KR20230122267A - 음향 공진기 - Google Patents

음향 공진기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230122267A
KR20230122267A KR1020220018713A KR20220018713A KR20230122267A KR 20230122267 A KR20230122267 A KR 20230122267A KR 1020220018713 A KR1020220018713 A KR 1020220018713A KR 20220018713 A KR20220018713 A KR 20220018713A KR 20230122267 A KR20230122267 A KR 20230122267A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
cavity
piezoelectric layer
acoustic resonator
region
Prior art date
Application number
KR1020220018713A
Other languages
English (en)
Inventor
김병헌
박타준
박종현
고용훈
Original Assignee
(주)와이솔
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)와이솔 filed Critical (주)와이솔
Priority to KR1020220018713A priority Critical patent/KR20230122267A/ko
Publication of KR20230122267A publication Critical patent/KR20230122267A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

본 발명은 제1 캐비티를 포함하는 기판, 기판의 상부에 형성된 제1 전극, 제1 전극의 일면에 형성된 압전층 및 압전층의 일면에 형성된 제2 전극을 포함하되, 제1 전극, 압전층 및 제2 전극은 제1 캐비티의 일단 내지 타단에 대응되는 중첩 영역을 포함하고, 제1 전극의 일단이 중첩 영역을 벗어난 영역에서 종단되고, 제1 전극의 종단과 중첩되게 압전층의 일부가 제거된 식각 영역이 형성되고, 기판은, 식각 영역의 일부와 가상의 수직선상에서 중첩되는 제2 캐비티를 더 포함하는 음향 공진기를 개시한다. 본 발명에 의하면, 양 전극 간의 기생 정전용량에 따른 저항 증가의 문제점을 해결함으로써 품질인자 Q 값이 증가될 수 있다.

Description

음향 공진기{ACOUSTIC RESONATOR}
본 발명은 RF(Radio Frequency) 통신에 사용되는 음향 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 에어 브리지 구조를 통해 향상된 Q 값을 갖는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)에 관한 것이다.
무선이동통신기술은 한정된 주파수 대역에서 효율적으로 정보를 전달할 수 있는 다양한 RF(Radio Frequency) 부품을 요구한다. 특히, RF 부품 중 필터는 이동통신기술에 사용되는 핵심 부품 중 하나로서, 복수의 주파수 대역들 중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 필터링함으로써 고품질의 통신을 가능하게 한다.
현재 무선통신용 RF 필터로 가장 많이 사용되고 있는 것이 유전체 필터와 표면탄성파(Surface Acoustic wave, SAW) 필터이다. 유전체 필터는 높은 유전율, 저삽입 손실, 높은 온도에서의 안정성, 내진동, 내충격에 강하다는 장점을 갖는다. 그러나 유전체 필터는 최근의 기술 발전 동향인 소형화 및 마이크로파 집적회로(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)화에는 한계성을 가지고 있다. 또한, SAW 필터는 유전체 필터에 비해 소형이면서 신호처리가 용이하고 회로가 단순하며, 반도체 공정을 이용함으로써 대량생산이 가능한 이점을 가지고 있다. 또한, SAW 필터는 유전체 필터에 비해 통과 대역 내의 사이드 리젝션(Side Rejection)이 높아 고품위의 정보를 주고받을 수 있는 장점이 있다. 그러나 SAW 필터 공정에는 자외선(UV)을 사용하여 노광을 하는 공정이 포함되므로 인터디지털 트랜스듀서(Interdigital Transducer, IDT)의 선폭이 0.5㎛ 정도가 한계라는 단점이 있다. 따라서 SAW 필터를 이용하여 초고주파(2.5㎓ 이상) 대역을 커버하기는 불가능하다는 문제점이 있으며, SAW 필터를 이용하여 반도체기판에서 이루어지는 MMIC 구조와 단일칩을 구성하는 데는 근본적인 어려움이 따른다.
위와 같은 한계 및 문제점들을 극복하기 위하여 기존 반도체(Si, GaAs)기판에 다른 능동소자들과 함께 집적된 주파수 제어회로를 완전히 MMIC 화할 수 있는 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR) 필터가 제안되었다.
FBAR는 박막(thin film) 소자로 저가격, 소형이면서 고품질(High Q)계수의 특성이 가능하므로 각종 주파수 대역(9백㎒∼10㎓)의 무선통신기기, 군용 레이더 등에 사용 가능하다. 또한, 유전체 필터 및 집중 정수(LC) 필터보다 수백분의 1 크기로 소형화가 가능하고, SAW 필터보다 삽입손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다. 따라서 FBAR는 안정성이 높고 고품질계수를 요구하는 MMIC에 가장 적합한 소자로 평가된다.
FBAR 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전유전체 물질인 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN) 등이 RF 스퍼터링 방법으로 증착되므로, 압전 특성으로 인한 공진을 유발한다. 즉, FBAR는 양 전극 사이의 압전박막의 증착, 및 체적파(Bulk Acoustic Wave) 유발을 통해 공진을 발생시킬 수 있다.
FBAR 구조는 지금까지 다양한 형태로 연구되어 왔다. 멤브레인형 FBAR 구조에서, 기판 위에 실리콘산화막(SiO2)이 증착되고, 이방성 에칭(Isotropic Etching)에 의해 기판 반대면에 형성된 공동부(Cavity)를 통해 멤브레인층이 형성된다. 그리고 실리콘산화막 상부로 하부 전극이 형성되고, 이 하부 전극층 상부로 압전물질을 RF 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)방법으로 증착하여 압전층을 형성하며, 압전층 상부로 상부 전극을 형성하고 있다.
위와 같은 멤브레인형 FBAR는 캐비티(cavity, 空洞)에 의해 기판 유전손실이 적으며, 전력손실이 작은 장점을 가지고 있다. 하지만, 멤브레인형 FBAR는 실리콘 기판의 방향성에 의하여 소자가 차지하는 면적이 크며, 후속 패키징 공정 시 구조적 안정성이 낮아 파손에 의한 수율 저하가 문제점이 되고 있었다. 따라서, 최근 멤브레인에 의한 손실을 줄이고 소자 제조공정을 단순화 하기 위해 에어갭(Air Gap)형과 브래그 리플렉터(Bragg Reflector)형 BAW 공진기, 즉 SBAR(Solidly mounted BAR)가 등장했다.
브레그 리플렉터형 SBAR는 기판상에 탄성 임피던스 차가 큰 물질을 격층으로 증착하여 반사층을 구성하고 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 차례로 적층한 구조로써, 압전층을 통과한 탄성파에너지가 기판 방향으로 전달되지 못하고 반사층에서 모두 반사되어 효율적인 공진을 발생시킬 수 있게 한 것이다. 이러한 브레그 리플렉터형 FBAR는 구조적으로 견고하며, 휨에 의한 stress가 없지만 전반사를 위한 두께가 4층 이상의 반사층을 정확하게 형성하기가 어려우며, 제작을 위한 시간과 비용이 많이 필요하다는 단점이 있다.
