KR20240028967A - 벌크 음향 공진기 및 그의 제조 방법, 필터 및 전자 디바이스 - Google Patents

벌크 음향 공진기 및 그의 제조 방법, 필터 및 전자 디바이스 Download PDF

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KR20240028967A
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린핑 리
메이후이 쿠이
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제이더블유엘 (저장) 세미컨덕터 코., 엘티디.
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Abstract

벌크 음향 공진기, 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법, 필터 및 전자 디바이스가 제공된다. 벌크 음향 공진기는 기판, 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함한다. 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극은 기판으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 배열된다. 제1 함몰부는 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면에서 규정된다. 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 일 측면에 압전층이 형성됨에 있어, 제1 함몰부의 모폴로지가 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면으로 전사되어 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면에 제2 함몰부를 형성한다. 압전층은 동일한 두께를 갖는다. 즉, 압전층은 에칭되는 것과 같이 물리적으로 손상되지 않아 제2 함몰부 부근의 압전층의 국부적 응력 분포가 손상되지 않고 압전층의 응력 분포가 균일하도록 하여 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율을 개선시킨다. 이에 더하여, 제1 함몰부 및 제2 함몰부는 활성 영역의 에지 부근에서 규정되어 횡파 공진을 억제하고 횡파의 누설을 감소시켜 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 향상시킨다.

Description

벌크 음향 공진기 및 그의 제조 방법, 필터 및 전자 디바이스
본 출원은 2022년 8월 26일에 중국 특허청에 제출된 "벌크 음향 공진기 및 그의 제조 방법, 필터 및 전자 디바이스"라는 명칭의 중국 특허 출원 제202211034177.4호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참조로써 본원에 포함된다.
기술분야
본 개시는 반도체 기술 분야에 관한 것으로, 특히 벌크 음향 공진기, 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법, 필터 및 전자 디바이스에 관한 것이다.
혼잡해지는 전자기 스펙트럼의 증가, 무선 통신 디바이스의 주파수 대역 및 기능의 증가, 및 500MHz에서 5GHz 이상까지의 무선 통신을 위한 전자기 스펙트럼의 급속한 성장으로, 고성능, 저비용, 저전력 소비 및 소형 사이즈의 라디오 주파수 프론트 엔드 모듈에 대한 요구사항이 증가하고 있다. 라디오 주파수 프론트 엔드 모듈로서 필터는, 신호의 송수신을 향상시키는 기능을 가지며 중요한 역할을 한다. 토폴로지 네트워크 구조에 연결된 다수의 얇은 벌크 음향 공진기(Fbar)를 포함하는 필터는 해당 필터가 소형 사이즈, 강력한 통합 능력, 고품질 인자 및 고주파에서의 강력한 전력 내성 등을 갖고 있기 때문에 라디오 주파수 프론트 엔드 모듈에 대한 높은 요구사항을 충족한다. 따라서 고성능 벌크 음향 공진기의 제조가 열띤 연구 주제가 되었다.
벌크 음향 공진기는 일반적으로 상측 전극, 하측 전극 및 상측 전극과 하측 전극 사이의 압전층을 포함한다. 즉, 벌크 음향 공진기는 "개재형(sandwich)" 구조를 갖는다. 상측 전극과 하측 전극 사이에 전계가 인가되는 경우에 압전층은 전기 에너지를 음파 형태의 기계 에너지로 변환시킨다. 상측 전극의 상측 표면이 공기와 접촉함으로 인해, 상측 전극과 공기의 접합부에서 음파가 충분히 반사되어 에너지 누설을 억제한다. 이에 더하여, 하측 전극의 하측 표면에는 음향 반사 요소가 제공되어 에너지가 기판으로 누설되는 것을 방지하여 벌크 음향 공진기에 에너지를 저장한다. 벌크 음향 공진기의 압전층의 품질이 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율을 직접적으로 결정한다는 것을 알 수 있다.
벌크 음향 공진기를 제조함에 있어 압전층이 웨이퍼에 형성된다. 압전층의 재료 및 기판의 재료가 상이한 열팽창 계수 및 상이한 격자 상수를 갖고 외부 환경의 온도 변화 영향으로 인해, 압전층에서의 응력 분포가 불균일하고 웨이퍼의 압전층의 응력 분포가 변동되어 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율에 심각한 영향을 미치고 이어서 필터의 성능 및 수율에 영향을 미친다.
위의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기, 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법, 필터 및 전자 디바이스가 제공되어 균일한 응력 분포를 갖는 압전층을 포함하는 벌크 음향 공진기를 제공한다.
위의 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 실시형태에 따른 다음의 기술적 해결방안이 제공된다.
본 개시의 제1 측면에 따르면, 벌크 음향 공진기가 제공된다. 벌크 음향 공진기는 기판, 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함한다. 음향 반사 구조는 기판에 배열되거나 기판에 내장되다. 하부 전극, 압전층 및 상부 전극이 음향 반사 구조 및 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 순차적으로 배열된다. 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면에서 제1 함몰부가 규정된다. 제1 함몰부는 압전층으로 채워진다. 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면에서 제2 함몰부가 규정된다. 압전층은 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 동일한 두께를 갖는다. 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부의 정투영을 커버한다.
일 실시형태에서, 하부 전극을 향하는 음향 반사 구조 및 기판에 의해 형성되는 구조의 표면에서 제3 함몰부가 규정된다. 제3 함몰부는 하부 전극으로 채워진다. 하부 전극은 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 동일한 두께를 갖는다. 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부의 정투영을 커버한다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 음향 반사 구조의 에지가 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다. 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지로 규정되고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있으며 대향하는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 가지며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부의 제1 측면 에지는 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 음향 반사 구조의 에지가 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다. 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지로 규정되고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부의 제2 측면 에지는 상부 전극의 에지 내부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부에 대응하는 상부 전극의 일부가 기판이 위치되는 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 구성된다. 대안적으로는, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부에 대응하는 상부 전극의 일부가 기판으로부터 멀어지며 돌출되도록 구성된다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 음향 반사 구조의 에지가 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다. 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지로 규정되고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부의 제1 측면 에지는 상부 전극의 에지 내부에 있도록 구성되고, 제2 함몰부의 제2 측면 에지는 상부 전극의 에지 외부에 있도록 구성된다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 상부 전극의 에지가 음향 반사 구조의 에지 외부에 있도록 구성된다. 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지로 규정되고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부의 제1 측면 에지는 음향 반사 구조의 에지 내부에 있거나 음향 반사 구조의 에지와 일치하도록 구성되고, 제2 함몰부의 제2 측면 에지는 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상부 전극의 에지와 일치하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상부 전극은 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다. 제1 부분은 기판이 위치되는 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 구성되고, 제1 부분은 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면과 접촉하도록 구성되며, 제2 부분은 제2 함몰부 위에서 부양되도록 구성된다. 제2 부분은 기판이 위치되는 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 구성된다. 대안적으로는, 제2 부분은 제1 부분이 연장되는 방향으로부터 0°보다 크고 90°보다 작은 각도를 갖는 방향으로 연장되도록 구성된다.
일 실시형태에서, 제2 함몰부의 제1 측면 에지는 상부 전극의 에지 내부에 있도록 구성되고, 제2 함몰부의 제2 측면 에지는 상부 전극의 에지 외부에 있도록 구성된다. 제2 부분은 기판이 위치되는 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 구성되고, 제1 부분으로부터 떨어진 제2 부분의 단부면은 기판이 위치되는 평면과 수직하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상부 전극은 다수의 에지를 포함한다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부는 상부 전극의 에지 중 적어도 하나에 대응하도록 규정된다.
일 실시형태에서, 제2 함몰부는 상부 전극의 에지에 대응하는 적어도 하나의 연속 홈을 포함하고; 및/또는 제2 함몰부는 상부 전극의 에지 중 적어도 하나에 대응하는 다수의 점 형상 홈을 포함한다.
일 실시형태에서, 음향 반사 구조는 캐비티 구조 또는 분포 브래그 반사 구조가 되도록 구성된다.
일 실시형태에서, 제1 함몰부 및 제2 함몰부 각각은 역사다리꼴 형상, 역삼각 형상, 정사각 형상 또는 불규칙적 형상이 되도록 구성된다.
일 실시형태에서, 제2 함몰부는 채움 매질로 채워진다. 채움 매질은 공기, 인 도핑 이산화규소, 탄소 도핑 이산화규소, 유전체 수지 또는 벤조사이클로부텐을 포함한다.
일 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제1 함몰부의 깊이는 하부 전극의 두께와 동일하거나 이보다 작다.
일 실시형태에서, 하부 전극의 일 단부는 수직, 경사, 계단 형상 또는 호 형상이 되도록 구성된다.
본 개시의 제2 측면에 따르면, 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은: 기판이 획득되는 단계; 기판에 하부 전극이 배열되고, 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면에 제1 함몰부가 배열되며, 음향 반사 구조 또는 희생층이 하부 전극과 기판 사이에 배열되는 단계; 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 일 측면에 압전층이 배열되는 단계 - 제1 함몰부는 압전층으로 채워지고, 압전층이 형성됨에 있어 제1 함몰부의 모폴로지가 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면으로 전사되어 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면에 제2 함몰부를 형성하며, 압전층은 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 동일한 두께를 갖고, 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부의 정투영은 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부의 정투영을 커버함 -; 및 기판으로부터 떨어진 압전층의 일 측면에 상부 전극이 배열되는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 하부 전극이 배열되는 단계 전에, 방법은: 음향 반사 구조 또는 희생층이 배열되는 단계 - 상기 음향 반사 구조 또는 희생층은 기판에 배열되거나 기판에 내장됨 -; 및 음향 반사 구조 및 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면 또는 희생층 및 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 제3 함몰부가 배열되는 단계; 를 더 포함한다. 하부 전극이 배열되는 단계는: 음향 반사 구조 및 기판, 또는 희생층 및 기판에 의해 형성되는 구조의 측면에 하부 전극이 배열되는 단계, 제3 함몰부가 하부 전극으로 채워지는 단계, 제3 함몰부의 모폴로지가 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면으로 전사되어 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면에 제1 함몰부를 형성하는 단계, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 하부 전극이 동일한 두께를 갖도록 구성되는 단계, 및 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부의 정투영을 커버하도록 구성되는 단계를 포함한다.
본 개시의 제3 측면에 따르면, 필터가 제공된다. 필터는 위에서 설명되는 벌크 음향 공진기를 포함한다.
본 개시의 제4 측면에 따르면, 전자 디바이스가 제공된다. 전자 디바이스는 위에서 설명되는 필터 또는 위에서 설명되는 벌크 음향 공진기를 포함한다.
전통적인 기술과 비교할 때, 위의 기술적 해결방안은 다음의 이점을 갖는다.
