JP4432972B2 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振子に関する。
圧電薄膜共振子は、対向する一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を基板から音響的に分離する必要がある。そのため、薄膜部（メンブレン）を、空隙層を介して基板から部分的に浮き上がるように構成したものがある。
この種の構造の圧電薄膜共振子において、薄膜部は、基板に支持される支持部分と、基板から浮いた浮き部分とを含み、浮き部分は支持部分に支持され、浮き部分と支持部分の境界近傍部分に応力が集中してクラックが発生しやすい。また、浮き部分の振動部がたわみやすい。そこで、圧電薄膜を１対の励振電極で挟み込み、さらにそれを１対の誘電体薄膜で挟み込む構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平６−４０６１１号公報
圧電薄膜を１対の励振電極で挟み込み、さらにそれを１対の誘電体薄膜で挟み込む構造の場合、クラックや振動部のたわみは低減できるが、良好な共振特性を得るには、振動モードを３倍波などの高調波としなければならず、基本波の共振子に比べその共振特性は帯域の狭いものとなる。この共振子を用いた場合、フィルタの帯域も小さくなり、所望のフィルタを作製することができない。
また、ダイシング工程で、メンブレンの強度不足により、ダイアフラム破壊が生じやすい。さらに、実装時の取り扱い時に、振動部が剥き出しになっているため、振動部に負荷がかかりやすく、素子が破壊する不良が発生しやすい。
本発明は、かかる実情に鑑み、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保し、実装時の取り扱いを容易にすることができる圧電薄膜共振子を提供しようとするものである。
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜共振子を提供する。
圧電薄膜共振子は、基板と、薄膜部と、補強膜とを備える。前記薄膜部は、前記基板に支持される少なくとも２箇所の支持部分と、前記基板との間に空隙層を介して配置され前記支持部分に支持される浮き部分とを有する。前記浮き部分は、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を含む。前記補強膜は、前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界近傍部分に形成される。
上記構成によれば、薄膜部（メンブレン）の支持部分と浮き部分の境界近傍部分において、補強膜によりメンブレンの強度が向上されるので、クラックやたわみを低減することができる。
また、補強膜は、薄膜部の振動部には形成しないので、共振特性を損なうことはない。
さらに、振動部の周囲に補強膜を設けているので、振動部が補強膜に対してへこんでおり、振動部に負荷がかかりにくくなり、実装時の取り扱いが容易となる。
また、本発明は、以下のように構成した圧電薄膜共振子を提供する。
圧電薄膜共振子は、基板と、薄膜部と、補強膜と、共振子間補強膜とを備える。前記薄膜は、前記基板に支持される少なくとも３箇所の支持部分と、前記基板との間に空隙層を介して配置され前記支持部分に支持される浮き部分とを有する。前記浮き部分は、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された少なくとも２箇所の振動部を含む。各振動部は、２つの前記支持部分を結ぶ方向に一列に配置される。前記補強膜は、前記薄膜部の前記２つの支持部分と前記浮き部分との境界近傍部分にそれぞれ配置される。前記共振子間補強膜は、前記薄膜部の他の前記支持部分から前記薄膜部の前記浮き部分の前記２箇所の振動部の間に延在するように配置される。
上記構成によれば、複数の振動部を有するメンブレンのクラック、たわみを低減することができる。
また、補強膜は、薄膜部の振動部には形成しないので、共振特性を損なうことはない。
さらに、振動部の周囲に補強膜を設けているので、振動部が補強膜に対してへこんでおり、振動部に負荷がかかりにくくなり、実装時の取り扱いが容易となる。
好ましくは、前記基板は、平坦部とテーパ部とを有する。前記薄膜部の前記支持部分は、前記浮き部分との境界近傍部分において、前記基板の前記平坦部と前記テーパ部との両方に接する。前記境界近傍部分における前記浮き部分のテーパ角度が、前記基板の前記テーパ部のテーパ角度より小さい。
上記構成によれば、薄膜部と基板とが接する面から略連続的に浮き部分が延在するようにして、薄膜部の支持部分と浮き部分との境界近傍における応力集中を緩和し、クラックやたわみを低減することができる。
好ましくは、上記各構成の圧電薄膜共振子は、前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界が直線状である。
上記構成によれば、浮き部分の占める面積を小さくでき、圧電薄膜共振子を小型にできる。
好ましくは、上記各構成の圧電薄膜共振子は、前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界が曲線状である。
上記構成によれば、薄膜部の支持部分と浮き部分との境界の剛性を高め、クラックやたわみを低減することができる。
