JP4149444B2 - 圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜による電気信号とバルク弾性波の変換作用を利用した圧電薄膜共振子、及びこれを用いたフィルタに関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振子及びこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体と表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波での特性が良好で、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振子及びこれを用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
このような圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として、上部電極と圧電膜と下部電極の積層構造体（複合膜）を有し、上部電極と下部電極が対向する部分の下部電極下には空隙（バイアホールあるいはキャビティ）が形成されている。このような空隙は、素子基板として用いられるＳｉ基板を裏面からエッチング（ウェットエッチングやドライエッチィング）することで形成されたり、あるいは、Ｓｉ基板の表面に設けた犠牲層をウェットエッチングすること等で形成される。
いま、上部電極と下部電極との間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に、逆圧電効果によって励振される弾性波や圧電効果に起因する歪によって生じる弾性波が発生する。そして、これらの弾性波が電気信号に変換される。このような弾性波は、上部電極（膜）と下部電極（膜）がそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位をもつ厚み縦振動波となる。この素子構造では、空隙上に形成された上部電極／圧電膜／下部電極を主要構成要素とする薄膜構造部分の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。弾性波の伝搬速度Ｖは材料によって決まり、共振周波数ＦはＦ＝ｎＶ／２Ｈで与えられる。このような共振現象を利用すると膜厚をパラメータとして共振周波数を制御することが可能であるから、所望の周波数特性を有する共振子やフィルタを作製することができる。
ここで、上下の電極膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料あるいはこれらの金属を組み合わせた積層材料を用いることができる。また、圧電膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などを用いることができる。特に、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることが好ましい。さらに、素子基板としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓなどを用いることができる。
既に説明したように、上記構成の圧電薄膜共振子では、下部電極（あるいは誘電体膜）の直下に、バイアホールあるいはキャビティを形成する必要がある。以下では、基板の裏面から表面まで貫通している穴をバイアホールと呼び、基板の表面近傍や下部電極の直下に存在する空洞をキャビティと呼ぶことにする。従来の圧電薄膜共振子はバイアホールタイプとキャビティタイプに分類される。
図１は、非特許文献１に記載されている従来の圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図である。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）１２を有する（１００）Ｓｉ基板１１上に、下部電極１３としてＡｕ−Ｃｒ膜、圧電膜１４としてＺｎＯ膜、上部電極１５としてＡｌ膜が形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にはバイアホール１６が形成されている。このバイアホール１６は、（１００）Ｓｉ基板１１の裏面側から、ＫＯＨ水溶液あるいはＥＤＰ水溶液（エチレンジアミンとピロカテコールと水の混合液）を用いた異方性エッチングを施して形成したものである。
これに対してキャビティタイプの圧電薄膜共振子は、犠牲層上に、上部電極と圧電膜と下部電極（必要によりさらに誘電体膜）の積層構造を有し、この犠牲層をエッチングにより除去して形成されたキャビティを備えた圧電薄膜共振子である。図２は、このようなキャビティタイプの圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図である（特許文献１参照）。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）２２を有する基板２１上に、下部電極２３と圧電膜２４と上部電極２５とが形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にはキャビティ２６が形成されている。このキャビティ２６は、予めアイランド（島）状のＺｎＯの犠牲層をパターニングしておき、この犠牲層パターン上に上記の積層構造を形成し、さらに積層構造の下方にある犠牲層を酸で除去することにより形成される。
