JP2010028772A - Ｂａｗ共振器およびｕｗｂ用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数とＱ値を両方共に大きくしたＢＡＷ共振器およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタを提供することにある。
【解決手段】ＢＡＷ共振器は、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成された単結晶のＫＮＮからなる圧電層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とを備える。ここで、下部電極２０の材料は、ベース基板１０に比べて圧電層３０との格子整合性が良好な材料を用いており、ＫＮＮからなる圧電層３０の場合、下部電極２０の材料としてはＬＮＯ又はＳＲＯを用いるのが好ましい。
【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ＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器およびそれを用いたＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに関するものである。

近年、携帯電話機やＵＷＢなどの高周波通信機器の普及が進み、これらの高周波通信機器の高性能化および低損失化に対する強いニーズを背景として、高周波でＱ値が高いＢＡＷ共振器が注目されている。ＢＡＷ共振器としては、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＫＮＮなどの圧電材料を用いた高周波帯域通過フィルタが従来提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このようなＢＡＷ共振器は、それまで用いられてきたＬＣフィルタなどに比べて高周波において鋭いＱ値を持ち、通過特性や遮断特性に優れているという特長を有している。また、使用する圧電材料の違いによって、帯域幅が異なる高周波帯域通過フィルタを得ることができるという特長も有している。中でもＵＷＢ用フィルタに用いられるＢＡＷ共振器には、３００〜４００ＭＨｚ程度の広帯域で急峻な立ち上がり・立下り特性が要求され、このような特性を満たすためには、大きな電気機械的結合係数を有するＰＺＴのような圧電材料が必要になる。しかしながら、ＰＺＴは鉛を含んでいるため、近年、環境への影響を考慮して鉛を含まない圧電材料の開発が進められており、従来に比べて圧電特性を向上させたＫＮＮのような圧電材料が開発されてきた。

またＢＡＷ共振器にはＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）型とＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）とがあり、例えばＦＢＡＲ型ではシリコン基板の一表面に、下部電極、ＰＺＴよりなる圧電体膜、絶縁膜、上部電極の順番に積層した後、シリコン基板の他表面をパターニングしてダイヤフラム構造を形成することによってＢＡＷ共振器を作製していたが、このような工程によって作製されたＢＡＷ共振器の電気機械結合係数（keff値）は小さくなり、ＵＷＢ用のＢＡＷ共振器に要求される機械的結合係数が十分に得られないという問題があった。

これは、圧電体膜の材料と下部電極の材料との格子定数差が大きいことに原因があり、格子定数差が大きいと、下部電極上に圧電体膜を結晶成長させる際に下部電極と圧電体膜との間で応力が発生し、この応力によって圧電層の結晶性が崩されて多結晶となるため、電気機械結合係数が低下してしまうのである。

そこで、下部電極と圧電体膜との間に発生する応力を低減するために、圧電体膜の格子定数と近い格子定数を有するバッファ層を、下部電極と圧電体膜との間に形成したＢＡＷ共振器が提案されている（特許文献１参照）。このＢＡＷ共振器では、バッファ層によって圧電体膜に作用する応力が緩和されるから、圧電層の結晶性が保たれ、電気機械結合係数を大きくすることができた。
特開２００１−２８５０１８号公報 P.Muralt他，Shear mode coupling and properties dispersion in 8 GHz range AlN thin film bulk acoustic wave (BAW) resonator ，Thin Solid Films，2006年8月，vol.514，p.341-343)

