KR101010493B1 - 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 혹은 분파기 - Google Patents

압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 혹은 분파기 Download PDF

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Abstract

멤브레인의 기계적 강도를 손상시키지 않고, 압전 박막 공진자의 Q를 향상시킨다. 압전 박막 공진자(10)는, 기판(1)과, 하부 전극(2)과, 압전막(3)과, 상부 전극(4)을 구비하고, 상부 전극(4) 및 하부 전극(2)이 대향하는 대향 영역 T와 외측과의 경계 부분을 걸치도록 대향 영역 T의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 공극(8)이 형성되어 있고, 공극(8)은, 압전막(3)의 막 두께 방향의 일부에 형성된다.
기판, 하부 전극, 압전막, 상부 전극, 캐비티, 공극, FBAR, 필터, 분파기

Description

압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터 혹은 분파기{PIEZOELECTRIC THIN-FILM RESONATOR, FILTER USING THE SAME, AND DUPLEXER USING THE SAME}
본 발명은, 압전 박막 공진자 및 이것을 이용한 필터, 분파기 혹은 통신 기기에 관한 것이다.
휴대 전화로 대표되는 무선 기기의 급속한 보급에 의해, 소형이고 고성능의 필터나 분파기의 수요가 증가하고 있다. 필터나 분파기는, 공진자를 조합해서 구성된다. 공진자에는, 지금까지 SAW(Surface Acoustic Wave)가 주로 사용되어 왔지만, 최근, 저손실이고, 내전력성, ESD 특성 등이 우수한 압전 박막 공진자의 이용이 증가하고 있다.
압전 박막 공진자에는, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입과 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입이 있다. FBAR은, 기판 위에, 주요 구성 요소로서, 상부 전극, 압전막 및 하부 전극이 형성된 구조를 갖고, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 영역의 하부 전극의 아래쪽으로 캐비티가 형성되어 있다. 캐비티의 구조에는, 예를 들면, 다음 3종류가 있다. 첫번째는, 기판의 표면으로부터 이면까지 관통한 형태로 형성되는 캐비티이다. 두번째는, 기판 표면에 오목부를 갖 는 형태로 형성되는 캐비티이다. 세번째는, 기판 표면 위에 에어 브리지 방식으로 형성되는 캐비티이다.
SMR은, 상기의 캐비티 대신에, 음향 임피던스가 높은 막과 낮은 막을 교대로 λ/4(λ:탄성파의 파장)의 막 두께로 적층해서 음향 반사막으로서 이용하는 구조의 것이다.
FBAR 또는 SMR에서, 상부 전극과 하부 전극간에 고주파의 전기 신호를 인가 하면, 상부 전극과 하부 전극이 압전막을 사이에 두고 대향하는 영역(멤브레인 영역)에, 역압전 효과에 의해, 탄성파가 여진된다. 또한, 압전 효과에 의해, 탄성파에 의한 왜곡이, 전기 신호로 변환된다. 이 탄성파는, 상부 전극측 끝면과 하부 전극측 끝면에서 각각 반사되어, 두께 방향으로 주변위를 갖는 두께 세로 진동파로 된다. 이 구조에서는, 멤브레인 영역의 합계 막 두께 H가, 탄성파의 1/2 파장의 정수배(n배)로 되는 주파수에서 공진이 일어난다. 재료에 의해 결정되는 탄성파의 전파 속도를 V로 하면, 공진 주파수 F는, F=nV/2H로 된다. 이 공진 현상을 이용하여, 막 두께에 의해 공진 주파수를 제어함으로써, 원하는 주파수 특성을 갖는 압전 박막 공진자가 제작된다.
압전 박막 공진자에서의 Q의 향상, 특히 반공진에서의 Q의 향상을 도모한 종래 기술로서, 압전막의 외주부를, 하부 전극과 상부 전극이 대향하는 영역의 외주보다 내측에 형성하는 것이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 구성에 의해, 가로 방향의 탄성파의 누설이 억제되어, 반공진 Q의 향상이 도모된다.
[특허 문헌 1] 특허 공개 제2007-300430호 공보
상기 종래의 구성에서는, 상부 전극과 하부 전극이 대향하는 영역의 외주 부분의 압전막이 제거되어 있다. 따라서, 이 부분에서는 하부 전극막만으로 멤브레인을 유지하게 되어, 기계적 강도가 약해지기 쉽다.
본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 멤브레인의 기계적 강도를 손상시키지 않고, 압전 박막 공진자의 Q를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본원에 개시하는 압전 박막 공진자는, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 공극이 형성되어 있고, 상기 공극은, 압전막의 막 두께 방향의 일부에 형성된다.
대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서, 막 두께 방향의 일부에 공극이 형성됨으로써, 멤브레인의 기계적 강도가 손상되지 않고, 가로 방향의 탄성파의 누설이 억제된다. 그 때문에, 기계적 강도를 유지하면서도, Q(특히 반공진 Q)의 향상을 도모할 수 있다.
