JP2006333276A - バルク弾性波共振器、バルク弾性波共振器を用いたフィルタ、それを用いた高周波モジュール、並びにバルク弾性波共振器を用いた発振器 - Google Patents
バルク弾性波共振器、バルク弾性波共振器を用いたフィルタ、それを用いた高周波モジュール、並びにバルク弾性波共振器を用いた発振器 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】弾性特性に優れ、かつ電気機械エネルギー変換効率の高いバルク弾性波共振器を提供する。
【解決手段】バルク弾性波共振器は、基板と、基板上に形成された下部電極層と、下部電極層上に形成された中間層と、中間層３上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された上部電極層とを具備する。更に、中間層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、中間層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、下部電極層は、弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上の材料である。
【選択図】図１
【解決手段】バルク弾性波共振器は、基板と、基板上に形成された下部電極層と、下部電極層上に形成された中間層と、中間層３上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された上部電極層とを具備する。更に、中間層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、中間層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、下部電極層は、弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上の材料である。
【選択図】図１
Description
本発明は、共振器に関し、特に、バルク弾性波（以下、「ＢＡＷ」と呼ぶ）を利用したバルク弾性波共振器（以下、「ＢＡＷ共振器」と呼ぶ）、バルク弾性波共振器を用いたフィルタ（以下、「ＢＡＷ共振器フィルタ」と呼ぶ）、バルク弾性波共振器フィルタを用いた高周波モジュール、およびバルク弾性波共振器を用いた標準周波数発振器に関する。
ＢＡＷ共振器は、数百ＭＨｚから十数ＧＨｚ程度の高周波に対応可能であり、一例として、携帯電話等の高周波フィルタを構成するために用いられている。ＢＡＷ共振器は、圧電層の上下を上部電極層および下部電極層で挟んだ構造を基本とする。上下の電極間に交流電圧を印加して圧電層を励振することで、ＢＡＷ共振器は電気回路における共振器として機能する。
このようなＢＡＷ共振器として、圧電層の結晶化を促進する効果を持つニュークリエーション促進膜を含む電極を下部電極として適用する共振器がある（例えば、特許文献１参照）。同文献によると、ニュークリエーション促進膜を含む下部電極の具体的な材料として、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）およびイリジウム（Ｉｒ）が記載されている。
また、別の共振器として、同文献の図３（ａ）では、下部電極の上に、ピエゾ電気結晶質層の結晶化を促進する効果を持つテクスチャード膜を形成し、その上にピエゾ電気結晶質層を形成する共振器を開示しており、下部電極およびテクスチャード膜の具体的な材料について、アルミニウム（Ａｌ）およびＰｔがそれぞれ記載されている。
また、別の共振器として、同文献の図３（ｂ）では、接着性電極層の上に、圧電層の結晶化を促進する効果を持つテクスチャード膜を形成し、その上に圧電層を形成する共振器を開示しており、接着性電極層の具体的な材料について、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）が記載されている。
ＢＡＷ共振器内のバルク弾性波は、圧電層によって隔てられた２つの電極間に電気信号が印加されることにより、励起される。すなわち、ＢＡＷ共振器とは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置である。共振器の電気機械エネルギー変換効率を示すために、一般的に電気機械結結合係数（k）が利用されている。共振器のkを見積もるためには、共振・***振法が広く利用されており、例えば、電界の方向と平行方向の振動モードに対するkは以下の式１で求めることが出来る。
k2＝(π/2)・(fr/fa)tan[(π/2)・(fa-fr)/ fa] …（式１）
ここで、frおよびfaはそれぞれ、共振器の共振周波数および***振周波数である。すなわち、共振器のkが大きくなると、共振周波数と***振周波数の差も大きくなる。共振周波数と***振周波数の差は、その共振器でフィルタを構成したときに実現可能な最大帯域幅に対応するため、広帯域なフィルタを得るためには、電気機械エネルギー変換効率の良いＢＡＷ共振器が求められる。ＢＡＷ共振器の電気機械エネルギー変換効率を決定する支配的な要因は、圧電層材料の結晶配向性である。結晶配向性の良い圧電層を形成することは、高性能なＢＡＷ共振器を得るための重要な条件の一つである。
