圧電薄膜共振器およびフィルタ
【課題】共振特性を改善することが可能な圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタを提供すること。
【手段】本発明は、基板１０上に設けられた下部電極１２と、基板１０上および下部電極１２上に設けられた圧電膜１４と、圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する部分を有するように圧電膜１４上に設けられた上部電極１６と、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２の少なくとも一部の外周の基板１０上に、下部電極１２に沿って設けられた付加膜２２と、を具備する圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタである。
【手段】本発明は、基板１０上に設けられた下部電極１２と、基板１０上および下部電極１２上に設けられた圧電膜１４と、圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する部分を有するように圧電膜１４上に設けられた上部電極１６と、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２の少なくとも一部の外周の基板１０上に、下部電極１２に沿って設けられた付加膜２２と、を具備する圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振器およびフィルタに関し、より詳細には、圧電薄膜による電気信号とバルク弾性波の変換作用を利用した圧電薄膜共振器および複数の圧電薄膜共振器を用いたフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
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フィルタと表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタと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。
【０００３】
圧電薄膜共振器の中には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器は、基板上に下部電極、圧電膜、および上部電極からなる積層膜構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する部分（共振部）の下部電極の下に空隙が形成されている。ここで、ＦＢＡＲにおける空隙には、基板表面に設けた犠牲層のウエットエッチングにより、下部電極と基板との間に形成される空隙（キャビティ）と、ウエットエッチングまたはドライエッチング等により基板に形成される空隙（バイアホール）とがある。ＳＭＲは空隙の代わりに音響多層膜を有している。音響多層膜は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層されている。
【０００４】
非特許文献１にバイアホールを有するＦＢＡＲが開示されている。また、特許文献１にキャビティを有するＦＢＡＲが開示されている。図１はバイアホールを有するＦＢＡＲの断面図であり、図２はキャビティを有するＦＢＡＲの断面図である。図１を参照に、表面にＳｉＯ２膜１１を有するシリコンからなる基板１０上に下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６が順次設けられている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下の基板１０に空隙１８（バイアホール）が設けられている。図２を参照に、シリコンからなる基板１０上に空隙１８（キャビティ）が形成されるように支持膜として機能するＳｉＯ２膜１１が設けられている。ＳｉＯ２膜１１上に下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６が順次設けられている。下部電極１２と上部電極１６とは圧電膜１４を挟んで対向する部分を有している。
【０００５】
ここで、下部電極１２および上部電極１６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）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１４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）等を用いることができる。また、基板１０としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓ等を用いることができる。
【０００６】
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み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、上部電極と下部電極と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縦振動波となる。下部電極、圧電膜および上部電極（上部電極上に付加される膜を含む）からなる積層膜の総膜厚Ｈが、弾性波の波長λの１／２（１／２波長）の整数倍（ｎ倍）となる周波数（つまりＨ＝ｎλ／２となる周波数）において共振現象が生じる。ここで、圧電膜の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。このことから、積層膜の総膜厚Ｈにより共振周波数Ｆを制御することができ、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振器を得ることができる。
【０００７】
特許文献２には、下部電極の段差部に起因した圧電膜の結晶性の低下を抑制する目的で、下部電極と同じ高さの絶縁膜を基板上に設けて、下部電極の段差を取り除く技術が開示されている。特許文献３には、下部電極の段差部に起因した圧電膜の結晶性の低下を抑制する目的で、下部電極の段差部を基板上に直接配置する技術が開示されている。特許文献４には、下部電極の段差部に起因した圧電膜に発生するクラックを抑制する目的で、下部電極の形成に用いるレジストパターンの角部を丸める技術が開示されている。
【非特許文献１】ナカムラ（K.NAKAMURA）、ササキ（H.SASAKI）、シミズ（H.SHIMIZU）、「ＺｎＯとＳｉＯ２からなる複合ダイヤグラム構造の共振子(ZnO/SiO2-DAIAPHRAGM COMPOSITE RESONATOR ON A SILICON WAFER)」、エレクトロニクス・レター(ELECTRONICS LETTERS)、１９８１年７月、１７巻、１４号、ｐ．５０７−５０９
【特許文献１】特開昭６０−１８９３０７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３６９０８号公報
【特許文献３】特開２００２−１４００７５号公報
【特許文献４】特開２００６−２５４２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電膜は、音速、温度特性および共振尖鋭度（Ｑ値）の観点からＡｌＮが用いられることが多い。特に、ｃ軸（下部電極表面に対して垂直方向（（００２）方向））配向した結晶性の高いＡｌＮ膜を形成することが共振特性を決める重要な要因の１つである。一方で、ｃ軸配向した結晶性の高いＡｌＮ膜を成膜するには高いエネルギーを必要とする。例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜では、基板を１０００℃以上に加熱する必要があり、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜では、プラズマの電力に加え４００℃以上の基板加熱が必要である。また、スパッタ技術を用いた成膜でも、絶縁膜のスパッタによる基板温度上昇がある。このため、ＡｌＮ膜は強い膜応力を有する。
【０００９】
また、下部電極は段差部を有しており、且つ、段差部の側壁はテーパー形状をしている。そして、圧電膜は下部電極の段差部を覆うように形成される。これらのため、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性が低下し、圧電薄膜共振器の共振特性が劣化するという課題が生じる。
【００１０】
特許文献２によれば、下部電極の段差部を覆うように絶縁膜を形成した後、表面研磨等により下部電極と絶縁膜との表面を平坦化させることで、下部電極の段差部を取り除いている。下部電極の膜厚は共振周波数に影響を与える。このため、表面研磨による下部電極の膜厚制御は非常に重要となるが、ウエハ面内およびウエハ間で膜厚バラツキなく表面研磨をすることは難しい。また、絶縁膜の堆積や表面研磨等、製造工程も増加する。このため、生産性の低下や生産コストの増加等の課題が生じる。
【００１１】
