(57)【要約】【課題】  Ｑ値が大きく、優れた共振特性を有する薄膜バルク波素子および高周波デバイスを提供する。【解決手段】  この薄膜バルク波素子では、基板１の表面上には矩形の平面形状を有する凹部２が形成されており、凹部２上にはこの凹部２の中央を跨ぐように、薄膜共振器６が形成されている。この薄膜共振器６は、圧電体薄膜３と圧電体薄膜３の上面上および下面上に形成された電極４および５とからなる。薄膜共振器６の周縁部のうち、１組の対向する辺６ｂおよび６ｄと基板１との間には、それぞれ、長さＬを有する開口部７および７が形成されており、辺６ｂおよび６ｄは、それぞれ、その中央部において長さＬに渡って基板１と離れている、そして、電極４および５は、それぞれ、基板１上に形成されているパッド電極８および９と接続されているとともに、パッド電極８および９を介して図示していない外部の回路と接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹部を有する基板と、
前記凹部上に形成されている圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、
前記薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み（ｈ）と前記薄膜共振子の幅（ｗ）との比（ｗ／ｈ）は、１０以下である、薄膜バルク波素子。
【請求項２】
開口部により互いに離隔されている前記薄膜共振子を複数備え、
前記複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに等しい共振周波数を有している、請求項１に記載の薄膜バルク波素子。
【請求項３】
前記複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに等しい幅を有している、請求項２に記載の薄膜バルク波素子。
【請求項４】
開口部により互いに離隔されている前記薄膜共振子を複数備え、
前記複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに異なる共振周波数を有している、請求項１に記載の薄膜バルク波素子。
【請求項５】
前記複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに異なる幅を有している、請求項４に記載の薄膜バルク波素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜バルク波素子を備える、高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄膜バルク波素子および高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体薄膜内部の弾性波（バルク波）を利用する薄膜バルク波素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、従来の薄膜バルク波素子の構造を説明するための平面図および断面図である。図１０（ａ）は、従来の薄膜バルク波素子の平面図であり、図１０（ｂ）は、従来の薄膜バルク波素子の矢印Ｂ方向から見た断面図である。図１０を参照して、従来の薄膜バルク波素子の構造について説明する。
【０００４】
従来の薄膜バルク波素子では、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、基板１０１の表面には、矩形の平面形状を有する凹部１０４が形成されている。また、この凹部１０４上には、この凹部１０４を全て覆うように、薄膜共振器（Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）１０５が形成されている。この薄膜共振器１０５は、圧電体薄膜１０６と圧電体薄膜１０６の上面上および下面上に形成された電極１０７および１０８とからなる。
【０００５】
また、薄膜共振器１０５には、薄膜共振器１０５の表面から凹部１０４に貫通するエッチング孔１０９、１０９、・・・が形成されている。エッチング孔１０９、１０９、・・・は、凹部１０４上に薄膜共振器１０５を配置する前に凹部１０４内部に充填されている燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）のような犠牲材料をエッチングにより除去するために用いられる。
【０００６】
また、電極１０７および１０８は、それぞれ、基板１０１上に形成されているパッド電極１１０および１１１と接続されているとともに、パッド電極１１０および１１１を介して図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、従来の薄膜バルク波素子が構成されている。
【０００７】
従来の薄膜バルク波素子では、電極１０７および１０８に印加される高周波電力により、圧電体薄膜１０６の内部にバルク波が発生する。このとき、薄膜共振器１０７の凹部１０４上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子ｒ1では、バルク波は薄膜共振器１０５の上面および下面において反射するので、この薄膜共振子ｒ1は、その厚み方向（縦方向）に、領域ｒ1の厚みｈ（圧電体薄膜１０６の膜厚と電極１０７および１０８の膜厚との合計）の約２倍の波長を有する周波数で共振（縦振動）することができる。
【０００８】
また、薄膜共振器１０６の薄膜共振子ｒ1以外の領域では、バルク波は基板１０１に向かって漏洩するので、上記共振現象は生じない。即ち、従来の薄膜バルク波素子において、実質的に共振器として機能するのは薄膜共振器１０５の凹部１０４上に位置する領域からなる薄膜共振子ｒ1である。
【０００９】
そして、従来の薄膜バルク波素子では、縦振動の共振周波数ｆｈがＧＨｚオーダーになるように、薄膜共振子ｒ1の厚みｈは、μｍオーダーに設定されている。
【００１０】
また、従来の薄膜バルク波素子では、薄膜共振子ｒ1は、その厚み方向（縦方向）だけでなく、平面方向（横方向）にも共振する。この横方向の共振（横振動）の共振周波数ｆｗは、薄膜共振子ｒ1の平面形状の幅Ｗ（または長さＬ）の約２倍の波長を有する周波数となる。ここで、従来の薄膜共振子ｒ1では、薄膜共振子ｒ1の幅Ｗは、数百μｍオーダーであって、薄膜共振子ｒ1の厚みｈと比較して２桁程度大きいので、薄膜共振器１０６の横振動の共振周波数ｆｗは、縦振動の共振周波数ｆｈよりも２桁程度小さい。したがって、上記ＧＨｚオーダーの共振周波数に設定されている薄膜バルク波素子では、横振動の共振周波数ｆｗはほとんど利用されていなかった。
