JP2005223479A - 薄膜バルク共振子、薄膜バルク共振子フィルタ、および薄膜バルク共振子の製造方法 - Google Patents
薄膜バルク共振子、薄膜バルク共振子フィルタ、および薄膜バルク共振子の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 Ｑ値を高くできる薄膜バルク共振子フィルタを提供する。
【解決手段】 第１の共振周波数を有する第１の薄膜バルク共振子１１と、第２の共振周波数を有する第２の薄膜バルク共振子１２とを同一基板上に形成した薄膜バルク共振子フィルタであって、基板１と、第１の下部電極層３および第２の下部電極層４との間に、第１の下地層２および第２の下地層１３１とを有し、第１の下地層２の厚さと、第２の下地層１３１の厚さとが異なる構造とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 第１の共振周波数を有する第１の薄膜バルク共振子１１と、第２の共振周波数を有する第２の薄膜バルク共振子１２とを同一基板上に形成した薄膜バルク共振子フィルタであって、基板１と、第１の下部電極層３および第２の下部電極層４との間に、第１の下地層２および第２の下地層１３１とを有し、第１の下地層２の厚さと、第２の下地層１３１の厚さとが異なる構造とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、薄膜バルク弾性波共振子（以下、「薄膜バルク共振子」と呼ぶ）を用いた薄膜バルク共振子フィルタおよびその製造方法に関する。
携帯電話に代表される移動体通信の普及に伴い、数百ＭＨｚから数ＧＨｚの高周波フィルタに対する需要が高まっている。種々のフィルタ技術の中で、薄膜バルク共振子から作製されるフィルタは（１）高周波化、（２）小型化、（３）温度特性、（４）耐電力性、に優れるという特徴をもつ。
薄膜バルク共振子の基本的な構造は、圧電層が、下部電極層と上部電極層とに挟持されており、下地層によって、この挟持構造が空洞上に支持されるというものである（例えば、非特許文献１参照）。圧電層によって隔てられた２つの電極間に電気信号が印加されることにより、圧電層内にバルク弾性波が励起される。このとき、バルク弾性波の経路は、挟持構造と下地層からなるダイヤフラム構造である。ダイヤフラム構造の上下が大気によって弾性的に絶縁されているため、バルク弾性波はダイヤフラム構造と大気との界面で反射し、ダイヤフラム構造から外部への弾性エネルギーの漏洩を防いでいる。
単一基板の上に異なった共振周波数を備えた多数の薄膜バルク共振子を作るために、下部電極層の底面に負荷電極を追加した構成（例えば、特許文献１参照）、圧電層の表面に負荷層を追加した構成（例えば、特許文献２参照）、および上部電極層の表面に負荷電極を追加した構成（例えば、特許文献３参照）が知られている。
また、最近では薄膜バルク共振子を用いた５ＧＨｚ帯高速無線ＬＡＮ用ＦＢＡＲフィルタが発表されている（例えば、非特許文献２参照）。これには、「設計したトポロジーは４段の梯子型フィルタであり、並列共振子にのみ質量負荷した」との、一般的な記載がなされているだけである。
薄膜バルク共振子とは、入力された電気信号を機械的な振動に変換する装置であり、ダイヤフラム構造の膜厚と反比例の関係を持つ周波数で共振する。この性質を用いることで、薄膜バルク共振子を電子回路における高周波共振器として利用することが可能である。
薄膜バルク共振子を用いてフィルタを作製するためには、異なる共振周波数を持つ二つ以上の薄膜バルク共振子を電気的に接続する必要がある。基本的には、二種類の共振周波数で十分であるが、より幅広いフィルタ設計において、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。さらに、携帯電話のような、送信と受信の両方の機能を備えた通信手段を構成する場合、送信周波数に対応した送信フィルタと、受信周波数に対応した受信フィルタの二種類をもって、送受切替器を作製する必要がある。
素子の小型化や低コスト化の観点から、薄膜バルク共振子フィルタは単一の基板上に作製されることが要求され、究極的には、送信フィルタと受信フィルタも単一基板の上に作製されることが望まれる。
薄膜バルク共振子はダイヤフラム構造の全体膜厚を１／２波長とする周波数で共振するため、薄膜バルク共振子の共振周波数は、ダイヤフラム構造の全体膜厚と、下地層材料、下部電極層材料、圧電層材料、および上部電極層材料のそれぞれの弾性速度から一意的に決定される。すなわち、ダイヤフラム構造の全体膜厚を変えることで、薄膜バルク共振子の共振周波数を制御できることになり、単一基板の上に、薄膜バルク共振子フィルタを構成するためには、各薄膜バルク共振子毎にダイヤフラム構造の全体膜厚を変えることが要求される。
