KR20150102729A - 알루미늄 스칸듐 질화물과 온도 보상 피쳐를 포함하는 음향 공진기 - Google Patents

알루미늄 스칸듐 질화물과 온도 보상 피쳐를 포함하는 음향 공진기 Download PDF

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KR20150102729A
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퀴앙 조우
크리스 펭
필 니켈
케빈 제이 그래넨
탕쉬운 예
다리우즈 버라크
존 초이
티나 엘 레이머스
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아바고 테크놀로지스 제너럴 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
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Abstract

음향 공진기 구조체는, 기판 상에 배치된 제 1 전극, 제 1 전극 상에 배치되며 알루미늄 스칸듐 질화물을 포함하는 압전층, 압전층 상에 배치된 제 2 전극, 및 압전층, 제 1 전극, 및 제 2 전극의 온도 계수의 적어도 일부를 상쇄하는 온도 계수를 갖는 온도 보상 피쳐를 포함한다.

Description

알루미늄 스칸듐 질화물과 온도 보상 피쳐를 포함하는 음향 공진기{ACOUSTIC RESONATOR COMPRISING ALUMINUM SCANDIUM NITRIDE AND TEMPERATURE COMPENSATION FEATURE}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은, 공동 소유의 미국 특허 출원인 2013년 11월 27일자로 출원된 제 14/092,026호, 2013년 11월 27일자로 출원된 제 14/092,793호, 및 2013년 11월 27일자로 출원된 제 14/092,077호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원이며, 이들 각각은 2012년 10월 29일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/663,449호의 부분 계속 출원인 2013년 2월 28일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/781,491호의 부분 계속 출원인 2013년 7월 31일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/955,774호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원이며, 상기 특허 출원은 그들 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 미국 특허 출원 제 13/955,774호는 또한, 2011년 3월 29일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/074,262호의 부분 계속 출원인 2011년 8월 12일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/208,883호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원이며, 상기 특허 출원은 그들 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 미국 특허 출원 제 14/092,793호는 또한, 2012년 10월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/660,941호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원인 2013년 2월 14일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제 13/766,993호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원이며, 상기 특허 출원은 그들 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 미국 특허 출원 제 14/092,077호는 또한 2013년 2월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/767,754호의 37 C.F.R.§1.53(b) 하의 부분 계속 출원이다.
음향 공진기는 다양한 전자 애플리케이션에서 신호 프로세싱 기능을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 셀룰러 폰 및 다른 통신 디바이스는 송신된 및/또는 수신된 신호에 대해 주파수 필터를 구현하기 위해 음향 공진기를 사용한다. 상이한 애플리케이션에 따라 여러 상이한 타입의 음향 공진기가 사용될 수 있으며, 그 예로는, FBAR(thin film bulk acoustic resonator; 박막 벌크 음향 공진기)과 같은 BAW(bulk acoustic wave; 벌크 음향파) 공진기, CRF(coupled resonator filter; 결합된 공진기 필터), SBAR(stacked bulk acoustic resonator; 적층된 벌크 음향 공진기), DBAR(double bulk acoustic resonator; 더블 벌크 음향 공진기), 및 SMR(solidly mounted resonator; 솔리드하게 실장된 공진기)을 포함한다.
통상의 음향 공진기(예를 들면, FBAR)는 음향 스택으로 칭해지는 구조에서 2개의 플레이트 전극 사이에 끼인 압전 재료의 층을 포함한다. 입력 전기 신호가 전극 사이에 인가되면, 역 또는 반전 압전 효과에 의해 음향 스택이 압전 재료의 분극에 따라 기계적으로 팽창하거나 또는 수축하게 된다. 입력 전기 신호가 경시적으로 변함에 따라, 음향 스택의 팽창 또는 수축은, 음향 공진기를 통해 다양한 방향으로 전파하고 압전 효과에 의해 출력 전기 신호로 변환되는 음향파를 생성한다. 음향파의 일부는 음향 스택에 걸쳐 공진을 달성하며, 그 공진 주파수는 음향 스택의 재료, 치수, 및 동작 조건과 같은 요인에 의해 결정된다. 음향 공진기의 이들 및 다른 기계적 특성이 그 주파수 응답을 결정한다.
음향 공진기의 성능을 평가하기 위해 사용되는 한 메트릭(metric)은, 전극과 압전 재료 사이의 에너지 전달의 효율을 나타내는 음향 공진기의 전기기계 결합 계수(kt2)이다. 다른 것이 동일하다면, 더 큰 kt2를 갖는 음향 공진기가 더 낮은 kt2를 갖는 음향 공진기에 비해 더 우수한 성능을 갖는 것으로 일반적으로 간주된다. 따라서, 일반적으로, 4G와 LTE 애플리케이션과 같은 고성능의 무선 애플리케이션에서 더 높은 레벨의 kt2를 갖는 음향 공진기를 사용하는 것이 바람직하다.
