JP2009201101A - Ｂａｗ共振装置およびその製造方法 - Google Patents

Ｂａｗ共振装置およびその製造方法 Download PDF

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嘉城 早崎
Takaaki Yoshihara
孝明 吉原
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Abstract

【課題】圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能なＢＡＷ共振装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＢＡＷ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２０、圧電層３０、上部電極４０を有する共振子２とを備え、圧電層３０が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイトとからなる多成分ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜（例えば、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜）により構成されている。圧電層形成工程では、圧電層３０をスパッタ法により形成するにあたって、支持基板１の温度を５００℃以上の規定温度として当該支持基板１の上記一表面側に上記圧電薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、支持基板１を上記規定温度から急速冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を有するＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）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、２ＧＨｚ以上の高周波帯域で用いる共振装置としてＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振装置よりもＢＡＷ共振装置が適していることが知られており（例えば、特許文献１、非特許文献１）、近年、ＢＡＷ共振装置をＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合に、ＵＷＢ用フィルタに適応できる帯域幅（例えば、３００ＭＨｚ）を確保するために、圧電層の圧電材料として、ＡｌＮに比べて電気機械結合係数（ｋeff）が大きなＰＺＴを採用することが提案されている（特許文献２参照）。ここにおいて、上記特許文献２に記載されたＢＡＷ共振装置では、支持基板の一表面側において下部電極と上部電極との間に介在する圧電層が（００１）配向のＰＺＴ薄膜により構成されている。また、上記特許文献２には、ＢＡＷ共振装置として、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）およびＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）が記載されている。
なお、日本国において検討されているＵＢＷ無線システムに関しては、低い周波数帯として３．４ＧＨｚ−４．８ＧＨｚ帯が暫定の規格となっている（非特許文献２）。
特開２００７−３６８２９号公報 特開２００７−２９５０２５号公報
上田正則，上田知史、"無線通信用ＲＦ−ＭＥＭＳデバイス"、富士通株式会社、２００５年７月、ＦＵＪＩＴＵ．５６，４，ｐ．３３３−３３９ 情報通信審議会 情報通信技術分科会 ＵＷＢ無線システム委員会、"報告（案）"、総務省、〔online〕、［平成２０年１月９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.soumu.go.jp/s-news/2006/060202_2_1.pdf＞、ｐ．２５
しかしながら、本願発明者らは鋭意研究の結果、上記特許文献２に記載のＢＡＷ共振装置のように圧電層が（００１）配向のＰＺＴ薄膜により構成されたものにおいても、上記周波数帯のＵＷＢ用フィルタの特性として要求される機械的品質係数（Ｑｍ）および電気機械結合係数の両方を同時に満足する共振子を得ることが難しく、２ＧＨｚ帯で用いる高周波用フィルタなどの高周波デバイスにおいても機械的品質係数を向上させる必要があるという知見を得た。
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、圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能なＢＡＷ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、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、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を有する共振子とを備えたＢＡＷ共振装置であって、圧電層が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイトとからなる多成分ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜からなることを特徴とする。
この発明によれば、圧電層が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイトとからなる多成分ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜からなるので、圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくす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、前記リラクサーペロブスカイトは、