【００１１】
なお、一般に、薄膜バルク波素子は、他の共振器と同様に、二重共振特性を有しており、上記の共振周波数とは、インピーダンスがほぼゼロになる共振周波数ｆｒまたはインピーダンスが最大となる反共振周波数ｆａを意味している。
【特許文献１】特開２００２−３１４３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したように、従来の薄膜バルク波素子では、縦振動の共振周波数ｆｈは、薄膜共振子ｒ1の厚みｈにより制御されているので、より高い共振周波数の薄膜バルク波素子を得るためには、薄膜共振子ｒ1の厚みｈをさらに小さくする必要があった。この場合、薄膜共振器１０６の強度が低下したり、薄膜共振子ｒ1の平面方向（横方向）で厚みに分布が生じやすいという不具合があった。これにより、従来の薄膜バルク波素子では、高い共振周波数を容易に得ることができないという問題点があった。
【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、高い共振周波数を容易に得ることができる薄膜バルク波素子を提供することである。
【００１４】
この発明のもう１つの目的は、高い共振周波数を容易に得ることができる高周波デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による薄膜バルク波素子は、表面に凹部を有する基板と、凹部上に形成されている圧電体薄膜と、圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み（ｈ）と薄膜共振子の幅（ｗ）との比（ｗ／ｈ）は、１０以下である。なお、本発明における「薄膜共振子の厚み」とは、薄膜共振器の凹部上に位置する領域の厚み、即ち、圧電体薄膜の膜厚とその上面および下面に形成されている電極の膜厚との合計を意味している。また、本発明における「薄膜共振子の幅」とは、薄膜共振器の凹部上に位置する領域の平面方向の長さ、即ち、上記「薄膜共振子の厚み」方向と直交する方向における上記領域の長さである。また、薄膜共振子が長辺と短辺とからなる矩形の平面形状を有する場合は、矩形の短辺の長さが「薄膜共振子の幅」となる。
【００１６】
この第１の局面による薄膜バルク波素子では、上記のように、薄膜共振器の凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子が実質的に共振器として機能するが、この薄膜共振子の幅ｗは厚みｈの１０倍以下であるので、この薄膜共振子の厚み方向（縦方向）の共振（縦振動）の共振周波数ｆｈと平面方向（横方向）の共振（横振動）の共振周波数ｆｗとを等しいオーダーにすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数ｆｈよりも高い共振周波数ｆｃを有する新たな共振モードが発生する。反対に、薄膜共振子の幅ｗが厚みｈの１０倍よりも大きくなると、縦振動の共振周波数ｆｈと横振動の共振周波数ｆｗとが離れすぎるため、これらが結合した新たな共振モードは生じにくい。ここで、新たな共振モードの共振周波数ｆｃは、縦振動の共振周波数ｆｈおよび横振動の共振周波数ｆｗを用いて、以下の数式で表される。
【００１７】
(ｆｃ)２＝（ｆｈ）２＋（ｆｗ）２  ・・・（１）
そして、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子の厚みを小さくすることなく、その共振周波数ｆｃを大きくすることができるので、薄膜共振子の強度が低下しにくい。また、薄膜共振子の厚みを小さくする必要がないので、薄膜共振子の厚みｈについても横方向に分布が生じにくい。その結果、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を信頼性よく得ることができる。
【００１８】
したがって、この第１の局面においては、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を容易に得ることができる。
【００１９】
なお、一般に、薄膜バルク波素子は、他の共振器と同様に二重共振特性を有しており、本発明においても、上記の共振周波数とは、インピーダンスがほぼゼロ（あるいは最小）になる狭義の意味での共振周波数ｆｒｃおよびインピーダンスが無限大（あるいは最大）となる反共振周波数ｆａｃの両方が含まれる。
【００２０】
また、この発明の第１の局面による薄膜バルク波素子では、薄膜共振器の共振周波数は、薄膜共振子の幅を変えることにより制御することができるので、共振周波数の調整のために薄膜共振子の厚みを変える必要がない。これにより、薄膜共振器の共振周波数の調整を容易に行うことができる。
【００２１】
上記第１の局面による薄膜型バルク波素子において、好ましくは、開口部により互いに離隔されている薄膜共振子を複数備え、複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに等しい共振周波数を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子同士は、音響的に分離されているので、各薄膜共振子内において発生したバルク波が互いに干渉することがなく、各薄膜共振子はそれぞれ独立して共振することができる。これにより、複数の薄膜共振子を近接して配置した場合でも共振周波数は変化することはない。
【００２２】
そして、等しい共振周波数を有するこれらの薄膜共振子を電気的に並列に接続することにより、共振周波数を変えることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを制御することができる。なお、本発明において、「等しい共振周波数」とは、実質的に等しい共振周波数を意味しており、具体的には、薄膜バルク波素子の中心周波数の±０．５％程度の範囲であれば実質的に等しい共振周波数として取り扱うことができる。
【００２３】