具体的には、以下のように構成する。
好ましくは、前記基板がＲ面サファイアである。前記圧電薄膜がＺｎＯ又はＡｌＮである。
好ましくは、前記基板がＣ面サファイア、Ｚ面ＬｉＴａＯ３又はＺ面ＬｉＮｂＯ３である。前記圧電薄膜がＺｎＯ又はＡｌＮである。
この場合、共振周波数が１．５ＧＨｚ以上において、補強膜の効果がより大きい。
また、本発明は、上記いずれかの構成の圧電薄膜共振子を用いた圧電フィルタを提供する。この圧電フィルタは、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子を用いるので、信頼性が高く、所望の共振特性とすることが可能である。
また、本発明は、上記いずれかの構成の圧電薄膜共振子又は上記いずれかの構成の圧電フィルタを用いたデュプレクサを提供する。このデュプレクサは、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子、またはこの圧電薄膜共振子を用いた圧電フィルタを用いるので、信頼性が高く、所望の周波数特性とすることが可能である。
また、本発明は、上記いずれかの構成の圧電薄膜共振子又は上記いずれかの構成の圧電フィルタを用いた通信装置を提供する。この通信装置は、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子、またはこの圧電薄膜共振子を用いた圧電フィルタを用いるので、信頼性が高く、所望の周波数特性とすることが可能である。
本発明の圧電薄膜共振子は、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保し、実装時の取り扱いを容易にすることができる。
１０ 圧電薄膜共振子
１１ 基板
１４ 空隙層
１７ａ，１７ｂ 電極（励振電極）
１８ 圧電薄膜
１９ａ，１９ｂ 補強膜
２７ａ，２７ｂ 電極（励振電極）
２８ 圧電薄膜
２９ａ，２９ｂ 補強膜
３０ 圧電薄膜共振子
３１ 基板
３４ 空隙層
３７ａ，３７ｂ 電極（励振電極）
３８ 圧電薄膜
３９ａ，３９ｂ 補強膜
４２ｓ，４２ｔ 振動部
４７ａ，４７ｂ，４７ｃ 電極（励振電極）
４８ 圧電薄膜
４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ 補強膜
４９ｓ 補強膜（共振子間補強膜）
５０ 圧電薄膜共振子
５１ 基板
５１ａ 上面（平坦部）
５１ｓ 斜面（テーパ部）
５４ 空隙層
５７ａ，５７ｂ 電極（励振電極）
５８ 圧電薄膜
５９ａ，５９ｂ 補強膜
６３ｓ，６３ｔ 稜（境界）
６７ａ，６７ｂ 電極（励振電極）
６８ 圧電薄膜
６９ａ，６９ｂ 補強膜
７０ 圧電フィルタ
８０ デュプレクサ
９０ 通信装置
１１ 基板
１４ 空隙層
１７ａ，１７ｂ 電極（励振電極）
１８ 圧電薄膜
１９ａ，１９ｂ 補強膜
２７ａ，２７ｂ 電極（励振電極）
２８ 圧電薄膜
２９ａ，２９ｂ 補強膜
３０ 圧電薄膜共振子
３１ 基板
３４ 空隙層
３７ａ，３７ｂ 電極（励振電極）
３８ 圧電薄膜
３９ａ，３９ｂ 補強膜
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４７ａ，４７ｂ，４７ｃ 電極（励振電極）
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４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ 補強膜
４９ｓ 補強膜（共振子間補強膜）
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５１ 基板
５１ａ 上面（平坦部）
５１ｓ 斜面（テーパ部）
５４ 空隙層
５７ａ，５７ｂ 電極（励振電極）
５８ 圧電薄膜
５９ａ，５９ｂ 補強膜
６３ｓ，６３ｔ 稜（境界）
６７ａ，６７ｂ 電極（励振電極）
６８ 圧電薄膜
６９ａ，６９ｂ 補強膜
７０ 圧電フィルタ
８０ デュプレクサ
９０ 通信装置
以下、本発明の実施の形態として実施例について、図１〜図１２を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１の圧電薄膜共振子１０の構造を模式的に示す要部平面図である。図２は、図１の線II−IIに沿って切断した断面図である。
図１は、実施例１の圧電薄膜共振子１０の構造を模式的に示す要部平面図である。図２は、図１の線II−IIに沿って切断した断面図である。
圧電薄膜共振子１０は、基板１１上に、誘電体膜１６、下部電極１７ａ、圧電薄膜１８、上部電極１７ｂ、および補強膜１９ａ，１９ｂが形成されている。基板１１と誘電体膜１６との間には、犠牲層１３（図１参照）を除去することにより形成された空隙層１４（図２参照）によって、電極１７ａ，１７ｂが重なり合った積層方向の部分１２の誘電体膜１６、下部電極１７ａ、圧電薄膜１８及び上部電極１７ｂ、すなわち振動部１２が基板１１から浮き上った構造となっている。
圧電薄膜共振子１０は、以下のようにして作製する。