본원 명세서의 개시에 따르면, 멤브레인의 기계적 강도를 손상시키지 않고, 압전 박막 공진자의 Q를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 공극은, 상기 압전막의 일부가 제거되어 형성되어도 된다. 압전막의 막 두께 방향의 일부가 제거되는 것 뿐이므로, 멤브레인의 기계적 강도를 손상시키지 않고, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 공극은, 상기 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 상부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막의 상면 또는 하면이 제거되어 이루어지는 양태로 할 수 있다. 이 구성에 의해, 압전막의 성막후에 공극을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 공극은, 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막의 상면 또는 하면이 제거되어 이루어지는 양태로 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 공극은, 상기 압전막의 상면과 상기 상부 전극 사이, 혹은 상기 압전막과 상기 하부 전극 사이에 형성되어도 된다. 이 구성 에서는, 압전막은 전혀 제거되지 않으므로, 멤브레인의 기계적 강도를 손상시키는 일이 없다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 공극 대신에 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되어도 된다. 이 절연체에 의해 멤브레인의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고, 상기 상부 전극 및 상 기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되어 있고, 상기 절연체는, 상기 압전막을 관통하여 형성되어 있는 압전박막 공진자도, 본 발명의 실시 형태의 하나이다.
이 구성에 의해, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제하여 반공진 Q의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 압전막이 제거된 부분에는 절연체가 매립되어 있으므로 멤브레인의 기계적 강도가 손상되는 일은 없다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 절연체는, 상기 압전막보다 음향 임피던스가 작은 양태이어도 된다. 이에 의해, 가로 방향의 탄성파의 누설을 보다 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 절연체는, 산화실리콘이어도 된다. 이에 의해, 가로 방향의 탄성파의 누설을 더욱 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극과, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서, 상기 압전막을 관통하는 공극이 형성되어 있고, 상기 하부 전극의 엣지에 대향하는 상기 상부 전극은, 상기 대향 영역의 외측에 연장되어 형성되어 있는, 압전 박막 공진자도 본 발명의 실시 형태의 하나이다.
이 구성에 의해, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제하여 반공진 Q의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 하부 전극의 엣지에 대향하는 상부 전극은, 상기 대향 영역의 외측에 연장되어 형성되어 있으므로, 공극이 형성된 영역에서는, 상부 전극막에서 멤브레인이 유지되는 구성으로 된다. 그 때문에, 멤브레인의 기계적 강도가 유지된다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 대향 영역 아래에 캐비티가 형성되어 있고, 상기 캐비티는 상기 대향 영역보다도 넓게 형성되어 있어도 된다.
캐비티가 대향 영역보다도 좁은 경우에는, 대향 영역의 주위가 기판에 고정된다. 이 기판에 고정된 대향 영역의 주위에서, 원하는 두께 세로 진동이 억압되기 때문에, 반공진 Q가 열화된다. 그러나, 상기 구성과 같이, 캐비티는 대향 영역보다도 넓게 형성함으로써, 이들의 열화를 억지할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 상기 압전 박막 공진자의 공진 진동은 두께 세로진동 모드이어도 된다. 이 두께 세로 진동 모드를 이용한 경우에, 상기 압전 박막 공진자의 구조에서, 가로 방향의 탄성파의 누설을 보다 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, Q(특히 반공진 Q)의 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전 박막 공진자를 적어도 1개 포함하는 필터, 분파기 또는 통신 기기도 본 실시 형태의 하나이다. 고 Q화를 도모한 압전 박막 공진자를 적용함으로써, 필터, 분파기 혹은 통신 기기의 저손실화를 실현할 수 있다.
(제1 실시 형태)
[압전 박막 공진자의 구성]
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는, 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 공진자(이하, FBRA라고 칭함)(10)의 구성을 도시하는 평면도 및 A-A 선단면도이다. 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 도시하는 FBAR(10)에서는, 실리콘(Si)의 기판(1) 위에 하부 전극(2)으로서 루테늄(Ru)막이 형성되어 있다. 하부 전극(2)의 두께는 300nm이다. 하부 전극(2) 위에 압전막(3)으로서 AlN이, 두께 1100nm로 형성되어 있다. 압전막(3)을 사이에 두고 하부 전극(2)과 대향하는 영역을 갖도록, 압전막(3) 위에 상부 전극(4)이 형성되어 있다. 상부 전극(4)은, 두께 300nm의 루테늄(Ru)막이다.
압전막(3)을 사이에 두고 하부 전극(2)과 상부 전극(4)이 대향하는 영역(대향 영역), T의 형상(위에서 본 형상)은 타원이다. 이 타원은, 주축 180μm, 부축 150μm의 사이즈이다. 대향 영역 T 아래에, 그 대향 영역 T의 주연보다도 1um 큰 사이즈의 캐비티(5)가 형성되어 있다. 즉, 캐비티(5)는 대향 영역 T보다도 광폭으로 되어 있다.
