JPWO2007004435A1 - 音響共振器及びフィルタ - Google Patents

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Abstract

基板部４０と第２の支持部２０との間に、第１の支持部３０を設ける。この第１の支持部３０は、圧電体１１及び基板部４０よりも高い音響インピーダンスを有する材料で形成された膜、又は圧電体１１及び基板部４０よりもＱ値が小さい材料で形成された膜等で構成される。この第１の支持部３０の挿入によって、第２の支持部２０から基板部４０へ向かう振動の大半が反射され（矢印ａ）、また第２の支持部２０から基板部４０へ伝わった振動が基板部４０の底面で反射して振動部１０の方向へ戻ってくることが防げる（矢印ｂ）。

Description

本発明は、音響共振器及びフィルタに関し、より特定的には、スプリアスの発生を抑えることが可能な音響共振器、及び当該音響共振器を用いたフィルタに関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、音響共振器を用いたフィルタが知られている（特許文献１〜３を参照）。
以下、図１３Ａ〜図１３Ｄを参照して、特許文献１に記載された従来の音響共振器を説明する。
図１３Ａは、従来の音響共振器の基本構造を示した断面図である。従来の音響共振器は、圧電体１０１を上部電極１０２と下部電極１０３とで挟んだ構造である。この従来の音響共振器は、キャビティ１０４が形成された基板１０５の上に載置されて使用される。キャビティ１０４は、微細加工法を用いて、基板１０５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。この従来の音響共振器は、上部電極１０２及び下部電極１０３によって、厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。次に、従来の音響共振器の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。
図１３Ｂは、従来の音響共振器の動作を説明するための概略的な斜視図である。従来の音響共振器は、上部電極１０２と下部電極１０３との間に電界が加えられると、圧電体１０１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、従来の音響共振器は、圧電体１０１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図１３Ａに示したキャビティ１０４は、この圧電体１０１の厚み縦振動を確保するために利用される。
この従来の音響共振器の等価回路は、図１３Ｄに示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持った等価回路となる。この等価回路は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図１３Ｃに示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）
このようなアドミッタンス周波数特性を有する従来の音響共振器をフィルタとして応用した場合、圧電体１０１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。
ここで、音響共振器の特性を大きく左右する圧電薄膜には、高品質のものが望まれる。このため、高品質な圧電薄膜を実現するための製造方法が様々に提案されている（特許文献４を参照）。図１４は、特許文献４で開示されている従来の音響共振器の製造方法の手順を説明するための図である。
まず、基板１１１をエッチングして、後にキャビティ１１２となる窪みを基板１１１上に形成する（図１４の（ａ））。次に、基板１１１の全面に犠牲層１１５を形成する（図１４の（ｂ））。次に、基板１１１の表面と犠牲層１１５の表面とが等しい高さになるよう平坦化する（図１４の（ｃ））。そして、その上部に下部電極１２１、圧電薄膜１２２及び上部電極１２３をそれぞれ積層して、振動部１２０を形成する（図１４の（ｄ））。最後に、犠牲層１１５をエッチングにより除去してキャビティ１１２を設けることで、音響共振器が完成する（図１４の（ｅ））。この特許文献４では、圧電薄膜の結晶性を向上させるために、下部電極１２１であるモリブデン（Ｍｏ）の膜厚及び平坦性を規定することで、スパッタ法を用いた場合での高品質な圧電薄膜を実現させている。
特開昭６０−６８７１１号公報 特開２００３−１５８３０９号公報 米国特許第５５８７６２０号明細書 特許第２８００９０５号公報 米国特許第６０６０８１８号明細書
上述した従来の音響共振器は、一部が基板１０５に固定されている構造であるため、振動部による振動の一部がどうしても基板１０５に伝わってしまう。この基板１０５に伝わった不要振動は、基板１０５の底面で反射して振動部側へ戻ってくるので、振動部の主共振振動に影響を与えてしまう（図１５の矢印ｅ）。
この影響は、図１６Ａに示すように、振動部の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアス振動を生じさせる。このようなスプリアスを有する音響共振器を、図１６Ｂのように並列接続してフィルタを形成すると、図１６Ｃに示すように、通過帯域の部分に好ましくない通過特性が現れる。この通過特性は、通信の品質低下を招く。
また、従来の製造方法によれば圧電薄膜の結晶性は下地に大きく左右される。そのため、下地となる材料には、高結晶性及び高平坦性が要求されることとなる。よって、圧電薄膜及び上下電極で構成された振動部と基板との間の構造が複雑になれば、圧電薄膜の下地膜の結晶性及び平坦性へ影響が現れる。従って、例えば平坦性については、圧電薄膜の成膜前に平坦化プロセスを行うなどのプロセスが必要となり、プロセスが複雑となる等の課題がある。
また、高品質な圧電薄膜を実現させるためには、スパッタ法を用いた成膜よりも有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた成膜の方が優れていることが知られている。しかし、このＭＯＣＶＤ法では、１０００℃近い高温でのプロセスが必要となる。このため、上述した従来の音響共振器の製造方法のように、下部から順番に成膜及び積層を行う製造方法の場合、ＭＯＣＶＤ法による高温プロセスに耐えるためには電極材料等が制限されるという課題もある。この高温プロセスという課題については、下部から順番に成膜及び積層を行わない他の製造方法、例えば圧電薄膜を成膜した後に電極等を基板裏面より成膜する製造方法が考えられるが、未だに実用的に有効な製造方法の実現には至っていない。
それ故に、本発明の目的は、基板の底面で反射して戻ってくる不要振動を防ぎ、スプリアスの発生を抑制させた音響共振器及びフィルタを提供することである。
また、本発明の他の目的は、基板貼り合わせの技術を利用して圧電薄膜の成膜後に電極等の成膜を可能にすることで、支持部の構造が複雑な形状であっても、結晶性の高い圧電薄膜を用いた音響共振器の製造できる製造方法を提供することである。
本発明は、所定の周波数で振動する音響共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の音響共振器は、基板と、基板上に設けられる第１の支持部と、第１の支持部上に設けられる第２の支持部又は低インピーダンス層と高インピーダンス層とを交互に積層させた音響ミラー部と、第２の支持部又は音響ミラー部上に設けられる、少なくとも圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される振動部とを備える。
好ましくは、第１の支持部は、金と錫との共晶結晶等のように、基板よりも高い音響インピーダンスを有する材料で構成されている。また、上側に第２の支持部が設けられる場合、第１の支持部の厚さは、振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４であることが望ましい。一方、上側に音響ミラー部が設けられる場合、第１の支持部の厚さは、振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４以外であることが望ましい。
上述した本発明の音響共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続すれば、様々な周波数特性のフィルタを実現することができる。また、上記フィルタは、入力信号を切り替えて出力するスイッチ等と共に通信機器に用いることができる。
また、本発明は、音響共振器の製造方法に向けられている。そして、本発明の音響共振器の製造方法は、下記の処理を順に行うことによって上記目的を達成させている。
犠牲基板の上に圧電薄膜を成膜する。圧電薄膜の上に第１電極層を積層する。第１電極層をパターニングして、音響共振器の下部電極を成形する。圧電薄膜及び下部電極の上に、第１犠牲層を積層する。第１犠牲層をパターニングして、除去後に音響共振器の空洞として機能する犠牲部を成形する。犠牲部、下部電極及び圧電薄膜の上に、圧電薄膜共振器を保持するための保持層を成膜する。保持層の表面に、半導体基板を貼り合わせる。貼り合わせる工程の後、犠牲基板を半導体基板から剥離する。剥離して現れた圧電薄膜の上に第２電極層を積層する。第２電極層をパターニングして、音響共振器の上部電極を成形する。犠牲部を除去して空洞を形成する。
