JP4846509B2 - 圧電共振器及び圧電共振器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等に代表される無線通信機器に用いられる、圧電薄膜を用いた圧電共振器、及びその圧電共振器の製造方法に関する。

携帯型通信機器等に内蔵される部品は、高性能を維持しつつ、より小型化かつ軽量化されることが要求されている。例えば、携帯電話に使われている高周波信号を選別するフィルタや共用器では、小型かつ挿入損失が小さいことが要求される。この要求を満たすフィルタの１つとして、圧電薄膜を利用した圧電共振器を用いたフィルタが知られている。例えば、特許文献１を参照。

図８Ａは、従来の圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。また、図８Ｂは、図８Ａに示した従来の圧電共振器のＹ−Ｙ断面図である。
この従来の圧電共振器は、基板７０５の上に下部電極７０２が形成され、下部電極７０２の上に圧電体層７０１が形成され、圧電体層７０１の上に上部電極７０３が形成された構造である。このうち、下部電極７０２、圧電体層７０１、及び上部電極７０３が垂直投影方向に重なる領域が、振動部７０４として機能する。基板７０５には、振動部７０４での振動を確保するためのキャビティ７０６が形成されており、振動部７０４がキャビティ７０６を覆うように基板７０５の上に載置される。よって、振動部７０４に属さない下部電極７０２及び／又は圧電体層７０１の一部が、圧電共振器を基板７０５に支持する支持部の役割を果たす。そして、実際の製品では、下部電極７０２及び上部電極７０３を入出力電極７０７に接続するための配線電極７０８が、それぞれ設けられる。

この従来の圧電共振器は、以下の手順で製造される。
まず、蒸着法やスパッタ法によって、基板７０５の上に下部電極７０２、圧電体層７０１、及び上部電極７０３を順に形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、上部電極７０３から下部電極７０２までを所望の形状にパターンニングする。また、入出力電極７０７及び配線電極７０８は、材料が下部電極７０２及び上部電極７０３と同じである場合には、下部電極７０２及び上部電極７０３のパターンニングの際に同時に形成しておく。最後に、基板７０５の裏面からのドライエッチング等によって、キャビティ７０６が形成される。

上記構造による圧電共振器は、下部電極７０２と上部電極７０３との間に電界を印加することで圧電体層７０１が機械的に歪み、この歪みを電気的に取り出すことで共振器として動作する。圧電体層７０１による振動モードは多数存在するが、携帯電話や無線ＬＡＮに代表される無線通信機器には、高い共振周波数を持つ厚み縦振動が利用される。
特開２００２−３７４１４４号公報

周知のように、圧電共振器は、振動部が空間に浮いた自由振動状態となるときに、共振尖鋭度を表すＱ値及び共振周波数と反共振周波数との差であるΔｆが、最も良好となる。しかしながら、物理的に空間に浮いた構造の振動部を製造することは不可能であり、必ず支持部が存在しなければならない。

上記従来の圧電共振器においては、下部電極７０２の一部が支持部である基板７０５に接しているため、振動部７０４の振動が基板７０５に漏れて周波数特性が劣化するという課題を有していた。また、下部電極７０２の一部が基板７０５に接していない構造であっても、配線電極７０８が基板７０５に接するため、やはり振動部７０４の振動が基板７０５に漏れて周波数特性が劣化するという課題を有していた。

それ故に、本発明の目的は、振動部の振動が支持部から漏れることを抑えて良好な周波数特性が得られる圧電共振器、及びその圧電共振器の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圧電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、本発明の圧電共振器は、圧電薄膜からなる圧電体層と、圧電体層の一方主面上に形成された上部電極と、圧電体層の他方主面上に形成された下部電極と、基板と、圧電体層と基板との間に設けられる支持部とを備え、支持部を、下部電極及び上部電極のいずれとも垂直投影方向に重ならない位置に設けることを特徴とする。

