JP2009088685A - 電気機械素子および半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な素子構造で広帯域フィルタを実現することの可能な電気機械素子を提供する。
【解決手段】振動可能に形成された圧電体膜２１と、３つの電極（対向電極２２、入力電極２３、出力電極２４）とを備える。入力電極２３および出力電極２４は圧電体膜２１の上面に互いに別個独立に設けられ、対向電極２２は圧電体膜２１下面に設けられている。圧電体膜２１は、共振周波数と反共振周波数とを有する共振モードで共振振動するが、入力電極２３と出力電極２４との間に生じる寄生容量が、入力電極２３から圧電体膜２１を介して出力電極２４に繋がる共振回路に直列に繋がるので、反共振周波数が共振周波数から十分に離れている。これにより、例えば、第１の電気機械素子１の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続するだけで、広帯域フィルタを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動型の電気機械素子およびそれを備えた半導体デバイスに関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）技術を用いて作製された電気機械素子の一つとして、例えば静電駆動型のＭＥＭＳ共振器が知られている。このようなＭＥＭＳ共振器はミシガン大学を始めとする多くの研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。また、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器をミキサやフィルタなどに応用する試みもミシガン大学を始めとする多くの研究期間から提案されている（非特許文献２、３参照）。

ところで、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器を駆動させるためには、ＤＣバイアス電圧の供給が不可欠である。静電駆動型のＭＥＭＳ共振器に供給するＤＣバイアス電圧は、通常のＣＭＯＳデバイスの駆動電圧よりも高く、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器をＣＭＯＳデバイスと共に集積化あるいはモジュール化する場合には、昇圧回路などの手段を設けることが必要となる。また、複数の静電駆動型のＭＥＭＳ共振器を組み合わせて素子を構成しようとした場合には、交流信号線路にＤＣ線路を併置する必要がある。しかし、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器では、ＤＣバイアス電圧と交流信号が同時に印加されるので、交流信号線路にＤＣ線路を併置した場合には、ＤＣ線路のノイズが交流信号線路に侵入したり、その逆に交流信号線路の交流信号がＤＣ線路に漏洩する可能性がある。そのため、交流信号線路とＤＣ線路との間でクロストークが生じるのを抑制する手段を設けることが必要となる。このように、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器を用いると、素子構造が複雑になるという問題があった。

一方、非特許文献４には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）薄膜を用いた横振動モードのＭＥＭＳ共振器が提案されている。このＭＥＭＳ共振器は、ＤＣバイアス電圧がなくても駆動可能なものであり、ＤＣバイアス電圧を用いることにより生じる種々の問題をなくすることができる。なお、特許文献１にも、ＭＥＭＳ共振器が提案されているが、このＭＥＭＳ共振器は、静電駆動型であり、ＤＣバイアス電圧を必要とするものである。そのため、このＭＥＭＳ共振器を用いると、ＤＣバイアス電圧を用いることにより生じる種々の問題を解消するために、種々の方策を講じることが必要となる。

C.T-Nguyen, Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary), proceedings,1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop, June 18, 1999, pp48-77 A.-C.Wong, H.Ding, and C.T.-C.Nguyen, Microwave mixer + filters Technical Digest, IEEE-IEDM, 1998, pp47-474 Fang Chen, Jay Brotz, Umut Arslan, Chiung-Cheng Lo, Tamal Mukherjee, Gary K.Fedder, CMOS-MEMS Resonant RF Mixer-FiltersIEEE2005, pp24-27 「Piezoelectric Aluminum Nitride Vibrating RF MEMS for Radio Front-End Technology」Gianluca Piazza UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY Fall 2005 特表２００７−５０３１８５

しかし、非特許文献４に記載のＭＥＭＳ共振器では、Ｑ値が１５００を超えるほど高く、電気機械変換効率が極めて高いが、透過帯域幅が極めて狭く、しかも、共振周波数と反共振周波数との差がほとんどないので、このＭＥＭＳ共振器の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続したとしても、それをＩＦフィルタなどの広帯域フィルタに適用することは容易ではないという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な素子構造で広帯域フィルタを実現することの可能な電気機械素子およびそれを備えた半導体デバイスを提供することにある。

本発明の第１の電気機械素子は、振動可能に形成された圧電体膜と、３つの電極（入力電極、出力電極、対向電極）とを備えたものである。入力電極および出力電極は、圧電体膜の上面および下面のいずれか一方に互いに別個独立に設けられている。一方、対向電極は、圧電体膜の上面および下面のうち入力電極および出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられており、接地されるようになっている。

本発明の第１の電気機械素子では、対向電極を接地した状態で入力電極に入力信号が印加されると、入力信号は圧電体膜の圧電性により機械的な歪みに変換され、その機械的な歪みによって圧電体膜に共振振動が発生する。このとき、圧電体膜は、共振周波数と反共振周波数とを有する共振モードで共振振動するが、入力電極から圧電体膜を介して出力電極に至る共振回路（機械的な系）に並列に繋がる、入力電極と出力電極との間の静的な（ＤＣ印加時の）容量は微小であるので、反共振周波数が共振周波数から十分に離れている。

