KR100771345B1 - 압전 박막 공진자 및 필터 - Google Patents
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Abstract
간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고 전기 기계 결합 계수의 향상을 도모하여, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자 및 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 기판(10) 위에 형성된 하부 전극(12)과, 하부 전극(12) 상에 형성된 압전막(14)과, 압전막(14) 위에 형성된 상부 전극(16)을 구비하고, 상부 전극(16)의 막 두께는 하부 전극(12)의 막 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자 및 그것을 이용한 필터이다.
전기 기계 결합 계수, 하부 전극, 압전막, 상부 전극, 하부 박막층, 상부 박막층
Description
도 1은 실시예1에 따른 압전 박막 공진자의 구성을 도시하는 도면으로서, 도 1의 (a)는 상시도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 A-A 단면도.
도 2는 실시예2에 따른 압전 박막 공진자의 단면도.
도 3은 실시예3에 따른 압전 박막 공진자의 단면도.
도 4는 실시예3에 따른 압전 박막 공진자의 t1/t2에 대한 전기 기계 결합 계수를 도시하는 도면.
도 5는 실시예3에 따른 압전 박막 공진자의 d1/d2쌍에 대한 전기 기계 결합 계수를 도시하는 도면.
도 6은 실시예3에 따른 압전 박막 공진자의 d1/d2쌍에 대한 공진 저항을 도시하는 도면.
도 7은 실시예2 및 실시예3의 변형예에 따른 압전 박막 공진자의 단면도.
도 8은 실시예4에 따른 필터의 구성을 도시하는 도면으로서, 도 8의 (a)는 상시도, 도 8의 (b)는 단면도.
도 9는 실시예4에 따른 필터의 통과 대역 부근에서의 삽입 손실을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판
12 : 하부 전극
14 ; 압전막
16 : 상부 전극
18 : 기판 표면의 공극
22 : 멤브레인 영역
24 : 하부 박막층
26 : 상부 박막층
[특허 문헌1] 미국 특허6291931호 명세서
[비특허 문헌1] H.P. 로블(H.P.Lobl) 외 6명, 「BAW 공진자 및 필터용 압전 재료(Piezoelectric materials for BAW resonators and filters)」, 2001 IEEE 울트라소닉 심포지움(2001 IEEE Ultrasonics Symposium), 미국, IEEE, p807-811
본 발명은 압전 박막 공진자 및 필터에 관한 것으로, 특히 압전막을 사이에 두고 상부 전극과 하부 전극이 겹치는 압전 박막 공진자 및 필터에 관한 것이다.
휴대 전화로 대표되는 고주파 무선 기기의 급속한 보급에 의해, 900㎒ 내지 5㎓라는 고주파에서 사용되는 소형이며 경량의 고주파 필터의 수요가 증대하고 있 다. 이러한 분야에서는, 주로 탄성 표면파 장치를 이용하여 형성된 필터가 사용되고 있다. 그러나, 최근, 특히 고주파에서의 특성이 양호하고, 소형화, 모노리식화가 가능한 소자로서, 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터가 주목받고 있다.
압전 박막 공진자로서, 예를 들면, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입이나 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입이 있다. FBAR 타입의 압전 박막 공진자로서는, 특허 문헌1의 도 1에 개시되어 있다. 압전막의 양측에 상부 전극과 하부 전극을 설치하고 있다. 압전막을 사이에 둔 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 영역이 멤브레인 영역이다. 특허 문헌1에는 기재되어 있지 않지만, 하부 전극, 압전막, 상부 전극은 기판 위에 형성되고, 하부 전극과 상부 전극이 대향하는 영역(멤브레인 영역) 아래의 기판에 공극을 형성하고 있다. 이 공극은 기판을 이면으로부터 에칭함으로써 실현된다. 또한, 희생층을 이용하여 표면으로부터 형성할 수도 있다. SMR 타입의 압전 박막 공진자는, 특허 문헌1의 도 2에 개시되어 있다. 기판의 공극 대신에, 음향 임피던스가 높은 막과 낮은 막을 교대로 탄성파의 파장의 1/4의 막 두께로 적층하여 음향 반사막으로서 이용하는 구조를 갖고 있다.
