(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
前記第１の電極上に第１の音響インピーダンスを有する圧電体層と、
前記第１の音響インピーダンスより大きい第２の音響インピーダンスを有するダイヤモンド層と、
前記圧電体層とダイヤモンド層の間に配置され、前記第１の音響インピーダンスより大きく且つ前記第２の音響インピーダンスより小さい音響インピーダンスを有する音響緩和層と、
前記ダイヤモンド層上に第２の電極と、が積層されていることを特徴とする圧電薄膜振動子。
【請求項２】
複数の前記音響緩和層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜振動子。
【請求項３】
前記音響緩和層は前記圧電体層に隣接するとともに前記圧電体層と前記音響緩和層が格子整合していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電薄膜振動子。
【請求項４】
前記第２の電極は、導電性の付与された前記ダイヤモンド層で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動子を備えることを特徴とするフィルタ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動子を備えることを特徴とする送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電薄膜振動子に係り、特に、高周波フィルタとして好適に用いられる振動子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、携帯電話機などの通信機器では高周波化や小型化が進展しつつあり、このために、ＲＦ回路部の高性能化や小型化が要求されるようになってきている。この中で、通信機器の送受信部に用いられる高周波フィルタ等の高周波素子として、従来のＳＡＷ（表面弾性波）素子と同等の性能を実現することが可能で、しかも、従来よりも高周波化及び小型化の容易なＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）素子が注目されている。このＢＡＷ素子は、圧電体層を電極で挟んだ積層構造を有し、圧電体層に厚み方向の音響波を生じさせるものであり、高周波化が容易、耐電圧性が良好、小型化が容易などの利点を備えている（例えば、以下の特許文献１及び２参照）。
【０００３】
上記のＢＡＷ素子としては、シリコン基板等からなる基板上に上記の積層構造を形成し、その後、積層構造の背後の基板部分をエッチングなどによって除去することによって積層構造部分の縦振動を可能にした、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）型の素子構造を備えたもの（特許文献１の図１及び図３）と、音響インピーダンスの異なる層を交互に繰り返し積層してなる音響反射多層膜を上記の積層構造と基板との間に配置した、ＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）型の素子構造を備えたもの（特許文献１の図２）と、が知られている。
【特許文献１】特開２００１−１５６５８２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４４２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように前述のＢＡＷ素子は高周波化が容易である点でＳＡＷ素子などに比べて優位性を備えているが、一般的な圧電体の音響インピーダンスは通常３０［Ｐａ・ｓ／ｍ］程度と低いため、さらなる高周波化を図ることが難しいという問題点がある。また、共振周波数は、圧電体の音響特性だけでなく、積層構造の質量にも影響されるため、電極の電気抵抗などの制約によって電極を厚く形成せざるを得ない場合には、電極の質量が足枷となって所望の高周波数が実現できないという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、圧電体の音響インピーダンス値に制約を受けずにさらなる高周波化を図ることのできる圧電薄膜振動子の構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる実情に鑑み、本発明の圧電薄膜振動子は、圧電体層と、該圧電体層の表裏両側に配置され、前記圧電体層に積層方向の電界を印加する一対の電極とを含む積層構造を有する圧電薄膜振動子において、前記圧電体層の前記積層方向一側にダイヤモンド層が配置され、前記積層構造は、前記圧電体層から前記ダイヤモンド層までの各層の音響インピーダンスが、前記圧電体層から前記ダイヤモンド層へ向けて順次に増加していることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、圧電体層からダイヤモンド層に向けて各層の音響インピーダンスが順次に増加していることにより、圧電体層により発生した音響振動がダイヤモンド層の内部にも生じやすくなるので、ダイヤモンド層の高い縦波速度によってさらなる高周波化が可能になる。
