JP2009246569A - Thin-film resonator, filter and duplexer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を挟み、かつ前記圧電体薄膜を介して対向するように配置される第1、第2電極とを有する共振部を備える薄膜共振子、フィルタ、およびデュプレクサに関する。 The present invention relates to a thin film resonator including a piezoelectric thin film and a resonance part having a first electrode and a second electrode disposed so as to face each other with the piezoelectric thin film interposed therebetween, a filter, And about the duplexer.
無線通信および電気回路に用いられる電気信号の周波数の高周波化に伴い、高周波化された電気信号に対して用いられるフィルタについても高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては2GHz近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数GHz以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した、安価で高性能なフィルタが求められている。このようなフィルタとして、圧電性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子を用いたものが提案されている。 As the frequency of electrical signals used in wireless communication and electrical circuits is increased, filters that can be used for electrical signals that have been increased in frequency have been developed. In particular, microwaves near 2 GHz are becoming mainstream in wireless communications, and standards have already been set for several GHz or more, so an inexpensive and high-performance filter corresponding to these frequencies is required. Yes. As such a filter, a filter using a resonator using a thickness longitudinal vibration mode of a thin film exhibiting piezoelectricity has been proposed.
圧電性を示す薄膜(以後、圧電体薄膜と記載する)の厚み縦振動モードを用いた共振子は、入力される高周波の電気信号に対して、圧電体薄膜が厚み縦振動を起こし、その振動が圧電体薄膜の厚さ方向において共振を起こすことによって、そのインピーダンスが変化する。このような圧電体薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子は、薄膜バルク音響波共振子(Film Bulk Acoustic Resonator:略称FBAR)と呼ばれている。FBARは、基板の一表面上に薄膜形成プロセスによって第1電極、圧電体薄膜および第2電極を順次積層して形成される共振部を有する。なお、ここで薄膜とは、通常の薄膜形成プロセスで形成されるものをいう。 A resonator using the thickness longitudinal vibration mode of a piezoelectric thin film (hereinafter referred to as a piezoelectric thin film) causes the piezoelectric thin film to vibrate in response to an input high frequency electrical signal, and the vibration Causes resonance in the thickness direction of the piezoelectric thin film to change its impedance. A resonator using such a piezoelectric thin film thickness vibration mode is called a thin film bulk acoustic resonator (abbreviated as FBAR). The FBAR has a resonance part formed by sequentially laminating a first electrode, a piezoelectric thin film, and a second electrode on one surface of a substrate by a thin film formation process. In addition, a thin film means here what is formed with a normal thin film formation process.
薄膜共振子は、SiおよびGaAsなどから成る基板と、AlNおよびZnOなどから成る圧電体薄膜と、厚み方向の両側から圧電体薄膜を挟む第1および第2電極とを含んで構成される。 The thin film resonator includes a substrate made of Si, GaAs, or the like, a piezoelectric thin film made of AlN, ZnO, or the like, and first and second electrodes that sandwich the piezoelectric thin film from both sides in the thickness direction.
このような薄膜共振子では、不要振動が生じてスプリアスが発生するという問題がある。これは、圧電体薄膜の厚み方向に垂直な横方向に伝播する振動波(以下、横モードと呼ぶ)が生じて、共振部の対向する端面で反射され、振動波が元の地点に戻ってくることに起因するものである。すなわち、横モードが、共振部の対向する端面の間で一往復する間の位相の変化が360度の整数倍のときに、共振が起こり、スプリアスが発生する。 In such a thin film resonator, there is a problem that spurious is generated due to unnecessary vibration. This is because a vibration wave propagating in the transverse direction perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric thin film (hereinafter referred to as a transverse mode) is generated, reflected by the opposing end faces of the resonance part, and the vibration wave returns to the original point. This is caused by That is, resonance occurs and spurious is generated when the change in phase during the transverse mode makes one reciprocation between the opposing end faces of the resonance part is an integral multiple of 360 degrees.
薄膜共振子では、様々な波数の横モードが存在するため、この薄膜共振子のような構成であれば、必ず横モードの共振が発生する。この横モードの共振周波数は、薄膜共振子の共振周波数とわずかに異なっている。このため直列共振周波数および並列共振周波数の共振ピークの近傍に、不要な共振ピーク(スプリアス)が生じる。 In a thin film resonator, there are transverse modes of various wave numbers. Therefore, in a configuration like this thin film resonator, a transverse mode resonance always occurs. The resonance frequency of the transverse mode is slightly different from the resonance frequency of the thin film resonator. For this reason, an unnecessary resonance peak (spurious) is generated in the vicinity of the resonance peak of the series resonance frequency and the parallel resonance frequency.
共振特性にスプリアスが存在する薄膜共振子を発振器に使用した場合は、発振周波数の変動およびノイズなどの原因となる。また、このような薄膜共振子を組み合わせてフィルタ装置を構成すると、フィルタ特性にリップルが生じることとなる。 When a thin film resonator having spurious resonance characteristics is used for an oscillator, it may cause fluctuations in oscillation frequency and noise. Further, when such a thin film resonator is combined to constitute a filter device, ripples are generated in the filter characteristics.
