JP2019201305A - 音響共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】性能を向上させることができる音響共振器及びその製造方法を提供する。【解決手段】音響共振器１００は、基板１１０と、基板上に配置され、下部からメンブレン層１５０、第１電極１２１、圧電層１２３及び第２電極１２５が順に積層された共振部１２０と、を含む。共振部は、キャビティＣによって基板と離隔しており、キャビティの間隔に関連して次の式を満たすことができる。（式）０Å≦△Ｃｇ≦３４０Å（ここで、△Ｃｇは、キャビティの最大間隔と最小間隔との差である。）【選択図】図２

Description

本発明は、音響共振器に関する。

無線通信機器の小型化の傾向に伴い、高周波部品技術の小型化が積極的に求められている。一例として、半導体薄膜ウエハーの製造技術を用いるバルク音響共振器（ＢＡＷ、Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）形態のフィルターが挙げられる。

バルク音響共振器（ＢＡＷ）とは、半導体基板であるシリコンウエハー上に圧電誘電体物質を蒸着し、その圧電特性を用いることで共振を誘発させる薄膜形態の素子をフィルターとして実現したものである。

バルク音響共振器の利用分野としては、移動通信機器、化学及びバイオ機器などの小型軽量フィルター、オシレーター、共振素子、音響共振質量センサーなどが挙げられる。

一方、バルク音響共振器の特性と性能を向上させるための様々な構造的形状及び機能に関する研究が行われており、その製造方法に関する研究も行われている。

特許第５１１１２８１号公報

本発明の目的は、性能を向上させることができる音響共振器及びその製造方法を提供することにある。

本発明の実施形態による音響共振器は、基板と、上記基板上に配置され、下部からメンブレン層、第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層された共振部と、を含み、上記共振部は、キャビティによって上記基板と離隔しており、上記キャビティの間隔に関連して次の式を満たすことができる。
（式）０Å≦△Ｃｇ≦３４０Å
（ここで、△Ｃｇは、キャビティの最大間隔と最小間隔との差である。）

また、本発明の実施形態による音響共振器は、基板と、キャビティによって上記基板と離隔しており、上記キャビティの上部にメンブレン層、第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層されて形成される共振活性領域と、上記キャビティの外郭に沿って形成され、上記キャビティと外部を連結する少なくとも１つの開口と、を含み、上記開口の長さに関連して次の式を満たすことができる。
（式）３０μｍ≦Ｒａ／Ｈｗ≦２００μｍ
（ここで、Ｒａは上記共振活性領域の面積（μｍ^２）であり、Ｈｗは上記開口の全長（μｍ）である。）

本発明の実施形態による音響共振器は、共振性能を高めるためにキャビティの間隔偏差を制限する。そのために、キャビティの形成に用いられる開口の長さを限定する。

開口の長さが拡張されることにより、犠牲層が速い速度で除去されることができるため、犠牲層とともにメンブレン層が除去されることを最小化することができて、キャビティの間隔偏差を減らすことができる。

本発明の実施形態による音響共振器の平面図である。 図１のＩ−Ｉ'に沿った断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ'に沿った断面図である。 本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。 図２のＡ部分を拡大して示した図である。 図１に示された音響共振器の効果を説明するためのグラフである。 図１０のリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）成分を説明するためのグラフである。 Ｒａ／Ｈｗの変化によるリップル成分の変化を説明するための図である。 本発明の他の実施形態による音響共振器を示す概略断面図である。 本発明の実施形態によるフィルターを示す概略的な回路図である。 本発明の他の実施形態によるフィルターを示す概略的な回路図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明の思想は提示される実施形態に制限されず、本発明の思想を理解する当業者は同一の思想の範囲内で他の構成要素の追加、変更、削除等によって、退歩的な他の発明や本発明の思想の範囲内に含まれる他の実施形態を容易に提案することができ、これも本発明の思想の範囲内に含まれる。

尚、明細書全体において、ある構成が他の構成と「連結される」というのは、これら構成が「直接的に連結」される場合だけでなく、他の構成を間にして「間接的に連結」される場合も含むことを意味する。さらに、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対である記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図１は本発明の実施形態による音響共振器の平面図であり、図２は図１のＩ−Ｉ'に沿った断面図であり、図３は図１のＩＩ−ＩＩ'に沿った断面図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による音響共振器１００は、基板１１０及び共振部１２０を含むことができる。

基板１１０と共振部１２０との間にはキャビティＣが形成され、共振部１２０は、キャビティＣを介して基板１１０と離隔するようにメンブレン層１５０上に形成される。

基板１１０はシリコンが積層された基板であってもよい。例えば、基板１１０としては、シリコンウエハーを用いてもよく、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型の基板を用いてもよい。