また、特許文献３によれば、膜応力が大きい圧電膜にも対応することができ、機械的強度やＱ値を向上させることができる。しかしながら、電気機械結合係数（ｋ２）が低下するという課題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振特性を改善することが可能な圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、基板上に設けられた下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の前記下部電極の少なくとも一部の外周の前記基板上に、前記下部電極に沿って設けられた付加膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性の低下により発生するクラックを抑制でき、共振特性を改善することが可能となる。
【００１４】
上記構成において、前記圧電膜は前記付加膜を覆うように設けられている構成とすることができる。この構成によれば、共振特性を改善することができる。
【００１５】
上記構成において、前記付加膜は前記下部電極と同じ材料の膜である構成とすることができる。この構成によれば、付加膜と下部電極とは同時に形成することができるため、生産性を向上させることができる。
【００１６】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板と前記下部電極との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙が設けられている構成とすることができる。この構成によれば、生産性の向上、基板の機械的強度の劣化防止および集積化を図ることができる。また、圧電膜の良好な配向性を得ることもできる。
【００１７】
上記構成において、前記下部電極には前記空隙に通じる孔部が設けられている構成とすることができる。この構成によれば、ドーム形状の膨らみを有する空隙を形成することができる。
【００１８】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板に、空隙が設けられている構成とすることができる。
【００１９】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は前記空隙を前記基板に投影した領域に含まれる構成とすることができる。この構成によれば、共振特性を向上させることができる。
【００２０】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の応力は圧縮応力である構成とすることができる。この構成によれば、ドーム形状の膨らみを有する空隙が潰れることを抑制することができる。
【００２１】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は楕円形である構成とすることができる。また、上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は非平行からなる多角形である構成とすることができる。これらの構成によれば、圧電膜の外周で反射された弾性波が共振部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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【００２２】
上記構成において、前記圧電膜は（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛である構成とすることができる。
【００２３】
本発明は、上記圧電薄膜共振器を具備するフィルタである構成とすることができる。この構成によれば、通過帯域でのリップルの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性の低下により発生するクラックを抑制でき、共振特性が改善した圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図３（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。図４（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【００２７】
図３（ａ）から図３（ｃ）を参照に、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、（１００）カットのシリコン基板からなる基板１０上にＲｕからなる厚さ２６０ｎｍの下部電極１２が設けられている。基板１０上および下部電極１２上に（００２）方向を主軸とするＡｌＮ膜からなる厚さ１２２０ｎｍの圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する部分を有するように圧電膜１４上にＲｕからなる厚さ２６０ｎｍの上部電極１６が設けられている。これにより、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６からなる積層膜が形成されている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）の下部電極１２の少なくとも一部の外周に沿って、下部電極１２と同じ材料（Ｒｕ）からなる付加膜２２が基板１０上に設けられている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２と付加膜２２との距離ｄは２．０μｍであり、付加膜２２の厚さは２６０ｎｍであり、幅は４μｍである。また、共振部２１は楕円形であり、長軸の長さは２５０μｍ、短軸の長さは１８０μｍである。
【００２８】
共振部２１の下の基板１０と下部電極１２との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８が設けられている。ドーム形状の膨らみとは、空隙１８周辺の空隙１８の高さより空隙１８の内部ほど高さが高くなるような形状の膨らみである。共振部２１は空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれる。下部電極１２には、後述する犠牲層をエッチングするための導入路２４が設けられている。導入路２４の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路２４の先端に孔部２６を有している。圧電膜１４には下部電極１２に電気的に接続するための開口部２８が設けられている。
【００２９】
図４（ａ）から図４（ｃ）を参照に、比較例１に係る圧電薄膜共振器は、基板１０上に付加膜２２が設けられていない。その他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）から図３（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００３０】
次に、図５（ａ）から図５（ｈ）を用いて、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を説明する。図５（ａ）から図５（ｄ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する断面図であり、図５（ｅ）から図５（ｈ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する断面図である。図５（ａ）および図５（ｅ）を参照に、基板１０上に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなる厚さ約２０ｎｍの犠牲層３０を例えばスパッタリング法または蒸着法を用い形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、犠牲層３０を所定の形状にする。
【００３１】
図５（ｂ）および図５（ｆ）を参照に、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でＲｕをスパッタすることで下部電極１２を形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、下部電極１２を所定の形状とする。この時、付加膜２２を同時に形成する。
【００３２】
図５（ｃ）および図５（ｇ）を参照に、下部電極１２および基板１０上に、約０．３Ｐａの圧力下のＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌをスパッタすることで圧電膜１４を形成する。圧電膜１４上に、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でＲｕをスパッタすることで上部電極１６を形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、圧電膜１４および上部電極１６を所定の形状とする。さらに、露光技術とエッチング技術を用い、導入路２４の先端の孔部２６を形成する。なお、孔部２６は下部電極１２の形成と同時に行なうこともできる。
【００３３】
図５（ｄ）および図５（ｈ）を参照に、犠牲層３０をエッチングするためのエッチング液を孔部２６、導入路２４を経て導入し、犠牲層３０を除去する。ここで、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６からなる積層膜の応力は、スパッタリング条件の調整により圧縮応力となるように設定されている。このため、犠牲層３０のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、下部電極１２と基板１０との間にドーム形状の膨らみを有する空隙１８が形成される。なお、実施例１のスパッタ条件では複合膜の圧縮応力は−３００ＭＰａである。これにより、実施例１に係る圧電薄膜共振器が完成する。