Ｂ2+をＭｇ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｄ，Ｃｕの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ3+をＭｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｙｂ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｓｃ，Ｙ，Ｓｎの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ5+をＮｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｂｉの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ6+をＷ，Ｔｅ，Ｒｅの群から選択される少なくとも１種類の元素、
として、
Ｐｂ（Ｂ2+ 1/3Ｂ5+ 2/3）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ3+ 1/2Ｂ5+ 1/2）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ2+ 1/2Ｂ6+ 1/2）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ3+ 2/3Ｂ6+ 1/3）Ｏ3、
のいずれか１つの一般式で表される鉛系圧電材料からなることを特徴とする。
この発明によれば、前記リラクサーペロブスカイトが鉛系圧電材料からなるので、前記圧電薄膜の圧電定数を高めることができるとともに、前記圧電薄膜の製造が容易になる。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記リラクサーペロブスカイトが、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3であり、前記圧電薄膜は、ｘ（Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−（１−ｘ）（ＰｂＺｒyＴｉ1-yＯ3）とするとき、０．０５＜ｘ＜０．１２、かつ、０．４５＜ｙ＜０．５６であることを特徴とする。
この発明によれば、２ＧＨｚ以上の周波数帯で用いる高周波フィルタ（例えば、ＵＢＷ用フィルタなど）の特性として要求される機械的品質係数および電気機械結合係数の両方を同時に満足する共振子を得ることが可能となる。
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、前記圧電薄膜の膜厚が８００ｎｍ以下であることを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電薄膜の膜厚が８００ｎｍ以下なので、前記共振子の共振周波数が２ＧＨｚ以上となり、２ＧＨｚ以上の周波数帯で用いる高周波用フィルタに応用することが可能となる。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記支持基板が単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳＴＯ基板からなり、前記下部電極がＰｔもしくはＩｒにより形成され、前記下部電極と前記圧電薄膜との間にバッファ層が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電薄膜の格子歪を抑制することが可能となる。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記支持基板が単結晶Ｓｉ基板からなり、前記下部電極がＰｔもしくはＩｒにより形成され、前記下部電極と前記圧電薄膜との間にバッファ層が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電薄膜の格子歪を抑制することが可能となる。
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記支持基板と前記下部電極との間にＭｇＯ層もしくはＳＴＯ層が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記下部電極の格子歪を抑制できるとともに前記圧電薄膜の応力を緩和することができる。
請求項８の発明は、請求項５ないし請求項７の発明において、前記バッファ層がＳＲＯにより形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電薄膜の格子歪を抑制できる。
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、前記支持基板は、前記下部電極のうち前記共振子の共振領域に対応する部位における前記圧電層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、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１０の発明は、請求項１ないし請求項９の発明において、前記共振子を前記支持基板の前記一表面側に複数個形成し、ＵＷＢ用フィルタを構成してなることを特徴とする。
この発明によれば、ＵＷＢ用フィルタの小型化および低コスト化を図れる。
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のＢＡＷ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、下部電極における支持基板側とは反対側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、支持基板の温度を５００℃以上の規定温度として当該支持基板の前記一表面側に圧電薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、支持基板を前記規定温度から急速冷却することを特徴とする。
この発明によれば、圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能なＢＡＷ共振装置を提供することが可能となる。
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記圧電層形成工程では、前記圧電薄膜をスパッタ法もしくはＭＯＣＶＤ法により成膜することを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電層形成工程では、前記圧電薄膜をスパッタ法もしくはＭＯＣＶＤ法により成膜するので、前記圧電薄膜の組成および厚みを高精度に制御することが可能となる。
請求項１の発明では、圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能となるという効果がある。