しかしながら、上述した各文献には、単一基板上にそれぞれ異なる膜厚を有する複数の薄膜バルク共振子を形成する場合の問題点、共振特性や、その挟持構造本体の品質に悪影響を与えずに実現するための薄膜バルク共振子の構造及びその製造方法については何ら開示されていない。
また、特許文献１〜３はいずれも薄膜バルク共振子本体部分である挟持構造に負荷層を追加しているため、挟持構造の形成に付加的な工程が必要となり、それらが薄膜バルク共振子の性能に悪影響を及ぼす。
すなわち、負荷層を形成した後に、負荷層のパターニングのために、素子を一旦真空装置から大気中に取り出さなくてはならない。このため、負荷層表面に酸化層が形成され、共振特性の悪化を引き起こす。また、負荷層をパターニングする工程が加わることから、フォトレジスト材料、現像液、およびエッチング液もしくはエッチングガスなどに素子を晒す回数が増加する。その結果、挟持構造の膜質を劣化させる要因が著しく増加し、共振特性の悪化を引き起こす。
図１２は薄膜バルク共振子の等価回路である。ここでＲ１ を下部電極層の損失、Ｒ２を圧電層の損失、Ｒ３を上部電極層の損失とする。各層の膜質が劣化するとＲ１、Ｒ２、Ｒ３が増加する。共振子のＱ値は以下の数式で表せる。
Ｑ＝ωｒＬ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） …（式１）
ここで、ωｒは共振周波数である。（式１）より、各層の膜質の劣化による損失の増加は、薄膜バルク共振子のＱ値の低下につながることは明らかである。
Ｑ＝ωｒＬ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） …（式１）
ここで、ωｒは共振周波数である。（式１）より、各層の膜質の劣化による損失の増加は、薄膜バルク共振子のＱ値の低下につながることは明らかである。
薄膜バルク共振子フィルタを構成するためには、単一基板の上に作製された複数の薄膜バルク共振子のそれぞれに、異なった共振周波数をもたせることが求められ、また、そのときに、薄膜バルク共振子本体である挟持構造の品質の低下、特にＱ値を低下させる要因が導入されることを防ぐ必要がある。
本発明の目的は、薄膜バルク共振子の性能、特にＱ値の低下を抑える構造を有する薄膜バルク共振子フィルタ、及びその製造方法を提供することである。
本発明の代表的手段の一例を示せば次の通りである。即ち、本発明に係る薄膜バルク共振子は、空洞を有する基板と、前記空洞を被覆するように前記基板上に形成された下地層と、前記下地層上に形成された下部電極層と、前記下部電極層上に形成された圧電層と、前記圧電層上に形成された上部電極層とを具備して成り、前記空洞部上の前記下地層の厚さにより共振周波数を調整可能な構造であることを特徴とするものである。
本発明によれば、薄膜バルク共振子の性能、特にＱ値の低下につながる挟持構造の品質劣化を回避することができる。
本発明に係る実施の形態について、以下、添付図面を参照しながら、具体的な実施例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る薄膜バルク共振子の一実施例を示す断面構造図である。図１において、第１の薄膜バルク共振子１１を形成する領域を第１領域、第２の薄膜バルク共振子１２を形成する領域を第２領域と呼ぶことにする。各々の薄膜バルク共振子のダイヤフラム構造は、それぞれ、単一基板の裏面側に形成された空洞９および１０上に形成され、第１領域の下地層２および第２領域の下地層１３１、第１領域の下部電極層３および第２領域の下部電極層４、第１領域の圧電層５および第２領域の圧電層６、ならびに第１領域の上部電極層７および第２領域の上部電極層８を含む。
第２領域のダイヤフラム構造の下地層１３１の膜厚ｔ２は、第１領域のダイヤフラム構造の下地層２の膜厚ｔ１と比較して厚い。したがって、下地層１３１を含む第２領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ２が、下地層２を含む第１領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ１よりも厚く、その結果、第１の薄膜バルク共振子１１の共振周波数と比較して、第２の薄膜バルク共振子１２の共振周波数は低くなる。ここで、好適な圧電層５および６の材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。
