(57)【要約】【課題】横音響モードの発生を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を提供する。【解決手段】圧電層２とそれを挟んで互いに対向するように形成された上部電極１０及び下部電極８とを有する圧電共振スタック１２と、その下に形成された空隙４と、圧電共振スタック１２を支持する基板６とを含んでなる薄膜圧電共振器。圧電共振スタック１２は、上部電極１０と下部電極８とが圧電層２を介して互いに対向し且つ空隙４に対応して位置する振動領域１８と、基板に接する支持領域２２と、振動領域１８及び支持領域２２の間に位置する緩衝領域２０とからなる。緩衝領域２０は、振動領域１８よりも、１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されている。圧電層２は高域遮断型の分散曲線を示す材料からなる。緩衝領域２０は振動領域１８を内包している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層と該圧電層を挟んで互いに対向するように形成された上部電極及び下部電極とを有する圧電共振スタックと、該圧電共振スタックの下に形成された空隙または音響反射層と、前記圧電共振スタックを支持する基板とを含んでなる薄膜圧電共振器であって、
前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び前記支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域は、前記振動領域よりも、１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振器。
【請求項２】
前記圧電層は高域遮断型の分散曲線を示す材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項３】
前記緩衝領域は前記振動領域を内包していることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。
【請求項４】
前記緩衝領域に隣接する前記支持領域の部分には、前記下部電極が存在することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。
【請求項５】
前記緩衝領域において、前記圧電層上に質量付加層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。
【請求項６】
前記質量付加層を構成している材料の音速Ｖｌと、前記上部電極を構成している材料の音速Ｖｕとが、Ｖｌ＜１．５Ｖｕの関係を満たすことを特徴とする、請求項５に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項７】
前記緩衝領域の幅ｗと、前記振動領域の厚みｔとが、ｗ≧ｔの関係を満たすことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜圧電共振器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の複数の薄膜圧電共振器をフィルタ回路を形成するように接続してなる薄膜圧電フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信機器の技術分野に属するものであり、とくに薄膜圧電共振器とそれを用いた薄膜圧電フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルラ電話機のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、セルラ電話機に多様な機能を付与することが要望されており、その実現のためにはできるだけ多くのコンポーネントを組み込むことが好ましい。一方で、セルラ電話機の大きさには制約があるので、結局、機器における各構成部分の専有面積（実装面積）及び高さの低減の要求が厳しく、従ってＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても専有面積が小さく且つ高さの低いものが求められている。
【０００３】
このような事情から、ＲＦ回路に使用される帯域通過フィルタとして、小型でかつ軽量化が可能である薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタが利用されるようになっている。このような薄膜圧電フィルタは、半導体基板上に上下の電極で挟まれるように窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等からなる圧電層を形成し、且つ弾性波エネルギーが半導体基板中に漏洩しないように、その直下に空洞または音響反射層を設けてなる薄膜圧電共振器を用いたＲＦフィルタである。
【０００４】
このように、薄膜圧電共振器は大別して２種類のものが存在する。第１番目のものは、上部電極、下部電極および圧電層からなる圧電共振スタックの直下に空洞を設けたＦｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）であり、第２番目のものは、基板上に音響インピーダンスが互いに異なる２種類の層を交互に積層してなる音響反射層上に圧電共振スタックを形成したＳｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＭＲ）である。
