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。
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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
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302、303、304 圧電共振器
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410 共用器
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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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