JP3940932B2 - 薄膜圧電共振器、薄膜圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体薄膜を利用した薄膜圧電共振器を複数個組み合せることにより作製される薄膜圧電デバイスに関するものであり、更に詳細に記せば、通信機用フィルターに使用される薄膜圧電共振器、薄膜圧電デバイスおよびその製造方法に関する。
また、本発明は、移動体通信機等に利用される薄膜フィルター、送受信切替器、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発振器）や各種センサーなど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を応用した薄膜圧電共振器、およびそれを用いたデバイスならびにその製造方法に関する。
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圧電現象を応用したデバイスは広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化が進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）デバイスの使用が拡大している。ＳＡＷフィルターは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保の両面で大きな技術革新が必要となってきている。
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振器（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下ＦＢＡＲ）、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Ｓｔａｃｋｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲ）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極を形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
このような弾性波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの薄膜圧電振動子は、以下のようにして製造される。
シリコンなどの半導体単結晶、シリコンウエハー上に形成された多結晶ダイヤモンド、エリンバーなどの恒弾性金属などの基板上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらを積層した下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各層の形成後に、または全層を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工、パターニングを行う。湿式法に基づく異方性エッチングにより基板から振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製し、必要に応じて、その後１デバイス単位に分離することにより、薄膜圧電デバイスを得る。
例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された薄膜圧電振動子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜および上部電極を形成した後に、基板の下面側から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏面からエッチングして取り去ることにより、ビアホールを形成する。これにより、シリコン基板の前面側（上面側）において、圧電材料の層が複数の金属電極の間に挟み込まれた構造体の縁部をビアホールの周囲の部分で支持した形態を有する共振器を作製できる。
しかしながら、ＫＯＨなどのアルカリを使用した湿式エッチングを行うと、（１１１）面に平行にエッチングが進行するため、（１００）シリコン基板表面に対して５４．７度の傾斜でエッチングが進行し、隣り合う共振器の中心間の距離を著しく大きくしなければならない。例えば、厚さ３００μｍのシリコンウェーハの上に構成された約１５０μｍ×１５０μｍの平面寸法の振動部を有する共振器は、約５７５μｍ×５７５μｍの裏面側エッチング孔を必要とし、隣り合う共振器の中心間距離は５７５μｍ以上になってしまう。このことは、ＦＢＡＲ共振器の高密度集積化を妨げるばかりでなく、圧電体薄膜を挟むように配置されている金属電極を延長して隣り合う共振器を接続する場合に該金属電極が長くなり、その電気抵抗が大きくなるために、ＦＢＡＲ共振器を複数個組み合わせて作製される薄膜圧電デバイスの挿入損失が著しく大きくなるという問題がある。また、最終製品の取得量、即ち、ウェーハ上にて単位面積あたりに形成される薄膜圧電共振器の数も制限を受け、ウェーハ面積の約１／１５の領域を共振器のために利用するのみでデバイス生産が行われることになる。
薄膜圧電デバイスに応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの薄膜圧電共振器を製造する従来技術の第２の方法は、例えば特開平２−１３１０９号公報に記載のように、空気ブリッジ式ＦＢＡＲデバイスを作ることである。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）を設置し、次にこの犠牲層の上に圧電共振器を製作する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去して、振動部を形成する。処理はすべてウェハー前面側で行なわれるから、この方法は、ウェハー両面におけるパターンの整列および大面積のウェハー裏面側開口部を必要としない。特開２０００−６９５９４号公報には、犠牲層として燐石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲデバイスの構成と製造方法が記載されている。
しかしながら、この方法においては、エッチングによるウェハー前面での空洞形成、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるウェハー前面での犠牲層の堆積、ＣＭＰ研磨によるウェハー表面の平坦化および平滑化、犠牲層上への下部電極、圧電体薄膜および上部電極の堆積とパターン形成という一連の工程の後に、空洞まで貫通するバイア（穴）を開け、ウェハー前面に堆積させた上部構造をレジスト等で保護して、バイアを通してエッチング液を浸透させることにより犠牲材料を空洞から除去する、という長くて複雑な工程を必要とし、パターン形成に使用するマスク数も大幅に増加する。製造工程が長くて複雑になると、それ自体、デバイスの高コスト化をもたらすと共に、製品の歩留りが低下して、更にデバイスを高コストなものにしてしまう。このような高価なデバイスを移動体通信機用の汎用部品として普及させることは困難である。また、燐石英ガラス（ＰＳＧ）などの犠牲材料を除去するために使用するエッチング液が、上部構造を形成する下部電極、圧電体薄膜および上部電極の各層を浸食してしまうので、前記の上部構造に使用できる材料が著しく限定されるばかりでなく、所望の寸法精度を有するＦＢＡＲまたはＳＢＡＲ構造を作製することが難しいという深刻な問題がある。
薄膜圧電デバイス用の圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），硫化カドミウム（ＣｄＳ），チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などが用いられている。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜圧電共振器、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲは薄膜中における弾性波の伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特性はもとより、電極層や下地膜の振動特性がＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの共振特性に大きく影響する。このため、電極層および下地膜の形状、厚さに対しては、振動特性面から様々な制約が存在する。例えば、電極層や下地膜を厚くすると、ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの実効的な電気機械結合係数が小さくなるという問題がある。一方、金属電極層を薄く、細長くすると、電気抵抗が高くなり、導体損が増加するため、複数個のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを組合せて作製される薄膜圧電デバイスの構造設計に種々の制約が生じてくる。
このような理由により、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜圧電デバイスは、未だ得られていない。したがって、圧電薄膜のみならず、電極層や下地膜をも含めた振動部の電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）、共振周波数の温度安定性、挿入損失などの特性が総て改善された、高性能な薄膜圧電デバイスの実現が強く望まれている。特に挿入損失は、共振器やフィルターを構成する上での性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する金属電極薄膜の品質、特性に大きく依存している。
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振器（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下ＦＢＡＲ）、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルター（Ｓｔａｃｋｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲ）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極を形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲでフィルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
このような弾性波を利用した共振器、フィルター等に応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの薄膜圧電振動子は、以下のようにして製造される。
シリコンなどの半導体単結晶、シリコンウエハー上に形成された多結晶ダイヤモンド、エリンバーなどの恒弾性金属などの基板上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜、またはこれらを積層した下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各層の形成後に、または全層を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工、パターニングを行う。湿式法に基づく異方性エッチングにより基板から振動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製し、必要に応じて、その後１デバイス単位に分離することにより、薄膜圧電デバイスを得る。
例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された薄膜圧電振動子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体薄膜および上部電極を形成した後に、基板の下面側から振動部となる部分の下にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている。基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏面からエッチングして取り去ることにより、ビアホールを形成する。これにより、シリコン基板の前面側（上面側）において、圧電材料の層が複数の金属電極の間に挟み込まれた構造体の縁部をビアホールの周囲の部分で支持した形態を有する共振器を作製できる。
しかしながら、ＫＯＨなどのアルカリを使用した湿式エッチングを行うと、（１１１）面に平行にエッチングが進行するため、（１００）シリコン基板表面に対して５４．７度の傾斜でエッチングが進行し、隣り合う共振器の中心間の距離を著しく大きくしなければならない。例えば、厚さ３００μｍのシリコンウェーハの上に構成された約１５０μｍ×１５０μｍの平面寸法の振動部を有する共振器は、約５７５μｍ×５７５μｍの裏面側エッチング孔を必要とし、隣り合う共振器の中心間距離は５７５μｍ以上になってしまう。このことは、ＦＢＡＲ共振器の高密度集積化を妨げるばかりでなく、圧電体薄膜を挟むように配置されている金属電極を延長して隣り合う共振器を接続する場合に該金属電極が長くなり、その電気抵抗が大きくなるために、ＦＢＡＲ共振器を複数個組み合わせて作製される薄膜圧電デバイスの挿入損失が著しく大きくなるという問題がある。また、最終製品の取得量、即ち、ウェーハ上にて単位面積あたりに形成される薄膜圧電共振器の数も制限を受け、ウェーハ面積の約１／１５の領域を共振器のために利用するのみでデバイス生産が行われることになる。
薄膜圧電デバイスに応用されるＦＢＡＲ、ＳＢＡＲなどの薄膜圧電共振器を製造する従来技術の第２の方法は、例えば特開平２−１３１０９号公報に記載のように、空気ブリッジ式ＦＢＡＲデバイスを作ることである。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）を設置し、次にこの犠牲層の上に圧電共振器を製作する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去して、振動部を形成する。処理はすべてウェハー前面側で行なわれるから、この方法は、ウェハー両面におけるパターンの整列および大面積のウェハー裏面側開口部を必要としない。特開２０００−６９５９４号公報には、犠牲層として燐石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲデバイスの構成と製造方法が記載されている。
しかしながら、この方法においては、エッチングによるウェハー前面での空洞形成、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるウェハー前面での犠牲層の堆積、ＣＭＰ研磨によるウェハー表面の平坦化および平滑化、犠牲層上への下部電極、圧電体薄膜および上部電極の堆積とパターン形成という一連の工程の後に、空洞まで貫通するバイア（穴）を開け、ウェハー前面に堆積させた上部構造をレジスト等で保護して、バイアを通してエッチング液を浸透させることにより犠牲材料を空洞から除去する、という長くて複雑な工程を必要とし、パターン形成に使用するマスク数も大幅に増加する。製造工程が長くて複雑になると、それ自体、デバイスの高コスト化をもたらすと共に、製品の歩留りが低下して、更にデバイスを高コストなものにしてしまう。このような高価なデバイスを移動体通信機用の汎用部品として普及させることは困難である。また、燐石英ガラス（ＰＳＧ）などの犠牲材料を除去するために使用するエッチング液が、上部構造を形成する下部電極、圧電体薄膜および上部電極の各層を浸食してしまうので、前記の上部構造に使用できる材料が著しく限定されるばかりでなく、所望の寸法精度を有するＦＢＡＲまたはＳＢＡＲ構造を作製することが難しいという深刻な問題がある。
薄膜圧電デバイス用の圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），硫化カドミウム（ＣｄＳ），チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などが用いられている。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜圧電共振器、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲは薄膜中における弾性波の伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特性はもとより、電極層や下地膜の振動特性がＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの共振特性に大きく影響する。このため、電極層および下地膜の形状、厚さに対しては、振動特性面から様々な制約が存在する。例えば、電極層や下地膜を厚くすると、ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの実効的な電気機械結合係数が小さくなるという問題がある。一方、金属電極層を薄く、細長くすると、電気抵抗が高くなり、導体損が増加するため、複数個のＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを組合せて作製される薄膜圧電デバイスの構造設計に種々の制約が生じてくる。
このような理由により、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する薄膜圧電デバイスは、未だ得られていない。したがって、圧電薄膜のみならず、電極層や下地膜をも含めた振動部の電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）、共振周波数の温度安定性、挿入損失などの特性が総て改善された、高性能な薄膜圧電デバイスの実現が強く望まれている。特に挿入損失は、共振器やフィルターを構成する上での性能を左右する重要なパラメーターであり、使用する金属電極薄膜の品質、特性に大きく依存している。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数（Ｑ値）及び周波数温度特性に優れたＦＢＡＲまたはＳＢＡＲより成る複数個の共振器を組み合せることにより作製される、挿入損失が小さくて、性能の改良された薄膜圧電デバイスを提供することである。
本発明によれば、以上のごとき目的を達成するものとして、下記のような音響的品質係数、帯域幅、温度特性などに優れ、挿入損失の小さな高性能薄膜圧電デバイスおよびこれを製造する方法が提供される。
複数個の薄膜圧電共振器を組合せて作製されるフィルターなどの薄膜圧電デバイスの挿入損失は金属電極層の導体損失に依存することが知られている。本発明者らは、隣り合う薄膜圧電共振器の間の中心間距離を短くすることにより、該隣り合う薄膜圧電共振器を電気的に接続する金属電極の電気抵抗が低下し、その結果、挿入損失を大幅に低下させることができると考えた。そこで、隣り合う薄膜圧電共振器の間の中心間距離を短くする方策を種々検討した結果、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法による異方性エッチングを適用することが、薄膜圧電デバイスの高性能化と低コスト化の両面で最も好ましい解決手段であることを見出した。
即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
複数の振動空間を有する基板と該基板上に形成された圧電積層構造体とを含み、前記振動空間に対応して複数の薄膜圧電共振器が形成された薄膜圧電デバイスであって、
前記圧電積層構造体は少なくとも圧電体膜と該圧電体膜の両面のそれぞれの少なくとも一部に形成された金属電極とを有しており、
前記圧電積層構造体は、前記振動空間に面して位置するダイアフラムと、該ダイヤフラム以外の支持領域とからなり、
前記薄膜圧電共振器は２つの隣り合うもの同士の少なくとも１組が前記金属電極により電気的に接続されており、
電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心を通過する直線が前記支持領域を通過する線分の長さＤ１と、前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心間の距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５である少なくとも１組の前記薄膜圧電共振器を有することを特徴とする薄膜圧電デバイス、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の組の全てに関して前記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５である。本発明の一態様においては、前記振動空間は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面からその反対側の面まで貫通するビアホールにより形成されており、該ビアホールの側壁面は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面に対して８０〜１００°の範囲内の角度をなしている。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなる。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器の上部電極が２つの電極部から構成されている。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、第１の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する内部電極と、第２の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなる。
本発明の一態様においては、前記ダイアフラムには少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層が付されている。本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の支持領域と前記基板との間にのみ少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層が介在する。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜が一般式Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（但し、０＜ｘ＜１）で表され、ｃ軸配向を示す窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体より成る配向性結晶膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下である。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がｃ軸配向を示す酸化亜鉛薄膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下である。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がチタン酸鉛薄膜またはチタン酸ジルコン酸鉛薄膜である。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、２対の対辺を有し、少なくとも一方の対の対辺が非平行に形成されている。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部が非方形の不規則な多角形で形成されている。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形で形成されている。
