JP2007184816A

JP2007184816A - バルク音波共振器

Info

Publication number: JP2007184816A
Application number: JP2006002151A
Authority: JP
Inventors: Makoto Furuhata; 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP4802714B2

Abstract

【課題】横モードにおけるスプリアスを抑制し、小型化可能なバルク音波共振器を提供する。
【解決手段】バルク音波共振器１０は、支持枠２０上に積層される圧電体５０と、圧電体５０の支持枠２０側の主面に形成される底部電極４０と、他方の主面に形成される頂部電極６０と、を備え、底部電極４０と頂部電極６０の少なくともそれぞれの一部が交差する交差領域が設けられ、前記交差領域の頂部電極６０に複数個の孔６１が設けられ、この複数個の孔６１のそれぞれが不規則に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バルク音波共振器に関し、詳しくは、横モードスプリアスを抑制するバルク音波共振器に関する。

従来、薄膜半導体プロセスを用いて、金属−誘電体−金属の積層構造の共振器としてＦＢＡＲ（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼称されるバルク音波共振器が、デュプレクサ、バンドパス・フィルタ等に利用され、その小型化・低コスト化を可能にしている。また、数ＧＨｚ帯の高周波帯におけるフィルタ特性や低消費電力化に優れており、高速無線通信アプリケーションなどへの応用に好適であるとされ注目されている。

しかしながら、バルク音波共振器の基本振動モードは、電極面に対して垂直方向に伝搬されるが、励起される他の振動モードが存在し、この振動モードは電極面に対して平行に伝搬する。このような電極面に対して平行な振動は基本モードに対してノイズであり、横モードスプリアスと呼ばれ、デュプレクサ、バンドパス・フィルタ、発振器、センサ等を用いた回路においては問題となる。

上述した横モードスプリアスを抑制する手段として、圧電体（誘電体）の表裏それぞれに設けられる頂部電極と底部電極の重なり部分の一部が、非方形の不規則な多角形の一部が構成される外周部を有するバルク音波共振器というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧電体（誘電体）の表裏それぞれに設けられる頂部電極と底部電極の重なり部分において、頂部電極の外周周縁部に、さらにもう一層の壁状の電極を設けて横モードスプリアスを抑制するバルク音波共振器というものも知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０００−３３２５６８号公報（第３，４頁、図４，５）Ｇ．Ｇ．Ｆａｔｔｉｎｇｅｒ，Ｓ．Ｍａｒｋｓｔｅｉｎｅｒ，Ｊ．Ｋａｉｔｉｌａ，ａｎｄＲ．Ａｉｇｎｅｒ、"ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎｆｏｒＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｈｉｎＦｉｌｍＢＡＷＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ"，２００５ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｙｍｐｏｓｉｕｍ（Ｒｔｔｅｅｒｄａｍ）．

このような特許文献１では、非方形の不規則な多角形の一部を構成していることから、横モードの音波が外周部で不規則に反射を繰り返すことで高レベルな縮退を低減し、横モードスプリアスを抑制することを可能としているが、頂部電極と底部電極の重なり部分の面積は所定の大きさが必要とされ、この頂部電極と底部電極の重なり部分において不規則な非方形の外周形状を得るためには、捨て面積が発生することからその面積を大きくしなければならず、平面サイズが大きくなってしまうという課題を有する。

また、非特許文献１によれば、頂部電極の外周周縁部に、さらにもう一層の電極を設けて周縁部が高い段部を設けることで、この段部における音波の伝搬の境界特性の遮断周波数と分散特性の変化により横モードスプリアスを抑制することが可能としているが、頂部電極の外周部にもう一層の電極を設けることから、マスクの増加、製造工程の増加が必要となり、コスト面で不利である。

本発明の目的は、前述した課題を解決することを要旨とし、横モードにおけるスプリアスを抑制し、且つ、小型化可能なバルク音波共振器を提供することである。

本発明のバルク音波共振器は、支持枠上に積層される圧電体と、該圧電体の前記支持枠側の主面に形成される底部電極と、他方の主面に形成される頂部電極と、を備え、前記底部電極と前記頂部電極の少なくともそれぞれの一部が平面的に重なり合う交差領域が設けられ、前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則に配設されていることを特徴とする。