ところで、ＢＡＷ共振器では目的の共振周波数を得るためには、下部電極や上部電極も関係するが、圧電体膜の膜厚が非常に重要になる。そして、バッファ層を形成した上述のＢＡＷ共振器では、主として圧電体膜の膜厚とバッファ層の膜厚との和によって共振周波数が決定付けられることになる。ここで、圧電体膜の結晶性を向上させるためには、バッファ層の膜厚を厚くすることが望ましいが、バッファ層の膜厚を厚くすると圧電体膜の膜厚が相対的に薄くなり、共振のＱ値が小さくなるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、電気機械結合係数とＱ値を両方共に大きくしたＢＡＷ共振器およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された単結晶のＫＮＮからなる圧電層と、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、下部電極の材料は、ベース基板に比べて圧電層との格子整合性が良好な材料であることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、下部電極の材料がＬａＮｉＯ_３又はＳｒＲｕＯ_３の何れかであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、ベース基板の材料は、格子定数の差に起因して下部電極とベース基板の間に発生する応力が、下部電極の結晶性を崩してしまう応力値よりも小さくなるような下部電極との格子整合性が良好な材料であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、ベース基板は、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とが交互に積層された音響多層膜を一表面側に有し、下部電極は最外層となる低音響インピーダンス層の外表面に形成されており、最外層となる低音響インピーダンス層の材料は、高音響インピーダンス層に比べて下部電極との格子整合性が良好な材料であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１つに記載のＢＡＷ共振器を用いたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、下部電極の材料が、ベース基板に比べてＫＮＮからなる圧電層との格子整合性が良好な材料となっているので、下部電極上に圧電層を結晶成長させる際に、下部電極と圧電層との間に発生する応力が低減されるため、圧電層の単結晶性が保たれて、高品質の単結晶圧電体を形成することができる。しかも、圧電層の結晶性を向上させるために下部電極と圧電層との間にバッファ層を形成する場合に比べて、バッファ層を形成した分だけ圧電層の膜厚が薄くなることがないから、圧電層の厚みを厚くして、共振のＱ値を大きくできるという効果がある。したがって、圧電層に高品質の単結晶圧電体を用いることで、圧電層の電気機械結合係数を大きくできるとともに、共振のＱ値も大きくできるという効果がある。

ここにおいて、圧電材料がＫＮＮの場合は、下部電極の材料にＬａＮｉＯ_３又はＳｒＲｕＯ_３の何れかを用いるのが好ましい。

また請求項３の発明によれば、ベース基板の材料を、格子定数の差に起因して下部電極とベース基板の間に発生する応力が、下部電極の結晶性を崩してしまう応力値よりも小さくなるような格子整合性の良好な材料としているので、ベース基板の一表面に下部電極を結晶成長させる際に、ベース基板と下部電極との間に発生する応力が低減され、下部電極の結晶性を保つことができる。したがって、下部電極の結晶性が保たれるから、下部電極上に圧電層を形成する際に下部電極と圧電層との間に発生する応力をさらに低減して、より高品質の単結晶圧電体を形成することができ、圧電層の電気機械結合係数をさらに大きくできるという効果がある。

請求項４の発明によれば、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とが交互に積層された音響多層膜をベース基板の一表面側に設け、最外層となる低音響インピーダンス層の外表面に下部電極を形成してあり、最外層となる低音響インピーダンス層の材料を、高音響インピーダンス層に比べて下部電極との格子整合性の良好な材料としているので、最外層となる低音響インピーダンス層の表面に下部電極を形成する際に、低音響インピーダンス層と下部電極との間に発生する応力が低減され、下部電極の結晶性を保つことができる。したがって、下部電極の結晶性が保たれるから、下部電極上に圧電層を形成する際に下部電極と圧電層との間に発生する応力をさらに低減して、より高品質の単結晶圧電体を形成することができ、圧電層の電気機械結合係数をさらに大きくできるという効果がある。

また請求項５の発明によれば、電気機械結合係数およびＱ値を共に大きくしたＢＡＷ共振器を用いるＵＷＡ用フィルタを実現できるという効果がある。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振器は、図１に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成されたＫＮＮ薄膜からなる圧電層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とを備えている。

ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振器では、ベース基板１０として、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用しており、ベース基板１０に、下部電極２０における圧電層３０側とは反対側の表面を部分的に露出させる開孔部１３が形成されている。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、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ベース基板１０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。なお上部電極４０は、圧電層３０の上面において開孔部１３の上方の位置に形成されており、図１に示すＢＡＷ共振器では、開孔部１３の上方に位置する下部電極２０と圧電層３０と上部電極４０とで共振子が構成されている。

本実施形態では圧電層３０の圧電材料として、鉛フリーのＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム、Ｋ_0.5Ｎａ_0.5ＮＢＯ₃）を用いているが、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものでもよい。

一方、下部電極２０の材料には、ベース基板１０に比べて単結晶の圧電層３０との格子整合性が良好な材料を用いており、結晶成長時に下部電極２０の格子定数と圧電層３０の格子定数との差に起因して下部電極２０と圧電層３０の間に発生する応力が低減されるから、圧電層の単結晶性が保たれて、高品質の単結晶圧電体を形成することができる。ここにおいて、圧電層３０の材料がＫＮＮの場合は下部電極２０の材料をＬＮＯ（ＬａＮｉＯ_３）又はＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ_３）の何れかとするのが好ましい。また下部電極２０を酸化物系電極とすることで、下部電極２０の抵抗値が安定し、共振器の電気的特性を向上させることができる。さらに上部電極４０の材料としてはＡｌを採用しているが、例えばＰｔやＭｏなどを採用してもよい。

また、ベース基板１０として、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用しているが、ベース基板１０をシリコン基板に限定する趣旨のものではない。例えばベース基板１０の材料を、圧電層３０および下部電極２０の格子定数と格子定数が近い材料であって、結晶成長時に格子定数の差に起因して下部電極２０とベース基板１０の間に発生する応力が、下部電極２０の結晶性を崩してしまう応力値よりも小さくなるような格子定数の材料とすることも好ましく、例えば主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）基板や、主表面がＣ面のＡｌ_２Ｏ_３基板などを用いてもよい。

下記表１に圧電層３０、下部電極２０、ベース基板１０それぞれの材料の格子定数などを示す。

ここにおいて、表１における「ａ_ｐ」は基板の一表面に平行な方向（基板材料のａ軸方向に平行な方向）における格子間隔であり、成膜時の表面を（１００）面とすることが好ましい正方晶系および立方晶系では、「ａ」と同じである。また、「ｃ_ｐ」は基板の一表面に直交する方向（基板材料のｃ軸方向に平行な方向）の格子間隔であり、成膜時の表面を（１００）面とすることが好ましい正方晶系および立方晶系では、「ｃ」と同じである。また、斜方晶系のＳＲＯについては、成膜時の表面を（１０１）面とすることが好ましいが、ＳＲＯは（１０１）面が二次元格子となるので、「ａ_ｐ」を隣り合うＳｒ元素の格子点間の間隔ではなく、隣り合うＲｕ元素とＯ元素との擬似格子点間の間隔として記載してあり、「ｃ_ｐ」についても同様の間隔を記載してある。また、ＫＮＮ、ＫＮ、ＮＮそれぞれの「ａ_ｐ」，「ｃ_ｐ」については、刊行物１〔Takehisa SAITO,et al，「Pulsed Laser Deposition of High-Quality (K,Na)NbO₃ Thin Films on SrTiO₃ Substrate Using High-Density Ceramic Targets」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.43，No.9B，2004，pp.6627-6631〕において「Table II. Lattiice parameters of (K,Na)NbO₃ films with a psudo-tetoragonal unit cell」で「ａ」，「ｂ」として報告されている値を記載してある。

なお、本実施形態のＢＡＷ共振器では、共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極２０の厚みを１００ｎｍ、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。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３０の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。

