WO2011048910A1 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

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WO2011048910A1
WO2011048910A1 PCT/JP2010/066642 JP2010066642W WO2011048910A1 WO 2011048910 A1 WO2011048910 A1 WO 2011048910A1 JP 2010066642 W JP2010066642 W JP 2010066642W WO 2011048910 A1 WO2011048910 A1 WO 2011048910A1
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lower electrode
piezoelectric
film
piezoelectric thin
thin film
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PCT/JP2010/066642
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眞司 谷口
時弘 西原
匡郁 岩城
政則 上田
剛 横山
武 坂下
基揚 原
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太陽誘電株式会社
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/173—Air-gaps
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H9/13—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
    • H03H9/132—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials characterized by a particular shape
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    • H03H9/70—Multiple-port networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source
    • H03H9/703—Networks using bulk acoustic wave devices
    • H03H9/706—Duplexers

Definitions

  • the present disclosure relates to a piezoelectric thin film resonator.
  • a filter configured using a piezoelectric thin film resonator which is an element that can be made monolithic and monolithic, is attracting attention.
  • an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) type resonator As one of such piezoelectric thin film resonators, an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) type resonator is known. This has a laminated structure including a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode as main components on a substrate, and the lower electrode and the upper electrode face each other with the piezoelectric thin film interposed therebetween so that it can freely vibrate. A gap is formed under the lower electrode of the portion.
  • Non-Patent Document 1 discloses a via-hole type piezoelectric thin film resonator.
  • Patent Document 1 discloses a cavity-type piezoelectric thin film resonator in which a gap is formed between a lower electrode and a substrate.
  • Patent Document 2 discloses a cavity-type piezoelectric thin film resonator in which a concave portion is formed on a substrate.
  • Patent Documents 3 to 5 disclose a piezoelectric thin film resonator in which at least a part of the outer periphery of the piezoelectric film sandwiched between the upper and lower electrodes is on the inner side of the outer periphery of the region facing the upper and lower electrodes for the purpose of reducing loss. Yes.
  • Patent Documents 3 to 5 after the piezoelectric film is etched, the cross-sectional shape of the end face of the piezoelectric film becomes an oblique shape, and the resonance characteristics deteriorate.
  • the disclosure of the present application includes a substrate, a lower electrode provided on the substrate, a piezoelectric film provided on the substrate and the lower electrode, an upper electrode provided on the piezoelectric film, and the lower electrode and the upper electrode facing each other.
  • a piezoelectric thin film resonator having a gap provided between the lower electrode and the substrate and overlapping with a resonance portion which is a region to be operated, the boundary between the resonance portion and the non-resonance portion on the lower electrode
  • An additional pattern is provided at a position including the portion.
  • An FBAR type resonator is known as one of piezoelectric thin film resonators. This has a laminated structure including a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode as main components on a substrate, and the lower electrode and the upper electrode face each other with the piezoelectric thin film interposed therebetween so that it can freely vibrate. A gap is formed under the lower electrode of the portion.
  • the frequency at which the total film thickness H of the thin film structure portion mainly composed of the upper electrode / piezoelectric film / lower electrode formed on the air gap is an integral multiple (n times) of 1 ⁇ 2 wavelength of the elastic wave. Resonance occurs at.
  • a filter having a desired frequency characteristic or a plurality of resonators is connected to produce a filter. This filter is applied to a duplexer and other communication devices.
  • the gap can be formed by etching (wet etching or dry etching) from the back surface of the Si substrate itself used as the element substrate, or wet etching of a sacrificial layer provided on the surface of the Si substrate.
  • etching wet etching or dry etching
  • a sacrificial layer provided on the surface of the Si substrate.
  • a hole penetrating from the back surface to the front surface of the substrate is referred to as a “via hole”
  • a void existing immediately below the lower electrode in the vicinity of the surface of the substrate is referred to as a “cavity”.
  • FBAR type piezoelectric thin film resonators can be classified into via hole type and cavity type.
  • Literature “Electron. Lett., 17 (1981), pp. 507 to 509 "discloses a piezoelectric thin film resonator on a (100) Si substrate having a thermal oxide film (SiO 2 ), Au—Cr as a lower electrode, and ZnO as a piezoelectric film.
  • a via hole can be formed by performing anisotropic etching using an aqueous KOH solution or an EDP aqueous solution (ethylenediamine + pyrocatechol + water) from the back side of the Si substrate. .
  • a cavity type piezoelectric thin film resonator is a type of piezoelectric thin film resonator in which an upper electrode / piezoelectric film / lower electrode is formed as a main component on a sacrificial layer, and finally a cavity is formed by etching away the sacrificial layer. It is a child.
  • Japanese Examined Patent Publication No. 6-40611 discloses a piezoelectric thin film resonator in which a gap is formed between a lower electrode and a substrate.
  • 6-40611 discloses a piezoelectric thin film resonator in which a sacrificial layer pattern made of island-like ZnO is formed as a sacrificial layer, and a dielectric film / upper electrode / piezoelectric film / lower electrode / dielectric is formed thereon. A body membrane structure is prepared, and the sacrificial layer is removed with an acid to provide a cavity (air bridge structure).
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-64785 discloses a piezoelectric thin film resonator in which a concave portion is provided on a substrate surface below a region where an upper electrode / piezoelectric film / lower electrode / protective layer overlap.
  • a sacrificial layer is deposited in a recess formed in advance to planarize the substrate surface, and then an upper electrode / piezoelectric film / lower electrode / protective layer is formed. Finally, the sacrificial layer is etched and removed, whereby a cavity can be formed.
  • a piezoelectric thin film resonator has a dielectric on the surface in contact with air below the lower electrode.
  • the thickness of all the films constituting the resonance part directly affects the resonance frequency of the piezoelectric thin film resonator.
  • many management items are required at the time of film formation.
  • JP-A-2006-128993, JP-A-2007-300430, and JP-A-2008-103798 describe the outer periphery of a piezoelectric film sandwiched between upper and lower electrodes in order to enhance the lateral leakage confinement effect of the piezoelectric thin-film resonator.
  • the cross-sectional shape of the piezoelectric film is slanted after the etching of the piezoelectric film. There is a problem that it is difficult to form a vertical cross-sectional shape desirable for improving the resonance characteristics.
  • the resonance part is held only by the lower electrode.
  • the mechanical strength is insufficient.
  • the piezoelectric film is exposed at the tip of the lower electrode, there is a possibility that the piezoelectric film may be eroded by the etching solution when removing the sacrificial layer, and there is a problem in moisture resistance after the device is completed.
  • the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment reduces the number of layers that require film thickness control, improves the mechanical strength of the lower electrode and the moisture resistance at the tip of the lower electrode, and controls the etching shape of the piezoelectric film. The resonance characteristic is improved.
  • examples of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment will be described in detail.
  • FIG. 1A is a plan view of a piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A.
  • the piezoelectric thin film resonator includes a substrate 1, a lower electrode 2, a piezoelectric film 3, an upper electrode 4, and an additional pattern 10.
  • the substrate 1 is a silicon (Si) substrate having a flat main surface in the present embodiment.
  • the substrate 1 may be a quartz substrate, a glass substrate, a GaAs substrate or the like instead of the Si substrate.
  • the substrate 1 may be a substrate that is difficult to form via holes.
