KR20180006248A - 음향 공진기 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상에 하부 전극, 압전층, 및 상부 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 진동 활성 영역, 및 상기 압전층 내에 배치되되 상기 압전층과 다른 물성을 갖는 수평공진 억제부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 음향 공진기 및 그 제조 방법에 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.
벌크 음향 공진기의 이용분야로는 이동통신기기, 화학 및 바이오기기 등의 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등이 있다.
한편, 벌크 음향 공진기의 특성과 성능을 높이기 위한 여러 가지 구조적 형상 및 기능에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 그에 따른 제조 방법에 대해서도 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 성능을 향상시킬 수 있는 음향 공진기 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상에 하부 전극, 압전층, 및 상부 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 진동 활성 영역, 및 상기 압전층 내에 배치되되 상기 압전층과 다른 물성을 갖는 수평공진 억제부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기는, 기판, 상기 기판 상에 배치되는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 적층되는 압전층, 상기 압전층 상에 적층되는 상부 전극, 및 상기 압전층 내에 배치되되 상기 압전층과 다른 물성을 갖는 수평공진 억제부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기 제조 방법은, 기판 상에 하부 전극과 압전층을 순차적으로 적층하는 단계, 상기 압전층에 부분적으로 이온을 주입하여 상기 압전층 내에 수평공진 억제부를 형성하는 단계, 및 상기 압전층 상에 상부 전극을 적층하여 진동 활성 영역을 완성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 음향 공진기 및 그 제조 방법은 수평공진 억제부를 통해 수평파(Lateral wave)에 의한 불요 공진(Spurious Resonance)을 억제하여 수평파 공진으로 인해 발생되는 노이즈와 공진기 성능의 열화를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 공진부를 확대하여 도시한 확대 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 9 내지 도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 12 내지 도 13은 도 8에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 공진부를 확대하여 도시한 확대 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도.
도 9 내지 도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 12 내지 도 13은 도 8에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 공진부를 확대하여 도시한 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기는 기판(110) 및 공진부(120)를 포함할 수 있다.
기판(110)과 공진부(120) 사이에는 에어 갭(130)이 형성되며, 공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되어 에어 갭(130)을 통해 기판(110)과 이격되도록 형성된다.
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 유리 기판 등 다양한 기판이 이용될 수 있다.
공진부(120)는 하부 전극(121), 압전층(123), 상부 전극(125)을 포함한다. 공진부(120)는 아래에서부터 하부 전극(121), 압전층(123) 및 상부 전극(125)이 순서대로 적층되어 형성될 수 있다. 따라서 압전층(123)은 하부 전극(121)과 상부 전극(125) 사이에 배치된다.
공진부(120)는 멤브레인층(150) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인층(150), 하부 전극(121), 압전층(123) 및 상부 전극(125)이 순서대로 적층된다.
공진부(120)는 하부 전극(121)과 상부 전극(125)에 인가되는 신호에 따라 압전층(123)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
하부 전극(121) 및 상부 전극(125)은 금, 몰리브덴, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등과 같은 금속을 주요 재질로 하여 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 하부 전극(121)과 상부 전극(125)이 모두 몰리브덴(Mo)으로 형성된다.
공진부(120)는 압전층(123)의 음향파를 이용한다. 예를 들어, 하부 전극(121)과 상부 전극(125)에 신호가 인가되면, 압전층(123)의 두께 방향으로 기계적 진동이 발생되어 음향파가 생성된다.
여기서, 압전층(123)의 재료로는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 쿼츠(Quartz) 등이 이용될 수 있다.
압전층(123)의 공진 현상은 인가된 신호 파장의 1/2이 압전층(123)의 두께와 일치할 때 발생한다. 공진 현상이 발생할 때, 전기적 임피던스가 급격하게 변하므로 본 실시예에 따른 음향 공진기는 주파수를 선택할 수 있는 필터로 사용될 수 있다.
공진부(120)는 품질 계수(Quality Factor)를 향상시키기 위하여 에어 갭(130)을 통해 기판(110)과 이격 배치될 수 있다.
