JP2009290371A - Ｂａｗ共振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振子全体の機械的品質係数を向上でき、且つ、空洞の形成時に共振子に発生する応力による共振子の特性の低下を抑制可能なＢＡＷ共振装置を提供する。
【解決手段】支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成され下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する共振子３と、支持基板１の上記一表面側に形成されて支持基板１に支持され共振子３を保持した共振子保持部５とを備え、支持基板１に、共振子３の下部電極３１および共振子保持部５における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａが形成されている。共振子保持部５に、蛇行した形状に形成され空洞１ａの形成時に共振子３に発生する応力を緩和する応力緩和部６が設けられている。ここで、応力緩和部６は、共振子３を全周に亘って囲むように形成され、上記蛇行した形状として断面形状がコルゲート板状に形成されている。
【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備えたＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振装置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、２ＧＨｚ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ＢＡＷ共振装置として、例えば、図５や図６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下部電極３１’、圧電層３２’、上部電極３３’の積層構造を有する共振子３’と、支持基板１’の上記一表面側に形成されて支持基板１’に支持され共振子３’を保持した絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２膜など）からなる下地層２’とを備え、支持基板１’に、下地層２’における支持基板１’側の表面を露出させ共振子３’を物理的に振動可能とするための空洞１ａ’が形成されてなるＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）型のＢＡＷ共振装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、共振子３’は、平面視において、下地層２’における空洞１ａ’の投影領域内に収まるように配置されている。

なお、上記特許文献１には、支持基板１の上記一表面側に共振子３’を複数個形成してフィルタ（ＢＡＷフィルタ）を構成することも記載されている。また、上述のＢＡＷ共振装置では、圧電層３２’の圧電材料としてＰＺＴ、ＡｌＮなどを採用し、支持基板１’の材料としてＳｉ、ガラスなどを採用しているが、例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、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な鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）を採用し、圧電層３２’の結晶性を向上させるために支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ_３を採用することが考えられる。
特開２００７−２６７１０８号公報

しかしながら、図５や図６に示した構成のＢＡＷ共振装置では、共振子３’下にＳｉＯ_２膜などの絶縁膜からなる下地層２’が形成されているので、当該下地層２’に起因してバルク弾性波のエネルギ損失が生じ、共振子３’全体の機械的品質係数（Ｑ値）が低下してしまう。また、図５や図６に示した構成のＢＡＷ共振装置では、共振子３’の形成後の空洞１ａ’形成時に共振子３’に応力が発生するので、共振子３’の特性が低下してしまう。

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、共振子全体の機械的品質係数を向上でき、且つ、空洞の形成時に共振子に発生する応力による共振子の特性の低下を抑制可能なＢＡＷ共振装置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下部電極と上部電極との間に圧電層を有する共振子と、支持基板の前記一表面側に形成されて支持基板に支持され共振子を保持した共振子保持部とを備え、支持基板に、共振子の下部電極および共振子保持部における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されてなり、共振子保持部に、蛇行した形状に形成され空洞の形成時に共振子に発生する応力を緩和する応力緩和部が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持基板に、共振子の下部電極および共振子保持部における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されているので、バルク弾性波のエネルギ損失を低減できて、共振子全体の機械的品質係数を向上でき、しかも、共振子保持部に、蛇行した形状に形成され空洞の形成時に共振子に発生する応力を緩和する応力緩和部が設けられているので、空洞の形成時に共振子に発生する応力を緩和でき当該応力に起因した共振子の特性の低下を抑制することが可能となり、また、応力緩和部のばね定数を小さくすることができて前記共振子が厚み方向に振動しやすくなり機械的品質係数をより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、前記応力緩和部は、前記蛇行した形状として断面形状がコルゲート板状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記共振子保持部にスリットを形成することで応力を緩和する構造を採用する場合に比べて堅牢化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記応力緩和部は、前記蛇行した形状として平面形状がつづら折れ状の形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記応力緩和部により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機械的品質係数を向上させることが可能となる。

請求項１の発明では、共振子全体の機械的品質係数を向上でき、且つ、空洞の形成時に共振子に発生する応力による共振子の特性の低下を抑制可能になるという効果がある。

（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下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する共振子３と、支持基板１の上記一表面側に形成されて支持基板１に支持され共振子３を保持した共振子保持部５と、支持基板１の上記一表面側に形成され上部電極３３と圧電層３２との接触面積を規定する開孔部４ａが形成された絶縁層４とを備え、支持基板１に、共振子３の下部電極３１および共振子保持部５における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａが形成されている。空洞１ａは、支持基板１の厚み方向に貫通するように形成されている。ここで、空洞１ａは、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されており、上記一表面での開口面積が他表面での開口面積よりも小さくなっている。

共振子３は、支持基板１の上記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とを有しており、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側へバルク弾性波のエネルギの伝搬を抑制するようにしてある。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、支持基板１に空洞１ａが形成されているＦＢＡＲ型のＢＡＷ共振装置を構成している。

