JP4895323B2 - Thin film piezoelectric resonator - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜圧電共振器に関するものである。薄膜圧電共振器は、たとえば通信機器の電子回路のコンポーネントであるフィルタまたはデュプレクサを構成するのに利用される。 The present invention relates to a thin film piezoelectric resonator. Thin film piezoelectric resonators are used, for example, to construct filters or duplexers that are components of electronic circuits of communication equipment.
セルラ電話機のRF回路部には常に小型化が求められる。最近では、セルラ電話機に多様な機能を付与することが要望されており、その実現のためにはできるだけ多くの回路コンポーネントを組み込むことが好ましい。一方、セルラ電話機の大きさには制約があるので、結局、機器における各構成部分の専有面積(実装面積)及び高さの低減の要求が厳しくなり、従ってRF回路部を構成するコンポーネントについても専有面積が小さく高さの低いものが求められている。 The RF circuit part of a cellular telephone is always required to be downsized. Recently, it has been demanded to give various functions to a cellular telephone, and it is preferable to incorporate as many circuit components as possible in order to realize the functions. On the other hand, the size of cellular telephones is limited, so in the end, the requirements for reducing the area occupied by each component in the equipment (mounting area) and height have become stricter, so the components that make up the RF circuit section are also exclusively used. What has a small area and a low height is required.
このような事情から、RF回路コンポーネントに使用される帯域通過フィルタとして、小型でかつ軽量化が可能な薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタが利用されるようになっている。このような薄膜圧電フィルタは、半導体基板上に上下の電極で挟まれるように窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)等からなる圧電層を形成し、且つ弾性波エネルギーが半導体基板中に漏洩しないように、その直下に振動空間または音響反射層を設けてなる薄膜圧電共振器を用いたRFフィルタである。このように、薄膜圧電共振器は大別して2種類のものが存在する。第1番目のものは、上部電極、下部電極および圧電層からなる圧電共振スタックの直下に空隙(振動空間)を設けたFilm Bulk Acoustic Resonator(FBAR)であり、第2番目のものは、基板上に音響インピーダンスが互いに異なる2種類の層を交互に積層してなる音響反射層上に圧電共振スタックを形成したSurface Mounted Resonator(SMR)である。 Under such circumstances, a thin film piezoelectric filter using a thin film piezoelectric resonator that can be reduced in size and weight can be used as a band pass filter used for an RF circuit component. Such a thin film piezoelectric filter forms a piezoelectric layer made of aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO) or the like so as to be sandwiched between upper and lower electrodes on a semiconductor substrate, and elastic wave energy leaks into the semiconductor substrate. Therefore, the RF filter uses a thin film piezoelectric resonator in which a vibration space or an acoustic reflection layer is provided immediately below. As described above, there are two types of thin film piezoelectric resonators. The first is a Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) in which a void (vibration space) is provided immediately below a piezoelectric resonance stack composed of an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric layer, and the second is on a substrate. A surface mounted resonator (SMR) in which a piezoelectric resonance stack is formed on an acoustic reflection layer in which two types of layers having different acoustic impedances are alternately laminated.
これらの薄膜圧電共振器は、特開2006−128993号公報(特許文献1)及び特開2006−109472号公報(特許文献2)に記載されているように、弾性エネルギーが振動領域外部に漏洩することで、共振器特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことがある。 In these thin film piezoelectric resonators, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-128993 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-109472 (Patent Document 2), elastic energy leaks outside the vibration region. As a result, the resonator characteristics, particularly the impedance at the anti-resonance frequency, may be lowered.
弾性エネルギーの散逸を抑制し、共振特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を抑制する方法として、特許文献1には、上部電極と同一形状にて上部電極外部の圧電層をエッチングして除去する手法が記載されている。さらに、「AIR−BACKED Al/ZnO/Al FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR WITHOUT ANY SUPPORT LAYER」、2002 IEEE International Frequency Control Symposium、2002、pp.20−26(非特許文献1)には、振動領域外の圧電層、上部および下部の電極層を除去する手法が記載されている。また、特許文献2には、上部電極の外周部に環帯を設けることにより、環帯により囲まれる内側部分と環帯との音響インピーダンスを異ならせて、振動領域外への弾性波の散逸を抑制し、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を得ることが示されている。さらに、特開2005−33775号公報(特許文献3)には、振動領域外の圧電層の厚みを振動領域内の圧電層の厚みに比べ薄くすることにより、薄膜圧電共振器の共振周波数の調整が容易になることが記載されている。
上記のように、薄膜圧電フィルタには、通過帯域での挿入損失を低減することと通過帯域外での減衰を大きくすることとが求められている。そのため、薄膜圧電共振器としては、共振周波数におけるインピーダンスを小さくし且つQ値を高めるとともに、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくし且つQ値を高めることが求められている。 As described above, the thin film piezoelectric filter is required to reduce the insertion loss in the pass band and increase the attenuation outside the pass band. Therefore, thin film piezoelectric resonators are required to reduce the impedance at the resonance frequency and increase the Q value, and increase the impedance at the antiresonance frequency and increase the Q value.