保持層の表面は、半導体基板を貼り合わせる工程の前に平坦化してもよい。また、保持層の表面の平坦化は、表面ラフネスが１０００ＡＲＭＳ以下であることが好ましい。
この貼り合わせる工程では、保持層と半導体基板とを、接着層を介して貼り合わせてもよいし、共晶接合を用いて貼り合わせてもよい。犠牲層には、モリブデン又はタングステンシリサイドが使用されることが好ましい。また、圧電薄膜を成膜する工程では、犠牲基板の上に第２犠牲層を介して圧電薄膜を成膜してもよい。第２犠牲層には、窒化ガリウム又はモリブデンが使用されることが好ましい。
また、本発明の音響共振器の製造方法は、下記の処理を順に行うことによっても上記目的を達成させている。
犠牲基板の上に圧電薄膜を成膜する。圧電薄膜の上に第１電極層を積層する。第１電極層をパターニングして、音響共振器の下部電極を成形する。下部電極及び圧電薄膜の上に、音響共振器を保持するための保持層を成膜する。保持層の上に、ミラー層を形成する。ミラー層の上に、半導体基板を貼り合わせる。貼り合わせる工程の後、犠牲基板を半導体基板から剥離する。剥離して現れた圧電薄膜の上に第２電極層を積層する。第２電極層をパターニングして、音響共振器の上部電極を成形する。
保持層の表面は、半導体基板を貼り合わせる工程の前に平坦化してもよい。また、保持層の表面の平坦化は、表面ラフネスが１０００ＡＲＭＳ以下であることが好ましい。
この貼り合わせる工程では、ミラー層と半導体基板とを、接着層を介して貼り合わせてもよいし、共晶接合を用いて貼り合わせてもよい。また、圧電薄膜を成膜する工程では、犠牲基板の上に犠牲層を介して圧電薄膜を成膜してもよい。犠牲層には、窒化ガリウム又はモリブデンが使用されることが好ましい。
上記本発明の音響共振器によれば、基板部の底面で反射して振動部側へ戻ってくる不要振動の発生を防止することができる。これにより、振動部の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じない良好なアドミッタンス周波数特性を得ることができる。
また、上記本発明によれば、基板貼り合わせ技術を利用するため、音響共振器の特性に大きく影響する圧電薄膜の成膜時に単結晶基板を下地基板として使用することができる、あるいは、ＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができるため、結晶性の高い圧電薄膜を得ることが可能となる。また、キャビティの形成、及び支持部の形成においても、圧電薄膜の成膜後に行うため、圧電薄膜の結晶性に、支持部等の結晶性、平坦性の影響がない。さらに、キャビティの形成に犠牲層を用い、基板剥離後に犠牲層をエッチングにより除去するため、レーザ・リフト・オフ工程において振動部のメンブレンがダメージを受けることがなく歩留まりを向上させることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の構造断面図 図２は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 図３は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 図４は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 図５は、本発明の第２の実施形態に係る音響共振器の構造断面図 図６Ａは、本発明の音響共振器を用いたフィルタの実施例を示す図 図６Ｂは、本発明の音響共振器を用いたフィルタの他の実施例を示す図 図７は、本発明の音響共振器を用いたフィルタの他の実施例を示す図 図８は、本発明の音響共振器を用いた装置の実施例を示す図 図９Ａは、第１例の製造方法を用いて製造された音響共振器の図 図９Ｂは、図９Ａの音響共振器の構造断面図 図１０Ａは、第１例の製造方法を説明するための工程図 図１０Ｂは、第１例の製造方法を説明するための工程図 図１０Ｃは、第１例の製造方法を説明するための工程図 図１１は、第２例の製造方法を用いて製造された音響共振器の構造断面図 図１２Ａは、第２例の製造方法を説明するための工程図 図１２Ｂは、第２例の製造方法を説明するための工程図 図１２Ｃは、第２例の製造方法を説明するための工程図 図１３Ａは、従来の音響共振器を説明するための図 図１３Ｂは、従来の音響共振器を説明するための図 図１３Ｃは、従来の音響共振器を説明するための図 図１３Ｄは、従来の音響共振器を説明するための図 図１４は、従来の音響共振器の製造方法を説明する図 図１５は、従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 図１６Ａは、従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 図１６Ｂは、従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 図１６Ｃは、従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図
符号の説明
１０ 振動部
１１、１０１ 圧電体
１２、１０２ 上部電極
１３、１０３ 下部電極
２０、３０ 支持部
２１、１０４ キャビティ
４０、１０５ 基板
５０ 音響ミラー部
５１ 低インピーダンス層
５２ 高インピーダンス層
６１、６２、７１ 圧電共振器
８１、８２ アンテナ
８３ スイッチ
８４ フィルタ
９１、９２ 犠牲層
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の構造断面を示す図である。図１において、第１の実施形態に係る音響共振器は、基板部４０と、基板部４０上に設けられた第１の支持部３０と、第１の支持部３０上に設けられた第２の支持部２０と、第２の支持部２０上に設けられた振動部１０とで構成される。第２の支持部２０は、振動部１０の縦振動を確保するために、第２の支持部２０を貫通する形状のキャビティ２１を有している。この第２の支持部２０は、振動部１０を基板部４０に支持させるための支持層である。振動部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。上部電極１２及び下部電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。この振動部１０は、下部電極１３を下側にして第２の支持部２０上に載置される。
第１の支持部３０は、第２の支持部２０と協働して振動部１０を基板部４０に支持させるための支持層であると共に、ダンピング層でもある。この第１の支持部３０は、圧電体１１及び基板４０よりも高い音響インピーダンスを有する材料で形成された膜、又は圧電体１１及び基板４０よりもＱ値が小さい材料で形成された膜等で構成される。この第１の支持部３０の材料は、絶縁材料であっても導電材料であってもよい。導電材料を用いる場合には、第１の支持部３０を配線層として使用することもできる。高インピーダンスの第１の支持部３０は、例えば金と錫とを共晶結晶させて形成することができる。低Ｑ値の第１の支持部３０には、例えばポリマー等の接着剤を用いることができる。
上記構成による第１の実施形態に係る音響共振器では、基板部４０と第２の支持部２０との間に設けられた第１の支持部３０の作用によって、以下の特徴を発揮する。
第１に、第２の支持部２０から基板部４０へ向かう振動の大半が、第１の支持部３０によって反射される（図１の矢印ａ）。第２に、第２の支持部２０から基板部４０へ伝わったわずかな振動が、基板部４０の底面で反射して振動部１０の方向に戻ってきたとしても、第１の支持部３０によって反射される（図１の矢印ｂ）。これは、第１の支持部３０が、基板部４０及び第２の支持部２０よりも音響インピーダンスが高いことを意味する。
なお、第２の支持部２０の厚さ、キャビティ２１の深さ、及び第１の支持部３０の厚さは、図１に示した構造以外にも、図２〜図４に示す構造とすることもできる。
図２は、第２の支持部２０を貫通しない形状のキャビティ２１を設けた音響共振器の実施例である。図３は、振動部１０で励振される共振周波数の波長λに対して、第２の支持部２０の厚さ及び第１の支持部３０の厚さをそれぞれλ／４とした音響共振器の実施例である。図４は、振動部１０で励振される共振周波数の波長λに対して、第２の支持部２０の厚さをλ／２とし、第１の支持部３０の厚さをλ／４とした音響共振器の実施例である。もちろん、この図３及び図４の構造においても、キャビティ２１が第２の支持部２０を貫通しない形状にしても構わない。