空洞１０上の下地層１３１の領域は、下部電極層４と上部電極層８との重なり部分を含んでいればよく、完全に一致する必要はない。これは、空洞９上の第１領域においても同様である。
図１では、単一基板の上に形成された、二種類の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子を示したが、三種類以上の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子を同様に単一基板の上に形成することも可能である。共振周波数は下地層を含めたダイヤフラムの厚さにより決定されるが、本実施例の構造では下地層の厚さを、本体の狭持構造に影響を与えることなく変えることができるので、同一チップ上に異なる共振周波数を有する薄膜バルク共振子が容易に得られる。
図２は、図１に示した構造の製造方法を工程順に示す断面構造図である。なお、ここで第１及び第２の薄膜バルク共振子の共振周波数をそれぞれｆ１，ｆ２（但しｆ１＞ｆ２）とし、ｆ１＝１．９ＧＨｚ、ｆ２＝１．７５ＧＨｚとする。圧電層の材料としてはＡｌＮを使用する場合を一例に説明するが、これに限定されないことは勿論である。
したがって、上記設定の共振周波数から高い共振周波数ｆ１に対応した挟持構造と下地層からなるダイヤフラム構造の厚さＴ１は１８００ｎｍ、低い共振周波数ｆ２に対応したダイヤフラム構造の厚さＴ２は１９５０ｎｍである。なお、より高い共振周波数を得るためには下地層２，１３１の膜厚をより薄くするか、あるいは、圧電層５，６に弾性速度のより速い材料を用いればよい。
以下、図２の工程に添って製造方法を説明する。
まず、基板１（図２（ａ）参照）の第２領域の表面に、第１の薄膜バルク共振子１１と第２の薄膜バルク共振子１２との共振周波数の差Δｆ（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）に対応する深さΔｔ（１００ｎｍ）の掘り込み６９を形成する（図２（ｂ）参照）。
まず、基板１（図２（ａ）参照）の第２領域の表面に、第１の薄膜バルク共振子１１と第２の薄膜バルク共振子１２との共振周波数の差Δｆ（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）に対応する深さΔｔ（１００ｎｍ）の掘り込み６９を形成する（図２（ｂ）参照）。
次いで、基板１の表面全面に下地層を成膜し（３００ｎｍ）、第１領域の下地層２と、第２領域の下地層１３１とを形成する（図２（ｃ）参照）。
次いで、第１領域の下地層２と第２領域の下地層１３１との表面が単一平面となるように、例えばガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）により平坦化処理を行う（図２（ｄ）参照）。これによりΔｆに対応する膜厚の差Δｔ（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）を有する下地層２，１３１が形成される。
次いで、下部電極層を ２００ｎｍ堆積後、パターニングして第１領域の下地層２および第２領域の下地層１３１の上に、第１領域の下部電極層３および第２領域の下部電極層４を形成する（図２（ｅ）参照）。
次いで、第１領域の下地層２と第２領域の下地層１３１との表面が単一平面となるように、例えばガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）により平坦化処理を行う（図２（ｄ）参照）。これによりΔｆに対応する膜厚の差Δｔ（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）を有する下地層２，１３１が形成される。
次いで、下部電極層を ２００ｎｍ堆積後、パターニングして第１領域の下地層２および第２領域の下地層１３１の上に、第１領域の下部電極層３および第２領域の下部電極層４を形成する（図２（ｅ）参照）。
次いで、圧電層を１５００ｎｍ成膜して第１領域の圧電層５および第２領域の圧電層６を形成する（図２（ｆ）参照）。
次いで、上部電極層を２００ｎｍ度堆積後、パターニングして第１領域の圧電層５および第２の圧電層６の上に、第１上部電極層７および第２上部電極層８を形成する（図２（ｇ）参照）。
次いで、上部電極層を２００ｎｍ度堆積後、パターニングして第１領域の圧電層５および第２の圧電層６の上に、第１上部電極層７および第２上部電極層８を形成する（図２（ｇ）参照）。
その後、基板１の裏面より第１領域に空洞９および第２領域に空洞１０を形成することにより図１に示した二種類の膜厚を有するダイアフラム構造が得られる。