この支持部は、複数の支柱で構成してもよい。また、下部電極と圧電体層と上部電極とが垂直投影方向に重なる領域が振動部であって、支持部を、振動部の振動中心点に対して非回転対称となる形状及び位置に設けるか、振動部の振動中心点を通過する直線に対して非線対称となる形状及び位置に設けることが好ましい。さらに、支持部を、下部電極との最大直線距離が、上部電極の外周端と下部電極の外周端との最大直線距離よりも、大きくなる位置に設けることが好ましい。この支持部は、導体材料によって形成される。

上記構造の圧電共振器は第１の基板に圧電体層を形成する工程と、圧電体層の一方主面上に下部電極を形成する工程と、下部電極を形成した領域を除く圧電体層の一方主面上に、第１の支持部層を形成する工程と、第２の基板の上に第２の支持部層を形成する工程と、第１の支持部層と第２の支持部層とを貼り合わせる工程と、貼り合わせる工程の後に第１の基板を分離して、下部電極が形成された圧電体層を第１の基板から第２の基板へ転写する工程と、第１及び第２の支持部層のいずれとも垂直投影方向に重ならない圧電体層の他方主面上に、上部電極を形成する工程とによって、製造される。

典型的には、貼り合わせる工程が、第１の支持部層と第２の支持部層とを共晶結晶接合によって行われる。この場合、第１の支持部層及び第２の支持部層は、少なくとも金錫（ＡｕＳｎ）又は金シリコン（ＡｕＳｉ）を含む多層膜であることが望ましい。

なお、上述した本発明の圧電共振器は、単独でも機能するが、複数の圧電共振器からなる圧電フィルタ、共用器、及び通信機器として構成してもよい。

上記本発明によれば、振動部と支持部とが接しない構造であるので、圧電共振器のＱ値やΔｆが、従来と比較して改善される。よって、低損失かつ広帯域で急峻な通過帯域特性を有するフィルタや共用器、また低消費電力で低雑音な高品質な通信機器を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（圧電共振器の構造）
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した圧電共振器のＸ−Ｘ断面図である。この本実施形態に係る圧電共振器は、以下の構造を有している。

圧電体層１０１の一方主面に上部電極１０３が、他方主面に下部電極１０２が形成される。振動部１０４は、下部電極１０２、圧電体層１０１、及び上部電極１０３が垂直投影方向に重なる領域となる。また、下部電極１０２及び上部電極１０３を入出力電極１０７に接続するための配線電極１０８が、圧電体層１０１の一方主面及び他方主面にそれぞれ設けられる。この振動部１０４は、支持部１０９を介して基板１０５に載置（接合）される。基板１０５と下部電極１０２との空間が、キャビティ１０６となる。

圧電体層１０１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）等の、圧電性材料が用いられる。下部電極１０２、上部電極１０３、入出力電極１０７、及び配線電極１０８には、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、又は銅（Ｃｕ）等の導電性材料や、それらの積層金属又は合金が用いられる。なお、製造プロセスの観点から、入出力電極１０７及び配線電極１０８に用いる材料は、下部電極１０２及び上部電極１０３と同一の材料を選定することが好ましい。

基板１０５には、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガラス、又はサファイア等の材料が用いられる。支持部１０９には、後述する特徴的な圧電共振器製造方法を用いるため、チタン、金、錫（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、金錫（ＡｕＳｎ）や金シリコン（ＡｕＳｉ）の合金等の導体材料が用いられる。これらの導体材料は、単体構造で用いてもよいし多層構造で用いてもよい。なお、支持部１０９を導電性バンプで構成することも可能である。

本発明の圧電共振器の特徴は、振動部１０４を形成している領域と、入出力電極１０７及び配線電極１０８が形成されている領域とを除く、圧電体層１０１の位置に、支持部１０９が形成されることにある。すなわち、支持部１０９は、いずれの電極とも垂直投影方向に重ならない位置に設けられることになる。

この特徴を満たせば、図２Ａ〜図２Ｃに例示するように、支持部１０９を構成する支柱の数、支持部１０９の断面形状、及び上部電極１０３と下部電極１０２との位置及び大きさの関係等は、自由に設計することが可能である。