에어 갭(130)을 통하여 공진부(120)에서 발생하는 음향파의 반사특성이 향상될 수 있다. 에어 갭(130)은 빈 공간으로서 임피던스가 무한대에 가까우므로, 음향파는 에어 갭(130)으로 손실되지 않고, 공진부(120) 내에 잔존할 수 있다.
상부 전극(125)의 상부에는 프레임(170)이 배치될 수 있다.
프레임(170)은 공진부(120)의 윤곽을 따라 링(ring) 형태로 상부 전극(125) 상에 형성된다.
공진부(120)는 프레임(170) 내벽에 의해 전체적인 형상이 규정되는 진동 활성 영역(도2의 A)에서 실질적인 진동이 발생된다. 여기서 진동 활성 영역(A)은 공진부(120)를 도 2의 A 방향에서 볼 때, 프레임(170) 내에 위치하는 영역으로 정의된다.
프레임(170)은 진동 활성 영역(A)에서 발생된 수평방향 탄성파 중 공진부(120) 외부로 향하는 수평방향 탄성파를 공진부(120) 중심 측으로 반사시켜 탄성파의 에너지 손실을 막는다. 이에 본 실시예에 따른 음향 공진기는 높은 Q-factor, kt2를 확보할 수 있다.
높은 Q-factor는 필터나 듀플렉서를 구현함에 있어 타 주파수대역의 차단 특성을 높일 수 있으며, 높은 kt2는 대역폭(bandwidth)를 확보하여 송수신시 데이터 전송량과 속도를 증가시킬 수 있다.
진동 활성 영역(A)은 평면이 다각 형상이나 타원 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 대응하여 프레임(170)도 다각 형상이나 타원 형상의 고리 형태로 형성될 수 있다.
프레임(170)은 압전체, 유전체 혹은 금속으로 구성된다. 예를 들어 프레임(170)은 질화 알루미늄(AlN), 티탄산지르콘산납(PZT), 산화 규소(SiO2), 산화티탄(TiO2), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 티탄(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W), 및 알루미늄(Al) 중 하나 또는 어느 하나를 주성분으로 하는 합성 재료로 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 프레임(170)은 스퍼터링이나 증착을 통해 상부 전극(125) 상에 프레임층을 형성한 후, 에칭이나 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 통해 프레임층에서 불필요한 부분을 제거함으로써 형성할 수 있다.
프레임(170)은 상부 전극(125)과 동일한 재료로 형성될 수 있으며, 상부 전극(125)을 형성하는 과정에서 부가적으로 형성될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 음향 공진기는, 불필요한 진동인 스퓨리어스(spurious) 진동을 억제하기 위해 압전층(123) 내에 수평공진 억제부(140)가 배치된다.
수평공진 억제부(140)는 압전층(123)에 불순물을 주입하여 형성할 수 있다. 수평공진 억제부(140)는 압전층(123) 내에서 원하는 영역의 물성(Stiffness, 압전상수 등)을 변경한다. 이에 공진부(100)에서 발생하는 수평파(lateral wave)를 효과적으로 제한하여 수평파 공진에 의한 노이즈(예컨대, 수평파 노이즈)의 발생을 최소화할 수 있다.
수평공진 억제부(140)는 주입되는 이온의 종류나 이온 주입 시 가해지는 에너지, 도즈(Dose) 양, 열처리 온도 및 시간 등을 다르게 하여 다양한 깊이와 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
압전층(123)을 AlN로 형성하는 경우, 수평공진 억제부(140)는 Sc, Mg, Nb, Zr, Hf 등의 이온을 주입하여 압전층(123)의 일부 영역을 치환함으로써 수평공진 억제부(140)를 형성할 수 있다. 이 경우, 주입된 이온은 압전층(123)의 Al과 치환되어 해당 영역의 물성을 변화시킨다. 이에 수평공진 억제부(140)는 이온이 주입되지 않은 다른 부분에 비해 압전 성능이 증가될 수 있다.
