JP2007295310A

JP2007295310A - Ｂａｗ共振器

Info

Publication number: JP2007295310A
Application number: JP2006121339A
Authority: JP
Inventors: Xiong Si-Bei; 四輩熊; Yoshiki Hayazaki; 嘉城早崎; Norihiro Yamauchi; 規裕山内; Takeo Shirai; 健雄白井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】機械的品質係数および電気機械結合係数を高めることができるＢＡＷ共振器を提供する。
【解決手段】ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面上に形成された下部電極２０と、下部電極２０上に形成された圧電膜からなる圧電変換部３０と、圧電変換部３０における下部電極２０側とは反対側に形成された上部電極４０とを備える。ベース基板１０は、シリコン基板１１と音響多層膜１２とで構成してある。圧電変換部３０は、下部電極２０の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部３０ａを有する。ここで、圧電変換部３０の圧電変換要素部３０ａは、長手方向が下部電極２０の厚み方向に一致する円柱状に形成されており、下部電極２０上で２次元アレイ状に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電膜の厚み方向の縦振動モードを利用するＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器に関するものである。

従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、１ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタとして、小型で励振効率の高いＢＡＷ共振器が利用されている（例えば、特許文献１参照）。

ＢＡＷ共振器は、図５や図６に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された金属層からなる下部電極２０と、下部電極２０上に形成された圧電膜からなる圧電変換部３０’と、圧電変換部３０’上に形成された金属層からなる上部電極４０とを備えている。ここにおいて、図５に示したＢＡＷ共振器は、圧電変換部３０’にて発生したバルク弾性波がベース基板１０側へ伝搬されるのを抑制するために、ベース基板１０に空洞１３が形成されており、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれ、図６に示したＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の上記一表面側に、圧電変換部３０’で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２が形成されており、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）と呼ばれている。ここで、音響多層膜１２は、低音響インピーダンス層１２ａと高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電変換部３０’を構成する圧電膜の膜厚に反比例し、圧電膜の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。

ところで、ＢＡＷ共振器の性能は、機械的品質係数（mechanical quality factor）や電気機械結合係数（electromechanical coupling coefficient）などによって評価される。
特開２００２−１４００７５号公報

しかしながら、従来のＢＡＷ共振器では、下部電極２０、圧電変換部３０’、上部電極４０それぞれが平板状に形成されており、圧電変換部３０’が下部電極２０および上部電極４０の厚み方向に直交する面内で連続した連続膜となり、当該連続膜が下部電極２０および上部電極４０に拘束されているので、特に下部電極２０と圧電変換部３０’との界面に沿って作用する横方向の拘束力により圧電変換部３０’の厚み方向への機械振動が制限されて機械振動の損失が生じ、機械的品質係数および電気機械結合係数が低くなってしまうという問題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、機械的品質係数および電気機械結合係数を高めることができるＢＡＷ共振器を提供することにある。

請求項１の発明は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電膜からなる圧電変換部と、圧電変換部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えたＢＡＷ共振器であって、圧電変換部は、下部電極の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部を有することを特徴とする。

この発明によれば、圧電変換部が、下部電極の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部を有しているので、従来のように圧電変換部全体が連続膜により構成されている場合に比べて、下部電極と圧電変換部との界面に沿って作用する横方向の拘束力を低減できて、圧電変換部が厚み方向へ振動しやすくなり、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ベース基板は、前記圧電変換部で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜が前記一表面側に形成されてなり、前記下部電極は、音響多層膜上に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ベース基板に音響多層膜が形成されていない場合に比べて、電気機械結合係数を高めることができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記ベース基板は、前記下部電極における前記圧電変換部側とは反対側に空洞が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ベース基板に空洞が形成されていない場合に比べて電気機械結合係数を高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記圧電変換要素部は、前記下部電極の厚み方向に長手方向が一致する柱状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電変換部が厚み方向へ振動しやすくなり、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記圧電変換要素部は、アスペクト比が２を下回らないことを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電変換要素部が柱の長手方向に振動する縦振動モードで振動することとなり、アスペクト比が２よりも小さくて薄膜の厚み方向に振動する縦振動モードで振動する場合に比べて、前記下部電極と前記圧電変換部との界面に沿って作用する横方向の拘束力を低減できて、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。

