호를 잘 차단할 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 배치될 수 있다. 그리고, 중앙부(S)의 양단에 배치되는 확장부(E) 양쪽에 모두 삽입층(170)이 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 5b를 참조하면, 제4 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-4)는 삽입층(170)이 형성된 구조를 가질 수 있고, 제5 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-5)는 압전층(123) 및 제2 전극(125)이 더 적층된 구조를 가질 수 있고, 제6 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-6)는 제1 전극(121)의 일부분, 압전층(123)의 일부분 및 제2 전극(125)의 일부분이 제거된 구조를 가질 수 있고,
삽입층(170)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비할 수 있다.
확장부(E)에서 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170) 상에 배치될 수있다. 따라서 확장부(E)에 위치한 압전층(123)과 제2 전극(125)은 삽입층(170)의 형상을 따라 경사면을 구비할 수 있다.
한편, 확장부(E)가 공진부(120)에 포함되는 것으로 정의될 수 있으므로, 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.
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 배치될 수 있다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(도 4의 125a)은, 경사부(1231)의 경사면보다 작은 면적으로 형성될 수 있고, 공진부(120) 내에서 제2 전극(125)은 압전층(123)보다 작은 면적으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙부(S)를 가로지르도록 공진부(120)를 절단한 단면에서, 제2 전극(125)의 끝단은 확장부(E) 내에 배치될 수 있다. 또한, 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(125)의 끝단은 적어도 일부가 삽입층(170)과 겹치도록 배치될 수 있다. 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.
제1 전극(121) 및 제2 전극(125) 각각은 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)는 국부적인 구조가 중앙부(S)로부터 소/밀/소/밀 구조로 형성되므로 수평파(lateral wave)를 공진부(120) 안쪽으로 반사시키는 반사 계면이 증가될 수 있다. 따라서 대부분의 수평파가 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 형성될 수 있다.
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. 예를 들어, 압전층(123)의 질화알루미늄(AlN)에 도핑되는 원소들의 함량은 0.1 ~ 30at%의 범위로 구성될 수 있다. 질화알루미늄(AlN)에 도핑되는 원소는 스칸듐(Sc)일 수 있다. 이에 따라, 압전층(123)의 압전 상수는 증가될 수 있고, 음향 공진기의 Kt 2는 증가될 수 있다.
예를 들어, 압전층(123)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부(123a), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(123b)를 포함할 수 있다.
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 형성될 수 있다.
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 형성될 수 있다. 이에 압전층(123)은 압전부(123a)와 굴곡부(123b)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 두께와 형상에 대응하여 융기될 수 있다.
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 배치될 수 있다. 따라서 삽입층(170)은 공진부(120) 내에 부분적으로 배치되며, 제1 전극(121)과 압전층(123) 사이에 배치될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 압전층(123)의 굴곡부(123b)를 지지할 수 있다. 따라서 압전층(123)의 굴곡부(123b)는 삽입층(170)의 형상을 따라 경사부(1231)와 연장부(1232)로 구분될 수 있다.
삽입층(170)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치될 수 있다. 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 형성될 수 있다. 이로 인해 삽입층(170)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 갖는 경사면(L)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 삽입층(170) 측면의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성될 수 있다.
압전층(123)의 경사부(1231)는 삽입층(170)의 경사면(L)을 따라 형성되며 이에 삽입층(170)의 경사면(L)과 동일한 경사각으로 형성될 수 있다. 따라서 경사부(1231)의 경사각도 삽입층(170)의 경사면(L)과 마찬가지로 5°이상, 70°이하의 범위로 형성될 수 있다. 삽입층(170)의 경사면(L)에 적층되는 제2 전극(125)의 경사각도 삽입층(170)의 경사면(L)과 마찬가지로 5°이상, 70°이하의 범위로 형성될 수 있다.
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 형성될 수 있다.
예를 들어, 삽입층(170)은 금속 재료를 포함할 수도 있고, 스칸듐(Sc)을 함유하는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있고, 질소(N)나 불소(F)를 주입한 SiO2 박막으로 형성될 수 있다.
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 1의 H)로 공급하여 희생층(140)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
보호층(160)은 체적 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 체적 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호할 수 있다. 보호층(160)은 제2 전극(125), 압전층(123)의 굴곡부(123b)가 형성하는 표면을 따라 배치될 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 보호층(160)을 관통하여 제1 전극(121)에 접합될 수 있다.
또한 공진부(120)에서 제1 전극(121)은 제2 전극(125)보다 넓은 면적으로 형성되며, 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 한정되는 것은 아니다.
공진부(120) 상에 위치하는 보호층(160)은 적어도 일부가 제1 금속층(180), 제2 금속층(190)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 열전도도가 높은 금속 재료로 형성될 수 있으므로, 부피가 크므로 열방출 효과가 클 수 있다.