한편, 반사층 대신에 에어갭을 이용하여 기판과 공진부를 격리시키는 구조를 가지는 종래의 박막 벌크 음향 공진기는 실리콘 기판 표면을 이방성 에칭하여 희생층을 구현하고 CMP로 표면연마를 한 후, 절연층, 하부 전극, 압전층, 및 상부전극을 차례로 증착하고 비아홀을 통하여 희생층을 제거, 에어갭을 형성하여 FBAR를 구현한다.
종래 기술의 경우에, FBAR 구조에서 상하부 전극 사이에 압전층이 구성되고 이 압전층의 필요한 영역에만 상하부 전극이 설치됨으로써 피에조 효과가 이용된다. 따라서 종래 기술의 구조는 기계적인 anchor loss가 크고 이로 인해서 기계적 에너지 감소의 원인이 된다.
상부 전극이나 하부 전극의 경우 acoustic impedance를 높이기 위해서 Mo, Ru, W 등이 사용된다. 필터의 주파수에 따라 전극 물질의 skin depth가 결정되며, 일반적으로 skin depth보다 매우 적은 두께의 전극이 사용되기 때문에 압전층의 공진점에서 충전(charge)되는 전하가 충분히 lead를 통해서 전달되지 못해서 공진점에서 품질 인자(Quality factor)가 감소하게 된다.
반공진점에서 품질 인자를 향상시킬 수 있는 방법들 중 하나는 lateral 방향으로 빠져나가는 에너지를 최소화 하는 것이다.
품질 인자의 향상 외에도 박막화에 의한 전기적 저항의 증가의 최소화 및 전극 간의 위치 변화로 인해 품질 인자에 영향을 미치는 기생 임피던스 성분의 최소화 등 음향 공진기의 품질 개선을 위해 해결해야 될 과제가 산재하다.
대한민국 공개특허공보 10-2004-0102390호(2004.12.08 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 하부 전극의 변형을 통해 품질 인자가 개선된 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 양 전극 간에 발생하는 기생 임피던스의 영향이 최소화될 수 있는 음향 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 양 전극 간 발생하는 전기장으로 인한 기판 손실을 줄일 수 있는 음향 공진기를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기(acoustic resonator)는, 제1 캐비티를 포함하는 기판(substrate), 기판의 상부에 형성된 제1 전극, 제1 전극의 일면에 형성된 압전층 및 압전층의 일면에 형성된 제2 전극을 포함하되, 제1 전극, 압전층 및 제2 전극은 제1 캐비티의 일단 내지 타단에 대응되는 중첩 영역(overlap area)을 포함하고, 제1 전극의 일단이 상기 중첩 영역을 벗어난 영역에서 종단되고, 제1 전극의 종단과 중첩되게 상기 압전층의 일부가 제거된 식각 영역이 형성되고, 기판은, 식각 영역과 중첩되게 제2 캐비티를 더 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 중첩 영역과 식각 영역 사이의 영역에서 제1 전극과 압전층 사이에 제3 캐비티가 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극은, 제3 캐비티와 접하는 영역에서 두께가 증가하는 상승 프레임(raised frame)을 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 압전층은 상면 및 하면이 제2 예각(θ2)의 상향 경사면으로 시작하고, 상기 제2 전극과 접하는 상기 상면이 제3 예각(θ3)의 하향 경사면으로 중단되고, 상기 제3 캐비티와 접하는 상기 하면이 제1 예각(θ1)의 하향 경사면으로 중단되는 에어 브리지 영역을 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 제1 예각(θ1), 제2 예각(θ2) 및 제3 예각(θ3)은 45° 이하에서 형성되고, 제3 예각(θ3)이 제1 예각(θ1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 압전층은, 제3 예각(θ3)과 상기 제1 예각(θ1)의 차이만큼의 두께로 상기 식각 영역에서 중단면을 형성할 수 있다.
또한, 압전층은 식각 영역을 사이에 두고 제1 파트 및 제2 파트로 구분되고, 제1 파트는 상기 제1 전극의 일면에 형성되고, 상기 제2 파트는 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
또한, 제2 전극은 식각 영역 상에서 서로 이격된 상기 제1 파트 및 제2 파트의 경사진 중단면을 덮도록 V자 또는 U자 모양 또는 V자와 U자 모양에 준하는 모양으로 형성될 수 있다.
또한, 제2 전극은 V자 또는 U자 모양 또는 V자와 U자 모양에 준하는 모양의 최저면이 상기 제3 캐비티에 접하도록 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극은 식각 영역과 중첩되는 위치에서 제1 예각(θ1)의 경사면으로 종단면이 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 하부 전극의 변형을 통해 품질 인자가 개선될 수 있다.
또한, 양 전극 간에 발생하는 기생 임피던스의 영향이 최소화될 수 있다.
또한, 양 전극 간 발생하는 전기장으로 인한 기판 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 제조방법의 흐름도이다.
도 4는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기를 비교한 예시도이다
도 5는 양 극간 전기장으로 인한 기생 임피던스의 예시 회로도이다.
도 6은 기판의 유전손실에 따른 음향 공진기의 Q 값의 비교 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기(100)는 서로 다른 소재의 레이어의 적층을 통해 형성될 수 있으며, 적층 방향에서 바라 본 복수의 레이어들은 다각형 구조의 형상을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 음향 공진기(100)는 기판(111), 기판(111) 상에 적층된 제1 전극(121), 제1 전극(121)의 일면에 적층된 압전층(131) 및 압전층(131)의 일면에 적층된 제2 전극(141)을 포함하고, 기판(111) 및 제1 전극(121) 사이에 적층된 제1 보호층(113)과 제2 전극의 일면에 적층된 제2 보호층(150)을 옵션으로 더 포함하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제1 보호층(113) 및 제2 보호층(150) 중에서 적어도 하나 이상은 음향 공진기(100)에서 생략이 가능하다.
음향 공진기(100)는 일정 방향성을 갖지 않지만, 설명의 편의를 위해 도 1에 묘사된 음향 공진기(100)의 단면을 기준으로 수평(x축) 방향 및 수직(y축) 방향의 상부 또는 하부를 지칭하기로 한다. 예들 들어 도 1에서, 압전층(131)의 양측 면 중에서 제2 전극(141)과 접하는 면이 상면으로, 제1 전극(121)과 접하는 면이 하면으로 지칭되고, 제1 전극(121)은 하부 전극으로, 제2 전극(141)은 상부 전극으로 지칭될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 도 1의 일부 영역을 확대하여 묘사한다. 도 2를 기준으로 음향 공진기(100)의 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, E1(미도시) 내지 E2 범위의 폭을 갖는 제1 골(first trench)이 기판(111) 내에 형성될 수 있다. 제1 골은 제1 캐비티(112a)로 작용한다. E3 내지 E4(미도시) 범위의 폭을 갖는 제2 골(second trench)이 기판(111) 내에 제1 골과 이격되어 형성될 수 있다. 제2 골은 제2 캐비티(112b)로 작용한다. 제1 캐비티(112a) 및 제2 캐비티(112b)는 서로 같은 높이에서 형성될 수 있다. 또한, 제2 캐비티(112b)는 제1 캐비티(112a) 대비 면적이 작게 형성되는 것이 바람직하다.