このように製造することにより、本体の狭持構造に影響を与えることなく異なる厚さの下地層が得られ、その結果、異なる膜厚を有するダイアフラム構造が実現できるので、単一基板上に異なる共振周波数を有する薄膜バルク共振子を容易に得ることができる。
ここで、下部電極層および上部電極層の堆積は、通常はスパッタ法によって行われ、圧電層は、スパッタ法又は化学気相成長法（ＣＶＤ）によって成長させることができる。
また、各層のパターニングは、ウエットエッチング又はドライエッチングによって行うことができる。掘り込み６９は、ＧＣＩＢによって形成することができるが、その他、ドライエッチング、ウエットエッチング、およびイオンミリング等の技術を用いても形成できる。第１領域の下地層２と第２領域の下地層１３１の表面を単一平面にする平坦化処理は、ＧＣＩＢ以外に化学的機械研磨法（ＣＭＰ）によっても行うことができる。空洞９および１０の形成には、ドライエッチング又はウエットエッチングを用いることができる。
下部電極層及び上部電極層の材料としては、好適にはモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を用いる。ＭｏやＷは弾性速度が高いため、弾性波の伝播特性に優れている。また、ＭｏやＷはウエットエッチングによるパターニングが容易であることも別の利点としてあげられる。それ以外にも、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）、及びこれらの材料の合金、などの材料も、下部電極層および上部電極層として使用可能である。
また、下地層の材料としては、好適には酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ＡｌＮ、炭化シリコン（ＳｉＣ）の中から選択される。下地層は挟持構造を中空に支持しなくてはならないため、高い機械的強度を持つことが望ましく、その点において、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、およびＳｉＣは好適である。それ以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料も、下地層の材料として使用可能である。
また、圧電層の材料としては、ＡｌＮの外にＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３も使用可能である。なお上記各層の厚さは一例であり、使用する材料、必要とする共振周波数に応じて適宜設計変更できることは言うまでもない。本薄膜バルク共振子のダイヤフラム構造は、現状の製造技術では３００ｎｍ〜７μｍ程度の範囲で製造可能であり、共振周波数が０．５ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ程度まで適用可能な技術である。
図３は、本発明に係る薄膜バルク共振子の別の実施例を示す断面構造図である。図３において、第１の薄膜バルク共振子２３を形成する領域を第１領域、第２の薄膜バルク共振子２４を形成する領域を第２領域と呼ぶことにする。本実施例においても、前述した実施例１と同様に、共振周波数１．９ＧＨｚと１．７５ＧＨｚをそれぞれ有する薄膜バルク共振子とし、圧電層１７，１８はＡｌＮを用いた場合を一例に説明する。したがって、必要とする第１領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ１および第２領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ２は、前述した実施例１と同様である。
図３において、第１の薄膜バルク共振子２３と、第２の薄膜バルク共振子２４がそれぞれ単一基板の裏面側に形成された空洞２１および２２上に形成されている。第１領域におけるダイヤフラム構造の下地層１４の厚さｔ１が、第２領域におけるダイヤフラム構造の下地層の膜厚ｔ２と比較して薄い。その結果、第１の薄膜バルク共振子２３の共振周波数ｆ１は、第２の薄膜バルク共振子２４の共振周波数ｆ２よりも高くなる。
ここで、膜厚が薄い第１領域の空洞２１上の下地層１４の領域は、第１領域の下部電極層１５と第１領域の上部電極層１９との重なり部分を含んでいればよく、完全に一致する必要はない。これは、空洞２２上の第２領域においても同様である。
図４は、図３に示した構造の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
まず、基板１３（図４（ａ）参照）の表面に、２００ｎｍの下地層を成膜する（図４（ｂ）参照）。
