JP2009100464A - 共振装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】共振装置は、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とを備える。圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方に接している共振領域３２ａの周囲に当該共振領域３２ａに比べて硬度の低い低硬度領域３２ｂを形成してある。圧電層３２は、ＰＺＴにより形成されており、低硬度領域３２ｂは、ポーラス化された領域により構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置およびその製造方法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、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、図１０に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー２と、音響ミラー２上に形成された共振子３’とを備えたＢＡＷ共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、音響ミラー２は、低音響インピーダンス層２１と高音響インピーダンス層２２とを交互に積層した積層構造を有し、共振子３’は、下部電極３１’と圧電層３２’と上部電極３３’との積層構造を有し、圧電層３２’の材料としてＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などが用いられている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電層３２’の膜厚に反比例し、圧電層３２’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。

上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器として、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、ＳＭＲの他にＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）などが知られている。

なお、上述の共振装置をＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の材料（圧電材料）として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能で且つ電気機械結合係数が大きなＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系材料を採用することが考えられ、また、ＰＺＴに比べて環境負荷の低減を図れる鉛フリーのＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）を採用することが考えられる。
特開２００５−２６０９６４号公報

ところで、図１０に示した構成の共振装置では、圧電層３２’が上部電極３３’よりも広い範囲の全領域に亘って均質（一様）に形成されており、圧電層３２’のうち下部電極３１’と上部電極３３’との両方に接している共振領域が当該圧電層３２’における共振領域の周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるので、Ｑ値（機械的品質係数Ｑｍ）が低かった。なお、圧電層３２’の圧電材料としてＰＺＴ系材料やＫＮＮを用いる共振装置では、ＰＺＴ、ＫＮＮの誘電率がＡｌＮの誘電率に比べて大きく、インピーダンス設計が難しいので、インピーダンス整合および加工精度の制約から、圧電層３２’上に上部電極３３’と圧電層３２’との接触面積を規定する開孔部を有する絶縁膜を形成して共振領域を狭める必要がある。

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、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置およびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層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共振装置であって、圧電層のうち下部電極と上部電極との両方に接している共振領域の周囲に当該共振領域に比べて硬度の低い低硬度領域を形成してあることを特徴とする。

この発明によれば、圧電層のうち下部電極と上部電極との両方に接している共振領域の周囲に当該共振領域に比べて硬度の低い低硬度領域を形成してあるので、共振領域が周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記圧電層は、前記低硬度領域がポーラス化された領域からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記低硬度領域の多孔度を制御することで前記低硬度領域の硬度を制御することができるので、前記共振領域自体の電気機械結合係数およびＱ値を変えることなく前記低硬度領域の硬度を低くすることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記圧電層は、ＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＴｉに対するＺｒの比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が、ＰＺＴにより形成されているので、前記圧電層がＡｌＮにより形成されている場合に比べて、電気機械結合係数を高めることができ、前記低硬度領域が、前記共振領域よりもＴｉに対するＺｒの比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、前記共振領域自体の電気機械結合係数およびＱ値を変えることなく前記低硬度領域の硬度を低くすることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記圧電層は、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成されているので、前記共振領域がＰＺＴにより形成されている場合に比べて、前記共振領域のＱ値を向上させることができ、前記低硬度領域が、前記共振領域よりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振装置全体としてのＱ値を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記圧電層は、ＰＭＮ−ＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＰＺＴに対するＰＭＮの比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が、ＰＭＮ−ＰＺＴにより形成されているので、前記共振領域がＰＺＴにより形成されている場合に比べて、前記共振領域のＱ値を向上させることができ、前記低硬度領域が、前記共振領域よりもＰＺＴに対するＰＭＮの比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振装置全体としてのＱ値を向上させることができる。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記圧電層は、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＫＮＮに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電層が、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮにより形成されているので、前記共振領域がＫＮＮにより形成されている場合に比べて、前記共振領域のＱ値を向上させることができ、前記低硬度領域が、前記共振領域よりもＫＮＮに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振装置全体としてのＱ値を向上させることができ、また、請求項３〜５の発明に比べて環境負荷を低減できる。

