JP2008109573A - 薄膜圧電共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】破損が起こりにくく、反共振周波数におけるインピーダンス低下が抑制され、高いＱ値を有し、スプリアスモードの発生の抑制された薄膜圧電共振器を提供する。
【解決手段】圧電層２と上部電極１２及び下部電極１０とを有する圧電共振スタック１４と、その下に形成された空隙４と、圧電共振スタックを支持する基板８とを含んでなる薄膜圧電共振器。圧電共振スタック１４は、上部電極１２と下部電極１０とが圧電層２を介して互いに対向し且つ空隙４に対応して位置する振動領域２０と、基板８に接する支持領域２４と、振動領域２０及び支持領域２４の間に位置する緩衝領域２２とからなる。緩衝領域２２における圧電層２の厚みｔと振動領域２０における圧電層２の厚みＴとがＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２の関係を満たし、基板８に平行な方向に存在する定在波の波長λとこの定在波の方向に関する緩衝領域２０の寸法ｘとがλ／２００≦ｘ≦λ／２０の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜圧電共振器に関するものである。薄膜圧電共振器は、たとえば通信機器の電子回路のコンポーネントであるフィルタまたはデュプレクサを構成するのに利用される。

セルラ電話機のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、セルラ電話機に多様な機能を付与することが要望されており、その実現のためにはできるだけ多くの回路コンポーネントを組み込むことが好ましい。一方、セルラ電話機の大きさには制約があるので、結局、機器における各構成部分の専有面積（実装面積）及び高さの低減の要求が厳しくなり、従ってＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても専有面積が小さく高さの低いものが求められている。

このような事情から、ＲＦ回路コンポーネントに使用される帯域通過フィルタとして、小型でかつ軽量化が可能な薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタが利用されるようになっている。このような薄膜圧電フィルタは、半導体基板上に上下の電極で挟まれるように窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等からなる圧電層を形成し、且つ弾性波エネルギーが半導体基板中に漏洩しないように、その直下に振動空間または音響反射層を設けてなる薄膜圧電共振器を用いたＲＦフィルタである。このように、薄膜圧電共振器は大別して２種類のものが存在する。第１番目のものは、上部電極、下部電極および圧電層からなる圧電共振スタックの直下に空隙（振動空間）を設けたＦｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）であり、第２番目のものは、基板上に音響インピーダンスが互いに異なる２種類の層を交互に積層してなる音響反射層上に圧電共振スタックを形成したＳｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＭＲ）である。

これらの薄膜圧電共振器は、特開２００６−１２８９９３号公報（特許文献１）及び特開２００６−１０９４７２号公報（特許文献２）に記載されているように、弾性エネルギーが振動領域外部に漏洩することで、共振器特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことがある。

弾性エネルギーの散逸を抑制し、共振特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を抑制する方法として、特許文献１には、上部電極と同一形状にて上部電極外部の圧電層をエッチングして除去する手法が記載されている。さらに、「ＡＩＲ−ＢＡＣＫＥＤ Ａｌ／ＺｎＯ／Ａｌ ＦＩＬＭ ＢＵＬＫ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＷＩＴＨＯＵＴ ＡＮＹ ＳＵＰＰＯＲＴ ＬＡＹＥＲ」、２００２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、２００２、ｐｐ．２０−２６（非特許文献１）には、振動領域外の圧電層、上部および下部の電極層を除去する手法が記載されている。また、特許文献２には、上部電極の外周部に環帯を設けることにより、環帯により囲まれる内側部分と環帯との音響インピーダンスを異ならせて、振動領域外への弾性波の散逸を抑制し、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることが示されている。さらに、特開２００５−３３７７５号公報（特許文献３）には、振動領域外の圧電層の厚みを振動領域内の圧電層の厚みに比べ薄くすることにより、薄膜圧電共振器の共振周波数の調整が容易になることが記載されている。
特開２００６−１２８９９３号公報 特開２００６−１０９４７２号公報 特開２００５−３３７７５号公報 「ＡＩＲ−ＢＡＣＫＥＤ Ａｌ／ＺｎＯ／Ａｌ ＦＩＬＭ ＢＵＬＫ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＷＩＴＨＯＵＴ ＡＮＹ ＳＵＰＰＯＲＴ ＬＡＹＥＲ」、２００２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、２００２、ｐｐ．２０−２６