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る音響共振器の構造断面を示す図である。図５において、第２の実施形態に係る音響共振器は、基板部４０と、基板部４０上に設けられた支持部３０と、支持部３０上に設けられた音響ミラー部５０と、音響ミラー部５０上に設けられた振動部１０とで構成される。音響ミラー部５０は、低インピーダンス層５１と高インピーダンス層５２とが交互に積層された音響反射層を構成する。この音響ミラー部５０では、振動部１０の縦振動が確保される。振動部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。上部電極１２及び下部電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。この振動部１０は、下部電極１３を下側にして音響ミラー部５０上に載置される。
上記構成による第２の実施形態に係る音響共振器では、基板部４０と音響ミラー部５０との間に設けられた支持部３０の作用によって、以下の特徴を発揮する。
第１に、音響ミラー部５０から基板部４０へ向かう振動の大半が、支持部３０によって反射される（図５の矢印ｃ）。第２に、音響ミラー部５０から基板部４０へ伝わったわずかな振動が、基板部４０の底面で反射して振動部１０の方向に戻ってきたとしても、支持部３０によって反射される（図５の矢印ｄ）。これは、支持部３０が、基板部４０及び音響ミラー部５０よりも音響インピーダンスが高いことを意味する。
この第２の実施形態に係る音響共振器の構造では、音響ミラー部５０の低インピーダンス層５１及び高インピーダンス層５２の厚みが、それぞれ音響共振器の振動波長λの１／４であるのに対して、支持部３０の厚みがλ／４以外であることが特徴である。このとき、振動部１０が載置される部分の支持部３０の厚みと、振動部１０が載置されない部分の支持部３０の厚みとを、異ならせてもよい。これらの特徴によって、よりダンピング効果を発揮することができる。また、振動部１０の共振周波数と、振動部１０以外の共振周波数とを変えることで、エネルギーを振動部１０内に閉じ込めることができ、更なるダンピング効果を期待できる。
また、支持部３０は、圧電体１１及び基板部４０よりも高い音響インピーダンスを有する材料で形成された膜、又は圧電体１１及び基板部４０よりもＱ値が小さい材料で形成された膜等構成される。この支持部３０の材料は、絶縁材料であっても導電材料であってもよい。導電材料を用いる場合には、支持部３０を配線層として使用することもできる。高インピーダンスの支持部３０は、例えば金と錫とを共晶結晶させて形成することができる。低Ｑ値の支持部３０には、例えばポリマー等の接着剤を用いることができる。
以上のように、本発明の第１及び第２の実施形態に係る音響共振器によれば、基板部４０の底面で反射して振動部１０側へ戻ってくる不要振動の発生を防止することができる。これにより、振動部１０の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じない良好なアドミッタンス周波数特性を得ることができる。
なお、上述した第１及び第２の実施形態に係る音響共振器は、１つ又は複数組み合わせることでフィルタとなり得る。以下、複数組み合わせた場合のフィルタ及びこのフィルタを用いた装置について説明する。
（音響共振器を用いたフィルタの第１実施例）
図６Ａは、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第１実施例を示す図である。図６Ａに示すフィルタは、音響共振器をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響共振器６１は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子６３と出力端子６４との間に直列に接続される。音響共振器６２は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子６３から出力端子６４へ向かう経路と接地面との間に接続される。ここで、音響共振器６１の共振周波数を音響共振器６２の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。好ましくは、音響共振器６１の共振周波数と音響共振器６２の反共振周波数とを、実質上一致又は近傍に設定することにより、より通過帯域の平坦性に優れるラダーフィルタを実現することができる。
なお、上記第１実施例では、Ｌ型構成のラダーフィルタを例示して説明を行ったが、その他のＴ型構成やπ型構成のラダーフィルタや、格子型構成のラダーフィルタでも同様の効果を得ることができる。また、ラダーフィルタは、図６Ａのように１段構成であっても、図６Ｂのように多段構成であってもよい。
（音響共振器を用いたフィルタの第２実施例）
図７は、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第２実施例を示す図である。図７に示すフィルタは、スタック型のフィルタである。音響共振器７１は、入力端子７３と出力端子７４との間に直列に接続される。音響共振器７１の中間電極は、接地面に接続される。このように、スプリアスのない音響共振器７１を使用すれば、通過帯域の平坦性に優れるスタック型フィルタを実現することができる。もちろん、スタック型フィルタは、図７のように１段構成であっても、多段構成であってもよい。
（音響共振器を用いた装置の実施例）
図８は、本発明の音響共振器を用いた装置の実施例を示す図である。図８に示す装置は、図６Ａ、図６Ｂや図７に示したフィルタを用いた通信機器である。この装置は、２つのアンテナ８１及び８２と、２つの周波数信号を切り替えるためのスイッチ８３と、フィルタ８４とで構成される。このような構成によって、低損失な通信機器を実現することができる。
（音響共振器の製造方法の第１例）
図９Ａは、第１例の製造方法を用いて製造された第１の実施形態に係る音響共振器の上面図の一例である。図９Ｂは、図９Ａに示した音響共振器のＸ−Ｘ断面図である。この第１例の製造方法では、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって音響共振器を製造する。以下、図１０Ａ〜図１０Ｃをさらに参照して、第１例の製造方法の手順を説明する。
まず、犠牲基板９２の上に、犠牲層９１を積層する（図１０Ａ、工程ａ）。次に、犠牲層９１の上に、圧電薄膜１１ａを成膜する（図１０Ａ、工程ｂ）。ここで、犠牲基板９２とは、音響共振器を形成する過程で一時的に利用される基板であり、製造後の音響共振器には含まれない構成である。この犠牲基板９２は、例えばサファイアからなる。犠牲層９１は、後述する貼り合わせ工程の後に、犠牲基板９２を圧電薄膜１１ａから剥離するために設けられるバッファ層である。この犠牲層９１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。圧電薄膜１１ａは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、ＭＯＣＶＤ法によって犠牲層９１の上に成膜される。このように、ＭＯＣＶＤ法を用いることにより、膜質に優れた圧電体層を形成することができ、広帯域及び高Ｑ値で、かつ信頼性の高い音響共振器を製造することができる。
なお、ＭＯＣＶＤ法は、１０５０℃という高温下で行われる。しかし、本実施例では高融点材料である窒化ガリウムを犠牲層９１として用いていており、１０５０℃という高温に十分に耐えられる。従って、圧電薄膜１１ａの成膜にＭＯＣＶＤ法を用いることは、製造プロセス上何ら問題とならない。なお、犠牲層９１には、窒化ガリウム以外にモリブデンを使用することも可能である。
次に、圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１３ａを積層する（図１０Ａ、工程ｃ）。その後、積層した電極層１３ａをパターニングして、下部電極１３を成形する（図１０Ａ、工程ｄ）。次に、成形した下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、犠牲層２１ａを積層する（図１０Ａ、工程ｅ）。このとき、犠牲層２１ａを、下部電極１３よりも厚い層で積層する。そして、この積層した犠牲層２１ａをパターニングして、犠牲部２１を成形する（図１０Ａ、工程ｆ）。この犠牲部２１は、後述するキャビティ形成工程において除去される部分であり、除去されることで音響共振器のキャビティ２１を形成する。この犠牲層２１ａの材料としては、例えばモリブデンやタングステンシリサイド等を使用することができる。なお、この場合には、下部電極１３の材料にモリブデン以外のアルミニウム等が使用されることとなる。
次に、犠牲部１８、下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、第２の支持層２０を積層する（図１０Ｂ、工程ｇ）。第２の支持層２０は、酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁体が望ましい。そして、この積層した第２の支持層２０の表面に段差がなくなるように、平坦化処理を行う（図１０Ｂ、工程ｈ）。この平坦化処理は、後述する貼り合わせ工程において、基板４０を全面均一に上手く貼り合わせられるように行われる。平坦化処理には、ＣＭＰ等を用いることが可能であり、表面のラフネスをＲＭＳ２０００Ａ以下とすることで、均一な貼り合わせを行うことができる。
