(57)【要約】  【課題】  低損失で信頼性が高く、しかも安価な薄膜バルク音響波共振子を提供する。  【解決手段】  基板11上に、音響アイソレーション層12、下部電極層13、圧電体層14および上部電極層15を順次積層してなる薄膜バルク音響波共振子において、音響アイソレーション層12は、多孔質層もしくは発泡層17を含むとともに、これら多孔質層もしくは発泡層17と下部電極層13との間に配置され、多孔質層もしくは発泡層17よりも気孔率の少ない材料からなる、多孔質層もしくは発泡層17の下部電極層13側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層16を含む薄膜バルク音響波共振子である。音響インピーダンスの著しく小さい多孔質層もしくは発泡層17により基板11とのアイソレーションを確保しつつ、中間層16により音響アイソレーション層12の表面の凹凸を平滑化することで、低損失で信頼性の高いものとなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、音響アイソレーション層、下部電極層、圧電体層および上部電極層を順次積層してなる薄膜バルク音響波共振子において、前記音響アイソレーション層は、多孔質層もしくは発泡層を含むとともに、これら多孔質層もしくは発泡層と前記下部電極層との間に配置され、前記多孔質層もしくは発泡層よりも気孔率の少ない材料からなる、前記多孔質層もしくは発泡層の前記下部電極層側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層を含むことを特徴とする薄膜バルク音響波共振子。
【請求項２】
前記多孔質層もしくは発泡層は、高耐熱性の多孔質樹脂材料，高耐熱性の発泡性樹脂材料，多孔質無機材料，発泡性無機材料のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の薄膜バルク音響波共振子。
【請求項３】
前記中間層は、高耐熱性の樹脂材料もしくは無機材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の薄膜バルク音響波共振子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄膜バルク音響波共振子をフィルタを構成する共振子として用いたことを特徴とするフィルタ。
【請求項５】
請求項４記載のフィルタを有する、受信回路および送信回路の少なくとも一方を備えたことを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電共振子の一種である薄膜バルク音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置に関し、特に、基板とこの基板の表面に薄膜プロセスにより形成された共振部とを具備する薄膜バルク音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線通信や電気回路に用いられる周波数の高周波化に伴い、これらの電気信号に対して用いられるフィルタも高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数ＧＨｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した、安価で高性能なフィルタが求められている。そのようなフィルタの中で最近注目されているのは、固体の表面を伝わる音響波を利用する共振子である弾性表面波共振子（ＳＡＷＲ：Surface Acoustic Wave Resonator）を用いたＳＡＷフィルタである。このＳＡＷフィルタは、固体表面上に形成した櫛型電極間に印加される高周波電界と弾性表面波との共振を利用しており、周波数の選択性が高く、優れたバンドパスフィルタとして広く用いられている。
【０００３】
また、近年、圧電性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子が提案されている。これは、入力される高周波電気信号に対して、圧電薄膜が厚み縦振動を起こし、その振動が、薄膜の厚さ方向において共振を起こすことを用いた共振子であり、薄膜バルク音響波共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれている。ＦＢＡＲは、基板上に薄膜プロセスにより下部電極層，圧電体層，上部電極層を順次積層した共振部を形成した構造をしており、この共振部を基板から音響的にアイソレートする方法によって次の３方式に分類される。
【０００４】
１）異方性エッチング等で基板の裏面側から貫通孔を開け、共振部を基板から空間的に離す。
【０００５】
２）基板と共振部との間に犠牲層を設け、その犠牲層をエッチングして除去することによって共振部を基板から空間的に離す。
【０００６】
３）基板と共振部との間に多層膜からなる音響アイソレーション層を設け、共振部を基板から音響的にアイソレートする。
【０００７】
この３）の方式のＦＢＡＲはＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）型と呼ばれ、音響アイソレーション層としては、図３に断面図で示すように、基板11の上に、それぞれの厚みが概略λ／４（λはその材料中の音響波の波長）である、高い固有音響インピーダンスを持つ層12ａと低い固有音響インピーダンスを持つ層12ｂとを交互に積層した音響アイソレーション層12が一般的に用いられ、その上に下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15からなる共振部が形成された構造である（例えば、特許文献１および非特許文献１を参照。）。このような構成の音響アイソレーション層12により、共振部から音響アイソレーション層12に伝搬する音響波を共振部側に反射させることで、基板11に音響波が漏洩することを防ぐことができる。このように、音響アイソレーション層12は、共振部から見た基板11方向の音響インピーダンスが概略０となるので、実質的に共振部を基板11から空間的に離すのと同等の効果を有する。
