<테마특강> 고주파(RF)용 FBAR필터 기술

박희대

◇85년 부산 수산대 물리학과 졸업

◇92년 부산 수산대 물리학 석사

◇96년 부산 수산대 물리학 박사

◇93∼96년 KAIST 물리학 위촉연　구원

◇96∼97년 KAIST 연수연구원, 　한국학술진흥재단 Post Doc.

◇97년∼현재 한국쌍신전기 기술연　구소 소장

　다가오는 21세기 정보시대의 총아라 할 수 있는 무선이동통신은 오늘날 하루가 다르게 변모하고 있다. 그 변화를 가능하게 하는 주 요인은 개략적으로 두 가지를 들 수 있다. 하나는 무선이동통신에서 소프트웨어적 측면인 신호처리기술(변조·복조)의 발전이다. 이는 한정된 주파수 대역에서 효율적인 정보전달을 위한 것이다. 또 다른 하나는 하드웨어적인 고주파(RF : Radio Frequency)부품 기술이라 말할 수 있다.

　특히 RF 무선이동통신 부품 중 필터 부문이야말로 핵심 수동부품 가운데 하나다. 이는 무수히 많은 공중파중에 이용자가 필요로 하는 신호를 선택하거나 전송하고자 하는 신호를 걸러주는 기능을 한다.

　따라서 고품위 무선이동통신을 위해서는 이 필터 개발 기술이 우선돼야 한다. 특히 무선이동통신의 휴대성을 고려한 단말기의 경박단소 및 저전력화 추세에도 기여되는 필터 기술을 필요로 하고 있다.

　FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 박막형 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(CaAs)에 압전유전체 물질인 ZnO·AlN을 RF 스퍼터링 방법으로 직접 증착해 압전 특성으로 인한 공진을 유발하는 박막 형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.

　이는 박막(Thin Film)소자로 저가격·최소형이면서 고품질(High Q)계수의 특성이 가능하므로 각종 주파 대역(9백㎒∼10㎓)의 무선통신기기·군용 레이더 등에 사용 가능하다.

　또한 유전체 필터 및 집중 정수(LC) 필터보다 수백 분의 1 이하 크기로 최소형화가 가능하고 탄성파(Surface Acoustic Wave)소자보다 삽입손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다. 따라서 안정성이 높고 고품질계수를 요구하는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)에 사용이 가능하다.

　FBAR는 양 전극 사이에 압전박막을 증착해 체적파(Bulk Acoustic Wave)를 유발시켜 공진을 발생시키는 원리를 이용했다. 이러한 FBAR의 제조공정에서는 압전물질인 ZnO·AlN을 Si나 CaAs기판 위에 압전박막층(Piezoelectric Film)을 증착하는 공정, 전극(Electrode)층과 멤브레인(Membrane)층을 형성하기 위한 공정으로 나눌 수 있다. 이들 박막층은 우수한 부착력·평탄성 및 치밀화가 이루어져야 한다.

　초기에는 p+층을 Si위에 이온성장법으로 증착하거나 SiO₂를 Si 위에 증착하고 Si기판 반대면을 이방성 에칭(Isotropic Etching)해 에칭 정지(Etching Stop)가 일어나 에칭 캐버티(Etching Cavity)를 형성하는 방법으로 멤브레인층을 만들었다. 그리고 전극층을 형성해 이 전극층 위에 압전층을 RF 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)방법으로 증착한다.

　이들 압전물질은 뛰어난 배양성과 큰 압전결합계수(Electromechanical Coupling Constant)를 가지는 박막으로 성장돼야 하고 또 높은 비저항값(<1백6 Ω㎝)과 표준편차 60 이하, 높은 파괴강도 및 증착박막의 재현성이 우수해야 한다는 조건을 가지고 있다.