次に、金錫の合金からなる第１の支持層３０を形成した基板４０を、第１の支持層３０の面で第２の支持層２０と貼り合わせる（図１０Ｂ、工程ｉ）。この基板４０は、例えばシリコンからなる。このとき、基板４０と第１の支持層３０との間に、酸化珪素又は窒化珪素等からなる絶縁体層を形成することも可能である。第１例では、第１の支持層３０として金錫の合金膜を成膜して、金錫の共晶接合を利用した貼り合わせを行っている。具体的には、犠牲基板９２と基板４０とを対向させて、１５Ｎ／ｃｍ２の圧力を加えた状態で３７５℃の温度を１０分間加えることにより、２枚の基板を貼り合わせている。なお、共晶接合可能な材料であれば、金錫以外の合金で同様の効果を得ることができる。
次に、犠牲基板９２の裏面からイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）・レーザを照射して、バンドギャップの小さい窒化ガリウムからなる犠牲層９１の接合を切ることにより、犠牲基板９２と基板４０とを剥離する（図１０Ｂ、工程ｊ）。このとき、犠牲層９１より上側に形成されていた圧電薄膜１１ａ、下部電極１３、犠牲部１８、及び第２の支持層２０は、基板４０に転写される。なお、剥離に用いたＹＡＧレーザは、使用する犠牲基板９２及び犠牲層９１の膜厚や種類に応じてレーザ波長を選択することにより、犠牲層９１の厚さによるバンドギャップの変化や、他の材料を選択した場合にも対応が可能である。
次に、剥離されて表面に現れた圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１２ａを積層する（図１０Ｃ、工程ｋ）。その後、積層した電極層１２ａをパターニングして、上部電極１２を成形する（図１０Ｃ、工程ｌ）。さらに、必要に応じて圧電薄膜１１ａをパターニングして、圧電体１１を成形する（図１０Ｃ、工程ｍ）。最後に、犠牲部１８をエッチング等により除去して、キャビティ２１を形成する（図１０Ｃ、工程ｎ）。これにより、図９Ｂに示した音響共振器が完成する。
以上のように、この第１例の製造方法では、基板貼り合わせ技術を利用する。このため、圧電薄膜の成膜時において下地をシリコン等の単結晶基板を用いることができ、複雑な膜構成（支持部構成）においても下地の影響を無くし高品質の圧電薄膜を得ることができる。また、圧電薄膜形成時にＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができ、エピタキシャル成長した圧電薄膜を得ることが可能となる。
また、キャビティの形成に犠牲層を用い、基板剥離後に犠牲層をエッチングにより除去するため、レーザ・リフト・オフ工程において振動部のメンブレンがダメージを受けることがなく歩留まりを向上させることができる。また、基板を全面で貼り合わせることができるため、製造工程を簡略化することが可能である。
なお、貼り合わせ条件によっては、第２の支持層２０の平坦化工程（図１０Ｂ、工程ｈ）を省くことも可能である。このように平坦化を行わない場合においても、振動部１０が貼り合わせ面から離れているため、音響共振器の特性に影響を与えることがなく、かつ、簡便に音響共振器を製造することが可能となる。
また、第２の支持層２０と基板４０との貼り合わせ面が振動部１０から離れているため、第１の支持層３０に接着剤等を用いることも可能である。この場合、表面のラフネスを改善する必要がなく、平坦化工程（図１０Ｂ、工程ｇ）を省略することができ、より簡便に音響共振器を製造することが可能となると共に、接着剤で構成された第１の支持層３０によるダンピング効果により、基板４０に伝搬する振動を効率よく減衰させることが可能となる。
また、犠牲基板９２には、サファイアの基板以外にも、圧電薄膜１１ａが成膜可能であればシリコン又は炭化珪素（ＳｉＣ）等の基板を用いてもよい。また、犠牲層９１には、窒化ガリウム以外にも、基板から容易に剥離することができ、圧電体層が成膜可能な材料を用いることができる。例えば、モリブデンを犠牲層９１として用いることにより過酸化水素水により容易に形成基板から剥離することができる。この場合、基板剥離工程（本実施例ではレーザ・リフト・オフ工程に対応）において、ウエット・エッチング等を用いた場合においても、振動部１０は第２の支持層２０で覆われているため、下部電極１３がダメージを受けることがない。
また、圧電薄膜１１ａの成膜方法としてはＭＯＣＶＤ法に限らず、スパッタ法を用いても同様の効果があることは言うまでもない。さらに、圧電薄膜１１ａには、ＭＯＣＶＤ法により形成された窒化アルミニウムの他、高温スパッタ法より形成された酸化亜鉛、高温処理が施されたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＺｒＯ）等のＰＺＴ材料等を用いてもよい。但し、これらの膜を形成する際には、酸素雰囲気下で８００℃程度の高温処理を行わなければならないため、犠牲層に用いる材料には耐熱性が必要とされる。
また、基板剥離工程として、レーザ・リフト・オフ工程の例を示したが、貼り合わせ工程後、犠牲基板９２を除去可能な方法であれば他の方法を用いることができる。犠牲基板除去工程としては、犠牲基板９２をエッチング等の手段を用いて除去する方法が考えられる。例えば、ウエットエッチングの場合、犠牲基板９２がシリコン基板である場、フッ硝酸を用いて除去可能であり、ドライエッチング等を用いても同様に除去可能である。
（音響共振器の製造方法の第２例）
図１１は、第２例の製造方法を用いて製造された第２の実施形態に係る音響共振器の断面図の一例である。この第２例の製造方法も、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって音響共振器を製造する。以下、図１２Ａ〜図１２Ｃをさらに参照して、第２例の製造方法の手順を説明する。
まず、犠牲基板９２の上に、犠牲層９１を積層する（図１２Ａ、工程Ａ）。次に、犠牲層９１の上に、圧電薄膜１１ａを成膜する（図１２Ａ、工程Ｂ）。次に、圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１３ａを積層する（図１２Ａ、工程Ｃ）。その後、積層した電極層１３ａをパターニングして、下部電極１３を成形する（図１２Ａ、工程Ｄ）。次に、成形した下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、高音響インピーダンス層５１を積層する（図１２Ａ、工程Ｅ）。このとき、高音響インピーダンス層５１を、下部電極１３よりも厚い層で積層する。そして、この積層した高音響インピーダンス層５１の表面に段差がなくなるように、平坦化処理を行う（図１２Ａ、工程Ｆ）。次に、平坦化した高音響インピーダンス層５１の上に、低音響インピーダンス層５２を積層する（図１２Ｂ、工程Ｇ）。この工程Ｆ及び工程Ｇを複数回繰り返して、音響ミラー層５０を形成する（図１２Ｂ、工程Ｈ）。図１２Ｂでは、高音響インピーダンス層５１と低音響インピーダンス層５２とが交互に３段積層された音響ミラー層５０の例を示している。
次に、金錫の合金からなる第１の支持層３０を形成した基板４０を、第１の支持層３０の面で音響ミラー層５０と貼り合わせる（図１２Ｂ、工程Ｉ）。次に、犠牲基板９２の裏面からイットリウム・アルミニウム・ガーネット・レーザを照射して、バンドギャップの小さい窒化ガリウムからなる犠牲層９１の接合を切ることにより、犠牲基板９２と基板４０とを剥離する（図１２Ｃ、工程Ｊ）。このとき、犠牲層９１より上側に形成されていた圧電薄膜１１ａ、下部電極１３、及び音響ミラー層５０は、基板４０に転写される。次に、剥離されて表面に現れた圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１２ａを積層する（図１２Ｃ、工程Ｋ）。最後に、積層した電極層１２ａをパターニングして、上部電極１２を成形する（図１２Ｃ、工程Ｌ）。これにより、図１１に示した音響共振器が完成する。
以上のように、この第２例では、基板貼り合わせ技術を利用する。このため、圧電薄膜形成時にＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができ、結晶性の高い圧電薄膜を得ることが可能となる。
なお、上記図１２Ａの工程Ｅでは、下部電極１３ａ及び圧電薄膜１１の上に、高音響インピーダンス層５１を直ちに積層する例を説明したが、その前に酸化珪素や窒化珪素等の絶縁体からなる保持層を形成してもよい。
本発明の音響共振器及びフィルタは、携帯電話、無線通信又はワイヤレスのインターネット接続等に利用可能であり、特にスプリアスを抑えたアドミッタンス周波数特性を得たい場合等に適している。
また、本発明の製造方法は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信端末の高周波回路に用いられる音響共振器の製造方法等として利用可能であり、特に、結晶性の高い圧電薄膜を利用して広帯域かつ低損失な音響共振器を実現したい場合等に有用である。
本発明は、音響共振器及びフィルタに関し、より特定的には、スプリアスの発生を抑えることが可能な音響共振器、及び当該音響共振器を用いたフィルタに関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、音響共振器を用いたフィルタが知られている（特許文献１〜３を参照）。