ここで、圧電共振器から基板１０５へ漏れる不要振動を抑制するためには、振動部１０４の振動中心点で回転対称にならず、及び／又は振動部１０４の振動中心点を通過する直線で線対称にならない形状及び位置に、支持部１０９を形成することが好ましい。また、図１Ｂで示すように、下部電極１０２の外周端と支持部１０９との最大直線距離αを、上部電極１０３の外周端と下部電極１０２の外周端との最大直線距離βよりも大きくすることが好ましい。こうすれば、下部電極１０２及び上部電極１０３と支持部１０９との間に発生する容量成分を、極力抑えることができる。

（圧電共振器の製造方法）
図３Ａ及び図３Ｂは、本実施形態に係る圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法では、貼り合わせ方法を用いることによって、図１Ａ及び図１Ｂに示した圧電共振器を製造する。

まず、シリコン、ガラス、又はサファイア等からなる成膜用基板１１１を準備し、この成膜用基板１１１の上に、熱酸化膜や窒化膜等の絶縁膜（図示せず）を形成し、その上に圧電体層１０１を形成する（図３Ａ、工程ａ）。次に、圧電体層１０１上に、下部電極１０２となる電極膜１１２を形成する（図３Ａ、工程ｂ）。この圧電体層１０１及び電極膜１１２は、絶縁膜の厚みも考慮しつつ、所望の共振周波数が得られる厚みに調整する必要がある。例えば、圧電体層１０１の厚み縦振動を利用して数ＧＨｚの共振周波数を発生させる場合には、圧電体層１０１の厚みは、およそ１μｍ程度となる。

その後、フォトリソグラフィやリフトオフ加工によって電極膜１１２をパターニングし、下部電極１０２及び支持部１０９の下地となる支持部層１１９ａを形成する（図３Ａ、工程ｃ）。さらに、この支持部層１１９ａの上に、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、支持部１０９の一部となる支持部層１１９ｂを形成する（図３Ａ、工程ｄ）。なお、材料が同じであれば、支持部層１１９ａと支持部層１１９ｂとを一体的に形成してもよい。これにより、成膜用基板１１１の準備が整ったことになる。

次に、振動部１０４を支持する基板１０５を準備し、この基板１０５の上に、熱酸化膜や窒化膜等の絶縁膜（図示せず）を形成し、その上に電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、導体層１１９を形成する（図３Ａ、工程ｅ）。次に、フォトリソグラフィやリフトオフ加工によって導体層１１９をパターニングし、支持部１０９の一部となる支持部層１１９ｃを形成する（図３Ａ、工程ｆ）。本実施例では、電子ビーム蒸着を用いて基板１０５を成膜用基板１１１と向かい合わせたときにＡｕＳｎ合金層が接するように、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順に支持部１０９をパターン形成している。なお、基板１０５に形成された支持部層１１９ｃのパターンは、成膜用基板１１１に形成された支持部層１１９ｂのパターンと完全に一致させる必要はなく、両基板の位置合わせ精度を考慮して、余裕を持たせることが好ましい。

次に、成膜用基板１１１の支持部層１１９ｂと基板１０５の支持部層１１９ｃとを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図３Ｂ、工程ｇ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｕＳｎを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得ることができる。これにより、接合信頼性に優れた圧電共振器を得ることができる。例えば、３７５℃かつ０．３ＭＰａで金錫をいったん溶融させ、再度凝固させることにより、容易に接合することができる。

この実施例では、支持部１０９にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、支持部１０９が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が貼り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、支持部１０９は、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。常温で接合することにより、振動部の残留熱応力をなくすことができるので、製造歩留まりが高くかつ周波数変動等の経時変化が少ない圧電共振器を得ることができる。