음향 공진기의 kt2는 압전 재료 및 전극의 치수, 조성, 및 구조적 특성과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 이들 요인은, 결국에는, 음향 공진기를 생성하기 위해 사용된 재료와 제조 프로세스에 의해 영향을 받는다. 결과적으로, 더 높은 레벨의 kt2를 갖는 음향 공진기를 생성하기 위한 계속된 노력으로, 연구자는 음향 공진기의 제조 및 디자인에 대한 향상된 접근법을 탐구하고 있다.
예시적인 실시형태는 첨부의 도면과 연계한 하기의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 여러 피쳐가 반드시 실제 크기에 맞게 도시된 것은 아님을 강조한다. 실제, 논의의 명확성을 위해 치수는 임의적으로 증가되거나 감소될 수도 있다. 어디서든 적용가능하고 실용적이면, 동일한 도면 부호는 동일한 엘리먼트를 가리킨다.
도 1은 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 상면도이다.
도 2는 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
도 3은 다른 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
도 4는 또 다른 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
도 5는 또 다른 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
도 6은 또 다른 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
도 7은 또 다른 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기 구조체의 단면도이다.
하기의 상세한 설명에서, 제한이 아닌 설명의 목적으로, 본 교시의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 상세를 개시하는 예시적인 실시형태가 설명된다. 그러나, 본원에서 개시된 특정 상세에서 출발하는 본 교시에 따른 다른 실시형태가 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 유지된다는 것이, 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게는 자명할 것이다. 또한, 예시적인 실시형태의 설명을 모호하게 하지 않기 위해, 널리 공지된 장치 및 방법의 설명은 생략될 수도 있다. 이러한 방법 및 장치는 명백히 본 교시의 범위 내에 있다.
본원에서 사용된 용어는, 단지, 특정 실시형태를 설명하는 목적을 위한 것이며, 제한하도록 의도된 것은 아니다. 정의된 용어는 관련 상황에서 일반적으로 이해되고 수용되는 바와 같은 정의된 용어의 기술적, 과학적 또는 일반적 의미에 추가된 것이다.
용어 "한(a)", "한(an)" 및 "그(the)"는, 문맥상 그렇지 않다고 명확하게 지시하지 않는 한, 단수 또는 복수의 지시 대상(referent) 둘 다를 포함한다. 따라서, 예를 들면, "한 디바이스"는 하나의 디바이스와 복수의 디바이스를 포함한다. 용어 "실질적인" 또는 "실질적으로"는 허용가능한 한계 또는 정도 내에 있는 것을 의미한다. 용어 "대략적으로"는 당업자에게 허용가능한 한계 또는 양 내에 있는 것을 의미한다. "위의", "아래의", "상부(top)", "하부(bottom)", "상위(upper)" 및 "하위(lower)"와 같은 상대적 용어는, 첨부의 도면에서 예시된 바와 같이, 다양한 엘리먼트의 서로에 대한 관계를 설명하기 위해 사용될 수도 있다. 이들 상대적 용어는 도면에서 묘사된 방향 외에 디바이스 및/또는 엘리먼트의 상이한 방향을 포괄하도록 의도된다. 예를 들면, 디바이스가 도면에서의 뷰에 대해 반전되면, 다른 엘리먼트 "위에"로서 설명된 한 엘리먼트는, 예를 들면, 이제 그 엘리먼트 아래에 있을 것이다. 제 1 디바이스가 제 2 디바이스에 접속되거나 결합되는 것으로 말해지면, 이것은, 하나 이상의 중간 디바이스가 2개의 디바이스를 서로 접속시키도록 활용될 수도 있는 예를 포괄한다. 대조적으로, 제 1 디바이스가 제 2 디바이스에 직접적으로 접속되거나 또는 직접적으로 결합되는 것으로 말해지면, 이것은, 전기적 커넥터(예를 들면, 와이어(wire), 본딩 재료 등) 외에 어떠한 개입하는 디바이스 없이 2개의 디바이스가 서로 접속되는 예를 포괄한다.