이 구성에 의해, 약 2GHz의 공진 주파수를 갖는 FBAR이 얻어진다. 하부 전극(2), 압전막(3), 상부 전극(4)은, 각각, 예를 들면 스퍼터링법에 의한 성막, 노광 및 웨트 에칭 또는 드라이 에칭에 의해 형성된다.
여기서, 상부 전극(4) 및 하부 전극(2)으로서는, 상기 외에, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백금(Pt), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 등을 이용할 수 있다. 압전막(3)으로서는, 상기 질화 알루미늄(AlN) 외에, 산화 아연(ZnO), 티탄산 지르콘산납(PZT) 또는 티탄 산납(PbTiO3) 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판(1)으로서는, 실리콘(Si) 외에, 글래스 등을 이용할 수 있다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 도시하는 FBAR에서는, 대향 영역 T을 규정하는 상부 전극(4)의 엣지에서, 상부 전극(4)측의 압전막(3)의 일부가 제거되어 공극(8)이 형성되어 있다. 이 공극(8)은, 투영면 상에서, 상부 전극(4)의 엣지를 걸치도록 형성되어 있다. 여기에서, 공극(8)의 깊이 d1은 500nm이다. 이 깊이 d1=500nm은, 압전막(3)의 막 두께 1100nm에 대하여 약 절반이다. 이와 같이, 압전막(3)의 막 두께 방향의 일부에 공극(8)을 형성함으로써, FABR(10)의 멤브레인 영역의 기계적 강도는 유지한 구성으로, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제할 수 있다. 그 결과, 반공진 Q가 향상된다. 깊이 d1과 Q의 상세한 관계에 대해서는 후술한다.
공극(8) 중 상부 전극(4) 아래(대향 영역 T의 내측)에 있는 부분의 폭을 나타내는 wh1은, 1μm, 상부 전극(4)의 밖(대향 영역 T의 외측)에 있는 부분의 폭을 나타내는 wh2는 1μm이다. 따라서, 공극(8)의 대향 영역 T의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 전체 폭 2μm에 걸쳐서 형성되어 있다.
공극(8)은, 하부 전극(2), 압전막(3) 및 상부 전극(4)을 형성한 후에, 예를 들면, 공극(8)을 형성하는 개소 이외를 마스크하여 웨트 에칭하거나, 혹은, 드라이 에칭법을 이용한 에칭에 의해 형성할 수 있다.
[구성의 변형예]
도 2의 (a)는, 본 실시 형태의 변형예에 따른 FABR(11)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2의 (a)에 도시하는 FBAR(11)에서는, 하부 전극(2)과 상부 전극(4)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 상부 전극(4)의 엣지에서, 하부 전극(2)측의 압전막(3a)의 표면이 제거되어 공극(8a)이 형성되어 있다. 공극(8a)은, 투영 면 상에서, 상부 전극(4)의 엣지를 걸치도록 형성되어 있다. 여기에서, 공극(8a)의 깊이 d2는 500nm이다. wh1 및 wh2의 길이는, 모두 도 1에 도시하는 FBAR(10)과 마찬가지로 1μm이다.
도 2의 (a)에 도시하는 공극(8a)는, 예를 들면, 하부 전극(2)을 형성하고 나서 공극(8a)으로 되는 영역에 희생층을 형성하고, 압전막(3a) 및 상부 전극(4)을 형성한 후에 희생층을 제거함으로써 형성할 수 있다.
도 2의 (b)는, 본 실시 형태의 다른 변형예에 따른 FABR(13)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2의 (b)에 도시하는 FBAR(13)에서는, 하부 전극(2)과 상부 전극(4b)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 상부 전극(4b)의 엣지에서, 상부 전극(4b)과 압전막(3b)의 표면 사이에 공극(8b)이 형성되어 있다. 즉, 상부 전극(4b)의 엣지가 압전막(3b) 표면으로부터 떨어짐으로써 공극(8b)이 형성되어 있다. 여기에서, 공극(8b)의 높이 d3은 50nm, 공극의 폭 wh1은 모두 1μm이다.
도 2의 (b)에 도시하는 공극(8b)는, 예를 들면, 압전막(3b)를 형성하고 나서 공극(8b)으로 되는 영역에 희생층을 형성하고, 상부 전극(4b)을 형성한 후에 희생층을 제거함으로써 형성할 수 있다. 도 2의 (b)에 도시하는 구성은, 제조의 용이성에서 메리트가 있다.
도 3의 (a)는, 참고를 위한 FBAR의 구조예이다. 도 3의 (a)에 도시하는 FBAR(12)에서는, 하부 전극(2)과 상부 전극(4)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 상부 전극(4)의 엣지에서, 압전막(3c)의 일부가 제거되어 막 두께 방향으로 관통하는 공극(8c)이 형성되어 있다. 공극(8c)은, 투영면 상에서, 상부 전극(4)의 엣지 를 걸치도록 형성되어 있다.
도 3의 (b)도, 참고를 위한 FBAR의 구조예이다. 도 3의 (b)에 도시하는 FBAR(9)에서는, 하부 전극(2)과 상부 전극(4)이 대향하는 대향 영역 T에 공극은 형성되어 있지 않다.
