JP4687345B2 - 薄膜バルク音響共振器 - Google Patents

Description

本発明は、通信機器に使用される小型高周波フィルタに好適に用いられる薄膜バルク音響共振器に関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ（personal digital assistant：個人向携帯情報通信）機器等の通信機器の高機能化、高速化に伴い、内蔵される数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚ動作の高周波フィルタには、これまでに増して小型化、低コスト化の要求がある。この要求を満たす高周波フィルタの有力候補として、薄膜バルク音響共振器（Film Bulk Acoustic Resonator：ＦＢＡＲ）をラダー型に組み、所望の周波数帯の電気信号のみを低損失で通過させるバンドパスフィルタがある。薄膜バルク音響共振器は、半導体製造技術を適用して形成されるため、微細化が容易である。

図７には、薄膜バルク音響共振器の代表的な構成の一例として、空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器の構成を示す。尚、この図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）におけるＶ−Ｖ’線とＩ−Ｉ’線での断面図である。これらの図に示す薄膜バルク音響共振器は、基板１上に、空気層ａを介して第１電極２−圧電体層３−第２電極４を積層してなる共振部Ａが設けられている。

この様な構成の薄膜バルク音響共振器は、第１電極２および第２電極４の電極面に垂直な方向に伝搬する縦モードの音波を圧電体層３の界面で反射共振させた共振波を利用している。ところが、圧電体層３内においては、上記電極面と平行方向に伝搬する横モードの音波も誘起される。そして、この横モードの音波が、第１電極２と第２電極４とが重なり合った領域、つまり薄膜バルク音響共振器として動作する共振部Ａの端部において反射を繰り返して定在波が形成されると、薄膜バルク共振器およびこれを用いたバンドパスフィルタの電気的特性が大きく劣化する。

具体的には、横モードの音波は縦モードの音波と比較して長距離を伝搬するため、横モードの音波の周波数は、縦モードの音波の周波数（すなわち共振周波数γ）よりかなり低くなるが、横モードの音波の高調波成分が、この共振周波数γの近傍の周波数を持つ場合があり、この薄膜バルク音響共振器の共振特性にスプリアスと呼ばれるノイズが発生する。そして、このような薄膜バルク音響共振器を用いて上述したバンドパスフィルタを構成すると、通過周波数帯域でリップルが発生し、不要に大きな挿入損を引き起こすのである。

そこで、薄膜バルク共振器における横モードの音波による定在波の発生を抑制する方法として、共振部Ａの平面形状を規定したいくつかの構成が提案されている。例えば、下記特許文献１においては、図８に示すように、共振部Ａの平面形状を、平行な辺を持たない不規則な多角形とする構成が開示されている。このような構成とすることにより、図中に矢印で示した経路のように、１つの壁のある点８を出た横モードの音波は、対向する壁で反射してその音波が出た同じ点８に戻ってくることはない。これにより、定在波の発生が防止される。また、下記特許文献２においては、図９に示すように、共振部の平面形状を特定の楕円形とすることで、横モードの波に起因して共振子のインピーダンス特性に不要スプリアスが生じたり、フィルタの通過帯域にリップルが発生したりする問題を抑えることができるとしている。

特開２０００−３３２５６８号公報（特に第２１段落参照） 特開２００５−１２４１９７号公報（特に第１１，１３段落参照）

しかしながら、特許文献１に記載されたように、共振部の平面形状を平行な辺を持たない不規則な多角形とした構成では、小型サイズの薄膜バルク音響共振器における横モードの音波による定在波の発生を低減するのに有効であるが、不規則な多角形の辺に対応した各頂角をいくらに設定すべきか不明である。しかも多角形の辺数が多くなると設定すべき頂角の数も増し、平面形状の最適解を求めるのが困難である。つまり、この薄膜バルク音響共振器を用いてバンドパスフィルタを構成する場合、各薄膜バルク音響共振器に所定の容量が設定される。この容量は、共振部の面積によって決まるが、共振部が所定の面積となるように平面形状の最適解を求める必要があり、この作業が繁雑になるのである。