本発明の一態様においては、前記薄膜圧電デバイスが薄膜圧電フィルターである。本発明の一態様においては、１前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されている。
本発明の一態様においては、前記薄膜圧電デバイスが、複数個の薄膜圧電フィルターを備えた送受信切替器である。本発明の一態様においては、２前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されている。
また、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
上記薄膜圧電デバイスを製造する方法であって、半導体あるいは絶縁体からなる基板上に前記圧電積層構造体を形成した後に、該圧電積層構造体の形成された側と反対側から前記基板に対して深彫り型反応性イオンエッチング法により前記振動空間を形成する工程を有することを特徴とする、薄膜圧電デバイスの製造方法、が提供される。
更に、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
振動空間を有する基板と該基板上に形成された圧電積層構造体とを用いて形成された薄膜圧電共振器であって、前記圧電積層構造体は少なくとも圧電体膜と該圧電体膜の両面のそれぞれの少なくとも一部に形成された金属電極とを有しており、前記振動空間は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面からその反対側の面まで貫通するビアホールにより形成されており、該ビアホールの側壁面は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面に対して８０〜１００°の範囲内の角度をなしていることを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。
本発明では、半導体あるいは絶縁体からなる基板の上面にて、圧電材料の層が複数の金属電極の間に挟み込まれた構造を有する振動部を形成するにあたり、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法によって、振動部となる部分の下にある基板部分を基板の下面側から異方的に除去して、振動空間となるビアホールを形成する。なお、本明細書では、基板の２つの主面のうちの一方であって振動部を含む圧電積層構造体の形成される主面を便宜上「上面」と呼び、他方の主面を便宜上「下面」と呼ぶことがある。
Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法は、反応性ガスを用いるプラズマエッチングであり、シリコンウエハーを高いエッチング速度で異方的に加工して、垂直に近いテーパー角でほぼ垂直な断面形状を有する深いトレンチまたはビアホールを形成するのに適している。その一例を説明する。誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発生電源を備えたドライエッチング装置の反応容器内に、パターン形成されたフォトレジストで所定の部分をマスクしたシリコンウエハーを装填する。シリコンウエハーは、静電チャックにより高周波（１３．５６ＭＨｚ）電極上にクランプされ、ヘリウムガス冷却により、室温付近（−２０〜６０℃）に保持される。ガス切替制御器により、容器内部にエッチングガスであるＳＦ６ガスと保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入するというＴｉｍｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ法の採用により、プラズマ状態を一定に保ったままでシリコンのエッチングと側壁での保護膜形成とを交互に周期的に行うことができる。第１ステップのＣ４Ｆ８放電時に、Ｃ４Ｆ８ガスのイオン化と解離によるｎＣＦ２ポリマー系膜堆積で側壁保護膜が形成される。第２ステップでは、高周波バイアス電位が印加され、加工パターン底面の保護膜が効率的に除去される。第３ステップのＳＦ６放電によって発生したフッ素ラジカルの衝突で、垂直方向のエッチングが進行する。各ステップの時定数を最適化することにより、必要最小限の保護膜堆積とＳＦ６プラズマによる高異方性エッチングを実現することができる。エッチング速度、エッチング加工形状、シリコンとマスク物質との選択比、エッチングの均一性などは、前記各ステップの時定数に左右される。この方法には、試料温度制御のための特別な設備を必要とせず、室温付近で高エッチング速度、高異方性の加工ができるという特徴がある。
即ち、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法の適用により、前記基板の下面から上面に向かって垂直に近いテーパー角でビアホールの側壁が形成される。かくして、振動空間としてのビアホールに下部電極または絶縁体層が面した部位であるダイアフラムの寸法と基板下面開口部の寸法との差が小さなビアホールが形成され、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離を短くすることができる。ここでテーパー角とは、基板の下面から上面に向かって形成されたビアホールの側壁面を代表する平均平面と基板下面または基板上面との為す角度であり、テーパー角８０〜１００度であれば、垂直に近いと言える。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の基板上面と平行な面内での中心（２次元の幾何学的重心）を結ぶ直線上において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイヤフラム同士の間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と、該電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が、０．１〜０．５となるように、複数個の薄膜圧電共振器を構成して、これをデバイス化する。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のすべての組合わせにおいて上記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５になるような配置が好ましいが、少なくとも１組の隣り合う薄膜圧電共振器にこのような配置が適用されていてもよい。このように集積化された複数個の薄膜圧電共振器を組み合わせることにより、挿入損失が小さくて高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造することができる。
本発明における薄膜圧電共振器の基板上面と平行な面内での中心（２次元の幾何学的重心）とは、薄膜圧電共振器を構成するダイアフラムの２次元的中心であり、ダイアフラムの２次元的な幾何学的重心を意味する。２次元的な幾何学的重心は、任意の閉曲線で囲まれた形状について、その重力方向の釣り合いを２ヶ所実測して求め得るが、図形的に求めることもできる。例えば、四角形については、コクセター著の「幾何学入門」に記載の如く「四角形の各辺の３等分点８個をとり、この四角形の各頂点に隣接する２つの前記３等分点を通る直線４本により囲まれる四角形を作ると、この四角形は平行四辺形である」。このとき、その平行四辺形の対角線の交点が幾何学的重心となる。また、ｎ角形（ｎは４以上の整数）の場合には、ｎ角形の１頂点を始点とした対角線を引いて、ｎ−２個の三角形に分割する。分割したそれぞれの三角形の重心の加重平均を求めれば、ｎ角形全体の重心が得られる。
本発明における薄膜圧電共振器を構成する前記圧電積層構造体は、振動空間を有する基板との位置関係により、２つの領域から形成されている。１つの領域は、前記振動空間上部に位置するダイアフラムであり、もう１つの領域は前記振動空間を除く基板部（支持部）上部に位置する支持領域である。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の２次元的な中心、即ち、電気的に接続された隣り合う圧電薄膜共振器のダイアフラムの２次元的な中心を結ぶ直線（基板上面と平行な面内にある）は、該隣り合う薄膜圧電共振器の各ダイアフラム上および２つのダイアフラムの間に存在する前記支持領域を通過する。隣り合う薄膜圧電共振器の各ダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の２次元的中心（ダイアフラムの中心）を結ぶ直線が、隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５、好ましくは０．１８〜０．３となるような位置に、個々の薄膜圧電共振器を配置する。Ｄ１／Ｄ０比が０．１よりも小さいと、隣り合う薄膜圧電共振器を構成する２つのビアホールの間の基板部分（即ち側壁部）が薄くなり、強度が著しく低下して、取り扱いが困難となる。例えば、ダイシングなどの加工中やデバイス組立て中に壊れてしまうので好ましくない。この隣り合うビアホール間の側壁部は、基板の上面に形成された圧電体膜を含む圧電積層構造体を支持する役目を果たしている。Ｄ１／Ｄ０比が０．５を超えると、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離が広がり過ぎて、両者を接続する金属電極の寸法（長さ）が大きくなり、該金属電極の電気抵抗が大きくなり過ぎてしまう。金属電極の電気抵抗が大きくなると、組立てた薄膜圧電デバイスの挿入損失が増大し、通信機用フィルターなどの高周波回路部品として実用に供することができなくなる。
本発明において、Ｄ１は、例えば、２５〜７０μｍ好ましくは３０〜６０μｍであり、Ｄ０は、例えば、１００〜３００μｍ好ましくは１５０〜２５０μｍである。これらは、小さすぎると、隣り合う薄膜圧電共振器を構成する２つのビアホールの間の基板部分（即ち側壁部）が薄くなり、強度が著しく低下して、取り扱いが困難となる。一方、大きすぎると、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離が広がり過ぎて、両者を接続する金属電極の寸法（長さ）が大きくなり、該金属電極の電気抵抗が大きくなり過ぎてしまう。
また、本発明によれば、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム間に存在する支持領域を通過する前記の線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に構成された薄膜圧電共振器において、該薄膜圧電共振器の振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造することができる。好ましいダイアフラム平面形状の具体例としては、少なくとも一方の対の対辺同士が非平行に形成されている２対の対辺を有する形状（四辺形）、少なくともその一部に非方形の不規則な多角形を含む多角形、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形などが挙げられる。このように、ダイアフラムの平面形状の対称性を低下させることにより、所望の通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入って来ないようにすることができ、高周波回路部品として使用される薄膜圧電デバイスの性能が向上する。
本発明の薄膜圧電デバイスは、複数の振動空間を有する基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、該基板を用いて複数の薄膜圧電共振器が形成されている。その薄膜圧電共振器の一実施形態として、複数の振動空間を有する基板の上に、下部電極、圧電体膜および上部電極が形成されたものを挙げることが出来る。また、上部電極は、２つの電極部から構成されていてもよい。
また、本発明の薄膜圧電デバイスを構成する薄膜圧電共振器の他の実施形態として、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、下部電極、圧電体膜、内部電極、圧電体膜および上部電極からなるものを挙げることが出来る。
本発明においては、薄膜圧電デバイス用の圧電材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などを用いることができる。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜圧電共振器、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
前記の圧電体薄膜の特長を活かしつつ、共振周波数の温度安定性を改善するには、振動部に絶縁体層として酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成することが有効である。振動部とは、前記ダイアフラムのうち、圧電体膜を挟む少なくとも２つの電極が重なり合う領域を意味する。ＳｉＯ２は正の温度係数を有しており、負の温度係数を有する前記の圧電体の共振周波数の温度変化を補償することができる。絶縁体層は、ＳｉＯ２単層でも良く、ＳｉＯ２および窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする複合層であっても良い。また、絶縁体層としてＳｉ３Ｎ４単層またはＳｉＮｘ単層を用いることもできる。さらに、圧電体層の材料として用いられるＡｌＮを絶縁体層の材料として使用することも可能である。
ここで、薄膜圧電共振器本来の優れた共振特性を実現するには、絶縁体層の厚みを特別の範囲内に設定するのが好ましい。例えば、ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜の厚さをｔ，前記酸化シリコンを主成分とする絶縁体層全体の厚さをｔ’とした時に、０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５を満たす範囲にある場合，特にその効果が顕著であり，電気機械結合係数，音響的品質係数および共振周波数の温度安定性の全てが著しく良好となる。ｔ’／ｔ＜０．１となると、電気機械結合係数、音響的品質係数は向上する傾向を示すが、共振周波数の温度特性を改善する効果が小さくなる。また、ｔ’／ｔ＞０．５となると、絶縁体層の存在により、電気機械結合係数，音響的品質係数が損なわれてくる。また、絶縁体層がＳｉＯ２層の場合には、圧電体薄膜としてＡｌＮ以外からなるものを用いた方が、共振周波数の温度係数の絶対値が小さくなるので，ＦＢＡＲとしての特性が良好であり好ましい。
本発明の薄膜圧電デバイスを構成する薄膜圧電共振器においては、共振周波数の温度特性を改善する目的で、上記のように、振動部にＳｉＯ２および／または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする絶縁体層を形成することもできるが、一方で、共振周波数の温度安定性が良好な圧電体を用いる場合には、絶縁体層を全く無くしてしまうことも可能である。即ち、ＳｉＯ２を主成分とする絶縁体層が前記圧電積層構造体の支持領域と前記基板の支持部との間にのみ存在し、振動部であるダイアフラムの部分には絶縁体層が存在しないような構成も採用することができる。
薄膜圧電デバイス用の圧電材料として使用される窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）より成る圧電体薄膜は、それぞれｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下であるものが好ましい。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超えると、電気機械結合係数ｋｔ ２が低下し、デバイス化に必要な通過帯域幅が十分に取れなくなることがあり、共振特性が悪化することがある。
チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））については、結晶の配向性を表すロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）に関するデバイス特性の依存性は少ない。
以上のように、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離を短くし、好ましくはダイアフラムの平面形状を最適化して共振特性の良好な複数個の薄膜圧電共振器を組み合せて集積化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、電気機械結合係数（例えば、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋｔ ２が４．０％以上である）および音響的品質係数（Ｑ値）が大きく、挿入損失が小さくて、利得、帯域特性に優れた高性能な薄膜圧電デバイスを実現することができる。このような高性能な薄膜圧電デバイスは、移動体通信機向けの各種デバイスとして利用することができる。また、本発明の薄膜圧電共振器は、前記振動空間がＤＥＥＰ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法により前記基板の下面から上面に向かって垂直に近いテーパー角で形成されているために、薄膜圧電共振器同士を近接して設置することが可能となり、上記のような高性能のデバイスを提供できる。
本発明によれば、以上のごとき目的を達成するものとして、下記のような音響的品質係数、帯域幅、温度特性などに優れ、挿入損失の小さな高性能薄膜圧電デバイスおよびこれを製造する方法が提供される。
複数個の薄膜圧電共振器を組合せて作製されるフィルターなどの薄膜圧電デバイスの挿入損失は金属電極層の導体損失に依存することが知られている。本発明者らは、隣り合う薄膜圧電共振器の間の中心間距離を短くすることにより、該隣り合う薄膜圧電共振器を電気的に接続する金属電極の電気抵抗が低下し、その結果、挿入損失を大幅に低下させることができると考えた。そこで、隣り合う薄膜圧電共振器の間の中心間距離を短くする方策を種々検討した結果、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法による異方性エッチングを適用することが、薄膜圧電デバイスの高性能化と低コスト化の両面で最も好ましい解決手段であることを見出した。
即ち、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
複数の振動空間を有する基板と該基板上に形成された圧電積層構造体とを含み、前記振動空間に対応して複数の薄膜圧電共振器が形成された薄膜圧電デバイスであって、
前記圧電積層構造体は少なくとも圧電体膜と該圧電体膜の両面のそれぞれの少なくとも一部に形成された金属電極とを有しており、
前記圧電積層構造体は、前記振動空間に面して位置するダイアフラムと、該ダイヤフラム以外の支持領域とからなり、
前記薄膜圧電共振器は２つの隣り合うもの同士の少なくとも１組が前記金属電極により電気的に接続されており、
電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心を通過する直線が前記支持領域を通過する線分の長さＤ１と、前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心間の距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５である少なくとも１組の前記薄膜圧電共振器を有することを特徴とする薄膜圧電デバイス、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の組の全てに関して前記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５である。本発明の一態様においては、前記振動空間は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面からその反対側の面まで貫通するビアホールにより形成されており、該ビアホールの側壁面は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面に対して８０〜１００°の範囲内の角度をなしている。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなる。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器の上部電極が２つの電極部から構成されている。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、第１の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する内部電極と、第２の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなる。
本発明の一態様においては、前記ダイアフラムには少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層が付されている。本発明の一態様においては、前記圧電積層構造体の支持領域と前記基板との間にのみ少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層が介在する。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜が一般式Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（但し、０＜ｘ＜１）で表され、ｃ軸配向を示す窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体より成る配向性結晶膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下である。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がｃ軸配向を示す酸化亜鉛薄膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下である。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がチタン酸鉛薄膜またはチタン酸ジルコン酸鉛薄膜である。
本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、２対の対辺を有し、少なくとも一方の対の対辺が非平行に形成されている。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部が非方形の不規則な多角形で形成されている。本発明の一態様においては、少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形で形成されている。