以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図２（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。尚、図１に示すＢＡＷ共振器ではベース基板１０の一表面の全体に下部電極２０および圧電層３０を形成するとともに、開孔部１３の上方位置に上部電極４０を形成しているのに対して、図２（ｆ）に示すＢＡＷ共振器では、開孔部１３の上側のみに下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとを形成するように、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パターニングしてある。図１に示すＢＡＷ共振器の製造方法は、下部電極２０、圧電層３０および上部電極４０のパターニングの工程が異なる以外は図２に示すＢＡＷ共振器の製造方法と同様であるので、図２のＢＡＷ共振器を例にして説明を行う。

まず、上述した単結晶のシリコン基板からなるベース基板１０の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、第１の導電性材料（例えばＬＮＯ）からなり下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法、ＥＢ蒸着法、真空蒸着法、ＣＶＤ法などにより形成することによって、図２（ａ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、ＫＮＮ薄膜３０ａを形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、ＫＮＮ薄膜３０ａの形成（製造）にあたっては、結晶成長用基板（本実施形態では、ベース基板１０と、当該ベース基板１０上の第１の導電性層２０ａとで構成されている）の主表面側の最表面に電子銃（図示せず）から電子ビームを照射しながらスパッタ法やゾル・ゲル法によりＫＮＮ薄膜３０ａを結晶成長させるようにしており、上述の最表面が成長表面を構成する。

ここで、スパッタ法によりＫＮＮ薄膜３０ａを結晶成長させる際には、ＫＮＮからなるターゲットをアルゴンイオンビームによりスパッタリングしている。この製造方法では、結晶成長用基板の主表面側の成長表面である上記最表面に電子ビームを照射しながらスパッタ法によりＫＮＮ薄膜３０ａを結晶成長させるので、結晶成長時の最表面付近の電子に起因した電場と、最表面に向かって飛来するＫＮＮ粒子の自発分極との相互作用により、自発分極の方向が厚み方向に揃った配向性の高いＫＮＮ薄膜３０ａを結晶成長させることができ、当該ＫＮＮ薄膜３０ａの成膜後の分極処理を行う必要がなく、分極処理なしに配向性の高いＫＮＮ薄膜３０ａを容易に製造することが可能となる。

なお、スパッタ法によりＫＮＮ薄膜３０ａを製造する場合のターゲットは、ＫＮＮ単体のターゲットに限らず、例えば、Ｐｂ，Ｔｉ，Ｚｒそれぞれからなる複数のターゲットを用いるようにし、当該複数のターゲットを酸素雰囲気中でスパッタリングするようにしてもよく、この場合には、ＫＮＮ薄膜３０ａの組成を制御することが可能となる。また、本実施形態では、ＫＮＮ薄膜３０ａの製造にあたって、結晶成長用基板の主表面側の最表面に電子ビームを照射しながらスパッタ法により成膜しているが、最表面に電子ビームを照射しながらＣＶＤ法により成膜してもよい。

上述のＫＮＮ薄膜３０ａを形成した後、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ＫＮＮ薄膜３０ａを所望の平面形状にパターニングすることでＫＮＮ薄膜３０ａの一部からなる圧電層３０Ａが形成されて、図２（ｃ）に示す構造を得る。

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１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングすることで導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０Ａが形成されて、図２（ｄ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、上部電極４０Ａの基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成する。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の導電性層を所望の平面形状にパターニングすることで第２の導電性層の一部からなる上部電極４０Ａが形成されて、図２（ｅ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。

次に、ベース基板１０の他表面側に開孔部１３形成用にパターニングされたマスク層（例えば、レジスト層、ＳｉＯ_２膜）を形成し、当該マスク層をマスクとしてアルカリ系溶液（例えばＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＮａＯＨなどの水溶液）を用いたウェットエッチングや、酸性溶液（例えばリン酸など）を用いたウェットエッチングや、深堀り反応性イオンエッチング（DRIE：Deep Reactive Ion Etching）や、誘導結合プラズマ型のエッチング装置を用いたドライエッチングなどを行うことにより開孔部１３を形成した後、上記マスク層を除去することによって、図２（ｆ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。ここに開孔部１３の上方位置に形成された下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとで共振子５が構成されている。なお、開孔部１３をアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより形成する場合、上部電極４０Ａの材料がＰｔであればベース基板１０の上記一表面側にマスクを設ける必要はないが、上部電極４０の材料がＡｌの場合にはベース基板１０の上記一表面側に上部電極４０Ａを保護するマスクを設ける必要がある。