上記のように、薄膜圧電フィルタには、通過帯域での挿入損失を低減することと通過帯域外での減衰を大きくすることとが求められている。そのため、薄膜圧電共振器としては、共振周波数におけるインピーダンスを小さくし且つＱ値を高めるとともに、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくし且つＱ値を高めることが求められている。

薄膜圧電共振器の共振特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの特性を高めるためには、弾性エネルギーの振動領域外への散逸を抑制することが必要である。しかし、ＡｌＮ薄膜のようにポアソン比が１／３以下の材料については、エネルギーを閉じ込めることが困難であるため、共振特性が劣化しやすい。

特許文献２に記載の手法は、薄膜圧電共振器のＱ値を大きくすることが可能であるが、共振周波数近傍のスプリアスを大きくしてしまうという欠点があった。また、特許文献１および非特許文献１に記載の手法は、薄膜圧電共振器の破損が起こり易くなり、歩留まりの低下を招くという問題があった。さらに、特許文献３には、反共振周波数におけるインピーダンス低下の抑制については記載がなく、この記載に基づき良好な共振器特性を実現することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構造的に破損が起こりにくく、且つ、反共振周波数におけるインピーダンス低下が抑制された、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を提供することを、主たる目的とするものである。

本発明の更に別の目的は、スプリアスモードの発生の抑制された薄膜圧電共振器を提供することである。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電層と該圧電層を挟んで対向するように形成された上部電極及び下部電極とを有する圧電共振スタックと、該圧電共振スタックの下に形成された空隙または音響反射層と、前記圧電共振スタックを支持する基板とを含んでなる薄膜圧電共振器であって、
前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域における前記圧電層の厚みｔと前記振動領域における前記圧電層の厚みＴとがＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２の関係を満たし、前記基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと該定在波の方向に関する前記緩衝領域の寸法ｘとがλ／２００≦ｘ≦λ／２０の関係を満たすことを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記緩衝領域の寸法ｘが０．５μｍ以上４０μｍ以下の範囲内にある。本発明の一態様においては、前記圧電層がＡｌＮを主成分とする材料で構成されている。本発明の一態様においては、前記基板に平行な平面内における前記振動領域の形状が楕円である。

本発明の薄膜圧電共振器によれば、圧電共振スタックが振動領域と支持領域との間に位置する緩衝領域を有しており、緩衝領域における圧電層の厚みｔと振動領域における圧電層の厚みＴとがＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２の関係を満たし、基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと定在波の方向に関する緩衝領域の寸法ｘとがλ／２００≦ｘ≦λ／２０の関係を満たすようにしているので、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことなく、高いＱ値を実現することができる。

また、本発明の薄膜圧電共振器において緩衝領域の幅ｘを０．５μｍ以上４０μｍ以下の範囲内とすることにより、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく且つ高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を安定に提供することができる。

また、本発明の薄膜圧電共振器において圧電層をＡｌＮを主成分とする材料で構成することにより、より高いＱ値を実現することができる。

また、本発明の薄膜圧電共振器において基板に平行な平面内における振動領域の形状を楕円とすることにより、スプリアスモードの発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。尚、以下に説明する図面においては同等の機能を有する部材又は部分には同一または対応する符号が付されている。

図１は本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的平面図であり、図２及び図３はそれぞれその模式的Ｘ−Ｘ部分断面図及び模式的Ｙ−Ｙ部分断面図である。

本実施形態の薄膜圧電共振器は、シリコン等の半導体からなる基板８と、該基板上に形成された圧電共振スタック１４とを有する。基板８の上面には、凹部９が形成されている。基板８の上面と平行な平面内での凹部９の形状は正方形である。凹部９の深さは、たとえば、０．５μｍ〜１０μｍである。凹部９により圧電共振スタックの一方側（下方側）の振動空間（空隙）４が形成される。圧電共振スタック１４の他方側（上方側）は全体的に大気と接している。従って、振動空間４に対応する圧電共振スタック１４の領域は、振動が許容される。

圧電共振スタック１４は、圧電層２と、該圧電層を挟むように形成された下部電極１０および上部電極１２とを含む積層体である。下部電極１０および上部電極１２は、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のように、薄膜として製造でき且つパターニング可能な金属材料からなる層またはそれらの積層体からなるものとすることができる。圧電層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等からなるものとすることができるが、より高いＱ値を実現するために、ＡｌＮを主成分とする材料で構成するのが好ましい。ここで、「主成分とする」とは、層中における含有量が５０モル％以上であることを示す。

