(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、横振動モードを低減するようにすることを目的とする。【解決手段】  第１の電極３と、この第１の電極３の上面に隣接して形成した圧電体層４と、この圧電体層４の上面に隣接して形成した第２の電極１０との積層体から成り、この積層体の第１及び第２の電極３及び１０に接続された信号配線３ａ，１０ａの領域を除いた部分のこの第１及び第２の電極３及び１０を空気と接する境界面を持つ様にすると共にこの部分の圧電体層４の平面形状を円形又は正多角形とした薄膜バルク音響共振器において、この第２の電極１０の一部に外周から中心に向かう切り込み１０ａを設けたものである。【選択図】        図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、該第１の電極の上面に隣接して形成した圧電体層と、該圧電体層の上面に隣接して形成した第２の電極との積層体から成り、該積層体の前記第１及び第２の電極に接続された信号配線の領域を除いた部分の前記第１及び第２の電極を空気と接する境界面を持つ様にすると共にこの部分の圧電体層の平面形状を円形又は正多角形とした薄膜バルク音響共振器において、
前記第２の電極の一部に外周から中心に向かう切り込みを設けたことを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
前記切り込みの先端が前記第２の電極の外周から中心に至る距離の半分以上に位置することを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
前記切り込みの平面形状が略２等辺３角形であることを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【請求項４】
請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
前記切り込みの先端における頂角が180度以下であることを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【請求項５】
請求項１記載の薄膜バルク音響共振器において、
前記切り込みの平面形状は前記第２の電極の外周に対応する辺を除き、残りの辺は前記第２の電極の一部で構成されていることを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信機器に使用される小型高周波フィルタに使用して好適な薄膜バルク音響共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＰＤＡ（personal digital assistant  個人向携帯情報通信）機器等の通信機器の高機能化、高速化に伴い、内蔵される数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚ動作の高周波フィルタには、これまでに増して小型化、低コスト化の要求がある。この要求を満たす高周波フィルタの有力候補が半導体製造技術を用いて形成できる薄膜バルク音響共振器を用いたフィルタである。
【０００３】
この薄膜バルク音響共振器の代表的な従来例として非特許文献１に記載されている空気ブリッジ型と呼ばれる図４及び図５に示すものがある。図４はこの空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器の例の平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【０００４】
この従来の空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器は図４及び図５に示す如く、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素から成る基板１上に空気ブリッジを構成する空気層２を介して、厚さ０．０１〜０．５μｍの円形の下部電極３を設ける。
【０００５】
この下部電極３上に厚さ１〜２μｍ程度の円形の圧電体層４を設け、この圧電体層４上に厚さ０．１〜０．５μｍ程度の円形の上部電極５を設ける。
【０００６】
この下部電極３、圧電体層４及び上部電極５は半導体製造技術で周知のスパッタ堆積技術やレジストをマスクとした各種エッチング技術を用いて順次形成されている。
【０００７】
下部電極３及び上部電極５としては例えばモリブデンやアルミニウムが使用され、圧電体層４としては例えば窒化アルミニウムや酸化亜鉛が用いられる。
【０００８】
この上部電極５と下部電極３とが圧電体層４を介して重なり合った領域（即ち音響共振器として動作する領域）の直下の空気層２の厚さを０．５〜３μｍとし、この下部電極３も上部電極５と同様に空気と接する境界面をもっている。
【０００９】
この空気層２は、シリコン酸化膜、ＰＳＧ（phosphorus silicate glass  リンをドープした酸化膜）膜、ＢＰＳＧ（boron phosphorus silicate glass ホウ素とリンが入ったシリカガラス）膜、ＳＯＧ膜等を図４、図５に示す如きビアホール６を介してエッチング除去することで形成される。
【００１０】
図４において、３ａは下部電極３に接続された信号配線、５ａは上部電極５に接続された信号配線である。
【００１１】
次に、この図４及び図５に示す薄膜バルク音響共振器の動作につき説明する。
【００１２】
この上部電極５と下部電極３との間に電圧を印加して電界を生じさせると、圧電体層４は電気的エネルギーの一部を弾性波（以下音波と記す）という形の機械的エネルギーへ変換する。