【０００８】
ここで、音響反射器となる音響アイソレーション層12では、積層する２種類の層12ａ，12ｂを構成する材料の固有音響インピーダンスの比が大きい程少ない層数で大きな反射率を得ることができる。通常は高固有音響インピーダンス材料としてＷ，Ｍｏ，Ａｌ２Ｏ３等が、低固有音響インピーダンス材料としてＡｌ，ＳｉＯ２，ＺｎＯ等が用いられる。各種材料の固有音響インピーダンスを表１に示す。
【表１】
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【０００９】
この音響反射器となる音響アイソレーション層12は、これを構成する層数が多いほど反射率が上がり、音響波を共振部に有効に閉じ込めることができるので、音響波の損失が少なくなり、Ｑ値の高い共振子とすることができる。音響アイソレーション層12の層数は、共振子に必要とされるＱ値や音響アイソレーション層12を構成する材料等にもよるが、一般的に４〜10層程度である。ＳＭＲ型ＦＢＡＲは共振部の下面全面が基板に音響アイソレーション層12を介して固着しているため、１）や２）の方式のＦＢＡＲに比べ強度が高く、信頼性が高いという特徴を持っている。
【特許文献１】米国特許第5,373,268号明細書
【非特許文献１】ダブリュー・イー・ニューウェル（W．E．Newell），“フェース・マウンテッド・ピエゾエレクトリック・レゾネーター（Face−Mounted Piezoelectric Resonators）“、プロシーディング・オブ・ザ・アイイーイーイー（Proceeding of the ＩＥＥＥ），1965年6月、ｐ．575−581
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このＳＭＲ型ＦＢＡＲには、以下のような問題点があった。
【００１１】
ａ）音響反射器となる音響アイソレーション層12の層厚みの合計は数μｍにもなるため、成膜プロセスにかなりの時間を要し、生産性が悪い。
【００１２】
ｂ）音響アイソレーション層12において、層を多数積層すると各層にかかる応力が大きくなることでその表面状態が悪化するため、その上に形成する下部電極層13，圧電体層14および上部電極層15の膜質が低下し、挿入損失等を始めとする共振子としての特性が劣化する。
【００１３】
ｃ）音響波が音響アイソレーション層12中にも一部分布するため、空隙によって基板11と共振部とのアイソレートを取るタイプに比べて実効電気機械結合係数が小さくなる。
【００１４】
しかしながら、上記ａ）〜ｃ）の問題を解決するために音響アイソレーション層12の積層数を減らすと、音響波の反射率が低下して基板11に漏れ出し挿入損失が増大し、共振子のＱ値が低くなるという問題点があった。
【００１５】
また、積層する２種類の層12ａ，12ｂを構成する材料の固有音響インピーダンスの比が大きい程少ない層数で大きな反射率を実現できるため、一般に高固有音響インピーダンス材料としてＷやＭｏが、低固有音響インピーダンス材料としてＡｌやＳｉＯ２が用いられる。この中でも、ＷとＳｉＯ２との組み合わせは、通常の薄膜製造プロセスで使用される材料の中では固有音響インピーダンス比が最大となるため、反射率の点から見て最適である。しかし、この材料の組み合わせでも、良好な反射率を得るためには最低４層を積層する必要がある。固有音響インピーダンスの比がＷ／ＳｉＯ２よりも小さい他の材料の組み合わせの場合には、音響アイソレーション層12の層数は６層以上必要となる。このような積層数の多い音響アイソレーション層12では、上記ａ）〜ｃ）の問題が発生する。例えば、積層することにより各層にかかる応力が大きくなるため膜質が劣化したり、その表面のモホロジーが劣化したりして、音響反射器としての特性が劣化したり、その上に形成する共振部を構成する各層の膜質が低下し、挿入損失が増大することで共振子としての特性が低下したりする。このため、高い特性を持つ共振子を得るために音響アイソレーション層12の表面を研磨する等の新たなプロセスが必要となり、コストの増大や歩留まり低下の要因となり生産性が低くなるという問題点があった。また、積層する多数の層について剥離や欠陥等の問題が発生し、信頼性が低いという問題点もあった。
【００１６】
このように良好な特性を有する共振子を得るためには、現状の材料の組み合わせでは音響アイソレーション層12の積層数を減らすことはできず、音響アイソレーション層12の積層数が多い場合には上記ａ）〜ｃ）の問題を解決する有効な手段がなかった。
【００１７】
