JP4707503B2 - 薄膜バルク音響共振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電層を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子を基板上に支持して構成された薄膜バルク音響共振器、特に、スプリアスが低減され高周波で動作させるのに適した薄膜バルク音響共振器に関する。

電子機器のコストとサイズを低減し、かつより高性能で小型な電気信号用フィルタへの要求が高まっている。携帯電話などの民生電子製品は、コストに大きな制限を与えられている一方、精密な周波数に同調されることを要求されるフィルタを用いる必要がある。従って、簡素で安価なフィルタユニットを提供するための努力が続けられている。

これらの要求を満足させる可能性を持ったフィルタの一種として、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）を用いて構成されたものが知られている。ＦＢＡＲは、薄膜圧電材料中のバルク縦音波を利用する。その基本的な構成は、図６に示すように、半導体基板１０１の上部に圧電（ＰＺ）層１０２が形成され、圧電層１０２は、その両面に形成された一対の電極１０３、１０４間にサンドイッチ状に挟まれたものである。半導体基板１０１には開口部１０５が形成され、一対の電極１０３、１０４のオーバーラップ領域により形成される共振領域は、開口部１０５に面しているので、半導体基板１０１による支持構造から自由な状態が得られる。これにより、ＰＺ材料が電気エネルギーをメカニカルウェーブに変換し、メカニカルウェーブが電界と同じ方向に伝播し、電極／空気インターフェースで反射する際に、半導体基板１０１が妨げとなることを回避する。

一般にフィルタにおいて要求されているのは、「小型化」、「広帯域」、「低損失」である。これらの要求を満たすには、フィルタが、異なる共振周波数をもつ共振器を集積化すること、また、共振器単体として、「広帯域なΔｆ（共振器の共振周波数と反共振周波数の差）」と「高Ｑ値」を有することが望まれる。

ここで、共振器に広帯域なΔｆを持たせるには、振動子を支持する支持構造を介しての横方向の共振漏れ（スプリアス）を低減することが重要である。そのために、電極の形状を工夫したり、ポリイミドなどの粘弾性材料を電極の周囲に形成するという提案がされている（例えば特許文献１）。
特開２０００−３１５５２号公報

特許文献１に記載のバルク音響共振器の構造は、製造工程の増加や、粘弾性材料のパターン形成における精度による共振周波数のずれを引き起こすという問題を伴う。

また、圧電層が高いＱ値を持つには、膜質のよいエピタキシャル成長を行った圧電（ＰＺ）層を用いれることが望ましい。高Ｑ値を持つ共振器を得るためには、本発明者らが検討中の貼り合わせによる共振器の構造及び製造方法が有効である。但し、この場合でも、従来、振動子を支持する支持構造を、スプリアスの低減に適した構造に改良することが望ましい。

本発明は、振動子の支持構造に起因するスプリアスが低減された薄膜バルク音響共振器を提供することを目的とする。

本発明の薄膜バルク音響共振器は、圧電層を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子が、支持基板上に支持された構成を有し、前記振動子の前記下部電極側と前記支持基板との間に介在して前記振動子を前記支持基板上に支持する支持部を備え、前記支持部は、平面形状の中央部が中空であり、それにより、前記振動子の共振部と前記支持基板との間に空隙部が形成され、前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明の薄膜バルク音響共振器によれば、均一で膜質の良い圧電膜を備え、空隙部の側面が傾斜していることにより、空隙部中を伝搬する音波の横モードが散乱されるので、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを効果的に低減することが可能である。

本発明の薄膜バルク音響共振器において、前記支持部の前記支持基板に対向する下面の面積と、前記支持部の前記振動子に対向する上面の面積とが相違することにより、前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜している構成とすることができる。

また、前記支持部の前記支持基板に対向する下面の面積と、前記支持部の前記振動子に対向する上面の面積とが同等であり、前記支持部の中間部における断面積が前記上下面の面積より大きいことにより、前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜している構成とすることができる。

また、前記支持部により囲まれた前記空隙部に面する前記支持基板のラフネスが、５オングストローム以上であることが好ましい。それにより、空隙部に面する支持基板面により音波の横モードが散乱され、スプリアスを低減させる効果が得られる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いてより詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における薄膜バルク音響共振器の構造を図１に、その製造工程を図２に示す。