제1 전극(121) 또는 제1 보호층(113)이 제1 캐비티(112a) 및 제2 캐비티(112b)가 형성된 기판(111)의 일면에 형성될 수 있다. 제1 전극(121) 또는 제1 보호층(113)은 제1 골 및 제2 골의 바닥을 채우지 않고, 제1 캐비티(112a) 및 제2 캐비티(112b)의 공간 상에 현수될 수 있다. 제1 보호층(113)이 기판(111)의 일면에 형성되는 경우, 제1 전극(121)이 제1 보호층(113)의 일면에 형성된다.
제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)의 일부 영역은 제1 캐비티(112a) 상에 위치하는데, 일단(E1) 내지 타단(E2)의 폭을 갖는 제1 캐비티(112a) 상의 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)의 영역을 중첩 영역(overlap area)이라 칭한다. 즉 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)은 중첩 영역을 포함하도록 형성될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 제1 전극(121), 수평방향으로 살펴보면, 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)은 중첩 영역의 일단(E1)에 이어지는 제1 외측 영역(미도시), 중첩 영역 및 중첩 영역의 타단(E2)에 이어지는 제2 외측 영역으로 구분된다.
도 1을 다시 참조하면, 제1 전극(121)은 중첩 영역과 이격된 위치, 즉 제2 외측 영역에서 종단되게 형성될 수 있다. 그리고 압전층(131)도 수평 방향으로 제1 전극(121)과 동일한 위치에서 중단될 수 있다. 그리고 중단된 압전층(131)에서 일정 폭만큼 이격된 지점에서 압전층 제2 파트(132)가 다시 재개될 수 있다. 압전층(131)은 식각을 통해 제1 파트 및 제2 파트(132)로 구분될 수 있다. 압전층(131)의 일부가 식각을 통해 제거된 부위를 식각 영역이라 칭한다.
식각 영역은 U자, V자 또는 이에 준하는 모양으로 압전층(131)의 일부가 제거된 영영을 지칭한다. 식각 영역의 일측에서는, 제1 전극(121)의 종단과 중첩되게 압전층이 중단되고, 식각 영역의 타측에서는 압전층이 재개된다. 식각 영역은 식각에 의해 압전층이 제거된 영역에 해당한다. 실제로 식각 영역에는 제2 전극(141)이 위치한다. 제2 전극이 높이 차를 갖고, 경사지게 형성시킬 의도에서 식각 영역이 형성된다.
제1 전극(121)의 종단면은 제1 예각(θ1)의 경사면의 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(121) 상에 희생층이 적층 및 제거되는 과정에서 제1 전극(121)의 에지가 깨지는 형상인 크랙 방지를 위해 제1 전극(121)은 그 종단면과 수평면과의 사이 각이 제1 예각(θ1), 예를 들어 45도 이하, 가장 바람직하게는 15도 내외의 예각이 되게 형성될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 압전층(131)은 수직 방향으로는 제1 전극(121)과의 사이에, 수평 방향으로는 제2 외측 영역, 즉 제1 캐비티(112a)의 타단(E2)과 제1 전극(121)의 종단면 사이의 영역에, 제3 캐비티(122)를 갖는 에어 브리지(air bridge) 영역을 포함하도록 형성될 수 있다. 일부 영역에서 제1 전극(121)의 일면에 희생층이 적층되고, 희생층이 없는 제1 전극(121)의 일면 및 희생층의 일면에 일정 높이의 압전층(131)이 형성되고, 희생층이 제거되면 희생층에 해당하는 영역이 제3 캐비티(122)가 된다.
제1 전극(121)은 일부 영역에서 두께가 증가하는 상승 프레임(raised frame)(123)을 포함하도록 형성될 수 있다. 상승 프레임(raised frame)(123)은 인접된 타 영역과 비교하여 제1 전극(121)의 두께가 두껍게 형성된 영역이다.
제1 전극(121)의 상승 프레임(123)은 제3 캐비티(122)와 중첩되게 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제3 캐비티(122)는 상승 프레임(123)이 존재하지 않는 경우의 두께(a)와 비교하여, 상승 프레임(123)의 영향으로 더 좁아진 두께(b)로 형성될 수 있다.
제3 캐비티(122)는, 도 2에 표시된 시점에서 종점까지 형성되고, 더 나아가 종점을 지나 제2 전극(141)과 기판(111) 사이 또는 제2 전극(141)과 제1 보호층(113) 사이의 영역까지 연장될 수 있다. 즉 제3 캐비티(122)는 제1 전극(121)의 종단면에 접하면서 식각 영역과 중첩되고, 기판(111)과 압전층(131) 사이에 형성될 수 있다. 시뮬레이션 실험에 의하면 제3 캐비티(122)의 시점이 제1 캐비티(112a)의 타단(E2)과 가까워질수록, 즉 제3 캐비티(122)가 확장될수록 Q 값이 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이 압전층(131)은 일부 영역에서 식각 영역에 의해 중단되어, 제3 캐비티(122)가 존재하는 압전층 제1 파트(131) 및 제1 전극(121)과 접하지 않는 압전층 제2 파트(132)로 서로 구분되어 형성될 수 있다.
압전층(131)은 식각 영역에 의한 중단면이 제1 전극(121)의 종단면과 중첩되게 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 종점에서 제1 전극(121)은 종단되고, 압전층(131)은 중단되도록 형성될 수 있다. 도 1을 참조하면 압전층(131)이 끝나는 면, 즉 중단면은 압전층 제2 파트(132)가 존재한다는 점에서 중단된 것으로(stopped) 표현되었고, 제1 전극(121)이 끝나는 면, 즉 종단면은 압전층 제2 파트(132)의 하부에 제1 전극이 존재하지 않는다는 점에서 종단된 것으로(terminated) 표현되었다.
압전층(131)의 제3 캐비티(122)를 구체적으로 묘사하면, 압전층(131)은 상면 및 하면이 제2 예각(θ2)의 상향 경사면으로 시작하고, 제2 전극과 접하는 상면이 제3 예각(θ3)의 하향 경사면으로 종단되고, 제3 캐비티(122)와 접하는 하면이 제1 예각(θ1)의 하향 경사면으로 종단되는 에어 브리지 영역을 포함하도록 형성될 수 있다.
제1 전극(121)의 종단면이 수평면과 이루는 제1 예각(θ1), 압전층(131)과 에어 브리지 영역이 만나서 형성된 제2 예각(θ2) 및 압전층(131)의 종단면이 수평면과 이루는 제3 예각(θ3)은 예각, 예를 들면 45° 이하의 각도에서 형성되고, 제3 예각(θ3)이 제1 예각(θ1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다. 특히 제1 예각(θ1) 및 제2 예각(θ2)은 15°로 형성되는 것이 가장 바람직하다. 물론 제조 공정상의 오차 범위는 있을 수 있다.
압전층(131)은, 제3 예각(θ3)과 제1 예각(θ1)의 차이만큼의 두께로 상기 종단면을 형성할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 압전층(131)의 상위 종단면과 하위 종단면이 이루는 사이 각은 제3 예각(θ3)의 엇각에서 제1 예각(θ1)을 뺀 값이므로, θ3 -θ1의 값이 된다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 음향 공진기(100)는 제2 전극(141)의 두께 확장을 통해 전극의 전기적 저항을 낮출 수 있어서 전체적인 전도성이 향상될 수 있다. 제2 전극(141)은 압전층(131)을 사이에 두고 제1 전극(121)과 쌍을 이루고 있으므로, 두께가 확장될 공간이 협소하다. 따라서 제1 전극(121)의 두께 확장 및 압전층(131)의 스트레스 감소 차원에서 압전층(131)을 2개의 파트로 이격하여 분리할 필요가 있다.