底部電極と頂部電極との交差領域の形状が方形である場合、この交差領域の外周のある一点から出た横モードの音波は、反対側の平行な辺に垂直に反射し元の点に戻る。このように音波の往復の共振経路が同じものが複数存在する場合、高レベルな縮退となり、不要なスプリアスとして出現する。

ここで、交差領域内において、頂部電極に複数個の孔を不規則に配設することで、ある一点から出た横モードの音波は、これらの孔の境界面で反射し、しかも不規則に配設されていることから元の一点には戻らず、同じ共振経路がほとんど存在しない。従って、高レベルな縮退とはならずスプリアスを抑制することができる。

また、底部電極と頂部電極との交差領域内に孔を設けることから、交差領域の外周形状が、対向する２辺が平行な方形であっても横モードのスプリアスを抑制することができるため、前述した特許文献１のような交差領域の外周形状が非方形な構造に比べ、平面サイズを小型化することができる。

さらに、上述の孔は、頂部電極に設けていることから、前述した非特許文献１のような頂部電極の外周周縁部にもう一層の電極を付加して段部を設ける構造のように製造工程を増やさずに実現することができるというような効果もある。

また、前記複数個の孔のそれぞれが、不規則な大きさを有し、不規則に配設されているか、前記複数個の孔のそれぞれが、不規則な形状と不規則な大きさとを有し、不規則に配設されていることが好ましい。

底部電極と頂部電極との交差領域内に上述のような孔を設けることから、前述したような効果が得られるが、不規則な大きさの孔や不規則な形状の孔を不規則に配設することから、なお一層横モードの縮退を減じ、スプリアスを抑制することができる。さらに、このような孔は、同じスプリアス抑制効果を得るのに必要な数を減ずることが可能である。

また、前記交差領域の少なくともその一部が、不規則な多角形の一部を構成する外周を有し、前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることが好ましい。

交差領域の外周を不規則な多角形の一部を構成する形状にすれば、前述した特許文献１と同様なスプリアス抑制効果を有するが、さらに、頂部電極の交差領域に複数個の孔が不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることから、より一層、横モードスプリアスの抑制効果が大きくなる。
また、上述した交差領域の外周部形状と上述した孔との組み合わせによれば、外周部形状を極端な非方形にする必要がないので、平面サイズを特許文献１によるものほど大きくしなくてもよい。

また、本発明のバルク音波共振器は、支持枠上に積層される圧電体と、該圧電体の前記支持枠側の主面に形成される底部電極と、他方の主面に形成される頂部電極と、を備え、前記底部電極と前記頂部電極の少なくともそれぞれの一部が平面的に重なり合う交差領域が設けられ、前記交差領域の前記頂部電極の周縁部に、他より厚さが薄い段部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、頂部電極の周縁部に他よりも低い段部を設けることで、この段部における音波の伝搬の境界特性の遮断周波数と分散特性の変化により横モードスプリアスを抑制することができる。このような構造では、頂部電極の外周部にもう一層の電極を設ける非特許文献１による構造に比べ、マスクの増加、製造工程の増加がなくても製造可能になることからコスト面で有利となる。

さらに、本発明では、前記他より厚さが薄い段部と、前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることが望ましい。

このようにすれば、交差領域の外周部に段部を設ける効果と、不規則な孔を不規則に配設する効果とを併せた横モードスプリアス抑制効果を有する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明の実施形態１に係るバルク音波共振器とその変形例、図４は実施形態２、図５は実施形態３、図６はその変形例を示す。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係るバルク音波共振器１０を示し、（ａ）はその概略構造を模式的に示す断面図、（ｂ）は頂部電極６０を模式的に示す平面図である。図１（ａ）において、本実施形態のバルク音波共振器１０は、Ｓｉからなる支持枠２０の上面にＳｉＯ₂からなる絶縁層３０、底部電極４０、圧電体５０、頂部電極６０とが順に積層されて構成されている。このように構成される素子を一般にＦＢＡＲ（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼称することがある。

