JP2006050592A - 圧電共振器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スプリアスの発生を効果的に低減し且つ気密封止パッケージを用いる必要がない圧電共振器を実現できるようにする。
【解決手段】圧電膜１１と圧電膜１１の下面及び上面にそれぞれ互いに対向するように形成された一対の下部電極１２及び上部電極１３とからなる共振膜１４が形成されている。共振膜１４は、下部電極１２の外縁部と接着された下部電極保持部１５を介在させて保持基板１の上に保持されている。上部電極１３の上には蓋部１７と蓋部１７を下から保持し上部電極１３の上面の外縁部と接着された枠部１６とによって構成されており、蓋部１７と上部電極１３との間には上部空洞部２２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電共振器及びその製造方法に関する。

近年、世界的な携帯電話の普及により、携帯電話の使用台数が加速度的に増加している。携帯電話においては周波数の異なる複数の高周波信号を処理する必要があり、目的とする周波数以外の周波数の高周波信号を除去することが一般的に必要となる。このような、不要な周波数の高周波信号を除去し、所望の周波数の高周波信号のみを通過させるために、高周波フィルタと呼ばれる部品が一般に用いられている。

このようなフィルタを小型化及び高性能化するためにバルク弾性波を用いる圧電共振器を用いることが検討されている。圧電共振器は、厚さ方向に超音波を誘起させる部分(以下、キャビティ部と呼ぶ)における圧電膜及び電極膜の膜厚の合計の厚さによって決まる共振周波数においてインピーダンスのピークを有する。しかし、横方向に伝播する超音波によって、共振周波数付近の別の周波数においてもスプリアスと呼ばれるインピーダンスのピークが生じてしまう。このようなスプリアスの発生により、圧電共振器の特性が劣化するため、圧電共振器の高性能化のためにはスプリアスの低減が重要である。

スプリアスが発生する大きな原因は、キャビティ部に発生した振動エネルギーがキャビティ部の周辺部に漏れ出すことである。従って、キャビティ部にエネルギーを閉じこめることが重要である。例えば特許文献１には、キャビティ部における圧電膜の膜厚をキャビティ部の周辺部と比べて厚くすることにより、キャビティ部への振動エネルギーの閉じこめ効率を向上させることが開示されている。

一方、圧電共振器においては、キャビティ部を縦方向に振動させる必要があるため、基板や封止材料がキャビティ部に接触しないようにしなければならない。従って、圧電共振器が形成された基板をパッケージに実装する際に、安価で簡便な実装手段である樹脂封止パッケージを使用することができない。樹脂封止パッケージでは、キャビティ部の上部に樹脂が接触するため、振動が減衰してしまうからである。

また、圧電共振器は外部からの水分により、圧電膜が劣化して性能が低下するため、圧電共振器は封止しなければならない。このため、圧電共振器を実装する際には、気密封止パッケージ等が用いられ、キャビティ部の上部に何も触れない構造にし、且つ外部からの水分の浸入などによる性能の劣化を防止することが一般的に行われている（例えば、特許文献２を参照。）。
特開２００２−４３８７９号公報 特開２０００−２６１２８０号公報

しかしながら、従来のように圧電膜の膜厚を変化させることは、工程を複雑にするため生産性を大きく低下させるという問題がある。また、キャビティ部と周辺部とで圧電膜の膜厚を大きく変えることは困難であり、スプリアスの低減効果が小さいという問題がある。さらに、圧電膜の膜厚を変化させたとしても、キャビティ部の上部には何も触れない構造を形成しなければならないという点については代わりがなく、樹脂等に比べてはるかに高価なセラミック等の材料を用いてパッケージを行う必要がある。また、パッケージの工程も複雑となるため、圧電共振器を量産する際に歩留まりが低下するという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、スプリアスの発生を効果的に低減し且つ気密封止パッケージを用いる必要がない圧電共振器を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は圧電共振器を、上部電極の上に保持された蓋部を備える構成とする。

具体的に本発明に係る第１の圧電共振器は、基板の主面上に該主面に沿って保持され、圧電膜並びに該圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極からなる共振膜と、上部電極の上面の外縁部に設けられた枠部と、枠部により下面が保持された蓋部とを備え、蓋部と上部電極の上面との間には上部空洞部が形成されていることを特徴とする。