【００３４】
図６（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示しており、図６（ｂ）は反射特性のスミスチャートである。図７（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示しており、図７（ｂ）は反射特性のスミスチャートである。図６（ａ）から図７（ｂ）において、ウエハ内の３箇所の圧電薄膜共振器についての共振特性および反射特性を示している。また、図６（ａ）および図７（ａ）において、横軸は周波数［ＭＨｚ］、縦軸は減衰量［ｄＢ］である。
【００３５】
図６（ａ）を参照に、比較例１に係る圧電薄膜共振器は、共振周波数より若干低い周波数（１８８０ＭＨｚ付近）でリップルが発生し、共振特性が劣化している。また、図６（ｂ）のスミスチャートからも反射特性が劣化（図６（ｂ）矢印参照）していることが分かる。一方、図７（ａ）より、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、共振周波数より若干低い周波数（１８８０ＭＨｚ付近）でのリップルが抑制され、共振特性が改善されている。また、図７（ｂ）からも反射特性が改善（図７（ｂ）矢印参照）されていることが分かる。
【００３６】
図８は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性が劣化する原因を説明するための断面図である。なお、図８は、犠牲層３０をエッチングする前（空隙１８が形成される前）の状態の断面図であり、下部電極１２の段差部分を拡大して図示している。また、圧電膜１４中の細線は圧電膜１４（ＡｌＮ膜）の柱状結晶構造を示している。図８を参照に、下部電極１２の段差部はテーパー形状をしている。圧電膜１４の柱状結晶構造は基板１０上および下部電極１２上面上では垂直であり、下部電極１２のテーパー形状の段差部ではテーパーに対して垂直である。このため、領域Ｙでの圧電膜１４の結晶性が低下する。よって、図５（ｄ）および図５（ｈ）に示すような、ドーム形状の空隙１８を形成する際に加わる応力により、領域Ｙにクラックが発生する。これにより、共振特性が劣化する。
【００３７】
図９は実施例１に係る圧電薄膜共振器の下部電極１２の段差部分を拡大した断面図（犠牲層３０をエッチングする前）である。図９を参照に、下部電極１２から２．０μｍの距離ｄを離して付加膜２２を設けることで、領域Ｙでのクラックの発生を抑制することができる。このため、共振特性を改善することが可能となる。なお、距離ｄは２．０μｍに限られるわけでないが、距離ｄが長くなりすぎると、下部電極１２の段差部における圧電膜１４の結晶性が比較例１の状態に近づくため好ましくない。このため、距離ｄは２．０μｍもしくはこれ以下である場合が好ましい。
【００３８】
実施例１によれば、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２の少なくとも一部の外周に、下部電極１２に沿って付加膜２２が基板１０上に設けられており、圧電膜１４は付加膜２２を覆うように基板１０上および下部電極１２上に設けられている。このため、図９を用い説明したように、下部電極１２の段差部での圧電膜１４の結晶性の低下から生じるクラックを抑制することができる。これにより、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、比較例１に比べてリップルの発生が抑制され、共振特性を改善することが可能となる。また、実施例１において、電気機械結合係数（ｋ２）や共振尖鋭度（Ｑ値）については、比較例１と同等な値が得られる。
【００３９】
また、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と付加膜２２とは同じ材料（Ｒｕ）の膜である場合が好ましい。この場合は、図５（ｂ）および図５（ｆ）に示すように、下部電極１２と付加膜２２とを同時に形成でき、生産性を向上させることができる。
【００４０】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下の基板１０と下部電極１２との間にドーム形状の膨らみを有する空隙１８が設けられている。よって、基板１０をエッチングする必要がなく、生産性の向上および基板１０の機械的強度の劣化防止を図ることができる。また、空隙１８を形成する領域が小さくて済むため集積化を図ることができる。さらに、空隙１８を形成するための犠牲層３０の厚さを薄くすることができるため、良好な圧電膜１４の配向性を確保することができる。
【００４１】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の積層膜の応力、つまり下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の応力を圧縮応力とすることにより、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８が潰れることなく形成することができる。また、下部電極１２に空隙１８に通じる孔部２６が設けられている。よって、図５（ｄ）および図５（ｈ）に示すように、孔部２６からエッチング液を導入して、犠牲層３０をエッチングすることにより、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８を形成することができる。
【００４２】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分は、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれる。これにより、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）を振動させることができる。また、空隙１８はドーム形状をしていない場合でもよく、少なくとも、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分が空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれていれば、共振部２１を振動させることができる。
【００４３】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分を楕円形とすることにより、平行な辺が存在しないため、圧電膜１４の外周で反射された弾性波が共振部２１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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【００４４】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、圧電膜１４として、（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウム用いることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を得ることができる。また、（００２）方向を主軸とする配向性を示す酸化亜鉛を用いても、良好な共振特性を得ることができる。
【００４５】
さらに、実施例１において、基板１０はシリコン基板である場合を示したが、石英基板、ガラス基板およびＧａＡｓ基板等を用いることもできる。下部電極１２および上部電極１６はＲｕである場合を示したが、背景技術で説明した材料を用いることもできる。犠牲層３０はＭｇＯである場合を示したが、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＴｉおよびＳｉＯ２等エッチング液により容易に溶解できる材料を用いることができる。
【実施例２】
【００４６】
図１０は実施例２に係る圧電薄膜共振器の上視図である。図１０を参照に、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）は非平行からなる多角形をしている。その他の構成は実施例１と同じであり、図３（ａ）から図３（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００４７】
実施例２によれば、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分は非平行からなる多角形をしている。よって、平行な辺が存在しないため、圧電膜１４の外周で反射された弾性波が共振部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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３は基板１０に空隙１８が設けられた場合の例である。図１１（ａ）は実施例３に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１２（ａ）は実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１１（ａ）から図１２（ｂ）を参照に、実施例１および実施例２のように、基板１０と下部電極１２との間に空隙１８が設けられていなくとも、実施例３のように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）の下の基板１０に空隙１８が設けられている場合でもよい。また、空隙１８はＤｅｅｐ−ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて基板１０をエッチングすることで、ほぼ垂直に形成することができる。
