ＢＡＷフィルタ
【課題】各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタを提供する。
【解決手段】単結晶基板からなる支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成され、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる複数の断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されている。また、各共振子３における各空洞１ａそれぞれの投影領域における中心部に対応する部位に、空洞１ａに連通するエッチングホール５が形成されている。各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線が位置している。
【解決手段】単結晶基板からなる支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成され、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる複数の断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されている。また、各共振子３における各空洞１ａそれぞれの投影領域における中心部に対応する部位に、空洞１ａに連通するエッチングホール５が形成されている。各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線が位置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を備えたＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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用いる高周波フィルタとして、図６に示すように、支持基板１’の一表面側に下部電極３１’と上部電極３３’との間に圧電層３２’を有する複数個の共振子３’が形成され、共振子３’に、厚み方向に貫通するエッチングホール５’が形成されるとともに、支持基板１’の上記一表面に、エッチングホール５’に連通し共振子３’の下部電極３１’を露出させる空洞１ａ’が形成されてなるＢＡＷフィルタが提案されている（例えば、特許文献１）。なお、上記特許文献１には、上述のＢＡＷフィルタの製造方法として、支持基板１’の上記一表面に空洞１ａ’を形成してから、支持基板１’の上記一表面側の全面にＰＳＧ膜を形成し、続いて、当該ＰＳＧ膜をＣＭＰ法などにより研磨して当該ＰＳＧ膜のうち空洞１ａ’内に残る部分からなる犠牲層を形成し、その後、下部電極３１’、圧電層３２’、上部電極３３’を順次形成し、続いて、共振子３’にエッチングホール５’を形成し、エッチングホール５’を通してエッチング液を導入して犠牲層を選択的にエッチングするようにした製造方法が記載されている。
【０００３】
上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタでは、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮなどを採用し、支持基板１’の材料としてＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどを採用しているが、２ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）を採用し、圧電層３２’の結晶性を向上させるために支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３を採用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００７−２２７９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図６に示した構成のＢＡＷフィルタでは、支持基板１’に各共振子３’それぞれの下部電極３１’を露出させる空洞１ａ’を形成するためのエッチングホール５’が共振子３’の中央部に形成されているので、共振子３’の周辺部にエッチングホールが形成されている場合に比べて支持基板１’の小型化が可能となる。
【０００５】
しかしながら、図６に示した構成のＢＡＷフィルタでは、共振子３’における下部電極３１’および圧電層３２’が空洞１ａ’の投影領域よりも広い範囲に形成されており、圧電層３２’のうち下部電極３１’と圧電層３２’との両方に接している共振領域が当該圧電層３２’のうち共振領域の周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるので、各共振子３’の機械的品質係数が低くなり、フィルタ特性が低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、共振子に、厚み方向に貫通するエッチングホールが形成されるとともに、支持基板の前記一表面に、エッチングホールに連通し共振子の下部電極を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があるので、圧電層が支持基板における空洞の周部に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持基板は、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成され、前記圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記圧電層が鉛系圧電材料により形成されているので、前記圧電層がＡｌＮにより形成されている場合に比べて電気機械結合係数を大きくすることができ、前記支持基板がＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されているので、前記支持基板がＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどにより形成されている場合に比べて、前記圧電層の結晶性を向上させることができ、各共振子の機械的品質係数を向上させることが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記支持基板が単結晶基板であって、前記空洞がエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されてなり、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されているので、堅牢化が可能となる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記共振子における前記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように前記エッチングホールが４つ形成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記各エッチングホールの開口サイズを比較的小さくするにも関わらず、前記空洞