基板１１上の一部分に、スパッタリングやエッチングなどの手法を用いて、化学的に溶解しやすい酸化亜鉛などの犠牲層１３を形成する。基板１１には、安価で加工性に優れた基板を用いる。表面が平坦なＳｉ基板やガラス基板は、なおよい。犠牲層１３は、空隙層１４を形成するため、最終的には除去する。犠牲層１３の材料は、圧電薄膜１８の成膜時に達する可能性のある高温に耐え、かつ容易に除去できるものであることが好ましい。例えば、Ｇｅ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕなどの金属や、リン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や、ポリマーなどである。ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン又はその誘導体、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリイミドシロキサン、ビニルエーテル、ポリフェニル、パリレン−ｎ、パリレン−ｆ、ベンゾシクロブテンなどが好ましい。形成する犠牲層１３の厚さは、メンブレンがたわんでも振動部１２が基板１１と接触しない厚さが必要であり、作製上の容易さから５０ｎｍ以上数μｍ以下が好ましい。
次に、犠牲層１３と基板１１の上に全面を覆うようにスパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等で誘電体膜（図示せず）を形成する。誘電体膜（図示せず）として、圧電薄膜１８に用いる材料と逆の周波数温度特性（ＴＣＦ）を持つ材料を用いることで、共振子・フィルタの温度変化に対する周波数変化が小さくなり特性が向上する。圧電薄膜１８に酸化亜鉛や窒化アルミニウムを用いる場合は、それらとは逆のＴＣＦをもつＳｉＯ２を用いるとよい。
次に、誘電体膜（図示せず）の上に、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより、下部電極１７ａを形成する。下部電極１７ａは、Ｍｏ，Ｐｔ，Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｔｉなどの金属材料を主材とし、犠牲層１３上から基板１１上にかけて帯状に形成する。
次に、下部電極１７ａ上に、スパッタリングなどによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより、酸化亜鉛や窒化アルミニウムなどの圧電薄膜１８を形成する。窒化アルミニウムを形成する場合、酸化亜鉛を用いたリフトオフにより窒化アルミニウムをパターニングする。犠牲層１３上にＳｉＯ２などの誘電体膜１６を全面に形成しているので、リフトオフ用の酸化亜鉛のパターニング時や、窒化アルミニウムのリフトオフ時に、酸化亜鉛をウエットエッチングしても、犠牲層１３に用いた酸化亜鉛などがエッチングされることはない。
次に、圧電体膜１８上に、下部電極１７ａと同様に、上部電極１７ｂを形成する。
次に、補強膜１９ａ，１９ｂを形成する。図１に示したように、下部電極１７ａと上部電極１７ｂとが直線状に配置されている場合、メンブレンと基板１１の接続部（すなわち、メンブレンの浮き部分と支持部分との境界近傍部分。以下、同じ。）の下部電極１７ａ及び上部電極１７ｂの上に、補強膜１９ａ、１９ｂを形成する。さらに、振動部１２にかからない電極１７ａ，１７ｂ上にも、できるだけ補強膜１９ａ、１９ｂを形成するようにする。補強膜１９ａ，１９ｂの形成方法は、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等である。補強膜１９ａ，１９ｂに用いる材料は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｚｒなど、これらのうち少なくとも１つの元素を含む金属（合金も含む）材料である。
次に、犠牲層エッチホール１３ａ，１３ｂと誘電体膜１６とを形成する。犠牲層エッチホール１３ａ，１３ｂは、誘電体膜１６から露出している犠牲層１３の部分である。フォトリソグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチングや、ウエットエッチングなどにより、犠牲層エッチホール１３ａ、１３ｂ上の誘電体膜（図示せず）を除去する。たとえば、誘電体膜（図示せず）にＳｉＯ２を用いた場合、ＣＦ４などのフッ素系のガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。また、フッ酸などの溶液でウエットエッチングしてもよい。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。
次に、犠牲層エッチホール１３ａ，１３ｂから、犠牲層１３をエッチングし、空隙層１４を形成する。フォトリソグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチングや、ウエットエッチングなどにより犠牲層１３を除去する。たとえば、犠牲層１３に酸化亜鉛を用いた場合、塩酸やリン酸など酸性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。また、圧電薄膜１８、誘電体膜１６、電極１７ａ，１７ｂ、補強膜１９ａ，１９ｂをエッチングしない溶液であれば、フォトリソグラフィーによるパターニングと、このエッチマスクの除去という工程は削除することができる。たとえば、圧電薄膜１８に窒化アルミニウム、誘電体膜１６にＳｉＯ２、電極１７ａ，１７ｂにＰｔ，Ａｕ，Ｔｉなどを用いた場合、パターニングすることなく酢酸とリン酸などの混合水溶液により、犠牲層１３の酸化亜鉛を除去することができる。エッチング後、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）など揮発性の溶液で十分置換し、乾燥させて空隙層１４を形成する。