また、特許文献２に記載されたように、共振部の平面形状を楕円形とした構成では、図９に矢印で示すように、楕円の長軸と交わる外周端８、および短軸と交わる外周端８’から、楕円の中心Ｏに向かって出た横モードの音波は、一度の反射でそれぞれの外周端８，８’に戻る。さらに、楕円に内接する特定の矩形形状に沿った経路においては、１箇所の内接点８”から矩形形状に沿って出た横モードの音波は、３回の反射で出発点となった内接点８”に戻る。つまり、共振部の平面形状を楕円形とした構成では、横モードの音波によって定在波を発生させる３つの発生経路が存在することになり、定在波の発生を低減する効果が充分ではない。

そこで本発明は、横モードの音波による定在波の発生を最小限に抑えることで共振特性の向上を図ることが可能な薄膜バルク音響共振器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明に係る薄膜バルク音響共振器は、第１電極と第２電極との間に圧電体膜を狭持してなる共振部が、前記第１電極と基板との間に空気層が形成されるように、前記基板に支持された構造を有し、
前記共振部は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される交流電圧の特定の共振周波数でインピーダンスが低下し、前記第１電極と前記第２電極が圧電体膜を介して対向する電極部分は、当該第１電極と第２電極の対向方向からみた平面視形状が、楕円の一部を切り欠いた形状を有する。

共振部の平面形状をこのような構成とすることにより、共振部内において誘発された横モードの音波が共振部の外周壁で反射して定在波を発生させる発生経路が削減される。例えば、楕円の一部を切り欠く直線を、当該楕円の短軸および長軸の少なくとも一方と交差させることにより、短軸および長軸に沿った少なくとも一方の定在波の発生経路が削減される。これにより、横モードの音波における定在波の発生を抑えることができる。しかも、共振部の平面形状が楕円を切り欠いた形状であるため、共振部の面積、すなわち共振器の容量の算出が容易になる。

以上説明したように本発明の薄膜バルク音響共振器によれば、共振部の平面形状を、楕円形の一部が欠けた形状にするという簡単な構成で、横モードの音波における定在波の発生を抑えることができ、これにより設計が容易でありながらも、共振特性の向上を図ることが可能になる。また、このような薄膜バルク音響共振器を用いたバンドパスフィルタにおける挿入損を低減することが可能になる。

以下、本発明を空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器に適用した実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、第１実施形態の薄膜バルク音響共振器の平面図であり、説明のために圧電体層３の一部を切り欠いて図示している。図１（ｂ）はこの平面図におけるＶ−Ｖ’断面図、図１（ｃ）はこの平面図におけるＩ−Ｉ’断面図である。尚、図１においては、技術背景の説明で用いた図７に対応する部分には同一符号を付している。

これらの図に示す薄膜バルク音響共振器は、基板１の上方に、空気層ａを介して、第１電極２、圧電体層３、および第２電極４がこの順に積層された部分からなる共振部Ａを備えている。そして、本実施形態においては、共振部Ａの平面形状、すなわち第２電極４，圧電体層３，および第１電極２をこれらの厚み方向から見た場合の厚み方向視形状が、以降に詳しく説明するように楕円を切り欠いた形状となっているのである。

先ず、共振部Ａの平面形状の詳細を説明するの先立ち、薄膜バルク共振器の基本構成および基本動作を説明する。

先ず、基板１の上部に形成された第１電極２は、その一部（図面においては先端部）が基板１から離間して空気層ａの上方に配置された形状にパターニングされており、下面が空気層ａに接して設けられていることとする。また第１電極２上に設けられた圧電体層３は、第１電極２の上面および基板１上を覆うと共に、空気層ａをブリッジ状に跨ぐか、または空気層ａの全体を覆う状態で設けられている。そして、このような圧電体層３上に設けられた第２電極４の一部（図面においては先端部）が、空気層ａの上方において第１電極２および圧電体層３上に積層された状態で設けられている。