또한, Ar, Oxygen, B, P, N 등의 이온으로 압전층(123)의 격자 구조를 의도적으로 파괴하여 수평공진 억제부(140)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 주입된 이온은 Al과 N 사이의 연결 구조를 파괴하여 해당 영역의 물성을 변화시키며, 이에 수평공진 억제부(140)는 이온이 주입되지 않은 다른 부분에 비해 압전 성능이 저하될 수 있다.
수평공진 억제부(140)는 압전층(123) 내에 형성되며 일부 또는 전체가 진동 활성 영역(A) 내에 배치된다. 본 실시예의 수평공진 억제부(140)는 진동 활성 영역(A)에 배치되는 제1 영역(141)과, 진동 활성 영역(A)의 외측인 프레임(170)의 하부와 프레임(170)의 외측에 배치되는 제2 영역(142)으로 구분된다.
제1 영역(141)은 일정한 폭(예컨대, 5㎛)으로 진동 활성 영역(A)의 테두리를 따라 진동 활성 영역(A) 내에 배치된다. 여기서, 진동 활성 영역(A)의 테두리는 상부 전극(125)과 프레임(170)의 경계로 정의될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 진동 활성 영역(A)의 테두리를 따라 연속적으로 제1 영역(141)이 형성된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 부분적으로 또는 불연속적으로 제1 영역(141)을 형성하는 것도 가능하다.
진동 활성 영역(A) 내에 배치되는 제1 영역(141)의 상부면 면적은 진동 활성 영역(A)의 상부면 전체 면적의 50% 이하로 형성될 수 있다.
이온 주입을 통해 압전층(123)의 물성을 변화시키기 위해서는 0.05um 이상의 두께로 수평공진 억제부(140)가 형성되어야 한다. 따라서 본 실시예에 따른 수평공진 억제부(140)의 최소 두께는 0.05um로 규정될 수 있다. 또한 수평공진 억제부(140)의 최대 두께는 압전층(123)의 두께와 동일하게 형성될 수 있다.
예를 들어 본 실시예에서 수평공진 억제부(140)의 두께는 0.05um 보다 크고, 압전층(123) 두께의 절반 이하로 형성된다. 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
공진부(120)는 보호층(127)을 더 포함할 수 있다. 보호층(127)은 제2 전극(125)과 프레임(170), 그리고 하부 전극(121), 상부 전극(125), 압전층(123) 상에 형성되어 상기 구성 요소들이 외부 환경에 노출되는 것을 방지한다.
한편, 하부 전극(121)과 상부 전극(125)은 일부가 보호층(127)의 외부로 노출되며, 노출된 부분에는 각각 제1 접속 전극(160a)와 제2 접속 전극(160b)이 형성된다.
제1 접속 전극(160a)와 제2 접속 전극(160b)는 음향 공진기와 필터 특성을 확인하고 필요한 주파수 트리밍을 수행하기 위해 구비될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 공진기는 수평공진 억제부(140)를 통해 수평파(Lateral wave)에 의한 불요 공진(Spurious Resonance)을 억제하여 수평파 공진으로 인해 발생되는 노이즈와 공진기 성능의 열화를 최소화한다.
불요 공진은 공진부(120)에서 발생하는 수평파 (또는 횡모드 정재파)에 의해 야기되어 공진 성능을 왜곡시키거나 저하시킨다.
따라서, 불요 공진을 최소화하기 위해, 본 실시예에 따른 수평공진 억제부(140)는 프레임(170)의 내벽을 따라 형성되어 진동 활성 영역(A)과 프레임(170)이 만나는 경계 부분의 물성을 변경한다. 이에 따라 본 실시예에 따른 공진부(120)는 수평공진 억제부(140)가 형성되지 않은 중심부와, 수평공진 억제부(140)가 형성된 진동 활성 영역(A)의 테두리 부분에서 수직 방향 진폭이 서로 다르게 형성된다.
