JP5147932B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタ、通信モジュール、および通信装置 - Google Patents

圧電薄膜共振器、フィルタ、通信モジュール、および通信装置 Download PDF

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Description

本発明は、圧電薄膜共振器に関する。特に、圧電膜を挟み上部電極と下部電極とが対向する共振部下に空隙を有する圧電薄膜共振器、およびそれを備えたフィルタ、通信モジュール、通信装置に関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振器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、主として誘電体と表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波での特性が良好で、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器およびこれ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器の一つとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振器が知られている。ＦＢＡＲは、基板上に、上部電極と圧電膜と下部電極の積層構造体（複合膜）を有し、上部電極と下部電極が対向する部分の下部電極下には振動エネルギーの基板への散逸を防ぐため、バイアホールあるいはキャビティ（空隙）を有している。なお、下部電極下に誘電体膜を介し空隙が形成されることもある。バイアホールは、素子基板として用いられる例えばＳｉ基板を裏面からエッチングすることで形成することができる。また、キャビティは、基板表面の犠牲層パターン上に複合膜等の共振器を形成し、最後に犠牲層を除去することにより形成することができる。以下の説明では、空隙としてバイアホールを有する圧電薄膜共振器を「バイアホールタイプ」と呼び、キャビティを有する圧電薄膜共振器を「キャビティタイプ」と呼ぶ。
上記のように構成された圧電薄膜共振器において、上部電極と下部電極と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とに挟まれた圧電膜内部に、逆圧電効果によって励振される弾性波や圧電効果に起因する歪によって生じる弾性波が発生する。そして、これらの弾性波が電気信号に変換される。このような弾性波は、上部電極および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もつ厚み縦振動波となる。この素子構造では、空隙上に形成された上部電極、圧電膜および下部電極からなる積層構造体の合計膜厚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。弾性波の伝搬速度Ｖは材料によって決まり、共振周波数Ｆは、
Ｆ＝ｎＶ／２Ｈ
で与えられる。このような共振現象を利用すると、膜厚をパラメータとして共振周波数を制御することが可能であり、所望の周波数特性を有する共振器やフィルタを作製することができる。
上部電極および下部電極としては、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）などの金属材料、あるいはこれらの金属を組み合わせた積層材料を用いることができる。
また、圧電膜としては、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）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）などを用いることができる。特に、成膜時に（００２）方向に配向軸をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）は圧電膜に好ましい。
基板としては、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などを用いることができる。
図１７は、非特許文献１に開示されているバイアホールタイプの圧電薄膜共振器の断面図である。図１７に示すように、熱酸化膜（ＳｉＯ2）１０２を有する（１００）Ｓｉ基板１０１上に、下部電極１０３としてＡｕ−Ｃｒ膜、圧電膜１０４としてＺｎＯ膜および上部電極１０５としてＡｌ膜が積層構造体を形成している。そして、積層構造体の下方には、空隙（バイアホール）１０６が形成されている。空隙１０６は、（１００）Ｓｉ基板１０１の裏面側から、ＫＯＨ水溶液あるいはＥＤＰ水溶液（エチレンジアミンとピロカテコールと水の混合液）を用いた異方性エッチングを用いて形成されている。
図１８は、特許文献１に開示されているキャビティタイプの圧電薄膜共振器の断面図である。図１８に示すように、熱酸化膜（ＳｉＯ2）２０２を有する基板２０１上に、下部電極２０３、圧電膜２０４および上部電極２０５が形成される積層構造体が設けられている。積層構造体の下方には空隙（キャビティ）２０６が形成されている。空隙２０６は、基板２０１上に、予めアイランド状のＺｎＯの犠牲層パターンを形成しておき、犠牲層パターン上に積層構造体を形成し、積層構造体の下方にある犠牲層を例えば酸等のエッチング液で除去することにより形成することができる。
圧電薄膜共振器は、下部電極と上部電極とが対向する共振領域において高い結合係数を得るためには、圧電薄膜の配向性が揃っていることが望ましい。しかしながら、下部電極の端部では、段差もしくは傾斜が存在し、圧電薄膜の配向性に不連続が発生してしまう。
