JP2010130294A - 音響波共振子 - Google Patents

Abstract

【課題】スプリアスを抑制し、Ｑ値の高い音響波共振子の提供。
【解決手段】上面と下面とを有する圧電体層１１と、前記圧電体層１１の上面側に積層される上部電極１３と、前記圧電体層１１を挟んで前記上部電極１３と対向するように前記圧電体層１１の下面側に積層される下部電極１２と、を含む共振部１８と、前記上部電極１３の上面および側面を覆うとともに、断面視したときに、前記上部電極１３の側面領域において、前記側面に対して傾斜する傾斜部を有する保護層２０と、を有する構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚み縦方向の振動モードを用いた音響波共振子に関し、特に、スプリアスを抑制した高性能な音響波共振子に関するものである。

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、圧電性を示す圧電膜の厚み縦振動モードを用いた音響波共振子を用いたものが提案されている。

音響波共振子は、ＳｉやＧａＡｓなどからなる基板と、基板表面上に形成される共振子本体と、基板および共振子本体で囲まれる空隙と、共振子本体を貫通し空隙と連通する貫通孔とを含んで構成される。そして、共振子本体は、圧電膜と、厚み方向の両側から圧電膜を挟む上部電極および下部電極とを含んで構成される。ここで、音響波共振子では、共振子本体を構成する圧電膜と上部電極と下部電極とが重なる部分のうち、空隙を臨む部分の内壁面によって共振部が形成されており、空隙が圧電膜の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。

このような音響波共振子において、上部電極上に、平面視で上部電極の外辺部より内側に外辺部を有する引っ込み領域を配置した構成が提案されている（特許文献１参照）。このような構成により、共振子を構成する薄膜の不連続性が生じ、この不連続性により厚み縦振動以外の音響波による損失（スプリアス）を低減できるものとなる。

また、同様に、スプリアスを低減するために、上部電極の側面をテーパー状とする構成が提案されている。
特開２００６−５９２４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている音響波共振子は、平面視で、上部電極のうち、引っ込み領域の外辺部の外側の領域において寄生容量を形成してしまい、共振子の帯域幅が狭まり、Ｑ値が低下する、という問題点があった。同様に、上部電極の側面をテーパー状とする場合も、テーパー状の領域において寄生容量を形成してしまい、共振子の帯域幅が狭まり、Ｑ値が低下する、という問題点があった。このように、従来は、スプリアスを抑制しつつＱ値の高い共振子を提供することが困難だった。

本発明は、上述の状況に鑑みて案出されたものであり、その目的は、スプリアスを低減した、Ｑ値の高い音響波共振子を提供することである。

本発明の音響波共振子は、上面と下面とを有する圧電体層と、前記圧電体層の上面の側に積層される上部電極と、前記圧電体層を挟んで前記上部電極と対向するように前記圧電体層の下面の側に積層される下部電極と、を含む共振部と、前記上部電極の上面および側面を覆うとともに、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域において、前記側面に対して傾斜する傾斜部を有する保護層と、を有するものである。

また、本発明の音響波共振子は、上記構成において、前記共振部との間に囲まれる空隙が形成されるように、前記共振部が配置される基体をさらに有するものである。

また、本発明の音響波共振子は、上記構成において、前記保護層の傾斜部は、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域から漸次厚みが薄くなるように延びるテーパー形状である。

本発明によれば、上面と下面とを有する圧電体層と、前記圧電体層の上面の側に積層される上部電極と、前記圧電体層を挟んで前記上部電極と対向するように前記圧電体層の下面の側に積層される下部電極と、を含む共振部と、前記上部電極の上面および側面を覆うとともに、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域において、前記側面に対して傾斜する傾斜部を有する保護層と、を含んで構成されている。

このように、保護層が、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域において、前記側面に対して傾斜する傾斜部を有するので、厚み縦方向の振動と異なるモードの音響波を散乱させることができ、保護層によりスプリアスを抑制することができる。また、上部電極により寄生容量を形成することがないので、Ｑ値の高い音響波共振子を提供することができる。