ここで、共振部Ａの下方に位置する空間層ａの厚さは０．５〜３μｍ程度であることとする。そして、第１電極２と第２電極４とが重なり合った共振部Ａは、上方にも空間部が確保され、自由に振動可能な状態で基板１上に保持された状態となっている。

以上のような構成において、基板１は、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素からなる。また第１電極２および第２電極４は、モリブデン、タングステン、チタン、白金、金、ルテニウム、アルミニウム等で構成され、０．１〜０．５μｍ程度の膜厚でパターニングされていることとする。そして、圧電体層３は、窒化アルミニウムや酸化亜鉛で構成され、０．５〜２μｍ程度の膜厚でパターニングされている。

そして、これらの第１電極２、圧電体層３、および第２電極４は、半導体製造技術で周知のスパッタ堆積技術やレジストをマスクとした各種エッチング技術を用いて順次形成する。また、空気層ａは、ここでの図示を省略した犠牲層パターンのエッチングによって形成する。例えば、シリコン酸化膜、ＰＳＧ膜（phosphorus silicate glass リンを添加したシリカガラス）、ＢＰＳＧ膜（boron phosphorus silicate glass ホウ素とリンを添加したシリカガラス）、ＳＯＧ膜等からなる犠牲層パターンを基板１上に形成する。そして、犠牲層パターンが形成された基板１上に第１電極２、圧電体層３、および第２電極４を形成し、その後圧電体層３に設けた開口部３ａから、ＨＦ水溶液を用いて犠牲パターンをエッチング除去することにより、空気層ａを形成する。

以上のような構成の薄膜バルク音響共振器は、次のように動作する。

第１電極２と第２電極４との間に交流電圧を印加して交流電界を生じさせると、圧電体層３は電気的エネルギーの一部を弾性波という形の機械的エネルギーへ変換する。

この機械的エネルギーは第１電極２および第２電極４の電極面の垂直方向である圧電体層３の膜厚方向（縦方向）に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。この電気的／機械的エネルギーの変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、この薄膜バルク音響共振器は極めて低いインピーダンスを示す。

この特定の周波数は一般に共振周波数γと呼ばれ、その値γは一次近似として、第２電極４と第１電極２との存在を無視したとき、圧電体層３中の音波の速度Ｖ、圧電体層３の厚さｔとすると、共振数端数γ＝Ｖ／（２ｔ）となる。

また音波の波長をλとすると、音波の速度Ｖ＝γλの関係が成立することから、圧電体層３の厚さｔ＝λ／２となる。

これは、圧電体層３中で誘起された音波が、圧電体層３と第１電極２および第２電極４とのそれぞれの境界面で上下に反射を繰り返し、ちょうど、その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。

換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と外部印加の交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数γとなる。

次に、以上のような構成の薄膜バルク音響共振器において、本発明の特徴である共振部Ａの平面形状を説明する。図２および図３は、共振部Ａの平面形状を説明する平面図である。

図２（１）に示すように、共振部Ａの平面形状は、楕円の一部を直線Ｌで切り欠いた平面形状に構成されていることとする。楕円を切り欠く直線Ｌの一例としては、楕円における焦点Ｆ，Ｆ’の中点である中心Ｏで長軸Ｌ１および短軸Ｌ２と交差する様に設けられる。

また、図２（２）に示すように、楕円を切り欠く直線Ｌは、楕円の中心Ｏを通る短軸Ｌ２と重なっても良い。さらにここでの図示は省略したが、楕円を切り欠く直線Ｌは、楕円の中心Ｏを通る長軸Ｌ１と重なっても良い。

さらに、図３（１）に示すように、楕円を切り欠く直線Ｌは、楕円の中心Ｏを通らずに、長軸Ｌ１および短軸Ｌ２の両方と交差する様に設けられても良い。この場合、図示したように、中心Ｏを内包しない平面形状を共振部Ａとして採用しても良いし、中心Ｏを内包する平面形状を共振部（Ａ）として採用しても良い。