請求項７の発明は、請求項２記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上に均質な圧電層を形成し、その後、当該圧電層における低硬度領域の形成予定領域に電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域を形成することを特徴とする。

この発明によれば、圧電層形成工程では、下部電極上に均質な圧電層を形成し、その後、当該圧電層における低硬度領域の形成予定領域に電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

請求項８の発明は、請求項３記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における低硬度領域の形成予定領域にＰＴＯを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における低硬度領域の形成予定領域にＰＴＯを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

請求項９の発明は、請求項４記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＭｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、圧電層形成工程では、下部電極上にＭｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

請求項１０の発明は、請求項５記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域にＰＭＮを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域にＰＭＮを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

請求項１１の発明は、請求項６記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＬｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、圧電層形成工程では、下部電極上にＬｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

請求項１の発明では、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能となるという効果がある。

請求項７〜１１の発明では、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の共振装置は、図１に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された音響ミラー（音響多層膜）２と、音響ミラー２上に形成された共振子３とを備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が音響ミラー２上に形成された下部電極３１と、下部電極３１上に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とで構成されている。また、本実施形態の共振装置は、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３と圧電層３２との接触面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁膜４が形成されており、圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が共振領域３２ａを構成している。なお、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ＳＭＲを構成している。

ここにおいて、本実施形態の共振装置は、圧電層３２の圧電材料としてＰＺＴを採用しており、支持基板１として、上記一表面である主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いているが、支持基板１としては、シリコン基板に限らず、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）基板などを用いてもよい。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。

音響ミラー２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２１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２２とが交互に積層されており、上述の下部電極３１は、最上層の低音響インピーダンス層２１上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層２１および高音響インピーダンス層２２それぞれの膜厚は、圧電層３２における共振領域３２ａ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。

本実施形態では、低音響インピーダンス層２１の材料としてＳｉＯ_２、高音響インピーダンス層２２の材料としてＷ、下部電極３１の材料としてＰｔ、上部電極３３の材料としてＡｌを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、低音響インピーダンス層２１の材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層２２の材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよく、下部電極３１の材料としては、例えば、Ｉｒを採用してもよく、上部電極３３の材料としては、例えば、Ｍｏ，Ｐｔなどを採用してもよい。また、絶縁膜４の材料としてＳｉＯ_２を採用しているが、ＳｉＯ_２に限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４を採用してもよい。

なお、本実施形態の共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層２１の厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層２２の厚みを３５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層２１の厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層２２の厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。

ところで、本実施形態の共振装置は、圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方に接している共振領域３２ａの周囲に当該共振領域３２ａに比べて硬度の低い低硬度領域３２ｂを形成してある。ここで、低硬度領域３２ｂは、平面視において共振領域３２ａを全周に亘って囲むように形成されており、低硬度領域３２ｂの周囲は共振領域３２ａと同じ硬度になっている。また、低硬度領域３２ｂは、圧電層３２のうちポーラス化された領域により構成されている。

しかして、本実施形態の共振装置では、共振領域３２ａの周囲に当該共振領域３２ａに比べて硬度の低い低硬度領域３２ｂを形成してあるので、共振領域３２ａが周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、図２（ａ），（ｂ）の矢印で示すように圧電層３２の共振領域３２ａが厚み方向に効率良く振動することが可能となり、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能となる。また、本実施形態の共振装置では、低硬度領域３２ｂがポーラス化された領域からなるので、低硬度領域３２ｂの多孔度を制御することで低硬度領域３２ｂの硬度を制御することができ、共振領域３２ａ自体の電気機械結合係数およびＱ値を変えることなく低硬度領域３２ｂの硬度を低くすることが可能となる。

以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図３を参照しながら説明する。

まず、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の上記一表面側にＳｉＯ_２膜からなる低音響インピーダンス層２１とＷ膜からなる高音響インピーダンス層２２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ミラー（音響多層膜）２を形成する音響ミラー形成工程を行い、その後、音響ミラー２上（支持基板１と音響ミラー２とからなるベース基板上）に、第１の導電性材料（例えば、Ｐｔ，Ｉｒなど）からなる下部電極３１を例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成する下部電極形工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、下部電極３１上に均質なＰＺＴ層からなる圧電層３２を、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成する圧電層形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、圧電層３２のＰＺＴの組成比は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３としてある。