次いで、第１領域の下地層１４に、第１の薄膜バルク共振子２３の共振周波数ｆ１と第２の薄膜バルク共振子２４の共振周波数ｆ２との差Δｆ（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）に対応する深さΔｔ（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）の掘り込み７０を形成する（図４（ｃ）参照）。
まず、基板１３（図４（ａ）参照）の表面に、２００ｎｍの下地層を成膜する（図４（ｂ）参照）。
次いで、第１領域の下地層１４に、第１の薄膜バルク共振子２３の共振周波数ｆ１と第２の薄膜バルク共振子２４の共振周波数ｆ２との差Δｆ（Δｆ＝ｆ１−ｆ２）に対応する深さΔｔ（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）の掘り込み７０を形成する（図４（ｃ）参照）。
次いで、表面に下部電極層を堆積後、第１領域の下地層１４および第２領域の下地層１３２の上に、第１領域の下部電極層１５および第２領域の下部電極層１６をそれぞれ形成する（図４（ｄ））。
次いで、表面に圧電層９５０ｎｍ程度堆積する（図４（ｅ）参照）。
次いで、表面に上部電極層を堆積後、パターニングして第１領域の圧電層１７および第２領域の圧電層１８の上に、第１領域の上部電極層１９および第２領域の上部電極層２０を形成する（図４（ｆ））。
その後に、基板１３の裏面より第１領域の空洞２１および第２領域の空洞２２を形成することにより、図３に示した構造が得られる。
掘り込み７０はウエットエッチング、ドライエッチング、イオンミリング、およびＧＣＩＢによって形成できる。
本実施例の製造方法は、ＧＣＩＢによる平坦化工程が無い分、実施例１よりも工程数が減る利点がある。
なお、掘り込み７０を形成したい領域の下地層を、基板１３表面まで完全に除去した後に、再び全面に下地層材料を成膜する、という方法によっても下地層の掘り込み７０を形成することができるが、工程数の削減効果は無くなる。しかし、掘り込み７０により形成する場合よりも下地層の膜厚を精度良く形成できる利点がある。
本実施例では、単一基板の上に薄膜バルク共振子を用いたフィルタを構成する場合について説明する。
図５は、一般的な携帯電話におけるフロントエンド部分のブロック回路図である。図５において参照符号１３０は移相器を示し、この移相器１３０は受信部と送信部のアンテナの共用を可能にする。アンテナＡＮＴで受信された高周波の受信信号Ｒｘは移相器１３０を通り、さらにイメージ周波数信号を除去して所定の受信帯域の周波数信号だけを通すための受信フィルタ７９を介して低雑音増幅器１２８へ入力される。低雑音増幅器１２８において増幅された高周波受信信号Ｒｘは、不図示のミキサ回路、中間周波フィルタ等の携帯電話内部回路へ送られる。
図５は、一般的な携帯電話におけるフロントエンド部分のブロック回路図である。図５において参照符号１３０は移相器を示し、この移相器１３０は受信部と送信部のアンテナの共用を可能にする。アンテナＡＮＴで受信された高周波の受信信号Ｒｘは移相器１３０を通り、さらにイメージ周波数信号を除去して所定の受信帯域の周波数信号だけを通すための受信フィルタ７９を介して低雑音増幅器１２８へ入力される。低雑音増幅器１２８において増幅された高周波受信信号Ｒｘは、不図示のミキサ回路、中間周波フィルタ等の携帯電話内部回路へ送られる。
一方、不図示の携帯電話内部回路から送られて来た高周波の送信周波数信号Ｔｘは電力増幅器１２９で増幅され、所定の送信周波数帯域の送信信号だけを通す送信フィルタ７８を介してアンテナより電波として放射される。
ここで、このようなフロントエンド部で使用される高周波信号用の送信フィルタ７８と受信フィルタ７９のそれぞれは、複数の薄膜バルク共振子の集合によって構成することができる。
本実施例では、一例として、送信周波数Ｔｘが１．８５〜１．９１ＧＨｚ帯域、受信周波数Ｒｘが１．９３〜１．９９ＧＨｚ帯域の場合を例に、複数個の薄膜バルク共振子からなる薄膜バルク共振子フィルタにより構成する送信フィルタ７８及び受信フィルタ７９について説明する。
図６は、図５に示したフロントエンド部の移相器１３０、送信フィルタ７８および受信フィルタ７９部分の回路ブロック図である。送信フィルタ７８は破線で囲った薄膜バルク共振子７１〜７７の配列によって、受信フィルタ７９は破線で囲った薄膜バルク共振子１２０〜１２６の配列によってそれぞれ構成される。なお、図６において一点鎖線で囲ったブロック８０については、後述の実施例４で述べる。