【００１３】
この機械的エネルギーは上部電極５及び下部電極３の電極面の垂直方向である圧電体層４の膜厚方向に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。この電気的／機械的エネルギーの変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、この薄膜バルク音響共振器は極めて低いインピーダンスを示す。
【００１４】
この特定の周波数は一般に共振周波数γと呼ばれ、その値γは一次近似として、上部電極５と下部電極３との存在を無視したとき、
γ＝Ｖ／２ｔ
で与えられる。ここでＶは圧電体層４中の音波の速度、ｔは圧電体層４の厚さである。
【００１５】
音波の波長をλとすると、
Ｖ＝γλ
の関係が成立することから、
ｔ＝λ／２
となる。
【００１６】
これは、圧電体層４中で誘起された音波が圧電体層４と上部電極５及び下部電極３との境界面で上下に反射を繰り返し、丁度、その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。
【００１７】
換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と外部印加の交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数となる。
【００１８】
この共振周波数で、この薄膜バルク音響共振器のインピーダンスが極めて小さくなることを利用したものとして複数の薄膜バルク音響共振器をラダー型に組み、所望の周波数帯の電気信号のみを低損失で通過させるバンドパスフィルターがこの非特許文献１に紹介されている。
【００１９】
この薄膜バルク音響共振器は上述の通り電極面に垂直方向に立つ振動モード（以下、主振動モードと呼ぶ）の音波を利用するが、この電極面と並行方向に伝搬する振動モード（以下、横振動モードと呼ぶ）の音波も誘起される。
【００２０】
この横振動モードの音波が上部電極５の端や圧電体層４の端等の音響インピーダンスが大きく変わる境界面で反射を繰り返し、定在波が形成されると、この薄膜バルク音響共振器あるいはこの薄膜バルク音響共振器を使用したフィルタの共振特性や品質係数が大きく劣化する。
【００２１】
具体的には、横振動モードの音波は主振動モードの音波に比較して長距離を伝搬するため、横振動モードの音波の周波数は主振動モードの音波の周波数、即ち共振周波数γよりかなり低くなるが、横振動モードの音波の高調波成分が、この共振周波数γの近傍の周波数を持つ場合があり、この薄膜バルク音響共振器の共振特性にスプリアスと呼ばれるノイズが発生する。またバンドパスフィルターを構成すると、通過周波数帯域でリップルが発生し、不要に大きな挿入損を引き起こす。
【００２２】
従来、この横振動モードを抑制する方法として、いくつかの方法が提案されている。特許文献１には、上部電極の外周に音波の吸収材料を設けて外周端での音波の反射を極力抑え、定在波が立つのを防止するようにしたものが記載されている。
【００２３】
また、非特許文献２には、この薄膜バルク音響共振器のサイズを大きくすることで、電極面と並行して横方向に伝搬する音波の伝搬距離を長く取り、エネルギーの減衰を引き起こして定在波を消滅させるようにするものが記載されている。
【００２４】
また、特許文献２には、上部電極と下部電極とが空間で重なり合った領域（薄膜バルク音響共振器として動作する領域）の平面形状を平行な辺を持たない不規則な多角形とすることで、横方向に伝搬する音波の反射回数を大幅に増やし、見掛けの薄膜バルク音響共振器のサイズを大きくしてエネルギーの減衰を引き起し、定在波を消滅させるようにしたものが記載されている。
【００２５】
図６はこの状況を示したもので、電極７の電極端８から出た音波が再び元の電極端８近傍に返ってくるまでに数多くの反射を繰り返させ、伝搬経路９を長くしている。
【特許文献１】特開２０００−３１５５２号公報
【特許文献２】特開２０００−３３２５６８号公報
【非特許文献１】K.M.Lakin “Thin film resonator and filters" Proceedings of the 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, Vol.2, pp895-906, 17-20 Oct.1999.
【非特許文献２】K.M.Lakin “Thin film bulk aconstic wave filters for GPS" Proceedings of the 1992 IEEE UltrasonicsSymposium, Vol.1, pp471-476, 20-23 Oct.1992.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
然しながら、特許文献１記載の発明では、音波の吸収材料そのものが不明で且つこの吸収材料を設けるための製造プロセスが増すことになり、実用性に乏しい不都合がある。
【００２７】
また非特許文献２に記載の発明では薄膜バルク音響共振器のサイズを不要に大きく設計することになり、小型化、低コスト化の観点で望ましいものではない。
【００２８】
特許文献２に記載の発明によれば小型サイズの薄膜バルク音響共振器で横振動モードの定在波を低減するに有効であるが、不規則な多角形の辺に対応した各頂角をいくらに設定すべきか不明であり、しかも多角形の辺数が多くなると設定すべき頂角の数も増し、平面形状の最適解を求めるのが困難である不都合がある。
【００２９】