別のキャビティタイプの圧電薄膜共振子として、特許文献２に開示されている圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図を図３に示す。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）３２を有するＳｉ基板３１上に、下部電極３３と圧電膜３４と上部電極３５とが形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にキャビティ３６が形成されている。この構成の圧電薄膜共振子は次のようにして作製される。先ず、Ｓｉ基板３１の表面の一部領域にエッチングにより窪みを形成し、次に犠牲層として使用するＰＳＧ（燐石英ガラス）中の燐がＳｉ基板３１中に拡散するのを防止するため、Ｓｉ基板３１表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）３２を形成する。犠牲層のＰＳＧを堆積した後に研磨及びクリーニングを行い、表面のミラー仕上げを行う。続いて、下部電極３３、圧電膜３４、上部電極３５の順に堆積し、最後にＰＳＧを除去する。
特開昭６０−１８９３０７号公報
特開２０００−６９５９４号公報
Electron. Lett., １９８１年、１７巻、５０７−５０９頁
上述の圧電薄膜共振子においては、基板の厚み方向での共振子構造、即ち圧電膜を挟む上部電極と下部電極からなるメンブレン構造、並びに下部電極での弾性波の反射構造、即ち下部電極下の構造に着眼点があり、メンブレン以外の電極形状については、特別な配慮は成されておらず、特性改善、特に低損失化への課題が残されていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、メンブレンに接続する上部電極あるいは下部電極を所定の形状にするより、良好な特性を有する共振子及び複数個組み合わせて構成するフィルタを提供することにある。
本発明は、基板上に形成された下部電極と、前記基板及び下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを有する複合膜を備えた圧電薄膜共振子において、前記圧電膜を挟む前記上部電極と前記下部電極との重なり領域であるメンブレンに接続する上部電極あるいは下部電極の少なくとも一方の電極において、前記メンブレンからの引出部分の形状が、前記メンブレンの外形幅よりも細くなっており、前記メンブレンと前記基板との間に空隙が設けられており、前記下部電極は前記空隙に露出しており、前記空隙の投影形状は楕円形であって、前記基板上での前記メンブレンの投影形状と相似している圧電薄膜共振子である。
本発明は、上記圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されているフィルタを含む。
本発明によれば、圧電膜の配向性，共振子やそれを複数個組み合わせて構成するフィルタとしての信頼性や生産性を確保したままで，メンブレンに接続する上部電極あるいは下部電極の形状により，共振子やそれらを複数個組み合わせて構成するフィルタの特性向上を実現する事ができる。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図４は本実施例の圧電薄膜共振子の構成を説明するための図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａに沿う断面図、そして図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂに沿う断面図である。実施例１では、基板４１には（１００）カットのＳｉ基板を使用しており、下部電極４３はＲｕ層である。なお、Ｓｉ基板に替えて石英基板等を用いてもよい。また、圧電膜４４にはＡｌＮ膜を用い、上部電極４５にはＲｕ膜を使用している。好ましくは、圧電膜４４は、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。
圧電膜４４を介して上部電極４５と下部電極４３が対向する領域（メンブレン４６；クロスハッチングの部分）の下部電極４３の下側と基板４１との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙４２が形成されている。メンブレン４６は、この空隙４２を形成するように湾曲（上側に凸）している。そして、この空隙４２は基板４１面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有している。この投影形状は、多角形であってもよく、閉曲線と多角形とを組み合わせた構造を有していてもよい。また、メンブレン４６の形状及び基板４１上での空隙４２の投影形状は、それぞれ互いに平行とならない辺を少なくとも一組持つ多角形とすることができる。本実施例では、上部電極４５と下部電極４３とが重なりあった部分の形状を楕円とし、空隙４２の輪郭サイズも同等のサイズとしている。この空隙４２は、下部電極下に予めパターンニングされた犠牲層を除去することにより形成される。また、基板４１には犠牲層をエッチングして空隙４２を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔４７が設けられている（図４（ｃ）では図示を省略してある）。