以下、図１３Ａ〜図１３Ｄを参照して、特許文献１に記載された従来の音響共振器を説明する。
図１３Ａは、従来の音響共振器の基本構造を示した断面図である。従来の音響共振器は、圧電体１０１を上部電極１０２と下部電極１０３とで挟んだ構造である。この従来の音響共振器は、キャビティ１０４が形成された基板１０５の上に載置されて使用される。キャビティ１０４は、微細加工法を用いて、基板１０５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。この従来の音響共振器は、上部電極１０２及び下部電極１０３によって、厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。次に、従来の音響共振器の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。
図１３Ｂは、従来の音響共振器の動作を説明するための概略的な斜視図である。従来の音響共振器は、上部電極１０２と下部電極１０３との間に電界が加えられると、圧電体１０１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、従来の音響共振器は、圧電体１０１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図１３Ａに示したキャビティ１０４は、この圧電体１０１の厚み縦振動を確保するために利用される。
この従来の音響共振器の等価回路は、図１３Ｄに示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持った等価回路となる。この等価回路は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図１３Ｃに示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）
このようなアドミッタンス周波数特性を有する従来の音響共振器をフィルタとして応用した場合、圧電体１０１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。
ここで、音響共振器の特性を大きく左右する圧電薄膜には、高品質のものが望まれる。このため、高品質な圧電薄膜を実現するための製造方法が様々に提案されている（特許文献４を参照）。図１４は、特許文献４で開示されている従来の音響共振器の製造方法の手順を説明するための図である。
まず、基板１１１をエッチングして、後にキャビティ１１２となる窪みを基板１１１上に形成する（図１４の（ａ））。次に、基板１１１の全面に犠牲層１１５を形成する（図１４の（ｂ））。次に、基板１１１の表面と犠牲層１１５の表面とが等しい高さになるよう平坦化する（図１４の（ｃ））。そして、その上部に下部電極１２１、圧電薄膜１２２及び上部電極１２３をそれぞれ積層して、振動部１２０を形成する（図１４の（ｄ））。最後に、犠牲層１１５をエッチングにより除去してキャビティ１１２を設けることで、音響共振器が完成する（図１４の（ｅ））。この特許文献４では、圧電薄膜の結晶性を向上させるために、下部電極１２１であるモリブデン（Ｍｏ）の膜厚及び平坦性を規定することで、スパッタ法を用いた場合での高品質な圧電薄膜を実現させている。
特開昭６０−６８７１１号公報 特開２００３−１５８３０９号公報 米国特許第５５８７６２０号明細書 特許第２８００９０５号公報 米国特許第６０６０８１８号明細書
上述した従来の音響共振器は、一部が基板１０５に固定されている構造であるため、振動部による振動の一部がどうしても基板１０５に伝わってしまう。この基板１０５に伝わった不要振動は、基板１０５の底面で反射して振動部側へ戻ってくるので、振動部の主共振振動に影響を与えてしまう（図１５の矢印ｅ）。
この影響は、図１６Ａに示すように、振動部の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアス振動を生じさせる。このようなスプリアスを有する音響共振器を、図１６Ｂのように並列接続してフィルタを形成すると、図１６Ｃに示すように、通過帯域の部分に好ましくない通過特性が現れる。この通過特性は、通信の品質低下を招く。
また、従来の製造方法によれば圧電薄膜の結晶性は下地に大きく左右される。そのため、下地となる材料には、高結晶性及び高平坦性が要求されることとなる。よって、圧電薄膜及び上下電極で構成された振動部と基板との間の構造が複雑になれば、圧電薄膜の下地膜の結晶性及び平坦性へ影響が現れる。従って、例えば平坦性については、圧電薄膜の成膜前に平坦化プロセスを行うなどのプロセスが必要となり、プロセスが複雑となる等の課題がある。
また、高品質な圧電薄膜を実現させるためには、スパッタ法を用いた成膜よりも有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた成膜の方が優れていることが知られている。しかし、このＭＯＣＶＤ法では、１０００℃近い高温でのプロセスが必要となる。このため、上述した従来の音響共振器の製造方法のように、下部から順番に成膜及び積層を行う製造方法の場合、ＭＯＣＶＤ法による高温プロセスに耐えるためには電極材料等が制限されるという課題もある。この高温プロセスという課題については、下部から順番に成膜及び積層を行わない他の製造方法、例えば圧電薄膜を成膜した後に電極等を基板裏面より成膜する製造方法が考えられるが、未だに実用的に有効な製造方法の実現には至っていない。
それ故に、本発明の目的は、基板の底面で反射して戻ってくる不要振動を防ぎ、スプリアスの発生を抑制させた音響共振器及びフィルタを提供することである。
また、本発明の他の目的は、基板貼り合わせの技術を利用して圧電薄膜の成膜後に電極等の成膜を可能にすることで、支持部の構造が複雑な形状であっても、結晶性の高い圧電薄膜を用いた音響共振器の製造できる製造方法を提供することである。
本発明は、所定の周波数で振動する音響共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の音響共振器は、基板と、基板上に設けられる第１の支持部と、第１の支持部上に設けられる第２の支持部又は低インピーダンス層と高インピーダンス層とを交互に積層させた音響ミラー部と、第２の支持部又は音響ミラー部上に設けられる、少なくとも圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される振動部とを備える。
好ましくは、第１の支持部は、金と錫との共晶結晶等のように、基板よりも高い音響インピーダンスを有する材料で構成されている。また、上側に第２の支持部が設けられる場合、第１の支持部の厚さは、振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４であることが望ましい。一方、上側に音響ミラー部が設けられる場合、第１の支持部の厚さは、振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４以外であることが望ましい。
上述した本発明の音響共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続すれば、様々な周波数特性のフィルタを実現することができる。また、上記フィルタは、入力信号を切り替えて出力するスイッチ等と共に通信機器に用いることができる。
また、本発明は、音響共振器の製造方法に向けられている。そして、本発明の音響共振器の製造方法は、下記の処理を順に行うことによって上記目的を達成させている。
犠牲基板の上に圧電薄膜を成膜する。圧電薄膜の上に第１電極層を積層する。第１電極層をパターニングして、音響共振器の下部電極を成形する。圧電薄膜及び下部電極の上に、第１犠牲層を積層する。第１犠牲層をパターニングして、除去後に音響共振器の空洞として機能する犠牲部を成形する。犠牲部、下部電極及び圧電薄膜の上に、圧電薄膜共振器を保持するための保持層を成膜する。保持層の表面に、半導体基板を貼り合わせる。貼り合わせる工程の後、犠牲基板を半導体基板から剥離する。剥離して現れた圧電薄膜の上に第２電極層を積層する。第２電極層をパターニングして、音響共振器の上部電極を成形する。犠牲部を除去して空洞を形成する。
保持層の表面は、半導体基板を貼り合わせる工程の前に平坦化してもよい。また、保持層の表面の平坦化は、表面ラフネスが１０００ＡＲＭＳ以下であることが好ましい。
この貼り合わせる工程では、保持層と半導体基板とを、接着層を介して貼り合わせてもよいし、共晶接合を用いて貼り合わせてもよい。犠牲層には、モリブデン又はタングステンシリサイドが使用されることが好ましい。また、圧電薄膜を成膜する工程では、犠牲基板の上に第２犠牲層を介して圧電薄膜を成膜してもよい。第２犠牲層には、窒化ガリウム又はモリブデンが使用されることが好ましい。
また、本発明の音響共振器の製造方法は、下記の処理を順に行うことによっても上記目的を達成させている。
