JP4451587B2 - 共振器の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、音響共振器に関し、さらに詳しくは、電子回路におけるフィルタとして使うことができる共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のコストとサイズを低減する要求は、より小型な信号フィルタへの限りないニーズにつながる。セルラー電話や小型ラジオのような民生電子製品は、その製品に内蔵されている部品の大きさとコストにきびしい制限を与えられている。このような製品の多くは、精密な周波数に同調されなければならないフィルタを使っている。従って、安価で簡素なフィルタユニットを提供するために絶え間のない努力が続けられている。
【０００３】
これらのニーズを満足させる可能性を持ったフィルタの一種類が、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）から構成されている。これらの装置は、薄膜圧電（ＰＺ）材料中のバルク縦音波を用いている。その一つの簡単な構成において、ＰＺ材料の層が、二つの金属電極間に挟持されている。この挟持構造は、支持構造によって空気中に懸架されることが好ましい。電界が金属電極間に加えられるとき、ＰＺ材料が、電気エネルギのいくらかをメカニカルウェーブの形に変換する。このメカニカルウェーブは、電界と同じ方向に伝播し、電極／空気インターフェースで反射する。
【０００４】
共振周波数において、装置は、電子的な共振器と考えられる。二つ以上の共振器（異なる共振周波数を有する）が電気的に接続されると、この集合体は、フィルタとして働く。共振周波数は、材料中におけるメカニカルウェーブの所定の位相速度に対して、装置内を伝播するメカニカルウェーブの１／２波長が装置の全体的な厚さに等しくなるような周波数である。メカニカルウェーブの速度は光速度よりも４桁小さいので、構成される共振器は、非常に簡素になる。ＧＨｚ範囲の共振器のアプリケーションは、横方向において１００μm以下のオーダーのおよび厚さ方向において数μmのオーダーの物理的な寸法を備えた共振器の構成を可能にする。
【０００５】
マイクロ波分野での小型のフィルタを設計して製造するとき、共振器（例えば、ＦＢＡＲ）間で、通常数％だけのほんの少し異なる共振周波数を備えるようにする必要をしばしば生じる。一般的に、二つ異なる周波数で十分であるが、より一般的なフィルタ設計では、それぞれ異なる共振周波数を備えた三つ以上の共振器を必要とすることがある。これらのフィルタにおいていつも存在する問題は、共振器の共振周波数を精密にずらすことと、同時に、単一のウェーハー上あるいは基板上にそれら共振器を作り上げることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
共振器の周波数が共振器の厚さに反比例することは、周知である。単一の基板上にずれた周波数を備えた多数の共振器を作るために、表面の金属電極を質量負荷する技術が、１９９９年４月２０日にＬａｋｉｎなどに与えられた米国特許第５，８９４，６４７号に開示されている。しかしながら、それぞれの共振器が同一の基板上で異なる共振周波数を有するようにするために、さらに別の技術が求められる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のニーズは、本発明によって満される。本発明の第１の特徴によれば、基板上に共振器を作るための方法が、開示される。まず、底部負荷電極が、作られる。次いで、第１の底部コア電極と第２の底部コア電極が作られ、第１の底部コア電極は、底部負荷電極の上に作られてこの底部負荷電極と共に第１の底部電極を構成し、第２の底部コア電極は、第２の底部電極を構成する。次ぎに、圧電（ＰＺ）層が作られる。次いで、第１の表面電極が作られ、ＰＺ層の第１の部分は、一方の側を第１の表面電極に、他方の側を第１の底部電極にして挟持される。最終的に、第２の表面電極が作られ、ＰＺ層の第２の部分は、一方の側を第２の表面電極に、他方の側を第２の底部電極に挟持される。
【０００８】
本発明の第２の特徴によれば、基板上に共振器を製造する方法が、開示される。まず、底部負荷電極が作られ、底部コア電極がこの底部負荷電極の上に作られる。次いで、圧電（ＰＺ）層が作られる。最終的に、表面電極が、ＰＺ層上に作られる。
【０００９】
本発明の第３の特徴によれば、圧電（ＰＺ）層を挟持している底部および表面電極を備えた共振器が、開示される。底部電極は、底部負荷電極および底部コア電極部分を含んでいる。
【００１０】
本発明の第４の特徴によれば、第１の共振器と第２の共振器を備えた装置が、開示される。第１の共振器は、第１の圧電（ＰＺ）材料を挟持している第１の底部電極と第１の表面電極を備えており、第１の底部電極は、底部負荷電極と底部コア電極を備えている。
【００１１】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を実施例によって示すための添付の図面との組み合わせにおいて行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
説明のための図面から明らかなように、本発明は、複数の共振器を単一の基板上に組立てかつかつ異なる共振周波数を備える技術として実施される。
【００１３】
１. 圧電層に質量負荷する薄膜共振器の製造について
本発明の第１の実施例では、基板上に第１の共振器と第２の共振器を備えた装置が、開示されている。第１の共振器は、二つの電極と、これらの二つの電極に挟持された第１の圧電（ＰＺ）層を備えている。第２の共振器は、二つの電極と、これらの二つの電極に挟持された第２のＰＺ層を備えている。この第１のＰＺ層は、コアＰＺ層と追加のＰＺ層を備え、第２のＰＺ層は、コアＰＺ層のみを備えている。従って、第１のＰＺ層は、第２のＰＺ層よりも厚く、第１の共振器は、第２の共振器の共振周波数よりも低い共振周波数を有している。
【００１４】
図１において、本発明の第１の実施例による装置１０が示されている。装置１０は、基板１２上に形成された第１の共振器２０と第２の共振器３０とを備えている。一つの例として、基板１２は、シリコン基板である。共振器２０と３０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのために、図示されている共振器２０と３０のそれぞれは、それぞれ空洞２１と３１の上に作られている。例えば、２００２年５月９日にＲｕｂｙ等に与えられた米国特許第６，０６０，８１８号は、この方法を示しており、本発明にも適用できるその他の詳細も開示されている。
【００１５】
本明細書の発明の実施の形態におよび他において、用語「第１の」および「第２の」は、類似した装置あるいは装置の部品における異なる存在を便宜的に区別するために使われ、これらの用語が使われる特定の文脈において適用されるものである。しかしながら、材料、処理、および、いずれかの部分において述べられている装置の様々な部品の一般的なおよび相対的な寸法および位置は、一区分において述べられたものであってもこの明細書を通じて使えるものとする。
【００１６】
第１の共振器２０は、空洞２１（「第１の空洞」）上をまたぐように作られ、底部電極２２（「第１の底部電極」）、表面電極２６（「第１の表面電極」）、および、第１の底部電極２２と第１の表面電極２６の間に挟持されたＰＺ材料を含んでいる。ＰＺ材料は、ＰＺ層１４（「コアＰＺ層」）の部分２４（「第１の部分」）および第１の部分２４の上の追加のＰＺ層２５を含んでいる。第１の部分２４は、ほぼ第１の底部電極２２の上に位置するＰＺ層１４の一部分である。参照番号２４は、ＰＺ層１４の第１の部分２４の全般的な領域を指示す。
【００１７】
ＰＺ層１４、追加のＰＺ層、あるいは、その両方は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは他の適当な圧電材料を用いて構成できる。電極、例えば第１の底部電極２２は、モリブデンを使える。しかしながら、電極には他の適当な導電体も使うことができる。
【００１８】
第２の共振器３０は、空洞３１（「第２の空洞」）上に作られ、底部電極３２（「第２の底部電極」）、表面電極３６（「第２の表面電極」）、および、第２の底部電極３２と第２の表面電極３６の間に挟持されたＰＺ材料を含んでいる。ＰＺ材料は、コアＰＺ層１４の部分３４（「第２の部分」）を含んでいる。第２の部分３４は、ほぼ第２の底部電極３２の上に位置するコアＰＺ層１４の一部分である。参照番号３４は、コアＰＺ層１４の第２の部分３４の全般的な領域を指示している。
【００１９】