請求項１１の発明では、圧電層をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能なＢＡＷ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におけるＢＡＷ共振装置の概略断面図である。 同上のＢＡＷ共振装置の特性説明図である。 同上のＢＡＷ共振装置の特性説明図である。 同上のＢＡＷ共振装置の特性説明図である。 実施形態２におけるＢＡＷ共振装置の概略断面図である。
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ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共振子２とを備えている。ここにおいて、共振子２は、下部電極２０と、下部電極２０における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３０と、圧電層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とを有しており、圧電層３０が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイト（例えば、ＰＭＮなど）とからなる多成分ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜により構成されている。
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、圧電層３０における下部電極２０側とは反対側に上部電極４０と圧電層３０との接触面積を規定する開孔部５１を有する絶縁膜５０が形成されており、圧電層３０のうち下部電極２０と上部電極４０との両方と接する領域が共振領域３１を構成している。ここにおいて、支持基板１は、下部電極２０のうち共振子２の共振領域３１に対応する部位における圧電層３０側とは反対側に空洞１ａが形成されている。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、下部電極２０と下部電極２０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ＢＡＷ共振装置は、圧電層３０の圧電材料として、ＰＭＮ−ＰＺＴを採用しており、（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜が得られるように、支持基板１として、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、支持基板１としては、主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板に限らず、例えば、主表面が（００１）面の単結晶ＳＴＯ（：ＳｒＴｉＯ3）基板や、主表面が（１００）面の単結晶シリコン基板などを用いてもよい。また、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜は、単結晶膜もしくは単一配向膜であればよく、配向は（００１）配向に限らず、例えば、（１１１）配向でもよい。また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、下部電極２０と圧電層３０との間に圧電層３０の結晶配向を制御するためのバッファ層２５が形成されており、圧電層３０の結晶配向を単一配向に制御することができるとともに、圧電層３０の格子歪を抑制できる。なお、バッファ層２５の材料としては、導電性酸化物材料の一種であるＳＲＯ（：ＳｒＲｕＯ3）を採用している。
本実施形態では、下部電極２０の材料としてＰｔ、上部電極４０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、下部電極２０の材料としては、例えば、Ｉｒを採用してもよく、上部電極４０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５０の材料としてＳｉＯ2を採用しているが、ＳｉＯ2に限らず、例えば、Ｓｉ3Ｎ4を採用してもよい。
なお、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、共振子２の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極２０の厚みを１００ｎｍ、バッファ層２５の厚みを３０ｎｍ、圧電層３０の厚みを３００ｎｍ、上部電極４０の厚みを１００ｎｍ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。なお、共振子２の共振周波数は、圧電層３０の厚みに関しては、ＰＺＴ系材料膜厚と共振周波数とが図２に示すような関係を有しているので、圧電層３０とバッファ層２５との合計の厚み（バッファ層２５を設けていない場合には圧電層３０の厚み）を８００ｎｍとすれば、共振周波数が２ＧＨｚとなり、圧電層３０とバッファ層２５との合計の厚み（バッファ層２５を設けていない場合には圧電層３０の厚み）を８００ｎｍ以下に設定することにより、２ＧＨｚ以上の共振周波数を得ることができる。
また、圧電層３０は、（００１）配向のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここにおいて、ＰＭＮ−ＰＺＴの組成は、ｘ（Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−（１−ｘ）（ＰｂＺｒyＴｉ1-yＯ3）なる化学式で表され、本実施形態では、ｘ＝０．１０、ｙ＝０．４８としてあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではなく、２ＧＨｚ以上の高周波用フィルタ（例えば、ＵＷＢ用フィルタなど）に応用するには、機械的品質係数（Ｑｍ）が１２０以上、かつ、電気機械結合係数（ｋeff）が０．３９以上となる組成であればよく、０＜ｘ＜０．２０、かつ、０．４＜ｙ＜０．６、好ましくは、０．０５＜ｘ＜０．１２、かつ、０．４５＜ｙ＜０．５６の範囲で設定すればよい。下記表１にｘ，ｙの上記条件を満足する組成で作製した実施例および比較例について機械的品質係数（Ｑｍ）および電気機械結合係数（ｋeff）を評価した結果を示す。
Figure 2009201101
 また、本実施形態では、上述のリラクサーペロブスカイトとして、ＰＭＮを採用しているが、リラクサーペロブスカイトはＰＭＮに限らず、