以上のように、不要振動によるスプリアスが生じると、実用上大きな問題となる。このため特許文献1記載の薄膜共振器は、共振部において、圧電体薄膜または、第1および第2電極の全辺を曲線からなるように構成して横モードの影響を減少させている。
As described above, when spurious due to unnecessary vibration occurs, it becomes a large problem in practice. For this reason, the thin film resonator described in
薄膜共振子は、第1および第2電極と、共通電極とを接続するために、第1および第2電極から共通電極までに引き出し電極を設ける。この引き出し電極は、第1および第2電極の1辺に接続される。しかし、電極の全辺が曲線であるとすると、引き出し電極を1つの辺に接続することが困難である。また、引き出し電極を1つの辺に接続するには、接続する辺を曲線とすることができない。 In the thin film resonator, in order to connect the first and second electrodes and the common electrode, lead electrodes are provided from the first and second electrodes to the common electrode. The lead electrode is connected to one side of the first and second electrodes. However, if all the sides of the electrode are curved, it is difficult to connect the extraction electrode to one side. Further, in order to connect the extraction electrode to one side, the connected side cannot be a curve.
また、共振部の全辺が曲線であると、たとえば、薄膜共振子を組み合わせてフィルタ装置を構成するときに、隣接する薄膜共振子同士が干渉しないように間隔を空けて配置する必要があり、フィルタ装置など複数の薄膜共振子が設けられる装置を小型化するのが困難である。 In addition, when all sides of the resonance part are curved, for example, when a filter device is configured by combining thin film resonators, it is necessary to arrange them at intervals so that adjacent thin film resonators do not interfere with each other. It is difficult to downsize a device provided with a plurality of thin film resonators such as a filter device.
本発明の目的は、スプリアスを抑制するとともに高密度配置が可能な薄膜共振子、フィルタおよびデュプレクサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a thin film resonator, a filter, and a duplexer that can suppress spurious and can be arranged at high density.
本発明は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を挟み、かつ前記圧電体薄膜を介して対向するように配置される第1、第2電極とを有する共振部を備える薄膜共振子であって、
前記共振部は平面形状が略矩形状をなすとともに、前記共振部の少なくとも1つの辺が直線部と切り欠き部とで構成されている薄膜共振子である。
The present invention is a thin film resonator including a piezoelectric thin film, and a resonance part having a first electrode and a second electrode disposed so as to face each other with the piezoelectric thin film interposed therebetween. ,
The resonance part is a thin film resonator in which a planar shape is substantially rectangular, and at least one side of the resonance part is constituted by a linear part and a notch part.
また本発明は、前記共振部の各辺には前記切り欠き部が設けられており、該共振部の各辺の直線部に対して平面方向に直交する仮想直線が、他の辺に設けた前記切り欠き部と交差することを特徴とする。 Further, according to the present invention, the notch is provided on each side of the resonance part, and a virtual straight line perpendicular to the plane direction is provided on the other side of the straight part of each side of the resonance part. It intersects with the notch.
また本発明は、前記共振部を構成する前記第1電極の1つの辺の直線部全体に、引き出し電極が接続されていることを特徴とする。 Further, the invention is characterized in that an extraction electrode is connected to the entire linear part of one side of the first electrode constituting the resonance part.
また本発明は、前記引き出し電極が接続される前記第1電極の1つの辺には前記切り欠き部が設けられていないことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the notch is not provided on one side of the first electrode to which the extraction electrode is connected.
また本発明は、前記共振部の平面形状が非回転対称となるように前記切り欠き部が設けられていることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the notch portion is provided so that a planar shape of the resonance portion is non-rotationally symmetric.
また本発明は、上記の薄膜共振子を、基板上に複数個配置して構成されることを特徴とするフィルタである。 The present invention is also a filter comprising a plurality of the above thin film resonators arranged on a substrate.
また本発明は、上記のフィルタを備えて構成されることを特徴とするデュプレクサである。 Moreover, this invention is a duplexer characterized by comprising said filter.
本発明の薄膜共振子によれば、横モードの共振の発生を抑制して不要振動によるスプリアスを防止することを可能とする。また、薄膜共振子同士を高密度に配置することが可能となる。 According to the thin film resonator of the present invention, it is possible to suppress occurrence of transverse mode resonance and prevent spurious due to unnecessary vibration. Further, the thin film resonators can be arranged with high density.
また本発明のフィルタによれば、小型でありながらフィルタ特性を向上させることができる。 Further, according to the filter of the present invention, the filter characteristics can be improved while being small.
また本発明のデュプレクサによれば、小型でありながらデュプレクサの特性を向上させることができる。 Further, according to the duplexer of the present invention, the characteristics of the duplexer can be improved while being small in size.