本発明の第２の電気機械素子は、複数の第１電気機械部を備えたものである。ここで、第１電気機械部は、振動可能に形成された第１圧電体膜と、３つの電極（入力電極、出力電極、第１対向電極）とを備えたものである。入力電極および出力電極は、第１圧電体膜の第１上面および第１下面のいずれか一方に互いに別個独立に設けられている。一方、第１対向電極は、第１圧電体膜の第１上面および第１下面のうち入力電極および出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられており、接地されるようになっている。

本発明の半導体デバイスは、一の素子と他の素子とに接続された上記第２の電気機械素子を内蔵したものである。

本発明の第２の電気機械素子および半導体デバイスでは、対向電極を接地した状態で入力電極に入力信号が印加されると、入力信号は第１圧電体膜の圧電性により機械的な歪みに変換され、その機械的な歪みによって第１圧電体膜に共振振動が発生する。このとき、第１圧電体膜は、共振周波数と反共振周波数とを有する共振モードで共振振動するが、入力電極から第１圧電体膜を介して出力電極に至る共振回路（機械的な系）に並列に繋がる、入力電極と出力電極との間の静的な（ＤＣ印加時の）容量は微小であるので、反共振周波数が共振周波数から十分に離れている。

本発明の第１の電気機械素子によれば、圧電体膜の一方の表面に入力電極および出力電極を設け、対向電極を接地した状態で入力電極に入力信号が印加されたときに、反共振周波数が共振周波数から十分に離れたところに存在する共振モードで圧電体膜に共振振動を生じさせるようにしたので、簡単な素子構造でフィルタを実現することができる。また、例えば、第１の電気機械素子の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続するだけで、広帯域フィルタを実現することができ、ＤＣバイアス電圧を用いる必要がない。従って、簡単な素子構造で広帯域フィルタを実現することが可能である。

本発明の第２の電気機械素子および半導体デバイスによれば、第１圧電体膜の一方の表面に入力電極および出力電極を設け、対向電極を接地した状態で入力電極に入力信号が印加されたときに、反共振周波数が共振周波数から十分に離れたところに存在する共振モードで第１圧電体膜に共振振動を生じさせるようにしたので、例えば、第２の電気機械素子の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続するだけで、広帯域フィルタを実現することができ、ＤＣバイアス電圧を用いる必要がない。従って、簡単な素子構造で広帯域フィルタを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電気機械素子１の上面構成を表すものである。図２（Ａ）は図１の電気機械素子１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を、図２（Ｂ）は図１の電気機械素子１のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成を、図３（Ａ）は図１の電気機械素子１のＣ−Ｃ矢視方向の断面構成を、図３（Ｂ）は図１の電気機械素子１のＤ−Ｄ矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。なお、図１ないし図３（Ａ），（Ｂ）は、電気機械素子１に入力信号が印加されていないときの様子をそれぞれ表している。

この電気機械素子１は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には一の素子および他の素子と共に同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。

この電気機械素子１は、支持基板１０の表面（上面）上に、共振部２０と、梁部３０Ａ，３０Ｂと、支持部４０とを備えたものである。

支持基板１０は、共振部２０等の設けられている側の表面が絶縁性の材料により構成されたものであり、例えば、シリコン基板の表面に絶縁膜が設けられたものである。

共振部２０は、支持部４０によって梁部３０Ａ，３０Ｂを介して振動可能に保持されており、支持基板１０の表面（上面）と間隙Ｇを介して中空に配置されている。この共振部２０は、上面（支持基板１０とは反対側の表面）および下面（支持基板１０側の表面）を有する圧電体膜２１を有しており、その圧電体膜２１の上面に入力電極２３および出力電極２４が設けられ、圧電体膜２１の下面に対向電極２２が設けられている。

圧電体膜２１は、例えばＣ軸配向のＡｌＮ膜からなり、後述するように、対向電極２２を接地した状態で入力電極２３に入力信号が印加されると、圧電体膜２１の厚さ方向と交差する方向に伸縮振動するようになっている。ＡｌＮ膜は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電体と比べて低い誘電率を有しており、ＡｌＮ膜を通り抜ける雑音を低減することができ、さらに、対地容量を小さくすることができる。また、ＡｌＮ膜の成膜工程は、Ｓｉ−ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の製造工程と馴染み易いので、圧電体膜２１としてＡｌＮ膜を用いることにより、圧電体膜２１の形状を精確に作り込むことができる。

圧電体膜２１は、対称中心を持つ平板形状となっていることが好ましい。対称中心を持つ平板形状としては、例えば、図１に示したような開口部２０Ａを有する円環状や、図示しないが角環状、円形状または正多角形状などが挙げられる。