Ｂ2+をＭｇ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｄ，Ｃｕの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ3+をＭｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｙｂ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｓｃ，Ｙ，Ｓｎの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ5+をＮｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｂｉの群から選択される少なくとも１種類の元素、
Ｂ6+をＷ，Ｔｅ，Ｒｅの群から選択される少なくとも１種類の元素、
として、
Ｐｂ（Ｂ2+ 1/3Ｂ5+ 2/3）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ3+ 1/2Ｂ5+ 1/2）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ2+ 1/2Ｂ6+ 1/2）Ｏ3、
Ｐｂ（Ｂ3+ 2/3Ｂ6+ 1/3）Ｏ3、
のいずれか１つの一般式で表される鉛系圧電材料を採用すればよい。
以下、本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法について簡単に説明する。
まず、主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側に第１の導電性材料（例えば、Ｐｔなど）からなる下部電極２０を例えばスパッタ法により形成する下部電極形工程を行い、続いて、下部電極２０上に導電性酸化物材料（例えば、ＳＲＯなど）からなるバッファ層２５を例えばスパッタ法により成膜するバッファ層形成工程を行い、その後、バッファ層２５上にＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０を例えばスパッタ法により形成する圧電層形成工程を行い、その後、圧電層３０上に共振領域３１に対応する部位に開孔部５１を有する絶縁膜５０を形成する絶縁膜形成工程を行い、続いて、第２の導電性材料（例えば、Ａｌなど）からなり共振領域３１の表面と絶縁膜５０の表面とに跨る上部電極４０を例えばスパッタ法により形成する上部電極形成工程を行い、その後、支持基板１の他表面側に上述の空洞１ａをリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。ここで、本実施形態では、下部電極形成工程において、（００１）配向のＰｔ薄膜からなる下部電極２０を成膜し、バッファ層形成工程において、（１１０）配向のＳＲＯ薄膜からなるバッファ層２５を成膜している。なお、下部電極２０および上部電極４０の成膜方法は、スパッタ法に限らず、蒸着法などを採用してもよく、バッファ層２５および圧電層３０の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えば、ＭＯＣＶＤ法を採用してもよい。また、バッファ層２５は、圧電層３０の圧電材料の格子定数によっては必ずしも設ける必要はない。
要するに、本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法は、支持基板１の上記一表面側に下部電極２０を形成する下部電極形成工程と、下部電極２０における支持基板１側とは反対側に圧電層３０を形成する圧電層形成工程と、圧電層３０における下部電極２０側とは反対側に上部電極４０を形成する上部電極形成工程とを備えている。ここにおいて、圧電層形成工程では、圧電層３０をスパッタ法により成膜するにあたって、支持基板１の温度（基板温度）を５００℃以上の規定温度たる成膜温度（例えば、６００℃）として当該支持基板１の上記一表面側にＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、支持基板１を上記成膜温度から所定の冷却速度（例えば、１００℃／ｍｉｎ）で所定温度（例えば、３００℃）まで急速冷却（クエンチ）するようにしている。なお、上述の所定の冷却速度は１００℃／ｍｉｎに限定するものではなく、例えば、５０℃／ｍｉｎ〜１５０℃／ｍｉｎの範囲で適宜設定すればよい。また、所定温度も３００℃に限定するものではなく、例えば、１５０℃〜４５０℃の範囲で適宜設定すればよい。
本実施形態では、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０をスパッタ法により形成するにあたって、基板ホルダの加熱および冷却が可能なプラナｒｆ−マグネトロンスパッタ装置を用い、広範囲の組成のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜を成膜できるようにカソードターゲットとして粉末カソードを用いており、カソードターゲット組成を１０％ＰｂＯ過剰のＰＭＮ−ＰＺＴにすると、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の組成が化学量論的組成（ストイキオメトリー）となる。なお、カソードターゲットのＰＺＴにＭｎ，Ｍｇ，Ｎｉなどのアクセプタ元素を添加しておけば、機械的品質係数Ｑｍを向上させることが可能である。また、その他のスパッタ条件としては、スパッタガスとして、ＡｒガスとＯ2ガスとの混合ガス（例えば、Ａｒ：Ｏ2＝２０：１）を用い、ＲＦパワーを９０Ｗ、成長速度を１５０〜３００ｎｍ／ｈｒとしたが、これらのスパッタ条件も特に限定するものではない。