支持枠２０は、上述した構成要素を積層した状態において、Ｓｉ基板の一部を裏面側かエッチング除去して形成される。圧電体５０は、圧電体５０の一部を挟む頂部電極６０と底部電極４０とを含んで、圧電体５０の底部に空気／電界面が作られるように空洞２１の上に架橋された状態である。

絶縁層３０は、Ｓｉ基板からなる支持枠２０の上面に空洞２１をエッチングで形成する際の、エッチングストッパーとして形成される極薄い層である。

頂部電極６０と底部電極４０とは、Ａｌ、タングステンやモリブデン等が用いられる。また、圧電体５０の材料としては、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯやＰＺＴ（登録商標）等が採用され、スパッタや蒸着等の手段で形成され、複数の孔６１もこの工程において形成することができる。

本実施形態では、底部電極４０は、支持枠２０の表面全体に設けられ、その面積は頂部電極６０の面積よりも十分大きい。従って、底部電極４０と頂部電極６０との交差領域は（図中、二点鎖線で表す）、頂部電極６０の形状に相当する。この頂部電極６０、つまり交差領域は、ここでは、対向する２辺がそれぞれ平行な四角形である。

頂部電極６０の外周で囲まれた領域、すなわち、交差領域には複数の孔６１が開設されている。

図１（ｂ）を参照して頂部電極６０について説明する。図１（ｂ）において、頂部電極６０には、円形の電極を貫通する孔６１が不規則な位置に配設されている。この孔６１の直径は、頂部電極６０の幅Ｗを１００μｍとしたとき、１ミクロンから数μｍ程度の小さなものでよい。

バルク音波共振器１０の望ましい共振モードにおいて、バルク圧縮波は、圧電体５０中を厚さ方向の軸に対して平行に伝搬されるように設計される。電圧の印加により電界が２つの電極間（頂部電極６０と底部電極４０の間）に生じると、圧電体５０は電気エネルギーを音波という形の機械的エネルギーに変換し、音波は電界と同じ方向に伝搬され、電極／空気界面において反射する。空洞２１の基本縦共振モードの周波数は、ＣＬ／２ｔを中心としている。ＣＬは縦伝搬モードの音速であり、ｔは圧電体５０の厚さである。

圧電体５０の厚さ方向に電位が印加されると、横向きの機械的歪みが生じることがあり、これが圧電体５０の中を横に移動する音波を励起してしまうことがある。このような横移動を横モードと呼称する。

ここで、仮に点６０ａからでた音波は、反対側の平行な電極の壁で垂直に反射し、元の点６０ａに戻る。頂部電極６０の幅をＷとすると、前記音波は、長さ２Ｗの共振経路を有する。仮に、孔６１が無い場合、点６０ａ以外の点から出た音波も同様に長さ２Ｗの共振経路を有する。従って、同一素子内において複数の同じ共振経路を有することになり横モードのスプリアスを生じることになる。

図１（ｂ）では、複数の孔６１が不規則に配設されている。例えば、点７０から出た音波は、矢印（細い実線で表す）方向に進む。この際、音波は、不規則に配設された孔６１の界面での反射と外周部の壁の間で次々と反射され、同じ長さの共振経路を有する伝搬経路は、ほとんど発生しない。従って、高レベルの縮退が生じることがなく、横モードのスプリアスを充分抑制することが可能となる。

従って、前述した実施形態１によれば、頂部電極６０と底部電極４０との交差領域内において、頂部電極６０に複数個の孔６１を不規則に配設することにより、ある一点から出た横モードの音波は、これらの孔の境界面で反射し、しかも不規則に配設されていることから同じ共振経路が殆ど存在しない。従って、高レベルな縮退とはならず横モードのスプリアスを抑制することができる。

また、交差領域内（頂部電極６０）に孔６１を設けていることから、交差領域の外周形状が、対向する２辺が平行な方形であっても横モードのスプリアスを抑制することができる。従って、前述した特許文献１のような交差領域の外周形状が非方形な構造に比べ、非方形にするための捨て面積が不要となり、平面サイズを小型化することができる。

