KR102579165B1

KR102579165B1 - 에어갭형 fbar

Info

Publication number: KR102579165B1
Application number: KR1020200140116A
Authority: KR
Inventors: 김병헌; 박종현
Original assignee: (주)와이솔
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2023-09-15
Also published as: KR20220055718A; US20220131524A1; US11996823B2; CN114499449A

Abstract

본 발명에 따른 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)는 상면에 에어갭부을 포함하는 기판; 다각형 플레이트의 형태로 상기 기판의 상부에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부를 에워싸는 하부전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및 상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고, 상기 하부전극은, 상기 에어갭부의 상부 중 일 부분이 노출되도록 상기 다각형 플레이트의 일측 플레이트 경계면과 상기 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이에 전극 비적층 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

에어갭형 FBAR{AIR-GAP TYPE FBAR}

본 발명은 RF(Radio Frequency) 대역의 통신을 위한 필터, 듀플렉서 등에 사용 가능한 박막 벌크 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에어갭(Air Gap)형 FBAR에 관한 것이다.

무선이동통신기술은 한정된 주파수 대역에서 효율적으로 정보를 전달할 수 있는 다양한 RF(Radio Frequency)부품들이 요구된다. 특히, RF 부품들 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: 이하, SAW라 한다) 필터이다. 유전체 필터는 높은 유전율, 저삽입 손실, 높은 온도에서의 안정성, 내진동, 내충격에 강한 장점을 가지고 있다. 그러나 유전체 필터는 최근의 기술 발전 동향인 소형화 및 MMIC(MMIC: Monolithic Microwave IC)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 IDT(InterDigital Transducer) 선폭이 0.5㎛ 정도가 한계라는 단점이 있다. 따라서 SAW필터를 이용하여 초고주파(5㎓ 이상) 대역을 커버하기는 불가능하다는 문제점이 있으며, 근본적으로 반도체기판에서 이루어지는 MMIC구조와 단일칩을 구성하는 데는 어려움이 따른다.

위와 같은 한계 및 문제점들을 극복하기 위하여 기존 반도체(Si, GaAs)기판에 다른 능동소자들과 함께 집적되어 주파수 제어회로를 완전히 MMIC화할 수 있는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 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 소자라 할 수 있다.

FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전유전체 물질인 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN) 등을 RF 스퍼터링 방법으로 증착하고, 압전 특성으로 인한 공진을 유발한다. 즉, FBAR는 양 전극 사이에 압전박막을 증착하고, 체적파(Bulk Acoustic Wave)를 유발시켜 공진을 발생시키는 것이다.

FBAR 구조는 지금까지 다양한 형태로 연구되어 왔다. 멤브레인형 FBAR는 기판 위에 실리콘산화막(SiO2)을 증착하고, 기판 반대면을 이방성 에칭(Isotropic Etching)하여 형성된 공동부(Cavity)를 통해 멤브레인층을 형성한다. 그리고 실리콘산화막 상부로 하부전극을 형성하고, 이 하부전극층 상부로 압전물질을 RF 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)방법으로 증착하여 압전층을 형성하며, 압전층 상부로 상부전극을 형성하고 있다.

위와 같은 멤브레인형 FBAR는 캐버티에 의해 기판 유전손실이 적으며, 전력손실이 작은 장점을 가지고 있다. 하지만, 멤브레인형 FBAR는 실리콘 기판의 방향성에 의하여 소자가 차지하는 면적이 크며, 후속 패키징 공정시 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 FBAR가 등장했다.

브레그 반사형 FBAR은 기판상에 탄성 임피던스차가 큰 물질을 격층으로 증착하여 반사층을 구성하고 하부전극, 압전층 및 상부전극을 차례로 적층한 구조로써, 압전층을 통과한 탄성파에너지가 기판 방향으로 전달되지 못하고 반사층에서 모두 반사되어 효율적인 공진을 발생시킬수 있게 한 것이다. 이러한 브레그 반사형 FBAR은 구조적으로 견고하며, 휨에 의한 stress가 없지만 전반사를 위한 두께가 정확한 4층 이상의 반사층을 형성하기가 어려우며, 제작을 위한 시간과 비용이 많이 필요하다는 단점이 있다.