下部電極１０は、パターン状に形成されており、主体部１０Ａと接続端子部１０Ｂとからなる。同様に、上部電極１２は、パターン状に形成されており、主体部１２Ａと接続端子部１２Ｂとからなる。下部電極主体部１０Ａと上部電極主体部１２Ａとが圧電層２を介して重畳している平面内領域（ここで、平面内領域とは上下方向にみた場合の領域を指す）を、圧電共振スタック１４の振動領域２０とする。基板８の上面と平行な平面内での振動領域２０の寸法ａは、たとえば５０μｍ〜４００μｍである。また、基板８の上面と接触し該基板により支持されている平面内領域を、圧電共振スタック１４の支持領域２４とする。そして、振動領域２０と支持領域２４との間に位置する平面内領域を、圧電共振スタック１４の緩衝領域２２とする。

このように、圧電共振スタック１４は、振動領域２０の全体においては下部電極１０と圧電層２と上部電極１２との積層構造を持つが、支持領域２４及び緩衝領域２２においては、その少なくとも一部において、圧電層２のみの単独構造、圧電層２と下部電極１０との積層構造、あるいは圧電層２と上部電極１２との積層構造を持つ。下部電極主体部１０Ａは振動空間４を塞いでいる。該振動空間４は、緩衝領域２２において圧電層２と下部電極１０との積層構造を上下方向に貫通するように形成された貫通小孔１８を介して、外気と連通している。

緩衝領域２２は、幅ｘを持つ。即ち、緩衝領域２２のＸ−Ｘ方向に延びている部分のＹ−Ｙ方向寸法及び緩衝領域２２のＹ−Ｙ方向に延びている部分のＸ−Ｘ方向寸法は、いずれもｘである。本実施形態では、振動領域２０における圧電層２の厚みＴより、緩衝領域２２における圧電層２の厚みｔを薄く形成している。特に、緩衝領域２２における圧電層２の厚みｔと振動領域２０における圧電層２の厚みＴとがＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２の関係、更に好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２の関係、を満たすようにしている。また、基板８の上面に平行な方向に伝播する定在波の波長をλとしたときに、該定在波の波長λと緩衝領域２２の幅ｘとがλ／２００≦ｘ≦λ／２０の関係、更に好ましくはλ／１００≦ｘ≦λ／２５の関係、を満たすようにしている。これにより、共振器のＱ値を大きくすることが可能である。

ｔがＴ／２より大きくなると、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちになり、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができ難くなる。一方、ｔがＴ／８未満になると、共振器の製造工程中での圧電共振スタックの破損が起こりやすくなり、安定して薄膜圧電共振器を製造することが困難である。したがって、Ｔ／８≦ｔ≦Ｔ／２好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２の関係が満たされるようにすることで、破損しにくい堅牢な構造を有し、且つ、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく（例えば１３００Ω以上）、大きなＱ値を有する薄膜圧電共振器を容易に得ることが可能になる。

薄膜圧電共振器には、複数の振動モードが存在するが、本発明では厚み方向に定在波が発生する圧電振動を利用しており、圧電共振スタック１４の厚みが、振動領域２０において弾性波の波長の２分の１となる。しかし、一方で、基板８の上面に平行な平面内方向にも定在波が存在し、図１〜図３の実施形態の薄膜圧電共振器においては、振動領域２０の互いに平行な２辺（Ｘ−Ｘ方向の２辺またはＹ−Ｙ方向の２辺）間の距離ａがλ／２となる波長λの定在波が発生する。緩衝領域２２の幅ｘがλ／２００未満の場合には、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちになる。また、ｘがλ／２０を超えると、共振帯域内にスプリアスが発生しやすくなり、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちである。したがって、λ／２００≦ｘ≦λ／２０好ましくはλ／１００≦ｘ≦λ／２５となるように緩衝領域２２の幅ｘを設定することにより、振動領域２０からの弾性的エネルギーの散逸を抑制することが可能となり、反共振周波数におけるインピーダンスが大きな高いＱ値の薄膜圧電共振器を得ることができる。

