JP2006211664A - フィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ及びその製造方法 - Google Patents

フィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】相異なるサイズを有するキャビティを同時にエッチングしても所望のサイズに正確にエッチングし、ノッチ現象が発生する領域を縮小することによって各キャビティ間の間隔を縮めることができ全サイズを縮小すると同時に、各共振器を接続する配線長さを縮めるフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】フィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ製造方法は、基板上にメンブレイン層を形成する段階と、メンブレイン層の上面に複数の共振器を形成する段階と、基板の下面にマスク層を蒸着した後複数個のメインウィンドウ及びサブウィンドウをパターニングする段階と、メインウィンドウ及びサブウィンドウに沿って基板にキャビティを形成すると共にキャビティ領域にメンブレイン層から所定間隔離れてサブウォールを乾式エッチングにより形成する段階とを含む。
【選択図】図５

Description

本発明はフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ及びその製造方法に係り、さらに詳しくは共振器の薄膜を振動させるためのキャビティの構造及び製造方法を改善したフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタ及びその製造方法に関する。
一般にフィルムバルクアコースティック共振器(FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator)は周波数による圧電膜のアコースティックを用いたフィルタである。伝統的な周波数フィルタのサイズは、その使用周波数帯域における電磁気波の波長と同一であった。従って、電磁気波を用いたフィルタのサイズは相対的に大きい。例えば、電磁気波の周波数が１ＧＨｚである場合の古典的なフィルタのサイズは３０ｃｍ、３００ＧＨｚである場合には約１ｍｍのサイズを有するようになる。しかし、圧電膜のアコースティック波を用いると、そのアコースティック波長は電磁気波の波長に比べて１/１００００に小さくすることができる。従って、圧電膜によって電磁気波がアコースティック波に転換され、そのサイズはアコースティック波の波長程度に小さくなる。すなわちそのサイズは数百マイクロン程度であり、ウェーハで作製可能なので多量のデバイスを一括的に製造するのが可能になる。
図１は従来の技術によるフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタ１の概略的な平面図である。
図１に示すように、デュプレックスフィルタ１は基板３、基板３上に形成された送信側フィルムバルクアコースティックフィルタ５及び受信側フィルムバルクアコースティックフィルタ７よりなる。
送信側フィルムバルクアコースティックフィルタ５及び受信側フィルムバルクアコースティックフィルタ７は、基板３上に形成された多数のフィルムバルクアコースティック共振器１０が直列、並列に連結されて構成される。
図２は図１のＩ-Ｉ’線に沿った断面図であって、図面では相異なるキャビティを有するフ
ィルタの構成を示した図である。
図２に示すように、基板３には相異なるサイズのキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃが形成され、基板３の上部にはキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃをカバーするメンブレイン層４が形成される。キャビティ３ａ、３ｂ、３ｃが位置するメンブレイン層４の上部には共振器１０が形成される。ここで、共振器１０は第１電極１１、圧電膜１３、第２電極１５が順に積層形成される。
前述したようなフィルタの製造工程を概略的に説明すれば次の通りである。
図３ａないし図３ｃは従来の技術に係るフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタの製造過程を示す図であり、図４ａ及び図４ｂは従来の技術に係る乾式エッチング工程時発生するローティング効果及びノッチ現象が発生した例を示した図である。
図３ａに示すように、基板３上にメンブレイン層４を蒸着し、メンブレイン層４の上側に共振器１０を形成する。
図３ｂに示すように、基板３のマスク層９を塗布した後キャビティ３ａ、３ｂ、３ｃが形成される領域が露出されるようにウィンドウ９ａ、９ｂ、９ｃを形成する。
図３ｃに示すように、乾式エッチング装備、例えばＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)装備を用いてキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃをエッチングする。この際、キャビティ３ａ、３ｂ、３ｃの間にはウォール３ｄが形成される。
従来の方法では、ＩＣＰを用いて基板３を同時にエッチングしてサイズが相異なるキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃを形成していることから、ローティング効果(Loading effect)及びラグ効果(Lag Effect)によりキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃが所望のサイズに正確に形成されないという問題点がある。
ここで、ローティング効果とは、キャビティ３ａ、３ｂ、３ｃの角部が中央部より食刻率(etching rate)に劣り、図４ａの符号Ｌで示すように、キャビティ３ａ、３ｂ、３ｃの角部がエッチングされない現象を指す。