【０００５】
前記のＦＢＡＲおよびＳＭＲは、圧電共振スタックの厚さ方向に伝搬する弾性波（縦音響モード）を用いた共振器である。上部電極および下部電極に印加された交流信号により励振された弾性波は圧電共振スタックの厚さ方向に伝搬し、上部電極の上側表面及び下部電極の下側表面の空気または音響反射層と接する面で、反射される。このため、上部電極の上側表面と下部電極の下側表面との距離が、弾性波の２分の１波長の整数倍となる場合に、弾性的な共振が生じる。
【０００６】
一方、圧電層の内部では、基板表面に平行な方向の弾性波の伝搬も生じる。この場合の圧電層中の弾性波は、ある周波数ωｃより低い周波数では遮断モードとなり、ある周波数ωｃより高い周波数では伝搬モードとなる。または、ある周波数ωｃより低い周波数では伝搬モードとなり、ある周波数ωｃより高い周波数では遮断モードとなる。この周波数ωｃが遮断周波数であり、該遮断周波数ωｃは、圧電層の厚さが該圧電層の厚さ方向に伝搬する弾性波の２分の１波長に一致する時の、該弾性波の周波数に相当する。ωｃより高い周波数において遮断モードとなるか伝搬モードとなるかは、圧電層の分散曲線（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｃｕｒｖｅ）によって決定される。分散曲線は、圧電層を伝搬する弾性波の波数ｋと周波数ωとの関係を示す。
【０００７】
図６は分散曲線を模式的に表している。図６に示すように、ＺｎＯ薄膜は、ωｃより低周波数側で遮断モードとなることから、低域遮断型の分散曲線を示す。一方、ＡｌＮ薄膜は、ωｃより高周波数側で遮断モードとなることから、高域遮断型の分散曲線を示す。
【０００８】
図７は圧電共振スタックの電極形成部（振動領域）と電極非形成部（緩衝領域）との分散曲線の関係を模式的に表したものである。上部電極が形成されている振動領域の遮断周波数ωｖｃは、電極による厚さ増加と質量付加とに起因して、上部電極の存在しない緩衝領域の遮断周波数ωｂｃよりも低い。圧電層としてＡｌＮ薄膜を用いた場合、分散曲線は高域遮断型を示すことから、振動領域で励振された弾性波は、緩衝領域においては伝搬モードとなる。一方、基板に支持されている支持領域の遮断周波数ωｓｃは、支持基板による厚さ増加と質量付加とに起因して、振動領域の遮断周波数ωｖｃに比べて低い。このため、支持領域では遮断モードとなり弾性波は伝搬しない。従って、緩衝領域を伝搬した弾性波は、支持領域と緩衝領域との境界で反射されることになる。
【０００９】
振動領域で励振される弾性波は、厚み縦振動の共振周波数において、支持領域では遮断モードとなるので伝搬せず、緩衝領域と支持領域との境界において反射される。また、緩衝領域と支持領域との境界より支持領域の側では、弾性波はエバネッセント波となり減衰する。このように、緩衝領域と支持領域との境界において弾性波が反射される場合でも、支持基板への弾性エネルギーの散逸は皆無ではない。この支持基板への弾性エネルギーの散逸による僅かな弾性エネルギーの損失によっても、薄膜圧電共振器の品質係数Ｑ値の低下が生じていた。
【００１０】
特許文献１には、上部電極の外周部に環帯を設けることにより、環帯により囲まれる内側部分と環帯との音響インピーダンスを異ならせて、振動領域外への弾性波の散逸を抑制し、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることが示されている。
【００１１】
非特許文献１には、圧電層としてＡｌＮ薄膜を用いたＳＭＲに対して、音響反射層の層構成を最適化することにより、ＡｌＮ薄膜の分散曲線を高域遮断型から低域遮断型に変化させ、更に上部電極の外周部に環帯部を設けることにより、スプリアスモードの抑制及び弾性波エネルギーの閉じ込めが可能なことが示されている。
【特許文献１】特開２００６−１０９４７２号公報
【非特許文献１】「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  ＢＡＷ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ２００５、ｐｐ．５Ｊ−１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
薄膜圧電フィルタには、通過帯域に出現するスプリアス特性を抑制し、且つ、低挿入損失を実現することが求められている。そのために、それに用いられる薄膜圧電共振器には、不要振動である横音響モードの抑制と高い品質係数Ｑ値の実現とが求められる。
【００１３】
薄膜圧電共振器の圧電層の材質としては、ＡｌＮまたはＺｎＯが用いられている。このうち、ＺｎＯからなる圧電層を有する従来の薄膜圧電共振器では、圧電層によって熱的エネルギーに変換される弾性的損失を抑え、高いＱ値を実現することが困難であった。一方、前述したようにＡｌＮは高域遮断型の分散曲線を示すことから、ＡｌＮからなる圧電層を有する従来の薄膜圧電共振器では、振動領域内部への弾性エネルギーの閉じ込めが十分ではなく、高いＱ値を実現することが困難であった。
【００１４】