空隙形成用の犠牲層１３と、圧電薄膜１８の窒化アルミニウム形成用のリフトオフ用のマスクに同じ酸化亜鉛を用いる場合、窒化アルミニウムパターニング時は、犠牲層１３上に全面に誘電体膜１６を形成しているので、窒化アルミニウムリフトオフ時に、犠牲層１３の形状を損なうことがない。犠牲層１３以外の構成膜に、犠牲層１３のエッチング溶液に耐性のあるものを用いれば、犠牲層エッチング時のパターニングの工程を削除することができ、工程安定化、工数低減によるコストダウンが可能となる。犠牲層１３をウエットエッチングした後、エッチャントをＩＰＡなどの揮発性溶液に十分置換することにより、犠牲層除去後の乾燥工程に要する時間が早くなり、コストダウンが可能である。
圧電薄膜共振子１０は、犠牲層１３の除去後に、メンブレンの応力が集中するメンブレンと基板１１の接続部に、金属の補強膜１９ａ，１９ｂが形成されているので、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。また、金属の補強膜１９ａ，１９ｂを、下部電極１７ａや上部電極１７ｂの上に配置することにより、配線抵抗が低下し、フィルタの挿入損失が低減するので、良好なフィルタ特性を得ることができる。また、補強膜１９ａ，１９ｂに熱伝導率の高い金属を用いることにより、より放熱性が向上し、より耐電力性に優れた共振子となる。
図３に、実施例１の変形例として、下部電極２７ａと上部電極２７ｂとが直線状でない場合を示す。基板上に、誘電体膜２６、下部電極２７ａ、圧電薄膜２８、上部電極２７ｂ、および補強膜２９ａ，２９ｂ，２９ｃが形成されている。下部電極２７ａは、犠牲層２３をまたぐように形成し、振動部２２の両側にメンブレンと基板の接続部を設け、この２箇所の接続部の下部電極２７ａ上に補強膜２９ａ，２９ｂを形成する。上部電極２７ｂは、下部電極２７ａと直角に配置され、犠牲層２３上から少なくとも一端が基板上まで延在する。メンブレンと基板の少なくとも１箇所の接続部の上部電極２７ｂ上に補強膜２９ｃを形成する。
（実施例２）
図４は、実施例２の圧電薄膜共振子３０の構造を模式的に示す要部平面図である。図５は、図４中の線Ｖ−Ｖに沿って切断した断面図である。
図４は、実施例２の圧電薄膜共振子３０の構造を模式的に示す要部平面図である。図５は、図４中の線Ｖ−Ｖに沿って切断した断面図である。
圧電薄膜共振子３０は、実施例１と略同様に、基板３１上に、誘電体膜３６、下部電極３７ａ、圧電薄膜３８、上部電極３７ｂ、および補強膜３９ａ，３９ｂが形成され、基板３１と誘電体膜３６との間に形成された空隙層３４によって、電極３７ａ，３７ｂが重なり合った積層方向の部分３２の誘電体膜３６、下部電極３７ａ、圧電薄膜３８及び上部電極３７ｂ、すなわち振動部３２が基板３１から浮き上った構造となっている。
ただし、メンブレンの具体的な構造は、実施例１と異なる。すなわち、犠牲層３３を図４に示すように略Ｈ形状に形成し、メンブレンと基板３１の接続部を４箇所設ける。補強膜３９ａ，３９ｂは、下部電極３７ａ上及び上部電極３７ｂ上の部分以外の振動部３２に隣接する２箇所に形成している。補強膜３９ａ，３９ｂの形成方法は、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等である。補強膜３９ａ，３９ｂの材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタルなどを主材料とした絶縁材料で、２層以上の多層構造としてもよい。
実施例１では、下部電極１７ａと上部電極１７ｂを電気的に短絡させないように、また、電極１７ａ，１７ｂ間の寄生容量が共振特性に悪影響を及ぼさないように、補強膜１９ａ，１９ｂを配置しなければならない。実施例２のように、補強膜３９ａ，３９ｂに絶縁材料を用いる場合、共振子の電気的配線を考慮しないですむため、補強材料のレイアウトの自由度が大きくなる。補強膜３９ａ，３９ｂを２種類以上の絶縁材料を用いた多層構造にすることで、補強膜３９ａ，３９ｂの応力を緩和することができるため、メンブレンの強度が向上する。補強膜３９ａ，３９ｂとして、熱伝導率のよい窒化アルミニウムを用いると、放熱性も上がり、耐電力性に優れた共振子を得ることができる。
圧電薄膜共振子３０は、犠牲層３３の除去後に、応力が集中するメンブレンと基板３１の接続部に、補強膜３９ａ，３９ｂが形成されているので、実施例１と同様に、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。
なお、メンブレンと基板３１の接続部で電極３７ａ，３７ｂが形成されていない領域に補強膜３９ａ，３９ｂを配置した上、さらに、メンブレンと基板３１の接続部の下部電極３７ａ及び上部電極３７ｂ上に、実施例１のように金属材料の補強膜や、金属材料と絶縁材料の多層の補強膜を配置してよい。
（実施例３）
図６は、実施例３の圧電薄膜共振子４０の構造を模式的に示す要部平面図である。
図６は、実施例３の圧電薄膜共振子４０の構造を模式的に示す要部平面図である。
