JPWO2007026637A1 - 圧電共振器及び圧電共振器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
圧電共振器は、圧電薄膜からなる圧電体層（１０１）と、圧電体層（１０１）の一方主面上に形成され、かつその断面が圧電体層（１０１）に接する側を長辺とする台形形状を有する第１の電極（１０２）と、圧電体層（１０１）の他方主面上に形成され、かつその断面が圧電体層（１０１）に接する側を長辺とする台形形状を有する第２の電極（１０３）とを備える。
Description
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等に代表される無線通信機器に用いられる、圧電薄膜を用いた圧電共振器、及びその圧電共振器の製造方法に関する。
携帯型通信機器等に内蔵される部品は、高性能を維持しつつ、より小型化かつ軽量化されることが要求されている。例えば、携帯電話に使われている高周波信号を選別するフィルタや共用器では、小型かつ挿入損失が小さいことが要求される。この要求を満たすフィルタの１つとして、圧電薄膜を利用した圧電共振器を用いたフィルタが知られている。
図１２は、従来の圧電共振器の断面図である（特許文献１を参照）。この従来の圧電共振器は、以下の手順で製造される。
最初に、シリコン等からなる基板５０４の表面にキャビティ５０６となる凸部を形成する。そして、この凸部に、りん珪酸ガラス（ＰＳＧ）や有機レジスト等の易溶性材料からなる犠牲層を充填し、その後に平坦化する。次に、犠牲層の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁膜５１０を形成する。次に、絶縁膜５１０の上に、第１の電極５０２となる導電膜を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、導電膜を所定の形状にパターニングして、第１の電極５０２を形成する。ここで、第１の電極５０２は、スパッタ法や蒸着法により形成され、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等が広く用いられる。次に、第１の電極５０２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電体からなる圧電体層５０１が形成される。さらに、圧電体層５０１の上に、第２の電極５０３となる導電膜が形成される。次に、導電膜を再びエッチング加工することにより、第２の電極５０３を形成する。最後に、犠牲層をフッ酸や有機溶剤等の溶剤によりエッチング除去し、キャビティ５０６を形成する。
最初に、シリコン等からなる基板５０４の表面にキャビティ５０６となる凸部を形成する。そして、この凸部に、りん珪酸ガラス（ＰＳＧ）や有機レジスト等の易溶性材料からなる犠牲層を充填し、その後に平坦化する。次に、犠牲層の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁膜５１０を形成する。次に、絶縁膜５１０の上に、第１の電極５０２となる導電膜を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、導電膜を所定の形状にパターニングして、第１の電極５０２を形成する。ここで、第１の電極５０２は、スパッタ法や蒸着法により形成され、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等が広く用いられる。次に、第１の電極５０２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電体からなる圧電体層５０１が形成される。さらに、圧電体層５０１の上に、第２の電極５０３となる導電膜が形成される。次に、導電膜を再びエッチング加工することにより、第２の電極５０３を形成する。最後に、犠牲層をフッ酸や有機溶剤等の溶剤によりエッチング除去し、キャビティ５０６を形成する。
図１２で分かるように、各電極をウエットエッチングで形成した場合には、第１の電極５０２の断面形状は、圧電体層５０１に接する側が短辺となる台形形状となり、第２の電極５０３の断面形状は、圧電体層５０１に接する側が長辺となる台形形状となる。なお、ドライエッチング等の手法を用いれば、第１の電極５０２及び第２の電極５０３の断面形状は、共に端面が垂直である矩形形状となる。
図１３は、従来の他の圧電共振器の断面図である（特許文献２を参照）。この従来の圧電共振器は、上述した従来の圧電共振器のキャビティ５０６を、低音響インピーダンス層６０５と高音響インピーダンス層６０６とを交互に積層した音響ミラー層６０７に代えた構造である。この従来の圧電共振器も、基板６０４から順に積層していく製造方法が採られるため、各電極をウエットエッチングで形成した場合には、第１の電極６０２の断面形状は、圧電体層６０１に接する側が短辺となる台形形状となり、第２の電極６０３の断面形状は、圧電体層６０１に接する側が長辺となる台形形状となる。
特表２００２−５０９６４４号公報 特開２００２−２５１１９０号公報
しかしながら、上記従来の圧電共振器は、第１の電極を形成した後に圧電体層及び第２の電極を形成する手順で製造されるため、第１の電極の断面形状が、圧電体層に接する側が短辺となる台形形状や端面が垂直な矩形形状となていた。そのため、圧電共振器の電気特性において不要スプリアスが発生する等の課題を有していた。
また、上記従来の圧電共振器は、第１の電極の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、第１の電極端部において、圧電体層の結晶性が劣化して共振尖鋭度であるＱ値が劣化するという課題があった。
さらに、上記従来の圧電共振器は、犠牲層又は音響ミラー層の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、圧電体層が形成される表面の平坦度が損なわれ、圧電体層の結晶性を劣化させるという課題を有していた。
また、上記従来の圧電共振器は、第１の電極の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、第１の電極端部において、圧電体層の結晶性が劣化して共振尖鋭度であるＱ値が劣化するという課題があった。
さらに、上記従来の圧電共振器は、犠牲層又は音響ミラー層の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、圧電体層が形成される表面の平坦度が損なわれ、圧電体層の結晶性を劣化させるという課題を有していた。
それ故に、本発明の目的は、不要なスプリアスがない良好な特性を備えた圧電共振器、及びその製造方法を提供することである。
本発明は、所定の周波数で振動する圧電共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の圧電共振器は、圧電薄膜からなる圧電体層と、圧電体層の一方主面上に形成され、その断面が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極と、圧電体層の他方主面上に形成され、その断面が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極とを備えている。
好ましくは、第１の電極の断面形状と、第２の電極の断面形状とが、圧電体層を挟んで対称である。また、圧電体層は、無機材料からなる支持部を介して基板に固定されているか、無機材料からなる薄膜層を介して基板に固定されていることが好ましい。
上記構造の圧電共振器は、第１の基板に圧電体層を形成する工程と、圧電体層の一方主面上に、その断面形状が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極を形成する工程と、支持部を介した張り合わせ手法を用いて、第１の電極が形成された圧電体層を、第１の基板から第２の基板へ転写する工程と、圧電体層の他方主面上に、その断面形状が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極を形成する工程とによって、製造される。
転写する工程は、金属からなる支持部を溶融状態又は半溶融状態にして貼り合わせる工程を含んでもよいし、酸化物薄膜層からなる支持部と第２の基板とを表面活性化させて重ね合わせることで貼り合わせる工程を含んでもよい。
上述した本発明の圧電共振器は、単独でも機能するが、２つ以上接続すれば、フィルタや供与器等の高周波部品を実現することができる。また、上記高周波部品は、アンテナ、送信回路及び受信回路等と共に通信機器に用いることができる。
上記本発明によれば、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法によって、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。
１０１、５０１、６０１ 圧電体層
１０２、１０３、５０２、５０３、６０２、６０３ 電極
１０４、５０４、６０４ 基板
１０５ 支持部
１０５ａ、１０５ｂ 多層膜
１１１、 成膜用基板
１１２、１１３、 電極膜
２０５ 接合層
２０７、６０５ 低音響インピーダンス層
２０８、６０６ 高音響インピーダンス層
２０９、６０７ 音響ミラー層
３０２、３０３、３０４ 圧電共振器
