(57)【要約】【課題】  薄膜バルク波共振器の電極面積を大きくすることによって、共振特性の劣化を抑制しつつ高い共振周波数を得る。【解決手段】  本発明の薄膜バルク波共振器は、上部電極１０４と、下部電極１０２と、上部電極１０４と下部電極１０２との間に設けられた圧電膜１０３及び音響多層膜１２０とを備えている。これにより、音響多層膜１２０の厚みの分だけ、上部電極１０４と下部電極１０２との距離が広がることから、上部電極１０４と下部電極１０２との間の単位面積当たりの静電容量を小さくすることができる。これにより、音響多層膜１２０が無い場合と比べて電極面積を大きくすることができ、圧電材料のグレインの影響を小さくすることが可能となる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられた圧電膜及び音響多層膜とを備えることを特徴とする薄膜バルク波共振器。
【請求項２】
前記音響多層膜は、第１の反射膜及び前記第１の反射膜とは異なる材料によって構成される第２の反射膜からなる対を少なくとも一対含んでいることを特徴とする請求項１に記載の薄膜バルク波共振器。
【請求項３】
前記第１の反射膜の主成分が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、前記第２の反射膜の主成分が酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜バルク波共振器。
【請求項４】
前記対を構成する前記第１及び第２の反射膜のうち、前記第２の反射膜が圧電膜側に位置していることを特徴とする請求項３に記載の薄膜バルク波共振器。
【請求項５】
前記下部電極と基板との間に設けられた他の音響多層膜をさらに備えること特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の薄膜バルク波共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜バルク波共振器に関し、特に、高い共振周波数を有する薄膜バルク波共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、小型で且つ高性能な共振器として、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、例えば５ＧＨｚ以上といった高い共振周波数が求められる用途において近年注目されている。
【０００３】
薄膜バルク波共振器は基本的に、上部電極、下部電極及びこれらの間に設けられた圧電膜によって構成され、上部電極と下部電極との間に高周波信号を印加することによって所望の共振特性を得ることができる。薄膜バルク波共振器の共振周波数は、主に、上部電極、下部電極及び圧電膜の膜厚に依存し、これら膜厚はバルク波の音速と共振周波数との比（音速／共振周波数）によって決まる波長を基準として設定される。ここで、バルク波の音速は、それぞれの膜を構成する材料の物性（弾性定数等）によって決まることから、それぞれの膜についての波長は共振周波数を高く設定するほど短くなる。つまり、高い共振周波数を得ようとすれば、圧電膜等の膜厚を薄く設定する必要が生じることになる。
【０００４】
このため、５ＧＨｚ以上といった高い共振周波数が求められる場合には、圧電膜の膜厚を非常に薄く設定する必要があり、例えば圧電膜の材料としてＺｎＯを用いた場合、共振周波数を５ＧＨｚ以上とするためにはその膜厚を０．２７μｍ程度とする必要がある。圧電膜の膜厚が薄くなると、当然、上部電極と下部電極との距離が短くなることから、上部電極と下部電極との間の静電容量は増大する。
【０００５】
一方、複数の薄膜バルク波共振器を用いてフィルタを構成する場合、そのフィルタ特性は、並列腕共振器の静電容量（Ｃｐ）と直列腕共振器の静電容量（Ｃｓ）との容量比（Ｃｐ／Ｃｓ）及び容量積（Ｃｐ・Ｃｓ）に大きく依存する。例えば、フィルタの入出力インピーダンスは容量積（Ｃｐ・Ｃｓ）に依存し、これを５０Ωとするためには、
【０００６】
【数１】
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を満たすよう、Ｃｐ及びＣｓの値を調整する必要がある。ここでｆ０は共振周波数である。式（１）を参照すれば、共振周波数ｆ０を高く設定するほど最適な容量積（Ｃｐ・Ｃｓ）が小さくなることが分かる。
【０００７】
しかしながら、上述の通り、薄膜バルク波共振器において共振周波数を高くするためには、圧電膜の膜厚を薄く設定する必要があるため、単位面積当たりの静電容量は共振周波数が高くなるに連れて逆に大きくなってしまう。このため、入出力インピーダンスを５０Ωに維持しつつ高い共振周波数を得るためには、上部電極と下部電極との重なり（電極面積）を小さく設定しなければならない。例えば、圧電膜の材料としてＺｎＯを用い、共振周波数を５ＧＨｚ以上とするためには、電極面積としては約５０００μｍ２以下に縮小する必要があった。