[FBAR의 구조와 반공진 Q의 관계]
도 4는, 상기의 5개의 FBAR(9∼13) 각각의 반공진 Q를 나타내는 그래프이다. 반공진 Q의 개선 정도를 보면, 압전막에 공극이 없는 FBAR(9)에 대하여, 압전막과 상부 전극간에 공극이 있는 FBAR(13)에서 약 120 향상, 압전막에 공극이 있는 FBAR(10, 11, 12)에서 약 240 향상하고 있다.
[공극의 두께와 반공진 Q의 관계]
도 5의 (a)는, 도 1에 도시하는 FABR(10)에서의 공극(8)의 깊이 d1을 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5의 (b)는, 도 2의 (a)에 도시하는 FABR(11)에서의 공극(8a)의 깊이 d2를 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에 나타내는 결과로부터, 공극의 깊이를 압전막의 두께(1100nm)의 약 절반 이상으로 함으로써, 반공진 Q가 포화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 공극의 깊이는, 압전막의 두께의 1/2 정도인 것이 바람직하다고 할 수 있다.
[공극의 대향 영역 T의 경계에 대한 상대 위치와 반공진 Q의 관계]
도 6은, 도 1에 도시하는 FBAR(10)에서의 공극의 오프셋량을 설명하기 위한 도면이다. 우측의 공극(8)에 관하여 말하면, 상부 전극(4)의 엣지의 위치(대향 영 역 T와 외측과의 경계) ER을 기준으로 하여, 오프셋량을 정의한다. 여기에서는, 공극(8)의 내측벽 KRu가 엣지 ER에 위치하는 경우를 오프셋량=0으로 한다. 대향 영역 T의 내측을 -측, 외측을 +측으로 한다. 마찬가지로, 좌측의 공극(8)에 관해서도, 상기 우측의 공극(8)과 마찬가지로, 공극(8)의 내측벽 KLu가 엣지 EL에 위치하는 경우를 오프셋량=0으로 하고, 대향 영역 T의 내측을 -측, 외측을 +측으로 한다. 또한, 도면 우측의 공극(8)의 내측벽 KRu와, 도면 좌측의 공극(8)의 내측벽 KLu는, 서로 미러 관계로 되도록 하는 방향으로 동일 이동량 움직이는 것으로 한다.
도 7은, 이러한, 상부 전극(4)의 엣지의 위치에 대한 공극(8)의 내측벽의 위치를 공극(8)의 오프셋량으로서 횡축에 취한 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7에 나타내는 그래프로부터, 오프셋량이 0∼-2μm에서, 반공진 Q가 향상되어 있다. 즉, 투영면 상에서, 공극(8)이 대향 영역의 경계로 되는 상부 전극(4)의 엣지를 걸치는 위치에 있는 경우에, 반공진 Q가 향상된다고 할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 8은, 제2 실시 형태에 따른 FBAR(14)의 구성을 도시하는 단면도이다. FBAR(14)은, 도 1에 도시한 FBAR(10)의 공극(8)을 절연체(8d)로 치환한 구성이다. 절연체(8d)의 음향 임피던스는, 압전막(3)의 음향 임피던스와 다르다. 음향 임피던스 Z는, 예를 들면, 하기 식(1)로 표현된다.
Z=√(ρ×E)
(ρ:밀도, E:영율)
도 9는, 절연체(8d)의 음향 임피던스를 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기에서, Zi는 절연체(8d)의 음향 임피던스를 나타낸다. Zp는 압전막(3)(AlN)의 음향 임피던스를 나타낸다. 따라서, 횡축의 Zi/Zp는 규격화 음향 임피던스를 나타내고 있다. 또한, 그래프에서는, 공극(8)의 경우의 반공진 Q는, Zi/Zp를 0으로서 플롯하고 있다. 도 9에 나타내는 그래프는, Zi/Zp가 작은 쪽이, 즉, 절연체(8d)의 음향 임피던스가 작은 쪽이, 반공진 Q가 향상되는 것을 나타내고 있다. 실용적인 저음향 임피던스의 절연체 재료로서는, 예를 들면, 산화실리콘(SiO2)이 있다. 이 산화실리콘(SiO2)을 사용한 경우에는, 공극(8)과 거의 동일한 반공진 Q가 얻어진다. 이상으로부터, 대략적으로 말해서, Zi/Zp가 1보다 작은 경우, 즉, 절연체(8d)의 음향 임피던스가 압전막(3)의 음향 임피던스보다 작은 경우에, 반공진 Q가 향상된다고 할 수 있다.
또한, 상기 제1 실시 형태에서의 다른 FBAR(11, 14)에 대해서도, 공극(8a, 8b)을 절연체로 치환한 구조로 하여도 된다. 이렇게 공극을 절연체로 치환함으로써, 멤브레인 영역의 기계적 강도가 손상되기 어려워진다.