本発明は斯る点に鑑み簡単な構成で、横振動モードを低減するようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明薄膜バルク音響共振器は第１の電極と、この第１の電極の上面に隣接して形成した圧電体層と、この圧電体層の上面に隣接して形成した第２の電極との積層体から成り、この積層体のこの第１及び第２の電極に接続された信号配線の領域を除いた部分のこの第１及び第２の電極を空気と接する境界面を持つ様にすると共にこの部分の圧電体層の平面形状を円形又は正多角形とした薄膜バルク音響共振器において、この第２の電極の一部に外周から中心に向かう切り込みを設けたものである。
【００３１】
本発明によれば、第２の電極の一部に外周から中心に向かう切り込みを設けたので、この切り込みにより横振動モードの音波の伝搬経路を遮断することができ、横振動モードを軽減あるいは抑制することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、第２の電極の一部に外周から中心に向かう切り込みを設ける簡単な構成で横振動モードの軽減あるいは抑制をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図１、図２及び図５を参照して、本発明薄膜バルク音響共振器を実施するための最良の形態の例につき説明する。図１において、図４に対応する部分には同一符号を付して示す。
【００３４】
図１は本例による空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器の平面図で、この図１のＶ−Ｖ線断面図を図５に示す。
【００３５】
本例による空気ブリッジ型の薄膜バルク音響共振器は図１及び図５に示す如く、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素から成る基板１上に空気ブリッジを構成する空気層２を介して、厚さ０．０１〜０．５μｍの円形の下部電極３を設ける。
【００３６】
この下部電極３上に隣接して厚さ１〜２μｍ程度の円形の圧電体層４を設け、この圧電体層４上に隣接して厚さ０．１〜０．５μｍ程度の上部電極１０を設け、下部電極３、圧電体層４及び上部電極１０の積層体とする。
【００３７】
本例においては、この上部電極１０の平面形状を、図１に示す如く円形に外周の一部より中心に向かう扇状（略２等辺３角形）の切り込み１０ａを設ける如くする。
【００３８】
この下部電極３、圧電体層４及び上部電極１０は半導体製造技術で周知のスパッタ堆積技術やレジストをマスクとした各種エッチング技術を用いて順次形成する。
【００３９】
下部電極３及び上部電極１０としては例えばモリブデンやアルミニウムが使用され、圧電体層４としては例えば窒化アルミニウムや酸化亜鉛が用いられる。
【００４０】
この上部電極１０と下部電極３とが圧電体層４を介して重なり合った領域（即ち音響共振器として動作する領域）の直下の空気層２の厚さを０．５〜３μｍとし、この下部電極３も上部電極１０と同様に空気と接する境界面をもっている。
【００４１】
この空気層２は、シリコン酸化膜、ＰＳＧ（phosphorus silicate glass  リンをドープした酸化膜）膜、ＢＰＳＧ（boron phosphorus silicate glass ホウ素とリンが入ったシリカガラス）膜、ＳＯＧ膜等を図１、図５に示す如きビアホール６を介してエッチング除去することで形成される。
【００４２】
図１において、３ａは下部電極３に接続された信号配線、１０ｂは上部電極１０に接続された信号配線である。
【００４３】
次に、この図１及び図５に示す薄膜バルク音響共振器の動作につき説明する。
【００４４】
この上部電極１０と下部電極３との間に電圧を印加して電界を生じさせると、圧電体層４は電気的エネルギーの一部を弾性波（以下音波と記す）という形の機械的エネルギーへ変換する。
【００４５】
この機械的エネルギーは上部電極１０及び下部電極３の電極面の垂直方向である圧電体層４の膜厚方向に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。この電気的／機械的エネルギーの変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、この薄膜バルク音響共振器は極めて低いインピーダンスを示す。
【００４６】
この特定の周波数は一般に共振周波数γと呼ばれ、その値γは一次近似として、上部電極１０と下部電極３との存在を無視したとき、
γ＝Ｖ／２ｔ
で与えられる。ここでＶは圧電体層４中の音波の速度、ｔは圧電体層４の厚さである。
【００４７】
音波の波長をλとすると、
Ｖ＝γλ
の関係が成立することから、
ｔ＝λ／２
となる。
【００４８】
これは、圧電体層４中で誘起された音波が圧電体層４と上部電極１０及び下部電極３との境界面で上下に反射を繰り返し、丁度、その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。
【００４９】
換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と外部印加の交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数となる。
【００５０】
次に上部電極１０の切り込み１０ａが横振動モードの低減に効果を発揮するメカニズムを説明する。図７に示すように信号配線５ａの領域を除いて、図４（従来）に示す如く上部電極５が円形の場合、上部電極５の一端から発し横方向に伝搬する音波が最短で返って来る経路は、円の中心点２０を通る経路である。
【００５１】
