수직 전극을 이용한 고전압 광대역 필터용 벌크 음향 공명기

초록

본 논문은 리튬 나이오베이트(LiNbO₃) 리지에 측면 전극을 배치한 수직 전극 벌크 음향 공명기(VBAR)를 제안한다. 리지 폭을 리소그래피로 정밀 제어함으로써 2–4 GHz 대역에서 30 % 이상의 전기‑기계 결합계수(kₜ²)를 달성하고, 이를 기반으로 약 20 %의 분수 대역폭(FBW)을 갖는 사다리형 필터를 구현하였다. 열 안정성 향상을 위한 SiO₂ 보상층과 고전력(30 dBm) 동작 가능성도 검증하였다.

상세 분석

VBAR는 기존 SAW와 BAW 기술이 각각 안고 있던 전기‑기계 결합(kₜ²)과 리소그래피 기반 주파수 조정 가능성, 그리고 구조적 견고성 사이의 트레이드오프를 동시에 해결하려는 시도이다. 핵심 아이디어는 LiNbO₃ 리지를 실리콘 기판 위에 좁은 Si 앵커로 고정하고, 리지 측면에 알루미늄 전극을 형성해 전기장을 인‑플레인으로 인가함으로써 전단‑수평(SH‑BAW) 모드를 흥 excite한다는 점이다. 이때 공명 주파수는 리지 폭(w₍ridge₎)으로 결정되며, 이는 포토리소그래피 공정으로 정밀하게 제어 가능하다. 시뮬레이션 결과, w₍ridge₎를 350 nm에서 600 nm 사이로 변조하면 2.5 GHz~4 GHz 범위의 주파수를 얻을 수 있으며, SiO₂ 보상층을 추가하면 음속이 감소해 주파수가 약간 낮아진다. 전기‑기계 결합계수는 Y‑cut 36° LiNbO₃의 높은 피에조 전기 상수 덕분에 SiO₂가 없을 때 7 %~40 %에 달한다. SiO₂를 두께에 비례해 삽입하면 kₜ²는 감소하지만 온도계수(TCF)가 -70 ppm/K에서 -30 ppm/K 수준으로 크게 개선된다.

제조 공정은 리지 폭을 정의하기 위해 수직 측벽(85°~90°)을 갖는 에칭을 수행하고, 알루미늄을 전극으로 증착한 뒤 플래너 표면을 제거해 측면 전극만 남기는 셀프‑얼라인드 공정을 적용한다. 이후 XeF₂ 혹은 SF₆ 플라즈마를 이용해 Si 앵커를 정밀하게 언컷(undercut)하여 리지를 기판에 고정한다. 이때 언컷 깊이는 w₍ridge₎의 절반 이하로 유지해 음향 누설을 최소화한다.

측정 결과, VBAR는 2.5 GHz4 GHz 대역에서 500 MHz 정도의 반전 주파수 차이를 보이며, Q₍Bode₎는 100150 사이였고, 리지 폭이 좁아질수록 Q가 감소하는 경향을 보였다. 이는 주로 앵커와 기판 사이의 음향 손실보다는 리지 자체의 구조적 손실이 지배적임을 시사한다. SiO₂ 두께를 변화시켰을 때 스퓨리어스 모드가 안티레조넌스 근처에 나타나는 현상이 관찰되었으며, 이는 설계 시 층 두께와 모드 간 간섭을 고려해야 함을 의미한다.

전력 처리 능력 테스트에서는 30 dBm까지 선형성을 유지했으며, 비선형 왜곡은 고전력 구간에서만 미미하게 나타났다. 이는 리지를 기판에 고정함으로써 열 전도가 향상되고, LiNbO₃ 자체의 낮은 열전도도에도 불구하고 효과적인 열 방출이 가능함을 보여준다.

전체적으로 VBAR는 높은 kₜ²와 리소그래피 기반 주파수 조정, 그리고 견고한 고정 구조를 결합함으로써 5G/6G 무선 통신에 요구되는 광대역, 고전력, 온도 안정성을 동시에 만족시키는 새로운 BAW 플랫폼으로 평가된다. 다만 Q값이 아직 SAW 수준에 미치지 못하고, 스퓨리어스 모드 억제와 앵커 설계 최적화가 필요하다는 점이 향후 연구 과제로 남는다.