【特許文献１】特開平１０−２７０９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、薄膜バルク波共振器に用いられる圧電膜は、単結晶の圧電材料によって構成されるのではなく、ｃ軸配向した有限サイズのグレインによって構成されていることから、電極面積を非常に小さく設定するとｃ軸配向したグレインの影響が無視できなくなり、共振特性が劣化してしまうという問題があった。このような問題は、電極面積が約５０００μｍ２以下である場合特に顕著となることから、共振特性の劣化を抑制しつつ５ＧＨｚ以上の共振周波数を得ることは従来困難であった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、共振特性の劣化を抑制しつつ、高い共振周波数を得ることが可能な薄膜バルク波共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による薄膜バルク波共振器は、上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられた圧電膜及び音響多層膜とを備えることを特徴とする。本発明によれば、上部電極と下部電極との間に圧電膜のみならず音響多層膜が配置されていることから、その厚みの分、上部電極と下部電極との距離が広がり、上部電極と下部電極との間の単位面積当たりの静電容量を小さくすることができる。これにより、音響多層膜が無い場合と比べて電極面積を大きくすることができ、圧電材料のグレインの影響を小さくすることが可能となる。
【００１１】
本発明において、音響多層膜は、第１の反射膜及び前記第１の反射膜とは異なる材料によって構成される第２の反射膜からなる対を少なくとも一対含んでいることが好ましい。この場合、前記第１の反射膜の主成分が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、前記第２の反射膜の主成分が酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることが好ましく、前記対を構成する前記第１及び第２の反射膜のうち、前記第２の反射膜が圧電膜側に位置していることが好ましい。ここで、「主成分」とは、微量な他の材料や、不可避的に混入する不純物等が含まれている場合を含む意である。また、前記下部電極と基板との間に設けられた他の音響多層膜をさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、上部電極と下部電極との間に音響多層膜が設けられていない従来の薄膜バルク波共振器と比べ、電極面積を大きくすることができるので、共振特性の劣化を抑制しながら、高い共振周波数を得ることが可能となる。したがって、本発明は、５ＧＨｚ以上といった高い共振周波数が求められる場合において特に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の好ましい実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態による薄膜バルク波共振器は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた音響多層膜１１０と、音響多層膜１１０上に設けられた下部電極１０２と、下部電極１０２上に設けられた圧電膜１０３と、圧電膜１０３上に設けられた音響多層膜１２０と、音響多層膜１２０上に設けられた上部電極１０４とを備えて構成されており、下部電極１０２と上部電極１０４との間に高周波信号を印加することによって所望の共振特性を得ることができる。
【００１６】
基板１０１は、薄膜バルク波共振器の機械的強度を確保する基体としての役割を果たし、その材料としては、シリコン（Ｓｉ）やサファイアなどの単結晶基板、アルミナやアルティックなどのセラミックス基板、石英やガラス基板などを用いることができる。中でも、安価であり、且つ、高度なウェハープロセスが確立されているＳｉ単結晶を用いることが最も好ましい。
【００１７】