본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기는 기판, 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함한다. 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극은 기판으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 배열된다. 제1 함몰부는 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 표면에서 규정된다. 기판으로부터 떨어진 하부 전극의 일 측면에 압전층이 형성됨에 있어, 제1 함몰부의 모폴로지가 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면으로 전사되어 기판으로부터 떨어진 압전층의 표면에 제2 함몰부가 형성되도록 한다. 이러한 방식으로, 압전층은 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 동일한 두께를 갖는다. 즉, 압전층은 에칭되는 것과 같이 물리적으로 손상되지 않아 제1 함몰부 및 제2 함몰부 부근의 압전층의 국부적 응력 분포가 손상되지 않도록 한다. 단일 벌크 음향 공진기의 경우, 압전층의 국부적 응력을 제어하기가 용이하여 압전층의 응력 분포가 균일하도록 함으로써 벌크 음향 공진기의 성능을 개선시킨다.
또한, 웨이퍼에 형성되는 벌크 음향 공진기의 압전층의 경우, 압전층을 물리적으로 손상시키지 않고 제1 함몰부의 모폴로지를 전사시킴으로써 벌크 음향 공진기의 압전층에 제2 함몰부가 형성될 수 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 웨이퍼의 압전층은 동일한 두께를 가져 웨이퍼의 압전층의 전체 응력 분포가 변동하는 것이 아닌 균일한 경향을 보이도록 한다. 웨이퍼의 압전층의 응력 변동이 감소되어 웨이퍼의 상이한 위치에서의 압전층의 응력이 미세한 차이를 갖도록 함으로써 웨이퍼의 압전층의 응력 분포의 균일성을 개선시키고, 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 수율을 향상시킨다.
나아가, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 경우, 압전층은 에칭되는 것과 같이 물리적으로 손상되지 않아, 벌크 음향 공진기의 기계적 강도 및 디바이스 신뢰성을 보장한다.
추가로, 벌크 음향 공진기에서 압전층의 두께 방향을 따라 전파되는 종파는 주요한 역할을 한다. 그러나 기판이 위치되는 평면과 평행한 방향을 따라 전파되는 횡파를 여기(excite)시키는 것은 불가피하며, 횡파는 활성 영역의 에지로부터 누설되기 용이하여 에너지 손실을 가져온다. 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서, 제1 함몰부 및 제2 함몰부는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 활성 영역의 에지 부근에서 규정될 수 있다. 따라서, 제2 함몰부는 압전층과 제2 함몰부에 채워지는 공기 또는 기타 매질 사이의 경계를 형성하고, 제1 함몰부는 압전층과 하부 전극 사이의 경계를 형성한다. 따라서 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하는 이중층 함몰 구조는 활성 영역의 에지 부근에서 음향 임피던스 변화를 발생시켜, 횡파 공진을 억제하고 음향 에너지에서 횡파의 비율을 감소시키기 위한 간섭 구조를 형성함으로써 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 향상시킬 수 있다. 이에 더하여, 제1 함몰부는 횡파 트랩 구조를 더 형성하여 횡파가 활성 영역으로부터 제1 함몰부로 전파될 때, 횡파가 제1 함몰부에 의해 형성된 횡파 트랩 구조에서 다수회 반사되고, 그 후 활성 영역으로 다시 반사되도록 한다. 이러한 방식으로 횡파의 누설이 감소, 즉 음향 에너지의 손실이 감소되고 횡파 공진이 더욱 억제되고 음향 에너지에서 횡파의 비율이 감소되어 벌크 음향 공진기의 품질 인자가 개선된다. 나아가, 제1 함몰부 주변의 압전층의 모폴로지 변화로 인해 제1 함몰부 주변의 압전층이 횡파를 반사시켜, 횡파의 누설을 감소시키고 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 개선시킬 수 있다.
본 개시의 실시형태에서의 기술적 해결방안 또는 전통적인 기술에서의 기술적 해결방안을 보다 명확하게 설명하기 위해, 본 개시의 실시형태 또는 전통적인 기술의 설명에서 사용되는 도면이 이하에서 간략히 설명된다. 아래에서 설명되는 도면들은 단지 본 개시의 실시형태를 설명하기 위해 사용되며, 당해 기술 분야의 통상의 기술자라면 어떠한 창의적인 노력 없이도 제공된 도면에 따라 다른 도면을 획득할 수 있음이 명백하다.
도 1(a) 내지 도 1(h)는 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도이다;
도 2(a) 내지 도 2(e)는 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도이다;
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도이다;
도 4(a) 내지 도 4(e)는 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도이다;
도 5 내지 도 8은 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도이다;
도 9는 인장 응력에 의해 휘어진 기판 및 압전층의 개략도이다;
도 10은 압축 응력에 의해 휘어진 기판 및 압전층의 개략도이다;
도 11은 전통적인 기술에 따라 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포와 본 개시의 일 실시형태에 따라 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포 사이의 비교를 도시한 개략도이다;
도 12는 전통적인 기술에 따라 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 상면도이다;
도 13은 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 상면도이며, 압전층 각각은 함몰부를 형성하도록 에칭된다;
도 14는 웨이퍼의 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 상면도이다;
도 15는 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 임피던스와 주파수 사이의 관계 및 전통적인 기술에 따른 개재형 구조를 갖는 벌크 음향 공진기의 임피던스와 주파수 사이의 관계를 도시하는 개략도이다;
도 16은 도 15에서 실선 원으로 마킹된 부분의 확대 개략도이다;
도 17은 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 스미스 서클 다이어그램(Smith circle diagram) 및 전통적인 기술에 따른 개재형 구조를 갖는 벌크 음향 공진기의 스미스 서클 다이어그램을 도시한다;
도 18은 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 상부 전극 및 제2 함몰부의 상면도이다;
도 19는 본 개시의 다른 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 상부 전극 및 제2 함몰부의 상면도이다; 그리고
도 20은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 상부 전극 및 제2 함몰부의 상면도이다.
본 개시의 실시형태의 기술적 해결방안이 본 개시의 실시형태의 도면과 함께 아래에서 명확하고 완전하게 설명된다. 분명하게, 아래에서 설명되는 실시형태는 모든 실시형태가 아니라 본 개시의 일부 실시형태일 뿐이다. 어떠한 창의적인 노력 없이 본 개시의 실시형태에 기초하여 당해 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 획득된 임의의 다른 실시형태는 본 개시의 보호 범주 내에 속한다.
본 개시에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명에서 다수의 특정 세부사항이 설명되지만, 본 개시는 본원에서 설명된 것과 상이한 다른 방식으로 구현될 수 있다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자라면 본 개시의 사상으로부터 일탈하지 않고서 유사한 실시형태를 만들 수 있으며, 따라서 본 개시는 아래에서 개시되는 특정 실시형태에 의해 한정되지 않는다.
나아가, 본 개시가 도면과 함께 상세하게 설명될 것이다. 본 개시의 실시형태의 상세한 설명에서, 디바이스의 구조 단면도는 일반적인 축척이 아니라 부분적으로 확대된다. 개략도는 오로지 예시를 위해 사용되며, 본 개시의 보호 범주는 이에 한정되지 않는다. 또한 길이, 너비 및 깊이의 3차원적 치수가 실제 생산 시에 고려되어야 한다.
배경기술에서 설명된 바와 같이, 균일한 응력 분포를 갖는 압전층을 포함하는 벌크 음향 공진기(bulk acoustic resonator)를 제공하는 것이 시급하다.
이를 고려하여, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기가 제공된다. 도 1(a) 내지 도 1(h), 도 2(a) 내지 도 2(e), 도 3(a) 내지 도 3(d), 도 4(a) 내지 도 4(e) 및 도 5 내지 도 8은 본 개시의 상이한 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 개략적인 단면 구조도를 도시한다. 도면으로부터 벌크 음향 공진기가 기판(100), 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)을 포함하는 것을 알 수 있다. 음향 반사 구조(200)는 기판(100)에 배열되거나 기판(100)에 내장된다. 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 음향 반사 구조(200) 및 기판(100)에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 순차적으로 배열된다. 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에서 제1 함몰부(10)가 규정되고, 제1 함몰부(10)는 압전층(400)으로 채워진다. 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에서 제2 함몰부(20)가 규정된다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 압전층(400)은 동일한 두께를 갖는다. 기판(100)이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영(orthographic projection)은 기판(100)이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영을 커버한다.
본 개시의 실시형태에서 전계가 하부 전극(300) 및 상부 전극(500)에 의해 인가될 때, 하부 전극(300)과 상부 전극(500) 사이에 배열되는 압전층(400)이 전기 에너지를 음파의 일 형태인 기계 에너지로 변환시킨다. 기판(100)으로부터 떨어진 상부 전극(500)의 표면은 공기와 접촉하여 반사 표면을 형성하고, 음향 반사 구조(200)는 하부 전극(300)과 기판(100) 사이에 배열된다. 반사 표면과 음향 반사 구조 모두가 음파를 반사하여, 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서의 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑(overlapping) 영역에서 음파가 저장되도록 한다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서의 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역을 형성하여 음파가 활성 영역에 저장되도록 하는 것이 알려져 있다.
압전층(400) 재료(예를 들어, AlN 재료)의 격자 상수가 기판(100) 재료의 격자 상수와 정합하지 않고 압전층(400) 재료의 열팽창 계수가 기판(100) 재료의 열 팽창 계수와 상이하기 때문에 압전층(400) 및 기판(100)은 외부 환경의 온도 변화, 예를 들어 압전층이 사용되거나 형성될 때의 온도 변화로 인해 (도 9에서 도시되는 바와 같이) 인장 응력에 의해 상향으로 휘어지거나 (도 10에서 도시되는 바와 같이) 압축 응력에 의해 하향으로 휘어짐에 유의해야 한다. 도 9 및 도 10은 오직 압전층(400)과 기판(100)만을 도시하여 응력 변화를 나타낸다. 압전층의 응력은 압전층의 유효 전기기계 커플링 계수(Kt2)에 상당한 영향을 미친다. 예를 들어, AlN 압전막의 응력이 -2200MPa의 압축 응력에서 1000MPa의 인장 응력으로 변화되는 경우에 AlN 압전막의 유효 전기기계 커플링 계수(Kt2)는 4.86%에서 7.22%로 증가한다. AlN 압전막의 유효 전기기계 커플링 계수(Kt2)에서의 상당한 변화는 벌크 음향 공진기의 성능에 심각한 영향을 미치며, 이어서 필터의 통과대역 변동, 삽입 손실 및 대역폭에 영향을 미치는 것과 같이 필터의 성능에 영향을 미친다. 따라서 벌크 음향 공진기의 성능을 개선시키기 위해서는 압전층(400)의 유효 전기기계 커플링 계수(Kt2)의 일관성을 보장하는 것이 요구된다. 즉, 압전층(400)의 응력 분포가 균일하도록 요구된다. 특히, 6인치 웨이퍼, 8인치 웨이퍼 및 12인치 웨이퍼와 같이 사이즈가 큰 웨이퍼의 경우, 웨이퍼의 사이즈 증가와 함께 압전층에 의해 발생되는 응력이 증가하므로 압전층의 응력을 균일하게 제어하는 것이 중요하다.