特許文献１に記載の手法は、薄膜圧電共振器のＱ値を大きくすることは可能であるが、共振周波数近傍のスプリアスを大きくしてしまうという欠点がある。また、非特許文献１に記載の手法はＳＭＲタイプの薄膜圧電共振器への適用に限定されるものであり、ＦＢＡＲに対して適用することは困難である。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、横音響モードの発生を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、低挿入損失を実現できる薄膜圧電フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電層と該圧電層を挟んで互いに対向するように形成された上部電極及び下部電極とを有する圧電共振スタックと、該圧電共振スタックの下に形成された空隙または音響反射層と、前記圧電共振スタックを支持する基板とを含んでなる薄膜圧電共振器であって、
前記圧電共振スタックは、前記上部電極と下部電極とが前記圧電層を介して互いに対向し且つ前記空隙または音響反射層に対応して位置する振動領域と、前記基板に接する支持領域と、前記振動領域及び前記支持領域の間に位置する緩衝領域とからなり、
前記緩衝領域は、前記振動領域よりも、１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されていることを特徴とする薄膜圧電共振器、
が提供される。
【００１７】
本発明の一態様においては、前記圧電層は高域遮断型の分散曲線を示す材料からなる。本発明の一態様においては、前記緩衝領域は前記振動領域を内包している。本発明の一態様においては、前記緩衝領域に隣接する前記支持領域の部分には、前記下部電極が存在する。本発明の一態様においては、前記緩衝領域において、前記圧電層上に質量付加層が形成されている。本発明の一態様においては、前記質量付加層を構成している材料の音速Ｖｌと、前記上部電極を構成している材料の音速Ｖｕとが、Ｖｌ＜１．５Ｖｕの関係を満たす。本発明の一態様においては、前記緩衝領域の幅ｗと、前記振動領域の厚みｔとが、ｗ≧ｔの関係を満たす。
【００１８】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、上記の複数の薄膜圧電共振器をフィルタ回路を形成するように接続してなる薄膜圧電フィルタが提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の薄膜圧電共振器によれば、緩衝領域における１次厚み縦振動の共振周波数が振動領域における１次厚み縦振動の共振周波数よりも低く設定されているので、横音響モードの発生を抑制した高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示し、図１（ａ）はその模式的平面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）のＸ−Ｘ模式的断面図及びＹ−Ｙ模式的断面図である。
【００２２】
本実施形態の薄膜圧電共振器は、圧電共振スタック１２と、該圧電共振スタックの下に形成された空隙４と、該空隙を形成するように圧電共振スタックを支持する基板６とを含んでなる。
【００２３】
圧電共振スタック１２は、圧電層２と、該圧電層を挟んで互いに対向するように形成された下部電極８および上部電極１０とを含む積層体である。圧電共振スタック１２は、圧電層と上部電極と下部電極との積層構造が形成されている領域に限定されるものではなく、上部電極または下部電極が形成されていない領域まで含むものである。圧電共振スタック１２は、基板６の上面の圧電共振スタック１２と接する部分に平行な平面内において、即ち上下方向に見た場合に、下部電極８と上部電極１０とが重なる領域である振動領域１８と、基板６に接している支持領域２２と、振動領域１８及び支持領域２２の間に位置する緩衝領域２０とからなる。支持領域２２は、図では緩衝領域２０の外側に隣接配置された輪帯状の部分として示されている。この緩衝領域２０に隣接する支持領域２２の輪帯状部分には、下部電極８が存在している。これにより、圧電共振スタック１２の振動時の耐久性が向上する。尚、上記輪帯状部分の周囲の基板６上に位置する部分も支持領域に属するものとする。緩衝領域２０は、上下方向に見た場合に、振動領域１８を取り囲んでおり即ち内包している。このように、振動領域１８を内包するように緩衝領域２０を形成することで、水平方向への弾性エネルギーの散逸を十分に抑制することが可能となり、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。
【００２４】
振動領域１８および緩衝領域２０の下に空隙４が形成されている。即ち、振動領域１８および緩衝領域２０は空隙４に対応して位置する。
【００２５】
本実施形態では、圧電層２が下部電極８と上部電極１０とに挟まれた領域である振動領域１８の形は、上下方向に見た場合に、円形（ａ＝ｂ）ないし楕円形（ａ≠ｂ）である。ここで、下部電極８および上部電極１０を外部回路に接続するために形成されている導電性の薄膜（接続導体という）１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ下部電極および上部電極には含めないものとする。即ち、接続導体が形成されている領域は振動領域１８とは見なさず、接続導体１４Ａ，１４Ｂと下部電極８および上部電極１０とのそれぞれの境界が振動領域１８と緩衝領域２０との境界の一部を構成する。かくして、振動領域１８と緩衝領域２０との境界は、上部電極１０または下部電極８の接続導体に接していない部分の外形線を延長することにより求められるものとする。また、緩衝領域２０は、上部電極１０に接している接続導体１４Ｂと下部電極８とが上下方向に見た場合に重なる部分を含むものとする。