実施例３の圧電薄膜共振子４０は、実施例１と略同様に構成されるが、実施例１と異なり、２つの共振子素子を備えている。すなわち、基板上に、誘電体膜４６、下部電極４７ａ、圧電薄膜４８、上部電極４７ｂ，４７ｃ、および補強膜４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｓが形成され、基板と誘電体膜４６との間に形成された犠牲層４３によって形成された空隙層によって、下部電極４７ａと上部電極４７ｂ，４７ｃが重なり合った積層方向の部分４２ｓ，４２ｔの誘電体膜４６、下部電極４７ａ、圧電薄膜４８及び上部電極４７ｂ，４７ｃ、すなわち２つの振動部４２ｓ，４２ｔが基板から浮き上った構造となっている。補強膜４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄは、実施例１と同様に、メンブレンと基板の接続部の下部電極４７ａ及び上部電極４７ｂ，４７ｃ上に形成する。補強膜４９ｓは、振動部４２ｓ，４２ｔ以外の領域の犠牲層４３上を横断するように形成する。
圧電薄膜共振子４０は、犠牲層４３の除去後に、応力が集中するメンブレンと基板の接続部に、補強膜４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｓが形成されているので、実施例１と同様に、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。
（実施例４）
図７は、実施例４の圧電薄膜共振子５０の構造を模式的に示す断面図である。図８は、その要部拡大断面図である。
図７は、実施例４の圧電薄膜共振子５０の構造を模式的に示す断面図である。図８は、その要部拡大断面図である。
実施例４の圧電薄膜共振子５０は、基板５１の上面５１ａに形成された凸部５１ｘの上に空隙層５４が形成され、その上に、誘電体膜５６、下部電極５７ａ、圧電薄膜５８、上部電極５７ｂ、および補強膜５９ａ，５９ｂの薄膜部が形成されている。基板５１の上面５１ａと、凸部５１ｘの斜面５１ｓとは、順テーパとなっている。すなわち、基板５１の上面５１ａと凸部５１ｘの斜面５１ｓとの間の角度は、鈍角（９０°を越え、１８０°未満）である。薄膜部と基板５１とは、この鈍角で交わる２つの面５１ａ，５３ｓを介して接するようになっている。
圧電薄膜共振子５０は、以下のようにして作製する。
基板５１の凸部５１ｘを形成する部分に、最終形状よりも厚めに犠牲層５３を形成する。このとき犠牲層５３の断面は台形形状にパターニングし、その斜面が基板５１と緩やかな順テーパとなる（基板５１の上面と１８０°に近い鈍角をなす）ことが好ましい。犠牲層５３の断面を緩やかな順テーパ形状にするには、たとえばフォトレジストを犠牲層５３に用いる場合は、光強度が徐々に変化するグレートーンマスクを用いてパターニングを行い、斜面を順テーパ形状に形成する。
次に、犠牲層５３と基板５１を反応性イオンエッチングもしくはウエットエッチングによりエッチングする。例えば、ＣＦ４などのフッ素系のガスを用いて反応性イオンエッチングを行うことで、基板５１のＳｉやＳｉＯ２と犠牲層５３のポリマーを共にエッチングする。このとき、犠牲層５３に対して基板５１のエッチング速度が大きいと、図８に示すように、犠牲層５３の斜面５３ｓの傾きが凸部５１ｘの斜面５１ｓの傾きより小さくなる。すなわち、断面が台形形状の犠牲層５３をマスクにして基板エッチングを行うと、基板５１が厚み方向にエッチングされるにつれて犠牲層５３も厚み方向にエッチングされて犠牲層に覆われる基板面積が減っていくので、基板５１に犠牲層５３のテーパより角度の大きいテーパが形成される。
犠牲層５３の斜面５３ｓのテーパ角度が基板５１の凸部５１ｘの斜面５１ｓのテーパ角度より小さいほど、メンブレンの残留応力を小さくできてメンブレンの強度を確保できる。また、犠牲層５３上に誘電体膜５６を被覆性良く形成することができる。そして、その後に形成する電極５７ａ，５７ｂを被覆性良く形成することができ、電極５７ａ，５７ｂの断線などによる素子不良を低減することができる。
基板５１に凸部５１ｘを形成した後の犠牲層５３の厚さは、メンブレンがたわんでも振動部５２が基板５１（凸部５１ｘの上面５１ｂ）と接触しない厚さが必要であり、作製の容易さから５０ｎｍ以上、十数μｍ以下が好ましい。
また、作製上の容易さから、図８に示すように、基板５１に形成する凸部５１ｘの突出高さａは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、メンブレンの厚さ以上であるとなおよい。さらに図８に示すａは、同図に示すｈに対して半分程度であることが好ましい。
図８に示すように、基板５１に形成した凸部５１ｘの斜面５１ｓよりも、犠牲層５３の斜面５３ｓの方が傾き、メンブレンの角度の変化がなるべく少なくなる（角度が徐々に変化）ようにしている。
圧電薄膜共振子５０は、犠牲層５３のテーパ角度が基板５１のテーパ角度より小さいほど、メンブレンの強度を確保でき、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。また、犠牲層５３のテーパ角度が基板５１の凸部５１ｘのテーパ角度より小さいほど、後に形成する電極５７ａ，５７ｂを被覆性良く形成することができ、電極５７ａ，５７ｂの断線などによる素子不良を低減することができる。犠牲層５３の除去後でも、メンブレンの強度は確保できる。
（実施例５）
実施例４と同様の構造の圧電薄膜共振子を、実施例とは異なる方法で作製する。
実施例４と同様の構造の圧電薄膜共振子を、実施例とは異なる方法で作製する。