本発明の一態様においては、前記薄膜圧電デバイスが薄膜圧電フィルターである。本発明の一態様においては、１前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されている。
本発明の一態様においては、前記薄膜圧電デバイスが、複数個の薄膜圧電フィルターを備えた送受信切替器である。本発明の一態様においては、２前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されている。
また、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
上記薄膜圧電デバイスを製造する方法であって、半導体あるいは絶縁体からなる基板上に前記圧電積層構造体を形成した後に、該圧電積層構造体の形成された側と反対側から前記基板に対して深彫り型反応性イオンエッチング法により前記振動空間を形成する工程を有することを特徴とする、薄膜圧電デバイスの製造方法、が提供される。
更に、本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、
振動空間を有する基板と該基板上に形成された圧電積層構造体とを用いて形成された薄膜圧電共振器であって、前記圧電積層構造体は少なくとも圧電体膜と該圧電体膜の両面のそれぞれの少なくとも一部に形成された金属電極とを有しており、前記振動空間は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面からその反対側の面まで貫通するビアホールにより形成されており、該ビアホールの側壁面は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面に対して８０〜１００°の範囲内の角度をなしていることを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。
本発明では、半導体あるいは絶縁体からなる基板の上面にて、圧電材料の層が複数の金属電極の間に挟み込まれた構造を有する振動部を形成するにあたり、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法によって、振動部となる部分の下にある基板部分を基板の下面側から異方的に除去して、振動空間となるビアホールを形成する。なお、本明細書では、基板の２つの主面のうちの一方であって振動部を含む圧電積層構造体の形成される主面を便宜上「上面」と呼び、他方の主面を便宜上「下面」と呼ぶことがある。
Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法は、反応性ガスを用いるプラズマエッチングであり、シリコンウエハーを高いエッチング速度で異方的に加工して、垂直に近いテーパー角でほぼ垂直な断面形状を有する深いトレンチまたはビアホールを形成するのに適している。その一例を説明する。誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発生電源を備えたドライエッチング装置の反応容器内に、パターン形成されたフォトレジストで所定の部分をマスクしたシリコンウエハーを装填する。シリコンウエハーは、静電チャックにより高周波（１３．５６ＭＨｚ）電極上にクランプされ、ヘリウムガス冷却により、室温付近（−２０〜６０℃）に保持される。ガス切替制御器により、容器内部にエッチングガスであるＳＦ６ガスと保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入するというＴｉｍｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ法の採用により、プラズマ状態を一定に保ったままでシリコンのエッチングと側壁での保護膜形成とを交互に周期的に行うことができる。第１ステップのＣ４Ｆ８放電時に、Ｃ４Ｆ８ガスのイオン化と解離によるｎＣＦ２ポリマー系膜堆積で側壁保護膜が形成される。第２ステップでは、高周波バイアス電位が印加され、加工パターン底面の保護膜が効率的に除去される。第３ステップのＳＦ６放電によって発生したフッ素ラジカルの衝突で、垂直方向のエッチングが進行する。各ステップの時定数を最適化することにより、必要最小限の保護膜堆積とＳＦ６プラズマによる高異方性エッチングを実現することができる。エッチング速度、エッチング加工形状、シリコンとマスク物質との選択比、エッチングの均一性などは、前記各ステップの時定数に左右される。この方法には、試料温度制御のための特別な設備を必要とせず、室温付近で高エッチング速度、高異方性の加工ができるという特徴がある。
即ち、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法の適用により、前記基板の下面から上面に向かって垂直に近いテーパー角でビアホールの側壁が形成される。かくして、振動空間としてのビアホールに下部電極または絶縁体層が面した部位であるダイアフラムの寸法と基板下面開口部の寸法との差が小さなビアホールが形成され、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離を短くすることができる。ここでテーパー角とは、基板の下面から上面に向かって形成されたビアホールの側壁面を代表する平均平面と基板下面または基板上面との為す角度であり、テーパー角８０〜１００度であれば、垂直に近いと言える。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の基板上面と平行な面内での中心（２次元の幾何学的重心）を結ぶ直線上において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイヤフラム同士の間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と、該電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が、０．１〜０．５となるように、複数個の薄膜圧電共振器を構成して、これをデバイス化する。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のすべての組合わせにおいて上記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５になるような配置が好ましいが、少なくとも１組の隣り合う薄膜圧電共振器にこのような配置が適用されていてもよい。このように集積化された複数個の薄膜圧電共振器を組み合わせることにより、挿入損失が小さくて高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造することができる。
本発明における薄膜圧電共振器の基板上面と平行な面内での中心（２次元の幾何学的重心）とは、薄膜圧電共振器を構成するダイアフラムの２次元的中心であり、ダイアフラムの２次元的な幾何学的重心を意味する。２次元的な幾何学的重心は、任意の閉曲線で囲まれた形状について、その重力方向の釣り合いを２ヶ所実測して求め得るが、図形的に求めることもできる。例えば、四角形については、コクセター著の「幾何学入門」に記載の如く「四角形の各辺の３等分点８個をとり、この四角形の各頂点に隣接する２つの前記３等分点を通る直線４本により囲まれる四角形を作ると、この四角形は平行四辺形である」。このとき、その平行四辺形の対角線の交点が幾何学的重心となる。また、ｎ角形（ｎは４以上の整数）の場合には、ｎ角形の１頂点を始点とした対角線を引いて、ｎ−２個の三角形に分割する。分割したそれぞれの三角形の重心の加重平均を求めれば、ｎ角形全体の重心が得られる。
本発明における薄膜圧電共振器を構成する前記圧電積層構造体は、振動空間を有する基板との位置関係により、２つの領域から形成されている。１つの領域は、前記振動空間上部に位置するダイアフラムであり、もう１つの領域は前記振動空間を除く基板部（支持部）上部に位置する支持領域である。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の２次元的な中心、即ち、電気的に接続された隣り合う圧電薄膜共振器のダイアフラムの２次元的な中心を結ぶ直線（基板上面と平行な面内にある）は、該隣り合う薄膜圧電共振器の各ダイアフラム上および２つのダイアフラムの間に存在する前記支持領域を通過する。隣り合う薄膜圧電共振器の各ダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の２次元的中心（ダイアフラムの中心）を結ぶ直線が、隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５、好ましくは０．１８〜０．３となるような位置に、個々の薄膜圧電共振器を配置する。Ｄ１／Ｄ０比が０．１よりも小さいと、隣り合う薄膜圧電共振器を構成する２つのビアホールの間の基板部分（即ち側壁部）が薄くなり、強度が著しく低下して、取り扱いが困難となる。例えば、ダイシングなどの加工中やデバイス組立て中に壊れてしまうので好ましくない。この隣り合うビアホール間の側壁部は、基板の上面に形成された圧電体膜を含む圧電積層構造体を支持する役目を果たしている。Ｄ１／Ｄ０比が０．５を超えると、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離が広がり過ぎて、両者を接続する金属電極の寸法（長さ）が大きくなり、該金属電極の電気抵抗が大きくなり過ぎてしまう。金属電極の電気抵抗が大きくなると、組立てた薄膜圧電デバイスの挿入損失が増大し、通信機用フィルターなどの高周波回路部品として実用に供することができなくなる。
本発明において、Ｄ１は、例えば、２５〜７０μｍ好ましくは３０〜６０μｍであり、Ｄ０は、例えば、１００〜３００μｍ好ましくは１５０〜２５０μｍである。これらは、小さすぎると、隣り合う薄膜圧電共振器を構成する２つのビアホールの間の基板部分（即ち側壁部）が薄くなり、強度が著しく低下して、取り扱いが困難となる。一方、大きすぎると、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離が広がり過ぎて、両者を接続する金属電極の寸法（長さ）が大きくなり、該金属電極の電気抵抗が大きくなり過ぎてしまう。
また、本発明によれば、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム間に存在する支持領域を通過する前記の線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に構成された薄膜圧電共振器において、該薄膜圧電共振器の振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造することができる。好ましいダイアフラム平面形状の具体例としては、少なくとも一方の対の対辺同士が非平行に形成されている２対の対辺を有する形状（四辺形）、少なくともその一部に非方形の不規則な多角形を含む多角形、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形などが挙げられる。このように、ダイアフラムの平面形状の対称性を低下させることにより、所望の通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入って来ないようにすることができ、高周波回路部品として使用される薄膜圧電デバイスの性能が向上する。
本発明の薄膜圧電デバイスは、複数の振動空間を有する基板と、該基板上に形成された圧電積層構造体とを有しており、該基板を用いて複数の薄膜圧電共振器が形成されている。その薄膜圧電共振器の一実施形態として、複数の振動空間を有する基板の上に、下部電極、圧電体膜および上部電極が形成されたものを挙げることが出来る。また、上部電極は、２つの電極部から構成されていてもよい。
また、本発明の薄膜圧電デバイスを構成する薄膜圧電共振器の他の実施形態として、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、下部電極、圧電体膜、内部電極、圧電体膜および上部電極からなるものを挙げることが出来る。
本発明においては、薄膜圧電デバイス用の圧電材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などを用いることができる。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄膜圧電共振器、薄膜フィルター用の圧電材料として適している。
前記の圧電体薄膜の特長を活かしつつ、共振周波数の温度安定性を改善するには、振動部に絶縁体層として酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成することが有効である。振動部とは、前記ダイアフラムのうち、圧電体膜を挟む少なくとも２つの電極が重なり合う領域を意味する。ＳｉＯ２は正の温度係数を有しており、負の温度係数を有する前記の圧電体の共振周波数の温度変化を補償することができる。絶縁体層は、ＳｉＯ２単層でも良く、ＳｉＯ２および窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする複合層であっても良い。また、絶縁体層としてＳｉ３Ｎ４単層またはＳｉＮｘ単層を用いることもできる。さらに、圧電体層の材料として用いられるＡｌＮを絶縁体層の材料として使用することも可能である。
ここで、薄膜圧電共振器本来の優れた共振特性を実現するには、絶縁体層の厚みを特別の範囲内に設定するのが好ましい。例えば、ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜の厚さをｔ，前記酸化シリコンを主成分とする絶縁体層全体の厚さをｔ’とした時に、０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５を満たす範囲にある場合，特にその効果が顕著であり，電気機械結合係数，音響的品質係数および共振周波数の温度安定性の全てが著しく良好となる。ｔ’／ｔ＜０．１となると、電気機械結合係数、音響的品質係数は向上する傾向を示すが、共振周波数の温度特性を改善する効果が小さくなる。また、ｔ’／ｔ＞０．５となると、絶縁体層の存在により、電気機械結合係数，音響的品質係数が損なわれてくる。また、絶縁体層がＳｉＯ２層の場合には、圧電体薄膜としてＡｌＮ以外からなるものを用いた方が、共振周波数の温度係数の絶対値が小さくなるので，ＦＢＡＲとしての特性が良好であり好ましい。
本発明の薄膜圧電デバイスを構成する薄膜圧電共振器においては、共振周波数の温度特性を改善する目的で、上記のように、振動部にＳｉＯ２および／または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする絶縁体層を形成することもできるが、一方で、共振周波数の温度安定性が良好な圧電体を用いる場合には、絶縁体層を全く無くしてしまうことも可能である。即ち、ＳｉＯ２を主成分とする絶縁体層が前記圧電積層構造体の支持領域と前記基板の支持部との間にのみ存在し、振動部であるダイアフラムの部分には絶縁体層が存在しないような構成も採用することができる。
薄膜圧電デバイス用の圧電材料として使用される窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）より成る圧電体薄膜は、それぞれｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下であるものが好ましい。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超えると、電気機械結合係数ｋｔ ２が低下し、デバイス化に必要な通過帯域幅が十分に取れなくなることがあり、共振特性が悪化することがある。
チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））については、結晶の配向性を表すロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）に関するデバイス特性の依存性は少ない。
以上のように、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離を短くし、好ましくはダイアフラムの平面形状を最適化して共振特性の良好な複数個の薄膜圧電共振器を組み合せて集積化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、電気機械結合係数（例えば、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋｔ ２が４．０％以上である）および音響的品質係数（Ｑ値）が大きく、挿入損失が小さくて、利得、帯域特性に優れた高性能な薄膜圧電デバイスを実現することができる。このような高性能な薄膜圧電デバイスは、移動体通信機向けの各種デバイスとして利用することができる。また、本発明の薄膜圧電共振器は、前記振動空間がＤＥＥＰ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法により前記基板の下面から上面に向かって垂直に近いテーパー角で形成されているために、薄膜圧電共振器同士を近接して設置することが可能となり、上記のような高性能のデバイスを提供できる。
図１Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの一実施形態を示す模式的平面図である。
図１Ｂは、図１ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図１Ｃは、図１ＡのＹ−Ｙ’線に沿った模式的断面図である。
図２Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの別の実施形態を示す模式的平面図である。
図２Ｂは、図２ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図２Ｃは、図２ＡのＹ−Ｙ’線に沿った模式的断面図である。
図３Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図３Ｂは、図３ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図４Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図４Ｂは、図４Ａにおける隣り合うダイヤフラムの中心間距離の説明図である。
図５Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図５Ｂは、図５Ａにおける隣り合うダイヤフラムの中心間距離の説明図である。
図６Ａは、実施例６の薄膜圧電デバイスのインピーダンス周波数特性を示すグラフである。
図６Ｂは、実施例６の薄膜圧電デバイスのフィルター通過帯域特性を示すグラフである。
図７Ａは、実施例１３の薄膜圧電デバイスのインピーダンス周波数特性を示すグラフである。
図７Ｂは、実施例１３の薄膜圧電デバイスのフィルター通過帯域特性を示すグラフである。
図８Ａは、薄膜圧電デバイスの一参考例を示す模式的平面図である。
図８Ｂは、図８ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図９は、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的断面平面図である。
図１０は、本発明による送受信切替器の構成を示すブロック図である。
図１Ｂは、図１ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図１Ｃは、図１ＡのＹ−Ｙ’線に沿った模式的断面図である。
図２Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの別の実施形態を示す模式的平面図である。
図２Ｂは、図２ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図２Ｃは、図２ＡのＹ−Ｙ’線に沿った模式的断面図である。
図３Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図３Ｂは、図３ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図４Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図４Ｂは、図４Ａにおける隣り合うダイヤフラムの中心間距離の説明図である。
図５Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスの更に別の実施形態を示す模式的平面図である。
図５Ｂは、図５Ａにおける隣り合うダイヤフラムの中心間距離の説明図である。
図６Ａは、実施例６の薄膜圧電デバイスのインピーダンス周波数特性を示すグラフである。
図６Ｂは、実施例６の薄膜圧電デバイスのフィルター通過帯域特性を示すグラフである。
図７Ａは、実施例１３の薄膜圧電デバイスのインピーダンス周波数特性を示すグラフである。
図７Ｂは、実施例１３の薄膜圧電デバイスのフィルター通過帯域特性を示すグラフである。
図８Ａは、薄膜圧電デバイスの一参考例を示す模式的平面図である。
図８Ｂは、図８ＡのＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。
図９は、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的断面平面図である。
図１０は、本発明による送受信切替器の構成を示すブロック図である。
以下に、本発明による薄膜圧電共振器、薄膜圧電デバイスおよびその製造方法の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
本発明の実施形態を説明する前に、先ず、参考のための薄膜圧電デバイスについて説明する。
図８Ａは薄膜圧電デバイスの一参考例を示す模式的平面図であり、図８ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図である。これらの図において、薄膜圧電デバイス１００はＦＢＡＲ１１０，ＦＢＡＲ１２０，ＦＢＡＲ１３０およびＦＢＡＲ１４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ１２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして下地膜としての絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を形成するダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ１１０，ＦＢＡＲ１３０およびＦＢＡＲ１４０の構成についても同様である。