本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、低損失で信頼性が高く、しかも生産性の高い薄膜バルク音響波共振子を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、このような薄膜バルク音響波共振子を用いた、挿入損失等の特性がよく、信頼性が高く、しかも生産性の高いフィルタ、およびこのフィルタを用いた、感度が良く、信頼性が高い通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の薄膜バルク音響波共振子は、基板上に、音響アイソレーション層、下部電極層、圧電体層および上部電極層を順次積層してなる薄膜バルク音響波共振子において、前記音響アイソレーション層は、多孔質層もしくは発泡層を含むとともに、これら多孔質層もしくは発泡層と前記下部電極層との間に配置され、前記多孔質層もしくは発泡層よりも気孔率の少ない材料からなる、前記多孔質層もしくは発泡層の前記下部電極層側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の薄膜バルク音響波共振子は、前記多孔質層もしくは発泡層は、高耐熱性の多孔質樹脂材料，高耐熱性の発泡性樹脂材料，多孔質無機材料，発泡性無機材料のいずれかからなることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の薄膜バルク音響波共振子は、前記中間層は、高耐熱性の樹脂材料もしくは無機材料からなることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明のフィルタは、上記各構成のいずれかの本発明の薄膜バルク音響波共振子をフィルタを構成する共振子として用いたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の通信装置は、上記構成の本発明のフィルタを有する、受信回路および送信回路の少なくとも一方を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の薄膜バルク音響波共振子によれば、基板上に、音響アイソレーション層、下部電極層、圧電体層および上部電極層を順次積層してなる薄膜バルク音響波共振子において、音響アイソレーション層は、多孔質層もしくは発泡層を含むとともに、これら多孔質層もしくは発泡層と下部電極層との間に配置され、多孔質層もしくは発泡層よりも気孔率の少ない材料からなる、多孔質層もしくは発泡層の下部電極層側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層を含むことから、多孔質層もしくは発泡層は緻密な材料からなる層に比べて固有音響インピーダンスが非常に小さいため、音響アイソレーション層により構成される音響反射器の必要層数を大幅に減少することができるので、多層膜に起因する様々な問題点、例えば、製造プロセスが複雑で時間がかかることや、膜剥がれの発生や、膜質が低下する等の問題点を解決することができる。また、音響アイソレーション層に空隙を利用することに起因する様々な問題点、例えば、製造プロセスが複雑で時間がかかることや、異方性エッチングのマージンによる共振部エリアの大型化や、薄い共振部が空中に支持されることによる脆弱性等も解決することができる。また、多孔質層もしくは発泡層の気孔もしくは気泡により生じるこれらの層の表面の凹凸を、これらの層の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層により埋めることができる。また、この中間層は多孔質層もしくは発泡層よりも気孔率の少ない材料からなるため、中間層の表面の凹凸は多孔質層もしくは発泡層の表面の凹凸に比べ小さいものとなる。このため、中間層により多孔質層もしくは発泡層の凹凸を平滑化することができ、下部電極層と接する音響アイソレーション層の表面状態を改善し、音響アイソレーション層の上に膜質の良好な下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成することができる。このように共振部を構成する各層の膜質を良好なものとすることができるので、共振部における音響波の挿入損失が少ないものとすることができる。これによって、低損失で信頼性が高く、しかも短時間かつ低コストで製造できるものとなるので生産性の高い薄膜バルク音響波共振子を提供することができる。
【００２５】
また、本発明の薄膜バルク音響波共振子によれば、多孔質層もしくは発泡層が、高耐熱性の多孔質樹脂材料，高耐熱性の発泡性樹脂材料，多孔質無機材料，発泡性無機材料のいずれかからなるときには、多孔質層もしくは発泡層を形成した後の工程、例えば、中間層，下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成する工程の製造プロセスにより加熱されても多孔質層もしくは発泡層が変質したり変形したりすることなく、音響アイソレーション層により構成される音響反射器としての機能を良好に保つことができるので、低損失で信頼性が高いものとなる。また、中間層を形成する際には音響アイソレーション層の平滑性を最適なものとするように，下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成する際には共振子としての特性を最適なものとするように、それぞれ最適な製造プロセスを選択することができるので、低損失な薄膜バルク音響波共振子を生産性よく提供することができる。
【００２６】
また、本発明の薄膜バルク音響波共振子によれば、中間層が、高耐熱性の樹脂材料もしくは無機材料からなるときには、中間層を形成した後の工程、例えば、下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成する工程の製造プロセスにより加熱されても中間層が変質したり変形したりすることがないので音響アイソレーション層の表面状態を良好に保ち、音響アイソレーション層の上に膜質の良好な下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成することができるものとなる。このため、低損失で信頼性が高く、生産性の高い薄膜バルク音響班共振子となる。また、下部電極層，圧電体層，上部電極層を形成する際に共振子としての特性を最適なものとするように最適な製造プロセスを選択することができるので、低損失な薄膜バルク音響波共振子を生産性よく提供することができる。