한편, 반사층 대신에 에어갭을 이용하여 기판과 공진부를 격리시키는 구조를 가지는 종래의 에어갭형 FBAR은 실리콘 기판 표면을 이방성 에칭하여 희생층을 구현하고 CMP로 표면연마를 한 후, 절연층, 하부전극, 압전층, 및 상부전극을 차례로 증착하고 비아홀을 통하여 희생층을 제거, 에어갭을 형성하여 FBAR을 구현하고 있다.

종래의 경우에, FBAR 구조에서 상하부 전극 사이에 압전층을 구성하고 이 같은 압전층을 필요한 영역에만 상하부 전극을 설치하여 피에조 효과를 이용하게 된다. 따라서 기계적인 anchor loss가 크고 이로 인해서 mechanical한 에너지 감소의 원인이 된다.

상부 전극이나 하부 전극의 경우 acoustic impedance를 높이기 위해서 Mo, Ru, W 등을 사용한다. 필터의 주파수에 따라 전극 물질의 skin depth가 결정되며, 일반적으로 skin depth보다 매우 적은 두께를 사용하기 때문에 압전층의 공진점에서 charge되는 전하를 충분히 lead를 통해서 전달하지 못해서 Quality factor가 감소하게 된다.

대한민국 공개특허공보 10-2004-0102390호(공개일 2004년 12월 8일)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공진 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 에어갭(Air Gap)형 FBAR에 관한 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)는 상면에 에어갭부을 포함하는 기판; 다각형 플레이트의 형태로 상기 기판의 상부에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부를 에워싸는 하부전극; 상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및 상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고, 상기 하부전극은, 상기 에어갭부의 상부 중 일 부분이 노출되도록 상기 다각형 플레이트의 일측 플레이트 경계면과 상기 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이에 전극 비적층 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 일측 플레이트 경계면의 일부가 상기 에어갭부의 중심 방향으로 일정 폭만큼 그루브를 형성하여 상기 일측 플레이트 경계면과 상기 일측 에어갭 경계면 사이에 상기 전극 비적층 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 일측 에어갭 경계면의 일부가 상기 에어갭부의 중심 방향과 반대되는 방향으로 일정 폭만큼 돌출하여 상기 일측 플레이트 경계면과 상기 일측 에어갭 경계면 사이에 상기 전극 비적층 영역이 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 일정 폭은 0.5[μm] 이상 5.0[μm] 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 전극 비적층 영역의 상부에서 상기 압전층과 상기 상부전극 사이에 에어 공간이 형성된 에어 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 에어갭부의 상부에 위치한 상기 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면과 상기 일측 플레이트 경계면까지의 거리는 2.0[μm] 이상 6.0[μm] 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면은 상기 에어갭부의 상부에 위치하고, 상기 에어 브릿지의 타측 브릿지 경계면은 상기 에어갭부가 형성되지 않은 상기 기판의 상부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 하부 전극의 끝단 부분을 에어캡부 내측에 위치하도록 함으로써, Q (quality factor)값을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 에어 브릿지의 상부 구조와 하부 구조의 structure 공진을 이용하여 lateral wave가 빠져나가는 것을 막을 수 있어서, Q값을 향상시킬 수 있다. 이러한 공진기를 이용한 필터는 Insertion loss와 필터의 skirt 특성을 개선시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR를 설명하기 위한 일 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 일 실시예의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 다른 실시예의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 에어갭형 FBAR에서 에어갭부, 하부전극 및 에어브릿지의 위치 관계를 나타내는 참조도이다.
도 5는 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR에서 하부전극 끝단과 에어갭부 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR에서 에어 브릿지 일측 끝단과 하부 전극 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR에서 하부 전극 끝단과 에어 브릿지의 타측 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.　

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　또한, 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 에어갭형 FBAR을 설명하기 위한 일 실시예의 단면도이고, 이하의 참조 번호 중 동일한 참조 번호는 동일한 기능 또는 구조를 갖는 구성요소에 해당함을 정의한다.

도 1을 참조하면, 에어갭형 FBAR은 기판(100), 에어갭부(110), 하부 전극(200), 압전층(300), 상부 전극(400) 및 에어 브릿지(500)를 포함한다. 에어갭형 FBAR은 하부 전극(200)과 상부 전극(400) 사이에 외부에서 신호가 인가되면 두 전극 사이에 입력 전달된 전기적 에너지의 일부가 압전효과에 따른 기계적 에너지로 변환된고, 이를 다시 전기적 에너지로 변환하는 과정에서 압전층(300)의 두께에 따른 고유진동의 주파수에 대하여 공진을 하게 된다.