　지금까지 연구 결과에서는 ZnO와 AlN이 가장 유력한 압전물질로 사용되고 있으나 AlN은 성장조건이 고온(≤ 5백℃)을 요구하므로 ZnO를 선호하게 된다. 이같은 멤브레인법은 공정의 번거로움과 개별소자 절단시 멤브레인으로 인한 소자 자체의 약점으로 인해 많은 불량을 야기시킨다는 점, 멤브레인으로 인한 음파(Acoustic Wave)에너지의 손실로 공진 특성을 저하시킴으로써 지금은 멤브레인에 의한 손실을 줄이고 소자 제조공정을 단순화하기 위해 에어 갭(Air Gap)형과 브래그 리플렉터(Brag Reflector)형 FBAR가 등장했다.

　에어 갭형은 마이크로머시닝(Micromachining)기술을 이용, Si기판 표면에 희생(Sacrificial)층을 형성해 에어 갭을 만든 것으로 종래의 멤브레인 형성을 위한 백 에칭에서 긴 공정시간과 유해가스로 인한 위험성을 줄일 수 있다.

　브래그 리플렉터법은 Si기판 위에 어쿠스틱 임피던스(Acoustic Impedance) 차가 큰 물질을 격층으로 증착, 브래그 반사를 유발시켜 음파에너지가 전극층 사이에 모이도록 해 공진이 발생토록 하는 방법이다.

　이 방법은 지금까지 어떠한 방법과의 비교에서도 가장 제조시간이 절약되고 외부 충격에 강한 소자를 구현할 수 있는 장점을 가지고 있다.

　이같은 방법으로 제조된 높은 품질계수 FBAR 공진기를 래더(Ladder)형 필터, 모노리식 크리스털(Monolithic Crystal)형 필터, 스택트(Stacked)형 필터, 래티스(Lattice)형 필터로 단일칩(One Chip) 형태의 박막형 필터로 구현이 가능하다.

　현재 무선통신용 RF 필터로 가장 많이 사용되고 있는 것이 유전체 필터와 SAW 필터라 할 수 있다. 이들 필터는 각각의 장단점을 지니고 있고 현재 무선통신 단말기의 기술적 발전 추이에 따라 꾸준히 발전하고 있다.

　유전체 필터는 특히 높은 유전율, 저삽입 손실, 높은 온도에서의 안정성·내진동·내충격에 강한 장점을 가지고 있는 반면 기술적 발전 동향인 소형화 및 MMIC화에는 한계성을 나타내고 있다. 물론 이런 기술적인 한계를 극복하기 위해서 모노블록(Monoblock)화와 적층화(Multi Lay) SMD(Surface Mounted Device) 필터가 개발돼 부피의 한계성이 어느 정도 극복되고 있지만 궁극적인 목표에는 도달되지 못하고 있는 상태다.

　현재 유전체 필터의 모노블록화 형태로는 가정에서 사용하는 9백㎒ 대역 무선전화기용 필터와 PCS용 1.8∼1.9㎓ 대역 듀플렉서 필터로 일본 무라타와 미국 모토롤러가 생산, 공급하고 있다. 적층 필터 등은 일부 생산돼 사용중이며 적층 듀플렉서 필터는 개발중인 상태다.

　SAW 필터의 경우 유전체 필터에 비해 소형이면서 신호처리가 용이하고 회로의 간략화·무조정화 및 반도체 공정을 이용함으로써 대량생산이 가능한 이점을 가지고 있다.

　또 유전체 필터에 비해 통과 대역내의 사이드 리젝션(Side Rejection)이 높아 고품위의 정보를 주고 받을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 물론 삽입손실(<3㏈)이 크고 단결정 압전기판인 LiNbO₃(LN)·LiTaO₃(LT)를 사용함으로써 가격이 약간 비싸다는 단점도 있다.

　SAW소자 공정에서는 노광(Photolithography)장치로 자외선(UV)을 사용하고 있다.

　이에 따라 IDT(InterDigital Transducer) 선폭은 0.5㎛ 정도가 한계이므로 초고주파(5㎓ 이상) 대역이 불가능하다. 이를 극복하기 위해서는 두 가지 접근방법이 있다. 첫째는 노광 파장을 짧게 발생시킬 수 있는 X레이나 전자빔 노광기를 사용해야 한다. 이런 장비를 이용하기에는 상당히 고가이므로 접근이 불가능하다. 둘째는 표면파 속도를 높일 수 있는 압전기판을 사용해야 한다는 것이다. 하지만 압전기판은 아직 개발되지 못한 실정이며 압전박막을 코팅해 표면파 속도를 높이기 위한 연구가 진행되고 있는 상태다.