이로 인해, 상기한 중심부와 수평공진 억제부(140)는 공진 주파수에서 횡 방향으로 다른 파수(wave number)를 갖게 되므로 전체적인 진동 형태가 달라지게 된다. 예를 들어, 수평공진 억제부(140)의 물성이 변화됨에 따라 수평공진 억제부(140)에서 수직방향 진폭이 더 급격하게 변하게 된다. 이에 진동 활성 영역(A)과 수평공진 억제부(140)의 수평 방향 거리에 따른 수직방향 진폭 변화량이 달라져서 공진 주파수 보다 낮은 주파수에서 수평 방향 공진의 발생이 억제된다.
또한 본 실시예에 따른 음향 공진기는 프레임(170)을 이용하여 진동 활성 영역(A)에서 발생한 진동이 진동부의 외부로 빠져 나가는 것을 억제하여 공진기(100)의 Q값(Q-factor)을 증가시키고, 진동 활성 영역(A)의 테두리를 따라 형성된 수평공진 억제부(140)를 이용하여 수평 진동의 공진을 억제한다. 따라서 공진기(100)의 Q, kt2를 증가시킬 수 있으며 동시에 수평파 노이즈도 최소화할 수 있다.
더하여 종래의 경우, 수평파 공진에 의한 노이즈를 최소화하기 위해 공진부를 타원 형상이나, 비정형으로 형성하고 있으나, 본 실시예에 따른 음향 공진기는 수평공진 억제부(140)를 통해 수평파 공진에 의한 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있으므로 공진부(120)를 사각 형상으로 정형화할 수 있다. 이에 다수의 공진부(120)를 기판 상에 배치하는 경우, 공진부(120)를 효율적으로 배치할 수 있으며, 공진부들 사이의 간격도 최소화할 수 있다. 따라서 공진부(120)를 구비하는 모듈의 크기를 최소화하고 실장 면적을 줄일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프이다. 여기서, 도 2에 도시된 음향 공진기는 AlN으로 압전층(123)을 형성하고, 압전층(123) 내에 N 이온을 주입하여 수평공진 억제부(140)를 형성하였다.
도 3을 참조하면, 종래의 음향 공진기는 2.04Gh 이하의 주파수 대역에서 수평파 공진에 의해 노이즈가 크게 나타난다. 반면에 본 실시예에 따른 음향 공진기는 동일한 주파수 대역에서 종래의 음향 공진기에 비해 수평파 공진에 의한 노이즈가 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 음향 공진기는 이온 주입 방식을 이용하므로, 압전체 내에서 원하는 영역에, 원하는 형상 및 원하는 물성으로 수평공진 억제부(140)를 배치시킬 수 있다. 따라서 공진기 형상, 재질, 크기 등에 상관없이 최적의 위치에 최적의 형태로 수평공진 억제부(140)를 형성할 수 있으며, 이에 수평파(Lateral wave)에 의한 불요 공진(Spurious Resonance)을 효과적으로 제한하여 공진 성능을 높일 수 있다.
한편 본 발명에 따른 음향 공진기는 전술한 실시예의 구성에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기는 수평공진 억제부(140)가 전술한 실시예에 비해 두껍게 형성된다. 전술한 실시예의 경우 수평공진 억제부(140)가 압전층(123) 두께의 절반 이하의 두께로 형성되었으나, 본 실시예에 따른 수평공진 억제부(140)는 압전층(123) 두께의 절반 이상의 두께로 형성된다. 보다 구체적으로, 수평공진 억제부(140)는 압전층(123) 두께와 동일한 두께로 형성된다.
이와 같이 수평공진 억제부(140)를 구성하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 음향 공진기에 비해 삽입 손실이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 도 3과 비교하면, 전술한 실시예에 비해서는 노이즈 감소 효과가 다소 낮은 것으로 측정되었다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도이다. 또한 도 7은 도 6에 도시된 음향 공진기와 종래 음향 공진기의 삽입 손실을 비교한 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면 본 실시예에 따른 음향 공진기는 진동 활성 영역(A)의 중심측에 배치되는 제2 수평공진 억제부(140b) 그리고 제2 수평공진 억제부(140b)의 외측에 배치되는 제1 수평공진 억제부(140a)를 포함한다.