次に、図３（ｃ）に示すように、メタルマスク６を利用して圧電層３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域に、電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域３２ｂを形成する低硬度領域形成工程を行う。なお、メタルマスク６は、低硬度領域３２ｂに対応する部位に開孔部６ａが形成されている。

その後、共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２上に共振領域３２ａに対応する部位に開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。

続いて、共振領域３２ａの表面と絶縁膜４の表面とに跨る上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図３（ｅ）に示す構造を得る。

以上説明した共振装置の製造方法によれば、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１を形成する下部電極形成工程と、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極３１上に均質な圧電層３２を形成し、その後、当該圧電層３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域に電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域３２ｂを形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

本実施形態では、圧電層３２をＰＺＴ層により構成してあるが、ＰＺＴ層に限らず、ＫＮＮ層により構成してもよく、この場合は、圧電層形成工程においてＫＮＮ層をゾルゲル法やスパッタ法やＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法、レーザアブレーション法などにより形成し、低硬度領域形成工程において、ＫＮＮ層からなる圧電層３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域に、電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域３２ｂを形成すればよい。なお、ＫＮＮの組成は、Ｋ_ｘＮａ_１−ｘＮｂＯ_３なる化学式で表され、例えば、ｘ＝０．５とすればよいが、この値は一例であって特に限定するものではない。

ところで、上述の共振装置を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、複数個（例えば、８個）の共振子３を支持基板１の上記一表面側に形成し（音響ミラー２上に形成し）、これら複数個の共振子３を図４に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、圧電層３２における共振領域３２ａ以外の領域全体を低硬度領域３２ｂとしてある点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

また、圧電層３２がＰＺＴにより形成されている点は実施形態１と同じであるが、本実施形態における低硬度領域３２ｂは、共振領域３２ａよりもＴｉに対するＺｒの比を小さくすることにより硬度を低くしてある。なお、本実施形態では、共振領域３２ａのＰＺＴの組成比をＰｂ（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３とし、低硬度領域３２ｂのＰＺＴの組成比をＰｂ（Ｚｒ_０．２０Ｔｉ_０．８０）Ｏ_３とてあるが、これらの組成比は一例であって特に限定するものではない。

しかして、本実施形態の共振装置では、実施形態１と同様に、共振領域３２ａの周囲に当該共振領域３２ａに比べて硬度の低い低硬度領域３２ｂを形成してあるので、共振領域３２ａが周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、図６（ａ），（ｂ）の矢印で示すように圧電層３２の共振領域３２ａが厚み方向に効率良く振動することが可能となり、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の共振装置では、圧電層３２が、ＰＺＴにより形成されているので、圧電層３２がＡｌＮにより形成されている場合に比べて、電気機械結合係数を高めることができ、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＴｉに対するＺｒの比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振領域３２ａ自体の電気機械結合係数およびＱ値を変えることなく低硬度領域３２ｂの硬度を低くすることが可能となる。なお、圧電層３２における低硬度領域３２ｂの形成部位は実施形態１と同じでもよい。

以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図７を参照しながら説明するが、実施形態１で説明した製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の上記一表面側に音響ミラー２を形成する音響ミラー形成工程を行い、その後、音響ミラー２上に下部電極３１を形成する下部電極形工程を行うことによって、図７（ａ）に示す構造を得る。

その後、下部電極３１上に均質なＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層１３２を、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成する前駆体層形成工程を行うことによって、図７（ｂ）に示す構造を得る。

次に、図７（ｃ）に示すように、メタルマスク６を利用して前駆体層１３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域に、ＰＴＯを選択的に注入してＰＴＯ注入領域１３２ｂを形成する選択注入工程を行う。なお、この選択注入工程を行うことにより、前駆体層１３２における共振領域３２ａの形成予定領域はＰＴＯ非注入領域１３２ａとなり、ＰＴＯ注入領域１３２ｂはＰＴＯ非注入領域１３２ａに比べてＴｉリッチの状態となる。