図３（ａ）に、上述の実施例３の組成のＰＭＮ−ＰＺＴを、成膜温度を６００℃、冷却速度を１００℃／ｍｉｎとして作製したときのＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜のＸ線回折スペクトルを示し、同図（ｂ）に、参考例として成膜温度を６００℃、冷却速度を１０℃／ｍｉｎとしたときのＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜のＸ線回折スペクトルを示す。図３（ａ），（ｂ）から、冷却速度が１０℃／ｍｉｎの場合（徐冷の場合）には、（００１）配向の他に（１０１）、（１１０）、（１１１）などの配向やパイロクロア（pyrochlore）構造が見られ、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の（００１）配向率が９７．８％であるのに対して、冷却速度が１００℃／ｍｉｎの場合には、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の（００１）配向率が９９．７％に向上しておりほぼ単結晶とみなせるＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜が得られていることが分かる。このような結果が得られたのは、成膜温度から所定温度まで急速冷却することにより、支持基板１の上記一表面側にヘテロエピタキシャル成長されたＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜に格子歪や界面層が形成されることが抑制されるためであると考えられる。なお、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の格子定数は、バルクと略同じ値が得られており、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の格子歪が少ないことを裏付けている。また、実施例３に関して、断面ＳＥＭ観察を行った結果、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜におけるバッファ層２５側に界面層やグレインが形成されていないことも確認された。
また、上述の実施例１では、図４（ａ）に示すようなヒステリシス特性が得られ、図４（ｂ）に示す参考例のヒステリシス特性に比べて良好なヒステリシス特性が得られた。なお、図４（ａ），（ｂ）の横軸は電界強度〔ｋＶ／ｃｍ〕、縦軸は分極率Ｐ〔μＣ／ｃｍ2〕である。また、上述のＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜の圧電定数について評価したところ、モルフォトロピック相境界（Morphotropic Phase Boundary：MPB）の組成比のバルクＰＺＴ（ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3）に匹敵する圧電定数が得られた。
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振装置では、圧電層３０が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイトとからなる多成分（３成分）ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜からなるので、圧電層３０をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層３０をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能となる。また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、リラクサーペロブスカイトが上記鉛系圧電材料からなるので、圧電層３０を構成する圧電薄膜の圧電定数を高めることができるとともに、圧電薄膜の製造が容易になる。
また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、上述のリラクサーペロブスカイトが、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3であり、圧電層３０を構成する圧電薄膜が、ｘ（Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−（１−ｘ）（ＰｂＺｒyＴｉ1-yＯ3）とするとき、０．０５＜ｘ＜０．１２、かつ、０．４５＜ｙ＜０．５６であるので、２ＧＨｚ以上の周波数帯で用いる高周波フィルタ（例えば、ＵＢＷ用フィルタなど）の特性として要求される機械的品質係数および電気機械結合係数の両方を同時に満足する共振子２を得ることが可能となる。
ところで、上述のＢＡＷ共振装置を、２ＧＨｚ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、複数個の共振子２を支持基板１の上記一表面側に形成し、ＵＷＢ用フィルタを構成するようにすればよく（例えば、８個の共振子２をラダー型フィルタが形成されるように適宜接続すればよく）、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
また、上述のＢＡＷ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２０を形成する下部電極形成工程と、下部電極２０における支持基板１側とは反対側に圧電薄膜（例えば、ＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜）からなる圧電層３０を形成する圧電層形成工程と、圧電層３０における下部電極２０側とは反対側に上部電極４０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、支持基板１の温度を５００℃以上の規定温度として当該支持基板１の上記一表面側に上記圧電薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、支持基板１を上記規定温度から急速冷却するので、圧電層３０をＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき且つ圧電層３０をＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて機械的品質係数を大きくすることが可能なＢＡＷ共振装置を提供することが可能となる。また、上述のＢＡＷ共振装置の製造方法によれば、圧電層形成工程では、上記圧電薄膜をスパッタ法もしくはＭＯＣＶＤ法により成膜するので、上記圧電薄膜の組成および厚みを高精度に制御することが可能となる。
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷ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、支持基板１として単結晶シリコン基板を用いており、支持基板１と下部電極２０との間にＭｇＯ層からなるシード層１０が形成されている点が相違する。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。