音響多層膜１１０は、互いに異なる材料からなる反射膜１１１及び１１２が交互に積層された構造を有しており、基板１０１方向へ伝搬する振動を反射することにより薄膜バルク波共振器の特性を向上させる役割を果たす。音響多層膜１１０を構成する反射膜の数としては特に限定されないが、本実施形態においては反射膜１１１及び１１２からなる対を４対積層している。反射膜１１１及び１１２の材料については、反射膜１１１の方が反射膜１１２よりも音響インピーダンスが高い限り特に限定されないが、対となる反射膜１１１及び１１２のうち、基板１０１側に位置する反射膜１１１については窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることが好ましく、下部電極１０２側に位置する反射膜１１２については酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることが好ましい。反射膜１１１の材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる場合には、これをスパッタリング法により形成することが好ましく、反射膜１１２の材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる場合には、これをＣＶＤ法により形成することが好ましい。反射膜１１１及び１１２の厚さについては目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の１／４程度にそれぞれ設定することが好ましい。ここで、波長とは上述の通り、バルク波の音速と、目的とする共振周波数との比（音速／共振周波数）によって定義することができる。
【００１８】
下部電極１０２は、薄膜バルク波共振器の一方の電極として用いられる他、製造時においては圧電膜１０３の下地となる膜であり、圧電膜１０３の材料としてＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＮなどのウルツァイト型結晶構造を有する圧電材料を用いる場合、下部電極としては、面心立方構造の（１１１）面、または、最密六方構造の（０００１）面に単一配向した金属薄膜を用いることが好ましい。これは、面心立方構造の（１１１）面に単一配向した金属薄膜や、最密六方構造の（０００１）面に単一配向した金属薄膜を下部電極１０２として用いれば、その上部に形成される圧電材料の結晶性がエピタキシャル成長により非常に良好となるからである。
【００１９】
下部電極１０２の材料としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）の少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。このうち、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびロジウム（Ｒｈ）は面心立方構造となり、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）およびルテニウム（Ｒｕ）は最密六方構造となる。これらの金属は表面を清浄に保ちやすく、また汚染された場合にもアッシングや熱処理等によって清浄な表面を得やすいという利点を有している。下部電極１０２の表面が清浄であると、圧電膜１０３を容易に結晶性良く形成することが可能となる。
【００２０】
下部電極１０２としては、このほかにもモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などの体心立方構造の金属薄膜や、ＳｒＲｕＯ３などのペロブスカイト型構造の酸化物導電体薄膜なども用いることができる。
【００２１】
下部電極１０２の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の１／１０程度に設定することが好ましい。また、下部電極１０２の形成には、真空蒸着法、スパッタリング法又はＣＶＤ法を用いることができる。
【００２２】
尚、下部電極１０２と音響多層膜１１０との密着性を向上させるべく、これらの間に密着層を介在させることもまた好ましい。密着層はウルツァイト型結晶構造を有する結晶によって構成することが望ましく、その材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等の３族元素から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素との化合物や、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）等の２族元素の酸化物や硫化物が好ましい。特に、ＡｌＮは大気中で安定であり、反応性スパッタリング法により高い結晶性を有する膜を容易に形成することができることから、密着層の材料として最も好ましい。
【００２３】
圧電膜１０３は、下部電極１０２と上部電極１０４との間に印加される電気信号をバルク波に変換する役割を果たし、その材料としては、上述の通り、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ等のウルツァイト型結晶構造を有する圧電材料を用いることができる。圧電膜１０３は単結晶の圧電材料によって構成されるのではなく、ｃ軸配向した有限サイズのグレインによって構成されているため、上部電極１０４と下部電極１０２との重なり（電極面積）が小さくなるとグレインの影響が相対的に大きくなってしまう。特に、電極面積が約５０００μｍ２以下になるとグレインの影響は無視できなくなり、薄膜バルク波共振器の共振特性は大きく劣化してしまう。
