JP4044545B2 - 薄膜共振器と薄膜共振器の製造方法及び薄膜共振器を備えたフィルタ - Google Patents

薄膜共振器と薄膜共振器の製造方法及び薄膜共振器を備えたフィルタ Download PDF

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Description

本発明は、薄膜共振器の組合せから構成されたフィルタに関し、詳細には薄膜共振器及びその薄膜共振器の製造方法に関する。
図1は従来の薄膜共振器の断面を概略的に示した図である。図1に示すように、従来の薄膜共振器100は、圧電体層130、上部電極層140、下部電極層120及びメンブレイン層110(絶縁層であるが、以下ではメンブレイン層と称する)を備えている。上部電極層140は、圧電体層130の上面に備えられる。下部電極層120は、圧電体層130の下面に備えられる。メンブレイン層110は、下部電極層120を基板10上に振動可能に支持する。
前述のように構成された薄膜共振器100の主な特性の1つは、共振周波数(Resonant Frequency)が圧電体層の厚さ(t1)に応じて変化することである。薄膜共振器100が超小型に製造される最近では、薄膜共振器100の共振周波数の変化が大きく現れる圧電体層130の厚さ(t1)の調節の代わりに、上部電極層140の厚さ(t2)を調節することによって上部電極層140の質量が変化することであるいわゆる質量付加効果を用いて、共振周波数の大きさを調節する技術が用いられている。
上述のような従来の薄膜共振器100によると、薄膜共振器100を製造する時、蒸着及びエッチング工程により下部電極層120が化学的・機械的な衝撃を繰り返し受けるおそれがある。この科学的・機械的な衝撃に耐えるようにするために、下部電極層120の材料選択は慎重になされるべきである。即ち、アルミニウム合金のような軽金属よりも強度の大きなモリブデン(Mo)、タングステン(W)のように機械的、化学的強度の優れた材料で、下部電極層120が形成されることが好ましい。しかし、前述のようにモリブデンやタングステンはアルミニウムに比べてダンピング係数(Damping factor)が大きいので振動伝達の損失が生じ、その加工が複雑である。従って、薄膜共振器100の製造費用が上昇すると共に製造工程が複雑になる恐れがある。
上述のような上部電極層140の厚さ(t2)の調節を通して薄膜共振器100の共振周波数を詳説する場合、上部電極層140の厚さを異ならせることによる共振周波数の変化量は、圧電対層130の厚さを異ならせることによる共振周波数の変化量よりも小さい。しかしながら、図2に示したように、上部電極層140の厚さ(t2)が少し変化しただけで、薄膜共振器100の共振周波数の大きさが大きく変化しまう。例えば、上部電極層140の厚さ(t2)が0.1μm変化しただけで、薄膜共振器100の共振周波数の大きさが数百MHz以上変化しまう。よって、精密なフィルタの製造が困難になるおそれがある。例えば、直列共振器310(図8参照)と並列共振器320(図8参照)との間に数十MHz程度に共振周波数の差異が存在するようにフィルタを製造することが困難になるおそれがある。
本発明の目的は、精密なフィルタの製造を容易にすることができる薄膜共振器と、これを備えたフィルタ及び薄膜共振器の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、精密なフィルタの製造を容易にすることができるとともに、製造工程が複雑になることを低減することができる薄膜共振器と、これを備えたフィルタ及び薄膜共振器の製造方法を提供することにある。
発明に係る薄膜共振器は、メンブレイン層と質量付加層と下部電極層と圧電体層と上部電極層とを備える。質量付加層は、前記メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される。メンブレイン層は、基板の上部に積層される。下部電極層は、質量付加層上部に積層される。圧電体層は、下部電極層の上部に積層される。上部電極層は、圧電体層の上面に積層される。前記下部電極層の上面と、前記質量付加層の下部と、前記下部電極層及び前記質量付加層のすべての側面とは前記メンブレイン層により取り囲まれている。
