JP2006319796A - 薄膜バルク波音響共振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 スプリアスの抑制が可能な薄膜バルク波音響共振器を提供する。
【解決手段】 第1の電極12と、第1の電極12上に設けられた圧電膜14と、圧電膜14を挟んで第1の電極12と対向する第2の電極18と、圧電膜14を挟んで第1の電極12と対向するように設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜16とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】 第1の電極12と、第1の電極12上に設けられた圧電膜14と、圧電膜14を挟んで第1の電極12と対向する第2の電極18と、圧電膜14を挟んで第1の電極12と対向するように設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜16とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、音響共振器に関し、特に、高周波帯域で用いられる薄膜バルク波音響共振器に関する。
近年、携帯電話をはじめとする移動体通信機器、コンピュータ間のデータを高速に転送する無線ローカルエーリアネットワーク(LAN)システム等の無線通信システムでは、GHz以上の高周波数帯を利用する。このような無線通信システム等の高周波数帯電子機器に用いられる高周波素子として、薄膜バルク波音響共振器(FBAR)がある。
これまで、高周波領域における共振器として、バルク(セラミック)誘電体共振器や、弾性表面波(SAW)素子が用いられている。これらの共振器と比較し、FBARは小型化に適し、更に高周波化に対応が可能等の特徴がある。このため、FBARを用いた高周波フィルタや共振回路等の開発が進められている。
FBARの基本構造においては、窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)等の圧電膜が、対向する第1の電極及び第2の電極の間に挟まれている。高性能化のため、FBARの共振部は、第1の電極の下に設けられた空洞の上に配置される。共振部において、通常は、第1及び第2の電極に比べて圧電膜の面積は大きくされている。
FBARは、第1及び第2の電極間の圧電膜を伝搬する縦波(TE波)による共振を利用したものである。しかし、FBARには、主振動モードの縦波だけでなく、副次的に横波(TS波)も発生する。共振部で発生した横波は、質量が急激に変化する第1及び第2の電極の端部や圧電膜端部で反射される。例えば、第1及び第2の電極の形状が、正方形や長方形の場合、第1及び第2の電極の端部で反射された横波波同士が干渉することでスプリアスが発生する。このように、横波による寄生的な共振が、FBARの共振特性においてスプリアスが発生する原因となる。
FBARのスプリアスを制御するために、第1又は第2の電極の形状を不整多角形にする方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、不整多角形の電極形状では、FBAR素子の作製基板上での占有面積を低減するのが困難である。FBARの小型化には、正方形、長方形、円形、楕円形等の電極形状でFBAR素子を作製する方が望ましい。
米国特許第006215375A号明細書
本発明は、小型化に適した構造で、スプリアスの抑制が可能なFBARを提供する。
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(イ)第1の電極と、(ロ)第1の電極上に設けられた圧電膜と、(ハ)圧電膜を挟んで第1の電極と対向する第2の電極と、(ニ)第2の電極と接するように設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜とを備える薄膜バルク波音響共振器であることを要旨とする。
本発明の第2の態様は、(イ)第1の電極と、(ロ)第1の電極上に設けられた圧電膜と、(ハ)圧電膜を挟んで第1の電極と対向する第2の電極と、(ニ)第2の電極の上方に設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜とを備える薄膜バルク波音響共振器であることを要旨とする。
本発明によれば、小型化に適した構造で、スプリアスの抑制が可能なFBARを提供することが可能となる。
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