また、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、上述のように絶縁層４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を構成している。

本実施形態のＢＡＷ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としては、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、主表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ_３基板を用いてもよい。

また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、下部電極３１および上部電極３３の金属材料としてＰｔを採用しているが、これらの金属材料は特に限定するものではなく、例えば、Ａｌや他の金属材料を採用してもよく、例えば、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕの群から選択される少なくとも一種を採用すれば、下部電極３１および上部電極３３それぞれの金属材料が代表的な電極材料であるＡｕの場合に比べて、下部電極３１および上部電極３３それぞれの機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、下部電極３１と上部電極３３とは必ずしも同じ金属材料を採用する必要はなく、下部電極３１の金属材料は、圧電層３２の格子歪を抑制するために圧電層３２の圧電材料との格子定数差の小さな金属材料を採用することが望ましい。

また、圧電層３２は、（００１）配向のＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここで、図１には図示していないが、下部電極３１と圧電層３２との間に、圧電層３２の配向を制御するためのシード層としてＳＲＯ層を形成することが望ましい。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているが、ＰＺＴに限らず、不純物を添加したＰＺＴやＰＭＮ−ＰＺＴなどの鉛系圧電材料であればよく、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。なお、圧電層３２の圧電材料としては、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５ＮｂＯ_３）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ_３）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ_３）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものを用いることもできる。

ここで、本実施形態では、単結晶基板からなる支持基板１が、単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ_３基板により構成されているので、支持基板１が単結晶Ｓｉ基板からなる場合に比べて、圧電層３２の結晶性を向上させることができ、共振子３全体の機械的品質係数を向上させることが可能となる。

また、絶縁層４の材料としては、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。また、絶縁層４は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ＳｉＯ_２からなる第１の絶縁膜とＳｉ_３Ｎ_４膜からなる第２の絶縁膜との積層膜でもよい。

なお、本実施形態のＢＡＷ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の範囲で適宜設定すればよい。

また、上述の共振子保持部５の材料は、下部電極３１と同じ材料であり、共振子保持部５は、下部電極３１と同時に形成され下部電極３１と連続一体となっている。

ところで、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、上述のように、支持基板１に、共振子３の下部電極３１および共振子保持部５における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されており、共振子保持部５に、蛇行した形状に形成され空洞１ａの形成時に共振子３に発生する応力を緩和する応力緩和部６が設けられている。ここで、応力緩和部６は、共振子３を全周に亘って囲むように形成され、上記蛇行した形状として断面形状がコルゲート板状に形成されている。

本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造にあたっては、例えば、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面における応力緩和部６の形成予定領域にコルゲート板状の応力緩和部６を形成するためにパターン設計された複数の環状の凹部をフォト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してから、支持基板１の上記一表面側の全面に下部電極３１および共振子保持部５の基礎となる第１の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）を例えばスパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層３２の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電材料層をスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電材料層を所望の平面形状（本実施形態では、矩形状）にパターニングすることで上記圧電材料層の一部からなる圧電層３２を形成し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記第１の金属膜をパターニングすることによりそれぞれ上記第１の金属膜の一部からなる下部電極３１および共振子保持部５を形成し、その後、支持基板１の上記一表面の全面に絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁層４に開孔部４ａを形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に上部電極３３の基礎となる第２の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２の金属膜をパターニングすることにより第２の金属膜の一部からなる上部電極３３を形成し、その後、絶縁層４を所望の平面形状にパターニングし、続いて、支持基板１における空洞１ａの形成予定領域を支持基板１の上記他表面側から所定のエッチング液（例えば、燐酸など）を用いて異方性エッチングすることにより空洞１ａを形成することで、図１に示す構造のＢＡＷ共振装置を得る。なお、上述のＢＡＷ共振装置の製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振装置に分割すればよい。

以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振装置では、支持基板１に、共振子３の下部電極３１および共振子保持部５における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａが形成されているので、バルク弾性波のエネルギ損失を低減できて、共振子３全体の機械的品質係数を向上でき、しかも、共振子保持部５に、蛇行した形状に形成され空洞１ａの形成時に共振子３に発生する応力を緩和する応力緩和部６が設けられているので、空洞１ａの形成時に共振子３に発生する応力を緩和でき当該応力に起因した共振子３の特性の低下を抑制することが可能となり、また、応力緩和部６のばね定数を小さくすることができて共振子３が厚み方向に振動しやすくなり機械的品質係数をより向上させることが可能となる。また、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、応力緩和部６の上記蛇行した形状として断面形状がコルゲート板状に形成されているので、共振子保持部５にスリットを形成して応力を緩和するような構造を採用する場合に比べて、堅牢化を図れる。なお、図示していないが、上部電極３３は、支持基板１の上記一表面における空洞１ａの周部の上方まで適宜延設されており、上部電極３３の当該延設された部位に応じて絶縁層４も延設されている。