이들 압전 박막 공진자는, 상부 전극과 하부 전극 사이에 고주파의 전기 신호를 인가하면, 상부 전극과 하부 전극 사이에 끼워진 압전막 내부에, 역 압전 효과에 의해, 탄성파가 여진된다. 반대로, 압전 효과에 의해, 탄성파에 의한 왜곡이, 전기 신호로 변환된다. 이 탄성파는, 상부 전극과 하부 전극이 각각 공기에 접하고 있는 면에서 전반사된다. 상부 전극, 압전 박막 및 하부 전극의 합계 막 두께 H가, 탄성파의 1/2 파장의 정수배(n배)로 되는 주파수에서, 공진이 발생한다. 재료에 의해 결정되는 탄성파의 전파 속도를 V로 하면, 공진 주파수 F는, F=nV/2H로 된다. 이와 같이, 막 두께에 의해 공진 주파수를 제어함으로써, 원하는 주파수 특성을 갖는 압전 박막 공진자로 된다.
또한, 래더형 필터는, 이러한 압전 박막 공진자를 직렬 아암와 병렬 아암으로 래더형으로 배치한 것으로, 소정의 통과 영역을 갖는 밴드 패스 필터이다.
고주파 무선 기기에서는, 정보의 대용량화의 진전을 받아, 필터의 광대역화에의 요망이 강하다. 광대역화를 실현하기 위해서는, 전기 기계 결합 계수(k2)가 큰 공진자가 필요로 된다. 따라서, 이하와 같은 종래 기술이 있다.
첫째, 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO)에 비해, 큰 전기 기계 결합 계수를 갖고, 압전 세라믹으로서 널리 이용되고 있는 티탄산지르콘산납(PZT), 티탄산납(PbTiO3)을 압전막으로서 이용하는 것이 알려져 있다(종래 기술1).
둘째, 압전막의 배향성을 향상시킴으로써 전기 기계 결합 계수를 향상시키는 것이 알려져 있다(종래 기술2). 예를 들면 비특허 문헌1에는 압전막으로서 질화알루미늄을 이용한 경우의 배향성과 전기 기계 결합 계수의 상관 관계가 개시되어 있다.
압전막과 상부 전극, 하부 전극의 막 두께비를 제어함으로써 전기 기계 결합 계수를 향상시킨다. 예를 들면, 특허 문헌1에는, 상부 전극 및 하부 전극을 텅스텐, 알루미늄, 금, 구리로 하였을 때의, 상부 전극과 하부 전극의 막 두께의 합과 압전막의 비(막 두께비)에 대한 전기 기계 결합 계수의 관계가 개시되어 있다(종래 기술3).
그러나, 종래 기술1은, PZT나 PbTiO3의 고품질의 박막의 성막이 곤란하여, 실용적인 공진 특성은 얻어지고 있지 않다. 종래 기술2는, 전기 기계 결합 계수의 향상을 위해, 양호한 배향성을 갖는 압전막을 얻기 위해서는, 압전막의 기초의 재료, 기초의 표면 러프니스, 압전막의 성막 조건 등 많은 제어나 관리를 필요로 하는 요인이 있다. 이들 제어나 관리가 불충분한 경우에는, 웨이퍼면 내, 로트간에서의 배향성의 요동이 발생하여, 공진 특성이 변동되게 되는 경우가 있다. 종래 기술3은, 전기 기계 결합 계수의 향상을 위해, 상부 전극과 하부 전극의 막 두께의 합과 압전막의 비를 작게 할 필요가 있다. 그러나, 상부 전극이나 하부 전극의 막 두께가 얇아져, 전극의 저항이 증대되어, 삽입 손실과 트레이드 오프로 되게 된다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고 전기 기계 결합 계수의 향상을 도모하여, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자 및 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 기판 위에 형성된 하부 전극과, 그 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고, 상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자이다. 본 발명에 따르면, 상부 전극의 막 두께를 하부 전극의 막 두께보다 두껍게 한다고 하는 간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 상부 전극의 막 두께를 t1, 상기 하부 전극의 막 두께를 t2로 하였을 때, 1<t1/t2<3인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은, 루테늄(Ru)을 주로 포함하고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 막 두께의 합을 d1, 상기 압전막의 막 두께를 d2로 하였을 때, 0.1<d1/d2<1인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 공진 저항의 증대를 억제하면서, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은, 이리듐(Ir), 레늄(Re), 텅스텐(W), Ru(루테늄), 로듐(Rh), 백금(Pt), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 1개를 주로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 반공진 특성 또는 공진 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 상기 하부 전극 아래에는 박막층을 갖고, 상기 상부 전극 위에는 박막층을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다.