薄膜圧電共振器の共振特性、特に、反共振周波数におけるインピーダンスの特性を高めるためには、弾性エネルギーの振動領域外への散逸を抑制することが必要である。しかし、AlN薄膜のようにポアソン比が1/3以下の材料については、エネルギーを閉じ込めることが困難であるため、共振特性が劣化しやすい。 In order to improve the resonance characteristics of the thin film piezoelectric resonator, particularly the impedance characteristics at the antiresonance frequency, it is necessary to suppress the dissipation of elastic energy outside the vibration region. However, for a material having a Poisson's ratio of 1/3 or less, such as an AlN thin film, it is difficult to confine energy, and resonance characteristics are likely to deteriorate.
特許文献2に記載の手法は、薄膜圧電共振器のQ値を大きくすることが可能であるが、共振周波数近傍のスプリアスを大きくしてしまうという欠点があった。また、特許文献1および非特許文献1に記載の手法は、薄膜圧電共振器の破損が起こり易くなり、歩留まりの低下を招くという問題があった。さらに、特許文献3には、反共振周波数におけるインピーダンス低下の抑制については記載がなく、この記載に基づき良好な共振器特性を実現することは困難である。
The technique described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構造的に破損が起こりにくく、且つ、反共振周波数におけるインピーダンス低下が抑制された、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を提供することを、主たる目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a thin film piezoelectric resonator having a high Q value that is structurally resistant to damage and that suppresses a decrease in impedance at an anti-resonance frequency. The main purpose.
本発明の更に別の目的は、スプリアスモードの発生の抑制された薄膜圧電共振器を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric resonator in which generation of spurious modes is suppressed.
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電層と該圧電層を挟んで対向するように形成された上部電極及び下部電極とを有する圧電共振スタックと、該圧電共振スタックの下に形成された空隙または音響反射層と、前記圧電共振スタックを支持する基板とを含んでなる薄膜圧電共振器であって、
前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域における前記圧電層の厚みtと前記振動領域における前記圧電層の厚みTとがT/8≦t≦T/2の関係を満たし、前記基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと該定在波の方向に関する前記緩衝領域の寸法xとがλ/200≦x≦λ/20の関係を満たすことを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。
According to the present invention, the object as described above is achieved.
A piezoelectric resonance stack having a piezoelectric layer and an upper electrode and a lower electrode formed so as to face each other with the piezoelectric layer interposed therebetween, a void or an acoustic reflection layer formed under the piezoelectric resonance stack, and the piezoelectric resonance stack A thin film piezoelectric resonator comprising a substrate supporting
The piezoelectric resonance stack includes a vibration region in which the upper electrode and the lower electrode face each other through the piezoelectric layer and are positioned corresponding to the gap or the acoustic reflection layer, a support region in contact with the substrate, and the vibration A buffer region located between the region and the support region,
The thickness t of the piezoelectric layer in the buffer region and the thickness T of the piezoelectric layer in the vibration region satisfy the relationship of T / 8 ≦ t ≦ T / 2, and the standing wave existing in the direction parallel to the substrate A thin film piezoelectric resonator, wherein the wavelength λ and the size x of the buffer region with respect to the direction of the standing wave satisfy a relationship of λ / 200 ≦ x ≦ λ / 20,
Is provided.
本発明の一態様においては、前記緩衝領域の寸法xが0.5μm以上40μm以下の範囲内にある。本発明の一態様においては、前記圧電層がAlNを主成分とする材料で構成されている。本発明の一態様においては、前記基板に平行な平面内における前記振動領域の形状が楕円である。 In one aspect of the present invention, the size x of the buffer region is in the range of 0.5 μm to 40 μm. In one aspect of the present invention, the piezoelectric layer is made of a material mainly composed of AlN. In one aspect of the present invention, the shape of the vibration region in a plane parallel to the substrate is an ellipse.