압전층(131)의 식각, 즉 도 2에 묘사된 식각 영역을 통해 압전층(131)은 일부 영역에서 제거될 수 있다. 즉 압전층(131)의 일부 영역에서 경사면으로 이루어진 골이 형성됨으로써, 압전층(131)은 실제 분리된 것은 아니나, 도 2에 묘사된 단면도 상에서 2개의 파트(131, 132)로 분리된 것처럼 묘사될 수 있다.
제2 전극(141)은 압전층(131) 상에 형성되기 때문에, 압전층(131)의 형상에 따라 모양이 결정될 수 있다. 즉, 제2 전극(141)은 압전층(131)의 식각 영역을 매우도록 형성될 수 있다.
구체적으로 제2 전극(141)은 식각 영역에서 서로 이격된 압전층 제1 파트(131) 및 제2 파트(132)의 경사진 종단면을 덮도록 제1 전극(121) 방향으로 확장되게, 즉 그 단면의 모습이 V자 또는 U자 모양 또는 V자 또는 U자와 유사한 모양이 되게 형성될 수 있다.
제2 전극(141)이 어디까지 확장될 수 있는가가 문제될 수 있다. 제2 전극(141)은 제1 전극(121)을 침범하지 않는 범위에서 확장될 수 있다. 그리고 제1 전극(121)은 제2 전극(141)이 확장되기 전에 종단되도록 형성될 수 있다. 제1 전극(121)이 종단된 경우라도, 기생 커패시턴스 등 노이즈 발생의 방지 차원에서 제1 전극(121)과 제2 전극(141)은 최소한의 간격을 유지해야 하기 때문에 제1 전극(121) 상의 제3 캐비티(122)는 제1 전극(121)의 종점보다 더 연장될 수 있다. 따라서 제2 전극(141)은 V자 또는 U자 모양의 최저면이 제3 캐비티(122)에 접하도록 형성될 수 있다.
상기 제3 캐비티(122)는 공기(air) 또는 유전체로 채워질 수 있다. 또한, 제2 전극(141)의 에어 브리지 영역 하부에 형성된 제4 캐비티(142)는 공기 또는 유전체로 채워질 수 있다. 제3 캐비티(122)는 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간의 기생 커패시턴스의 생성을 방지하는 기능을 할 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간의 극간 캐비티에 해당하는 제3 캐비티(122)는 인접한 매질과의 유전율 차이가 있기 때문에, 전기적 손실을 감소시키고, 공진기의 활성 영역(active area)에서만 공진기를 구동하여 에너지 손실을 최소화 함으로써 Q 값이 증가하는 효과를 일으킬 수 있다.
또한, 제1 보호층(113)이 기판(111)과 제1 전극(121) 사이에 선택적으로 형성될 수 있고, 제2 보호층(150)이 제2 전극(141)의 일면에 형성될 수 있다.
음향 공진기(100)는, 패드(pad)라고 불리는 제1 금속 패턴층 및 제2 금속 패턴층을 더 포함하도록 구성될 수 있다. 즉 음향 공진기(100)는, 제1 캐비티(112a)의 일단을 기준으로 중첩 영역의 외측의 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 상에 각각 형성된 전도성의 금속 패턴층들을 더 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 금속 패턴층들은 외부 구성 요소와 전기적 연결을 담당하는 역할을 한다.
기판(111)은, 다양한 기판 소재 중에서, 반도체 기판을 이용하여 구현될 수 있고, 특히 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 고저항 실리콘기판(High-Resistivity Substrate)이 사용될 수 있다.
기판(111)의 일부 영역에 제1 캐비티(112a)가 형성될 수 있다. 즉 제1 캐비티(112a)는 기판(111)의 일 면, 상부 표면의 일부 영역에서 도 1에 표시 되지 않은 일단(E1) 내지 타단(E2)에 걸쳐서 트렌치(trench) 형태로 형성될 수 있다. 제1 캐비티(112a)는 희생층 형성 과정 또는 미리 형성된 제1 전극의 접합을 통해 형성될 수 있다.
제1 캐비티(112a)는 반사 요소로 작용할 수 있으며, 이의 배치 위치는 음향 공진기에서 중요한 의미를 갖는다. 도 1에서 묘사된 제1 캐비티(112a)를 참조하면, 중첩 영역을 구성하는 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)에 추가하여 제2 전극(141)의 변형된 구조는 일단(E1) 및 타단(E2)을 폭으로 하는 제1 캐비티(112a)와 상관 관계를 갖는다.
제1 캐비티(112a)는, 기판(111)의 일 면에 트렌치 영역이 형성된 후에, 트렌치 영역에 절연층이 형성되고, 절연층 상부에 희생층(sacrificial layer)이 증착된 후, 식각되어 평면화되고, 이후 희생층이 제거됨으로써 형성될 수 있다. 또한, 제1 캐비티(112)의 공간 영역이 형성된 후 미리 형성된 제1 전극(121)이 상부에 접합될 수도 있다.
희생층의 소재로 폴리실리콘이나 TEOS(Tetraethyl orthosilicate), PSG(Phophosilicate glass) 등 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질이 사용될 수 있다. 일 실시 예로, 희생층으로 폴리실리콘이 채용될 수 있고, 이러한 폴리실리콘은 표면의 거칠기가 우수하고 희생층 형성 및 제거가 용이할 뿐만 아니라, 특히, 후속공정에서 건식 식각이 적용되어 제거될 수 있다.
제1 캐비티(112a)의 중첩 영역의 희생층이 제거되지 않은 상태에서, 희생층 및 기판(111)의 표면을 덮는 제1 보호층(113)이 선택적으로 형성될 수 있다. 제1 보호층(113) 구현을 위해 기판(111) 상에 용이하게 성장할 수 있는 열산화막이 채용되거나, 화학기상증착 등의 통상의 증착공정을 이용한 산화막 또는 질화막이 선택적으로 채용될 수 있다.
제1 전극(121)은 기판(111)의 일 면에 형성될 수 있다. 즉 제1 전극(121)은, 제1 보호층(113)이 없는 경우, 제1 캐비티(112a) 상부에 현수되고, 기판(111)에서 제1 캐비티(112a)가 존재하지 않는 전체 영역 또는 일부 영역을 덮도록 형성될 수 있다. 도 2에 제1 캐비티(112a)를 덮고, 기판(111)의 일부 영역을 덮도록 형성된 제1 전극(121)이 묘사되어 있다. 특히 제1 전극(121)은 제1 캐비티(112a)의 타단(E2)을 기준으로 제1 캐비티(112)의 외측 영역에서 종단되도록 형성될 수 있다. 도 1을 참조하면 제1 전극(121)의 종단면의 에지는 하향 경사면(downward slope)으로 마감 처리될 수 있다.