対向電極２２、入力電極２３および出力電極２４は、例えば、密度が低く、電気伝導性に優れた金属材料（例えばＡｌ）からなる。入力電極２３および出力電極２４は、互いに別個独立に形成されており、圧電体膜２１の表面上において、所定の間隙を介して互いに対向配置されている。

ここで、圧電体膜２１が対称中心を持つ平板形状となっている場合には、これら入力電極２３および出力電極２４も対称中心を持つ平板形状となっていることが好ましい。また、圧電体膜２１が円環状となっている場合には、これら入力電極２３および出力電極２４も円環状となっていることが好ましく、圧電体膜２１と同心円状となっていることがさらに好ましい（図１参照）。

また、入力電極２３および出力電極２４は、不要振動の影響を最低限度に抑えるために、圧電体膜２１の伸縮方向と直交する方向に延在して形成されていることが好ましい。また、入力電極２３および出力電極２４は、電気機械変換効率を高くするために、例えば図４（Ａ），（Ｂ）、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、圧電体膜２１が圧電体膜２１の厚さ方向と交差する方向に伸縮振動する際の腹およびその近傍に対応して設けられていることが好ましい。ただし、圧電体膜２１を例えば図６（Ａ）に示したように２次で伸縮振動させる場合には、図６（Ｂ）に示したように、電気的に浮遊した導電性の電極２８を、入力電極２３と出力電極２４との間の節に対応して設けることが好ましい。なお、図４（Ａ）、図５（Ａ）、図６（Ａ）は、圧電体膜２１の横方向の伸縮振動を模式的に表したものであり、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）は、共振部２０を圧電体膜２１の伸縮方向で切断したときの断面構成を表したものである。

梁部３０Ａ，３０Ｂは、例えば、共振部２０の圧電体膜２１と共通の材料（例えばＣ軸配向のＡｌＮ膜）からなる。これら梁部３０Ａ，３０Ｂは、支持基板１０の表面（上面）に沿って延在する棒形状となっており、梁部３０Ａ，３０Ｂの一端が共振部２０に連結されると共に、梁部３０Ａ，３０Ｂの他端は支持部４０（具体的には開口部４０Ａの側面）に連結されている。

なお、本明細書において「連結」とは、両者が機械的に接合されている場合や、一体に形成されている場合を含む概念であり、また、直接的にまたは間接的に連結されている場合を含むものである。

梁部３０Ａ，３０Ｂは、各梁部３０Ａ，３０Ｂの中心軸が同一線上となるように配置されていることが好ましい。また、圧電体膜２１が対称中心を持つ平板形状となっている場合には、梁部３０Ａ，３０Ｂは、各梁部３０Ａ，３０Ｂの中心軸が同一線上となるように配置されると共に、圧電体膜２１の対称中心を通過するように配置されている、つまり、圧電体膜２１および梁部３０Ａ，３０Ｂからなる構造体が対称中心を持っていることが好ましい（図１参照）。これにより、不要振動の影響を最低限度に抑えることができる。

また、梁部３０Ａの表面（上面）または内部（図示せず）には、入力電極２３と連結された上部配線層２５Ａが設けられており、梁部３０Ａの裏面（下面）または内部（図示せず）には、対向電極２２と連結された下部配線層２７Ａが設けられている。上部配線層２５Ａおよび下部配線層２７Ａは、例えば、入力電極２３および出力電極２４と同様の材料（例えばＡｌ、Ｍｏ）からなり、上部配線層２５Ａは入力電極２３と電気的に接続され、下部配線層２７Ａは対向電極２２と電気的に接続されている。

一方、梁部３０Ｂの表面（上面）には、出力電極２４と連結された上部配線層２６Ａが設けられており、梁部３０Ｂの裏面（下面）には、対向電極２２と連結された下部配線層２７Ａが設けられている。上部配線層２６Ａは、例えば、入力電極２３および出力電極２４と同様の材料（例えばＡｌ、Ｍｏ）からなり、出力電極２４と電気的に接続されている。

なお、共振部２０には、上記した梁部３０Ａ，３０Ｂ以外の梁部（例えば図７に示したような２つの梁部３０Ｃ）がさらに連結されていてもよい。ただし、その場合には、圧電体膜２１、梁部３０Ａ，３０Ｂ、および梁部３０Ａ，３０Ｂ以外の梁部からなる構造体が対称中心を持っていることが好ましい。

支持部４０は、例えば、共振部２０の圧電体膜２１と共通の材料（例えばＣ軸配向のＡｌＮ膜）からなる。支持部４０は、支持基板１０の表面（上面）に接して設けられた台座であり、共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂに対応して大きな開口部４０Ａを有している。共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂは、開口部４０Ａ内の中空に配置されており、支持基板１０の表面（上面）と共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂの裏面（下面）との間に間隙Ｇが形成され、開口部４０Ａの側面と共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂの側面との間にも間隙が形成されている。

また、図１ないし図３（Ａ），（Ｂ）に示したように、支持部４０には、６つの開口部Ｈが設けられており、これら６つの開口部Ｈに対応して、１つの入力部５０、１つの出力部６０、４つの接地電位部７０がそれぞれ設けられている。