上記第１の局面による薄膜型バルク波デバイスにおいて、好ましくは、複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに等しい幅を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子の共振周波数を容易に等しくすることができる。なお、本発明において、「等しい厚み」および「等しい幅」とは、実質的に等しい共振周波数が得られる厚みおよび幅を意味しており、具体的には、所定の厚みおよび幅の±０．５％程度の範囲であれば実質的に等しいとして取り扱うことができる。
【００２４】
上記第１の局面による薄膜型バルク波素子において、好ましくは、開口部により互いに離隔されている薄膜共振子を複数備え、複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに異なる共振周波数を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子同士を音響的に分離することができるので、各薄膜共振子内において発生したバルク波は互いに干渉することがなく、各薄膜共振子はそれぞれ独立して共振することができる。さらに、各薄膜共振子の共振周波数をそれぞれ異なるようにするとともに、これらの薄膜共振子を電気的に並列に接続することにより、各薄膜共振子の周波数特性を重ね合わせた周波数特性を有する薄膜共振器を得ることができる。これにより、１つの薄膜共振器で帯域通過型あるいは帯域阻止型のフィルタ特性を容易に得ることができる。
【００２５】
上記第１の局面による薄膜型バルク波デバイスにおいて、好ましくは、複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに異なる幅を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子の共振周波数を容易に異ならせることができる。
【００２６】
また、この発明の第２の局面による高周波デバイスは、上記第１の局面による薄膜バルク波素子を備える。すなわち、この高周波デバイスは、表面に凹部を有する基板と、凹部上に形成されている圧電体薄膜と、圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み（ｈ）と薄膜共振子の幅（ｗ）との比（ｗ／ｈ）は、１０以下である薄膜バルク波素子を含む。
【００２７】
この第２の局面による高周波デバイスでは、上記のように、薄膜共振器の凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の幅ｗを厚みｈの１０倍以下とすることによって、この薄膜共振子の厚み方向（縦方向）の共振（縦振動）の共振周波数ｆｈと平面方向（横方向）の共振（横振動）の共振周波数ｆｗとを略等しいオーダーにすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数ｆｈよりも高い共振周波数ｆｃを有する新たな共振モードが発生する。また、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子の厚みを小さくすることなく、その共振周波数を大きくすることができるので、薄膜共振子の強度が低下しにくく、また、薄膜共振子の厚みについても横方向に分布が生じにくい。これにより、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子からなる高周波デバイスを信頼性よく得ることができる。
【００２８】
なお、本発明における「高周波デバイス」とは、例えば、高周波レゾネータ、バンドパスフィルタなどの高周波フィルタおよびデュプレクサなどがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
この第１実施形態では、厚みと幅とが等しい薄膜共振子を１つ備える薄膜バルク波素子について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図１（ａ）は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図１（ｂ）は、薄膜バルク波素子の矢印Ａ方向から見た断面図である。
【００３２】
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。第１実施形態による薄膜バルク波素子では、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、約３００μｍの厚みを有するＳｉ（１００）からなる基板１の上面上および下面上には、それぞれ、約１μｍの厚みを有するＳｉ酸化膜２ａおよび３ａと、Ｓｉ酸化膜２ａおよび３ａ上に形成されている約０．２μｍの厚みを有するＳｉ窒化膜２ｂおよび３ｂとからなる保護膜２および３が形成されている。
【００３３】
また、基板１と保護膜２および３との中央部には、約１５０μｍの長さＬおよび約１１．４μｍの幅Ｗの矩形の平面形状を有する貫通孔４が形成されている。
【００３４】
貫通孔４上には、この貫通孔４の中央を跨ぐように、長さＬ１および約１．４μｍの幅Ｗ１の矩形の平面形状を有する薄膜共振器５が形成されている。この薄膜共振器５は、約１μｍの膜厚を有するＡｌＮからなる圧電体薄膜６と、圧電体薄膜６の上面上および下面上にそれぞれ形成された約０．２μｍの厚みを有するＭｏからなる電極７および８とから構成されている。そして、薄膜共振器５の厚みｈは、圧電体薄膜６の膜厚（約１μｍ）とその上面上および下面上に形成されている電極７および８の膜厚（それぞれ、約０．２μｍ）との合計（約１．４μｍ）であり、薄膜共振器５の幅Ｗ１と等しくされている。
【００３５】
薄膜共振器５の貫通孔４上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子ｒ１の周縁部は、それぞれ、長さＬおよび幅Ｗ１を有する４つの辺からなり、幅Ｗ１を有する１組の対向する両辺側において、その全長に渡って保護膜２上に固定されている。また、薄膜共振子ｒ１の周縁部のうち、長さＬを有する両辺と基板１との間には、それぞれ、長さＬ（約１５０μｍ）と約５μｍの幅とを有する開口部９および９が形成されている。これにより、薄膜共振子ｒ１の周縁部の長さＬを有する１組の対向する両辺は、その全長に渡って基板１および保護膜２から離れて貫通孔４上に位置している。
【００３６】
また、電極７および８は、それぞれ、保護膜２上に形成されているパッド電極１０および１１と接続されているとともに、パッド電極１０および１１を介して図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
