JP2008182543A - Thin film piezoelectric resonator and thin film piezoelectric filter using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、通信機器の技術分野に属するものであり、とくに薄膜圧電共振器とそれを用いた薄膜圧電フィルタに関するものである。 The present invention belongs to the technical field of communication equipment, and particularly relates to a thin film piezoelectric resonator and a thin film piezoelectric filter using the same.
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コンポーネントを組み込むことが好ましい。一方で、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、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且つ高さの低いものが求められている。 The RF circuit part of a cellular telephone is always required to be downsized. Recently, it has been demanded to give various functions to cellular telephones, and it is preferable to incorporate as many components as possible in order to realize such functions. On the other hand, since the size of cellular phones is limited, after all, there is a strict requirement to reduce the occupied area (mounting area) and height of each component in the equipment, and therefore the components that make up the RF circuit section are also dedicated. What has a small area and a low height is desired.
このような事情から、RF回路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である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、その直下に空洞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。 Under such circumstances, a thin film piezoelectric filter using a thin film piezoelectric resonator that is small and can be reduced in weight is used as a band pass filter used in an RF circuit. Such a thin film piezoelectric filter forms a piezoelectric layer made of aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO) or the like so as to be sandwiched between upper and lower electrodes on a semiconductor substrate, and elastic wave energy leaks into the semiconductor substrate. Therefore, the RF filter uses a thin-film piezoelectric resonator in which a cavity or an acoustic reflection layer is provided immediately below.
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洞を設けた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。 As described above, there are two types of thin film piezoelectric resonators. The first is a Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) in which a cavity is provided immediately below a piezoelectric resonance stack composed of an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric layer, and the second one has an acoustic impedance on the substrate. This is a Surface Mounted Resonator (SMR) in which a piezoelectric resonance stack is formed on an acoustic reflection layer formed by alternately stacking two different types of layers.
前記のFBARおよびSMRは、圧電共振スタックの厚さ方向に伝搬する弾性波(縦音響モード)を用いた共振器である。上部電極および下部電極に印加された交流信号により励振された弾性波は圧電共振スタックの厚さ方向に伝搬し、上部電極の上側表面及び下部電極の下側表面の空気または音響反射層と接する面で、反射される。このため、上部電極の上側表面と下部電極の下側表面との距離が、弾性波の2分の1波長の整数倍となる場合に、弾性的な共振が生じる。 The FBAR and SMR are resonators using elastic waves (longitudinal acoustic mode) propagating in the thickness direction of the piezoelectric resonance stack. The elastic wave excited by the AC signal applied to the upper electrode and the lower electrode propagates in the thickness direction of the piezoelectric resonance stack, and is in contact with the air or the acoustic reflection layer on the upper surface of the upper electrode and the lower surface of the lower electrode. And reflected. For this reason, elastic resonance occurs when the distance between the upper surface of the upper electrode and the lower surface of the lower electrode is an integral multiple of half the wavelength of the elastic wave.
一方、圧電層の内部では、基板表面に平行な方向の弾性波の伝搬も生じる。この場合の圧電層中の弾性波は、ある周波数ωcより低い周波数では遮断モードとなり、ある周波数ωcより高い周波数では伝搬モードとなる。または、ある周波数ωcより低い周波数では伝搬モードとなり、ある周波数ωcより高い周波数では遮断モードとなる。この周波数ωcが遮断周波数であり、該遮断周波数ωcは、圧電層の厚さが該圧電層の厚さ方向に伝搬する弾性波の2分の1波長に一致する時の、該弾性波の周波数に相当する。ωcより高い周波数において遮断モードとなるか伝搬モードとなるかは、圧電層の分散曲線(Dispersion Curve)によって決定される。分散曲線は、圧電層を伝搬する弾性波の波数kと周波数ωとの関係を示す。 On the other hand, propagation of elastic waves in a direction parallel to the substrate surface also occurs inside the piezoelectric layer. Acoustic wave of the piezoelectric layer in this case becomes a cut-off mode at a frequency lower than a frequency omega c, the propagation mode at a frequency higher than a certain frequency omega c. Or becomes a propagating mode at a frequency lower than a frequency omega c, the cutoff mode at a frequency higher than a certain frequency omega c. This frequency ω c is a cut-off frequency, and the cut-off frequency ω c is the elastic wave when the thickness of the piezoelectric layer coincides with a half wavelength of the elastic wave propagating in the thickness direction of the piezoelectric layer. Corresponds to the frequency of. Whether a blocking mode becomes one propagation mode at a frequency higher than the omega c is determined by the dispersion curve of the piezoelectric layer (Dispersion Curve). The dispersion curve shows the relationship between the wave number k of the elastic wave propagating through the piezoelectric layer and the frequency ω.