기판(100)은 반도체 기판으로서, 통상의 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고저항 실리콘기판(HRS)이 사용될 수 있다. 기판(100)의 상면에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 절연층은 기판(100) 상에 용이하게 성장시킬 수 있는 열산화막을 채용하거나, 화학기상증착 등의 통상의 증착공정을 이용한 산화막 또는 질화막을 선택적으로 채용할 수 있다.

에어갭부(110)는 기판(100)에 공동(cavity)을 형성한 후에, 공동에 절연층을 형성하고, 절연층 상부에 희생층(sacrificial layer)을 증착시킨 후, 식각하여 평면화하고, 이후 희생층을 제거함으로써 형성된다. 여기서, 희생층은 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질을 사용한다. 일예로, 희생층으로 폴리실리콘을 채용할 수 있고, 이러한 폴리실리콘은 표면의 거칠기가 우수하고 희생층 형성 및 제거가 용이할 뿐만 아니라, 특히, 후속공정에서 건식 식각을 적용하여 제거할 수 있다.

하부 전극(200)은 공동에 희생층이 존재하는 기판(100)의 상부에 형성된다. 하부 전극(200)은 기판(100)의 상부에 소정 물질을 증착시킨 후, 패터닝하여 형성한다. 하부전극(200)으로 사용되는 물질은 금속과 같은 통상의 도전물질을 사용하는데, 바람직하게는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나를 사용할 수 있다. 하부 전극(200)의 두께는 10 ~ 1000 nm일 수 있다.

하부 전극(200)은 패터닝에 의해 기판(100)의 절연층 및 희생층 상부에 형성될 수 있다. 하부 전극(200)은 다각형 플레이트의 형태로 기판(100)의 상부에 형성되되, 에어갭부(110)의 상부를 에워싸는 형태일 수 있다. 이때, 하부 전극(200)은 기판(100) 중 에어갭부(110)의 상부 중 일부만을 에워싸도록 적층하여 에어갭부(110)에 대한 전극 비적층 영역(NA)을 형성한다.

도 2는 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 일 실시예의 평면도이다. 도 2에서, 에어갭부에 대한 도면 참조부호는 110-1이고, 하부 전극에 대한 도면 참조부호는 200-1로 표시된다.

도 2를 참조하면, 하부 전극(200-1)은 에어갭부(110-1)의 상부 중 일 부분이 노출되도록 다각형 플레이트의 일측 플레이트 경계면(200-11)과 에어갭부(110-1)의 일측 에어갭 경계면(110-11) 사이에 전극 비적층 영역(NA)이 형성된 것일 수 있다.

일측 플레이트 경계면(200-11)의 일부가 에어갭부(110-1)의 중심 방향으로 일정 폭만큼 그루브(홈)를 형성함으로써, 상기 일측 플레이트 경계면(200-11)과 일측 에어갭 경계면(110-11) 사이에 전극 비적층 영역(NA)이 형성될 수 있다.

여기서, 일정 폭은 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 전극(200-1)의 일단에 해당하는 일측 플레이트 경계면(200-11)과 에어갭부(110-1)의 일측 에어갭 경계면(110-11) 사이의 거리(D1)에 대응하는 것으로, 이때, 일정 폭은 0.5[μm] 이상 5.0[μm] 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.3[μm] 이상 3.0[μm] 이하일 수있다. 하부 전극(200-1)의 일측 플레이트 경계면(200-11) 주변의 형상은 도 1에 도시된 바와 같이, 사선 방향으로 경사지게 형성된 것일 수 있다. 경사각은 50[도] 이하일 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 에어갭형 FBAR를 상부에서 바라본 다른 실시예의 평면도이다. 도 3에서, 에어갭부에 대한 도면 참조부호는 110-2이고, 하부 전극에 대한 도면 참조부호는 200-2로 표시된다.

도 3을 참조하면, 하부 전극(200-2)은 에어갭부(110-2)의 상부 중 일 부분이 노출되도록 다각형 플레이트의 일측 플레이트 경계면(200-21)과 에어갭부(110-2)의 일측 에어갭 경계면(110-21) 사이에 전극 비적층 영역(NA)이 형성된 것일 수 있다.

에어갭부(110-2)의 일측 에어갭 경계면(110-21)의 일부가 에어갭부(110-2)의중심 방향과 반대되는 방향으로 일정 폭만큼 돌출됨으로써, 상기 일측 플레이트 경계면(200-21)과 일측 에어갭 경계면(110-21) 사이에 전극 비적층 영역(NA)이 형성될 수 있다.