３０５ インダクタ
４１０ 共用器
４１４、４２５ 送信フィルタ
４１５ 移相回路
４１６、４２６ 受信フィルタ
４２０ 通信機器
４２３ ベースバンド部
４２４ パワーアンプ
４２８ アンテナ
４２７ ＬＮＡ
５０６ キャビティ
１０２、１０３、５０２、５０３、６０２、６０３ 電極
１０４、５０４、６０４ 基板
１０５ 支持部
１０５ａ、１０５ｂ 多層膜
１１１、 成膜用基板
１１２、１１３、 電極膜
２０５ 接合層
２０７、６０５ 低音響インピーダンス層
２０８、６０６ 高音響インピーダンス層
２０９、６０７ 音響ミラー層
３０２、３０３、３０４ 圧電共振器
３０５ インダクタ
４１０ 共用器
４１４、４２５ 送信フィルタ
４１５ 移相回路
４１６、４２６ 受信フィルタ
４２０ 通信機器
４２３ ベースバンド部
４２４ パワーアンプ
４２８ アンテナ
４２７ ＬＮＡ
５０６ キャビティ
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａに示した圧電共振器のＡ−Ａ断面図であり、図１Ｂは振動部だけの図を、図１Ｃは振動部を支持部１０５によって基板１０４に載置させた図を示している。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａに示した圧電共振器のＡ−Ａ断面図であり、図１Ｂは振動部だけの図を、図１Ｃは振動部を支持部１０５によって基板１０４に載置させた図を示している。
振動部は、圧電体層１０１と、この圧電体層１０１を挟むように形成された第１の電極１０２及び第２の電極１０３とで構成される。圧電体層１０１には、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）系材料、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）等の、圧電性材料が用いられる。第１の電極１０２及び第２の電極１０３には、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、又は銅（Ｃｕ）等の導電性材料や、それらの積層金属又は合金が用いられる。
図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、第１の実施形態に係る圧電共振器は、第１の電極１０２が、圧電体層１０１の一方主面上に、その断面が圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状で形成される。また、第２の電極１０３も、圧電体層１０１の他方主面上に、圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状で形成される。なお、この例では、第１の電極１０２と第２の電極１０３とが線対称の形状で形成される例を示しているが、第１の電極１０２と第２の電極１０３との間の関係（厚みや位置等）は、特に問わない。また、圧電体層１０１の形状も特に問わない。
圧電共振器が圧電薄膜を用いた共振器の場合には、振動部が非常に薄くなる（例えば、２ＧＨｚ帯の共振器の場合は数ミクロン程度である）。よって、一般に図１Ｃに示したように、圧電共振器は、振動部が基板へ載置された状態で使用される。図１Ｃの例では、振動部は、支持部１０５を介して基板１０４に固定される。基板１０４には、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、又はサファイア等の材料が用いられる。支持部１０５には、後述する特徴的な圧電共振器製造方法を用いるため、金錫（ＡｕＳｎ）合金を主体とする材料が用いられる。
図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施形態に係る圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法では、貼り合わせ方法を用いることによって、図１Ａ〜図１Ｃに示した圧電共振器を製造する。
まず、シリコン、ガラス、又はサファイア等からなる成膜用基板１１１を準備し、この成膜用基板１１１の上に、第２の電極１０３となる電極膜１１３を形成する（図２Ａ、工程ａ）。なお、成膜用基板１１１の上には、予め平坦な熱酸化膜が絶縁膜として形成されている（図示せず）。次に、電極膜１１３の上に、圧電体層１０１を形成する（図２Ａ、工程ｂ）。例えば、２ＧＨｚ帯の圧電共振器を形成する場合、圧電体層１０１の厚みは約１１００ｎｍに、電極膜１１３の厚みは約３００ｎｍになる。本実施例では、平坦な成膜用基板１１１上に、電極膜１１３を介して圧電体層１０１を形成するため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等の影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。
次に、圧電体層１０１上に、第１の電極１０２となる電極膜１１２を形成する（図２Ａ、工程ｃ）。その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１２を所定の台形形状にパターニングし、第１の電極１０２を形成する（図２Ａ、工程ｄ）。本実施例では、硝酸系のエッチャント（硝酸−硫酸−水）を用いたウエットエッチング手法を用いて電極膜１１２の不要部分を溶解除去することで、第１の電極１０２を形成した。これにより、第１の電極１０２を、断面形状がテーパを備えるように形成することができる。すなわち、圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状の電極を得ることができる。なお、同様の台形形状が得られれば、硝酸系のエッチャントに限るものではなく、またドライエッチング等の手法を用いてもよい。
次に、支持部１０５の一部となる多層膜１０５ａを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、圧電体層１０１の上に形成する（図２Ａ、工程ｅ）。本実施例では、電子ビーム蒸によりＴｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順に、リフトオフ手法により支持部１０５の一部をパターン形成している。パターンは、圧電振動を阻害しない第１の電極１０２の領域以外に形成することが好ましい。これにより、成膜用基板１１１の準備が整ったことになる。
次に、振動部を支持する基板１０４を準備し、支持部１０５の一部となる多層膜１０５ｂを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、基板１０４の上に形成する（図２Ａ、工程ｆ）。なお、基板１０４の上には、予め平坦な熱酸化膜等が絶縁膜として形成されている（図示せず）。本実施例では、電子ビーム蒸着を用いて基板１０４を成膜用基板１１１と向かい合わせたときにＡｕＳｎ合金層が接するように、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順にリフトオフ手法により支持部１０５をパターン形成している。なお、基板１０４に形成された支持部１０５のパターンは、成膜用基板１１１に形成された支持部１０５のパターンと完全に一致する必要はなく、両基板の位置合わせ精度を考慮して、余裕を持たせることが好ましい。
次に、成膜用基板１１１の支持部１０５（多層膜１０５ａ）と基板１０４の支持部１０５（多層膜１０５ｂ）とを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図２Ｂ、工程ｇ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。本実施例では、３気圧のプレス圧を印加し、基板の貼り合わせを行った。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｎＳｕを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得ることができる。これにより、接合信頼性に優れた圧電共振器を得ることができる。
この実施例では、支持部１０５にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、支持部１０５が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が張り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、支持部１０５は、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。常温で接合することにより、振動部の残留熱応力をなくすことができるので、製造歩留まりが高くかつ周波数変動等の経時変化が少ない圧電共振器を得ることができる。
次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板１１１を除去する（図２Ｂ、工程ｈ）。例えば、ドライエッチングを用いて成膜用基板１１１を除去することができる。この工程ｇ及び工程ｈにより、元々成膜用基板１１１にあった形成物が、基板１０４に転写されたことになる。次に、その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１３を所定の台形形状にパターニングし、第２の電極１０３を形成する（図２Ｂ、工程ｉ）。これにより、圧電体層１０１に接した側が長辺となる台形形状を断面とする第２の電極１０３が形成される。最後に、圧電体層１０１の不要な部分をエッチング除去することにより（図２Ｂ、工程ｊ）、図１Ｃに示す圧電共振器が完成する。