【００２６】
基板６は、たとえばシリコン基板、ガリウム砒素基板、ガラス基板などである。空隙４は、異方性湿式エッチング、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などにより形成することができる。圧電層２は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような薄膜として製造できる圧電材料からなる。圧電層２の材料としては、特に、高域遮断型の分散曲線を示すもの例えばＡｌＮが好ましい。このような圧電層２を用いることにより、より高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。また、上部電極１０および下部電極８の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のような、薄膜として製造でき且つパターニングが可能な金属材料を用いることができる。上部電極１０および下部電極８は、上記金属材料からなる単層膜の他に、それらの積層体からなるものでよい。
【００２７】
緩衝領域２０は、振動領域１８よりも、１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように構成されている。即ち、振動領域１８の１次厚み縦振動の共振周波数をωｖｃとし、緩衝領域２０の１次厚み縦振動の共振周波数をωｂｃとした場合に、ωｖｃ＞ωｂｃとなるようにしている。このような緩衝領域２０を設けた場合の薄膜圧電共振器の圧電共振スタック１２の分散曲線を、図８に模式的に示す。緩衝領域２０は、振動領域１８の遮断周波数（１次厚み縦振動の共振周波数）ωｖｃにおいて遮断モードとなるために弾性波は伝搬しない。かくして、弾性エネルギーの支持基板６への散逸が抑えられ、振動領域１８に弾性波エネルギーが閉じ込められ、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を得ることができる。
【００２８】
このような緩衝領域２０は、圧電層２上に質量付加層１６を形成することにより実現されていることが好ましい。質量付加層１６は、緩衝領域２０が振動領域１８よりも１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように、材質および厚みが適宜設定される。
【００２９】
質量付加層１６は、誘電体層で構成されていることが好ましく、更には酸化シリコン（ＳｉＯ２）および窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の何れかで構成されていることがより好ましい。質量付加層１６を導電体層で構成した場合には、上部電極および下部電極と質量付加層との間に、意図しない容量が形成されることで共振器特性を劣化させることがあるが、誘電体層で構成すればそのような心配がない。また、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４を質量付加層として使用することで、薄膜圧電共振器製造に際して一般的な半導体プロセスで用いられている薄膜製造装置を用いることが可能になるという利点がある。
【００３０】
更に、質量付加層１６を構成している材料の音速をＶｌとし、上部電極１０を構成している材料の音速をＶｕとした場合、Ｖｌ＜１．５Ｖｕとなるようにするのが好ましい。これにより、質量付加層１６の厚さを大きくしすぎることなしに、緩衝領域２０の共振周波数を振動領域１８の共振周波数よりも低くして、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を容易に作製することができる。
【００３１】
また、前記緩衝領域２０の幅（即ち緩衝領域２０と振動領域１８との境界と、緩衝領域２０と支持領域１６との境界との間の距離）ｗと、前記振動領域１８の厚みｔとが、ｗ≧ｔの関係を満たすのが好ましい。これにより、緩衝領域２０での弾性エネルギーの減衰を十分なものとし、より高いＱ値を有する薄膜圧電共振器を実現することができる。
【００３２】