(제3 실시 형태)
도 10의 (a) 및 도 10의 (b)는, 제3 실시 형태에 따른 FBAR(15)의 구성을 도시하는 평면도 및 B-B 선단면도이다. 상기 제1 실시 형태에서의 FBAR(10)(도 1)에서는, 위에서 본 경우에, 대향 영역 T의 주연 전체를 따라 공극(8)이 형성되어 있었다. 이에 대하여, 도 10에 도시하는 FBAR(15)에서는, 대향 영역 T의 주연의 일 부에 공극(8e)이 형성되어 있다. FBAR(15)에서는, 위에서 본 경우, 상부 전극(4e)의 엣지가 대향 영역 T와 그 외측과의 경계를 규정하고 있는 부분에 공극(8e)이 형성되어 있다. 또한, 공극(8e)은, 압전막(3e)의 상부 전극(4e)측의 표면이 제거됨으로써 형성되어 있다. 또한，FBAR(15)에서도, wh1 및 wh2는, FBAR(10)과 마찬가지로 1μm이다. 이와 같이, 대향 영역 T와 그 외측과의 경계의 일부에 공극을 형성해도, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 도 10의 (a)의 평면도에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(2e)이 대향 영역 T의 외측에 연장되어 형성되어 있는 영역(하부 전극(2e)의 돌아 들어 가는 영역)의 전체에 걸쳐서 공극(8e)이 형성되어 있다. 이에 의해, 하부 전극(2e)의 돌아 들어 가는 영역의 일부에 형성하는 경우에 비하여, 특성 개선 효과가 커진다.
(제4 실시 형태)
도 11의 (a) 및 도 11의 (b)는, 제4 실시 형태에 따른 FHR(16)의 구성을 도시하는 평면도 및 B-B 선단면도이다. FBAR(16)에서는, FBAR(15)의 구성에 부가하고, 또한, 하부 전극(2e)의 엣지가 대향 영역 T와 그 외측과의 경계를 규정하고 있는 부분에 공극(8f)이 형성되어 있다. FBAR(16)에서의 공극(8f)은, 하부 전극(2e)과 상부 전극(4e)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 하부 전극(2e)의 엣지에서, 압전막(3e)의 일부가 제거되어 막 두께 방향으로 관통하도록 형성되어 있다. 공극(8f)은, 투영면 상에서, 하부 전극(2e)의 엣지를 걸치도록 형성되어 있다. FBAR(16)에서, 공극(8f)에서의 대향 영역 T의 내측에 있는 부분의 길이의 wb1 및 외측의 길이 wb2는, 모두 1μm이다. 따라서, 공극(8f)의 전체 폭은 2μm이다.
공극(8f)이 형성되는 장소에서는, 상부 전극(4e)은, 대향 영역 T의 외측에 연장되어 형성되어 있다. 그 때문에, 압전막(3e)이 제거된 부분(공극(8f))에서는, 상부 전극(4e)으로 멤브레인을 유지하게 된다. 도시하지 않았지만, 상부 전극(4e) 위에는 보호막이 더 형성되어도 된다. 그 경우, 멤브레인의 기계적 강도는, 하부 전극(2e)만으로 멤브레인을 유지하는 구조보다 강해진다.
도 12의 (a)는, 본 실시 형태의 변형예에 따른 FBAR(17)의 구성을 도시하는 단면도이다. FBAR(17)에서는, 하부 전극(2e)과 상부 전극(4e)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 하부 전극(2e)의 엣지에서, 상부 전극(4e)측의 압전막(3g)의 일부가 제거되고, 공극(8g)이 형성되어 있고, 공극(8g)은, 투영면 상에서, 하부 전극(2e)의 엣지를 걸치도록 형성되어 있다. 공극(8g)의 깊이 d4는 500nm이다.
도 12의 (b)는, 본 실시 형태의 다른 변형예에 따른 FBAR(18)의 구성을 도시하는 단면도이다. FBAR(18)은, 하부 전극(2e)과 상부 전극(4e)이 대향하는 대향 영역 T를 규정하는 하부 전극(2e)의 엣지에서, 하부 전극(2e)측의 압전막(3h)의 일부가 제거되어 공극(8h)이 형성되어 있고, 공극(8h)는, 투영면 상에서, 하부 전극(2e)의 엣지를 걸치도록 형성되어 있다. 여기에서, 공극(8h)의 깊이 d5는 500nm이다.
도 13은, 상기 4개의 FBAR(15∼18)의 반공진 Q를 나타내는 그래프이다. 그래프가 나타내는 반공진 Q의 개선 정도를 보면, FBAR(15)에 대하여, FBAR(16∼18)에서 약 650∼700 반공진 Q가 향상되어 있다. FBAR(16∼18)은, 대향 영역 T의 경계를 형성하는 하부 전극(2e)의 엣지를 걸치도록 공극이 형성되는 구조를 갖고 있 다. 그 때문에, 하부 전극(2e)의 엣지에, 투영면 상에서, 하부 전극(2e)의 엣지를 걸치도록 공극을 형성함으로써, 반공진 Q가 향상된다고 할 수 있다.
