(57)【要約】【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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【特許文献１】米国特許第００６２１５３７５Ａ号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
（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。
【００３１】
（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。
【００３２】
（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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの一例を示す平面概略図である。
【図２】図１に示したＦＢＡＲのＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの横波の干渉の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの他の例を示す断面概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの付加膜の他の例を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。
【図１４】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。
【図１５】本発明の実施の形態に係るＦＢＡＲの製造方法の一例を示す工程断面図（その５）である。
【図１６】本発明のその他の実施の形態の応用例に係るフィルタ回路の一例を示す概略図である。
【図１７】本発明のその他の実施の形態の応用例に係るＦＢＡＲの接続の一例を示す平面概略図である。
【図１８】図１７に示したＦＢＡＲのＢ−Ｂ断面を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006319796.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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