なお、上記製造方法では、成膜用基板１１１をエッチング除去している例を示したが、電極膜１１３と成膜用基板１１１との間に剥離層を設け、剥離層から成膜用基板１１１を切り離してもよい。また、電極膜１１３を形成せずに、成膜用基板１１１の上に剥離層及び圧電体層１０１を積層してもよい。この場合、成膜用基板１１１を剥離した後、第２の電極１０３をパターニング形成する必要がある。剥離層として、ＡｌＮと光学的特性が異なる窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用すれば、レーザを照射することでＧａＮだけを分解してＡｌＮを転写することができる。また、剥離層として、電極膜１１３との親和力が小さい金属膜や、溶剤等に容易に溶解する金属膜や酸化物、又はガラス等を用いてもよい。
次に、上記製造方法を用いて形成された構造による第１の実施形態に係る圧電共振器の効果について説明する。
従来の圧電共振器では、第１の電極をパターニングし、次いで圧電体層を形成しなければならなかった。しかし、本発明では、成膜用基板１１１を準備して、パターニングされていない電極膜１１３上に圧電体層１０１を形成する。このため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等への影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。具体的には、電極膜（Ｍｏ）をパターニングした後に成膜した圧電体層（ＡｌＮ）の結晶性の指標であるＸ回折の（０００２）面の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が１．５度であったのに対し、電極膜（Ｍｏ）をパターニングせずに成膜した圧電体層（ＡｌＮ）のＦＷＨＭは１．１度となる。
従来の圧電共振器では、第１の電極をパターニングし、次いで圧電体層を形成しなければならなかった。しかし、本発明では、成膜用基板１１１を準備して、パターニングされていない電極膜１１３上に圧電体層１０１を形成する。このため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等への影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。具体的には、電極膜（Ｍｏ）をパターニングした後に成膜した圧電体層（ＡｌＮ）の結晶性の指標であるＸ回折の（０００２）面の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が１．５度であったのに対し、電極膜（Ｍｏ）をパターニングせずに成膜した圧電体層（ＡｌＮ）のＦＷＨＭは１．１度となる。
このように、本発明では、第１の電極１０２のパターニングを圧電体層１０１を形成した後に行うため、圧電体層１０１の結晶性を大幅に向上させることができる。また、これにより圧電共振器としての性能を表すＱ値も向上させることができる。発明者による実験では、約２０％のＱ値向上が観測できた。このようなＱ値向上の効果は、どのような電極材料、圧電材料、及び基板材料を用いても発揮される。さらに、結晶性の向上によって圧電体層の絶縁耐圧も向上し、圧電共振器の耐電力特性も向上する。
図３は、第１の実施形態に係る圧電共振器の電気特性（アドミタンス）を示した図である。また、図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示す電気特性を説明するための圧電共振器の構造断面図である。
図３の（ａ）は、従来の圧電共振器（図４Ａ）の特性を示したものであり、共振周波数と***振周波数との間に不要振動に起因するスプリアス（不要電気信号）が観察される。図３の（ａ）では、図４Ａに示したように、電極の存在によって図中の点線部に音響不連続部が形成され、振動方向に対して垂直な方向（横方向）に伝搬する不要モード振動等の反射が起こり、スプリアスが発生していると考えられる。
図３の（ａ）は、従来の圧電共振器（図４Ａ）の特性を示したものであり、共振周波数と***振周波数との間に不要振動に起因するスプリアス（不要電気信号）が観察される。図３の（ａ）では、図４Ａに示したように、電極の存在によって図中の点線部に音響不連続部が形成され、振動方向に対して垂直な方向（横方向）に伝搬する不要モード振動等の反射が起こり、スプリアスが発生していると考えられる。
一方、図３の（ｂ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る圧電共振器の特性を示した図である。圧電体層１０１を挟んで形成された台形形状の第１の電極１０２及び第２の電極１０３の長辺ｄ（この例では、各電極が円形でありその直径に相当）が５０μｍに対してｒの値が、図３の（ｂ）では０．３μｍ、図３の（ｃ）では０．５μｍ、図３の（ｄ）では１μｍ、及び図３の（ｅ）では３μｍの場合が示されている。この図３によれば、本発明の圧電共振器は従来の圧電共振器に比べて、スプリアスが抑圧されていることが分かる。つまり、電極の端部において厚みが徐々に変化するようにｒの値を設定することで、不要モード振動の電極端部での反射を抑制することができ、アドミタンス特性においてスプリアスを低減することができる。ｒの値は、特に制約はないが、電極の厚みと同等以上の値であれば、スプリアス抑制効果が得られる。より好ましくは、テーパ角θの角度を３０°以下（図３の例では、ｒ＝０．５μｍ以上）にすれば、スプリアスの抑制効果が得られる。よって、共振周波数付近から***振周波数付近にかけて、スプリアスが少なくかつＱ値の高い圧電共振器を実現することができる。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器によれば、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法を用いれば、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。
なお、上記第１の実施形態では、圧電共振器の形状、すなわち第１の電極１０２及び第２の電極１０３が円形である場合を示した。しかし、第１の電極１０２及び第２の電極１０３の形状は、図５Ａ〜図５Ｃのように、矩形、楕円形、又は多角形等さまざまな形状を用いることが可能である。
また、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の構造に、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
また、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の構造に、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
（第２の実施形態）
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示した圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。この第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の支持部１０５によって形成されていたキャビティを音響ミラー層２０９に代えた構造である。よって、第２の実施形態において、音響ミラー層２０９以外の第１の実施形態と同様の構造箇所については、同一の参照符号を付して一部の説明を省略する。
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示した圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。この第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の支持部１０５によって形成されていたキャビティを音響ミラー層２０９に代えた構造である。よって、第２の実施形態において、音響ミラー層２０９以外の第１の実施形態と同様の構造箇所については、同一の参照符号を付して一部の説明を省略する。
図６Ｂに示すように、第２の実施形態に係る圧電共振器は、第１の電極１０２が、圧電体層１０１に接する側が長辺となる台形形状に形成される。また、第２の電極１０３も、圧電体層１０１に接する側が長辺となる台形形状に形成される。
音響ミラー層２０９は、例えば酸化ケイ素からなる低音響インピーダンス層２０７と、例えば酸化ハフニウムからなる高音響インピーダンス層２０８とが、交互に積層されて構成される。この実施例では、５層構造になっているが、積層数に限定はない。この低音響インピーダンス層２０７及び高音響インピーダンス層２０８は、第１の電極１０２の上に積層されて形成されるので、図６Ｂに示すように第１の電極１０２の台形形状に合わせて曲折した層となる。好ましくは、低音響インピーダンス層２０７及び高音響インピーダンス層２０８の厚さを、それぞれ音響波長の１／４と設定することにより、振動部で励振された弾性波を効果的に閉じ込めることができる。