本実施形態の薄膜圧電共振器は次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板６上に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、ＣＶＤ法等の成膜技術により犠牲層を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により基板表面及びピット部内犠牲層の表面を平坦化し、ピット内部にのみ犠牲層が堆積された基板とする。犠牲層としては、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）のように、容易にエッチングされる材料が適当である。以上のようにして得られた基板上に、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極８、圧電層２、上部電極１０及び質量付加層１６を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。この際、緩衝領域２０の１次厚み縦振動の共振周波数が、振動領域１８の１次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層１６の材質、厚み、および形状を決定する。更に、前記パターニング技術を用いて、上部電極１０から犠牲層まで達する貫通孔２８を形成した後、該貫通孔を介してエッチング液を供給してエッチング処理し、犠牲層を除去する。これにより、ピット部に空隙４が形成される。
【００３３】
また、本発明の実施形態として、図１に示した実施形態以外に、図２および図３に示すような実施形態もある。図２は、本発明の薄膜圧電共振器の他の実施形態を示す模式的断面図である。図１の実施形態では、基板６にピット部を形成し、ここに空隙４を形成していた。図２の実施形態では、基板６の平坦な上面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層３０を形成し、ここに形成された貫通開口を空隙４として利用している。この実施形態では、基板６およびＳｉＯ２層３０の総体が、本発明でいう基板に該当する。図３の実施形態は、基板６に空隙４を形成している点は図１の実施形態と同様であるが、基板６に形成された貫通孔を空隙４として利用している点が異なる。
【００３４】
図２に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板６上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜技術、または熱酸化により酸化シリコン（ＳｉＯ２）層３０を形成する。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜法により、エッチング液にて容易に溶解する犠牲層を形成し、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いてパターニングする。犠牲層としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）などの金属またはそれらの金属酸化物が適当である。その後、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極８、圧電層２、上部電極１０及び質量付加層１６を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。この際、緩衝領域２０の１次厚み縦振動の共振周波数が、振動領域１８の１次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層１６の材質、厚みおよび形状を決定する。更に、前記パターニング技術を用いて、上部電極１０から犠牲層まで達する貫通孔２８を形成した後、該貫通孔を介してエッチング液を供給してエッチング処理し、犠牲層を除去する。さらに、ＳｉＯ２層のエッチングが可能なエッチング液を選択し、ＳｉＯ２層をエッチングすることにより、犠牲層と同一パターンでＳｉＯ２層をエッチングすることができる。これにより、犠牲層とＳｉＯ２層とを除去した部分に空隙４が形成される。
【００３５】
図３に示した薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。基板６上にスパッタリング法、蒸着法等の成膜方法で下部電極８、圧電層２、上部電極１０及び質量付加層１６を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ，リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。その後、基板６の裏面（下面）より、異方性湿式エッチング、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ等の深堀エッチング技術にて、下部電極８が露出するまでエッチング処理することにより、空隙４を形成することができる。
【００３６】
本発明の更に別の実施形態として、図４に示す薄膜圧電共振器もある。図４（ａ）はその模式的平面図を示し、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、それぞれそのＸ−Ｘ断面図及びＹ−Ｙ断面図を示す。この実施形態は、図４に示すように、圧電共振スタック１２の下に、空隙に代えて音響反射層３２を有している点が、図１ないし図３の実施形態と異なっている。
【００３７】