본 교시는 일반적으로 FBAR 또는 SMR과 같은 음향 공진기에 관한 것이지만, 편의성을 위해 FBAR에 대해서 논의한다. 재료 및 제조 방법을 포함하는 음향 공진기의 소정의 상세는 하기의 공동으로 소유된 미국 특허 및 특허 출원 중 하나 이상에서 발견될 수도 있다: Lakin에게 부여된 미국 특허 제 6,107,721호; Ruby 등에게 부여된 미국 특허 제 5,587,620호, 제 5,873,153호, 제 6,507,983호, 제 6,384,697호, 제 7,275,292호 및 제 7,629,865호; Feng 등에게 부여된 미국 특허 제 7,280,007호; Jamneala 등에게 부여된 미국 특허 출원 공개 제 2007/0205850호; Ruby 등에게 부여된 미국 특허 제 7,388,454호; Choy 등에게 부여된 미국 특허 출원 공개 제 2010/0327697호; Choy 등에게 부여된 미국 특허 출원 공개 제 2010/0327994호; Nikkel 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/658,024호; Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/663,449호; Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/660,941호; Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/654,718호; Ruby 등에게 부여된 미국 특허 출원 공개 제 2008/0258842호; 및 Kaitila 등에게 부여된 미국 특허 제 6,548,943호. 이들 특허 및 특허 출원의 개시는 그들 전체가 참조로서 본원에 구체적으로 통합된다. 이들 특허 및 특허 출원에서 설명된 컴포넌트, 재료, 및 제조 방법은 대표적인 것이며 당업자의 이해 범위 내에 있는 다른 제조 방법 및 재료가 고려된다는 것이 강조된다.
하기에 설명되는 소정의 실시형태에서, 음향 공진기 구조체는 기판 상에 배치된 제 1 전극, 제 1 전극 상에 배치되며 알루미늄 스칸듐 질화물을 포함하는 압전층, 압전층 상에 배치된 제 2 전극, 및 압전층, 제 1 전극, 또는 제 2 전극의 온도 계수의 적어도 일부를 상쇄하는 온도 계수를 갖는 온도 보상 피쳐를 포함한다. 온도 보상 피쳐는 온도에서의 변화에 기인하는 성능 편차를 감소시키는 데 도움이 되며, 압전층에서의 스칸듐의 존재는 온도 보상 피쳐의 존재로부터 유래할 수도 있는 kt2에서의 감소를 보상하는 데 도움이 된다.
도 1은 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기(100)의 상면도이고, 도 2 내지 도 7은 상이한 실시형태에 따른 음향 공진기(100)의 라인 A-A'을 따라 취해진 단면도이다. 단면도는 음향 공진기(100)의 상이한 변형예에 대응하며 각각 음향 공진기(200 내지 700)로서 칭해질 것이다. 음향 공진기(200 내지 700)는 많은 동일한 피쳐를 가지며, 따라서 이들 피쳐의 반복적인 설명은 중복성을 방지하기 위한 노력의 일환으로 생략될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 음향 공진기(100)는, 상호접속부(interconnect; 102)에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 접속면(connection side; 101)을 갖는, 다섯(5) 개의 변(side)을 구비하는 상부 전극(135)을 포함한다. 상호접속부(102)는 음향 공진기(100)의 압전층(도 1에 도시되지 않음)에서 소망의 음향파를 여기시키기 위해 상부 전극(135)에 전기 신호를 제공한다. 음향 공진기(100)의 변은 아포다이즈드(apodized) 구성을 갖는데, 모든 변이 상이한 길이를 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 변은 어떠한 2개의 변도 서로 평행하지 않도록 통상 구성된다. 일반적으로, FBAR 형상은 5개의 변에 제한되지 않는다. 예를 들면, 일반적인 대안적 FBAR 디자인은 4변형, 5변형, 및 다른 형상을 포함한다. 그것은 다른 형상을 가질 수 있다.
도 2 내지 도 7은 대표적인 실시형태에 따른 음향 공진기를 예시하는 단면도이다. 도 2 내지 도 7에서 묘사된 예에서, 음향 공진기는 설명의 편의상 FBAR이다. 그러나, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 타입의 음향 공진기가 포함될 수도 있음이 이해된다. 도 2 내지 도 7에 도시된 음향 공진기의 각각은 알루미늄 스칸듐 질화물을 포함하는 압전층뿐만 아니라, 음향 스택의 압전층 또는 전극 내에 또는 상에 위치된 온도 보상 피쳐(예를 들면, 온도 보상층)를 포함한다. 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서, 추가의 구조적 피쳐를 갖는 음향 공진기에 동일한 일반적 구성이 포함될 수도 있음이 이해된다.
도 2를 참조하면, FBAR일 수도 있는 음향 공진기(200)는, 예를 들면, 캐비티(110)(예를 들면, 에어 캐비티)를 갖는 기판(105), 기판(105)과 캐비티(110) 상에 배치된 하부 전극(115t), 하부 전극(115)에 인접하게 기판(105) 상에 배치된 제 1 평탄화층(120), 하부 전극(115t)와 제 1 평탄화층(120) 상에 배치된 압전층(125), 및 압전층(125) 상에 배치된 상부 전극(135)을 포함한다. 칼라(collar)와 같은 다른 옵션적인 구조적 피쳐의 배치에 따라 상부 전극(135)에 인접하게 제 2 평탄화층(도시되지 않음)이 압전층(125) 상에 배치될 수도 있다. 총체적으로, 하부 전극(115t), 압전층(125), 및 상부 전극(135)은 음향 공진기(200)의 음향 스택을 구성한다.
