JP4490951B2 - フィルムバルク音響共振器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィルムバルク音響共振器及びそれを製造するための方法に関する。

超高周波帯域に使われる共振器としては、誘電体共振器、金属空洞共振器及び圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）がある。これらの共振器は挿入損失が少なく周波数特性や温度安定性は優秀であるが、サイズが大きく半導体の基板の上に実装できないため、小型化や軽量化及び集積回路化が難しい。ＦＢＡＲは誘電体共振器や金属空洞共振器に比べ、超小型で製作ができ、シリコン又はＧａＡｓのような基板上に具現でき、他の共振器に比べ挿入損失が少ないという長所がある。

このような共振器を利用したフィルタは、無線移動通信部品の核心部品の一つであり、フィルタの製作技術は携帯無線移動通信端末の軽量化・小型化及び低電力化に影響を与える。
現在、無線通信用ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）フィルタとして最も使われているものは、誘電体フィルタとＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタである。

誘電体フィルタは、家庭で使う９００ＭＨｚ帯域の無線電話機用のフィルタや、ＰＣＳ用の１．８〜１．９ＧＨz帯域のデュプレックスフィルタとしてよく使われ、高い誘電率、低挿入損失、高い温度での安定性、振動、衝撃に強い長所を持っている。その一方で、小型化及びＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）化には限界がある。

ＳＡＷフィルタは、誘電体フィルタより小型であり、信号処理が容易で、回路の簡略化、無調整化及び大量生産の容易性などの長所があるが、製造工程上の限界により超高周波（５ＧＨｚ以上）の帯域で製作が容易でない短所がある。
これとは異なり、ＦＢＡＲフィルタは、超軽量及び超薄型であり、半導体工程を利用して大量生産が容易であり、ＲＦ能動素子と自由に結合できる長所がある。

ＦＢＡＲフィルタは、半導体基板であるシリコン（Ｓｉ）やカリウム砒素（ＧａＡｓ）に、圧電物質であるＺｎＯ又はＡｌＮをＲＦスパッタリング方法で直接蒸着し、圧電特性による共振を誘発させる薄膜形態の素子をフィルタ化したものである。
ＦＢＡＲを製作する工程としてはブラッグ反射（Ｂｒａｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）方式及びエアギャップ（Ａｉｒ Ｇａｐ）方式がある。

図１に示されたブラッグ反射型ＦＢＡＲは、基板１０上に弾性インピーダンスの差が大きい物質を一層おきに蒸着して反射層１１を構成し、下部電極１２、圧電膜１３、及び上部電極１３を順番に蒸着した構造を有する。このＦＢＡＲは、圧電膜１３を通過した音響波が基板の方向に伝達されず、反射層から全反射されることで、効率的な共振の発生を図ったものである。このブラッグ反射型ＦＢＡＲは、構造的に堅固であり、歪曲によるストレスはないが、全反射のための厚みに適した４層以上の反射層を形成することが困難であり、製造のための時間とコストが大きくかかる短所がある。

一方、反射層の代わりにエアギャップを利用して基板と共振部を隔離させるエアギャップ型ＦＢＡＲは、その製造方法によって幾つかの種類に区分されるが、エアギャップ型ＦＢＡＲ種類については図２Ａ乃至図２Ｃに示されている。
図２Ａに示された構造のＦＢＡＲは、バルクマイクロマシニング（Ｂｕｌｋ ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）型ＦＢＡＲであり、基板２０上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの物質でメンブレイン層２１を形成し、前記基板の裏面を異方性エッチングして空洞部２３を形成した後、前記メンブレイン層の上に音響共振器２２を具現する方式で製造される。前記方式で製造されたＦＢＡＲは、構造的に脆弱で歩留まりが低いため、実用化しにくい短所がある。

図２Ｂに示された構造のＦＢＡＲは、表面マイクロマシニング（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）型ＦＢＡＲであり、基板３０上に犠牲層を形成し、前記犠牲層及び基板上に絶縁膜３２を形成した後、第１電極３３、圧電膜３４及び第２電極３５を順番に蒸着し、最終的に犠牲層を除去することでエアギャップ３１を形成する方式で製造される。つまり、素子外部から素子内部にある犠牲層まで繋がるビアホール(図示せず)を形成し、前記ビアホールを通じてエッチング液を投与することで犠牲層を除去してエアギャップ３１を形成する。この方法では、メンブレイン形成時に犠牲層の構造に傾斜を付けて作らなければならず、メンブレイン層の大きい残留応力により構造が脆弱になる問題がある。