しかして、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、支持基板１と下部電極２０との間にＭｇＯ層からなるシード層１０が形成されているので、下部電極２０の格子歪を抑制できるとともに圧電層３０を構成する圧電薄膜の応力を緩和することができる。なお、シード層１０は、ＭｇＯ層に限らず、例えば、ＳＴＯ層により構成してもよい。
なお、上述の各実施形態のＢＡＷ共振装置は、ＦＢＡＲを構成しているが、支持基板１に空洞１ａを設けずに、支持基板１の上記一表面と下部電極２０との間に、相対的に音響インピーダンスの低い材料（例えば、ＳｉＯ２など）からなる低音響インピーダンス層と相対的に音響インピーダンスの高い材料（例えば、Ｗなど）からなる高音響インピーダンス層とを交互に積層した音響ミラーを設けてＳＭＲを構成するようにしてもよい。
１ 支持基板
１ａ 空洞
２ 共振子
２０ 下部電極
２５ バッファ層
３０ 圧電層
３１ 共振領域
４０ 上部電極
５０ 絶縁膜
５１ 開孔部

Claims (12)

  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、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、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を有する共振子とを備えたＢＡＷ共振装置であって、圧電層が、ＰＺＴとリラクサーペロブスカイトとからなる多成分ペロブスカイト構造を有する圧電薄膜からなることを特徴とするＢＡＷ共振装置。
  2. 前記リラクサーペロブスカイトは、
    Ｂ2+をＭｇ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｄ，Ｃｕの群から選択される少なくとも１種類の元素、
    Ｂ3+をＭｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｙｂ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｓｃ，Ｙ，Ｓｎの群から選択される少なくとも１種類の元素、
    Ｂ5+をＮｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｂｉの群から選択される少なくとも１種類の元素、
    Ｂ6+をＷ，Ｔｅ，Ｒｅの群から選択される少なくとも１種類の元素、
    として、
    Ｐｂ（Ｂ2+ 1/3Ｂ5+ 2/3）Ｏ3、
    Ｐｂ（Ｂ3+ 1/2Ｂ5+ 1/2）Ｏ3、
    Ｐｂ（Ｂ2+ 1/2Ｂ6+ 1/2）Ｏ3、
    Ｐｂ（Ｂ3+ 2/3Ｂ6+ 1/3）Ｏ3、
    のいずれか１つの一般式で表される鉛系圧電材料からなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振装置。
  3. 前記リラクサーペロブスカイトが、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3であり、前記圧電薄膜は、ｘ（Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−（１−ｘ）（ＰｂＺｒyＴｉ1-yＯ3）とするとき、０．０５＜ｘ＜０．１２、かつ、０．４５＜ｙ＜０．５６であることを特徴とする請求項２記載のＢＡＷ共振装置。
  4. 前記圧電薄膜の膜厚が８００ｎｍ以下であ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項に記載のＢＡＷ共振装置。
  5. 前記支持基板が単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳＴＯ基板からなり、前記下部電極がＰｔもしくはＩｒにより形成され、前記下部電極と前記圧電薄膜との間にバッファ層が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４のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
  6. 前記支持基板が単結晶Ｓｉ基板からなり、前記下部電極がＰｔもしくはＩｒにより形成され、前記下部電極と前記圧電薄膜との間にバッファ層が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４のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
  7. 前記支持基板と前記下部電極との間にＭｇＯ層もしくはＳＴＯ層が形成されてなることを特徴とする請求項６記載のＢＡＷ共振装置。
  8. 前記バッファ層がＳＲＯにより形成されてなることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
  9. 前記支持基板は、前記下部電極のうち前記共振子の共振領域に対応する部位における前記圧電層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ないし請求項８のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
  10. 前記共振子を前記支持基板の前記一表面側に複数個形成し、ＵＷＢ用フィルタを構成してなることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のＢＡＷ共振装置。
  11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のＢＡＷ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、下部電極における支持基板側とは反対側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、支持基板の温度を５００℃以上の規定温度として当該支持基板の前記一表面側に圧電薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、支持基板を前記規定温度から急速冷却することを特徴とするＢＡＷ共振装置の製造方法。
  12. 前記圧電層形成工程では、前記圧電薄膜をスパッタ法もしくはＭＯＣＶＤ法により成膜することを特徴とする請求項１１記載のＢＡＷ共振装置の製造方法。
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