[대향 영역과 캐비티의 관계]
도 14은, 대향 영역 T와 캐비티와의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 14에 도시하는 BAR(17)은, 도 12의 (a)에 도시한 FABR(17)과 마찬가지의 구성이다. 여기에서는, 압전막(3g)을 사이에 두고 하부 전극(2e)과 상부 전극(4e)이 대향하는 대향 영역 T 아래에 형성되는 캐비티(5)의 사이즈가 반공진 Q에 미치는 영향에 대해서 설명한다. 도면의 좌측에서, 캐비티(5)의 좌측벽의 위치 CLs가, 대향 영역 T의 외측과의 경계를 규정하는 상부 전극(4e)의 엣지 EL과 일치하는 점을 오프셋량=0으로 하고, 대향 영역 T의 내측을 -측, 외측을 +측으로 한다. 마찬가지로, 도면의 우측에서도, 캐비티(5)의 우측벽의 위치 CRs가, 대향 영역 T의 경계를 규정하는 하부 전극(2e)의 엣지 ER과 일치하는 점을 오프셋량=0으로 하고, 대향 영역 T의 내측을 -측, 외측을 +측으로 한다. 또한, 캐비티의 우측벽의 위치 CRs와, 좌측벽측의 위치 CLs는, 서로 미러 관계로 되도록 하는 방향으로 동일 이동량 움직이는 것으로 한다.
도 15는, 상기한 바와 같이, 상부 전극(4e) 및 하부 전극(2e)의 엣지의 위치에 대한 캐비티(5)의 외측벽의 위치를 오프셋량으로서 횡축에 취한 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프로부터, 오프셋량이 0μm 이하인 경우에는, 반공진 Q가 열화되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 캐비티(5)를 대향 영역 T보다도 폭 넓게 함으로써, 반공진 Q를 열화시키지 않도록 할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 제1∼3 실시 형태에서도, 캐비티(5)를 대향 영역 T보다 폭 넓게 함으로써, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
(제5 실시 형태)
제5 실시 형태는, 상기 제1∼4 실시 형태의 FBAR를 이용한 필터 및 분파기에 관한 것이다. 도 16은, 제5 실시 형태에 따른 필터(30)의 등가 회로도이다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 공진기를, 직렬 아암과 병렬 아암에 래더형으로 배치하여 접속함으로써, 소정의 통과 대역을 갖는 밴드패스 필터가 얻어진다. 이 타입의 필터는, 일반적으로 래더형 필터라고 불린다.
도 16에 도시하는 필터(30)에서는, 입력 단자 In-출력 단자 Out간의 직렬 아암에 접속된 직렬 공진기 S1~S4와, 입력 단자 In-출력 단자 Out간의 선로와 그라운드 사이(병렬 아암)에 접속된 병렬 공진기 P1∼P3을 구비한다. 이들 직렬 공진기 S1~S4 및 병렬 공진기 P1∼P3은, 상기 제1∼4 실시 형태의 FBAR(10, 11, 13∼18) 중 어느 하나의 구성을 갖는다.
도 17은, 도 16에 도시하는 필터(30)의 구성을 도시하는 평면도이다. 도 18은, 도 17의 A-A 선단면도이다. 직렬 공진기 S1∼S4 및 병렬 공진기 P1∼P3은, 상부 전극(4) 및 하부 전극(2)이 압전막(3)을 사이에 두고 대향하는 대향 영역 T에 형성된다. 이들 7개의 공진기는, 에어 브릿지형의 캐비티(5) 위에 형성되어 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 병렬 아암의 병렬 공진기 P1∼P3에 대해서는, 상부 전극의 300nm의 루테늄(Ru)막 위에 110의 티탄(Ti)을 형성하고 있다.
직렬 공진기 S1∼S4 및 병렬 공진기 P1∼P3은, 예를 들면, 도 12의 (a)에 도 시한 FBAR(17)의 구성과 마찬가지로 할 수 있다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 직렬 공진기 S1∼S4에서는, 대향 영역 T의 경계로 되어 있는 상부 전극(4)의 엣지를 걸치도록 공극(8f)이 형성된다. 또한, 대향 영역 T의 경계로 되어 있는 하부 전극(2)의 엣지를 걸치도록, 공극(8e)이 형성된다. 이에 의해, 기계적 강도를 유지하면서도, 필터 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 밴드패스 필터를 2개 병렬 접속한 분파기도, 본 실시 형태의 하나이다. 도 19는, 분파기(40)의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 19에 도시하는 분파기(40)에서는, 송신용 필터(42)가 안테나 단자와 송신 단자 사이에, 수신용 필터(43)가 안테나 단자와 수신 단자 사이에 배치된다. 안테나 단자와 각 필터 사이에는, 임피던스 조정을 위해서, 필요에 따라서 정합 회로(예를 들면 위상기)(41)가 부가되어도 된다. 분파기(40)는, 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 역할을 담당한다. 예를 들면, CDMA 시스템의 휴대 전화의 안테나 바로 아래에서 사용된다.