犠牲基板の上に圧電薄膜を成膜する。圧電薄膜の上に第１電極層を積層する。第１電極層をパターニングして、音響共振器の下部電極を成形する。下部電極及び圧電薄膜の上に、音響共振器を保持するための保持層を成膜する。保持層の上に、ミラー層を形成する。ミラー層の上に、半導体基板を貼り合わせる。貼り合わせる工程の後、犠牲基板を半導体基板から剥離する。剥離して現れた圧電薄膜の上に第２電極層を積層する。第２電極層をパターニングして、音響共振器の上部電極を成形する。
保持層の表面は、半導体基板を貼り合わせる工程の前に平坦化してもよい。また、保持層の表面の平坦化は、表面ラフネスが１０００ＡＲＭＳ以下であることが好ましい。
この貼り合わせる工程では、ミラー層と半導体基板とを、接着層を介して貼り合わせてもよいし、共晶接合を用いて貼り合わせてもよい。また、圧電薄膜を成膜する工程では、犠牲基板の上に犠牲層を介して圧電薄膜を成膜してもよい。犠牲層には、窒化ガリウム又はモリブデンが使用されることが好ましい。
上記本発明の音響共振器によれば、基板部の底面で反射して振動部側へ戻ってくる不要振動の発生を防止することができる。これにより、振動部の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じない良好なアドミッタンス周波数特性を得ることができる。
また、上記本発明によれば、基板貼り合わせ技術を利用するため、音響共振器の特性に大きく影響する圧電薄膜の成膜時に単結晶基板を下地基板として使用することができる、あるいは、ＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができるため、結晶性の高い圧電薄膜を得ることが可能となる。また、キャビティの形成、及び支持部の形成においても、圧電薄膜の成膜後に行うため、圧電薄膜の結晶性に、支持部等の結晶性、平坦性の影響がない。さらに、キャビティの形成に犠牲層を用い、基板剥離後に犠牲層をエッチングにより除去するため、レーザ・リフト・オフ工程において振動部のメンブレンがダメージを受けることがなく歩留まりを向上させることができる。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の構造断面を示す図である。図１において、第１の実施形態に係る音響共振器は、基板部４０と、基板部４０上に設けられた第１の支持部３０と、第１の支持部３０上に設けられた第２の支持部２０と、第２の支持部２０上に設けられた振動部１０とで構成される。第２の支持部２０は、振動部１０の縦振動を確保するために、第２の支持部２０を貫通する形状のキャビティ２１を有している。この第２の支持部２０は、振動部１０を基板部４０に支持させるための支持層である。振動部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。上部電極１２及び下部電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。この振動部１０は、下部電極１３を下側にして第２の支持部２０上に載置される。
第１の支持部３０は、第２の支持部２０と協働して振動部１０を基板部４０に支持させるための支持層であると共に、ダンピング層でもある。この第１の支持部３０は、圧電体１１及び基板４０よりも高い音響インピーダンスを有する材料で形成された膜、又は圧電体１１及び基板４０よりもＱ値が小さい材料で形成された膜等で構成される。この第１の支持部３０の材料は、絶縁材料であっても導電材料であってもよい。導電材料を用いる場合には、第１の支持部３０を配線層として使用することもできる。高インピーダンスの第１の支持部３０は、例えば金と錫とを共晶結晶させて形成することができる。低Ｑ値の第１の支持部３０には、例えばポリマー等の接着剤を用いることができる。
上記構成による第１の実施形態に係る音響共振器では、基板部４０と第２の支持部２０との間に設けられた第１の支持部３０の作用によって、以下の特徴を発揮する。
第１に、第２の支持部２０から基板部４０へ向かう振動の大半が、第１の支持部３０によって反射される（図１の矢印ａ）。第２に、第２の支持部２０から基板部４０へ伝わったわずかな振動が、基板部４０の底面で反射して振動部１０の方向に戻ってきたとしても、第１の支持部３０によって反射される（図１の矢印ｂ）。これは、第１の支持部３０が、基板部４０及び第２の支持部２０よりも音響インピーダンスが高いことを意味する。
なお、第２の支持部２０の厚さ、キャビティ２１の深さ、及び第１の支持部３０の厚さは、図１に示した構造以外にも、図２〜図４に示す構造とすることもできる。
図２は、第２の支持部２０を貫通しない形状のキャビティ２１を設けた音響共振器の実施例である。図３は、振動部１０で励振される共振周波数の波長λに対して、第２の支持部２０の厚さ及び第１の支持部３０の厚さをそれぞれλ／４とした音響共振器の実施例である。図４は、振動部１０で励振される共振周波数の波長λに対して、第２の支持部２０の厚さをλ／２とし、第１の支持部３０の厚さをλ／４とした音響共振器の実施例である。もちろん、この図３及び図４の構造においても、キャビティ２１が第２の支持部２０を貫通しない形状にしても構わない。
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る音響共振器の構造断面を示す図である。図５において、第２の実施形態に係る音響共振器は、基板部４０と、基板部４０上に設けられた支持部３０と、支持部３０上に設けられた音響ミラー部５０と、音響ミラー部５０上に設けられた振動部１０とで構成される。音響ミラー部５０は、低インピーダンス層５１と高インピーダンス層５２とが交互に積層された音響反射層を構成する。この音響ミラー部５０では、振動部１０の縦振動が確保される。振動部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。上部電極１２及び下部電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。この振動部１０は、下部電極１３を下側にして音響ミラー部５０上に載置される。
上記構成による第２の実施形態に係る音響共振器では、基板部４０と音響ミラー部５０との間に設けられた支持部３０の作用によって、以下の特徴を発揮する。
第１に、音響ミラー部５０から基板部４０へ向かう振動の大半が、支持部３０によって反射される（図５の矢印ｃ）。第２に、音響ミラー部５０から基板部４０へ伝わったわずかな振動が、基板部４０の底面で反射して振動部１０の方向に戻ってきたとしても、支持部３０によって反射される（図５の矢印ｄ）。これは、支持部３０が、基板部４０及び音響ミラー部５０よりも音響インピーダンスが高いことを意味する。
この第２の実施形態に係る音響共振器の構造では、音響ミラー部５０の低インピーダンス層５１及び高インピーダンス層５２の厚みが、それぞれ音響共振器の振動波長λの１／４であるのに対して、支持部３０の厚みがλ／４以外であることが特徴である。このとき、振動部１０が載置される部分の支持部３０の厚みと、振動部１０が載置されない部分の支持部３０の厚みとを、異ならせてもよい。これらの特徴によって、よりダンピング効果を発揮することができる。また、振動部１０の共振周波数と、振動部１０以外の共振周波数とを変えることで、エネルギーを振動部１０内に閉じ込めることができ、更なるダンピング効果を期待できる。
また、支持部３０は、圧電体１１及び基板部４０よりも高い音響インピーダンスを有する材料で形成された膜、又は圧電体１１及び基板部４０よりもＱ値が小さい材料で形成された膜等構成される。この支持部３０の材料は、絶縁材料であっても導電材料であってもよい。導電材料を用いる場合には、支持部３０を配線層として使用することもできる。高インピーダンスの支持部３０は、例えば金と錫とを共晶結晶させて形成することができる。低Ｑ値の支持部３０には、例えばポリマー等の接着剤を用いることができる。
以上のように、本発明の第１及び第２の実施形態に係る音響共振器によれば、基板部４０の底面で反射して振動部１０側へ戻ってくる不要振動の発生を防止することができる。これにより、振動部１０の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じない良好なアドミッタンス周波数特性を得ることができる。
なお、上述した第１及び第２の実施形態に係る音響共振器は、１つ又は複数組み合わせることでフィルタとなり得る。以下、複数組み合わせた場合のフィルタ及びこのフィルタを用いた装置について説明する。
（音響共振器を用いたフィルタの第１実施例）
図６Ａは、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第１実施例を示す図である。図６Ａに示すフィルタは、音響共振器をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響共振器６１は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子６３と出力端子６４との間に直列に接続される。音響共振器６２は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子６３から出力端子６４へ向かう経路と接地面との間に接続される。ここで、音響共振器６１の共振周波数を音響共振器６２の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。好ましくは、音響共振器６１の共振周波数と音響共振器６２の反共振周波数とを、実質上一致又は近傍に設定することにより、より通過帯域の平坦性に優れるラダーフィルタを実現することができる。