제2 수평공진 억제부(140b)는 제1 수평공진 억제부(140a)보다 얇은 두께를 갖는다. 예를 들어, 제2 수평공진 억제부(140b)의 두께는 제1 수평공진 억제부(140a) 두께의 절반 이하로 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 수평공진 억제부(140)는 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)의 폭의 비가 3:2로 형성되어 제1 수평공진 억제부(140a)의 폭이 제2 수평공진 억제부(140b)의 폭보다 크게 구성된다.
이처럼 진동 활성 영역(A) 내에 배치되는 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)는 서로 다른 폭을 갖도록 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 진동 활성 영역(A) 내에 배치되는 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)를 동일한 폭으로 형성하는 것도 가능하다.
한편, 제2 수평공진 억제부(140b)와 제1 수평공진 억제부(140a)의 두께 차이에 의해, 제2 수평공진 억제부(140b)와 제1 수평공진 억제부(140a)는 계단 형태의 단차가 형성되며, 이에 수평공진 억제부(140)는 진동 활성 영역(A)의 중심부에서 진동 활성 영역(A)의 테두리 측으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 구성된다.
제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)는 각각 별도의 이온주입 과정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 1차 이온 주입 과정을 통해 압전층(123) 내에 제1 수평공진 억제부(140a)를 먼저 형성한 후, 이어서 2차 이온 주입 과정을 진행하여 제2 수평공진 억제부(140b)를 형성할 수 있다.
제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)는 서로 같은 물성을 갖거나 서로 다른 물성을 갖도록 구성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)는 모두 AlN의 압전층(123)에 N 이온을 주입하여 형성한다. 따라서 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)는 같은 물성을 갖는다.
그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 수평공진 억제부(140a)는 이온 치환을 통해 압전 성능을 증가시키고 제2 수평공진 억제부(140b)는 격자 구조를 파괴하여 압전 성능을 저하시키거나, 그 반대로 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
또한 본 실시예에서는 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)가 서로 다른 두께로 형성되나, 이에 한정되지 않으며 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)의 물성을 서로 다르게 구성하고 동일한 두께로 형성하는 것도 가능하다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기도 종래의 음향 공진기에 비해 삽입 손실이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 3 및 도 6을 함께 참조하면, 전술한 실시예들에 비해 본 실시예에 따른 음향 공진기의 노이즈 감소 효과가 더 높은 것으로 측정되었다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향 공진기의 공진부를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향 공진기는 진동 활성 영역(A) 내에만 수평공진 억제부(140)가 형성되며, 프레임(170)의 하부나 외측에는 수평공진 억제부(140)가 형성되지 않는다.
수평파 공진의 억제는 대부분 진동 활성 영역(A) 내에 배치되는 수평공진 억제부(140)에 의해 이루어진다. 따라서 진동 활성 영역(A) 외부에는 필요에 따라 수평공진 억제부(140)를 생략할 수 있다.
이어서, 도 1 및 도 2에 도시된 음향 공진기 모듈의 제조 방법을 설명한다.
도 9 내지 도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 먼저 기판(110)의 상부에 희생층(131)을 형성한다.
기판(110)은 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 이용될 수 있다. 또한 희생층(131)은 추후에 제거되어 에어 갭(도 1의 130)을 형성한다. 희생층(131)은 폴리실리콘 또는 폴리머 등의 재질이 이용될 수 있다.
이어서, 기판(110)의 상부와 희생층(131)의 상부에 멤브레인층(150)을 형성한다. 멤브레인층(150)은 에어 갭(도 1의 130)의 형상을 유지시키고, 공진부(도 1의 120)의 구조를 지지하는 역할을 한다.
이어서 하부 전극(121)을 형성한다.
하부 전극(121)은 기판(110)과 희생층(131)의 상부에 전체적으로 도전층(미도시)을 증착한 후, 불필요한 부분을 제거함(예컨대 패터닝)으로써 형성될 수 있다. 본 단계는 포토리소그래피 공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 도전층은 몰리브덴(Mo) 재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등 다양한 금속이 이용될 수 있다.