図6は分散曲線を模式的に表している。図6に示すように、ZnO薄膜は、ωcより低周波数側で遮断モードとなることから、低域遮断型の分散曲線を示す。一方、AlN薄膜は、ωcより高周波数側で遮断モードとなることから、高域遮断型の分散曲線を示す。 FIG. 6 schematically shows a dispersion curve. As shown in FIG. 6, ZnO thin films, since the cutoff mode than omega c low frequency side, showing the dispersion curve of the low-cut type. On the other hand, AlN thin film, since the cut-off mode at a higher frequency side than omega c, shows a dispersion curve of the high-cut type.
図7は圧電共振スタックの電極形成部(振動領域)と電極非形成部(緩衝領域)との分散曲線の関係を模式的に表したものである。上部電極が形成されている振動領域の遮断周波数ωvcは、電極による厚さ増加と質量付加とに起因して、上部電極の存在しない緩衝領域の遮断周波数ωbcよりも低い。圧電層としてAlN薄膜を用いた場合、分散曲線は高域遮断型を示すことから、振動領域で励振された弾性波は、緩衝領域においては伝搬モードとなる。一方、基板に支持されている支持領域の遮断周波数ωscは、支持基板による厚さ増加と質量付加とに起因して、振動領域の遮断周波数ωvcに比べて低い。このため、支持領域では遮断モードとなり弾性波は伝搬しない。従って、緩衝領域を伝搬した弾性波は、支持領域と緩衝領域との境界で反射されることになる。 FIG. 7 schematically shows the relationship of dispersion curves between the electrode forming portion (vibration region) and the electrode non-forming portion (buffer region) of the piezoelectric resonance stack. The cut-off frequency ω vc of the vibration region where the upper electrode is formed is lower than the cut-off frequency ω bc of the buffer region where the upper electrode does not exist, due to the increase in thickness and mass addition due to the electrode. When an AlN thin film is used as the piezoelectric layer, the dispersion curve shows a high-frequency cutoff type, so that the elastic wave excited in the vibration region becomes a propagation mode in the buffer region. On the other hand, the cut-off frequency ω sc of the support region supported by the substrate is lower than the cut-off frequency ω vc of the vibration region due to the increase in thickness and mass addition by the support substrate. For this reason, it becomes a cutoff mode in a support area, and an elastic wave does not propagate. Therefore, the elastic wave propagated through the buffer region is reflected at the boundary between the support region and the buffer region.
振動領域で励振される弾性波は、厚み縦振動の共振周波数において、支持領域では遮断モードとなるので伝搬せず、緩衝領域と支持領域との境界において反射される。また、緩衝領域と支持領域との境界より支持領域の側では、弾性波はエバネッセント波となり減衰する。このように、緩衝領域と支持領域との境界において弾性波が反射される場合でも、支持基板への弾性エネルギーの散逸は皆無ではない。この支持基板への弾性エネルギーの散逸による僅かな弾性エネルギーの損失によっても、薄膜圧電共振器の品質係数Q値の低下が生じていた。 The elastic wave excited in the vibration region does not propagate at the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration because it is in the cutoff mode in the support region, and is reflected at the boundary between the buffer region and the support region. In addition, the elastic wave becomes an evanescent wave and attenuates on the support region side from the boundary between the buffer region and the support region. Thus, even when an elastic wave is reflected at the boundary between the buffer region and the support region, the dissipation of elastic energy to the support substrate is not completely absent. Even a slight loss of elastic energy due to the dissipation of elastic energy to the support substrate has caused a decrease in the quality factor Q value of the thin film piezoelectric resonator.
特許文献1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。
In
非特許文献1には、圧電層としてAlN薄膜を用いたSMRに対して、音響反射層の層構成を最適化することにより、AlN薄膜の分散曲線を高域遮断型から低域遮断型に変化させ、更に上部電極の外周部に環帯部を設けることにより、スプリアスモードの抑制及び弾性波エネルギーの閉じ込めが可能なことが示されている。
薄膜圧電フィルタには、通過帯域に出現するスプリアス特性を抑制し、且つ、低挿入損失を実現することが求められている。そのために、それに用いられる薄膜圧電共振器には、不要振動である横音響モードの抑制と高い品質係数Q値の実現とが求められる。 Thin film piezoelectric filters are required to suppress spurious characteristics appearing in the passband and realize low insertion loss. For this reason, the thin film piezoelectric resonator used in the thin film piezoelectric resonator is required to suppress the transverse acoustic mode, which is an unnecessary vibration, and to realize a high quality factor Q value.
