(57)【要約】【課題】積層共振体から基板に漏れた振動が基板内部で反射することによるスプリアス振動の発生を抑制できるキャビティ構造を有する薄膜バルク波共振器を提案する。【解決手段】薄膜バルク波共振器１１は、第一の主面３０Ａ、及びこれと反対側の第二の主面３０Ｂを有する基板３０と、第一の主面３０Ａに積層される積層共振体２０とを有する。積層共振体２０は、第一の主面３０Ａに積層される第一の電極２３、第一の電極２３に積層される圧電体膜２２、及び圧電体膜２２に積層される第二の電極２１を有する。基板３０には、積層共振体２０に対応する位置において第二の主面３０Ｂに対して垂直に開口するキャビティ３１が形成されている。キャビティ３１には、基板内側に陥没する凹部３２Ａが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の主面及びこれと反対側の第二の主面を有する基板と、
前記第一の主面に積層される第一の電極、前記第一の電極に積層される圧電体膜、及び前記圧電体膜に積層される第二の電極を有する積層共振体と、を備え、
前記基板には前記積層共振体に対応する位置において前記第二の主面に対して略垂直に開口するキャビティが形成されており、前記キャビティには基板内側に陥没する凹部が形成されている、薄膜バルク波共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
前記凹部は前記キャビティの側壁の一部に形成されている、薄膜バルク波共振器。
【請求項３】
請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
前記凹部は前記キャビティの側壁が全体的に基板内側に湾曲したものである、薄膜バルク波共振器。
【請求項４】
請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
前記凹部は前記キャビティの側壁に複数形成されており、前記側壁の断面形状は波形である、薄膜バルク波共振器。
【請求項５】
請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
前記凹部は前記キャビティの開口部のエッジ部分に形成されている、薄膜バルク波共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスプリアス振動を抑制するためのキャビティ構造を有する薄膜バルク波共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮや移動体通信機器用のバンドパスフィルタを構成する共振子として、薄膜バルク波共振器（Film Bulk Acoustic Resonator:ＦＢＡＲ）や表面弾性波(Surface Acoustic Wave:ＳＡＷ)共振器など、圧電材料を用いた数々の共振器が実用化されている。中でも、薄膜バルク波共振器は、その構造上、表面弾性波共振器に比べて共振周波数を高め易いことから、ＧＨｚ帯といった高い共振周波数が求められる用途において特に注目されている。薄膜バルク波共振器は、基板と、基板上に形成される積層共振体とを有する。積層共振体は、圧電体膜と、圧電体膜を上下から挟む一対の上部電極及び下部電極を有しており、上部電極と下部電極との間に高周波信号を印加すると、積層共振体の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて厚み縦方向に励振する。
【０００３】
薄膜バルク波共振器としては、ダイヤフラム型と呼ばれるタイプと、ＳＭＲ型（Solidly Mounted Resonator）と呼ばれるタイプが知られている。ダイヤフラム型と称されるタイプの薄膜バルク波共振器は、積層共振体の下部において基板にキャビティ（空洞）が設けられた構造を有している。一方、ＳＭＲ型と称される薄膜バルク波共振器は、基板と積層共振体との間に複数の反射膜からなる音響多層膜を備えた構造を有しており、この音響多層膜によって基板からの不要なバルク波の反射を低減している。
【０００４】
ダイヤフラム構造を有する薄膜バルク波共振器においては、キャビティを形成するための手段として、例えば、（１００）カットされたシリコン基板をＫＯＨ水溶液やＴＭＡＨ水溶液などのエッチング液でウェットエッチングする手法が知られている。ウェットエッチングでは、シリコン基板の（１００）面のエッチングレートが（１１１）面のエッチングレートより相当程度速いという特性を利用しているので、キャビティの側壁に相当するシリコン基板の（１１１）面が基板底面に相当するシリコン基板の（１００）面に対して５４．７°のテーパ角を有する。このため、キャビティは、テーパ状に開口し、基板上面から基板下面に向けてその開口面積が大きくなるので、薄膜バルク波共振器を小型化することができないという不都合が生じていた。
【０００５】
このような不都合を解消するための手段として、特開２００５−１５９４０２号公報には、Deep-RIE（Deep Reactive Ion Etching）によるシリコン基板の深堀技術を用いてキャビティを基板底面に対して略垂直に形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５９４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、積層共振体内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体内に閉じ込められることなく、基板側に漏れることがある。キャビティを基板底面に対して略垂直に形成してしまうと、基板底面で反射した漏れ振動が積層共振体に戻ってしまい、積層共振体にスプリアス振動を励振する。スプリアス振動が生じる薄膜バルク波共振器を用いてフィルタを構成すると、フィルタ特性が低下するという不都合が生じる。