第１と第２の共振器２０と３０の大きさは、必要な共振周波数に対応している。例えば、１９００ＭＨｚの共振周波数を備える共振器に対しては、共振器２０と３０のそれぞれの大きさは、約３０，０００平方μmをカバーする約１５０×２００μmとなる。このような周波数と大きさでは、電極２２と２６は、通常それぞれ約１５０nmの厚さとなり、コアＰＺ層１４は、約２１００nmの厚さとなる。１９００ＭＨｚよりも３％程度低い共振周波数を得るためには、ＰＺ材料の厚さは、約１１０nm増加する。すなわち、追加のＰＺ層の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さの約１〜８％となる。これは、第１の共振器２０についての説明である。もちろん、これらの測定値は、材料や共振周波数に応じて異なるものである。本発明の説明を明瞭なものとするために、図１の装置１０の種々の部材は、装置の１０における他の部材と完全に縮尺が合っているわけではない。追加のＰＺ層２５の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さに対して広い幅を有し得る、例えば、これに限定されないが、コアＰＺ層１４の２〜６％の範囲にできる。実際には、追加のＰＺ層２５の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さの一桁以下となる傾向にある。
【００２０】
示されている実施例において、追加のＰＺ層２５は、第１の共振器２０に対してのみ追加されている。
【００２１】
装置１０を製造するために、空洞２１と３１は、エッチングされ、ガラスを充填されて後に溶解されるか他のやり方で除去されることによって空洞を形成する。次に、底部電極２２と３２が、写真製版技術のような従来周知の技術を用いて作られる。次いで、コアＰＺ層１４が、電極２２と３２の上に堆積される。ＰＺ材料の厚さの異なる共振器２０と３０を製造するためには、ＰＺ層の形成に多数の工程を必要とする。例えば、コアＰＺ層１４は、第１と第２の底部電極２２と３２の両方の上に堆積される。次いで、二酸化ケイ素ＳｉＯ２のような犠牲材料の薄層（マスク）が、コアＰＺ層１４の上に堆積される。この犠牲層は、図１には示されていないが、約２０nmの厚さである。犠牲層は、コアＰＺ層１４の第１の部分２４を露出するようなパターンを備えており、第１の部分２４は、共振周波数が低くなるような共振器のためのＰＺ材料である。これは、この実施例においては第１の共振器２０である。
【００２２】
次に、追加のＰＺ材料（ＡｌＮのような）が、この実施例において約１１０nmの追加のＰＺ層２５を形成する基板全体に堆積される。次に、装置１０は、追加のＰＺ層２５が残されるべき領域を保護するようにフォトレジストを用いてパターン化されるために、装置１０は、犠牲層を除去するようにエッチング剤によって処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であって、このＨＦの濃度に対応して約１分間程度の処理を受ける。そのようにすることで、追加のＰＺ材料が、共振周波数が変化されない第２の共振器３０上から除去される。しかしながら、第１の共振器２０を保護しているフォトレジストに対して、追加のＰＺ層２５は残留する。実施例の構成において、約１１０nmの厚さを備えた追加のＰＺ層２５は、第２の共振器３０の共振周波数に比較して約３％共振周波数を低くする。一つの例としてこの技術を使うことにより、共振周波数は、１〜８％低下させられる。
【００２３】
最後に、表面電極２８と３８が作られ、空洞２１と３１が、溶解あるいは他のやり方で除去され、共振器２０と３０がそれぞれ空洞２１と３１の上に懸架されるようにする。
【００２４】
２. 酸化により表面電極を質量負荷する薄膜共振器の製造
図２において、本発明の第２の実施例による装置４０が示されている。装置４０は、基板４２上に製造された第１の共振器５０と第２の共振器６０を有している。一つの例として、基板４２は、シリコン基板でよい。
【００２５】
共振器５０と６０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのため、示されている共振器５０と６０は、それぞれ空洞５１と６１の上に作られている。装置４０における第１の共振器５０は、第１の空洞５１の上に作られ、底部電極５２（「第１の底部電極」）、ＰＺ層５４（「第１のＰＺ層」）、および、表面電極５６（「第１の表面電極」）を含んでいる。第１のＰＺ層５４は、大きなコアＰＺ層４４の一部分（「第１の部分」）でよい。電極５２と５６は、モリブデンから作られ、ＰＺ層５４は、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）から作られる。しかしながら、電極とＰＺ層とは他の適当な材料で作ってもよい。
【００２６】
装置４０における第２の共振器６０は、第２の空洞６１の上に作られ、底部電極６２（「第２の底部電極」）、ＰＺ層６４（「第２のＰＺ層」）、および、表面電極６６（「第２の表面電極」）を含んでいる。第２のＰＺ層６４は、コアＰＺ層４４の一部分（「第２の部分」）でよい。
【００２７】
一つの例として、第１の表面電極５６は、二つの部分、導電体部分５７と酸化された導電体部分５８を備える。導電体部分５７は、モリブデンを含み、酸化された導電体部分５８は、酸化モリブデンを含む。第１の表面電極５６は、空気と熱に曝されたとき徐々に酸化される導電体を使って作ることができる。この第１の表面電極５６は、無制限に酸化される性質を備えていることが望ましい。すなわち、薄膜が受ける酸化の量を制限するような対酸化被膜を形成しないのがよい。酸化特性の検討のためには、例えば、Ｃ．Ａ．Ｈａｍｐｅｌによって編集されたＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ、Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｂｏｏｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、 １９６８、ｐ．４１９が参考になる。第１の表面電極５６に使える多数の導電体の酸化特性は、Ｇ．Ｖ．Ｓａｍｓｏｎｏｖ編集によるＴｈｅ ＯｘｉｄｅＨａｎｄｂｏｏｋ、ＩＦＩ／Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９７３が参考になる。
【００２８】
第１の表面電極５６は、第２の共振器６０における第２の表面電極６６のような導電体層のみからなる普通の表面電極から製造を始められる。そのような第１の表面電極５６が形成された後、装置４０は、熱と空気に曝されて第１の表面電極５６の表面を酸化して導電体酸化層５８（酸化された導電体部分５８）を形成する。第２の表面電極６６と装置４０の他の部分は、マスクを用いて酸化処理中は保護されている。マスクは、二酸化ケイ素他の硬質のマスキング材料である。第１の表面層５８が十分に酸化されると、マスクは除去される。
【００２９】
例えば、第１の共振器５０が上述したような寸法を備えているとき、第１の共振器５０は、約３００℃の空気中で約１時間加熱されて約５ＭＨｚあるいはそれ以上の共振周波数低下が得られる。熱を連続的に加えることで、第１の共振器５０の共振周波数を、第１の表面電極５６の酸化前の第１の共振器５０の共振周波数に比較してあるいは第２の共振器６０の共振周波数に比較して１〜３％低下させることができる。
【００３０】
第１の共振器５０を製造するために、第１の底部電極５２、第１のＰＺ層５４を含むコアＰＺ層４４、および、第１の表面電極５６が、従来周知の方法で作られる。次いで、表面電極５６が酸化される。酸化は、空気中で第１の共振器５０を加熱することによって実行できる。熱を連続的に加えながら、共振器を常時監視することによって、第１の共振器５０における共振周波数低下の程度が、制御可能となる。例えば、第１の共振器５０の共振周波数は、約１〜６％の範囲で低下できる。
【００３１】
３. 表面電極の質量削減による薄膜共振器の製造
図３Ａと図３Ｂに、本発明の第３の実施例による装置７０と７０ａが示されている。図３Ｂの装置７０ａは、処理後の図３Ａの装置７０に相当する。従って、図３Ｂの装置７０ａにおける部材は、図３Ａの装置７０として示されているものに類似している。便宜上、装置７０における対応する部材に類似する装置７０ａにおける部材は、同じ参照番号を付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００３２】
本発明の図示されている実施例に従って基板上に共振器を製造するために、底部電極層７２が、基板７１上に作り上げられる。図１における装置１０あるいは図２における装置４０と同様に、装置７０は、空洞８１（「第１の空洞」）を備え、この空洞の上に共振器８０（「第１の共振器」）が、製造される。もちろん、第１の空洞８１は、底部電極層７２の製造前にエッチングされて充填されることができる。第１の空洞８１上の底部電極層７２のセクション（「第１のセクション」、通常、参照番号８２によって示される）は、共振器（「第１の共振器」）８０のための底部電極８２（「第１の底部電極」）として機能できる。第２の空洞９１上の底部電極層７２の他のセクション（「第２のセクション」、通常、参照番号９２によって示される）は、他の共振器（「第２の共振器」）９０のための底部電極９２（「第２の底部電極」）として機能できる。ここで、第１の底部電極８２と第２の底部電極９２は、図示のように接続できる。あるいは、底部電極８２と９２は、図１における底部電極２２と３２と同様に分離しても良い。当該発明の技術を説明するためには、この設計的な選択は、重要ではない。
【００３３】