図１に示す薄膜バルク音響共振器は、支持基板１に振動子１０が、支持部９を介して接続された構造を有する。振動子１０は、圧電（ＰＺ）層５の両面に、金属層からなる下部電極４及び上部電極７がパターニング形成された構造を有し、金属層からなる下部電極４及び上部電極７に挟まれた領域が機械的共振部を構成する。支持部９は、支持導電膜２とコンタクト電極３からなり、平面形状が、例えば矩形の枠状になっており、下部電極４の周辺部、すなわち、圧電層５の共振部以外の領域を支持している。したがって、支持部９の中央部に空隙部８が形成され、共振部は空隙部８に面する状態になっている。

後述する製造工程に示されるように、支持導電膜２は支持基板１上に、コンタクト電極３は圧電層５の下部電極４面上に、それぞれ形成される。形成後、支持導電膜２とコンタクト電極３を対向させて相互に接合することにより、図１の構造が作製される。

コンタクト電極３は、その空隙部８に面した側面が、圧電層５の面に対して傾斜している。そのような傾斜側面を形成するために、コンタクト電極３の金属層４の面上における面積は、コンタクト電極３支持導電膜２の面上における面積よりも小さくなっている。

コンタクト電極３が、空隙部８に面して傾斜側面を有することにより、空隙部８中を伝搬する音波の横モードが散乱されるので、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを低減することが可能となる。

次に、上記構成の薄膜バルク音響共振器の製造方法の一例について、図２Ａ〜２Ｆを参照して説明する。

まず図２Ａに示すように、支持基板１上に、支持導電膜２を蒸着リフトオフを用いて形成する。支持基板１としては、例えば熱酸化膜付きシリコン支持基板を用いることができる。また、図２Ｂに示すように、膜形成用シリコン基板６上に、圧電（ＰＺ）層５としてＡｌＮ層をエピタキシャル成長させる。圧電層５は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用い、高温成長により形成することができる。

次に、図２Ｃに示すように、圧電層５上に、下部電極４をパターニング形成し、さらにコンタクト電極３を真空蒸着法などの通常の方法を用いて形成する。この状態における平面形状を図３に示す。理解し易いように、コンタクト電極３にはハッチングが付されている。このように、コンタクト電極３は矩形枠状の平面形状にパターニングされ、中空部分が図１に示した空隙部８を形成する。

次に、図２Ｄに示すように、支持基板１と膜形成用シリコン基板６を、圧電層５を挟み込む形で当接させる。この際互いに当接するコンタクト電極３と支持導電膜２とは互いに面積が相違し、支持導電膜２の面積の方が支持導電膜２の面積よりも大きい。この状態でコンタクト電極３と支持導電膜２とを、熱圧着により接合することにより、図２Ｅに示すように、コンタクト電極３の下部が広がり、支持導電膜２と同等の面積になって支持導電膜２と接合される。コンタクト電極３がこのような形状になるのは、支持導電膜２の材料との間で共晶反応によりコンタクト電極３の下部が溶融し易くなるからである。そのため、コンタクト電極３および支持導電膜２の材料の例としては、それぞれ、ＡｕＳｎおよびＡｕを用いる。また、熱圧着は共晶温度以上で行う。

次に、図２Ｆに示すように、膜形成用シリコン基板６を、例えば、通常のウェットエッチング法を用いて剥離する。最後に、図２Ｇに示すように、上部電極７を、通常の真空蒸着などの方法を用いて形成し、共振器構造を完成する。

以上のように、本実施の形態の製造方法によれば、コンタクト電極３が空隙部８に面して傾斜側面を有する構造を、容易に形成することができる。

また、この製造方法によれば、下部電極４および上部電極７の形成に先立ち、膜形成用シリコン基板６上に圧電層５を形成ことができるので、高温条件下でのエピタキシャル成長により、膜質のよい圧電層５が得られる。従って、この製造方法は、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを低減した共振器の実現に効果的である。

また、エピタキシャル成長時に、容易に異なる膜厚を有する高いＱ値を持つ圧電層を得ることができる。さらに、製造工程中に、圧電層をエッチングするといった複雑な工程が不要であり、またプロセスによるばらつきを考える必要がない。このため、容易に高周波数特性に優れた信頼性の高い共振器を製造することができる。

以上のように本実施の形態における薄膜バルク音響共振器は、圧電体膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子が、薄膜からなる支持部により支持基板上に支持され、振動子の共振部が空隙部に面した構成を有する。そして、支持部の空隙部に面した側面が、圧電層の面に対して傾斜していることを特徴とする。その結果得られる空隙部の形状により、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを低減する効果が得られる。