음향 공진기(200)는 하부 전극(115t) 내의 온도 보상층(117)으로서 나타내어진 온도 보상 피쳐를 더 포함하며, 온도 보상 피쳐는 온도에서의 변화에 응답하여 압전층(125)의 컷오프 주파수와 음속(sound velocity)의 변화를 보상한다. 특히, 하부 전극(115t)은 기판(105) 상에 순서대로 적층된 외부 전극층(116), 온도 보상층(117) 및 도전성 인터포저층(interposer layer; 118)을 포함한다. 인터포저층(118)은 압전층(125)으로부터 온도 보상층(117)을 분리하고, 그 결과 온도 보상층(117)은 하부 전극(115t) 내에 효과적으로 매립되거나 캡슐화된다. 다시 말하면, 온도 보상층(117)은 하부 전극(115t)의 상부 또는 하부 표면 상에 형성되지 않고 따라서 음향 스택에서의 인접한 컴포넌트(예를 들면, 압전층(125) 및 기판(105))로부터 분리된다. 소정의 실시형태에서, 온도 보상층(117)은 캐비티(110)의 둘레 내에 배치된다. 예를 들면, 그것은 에어 캐비티의 둘레로부터 약 0~2 미크론의 거리에 위치된 에지를 가질 수도 있으며, 이 거리는 수정될 수 있다. 대안적으로, 온도 보상층(117)의 하나 또는 두 에지는 캐비티(100)의 둘레 외부에 배치될 수도 있다.
제 1 평탄화층(120)의 존재는 필수적이지는 않다. 예를 들면, 소정의 대안적 실시형태에서, 제 1 평탄화층(120)은 생략될 수도 있고, 온도 보상층(117)은, 도 3의 음향 공진기(300)에서 예시된 바와 같이, 끝이 가늘어지게 에칭되어 인터포저 전극(118)과 외부 전극층(116) 내에 매립된다.
인터포저층(118)의 존재는 필수적이지는 않지만, 인터포저층(118)은 압전층(125)의 적절한 성장을 가능하게 하고 다르게는 제조 프로세스 동안 (예를 들면, 웨트 에칭 또는 웨트 릴리스 프로세스 동안 사용되는 불화수소산(HF)로부터) 온도 보상층(117)의 보호를 제공한다. 또한, 인터포저층(118)의 존재와 두께는 온도 보상층(117)의 온도 보상 효과에 영향을 끼친다. 또한, 예를 들면, 낮은 시트 저항 금속으로 이루어진 충분히 두꺼운 인터포저층(118)은 온도 보상층(117)을 전기적으로 단락시킬 수도 있고, 따라서 자신의 직렬 커패시턴스를 제거하고 어쩌면 전기기계 결합 계수(kt2)를 향상시키게 된다. 한편, 상대적으로 두꺼운 인터포저층(118)은, 2개의 높은 음향 에너지 밀도 영역(온도 보상층(117)과 압전층(125))을 분리하는 낮은 음향 에너지 밀도 영역(인터포저층(118))을 형성하는 것에 의해 스택에 음향적으로 불균형을 초래할 수도 있고, 이것은 결국에는 음향 방출 메커니즘에 대한 증가된 손실과 감소된 품질 팩터-Q와 병렬 저항(Rp)을 야기할 수도 있다. 다양한 예시적인 온도 보상층과 제조 기술은 Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/766,993호(2013년 2월 14일 출원됨)에 의해 설명되며, 이 특허 출원은 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다.