【００２７】
また、本発明のフィルタによれば、上記各構成のいずれかの本発明の薄膜バルク音響波共振子をフィルタを構成する共振子として用いたことにより、低損失で信頼性が高く、しかも生産性の高い共振子を用いてフィルタを構成できるので、従来のＦＢＡＲやＳＭＲを使用したフィルタに比べて、挿入損失等の特性がよく、信頼性が高く、しかも安価なフィルタを提供することができる。
【００２８】
さらに、本発明の通信装置によれば、上記構成の本発明のフィルタを有する、受信回路および送信回路の少なくとも一方を備えたことにより、回路中での損失が小さくなり、不要波の除去性能が上がる効果が得られるものとなる。また、高信頼性のフィルタを用いて回路を構成できるので、より感度が良く、信頼性が高い通信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の薄膜バルク音響波共振子の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３０】
本発明の薄膜バルク音響波共振子は、基板上に、音響アイソレーション層、下部電極層、圧電体層および上部電極層を順次積層してなる薄膜バルク音響波共振子において、前記音響アイソレーション層は、多孔質層もしくは発泡層を含むとともに、これら多孔質層もしくは発泡層と下部電極層との間に配置され、多孔質層もしくは発泡層よりも気孔率の少ない材料からなる、多孔質層もしくは発泡層の下部電極層側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層を含むものである。このような本発明の薄膜バルク音響波共振子の実施の形態の一例について、図１（ａ）に平面図を，図１（ｂ）に（ａ）のＡ−Ａ’線断面図を、（ｃ）に（ｂ）のＢ部分の拡大断面図を示す。なお、図面においては、薄膜バルク音響波共振子の構造が分かりやすいように各部の寸法は適宜拡大している。また、層構成が見やすいように、上部に位置する一部の層は省略している。
【００３１】
図１（ａ）〜（ｃ）において、11は基板，12は音響アイソレーション層，16は中間層，17は多孔質層もしくは発泡層，13は下部電極層，14は圧電体層，15は上部電極層である。圧電体層14に上下から電圧を印加するための下部電極層13および上部電極層15が形成されて共振部が構成されており、この共振部が音響アイソレーション層12を介して基板11上に配置されている。以上のような共振部の基本構造は従来の薄膜バルク音響波共振子における共振部と同様であるが、本発明の薄膜バルク音響波共振子では、音響アイソレーション層12が多孔質層もしくは発泡層17を含み、かつ、多孔質層もしくは発泡層17と下部電極層13との間に、多孔質層もしくは発泡層17よりも気孔率の少ない材料からなる、多孔質層もしくは発泡層17の下部電極層13側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層16が設けられている。
【００３２】
基板11は、薄膜バルク音響波共振子を支持する機能を有し、通常は厚みが0.05〜１ｍｍ、直径が75〜200ｍｍ程度の鏡面研磨されたＳｉウエハが用いられる。Ｓｉウエハは扱いやすく、また対応する薄膜プロセス装置も多いため、製造が容易となることから、特に好適に用いられる。基板11は、Ｓｉウエハの他にも、薄膜プロセスと相性の良い、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ガラス等のウエハまたは平板を使用することができる。
【００３３】
下部電極層13は、圧電体層14に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ，Ｍｏ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属材料で形成される。下部電極層13はスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜プロセスで音響アイソレーション層12上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。また、下部電極層13は、電極としての機能と同時に、共振部を構成する機能も有するため、薄膜バルク音響波共振子が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、材料の固有音響インピーダンスや密度，音速，波長等を考慮して、精密に設計する必要がある。最適な電極厚みは、使用周波数，共振子の設計，圧電体層14の材料，電極材料等によって異なるが、共振周波数が２ＧＨｚの場合、0.01〜0.5μｍ程度である。また、平面形状は、図１に示す例では矩形状になっているが、不要振動（スプリアス）を防ぐため、円形状や不定形状，台形状とされる場合もある。
【００３４】