入力部５０は、梁部３０Ａ側の開口部Ｈに設けられており、支持基板１０上に、下地層５１、上部配線層２５Ｂおよびパッド部５２を支持基板１０側から順に積層して形成されたものである（図１、図２（Ａ），図３（Ｂ）参照）。下地層５１、上部配線層２５Ｂおよびパッド部５２はそれぞれ、例えば、入力電極２３および出力電極２４と同様の材料（例えばＡｌ、Ｍｏ）、あるいは、Ａｕなどの高伝導率材料からなり、互いに電気的に接続されている。また、上部配線層２５Ｂは、梁部３０Ａの表面（上面）に設けられた上部配線層２５Ａと連結されており、上部配線層２５Ａと電気的に接続されている。つまり、入力部５０は、入力電極２３からの引出し電極としての役割を有している。

出力部６０は、梁部３０Ｂ側の開口部Ｈに設けられており、支持基板１０上に、下地層５３、上部配線層２６Ｂおよびパッド部５４を支持基板１０側から順に積層して形成されたものである（図１、図２（Ａ）参照）。下地層５３、上部配線層２６Ｂおよびパッド部５４はそれぞれ、例えば、入力電極２３および出力電極２４と同様の材料（例えばＡｌ、Ｍｏ）からなり、互いに電気的に接続されている。また、上部配線層２６Ｂは、梁部３０Ｂの表面（上面）に設けられた上部配線層２６Ａと連結されており、上部配線層２６Ａと電気的に接続されている。つまり、出力部６０は、出力電極２４からの引出し電極としての役割を有している。

４つの接地電位部７０のうちの２つは、入力部５０の両側に位置する開口部Ｈに設けられており、残りの２つは、出力部６０の両側に位置する開口部Ｈに設けられている。各接地電位部７０は、支持基板１０上に、下部配線層２７Ｂ、中間層７１およびパッド部７２を支持基板１０側から順に積層して形成されたものである（図１、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）参照）。下部配線層２７Ｂ、中間層７１およびパッド部７２はそれぞれ、例えば、入力電極２３および出力電極２４と同様の材料（例えばＡｌ、Ｍｏ）、あるいは、Ａｕなどの高伝導率材料からなり、互いに電気的に接続されている。また、下部配線層２７Ｂは、対向電極２２と連結されており、対向電極２２と電気的に接続されている。また、下部配線層２７Ｂは、図１に示したように、電気機械素子１の上面側から見て、入力部５０、上部配線層２５Ａ、入力電極２３、出力電極２４、上部配線層２６Ａおよび出力部６０からなる伝送線路を両側から挟み込むように配線されており、伝送線路と共にコプレーナ線路を構成している（図には明示せず）。

このような構成を有する電気機械素子１は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、シリコン基板上に、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositon）法により、酸化シリコン層を形成したのち、例えばプラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン層上に、窒化シリコン層を形成することにより、支持基板１０を形成する（図８（Ａ））。続いて、例えば減圧ＣＶＤ法により、支持基板１０上に酸化シリコン層を形成したのち、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理により、間隙Ｇを形成することとなる部位に犠牲層８０を形成する（図８（Ａ））。なお、以下では、上記したフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理によるパターニング処理を、単に「パターニング」と称する。

次に、例えばスパッタ法により、犠牲層８０を含む表面全体にＭｏ薄膜を形成したのち、パターニングにより、後に対向電極２２および下部配線層２７Ａ，２７Ｂとなる金属層２２Ｄと、下地層５１，５３とを形成する（図８（Ｂ））。

次に、例えばスパッタ法により、金属層２２Ｄおよび下地層５１，５３を含む表面全体にＡｌＮ膜を形成したのち、パターニングにより、開口部Ｈを有する圧電体膜２１Ｄを形成する（図８（Ｃ））。

次に、例えばスパッタ法により、開口部Ｈを含む表面全体にＡｌ薄膜を形成したのち、パターニングにより、入力電極２３、出力電極２４、上部配線層２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ、中間層７１を形成する（図９（Ａ））。なお、図９（Ａ）には中間層７１は現れていない。

次に、例えばスパッタ法により、開口部Ｈを含む表面全体にＡｕ薄膜を形成したのち、パターニングにより、パッド部５２，５４，７２を形成する（図９（Ｂ））。これにより、入力部５０、出力部６０、接地電極部７０が形成される。なお、図９（Ｂ）にはパッド部７２および接地電極部７０は現れていない。

次に、パターニングにより、圧電体膜２１Ｄおよび金属層２２Ｄのうち共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂに非対応の部位を除去することにより、共振部２０および梁部３０Ａ，３０Ｂが形成される（図９（Ｃ））。

最後に、ガス化したフッ酸雰囲気、または微小な粒径のミスト状のフッ酸雰囲気中に、犠牲層８０を曝して、犠牲層８０を除去する。これにより、間隙Ｇが形成される。このようにして、本実施の形態の電気機械素子１が製造される。