【００３７】
本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子では、電極７および８に印加される高周波電力により、圧電体薄膜６の内部にバルク波が発生する。そして、薄膜共振器５の貫通孔４上に位置する長さＬと幅Ｗ１とを有する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子ｒ１が実質的に共振器として機能する。
【００３８】
次に、図１に示す第１実施形態の薄膜バルク波素子の製造方法について説明する。まず、約３００μｍの厚みを有するＳｉ（１００）からなる基板１の上面上および下面上に、熱酸化法により約１μｍの厚みを有するＳｉ酸化膜２ａおよび３ａをそれぞれ形成する。次に、スパッタ法により、Ｓｉ酸化膜２ａおよび３ａ上に、約０．２μｍの厚みを有するＳｉ窒化膜２ｂおよび３ｂをそれぞれ形成する。これにより、基板１の上面上および下面上に、それぞれ、Ｓｉ酸化膜２ａおよびＳｉ窒化膜２ｂからなる保護膜２と、Ｓｉ窒酸化膜３ａおよびＳｉ窒化膜３ｂとからなる保護膜３とを形成する。
【００３９】
次に、フォトリソグラフ工程により形成したレジストパターンをマスクとして、基板１の下面上の保護膜３の中央部を平面形状が矩形になるようにエッチングする。さらに、この保護膜３をマスクとして基板１の下面から上面に向かってエッチングを行う。このとき、基板１の上面側のＳｉおよび保護膜２の厚みが約５０μｍ程度残るようにエッチングを途中で停止する。これにより、基板１の下面に貫通孔４の一部となる凹部を形成する。このとき、エッチング液としては、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドレート）を約２２％含有する水溶液を用いるのが好ましい。これにより、Ｓｉ（１００）からなる基板１は、（１００）面が選択的にエッチングされ、貫通孔４は、主に基板１の深さ方向にエッチングされる。そして、この凹部の各側面は、基板１の下面に対して傾斜し、基板１の下面から上面に向かって断面形状が小さくなるように形成される。
【００４０】
次に、スパッタ法により、保護膜２上に約０．２μｍの厚みを有するＭｏ薄膜を形成した後、このＭｏ薄膜を部分的にエッチングすることにより、基板１の中央部に長さＬ１および約１．４μｍの幅Ｗ１の矩形の平面形状を有する電極８、および、電極８と接続されているパッド電極１１を形成する。
【００４１】
次に、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて、スパッタ法により、保護膜２および電極８上に高い配向性を有するＡｌＮ薄膜を形成した後、電極８以外の保護膜２上の領域に形成されたＡｌＮ薄膜をエッチングにより除去する。これにより、電極８上に長さＬ１および幅Ｗ１の矩形の平面形状を有するＡｌＮからなる圧電体薄膜６を形成する。
【００４２】
さらに、圧電体薄膜６および保護膜２の上に、約０．２μｍの厚みを有するＭｏ薄膜を形成した後、このＭｏ薄膜を部分的にエッチングすることにより、圧電体薄膜６上に長さＬ１および幅Ｗ１の矩形の平面形状を有するＭｏからなる電極７、および、保護膜２上に電極７と接続されているパッド電極１０を形成する。これにより、圧電体薄膜６と圧電体薄膜６の上面上および下面上に形成された電極７および８とから構成される薄膜共振器５が形成される。
【００４３】
その後、基板１の下面に形成された上記凹部の上面から基板１および保護膜２の中央部をエッチングすることにより、基板１および保護膜２、３を貫通するとともに、基板１および保護膜２の上面側において長さＬおよび幅Ｗの矩形の平面形状を有する貫通孔４が形成される。このようにして、本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子が作製される。
【００４４】
図２は、上記ＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置の概略図である。この装置では、チャンバー５１内に反応ガスを導入し、ＲＦ電源５２を用いてターゲット５３にＲＦ電力を印加することによりターゲット５３をスパッタすることができる。そして、ターゲット５３の上方に配置した基板５４上に薄膜形成を行うことができる。このとき、本装置では、ターゲット５３のスパッタと同時に、ＲＦ電源５５を用いてターゲット５３と基板５４との間に設置したコイル５６にＲＦ電力を印加することにより、ターゲット５３からスパッタされた粒子のイオン化を促進することができる。これにより、基板５４に対するダメージを与えにくくなるので、高い配向性と緻密な膜構造を有する薄膜を基板５４上に形成することができる。
【００４５】
上記ＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置により圧電体薄膜６に用いるＡｌＮ薄膜を形成する場合には、上記装置において、ターゲット５３はＡｌからなる。また、反応ガスとしては、ＡｒとＮ２の混合ガスを用いることが好ましい。さらに、ＡｌＮ薄膜を形成する場合には、基板５４の背面のヒータ５７により基板５４を加熱することが好ましい。表１に、上記のＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いてＡｌＮ薄膜を形成する場合の主な成膜条件を示す。
【００４６】
【表１】
2006270770.tif 000003
図３は、上記のＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて形成したＡｌＮ薄膜（０００２）面の結晶性と形成条件との関係を示す特性図である。図３において、ＡｌＮ薄膜（０００２）面の結晶性は、そのロッキングカーブ半値幅（ＦＷＨＭ）により評価した。圧電体薄膜６に用いるＡｌＮ薄膜は、結晶性が高いものほど好ましい。即ち、上記ＦＷＨＭが小さいものほど圧電体薄膜６として用いるのに適している。図３より、ＡｌＮ薄膜の結晶性は、基板温度およびコイル５５に印加したＲＦ電力により変化するが、基板温度２００℃、コイルＲＦ電力２００Ｗの条件で最もＦＷＨＭが小さく、ｃ軸配向性が最も高いＡｌＮ薄膜が得られることがわかる。
【００４７】