本発明の薄膜圧電共振器は、ＧＨｚ以上の高周波領域で使用することを目的としている。この場合、圧電共振スタック１４の厚みは、振動領域２０で３μｍ以下となり、図１〜図３の実施形態のように振動領域２０の下側に基板凹部９による空隙４を形成した場合において、圧電共振スタック１４を安定して作製するためには、共振器サイズ（振動領域２０の寸法ａ）を４００μｍ以下とすることが好ましい。さらに、高周波領域における導体損失を考慮すると、５０μｍ以上のライン幅（下部電極接続端子部１０Ｂ及び上部電極接続端子部１０Ｂの幅）にて使用することが好ましく、このため導体損失を低減するため共振器サイズとしても５０μｍ以上が好ましい。つまり、好ましい共振器サイズは、５０μｍ以上４００μｍ以下である。この場合の基板８の上面に平行な平面内方向の定在波の波長λは、５０μｍ≦λ／２≦４００μｍとなる。したがって、緩衝領域２２の幅ｘに関する上記関係式λ／２００≦ｘ≦λ／２０は０．５μｍ≦ｘ≦４０μｍとなり、また上記関係式λ／１００≦ｘ≦λ／２５は１μｍ≦ｘ≦３２μｍとなる。

図１〜図３の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、基板８の上面に湿式エッチング等の技術により凹部９を形成した後、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の成膜技術により犠牲層を形成する。犠牲層としては、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）のように、容易にエッチングされる材料が適当である。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により犠牲層付の基板８の上面を平坦化し、凹部９の内部にのみ犠牲層が残留するようにする。その上に、前述の成膜方法により下部電極１０、圧電層２及び上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて下部電極１０、圧電層２及び上部電極１２の各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図１で斜線部で示した緩衝領域２２および支持領域２４の一部の圧電層２を、厚さがＴからｔ（Ｔ／８≦ｔ≦Ｔ／２好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２）になるようにエッチングする。このエッチングに際しては、パターニングされた上部電極１２をエッチングマスクとして利用することができる。その後、緩衝領域２２において圧電共振スタック１４の上面から犠牲層まで達する貫通小孔１８を形成し、該貫通小孔１８を介してエッチング液を供給して犠牲層を除去する。これにより、凹部９と圧電共振スタック１４との間に振動空間４が形成される。

図４は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的平面図である。図１〜図３の実施形態では、圧電共振スタック１４の振動領域２０の形状が正方形であるが、この図４の実施形態では、圧電共振スタック１４の振動領域２０の形状が楕円である。この実施形態は、基板凹部９の平面内形状が楕円で、これに対応して、振動領域２０の形状が長径ａ及び短径ｂの楕円で、緩衝領域２２の形状が略楕円環形であることのみ、上記図１〜３の実施形態と異なる。

本実施形態のように、圧電共振スタック１４の振動領域２０平面内形状を楕円とした場合には、平面内方向の定在波によるスプリアスを一層低減することができる。

図５は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図である。図１〜図３の実施形態及び図４の実施形態では、基板８の表面に形成された凹部９により振動空間４を形成しているが、この図５の実施形態では、基板８の上面上に絶縁層６を形成し、該絶縁層６に形成した開口７により振動空間４を形成している。この実施形態は、基板８の上面に絶縁層６を形成し、該絶縁層に凹部９を形成していることのみ、上記図１〜３の実施形態または上記図４の実施形態と異なる。

この図５の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、シリコン基板などの半導体基板８上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜技術により絶縁層６を形成する。絶縁層６がＳｉＯ_２の場合にはシリコン基板８の熱酸化により絶縁層６を形成することも可能である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜法により、エッチング液にて容易に溶解する犠牲層を形成し、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いてパターニングする。犠牲層としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）などの金属またはそれらの金属酸化物が適当である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極１０、圧電層２及び上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図１または図４の斜線部で示した緩衝領域２２および支持領域２４の一部の圧電層２をＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２となるようにエッチングする。その後、前記パターニング技術を用いて、緩衝領域２２において圧電共振スタック１４の上面から犠牲層まで達する貫通小孔１８を形成し、該貫通小孔１８を介してエッチング液を供給して犠牲層を除去する。さらに、絶縁層６のエッチングが可能なエッチング液を選択し、絶縁層６をエッチングすることにより、犠牲層と同一パターンで絶縁層６をエッチングすることができる。これにより、絶縁層６に開口７を形成し、振動空間４を形成することができる。

図６は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図である。この図６の実施形態は、基板８の上面から下面にまで到達する貫通開口９’により振動空間４を形成している点のみ上記図１〜３の実施形態または上記図４の実施形態と異なる。