이어서 압전층(123)을 형성한다.
압전층(123)은 하부 전극(121) 상에 압전 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
압전층(123)은 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 산화 아연(ZnO)이나 쿼츠(Quartz) 등 다양한 압전 재질이 이용될 수 있다.
이어서, 도 10에 도시된 바와 같이, 압전층(123) 내에 수평공진 억제부(140)를 형성한다. 수평공진 억제부(140)는 압전층(123)에 부분적으로 이온을 주입하여 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이 수평공진 억제부(140)는 이온 소스, 에너지(Energy), 도즈(Dose), 열처리 온도 및 시간에 따라 다양한 깊이와 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 수평공진 억제부(140)는 압전층(123)을 AlN로 형성하고, Sc, Mg, Nb, Zr, Hf 중 어느 하나의 이온을 압전층(123)에 주입하여 압전층(123)의 일부 영역을 치환함으로써 형성할 수 있다. 이 경우, 수평공진 억제부(140)는 이온이 주입되지 않은 다른 부분에 비해 압전 성능이 높은 물성을 가질 수 있다.
또한, 수평공진 억제부(140)는 Ar, Oxygen, B, P, N 등의 이온으로 AlN 압전층(123)의 격자 구조를 의도적으로 파괴하여 형성할 수도 있다. 이 경우, 수평공진 억제부(140)는 이온이 주입되지 않은 다른 부분에 비해 압전 성능이 낮은 물성을 가질 수 있다.
본 실시예의 경우, 압전층(123) 중 진동 활성 영역(도 2의 A)의 테두리 부분과, 진동 활성 영역(A)의 외측 부분에 모두 수평공진 억제부(140)를 형성한다. 이 경우 넓은 면적으로 수평공진 억제부(140)를 형성하게 되므로, 제조가 용이하다는 이점이 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 후술되는 다른 실시예와 같이 최소한의 면적으로 수평공진 억제부(140)를 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
한편, 수평공진 억제부(140)를 형성하는 과정에서, 두께가 서로 다른 제1 수평공진 억제부(140a)와 제2 수평공진 억제부(140b)를 각각 형성하는 경우, 도 6에 도시된 음향 공진기를 제조할 수 있다.
이 경우, 1차 이온 주입 과정을 통해 압전층(123) 내에 먼저 제1 수평공진 억제부(140a)를 형성한 후, 2차 이온 주입 과정을 진행하여 제2 수평공진 억제부(140b)를 형성할 수 있다.
또한 제1 수평공진 억제부(140a)의 두께는 압전층(123) 두께의 절반 이상으로 형성하고, 제2 수평공진 억제부(140b)의 두께는 제1 수평공진 억제부(140a)보다 얇게 형성할 수 있다.
이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 진동 활성 영역(A)의 중심에서 진동 활성 영역(A)의 테두리 측으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 수평공진 억제부(140)를 형성할 수 있다.
다시 도 10을 참조하여 도 2에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명한다. 수평공진 억제부(140)가 형성되면, 이어서 압전층(123) 상부에 상부 전극(125)과 프레임(170)을 형성한 후, 상부 전극(125)을 패터닝(Patterning)한다.
이후, 도 11에 도시된 바와 같이, 압전층(123)을 패터닝(Patterning)한다. 이에 도 2에 도시된 진동 활성 영역(A)이 완성된다.
진동 활성 영역(A)이 완성되면, 보호층(127)과 제1, 제2 접속 전극(160a, 160b)을 순차적으로 형성한다. 그리고 희생층(131)을 제거하여 도 1에 도시된 음향 공진기를 완성한다. 여기서 희생층(131)은 에칭 방식을 통해 제거될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 음향 공진기 제조 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다.
도 12 내지 도 13은 도 8에 도시된 음향 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 음향 공진지 제조 방법은 도 9에 도시된 과정까지 전술한 실시예와 동일하게 수행된다. 따라서 도 9에 도시된 단계 이후부터 설명한다.