본 발명은, 상기 하부 전극 아래 및 상기 상부 전극 위 중 적어도 한쪽에 박막층을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 에칭 스토퍼층, 배향성 제어층, 보강층, 주파수 조정막 또는 보호막 등을 이용 하는 경우에도, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄 또는 산화아연인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 고품질의 박막이 얻어져, 안정된 공진 특성을 가질 수 있다.
본 발명은, 상기 압전막을 사이에 두고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 영역이 타원 형상인 압전 박막 공진자로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 불필요한 스퓨리어스가 적은 공진 특성을 얻을 수 있다.
본 발명은, 상술한 압전 박막 공진자를 복수 구비하는 것을 특징으로 하는 필터이다. 본 발명에 따르면, 상부 전극의 막 두께를 하부 전극의 막 두께보다 두껍게 한다고 하는 간단한 방법에 의해, 삽입 손실 등의 열화를 수반하지 않고, 전기 기계 결합 계수가 커서 통과 대역이 넓은 필터를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조에 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예1]
실시예1은 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진자의 예이다. 도 1은 실시예1에 따른 압전 박막 공진자의 구성을 도시한다. 도 1의 (a)는 상시도, 도 1의 (b)는 A-A 단면도이다. 이 압전 박막 공진자는, 기판(10) 위에 형성된 하부 전극(12)과, 하부 전극(12) 위에 형성된 압전막(14)과, 압전막(14) 위에 형성된 상부 전극(16)을 갖고 있다. 압전막(14)에는 하부 전극(12)을 전기적으로 접속하기 위한 개구부(20)가 형성되어 있다. 상부 전극(16)과 하부 전극(12)이 대향하는 영역(멤브레인 영역)(22) 아래의 기판(14)에, 이 영역(22)보다 약간 큰 공극(18)이 형성되어 있다. 상부 전극(16), 압전막(14), 하부 전극(12)의 막 두께는, 각각 t1, d2, t2로 하고, t1+t2를 d1로 하였다. 상부 전극(16)과 하부 전극(12)이 대향하는 영역은 228×163㎛의 타원 형상으로 하였다.
다음으로, 이 압전 박막 공진기의 제조 방법에 대하여 설명한다. 우선, 실리콘 기판(10) 위에, 하부 전극(12)으로서 몰리브덴(Mo)막을, 스퍼터링법에 의해 성막하였다. 다음으로, 통상의 노광 기술 및 에칭 기술을 이용하여 소정 영역을 제거하여 하부 전극(12)을 형성하였다. 다음으로, 압전막(14)으로서 (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄(AlN)막, 상부 전극(16)으로서 몰리브덴(Mo)막을 각각 스퍼터링법에 의해 성막하였다. 그 후, 통상의 노광 기술 및 에칭 기술을 이용하여, 소정 영역을 제거하여 상부 전극(16)을 형성하였다. 또한, 통상의 노광 기술 및 에칭 기술을 이용하여, 소정 영역을 제거하여 상부 전극(16)을 형성하였다.