この薄膜共振器では、メンブレイン層が、基板の上面に積層される。質量付加層が前記メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される。下部電極層が、メンブレイン層の上部を覆うように積層される。圧電体層は、下部電極層の上部に積層される。上部電極層は、圧電体層の上面に積層される。これにより、下部電極層と圧電体層と上部電極層とは、メンブレイン層を介して振動可能に支持され得る。
従来技術では、上部電極層の厚さを調節することにより共振周波数の大きさを決めていたが、上部電極層の厚さによる共振周波数の変化の割合が大きいため、共振周波数の大きさを精密に調節することができないおそれがある。しかし、この薄膜共振器では、メンブレイン層の厚さが、要求される共振周波数に応じて決められ得る。このため、メンブレイン層の縦弾性係数を上部電極層の縦弾性係数よりも小さくすれば、メンブレイン層の厚さによる共振周波数の変化の割合を、上部電極層の厚さによる共振周波数の変化の割合よりも小さくすることができる。このため、メンブレイン層の厚さの調節により、共振周波数の大きさを精密に調節することができる。
また、前記下部電極層の上面と、前記質量付加層の下部と、前記下部電極層及び前記質量付加層のすべての側面とが前記メンブレイン層により取り囲まれている。このため、製造工程において基板を経由して受けるおそれがある機械的・化学的衝撃がメンブレイン層により緩衝できるため、下部電極層の材料選択の自在度が確保することができる。
したがって、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。また、下部電極層の材料選択の自在度が確保することができるので、製造工程が複雑になることを低減することができる。このため、精密なフィルタの製造を容易にすることができるとともに、製造工程が複雑になることを低減することができる。
また、薄膜共振器は、メンブレイン層と質量付加層と下部電極層と圧電体層と上部電極層とを備える。メンブレイン層は、基板の上面に積層される。質量付加層は、メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される。下部電極層は、質量付加層の上部に積層される。圧電体層は、下部電極層の上部に積層される。上部電極層は、圧電体層の上面に積層されてもよい。
この薄膜共振器では、メンブレイン層が、基板の上面に積層される。質量付加層が、メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される。下部電極層が、質量付加層の上部に積層される。圧電体層が、下部電極層の上部に積層される。上部電極層が、圧電体層の上面に積層される。これにより、質量付加層と下部電極層と圧電体層と上部電極層とが、メンブレイン層を介して振動可能に支持され得る。
従来技術では、上部電極層の厚さを調節することにより共振周波数の大きさを決めていたが、上部電極層の厚さによる共振周波数の変化の割合が大きいため、共振周波数の大きさを精密に調節することができないおそれがある。しかし、この薄膜共振器では、メンブレイン層及び質量付加層の少なくとも一方の厚さが、要求される共振周波数に応じて決められ得る。このため、メンブレイン層及び質量付加層の少なくとも一方の縦弾性係数を上部電極層の縦弾性係数よりも小さくすれば、メンブレイン層及び質量付加層の少なくとも一方の厚さによる共振周波数の変化の割合を、上部電極層の厚さによる共振周波数の変化の割合よりも小さくすることができる。
したがって、メンブレイン層の厚さの調節や質量付加層の厚さの調節により、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
発明に係る薄膜共振器では、メンブレイン層の厚さの調節や質量付加層の厚さの調節により、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
また、本発明に係る薄膜共振器では、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。また、下部電極層の材料選択の自在度が確保することができるので、製造工程が複雑になることを低減することができる。このため、精密なフィルタの製造を容易にすることができるとともに、製造工程が複雑になることを低減することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳述する。