この圧電膜の不連続部は圧電薄膜共振器の特性を劣化させるだけではなく、信頼性にも深刻な影響を与える。
上記課題を解決するために、図１９及び図２０に示す構造が特許文献３に開示されている。図１９は、特許文献３に開示されている圧電薄膜共振器の平面図である。図２０は、図１９におけるＺ−Ｚ部の断面図である。図１９及び図２０に示すように、下部電極３０３と上部電極３０５とが対向する領域３０７の領域のうち、上記した下部電極端部での段差による圧電膜３０４の不連続部３０８は空隙３０６の領域外にあり、実質的に上記不連続部３０８は共振器として機能しないように工夫されている。
特開昭６０−１８９３０７号公報 特開２００６−１２８９９３号公報 特開２００２−１４００７５号公報 Electron. Lett.， １９８１年，１７巻，５０７−５０９頁
特許文献３に係る共振器は、図１９及び図２０に示すように上部電極３０５と下部電極３０３とが対向する共振領域３０７において、その一部３０９が基板に固定されている。このような構成の場合、共振領域３０７で発生した振動が、共振領域３０７の一部３０９を介して基板３０１側へ漏洩してしまい、共振器のクオリティファクタＱが急激に低下してしまう。
本発明の目的は、共振領域からの基板への振動エネルギーの散逸を抑制することが可能な圧電薄膜共振器、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、前記中間層上に配された下部電極と、前記下部電極上に配された圧電膜と、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記基板および前記中間層、もしくは、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、前記空隙の領域は、前記共振部の領域に包括されているものである。
本発明の第２の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、前記中間層上に配された下部電極と、前記下部電極上に配された圧電膜と、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記基板および前記中間層、もしくは、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、前記共振部の領域と前記空隙の領域とが交差し、前記上部電極の端部と前記下部電極の端部とによって囲まれて形成される前記共振部の領域において、前記共振部の領域から前記空隙の領域を除いた中間領域の一部もしくは全てが、前記中間層に固定されているものである。
本発明によれば、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制し、クオリティファクタＱの低下を防ぐことができる。
図１は、実施の形態における圧電薄膜共振器の平面図である。 図２は、図１におけるＺ−Ｚ部の断面図である。 図３は、実施の形態における圧電薄膜共振器の平面図である。 図４は、中間領域とクオリティファクタＱとの関係を示す特性図である。 図５Ａは、圧電薄膜共振器における中間領域の要部断面図である。 図５Ｂは、圧電薄膜共振器における中間領域の要部断面図である。 図５Ｃは、圧電薄膜共振器における中間領域の要部断面図である。 図６は、シリコン酸化膜の膜厚とクオリティファクタＱとの関係を示す特性図である。 図７は、アルミ酸化膜またはアルミ窒化膜の膜厚とクオリティファクタＱとの関係を示す特性図である。 図８は、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の構成を示す断面図である。 図９は、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の構成を示す断面図である。 図１０は、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の構成を示す断面図である。 図１１は、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の構成を示す断面図である。 図１２Ａは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１２Ｂは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１２Ｃは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１２Ｄは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１２Ｅは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１２Ｆは、キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ａは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ｂは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ｃは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ｄは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ｅは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１３Ｆは、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す断面図である。 図１４は、本実施の形態のフィルタを備えたデュープレクサの構成を示すブロック図である。 図１５は、本実施の形態の通信モジュールの構成を示すブロック図である。 図１６は、本実施の形態の通信装置の構成を示すブロック図である。 図１７は、非特許文献１に開示された共振器の構成を示す断面図である。 図１８は、特許文献１に開示された共振器の構成を示す断面図である。 図１９は、特許文献３に開示された共振器の構成を示す平面図である。 図２０は、特許文献３に開示された共振器の構成を示す断面図である。