  • the lower electrode 2 and the upper electrode 4 are made of a ruthenium film (Ru film) (thickness 260 nm).
  • the lower electrode 2 and the upper electrode 4 are made of aluminum (Al), copper (Cu), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium. (Ir), chromium (Cr), titanium (Ti), or the like, or a combination of these materials can be used.
  • an aluminum nitride film (AlN film) (thickness: 1200 nm) is used.
  • the piezoelectric film 3 can be made of AlN, zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ), etc., but practically, the sound speed, temperature characteristics, Q value and AlN is often used from the viewpoint of the ease and proficiency of the film forming technique.
  • the formation of a highly crystalline AlN film oriented in the c-axis (perpendicular to the lower electrode surface) is one of the important factors determining the resonance characteristics, and directly affects the coupling coefficient and the Q value. .
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • PECVD Pullasma Enhanced Chemical
  • Vapor Deposition requires substrate heating of 400 ° C. or higher in addition to plasma power, and it is known that the substrate temperature rises due to sputtering of the insulating film even when sputtering technology is used. For this reason, in general, the AlN film has a strong film stress.
  • a gap having a dome-shaped bulge between the lower side of the lower electrode 2 and the flat main surface of the substrate 1 in a region where the upper electrode 4 and the lower electrode 2 face each other with the piezoelectric film 3 interposed therebetween (resonance part R1). 6 is formed.
  • the planar shape of the resonance part R1 is an ellipse.
  • the planar shape of the gap 6 is a planar shape that includes the resonance part R1 (elliptical shape) and is larger than the resonance part R1.
  • the air gap 6 can be formed by removing a sacrificial layer previously patterned under the lower electrode.
  • a part of the lower electrode 2 is provided with an etching solution introducing hole 11 for etching a sacrificial layer used for etching the sacrificial layer to form the gap 6.
  • the etching solution introduction hole 11 may be formed immediately before the sacrifice layer etching, or may be formed at the same time when the lower electrode 2 is etched.
  • the additional pattern 10 is formed around the lower electrode 2 so as to include at least the resonance part R1. That is, as shown in FIG. 1B, a part of the additional pattern 10 extends beyond the resonance portion R ⁇ b> 1 to the top of the substrate 1 at the distal end portion 2 a of the lower electrode 2.
  • the additional pattern 10 extends from above the lower electrode 2 positioned on the gap 6 to the lower electrode 2 fixed to the substrate 1 at a portion other than the tip portion 2 a of the lower electrode 2. That is, the additional pattern 10 is provided so as to straddle the holding portion 2b in the lower electrode 2 (a boundary portion between the portion in contact with the gap 6 and the portion in contact with the substrate 1 in the lower electrode 2).
  • the physical film thickness in the holding part 2b of the lower electrode is increased, and the mechanical strength can be improved.
  • the holding part 2b of the lower electrode 2 holds the resonance part R1 only by the lower electrode 2. The mechanical strength is insufficient.
  • FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views showing a manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 3A is a plan view of the sacrificial layer 9.
  • 3B and 3C are plan views of the lower electrode 2 and the sacrificial layer 9.
  • a sacrificial layer 9 (MgO) is formed on the Si substrate 1 as shown in FIG. 2A.
  • the sacrificial layer 9 is patterned into an elliptical shape as shown in FIG. 3A.
  • a lower electrode 2 (Ru) is formed on the Si substrate 1 and the sacrificial layer 9 and patterned into a shape shown in FIG. 2B by photolithography and etching.
  • the lower electrode 2 has the shape shown in FIG. 3B when formed on the sacrificial layer 9, but can be made into the shape shown in FIG. 3C by patterning. That is, in the state shown in FIGS. 2B and 3C, the shape of the tip 2a of the lower electrode 2 and the shape of the sacrificial layer 9 are substantially the same.
  • the additional pattern 10 is formed so as to straddle the tip portion 2a and the holding portion 2b of the lower electrode 2.
  • the additional pattern 10 can be formed by forming a film using a film forming technique typified by sputtering or the like and then patterning it into a desired shape by a photolithography technique and an etching process.
  • a piezoelectric film 3 (AlN) is formed on the substrate 1, the lower electrode 2, and the additional pattern 10, and an upper electrode 2 (AlN) is formed on the piezoelectric film 3.
  • AlN a piezoelectric film 3
  • AlN an upper electrode 2
  • the sacrificial layer 9 is removed to form the gap 6. Specifically, by introducing an etchant into the etchant introduction hole 11 shown in FIG. 1A, the introduced etchant flows into the sacrificial layer 9, and the sacrificial layer 9 can be etched and removed. When the sacrificial layer 9 is removed, the gap 6 becomes a dome shape by the compressive stress of the laminated film composed of the lower electrode 2, the piezoelectric film 3, and the upper electrode 4.
  • the “dome shape” means that the height of the lower electrode 2 with respect to the substrate 1 at the center in plan view of the gap 6 is the highest, and the height of the lower electrode 2 with respect to the substrate 1 increases from the center of plan view of the gap 6 to the edge. It is a shape that becomes gradually lower.
  • the planar shape of the gap 6 at the distal end portion 2 a of the lower electrode 2 becomes substantially the same as the planar shape of the distal end portion 2 a of the lower electrode 2.
  • the gap 6 below the lower electrode 2 is formed larger than the resonance portion R1, and there is a margin for the displacement of the upper electrode 4 with respect to the lower electrode 2.
  • the sacrificial layer 9 MgO (about 20 to 100 nm) is formed by sputtering or vacuum evaporation, but besides this, it can be easily dissolved by etching solution such as ZnO, Ge, Ti, SiO 2. If it is material, there will be no restriction
  • the lower electrode 2, the piezoelectric film 3, and the upper electrode 4 are each formed using a film forming technique represented by sputtering or the like, and then patterned into a desired shape by performing a photolithography technique and etching.
  • a laminated film composed of the lower electrode 2, the piezoelectric film 3, and the upper electrode 4 is generally used by adjusting the sputtering gas pressure, which is a general technique.
  • the compression stress is set to ⁇ 300 MPa.
  • the additional pattern 10 can be formed by a photolithography technique and etching after a film constituting the additional pattern 10 is formed using a film forming technique typified by sputtering or the like. Further, the additional pattern 10 is formed by a lift-off technique in which a photoresist pattern having an opening is formed at a place to be formed using a photolithography technique, a film constituting the additional pattern is formed, and the photoresist is removed. You can also
  • the film constituting the additional pattern 10 may be a dielectric film typified by SiO 2 and Ti, Al, Cu or the like formed on the dielectric film. These materials can be made soluble in an etchant mainly composed of H 2 SO 4 used for etching AlN. Thereby, as shown to FIG. 2E, it can be set as the etching cross-sectional shape of a substantially perpendicular
  • the end surface 3a of the piezoelectric film 3 may be displaced relative to the center of the resonance part R1 with respect to the tip part 4a of the upper electrode 4. This is desirable because resonance characteristics can be improved. Since the piezoelectric film 3 and the upper electrode 4 having the shapes shown in FIGS. 1B and 2E are difficult to be formed by dry etching of the piezoelectric film 3, wet etching using an etchant mainly composed of H 2 SO 4 is used. Application of technology is desirable. In general, the piezoelectric film 3 is often formed into the shape shown in FIGS. 1B and 2E by overetching.