외부 전극층(116)과 인터포저층(118) 및/또는 온도 보상층(117)의 상대적인 두께는, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수도 있다. 예를 들면, 인터포저층(118)의 두께는 증가될 수도 있고, 따라서 온도 보상층(117)을 하부 전극(115t) 속으로 더 깊게 (그리고 활성 압전층(125)으로부터 더 멀어지게) "가라 앉게(sinking)"한다. 일반적으로, 하부 전극(115t) 내에서의 온도 보상층(117)의 두께와 위치뿐만 아니라, 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)의 두께는, 허용가능한 선형 온도 계수에 대한 결합 계수를 최대화하기 위해 최적화되어야만 한다. 이 최적화는, 예를 들면, 메이슨(Mason) 모델을 사용하여 음향 스택의 등가 회로를 모델링하는 것에 의해 달성될 수도 있는데, 이것은 당업자에게는 명백할 것이다. 온도 보상층(117)을 가라 앉게 하는 것에 의해 온도 계수의 상쇄 효과에서의 약간의 저하가 존재하지만, 음향 공진기(200)의 결합 계수는 향상될 수도 있다. 예를 들면, 심플렉스(Simplex) 방법과 같은 다변량 최적화 기술을 사용하여, 온도 계수와 결합 계수 사이의 트레이드오프의 측면에서 하부 전극(115t)에서의 온도 보상층(117)의 깊이를 최적화하기 위한 알고리즘이 개발될 수도 있는데, 이것은 당업자에게는 명백할 것이다. 또한, 온도 보상층(117)의 깊이는, 최소의 필요 결합 계수와 최대의 허용가능한 온도 계수와 같은 다양한 제한사항에 의해 제한될 수도 있다. 마찬가지로, 온도 보상층(117)의 두께는 음향 공진기(200)의 최소 전체 온도 계수와 최적의 결합 계수를 제공하도록 조정될 수도 있다. 온도 보상층에 관한 이러한 최적화와 대응하는 고려사항은 본원에서 논의되는 다른 FBAR(예를 들면, 하기에 논의되는 음향 공진기(300 및 400))에 또한 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 캡슐화된 온도 보상층(117)은 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)에 의해 둘러싸인다. 온도 보상층(117)을 캡슐화하는 것의 예는 Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 제 13/766,993(2013년 2월 14일 출원됨)에 의해 더 상세히 설명되며, 이 특허 출원은 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 온도 보상층(117)은, 온도 보상층(117)의 적어도 일부가 하부 전극(115t)의 하나 이상의 에지(상부 하부 또는 측면)에서 노출되도록, 캡슐화되지 않을 수도 있거나, 또는 부분적으로 캡슐화될 수도 있다. 예를 들면, 온도 보상층(117)은 하부 전극(115t)의 전체 폭(묘사된 방향에서 수평 방향)에 확장될 수도 있다. 또한, 예를 들면, 온도 보상층(117)의 표면은, 즉, 인터포저층(118)이 존재하지 않을 때, 압전층(125)의 표면에 접할 수도 있다.
하부 전극(115t)에서, 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)은, 예를 들면, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 니오븀(Nb), 또는 하프늄(Hf)을 포함하는, 반도체 프로세스에 적합한 다양한 금속과 같은 전기적으로 도전성 재료로 형성될 수도 있다. 묘사된 실시형태에서, 외부 전극층(116)과 인터포저층은 동일한 도전성 재료(예를 들면, Mo)로 형성된다. 그러나, 다양한 대안적인 실시형태에서, 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)은 상이한 도전성 재료로 형성될 수도 있고, 여기서 외부 전극층(116)은 상대적으로 낮은 도전성과 상대적으로 높은 음향 임피던스를 갖는 재료로 형성되고, 인터포저층(118)은 상대적으로 높은 도전성과 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 갖는 재료로 형성된다. 예를 들면, 외부 전극층(116)은 W로 형성될 수도 있고 인터포저층(118)은 Mo로 형성될 수도 있지만, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 재료 및/또는 재료의 조합이 사용될 수도 있다.
온도 보상층(117)은, 예를 들면, 정온도 계수(positive temperature coefficient)를 갖는 보론 실리케이트 글래스(boron silicate glass; BSG), 실리콘 이산화물(SiO2), 크롬(Cr) 또는 텔루륨 산화물(TeO(x))을 포함하는, 반도체 프로세스에 적합한 다양한 재료로 형성될 수도 있다. 온도 보상층(117)의 정온도 계수는, 압전층(125), 상부 전극(135), 및 하부 전극(115t)의 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)을 포함하는 음향 스택에서의 다른 재료의 부온도 계수(negative temperature coefficient)를 상쇄한다.
기판(105)은, 예를 들면, 실리콘(Si), 갈륨 비화물(GaAs), 인듐 인화물(InP), 글래스, 사파이어, 알루미나 등과 같은, 반도체 프로세스에 적합한 재료로 형성될 수도 있다. 기판 내의 에어 캐비티에 대한 다양한 예시적인 제조 기술은, Grannen 등에게 부여된 미국 특허 제 7,345,410호(2008년 3월 18일)에 의해 설명되며, 이 특허는 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 압전층(125)은, 예를 들면, 알루미늄 질화물(AlN), 아연 산화물(ZnO), 또는 티탄산 지르콘산(PZT) 등과 같은, 반도체 프로세스에 적합한 임의의 압전 재료로 형성될 수도 있다. 또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, 압전 재료는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타넘(La) 또는 에르븀(Er)과 같은 적어도 하나의 희토류 원소와 결합될 수도 있다.