本発明の第１の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、前記中間層上に配された下部電極と、前記下部電極上に配された圧電膜と、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記基板および前記中間層、もしくは、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、前記空隙の領域は、前記共振部の領域に包括されていることを特徴とする。本発明によれば、簡単な製造工程を用い、共振部から基板への振動エネルギーの散逸を効率よく防ぐことができる。
第２の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、前記中間層上に配された下部電極と、前記下部電極上に配された圧電膜と、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記基板および前記中間層、もしくは、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、前記共振部の領域と前記空隙の領域とが交差し、前記上部電極の端部と前記下部電極の端部とによって囲まれて形成される前記共振部の領域において、前記共振部の領域から前記空隙の領域を除いた中間領域の一部もしくは全てが、前記中間層に固定されているものである。
本発明の圧電薄膜共振器は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。
すなわち、本発明の圧電薄膜共振器において、前記中間層の膜厚は、当該圧電薄膜共振器の反共振周波数において、当該中間層内を厚み方向に伝播する弾性波の波長の０．１０倍から０．３０倍である構成とすることができる。
本発明の圧電薄膜共振器において、前記中間層は、シリコン酸化物で形成されている構成とすることができる。このような構成とすることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。特に、シリコン酸化膜の厚みを圧電膜の０．４０倍から０．７０倍にすることによって良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。
本発明の圧電薄膜共振器において、前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成されている構成とすることができる。この構成によれば、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。
本発明のフィルタは、上記構成の圧電薄膜共振器を備えたものである。また、本発明の通信モジュールは、上記構成はフィルタを備えたものである。また、本発明の通信装置は、上記構成の通信モジュールを備えたものである。これらのような構成により、簡単な製造工程を用い、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制することができる。よって、高性能なフィルタ、通信モジュール、通信装置を提供することができる。
（実施の形態）
〔１．圧電薄膜共振器の構成〕
図１は、本実施の形態に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図２は、図１におけるＺ−Ｚ部の断面図である。図１及び図２に示すように、圧電薄膜共振器は、例えばシリコンで形成された基板１、下部電極３、圧電膜４、および上部電極５を積層して形成されている。基板１は、空隙６を有する。下部電極３は、ルテニウム（Ｒｕ）で形成されている。圧電膜４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている。上部電極５は、Ｒｕで形成されている。共振部８（共振領域）は、圧電膜４を挟み下部電極３と上部電極５とが対向する領域である。なお、図１における共振部８は、ドットハッチングを付している領域である。また、図３に示すように、中間領域９は、共振部８の領域から空隙６の領域を差し引いた領域である。また、中間領域９において、下部電極３は中間層７に固定されている。なお、図３は、中間領域９の位置を特定するために、図１に示す平面図において中間領域９のみにハッチングを付した図である。また、下部電極３の厚さは約２５０ｎｍ、圧電膜４の厚さは約１．２μｍ、上部電極５の厚さは約２５０ｎｍである。また、下部電極３の端部３ａは、３０°の傾きを有している。