この参考例においては、例えば基板１２がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を下面からエッチングして取り去ることにより、ビアホール２２を形成している。しかしながら、ＫＯＨなどのアルカリを使用した湿式エッチングを行うと、（１１１）面に平行にエッチングが進行するため、（１００）シリコン基板表面に対して５４．７度の傾斜でエッチングが進行し、隣り合う共振器のダイアフラム間の距離が著しく大きくなってしまう。例えば、厚さ３００μｍのシリコンウェーハの上面に構成された約１５０μｍ×１５０μｍの平面寸法を有するダイアフラム２３は、約５７５μｍ×５７５μｍの下面側エッチング開口部２４を必要とし、隣り合う共振器のダイアフラム中心間距離は５７５μｍ以上になってしまう。即ち、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する圧電積層構造体の支持領域の寸法は、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離の約０．７４倍以上の長い距離になってしまっている。
このことにより、ＦＢＡＲ共振器の高密度集積化が妨げられるばかりでなく、圧電体層１６を挟む金属電極（下部電極１５と上部電極１７）により隣り合う共振器同士を電気的に接続する場合に、該金属電極の電気抵抗が大きくなるために、ＦＢＡＲ共振器１１０、１２０、１３０および１４０を組み合わせて作製される薄膜圧電デバイス１００の挿入損失が著しく大きくなってしまうという問題を引き起こす。
これに対して、本発明による薄膜圧電デバイスの一実施形態は、図１Ａ〜図１Ｃに示す様な構成を有する。図１Ａは本実施形態の薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図１ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図、図１ＣはそのＹ−Ｙ’模式的断面図である。これらの図において、薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０の構成についても同様である。
本実施形態では、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法の適用により、基板１２の一面（例えば下面）から対向面（例えば上面）に向かって垂直に近いテーパー角でビアホール２２の側壁面が形成されている。かくして、振動空間としてのビアホール２２に下部電極１５または絶縁体層１３が面した部位であるダイアフラム２３の寸法と基板下面のエッチング開口部２４の寸法との差が小さなビアホール２２を形成しているため、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができる。このため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の基板表面と平行な面内での中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図１ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。薄膜圧電共振器２１０及び２２０の電気的接続は下部電極１５を介して行われる。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が上部電極１７を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
図２Ａ〜図２Ｃには、本発明による薄膜圧電デバイスの別の実施形態が示されている。図２Ａは本実施形態の薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図２ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図、図２ＣはそのＹ−Ｙ’模式的断面図である。これらの図において、上記図１Ａ〜図１Ｃにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、空隙を形成するビアホール２２が設けられた基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面にてビアホール２２をまたいで橋架けされるように作製された圧電積層構造体１４を有する。本実施形態においては、絶縁体層１３は基板１２の上面のビアホール２２以外の部分（圧電積層構造体１４のための支持部）に存在しており、圧電積層構造体１４の支持領域と基板の支持部との間に絶縁体層１３が介在する。
ビアホール２２に対応するダイアフラム２３の部分に絶縁体層１３が存在しないので、電気機械結合係数が高くなり、帯域幅が広がる。圧電積層構造体１４は、その一部が絶縁体層１３の上面に接している下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。下部電極１５の一部は、絶縁体層１３を介することなく、ビアホール２２に向けて露出している。この下部電極１５の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０の構成についても同様である。
本実施形態においても、図１Ａ〜図１Ｃの実施形態と同じく、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができるため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図２ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。薄膜圧電共振器２１０及び２２０の電気的接続は下部電極１５を介して行われる。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が上部電極１７を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
図３Ａ及び図３Ｂには、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態が示されている。図３Ａは本実施形態による薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図３ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図２Ｃにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。下部電極１５はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａと、該主体部１５ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂを有する。端子部１５ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。本実施形態では、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ、１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａはダイアフラム２３に対応する領域内に位置しており、該主体部１７Ａａ，１７Ｂａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１７Ａｂ、１７Ｂｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。
図３Ａ及び図３Ｂの実施形態に示す２個の電極部からなる上部電極を備えたＦＢＡＲ２２０は、多重モード共振器と呼ばれるものであり、上部電極１７のうちの一方の電極部（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方の電極部（例えば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を隣のＦＢＡＲ２１０への出力電圧として伝播させることができるので、ＦＢＡＲ２２０自体がフィルターとしての機能を発現する。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、素子内配線を省略できるので、該配線に起因する損失が無く、阻止帯域の減衰特性が良好となって、周波数応答性が向上する。ＦＢＡＲ２１０についても同様である。
本実施形態においても、図１Ａ〜図１Ｃの実施形態と同じく、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができるため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図３ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２４０との関係及び電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係及び電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２５０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が下部電極１５を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０と２５０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
本発明の薄膜圧電デバイスの基板１２としては、シリコン（１００）単結晶などの半導体単結晶、シリコンウエハーなどの基材表面にダイヤモンドなどの多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板１２として、その他の半導体または絶縁体基板を用いることも可能である。
本発明においては、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法によって振動部を構成するダイアフラムとなる部分の下にある基板部分を異方的に除去して、基板１２にビアホール２２を形成する。例えば、基板がシリコンからなるものであれば、エッチング装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返すことにより、側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍのエッチング速度で、側壁面を垂直に立てた深い角柱状または円柱状のビアホール加工を行うことができる。したがって、ダイアフラム２３の平面形状および寸法と基板下面の開口部２４の平面形状および寸法とがほぼ等しくなり、隣り合う共振器のダイアフラム２３を著しく接近させることができる。例えば、約１５０μｍ×１５０μｍの横寸法を有するダイアフラム２３を同寸法の下面側エッチング開口部２４で形成することにより、隣り合う共振器のダイアフラム中心間距離を１８０μｍ前後の値にすることができる。
これにより、ＦＢＡＲ共振器の高密度の集積化が可能となり、圧電体層１６を挟む金属電極（下部電極１５と上部電極１７）を用いて隣り合う共振器同士を電気的に接続する際の該金属電極の電気抵抗を小さく抑えて、ＦＢＡＲ共振器２１０、２２０、２３０及び２４０更には２５０を組み合せて作製される薄膜圧電デバイス２００の挿入損失を著しく小さくすることができる。尚、基板１２に形成される空隙は、ビアホール２２によるものには限定されず、振動部となるダイアフラム２３の振動を許容するものであれば、別の形態であってもよい。
絶縁体層１３としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする誘電体膜を用いることができる。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０当量％以上である成分を指す。誘電体膜は、単層からなるものであっても良いし、密着性を高めるための層（密着層）などを付加した複数層からなるものであっても良い。複数層からなる誘電体膜の例としては、前記の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）層とを積層したものが例示される。絶縁体層１３の厚さは、例えば０．２〜１．０μｍである。絶縁体層１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面を熱酸化する方法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が例示される。さらに、ダイアフラム部に存在する誘電体膜を完全に除去してしまうことも可能である。
下部電極１５および上部電極１７としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの導電膜を用いることができる。Ｍｏは熱弾性損失がＡｌの約１／５６と低いことから、特に高周波で振動する振動部を構成するのに好適である。Ｍｏ単体、Ｗ単体だけでなく、ＭｏまたはＷを主成分（好ましくは含有量が８０原子％以上）とする合金を使用することも可能である。また、ＭｏまたはＷまたはＰｔまたはＡｕとチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）などの密着力を向上させる下地層（密着層）とを積層した電極を使用することも可能である。例えば、Ｍｏ／Ｔｉ積層膜、Ｗ／Ｔｉ積層膜、Ｍｏ／Ｚｒ積層膜、Ｐｔ／Ｔｉ積層膜、Ａｕ／Ｔｉ積層膜、Ａｕ／Ｃｒ積層膜などを用いることができる。下部電極１５および上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２５０ｎｍである。下部電極１５および上部電極１７の形成方法としては、スパッタリング法または真空蒸着法が例示され、さらに必要に応じて所望の形状へのパターン形成のためにフォトリソグラフィー技術が適用される。
圧電体膜１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（但し、０＜ｘ＜１））、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などから選ばれる圧電材料を主成分とする圧電体膜からなる。窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）より成る圧電薄膜は、それぞれｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は狭い。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が大きくなり、配向性が低下すると、電気機械結合係数ｋｔ ２が低下し、デバイス化に必要な通過帯域幅が取れなくなる傾向にあるばかりでなく、共振特性が悪化する傾向にある。圧電体膜１６の厚さは、例えば０．５〜２．５μｍである。圧電体膜１６の形成方法としては、反応性スパッタリング法が例示され、さらに必要に応じて所要の形状へのパターン形成のためにフォトリソグラフィー技術が適用される。
図４Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４Ｂはそのダイアフラム間の各距離を示す説明図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図３Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。図４Ａ及び図４Ｂの薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０を組み合せることにより作製されている。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心（即ち、ダイアフラムの中心１〜５）を結ぶ直線上において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に複数個の薄膜圧電共振器を配置して、これをデバイス化する。図４Ａ及び図４Ｂの薄膜圧電デバイス２００において、隣り合う薄膜圧電共振器の中心を結ぶ直線が、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、該隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、図４Ｂに示すように、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
図５Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図５Ｂはそのダイアフラム間の各距離を示す説明図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図４Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。図５Ａ及び図５Ｂの薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。
本発明の薄膜圧電共振器においては、振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造する。好ましいダイアフラム平面形状の具体例としては、少なくとも一方の対の対辺が非平行に形成されている２対の対辺を有する形状（四辺形）、少なくともその一部に非方形の不規則な多角形を含む多角形、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形などが挙げられる。図５Ａ及び図５Ｂの薄膜圧電デバイス２００は、２対の対辺が共に非平行に形成された四辺形の例を示す。これらの図の薄膜圧電デバイス２００においても、隣り合う薄膜圧電共振器の中心を結ぶ直線が、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、該隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、図５Ｂに示すように、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
図４Ａ及び図４Ｂ並びに図５Ａ及び図５Ｂに示した薄膜圧電デバイスの実施形態において、ＦＢＡＲ２２０は、基板の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラムに対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラムに対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０の構成についても同様である。
図５Ａ及び図５Ｂに示したＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０におけるように、振動部を構成するダイアフラムを、その平面形状が２対の対辺が共に非平行である四辺形となるように形成して、ダイアフラムの対称性を低下させることにより、所望の通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入って来ないようにすることができ、高周波回路部品として使用される薄膜圧電デバイスの性能が向上する。
図９は、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的断面平面図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図５Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
本実施形態は、上記実施形態で説明した圧電積層構造体を２つ積層したものに相当する圧電積層構造体を備えたＳＢＡＲ２１０’及び２２０’を有する。即ち、絶縁体層１３上に下部電極１５、第１の圧電体膜１６−１、内部電極１７’、第２の圧電体膜１６−２及び上部電極１８がこの順に積層されている。内部電極１７’は、第１の圧電体膜１６−１に対する上部電極としての機能と第２の圧電体膜１６−２に対する下部電極としての機能とを有する。本実施形態では、各ＳＢＡＲにおいて、下部電極１５または上部電極１８と内部電極１７’との間に入力電圧を印加し、上部電極１８または下部電極１５と内部電極１７’との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体を多極型フィルターとして使用することができる。
ＳＢＡＲ２１０’と２２０’とは、下部電極１５を介して電気的に接続されている。上部電極１８または内部電極１７’を介してＳＢＡＲ２１０’と２２０’とを電気的に接続することも可能である。
本実施形態においても、電気的に接続された隣り合うＳＢＡＲのダイアフラム２３の中心を結ぶ直線上において、該直線が隣り合うＳＢＡＲの間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合うＳＢＡＲの中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に複数個のＳＢＡＲを配置している。
以上のような薄膜圧電デバイスを構成する個々の薄膜圧電共振器において、マイクロ波プローバーを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａと電気機械結合係数ｋｔ ２との間には，以下の関係
ｋｔ ２＝φｒ／Ｔａｎ（φｒ）
φｒ＝（π／２）（ｆｒ／ｆａ）
がある。ここでφｒは複素インピーダンスの位相の変化を表す。
簡単のため，電気機械結合係数ｋｔ ２として、次式
ｋｔ ２＝４．８（ｆａ−ｆｒ）／（ｆａ＋ｆｒ）
から算出したものを用いることができ、本明細書では、電気機械結合係数ｋｔ ２の数値は、この式を用いて算出したものを採用している。
本発明者らは、図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｃ、図３Ａ及び図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂ、並びに図９に示す構成の薄膜圧電デバイスについて、その特性、性能が、薄膜圧電デバイスを構成するＦＢＡＲ，ＳＢＡＲの構造、配置にどのように依存するのかについて検討した。その結果、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間の距離を短くし、好ましくはダイアフラムの平面形状を最適化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、共振特性の良好な複数個の薄膜圧電共振器を高密度に集積化して、利得、帯域特性に優れた高性能な薄膜圧電デバイスを実現できることを見出した。
本発明の薄膜圧電デバイスにおいては、２．０ＧＨｚ近傍における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋｔ ２は４．０％以上であるのが好ましい。電気機械結合係数が４．０％未満になると、作製した薄膜圧電フィルターの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用するフィルターとして実用に供することが難しくなる傾向にある。また、挿入損失は３．０ｄＢ以下であることが好ましい。挿入損失が３．０ｄＢを超えるとフィルター特性が著しく悪化し、高周波域で使用するフィルターとして実用に供することが難しくなる傾向にある。
本発明の実施形態を説明する前に、先ず、参考のための薄膜圧電デバイスについて説明する。