따라서, 본 개시의 실시형태에서는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 압전층(400)이 동일한 두께를 가지며 에칭되는 것과 같이 물리적으로 손상되지 않는다. 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성되는 제2 함몰부의 경우, 제1 함몰부(10)가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 형성되고, 그 후 압전층(400)이 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 형성되어, 따라서 제2 함몰부(20)가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성되도록 제1 함몰부(10)의 모폴로지(morphology)가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사된다. 이러한 방식으로, 제1 함몰부(10)와 제2 함몰부(20) 사이에 형성된 압전층(400)은 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 양 측면에 형성된 압전층(400)과 동일한 두께를 가져 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 부근에서 압전층(400)의 국부적 응력 분포가 손상되지 않도록 한다. 단일 벌크 음향 공진기의 경우, 압전층(400)의 국부적 응력을 제어하기가 용이하여 압전층(400)의 응력 분포가 균일하도록 한다. 압전층(400)의 균일한 응력 분포로 인해 압전층(400)의 유효 전기기계 커플링 계수(Kt2)의 분포가 균일해짐으로써 벌크 음향 공진기의 성능이 향상된다.
나아가, 웨이퍼에 형성되는 벌크 음향 공진기의 압전층의 경우, 전통적인 기술에 따라 압전층(400)을 형성함에 있어서 응력 중첩과 같은 다양한 요인으로 인해 벌크 음향 공진기의 압전층의 응력 분포가 일관되지 않는다. 도 11은 전통적인 기술에 따라 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포를 도시하는 개략도이다. 도 11로부터 전통적인 기술에서는, 압전층의 응력 분포가 웨이퍼의 에지 영역으로부터 웨이퍼의 중심 영역으로 변동한다는 것을 알 수 있다. 도 12는 전통적인 기술에 따라 웨이퍼에 형성된 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 상면도이다. 도 12로부터 전통적인 기술에서는, 웨이퍼의 압전층의 응력 분포가 원형이고 변동하며, 응력이 웨이퍼의 중앙 영역 부근에서 변화한다는 것을 알 수 있다. 웨이퍼의 압전층의 불균일한 전체 응력 분포는 웨이퍼의 압전층의 응력이 크게 변화하는 위치에 대응하는 벌크 음향 공진기의 성능에 상당한 차이를 가져와 벌크 음향 공진기의 수율을 감소시킨다.
도 13은 웨이퍼에 형성되는 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 상면도이며, 각각의 압전층은 함몰부를 형성하도록 에칭된다. 도 13으로부터, 웨이퍼의 압전층의 전체 응력 분포는 크게 변화하며 웨이퍼 중앙 영역 부근에서 응력이 여전히 변화한다는 것을 알 수 있다. 압전층이 에칭되어 함몰부를 형성한 후 압전층은 물리적으로 손상되어, 따라서 함몰부 부근에서 압전층의 응력이 넓은 범위에서 상당히 변화하고 응력은 불규칙적으로 변화한다.
따라서, 본 개시의 실시형태에서는 웨이퍼에 형성되는 벌크 음향 공진기의 압전층의 경우, 압전층을 물리적으로 손상시키지 않고 제1 함몰부(10)의 모폴로지를 전사시킴으로써 제2 함몰부(20)가 벌크 음향 공진기의 압전층(400)에 형성될 수 있다. 이에 더하여, 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 웨이퍼의 압전층(400)은 동일한 두께를 가져 웨이퍼의 압전층의 전체 응력 분포가 변동하는 것이 아닌 균일한 경향을 보이도록 한다.
도 11 및 도 14는 본 개시의 일 실시형태에 따라 웨이퍼에 형성되는 벌크 음향 공진기의 압전층의 전체 응력 분포의 개략도를 도시한다. 도 14는 상면도이다. 도 11 및 도 14로부터, 웨이퍼의 압전층의 전체 응력 분포가 균일해지는 경향을 보임을 알 수 있다. 비록 웨이퍼의 에지 영역에 대응하는 압전층의 응력이 변화하지만 해당 변화는 미세하다. 웨이퍼의 중심 영역에 대응하는 압전층의 응력 분포는 균일하다. 즉, 웨이퍼의 상이한 위치에 형성되는 압전층의 응력 간 차이가 미세하도록 웨이퍼의 벌크 음향 공진기의 압전층의 응력이 약간 변동함으로써, 웨이퍼의 압전층의 응력 분포의 균일성을 개선시키고 웨이퍼의 벌크 음향 공진기의 수율을 향상시킨다.
또한, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서 벌크 음향 공진기의 기계적 강도 및 디바이스 신뢰성이 보장되도록, 압전층은 에칭되는 것과 같이 물리적으로 손상되지 않아 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율을 개선시킨다.
벌크 음향 공진기의 이상적인 동작 모드에서 음파는 압전층의 두께 방향, 즉 종방향 모드를 따라 전파된다는 점에 유의해야 한다. 종방향 모드에서 음파는 활성 영역에 저장될 수 있다. 그러나 종방향 모드 외에, 음파는 횡방향 모드로 벌크 음향 공진기에서 전파된다. 즉, 기판이 위치되는 평면에 평행한 방향을 따라 전파되는 횡파가 존재한다. 종방향 모드 및 횡방향 모드가 동시에 존재한다. 횡파는 활성 영역에서 횡방향으로 전파되어 총 음향 에너지에서 종파의 비율을 감소시킴으로써 벌크 음향 공진기의 에너지 손실 및 에너지 소실을 가져오고 벌크 음향 공진기의 품질 인자(즉, Q 인자)를 감소시킨다는 것을 이해해야 한다. 벌크 음향 공진기의 품질 인자(즉, Q 인자)는 일반적으로, 인가되는 라디오 주파수(RF) 신호의 주기에서 벌크 음향 공진기에 저장되는 최대 음향 에너지를 해당 주기에서 소실되거나 손실되는 총 에너지로 나눔으로써 획득되는 몫으로서 규정된다. 횡방향 모드에서 공진이 발생하는 경우에, 총 음향 에너지에서 횡파의 비율이 증가되므로, 총 음향 에너지에서 종파의 비율은 감소되고 벌크 음향 공진기의 에너지 손실은 더 증가된다. 횡파는 기판이 위치되는 평면에 평행한 방향으로 전파되므로 활성 영역의 측면 에지로부터 횡파가 용이하게 누설되어 벌크 음향 공진기의 에너지 손실을 가져온다.
따라서, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)가 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 부근에서 배열될 수 있다. 일반적으로 기판(100)이 위치되는 평면 상의 음향 반사 구조(200)의 정투영이 기판(100)이 위치되는 평면 상의 상부 전극(500)의 정투영을 커버하여 압전층(400)과 접촉하는 음향 반사 구조(200) 너머의 상부 전극(500) 일부에 의해 유발되는 기생 발진을 회피한다. 따라서, 활성 영역은 일반적으로 상부 전극(500)의 단부에 기초하여 결정된다. 본 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 제1 함몰부(10)의 모폴로지를 전사시킴으로써 형성되어 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제1 함몰부(10)의 위치가 제2 함몰부(20)의 위치에 대응되도록 한다. 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지 부근에서 배열될 수 있다. 즉, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)는 활성 영역의 에지 부근에서 배열될 수 있다.
제2 함몰부(20)는 압전층(400)과 제2 함몰부(20)에 채워지는 공기 또는 기타 매질 사이의 경계를 형성한다. 제1 함몰부(10)는 압전층(400)과 하부 전극(300) 사이의 경계를 형성한다. 음향 임피던스는 매질의 재료와 관련된다. 제2 함몰부(20)에 채워지는 공기 또는 기타 매질의 음향 임피던스는 압전층(400)의 음향 임피던스와 상이하고, 하부 전극(300)의 음향 임피던스는 압전층(400)의 음향 임피던스와 상이하다. 따라서, 활성 영역의 에지 부근의 음향 임피던스 변화로 인해 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)에 의한 간섭 구조가 형성되어 횡파 공진을 억제하고 음향 에너지에서 횡파의 비율을 감소시켜 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 개선시킬 수 있다. 이에 더하여, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)는 이중층 함몰 구조를 형성하여 간섭 효과를 달성한다. 따라서 간섭 구조 및 이중층 함몰 구조로 횡파의 억제가 더욱 강화된다.
또한, 제1 함몰부(10)는 압전층의 재료로 채워진다. 압전층(400)의 음향 임피던스가 하부 전극(300)의 음향 임피던스와 상이하도록 압전층(400)의 재료는 하부 전극(300)의 재료와 상이하다. 예를 들어, 압전층은 AlN 압전층이고 하부 전극은 Mo 금속층이며, AlN 압전층의 음향 임피던스는 36 Mrayls이고, 하부 전극의 Mo 금속층의 음향 임피던스는 63 Mrayls로, 따라서 제1 함몰부(10)에서 압전층 재료 및 하부 전극 재료가 횡파 트랩 구조를 형성한다. 횡파가 활성 영역으로부터 제1 함몰부(10)로 전파될 때, 횡파는 제1 함몰부(10)에 형성된 횡파 트랩 구조에 의해 다수회 반사되어 활성 영역으로 다시 돌아온다. 따라서, 횡파의 누설이 감소, 즉 음향 에너지의 손실이 감소된다. 이 외에, 횡파 공진이 추가적으로 억제되고 음향 에너지에서 횡파의 비율이 감소되어 벌크 음향 공진기의 품질 인자가 향상된다. 나아가, 제1 함몰부(10) 주변에서 압전층의 모폴로지가 변화되고, 따라서 횡파가 반사되어 횡파의 누설을 감소시키고 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 향상시킨다.
도 15는 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 임피던스와 주파수 사이의 관계 및 전통적인 기술에 따른 개재형 구조를 갖는 벌크 음향 공진기의 임피던스와 주파수 사이의 관계를 도시하는 개략도이다. 도 15로부터, 개재형 구조를 갖는 전통적인 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)는 3.5Ω이고, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)는 1.5Ω임을 알 수 있다. 즉, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)가 개재형 구조를 갖는 전통적인 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)보다 작다.
도 16은 도 15에서 실선 원으로 마킹된 부분의 확대 개략도이다. 도 16으로부터, 개재형 구조를 갖는 전통적인 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)는 2700Ω이고, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)는 3000Ω임을 알 수 있다. 즉, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)가 개재형 구조를 갖는 전통적인 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)보다 크다.