本実施の形態の電気機械素子１では、図１０に示したように、対向電極２２を接地電位にすると共に、出力電極２４に抵抗Ｒを直列接続した状態で、入力電極２３に入力信号Ｖ_ＡＣを入力すると、入力信号は圧電体膜２１の圧電性により機械的な歪みに変換され、その機械的な歪みによって圧電体膜２１が、圧電体膜２１の厚さ方向と交差する方向に伸縮振動し、共振振動が発生する。このとき、圧電体膜２１は、共振周波数と反共振周波数とを有する共振モードで共振振動する。

ここで、圧電体膜２１は、その形状および寸法に応じた機械的振動の共振周波数を持っており、その周波数で励振されたときに最大振幅の振動が圧電体膜２１に誘起される。圧電体膜２１には、その歪みの大きさに比例した電荷が誘起されるので、圧電体膜２１には、その機械的な共振に応じた電気的な電流共振が起きることになる。従って、入力電極２３から圧電体膜２１を介して出力電極２４に繋がるパスの等価回路は、図１１に示したようなＬ_１，Ｃ_１，Ｒ_１からなるＬＣＲ直列共振回路となる。

また、入力電極２３および出力電極２４は、電極の配置によって決められる容量により電気的に結合されている。そのため、上記ＬＣＲ直列共振回路に容量Ｃ_０が並列に繋がることになる。さらに、入力部５０、上部配線層２５Ａおよび入力電極２３からなる入力側の伝送線路は、その接地面との配置に依存する対地容量Ｃ_１０を持ち、同様に、出力電極２４、上部配線層２６Ａおよび出力部６０からなる出力側の伝送線路は、その接地面との配置に依存する対地容量Ｃ_１１を持つ。

なお、対地容量Ｃ_１０，Ｃ_１１の大きさは、主に、上部電極２３の面積、圧電体膜２１の膜厚および比誘電率（ＡｌＮでは、８．８）により決まる。また、入力電極２３および出力電極２４間の容量Ｃ_０の大きさは、主に、入力電極２３および出力電極２４の膜厚、長さおよび幅、入力電極２３および出力電極２４の間の距離、ならびに圧電体膜２１の比誘電率などに依存する。

このように、本実施の形態では、圧電体膜２１の一方の面に設けられた入力電極２３と出力電極２４との間に生じる微小な容量Ｃ_０が、入力電極２３から圧電体膜２１を介して出力電極２４に繋がる（直列）共振回路（機械的な共振系）に並列に繋がっている。そのため、図１２に示したように、反共振周波数ｆ_２が共振周波数ｆ_１から十分に離れたところ（ｆ_１＋Δｆ）に位置することになるので、本実施の形態の電気機械素子１の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続するだけで、図１３に示したような透過帯域幅Ｗの広帯域フィルタを実現することができる。つまり、広帯域フィルタを作製する際に、反共振周波数ｆ_２が邪魔になる虞がない。すなわち、本実施の形態の電気機械素子１の共振周波数を互いにわずかに異ならせたものを並列接続するだけで、広帯域フィルタを実現することができる。これにより、本実施の形態の電気機械素子１を用いることにより、簡単な素子構造で広帯域フィルタを実現することが可能である。

また、本実施の形態では、ＤＣバイアス電圧を用いなくても、広帯域フィルタを実現することができる。これにより、昇圧回路などの手段や、交流信号線路とＤＣ線路との間でクロストークが生じるのを抑制する手段を設ける必要がないので、素子構造を簡素化することができる。また、それに伴い、素子を小型化することができ、消費電力を低減することができる。また、不要なノイズの混入を低減することができるので、素子の信頼性を高めることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態の電気機械素子２は、複数の共振部２０を備えている点で、１つの共振部２０を備えていた上記実施の形態の構成と相違する。そこで、以下では、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態と共通する構成、作用、効果についての説明を適宜省略するものとする。

本実施の形態の電気機械素子２は、図１４に示したように、複数の共振部２０を入れ子状に配置したものである。各共振部２０は、上記実施の形態の共振部２０と同様、支持部４０によって梁部３０Ａ，３０Ｂを介して振動可能に保持されており、支持基板１０の表面（上面）と間隙Ｇを介して中空に配置されている。

具体的には、支持部４０に最も近い最外縁に位置する共振部２０は、環状となっており、梁部３０Ａ，３０Ｂを介して支持部４０に連結されている。そして、支持部４０に最も近い最外縁に位置する共振部２０の内側（開口部２０Ｃの内部）に位置する共振部２０は、図１４に示したような環状、または図示しないが角環状、円形状または正多角形状となっており、梁部３０Ａ，３０Ｂおよび共振部２０を介して支持部４０に連結されている。

また、各共振部２０の入力電極２３が上部配線層２５Ａによって互いに電気的に接続されると共に、各共振部２０の出力電極２４が上部配線層２６Ａによって互いに電気的に接続されている。つまり、各共振部２０は、図１７に模式的に示したように、互いに並列に接続されている。なお、各共振部２０の対向電極２２はそれぞれ、接地電位となっている。なお、このときの等価回路は、図１８に示したようになる。