この図６の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、前述の成膜方法で下部電極１０、圧電層２及び上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。その後、前記パターニング技術を用いて、図１または図４の斜線部で示した緩衝領域２２および支持領域２４の一部の圧電層２をＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２となるようにエッチングする。更に、半導体基板８の下面側より、異方性湿式エッチング、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ等の深堀エッチング技術にて、基板８をエッチングすることにより基板８に貫通開口９’を形成し、該貫通開口により振動空間４を形成することができる。

図７は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図８及び図９はそれぞれその模式的Ｘ−Ｘ部分断面図及び模式的Ｙ−Ｙ部分断面図である。以上の図１〜図３の実施形態、図４の実施形態、図５の実施形態、及び図６の実施形態では、圧電共振スタック１４の下側に振動空間４が形成されているが、この図７〜図９の実施形態では、圧電共振スタック１４の下側に音響反射層３０が形成されている。音響反射層３０は、低インピーダンス層と高インピーダンス層との交互積層体からなる。低インピーダンス層としてはＳｉＯ_２やＡｌＮなどの音響インピーダンスの小さな材料からなるものが使用され、高インピーダンス層としてはＭｏ、Ｗ、Ｔａ_２Ｏ_５などの音響インピーダンスの大きな材料からなるものが使用され、これらの低インピーダンス層及び高インピーダンス層の厚みが弾性波の４分の１波長に相当するように設定される。

この図７〜図９の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、湿式エッチング等の技術によりシリコン基板などの半導体基板８にピット部を形成し、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの成膜技術により音響反射層３０を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により音響反射層付の基板８の上面を平坦化し、ピット内部にのみ音響反射層３０が堆積された基板とする。スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極１０、圧電層２及び上部電極１２を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図７の斜線部で示した緩衝領域２２および支持領域２４の一部の圧電層２をＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２好ましくはＴ／６≦ｔ≦Ｔ／２となるようにエッチングする。

図１０は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図であり、上記図２に対応する部分を示すものである。

本実施形態の薄膜圧電共振器は、圧電共振スタック１４の下面に下部誘電体層２６が付されており、圧電共振スタック１４の上面に上部誘電体層２８が付されている点のみ上記図１〜３の実施形態または上記図４の実施形態と異なる。下部誘電体層２６及び上部誘電体層２８としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_ｘ）、およびサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの比較的弾性率の大きな材料が好ましい。下部誘電体層２６及び上部誘電体層２８の厚さは、たとえば、０．０５μｍ〜０．５μｍである。

本実施形態によれば、上記の図１〜図３の実施形態と同様に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下が抑制され高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、下部誘電体層２６及び上部誘電体層２８を設けているので、それぞれ下部電極１０及び上部電極１２を保護することができる。

以下、実施例及び比較例により、更に本発明を説明する。

（実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例３）
振動領域２０の平面内形状が長径２１０μｍで短径１２２μｍの楕円である図２〜図４の形態の薄膜圧電共振器を作製した。下部電極１０はＭｏからなり厚みが３００ｎｍであり、圧電層２はＡｌＮからなり振動領域２０における厚みＴが１２００ｎｍで且つ緩衝領域２２での厚みｔが２００ｎｍ（実施例１：ｔ＝Ｔ／６）であり、上部電極１２はＭｏ層とＡｌ層との積層膜からなり厚みが３００ｎｍ（各層１５０ｎｍ）であった。また、緩衝領域２２の幅ｘは、ｘ＝λ／４０＝８．０μｍとした。ここで、振動領域２０の平面内形状が楕円であるため、平面内方向での定在波の波長λは、λ＝２（ａ×ｂ）^１／２＝３２０μｍとしている。

図１１に、作製した薄膜圧電共振器の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）−インピーダンス（Ｚ）の関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが２５００Ωで、Ｑ値が９８０と良好な共振器特性を示している。

続いて、緩衝領域２２における圧電層２の厚みｔをＴに変えて（比較例１：ｔ＝Ｔ）、同様な薄膜圧電共振器を作製した。

図１２に、作製した薄膜圧電共振器の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）−インピーダンス（Ｚ）の関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが１１００Ωであり、実施例１の結果に比べインピーダンスがかなりの程度小さくなっており、共振器特性は実施例１のものに比べてかなり劣っている。