図４に示すような薄膜圧電共振器は、例えば次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板６上に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の成膜技術により音響反射層３２を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により基板表面を平坦化し、ピット内部にのみ音響反射層が堆積された基板とする。音響反射層としては、低インピーダンス層がＳｉＯ２やＡｌＮなどの音響インピーダンスの小さな材料からなり、高インピーダンス層がＭｏやＷのような音響インピーダンスの大きな材料からなるものが好ましい。低インピーダンス層及び高インピーダンス層の厚みを、弾性波の４分の１波長に相当するように設定することにより、音響反射層としての作用が得られる。以上のようにして得られた基板上に、スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極８、圧電層２、上部電極１０及び質量付加層１６を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。この際、前記緩衝領域の１次厚み縦振動の共振周波数が、前記振動領域の１次厚み縦振動の共振周波数よりも低くなるように、質量付加層１６の材質、厚みおよび形状を決定する。
【００３８】
本発明による薄膜圧電共振器には、図５に示すように、質量付加層１６が振動領域１８の外周縁部１８’まで延長して形成された実施形態もある。図５（ａ）はその模式的平面図を示し、図５（ｂ）及び図５（ｃ）はそれぞれそのＸ−Ｘ模式的断面図及びＹ−Ｙ模式的断面図を示す。
【００３９】
本実施形態では、質量付加層１６が形成されていない振動領域１８の部分の１次厚み縦振動の周波数よりも緩衝領域２０の１次厚み縦振動の共振周波数が低くなるように、質量付加層１６の厚みを設定する。また、振動領域の外周縁部１８’上に形成されている質量付加層１６の部分の幅ｗ２をｗ２≦ｗとなるように設定する。これにより、振動領域１８上に質量付加層１６を形成しない場合と同様の良好な共振特性が得られる。一方、ｗ２＞ｗとした場合には、所望の周波数とは異なる周波数においても共振現象が発生しやすくなり、薄膜圧電フィルタ等への応用において帯域外でのスプリアスの発生等の不具合が生じやすくなる。
【００４０】
図５に示した薄膜圧電共振器は、図１に示した薄膜圧電共振器と同様の材料および作製方法にて作製することができる。
【００４１】
本発明による薄膜圧電共振器には、図９に示すように、下部電極８の下側に誘電体層２４を、上部電極１０の上側に誘電体層２６を形成した実施形態もある。誘電体層２４，２６の材質としては、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＡｌＯＮなどの比較的弾性率の大きな材料が好ましい。誘電体層２４，２６の存在以外の構成は、上記図１に関し説明した実施形態と同様である。図９に示すような下部誘電体層２４および／又は上部誘電体層２６を有する薄膜圧電共振器であっても、図１から図４に示した薄膜圧電共振器と同様に、横音響モードによる特性劣化を招くことなく、高いＱ値を有した薄膜圧電共振器を得ることができる。下部誘電体層２４および／又は上部誘電体層２６を設けることにより、下部電極８および／又は上部電極１０の酸化劣化を防止することが可能となる。
【００４２】
図１０には、本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態である梯子型フィルタ回路の例を示す。この薄膜圧電フィルタ１００では、上記実施形態のような本発明による薄膜圧電共振器１１１，１１３，１１５が直列素子として使用され、更に上記実施形態のような本発明による薄膜圧電共振器１１２，１１４，１１６が分路素子（並列素子）として使用されている。１０１，１０２は入出力ポートである。本発明の薄膜圧電フィルタは、図１０に示す回路構成のものに限定されるものではないが、梯子型回路とすることにより、より低損失の薄膜圧電フィルタを構成することができる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
上部電極の直径ｄ（＝ａ＝ｂ）が１２０μｍで、図１の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本実施例での各構成層の材質及び厚みは次のように設定した。下部電極をＭｏで厚み３００ｎｍ、圧電層をＡｌＮで厚み１７００ｎｍ、上部電極をＭｏで厚み２００ｎｍ、質量付加層をＳｉ３Ｎ４で４００ｎｍとした。振動領域の厚さｔは２．２μｍであり、緩衝領域の幅ｗを４．０μｍとした。
【００４４】
図１１にこのようにして作製した薄膜圧電共振器の周波数−インピーダンス（Ｚ）および位相の特性を示す。また、表１には薄膜圧電共振器の電気機械結合係数ｋｔ２及びＱ値を示す。図１２及び表１に示す後述の比較例１の結果と比べ、反共振周波数でのインピーダンスが大きく且つＱ値も大きく優れた共振特性を示すことがわかる。
【００４５】
（実施例２〜４）
緩衝領域の幅ｗをそれぞれ３．５μｍ、３．０μｍ、１．０μｍとした以外は実施例１と同様の図１の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表１に示す。緩衝領域の幅ｗを、振動領域の厚みｔに対して、ｗ≧ｔの範囲とした実施例２および３では、実施例４に比べ高いＱ値を有する薄膜圧電共振器が得られた。緩衝領域の幅ｗをｗ≧ｔとなるようにすることで、一層優れた共振器特性が得られることが分かる。
【００４６】
（比較例１）