一方、ラグ効果はキャビティのサイズが大きくなるほど食刻率が高くなる特性を指す。従って、サイズの大きいキャビティ３ｃの方がサイズの小さいキャビティ３ａに比べて食刻率が大きいので、同一のエッチング条件で同時にキャビティ３ｃを形成する場合、相対的にキャビティ３ｃは所望のサイズより大きく形成される。
次いで、ノッチ現象(Notch effect)とは、図４ｂに示したように、エッチング動作を行なう間に発生したイオンが、誘電体となるメンブレイン層４に当接して反射されるが、その際に反射されるイオンがウォール３ｄ部分にぶつかってこのウォール３ｄをエッチングする現象(Ｎ表示部)を指す。
前述したように、相異なるキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃを同時にエッチングする場合、前述したローティング効果、ラグ効果、ノッチ現象等を通じてキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃを所望のサイズに正確に形成し難く、著しい場合にはキャビティ３ａ、３ｂ、３ｃを区画するウォール３ｄの境界がなくなったり、メンブレイン層４がストレスを有する場合には破損する恐れがあるという問題点がある。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は相異なるサイズを有するキャビティが正確なサイズにエッチングされ、丈夫な構造を有するフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタを提供するところにある。
本発明の他の目的は、前述したフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタを製造する方法を提供するところにある。
前述した目的を達成するための本発明の第１実施例によれば、基板と、前記基板の上面に形成されたメンブレイン層と、前記メンブレイン層の上面に形成された複数個の共振器と、前記共振器に対応する位置にして前記基板上に形成された複数個のキャビティ、及び前記キャビティの内部領域に網状に形成され、前記メンブレイン層と所定間隔離れて形成されたサブウォールを含むことを特徴とするフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタが提供される。
本発明の第２実施例によれば、基板上にメンブレイン層を形成し、前記メンブレイン層の上面に複数の共振器を形成し、前記基板の下面にマスク層を蒸着した後複数個のメインウィンドウ及びサブウィンドウをパターニングし、それから前記メインウィンドウ及びサブウィンドウに沿って前記基板にキャビティを形成すると共に前記キャビティ領域に前記メンブレイン層から所定間隔離れてサブウォールを乾式エッチングにより形成することを含むことを特徴とするフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタ製造方法が提供される。
前記サブウィンドウは四角形、円形、四角形の角部がラウンド処理された形態のうちいずれか１つで形成されることが望ましく、前記メインウィンドウは相異なるサイズに形成され、前記サブウィンドウは同サイズに形成されることが望ましい。
前記乾式エッチングにより発生されたイオンが、誘電体であるメンブレイン層から反射されサブウォールをエッチングする現象(ノッチ現象)を用いて、前記サブウォールが前記メンブレイン層から所定間隔離れて形成するように構成できる。
前記サブウォールの厚さは前記メンブレイン層から反射されるイオンによりエッチングされる量を考慮して、前記メンブレイン層から分離されうる厚さを有するように形成されることが望ましい。
前記メンブレイン層は前記乾式エッチングによりエッチングされない保護材質で形成されることが望ましく、例えば前記メンブレイン層は酸化膜またはメタル層で形成されうる。
前記基板はシリコン基板にするのが望ましい。
前記マスク層はフォトレジストまたは酸化膜にし、前記酸化膜は熱処理によるか薄膜蒸着により形成し、前記フォトレジストはスピンコーティングにより蒸着できる。
前述したように構成された本発明に係るフィルムアコースティック共振器が適用された帯域フィルタ製造方法によれば、サブウィンドウを通じて同一のエッチング条件下でエッチングが可能になり、相異なるサイズを有するキャビティを同時にエッチングしても所望のサイズに正確にエッチングすることができる利点がある。
また、ノッチ現象が発生する領域を小さくすることによって各キャビティ間の間隔を縮めることができ、全体サイズを縮小すると同時に、各共振器を接続する配線長さを縮小できるという利点がある。
以下、添付した図面に基づき本発明に係る望ましい実施例を詳述する。
図５は本発明の一実施例によるフィルムバルク共振器が適用された帯域フィルタの一部を切断して示した断面図である。
図５に示すように、フィルムバルクアコースティック共振器１１０を用いた帯域フィルタ１００は大きく基板１０１、メンブレイン層１０３、共振器１１０で構成される。
共振器１１０は電気的信号を機械的信号に変換して振動する圧電膜１１１と、圧電膜１１１の上部に位置した上部電極１１３と、圧電膜１１１の下部に位置した下部電極１１５で構成される。
メンブレイン層１０３は、共振器１１０が振動可能となるように支持する層であって、キャビティ１０１ａをエッチングする過程においてキャビティ１０１ａのエッチング深さを定義する役割も共に行なう。
基板１０１には、共振器１１０が形成された位置に対応してキャビティ１０１ａが形成される。この際キャビティ１０１ａは相異なるサイズに作製されうる。ここで、各キャビティ１０１ａのサイズが異なるのは、共振器１１０の特性に対応した条件にするためである。