図７Ａ及び図７Ｂは、第２の実施形態に係る圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法でも、上記第１の実施形態と同様に、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって、図６Ａ及び図６Ｂに示した圧電共振器を製造する。なお、第２の実施形態に係る圧電共振器の製造方法のうち、工程ａ〜工程ｄは上記第１の実施形態に係る圧電共振器の製造方法と同様であるため、説明を省略する。
図７Ａの工程ｄが終わると、次に、圧電体層１０１及び第１の電極１０２上に、音響ミラー層２０９を形成する（図７Ａ、工程ｋ）。例えば、化学気相法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化ケイ素（低音響インピーダンス層２０７）を、物理気相法（ＰＶＤ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化ハフニウム（高音響インピーダンス層２０８）を、それぞれ形成する。
次に、振動部を支持する基板１０４を準備し、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｎＳｎ合金からなる接合層２０５（支持部１０５に相当）を、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて形成する（図７Ａ、工程ｌ）。なお、基板１０４の上には、予め平坦な熱酸化膜等が絶縁膜として形成されている（図示せず）。
次に、成膜用基板１１１の音響ミラー層２０９と基板１０４の接合層２０５とを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図７Ｂ、工程ｍ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｎＳｕを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得るてもよい。
この実施例では、接合層２０５にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、接合層２０５が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が張り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、音響ミラー層２０９としてモリブデンやタングステン等の金属を用いた場合には、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、音響ミラー層２０９の最下層が酸化物層の場合等の場合には、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。この場合、基板１０４側に特に接合層を形成する必要がなく、圧電共振器と基板とを直接接合することができる。
次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板１１１を除去する（図７Ｂ、工程ｎ）。次に、その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１３を所定の台形形状にパターニングし、第２の電極１０３を形成する（図７Ｂ、工程ｏ）。これにより、圧電体層１０１に接した側が長辺となる台形形状を断面とする第２の電極１０３が形成される。最後に、圧電体層１０１及び音響ミラー層２０９の不要な部分をエッチング除去することにより（図７Ｂ、工程ｐ）、図６Ｂに示す圧電共振器が完成する。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器によれば、不要スプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法を用いれば、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。この第２の実施形態に係る圧電共振器の電気特性（アドミタンス）は、上記第１の実施形態で説明した通りである。
なお、上記第２の実施形態でも、圧電共振器の形状として、矩形、楕円形、又は多角形等さまざまな形状を用いることが可能であり（図５Ａ〜図５Ｃを参照）、また、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
（圧電共振器を用いた構成の例）
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図である。図８に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが梯子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させることにより、帯域通過型の高周波フィルタを構成できる。
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図である。図８に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが梯子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させることにより、帯域通過型の高周波フィルタを構成できる。
また、図９は、本発明の圧電共振器を用いた他の圧電フィルタ回路の例を示す図である。図９に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２及びバイパス圧電共振器３０４と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが格子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させると共に、バイパス圧電共振器３０４の共振周波数を並列圧電共振器３０３の共振周波数よりも低く設定することにより、帯域外減衰量が大きくかつ低損失な帯域通過型のフィルタを構成できる。
このような圧電フィルタ回路では、圧電共振器の共振周波数及び***振周波数付近のスプリアス信号は、フィルタの通過帯域の特性に大きな影響を及ぼす。本発明の圧電共振器を適用することにより、通過帯域内にスプリアスがなく、Ｑ値の高い共振器であることから、低損失かつスカート特性に優れた高周波フィルタを得ることができる。
なお、本発明の圧電共振器を用いた上記圧電フィルタ回路の構成は一例であり、段数（圧電共振器の素子数）や接続形状はこれに限られず、ラティス型のフィルタ、複数の共振器を平面方向や厚み方向に隣接配置させた多重モードフィルタ等、圧電共振器を利用した種々のフィルタに適用可能である。
なお、本発明の圧電共振器を用いた上記圧電フィルタ回路の構成は一例であり、段数（圧電共振器の素子数）や接続形状はこれに限られず、ラティス型のフィルタ、複数の共振器を平面方向や厚み方向に隣接配置させた多重モードフィルタ等、圧電共振器を利用した種々のフィルタに適用可能である。
図１０は、上述したような圧電フィルタ回路を用いた共用器４１０の例を示す図である。図１０に示す共用器４１０は、送信端子４１１と受信端子４１２との間に、送信フィルタ４１４、移相回路４１５、及び受信フィルタ４１６が順に直接接続され、送信フィルタ４１４と移相回路４１５との間にアンテナ端子４１３が接続されている。
また、図１１は、上述したような共用器を用いた通信機器４２０の例を示す図である。図１１に示す通信機器４２０では、送信端子４２１から入力された信号は、ベースバンド部４２３を通り、パワーアンプ４２４で増幅され、送信フィルタ４２５でフィルタリングされ、アンテナ４２８から電波として送信される。また、アンテナ４２８で受信された信号は、受信フィルタ４２６でフィルタリングされ、ＬＮＡ４２７で増幅され、ベースバンド部４２３を通り、受信端子４２２に伝達される。
本発明の圧電共振器は、高周波フィルタや共用器等の高周波回路部品、及び通信機器等に利用可能であり、特に、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、高いＱ値を得たい場合等に有用である。
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等に代表される無線通信機器に用いられる、圧電薄膜を用いた圧電共振器、及びその圧電共振器の製造方法に関する。
携帯型通信機器等に内蔵される部品は、高性能を維持しつつ、より小型化かつ軽量化されることが要求されている。例えば、携帯電話に使われている高周波信号を選別するフィルタや共用器では、小型かつ挿入損失が小さいことが要求される。この要求を満たすフィルタの１つとして、圧電薄膜を利用した圧電共振器を用いたフィルタが知られている。
図１２は、従来の圧電共振器の断面図である（特許文献１を参照）。この従来の圧電共振器は、以下の手順で製造される。