[第1実施形態]
図3は本発明の第1実施形態に係る薄膜共振器200の構造を示した図である。図3に示すように、薄膜共振器200は、メンブレイン層210、質量付加層250、下部電極層220、圧電体層230及び上部電極層240を備えている。なお、圧電体層230と上部電極層240とは通常の薄膜共振器200に用いられる構成と同様であるため、圧電体層230と上部電極層240についての詳細な説明は除く。
本実施形態における薄膜共振器200では、下部電極層220とメンブレイン層210との間に質量付加層250が形成されており、メンブレイン層210と質量付加層250との厚さに応じて薄膜共振器200の共振周波数の調節が可能であるという特徴を有している。
なお、メンブレイン層210は、基板20の上に積層され、基板20の上の層(質量付加層250、下部電極層220、圧電体層230及び上部電極層240)を振動可能に支持している。このため、圧電体層230の振動に連動して、基板20の上の層(質量付加層250、下部電極層220、圧電体層230及び上部電極層240)が振動可能である。このメンブレイン層210は、シリコンナイトライド(Si3N4)やシリコン二酸化物(SiO2)などのような絶縁体と、パリレン(parylene)やエポキシのようなポリマーコーティング剤とのいずれか一方の材料で形成される。このように形成されたメンブレイン層210の厚さ(t3)を調節する場合、図2に示した上部電極層240の厚さ(t2)(図1参照)の調節を介した共振周波数の調節量より、図4A及び図4Bに示すように、比較的に微細な共振周波数の調節が可能である。
質量付加層250は、メンブレイン層210の厚さ(t3)の調節により調節され得る共振周波数の調節範囲より大きな範囲の共振周波数を調節するために、質量が付加されたものである。このような機能を実現するために、質量付加層250は、上部電極層240と略同一な基本厚さからその厚さ(t4)が調節されたとき、同一の厚さ(t4)の変化量に対して、上部電極層240の厚さ(t2)の変化による共振周波数の変化量より小さな範囲で、薄膜共振器200の共振周波数を変化させることができる。質量付加層250は、メンブレイン層210と接合性能の優れた金属材質から形成される。さらに、質量付加層250は、メンブレイン層210と同一な基本厚さからその厚さ(t4)が調節されたとき、同一の厚さ(t4)の変化量に対して、メンブレイン層210の厚さ(t3)の変化による共振周波数の変化量より大きな範囲で、薄膜共振器200の共振周波数を変化させることのできる材質で形成されるべきである。このような機能を満足する金属であれば質量付加層250の材料としてどのようなものが使用されてもよく、本実施形態のように、上部電極層がアルミニウム合金で形成された場合、質量付加層250はアルミニウム(Al)で形成されることが好ましい。
したがって、メンブレイン層210の厚さの調節や質量付加層250の厚さの調節により、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
また、質量付加層250の厚さの調節による共振周波数の変化の割合は、メンブレイン層210の厚さの調節による共振周波数の変化の割合よりも大きく、上部電極層240の厚さの調節による共振周波数の変化の割合よりも小さいので、共振周波数の大きさを精密に調節することができる範囲をある程度確保しながら、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
[第2実施形態]
図5は本発明の第2実施形態に係る薄膜共振器200の構造を概略的に示した図である。図5において、第1実施形態と同様の構成要素は、同じ記号で示してある。図5に示すように、第2実施形態に係る薄膜共振器200は、質量付加層250が備えられていない点と、メンブレイン層215が下部電極層220の上下面を全て覆うように形成されている点とで、第1実施形態と異なる。これによると、シリコン二酸化物のように比較的に縦弾性係数(Young’s Modulus;ヤング率)が小さな材質で形成されたメンブレイン層215内部に、縦弾性係数が割合大きなアルミニウム合金から形成された下部電極層220が形成されることになる。この場合、全体的なメンブレン層215の剛性は大きくなるので、メンブレイン層215の変形が抑えられると共に、圧電体層230の振動の伝達損失がメンブレイン層215により低減される。さらに、製造工程において基板を経由して受けるおそれがある機械的・化学的衝撃がメンブレイン層215により緩衝できるため、下部電極層220材料の選択の自在度が確保され、薄膜共振器200の製造費用及び製造工程を減らすことが可能となる。したがって、製造工程が複雑になることを低減することができる。