またさらに、図３（２）に示すように、楕円を切り欠く直線Ｌは、楕円の中心Ｏを通らずに、長軸Ｌ１および短軸Ｌ２の一方と交差する様に設けられても良い。図面においては長軸Ｌ１と直線Ｌとを交差させた場合を示したが、短軸Ｌ２と直線Ｌとが交差しても良い。この場合、図示したように、中心Ｏを内包しない平面形状を共振部Ａとして採用することが好ましいが、中心Ｏを内包する平面形状を共振部（Ａ）として採用しても良い。

尚、図３（１）、図３（２）の場合、楕円を切り欠く直線Ｌは、焦点Ｆ（Ｆ’）を通っても良く、焦点Ｆ−Ｆ’の線分と交差しても良い。

以上のような平面形状の共振部Ａでは、図４に示すように、外周端８から出た横波モードの音波は数多くの反射を繰り返すため、図中矢印で示す伝搬経路（定在波の発生経路）は実質的に極めて長くなる。つまり、図９を用いて説明したように、平面形状を楕円とした共振部Ａにおいては、定在波の発生経路が３経路であった。しかし、上述した本実施形態のように、楕円の一部を切り欠いた平面形状の共振部Ａにおいては、上記３つの発生経路の全てが消滅するのである。このため、横モードの音波における定在波の発生を抑えることができる。

特に、図２（１）および図３（１）に示したように、楕円を切り欠く直線Ｌが長軸Ｌ１および短軸Ｌ２と交差する場合には、長軸Ｌ１および短軸Ｌ２に沿った定在波の発生経路を、双方ともに確実に消滅させることができるため、横モードの音波の定在波の発生を抑える効果が大きい。これは、図３（２）に示したように、楕円を切り欠く直線Ｌが長軸Ｌ１および短軸Ｌ２の一方と交差する直線Ｌで楕円を切り欠き、中心Ｏを内包しない平面形状を共振部Ａとして採用した場合も同様である。

しかも、共振部Ａの平面形状が楕円を切り欠いた形状であるため、共振部Ａの面積、すなわち共振器の容量の算出が容易になる。特に、図２（１）および図２（２）に示したように、楕円を切り欠く直線Ｌが中心Ｏを通る場合には、共振部Ａの面積が楕円の１／２となるため、共振器の容量の算出が極めて容易になる。

以上の結果、上述した実施形態の薄膜バルク音響共振器によれば、共振部Ａの容量設計が容易になると共に、共振特性の向上を図ることが可能になる。そして、このような薄膜バルク音響共振器を用いたバンドパスフィルタにおける挿入損を低減することが可能になる。

ここで、図５（１）には、本実施形態のように試作した薄膜バルク音響共振器について、インピーダンスの絶対値を測定した結果を示す。この際、共振部Ａの平面形状は、図２（１）に示す例を採用し、楕円の長軸Ｌ１が１４４μｍ、短軸Ｌ２が１２４μｍ、楕円の中心Ｏを通ると共に、長軸Ｌ１と８５°の角度で交差する直線Ｌにて楕円を切り欠いた形状とした。

また、図５（２）には、比較として平面形状が円形（半径４７．３μｍ）の共振部Ａを備えた薄膜バルク音響共振器について、インピーダンスの絶対値を測定した結果を示す。

またインピーダンスの絶対値は、薄膜バルク音響共振器を単なる並行平板容量と見なしたときの容量値で規格化してある。基本構造定数としては、第１電極２および第２電極４として用いたモリブデン電極の厚さは０．３９μｍ、圧電体層３として用いた窒化アルミニウム層の厚さは０．７μｍとした（図１参照）。