図１は、本発明の実施の一形態である音響波共振子１の構成を示す断面図である。音響波共振子１は、基板１６と、基板１６の厚み方向一表面上に形成される共振子本体１７と、基板１６および共振子本体１７で囲まれる空隙１５と、共振子本体１７を貫通し、空隙１５と連通する貫通孔１４と、共振子本体１７を覆うように配置された保護層２０とを含んで構成される。なお、以下の図面のおいて同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

基板１６は、音響波共振子１のベース部材である。基板１６は、略直方体形状を有し、厚みが０．０５〜１．０ｍｍ程度に選ばれる。基板１６は、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などによって形成される。

共振子本体１７は、圧電体層１１と、圧電体層１１の上面（厚み方向一表面上）に少なくとも一部が積層される上部電極１３と、圧電体層１１の下面（厚み方向他表面上）に少なくとも一部が積層される下部電極１２とを含んで構成される積層体である。上部電極１１３と下部電極１２は圧電体層１１を挟んで対向するように配置されている。

圧電体層１１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）などの圧電材料からなり、上部電極１３および下部電極１２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。音響波共振子１が必要な共振特性を発揮するために、圧電体層１１の厚みは、圧電体層１１を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、圧電体層１１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。圧電体層１１の最適な厚みは、音響波共振子１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、後述する共振部１８の設計寸法、圧電体層材料、電極材料によって異なるが、例えば、０．２〜３．０μｍ程度に選ばれる。

下部電極１２は、圧電体層１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される。つまり、下部電極１２は、積層体である共振子本体１７において最下層となり、基板１６の厚み方向一表面上に形成される。下部電極１２は、圧電体層１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）およびＣｕ（銅）などの金属材料を用いて形成される。また下部電極１２は、電極としての機能と同時に、後述する共振部１８を構成する機能も有するので、音響波共振子１が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、下部電極１２を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、下部電極１２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。下部電極１２の最適な厚みは、音響波共振子１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１８の設計寸法、圧電体層材料、電極材料によって異なるが、０．０３〜１．０μｍ程度に選ばれる。

上部電極１３は、下部電極１２とともに、圧電体層１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、下部電極１２と同様に構成される。

この共振子本体１７の少なくとも上部電極１３の上面と側面とを覆うように保護層２０を設ける。この図では、共振子本体１７全体を覆うように配置されている。保護層２０は、上部電極１３を保護することができ、下部電極１２との間に寄生容量を生じないような絶縁材料であれば特に限定はないが、耐衝撃性，耐薬品性の点から酸化ケイ素等を用いることが好ましい。このような保護層２０により、外部からの衝撃や水分の浸入による共振部１８の変質，付着物による共振特性の変化等から保護することができるので、信頼性の高い音響波共振子を提供することができる。

ここで、保護層２０は、断面視で、上部電極１３の側面の領域において、上部電極１３の側面に対して傾斜する傾斜面２０ａを有する。上部電極１３の側面の領域とは、上部電極１３の側面から離れる方向に広がる領域（図中にＡで示す領域）のうち、上部電極１３の厚みに等しい空間（図中にＢで示す領域）を指すものとする。

この傾斜面２０ａにより、上部電極１３の側面において厚み縦方向と異なる方向の振動モードを散乱させることによりスプリアスを抑制することができる。なお、従来技術のような厚み方向の不連続性によりスプリアスを抑制する場合に比べ、傾斜面２０ａにより伝搬してきた音響波の音響インピーダンスを滑らかに変換することができるので、より反射を抑制することができる。また、このように上部電極１３の側面におけるスプリアスを抑制するための構成（傾斜面２０ａ）を保護層２０に設けたため、下部電極１２との間に寄生容量が発生することがなく、Ｑ値の高い音響波共振子を提供することができる。

このような保護層２０の傾斜面２０ａは、上部電極１３の側面に対して傾斜している部分があれば、その角度及び厚みに対する傾斜面２０ａが設けられている領域の割合等は自由に設計できるが、上部電極１３の側面から離れる方向に延びるように形成され、傾斜面２０ａが基体１６表面と成す角度αが鋭角であることが好ましい。