最初に、シリコン等からなる基板５０４の表面にキャビティ５０６となる凸部を形成する。そして、この凸部に、りん珪酸ガラス（ＰＳＧ）や有機レジスト等の易溶性材料からなる犠牲層を充填し、その後に平坦化する。次に、犠牲層の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁膜５１０を形成する。次に、絶縁膜５１０の上に、第１の電極５０２となる導電膜を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、導電膜を所定の形状にパターニングして、第１の電極５０２を形成する。ここで、第１の電極５０２は、スパッタ法や蒸着法により形成され、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等が広く用いられる。次に、第１の電極５０２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電体からなる圧電体層５０１が形成される。さらに、圧電体層５０１の上に、第２の電極５０３となる導電膜が形成される。次に、導電膜を再びエッチング加工することにより、第２の電極５０３を形成する。最後に、犠牲層をフッ酸や有機溶剤等の溶剤によりエッチング除去し、キャビティ５０６を形成する。
最初に、シリコン等からなる基板５０４の表面にキャビティ５０６となる凸部を形成する。そして、この凸部に、りん珪酸ガラス（ＰＳＧ）や有機レジスト等の易溶性材料からなる犠牲層を充填し、その後に平坦化する。次に、犠牲層の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁膜５１０を形成する。次に、絶縁膜５１０の上に、第１の電極５０２となる導電膜を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、導電膜を所定の形状にパターニングして、第１の電極５０２を形成する。ここで、第１の電極５０２は、スパッタ法や蒸着法により形成され、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等が広く用いられる。次に、第１の電極５０２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電体からなる圧電体層５０１が形成される。さらに、圧電体層５０１の上に、第２の電極５０３となる導電膜が形成される。次に、導電膜を再びエッチング加工することにより、第２の電極５０３を形成する。最後に、犠牲層をフッ酸や有機溶剤等の溶剤によりエッチング除去し、キャビティ５０６を形成する。
図１２で分かるように、各電極をウエットエッチングで形成した場合には、第１の電極５０２の断面形状は、圧電体層５０１に接する側が短辺となる台形形状となり、第２の電極５０３の断面形状は、圧電体層５０１に接する側が長辺となる台形形状となる。なお、ドライエッチング等の手法を用いれば、第１の電極５０２及び第２の電極５０３の断面形状は、共に端面が垂直である矩形形状となる。
図１３は、従来の他の圧電共振器の断面図である（特許文献２を参照）。この従来の圧電共振器は、上述した従来の圧電共振器のキャビティ５０６を、低音響インピーダンス層６０５と高音響インピーダンス層６０６とを交互に積層した音響ミラー層６０７に代えた構造である。この従来の圧電共振器も、基板６０４から順に積層していく製造方法が採られるため、各電極をウエットエッチングで形成した場合には、第１の電極６０２の断面形状は、圧電体層６０１に接する側が短辺となる台形形状となり、第２の電極６０３の断面形状は、圧電体層６０１に接する側が長辺となる台形形状となる。
特表２００２−５０９６４４号公報
特開２００２−２５１１９０号公報
しかしながら、上記従来の圧電共振器は、第１の電極を形成した後に圧電体層及び第２の電極を形成する手順で製造されるため、第１の電極の断面形状が、圧電体層に接する側が短辺となる台形形状や端面が垂直な矩形形状となていた。そのため、圧電共振器の電気特性において不要スプリアスが発生する等の課題を有していた。
また、上記従来の圧電共振器は、第１の電極の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、第１の電極端部において、圧電体層の結晶性が劣化して共振尖鋭度であるＱ値が劣化するという課題があった。
さらに、上記従来の圧電共振器は、犠牲層又は音響ミラー層の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、圧電体層が形成される表面の平坦度が損なわれ、圧電体層の結晶性を劣化させるという課題を有していた。
また、上記従来の圧電共振器は、第１の電極の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、第１の電極端部において、圧電体層の結晶性が劣化して共振尖鋭度であるＱ値が劣化するという課題があった。
さらに、上記従来の圧電共振器は、犠牲層又は音響ミラー層の上に圧電体層を形成する手順で製造されるため、圧電体層が形成される表面の平坦度が損なわれ、圧電体層の結晶性を劣化させるという課題を有していた。
それ故に、本発明の目的は、不要なスプリアスがない良好な特性を備えた圧電共振器、及びその製造方法を提供することである。
本発明は、所定の周波数で振動する圧電共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の圧電共振器は、圧電薄膜からなる圧電体層と、圧電体層の一方主面上に形成され、その断面が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極と、圧電体層の他方主面上に形成され、その断面が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極とを備えている。
好ましくは、第１の電極の断面形状と、第２の電極の断面形状とが、圧電体層を挟んで対称である。また、圧電体層は、無機材料からなる支持部を介して基板に固定されているか、無機材料からなる薄膜層を介して基板に固定されていることが好ましい。
上記構造の圧電共振器は、第１の基板に圧電体層を形成する工程と、圧電体層の一方主面上に、その断面形状が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極を形成する工程と、支持部を介した張り合わせ手法を用いて、第１の電極が形成された圧電体層を、第１の基板から第２の基板へ転写する工程と、圧電体層の他方主面上に、その断面形状が圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極を形成する工程とによって、製造される。
転写する工程は、金属からなる支持部を溶融状態又は半溶融状態にして貼り合わせる工程を含んでもよいし、酸化物薄膜層からなる支持部と第２の基板とを表面活性化させて重ね合わせることで貼り合わせる工程を含んでもよい。
上述した本発明の圧電共振器は、単独でも機能するが、２つ以上接続すれば、フィルタや供与器等の高周波部品を実現することができる。また、上記高周波部品は、アンテナ、送信回路及び受信回路等と共に通信機器に用いることができる。
上記本発明によれば、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法によって、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａに示した圧電共振器のＡ−Ａ断面図であり、図１Ｂは振動部だけの図を、図１Ｃは振動部を支持部１０５によって基板１０４に載置させた図を示している。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａに示した圧電共振器のＡ−Ａ断面図であり、図１Ｂは振動部だけの図を、図１Ｃは振動部を支持部１０５によって基板１０４に載置させた図を示している。
振動部は、圧電体層１０１と、この圧電体層１０１を挟むように形成された第１の電極１０２及び第２の電極１０３とで構成される。圧電体層１０１には、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）系材料、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）等の、圧電性材料が用いられる。第１の電極１０２及び第２の電極１０３には、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、又は銅（Ｃｕ）等の導電性材料や、それらの積層金属又は合金が用いられる。
図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、第１の実施形態に係る圧電共振器は、第１の電極１０２が、圧電体層１０１の一方主面上に、その断面が圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状で形成される。また、第２の電極１０３も、圧電体層１０１の他方主面上に、圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状で形成される。なお、この例では、第１の電極１０２と第２の電極１０３とが線対称の形状で形成される例を示しているが、第１の電極１０２と第２の電極１０３との間の関係（厚みや位置等）は、特に問わない。また、圧電体層１０１の形状も特に問わない。