の形成に要するエッチング時間を短くでき、且つ堅牢化を図ることができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記共振子における共振領域の平面形状が矩形状であるとともに、前記エッチングホールの開口形状が矩形状であり、前記エッチングホールは、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記エッチングホールを、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成してあるので、不要な定在波が発生するのを防止することができ、フィルタ特性のより一層の向上を図れる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷフィルタは、図１に示すように、単結晶基板からなる支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成されるとともに、平面視において各共振子３を取り囲む絶縁層４が形成され、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる複数の断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されている。また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、各共振子３における各空洞１ａそれぞれの投影領域における中心部に対応する部位に、空洞１ａに連通するエッチングホール５が形成されている。なお、絶縁層４には、上部電極３３と圧電層３２との接触面積を規定するための開孔部４ａが形成されている。
【００１９】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、上述の複数個の共振子３が図２に示すラダー型フィルタを構成するように接続されており、２ＧＨｚ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用フィルタとして用いることができる。
【００２０】
各共振子３は、支持基板１の上記一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とを有しており、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側へバルク弾性波のエネルギの伝搬を抑制するようにしてある。要するに、本実施形態のＢＡＷフィルタは、支持基板１に空洞１ａが形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）により構成されている。
【００２１】
図２に示した例では、下部電極３１同士が電気的に接続された２個１組の共振子３の組を複数組（図示例では、４組）備えており、各組の２個の共振子３では、下部電極３１と圧電層３２とが連続して形成される一方で上部電極３３同士が絶縁分離されるようにパターニングされている。ここにおいて、隣り合う組間では、隣接する２個の共振子３の上部電極３３同士が上部電極３３と連続して形成された金属配線３４を介して電気的に接続されている。また、各組の２個の共振子３に跨って形成された圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が各共振領域を構成している。
【００２２】
本実施形態のＢＡＷフィルタは、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しており、支持基板１としては、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、主表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ３基板を用いてもよい。
【００２３】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、下部電極３１および上部電極３３の金属材料としてＰｔを採用しているが、これらの金属材料は特に限定するものではなく、例えば、Ａｌや他の金属材料を採用してもよく、例えば、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕの群から選択される少なくとも一種を採用すれば、下部電極３１および上部電極３３それぞれの金属材料が代表的な電極材料であるＡｕの場合に比べて、下部電極３１および上部電極３３それぞれの機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、下部電極３１と上部電極３３とは必ずしも同じ金属材料を採用する必要はなく、下部電極３１の金属材料は、圧電層３２の格子歪を抑制するために圧電層３２の圧電材料との格子定数差の小さな金属材料を採用することが望ましい。
【００２４】
また、圧電層３２は、（００１）配向のＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここで、図１には図示していないが、下部電極３１と圧電層３２との間に、圧電層３２の配向を制御するためのシード層としてＳＲＯ層を形成することが望ましい。また、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているが、ＰＺＴに限らず、不純物を添加したＰＺＴやＰＭＮ−ＰＺＴなどの鉛系圧電材料であればよく、圧電材料がＡｌＮやＺｎＯである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。なお、圧電層３２の圧電材料としては、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ３）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものを用いることもできる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、単結晶基板からなる支持基板１が、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されているので、支持基板１がＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどにより形成されている場合に比べて、圧電層３２の結晶性を向上させることができ、各共振子３の機械的品質係数を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、絶縁層４の材料としては、ＳｉＯ２を採用しているが、ＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４を採用してもよい。また、絶縁層４は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ＳｉＯ２からなる第１の絶縁膜とＳｉ３Ｎ４膜からなる第２の絶縁膜との積層膜でもよい。
【００２７】