제 1 평탄화층(120)은 예를 들면 보로실리케이트 글래스(BSG)로 형성될 수도 있다. 제 1 평탄화층(120)은 음향 공진기(200)의 기능에 대해 엄격히 요구되진 않지만, 그 존재는 다양한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 제 1 평탄화 층(120)의 존재는 음향 공진기(200)의 구조적 안정성을 향상시키는 데 도움이 되고, 후속 층의 성장 품질을 향상시킬 수도 있고, 하부 전극(115t)의 에지가 캐비티(110)를 넘어 연장하지 않게 하면서 하부 전극(115t)이 형성되는 것을 가능하게 할 수도 있다. 제 1 평탄화층(120)의 존재는 또한 하부 전극의 끝이 가늘어지는 것을 방지하고 하부 전극의 끝이 가늘어지는 에칭으로 인한 하부 전극 슬로프의 상부 상에서의 낮은 품질의 ALN 성장을 방지하는 데 도움이 된다. 또한, 평탄화의 잠재적인 이점의 추가적인 예는 Burak 등에게 부여된 미국 특허 출원 공개 제 2013/0160534호에서 제시되며, 이 특허 출원 공개는 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 하부 전극(115t) 및 상부 전극(135)은, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)과 같은, 하나 이상의 전기적으로 도전성인 금속 재료로 형성될 수도 있다. 하부 전극(115t)및 상부 전극(135)은 동일한 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 물론, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 음향 공진기(200)의 상기 및 다른 피쳐에 다른 재료가 통합될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 음향 공진기(400)는, 상부 전극(135t) 내의 온도 보상층(137)으로서 묘사된 온도 보상 피쳐의 배치를 제외하면, 음향 공진기(200)와 유사하다. 즉, 음향 공진기(400)는 캐비티(110)를 갖는 기판(105), 기판(105)과 캐비티(110) 위에 배치된 하부 전극(115), 하부 전극(115)에 인접하게 기판(105) 상에 배치된 제 1 평탄화층(120), 하부 전극(115)과 제 1 평탄화층(120) 상에 배치된 압전층(125), 및 압전층(125) 상에 배치된, 온도 보상층(137)을 포함하는 상부 전극(135t)을 포함한다.
상부 전극(135t)은, 압전층(125) 상에 순서대로 적층된 도전성 인터포저층(136), 온도 보상층(137) 및 외부 전극층(138)을 포함한다. 인터포저층(136)은 온도 보상층(137)을 압전층(125)으로부터 분리한다. 특히, 인터포저층(136)이 압전층(125)의 성장을 보조하는 데 필요되지 않기 때문에, 인터포저층(136)의 존재가 필수적인 것은 아니지만, 인터포저층(136)은 제조 프로세스 동안 (예를 들면, 웨트 에칭 동안 사용되는 불화수소산(HF)로부터) 온도 보상층(117)의 보호를 제공하고, 다르게는, 온도 보상층(137)의 온도 보상 효과에 영향을 끼친다. 대안적 실시형태에서, 인터포저층(136)은 포함되지 않고, 따라서 온도 보상층(137)은 압전층(125)의 상부 표면 상에 직접적으로 형성된다. 또한, 온도 보상층(137)이 상부 전극(135t) 내에 캡슐화되어 도시되지만, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서, 그것은 상부 전극(135t)의 전체 폭에 확장될 수도 있거나, 또는 다르게는 상부 전극(135t) 내에 부분적으로만 캡슐화될 수도 있음이 이해된다. 또한, 예를 들면, 온도 보상층(137)의 표면은, 위에서 언급된 바와 같이, 압전층(125)의 표면과 접할 수도 있는데, 즉, 이 경우에는 인터포저층(136)이 존재하지 않는다.
상부 전극(135t)에서, 인터포저층(136)과 외부 전극층(138)은, 외부 전극층(116)과 인터포저층(118)에 관해 위에서 설명된 바와 같이, 동일하거나 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 일 실시형태에서, 외부 전극층(138)은 상대적으로 낮은 도전성과 상대적으로 높은 음향 임피던스를 갖는 재료로 형성될 수도 있고, 인터포저층(136)은 상대적으로 높은 도전성과 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 갖는 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 외부 전극층(138)은 W로 형성될 수도 있고 인터포저층(136)은 Mo로 형성될 수도 있지만, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 재료 및/또는 재료의 조합이 사용될 수도 있다. 온도 보상층(137)은, 예를 들면, 정온도 계수를 갖는 BSG, SiO2, Cr 또는 TeO(x)를 포함하는, 반도체 프로세스에 적합한 다양한 재료로 형성될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 음향 공진기(500)는, 제 1 평탄화층(120)이 생략되고, 음향 공진기(300)와 유사하게, 온도 보상층(137)이 끝이 가늘어지게 에칭된 것을 제외하면, 음향 공진기(400)와 유사하다.