  • the etching cross-sectional shape of the piezoelectric film 3 formed by the wet etching technique is isotropic from above the piezoelectric film 3 with respect to the photoresist pattern formed so as to cover the upper electrode 4 using the photolithography technique. Due to the progress of the etching mechanism, the etching cross-sectional shape at the end of the etching is substantially inclined.
  • isotropic etching proceeds in the initial stage of etching.
  • H 2 SO 4 is the main component. Etching proceeds to the outermost surface of the additional pattern 10 that is soluble in the etching solution. Therefore, as a result of promoting the etching from the interface side between the piezoelectric film 3 and the additional pattern 10, the cross-sectional shape of the piezoelectric film 3 having a substantially vertical shape can be formed.
  • the etching solution may come into contact with the piezoelectric film 3 during the etching of the sacrificial layer 9, and the etching that is originally undesirable proceeds on the piezoelectric film 3 to deteriorate the quality of the piezoelectric film 3.
  • the piezoelectric film 3 is directly exposed to the outside air and external moisture, and the quality of the piezoelectric film 3 may be deteriorated.
  • the tip 2a of the lower electrode 2 is protected by a dielectric film (additional pattern 10) typified by SiO 2 , the piezoelectric film 3 both during the device formation process and after the device is completed. Can be prevented and protected from contact with an etching solution, outside air, outside moisture, and the like. Therefore, deterioration of the quality of the piezoelectric film 3 can be prevented.
  • the materials of the substrate 1, the electrode film of the lower electrode 2 and the upper electrode 4, the piezoelectric film 3, and the additional pattern 10 are not limited to the above, and other materials may be used.
  • the above-described film configuration describes only main components of the piezoelectric thin film resonator.
  • the lower electrode 2 and the upper electrode 4 have two or more layers, or a dielectric film on the upper electrode 4. May be provided.
  • the dielectric film on the upper electrode 4 plays a role as, for example, a protective film or frequency adjustment.
  • the “role for frequency adjustment” is a role of giving mass on the upper electrode in order to increase or decrease the mechanical vibration in the resonance part where the lower electrode and the upper electrode face each other.
  • the resonance part R1 where the lower electrode 4 and the upper electrode 2 face each other has an elliptical shape, but other than this, the same applies to a polygon that does not include two parallel sides. An effect is obtained.
  • Examples of the “polygon not including two parallel sides” include a pentagon and a heptagon.
  • the piezoelectric thin film resonator having the gap 6 on the flat main surface of the substrate 1 is used.
  • the same effect can be obtained with a piezoelectric thin film resonator having a gap in the region overlapping the resonance portion R1 in the substrate 1. Is obtained.
  • the voids in the substrate 1 can be formed on the substrate 1 after the formation of the upper electrode 4 / piezoelectric film 3 / lower electrode 2 using a dry etching technique.
  • Example 2 With respect to the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment, the improvement effect of the resonance characteristics was analyzed.
  • FIG. 4A is a partial cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator used for resonance characteristic analysis.
  • FIG. 4B shows a resonance characteristic analysis result of the piezoelectric thin film resonator using the finite element method. The relationship between the angle ⁇ of the slope generated by etching the piezoelectric film 3 and the impedance Za at the antiresonance frequency is shown. That is, FIG. 4B shows a calculation result when the angle ⁇ of the end face 3a of the piezoelectric film 3 with respect to the surface of the lower electrode 2 in FIG. 4A and the overetching amount D of the piezoelectric film 3 with respect to the end 4a of the upper electrode 4 are changed. Is shown.
  • the overetching amount D of the piezoelectric film 3 is 0 ⁇ m, 0.625 ⁇ m, 1.25 ⁇ m, and the angle ⁇ is 15 degrees, 30 degrees, 45 degrees, 60 degrees, 75 degrees, and 90 degrees.
  • the impedance Za was analyzed. As for the impedance Za, the larger the value, the better the anti-resonance Q is. Therefore, a low-loss filter can be realized by applying a piezoelectric thin film resonator having a large impedance Za to the filter.
  • the impedance Za when the angle ⁇ is 15 to 90 degrees has been described.
  • the angle ⁇ may be an angle larger than 90 degrees (that is, the end surface 3a of the piezoelectric film 3 is reversely tapered). . Even in that case, an impedance Za having a value almost similar to that obtained when the angle ⁇ is 90 degrees can be obtained.
  • the upper electrode 4 and the lower electrode 2 are both made of Ru.
  • the piezoelectric film 3 is made of AlN. According to the calculation result shown in FIG. 4B, it can be seen that the impedance Za shows a larger value as the angle ⁇ is closer to 90 degrees, and the variation is smaller with respect to the change in the overetching amount D. Further, when the angle ⁇ of the end face 3a of the piezoelectric film 3 is close to 90 degrees, the impedance Za is improved without requiring the overetching of the piezoelectric film 3, and a manufacturing process utilizing overetching with poor reproducibility. The above instability factors will be deleted.
  • the end face 3a of the piezoelectric film 3 formed by over-etching the upper surface side of the piezoelectric thin film resonator is protected particularly at the interface between the upper electrode 4 and the piezoelectric film 3 where the upper electrode 4 has a bowl shape. It is assumed that it is difficult to form a dielectric film (not shown) such as SiO 2 serving as a film and frequency adjusting film, and the dielectric film does not function as a substantial protective film. against this problem, by making the end surface 3a of the piezoelectric film 3 substantially perpendicular to the lower electrode 2, it is not necessary to form the upper electrode 4 in a bowl shape, and the interface between the upper electrode 4 and the piezoelectric film 3 is eliminated. In addition, since a significant protective film can be formed, the effect of moisture resistance is improved.
  • FIG. 5 shows a first modification of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • the piezoelectric thin film resonator shown in FIG. 5 is provided with an additional pattern 12 on the additional pattern 10 on the holding portion 2b side of the lower electrode 2.
  • the film thickness in the vicinity of the holding portion 2b in the lower electrode 2 can be further increased, so that the mechanical strength can be improved.
  • the additional pattern 10 on the tip 2a side of the lower electrode 2 may be two layers like the additional patterns 10 and 12 on the holding unit 10b side, but at least one layer is sufficient as long as the moisture resistance of the piezoelectric film 3 can be improved. That's fine.
  • FIG. 6 shows a second modification of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • the piezoelectric thin film resonator shown in FIG. 6 is configured such that the additional pattern 10 in the piezoelectric thin film resonator shown in FIG. 5 is inserted between the piezoelectric film 3 and the lower electrode 2. With such a configuration, the thickness of the lower electrode 2 in the vicinity of the holding portion 2b can be further increased, so that the mechanical strength can be improved.
  • FIG. 7 shows an example of a communication module provided with the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • the duplexer 62 includes a reception filter 62a and a transmission filter 62b.
  • the reception filter 62a is connected to reception terminals 63a and 63b corresponding to, for example, balanced output.
  • the transmission filter 62b is connected to the transmission terminal 65 via the power amplifier 64.
  • both or one of the reception filter 62a and the transmission filter 62b includes the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • the reception filter 62a When performing a reception operation, the reception filter 62a passes only a signal in a predetermined frequency band among reception signals input via the antenna terminal 61, and outputs the signal from the reception terminals 63a and 63b to the outside. Further, when performing a transmission operation, the transmission filter 62b passes only a signal in a predetermined frequency band among transmission signals input from the transmission terminal 65 and amplified by the power amplifier 64, and outputs the signal from the antenna terminal 61 to the outside. To do.