請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明において、前記圧電変換部は、前記下部電極の厚み方向に直交する面内における単位格子が四角形もしくは三角形の２次元格子の各格子点それぞれに前記圧電変換要素部が配置されてなることを特徴とする。

この発明によれば、隣り合う前記圧電変換要素部どうしが干渉するのを防止することができる。

請求項７の発明は、請求項４ないし請求項６の発明において、前記圧電変換部は、隣り合う前記圧電変換要素部間の距離が５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内で設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、隣り合う前記圧電変換要素部どうしが干渉するのを防止することができ、且つ、前記上部電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記圧電変換部は、前記下部電極の厚み方向に直交する面内で前記圧電変換要素部の群を囲む枠部を有することを特徴とする。

この発明によれば、機械的強度を高めることができ、また、製造時のハンドリングが容易になるとともに製造歩留まりが高くなる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記圧電変換部と前記上部電極との間に絶縁薄膜を介在させてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記上部電極と前記下部電極とが短絡するのを防止でき、製造歩留まりの向上を図れるとともに信頼性を高めることができる。

請求項１の発明では、機械的品質係数および電気機械結合係数を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振器は、図１に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成された圧電膜からなる圧電変換部３０と、圧電変換部３０における下部電極２０側とは反対側に形成された上部電極４０とを備えている。

ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０を、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板１１と、シリコン基板１１の主表面上に形成され圧電変換部３０で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２とで構成してある。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の一表面側の音響多層膜１２上に下部電極２０が形成されたＳＭＲを構成している。

音響多層膜１２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層１２ａと相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されており、上述の下部電極２０は、最上層の低音響インピーダンス層１２ａ上に形成されている。ここにおいて、低音響インピーダンス層１２ａの材料としては、例えばＳｉＯ_２を採用すればよく、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としては、例えば、ＺｎＯ，Ｗ，Ｔａ_２Ｏ_５，Ｉｒなどを採用すればよい。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂの膜厚は、圧電変換部３０の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。

また、下部電極２０の材料としては、例えばＰｔ、Ｉｒなどの導電性材料を採用し、圧電変換部３０の材料としては、例えば、ＰＺＴ，ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＬｉＮｂＯ_３などを採用し、上部電極４０の材料としては、例えば、Ａｌを採用すればよいが、これらの材料は特に限定するものではない。

ところで、圧電変換部３０は、下部電極２０の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部３０ａを有している。ここにおいて、各圧電変換要素部３０ａは、下部電極２０の厚み方向に長手方向が一致する柱状（本実施形態では、円柱状）に形成されている。また、圧電変換部３０は、下部電極２０の厚み方向に直交する面内における単位格子が四角形（ここでは、正方形）の仮想の２次元格子の各格子点それぞれに圧電変換要素部３０ａが配置されている。要するに、圧電変換部３０は、圧電変換要素部３０ａが下部電極２０上で２次元アレイ状に配置されている。なお、本実施形態では、圧電変換部３０の各圧電変換要素部３０ａが円柱状に形成されており、圧電変換要素部３０ａの長手方向に直交する断面が円形状となっているが、圧電変換要素部３０ａは柱状の形状であればよく、例えば、長手方向に直交する断面が矩形状や五角形状や六角形状となるような柱状の形状でもよい。また、圧電変換部３０は、各圧電変換要素部３０ａの形状を下部電極２０の厚み方向に幅方向が一致する帯板状の形状として、複数の圧電変換要素部３０ａが１次元アレイ状に配置されていてもよい。