圧電共振器が圧電薄膜を用いた共振器の場合には、振動部が非常に薄くなる（例えば、２ＧＨｚ帯の共振器の場合は数ミクロン程度である）。よって、一般に図１Ｃに示したように、圧電共振器は、振動部が基板へ載置された状態で使用される。図１Ｃの例では、振動部は、支持部１０５を介して基板１０４に固定される。基板１０４には、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、又はサファイア等の材料が用いられる。支持部１０５には、後述する特徴的な圧電共振器製造方法を用いるため、金錫（ＡｕＳｎ）合金を主体とする材料が用いられる。
図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施形態に係る圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法では、貼り合わせ方法を用いることによって、図１Ａ〜図１Ｃに示した圧電共振器を製造する。
まず、シリコン、ガラス、又はサファイア等からなる成膜用基板１１１を準備し、この成膜用基板１１１の上に、第２の電極１０３となる電極膜１１３を形成する（図２Ａ、工程ａ）。なお、成膜用基板１１１の上には、予め平坦な熱酸化膜が絶縁膜として形成されている（図示せず）。次に、電極膜１１３の上に、圧電体層１０１を形成する（図２Ａ、工程ｂ）。例えば、２ＧＨｚ帯の圧電共振器を形成する場合、圧電体層１０１の厚みは約１１００ｎｍに、電極膜１１３の厚みは約３００ｎｍになる。本実施例では、平坦な成膜用基板１１１上に、電極膜１１３を介して圧電体層１０１を形成するため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等の影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。
次に、圧電体層１０１上に、第１の電極１０２となる電極膜１１２を形成する（図２Ａ、工程ｃ）。その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１２を所定の台形形状にパターニングし、第１の電極１０２を形成する（図２Ａ、工程ｄ）。本実施例では、硝酸系のエッチャント（硝酸−硫酸−水）を用いたウエットエッチング手法を用いて電極膜１１２の不要部分を溶解除去することで、第１の電極１０２を形成した。これにより、第１の電極１０２を、断面形状がテーパを備えるように形成することができる。すなわち、圧電体層１０１に接する側を長辺とする台形形状の電極を得ることができる。なお、同様の台形形状が得られれば、硝酸系のエッチャントに限るものではなく、またドライエッチング等の手法を用いてもよい。
次に、支持部１０５の一部となる多層膜１０５ａを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、圧電体層１０１の上に形成する（図２Ａ、工程ｅ）。本実施例では、電子ビーム蒸によりＴｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順に、リフトオフ手法により支持部１０５の一部をパターン形成している。パターンは、圧電振動を阻害しない第１の電極１０２の領域以外に形成することが好ましい。これにより、成膜用基板１１１の準備が整ったことになる。
次に、振動部を支持する基板１０４を準備し、支持部１０５の一部となる多層膜１０５ｂを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、基板１０４の上に形成する（図２Ａ、工程ｆ）。なお、基板１０４の上には、予め平坦な熱酸化膜等が絶縁膜として形成されている（図示せず）。本実施例では、電子ビーム蒸着を用いて基板１０４を成膜用基板１１１と向かい合わせたときにＡｕＳｎ合金層が接するように、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順にリフトオフ手法により支持部１０５をパターン形成している。なお、基板１０４に形成された支持部１０５のパターンは、成膜用基板１１１に形成された支持部１０５のパターンと完全に一致する必要はなく、両基板の位置合わせ精度を考慮して、余裕を持たせることが好ましい。
次に、成膜用基板１１１の支持部１０５（多層膜１０５ａ）と基板１０４の支持部１０５（多層膜１０５ｂ）とを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図２Ｂ、工程ｇ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。本実施例では、３気圧のプレス圧を印加し、基板の貼り合わせを行った。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｎＳｕを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得ることができる。これにより、接合信頼性に優れた圧電共振器を得ることができる。
この実施例では、支持部１０５にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、支持部１０５が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が張り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、支持部１０５は、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。常温で接合することにより、振動部の残留熱応力をなくすことができるので、製造歩留まりが高くかつ周波数変動等の経時変化が少ない圧電共振器を得ることができる。
次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板１１１を除去する（図２Ｂ、工程ｈ）。例えば、ドライエッチングを用いて成膜用基板１１１を除去することができる。この工程ｇ及び工程ｈにより、元々成膜用基板１１１にあった形成物が、基板１０４に転写されたことになる。次に、その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１３を所定の台形形状にパターニングし、第２の電極１０３を形成する（図２Ｂ、工程ｉ）。これにより、圧電体層１０１に接した側が長辺となる台形形状を断面とする第２の電極１０３が形成される。最後に、圧電体層１０１の不要な部分をエッチング除去することにより（図２Ｂ、工程ｊ）、図１Ｃに示す圧電共振器が完成する。
なお、上記製造方法では、成膜用基板１１１をエッチング除去している例を示したが、電極膜１１３と成膜用基板１１１との間に剥離層を設け、剥離層から成膜用基板１１１を切り離してもよい。また、電極膜１１３を形成せずに、成膜用基板１１１の上に剥離層及び圧電体層１０１を積層してもよい。この場合、成膜用基板１１１を剥離した後、第２の電極１０３をパターニング形成する必要がある。剥離層として、ＡｌＮと光学的特性が異なる窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用すれば、レーザを照射することでＧａＮだけを分解してＡｌＮを転写することができる。また、剥離層として、電極膜１１３との親和力が小さい金属膜や、溶剤等に容易に溶解する金属膜や酸化物、又はガラス等を用いてもよい。
次に、上記製造方法を用いて形成された構造による第１の実施形態に係る圧電共振器の効果について説明する。
従来の圧電共振器では、第１の電極をパターニングし、次いで圧電体層を形成しなければならなかった。しかし、本発明では、成膜用基板１１１を準備して、パターニングされていない電極膜１１３上に圧電体層１０１を形成する。このため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等への影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。具体的には、電極膜（Ｍｏ）をパターニングした後に成膜した圧電体層（ＡｌＮ）の結晶性の指標であるＸ回折の（０００２）面の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が１．５度であったのに対し、電極膜（Ｍｏ）をパターニングせずに成膜した圧電体層（ＡｌＮ）のＦＷＨＭは１．１度となる。
従来の圧電共振器では、第１の電極をパターニングし、次いで圧電体層を形成しなければならなかった。しかし、本発明では、成膜用基板１１１を準備して、パターニングされていない電極膜１１３上に圧電体層１０１を形成する。このため、電極膜１１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜１１３の表面劣化等への影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層１０１を得ることができる。具体的には、電極膜（Ｍｏ）をパターニングした後に成膜した圧電体層（ＡｌＮ）の結晶性の指標であるＸ回折の（０００２）面の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が１．５度であったのに対し、電極膜（Ｍｏ）をパターニングせずに成膜した圧電体層（ＡｌＮ）のＦＷＨＭは１．１度となる。