本発明の薄膜圧電共振器によれば、圧電共振スタックが振動領域と支持領域との間に位置する緩衝領域を有しており、緩衝領域における圧電層の厚みtと振動領域における圧電層の厚みTとがT/8≦t≦T/2の関係を満たし、基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと定在波の方向に関する緩衝領域の寸法xとがλ/200≦x≦λ/20の関係を満たすようにしているので、反共振周波数におけるインピーダンスの低下を招くことなく、高いQ値を実現することができる。 According to the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the piezoelectric resonance stack has a buffer region located between the vibration region and the support region, and the thickness t of the piezoelectric layer in the buffer region and the thickness of the piezoelectric layer in the vibration region. T satisfies the relationship of T / 8 ≦ t ≦ T / 2, and the wavelength λ of the standing wave existing in the direction parallel to the substrate and the size x of the buffer region in the direction of the standing wave are λ / 200 ≦ x Since the relationship of ≦ λ / 20 is satisfied, a high Q value can be realized without causing a decrease in impedance at the antiresonance frequency.
また、本発明の薄膜圧電共振器において緩衝領域の幅xを0.5μm以上40μm以下の範囲内とすることにより、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく且つ高いQ値を有する薄膜圧電共振器を安定に提供することができる。 Further, in the thin film piezoelectric resonator of the present invention, by setting the width x of the buffer region within the range of 0.5 μm or more and 40 μm or less, the thin film piezoelectric resonator having a large impedance at the antiresonance frequency and having a high Q value can be stabilized. Can be provided.
また、本発明の薄膜圧電共振器において圧電層をAlNを主成分とする材料で構成することにより、より高いQ値を実現することができる。 In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, a higher Q value can be realized by configuring the piezoelectric layer with a material mainly composed of AlN.
また、本発明の薄膜圧電共振器において基板に平行な平面内における振動領域の形状を楕円とすることにより、スプリアスモードの発生を抑制することが可能となる。 Further, in the thin film piezoelectric resonator of the present invention, it is possible to suppress the generation of spurious modes by making the shape of the vibration region in a plane parallel to the substrate an ellipse.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。尚、以下に説明する図面においては同等の機能を有する部材又は部分には同一または対応する符号が付されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings described below, the same or corresponding reference numerals are given to members or portions having the same function.
図1は本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的平面図であり、図2及び図3はそれぞれその模式的X−X部分断面図及び模式的Y−Y部分断面図である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a thin film piezoelectric resonator of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are a schematic sectional view taken along line XX and a schematic sectional view taken along line YY, respectively. .
本実施形態の薄膜圧電共振器は、シリコン等の半導体からなる基板8と、該基板上に形成された圧電共振スタック14とを有する。基板8の上面には、凹部9が形成されている。基板8の上面と平行な平面内での凹部9の形状は正方形である。凹部9の深さは、たとえば、0.5μm〜10μmである。凹部9により圧電共振スタックの一方側(下方側)の振動空間(空隙)4が形成される。圧電共振スタック14の他方側(上方側)は全体的に大気と接している。従って、振動空間4に対応する圧電共振スタック14の領域は、振動が許容される。
The thin film piezoelectric resonator of the present embodiment includes a