図７に、一例として送信フィルタ７８が単一基板の上に作製された場合の模式的な外観斜視図を示す。ここで、薄膜バルク共振子７１〜７７は四辺形で示されているが、薄膜バルク共振子の形状は四辺形に限定されない。薄膜バルク共振子７１〜７３が直列共振器を構成し、薄膜バルク共振子７４〜７７が並列共振器を構成する。図７において、薄膜バルク共振子間を接続している実線は薄膜バルク共振子の上部電極と接続される配線を、点線は薄膜バルク共振子の下部電極と接続される配線を表わしている。また、四角形の領域１００は圧電層である。
また、参照符号Ｐ１は不図示の内部回路からの送信信号が伝送されて来る入力配線パッドであり、送信フィルタ７８の薄膜バルク共振子７１に接続されたフィルタの入力パッドＰ１１とボンディングワイヤＢＷにより接続され、さらに電極配線で直列接続された薄膜バルク共振子７２、７３を介してフィルタの出力パッドＰ２２に接続されている。フィルタの出力パッドＰ２２と、不図示のアンテナに接続されているパッドＰ２とがボンディングワイヤＢＷにより接続される。薄膜バルク共振子７４，７６の上部電極に接続された配線パッドと、薄膜バルク共振子７５，７７の下部電極に接続された配線パッドは、それぞれボンディングワイヤＢＷにより不図示のグランドパッドに接続されている。このようにして、図６の回路図に示した送信フィルタ７８が単一基板上に形成される。
図８は、実施例１の構造を適用した場合であり、図７中に示したＡ−Ａ’線に沿った部分の薄膜バルク共振子フィルタの断面構造である。薄膜バルク共振子７４は並列共振器であり、薄膜バルク共振子７１は直列共振器であり、薄膜バルク共振子７５は並列共振器である。薄膜バルク共振子７４と薄膜バルク共振子７５に含まれる領域における下地層８３が、薄膜バルク共振子７１に含まれる下地層１３４よりも厚くなっている。これにより、薄膜バルク共振子７１の共振周波数と比較して、薄膜バルク共振子７４，７５の共振周波数が低くなる。例えば、共振周波数１．９ＧＨｚの薄膜バルク共振子７１のダイヤフラム構造の厚さＴ１は１８００ｎｍ、下地層の厚さｔ１は５０ｎｍ、共振周波数１．７５ＧＨｚの薄膜バルク共振子７４，７５のダイヤフラム構造の厚さＴ２は１９５０ｎｍ、下地層の厚さｔ２は２００ｎｍである。
挟持構造にダメージを与えないで薄膜バルク共振子を形成できるので、これらを用いた薄膜バルク共振子フィルタは高いＱ値を得ることができる。
また、図９は実施例２の構造を適用した場合であり、図７中に示したＡ−Ａ’線に沿った部分の薄膜バルク共振子フィルタの断面構造である。
図８と同じ構成部分には同じ参照符号を付して、説明の便宜上その詳細な説明を省略する。すなわち、図９においても、図８と同様に、薄膜バルク共振子７４と薄膜バルク共振子７５に含まれる領域における下地層１３の厚さｔ２が、薄膜バルク共振子７１に含まれる下地層１３１の厚さｔ１よりも厚くなっている。これにより、薄膜バルク共振子７１の共振周波数と比較して、薄膜バルク共振子７４，７５の共振周波数が低くなる。
本実施例は、薄膜バルク共振子を用いた送信フィルタと受信フィルタの両方が単一基板の上に作製される場合の実施例である。図５に示したフロントエンド部分回路の送信フィルタと受信フィルタの集合が単一基板上に作製される。したがって、回路構成は図６と同じになるが、図６中に一点鎖線で示した薄膜バルク共振子７１〜７７からなる送信フィルタ７８と薄膜バルク共振子１２０〜１２６からなる受信フィルタ７９の集合８０が単一基板１上に形成される。
送信フィルタ７８と受信フィルタ７９の集合８０を単一基板の上に作製する場合、少なくとも４種類の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子を作製する必要がある。図１０は、単一基板の上に４種類の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子が、実施例１で示した構造によって構成した例である。ただし、ここでは薄膜バルク共振子間を接続する電極配線は省略して、空洞３９，４９，４１，４２上に、４種類の下地層の膜厚ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４を含むダイヤフラム構造の膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４をそれぞれ有する薄膜バルク共振子の断面構造を示している。
受信フィルタ７９と、送信フィルタ７８が単一の基板１の上に形成される。両方のフィルタはそれぞれ、少なくとも２種類の膜厚を有するダイヤフラム構造の薄膜バルク共振子、すなわち、受信フィルタ７９では図６の薄膜バルク共振子１２０〜１２２からなる直列共振器および薄膜バルク共振子１２３〜１２６からなる並列共振器、送信フィルタ７８では薄膜バルク共振子７１〜７３からなる直列共振器および薄膜バルク共振子７４〜７７からなる並列共振器を有する。送信周波数Ｔｘが１．８５〜１．９１ＧＨｚ、受信周波数Ｒｘが１．９３〜１．９９ＧＨｚとした場合、送信フィルタ７８は実施例３で述べたように共振周波数１．９ＧＨｚと１．７５ＧＨｚの薄膜バルク共振子のダイヤフラム構造として、膜厚Ｔ３＝１８００ｎｍ、Ｔ４＝１９５０ｎｍ、下地層の膜厚としてｔ３＝１５０ｎｍ、ｔ４＝３００ｎｍである。