なお上述のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、ベース基板１０の基礎となるシリコン基板としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。

上述のように本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０の材料として、ベース基板１０に比べてＫＮＮからなる圧電層３０との格子整合性が良好な材料を用いているので、下部電極２０の格子定数と圧電層３０の格子定数との差に起因して下部電極２０と圧電層３０の間に発生する応力が低減されるから、下部電極２０上に圧電層３０を結晶成長させる際に圧電層３０の単結晶性が保たれて、多結晶やアモルファスとなることがなく、高品質の単結晶圧電体を形成することができる。したがって、圧電層３０に高品質の単結晶圧電体を用いることで、圧電層３０の電気機械結合係数を大きくできる。また、圧電層３０の結晶性を良くするために下部電極２０と圧電層３０との間にバッファ層を形成する場合に比べて、バッファ層を形成した分だけ圧電層３０の膜厚が薄くなることがないから、圧電層３０の厚みを厚くして、共振のＱ値を大きくできるという効果もある。

さらに、ベース基板１０の材料として、格子定数の差に起因して下部電極２０とベース基板１０の間に発生する応力が、下部電極２０の結晶性を崩してしまう応力値よりも小さくなるような格子定数の材料［例えば主表面が（１００）面のＭｇＯ基板、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）基板、主表面がＣ面のＡｌ_２Ｏ_３基板など］を用いれば、ベース基板１０の一表面に下部電極２０を形成する際に、ベース基板１０と下部電極２０との間に発生する応力が低減され、下部電極２０の結晶性を保つことができる。したがって、下部電極２０の結晶性が保たれるから、下部電極２０上に圧電層３０を形成する際に下部電極２０と圧電層３０との間に発生する応力をさらに低減して、より高品質の単結晶圧電体を形成することができ、圧電層３０の電気機械結合係数をさらに大きくできる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０における圧電層３０側とは反対側に開孔部１３が形成されているので、下部電極２０および上部電極４０のそれぞれにおいて圧電層３０に重なる各部分それぞれが空気と接することとなり、エネルギ変換効率を高めることができる。

ところで、上述のＢＡＷ共振器を、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、図３に示すように、下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとで構成される共振子５を同一のベース基板１０に複数個形成するようにし（図２（ｆ）には１個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子５を図３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フィルタの低コスト化および小型化を図ることができる。

（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷ共振器は、図４に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成されたＫＮＮ薄膜からなる圧電層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とを備えている。

そして、ベース基板１０を、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板１１と、シリコン基板１１の主表面上に形成され圧電層３０で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２とで構成してある。要するに、実施形態１のＢＡＷ共振器がＦＢＡＲ型であるのに対して、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の一表面側の音響多層膜１２上に下部電極２０が形成されたＳＭＲを構成している。

音響多層膜１２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１２ａ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１２ｂとが交互に積層されてなり、上述の下部電極２０は、最上層となる低音響インピーダンス層１２ａの上側に形成されている。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂの膜厚は、圧電層３０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。

ここで、本実施形態のＢＡＷ共振器における圧電層３０は、自発分極の方向が厚み方向に揃ったＫＮＮ薄膜により構成されている。尚、圧電層３０の材料としては、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものでもよい。

また本実施形態では、低音響インピーダンス層１２ａの材料としてＳｉＯ_２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としてＷ、下部電極２０の材料としてＬＮＯ、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い。