따라서 압전층(123)에서 발생된 열이 보호층(160)을 경유하여 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)으로 신속하게 전달될 수 있도록, 보호층(160)은 제1 금속층(180), 제2 금속층(190)과 연결될 수 있다.
예를 들어, 보호층(160)은 적어도 일부가 제1 금속층(180) 및 제2 금속층(190)의 하부에 배치될 수 있고, 제1 금속층(180)과 압전층(123) 사이, 그리고 제2 금속층(190)과 제2 전극(125), 압전층(123) 사이에 각각 삽입 배치될 수 있다.
주파수 조절층(165)은 기판(100)을 향하여 커버하도록 기판(100)의 상측에 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 5c를 참조하면, 제7 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-7)는 보호층(160)이 더 적층된 구조를 가질 수 있고, 제8 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-8)는 제1 및 제2 금속층(180, 190)이 적층되고 주파수 조절층(170)이 더 적층된 가질 수 있다. 도 5d를 참조하면, 제9 제조 단계가 적용된 체적 음향 공진기(100-9)는 캐비티(C)가 형성된 구조를 가질 수 있다.
도 5a 내지 도 5d의 제1 제조 단계부터 제9 제조 단계까지는 순차적으로 적용될 수 있으므로, 보호층(160)은 제1 및 제2 금속층(180, 190)보다 더 먼저 형성될 수 있고, 주파수 조절층(170)은 제1 및 제2 금속층(180, 190)이 형성된 후에 형성될 수 있다. 이에 따라, 보호층(160)은 제1 및 제2 금속층(180, 190)과 제2 전극(125) 사이의 전기적 격리도(galvanic isolation, 도 7 참조) 방지할 수 있고, 주파수 조절층(170)은 트림 균일성(Trim uniformity, 도 7 참조)을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기에 포함된 보호층/주파수 조절층의 두께를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 포함된 보호층/주파수 조절층의 효과를 나타낸 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 주파수 조절층(165)은 보호층(160)보다 더 넓은 면적을 커버할 수 있다. 또는, 주파수 조절층(165)은 제1 금속층(180)을 커버할 수 있다.
예를 들어, 주파수 조절층(165)은 보호층(160)에서 주파수 조절층(165)을 마주보는 면(예: 상면)과 제1 금속층(180)에서 주파수 조절층(165)을 마주보는 면(예: 측면 및/또는 상면)의 적어도 일부분을 함께 커버함으로써 보호층(160)보다 더 넓은 면적을 커버할 수 있다.
여기서, 제1 금속층(180)은 도 1 내지 도 4에 도시된 제2 금속층(190)일 수도 있다. 즉, 도 6 내지 도 14a에 도시된 제1 전극(121)에 연결된 제1 금속층(180)은 제2 전극(125)에 연결된 제2 금속층(190)으로 대체될 수 있으며, 청구항의 제1 전극 또는 제2 전극에 연결된 금속층은 제1 금속층(180) 또는 제2 금속층(190)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100a)의 공진주파수 및/또는 반공진주파수는 체적 음향 공진기(100a)의 음향 임피던스에 기반하여 결정될 수 있으며, 상기 음향 임피던스는 음압(acoustic pressure)과 음속(acoustic speed)의 곱에 수직면적을 나눈 값일 수 있고, 상기 수직면적은 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 두께에 비례할 수 있다.
주파수 조절층(165)에서 제2 전극(125)에 수직으로 중첩되는 부분의 두께(P2)가 변화할 경우, 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 두께도 변화할 수 있다. 주파수 조절층(165)의 음압이 주파수 조절층(165) 이외의 전반적인 음압과 다를 경우, 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 음압도 주파수 조절층(165)의 두께(P2) 변화에 따라 변화할 수 있다.
즉, 주파수 조절층(165)의 두께(P2)는 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 두께 및/또는 전반적인 음압에 영향을 줄 수 있으므로, 체적 음향 공진기(100a)의 음향 임피던스에도 영향을 줄 수 있다. 즉, 체적 음향 공진기(100a)의 공진주파수 및/또는 반공진주파수는 주파수 조절층(165)의 두께(P2)에 따라 변화할 수 있다.
주파수 조절층(165)의 두께(P2)는 주파수 조절층(165)이 증착되는 시간 조절이나, 주파수 조절층(165)이 형성된 이후에 주파수 조절층(165)이 식각되는 시간 조절을 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 주파수 조절층(165)의 식각은 물리적(예: dry 식각, 미세 입자 충돌) 식각, 화학적(예: wet 식각, 캐비티 형성에 사용하는 에칭가스 사용) 식각 및 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 중 적어도 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
체적 음향 공진기(100a)의 공진주파수 및/또는 반공진주파수가 목표 주파수에 가까워지도록 주파수 조절층(165)의 두께(P2)를 결정짓는 과정은 트림(Trim)으로 정의될 수 있다.