다음으로, 실리콘 기판(10)의 이면에, 통상의 노광 기술에 의해, 비어홀을 형성하는 드라이 에칭용의 레지스트 패턴을 형성하였다. 실리콘 기판(10)을 드라이 에칭하여, 기판(10)의 공극(18)으로 되는 비어홀을 형성하였다. 드라이 에칭은, SF6에 의한 에칭과 C4F8에 의한 측벽 보호막 형성을, 교대로 반복하는 조건으로 행하였다. 이에 의해, 측벽 형상이, Si 기판면에 대하여 대략 수직으로 되도록, 공극(18)을 형성할 수 있었다. 이상에 의해, 실시예1에 따른 압전 박막 공진자가 완성되었다.
이 구성의 압전 박막 공진자로서, 표 1에 나타내는, 공진자1 및 공진자2를 제작하였다. 어느 쪽의 공진자도, 압전막(14)의 막 두께는 1250㎚이다. 공진자1은, 상부 전극(16)의 두께가 320㎚, 하부 전극(12)의 두께가 260㎚로, 상부 전극(16)의 막 두께가 하부 전극(12)보다도 두껍다. 한편, 공진자2는 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 막 두께는 모두 290㎚로 동일하다. 또한, 공진자1 및 2의 제작 방법은, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 막 두께가 서로 다른 것 이외에는 동일하다.
양 공진자의 전기 기계 결합 계수를 평가한 결과, 공진자1은 7.0%, 공진자2는 6.7%이었다. 이와 같이, 상부 전극(16)의 막 두께를 하부 전극(12)보다 두껍게 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있었다.
[실시예2]
실시예2는, 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진자의 예로서, 상부 전극(16) 위 및 하부 전극(12) 아래에 박막층을 갖고, 각 전극의 재료를 루테늄으로 바꾼 예이다. 도 2는 실시예2에 따른 압전 박막 공진자를 도시한 단면도이다. 하부 전극(12) 및 상부 전극(16)을 루테늄으로 형성한 것, 하부 전극(12) 아래에 하부 박막층(24) 및 상부 전극(16) 위에 상부 박막층(26)을 형성한 것, 상부 전극(16)과 하부 전극(12)이 대향하는 영역을 248×177㎛의 타원 형상으로 한 것 이외에는 실시예1과 동일하다.
이 구성의 압전 박막 공진자로서, 표 2에 나타낸 바와 같은, 공진자1, 공진자2, 공진자3을 제작하였다. 어느 쪽의 공진자도, 압전막(14)은 막 두께가 1150㎚, 상부 박막층(26)은 크롬을 이용하여 막 두께가 20㎚, 하부 박막층(24)은 크롬을 이용하여 막 두께 100㎚이다. 공진자1은, 상부 전극(16)의 막 두께가 263㎚, 하부 전극(12)의 막 두께가 237㎚로, 상부 전극(16)의 막 두께가 하부 전극(12)보다도 두껍다. 공진자(2)는 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 막 두께는 모두 250㎚로 동일하다. 공진자3은 상부 전극(16)의 막 두께가 237㎚, 하부 전극(12)의 막 두께가 263㎚로, 상부 전극(16)의 막 두께가 하부 전극(12)보다도 얇다. 또한, 공진자1, 2 및 3의 제작 방법은, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 막 두께가 서로 다른 것 이외에는 동일하다.
3개의 공진자의 전기 기계 결합 계수를 평가한 결과, 공진자1은 7.0%, 공진자2는 6.8%, 공진자3은 6.7%이었다. 이와 같이, 상부 전극(16)의 막 두께를 하부 전극(12)보다 두껍게 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있었다.
[실시예3]
실시예3은, 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진자의 예로서, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)으로서 루테늄을 이용하고, 하부 전극(12) 아래에 박막층(24)을 가진 예이다. 도 3은 실시예3에 따른 압전 박막 공진자를 도시한 단면도이다. 상부 전극(16) 위에 상부 박막층(26)이 형성되어 있지 않은 것 이외에는, 실시예2와 동일하다. 즉, 하부 전극(12) 아래에는 박막층(24)을 갖고, 상부 전극(16) 위에는 박막층(26)을 갖고 있지 않다.