【０００７】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、積層共振体から基板に漏れた振動が基板内部で反射することによるスプリアス振動の発生を抑制できるキャビティ構造を有する薄膜バルク波共振器を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる薄膜バルク波共振器は、第一の主面、及びこれと反対側の第二の主面を有する基板と、第一の主面に積層される積層共振体とを有する。積層共振体は、基板の第一の主面に積層される第一の電極、第一の電極に積層される圧電体膜、及び圧電体膜に積層される第二の電極を有する。基板には、積層共振体に対応する位置において第二の主面に対して垂直に開口するキャビティが形成されている。キャビティには、基板内側に陥没する凹部が形成されている。
【０００９】
かかる構成を有する薄膜バルク波共振器においては、積層共振体内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体内に閉じ込められることなく、基板側に漏れる。基板側に漏れた振動波のうち少なくとも一部は、基板内部を伝搬する過程において凹部にて乱反射するので、基板側に漏れた振動波が積層共振体に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【００１０】
ここで、キャビティに形成される凹部としては、例えば、キャビティの側壁の一部に形成されるものでもよく、或いはキャビティの側壁が全体的に基板内側に湾曲したものであってもよい。また、凹部は、キャビティの側壁に複数形成されており、側壁の断面形状が波形となるものでもよい。また、凹部は、キャビティの開口部のエッジ部分に形成されるものでもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板側に漏れた振動波のうち少なくとも一部は、基板内部を伝搬する過程において凹部にて乱反射するので、基板側に漏れた振動波が積層共振体に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一符号のデバイスは、同一のデバイスを示すものとして、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００１３】
図１は実施例１に係わる薄膜バルク波共振器１１の断面図である。
薄膜バルク波共振器１１は、第一の主面３０Ａ及びこれと反対側の第二の主面３０Ｂを有する基板３０と、第一の主面３０Ａに積層される積層共振体２０とを備える。基板３０の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英、ガラス基板などが好適である。
【００１４】
積層共振体２０は、第一の主面３０Ａに積層される第一の電極２３と、第一の電極２３に積層される圧電体膜２２と、圧電体膜２２に積層される第二の電極２１とを備える。圧電体膜２２の材質としては、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失及びパワーフロー角が小さく、遅延時間温度係数が小さく、伝搬速度の周波数分散性が少ない圧電材料が望ましく、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）などが好適である。第一の電極２３及び第二の電極２１の材質としては、圧電体膜２２が適度な配向性を形成し得る伝導性材質、例えば、Ａｌ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ，Ｒｕ又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。
【００１５】
第一の電極２３及び第二の電極２１に高周波信号を印加すると、圧電体膜２２の逆圧電効果により圧電体膜２２はその厚み方向に振動し、電気的共振特性を示す。更に圧電体膜２２に生じる弾性波又は振動は、圧電体膜２２の圧電効果により電気信号に変換される。この弾性波は、圧電体膜２２の厚み方向に主変位を有する厚み縦振動波であり、積層共振体２０の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて励振する。
【００１６】
基板３０には、積層共振体２０に対応する位置において第二の主面３０Ｂに対して略垂直に開口するキャビティ３１が形成されており、積層共振体２０が基板３０に束縛されることなく厚み方向に自由振動できるように構成されている。キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対して略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、その側壁３２には、基板内部に陥没する断面半円形の凹部３２Ａが形成されている。
【００１７】