基板１１０はエッチング阻止層１１５を含むことができる。エッチング阻止層１１５は基板１１０の一面に配置されており、音響共振器の製造過程でキャビティＣを形成する時に、エッチングガスによって基板１１０がエッチングされることを防ぐために備えられる。

エッチング阻止層は、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成されることができる。また、後述のメンブレン層１５０と同一の材料で形成されることができる。

共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５を含む。共振部１２０は、下部から第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層されて形成されることができる。したがって、圧電層１２３は第１電極１２１と第２電極１２５との間に配置される。

共振部１２０はメンブレン層１５０上に形成される。その結果、基板１１０の上部には、メンブレン層１５０、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層される。

メンブレン層１５０は、基板１１０とともにキャビティＣを形成する。メンブレン層１５０は後述の犠牲層１３１の表面に沿って形成され、犠牲層１３１が除去されることにより、メンブレン層１５０が基板１１０とともにキャビティＣを形成する。したがって、メンブレン層１５０も、キャビティＣの形成過程で除去されにくい材料で形成される。

例えば、キャビティ層１４０の一部（例えば、キャビティ領域）を除去するためにフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）などのハライド系エッチングガスを用いる場合、メンブレン層１５０は、上記のエッチングガスとの反応性が低い材料からなることができる。この場合、メンブレン層１５０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のうち何れか１つの材料を含有する誘電体層（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、ガリウム（Ｇａ）、ハフニウム（Ｈｆ）のうち何れか１つの材料を含有する金属層からなることができる。しかし、本発明の構成がこれに限定されるものではない。

第１電極１２１及び第２電極１２５は、金、モリブデン、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、白金、チタン、タングステン、パラジウム、クロム、ニッケルなどのような金属で形成されることができるが、これに限定されるものではない。

圧電層１２３は第１電極１２１を部分的に覆うように形成される。

圧電層１２３の材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、クォーツ（Ｑｕａｒｔｚ）などが選択的に用いられることができる。ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の場合、希土類金属（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）遷移金属またはアルカリ土類金属をさらに含むことができる。一例として、上記希土類金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）のうち少なくとも１つを含むことができる。上記遷移金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つを含むことができる。また、上記アルカリ土類金属はマグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。

このように構成される共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５によって形成される共振活性領域Ｓを備える。共振活性領域Ｓは、圧電層１２３の振動によって実質的に共振が発生する領域であって、本実施形態では、キャビティＣの上部に位置し、且つフレーム１７０の輪郭の内部に配置される領域と規定される。

また、共振部１２０は、品質係数（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）を向上させるためにキャビティＣによって基板１１０と離隔配置される。

キャビティＣは、共振部１２０と基板１１０との間に形成され、圧電層１２３で発生する音響波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）が基板１１０の影響を受けることを抑える。

また、キャビティＣにより、共振部１２０で発生する音響波の反射特性が向上することができる。キャビティＣは空き空間であり、インピーダンスが無限大に近いため、音響波がキャビティＣによって損失されることなく、共振部１２０内に残存することができる。

共振部１２０の上部にはフレーム１７０が配置されることができる。

フレーム１７０は、共振部１２０の輪郭に沿ってリング状に形成されることができる。しかし、これに限定されず、不連続的な複数の弧状に形成されてもよい。

音響共振器１００は、フレーム１７０を用いて、共振部１２０の外部に向かう水平方向の弾性波を共振部１２０の内側へ反射させることで、弾性波のエネルギー損失を防ぐことができる。これにより、反射された水平方向の弾性波はエネルギー損失が減少されるため、本実施形態による音響共振器１００は、高いＱ−ｆａｃｔｏｒ、ｋｔ^２を確保することができる。

高いＱ−ｆａｃｔｏｒは、フィルターやデュプレクサを実現するにあたり、他の周波数帯の遮断特性を高めることができ、高いｋｔ^２は、帯域幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を確保してデータ送受信時の伝送量及び速度を増加させることができる。

フレーム１７０は、圧電体、誘電体または金属で構成されることができる。例えば、フレーム１７０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のうち何れか１つ、または何れか１つを主成分とする合成材料で形成されることができる。

第１電極１２１と第２電極１２５はそれぞれ共振部１２０の外側に延びる連結電極１２１ａ、１２５ａを含み、それぞれの連結電極１２１ａ、１２５ａには第１接続電極１８０と第２接続電極１９０が連結される。