図1は、本発明の実施の一形態である薄膜共振子10を示す平面図であり、図2は図1の切断面線II−IIから見た断面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a
基板11は、薄膜共振子10のベース部材である。基板11上に、共振子本体12が形成される。基板11は、厚みが0.05mm〜1mm程度に選ばれる。基板11は、略直方体形状を有する。基板11は、Si(シリコン)、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)およびガラスなどによって形成される。基板11の長手方向をX方向とし、短手方向をY方向とし、厚み方向をZ方向とする。前記長手方向、短手方向および厚み方向は、互いに直交する。前記長手方向および短手方向は、基板11の一表面11aの各辺に平行または垂直に延びる。
The
基板11には、基板11の一表面11aに開口する凹部13が設けられ、この凹部13は、共振子本体12で覆われ、基板11と共振子本体12とで囲まれた空洞が形成される。
The
この凹部13の内周面は、Z方向に垂直な方向の断面が略矩形状となる筒形状に形成される。凹部13の内周面のZ方向の断面の各辺は、Z方向またはY方向に沿って延びる。
The inner peripheral surface of the
基板11の一表面11a上には、絶縁層100が設けられる。絶縁層100は、共振子本体12を構成する第1電極16および第2電極17と基板11とを電気的に絶縁する。絶縁層100は、その厚みが、たとえば0.1μm以上1.2μm以下で形成され、基板11表面を熱酸化して形成される酸化物(SiO2)膜やスパッタリングおよびCVDなどの薄膜形成プロセスによって成膜されるSiN膜などから成る。
An
共振子本体12は、基板11のZ方向の一表面11a上に絶縁層100を介して設けられる。共振子本体12は、圧電体薄膜15と、圧電体薄膜15の厚み方向の一表面15a上に少なくとも一部が積層される第1電極16と、圧電体薄膜15の厚み方向の他表面15b上に、少なくとも一部が積層される第2電極17とを含んで構成される。圧電体薄膜15の一部と、第1電極16の一部と、第2電極17の一部とがZ方向に重なって形成され、この圧電体薄膜15の一部と、第1電極16の一部と、第2電極17の一部が積層される部分、すなわちZ方向から見て、圧電体薄膜15と、第1電極16と、第2電極17とがZ方向に重なる部分のうち、凹部13によって音響的に絶縁されている部分によって共振部20が形成される。圧電体薄膜15と、第1および第2電極16,17のそれぞれは、Z方向から見て共振部20よりも広い範囲に形成される。
The
共振部20は、基板11に形成される凹部13に臨んで形成される。すなわち共振部20は、圧電体薄膜15と、第1電極16と、第2電極17とがZ方向に重なる部分のうち、凹部13に臨む部分によって形成される。共振部20の側面は、X方向またはY方向に沿って延びる。
The
第2電極17は、基板11の厚み方向の一表面11a上に形成され、凹部13を覆って設けられる。第2電極17は、基板11のX方向の一端部21からX方向の中央部22にわたって設けられ、基板11の一表面11aの周縁23に離間して設けられる。第2電極17は、Z方向から見て略矩形状に形成される。
The
第2電極17は、圧電体薄膜15に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、W,Mo,Au,AlおよびCuなどの金属材料を用いて形成される。また第2電極17は、電極としての機能と同時に、共振部20を構成する機能も有するので、薄膜共振子10が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、第2電極17を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、第2電極17を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。第2電極17の最適な厚みは、薄膜共振子10を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部20の設計寸法、圧電体薄膜材料、電極材料によって異なるが、0.01μm〜0.5μm程度に選ばれる。
The
また第2電極17のX方向の一端部17cは外部接続端子として機能する。
圧電体薄膜15は、少なくとも一部が第2電極17の厚み方向の一表面17a上に形成される。本実施の形態では圧電体薄膜15は、第2電極17の厚み方向の一表面17a上と基板11の厚み方向の一表面11a上とにわたって形成され、第2電極17のX方向の他端部よりもX方向の他方まで延びる。圧電体薄膜15は、Z方向から見て矩形状に形成され、X方向およびY方向における中央部22に形成される。圧電体薄膜15のY方向の長さL1は、第2電極17の短手方向Yの長さL2よりも大きく選ばれ、圧電体薄膜15のY方向の中央と、第2電極16のY方向の中央とは、Y方向に垂直で同一の仮想一平面上に設けられる。圧電体薄膜15は、X方向およびY方向において、凹部13よりも大きく形成される。
The one
The piezoelectric
圧電体薄膜15は、ZnO(酸化亜鉛)、AlN(窒化アルミニウム)およびPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電体材料から成り、第1電極16および第2電極17によって印加される高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を有する。
The piezoelectric
薄膜共振子10が必要な共振特性を発揮するために、圧電体薄膜15の厚みは、圧電体薄膜15を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、圧電体薄膜15を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。圧電体薄膜15の最適な厚みは、薄膜共振子10を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部20の設計寸法、圧電体薄膜材料、電極材料によって異なるが、0.3μm〜2.5μm程度に選ばれる。
In order for the
第1電極16は、圧電体薄膜15のうち、第2電極17に積層される部分の厚み方向の一表面15aに積層される。本実施の形態では、第1電極16は、圧電体薄膜15の厚み方向の一表面15aと、基板11の厚み方向の一表面11a上とにわたって形成され、圧電体薄膜15のX方向の他端部よりもX方向の他方まで延びる。第1電極16は、Z方向から見て矩形状に形成され、前記中央部22から基板11のX方向の他端部24にわたって形成され、基板11の一表面11aの周縁23に離間して設けられる。