圧電共振スタック14は、圧電層2と、該圧電層を挟むように形成された下部電極10および上部電極12とを含む積層体である。下部電極10および上部電極12は、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、金(Au)のように、薄膜として製造でき且つパターニング可能な金属材料からなる層またはそれらの積層体からなるものとすることができる。圧電層は、窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)等からなるものとすることができるが、より高いQ値を実現するために、AlNを主成分とする材料で構成するのが好ましい。ここで、「主成分とする」とは、層中における含有量が50モル%以上であることを示す。
The
下部電極10は、パターン状に形成されており、主体部10Aと接続端子部10Bとからなる。同様に、上部電極12は、パターン状に形成されており、主体部12Aと接続端子部12Bとからなる。下部電極主体部10Aと上部電極主体部12Aとが圧電層2を介して重畳している平面内領域(ここで、平面内領域とは上下方向にみた場合の領域を指す)を、圧電共振スタック14の振動領域20とする。基板8の上面と平行な平面内での振動領域20の寸法aは、たとえば50μm〜400μmである。また、基板8の上面と接触し該基板により支持されている平面内領域を、圧電共振スタック14の支持領域24とする。そして、振動領域20と支持領域24との間に位置する平面内領域を、圧電共振スタック14の緩衝領域22とする。
The
このように、圧電共振スタック14は、振動領域20の全体においては下部電極10と圧電層2と上部電極12との積層構造を持つが、支持領域24及び緩衝領域22においては、その少なくとも一部において、圧電層2のみの単独構造、圧電層2と下部電極10との積層構造、あるいは圧電層2と上部電極12との積層構造を持つ。下部電極主体部10Aは振動空間4を塞いでいる。該振動空間4は、緩衝領域22において圧電層2と下部電極10との積層構造を上下方向に貫通するように形成された貫通小孔18を介して、外気と連通している。
As described above, the
緩衝領域22は、幅xを持つ。即ち、緩衝領域22のX−X方向に延びている部分のY−Y方向寸法及び緩衝領域22のY−Y方向に延びている部分のX−X方向寸法は、いずれもxである。本実施形態では、振動領域20における圧電層2の厚みTより、緩衝領域22における圧電層2の厚みtを薄く形成している。特に、緩衝領域22における圧電層2の厚みtと振動領域20における圧電層2の厚みTとがT/8≦t≦T/2の関係、更に好ましくはT/6≦t≦T/2の関係、を満たすようにしている。また、基板8の上面に平行な方向に伝播する定在波の波長をλとしたときに、該定在波の波長λと緩衝領域22の幅xとがλ/200≦x≦λ/20の関係、更に好ましくはλ/100≦x≦λ/25の関係、を満たすようにしている。これにより、共振器のQ値を大きくすることが可能である。
The
tがT/2より大きくなると、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちになり、高いQ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができ難くなる。一方、tがT/8未満になると、共振器の製造工程中での圧電共振スタックの破損が起こりやすくなり、安定して薄膜圧電共振器を製造することが困難である。したがって、T/8≦t≦T/2好ましくはT/6≦t≦T/2の関係が満たされるようにすることで、破損しにくい堅牢な構造を有し、且つ、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく(例えば1300Ω以上)、大きなQ値を有する薄膜圧電共振器を容易に得ることが可能になる。 When t is larger than T / 2, the effect of increasing the impedance at the antiresonance frequency tends to be reduced, and it becomes difficult to obtain a thin film piezoelectric resonator having a high Q value. On the other hand, when t is less than T / 8, the piezoelectric resonance stack is easily damaged during the manufacturing process of the resonator, and it is difficult to stably manufacture the thin film piezoelectric resonator. Therefore, by satisfying the relationship of T / 8 ≦ t ≦ T / 2, preferably T / 6 ≦ t ≦ T / 2, it has a robust structure that is not easily damaged and has an impedance at an anti-resonance frequency. Is large (for example, 1300Ω or more), and a thin film piezoelectric resonator having a large Q value can be easily obtained.
薄膜圧電共振器には、複数の振動モードが存在するが、本発明では厚み方向に定在波が発生する圧電振動を利用しており、圧電共振スタック14の厚みが、振動領域20において弾性波の波長の2分の1となる。しかし、一方で、基板8の上面に平行な平面内方向にも定在波が存在し、図1〜図3の実施形態の薄膜圧電共振器においては、振動領域20の互いに平行な2辺(X−X方向の2辺またはY−Y方向の2辺)間の距離aがλ/2となる波長λの定在波が発生する。緩衝領域22の幅xがλ/200未満の場合には、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちになる。また、xがλ/20を超えると、共振帯域内にスプリアスが発生しやすくなり、反共振周波数におけるインピーダンスを大きくする効果が低下しがちである。したがって、λ/200≦x≦λ/20好ましくはλ/100≦x≦λ/25となるように緩衝領域22の幅xを設定することにより、振動領域20からの弾性的エネルギーの散逸を抑制することが可能となり、反共振周波数におけるインピーダンスが大きな高いQ値の薄膜圧電共振器を得ることができる。