なお、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍ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の範囲で設計する場合には、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。
【００２８】
ところで、本実施形態のＢＡＷフィルタは、上述のように、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されており、各共振子３に空洞１ａを形成するためのエッチングホール５が形成されている。ここにおいて、各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線が位置している。なお、図１に示した例では、図１（ａ）の上側の４つの共振子３に比べて下側の４つの共振子３の平面サイズが大きくなっており、上側の４つの共振子３にはエッチングホール５が１つずつ形成され、下側の４つの共振子３にはエッチングホールが６つずつ形成されている。
【００２９】
本実施形態のＢＡＷフィルタの製造にあたっては、例えば、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側の全面に下部電極３１の基礎となる第１の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）を例えばスパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層３２の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電材料層をスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成し、続いて、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圧電材料層を所望の平面形状（本実施形態では、矩形状）にパターニングすることで上記圧電材料層の一部からなる圧電層３２を形成し、その後、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上記第１の金属膜をパターニングすることによりそれぞれ上記第１の金属膜の一部からなる下部電極３１を形成し、その後、支持基板１の上記一表面の全面に絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、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絶縁層４に開孔部４ａを形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に上部電極３３の基礎となる第２の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、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の金属膜をパターニングすることにより第２の金属膜の一部からなる上部電極３３および金属配線３４を形成し、その後、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各共振子３に厚み方向に貫通するエッチングホール５を形成し、続いて、支持基板１の上記一表面側からエッチングホール５を通して所定のエッチング液（例えば、燐酸系溶液など）を導入して支持基板１を異方性エッチングすることにより空洞１ａを形成することで、図１に示す構造のＢＡＷフィルタを得る。なお、上述のＢＡＷフィルタの製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷフィルタを形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷフィルタに分割すればよい。
【００３０】
以上説明した本実施形態のＢＡＷフィルタによれば、各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線があるので、圧電層３２が支持基板１における空洞１ａの周部に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、各共振子３の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能となる。
【００３１】
また、上述のＢＡＷフィルタの製造方法によれば、単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ３基板からなる支持基板１の上記一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する共振子３を直接形成することができるから、上記特許文献１のようにＰＳＧ膜よりなる犠牲層を形成してから共振子３’（図６参照）を形成するような製造方法を採用する場合に比べて、下部電極３１の結晶性を向上できて圧電層３２の結晶性を向上できるから、共振子３の機械的品質係数を向上できる。
【００３２】
ところで、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、図１（ａ）における上側の４つの共振子３それぞれに、１つのエッチングホール５を形成してあるが、空洞１ａを当該１つのエッチングホール５と同じ開口サイズの１つの仮想エッチングホール５０（図３（ａ）参照）を通した上記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの共振子３における上記仮想エッチングホール５０の仮想形成領域に図３（ｂ）に示すように上記仮想エッチングホール５０よりも開口サイズの小さな複数（４つ）のエッチングホール５の群を形成するようにすれば（複数のエッチングホール５を密集して形成すれば）、堅牢化が可能となる。ここにおいて、上記仮想形成領域は正方形状であり、図３（ｂ）に示したエッチングホール５の群は、開口形状が正方形状の４つのエッチングホール５により構成され、共振子３における上記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように形成されている。なお、図３（ｂ）における各エッチングホール５の開口サイズは、上記仮想エッチングホール５０の開口サイズの９分の１に設定してあるが、図３（ｂ）における各エッチングホール５の開口サイズは特に限定するものではない。ここで、エッチングホール５の群が、４つのエッチングホール５により構成され、共振子３における上記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように形成されていることにより、各エッチングホール５の開口サイズを比較的小さくするにも関わらず、空洞１ａの形成に要するエッチング時間を短くでき、且つ堅牢化を図ることができる。
【００３３】
また、エッチングホール５の群におけるエッチングホール５の数は４つに限らず、例えば、９つでもよく、この場合は上記仮想形成領域に図３（ｃ）に示すように平面格子状の部分が残るように形成すればよい。
【００３４】