上部電極４５、下部電極４３の形状に関しては少なくとも一方の電極に関して、その形状が電気信号の入出力用としてメンブレン４６に接続する部分がメンブレン４６の外形幅より細くなっている。図４に示す構成は、上部電極５４と下部電極４３の両方に関して、その形状が電気信号の入出力用としてメンブレン４６に接続する部分がメンブレン４６の外形幅（長軸長さに相当）より細くなっている。後述する図７ａに示す構成では、下部電極４３に関してのみ、メンブレン４６に接続する部分がメンブレン４６の外形幅より細くなっている。共振子は上部電極４５と下部電極４３に挟まれた圧電膜４４からなるメンブレン４６と電極の配線部分からなるが、この配線部分が下部電極４３では基板４１に、上部電極４５では圧電膜４４に各々拘束（固定）された影響により、メンブレン４６が均等なドーム形状とはならないが、本実施例の形態にすることにより、拘束（固定）領域が小さくなり、均等なドーム形状に近づく。これにより、特性の向上が見込める。
図５は、図４に示した圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図であり、これらの図は何れも、図４（ａ）におけるＢ−Ｂに沿った断面図として図示してある。先ず、Ｓｉ基板４１（あるいは石英基板）上に、犠牲層４８となるＭｇＯ（２０ｎｍ程度）をスパッタリング法や真空蒸着法により成膜する（図５（ａ））。犠牲層４８としては、ＭｇＯの他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉなど、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、犠牲層４８を所望の形状にパターニングする。
図６は、犠牲層４８のパターニング形状の一例を示す図である。上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分のメンブレン４６の形状を有するメンブレン対応領域４６´に加えて、エッチング液導入孔４７に繋がる流路４７´を備えている。つまり、下部電極４３は流路４７´を介して空隙４２につながる孔部４７を有している。流路４７´の数は図では２本しか示していないが、流路数と設置場所に限定があるわけではなく適宜変更が可能である。また、上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分のメンブレン４６の大きさに対して、犠牲層４８のパターンサイズが一致する必要はないが、良好な共振特性を得るには上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分の形状と相似形状であることが望ましい。つまり、空隙４２の投影形状は、基板４１上でのメンブレン４６の投影形状と相似していることが好ましい。
次に、下部電極４３、圧電膜４４、及び上部電極４５を順次形成する（図５（ｂ））。下部電極４３は、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜され、さらにフォトリソグラフィー技術とエッチングにより下部電極４３を所望の形状にパターニングする。これに続いて、圧電膜４４であるＡｌＮを、約０．３Ｐａの圧力のＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットを用いてスパッタリング成膜する。そして、上部電極４５のＲｕ膜を、０．６〜１．２Ｐａの圧力のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜する。このようにして成膜された積層体にフォトリソグラフィー技術とエッチング（ウェットエッチング又はドライエッチング）を施し、上部電極４５と圧電膜４４とを所望の形状にパターニングする。
これに続いて、下部電極４３に対して、レジストパターニングによるフォトリソグラフィー技術とエッチング（ウェットエッチング又はドライエッチング）によりエッチング液導入孔４７を形成し（図５（ｃ））、このエッチング液導入孔４７からエッチング液を導入して犠牲層４８をエッチング除去することで空隙４２を形成する（図５（ｄ））。エッチング液導入孔４７は、下部電極４３をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。下部電極４３、圧電膜４４及び上部電極４５からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となる。このような応力条件を満足することにより、犠牲層４８のエッチング終了時点で、複合膜が膨れ上がり下部電極４３と基板４１との間にドーム形状の空隙４２を形成することができる。なお、上述のスパッタ成膜条件では、複合膜の応力は概ね（マイナス）３００ＭＰａの圧縮応力であった。