개재형 구조를 갖는 전통적인 벌크 음향 공진기와 비교하여, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서 제1 함몰부(10)는 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 형성되고, 제2 함몰부(20)는 모폴로지 전사를 통해 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성되어 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)가 감소되고 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)가 증가되도록 함을 알 수 있다. 공진기의 Q 값(Qs 및 Qp로 표현됨)은 공진기의 임피던스 값(Rs 및 Rp로 표현됨)과 높은 상관관계를 갖는 것으로 알려져 있다. 벌크 음향 공진기가 일정한 면적을 갖는 경우, Rs는 Qs와 음의 상관관계를 갖고 Rp는 Qp와 양의 상관관계를 갖는다. 따라서 본 실시형태에서, 벌크 음향 공진기의 직렬 임피던스(Rs)의 감소는 Qs의 증가를 유발하거나, 또는 벌크 음향 공진기의 병렬 임피던스(Rp)의 증가는 Qp의 증가를 유발한다. Qs 또는 Qp의 증가는 벌크 음향 공진기의 Q 인자의 증가를 나타낸다. 일반적으로 벌크 음향 공진기의 Q 인자(Qs 및 Qp로 표현됨)가 클수록 음향 손실이 작아짐을 나타내어, 벌크 음향 공진기의 보다 양호한 성능을 달성하고 벌크 음향 공진기를 캐스케이딩(cascading)함으로써 형성되는 필터의 보다 작은 통과대역 삽입 손실을 달성함으로써 전반적으로 보다 양호한 성능을 달성한다.
도 17은 본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 스미스 서클 다이어그램 및 전통적인 기술에 따른 개재형 구조를 갖는 벌크 음향 공진기의 스미스 서클 다이어그램을 도시한다. 도 17로부터, 전통적인 기술에 따른 개재형 구조를 갖는 벌크 음향 공진기와 비교하여, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 곡선은 스미스 서클의 에지에 보다 가깝고 보다 완만하여, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기가 보다 적은 기생 발진을 갖는 것을 나타내며, 즉, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기의 기생 공진의 강도가 크게 개선되었음을 나타내는 것을 알 수 있다.
나아가, 본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)가 활성 영역의 에지 부근에 배열되는 것으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)는 활성 영역 내부에 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 2(b)에 도시되는 바와 같이, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지 내부에 배열된다. 외관상(apparently), 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)의 위치에 대응하는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 오버랩되지 않기 때문에, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 모두는 비활성 영역에 위치되며, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)의 양 측면은 활성 영역에 위치될 수 있다.
본 개시의 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서, 제1 함몰부(10)는 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 형성되고 제2 함몰부(20)는 모폴로지 전사를 통해 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성된다. 이러한 방식으로, 압전층(400)이 물리적으로 손상되지 않고서 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성되어, 전통적인 기술에 따라 압전층(400)을 에칭하는 것과 같은 물리적 손상을 수행함으로써 압전층(400)에 함몰부를 형성하여 발생되는 압전층(400)의 불균일한 응력 분포 문제를 해결하고 압전층(400)의 응력 분포의 균일성을 개선시키며 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율을 향상시킨다. 이에 더하여, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)가 활성 영역의 에지 부근에 배열되어 횡파 공진을 억제하고 횡파의 누설을 감소시킬 수 있다. 즉, 음향 에너지의 손실이 감소되고 음향 에너지에서 횡파의 비율이 감소됨으로써 벌크 음향 공진기의 품질 인자가 개선된다.
본 실시형태에서, 압전층(400)의 증착 시에 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 전사되며, 따라서 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성된다. 따라서, 제2 함몰부(10)의 모폴로지가 제1 함몰부(20)의 모폴로지와 이상적으로 동일하다. 즉, 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영과 완전히 일치한다. 그러나, 실제 프로세스를 고려할 때, 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영은 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영보다 클 수 있다. 즉, 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영은 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영을 커버한다.
구체적으로, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 깊이는 제1 함몰부(10)의 깊이보다 작거나 이와 동일하다. 기판이 위치되는 평면에 평행한 방향에서 제2 함몰부(20)의 너비는 제1 함몰부(10)의 너비보다 작거나 이와 동일하다.
제1 함몰부(10)의 경우, 제1 함몰부(10)의 깊이는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 하부 전극(300)의 두께보다 작거나 이와 동일할 수 있다. 일 실시형태에서, 제1 함몰부(10)의 깊이는 10nm에서 50nm까지의 범위이고, 제1 함몰부(10)의 너비는 제1 함몰부 깊이의 1.5배 내지 3배로 설정될 수 있어, 제1 함몰부(10)를 채움에 있어 압전층(400)의 모폴로지 변화를 완화시키고, 압전층(400)의 응력 변화를 최소화한다. 일부 경우에서, 제1 함몰부(10)의 깊이는 50nm에서 100nm까지, 또는 심지어 150nm 이상(예를 들어, 300nm)의 범위로 설정된다. 이러한 경우에서는, 제1 함몰부(10)의 너비가 넓혀져 제1 함몰부(10)에서 압전층(400)의 모폴로지 변화를 완화함으로써 성능과 안정성의 균형을 이룰 수 있다. 제2 함몰부(20)의 경우, 제2 함몰부(20)의 두께는 제1 함몰부의 두께보다 작거나 이와 동일하고, 제2 함몰부(20)의 너비는 제1 함몰부의 너비보다 작거나 이와 동일하다.
본 실시형태에서 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 각각은 역사다리꼴 형상, 역삼각 형상, 정사각 형상 또는 불규칙적 형상일 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다. 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)의 측벽이 경사진 경우, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)에서 압전층(400)의 모폴로지 변화가 완화됨으로써 압전층(400)의 응력 변화를 최소화한다.
본 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 채움 매질(filling medium)로 채워진다. 채움 매질은 낮은 음향 임피던스, 낮은 유전율 또는 높은 절연성을 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 구체적으로, 채움 매질은 공기, 인 도핑(phosphorus-doped) 이산화규소(PSG), 탄소 도핑 이산화규소(즉, SiOC, SiC 및 SiN의 중합체), 유전체 수지(예를 들어, SiLK로서 상업적으로 알려진 유전체 수지), 벤조사이클로부텐(BCB) 등을 포함하며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다. 그러나, 제2 함몰부(20)는 어떠한 금속 재료로도 채워지지 않아야 한다는 점에 유의해야 한다.
본 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 평행한 방향에서 하부 전극(300)의 단부(즉, 하부 전극(300)의 에지)는 제1 함몰부(10)의 바깥 에지를 넘어서도록 요구된다. 즉, 제1 함몰부(10)는 하부 전극(300)의 에지 내부에 배열되도록 요구되며, 압전층(400)의 단부는 하부 전극(300)의 단부를 넘어서도록 요구된다. 구체적으로, 기판이 위치되는 평면에 평행한 방향에서 제1 함몰부(10)의 외측 에지와 하부 전극(300)의 단부 사이의 거리는 2μm에서 5μm까지의 범위일 수 있다.
본 실시형태에서 하부 전극(300)의 단부는 기판이 위치되는 평면에 수직, 즉 하부 전극(300)의 단부가 수직일 수 있다. 다르게는, 하부 전극(300)의 단부와 기판이 위치되는 평면 사이의 각도가 0도에서 90도까지의 범위로, 즉 하부 전극(300)의 단부가 경사진다. 대안적으로는, 하부 전극(300)의 단부가 계단 형상 또는 호(arc) 형상일 수 있다. 하부 전극(300)의 단부가 경사진 경우에, 계단 형상 또는 호 형상으로 압전층(400)을 후속적으로 증착함에 있어 하부 전극(300)의 단부에서 압전층(400)의 증착으로 인해 발생되는 재료의 불연속성이 약화되어, 이에 의해 압전층(400)의 압전 일관성을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에서, 도 1(a) 내지 도 1(h), 도 2(a) 내지 도 2(e), 도 3(a) 내지 도 3(d), 도 4(a) 내지 도 4(e), 도 6 및 도 7에 도시되는 바와 같이, 음향 반사 구조(200)는 캐비티(cavity) 구조(210)일 수 있다. 일 실시형태에서, 캐비티 구조(210)는 기판에 내장될 수 있다. 그러면, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100)의 표면에서 홈이 규정되고, 홈은 후속적으로 캐비티 구조를 형성한다. 일 실시형태에서, 캐비티 구조(210)가 기판(100)의 표면 위에서 규정될 수 있다. 그러면, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100)의 표면은 수평이고, 하부 전극(300)은 기판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 돌출되며, 기판(100)의 표면과 돌출된 하부 전극(300) 사이에 캐비티 구조가 형성된다.
일 실시형태에서, 도 5 및 도 8에 도시되는 바와 같이, 음향 반사 구조(200)는 고체 조립 공진기(solid assembled resonator, SMR)를 형성하기 위한 분포 브래그 반사(distributed Bragg reflection, DBR) 구조(220)일 수 있다. 분포 브래그 반사 구조(220)는 기판(100)에 배열되거나 기판(100)에 내장될 수 있다. 분포 브래그 반사 구조(220)는 낮은 음향 저항을 갖는 재료와 높은 음향 저항을 갖는 재료가 교대로 적층됨으로써 형성된다. 음향 반사 구조로서 캐비티 구조 대신에 분포 브래그 반사 구조를 사용하면, 압력 하에서 활성 영역의 붕괴로 인해 발생되는 캐비티 구조 위 활성 영역의 열악한 기계적 안정성 및 신뢰성 문제가 해결될 수 있다. 즉, 벌크 음향 공진기에서 활성 영역의 기계적 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
위의 실시형태들에 기초하여, 본 개시의 일 실시형태에서, 도 1(a) 내지 도 1(h), 도 2(a) 내지 도 2(e), 도 3(a) 내지 도 3(d), 도 4(a) 내지 도 4(e) 및 도 5를 참조하면, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에서 규정되는 제1 함몰부(10)는 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 에칭은 건식 에칭, 습식 에칭 또는 건식 및 습식 에칭을 수행함으로써 수행될 수 있다.
본 개시의 일 실시형태에서, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에서 규정되는 제1 함몰부(10)는 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성되는 제2 함몰부(20)와 유사하게 모폴로지 전사를 통해 형성될 수 있다.
구체적으로, 본 개시의 일 실시형태에서, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 제3 함몰부(30)가 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에서 규정된다. 제3 함몰부(30)는 하부 전극(300)으로 채워진다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 하부 전극(300)은 동일한 두께를 갖는다. 기판(100)이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부(30)의 정투영은 기판(100)이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영을 커버한다.
본 실시형태에서, 제3 함몰부(30)가 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에서 규정되며, 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 하부 전극(300)이 형성됨에 있어 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 직접 전사되고, 그 후 제1 함몰부(10)가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 형성된다. 제3 함몰부(30)가 하부 전극(300)으로 채워져, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 압전층(400)이 형성됨에 있어 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 직접 전사되도록 한 후, 제2 함몰부(20)가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 형성된다. 제1 함몰부(10)는 압전층(400)으로 채워진다. 따라서, 하부 전극(300) 및 압전층(400)의 증착 시에 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 제1 함몰부(10)로 전사된 다음 제2 함몰부(20)로 전사된다. 즉, 제1 함몰부(10), 제2 함몰부(20) 및 제3 함몰부(30)는 유사한 모폴로지를 가지며, 제1 함몰부(10), 제2 함몰부(20) 및 제3 함몰부(30)의 위치는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 서로에 대응된다.