【０００８】
すなわち、隣接する層の界面に対して入射側の音響インピーダンスをＺ１、出射側の音響インピーダンスをＺ２とした場合、上記界面での音響反射比（入射波と反射波の音圧の比）はＲ＝（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ１＋Ｚ２）となり、Ｚ１<Ｚ２であればＲは正となり反射波の位相は正転し、Ｚ１>Ｚ２であればＲは負となり反射波の位相は反転する。したがって、圧電体層からダイヤモンド層までの各層の音響インピーダンスが順次に増加し、かつ、上記界面における音響インピーダンスの差が小さいほど、音響振動がダイヤモンド層の内部にも侵入しやすくなり、ダイヤモンド層の音響特性による影響が大きくなる。
【０００９】
本発明において、前記圧電体層と前記ダイヤモンド層の間に音響緩和層が形成されていることが好ましい。これによれば、圧電体層とダイヤモンド層の間に音響緩和層が形成されることにより、隣接層間の音響インピーダンスの差を小さくすることができるので、さらに高周波化を図ることが可能になるとともに、各層界面での音響振動の反射を抑制できるため、挿入損失を低減できる。
【００１０】
なお、この音響緩和層は１層に限らず、複数層設けても構わない。複数の音響緩和層を設けることにより隣接層間の音響インピーダンスの差をさらに低減できる。
【００１１】
本発明において、隣接する前記圧電体層と前記音響緩和層が格子整合していることが好ましい。これによれば、音響緩和層が圧電体層と格子整合することにより、この音響緩和層上に形成される圧電体の結晶性を向上させることができる。このような音響緩和層と圧電体層の組み合わせとしては、例えば、ＡｌＮとＺｎＯが挙げられる。
【００１２】
本発明において、前記圧電体層の前記積層方向一側に配置された前記電極は、前記ダイヤモンド層に対して前記圧電体層の反対側に配置されていることが好ましい。圧電体層の積層方向一側に配置された電極がダイヤモンド層よりも低い音響インピーダンスを備えたものであれば、当該電極をダイヤモンド層の圧電体層側に配置しても上記の音響インピーダンスの条件を満たすことができるが、上記電極をダイヤモンド層に対して圧電体層の反対側に配置することで、電極の音響インピーダンス値如何に拘わらず上記の音響インピーダンスの条件を満たすことができるので、任意の電極材質を用いて電極を構成することが可能になる。
【００１３】
本発明において、前記圧電体層の前記積層方向一側に配置された前記電極は、導電性の付与された前記ダイヤモンド層で構成されることが好ましい。導電性の付与されたダイヤモンド層を電極として用いることで、別途電極を設ける必要がなくなるため、層構造を簡易化することができるとともに、上記の条件を満たす音響インピーダンスを持つ素材の選定が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
次に、添付図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１は本実施形態の圧電薄膜振動子の構造を模式的に示す概略縦断面図である。
【００１５】
この圧電薄膜振動子１０は基板１上に形成されている。この基板１は、シリコン基板等の半導体基板、ガラス基板、サファイア基板、セラミックス基板等の各種の基板を用いることができる。特に、シリコン基板等の半導体基板を用いることによって、基板１内に各種の半導体回路を作り込むことができるため、圧電体薄膜振動子と回路とを一体化することができる。この中でも、シリコン基板を用いることが一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。
【００１６】
基板１上には下地層２が形成されている。この下地層２は、酸化シリコン層（ＳｉＯ２）、窒化シリコン層（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜であり、２層以上の複合層で構成されていてもよい。下地層２は熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成することができる。
【００１７】
基板１には裏面からのエッチング（ウエットエッチング又はドライエッチング）によって形成された開口部１ａが設けられている。この開口部１ａは上記下地層２をエッチングストップ層として用いて形成することができる。開口部１ａを設けることで、後述する積層構造に対する機械的拘束力が低減され、積層構造が比較的自由に振動できるように構成される。図示例はＦＢＡＲ型の素子構造を示している。
【００１８】
下地層２の上には、下部電極層１１、ダイヤモンド層１２、音響緩和層１３、圧電体層１４、上部電極層１５が順次に積層されてなる構造を備えた圧電薄膜振動子１０が形成されている。
【００１９】