第１の圧電共振器によれば、上部電極の上面の外縁部に設けられた枠部と、枠部により下面が保持された蓋部とを備えているため、圧電膜に縦方向の弾性波を閉じこめる領域であるキャビティ部の厚さと比べて、キャビティ部の周辺部の厚さが非常に厚い。従って、キャビティ部における共振周波数と、キャビティ部以外の部分の共振周波数とが大きく異なる値となるので、圧電共振器に生じるスプリアスを低減することができる。また、蓋部と上部電極の上面との間には上部空洞部が形成されているため、蓋部の上に樹脂膜等を形成したとしても、キャビティ部の振動が減衰することはない。従って、圧電共振器を樹脂パッケージにより封止し、実装することが可能となる。

第１の圧電共振器において、上部空洞部は、密閉されていることが好ましい。このような構成とすることにより、樹脂パッケージを行う際に、空洞部に樹脂が流入することがないので、樹脂パッケージを確実に行うことができる。また、上部電極が雰囲気中の水分等によって劣化することも防止できる。

第１の圧電共振器は、下部電極の下面と基板との間には下部空洞部が形成されていることが好ましい。この場合において、基板と下部電極との間に設けられ、下部電極の下面の外縁部分を保持する下部電極保持部をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、下部空洞部を確実に形成することができると共に、キャビティ部とキャビティ部以外の部分の共振周波数をさらに大きく異ならせることができる。

本発明に係る第２の圧電共振器は、それぞれが基板の主面上に該主面に沿って保持され、圧電膜並びに該圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極からなる複数の共振膜と、複数の上部電極の上面の外縁部にそれぞれ設けられた複数の枠部と、複数の枠部により下面が保持された１つの蓋部とを備え、蓋部と複数の上部電極の上面との間には上部空洞がそれぞれ形成されていることを特徴とする。

第２の圧電共振器によれば複数の上部電極の上面の外縁部にそれぞれ設けられた複数の枠部と、複数の枠部により下面が保持された１つの蓋部とを備えているため、圧電膜に縦方向の弾性波を閉じこめる領域であるキャビティ部の厚さと比べて、キャビティ部の周辺部の厚さが非常に厚い。従って、キャビティ部における共振周波数と、キャビティ部以外の部分の共振周波数とが大きく異なる値となるので、圧電共振器に生じるスプリアスを低減することができる。また、１つの蓋部が複数の枠部に保持されているため、蓋部の形成が容易であり且つ蓋部の強度を高くすることができる。さらに、複数の共振部を備えているため、高周波フィルタ等を容易に形成することが可能となる。

第２の圧電共振器において、複数の共振膜のうちの少なくとも１つの共振膜において下部電極及び上部電極のうちの少なくとも一方の厚さは、他の共振膜と異なっていることが好ましい。このような構成とすることにより、共振周波数が互いに異なる圧電共振器を基板の上に形成することができるため、高周波フィルタ等を容易に形成することが可能となる。

第２の圧電共振器において、複数の共振膜は、圧電膜が共通に形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、複数の共振膜を容易に形成することが可能となる。

本発明に係る圧電共振器の製造方法は、圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極を有する共振膜を第１の基板の主面上に保持された状態とする工程（ａ）と、蓋体の上における上部電極の上面の外縁部に対応する位置に枠部を固着する工程（ｂ）と、枠部を上部電極の上面の外縁部と接着して、枠部により蓋体を保持することにより、蓋体と上部電極の上面との間に上部空洞部を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。

本発明の圧電共振器の製造方法によれば、枠部を上部電極の上面の外縁部と接着して、枠部により蓋体を保持することにより、蓋体と上部電極の上面との間に上部空洞部を形成する工程を備えているため、圧電膜に縦方向の弾性波を閉じこめる領域であるキャビティ部の厚さと比べて、キャビティ部の周辺部の厚さを非常に厚くすることができる。従って、スプリアスの発生が少ない圧電共振器を容易に実現できる。また、樹脂パッケージすることができる圧電共振器を容易に実現できる。

本発明の圧電共振器の製造方法は、工程（ａ）と工程（ｃ）との間に、上部電極の上面の外縁部に蓋部接続膜を形成する工程をさらに備え、工程（ｃ）において、枠部形成膜は、蓋部接続膜を介在させて上部電極の上面と接着することが好ましい。このような構成とすることにより、蓋部を確実に形成することができる。

本発明の圧電共振器の製造方法は、工程（ｃ）において、上部電極と枠部形成膜とを加圧条件下で加熱することにより接着することが好ましい。また、工程（ｃ）において、上部電極と枠部形成膜とを共晶反応により接着してもよい。