기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 압전층(400)이 동일한 두께를 갖고 하부 전극(300)이 동일한 두께를 갖는다. 즉, 압전층(400)을 (에칭과 같이) 물리적으로 손상하지 않고서 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성되고, 하부 전극(300)을 (에칭과 같이) 물리적으로 손상하지 않고서 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 형성된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서는 압전층(400)의 응력 분포가 균일하여 양호한 디바이스 성능 및 수율을 달성한다.
본 실시형태에서, 하부 전극(300)의 증착 중에 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 전사되며, 따라서 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 형성된다. 따라서, 제1 함몰부(10)의 모폴로지는 제3 함몰부(30)의 모폴로지와 이상적으로 동일하다. 즉, 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부(30)의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영과 완전히 일치한다. 그러나, 실제 프로세스를 고려할 때, 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부(30)의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(30)의 정투영보다 클 수 있다. 즉, 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부(30)의 정투영이 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영을 커버한다.
음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조(210) 또는 분포 브래그 반사 구조(220)일 수 있기 때문에, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에 제3 함몰부(30)를 형성하는 프로세스는 음향 반사 구조(200)가 상이한 구조일 때 상이하다는 점에 유의해야 한다.
구체적으로, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조(210)이고 캐비티 구조(210)가 기판(100)에 내장된 경우에, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에 제3 함몰부(30)를 형성하는 프로세스는 다음의 단계를 포함한다.
첫째로, 기판(100)이 에칭되어 홈을 형성한다.
그 후, 기판(100)의 홈이 희생 재료(sacrificial material)로 채워지고 희생 재료가 기판(100)의 표면과 동일 평면상에 있도록 희생 재료가 연삭 및 연마된다. 희생 재료는, 예를 들어 8%의 인 및 92%의 이산화규소를 포함하는 인 규산염 유리(PSG)를 포함할 수 있다. 희생 재료는 불화 수소산으로 에칭함으로써 제거될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시되는 바와 같이, 기판(100)을 에칭함으로써 제3 함몰부(30)가 형성될 수 있다. 외관상, 도 7에 도시되는 바와 같이, 기판(100)의 홈에 채워진 희생 재료를 에칭함으로써 제3 함몰부(30)가 형성될 수 있다. 대안적으로는, 기판(100) 및 기판(100)의 홈에 채워진 희생 재료를 에칭함으로써 제3 함몰부(30)가 형성될 수 있다. 즉, 제3 함몰부(30)는 캐비티 구조(210)의 에지와 교차한다.
그 후, 희생 재료 및 기판(100)의 일 측면에 하부 전극(300)이 형성됨에 있어 제3 함몰부(30)가 하부 전극(300)으로 채워진다. 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 형성되도록 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 전사되고, 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 순차적으로 형성된다. 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성되도록 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사된다.
이어서, 기판(100)의 홈의 희생 재료가 부식 용액을 사용하여 제거된다. 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 순차적으로 형성된 후, 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 캐비티 구조(210) 위에 부양(suspended)되도록 압전층(400)이 캐비티 구조(210)로 에칭되어 캐비티 구조(210)의 희생 재료를 제거하기 위한 릴리즈 홀(release hole)을 형성하여 하부 전극으로부터 공기로의 반사 계면(interface)을 제공한다.
음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조이고 캐비티 구조(210)가 기판(100) 위에 배열되는 경우, 기판(100)의 표면에 희생 재료가 형성될 수 있으며, 이어서 기판(100) 및 희생 재료에 의해 형성되는 구조의 일 측면이 에칭되어 제3 함몰부(30)가 형성됨을 이해해야 한다. 후속적으로 하부 전극(300)을 증착함에 있어 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 전사되어 제1 함몰부(10)를 형성한다. 압전층(400)을 증착함에 있어 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사되어 제2 함몰부를 형성한다. 최종적으로 상부 전극(500)이 형성된다. 그 후, 기판(100)의 희생 재료가 부식 용액을 사용함으로써 제거되어 하부 전극(300)과 기판(100) 사이에 캐비티 구조(210)를 형성한다.
음향 반사 구조(200)가 분포 브래그 반사 구조(220)인 경우에, 기판(100)에 내장된 분포 브래그 반사 구조가 일례로서 취해짐으로써 예시된다. 도 8을 참조하면, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에 제3 함몰부(30)를 형성하는 프로세스가 다음의 단계를 포함한다.
첫째로, 기판(100)이 에칭되어 홈을 형성한다.
이어서, 기판(100)의 홈에 분포 브래그 반사 구조(220)가 형성된다. 기판(100) 및 분포 브래그 반사 구조(220)에 의해 형성된 구조가 에칭되어 제3 함몰부(30)를 형성할 수 있다. 즉, 제3 함몰부(30)는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 분포 브래그 반사 구조(220)의 에지 외부, 분포 브래그 반사 구조(220)의 에지 내부, 또는 분포 브래그 반사 구조(220)의 에지를 가로질러 규정될 수 있다. 그러나, 분포 브래그 반사 구조에 미치는 영향을 감소시키기 위해, 제3 함몰부(30)는 분포 브래그 반사 구조(220)의 에지 외부에서 규정되는 것이 바람직하다.
이어서, 제3 함몰부(30)가 하부 전극(300)으로 채워지도록 기판(100) 및 분포 브래그 반사 구조(220)의 일 측면에 하부 전극(300)이 형성된다. 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 전사되어 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 형성된다. 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 순차적으로 형성된다. 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사되어 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)를 형성하고, 최종적으로 상부 전극(500)이 형성된다.
음향 반사 구조(200)가 분포 브래그 반사 구조(220)라면, 분포 브래그 반사 구조(220)가 기판 위에 배열되는 경우는 분포 브래그 반사 구조가 기판에 내장되는 경우와 유사함을 이해해야 하며, 이는 본원에서 반복되어 설명되지 않는다.
본 실시형태에서, 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에서 규정되는 제3 함몰부(30)는 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면을 에칭함으로써 형성될 수 있거나, 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면의 제2 함몰부(20)의 형성과 유사하게 모폴로지 전사를 통해 하부 전극(300)을 향하는 기판(100) 및 음향 반사 구조(200)에 의해 형성되는 구조의 표면에 형성될 수 있으며, 이는 본 개시에서 제한되지 않는다.
제1 함몰부(10)는 하부 전극(300)에서 규정되고, 제2 함몰부(20)는 압전층(400)에서 규정되고, 활성 영역은 기판(100)이 위치되는 표면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이기 때문에, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 및 활성 영역 사이의 위치 관계는 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 및 상부 전극(500) 사이의 위치 관계, 및 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 및 음향 반사 구조(200) 사이의 위치 관계에 따라 달라진다. 이에 더하여, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제1 함몰부(10)의 위치는 제2 함몰부(20)의 위치에 대응하기 때문에 상부 전극(500)과 제2 함몰부(20) 사이의 위치 관계는 상부 전극(500) 및 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 사이의 위치 관계를 나타내고, 음향 반사 구조(200)와 제2 함몰부(20) 사이의 위치 관계는 음향 반사 구조(200) 및 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20) 사이의 관계를 나타낸다. 이하에서, 기판(100)에 내장된 캐비티 구조(210)로서의 음향 반사 구조가 일례로서 취해짐으로써 상세한 설명이 제공된다.
실제 애플리케이션에서, 기판(100)이 위치되는 평면 상의 음향 반사 구조(200)의 정투영은 일반적으로 기판(100)이 위치되는 평면 상의 상부 전극(500)의 정투영을 커버하여 압전층(400)과 음향 반사 구조(200) 너머의 상부 전극(500) 일부 사이의 접촉에 의해 발생되는 기생 발진이 회피된다는 점을 위의 설명으로부터 알 수 있다. 따라서, 도 1(a) 내지 도 1(h)에 도시된 바와 같이, 위의 실시형태 중 어느 하나에 기초하여, 본 개시의 일 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)의 에지는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 외부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다. 제2 함몰부(20)는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 갖고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 외부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다.
구체적으로, 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지가 상부 전극(500)의 에지와 일치하는 경우, 활성 영역은 음향 반사 구조(200)에 대응하는 영역 또는 상부 전극(500)에 대응하는 영역이다. 이 경우에, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지(또는 음향 반사 구조(200)의 에지)와 일치할 수 있다. 대안적으로는, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지가 상부 전극(500)의 에지(또는 음향 반사 구조(200)의 에지) 외부에 있어, 즉 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지와 상부 전극(500)의 에지 사이에 거리가 존재할 수 있다.
기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지가 상부 전극(500)의 에지 외부에 있는 경우, 활성 영역은 상부 전극(500)에 대응하는 영역이다. 이 경우에, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지가 상부 전극(500)의 에지와 일치한다면, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있을 수 있다. 대안적으로는, 도 1(d)에 도시된 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지가 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치할 수 있다. 다르게는, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지가 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 있을 수 있다. 즉, 제2 함몰부(20)는 도 1(e)에 도시된 바와 같이, 음향 반사 구조(200)의 에지와 교차한다.
제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지가 상부 전극(500)의 에지 외부에 있는, 즉, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지와 상부 전극(500)의 에지 사이에 거리가 존재한다면, 제2 함몰부(20)는 도 1(f)에 도시된 바와 같이, 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있거나 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치할 수 있다. 대안적으로는, 제2 함몰부(20)가 음향 반사 구조(200)의 에지와 교차할 수 있으며, 그러면 도 1(g)에 도시된 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있고 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 있다. 다르게는, 제2 함몰부(20)가 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에서 규정될 수 있으며, 따라서 도 1(h)에 도시된 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 배열되거나 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치한다.
위의 실시형태들에서, 기판(100)이 위치되는 평면 상의 음향 반사 구조(200)의 정투영은 기판(100)이 위치되는 평면 상의 상부 전극(500)의 정투영보다 크거나 이와 동일하다는 점에 유의해야 한다. 또한, 기판(100)이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영은 기판(100)이 위치되는 평면 상의 상부 전극(500)의 정투영과 오버랩되지 않거나, 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영은 기판(100)이 위치되는 평면 상의 상부 전극(500)의 정투영과 경계에서 접촉한다. 따라서 활성 영역은 상부 전극(500)의 에지에 의해 규정된다.
도 2(a) 내지 도 2(e)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)의 에지는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 외부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다. 제2 함몰부(20)는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 갖고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다.
