JP2008211394A - 共振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】下部電極間でクロストークが発生することを抑制できるとともに、製造コストの低減が図れる共振装置を提供することにある。
【解決手段】共振装置は、ベース基板１と、ベース基板１の主表面側に形成された下部電極３０、下部電極３０におけるベース基板１側とは反対側に形成された圧電体薄膜４０、および圧電体薄膜４０における下部電極３０側とは反対側に形成された上部電極５０とで構成された複数の共振子２とを備え、隣り合う２つの共振子２の上部電極５０が共通に接続されてなり、ベース基板１は、低音響インピーダンス層１３と、高音響インピーダンス層１４とを、支持基板１１の主表面側を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層１３となるように交互に積層することにより形成された音響多層膜１２を有し、隣り合う２つの共振子２の一方と厚み方向で重なる部位に、ベース基板１を貫通する空洞部１ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振装置、特にＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave；バルク弾性波）を利用した共振装置に関する。

従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタとして、ＰＺＴや、ＡｌＮ、ＺｎＯなどの圧電材料により形成した圧電体薄膜を採用した共振装置（ＢＡＷ共振器）が提案されている。

例えば、特許文献１には、共振装置として、ＳＭＲ（Solidly MountedResonator）型のものが記載されている。

この種の共振装置は、図５（ａ）に示すように、ベース基板１と、ベース基板１上に形成された複数の共振子２とを備えている。

ベース基板１は、支持基板１１と、支持基板１１の主表面側（図５（ａ）における上面側）に形成されバルク弾性波を反射する音響多層膜（音響ミラー）１２とで構成されている。音響多層膜１２は、支持基板１１の前記主表面にＳｉＯ_２からなる低音響インピーダンス層１３と、ＳｉＯ_２よりも音響インピーダンスが高い材料（例えば、タングステンなど）からなる高音響インピーダンス層１４とを、最上層が低音響インピーダンス層１３となるように交互に積層することで形成されている。

共振子２は、音響多層膜１２における支持基板１１側とは反対側（図５（ａ）における上面側）に形成された下部電極３０と、下部電極３０における音響多層膜１２側とは反対側に形成された圧電体薄膜４０と、圧電体薄膜４０における下部電極３０側とは反対側に形成された上部電極５０とからなる複数の共振子２を備えている。

ところで上記の共振装置では、高音響インピーダンス層１４が支持基板１１の前記主表面側の全面を覆うように形成されているので、高音響インピーダンス層１４の材料としてタングステンなどの導電性材料を用いた場合、下部電極３０に最も近い高音響インピーダンス層１４と下部電極３０との間に寄生容量が生じて、下部電極３０の電位が異なる共振子２間で、音響多層膜１２を介したクロストークが発生するという問題があった。

そこで、図５（ｂ）に示すように、音響多層膜１２の高音響インピーダンス層１４を複数の共振子２それぞれに対応するようにパターニングすることにより、上記クロストークの発生を抑制した共振装置が提案されている。
特開２００１−３０８６７８号公報

しかしながら、図５（ｂ）に示す共振装置の音響多層膜１２では、高音響インピーダンス層１４をパターニングしたことによって、音響多層膜１２の厚みがばらついて、図６（ａ）に示すように、音響多層膜１２の表面の平坦度が悪化してしまい、その結果、ゾルゲル法を用いて圧電体薄膜４０を形成する際に、圧電体薄膜４０にクラックなどの不良が生じることとなった。

そこで、音響多層膜１２の表面の平坦度を改善するために、ＣＭＰ（化学的機械的研磨、ChemicalMechanical Polishing）により音響多層膜１２の表面を平坦化することが提案されている。

しかしながら、ＣＭＰによる平坦化処理によって図６（ｂ）に示すような平坦度が良好な音響多層膜１２を得るためには、音響多層膜１２の最上層となる低音響インピーダンス層１４を設計上の厚みよりも厚く形成する必要があり、しかも、厚く形成した部分をＣＭＰによって全て除去しなくてはならないために非常に手間がかかるので、製造工程が複雑化して、製造コストが増加してしまうという問題があった。また、ＣＭＰによる平坦化処理は、終点検出が難しく、最上層の低音響インピーダンス層１３の膜厚制御性が良くないので、所望の音響反射効率の音響多層膜１２が得られないことがあった。

