KR20040002971A

KR20040002971A - 공진기 디바이스 및 공진 주파수 조절 방법

Info

Publication number: KR20040002971A
Application number: KR10-2003-7014998A
Authority: KR
Inventors: 로버트 아이그네르; 엘브레흐트 루에데르; 스테판 마르크스테이네르; 윈프리에드 네슬레르
Original assignee: 인피네온 테크놀로지스 아게
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2004-01-07
Also published as: US20040130847A1; DE50213637D1; DE10124349A1; US6864619B2; EP1393440A1; JP4455817B2; WO2002095939A1; JP2004534445A; EP1393440B1

Abstract

본 발명은 공진기 디바이스에 관한 것이며, 이 공진기 디바이스는 그 상에 구성된 일련의 디튜닝 층(a detunig layer sequence)(52)을 갖는 압전 공진기(a piezoelectric resonator)(10)를 포함한다. 이 일련의 디튜닝 층은 낮은 음향 임피던스(a low acoustic impedance)를 갖는 제 1 층(52A)과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층(52B)을 적어도 포함한다.

Description

공진기 디바이스 및 공진 주파수 조절 방법{PIEZOELECTRIC RESONATOR DEVICE WITH A DETUNING LAYER SEQUENCE}

압전 공진기 또는 벌크 음파 공진기(BAW resonator)는 각기 고주파수 기술에서 필터로서 널리 사용되고 있다. 광범위하게 사용되는 래더 타입(ladder type) 또는 격자 또는 밸랜싱된 타입(lattice or balanced type)의 회로에서, 몇 개의 압전 공진기들은 입력과 출력 사이에서 직렬로 접속된다. 래더 타입의 회로에서, 이웃하는 공진기들 간의 노드는 다른 BAW 공진기(션트 공진기 : shunt resonator)를 통해서 접지에 접속된다. 또한, 다른 션트 공진기가 필터의 입력 및/또는 출력에 대해서 병렬로 제공될 수 있다. 하나 또는 몇 개의 션트 공진기는 입력과 출력 간에서 직렬로 접속된 공진기의 공진 주파수보다 통상적으로 2 내지 3 % 작은공진 주파수를 갖는다. 공진기 그룹의 서로에 대한 이러한 근사한 디튜닝 크기는 필터 대역폭의 약 50 내지 80 %에 대응한다.

통상적으로, 전술된 도전체 회로 내에 포함된 모든 공진기는 공통 기판 상에서 제조되며 도전성 트레이스(conductive trace)에 의해서 서로 접속된다. 다른 측정 사항을 고려하지 않고도, 기판 상에서 모든 공진기를 실제적으로 동일하게 셋업(set-up)하면 공진기의 공진 주파수들은 실제적으로 동일하게 된다.

이러한 잘 알려진 BAW 공진기의 셋업의 실례가 이후에 도 1a를 참조하여 설명될 것이다. BAW 공진기(10)는 가령 AlN, ZnO, PZT로 구성된 압전층(20)을 포함한다. 제 1 표면(21)에서 압전층(20)은 제 1 전극(22)을 포함하고 제 2 표면(23)에서 제 2 전극(24)을 포함하는데, 전극(22,24)은 가령 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴 또는 이들 물질의 조합을 포함한다. 공진기(10)의 공진 주파수는 가령 사용된 물질의 두께, 음속, 음향 임피던스와 같은 물성에 의해서 결정된다.

압전 공진기(10)는 기판(도시되지 않음) 상에 구성되며, 여기서 기판으로부터 압전 공진기(10)는 음향적으로 분리될 필요가 있다. 이러한 음향 분리는 가령 공진기와 기판 간에 구성된 음향 반사기(도시되지 않음)에 의해서 성취된다. 이 반사기는 상이한 기계적 특성을 갖는 물질로 구성된 다수의 층을 갖는다. 각 층의 두께는 층 내에 전파되는 파의 파장의 약 1/4에 대응하거나 그 파장의 홀수배가 될 수 있다. 기판으로부터 공진기를 음향적으로 분리시키는 것은 또한 가령 기판과 공진기 간의 공동(cavity)과 같은 다른 잘 알려진 기술에 의해서 성취될 수도 있다. 이와 달리, 공진기는 다른 구성물에 의해서 유지되며, 이로써 어떤 기판도이 경우에는 제공되지 않는다.

도 1b는 제 1 압전 공진기(10) 및 제 2 압전 공진기(10')을 갖는 장치를 도시한다. 제 2 압전 공진기는 각기 제 1 표면(21) 및 제 2 표면(23) 상에 형성된 두 개의 전극(22',24')으로 형성된다. 이 공진기들은 서로 접속되어 필터를 형성하고, 여기서 제 1 공진기(10)는 상술된 션트 공진기를 형성한다.

제 2 공진기(10')의 공진 주파수에 대해서 제 1 공진기(10)의 공진 주파수를 시프트(shift) 또는 디튜닝(detune)하기 위해서는, 공진기(10)에 대해서 공간적으로 한정된 상이한 측정치를 사용해야 한다. 도 1b에서 도시된 바와 같이, 압전 공진기(10)의 제 1 전극(22)의 두께를 변화시키면, 공진기의 공진 주파수가 변화된다. 공진기(10)를 디튜닝하기 위해서, 제 1 전극(22)의 두께는 가령 추가 단계에서 추가적인 금속 박층을 도포하거나 또는 가령 전극의 일부를 에칭함으로써 제 1 전극(22)의 두께를 감소시킴으로써 변경될 수 있다.

디튜닝 단계 후에, 가령 공진기(10,10')의 주파수를 세밀하게 조절하기 위해서 제 1 전극(22,22')이 사용될 수 있다. 이러한 세밀한 조절은 전극의 두께를 변화시키거나 전극 상에 고정된 두께의 추가층을 증착시킴으로써 수행된다. 이러한 세밀한 조절 수행은 디튜닝된 공진기(10) 및 디튜닝되지 않은 공진기(10') 모두에서 발생한다. 그러나, 제 1 전극(22,22')의 두께를 변화시키면 제 1 공진기(10)의 디튜닝 크기가 바람직하지 않게 변경되어 버린다.

디튜닝은 공진기(10,10')에 의해 형성된 필터의 성능에 강한 영향을 주기 때문에, 공진기(10,10')에 대해 수행될 수 있는 "트리밍(trimming)"(주파수 세밀 조절) 정도가 크게 제약받지 않도록 하기 위해서는 트리밍 수행이 디튜닝 크기를 크게 변화시키지 말아야 한다.

공진기를 디튜닝하는 잘 알려진 방법은 디튜닝될 공진기(10)에 대해서 높은 음향 임피던스 또는 낮은 음향 임피던스를 갖는 물질로 구성된 디튜닝 층을 사용하는 것이다. 이러한 절차 및 이로 인해 생성된 구조물이 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명될 것이다.

도 2a는 디튜닝된 공진기(10)가 디튜닝 층(26)을 갖는 공진기 디바이스를 도시한다. 도 2a에서 도시된 공진기 디바이스에서, 공진기(10,10')의 전극(22,22',24,24')은 몇 개의 층으로 형성된다. 제 1 공진기(10)의 제 1 전극(22)은 가령 텅스텐으로 구성된 제 1 층(28)을 포함하고 가령 알루미늄으로 구성된 제 2 층(30)을 포함한다. 디튜닝 층(26)은 제 1 전극(22)의 두 층(28,30) 간에 구성된다. 제 2 공진기(10')의 제 1 전극(22')은 가령 텅스텐으로 구성된 제 1 층(28')을 포함하고 가령 알루미늄으로 구성된 제 2 층(30')을 포함한다. 제 1 공진기(10)의 제 2 전극(24)은 가령 텅스텐으로 구성된 제 1 층(32)을 포함하고 가령 알루미늄으로 구성된 제 2 층(34)을 포함한다. 제 2 공진기(20')의 제 1 전극(24')은 가령 텅스텐으로 구성된 제 1 층(32')을 포함하고 가령 알루미늄으로 구성된 제 2 층(34')을 포함한다. 전극의 층 두께들은 반드시 동일하다. 디튜닝 층(26)을 제외하면, 공진기(10,10')은 본질적으로 같다.

낮은 음향 임피던스를 갖는 디튜닝 층(26)이 사용되면, 디튜닝 층은 가령 낮은 음향 임피던스를 갖는 알루미늄으로 구성된다. 이와 달리, 실리콘 산화물 층이 사용될 수 있다. 이 경우에, 가령 홀을 통한 비아와 같은, 전극(22)의 두 개의 층을 접속시키는 수단이 필요하다. (일정한 디튜닝 층의 경우에) 공진 주파수 미세 조절을 위해서, 각 공진기의 제 1 전극(22,22')의 알루미늄 층(30,30')의 두께가 변화된다. 제 1 전극(22)의 알루미늄 층(30)의 두께가 변화되면, 디튜닝되지 않은 공진기(10')에 대한 디튜닝된 공진기(10)의 디튜닝 크기가 추가적인 영향을 받는다.

도 2b는 압전 공진기(10)의 제 1 전극(22)의 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL에 대한 도 1a에 도시된 압전 공진기(10)의 디튜닝 크기의 의존도를 도시한 그래프이다. 도 2b에서, 제 1 전극(22)의 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL대 디튜닝 크기가 도시되며 여기서 곡선(36)은 디튜닝 층(26)의 두께가 일정한 경우에 두께 d_AL의 함수로서 디튜닝 크기를 도시한다. 디튜닝 층을 갖는다면 동일한 물성을 가질, 실제로 디튜닝 층을 가지지 않는 압전 공진기(10')에 대한 디튜닝 층을 갖는 압전 공진기(10)의 디튜닝 크기는 가령 도 2b에서 지점 A에서 표시된 바와 같이 0.66 ㎛의 제 1 전극(22)의 알루미늄 층의 두께의 경우에 35 MHz이다. 두께 d_AL를 크게 하면 디튜닝 크기가 증가하며 두께 d_AL를 작게 하며 디튜닝 크기가 감소된다. 허용가능한 허용 오차 범위는 라인(38,40)에 의해서 표시되며, 이 범위 안에서 추가적인 주파수 보정(트리밍)에 의해 발생하는 필요한 디튜닝 크기 변경이 허용될 수 있다. 이 허용 오차 범위 내에서, 주파수 보정으로 인한 35 MHz로부터의 디튜닝 크기 변경이 이러한 방식으로 디튜닝된 공진기를 포함하는 필터의 물성에 영향을 주는 정도는 무시할 수 있거나 적어도 허용가능하다.

두께 영역(42)은 곡선(36)에서 라인(38,40)의 교점(B,C)에 의해서 설정되며, 이 영역 내에서 제 1 전극(22,22')의 알루미늄 층의 두께 d_AL는 변경될 수 있다. 곡선(36)의 큰 구배로 인해서, 약 0.55 내지 0.7 ㎛의 작은 영역의 두께만이 이용될 수 있다. 제 1 전극(22,22')의 알루미늄 층의 두께는 이 영역에서는 허용 오차 범위를 넘어서는 디튜닝 크기 변경을 초래하지 않으면서 변경될 수 있다. 도 2b에서 도시된 허용 오차 영역이 전부 이용된다면, 즉 지점(B)에서 지점(A)로 그리고 지점(C)로 곡선(36)을 따라서 진행한다면, 900 MHz의 공진기 공진 주파수의 경우에 있어서 ±10 MHz의 주파수 보정(주파수 시프트)가 두께 d_AL을 변화시킴으로써 획득될 수 있다. 달리 말하자면, ±10 MHz의 공진기(20)의 공진 주파수 시프트는 여전히 허용 오차 범위 내에서 디튜닝 크기 변경을 가져온다.

가령 이동 무선 통신과 같은 통상적인 애플리케이션에서 약 ±3% 공진 주파수 보정, 가령 900 MHz의 공진 주파수의 경우 약 ±30 MHz의 보정이 요구되기 때문에, 제조된 필터 장치의 작은 분율 만이 상술된 바와 같이 보정될 수 있는데, 즉 그 양은 주파수에 관한 한 요구된 주파수로부터의 ±10 MHz 만큼 변경되는 분율이다. 보다 큰 변화 분율을 갖는 모든 다른 필터는 보정될 수 없다.

도 2c는 디튜닝을 위해서 디튜닝 공진기(10)가 높은 음향 임피던스를 갖는 몰리브덴으로 만들어진 디튜닝 층(26)을 포함하는 장치의 성능을 도시한다. 이와달리, 높은 음향 임피던스를 갖는 다른 물질, 가령 텅스텐, 백금, 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅)와 같은 물질이 사용될 수 있다.

도 2c에서, 제 1 전극(22)의 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL대 디튜닝 크기가 도시되며 여기서 곡선(44)은 디튜닝 층(26)의 두께가 일정한 경우에 두께 d_AL의 함수로서 디튜닝 크기를 도시한다. 디튜닝 층을 갖는다면 동일한 물성을 가질, 실제로 디튜닝 층을 가지지 않는 압전 공진기(10')에 대한 디튜닝 층을 갖는 압전 공진기(10)의 디튜닝 크기는 가령 도 2c에서 지점 A에서 표시된 바와 같이 0.66 ㎛의 알루미늄 층의 두께의 경우에 35 MHz이다. 도 2b에서와는 달리, 두께 d_AL를 크게 하면 디튜닝 크기가 감소하여 높은 음향 임피던스를 갖는 디튜닝 층에 악영향을 준다. 반대로, 두께 d_AL를 작게 하며 디튜닝 크기가 증가된다.

도 2b에서와 마찬가지로, 도 2c에서는 허용가능한 허용 오차 범위는 라인(46,48)에 의해서 표시되며, 이 범위 안에서 추가적인 주파수 보정(트리밍)에 의해 유발되는 필요한 디튜닝 크기 변경이 허용될 수 있다. 이 허용 오차 범위 내에서 디튜닝 크기 변경 및 이러한 변경이 필터의 물성에 영향을 주는 정도는 무시할 수 있거나 적어도 허용가능하다. 두께 영역(50)은 곡선(44)에서 라인(46,48)의 교점(B,C)에 의해서 설정되며, 이 영역 내에서 제 1 전극(22,22')의 알루미늄 층의 두께 d_AL는 변경될 수 있다. 곡선(44)의 큰 구배로 인해서, 약 0.62 내지 0.78 ㎛의 작은 영역의 두께만이 이용될 수 있다. 제 1 전극(22,22')의 알루미늄층의 두께는 이 영역에서는 주파수 보정이 허용 오차 범위를 넘어서는 디튜닝 크기 변경을 초래하지 않으면서 변경될 수 있다.

그러나, 이 경우에, 도 2b에서와 동일한 이유로 인해서 트리밍 범위는 한정되며, 도 2c에서 도시된 실례에서는 이 크기는 900 MHz의 공진 주파수의 경우 20 MHz이다.

발명의 개요

본 발명의 목적은, 디큐닝 크기 변경이 허용 오차 범위를 초과하지 않으면서 자신의 공진 주파수가 큰 주파수 범위에 걸쳐서 트리밍(보정)될 수 있는, 압전 공진기 디바이스를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제 1 항에 따른 공진기 디바이스에 의해서 성취된다.

본 발명은 압전 공진기와, 이 압전 공진기 상에 구성되며 낮은 음향 임피던스를 갖는 제 1 층과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층을 적어도 포함하는 일련의 디튜닝 층을 포함하는 공진기 디바이스를 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 압전 공진기의 디튜닝 크기 변경을 너무 크게 하지 않으면서 큰 주파수 범위에 걸쳐서 공진 주파수를 트리밍할 수 있는, 압전 공진기의 공진 주파수를 조절하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 19 항에 따른 방법에 의해서 성취된다.

본 발명은 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 압전층과, 제 1 표면 상의 제 1 전극과, 제 2 표면 상의 제 2 전극을 포함하는 압전 공진기의 공진 주파수를 조절하는 방법을 제공하는데, 이 방법은 낮은 음향 임피던스를 갖는 제 1 층과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층을 적어도 포함하는 일련의 디튜닝 층을 위의 압전 공진기 상에 제공하는 단계와, 제 1 전극의 두께를 변화시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 압전 공진기 디바이스를 디튜닝하기 위한 일련의 디튜닝 층을 사용한다는 사상을 기초로 하는데, 이 일련의 디튜닝 층은 상이한 기계적 또는 음향적 특성을 갖는 적어도 두 개의 층으로 구성되며, 이로써 이 일련의 디튜닝 층은 만일에 디튜닝 층을 갖는다면 동일한 특성을 가질 디튜닝 층을 갖지 않는 압전 공진기의 공진 주파수에 대해서 디튜닝 층을 갖는 압전 공진기의 공진 주파수를 시프팅한다. 여기서, 제 1 층은 높은 음향 임피던스를 가지며 제 2 층은 낮은 음향 임피던스를 갖는다. 본 발명에 따라서, 허용 오차 범위를 초과하는 디튜닝 크기 변경을 유발하지 않으면서 종래 기술의 방법과 비교하여 트리밍 범위가 보다 크게 될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 낮은 음향 임피던스를 갖는 층은 알루미늄, 실리콘 이산화물 또는 낮은 음향 임피던스를 갖는 다른 물질이다. 한편, 높은 음향 임피던스를 갖는 층은 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 탄탈륨 산화물 또는 높은 음향 임피던스를 갖는 다른 물질이다. 이 층들의 적층 순서는 임의적이다. 높은 음향 임피던스를 갖는 층의 두께는 바람직하게는 10 내지 60 nm 범위이며 보다 바람직하게는 20 내지 60 nm이며, 반면에 낮은 음향 임피던스를 갖는 층의 두께는 바람직하게는 50 내지 200 nm 범위이며 보다 바람직하게는 100 내지 200 nm이다. 제 1 압전 공진기는 바람직하게는 압전 층을 가지며 이 층의 제 1 표면 상에 제 1전극을 갖고 제 2 표면 상에 제 2 전극을 갖는 압전 공진기이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라서, 다른 압전 공진기가 제공되며 일련의 디튜닝 층은 제 1 압전 공진기 구역에서만 제공된다. 제 1 압전 공진기의 공진 주파수 및 제 2 압전 공진기의 공진 주파수는 바람직하게는 2 내지 3 % 편차를 갖는다. 두 공진기 모두는 압전 층의 대향하는 표면 상에 구성된 전극들로 형성될 수 있다. 제 2 압전 공진기는 제 1 노드와 제 2 노드 간에 접속되며 디튜닝 층을 갖는 제 1 공진기는 제 2 노드와 접지 간에 접속되어 이로써 필터를 제공한다.

압전 공진기들의 공진 주파수는 공진기의 전극의 두께를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 전극의 두께는 전극 상에 추가 층을 증착함으로써(가령 스퍼터링함으로써) 또는 전극을 얇게 함으로써(가령 에칭함으로써) 변경될 수 있다.

일련의 디튜닝 층의 각 층의 음향 임피던스는 바람직하게는 대략 2 배 정도 서로 상이한데, 즉 높은 음향 임피던스 층의 임피던스는 낮은 음향 임피던스 층의 임피던스의 2 배이다. 바람직하게는, 높은 음향 임피던스 층의 임피던스는 약 60*10⁶kg/s*m²보다 크며 일 실시예에서는 약 60*10⁶kg/s*m²와 100*10⁶kg/s*m²간의 범위에 존재한다. 바람직하게는, 낮은 음향 임피던스 층의 임피던스는 약 30*10⁶kg/s*m²보다 작으며 일 실시예에서는 약 10*10⁶kg/s*m²와 30*10⁶kg/s*m²간의 범위에 존재한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부 도면을 참조하여 이후에 상세하게 설명될것이다.

본 발명은 압전 공진기 디바이스(piezoeletric resonator device)에 관한 것이며, 특히 상이한 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖는 몇 개의 층을 포함하는 일련의 디튜닝 층(a detuning layer sequence)를 갖는 압전 박층 공진기 디바이스에 관한 것이다.

도 1a는 종래 기술에 따른 압전 공진기 디바이스의 도면,

도 1b는 디튜닝되는 공진기와 디튜닝되지 않는 공진기로 구성된 종래 기술에 따른 압전 공전기 디바이스의 도면,

도 2a는 디튜닝 층을 갖는 디튜닝되는 공진기와 디튜닝되지 않는 공진기로 구성된 종래 기술에 따른 압전 공전기 디바이스의 도면,

도 2b는 잘 알려진 공진기의 공진 주파수를 트리밍할 때 낮은 음향 임피던스를 갖는 디튜닝 층의 디튜닝 크기에 대한 영향을 미치는 정도를 도시한 그래프,

도 2c는 잘 알려진 공진기의 공진 주파수를 트리밍할 때 높은 음향 임피던스를 갖는 디튜닝 층의 디튜닝 크기에 대한 영향을 미치는 정도를 도시한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 압전 공진기 디바이스의 도면,

도 4a는 본 발명에 따른 디튜닝되는 공진기와 디튜닝되지 않는 공진기로 구성된 압전 공진기 디바이스의 도면,

도 4b는 본 발명에 따른 공진기의 공진 주파수를 트리밍할 때 일련의 디튜닝 층의 디튜닝 크기에 대하여 영향을 주는 정도를 도시하는 그래프,

도 5는 음향 분리체로서 공동(cavity)를 갖는 기판 상의 도 4a의 장치를 도시한 도면,

도 6은 음향 분리체로서 음향 반사기를 갖는 기판 상의 도 4a의 장치를 도시한 도면,

도 7a는 본 발명에 따른 주파수 필터의 제 1 회로도,

도 7b는 본 발명에 따른 주파수 필터의 제 2 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 압전 공진기 디바이스의 바람직한 실시예의 도면이다. 도면을 참조하여 이미 기술된 요소들은 동일할 참조 부호를 가지며 다시 논의되지 않는다. 도 3은 실제 축적대로 도시되지 않았다. 서로에 대한 그리고 이 층들의 횡적 연장 정도에 대한 압전층(20) 및 전극(22,24)의 층 두께의 분율은 도시된 분율과 상이할 수 있다. 실제 압전 공진기(10)의 횡적 연장 정도는 오직 제 1 전극(22) 및 제 2 전극(24)의 중첩 영역의 횡적 연장 정도에 의해 규정된다. 제 1 전극(22)은 두 개의 층(28,30)을 포함하고 제 2 전극(24)은 두 개의 층(32,34)을 포함한다.

도 3에 도시된 압전 공진기 디바이스는 개별적인 디튜닝 층 대신에 일련의 디튜닝 층(52)이 제 1 전극(22)의 제 1 층(28)과 제 2 층(3) 사이에서 구성된다는 점에서 도 2a에 도시된 디튜닝되는 공진기(10)와 상이하다. 이 일련의 디튜닝 층(52)은 제 1 층(52A) 및 제 2 층(52B)을 갖는다. 제 1 층(52A)은 바람직하게는 알루미늄, 실리콘 산화물과 같은 낮은 음향 임피던스를 갖는 물질이다. 제 2 층(52B)은 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 탄탈륨 산화물과 같은 높은 음향 임피던스를 갖는 물질이다. 이 두 층(52A,52B)의 순서는 임의적으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 기본적으로 동일한 음향적 특성을 갖는 전극층과 디튜닝 층이 서로 인접하여 배치된다.

일련의 디튜닝 층(52)은 압전 공진기(10)의 공진 주파수에 영향을 준다. 이 일련의 디튜닝 층은 압전 공진기(10)를 디튜닝하는데, 즉 만일 디튜닝 층을 갖는다면 동일한 물성을 가질 디튜닝 층을 가지지 않는 압전 공진기에 대해서 디튜닝 층을 갖는 압전 공진기(10)의 공진 주파수를 시프트한다.

일련의 디튜닝 층(52)의 제조는 오직 추가적인 증착 단계만을 필요로 하며, 여기서 패터닝은 단일 리소그래피 및 에칭 단계에서 발생한다.

종래 기술에 따른 디튜닝되는 압전 공진기 디바이스와 비교하여, 본 발명에 따른 압전 공진기 디바이스는 트리밍 시에 즉 공진 주파수를 세밀하게 조절할 시에 장점을 갖는다. 압전 공진기(10)의 트리밍은 제 1 전극(22)의 제 2 층(30)의 두께를 변화시킴으로써 성취된다. 이러한 제 1 전극(22)의 두께 변경은 가령 동일한 물질을 추가적으로 스퍼터링 증착시키거나 제 1 전극(22)의 일부 층을 에칭에 의해서 제거함으로써 성취된다.

도 4a는 도 2a에서 도시된 장치와 유사한 장치를 도시하는데, 여기서는 디튜닝되는 공진기가 본 발명에 따라 일련의 디튜닝 층을 포함한다. 도 4a에서, 필터를 형성하도록 공진기(10,10')가 서로 접속된 바람직한 실시예가 도시된다. 디튜닝되지 않는 공진기(10')는 입력과 출력 간에서 직렬로 접속되며 디튜닝되는 공진기(10)는 션트 공진기이다. 압전층(20)은 AlN으로 구성되며 두께는 2 ㎛ 내지 3 ㎛ 범위 내에 존재하며 바람직하게는 2.4 ㎛이다. 제 2 전극(24,24')의 제 1층(32,32')은 텅스텐으로 구성되며 두께는 150 nm 내지 500 nm이며 바람직하게는 300 nm 내지 500 nm이며 본 발명의 실시예에서는 400 nm이다. 제 2 전극(24,24')의 제 2 층(34,34')은 알루미늄으로 구성되며 두께는 150 nm 내지 500 nm이며 바람직하게는 300 nm 내지 500 nm이며 본 발명의 실시예에서는 400 nm이다. 제 1 전극(22,22')의 제 1 층(28,28')은 텅스텐으로 구성되며 두께는 50 nm 내지 300 nm이며 바람직하게는 100 nm 내지 300 nm이며 본 발명의 실시예에서는 220 nm이다. 제 1 전극(22,22')의 제 2 층(30,30')은 알루미늄으로 구성되며 두께는 250 nm 내지 700 nm이며 바람직하게는 500 nm 내지 700 nm이며 본 발명의 실시예에서는 660 nm이다. 제 1 디튜닝 층(52A)은 알루미늄으로 구성되며 두께는 50 nm 내지 100 nm이며 바람직하게는 100 nm 내지 200 nm이며 본 발명의 실시예에서는 130 nm이다. 제 2 디튜닝 층(52B)은 몰리브덴으로 구성되며 두께는 10 nm 내지 60 nm이며 바람직하게는 20 nm 내지 60 nm이며 본 발명의 실시예에서는 40 nm이다. 요구되는 공진기(10,10')의 주파수 세밀 조절 또는 주파수 보정은 각기 소정의 한계치 내에서 제 1 전극(22,22')의 두께를 변화시킴으로써 성취된다. 이를 위해서, 제 1 전극(22,22')으로부터 이 전극의 횡적 두께가 균일하게 감소되도록 하는 적합한 방법에 의해서 전극 물질이 침식되거나 그의 두께가 균일한 방식으로 횡적으로 증가하도록 제 1 전극(22,22') 상에 추가적으로 물질이 증착될 수 있다. 가령, 이러한 침식 단계는 에칭 프로세스에 의해서 가능하며, 증착 단계는 가령 스퍼터링에 의해서 가능하다.

도 2b와 도 2c와 유사한, 도 4a의 장치에 대한 도 4b의 그래프는 만일 디튜닝 층을 갖는다면 동일한 특성을 가질 실제로 디튜닝 층을 가지지 않는 공진기에 대해서 본 발명에 따른 압전 공진기 디바이스를 디튜닝하는 크기의, 제 1 전극(22)의 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL에 대한 의존도를 도시한다. 도 4b는 디튜닝 크기 대 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL의 그래프를 도시하며, 여기서 곡선(54)은 일련의 디튜닝 층(52)의 두께가 일정한 경우에 알루미늄 층(30)의 두께 d_AL의 함수로서 디튜닝 크기를 나타낸다. 본 발명에 따른 압전 공진기 디바이스의 일련의 디튜닝 층(52)은 낮은 음향 임피던스를 갖는 제 1 층(52A)과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층(52B)을 포함하기 때문에, 제 1 전극(22)의 두께 d_AL에 대한 디튜닝 크기의 최종 의존도는 도 2b에서 도시된 의존도 및 도 2c에서 도시된 의존도를 대략적으로 충첩시킨 결과이다. 결과적으로, 제 1 전극(22)의 두께 d_AL에 대해서 디튜닝 크기는 비교적 약하게 의존한다. 약 0.66 ㎛의 알루미늄 층의 두께의 경우, 지점 A에서 도시된 바와 같이 디튜닝 크기는 약 35 MHz이다. 제 1 전극(22)의 두께 d_AL가 증가하든 감소하든 이의 디튜닝 크기에 대한 영향 정도는 상당히 보다 작게 된다. 허용가능한 허용 오차 범위는 라인(56,58)에 의해서 도시되며, 이 범위 내에서 추가적인 주파수 보정(트리밍)에 의해 발생되는 필요한 디튜닝 크기 변경은 허용될 수 있다. 이 허용 오차 범위 내에서, 주파수 보정으로 인한 35 MHz로부터의 디튜닝 크기 변경이 이러한 방식으로 디튜닝된 공진기를 포함하는 필터의 물성에 영향을 주는 정도는 무시할 수 있거나 적어도 허용가능하다.

두께 영역(60)은 곡선(54)에서 라인(56,58)의 교점(B,C)에 의해서 설정되며, 이 영역 내에서 제 1 전극의 알루미늄 층의 두께 d_AL는 변경될 수 있다. 곡선(54)의 작은 구배로 인해서, 종래 기술과는 달리, 약 0 내지 0.95 ㎛의 보다 큰 두께 범위가 설정된다. 제 1 전극의 알루미늄 층의 두께는 이 영역에서는 허용 오차 범위를 넘어서는 디튜닝 크기 변경을 초래하지 않으면서 변경될 수 있다.

도 4b에서 도시된 허용 오차 영역이 전부 이용된다면, 즉 지점(B)에서 지점(A)로 그리고 지점(C)로 곡선(54)을 따라서 진행한다면, 900 MHz의 공진기 공진 주파수의 경우에 있어서 -30 MHz 내지 +60 MHz의 주파수 보정(주파수 시프트)가 두께 d_AL을 변화시킴으로써 획득될 수 있다. 달리 말하자면, -30 MHz 내지 +60 MHz 만큼의 공진기(22)의 공진 주파수 시프트는 여전히 허용 오차 범위 내에서 디튜닝 크기 변경을 가져온다.

일련의 디튜닝 층(52)이 상이한 음향 임피던스를 갖는 몇 개의 층(52A,52B)을 포함한다는 사상은 본 발명의 필수적인 특징이다. 그러나, 일련의 디튜닝 층(52)의 상이한 음향 임피던스를 갖는 개별 층(52A,52B)의 적층 순서 및 두께와 이 일련의 디튜닝 층이 구성되는 장소는 도 3 및 도 4a에서 도시된 바와 서로 다를 수 있다. 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 달리, 일련의 디튜닝 층은 제 2 전극의 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치될 수 있다. 이와 달리, 일련의 디튜닝 층은 압전층과 제 1 전극 사이에 또는 압전층과 제 2 전극 사이에서 배치되거나 제 1 전극 또는 제 2 전극 상에 배치될 수 있다. 또한, 일련의 디튜닝 층(52)은 두 개 이상의 개별 층을 포함할 수 있다. 일련의 디튜닝 층(52)의 셋업 즉 개별 층의 개수, 물질, 두께, 적층 순서는 바람직하게는 도 4b에서 도시된 바와 유사하게 제 1 전극(22)의 두께에 대해서 디튜닝 크기가 약하게 의존하도록 선택된다.

상이한 개별 층들의 두께는 또한 사용된 주파수 보정 및 전극 상의 추가적인 물질 증착 또는 전극 물질 제거에 의존한다. 가령, 최적 셋업 사항은 IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, Volume 41, No. 12, 1993에서 K.M. Lakin 등에 의해 기술된 잘 알려진 Mason 모델 방식을 사용하는 시뮬레이션에 의해서 결정될 수 있다.

두 개 이상의 층을 갖는 상술된 다중층 전극 대신에, 오직 하나의 층을 갖는 전극이 사용될 수도 있다.

마이크로전자 디바이스의 모든 분야에서 가능한한 많고 다양한 회로 요소들을 통합적으로 구현하거나 이들을 한 요소로 통합시키기 위한 일반적인 경향에 따라서, 몇 개의 압전 공진기가 수 많은 애플리케이션을 위해서 동일한 프로세스 단계로 기판 상에 제조된다. 이들 몇 개의 공진기는 서로들 간에서 동일한 또는 상이한 공진 주파수를 절충시킬 수 있다. 도 4a에 도시된 압전 공진기 디바이스는 이 경우의 실례이다.

본 발명의 공진기 디바이스는 다른 방식으로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 공진기 디바이스는 전극 위의 구역 및 전극 아래의 구역이 비어 있도록 케이싱 방식으로(in a casing) 구성될 수 있다. 통상적으로, 공진기 디바이스는 기판 상에서 위치한다. 공진기의 진동에 영향을 주지 않기 위해서, 공진기를 기판으로부터 음향적으로 분리시킬 필요가 있다. 도 5 및 도 6에서, 도 4a에 도시된 장치를 음향적으로 분리시키는 두 가지 가능한 구성이 도시되며, 여기서 도 4a의 장치는 오직 개략적으로만 도시된다.

도 5에서, 도4a의 장치는 기판(62) 상에 구성된다. 기판(62)은 음향적 분리를 위해서 공동(cavity)(64)을 포함한다.

도 6에서, 도 4a의 장치는 기판(62) 상에 구성된다. 몇 개의 층에 의해 형성된 음향 반사기(66)가 이 장치와 기판(62) 간에 구성되어 음향적 분리를 수행한다.

도 7a는 5 개의 압전 공진기(70,72,74,76,78)를 갖는 래더 타입(ladder type)의 비대칭 필터 회로(68)를 도시한다. 제 1 공진기(70)는 제 1 노드(80)와 제 2 노드(82) 간에 접속되고 제 2 공진기(72)는 제 2 노드(82)와 제 3 노드(84)에 접속된다. 제 3 공진기(74)는 제 1 노드(80)와 가령 접지와 같은 기준 전위(86) 간에 접속되며 제 4 공진기(76)는 제 2 노드(82)와 기준 전위(86) 간에 접속되고 제 5 공진기(78)는 제 3 노드(84)와 기준 전위(86) 간에 접속된다. 주파수 필터로서 사용되는 이러한 비대칭형 회로에서, 제 3, 제 4, 제 5 공진기(74,76,78)는 션트 공진기이며 직렬로 접속된 두 공진기(70,72)에 비해 보다 낮은 공진 주파수 방향으로 약 2 % 내지 3 % 만큼 디튜닝되며 이 값은 바람직하게는 필터 대역폭의 50 % 내지 80 %에 대응한다. 이 필터 회로는 도 4a의 압전 공진기 디바이스에 대응하지만, 두 개의 디튜닝되지 않는 압전 공진기로서 제 1 및 제 2 공진기(70,72)를 포함하고 세 개의 디튜닝되는 압전 공진기로서 제 3, 제 4, 제 5공진기(74,76,78)를 포함하는 압전 공진기 디바이스에 의해서 실현된다. 이 공진기들의 제 1 전극 및 제 2 전극은 적합한 도전성 트레이스에 의해서 서로 접속되며 이로써 필터 회로가 생성된다.

도 7b는 4 개의 압전 공진기(90,92,84,96)를 갖는 대칭형 필터 회로(88)를 도시한다. 이 회로는 입력 단자(98a,98b)를 갖는 입력(98)과 출력 단자(100a,100b)를 갖는 출력(100)을 포함한다. 제 1 공진기(90)는 입력 단자(98a)와 출력 단자(100a) 간에 접속되고 제 2 공진기(92)는 입력 단자(98b)와 출력 단자(100b)에 접속되며, 제 3 공진기(94)는 입력 단자(98a)와 출력 단자(100b) 간에 접속되며 제 4 공진기(96)는 입력 단자(98b)와 출력 단자(100a) 간에 접속된다. 공진기(94,96)는 공진기(90,92)에 비해 보다 낮은 공진 주파수 방향으로 약 2 % 내지 3 % 만큼 디튜닝되며 이 값은 바람직하게는 필터 대역폭의 50 % 내지 80 %에 대응한다. 이 필터 회로는 도 4a의 압전 공진기 디바이스에 대응하지만, 두 개의 디튜닝되지 않는 압전 공진기로서 제 1 및 제 2 공진기(90,92)를 포함하고 두 개의 디튜닝되는 압전 공진기로서 제 3, 제 4 공진기(94,96)를 포함하는 압전 공진기 디바이스에 의해서 실현된다. 이 공진기들의 제 1 전극 및 제 2 전극은 적합한 도전성 트레이스에 의해서 서로 접속되며 이로써 필터 회로가 생성된다.

이와 달리, 도 7a 및 도 7b에 도시된 필터는 도 1를 참조하여 설명된 통상적인 공진기 디바이스 및 도 3를 참조하여 설명된 공진기 디바이스에 의해서 형성될 수 있다.

상부 전극의 두께를 변화시킴으로써 공진기의 공진 주파수를 변화시키기 위한 상술된 방법 대신에, 공진기 주파수를 변화시키기 위한 종래 기술의 다른 방법이 사용될 수도 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 일련의 디튜닝 층은 주파수 조절 과정에서 트리밍되는 전극 위에서 구성될 수 있다. 이와 달리, 일련의 디튜닝 층은 주파수 조절(트리밍)에 의해 영향을 받지 않는 하부 전극 상에 구성될 수도 있다.

상술된 실시예에서, 압전 공진기는 하나의 압전 층으로서 형성되었다. 이러한 설계 대신에, 압전 공진기는 다수의 압전층을 포함할 수 있다.

Claims

공진기 디바이스에 있어서,

압전 공진기(a piezoelectric resonator)(10)와,

상기 압전 공진기(10) 상에 구성되며 낮은 음향 임피던스(a low acoustic impedance)를 갖는 제 1 층(52A)과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층(52B)을 적어도 포함하는 일련의 디튜닝 층(a detunig layer sequence)(52)을 포함하는

공진기 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 일련의 디튜닝 층(52)의 개별 층들(52A,52B)의 음향 임피던스는 서로 2 배 차이가 나는

공진기 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 높은 음향 임피던스 층의 임피던스는 60*10⁶kg/s*m²와 100*10⁶kg/s*m²간의 범위에 존재하며,

상기 낮은 음향 임피던스 층의 임피던스는 10*10⁶kg/s*m²와 30*10⁶kg/s*m²간의 범위에 존재하는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 낮은 음향 임피던스를 갖는 층(52A)은 Al 또는 SiO₂를 포함하는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 높은 음향 임피던스를 갖는 층(52B)은 W, Mo, Pt 또는 Ta₂O₅를 포함하는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 낮은 음향 임피던스를 갖는 제 1 층(52A)의 두께는 50 내지 200 nm 범위이며,

상기 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층(52B)의 두께는 10 내지 60 nm 범위인

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 압전 공진기(10)는

제 1 표면(21)과 제 2 표면(23)을 갖는 압전층(20)과,

상기 제 1 표면(21) 상의 제 1 전극(22)과 상기 제 2 표면(23) 상의 제 2 전극(24)을 포함하는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

기판(62)을 더 포함하며,

상기 압전 공진기(10)는 음향적으로 분리되는 방식으로 상기 기판(62) 상에 구성되는

공진기 디바이스.
제 8 항에 있어서,

음향 분리를 위해서, 공동(64) 또는 음향 반사기(66)가 상기 압전 공진기(10)와 상기 기판(62) 간에 구성되는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

추가 압전 공진기(10')를 더 갖는

공진기 디바이스.
제 10 항에 있어서,

상기 압전 공진기(10)의 공진 주파수 및 상기 추가 압전 공진기(10')의 공진 주파수는 2 내지 3 % 편차를 갖는

공진기 디바이스.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 추가 압전 공진기(10')는 상기 압전층(20)의 상기 제 1 표면(21) 상의제 1 추가 전극(22')과 상기 압전층(20)의 상기 제 2 표면(23) 상의 제 2 추가 전극(24')에 의해서 형성되는

공진기 디바이스.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 추가 압전 공진기(10')는 제 1 노드와 제 2 노드 간에 접속되며,

상기 압전 공진기(10)는 상기 제 2 노드와 기준 전위 간에 접속되는

공진기 디바이스.
제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 압전 공진기들(10,10')의 공진 주파수는 상기 제 1 전극(22,22')의 두께를 변화시킴으로써 조절될 수 있는

공진기 디바이스.
제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 일련의 디튜닝 층(52)은 상기 제 1 전극(22) 상에 구성되는

공진기 디바이스.
제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 일련의 디튜닝 층(52)은 상기 제 2 전극(24) 상에 구성되는

공진기 디바이스.
제 7 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 압전 공진기(10)는 다수의 압전층을 포함하는

공진기 디바이스.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 공진기 디바이스를 갖는 필터(68,88).
제 1 표면(21)과 제 2 표면(23)을 갖는 압전층(20), 상기 제 1 표면(21) 상의 제 1 전극(22), 상기 제 2 표면(23) 상의 제 2 전극(24)을 포함하는 압전 공진기(10)의 공진 주파수를 조절하는 방법에 있어서,

낮은 음향 임피던스를 갖는 제 1 층(52A)과 높은 음향 임피던스를 갖는 제 2 층(52B)을 적어도 포함하는 일련의 디튜닝 층(52)을 상기 압전 공진기(10) 상에 제공하는 단계와,

상기 제 1 전극(22)의 두께를 변화시키는 단계를 포함하는

공진 주파수 조절 방법.