The thin film piezoelectric resonator has a plurality of vibration modes. In the present invention, piezoelectric vibration in which a standing wave is generated in the thickness direction is used. The thickness of the
本発明の薄膜圧電共振器は、GHz以上の高周波領域で使用することを目的としている。この場合、圧電共振スタック14の厚みは、振動領域20で3μm以下となり、図1〜図3の実施形態のように振動領域20の下側に基板凹部9による空隙4を形成した場合において、圧電共振スタック14を安定して作製するためには、共振器サイズ(振動領域20の寸法a)を400μm以下とすることが好ましい。さらに、高周波領域における導体損失を考慮すると、50μm以上のライン幅(下部電極接続端子部10B及び上部電極接続端子部10Bの幅)にて使用することが好ましく、このため導体損失を低減するため共振器サイズとしても50μm以上が好ましい。つまり、好ましい共振器サイズは、50μm以上400μm以下である。この場合の基板8の上面に平行な平面内方向の定在波の波長λは、50μm≦λ/2≦400μmとなる。したがって、緩衝領域22の幅xに関する上記関係式λ/200≦x≦λ/20は0.5μm≦x≦40μmとなり、また上記関係式λ/100≦x≦λ/25は1μm≦x≦32μmとなる。
The thin film piezoelectric resonator of the present invention is intended to be used in a high frequency region of GHz or higher. In this case, the thickness of the
図1〜図3の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、基板8の上面に湿式エッチング等の技術により凹部9を形成した後、スパッタリング法、蒸着法、CVD法等の成膜技術により犠牲層を形成する。犠牲層としては、PSG(Phospho−silicate glass)のように、容易にエッチングされる材料が適当である。その後、CMP法などの平坦化技術により犠牲層付の基板8の上面を平坦化し、凹部9の内部にのみ犠牲層が残留するようにする。その上に、前述の成膜方法により下部電極10、圧電層2及び上部電極12を成膜するとともに、湿式エッチング、RIE、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて下部電極10、圧電層2及び上部電極12の各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図1で斜線部で示した緩衝領域22および支持領域24の一部の圧電層2を、厚さがTからt(T/8≦t≦T/2好ましくはT/6≦t≦T/2)になるようにエッチングする。このエッチングに際しては、パターニングされた上部電極12をエッチングマスクとして利用することができる。その後、緩衝領域22において圧電共振スタック14の上面から犠牲層まで達する貫通小孔18を形成し、該貫通小孔18を介してエッチング液を供給して犠牲層を除去する。これにより、凹部9と圧電共振スタック14との間に振動空間4が形成される。
The thin film piezoelectric resonator of the embodiment of FIGS. 1 to 3 can be manufactured as follows. First, after forming the
図4は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的平面図である。図1〜図3の実施形態では、圧電共振スタック14の振動領域20の形状が正方形であるが、この図4の実施形態では、圧電共振スタック14の振動領域20の形状が楕円である。この実施形態は、基板凹部9の平面内形状が楕円で、これに対応して、振動領域20の形状が長径a及び短径bの楕円で、緩衝領域22の形状が略楕円環形であることのみ、上記図1〜3の実施形態と異なる。
FIG. 4 is a schematic plan view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. In the embodiment of FIGS. 1 to 3, the shape of the
本実施形態のように、圧電共振スタック14の振動領域20平面内形状を楕円とした場合には、平面内方向の定在波によるスプリアスを一層低減することができる。
As in the present embodiment, when the in-plane shape of the
図5は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図である。図1〜図3の実施形態及び図4の実施形態では、基板8の表面に形成された凹部9により振動空間4を形成しているが、この図5の実施形態では、基板8の上面上に絶縁層6を形成し、該絶縁層6に形成した開口7により振動空間4を形成している。この実施形態は、基板8の上面に絶縁層6を形成し、該絶縁層に凹部9を形成していることのみ、上記図1〜3の実施形態または上記図4の実施形態と異なる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. In the embodiment of FIGS. 1 to 3 and the embodiment of FIG. 4, the