薄膜圧電共振器の圧電層の材質としては、AlNまたはZnOが用いられている。このうち、ZnOからなる圧電層を有する従来の薄膜圧電共振器では、圧電層によって熱的エネルギーに変換される弾性的損失を抑え、高いQ値を実現することが困難であった。一方、前述したようにAlNは高域遮断型の分散曲線を示すことから、AlNからなる圧電層を有する従来の薄膜圧電共振器では、振動領域内部への弾性エネルギーの閉じ込めが十分ではなく、高いQ値を実現することが困難であった。 As the material of the piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator, AlN or ZnO is used. Among these, in a conventional thin film piezoelectric resonator having a piezoelectric layer made of ZnO, it is difficult to suppress the elastic loss converted into thermal energy by the piezoelectric layer and realize a high Q value. On the other hand, since AlN exhibits a high-frequency cutoff type dispersion curve as described above, the conventional thin-film piezoelectric resonator having a piezoelectric layer made of AlN does not have sufficient elastic energy confinement inside the vibration region and is high. It was difficult to realize the Q value.
特許文献1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は可能であるが、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る。また、非特許文献1に記載の手法はSMRタイプの薄膜圧電共振器への適用に限定されるものであり、FBARに対して適用することは困難である。
The technique described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、横音響モードの発生を抑制した高いQ値を有する薄膜圧電共振器を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、低挿入損失を実現できる薄膜圧電フィルタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a thin film piezoelectric resonator having a high Q value in which generation of a transverse acoustic mode is suppressed. Another object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric filter capable of realizing a low insertion loss.
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互いに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、前記振動領域及び前記支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域は、前記振動領域よりも、1次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。
According to the present invention, the object as described above is achieved.
A piezoelectric resonance stack having a piezoelectric layer and an upper electrode and a lower electrode formed to face each other with the piezoelectric layer interposed therebetween, a gap or an acoustic reflection layer formed under the piezoelectric resonance stack, and the piezoelectric resonance A thin film piezoelectric resonator comprising a substrate supporting the stack,
The piezoelectric resonance stack includes a vibration region in which the upper electrode and the lower electrode face each other through the piezoelectric layer and are positioned corresponding to the gap or the acoustic reflection layer, a support region in contact with the substrate, and the vibration A buffer area located between the area and the support area,
The buffer region is configured such that the resonance frequency of the primary thickness longitudinal vibration is lower than the vibration region, the thin film piezoelectric resonator,
Is provided.
本発明の一態様においては、前記圧電層は高域遮断型の分散曲線を示す材料からなる。本発明の一態様においては、前記緩衝領域は前記振動領域を内包している。本発明の一態様においては、前記緩衝領域に隣接する前記支持領域の部分には、前記下部電極が存在する。本発明の一態様においては、前記緩衝領域において、前記圧電層上に質量付加層が形成されている。本発明の一態様においては、前記質量付加層を構成している材料の音速Vlと、前記上部電極を構成している材料の音速Vuとが、Vl<1.5Vuの関係を満たす。本発明の一態様においては、前記緩衝領域の幅wと、前記振動領域の厚みtとが、w≧tの関係を満たす。 In one aspect of the present invention, the piezoelectric layer is made of a material exhibiting a high-frequency cutoff type dispersion curve. In one aspect of the present invention, the buffer region includes the vibration region. In one aspect of the present invention, the lower electrode is present in a portion of the support region adjacent to the buffer region. In one aspect of the present invention, a mass addition layer is formed on the piezoelectric layer in the buffer region. In one aspect of the present invention, the sound velocity V l of the material constituting the mass addition layer and the sound velocity V u of the material constituting the upper electrode satisfy a relationship of V l <1.5 V u . Fulfill. In one aspect of the present invention, the width w of the buffer region and the thickness t of the vibration region satisfy a relationship of w ≧ t.
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、上記の複数の薄膜圧電共振器をフィルタ回路を形成するように接続してなる薄膜圧電フィルタが提供される。 Further, according to the present invention, a thin film piezoelectric filter formed by connecting the plurality of thin film piezoelectric resonators so as to form a filter circuit is provided to achieve the above object.