例えば、下部電極２０の材料としてはベース基板１０に比べて圧電層３０との格子整合性が良好な材料であれば良く、圧電層３０の材料がＫＮＮの場合は下部電極２０の材料としてＳＲＯなどを用いても良い。

また最外層となる低音響インピーダンス層１２ａの材料には、高音響インピーダンス層１２ｂに比べて下部電極２０との格子整合性が良好な材料を用いるのが好ましく、格子定数の差に起因して下部電極２０と低音響インピーダンス層１２ａの間に発生する応力が低減されるから、低音響インピーダンス層１２ａ上に積層される下部電極２０の結晶性を保つことができる。尚、下部電極２０の材料がＬＮＯ、ＳＲＯの場合は、低音響インピーダンス層１２ａの材料として、例えばＭｇＯやＳＴＯやサファイアなどを採用すればよい。

さらに、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としては、例えばＡｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用しても良く、また上部電極４０の材料として、例えばＭｏなどを採用してもよい。また、ベース基板１０において最下層のシリコン基板１１の代わりに、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。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極２０の厚みを１００ｎｍ、圧電層３０の厚みを３００ｎｍ、上部電極４０の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層１２ａの厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層１２ｂ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３０の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層１２ａの厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。

以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図５（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明するが、実施形態１にて説明したＢＡＷ共振器の製造方法と同様の工程については簡単に説明する。また、図４に示すＢＡＷ共振器ではベース基板１０の一表面の全体に下部電極２０および圧電層３０を形成しているのに対して、図５（ｆ）に示すＢＡＷ共振器では、ベース基板１０の一部分のみに下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとを形成するように、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パターニングしてある。図４に示すＢＡＷ共振器の製造方法は、下部電極２０、圧電層３０および上部電極４０のパターニングの工程が異なる以外は図５に示すＢＡＷ共振器の製造方法と同様であるので、図５のＢＡＷ共振器を例にして説明を行う。

まず、ベース基板１０の基礎となる単結晶のシリコン基板１１の主表面側に、ＳｉＯ_２膜からなる低音響インピーダンス層１２ａとＷ膜からなる高音響インピーダンス層１２ｂ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多層膜１２が形成されて、図５（ａ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１１と音響多層膜１２とからなるベース基板１０の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、第１の導電性材料（例えばＬＮＯ）からなり下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法、ＥＢ蒸着法、真空蒸着法、ＣＶＤ法などにより形成することによって、図５（ｂ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、ＫＮＮ薄膜３０ａを形成することによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。

ＫＮＮ薄膜３０ａを形成した後、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ＫＮＮ薄膜３０ａを所望の平面形状にパターニングすることでＫＮＮ薄膜３０ａの一部からなる圧電層３０Ａが形成されて、図５（ｄ）に示す構造を得る。

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１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングすることで導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０Ａが形成され、図５（ｅ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、第２の導電性材料（例えば、Ａｌ，Ｍｏ，Ｐｔなど）からなり上部電極４０の基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成する。そして、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の導電性層を所望の平面形状にパターニングすることで第２の導電性層の一部からなる上部電極４０Ａが形成されて、図５（ｆ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。ここに開孔部１３の上方位置に形成された下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとで共振子５が構成されている。

なお上述のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、上述のシリコン基板１１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。

上述のように本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０の材料として、ベース基板１０に比べて圧電層３０との格子整合性が良好な材料を用いており、結晶成長時に下部電極２０の格子定数と圧電層３０の格子定数との差に起因して下部電極２０と圧電層３０の間に発生する応力が低減されるので、下部電極２０上に圧電層３０を結晶成長させる際に圧電層３０の単結晶性が保たれて、高品質の単結晶圧電体を形成することができる。したがって、圧電層３０に高品質の単結晶圧電体を用いることで、圧電層３０の電気機械結合係数を大きくできる。また、圧電層３０の結晶性を良くするために下部電極２０と圧電層３０との間にバッファ層を形成する場合に比べて、バッファ層を形成した分だけ圧電層３０の膜厚が薄くなることがないから、圧電層３０の厚みを厚くして、共振のＱ値を大きくできるという効果もある。