上部電極層15は、下部電極層13とともに、圧電体層14に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ，Ｍｏ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属材料で形成される。上部電極層15はスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜プロセスで圧電体層14上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。また、上部電極層15は、電極としての機能と同時に、共振部を構成する機能も有するため、薄膜バルク音響波共振子が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、材料の固有音響インピーダンスや密度，音速，波長等を考慮して、精密に設計する必要がある。最適な電極厚みは、使用周波数，共振子の設計，圧電体層14の材料，電極材料等によって異なるが、共振周波数が２ＧＨｚの場合、0.01〜0.5μｍ程度である。また、平面形状は、図１に示す例では矩形状になっているが、不要振動（スプリアス）を防ぐため、円形状や不定形状，台形状とされる場合もある。
【００３５】
圧電体層14は、例えばＺｎＯやＡｌＮ，ＰＺＴ等の圧電体材料からなり、下部電極層13および上部電極層15によって印加された高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を持つ。圧電体層14はスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜プロセスで下部電極層13上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。薄膜バルク音響波共振子が必要な共振特性を発揮するために、圧電体層14の厚みは、材料の固有音響インピーダンスや密度，音速，波長等を考慮して、精密に設計する必要がある。最適な厚みは、使用周波数，共振子の設計，圧電体層14の材料，下部電極層13および上部電極層15の材料等によって異なるが、共振周波数が２ＧＨｚの場合、0.3〜1.5μｍ程度である。また、平面形状は、図１に示す例では矩形状になっているが、不要振動（スプリアス）を防ぐため、円形状や不定形状，台形状とされる場合もある。
【００３６】
また、圧電体層14が上下から下部電極層13および上部電極層15により挟まれて構成される共振部は、前述のように、その内部で音響波が厚み縦振動による共振を起こすものであり、使用周波数、共振子の設計，圧電体層14の材料，下部電極層13および上部電極層15の材料等を考慮して精密に設計する必要がある。共振部は、下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15が重なった部分であり、下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15のそれぞれは、共振部よりも広く形成されていてもよい。通常、全体の厚みが、おおむねλ／２（λは使用周波数での音響波の波長）となるように設計される。また、共振部の平面形状は、図１に示す例では矩形状になっているが、不要振動（スプリアス）を防ぐため、円形状や不定形状，台形状とされる場合もある。さらに、その面積は、共振子のインピーダンスを決定する要素となるため、厚みと同様に精密に設計する必要がある。50Ωインピーダンス系で使用する場合は、通常、下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15で構成される電気的なキャパシタンスが、使用周波数でおおむね50Ωのリアクタンスを持つように設計される。共振部の面積は、例えば２ＧＨｚの振動子の場合であれば、200μｍ×200μｍ程度となる。
【００３７】
本発明の薄膜バルク音響波共振子では、音響アイソレーション層12が多孔質層もしくは発泡層17を含んでいることを特徴としている。ここで、図２（ａ）に、薄膜バルク音響波共振子の共振部に接触させて、ある音響インピーダンスのアイソレーション層を付加したときの、アイソレーション層材料の固有音響インピーダンスと共振子のＱ値との関係のシミュレーション結果の一例を線図で示す。この例では、Ｓｉからなる基板上に一層のみのアイソレーション層を形成し、その直上に、共振部として、厚み0.6μｍのＺｎＯからなる圧電体層を厚み0.2μｍのＷからなる電極層で挟んで形成した場合を示している。なお、この例では、アイソレーション層からの音響波の漏れのみを考慮しており、その他材料損失や共振部上部からの漏れは考慮していない。一般に通信機器用の部品として必要とされる高周波で使用する共振子のＱ値は1000以上が要求されており、アイソレーション層からの漏れ損失のみから計算されるＱ値としては2000以上が必要である。このため、図２に示す結果から分かるように、Ｑ値2000以上を達成するためには、アイソレーション層を１層のみで実現しようとすると、その固有音響インピーダンスは１ＭＲａｙｌ以下である必要があることが分かる。しかし、表１に示したように、例えば、ＳｉＯ２の固有音響インピーダンスは無機物の中で最も小さい値を持つが、せいぜい13ＭＲａｙｌ程度であり、代表的な高耐熱性樹脂であるＢＣＢ（Benzocyclobutene）樹脂でも、固有音響インピーダンスは1.5ＭＲａｙｌ程度である。このため、従来のような多層膜からなる音響反射器を用いずにＱ値2000以上を達成するためには、さらに低い固有音響インピーダンスを持つ材料を用いる必要があるが、通常の材料では達成不可能である。
【００３８】