本発明の圧電共振器の製造方法において、工程（ａ）は、第２の基板の上に圧電膜を形成した後、形成した圧電膜の上に下部電極を形成する工程と、第１の基板の上における下部電極の外縁部に対応する位置に下部電極保持部を形成する工程と、第１の基板に形成された下部電極保持部と、第２の基板に形成された下部電極とを接着することにより、下部電極と第１の基板との間に下部空洞部を形成する工程と、第２の基板を除去することにより圧電膜の下部電極が形成された面と反対側の面を露出した後、該露出した面の上に上部電極を形成する工程とを含むことが好ましい。

本発明の圧電共振器の製造方法において、工程（ｂ）は、蓋体に枠部を形成した後、形成した枠部をマスクとして蓋体をエッチングする工程を含んでいることが好ましい。

本発明の圧電共振器及びその製造方法によれば、スプリアスの発生を効果的に低減し且つ気密封止パッケージを用いる必要がない圧電共振器を実現できる。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る圧電共振器及びその製造方法について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る圧電共振器であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。図１に示すように、保持基板１の主面の上には、圧電膜１１と圧電膜１１の下面及び上面にそれぞれ互いに対向するように形成された一対の下部電極１２及び上部電極１３とからなる共振膜１４が保持されている。

共振膜１４は、下部電極１２の外縁部に接着された下部電極保持部１５を介在させて保持基板１の上に保持されている。これにより、下部電極１２と保持基板１との間には、下部空洞部２１が形成されており、共振膜１４のうちの下側に下部空洞部２１が形成されている領域は、厚さ方向に振動するキャビティ部３１である。

上部電極１３の上には、蓋部１７と蓋部１７を下から保持する上部電極１３の上面の外縁部と接着された枠部１６とによって構成されており、蓋部１７と上部電極１３との間には上部空洞部２２が形成されている。このため、蓋部１７の上を樹脂膜で覆っても、キャビティ部３１に誘起させた振動が減衰することはない。従って、圧電共振器を樹脂パッケージにより封止し、実装することが可能となる。

なお、図１には１つの圧電共振器のみを記載しているが、保持基板１の上には、複数の圧電共振器が形成されていてもよい。また、複数の圧電共振器が保持基板１の上に形成されている場合には、一枚の蓋部１７を共通に用いてもよい。

また、圧電共振器の共振周波数は、キャビティ部３１において振動する部分である、圧電膜１１、下部電極１２及び上部電極１３のそれぞれの厚さを合計した厚さによって決定される。しかし、キャビティ部３１以外の部分においても振動が生じるため、この振動成分によりスプリアスが発生する恐れがある。

特に、キャビティ部３１の厚さと、キャビティ部３１以外の部分の厚さとの差が小さい場合には、キャビティ部３１以外の部分がキャビティ部３１とほぼ同じ周波数で振動するため、スプリアスの影響が大きくなる。また、キャビティ部３１における振動エネルギーが周囲の部分に逃げやすくなり、キャビティ部３１におけるエネルギーの閉じこめ効率も低下する。

しかし、本実施形態の圧電共振器においては、キャビティ部３１以外の部分には、圧電膜１１の下面及び上面に下部電極保持部１５、枠部１６及び蓋部１７がさらに形成されている。従って、キャビティ部３１とキャビティ部３１以外の部分の厚さが大きく異なっているため、圧電共振器に生じるスプリアスを低減する効果が得られる。

図２及び図３は圧電共振器に発生するスプリアスの状態を計算により求めた結果を示す。図２及び３において、横軸は周波数を示し、縦軸は上部電極と下部電極との間のアドミタンスを示している。

図２は本実施形態の圧電共振器における計算結果である。なお、基板１は厚さが４５０μｍのシリコン基板であり、圧電膜１１は厚さが０．５μｍの窒化アルミニウムであり、下部電極１２及び上部電極１３はそれぞれ厚さが０．２μｍで幅が２００μｍのタングステンであり、下部電極保持部１５及び枠部１６はそれぞれ厚さが２μｍで幅が４０μｍの金であり、蓋部１７は厚さが５０μｍのシリコンであるとした。

図２に示すように、約２．８５ＧＨｚに圧電共振器の共振周波数の大きなピークが一つだけあり、スプリアスによるピークはいずれも共振周波数のピークと比べて非常に小さい。図３は本実施形態の圧電共振器から蓋部１７及び枠部１６を取り除いた共振器における計算結果であり、この場合には約２．８５ＧＨｚの共振周波数のピークが小さくなり、スプリアスのピークが大きくなっている。