この図5の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、シリコン基板などの半導体基板8上に、スパッタリング法、CVD法等の成膜技術により絶縁層6を形成する。絶縁層6がSiO2の場合にはシリコン基板8の熱酸化により絶縁層6を形成することも可能である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜法により、エッチング液にて容易に溶解する犠牲層を形成し、湿式エッチング、RIE、リフトオフ法などのパターニング技術を用いてパターニングする。犠牲層としては、ゲルマニウム(Ge)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、マグネシウム(Mg)などの金属またはそれらの金属酸化物が適当である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極10、圧電層2及び上部電極12を成膜するとともに、湿式エッチング、RIE、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図1または図4の斜線部で示した緩衝領域22および支持領域24の一部の圧電層2をT/8≦t≦T/2好ましくはT/6≦t≦T/2となるようにエッチングする。その後、前記パターニング技術を用いて、緩衝領域22において圧電共振スタック14の上面から犠牲層まで達する貫通小孔18を形成し、該貫通小孔18を介してエッチング液を供給して犠牲層を除去する。さらに、絶縁層6のエッチングが可能なエッチング液を選択し、絶縁層6をエッチングすることにより、犠牲層と同一パターンで絶縁層6をエッチングすることができる。これにより、絶縁層6に開口7を形成し、振動空間4を形成することができる。
The thin film piezoelectric resonator of the embodiment of FIG. 5 can be manufactured as follows. First, the insulating
図6は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図である。この図6の実施形態は、基板8の上面から下面にまで到達する貫通開口9’により振動空間4を形成している点のみ上記図1〜3の実施形態または上記図4の実施形態と異なる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. The embodiment of FIG. 6 differs from the embodiment of FIGS. 1 to 3 or the embodiment of FIG. 4 only in that the
この図6の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、前述の成膜方法で下部電極10、圧電層2及び上部電極12を成膜するとともに、湿式エッチング、RIE、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。その後、前記パターニング技術を用いて、図1または図4の斜線部で示した緩衝領域22および支持領域24の一部の圧電層2をT/8≦t≦T/2好ましくはT/6≦t≦T/2となるようにエッチングする。更に、半導体基板8の下面側より、異方性湿式エッチング、Deep−RIE等の深堀エッチング技術にて、基板8をエッチングすることにより基板8に貫通開口9’を形成し、該貫通開口により振動空間4を形成することができる。
The thin film piezoelectric resonator according to the embodiment of FIG. 6 can be manufactured as follows. First, the
図7は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的平面図であり、図8及び図9はそれぞれその模式的X−X部分断面図及び模式的Y−Y部分断面図である。以上の図1〜図3の実施形態、図4の実施形態、図5の実施形態、及び図6の実施形態では、圧電共振スタック14の下側に振動空間4が形成されているが、この図7〜図9の実施形態では、圧電共振スタック14の下側に音響反射層30が形成されている。音響反射層30は、低インピーダンス層と高インピーダンス層との交互積層体からなる。低インピーダンス層としてはSiO2やAlNなどの音響インピーダンスの小さな材料からなるものが使用され、高インピーダンス層としてはMo、W、Ta2O5などの音響インピーダンスの大きな材料からなるものが使用され、これらの低インピーダンス層及び高インピーダンス層の厚みが弾性波の4分の1波長に相当するように設定される。
FIG. 7 is a schematic plan view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, and FIGS. 8 and 9 are a schematic XX partial sectional view and a schematic YY partial sectional view, respectively. It is. In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the embodiment shown in FIG. 4, the embodiment shown in FIG. 5, and the embodiment shown in FIG. 6, the
この図7〜図9の実施形態の薄膜圧電共振器は、次のようにして作製することができる。先ず、湿式エッチング等の技術によりシリコン基板などの半導体基板8にピット部を形成し、スパッタリング法、蒸着法、CVD法などの成膜技術により音響反射層30を形成する。その後、CMP法などの平坦化技術により音響反射層付の基板8の上面を平坦化し、ピット内部にのみ音響反射層30が堆積された基板とする。スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極10、圧電層2及び上部電極12を成膜するとともに、湿式エッチング、RIE、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。更に、前記パターニング技術を用いて、図7の斜線部で示した緩衝領域22および支持領域24の一部の圧電層2をT/8≦t≦T/2好ましくはT/6≦t≦T/2となるようにエッチングする。
The thin film piezoelectric resonator of the embodiment of FIGS. 7 to 9 can be manufactured as follows. First, a pit portion is formed on the
図10は本発明の薄膜圧電共振器の更に別の実施形態を示す模式的断面図であり、上記図2に対応する部分を示すものである。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing still another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, and shows a portion corresponding to FIG.