メンブレイン層215の厚さ(t3a)を調節することにより、図2に示した上部電極層240の厚さ(t2)(図1参照)の調節を介した共振周波数の調節量より、図4A及び図4Bに示すように、比較的に微細な共振周波数の調節が可能である点は、第1実施形態と同様である。したがって、このような薄膜共振器200によっても、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
[第3実施形態]
図6は本発明の第3実施形態に係る薄膜共振器200の構造を概略的に示した図である。図6に示すように、第3実施形態に係る薄膜共振器200は、メンブレイン層213、質量付加層250、下部電極層220、圧電体層230及び上部電極層240を備えている点で、第1実施形態と同様である。第3実施形態に係る薄膜共振器200は、メンブレイン層213により質量付加層250の下面、下部電極層220の上面、及び質量付加層250と下部電極層220とのすべての側面が取り囲まれている点で、第1実施形態と異なる。この場合、製造工程において基板を経由して受けるおそれがある機械的・化学的衝撃がメンブレイン層213により緩衝できる点は、第2実施形態と同様である。このため、下部電極層220だけでなく質量付加層250の材料選択の自由度が確保される点で、第2実施形態と異なる。また、全体的なメンブレイン層213の剛性は大きくなるので、メンブレイン層213の変形が抑えられると共に、圧電体層230の振動の伝達損失が低減される。
メンブレイン層215の厚さ(t3b)を調節することにより、図2に示した上部電極層240の厚さ(t2)(図1参照)の調節を介した共振周波数の調節量より、図4A及び図4Bに示すように、比較的に微細な共振周波数の調節が可能である点は、第1実施形態と同様である。したがって、このような薄膜共振器200によっても、精密なフィルタの製造を容易にすることができる。
<薄膜共振器の製造方法>
以下、上述のように説明された本発明に係る薄膜共振器の製造方法を本発明の第3実施形態の場合を例に挙げて詳説する。
まず図7Aに示したように、基板20上に犠牲層290が形成され、写真エッチング工程のような所定のエッチング工程を介してパターニングされた後、図7Bに示したように犠牲層290の上面にメンブレイン層213が積層される。この際、エッチング工程の後に残留する犠牲層290は、メンブレン層213と基板20との間に形成され、メンブレン層213の積層はシリコンナイトライドまたはパリレンのような材料をPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposit)蒸着法を介してなされることが好ましい。
前述のようにメンブレイン層213の形成が完了すれば、図7Cに示した通りに、その上面に質量付加層250が積層されパターニングされた後、下部電極層220が積層されパターニングされる。なお、質量付加層250は、アルミニウムのような金属の蒸着により形成されることが好ましい。そして、下部電極層220は、アルミニウム合金のように従来のタングステン、モリブデンに比べてダンピング回数が小さな金属から形成されることが好ましい。さらに、下部電極層220のエッチングは、犠牲層290のエッチング工程のように写真エッチング工程を介してなされることが好ましい。
下部電極層220の形成までその過程が完了すれば、図7Dに示したように、下部電極層220の上面メンブレイン層213が再度積層される。なお、下部電極層220の上面に積層されたメンブレイン層213と、質量付加層250の下面に形成されたメンブレン層213とが繋がれて一体になるように、質量付加層250と下部電極層220との外面を取り囲むようにメンブレイン層213が積層されることが好ましい。この際、下部電極層220の上面に積層されるメンブレイン層213の材質は、質量付加層250の下部に形成されたメンブレイン層213の材質と同一でなくてもよい。一方、下部電極層220と後述される圧電体層230(図7E参照)は、図示されない下部電極層220の側面を介して接触するようにされていてもよい。この場合、図示されていないが、下部電極層220の上面を覆うメンブレン層213の一部がエッチングされた後に圧電体層230が積層されることにより、下部電極層220と圧電体層230との電気的な連結が良好に行なわれる。