また、保護層２０を設けることにより、積層体を構成する上部電極１３の上端部に集中していた応力が保護層２０の端部に発生することとなり、共振部１８を構成する上部電極１３のクラック発生や，剥離を抑制することができ、信頼性の高い音響波共振子を提供することができる。また、保護層２０が傾斜面２０ａを有することより、特に図１に示すように、傾斜面２０ａを保護層２０の端部２０ｂから延びるように配置するときには、保護層２０においても、傾斜面２０ａがない場合、すなわち端部が基体１６の表面に対して直角となっている場合に比べ端部への応力集中を緩和することができる。また、上部電極１３の厚みに起因する段差部２０ｃにおいても、直角の場合に比べて応力を緩和することができるので、保護層２０にクラックが発生することを抑制し、信頼性の高い音響波共振子を提供することができる。

さらに保護層２０として酸化ケイ素を用いた場合には、共振部１８の温度補償を行なうことができる。また、周波数調整膜として用いることもできる。

次に、空隙１５は、基板１６と共振子本体１７とで囲まれる空洞であり、圧電体層１１の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。空隙１５を構成する共振子本体１７の内壁面は、中央部において基板１６の厚み方向一表面に対して間隙を有して平行な面となる空隙平坦面１５ａであり、周縁端部において基板１６の厚み方向一表面とのなす角θが鋭角となる傾斜面となるように構成されている。

空隙１５を形成する共振子本体１７の内壁面がその周縁端部において、基板１６表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となるように構成されることによって、周縁端部において基板１６表面に対して垂直となるように構成されている場合に比べて、周縁端部に対応する共振子本体１７の圧電体層１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが抑制され、破損の発生を抑制することができる。

また、本実施の形態では、空隙１５を形成する共振子本体１７の内壁面において、空隙平坦面１５ａと基板１６の厚み方向一表面との間隙は、２．６〜４．０μｍ程度に設定され、基板１６表面とのなす角度θは、１．１４°以上５６．３°以下に設定される。

音響波共振子１では、共振子本体１７を構成する圧電体層１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される。共振部１８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。共振部１８の厚み方向から見た形状、すなわち平面形状は、略矩形状である。なおスプリアス抑制のために共振部１８の平面形状を非対称の形状にしてもよい。本実施の形態では、共振部１８は直方体形状に形成される。また共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、音響波共振子１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音響波共振子１を使用する場合は、共振部１８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１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、たとえば２ＧＨｚの音響波共振子１の場合であれば、２００μｍ×２００μｍ程度に選ばれる。

音響波共振子１に設けられる貫通孔１４は、共振子本体１７を、基板１６表面に直交する方向に貫通し、空隙１５を形成する共振子本体１７の傾斜面に開口して形成され、その孔径は、例えば１０μｍ程度である。このように、貫通孔１４が共振子本体１７の傾斜面に開口するように設けられているので、共振子本体１７の空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、孔径は同じでも、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きなものとなる。音響波共振子１は、詳細は後述するが、空隙１５に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔１４を介してエッチング剤によって除去して製造されるが、本発明の音響波共振子１は、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きいので、エッチング剤による犠牲層除去効率が向上し、空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのが抑制されたものとなる。そのため、音響波共振子１としての共振特性が損なわれるのが抑制され、優れた共振特性を有する音響波共振子１となる。

次に、本発明における音響波共振子１の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の一形態である音響波共振子１の製造方法を示す工程図である。本発明における音響波共振子１の製造方法は、半導体製造技術を利用するものであり、大きくは以下のように５つの工程からなる。

［基板準備工程］
基板準備工程では、共振子形成用基板を準備する。準備する共振子形成用基板は、基板１６表面上に、犠牲層と共振子本体１７とが積層されたものである。

（ａ）基板１６の準備および犠牲層の形成工程
音響波共振子１に用いられる基板１６は、Ｓｉ（シリコン）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などからなる板状部材であり、本実施の形態では、シリコン基板を用いた例について説明する。また、犠牲層は、製造する音響波共振子１の空隙１５に対応する部分であり、本実施の形態では、共振子本体１７の内壁面である空隙平坦面１５ａ、傾斜面１５ｂおよび基板１６によって囲まれて形成される空隙１５に対応して、犠牲層２１を基板１６表面上に形成する。