キャビティ１０１ａの内部領域には網状のサブウォール１０１ｂが形成される。この際、サブウォール１０１ｂの上端側は、メンブレイン層１０３から所定間隔離れて形成され、共振器１１０が振動できるエアギャップ(Ｇ)を形成する。ここで、サブウォール１０１ｂは、キャビティ１０１ａの側壁を構成するメインウォール１０１ｄに支持されており、メンブレイン層１０３から所定間隔離れて形成されうる。前述したサブウォール１０１ｂは補強の役割を果たす。
次いで、前述したように構成されたフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程について説明する。
図６ａ〜図６ｄは本発明に係るフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程を示した図であり、図７ａ〜図７ｃは本発明に適用されるマスク層を示した平面図であって、サブウィンドウの色々の実施例を示す図である。
図６ａを参照すれば、基板１０１を提供し、基板１０１上に所定厚さのメンブレイン層１０３を蒸着する、ここで、基板１０１は例えばシリコン基板が使用され、メンブレイン層１０３は、共振器１１０が振動可能なように支持する役割を果たすと共に、後述するキャビティ１０１ａのエッチング深さを定義する役割も共に行なう。従って、メンブレイン層１０３は後述する乾式エッチングによりエッチングされない保護材質で形成されるのが望ましい。その保護材質は、例えばシリコン酸化膜(ＳiＯ2)、またはメタル層(metal layer)で形成することができる。酸化膜はシリコン基板を高温酸化処理(Thermal oxidation)することによって可能であり、薄膜蒸着(deposition)によっても可能である。薄膜蒸着は例えば化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition)または物理気相蒸着(Physicla Vapor Deposition)が使用されうる。一方、メタル層としてはクロム(Ｃｒ)またはアルミニウム窒化膜(ＡｌＮ)にすることができ、前述した薄膜蒸着、すなわちＣＶＤまたはＰＶＤによることもできる。
図６ｂに示すように、メンブレイン層の上面に共振器１１０を形成する。共振器１１０の形成のために、まず示されていない下部電極層、圧電層、上部電極層を順に蒸着した後、上部電極１１３、圧電膜１１１、下部電極１１５の順にパターニングして共振器１１０を完成する。この際、各共振器１１０の間は配線を介して互いに直列または並列状態に連結されるが、図面ではこのような配線関係は示されていない。
図６ｃ及び図７ａ〜図７ｃに示すように、共振器１１０が形成された基板１０１の下面にマスク層１０７を蒸着した後、キャビティ１０１ａを形成するためのウィンドウ(メインウィンドウ１０７ａ及びサブウィンドウ１０７ｂ)をパターニングする。ここで、マスク層１０７は酸化膜(ＳiＯ2)またはフォトレジスト(photoresist)で形成される。もし酸化膜をマスク層１０７として使用する場合は、前述したメンブレイン層１０３を形成する段階で基板１０１の上、下面を共に処理することもできる。
ここで、メインウィンドウ１０７ａは共振器１１０の特性の相違に対応して、相違したサイズに構成する。一方、サブウィンドウ１０７ｂはメインウィンドウ１０７ａの内部に形成される。この際、サブウィンドウ１０７ｂは、図７ａ〜図７ｃに示したように、四角形、四角形の角部をラウンド処理した形態、または円形のうちいずれか１つにすることができる。ここで、乾式エッチング特性上、角部のエッチング率が低下することを考慮すれば、円形または四角形の角部をラウンド処理した形態を取るのがさらに望ましい。
前述したサブウィンドウ１０７ｂは、同サイズで形成されていることから、キャビティ１０１ａのサイズが異なっていても各キャビティ１０１ａを形成するためのエッチング条件を同一にすることができる。
図６ｄに示すように、乾式エッチング装備、例えば誘導結合型プラズマエッチング(ＩＣＰ)装置により、基板１０１を前述したマスクパターによってエッチングしてキャビティ１０１ａを形成し、キャビティ１０１ａの内部領域には網状のサブウォール１０１ｂを形成する。この際、サブウォール１０１ｂはノッチ現象によってその上側がエッチングされメンブレイン層１０３から所定間隔離れて形成されエアギャップ(Ｇ)をなす。ノッチ現象は前述したことと同じ意味であるが、それについてはさらに詳しく説明すれば次の通りである。
まず、乾式エッチングの原理は、真空チャンバ内部のガス分子に電気的エネルギーが加わると加速された電子の衝突によって分子、原子の最外郭電子が軌道を離脱するので、イオンまたは反応性の高いラジカルが生成される。このように生成されたイオン、ラジカルは継続的な衝突と電気的引力によって加速され、材料の表面に衝突し、数μｍ以内の領域で分子結合を破壊してサブウィンドウ１０７ｂの内部に該当する領域を削り出す。一方、エッチングが進むと、前述したイオンが誘電体の役割を果たすメンブレイン層１０３にぶつかって反射される。この際、反射されるイオンのうち一部はサブウォール１０７ｂにぶつかるようになって、サブウォール１０７ｂをエッチングするようになる。従って、サブウォール１０７ｂの上部はメンブレイン層１０３から所定間隔離れて形成される。ここで、サブウォール１０３の厚さはノッチ現象を通じてエッチングされる量を考慮して、その上部がメンブレイン層１０３から完全に分離されうる厚さに形成するのが望ましい。
前述したようにサブウィンドウ１０７ｂを通じてエッチングを施すことによって、ノッチ現象が発生する領域を従来に比べて小さくすることができる。従って、各キャビティ１０１ａ間の間隔(Ｄ)を縮めることができる(図５参照)。また、同サイズのサブウィンドウ１０７ｂを通してエッチングすることによって、各キャビティ１０１ａのエッチング条件を同じにして、サイズが相異なる複数のキャビティ１０１ａを同時にエッチングする時、各キャビティ１０１ａを所望のサイズに作製できるようになる。