음향 반사 구조(200)의 에지가 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 외부에 있는 경우, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지와 일치할 수 있다. 이 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다. 대안적으로, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부에 있을 수 있다. 즉, 도 2(b)에 도시되는 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지와 상부 전극(500)의 에지 사이에 거리가 존재한다. 그러면, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역 및 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지와 상부 전극의 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역 양쪽 모두가 활성 영역이다.
음향 반사 구조(200)의 에지가 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지와 일치하는 경우, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 2(c)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지와 일치할 수 있다. 이 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다. 대안적으로, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부에 있을 수 있다. 즉, 도 2(d)에 도시되는 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지와 상부 전극(500)의 에지 사이에 거리가 존재한다. 그러면, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역 및 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지와 상부 전극의 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역 양쪽 모두가 활성 영역이다.
위의 실시형태 중 어느 하나에 기초하여, 도 2(a) 내지 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)에 대응하는 상부 전극(500)의 일부의 연장 방향은 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 기판(100)이 위치되는 평면과 평행하다. 즉, 제2 함몰부(20)에 대응하는 상부 전극(500)의 일부는 수평이다.
도 2(e)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)에 대응하는 상부 전극(500)의 일부는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 기판(100)으로부터 멀어지며 돌출된다. 즉, 제2 함몰부(20)에 대응하는 상부 전극(500)의 일부는 아치형 다리(arch bridge)와 유사한 구조를 형성한다. 그러면 제2 함몰부(20)는 아치형 다리 구조를 갖는다. 아치형 다리 구조를 갖는 제2 함몰부(20)에 의하면, 횡파 반사 효과가 더욱 향상되고 벌크 음파 공진기의 품질 인자가 개선된다.
도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 다른 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)의 에지는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 외부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다. 제2 함몰부(20)는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 갖고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부에 있고, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 외부에 있다.
본 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지와 교차한다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지가 상부 전극(500)의 에지와 일치하는 경우에, 제2 함몰부(20)가 상부 전극(500)의 에지(또는 음향 반사 구조(200)의 에지)와 교차하는 경우가 도 3(a)에 도시된 바와 같다. 이 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다.
음향 반사 구조(200)의 에지가 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 에지 외부에 있는 경우, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 3(b)에 도시되는 바와 같이, 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있을 수 있다. 대안적으로, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 3(c)에 도시되는 바와 같이, 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치할 수 있다. 다르게는, 도 3(d)에 도시되는 바와 같이, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지가 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 있을 수 있다. 위의 3가지 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다.
위의 실시형태에서, 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)은 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 배열된다. 상부 전극(500)의 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치할 수 있거나 상부 전극(500)의 에지가 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있을 수 있다. 제2 함몰부(20)가 상부 전극(500)의 에지와 교차하는 경우에, 상부 전극(500)의 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 있을 수 있고, 그러면 음향 반사 구조(200)의 에지 너머의 상부 전극(500)의 일부가 제2 함몰부(20)에서 부양될 수 있어 압전층(400)이 기생 발진을 발생하는 음향 반사 구조(200)의 에지 너머의 상부 전극(500)의 일부와 접촉하지 않도록 하는 것이 밝혀졌다. 따라서, 도 4(a) 내지 도 4(e)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 다른 실시형태에서, 상부 전극(500)의 에지는 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에 있다. 제2 함몰부(20)는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 갖고, 제1 측면 에지는 제2 측면 에지와 대향하며, 제2 측면 에지는 제1 측면 에지 외부에 있다. 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있거나 음향 반사 구조(200)의 에지와 일치하고, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 외부에 있거나 상부 전극(500)의 에지와 일치한다.
구체적으로, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지가 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지 내부에 있는 경우, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 4(a)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지 외부에 있을 수 있다. 대안적으로, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 4(b)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지와 일치할 수 있다. 위의 두 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다.
기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지가 음향 반사 구조(200) 에지의 내측면과 일치하는 경우, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 도 4(c)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지 외부에 있을 수 있다. 대안적으로, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지가 도 4(d)에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(500)의 에지와 일치할 수 있다. 위의 두 경우에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지 사이에 위치되는 음향 반사 구조(200), 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)의 오버래핑 영역이 활성 영역이다.
위의 실시형태에서, 상부 전극(500)의 에지가 음향 반사 구조(200)의 에지를 넘어선다는 점에 유의해야 한다. 그러나 음향 반사 구조(200)의 에지 외부에서 상부 전극(500)이 제2 함몰부(20)에 의해 압전층(400)으로부터 분리되어 상부 전극(500)이 음향 반사 구조(200) 에지 외부의 압전층(400)과 접촉하지 않도록 한다. 따라서, 기생 공진이 발생되지 않는다.
위의 실시형태에 기초하여, 상부 전극(500)은 제1 부분(510) 및 제2 부분(520)을 포함한다. 제1 부분(510)은 기판(100)이 위치되는 평면과 평행한 방향으로 연장되며, 제1 부분(100)은 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면과 접촉한다. 제2 부분(520)은 제2 함몰부(20) 위에서 부양된다. 즉, 상부 전극(500)의 제2 부분(520)은 "모자챙(hat brim)" 구조를 형성한다.
도 3(a) 내지 도 3(d) 및 도 4(a) 내지 도 4(d)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에서, 상부 전극(500)의 제2 부분(520)은 기판(100)의 평면과 평행한 방향으로 연장된다. 즉, 본 실시형태에서, 상부 전극의 제1 부분(510) 및 제2 부분(520)은 기판이 위치되는 평면과 평행한 동일한 방향으로 연장되며, 이들은 수평이다.
도 4(e)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 다른 실시형태에서, 상부 전극(500)의 제2 부분(520)의 연장 방향과 상부 전극(500)의 제1 부분(510)의 연장 방향 사이의 각도는 0도보다 크고 90도보다 작다. 즉, 본 실시형태에서, 제2 함몰부(200) 위에 있는 상부 전극(500)의 제2 부분(520)은 기판(100)으로부터 멀리 상향으로 기울어져 있다. 따라서, 음향 반사 구조(200)의 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부 또는 상부 전극(500)의 에지 외부, 또는 상부 전극(500)의 에지와 일치하여 위치될 수 있다.
위의 실시형태에 기초하여, 도 3(a) 내지 도 3(d), 도 4(a) 및 도 4(c)에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)의 제1 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 내부에 위치되고, 제2 함몰부(20)의 제2 측면 에지는 상부 전극(500)의 에지 외부에 위치된다. 즉, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지와 교차한다.
따라서, 상부 전극(500)의 제2 부분(520)의 연장 방향은 기판(100)이 위치되는 평면과 평행하고, 제1 부분(510)으로부터 떨어진 상부 전극(500)의 제2 부분(520)의 단부면은 기판(100)이 위치되는 평면에 수직이다. 즉, 제2 함몰부(20) 위에서 부양되는 상부 전극(500)의 측벽은 수직이다. 수직 측벽은 건식 에칭을 수행함으로써 형성될 수 있다. 건식 에칭을 수행함에 있어, 상부 전극(500)의 측면은 공기 또는 기타 매질로 채워지는 제2 함몰부(20)에 의해 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로부터 분리되기 때문에 약간 과도한 에칭이 수행되더라도 압전층(400)이 손상되지 않아, 이에 의해 압전층(400)의 압전 일관성을 보호한다.
위의 실시형태에 기초하여, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지 내부, 상부 전극(500)의 에지를 가로질러, 또는 상부 전극(500)의 에지 외부에서 규정될 수 있음을 알 수 있다. 상부 전극(500)은 일반적으로 오각 형상과 같은 다각 형상이다. 따라서, 도 18 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 상부 전극(500)은 다수의 측면 에지를 포함하고, 제2 함몰부(20)는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 측면 에지 중 적어도 하나에 대응하여 규정된다.
본 개시의 일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 측면 에지 중 하나에 대응하여 규정된다.
본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 측면 에지 중 다수에 대응하여 규정된다.
본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 상부 전극(500)의 모든 측면 에지에 대응하여 규정된다. 본 개시에서, 제2 함몰부(20)가 상부 전극(500)의 측면 에지 중 하나에 대응하여 규정되는지 또는 상부 전극(500)의 측면 에지 중 다수에 대응하여 규정되는지 한정되지 않으며, 이는 실제 상황에 따라 달라진다.
위의 실시형태에 기초하여, 도 18 및 도 19에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지에 대응하는 적어도 하나의 연속 홈을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 (도 18에 도시되는 바와 같이) 상부 전극(500)의 에지를 둘러싸는 연속 홈일 수 있다. 상부 전극(500)의 에지 각각에 대해, 에지에 대응하는 연속 홈의 일부는 규칙적이거나 불규칙적일 수 있고, 에지에 대응하는 연속 홈의 일부는 동일하거나 상이한 길이, 너비 및 깊이를 가질 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
구체적으로, 본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 (도 19에 도시되는 바와 같이) 상부 전극(500)의 에지를 둘러싸는 다수의 연속 홈을 포함할 수 있다. 다수의 연속 홈은 동일하거나 상이한 형상, 길이, 너비 및 깊이를 가질 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
도 20에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지 중 적어도 하나에 대응하는 다수의 점 형상(point-shaped) 홈을 포함할 수 있다. 다수의 점 형상 홈은 동일하거나 상이한 형상, 길이, 너비 및 깊이를 가질 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
도 18 내지 도 20에 기초하여, 본 개시의 다른 실시형태에서, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지에 대응하는 적어도 하나의 연속 홈 및 상부 전극(500)의 에지 중 적어도 하나에 대응하는 다수의 점 형상 홈을 포함할 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
위의 실시형태에서, 기판(100)이 위치되는 평면에 수직인 방향에서, 제2 함몰부(20)는 상부 전극(500)의 에지 외부에서, 상부 전극(500)의 에지와 교차하여, 또는 상부 전극(500)의 에지 내부에서 규정될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 즉, 제2 함몰부(20)와 상부 전극(500)의 에지 사이의 거리는 0 이상일 수 있다. 제2 함몰부(20)와 상부 전극(500)의 에지 사이의 거리는 동일하거나 상이할 수 있으며, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
예를 들어, 제2 함몰부(20)와 상부 전극(500)의 하나의 에지 사이의 거리는 0보다 크고, 제2 함몰부(20)와 상부 전극(500)의 다른 에지 사이의 거리는 0과 동일하다.
일 실시형태에서, 제2 함몰부(20)와 상부 전극(500)의 에지 사이의 거리는 0μm에서 10μm까지의 범위로, 이는 실제 상황에 따라 결정된다.
위의 실시형태 중 어느 하나에 기초하여, 본 개시의 일 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)는 직사각 형상일 수 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지를 식별하기가 용이하다. 위의 실시형태에서 제2 함몰부(20)와 음향 반사 구조(200) 사이의 위치 관계의 설명과 같이, 제2 함몰부(20)는 음향 반사 구조(200)의 에지 외부, 음향 반사 구조(200)의 에지 내부, 또는 음향 반사 구조(200)의 에지를 가로질러 규정될 수 있다.