これに対して、本発明のように、音響アイソレーション層12を構成する層として多孔質層や発泡層17を用いれば、これらの層17の固有音響インピーダンスが十分に低い値であるので、音響アイソレーション層12の積層数が従来に比べて少なくても、例えば一層のみでも良好なアイソレーション特性を得ることができ、Ｑ値の高い薄膜バルク音響波共振子を複雑で時間のかかる製造プロセスを経ずに得ることができる。ここで、多孔質層もしくは発泡層17を構成する多孔質材料もしくは発泡材料とは、各材料中に気泡もしくは気孔が分散したものであり、平均密度が非常に小さい材料である。多孔質層もしくは発泡層17はその材料の組織に無数の気孔または気泡を含んでいることからその音響インピーダンスは著しく小さく、気孔率が大きくなればその値はほぼ０となる。この多孔質層もしくは発泡層17も固体組織部分では音響波の伝播が生じるが、この固体組織部分が共振部側に位置する層に接触している面積はごく僅かであるので、接触部分からの音響波の漏洩はほぼ無視できるものとなるからである。このため、本発明の薄膜バルク音響波共振子によれば、複雑な作製プロセスを必要とせずに形成することができる多孔質層もしくは発泡層17により、共振部と基板11との間に空隙を設けることなく、共振部を基板から音響的にアイソレートすることができるので、高Ｑ値のものを低コストで作製できるものとなる。
【００３９】
このような多孔質層もしくは発泡層17の材料としては、固有音響インピーダンスの小さい多孔質材料もしくは発泡材料であればなんでも使用できるが、薄膜プロセスへの適応が容易という点から、発泡性ポリイミド等の発泡性樹脂材料，シリカエアロゲル等の発泡性無機材料，エアロゲル材料，発泡性金属材料等が好適である。また、多孔質材料、例えば、ポーラスＭＳＱ（Methyl-sisesquioxane），多孔質ＢＣＢ等の多孔質樹脂材料、ポーラスシリカ等の多孔質無機材料も同様に使用できる。このような多孔質層もしくは発泡層17の気孔率は10〜90％程度であることが好ましい。
【００４０】
ここで、多孔質層および発泡層17を構成する材料の一例であるポーラスＭＳＱについて、図２（ｂ）にポーラスＭＳＱの気孔率と固有音響インピーダンスとの関係を線図で示す。ＭＳＱは緻密体では約５ＭＲａｙｌの固有音響インピーダンスを持つが、気孔率を60％以上にすると、固有音響インピーダンスは１ＭＲａｙｌ以下となることが分かる。また、材料の気孔率を調整することにより所望の固有音響インピーダンスを実現できることが分かる。
【００４１】
このような音響アイソレーション層12に含まれる多孔質層もしくは発泡層17の膜厚に特に制限はないが、良好な反射特性を達成するという観点から、λ／４（λは多孔質層もしくは発泡層17中の音響波の波長）の奇数倍が望ましい。
【００４２】
多孔質層もしくは発泡層17では、多孔質材料もしくは発泡材料の材料元素や作製プロセスは特に限定されるものではないが、例えば、ＴＭＯＳ（Tetramethoxy Silane）とエタノール、水等との混合溶液をスピンコートした後、ゲル化処理，疎水処理を行ない、超臨界乾燥させることでシリカエアロゲルからなる多孔質層もしくは発泡層17を得ることができ、その気孔率は、ＴＭＯＳとエタノール、水等との混合比を調整することにより制御することができる。
【００４３】
ここで、多孔質層もしくは発泡層17の表面には、内部の気孔もしくは気泡の大きさと同程度の凹凸が生じてしまう。また、表面全体に対するその凹凸部が存在する部分の割合は、気孔率の高いものほど大きくなる。表面に凹凸を有する音響アイソレーション層12を用いた場合にはその上に形成される共振部は、音響アイソレーション層12の表面状態がそのまま引き継がれ、音響アイソレーション層12と同様の凹凸を有するものとなる。このような場合には、共振部と音響アイソレーション層12との界面で音響波の乱反射が起こって振動エネルギの損失が生じてしまい、共振子のＱ値が劣化する。また、表面に凹凸があるものの上に形成した膜は、その結晶配向が乱れて膜質が低下してしまう可能性がある。このため、圧電体層14の膜質が低下し、共振子の周波数差（共振周波数と反共振周波数との差）を決定する電気機械結合係数が低下したり、圧電体層14内での音響波の損失が増大して共振子のＱ値が低下したりするという問題が発生する。また、同様に、下部電極層13，上部電極層15の膜質が低下すると、電極層13，15内での音響波の損失が増大して共振子のＱ値が低下したりするという問題が発生する。
【００４４】
そこで、本発明の薄膜バルク音響波共振子では、多孔質層もしくは発泡層17と下部電極層13との間に、多孔質層もしくは発泡層17よりも気孔率の少ない材料からなる、多孔質層もしくは発泡層17の下部電極層13側の表面の凹凸の高さよりも厚い中間層16を設けることにより、このような問題を解決するものである。すなわち、図１（ｃ）に示すように、この多孔質層もしくは発泡層17の表面に位置する気孔もしくは気泡の部分において表面に凹凸が生じる。中間層16は、多孔質層もしくは発泡層17の下部電極層13側の表面の凹凸の高さよりも厚いため、この凹凸を埋めて平滑な表面を得ることができる。さらに、中間層16の材料には、多孔質層もしくは発泡層17よりも気孔率の少ない材料を用いる。このため、中間層16の表面の凹凸は多孔質層もしくは発泡層17の表面の凹凸に比べ小さいので、多孔質層もしくは発泡層17の表面の凹凸を埋めて形成した中間層16を含むアイソレーション層12の表面を平滑化することができる。このような中間層16により、損失の小さい共振子を実現することができるようになる。
【００４５】
なお、中間層16は、その厚みが音響波の波長と比して十分に薄ければ、音響アイソレーション層12の反射率を低下させることはない。また、もし多孔質層もしくは発泡層17の表面の凹凸が大きくて、中間層16の厚みが音響波の波長と同程度以上になる際には、多孔質層もしくは発泡層17と中間層16とを含む音響アイソレーション層12全体として、良好な音響アイソレーション特性を持つように、多孔質層もしくは発泡層17と中間層16との厚みを設計すればよい。設計の容易さという観点からは、中間層16の厚みは、音響波の波長の１／２程度以下が望ましい。
【００４６】