本実施形態の薄膜バルク波素子では、上記のように、薄膜共振器５の貫通孔４上に位置する領域からなる薄膜共振子ｒ１の厚みｈ（約１．４μｍ）と幅Ｗ１（約１．４μｍ）との比（Ｗ１／ｈ）は、約１であるので、この薄膜共振子ｒ１の厚み方向（縦方向）の共振（縦振動）の共振周波数ｆｈと平面方向（横方向）の共振（横振動）の共振周波数ｆｗとを等しくすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数ｆｈよりも高い共振周波数ｆｃを有する新たな共振モードが発生する。
【００４８】
そして、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子ｒ１の厚みｈを小さくすることなく、薄膜共振子ｒ１の共振周波数ｆｃを大きくすることができるので、薄膜共振子ｒ１の強度が低下しにくく、また、薄膜共振子ｒ１の厚みｈについても横方向に分布が生じにくい。その結果、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を信頼性よく得ることができる。
【００４９】
したがって、この実施形態においては、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を容易に得ることができる。
【００５０】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、等しい共振周波数を有する薄膜共振子を複数備える薄膜バルク波素子について説明する。
【００５１】
図４は、本発明の第２実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図４（ａ）は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図４（ｂ）は、薄膜バルク波素子の矢印Ａ方向から見た断面図である。
【００５２】
まず、図４を参照して、本発明の第２実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。なお、第１実施形態による薄膜バルク波素子と共通する構成については説明を省略する。
【００５３】
第２実施形態による薄膜バルク波素子では、約１５０μｍの長さＬおよび約３７μｍの幅Ｗの矩形の平面形状を有する貫通孔４上には、この貫通孔４を跨ぐように、梯子状の平面形状を有する薄膜共振器１５が形成されている。この薄膜共振器１５は、約１μｍの膜厚を有するＡｌＮからなる圧電体薄膜１６と、圧電体薄膜１６の上面上および下面上にそれぞれ形成された約０．２μｍの厚みを有するＭｏからなる電極１７および１８とから構成されている。
【００５４】
薄膜共振器１５の貫通孔４上に位置する長さＬおよび幅Ｗ１の矩形の平面形状をそれぞれ有する領域からなる５つの薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の厚みｈは、それぞれ、圧電体薄膜１６の膜厚（約１μｍ）とその上面上および下面上に形成されている電極１７および１８の膜厚（それぞれ、約０．２μｍ）との合計（約１．４μｍ）であり、等しくされている。
【００５５】
薄膜共振器１５の貫通孔４上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の周縁部は、それぞれ、長さＬまたはＷ１を有する４つの辺からなり、長さＷ１を有する１組の対向する両辺側において、その全長Ｗ１に渡って保護膜２上に固定されている。また、薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の周縁部のうち、長さＬを有する辺と基板１との間および長さＬを有する辺同士の間には、それぞれ、約１５０μｍの長さと約５μｍの幅とを有する開口部９、９、・・・が形成されている。これにより、薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の周縁部の長さＬを有する１組の対向する両辺は、その全長Ｌに渡って基板１および保護膜３から離れて貫通孔４上に位置している。そして、開口部９、９、・・・により、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・は互いに離隔されている。
【００５６】
また、電極１７および１８は、それぞれ、保護膜２上に形成されているパッド電極１０および１１に接続されているとともに、パッド電極１０および１１を介して、図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第２実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
【００５７】
本発明の第２実施形態による薄膜バルク波素子では、５つの薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の厚みｈ（約１．４μｍ）と幅Ｗ１（約１．４μｍ）との比（Ｗ１／ｈ）は、それぞれ、約１であるので、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・においても、縦振動の共振周波数ｆｈよりも高い共振周波数ｆｃを有する縦振動と横振動とが結合した新たな共振モードが発生する。このとき、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・は、それぞれ、等しい厚みｈを有するとともに等しい幅Ｗ１を有しているので、各薄膜共振器子ｒ１、ｒ１、・・・の共振周波数を容易に等しくすることができる。
【００５８】
また、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・は、貫通孔４上において開口部９、９、・・・により互いに離隔されているので、薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・を互いに音響的に分離することができる。これにより、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・内において発生したバルク波は互いに干渉することがない。その結果、各薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・はそれぞれ独立して、等しい共振周波数ｆｃで共振することができる。
【００５９】