本発明の実施の形態に係るFBARは、図1に示すように、第1の電極12と、第1の電極12上に設けられた圧電膜14と、圧電膜14を挟んで第1の電極12と対向する第2の電極18とを備える。また、図1及び図2に示すように、互いに平行でない対向する辺を有する不整多角形の付加膜16が、圧電膜14上で第2の電極18と接するように設けられている。第1の電極12、圧電膜14、及び第2の電極18は、空洞22を有する基板10により支持されている。共振部20は、空洞22上において、圧電膜14を挟む第1及び第2の電極12、18の対向する領域で規定される。
共振部20の圧電膜14では、第1の電極12あるいは第2の電極18に印加された高周波信号により励振されたバルク音響波の共振により高周波信号が伝達される。例えば、第1の電極12から印加されたGHz帯域の高周波信号は、共振部20の圧電膜14を介して第2の電極18に伝達される。共振部20の良好な共振特性を得るために、結晶の配向等を含む膜質や膜厚の均一性に優れたAlN膜やZnO膜が、圧電膜14として用いられる。第1の電極12には、アルミニウム(Al)及びタンタルアルミニウム(TaAl)等の積層金属膜、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、チタン(Ti)等の高融点金属、あるいは高融点金属を含む金属化合物が用いられる。第2の電極18には、Al等の金属、Mo、W、Ti等の高融点金属、あるいは高融点金属を含む金属化合物が用いられる。付加膜16には、第2の電極18として例示したような各種の導電材料のほか、AlN等の圧電材料、アルミナ(Al2O3)、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)等の酸化物、窒化物等の絶縁材料が用いられる。また、基板10には、シリコン(Si)等の半導体基板が用いられる。
FBARの共振部20で高周波信号を伝達するバルク音響波は、第1及び第2の電極12、18の対向する平面間を伝搬する縦波である。共振部20では、縦波以外に横波も発生する。横波は、第1及び第2の電極12、18と圧電膜14との界面に平行に進行する。共振部20内を進行する横波は、質量の変動が大きい共振部20の端部、あるいは圧電膜14の端部で反射される。通常のFBARでは、共振部及び圧電膜は、対向する辺が平行な正方形や長方形である。共振部及び圧電膜の一辺に沿う方向に進行する横波は、共振部あるいは圧電膜の端部で反射され同一の経路を反対向きに進行する。対向する端部で反射された横波同志が干渉することにより共振し、スプリアスが発生する。
本発明の実施の形態では、対向する辺が平行でない不整多角形の付加膜16が共振部20内に配置されている。図3に示すように、共振部20で発生した横波のほとんどは、質量の差がある付加膜16の端部で反射される。付加膜16の対向する端部は平行でないので、対向する端部で反射されたそれぞれの横波は異なる経路を進行する。その結果、横波は、付加膜16の端部で繰り返し反射され減衰していく。
また、横波の一部は、付加膜16の端部で屈折して透過する。付加膜16の各辺は、共振部20、圧電膜14、第1及び第2の電極12、18のそれぞれの各辺と平行とならないように配置されている。そのため、透過した横波は、共振部20、圧電膜14、第1及び第2の電極12、18、及び付加膜16の端部で繰り返し反射され減衰する。
このように、付加膜16を用いることにより、共振部20で発生する横波に起因するスプリアスを抑制することが可能となる。また、第1及び第2の電極12、18、及び圧電膜14の形状は、正方形や長方形であるため、FBARの小型化が可能となる。また、第1及び第2の電極12、18を円形や楕円形にして、FBARの小型化ができる。第1及び第2の電極12、18、あるいは、共振部20が円形や楕円形の場合でも、付加膜16を設けることにより、対向する端部で反射された横波同士の干渉を低減して、スプリアスの発生を抑制することが可能となる。
なお、以上の実施の形態では、付加膜16が圧電膜14及び第2の電極18の間に設けられている。ただし、金属等の導電材料や圧電材料ではない絶縁膜等を用いる場合は、圧電膜14及び第2の電極18の間に配置されると直列寄生容量により電気機械結合係数が損なわれるおそれがあるので、例えば、図4に示すように、付加膜116は、第2の電極18の上に配置されることが望ましい。なお、付加膜16、116は、第2の電極16の上方に、例えば絶縁膜等を挟んで配置しても良い。