本発明の薄膜圧電共振器によれば、緩衝領域における1次厚み縦振動の共振周波数が振動領域における1次厚み縦振動の共振周波数よりも低く設定されているので、横音響モードの発生を抑制した高いQ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。 According to the thin film piezoelectric resonator of the present invention, since the resonance frequency of the primary thickness longitudinal vibration in the buffer region is set lower than the resonance frequency of the primary thickness longitudinal vibration in the vibration region, the occurrence of the transverse acoustic mode is suppressed. Thus, a thin film piezoelectric resonator having a high Q value can be realized.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示し、図1(a)はその模式的平面図であり、図1(b)及び図1(c)は、それぞれ図1(a)のX−X模式的断面図及びY−Y模式的断面図である。 FIG. 1 shows one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, FIG. 1 (a) is a schematic plan view thereof, and FIG. 1 (b) and FIG. 1 (c) are respectively shown in FIG. These are XX typical sectional drawing and YY typical sectional drawing.
本実施形態の薄膜圧電共振器は、圧電共振スタック12と、該圧電共振スタックの下に形成された空隙4と、該空隙を形成するように圧電共振スタックを支持する基板6とを含んでなる。
The thin film piezoelectric resonator of this embodiment includes a
圧電共振スタック12は、圧電層2と、該圧電層を挟んで互いに対向するように形成された下部電極8および上部電極10とを含む積層体である。圧電共振スタック12は、圧電層と上部電極と下部電極との積層構造が形成されている領域に限定されるものではなく、上部電極または下部電極が形成されていない領域まで含むものである。圧電共振スタック12は、基板6の上面の圧電共振スタック12と接する部分に平行な平面内において、即ち上下方向に見た場合に、下部電極8と上部電極10とが重なる領域である振動領域18と、基板6に接している支持領域22と、振動領域18及び支持領域22の間に位置する緩衝領域20とからなる。支持領域22は、図では緩衝領域20の外側に隣接配置された輪帯状の部分として示されている。この緩衝領域20に隣接する支持領域22の輪帯状部分には、下部電極8が存在している。これにより、圧電共振スタック12の振動時の耐久性が向上する。尚、上記輪帯状部分の周囲の基板6上に位置する部分も支持領域に属するものとする。緩衝領域20は、上下方向に見た場合に、振動領域18を取り囲んでおり即ち内包している。このように、振動領域18を内包するように緩衝領域20を形成することで、水平方向への弾性エネルギーの散逸を十分に抑制することが可能となり、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。
The
振動領域18および緩衝領域20の下に空隙4が形成されている。即ち、振動領域18および緩衝領域20は空隙4に対応して位置する。
A
本実施形態では、圧電層2が下部電極8と上部電極10とに挟まれた領域である振動領域18の形は、上下方向に見た場合に、円形(a=b)ないし楕円形(a≠b)である。ここで、下部電極8および上部電極10を外部回路に接続するために形成されている導電性の薄膜(接続導体という)14A,14Bは、それぞれ下部電極および上部電極には含めないものとする。即ち、接続導体が形成されている領域は振動領域18とは見なさず、接続導体14A,14Bと下部電極8および上部電極10とのそれぞれの境界が振動領域18と緩衝領域20との境界の一部を構成する。かくして、振動領域18と緩衝領域20との境界は、上部電極10または下部電極8の接続導体に接していない部分の外形線を延長することにより求められるものとする。また、緩衝領域20は、上部電極10に接している接続導体14Bと下部電極8とが上下方向に見た場合に重なる部分を含むものとする。
In the present embodiment, the shape of the
基板6は、たとえばシリコン基板、ガリウム砒素基板、ガラス基板などである。空隙4は、異方性湿式エッチング、RIE(Reactive Ion Etching)などにより形成することができる。圧電層2は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)のような薄膜として製造できる圧電材料からなる。圧電層2の材料としては、特に、高域遮断型の分散曲線を示すもの例えばAlNが好ましい。このような圧電層2を用いることにより、より高いQ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。また、上部電極10および下部電極8の材料としては、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)のような、薄膜として製造でき且つパターニングが可能な金属材料を用いることができる。上部電極10および下部電極8は、上記金属材料からなる単層膜の他に、それらの積層体からなるものでよい。
The
緩衝領域20は、振動領域18よりも、1次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されている。即ち、振動領域18の1次厚み縦振動の共振周波数をωvcとし、緩衝領域20の1次厚み縦振動の共振周波数をωbcとした場合に、ωvc>ωbcとなるようにしている。このような緩衝領域20を設けた場合の薄膜圧電共振器の圧電共振スタック12の分散曲線を、図8に模式的に示す。緩衝領域20は、振動領域18の遮断周波数(1次厚み縦振動の共振周波数)ωvcにおいて遮断モードとなるために弾性波は伝搬しない。かくして、弾性エネルギーの支持基板6への散逸が抑えられ、振動領域18に弾性波エネルギーが閉じ込められ、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。