また、図４に示すように、全ての共振子３についてエッチングホール５を１つずつ形成するようにしてもよいことは勿論である。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷフィルタの基本構成は実施形態１と略同じであり、図５に示すように、共振子３における共振領域の平面形状が矩形状（図示例では、長方形状）であるとともに、エッチングホール５の開口形状が矩形状（図示例では、正方形状）であり、エッチングホール５が、当該エッチングホール５の内周線の各辺が当該エッチングホール５を形成している共振子３の共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
しかして、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、エッチングホール５を、当該エッチングホール５の内周線の各辺が共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成してあるので、不要な定在波が発生するのを防止することができ、フィルタ特性のより一層の向上を図れる。
【００３７】
なお、上述の各実施形態のＢＡＷフィルタは、２個の共振子３を複数組備えているが、共振子３の組の数は特に限定するものではなく、１組でもよい。また、上述の各実施形態では、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成する空洞１ａの形状が断面逆台形状となっているが、空洞１ａの形状は、断面逆台形状に限らず、例えば、断面Ｖ字状でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態１のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】同上の回路図である。
【図３】同上の他の構成例の要部説明図である。
【図４】同上の別の構成例の概略平面図である。
【図５】実施形態２のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図６】従来例のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は要部概略断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 支持基板
１ａ 空洞
３ 共振子
５ エッチングホール
３１ 下部電極
３２ 圧電層
３３ 上部電極
５０ 仮想エッチングホール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する共振子を備えたＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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用いる高周波フィルタとして、図６に示すように、支持基板１’の一表面側に下部電極３１’と上部電極３３’との間に圧電層３２’を有する複数個の共振子３’が形成され、共振子３’に、厚み方向に貫通するエッチングホール５’が形成されるとともに、支持基板１’の上記一表面に、エッチングホール５’に連通し共振子３’の下部電極３１’を露出させる空洞１ａ’が形成されてなるＢＡＷフィルタが提案されている（例えば、特許文献１）。なお、上記特許文献１には、上述のＢＡＷフィルタの製造方法として、支持基板１’の上記一表面に空洞１ａ’を形成してから、支持基板１’の上記一表面側の全面にＰＳＧ膜を形成し、続いて、当該ＰＳＧ膜をＣＭＰ法などにより研磨して当該ＰＳＧ膜のうち空洞１ａ’内に残る部分からなる犠牲層を形成し、その後、下部電極３１’、圧電層３２’、上部電極３３’を順次形成し、続いて、共振子３’にエッチングホール５’を形成し、エッチングホール５’を通してエッチング液を導入して犠牲層を選択的にエッチングするようにした製造方法が記載されている。
【０００３】
上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタでは、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮなどを採用し、支持基板１’の材料としてＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどを採用しているが、２ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）を採用し、圧電層３２’の結晶性を向上させるために支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３を採用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００７−２２７９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図６に示した構成のＢＡＷフィルタでは、支持基板１’に各共振子３’それぞれの下部電極３１’を露出させる空洞１ａ’を形成するためのエッチングホール５’が共振子３’の中央部に形成されているので、共振子３’の周辺部にエッチングホールが形成されている場合に比べて支持基板１’の小型化が可能となる。
【０００５】
しかしながら、図６に示した構成のＢＡＷフィルタでは、共振子３’における下部電極３１’および圧電層３２’が空洞１ａ’の投影領域よりも広い範囲に形成されており、圧電層３２’のうち下部電極３１’と圧電層３２’との両方に接している共振領域が当該圧電層３２’のうち共振領域の周囲の領域に拘束されて振動エネルギが弱められるので、各共振子３’の機械的品質係数が低くなり、フィルタ特性が低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、共振子に、厚み方向に貫通するエッチングホールが形成されるとともに、支持基板の前記一表面に、エッチングホールに連通し共振子の下部電極を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があるので、圧電層が支持基板における空洞の周部に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持基板は、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成され、前記圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記圧電層が鉛系圧電材料により形成されているので、前記圧電層がＡｌＮにより形成されている場合に比べて電気機械結合係数を大きくすることができ、前記支持基板がＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されているので、前記支持基板がＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどにより形成されている場合に比べて、前記圧電層の結晶性を向上させることができ、各共振子の機械的品質係数を向上させることが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記支持基板が単結晶基板であって、前記空洞がエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