さらに、図５（ｂ）に示すような共振装置であっても、高音響インピーダンス層１４と下部電極３０との間、高音響インピーダンス１４間、それぞれにおいて寄生容量が生じる場合があり、共振子２間でのクロストークの発生を十分に抑制できていなかった。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、共振子間でのクロストークの発生を抑制できる上に、製造コストの低減が図れる共振装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明では、ベース基板と、ベース基板上に形成された複数の共振子とを備え、共振子は、ベース基板の主表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とで構成され、隣り合う２つの共振子の上部電極が共通に接続されてなる共振装置であって、ベース基板は、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる高音響インピーダンス層とを、支持基板の主表面側を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層となるように交互に積層することにより形成された音響多層膜を有し、隣り合う２つの共振子の一方と厚み方向で重なる部位に、音響多層膜における前記最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを少なくとも貫通する空洞部が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ベース基板は隣り合う２つの共振子の一方に対応する部位に空洞部が形成されているから、一方の共振子と音響多層膜との間の寄生容量を低減できて、隣り合う共振子間でのクロストークの発生を抑制できる。その上、製造時に、従来のように音響多層膜の高音響インピーダンス層を複数の下部電極それぞれに対応するようにパターニングする工程、およびＣＭＰにより音響多層膜の表面を平坦化する工程が必要なく、ベース基板に空洞部を設けることにより寄生容量を低減できるから、従来に比べて製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、空洞部は、音響多層膜における最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、音響多層膜の最上層の低音響インピーダンスの厚みによって一方の共振子（空洞部側の共振子）の共振周波数の値を変更できる。また、音響多層膜の最上層の低音響インピーダンス層を空洞部側の共振子の共振周波数を変更するための層として利用しているから、空洞部側の共振子の共振周波数を変更するための層を別途設けなくて済み、製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。

本発明は、共振子間でのクロストークの発生を抑制できる上に、製造コストの低減が図れるという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態の共振装置は、図１に示すように、ベース基板１と、ベース基板１上に形成された複数の共振子２とを備えている。

ベース基板１は、図１に示すように、例えば、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板や、ＭｇＯ基板、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などの支持基板１１と、支持基板１１の主表面側（図１における上面側）に形成され共振子２が発生するバルク弾性波を反射する音響多層膜１２とを有し、音響多層膜１２の表面（図１における上面）が、ベース基板１の主表面となる。

音響多層膜１２は、相対的に音響インピーダンスが低い材料（例えば、ＳｉＯ_２）からなる低音響インピーダンス層１３と、相対的に音響インピーダンスが高い材料（例えば、タングステン）からなる高音響インピーダンス層１４とを備えている。低音響インピーダンス層１３と高音響インピーダンス層１４とは、支持基板１１の前記主表面側の全面を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層１３となるように交互に積層されている。なお、以下の説明では、最上層の低音響インピーダンス層１３を必要に応じて符号１３ａで表す。

共振子２は、ベース基板１の主表面側（図１における上面側）に形成された下部電極３０と、下部電極３０におけるベース基板１側とは反対側に形成された圧電体薄膜４０と、圧電体薄膜４０における下部電極３０側とは反対側に形成された上部電極５０とで構成されている。また、本実施形態では、隣り合う２つの共振子２は、上部電極５０が接続部５１によって共通に（電位が等しくなるように）接続されている。

ところで、本実施形態におけるベース基板１には、図１に示すように、空洞部１ａが設けられている。この空洞部１ａは、隣り合う２つの共振子２の一方（図１に示す例では右側の共振子２）と厚み方向（図１における上下方向）で重なるベース基板１の部位に、ベース基板１を厚み方向に貫通する形で形成されている。

以下に、本実施形態の共振装置の製造方法について図２および図３を参照して説明する。

まず、支持基板１１の前記主表面側に、低音響インピーダンス層１３と、高音響インピーダンス層１４とを、支持基板１１の前記主表面側の全面を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層１３となるように交互に積層することにより音響多層膜１２を形成し、図２（ａ）に示す構造のベース基板１を得る。なお、高音響インピーダンス層１４の材料としては、タングステン（Ｗ）の他に、Ａｕ、Ｍｏなどを用いてもよい。

次に、スパッタ法などを用いて、音響多層膜１２の前記表面側の全面を覆う形で下部電極３０の基礎となる第１導電性層３を形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第１導電性層３をＰｔ層により構成してあるが、第１の導電性層３は、単層構造に限らず、例えば、音響多層膜１２上のＴｉ層と、当該Ｔｉ層上のＰｔ層とで構成してもよい。

第１導電性層３を形成した後には、第１導電性層３の表面側の全面に圧電体薄膜４０の基礎となる圧電体層４を形成することによって図２（ｃ）に示す構造を得る。本実施形態では、圧電体層４をＰＺＴ薄膜から構成してある。ＰＺＴ薄膜を形成（作製）する方法としては、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、スパッタ法などを用いる方法が提案されているが、本実施形態では、ＣＶＤ法やスパッタ法に比べて、高価な製造装置を必要とせず製造コストの低減が図れる点、膜厚の面内均一性が高いＰＺＴ薄膜を形成できて品質の向上が図れる点などの利点があるゾルゲル法を用いている。