底部電極層７２の上に、ＰＺ層７４が作られる。再び、一つの例として、ＰＺ層７４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でよいが、他の適当な圧電材料であっても良い。次ぎに、表面電極層７６が、ＰＺ層７４上に形成され、この表面電極層７６は、所定の厚さ（「第１の厚さ」）を備える。例えば、上述された１９００ＭＨｚ共振器に対して、表面電極層７６は、１００nmの厚さを持つことができる。次いで、表面電極層７６の選択された領域（一般的にカッコ７９で示されている）が、部分的にエッチングされる。すなわち、表面電極７６の材料（例えば、モリブデン）が、除去されて表面電極７６の薄い層を備えた選択領域７９を生じる。簡単のために、選択領域７９の厚さは、ここでは「第２の厚さ」と呼ぶことにする。図３Ａは、本発明による部分的なエッチング処理後の装置７０を示している。
【００３４】
最後に、選択領域７９を備えた表面電極層７６は、パターン化されて第１の表面電極７９ａと第２の表面電極７７ａを形成する。第１の表面電極７９ａと第１の底部電極８２は、第１の共振器８０を形成するＰＺ層７４の部分８４（「第１の部分」）を挟持する。第２の表面電極７７ａと第２の底部電極９２は、第２の共振器９０を形成するＰＺ層７４の他の部分９４（「第２の部分」）を挟持する。これらの処理は、第２の共振器９０の共振周波数よりも高い共振周波数の第１の共振器８０を備えた装置７０ａを生じる。
【００３５】
表面電極層７６を部分的にエッチングするために、表面電極層７６の選択領域７９外は、マスクされる。次いで、選択領域７９とマスクされた領域を含む装置７０は、エッチング剤で処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であることができ、ＨＦの濃度に従って、処理は約１分間である。あるいは、表面電極層７６は、イオンミリング、フォトレジスト、スパッタエッチング他の技術を用いてエッチングされる。この発明の目的のために、表面電極層７６をエッチングするために使われる実際の技術は、ここで挙げた方法に限定されない。最終的に、マスクは除去される。マスクの典型的な材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。マスキングおよびエッチング処理は、従来周知である。
【００３６】
共振器に関して、例えば、１５０μm×２００μmの大きさと、約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備えている第１の共振器８０に関して、表面電極層７６は、当初に約１５０nmの厚さを有することができる。部分的なエッチング処理が、数十nm、例えば、約２０nmを削除して約３％だけ第１の共振器８０の共振周波数を増加させる。一つの例として、選択領域７９における表面電極層７６の厚さの１〜３０％が削除され、厚さの減少の程度に対応して約１〜６％だけ第１の共振器８０における共振周波数が増加する。
【００３７】
４. 底部電極に質量負荷する薄膜共振器の製造
図４は、本発明の第４の実施例による装置１００を示すものである。装置１００は、基板１０２の上に作られた第１の共振器１１０と第２の共振器１２０を備えている。一つの例として、基板１０２は、シリコン基板である。
【００３８】
共振器１１０と１２０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのために、図示されている共振器１１０と１２０のそれぞれは、それぞれ空洞１１１と１２１上に作り上げられる。装置１００における第１の共振器１１０は、第１の空洞１１１の上に作られ、底部負荷電極１１３と第１の底部コア電極１１２の組み合わせである底部電極（「第１の底部電極」）、ＰＺ材料１１４（「第１のＰＺ材料」）、および、表面電極１１６（「第１の表面電極」）を含んでいる。第１のＰＺ材料１１４は、ＰＺ層１０４の一部分（「第１の部分」）である。図示の実施例において、電極１１２、１１３および１１６は、モリブデンから作られており、ＰＺ層１０４は、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）を用いて作られている。しかしながら、他の適当な導電体材料が、電極のために使われても良い。同様に、他の適当な圧電材料も、ＰＺ層１０４に使える。一つの例として、第１の底部コア電極１１２と底部負荷電極１１３が、同一の材料から作られる。
【００３９】
装置１００における第２の共振器１２０が、第２の空洞１２１の上に作られ、底部電極１２２（「第２の底部電極」あるいは「第２の底部コア電極」）、ＰＺ材料１２４（「第２のＰＺ材料」）および表面電極１２６(「第２の表面電極」）を含んでいる。第２のＰＺ材料１２４は、ＰＺ層１０４の一部分（「第２の部分」）でよい。
【００４０】
ここで、第２の底部電極１２２と第１の底部コア電極１１２は、厚さと大きさが等しい。従って、第１の底部電極（以後、第１の底部コア電極１１２と底部負荷電極１１３の組み合わせを「１１２＋１１３」と呼ぶ）は、第２の底部電極１２２よりも厚い。例えば、一つの例として、第１の底部コア電極１１２と第２の底部電極１２２は、約１５０nmの厚さでよく、底部負荷電極１１３は、第１の底部コア電極１１２に１０〜１００nmの範囲でを任意の厚みを加えることができる。これにより、第１の共振器１１０は、第２の共振器１２０よりも低い共振周波数を備えることになる。一つの例として、第１の共振器１１０の共振周波数は、１〜６％の範囲だけ第２の共振器１２０の共振周波数よりも低くなる。
【００４１】
第１の共振器１１０を製造するために、底部負荷電極１１３が、まず作り上げられる。次いで、第１の底部コア電極１１２が、底部負荷電極１１３の上に作られる。次ぎに、ＰＺ層１０４が、作られる。最終的に、第１の表面電極１１６が、ＰＺ層１０４の上に作られる。図示のように、底部負荷電極１１３は、第１の空洞１１１をまたいでいる。
【００４２】
装置１００を製造するために、底部負荷電極１１３が、まず作られる。次いで、第１の底部コア電極１１２と第２の底部コア電極１２２が作られ、第１の底部コア電極１１２は、底部負荷電極１１３の上に作られる。次ぎに、ＰＺ層１０４が作られ、ＰＺ層１０４は、第１の底部コア電極１１２の上に第１の部分１１４と、第２の底部コア電極１２２の上に第２の部分１２４を有する。最終的に、第１の表面電極１１６と第２の表面電極１２６が、それぞれ第１の部分１１４と第２の部分１２４の上に作られる。
【００４３】
５． 表面電極の質量負荷とオーバーエッチングを行なう薄膜共振器の製造
図５Ａと図５Ｂにおいて、装置１３０と１３０ａが、本発明の第５の実施例を説明するために使われる。図５Ｂの装置１３０ａは、処理後の図５Ａの装置１３０を示している。従って、図５Ｂにおける装置１３０ａの部材は、図５Ａの装置１３０として示されているものと同じものである。便宜上、装置１３０における対応する部材に類似している装置１３０ａの部材は、同じ参照番号が付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００４４】
本発明の図示されている実施例に従って基板１３２の上に共振器１４０と１５０を製造するために、第１の底部電極１４２と第２の底部電極１５２が、作られ、これらの電極は、それぞれ第１の空洞１４１と第２の空洞１５１にまたがっている。
【００４５】
次いで、圧電（ＰＺ）層１３４が、両方の第１と第２の底部電極１４２と１５２に作られ、ＰＺ層１３４は、第１の底部電極１４２の上に第１の部分１４４と第２の底部電極１５２の上に第２の部分１５４を有している。次ぎに、表面電極層１３６が、作られ、表面電極層１３６は、第１の部分１４４の上に第１のセクション１４６と第２の部分１５４の上に第２のセクション１５６を有している。次ぎに、表面負荷層１３８が、第１のセクション１４６の上に作られ、好ましくは第１のセクション１４６全体を覆うようにする。表面負荷層１３８は、導電性材料、絶縁材料、あるいは、その両方を含み、材料の限定はされないが、モリブデン、窒化アルミニウムあるいは二酸化ケイ素を含んでいる。次いで、表面負荷層１３８は、オーバーエッチングされて第１の表面電極（エッチングされた表面負荷層１４８と第１のセクションの組み合わせあるいは１４８＋１４６）を形成する。すなわち、表面負荷層１３８と表面電極層１３６は、同時にエッチングされて第１の表面電極１４８＋１４６を形成する。もちろん、ＳｉＯ２層のようなマスク層が、エッチング剤から電極１４８＋１４６および１５６をパターン化するために使われる。
【００４６】
第２の表面電極１５６は、第１の表面電極１４８＋１４６を作る工程と同じ工程で作ることができる。表面電極層１３６の第２の表面セクション１５６上には負荷電極が存在しないので、第２のセクション１５６を残して第２の表面電極１５６とし、および、第１の表面電極１４８＋１４６を残しつつ、表面電極層１３６は、表面電極層１３６の他のすべての部分を削除するようにエッチングされる
【００４７】