  • the communication module with the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment, the mechanical strength of the lower electrode and the moisture resistance at the tip of the lower electrode are improved, and the resonance characteristics by the piezoelectric film etching shape control are improved.
  • a communication module can be obtained.
  • the configuration of the communication module shown in FIG. 7 is merely an example, and the same effect can be obtained even if the filter according to the present embodiment is mounted on another type of communication module.
  • FIG. 8 shows an RF block of a mobile phone terminal as an example of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment or a communication device including the communication module described above.
  • the communication apparatus shown in FIG. 8 shows a configuration of a mobile phone terminal that supports a GSM (Global System for Mobile Communications) communication system and a W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) communication system.
  • the GSM communication system in the present embodiment corresponds to the 850 MHz band, 950 MHz band, 1.8 GHz band, and 1.9 GHz band.
  • the mobile phone terminal includes a microphone, a speaker, a liquid crystal display, and the like.
  • each of the reception filter 73a and the transmission filters 73b and 77 to 80 includes the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.
  • the received signal input through the antenna 71 selects an LSI to be operated by the antenna switch circuit 72 depending on whether the communication method is W-CDMA or GSM.
  • the input received signal is compatible with the W-CDMA communication system, switching is performed so that the received signal is output to the duplexer 73.
  • the reception signal input to the duplexer 73 is limited to a predetermined frequency band by the reception filter 73 a, and a balanced reception signal is output to the LNA 74.
  • the LNA 74 amplifies the input received signal and outputs it to the LSI 76.
  • the LSI 76 performs a demodulation process on the audio signal based on the input received signal, and controls the operation of each unit in the mobile phone terminal.
  • the LSI 76 when transmitting a signal, the LSI 76 generates a transmission signal.
  • the generated transmission signal is amplified by the power amplifier 75 and input to the transmission filter 73b.
  • the transmission filter 73b passes only a signal in a predetermined frequency band among input transmission signals.
  • the transmission signal output from the transmission filter 73 b is output from the antenna 71 to the outside via the antenna switch circuit 72.
  • the antenna switch circuit 72 selects any one of the reception filters 77 to 80 according to the frequency band and outputs the received signal. To do. A reception signal whose band is limited by any one of the reception filters 77 to 80 is input to the LSI 83.
  • the LSI 83 performs a demodulation process on the audio signal based on the input received signal, and controls the operation of each unit in the mobile phone terminal. On the other hand, when transmitting a signal, the LSI 83 generates a transmission signal.
  • the generated transmission signal is amplified by the power amplifier 81 or 82 and output from the antenna 71 to the outside via the antenna switch circuit 72.
  • the communication device with the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment, the mechanical strength of the lower electrode and the moisture resistance at the tip of the lower electrode are improved, and the resonance characteristics by the piezoelectric film etching shape control are improved.
  • a communication device can be obtained.
  • the communication device shown in FIG. 8 is an example, and at least the communication device provided with the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment is the same as the present embodiment even if the communication device has other configurations. The effect of can be obtained.
  • the mechanical strength of the lower electrode 2 can be improved, and the moisture resistance at the tip 2a of the lower electrode 2 can be improved. it can. That is, since the additional pattern 10 disposed on the holding portion 2b side of the lower electrode 2 can partially increase the film thickness of the lower electrode 2, the mechanical strength of the lower electrode 2 can be improved.
  • the additional pattern 10 disposed on the distal end portion 2a side of the lower electrode 2 is arranged so that the piezoelectric film 3 does not contact the sacrificial layer 9, so that the etching liquid is removed when the sacrificial layer 9 is removed with the etching liquid. It is possible to prevent the piezoelectric film 3 from being eroded. Moreover, since it can prevent that external air and external humidity touch the piezoelectric film 3, the deterioration of the quality of the piezoelectric film 3 can be prevented.
  • the additional pattern 12 is further provided on the additional pattern 10, the film thickness in the vicinity of the holding portion 2 b of the lower electrode 2 can be further increased, so that the mechanical strength of the lower electrode 2 can be improved. .
  • the etching shape of the end face 3a of the piezoelectric film 3 can be controlled so that the piezoelectric film 3 can be etched so that the angle ⁇ between the end face 3a and the substrate 1 is approximately 90 degrees, thereby improving the resonance characteristics. Can do.
  • the piezoelectric thin film resonator is formed on the flat main surface where the substrate 1 is not processed. As a result, the cost can be reduced. Moreover, since the board
  • the stress of the laminated film including the lower electrode 2, the piezoelectric film 3, and the upper electrode 4 is a compressive stress, the stress between the laminated film formed on the substrate 1 and the surface of the substrate 1 is reduced. Therefore, the gap 6 can be formed with good reproducibility, and the gap 6 can be prevented from being crushed.
  • the shape of the resonance part R1 is an ellipse, the elastic wave reflected from the ends of the lower electrode 2 and the upper electrode 4 and the outer periphery of the piezoelectric film 3 is laterally changed in the resonance part R1 (the surface of the substrate 1). It is possible to suppress the presence of standing waves in the plane direction). Thereby, it can suppress that a ripple generate
  • the shape of the resonance part R1 is a non-parallel polygon, the elastic waves reflected at the ends of the lower electrode 2 and the upper electrode 4 and the outer periphery of the piezoelectric film 3 are lateral in the resonance part R1.
  • Existence as a standing wave can be suppressed. Thereby, it can suppress that a ripple generate
  • Appendix 2 The piezoelectric thin film resonator according to appendix 1, wherein the air gap has a dome shape.
  • the additional pattern is: Consisting of laminated film, Note that the lowermost layer material in contact with the substrate of the multilayer film is formed of a dielectric material, and the uppermost layer material of the multilayer film is formed of a material that is soluble in the etching solution for removing the piezoelectric film. 6.
  • a communication module including a piezoelectric thin film resonator The piezoelectric thin film resonator is A substrate, A lower electrode provided on the substrate; A piezoelectric film provided on the substrate and the lower electrode; An upper electrode provided on the piezoelectric film; A piezoelectric thin-film resonator including a void provided between the lower electrode and the substrate, overlapping a resonance portion that is a region where the lower electrode and the upper electrode face each other, A communication module comprising an additional pattern at a position on the lower electrode including a boundary portion between the resonance part and the non-resonance part.
  • a communication device including a piezoelectric thin film resonator,
  • the piezoelectric thin film resonator is A substrate, A lower electrode provided on the substrate;
  • a piezoelectric film provided on the substrate and the lower electrode;
  • An upper electrode provided on the piezoelectric film;
  • a piezoelectric thin-film resonator including a void provided between the lower electrode and the substrate, overlapping a resonance portion that is a region where the lower electrode and the upper electrode face each other,
  • a communication apparatus comprising an additional pattern at a position on the lower electrode including a boundary portion between the resonance part and the non-resonance part.
  • This application is useful for piezoelectric thin film resonators, filters, duplexers, communication modules, and communication devices.