ここで、frおよびfaはそれぞれ、共振器の共振周波数および***振周波数である。すなわち、共振器のkが大きくなると、共振周波数と***振周波数の差も大きくなる。共振周波数と***振周波数の差は、その共振器でフィルタを構成したときに実現可能な最大帯域幅に対応するため、広帯域なフィルタを得るためには、電気機械エネルギー変換効率の良いＢＡＷ共振器が求められる。ＢＡＷ共振器の電気機械エネルギー変換効率を決定する支配的な要因は、圧電層材料の結晶配向性である。結晶配向性の良い圧電層を形成することは、高性能なＢＡＷ共振器を得るための重要な条件の一つである。
一方、媒質中を伝搬するＢＡＷの減衰量は、その媒質材料の硬度（hardness）に強く依存し、硬度の高い材料ほど減衰量が小さくなる。種々の材料の硬度を定量化するために、弾性スティフネスが広く用いられている。弾性スティフネスは、材料に一定のひずみ（strain）を生じさせるために必要な応力（stress）の値、として定義され、弾性スティフネスが高い材料ほど硬度が高いとみなすことができる。従って、Ｑ値の高いＢＡＷ共振器を得るためには、電極層の材料は弾性スティフネスの値が高いものを用いる必要がある。
しかしながら、異なる材料からなる薄膜を積層する場合、それらの材料間の格子不整合が、後から堆積された層の結晶配向性に重大な影響を与える。格子不整合とは、異なる材料間の格子の不整合の程度を表す値である。ある材料の上に異なる材料からなる薄膜を積層する場合、両材料間の格子不整合が大きいほど、積層される材料の配向性が悪くなる。図２は、ＢＡＷ共振器の圧電層の材料として頻繁に用いられている窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、電極層の材料として利用できる可能性のある種々の金属との格子不整合を検討した結果である。図２中の格子不整合ＡおよびＢは、図１１のようにＡｌＮの最密充填面３７および種々の金属の最密充填面３８における格子の短辺ａと長辺ｂを定義したときに、以下の式２および式３で計算したものである。ここで、最密充填面とは、単位面積あたりの原子の数が最も多い面のことであり、例えば、体心立方格子の場合には（１１０）面、面心立方格子の場合には（１１１）面、六方最密構造においては（０００１）面が最密充填面となる。また、格子の短辺および長辺とは、図１１の格子３９のような、長方形の中心に原子を１つ有する長方格子の隣接する２辺である。
A＝|aA-aM|/aA×100 …（式２）
B＝|bA-bM|/bA×100×aA/bA …（式３）
ここで、aAおよびbAはそれぞれ、ＡｌＮの格子の短辺および長辺、また、aMおよびbMはそれぞれ、金属の格子の短辺および長辺である。式３では、正規化のためにaA/bAが乗じられる。格子の短辺の方向の格子不整合Ａと、格子の長辺の方向の格子不整合Ｂとがともに０に近いほど、その金属材料は配向性の良いＡｌＮを得るのに適していると見なすことが出来る。式２および式３ではａおよびｂを格子の短辺および長辺と定義したが、ａとｂとが等しい材料の場合も含む。
B＝|bA-bM|/bA×100×aA/bA …（式３）
ここで、aAおよびbAはそれぞれ、ＡｌＮの格子の短辺および長辺、また、aMおよびbMはそれぞれ、金属の格子の短辺および長辺である。式３では、正規化のためにaA/bAが乗じられる。格子の短辺の方向の格子不整合Ａと、格子の長辺の方向の格子不整合Ｂとがともに０に近いほど、その金属材料は配向性の良いＡｌＮを得るのに適していると見なすことが出来る。式２および式３ではａおよびｂを格子の短辺および長辺と定義したが、ａとｂとが等しい材料の場合も含む。
本発明者等は、上述の特許文献１の開示する技術の検討をした結果、以下の問題点を見出した。
特許文献１では、ニュークリエーション促進膜を含む下部電極の材料として、Ｐｔ、Ｒｈ、ＰｄおよびＩｒを挙げているが、本発明の図２によれば、これらの材料はＡｌＮと比較的大きな格子不整合を持つため、ＡｌＮの結晶化を促進する材料としては最適ではない。また、ニュークリエーション促進膜を含む下部電極の材料として上記の材料以外に挙げられているＡｕおよびＡｇは、図２によれば、ＡｌＮとの格子不整合は比較的小さいが、粘性によるＢＡＷエネルギーの吸収減衰が大きいという欠点がある。つまり、ＡｕおよびＡｇは弾性スティフネスの値が小さいことから、ＢＡＷの減衰量が大きく、電極層の材料として用いると、共振器のＱ値を劣化させる原因となる。
また、同文献で下部電極の材料として挙げられているＡｌもまた弾性特性が悪く、電極層材料としては好ましくない。さらに、同文献でテクスチャード膜の材料として挙げられているＰｔは、図２によると、ＡｌＮと比較的大きな格子不整合を持つため、Ｐｔの上に後続してＡｌＮを形成する際、ＡｌＮの結晶化を促進する材料としては最適ではない。
また、同文献では、接着性電極として、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）が記載されているが、これら接着性電極上に形成されるテクスチャード層の具体的材料に関する記載は無い。