単一の共振器、例えば、第１の共振器１４０を作るために、底部電極１４２が、まず作られる。次いで、ＰＺ層１３４、表面電極層１３６、および、表面負荷層１３８が、順次作られる。表面負荷層１３８は、表面電極層１３６の第１のセクション１４６を覆うことが好ましく、第１のセクション１４６は、表面電極１４８＋１４６の一部分となる。最終的に、表面負荷電極層１３８と表面電極層１３６は、エッチングされ、第１の共振器１４０の表面電極１４８＋１４６を形成する。これらの層１３８と１３６は、二つの工程でエッチングされる。しかしながら、一つの例として、これらは、一つの工程でエッチングされ、あるいは、オーバーエッチングされる。オーバーエッチングのために、表面負荷層１３８が、まずマスクされる。次いで、表面負荷層１３８と表面電極層１３６がエッチングされると同時にこれらの層のマスクされていない部分が除去される。マスキングには、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が使える。
【００４８】
共振器に対して、例えば、約１５０μm×２００μmの大きさを備えるとともに約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備える第１の共振器１４０に対して、底部電極１４２と表面電極層１３６は、それぞれ約１５０nmの厚さを有することができ、ＰＺ層１３４は、約２１００nmの厚さを有することができ、および、表面負荷層１３８は、１０〜１００nmの範囲の厚さ、あるいは、表面電極層１３４の厚さの約１〜６％の厚さを有することができる。１つの実施例で、この技術を使って、第１共振器の共振周波数を１〜６％低くなる。
【００４９】
６． 圧電層を質量削減する薄膜共振器の製造
図６Ａと図６Ｂにおいて、装置１６０と１６０ａは、本発明の第６の実施例を説明するために示されている。図６Ｂの装置１６０ａは、処理後の図６Ａの装置１６０を示している。従って、図６Ｂにおける装置１６０ａの部材は、図６Ａにおける装置１６０の部材と同じである。便宜上、装置１６０における対応する部材と同一の装置１６０ａの部材は、同じ参照番号が付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００５０】
本発明の図示されている実施例に従って基板上に共振器を作るために、底部電極層１６２が、基板１６１の上に作られる。図１の装置１０あるいは図２の装置４０と同様に、装置１６０が、空洞１７１(「第１の空洞」）を備え、その上に共振器１７０（「第１の共振器」）が作られる。もちろん、第１の空洞１７１は、底部電極層１６２の形成前にエッチングされて充填されている。
【００５１】
第１の空洞１７１上の底部電極層１６２のセクション（一般的に参照番号１７２で示されている「第１のセクション」）は、共振器（「第１の共振器」）１７０に対する底部電極１７２(「第１の底部電極」）として機能することができる。第２の空洞１８１上の底部電極層１６２の他のセクション（一般的に参照番号１８１で示されている「第２のセクション」）は、他の共振器 (「第２の共振器」）１８０に対する底部電極１８２(「第２の底部電極」）として機能することができる。ここで、第１の底部電極１７２と第２の底部電極１８２は、図示のように接続されることができる。あるいは、底部電極１７２と１８２は、図１の底部電極２２と３２のように分離されることもできる。本発明のこの技術を説明するためには、この設計事項は、重要ではない。
【００５２】
底部電極層１６２の上には、ＰＺ層１６４が、作られる。再び、ＰＺ層１６４は、一つの例として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるが、他の適当な圧電材料から構成しても良い。次ぎに、コアＰＺ層１６４の選択された部分（一般的にカッコ１６９で示されている）が、部分的にエッチングされる。エッチング工程は、ＰＺ層の任意の場所を１〜３０％削除することができてＰＺ層の厚さの減少によって１〜６％だけ形成される共振器１７０の共振周波数を増加させる。図６Ａは、本発明による部分的なエッチング工程後の装置１６０を示している。
【００５３】
最終的に、表面電極層１７６が、第１共振器１７０が形成しているＰＺ層１６４の部分的にエッチングされた部分１７４の上に作られる。
【００５４】
ＰＺ層１６４を部分的にエッチングするために、ＰＺ層１６４の選択された部分１６９が、マスクされる。次いで、選択された部分１６９とマスクされた領域を備えた装置１６０は、エッチング剤で処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であることができ、ＨＦの濃度に従って、処理は約１分間である。あるいは、ＰＺ層１６４は、イオンミリング、フォトレジスト、スパッタエッチング他の技術を用いてエッチングされる。この発明の目的のために、ＰＺ層１６４をエッチングするために使われる実際の技術は、ここで挙げた方法に限定されない。最終的に、マスクは除去される。マスクに使われる典型的な材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。マスキングとエッチング処理は、従来周知の技術である。
【００５５】
共振器に対して、例えば、約１５０μm×２００μmの大きさを備えるとともに約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備える第１の共振器１７０に対して、ＰＺ層１６４は、約２，１００nmの厚さを備えることができる。選択された部分的にエッチングされる部分は、１〜３０％薄くすることができ、第１の共振器１７０の共振周波数を１〜３０％だけ増加することができる。
【００５６】
装置１６０と１６０ａは、第２の空洞１８１上に作られた底部電極１８２、ＰＺ層１８４(「第２の部分」）、および、表面電極１８６を備えた第２の共振器１８０を設けることも可能である。この場合、ＰＺ層１６４の第２の部分１８４は、部分的にエッチングされていない。
【００５７】
以上の説明から、本発明が新規なものであり、従来周知の技術よりも優れていることが明らかになったと思われる。本発明は、単一の基板の上に異なる共振周波数を備えたＦＢＡＲを形成する技術を開示するものである。本発明における特定の実施例が、図示されて説明されたが、この発明は、図示され説明されたような特定の形態あるいは配置に限定されるものではない。例えば、異なる構造、大きさ、あるいは、材料が、本発明を実施するために使える。本発明は、特許請求の範囲によって限定される。
しかしながら、本発明の実施者への参考のために、下記に本発明の実施態様の幾つかを例示する。
【００５８】
（実施態様１）基板（１０２）上に共振器（１１０）を製造する方法において、底部負荷電極（１１３）を作り、前記底部負荷電極（１１３）上に底部コア電極（１１２）を作り、圧電（ＰＺ）層（１０４）を作り、前記ＰＺ層（１０４）上に表面電極（１１６）を作るようにした共振器の製造方法。
【００５９】
（実施態様２）前記底部負荷電極（１１３）が、約１０〜１００nmの厚さを備えているようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【００６０】
（実施態様３）前記底部負荷電極（１１３）が、モリブデンを含むようにした実施態様１に記載の方法。
（実施態様４）前記底部負荷電極（１１３）と前記底部コア電極（１１２）が、同一の材料を備えるようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【００６１】
（実施態様５）前記ＰＺ層（１０４）が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
（実施態様６）前記底部負荷電極（１１３）が、空洞（１１１）にまたがるようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図３Ａ】本発明の第３の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第３の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図５Ａ】本発明の第５の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第５の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図６Ａ】本発明の第６の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第６の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【符号の説明】
１０２ 基板
１０４ コア圧電（ＰＺ）層
１１０、１２０ 第１、第２の共振器
１１１，１２１ 空洞
１１２，１２２ 第１、第２の底部コア電極
１１３ 底部負荷電極
１１６，１２６ 第１、第２の表面電極
【発明の属する技術分野】
この発明は、音響共振器に関し、さらに詳しくは、電子回路におけるフィルタとして使うことができる共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のコストとサイズを低減する要求は、より小型な信号フィルタへの限りないニーズにつながる。セルラー電話や小型ラジオのような民生電子製品は、その製品に内蔵されている部品の大きさとコストにきびしい制限を与えられている。このような製品の多くは、精密な周波数に同調されなければならないフィルタを使っている。従って、安価で簡素なフィルタユニットを提供するために絶え間のない努力が続けられている。