先ず、比較例から説明すると、図５（２）に示すように、共振部Ａの平面形状を円形とした比較例の薄膜バルク音響共振器では、共振周波数の約２．１１ＧＨｚ近傍でこれよりも低い周波数領域において、ノイズ状にインピーダンスが変化しており、横波モードの音波による定在波の発生が確認される。また、反共振周波数の約２．１６ＧＨｚ近傍にも横波モードの音波による定在波の発生が確認される。

これに対して、図５（１）に示すように、共振部Ａの平面形状が、楕円の一部を直線Ｌにて切り欠いた形状とした実施形態の薄膜バルク音響共振器では、共振周波数の約２．１１ＧＨｚ近傍でもインピーダンスにノイズ状の大きな変化は見られず、比較的滑らかな変化となっている。また、反共振周波数の約２．１５ＧＨｚ近傍でもインピーダンスにノイズ状の変化は見られない。これにより、共振部Ａの平面形状を、楕円の一部を直線Ｌにて切り欠いた形状とすることにより、横波モードの音波における定在波の発生が抑制されていることが確認された。

尚、本第１実施形態においては、空気層ａの上方において第１電極２、圧電体層３、および第２電極４が積層された部分が、上述した平面形状で構成された共振部Ａとなれば良い。このため、空気層ａの上方における第１電極２と第２電極４の平面形状が同一である必要はない。例えば、空気層ａの上方における第１電極２の形状を矩形形状とし、この上部に配置される第２電極４の形状を、矩形形状内に治まる範囲で上述した楕円の一部を切り欠いた形状としても良い。また、一方のサイズを大きくした相似形として第１電極２と第２電極４とを構成することで、これらの電極のパターン形成における位置ずれのマージンを確保刷るようにしても良い。

＜第２実施形態＞
図６（ａ）は、第２実施形態の薄膜バルク音響共振器の平面図であり、図６（ｂ）はこの平面図におけるＶ−Ｖ’断面図、図６（ｃ）はこの平面図におけるＩ−Ｉ’断面図である。

これらの図に示す薄膜バルク音響共振器が、図１〜図４を用いて説明した薄膜バルク音響共振器と異なるところは、共振部Ａにおける第２電極４部分に、圧電体層３に達する孔部４ａが設けられている点にあり、他の構成は同様であることとする。

すなわち、第２実施形態の薄膜バルク音響共振器における共振部Ａは、第１実施形態で説明したと同様に、楕円の一部を切り欠いた平面形状として構成されている。そして、このような共振部Ａにおいて、この共振部Ａを構成する第２電極４部分に、圧電体層３に達する孔部４ａが設けられているのである。この場合、孔部４ａは、横モードの音波が不規則に反射を繰り返す平面形状を持つことが重要である。このような平面形状としては、例えば、直線Ｌと平行な辺を持たない平面形状であることとする。尚、共振部Ａにおいては、このような孔部４ａが設けられた部分は、局部的に非導電領域（非共振領域）となる。

ここで、孔部４ａを設ける位置は、共振部Ａの中央付近であって良い。そして、このような部分に孔部４ａを設けることにより、薄膜バルク音響共振器が動作時に発生する熱により、共振部Ａの中央近傍の温度が周囲より上昇して第１電極２や第２電極４が破壊されることを防止する。

また特に、孔部４ａを設ける位置としては、楕円を切り欠く直線Ｌに平行な接線Ｌｐを想定した場合、この接線Ｌｐの接点Ｐから直線Ｌに対しておろした法線Ｌｖ上に設けることが好ましい。すなわち、孔部４ａは、楕円を切り欠く直線Ｌに対して設けられる法線のうち、当該直線Ｌと平行をなす当該楕円の接線Ｌｐにおける接点Ｐを通る法線Ｌｖ上に設けられることが好ましいのである。

これにより、上述した法線Ｌｖに沿った横モードの音波における定在波の発生経路が、孔部４ａによって分断され、この発生経路を消滅させることができる。したがって、第１実施形態における定在波の抑制効果をさらに高めることができる。