Deep-RIEによる深堀加工によれば、エッチング条件（基板温度、圧力、エッチングガス流量、高周波出力等）を工夫することで、基板内部に陥没する断面半円形の凹部３２Ａを側壁３２に有するキャビティ３１を形成することができる。Deep-RIEとは、ＳＦ6ガスを用いてＦラジカルによる基板３０の化学的エッチングと、Ｆイオンによる反応抑止膜（後述するプラズマエッチング工程で側壁３２に堆積される保護膜）の物理的エッチングとにより、第二の主面３０Ｂに対して略垂直に基板３０を異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程と、Ｃ4Ｆ8ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）を側壁３２に堆積させることにより、主として、Ｆラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、を交互に繰り返すことにより基板３０を深堀する方法である。基板３０の厚みの約半分程度の深さにエッチング加工した段階で、反応抑止膜が薄くなるようにプラズマデポジション工程のエッチング条件を変更すると、ラジカルによる等方性エッチングの度合いが強くなるので、基板内部に陥没する凹部３２Ａを側壁３２の略中央に形成することができる。
【００１８】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１１においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程において凹部３２Ａにて乱反射し、他の一部は、第二の主面３０Ｂにて反射した後に凹部３２Ａにて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【００１９】
尚、凹部３２Ａが形成される位置は、側壁３２の略中央である必要はなく、側壁３２の中央よりも第一の主面３０Ａ側又は第二の主面３０Ｂ側でもよい。また、凹部３２Ａの断面形状は、半円形に限らず、例えば、湾曲形又は半楕円形などの曲線形でもよく、又は矩形又は三角形などの多角形でもよい。
【００２０】
図７は本実施例に係わる薄膜バルク波共振器１１と従来の薄膜バルク波共振器とのアドミッタンス特性の比較結果を示している。横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はアドミッタンス［Ｓ］を示している。実線は本実施例に係わる薄膜バルク波共振器１１のアドミッタンス特性を示し、破線は従来の薄膜バルク波共振器のアドミッタンス特性を示している。このグラフに示すように、従来の薄膜バルク波共振器では、基板底面で反射した漏れ振動が積層共振体に戻ってしまい、積層共振体にスプリアス振動を励振させるので、広帯域にわたってノイズ成分が随所に現れているのに対し、本実施例に係わる薄膜バルク波共振器１１では、スプリアス振動が殆どなく、鋭い共振ピーク及び反共振ピークを有する良好なフィルタ特性を得ることができる。
【実施例２】
【００２１】
図２は実施例２に係わる薄膜バルク波共振器１２の断面図である。
キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対して略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、その側壁３３は全体的に基板内側に湾曲形に陥没する凹部である。Deep-RIEによりキャビティ３１を深堀する過程において、側壁３３に堆積する反応抑制膜の膜厚をエッチング深さに応じて連続的に変化させ、側壁３３中央付近のラジカルによる等方性エッチングの度合いを相対的に強めつつ、側壁３３の第一の主面３０Ａ側及び第二の主面３０Ｂ側のラジカルによる等方性エッチングの度合いを相対的に弱めることで、側壁３３の断面形状が基板内側に湾曲形に陥没する形状となるように加工できる。
【００２２】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１２においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程において側壁３３にて乱反射し、他の一部は第二の主面３０Ｂにて反射した後に側壁３３にて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【００２３】
尚、側壁３３の断面形状は、湾曲形に限らず、例えば、半円形又は半楕円形などの曲線形でもよく、又は矩形又は三角形などの多角形でもよい。
【実施例３】
【００２４】
図３は実施例３に係わる薄膜バルク波共振器１３の断面図である。
キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対して略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、その側壁３４には、基板内側に半円形に陥没する複数の凹部３４Ａが形成されている。Deep-RIEによりキャビティ３１を深堀する過程において、プラズマエッチング工程とプラズマデポジション工程のそれぞれのサイクルを通常のエッチング時のサイクルよりも長めに設定することで、側壁３４に複数の凹部３４Ａを形成することができる。この凹部３４Ａは、Deep-RIEによるディープトレンチ加工の際にトレンチ内壁に形成される波型のスキャロップと同様の原理で形成されるものであり、側壁３４の断面形状は波形となっている。
【００２５】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１３においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程において凹部３４Ａにて乱反射し、他の一部は第二の主面３０Ｂにて反射した後に凹部３４Ａにて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【００２６】