さらに、５つの薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・の上面上および下面上に形成されている電極７、７、・・・および８、８、・・・は、それぞれ共通のパッド電極１０および１１に接続されているので、５つの薄膜共振子ｒ１、ｒ１、・・・は、電気的に並列に接続されている。これらの結果、本実施形態の薄膜バルク波素子では、薄膜共振器１５の共振周波数ｆｃを変えることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを変化させることができる。
【００６０】
（評価１）
次に、本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性をシミュレーションにより評価した。
【００６１】
図５は、本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価１におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子Ｒ１は、互いに並列に接続されているとともに、ｎ個（ｎ＝１、５および１０）の薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓｎを有する薄膜共振器２５を備えている。そして、図５の等価回路図に示すように、薄膜共振器２５は、一方の信号線に対して直列接続されている。また、各薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓｎは、その厚みｈと幅Ｗ１とがそれぞれ等しい、即ち、厚みｈと幅Ｗ１との比（Ｗ１／ｈ）が約１である。したがって、この評価１に用いた薄膜バルク波素子Ｒ１では、各薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓｎの平面方向（横方向）の共振（横振動）の共振周波数ｆｗは、縦振動の共振周波数ｆｈに等しくなる。
【００６２】
図５においては、横軸は、薄膜バルク波素子Ｒ１への入力信号の周波数を各薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓｎの厚み方向（縦方向）の共振（縦振動）の共振周波数ｆｈで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子Ｒ１からの出力信号の大きさ（透過率）を示している。なお、この評価１では、上記共振周波数ｆｈは、入出力端子間のインピーダンスが最大となる反共振周波数ｆａｈを意味している。
【００６３】
図５に示すように、各薄膜バルク波素子Ｒ１の共振特性においては、それぞれ、共振周波数ｆａｈにおいて、縦振動による下向き（透過率が減少する方向）のピークが見られるとともに、ｆａｈの約１．４１４倍付近の周波数ｆａｃにおいて、より大きな下向きのピークも見られる。この共振周波数ｆａｃは、上記数式（１）より、縦振動の共振周波数ｆａｈと横振動の共振周波数ｆａｗとが結合した新たな共振モードの共振周波数と略一致することが判明した。
【００６４】
さらに、並列に接続されている薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓｎの数（ｎ）が大きくなっても上記共振周波数ｆａｃは変化せずに、ｎが大きくなるほど下向きの共振のピークが小さくなり、共振周波数ｆａｃにおける透過率が大きくなることが判明した。
【００６５】
（評価２）
図６は、本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価２におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子Ｒ２は、互いに並列に接続されているとともに、ｎ個（ｎ＝１、５および１０）の薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎを有する薄膜共振器３５を備えている。そして、図６の等価回路図に示すように、薄膜共振器３５は、２つの信号線（一方は接地されている）に対して並列接続されている。また、各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎは、その厚みｈと幅Ｗ１との比（Ｗ１／ｈ）が約２である。したがって、この評価２に用いた薄膜バルク波素子Ｒ２では、各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎの平面方向（横方向）の共振（横振動）の共振周波数ｆｗは、縦振動の共振周波数ｆｈの約１／２倍の値となる。
【００６６】
図６においては、横軸は、薄膜バルク波素子Ｒ２への入力信号の周波数を各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎの縦振動の共振周波数ｆｈで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子Ｒ２からの出力信号の大きさ（透過率）を示している。なお、この評価２では、上記共振周波数ｆｈは、入出力端子間のインピーダンスが最小となる狭義の共振周波数ｆｒｈを意味している。
【００６７】
図６に示すように、各薄膜バルク波素子Ｒ２の共振特性においては、それぞれ、共振周波数ｆｒｈにおいて、縦振動による下向きの共振のピークが見られるとともに、ｆｒｈの約１．１１８倍付近の周波数ｆｒｃにおいて、より大きな下向きのピークも見られる。この共振周波数ｆｒｃは、上記数式（１）より、縦振動の共振周波数ｆｒｈと横振動の共振周波数ｆｒｗとが結合した新たな共振モードの共振周波数と略一致することが判明した。
【００６８】
さらに、並列に接続されている薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎの数（ｎ）が大きくなっても上記共振周波数ｆｒｃは変化せずに、ｎが大きくなるほど下向きの共振のピークが大きくなり、共振周波数ｆｒｃにおける透過率が小さくなることが判明した。
【００６９】
（評価３〜７）
さらに、評価３〜評価５において、本発明の第１実施形態および第２実施形態によるさらに他の薄膜バルク波素子についても上記評価２と同様の等価回路を用いてその共振特性を評価した。評価３〜評価５では、以下の表２に示すように、各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐｎの厚み（ｈ）と幅（Ｗ１）との比（Ｗ１/ｈ）が約０．５、約５．０および約１０である薄膜バルク波素子を用いた。