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Abstract

【課題】圧電薄膜共振子において、膜厚制御が必要な層数を減じながら、共振特性を改善する。【解決手段】基板１と、下部電極２と、圧電膜３と、上部電極４と、下部電極２と上部電極４とが対向する領域である共振部Ｒ１と重なる、下部電極２と基板１との間に備わる空隙６とを備えた圧電薄膜共振子であって、下部電極２の上における、共振部Ｒ１と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターン１０を備えた。

Description

圧電薄膜共振子
　本願の開示は、圧電薄膜共振子に関する。
　携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振子およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体フィルタと弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波領域で低損失である他、高耐電力性、高静電耐圧性に優れ、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振子を用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
　このような圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として下部電極と圧電膜と上部電極とを備えた積層構造体を有し、これが自由に振動できるように、圧電薄膜を挟み下部電極と上部電極が対向する部分の下部電極下には空隙が形成されている。
　非特許文献１は、バイアホールタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献１は、下部電極と基板との間に空隙を形成したキャビティタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献２は、基板に凹部を形成したキャビティタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献３～５は、低損失化を目的とした、上下電極に挟まれた圧電膜外周の少なくとも一部が、上下電極が対向した領域の外周より内側にある圧電薄膜共振子を開示している。
特公平６－４０６１１号公報 特開２００４－６４７８５号公報 特開２００６－１２８９９３号公報 特開２００７－３００４３０号公報 特開２００８－１０３７９８号公報 Electron. Lett.,17(1981), pp.507～509
　特許文献１～２、非特許文献１が開示している圧電薄膜共振子は、下部電極の下の空気と接する面に誘電体薄膜が形成されている。圧電薄膜共振子においては、膜厚変動が共振周波数に直接影響を及ぼすことから、膜厚分布を小さくするために、成膜時には多くの管理項目を必要とする。
　特許文献３～５は、圧電膜のエッチング加工後、圧電膜の端面の断面形状が斜め形状となり、共振特性が劣化してしまう。
　本願の開示は、基板と、前記基板上に備わる下部電極と、前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、前記圧電膜上に備わる上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えたものである。
　本願の開示によれば、膜厚制御が必要な層数を減じながら、共振特性を改善できる。
実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図 図１ＡにおけるＡ－Ａ部の断面図 実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図 実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図 実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図 実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図 実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図 犠牲層、下部電極の平面図 犠牲層、下部電極の平面図 犠牲層、下部電極の平面図 共振特性の解析に用いた圧電薄膜共振子の模式図 圧電膜のオーバーエッチング量、圧電膜の端面の角度、インピーダンスの関係を示す特性図 圧電薄膜共振子の変形例１の断面図 圧電薄膜共振子の変形例２の断面図 通信モジュールのブロック図 通信装置のブロック図
　（実施の形態）
　　〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
　圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲタイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として下部電極と圧電膜と上部電極とを備えた積層構造体を有し、これが自由に振動できるように、圧電薄膜を挟み下部電極と上部電極が対向する部分の下部電極下には空隙が形成されている。
　上部電極と下部電極の間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に逆圧電効果によって弾性波が励振される。逆に、圧電効果によって弾性波による歪が電気信号に変換される。この弾性波は上部電極と下部電極がそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位を持つ厚み縦振動波となる。この構造では空隙上に形成された上部電極／圧電膜／下部電極を主要構成要素とする薄膜構造部分の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、
　　　Ｆ＝ｎＶ／２Ｈ
となる。この共振現象を利用して膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する共振子、あるいは、複数の共振子を接続することによりフィルタが作製される。このフィルタは、デュープレクサやその他の通信機器に適用される。
　空隙は、素子基板として用いられているＳｉ基板自身の裏面からのエッチング（ウェットエッチングやドライエッチィング）、あるいは、Ｓｉ基板の表面に設けた犠牲層のウェットエッチング等によって形成することができる。これ以降、基板の裏面から表面まで貫通している孔を「バイアホール」、基板の表面近傍で下部電極直下に存在する空隙を「キャビティ」と呼ぶことにする。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子は、バイアホールタイプとキャビティタイプに分類することができる。
　文献"Electron. Lett.,
17(1981), pp.507～509"が開示している圧電薄膜共振子は、熱酸化膜（ＳｉＯ2）を有する（１００）Ｓｉ基板上に、下部電極としてＡｕ－Ｃｒ、圧電膜としてＺｎＯ、上部電極としてＡｌを備えている。バイアホールは、Ｓｉ基板の裏面側からＫＯＨ水溶液、あるいは、ＥＤＰ水溶液（エチレンジアミン＋ピロカテコール＋水）を用いた異方性エッチングを施して形成することができる。
　キャビティタイプの圧電薄膜共振子は、犠牲層上に主構成要素として上部電極／圧電膜／下部電極を形成し、最後に犠牲層をエッチングして除去することによりキャビティを形成するタイプの圧電薄膜共振子である。特公平６－４０６１１号公報は、下部電極と基板との間に空隙が形成されている圧電薄膜共振子を開示している。特公平６－４０６１１号公報が開示している圧電薄膜共振子は、犠牲層として島状のＺｎＯによる犠牲層パターンを作り、その上に、誘電体膜／上部電極／圧電膜／下部電極／誘電体膜の構造を作製し、犠牲層を酸で除去してキャビティ（エアーブリッジ構造）を備えている。
　特開２００４－６４７８５号公報は、上部電極／圧電膜／下部電極／保護層が重なりあう領域の下方に、基板表面に凹部が設けられている圧電薄膜共振子を開示している。特開２００４－６４７８５号公報が開示している圧電薄膜共振子は、予め形成した凹部に犠牲層を堆積して基板表面を平坦化した後、上部電極／圧電膜／下部電極／保護層を形成して、最後に犠牲層をエッチングして除去することにより、キャビティを形成することができる。
　文献"Electron. Lett.,
17(1981), pp.507～509"、特公平６－４０６１１号公報、特開２００４－６４７８５号公報が開示している圧電薄膜共振子は、下部電極の下の空気と接する面に誘電体薄膜が形成されている。圧電薄膜共振子においては、共振部を構成する全ての膜の膜厚は圧電薄膜共振子の共振周波数に直接影響を及ぼしている。従って、多数の圧電薄膜共振子を１つの基板に多数形成する製造工程を鑑みると、共振部を構成する全ての膜に対して共振周波数にばらつきを生じさせない膜厚分布制御が必要となる。下部電極の下の誘電体薄膜膜厚も例外ではなく、膜厚分布を小さくするために、成膜時には多くの管理項目を必要とする。
　一方で、圧電薄膜共振子を用いたフィルタの特性向上のため、さらなる低損失化が求められている。損失増加原因の一つとして、弾性波が上部電極と下部電極が対向した共振領域の外側、つまり電気信号に再変換され得ない領域に弾性波が漏れていく横方向漏れ現象がある。特開２００６－１２８９９３号公報、特開２００７－３００４３０号公報、特開２００８－１０３７９８号公報は、圧電薄膜共振子の横方向漏れの閉じ込め効果を高めるために、上下電極に挟まれた圧電膜外周の少なくとも一部が、上下電極が対向した領域の外周より内側にある圧電薄膜共振子を開示している。この圧電膜の加工には、オーバーエッチングが用いられることが多い。
　また、特開２００６－１２８９９３号公報、特開２００７－３００４３０号公報、特開２００８－１０３７９８号公報が開示している圧電薄膜共振子では、圧電膜のエッチング加工後、圧電膜の断面形状が斜め形状となり、共振特性改善に望ましい垂直断面形状を形成することが困難という課題があった。
　さらに、特開２００６－１２８９９３号公報、特開２００７－３００４３０号公報、特開２００８－１０３７９８号公報が開示している圧電薄膜共振子では、下部電極だけで共振部を保持する構成であるため、機械的強度が不足する。また、下部電極の先端部において圧電膜が露出しているため、犠牲層除去時のエッチング液により圧電膜が侵食されてしまう可能性があるとともに、デバイス完成後の耐湿性に課題があった。