図２Ｃに示された構造のＦＢＡＲは、フォトレジスト膜を利用して基板４０をエッチングすることにより空洞部４５を形成し、前記空洞部４５に犠牲層(図示せず)を蒸着し、前記犠牲層及び基板４０上にメンブレイン層４１、第１電極４２、圧電膜４３及び第２電極を順番に蒸着した後、前記犠牲層をエッチングすることでエアギャップを形成する構造で製造される。前記製造方式では、エアギャップの形成時に湿式エッチング方法または乾式エッチング方法を利用する。湿式エッチング方法を利用する場合は、エッチング液の除去が難しく、もしエッチング液が全部除去できないとエッチング液の継続的な作用により素子が脆弱になり、共振周波数の変化が誘発される問題点がある。また、乾式エッチング方法を利用する場合は、プラズマ状態で気体の作用によってエッチングするが、この場合はイオン、分子などによる物理的な衝撃が加えられることがあり、高熱による劣化が発生することもある。
日本特開平１１−１６８３４４号公報 日本特開平７−０５９７６８号公報 韓国特開２００３-０３２４０２号公報 韓国特開２００３−０３６５３４号公報

本発明の第一の目的はＦＢＡＲの構造を単純化して製造工程数を減少させると共に、共振部を基板上に安定的に実装させるＦＢＡＲを提供することにある。
本発明の第二の目的は前述したＦＢＡＲを製造する方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために提案された本発明の一実施形態によると、基板と、前記基板の上面に形成された下部電極と、前記下部電極の上面に形成され、前記下部電極との境界面で音響波の全反射を起こさせる傾きで形成された結晶軸を有する圧電膜と、前記圧電膜の上面に形成された上部電極と、を含むフィルムバルク型音響共振器が提供される。
前記圧電膜は高屈折率媒質で形成され、前記下部電極は低屈折率媒質で形成されることが好ましい。

前記圧電膜の外周には遮断膜がさらに形成されていることが好ましい。
本発明の他の実施形態によると、基板の上面に下部電極を形成する段階と、前記下部電極の上面に圧電膜を形成し、前記下部電極との境界面で音響波の全反射を起こさせる傾きの結晶軸を有する圧電膜を形成する段階と、前記圧電膜の上面に上部電極を形成する段階と、を含むフィルムバルク型音響共振器の製造方法が提供される。

前記製造方法は、前記圧電膜の外周を囲む遮断膜を形成させる段階を更に含むことが好ましい。
前記遮断膜は、前記上部電極を形成するための層と同一層をパターニングすることにより形成することができる。
前記圧電膜はスパッタリング法又は蒸発法によって形成することができる。

本発明によるフィルムバルク音響共振器は、その構造が単純で製造工程が単純化される利点がある。
また、共振構造物を基板の上面に安定的に実装できる利点がある。

以下、添付された図面に基づいて本発明による好適な実施形態を詳説する。
＜音響共振器の構成＞
図３は、本発明の一実施形態によるフィルムバルク音響共振器の構成を示す断面図である。図４は、図３のフィルムバルク音響共振器の一部（図中、符号番号IV）を拡大した図
面である。

本実施形態の音響共振器は、基板１０１、下部電極１１０、圧電膜１１３及び上部電極１１５を含む。
基板１０１としては、シリコン基板を用いることができる。
下部電極１１０及び上部電極１１５は、圧電膜１１３に電界を印加する役割をするものである。下部電極１１０及び上部電極１１５としては、導電材、例えばアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。

圧電膜１１３は、電界が印加されると圧電現象を起こし、音響波を発生させる。本発明による圧電膜１１３は、音響波が下部電極１１０側に入射しようとしたとき、その境界面、つまり下部電極１１０の上面で全反射される結晶軸Ｃを有するように形成される。このような結晶軸Ｃの角度は、高屈折率媒質で形成される圧電膜１１３と、低屈折率媒質で形成される下部電極１１０との材質により異なり、これらの材質により算出できる臨界角よりも傾きが大きければよい。一般に、圧電膜１１３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコンチタン酸鉛（Ｐｂ(ＺｒＴｉ)Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などで形成される。

ここで、音響波の全反射のためには、圧電膜１１３は高屈折率媒質で形成され、下部電極は低屈折率媒質で形成される。そのため、前述した材質を適切に選別して用いる。
図４によると、圧電膜１１３の圧電現象によって生じた音響波は、結晶軸Ｃに沿って下部電極１１０側に入射し、下部電極１１０との境界面で境界面と垂直な軸と結晶軸とが成す角度、つまり、入射角（α°）と同一の反射角（θ°）で全反射する。