【０００３】
これらのニーズを満足させる可能性を持ったフィルタの一種類が、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）から構成されている。これらの装置は、薄膜圧電（ＰＺ）材料中のバルク縦音波を用いている。その一つの簡単な構成において、ＰＺ材料の層が、二つの金属電極間に挟持されている。この挟持構造は、支持構造によって空気中に懸架されることが好ましい。電界が金属電極間に加えられるとき、ＰＺ材料が、電気エネルギのいくらかをメカニカルウェーブの形に変換する。このメカニカルウェーブは、電界と同じ方向に伝播し、電極／空気インターフェースで反射する。
【０００４】
共振周波数において、装置は、電子的な共振器と考えられる。二つ以上の共振器（異なる共振周波数を有する）が電気的に接続されると、この集合体は、フィルタとして働く。共振周波数は、材料中におけるメカニカルウェーブの所定の位相速度に対して、装置内を伝播するメカニカルウェーブの１／２波長が装置の全体的な厚さに等しくなるような周波数である。メカニカルウェーブの速度は光速度よりも４桁小さいので、構成される共振器は、非常に簡素になる。ＧＨｚ範囲の共振器のアプリケーションは、横方向において１００μm以下のオーダーのおよび厚さ方向において数μmのオーダーの物理的な寸法を備えた共振器の構成を可能にする。
【０００５】
マイクロ波分野での小型のフィルタを設計して製造するとき、共振器（例えば、ＦＢＡＲ）間で、通常数％だけのほんの少し異なる共振周波数を備えるようにする必要をしばしば生じる。一般的に、二つ異なる周波数で十分であるが、より一般的なフィルタ設計では、それぞれ異なる共振周波数を備えた三つ以上の共振器を必要とすることがある。これらのフィルタにおいていつも存在する問題は、共振器の共振周波数を精密にずらすことと、同時に、単一のウェーハー上あるいは基板上にそれら共振器を作り上げることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
共振器の周波数が共振器の厚さに反比例することは、周知である。単一の基板上にずれた周波数を備えた多数の共振器を作るために、表面の金属電極を質量負荷する技術が、１９９９年４月２０日にＬａｋｉｎなどに与えられた米国特許第５，８９４，６４７号に開示されている。しかしながら、それぞれの共振器が同一の基板上で異なる共振周波数を有するようにするために、さらに別の技術が求められる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のニーズは、本発明によって満される。本発明の第１の特徴によれば、基板上に共振器を作るための方法が、開示される。まず、底部負荷電極が、作られる。次いで、第１の底部コア電極と第２の底部コア電極が作られ、第１の底部コア電極は、底部負荷電極の上に作られてこの底部負荷電極と共に第１の底部電極を構成し、第２の底部コア電極は、第２の底部電極を構成する。次ぎに、圧電（ＰＺ）層が作られる。次いで、第１の表面電極が作られ、ＰＺ層の第１の部分は、一方の側を第１の表面電極に、他方の側を第１の底部電極にして挟持される。最終的に、第２の表面電極が作られ、ＰＺ層の第２の部分は、一方の側を第２の表面電極に、他方の側を第２の底部電極に挟持される。
【０００８】
本発明の第２の特徴によれば、基板上に共振器を製造する方法が、開示される。まず、底部負荷電極が作られ、底部コア電極がこの底部負荷電極の上に作られる。次いで、圧電（ＰＺ）層が作られる。最終的に、表面電極が、ＰＺ層上に作られる。
【０００９】
本発明の第３の特徴によれば、圧電（ＰＺ）層を挟持している底部および表面電極を備えた共振器が、開示される。底部電極は、底部負荷電極および底部コア電極部分を含んでいる。
【００１０】
本発明の第４の特徴によれば、第１の共振器と第２の共振器を備えた装置が、開示される。第１の共振器は、第１の圧電（ＰＺ）材料を挟持している第１の底部電極と第１の表面電極を備えており、第１の底部電極は、底部負荷電極と底部コア電極を備えている。
【００１１】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を実施例によって示すための添付の図面との組み合わせにおいて行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
説明のための図面から明らかなように、本発明は、複数の共振器を単一の基板上に組立てかつかつ異なる共振周波数を備える技術として実施される。
【００１３】
１. 圧電層に質量負荷する薄膜共振器の製造について
本発明の第１の実施例では、基板上に第１の共振器と第２の共振器を備えた装置が、開示されている。第１の共振器は、二つの電極と、これらの二つの電極に挟持された第１の圧電（ＰＺ）層を備えている。第２の共振器は、二つの電極と、これらの二つの電極に挟持された第２のＰＺ層を備えている。この第１のＰＺ層は、コアＰＺ層と追加のＰＺ層を備え、第２のＰＺ層は、コアＰＺ層のみを備えている。従って、第１のＰＺ層は、第２のＰＺ層よりも厚く、第１の共振器は、第２の共振器の共振周波数よりも低い共振周波数を有している。
【００１４】
図１において、本発明の第１の実施例による装置１０が示されている。装置１０は、基板１２上に形成された第１の共振器２０と第２の共振器３０とを備えている。一つの例として、基板１２は、シリコン基板である。共振器２０と３０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのために、図示されている共振器２０と３０のそれぞれは、それぞれ空洞２１と３１の上に作られている。例えば、２００２年５月９日にＲｕｂｙ等に与えられた米国特許第６，０６０，８１８号は、この方法を示しており、本発明にも適用できるその他の詳細も開示されている。
【００１５】
本明細書の発明の実施の形態におよび他において、用語「第１の」および「第２の」は、類似した装置あるいは装置の部品における異なる存在を便宜的に区別するために使われ、これらの用語が使われる特定の文脈において適用されるものである。しかしながら、材料、処理、および、いずれかの部分において述べられている装置の様々な部品の一般的なおよび相対的な寸法および位置は、一区分において述べられたものであってもこの明細書を通じて使えるものとする。
【００１６】
第１の共振器２０は、空洞２１（「第１の空洞」）上をまたぐように作られ、底部電極２２（「第１の底部電極」）、表面電極２６（「第１の表面電極」）、および、第１の底部電極２２と第１の表面電極２６の間に挟持されたＰＺ材料を含んでいる。ＰＺ材料は、ＰＺ層１４（「コアＰＺ層」）の部分２４（「第１の部分」）および第１の部分２４の上の追加のＰＺ層２５を含んでいる。第１の部分２４は、ほぼ第１の底部電極２２の上に位置するＰＺ層１４の一部分である。参照番号２４は、ＰＺ層１４の第１の部分２４の全般的な領域を指示す。
【００１７】
ＰＺ層１４、追加のＰＺ層、あるいは、その両方は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは他の適当な圧電材料を用いて構成できる。電極、例えば第１の底部電極２２は、モリブデンを使える。しかしながら、電極には他の適当な導電体も使うことができる。
【００１８】
第２の共振器３０は、空洞３１（「第２の空洞」）上に作られ、底部電極３２（「第２の底部電極」）、表面電極３６（「第２の表面電極」）、および、第２の底部電極３２と第２の表面電極３６の間に挟持されたＰＺ材料を含んでいる。ＰＺ材料は、コアＰＺ層１４の部分３４（「第２の部分」）を含んでいる。第２の部分３４は、ほぼ第２の底部電極３２の上に位置するコアＰＺ層１４の一部分である。参照番号３４は、コアＰＺ層１４の第２の部分３４の全般的な領域を指示している。
【００１９】
第１と第２の共振器２０と３０の大きさは、必要な共振周波数に対応している。例えば、１９００ＭＨｚの共振周波数を備える共振器に対しては、共振器２０と３０のそれぞれの大きさは、約３０，０００平方μmをカバーする約１５０×２００μmとなる。このような周波数と大きさでは、電極２２と２６は、通常それぞれ約１５０nmの厚さとなり、コアＰＺ層１４は、約２１００nmの厚さとなる。１９００ＭＨｚよりも３％程度低い共振周波数を得るためには、ＰＺ材料の厚さは、約１１０nm増加する。すなわち、追加のＰＺ層の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さの約１〜８％となる。これは、第１の共振器２０についての説明である。もちろん、これらの測定値は、材料や共振周波数に応じて異なるものである。本発明の説明を明瞭なものとするために、図１の装置１０の種々の部材は、装置の１０における他の部材と完全に縮尺が合っているわけではない。追加のＰＺ層２５の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さに対して広い幅を有し得る、例えば、これに限定されないが、コアＰＺ層１４の２〜６％の範囲にできる。実際には、追加のＰＺ層２５の厚さは、コアＰＺ層１４の厚さの一桁以下となる傾向にある。
【００２０】
