체적 음향 공진기{BULK ACOUSTIC RESONATOR}

본 발명은 체적 음향 공진기에 관한 것이다.

최근 이동통신기기, 화학 및 바이오 기기 등의 급속한 발달에 따라, 이러한 기기에서 사용되는 소형 경량필터, 오실레이터(Oscillator), 공진소자(Resonant element), 음향공진 질량센서(Acoustic Resonant Mass Sensor) 등의 수요도 증대하고 있다.

이러한 소형 경량필터, 오실레이터, 공진소자, 음향공진 질량센서 등을 구현하는 수단으로 체적 음향 공진기(Bulk Acoustic Resonator)가 알려져 있다. 체적 음향 공진기는 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수(Quality Factor)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로 주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.

체적 음향 공진기는 기판 상부에 하부 전극, 압전층 및 상부 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 형성하는 구조로 이루어진다. 제1 전극 및 제2 전극에 전기 에너지를 인가하여 압전층 내에 전계를 유기시키면, 이 전계는 압전층의 압전 현상을 유발시켜 공진부가 소정 방향으로 진동하도록 한다. 그 결과, 진동 방향과 동일한 방향으로 음향파(Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다. 다만, 음향파가 발생시에 상부 전극에서 측면파(lateral wave)가 발생할 수 있는데, 상기 측면파에 의해서 공진기의 품질 계수(quality factor)가 저하되고, 음향파(acoustic wave)의 손실(loss)이 커지게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 과제는 측면파를 효과적으로 포획할 수 있는 체적 음향 공진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 활성 영역의 내측에 형성되는 프레임을 구비하고, 상기 프레임과 상부 전극은 서로 다른 음향 임피던스를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기는 품질 계수를 향상시킬 수 있고, 음향파의 손실을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 체적 음향 공진기에 채용될 수 있는 공진부의 개략 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 시뮬레이션 그래프이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기(10)는 박막 체적 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)일 수 있다.

도 1을 참조하면, 기판(110), 절연층(120), 에어 캐비티(112), 및 공진부(135)를 포함할 수 있다.

기판(110)은 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대해 공진부(135)를 전기적으로 격리시키는 절연층(120)이 마련될 수 있다. 절연층(120)은 이산화규소(SiO ₂ )나 산화알루미늄(Al ₂ O ₂ )을 화학 기상 증착 (Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 또는 에바포레이션(Evaporation)하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다.

절연층(120) 상에는 에어 캐비티(112)가 형성될 수 있다. 에어 캐비티(112)는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(135)의 하부에 위치한다. 에어 캐비티(112)는 절연층(120)상에 에어 캐비티 희생층 패턴을 형성한 다음 에어 캐비티 희생층 패턴상에 멤브레인(130)을 형성한 후 에어 캐비티 희생층 패턴을 에칭하여 제거하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.

절연층(120)과 에어 캐비티(112) 사이에는 식각 저지층(125)이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층(125)은 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(120)을 보호하는 역할을 하고, 식각 저지층(125) 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.

공진부(135)는 에어 캐비티(112)의 상부에 위치되도록 차례로 적층된 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)과 제2 전극(160) 및/또는 압전층(150) 상에 마련되어 고리 형상을 형성하는 프레임(190)을 포함할 수 있다.

제1 전극(140)은 멤브레인(130)의 일부를 덮도록 멤브레인(130)의 상면에 형성된다. 압전층(150)은 멤브레인(130)의 일부 및 제1 전극(140)의 일부를 덮도록 멤브레인(130) 및 제1 전극(140)의 상면에 형성된다. 일 예로, 제1 전극(140)은 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다.

압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나를 포함할 수 있다.

제2 전극(160)은 압전층(150) 상에 형성되고, 일 예로, 제2 전극(160)은 루테늄(Ru)을 포함할 수 있다.

공진부(135)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(135)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역이고, 공진부(135)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.

공진부(135)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력한다. 구체적으로 공진부(135)는 압전층(150)의 압전 현상에 의한 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.

보호층(170)은 공진부(135)의 제2 전극(160) 및 프레임(190)상에 배치되어, 제2 전극층(160) 및 프레임(190)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열의 절연 물질로 형성될 수 있다. 또한, 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패드(180)가 형성될 수 있다.

제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 음향파(acoustic wave)가 생성되는데, 부수적으로, 제2 전극(160)에서 측면파(lateral wave)가 발생한다. 상기 부수적으로 발생하는 측면파를 적절히 포획(trap)하지 못하는 경우, 공진기의 품질 계수(quality factor)가 저하되고, 음향파(acoustic wave)의 손실(loss)이 커지게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진부(135)의 활성 영역의 내측에 제2 전극(160)과 서로 다른 음향 임피던스를 가지는 프레임(190)을 배치하여, 측면파를 공진기 내부로 포획할 수 있고, 이에 따라 공진기의 품질 계수(quality factor)를 향상시킬 수 있고, 음향파(acoustic wave)의 손실(loss)을 감소시킬 수 있다.