受信フィルタについては、共振周波数２ＧＨｚと１．８５ＧＨｚの薄膜バルク共振子のダイヤフラム構造として、膜厚Ｔ１＝１７００ｎｍ、Ｔ２＝１８５０ｎｍ、下地層の膜厚としてｔ１＝５０ｎｍ、ｔ２＝２００ｎｍである。
例えば図１０で、受信フィルタ７９をダイヤフラムの膜厚Ｔ１の薄膜バルク共振子で構成された直列共振器４３と、ダイヤフラムの膜厚Ｔ２の薄膜バルク共振子で構成された並列共振器４４で構成し、送信フィルタ７８をダイヤフラムの膜厚Ｔ３の薄膜バルク共振子で構成された直列共振器４５と、ダイヤフラムの膜厚Ｔ４の薄膜バルク共振子で構成された並列共振器４６で単一基板１上に構成すればよい。
このような４種類のダイヤフラム構造を作製するには、例えば実施例１の図２の製造工程において、（ｂ）の工程の掘り込み６９を形成後、全面をホトレジストで覆い、パターニング後、さらに上記膜厚ｔ４とｔ３の差分ｔ４−ｔ３の厚さの掘り込み領域を形成する工程を追加すればよい。
図１１は、単一基板１の上に、４種類の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子が、実施例２で示した構造によって構成した例である。図１０と同じ構成部分には、同じ参照符号を付して、説明の便宜上その詳細な説明を省略する。すなわち、図１１において、受信フィルタ７９と、送信フィルタ７８を構成するための膜厚の異なる４種類の薄膜バルク共振子を、単一基板上に図１０の場合と同様に形成できることが分かる。この構造を作製するには、例えば図４の製造工程の（ｂ）の工程において、一番低い共振周波数が必要な薄膜バルク共振子の下地層の膜厚分ｔ４を堆積後、例えば、（ｃ）の工程で、必要な下地層膜厚ｔ１、ｔ２，ｔ３となるように、ホトリソグラフィによるパターニング及びドライエッチングを繰り返す工程を追加することによって形成することができる。
また、単一基板の上に３種類以上の異なる共振周波数を持つ薄膜バルク共振子素子を作製する場合、実施例１と実施例２において開示された構造の両方が混在していてもよいことは言うまでもない。
単一基板の上に作製される全ての薄膜バルク共振子は、それぞれの下地層の膜厚差によって異なった共振周波数を有することができるため、薄膜バルク共振子本体である挟持構造には追加の構造を導入する必要が無い。そのため、前述した従来構成と比較して、挟持構造の作製プロセスが簡単である。
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更をなし得ることは勿論である。
１，１３…基板、
２，１４，１３１，１３２…下地層、
３，４，１５，１６…下部電極、
５，６，１７，１８…圧電層、
７，８…上部電極、
９，１０，２１，２２，３９〜４２…空洞、
１１，１２，２３，２４…薄膜バルク共振子、
４３，４５，７１〜７３，１２０〜１２２…直列接続の薄膜バルク共振子、
４４，４６，７４〜７７，１２３〜１２６…分路接続の薄膜バルク共振子、
６９，７０…掘り込み、
７８…送信フィルタ、
７９…受信フィルタ、
１００…圧電層
１２８…低雑音増幅器、
１２９…電力増幅器、
１３０…移相器、
ｔ１〜ｔ４…下地層の膜厚、
Ｔ１〜Ｔ４…ダイヤフラム構造の膜厚。
２，１４，１３１，１３２…下地層、
３，４，１５，１６…下部電極、
５，６，１７，１８…圧電層、
７，８…上部電極、
９，１０，２１，２２，３９〜４２…空洞、
１１，１２，２３，２４…薄膜バルク共振子、
４３，４５，７１〜７３，１２０〜１２２…直列接続の薄膜バルク共振子、
４４，４６，７４〜７７，１２３〜１２６…分路接続の薄膜バルク共振子、
６９，７０…掘り込み、
７８…送信フィルタ、
７９…受信フィルタ、
１００…圧電層
１２８…低雑音増幅器、
１２９…電力増幅器、
１３０…移相器、
ｔ１〜ｔ４…下地層の膜厚、
Ｔ１〜Ｔ４…ダイヤフラム構造の膜厚。
Claims (9)
- 空洞を有する基板と、
前記空洞を被覆するように前記基板上に形成された下地層と、
前記下地層上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された上部電極層とを具備して成り、