第１接続電極１８０と第２接続電極１９０は、共振器とフィルターの特性を確認する外部接続端子として用いられることもできるが、これに限定されるものではない。

また、第１電極１２１上には、第１電極１２１の縁に沿って形成される金属フレーム１８０ａが備えられることができる。

金属フレーム１８０ａは第１電極１２１に接合され、保護層１２７を貫通して外部に露出する。

金属フレーム１８０ａは、第１接続電極１８０から延びる形態に形成されることができ、第１接続電極１８０の形成過程でともに形成されることができる。しかし、これに限定されず、第１接続電極１８０と離隔するように構成してもよく、第１接続電極１８０と別の工程により製造されてもよい。

保護層１２７は、音響共振器１００の表面に沿って配置され、音響共振器１００を外部から保護する。この際、第１接続電極１８０と第２接続電極１９０は保護層１２７の外部に露出する。したがって、保護層１２７は、第１接続電極１８０と第２接続電極１９０を除いた残りの要素が形成する表面に沿って配置されることができる。

保護層１２７は、酸化シリコン系、窒化シリコン系、及び窒化アルミニウム系のうち１つの絶縁物質で形成されることができるが、これに限定されるものではない。また、必要な周波数トリミングを行うために備えられることができる。

このように構成される音響共振器は、キャビティＣが外部に開放される少なくとも１つの開口Ｐを備える。開口Ｐは、図１に示すように、キャビティＣの輪郭に沿って四方に多数個が配置されることができ、キャビティＣの製造過程でエッチングガスがキャビティＣの内部に流入される入口として用いられる。

開口Ｐはメンブレン層１５０と基板１１０（例えば、エッチング阻止層）との間に形成される。また、キャビティＣの面方向に沿ってキャビティＣを拡張する形態に形成される。

したがって、開口Ｐは、キャビティＣの上部ではなく、キャビティＣの側部または上部に形成され、キャビティＣの間隔と略同一の間隔で形成される。

次に、本実施形態による音響共振器の製造方法について説明する。

図４から図８は本発明の実施形態による音響共振器の製造方法を説明するための図である。

まず、図４を参照すると、基板１１０の上部にエッチング阻止層１１５を形成する。

エッチング阻止層１１５は、キャビティ（図１のＣ）を形成するために犠牲層１３１を除去する時に、基板１１０を保護する役割を果たす。エッチング阻止層１１５は、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などで形成することができるが、これに限定されるものではない。

次に、犠牲層１３１をエッチング阻止層１１５上に形成する。

犠牲層１３１は、後続のエッチング工程により除去され、キャビティ（図１のＣ）が形成されるようにする役割を果たす。したがって、犠牲層１３１としては、エッチングしやすいポリシリコンまたはポリマーなどの材料を用いることができるが、これに限定されるものではない。

この過程で、開口（図１のＰ）の形成領域にも犠牲層１３１を形成する。図４を参照すると、犠牲層１３１は、外郭に向かって厚さが薄くなるように形成する。しかし、開口Ｐに形成される犠牲層１３１は、中心部と同一または類似の厚さに形成することができる。これにより、後続の製造過程で犠牲層１３１上に様々な要素が積層されても、開口Ｐに形成された犠牲層１３１の側面または上面が外部に露出した状態が維持される。

次に、犠牲層１３１の上部にメンブレン層１５０を形成する。メンブレン層１５０は、キャビティＣの上部に位置してキャビティＣの形状を維持させ、共振活性領域（図１のＳ）を支持する役割を果たす。

上述のように、メンブレン層１５０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のうち何れか１つの材料を含有する誘電体層（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、ガリウム（Ｇａ）、ハフニウム（Ｈｆ）のうち何れか１つの材料を含有する金属層からなることができるが、これに限定されるものではない。

次に、図５に示すように、メンブレン層１５０上に第１電極１２１と圧電層１２３を順に形成する。

第１電極１２１は、メンブレン層１５０の上部に全体的に導電層を蒸着した後、不要な部分を除去（例えば、パターニング）することで形成することができる。また、圧電層１２３は、第１電極１２１上に圧電物質を蒸着することで形成することができる。

本実施形態において、第１電極１２１はモリブデン（Ｍｏ）のような材料で形成することができる。しかし、これに限定されるものではなく、金、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、白金、チタン、タングステン、パラジウム、クロム、ニッケルなどの様々な金属を用いることができる。