図４は、中間層７が形成されていない圧電薄膜共振器における、下部電極３の端部３ａと基板１との距離ｄと反共振点でのクオリティファクタＱとの関係を示す。具体的には、図４は、中間層７が形成されていない圧電薄膜共振器において、距離ｄが反共振点でのクオリティファクタＱａに及ぼす影響を、有限要素法を用いて計算した結果である。図５Ａは、端部３ａと基板１との距離ｄがｄ１の状態を示す断面図である。図５Ｂは、端部３ａと基板１との距離ｄがゼロの状態を示す断面図である。図５Ｃは、端部３ａと基板１との距離ｄがｄ２の状態を示す断面図である。図４において、下部電極３の端部３ａと基板１の端部とが重なる時（図５Ｂ参照）のクオリティファクタＱａをｄ＝０にプロットし、下部電極３と基板１とが重なる時（図５Ａ参照）のクオリティファクタＱａを範囲Ａにプロットし、下部電極３と基板１とが離れている時（図５Ｃ参照）のクオリティファクタＱａを範囲Ｂにプロットしている。
図４の範囲Ｂに示すように、下部電極３が基板１に接触しなければ、反共振点でのクオリティファクタＱａは、下部電極３の端部３ａから基板１までの距離にかかわらず、ほぼ一定の値で推移することが確認される。一方、図４の範囲Ａに示すように、下部電極３と基板１とが接触している場合、クオリティファクタＱａは急激に減少し、下部電極３の端部３ａから基板１までの距離、すなわち、中間領域９の幅が増加するに従い、クオリティファクタＱａの減少量は増加していくことが確認される。これは、特許文献３の構造では、基板と共振部の領域が接することで、基板へ散逸する弾性エネルギーを無視できないことを示している。
図６は、図１に示す圧電薄膜共振器において、中間層７としてシリコン酸化膜を用いたモデルを用いて、シリコン酸化膜の厚さが反共振点におけるクオリティファクタＱａに及ぼす影響を計算した結果である。このときの、中間領域９の幅ｄは３μｍである。図中、点線で示す値は、図４の範囲ＢにおけるクオリティファクタＱａの平均値である。図６に示すように、クオリティファクタＱａは、シリコン酸化膜（中間層７）の厚さを増加させることによって改善し、さらに、シリコン酸化膜（中間層７）を厚くするとクオリティファクタＱａは６００ｎｍ前後でピークをもち、さらに厚くするとクオリティファクタＱａは降下することがわかる。図６に示す結果によれば、中間領域９を設けない場合のクオリティファクタＱａよりも高いクオリティファクタＱａを実現するには、シリコン酸化膜（中間層７）の厚みを４５０ｎｍから８００ｎｍの範囲にすることが望ましい。
上記構成により、シリコン酸化膜（中間層７）の厚みを、シリコン酸化膜中を厚み方向に伝播する弾性波の反共振点における波長の１／４に近づけることで、基板１側へ漏洩しようとする弾性波が中間層７において反射し、弾性波を共振部８内に閉じ込めることができる。
ここで、中間層７の厚み方向のスティフネスをＣ、密度をρとすると、音速ｖは、
ｖ＝（Ｃ／ρ）1/2
の数式に基づいて算出することができる。また、上記数式によって算出された音速ｖと、周波数ｆとに基づき、波長の１／４に相当する中間層７の厚さＴ１を、
Ｔ１＝（１／４）×（ｖ／ｆ）
の数式に基づいて算出することができる。また、固定される下部電極３の端部３ａが基板１の表面に対してαの角度を有する場合は、波長の１／４に相当する中間層７の厚さＴ２は、
Ｔ２＝（１／４）×（ｖ／ｆ）ｃｏｓα
の数式に基づいて算出することができる。
（表１）は、シリコン酸化膜、アルミ窒化膜、およびアルミ酸化膜の計算に使用した物理定数（スティフネスＣ、密度ρ）と、その物理定数から算出される音速ｖと、前記物理定数から算出される最適な中間層７の厚さＴ１及びＴ２とを示す。なお、音速ｖ、中間層７の厚さＴ１及びＴ２の算出に用いた周波数ｆは、１．９１ＧＨｚとした。
Figure 0005147932
シリコン酸化膜の厚さ４００ｎｍ〜８００ｎｍは、反共振点においてシリコン酸化膜中を厚さ方向へ伝播する弾性波の波長の約０．１０〜０．３０倍に相当する。
図７は、中間層７の材料としてアルミ酸化膜またはアルミ窒化膜を用いたときの、中間層７の膜厚に対するクオリティファクタＱａの変化を計算した結果である。図７に示す結果によれば、クオリティファクタＱａは、中間層７をシリコン酸化膜で形成した時（図６参照）と同様の変化をすることがわかる。また、図７に示す結果によれば、中間領域９を設けない場合のクオリティファクタＱａよりも高いクオリティファクタＱａを実現するには、アルミ酸化膜で形成した中間層７の厚さを５７０〜１５００ｎｍの範囲にすることが望ましい。また、中間層７をアルミ窒化膜で形成する場合は、中間層７の厚さを６００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲にすることが望ましい。
中間層７となる絶縁体は、その厚さが反共振点における波長の０．１０〜０．３０倍に相当であることが重要であり、この条件を満たせば上記の実施形態以外の構成であっても同様の効果を得ることができる。例えば、中間層７は、亜鉛酸化物、タンタル酸化物、シリコン窒化物等、如何なる絶縁体で形成することができる。
なお、上記実施形態では、中間層７を単層としているが、厚さが反共振点における波長の０．１０〜０．３０倍に相当する複数の絶縁膜を積層することによって、より一層の効果を得ることができる。また、複数の絶縁膜を積層して中間層７を形成する構成において、中間層７を構成する膜は全てが絶縁体である必要はなく、下部電極３と接する最上層以外の層を金属膜で形成してもよい。
以上、実施形態としてバイアホールタイプの圧電薄膜共振器について説明したが、キャビティタイプの圧電薄膜共振器においても、中間層７を備えることで、同様の効果を得ることができる。