示されている実施例において、追加のＰＺ層２５は、第１の共振器２０に対してのみ追加されている。
【００２１】
装置１０を製造するために、空洞２１と３１は、エッチングされ、ガラスを充填されて後に溶解されるか他のやり方で除去されることによって空洞を形成する。次に、底部電極２２と３２が、写真製版技術のような従来周知の技術を用いて作られる。次いで、コアＰＺ層１４が、電極２２と３２の上に堆積される。ＰＺ材料の厚さの異なる共振器２０と３０を製造するためには、ＰＺ層の形成に多数の工程を必要とする。例えば、コアＰＺ層１４は、第１と第２の底部電極２２と３２の両方の上に堆積される。次いで、二酸化ケイ素ＳｉＯ２のような犠牲材料の薄層（マスク）が、コアＰＺ層１４の上に堆積される。この犠牲層は、図１には示されていないが、約２０nmの厚さである。犠牲層は、コアＰＺ層１４の第１の部分２４を露出するようなパターンを備えており、第１の部分２４は、共振周波数が低くなるような共振器のためのＰＺ材料である。これは、この実施例においては第１の共振器２０である。
【００２２】
次に、追加のＰＺ材料（ＡｌＮのような）が、この実施例において約１１０nmの追加のＰＺ層２５を形成する基板全体に堆積される。次に、装置１０は、追加のＰＺ層２５が残されるべき領域を保護するようにフォトレジストを用いてパターン化されるために、装置１０は、犠牲層を除去するようにエッチング剤によって処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であって、このＨＦの濃度に対応して約１分間程度の処理を受ける。そのようにすることで、追加のＰＺ材料が、共振周波数が変化されない第２の共振器３０上から除去される。しかしながら、第１の共振器２０を保護しているフォトレジストに対して、追加のＰＺ層２５は残留する。実施例の構成において、約１１０nmの厚さを備えた追加のＰＺ層２５は、第２の共振器３０の共振周波数に比較して約３％共振周波数を低くする。一つの例としてこの技術を使うことにより、共振周波数は、１〜８％低下させられる。
【００２３】
最後に、表面電極２８と３８が作られ、空洞２１と３１が、溶解あるいは他のやり方で除去され、共振器２０と３０がそれぞれ空洞２１と３１の上に懸架されるようにする。
【００２４】
２. 酸化により表面電極を質量負荷する薄膜共振器の製造
図２において、本発明の第２の実施例による装置４０が示されている。装置４０は、基板４２上に製造された第１の共振器５０と第２の共振器６０を有している。一つの例として、基板４２は、シリコン基板でよい。
【００２５】
共振器５０と６０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのため、示されている共振器５０と６０は、それぞれ空洞５１と６１の上に作られている。装置４０における第１の共振器５０は、第１の空洞５１の上に作られ、底部電極５２（「第１の底部電極」）、ＰＺ層５４（「第１のＰＺ層」）、および、表面電極５６（「第１の表面電極」）を含んでいる。第１のＰＺ層５４は、大きなコアＰＺ層４４の一部分（「第１の部分」）でよい。電極５２と５６は、モリブデンから作られ、ＰＺ層５４は、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）から作られる。しかしながら、電極とＰＺ層とは他の適当な材料で作ってもよい。
【００２６】
装置４０における第２の共振器６０は、第２の空洞６１の上に作られ、底部電極６２（「第２の底部電極」）、ＰＺ層６４（「第２のＰＺ層」）、および、表面電極６６（「第２の表面電極」）を含んでいる。第２のＰＺ層６４は、コアＰＺ層４４の一部分（「第２の部分」）でよい。
【００２７】
一つの例として、第１の表面電極５６は、二つの部分、導電体部分５７と酸化された導電体部分５８を備える。導電体部分５７は、モリブデンを含み、酸化された導電体部分５８は、酸化モリブデンを含む。第１の表面電極５６は、空気と熱に曝されたとき徐々に酸化される導電体を使って作ることができる。この第１の表面電極５６は、無制限に酸化される性質を備えていることが望ましい。すなわち、薄膜が受ける酸化の量を制限するような対酸化被膜を形成しないのがよい。酸化特性の検討のためには、例えば、Ｃ．Ａ．Ｈａｍｐｅｌによって編集されたＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ、Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｂｏｏｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、 １９６８、ｐ．４１９が参考になる。第１の表面電極５６に使える多数の導電体の酸化特性は、Ｇ．Ｖ．Ｓａｍｓｏｎｏｖ編集によるＴｈｅ ＯｘｉｄｅＨａｎｄｂｏｏｋ、ＩＦＩ／Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９７３が参考になる。
【００２８】
第１の表面電極５６は、第２の共振器６０における第２の表面電極６６のような導電体層のみからなる普通の表面電極から製造を始められる。そのような第１の表面電極５６が形成された後、装置４０は、熱と空気に曝されて第１の表面電極５６の表面を酸化して導電体酸化層５８（酸化された導電体部分５８）を形成する。第２の表面電極６６と装置４０の他の部分は、マスクを用いて酸化処理中は保護されている。マスクは、二酸化ケイ素他の硬質のマスキング材料である。第１の表面層５８が十分に酸化されると、マスクは除去される。
【００２９】
例えば、第１の共振器５０が上述したような寸法を備えているとき、第１の共振器５０は、約３００℃の空気中で約１時間加熱されて約５ＭＨｚあるいはそれ以上の共振周波数低下が得られる。熱を連続的に加えることで、第１の共振器５０の共振周波数を、第１の表面電極５６の酸化前の第１の共振器５０の共振周波数に比較してあるいは第２の共振器６０の共振周波数に比較して１〜３％低下させることができる。
【００３０】
第１の共振器５０を製造するために、第１の底部電極５２、第１のＰＺ層５４を含むコアＰＺ層４４、および、第１の表面電極５６が、従来周知の方法で作られる。次いで、表面電極５６が酸化される。酸化は、空気中で第１の共振器５０を加熱することによって実行できる。熱を連続的に加えながら、共振器を常時監視することによって、第１の共振器５０における共振周波数低下の程度が、制御可能となる。例えば、第１の共振器５０の共振周波数は、約１〜６％の範囲で低下できる。
【００３１】
３. 表面電極の質量削減による薄膜共振器の製造
図３Ａと図３Ｂに、本発明の第３の実施例による装置７０と７０ａが示されている。図３Ｂの装置７０ａは、処理後の図３Ａの装置７０に相当する。従って、図３Ｂの装置７０ａにおける部材は、図３Ａの装置７０として示されているものに類似している。便宜上、装置７０における対応する部材に類似する装置７０ａにおける部材は、同じ参照番号を付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００３２】
本発明の図示されている実施例に従って基板上に共振器を製造するために、底部電極層７２が、基板７１上に作り上げられる。図１における装置１０あるいは図２における装置４０と同様に、装置７０は、空洞８１（「第１の空洞」）を備え、この空洞の上に共振器８０（「第１の共振器」）が、製造される。もちろん、第１の空洞８１は、底部電極層７２の製造前にエッチングされて充填されることができる。第１の空洞８１上の底部電極層７２のセクション（「第１のセクション」、通常、参照番号８２によって示される）は、共振器（「第１の共振器」）８０のための底部電極８２（「第１の底部電極」）として機能できる。第２の空洞９１上の底部電極層７２の他のセクション（「第２のセクション」、通常、参照番号９２によって示される）は、他の共振器（「第２の共振器」）９０のための底部電極９２（「第２の底部電極」）として機能できる。ここで、第１の底部電極８２と第２の底部電極９２は、図示のように接続できる。あるいは、底部電極８２と９２は、図１における底部電極２２と３２と同様に分離しても良い。当該発明の技術を説明するためには、この設計的な選択は、重要ではない。
【００３３】
底部電極層７２の上に、ＰＺ層７４が作られる。再び、一つの例として、ＰＺ層７４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でよいが、他の適当な圧電材料であっても良い。次ぎに、表面電極層７６が、ＰＺ層７４上に形成され、この表面電極層７６は、所定の厚さ（「第１の厚さ」）を備える。例えば、上述された１９００ＭＨｚ共振器に対して、表面電極層７６は、１００nmの厚さを持つことができる。次いで、表面電極層７６の選択された領域（一般的にカッコ７９で示されている）が、部分的にエッチングされる。すなわち、表面電極７６の材料（例えば、モリブデン）が、除去されて表面電極７６の薄い層を備えた選択領域７９を生じる。簡単のために、選択領域７９の厚さは、ここでは「第２の厚さ」と呼ぶことにする。図３Ａは、本発明による部分的なエッチング処理後の装置７０を示している。
【００３４】