The
第1電極16のY方向の長さL3は、圧電体薄膜15のY方向の長さL1よりも短く選ばれ、第1電極16のY方向の中央と、圧電体薄膜15のY方向の中央とは、Y方向に垂直で同一の仮想一平面上に設けられる。第1電極16のうち、共振部20以外の部分は、引き出し電極16cとして機能する。引き出し電極16cの部分は、基板11上に形成され、残余の部分は、凹部13上に形成される。すなわち第1電極16のY方向の長さL3は、凹部13のY方向の大きさ未満に選ばれ、厚み方向Zから見て、第1電極16のX方向の一方の端部16dは、凹部13に臨む基板11の縁から離間するように形成される。このように第1電極16が形成されることによって、第1電極16、圧電体薄膜15および第2電極17がZ方向に重なる部分のうち、凹部13によって音響的に絶縁されていない部分が作る静電容量、いわゆる寄生容量を低減することができる。寄生容量が大きいほど、薄膜共振子の実効電気機械結合係数が低下するが、このような構成とすることにより、この低下を最小限にできるというという利点がある。
The length L3 in the Y direction of the
第1電極16は、第2電極17とともに、圧電体薄膜15に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、W,Mo,Au,AlおよびCuなどの金属材料を用いて形成される。また第1電極16は、電極としての機能と同時に、共振部20を構成する機能も有するので、薄膜共振子10が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、第1電極16を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、第1電極16を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。第1電極16の最適な厚みは、薄膜共振子10を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部20の設計寸法、圧電体薄膜材料および電極材料によって異なるが、0.01μm〜0.5μm程度に選ばれる。
The
共振部20の厚みは、おおむねλ/2(λは使用する信号の周波数での音響波の波長)となるように設計される。また共振部20のZ方向に垂直な断面における面積は、薄膜共振子10のインピーダンスを決定する要素となるので、厚みと同様に精密に設計する必要がある。50Ωのインピーダンス系で薄膜共振子10を使用する場合は、共振部20の電気的なキャパシタンスが、使用する信号の周波数でおおむね50Ωのリアクタンスを持つように選ばれる。本実施の形態では共振部20のZ方向に垂直な断面のX方向およびY方向の長さは等しく選ばれ、共振部20の前記断面における面積は、たとえば2GHzの薄膜共振子10の場合であれば、200μm×200μm程度に選ばれる。
The thickness of the resonating
また、凹部13を形成する際に、共振子本体12形成後に基板11をエッチングするため、共振子本体12を積層方向に貫通し、凹部13と連通するエッチングホール14(貫通孔)が設けられている。エッチングホール14は、凹部13をエッチングする際にエッチング剤を基板に向けて進入させるための空孔であり、第1電極16の周縁部、すなわちZ方向からみたときに、共振部20の周縁部に複数箇所形成される。エッチングホール14は、共振部20の周縁部の任意の位置に形成可能であるが、犠牲層を効率良くエッチングする観点から切り欠き部30の最も深くなる底部に設けておくことが好ましい。
Further, when the
共振部20のZ方向から見た形状、すなわち平面形状は、略矩形状であるが、その矩形の辺のうち少なくとも1つの辺には、切り欠き部30が設けられる。切り欠き部30を設けることによって、共振部20の対向する辺において平行部分が少なくなり横モードの共振の発生を抑制することができる。
The shape seen from the Z direction of the resonating
横モードの共振は、共振部20の対向する2辺の間で発生するものであるから、対向する2辺が平行関係にある場合に共振が発生する。したがって、切り欠き部30を設けることで、対向する2辺の平行関係を崩し、横モードの共振の発生を抑制して不要振動によるスプリアスを防止することを可能とする。
Since the resonance in the transverse mode occurs between two opposing sides of the
切り欠き部30は、圧電体薄膜15、第1電極16、第2電極17のいずれに設けてもよく、図1に示した例では、第1電極16の各辺に切り欠き部30が設けられており、各辺の直線部に対して平面(XY平面)方向に直交する仮想直線が、他の辺に設けた切り欠き部30と交差している。例えば、図1において第1電極16の左側の辺の直線部に対して直交する仮想直線A−A’は、隣接する第1電極16の上側の辺に設けた切り欠き部30と交差し、第1電極16の左側の辺の直線部に対して直交する仮想直線B−B’は、対向する第1電極16の右側の辺に設けた切り欠き部30と交差している。このように切り欠き部30を設けることによって共振部20の対向する辺が非平行となるか、間に切り欠き部30が介在された状態となり、横モードの共振が発生するのをより抑えることができる。
The
また共振部20の平面形状が非回転対称となるように切り欠き部30を設けることによって回転対称モードの振動が発生するのを抑えることができるため、発生するスプリアスをより少なくすることができる。したがって共振部20の平面形状は非回転対称となるような形状、例えば、図1に示すような形状にすることが好ましい。
Further, by providing the
横モードの共振の発生を抑制するという観点から、切り欠き部30の形状は、切り欠き部30が設けられた辺に対向する辺と、切り欠き部30の全ての辺とが、非平行となることが重要である。対向する辺同士に切り欠き部30が設けられていた場合は、矩形の辺および切り欠き部30の辺を含めて、対向する辺同士で、全ての辺が非平行となるように切り欠き部30を設ける。
From the viewpoint of suppressing the occurrence of transverse mode resonance, the shape of the