【実施例４】
【００４９】
実施例４は実施例１に係る圧電薄膜共振器を用いた４段構成のラダー型フィルタの例である。図１３は実施例４に係るラダー型フィルタの回路図である。なお、４段構成をしたラダー型フィルタは、本来、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間の直列共振器Ｓと並列共振器Ｐは、Ｓ−Ｐ−Ｐ−Ｓ−Ｓ−Ｐ−Ｐ−Ｓの構成をとるが、実施例４では、真ん中の２つの直列共振器Ｓを一まとめにしてＳ２とし、両端の２つの並列共振器Ｐをそれぞれ一まとめにしてＰ１およびＰ２とする。図１３を参照に、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列共振器Ｓ１、Ｓ２およびＳ３が直列に接続されている。直列共振器Ｓ１とＳ２との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ１が接続され、直列共振器Ｓ２とＳ３との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ２が接続されている。
【００５０】
ラダー型フィルタにおいては、バンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振器の共振周波数を直列共振器の共振周波数より小さくする必要がある。このため、直列共振器には、実施例１に係る圧電薄膜共振器をそのまま用い、並列共振器には、実施例１に係る圧電薄膜共振器の上部電極１６上にＴｉからなる厚さ１３０ｎｍの質量負荷膜を設けた圧電薄膜共振器を用いている。
【００５１】
図１４は実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性を示している。なお、比較のため、比較例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器（上部電極上に質量負荷膜を具備）に用いたラダー型フィルタ（比較例２）の通過特性も示している。また、比較例２に係るラダー型フィルタの回路図は実施例４と同じである。図１４を参照に、横軸は周波数［ＭＨｚ］であり、縦軸は減衰量［ｄＢ］である。図１４によれば、比較例２に係るラダー型フィルタの通過特性（破線）は、１９６０ＭＨｚ付近の通過帯域でリップルが発生している。一方、実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性（実線）では、リップルの発生は抑制されている。このように、実施例１に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いることで、通過特性を改善することができる。
【００５２】
実施例４においては、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器の両方に設けた場合を例に示したがこれに限られない。例えば、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器に用い、比較例１に係る圧電薄膜共振器を並列共振器に用いた場合でも通過帯域におけるリップルを抑制することができる。特に、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器の両方に用いた場合は、通過帯域におけるリップルの抑制だけでなく、通過帯域より低周波数側の減衰特性を改善することもできる。
【００５３】
また、実施例４においては、実施例１に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いた場合を示したが、実施例２および実施例３に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いた場合でもよい。さらに、実施例１から実施例３に係る圧電薄膜共振器を多重モード型フィルタやラティス型フィルタ等、ラダー型フィルタ以外のフィルタに用いた場合でもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１はバイアホールタイプの空隙を有する圧電薄膜共振器の断面図である。
【図２】図２はキャビティタイプの空隙を有する圧電薄膜共振器の断面図である。
【図３】図３（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【図４】図４（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）Ａ−Ａ間の断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｈ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示す図であり、図６（ｂ）は反射特性を示すスミスチャートである。
【図７】図７（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示す図であり、図７（ｂ）は反射特性を示すスミスチャートである。
【図８】図８は比較例１について共振特性が劣化する理由を説明するための断面図である。
【図９】図９は実施例１について共振特性が改善する理由を説明するための断面図である。
【図１０】図１０は実施例２に係る圧電薄膜共振器の上視図である。
【図１１】図１１（ａ）は実施例３に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１３】図１３は実施例４に係るラダー型フィルタの等価回路図である。
【図１４】図１４は実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 基板
１１ ＳｉＯ２膜
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 空隙
２１ 共振部
２２ 付加膜
２４ 導入路
２６ 孔部
２８ 開口部
３０ 犠牲層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振器およびフィルタに関し、より詳細には、圧電薄膜による電気信号とバルク弾性波の変換作用を利用した圧電薄膜共振器および複数の圧電薄膜共振器を用いたフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
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フィルタと表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタと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。
【０００３】
圧電薄膜共振器の中には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器は、基板上に下部電極、圧電膜、および上部電極からなる積層膜構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する部分（共振部）の下部電極の下に空隙が形成されている。ここで、ＦＢＡＲにおける空隙には、基板表面に設けた犠牲層のウエットエッチングにより、下部電極と基板との間に形成される空隙（キャビティ）と、ウエットエッチングまたはドライエッチング等により基板に形成される空隙（バイアホール）とがある。ＳＭＲは空隙の代わりに音響多層膜を有している。音響多層膜は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層されている。
【０００４】
非特許文献１にバイアホールを有するＦＢＡＲが開示されている。また、特許文献１にキャビティを有するＦＢＡＲが開示されている。図１はバイアホールを有するＦＢＡＲの断面図であり、図２はキャビティを有するＦＢＡＲの断面図である。図１を参照に、表面にＳｉＯ２膜１１を有するシリコンからなる基板１０上に下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６が順次設けられている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下の基板１０に空隙１８（バイアホール）が設けられている。図２を参照に、シリコンからなる基板１０上に空隙１８（キャビティ）が形成されるように支持膜として機能するＳｉＯ２膜１１が設けられている。ＳｉＯ２膜１１上に下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６が順次設けられている。下部電極１２と上部電極１６とは圧電膜１４を挟んで対向する部分を有している。