図８Ａは薄膜圧電デバイスの一参考例を示す模式的平面図であり、図８ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図である。これらの図において、薄膜圧電デバイス１００はＦＢＡＲ１１０，ＦＢＡＲ１２０，ＦＢＡＲ１３０およびＦＢＡＲ１４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ１２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして下地膜としての絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を形成するダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ１１０，ＦＢＡＲ１３０およびＦＢＡＲ１４０の構成についても同様である。
この参考例においては、例えば基板１２がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を下面からエッチングして取り去ることにより、ビアホール２２を形成している。しかしながら、ＫＯＨなどのアルカリを使用した湿式エッチングを行うと、（１１１）面に平行にエッチングが進行するため、（１００）シリコン基板表面に対して５４．７度の傾斜でエッチングが進行し、隣り合う共振器のダイアフラム間の距離が著しく大きくなってしまう。例えば、厚さ３００μｍのシリコンウェーハの上面に構成された約１５０μｍ×１５０μｍの平面寸法を有するダイアフラム２３は、約５７５μｍ×５７５μｍの下面側エッチング開口部２４を必要とし、隣り合う共振器のダイアフラム中心間距離は５７５μｍ以上になってしまう。即ち、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する圧電積層構造体の支持領域の寸法は、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離の約０．７４倍以上の長い距離になってしまっている。
このことにより、ＦＢＡＲ共振器の高密度集積化が妨げられるばかりでなく、圧電体層１６を挟む金属電極（下部電極１５と上部電極１７）により隣り合う共振器同士を電気的に接続する場合に、該金属電極の電気抵抗が大きくなるために、ＦＢＡＲ共振器１１０、１２０、１３０および１４０を組み合わせて作製される薄膜圧電デバイス１００の挿入損失が著しく大きくなってしまうという問題を引き起こす。
これに対して、本発明による薄膜圧電デバイスの一実施形態は、図１Ａ〜図１Ｃに示す様な構成を有する。図１Ａは本実施形態の薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図１ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図、図１ＣはそのＹ−Ｙ’模式的断面図である。これらの図において、薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０の構成についても同様である。
本実施形態では、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法の適用により、基板１２の一面（例えば下面）から対向面（例えば上面）に向かって垂直に近いテーパー角でビアホール２２の側壁面が形成されている。かくして、振動空間としてのビアホール２２に下部電極１５または絶縁体層１３が面した部位であるダイアフラム２３の寸法と基板下面のエッチング開口部２４の寸法との差が小さなビアホール２２を形成しているため、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができる。このため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の基板表面と平行な面内での中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図１ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。薄膜圧電共振器２１０及び２２０の電気的接続は下部電極１５を介して行われる。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が上部電極１７を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
図２Ａ〜図２Ｃには、本発明による薄膜圧電デバイスの別の実施形態が示されている。図２Ａは本実施形態の薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図２ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図、図２ＣはそのＹ−Ｙ’模式的断面図である。これらの図において、上記図１Ａ〜図１Ｃにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、空隙を形成するビアホール２２が設けられた基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面にてビアホール２２をまたいで橋架けされるように作製された圧電積層構造体１４を有する。本実施形態においては、絶縁体層１３は基板１２の上面のビアホール２２以外の部分（圧電積層構造体１４のための支持部）に存在しており、圧電積層構造体１４の支持領域と基板の支持部との間に絶縁体層１３が介在する。
ビアホール２２に対応するダイアフラム２３の部分に絶縁体層１３が存在しないので、電気機械結合係数が高くなり、帯域幅が広がる。圧電積層構造体１４は、その一部が絶縁体層１３の上面に接している下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。下部電極１５の一部は、絶縁体層１３を介することなく、ビアホール２２に向けて露出している。この下部電極１５の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０の構成についても同様である。
本実施形態においても、図１Ａ〜図１Ｃの実施形態と同じく、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができるため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図２ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。薄膜圧電共振器２１０及び２２０の電気的接続は下部電極１５を介して行われる。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が上部電極１７を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
図３Ａ及び図３Ｂには、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態が示されている。図３Ａは本実施形態による薄膜圧電デバイスを示す模式的平面図であり、図３ＢはそのＸ−Ｘ’模式的断面図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図２Ｃにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０を組み合せることにより作製されている。ＦＢＡＲ２２０は、基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３、および該絶縁体層１３の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層１３の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層１３の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。基板１２には、空隙を形成するビアホール２２が設けられている。絶縁体層１３の一部はビアホール２２に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分およびこれに対応する位置に存在する圧電積層構造体１４の部分が、振動部を含むダイアフラム２３を構成する。下部電極１５はダイアフラム２３に対応する領域内に形成された主体部１５ａと、該主体部１５ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂを有する。端子部１５ｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。本実施形態では、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７Ａｂ、１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａはダイアフラム２３に対応する領域内に位置しており、該主体部１７Ａａ，１７Ｂａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１７Ａｂ、１７Ｂｂはダイアフラム２３に対応する領域外に延びている。
図３Ａ及び図３Ｂの実施形態に示す２個の電極部からなる上部電極を備えたＦＢＡＲ２２０は、多重モード共振器と呼ばれるものであり、上部電極１７のうちの一方の電極部（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方の電極部（例えば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を隣のＦＢＡＲ２１０への出力電圧として伝播させることができるので、ＦＢＡＲ２２０自体がフィルターとしての機能を発現する。このような構成のフィルターを通過帯域フィルターの構成要素として使用することにより、素子内配線を省略できるので、該配線に起因する損失が無く、阻止帯域の減衰特性が良好となって、周波数応答性が向上する。ＦＢＡＲ２１０についても同様である。
本実施形態においても、図１Ａ〜図１Ｃの実施形態と同じく、隣り合う薄膜圧電共振器同士を接近させて設置することができるため、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０及び２２０のダイアフラム２３の中心（２次元的な幾何学的重心）１及び２を結ぶ直線上（図３ＡにおけるＸ−Ｘ’線）において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム２３間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０を小さくすることができる（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２４０との関係及び電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２４０との関係についても同様である。また、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２１０と２３０との関係及び電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器２２０と２５０との関係についても同様であるが、この場合には電気的接続が下部電極１５を介して行われる。
本実施形態の薄膜圧電デバイスは、薄膜圧電共振器２１０と２２０とを直列接続し、これらに対してそれぞれ薄膜圧電共振器２３０と２４０と２５０とを分路接続してなる梯子型回路で構成された薄膜圧電フィルターである。
本発明の薄膜圧電デバイスの基板１２としては、シリコン（１００）単結晶などの半導体単結晶、シリコンウエハーなどの基材表面にダイヤモンドなどの多結晶膜を形成したものを用いることができる。基板１２として、その他の半導体または絶縁体基板を用いることも可能である。
本発明においては、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法によって振動部を構成するダイアフラムとなる部分の下にある基板部分を異方的に除去して、基板１２にビアホール２２を形成する。例えば、基板がシリコンからなるものであれば、エッチング装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返すことにより、側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍのエッチング速度で、側壁面を垂直に立てた深い角柱状または円柱状のビアホール加工を行うことができる。したがって、ダイアフラム２３の平面形状および寸法と基板下面の開口部２４の平面形状および寸法とがほぼ等しくなり、隣り合う共振器のダイアフラム２３を著しく接近させることができる。例えば、約１５０μｍ×１５０μｍの横寸法を有するダイアフラム２３を同寸法の下面側エッチング開口部２４で形成することにより、隣り合う共振器のダイアフラム中心間距離を１８０μｍ前後の値にすることができる。
これにより、ＦＢＡＲ共振器の高密度の集積化が可能となり、圧電体層１６を挟む金属電極（下部電極１５と上部電極１７）を用いて隣り合う共振器同士を電気的に接続する際の該金属電極の電気抵抗を小さく抑えて、ＦＢＡＲ共振器２１０、２２０、２３０及び２４０更には２５０を組み合せて作製される薄膜圧電デバイス２００の挿入損失を著しく小さくすることができる。尚、基板１２に形成される空隙は、ビアホール２２によるものには限定されず、振動部となるダイアフラム２３の振動を許容するものであれば、別の形態であってもよい。
絶縁体層１３としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）を主成分とする誘電体膜を用いることができる。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０当量％以上である成分を指す。誘電体膜は、単層からなるものであっても良いし、密着性を高めるための層（密着層）などを付加した複数層からなるものであっても良い。複数層からなる誘電体膜の例としては、前記の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＮｘ）層とを積層したものが例示される。絶縁体層１３の厚さは、例えば０．２〜１．０μｍである。絶縁体層１３の形成方法としては、シリコンからなる基板１２の表面を熱酸化する方法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が例示される。さらに、ダイアフラム部に存在する誘電体膜を完全に除去してしまうことも可能である。
下部電極１５および上部電極１７としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの導電膜を用いることができる。Ｍｏは熱弾性損失がＡｌの約１／５６と低いことから、特に高周波で振動する振動部を構成するのに好適である。Ｍｏ単体、Ｗ単体だけでなく、ＭｏまたはＷを主成分（好ましくは含有量が８０原子％以上）とする合金を使用することも可能である。また、ＭｏまたはＷまたはＰｔまたはＡｕとチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）などの密着力を向上させる下地層（密着層）とを積層した電極を使用することも可能である。例えば、Ｍｏ／Ｔｉ積層膜、Ｗ／Ｔｉ積層膜、Ｍｏ／Ｚｒ積層膜、Ｐｔ／Ｔｉ積層膜、Ａｕ／Ｔｉ積層膜、Ａｕ／Ｃｒ積層膜などを用いることができる。下部電極１５および上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２５０ｎｍである。下部電極１５および上部電極１７の形成方法としては、スパッタリング法または真空蒸着法が例示され、さらに必要に応じて所望の形状へのパターン形成のためにフォトリソグラフィー技術が適用される。
圧電体膜１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（但し、０＜ｘ＜１））、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３））、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などから選ばれる圧電材料を主成分とする圧電体膜からなる。窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）より成る圧電薄膜は、それぞれｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は狭い。ロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が大きくなり、配向性が低下すると、電気機械結合係数ｋｔ ２が低下し、デバイス化に必要な通過帯域幅が取れなくなる傾向にあるばかりでなく、共振特性が悪化する傾向にある。圧電体膜１６の厚さは、例えば０．５〜２．５μｍである。圧電体膜１６の形成方法としては、反応性スパッタリング法が例示され、さらに必要に応じて所要の形状へのパターン形成のためにフォトリソグラフィー技術が適用される。
図４Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４Ｂはそのダイアフラム間の各距離を示す説明図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図３Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。図４Ａ及び図４Ｂの薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０を組み合せることにより作製されている。
本発明においては、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器の中心（即ち、ダイアフラムの中心１〜５）を結ぶ直線上において、該直線が隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に複数個の薄膜圧電共振器を配置して、これをデバイス化する。図４Ａ及び図４Ｂの薄膜圧電デバイス２００において、隣り合う薄膜圧電共振器の中心を結ぶ直線が、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、該隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、図４Ｂに示すように、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
図５Ａは、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図５Ｂはそのダイアフラム間の各距離を示す説明図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図４Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。図５Ａ及び図５Ｂの薄膜圧電デバイス２００はＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０を組み合せることにより作製されている。
本発明の薄膜圧電共振器においては、振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で高特性、高性能な薄膜圧電デバイスを製造する。好ましいダイアフラム平面形状の具体例としては、少なくとも一方の対の対辺が非平行に形成されている２対の対辺を有する形状（四辺形）、少なくともその一部に非方形の不規則な多角形を含む多角形、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形などが挙げられる。図５Ａ及び図５Ｂの薄膜圧電デバイス２００は、２対の対辺が共に非平行に形成された四辺形の例を示す。これらの図の薄膜圧電デバイス２００においても、隣り合う薄膜圧電共振器の中心を結ぶ直線が、該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム上を通過する線分の長さを、それぞれＤ２，Ｄ３とし、該隣り合う薄膜圧電共振器の間に存在する支持領域を通過する線分の長さをＤ１とすれば、該隣り合う薄膜圧電共振器の中心間距離Ｄ０は、図５Ｂに示すように、
Ｄ０＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
と表される。
図４Ａ及び図４Ｂ並びに図５Ａ及び図５Ｂに示した薄膜圧電デバイスの実施形態において、ＦＢＡＲ２２０は、基板の上面に作製された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は、絶縁体層の上面に形成された下部電極１５、該下部電極１５を覆うようにして絶縁体層の上面に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上面に形成された上部電極１７を備えている。また、下部電極１５および上部電極１７はダイアフラムに対応する領域内に形成された主体部１５ａ、１７ａと、該主体部１５ａ、１７ａと他のＦＢＡＲまたは外部回路との接続のための端子部１５ｂ、１７ｂを有する。端子部１５ｂ、１７ｂはダイアフラムに対応する領域外に延びている。ＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２３０，ＦＢＡＲ２４０およびＦＢＡＲ２５０の構成についても同様である。
図５Ａ及び図５Ｂに示したＦＢＡＲ２１０，ＦＢＡＲ２２０，ＦＢＡＲ２３０およびＦＢＡＲ２４０におけるように、振動部を構成するダイアフラムを、その平面形状が２対の対辺が共に非平行である四辺形となるように形成して、ダイアフラムの対称性を低下させることにより、所望の通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入って来ないようにすることができ、高周波回路部品として使用される薄膜圧電デバイスの性能が向上する。
図９は、本発明による薄膜圧電デバイスのさらに別の実施形態を示す模式的断面平面図である。これらの図においても、上記図１Ａ〜図５Ｂにおけるのと同様の機能を有する部材には同一の符号が付けられている。
本実施形態は、上記実施形態で説明した圧電積層構造体を２つ積層したものに相当する圧電積層構造体を備えたＳＢＡＲ２１０’及び２２０’を有する。即ち、絶縁体層１３上に下部電極１５、第１の圧電体膜１６−１、内部電極１７’、第２の圧電体膜１６−２及び上部電極１８がこの順に積層されている。内部電極１７’は、第１の圧電体膜１６−１に対する上部電極としての機能と第２の圧電体膜１６−２に対する下部電極としての機能とを有する。本実施形態では、各ＳＢＡＲにおいて、下部電極１５または上部電極１８と内部電極１７’との間に入力電圧を印加し、上部電極１８または下部電極１５と内部電極１７’との間の電圧を出力電圧として取り出すことができるので、これ自体を多極型フィルターとして使用することができる。
ＳＢＡＲ２１０’と２２０’とは、下部電極１５を介して電気的に接続されている。上部電極１８または内部電極１７’を介してＳＢＡＲ２１０’と２２０’とを電気的に接続することも可能である。