このように、本発明では、第１の電極１０２のパターニングを圧電体層１０１を形成した後に行うため、圧電体層１０１の結晶性を大幅に向上させることができる。また、これにより圧電共振器としての性能を表すＱ値も向上させることができる。発明者による実験では、約２０％のＱ値向上が観測できた。このようなＱ値向上の効果は、どのような電極材料、圧電材料、及び基板材料を用いても発揮される。さらに、結晶性の向上によって圧電体層の絶縁耐圧も向上し、圧電共振器の耐電力特性も向上する。
図３は、第１の実施形態に係る圧電共振器の電気特性（アドミタンス）を示した図である。また、図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示す電気特性を説明するための圧電共振器の構造断面図である。
図３の（ａ）は、従来の圧電共振器（図４Ａ）の特性を示したものであり、共振周波数と***振周波数との間に不要振動に起因するスプリアス（不要電気信号）が観察される。図３の（ａ）では、図４Ａに示したように、電極の存在によって図中の点線部に音響不連続部が形成され、振動方向に対して垂直な方向（横方向）に伝搬する不要モード振動等の反射が起こり、スプリアスが発生していると考えられる。
図３の（ａ）は、従来の圧電共振器（図４Ａ）の特性を示したものであり、共振周波数と***振周波数との間に不要振動に起因するスプリアス（不要電気信号）が観察される。図３の（ａ）では、図４Ａに示したように、電極の存在によって図中の点線部に音響不連続部が形成され、振動方向に対して垂直な方向（横方向）に伝搬する不要モード振動等の反射が起こり、スプリアスが発生していると考えられる。
一方、図３の（ｂ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る圧電共振器の特性を示した図である。圧電体層１０１を挟んで形成された台形形状の第１の電極１０２及び第２の電極１０３の長辺ｄ（この例では、各電極が円形でありその直径に相当）が５０μｍに対してｒの値が、図３の（ｂ）では０．３μｍ、図３の（ｃ）では０．５μｍ、図３の（ｄ）では１μｍ、及び図３の（ｅ）では３μｍの場合が示されている。この図３によれば、本発明の圧電共振器は従来の圧電共振器に比べて、スプリアスが抑圧されていることが分かる。つまり、電極の端部において厚みが徐々に変化するようにｒの値を設定することで、不要モード振動の電極端部での反射を抑制することができ、アドミタンス特性においてスプリアスを低減することができる。ｒの値は、特に制約はないが、電極の厚みと同等以上の値であれば、スプリアス抑制効果が得られる。より好ましくは、テーパ角θの角度を３０°以下（図３の例では、ｒ＝０．５μｍ以上）にすれば、スプリアスの抑制効果が得られる。よって、共振周波数付近から***振周波数付近にかけて、スプリアスが少なくかつＱ値の高い圧電共振器を実現することができる。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器によれば、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法を用いれば、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。
なお、上記第１の実施形態では、圧電共振器の形状、すなわち第１の電極１０２及び第２の電極１０３が円形である場合を示した。しかし、第１の電極１０２及び第２の電極１０３の形状は、図５Ａ〜図５Ｃのように、矩形、楕円形、又は多角形等さまざまな形状を用いることが可能である。
また、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の構造に、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
また、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の構造に、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
（第２の実施形態）
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示した圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。この第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の支持部１０５によって形成されていたキャビティを音響ミラー層２０９に代えた構造である。よって、第２の実施形態において、音響ミラー層２０９以外の第１の実施形態と同様の構造箇所については、同一の参照符号を付して一部の説明を省略する。
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の構造を模式的に示した上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示した圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。この第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器の支持部１０５によって形成されていたキャビティを音響ミラー層２０９に代えた構造である。よって、第２の実施形態において、音響ミラー層２０９以外の第１の実施形態と同様の構造箇所については、同一の参照符号を付して一部の説明を省略する。
図６Ｂに示すように、第２の実施形態に係る圧電共振器は、第１の電極１０２が、圧電体層１０１に接する側が長辺となる台形形状に形成される。また、第２の電極１０３も、圧電体層１０１に接する側が長辺となる台形形状に形成される。
音響ミラー層２０９は、例えば酸化ケイ素からなる低音響インピーダンス層２０７と、例えば酸化ハフニウムからなる高音響インピーダンス層２０８とが、交互に積層されて構成される。この実施例では、５層構造になっているが、積層数に限定はない。この低音響インピーダンス層２０７及び高音響インピーダンス層２０８は、第１の電極１０２の上に積層されて形成されるので、図６Ｂに示すように第１の電極１０２の台形形状に合わせて曲折した層となる。好ましくは、低音響インピーダンス層２０７及び高音響インピーダンス層２０８の厚さを、それぞれ音響波長の１／４と設定することにより、振動部で励振された弾性波を効果的に閉じ込めることができる。
図７Ａ及び図７Ｂは、第２の実施形態に係る圧電共振器の製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法でも、上記第１の実施形態と同様に、２つの基板を貼り合わせる方法を用いることによって、図６Ａ及び図６Ｂに示した圧電共振器を製造する。なお、第２の実施形態に係る圧電共振器の製造方法のうち、工程ａ〜工程ｄは上記第１の実施形態に係る圧電共振器の製造方法と同様であるため、説明を省略する。
図７Ａの工程ｄが終わると、次に、圧電体層１０１及び第１の電極１０２上に、音響ミラー層２０９を形成する（図７Ａ、工程ｋ）。例えば、化学気相法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化ケイ素（低音響インピーダンス層２０７）を、物理気相法（ＰＶＤ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化ハフニウム（高音響インピーダンス層２０８）を、それぞれ形成する。
次に、振動部を支持する基板１０４を準備し、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｎＳｎ合金からなる接合層２０５（支持部１０５に相当）を、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて形成する（図７Ａ、工程ｌ）。なお、基板１０４の上には、予め平坦な熱酸化膜等が絶縁膜として形成されている（図示せず）。
次に、成膜用基板１１１の音響ミラー層２０９と基板１０４の接合層２０５とを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図７Ｂ、工程ｍ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｎＳｕを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得るてもよい。
この実施例では、接合層２０５にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、接合層２０５が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が張り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、音響ミラー層２０９としてモリブデンやタングステン等の金属を用いた場合には、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、音響ミラー層２０９の最下層が酸化物層の場合等の場合には、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。この場合、基板１０４側に特に接合層を形成する必要がなく、圧電共振器と基板とを直接接合することができる。