なお、支持部の側面の傾斜の仕方は、図１のような形態に限らず、種々の形態を採ることが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２における薄膜バルク音響共振器の構造を、図４に示す。図１に示した共振器の要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態においては、コンタクト電極３ａの形状が、実施の形態１におけるコンタクト電極３と相違する。すなわち、支持部９ａの一部を構成するコンタクト電極３ａの上面の面積が、支持導電膜２と接触する下面の面積と同等であり、コンタクト電極３ａの上面と下面の中間部において、コンタクト電極３ａの断面積が、上面あるいは下面の面積よりも大きくなっている。それにより、空隙部８ａに面する支持部９ａの側面は、その上部と下部が異なる傾斜面を形成している。

このようなコンタクト電極３ａの形状は、以下のような製造方法により形成することができる。基本的な製造工程は、図２Ａ〜２Ｇに示したものと同様である。本実施の形態では、図２Ａおよび図２Ｃに対応する工程において、支持導電膜２の形状および面積と、コンタクト電極３ａの形状および面積とを同等にする。そして、図２Ｅに対応する工程において、７．６Ｎ／ｃｍ²以上の加重で熱圧着を行う。それにより、コンタクト電極３ａの上下面は同一面積に保持され、中間部が押圧により拡大して、図４に示すような形状が得られる。

本実施の形態におけるコンタクト電極３ａにより形成される空隙部８ａの形状も、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを低減するために効果的である。

（実施の形態３）
実施の形態３における薄膜バルク音響共振器の構造を、図５に示す。図１に示した共振器の要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態においては、支持基板１の空隙部８に面する領域の表面が、ラフネスが５オングストローム以上である粗面１ａを形成していることを特徴とする。粗面１ａにより、空隙部８中を伝搬する音波の横モードが散乱されるので、横方向の音響漏れを防ぎ、スプリアスを低減することが可能となる。

このような支持基板１の形状は、以下のような製造方法により形成することができる。基本的な製造工程は、図２Ａ〜２Ｇに示したものと同様である。本実施の形態では、支持基板１の上面における、支持導電膜２に囲まれた領域をエッチングする工程を有する。エッチングにより、支持基板１の粗面１ａのラフネスを、５オングストローム以上に調整する。

なお、以上の各実施の形態の説明等に記載された、装置の各要素の一般的または具体的な寸法および位置、材料、処理等は、特定の場合について述べられたものであっても、可能な範囲で、この明細書を通じて適用される。

本発明の薄膜バルク音響共振器は、振動子の支持構造に起因するスプリアスが低減され、携帯電話などの民生電子製品に用いる電気信号用フィルタとして有用である。

本発明の実施の形態１における薄膜バルク音響共振器の断面図である。 同薄膜バルク音響共振器の製造方法の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 同製造方法の次の工程を示す断面図である。 図２Ｃの工程における要素の平面形状を示す平面図である。 本発明の実施の形態２における薄膜バルク音響共振器の断面図である 本発明の実施の形態３における薄膜バルク音響共振器の断面図である 従来例のバルク音響共振器を示す断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
１ａ 粗面
２ 支持導電膜
３、３ａ コンタクト電極
４ 下部電極
５ 圧電（ＰＺ）層
６ 膜形成用シリコン基板
７ 上部電極
８、８ａ 空隙部
９、９ａ 支持部
１０ 振動子
１０１ 半導体基板
１０２ 圧電（ＰＺ）層
１０３、１０４ 電極
１０５ 開口部

Claims (4)

1. 圧電層を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子が、支持基板上に支持された薄膜バルク音響共振器において、
   前記振動子の前記下部電極側と前記支持基板との間に介在して前記振動子を前記支持基板上に支持する支持部を備え、前記支持部は、平面形状の中央部が中空であり、それにより、前記振動子の共振部と前記支持基板との間に空隙部が形成され、
   前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜していることを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
2. 前記支持部の前記支持基板に対向する下面の面積と、前記支持部の前記振動子に対向する上面の面積とが相違することにより、前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜している請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
3. 前記支持部の前記支持基板に対向する下面の面積と、前記支持部の前記振動子に対向する上面の面積とが同等であり、前記支持部の中間部における断面積が前記上下面の面積より大きいことにより、前記支持部の前記空隙部に面する側面が、前記圧電層の面に対して傾斜している請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
4. 前記支持部により囲まれた前記空隙部に面する前記支持基板のラフネスが、５オングストローム以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜バルク音響共振器。

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