【００７０】
また、比較として、上記評価３〜評価５で用いた薄膜バルク波素子に代えて、評価６では、幅が厚みの約２０倍である薄膜共振子を、評価７では、幅が厚みの約１００倍である薄膜共振子を、それぞれ１つ備える従来の薄膜バルク波素子を用いた。
【００７１】
以上の評価１〜評価７において、新たな共振モードの共振周波数ｆｃと、共振周波数ｆｃにおける透過率を表２に示す。なお、表２の共振周波数ｆｃは、評価２〜７については、評価２における縦振動の共振周波数ｆｒｈの値で規格化した周波数を、また、評価１については、評価１における縦振動の共振周波数ｆａｈの値で規格化した周波数を、それぞれ用いた。
【００７２】
【表２】
2006270770.tif 000004
表２より、薄膜共振子の厚みｈと幅Ｗ１との比（Ｗ１／ｈ）が２０を超えると、新たな共振モードの共振周波数ｆｃは、縦振動の共振周波数ｆｈと略等しく、縦振動と横振動との結合はほとんど生じていない。これより、Ｗ１／ｈが２０を超えると、共振周波数を大きくする効果はほとんど見られないことが判明した。
【００７３】
これに対して、Ｗ１／ｈが１０以下の場合には、縦振動と横振動とが結合した縦振動の共振周波数ｆａｈよりも大きい共振周波数ｆｃを有する新たな共振モードが生じていることがわかった。また、Ｗ１／ｈが小さいほど、新たな共振モードの共振周波数ｆｃは、大きくなることがわかった。
【００７４】
さらに、各評価において、互いに並列接続されている薄膜共振子の数に関わらず、新たな共振モードの共振周波数ｆｃは等しいとともに、互いに並列接続されている薄膜共振子の数が大きくなるほど、評価１では、共振周波数ｆｃにおける透過率が大きく、評価２〜５では、逆に、共振周波数ｆｃにおける透過率が小さくなっていることが判明した。これより、本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子では、共振周波数ｆｃを変化させることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを変化させることができることがわかった。
【００７５】
（第３実施形態）
この第３実施形態では、異なる共振周波数を有する薄膜共振子を複数備える薄膜バルク波素子について説明する。
【００７６】
図７は、本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図７（ａ）は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図７（ｂ）は、薄膜バルク波素子の矢印Ａ方向から見た断面図である。
【００７７】
まず、図７を参照して、本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。なお、第２実施形態による薄膜バルク波素子と共通する構成については説明を省略する。
【００７８】
第３実施形態による薄膜バルク波素子では、約５０μｍの長さＬおよび約３３．０５μｍの幅Ｗの矩形の平面形状を有する貫通孔４上には、この貫通孔４を跨ぐように、梯子状の平面形状を有する薄膜共振器４５が形成されている。この薄膜共振器４５は、約１μｍの膜厚を有するＡｌＮからなる圧電体薄膜４６と、圧電体薄膜４６の上面上および下面上にそれぞれ形成された約０．２μｍの厚みを有するＭｏからなる電極４７および４８とから構成されている。
【００７９】
薄膜共振器２５の貫通孔４上に位置する長さＬと、約１．４μｍの幅Ｗ１、約１．７５μｍの幅Ｗ２、約２．１μｍの幅Ｗ３および約２．８μｍの幅Ｗ４との矩形の平面形状をそれぞれ有する領域からなる４つの薄膜共振子ｒ１〜ｒ４の厚みｈは、それぞれ、圧電体薄膜２６の膜厚（約１μｍ）とその上面上および下面上に形成されている電極４７および４８の膜厚（それぞれ、約０．２μｍ）との合計（約１．４μｍ）であり、等しくされている。
【００８０】
また、電極４７および４８は、それぞれ、保護膜２上に形成されているパッド電極１０および１１に接続されているとともに、パッド電極１０および１１を介して、図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
【００８１】
本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子では、第２実施形態と同様に、４つの薄膜共振子ｒ１〜ｒ４は、それぞれ、独立して共振することができる。
【００８２】
また、各薄膜共振子ｒ１〜ｒ４の厚みｈ（約１．４μｍ）と幅Ｗ１〜Ｗ４（約１．４μｍ〜約２．８μｍ）との比（Ｗ１／ｈ、Ｗ２／ｈ、Ｗ３／ｈ、Ｗ４／ｈ）は、それぞれ、約１、約１．２５、約１．５、約２．０であり、等しいオーダーであるので、縦振動の共振周波数ｆｈよりも高い共振周波数ｆｃを有する縦振動と横振動とが結合した新たな共振モードで振動することができる。このとき、各薄膜共振子ｒ１〜ｒ４の幅Ｗ１〜Ｗ４がそれぞれ異なっているので、各薄膜共振子ｒ１〜ｒ４において生じる新たな共振モードの共振周波数ｆｃを容易に異ならせることができる。
【００８３】
さらに、これらの薄膜共振子ｒ１〜ｒ４が電気的に並列に接続されているので、各薄膜共振子ｒ１〜ｒ４の周波数特性を重ね合わせた周波数特性を有する薄膜共振器を得ることができる。
【００８４】
（評価８）
ここで、第３実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性をシミュレーションにより評価した。
【００８５】
図８は、本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価８におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子は、互いに並列に接続されているとともに、互いに異なる共振周波数ｆｃを有する４つの薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐ４を有する薄膜共振器４５を備えている。そして、図８の等価回路図に示すように、薄膜共振器４５は、２つの信号線（一方は接地されている）に対して並列接続されている。
【００８６】