이러한 필터나 분파기에는, 송신계에 사용되는 경우에는 저소비 전력의 관점에서, 수신계에 사용되는 경우에는 수신 감도 향상의 관점에서, 저손실화가 요구된다. 고Q화가 이루어진 상기 제1∼4 실시 형태의 FBAR(10, 11, 13∼18) 중 어느 하나를 사용하여 필터나 분파기를 구성함으로써, 필터나 분파기의 저손실화를 도모할 수 있다. 또한, 이러한 필터나 분파기를 포함하는 통신 기기도 본 발명의 실시 형태의 하나이다.
이상과 같이, 상기 실시 형태에서는, 하부 전극 혹은 상부 전극의 엣지에, 상기 엣지를 걸치도록 공극 혹은 절연체가 매립된 영역이 설정된다. 이 구성에 의 해, FBAR의 고Q화를 도모할 수 있다. 그리고, 이 FBAR를 필터 혹은 분파기에 적용함으로써 저손실화가 가능하게 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상술했지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
예를 들면, 기판, 전극막, 압전막의 각 재료는 상기 실시 형태의 것에 한정되지 않고, 다른 재료를 사용해도 된다.
또한, 상기 실시 형태의 막 구성은 FBAR의 주요 구성 요소만을 적은 것이다. 예를 들면, 하부 전극의 아래나 상부 전극의 위에 유전체막이 더 형성되어 있어도 된다. 하부 전극의 아래의 유전체막은, 예를 들면, 보강재로서, 혹은 에칭의 스톱층으로서의 역할을 담당할 수 있다. 상부 전극 위의 유전체막은, 예를 들면, 패시베이션막 혹은 주파수 조정용으로서의 역할을 담당할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태의 캐비티는, 기판을 관통하는 구멍의 형상이었지만, 캐비티의 구조는, 이에 한정되지 않는, 예를 들면, 기판 표면에 오목부를 갖는 형태로 형성되는 캐비티, 혹은, 기판 표면 위에 에어 브리지 방식으로 형성되는 캐비티이어도 된다. 또한, 캐비티 대신에 음향 반사막을 사용하는 SMR 구조이어도 된다.
또한，상기 실시 형태의 압전막을 사이에 두고 하부 전극과 상부 전극이 대향하는 대향 영역은 타원 형상이었지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 비사각형이나 그 밖의 형상이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태의 하부 전극, 상부 전극, 혹은 압전막의 선단부의 끝면은 기판에 대하여 약 90도뿐인 경우를 도시했지만, 막의 첨단부 형상은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 테이퍼를 갖고 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태의 하부 전극, 혹은 상부 전극의 엣지에 형성되는 공극은, 사각 형상만을 도시했지만, 이에 한정되지 않고, 다른 형상이어도 된다. 상기 실시예의 공극의 폭은, 2μm인 경우를 예시했지만, 하부 전극과 상부 전극이 대향하는 대향 영역으로부터 떨어진 방향으로는, 폭을 넓혀도 된다. 상기 실시 형태의 공극의 깊이는, 일례로서, 500nm인 경우를 예시했지만, 이에 한정되지 않고, 다른 깊이이어도 된다.
또한, 압전막이 제거된 부분에 절연체를 형성한 예는, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 어느 하나의 압전 박막 공진자에 적용해도 거의 공극의 경우와 마찬가지의 특성이 얻어진다.
이상의 실시 형태에 관하여, 이하의 부기를 더 개시한다.
(부기 1)
기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 공극이 형성되어 있고, 상기 공극은, 압전막의 막 두께 방향의 일부에 형성되는 압전 박막 공진자.
(부기 2)
상기 공극은, 상기 압전막의 일부가 제거되어 형성되는 부기 1에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 3)
상기 공극은, 상기 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 상부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막의 상면 또는 하면이 제거되어 이루어지는 부기 2에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 4)
상기 공극은, 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막의 상면 또는 하면이 제거되어 이루어지는 부기 2에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 5)
상기 공극은, 상기 압전막의 상면과 상기 상부 전극 사이, 혹은 상기 압전막과 상기 하부 전극 사이에 형성되는 부기 1에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 6)
상기 공극 대신에 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되는 부기 1∼5 중 어느 한 항에 기재된 압전 공진자.
(부기 7)
기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극을 구비하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되어 있고, 상기 절연체는, 상기 압전막을 관통하여 형성되어 있는 압전 박막 공진자.
(부기 8)
상기 절연체는, 상기 압전막보다 음향 임피던스가 작은 것을 특징으로 하는 부기 6 또는 7에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 9)
상기 절연체는, 산화실리콘인 것을 특징으로 하는 부기 6 또는 7에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 10)
기판과, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과, 상기 압전막 위에 형성된 상부 전극과, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서, 상기 압전막을 관통하는 공극이 형성되어 있고, 상기 하부 전극의 엣지에 대향하는 상기 상부 전극은, 상기 대향 영역의 외측에 연장되어 형성되어 있는 압전 박막 공진자.