도 6을 참조하면, 음향 공진기(600)는, 압전층(125t)에서 온도 보상층(127)으로서 묘사된 온도 보상 피쳐의 배치를 제외하면, 음향 공진기(200)와 유사하다. 즉, 캐비티(110)를 갖는 기판(105), 기판(105)과 캐비티(110) 위에 배치된 하부 전극(115), 하부 전극(115)에 인접하게 기판(105) 상에 배치된 제 1 평탄화층(120), 하부 전극(115)과 제 1 평탄화층(120) 상에 배치된, 온도 보상층(127)을 포함하는 압전층(125t), 및 압전층(125t) 상에 배치된 상부 전극(135)을 포함한다.
압전층(125t)은, 하부 전극(115) 상에 순서대로 적층된 제 1 압전부층(piezoelectric sub-layer; 125t-1), 온도 보상층(127) 및 제 2 압전부층(125t-2)을 포함한다. 따라서, 묘사된 실시형태에서, 온도 보상층(127)은 압전층(125t) 내에 매립된다. 다시 말하면, 온도 보상층(127)은 압전층(125t)의 상부 또는 하부 표면 상에 형성되지 않고 따라서 음향 스택에서의 인접한 컴포넌트(예를 들면, 하부 전극(115) 및 상부 전극(135))로부터 분리된다. 묘사된 실시형태에서, 온도 보상층(127)은, 예를 들면, 압전층(125t)의 전체 두께에 걸쳐 대략 중간에 위치된다. 압전층(125t)의 제 1 압전부층(125t-1)과 제 2 압전부층(125t-2)은, 그들 사이에 온도 보상층(127)을 형성한 상태로 동일한 재료로 형성될 수도 있다. 온도 보상층(127)은, 예를 들면, BSG, SiO2, Cr 또는 TeO(x)를 포함하는, 반도체 프로세스에 적합한 다양한 재료로 형성될 수도 있다. 온도 보상층(127)의 정온도 계수는, 압전층(125t), 및 하부 전극(115)과 상부 전극(135)을 포함하는 적층 스택에서의 다른 재료의 부온도 계수를 상쇄한다. 또한, 온도 보상층(127)이 압전층(125t) 내에 캡슐화되어 도시되지만, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서, 그것은 압전층(125t)의 전체 폭에 확장될 수도 있거나, 또는 다르게는 압전층(125t) 내에 부분적으로만 캡슐화될 수도 있음이 이해된다. 또한, 예를 들면, 온도 보상층(127)의 표면은 하부 전극(115) 또는 상부 전극(135) 중 하나의 표면과 접할 수도 있다. 또한, 음향 공진기(200 내지 500)와 유사하게, 온도 보상층(127)은, 본 교시의 범위를 벗어나지 않으면서, 온도 보상층(127)의 아래에, 위에, 또는 상하 양측 상에 놓여진 금속층 내에서 캡슐화될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 음향 공진기(700)는, 제 1 평탄화층(120)이 생략되고, 온도 보상층(127)이 끝이 가늘어지게 에칭되고 금속층(705) 내에서 캡슐화된 것을 제외하면, 음향 공진기(600)와 유사하다.
일반적으로, 음향 공진기(100 내지 700)에서의 대표적인 온도 보상층(117, 127 및/또는 137)과 같은 온도 보상층의 추가는, 대응하는 음향 공진기 디바이스의 전기기계 결합 계수(kt2)를 감소시킬 것이다. 보상을 위해, 압전층(125, 125t)은 본질적으로 더 높은 압전 결합 계수를 갖는 재료(예를 들면, AlN 대신 ZnO)로 형성될 수도 있다. 또한, 다양한 실시형태에서, 압전층(125, 125t)은, 압전층(125, 125t)에서의 압전 결합 계수(e33)을 증가시켜, 온도 보상층(117, 127 또는 137)에 의해 야기되는 음향 공진기의 전기기계 결합 계수(kt2)의 저하의 적어도 일부를 상쇄하기 위해, 예를 들면, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타넘(La) 또는 에르븀(Er)과 같은 적어도 하나의 희토류 원소로 "도핑"될 수도 있다. 전기기계 결합 계수(kt2)를 향상시키기 위해 하나 이상의 희토류 원소로 압전층을 도핑하는 예는, Bradley 등에 의해 2012년 10월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/662,425호와 Grannen 등에 의해 2012년 10월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/662,460호에 의해 제공되며, 이들 특허 출원은 그들 전체가 참조로서 본원에 통합된다.