また、付加膜16として、対向する辺の全てが平行にならない単一の不整多角形が用いられている。しかし、少なくとも一対の対向する辺が平行でない形状の付加膜であれば、FBARのスプリアスを低減できる。更に、分離した複数の電極膜を有する付加膜を用いても良い。以下、図5〜図10に、本発明の実施の形態に係る付加膜16a〜16fを例示する。説明を簡便にするため、図には圧電膜14と付加膜16a〜16fだけが示されている。
例えば、図5に示すように、付加膜16aは、圧電膜14の上に分離して配置された複数の電極膜56a〜56eの集合からなる。付加膜16aでは、電極膜56aが、圧電膜14の端部に沿って配置された電極膜56b〜56eで囲まれている。複数の電極膜56a〜56eのそれぞれは、対向する辺が平行でない不整多角形である。また、電極膜56aの各辺と、電極膜56b〜56eの対向する辺は平行でない。
また、図6に示すように、付加膜16bは、圧電膜14の端部に沿って分離して配置された複数の電極膜56f〜56jの集合からなる。付加膜16bでは、電極膜56f〜56jのそれぞれで、対向する辺が平行でない。また、電極膜56f〜56jで囲まれた領域を挟んで対向する各辺は平行でない。
また、図7に示すように、付加膜16cは、辺縁に鋸歯状の刻み目を備える。付加膜16cでは、辺縁の刻み目をなす各線分に対して、対向する辺の線分のほとんどが平行でない。
また、図8に示すように、付加膜16dは、圧電膜14の端部に沿って配置された複数の電極膜56k〜56nを備える。付加膜16dでは、電極膜56k〜56nのそれぞれは、電極膜56k〜56nで囲まれた領域を挟んで対向する辺縁に鋸歯状の刻み目を有する。電極膜56k〜56nの辺縁の刻み目をなす各辺に対して、対向する辺のほとんどが平行でない。
また、図9に示すように、付加膜16eでは、複数のストライプ状の開口部を有する66bが、圧電膜14の端部に沿って配置されたパターン66cと、圧電膜14の端部に沿って配置された開口部を含む複数のストライプ状の開口部を有するパターン66a、66d、66eとで囲まれている。付加膜16eでは、パターン66a〜66eのそれぞれで、対向する辺縁が平行でない。また、パターン66a、66b、66d、66eのそれぞれに配置された開口部についても、対向する開口部の辺は平行でない。
更に、図10に示すように、付加膜16fは、圧電膜14の端部に沿って配置された線部を含む複数のストライプ状のパターン76a〜76eの集合からなる。付加膜16fでは、パターン76a〜76eで囲まれた領域を挟んで対向する線部の各辺は平行でない。
上述のように、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜16a〜16fを用いても、共振部20で発生する横波に起因するスプリアスを抑制することが可能となる。また、第1及び第2の電極12、18、及び圧電膜14の形状は、正方形、長方形、円形、あるいは楕円形とすることができ、FBARの小型化が可能となる。
次に、本発明の実施の形態に係るFBARの製造方法を、図11〜図15に示す工程断面図を用いて説明する。ここで、説明に使用する断面図には、図1に示したA−A線に相当する断面が示されている。
(イ)まず、Si半導体基板等の基板10の表面に、例えばスパッタリング技術等によりMo等の導電層が約200nm〜300nmの厚さで成膜される。次に、フォトエングレービング工程により、図11に示すように、第1の電極12が形成される。
(ロ)第1の電極12が形成された表面に、AlN等の圧電膜がスパッタリング技術等により所望の厚さで成膜される。例えば、信号周波数がGHz帯域であれば、圧電膜の厚さは、2μm以下とされる。次に、フォトエングレービング工程により、図12に示すように、第1の電極12の一端を覆うように圧電膜14が形成される。
(ハ)第1の電極12及び圧電膜14が形成された表面に、例えばスパッタリング技術によりMo等の導電層が所望の厚さで成膜される。次に、フォトエングレービング工程により、図13に示すように、圧電膜14上で第1の電極12と対向するように付加膜16が形成される。
(ニ)第1の電極12、圧電膜14、及び付加膜16が形成された表面に、例えばスパッタリング技術によりMo等の導電層が約200nm〜300nmの厚さで成膜される。次に、フォトエングレービング工程により、図14に示すように、圧電膜14上で付加膜16を覆い、圧電膜14で覆われた第1の電極12の一端側に延在するように第2の電極18が形成される。