本実施形態においても、電気的に接続された隣り合うＳＢＡＲのダイアフラム２３の中心を結ぶ直線上において、該直線が隣り合うＳＢＡＲの間に存在する圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と該隣り合うＳＢＡＲの中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５となるような位置に複数個のＳＢＡＲを配置している。
以上のような薄膜圧電デバイスを構成する個々の薄膜圧電共振器において、マイクロ波プローバーを使用して測定したインピーダンス特性における共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａと電気機械結合係数ｋｔ ２との間には，以下の関係
ｋｔ ２＝φｒ／Ｔａｎ（φｒ）
φｒ＝（π／２）（ｆｒ／ｆａ）
がある。ここでφｒは複素インピーダンスの位相の変化を表す。
簡単のため，電気機械結合係数ｋｔ ２として、次式
ｋｔ ２＝４．８（ｆａ−ｆｒ）／（ｆａ＋ｆｒ）
から算出したものを用いることができ、本明細書では、電気機械結合係数ｋｔ ２の数値は、この式を用いて算出したものを採用している。
本発明者らは、図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｃ、図３Ａ及び図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂ、並びに図９に示す構成の薄膜圧電デバイスについて、その特性、性能が、薄膜圧電デバイスを構成するＦＢＡＲ，ＳＢＡＲの構造、配置にどのように依存するのかについて検討した。その結果、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間の距離を短くし、好ましくはダイアフラムの平面形状を最適化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、共振特性の良好な複数個の薄膜圧電共振器を高密度に集積化して、利得、帯域特性に優れた高性能な薄膜圧電デバイスを実現できることを見出した。
本発明の薄膜圧電デバイスにおいては、２．０ＧＨｚ近傍における共振周波数と反共振周波数の測定値から求めた電気機械結合係数ｋｔ ２は４．０％以上であるのが好ましい。電気機械結合係数が４．０％未満になると、作製した薄膜圧電フィルターの帯域幅が小さくなり、高周波域で使用するフィルターとして実用に供することが難しくなる傾向にある。また、挿入損失は３．０ｄＢ以下であることが好ましい。挿入損失が３．０ｄＢを超えるとフィルター特性が著しく悪化し、高周波域で使用するフィルターとして実用に供することが難しくなる傾向にある。
以下に実施例および比較例を示し，本発明をさらに詳細に説明する。
本実施例では、以下のようにして、図２Ａ〜図２Ｃに示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、フォトリソグラフィーにより、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上面を所望の形状にパターン化した後、エッチングして、高さ３．０μｍで平面寸法１４０×１６０μｍ程度の矩形に近い形状の平坦な台地を残すように、その周囲に窪みを設けた。尚、台地は形成すべき共振器のダイアフラムに対応する位置に形成した。熱酸化法により、基板の上下両面に厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を形成した後、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｏ（Ｃ２Ｈ５）４）を原料に用いた熱ＣＶＤ法により、４５０℃で基板上面に厚さ３．５μｍのＳｉＯ２層を堆積させ、１０００℃でアニールした。次に、微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨法により基板上面のＳｉＯ２層を研磨して、窪みをＳｉＯ２層で埋めた個所以外のＳｉＯ２層を完全に除去し、平坦な台地形状のＳｉ基板部が表面に露出するまでの表面状態にした。研磨表面は高さのＲＭＳ変動が１０ｎｍであった。表面に露出したＳｉＯ２層をマスクとして、Ｓｉ基板の露出した部分を深さ０．３μｍほどエッチング除去した後、ＤＣマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ金属層（密着層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏを主体とする下部電極膜を形成した。フォトリソグラフィーにより下部電極膜を所望の形状にパターン化して、Ｍｏ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。個々のＦＢＡＲの下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１４０×１６０μｍのダイアフラムよりも各辺が１５μｍ程度大きな矩形に近い形状とした。下部電極１５を構成するＭｏ金属層が（１１０）配向膜即ち単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に，純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ膜を所定の形状にパターン化して、ＡｌＮ圧電体膜１６を形成した。その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、図２Ａ〜図２Ｃに示すごとく、直列回路は厚さ０．１８０μｍ、分路回路は厚さ０．２０９μｍで、主体部１７ａがダイアフラムよりも各辺５μｍ程度小さな矩形に近い形状のＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして圧電積層構造体１４を形成した基板１２の下面のＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーにより、上面のＳｉＯ２マスクに対応した所定の形状にパターン化した。さらに、マイクロマシン加工用フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ製ＮＡＮＯ ＳＵ−８ネガレジスト）を塗布して、フォトリソグラフィーにより下面ＳｉＯ２マスクと同一形状のレジストマスクを形成した。マスクを形成した基板１２をＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）仕様のドライエッチング装置に装入し、装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返した。側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍの速度でエッチングを続けることにより、下部電極１５がビアホール２２に露出するまでエッチング加工を行って、側壁面を垂直に立てた深い角柱状のビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラム２３と基板下面の開口部２４とをほぼ等しい平面形状と寸法にすることができた。電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心を通過する直線が該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム間に存在する前記圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と、前記隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０の値は、０．１８であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図２Ａ〜図２Ｃの構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法によるＡｌＮ薄膜の格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの電極端子１５ｂ，１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に，共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。
マイクロ波プローバーを使用して測定した共振特性における共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａと電気機械結合係数ｋｔ ２との間には，以下の関係がある。
ｋｔ ２＝φｒ／Ｔａｎ（φｒ）
φｒ＝（π／２）（ｆｒ／ｆａ）
ここでφｒは複素インピーダンスの位相の変化を表す。
簡単のため，電気機械結合係数ｋｔ ２は次式から算出した。
ｋｔ ２＝４．８（ｆａ−ｆｒ）／（ｆａ＋ｆｒ）
得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、フォトリソグラフィーにより、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上面を所望の形状にパターン化した後、エッチングして、高さ３．０μｍで平面寸法１４０×１６０μｍ程度の矩形に近い形状の平坦な台地を残すように、その周囲に窪みを設けた。尚、台地は形成すべき共振器のダイアフラムに対応する位置に形成した。熱酸化法により、基板の上下両面に厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を形成した後、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｏ（Ｃ２Ｈ５）４）を原料に用いた熱ＣＶＤ法により、４５０℃で基板上面に厚さ３．５μｍのＳｉＯ２層を堆積させ、１０００℃でアニールした。次に、微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨法により基板上面のＳｉＯ２層を研磨して、窪みをＳｉＯ２層で埋めた個所以外のＳｉＯ２層を完全に除去し、平坦な台地形状のＳｉ基板部が表面に露出するまでの表面状態にした。研磨表面は高さのＲＭＳ変動が１０ｎｍであった。表面に露出したＳｉＯ２層をマスクとして、Ｓｉ基板の露出した部分を深さ０．３μｍほどエッチング除去した後、ＤＣマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ金属層（密着層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏを主体とする下部電極膜を形成した。フォトリソグラフィーにより下部電極膜を所望の形状にパターン化して、Ｍｏ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。個々のＦＢＡＲの下部電極１５の主体部１５ａは、平面寸法１４０×１６０μｍのダイアフラムよりも各辺が１５μｍ程度大きな矩形に近い形状とした。下部電極１５を構成するＭｏ金属層が（１１０）配向膜即ち単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。このＭｏ／Ｔｉ下部電極１５を形成した基板１２上に，純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ膜を所定の形状にパターン化して、ＡｌＮ圧電体膜１６を形成した。その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、図２Ａ〜図２Ｃに示すごとく、直列回路は厚さ０．１８０μｍ、分路回路は厚さ０．２０９μｍで、主体部１７ａがダイアフラムよりも各辺５μｍ程度小さな矩形に近い形状のＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして圧電積層構造体１４を形成した基板１２の下面のＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーにより、上面のＳｉＯ２マスクに対応した所定の形状にパターン化した。さらに、マイクロマシン加工用フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ製ＮＡＮＯ ＳＵ−８ネガレジスト）を塗布して、フォトリソグラフィーにより下面ＳｉＯ２マスクと同一形状のレジストマスクを形成した。マスクを形成した基板１２をＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）仕様のドライエッチング装置に装入し、装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返した。側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍの速度でエッチングを続けることにより、下部電極１５がビアホール２２に露出するまでエッチング加工を行って、側壁面を垂直に立てた深い角柱状のビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラム２３と基板下面の開口部２４とをほぼ等しい平面形状と寸法にすることができた。電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心を通過する直線が該隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム間に存在する前記圧電積層構造体の支持領域を通過する線分の長さＤ１と、前記隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心間距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０の値は、０．１８であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図２Ａ〜図２Ｃの構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメーター法によるＡｌＮ薄膜の格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価結果を表１に示す。
マイクロ波プローバーを使用して測定した共振特性における共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａと電気機械結合係数ｋｔ ２との間には，以下の関係がある。
ｋｔ ２＝φｒ／Ｔａｎ（φｒ）
φｒ＝（π／２）（ｆｒ／ｆａ）
ここでφｒは複素インピーダンスの位相の変化を表す。
簡単のため，電気機械結合係数ｋｔ ２は次式から算出した。
ｋｔ ２＝４．８（ｆａ−ｆｒ）／（ｆａ＋ｆｒ）
得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図２に示されている構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）、Ｐｔ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｔｉ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状を台形とすることでダイアフラム２３の形状を台形としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図２の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、実施例１と同様に、ディフラクトメーター法によるＡｌＮ薄膜の格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、下部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）、Ｐｔ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｔｉ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状を台形とすることでダイアフラム２３の形状を台形としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図２の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、表面構造評価用多機能Ｘ線回折装置を使用して、実施例１と同様に、ディフラクトメーター法によるＡｌＮ薄膜の格子定数測定と（０００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図１に示されている構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、熱酸化法により，厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１．２μｍのＳｉＯ２層を１１００℃で形成した後、上面側のＳｉＯ２層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ２層の厚さを調整し、ＳｉＯ２から成り、表１に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，フォトリソグライーにより，所望の形状にパターン形成して、Ｍｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは矩形に近い形状とした。Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることはＸ線回折測定により確認した。このＭｏ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ膜を所定の形状にパターン化してＡｌＮ圧電体膜１６を形成した。その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して，図１に示すごとく，直列回路では厚さ０．１９０μｍ，分路回路では厚さ０．２２５μｍで，主体部１７ａの平面面積２３，０００μｍ２前後の台形に近い形状のＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして圧電積層構造体１４を形成した基板１２の下面のＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーにより、上部電極主体部１７ａに対応した所定の形状にパターン化した。さらに、マイクロマシン加工用フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ製ＮＡＮＯ ＳＵ−８ネガレジスト）を塗布して、フォトリソグラフィーにより下面ＳｉＯ２マスクと同一形状のレジストマスクを形成した。マスクを形成した基板１２をＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）仕様のドライエッチング装置に装入し、装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返した。側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍの速度でエッチングを続けることにより、下部電極主体部１５ａがビアホール２２に露出するまでエッチング加工を行って、側壁面を垂直に立てた深い角柱状のビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラム２３と基板裏面の開口部２４とをほぼ等しい平面形状と寸法にすることができた。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、熱酸化法により，厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に厚さ１．２μｍのＳｉＯ２層を１１００℃で形成した後、上面側のＳｉＯ２層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ２層の厚さを調整し、ＳｉＯ２から成り、表１に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，フォトリソグライーにより，所望の形状にパターン形成して、Ｍｏ／Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａは矩形に近い形状とした。Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることはＸ線回折測定により確認した。このＭｏ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、純度５Ｎの金属Ａｌをターゲットとして反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ膜を所定の形状にパターン化してＡｌＮ圧電体膜１６を形成した。その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して，図１に示すごとく，直列回路では厚さ０．１９０μｍ，分路回路では厚さ０．２２５μｍで，主体部１７ａの平面面積２３，０００μｍ２前後の台形に近い形状のＭｏ上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして圧電積層構造体１４を形成した基板１２の下面のＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーにより、上部電極主体部１７ａに対応した所定の形状にパターン化した。さらに、マイクロマシン加工用フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ製ＮＡＮＯ ＳＵ−８ネガレジスト）を塗布して、フォトリソグラフィーにより下面ＳｉＯ２マスクと同一形状のレジストマスクを形成した。マスクを形成した基板１２をＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）仕様のドライエッチング装置に装入し、装置内部にＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に導入してエッチングと側壁保護膜形成とを繰り返した。側壁面と底面のエッチング速度比を制御し、毎分数μｍの速度でエッチングを続けることにより、下部電極主体部１５ａがビアホール２２に露出するまでエッチング加工を行って、側壁面を垂直に立てた深い角柱状のビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラム２３と基板裏面の開口部２４とをほぼ等しい平面形状と寸法にすることができた。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図１に示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｖ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＴＺＭ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５を形成したこと、このＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みの窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状を矩形とすることでダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、下部電極として、Ｖ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＴＺＭ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５を形成したこと、このＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ａｕ／Ｖ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みの窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状を矩形とすることでダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図２に示されている構造（但し、ダイアフラム２３は表１に記載の形状）の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、表１に記載のＴｉ密着層、中間層およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｌ／ＴｉまたはＭｏ／Ａｕ／ＴｉあるいはＭｏ／Ｔｉからなる下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏまたはＭｏ／ＴｉあるいはＡｌからなる上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を表１に記載の形状としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示すとおり、０．２４〜０．２５であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図２の構造（但し、ダイアフラム２３は表１に記載の形状）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