【０００５】
ここで、下部電極１２および上部電極１６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）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１４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）等を用いることができる。また、基板１０としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓ等を用いることができる。
【０００６】
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み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、上部電極と下部電極と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縦振動波となる。下部電極、圧電膜および上部電極（上部電極上に付加される膜を含む）からなる積層膜の総膜厚Ｈが、弾性波の波長λの１／２（１／２波長）の整数倍（ｎ倍）となる周波数（つまりＨ＝ｎλ／２となる周波数）において共振現象が生じる。ここで、圧電膜の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。このことから、積層膜の総膜厚Ｈにより共振周波数Ｆを制御することができ、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振器を得ることができる。
【０００７】
特許文献２には、下部電極の段差部に起因した圧電膜の結晶性の低下を抑制する目的で、下部電極と同じ高さの絶縁膜を基板上に設けて、下部電極の段差を取り除く技術が開示されている。特許文献３には、下部電極の段差部に起因した圧電膜の結晶性の低下を抑制する目的で、下部電極の段差部を基板上に直接配置する技術が開示されている。特許文献４には、下部電極の段差部に起因した圧電膜に発生するクラックを抑制する目的で、下部電極の形成に用いるレジストパターンの角部を丸める技術が開示されている。
【非特許文献１】ナカムラ（K.NAKAMURA）、ササキ（H.SASAKI）、シミズ（H.SHIMIZU）、「ＺｎＯとＳｉＯ２からなる複合ダイヤグラム構造の共振子(ZnO/SiO2-DAIAPHRAGM COMPOSITE RESONATOR ON A SILICON WAFER)」、エレクトロニクス・レター(ELECTRONICS LETTERS)、１９８１年７月、１７巻、１４号、ｐ．５０７−５０９
【特許文献１】特開昭６０−１８９３０７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３６９０８号公報
【特許文献３】特開２００２−１４００７５号公報
【特許文献４】特開２００６−２５４２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電膜は、音速、温度特性および共振尖鋭度（Ｑ値）の観点からＡｌＮが用いられることが多い。特に、ｃ軸（下部電極表面に対して垂直方向（（００２）方向））配向した結晶性の高いＡｌＮ膜を形成することが共振特性を決める重要な要因の１つである。一方で、ｃ軸配向した結晶性の高いＡｌＮ膜を成膜するには高いエネルギーを必要とする。例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜では、基板を１０００℃以上に加熱する必要があり、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜では、プラズマの電力に加え４００℃以上の基板加熱が必要である。また、スパッタ技術を用いた成膜でも、絶縁膜のスパッタによる基板温度上昇がある。このため、ＡｌＮ膜は強い膜応力を有する。
【０００９】
また、下部電極は段差部を有しており、且つ、段差部の側壁はテーパー形状をしている。そして、圧電膜は下部電極の段差部を覆うように形成される。これらのため、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性が低下し、圧電薄膜共振器の共振特性が劣化するという課題が生じる。
【００１０】
特許文献２によれば、下部電極の段差部を覆うように絶縁膜を形成した後、表面研磨等により下部電極と絶縁膜との表面を平坦化させることで、下部電極の段差部を取り除いている。下部電極の膜厚は共振周波数に影響を与える。このため、表面研磨による下部電極の膜厚制御は非常に重要となるが、ウエハ面内およびウエハ間で膜厚バラツキなく表面研磨をすることは難しい。また、絶縁膜の堆積や表面研磨等、製造工程も増加する。このため、生産性の低下や生産コストの増加等の課題が生じる。
【００１１】
また、特許文献３によれば、膜応力が大きい圧電膜にも対応することができ、機械的強度やＱ値を向上させることができる。しかしながら、電気機械結合係数（ｋ２）が低下するという課題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振特性を改善することが可能な圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、基板上に設けられた下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の前記下部電極の少なくとも一部の外周の前記基板上に、前記下部電極に沿って設けられた付加膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性の低下により発生するクラックを抑制でき、共振特性を改善することが可能となる。
【００１４】
上記構成において、前記圧電膜は前記付加膜を覆うように設けられている構成とすることができる。この構成によれば、共振特性を改善することができる。
【００１５】
上記構成において、前記付加膜は前記下部電極と同じ材料の膜である構成とすることができる。この構成によれば、付加膜と下部電極とは同時に形成することができるため、生産性を向上させることができる。
【００１６】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板と前記下部電極との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙が設けられている構成とすることができる。この構成によれば、生産性の向上、基板の機械的強度の劣化防止および集積化を図ることができる。また、圧電膜の良好な配向性を得ることもできる。
【００１７】
上記構成において、前記下部電極には前記空隙に通じる孔部が設けられている構成とすることができる。この構成によれば、ドーム形状の膨らみを有する空隙を形成することができる。
【００１８】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板に、空隙が設けられている構成とすることができる。
【００１９】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は前記空隙を前記基板に投影した領域に含まれる構成とすることができる。この構成によれば、共振特性を向上させることができる。
【００２０】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の応力は圧縮応力である構成とすることができる。この構成によれば、ドーム形状の膨らみを有する空隙が潰れることを抑制することができる。
【００２１】
上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は楕円形である構成とすることができる。また、上記構成において、前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は非平行からなる多角形である構成とすることができる。これらの構成によれば、圧電膜の外周で反射された弾性波が共振部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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【００２２】
上記構成において、前記圧電膜は（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛である構成とすることができる。
【００２３】
本発明は、上記圧電薄膜共振器を具備するフィルタである構成とすることができる。この構成によれば、通過帯域でのリップルの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、下部電極の段差部における圧電膜の結晶性の低下により発生するクラックを抑制でき、共振特性が改善した圧電薄膜共振器およびそれを用いたフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図３（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。図４（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【００２７】