下部電極層１１は、任意の電極材料を用いることができる。ただし、特に限定されるものではないが、音響インピーダンスの高い電極材料、例えば、Ｐｔ（Ｚ＝６９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｗ（Ｚ＝９８．２［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｍｏ（Ｚ＝６４．４［Ｐａ・ｓ／ｍ］）などを用いることが好ましい。また、音響インピーダンスの低い電極材料、例えば、Ａｌ（Ｚ＝１７．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｓｉ（Ｚ＝１９．７［Ｐａ・ｓ／ｍ］）などの層の上に、上記の音響インピーダンスの高い電極材料を積層した構造としてもよい。下部電極層１１の厚さは、高周波化を図るために軽いことが好ましいので、充分な導電性を示すのであれば薄い方が好ましい。
【００２０】
ダイヤモンド層１２は、他の材料よりも飛びぬけて高い音速（縦波速度）ＶＬを示し、一般的な圧電体の２倍以上の高い音響インピーダンスＺ＝ρ・ＶＬ＝６１．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］を備えている（ρは密度）。共振波長をλとした場合、ダイヤモンド層１２の膜厚ｈは０．９×λ／４以上、１．１×λ／４以下であることが好ましく、特にｈ〜λ／４であることが望ましい。これは、上記積層構造中に励振された音波の閉じ込め効果を得るためである。
【００２１】
音響緩和層１３は、ダイヤモンド層１２と圧電体層１４の間に形成され、積層構造中の各層間の音響インピーダンスの差を小さくするために設けられる。音響緩和層１３は、圧電体層１４を構成する圧電体の音響インピーダンスより大きく、ダイヤモンド層１２を構成するダイヤモンドの音響インピーダンスより小さい素材で構成される。例えば、音響緩和層１３を誘電体（圧電体を含む。）で構成する場合、圧電体層１４がＺｎＯ（Ｚ＝３４．６［Ｐａ・ｓ／ｍ］）であれば、ＡｌＮ（Ｚ＝３５．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｓｉ３Ｎ４（Ｚ＝５２．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｌ２Ｏ３（Ｚ＝４３．３［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、ＳｒＴｉＯ３（Ｚ＝４０．３［Ｐａ・ｓ／ｍ］）などが挙げられる。
【００２２】
また、本実施形態には下部電極層１１が設けられているが、この下部電極層１１を形成せずに、この音響緩和層１３を電極として構成してもよい。この場合においても、上記と同様に、その音響インピーダンスが圧電体層１４を構成する圧電体の音響インピーダンスより大きく、ダイヤモンド層１２を構成するダイヤモンドの音響インピーダンスより小さい素材で構成される。このような素材としては、例えば、Ｆｅ（Ｚ＝４３．２［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ａｇ（Ｚ＝４０．０［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｃｒ（Ｚ＝４５０．２［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｃｕ（Ｚ＝４３．４［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、Ｎｉ（Ｚ＝５２．５［Ｐａ・ｓ／ｍ］）などが挙げられる。なお、この場合には、ダイヤモンド層１２としてダイヤモンド基板を用い、上記の基板１及び下地層２を省略することも可能である。
【００２３】
音響緩和層１３の膜厚ｈは、音響特性のバッファとしての機能を果たすものであればよいので、λ／４よりも小さくて足りる。具体的には、膜厚ｈはλ／１００〜λ／１０程度であることが好ましい。このように、音響緩和層１３の膜厚ｈをλ／４より大幅に小さい範囲にすることで、上記の音響緩和層としての機能を確保しつつ、共振周波数への影響を最小限にとどめることができる。
【００２４】
圧電体層１４に隣接する音響緩和層１３は、圧電体層１４と格子整合する薄膜で構成することが好ましい。これにより、その上に形成される圧電体層１４の結性を向上させることができる。例えば、ＡｌＮとＺｎＯは共にｃ軸配向を有する薄膜として形成できる素材であるため、いずれか一方を音響緩和層１３として、他方を圧電体層１４として用いることによって、圧電体層１４の結晶性を向上させ、圧電薄膜振動子の性能を高めることができる。この他に用いることができるｃ軸配向を有する薄膜材料としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳなどがある。
【００２５】
圧電体層１４は、圧電性を示す素材であれば如何なるものであってもよいが、例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ（Ｚ＝３１．８［Ｐａ・ｓ／ｍ］）、ＫＮｂＯ３（Ｚ＝２９．３［Ｐａ・ｓ／ｍ］）などが挙げられる。圧電体層１４の膜厚ｈは、共振波長をλとした場合、０．９×λ／２以上、１．１×λ／２以下であることが好ましく、特にｈ〜λ／２であることが望ましい。これは、上記積層構造中に音響波を閉じ込めるためである。