すなわち、基板に犠牲層を形成後、犠牲層上にエッチマスクを形成する。その後、犠牲層、基板を反応性イオンエッチングやウエットエッチングなどにより、エッチングして犠牲層と基板にテーパを形成する。その後、エッチマスクを除去する。エッチマスクは、フォトレジストなどのほか、Ａｌなどの金属でもよい。また、犠牲層と基板のエッチングとエッチマスク除去工程を同じとしてもよい。すなわち、エッチング工程で、犠牲層、基板、エッチマスクのすべてがエッチングされ、少なくともエッチマスクが除去されるまで、エッチングを行う。
実施例４のように犠牲層パターニング後に基板に凹凸を形成し、同時に犠牲層もエッチングする場合に比べ、犠牲層が加工される工程が少ないため、工程の安定化を図ることができる。
（実施例６）
実施例６の圧電薄膜共振子は、メンブレンに誘電体膜を採用せず、浮き部分は圧電薄膜とそれを挟む電極のみの構造とする。
実施例６の圧電薄膜共振子は、メンブレンに誘電体膜を採用せず、浮き部分は圧電薄膜とそれを挟む電極のみの構造とする。
すなわち、基板に犠牲層を形成する前に、少なくとも１層以上の誘電体膜、金属膜、有機膜などの構成膜を形成する。基板にＳｉを用いた場合は、熱酸化ケイ素を形成するとよい。また、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などにより、窒化ケイ素などの誘電体膜を形成してもよい。
電極と基板間に構成膜を形成することで、電極・基板間の構成膜の拡散を防止でき、拡散によって生ずる電極間の絶縁抵抗の低下といった問題が解決される。
（実施例７）
図９は、実施例７の圧電薄膜共振子６０の構造を模式的に示す要部平面図である。
図９は、実施例７の圧電薄膜共振子６０の構造を模式的に示す要部平面図である。
他の実施例と略同様に、基板上に空隙層を形成するための犠牲層６３を形成し、その上に誘電体膜６６、下部電極６７ａ、圧電薄膜６８、上部電極６７ｂ及び補強膜６９ａ，６９ｂを形成する。
ただし、他の実施例と異なり、犠牲層６３の稜６３ｓ，６３ｔは曲線であり、犠牲層６３が除去された後、メンブレンの基板から浮いた浮き部分と基板に支持された支持部分の境界の形状が曲線になる。また、メンブレン内で振動部６２を形成する電極６７ａ，６７ｂの端部６７ｓ，６７ｔの形状が曲線であり、電極６７ａ，６７ｂに隣接する犠牲層６３の稜６３ｓ，６３ｔの形状を電極６７ａ，６７ｂの端部６７ｓ，６７ｔの形状に略平行にする。
実施例７の圧電薄膜共振子６０は、犠牲層６３の除去後に応力が集中するメンブレンの浮き部分と支持部分の境界近傍部分の形状を、ゆるやかな曲線状にすることにより、メンブレンの強度が高くなり、メンブレンのクラックやたわみによる特性不良を低減することができる。また、メンブレン内で振動部６２を形成する電極６７ａ，６７ｂの端部６７ｓ，６７ｔの形状が曲線の場合、電極６７ａ，６７ｂに隣接する犠牲層５３の稜６３ｓ，６３ｔの形状を電極６７ａ，６７ｂの端部６７ｓ，６７ｔの形状に略平行にすることにより、振動部６２で発生する熱を効率よく基板へ放熱することができ、より耐電力性にすぐれた共振子を得ることができる。
（実施例８）
他の実施例と同様の構造の圧電薄膜共振子を作製する。基板にＣ面を表面にもつサファイア基板上にＺｎＯを主成分とする犠牲層を形成する。このとき、犠牲層であるＺｎＯのＣ面は、基板表面法線方向を向いている。その上に、ＺｎＯと格子整合性の良好なＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｗを下部電極として形成する。下部電極上には、下部電極と格子整合性の良好な圧電薄膜であるＺｎＯ，ＡｌＮ，ＢａＴｉＯ３，ＫＮｂＯ３，ＰＺＴ等を形成する。このとき、圧電薄膜のＣ面は、基板表面法線方向を向いて形成される。また、圧電薄膜の上には、圧電薄膜と格子整合性の良好なＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｗを上部電極として形成する。犠牲層、下部電極、圧電薄膜、上部電極の形成方法は、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等である。パターニング方法としては、リフトオフ、エッチング等を用いる。その後、犠牲層の除去をウエットエッチングやドライエッチング等で行なう。基板には、サファイア基板以外にａ面を表面にもつＳｉＣ基板、Ｚ面を表面にもつＬｉＴａＯ３，ＬｉＮｂＯ３を用いてもよい。また、圧電薄膜と弾性定数の温度係数の符号の異なるＳｉＯ２等と組み合わせてもよい。振動モードは、厚み縦振動を利用する。
他の実施例と同様の構造の圧電薄膜共振子を作製する。基板にＣ面を表面にもつサファイア基板上にＺｎＯを主成分とする犠牲層を形成する。このとき、犠牲層であるＺｎＯのＣ面は、基板表面法線方向を向いている。その上に、ＺｎＯと格子整合性の良好なＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｗを下部電極として形成する。下部電極上には、下部電極と格子整合性の良好な圧電薄膜であるＺｎＯ，ＡｌＮ，ＢａＴｉＯ３，ＫＮｂＯ３，ＰＺＴ等を形成する。このとき、圧電薄膜のＣ面は、基板表面法線方向を向いて形成される。また、圧電薄膜の上には、圧電薄膜と格子整合性の良好なＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｗを上部電極として形成する。犠牲層、下部電極、圧電薄膜、上部電極の形成方法は、スパッタリング、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等である。パターニング方法としては、リフトオフ、エッチング等を用いる。その後、犠牲層の除去をウエットエッチングやドライエッチング等で行なう。基板には、サファイア基板以外にａ面を表面にもつＳｉＣ基板、Ｚ面を表面にもつＬｉＴａＯ３，ＬｉＮｂＯ３を用いてもよい。また、圧電薄膜と弾性定数の温度係数の符号の異なるＳｉＯ２等と組み合わせてもよい。振動モードは、厚み縦振動を利用する。