図８〜図１０は、キャビティタイプの圧電薄膜共振器に、本発明の構成を適用した場合の断面図である。図示のキャビティタイプの圧電薄膜共振器は、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器と同様、基板１１、下部電極１３、圧電膜１４、上部電極１５、および中間層１７を備えている。また、上部電極１５、下部電極１３、および圧電膜１４が重なった領域が共振部１８であり、共振部１８において下部電極１３と中間層１７とが接している領域が中間領域１９である。また、下部電極１３の下方には空隙が形成されているが、図８に示す空隙１６ａは、中間層１７と下部電極１３との間に形成されている。また、図９に示す空隙１６ｂは、中間層１７の一部が除去され、基板１１と下部電極１３との間に形成されている。図８及び図９に示す空隙１６ａ及び１６ｂは、圧電薄膜共振器の製造時、中間層１７上に犠牲層を形成し、犠牲層の上に下部電極１３を形成後、犠牲層を除去して形成されるため、空隙１６ａ及び１６ｂの縁部における下部電極１３は段差が生じている。また、図１０に示す空隙１６ｃは、基板１１及び中間層１７に形成され、下部電極１３は平坦に形成されている。
図１１に示す圧電薄膜共振器は、共振部８の前面を絶縁膜で形成された中間層２７が被覆している構造である。また、図１１に示す圧電薄膜共振器は、図１に示す圧電薄膜共振器とほぼ同等の構成を有しており、同一構成には同一符号を付与している。中間層２７がシリコン酸化膜で形成されている場合、シリコン酸化膜は圧電膜４として用いられるＡｌＮやＺｎＯとは逆の温度係数を持つため、共振特性の温度補償効果を得ることができる。
なお、特開２００５−２３６３３８号公報に開示された構成では、圧電膜であるＡｌＮと温度補償膜であるＳｉＯ２の膜厚比を０．１〜０．５にすることで、良好な温度特性が得られることを示している。図１１に示す構造においても、図１、図８、図９、および図１０に示す構造と同様に、下部電極３の端部３ａは、中間層２７を介して基板１に固定されるため、前述のＱ値改善の効果を得ることが可能である。
しかしながら、共振部８の前面が中間層２７によって被覆された場合、電気機械結合係数の大幅な劣化を招く。また、中間層２７がＳｉＯ２で形成されている場合、一般にシリコン酸化膜の機械的Ｑ値は低いため、損失の増大も招いてしまう。
〔２．圧電薄膜共振器の製造方法〕
〔２−１．キャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造方法〕
図１２Ａ〜図１２Ｆは、図８に示すキャビティタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す。図８に示す圧電薄膜共振器において、基板１１は、（１００）面でカットしたＳｉ基板とした。下部電極１０３はＲｕ膜で形成した。なお、基板１１は、Ｓｉ基板に代えて石英基板等を用いてもよい。また、圧電膜１４はＡｌＮで形成した。また、上部電極１５はＲｕ膜で形成した。
先ず、図１２Ａに示すように、基板１１上にシリコン酸化膜で構成された中間層１７を成膜する。中間層１７は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法もしくは熱酸化処理法によって成膜することができる。
次に、図１２Ｂに示すように、中間層１７上に犠牲層３１となる材料を成膜し、フォトリソグラフィ処理とエッチング処理によりパターニングを行う。このとき、犠牲層３１のパターンは、上部電極１５と下部電極１３とが重なる領域より小さい。犠牲層３１は、最終的に除去されるので、化学的に除去が容易であれば材料の選択は任意である。例えば、犠牲層３１は、レジスト、ポリイミド、ポリシリコン、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）、金属膜などで形成することができる。
次に、図１２Ｃに示すように、中間層１７及び犠牲層３１上に下部電極１３を形成する。下部電極１３は、積層膜とし、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中でスパッタリング成膜されて形成される。さらに、下部電極１３を、フォトリソグラフィ処理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１２Ｄに示すように、下部電極１３及び基板１１上に圧電膜１４を形成する。圧電膜１４は、ＡｌＮで形成することができる。本実施の形態では、約０．３Ｐａの圧力のＡｒ／Ｎ2混合ガス雰囲気中で、Ａｌターゲットを用いてスパッタリング成膜する。
次に、図１２Ｅに示すように、圧電膜１４上に上部電極１５を形成する。上部電極１５はＲｕ膜で形成され、０．６〜１．２Ｐａの圧力のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜する。圧電膜１４および上部電極１５は、それぞれウェットエッチング処理およびドライエッチング処理を用いて加工される。
最後に、図１２Ｆに示すように、犠牲層３１を除去することで、空隙１６ａを形成することができる。これにより、キャビティタイプの圧電薄膜共振器が完成する。
本実施の形態では、中間層１７への加工は施していないが、上部電極１５と下部電極１３とが重なる領域以外の中間層１７は、電気特性および機械的特性に影響を及ぼさないので、除去しても差し支えない。
〔２−２．バイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造方法〕
図１３Ａ〜図１３Ｆは、図１及び図２に示すバイアホールタイプの圧電薄膜共振器の製造工程を示す。図１及び図２に示す圧電薄膜共振器において、基板１は、（１１１）面でカットしたＳｉ基板を使用した。なお、基板１は、Ｓｉ基板に代えて石英基板等を用いてもよい。また、下部電極３はＲｕ層で形成した。また、圧電膜４はＡｌＮで形成した。また、上部電極５はＲｕ膜で形成した。