Ｑ値の高いＢＡＷ共振器を得るために、電極層の材料は硬い材料、すなわち弾性スティフネスの値が高く、弾性特性の良いものが求められる。かつ、電気機械エネルギー変換効率の高いＢＡＷ共振器を得るために、高配向な圧電層を形成する必要があり、そのために、圧電層とその下層の格子不整合が小さいことが求められる。しかし、単に弾性特性の良い材料を下部電極層として用いただけでは、その下部電極層材料と圧電層材料との格子不整合により、圧電層の配向性が劣化する可能性がある。
なお、本明細書中において、弾性特性が良い、とはＢＡＷエネルギーの吸収減衰が小さいことを意味し、弾性特性が悪い、とはＢＡＷエネルギーの吸収減衰が大きいことを意味する。
本発明のＢＡＷ共振器は、基板と、基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、第１の電極層上に形成された第１の層と、第１の層上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された第２の電極層とを具備して成り、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とする。ここで、弾性スティフネスＣ３３とは結晶軸Z方向の伸縮ひずみと垂直応力の比例係数を表す。
また、本発明のＢＡＷ共振器は、基板と、基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、第１の電極層上に形成された第１の層と、第１の層上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された第２の電極層とを具備して成り、圧電層は、窒化アルミニウムを含んで成り、第１の層はＴｉおよびＴｉＮの少なくとも一方を含んで成り、第１の電極層は、タングステンおよびモリブデンの少なくとも一方を含んでなることを特徴とする。
また、本発明のＢＡＷ共振器フィルタは、単一の基板に形成された複数のバルク弾性波共振器と、複数のバルク弾性波共振器を介して互いに接続されている入力端子および出力端子とを有し、複数のバルク弾性波共振器の少なくとも１つは、基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、第１の電極層上に形成された第１の層と、第１の層上に形成された圧電層と、前記圧電層上に形成された第２の電極層とを具備して成り、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とする。
また、本発明の高周波モジュールは、第１の端子と、第１の端子にその入力端子が接続された第１のバルク弾性波共振器フィルタと、第１の端子にその出力端子が接続された第２のバルク弾性波共振器フィルタと、第１のバルク弾性波共振器フィルタの出力端子に接続された第２の端子と、第２のバルク弾性波共振器フィルタの入力端子に接続された第３の端子と、を具備して成り、第１および前記第２のバルク弾性波共振器フィルタの少なくとも一方は、基板と、基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、第１の電極層上に形成された第１の層と、第１の層上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された第２の電極層とを具備して成り、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とする。
本発明によれば、Ｑ値および電気機械エネルギー変換効率がともに良好なＢＡＷ共振器を構成することが出来る。
本発明に係る実施の形態について、以下、添付図面を参照しながら、具体的な実施例を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明に係るＢＡＷ共振器の一実施例を示す断面構造図である。基板１は、第１の面１ａと、第１の面に対向する第２の面１ｂを有しており、この基板１の第１の面１ａ上に、下部電極層２と、中間層３と、圧電層４と、上部電極層５とを含んで成る積層共振体１０が搭載される。本実施例では、下部電極層２は基板１の第１の面１ａ上に形成され、中間層３は下部電極層２上に形成され、圧電層４は中間層３上に形成され、上部電極層５は圧電層４上に形成されている。積層共振体１０は、基板１に形成された空洞部６上に形成される。空洞部６は基板１の第１の面１ａにおいて開口する開口部１１を有しており、積層共振体１０は、この開口部１１を被覆するように形成されている。本実施例では、下部電極層２が基板１の第１の面１ａに対して積層される方向から見て、開口部１１全体を被覆するように形成されているが、下部電極層２は、その積層方向から見て、開口部１１と重ならない部分があっても良く、実施例に限定されない。空洞部６は、圧電層４が励振されることで発生する音響エネルギーが基板１に放射されることを防ぐ目的で形成されたものであり、基板１の第２の面１ｂよりドライエッチング法およびウエットエッチング法などの、半導体製造プロセスにおいて一般的な手法により形成することが可能である。もしくは、基板１の第１の面１ａに犠牲層を形成し、その上に積層共振体１０を形成し、その後、犠牲層を除去することによっても形成可能である。