図８においては、横軸は、薄膜バルク波素子への入力信号の周波数を、各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒ４の縦振動の共振周波数ｆｈで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子からの出力信号の大きさ（透過率）を示している。なお、この評価８では、上記共振周波数ｆｈは、入出力端子間のインピーダンスが最小となる狭義の共振周波数ｆｒｈを意味している。
【００８７】
図８に示すように、本実施形態の薄膜バルク波素子の共振特性においては、共振周波数ｆｒｈにおいて、縦振動による下向きの共振の小さなピークが見られるとともに、ｆｒｈの約１．１〜約１．４倍の周波数にわたって、より大きな透過率の減衰が見られる。これにより、本実施形態の薄膜バルク波素子では、共振周波数ｆｒｈの約１．１〜約１．４倍の周波数帯域において、入力信号を阻止する帯域阻止型のフィルタ特性を得ることができることがわかった。
【００８８】
（第４実施形態）
この第４実施形態では、第２実施形態による薄膜バルク波素子を２つ備える高周波フィルタについて説明する。
【００８９】
図９は、本発明の第４実施形態の高周波フィルタの等価回路図とその周波数特性を示す特性図である。
【００９０】
この等価回路図に示すように、本実施形態の高周波フィルタは、評価１で用いた薄膜バルク波素子Ｒ１および評価２で用いた薄膜バルク波素子Ｒ２を備えている。薄膜バルク波素子Ｒ１中の薄膜共振器２５は、一方の信号線に対して直列接続されているとともに、５つの薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓ５を有している。そして、各薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓ５は、それぞれの厚みｈと幅Ｗ１との比（Ｗ１／ｈ）が約１である。また、薄膜バルク波素子Ｒ２中の薄膜共振器３５は、２つの信号線（一方は接地されている）に対して並列接続されているとともに、５つの薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐ５を有している。そして、各薄膜共振子ｒｐ１〜ｒｐ５は、それぞれの厚みｈと幅Ｗ２との比（Ｗ２／ｈ）が約０．５である。
【００９１】
また、図９の特性図においては、横軸は、高周波フィルタへの入力信号の周波数を各薄膜共振子ｒｓ１〜ｒｓ５およびｒｐ１〜ｒｐ５の縦振動の共振周波数ｆｈで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における高周波フィルタからの出力信号の大きさ（透過率）を示している。なお、この実施形態では、上記共振周波数ｆｈは、入出力端子間のインピーダンスが最大となる反共振周波数ｆａｈを意味している。
【００９２】
図９に示すように、本実施形態による高周波フィルタにおいては、共振周波数ｆａｈの約１．１倍および約１．４倍の周波数において、大きな下向きのピークが見られることから、それぞれのピークの間の周波数帯域において、入力信号が通過することができる通過帯域型のフィルタ特性を得ることができることがわかった。
【００９３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００９４】
たとえば、上記各実施形態では、基板１には、貫通孔４が形成されていたが、本発明はこれに限らず、薄膜共振子ｒ１となる領域が基板１および保護膜２から離れるように、基板１および保護膜２の上面に凹部を形成してもよい。
【００９５】
また、上記各実施形態では、薄膜共振子は矩形の平面形状を有する領域から構成されていたが、本発明はこれに限らず、正方形の平面形状であってもよい。また、矩形以外の多角形やいずれかの辺が曲線であっても、実質的に略矩形あるいは略正方形の平面形状を有していればよい。
【００９６】
また、上記各実施形態では、基板１の上面上および下面上には、保護膜２および３が形成されていたが、本発明はこれに限らず、保護膜２および３は形成されていなくてもよい。
【００９７】
また、第４実施形態の高周波フィルタでは、本実施形態による薄膜バルク波素子から構成されていたが、本発明はこれに限らず、本実施形態以外の薄膜バルク波素子を含んでいてもよく、あるいは、他の電気素子を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。
【図２】ＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置の概略図である。
【図３】ＩＣＰ支援ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて形成したＡｌＮ薄膜（０００２）面の結晶性と形成条件との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の第２実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。
【図６】本発明の第１実施形態および第２実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。
【図７】本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。
【図９】本発明の第４実施形態の高周波フィルタの等価回路図とその周波数特性を示す特性図である。
【図１０】従来の薄膜バルク波素子の構造を説明するための平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１          基板
２、３      保護膜
２ａ、３ａ  Ｓｉ酸化膜
２ｂ、３ｂ  Ｓｉ窒化膜
４          貫通孔
５          薄膜共振器
５ａ        薄膜共振子
６          圧電体薄膜
７、８      電極
９          開口部
１０、１１  パッド電極
【図１】
2006270770.tif 000005
【図２】
2006270770.tif 000006
【図３】
2006270770.tif 000007
【図４】
2006270770.tif 000008
【図５】
2006270770.tif 000009
【図６】
2006270770.tif 000010
【図７】
2006270770.tif 000011
【図８】
2006270770.tif 000012
【図９】
2006270770.tif 000013
【図１０】
2006270770.tif 000014