図７ａ、７ｂは、このようにして得られた圧電薄膜共振子の共振特性を説明するための図で、非メンブレン領域の上部電極と下部電極のメンブレンからの接続形状を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示している。これらの図に示されているように、本発明の圧電薄膜共振子において、メンブレンから非メンブレンへの上部電極や下部電極の接続形状が平行や太くなっている従来型から、メンブレンの外形幅よりも細くする本発明の形状にすることで、電気機械結合係数が向上して、共振子性能が向上していることが確認できた。なお、図７ａの右側に図示されたメンブレン形状からの接続形状は、一方の電極においてのみ、メンブレン４６の長軸長さに等しい最大幅を有し、メンブレン４６から離れるにしたがって次第に（連続的に）細くなっている。図７ｂの下方中央に図示されたメンブレンからの接続形状は図４（ａ）に示す形状と同じである。この場合、接続形状の最大幅はメンブレンの長軸方向の長さに等しい。また、図７ｂの下方右側に図示されたメンブレンからの接続形状は、実施例１の変形例に相当するもので、接続形状の最大幅はメンブレンの長軸方向の長さよりも短い。なお、図７ａと７ｂでは電極面積が異なるので、同じ形状の従来構造であっても電気機械結合係数が大きく異なっている。
（実施例２）
実施例１では単一の圧電薄膜共振子のみについて説明したが、このような共振子を、図８に示すように、直列腕と並列腕にそれぞれラダー型に配置することによってバンドパスフィルタを構成することが可能である。本実施例では、直列腕に４個Ｓ１〜Ｓ４、並列腕に３個Ｐ１〜Ｐ３の圧電薄膜共振子が配置されている。圧電薄膜共振子の基本構造は実施例１で説明した圧電薄膜共振子と同じであるが、並列共振子の共振周波数を低下させてバンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振子の上部電極上に不図示のＴｉ膜からなる付加膜が設けられている。
実施例１では単一の圧電薄膜共振子のみについて説明したが、このような共振子を、図８に示すように、直列腕と並列腕にそれぞれラダー型に配置することによってバンドパスフィルタを構成することが可能である。本実施例では、直列腕に４個Ｓ１〜Ｓ４、並列腕に３個Ｐ１〜Ｐ３の圧電薄膜共振子が配置されている。圧電薄膜共振子の基本構造は実施例１で説明した圧電薄膜共振子と同じであるが、並列共振子の共振周波数を低下させてバンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振子の上部電極上に不図示のＴｉ膜からなる付加膜が設けられている。
図９は、実施例１のバンドパスフィルタの通過特性を示したものである。比較のためにすべて従来構造であるメンブレンから非メンブレンへの上部電極と下部電極の接続形状が平行となっている圧電薄膜共振子を用いた特性も示してある。挿入損失が通過帯域に渡り改善すると共に、電気機械結合係数の向上による通過帯域内のリップルが改善し、本発明の効果を確認することができた。
ここで示した実施例では、下部電極下と基板との間に空隙を設けたキャビティタイプの共振子を示したが、下部電極の下に貫通孔を設けたバイアホールタイプの共振子でも同様な効果が得られる。なお、電極や圧電膜の材料は、背景技術で説明したものを用いることができる。
以上、本発明の実施例を説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、他の実施例や変形例を含むものである。
４１ 基板
４２ 空隙
４３ 下部電極
４４ 圧電膜
４５ 上部電極
４６ メンブレン
４６´ メンブレン対応領域
４７ エッチング液導入孔
４７´ 流路
４８ 犠牲層
４２ 空隙
４３ 下部電極
４４ 圧電膜
４５ 上部電極
４６ メンブレン
４６´ メンブレン対応領域
４７ エッチング液導入孔
４７´ 流路
４８ 犠牲層
Claims (6)
- 基板上に形成された下部電極と、前記基板及び下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを有する複合膜を備えた圧電薄膜共振子において、前記圧電膜を挟む前記上部電極と前記下部電極との重なり領域であるメンブレンに接続する上部電極あるいは下部電極の少なくとも一方の電極において、
前記メンブレンからの引出部分の形状が、前記メンブレンの外形幅よりも細くなっており、
前記メンブレンと前記基板との間に空隙が設けられており、前記下部電極は前記空隙に露出しており、
前記空隙の投影形状は楕円形であって、前記基板上での前記メンブレンの投影形状と相似していることを特徴とする圧電薄膜共振子。 - 前記空隙は、前記メンブレンと前記基板との間にドーム状の膨らみを有するように湾曲した形状であり、前記空隙の投影形状は閉曲線もしくは多角形又はそれらの組合せからなる輪郭を有していることを特徴とする請求項１項記載の圧電薄膜共振子。
- 前記メンブレンの形状及び前記基板上での前記空隙の投影形状は、それぞれ互いに平行とならない辺を少なくとも一組持つ多角形であることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記下部電極には、前記メンブレンと前記基板との間の前記空隙に通じる孔部が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
- 請求項１から５の何れかに記載の圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されていることを特徴とするフィルタ。
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