주파수 조절층(165)의 트림 균일성(Trim uniformity)은 주파수 조절층(165)의 수평적 위치에 따른 주파수 조절층(165)의 두께(P2)를 결정짓는 수단(예: 식각, 증착)의 적용 편차로 정의될 수 있다. 트림 균일성(Trim uniformity)이 높을수록, 수평적 위치 변화에 따른 주파수 조절층(165)의 두께 변화율은 낮을 수 있고, 주파수 조절층(165)의 두께는 더욱 명확할 수 있고, 체적 음향 공진기(100a)의 공진주파수 및/또는 반공진주파수도 명확할 수 있다. 공진주파수 및/또는 반공진주파수가 명확하다는 것은 공진주파수 및/또는 반공진주파수 근처에서 임피던스가 국부적으로 크게 변하는 노치(notch)나 임피던스가 국부적으로 변동(fluctuation)하는 스퓨리어스(spurious)가 적다는 것으로 정의될 수 있다. 즉, 체적 음향 공진기(100a)의 공진주파수 및/또는 반공진주파수 근처에서의 노치(notch) 및/또는 스퓨리어스(spurious)는 주파수 조절층(165)의 트림 균일성(Trim uniformity)이 높을수록 더 감소될 수 있다.
트림 균일성(Trim uniformity)은 트림이 적용되는 부분(예: 제2 전극(125)의 상측)과 이외 부분 간의 구조적 및/또는 재료적 동질성이 높을수록 높아질 수 있다. 주파수 조절층(165)이 트림이 적용되는 부분(예: 제2 전극(125)의 상측)과 이외 부분을 함께 커버할 경우, 트림이 적용되는 부분과 이외 부분 간의 구조적 및/또는 재료적 동질성은 높아질 수 있다.
따라서, 트림 균일성(Trim uniformity)은 주파수 조절층(165)이 커버하는 면적이 넓을수록 높아질 수 있다. 또는, 트림 균일성(Trim uniformity)은 주파수 조절층(165)이 제1 금속층(180)을 커버함으로써 높아질 수 있다. 주파수 조절층(165)은 보호층(160)보다 더 넓은 면적을 커버할 수 있으므로, 트림 균일성(Trim uniformity)을 높일 수 있고, 공진주파수 및/또는 반공진주파수 근처에서의 노치 및/또는 스퓨리어스를 줄일 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 보호층(160)은 제2 전극(125)과 주파수 조절층(165)의 사이에 배치될 수 있다. 또는, 보호층(160)의 적어도 일부분은 기판(멤브레인층(150)의 하측)과 주파수 조절층(165)의 사이에서 제1 금속층(180)과 제2 전극(125)의 사이에 배치될 수 있다.
이에 따라, 보호층(160)은 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 사이의 전기적 격리도(galvanic isolation)를 높일 수 있으므로, 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 사이의 전식(galvanic corrosion)을 방지할 수 있다.
제1 금속층(180)의 적어도 일부분은 주파수 조절층(165)의 일부분과 보호층(160)의 일부분의 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 사이의 전기적 격리도(galvanic isolation)는 더 높아질 수 있다. 보호층(160)은 제1 금속층(180)보다 먼저 형성될 수 있고, 주파수 조절층(165)은 제1 금속층(180)보다 나중에 형성될 수 있다.
예를 들어, 보호층(160)은 제1 금속층(180)의 일부분이 단차(step)를 형성하도록 제1 금속층(180)의 표면과 압전층(123)의 표면 사이에 침투될 수 있다. 보호층(160)의 침투 길이(P1)가 길수록, 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 사이의 전기적 격리도(galvanic isolation)는 더 높아질 수 있다.
예를 들어, 제1 금속층(180)은 제1 및 제2 전극(121, 125) 각각보다 더 두껍고, 제1 금속층(180)은 제1 및 제2 전극(121, 125) 각각에 함유된 재료(예: 몰리브덴과 같이 압전 특성을 지지하기 효율적인 재료)와 다른 재료(예: 금, 은, 구리와 같은 전도도가 높은 재료)를 함유할 수 있다. 이에 따라, 제1 금속층(180)의 전기적 저항은 낮아질 수 있으므로, 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 입출력 에너지 손실은 감소할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100a)는 제1 금속층(180)의 두꺼운 두께에 실질적으로 영향을 받지 않고 트림 균일성(Trim uniformity)을 향상시킬 수 있고, 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 간의 재료적 차이에 실질적으로 영향을 받지 않고 트림 균일성 및/또는 전기적 격리도(galvanic isolation)를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 중 적어도 하나는 삽입층(170)에 의해 융기되는 부분을 포함할 수 있다. 상기 융기되는 부분은 체적 음향 공진기(100a)의 수평적 음향파(lateral acoustic wave)를 줄이거나 수평적 음향파가 옆으로 새는 것을 줄일 수 있으므로, 체적 음향 공진기(100a)의 전반적인 에너지 손실을 줄일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100a)는 상기 융기되는 부분에 따른 주파수 조절층(165)의 높낮이 차이에 실질적으로 영향을 받지 않고 트림 균일성(Trim uniformity)을 향상시킬 수 있다.