されてなり、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されているので、堅牢化が可能となる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記共振子における前記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように前記エッチングホールが４つ形成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記各エッチングホールの開口サイズを比較的小さくするにも関わらず、前記空洞の形成に要するエッチング時間を短くでき、且つ堅牢化を図ることができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記共振子における共振領域の平面形状が矩形状であるとともに、前記エッチングホールの開口形状が矩形状であり、前記エッチングホールは、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記エッチングホールを、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成してあるので、不要な定在波が発生するのを防止することができ、フィルタ特性のより一層の向上を図れる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷフィルタは、図１に示すように、単結晶基板からなる支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成されるとともに、平面視において各共振子３を取り囲む絶縁層４が形成され、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる複数の断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されている。また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、各共振子３における各空洞１ａそれぞれの投影領域における中心部に対応する部位に、空洞１ａに連通するエッチングホール５が形成されている。なお、絶縁層４には、上部電極３３と圧電層３２との接触面積を規定するための開孔部４ａが形成されている。
【００１９】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、上述の複数個の共振子３が図２に示すラダー型フィルタを構成するように接続されており、２ＧＨｚ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用フィルタとして用いることができる。
【００２０】
各共振子３は、支持基板１の上記一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とを有しており、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側へバルク弾性波のエネルギの伝搬を抑制するようにしてある。要するに、本実施形態のＢＡＷフィルタは、支持基板１に空洞１ａが形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）により構成されている。
【００２１】
図２に示した例では、下部電極３１同士が電気的に接続された２個１組の共振子３の組を複数組（図示例では、４組）備えており、各組の２個の共振子３では、下部電極３１と圧電層３２とが連続して形成される一方で上部電極３３同士が絶縁分離されるようにパターニングされている。ここにおいて、隣り合う組間では、隣接する２個の共振子３の上部電極３３同士が上部電極３３と連続して形成された金属配線３４を介して電気的に接続されている。また、各組の２個の共振子３に跨って形成された圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が各共振領域を構成している。
【００２２】
本実施形態のＢＡＷフィルタは、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しており、支持基板１としては、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、主表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ３基板を用いてもよい。
【００２３】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、下部電極３１および上部電極３３の金属材料としてＰｔを採用しているが、これらの金属材料は特に限定するものではなく、例えば、Ａｌや他の金属材料を採用してもよく、例えば、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕの群から選択される少なくとも一種を採用すれば、下部電極３１および上部電極３３それぞれの金属材料が代表的な電極材料であるＡｕの場合に比べて、下部電極３１および上部電極３３それぞれの機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、下部電極３１と上部電極３３とは必ずしも同じ金属材料を採用する必要はなく、下部電極３１の金属材料は、圧電層３２の格子歪を抑制するために圧電層３２の圧電材料との格子定数差の小さな金属材料を採用することが望ましい。
【００２４】
また、圧電層３２は、（００１）配向のＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここで、図１には図示していないが、下部電極３１と圧電層３２との間に、圧電層３２の配向を制御するためのシード層としてＳＲＯ層を形成することが望ましい。また、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているが、ＰＺＴに限らず、不純物を添加したＰＺＴやＰＭＮ−ＰＺＴなどの鉛系圧電材料であればよく、圧電材料がＡｌＮやＺｎＯである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。なお、圧電層３２の圧電材料としては、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ３）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものを用いることもできる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、単結晶基板からなる支持基板１が、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成されているので、支持基板１がＳｉ、ＧａＡｓ、ガラスなどにより形成されている場合に比べて、圧電層３２の結晶性を向上させることができ、各共振子３の機械的品質係数を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、絶縁層４の材料としては、ＳｉＯ２を採用しているが、ＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４を採用してもよい。また、絶縁層４は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ＳｉＯ２からなる第１の絶縁膜とＳｉ３Ｎ４膜からなる第２の絶縁膜との積層膜でもよい。