　本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子は、膜厚制御が必要な層数を減じながら、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善するものである。以下、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の実施例について詳述する。
　　（実施例１）
　図１Ａは、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ部における断面図である。圧電薄膜共振子は、基板１、下部電極２、圧電膜３、上部電極４、付加パターン１０を備えている。
　基板１は、本実施の形態では平坦主面を持つシリコン（Ｓｉ）基板とした。なお、基板１は、Ｓｉ基板に替えて石英基板、ガラス基板、ＧａＡｓ基板等を用いてもよい。基板１は、バイアホール形成が困難な基板を用いてもよい。
　下部電極２及び上部電極４は、ルテニウム膜（Ｒｕ膜）（膜厚２６０ｎｍ）を用いている。下部電極２及び上部電極４は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等、あるいはこれらを組み合わせた積層材料を用いることができる。
　圧電膜３は、窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ膜）（膜厚１２００ｎｍ）を用いている。圧電膜３は、ＡｌＮ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができるが、実用的には、音速、温度特性、Ｑ値および成膜技術の容易性・習熟度の観点からＡｌＮが用いられていることが多い。特に、ｃ軸（下部電極表面に対して垂直方向）配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成が共振特性を決める重要な要因の一つであり、結合係数やＱ値に直接影響を及ぼしている。一方で、ｃ軸配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成には、その成膜時に高いエネルギーを印加する必要があり、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）では１０００℃以上、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）でもプラズマの電力に加えて４００℃以上の基板加熱を必要とし、スパッタ技術を用いても絶縁膜のスパッタによる基板温度上昇が知られている。このため、一般的にＡｌＮ膜は強い膜応力を有することとなる。
　圧電膜３を挟み上部電極４と下部電極２とが対向する領域（共振部Ｒ１）における、下部電極２の下側と基板１の平坦主面との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙６が形成されている。本実施の形態では、図１Ａに示すように共振部Ｒ１の平面形状を楕円としている。また、空隙６の平面形状は、共振部Ｒ１（楕円形状）を含みかつ共振部Ｒ１より大きい平面形状としている。空隙６は、下部電極下に予めパターンニングされた犠牲層を除去することにより形成することができる。これのため、下部電極２の一部には、犠牲層をエッチングして空隙６を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔１１が設けられている。エッチング液導入孔１１は、犠牲層エッチングの直前に形成してもよいし、下部電極２をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。
　付加パターン１０は、下部電極２の周辺において、共振部Ｒ１を少なくとも含むように形成されている。即ち、図１Ｂに示すように、付加パターン１０は、下部電極２の先端部２ａにおいてその一部が共振部Ｒ１を超え、基板１上まで延設されている。付加パターン１０は、下部電極２の先端部２ａ以外の部分では、空隙６上に位置する下部電極２の上から、基板１に固定された下部電極２に至るまで延設されている。すなわち、付加パターン１０は、下部電極２における保持部２ｂ（下部電極２において、空隙６に接している部分と基板１に接している部分との境界部）を跨ぐように設けられている。
　これにより、下部電極の保持部２ｂにおける物理的な膜厚が増加することとなり、機械的強度を向上することができる。一方、付加パターン１０を備えず、下部電極２のみで共振部Ｒ１を保持する圧電薄膜共振子では、下部電極２の保持部２ｂにおいて下部電極２のみで共振部Ｒ１を保持することとなるため、機械的強度が不足する。
　図２Ａ～図２Ｅは、図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図である。図３Ａは、犠牲層９の平面図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、下部電極２及び犠牲層９の平面図である。
　本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を製造する場合は、まず、図２Ａに示すように、Ｓｉ基板１上に犠牲層９（ＭｇＯ）を形成する。犠牲層９は、図３Ａに示すように楕円形状にパターニングする。
　次に、Ｓｉ基板１及び犠牲層９の上に下部電極２（Ｒｕ）を成膜して、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により図２Ｂに示す形状にパターニングする。下部電極２は、犠牲層９上に成膜したときは図３Ｂに示す形状であるが、パターニングを行うことにより図３Ｃに示す形状にすることができる。すなわち、図２Ｂ及び図３Ｃに示す状態では、下部電極２の先端部２ａの形状と犠牲層９の形状とがほぼ一致している。
　次に、図２Ｃに示すように、下部電極２の先端部２ａ及び保持部２ｂを跨ぐように付加パターン１０を形成する。付加パターン１０は、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて成膜した後、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により所望の形状にパターニングすることで形成することができる。
　次に、図２Ｄに示すように、基板１、下部電極２、付加パターン１０の上に、圧電膜３（ＡｌＮ）を成膜し、圧電膜３の上に上部電極２（ＡｌＮ）を成膜する。圧電膜３及び上部電極４は、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とにより所望の形状にパターニングする。
　次に、図２Ｅに示すように、犠牲層９を除去して、空隙６を形成する。具体的には、図１Ａに示すエッチング液導入孔１１にエッチング液を導入することで、導入されたエッチング液が犠牲層９まで流れ込み、犠牲層９をエッチングして除去することができる。犠牲層９を除去すると、下部電極２、圧電膜３、上部電極４からなる積層膜の圧縮応力によって、空隙６はドーム状となる。なお、「ドーム状」とは、空隙６の平面視中央における基板１に対する下部電極２の高さが最も高く、空隙６の平面視中央から縁部にいくにしたがって基板１に対する下部電極２の高さが徐々に低くなっている形状のことである。
　なお、犠牲層９が除去された後は、下部電極２の先端部２ａにおける空隙６の平面形状が下部電極２の先端部２ａの平面形状とほぼ同一形状となる。一方、下部電極２の先端部２ａ以外では、下部電極２の下の空隙６が共振部Ｒ１よりも大きく形成された状態となっており、下部電極２に対する上部電極４の位置ずれに対する余裕度が広がり、製造性が向上する。
　なお、犠牲層９となるＭｇＯ（２０～１００ｎｍ程度）は、スパッタリング法や真空蒸着法により成膜するが、この他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉ、ＳｉＯ2など、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。
　また、下部電極２、圧電膜３、上部電極４は、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて各々成膜後、フォトリソグラフィー技術とエッチングを施して所望の形状にパターニングする。下部電極２、圧電膜３、上部電極４の成膜時において、一般的な手法であるスパッタガス圧力の調整を利用して、下部電極２、圧電膜３、上部電極４からなる積層膜が概ね－３００ＭＰａの圧縮応力となるようにする。これにより、犠牲層９のエッチングが終了した時点で、積層膜が膨れ上がり、下部電極２と基板１の平坦主面上との間にドーム状の膨らみを有する空隙６が形成されることになる。
　また、付加パターン１０は、付加パターン１０を構成する膜を、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて形成した後で、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより形成することができる。また、付加パターン１０は、フォトリソグラフィー技術を用いて、形成したい場所に開口部を持つフォトレジストパターンを形成し、付加パターンを構成する膜を成膜し、フォトレジストを除去するリフトオフ技術により形成することもできる。
　付加パターン１０を構成する膜は、ＳｉＯ2に代表される誘電体膜と、その誘電体膜の上に成膜されるＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ等とすることができる。これらの材料はＡｌＮをエッチングする際に使用するＨ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液に対して可溶な材料とすることができる。これにより、図２Ｅに示すように概ね垂直形状のエッチング断面形状とすることができる。