이 구성의 압전 박막 공진자로서, 표 3에 나타낸 바와 같은, 공진자1 및 공진자2를 제작하였다. 어느 쪽의 공진자도, 하부 박막층(24)은 크롬을 이용하며 막 두께 50㎚이다. 공진자1은, 상부 전극(16)의 막 두께를 t1㎚, 하부 전극(12)의 막 두께를 t2㎚, 압전막(14)의 막 두께를 1210㎚으로 하고, t1+t2=500㎚로 되도록 제작하였다. 공진자(2)는 상부 전극(16)의 막 두께를 t1, 하부 전극(12)의 막 두께를 t2㎚, 압전막(14)의 막 두께를 d2㎚으로 하고, t1/t2=1.1로 되도록 제작하였다. 상부 전극(16)과 하부 전극(12)의 막 두께의 합인 t1+t2를 d1로 하였다.
도 4에, 공진자1에서, t1/t2에 대한 전기 기계 결합 계수의 관계를 도시한다. 전기 기계 결합 계수는 t1/t2가 커지게 되면 커지게 되고, 약 1.6을 피크로 감소한다. 여기서, 상부 전극(16)과 하부 전극(12)의 막 두께가 동일한 t1/t2=1의 전기 기계 결합 계수는 7.0이며, t1/t2>3에서는 전기 기계 결합 계수는 7.0%를 하회한다. 따라서, 전기 기계 결합 계수가 7.0%를 상회하기 위해서는, 1<t1/t2<3이 바람직하다. 또한, 전기 기계 결합 계수가 7.05%를 상회하기 위해서는, 1.1<t1/t2<2.6이 보다 바람직하다. 또한, 전기 기계 결합 계수가 7.1%를 상회하기 위해서는, 1.2<t1/t2<2.3이 보다 바람직하다.
도 5에, 공진자2에서, d1/d2에 대한 전기 기계 결합 계수의 관계를 도시한다. 도 5로부터, d1/d2가 작아지면, 전기 기계 결합 계수는 커진다. 따라서, 공진자1과 마찬가지로, 전기 기계 결합 계수가 7.0%를 상회하기 위해서는, d1/d2<1인 것이 바람직하다. 또한, 전기 기계 결합 계수가 7.05%를 상회하기 위해서는, d1/d2<0.7이 보다 바람직하다. 또한, 전기 기계 결합 계수가 7.1%를 상회하기 위해서는, d1/d2<0.5가 보다 바람직하다.
도 6에, 공진자2에서, d1/d2에 대한 공진 저항의 관계를 도시한다. 공진 저항이 커지면, 삽입 손실이 커지게 된다. 도 6으로부터 d1/d2가 작아지면, 공진 저항이 커진다. 이것은, d1/d2가 작아지면, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 막 두께가, 상대적으로 얇아지기 때문이다. d1/d2가 0.1 이하로 되면 공진 저항은 급격하게 커져 2Ω을 초과하게 되어 삽입 손실이 커지게 된다. 따라서, 0.1<d1/d2가 바람직하다. 또한, d1/d2가 0.2 이하로 되면 공진 저항은 커지게 되어 1.5Ω을 초과하게 되기 때문에, 0.2<d1/d2가 보다 바람직하다. 또한, d1/d2가 0.5 이하로 되면 공진 저항은 서서히 커지게 되어 1Ω을 초과하게 되기 때문에, 0.5<d1/d2가 보다 바람직하다.
이상과 같이, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)이 루테늄을 주로 포함하고, 0.1<d1/d2<1로 함으로써, 공진 저항을 억제하여, 전기 기계 결합 계수를 향상시킬 수 있었다.
도 7에 실시예2 및 실시예3의 변형예에 따른 압전 박막 공진자의 단면도를 도시한다. 상부 전극(16) 위에 박막층(26)을 갖고, 하부 전극(12) 아래에는 박막층을 갖지 않는다. 그 밖의 구성은, 실시예2 및 실시예3과 동일하다. 이러한 구성이라도, 상부 전극(16) 막 두께를 하부 전극(12)의 막 두께보다 두껍게 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있다.