また、下部電極２０が上面に形成される低音響インピーダンス層１２ａの材料として、高音響インピーダンス層１２ｂに比べて下部電極２０との格子整合性が良好な材料（例えばＭｇＯやＳＴＯやサファイアなど）を用いているので、ベース基板１０の一表面（低音響インピーダンス層１２ａの上面）に下部電極２０を結晶成長させる際に、格子定数の差に起因して下部電極２０と低音響インピーダンス層１２ａの間に発生する応力を低減することができる。したがって、低音響インピーダンス層１２ａの上面に形成される下部電極２０の結晶性が保たれるから、下部電極２０上に圧電層３０を形成する際に下部電極２０と圧電層３０との間に発生する応力をさらに低減して、より高品質の単結晶圧電体を形成することができ、圧電層３０の電気機械結合係数をさらに大きくできる。

また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０が音響多層膜１２上に形成されているので、圧電層３０側からベース基板１０側へ伝搬しようとする弾性波を音響多層膜１２により圧電層３０側へ反射することができ、弾性波のエネルギ損失（音響エネルギの損失）を低減できるから、音響多層膜１２を備えていない場合に比べてエネルギ変換効率を高めることができる。

また本実施形態のＢＡＷ共振器においても、実施形態１と同様、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用フィルタとして利用することができる。このＢＡＷ共振器をＵＷＢ用フィルタに用いる場合には、下部電極２０Ａと圧電層３０Ａと上部電極４０Ａとで構成される共振子５を同一のベース基板１０に複数個形成するようにし（図５（ｆ）には１個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子５を図３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フィルタの低コスト化および小型化を図ることができる。なお、同一ベース基板１０上に複数個の共振子５を形成する構成において、上述のように音響多層膜１２の低音響インピーダンス層１２ａの材料として絶縁材料であるＳｉＯ_２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料として金属材料であるＷを採用している場合には、隣り合う共振子５間で高音響インピーダンス層１２ｂを介したクロストークが発生するのを防止するために、例えば、高音響インピーダンス層１２ｂを共振子５ごとに分離したパターンとなるように製造時に適宜パターニングすればよい。

なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

実施形態１のＢＡＷ共振器の概略断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は同上の製造方法を説明する主要工程断面図である。 同上を用いたＵＷＢ用フィルタの回路図である。 実施形態２のＢＡＷ共振器の概略断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は同上の製造方法を説明する主要工程断面図である。

符号の説明

１０ ベース基板
１３ 開孔部
２０ 下部電極
３０ 圧電層
４０ 上部電極

Claims (5)

1. ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された単結晶のＫＮＮからなる圧電層と、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、下部電極の材料は、ベース基板に比べて圧電層との格子整合性が良好な材料であることを特徴とするＢＡＷ共振器。
2. 下部電極の材料がＬａＮｉＯ_３又はＳｒＲｕＯ_３の何れかであることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷ共振器。
3. ベース基板の材料は、格子定数の差に起因して下部電極とベース基板の間に発生する応力が、下部電極の結晶性を崩してしまう応力値よりも小さくなるような下部電極との格子整合性が良好な材料であることを特徴とする請求項１又は２記載のＢＡＷ共振器。
4. ベース基板は、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とが交互に積層された音響多層膜を一表面側に有し、下部電極は最外層となる低音響インピーダンス層の外表面に形成されており、最外層となる低音響インピーダンス層の材料は、高音響インピーダンス層に比べて下部電極との格子整合性が良好な材料であることを特徴とする請求項３記載のＢＡＷ共振器。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のＢＡＷ共振器を用いたことを特徴とするＵＷＢ用フィルタ。

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