また、本実施形態において、圧電層１２３は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成することができる。しかし、これに限定されるものではなく、ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、クォーツ（Ｑｕａｒｔｚ）など、必要に応じて様々な圧電材料を用いることができる。ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の場合、希土類金属（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）遷移金属またはアルカリ土類金属をさらに含むことができる。一例として、上記希土類金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）のうち少なくとも１つを含むことができる。上記遷移金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つを含むことができる。また、上記アルカリ土類金属はマグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。

次に、図６に示すように、圧電層１２３の上部に第２電極１２５を形成する。本実施形態において、第２電極１２５はモリブデン（Ｍｏ）で形成することができる。しかし、これに限定されるものではなく、金、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、白金、チタン、タングステン、パラジウム、クロム、ニッケルなどの様々な金属を用いることができる。

また、この過程で、第２電極１２５の縁に沿ってフレーム１７０を形成することができる。フレーム１７０は、第２電極１２５より厚い厚さに第２電極の外郭に沿って形成する。

フレーム１７０は第２電極１２５と同一の材料で形成することができるが、これに限定されるものではない。

次に、図７に示すように、圧電層１２３の不要な部分を除去し、共振部１２０の表面に沿って保護層１２７を形成する。圧電層１２３はフォトリソグラフィ工程により除去することができる。また、保護層１２７は、酸化シリコン系、窒化シリコン系、及び窒化アルミニウム系のうち１つの絶縁物質で形成することができるが、これに限定されるものではない。

次に、保護層１２７を部分的に除去して連結電極１２１ａ、１２５ａを露出させた後、連結電極１２１ａ、１２５ａ上に第１、第２接続電極１８０、１９０及び金属フレーム１８０ａを形成する。

第１接続電極１８０と金属フレーム１８０ａは金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）などを第１電極１２１上に蒸着して形成することができる。同様に、第２接続電極１９０は金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）などを第２電極１２５上に蒸着して形成することができる。

次に、図８に示すようにキャビティＣを形成する。

キャビティは、図７に示す犠牲層１３１を除去することで形成される。これにより、図１に示す音響共振器１００が完成する。ここで、犠牲層１３１はエッチング方式により除去することができる。

犠牲層１３１をポリシリコンまたはポリマーなどの材料で形成した場合、犠牲層１３１は、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）などのハライド系エッチングガス（例えば、ＸｅＦ_２）を用いる乾式エッチング方法により除去することができる。したがって、犠牲層１３１は、開口Ｐを介して供給されるハライド系エッチングガスと接触し、開口Ｐに位置した部分から順に除去される。

このように構成される本実施形態による音響共振器のキャビティＣは、中心部と周辺部における間隔が異なる。

図９は図２のＡ部分を拡大して示した図であり、図９を参照すると、本実施形態による音響共振器のキャビティＣは、中心部の間隔ｇ１が、キャビティＣの周辺部の間隔ｇ２より狭く形成される。これにより、本実施形態によるキャビティＣは、中心部から周辺部に向かうほど間隔が増加する形態に形成される。

このような間隔差は、メンブレン層１５０や基板１１０の厚さ偏差（△Ｍｇ、△Ｓｇ）によって形成される。

本実施形態によるキャビティＣは、上述のように、犠牲層１３１を除去することで形成される。したがって、犠牲層１３１を除去する過程で、犠牲層１３１とともにメンブレン層１５０や基板１１０（例えば、エッチング阻止層）の一部がともに除去され、これにより、上記の厚さ偏差（△Ｍｇ、△Ｓｇ）が発生し得る。

図１０は図１に示された音響共振器の効果を説明するためのグラフであり、図１１は図１０のリップル成分を説明するためのグラフである。

まず、図１１を参照すると、リップル（Ｒｉｐｐｌｅ）成分は、周波数帯による音響共振器の特性を示すグラフの変曲点で現れるリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）の大きさ（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）を意味する。

したがって、リップル成分が小さいほど音響共振器の性能が向上し、リップル成分が増加するほど音響共振器の性能は低下する。

図１０は様々な厚さ偏差を有する音響共振器のリップル成分を測定した結果を示した表とグラフであり、音響共振器においてメンブレン層１５０の厚さ偏差が増加すると、リップル成分も増加することが分かる。

ここで、メンブレン層１５０の厚さ偏差とは、キャビティＣ内に配置されるメンブレン層１５０の最大厚さと最小厚さとの差を意味する。

また、グラフを参照すると、メンブレン層１５０の厚さ偏差が１７０Åを超える場合に、リップル成分が急激に増加することが分かる。

したがって、本実施形態による音響共振器は、メンブレン層の厚さ偏差が１７０Å以下の範囲となるように形成する。これにより、本実施形態による音響共振器は、メンブレン層１５０の厚さ偏差の範囲を次の式１で表することができる。
（式１）０Å≦△Ｍｇ≦１７０Å
（△Ｍｇは、キャビティ内に配置されるメンブレン層の最大厚さと最小厚さとの差である。）