(ホ)フォトエングレービング技術により、図15に示すように、第1及び第2の電極12、18が対向する領域の基板10が除去されて、空洞22が形成される。このようにして、本発明の実施の形態に係るFBARが製造される。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明の実施の形態においては、単体のFBARについて説明している。高周波回路では、複数のFBARが、フィルタや電圧制御発振器(VCO)等に用いられる。例えば、フィルタ回路では、共振周波数の異なる複数のFBARがラダー型に接続されて用いられる。
FBARの共振周波数fは、図1に示した圧電膜14の膜厚をh、付加膜16を含む第1及び第2の電極12、18の質量をρとすると、簡易的に次式で表わされる。
f = A・h-1・ρ-1/2 (1)
ここで、Aは定数である。異なる共振特性をもつFBARを実現するためには、質量ρ、あるいは膜厚hを変化させて共振周波数を変調する。例えば、膜厚hを厚くするか、もしくは質量ρを大きくすることにより共振周波数fを低周波方向へ調整できる。
ここで、Aは定数である。異なる共振特性をもつFBARを実現するためには、質量ρ、あるいは膜厚hを変化させて共振周波数を変調する。例えば、膜厚hを厚くするか、もしくは質量ρを大きくすることにより共振周波数fを低周波方向へ調整できる。
例えば、図16に示すように、共振周波数の異なる複数のFBAR1a、1bがラダー型に接続されてフィルタ回路として用いられる。一例として、2個のFBAR1a、1bを接続する場合について説明する。図17及び図18に示すように、FBAR1a、1bはそれぞれ、基板10に設けられた空洞22a、22bの上に配置される。FBAR1aは、第1の電極12a、圧電膜14a、付加膜16a、及び第2の電極18を備える。FBAR1bは、第1の電極12b、圧電膜14b、付加膜16b、及び第2の電極18を備える。
FBAR1a、1bは、第2の電極18を共通にして直列に接続されている。FBAR1a、1bにおいて、圧電膜14a、14bの膜厚、及び第1の電極12a、12bと第2の電極18の質量は、ほぼ等しい。付加膜16a、16bの形状及び質量は異なる。例えば、付加膜16aの質量は、付加膜16bに比べて大きい。したがって、FBAR1aの共振周波数は、FBAR1bより低い。
付加膜16aでは、複数の電極膜56a〜56eのそれぞれは、対向する辺が平行でない不整多角形である。また、電極膜56aの各辺と、電極膜56b〜56eの対向する辺は平行でない。付加膜16bでは、電極膜56f〜56jのそれぞれでは、対向する辺が平行でない。また、電極膜56f〜56jで囲まれた領域を挟んで対向する各辺は平行でない。したがって、共振部20a、20bで発生する横波に起因するスプリアスを抑制することが可能となる。また、第1及び第2の電極12a、12b、18、及び圧電膜14a、14bの形状は、正方形や長方形であるため、FBAR1a、1bを用いたフィルタ回路の小型化が可能となる。
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
10…基板
12…第1の電極
14…圧電膜
16、116…付加膜
18…第2の電極
20…共振部
12…第1の電極
14…圧電膜
16、116…付加膜
18…第2の電極
20…共振部
Claims (5)
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで前記第1の電極と対向する第2の電極と、
前記第2の電極と接するように設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜
とを備えることを特徴とする薄膜バルク波音響共振器。 - 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで前記第1の電極と対向する第2の電極と、
前記第2の電極の上方に設けられ、少なくとも一組の平行でない対向する辺を有する付加膜
とを備えることを特徴とする薄膜バルク波音響共振器。 - 前記第1及び第2の電極の形状が、正方形、長方形、円形、及び楕円形のいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜バルク波音響共振器。
- 前記付加膜の形状が、不整多角形であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜バルク波音響共振器。
- 前記付加膜が、分離した複数の電極膜の集合からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜バルク波音響共振器。
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