The
このような緩衝領域20は、圧電層2上に質量付加層16を形成することにより実現されていることが好ましい。質量付加層16は、緩衝領域20が振動領域18よりも1次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように、材質および厚みが適宜設定される。
Such a
質量付加層16は、誘電体層で構成されていることが好ましく、更には酸化シリコン(SiO2)および窒化シリコン(Si3N4)の何れかで構成されていることがより好ましい。質量付加層16を導電体層で構成した場合には、上部電極および下部電極と質量付加層との間に、意図しない容量が形成されることで共振器特性を劣化させることがあるが、誘電体層で構成すればそのような心配がない。また、SiO2,Si3N4を質量付加層として使用することで、薄膜圧電共振器製造に際して一般的な半導体プロセスで用いられている薄膜製造装置を用いることが可能になるという利点がある。
The
更に、質量付加層16を構成している材料の音速をVlとし、上部電極10を構成している材料の音速をVuとした場合、Vl<1.5Vuとなるようにするのが好ましい。これにより、質量付加層16の厚さを大きくしすぎることなしに、緩衝領域20の共振周波数を振動領域18の共振周波数よりも低くして、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を容易に作製することができる。
Furthermore, when the sound velocity of the material constituting the
また、前記緩衝領域20の幅(即ち緩衝領域20と振動領域18との境界と、緩衝領域20と支持領域16との境界との間の距離)wと、前記振動領域18の厚みtとが、w≧tの関係を満たすのが好ましい。これにより、緩衝領域20での弾性エネルギーの減衰を十分なものとし、より高いQ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。
Further, the width of the buffer region 20 (that is, the distance between the boundary between the
本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。シリコンウェハなどの基板6上に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、CVD法等の成膜技術により犠牲層を形成する。その後、CMP法などの平坦化技術により基板表面及びピット部内犠牲層の表面を平坦化し、ピット内部にのみ犠牲層が堆積された基板とする。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。以上のようにして得られた基板上に、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極8、圧電層2、上部電極10及び質量付加層16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。この際、緩衝領域20の1次厚み縦振動の共振周波数が、振動領域18の1次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層16の材質、厚み、および形状を決定する。更に、前記パターニング技術を用いて、上部電極10から犠牲層まで達する貫通孔28を形成した後、該貫通孔を介してエッチング液を供給してエッチング処理し、犠牲層を除去する。これにより、ピット部に空隙4が形成される。
The thin film piezoelectric resonator of this embodiment can be manufactured as follows. After a pit portion is formed on a
また、本発明の実施形態として、図1に示した実施形態以外に、図2および図3に示すような実施形態もある。図2は、本発明の薄膜圧電共振器の他の実施形態を示す模式的断面図である。図1の実施形態では、基板6にピット部を形成し、ここに空隙4を形成していた。図2の実施形態では、基板6の平坦な上面上に、酸化シリコン(SiO2)層30を形成し、ここに形成された貫通開口を空隙4として利用している。この実施形態では、基板6およびSiO2層30の総体が、本発明でいう基板に該当する。図3の実施形態は、基板6に空隙4を形成している点は図1の実施形態と同様であるが、基板6に形成された貫通孔を空隙4として利用している点が異なる。
Moreover, as an embodiment of the present invention, there is an embodiment as shown in FIGS. 2 and 3 in addition to the embodiment shown in FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. In the embodiment of FIG. 1, the pit portion is formed on the
図2に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板6上に、スパッタリング法、CVD法等の成膜技術、または熱酸化により酸化シリコン(SiO2)層30を形成する。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8、圧電層2、上部電極10及び質量付加層16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。この際、緩衝領域20の1次厚み縦振動の共振周波数が、振動領域18の1次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層16の材質、厚みおよび形状を決定する。更に、前記パターニング技術を用いて、上部電極10から犠牲層まで達する貫通孔28を形成した後、該貫通孔を介してエッチング液を供給してエッチング処理し、犠牲層を除去する。さらに、SiO2層のエッチングが可能なエッチング液を選択し、SiO2層をエッチングすることにより、犠牲層と同一パターンでSiO2層をエッチングすることができる。これにより、犠牲層とSiO2層とを除去した部分に空隙4が形成される。
The thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 2 can be manufactured, for example, as follows. A silicon oxide (SiO 2 )
図3に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。基板6上にスパッタリング法、蒸着法等の成膜方法で下部電極8、圧電層2、上部電極10及び質量付加層16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、基板6の裏面(下面)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、下部電極8が露出するまでエッチング処理することにより、空隙4を形成することができる。
The thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 3 can be manufactured, for example, as follows. The
本発明の更に別の実施形態として、図4に示す薄膜圧電共振器もある。図4(a)はその模式的平面図を示し、図4(b)及び図4(c)は、それぞれそのX−X断面図及びY−Y断面図を示す。この実施形態は、図4に示すように、圧電共振スタック12の下に、空隙に代えて音響反射層32を有している点が、図1ないし図3の実施形態と異なっている。
As still another embodiment of the present invention, there is a thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 4A shows a schematic plan view thereof, and FIG. 4B and FIG. 4C show its XX sectional view and YY sectional view, respectively. As shown in FIG. 4, this embodiment is different from the embodiment of FIGS. 1 to 3 in that an
図4に示すような薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板6上に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、スパッタリング法、CVD法等の成膜技術により音響反射層32を形成する。その後、CMP法などの平坦化技術により基板表面を平坦化し、ピット内部にのみ音響反射層が堆積された基板とする。音響反射層としては、低インピーダンス層がSiO2やAlNなどの音響インピーダンスの小さな材料からなり、高インピーダンス層がMoやWのような音響インピーダンスの大きな材料からなるものが好ましい。低インピーダンス層及び高インピーダンス層の厚みを、弾性波の4分の1波長に相当するように設定することにより、音響反射層としての作用が得られる。以上のようにして得られた基板上に、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極8、圧電層2、上部電極10及び質量付加層16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。この際、前記緩衝領域の1次厚み縦振動の共振周波数が、前記振動領域の1次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層16の材質、厚みおよび形状を決定する。
The thin film piezoelectric resonator as shown in FIG. 4 can be manufactured as follows, for example. After a pit portion is formed on a
本発明による薄膜圧電共振器には、図5に示すように、質量付加層16が振動領域18の外周縁部18’まで延長して形成された実施形態もある。図5(a)はその模式的平面図を示し、図5(b)及び図5(c)はそれぞれそのX−X模式的断面図及びY−Y模式的断面図を示す。
In the thin film piezoelectric resonator according to the present invention, as shown in FIG. 5, there is an embodiment in which the
本実施形態では、質量付加層16が形成されていない振動領域18の部分の1次厚み縦振動の周波数よりも緩衝領域20の1次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように、質量付加層16の厚みを設定する。また、振動領域の外周縁部18’上に形成されている質量付加層16の部分の幅w2をw2≦wとなるように設定する。これにより、振動領域18上に質量付加層16を形成しない場合と同様の良好な共振特性が得られる。一方、w2>wとした場合には、所望の周波数とは異なる周波数においても共振現象が発生しやすくなり、薄膜圧電フィルタ等への応用において帯域外でのスプリアスの発生等の不具合が生じやすくなる。
In the present embodiment, the mass addition layer is formed such that the resonance frequency of the primary thickness longitudinal vibration of the
図5に示した薄膜圧電共振器は、図1に示した薄膜圧電共振器と同様の材料および作製方法にて作製することができる。 The thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 5 can be manufactured using the same material and manufacturing method as the thin film piezoelectric resonator shown in FIG.