本実施形態の薄膜圧電共振器は、圧電共振スタック14の下面に下部誘電体層26が付されており、圧電共振スタック14の上面に上部誘電体層28が付されている点のみ上記図1〜3の実施形態または上記図4の実施形態と異なる。下部誘電体層26及び上部誘電体層28としては、窒化アルミニウム(AlN)、酸窒化アルミニウム(AlOxNy)、窒化ケイ素(Si3Nx)、およびサイアロン(SiAlON)などの比較的弾性率の大きな材料が好ましい。下部誘電体層26及び上部誘電体層28の厚さは、たとえば、0.05μm〜0.5μmである。
The thin film piezoelectric resonator according to the present embodiment has the lower
本実施形態によれば、上記の図1〜図3の実施形態と同様に、反共振周波数におけるインピーダンスの低下が抑制され高いQ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、下部誘電体層26及び上部誘電体層28を設けているので、それぞれ下部電極10及び上部電極12を保護することができる。
According to the present embodiment, as in the above-described embodiments of FIGS. 1 to 3, it is possible to obtain a thin film piezoelectric resonator having a high Q value in which a decrease in impedance at the antiresonance frequency is suppressed. Furthermore, according to this embodiment, since the lower
以下、実施例及び比較例により、更に本発明を説明する。 Hereinafter, the present invention will be further described with reference to Examples and Comparative Examples.
(実施例1〜実施例3、比較例1〜比較例3)
振動領域20の平面内形状が長径210μmで短径122μmの楕円である図2〜図4の形態の薄膜圧電共振器を作製した。下部電極10はMoからなり厚みが300nmであり、圧電層2はAlNからなり振動領域20における厚みTが1200nmで且つ緩衝領域22での厚みtが200nm(実施例1:t=T/6)であり、上部電極12はMo層とAl層との積層膜からなり厚みが300nm(各層150nm)であった。また、緩衝領域22の幅xは、x=λ/40=8.0μmとした。ここで、振動領域20の平面内形状が楕円であるため、平面内方向での定在波の波長λは、λ=2(a×b)1/2=320μmとしている。
(Example 1 to Example 3, Comparative Example 1 to Comparative Example 3)
A thin film piezoelectric resonator having the form shown in FIGS. 2 to 4 in which the in-plane shape of the
図11に、作製した薄膜圧電共振器の周波数(Frequency)−インピーダンス(Z)の関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが2500Ωで、Q値が980と良好な共振器特性を示している。 FIG. 11 shows the frequency (Frequency) -impedance (Z) relationship of the fabricated thin film piezoelectric resonator. The impedance at the anti-resonance frequency is 2500Ω, and the Q value is 980, indicating good resonator characteristics.
続いて、緩衝領域22における圧電層2の厚みtをTに変えて(比較例1:t=T)、同様な薄膜圧電共振器を作製した。
Subsequently, the thickness t of the
図12に、作製した薄膜圧電共振器の周波数(Frequency)−インピーダンス(Z)の関係を示す。反共振周波数におけるインピーダンスが1100Ωであり、実施例1の結果に比べインピーダンスがかなりの程度小さくなっており、共振器特性は実施例1のものに比べてかなり劣っている。 FIG. 12 shows the frequency (Frequency) -impedance (Z) relationship of the fabricated thin film piezoelectric resonator. The impedance at the antiresonance frequency is 1100Ω, the impedance is considerably smaller than the result of Example 1, and the resonator characteristics are considerably inferior to those of Example 1.
続いて、緩衝領域22における圧電層2の厚みtを更に変えて(実施例2:t=T/3、実施例3:t=T/2、比較例2:t=2T/3)、同様な薄膜圧電共振器を作製した。
Subsequently, the thickness t of the
図13に、実施例1[Ex.1]〜実施例3[Ex.1]、比較例1[Com.Ex.1]及び比較例2[Com.Ex.2]でそれぞれ得られた薄膜圧電共振器での、t/Tと反共振周波数におけるインピーダンス(Zmax)との関係を示す。実施例1〜実施例3で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく良好な共振器特性を示している。これに対して、比較例1及び比較例2で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが小さく共振器特性は劣っている。 FIG. 13 shows Example 1 [Ex. 1] to Example 3 [Ex. 1], Comparative Example 1 [Com. Ex. 1] and Comparative Example 2 [Com. Ex. 2] shows the relationship between t / T and the impedance (Zmax) at the antiresonance frequency in the thin film piezoelectric resonator obtained in [2]. The thin film piezoelectric resonators obtained in Examples 1 to 3 have a large impedance at the antiresonance frequency and exhibit good resonator characteristics. On the other hand, the thin film piezoelectric resonators obtained in Comparative Examples 1 and 2 have low impedance at the antiresonance frequency and inferior resonator characteristics.