주파수 조절층(165)은 제1 금속층(180)의 측면을 더 커버할 수 있고, 주파수 조절층(165)에서 제1 금속층(180)의 측면을 커버하는 부분의 두께(T1)는, 주파수 조절층(165)에서 제2 전극을 커버하는 부분의 두께(P2)와 보호층(160)의 두께(P3)의 총 두께(T2)보다 얇을 수 있다. 보호층(160)의 절연성 여부는 주파수 조절층(165)의 절연성 여부의 영향을 받을 수 있으므로, 보호층(160)과 주파수 조절층(165) 간의 비음향임피던스(specific acoustic impedance) 차이가 보호층(160) 또는 주파수 조절층(165)과 제1 전극(121) 또는 제2 전극(125)간의 비음향임피던스 차이보다 작을 가능성이 높을 수 있다. 따라서, 보호층(160)의 두께는 주파수 조절층(165)의 두께의 일부분에 가깝게 작용할 수 있고, 보호층(160)은 주파수 조절층(165)의 공정산포에 따른 두께 변화가 공진주파수 및/또는 반공진주파수에 주는 영향의 일부를 상쇄시킬 수 있고, 공진주파수 및/또는 반공진주파수는 더욱 정확히 구현될 수 있다.
여기서, 두께(T1, T2, P2, P3)의 기준방향은 해당 부분의 하면에 수직인 방향으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 두께(T1, T2, P2, P3)는 TEM(Transmission Electron Microscopy), AFM(Atomic Force Microscope), SEM(Scanning Electron Microscope), 광학 현미경 및 surface profiler 중 적어도 하나를 사용한 분석에 의해 측정될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 두께 편차를 예시한 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 체적 음향 공진기의 공진부의 수평 일방향 길이(수평방향 면적의 제곱근에 대응)는 약 100um일 수 있고, 주파수 조절층의 수평적 위치(Lateral Position)에 따른 두께(Thickness)의 최소값과 최대값 각각의 주파수 조절층의 두께 대비 차이는 10nm 미만일 수 있다. 즉, 주파수 조절층의 두께 편차(deviation)는 20nm 미만일 수 있다. 트림 균일성(Trim uniformity)이 낮을 경우, 주파수 조절층에서 공진부의 가장자리를 커버하는 부분의 두께(Thickness)의 최소값 또는 최대값의 절대값은 커질 수 있지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층은 향상된 트림 균일성(Trim uniformity)을 통해 편차가 감소된 두께(Thickness)를 가질 수 있다.
도 8b 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 두께 편차가 감소함에 따른 공진주파수 근처에서의 노치(Notch) 제거를 예시한 그래프이다.
도 8b의 곡선은 공진부의 수평 일방향 길이가 약 100um일 경우의 공진부의 S-파라미터를 나타내고, 도 8c 내지 도 8e는 공진부의 수평 일방향 길이가 순차적으로 더 커진 경우의 공진부의 S-파라미터를 나타낸다. 예를 들어, 도 8b 내지 도 8e의 S-파라미터는 비선형 벡터 네크워크 분석기(Nonlinear Vector Network Analyzer)의 단자를 전극 또는 금속층에 전기적으로 연결함에 의해 측정될 수 있다.
도 8b 내지 도 8e를 참조하면, 주파수(Frequency)에 따른 체적 음향 공진기의 제1 및 제2 금속층 사이의 S-파라미터는 약 3.5GHz 근처에서 공진주파수와 반공진주파수에 따라 높아지거나 낮아질 수 있다. 여기서, 3.5GHz는 설계에 따라 달라질 수 있다. 트림 균일성(Trim uniformity)이 낮을 경우, 공진주파수 근처에서 S-파라미터는 국부적으로 낮아지는 노치(Notch)를 나타낼 수 있지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 S-파라미터는 공진주파수 근처에서 노치(Notch)가 감소된 특성을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 노치(Notch)는 공진주파수와 반공진주파수 간의 차이(예: 도 8b에서 100MHz)를 공진주파수(예: 도 8b에서 3.45GHz)에서 뺀 주파수(예: 도 8b에서 3.35GHz)부터 공진주파수(예: 도 8b에서 3.45GHz)까지의 주파수범위에서의 S-파라미터의 평균값(예: 도 8b에서 -0.18dB)과 최소값(예: 도 8b에서 -0.23dB)간의 차이가 기준(예: 1dB 차이)보다 큰 것으로 정의될 수 있으므로, 도 8b 내지 도 8e의 S-파라미터의 해당 주파수 범위는 노치(Notch)를 포함하지 않는다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층/주파수 조절층의 변형적 두께 관계를 예시한 단면도이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층/주파수 조절층의 다양한 재료 관계 및 다양한 두께 관계를 나타낸 도면이다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100b)의 보호층(160)의 두께(P3)는 주파수 조절층(165)의 두께(P2)보다 더 두꺼울 수 있다.