도 12를 참조하면, 압전층(123) 내에 수평공진 억제부(140)를 형성한다. 수평공진 억제부(140)는 압전층(123)에 부분적으로 이온을 주입하여 형성할 수 있다.
본 실시예의 경우, 압전층(123) 중 진동 활성 영역(도 8의 A) 내에만 수평공진 억제부(140)를 형성한다. 이 경우 압전층(123)의 물성 변화를 최소화할 수 있으므로 불필요하게 형성되는 수평공진 억제부(140)로 인해 압전층(123)의 압전 성능이 변화되는 것을 최소화할 수 있다.
이어서, 압전층(123) 상부에 상부 전극(125)과 프레임(170)을 형성한 후, 상부 전극(125)을 패터닝(Patterning)한다.
이후, 도 13에 도시된 바와 같이, 압전층(123)을 패터닝(Patterning)한 후, 보호층(127)과 제1, 제2 접속 전극(160a, 160b)을 순차적으로 형성한다. 그리고 희생층(131)을 제거하여 도 8에 도시된 음향 공진기를 완성한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
110: 기판
120: 공진부
121: 하부 전극 123: 압전층
125: 상부 전극
130: 에어 갭 131: 희생층
140: 수평공진 억제부 150: 멤브레인층
170: 프레임
120: 공진부
121: 하부 전극 123: 압전층
125: 상부 전극
130: 에어 갭 131: 희생층
140: 수평공진 억제부 150: 멤브레인층
170: 프레임
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 하부 전극, 압전층, 및 상부 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 진동 활성 영역; 및
상기 압전층 내에 배치되되 상기 압전층과 다른 물성을 갖는 수평공진 억제부;
를 포함하는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
일부 또는 전체가 상기 진동 활성 영역 내에 배치되는 음향 공진기.
- 제2항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
상기 진동 활성 영역의 테두리를 따라 배치되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
두께가 서로 다른 제1 수평공진 억제부와 제2 수평공진 억제부를 포함하는 음향 공진기.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 수평공진 억제부와 상기 제2 수평공진 억제부는,
동일한 물성으로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
상기 진동 활성 영역의 중심에서 상기 진동 활성 영역의 테두리 측으로 갈수록 두꺼운 두께로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
상기 압전층과 동일한 두께로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
두께가 상기 압전층 두께의 절반 이하로 형성되는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
상기 압전층보다 압전 성능이 높은 물성을 갖는 음향 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
상기 압전층보다 압전 성능이 낮은 물성을 갖는 음향 공진기.
- 제2항에 있어서,
상기 진동 활성 영역 내에 배치되는 상기 수평공진 억제부의 상부면 면적은 상기 진동 활성 영역의 상부면 전체 면적의 50% 이하로 형성되는 음향 공진기.
- 기판 상에 하부 전극과 압전층을 순차적으로 적층하는 단계;
상기 압전층에 부분적으로 이온을 주입하여 상기 압전층 내에 수평공진 억제부를 형성하는 단계; 및
상기 압전층 상에 상부 전극을 적층하여 진동 활성 영역을 완성하는 단계;
를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 수평공진 억제부는,
일부 또는 전체가 상기 진동 활성 영역 내에 형성되는 음향 공진기 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 수평공진 억제부를 형성하는 단계는,
두께가 서로 다른 제1 수평공진 억제부와 제2 수평공진 억제부를 각각 형성하는 단계를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 수평공진 억제부를 형성하는 단계는,
AIN으로 형성된 상기 압전층에 Sc, Mg, Nb, Zr, 및 Hf 중 어느 하나의 이온을 주입하여 압전층의 일부 영역을 치환하는 단계를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 수평공진 억제부를 형성하는 단계는,
AIN으로 형성된 상기 압전층에 Ar, Oxygen, B, P, 및 N 중 어느 하나의 이온을 주입하여 상기 압전층의 격자 구조를 파괴하는 단계를 포함하는 음향 공진기 제조 방법.
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