図３（ａ）から図３（ｃ）を参照に、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、（１００）カットのシリコン基板からなる基板１０上にＲｕからなる厚さ２６０ｎｍの下部電極１２が設けられている。基板１０上および下部電極１２上に（００２）方向を主軸とするＡｌＮ膜からなる厚さ１２２０ｎｍの圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する部分を有するように圧電膜１４上にＲｕからなる厚さ２６０ｎｍの上部電極１６が設けられている。これにより、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６からなる積層膜が形成されている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）の下部電極１２の少なくとも一部の外周に沿って、下部電極１２と同じ材料（Ｒｕ）からなる付加膜２２が基板１０上に設けられている。下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２と付加膜２２との距離ｄは２．０μｍであり、付加膜２２の厚さは２６０ｎｍであり、幅は４μｍである。また、共振部２１は楕円形であり、長軸の長さは２５０μｍ、短軸の長さは１８０μｍである。
【００２８】
共振部２１の下の基板１０と下部電極１２との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８が設けられている。ドーム形状の膨らみとは、空隙１８周辺の空隙１８の高さより空隙１８の内部ほど高さが高くなるような形状の膨らみである。共振部２１は空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれる。下部電極１２には、後述する犠牲層をエッチングするための導入路２４が設けられている。導入路２４の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路２４の先端に孔部２６を有している。圧電膜１４には下部電極１２に電気的に接続するための開口部２８が設けられている。
【００２９】
図４（ａ）から図４（ｃ）を参照に、比較例１に係る圧電薄膜共振器は、基板１０上に付加膜２２が設けられていない。その他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）から図３（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００３０】
次に、図５（ａ）から図５（ｈ）を用いて、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を説明する。図５（ａ）から図５（ｄ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する断面図であり、図５（ｅ）から図５（ｈ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する断面図である。図５（ａ）および図５（ｅ）を参照に、基板１０上に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなる厚さ約２０ｎｍの犠牲層３０を例えばスパッタリング法または蒸着法を用い形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、犠牲層３０を所定の形状にする。
【００３１】
図５（ｂ）および図５（ｆ）を参照に、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でＲｕをスパッタすることで下部電極１２を形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、下部電極１２を所定の形状とする。この時、付加膜２２を同時に形成する。
【００３２】
図５（ｃ）および図５（ｇ）を参照に、下部電極１２および基板１０上に、約０．３Ｐａの圧力下のＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌをスパッタすることで圧電膜１４を形成する。圧電膜１４上に、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でＲｕをスパッタすることで上部電極１６を形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用い、圧電膜１４および上部電極１６を所定の形状とする。さらに、露光技術とエッチング技術を用い、導入路２４の先端の孔部２６を形成する。なお、孔部２６は下部電極１２の形成と同時に行なうこともできる。
【００３３】
図５（ｄ）および図５（ｈ）を参照に、犠牲層３０をエッチングするためのエッチング液を孔部２６、導入路２４を経て導入し、犠牲層３０を除去する。ここで、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６からなる積層膜の応力は、スパッタリング条件の調整により圧縮応力となるように設定されている。このため、犠牲層３０のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、下部電極１２と基板１０との間にドーム形状の膨らみを有する空隙１８が形成される。なお、実施例１のスパッタ条件では複合膜の圧縮応力は−３００ＭＰａである。これにより、実施例１に係る圧電薄膜共振器が完成する。
【００３４】
図６（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示しており、図６（ｂ）は反射特性のスミスチャートである。図７（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示しており、図７（ｂ）は反射特性のスミスチャートである。図６（ａ）から図７（ｂ）において、ウエハ内の３箇所の圧電薄膜共振器についての共振特性および反射特性を示している。また、図６（ａ）および図７（ａ）において、横軸は周波数［ＭＨｚ］、縦軸は減衰量［ｄＢ］である。
【００３５】
図６（ａ）を参照に、比較例１に係る圧電薄膜共振器は、共振周波数より若干低い周波数（１８８０ＭＨｚ付近）でリップルが発生し、共振特性が劣化している。また、図６（ｂ）のスミスチャートからも反射特性が劣化（図６（ｂ）矢印参照）していることが分かる。一方、図７（ａ）より、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、共振周波数より若干低い周波数（１８８０ＭＨｚ付近）でのリップルが抑制され、共振特性が改善されている。また、図７（ｂ）からも反射特性が改善（図７（ｂ）矢印参照）されていることが分かる。
【００３６】
図８は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性が劣化する原因を説明するための断面図である。なお、図８は、犠牲層３０をエッチングする前（空隙１８が形成される前）の状態の断面図であり、下部電極１２の段差部分を拡大して図示している。また、圧電膜１４中の細線は圧電膜１４（ＡｌＮ膜）の柱状結晶構造を示している。図８を参照に、下部電極１２の段差部はテーパー形状をしている。圧電膜１４の柱状結晶構造は基板１０上および下部電極１２上面上では垂直であり、下部電極１２のテーパー形状の段差部ではテーパーに対して垂直である。このため、領域Ｙでの圧電膜１４の結晶性が低下する。よって、図５（ｄ）および図５（ｈ）に示すような、ドーム形状の空隙１８を形成する際に加わる応力により、領域Ｙにクラックが発生する。これにより、共振特性が劣化する。
【００３７】
図９は実施例１に係る圧電薄膜共振器の下部電極１２の段差部分を拡大した断面図（犠牲層３０をエッチングする前）である。図９を参照に、下部電極１２から２．０μｍの距離ｄを離して付加膜２２を設けることで、領域Ｙでのクラックの発生を抑制することができる。このため、共振特性を改善することが可能となる。なお、距離ｄは２．０μｍに限られるわけでないが、距離ｄが長くなりすぎると、下部電極１２の段差部における圧電膜１４の結晶性が比較例１の状態に近づくため好ましくない。このため、距離ｄは２．０μｍもしくはこれ以下である場合が好ましい。
【００３８】
実施例１によれば、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下部電極１２の少なくとも一部の外周に、下部電極１２に沿って付加膜２２が基板１０上に設けられており、圧電膜１４は付加膜２２を覆うように基板１０上および下部電極１２上に設けられている。このため、図９を用い説明したように、下部電極１２の段差部での圧電膜１４の結晶性の低下から生じるクラックを抑制することができる。これにより、実施例１に係る圧電薄膜共振器は、比較例１に比べてリップルの発生が抑制され、共振特性を改善することが可能となる。また、実施例１において、電気機械結合係数（ｋ２）や共振尖鋭度（Ｑ値）については、比較例１と同等な値が得られる。
【００３９】