その後、ＰＴＯ非注入領域１３２ａとＰＴＯ注入領域１３２ｂとが混在する前駆体層１３２を焼成することにより共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２を形成する焼成工程を行い、続いて、圧電層３２上に共振領域３２ａに対応する部位に開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図７（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、前駆体層形成工程と選択注入工程と焼成工程とで、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程を構成している。

続いて、共振領域３２ａの表面と絶縁膜４の表面とに跨る上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図７（ｅ）に示す構造を得る。

以上説明した共振装置の製造方法によれば、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１を形成する下部電極形成工程と、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極３１上にＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層１３２を形成し、その後、前駆体層１３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域にＰＴＯを選択的に注入し、その後、前駆体層１３２を焼成することにより共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができる。

（実施形態３）
本実施形態の共振装置の基本構成は図５に示した実施形態２の構成と同じであって、実施形態２にて説明した圧電層３２が、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成され、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてある点が相違するだけである。

しかして、本実施形態の共振装置は、圧電層３２が、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成されているので、共振領域３２ａがＰＺＴにより形成されている場合に比べて、共振領域３２ａのＱ値を向上させることができ、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振装置全体としてのＱ値を向上させることができる。

以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図８を参照しながら説明するが、実施形態２で説明した製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の上記一表面側に音響ミラー２を形成する音響ミラー形成工程を行い、その後、音響ミラー２上に下部電極３１を形成する下部電極形工程を行うことによって、図８（ａ）に示す構造を得る。

その後、下部電極３１上に、Ｐｂよりも硬度の高い金属材料、例えば、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層２３２を、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成する前駆体層形成工程を行うことによって、図８（ｂ）に示す構造を得る。

次に、図８（ｃ）に示すように、メタルマスク６を利用して前駆体層２３２における共振領域３２ａの形成予定領域に、前駆体層２３２と同じ添加物（つまり、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種）を選択的に注入して選択注入領域２３２ａを形成する選択注入工程を行う。なお、この選択注入工程を行うことにより、前駆体層２３２における低硬度領域３２ｂの形成予定領域は非注入領域２３２ｂとなる。

その後、選択注入領域２３２ａと非注入領域２３２ｂとが混在する前駆体層２３２を焼成することにより共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２を形成する焼成工程を行い、続いて、圧電層３２上に共振領域３２ａに対応する部位に開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図８（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、前駆体層形成工程と選択注入工程と焼成工程とで、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程を構成している。

続いて、共振領域３２ａの表面と絶縁膜４の表面とに跨る上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図８（ｅ）に示す構造を得る。

以上説明した本実施形態の共振装置の製造方法によれば、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１を形成する下部電極形成工程と、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極３１上にＭｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層２３２を形成し、その後、前駆体層２３２における共振領域３２ａの形成予定領域に前駆体層２３２と同じ添加物を選択的に注入し、その後、前駆体層２３２を焼成することにより共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

ところで、本実施形態では、上述のように、圧電層３２が、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成され、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあるが、圧電層３２が、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮにより形成され、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＫＮＮに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあれば、環境負荷を低減できる。この場合には、前駆体形成工程において、下部電極３１上に、Ｋよりも硬度の高い金属材料、例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮからなる圧電層３２の前駆体層２３２を、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＭＯＤ法、レーザアブレーション法などにより形成する前駆体層形成工程を行い、選択注入工程において、前駆体層２３２における共振領域３２ａの形成予定領域に、前駆体層２３２と同じ添加物（つまり、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種）を選択的に注入して選択注入領域２３２ａを形成するようにすればよい。

なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができる。

（実施形態４）
本実施形態の共振装置の基本構成は図５に示した実施形態２の構成と同じであって、実施形態２にて説明した圧電層３２が、ＰＭＮ−ＰＺＴにより形成され、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＰＺＴに対するＰＭＮの比を小さくすることにより硬度を低くしてある点が相違するだけである。

しかして、本実施形態の共振装置は、圧電層３２が、ＰＭＮ−ＰＺＴにより形成されているので、共振領域３２ａがＰＺＴにより形成されている場合に比べて、共振領域３２ａのＱ値を向上させることができ、低硬度領域３２ｂが、共振領域３２ａよりもＰＺＴに対するＰＭＮの比を小さくすることにより硬度を低くしてあるので、共振装置全体としてのＱ値を向上させることができる。