先ず、図１３Ａに示すように、基板１上に、シリコン酸化膜で構成された中間層７を成膜する。中間層７は、ＰＥＣＶＤ法もしくは熱酸化処理法によって成膜することができる。
次に、図１３Ｂに示すように、中間層７上に下部電極３を形成する。下部電極３は、積層膜とし、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜して形成する。さらに、下部電極３を、フォトリソグラフィ処理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１３Ｃに示すように、下部電極３及び中間層７上に圧電膜４を形成する。圧電膜４は、ＡｌＮを、約０．３Ｐａの圧力のＡｒ／Ｎ2混合ガス雰囲気中で、Ａｌターゲットを用いてスパッタリング成膜することで形成することができる。
次に、図１３Ｄに示すように、圧電膜４上に上部電極５を形成する。上部電極５は、Ｒｕ膜を、０．６〜１．２Ｐａの圧力のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜することで形成することができる。次に、圧電膜４および上部電極５を、それぞれウェットエッチング処理およびドライエッチング処理を用いて加工する。
次に、図１３Ｅに示すように、基板１の背面側からドライエッチング処理を施し、空隙６（バイアホール）を形成する。
最後に、図１３Ｆに示すように、共振領域の中間層７（シリコン酸化膜）をウェットエッチング処理によって除去する。これにより、バイアホールタイプの圧電薄膜共振器が完成する。
なお、上部電極５と下部電極３とが重なる領域以外の中間層７は、電気特性および機械的特性に影響を及ぼさないので、除去しても差し支えない。
以上、本発明の圧電薄膜共振器の実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
〔３．フィルタを備えたデュープレクサの構成〕
携帯電話端末、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）端末、無線ＬＡＮシステムなどの移動体通信（高周波無線通信）には、デュープレクサが搭載されている。デュープレクサは、通信電波などの送信機能及び受信機能を持ち、送信信号と受信信号の周波数が異なる無線装置において用いられる。
図１４は、本実施の形態のフィルタを備えたデュープレクサの構成を示す。デュープレクサ５２は、位相整合回路５３、受信フィルタ５４、および送信フィルタ５５を備えている。位相整合回路５３は、送信フィルタ５５から出力される送信信号が受信フィルタ５４側に流れ込むのを防ぐために、受信フィルタ５４のインピーダンスの位相を調整するための素子である。また、位相整合回路５３には、アンテナ５１が接続されている。受信フィルタ５４は、アンテナ５１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みを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、受信フィルタ５４には、出力端子５６が接続されている。送信フィルタ５５は、入力端子５７を介して入力される送信信号のうち、所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、送信フィルタ５５には、入力端子５７が接続されている。ここで、受信フィルタ５４及び送信フィルタ５５には、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。また、受信フィルタ５４及び送信フィルタ５５は、本発明のフィルタの一例である。
以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振器を受信フィルタ５４及び送信フィルタ５５に備えることで、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制し、共振器のクオリティファクタの低下を防ぐことができる。
〔４．通信モジュールの構成〕
図１５は、本実施の形態の圧電薄膜共振器または上記デュープレクサを備えた通信モジュールの一例を示す。図１５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及び送信フィルタ６２ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。
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。
以上のように本実施の形態の圧電薄膜共振器またはデュープレクサを、通信モジュールの受信フィルタ６２ａ及び送信フィルタ６２ｂに備えることで、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制し、共振器のクオリティファクタの低下を防ぐことができる。
なお、図１５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発明の圧電薄膜共振器を搭載しても、同様の効果が得られる。
〔５．通信装置の構成〕
図１６は、本実施の形態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１６に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Divition 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１６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，７７，７８，７９，８０、および送信フィルタ７３ｂには、本実施の形態におけるフィルタが含まれている。