まず、図２（ａ）に示すように、基板１６の厚み方向一表面の全面にわたって、犠牲層２１を形成する。犠牲層２１は、例えば、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）やＰＳＧ（リンドープガラス）により形成すればよく、単一材料から形成しても、複数の材料からなる層を積層して形成してもよい。ＳｉＯ_２からなる犠牲層２１は、シリコン基板１６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、その厚みは、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る。ＰＳＧからなる犠牲層２１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができ、その厚みは、ＣＶＤ処理時の温度や時間などの処理条件により制御することが可能である。本実施の形態では犠牲層２１の厚みは、２．５〜３．０μｍ程度に設定される。

（ｂ）犠牲層のパターニング工程
図２（ｂ）に示すように、基板１６の一表面の全面にわたって形成した犠牲層２１を、パターニングにより空隙１５に対応した形状にする。

犠牲層２１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、犠牲層２１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。そののちフッ酸水溶液に浸漬して、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１を得る。

（ｃ）積層体である共振子本体１７の形成工程
図２（ｃ）に示すように、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１の上に、下部電極１２、圧電体層１１および上部電極１３からなる共振子本体１７を形成する。

まず、基板１６表面および犠牲層２１表面の少なくとも一部に下部電極１２を形成する。下部電極１２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、基板１６の厚み方向から平面視したときの全面、すなわち下部電極１２表面、下部電極１２が積層されていない犠牲層２１表面、下部電極１２および第２犠牲層２２が積層されていない基板１６表面のそれぞれを覆うように圧電体層１１を形成する。圧電体層１１は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、圧電体層１１表面の少なくとも一部に上部電極１３を形成する。このとき、上部電極１３は、少なくとも一部が、圧電体層１１および下部電極１２を介して犠牲層２１と対向するように形成される。

以上のようにして、基板準備工程では、基板１６表面上に、犠牲層２１下部電極１２、圧電体層１１および上部電極１３が積層された共振子形成用基板を準備する。

［貫通孔形成工程］
貫通孔形成工程では、図２（ｄ）に示すように、基板準備工程で準備した共振子形成用基板を構成する共振子本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、犠牲層２１まで到達する貫通孔１４を形成する。貫通孔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。貫通孔１４は、たとえば犠牲層２１の平面形状が略正方形をなしている場合は、正方形の各頂点の近傍に、４箇所設けるようにすればよい。

このとき、犠牲層２１の傾斜面まで到達する貫通孔１４を形成するので、形成された貫通孔１４は、平坦面に形成されたものよりも、孔径は同じでも、貫通孔１４の犠牲層側の開口面積が大きなものとなる。

［犠牲層エッチング工程］
犠牲層エッチング工程では、図２（ｅ）に示すように、貫通孔１４を介してエッチング剤によって犠牲層２１を除去し、基板１６と共振子本体１７とで囲まれる空隙１５を形成する。犠牲層２１のエッチング除去は、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。本実施の形態では、エッチング剤としてフッ酸水溶液をエッチング液として用い、所定の温度条件でエッチングを行う。

このとき、前述したように、貫通孔１４の犠牲層側の開口面積は大きいので、貫通孔１４を介してエッチング剤によって犠牲層２１を除去するときの犠牲層除去効率が向上されている。そのため、犠牲層２１を効率よくエッチング除去することができ、形成する空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのを抑制することができる。また、貫通孔１４は、共振子本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたエッチング剤には流れが生じる。このエッチング剤の空隙１５内での流れによって、エッチング速度も向上する。

［エッチング剤除去工程］
エッチング剤除去工程では、犠牲層エッチング工程において形成した空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介して除去する。まず、エッチング剤が残留する空隙１５内に、貫通孔１４を介して純水やＩＰＡ（イソプロパノール）などのリンス溶剤を充填し、これらのリンス溶剤で空隙１５内部を洗浄する。空隙１５内の洗浄が終了すると、乾燥機を用いてリンス溶剤を揮発させる。