제1 전극(121)은 제2 전극(141)과 전기적 신호의 입력 단자 및 출력 단자에 해당한다. 제1 전극(121)은 전도체 소재로 구현될 수 있다.
제1 전극(121)은, 제1 보호층(113) 또는 기판(111) 상에 형성될 수 있다. 기판(111)의 제1 캐비티(112a) 영역에 희생층이 존재하는 경우 희생층 상에 형성될 수 있다.
제1 전극(121)은 기판(111)의 일 면에 소정 물질이 증착된 후, 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 제1 전극(121)의 소재로 금속과 같은 통상의 전도체, 바람직하게는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 루세륨(Ru), 레니움(Rhenium (Re)) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나가 사용될 수 있다. 제1 전극(121)은 두께가 10 ~ 1000 nm 범위에서 형성될 수 있다.
압전층(131)은, 제1 전극(121)의 양 표면 중에서 제1 전극(121)이 기판(111)과 접하는 표면의 반대 표면에 형성될 수 있다. 제1 전극(121) 상에 형성되는 압전층(131)은 제1 전극(121)의 일부 영역을 덮지 않도록 형성될 수 있다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 압전층(131)이 덮지 않아 노출된 제1 전극(121)의 일부 영역에 제1 금속 패턴층이 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극(121)이 종단됨에 따라서 압전층(131)도 중단되어 경사진 에지가 형성될 수 있다. 압전층(131)은 종단된 제1 전극(121)의 에지를 덮지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.
압전층(131)은, 압전 소자(piezoelectric element)로 구성될 수 있는데, 소자의 이름을 따서 피에조층(piezoelectric layer)으로 불린다. 제1 전극(121)과 제2 전극(141) 사이에 전기적 신호가 인가되면 압전 물질로 인해 압전층(131)은 탄성파를 발생시킨다.
압전층(131)은 제1 전극(121)의 양 표면 중에서 제1 전극(121)이 기판(111)과 접하는 표면의 반대 표면에 압전 물질이 증착된 후에 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 압전층(131)을 구성하는 압전 물질로서 질화알루미늄(AIN) 또는 산화아연 (ZnO)이 사용될 수 있다. 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering) 방법, 에바포레이션(Evaporation) 방법 등이 이용될 수 있다. 압전층(131)은 그 두께가 5~500 nm 범위에서 형성될 수 있다.
제2 전극(141)은 제1 전극(121)과 전기적 신호의 입력 단자 및 출력 단자에 해당한다. 제2 전극(141)은 전도체 소재로 구현될 수 있다.
제2 전극(141)은 압전층(131)의 일 표면의 소정 영역에 전극용 금속막의 증착 및 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 제2 전극(141)은 제1 전극(121)에 사용된 물질, 증착 방법 및 패터닝 방법을 통해 형성될 수 있다. 제2 전극(141)은 그 두께가 5~1000nm 범위로 형성될 수 있다.
제2 전극(141)의 소재로 금속과 같은 통상의 전도체, 바람직하게는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 루세륨(Ru), 레니움(Rhenium (Re)) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나가 사용될 수 있다.
음향 공진기(100)에 제1 전극(121)과 제2 전극(141)을 통해 전기적 신호가 입력되면, 입력된 전기적 에너지의 일부가 압전 효과에 따른 기계적 에너지로 변환되고, 기계적 에너지가 다시 전기적 에너지로 변환되는 과정에서 압전층(131)의 두께에 따른 고유진동의 주파수에 대하여 공진이 발생한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기(100)는 제1 전극(121), 제2 전극(141) 및 압전층(131)이 공통으로 중첩되는 중첩 영역, 다른 말로 활성 영역(active area)을 갖도록 형성될 수 있다. 그리고 기판(111)은, 활성 영역과 중첩되는, 제1 전극(121)과의 사이에 반사 영역에 해당하는 제1 캐비티(112a)를 갖도록 형성될 수 있다. 즉 제1 캐비티(112a)는 상부의 활성 영역과 중첩되면서, 제1 전극(121)과 기판(111) 사이에 형성될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 제1 캐비티(112a)의 타단(E2)의 상부에 제2 전극(141)의 윙 영역 및 이에 의한 제4 캐비티(142)가 형성될 수 있다. 제3 캐비티(122)의 시점 부근에서 제3 캐비티(122)와 일부 중첩되게 폭 C의 제5 캐비티(143)가 형성될 수 있다. 그리고 제4 캐비티(142) 및 제5 캐비티(143)는 수평 방향으로 서로 연결될 수 있다.
활성 영역은 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)이 공통으로 중첩되는 영역에 형성될 수 있다. 활성 영역의 일단(E1) 상부에 제2 전극(141)의 윙 영역(미도시)이 형성될 수 있고, 타단(E2) 상부에 제2 전극(141)의 제2 에어 브리지 영역이 배치될 수 있다.
제1 전극(121)이 중첩 영역, 즉 활성 영역을 벗어나 종단되면, 이에 대응하여 압전층(131)도 중단되도록 형성될 수 있다. 이로써, 압전층(131)은 제1 전극(121)의 에지를 덮지 않는다.
활성 영역의 여러 기능 중에서, 활성 영역에서 발생된 열은 기판(111)으로 전달될 수 있다.
모바일 통신이 발전할수록 사용 주파수 대역이 높아지고, 이에 따라 필터의 크기가 점점 초소형화되고 그 두께도 박막화되고 있다. 박막화의 단점으로 구조 관련 기계적 문제점, 전도 관련 전기적 문제점 및 열전달 관련 열역학적 문제점이 지적되었다.
열역학적 문제점은 고주파를 처리하는 필터의 전극이 많은 전력 사용으로 전하량 급증에 따라 발열량이 많아지는 것이다. 그리고 전기적인 문제점은 옴의 법칙을 근거로 필터의 박막화에 따라 전극의 전기 저항이 증가하는 것이다.
전극의 전기적 손실 증가를 보완하는 방법으로서, 옴의 법칙에 근거하여, 전극의 두께를 보강하는 방법이 검토될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 제2 전극(141)은, 활성 영역, 즉 중첩 영역의 타단(E2)을 기준으로, 중첩 영역의 외측에 이어지는 에어 브리지 영역을 포함하도록 형성될 수 있다. 그리고 제2 전극(141)의 에어 브리지 영역은 압전층(131) 간에 제4 캐비티(142)를 갖도록 형성될 수 있다. 즉 제2 전극(141)의 에어 브리지 영역으로 인해 압전층(131)과 제2 전극(141) 사이에 제4 캐비티(142)가 형성될 수 있다.
제4 캐비티(142)도 제3 캐비티(122)와 마찬가지로 폐쇄형으로 형성될 수 있다. 제4 캐비티(142)도 유전체 또는 공기로 충진될 수 있다.
제4 캐비티(142)의 높이는 압전층(131) 두께의 1/2 이하일 수 있다. 제4 캐비티(142)의 가로방향 폭의 길이는 압전층(131)을 통해 유출되는 횡음향파(lateral acoustic wave) 파장의 1/4 이상일 수 있다.