실시예2, 실시예3 및 그 변형예에 따르면, 하부 전극(12) 아래 및 상부 전극(16) 위의 적어도 한쪽에 박막층을 갖는 경우라도, 상부 전극(16) 막 두께를 하부 전극(12)의 막 두께보다 두껍게 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있다. 하부 박막층(24)으로서는, 기판(10)에 공극(18)을 형성하는 경우의 에칭 스토퍼층, 압전막(14)의 배향성을 제어하기 위해 표면을 제어한 배향성 제어층, 상부 전극(16)과 하부 전극(12)이 대향한 영역의 보강을 위한 보강층 등이 있으며, 금속막이나 절연막이 사용된다. 또한, 상부 박막층(26)으로서는, 공진 주파수를 조정하기 위한 주파수 조정막, 압전 박막 공진자를 보호하기 위한 보호막 등이 있고, 금속막이나 절연막이 사용된다. 실시예2, 실시예3에서는, 상부 박막층(26)은 주파수 조정막이며, 하부 박막층(24)은 에칭 스토퍼층이다.
실시예1, 실시예2 및 실시예3에 따르면, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 재료에 상관없이, 상부 전극(16)의 막 두께를 하부 전극(12)의 막 두께보다 두껍게 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있다. 또한, 1<t1/t2<3으로 함으로써, 전기 기계 결합 계수를 보다 크게 할 수 있다. 또한, 실시예4에 나타낸 바와 같이, 삽입 손실이 열화되지는 않는다. 이와 같이, 상부 전극의 막 두께를 하부 전극의 막 두께보다 두껍게 한다고 하는 간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고, 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자를 제공할 수 있었다.
상부 전극(16)의 막 두께를 하부 전극(12)보다 두껍게 함으로써 전기 기계 결합 계수가 커지는 이유는 명확하지 않지만, 예를 들면, 공진하는 하부 전극(12), 압전막(14), 상부 전극(16)의 적층막에서, 정재파의 중심이, 중심보다 약간 아래쪽으로 어긋나 있어, 상부 전극(16)의 막 두께를 두껍게 함으로써, 정재파의 중심이, 압전막(14)의 중심에 근접하는 것을 들 수 있다.
[실시예4]
실시예4는 실시예2에서 제작한 공진자1의 구조를 갖는 래더형 필터를 제작한 예이다. 즉, 압전 박막 공진자를 복수 구비하는 필터의 예이다. 또한, 비교예로서, 실시예2에서 제작한 공진자2의 구조를 갖는 래더형 필터도 제작하였다. 도 8에 실시예4와 비교예에 따른 필터의 구성을 도시한다. 도 8의 (a)는 상시도이고, 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 A-A 단면도이다. 각 부호는 실시예2와 동일하며, 공진자의 구성은, 상부 박막층(26)의 막 두께를 제외하고는 실시예2와 동일하다. 압전 박막 공진자 S1, S2, S3 및 S4를 직렬 아암으로, 압전 박막 공진자 P1, P2 및 P3을 병렬 아암으로 배치하였다. 병렬 아암의 압전 박막 공진자 P1, P2 및 P3의 상부 박막층(26)의 막 두께는, 병렬 아암의 공진 주파수를 직렬 아암보다 낮게 하기 위해 100㎚로 하였다. 이것은, 밴드 패스 필터 특성을 얻기 위해서이다.
도 9에 실시예4 및 비교예의 통과 대역 부근의 삽입 손실의 도면을 도시한다. 실선은 실시예4, 파선은 비교예를 나타낸다. 2㏈의 통과 대역 폭은, 실시예4가 72.3㎒에 대하여, 비교예가 66.7㎒로, 실시예4는 5.6㎒ 넓어졌다. 또한, 통과 대역에서의 삽입 손실의 열화도 없다. 이것은, 실시예4에 이용한 실시예2의 공진자1이 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있었던 것에 의한다. 이와 같이, 상부 전극의 막 두께를 하부 전극의 막 두께보다 두껍게 한다고 하는 간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고, 전기 기계 결합 계수가 커서 통과 대역이 넓은 필터를 제공할 수 있었다.