本発明による薄膜圧電共振器には、図9に示すように、下部電極8の下側に誘電体層24を、上部電極10の上側に誘電体層26を形成した実施形態もある。誘電体層24,26の材質としては、AlN、AlON、Si3N4、およびSiAlONなどの比較的弾性率の大きな材料が好ましい。誘電体層24,26の存在以外の構成は、上記図1に関し説明した実施形態と同様である。図9に示すような下部誘電体層24および/又は上部誘電体層26を有する薄膜圧電共振器であっても、図1から図4に示した薄膜圧電共振器と同様に、横音響モードによる特性劣化を招くことなく、高いQ値を有した薄膜圧電共振器を得ることができる。下部誘電体層24および/又は上部誘電体層26を設けることにより、下部電極8および/又は上部電極10の酸化劣化を防止することが可能となる。
In the thin film piezoelectric resonator according to the present invention, as shown in FIG. 9, there is an embodiment in which a
図10には、本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態である梯子型フィルタ回路の例を示す。この薄膜圧電フィルタ100では、上記実施形態のような本発明による薄膜圧電共振器111,113,115が直列素子として使用され、更に上記実施形態のような本発明による薄膜圧電共振器112,114,116が分路素子(並列素子)として使用されている。101,102は入出力ポートである。本発明の薄膜圧電フィルタは、図10に示す回路構成のものに限定されるものではないが、梯子型回路とすることにより、より低損失の薄膜圧電フィルタを構成することができる。
FIG. 10 shows an example of a ladder type filter circuit which is an embodiment of the thin film piezoelectric filter of the present invention. In this thin film
(実施例1)
上部電極の直径d(=a=b)が120μmで、図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本実施例での各構成層の材質及び厚みは次のように設定した。下部電極をMoで厚み300nm、圧電層をAlNで厚み1700nm、上部電極をMoで厚み200nm、質量付加層をSi3N4で400nmとした。振動領域の厚さtは2.2μmであり、緩衝領域の幅wを4.0μmとした。
(Example 1)
A thin film piezoelectric resonator having the form shown in FIG. 1 was manufactured with the diameter d (= a = b) of the upper electrode being 120 μm. The material and thickness of each constituent layer in this example were set as follows. The lower electrode was 300 nm thick with Mo, the piezoelectric layer was 1700 nm thick with AlN, the upper electrode was 200 nm thick with Mo, and the mass addition layer was 400 nm with Si 3 N 4 . The thickness t of the vibration region was 2.2 μm, and the width w of the buffer region was 4.0 μm.
図11にこのようにして作製した薄膜圧電共振器の周波数−インピーダンス(Z)および位相の特性を示す。また、表1には薄膜圧電共振器の電気機械結合係数kt2及びQ値を示す。図12及び表1に示す後述の比較例1の結果と比べ、反共振周波数でのインピーダンスが大きく且つQ値も大きく優れた共振特性を示すことがわかる。 FIG. 11 shows the frequency-impedance (Z) and phase characteristics of the thin film piezoelectric resonator fabricated in this manner. Table 1 shows the electromechanical coupling coefficient kt 2 and the Q value of the thin film piezoelectric resonator. Compared to the results of Comparative Example 1 described later shown in FIG. 12 and Table 1, it can be seen that the resonance characteristics are excellent with a large impedance at the antiresonance frequency and a large Q value.
(実施例2〜4)
緩衝領域の幅wをそれぞれ3.5μm、3.0μm、1.0μmとした以外は実施例1と同様の図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表1に示す。緩衝領域の幅wを、振動領域の厚みtに対して、w≧tの範囲とした実施例2および3では、実施例4に比べ高いQ値を有する薄膜圧電共振器が得られた。緩衝領域の幅wをw≧tとなるようにすることで、一層優れた共振器特性が得られることが分かる。
(Examples 2 to 4)
A thin film piezoelectric resonator having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the width w of the buffer region was 3.5 μm, 3.0 μm, and 1.0 μm, respectively. The results are shown in Table 1. In Examples 2 and 3 in which the width w of the buffer region is in the range of w ≧ t with respect to the thickness t of the vibration region, a thin film piezoelectric resonator having a higher Q value than that in Example 4 was obtained. It can be seen that more excellent resonator characteristics can be obtained by setting the width w of the buffer region to be w ≧ t.
(比較例1)
質量付加層を形成しない点以外は実施例1と同様の図1の形態の圧電薄膜共振器を作製した。結果を図12および表1に示す。図12および表1からわかるように、質量付加層を形成しない場合には、反共振周波数でのインピーダンスが小さくなるとともに、Q値が小さくなり好ましくない。
(Comparative Example 1)
A piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the mass addition layer was not formed. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 12 and Table 1, when the mass-added layer is not formed, the impedance at the antiresonance frequency becomes small and the Q value becomes small, which is not preferable.
(実施例5)
質量付加層をSiO2で厚み350nmとした以外は実施例1と同様の図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表1に示す。表1からわかるように、Q値も大きく優れた共振特性を示し、質量付加層としてSiO2層が適切であることが分かる。
(Example 5)
A thin film piezoelectric resonator having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the mass addition layer was made of SiO 2 and had a thickness of 350 nm. The results are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, the Q value is also large and shows excellent resonance characteristics, and it can be seen that the SiO 2 layer is suitable as the mass addition layer.
(実施例6)
上部電極の形状即ち振動領域の形状を長径(a)144μm且つ短径(b)102μmとした以外は実施例1と同様の図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表1に示す。表1からわかるように、振動領域の形状を楕円形とした場合にも、高いQ値を有する薄膜圧電共振器が得られる。
(Example 6)
A thin-film piezoelectric resonator having the configuration shown in FIG. 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the shape of the upper electrode, that is, the shape of the vibration region was changed to a major axis (a) of 144 μm and a minor axis (b) of 102 μm. The results are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, a thin film piezoelectric resonator having a high Q value can be obtained even when the vibration region has an elliptical shape.