여기서, 일정 폭은 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 전극(200-2)의 일단에 해당하는 일측 플레이트 경계면(200-21)과 에어갭부(110-2)의 일측 에어갭 경계면(110-21) 사이의 거리(D2)에 대응하는 것으로, 이때, 일정 폭은 0.5[μm] 이상 5.0[μm] 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.3[μm] 이상 3.0[μm] 이하일 수있다. 하부 전극(200-2)의 일측 플레이트 경계면(200-21) 주변의 형상은 도 1에 도시된 바와 같이, 사선 방향으로 경사지게 형성된 것일 수 있다. 경사각은 50[도] 이하일 수 있다.

압전층(300)은 하부 전극(200)의 상부에 형성된다. 압전층(300)은 하부전극(200)의 상부에 압전물질을 증착시킨 후에 패터닝하여 형성할 수 있다. 통상의 압전물질로는 질화알루미늄(AIN) 또는 산화아연 (ZnO)을 사용할 수 있다. 증착방법은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering) 방법, 에바포레이션(Evaporation) 방법 등이 이용된다. 압전층(300)의 두께는 200~5000 nm일 수 있다.

상부 전극(400)은 압전층(300)의 상부에 형성된다. 만일, 압전층(300)에 에어 브릿지(500)의 형성을 위해 희생층을 형성한 경우에는 희생층 상부에도 상부 전극(400)이 형성될 수 있다. 상부 전극(400)은 압전층(300) 상부의 소정 영역에 상부전극용 금속막을 증착시키고, 패터닝하여 형성할 수 있다. 상부전극(400)은 하부전극(200)과 동일한 물질, 동일한 증착방법 및 패터닝 방법을 사용할 수 있다. 상부전극(400)의 두께는 5~1000nm일 수 있다.

에어 브릿지(500)는 전극 비적층 영역(NA)의 상부에서 상기 압전층(300)과 상기 상부전극(400) 사이에 에어 공간이 형성된 것이다. 에어 브릿지(500)의 일측 브릿지 경계면(500-1)은 에어갭부(110)의 상부에 위치하고, 에어 브릿지(500)의 타측 브릿지 경계면(500-2)은 에어갭부(110)가 형성되지 않은 기판(100)의 상부에 위치하는 것일 수 있다.

에어 브릿지(500)는 압전층(300)의 일부 영역을 식각하여 공동(cavity)을 형성한 후에, 공동의 상부에 희생층(sacrificial layer)을 증착시킨 후에 평면화하고, 이후 희생층을 제거함으로써 형성될 수도 있고, 압전층(300)의 상부에 희생층을 형성한 후 상부 전극(400)의 형성 후에 희생층을 제거함으로써 형성할 수도 있다. 여기서, 희생층은 폴리실리콘이나 ZnO 등의 표면의 거칠기(roughness)가 우수하고 희생층의 형성과 제거가 용이한 물질을 사용한다.

이때, 에어 브릿지(500)는 압전층(300)의 상측 일부와 상부 전극(400)의 하측 일부가 노출된 에어공간을 형성할 수 있다. 도 1을 참조하면, 에어 브릿지(500)는 상부 전극(400)의 일부가 에어 공간에 노출되어 있으며, 하부 전극(200)은 에어 공간에 노출되지 않은 형태이다. 또한, 에어 브릿지(500)의 에어공간과 기판(100)에 형성된 에어갭부(110)의 에어 공간은 압전층(300)의 압전 물질로 인해 차단된 형태일 수 있다.

에어 브릿지(500)의 일측 브릿지 경계면(500-1)은 에어갭부(110)의 상부에 위치하고, 에어 브릿지(500)의 타측 브릿지 경계면(500-2)은 에어갭부(110)가 형성되지 않은 기판(100)의 상부에 위치하는 것일 수 있다. 즉, 에어 브릿지(500)의 에어공간을 형성하는 일측 브릿지 경계면(500-1)은 수직 가상면을 연장하였을 때, 에어갭부(110)의 에어 공간과 만나게 되지만, 타측 브릿지 경계면(500-2)은 수직 가상면을 연장하였을 때, 에어갭부(110)의 에어 공간과 만나지 않으며, 단지 기판(100)과 만나게 된다.