下部電極層２は、弾性スティフネスＣ３３の値が３００ＧＮ／ｍ２以上の材料で形成されている。また、中間層３は、後続して形成される圧電層４を構成する材料の最密充填面における格子の短辺および長辺との格子不整合がともに７％以下の材料を用いる。ここで、弾性スティフネスＣ３３とは、弾性スティフネスのマトリックス要素のＣ３３のことであり、結晶軸Z方向の伸縮ひずみと垂直応力の比例係数を表す。下部電極層および中間層にこのような材料を用いることで、高速大容量通信が可能な広帯域無線通信システムに要求されるフィルタ特性を満足できるという効果がある。広帯域無線通信用のフィルタには、周波数通過帯域幅の急峻さに関係するＱ値を向上させることの他に、周波数通過帯域幅を広くすることが求められるが、本実施例のＢＡＷ共振器を用いれば、広帯域無線通信用のフィルタに要求されるＱ値と帯域幅とをともに満足するフィルタを実現することができる。広帯域無線通信システムとして、例えば、携帯電話のＰＣＳ（Personal Communications Services）周波数帯のＷ−ＣＤＭＡ(Wideband Code Division Multiple Access)用のフィルタ特性を満足することができる。また、携帯電話に限らず、無線ＬＡＮ用のフィルタにも適用可能である。
圧電層４としてＡｌＮを用いる場合、中間層３としてはＴｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、ＺｒまたはＨｆ、下部電極層２としてはＷまたはＭｏが好適である。Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、ＺｒまたはＨｆは、図２によれば、ＡｌＮとの格子不整合が短辺方向および長辺方向ともに７％以下であるため、これらの材料を中間層として用いれば、ＡｌＮ圧電層を高配向に形成できる。また、Ｗ、Ｍｏは、弾性スティフネスＣ３３の値が３００ＧＮ／ｍ２以上であるため、下部電極層２としてＷまたはＭｏを用いることで、高いＱ値のＢＡＷ共振器を実現できる。ＡｌＮは、他の圧電層材料として一般的なＺｎＯと比較して、弾性特性および温度特性の点で優れている。従って、ＡｌＮ圧電層を用いることで、Ｑ値が高く、温度によって共振特性が変化しにくいＢＡＷ共振器を得ることができる。
なお、下部電極層２の材料としては、ＷおよびＭｏ以外にも、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕおよびこれらの合金、なども使用可能である。上部電極層５についても、下部電極層２と同様に弾性スティフネスＣ３３の値が高い材料で形成することで、積層共振体１０を伝搬するＢＡＷの減衰を、より一層低減することができる。
本実施例において、下部電極層２、中間層３、圧電層４および上部電極層５にそれぞれ、Ｗ、Ｔｉ、ＡｌＮおよびＷを適用した場合、各層の好適な膜厚は、例えば、下部電極層２が２６０ｎｍ、中間層３が２０ｎｍ、圧電層４が８７０ｎｍおよび上部電極層が２６０ｎｍであり、そのときのＢＡＷ共振器の共振周波数は、およそ２ＧＨｚである。Ｗは良好な弾性特性を有するが、ＡｌＮとの格子不整合が大きい材料である。しかし、ＡｌＮとの格子不整合の小さいＴｉの中間層を下部電極層の上に形成することで、中間層の上に後続して積層されるＡｌＮの圧電層を高配向に形成することができ、Ｑ値および電気機械エネルギー変換効率がともに良好なＢＡＷ共振器を構成することができる。後述するが、下部電極層としてＷを使い、その上に圧電層としてＡｌＮを直接形成すると、両者の格子不整合により、配向性の良いＡｌＮ圧電層が得られず、良好な弾性特性と圧電層の高配向性とを両立させることは困難である。
基板１上の中間層３の厚さｔ２を、下部電極層２の厚さｔ１に比べ十分に薄くすれば、中間層３の材料の弾性特性が共振器のＱ値に及ぼす影響を微小にすることができる。好適には、中間層３の膜厚は５０ｎｍ以下であるか、もしくは下部電極層２の膜厚の１／１０以下である。
図１では、基板１の上に下部電極層２が接するように形成されているが、図１２のように、基板１と下部電極層２との間に、下地層１００が挿入されてもよい。下地層を挿入することで、例えば、積層共振体の支持強化、空洞部６をエッチングにより形成する際のストッパー、下部電極層２の配向性向上、等の効果がある。下地層の材料は、好適には、Ａｌ、ＡｌＮ、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮＸ）、Ｔｉ、等である。
また、図1では、中間層３は、下部電極層２の上部の全面に形成されているが、引き出し部分３７においては、中間層３は無くても良い。引き出し部分３７は、下部電極層２を伝搬する信号を取り出す、若しくは、下部電極層２に信号を入力する部分であるが、図１に示した構造に特に限定されない。
図３は、本発明に係るＢＡＷ共振器の別の実施例を示す断面構造図である。図３において、下部電極層２と、中間層３と、圧電層４と、上部電極層５とを含んで成る積層共振体１０に関しては実施例１と同様であるが、本実施例では、基板１に空洞部６を設ける代わりに、基板１上に音響絶縁構造７が形成されている。積層共振体１０は音響絶縁膜構造７上に形成される。