図６Ａおよび図６Ｂには、実施例６における薄膜圧電フィルターのインピーダンス周波数特性およびフィルター通過帯域特性を示す。本実施例の薄膜圧電フィルターでは、共振周波数ピーク３１と反共振周波数ピーク３２との間の微細ピークは極めて少なく、図６Ａに示したように、通過帯域特性は著しく良好である。この良好な通過帯域特性は、ダイアフラム形状を非対称の５角形にしたことによる。
即ち、下部電極として、表１に記載のＴｉ密着層、中間層およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｌ／ＴｉまたはＭｏ／Ａｕ／ＴｉあるいはＭｏ／Ｔｉからなる下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏまたはＭｏ／ＴｉあるいはＡｌからなる上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を表１に記載の形状としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示すとおり、０．２４〜０．２５であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図２の構造（但し、ダイアフラム２３は表１に記載の形状）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
図６Ａおよび図６Ｂには、実施例６における薄膜圧電フィルターのインピーダンス周波数特性およびフィルター通過帯域特性を示す。本実施例の薄膜圧電フィルターでは、共振周波数ピーク３１と反共振周波数ピーク３２との間の微細ピークは極めて少なく、図６Ａに示したように、通過帯域特性は著しく良好である。この良好な通過帯域特性は、ダイアフラム形状を非対称の５角形にしたことによる。
本実施例では、以下のようにして、図３に示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）およびＡｕ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＡｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、ＺｎＯをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＺｎＯ圧電体薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有する２つの電極部１７Ａ，１７ＢからなるＡｕ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図３の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、下部電極として、Ｔｉ金属層（密着層）およびＡｕ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＡｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、Ａｕ／Ｔｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、ＺｎＯをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＺｎＯ圧電体薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有する２つの電極部１７Ａ，１７ＢからなるＡｕ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図３の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図１に示されている構造と類似の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、熱酸化法により形成したＳｉＯ２層に代えて、モノシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）を原料として用いた低圧ＣＶＤ法により、８００℃でＳｉＮｘ層を堆積させたこと、下部電極の主電極層をＭｏからＴＺＭ合金層に変え中間層をＡｕからＰｔに変えて、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、上部電極の主電極層をＭｏからＴＺＭ合金層に変えＴｉ密着層を用いて、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ｔｉ上部電極１７を形成したこと、Ｄｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと、および薄膜圧電フィルターを構成する個々のＦＢＡＲの配列を梯子型回路から格子型回路に変更したこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、格子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、格子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、格子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの電極端子１５ｂ、１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に，共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，格子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、熱酸化法により形成したＳｉＯ２層に代えて、モノシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）を原料として用いた低圧ＣＶＤ法により、８００℃でＳｉＮｘ層を堆積させたこと、下部電極の主電極層をＭｏからＴＺＭ合金層に変え中間層をＡｕからＰｔに変えて、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ｐｔ／Ｔｉ下部電極１５を形成したこと、上部電極の主電極層をＭｏからＴＺＭ合金層に変えＴｉ密着層を用いて、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ（ＴＺＭ合金）／Ｔｉ上部電極１７を形成したこと、Ｄｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと、および薄膜圧電フィルターを構成する個々のＦＢＡＲの配列を梯子型回路から格子型回路に変更したこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、格子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、格子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、格子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターを構成するＦＢＡＲの電極端子１５ｂ、１７ｂ間のインピーダンス特性を測定すると共に，共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，格子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図２に示されている構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の送信用薄膜圧電フィルターおよび受信用薄膜圧電フィルターに９０度位相整合器を組み合せた送受信切替器を作製した。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層、中間層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｕ／Ｚｒ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｚｒ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を台形としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る送信用薄膜圧電フィルターおよび受信用薄膜圧電フィルターをそれぞれ作製した。次に、これらの薄膜圧電フィルターを９０度位相整合器を介して結合させて、図１０に示すような送受信切替器を作製した。
図１０において、送受信切替器３００は、送信用薄膜圧電フィルター３１０、受信用薄膜圧電フィルター３３０及び９０度位相整合器３５０を含んでなる。送信用薄膜圧電フィルター３１０の一方端は送信ポート３０２と接続されており、受信用薄膜圧電フィルター３３０の一方端は受信ポート３０４と接続されている。送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０の他方端は９０度位相整合器３５０を介して送受共用ポートとしてのアンテナポート３０６と接続されている。すなわち、９０度位相整合器３５０は、アンテナポート３０６、送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０と、それぞれ接続されている。送信ポート３０２は送信回路に接続され、受信ポート３０４は受信回路に接続され、アンテナポート３０６はアンテナＡＮＴに接続される。送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０は、チップ状の形態をなしており、９０度位相整合器３５０及び所要の配線の形成された基板上に実装される。
本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された送受信切替器を構成する、図２の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，実施例１と同様に、送受信切替器を構成する上記の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターの共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、送受信切替器を構成する上記の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層、中間層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｕ／Ｚｒ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ｚｒ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を台形としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る送信用薄膜圧電フィルターおよび受信用薄膜圧電フィルターをそれぞれ作製した。次に、これらの薄膜圧電フィルターを９０度位相整合器を介して結合させて、図１０に示すような送受信切替器を作製した。
図１０において、送受信切替器３００は、送信用薄膜圧電フィルター３１０、受信用薄膜圧電フィルター３３０及び９０度位相整合器３５０を含んでなる。送信用薄膜圧電フィルター３１０の一方端は送信ポート３０２と接続されており、受信用薄膜圧電フィルター３３０の一方端は受信ポート３０４と接続されている。送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０の他方端は９０度位相整合器３５０を介して送受共用ポートとしてのアンテナポート３０６と接続されている。すなわち、９０度位相整合器３５０は、アンテナポート３０６、送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０と、それぞれ接続されている。送信ポート３０２は送信回路に接続され、受信ポート３０４は受信回路に接続され、アンテナポート３０６はアンテナＡＮＴに接続される。送信用薄膜圧電フィルター３１０及び受信用薄膜圧電フィルター３３０は、チップ状の形態をなしており、９０度位相整合器３５０及び所要の配線の形成された基板上に実装される。
本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．１９であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された送受信切替器を構成する、図２の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して，実施例１と同様に、送受信切替器を構成する上記の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターの共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めた。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
さらに、実施例１と同様に、送受信切替器を構成する上記の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターの信号通過特性を測定し、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図１に示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層、中間層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＰｔ／ＴｉまたはＷ／Ａｌ／Ｎｉからなる下部電極１５を形成したこと、Ｐｔ／ＴｉまたはＷ／Ａｌ／Ｎｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、ＲＦマグネトロンスパッター法または反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）圧電体薄膜またはＡｌＮ圧電体薄膜を形成したこと、および上部電極として、表１に記載した厚さを有するＰｔ／ＴｉまたはＡｌからなる上部電極１７を形成したこと以外は、実施例９と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示すとおりである。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層、中間層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＰｔ／ＴｉまたはＷ／Ａｌ／Ｎｉからなる下部電極１５を形成したこと、Ｐｔ／ＴｉまたはＷ／Ａｌ／Ｎｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に、ＲＦマグネトロンスパッター法または反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により、表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）圧電体薄膜またはＡｌＮ圧電体薄膜を形成したこと、および上部電極として、表１に記載した厚さを有するＰｔ／ＴｉまたはＡｌからなる上部電極１７を形成したこと以外は、実施例９と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示すとおりである。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性の評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
本実施例では、以下のようにして、図１に示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｎｂ金属層（密着層）、Ｐｔ金属層（中間層）およびＷ−Ｍｏ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＷ−Ｍｏ合金／Ｐｔ／Ｎｂ下部電極１５を形成したこと、このＷ−Ｍｏ合金／Ｐｔ／Ｎｂ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みの窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＷ−Ｍｏ合金／Ｎｂ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
図７Ａおよび図７Ｂには、本実施例１３における薄膜圧電フィルターのインピーダンス周波数特性およびフィルター通過帯域特性を示す。図６Ａおよび図６Ｂ（実施例６）と図７Ａおよび図７Ｂ（本実施例）とを比較すると分かるように、本実施例の図７Ａでは共振周波数ピーク３１と反共振周波数３２との間に多くの微細なピークが存在するのに対して、実施例６の図６Ａでは、共振周波数ピーク３１と反共振周波数ピーク３２との間の微細ピークは極めて少ない。したがって、図６Ｂおよび図７Ｂに示したフィルター通過帯域特性を比較すると分かるように、実施例６の薄膜圧電フィルターの方が通過帯域特性が良好である。この通過帯域特性における差異は、主としてダイアフラム形状に依存しており、同形状を非対称の５角形することが、矩形形状よりも好ましいということを示している。
即ち、下部電極として、Ｎｂ金属層（密着層）、Ｐｔ金属層（中間層）およびＷ−Ｍｏ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＷ−Ｍｏ合金／Ｐｔ／Ｎｂ下部電極１５を形成したこと、このＷ−Ｍｏ合金／Ｐｔ／Ｎｂ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みの窒化アルミニウム−窒化ガリウム系固溶体（Ａｌ１−ｘＧａｘＮ）薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＷ−Ｍｏ合金／Ｎｂ上部電極１７を形成したこと、およびＤｅｅｐ ＲＩＥにより形成されるビアホールの平面形状に基づきダイアフラム２３の形状を矩形としたこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図１の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
図７Ａおよび図７Ｂには、本実施例１３における薄膜圧電フィルターのインピーダンス周波数特性およびフィルター通過帯域特性を示す。図６Ａおよび図６Ｂ（実施例６）と図７Ａおよび図７Ｂ（本実施例）とを比較すると分かるように、本実施例の図７Ａでは共振周波数ピーク３１と反共振周波数３２との間に多くの微細なピークが存在するのに対して、実施例６の図６Ａでは、共振周波数ピーク３１と反共振周波数ピーク３２との間の微細ピークは極めて少ない。したがって、図６Ｂおよび図７Ｂに示したフィルター通過帯域特性を比較すると分かるように、実施例６の薄膜圧電フィルターの方が通過帯域特性が良好である。この通過帯域特性における差異は、主としてダイアフラム形状に依存しており、同形状を非対称の５角形することが、矩形形状よりも好ましいということを示している。
本実施例では、以下のようにして、図２に示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＰｔ／Ｈｆ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有するＰｔ上部電極１７を形成したこと、圧電体膜として、ＺｎＯをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＺｎＯ圧電体薄膜を形成したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図２の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例１］
本比較例では、以下のようにして、図１Ａ〜図１Ｃに示されている構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｎｉ金属層（密着層）、およびＭｏ−Ｒｅ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ−Ｒｅ合金／Ｎｉ下部電極１５を形成したこと、このＭｏ−Ｒｅ合金／Ｎｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ−Ｒｅ上部電極１７を形成したこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本比較例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．５５であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．５〜０．６の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図１の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例２、３］