에어 브릿지(500)에서 에어갭부(110)의 상부에 위치한 일측 브릿지 경계면(500-1)과 상기 일측 플레이트 경계면(200-11, 200-21)까지의 거리는 2.0[μm] 이상 6.0[μm] 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 4.0[μm] 이상 4.7[μm] 이하일 수 있다.

따라서, 기존 FBAR에서 하부 전극이 cavity를 완전히 덮고 있는 구조인 경우에 에어 브릿지의 상부구조는 air 층으로 분리되어 자유롭게 진동할 수 있는 구조이지만 에어 브릿지의 하부 구조는 많은 부분이 Si wafer에 고정되어 lateral wave가 active 영역을 통과하여 에어 브릿지의 하부 구조에서 빠져나가는 문제점이 있다. 그러나, 본원발명에 따르면, 에어 브릿지(500)의 상부 구조와 에어 브릿지 하부 구조의 structure 공진을 이용하여 lateral wave가 빠져나가는 것을 방지할 수 있어서 Q값을 향상시킬 수 있다.

한편, 도시되지 않았지만, 전술한 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)의 일부를 도포하기 위한 패드층을 형성할 수도 있다. 패드층은은 하부전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)을 보호하기 위한 덮개 역할을 한다.

전술한 바와 같은 에어갭형 FBAR은 상부전극(400)으로 입력된 RF 신호가 압전층(300)를 통하여 하부 전극(200)으로 출력되는 구조를 갖는다. 이때, 압전층(300)이 일정한 공진 주파수를 가지고 있으므로, 입력된 RF 신호 중에서 압전층(300)과 일치하는 주파수에서 전기적 impedance가 가장 작게 되며 반공진 주파수에서 전기적 impedance가 가장 크게 된다. 이러한 공진기를 series와 shunt로 조합을 하여 ladder 모양의 회로 구조를 통해서 원하는 RF 신호만 출력되고 다른 주파수는 소멸된다. 따라서, 하부 전극(200), 압전층(300) 및 상부 전극(400)을 전술한 바와 같이 구성함으로써, 일정한 중심주파수와 대역폭을 갖는 FBAR 필터를 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 에어갭형 FBAR에서 에어갭부(110), 하부전극(200) 및 에어브릿지(500)의 위치 관계를 나타내는 참조도이다.

도 4를 참조하면, 하부 전극(200)은 에어갭부(110)의 내측 위치하며, 하부 전극(200)의 끝단은 경사진 형태를 이루고 있어서 두께 변화가 있다. 두께 변화를 갖는 하부 전극(200)의 끝단은 Q값을 최대로 올릴 수 있는 위치에 해당한다. 두께 편차로 형성되는 A 면의 각도는 50 이하로 한다.

에어갭부(110)의 끝단에 해당하는 일측 에어갭 경계면(110-11, 110-21)의 위치는 하부전극(200)의 일측 플레이트 경계면(200-11, 200-21)과 에어 브릿지(500)의 타측 브릿지 경계면(500-2) 사이에 위치하며, 이 위치는 에어 브릿지(500)의 상부 구조와 하부 구조가 만나는 지점의 acoustic impedance값에 의해 결정된다.

에어 브릿지(500)의 상부 구조는 반공진(parallel resonance)주파수에서 공진하도록 길이가 설계 된다. 따라서 길이가 맞을 경우 상하로 크게 진동하며 특정한 wave length를 가지게 된다. 에어 브릿지(500)의 하부 구조도 구조적으로 반공진 주파수에서 구조에 맞는 wave length를 가지게 된다. 하지만 상부 구조와 하부 구조의 wave length가 같지 않기 때문에 서로 정수 배를 했을 때 같은 길이에서 서로에게 strain energy를 주고 받으면서 lateral wave를 차단한다.

또한, 상부와 하부의 strain energy의 크기가 같은 경우 이러한 later wave를 가두는 작용이 최대가 된다. 하지만 상/하부 구조가 두께가 다르기 때문에 에어 브릿지(500) 끝에서 strain energy가 하부구조가 상부구조보다 크게 된다.

에어 브릿지(500)의 하부 구조의 두께 변화 때문에 음향 임피던스 (acoustic impedance)차이가 생겨 strain energy가 감소하면서 상부 strain energy와 같게 되고 에어 브릿지(500)의 상부 구조 또는 하부 구조가 서로 energy를 주고 받으면서 lateral wave를 차단 하게 되고 결과적으로 Q가 증가한다.