【００２６】
上部電極層１５は、任意の電極材料を用いることができる。ただし、特に限定されるものではないが、上記の下部電極層１１の素材として列記した材料を用いることが好ましい。また、充分な導電率を確保しつつ、なるべく質量が小さい電極材料を用いることが高周波化には好ましい。
【００２７】
本実施形態の具体的構成としては、音響緩和層１３をＳｉ３Ｎ４、圧電体層１４をＺｎＯで形成する。また、他の音響緩和層１３及び圧電体層１４の組み合わせとしては、ＳｒＴｉＯ３とＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３とＺｎＯ、ＳｒＴｉＯ３とＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４とＡｌＮ、ＳｒＴｉＯ３とＰＺＴ、Ａｌ２Ｏ３とＰＺＴ、Ｓｉ３Ｎ４とＰＺＴ、ＳｒＴｉＯ３とＫＮｂＯ３、Ａｌ２Ｏ３とＫＮｂＯ３、Ｓｉ３Ｎ４とＫＮｂＯ３などが挙げられる。
【００２８】
本実施形態では、圧電体層１４から音響緩和層１３を経てダイヤモンド層１２に至る範囲において、圧電体層１４からダイヤモンド層１２へ向けて順次に音響インピーダンスが増加する構成を有するので、下部電極層１１と上部電極層１５の間に生ずる変動電界によって生ずる音響振動がダイヤモンド層１２の内部にも実質的に存在するようになるため、ダイヤモンド層１２内の高い音速によって高周波化を図ることが可能になる。
【００２９】
なお、本実施形態において、上記基板１の代わりに、後述する第２実施形態の基板１′、或いは、後述する第３実施形態の基板１″を用いても構わない。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、図２を参照して、本発明に係る第２実施形態について説明する。この第２実施形態の圧電薄膜振動子１０′は、基本的な構成については上記第１実施形態と同様であるが、ダイヤモンド膜１２と圧電体層１４の間に複数の音響緩和層１３Ａ、１３Ｂが配置されている点で第１実施形態とは異なる。
【００３１】
音響緩和層１３Ａはダイヤモンド層１２側に配置され、音響緩和層１３Ｂは圧電体層１４側に配置される。そして、音響緩和層１３Ａの音響インピーダンスは音響緩和層１３Ｂのそれよりも大きい。
【００３２】
本実施形態の構成においても、圧電体層１４、音響緩和層１３Ｂ、音響緩和層１３Ａ、ダイヤモンド層１２の順で、音響インピーダンスが順次に増加している。このようにすることで、第１実施形態と同様に、上部電極１５と下部電極１１に印加される変動電界によって生じた音響振動がダイヤモンド層１２の内部にも存在し、これによって共振周波数の高周波化を図ることができる。
【００３３】
複数の音響緩和層１３Ａ、１３Ｂの具体例としては、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３をこの順序で積層させる場合等が挙げられる。
【００３４】
特に、本実施形態では、圧電体層１４とダイヤモンド層１２の間に２つの（複数の）音響緩和層１３Ａ，１３Ｂが形成されているので、圧電体層１３からダイヤモンド層１２に至る積層範囲における各層間の音響インピーダンスの差を小さくすることができる。したがって、各層間の界面における音響振動の反射を抑制することができることから、さらに高周波化を図ることが容易になるとともに、音響振動の損失を低減することができる。
【００３５】
本実施形態では、第１実施形態とは異なり、基板１′と圧電薄膜振動子１０の間に介在する空間部１ｂを基板１′の表層部に形成してある。この空間部１ｂは、基板１′上に図示しない犠牲層（基板材料に対して選択的に除去可能な材料、例えば、酸化シリコン膜、ＰＳＧ膜など）を形成し、その後、この犠牲層上に圧電薄膜振動子１０を形成してから、最後に、圧電薄膜振動子１０をそのままとし、犠牲層だけを除去することによって形成することができる。
【００３６】
なお、この実施形態においても、上記音響緩和層１３Ａ，１３Ｂのいずれかを下部電極層として構成してもよい。ただし、上述のように、下部電極層として構成される音響緩和層を上記の音響インピーダンスの漸増要件を満たす電極素材で形成する必要がある。
【００３７】
また、この実施形態において、基板１′の代わりに、上記第１実施形態と同様の開口部１ａを備えた基板１、あるいは、後述する第３実施形態の基板１″を用いても構わない。
【００３８】
［第３実施形態］
次に、図３を参照して本発明に係る第３実施形態について説明する。この実施形態の圧電薄膜振動子１０″は、上記の下部電極を設ける代わりに、ダイヤモンド層１２′に導電性を付与し、このダイヤモンド層１２′を電極（下部電極）として用いている点で、先の各実施形態と異なる。
【００３９】
ダイヤモンド層１２′は、ダイヤモンド中にＢ（ホウ素）をドープすることによって導電性が付与されている。このダイヤモンド層１２′は、例えば、炭素源としてメタン等の有機溶媒を、Ｂ源として酸化ホウ素等を用いるＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法）などによって成膜することができる。ただし、導電性ダイヤモンドは、Ｂドーピングのほかに、Ｎ（窒素）ドーピングや表面水素化処理などによっても製造することが可能である。