次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板１１１を除去する（図７Ｂ、工程ｎ）。次に、その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜１１３を所定の台形形状にパターニングし、第２の電極１０３を形成する（図７Ｂ、工程ｏ）。これにより、圧電体層１０１に接した側が長辺となる台形形状を断面とする第２の電極１０３が形成される。最後に、圧電体層１０１及び音響ミラー層２０９の不要な部分をエッチング除去することにより（図７Ｂ、工程ｐ）、図６Ｂに示す圧電共振器が完成する。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器によれば、不要スプリアスを効果的に抑圧し、Ｑ値が高い圧電共振器を実現することができる。特に、本発明の圧電共振器の製造方法を用いれば、圧電体層の結晶性を損なうことがなく、高品位な圧電体層を共振器に適用することができる。この第２の実施形態に係る圧電共振器の電気特性（アドミタンス）は、上記第１の実施形態で説明した通りである。
なお、上記第２の実施形態でも、圧電共振器の形状として、矩形、楕円形、又は多角形等さまざまな形状を用いることが可能であり（図５Ａ〜図５Ｃを参照）、また、絶縁、温度補償、又は外来異物による特性劣化防止及び耐湿性向上等を目的とした酸化膜、窒化膜、又は有機膜を、任意の位置に備えてもよい。
（圧電共振器を用いた構成の例）
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図である。図８に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが梯子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させることにより、帯域通過型の高周波フィルタを構成できる。
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタ回路の例を示す図である。図８に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが梯子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させることにより、帯域通過型の高周波フィルタを構成できる。
また、図９は、本発明の圧電共振器を用いた他の圧電フィルタ回路の例を示す図である。図９に示す圧電フィルタ回路は、入出力端子３０１間に直列挿入された直列圧電共振器３０２及びバイパス圧電共振器３０４と並列挿入された並列圧電共振器３０３とが格子型に接続され、並列圧電共振器３０３はインダクタ３０５を介して接地される。直列圧電共振器３０２の共振周波数と並列圧電共振器３０３の***振周波数とを略一致させると共に、バイパス圧電共振器３０４の共振周波数を並列圧電共振器３０３の共振周波数よりも低く設定することにより、帯域外減衰量が大きくかつ低損失な帯域通過型のフィルタを構成できる。
このような圧電フィルタ回路では、圧電共振器の共振周波数及び***振周波数付近のスプリアス信号は、フィルタの通過帯域の特性に大きな影響を及ぼす。本発明の圧電共振器を適用することにより、通過帯域内にスプリアスがなく、Ｑ値の高い共振器であることから、低損失かつスカート特性に優れた高周波フィルタを得ることができる。
なお、本発明の圧電共振器を用いた上記圧電フィルタ回路の構成は一例であり、段数（圧電共振器の素子数）や接続形状はこれに限られず、ラティス型のフィルタ、複数の共振器を平面方向や厚み方向に隣接配置させた多重モードフィルタ等、圧電共振器を利用した種々のフィルタに適用可能である。
なお、本発明の圧電共振器を用いた上記圧電フィルタ回路の構成は一例であり、段数（圧電共振器の素子数）や接続形状はこれに限られず、ラティス型のフィルタ、複数の共振器を平面方向や厚み方向に隣接配置させた多重モードフィルタ等、圧電共振器を利用した種々のフィルタに適用可能である。
図１０は、上述したような圧電フィルタ回路を用いた共用器４１０の例を示す図である。図１０に示す共用器４１０は、送信端子４１１と受信端子４１２との間に、送信フィルタ４１４、移相回路４１５、及び受信フィルタ４１６が順に直接接続され、送信フィルタ４１４と移相回路４１５との間にアンテナ端子４１３が接続されている。
また、図１１は、上述したような共用器を用いた通信機器４２０の例を示す図である。図１１に示す通信機器４２０では、送信端子４２１から入力された信号は、ベースバンド部４２３を通り、パワーアンプ４２４で増幅され、送信フィルタ４２５でフィルタリングされ、アンテナ４２８から電波として送信される。また、アンテナ４２８で受信された信号は、受信フィルタ４２６でフィルタリングされ、ＬＮＡ４２７で増幅され、ベースバンド部４２３を通り、受信端子４２２に伝達される。
本発明の圧電共振器は、高周波フィルタや共用器等の高周波回路部品、及び通信機器等に利用可能であり、特に、不要なスプリアスを効果的に抑圧し、高いＱ値を得たい場合等に有用である。
１０１、５０１、６０１ 圧電体層
１０２、１０３、５０２、５０３、６０２、６０３ 電極
１０４、５０４、６０４ 基板
１０５ 支持部
１０５ａ、１０５ｂ 多層膜
１１１、 成膜用基板
１１２、１１３、 電極膜
２０５ 接合層
２０７、６０５ 低音響インピーダンス層
２０８、６０６ 高音響インピーダンス層
２０９、６０７ 音響ミラー層
３０２、３０３、３０４ 圧電共振器
３０５ インダクタ
４１０ 共用器
４１４、４２５ 送信フィルタ
４１５ 移相回路
４１６、４２６ 受信フィルタ
４２０ 通信機器
４２３ ベースバンド部
４２４ パワーアンプ
４２８ アンテナ
４２７ ＬＮＡ
５０６ キャビティ
１０２、１０３、５０２、５０３、６０２、６０３ 電極
１０４、５０４、６０４ 基板
１０５ 支持部
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２０８、６０６ 高音響インピーダンス層
２０９、６０７ 音響ミラー層
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３０５ インダクタ
４１０ 共用器
４１４、４２５ 送信フィルタ
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４２０ 通信機器
４２３ ベースバンド部
４２４ パワーアンプ
４２８ アンテナ
４２７ ＬＮＡ
５０６ キャビティ
Claims (9)
- 所定の周波数で振動する圧電共振器であって、
圧電薄膜からなる圧電体層（１０１）と、
前記圧電体層（１０１）の一方主面上に形成され、その断面が前記圧電体層（１０１）に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極（１０２）と、
前記圧電体層（１０１）の他方主面上に形成され、その断面が前記圧電体層（１０１）に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極（１０３）とを備える、圧電共振器。 - 前記第１の電極（１０２）の断面形状と、前記第２の電極（１０３）の断面形状とが、前記圧電体層（１０１）を挟んで対称であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
- 前記圧電体層（１０１）が、無機材料からなる支持部（１０５）を介して基板（１０４）に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
- 前記圧電体層（１０１）が、無機材料からなる薄膜層（２０９）を介して基板（１０４）に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
- 圧電共振器の製造方法であって、
第１の基板に圧電体層を形成する工程（ａ，ｂ）と、
前記圧電体層の一方主面上に、その断面形状が前記圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第１の電極を形成する工程（ｃ，ｄ）と、
支持部を介した張り合わせ手法を用いて、前記第１の電極が形成された圧電体層を、前記第１の基板から第２の基板へ転写する工程（ｅ，ｆ，ｇ）と、
前記圧電体層の他方主面上に、その断面形状が前記圧電体層に接する部分を長辺とする台形形状を有する第２の電極を形成する工程（ｈ，ｉ）とを備えた、製造方法。 - 前記転写する工程が、金属からなる前記支持部を溶融状態又は半溶融状態にして貼り合わせる工程を含むことを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
- 前記転写する工程が、酸化物薄膜層からなる前記支持部と前記第２の基板とを表面活性化させて重ね合わせることで貼り合わせる工程を含むことを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
- 複数の圧電共振器を備えた高周波部品であって、請求項１に記載の圧電共振器を１つ以上備えた、高周波部品。
- アンテナ、送信回路及び受信回路を備えた通信機器であって、請求項３に記載の圧電共振器を、送信回路及び受信回路の少なくとも一方に備えた、通信機器。
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