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。
以上のように本実施の形態の通信モジュールを通信装置に備えることで、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制し、共振器のクオリティファクタの低下を防ぐことができる。
〔６．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態によれば、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制し、共振器のクオリティファクタの低下を防ぐことができる。また、本実施の形態によれば、簡単な製造方法により、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制できる圧電薄膜共振器を製造することができる。
また、中間層７は、シリコン酸化物で形成されている構成とすることができる。このような構成とすることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。特に、シリコン酸化膜の厚さを圧電膜４の厚さの０．４０倍から０．７０倍にすることによって、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。
また、中間層７である絶縁体にアルミ酸化膜を用いることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振子を提供することができる。特に、アルミ酸化膜の厚さを圧電膜４の厚さの０．５０倍から１．３０倍にすることによって良好な共振特性を有する圧電薄膜共振子を提供することができる。
また、中間層７である絶縁体にアルミ窒化膜をもちいることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振子を提供することができる。特に、アルミ窒化膜の厚さを圧電膜４の厚さの０．５０倍から１．４０倍にすることによって良好な共振特性を有する圧電薄膜共振子を提供することができる。
また、圧電膜４は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成されている構成とすることができる。この構成によれば、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を提供することができる。
また、本実施の形態の圧電薄膜共振器をフィルタ、通信モジュール、通信装置に備えることにより、簡単な製造工程を用い、共振部からの振動エネルギーの散逸を抑制することができる。よって、高性能なフィルタ、通信モジュール、通信装置を提供することができる。
本発明の圧電薄膜共振器、フィルタ、通信モジュール、および通信装置は、所定周波数の信号を受信または送信することができる機器に有用である。

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、
    前記中間層上に配された下部電極と、
    前記下部電極上に配された圧電膜と、
    前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、
    前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記下部電極または前記中間層の前記基板側に、または、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、
    前記中間層は、アルミ窒化膜で形成され、かつ、
    前記中間層の厚さは、前記圧電膜の厚さの０．５０倍から１．４０倍である、圧電薄膜共振器。
  2. 基板と、
    前記基板上に配され、絶縁体で形成された中間層と、
    前記中間層上に配された下部電極と、
    前記下部電極上に配された圧電膜と、
    前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する位置に配された上部電極とを備え、
    前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振部の領域内において、前記下部電極または前記中間層の前記基板側に、または、前記下部電極と前記中間層との間に、空隙が形成され、
    前記共振部の領域から前記空隙の領域を除いた中間領域において、前記下部電極は前記中間層に固定され、
    前記中間層は、アルミ窒化膜で形成され、かつ、
    前記中間層の厚さは、前記圧電膜の厚さの０．５０倍から１．４０倍である、圧電薄膜共振器。
  3. 前記圧電膜は、
    （００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成されている、請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。
  5. 請求項４に記載のフィルタを備えた、通信モジュール。
  6. 請求項５に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。
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