このように、メンブレイン層213、質量付加層250、下部電極層220の形成が完了すれば、図7Eに示したように、圧電体層230と上部電極層240とが順次積層される。そして図7Fに示したように、犠牲層290がエッチングされて除去される。犠牲層290の除去は、薄膜共振器200の下部と基板20との間に所定間隔で隙間が形成されるようにするために行われる。
以上、本発明の第3の実施形態に係る薄膜共振器200の製造方法を説明した。しかし、本発明に係る薄膜共振器200の製造方法はその構造によって多様に変形実施可能である。
例えば、基板20が所定のパターンでエッチングされた後、エッチングされた部分に犠牲層290が積層される方法により、薄膜共振器200のメンブレイン層213の下面と基板20との間に薄膜共振器200が振動できる空間を形成させるなど、多様な変形実施が可能である。
また、図示されてないが、質量付加層250が複数積層されてもよい。この場合、各質量付加層250の間にメンブレイン層213が形成されるように、質量付加層250とメンブレイン層213との積層が交代に行われてもよい。また、質量付加層250と下部電極層220との間にもメンブレイン層213が形成されるように、質量付加層250、メンブレイン層213、下部電極層220の順に積層されてもよい。
図8は、本発明に係る薄膜共振器200が複数組み合わせられて構成されたフィルタ300の構造を簡略に示した図である。フィルタ300は、直列共振器グループ310と並列共振器グループ320とを備える。直列共振器グループ310は、少なくとも1つの第1薄膜共振器100の集合である。第1薄膜共振器100は、外部回路と直列接続される。並列共振器グループ320は、少なくとも1つの第2薄膜共振器200の集合である。第2薄膜共振器200は、外部回路と並列接続される。そして、フィルタ300は、第1薄膜共振器100の共振周波数が第2薄膜共振器200の共振周波数より所定サイズが違うように構成されている。最近では、上述したように、第1薄膜共振器100の共振周波数と第2薄膜共振器200の共振周波数との差異が50〜60MHz程度であり、微細に異なるように構成されることが多い。このため、本発明に係るフィルタ300は、第1薄膜共振器100として従来の薄膜共振器100(図1参照)を用い、第2薄膜共振器200で本発明に係る薄膜共振器200を用いる。この場合、従来より共振周波数の微細な調節が容易な本発明に係る薄膜共振器200を第2薄膜共振器200として使用できるため、精密なフィルタ300の提供がより容易になる。
以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
本発明にかかる薄膜共振器と薄膜共振器の製造方法及び薄膜共振器を備えたフィルタは、メンブレイン層の厚さの調節や質量付加層の厚さの調節により、共振周波数の大きさを精密に調節することができるので、精密なフィルタの製造を容易にすることができるという効果を有し、薄膜共振器と薄膜共振器の製造方法及び薄膜共振器を備えたフィルタ等として有用である。
従来共振器の断面を示した図である。 従来の薄膜共振器の上部電極の厚さ変化による共振周波数の変化を示した表である。 本発明の第1の実施形態に係る薄膜共振器の断面を概略的に示した図である。 図3のメンブレイン層厚さ変化に係る薄膜共振器の共振周波数の変化推移を示したグラフである。 図3の質量層厚さ変化に係る薄膜共振器の共振周波数の変化推移を示したグラフである。 本発明の第2の実施形態に係る薄膜共振器の断面を概略的に示した図である。 本発明の第3の実施形態に係る薄膜共振器の断面を概略的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 図6の薄膜共振器の製造方法を段階的に示した図である。 本発明に係る薄膜共振器を採用したフィルタの概略的な構造を示した図である。
符号の説明
300 フィルタ 200 薄膜共振器
210、213、215 メンブレイン層
220 下部電極層 230 圧電体層
240 上部電極層 250 質量付加
20 基板

Claims (9)