これらのことから、本実施形態の圧電共振器は、スプリアスを低減する効果を有していることが明らかである。

以下に、本実施形態の圧電共振器の製造方法について図面を参照して説明する。図４及び図５は本実施形態の圧電共振器の製造方法を工程順に示している。図４（ａ）に示すようにまず、サファイアからなる形成用基板４１の上に窒化アルミニウムからなる圧電膜１１を形成し、圧電膜１１の上にタングステンからなる下部電極１２を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように保持基板１の上に金からなる下部電極保持部１５を形成する。下部電極保持部１５は、保持基板１と形成用基板４１とを対向させた際に、下部電極１２の外縁部に対応する位置に形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように保持基板１と形成用基板４１とを対向させ、下部電極保持部１５と下部電極１２とを位置あわせして密着させた後、加圧状態で加熱することにより、下部電極保持部１５と下部電極１２とを接着する。

次に、図４（ｄ）に示すように形成用基板４１を除去した後、露出した圧電膜１１の上面にタングステンからなる上部電極１３を形成する。形成用基板４１の除去は、レーザリフトオフ又は研磨等の既知の方法で行えばよい。研磨により形成用基板４１を除去する場合には、形成用基板４１に炭化シリコン（ＳｉＣ）等を用いてもよい。

次に、図５（ａ）に示すようにシリコンからなる蓋部形成基板５１の上に金からなる枠部形成膜５２を形成する。枠部形成膜５２は、保持基板１と蓋部形成基板５１とを対向させた際に上部電極１３の外縁部に対応する位置に、メッキ等の方法を用いて形成すればよい。

次に、図５（ｂ）に示すように保持基板１と蓋部形成基板５１とを対向させ、枠部形成膜５２と上部電極１３の外縁部とを位置あわせして密着させた後、加圧状態で加熱する。これにより、上部電極１３の上面の外縁部と接着された枠部１６と枠部１６により下面の一部が保持された蓋部１７とが形成される。

なお、保持基板１の上には複数の圧電共振器を形成してもよい。この場合、図６（ａ）に示すように１枚の蓋部１７を各圧電共振器に共通としてもよい。このようにすることにより、一度の貼り合わせ工程によりすべての蓋部１７を形成することができる。また、圧電膜１１の不要部分が、図６（ｂ）に示すように切断されていてもよい。このようにすることにより、隣り合う圧電共振器との間隔が短い場合にも、スプリアスの発生を低減することができる。蓋部１７についても、圧電共振器ごとに切断してもよい。

また、各圧電共振器の上部電極１３又は下部電極１２の厚さを変えて共振周波数の異なる複数の圧電共振器を基板の上に形成してもよい。このようにすることにより、高周波フィルタを容易に形成することが可能となる。

本実施形態の圧電共振器の製造方法において、枠部１６と上部電極１３とを熱圧着により接着する例を示したが、枠部１６及び上部電極１３に金−スズ合金等を用い、枠部１６と上部電極１３とを共晶反応により接着してもよい。この場合、接着の際の熱処理温度を低く抑えることが可能となる。また、枠部１６と上部電極１３とを直接接着する例を示したが、図７に示すように上部電極１３の上に枠部接着膜１９をあらかじめ形成して、枠部接着膜１９を介在させて枠部１６と上部電極１３とを接着してもよい。

また、蓋部形成用基板５１の上に枠部形成膜５２を形成した後、形成した枠部形成膜５２をマスクとして、蓋部形成用基板５１の表面を数μｍの深さまでエッチングしてもよい。このようにすれば、蒸着等により薄い枠部形成膜５２を形成した場合にも、蓋部１７と上部電極１３との間隔を確保して、上部空洞部２２を確実に形成することが可能となる。

本実施形態においては、圧電共振器を平面円形状に形成する例を示した。このように、圧電共振器を平面円形状に形成することにより、所定の音波モード以外のモードが発生しにくくなるため、スプリアスの発生をさらに低減することができる。ただし、圧電膜１１の成形性を考慮して平面方形状等に形成してもよい。この場合においても、キャビティー部３１が平面円形状となるようにすれば、スプリアスを低減することができる。また、圧電共振器の平面形状又はキャビティー部の平面形状を五角形状等の各辺が非並行である形状としてもよい。

なお、下部電極保持部１５を形成した保持基板１の上に下部電極１２を形成した圧電膜１１を貼り合わせることにより下部空洞部２１を形成したが、凹部を形成した保持基板１に圧電膜１１を貼り合わせることにより形成してもよい。また、貼り合わせに代えて犠牲層を用いて形成してもよい。

（実施形態の一変形例）
以下に、本発明の実施形態の一変形例に係る圧電共振器について図面を参照して説明する。図８は本変形例に係る圧電共振器の断面構成を示している。図８において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