この時、下限は、犠牲層１３１の除去過程でメンブレン層１５０が全く除去されない場合を意味する。

一方、メンブレン層１５０は犠牲層１３１の表面に形成される。犠牲層１３１としてポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）を用いる場合、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）の表面粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）により、犠牲層１３１の表面には約１０Åの厚さ偏差が発生し得る。

これにより、犠牲層１３１上に積層されるメンブレン層１５０には、犠牲層１３１の表面粗さによって最大約１０Åの厚さ偏差が発生し得る。この場合、メンブレン層１５０の厚さ偏差の下限は１０Åと規定されることができるが、これに限定されるものではない。

一方、犠牲層１３１の除去過程で、基板１１０のエッチング阻止層１１５の一部もメンブレン層１５０とともに除去される。これにより、図９に示すように基板１１０にも厚さ偏差△Ｓｇが発生し得る。

エッチング阻止層１１５がメンブレン層１５０と同一の材料で形成される場合、エッチング阻止層１１５はメンブレン層１５０と同一の量が除去される。したがって、エッチング阻止層１１５の厚さ偏差△Ｓｇは、上記の条件式１と同一の範囲に限定されることができる。

これにより、本実施形態による音響共振器のキャビティは、間隔の偏差（△Ｃｇ、△Ｓｇ＋△Ｍｇ）に関連して式２を満たすことができる。
（式２）０Å≦△Ｃｇ≦３４０Å
（ここで、△Ｃｇは、キャビティの最大間隔ｇ２と最小間隔ｇ１との差である。）

また、本発明の実施形態による音響共振器１００は、メンブレン層１５０の厚さ偏差を最小化するために、エッチングガスが流入される開口Ｐのサイズを限定する。

開口Ｐのサイズが拡張される場合、キャビティＣ側に流入される時間当たりのエッチングガスの量が増加する。したがって、開口Ｐが小さい構造に比べて、短い時間内に犠牲層１３１を除去することができ、これにより、メンブレン層１５０やエッチング阻止層１１５がエッチングされることを最小化することができる。

図１を参照すると、開口ＰはキャビティＣの輪郭に沿って配置される。しかし、開口Ｐは、共振活性領域ＳからキャビティＣの輪郭までトンネルの形態に形成され、上記トンネルの両端は略同一のサイズに形成される。したがって、本実施形態では、開口Ｐが共振活性領域Ｓの外郭に沿って配置されることと同様に理解されることができる。

図１に示すように、共振活性領域Ｓの両側には連結電極１２１ａ、１２５ａが連結されるため、開口Ｐは、共振活性領域Ｓの外郭のうち、連結電極１２１ａ、１２５ａが配置された部分を除いた残りの部分にのみ形成されることができる。

最近の音響共振器の製造技術を考慮すると、連結電極１２１ａ、１２５ａの幅の下限は６０μｍに規定されることができる。音響共振器１００は２つの連結電極１２１ａ、１２５ａを備えるため、共振活性領域Ｓの縁において１２０μｍは、連結電極１２１ａ、１２５ａの配置に用いられる。

したがって、共振活性領域Ｓの全周は１２０μｍより大きく形成されなければならない。

一方、共振活性領域Ｓの面積が大きいほど、共振活性領域Ｓの全周が増加することとなるため、開口Ｐも大きく形成することができる。したがって、本実施形態では、共振活性領域Ｓの面積と、開口Ｐの長さとの比に基づいて、開口Ｐのサイズを数値的に限定する。

本実施形態による音響共振器１００は、開口Ｐのサイズに関連して次の式３を満たす。
（式３）３０μｍ≦Ｒａ／Ｈｗ≦２００μｍ
（ここで、Ｒａは共振活性領域Ｓの面積（μｍ^２）を意味し、Ｈｗは開口Ｐの全長（μｍ）を意味する。また、共振活性領域Ｓの面積とは、図１に示された音響共振器の平面に示された共振活性領域Ｓの全面積を意味し、開口Ｐの長さとは、キャビティＣの輪郭に沿って形成された開口Ｐの全長を意味する。）

したがって、Ｒａ／Ｈｗが減少されるということは、開口Ｐの全長が増加し、連結電極１２１ａ、１２５ａを除いた共振活性領域Ｓの全周に沿って開口Ｐが形成されるということを意味する。