言い換えれば、共振部20において、Z方向から見た形状が略矩形状をなすとともに、共振部20の各辺の一部に切欠き部を有しており、矩形の各辺の直線部に直交する仮想直線が、交差切り欠き部と90度以外の角度で交わるように、切り欠き部が設けられる。こうすることで、共振部20の対向する辺において平行関係となる部分がなくなるので、横モードの共振の発生を抑制することができる。
In other words, the
切り欠き部30は、上記のように、図1に示すように円弧状の曲線のみで構成されていても、直線と曲線と組み合わされていてもよい。また、図3に示すように切り欠き部30の平面形状が略三角形状をなすような直線のみで構成される態様であってもよい。また、切り欠き部が一辺に複数個あってもよい。
As described above, the
図4は、共振部20のZ方向から見た平面形状の他の例を示す図である。ここに示す平面形状の例では、切り欠き部30の切り欠き形状が、曲線からなる円または楕円の一部となっている。
FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the planar shape of the
また、切り欠き部30は、矩形状共振部20の辺の少なくとも1つの辺に設けられていれば効果が発揮されるので、実施の形態としては、図4(a)に示すように、1つの辺のみに設けられている形状、図4(b)に示すように、2つの辺に設けられている形状、図4(c)に示すように、3つの辺に設けられている形状、図4(d)に示すように、4つの辺全てに設けられている形状であってもよい。
Moreover, since the effect is demonstrated if the
図5は、共振部20のZ方向から見た平面形状について、切り欠き部30の寸法を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the dimensions of the
切り欠き部30は、共振部20を矩形としたときの対向する2辺の平行関係を崩すことで、横モードの共振を抑えることができるが、切り欠き部30を大きく設け、共振部20の平面形状が矩形状から著しく離れてしまうと、共振部20の特性に影響を及ぼすことが懸念される。
The
切り欠き部30の幅については、切り欠き部30が設けられている辺の長さLに対して、30%以上80%以下となるように切り欠き部30を設けることが好ましい。切り欠き部30の幅をLに対して30%以上にすることで、横モードの共振を十分に抑えることができる。また切り欠き部30の幅をLに対して80%以下にすることで、第1の電極16と第2の電極17との間に十分な大きさの容量を確保できる。
It is preferable to provide the
また、切り欠き部30の深さCについては、切り欠き部30が設けられる辺に直交する辺の長さLに対して、0.1〜50%となるように切り欠き部30を設けることが好ましく、特に好ましくは1〜30%である。切り欠き部30の深さCをLに対して0.1%以上とすることによって、横モードの共振を十分に抑えることができる。また切り欠き部30の深さCをLに対して50%以下にすることによって振動モードが大きく変わることがなく、第1の電極16と第2の電極17との間に十分な大きさの容量を形成することができる。
Moreover, about the depth C of the
第1電極16には、引き出し電極16cが設けられるが、本発明のように切り欠き部30を設ける場合、引き出し電極16cを設ける共振部20の矩形状の1辺は、切り欠き部30を設けた部分以外の直線部分で引き出し電極16cと接続されている。したがって、引き出し電極16cを設ける第1電極16の共振部20の矩形状の1辺においても、共振部20の形状を維持しながら切り欠き部30を設けることが可能である。
The
また、切り欠き部30は、共振部20のいずれの層に設けてもよいので、引き出し電極16cを設ける辺については、第1電極16に切り欠き部30を設けずに、引き出し電極16cを設けた辺に、厚み方向に対向する第2電極17の辺に切り欠き部30を設けるようにしてもよい。こうすることで、第1電極16においては、辺全体にわたって、引き出し電極16cと接続することができ、第1電極16の配線抵抗を低くすることができる。
Further, since the
図6A〜図6Cは、薄膜共振子10の製造方法を示す工程図である。本発明の製造方法は、大きくは以下のように3つの工程からなる。
6A to 6C are process diagrams showing a method for manufacturing the
第1工程では、一表面11aに形成され、開口部を有する絶縁層と、開口部を埋める犠牲層と、この犠牲層を覆うように設けられる共振子本体12と、犠牲層まで連通するようにして設けられるエッチングホールと、を備える共振体形成基板を準備する。
In the first step, an insulating layer formed on one
第2工程では、エッチングホールを介して犠牲層をエッチングすることにより、共振子本体と絶縁層と露出した基板11の一表面11aの一部で囲まれるエッチング空間を形成する。
In the second step, the sacrificial layer is etched through the etching hole to form an etching space surrounded by the resonator body, the insulating layer, and a part of the exposed
第3工程では、第2工程で形成したエッチング空間をエッチング剤で満たすようにして、基板11をエッチングし凹部13を形成する。
In the third step, the
・第1工程
(a)基板11準備および絶縁層100形成工程
薄膜共振子10に用いられる基板11は、厚みが0.05mm〜1mm程度の板状部材で、Si(シリコン)、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)およびガラスなどによって形成される。
First Step (a) Preparation of
本実施形態では、これらの中でシリコン基板を用いた例について説明する。
基板11の一表面11aの全面にわたって絶縁層100を形成する。絶縁層100は、その厚みが0.1μm以上1.2μm以下で形成され、SiO2などの絶縁膜からなる。
In the present embodiment, an example using a silicon substrate among these will be described.