도 5는 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR의 하부 전극 끝단과 에어갭부 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 에어갭형 FBAR의 Q값 특성은 하부전극의 일측 플레이트 경계면과 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이에 형성된 전극 비적층 영역의 폭에 의해 좌우될 수 있다.

다음의 표 1은 하부전극의 일측 플레이트 경계면과 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이의 거리에 따른 Q값(Zp) 특성에 대한 테이블 정보이다.

표 1에 기재된 바와 같이, 하부전극의 일측 플레이트 경계면과 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이에 형성된 전극 비적층 영역의 폭이 1.3[μm] 이상 3.0[μm] 이하일 때 Q값(Zp)이 가장 높게 형성됨을 확인할 수 있다.

또한, 도 6은 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR의 에어 브릿지 일측 끝단과 하부 전극 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 에어갭형 FBAR의 Q값 특성은 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면과 하부 전극의 일측 플레이트 경계면 사이의 거리에 의해 좌우될 수 있다.

다음의 표 2는 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면과 하부 전극의 일측 플레이트 경계면 사이의 거리에 따른 Q값(Zp) 특성에 대한 테이블 정보이다.

표 2에 기재된 바와 같이, 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면과 하부 전극의 일측 플레이트 경계면 사이의 거리가 4.0[μm] 이상 4.7[μm] 이하일 때 Q값(Zp)이 높게 형성됨을 확인할 수 있으며, 특히, 4.25[μm]일 때, Q값(Zp)이 가장 높게 형성됨을 확인할 수 있다.

또한, 도 7은 도 4에 도시된 에어갭형 FBAR의 하부 전극 끝단과 에어 브릿지 타측 끝단 사이의 거리에 따른 Q값 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 에어갭형 FBAR의 Q값 특성은 하부 전극 끝단과 에어 브릿지 타측 끝단 사이의 거리에 의해 좌우될 수 있다.

다음의 표 3은 하부 전극 끝단과 에어 브릿지 타측 끝단 사이의 거리에 따른 Q값(Zp) 특성에 대한 테이블 정보이다.

표 3에 기재된 바와 같이, 하부 전극 끝단과 에어 브릿지 타측 끝단 사이의 거리가 4.0[μm] 이상 4.5[μm] 이하일 때 Q값(Zp)이 높게 형성됨을 확인할 수 있으며, 특히, 4.2[μm]일 때, Q값(Zp)이 가장 높게 형성됨을 확인할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 기판
110: 에어갭부
200: 하부 전극
300: 압전층
400: 상부 전극
500: 에러 브릿지

Claims

상면에 에어갭부을 포함하는 기판;
다각형 플레이트의 형태로 상기 기판의 상부에 형성되되, 상기 에어갭부의 상부를 에워싸는 하부전극;
상기 하부 전극의 상부에 형성된 압전층; 및
상기 압전층의 상부에 형성된 상부전극을 포함하고,
상기 하부전극은,
상기 에어갭부의 상부 중 일 부분이 노출되도록 상기 다각형 플레이트의 일측 플레이트 경계면과 상기 에어갭부의 일측 에어갭 경계면 사이에 전극 비적층 영역이 형성되되,
상기 일측 플레이트 경계면의 일부가 상기 에어갭부의 중심 방향으로 일정 폭만큼 그루브를 형성하여 상기 일측 플레이트 경계면과 상기 일측 에어갭 경계면 사이에 상기 전극 비적층 영역이 형성되고,
상기 전극 비적층 영역의 상부에서 상기 압전층과 상기 상부전극 사이에 에어 공간이 형성된 에어 브릿지를 포함하되,
상기 에어 브릿지의 에어 공간과 상기 전극 비적층 영역은 상기 압전층에 의해 차단되어 있는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
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청구항 1에 있어서,
상기 일정 폭은 0.5[μm] 이상 5.0[μm] 이하인 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 에어갭부의 상부에 위치한 상기 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면과 상기 일측 플레이트 경계면까지의 거리는 2.0[μm] 이상 6.0[μm] 이하인 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.
청구항 1에 있어서,
상기 에어 브릿지의 일측 브릿지 경계면은 상기 에어갭부의 상부에 위치하고, 상기 에어 브릿지의 타측 브릿지 경계면은 상기 에어갭부가 형성되지 않은 상기 기판의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 에어갭형 FBAR.