図１を参照すると、４つの開口Ｐが音響共振器１００に備えられる。したがって、Ｈｗは、各開口Ｐの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の和と規定される。

例えば、共振活性領域Ｓの全周が４００μｍ（計算の便宜のために、一辺が１００μｍの正四角形状に共振活性領域Ｓが形成されていると仮定）であり、連結電極の幅が６０μｍである場合、開口Ｐが形成される最大の長さは２８０μｍに限定される。この場合、共振活性領域Ｓの面積は１００００μｍ^２であるため、上記のＲａ／Ｈｗは３５．７μｍと算出される。したがって、上記の式３の範囲に含まれることが分かる。

他の例として、共振活性領域Ｓの全周が２４０μｍ（計算の便宜のために、一辺が６０μｍの正四角形状に共振活性領域Ｓが形成されていると仮定）であり、連結電極の幅が６０μｍである場合、開口Ｐが形成される最大の長さは１２０μｍに限定される。この場合、共振活性領域Ｓの面積は３６００μｍ^２であるため、上記のＲａ／Ｈｗは３０μｍと算出される。したがって、上記の例も式３の範囲に含まれ、この例のＲａ／Ｈｗが式３の下限値であることが分かる。

開口Ｐの全長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）が連結電極１２１ａ、１２５ａの全幅より短く形成される場合、上記のＲａ／Ｈｗは３０μｍより大きく算出される。したがって、開口Ｐの全長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）は、連結電極１２１ａ、１２５ａの全幅と同一またはより大きく形成される際に、式３の範囲に含まれることができる。

一方、式３のＲａ／Ｈｗの下限値は、連結電極１２１ａ、１２５ａの全幅を１２０μｍに限定することにより導出された値であるため、連結電極１２１ａ、１２５ａの幅が変更される場合、下限値も変更される。

図１２はＲａ／Ｈｗの変化によるリップル成分の変化を説明するための図であり、共振活性領域Ｓの面積を一定に維持しながら、Ｒａ／Ｈｗの変化によるリップル成分の変化を測定した結果を表及びグラフで示したものである。

これを参照すると、Ｒａ／Ｈｗの値が小さくなるほど、リップル成分も小さくなることが分かる。また、グラフを参照すると、Ｒａ／Ｈｗの値が２００μｍ以上に増加すると、グラフに示すようにリップル成分が急激に増加することが分かる。

したがって、本実施形態による音響共振器は、Ｒａ／Ｈｗが比較的線形に増加する限界点である２００μｍをＲａ／Ｈｗの上限値と規定する。

以上で説明した本実施形態による音響共振器は、共振性能を高めるために、リップル成分を最小化することができる構成を提示する。具体的に、メンブレン層とエッチング阻止層の厚さ偏差を制限し、そのために開口の長さを限定する。

開口の長さが拡張されることにより、犠牲層が速い速度で除去されることができるため、犠牲層とともにメンブレン層とエッチング阻止層が除去されることを最小化することができる。これにより、キャビティの間隔偏差を減らすことができる。

図１３は本発明の他の実施形態による音響共振器を示す概略断面図である。

図１３を参照すると、本実施形態による音響共振器２００は、バルク音響共振器（ＢＡＷ、Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）であり、基板１１０、キャビティ層１４０、共振部１２０を含んで構成されることができる。

基板１１０はシリコンが積層された基板であってもよい。例えば、基板１１０としては、シリコンウエハーを用いてもよく、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型基板を用いてもよい。

基板１１０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を含むエッチング阻止層１１５を含むことができる。エッチング阻止層１１５は基板１１０の一面に配置されており、音響共振器の製造過程でキャビティＣを形成する時に、エッチングガスによって基板１１０がエッチングされることを防ぐために備えられる。

キャビティ層１４０は基板１１０上に形成され、キャビティ層１４０の内部にはキャビティＣとエッチング防止部１４５が配置される。

キャビティＣは空き空間で形成され、キャビティ層１４０の一部を除去することで形成されることができる。

キャビティＣがキャビティ層１４０内に形成されることにより、キャビティ層１４０の上部に形成される共振部１２０が全体的に平らに形成されることができる。

エッチング防止部１４５はキャビティＣの縁に沿って配置される。エッチング防止部１４５は、キャビティＣの形成過程で、キャビティ領域を超えてエッチングされることを防ぐために備えられる。したがって、キャビティＣの水平領域はエッチング防止部１４５によって規定される。

メンブレン層１５０はキャビティ層１４０上に形成され、基板１１０とともにキャビティＣの垂直領域を規定する。したがって、メンブレン層１５０も、キャビティＣの形成過程で除去されにくい材料で形成される。