실시예4는 실시예2의 공진자1을 래더형 필터에 적용한 예이었지만, 실시예1이나 실시예3의 공진자를 이용할 수도 있다. 또한, 래더형 필터 이외의 필터에 적용할 수도 있다. 그 경우에도, 실시예4와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 실시예4에서는 필터의 표면에 보호막을 형성하고 있지 않지만, 보호막을 형성할 수도 있다.
실시예1 내지 실시예4에서, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)으로서는, 음향 임피던스가 큰 재료를 이용하면, 주로 반공진 특성이 향상되고, 전기 저항이 낮은 재료를 이용하면, 공진 특성이 향상된다. 따라서, 음향 임피던스가 큰 재료로서, 실시예에서 이용한 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 이외에, 이리듐(Ir), 레늄(Re), 텅스텐(W), 로듐(Rh), 백금(Pt) 및 탄탈(Ta) 중 적어도 1개를 주로 포함하는 재료를 이용할 수 있다. 또한, 전기 저항이 낮은 재료로서, 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 1개를 주로 포함하는 재료를 이용할 수 있다. 또한, 실시예1 내지 4와 같이, 상부 전극(16)과 하부 전극(12)을 동일한 재료로 함으로써, 보다 확실하게 전기 기계 결합 계수를 크게 할 수 있다.
또한, 실시예1 내지 실시예4의 압전막(14)은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄이다. 이에 의해, 고품질의 박막이 얻어져, 안정된 공진 특성을 가질 수 있다. 마찬가지의 이유로부터, 압전막(14)으로서, 산화아연(ZnO)을 이용할 수도 있다.
또한, 압전막(14)을 사이에 두고, 상부 전극(16)과 하부 전극(12)이 대향하는 영역이 타원 형상을 갖고 있다. 이에 의해, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 면에 평행하게 전파되어, 상부 전극(16) 및 하부 전극(12)의 단부에서 반사하는 불필요한 횡모드를 억제할 수 있다. 이에 의해, 불필요한 스퓨리어스가 적은 공진 특성이 얻어진다.
또한, 기판(10)의 이면으로부터 비어홀을 형성하여, 공극(18)으로 한 예이지만, 희생층을 이용하여 기판 표면에 캐비티를 형성하여, 공극(18)으로 할 수도 있다. 또한, 실시예1 내지 실시예3은 FBAR 타입의 예이지만, SMR 타입의 압전 박막 공진자이어도 된다. 이 경우도 FBAR 타입과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 간단한 방법에 의해, 다른 특성을 열화시키지 않고 전기 기계 결합 계수가 큰 압전 박막 공진자 및 필터를 제공할 수 있다.
Claims (9)
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- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은, 루테늄(Ru)을 주로 포함하고,상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 막 두께의 합을 d1, 상기 압전막의 막 두께를 d2로 하였을 때,0.1<d1/d2<1인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은, 이리듐(Ir), 레늄(Re), 텅스텐(W), Ru(루테늄), 로듐(Rh), 백금(Pt), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 1개를 주로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 하부 전극 아래에는 박막층을 갖고, 상기 상부 전극 위에는 박막층을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 하부 전극 아래 및 상기 상부 전극 위 중 적어도 한쪽에 박막층을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화알루미늄 또는 산화아연인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 기판 위에 형성된 하부 전극과,그 하부 전극 위에 형성된 압전막과,그 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고,상기 상부 전극의 막 두께는 상기 하부 전극의 막 두께보다 두꺼우며,상기 압전막을 사이에 두고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극이 대향하는 영역이 타원 형상인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진자.
- 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 압전 박막 공진자를 복수 구비하는 것을 특징으로 하는 필터.
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