【００４０】
本実施形態では、ダイヤモンド層１２′を電極として用いることで、下部電極を別途設ける必要がなくなるため、積層構造を簡易に構成できるとともに、振動子を構成する積層構造の質量を軽減できる。また、上記の音響インピーダンスの漸増条件を満たすように積層構造の素材構成を選定することが容易になる。
【００４１】
本実施形態では、上記各実施形態とは異なり、基板１″の表面部に、音響インピーダンスの異なる層を交互に繰り返し積層してなる音響反射多層膜１ｃを形成し、この音響反射多層膜１ｃによって圧電薄膜振動子１０″で発生した音波を反射させ、基板１″へ音響振動のエネルギーが漏出しないようにし、積層構造中に音響振動を閉じ込めている。すなわち、いわゆるＳＭＲ型の素子構造を有している。
【００４２】
なお、本実施形態において、基板１″の代わりに、先の実施形態の基板１又は１′を用いてもかまわない。
【００４３】
図４には、本実施形態に用いることのできるダイヤモンド層の別の構成を示す。このダイヤモンド層１２″は、下側の表層部１２ｘにのみＢドーピング等を施して導電性を付与し、この表層部１２ｘ以外の厚み部分を、導電性を有しない絶縁部１２ｙとしたものである。このダイヤモンド層１２″では、その表層部１２ｘが電極として機能し、しかも、この表層部１２ｘはＢドーピングによって硬度が高まり絶縁部１２ｙよりも高い音響インピーダンスを有するものとなる。したがって、上記よりもさらに高い共振周波数を得ることが可能である。
【００４４】
［応用例と周波数特性］
図５は、携帯電話機等の通信機器の送受信部２０の構成を示す概略構成図である。送受信部２０には、送受信共用のアンテナ２１と、このアンテナ２１に接続された信号分離器２２と、この信号分離器２２に接続された、低雑音アンプ２３、ＲＦ用フィルタ２４、発振器２６に接続されたミキサ２５を有する高周波受信部と、発振器２６に接続されたミキサ２７、ＲＦ用フィルタ２８、パワーアンプ２９を有する高周波送信部とを備えている。これらの高周波受信部及び高周波送信部は、共にベースバンド処理回路などを含む信号処理部３０に接続されている。
【００４５】
上記実施形態の複数の圧電薄膜振動子をラダー型、ラティス型、ラティス・ラダー型等の態様で接続することによって高周波フィルタを構成することができる。このような高周波フィルタは、図５の信号分離器２２としてのデュプレクサを構成する場合に用いることができ、また、ＲＦ用フィルタ２４，２８として用いることもできる。したがって、これらの高周波フィルタを構成する圧電薄膜振動子とともに、基板１に図５に示す高周波回路を構成することによって、送受信部２０を一体化（ワンチップ化）することができる。
【００４６】
図６は、図５に示す信号分離器２２（デュプレクサ）の挿入損失の周波数特性並びに信号分離器２２を通過する送受信信号を示すグラフである。この高周波フィルタの挿入損失の周波数特性を見ればわかるように、本実施形態では、送信側フィルタ特性Ｆｔ及び受信側フィルタ特性Ｆｒが共に急峻なカットオフ特性を備えているため、わずかな周波数差を有する送信用信号Ｓｔと受信用信号Ｓｒを容易に分離することができる。
【００４７】
本実施形態の圧電薄膜振動子は、小型化を妨げず、耐電力性を悪化させることなく、また、製造コストの上昇を抑制しつつ、従来の素子よりも高周波化が容易であるという効果を奏し、これによってフィルタ等の回路素子のさらなる高周波化を図ることが可能になる。
【００４８】
尚、本発明の圧電薄膜振動子は、上述の図示例にのみ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内において種々変更をことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態の圧電薄膜振動子の構造を模式的に示す概略構成断面図。
【図２】第２実施形態の圧電薄膜振動子の構造を模式的に示す概略構成断面図。
【図３】第３実施形態の圧電薄膜振動子の構造を模式的に示す概略構成断面図。
【図４】ダイヤモンド層の別の例を示す概略断面図。
【図５】圧電薄膜振動子を通信回路の送受信部の高周波フィルタとして利用する様子を示す概略構成図。
【図６】高周波フィルタを用いたデュプレクサの周波数特性及びこれによって分離される信号を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５０】
１…基板、１ａ…開口部、１ｂ…空間、１ｃ…音響反射多層膜、２…下地層、１０…圧電薄膜振動子（積層構造）、１１…下部電極層、１２…ダイヤモンド層、１３…音響緩和層、１４…圧電体層、１５…上部電極層
【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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