なお、上記第１実施例では、Ｌ型構成のラダーフィルタを例示して説明を行ったが、その他のＴ型構成やπ型構成のラダーフィルタや、格子型構成のラダーフィルタでも同様の効果を得ることができる。また、ラダーフィルタは、図６Ａのように１段構成であっても、図６Ｂのように多段構成であってもよい。
（音響共振器を用いたフィルタの第２実施例）
図７は、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第２実施例を示す図である。図７に示すフィルタは、スタック型のフィルタである。音響共振器７１は、入力端子７３と出力端子７４との間に直列に接続される。音響共振器７１の中間電極は、接地面に接続される。このように、スプリアスのない音響共振器７１を使用すれば、通過帯域の平坦性に優れるスタック型フィルタを実現することができる。もちろん、スタック型フィルタは、図７のように１段構成であっても、多段構成であってもよい。
（音響共振器を用いた装置の実施例）
図８は、本発明の音響共振器を用いた装置の実施例を示す図である。図８に示す装置は、図６Ａ、図６Ｂや図７に示したフィルタを用いた通信機器である。この装置は、２つのアンテナ８１及び８２と、２つの周波数信号を切り替えるためのスイッチ８３と、フィルタ８４とで構成される。このような構成によって、低損失な通信機器を実現することができる。
（音響共振器の製造方法の第１例）
図９Ａは、第１例の製造方法を用いて製造された第１の実施形態に係る音響共振器の上面図の一例である。図９Ｂは、図９Ａに示した音響共振器のＸ−Ｘ断面図である。この第１例の製造方法では、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって音響共振器を製造する。以下、図１０Ａ〜図１０Ｃをさらに参照して、第１例の製造方法の手順を説明する。
まず、犠牲基板９２の上に、犠牲層９１を積層する（図１０Ａ、工程ａ）。次に、犠牲層９１の上に、圧電薄膜１１ａを成膜する（図１０Ａ、工程ｂ）。ここで、犠牲基板９２とは、音響共振器を形成する過程で一時的に利用される基板であり、製造後の音響共振器には含まれない構成である。この犠牲基板９２は、例えばサファイアからなる。犠牲層９１は、後述する貼り合わせ工程の後に、犠牲基板９２を圧電薄膜１１ａから剥離するために設けられるバッファ層である。この犠牲層９１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。圧電薄膜１１ａは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、ＭＯＣＶＤ法によって犠牲層９１の上に成膜される。このように、ＭＯＣＶＤ法を用いることにより、膜質に優れた圧電体層を形成することができ、広帯域及び高Ｑ値で、かつ信頼性の高い音響共振器を製造することができる。
なお、ＭＯＣＶＤ法は、１０５０℃という高温下で行われる。しかし、本実施例では高融点材料である窒化ガリウムを犠牲層９１として用いていており、１０５０℃という高温に十分に耐えられる。従って、圧電薄膜１１ａの成膜にＭＯＣＶＤ法を用いることは、製造プロセス上何ら問題とならない。なお、犠牲層９１には、窒化ガリウム以外にモリブデンを使用することも可能である。
次に、圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１３ａを積層する（図１０Ａ、工程ｃ）。その後、積層した電極層１３ａをパターニングして、下部電極１３を成形する（図１０Ａ、工程ｄ）。次に、成形した下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、犠牲層２１ａを積層する（図１０Ａ、工程ｅ）。このとき、犠牲層２１ａを、下部電極１３よりも厚い層で積層する。そして、この積層した犠牲層２１ａをパターニングして、犠牲部２１を成形する（図１０Ａ、工程ｆ）。この犠牲部２１は、後述するキャビティ形成工程において除去される部分であり、除去されることで音響共振器のキャビティ２１を形成する。この犠牲層２１ａの材料としては、例えばモリブデンやタングステンシリサイド等を使用することができる。なお、この場合には、下部電極１３の材料にモリブデン以外のアルミニウム等が使用されることとなる。
次に、犠牲部１８、下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、第２の支持層２０を積層する（図１０Ｂ、工程ｇ）。第２の支持層２０は、酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁体が望ましい。そして、この積層した第２の支持層２０の表面に段差がなくなるように、平坦化処理を行う（図１０Ｂ、工程ｈ）。この平坦化処理は、後述する貼り合わせ工程において、基板４０を全面均一に上手く貼り合わせられるように行われる。平坦化処理には、ＣＭＰ等を用いることが可能であり、表面のラフネスをＲＭＳ２０００Ａ以下とすることで、均一な貼り合わせを行うことができる。
次に、金錫の合金からなる第１の支持層３０を形成した基板４０を、第１の支持層３０の面で第２の支持層２０と貼り合わせる（図１０Ｂ、工程ｉ）。この基板４０は、例えばシリコンからなる。このとき、基板４０と第１の支持層３０との間に、酸化珪素又は窒化珪素等からなる絶縁体層を形成することも可能である。第１例では、第１の支持層３０として金錫の合金膜を成膜して、金錫の共晶接合を利用した貼り合わせを行っている。具体的には、犠牲基板９２と基板４０とを対向させて、１５Ｎ／ｃｍ2の圧力を加えた状態で３７５℃の温度を１０分間加えることにより、２枚の基板を貼り合わせている。なお、共晶接合可能な材料であれば、金錫以外の合金で同様の効果を得ることができる。
次に、犠牲基板９２の裏面からイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）・レーザを照射して、バンドギャップの小さい窒化ガリウムからなる犠牲層９１の接合を切ることにより、犠牲基板９２と基板４０とを剥離する（図１０Ｂ、工程ｊ）。このとき、犠牲層９１より上側に形成されていた圧電薄膜１１ａ、下部電極１３、犠牲部１８、及び第２の支持層２０は、基板４０に転写される。なお、剥離に用いたＹＡＧレーザは、使用する犠牲基板９２及び犠牲層９１の膜厚や種類に応じてレーザ波長を選択することにより、犠牲層９１の厚さによるバンドギャップの変化や、他の材料を選択した場合にも対応が可能である。
次に、剥離されて表面に現れた圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１２ａを積層する（図１０Ｃ、工程ｋ）。その後、積層した電極層１２ａをパターニングして、上部電極１２を成形する（図１０Ｃ、工程ｌ）。さらに、必要に応じて圧電薄膜１１ａをパターニングして、圧電体１１を成形する（図１０Ｃ、工程ｍ）。最後に、犠牲部１８をエッチング等により除去して、キャビティ２１を形成する（図１０Ｃ、工程ｎ）。これにより、図９Ｂに示した音響共振器が完成する。
以上のように、この第１例の製造方法では、基板貼り合わせ技術を利用する。このため、圧電薄膜の成膜時において下地をシリコン等の単結晶基板を用いることができ、複雑な膜構成（支持部構成）においても下地の影響を無くし高品質の圧電薄膜を得ることができる。また、圧電薄膜形成時にＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができ、エピタキシャル成長した圧電薄膜を得ることが可能となる。
また、キャビティの形成に犠牲層を用い、基板剥離後に犠牲層をエッチングにより除去するため、レーザ・リフト・オフ工程において振動部のメンブレンがダメージを受けることがなく歩留まりを向上させることができる。また、基板を全面で貼り合わせることができるため、製造工程を簡略化することが可能である。
なお、貼り合わせ条件によっては、第２の支持層２０の平坦化工程（図１０Ｂ、工程ｈ）を省くことも可能である。このように平坦化を行わない場合においても、振動部１０が貼り合わせ面から離れているため、音響共振器の特性に影響を与えることがなく、かつ、簡便に音響共振器を製造することが可能となる。
また、第２の支持層２０と基板４０との貼り合わせ面が振動部１０から離れているため、第１の支持層３０に接着剤等を用いることも可能である。この場合、表面のラフネスを改善する必要がなく、平坦化工程（図１０Ｂ、工程ｇ）を省略することができ、より簡便に音響共振器を製造することが可能となると共に、接着剤で構成された第１の支持層３０によるダンピング効果により、基板４０に伝搬する振動を効率よく減衰させることが可能となる。