しかし、特定点を必ず通過しなければならないという条件下にある横振動モードは稀であり、むしろ２回以上の多数回反射を持つ横振動モードが発生する可能性が高い。これは定在波が立つ可能性のある伝搬経路が多数存在するからである。図８に多数存在する伝搬経路を模式的に示す。図８に示すように、円に内接する正多角形の外周に沿った伝搬経路で定在波が形成されている。
【００５２】
従って、横振動モードを軽減又は抑制するには、図８に示す音波の伝搬経路を遮断すれば良く、これは、本例の図１、図２に示すように、円形の上部電極１０の外周端から円中心に至る扇状（略２等辺３角形）の切り込み１０ａを設ければ良い。
【００５３】
この場合、伝搬経路に沿った音波は、図２に示すようにこの切り込み１０ａに垂直入射せず、発生点に帰還しない他方向に反射されるため、横振動モードの音波は軽減又は抑制されることになる。
【００５４】
因みに、図１、図７に示す如き、上部電極１０が円形に扇状の切り込み１０ａを有する薄膜バルク音響共振器を試作し、そのインピーダンスの絶対値を測定した結果は図９に示す如きであった。比較のため図４に示す如き上部電極５が単純な円形の場合の実測結果を図１０に示す。
【００５５】
この図９、図１０で示すインピーダンスの絶対値は、薄膜バルク音響共振器を単なる並行平板容量と見なしたときの容量値で規格化してある。基本構造定数としては、上及び下部電極１０，５及び３として用いたモリブデン電極の厚さは０．３μｍ、圧電体層４として用いた窒化アルミニウム層の厚さは１μｍ、円形の上部電極５，１０の半径は０．３μｍである。また、切り込み１０ａの先端の頂角は１９度とした。
【００５６】
図１０に示すように、従来の上部電極５が円形の場合には、共振周波数が約２．１ＧＨｚで、更にはこれより低い周波数領域でノイズ状にインピーダンスが変化しており、横振動モードが存在している。
【００５７】
一方、本例による切り込み１０ａを有する上部電極１０を用いた薄膜バルク音響共振器の場合には、図９に示すように、共振周波数の約２．１ＧＨｚ近傍でもインピーダンスにノイズ状の変化は見られず、比較的滑らかな変化となっている。これは切り込み１０ａを入れることで、横振動モードが低減されたことを意味する。
従って、本例によれば上部電極１０の外周から中心に向かう扇状（略２等辺３角形）の切り込みを設ける簡単な構成で横振動モードの軽減あるいは抑制をすることができる。
【００５８】
尚、図１及び図２例では上部電極１０の切り込み１０ａの先端を上部電極１０の中心としたが、この上部電極１０の切り込み１０ａの先端が円の中心ではなく図３に示す如く、円の中心に向かう切り込みであれば良い。
【００５９】
この場合、上部電極１０の切り込み１０ａの先端を円中心まで到達させると、薄膜バルク音響共振器として動作させる実面積が減少するため、これが最適解とは限らない。この上部電極１０の切り込み１０ａの先端が円中心に至らなくとも、効果的に横振動モードの音波の伝搬経路を遮断できるならこれが望ましい。
【００６０】
図３、図８に示すように円に内接する正多角形の音波の伝搬経路の内、最も円の内部を通る伝搬経路は正三角形であることから、この上部電極１０の切り込み１０ａの先端は図３に示す如くこの正三角形に至るまでで良い。
【００６１】
これは、図３に示す如く、上部電極１０の円の半径をｒとした場合切り込み１０ａの先端がｒ／２だけ円内部に入ることを意味する。実際にはこの切り込み１０ａの先端が外周よりｒ／２からｒの範囲で設定することができる。
【００６２】
また、この切り込み１０ａの先端の頂角は１８０度以下であれば良い。
【００６３】
また、上述例では上部電極１０の切り込み１０ａの形状を扇状即ち円中心に向かう２辺が２等辺３角形の２辺を構成しているが、この形状は音波が垂直入射しない他の形状であっても良い。
【００６４】
更に上部電極１０及び圧電体層４の平面形状として、楕円形、正多角形等の円以外の規則的な形状でも、この上部電極１０の切り込み１０ａの作用効果が得られることは勿論である。
【００６５】
またこの切り込みの作用効果は切り込みを上部電極１０でなく下部電極３に設けた場合であっても得られることは勿論である。
【００６６】
また、本発明を積み重ね薄膜バルク音響共振器に適用できることは勿論である。
【００６７】
また、本発明は上述例に限ることなく、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明薄膜バルク音響共振器を実施するための最良の形態の例を示す平面図である。
【図２】図１の説明に供する線図である。
【図３】本発明を実施するための最良の形態の他の例の説明に供する線図である。
【図４】従来の薄膜バルク音響共振器の例を示す平面図である。
【図５】図１及び図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】従来の説明に供する線図である。
【図７】説明に供する線図である。
【図８】説明に供する線図である。
【図９】本発明の説明に供する線図である。
【図１０】従来の説明に供する線図である。
【符号の説明】
【００６９】
１‥‥基板、２‥‥空気層、３‥‥下部電極、４‥‥圧電体層、１０‥‥上部電極、１０ａ‥‥切り込み
【図１】
2005348357.tif 000003
【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】
2005348357.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005348357.tif 000011
【図１０】
2005348357.tif 000012