さらに、上述の複数の孔６１は、頂部電極６０に設けていることから、前述した非特許文献１のような頂部電極の外周周縁部にもう一層の電極を形成して段部を設ける構造のように製造工程を増やさずに実現することができるというような効果もある。
（実施形態１の変形例）

続いて、前述した実施形態１の変形例について図面を参照して説明する。図２には第１の変形例、図３には第２の変形例を示す。前述した実施形態１では、複数の孔６１は円形、且つほぼ同じ大きさで不規則に配設しているが、孔６１の形状は、様々のものを採用することができる。
図２は、第１の変形例としての頂部電極６０を模式的に示している。複数の孔６１は、図に示すように、円形ではあるが、不規則な大きさで不規則に配設されている。

図３は、第２の変形例としての頂部電極６０を模式的に示している。複数の孔６１は、図に示すように、円形、三角形、四角形、楕円形であり、それらの大きさも不規則に不規則な位置に配設されている。孔６１の形状は、上述以外に任意に選択し、組み合わせてもよい。

従って、上述した変形例によれば、底部電極４０と頂部電極６０との交差領域内に孔６１を設けることから、前述した実施形態１と同様な効果が得られるが、不規則な大きさの孔や不規則な形状の孔を不規則に配設することから、なお一層横モードの縮退を減じ、スプリアスを抑制することができる。さらに、このように配設される孔６１は、同じスプリアス抑制効果を得るのに必要な数を減ずることが可能となるという効果もある。
（実施形態２）

続いて、本発明の実施形態２に係るバルク音波共振器について図面を参照して説明する。実施形態２は、頂部電極と底部電極との交差領域の外周形状を非方形にしたことを特徴とし、底部電極が頂部電極よりも充分大きい状態を例示しているので、頂部電極の形状が交差領域を示している。

図４は、本実施形態の頂部電極６０を模式的に示す平面図である。図４において、頂部電極６０は、非方形の四角形であり、対向する２辺のそれぞれが非平行な形状を有している。この頂部電極６０の内部には、不規則な大きさの孔が不規則に配設されている。
なお、交差領域の外周形状は、四角形に限らず、対向する辺が平行にならない多角形や、一部が不規則な多角形の一部を有する形状としてもよい。

また、孔６１は、前述した実施形態１の変形例（図３、参照）と同様に、不規則な形状と不規則な大きさを組み合わせる構成としてもよい。

このように、交差領域の外周を非方形の四角形や不規則な多角形の一部を構成する形状にすれば、前述した特許文献１と同様なスプリアス抑制効果を有する。さらに、頂部電極６０（交差領域に相当する）に複数個の孔６１が不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることから、前述した実施形態１の効果とを併せもち、より一層、横モードスプリアスの抑制効果が大きくなる。

また、図４では、分かりやすく説明するために、頂部電極６０の４辺の比を大きく表している。上述した交差領域の非方形の外周部形状と上述した不規則な形状または不規則な大きさの孔との組み合わせによれば、外周部形状を極端な非方形にする必要がない。よって、平面サイズを特許文献１によるものほど大きくしなくてもよいので本発明の目的の一つである素子の小型化を実現することができる。
（実施形態３）

続いて、本発明の実施形態３に係るバルク音波共振器について図面を参照して説明する。本実施形態は、頂部電極６０の外周周縁部に、厚さが他より薄い段部を設けたことを特徴としており、他の構成は前述した実施形態と同じであるため、共通部の説明を省略する。
図５は、本実施形態に係るバルク音波共振器１０の一部を示す断面図である。図５において、頂部電極６０の外周周縁部には、周縁部以外の平面部分の厚さよりも薄い段部６５が形成されている。

なお、この実施形態においても、頂部電極６０よりも底部電極４０の方が充分大きい場合を例示しているので、頂部電極６０が交差領域を表している。

このように、頂部電極６０の外周周縁部に他の面よりも低い段部６５を設けることで、この段部６５における音波伝搬の境界特性の遮断周波数と分散特性の変化により横モードスプリアスを抑制することができる。このような構造では、頂部電極６０の外周部に、もう一層の電極を設ける非特許文献１による構造に比べ、マスクの増加、製造工程の増加がなくても製造可能になることからコスト面で有利となる。
（実施形態３の変形例）