온도 보상 재료로 인한 kt2의 감소를 보상하는 것 외에, 스칸듐과 같은 재료로 "도핑"된 압전층은 종래의 압전층과 비교하여 여러 가지 추가적인 이점을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 알루미늄 스칸듐 질화물은 음속을 감소시키는 데 도움이 되고, 이것은 향상된 성능 또는 모든 공진기 층의 두께에서의 스케일링 다운이 동일한 주파수로 (그리고 동시적 공진기 면적 감소로) 돌아가는 것을 허용할 수도 있다. 또한, 알루미늄 스칸듐 질화물은 더 높은 유전 상수를 갖는 데 도움이 되기에, 동일한 전체 임피던스에 대해 추가의 공진기 면적 감소를 허용한다. 또한, 비례적으로 더 두꺼운 전극은 향상된 Q-팩터를 제공하는 데 도움이 되고, 이것은 삽입 손실을 감소시키는 데 도움이 된다. 이것은 추가적인 다이 축소를 위해 압전층을 한층 더 얇게 하는 것에 의한 유효 kt2의 스케일링 다운을 위해 또는 더 나은 성능을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 이들 및 다른 잠재적인 이점의 정도는 압전층(120)에서의 스칸듐의 양에 따라 변할 수도 있다. 소정의 실시형태에서, 위에서 나타내어진 바와 같이, 압전층은 약 3~10wt%의 스칸듐을 갖는 알루미늄 스칸듐 질화물을 포함할 수도 있다.
본원에서 예시적인 실시형태가 개시되지만, 당업자는, 본 교시에 부합하는 많은 변형예가 가능하며 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 유지된다는 것을 인식한다. 예를 들면, 위에서 나타내어진 바와 같이, 칼라 및/또는 프레임의 위치, 치수 및 재료는 다양하게 수정될 수 있다. 또한, 설명된 디바이스의 다양한 성능 특성을 더 향상시키기 위해 다른 피쳐가 추가되고/되거나 제거될 수 있다. 본원의 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위의 검토(inspection) 이후에 이들 및 다른 변형예는 당업자에게 명확해질 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 취지와 범위 내에 있는 것을 제외하곤 제한되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 음향 공진기 구조체로서,
    기판 상에 배치된 제 1 전극과,
    상기 제 1 전극 상에 배치되며 알루미늄 스칸듐 질화물을 포함하는 압전층과,
    상기 압전층 상에 배치된 제 2 전극과,
    상기 압전층, 상기 제 1 전극, 또는 상기 제 2 전극의 온도 계수의 적어도 일부를 상쇄하는 온도 계수를 갖는 온도 보상 피쳐를 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 스칸듐 질화물은 약 3~10wt%의 스칸듐을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 실리콘 산화물을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 제 1 전극과 상기 압전층 사이에 배치된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 온도 보상층 위에 그리고 상기 제 1 전극과 접촉하여 형성된 인터포저층을 더 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 제 2 전극 상에 배치된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 온도 보상층 위에 그리고 상기 제 2 전극과 접촉하여 형성된 인터포저층을 더 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 압전층 내에 임베딩된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 온도 보상층 위에 형성된 제 1 인터포저층, 및 상기 온도 보상층 아래에 형성된 제 2 인터포저층을 더 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 내에 배치된 에어 캐비티를 더 포함하고, 상기 온도 보상 피쳐는 상기 에어 캐비티의 둘레 내에 배치되는
    음향 공진기 구조체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 에어 캐비티의 둘레로부터 약 0~2 미크론의 거리에 위치된 에지를 구비하는
    음향 공진기 구조체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐의 상기 온도 계수는 정온도 계수(positive temperature coefficient)이고, 상기 압전층, 상기 제 1 전극, 및 상기 제 2 전극의 상기 온도 계수는 부온도 계수(negative temperature coefficient)인
    음향 공진기 구조체.
  13. 음향 공진기 구조체로서,
    기판 상에 배치된 제 1 전극과,
    상기 제 1 전극 상에 배치되며 적어도 하나의 희토류 원소와 결합된 압전 재료를 포함하는 압전층과,
    상기 압전층 상에 배치된 제 2 전극과,
    상기 압전층, 상기 제 1 전극, 또는 상기 제 2 전극의 온도 계수의 적어도 일부를 상쇄하는 온도 계수를 갖는 온도 보상 피쳐를 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 희토류 원소는 스칸듐(Sc)을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 희토류 원소는 이트륨(Y), 란타넘(La) 및 에르븀(Er) 중 적어도 하나를 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 압전층은 약 3~10wt%의 상기 적어도 하나의 희토류 원소를 포함하는
    음향 공진기 구조체.

  17. 제 13항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 보론 실리케이트 글래스(boron silicate glass: BSG), 실리콘 이산화물(SiO2), 크롬(Cr) 및 텔루륨 산화물(TeO(x)) 중 적어도 하나를 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 제 1 전극과 상기 압전층 사이에 배치된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 제 2 전극 상에 배치된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.

  20. 제 13항에 있어서,
    상기 온도 보상 피쳐는 상기 압전층 내에 임베딩된 온도 보상층을 포함하는
    음향 공진기 구조체.
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