以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について簡単に説明する。

まず、ベース基板１０の基礎となる単結晶のシリコン基板１１の主表面側に、低音響インピーダンス層１２ａと高音響インピーダンス層１２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響多層膜１２を形成する。その後、シリコン基板１１と音響多層膜１２とからなるベース基板１０の上記一表面側に下部電極２０を例えばスパッタ法や蒸着法などにより成膜し、次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、下部電極２０の表面）に、圧電変換部３０の基礎となる圧電膜を例えばスパッタ法やゾルゲル法やＭＯＣＶＤ法などによって成膜する。その後、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記圧電膜をパターニングすることによって上記圧電膜の一部からなる複数の圧電変換要素部３０ａを形成することで圧電変換部３０を形成する。続いて、ベース基板１０の上記一表面側に上部電極４０をスパッタ法や蒸着法などによって成膜する。なお、上記圧電膜をパターニングするリソグラフィ工程では、例えば、フォトリソグラフィ技術を利用すればよく、エッチング工程では、例えば、ウェットエッチング技術やドライエッチング技術を利用すればよく、ドライエッチング技術を採用する場合には、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置などを用いればよい。また、ＢＡＷ共振器の製造にあたっては、ウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。

以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電変換部３０が、下部電極２０の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部３０ａを有しているので、従来のように圧電変換部３０’（図５、図６参照）全体が連続膜により構成されている場合に比べて、下部電極２０と圧電変換部３０との界面に沿って作用する横方向の拘束力を低減できて、圧電変換部３０が厚み方向へ振動しやすくなり、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電変換要素部３０ａが、下部電極２０の厚み方向に長手方向が一致する円柱状に形成されているので、圧電変換部３０が厚み方向へ振動しやすくなり、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。ここにおいて、圧電変換部３０は、圧電変換要素部３０ａのアスペクト比（ここでは、アスペクト比＝〔圧電変換要素部３０ａの長手方向の長さ〕／〔圧電変換要素部３０ａの長手方向に直交する断面の直径〕）を２に設定してあるが、アスペクト比は２以上に設定することが好ましい。このように圧電変換要素部３０ａのアスペクト比を２以上とすることで、圧電変換要素部３０ａが柱の長手方向に振動する縦振動モードで振動することとなり、アスペクト比が２よりも小さくて薄膜の厚み方向に振動する縦振動モードで振動する場合に比べて、下部電極２０と圧電変換部３０との界面に沿って作用する横方向の拘束力を低減できて、機械的品質係数および電気機械結合係数が高くなる。

また、本実施形態では、圧電変換部３０は、上述のように下部電極２０の厚み方向に直交する面内における単位格子が四角形の２次元格子の各格子点それぞれに圧電変換要素部３０ａが配置されている（つまり、圧電変換要素部３０ａが周期的に規則正しく配置されている）ので、隣り合う圧電変換要素部３０ａどうしが干渉するのを防止することができ、スプリアス応答によるノイズを低減できる。ここにおいて、圧電変換部３０は、隣り合う圧電変換要素部３０ａ間の距離を５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内で設定することが望ましく、５ｎｍ以上に設定することにより、隣り合う圧電変換要素部３０ａどうしが干渉するのを防止できるとともに製造が容易になり、５００ｎｍ以下に設定することにより、上部電極４０の成膜時に上部電極４０の一部が隣り合う圧電変換要素部３０ａ間の隙間を通して下部電極２０と接する形で成膜されるのを防止することができ、上部電極４０と下部電極２０との短絡を防止することができるから、製造歩留まりが向上させるとともに信頼性を高めることが可能となる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０が音響多層膜１２上に形成されているので、圧電変換部３０側からベース基板１０側へ伝搬しようとする弾性波を音響多層膜１２により圧電変換部３０側へ反射することができ、弾性波のエネルギ損失（音響エネルギの損失）を低減できるから、音響多層膜１２を備えていない場合に比べて電気機械結合係数を高めることができる。