次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板１１１を除去する（図３Ｂ、工程ｈ）。例えば、ドライエッチングを用いて成膜用基板１１１を除去することができる。この工程ｇ及び工程ｈにより、元々成膜用基板１１１にあった形成物が、基板１０５に転写されたことになる。次に、成膜用基板１１１を除去した圧電体層１０１の上に、上部電極１０３となる電極膜１１３を形成する（図３Ｂ、工程ｉ）。そして、この電極膜１１３をパターニングして、上部電極１０３を形成する（図３Ｂ、工程ｊ）。最後に、入出力電極及び配線電極の形成を行って、図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電共振器が完成する。

なお、上記製造方法では、上部電極１０３となる電極膜１１３を最後に形成する例を示したが、成膜用基板１１１の上に圧電体層１０１を形成する前に、成膜用基板１１１の上に電極膜１１３を形成してもよい。この場合、工程ｈにおいて成膜用基板１１１を除去した後に電極膜１１３をパターニングして、上部電極１０３を形成することになる。

以上のように、本発明の一実施形態に係る圧電共振器によれば、支持部１０９が振動部１０４と離れているため、Ｑ値及びΔｆを改善することができる。特に、支持部１０９を非回転対称又は非線対称の配置にすることで、横方向の不要なモードが発生し難くなり、不要なスプリアスを低減する効果が得られる。

（圧電共振器を用いた構成の例）
図４は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図である。図５は、図４の点線で囲まれた部分を模式的に示した上面図である。この図４及び図５に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２及びバイパス圧電共振器３０４と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが格子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。

直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の反共振周波数とを略一致させることで、通過帯域の低域側及び高域側に極を有するバンドパス特性を実現できる。また、バイパス圧電共振器３０４の共振周波数を並列圧電共振器３０３の共振周波数よりも低く設定することにより、通過帯域内の挿入損失を劣化させることなく、阻止帯域で大きな減衰量を確保することが可能となる。

なお、圧電薄膜共振器の共振周波数は膜厚に反比例するため、上部電極１０３を形成した後に、酸化物や窒化物等の絶縁層によって周波数調整層を形成することで、各圧電共振器の共振周波数を所望の値に設定することができる。この周波数調整プロセスを用いることで、上記バンドパス特性を有し、かつ低損失で広帯域なフィルタ特性を有する圧電フィルタ回路を実現することができる。

また、バイパス圧電共振器３０４の共振器特性（Ｑ値、Δｆ）は、フィルタ特性に大きく影響を与えないため、バイパス圧電共振器３０４の振動部１０４は、支持部１０９と垂直投影方向に重なる位置に配置されていてもよい。この場合には、支持部１０９の一部を配線として使用することで、配線用部材を削減できる。

図６は、本発明の圧電共振器を用いた共用器の例を示す図である。この図６に示す共用器は、上述した図５の圧電フィルタ回路を２つ直列に接続した構成である。この共用器では、一方の入出力端子３０１ａを送信端子に、他方の入出力端子３０１ｂを受信端子に、相互に接続された入出力端子３０１ｃをアンテナ端子として用いる。入出力端子３０１ｃには、移相回路として移相インダクタ３０６が接続されている。

この共用器では、移相インダクタ３０６によってインピーダンス及び位相を調整して、入出力端子３０１ｃから見た送信経路のインピーダンスが受信帯域においてオープンに、入出力端子３０１ｃから見た受信経路のインピーダンスが送信帯域においてオープンに設計されている。この構成によれば、送信経路と受信経路とのアイソレーションを高めることができる。

また、図７は、図６で示した共用器を用いた通信機器４２０の例を示す図である。図７に示す通信機器４２０では、送信端子４２１から入力された信号は、ベースバンド部４２３を通り、パワーアンプ（ＰＡ）４２４で増幅され、共用器４２５でフィルタリングされ、アンテナ４２８から電波として送信される。また、アンテナ４２８で受信された信号は、共用器４２５でフィルタリングされ、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）４２７で増幅され、ベースバンド部４２３を通り、受信端子４２２に伝達される。この構成によれば、低消費電力かつ低雑音な通信機器を実現することができる。