【００２７】
なお、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍ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の範囲で設計する場合には、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。
【００２８】
ところで、本実施形態のＢＡＷフィルタは、上述のように、支持基板１の上記一表面に、共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる断面逆台形状の空洞１ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されており、各共振子３に空洞１ａを形成するためのエッチングホール５が形成されている。ここにおいて、各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線が位置している。なお、図１に示した例では、図１（ａ）の上側の４つの共振子３に比べて下側の４つの共振子３の平面サイズが大きくなっており、上側の４つの共振子３にはエッチングホール５が１つずつ形成され、下側の４つの共振子３にはエッチングホールが６つずつ形成されている。
【００２９】
本実施形態のＢＡＷフィルタの製造にあたっては、例えば、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側の全面に下部電極３１の基礎となる第１の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）を例えばスパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層３２の基礎となるＰＺＴ薄膜からなる圧電材料層をスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成し、続いて、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圧電材料層を所望の平面形状（本実施形態では、矩形状）にパターニングすることで上記圧電材料層の一部からなる圧電層３２を形成し、その後、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上記第１の金属膜をパターニングすることによりそれぞれ上記第１の金属膜の一部からなる下部電極３１を形成し、その後、支持基板１の上記一表面の全面に絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、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絶縁層４に開孔部４ａを形成し、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に上部電極３３の基礎となる第２の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成し、続いて、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の金属膜をパターニングすることにより第２の金属膜の一部からなる上部電極３３および金属配線３４を形成し、その後、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各共振子３に厚み方向に貫通するエッチングホール５を形成し、続いて、支持基板１の上記一表面側からエッチングホール５を通して所定のエッチング液（例えば、燐酸系溶液など）を導入して支持基板１を異方性エッチングすることにより空洞１ａを形成することで、図１に示す構造のＢＡＷフィルタを得る。なお、上述のＢＡＷフィルタの製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷフィルタを形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷフィルタに分割すればよい。
【００３０】
以上説明した本実施形態のＢＡＷフィルタによれば、各共振子３は、空洞１ａの投影領域内に圧電層３２が収まり且つ上記投影領域の外周線よりも外側に下部電極３１の外周線があるので、圧電層３２が支持基板１における空洞１ａの周部に拘束されて振動エネルギが弱められるのを抑制できるから、各共振子３の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能となる。
【００３１】
また、上述のＢＡＷフィルタの製造方法によれば、単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ３基板からなる支持基板１の上記一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する共振子３を直接形成することができるから、上記特許文献１のようにＰＳＧ膜よりなる犠牲層を形成してから共振子３’（図６参照）を形成するような製造方法を採用する場合に比べて、下部電極３１の結晶性を向上できて圧電層３２の結晶性を向上できるから、共振子３の機械的品質係数を向上できる。
【００３２】
ところで、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、図１（ａ）における上側の４つの共振子３それぞれに、１つのエッチングホール５を形成してあるが、空洞１ａを当該１つのエッチングホール５と同じ開口サイズの１つの仮想エッチングホール５０（図３（ａ）参照）を通した上記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの共振子３における上記仮想エッチングホール５０の仮想形成領域に図３（ｂ）に示すように上記仮想エッチングホール５０よりも開口サイズの小さな複数（４つ）のエッチングホール５の群を形成するようにすれば（複数のエッチングホール５を密集して形成すれば）、堅牢化が可能となる。ここにおいて、上記仮想形成領域は正方形状であり、図３（ｂ）に示したエッチングホール５の群は、開口形状が正方形状の４つのエッチングホール５により構成され、共振子３における上記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように形成されている。なお、図３（ｂ）における各エッチングホール５の開口サイズは、上記仮想エッチングホール５０の開口サイズの９分の１に設定してあるが、図３（ｂ）における各エッチングホール５の開口サイズは特に限定するものではない。ここで、エッチングホール５の群が、４つのエッチングホール５により構成され、共振子３における上記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように形成されていることにより、各エッチングホール５の開口サイズを比較的小さくするにも関わらず、空洞１ａの形成に要するエッチング時間を短くでき、且つ堅牢化を図ることができる。