ところで、本実施形態では、図１（ｂ）に示したように、圧電変換部３０の各圧電変換要素部３０ａが、下部電極２０の厚み方向に直交する面内における単位格子が四角形の仮想の２次元格子の各格子点に配置されているが、図２に示すように、単位格子が三角形の仮想の２次元格子の各格子点に配置されていてもよい。

（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷ共振器の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、圧電変換部３０が、上記圧電膜の一部であって下部電極２０の厚み方向に直交する面内で圧電変換要素部３０ａの群を囲む連続膜からなる枠部３０ｂを有している点が相違する。ここにおいて、圧電変換部３０は、上部電極４０が重なる領域が共振用領域となっており、当該共振用領域を囲む形で枠部３０ｂが形成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電変換部３０が、下部電極２０の厚み方向に直交する面内で圧電変換要素部３０ａの群を囲む枠部３０ｂを有しているので、機械的強度を高めることができ、また、製造時のハンドリングが容易になるとともに製造歩留まりが高くなる。

（実施形態３）
本実施形態のＢＡＷ共振器の基本構成は実施形態２と略同じであり、図４に示すように、圧電変換部３０と上部電極４０との間に絶縁薄膜（例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳＯＧ膜など）５０を介在させてある点が相違する。ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、実施形態１にて説明したＢＡＷ共振器の製造方法において、圧電変換部３０を形成した後であって上部電極４０を形成する前に、スパッタ法やＣＶＤ法や途布法などにより絶縁薄膜５０を形成する工程を設ければよい。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電変換部３０と上部電極４０との間に絶縁薄膜５０を介在させてあるので、上部電極４０と下部電極２０とが短絡するのを防止でき、製造歩留まりの向上を図れるとともに信頼性を高めることができる。

ところで、上記各実施形態では、ベース基板１０が音響多層膜１２を備えたＢＡＷ共振器であるＳＭＲについて例示したが、ベース基板１０に音響多層膜１２を設ける代わりに、ベース基板１０に圧電変換部３０からベース基板１０へのバルク弾性波の伝搬を抑制するための空洞が形成されたＦＢＡＲを構成してもよい。

実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。同上の他の構成例を示す概略平面図である。実施形態２を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。実施形態３を示す概略断面図である。従来例を示す概略断面図である。他の従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ベース基板
１１シリコン基板
１２音響多層膜
２０下部電極
３０圧電変換部
３０ａ圧電変換要素部
３０ｂ枠部
４０上部電極
５０絶縁薄膜

Claims

ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電膜からなる圧電変換部と、圧電変換部における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えたＢＡＷ共振器であって、圧電変換部は、下部電極の厚み方向に直交する面内で分離された複数の圧電変換要素部を有することを特徴とするＢＡＷ共振器。
前記ベース基板は、前記圧電変換部で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜が前記一表面側に形成されてなり、前記下部電極は、音響多層膜上に形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振器。
前記ベース基板は、前記下部電極における前記圧電変換部側とは反対側に空洞が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振器。
前記圧電変換要素部は、前記下部電極の厚み方向に長手方向が一致する柱状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載にＢＡＷ共振器。
前記圧電変換要素部は、アスペクト比が２を下回らないことを特徴とする請求項４記載のＢＡＷ共振器。
前記圧電変換部は、前記下部電極の厚み方向に直交する面内における単位格子が四角形もしくは三角形の２次元格子の各格子点それぞれに前記圧電変換要素部が配置されてなることを特徴とする請求項４または請求項５記載のＢＡＷ共振器。
前記圧電変換部は、隣り合う前記圧電変換要素部間の距離が５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内で設定されてなることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載にＢＡＷ共振器。
前記圧電変換部は、前記下部電極の厚み方向に直交する面内で前記圧電変換要素部の群を囲む枠部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振器。
前記圧電変換部と前記上部電極との間に絶縁薄膜を介在させてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振器。