質量付加層を形成しない点以外は実施例１と同様の図１の形態の圧電薄膜共振器を作製した。結果を図１２および表１に示す。図１２および表１からわかるように、質量付加層を形成しない場合には、反共振周波数でのインピーダンスが小さくなるとともに、Ｑ値が小さくなり好ましくない。
【００４７】
（実施例５）
質量付加層をＳｉＯ２で厚み３５０ｎｍとした以外は実施例１と同様の図１の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表１に示す。表１からわかるように、Ｑ値も大きく優れた共振特性を示し、質量付加層としてＳｉＯ２層が適切であることが分かる。
【００４８】
（実施例６）
上部電極の形状即ち振動領域の形状を長径（ａ）１４４μｍ且つ短径（ｂ）１０２μｍとした以外は実施例１と同様の図１の形態の薄膜圧電共振器を作製した。結果を表１に示す。表１からわかるように、振動領域の形状を楕円形とした場合にも、高いＱ値を有する薄膜圧電共振器が得られる。
【００４９】
（比較例２）
質量付加層を形成しない点以外は実施例６と同様の図１の形態の圧電薄膜共振器を作製した。結果を表１に示す。表１からわかるように、質量付加層を形成しない場合には、Ｑ値が低下するため好ましくない。
【００５０】
（実施例７）
上部電極の形状即ち振動領域の形状を、図１３に示されているような平行な辺を持たない多角形で且つ面積が実施例１と同一となるようにしたものとした以外は実施例１と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。結果を表１に示す。得られた薄膜圧電共振器の横音響モードによるノイズは抑制されていたものの、反共振周波数におけるＱ値は９６０と、振動領域の形状が円形および楕円形のものに比べ低い値を示した。電極形状としては、多角形より円形または楕円形とすることが好ましいことがわかる。
【００５１】
【表１】
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（実施例８）
実施例１と同様にして６個の薄膜圧電共振器を作製し、これらを用いて図１０に示す形態の薄膜圧電フィルタを作製した。図１４に作製した薄膜圧電フィルタの通過特性を示す。図１４には、比較例１と同様にして作製された６個の薄膜圧電共振器を用いた以外は同様にして作製された比較例の薄膜圧電フィルタの通過特性も示されている。図１４より明らかなように、質量付加層を形成した緩衝領域がある薄膜圧電共振器を用いた本発明実施例の薄膜圧電フィルタは比較例に比べて、挿入損失が小さくなっており、優れた特性を示すことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ模式的断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ模式的断面図である。
【図２】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ模式的断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ模式的断面図である。
【図５】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ模式的断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ模式的断面図である。
【図６】圧電薄膜の分散曲線の模式図である。
【図７】ＡｌＮ薄膜を用いた従来の薄膜圧電共振器の分散曲線の模式図である。
【図８】ＡｌＮ薄膜を用いた本発明の薄膜圧電共振器の分散曲線の模式図である。
【図９】本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ模式的断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ模式的断面図である。
【図１０】本発明の薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタの一実施形態である梯子型フィルタ回路を示す図である。
【図１１】実施例１で得られた薄膜圧電共振器のインピーダンス及び位相の特性を示す図である。
【図１２】比較例１で得られた薄膜圧電共振器のインピーダンス及び位相の特性を示す図である。
【図１３】実施例７の上部電極の形状即ち振動領域の形状を示す模式図である。
【図１４】実施例７で得られた薄膜圧電フィルタの通過振幅特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
２  圧電層
４  空隙
６  基板
８  下部電極
１０  上部電極
１２  圧電共振スタック
１４Ａ，１４Ｂ  接続導体
１６  質量付加層
１８  振動領域
１８’  振動領域外周縁部
２０  緩衝領域
２２  支持領域
２４  下部誘電体層
２６  上部誘電体層
２８  犠牲層エッチング用貫通孔
３０  ＳｉＯ２層
３２  音響反射層
１００  薄膜圧電フィルタ
１０１，１０２  入出力ポート
１１１，１１３，１１５  直列薄膜圧電共振器
１１２，１１４，１１６  並列薄膜圧電共振器
【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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