例えば、キャビティ層１４０の一部（例えば、キャビティ領域）を除去するためにフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）などのハライド系エッチングガスを用いる場合、メンブレン層１５０は、上記のエッチングガスとの反応性が低い材料からなることができる。この場合、メンブレン層１５０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のうち何れか１つの材料を含有する誘電体層（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、ガリウム（Ｇａ）、ハフニウム（Ｈｆ）のうち何れか１つの材料を含有する金属層からなることができる。しかし、本発明の構成がこれに限定されるものではない。

共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５を含む。共振部１２０は、下から第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層されて形成されることができる。したがって、圧電層１２３は第１電極１２１と第２電極１２５との間に配置される。

共振部１２０はメンブレン層１５０上に形成される。その結果、基板１１０の上部には、メンブレン層１５０、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５が順に積層される。

共振部１２０は、第１電極１２１、圧電層１２３、及び第２電極１２５によって形成される共振活性領域Ｓを備える。共振活性領域Ｓは、圧電層１２３の振動によって実質的に共振が発生する領域であって、本実施形態では、キャビティＣの上部に位置し、且つフレーム１７０の輪郭の内部に配置される領域と規定される。

第１電極１２１及び第２電極１２５は、金、モリブデン、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、白金、チタン、タングステン、パラジウム、クロム、ニッケルなどのような金属で形成されることができるが、これに限定されるものではない。

圧電層１２３は第１電極１２１を覆うように形成される。

圧電層１２３の材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、クォーツ（Ｑｕａｒｔｚ）などが選択的に用いられることができる。ドープされた窒化アルミニウム（Ｄｏｐｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の場合、希土類金属（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）遷移金属またはアルカリ土類金属をさらに含むことができる。一例として、上記希土類金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタン（Ｌａ）のうち少なくとも１つを含むことができる。上記遷移金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つを含むことができる。また、上記アルカリ土類金属はマグネシウム（Ｍｇ）を含むことができる。

共振部１２０の上部にはフレーム１７０が配置されることができる。

フレーム１７０は、共振部１２０の輪郭に沿ってリング状に形成されることができる。しかし、これに限定されず、不連続的な複数の弧状に形成されてもよい。

フレーム１７０は、圧電体、誘電体、若しくは金属で構成される。例えば、フレーム１７０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のうち何れか１つ、または何れか１つを主成分とする合成材料で形成されることができる。

保護層１２７は音響共振器１００の表面に沿って配置され、音響共振器１００を外部から保護する。保護層１２７は、第２電極１２５とフレーム１７０が形成する表面に沿って配置されることができる。

保護層１２７は、酸化シリコン系、窒化シリコン系、及び窒化アルミニウム系のうち１つの絶縁物質で形成されることができるが、これに限定されるものではない。

第１電極１２１と第２電極１２５は、共振部１２０の外側に延びて形成され、それぞれ第１接続電極１８０と第２接続電極１９０に連結される。

第１接続電極１８０と第２接続電極１９０は、金（Ａｕ）、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、銅（Ｃｕ）、銅−スズ（Ｃｕ−Ｓｎ）合金などの金属材料などからなることができる。

第１接続電極１８０と第２接続電極１９０は、共振器とフィルターの特性を確認する外部接続端子として用いられることもできるが、これに限定されるものではない。

このように構成される本実施形態による音響共振器は、上述の実施形態と同様に、上述の式１〜式３によって、メンブレン層１５０の厚さ偏差（△Ｍｇ）の範囲、キャビティＣの間隔偏差（△Ｃｇ）の範囲、及び開口Ｐのサイズが限定されることができる。

以下では、図面を参照して上記のバルク音響共振器が備えられるフィルターについて説明する。

図１４は本発明の実施形態によるフィルターを示す概略的な回路図である。図１４に開示されたフィルターに採用される複数のバルク音響共振器は、それぞれ、図１または図１３に示された音響共振器であることができる。

図１４を参照すると、本発明の実施形態によるフィルター１０００はラダー型（ｌａｄｄｅｒ ｔｙｐｅ）フィルターの構造で形成されることができる。具体的に、フィルター１０００は、複数のバルク音響共振器１１００、１２００を含む。第１バルク音響共振器１１００は、入力信号ＲＦｉｎが入力される信号入力端と出力信号ＲＦｏｕｔが出力される信号出力端との間に直列連結されることができ、第２バルク音響共振器１２００は上記信号出力端と接地との間に連結されることができる。