  1. 基板の上面に積層されるメンブレイン層と、
    前記メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される質量付加層と、
    前記質量付加層上部に積層される下部電極層と、
    前記下部電極層の上部に積層される圧電体層と、
    前記圧電体層の上面に積層される上部電極層と、
    を備え、
    前記下部電極層の上面と、前記質量付加層の下部と、前記下部電極層及び前記質量付加層のすべての側面とは、前記メンブレイン層により取り囲まれている、薄膜共振器。
  2. 前記下部電極層は、前記メンブレイン層より縦弾性係数が大きな導電体で形成されている、
    請求項に記載の薄膜共振器。
  3. 前記質量付加層は、前記メンブレイン層より縦弾性係数が大きく前記上部電極層よりは縦弾性係数が小さな材質で形成されている、
    請求項に記載の薄膜共振器。
  4. 前記メンブレイン層は、絶縁体及びポリマーコーティング剤のいずれか一方の材料で形成される、
    請求項に記載の薄膜共振器。
  5. 所定の回路と直列接続される少なくとも1つの第1薄膜共振器の集合である第1共振器グループと、前記所定の回路と並列接続される少なくとも1つの第2薄膜共振器の集合である第2共振器グループと基板とを備えるフィルタであって、
    前記第1薄膜共振器は、
    前記基板の上面に積層される第1メンブレイン層と、
    前記第1メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される第1下部電極層と、
    前記第1下部電極層の上部に積層される第1圧電体層と、
    記圧第1電体層の上面に積層される第1上部電極層と、
    を有し、
    前記第2薄膜共振器は、
    前記基板の上面に積層される第2メンブレイン層と、
    前記第2メンブレイン層の上面の一部を覆うように積層される質量付加層と、
    前記質量付加層の上部に積層される第2下部電極層と、
    前記第2下部電極層の上部に積層される第2圧電体層と、
    記圧第2電体層の上面に積層される第2上部電極層と、
    を有し、
    前記第2薄膜共振器の前記第2メンブレイン層は、前記第2下部電極層の上面と、前記質量付加層の下部と、前記第2下部電極層及び前記質量付加層のすべての側面とを取り囲んでいる、
    フィルタ。
  6. 基板上にメンブレイン層が積層される第1ステップと、
    前記第1ステップで積層された前記メンブレイン層の上に下部電極層が積層される第2ステップと、
    前記下部電極層の上面及びすべての側面に前記メンブレイン層が再度積層される第3ステップと、
    前記第3ステップで積層された前記メンブレイン層の上面に圧電体層が積層される第4ステップと、
    前記圧電体層の上面に上部電極層が積層される第5ステップと、
    を備え、
    前記第2ステップでは、
    前記第1ステップで積層された前記メンブレイン層の上に質量付加層が積層される第21ステップと、
    前記質量付加層の最上面に前記下部電極層が積層される第22ステップと、
    を有する、
    薄膜共振器の製造方法。
  7. 前記質量付加層は、複数層存在し、
    前記第21ステップは、
    前記第1ステップで積層された前記メンブレイン層の上に前記質量付加層が積層される第211ステップと、
    第211ステップで積層された前記質量付加層の上面に前記メンブレイン層が積層される第212ステップと、
    を含み、
    前記第211ステップと前記第212ステップとは、前記質量付加層の数だけ繰り返される、
    請求項に記載の薄膜共振器の製造方法。
  8. 前記第1ステップは、
    前記基板上に犠牲層が積層された後にパターニングされる第11ステップと、
    前記犠牲層の上面に前記メンブレイン層が積層される第12ステップと、
    を有する、
    請求項に記載の薄膜共振器の製造方法。
  9. 前記第5ステップで前記上部電極層が積層された後、前記11ステップでパターニングされた前記犠牲層がエッチングされて除去される第6ステップをさらに備えた、
    請求項に記載の薄膜共振器の製造方法。
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