도 9b를 참조하면, 보호층(160)의 두께(P3)와 주파수 조절층(165)의 두께(P2) 간의 두께 관계의 경우의 수는 3가지일 수 있고, 보호층(160)과 주파수 조절층(165)의 재료(material) 관계의 경우의 수는 2가지일 수 있다.
예를 들어, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 각각은 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 압전층에 함유된 압전 재료와 동일한 재료를 함유할 수 있다. 이에 따라, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 각각은 더 강건한 내화학성을 가질 수 있으므로, 체적 음향 공진기는 외부 환경 변화에 강건할 수 있다. 예를 들어, 공진부의 제2 전극 및/또는 제1 및 제2 금속층의 외부 환경 변화에 따른 산화환원 작용은 억제될 수 있다.
보호층(160) 및 주파수 조절층(165)에 함유될 수 있는 후보 재료들(예: SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN) 간의 내화학성 차이도 있으므로, 보호층(160)은 상기 후보 재료들 중에서 상대적으로 내화학성이 더 높은 재료를 함유할 수 있다. 예를 들어, 보호층(160)의 내화학성은 주파수 조절층(165)의 내화학성보다 더 강건할 수 있다. 이에 따라, 보호층(160)은 금속층과 전극 간의 전식(galvanic corrosion)을 더 효율적으로 억제할 수 있다. 예를 들어, 내화학성은 해당 층이 특정 분위기에 노출되었을 때의 단위 시간 당 산화환원 양(또는 두께)로 측정될 수 있다.
SiO2는 강건한 내화학성을 가질 수 있고, 양의 TCF(Temperature coefficient of frequency)를 가질 수 있다. 상기 TCF는 온도 변화에 따른 공진주파수 또는 반공진주파수 변화 비율로 정의될 수 있다.
상기 내화학성과 상기 TCF는 낮지 않은 상관관계를 가질 수 있다. 따라서, 보호층(160)과 주파수 조절층(165)이 서로 다른 TCF를 가질 경우, 보호층(160)은 향상된 내화학성을 가져서 금속층과 전극 간의 전식을 억제할 수 있다.
또한, 보호층(160)과 주파수 조절층(165) 중 하나는 양의 TCF를 가지고 다른 하나는 음의 TCF를 가질 수 있다. 이에 따라, 보호층(160)과 주파수 조절층(165)의 전반적인 TCF는 0에 가까워질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기는 온도 변화에 강건해질 수 있고, 공진주파수 또는 반공진주파수의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속층과 전극 간의 전식도 억제될 수 있다.
예를 들어, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 중 하나는 양의 TCF를 가지는 SiO2를 함유할 수 있고, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 중 다른 하나는 음의 TCF를 가지는 Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 압전층에 함유된 압전 재료(음의 TCF일 수 있음)와 동일한 재료를 함유할 수 있다.
압전층에 함유된 압전 재료가 음의 TCF일 수 있으므로, 보호층(160) 및 주파수 조절층(165) 중 양의 TCF를 가지는 SiO2를 포함하는 층의 두께는 더 두꺼울 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 전반적인 TCF는 0에 더 가까워질 수 있다.
주파수 조절층(165)의 두께 변화에 따른 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수의 변화율인 주파수 민감도는 보호층(160)의 주파수 민감도와 다를 수 있다. 예를 들어, SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN의 주파수 민감도가 각각 1nm/MHz, 1.3nm/MHz, 0.88nm/MHz 및 0.78nm/MHz일 수 있으므로, 보호층(160)에 함유되는 재료는 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 일부일 수 있고, 주파수 조절층(165)에 함유되는 재료는 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 다른 일부일 수 있다.
예를 들어, 주파수 조절층(165)의 두께(P2)가 보호층(160)의 두께(P3)보다 두꺼울 경우, 주파수 조절층(165)의 주파수 민감도는 상대적으로 자유롭게 설계될 수 있다. 주파수 조절층(165)의 두께(P2)가 보호층(160)의 두께(P3)보다 얇을 경우, 주파수 조절층(165)의 주파수 민감도는 증착 공정산포에 따른 영향을 줄이기 위해 낮게 설계될 수 있다.
예를 들어, 주파수 조절층(165)의 두께(P2)는 60nm 이상일 수 있다. 이에 따라, 증착 공정산포에 따른 공진주파수 또는 반공진주파수의 변화는 효율적으로 감소될 수 있다.
예를 들어, 보호층(160)의 두께(P3)는 30nm 이상일 수 있다. 이에 따라, 보호층(160)의 공진부 상에서의 분포 연속성은 안정적으로 확보될 수 있으므로, 금속층과 전극 간의 전식은 안정적으로 억제될 수 있다.