図１５は本発明の他の実施形態によるフィルターを示す概略的な回路図である。図１５に開示されたフィルターに採用される複数のバルク音響共振器はそれぞれ、図１または図１３に示された音響共振器であることができる。

図１５を参照すると、本実施形態によるフィルター２０００はラティス型（ｌａｔｔｉｃｅ ｔｙｐｅ）フィルターの構造で形成されることができる。具体的に、フィルター２０００は、複数のバルク音響共振器２１００、２２００、２３００、２４００を含み、バランスド（ｂａｌａｎｃｅｄ）入力信号（ＲＦｉｎ＋、ＲＦｉｎ−）をフィルタリングしてバランスド出力信号（ＲＦｏｕｔ＋、ＲＦｏｕｔ−）を出力することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲がこれに限定されるものではなく、請求範囲に記載の本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者にとって自明であろう。

１００、２００ 音響共振器
１１０ 基板
１２０ 共振部
１２１ 第１電極
１２３ 圧電層
１２５ 第２電極
１２７ 保護層
１３１ 犠牲層
１４０ キャビティ層
１５０ メンブレン層
１７０ フレーム
１８０ 第１接続電極
１９０ 第２接続電極

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板上に配置され、下部からメンブレン層、第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層された共振部と、を含む音響共振器であって、
   前記共振部は、キャビティによって前記基板と離隔しており、
   前記キャビティの間隔に関連して次の式を満たす、音響共振器。
   （式）０Å≦△Ｃｇ≦３４０Å
   （ここで、△Ｃｇは、前記キャビティの最大間隔と最小間隔との差である。）
2. 前記メンブレン層の厚さに関連して次の式を満たす、請求項１に記載の音響共振器。
   （式）０Å≦△Ｍｇ≦１７０Å
   （ここで、△Ｍｇは、前記キャビティ内に配置される前記メンブレン層の最大厚さと最小厚さとの差である。）
3. 前記共振部は、前記キャビティ上に配置される共振活性領域を備え、
   前記第１電極と前記第２電極は、それぞれ前記共振活性領域の外側に延びる連結電極を備えており、
   前記キャビティは、外部と連結される少なくとも１つの開口を含む、請求項１または２に記載の音響共振器。
4. 前記開口の長さに関連して次の式を満たす、請求項３に記載の音響共振器。
   （式）３０μｍ≦Ｒａ／Ｈｗ≦２００μｍ
   （ここで、Ｒａは前記共振活性領域の面積（μｍ^２）であり、Ｈｗは前記開口の全長（μｍ）である。）
5. 前記連結電極の幅はそれぞれ６０μｍ以上に形成される、請求項４に記載の音響共振器。
6. 前記開口は、前記メンブレン層と前記基板との間に形成される、請求項４または５に記載の音響共振器。
7. 前記開口の全長は、前記連結電極の全幅と同一またはより大きく形成される、請求項３から６のいずれか一項に記載の音響共振器。
8. 前記基板は、一面に形成されるエッチング阻止層を含み、
   前記キャビティは、前記エッチング阻止層と前記メンブレン層との間に形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載の音響共振器。
9. 前記エッチング阻止層は、前記メンブレン層と同一の材料で形成される、請求項８に記載の音響共振器。
10. 基板と、
    キャビティによって前記基板と離隔しており、前記キャビティの上部に、メンブレン層、第１電極、圧電層、及び第２電極が順に積層されて形成される共振活性領域と、
    前記キャビティの外郭に沿って形成され、前記キャビティと外部を連結する少なくとも１つの開口と、を含む音響共振器であって、
    前記開口の長さに関連して次の式を満たす、音響共振器。
    （式）３０μｍ≦Ｒａ／Ｈｗ≦２００μｍ
    （ここで、Ｒａは前記共振活性領域の面積（μｍ^２）であり、Ｈｗは前記開口の全長（μｍ）である。）
11. 前記第１電極と前記第２電極からそれぞれ前記共振活性領域の外側に延びる連結電極をさらに含み、
    前記連結電極の幅がそれぞれ６０μｍ以上に形成される、請求項１０に記載の音響共振器。
12. 前記開口の全長は、前記連結電極の全幅と同一またはより大きく形成される、請求項１１に記載の音響共振器。
13. 前記基板と前記共振活性領域との間に介在されるキャビティ層をさらに含み、
    前記キャビティは前記キャビティ層内に形成される、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の音響共振器。
14. 前記キャビティ層内に配置され、前記キャビティの縁に沿って配置されるエッチング防止部をさらに含む、請求項１３に記載の音響共振器。