音響絶縁構造７は圧電層４が励振されることで発生する音響エネルギーを基板１に放射されることを防ぐ目的で形成される。音響絶縁構造７は、一例として、音響インピーダンスが異なる２種類以上の層を周期的に多層に積み重ねることにより形成された音響反射器である。音響反射器は、好適には、高インピーダンスの層の材料はＷおよびＭｏであり、低インピーダンスの層の材料はＳｉＯ２である。
図４は音響絶縁手段として音響反射器を用いた場合の一例である。音響絶縁手段７は層７ａ〜ｅから構成されている。層７ａ、７ｃ、７ｅは例えばＳｉＯ２のような低インピーダンスの材料からなり、層７ｂ、７ｄは例えばＷやＭｏのような高インピーダンスの材料からなる。また、層７ａ〜ｅの各膜厚は、ＢＡＷの波長の１／４に一致するように調節される。ここで、ＢＡＷの波長は、材料の密度、弾性定数および共振周波数から一意的に決定することが出来る。図４のＢＡＷ共振器において、圧電層の励振により発生したＢＡＷは、音響反射器中を深さ方向に伝搬するが、低インピーダンス層と高インピーダンス層との境界面に入射すると、ＢＡＷの一部は反射し、一部は透過して伝搬していく。隣接する層の音響インピーダンスの差が大きいほど、ＢＡＷの反射率は高くなる。また、層７ａ〜ｅの膜厚はＢＡＷの１／４波長に一致しているため、各層の境界面で反射されたＢＡＷは互いに強めあい、圧電層に戻される。したがって、音響反射器によって、ＢＡＷ共振器のエネルギー閉じ込め構造を実現することが出来る。なお、図４では音響反射器は５層で構成されているが、必要な反射率、各層の材料定数、等によって、最適な層数は異なる。また、ひとつの音響反射器を構成する材料は２種類に限らず、３種類以上の材料を含むこともある。また、エッチストッパー層、バッファー層、等の目的で、１／４波長の膜厚の各層の間に、ごく薄い層が挿入されていても良い。また、実施例１と同様に、音響絶縁手段７と下部電極層２との間に、下地層が挿入されてもよい。
図５は、圧電層の配向性に対する、中間層の効果を示す実験結果である。図５(ａ)は、膜厚が約２５０ｎｍのＷ膜上に、膜厚が約５００ｎｍのＡｌＮ薄膜を成膜した実験試料のＸ線回折パターンであり、図５(b)は、膜厚が約２５０ｎｍのＷ薄膜上に、膜厚が約１０ｎｍのＴｉ薄膜を成膜し、その上に膜厚が約５００ｎｍのＡｌＮ薄膜を成膜した実験試料のＸ線回折パターンである。これらの実験試料で、ＷおよびＡｌＮの成膜条件は同一である。
図５（a）および(b)において、Ｗの回折ピーク強度がほぼ同じであることから、Ｗの配向性は同一であると判断できる。それにもかかわらず、中間層を適用した図５(b)では、中間層を適用していない図４(a)と比較して、ＡｌＮの回折ピーク強度が３０％以上増加している。
この実験結果より、適切な材料からなる中間層を挿入することで、ＡｌＮ圧電層の配向性を高めることが出来ることが証明された。
また、図６は、ＢＡＷ共振器の電気特性に対する、中間層の効果を示す実験結果である。図６(a)は、下部電極層および上部電極層にＷ、圧電層にＡｌＮを適用したＢＡＷ共振器の、インピーダンス特性の実測値である。また、図６(b)は、下部電極層および上部電極層にＷ、圧電層にＡｌＮ、中間層にＴｉを適用したＢＡＷ共振器の、インピーダンス特性の実測値である。ＢＡＷ共振器でフィルタを構成した際の、最大帯域幅に対応する共振周波数（fr）と***振周波数（fa）の差は、中間層を適用していない図５(a)では37.75MHzであるのに対し、中間層を適用した図５(b)では49.50MHzである。ＢＡＷ共振器の電気機械エネルギー変換効率を示すｋ2を式１により算出すると、中間層を適用していない図５(a)は4.42％であり、中間層を適用した図５(b)は5.81％である。
以上の実験結果から、下部電極層がＡｌＮ圧電層と格子不整合の大きな材料で形成された場合でも、下部電極層とＡｌＮ圧電層の間に、適切な材料からなる、相対的にごく薄い膜厚の中間層を挿入すれば、高配向なＡｌＮ圧電層を得ることができ、結果として、高性能なＢＡＷ共振器を構成可能であることが証明された。
なお、本発明に係るＢＡＷ共振器の作製プロセスにおいて、下部電極層２を成膜する工程と中間層３を成膜する工程が、真空中で連続的に実施され、途中に大気暴露を行わないことが好ましい。また、一例では、下地層、下部電極層２、中間層３、圧電層４および上部電極層５の成膜方法は、スパッタ法および化学気相成長法の少なくともどちらか一方である。
ここでは、本発明に係るＢＡＷ共振器を用いたフィルタを単一基板の上に構成する実施例を説明する。ＢＡＷ共振器フィルタを作製するためには、異なる共振周波数を持つ２つ以上のＢＡＷ共振器を電気的に接続する必要がある。基本的には、２種類の共振周波数で十分であるが、より幅広いフィルタ設計において、それぞれ異なる共振周波数を備えた３つ以上の共振器を必要とすることがある。図９に、本発明に係るＢＡＷ共振器を用いたフィルタが適用された携帯電話のブロック回路図の一例を示す。フィルタの具体的構成については後述する。