最後に、選択領域７９を備えた表面電極層７６は、パターン化されて第１の表面電極７９ａと第２の表面電極７７ａを形成する。第１の表面電極７９ａと第１の底部電極８２は、第１の共振器８０を形成するＰＺ層７４の部分８４（「第１の部分」）を挟持する。第２の表面電極７７ａと第２の底部電極９２は、第２の共振器９０を形成するＰＺ層７４の他の部分９４（「第２の部分」）を挟持する。これらの処理は、第２の共振器９０の共振周波数よりも高い共振周波数の第１の共振器８０を備えた装置７０ａを生じる。
【００３５】
表面電極層７６を部分的にエッチングするために、表面電極層７６の選択領域７９外は、マスクされる。次いで、選択領域７９とマスクされた領域を含む装置７０は、エッチング剤で処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であることができ、ＨＦの濃度に従って、処理は約１分間である。あるいは、表面電極層７６は、イオンミリング、フォトレジスト、スパッタエッチング他の技術を用いてエッチングされる。この発明の目的のために、表面電極層７６をエッチングするために使われる実際の技術は、ここで挙げた方法に限定されない。最終的に、マスクは除去される。マスクの典型的な材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。マスキングおよびエッチング処理は、従来周知である。
【００３６】
共振器に関して、例えば、１５０μm×２００μmの大きさと、約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備えている第１の共振器８０に関して、表面電極層７６は、当初に約１５０nmの厚さを有することができる。部分的なエッチング処理が、数十nm、例えば、約２０nmを削除して約３％だけ第１の共振器８０の共振周波数を増加させる。一つの例として、選択領域７９における表面電極層７６の厚さの１〜３０％が削除され、厚さの減少の程度に対応して約１〜６％だけ第１の共振器８０における共振周波数が増加する。
【００３７】
４. 底部電極に質量負荷する薄膜共振器の製造
図４は、本発明の第４の実施例による装置１００を示すものである。装置１００は、基板１０２の上に作られた第１の共振器１１０と第２の共振器１２０を備えている。一つの例として、基板１０２は、シリコン基板である。
【００３８】
共振器１１０と１２０は、メカニカルウェーブを用いる音響共振器である。そのために、図示されている共振器１１０と１２０のそれぞれは、それぞれ空洞１１１と１２１上に作り上げられる。装置１００における第１の共振器１１０は、第１の空洞１１１の上に作られ、底部負荷電極１１３と第１の底部コア電極１１２の組み合わせである底部電極（「第１の底部電極」）、ＰＺ材料１１４（「第１のＰＺ材料」）、および、表面電極１１６（「第１の表面電極」）を含んでいる。第１のＰＺ材料１１４は、ＰＺ層１０４の一部分（「第１の部分」）である。図示の実施例において、電極１１２、１１３および１１６は、モリブデンから作られており、ＰＺ層１０４は、窒化アルミニウム（「ＡｌＮ」）を用いて作られている。しかしながら、他の適当な導電体材料が、電極のために使われても良い。同様に、他の適当な圧電材料も、ＰＺ層１０４に使える。一つの例として、第１の底部コア電極１１２と底部負荷電極１１３が、同一の材料から作られる。
【００３９】
装置１００における第２の共振器１２０が、第２の空洞１２１の上に作られ、底部電極１２２（「第２の底部電極」あるいは「第２の底部コア電極」）、ＰＺ材料１２４（「第２のＰＺ材料」）および表面電極１２６(「第２の表面電極」）を含んでいる。第２のＰＺ材料１２４は、ＰＺ層１０４の一部分（「第２の部分」）でよい。
【００４０】
ここで、第２の底部電極１２２と第１の底部コア電極１１２は、厚さと大きさが等しい。従って、第１の底部電極（以後、第１の底部コア電極１１２と底部負荷電極１１３の組み合わせを「１１２＋１１３」と呼ぶ）は、第２の底部電極１２２よりも厚い。例えば、一つの例として、第１の底部コア電極１１２と第２の底部電極１２２は、約１５０nmの厚さでよく、底部負荷電極１１３は、第１の底部コア電極１１２に１０〜１００nmの範囲でを任意の厚みを加えることができる。これにより、第１の共振器１１０は、第２の共振器１２０よりも低い共振周波数を備えることになる。一つの例として、第１の共振器１１０の共振周波数は、１〜６％の範囲だけ第２の共振器１２０の共振周波数よりも低くなる。
【００４１】
第１の共振器１１０を製造するために、底部負荷電極１１３が、まず作り上げられる。次いで、第１の底部コア電極１１２が、底部負荷電極１１３の上に作られる。次ぎに、ＰＺ層１０４が、作られる。最終的に、第１の表面電極１１６が、ＰＺ層１０４の上に作られる。図示のように、底部負荷電極１１３は、第１の空洞１１１をまたいでいる。
【００４２】
装置１００を製造するために、底部負荷電極１１３が、まず作られる。次いで、第１の底部コア電極１１２と第２の底部コア電極１２２が作られ、第１の底部コア電極１１２は、底部負荷電極１１３の上に作られる。次ぎに、ＰＺ層１０４が作られ、ＰＺ層１０４は、第１の底部コア電極１１２の上に第１の部分１１４と、第２の底部コア電極１２２の上に第２の部分１２４を有する。最終的に、第１の表面電極１１６と第２の表面電極１２６が、それぞれ第１の部分１１４と第２の部分１２４の上に作られる。
【００４３】
５． 表面電極の質量負荷とオーバーエッチングを行なう薄膜共振器の製造
図５Ａと図５Ｂにおいて、装置１３０と１３０ａが、本発明の第５の実施例を説明するために使われる。図５Ｂの装置１３０ａは、処理後の図５Ａの装置１３０を示している。従って、図５Ｂにおける装置１３０ａの部材は、図５Ａの装置１３０として示されているものと同じものである。便宜上、装置１３０における対応する部材に類似している装置１３０ａの部材は、同じ参照番号が付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００４４】
本発明の図示されている実施例に従って基板１３２の上に共振器１４０と１５０を製造するために、第１の底部電極１４２と第２の底部電極１５２が、作られ、これらの電極は、それぞれ第１の空洞１４１と第２の空洞１５１にまたがっている。
【００４５】
次いで、圧電（ＰＺ）層１３４が、両方の第１と第２の底部電極１４２と１５２に作られ、ＰＺ層１３４は、第１の底部電極１４２の上に第１の部分１４４と第２の底部電極１５２の上に第２の部分１５４を有している。次ぎに、表面電極層１３６が、作られ、表面電極層１３６は、第１の部分１４４の上に第１のセクション１４６と第２の部分１５４の上に第２のセクション１５６を有している。次ぎに、表面負荷層１３８が、第１のセクション１４６の上に作られ、好ましくは第１のセクション１４６全体を覆うようにする。表面負荷層１３８は、導電性材料、絶縁材料、あるいは、その両方を含み、材料の限定はされないが、モリブデン、窒化アルミニウムあるいは二酸化ケイ素を含んでいる。次いで、表面負荷層１３８は、オーバーエッチングされて第１の表面電極（エッチングされた表面負荷層１４８と第１のセクションの組み合わせあるいは１４８＋１４６）を形成する。すなわち、表面負荷層１３８と表面電極層１３６は、同時にエッチングされて第１の表面電極１４８＋１４６を形成する。もちろん、ＳｉＯ２層のようなマスク層が、エッチング剤から電極１４８＋１４６および１５６をパターン化するために使われる。
【００４６】
第２の表面電極１５６は、第１の表面電極１４８＋１４６を作る工程と同じ工程で作ることができる。表面電極層１３６の第２の表面セクション１５６上には負荷電極が存在しないので、第２のセクション１５６を残して第２の表面電極１５６とし、および、第１の表面電極１４８＋１４６を残しつつ、表面電極層１３６は、表面電極層１３６の他のすべての部分を削除するようにエッチングされる
【００４７】
単一の共振器、例えば、第１の共振器１４０を作るために、底部電極１４２が、まず作られる。次いで、ＰＺ層１３４、表面電極層１３６、および、表面負荷層１３８が、順次作られる。表面負荷層１３８は、表面電極層１３６の第１のセクション１４６を覆うことが好ましく、第１のセクション１４６は、表面電極１４８＋１４６の一部分となる。最終的に、表面負荷電極層１３８と表面電極層１３６は、エッチングされ、第１の共振器１４０の表面電極１４８＋１４６を形成する。これらの層１３８と１３６は、二つの工程でエッチングされる。しかしながら、一つの例として、これらは、一つの工程でエッチングされ、あるいは、オーバーエッチングされる。オーバーエッチングのために、表面負荷層１３８が、まずマスクされる。次いで、表面負荷層１３８と表面電極層１３６がエッチングされると同時にこれらの層のマスクされていない部分が除去される。マスキングには、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が使える。
【００４８】
共振器に対して、例えば、約１５０μm×２００μmの大きさを備えるとともに約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備える第１の共振器１４０に対して、底部電極１４２と表面電極層１３６は、それぞれ約１５０nmの厚さを有することができ、ＰＺ層１３４は、約２１００nmの厚さを有することができ、および、表面負荷層１３８は、１０〜１００nmの範囲の厚さ、あるいは、表面電極層１３４の厚さの約１〜６％の厚さを有することができる。１つの実施例で、この技術を使って、第１共振器の共振周波数を１〜６％低くなる。