中間層16を形成する材料元素や作製プロセスは特に限定されるものではないが、良好な凸凹被覆性、平坦性を持つ層を得るためには、例えば、溶液化した樹脂材料や無機材料を、多孔質層もしくは発泡層17の表面にスピンコートし、キュアにて形成すればよい。
【００４７】
なお、図１では、音響アイソレーション層12は多孔質層もしくは発泡層17と中間層16とのみで構成されているが、これに固有音響インピーダンスの異なる２種類の層を交互に積層した音響反射器を組み合わせたり、音響反射器を構成する一方の層として多孔質層もしくは発泡層17を用いて、これを固有音響インピーダンスの高い材料からなる層と交互に積層して、その上に中間層を形成したりしてもよく、このような構成とすることで、同じＱ値を得るために必要な音響反射器の層数を削減することができる。
【００４８】
なお、本発明の薄膜バルク音響波共振子における共振部，基板，その他材料や構造，プロセス等については以上の例に特に限定されるものではなく、さらに、共振部と外部接続のための端子部（図示せず）とを接続する配線および電極の取り回しや、複数の共振部を接続してフィルタとする構成や構造についても特に限定されるものではない。
【００４９】
本発明の薄膜バルク音響波共振子では、多孔質層もしくは発泡層17は、高耐熱性の多孔質樹脂材料，高耐熱性の発泡性樹脂材料，多孔質無機材料，発泡性無機材料のいずれかからなることが好ましい。薄膜バルク音響波共振子の製造工程では、多孔質層もしくは発泡層17上に少なくとも中間層16を，音響アイソレーション層12上に下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15を，さらにこの上に共振部を保護するための保護層等を形成するための成膜工程，パターニング工程，キュアやリフロー等の工程が必要となる。多孔質層もしくは発泡層17は、これらの工程に対応できるような、200℃〜300℃程度の耐熱性を持つ材料を用いることにより、多孔質層もしくは発泡層17が変質したり変形したりすることがないのでアイソレーション特性を良好に保つことができるとともに、中間層16および共振部の製造プロセスを、中間層16が所望の表面平滑性や生産性を得るように、または共振部を構成する各層が所望の膜質や生産性を得ることができるように、それぞれ自由に選択することができるので、高性能で生産性の高い共振子を提供することができる。また、このような多孔質層もしくは発泡層17は耐熱性とともに、ある程度の強度を有するものであれば、外力により変形することを防ぐことができるので、安定した音響アイソレーションを確保することできるため好ましい。このような要求を満たす材料として、多孔質層もしくは発泡層17は、気孔を導入したポリイミドやＢＣＢ樹脂（発泡性ポリイミド、多孔質ＢＣＢ樹脂等），ポーラスＭＳＱ等の高耐熱性の多孔質樹脂材料もしくは高耐熱性の発泡性樹脂材料、もしくは、ポリシラザンやＳＯＧ（Spin−on−Glass）等から導出したポーラスシリカやポーラスＳｉＯＣ、シリカエアロゲル等の多孔質無機材料もしくは発泡性無機材料がいずれも耐熱性を有するため適している。
【００５０】
また、本発明の薄膜バルク音響波共振子では、中間層16が、高耐熱性の樹脂材料もしくは無機材料からなっていることが好ましい。このように耐熱性を有する材料を用いることにより、中間層16の上に位置する下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15を形成する製造プロセスにより加熱されても中間層16が変質したり変形したりすることがないので音響アイソレーション層12の表面状態を良好に保ち、音響アイソレーション層12の上に膜質の良好な下部電極層13，圧電体層14，上部電極層15を形成することができるものとなる。このため、低損失で信頼性が高く、生産性の高い薄膜バルク音響波共振子とすることができる。また、共振部の製造プロセスを、共振部を構成する各層が所望の膜質や生産性を得ることができるように自由に選択することができるので、高性能で生産性の高い共振子を提供することができる。また、中間層16の第一の機能は、音響アイソレーション層12を表面の平滑なものにすることである。このため、多孔質層もしくは発泡層17により生じる表面の凹部を埋め込み平滑化する効果を持つ材料およびプロセスにより形成する必要がある。このような中間層16としては、ポリイミドやＢＣＢ樹脂等の高耐熱性の樹脂材料をスピンコートで塗布して、熱によって硬化させて形成したものが適している。また、ポリシラザンやＳＯＧ等の無機材料をスピンコートで塗布して、熱処理を行ない形成してもよい。さらに、無機材料をバイアススパッタや選択性ＣＶＤ法によって表面の平滑な中間層16に形成することもできる。このような材料および形成方法を用いることにより、一般的な膜の表面を平滑化する方法であるＣＭＰ（Chemical−Mechanical Polishing）に比べ、簡単なプロセスで表面の平滑な音響アイソレーション層12を得ることができ、生産性の高い薄膜バルク音響波共振子を提供することができる。
【００５１】
また、本発明のフィルタは、フィルタを構成する共振子として、以上のような本発明の薄膜バルク音響波共振子を用いたものである。本発明の薄膜バルク音響波共振子によれば、従来品よりも低損失で信頼性が高く、しかも安価な共振子を提供することができるため、これを用いてフィルタを構成することにより、従来よりも挿入損失等の特性がよく、信頼性が高く、しかも安価なフィルタを提供することができるようになる。本発明の薄膜バルク音響波共振子を用いて本発明のフィルタを構成したものとしては、共振子を電気的に結合させたラダー型フィルタやラティス型フィルタの他に、共振子を音響的に結合させたスタックト・クリスタル（Stacked Crystal）型フィルタやカップルド・レゾネータ（Coupled Resonator）フィルタ等が挙げられる。