また、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と付加膜２２とは同じ材料（Ｒｕ）の膜である場合が好ましい。この場合は、図５（ｂ）および図５（ｆ）に示すように、下部電極１２と付加膜２２とを同時に形成でき、生産性を向上させることができる。
【００４０】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の下の基板１０と下部電極１２との間にドーム形状の膨らみを有する空隙１８が設けられている。よって、基板１０をエッチングする必要がなく、生産性の向上および基板１０の機械的強度の劣化防止を図ることができる。また、空隙１８を形成する領域が小さくて済むため集積化を図ることができる。さらに、空隙１８を形成するための犠牲層３０の厚さを薄くすることができるため、良好な圧電膜１４の配向性を確保することができる。
【００４１】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の積層膜の応力、つまり下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分の応力を圧縮応力とすることにより、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８が潰れることなく形成することができる。また、下部電極１２に空隙１８に通じる孔部２６が設けられている。よって、図５（ｄ）および図５（ｈ）に示すように、孔部２６からエッチング液を導入して、犠牲層３０をエッチングすることにより、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８を形成することができる。
【００４２】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分は、ドーム形状の膨らみを有する空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれる。これにより、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）を振動させることができる。また、空隙１８はドーム形状をしていない場合でもよく、少なくとも、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分が空隙１８を基板１０に投影した領域に含まれていれば、共振部２１を振動させることができる。
【００４３】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分を楕円形とすることにより、平行な辺が存在しないため、圧電膜１４の外周で反射された弾性波が共振部２１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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【００４４】
さらに、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、圧電膜１４として、（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウム用いることで、良好な共振特性を有する圧電薄膜共振器を得ることができる。また、（００２）方向を主軸とする配向性を示す酸化亜鉛を用いても、良好な共振特性を得ることができる。
【００４５】
さらに、実施例１において、基板１０はシリコン基板である場合を示したが、石英基板、ガラス基板およびＧａＡｓ基板等を用いることもできる。下部電極１２および上部電極１６はＲｕである場合を示したが、背景技術で説明した材料を用いることもできる。犠牲層３０はＭｇＯである場合を示したが、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＴｉおよびＳｉＯ２等エッチング液により容易に溶解できる材料を用いることができる。
【実施例２】
【００４６】
図１０は実施例２に係る圧電薄膜共振器の上視図である。図１０を参照に、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）は非平行からなる多角形をしている。その他の構成は実施例１と同じであり、図３（ａ）から図３（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００４７】
実施例２によれば、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分は非平行からなる多角形をしている。よって、平行な辺が存在しないため、圧電膜１４の外周で反射された弾性波が共振部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、共振特性にリップルが発生することをより抑制することができる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３は基板１０に空隙１８が設けられた場合の例である。図１１（ａ）は実施例３に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１２（ａ）は実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１１（ａ）から図１２（ｂ）を参照に、実施例１および実施例２のように、基板１０と下部電極１２との間に空隙１８が設けられていなくとも、実施例３のように、下部電極１２と上部電極１６とが対向する部分（共振部２１）の下の基板１０に空隙１８が設けられている場合でもよい。また、空隙１８はＤｅｅｐ−ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて基板１０をエッチングすることで、ほぼ垂直に形成することができる。
【実施例４】
【００４９】
実施例４は実施例１に係る圧電薄膜共振器を用いた４段構成のラダー型フィルタの例である。図１３は実施例４に係るラダー型フィルタの回路図である。なお、４段構成をしたラダー型フィルタは、本来、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間の直列共振器Ｓと並列共振器Ｐは、Ｓ−Ｐ−Ｐ−Ｓ−Ｓ−Ｐ−Ｐ−Ｓの構成をとるが、実施例４では、真ん中の２つの直列共振器Ｓを一まとめにしてＳ２とし、両端の２つの並列共振器Ｐをそれぞれ一まとめにしてＰ１およびＰ２とする。図１３を参照に、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列共振器Ｓ１、Ｓ２およびＳ３が直列に接続されている。直列共振器Ｓ１とＳ２との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ１が接続され、直列共振器Ｓ２とＳ３との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ２が接続されている。
【００５０】
ラダー型フィルタにおいては、バンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振器の共振周波数を直列共振器の共振周波数より小さくする必要がある。このため、直列共振器には、実施例１に係る圧電薄膜共振器をそのまま用い、並列共振器には、実施例１に係る圧電薄膜共振器の上部電極１６上にＴｉからなる厚さ１３０ｎｍの質量負荷膜を設けた圧電薄膜共振器を用いている。
【００５１】
図１４は実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性を示している。なお、比較のため、比較例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器（上部電極上に質量負荷膜を具備）に用いたラダー型フィルタ（比較例２）の通過特性も示している。また、比較例２に係るラダー型フィルタの回路図は実施例４と同じである。図１４を参照に、横軸は周波数［ＭＨｚ］であり、縦軸は減衰量［ｄＢ］である。図１４によれば、比較例２に係るラダー型フィルタの通過特性（破線）は、１９６０ＭＨｚ付近の通過帯域でリップルが発生している。一方、実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性（実線）では、リップルの発生は抑制されている。このように、実施例１に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いることで、通過特性を改善することができる。
【００５２】
実施例４においては、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器の両方に設けた場合を例に示したがこれに限られない。例えば、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器に用い、比較例１に係る圧電薄膜共振器を並列共振器に用いた場合でも通過帯域におけるリップルを抑制することができる。特に、実施例１に係る圧電薄膜共振器を直列共振器および並列共振器の両方に用いた場合は、通過帯域におけるリップルの抑制だけでなく、通過帯域より低周波数側の減衰特性を改善することもできる。
【００５３】