제4 캐비티(142)는, 압전층(131)의 상부에 희생층이(sacrificial layer)이 증착된 후에 평면화 및 식각에 의해 패턴화되고, 나머지 희생층을 포함하는 압전층(131) 상에 제2 전극(141)이 적층되고, 이후 희생층이 제거됨으로써 형성될 수 있다. 이 경우 압전층(131) 상부의 일부 영역에 공동부가 형성된 후 희생층이 증착될 수도 있다.
여기서, 희생층의 소재로 폴리실리콘이나 TEOS(Tetraethyl orthosilicate), PSG(Phophosilicate glass) 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질이 사용될 수 있다. 제4 캐비티(142)의 형성 과정은 제3 캐비티(122)에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기(100)는, 압전층(131)이 중단되어 제1 전극(121)이 노출된 영역에 압전층(131)의 중단에 의한 에지를 덮도록 형성된 전도성의 제1 금속 패턴층을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기(100)는, 제2 보호층(150)이 종단되어 제2 전극(141)이 노출된 영역에 형성된 제2 금속 패턴층을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 패턴층은 활성 영역에 최대한 가깝게 배치될 수 있다. 이러한 활성 영역 근접 배치를 통해 제1 전극(121) 및 제2 전극(141)의 전기적 손실이 줄어들 수 있다.
금속 패턴층은 제1 전극(121) 및 제2 전극(141)과 연결되는 외부 회로장치의 신호 라인이 연결되는 금속 패드에 해당한다. 금속 패턴층의 일단은 압전층(131)의 일단의 모양에 대응되게 균일한 두께를 갖도록 경사지게 형성될 수 있다.
금속 패턴층은 활성 영역을 벗어난 위치에 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 금속 패턴층을 형성하는 금속은, 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄구리 합금(AlCu) 등을 포함한다. 금속 패턴층을 형성함으로써 Q 값이 향상될 수 있다.
압전층(131) 상에 적층되는 제2 전극(141)은 압전층(131)의 형상에 따라 제1 전극(121) 방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 제2 전극(141)은 경사 각도에 따라 V자 또는 U자 형태로 형성될 수 있다. 제2 전극(141)은 경사면에 따라 수평 방향으로 두께가 증가하는 형상일 수 있으며, 두께가 증가하다가 움푹 파인 형태의 프레임(recessed frame)을 포함할 수도 있다.
일부 영역에서 압전층(131)이 중단되고, 중단된 지점에서 소정 거리 이격된 지점에서 압전층 제2 파트(132)가 형성될 수 있다. 압전층 제2 파트(132)는 압전층 제1 파트(131)와 달리 제1 보호층(113) 또는 기판(111) 상에 형성될 수 있다.
활성 영역을 벗어난 위치에서 제2 전극(141)의 두께 증가를 통해, 두께가 보강된 전극의 저항이 감소함으로써 전류가 전극의 가장자리에 모여서 전극 리드(lead)로 흘러가기 때문에 Q 값이 증가 될 수 있다. 즉 제2 전극(141)의 두께 보강 영역에서 저항이 감소하므로 단위 시간당 전하의 흐름이 증가할 수 있다.
또한, 활성 영역(active area)에 집중되던 열이 기판(111)을 통해 외부로 전달될 수 있게 된다.
그 밖에 제1 전극(121)의 두께 보강을 통해 활성 영역에서 발생하는 열이 기판으로 전달되어 열전달(heat transfer)이 개선될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 음향 공진기(100)는 제2 보호층(150)을 포함하도록 구성될 수 있다. 제2 보호층(150)은 제2 전극(141)이 압전층(131)과 접하는 표면의 반대 표면에 형성될 수 있다.
제2 보호층(150)은 제1 전극(121), 압전층(131) 및 제2 전극(141)을 보호하기 위한 패시베이션(passivation) 기능을 수행할 수 있다. 제2 보호층(150)은 일단의 에지가, 제2 전극(141)의 일단의 에지와 일치하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른, 음향 공진기(100)의 기술적 특징은 제조방법에 의해 묘사될 수 있다. 음향 공진기(100)의 구체적 제조 공정은 전술한 바 있으므로 특징이 되는 점에 대해 간략히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 제조방법(S100)의 흐름도이다.
도 2와 함께 도 3을 참조하면, 음향 공진기의 제조방법(S100)을 구성하는 주요 과정이 묘사되어 있다. 음향 공진기의 제조방법(S100)은, 기판(111) 상의 일부 영역에 제1 캐비티(112a)의 제1 골(trench) 및 제2 캐비티(112b)의 제2 골이 형성되고, 제1 골 및 제2 골의 공간에 희생층이 형성되는 단계(S110), 제1 전극(121)의 상승 프레임(raised frame)(123) 형성 및 중첩 영역의 타단을 기준으로 중첩 영역의 외측에서 제1 전극(121)이 종단되게 형성되는 단계(S120), 제1 전극(121)의 일부 면, 종단면 및 기판(111) 상의 일부 면에 희생층이 형성되는 단계(S131), 제1 전극(121) 및 희생층을 덮는 압전층(131)이 형성되고, 압전층(131)의 일부 영역이 식각되는 단계(S140) 및 압전층(131) 상에 제2 전극(141)이 형성되는 단계(S150)를 포함하도록 구성될 수 있다.
제1 캐비티(112a) 및 제2 캐비티(112b)는 기판(111) 상의 일부 영역에 트렌치 형태로 형성될 수 있다(S110). 제1 캐비티(112a)는 일단(E1) 내지 타단(E2)의 폭을 가지도록 형성되고, 제2 캐비티(112b)는 일단(E3) 내지 타단(E4)의 폭을 가지도록 형성될 수 있다.
제1 전극(121)은 제1 캐비티(112a)를 포함하여, 기판(111)의 상부에 형성될 수 있다. 즉 제1 전극(121)은 제1 보호층(113)이 없는 경우, 기판(111)의 상부면에 형성될 수 있고, 기판(111) 상에 제1 보호층(113)이 존재하는 경우, 제1 보호층(113) 상에 형성될 수 있다.
제1 전극(121)은 제1 캐비티(112a)의 일단(E1) 내지 타단(E2)에 대응되는 중첩 영역을 포함할 수 있다. 그리고 제1 전극(121)은, 중첩 영역의 타단(E2)을 기준으로 중첩 영역의 외측에서 종단되도록 형성될 수 있다.
압전층(131)은 제1 전극(121)의 일면에 형성되되, 중첩 영역의 외측에서 중단되도록 형성될 수 있다. 압전층(131)은 상면 및 하면이 제2 예각(θ2)의 상향 경사면으로 시작하고, 제2 전극(141)과 접하는 상면이 제3 예각(θ3)의 하향 경사면으로 중단되고, 제3 캐비티(122)와 접하는 하면이 제2 예각(θ1)의 하향 경사면으로 중단되는 에어 브리지 영역을 포함하도록 형성될 수 있다.