また、本実施形態のＢＡＷ共振装置は、支持基板１が単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ_３基板より形成されているので、支持基板１がＳｉ、ガラスなどにより形成されている場合に比べて、圧電層３２の結晶性を向上させることができ、共振子３全体の機械的品質係数を向上させ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と略同じであり、実施形態１では支持基板１における空洞１ａが厚み方向に貫設されていたのに対して、図２に示すように、支持基板１における空洞１ａが支持基板１の上記一表面側に形成され断面逆台形状となっ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。

本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法は実施形態１にて説明した製造方法と略同じであって、上部電極３３の形成後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して共振子保持部５の適宜部位に厚み方向に貫通するエッチングホールを形成し、当該エッチングホールを通して所定のエッチング液（例えば、燐酸など）を導入して支持基板１を上記一表面側から異方性エッチングすることにより空洞１ａを形成すればよい。ここで、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、実施形態１のように支持基板１の厚み方向に貫通するように空洞１ａが形成されている場合に比べて、製造時に、エッチング時間の短縮を図れるとともに、空洞１ａの開口面積を小さくすることができ、支持基板１の小型化を図れる。

（実施形態３）
本実施形態のＢＡＷ共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、共振子保持部５における応力緩和部６の形状が相違する。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。

本実施形態における応力緩和部６は、蛇行した形状として平面形状がつづら折れ状の形状に形成されている。ここで、本実施形態のＢＡＷ共振装置６は、複数（図示例では、９つ）の応力緩和部６が共振子３の外周方向に沿って離間して配置されている。ここで、複数の応力緩和部６は、平面視において長方形状の共振子３の長手方向に沿った中心線に対して線対称となる位置に配置されるとともに共振子３の短手方向に沿った中心線に対して線対称となる位置に配置されている。

以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振装置によれば、共振子に発生する応力をより緩和することができるとともに、応力緩和部６により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機械的品質係数を向上させることが可能となる。

本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法は実施形態１と略同じであって、実施形態１にて説明した環状の凹部を形成する工程が不要となり、空洞１ａを形成した後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して共振子保持部５をパターニングすることにより各応力緩和部６を形成すればよい。

（実施形態４）
本実施形態のＢＡＷ共振装置の基本構成は実施形態３と略同じであり、実施形態３では支持基板１における空洞１ａが厚み方向に貫設されていたのに対して、図４に示すように、支持基板１における空洞１ａが支持基板１の上記一表面側に形成され断面逆台形状となっている点が相違する。

本実施形態のＢＡＷ共振装置の製造方法は実施形態３と略同じであり、上部電極３３の形成後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して共振子保持部５をパターニングすることにより各応力緩和部６を形成し、隣り合う応力緩和部６の間の空間を通して所定のエッチング液（例えば、燐酸など）を導入して支持基板１を上記一表面側から異方性エッチングすることにより空洞１ａを形成すればよい。ここで、本実施形態のＢＡＷ共振装置では、実施形態３のように支持基板１の厚み方向に貫通するように空洞１ａが形成されている場合に比べて、製造時に、エッチング時間の短縮を図れるとともに、空洞１ａの開口面積を小さくすることができ、支持基板１の小型化を図れる。また、隣り合う応力緩和部６の間の空間を通して上記所定のエッチング液を導入するので、当該エッチング液を導入するためのエッチングホールを別途に形成する工程が不要であり、製造プロセスの簡略化を図れる。

上述の各実施形態で説明したＢＡＷ共振装置は、支持基板１の上記一表面側に共振子３が１個だけ形成されたものであるが、共振子３を支持基板１の上記一表面側に複数個形成して、これら複数個の共振子３が例えばラダー型フィルタを構成するように接続すれば、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用フィルタとして用いることができる。

実施形態１のＢＡＷ共振装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態２のＢＡＷ共振装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態３のＢＡＷ共振装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態４のＢＡＷ共振装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 従来例を示すＢＡＷ共振装置の概略断面図である。 他の従来例を示すＢＡＷ共振装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
１ａ 空洞
３ 共振子
５ 共振子保持部
６ 応力緩和部
３１ 下部電極
３２ 圧電層
３３ 上部電極

Claims (3)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側に形成され下部電極と上部電極との間に圧電層を有する共振子と、支持基板の前記一表面側に形成されて支持基板に支持され共振子を保持した共振子保持部とを備え、支持基板に、共振子の下部電極および共振子保持部における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されてなり、共振子保持部に、蛇行した形状に形成され空洞の形成時に共振子に発生する応力を緩和する応力緩和部が設けられてなることを特徴とするＢＡＷ共振装置。
2. 前記応力緩和部は、前記蛇行した形状として断面形状がコルゲート板状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振装置。
3. 前記応力緩和部は、前記蛇行した形状として平面形状がつづら折れ状の形状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振装置。

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