(比較例2)
質量付加層を形成しない点以外は実施例6と同様の図1の形態の圧電薄膜共振器を作製した。結果を表1に示す。表1からわかるように、質量付加層を形成しない場合には、Q値が低下するため好ましくない。
(Comparative Example 2)
A piezoelectric thin film resonator having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated in the same manner as in Example 6 except that the mass addition layer was not formed. The results are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, when the mass addition layer is not formed, the Q value decreases, which is not preferable.
(実施例7)
上部電極の形状即ち振動領域の形状を、図13に示されているような平行な辺を持たない多角形で且つ面積が実施例1と同一となるようにしたものとした以外は実施例1と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。結果を表1に示す。得られた薄膜圧電共振器の横音響モードによるノイズは抑制されていたものの、反共振周波数におけるQ値は960と、振動領域の形状が円形および楕円形のものに比べ低い値を示した。電極形状としては、多角形より円形または楕円形とすることが好ましいことがわかる。
(Example 7)
Example 1 except that the shape of the upper electrode, that is, the shape of the vibration region is a polygon having no parallel sides as shown in FIG. 13 and the area is the same as that of Example 1. A thin film piezoelectric resonator was fabricated in the same manner as described above. The results are shown in Table 1. Although the noise due to the transverse acoustic mode of the obtained thin film piezoelectric resonator was suppressed, the Q value at the antiresonance frequency was 960, which was lower than that of the vibration region having a circular or elliptical shape. It can be seen that the electrode shape is preferably circular or elliptical rather than polygonal.
実施例1と同様にして6個の薄膜圧電共振器を作製し、これらを用いて図10に示す形態の薄膜圧電フィルタを作製した。図14に作製した薄膜圧電フィルタの通過特性を示す。図14には、比較例1と同様にして作製された6個の薄膜圧電共振器を用いた以外は同様にして作製された比較例の薄膜圧電フィルタの通過特性も示されている。図14より明らかなように、質量付加層を形成した緩衝領域がある薄膜圧電共振器を用いた本発明実施例の薄膜圧電フィルタは比較例に比べて、挿入損失が小さくなっており、優れた特性を示すことがわかる。
Six thin film piezoelectric resonators were produced in the same manner as in Example 1, and a thin film piezoelectric filter having the form shown in FIG. 10 was produced using them. FIG. 14 shows the pass characteristics of the thin film piezoelectric filter fabricated. FIG. 14 also shows the pass characteristics of a thin film piezoelectric filter of a comparative example manufactured in the same manner except that six thin film piezoelectric resonators manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 were used. As is clear from FIG. 14, the thin film piezoelectric filter of the embodiment of the present invention using the thin film piezoelectric resonator having the buffer region in which the mass addition layer is formed has an insertion loss smaller than that of the comparative example and is excellent. It can be seen that the characteristics are shown.
2 圧電層
4 空隙
6 基板
8 下部電極
10 上部電極
12 圧電共振スタック
14A,14B 接続導体
16 質量付加層
18 振動領域
18’ 振動領域外周縁部
20 緩衝領域
22 支持領域
24 下部誘電体層
26 上部誘電体層
28 犠牲層エッチング用貫通孔
30 SiO2層
32 音響反射層
100 薄膜圧電フィルタ
101,102 入出力ポート
111,113,115 直列薄膜圧電共振器
112,114,116 並列薄膜圧電共振器
2 Piezoelectric
Claims (8)
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、前記振動領域及び前記支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域は、前記振動領域よりも、1次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振器。 A piezoelectric resonance stack having a piezoelectric layer and an upper electrode and a lower electrode formed to face each other with the piezoelectric layer interposed therebetween, a gap or an acoustic reflection layer formed under the piezoelectric resonance stack, and the piezoelectric resonance A thin film piezoelectric resonator comprising a substrate supporting the stack,
The piezoelectric resonance stack includes a vibration region in which the upper electrode and the lower electrode face each other through the piezoelectric layer and are positioned corresponding to the gap or the acoustic reflection layer, a support region in contact with the substrate, and the vibration A buffer area located between the area and the support area,
The buffer region is configured such that a resonance frequency of primary thickness longitudinal vibration is lower than that of the vibration region.
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A977 | Report on retrieval |
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A02 | Decision of refusal |
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