次に、上述した実施形態３の変形例の一つについて図面を参照して説明する。この変形例は、実施形態３による頂部電極６０の周縁部に薄い段部６５を設ける構成と、前述した実施形態１による頂部電極６０に不規則な孔６１を配設する構造とを組み合わせたものである。
図６は、実施形態３の変形例による頂部電極を模式的に示す平面図である。図６において、頂部電極６０の外周周縁部には、他の平面よりも厚さが薄い段部６５が設けられ、内部には、不規則な大きさの円形の孔６１が不規則に配列されている。

このよう構成にすれば、頂部電極（交差領域）の外周周縁部に段部６５を設ける実施形態３（図５、参照）による効果と、不規則な孔を不規則に配設する実施形態１による効果とを併せた横モードのスプリアス抑制効果を有し、より一層、横モードのスプリアスを抑制することができる。

なお、頂部電極６０に設けられる孔６１は、円形に限らず不規則な形状にしてもよい。
また、この変形例は、前述した実施形態２による頂部電極６０（交差領域）の外周形状を非方形とし、この外周周縁部に段部６５を設ける構成としてもよい。

また、前述の実施形態１〜実施形態３及びそれらの変形例を適宜組み合わせて構成することができる。

さらに、実施形態１〜実施形態３に示される頂部電極６０に設けられる孔６１は、頂部電極６０を貫通しない凹部とすることができ、この際、凹部の深さを不規則にすればなおよい。

従って、前述の実施形態１〜実施形態３によれば、横モードにおけるスプリアスを抑制し、且つ、小型化可能なバルク音波共振器を提供することができる。
以上説明した本発明のバルク音波共振器は、高速無線通信におけるデュプレクサ、バンドパス・フィルタ、発振器、センサ等に利用するのに好適である。

本発明の実施形態１に係るバルク音波共振器を示し、（ａ）はその概略構造を示す断面図、（ｂ）は頂部電極を模式的に示す平面図。本発明の実施形態１の第１の変形例としての頂部電極を模式的に示す平面図。本発明の実施形態１の第２の変形例としての頂部電極を模式的に示す平面図。本発明の本実施形態２に係る頂部電極を模式的に示す平面図。本発明の本実施形態３に係るバルク音波共振器の一部を示す断面図。本発明の実施形態３の変形例に係る頂部電極を模式的に示す平面図。

符号の説明

１０…バルク音波共振器、２０…支持枠、３０…絶縁層、４０…底部電極、５０…圧電体、６０…頂部電極（交差領域に相当）、６１…複数個の孔。

Claims

支持枠上に積層される圧電体と、該圧電体の前記支持枠側の主面に形成される底部電極と、
他方の主面に形成される頂部電極と、を備え、
前記底部電極と前記頂部電極の少なくともそれぞれの一部が平面的に重なり合う交差領域が設けられ、
前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則に配設されていることを特徴とするバルク音波共振器。
請求項１に記載のバルク音波共振器において、
前記複数個の孔それぞれが、不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることを特徴とするバルク音波共振器。
請求項１に記載のバルク音波共振器において、
前記複数個の孔のそれぞれが、不規則な形状と不規則な大きさとを有し、不規則に配設されていることを特徴とするバルク音波共振器。
請求項１に記載のバルク音波共振器において、
前記交差領域の少なくともその一部が、不規則な多角形の一部を構成する外周を有し、
前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることを特徴とするバルク音波共振器。
支持枠上に積層される圧電体と、該圧電体の前記支持枠側の主面に形成される底部電極と、
他方の主面に形成される頂部電極と、を備え、
前記底部電極と前記頂部電極の少なくともそれぞれの一部が平面的に重なり合う交差領域が設けられ、
前記交差領域の前記頂部電極の周縁部に、他より厚さが薄い段部が設けられていることを特徴とするバルク音波共振器。
請求項５に記載のバルク音波共振器において、
前記他より厚さが薄い段部と、
前記交差領域の前記頂部電極に複数個の孔が設けられ、前記複数個の孔それぞれが不規則な形状または不規則な大きさを有し、不規則に配設されていることを特徴とするバルク音波共振器。