本比較例では、以下のようにして、図８Ａ及び図８Ｂに示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、熱酸化法により，厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に、厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を１１００℃で形成した後、上面側のＳｉＯ２層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ２層の厚さを調整し、ＳｉＯ２から成り、表１に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロンスパッター法により、表１に記載の密着層および主電極層をこの順番に形成し，フォトリソグライーにより，所望の形状にパターニングして、Ｍｏ／ＴｉまたはＡｕ／Ｔｉからなる下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａはダイアフラム２３よりも各辺４０μｍ程度大きな矩形に近い形状とした。Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることはＸ線回折測定により確認した。このＭｏ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，金属Ａｌをターゲットとする反応性ＲＦマグネトロンスパッター法またはＺｎＯをターゲットとするＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜またはＺｎＯ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングによりＡｌＮ膜を、または燐酸−塩酸混合水溶液を使用した湿式エッチングによりＺｎＯ膜を、所定の形状にパターン化して、ＡｌＮまたはＺｎＯより成る圧電体膜１６を形成した。
その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、表１に記載した材質と厚さで、主体部１７ａがダイアフラム２３よりも各辺５μｍ程度小さな矩形に近い形状のＭｏ／ＴｉまたはＡｕからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６より成る圧電積層構造体１４を形成したＳｉ基板１２の下面に形成された厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーによりパターン形成して、湿式エッチング用のマスクを作製した。Ｓｉ基板１２の上面に形成した圧電積層構造体１４をプロテクトワックスで被覆し、下面に形成したＳｉＯ２マスクを用いて、ダイアフラム２３に対応するＳｉ基板１２の部分を加熱したＫＯＨでエッチング除去し、空隙となるビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラムの平面寸法が１５０μｍ×１５０μｍまたは１６０μｍ×１６０μｍ前後であり、基板裏面の開口部の平面寸法が５７５μｍ×５７５μｍまたは５８５μｍ×５８５μｍのビアホール２２が得られた。本比較例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示したとおりである。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．７〜０．８の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図８Ａ及び図８Ｂの構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例４］
本比較例では、以下のようにして、図２に示されている構造の薄膜圧電フィルターの作製を、前記Ｄ１／Ｄ０が０．０９５となるように、試みた。
即ち、下部電極として、Ｚｒ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｕ／Ｚｒ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有するＭｏ上部電極１７を形成したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製しようとしたが、隣り合うダイアフラム間に存在する支持領域の幅に相当する寸法Ｄ１が小さいので、ダイシング、チップ化などの加工中に基板が破損して、薄膜圧電フィルターとしてデバイス化することが出来なかった。このため、ＦＢＡＲまたはフィルターとしての特性を評価することが出来なかった。
上記の工程によって薄膜圧電フィルターの作製を試みた試料について、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
即ち、下部電極として、表１に記載の密着層および主電極層をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＰｔ／Ｈｆ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有するＰｔ上部電極１７を形成したこと、圧電体膜として、ＺｎＯをターゲットとして、ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＺｎＯ圧電体薄膜を形成したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本実施例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．２０であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．１８〜０．３の範囲内であった。また、全てのビアホールの側壁面のテーパー角は、基板上面に対して８０〜１００°の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図２の構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例１と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例１］
本比較例では、以下のようにして、図１Ａ〜図１Ｃに示されている構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、下部電極として、Ｎｉ金属層（密着層）、およびＭｏ−Ｒｅ合金層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ−Ｒｅ合金／Ｎｉ下部電極１５を形成したこと、このＭｏ−Ｒｅ合金／Ｎｉ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，反応性ＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ薄膜を形成したこと、上部電極として、表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ−Ｒｅ上部電極１７を形成したこと以外は、実施例３と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製した。本比較例の前記Ｄ１／Ｄ０は、０．５５であった。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．５〜０．６の範囲内であった。
上記の工程によって製造された、図１の構造（但し、ダイアフラム２３は台形）の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例２、３］
本比較例では、以下のようにして、図８Ａ及び図８Ｂに示されている構造の薄膜圧電フィルターを作製した。
即ち、熱酸化法により，厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板１２の上下両面に、厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を１１００℃で形成した後、上面側のＳｉＯ２層のみをエッチングして、上面のＳｉＯ２層の厚さを調整し、ＳｉＯ２から成り、表１に記載の厚さ値を有する絶縁体層１３を形成した。この絶縁体層１３の上面に、ＤＣマグネトロンスパッター法により、表１に記載の密着層および主電極層をこの順番に形成し，フォトリソグライーにより，所望の形状にパターニングして、Ｍｏ／ＴｉまたはＡｕ／Ｔｉからなる下部電極１５を形成した。下部電極１５の主体部１５ａはダイアフラム２３よりも各辺４０μｍ程度大きな矩形に近い形状とした。Ｍｏ金属層が（１１０）配向膜、即ち単一配向膜であることはＸ線回折測定により確認した。このＭｏ下部電極１５を形成した絶縁体層１３上に，金属Ａｌをターゲットとする反応性ＲＦマグネトロンスパッター法またはＺｎＯをターゲットとするＲＦマグネトロンスパッター法により，表１に記載の条件で、表２に記載した厚みのＡｌＮ圧電体薄膜またはＺｎＯ圧電体薄膜を形成した。熱燐酸を使用した湿式エッチングによりＡｌＮ膜を、または燐酸−塩酸混合水溶液を使用した湿式エッチングによりＺｎＯ膜を、所定の形状にパターン化して、ＡｌＮまたはＺｎＯより成る圧電体膜１６を形成した。
その後，ＤＣマグネトロンスパッター法とリフトオフ法を使用して、表１に記載した材質と厚さで、主体部１７ａがダイアフラム２３よりも各辺５μｍ程度小さな矩形に近い形状のＭｏ／ＴｉまたはＡｕからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
以上のようにして、下部電極１５、上部電極１７および圧電体薄膜１６より成る圧電積層構造体１４を形成したＳｉ基板１２の下面に形成された厚さ１．０μｍのＳｉＯ２層を、フォトリソグラフィーによりパターン形成して、湿式エッチング用のマスクを作製した。Ｓｉ基板１２の上面に形成した圧電積層構造体１４をプロテクトワックスで被覆し、下面に形成したＳｉＯ２マスクを用いて、ダイアフラム２３に対応するＳｉ基板１２の部分を加熱したＫＯＨでエッチング除去し、空隙となるビアホール２２を作製した。その結果、ダイアフラムの平面寸法が１５０μｍ×１５０μｍまたは１６０μｍ×１６０μｍ前後であり、基板裏面の開口部の平面寸法が５７５μｍ×５７５μｍまたは５８５μｍ×５８５μｍのビアホール２２が得られた。本比較例の前記Ｄ１／Ｄ０は、表２に示したとおりである。この比率Ｄ１／Ｄ０の値は、代表的な１組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についてのものであるが、他の組の電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器についても比率Ｄ１／Ｄ０の値は０．７〜０．８の範囲内であった。
上記の工程によって製造された，図８Ａ及び図８Ｂの構造の梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターについて、実施例３と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
また、カスケード・マイクロテック製マイクロ波プローバーとネットワークアナライザーを使用して、実施例３と同様に、梯子型回路より成る上記薄膜圧電フィルターのインピーダンス特性および信号通過特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの測定値から，電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑを求めると共に、フィルターとしての性能（通過帯域幅、挿入損失、阻止域減衰量）を評価した。得られた薄膜圧電フィルターの厚み振動の基本周波数、電気機械結合係数ｋｔ ２および音響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。また、同フィルターの通過帯域幅、挿入損失Ｉ．Ｌ．および阻止域減衰量は表２に示す通りであった。
［比較例４］
本比較例では、以下のようにして、図２に示されている構造の薄膜圧電フィルターの作製を、前記Ｄ１／Ｄ０が０．０９５となるように、試みた。
即ち、下部電極として、Ｚｒ金属層（密着層）、Ａｕ金属層（中間層）およびＭｏ金属層（主電極層）をこの順番に形成し，表１に記載した材質と厚さを有するＭｏ／Ａｕ／Ｚｒ下部電極１５を形成したこと、上部電極として、表１に記載した厚さを有するＭｏ上部電極１７を形成したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、梯子型回路より成る薄膜圧電フィルターを作製しようとしたが、隣り合うダイアフラム間に存在する支持領域の幅に相当する寸法Ｄ１が小さいので、ダイシング、チップ化などの加工中に基板が破損して、薄膜圧電フィルターとしてデバイス化することが出来なかった。このため、ＦＢＡＲまたはフィルターとしての特性を評価することが出来なかった。
上記の工程によって薄膜圧電フィルターの作製を試みた試料について、実施例１と同様に、ＡｌＮ薄膜の結晶性を評価した。評価結果を表１に示す。
以上説明したように、本発明によれば、プラズマを利用した深いトレンチエッチングであるＤｅｅｐ ＲＩＥ（深彫り型反応性イオンエッチング）法により、振動部となる部分の下にある基板部分を基板の下面側から異方的に除去して、振動空間となるビアホールを形成することで、ダイアフラムの寸法と基板下面開口部の寸法との差が小さなビアホールを作製でき、これにより、薄膜圧電デバイスの金属電極により電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離を短くして、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減することができる。
本発明の薄膜圧電デバイスによれば、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離が短く、近接した位置に配置された複数個の薄膜圧電共振器を組み合せて集積化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、低挿入損失で、電気機械結合係数や音響的品質係数（Ｑ）の優れた薄膜圧電デバイスを実現できる。また、薄膜圧電共振器の振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で、利得、帯域特性に優れた薄膜圧電デバイスに仕上がる。本発明の薄膜圧電デバイスを用いた場合、挿入損失が小さく、利得、帯域特性に優れているため，ＶＣＯ（圧電薄膜共振子），フィルター，送受信切替器としての性能が向上し、移動体通信機向けの各種デバイスとして利用することができる。
本発明の薄膜圧電デバイスによれば、電気的に接続された隣り合う薄膜圧電共振器のダイアフラム中心間距離が短く、近接した位置に配置された複数個の薄膜圧電共振器を組み合せて集積化することにより、金属電極の導体損に起因する挿入損失を著しく低減でき、低挿入損失で、電気機械結合係数や音響的品質係数（Ｑ）の優れた薄膜圧電デバイスを実現できる。また、薄膜圧電共振器の振動部を構成するダイアフラムの平面形状を工夫し、最適化することにより、通過帯域内に余分なスプリアス信号、ノイズが入らず、低挿入損失で、利得、帯域特性に優れた薄膜圧電デバイスに仕上がる。本発明の薄膜圧電デバイスを用いた場合、挿入損失が小さく、利得、帯域特性に優れているため，ＶＣＯ（圧電薄膜共振子），フィルター，送受信切替器としての性能が向上し、移動体通信機向けの各種デバイスとして利用することができる。
Claims (25)
- 複数の振動空間を有する基板と該基板上に形成された圧電積層構造体とを含み、前記振動空間に対応して複数の薄膜圧電共振器が形成された薄膜圧電デバイスであって、
前記圧電積層構造体は少なくとも圧電体膜と該圧電体膜の両面のそれぞれの少なくとも一部に形成された金属電極とを有しており、
前記圧電積層構造体は、前記振動空間に面して位置するダイアフラムと、該ダイヤフラム以外の支持領域とからなり、
前記薄膜圧電共振器は２つの隣り合うもの同士の少なくとも１組が前記金属電極により電気的に接続されており、
電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心を通過する直線が前記支持領域を通過する線分の長さＤ１と、前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の前記ダイアフラムの中心間の距離Ｄ０との比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５である少なくとも１組の前記薄膜圧電共振器を有することを特徴とする薄膜圧電デバイス。 - 前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の組の全てに関して前記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１〜０．５であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記振動空間は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面からその反対側の面まで貫通するビアホールにより形成されており、該ビアホールの側壁面は前記基板の圧電積層構造体の形成された側の面に対して８０〜１００°の範囲内の角度をなしていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器の上部電極が２つの電極部から構成されていることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電積層構造体が、前記基板側から順に積層された、前記金属電極を構成する下部電極と、第１の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する内部電極と、第２の前記圧電体膜と、前記金属電極を構成する上部電極とからなることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記ダイアフラムには少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層または窒化アルミニウムを主成分とする絶縁体層が付されていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記圧電積層構造体の支持領域と前記基板との間にのみ少なくとも一層の酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを主成分とする絶縁体層または窒化アルミニウムを主成分とする絶縁体層が介在することを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜が一般式Ａｌ1-xＧａxＮ（但し、０＜ｘ＜１）で表され、ｃ軸配向を示す窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの固溶体より成る配向性結晶膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がｃ軸配向を示す酸化亜鉛薄膜であって、その（０００２）面の回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°以下であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記圧電体膜がチタン酸鉛薄膜またはチタン酸ジルコン酸鉛薄膜であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、２対の対辺を有し、少なくとも一方の対の対辺が非平行に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部が非方形の不規則な多角形で形成されていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 少なくとも１つの前記薄膜圧電共振器において、前記ダイアフラムの平面形状は、少なくともその一部に曲線部分を含む非方形の不規則な多角形で形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記薄膜圧電デバイスが薄膜圧電フィルターであることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記薄膜圧電デバイスが、複数個の薄膜圧電フィルターを備えた送受信切替器であることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記薄膜圧電フィルターは、直列接続された複数の前記薄膜圧電共振器とこれに対して分路接続された前記薄膜圧電共振器とを備えた梯子型回路で構成されていることを特徴とする、請求項１７に記載の薄膜圧電デバイス。
- 請求項１に記載の薄膜圧電デバイスを製造する方法であって、半導体あるいは絶縁体からなる基板上に前記圧電積層構造体を形成した後に、該圧電積層構造体の形成された側と反対側から前記基板に対して深彫り型反応性イオンエッチング法により前記振動空間を形成する工程を有することを特徴とする、薄膜圧電デバイスの製造方法。
- 前記電気的に接続された隣り合う２つの薄膜圧電共振器の組の全てに関して前記比率Ｄ１／Ｄ０が０．１８〜０．３であることを特徴とする、請求項２記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記圧電体膜の厚さをｔとし、前記絶縁体層の厚さをｔ’として、０．１≦ｔ’／ｔ≦０．５が満たされることを特徴とする、請求項７記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記圧電体膜の厚さが０．９８〜１．５７μｍであることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記金属電極の少なくとも１つは主電極層と密着層とを含んでなることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記主電極層がモリブデンまたはタングステンからなり、前記密着層がチタン、ジルコニウムまたはクロムからなることを特徴とする、請求項２３記載の薄膜圧電デバイス。
- 前記主電極層および前記密着層がＤＣマグネトロンスパッタリング法により形成されたものであることを特徴とする、請求項２３および２４のいずれか一項記載の薄膜圧電デバイス。
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