図８に示すように、本変形例の圧電共振器は、下部電極１２の下に音響多層膜６１が形成されている。このような構成においても、圧電共振器のスプリアスを低減し且つパッケージを容易にすることができる。

本発明の圧電共振器及びその製造方法は、スプリアスの発生を効果的に低減し且つ気密封止パッケージを用いる必要がない圧電共振器を実現でき、圧電共振器及びその製造方法等として有用である。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る圧電共振器を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電共振器のスプリアス特性の計算結果を示すグラフである。 比較例に係る圧電共振器のスプリアス特性の計算結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る圧電共振器の製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電共振器の製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電共振器の製造工程の別の例を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電共振器の製造工程の別の例を工程順に示す断面図である。 本発明の実施形態の一変形例に係る圧電共振器を示す断面図である。

符号の説明

１ 保持基板
１１ 圧電膜
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 共振膜
１５ 下部電極保持部
１６ 枠部
１７ 蓋部
１９ 枠部接着膜
２１ 下部空洞部
２２ 上部空洞部
３１ キャビティ部
４１ 形成用基板
５１ 蓋部形成基板
５２ 枠部形成膜
６１ 音響多層膜

Claims (13)

1. 基板の主面上に該主面に沿って保持され且つ圧電膜並びに該圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極からなる共振膜と、
   前記上部電極の上面の外縁部に設けられた枠部と、
   前記枠部により下面が保持された蓋部とを備え、
   前記蓋部と前記上部電極の上面との間には、上部空洞部が形成されていることを特徴とする圧電共振器。
2. 前記上部空洞部は、密閉されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器。
3. 前記下部電極の下面と前記基板との間には、下部空洞部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器。
4. 前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記下部電極の下面の外縁部分を保持する下部電極保持部をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の圧電共振器。
5. それぞれが基板の主面上に該主面に沿って保持され且つ圧電膜並びに該圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極からなる複数の共振膜と、
   複数の前記上部電極の上面の外縁部にそれぞれ設けられた複数の枠部と、
   前記複数の枠部により下面が保持された１つの蓋部とを備え、
   前記蓋部と複数の前記上部電極の上面との間には、上部空洞がそれぞれ形成されていることを特徴とする圧電共振器。
6. 前記複数の共振膜のうちの少なくとも１つの共振膜において前記下部電極及び上部電極のうちの少なくとも一方の厚さは、他の共振膜と異なっていることを特徴とする請求項５に記載の圧電共振器。
7. 前記複数の共振膜は、前記圧電膜が共通に形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電共振器。
8. 圧電膜の下面及び上面の互いに対向する位置にそれぞれ形成された下部電極及び上部電極を有する共振膜を第１の基板の主面上に保持された状態とする工程（ａ）と、
   蓋体の上における前記上部電極の上面の外縁部に対応する位置に枠部を形成する工程（ｂ）と、
   前記枠部を前記上部電極の上面の外縁部と接着して、前記枠部により前記蓋体を保持することにより、前記蓋体と前記上部電極の上面との間に上部空洞部を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする圧電共振器の製造方法。
9. 前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）との間に、前記上部電極の上面の外縁部に蓋部接続膜を形成する工程をさらに備え、
   前記工程（ｃ）において、前記枠部は、前記蓋部接続膜を介在させて前記上部電極の上面と接着することを特徴とする請求項８に記載の圧電共振器の製造方法。
10. 前記工程（ｃ）において、前記上部電極と前記枠部形成膜とを加圧条件下で加熱することにより接着することを特徴とする請求項８に記載の圧電共振器の製造方法。
11. 前記工程（ｃ）において、前記上部電極と前記枠部形成膜とを共晶反応により接着することを特徴とする請求項８に記載の圧電共振器の製造方法。
12. 前記工程（ａ）は、第２の基板の上に前記圧電膜を形成した後、形成した圧電膜の上に前記下部電極を形成する工程と、
    前記第１の基板の上における前記下部電極の外縁部に対応する位置に下部電極保持部を形成する工程と、
    前記下部電極保持部と前記下部電極とを接着することにより、前記下部電極と前記第１の基板との間に下部空洞部を形成する工程と、
    前記第２の基板を除去することにより前記圧電膜の前記下部電極が形成された面と反対側の面を露出した後、該露出した面の上に前記上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の共振器の製造工程。
13. 前記工程（ｂ）は、前記蓋体に前記枠部を形成した後、形成した枠部をマスクとして前記蓋体をエッチングする工程を含んでいることを特徴とする請求項８から１２にいずれか１項に記載の圧電共振器の製造方法。
    

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