本実施形態の共振装置の製造方法は実施形態３にて図８に基づいて説明した製造方法と略同じであって、前駆体層形成工程において、ＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層２３２を形成し、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成し、選択注入工程において、前駆体層２３２における共振領域３２ａの形成予定領域に、ＰＭＴを選択的に注入している点が相違するだけである。

要するに、本実施形態の共振装置の製造方法によれば、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１を形成する下部電極形成工程と、下部電極３１上に圧電層３２を形成する圧電層形成工程と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に上部電極３３を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極３１上にＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層３２の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域３２ａの形成予定領域にＰＭＮを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域３２ａと低硬度領域３２ｂとが混在する圧電層３２を形成するので、電気機械結合係数を低下させることなくＱ値を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。

なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができる。

（実施形態５）
本実施形態の共振装置の基本構成は実施形態２と略同じであって、図９に示すように、支持基板１の上記一表面側に実施形態２にて説明した音響ミラー２（図５参照）を設けずに、支持基板１に下部電極３１における圧電層３２側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａが形成されている点が相違する。要するに、本実施形態の共振装置は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。

本実施形態の共振装置の製造方法は実施形態２にて説明した製造方法と略同じであって、実施形態２にて説明した音響ミラー形成工程が不要となり、上部電極形成工程の後、支持基板１の他表面側に上述の開孔部１ａ形成用にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行ってから、当該マスク層をマスクとして、支持基板１をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることにより開孔部１ａを形成する開孔部形成工程を行い、続いて、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行うようにすればよい。

なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができる。また、他の実施形態１，３，４においても、音響ミラー２を設けずに、支持基板１に開孔部１ａを形成してＦＢＡＲを構成するようにしてもよい。

実施形態１における共振装置の概略断面図である。 同上における共振装置の動作説明図である。 同上における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。 実施形態２における共振装置の概略断面図である。 同上における共振装置の動作説明図である。 同上における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態３における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態４における共振装置の概略断面図である。 従来例を示す共振装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 音響ミラー
３ 共振子
４ 絶縁膜
４ａ 開孔部
３１ 下部電極
３２ 圧電層
３２ａ 共振領域
３２ｂ 低硬度領域
３３ 上部電極
１３２ 前駆体層
２３２ 前駆体層

Claims (11)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層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共振装置であって、圧電層のうち下部電極と上部電極との両方に接している共振領域の周囲に当該共振領域に比べて硬度の低い低硬度領域を形成してあることを特徴とする共振装置。
2. 前記圧電層は、前記低硬度領域がポーラス化された領域からなることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
3. 前記圧電層は、ＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＴｉに対するＺｒの比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
4. 前記圧電層は、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＰＺＴに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
5. 前記圧電層は、ＰＭＮ−ＰＺＴにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＰＺＴに対するＰＭＮの比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
6. 前記圧電層は、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮにより形成され、前記低硬度領域は、前記共振領域よりもＫＮＮに対する添加物の比を小さくすることにより硬度を低くしてあることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
7. 請求項２記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上に均質な圧電層を形成し、その後、当該圧電層における低硬度領域の形成予定領域に電子、ヘリウムイオン、Ａｒイオンのうちの１種を注入してポーラス化することで低硬度領域を形成することを特徴とする共振装置の製造方法。
8. 請求項３記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における低硬度領域の形成予定領域にＰＴＯを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする共振装置の製造方法。
9. 請求項４記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＭｎ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１種の材料を添加したＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする共振装置の製造方法。
10. 請求項５記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＰＭＮ−ＰＺＴからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域にＰＭＮを選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする共振装置の製造方法。
11. 請求項６記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極上に圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層における下部電極側とは反対側に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、圧電層形成工程では、下部電極上にＬｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕのうちの少なくとも１種の材料を添加したＫＮＮからなる圧電層の前駆体層を形成し、その後、前駆体層における共振領域の形成予定領域に前駆体層と同じ添加物を選択的に注入し、その後、前駆体層を焼成することにより共振領域と低硬度領域とが混在する圧電層を形成することを特徴とする共振装置の製造方法。

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