예를 들어, 주파수 조절층(165)의 두께(P2)는 150nm일 수 있고, 보호층(160)의 두께(P3)는 30nm 이상 50nm 이하일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기에 소수성층이 더 배치된 구조를 예시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100c)는, 주파수 조절층(165) 상에 배치된 소수성층(130)을 더 포함할 수 있다. 소수성층(130)은 체적 음향 공진기(100c)의 상면에 물 및 히드록실기(hydroxy group, OH group) 등이 흡착되는 것을 억제할 수 있으므로, 공진주파수 또는 반공진주파수 변동을 줄일 수 있다. 예를 들어, 주파수 조절층(165)은 소수성층(130)보다 더 두꺼울 수 있고, 더 높은 주파수 민감도를 가질 수 있다.
예를 들어, 소수성층(130)은 소수성(hydrophobicity)을 가질 수 있는 전구 물질(precursor)의 기상 증착에 의해 형성될 수 있고, 실리콘(silicon, Si) 헤드를 가지는 플루오르카본(fluorocarbon)이나 실리콘(silicon, Si) 헤드를 가지는 하이드로 카본(hydrocarbon)이나 실리옥세인(Siloxane)을 함유할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 주파수 조절층의 변형적 커버 범위를 예시한 단면도이다.
도 11a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100d)의 주파수 조절층(165)은 설계에 따라 제1 금속층(180)의 상면을 커버하지 않을 수 있다. 체적 음향 공진기(100d)의 주파수 조절층(165)은 제1 금속층(180)의 측면을 커버할 수 있고, 보호층(160)보다 더 넓은 범위를 커버할 수 있으므로, 향상된 트림 균일성에 의해 구현될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100e)의 주파수 조절층(165)은 설계에 따라 제2 전극(125)을 커버하지 않을 수 있다. 체적 음향 공진기(100e)의 주파수 조절층(165)은 제1 금속층(180)의 측면을 커버할 수 있고, 주파수 조절층(165)과 보호층(160) 간의 동질성은 보호층(160)과 제1 금속층(180) 간의 동질성보다 높을 수 있으므로, 향상된 트림 균일성에 의해 구현될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 보호층의 변형적 커버 범위를 예시한 단면도이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100f, 100g)의 보호층(160)은 설계에 따라 제1 금속층(180)의 하면에 배치되지 않을 수 있다.
도 12c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100h)의 보호층(160)은 설계에 따라 제2 전극(125)의 일부분을 커버하지 않을 수 있다.
체적 음향 공진기(100f, 100g, 100h)의 보호층(160)은 주파수 조절층(165)과 제2 전극(125)의 사이에 배치되거나 제1 금속층(180)과 제2 전극(125)의 사이에 배치될 수 있으므로, 제1 금속층(180)과 제2 전극(125) 간의 전기적 격리도(galvanic isolation)는 향상될 수 있다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 공진부의 변형적 구조를 예시한 단면도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100i, 100j)는 삽입층을 포함하지 않을 수 있고, 체적 음향 공진기(100i, 100j)의 압전층(123)은 융기되지 않을 수 있다. 설계에 따라, 수평 음향파 억제 구조는 제2 전극(125)의 가장자리 부분의 두께(P5)가 다른 부분의 두께(P4)와 다른 구조로 대체될 수 있다.
도 13c을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100k)의 제2 전극(125)은 공진부 내에서 압전층(123)의 상면 전체에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(125)의 적어도 일부는 압전층(123)의 경사부(1231)뿐만 아니라 연장부(1232) 상에도 형성될 수 있다.
도 13d를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100m)는 가장자리 캐비티(175)를 더 포함할 수 있고, 가장자리 캐비티(175)는 공진부의 중심을 둘러싸는 가장자리에서 제2 전극(125)을 융기시킬 수 있다. 이에 따라, 가장자리 캐비티(175)는 제2 전극(125)의 가장자리와 압전층(123)의 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 가장자리 캐비티(175)는 공기로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 삽입층과 유사한 구조는 압전층(123)이 형성된 이후에 제2 전극(125)과 제1 금속층(180)이 형성되기 전에 가장자리 캐비티(175)가 차지하는 공간에 형성될 수 있다. 이후, 제2 전극(125), 보호층(160), 제1 금속층(180) 및 주파수 조절층(165)은 형성될 수 있다. 이후, 상기 삽입층과 유사한 구조의 상측에서 제2 전극(125)과 보호층(160)과 주파수 조절층(165)이 배치된 부분은 식각될 수 있고, 상기 삽입층과 유사한 구조는 본 명세서의 캐비티의 형성 방식과 유사한 방식으로 제거될 수 있다.
도 13e를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100n)의 제2 전극(125)의 일부분은, 가장자리 캐비티(175)의 상측에 제거되는 부분이 제거될 때 제거되지 않을 수 있다. 이에 따라, 보호층(160)과 주파수 조절층(165) 각각의 일부분은 가장자리 캐비티(175)의 상측에 제거되는 부분에서 제2 전극(125)의 측면을 커버하도록 배치될 수 있다.