（実施例９）
図４に示した構造とし、厚みすべり振動を利用する圧電薄膜共振子を作製する。Ｒ面を表面にもつサファイア基板を用いる。犠牲層であるＺｎＯのＣ面は、基板表面法線と垂直方向を向いて形成する。これにより、圧電薄膜のＣ面が基板表面法線と垂直方向を向いて形成される。
図４に示した構造とし、厚みすべり振動を利用する圧電薄膜共振子を作製する。Ｒ面を表面にもつサファイア基板を用いる。犠牲層であるＺｎＯのＣ面は、基板表面法線と垂直方向を向いて形成する。これにより、圧電薄膜のＣ面が基板表面法線と垂直方向を向いて形成される。
Ｒ面サファイア基板上に、圧電薄膜としてＺｎＯ又はＡｌＮを形成すると、Ｃ軸が基板面に並行な圧電薄膜が得られ、これを基板面に平行な１対の電極で挟むことにより、厚みすべりモードを励振できる。同一の共振周波数が得られる厚みすべりモードのＢＡＷ共振子は、厚み縦モードのＢＡＷ共振子に比べて、圧電薄膜の厚さが約１／２となる。破損しやすいので、補強膜の効果がより大きい。また、圧電薄膜の結晶性をよくするためには、サファイア基板の上の犠牲層と、犠牲層の上の電極とが、共に配向膜であることが必要である。
Ｃ面サファイア、Ｚ面ＬｉＴａＯ３又はＺ面ＬｉＮｂＯ３で基板上に、ＺｎＯ又はＡｌＮを形成すると、Ｃ軸が基板面に垂直な圧電薄膜が得られ、これを基板面に平行な１対の電極で挟むことにより、厚み縦モードを励振できる。厚み縦モードであっても、共振周波数に反比例して厚みが薄くなり、破損しやすくなるので、共振周波数が１．５ＧＨｚ以上においては、補強膜の効果がより大きい。
（実施例１０）
図１０ａ〜図１０ｃは、実施例１０の圧電フィルタの回路図である。
図１０ａ〜図１０ｃは、実施例１０の圧電フィルタの回路図である。
実施例１０の圧電フィルタは、実施例１〜９の圧電薄膜共振子を用いて構成する。図１０ａに示す圧電フィルタ７０は、１つの直列圧電薄膜共振子７２と１つの並列圧電薄膜共振子７４とをＬ型にラダー接続したＬ型ラダーフィルタである。図１０ｂに示す圧電フィルタ１００は、圧電薄膜共振子を格子型に接続したラティス型フィルタである。この場合、平衡−平衡フィルタができる。図１０ｃに示す圧電フィルタ１１０は、多重モード型フィルタである。この場合、高選択度のフィルタができる。
これらの圧電フィルタ７０，１００，１１０は、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子を用いるので、圧電フィルタとして信頼性が高く、所望の周波数特性とすることが可能である。
（実施例１１）
図１１は、実施例１１のデュプレクサ８０の回路図である。
図１１は、実施例１１のデュプレクサ８０の回路図である。
デュプレクサ８０には、アンテナ端子８２、受信側端子８４および送信側端子８６が設けられている。デュプレクサ８０は、受信側端子８４とアンテナ端子８２との間に、受信周波数帯域のみ通過させ、送信周波数帯域を減衰させる圧電フィルタを備える。また、送信側端子８６とアンテナ端子８２との間に、送信周波数帯域のみ通過させ、受信周波数帯域を減衰させる圧電フィルタを備える。デュプレクサ８０が備えるこれらの圧電フィルタは、実施例１〜９のいずれかの圧電薄膜共振子で構成する。
デュプレクサ８０が備える圧電フィルタは、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子により構成されるので、デュプレクサ８０は、信頼性が高く、所望の周波数特性とすることが可能である。
（実施例１２）
図１２は、実施例１２の通信装置９０の要部ブロック図である。
図１２は、実施例１２の通信装置９０の要部ブロック図である。
通信装置９０は、マルチバンド携帯電話など、異なる方式に対応し、スイッチＳＷにより受信周波数を切り替えることができるようになっている。アンテナ９１に、デュプレクサ９２が接続されている。デュプレクサ９２には、スイッチＳＷを介して、２系統の受信回路が接続されている。すなわち、スイッチＳＷとＩＦ段の圧電フィルタ９９，９９ａとの間には、受信側ＲＦ圧電フィルタ９４，９４ａ、増幅器９５，９５ａ、及び受信側ミキサ９３，９３ａが、それぞれ接続されている。また、デュプレクサ９２と送信側のミキサ９６との間には、ＲＦ段を構成する増幅器９７及び送信側圧電フィルタ９８が接続されている。
この通信装置９０は、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる圧電薄膜共振子により構成される圧電フィルタやデュプレクサを用いることにより、信頼性が高く、所望の周波数特性とすることが可能である。
なお、携帯電話用マルチバンドＲＦフィルタモジュールは、少なくとも受信側ＲＦ圧電フィルタ９４，９４ａを含む回路素子をモジュール化した通信装置である。