図９において参照符号１２は移送器を示し、この移送器１２は受信部と送信部のアンテナの共用を可能にする。アンテナＡＮＴで受信された高周波の受信信号Ｒｘは移送器１２を通り、さらに、イメージ周波数信号を除去して所定の受信帯域の周波数信号だけを選択的に通すための受信フィルタ９を介して低雑音増幅器２９ヘ入力される。低雑音増幅器２９において増幅された高周波受信信号Ｒｘは、受信ミキサ回路３０、不図示の中間周波フィルタ等を介して、ベースバンド部３３携帯電話内部回路へ送られる。
一方、ベースバンド部３３から送られて来た送信信号Ｔｘは送信ミキサ３１を介して、電力増幅器２８に入力される。電力増幅器２８で増幅された送信信号Ｔｘは、所定の送信周波数帯域の送信信号を選択的に通す送信フィルタ８を介してアンテナＡＮＴより電波として放射される。図９に示すブロック回路図において、フロントエンド部１６０は、受信フィルタ９と、送信フィルタ８と、移送器１２とを含んで成る。
図７は、図９に示したフロントエンド部１６０の回路ブロック図の一例である。図７において、送信フィルタ８と受信フィルタ９のそれぞれは、複数の本発明に係るＢＡＷ共振器の集合によって構成される。送信フィルタ８は破線で囲ったＢＡＷ共振器１３〜１９の配列によって、受信フィルタ９は破線で囲ったＢＡＷ共振器２０〜２６の配列によってそれぞれ構成される。
送信信号は、送信フィルタ８を構成するＢＡＷ共振器１５および１９に接続される端子１６０ｂから入力され、ＢＡＷ共振器１３および１６に接続される端子１６０ａから出力される。一方、アンテナからの受信信号は移送器１２を通過し、受信フィルタ９を構成するＢＡＷ共振器２０および２３に入力され、ＢＡＷ共振器２２および２６に接続される端子１６０ｃから出力される。送信フィルタ８において、ＢＡＷ共振器１３〜１５が直列共振器を構成し、ＢＡＷ共振器１６〜１９が並列共振器を構成する。受信フィルタ９において、ＢＡＷ共振器２０〜２２が直列共振器を構成し、ＢＡＷ共振器２３〜２６が並列共振器を構成する。
なお、ここで示した共振器の配列は一例であり、共振器の配列は所望のフィルタ特性によって決定されるため、特に実施例で示した配列に限定されない。また、移送器１２として用いる回路は周知の構成でよく、例えば、インダクタおよびコンダクタ、またはλ／４伝送線路によって構成される。
図８に、図７に示す送信フィルタ８が単一基板の上に作製された場合の模式的な外観斜視図を示す。ＢＡＷ共振器１３〜１９は、上述の実施例１または２で示したような構造のＢＡＷ共振器を用いる。ここで、ＢＡＷ共振器１３〜１９は四辺形で示されているが、ＢＡＷ共振器の形状は所望のフィルタ特性によって決定されるため、四辺形に限定されない。ＢＡＷ共振器１３〜１５が直列共振器を構成し、ＢＡＷ共振器１６〜１９が並列共振器を構成する。図８において、ＢＡＷ共振器間を接続している実線はＢＡＷ共振器の上部電極層と接続される配線を、点線はＢＡＷ共振器の下部電極層と接続される配線を表わしている。四角形の領域２７は圧電層である。また、参照符号Ｐ１は不図示の内部回路からの送信信号が伝送されて来る入力配線パッドであり、送信フィルタ８のＢＡＷ共振器１３に接続されたフィルタの入力パッドＰ１１とボンディングワイヤＢＷにより接続され、さらに電極配線で直列接続されたＢＡＷ共振器７２、７３を介してフィルタの出力パッドＰ２２に接続されている。フィルタの出力パッドＰ２２と、不図示のアンテナに接続されているパッドＰ２とがボンディングワイヤＢＷにより接続される。ＢＡＷ共振器１６，１８の上部電極層に接続された配線パッドと、ＢＡＷ共振器１７，１９の下部電極層に接続された配線パッドは、それぞれボンディングワイヤＢＷにより不図示のグランドパッドに接続されている。このようにして、図７の回路図に示した送信フィルタ８が単一基板上に形成される。
ＢＡＷ共振器でフィルタを構成する際、Ｑ値の高さは、フィルタの挿入損失の小ささに関係する。また、ｋ２の大きさは、フィルタの周波数通過帯域の広さに関係する。すなわち、本実施例ではフィルタを構成するＢＡＷ共振器に、本発明に係るＢＡＷ共振器を用いているので、フィルタの低消費電力化を実現でき、また、広い通信帯域をもつ無線通信システムへの適用を可能にする。
なお、図８で示した実施例は、不図示の内部回路と送信フィルタ８の接続にボンディングワイヤＢＷを使用した場合であるが、バンプボンディング等、他の実装方法を適用しても良い。また、入力端子Ｐ２２および出力端子Ｐ１１は圧電バルク共振器の上下いずれか一方の電極に接続されていれば良く、本実施例のように特に上部電極に接続されるものに限定しない。
本実施例では、送信フィルタ８を単一基板上に形成した場合を説明したが、受信フィルタ９についても同様に単一基板上に形成することができる。また、送信フィルタ８及び受信フィルタ９、あるいは送信フィルタ８と受信フィルタ９とを含むフロントエンド部１６０を単一基板上に形成することも可能であり、この場合には、フロントエンド部およびそれを搭載した携帯電話の一層の小型化や低コスト化が可能となり、さらに将来的には、高周波集積回路との集積化にも容易に適用可能となる。
本発明に係るＢＡＷ共振器を用いた高周波モジュールの実施例を説明する。本実施例は、図９のブロック回路において、フロントエンド部１６０、高周波集積回路部１６１、および電力増幅部２８を携帯電話用チップセットとしてモジュール化したものである。尚、フロントエンド部１６０だけをモジュール化しても良く、この場合には端子１６０ａ、１６０ｂを介して高周波集積回路部１６１および電力増幅器２８と接続される。また、フロントエンド部１６０と高周波集積回路部１６１とをモジュール化しても良く、この場合には、端子１６２ａ、１６２ｂを介して高周波モジュール１６２がベースバンド部３３と接続される。