ゾルゲル法によりＰＺＴ薄膜を形成するにあたっては、第１導電性層３の表面上に鉛化合物およびジルコニウム化合物およびチタン化合物を溶剤に溶解してなるＰＺＴ薄膜形成用組成物を塗布し例えば３００℃で１０分間仮焼成する工程を、所定の膜厚が得られるまで繰り返した後に、例えば６００℃で１０分間焼成する工程を行えばよい。

なお、上記のようにＰＺＴ薄膜を形成するにあたっては、シード層（図示せず）を用いてもよく、この場合、第１導電性層３の表面上に、鉛化合物およびチタン化合物を溶剤に溶解してなるＰｂＴｉＯ_３薄膜形成用組成物を塗布し、１５０〜４００℃で乾燥する工程を所定の膜厚が得られるまで繰り返した後に、上記の方法にてＰＺＴ薄膜を形成すればよい。

圧電体層４を形成した後には、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して圧電体層４を所望の平面形状にパターニングして複数の圧電体薄膜４０を形成し、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、圧電体層４の不要部分をエッチング除去するにあたっては、フッ酸系エッチャントを用いればよい。

その後には、イオンミリング技術などを利用して第１導電性層３を所望の平面形状にパターニングして複数の下部電極３を形成し、図３（ａ）に示す構造を得る。

続いて、スパッタ法などを用いて音響多層膜１２の前記表面側の全面に絶縁性層６０を形成し、その後に、絶縁性層６０の不要部分を除去して、図３（ｂ）に示す構造を得る。ここで、絶縁性層６０の不要部分を除去する方法としては、絶縁性層６０を形成する前に、予め音響多層膜１２の前記表面側において絶縁性層６０が不要な部分にレジスト層を形成しておき、このレジスト層の除去とともに絶縁性層６０の不要部分を除去する、いわゆるリフトオフ法を利用できる。また、絶縁性層６０の不要部分を除去する方法としては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してもよい。

このような絶縁性層６０を形成するにあたっては、絶縁性層６０の表面と、圧電体薄膜４０の表面とが同一平面上に位置するように絶縁性層６０の形成を行う。

絶縁性層６０を形成した後には、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）などを用いて、音響多層膜１２の表面側の全面に上部電極５０の基礎となる第２導電性層を形成し、その後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２導電性層をパターニングして（不要部分を除去して）、それぞれ第２導電性層の一部からなる複数の上部電極５０および隣り合う共振子２の上部電極５０同士を電気的に接続する接続部５１を形成し、図３（ｃ）に示す構造を得る。

なお、本実施形態では、第２導電性層をＡｌ層により構成してあるが、第２導電性層は、単層構造に限らず、複層構造にしてもよい。また、Ａｌ層からなる第２導電性層の不要部分をエッチング除去するにあたっては、燐酸系エッチャントを用いればよい。

その後には、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）などを用いて、隣り合う共振子２の一方（図３（ｃ）における右側の共振子２）と厚み方向で重なるベース基板１の部位に、ベース基板１を厚み方向に貫通する形で空洞部１ａを形成し、図３（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、上部電極５０を形成した後に空洞部１ａの形成を行っているが、空洞部１ａを形成するタイミングは、第１導電性層３を形成した後であればいつでもよい。

ところで、共振装置の製造にあたっては、ウェハレベルで多数の共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々の共振装置に分割すればよい。

以上述べたように本実施形態の共振装置によれば、ベース基板１は、隣り合う２つの共振子２の一方に対応する部位に、厚み方向においてベース基板１を貫通する空洞部１ａが形成されているので、一方の共振子２と厚み方向で重なる高音響インピーダンス層１４の面積を空洞部１ａの開口面積の分だけ小さくできるから、一方の共振子２と音響多層膜１２との間の寄生容量を低減できて、隣り合う共振子２間でのクロストークの発生を抑制できる。その上、製造時に、従来のように音響多層膜１２の高音響インピーダンス層１４を複数の下部電極３０それぞれに対応するようにパターニングする工程、およびＣＭＰにより音響多層膜１２の表面を平坦化する工程が必要なく、ベース基板１に空洞部１ａを設けることにより寄生容量を低減できるから、従来に比べて製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。

また、本実施形態では、圧電材料のなかでも電気機械結合係数が比較的大きなＰＺＴにより圧電体薄膜４０を形成するから、高周波帯域で急峻な立ち上がり、立下り特性を有する共振装置を製造でき、このような共振装置は、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタなどの広帯域の高周波フィルタに好適に利用することができる。なお圧電体薄膜４０の材料としてはＰＺＴの他に、例えば、ＺｎＯや、ＡｌＮなどの圧電材料を用いてもよい。