尚、このような第２実施形態において形成した孔部４ａは、第１電極２に設けても良く、第１電極２と第２電極４との両方に設けても良い。第１電極２に孔部を設ける場合であっても、その平面的な形成位置は上述した第２電極４に設ける孔部４ａと同様の位置で良く、同様の効果を得ることができる。

また、上述した第１実施形態および第２実施形態においては、基板１上に空気層ａを介して共振部Ａを設けた空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器に本発明を適用した構成を説明した。しかしながら本発明は、第１電極と第２電極との間に圧電体層を狭持してなる共振部を備えた薄膜バルク音響共振器に対して同様に適用可能であり、同様の効果を得ることが可能である。このため、例えば、メンブレン型の薄膜バルク音響共振器や音響反射ミラー型の薄膜バルク音響共振器であっても、本発明を適用することにより同様の効果を得ることができる（メンブレン型の薄膜音響バルク共振器は、K. M. Lakin, “Thin Film Resonators and Filters,” Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium, pp.895-906, 1999.を参照）。

第１実施形態の薄膜バルク音響共振器の構成を示す図である。 第１実施形態の薄膜バルク音響共振器における共振部の平面形状の具体例を示す図である。 第１実施形態の薄膜バルク音響共振器における共振部の平面形状の他の具体例を示す図である。 第１実施形態の薄膜バルク音響共振器における共振部での横モードの音波の経路を示す図である。 （１）は第１実施形態の薄膜バルク音響共振器について測定したインピーダンスの絶対値であり、（２）は比較例について測定したインピーダンスの絶対値である。 第２実施形態の薄膜バルク音響共振器の構成を示す図である。 従来の薄膜バルク音響共振器の構成を示す図である。 従来の薄膜バルク音響共振器における共振部の平面形状の一例を示す図である。 従来の薄膜バルク音響共振器における共振部の平面形状の他の一例を示す図である。

符号の説明

２…第１電極、３…圧電体膜、４…第２電極、４ａ…孔部、Ａ…共振部、Ｌ…直線、Ｌ２…短軸、Ｌ１…長軸、Ｌｐ…接線、Ｌｖ…法線、Ｏ…中心、Ｐ…接点

Claims (8)

1. 第１電極と第２電極との間に圧電体膜を狭持してなる共振部が、前記第１電極と基板との間に空気層が形成されるように、前記基板に支持された構造を有し、
   前記共振部は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される交流電圧の特定の共振周波数でインピーダンスが低下し、前記第１電極と前記第２電極が圧電体膜を介して対向する電極部分は、当該第１電極と第２電極の対向方向からみた平面視形状が、楕円の一部を切り欠いた形状を有する
   薄膜バルク音響共振器。
2. 請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記共振部は、楕円の一部を直線で切り欠いた平面形状で構成されている
   薄膜バルク音響共振器。
3. 請求項２記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記楕円を切り欠く直線は、当該楕円の短軸および長軸の少なくとも一方と交差する
   薄膜バルク音響共振器。
4. 請求項３記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記楕円を切り欠く直線は、当該楕円の短軸および長軸と交差する
   薄膜バルク音響共振器。
5. 請求項３記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記楕円を切り欠く直線は、当該楕円の短軸または長軸の一方と交差し、
   前記直線によって楕円の一部を切り欠いた前記平面視形状に、当該楕円の中心が内包されない
   薄膜バルク音響共振器。
6. 請求項２記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記楕円を切り欠く直線は、当該楕円の中心を通る
   薄膜バルク音響共振器。
7. 請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記共振部の前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方には、前記圧電体層の一部を開口する孔部が設けられている
   薄膜バルク音響共振器。
8. 請求項７記載の薄膜バルク音響共振器において、
   前記孔部は、前記楕円を切り欠く直線に対して設けられる法線のうち、当該直線と平行をなす当該楕円の接線における接点を通る法線上に設けられている
   薄膜バルク音響共振器。

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