前述した構成に加え、圧電膜１１３の外周には遮断膜１１７が更に形成されることが好ましい。遮断膜１１７は、圧電膜１１３の側面と上面の周辺部分とを覆い、上部電極１１５とは分離されている。遮断膜１１７は、下部電極１１０の上面で全反射される音響波が圧電膜１１３の側面部で損失することを防止するためのものであり、下部電極１１０と連結された状態で形成できる。
＜製造方法＞
以下、前述したように構成されたＦＢＡＲの製造過程について説明する。

図５Ａによると、シリコンで形成された基板１０１の上面に下部電極１１０を形成する。
図５Ｂによると、下部電極１１０の上面に圧電膜１１３を蒸着した後、下部電極１１０の面積より小さい平面積を有するようにパターニングする。この時、圧電膜１１３は圧電現象によって生じる音響波が、下部電極１１０の上面で全反射を起こす結晶軸Ｃを有するように形成することが好ましい。ここで、圧電膜１１３は、スパッタリング方法又は蒸発法などによって形成できる。

図５Ｃによると、圧電膜１１３の上面に導電層を蒸着した後に上部電極１１５をパタニングし、上部電極１１５と、圧電膜１１３の外周を囲む遮断膜１１７とを形成する。蒸着工程において、圧電膜１１３の外部に突出した下部電極１１０の上面と圧電膜１１３の側壁とに同時に導電層が蒸着される。蒸着及びパターニングにより、圧電膜１１３の側面と上面の周辺部分とを覆う遮断膜１１７と、遮断膜１１７とは分離された上部電極１１５とが形成される。

本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範疇から外れない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんのことである。
従って、本発明の範囲は説明された実施形態に限定されてはいけず、前述した特許請求範囲のみならずこの特許請求範囲と均等なものによって定められるべきである。

従来のバルク音響共振器（ＦＢＡＲ）の構成を示す断面図で、ブラッグ反射型ＦＢＡＲの構成を示す断面図である。 従来のＦＢＡＲの構成を示す断面図で、エアギャップＦＢＡＲ（バルクマイクロマシニング型）の構成を示す断面図である。 従来のＦＢＡＲの構成を示す断面図で、エアギャップＦＢＡＲ（表面マイクロマシニング型）の構成を示す断面図である。 従来のＦＢＡＲの構成を示す断面図で、エアギャップＦＢＡＲの構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるフィルムバルク音響共振器の構成を示す断面図である。 図３のフィルムバルク音響共振器の一部の拡大図である。 本発明に適用されるフィルムバルク音響共振器の製造過程を示す工程図である（下部電極の形成）。 本発明に適用されるフィルムバルク音響共振器の製造過程を示す工程図である（圧電膜の形成）。 本発明に適用されるフィルムバルク音響共振器の製造過程を示す工程図である（上部電極・遮断膜の形成）。

符号の説明

１０１ 基板
１１０ 下部電極
１１３ 圧電膜
１１５ 上部電極
１１７ 遮断膜
Ｃ 結晶軸

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上面に形成された下部電極と、
   前記下部電極の上面に形成され、前記下部電極との境界面で前記下部電極を透過する音響波の臨界角より大きい傾きを有する結晶軸Ｃを有するように、下部電極より屈折率が大きい高屈折率媒質で形成された圧電膜と、
   前記圧電膜の上面に形成された上部電極と、
   前記圧電膜の外周に形成された遮断膜とを含むフィルムバルク型音響共振器。
2. 前記臨界角より大きい傾きを有する結晶軸Ｃは、下部電極の屈折率対圧電膜の屈折率を調節することにより得られる請求項１に記載のフィルムバルク型音響共振器。
3. 前記圧電膜がＺｎＯからなり、下部電極がＡｌ、Ｒｕ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる請求項１又は２に記載のフィルムバルク型音響共振器。
4. 基板の上面に下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極の上面に圧電膜を形成し、前記下部電極との境界面で 前記下部電極を透過する音響波の臨界角より大きい傾きを有する結晶軸Ｃを有するように、下部電極より屈折率が大きい高屈折率媒質で圧電膜を形成する工程と、
   前記圧電膜の上面に上部電極を形成する工程と、
   前記圧電膜の外周を囲む遮断膜を形成する工程とを含むフィルムバルク型音響共振器の製造方法。
5. 前記遮断膜は、前記上部電極を形成するための層と同一層をパターニングすることにより形成される請求項４に記載のフィルムバルク型音響共振器の製造方法。
6. 前記圧電膜をスパッタリング法又は蒸発法によって形成する請求項４又は５に記載のフィルムバルク型音響共振器の製造方法。
   

Images