また、実施例４においては、実施例１に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いた場合を示したが、実施例２および実施例３に係る圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いた場合でもよい。さらに、実施例１から実施例３に係る圧電薄膜共振器を多重モード型フィルタやラティス型フィルタ等、ラダー型フィルタ以外のフィルタに用いた場合でもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１はバイアホールタイプの空隙を有する圧電薄膜共振器の断面図である。
【図２】図２はキャビティタイプの空隙を有する圧電薄膜共振器の断面図である。
【図３】図３（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【図４】図４（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）Ａ−Ａ間の断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ間の断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｈ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示す図であり、図６（ｂ）は反射特性を示すスミスチャートである。
【図７】図７（ａ）は実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振特性を示す図であり、図７（ｂ）は反射特性を示すスミスチャートである。
【図８】図８は比較例１について共振特性が劣化する理由を説明するための断面図である。
【図９】図９は実施例１について共振特性が改善する理由を説明するための断面図である。
【図１０】図１０は実施例２に係る圧電薄膜共振器の上視図である。
【図１１】図１１（ａ）は実施例３に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の上視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図１３】図１３は実施例４に係るラダー型フィルタの等価回路図である。
【図１４】図１４は実施例４に係るラダー型フィルタの通過特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 基板
１１ ＳｉＯ２膜
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 空隙
２１ 共振部
２２ 付加膜
２４ 導入路
２６ 孔部
２８ 開口部
３０ 犠牲層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた下部電極と、
前記基板上および前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の前記下部電極の少なくとも一部の外周の前記基板上に、前記下部電極に沿って設けられた付加膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項２】
前記圧電膜は前記付加膜を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
【請求項３】
前記付加膜は前記下部電極と同じ材料の膜であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
【請求項４】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板と前記下部電極との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項５】
前記下部電極には前記空隙に通じる孔部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜共振器。
【請求項６】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板に、空隙が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項７】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は前記空隙を前記基板に投影した領域に含まれることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項８】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の応力は圧縮応力であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項９】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は楕円形であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１０】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は非平行からなる多角形であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１１】
前記圧電膜は（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を具備することを特徴とするフィルタ。
【請求項１】
基板上に設けられた下部電極と、
前記基板上および前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の前記下部電極の少なくとも一部の外周の前記基板上に、前記下部電極に沿って設けられた付加膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項２】
前記圧電膜は前記付加膜を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
【請求項３】
前記付加膜は前記下部電極と同じ材料の膜であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
【請求項４】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板と前記下部電極との間に、ドーム形状の膨らみを有する空隙が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項５】
前記下部電極には前記空隙に通じる孔部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜共振器。
【請求項６】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の下の前記基板に、空隙が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項７】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は前記空隙を前記基板に投影した領域に含まれることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項８】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分の応力は圧縮応力であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項９】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は楕円形であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１０】
前記下部電極と前記上部電極とが対向する部分は非平行からなる多角形であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１１】
前記圧電膜は（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を具備することを特徴とするフィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−２８８８１９（Ｐ２００８−２８８８１９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３１０９４（Ｐ２００７−１３１０９４）
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（３９８０６７２７０）富士通メディアデバイス株式会社 (198)
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（３９８０６７２７０）富士通メディアデバイス株式会社 (198)
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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