尚、凹部３４Ａの断面形状は、半円形に限らず、湾曲形又は半楕円形などの曲線形でもよく、又は矩形又は三角形などの多角形でもよい。
【実施例４】
【００２７】
図４は実施例４に係わる薄膜バルク波共振器１４の断面図である。
キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対してその側壁３５が略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、キャビティ開口部がラッパ状に広がるようにエッジ部分３５Ａが丸みを帯びて緩やかに傾斜している。エッジ部分３５Ａは、基板内側に陥没する凹部であるとして解釈できる。Deep-RIEによりキャビティ３１を深堀する際に、第二の主面３０Ｂを被覆するエッチングマスク（図示せず）を薄くしておき、第二の主面３０Ｂに略垂直に入射するイオンによってキャビティ開口部付近の側壁３５をオーバーエッチングすることで、丸みを帯びたエッジ部分３５Ａを形成することができる。
【００２８】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１４においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程においてエッジ部分３５Ａにて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【実施例５】
【００２９】
図５は実施例５に係わる薄膜バルク波共振器１５の断面図である。
キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対してその側壁３６が略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、キャビティ断面形状が略Ｔ字形となるようにエッジ部分３６Ａが断面円弧状に形成されている。エッジ部分３６Ａは、基板内側に陥没する凹部であるとして解釈できる。キャビティ開口部を等方性エッチングすることにより、断面円弧状のエッジ部分３６Ａを形成することができる。
【００３０】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１５においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程においてエッジ部分３６Ａにて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【実施例６】
【００３１】
図６は実施例６に係わる薄膜バルク波共振器１６の断面図である。
キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対してその側壁３７が略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞であり、キャビティ開口部がテーパ状となるように直線的に傾斜するエッジ部分３７Ａが形成されている。エッジ部分３７Ａは、基板内側に陥没する凹部であるとして解釈できる。Deep-RIEによりキャビティ３１を深堀した後、キャビティ開口部を側壁３７に対して斜め方向に異方性エッチングすることによりエッジ部分３７Ａを形成することができる。
【００３２】
上記の構成を有する薄膜バルク波共振器１６においては、積層共振体２０内に励振された厚み縦方向の振動エネルギーは、積層共振体２０内に閉じ込められることなく、基板３０側に漏れる。基板３０側に漏れた振動波のうち一部は、基板３０内部を伝搬する過程においてエッジ部分３７Ａにて乱反射するので、基板３０側に漏れた振動波が積層共振体２０に戻ることは殆どなく、スプリアス振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図２】実施例２に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図３】実施例４に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図４】実施例４に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図５】実施例５に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図６】実施例６に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。
【図７】実施例１に係わる薄膜バルク波共振器と従来の薄膜バルク波共振器とのアドミッタンス特性の比較結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１１，１２，１３，１４，１５，１６…薄膜バルク波共振器
２０…積層共振体
２１…第二の電極
２２…圧電体膜
２３…第一の電極
３０…基板
３０Ａ…第一の主面
３０Ｂ…第二の主面
３１…キャビティ
３２，３３，３４，３５，３６，３７…側壁
３２Ａ，３４Ａ…凹部
３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ…エッジ部分
【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】
2008236556.tif 000008
【図７】
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