【００２４】
圧電膜１０３の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の１／２程度に設定することが好ましい。また、圧電膜１０３の形成には、真空蒸着法、スパッタリング法又はＣＶＤ法を用いて、その材料をエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００２５】
音響多層膜１２０は、互いに異なる材料からなる一対の反射膜１２１（第１の反射膜）及び反射膜１２２（第２の反射膜）によって構成されており、本実施形態では圧電膜１０３と上部電極１０４との間に配置されている。音響多層膜１２０は、共振特性の劣化を抑制しながら、下部電極１０２と上部電極１０４との距離を広げる役割を果たす。つまり、音響多層膜１２０を設けることにより、下部電極１０２と上部電極１０４との間の単位面積当たりの静電容量が小さくなることから、音響多層膜１２０が無い場合と比べて、上部電極と下部電極との重なり（電極面積）を大きくすることが可能となるのである。
【００２６】
ここで、下部電極１０２と上部電極１０４との距離を広げるために音響多層膜１２０を用いているのは、振動エネルギーの漏れを抑制するためである。つまり、下部電極１０２と上部電極１０４との間にＳｉＯ２等からなる単層の絶縁膜を介在させただけでは、単位面積当たりの静電容量は小さくなるものの振動エネルギーの漏れが大きく、共振特性が劣化してしまう。これに対し、音響多層膜１２０を用いれば、振動エネルギーの漏れが小さいことから、共振特性の劣化を効果的に抑制することが可能となるのである。
【００２７】
反射膜１２１及び１２２の材料については、反射膜１２１の方が反射膜１２２よりも音響インピーダンスが高い限り特に限定されないが、音響多層膜１１０を構成する反射膜と同じ材料を用いることが好ましい。つまり、対となる反射膜１２１及び１２２のうち、上部電極１０４側に位置する反射膜１２１については窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることが好ましく、圧電膜１０３側に位置する反射膜１２２については酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることが好ましい。音響多層膜１１０と同様、反射膜１２１の材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる場合には、これをスパッタリング法により形成することが好ましく、反射膜１２２の材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる場合には、これをＣＶＤ法により形成することが好ましい。反射膜１２１及び１２２の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の１／４程度にそれぞれ設定することが好ましい。
【００２８】
上部電極１０４は、薄膜バルク波共振器の他方の電極として用いられ、その材料としては、高い導電性を有する材料である限り特に限定されない。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属やこれらの金属と銅（Ｃｕ）等との合金、あるいはこれらの金属とチタン（Ｔｉ）等の金属を積層した多層膜を用いることができる。上部電極１０４の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の１／１０程度に設定することが好ましい。上部電極１０４の形成には、真空蒸着法、スパッタリング法又はＣＶＤ法を用いることができる。
【００２９】
以上が本実施形態による薄膜バルク波共振器の構造である。このように、本実施形態による薄膜バルク波共振器は、圧電膜１０３と上部電極１０４との間に音響多層膜１２０が配置されていることから、その厚みの分、下部電極１０２と上部電極１０４との距離が広がり、下部電極１０２と上部電極１０４との間の単位面積当たりの静電容量を小さくすることができる。これにより、音響多層膜１２０が無い場合と比べて、上部電極と下部電極との重なり（電極面積）を大きくすることができるので、共振周波数を例えば５ＧＨｚ以上といった高い周波数に設定する場合においても、電極面積を過度に小さく（特に５０００μｍ２以下）設定する必要がなくなる。これにより、圧電材料のグレインの影響が小さくなることから、共振特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００３０】