さらに、各共振部２０は、互いに異なる共振周波数を有している。これにより、図１９に示したように、支持部４０に最も近い最外縁に位置する共振部２０の共振周波数ｆ_１における共振ピークの一部と、開口部２０Ｃの内部に位置する共振部２０の共振周波数ｆ_３における共振ピークの一部とが互いに重なり合って、帯域幅Ｗの透過帯域が形成される。

なお、支持部４０に最も近い最外縁に位置する共振部２０の径は、開口部２０Ｃの内部に位置する共振部２０の径よりも大きくなるが、例えば、各共振部２０が環状となっている場合において、共振部２０の共振周波数は、共振部２０の径の大きさの違いによってほとんど影響されず、各共振部２０の環の幅などによって変化する。従って、各共振部２０の環の幅などをほぼ一定とすることにより、各共振部２０の共振周波数をほぼ等しくすることができる。また、各共振部２０の環の幅などをわずかに変えることにより、各共振部２０の共振周波数をわずかに異ならせることができる。

また、反共振周波数ｆ_２，ｆ_４は共振周波数ｆ_１，ｆ_３から十分に離れたところに位置しているので、反共振周波数ｆ_２，ｆ_４における共振ピークが帯域幅Ｗの透過帯域を邪魔する虞はない。従って、図２０に示したように、共振周波数が互いにわずかに異なる複数の共振部２０（図２０では５つ）の入力電極２３同士を上部配線層２５Ａによって並列接続すると共に、各共振部２０の出力電極２４同士を上部配線層２６Ａによって並列に接続し、さらに各共振部２０の対向電極２２を下部配線層２７Ａ，２７Ｂを介して接地電位にすることにより、図１３に示したように、幅の広い透過帯域を有する広帯域フィルタを簡単な素子構造で実現することができる。

なお、複数の共振部２０のうち一部の共振部２０の共振周波数を等しくするか、または極めて近くすることにより、図２１に示したように、帯域幅Ｗの透過帯域のうち所定の帯域だけ特に透過損失を低減することもできる。

また、本実施の形態においても、ＤＣバイアス電圧を用いなくても、広帯域フィルタを実現することができる。これにより、昇圧回路などの手段や、交流信号線路とＤＣ線路との間でクロストークが生じるのを抑制する手段を設ける必要がないので、素子構造を簡素化することができる。また、それに伴い、素子を小型化することができ、消費電力を低減することができる。また、不要なノイズの混入を低減することができるので、素子の信頼性を高めることができる。

［第２の実施の形態の一変形例］
上記第２の実施の形態では、例えば、図２０に示したように、共振周波数が互いにわずかに異なる複数の共振部２０（図２０では５つ）の入力電極２３同士を上部配線層２５Ａによって並列接続すると共に、各共振部２０の出力電極２４同士を上部配線層２６Ａによって並列に接続し、各共振部２０の対向電極２２を下部配線層２７Ａ，２７Ｂを介して接地電位にしていたが、さらに、図２２に示したように、上部配線層２５Ａを上記の共振部２０とは別個の一の共振部２０に含まれる入力電極２３および出力電極２４のうちのいずれか一方（図２２では入力電極２３）に電気的に接続し、上部配線層２６Ａを上記の共振部２０とは別個の他の共振部２０に含まれる入力電極２３および出力電極２４のうちのいずれか一方（図２２では出力電極２４）に電気的に接続し、上記一の共振部２０の入力電極２３および出力電極２４のうち上部配線層２５Ａの接続されていない電極（図２２では出力電極２４）と、上記他の共振部２０の入力電極２３および出力電極２４のうち上部配線層２６Ａの接続されていない電極（図２２では入力電極２３）とを接地電位線路に接続して接地電位にするようにしてもよい。

このように、上部配線層２５，２６Ａと接地電位線路との間に共振部２０を直列挿入して、上部配線層２５，２６Ａをシャントすることにより、図２３に示したような等価回路が構成される。これにより、図２４に示したように、帯域幅Ｗの透過帯域の両端部に高減衰領域を設けることができる。また、上部配線層２５，２６Ａと接地電位線路との間に、複数の共振部２０を直列挿入した場合には、高減衰領域の減衰量をより一層大きくすることができる。

なお、図２５に示したように、上部配線層２５，２６Ａと接地電位線路との間に、入力電極２３および出力電極２４の代わりに単一の電極１２０を設けた従来構造の共振部２００を挿入した場合であっても、上記と同様に、帯域幅Ｗの透過帯域の両端部に、高減衰領域を設けることができる。