なお、犠牲層エッチング工程において、ドライエッチング法によって犠牲層をエッチング除去した場合には、エッチング剤であるエッチングガスが空隙１５内から完全に排気されるように、真空排気を繰り返すようにすればよい。

〔保護層形成工程〕
次に、図２（ｆ）に示すように、共振子本体１７を覆うように保護層２０となる絶縁膜を形成し、パターニングして保護層２０とする。ここで保護層２０となる絶縁膜を、バイアススパッタの成膜条件を調整して成膜することで、下地となる上部電極１３の端部により、保護層２０に傾斜面２０ａが形成される。

このようにして図１に示す音響波共振子１を製造することができる。なお、図１では、共振部１８と基板１６とを音響的にアイソレートするために空隙１５を用いたが、音響インピーダンスの高い材料からなる層と低い材料からなる層を交互に積層して構成する音響反射器を用いてもよいし、基板１６に凹部を設けることで空隙１５を形成してもよい。

さらに、図１では、傾斜面２０ａは保護層２０の端部２０ｂから延びるように配置したが、上部電極１３と同じ高さから延びるように配置してもよい。また、傾斜部２０ａの断面形状が直線状となっている例を用いて説明したが、弧を描くような曲線状であってもよいし、傾斜角度の異なる複数の傾斜面の組み合わせとなっていてもよい。

また、図１では、共振子本体１７を覆うように保護層２０を配置した例について説明したが、図３に示すように、上部電極１３を圧電体層１１が形成された領域内に配置し、圧電体層１１上に上部電極１３の上面および側面を覆うように保護層２０を配置してもよい。ここで、保護層２０は、上面視したときに、圧電体層１１と接する周端部において最も広い面積となっており、その傾斜面２０ａは、断面視したときに、上部電極１３の側面の領域から周端部に向けて漸次厚みが薄くなるように延びるテーパー形状で構成されている。このように、傾斜面２０ａが上部電極１３の側面の全ての領域に対応するように配置されていることとなるため、よりスプリアスを抑制できる構成となる。

また、図１，図３に示す例では、上部電極１３の側面は、基板１６の上面に対して垂直となっていたが、図４に示すように、下面に比べて上面が突出する逆テーパー形状としてもよい。図４は本発明の音響波共振子の共振子本体の要部断面図である。この場合には、上部電極１３の側面が点線で示す共振部１８の外側に延在していることとなるが、その延在している部分が直接圧電体層１１に接していないため寄生容量の発生を抑制することができる。そして、保護層２０の端部２０ｂ’が、上面視で、共振部１８領域の外側に位置するようにすることで、保護層２０が周波数調整膜として機能する場合においても、保護層２０の膜厚が変わる部分は共振部２０の外側となるため共振特性に影響を与えることがない。これにより、所望の共振特性を有する音響波共振子を提供することができる。

なお、本発明の音響波共振子は、以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。

本発明の実施の一形態である音響波共振子１の構成を示す断面図である。 本発明の実施の一形態である音響波共振子１の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の一形態である音響波共振子１の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の実施の一形態である音響波共振子１の変形例の共振子本体部分の構成を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 音響波共振子
１１ 圧電体層
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 貫通孔
１５ 空隙
１５ａ 空隙平坦面
１５ｂ 空隙傾斜面
１６ 基板
１７ 共振子本体
１８ 共振部
２０ 保護層
２１ａ 傾斜部
２１ 犠牲層

Claims (3)

1. 上面と下面とを有する圧電体層と、前記圧電体層の上面の側に積層される上部電極と、前記圧電体層を挟んで前記上部電極と対向するように前記圧電体層の下面の側に積層される下部電極と、を含む共振部と、
   前記上部電極の上面および側面を覆うとともに、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域において、前記側面に対して傾斜する傾斜部を有する保護層と、を有する音響波共振子。
2. 前記共振部との間に囲まれる空隙が形成されるように、前記共振部が配置される基体をさらに有する、請求項１に記載の音響波共振子。
3. 前記保護層の傾斜部は、断面視したときに、前記上部電極の側面の領域から漸次厚みが薄くなるように延びるテーパー形状である、請求項１または２に記載の音響波共振子。