An insulating
SiO2絶縁膜は、シリコン基板11の表面を加熱処理し、熱酸化させることで形成することができる。SiO2絶縁膜の厚みは、加熱処理の処理条件、加熱温度、加熱時間などにより制御することが可能であり、上記のような好適な範囲で設ける。
The SiO 2 insulating film can be formed by subjecting the surface of the
加熱処理条件の一例としては、加熱温度1050℃で、40〜90分間の加熱時間により0.3μm厚みの酸化絶縁膜を形成することができる。 As an example of the heat treatment conditions, an oxide insulating film having a thickness of 0.3 μm can be formed at a heating temperature of 1050 ° C. and a heating time of 40 to 90 minutes.
(b)絶縁層100パターニング工程
工程(a)にて好適な厚みで、基板11の一表面11aの全面にわたって形成した絶縁層100に対して、パターニングにより開口部100aを設ける。この開口部100aは、第2工程において基板エッチングするためのエッチング空間に相当し、この開口部100aは、後工程で犠牲層によって充填される。
(B) Insulating
絶縁層100のパターニングは、半導体製造プロセスにおける酸化絶縁膜の公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。パターニングの一例としては、絶縁層100上にポジレジストをスピンコートなどにより塗布し、露光、現像してレジストをパターンニングしてマスクを形成する。そののち液温23℃のBHF(バッファードフッ酸)に、浸漬し、開口部100aを形成する。
The insulating
上記のように開口部100aは、エッチング空間に相当するものであるから、その開口形状および開口寸法は、エッチングにより形成される凹部13に必要とされる形状および寸法で形成される。凹部13は、さらに共振子本体12を音響的に絶縁することで共振部20を規定するのであるから、凹部13の形状および寸法は、薄膜共振子10が必要な共振特性を発揮するために、共振子本体12の大きさや材質、薄膜共振子10を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数などによって決定される。
Since the
(c)犠牲層形成工程
工程(b)にて設けられた開口部100aを埋めるべく、絶縁層100上に犠牲層101を形成する。
(C) Sacrificial layer formation process The
犠牲層101の材料としては、燐石英ガラス(PSG)、BPSG(Boron-Phosphor-
Silicate-Glass:ボロン、燐、シリコン、ガラス)またはスピン・ガラスのような他の形態のガラスを利用できる。他に基板上に堆積できるポリビニール、ポリプロピレン、およびポリスチレンのような樹脂材料がある。これらの犠牲層は、有機除去材あるいはO2プラズマエッチングによって除去することができる。
As the material of the
Silicate-Glass: Boron, phosphorus, silicon, glass) or other forms of glass such as spin glass can be used. Other resin materials such as polyvinyl, polypropylene, and polystyrene that can be deposited on the substrate. These sacrificial layers can be removed by organic removal materials or O 2 plasma etching.
本実施形態では、エッチングの容易さなどからPSGを犠牲層101として設ける。PSGの成膜方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの公知の成膜方法によって形成することができる。
In this embodiment, PSG is provided as the
犠牲層に必要な膜厚みは、開口部100aを埋める程度の厚みであるので、工程(a)で形成した絶縁層厚みと同じ厚みとなる。
Since the film thickness required for the sacrificial layer is a thickness that fills the
絶縁層厚み、すなわち形成すべき犠牲層厚みは0.1μm以上1.2μm以下、好ましくは0.3μm以上0.8μm以下とする。 The thickness of the insulating layer, that is, the thickness of the sacrificial layer to be formed is 0.1 μm or more and 1.2 μm or less, preferably 0.3 μm or more and 0.8 μm or less.
(d)研磨工程
工程(c)で犠牲層101を成膜したのち、研磨によって不要な犠牲層101を除去する。研磨工程によって、絶縁層100表面を露出させ、犠牲層101が開口部100aのみに充填された状態となる。
(D) Polishing Step After forming the
本工程における研磨は、半導体製造プロセスにおいて利用される研磨技術を利用することができ、たとえばCMP(Chemical Mechanical Polishing)を用いることが好ましい。 The polishing in this step can use a polishing technique used in a semiconductor manufacturing process, and for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is preferably used.