도 2는 도 1의 체적 음향 공진기에 채용될 수 있는 공진부의 개략 단면도이다.

도 2를 참조하면, 공진부(135)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 외에도, 활성 영역의 내측으로 형성되는 프레임(190)을 포함할 수 있다. 이 때, 활성 영역은 에어 캐비티(112) 위쪽에서 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)과 프레임(190) 중 적어도 하나가 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당할 수 있다.

도 2(a)를 참조하면, 프레임(190)은 제1 전극(160) 상에 형성될 수 있고, 구체적으로, 프레임(190)은 제2 전극(160)의 가장자리 상에 형성될 수 있다.

도 2(b)을 참조하면, 프레임(190)은 제2 전극(160)에 접하도록 제2 전극(160)의 외측으로 형성될 수 있다. 이 때, 프레임(190)은 제2 전극(160) 보다 두께가 두꺼울 수 있다.

도 2(c)를 참조하면, 프레임은(190)은 제2 전극(160) 상에 형성되는 제1 프레임(191) 및 제2 전극(160)에 접하도록 제2 전극(160)의 외측으로 형성되는 제2 프레임(192)를 포함할 수 있다. 이 때, 제2 프레임(192)은 제2 전극(160) 보다 두꺼울 수 있는데, 제1 프레임(191)과 제2 전극(160)의 두께의 합은 제2 프레임(192)의 두께와 동일할 수 있다.

프레임(190)과 제2 전극(160)은 서로 다른 음향 임피던스를 가질 수 있다. 음향 임피던스(Acoustic impedance)는 하기의 수학식 1에 나타난 바와 같이 밀도(Density) 및 음속(Speed of sound)에 따라 결정된다.

하기의 표 1은 상기 수학식 1에 따라 결정되는 물질의 음향 임피던스(Acoustic impedance) 및 전기 저항도(Electric resistivity)를 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 프레임(190)은 제2 전극(160) 보다 음향 임피던스가 높은 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 제2 전극(160)은 루테늄(Ru)으로 구성될 수 있는데, 이 때, 프레임(190)은 표 1을 참조하면, 루테늄(Ru) 보다 음향 임피던스가 높은 이리듐(Ir) 및 텅스텐(W) 중 하나로 구성될 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따르면, 프레임(190)은 제2 전극(160) 보다 음향 임피던스가 낮은 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 제2 전극(160)은 루테늄(Ru)으로 구성될 수 있는데, 이 때, 프레임(190)은 표 1을 참조하면, 루테늄(Ru) 보다 음향 임피던스가 낮은 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 코발트(Co), 망간(Zn), 및 마그네슘(Mg) 중 하나로 구성될 수 있고, 전기 저항도를 고려하면, 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 망간(Zn), 및 마그네슘(Mg) 중 하나로 구성될 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 시뮬레이션 그래프로써, 무선 주파수 신호의 주파수에 따른 이득을 나타낸다.

도 3 및 도 4의 시뮬레이션에서, 제1 전극(140)은 몰리브덴(Mo), 압전층(150)은 질화알루미늄(AlN), 제2 전극(160)은 루테늄(Ru)으로 구성되었으며, 프레임(190)은 0.2㎛의 두께, 2㎛의 폭을 가지는 것으로 설정되었다.

도 3 및 도 4에서 Case 1는 프레임(190)이 제2 전극(160) 보다 높은 음향 임피던스를 가지는 물질, 예를 들면, 텅스텐(W)으로 구성될 때의 본 발명의 제1 실시예에 해당하고, Case 2는 프레임(190)이 제2 전극(160) 보다 낮은 음향 임피던스를 가지는 물질, 예를 들면, 금(Au)으로 구성될 때의 본 발명의 제2 실시예에 해당하고, Case 3는 프레임(190)이 제2 전극(160)과 동일한 음향 임피던스를 가지는 물질로 구성될 때의 비교예에 해당한다.

하기의 표 2는 도 3 및 도 4에 따른 데이터를 나타낸다.

표 2를 참조하면, 공진 주파수(fs), 반공진 주파수(fp), 유효 전기기계 결합 계수(effective electromechanical coupling coefficient)의 제곱(Kt ² ), 및 직렬 품질 계수(Qs)는 Case 1, Case 2 및 Case 3이 차이가 없으나, 병렬 품질 계수(Qp)는 Case 3에 비하여 Case 1 및 Case 2의 경우가 더 높은 것을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진부(135)의 활성 영역의 내측에 제2 전극(160)과 서로 다른 음향 임피던스를 가지는 프레임(190)을 배치하여, 측면파를 공진기 내부로 포획함으로써, 공진기의 품질 계수(quality factor)를 향상시킬 수 있고, 음향파(acoustic wave)의 손실(loss)을 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 기판
112: 에어 캐비티
120: 절연층
125: 식각 저지층
130: 멤브레인
135: 공진부
140: 제1 전극
150: 압전층
160: 제2 전극
170: 보호층
180: 전극패드
190: 프레임
191: 제1 프레임
192: 제2 프레임