【００５２】
さらに、本発明の通信装置は、本発明のフィルタを有する受信回路および本発明のフィルタを有する送信回路の少なくとも一方を備えたものである。このような構成とすることにより、回路中での損失が小さくなり、不要波の除去性能が高くなるので、より感度が良く、信頼性が高い通信装置を低価格で提供することができる。
【実施例】
【００５３】
本発明の薄膜バルク音響波共振子の具体例について以下に説明する。ここでは、２ＧＨｚで共振する薄膜バルク音響波共振子を作製した。
【００５４】
まず、高抵抗のＳｉ基板11上に、多孔質層を形成するようにＭＳＱとエタノールとの混合比を調整したＭＳＱ樹脂溶液をスピンコートし、熱処理を行ってポーラスＭＳＱからなる多孔質層17を形成して、通常のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により所望のパターンに形成した。熱処理後の膜厚は約0.2μｍであり、気孔率は約60％程度になるように樹脂溶液を調整した。このように形成した多孔質層17の表面粗さは約0.04μｍであった。この上部に、緻密層を形成するようにＭＳＱとエタノールとの混合比を調整したＭＳＱ樹脂溶液をスピンコートし、熱処理を行って中間層16を形成して、通常のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により所望のパターンに形成した。熱処理後の膜厚は、約0.08μｍであった。中間層16の表面粗さを測定したところ約0.008μｍであった。
【００５５】
多孔質層17および中間層16からなる音響アイソレーション層12上に、厚さ0.15μｍのＭｏからなる下部電極層12をスパッタリング法により形成した後、フォトリソグラフィおよびフッ硝酸によるウエットエッチングを行なって下部電極層12のパターンを形成した。その後、スパッタリング法により0.67μｍのＺｎＯ層からなる圧電体層14を成膜した。ＺｎＯ層のパターニングは、フォトリソグラフィおよび希塩酸によるウエットエッチングによって行なった。
【００５６】
そして、圧電体層14の上に、厚さ0.15μｍのＡｕからなる上部電極層15をスパッタリング法により形成し、同様にフォトリソグラフィおよびヨウ素／ヨウ化カリウムによるウエットエッチングによりパターン形成を行なった。
【００５７】
このようにして作製した図１に示す本発明の薄膜バルク音響波共振子について、その共振特性をインピーダンスアナライザにて測定したところ、共振周波数が1.98ＧＨｚであり、Ｑ値が1050の良好な特性を得た。
【００５８】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、圧電体層の材料として、ＡｌＮやＰＺＴ等を使用してもよいし、成膜方法としてＣＶＤ法やゾルゲル法（材料の溶液を基板にスピンコートし、焼成して圧電体薄膜とする方法）等も使用できる。特に、ＰＺＴ等の電気機械結合係数が大きい強誘電体材料を使用した場合は、周波数差（共振周波数と反共振周波数との差）が大きい薄膜バルク音響波共振子を実現することができる。また、それを用いたフィルタは、通過帯域幅が広く、広帯域のスペクトルを使用する無線通信装置に好適に使用することができる。
【００５９】
上部および下部電極層の材料としては、Ｍｏの他に、Ｗ，Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ等を使用することもできるし、それらの材料を組み合わせて使用することもできる。例えば、本発明の実施例で使用したＭｏ電極は、固有音響インピーダンスが大きいため、良好な共振特性を得ることができるが、導電率が比較的小さいという欠点を持っている。このため、例えば、下部電極層をＭｏとＡｕとを積層したものとすることにより、良好な共振特性と良好な電気特性とを併せ持つ電極とすることができる。
【００６０】
多孔質層もしくは発泡層17としては、本発明の実施例で示した、ポーラスＭＳＱを使用したものの他に、例えば、シリカエアロゲルや、ポーラスシリカ，ポーラスＳｉＯＣ，ポリシラザンやＳＯＧ，多孔質ＢＣＢ樹脂，発泡性ポリイミド等を使用することもできる。また、Ａｌ２Ｏ３やＳｉ２Ｎ３等の絶縁材料と、ポリイミドやＢＣＢ樹脂等の樹脂材料を２層から４層程度積層したものも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の薄膜バルク音響波共振子の一例を示す、（ａ）は平面図，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図，（ｃ）は（ｂ）のＢ部分の拡大断面図である。
【図２】（ａ）は薄膜バルク音響波共振子の共振部に接触させて、ある音響インピーダンスのアイソレーション層を付加したときの、音響アイソレーション層の固有音響インピーダンスと共振子のＱ値との関係のシミュレーション結果の一例を示す線図であり、（ｂ）はポーラスＭＳＱの気孔率と固有音響インピーダンスとの関係を示す線図である。
【図３】従来の薄膜バルク音響波共振子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
11・・・基板
12・・・音響アイソレーション層
13・・・下部電極層
14・・・圧電体層
15・・・上部電極層
16・・・中間層
17・・・多孔質層もしくは発泡層
【図１】
2006229282.tif 000004
【図２】
2006229282.tif 000005
【図３】
2006229282.tif 000006