尚、t/T=0即ち緩衝領域22で圧電層2を完全に除去した場合(比較例3)には、製造工程で圧電共振スタックの破損が起こり、共振器特性を測定することができなかった。
When t / T = 0, that is, when the
(実施例4〜実施例8及び比較例4〜比較例5)
緩衝領域22の幅xを変えた(実施例4:x=λ/53.3=6.0μm、実施例5:x=λ/80=4.0μm、実施例6:x=λ/26.7=12.0μm、実施例7:x=λ/160=2.0μm、実施例8:x=λ/20=16.0μm、比較例4:x=0μm、比較例5:x=λ/16=20.0μm)ことを除いて、実施例1と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。
(Examples 4 to 8 and Comparative Examples 4 to 5)
The width x of the
図14に、実施例1[Ex.1]、実施例4[Ex.4]〜実施例8[Ex.8]、比較例4[Com.Ex.4]及び比較例5[Com.Ex.5]でそれぞれ得られた薄膜圧電共振器での、x/λと反共振周波数におけるインピーダンス(Zmax)との関係を示す。実施例1及び実施例4〜実施例8で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが大きく良好な共振器特性を示している。特に、実施例1及び実施例4〜実施例6で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが200Ω以上と特に大きく極めて良好な共振器特性を示している。これに対して、比較例4及び比較例5で得られた薄膜圧電共振器は、反共振周波数におけるインピーダンスが小さく共振器特性は劣っている。尚、比較例5で得られた薄膜圧電共振器では、共振帯域内にスプリアスが発生した。 FIG. 14 shows Example 1 [Ex. 1], Example 4 [Ex. 4] to Example 8 [Ex. 8], Comparative Example 4 [Com. Ex. 4] and Comparative Example 5 [Com. Ex. 5] shows the relationship between x / λ and the impedance (Zmax) at the antiresonance frequency in the thin film piezoelectric resonator obtained in [5]. The thin film piezoelectric resonators obtained in Example 1 and Examples 4 to 8 have a large impedance at the antiresonance frequency and exhibit good resonator characteristics. In particular, the thin film piezoelectric resonators obtained in Example 1 and Examples 4 to 6 have a particularly large resonator characteristic with an impedance of 200Ω or more at the antiresonance frequency, which is extremely good. On the other hand, the thin film piezoelectric resonators obtained in Comparative Example 4 and Comparative Example 5 have low impedance at the antiresonance frequency and inferior resonator characteristics. In the thin film piezoelectric resonator obtained in Comparative Example 5, spurious was generated in the resonance band.
2 圧電層
4 振動空間
6 絶縁層
7 開口
8 半導体基板
9 凹部
9’ 貫通開口
10 下部電極
10A 下部電極主体部
10B 下部電極接続端子部
12 上部電極
12A 上部電極主体部
12B 上部電極接続端子部
14 圧電共振スタック
16 接続導体
18 貫通小孔
20 振動領域
22 緩衝領域
24 支持領域
26 下部誘電体層
28 上部誘電体層
30 音響反射層
2 Piezoelectric
Claims (4)
前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域における前記圧電層の厚みtと前記振動領域における前記圧電層の厚みTとがT/8≦t≦T/2の関係を満たし、前記基板に平行な方向に存在する定在波の波長λと該定在波の方向に関する前記緩衝領域の寸法xとがλ/200≦x≦λ/20の関係を満たすことを特徴とする薄膜圧電共振器。 A piezoelectric resonance stack having a piezoelectric layer and an upper electrode and a lower electrode formed so as to face each other with the piezoelectric layer interposed therebetween, a void or an acoustic reflection layer formed under the piezoelectric resonance stack, and the piezoelectric resonance stack A thin film piezoelectric resonator comprising a substrate supporting
The piezoelectric resonance stack includes a vibration region in which the upper electrode and the lower electrode face each other through the piezoelectric layer and are positioned corresponding to the gap or the acoustic reflection layer, a support region in contact with the substrate, and the vibration A buffer region located between the region and the support region,
The thickness t of the piezoelectric layer in the buffer region and the thickness T of the piezoelectric layer in the vibration region satisfy the relationship of T / 8 ≦ t ≦ T / 2, and the standing wave existing in the direction parallel to the substrate A thin film piezoelectric resonator, wherein the wavelength λ and the size x of the buffer region with respect to the direction of the standing wave satisfy a relationship of λ / 200 ≦ x ≦ λ / 20.
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