本実施例では、本発明のＢＡＷ共振器を用いたフィルタを使用していることから広い通信帯域をもつ無線システムに適応可能な高周波モジュールを提供できる。また、信号送受信系の機能をモジュール化することにより、それを搭載する携帯電話の小型化や低コスト化が可能となる。
図１０は、本発明に係るＢＡＷ共振器を用いた標準周波数発振器を構成する場合の一例である。電界の方向と垂直方向に進行する波による振動モードを利用することで、共振周波数が数MHzから数10MHzの発振器を構成できる。図１０は、本発明に係るＢＡＷ共振器を共振器部分に用いた、コルピッツ型発振器である。増幅段トランジスタ３５のゲートにＢＡＷ共振器３４が接続され、増幅段トランジスタ３５の入力に帰還がかかっている。また増幅段トランジスタの入力には、他端が接地された容量素子３６が接続されている。ＢＡＷ共振器を用いることで、従来の温度補償型水晶発振器と同等の性能が、小型かつモノリシックに実現することが出来る。
以上のように、実施例３〜５は携帯電話用フロントエンド部のフィルタおよび標準周波数発振器を代表例として説明しているが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明に係るＢＡＷ共振器は、無線LAN、無線ICタグ、等に代表される移動体通信システムにおける、高周波フィルタとしても利用可能である。また、携帯電話、パソコン、デジタルカメラ、等の電子機器で用いられる標準周波数発振器にも利用可能であり、より一層の小型化を実現することができる。
１…基板、
２…下部電極層、
３…中間層、
４…圧電層、
５…上部電極層、
６…空洞部、
７…音響絶縁構造、
８…送信フィルタ、
９…受信フィルタ、
１０…積層共振体、
１１…開口部、
１２…移送器、
１３〜２６、３４…ＢＡＷ共振器、
２７…圧電層、
３７…引き出し部分、
ｔ１…下部電極層の膜厚、
ｔ２…中間層の膜厚、
Ｐ１、Ｐ１１…入力配線用パッド、
Ｐ２、Ｐ２２…出力配線用パッド、
ＢＷ…ボンディングワイヤ。
２…下部電極層、
３…中間層、
４…圧電層、
５…上部電極層、
６…空洞部、
７…音響絶縁構造、
８…送信フィルタ、
９…受信フィルタ、
１０…積層共振体、
１１…開口部、
１２…移送器、
１３〜２６、３４…ＢＡＷ共振器、
２７…圧電層、
３７…引き出し部分、
ｔ１…下部電極層の膜厚、
ｔ２…中間層の膜厚、
Ｐ１、Ｐ１１…入力配線用パッド、
Ｐ２、Ｐ２２…出力配線用パッド、
ＢＷ…ボンディングワイヤ。
Claims (20)
- 基板と、
前記基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第１の層と、
前記第１の層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第２の電極層と
を具備して成り、
前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、
前記第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項１において、
前記圧電層は窒化アルミニウムを含んで成り、
前記第１の層はチタン、窒化チタン、金、銀、ジルコニウムおよびハフニウムのうちの少なくとも一つを含んで成ることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項２において、
前記第１の電極層は、タングステンおよびモリブデンの少なくとも一方を含んでなることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 基板と、
前記基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第１の層と、
前記第１の層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第２の電極層と
を具備して成り、
前記圧電層は、窒化アルミニウムを含んで成り、
前記第１の層はチタン、窒化チタン、金、銀、ジルコニウムおよびハフニウムのうちの少なくとも一つを含んで成り、
前記第１の電極層は、タングステンおよびモリブデンの少なくとも一方を含んでなることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記第１の層の厚さは、前記第１の電極層の厚さよりも薄いことを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記基板は、前記一つの面にて開口する開口部を有する空洞部を有し、
前記第１の電極層は、前記開口部と重なる部分を有してなることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項６において、