(e)第2電極成膜工程
工程(d)の研磨工程によって露出した絶縁層100上に全面にわたって第2電極17となる金属膜102を成膜する。
(E) Second electrode film forming step
第2電極となる金属膜102は、W,Mo,Au,Al,Pt,TiおよびCuなどの金属材料を用いて形成される。金属膜102の成膜方法は、半導体製造プロセスにおいて利用される成膜技術を利用することができ、たとえばスパッタリングおよびCVDなどの薄膜形成プロセスによって成膜することができる。
The
(f)第2電極パターニング工程
工程(e)において、成膜した金属膜102に対して、パターニングにより第2電極17を設ける。第2電極17は、共振子本体12を構成し、後に凹部13となる犠牲層101の充填部分を覆うようにパターニングされる。
(F) Second Electrode Patterning Step In the step (e), the
金属膜102のパターニングは、半導体製造プロセスにおける公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。
For the patterning of the
第2電極17に切り欠き部30を設ける場合は、本工程において予め定める大きさと形状の切り欠き部30を設ける。
When providing the
(g)圧電体薄膜および第1電極成膜工程
工程(f)において、パターニングして得られた第2電極17上および絶縁層100上に、基板全面にわたって、圧電体層103および金属膜104を順次形成する。
(G) Piezoelectric thin film and first electrode film forming step The
圧電体薄膜15となる圧電体層103は、ZnO(酸化亜鉛)、AlN(窒化アルミニウム)およびPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電体材料から成り、第1電極16および第2電極17によって印加される高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を有する。
The
圧電体薄膜15となる圧電体層103は、半導体製造プロセスにおいて利用される成膜技術を利用することができ、たとえばスパッタリングおよびCVDなどの薄膜形成プロセスによって、第2電極17の厚み方向の一表面17a上と基板11の厚み方向の一表面11a上に所定の厚さで形成する。
The
また、第1電極16となる金属膜104は、金属膜102と同じくW,Mo,Au,Al,Pt,TiおよびCuなどの金属材料を用いて形成される。金属膜104の成膜方法は、半導体製造プロセスにおいて利用される成膜技術を利用することができ、たとえばスパッタリングおよびCVDなどの薄膜形成プロセスによって成膜することができる。
In addition, the
(h)圧電体薄膜および第1電極パターニング工程
工程(g)において、成膜した圧電体層103および金属膜104に対して、パターニングにより圧電体薄膜15および第1電極16を設ける。圧電体薄膜15および第1電極16は、共振子本体12を構成し、第2電極17上にパターニングされる。
(H) Piezoelectric thin film and first electrode patterning step In the step (g), the piezoelectric
圧電体層103および金属膜104のパターニングは、半導体製造プロセスにおける公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。
For the patterning of the
圧電体薄膜15および第1電極16に切り欠き部30を設ける場合は、本工程において予め定める大きさと形状の切り欠き部30を、圧電体薄膜15および第1電極16に設ける。
When the
さらに本工程では、共振子本体12にエッチングホール14を形成する。エッチングホール14は、共振子本体12を積層方向(Z方向)に貫通する貫通孔で、犠牲層101上方に犠牲層101まで連通するように設けられる。
Further, in this step, an
このエッチングホール14により、犠牲層101の一部表面がエッチングホール14を介して外部に対して露出した状態となる。後工程である第2工程では、このエッチングホール14内にエッチング剤を進入させて犠牲層101をエッチングにより除去することができる。
Due to the
エッチングホール14の形成方法は、半導体製造プロセスにおけるビア形成技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。
As a method of forming the
エッチングホール14は、たとえば略円柱状をなす貫通孔として形成され、その径は5μm〜30μmに設定される。またエッチングホール14は、Z方向から平面視したときの犠牲層101の外周部に沿って4〜8個程度形成される。さらにエッチングホール14は、犠牲層101の外周部のうち、少なくとも犠牲層101の中心部から最短距離に位置する部分に配置しておくことが好ましく、例えば、切り欠き部30の最も深くなる底部に設けておくことが好ましい。
The
以上のような工程(a)〜工程(h)によって、薄膜共振子10の前駆体である共振体形成基板が形成される。
By the steps (a) to (h) as described above, a resonator forming substrate that is a precursor of the
・第2工程
(i)犠牲層エッチング工程
工程(h)で形成されたエッチングホール14を介して、犠牲層101をエッチングで除去することにより、共振子本体12の第2電極17と絶縁層100と基板11の一表面11aで囲まれる、基板エッチングのためのエッチング空間105を形成する。エッチング空間105は、絶縁層100に設けられた開口部100aに相当する。
Second Step (i) Sacrificial Layer Etching Step By removing the
エッチング空間105は、高さが絶縁層100の厚みと同一であり、開口部100aの開口面積と同じ底面積を有する空洞である。
The
犠牲層101のエッチングは、半導体製造プロセスにおけるエッチング技術を利用することができ、犠牲層の材質に応じたエッチング剤を用いて容易に行うことができる。エッチング剤は、エッチング液またはエッチングガスで、種々のエッチング条件に応じてウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかを選択すればよい。
Etching of the
本実施形態では、犠牲層であるPSGをウェットエッチングにより除去する。エッチング剤としてフッ酸水溶液を用い、温度23℃の条件でエッチングを行う。 In the present embodiment, PSG that is a sacrificial layer is removed by wet etching. Etching is performed using a hydrofluoric acid aqueous solution as an etchant at a temperature of 23 ° C.