［第１の適用例］
次に、図２６を参照して、上記実施の形態に係る電気機械素子２を搭載した半導体デバイス３の構成について説明する。この半導体デバイス３は、支持基板１００の表面上に、電気機械素子２と、この電気機械素子２に入出力する信号を処理する集積回路部１１０とが設けられたものであり、ＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。支持基板１００は、例えばシリコン基板からなり、電気機械素子２および集積回路部１１０は、例えばＳｉ−ＣＭＯＳの製造工程により形成されたものである。

ここで、電気機械素子２は、上記したようにＤＣバイアス電圧を用いなくても、広帯域フィルタを実現することができることから、集積回路部１１０での消費電力を増加させることなく、動作させることができる。これにより、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。

なお、図２７に示したように、この半導体デバイス３の電気機械素子２等の設けられている側の表面上に、電気機械素子２を封止する封止部（壁部１２０および封止基板１３０）を設け、その封止部の上面に電気機械素子２または集積回路部１１０と電気的に接続されたアンテナ部１４０を設けることにより、半導体デバイス４を構成することも可能である。

［第２の適用例］
次に、図２８を参照して、上記実施の形態に係る電気機械素子２を搭載した通信装置の構成について説明する。図２８は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本電気機械素子２を搭載した半導体デバイスは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。

図２８に示した通信装置は、上記実施の形態の電気機械素子２をバンドパスフィルタ３０２，３４１，３４３，３４５Ｉ，３４５Ｑ，３１２Ｉ，３１２Ｑ（半導体デバイス）として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記バンドパスフィルタ３０２，３４１，３４３，３４５Ｉ，３４５Ｑ，３１２Ｉ，３１２Ｑはそれぞれ、例えば、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図２８に示したように、送信系回路３００Ａと、受信系回路３００Ｂと、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。

送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。

受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。

この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。

一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。

この通信装置では、上記実施の形態の電気機械素子２がバンドパスフィルタ３０２，３４１，３４３，３４５Ｉ，３４５Ｑ，３１２Ｉ，３１２Ｑとして搭載されているので、バンドパスフィルタ３４１，３４３，３４５Ｉ，３４５Ｑ，３１２Ｉ，３１２Ｑの占有面積を低減することができ、通信装置を小型化することができる。

また、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧・低消費電力で電気機械素子２を駆動させることが可能であるので、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。

以上、実施の形態、変形例および適用例を挙げて本発明の電気機械素子および半導体デバイスについて説明したが、本発明は実施の形態、変形例および適用例に限定されるものではなく、本発明の電気機械素子および半導体デバイスの構成やその製造方法に関する手順などは、上記実施の形態、変形例および適用例と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。

また、上記適用例では、本発明の電気機械素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の電子機器に適用することも可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る電気機械素子の上面構成図である。 図１の電気機械素子のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 図１の電気機械素子のＣ−Ｃ、Ｄ−Ｄ矢視方向の断面構成図である。 図１の電気機械素子の電極位置の一例について説明するための断面構成図である。 図１の電気機械素子の電極位置の他の例について説明するための断面構成図である。 図１の電気機械素子の電極位置のその他の例について説明するための断面構成図である。 図１の電気機械素子の一変形例の上面構成図である。 図１の電気機械素子の製造工程を説明するための断面構成図である。 図８に続く工程について説明するための断面構成図である。 図１の電気機械素子の動作について説明するための回路構成図である。 図１０の電気機械素子の等価回路図である。 図１０の電気機械素子の周波数特性を表す特性図である。 図１０の電気機械素子を並列接続したものの周波数特性を表す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電気機械素子の上面構成図である。 図１４の電気機械素子のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 図１４の電気機械素子のＣ−Ｃ、Ｄ−Ｄ矢視方向の断面構成図である。 図１４の電気機械素子の動作について説明するための回路構成図である。 図１７の電気機械素子の等価回路図である。 図１７の電気機械素子の周波数特性を表す特性図である。 図１４の共振部を並列接続したものの回路構成図である。 図２０の回路の周波数特性を表す特性図である。 図２０の回路の一変形例の回路構成図である。 図２２の回路の等価回路図である。 図２２の回路の周波数特性を表す特性図である。 図２０の回路の他の変形例の回路構成図である。 図１４の電気機械素子の一適用例に係る半導体デバイスの上面構成図である。 図２６の半導体デバイスの一変形例の断面構成図である。 図１４の電気機械素子の他の適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。

符号の説明

１，２…電気機械素子、３…半導体デバイス、１０…支持基板、２０…共振部、２１…圧電体膜、２２…対向電極、２３…入力電極、２４…出力電極、２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ…上部配線層、２７Ａ，２７Ｂ…下部配線層、２８…電極、３０Ａ，３０Ｂ…梁部、４０…支持部、５０…入力部、５１，５３…下地層、５２，５４，７２…パッド部、６０…出力部、７０…接地電位部、７１…中間層、１００…支持基板、１１０…集積回路部、１２０…壁部、１３０…封止基板、１４０…アンテナ部。

Claims (19)