도 13f를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100o)는 가장자리 캐비티(175)의 상면이 상측으로 노출되지 않는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 가장자리 캐비티(175)를 형성하기 위한 통로는 가장자리 캐비티(175)의 상측이 아닌 수평방향으로 형성될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기의 금속층의 변형적 구조를 예시한 단면도이다.
도 14a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100l)의 제1 금속층(180)에서 제2 전극(125)에 인접한 부분은 상측으로 길이(P7)만큼 돌출된 돌출부(185)를 가질 수 있다.
이에 따라, 제1 전극(121)과 제1 금속층(180) 간의 연결 저항 또는 제2 전극(125)과 제2 금속층 간의 연결 저항은 낮아질 수 있으므로, 체적 음향 공진기(100l)의 입출력 손실을 더욱 감소할 수 있다.
또한, 주파수 조절층(165)이 제1 금속층(180)의 측면을 커버하는 길이(P6+P7)는 더욱 길어질 수 있는데, 주파수 조절층(165)은 길이(P6+P7)에 실질적인 영향을 받지 않고 향상된 트림 균일성을 가질 수 있다.
도 14b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 체적 음향 공진기(100l-1, 100l-2, 100l-3)는 복수의 공진부(120a, 120b, 120c)를 각각 포함할 수 있고, 제1 금속층(180) 또는 제2 금속층(190)을 통해 서로 연결될 수 있다.
제1 금속층(180)은 복수의 공진부(120a, 120b, 120c) 중 일부를 둘러싸는 돌출부(185a)를 포함할 수 있고, 제2 금속층(190)은 복수의 공진부(120a, 120b, 120c) 중 다른 일부를 둘러싸는 돌출부(185b)를 포함할 수 있다. 도 14a의 돌출부(185)는 도 14b의 돌출부(185a) 또는 돌출부(185b)일 수 있다.
필터(100l-123)는 복수의 체적 음향 공진기(100l-1, 100l-2, 100l-3)가 서로 연결된 구조를 가질 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기를 포함하는 필터를 나타낸 사시도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100se, 100sh)는, 적어도 하나의 시리즈 체적 음향 공진기(100se) 및/또는 적어도 하나의 션트 체적 음향 공진기(100sh)일 수 있다.
적어도 하나의 시리즈 체적 음향 공진기(100se)는 제1 포트(P1)와 제2 포트(P2)의 사이에 전기적으로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 션트 체적 음향 공진기(100sh)는 적어도 하나의 시리즈 체적 음향 공진기(100se)와 접지 포트(GND) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
적어도 하나의 시리즈 체적 음향 공진기(100se)와 적어도 하나의 션트 체적 음향 공진기(100sh) 간의 공진주파수 및/또는 반공진주파수 관계에 따라, 필터(Chip)은 대역통과필터 또는 노치필터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100se, 100sh)는 수평파 자체를 줄이거나 수평파가 옆으로 새는 것을 줄일 수 있으므로, RF 신호가 체적 음향 공진기(100se, 100sh) 각각을 통과함에 따른 에너지 손실은 감소할 수 있으므로, 필터(chip)의 전체 삽입손실 및/또는 반사손실을 감소할 수 있다. 또한, 수평파에 따른 공진주파수 근처에서의 스퓨리어스(spurious)도 감소할 수 있으므로, 필터(Chip)의 대역폭 끝에서의 감쇄 특성도 더 예리(sharp)해질 수 있다.
제1 포트(P1), 제2 포트(P2) 및 접지 포트(GND) 각각은 기판(110)을 관통하는 수직적 전기적 경로를 가질 수 있고, 필터(Chip)의 하면에 배치될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 체적 음향 공진기(100se, 100sh)는 기판(110)과 캡(210)의 사이에서 캡(210)에 수용될 수 있고, 접합 부재(220)는 캡(210)을 기판(110) 및/또는 멤브레인층(150)에 접합시킬 수 있다. 예를 들어, 접합 부재(220)는 도전성 링을 포함하는 공융(eutectic) 결합 구조 또는 양극(anodic) 결합 구조를 포함할 수 있다.
설계에 따라, 쉴드층(250)은 캡(210)의 하면 및/또는 내측면의 전부 또는 대부분에 배치될 수 있고, 접합 부재(220)에 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.