前記空洞部上の前記下地層の厚さにより共振周波数を調整可能な構造であることを特徴とする薄膜バルク共振子。 - 前記下部電極層および前記上部電極層の少なくともどちらか一方が、モリブデンおよびタングステンの少なくとも一種を主成分とする材料を含んで成ることを特徴とする請求項１に記載の薄膜バルク共振子。
- 前記下地層が酸化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、および炭化ケイ素の少なくとも一種を主成分とする材料を含んで成ることを特徴とする請求項１に記載の薄膜バルク共振子。
- 複数の空洞を有する基板と、
前記空洞を被覆するように前記基板上に形成された下地層と、
前記下地層上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された上部電極層とを具備した複数の薄膜バルク共振子を含んで成り、
第１の薄膜バルク共振子を形成する第１領域の下地層の厚さと、第２の薄膜バルク共振子を形成する第２領域の下地層の厚さとが異なることを特徴とするバルク共振子フィルタ。 - 前記下部電極層および前記上部電極層の少なくともどちらか一方が、モリブデンおよびタングステンの少なくとも一種を主成分とする材料を含んで成ることを特徴とする請求項４に記載の薄膜バルク共振子フィルタ。
- 前記下地層が酸化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、および炭化ケイ素の少なくとも一種を主成分とする材料を含んで成ることを特徴とする請求項４に記載の薄膜バルク共振子フィルタ。
- 複数の空洞を有する基板と、
前記空洞を被覆するように前記基板上に形成された下地層と、
前記下地層上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された上部電極層とを具備した第１乃至第４の薄膜バルク共振子を含んで成り、
前記第１の薄膜バルク共振子と前記第２の薄膜バルク共振子とは送信用フィルタを構成し、前記第３の薄膜バルク共振子と前記第４の薄膜バルク共振子とはを受信用フィルタを構成し、
前記第１の薄膜バルク共振子を形成する第１領域の下地層の厚さと、前記第２の薄膜バルク共振子を形成する第２領域の下地層の厚さと、前記第３の薄膜バルク共振子を形成する第３領域の下地層の厚さと、前記第４の薄膜バルク共振子を形成する第４領域の下地層の厚さとが全て異なることを特徴とする送受信フィルタ。 - 単一基板上に異なる厚さの下地層を含むダイヤフラム構造を有する複数の薄膜バルク共振子を製造する方法であって、
第１の薄膜バルク共振子と第２の薄膜バルク共振子との共振周波数の差に対応する深さの掘り込みを前記基板上に形成する工程と、
前記掘り込みを形成した前記基板上に下地層を成膜する工程と、
前記第１の薄膜バルク共振子を形成する第１領域の前記下地層と、前記第２の薄膜バルク共振子を形成する第２領域の前記下地層との表面が単一平面となるように処理する平坦化処理工程と、
表面に下部電極層を堆積後、前記下部電極層をパターニングして前記第１領域の下地層と前記第２領域の下地層との上に、第１下部電極層と第２下部電極層とをそれぞれ形成する工程と、
表面に圧電層を成膜する工程と、
表面に上部電極層を堆積後、前記上部電極層をパターニングして前記第１領域の圧電層と前記第２領域の圧電層との上に、第１上部電極層と第２上部電極層とをそれぞれ形成する工程と、
前記基板の裏面より掘り込み、前記第１領域に第１空洞を、前記第２領域に第２空洞をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜バルク共振子の製造方法。 - 単一基板上に下地層の厚さが異なる複数の薄膜バルク共振子を製造する方法であって、
前記基板上に下地層を成膜する工程と、
第１の薄膜バルク共振子と第２の薄膜バルク共振子との共振周波数の差に対応する深さの掘り込みを、前記第１の薄膜バルク共振子を形成する第１領域の前記下地層に対して行う工程と、
表面に下部電極層を堆積後、前記下部電極層をパターニングして前記第１領域の下地層の上と前記第２の薄膜バルク共振子を形成する第２領域の前記下地層の上とに第１下部電極層と第２下部電極層とをそれぞれ形成する工程と、
表面に圧電層を成膜する工程と、
表面に上部電極層を堆積後、前記上部電極層をパターニングして前記第１領域の上部電極層と前記第２領域の上部電極層とをそれぞれ形成する工程と、
前記基板の裏面より掘り込み、前記第１領域に第１空洞を、前記第２領域に第２空洞をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜バルク共振子の製造方法。
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