前記基板と前記第１の電極層との間に、第２の層を有することを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記基板と前記第１の電極層との間に、音響絶縁構造を有する第２の層を有することを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 請求項８において、
前記音響絶縁構造は、音響インピーダンスの異なる２種類以上の層を周期的に積み重ねて形成された音響反射器であることを特徴とするバルク弾性波共振器。 - 単一の基板に形成された複数のバルク弾性波共振器と、前記複数のバルク弾性波共振器を介して互いに接続されている入力端子および出力端子とを有するバルク弾性波共振器フィルタであって、
前記複数のバルク弾性波共振器の少なくとも１つは、
前記基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第１の層と、
前記第１の層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第２の電極層と
を具備して成り、
前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、
前記第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１０において、
前記圧電層は窒化アルミニウムを含んで成り、
前記第１の層はチタン、窒化チタン、金、銀、ジルコニウムおよびハフニウムのうちの少なくとも一つを含んで成ることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１１において、
前記第１の電極層は、タングステンおよびモリブデンの少なくとも一方を含んでなることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１０ないし１２のいずれかにおいて、
前記第１の層の厚さは、前記第１の電極層の厚さよりも薄いことを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１０ないし１２のいずれかにおいて、
前記基板は、前記一つの面にて開口する開口部を有する空洞部を有し、
前記第１の電極層は、前記開口部と重なる部分を有してなることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１４において、
前記基板と前記第１の電極層との間に、第２の層を有することを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１０ないし１２のいずれかにおいて、
前記基板と前記第１の電極層との間に、音響絶縁構造を有する第２の層を有することを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１６において、
前記音響絶縁構造は、音響インピーダンスの異なる2種類以上の層を周期的に積み重ねて形成された音響反射器であることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 請求項１０ないし１２のいずれかにおいて、
前記複数のバルク弾性波共振器は、
直列共振器を構成する第１の複数の圧電バルク共振器と、
並列共振器を構成する第２の複数の圧電バルク共振器と
を含んで成ることを特徴とするバルク弾性波共振器フィルタ。 - 第１の端子と、前記第１の端子にその入力端子が接続された第１のバルク弾性波共振器フィルタと、前記第１の端子にその出力端子が接続された第２のバルク弾性波共振器フィルタと、前記第１のバルク弾性波共振器フィルタの出力端子に接続された第２の端子と、前記第２のバルク弾性波共振器フィルタの入力端子に接続された第３の端子と、を具備して成る高周波モジュールであって、
前記第１および前記第２のバルク弾性波共振器フィルタの少なくとも一方は、
基板と、
前記基板の一つの面上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第１の層と、
前記第１の層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第２の電極層と
を具備して成り、
前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の短辺とで決まる第１の格子不整合と、前記第１の層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺と前記圧電層を構成する材料の最密充填面を構成する格子の長辺とで決まる第２の格子不整合とが、７％以下であり、
前記第１の電極層を構成する材料の弾性スティフネスＣ３３の値が、３００ＧＮ／ｍ２以上であることを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項１９において、
第４の端子と、高周波回路部とを更に具備して成り、
前記高周波回路部は、前記第２の端子と前記第４の端子との間に接続されていることを特徴とする高周波モジュール。
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