여기서, 제1 예각(θ1), 제2 예각(θ2) 및 제3 예각(θ3)은 45° 이하에서 형성되고, 제3 예각(θ3)이 제1 예각(θ1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
제2 전극(141)은, 압전층(131)의 중단면을 따라 제1 전극(121) 방향으로 확장되게 형성될 수 있다. 제2 전극(141)의 일면에 옵션으로 제2 보호층(150)이 형성될 수 있다. 제1 금속 패턴층은 제1 전극(121)이 노출된 영역에 형성되고, 제2 금속 패턴층은 제2 전극(141)이 노출된 영역에 형성될 수 있다. 마지막으로 희생층이 제거됨으로써 희생층으로 매워졌던 공간에 캐비티가 형성된다.
도 4는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기를 비교한 예시도이다
제1 전극(121)의 종단, 압전층(131)의 식각, 그리고 제2 전극(141) 및 제1 전극(121) 사이에 형성되는 제2 캐비티(112b), 제3 캐비티(122)의 형성은 일련의 인과관계에 기반한다.
도 4를 참조하면, #1 음향 공진기에서 제1 전극(121)과 제2 전극(141) 간의 전기장에 의해 기판(111) 내부에서 손실이 발생한다. 전기장에 의한 손실을 방지하기 위해 #2 음향 공진기와 같이 제1 전극(121)의 길이가 제1 캐비티(112a) 내측으로 축소되어 형성될 수 있다. #1 음향 공진기 및 #2 음향 공진기에서 제2 전극(141)은 에어 브리지 모양을 포함하도록 형성된다.
압전층(131)을 통해서 횡 방향으로 진행하는 음향파로 인한 기계적인 손실을 최소화 하기 위해서 #3 음향 공진기와 같이 압전층을 일부 제거하고 제1 전극(121)이 수평 방향으로 다시 확장 설계하며, 박막화에 의한 전극의 손실을 줄이기 위해 제2 전극(141)도 수직 방향으로 확장 설계될 수 있다. 전극의 박막화에 의한 전기 저항을 줄이기 위해 수직 방향으로 제2 전극(141)의 두께를 확장시키기 위해 압전층(131)이 식각될 수 있다.
가까워진 제1 전극(121) 및 제2 전극(141)과 전기장으로 인한 기판(111)에서 발생되는 손실이 문제될 수 있다. 식각 영역에 의해 제1 전극(121)과 제2 전극(141)이 근접하여 형성됨에 따라 #4 음향 공진기와 같이 양 극간의 기생 임피던스 및 기판(111)에 의한 손실을 줄이기 위해 극간 캐비티, 즉 에어 브리지 영역인 제3 캐비티(122), 및 기판(111) 상의 제2 캐비티(112b)가 형성될 수 있다.
또한, 제3 캐비티(122)가 수평 방향에서 제1 캐비티(112a)에 가깝게 시작될 수 있다.
도 5는 양 극간 전기장으로 인한 기생 임피던스의 예시 회로도이다.
도 5를 참조하면, 도 4에 묘사된 #4 음향 공진기의 등가회로가 묘사되어 있다. 압전층(131)이 식각된 영역에서 고저항 Si 기판(Si-wafer)(111)임에도 불구하고 제2 전극(141)에서 Si 기판(111)을 통해서 제1 전극(121)으로 전기장이 발생한다. 이러한 전기장은 도 5와 같이 기생 커패시턴스 및 저항으로 모델링 가능하며, 기생 저항 값은 기판(111)의 loss tan delta와 연관되며, 음향 공진기의 반공진 주파수에서 Q를 감소시킨다. 공기의 유전율이 Si-wafer보다 훨씬 작기 때문에 Q의 감소를 방지하기 위해 #4 음향 공진기와 같이 제2 캐비티(112b)를 기판 상에 형성시켜, 제2 전극(141) 및 제1 전극(121) 간에 발생하는 전기장 세기를 감소시킬 수 있고, 기판(111)에 의한 손실도 감소하고, Q 값이 저하되는 것이 방지될 수 있다.
도 6은 기판의 유전손실에 따른 음향 공진기의 시뮬레이션 예에서 측정된 Q 값의 비교 그래프이다.
도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 #2, #3 및 #4 음향 공진기의 Q 값의 시뮬레이션 결과가 그래프로 묘사되어 있다. #4 음향 공진기의 시뮬레이션 예에서, 제2 캐비티(112b)의 영향으로 기판에 의한 손실이 적게 분포되고 따라서 가장 높은 Q 값을 나타낸다. 반면에 #3 음향 공진기의 시뮬레이션 예에서 제1 전극(121)의 수평 방향 확장 및 제2 전극(141)의 수직 방향 확장으로 인해 기판 손실이 증가하여 Q 값이 감소된다. 그리고 #2 음향 공진기의 시뮬레이션 예에서 제2 캐비티(112b) 및 제3 캐비티(122)의 수평 방향 확장을 통해 Q 값이 일정 범위에서 만회될 수 있다.
도 7 및 도 8은 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간의 극간 캐비티에 해당하는 기판(111) 상의 제2 캐비티(112b)의 유무에 따른 시뮬레이션 결과와 관련된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 7을 참조하면, 압전층(131) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122) 및 이에 연장되어 기판상에 형성된 캐비티(112b)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 기판(111) 상에 제2 캐비티(112b)를 포함하지 않는 경우의 시뮬레이션 예에서 Qp(normalized Q at anti-resonant frequency)의 값이 1을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 압전층(131) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122) 및 이에 연장되어 기판상에 형성된 캐비티(112b)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 기판(111) 상에 제2 캐비티(112b)를 포함하는 경우의 시뮬레이션 예에서 Qp(normalized Q at anti-resonant frequency)의 값은 1.18을 나타낸다.
도 7 및 도 8의 결과를 종합하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(141)간의 전기장 경로 상에 위치하는 기판(111)이 제2 캐비티(112b)를 포함하는 경우 Qp 값이 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 기판(111) 및 공기의 유전율과 전기 손실과의 관련성에 기인한다.
도 9 및 도 10은 제3 캐비티(122)에 형성된 제1 전극(121)의 상승 프레임(123)의 유무에 따른 시뮬레이션 결과와 관련된 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 9를 참조하면, 기판(111) 상에 형성된 제2 캐비티(112b)와 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 제1 전극(121)이 제3 캐비티(122) 내에서 상승 프레임(123)을 포함하지 않는 경우의 시뮬레이션 예에서 Qp(normalized Q at anti-resonant frequency)의 값이 1을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 10을 참조하면, 기판(111) 상에 형성된 제2 캐비티(112b)와 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 제1 전극(121)이 제3 캐비티(122) 내에서 상승 프레임(123)을 포함하는 경우의 시뮬레이션 예에서 Qp(normalized Q at anti-resonant frequency)의 값이 1.42를 나타낸다.
도 9 및 도 10의 결과를 종합하면, 제1 전극(121)이 상승 프레임(raised frame)(123)을 포함하는 경우 Qp 값이 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 제1 전극(121)의 두께와 전기 손실과의 관련성에 기인한다.
도 11 내지 도 13은 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성되는 전기장의 경로에 중첩되게 기판(111)에 형성된 제2 캐비티(112b)의 폭에 따른 Zp 값의 시뮬레이션 결과와 관련된 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 11을 참조하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 제2 캐비티(112b)의 폭이 약 3 μm로 설정된 시뮬레이션 예에서 Zp(normalized impedance at anti-resonant frequency)의 값이 1을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 12를 참조하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 제2 캐비티(112b)의 폭이 약 4 μm로 설정된 시뮬레이션 예에서 Zp(normalized impedance at anti-resonant frequency)의 값이 1.37을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향 공진기의 Q 값 측정 시뮬레이션의 예시 뷰이다.