【００４９】
６． 圧電層を質量削減する薄膜共振器の製造
図６Ａと図６Ｂにおいて、装置１６０と１６０ａは、本発明の第６の実施例を説明するために示されている。図６Ｂの装置１６０ａは、処理後の図６Ａの装置１６０を示している。従って、図６Ｂにおける装置１６０ａの部材は、図６Ａにおける装置１６０の部材と同じである。便宜上、装置１６０における対応する部材と同一の装置１６０ａの部材は、同じ参照番号が付与され、類似しているが異なる部材は、文字「ａ」を伴う同じ番号を付与され、および、異なる部材は、異なる参照番号を付与される。
【００５０】
本発明の図示されている実施例に従って基板上に共振器を作るために、底部電極層１６２が、基板１６１の上に作られる。図１の装置１０あるいは図２の装置４０と同様に、装置１６０が、空洞１７１(「第１の空洞」）を備え、その上に共振器１７０（「第１の共振器」）が作られる。もちろん、第１の空洞１７１は、底部電極層１６２の形成前にエッチングされて充填されている。
【００５１】
第１の空洞１７１上の底部電極層１６２のセクション（一般的に参照番号１７２で示されている「第１のセクション」）は、共振器（「第１の共振器」）１７０に対する底部電極１７２(「第１の底部電極」）として機能することができる。第２の空洞１８１上の底部電極層１６２の他のセクション（一般的に参照番号１８１で示されている「第２のセクション」）は、他の共振器 (「第２の共振器」）１８０に対する底部電極１８２(「第２の底部電極」）として機能することができる。ここで、第１の底部電極１７２と第２の底部電極１８２は、図示のように接続されることができる。あるいは、底部電極１７２と１８２は、図１の底部電極２２と３２のように分離されることもできる。本発明のこの技術を説明するためには、この設計事項は、重要ではない。
【００５２】
底部電極層１６２の上には、ＰＺ層１６４が、作られる。再び、ＰＺ層１６４は、一つの例として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるが、他の適当な圧電材料から構成しても良い。次ぎに、コアＰＺ層１６４の選択された部分（一般的にカッコ１６９で示されている）が、部分的にエッチングされる。エッチング工程は、ＰＺ層の任意の場所を１〜３０％削除することができてＰＺ層の厚さの減少によって１〜６％だけ形成される共振器１７０の共振周波数を増加させる。図６Ａは、本発明による部分的なエッチング工程後の装置１６０を示している。
【００５３】
最終的に、表面電極層１７６が、第１共振器１７０が形成しているＰＺ層１６４の部分的にエッチングされた部分１７４の上に作られる。
【００５４】
ＰＺ層１６４を部分的にエッチングするために、ＰＺ層１６４の選択された部分１６９が、マスクされる。次いで、選択された部分１６９とマスクされた領域を備えた装置１６０は、エッチング剤で処理される。エッチング剤は、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）であることができ、ＨＦの濃度に従って、処理は約１分間である。あるいは、ＰＺ層１６４は、イオンミリング、フォトレジスト、スパッタエッチング他の技術を用いてエッチングされる。この発明の目的のために、ＰＺ層１６４をエッチングするために使われる実際の技術は、ここで挙げた方法に限定されない。最終的に、マスクは除去される。マスクに使われる典型的な材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。マスキングとエッチング処理は、従来周知の技術である。
【００５５】
共振器に対して、例えば、約１５０μm×２００μmの大きさを備えるとともに約１，９００ＭＨｚの共振周波数を備える第１の共振器１７０に対して、ＰＺ層１６４は、約２，１００nmの厚さを備えることができる。選択された部分的にエッチングされる部分は、１〜３０％薄くすることができ、第１の共振器１７０の共振周波数を１〜３０％だけ増加することができる。
【００５６】
装置１６０と１６０ａは、第２の空洞１８１上に作られた底部電極１８２、ＰＺ層１８４(「第２の部分」）、および、表面電極１８６を備えた第２の共振器１８０を設けることも可能である。この場合、ＰＺ層１６４の第２の部分１８４は、部分的にエッチングされていない。
【００５７】
以上の説明から、本発明が新規なものであり、従来周知の技術よりも優れていることが明らかになったと思われる。本発明は、単一の基板の上に異なる共振周波数を備えたＦＢＡＲを形成する技術を開示するものである。本発明における特定の実施例が、図示されて説明されたが、この発明は、図示され説明されたような特定の形態あるいは配置に限定されるものではない。例えば、異なる構造、大きさ、あるいは、材料が、本発明を実施するために使える。本発明は、特許請求の範囲によって限定される。
しかしながら、本発明の実施者への参考のために、下記に本発明の実施態様の幾つかを例示する。
【００５８】
（実施態様１）基板（１０２）上に共振器（１１０）を製造する方法において、底部負荷電極（１１３）を作り、前記底部負荷電極（１１３）上に底部コア電極（１１２）を作り、圧電（ＰＺ）層（１０４）を作り、前記ＰＺ層（１０４）上に表面電極（１１６）を作るようにした共振器の製造方法。
【００５９】
（実施態様２）前記底部負荷電極（１１３）が、約１０〜１００nmの厚さを備えているようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【００６０】
（実施態様３）前記底部負荷電極（１１３）が、モリブデンを含むようにした実施態様１に記載の方法。
（実施態様４）前記底部負荷電極（１１３）と前記底部コア電極（１１２）が、同一の材料を備えるようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【００６１】
（実施態様５）前記ＰＺ層（１０４）が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
（実施態様６）前記底部負荷電極（１１３）が、空洞（１１１）にまたがるようにした実施態様１に記載の共振器の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図３Ａ】本発明の第３の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第３の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図５Ａ】本発明の第５の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第５の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図６Ａ】本発明の第６の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第６の実施例による共振器を含む装置の簡易化側断面図である。
【符号の説明】
１０２ 基板
１０４ コア圧電（ＰＺ）層
１１０、１２０ 第１、第２の共振器
１１１，１２１ 空洞
１１２，１２２ 第１、第２の底部コア電極
１１３ 底部負荷電極
１１６，１２６ 第１、第２の表面電極
Claims (5)
- 基板上に共振器を製造する共振器の製造方法であって、前記基板に設けられた空洞に面する位置に底部電極を形成する工程と、前記底部電極上に圧電材料層を形成する工程と、前記圧電材料層上に表面電極を形成する工程とを含み、前記底部電極を形成する工程は、底部コア電極を形成する前に底側に位置する追加の電極を形成する工程を含む方法において、
単一とされる前記基板面内に複数の共振器を形成する方法であって、前記追加の電極を形成する工程は、選択された所定の共振器に対応する前記空洞に重なる位置のみに、前記空洞に面するように且つ該空洞より大きく底部コア電極より小さい領域寸法となるように底部負荷電極を設けることを含み、前記底部コア電極を形成する工程では、前記底部負荷電極の存在にかかわらず前記複数の共振器に対応する位置に同じ厚さの底部コア電極を形成し、前記圧電材料層を形成する工程では、前記底部負荷電極の存在にかかわらず前記複数の共振器に対応する位置において同じ厚さを有する圧電材料層を形成し、前記表面電極を形成する工程では、前記底部負荷電極の存在にかかわらず前記複数の共振器に対応する位置に同じ厚さの表面電極を形成することを特徴とする方法。 - 前記底部負荷電極が、約１０〜１００nmの厚さを備えているようにした請求項１に記載の共振器の製造方法。
- 前記底部負荷電極が、モリブデンを含むようにした請求項１に記載の共振器の製造方法。
- 前記底部負荷電極と前記底部コア電極が、同一の材料を備えるようにした請求項１に記載の共振器の製造方法。
- 前記ＰＺ層が、窒化アルミニウムを含むようにした請求項１に記載の共振器の製造方法。
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