従来の技術に係るフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタの概略的な平面図である。 図１のＩ-Ｉ’線に沿った断面図であって、相異なるキャビティを有するフィルタの構成を示した図である。 従来の技術に係るフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタの製造過程を示す図である。 従来の技術に係るフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタの製造過程を示す図である。 従来の技術に係るフィルムバルクアコースティック共振器を有するデュプレックスフィルタの製造過程を示す図である。 従来の技術に係る乾式エッチング 工程時ローティング効果が発生した例を示した図である。 従来の技術に係る乾式エッチング工程時ノッチ現象が発生した例を示した図である。 本発明の一実施例によるフィルムバルク共振器が適用された帯域フィルタの一部を切断して示した断面図である。 本発明に係るフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程を示した図である。 本発明に係るフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程を示した図である。 本発明に係るフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程を示した図である。 本発明に係るフィルムアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造過程を示した図である。 本発明に適用されるマスク層を示した平面図であって、サブウィンドウの色々の実施例を示す図である。 本発明に適用されるマスク層を示した平面図であって、サブウィンドウの色々の実施例を示す図である。 本発明に適用されるマスク層を示した平面図であって、サブウィンドウの色々の実施例を示す図である。
符号の説明
１００ : フィルタ
１０１ : 基板
１０１ａ : キャビティ
１０１ｂ : サブウォール
Ｇ : エアギャップ
１０３ : メンブレイン層
１０７ : マスク層
１０７ａ : メインウィンドウ
１０７ｂ : サブウィンドウ
１１０ : 共振器

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板の上面に形成されたメンブレイン層と、
    前記メンブレイン層の上面に形成された複数個の共振器と、
    前記共振器に対応する位置にして前記基板上に形成された複数個のキャビティと、
    前記キャビティの内部領域に網状に形成され、前記メンブレイン層と所定間隔離れて形成されたサブウォールと、
    を含むことを特徴とするＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を用いた帯域フィルタ。
  2. 基板上にメンブレイン層を形成する段階と、
    前記メンブレイン層の上面に複数の共振器を形成する段階と、
    前記基板の下面にマスク層を蒸着した後複数個のメインウィンドウ及びサブウィンドウをパターニングする段階と、
    前記メインウィンドウ及びサブウィンドウに沿って前記基板にキャビティを形成すると共に、前記キャビティ領域に前記メンブレイン層から所定間隔離れてサブウォールを乾式エッチングにより形成する段階と、
    を含むことを特徴とするフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  3. 前記サブウィンドウは四角形、円形、四角形の角部がラウンド処理された形態のうちいずれか１つで形成されることを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  4. 前記メインウィンドウは相異なるサイズで形成され、前記サブウィンドウは同サイズで形成されることを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  5. 前記乾式エッチングにより発生したイオンが誘電体であるメンブレイン層から反射されサブウォールがエッチングされる現象(ノッチ現象)を用いて、前記サブウォールを前記メンブレイン層から所定間隔離れて形成することを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  6. 前記サブウォールの厚さは前記メンブレイン層から反射されるイオンによりエッチングされる量を考慮して、前記メンブレイン層から分離可能な厚さを有するように形成されることを特徴とする請求項５に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  7. 前記メンブレイン層は、前記乾式エッチングによりエッチングされない保護材質で形成されることを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  8. 前記メンブレイン層は酸化膜またはメタル層で形成されることを特徴とする請求項７に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  9. 前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  10. 前記マスク層はフォトレジストまたは酸化膜よりなることを特徴とする請求項２に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  11. 前記酸化膜は高温酸化処理によるか薄膜蒸着により形成されることを特徴とする請求項１０に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
  12. 前記フォトレジストはスピンコーティングにより蒸着されることを特徴とする請求項１０に記載のフィルムバルクアコースティック共振器を用いた帯域フィルタの製造方法。
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