具体的な数値を挙げて説明すると、圧電膜１０３の材料としてＺｎＯ（εｒ＝９．０３）を用い、共振周波数を５ＧＨｚに設定する場合、必要となる膜厚は０．２７μｍである。ここで、求められる静電容量が例えば０．６２６ｐＦであるとすると、音響多層膜１２０が存在しない場合、電極面積としては４６μｍ四方（２１１６μｍ２）に設定する必要がある。これに対し、反射膜１２１が厚さ０．５１μｍのＡｌＮ（εｒ＝１２）であり、反射膜１２２が厚さ０．２７μｍのＳｉＯ２（εｒ＝４．２９）である音響多層膜１２０を圧電膜１０３と上部電極１０４との間に配置した場合、同じ静電容量（０．６２６ｐＦ）を得るために必要な電極面積は９８．５μｍ四方（９７０２．２５μｍ２）となり、約４．６倍の電極面積を確保することが可能となる。
【００３１】
また、音響多層膜１２０は周波数温度係数（ＴＣＦ）を改善する役割をも果たし、本実施形態による薄膜バルク波共振器では、約−１７ｐｐｍ／℃の周波数温度係数を得ることができる。これに対し、本実施形態による薄膜バルク波共振器から音響多層膜１２０を削除すると、周波数温度係数は約−４０ｐｐｍ／℃となる。
【００３２】
尚、音響多層膜１２０を構成する反射膜対（反射膜１２１及び１２２からなる対）の数としては一対である必要はなく、求められる特性に応じ、図２に示すように複数対（図２では２対）としても構わない。
【００３３】
図３は、本発明の好ましい他の実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【００３４】
図３に示すように、本実施形態による薄膜バルク波共振器は、音響多層膜１２０が下部電極１０２と圧電膜１０３との間に配置されている点において図１に示す薄膜バルク波共振器と異なっている。その他の点は、図１に示す薄膜バルク波共振器と同様であり、同じ効果を得ることができる。但し、音響多層膜１２０を下部電極１０２と圧電膜１０３との間に配置する場合、図３に示すように、反射膜１２１（例えばＡｌＮ）と反射膜１２２（例えばＳｉＯ２）の位置を図１とは逆にする必要がある。つまり、圧電膜１０３側に反射膜１２２（例えばＳｉＯ２）を配置する必要がある。尚、本実施形態においても、音響多層膜１２０を構成する反射膜対（反射膜１２１及び１２２からなる対）の数としては一対である必要はなく、求められる特性に応じ、図４に示すように複数対（図４では２対）としても構わない。
【００３５】
図５は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【００３６】
図５に示すように、本実施形態による薄膜バルク波共振器は、音響多層膜１２０が圧電膜１０３と上部電極１０４との間のみならず、下部電極１０２と圧電膜１０３との間にも配置されている点において図１に示す薄膜バルク波共振器と異なっている。その他の点は、図１に示す薄膜バルク波共振器と同様であり、同じ効果を得ることができる。下部電極１０２と圧電膜１０３との間に配置する音響多層膜１２０については、上述の通り、反射膜１２１（例えばＡｌＮ）と反射膜１２２（例えばＳｉＯ２）の位置を圧電膜１０３と上部電極１０４との間の音響多層膜１２０とは逆にする必要がある。尚、本実施形態においても、各音響多層膜１２０を構成する反射膜対（反射膜１２１及び１２２からなる対）の数としてはそれぞれ一対である必要はなく、求められる特性に応じ複数対としても構わないし、上部電極１０４側に配置された音響多層膜１２０の反射膜対数と下部電極１０２側に配置された音響多層膜１２０の反射膜対数とが互いに異なっていても構わない。
【００３７】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３８】
例えば、本発明において薄膜バルク波共振器の平面形状は特に限定されず、正方形・長方形等の四辺形、三角形、多角形、不等辺多角形、円形、楕円形等、どのような形状であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の好ましい実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【図２】図１に示す薄膜バルク波共振器の変形例である。
【図３】本発明の好ましい他の実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【図４】図３に示す薄膜バルク波共振器の変形例である。
【図５】本発明の好ましいさらに他の実施形態による薄膜バルク波共振器の構造を示す略断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１    基板
１０２    下部電極
１０３    圧電膜
１０４    上部電極
１１０，１２０  音響多層膜
１１１，１１２，１２１，１２２  反射膜
【図１】
2005136534.tif 000004
【図２】
2005136534.tif 000005
【図３】
2005136534.tif 000006
【図４】
2005136534.tif 000007
【図５】
2005136534.tif 000008