また、犠牲基板９２には、サファイアの基板以外にも、圧電薄膜１１ａが成膜可能であればシリコン又は炭化珪素（ＳｉＣ）等の基板を用いてもよい。また、犠牲層９１には、窒化ガリウム以外にも、基板から容易に剥離することができ、圧電体層が成膜可能な材料を用いることができる。例えば、モリブデンを犠牲層９１として用いることにより過酸化水素水により容易に形成基板から剥離することができる。この場合、基板剥離工程（本実施例ではレーザ・リフト・オフ工程に対応）において、ウエット・エッチング等を用いた場合においても、振動部１０は第２の支持層２０で覆われているため、下部電極１３がダメージを受けることがない。
また、圧電薄膜１１ａの成膜方法としてはＭＯＣＶＤ法に限らず、スパッタ法を用いても同様の効果があることは言うまでもない。さらに、圧電薄膜１１ａには、ＭＯＣＶＤ法により形成された窒化アルミニウムの他、高温スパッタ法より形成された酸化亜鉛、高温処理が施されたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＺｒＯ）等のＰＺＴ材料等を用いてもよい。但し、これらの膜を形成する際には、酸素雰囲気下で８００℃程度の高温処理を行わなければならないため、犠牲層に用いる材料には耐熱性が必要とされる。
また、基板剥離工程として、レーザ・リフト・オフ工程の例を示したが、貼り合わせ工程後、犠牲基板９２を除去可能な方法であれば他の方法を用いることができる。犠牲基板除去工程としては、犠牲基板９２をエッチング等の手段を用いて除去する方法が考えられる。例えば、ウエットエッチングの場合、犠牲基板９２がシリコン基板である場、フッ硝酸を用いて除去可能であり、ドライエッチング等を用いても同様に除去可能である。
（音響共振器の製造方法の第２例）
図１１は、第２例の製造方法を用いて製造された第２の実施形態に係る音響共振器の断面図の一例である。この第２例の製造方法も、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって音響共振器を製造する。以下、図１２Ａ〜図１２Ｃをさらに参照して、第２例の製造方法の手順を説明する。
まず、犠牲基板９２の上に、犠牲層９１を積層する（図１２Ａ、工程Ａ）。次に、犠牲層９１の上に、圧電薄膜１１ａを成膜する（図１２Ａ、工程Ｂ）。次に、圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１３ａを積層する（図１２Ａ、工程Ｃ）。その後、積層した電極層１３ａをパターニングして、下部電極１３を成形する（図１２Ａ、工程Ｄ）。次に、成形した下部電極１３及び圧電薄膜１１ａの上に、高音響インピーダンス層５１を積層する（図１２Ａ、工程Ｅ）。このとき、高音響インピーダンス層５１を、下部電極１３よりも厚い層で積層する。そして、この積層した高音響インピーダンス層５１の表面に段差がなくなるように、平坦化処理を行う（図１２Ａ、工程Ｆ）。次に、平坦化した高音響インピーダンス層５１の上に、低音響インピーダンス層５２を積層する（図１２Ｂ、工程Ｇ）。この工程Ｆ及び工程Ｇを複数回繰り返して、音響ミラー層５０を形成する（図１２Ｂ、工程Ｈ）。図１２Ｂでは、高音響インピーダンス層５１と低音響インピーダンス層５２とが交互に３段積層された音響ミラー層５０の例を示している。
次に、金錫の合金からなる第１の支持層３０を形成した基板４０を、第１の支持層３０の面で音響ミラー層５０と貼り合わせる（図１２Ｂ、工程Ｉ）。次に、犠牲基板９２の裏面からイットリウム・アルミニウム・ガーネット・レーザを照射して、バンドギャップの小さい窒化ガリウムからなる犠牲層９１の接合を切ることにより、犠牲基板９２と基板４０とを剥離する（図１２Ｃ、工程Ｊ）。このとき、犠牲層９１より上側に形成されていた圧電薄膜１１ａ、下部電極１３、及び音響ミラー層５０は、基板４０に転写される。次に、剥離されて表面に現れた圧電薄膜１１ａの上に、導電体である電極層１２ａを積層する（図１２Ｃ、工程Ｋ）。最後に、積層した電極層１２ａをパターニングして、上部電極１２を成形する（図１２Ｃ、工程Ｌ）。これにより、図１１に示した音響共振器が完成する。
以上のように、この第２例では、基板貼り合わせ技術を利用する。このため、圧電薄膜形成時にＭＯＣＶＤ法等の高温プロセスを用いることができ、結晶性の高い圧電薄膜を得ることが可能となる。
なお、上記図１２Ａの工程Ｅでは、下部電極１３ａ及び圧電薄膜１１の上に、高音響インピーダンス層５１を直ちに積層する例を説明したが、その前に酸化珪素や窒化珪素等の絶縁体からなる保持層を形成してもよい。
本発明の音響共振器及びフィルタは、携帯電話、無線通信又はワイヤレスのインターネット接続等に利用可能であり、特にスプリアスを抑えたアドミッタンス周波数特性を得たい場合等に適している。
また、本発明の製造方法は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信端末の高周波回路に用いられる音響共振器の製造方法等として利用可能であり、特に、結晶性の高い圧電薄膜を利用して広帯域かつ低損失な音響共振器を実現したい場合等に有用である。
本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の構造断面図 本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 本発明の第１の実施形態に係る音響共振器の他の構造断面図 本発明の第２の実施形態に係る音響共振器の構造断面図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの他の実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの他の実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いた装置の実施例を示す図 第１例の製造方法を用いて製造された音響共振器の図 図９Ａの音響共振器の構造断面図 第１例の製造方法を説明するための工程図 第１例の製造方法を説明するための工程図 第１例の製造方法を説明するための工程図 第２例の製造方法を用いて製造された音響共振器の構造断面図 第２例の製造方法を説明するための工程図 第２例の製造方法を説明するための工程図 第２例の製造方法を説明するための工程図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器の製造方法を説明する図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図
符号の説明
１０ 振動部
１１、１０１ 圧電体
１２、１０２ 上部電極
１３、１０３ 下部電極
２０、３０ 支持部
２１、１０４ キャビティ
４０、１０５ 基板
５０ 音響ミラー部
５１ 低インピーダンス層
５２ 高インピーダンス層
６１、６２、７１ 圧電共振器
８１、８２ アンテナ
８３ スイッチ
８４ フィルタ
９１、９２ 犠牲層

Claims (8)

  1. 所定の周波数で振動する音響共振器であって、
    基板と、
    前記基板上に設けられる第１の支持部と、
    前記第１の支持部上に設けられる第２の支持部と、
    前記第２の支持部上に設けられる、少なくとも圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される振動部とを備え、
    前記第１の支持部は、前記基板よりも高い音響インピーダンスを有する材料で構成されていることを特徴とする、音響共振器。
  2. 所定の周波数で振動する音響共振器であって、
    基板と、
    前記基板上に設けられる支持部と、
    前記支持部上に設けられる、低インピーダンス層と高インピーダンス層とを交互に積層させた音響ミラー部と、
    前記音響ミラー部上に設けられる、少なくとも圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される振動部とを備え、
    前記支持部は、前記基板よりも高い音響インピーダンスを有する材料で構成されていることを特徴とする、音響共振器。
  3. 前記第１の支持部は、金と錫とを共晶結晶させて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響共振器。
  4. 前記支持部は、金と錫とを共晶結晶させて形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響共振器。
  5. 前記第１の支持部の厚さは、前記振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４であることを特徴とする、請求項１に記載の音響共振器。
  6. 前記支持部の厚さは、前記振動部で励振される共振周波数の波長λに対して、λ／４以外であることを特徴とする、請求項２に記載の音響共振器。
  7. 請求項１に記載の音響共振器を、２つ以上ラダー型に接続して構成された、フィルタ。
  8. 請求項７に記載のフィルタを備える、通信機器。
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