　圧電膜３のエッチングにおいては、図１Ｂ及び図２Ｅに示すように、圧電膜３の端面３ａが、上部電極４の先端部４ａよりも共振部Ｒ１の中心側へ変位した位置関係を成すことが、共振特性を改善できることから望ましい。図１Ｂ及び図２Ｅに示す形状の圧電膜３及び上部電極４は、圧電膜３のドライエッチングにより成形するのは困難であるため、Ｈ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液を用いたウェットエッチング技術の適用が望ましい。一般的には、圧電膜３をオーバーエッチングすることにより、図１Ｂ及び図２Ｅに示す形状に成形することが多い。しかしながら、ウェットエッチング技術により形成される圧電膜３のエッチング断面形状は、フォトリソグラフィー技術を用いて上部電極４を覆うように形成したフォトレジストパターンに対して、圧電膜３の上方から等方的に進行するエッチングメカニズムにより、エッチング終了時のエッチング断面形状は概ね斜面を有した状態となる。一方、本実施の形態に従うと、圧電膜３のエッチング時において、エッチング初期は等方的なエッチングが進行するが、付加パターン１０がエッチング液に露出した時点で、Ｈ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液に可溶な付加パターン１０の最表面にもエッチングが進行する。よって、圧電膜３と付加パターン１０の界面側からのエッチングが促進される結果、概ね垂直形状を成す圧電膜３の断面形状を形成することができる。
　また、下部電極２の先端部２ａでは、犠牲層９のエッチング時にエッチング液が圧電膜３に接触することが考えられ、圧電膜３に本来望ましくないエッチングが進行し、圧電膜３の品質を劣化させる可能性がある。さらに、デバイス完成後も圧電膜３が外気及び外部の湿気に直接曝されることになり、圧電膜３の品質の劣化が生じる可能性がある。本実施の形態によれば、下部電極２の先端部２ａはＳｉＯ2に代表される誘電体膜（付加パターン１０）で保護されているため、デバイス形成工程中ならびにデバイス完成後共に、圧電膜３がエッチング液、外気、外部の湿気等に触れることを防ぎ、保護することができる。したがって、圧電膜３の品質の劣化を防止することができる。
　なお、本実施の形態において、基板１、下部電極２及び上部電極４の電極膜、圧電膜３、付加パターン１０の各材料は上記に限定されず、他の材料を使用してもよい。
　また、上記の膜構成は圧電薄膜共振子の主要構成要素のみを記しており、例えば、下部電極２や上部電極４が２層以上の層構成であったり、上部電極４の上に誘電体膜が設けられていてもよい。上部電極４の上の誘電体膜は、例えば、保護膜あるいは周波数調整用としての役割を担う。「周波数調整用としての役割」とは、下部電極と上部電極とが対向する共振部における機械的振動を増減させるために、上部電極上に質量を与える役割のことである。
　また、本実施の形態では、下部電極４と上部電極２とが対向する共振部Ｒ１は楕円形状であったが、これ以外に、互いに平行な２辺を含まない多角形であっても同様な効果が得られる。「互いに平行な２辺を含まない多角形」とは、例えば五角形や七角形などがある。
　また、本実施の形態では、基板１の平坦主面上に空隙６を備えた圧電薄膜共振器としたが、基板１における共振部Ｒ１に重なる領域に空隙を持つ圧電薄膜共振子でも同様な効果が得られる。基板１における空隙は、上部電極４／圧電膜３／下部電極２を形成した後の基板１に、ドライエッチングの手法を用いて形成することができる。
　　（実施例２）
　本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子について、共振特性の改善効果を解析した。
　図４Ａは、共振特性解析に用いた圧電薄膜共振子の部分断面図である。図４Ｂは、有限要素法を用いた圧電薄膜共振子の共振特性解析結果を示す。圧電膜３のエッチングによって生じる斜面の角度βと反共振周波数におけるインピーダンスＺａの関係を示している。すなわち、図４Ｂは、図４Ａにおける下部電極２の表面に対する圧電膜３の端面３ａの角度βと、上部電極４の端部４ａに対する圧電膜３のオーバーエッチング量Ｄを変化させた場合の計算結果を示している。本実施例では、圧電膜３のオーバーエッチング量Ｄを０μｍ、０．６２５μｍ、１．２５μｍとし、角度βを１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度としたときの、インピーダンスＺａについて解析を行った。インピーダンスＺａについては、数値が大きいほど反共振Ｑの良好な共振器であることを示している。よって、インピーダンスＺａが大きな圧電薄膜共振器をフィルタに適用することにより、低損失なフィルタを実現することができる。
　なお、本実施例では、角度βが１５～９０度のときのインピーダンスＺａについて説明したが、角度βは９０度よりも大きな角度（すなわち圧電膜３の端面３ａが逆テーパ）であってもよい。その場合であっても、角度βが９０度のときとほぼ同様の値のインピーダンスＺａが得られる。
　本実施例における計測に使用した圧電薄膜共振子において、上部電極４、下部電極２は、共にＲｕで形成されている。圧電膜３は、ＡｌＮで形成されている。図４Ｂに示す計算結果によると、インピーダンスＺａは、角度βが９０度に近いほど大きな値を示し、オーバーエッチング量Ｄの変化に対してばらつきが小さくなっていることが分かる。また、圧電膜３の端面３ａの角度βが９０度に近づけば、圧電膜３のオーバーエッチングを必要としなくてもインピーダンスＺａが改善するばかりでなく、再現性に乏しいオーバーエッチングを活用した製造工程上の不安定要因が削除されることになる。
　さらに、オーバーエッチングにより形成された圧電膜３の端面３ａのうち、特に上部電極４が庇状になっている上部電極４と圧電膜３との界面においては、圧電薄膜共振子の上面側の保護膜兼周波数調整膜となるＳｉＯ2等の誘電体膜（不図示）の形成が困難であり、誘電体膜が実質的な保護膜として機能していない場合が想定される。この課題に対しても、圧電膜３の端面３ａを下部電極２に対して概ね垂直形状とすることにより、上部電極４を庇状に形成する必要が無くなり、上部電極４と圧電膜３の界面にも有意な保護膜を形成できることから、耐湿性の効果が向上することになる。
　図５は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の変形例１である。図５に示す圧電薄膜共振子は、下部電極２の保持部２ｂ側の付加パターン１０の上に、さらに付加パターン１２を備えたものである。このような構成とすることにより、下部電極２における保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるので、機械的強度を向上させることができる。なお、下部電極２の先端部２ａ側の付加パターン１０は、保持部１０ｂ側の付加パターン１０及び１２のように二層としてもよいが、圧電膜３の耐湿性を向上できればよいため少なくとも一層あればよい。
　図６は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の変形例２である。図６に示す圧電薄膜共振子は、図５に示す圧電薄膜共振子における付加パターン１０を圧電膜３と下部電極２との間に潜り込ませて配置したものである。このような構成とすることにより、下部電極２における保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるので、機械的強度を向上させることができる。
　　〔２．通信モジュールの構成〕
　図７は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えた通信モジュールの一例を示す。図７に示すように、デュープレクサ６２は、受信フィルタ６２ａと送信フィルタ６２ｂとを備えている。また、受信フィルタ６２ａには、例えばバランス出力に対応した受信端子６３ａ及び６３ｂが接続されている。また、送信フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４を介して送信端子６５に接続している。ここで、受信フィルタ６２ａ、送信フィルタ６２ｂの双方、或いは何れか一方は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えている。
　受信動作を行う際、受信フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、受信端子６３ａ及び６３ｂから外部へ出力する。また、送信動作を行う際、送信フィルタ６２ｂは、送信端子６５から入力されてパワーアンプ６４で増幅された送信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、アンテナ端子６１から外部へ出力する。
　本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を通信モジュールに備えることで、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善された通信モジュールを得ることができる。
　なお、図７に示す通信モジュールの構成は一例であり、他の形態の通信モジュールに本実施の形態にかかるフィルタを搭載しても、同様の効果が得られる。
　　〔３．通信装置の構成〕
　図８は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、または前述の通信モジュールを備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のＲＦブロックを示す。また、図８に示す通信装置は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ－ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるＧＳＭ通信方式は、８５０ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯に対応している。また、携帯電話端末は、図８に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ７３ａ、送信フィルタ７３ｂ，７７～８０は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えている。
　まず、アンテナ７１を介して入力される受信信号は、その通信方式がＷ－ＣＤＭＡかＧＳＭかによってアンテナスイッチ回路７２で、動作の対象とするＬＳＩを選択する。入力される受信信号がＷ－ＣＤＭＡ通信方式に対応している場合は、受信信号をデュープレクサ７３に出力するように切り換える。デュープレクサ７３に入力される受信信号は、受信フィルタ７３ａで所定の周波数帯域に制限されて、バランス型の受信信号がＬＮＡ７４に出力される。ＬＮＡ７４は、入力される受信信号を増幅し、ＬＳＩ７６に出力する。ＬＳＩ７６では、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御したりする。