1. 上面および下面を有する振動可能な圧電体膜と、
   前記上面および前記下面のいずれか一方に互いに別個独立に設けられた入力電極および出力電極と、
   前記上面および前記下面のうち前記入力電極および出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられると共に接地される対向電極と
   を備えたことを特徴とする電気機械素子。
2. 前記圧電体膜は、前記入力電極に入力信号が印加されると、当該圧電体膜の厚さ方向と交差する方向に伸縮振動する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
3. 前記入力電極および前記出力電極は、前記圧電体膜の伸縮振動の腹およびその近傍に対応して設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気機械素子。
4. 前記入力電極および前記出力電極は、前記圧電体膜の表面上において、所定の間隙を介して互いに対向配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
5. 前記圧電体膜は、環状となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
6. 前記入力電極および出力電極はそれぞれ、環状となっている
   ことを特徴とする請求項５に記載の電気機械素子。
7. 前記圧電体膜、前記入力電極および出力電極は、同心円状となっている
   ことを特徴とする請求項６に記載の電気機械素子。
8. 前記圧電体膜に連結された１または複数の梁部と、
   前記梁部を介して前記圧電体膜を支持する支持部と、
   少なくとも前記梁部の表面または内部に互いに別個独立に形成されると共に、一方が前記入力電極と連結され、他方が前記出力電極と連結された導電性の２つの配線層と
   を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
9. 前記圧電体膜は、窒化アルミニウムを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
10. 複数の第１電気機械部を備え、
    前記第１電気機械部は、
    第１上面および第１下面を有する振動可能な第１圧電体膜と、
    前記第１上面および前記第１下面のいずれか一方に互いに別個独立に設けられた入力電極および出力電極と、
    前記第１上面および前記第１下面のうち前記入力電極および出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられると共に接地される第１対向電極と
    を有する
    ことを特徴とする電気機械素子。
11. 前記複数の第１電気機械部のうち少なくとも２つの入力電極を互いに電気的に接続した第１配線層と、
    前記複数の第１電気機械部のうち前記第１配線層の接続された入力電極を有する第２電気機械部の各出力電極を互いに電気的に接続した第２配線層と
    を備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
12. 前記各第１電気機械部は、互いに異なる共振周波数を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
13. 前記各第１圧電体膜に連結された複数の梁部と、
    前記梁部を介して前記第１圧電体膜を支持する支持部と、
    を備え、
    前記第１配線層および前記第２配線層は、少なくとも前記梁部の表面または内部に形成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
14. 前記各第１圧電体膜は、環形状となっており、
    前記複数の第１圧電体膜は、入れ子状に配置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
15. 前記複数の第１圧電体膜のうち１つを除く各薄膜は、環形状となっており、
    前記複数の第１圧電体膜は、入れ子状に配置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
16. 前記複数の第１電気機械部のうち前記第１配線層の接続されていない第３電気機械部が少なくとも２つあり、
    前記少なくとも２つの第３電気機械部のうち一の電気機械部の入力電極および出力電極のいずれか一方と、前記第１配線層とを互いに電気的に接続した第３配線層と、
    前記少なくとも２つの第３電気機械部のうち前記第３配線層の接続されていない他の電気機械部の入力電極および出力電極のいずれか一方と、前記第２配線層とを互いに電気的に接続した第４配線層と、
    前記一の電気機械部の入力電極および出力電極のうち前記第３配線層の接続されていない電極と、前記他の電気機械部の入力電極および出力電極のうち前記第４配線層の接続されていない電極とを接地電位線路に接続する第５配線層と
    を備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
17. 複数の第４電気機械部を備え、
    前記第４電気機械部は、
    第２上面および第２下面を有する振動可能な第２圧電体膜と、
    前記第２上面および前記第２下面のいずれか一方に設けられると共に、一体的に形成された入出力電極と、
    前記第２上面および前記第２下面のうち前記入出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられた第２対向電極と
    を有し、
    前記複数の第４電気機械部のうち一の電気機械部の入出力電極と、前記第１配線層とを互いに電気的に接続した第３配線層と、
    前記複数の第４電気機械部のうち前記第３配線層の接続されていない他の電気機械部の入出力電極と、前記第２配線層とを互いに電気的に接続した第４配線層と、
    前記一の電気機械部の第２対向電極と、前記他の電気機械部の第２対向電極とを接地電位線路に接続する第５配線層と
    を備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気機械素子。
18. 一の素子と他の素子とに接続された電気機械素子を内蔵する半導体デバイスであって、
    前記電気機械素子は、複数の電気機械部を備え、
    前記電気機械部は、
    上面および下面を有する振動可能な圧電体膜と、
    前記上面および前記下面のいずれか一方に互いに別個独立に設けられた入力電極および出力電極と、
    前記上面および前記下面のうち前記入力電極および出力電極の設けられている面とは異なる面に設けられると共に接地される対向電極と
    を有する
    ことを特徴とする半導体デバイス。
19. 前記一の素子、他の素子、および電気機械素子は、一連の機能を構成する複数の素子が一体的に形成されたＳｏＣ（System on a Chip) 内に形成されている
    ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体デバイス。

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