본 개시의 다른 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)는 역사다리꼴 형상일 수 있다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 음향 반사 구조(200)의 에지는 역사다리꼴의 상측 하부(upper bottom)에 대응할 수 있다. 위의 실시형태에서 제2 함몰부(20)와 음향 반사 구조(200) 사이의 위치 관계의 설명과 같이, 제2 함몰부(20)는 음향 반사 구조(200)의 에지 외부, 음향 반사 구조(200)의 에지 내부, 또는 음향 반사 구조(200)의 에지를 가로질러 규정될 수 있다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법이 추가로 제공된다. 도 1(a) 내지 도 1(h), 도 2(a) 내지 도 2(e), 도 3(a) 내지 도 3(d), 도 4(a) 내지 도 4(e), 및 도 5 내지 도 8을 참조하여, 방법은 다음의 단계 S100 내지 단계 S400을 포함한다.
단계 S100에서, 기판(100)이 획득된다.
기판(100)은 고임피던스 Si 기판인 것이 바람직하다. 대안적으로, 기판(100)은 이산화규소(SiO2) 기판, 비화 갈륨(GaAs) 기판, 질화 갈륨(GaN) 기판, 유리 기판 또는 세라믹 기판과 같은 다른 기판일 수 있다.
단계 S200에서, 기판(100)에 하부 전극(300)이 배열되고, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 규정되며, 음향 반사 구조(200) 또는 희생층이 하부 전극(300)과 기판(100) 사이에 배열된다.
하부 전극(10)의 에지는 외부와 연결되어 하부 전극에 전기적 신호를 제공한다.
일 실시형태에서, 음향 반사 구조(200)는 캐비티 구조(210) 또는 분포 브래그 반사 구조(220)일 수 있다.
구체적으로, 음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조(210)인 경우, 캐비티 구조(210)는 기판(100)에 배열될 수 있다. 이 경우에, 희생층이 형성되도록 희생 재료가 기판(100)에 증착되는 것이 요구된다. 그 후, 희생 재료가 하부 전극(300)과 기판(100) 사이에 채워지도록 하부 전극(300)이 희생 재료 및 기판(100) 상에 형성된다. 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 순차적으로 형성된 후, 압전층(400)이 희생 재료로 에칭되어 릴리즈 홀을 형성한다. 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 캐비티(210) 위에서 부양되도록, 부식 용액을 사용함으로써 희생 재료가 제거되어 하부 전극(300)과 기판(100) 사이에 캐비티 구조(210)를 형성하여 하부 전극과 공기 사이에 반사 계면을 제공한다.
음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조(210)인 경우, 캐비티 구조(210)는 기판에 내장될 수 있다. 이 경우에, 홈을 형성하도록 기판(100)이 에칭되는 것이 요구된다. 그 후, 기판(100)의 홈이 희생 재료로 채워져 희생층을 형성한다. 희생 재료가 기판(100)의 평면과 동일 평면상에 있도록 희생 재료가 연삭 및 연마된다. 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 기판(100) 및 희생 재료의 일 측면에 순차적으로 형성된다. 이어서, 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 캐비티 구조(210) 위에서 부양되도록 압전층(400)이 희생 재료로 에칭되어 희생 재료를 제거하기 위한 릴리즈 홀을 형성하여 하부 전극(300)과 기판 사이에 캐비티 구조(210)를 형성함으로써 하부 전극과 공기 사이에 반사 계면을 제공한다.
음향 반사 구조(200)가 분포 브래그 반사 구조(220)인 경우, 브래그 반사 구조(220)는 기판에 배열될 수 있다. 그러면, 분포 브래그 반사 구조(220)가 기판(100)에 직접 형성된다. 대안적으로, 분포 브래그 반사 구조(220)가 기판(100)에 내장될 수 있다. 그러면, 홈을 형성하도록 기판(100)이 에칭되는 것이 요구되고, 분포 브래그 반사 구조(220)가 기판(100)의 홈에 형성된다. 브래그 반사 구조(220)가 기판(100)에 배열되거나 기판(100)에 내장되는 것과 상관없이, 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 기판(100) 및 분포 브래그 반사 구조(220)에 순차적으로 형성될 수 있다.
단계 S300에서, 압전층(400)이 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 일 측면에 배열된다. 제1 함몰부(10)는 압전층(400)으로 채워진다. 압전층(400)이 형성됨에 있어, 제1 함몰부(10)의 모폴로지가 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사되어 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)를 형성한다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 압전층(400)은 동일한 두께를 갖는다. 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영은 기판이 위치되는 평면 상의 제2 함몰부(20)의 정투영을 커버한다.
단계 S400에서, 상부 전극(500)이 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 일 측면에 배열된다.
상부 전극(500)의 에지는 외부와 연결되어 상부 전극에 전기적 신호를 제공한다.
상부 전극(500) 및 하부 전극(300)은 상이한 재료, 두께 및 형상을 갖는 것이 바람직하다는 점에 유의해야 한다. 하부 전극(300)은 상부 전극(500)보다 면적이 클 수 있다. 상부 전극(500) 및 하부 전극(300)의 재료는 몰리브덴(Mo)인 것이 바람직하다. 또는, 상부 전극(500) 및 하부 전극(300)의 재료는 금(Au), 루테늄(Ru), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 같은 다른 재료일 수 있다. 압전층(400)의 재료는 질화 알루미늄(AlN)인 것이 바람직하다. 또는, 압전층(400)의 재료는 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS), 황화카드뮴(CdS), 티탄산 납[PT](PbTiO3), 티탄산 지르콘산 납[PZT](Pb(Zr, Ti)O3), 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 또는 납 지르코네이트 란타늄 계열의 다른 요소일 수 있다.
하부 전극(300)은 단층 전극 또는 2개 층 이상을 포함하는 복합 전극일 수 있음에 유의해야 한다. 유사하게, 상부 전극(500)이 단층 전극 또는 2개 층 이상을 포함하는 복합 전극일 수 있다. 상부 전극(500)은 바람직하게는, 단층 전극이다. 압전층(400)은 스칸듐, 이트륨, 마그네슘, 티타늄, 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 및 루테튬과 같은 다른 재료로 도핑되어 압전 특성이 변경될 수 있다.
제2 함몰부(20)는 공기 또는 낮은 음향 임피던스, 낮은 유전율 또는 높은 절연성을 갖는 다른 유전체 재료로 채워질 수 있음에 유의해야 한다. 제2 함몰부의 희생 재료가 제거된 후, 낮은 음향 임피던스를 갖는 유전체 재료가 제2 함몰부(20)에 채워질 수 있다. 대안적으로, 희생 재료 대신에 유전체 재료가 제2 함몰부에 직접 채워진 후, 제2 함몰부에 채워진 재료는 제거되지 않는다.
본 실시형태에서, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부(10)가 형성되고, 모폴로지 전사를 통해 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성된다. 이러한 방식으로, 압전층(400)이 물리적으로 손상되지 않고서 기판(100)으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에 제2 함몰부(20)가 형성되어, 전통적인 기술에 따라 압전층(400)을 에칭하는 것과 같은 물리적 손상을 수행하여 압전층(400)에 함몰부를 형성함으로써 발생되는 압전층(400)의 불균일한 응력 분포 문제를 해결하고 압전층(400)의 응력 분포의 균일성을 개선시키며 벌크 음향 공진기의 성능 및 수율을 향상시킨다. 이에 더하여, 제1 함몰부(10) 및 제2 함몰부(20)가 활성 영역의 에지 부근에 배열되어 횡파 공진을 억제하고 횡파의 누설을 감소시킬 수 있다. 즉, 음향 에너지의 손실이 감소되고 음향 에너지에서 횡파의 비율이 감소되어 벌크 음향 공진기의 품질 인자를 개선시킨다.
위의 실시형태에 기초하여, 본 개시의 일 실시형태에서, 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면의 제1 함몰부(10)는 기판(100)으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면을 에칭함으로써 규정될 수 있다. 에칭은 건식 에칭, 습식 에칭 또는 건식 및 습식 에칭을 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시형태에서, 하부 전극이 배열되기 전에, 방법은 다음의 단계 S210 및 단계 S220을 더 포함한다.
단계 S210에서, 음향 반사 구조(200) 또는 희생층(210)이 배열된다. 음향 반사 구조(200) 또는 희생층(210)은 기판(100)에 배열되거나 기판(100)에 내장된다.
단계 S220에서, 음향 반사 구조(200) 및 기판(100)에 의해 형성되는 구조의 일 측면 또는 희생층(210) 및 기판(100)에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 제3 함몰부(30)가 규정된다.
위의 설명에 기초하여, 음향 반사 구조(200)는 캐비티 구조(210) 또는 분포 브래그 반사 구조(220)일 수 있음이 공지된다. 음향 반사 구조(200)가 캐비티 구조(210)인 경우에, 캐비티 구조가 배열될 영역에 희생 재료가 채워지고, 이어서 하부 전극(300), 압전층(400) 및 상부 전극(500)이 형성된 후, 희생 재료가 제거된다. 따라서, 제3 함몰부(30)는 기판(100)을 에칭하거나, 희생 재료를 에칭하거나, 기판(100) 및 희생 재료 양쪽 모두를 에칭함으로써 규정될 수 있다. 이어서, 기판(100), 희생 재료 및 제3 함몰부(30) 상의 증착에 기초하여 하부 전극(300) 및 압전층(400)이 순차적으로 형성된다. 하부 전극(300) 및 압전층(400)의 증착 시에, 제3 함몰부(30)의 모폴로지는 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 전사되어 제1 함몰부(10)를 형성하고, 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면으로 전사되어 제2 함몰부(20)를 형성한다. 희생 재료가 후속적으로 제거되더라도, 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면의 제1 함몰부(10) 및 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면의 제2 함몰부(20)는 영향을 받지 않는다. 음향 반사 구조(200)가 분포 브래그 반사 구조(220)인 경우에 희생 재료는 제거될 필요가 없다.
본 실시형태에서 하부 전극(300)은 다음의 동작을 수행함으로써 배열된다. 하부 전극(300)은 음향 반사 구조(200) 및 기판(100)에 의해 형성되는 구조의 측면 또는 희생층(210) 및 기판(100)에 의해 형성되는 구조에 배열된다. 제3 함몰부는 하부 전극(300)으로 채워진다. 하부 전극(300)을 배열함에 있어, 제3 함몰부(30)의 모폴로지가 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면으로 전사되어 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에 제1 함몰부를 형성한다. 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 하부 전극(300)은 동일한 두께를 갖는다. 기판이 위치되는 평면 상의 제3 함몰부(30)의 정투영은 기판이 위치되는 평면 상의 제1 함몰부(10)의 정투영을 커버한다.