なお、本実施形態における共振装置では、共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３０の厚みを１００ｎｍ、圧電体薄膜４０の厚みを３００ｎｍ、上部電極５０の厚みを１００ｎｍ、ＳｉＯ_２により形成した低音響インピーダンス層１３の厚みを３７３ｎｍ、タングステンにより形成した高音響インピーダンス層１４の厚みを３２７ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設定する場合には、圧電体薄膜４０の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層１３の厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層１４の厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。

（実施形態２）
本実施形態の共振装置は、ベース基板１の構成が実施形態１と異なっており、その他の構成は実施形態１と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるベース基板１は、図４に示すように、隣り合う共振子２の一方と厚み方向で重なる部位に、支持基板１１と、音響多層膜１２における最上層以外の低音響インピーダンス層１３および高音響インピーダンス層１４とを貫通する空洞部１ａが形成されている。すなわち、本実施形態における空洞部１ａは、ベース基板１を厚み方向に貫通するのではなく、低音響インピーダンス層１３ａを除くベース基板１の部位である、支持基板１１と、音響多層膜１２における最上層以外の低音響インピーダンス層１３および高音響インピーダンス層１４とを貫通するように形成されている。

したがって、一方の共振子２（図４における右側の共振子２）と空洞部１ａとの間には、音響多層膜１２の最上層となる低音響インピーダンス層１３ａが介在され、この低音響インピーダンス層１３ａが、一方の共振子２（すなわち空洞部１ａ側の共振子２）の共振周波数を変更する層として作用することになる。

つまり、本実施形態の共振装置によれば、音響多層膜１２の最上層の低音響インピーダンス１３ａの厚みによって一方の共振子２の共振周波数の値を変更できる。また、音響多層膜１２の最上層の低音響インピーダンス層１３ａを一方の共振子２の共振周波数を変更するための層として利用しているから、一方の共振子２の共振周波数を変更するための層を別途設けなくて済み、製造工程を容易化できて、製造コストの低減が図れる。

ところで、圧電体薄膜４０の材料となるＰＺＴなどの圧電材料は、温度によって共振周波数が変化するが、本実施形態の共振装置では実施形態１とは異なり空洞部１ａ側の共振子２と空洞部１ａとの間に低音響インピーダンス層１３ａを残しているから、低音響インピーダンス層１３ａの材料としてＳｉＯ_２を用いれば、一方の共振子２の共振周波数が温度によって変化することを抑制できる。つまり、ＰＺＴなどの圧電材料は、一般に、共振周波数の温度係数（temperature coefficient of resonance frequency）が負であるから、低音響インピーダンス層１３ａの材料として共振周波数の温度係数が正であるＳｉＯ_２を用いることにより、一方の共振子２および低音響インピーダンス層１３ａ全体としては共振周波数の温度係数を０に近付けることができ、その結果、共振周波数の温度による変動を抑制できるのである。

なお、本実施形態では、空洞部１ａと一方の共振子２との間に低音響インピーダンス層１３ａが介在されているので、空洞部１ａを形成した後でも共振子２の作成が行えるから、空洞部１ａを形成するタイミングは、ベース基板１を形成した後であればいつでもよい。

また、本実施形態では、空洞部１ａ側の共振子２は低音響インピーダンス層１３ａ上に形成されているから、空洞部１ａの開口サイズを、空洞部１ａ側の共振子２の下部電極３０のサイズよりも大きくしてもよく、このようにすれば、下部電極３０と高音響インピーダンス層１４とが厚み方向で重ならなくなるから、さらなる寄生容量の低減が図れる。

実施形態１の共振装置の概略断面図である。 実施形態１の共振装置の製造方法の説明図である。 実施形態１の共振装置の製造方法の説明図である。 実施形態２の共振装置の概略断面図である。 従来の共振装置の概略説明図である。 従来の共振装置の音響多層膜の概略説明図である。

符号の説明

１ ベース基板
１ａ 空洞部
２ 共振子
１１ 支持基板
１２ 音響多層膜
１３，１３ａ 低音響インピーダンス層
１４ 高音響インピーダンス層
３０ 下部電極
４０ 圧電体薄膜
５０ 上部電極

Claims (2)

1. ベース基板と、ベース基板上に形成された複数の共振子とを備え、共振子は、ベース基板の主表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とで構成され、隣り合う２つの共振子の上部電極が共通に接続されてなる共振装置であって、
   ベース基板は、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる高音響インピーダンス層とを、支持基板の主表面側を覆う形で、最上層が低音響インピーダンス層となるように交互に積層することにより形成された音響多層膜を有し、
   隣り合う２つの共振子の一方と厚み方向で重なる部位に、音響多層膜における前記最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを少なくとも貫通する空洞部が形成されていることを特徴とする共振装置。
2. 空洞部は、音響多層膜における最上層以外の低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層と支持基板とを貫通するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の共振装置。

Images