　一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ７６は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ７５で増幅されて送信フィルタ７３ｂに入力される。送信フィルタ７３ｂは、入力される送信信号のうち所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。送信フィルタ７３ｂから出力される送信信号は、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
　また、入力される受信信号がＧＳＭ通信方式に対応した信号である場合は、アンテナスイッチ回路７２は、周波数帯域に応じて受信フィルタ７７～８０のうちいずれか一つを選択し、受信信号を出力する。受信フィルタ７７～８０のうちいずれか一つで帯域制限された受信信号は、ＬＳＩ８３に入力される。ＬＳＩ８３は、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御したりする。一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ８３は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ８１または８２で増幅されて、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
　本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を通信装置に備えることで、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善された通信装置を得ることができる。
　なお、図８に示す通信装置は一例であり、少なくとも本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えた通信装置であれば、他の構成を有する通信装置であっても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
　　〔４．実施の形態の効果、他〕
　本実施の形態によれば、付加パターン１０、１２を備えたことにより、下部電極２の機械的強度を向上することができるとともに、下部電極２の先端部２ａでの耐湿性を向上することができる。すなわち、下部電極２の保持部２ｂ側に配された付加パターン１０は、下部電極２の膜厚を部分的に厚くすることができるため、下部電極２の機械的強度を向上させることができる。
　また、下部電極２の先端部２ａ側に配された付加パターン１０は、圧電膜３が犠牲層９に接しない配置にすることで、犠牲層９をエッチング液で除去する際に、エッチング液が圧電膜３を侵食することを防止することができる。また、外気、外部の湿気が圧電膜３に触れることを防止できるので、圧電膜３の品質の低下を防ぐことができる。
　また、付加パターン１０の上にさらに付加パターン１２を備えることにより、下部電極２の保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるため、下部電極２の機械的強度を向上することができる。
　また、圧電膜３の端面３ａのエッチング形状を制御して、端面３ａと基板１との角度βが略９０度になるように圧電膜３をエッチングすることができるため、共振特性を改善することができる。
　また、下部電極２と基板１との間にドーム状の空隙６を備えたことにより、基板１の加工が施されていない平坦主面上に圧電薄膜共振子を形成するため、生産性向上とそれに伴う低コスト化が図れる。また、基板１に空隙を備えないため、基板１の機械的強度も図ることができる。
　また、下部電極２と圧電膜３と上部電極４とを含む積層膜の応力は、圧縮応力である構成としたことにより、基板１の上に形成された積層膜と基板１の表面との間に再現性良く空隙６を形成することができ、空隙６が潰れることを抑制することができる。
　また、共振部Ｒ１の形状は楕円形としたことにより、下部電極２及び上部電極４の端部や圧電膜３の外周で反射された弾性波が共振部Ｒ１内で横方向（基板１の表面の面方向）の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
　また、共振部Ｒ１の形状は非平行からなる多角形としたことにより、下部電極２及び上部電極４の端部や圧電膜３の外周で反射された弾性波が共振部Ｒ１内で横方向の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
　本実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
　　（付記１）
　基板と、
　前記基板上に備わる下部電極と、
　前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
　前記圧電膜上に備わる上部電極と、
　前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
　前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、圧電薄膜共振子。
　　（付記２）
　前記空隙は、ドーム形状である、付記１記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記３）
　前記空隙の端部と前記下部電極の先端部とは、平面形状が同一形状である、付記１記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記４）
　前記付加パターンは、誘電体材料で形成されている、付記１～３の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記５）
　前記付加パターンは、積層膜である、付記１～４の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記６）
　前記付加パターンは、
　　積層膜からなり、
　　前記積層膜の基板に接する最下層の材料が誘電体材料で形成され、前記積層膜の最上層の材料が圧電膜除去用エッチング液に対して可溶な材料で形成されている、付記１～５の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記７）
　前記下部電極、前記圧電膜、前記上部電極を含む積層膜の応力は、圧縮応力である、付記１～６の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記８）
　前記共振部は、平面形状が楕円形である、付記１～７の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記９）
　前記共振部は、非平行な線分で囲まれた多角形である、付記１～７の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記１０）
　外部から前記空隙に通じる孔部を備えた、付記１～９の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記１１）
　前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛を主成分とする材料である、付記１～１０の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
　　（付記１２）
　圧電薄膜共振子を備えた通信モジュールであって、
　前記圧電薄膜共振子は、
　　基板と、
　　前記基板上に備わる下部電極と、
　　前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
　　前記圧電膜上に備わる上部電極と、
　　前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
　　前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、通信モジュール。
　　（付記１３）
　圧電薄膜共振子を備えた通信装置であって、
　前記圧電薄膜共振子は、
　　基板と、
　　前記基板上に備わる下部電極と、
　　前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
　　前記圧電膜上に備わる上部電極と、
　　前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
　　前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、通信装置。
　本願は、圧電薄膜共振子、フィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、通信装置に有用である。
　１　基板
　２　下部電極
　３　圧電膜
　４　上部電極
　６　空隙
　１０、１２　付加パターン
　１１　エッチング液導入孔

Claims (4)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に備わる下部電極と、
    　前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
    　前記圧電膜上に備わる上部電極と、
    　前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
    　前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、圧電薄膜共振子。
  2. 　前記空隙は、ドーム形状である、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
  3. 　前記空隙の端部と前記下部電極の先端部とは、平面形状が同一形状である、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
  4. 　前記付加パターンは、誘電体材料で形成されている、請求項１～３の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
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