このようにして、犠牲層101をエッチングにより除去してエッチング空間105を形成し、このエッチング空間105に臨むように基板11の一表面11aの一部を露出させる。
In this way, the
・第3工程
(j)基板エッチング工程
工程(i)で形成されたエッチング空間105に、エッチングホール14を介してエッチング剤を進入させ、エッチング空間15をエッチング剤で満たすようにして、基板11のエッチング空間105に臨む表面から厚み方向(Z方向)にエッチングして凹部13を形成する。
Third Step (j) Substrate Etching Step Etching agent enters the
基板11のエッチングは、半導体製造プロセスにおけるエッチング技術を利用することができ、基板の材質に応じたエッチング剤を用いて容易に行うことができる。エッチング剤は、エッチング液またはエッチングガスで、種々のエッチング条件に応じてウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかを選択すればよい。
Etching of the
本実施形態では、基板11をウェットエッチングにより一部除去して凹部13を形成する。
In the present embodiment, the
このようにして凹部13が形成されることで、薄膜共振子10が得られる。
次に、上記の薄膜共振子10を、基板上に複数個配置した本発明にかかるフィルタの一実施形態を説明する。
By forming the
Next, an embodiment of a filter according to the present invention in which a plurality of the above
図7は、本発明の他の実施形態であるフィルタの構成を示す平面図であり、上述の薄膜共振子10を、基板43に複数個配置することにより構成されている。
FIG. 7 is a plan view showing a configuration of a filter according to another embodiment of the present invention, and is configured by arranging a plurality of the above-described
薄膜共振子10を複数配置するにあたって、共振部20の平面形状が略矩形状をなすとともに、該共振部20の少なくとも一つの辺が直線部と切り欠き部30とで構成されていることから、外方に突出する部分などがなく、薄膜共振子10同士の間隔を小さくすることができ、高密度配置が可能となる。それぞれの薄膜共振子10においてスプリアスの発生が抑制されるので、小型でありながらフィルタ特性も向上させることができる。
In arranging a plurality of
図8は、本発明にかかるデュプレクサの一実施形態を示す等価回路図であり、図7に示すような構成を有するフィルタを2個(送信用フィルタ41,受信用フィルタ42)基板上に実装することにより構成されている。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing an embodiment of the duplexer according to the present invention. Two filters having the configuration as shown in FIG. 7 are mounted on a substrate (transmitting
図8に示すようにデュプレクサは、アンテナ共用器、分波器と呼ばれ、1つのアンテナに接続され、分岐回路と、送信用フィルタおよび受信用フィルタとを備える。 As shown in FIG. 8, the duplexer is called an antenna duplexer or duplexer, and is connected to one antenna, and includes a branch circuit, a transmission filter, and a reception filter.
デュプレクサ50は、入出力ポートとして、アンテナに接続するアンテナポートP1と送信器に接続する送信ポートP2と、受信器に接続する受信ポートP3とを備え、アンテナポートP1と送信ポートP2との間に、送信用のTxフィルタ41を接続し、アンテナポートP1と受信ポートP3との間に、受信用のRxフィルタ42を接続して構成される。
The
上記のように、送信用のTxフィルタ41、受信用のRxフィルタ42は、薄膜共振子10を高密度に配置することで小型化が可能であり、これらのフィルタを実装して得られるデュプレクサ50も小型化可能である。それぞれのフィルタに設けられた薄膜共振子10においてスプリアスの発生が抑制されるので、小型でありながらデュプレクサ50の特性も向上させることができる。
As described above, the
図1に示したように、第2電極16の全辺に、曲線状の切り欠き部30を設けた構成について薄膜共振子10を作製した。
As shown in FIG. 1, the
第1電極16、第2電極17は、それぞれ厚み0.3μmのMoからなる金属膜を設けてパターニングした。圧電体薄膜15は、厚み1.4μmのAlNからなる圧電層を設けてパターニングした。
The
共振部20は、1辺の長さLが100μmの正方形であり、切り欠き30の幅は、A=B=50μm、すなわちA+Bが辺の長さLに対して100%となるようにした。また、切り欠き30の深さC=12.5μmであり、Cが辺の長さLに対して12.5%となるようにした。
The
また、比較例として共振部に切り欠き部30を設けず正方形状の第1電極を設けた薄膜共振子を作製した。なお、比較例の第1電極の面積が、実施例の第1電極16と同じになるように第1電極を設けた。
Further, as a comparative example, a thin film resonator in which a notched
実施例および比較例の薄膜共振子に対して、共振特性をネットワークアナライザにて測定した。 The resonance characteristics of the thin film resonators of Examples and Comparative Examples were measured with a network analyzer.
測定装置は、Agilent社製ネットワークアナライザ8753Dを用いて、高周波プローブを用いポート数1で測定した。
The measuring apparatus used the network analyzer 8753D by Agilent, and measured with the
図9は、実施例および比較例の測定結果を示すグラフである。図9(a)は実施例の測定結果を示し、図9(b)は比較例の測定結果を示す。縦軸はインピーダンスを示し、横軸は入力される信号の周波数を示す。入力される信号は電圧信号である。 FIG. 9 is a graph showing measurement results of Examples and Comparative Examples. FIG. 9A shows the measurement result of the example, and FIG. 9B shows the measurement result of the comparative example. The vertical axis represents the impedance, and the horizontal axis represents the frequency of the input signal. The input signal is a voltage signal.
測定結果からわかるように、比較例では、反共振点付近でスプリアスによる波形の乱れが見られた。これに対して実施例では、スプリアスは抑制され、滑らかな波形が得られた。 As can be seen from the measurement results, in the comparative example, the waveform was disturbed by spurious near the antiresonance point. On the other hand, in the example, spurious was suppressed and a smooth waveform was obtained.
10 薄膜共振子
11 基板
14 エッチングホール
15 圧電体薄膜
16 第1電極
17 第2電極
20 共振部
30 切り欠き部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記共振部は平面形状が略矩形状をなすとともに、前記共振部の少なくとも1つの辺が直線部と切り欠き部とで構成されている薄膜共振子。 A thin film resonator including a piezoelectric thin film, and a resonance part having a first electrode and a second electrode disposed so as to face each other with the piezoelectric thin film interposed therebetween,
The resonance part has a substantially rectangular planar shape, and at least one side of the resonance part is constituted by a straight part and a notch part.
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