(부기 11)
상기 대향 영역 아래에 캐비티가 형성되어 있고, 상기 캐비티는 상기 대향 영역보다도 넓게 형성되어 있는 부기 1∼10 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 12)
상기 압전 박막 공진자의 공진 진동은 두께 세로 진동 모드인 것을 특징으로 하는 부기 1∼11 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자.
(부기 13)
부기 1∼12 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자를 적어도 1개 포함하는 필터.
(부기 14)
부기 1∼12 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자를 적어도 1개 포함하는 분파기.
(부기 15)
부기 1∼12 중 어느 한 항에 기재된 압전 박막 공진자를 적어도 1개 포함하는 통신 기기.
도 1의 (a) 및 (b)는 제1 실시 형태에 따른 FBAR의 구성을 도시하는 평면도 및 A-A 선단면도.
도 2의 (a)는, 본 실시 형태의 변형예에 따른 FABR의 구성을 도시하는 단면도. (b)는, 다른 변형예에 따른 FABR의 구성을 도시하는 단면도.
도 3의 (a) 및 (b)는, 참고를 위하여 FBAR의 구조예를 도시하는 도면.
도 4는 본 실시 형태의 FBAR 각각의 반공진 Q를 나타내는 그래프.
도 5의 (a)는, 도 1에 도시하는 FABR(10)에서의 공극(8)의 깊이 d1을 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프. (b)는, 도 2의 (a)에 도시하는 FABR(11)에서의 공극(8a)의 깊이 d2를 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 도시하는 FBAR(1)에서의 공극의 오프셋량을 설명하기 위한 도면.
도 7의 공극의 오프셋량을 횡축에 취한 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프.
도 8은 제2의 실시 형태에 따른 FBAR(14)의 구성을 도시하는 단면도.
도 9는 절연체의 음향 임피던스를 변화시킨 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프.
도 10의 (a) 및 (b)는, 제3 실시 형태에 따른 FBAR의 구성은 도시하는 평면도 및 B-B 선단면도.
도 11의 (a) 및 (b)는, 제4 실시 형태에 따른 FBAR(16)의 구성을 도시하는 B-B 선단면도.
도 12의 (a)는, 본 실시 형태의 변형예에 따른 FBAR(17)의 구성을 도시하는 단면도. (b)는, 본 실시 형태의 다른 변형예에 따른 FBAR(18)의 구성을 도시하는 단면도.
도 13은 본 실시 형태의 FBAR의 반공진 Q를 나타내는 그래프.
도 14는 대향 영역 T와 캐비티와의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 15는 캐비티(5)의 위치를 오프셋량으로서 횡축에 취한 경우의 반공진 Q의 변화를 나타내는 그래프.
도 16은 제5 실시 형태에 따른 필터(30)의 등가 회로도.
도 17은 도 16에 도시하는 필터의 구성을 도시하는 평면도.
도 18은 도 17의 A-A 선단면도.
도 19는 분파기(40)의 구성을 도시하는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판
2: 하부 전극
3: 압전막
4: 상부 전극
5: 캐비티
8: 공극
9∼18: FBAR
30: 필터
40: 분파기

Claims (8)

  1. 기판과,
    상기 기판 위에 형성된 하부 전극과,
    상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과,
    상기 압전막 위에 형성된 상부 전극
    을 구비하고,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 공극이 형성되어 있고,
    상기 공극은, 압전막의 막 두께 방향의 일부에 형성되는 압전 박막 공진자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공극은, 상기 압전막의 일부가 제거되어 형성되는 압전 박막 공진자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공극은, 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막의 상면 또는 하면이 제거되어 이루어지는 압전 박막 공진자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공극은, 상기 압전막의 상면과 상기 상부 전극 사이, 혹은 상기 압전막과 상기 하부 전극 사이에 형성되는 압전 박막 공진자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공극 대신에 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되는 압전 박막 공진자.
  6. 기판과,
    상기 기판 위에 형성된 하부 전극과,
    상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과,
    상기 압전막 위에 형성된 상부 전극
    을 구비하고,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계 부분을 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서 상기 압전막과는 음향 특성이 서로 다른 절연체가 형성되어 있고,
    상기 절연체는, 상기 압전막을 관통하여 형성되어 있는 압전 박막 공진자.
  7. 기판과,
    상기 기판 위에 형성된 하부 전극과,
    상기 하부 전극 위에 형성된 압전막과,
    상기 압전막 위에 형성된 상부 전극과,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극이 대향하는 대향 영역과 외측과의 경계로 되어 있는 상기 하부 전극의 엣지를 걸치도록 상기 대향 영역의 내측으로부터 외측에 걸쳐서, 상기 압전막을 관통하는 공극이 형성되어 있고,
    상기 하부 전극의 엣지에 대향하는 상기 상부 전극은, 상기 대향 영역의 외측에 연장되어 형성되어 있는 압전 박막 공진자.
  8. 제1항 내지 제4항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항의 압전 박막 공진자를 적어도 1개 포함하는 필터.
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