따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 체적 음향 공진기
110: 기판
120: 공진부
121: 제1 전극
123: 압전층
125: 제2 전극
140: 희생층
150: 멤브레인층
160: 보호층
165: 주파수 조절층
170: 삽입층
180: 제1 금속층
190: 제2 금속층

Claims (26)

  1. 기판;
    두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 주파수 조절층;
    상기 주파수 조절층과 상기 기판의 사이에 배치된 압전층;
    상기 압전층과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극; 및
    상기 압전층과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 제2 전극;
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 연결된 금속층; 및
    상기 제2 전극과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 보호층; 을 포함하고,
    상기 주파수 조절층은 상기 보호층보다 더 넓은 면적을 커버하는 체적 음향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 조절층은 상기 보호층에서 상기 주파수 조절층을 마주보는 면과 상기 금속층에서 상기 주파수 조절층을 마주보는 면의 적어도 일부분을 함께 커버하는 체적 음향 공진기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속층의 적어도 일부분은 상기 주파수 조절층의 일부분과 상기 보호층의 일부분의 사이에 배치된 체적 음향 공진기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 주파수 조절층은 상기 금속층의 측면을 더 커버하고,
    상기 주파수 조절층에서 상기 금속층의 측면을 커버하는 부분의 두께는 상기 주파수 조절층에서 상기 제2 전극을 커버하는 부분의 두께보다 얇은 체적 음향 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는, 30nm 이상이고, 상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께보다 얇은 체적 음향 공진기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께는 60nm 이상인 체적 음향 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께는 60nm 이상이고 상기 보호층의 두께보다 얇은 체적 음향 공진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 조절층의 두께 변화에 따른 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수의 변화율인 주파수 민감도는 상기 보호층의 주파수 민감도와 다른 체적 음향 공진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 각각은 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 상기 압전층에 함유된 압전 재료와 동일한 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 하나는 SiO2를 포함하고,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 다른 하나는 Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 상기 압전층에 함유된 압전 재료와 동일한 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 SiO2를 포함하는 층의 두께는 더 긴 체적 음향 공진기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 주파수 조절층에 비해 더 강건한 내화학성을 가지는 체적 음향 공진기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극 각각보다 더 두껍고,
    상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극 각각에 함유된 재료와 다른 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극의 사이에 부분적으로 배치되는 삽입층을 더 포함하고,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 적어도 하나는 상기 삽입층에 의해 융기되는 부분을 포함하는 체적 음향 공진기.
  15. 기판;
    상기 기판을 향하여 커버하고 주파수 조절층의 두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 상기 주파수 조절층;
    적어도 일부분이 상기 주파수 조절층에 의해 커버되고 제1 전극 또는 제2 전극에 연결된 금속층;
    제2 전극, 상기 제2 전극과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극, 상기 제1 및 제2 전극의 사이에 배치된 압전층을 포함하는 공진부; 및
    적어도 일부분이 상기 기판과 상기 주파수 조절층의 사이에서 상기 금속층과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 보호층; 을 포함하는 체적 음향 공진기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속층의 적어도 일부분은 상기 주파수 조절층의 적어도 일부분과 상기 보호층의 적어도 일부분의 사이에 배치된 체적 음향 공진기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 주파수 조절층은 상기 금속층의 측면을 커버하고,
    상기 주파수 조절층에서 상기 금속층의 측면을 커버하는 부분의 두께는 상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께보다 얇은 체적 음향 공진기.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는, 30nm 이상이고, 상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께보다 얇이고,
    상기 주파수 조절층에서 상기 보호층을 커버하는 부분의 두께는 60nm 이상인 체적 음향 공진기.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 각각은 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 상기 압전층에 함유된 압전 재료와 동일한 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층은 서로 다른 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극 각각보다 더 두껍고,
    상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극 각각에 함유된 재료와 다른 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 공진부에 부분적으로 배치되는 삽입층을 더 포함하고,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 적어도 하나는 상기 삽입층에 의해 융기되는 부분을 포함하는 체적 음향 공진기.
  23. 기판;
    두께에 따라 체적 음향 공진기의 공진주파수 또는 반공진주파수를 변화시키는 주파수 조절층;
    상기 주파수 조절층과 상기 기판의 사이에 배치된 압전층;
    상기 압전층과 상기 기판의 사이에 배치된 제1 전극; 및
    상기 압전층과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 제2 전극;
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 연결된 금속층; 및
    상기 제2 전극과 상기 주파수 조절층의 사이에 배치된 보호층; 을 포함하고,
    상기 주파수 조절층과 상기 보호층 중 하나는 양의 TCF(Temperature coefficient of frequency)를 가지고 다른 하나는 음의 TCF를 가지는 체적 음향 공진기.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 하나는 SiO2를 포함하고,
    상기 보호층 및 상기 주파수 조절층 중 다른 하나는 Si3N4, Al2O3 및 AlN 중 적어도 하나를 함유하거나, 상기 압전층에 함유된 압전 재료와 동일한 재료를 함유하는 체적 음향 공진기.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 주파수 조절층은 상기 보호층에서 상기 주파수 조절층을 마주보는 면과 상기 금속층에서 상기 주파수 조절층을 마주보는 면의 적어도 일부분을 함께 커버하는 체적 음향 공진기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 보호층의 적어도 일부분은 상기 기판과 상기 주파수 조절층의 사이에서 상기 금속층과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 체적 음향 공진기.
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