本発明の圧電共振器は、携帯電話や無線ＬＡＮ等に代表される無線通信機器等に利用可能であり、特に振動部の振動が支持部から漏れることを抑えて良好な周波数特性を得たい場合等に有用である。

本発明の一実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した図 本発明の一実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した図 本発明の一実施形態に係る他の圧電共振器の構造を模式的に示した図 本発明の一実施形態に係る他の圧電共振器の構造を模式的に示した図 本発明の一実施形態に係る他の圧電共振器の構造を模式的に示した図 図１Ｂの圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図 図１Ｂの圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図 本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図 図４の圧電フィルタ回路の構造を模式的に示した図 本発明の圧電共振器を用いた共用器の例を示す図 本発明の圧電共振器を用いた通信機器の例を示す図 従来の圧電共振器の構造を模式的に示した図 従来の圧電共振器の構造を模式的に示した図

符号の説明

１０１、７０１ 圧電体層
１０２、１０３、７０２、７０３ 電極
１０４、７０４ 振動部
１０５、７０５ 基板
１０６、７０６ キャビティ
１０７、７０７ 入出力電極
１０８、７０８ 配線電極
１０９ 支持部
１１１ 成膜用基板
１１２、１１３ 電極膜
１１９ 導体層
１１９ａ〜１１９ｃ 支持部層
３０２〜３０４ 圧電共振器
３０５、３０６ インダクタ
４２０ 通信機器
４２３ ベースバンド部
４２４ パワーアンプ（ＰＡ）
４２５ 共用器
４２７ ローノイズアンプ（ＬＮＡ）
４２８ アンテナ

Claims (9)

1. 所定の周波数で振動する圧電共振器であって、
   圧電薄膜からなる圧電体層と、
   前記圧電体層の一方主面上に形成された上部電極と、
   前記圧電体層の他方主面上に形成された下部電極と、
   基板と、
   前記圧電体層と前記基板との間に設けられる支持部とを備え、
   前記支持部は、前記下部電極及び前記上部電極のいずれとも垂直投影方向に重ならない位置に設けられ、
   前記下部電極と前記圧電体層と前記上部電極とが垂直投影方向に重なる領域が振動部であって、
   前記支持部は、前記振動部の振動中心点に対して非回転対称となる形状及び位置、又は前記振動部の振動中心点を通過する直線に対して非線対称となる形状及び位置に、設けられることを特徴とする、圧電共振器。
2. 前記支持部は、複数の支柱で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
3. 前記支持部は、前記下部電極との最大直線距離が、前記上部電極の外周端と前記下部電極の外周端との最大直線距離よりも、大きくなる位置に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
4. 前記支持部は、導体材料によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
5. 請求項１に記載の圧電共振器の製造方法であって、
   第１の基板に圧電体層を形成する工程と、
   前記圧電体層の一方主面上に下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極を形成した領域を除く前記圧電体層の一方主面上に、第１の支持部層を形成する工程と、
   第２の基板の上に第２の支持部層を形成する工程と、
   前記第１の支持部層と前記第２の支持部層とを貼り合わせる工程と、
   前記貼り合わせる工程の後に前記第１の基板を分離して、前記下部電極が形成された圧電体層を前記第１の基板から第２の基板へ転写する工程と、
   前記第１及び第２の支持部層のいずれとも垂直投影方向に重ならない前記圧電体層の他方主面上に、上部電極を形成する工程とを備える、製造方法。
6. 前記貼り合わせる工程が、前記第１の支持部層と前記第２の支持部層とを共晶結晶接合によって行われることを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記第１の支持部層及び前記第２の支持部層は、少なくとも金錫（ＡｕＳｎ）又は金シリコン（ＡｕＳｉ）を含む多層膜であることを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
8. 複数の圧電共振器を備えた圧電フィルタであって、請求項１に記載の圧電共振器を少なくとも１つ備えた、圧電フィルタ。
9. 送信フィルタ及び受信フィルタを備えた共用器であって、請求項８に記載の圧電フィルタを、送信フィルタ及び受信フィルタの少なくとも一方に備えた、共用器。

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