도 13을 참조하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(141) 간에 형성된 제3 캐비티(122)를 포함하여 다른 조건이 모두 동일하고, 제2 캐비티(112b)의 폭이 약 6.5 μm로 설정된 시뮬레이션 예에서 Zp(normalized impedance at anti-resonant frequency)의 값이 1.67을 나타낸다.
따라서, 도 11 내지 도 13의 결과를 종합하면, 기판(111) 상에 형성된 제2 캐비티(112b)는 그 폭이 증가함에 따라 Zp 값을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 캐비티(112b)의 공간과 전기장의 세기와의 관련성에 기인한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하부 전극의 변형을 통해 품질 인자가 개선될 수 있다.
또한, 양 전극 간에 발생하는 기생 임피던스의 영향이 최소화될 수 있다.
또한, 양 전극 간 발생하는 전기장으로 인한 기판 손실을 줄일 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100: 음향 공진기
111: 기판
112a: 제1 캐비티
112b: 제2 캐비티
113: 제1 보호층
121: 제1 전극
122: 제3 캐비티
131: 압전층(제1 파트)
132: 압전층 제2 파트
141: 제2 전극
142: 제4 캐비티
143: 제5 캐비티
150: 제2 보호층

Claims (10)

  1. 제1 캐비티를 포함하는 기판(substrate);
    상기 기판의 상부에 형성된 제1 전극;
    상기 제1 전극의 일면에 형성된 압전층; 및
    상기 압전층의 일면에 형성된 제2 전극을 포함하되,
    상기 제1 전극, 상기 압전층 및 상기 제2 전극은 상기 제1 캐비티의 일단 내지 타단에 대응되는 중첩 영역(overlap area)을 포함하고,
    상기 제1 전극의 일단이 상기 중첩 영역을 벗어난 영역에서 종단되고,
    상기 제1 전극의 종단과 중첩되게 상기 압전층의 일부가 제거된 식각 영역이 형성되고,
    상기 기판은, 상기 식각 영역의 일부와 가상의 수직선상에서 중첩되는 제2 캐비티를 더 포함하도록 형성되는,
    음향 공진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중첩 영역과 상기 식각 영역 사이의 영역에서 상기 제1 전극과 상기 압전층 사이에 제3 캐비티가 존재하며, 상기 제3 캐비티는 상기 제2 캐비티를 벗어난 구간까지 연장됨을 특징으로 하는,
    음향 공진기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전극은, 상기 제3 캐비티와 접하는 영역에서 두께가 증가하는 상승 프레임(raised frame)을 포함하도록 형성되는,
    음향 공진기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 압전층은 상면 및 하면이 제2 예각(θ2)의 상향 경사면으로 시작하고, 상기 제2 전극과 접하는 상기 상면이 제3 예각(θ3)의 하향 경사면으로 중단되고, 상기 제3 캐비티와 접하는 상기 하면이 제1 예각(θ1)의 하향 경사면으로 중단되는 에어 브리지 영역을 포함하며, 상승 프레임을 포함하도록 형성되는,
    음향 공진기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 예각(θ1), 제2 예각(θ2) 및 제3 예각(θ3)은 45° 이하에서 형성되고, 제3 예각(θ3)이 제1 예각(θ1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    음향 공진기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 압전층은,
    상기 제3 예각(θ3)과 상기 제1 예각(θ1)의 차이만큼의 두께로 상기 식각 영역에서 중단면을 형성하는,
    음향 공진기.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 압전층은 상기 식각 영역을 사이에 두고 제1 파트 및 제2 파트로 구분되고,
    상기 제1 파트는 상기 제1 전극의 상부에 형성되고, 상기 제2 파트는 상기 기판 상부에 형성되는,
    음향 공진기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 식각 영역 상에서 서로 이격된 상기 제1 파트 및 제2 파트의 경사진 중단면을 덮도록 V자 또는 U자 모양 또는 V자와 U자 모양에 준하는 모양으로 형성되는,
    음향 공진기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 V자 또는 U자 모양 또는 V자와 U자 모양에 준하는 모양의 최저면이 상기 제3 캐비티에 접하도록 형성되는,
    음향 공진기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 식각 영역과 중첩되는 위치에서 제1 예각(θ1)의 경사면으로 종단면이 형성되는,
    음향 공진기.
KR1020220018713A 2022-02-14 2022-02-14 음향 공진기 KR20230122267A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220018713A KR20230122267A (ko) 2022-02-14 2022-02-14 음향 공진기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220018713A KR20230122267A (ko) 2022-02-14 2022-02-14 음향 공진기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230122267A true KR20230122267A (ko) 2023-08-22

Family

ID=87799538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220018713A KR20230122267A (ko) 2022-02-14 2022-02-14 음향 공진기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230122267A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040102390A (ko) 2003-05-27 2004-12-08 삼성전자주식회사 폴리 실리콘 희생층 및 에칭 방지 벽을 이용한 에어갭형ｆｂａｒ 제조 방법 및 그 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040102390A (ko) 2003-05-27 2004-12-08 삼성전자주식회사 폴리 실리콘 희생층 및 에칭 방지 벽을 이용한 에어갭형ｆｂａｒ 제조 방법 및 그 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10727808B2 (en) Bulk acoustic wave resonator comprising a ring
US7579926B2 (en) FBAR band pass filter, duplexer having the filter and methods for manufacturing the same
CN111034037B (zh) 具有介电翼片的高q体声谐振器
CN104660211B (zh) 声波滤波器和双工器
JP6510996B2 (ja) 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ
JP5792554B2 (ja) 弾性波デバイス
CN104811157A (zh) 压电薄膜谐振器、滤波器和双工器
WO2021042740A1 (zh) 体声波谐振器及其制造方法、滤波器和电子设备
CN104639087A (zh) 压电薄膜共振器、滤波器和双工器
US9787282B2 (en) Piezoelectric thin film resonator, filter and duplexer
CN111327290B (zh) 声波谐振器及其制造方法
KR102172638B1 (ko) 음향 공진기 및 그 제조 방법
KR20230122267A (ko) 음향 공진기
US11777467B2 (en) Air-gap type film bulk acoustic resonator
KR102338022B1 (ko) 에어갭형 fbar
KR20230040515A (ko) 음향 공진기
KR102636254B1 (ko) 기계적, 전기적 및 열역학적 특성이 향상된 음향 공진기 및 이의 제조방법
US20230006643A1 (en) Acoustic resonator
KR102579165B1 (ko) 에어갭형 fbar
CN117097296B (zh) 声表面波谐振器装置及其制造方法、滤波器
KR20220127125A (ko) 에어갭형 fbar
KR20220015921A (ko) 아치형 캐비티를 갖는 에어갭형 fbar
CN115473507A (zh) 声波谐振器封装件
KR20220148456A (ko) 박막 벌크 음향 공진기
CN117639715A (zh) 具有双阶梯氧化物边界环结构的baw谐振器

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal