RF 필터 응용을 위한 SMR의 이론적 분석 및 제작

Abstract

차세대 무선이동통신 필터로서 RF one-chip화를 위한 가장 근접된 필터기술로 인정받고 있는 것이 FBAR 필터 기술이다. FBAR 필터가 구현되기 위해서는 먼저 단일 공진기에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 논문은 다양한 FBAR 구조 중에서 근래에 가장 많이 연구되고 있는 Acoustic Bragg Reflector를 이용한 FBAR (SMR)에 대해 입력 임피던스 수식을 유도하였으며 유도된 입력 임피던스 수식을 바탕으로 다양한 시뮬레이션을 행하였다. 또한 실제 SMR 소자 제작을 한 후 측정결과를 분석하여 제작한 SMR 소자의 RF 필터로서의 응용 가능성을 검증하였다. SMR 입력 임피던스 수식을 유도하기 전에 이상적인 FBAR 입력 임피던스 수식을 유도한 후 이상적인 FBAR의 전기적인 특성을 보였다. 그리고 이상적인 FBAR 입력 임피던스 식을 수정하여 SMR 입력 임피던스 수식을 유도하였다. 유도된 SMR 입력 임피던스 수식을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 행하였다. 시뮬레이션 결과 5층 다층 박막 SMR의 광대역 특성은 이상적인 FBAR과 유사한 캐패시터 특성을 보이지만 고차모드 특성이 열화되었다. 또한 공진 면적인 증가할 수록 SMR의 광대역 임피던스 크기는 작게 나타났으며, 공진시 단일 공진기 임피던스가 $50\Omega$에 가장 가까운 면적이 $150\times150\mum$이었으며 이것은 실제 제작결과와 일치하였다. 시뮬레이션 결과 반사층수가 증가함에 따라 공진특성이 좋아지며 5층 이상의 반사층이 효율적인 공진 특성을 나타내었다. 하지만 실제 제작에서는 7층의 반사층이 충분한 공진특성을 보였다. 실제 SMR 소자 공정에서 압전물질로 사용되는 ZnO의 c-축 우선 배향성을 아주 향상시키는 ZnO two-step 증착을 제안했으며 SEM과 XRD 조사를 통해 기존의 one-step 증착보다 c-축 우선 배향성이 훨씬 좋았다. 이러한 two-step 증착으로 ZnO을 증착시켜 7층의 반사층을 가지는 SMR 소자를 제작한 결과 2.75%의 $k_eff^2$, Q 및 Q가 각각 3895, 6538의 높은 값을 얻었다. 이러한 높은 품질계수를 갖는 SMR은 RF 필터 응용으로 충분히 사용 가능하리라 사료된다.