　만약 SAW 필터가 이런 난제들을 모두 극복한다고 해도 근본적으로 반도체기판에서 이루어지는 MMIC구조와 단일칩상으로 구성되기는 불가능하다. 현재 SAW 필터는 RF 대역용과 9백㎒용, 그리고 PHS대역용이 개발돼 사용중이다. 이와 함께 PCS용 SAW 듀플렉서 필터 개발이 활발하게 진행되고 있다.

　이와 달리 FBAR 필터는 모든 면에서 차세대 무선이동통신 필터에 가장 이상적이라고 말할 수 있다. 이는 RF 능동소자들과의 자유로운 결합이 가능하고 초경량 및 초경박이며 반도체 공정을 이용한 대량생산으로 단가가 저렴하다. 특히 안정성이 높으며 필터 특성을 나타내는 중요한 단서 가운데 하나인 삽입손실률이 1∼1.5㏈로 유전체 필터와 동일하거나 약간 우수한 특성을 나타내고 있다. 사이드 리젝션의 경우도 SAW 필터 특성보다 10∼20㏈ 높아 뛰어난 신호대 잡음비를 보이고 있어 고품위의 무선통화 품질을 보장할 수 있다.

　현재 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)나 MESFET(MEtal Semiconduct Field Effect Transistor)로 구성되는 이동통신 무선주파수대 능동회로들은 MMIC기술로 점차 소형화·단일화되고 있으나 칩 외부의 RF 수동부품들인 필터·듀플렉서 필터·안테나 등은 아직도 부피가 크고 구조가 복잡해 회로의 단일칩화에 큰 장애가 되고 있다.

　수정 공진기 및 SAW 공진기를 이용한 필터들은 유전체 공진기를 이용한 필터에 비해 훨씬 소형이고 그 특성이 점차로 개선되어 유전체 필터를 대체해 나가고 있다. 하지만 근본적으로 압전기판을 이용함으로써 반도체기판에서 이루어지는 MMIC구조와 단일칩으로는 구성이 불가능하다.

　FBAR 필터는 기존 반도체(Si·CaAs)기판을 사용함으로써 타 능동소자들과의 통합이 가능해 주파수 제어회로를 완전히 MMIC화할 수 있다. 이에 따라 RF 무선통신의 전단부(RF Front End)를 단일칩화할 수 있는 방향으로 FBAR 필터의 기술 발전이 전개돼 개인 단말기의 초소형화 및 저가격화 조기 실현에 한 몫을 담당할 것으로 기대된다.

　다가오는 21세기에는 통신의 경우 ISDN(Integrated Service Digital Network)과 같이 종합대량통신을 위한 광통신과 일정 국가에 국한된 통신이 아닌 언제 어디서나 누구와도 정보교환이 가능한 지구무선통신 단일화로 이원화가 이루어 질 것이다.

　실제로 미국 모토롤러사는 올해 9월부터 저궤도 위성을 이용한 이리듐 사업(Iridium Project)의 시험 무선통신을 실시하고 또 올 연말부터 본격 사업을 계획하고 있다. 이와 함께 제2나 제3의 중위도·고위도 위성통신사업이 진행중인 것으로 전해졌다. 또한 일정 지역을 국부적 무선통신으로 묶는 WLL(Wireless Local Loop)도 도입돼 무선통신용 필터 수요는 더욱 가속화할 것으로 전망된다.

　FBAR를 이용한 여러 가지 필터에 대한 연구 개발이 미국·일본의 대학연구소 및 관련기업체에서 활발히 진행되고 있으며 시제품이 일부 개발돼 군용으로 사용중이다. 하지만 아직 상용화는 이루어지지 않고 있는 실정이다. 국내에서는 1㎓ 대역 FBAR 공진기 개발에 성공했고 현재 IMT 2000용 FBAR 필터에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.