본 실시형태에서, 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 압전층(400)은 동일한 두께를 갖고 하부 전극(300)은 동일한 두께를 갖는다. 즉, 제2 함몰부(20)는 압전층(400)에 대한 에칭과 같은 물리적 손상이 수행되지 않고서 기판으로부터 떨어진 압전층(400)의 표면에서 규정되고, 제1 함몰부(10)는 하부 전극(300)에 대한 에칭과 같은 물리적 손상이 수행되지 않고서 기판으로부터 떨어진 하부 전극(300)의 표면에서 규정된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 벌크 음향 공진기에서, 압전층(400)의 응력 분포는 균일하고 디바이스는 양호한 성능 및 수율을 갖는다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 필터가 더 제공된다. 필터는 위의 실시형태 중 어느 하나에 따른 벌크 음향 공진기를 포함한다. 벌크 음향 공진기는 위의 실시형태에서 상세하게 설명되었으며, 본원에서 반복되어 설명되지 않는다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 전자 디바이스가 더 제공된다. 전자 디바이스는 위에서 설명되는 필터 또는 위의 실시형태 중 어느 하나에 따른 벌크 음향 공진기를 포함한다. 벌크 음향 공진기는 위의 실시형태에서 상세하게 설명되었으며, 본원에서 반복되어 설명되지 않는다.
본 개시의 실시형태들은 병렬 방식 및 점진적 방식의 조합으로 설명된다. 각 실시형태는 다른 실시형태와의 차이점에 중점을 두고 있으며, 다양한 실시형태 간의 동일하거나 유사한 부분은 서로 참조될 수 있다.
본 개시의 실시형태에서 설명되는 피처(feature)들은 서로 교체되거나 조합될 수 있다. 개시된 실시형태들에 대한 위의 예시는 당해 기술 분야의 통상의 기술자가 본 개시를 구현하거나 실시할 수 있게 한다. 이들 실시형태에 대한 수개의 변경이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하며, 본원에서 규정되는 일반적인 원리는 본 개시의 사상 또는 범주를 일탈하지 않고서 다른 실시형태에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본원에서 개시되는 실시형태들에 한정되지 않지만 본원에서 개시된 신규한 피처 및 원리와 부합하는 가장 광범위한 범주에 따른다.

Claims (20)

  1. 기판, 음향 반사 구조, 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 포함하는 벌크 음향 공진기(bulk acoustic resonator)로서,
    상기 음향 반사 구조는 상기 기판에 배열되거나 상기 기판에 내장되고; 그리고
    상기 하부 전극, 상기 압전층 및 상기 상부 전극이 상기 음향 반사 구조 및 상기 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면에 순차적으로 배열되고, 상기 기판으로부터 떨어진 상기 하부 전극의 표면에서 제1 함몰부가 규정되며, 상기 제1 함몰부는 상기 압전층으로 채워지고, 상기 기판으로부터 떨어진 상기 압전층의 표면에서 제2 함몰부가 규정되며, 상기 압전층은 상기 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향으로 동일한 두께를 가지고, 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제1 함몰부의 정투영(orthographic projection)이 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제2 함몰부의 정투영을 커버하도록 구성되는, 벌크 음향 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극을 향하는 상기 음향 반사 구조 및 상기 기판에 의해 형성되는 상기 구조의 표면에서 제3 함몰부가 규정되고, 상기 제3 함몰부는 상기 하부 전극으로 채워지고, 상기 하부 전극은 상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향으로 동일한 두께를 가지며, 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제3 함몰부의 정투영이 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제1 함몰부의 상기 정투영을 커버하도록 구성되는, 벌크 음향 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 음향 반사 구조의 에지가 상기 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되고;
    상기 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 포함하고, 상기 제1 측면 에지는 상기 제2 측면 에지와 대향하며, 상기 제2 측면 에지는 상기 제1 측면 에지 외부에 배열되고; 그리고
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 제2 함몰부의 상기 제1 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 외부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 음향 반사 구조의 에지가 상기 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되고;
    상기 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 포함하고, 상기 제1 측면 에지는 상기 제2 측면 에지와 대향하며, 상기 제2 측면 에지는 상기 제1 측면 에지 외부에 배열되고; 그리고
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 제2 함몰부의 상기 제2 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 내부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서 상기 제2 함몰부에 대응하는 상기 상부 전극의 일부가 상기 기판이 위치되는 상기 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 배열되거나; 또는
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서 상기 제2 함몰부에 대응하는 상기 상부 전극의 일부가 상기 기판으로부터 멀어지며 돌출되도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 음향 반사 구조의 에지가 상기 상부 전극의 에지 외부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되고;
    상기 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 포함하고, 상기 제1 측면 에지는 상기 제2 측면 에지와 대향하며, 상기 제2 측면 에지는 상기 제1 측면 에지 외부에 있도록 배열되고; 그리고
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 제2 함몰부의 상기 제1 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 내부에 있도록 배열되고, 상기 제2 함몰부의 상기 제2 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 외부에 있도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 상부 전극의 에지가 상기 음향 반사 구조의 에지 외부에 있도록 배열되고;
    상기 제2 함몰부는 제1 측면 에지 및 제2 측면 에지를 포함하고, 상기 제1 측면 에지는 상기 제2 측면 에지와 대향하며, 상기 제2 측면 에지는 상기 제1 측면 에지 외부에 있도록 배열되고; 그리고
    상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 제2 함몰부의 상기 제1 측면 에지는 상기 음향 반사 구조의 상기 에지 내부에 있거나 상기 음향 반사 구조의 상기 에지와 일치하도록 배열되고, 상기 제2 함몰부의 상기 제2 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 외부에 있거나 상기 상부 전극의 상기 에지와 일치하도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 상부 전극은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 기판이 위치되는 상기 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 배열되고, 상기 제1 부분은 상기 기판으로부터 떨어진 상기 압전층의 상기 표면과 접촉하도록 배열되고, 상기 제2 부분은 상기 제2 함몰부 위에서 부양(suspended)되도록 배열되며;
    상기 제2 부분은 상기 기판이 위치되는 상기 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 배열되거나; 또는
    상기 제2 부분은 상기 제1 부분이 연장되는 상기 방향으로부터 0°보다 크고 90°보다 작은 각도를 갖는 방향으로 연장되도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 함몰부의 상기 제1 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 내부에 있도록 배열되고, 상기 제2 함몰부의 상기 제2 측면 에지는 상기 상부 전극의 상기 에지 외부에 있도록 배열되며; 그리고
    상기 제2 부분은 상기 기판이 위치되는 상기 평면과 평행한 방향으로 연장되도록 배열되고, 상기 제1 부분으로부터 떨어진 상기 제2 부분의 단부면은 상기 기판이 위치되는 상기 평면과 수직하도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 복수의 에지를 포함하고, 상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서, 상기 제2 함몰부는 상기 상부 전극의 상기 에지 중 적어도 하나에 대응하도록 배열되는, 벌크 음향 공진기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 함몰부는 상기 상부 전극의 상기 에지에 대응하는 적어도 하나의 연속 홈을 포함하고; 및/또는
    상기 제2 함몰부는 상기 상부 전극의 상기 에지 중 적어도 하나에 대응하는 복수의 점 형상 홈(point-shaped groove)을 포함하는, 벌크 음향 공진기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 음향 반사 구조는 캐비티 구조 또는 분포 브래그 반사 구조(distributed Bragg reflection structure)가 되도록 구성되는, 벌크 음향 공진기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부 각각은 역사다리꼴 형상, 역삼각 형상, 정사각 형상 또는 불규칙적 형상이 되도록 구성되는, 벌크 음향 공진기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 함몰부는 채움 매질(filling medium)로 채워지고, 상기 채움 매질은 공기, 인 도핑 이산화규소(phosphorus-doped silicon dioxide), 탄소 도핑 이산화규소, 유전체 수지 또는 벤조사이클로부텐을 포함하는, 벌크 음향 공진기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향에서 상기 제1 함몰부는 상기 하부 전극의 두께와 동일하거나 이보다 작은 깊이를 갖는, 벌크 음향 공진기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극의 일 단부는 수직, 경사, 계단 형상 또는 호 형상(arc shape)인, 벌크 음향 공진기.
  17. 벌크 음향 공진기를 제조하기 위한 방법으로서,
    기판이 획득되는 단계;
    상기 기판에 하부 전극이 배열되고, 상기 기판으로부터 떨어진 상기 하부 전극의 표면에 제1 함몰부가 규정되며, 음향 반사 구조 또는 희생층이 상기 하부 전극과 상기 기판 사이에 배열되는 단계;
    상기 기판으로부터 떨어진 상기 하부 전극의 일 측면에 압전층이 배열되는 단계 - 상기 제1 함몰부는 상기 압전층으로 채워지고, 상기 압전층이 형성됨에 있어 상기 제1 함몰부의 모폴로지(morphology)가 상기 기판으로부터 떨어진 상기 압전층의 표면으로 전사되어 상기 기판으로부터 떨어진 상기 압전층의 상기 표면에 제2 함몰부를 형성하며, 상기 압전층은 상기 기판이 위치되는 평면에 수직인 방향에서 동일한 두께를 갖고, 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제1 함몰부의 정투영은 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제2 함몰부의 정투영을 커버함 -; 및
    상기 기판으로부터 떨어진 상기 압전층의 일 측면에 상부 전극이 배열되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 하부 전극이 배열되는 단계 전에, 상기 방법은:
    상기 음향 반사 구조 또는 상기 희생층이 배열되는 단계 - 상기 음향 반사 구조 또는 상기 희생층은 상기 기판에 배열되거나 상기 기판에 내장됨 -; 및
    상기 음향 반사 구조 및 상기 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면 또는 상기 희생층 및 상기 기판에 의해 형성되는 구조의 일 측면에서 제3 함몰부가 규정되는 단계;
    를 더 포함하며,
    하부 전극이 상기 배열되는 단계는:
    상기 음향 반사 구조 및 상기 기판에 의해 형성되는 상기 구조의 상기 측면 또는 상기 희생층 및 상기 기판에 의해 형성되는 상기 구조의 상기 측면에 상기 하부 전극이 배열되는 단계, 상기 제3 함몰부가 상기 하부 전극으로 채워지는 단계, 상기 제3 함몰부의 모폴로지가 상기 기판으로부터 떨어진 상기 하부 전극의 상기 표면으로 전사되어 상기 기판으로부터 떨어진 상기 하부 전극의 상기 표면에 상기 제1 함몰부를 형성하는 단계, 상기 기판이 위치되는 상기 평면에 상기 수직인 방향으로 상기 하부 전극이 동일한 두께를 갖도록 구성되는 단계, 및 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제3 함몰부의 정투영이 상기 기판이 위치되는 상기 평면 상의 상기 제1 함몰부의 상기 정투영을 커버하도록 구성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 벌크 음향 공진기를 포함하는, 필터.
  20. 제19항에 따른 필터 또는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 벌크 음향 공진기를 포함하는, 전자 디바이스.
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