続いて、緩衝領域２２における圧電層２の厚みｔを更に変えて（実施例２：ｔ＝Ｔ／３、実施例３：ｔ＝Ｔ／２、比較例２：ｔ＝２Ｔ／３）、同様な薄膜圧電共振器を作製した。

図１３に、実施例１［Ｅｘ．１］〜実施例３［Ｅｘ．１］、比較例１［Ｃｏｍ．Ｅｘ．１］及び比較例２［Ｃｏｍ．Ｅｘ．２］でそれぞれ得られた薄膜圧電共振器での、ｔ／Ｔと反共振周波数におけるインピーダンス（Ｚｍａｘ）との関係を示す。実施例１〜実施例３で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく良好な共振器特性を示している。これに対して、比較例１及び比較例２で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが小さく共振器特性は劣っている。

尚、ｔ／Ｔ＝０即ち緩衝領域２２で圧電層２を完全に除去した場合（比較例３）には、製造工程で圧電共振スタックの破損が起こり、共振器特性を測定することができなかった。

（実施例４〜実施例８及び比較例４〜比較例５）
緩衝領域２２の幅ｘを変えた（実施例４：ｘ＝λ／５３．３＝６．０μｍ、実施例５：ｘ＝λ／８０＝４．０μｍ、実施例６：ｘ＝λ／２６．７＝１２．０μｍ、実施例７：ｘ＝λ／１６０＝２．０μｍ、実施例８：ｘ＝λ／２０＝１６．０μｍ、比較例４：ｘ＝０μｍ、比較例５：ｘ＝λ／１６＝２０．０μｍ）ことを除いて、実施例１と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。

図１４に、実施例１［Ｅｘ．１］、実施例４［Ｅｘ．４］〜実施例８［Ｅｘ．８］、比較例４［Ｃｏｍ．Ｅｘ．４］及び比較例５［Ｃｏｍ．Ｅｘ．５］でそれぞれ得られた薄膜圧電共振器での、ｘ／λと反共振周波数におけるインピーダンス（Ｚｍａｘ）との関係を示す。実施例１及び実施例４〜実施例８で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく良好な共振器特性を示している。特に、実施例１及び実施例４〜実施例６で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが２００Ω以上と特に大きく極めて良好な共振器特性を示している。これに対して、比較例４及び比較例５で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが小さく共振器特性は劣っている。尚、比較例５で得られた薄膜圧電共振器では、共振帯域内にスプリアスが発生した。

本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的平面図である。 図１の模式的Ｘ−Ｘ部分断面図である。 図１の模式的Ｙ−Ｙ部分断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的平面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的平面図である。 図７の模式的Ｘ−Ｘ部分断面図である。 図７の模式的Ｙ−Ｙ部分断面図である。 本発明の薄膜圧電共振器の実施形態を示す模式的断面図である。 実施例で作製した薄膜圧電共振器の周波数−インピーダンスの関係を示す図である。 比較例で作製した薄膜圧電共振器の周波数−インピーダンスの関係を示す図である。 実施例及び比較例で得られた薄膜圧電共振器でのｔ／Ｔと反共振周波数におけるインピーダンスとの関係を示す図である。 実施例及び比較例で得られた薄膜圧電共振器でのｘ／λと反共振周波数におけるインピーダンスとの関係を示す図である。

符号の説明

２ 圧電層
４ 振動空間
６ 絶縁層
７ 開口
８ 半導体基板
９ 凹部
９’ 貫通開口
１０ 下部電極
１０Ａ 下部電極主体部
１０Ｂ 下部電極接続端子部
１２ 上部電極
１２Ａ 上部電極主体部
１２Ｂ 上部電極接続端子部
１４ 圧電共振スタック
１６ 接続導体
１８ 貫通小孔
２０ 振動領域
２２ 緩衝領域
２４ 支持領域
２６ 下部誘電体層
２８ 上部誘電体層
３０ 音響反射層

Claims (4)

1. 圧電層と該圧電層を挟んで対向するように形成された上部電極及び下部電極とを有する圧電共振スタックと、該圧電共振スタックの下に形成された空隙または音響反射層と、前記圧電共振スタックを支持する基板とを含んでなる薄膜圧電共振器であって、
   前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
   前記緩衝領域における前記圧電層の厚みｔと前記振動領域における前記圧電層の厚みＴとがＴ／８≦ｔ≦Ｔ／２の関係を満たし、前記基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと該定在波の方向に関する前記緩衝領域の寸法ｘとがλ／２００≦ｘ≦λ／２０の関係を満たすことを特徴とする薄膜圧電共振器。
2. 前記緩衝領域の寸法ｘが０．５μｍ以上４０μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
3. 前記圧電層がＡｌＮを主成分とする材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。
4. 前記基板に平行な平面内における前記振動領域の形状が楕円であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。

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