【００３３】
また、エッチングホール５の群におけるエッチングホール５の数は４つに限らず、例えば、９つでもよく、この場合は上記仮想形成領域に図３（ｃ）に示すように平面格子状の部分が残るように形成すればよい。
【００３４】
また、図４に示すように、全ての共振子３についてエッチングホール５を１つずつ形成するようにしてもよいことは勿論である。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷフィルタの基本構成は実施形態１と略同じであり、図５に示すように、共振子３における共振領域の平面形状が矩形状（図示例では、長方形状）であるとともに、エッチングホール５の開口形状が矩形状（図示例では、正方形状）であり、エッチングホール５が、当該エッチングホール５の内周線の各辺が当該エッチングホール５を形成している共振子３の共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
しかして、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、エッチングホール５を、当該エッチングホール５の内周線の各辺が共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成してあるので、不要な定在波が発生するのを防止することができ、フィルタ特性のより一層の向上を図れる。
【００３７】
なお、上述の各実施形態のＢＡＷフィルタは、２個の共振子３を複数組備えているが、共振子３の組の数は特に限定するものではなく、１組でもよい。また、上述の各実施形態では、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成する空洞１ａの形状が断面逆台形状となっているが、空洞１ａの形状は、断面逆台形状に限らず、例えば、断面Ｖ字状でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態１のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】同上の回路図である。
【図３】同上の他の構成例の要部説明図である。
【図４】同上の別の構成例の概略平面図である。
【図５】実施形態２のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図６】従来例のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は要部概略断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 支持基板
１ａ 空洞
３ 共振子
５ エッチングホール
３１ 下部電極
３２ 圧電層
３３ 上部電極
５０ 仮想エッチングホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、共振子に、厚み方向に貫通するエッチングホールが形成されるとともに、支持基板の前記一表面に、エッチングホールに連通し共振子の下部電極を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があることを特徴とするＢＡＷフィルタ。
【請求項２】
前記支持基板は、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成され、前記圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項３】
前記支持基板が単結晶基板であって、前記空洞がエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されてなり、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項４】
前記共振子における前記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように前記エッチングホールが４つ形成されてなることを特徴とする請求項３記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項５】
前記共振子における共振領域の平面形状が矩形状であるとともに、前記エッチングホールの開口形状が矩形状であり、前記エッチングホールは、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項１】
支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、共振子に、厚み方向に貫通するエッチングホールが形成されるとともに、支持基板の前記一表面に、エッチングホールに連通し共振子の下部電極を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、共振子は、空洞の投影領域内に圧電層が収まり且つ前記投影領域の外周線よりも外側に下部電極の外周線があることを特徴とするＢＡＷフィルタ。
【請求項２】
前記支持基板は、ＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３により形成され、前記圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項３】
前記支持基板が単結晶基板であって、前記空洞がエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されてなり、前記空洞を前記共振子の１つの仮想エッチングホールを通した前記異方性エッチングにより形成すると仮定したときの前記共振子における前記仮想エッチングホールの仮想形成領域に前記エッチングホールが前記仮想エッチングホールよりも小さな開口サイズで複数形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項４】
前記共振子における前記仮想形成領域に平面視十字状の部分が残るように前記エッチングホールが４つ形成されてなることを特徴とする請求項３記載のＢＡＷフィルタ。
【請求項５】
前記共振子における共振領域の平面形状が矩形状であるとともに、前記エッチングホールの開口形状が矩形状であり、前記エッチングホールは、前記エッチングホールの内周線の各辺が前記共振領域の外周線の各辺と平行にならないように形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＢＡＷフィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２９０５９１（Ｐ２００９−２９０５９１Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４１３９６（Ｐ２００８−１４１３９６）
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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