以上の各実施例に説明したように、上記各実施例の圧電薄膜共振子は、基板と、この基板の間に犠牲層が形成されるように、電極に挟まれた圧電体を主たる構成要素とした共振子で、メンブレンと基板の接続部に、補強膜が形成されている。
犠牲層除去後に、メンブレンが変形する。このときに応力が集中するのは、メンブレンと基板の接続部（支持部分と浮き部分の境界近傍部分）である。補強膜は、圧電薄膜共振子の振動部には形成せずに、この応力が集中する領域にのみ設けることで、共振特性を損なうことなく、メンブレンの強度を確保することができる。
金属の補強膜を用いれば、共振子から基板への放熱性が向上し、耐電力性に優れた共振子となる。
振動部の周囲に補強膜があり、振動部が補強膜に対してへこんでおり、ダイシングや実装時などの工程で、振動部に負荷がかかることによる素子不良を低減することができる。また、実装時の取り扱いも容易なる。
また、従来のダイアフラムタイプだと、メンブレン支持基板のテーパ部分が必要であり、素子小型化に限界が生じる。したがって、素子の小型化には犠牲層タイプが好ましい。また、工程数も犠牲層タイプの方が少なく、安価に素子を作製することができる。
また、メンブレンと基板の接続部の下部電極や上部電極上には、補強膜の一部として金属膜が形成されている。補強膜は圧電薄膜共振子の配線抵抗を低減することができるので、フィルタの挿入損失を低減し、良好なフィルタ特性を得ることができる。熱伝導率の高い金属膜を用いることにより、より放熱性が向上し、より耐電力性に優れた共振子となる。
なお、補強膜の厚さは、金属膜、絶縁膜ともに、パターニング形成が容易な範囲である０．１μｍ〜５０μｍが望ましい。補強膜の膜厚は厚いほど補強効果が大きいが、補強膜が厚すぎると、応力によりメンブレンが破壊する。
尚、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。
例えば、実施例４とは逆に、基板に凹部を設けてもよい。この場合、薄膜部の支持部分と浮き部分との境界近傍において、浮き部分のテーパ角度は、支持部分が接する凹部のテーパ角度より小さくすることが好ましい。
Claims (9)
- 基板と、
前記基板に支持される少なくとも２箇所の支持部分と、前記基板との間に空隙層を介して配置され前記支持部分に支持される浮き部分とを有し、前記浮き部分は、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を含む、薄膜部と、
前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界近傍部分に形成される補強膜とを備え、
前記基板は、平坦部とテーパ部とを有し、
前記薄膜部の前記支持部分は、前記浮き部分との境界近傍部分において、前記基板の前記平坦部と前記テーパ部との両方に接し、
前記境界近傍部分における前記浮き部分のテーパ角度が、前記基板の前記テーパ部のテーパ角度より小さいことを特徴とする、圧電薄膜共振子。 - 基板と、
前記基板に支持される少なくとも３箇所の支持部分と、前記基板との間に空隙層を介して配置され前記支持部分に支持される浮き部分とを有し、前記浮き部分は、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された少なくとも２箇所の振動部を含み、各振動部は、２つの前記支持部分を結ぶ方向に一列に配置された、薄膜部と、
前記薄膜部の前記２つの支持部分と前記浮き部分との境界近傍部分にそれぞれ配置された補強膜と、
前記薄膜部の他の前記支持部分から前記薄膜部の前記浮き部分の前記２箇所の振動部の間に延在するように配置された共振子間補強膜とを備え、
前記基板は、平坦部とテーパ部とを有し、
前記薄膜部の前記支持部分は、前記浮き部分との境界近傍部分において、前記基板の前記平坦部と前記テーパ部との両方に接し、
前記境界近傍部分における前記浮き部分のテーパ角度が、前記基板の前記テーパ部のテーパ角度より小さいことを特徴とする、圧電薄膜共振子。 - 前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界が直線状であることを特徴とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記薄膜部の前記支持部分と前記浮き部分との境界が曲線状であることを特徴とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記基板がＲ面サファイアであり、
前記圧電薄膜がＺｎＯ又はＡｌＮであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 前記基板がＣ面サファイア、Ｚ面ＬｉＴａＯ３又はＺ面ＬｉＮｂＯ３であり、
前記圧電薄膜がＺｎＯ又はＡｌＮであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子を用いたことを特徴とする、圧電フィルタ。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子又は請求項７に記載の圧電フィルタを用いたことを特徴とする、デュプレクサ。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子又は請求項７に記載の圧電フィルタを用いたことを特徴とする、通信装置。
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